- 1986년부터 용융 비철금속 산업을 위한 테크니컬 세라믹 | 1986-2026년 40년의 우수성
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현대 기술에는 기계적, 열적, 화학적 특성이 향상된 세라믹이 필수적입니다. 시알론 및 질화규소 세라믹은 단단하고 내마모성이 뛰어나며 열적으로 안정적입니다. 질화규소와 알루미나를 결합하면 시알론은 파괴 인성과 산화 저항성을 갖게 됩니다. 질화규소는 열팽창률이 낮고 열전도율이 높아 고온 환경에 적합합니다. 항공우주, 자동차, 전자 산업 분야에서는 엔진 부품, 절삭 공구, 반도체 공정 장비 등에 이러한 세라믹을 사용하여 성능과 내구성을 향상시킵니다. 따라서 이러한 세라믹은 극한 환경에서도 탁월한 성능을 발휘합니다.
실리콘, 알루미늄, 산소, 질소는 정교한 소재인 시알론 세라믹을 구성합니다. 시알론은 질화규소(Si3N4)의 실리콘과 질소 원자를 알루미늄과 산소로 치환하여 만들어지며, 이를 통해 인성과 열 안정성이 향상됩니다. 시알론은 알파(α), 베타(β) 또는 혼합상으로 분류될 수 있습니다. 알파 시알론은 단일상 소재로, 높은 경도와 고온에서의 산화 저항성을 가지며, 극한 마모 환경에 사용됩니다.
베타 시알론은 맞물린 결정 구조, 파괴 인성 및 열충격 저항성 덕분에 절삭 공구 및 마모 부품에 적합합니다. 혼합상 시알론은 알파 및 베타 특성을 결합하면서 고온 응용 분야에 필요한 경도와 인성의 균형을 제공합니다.
고성능 질화규소 세라믹(Si3N4)은 실리콘과 질소를 기반으로 하는 소재입니다. 이러한 질화규소 세라믹은 높은 강도, 파괴 인성, 열 안정성 및 산화 저항성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 질화규소는 반응 결합, 소결 또는 열압착 방식으로 제조됩니다. 질화규소 분말을 질화시키면 다공성이면서 내구성이 뛰어난 반응 결합 질화규소(RBSN)가 만들어집니다. 소결 질화규소(SSN)는 이트리아 또는 알루미나를 소결하여 기계적 특성이 우수한 고밀도 세라믹을 만들어 베어링 및 터빈 부품에 사용됩니다. 열압착 질화규소(HPSN)는 열과 압력을 동시에 가하여 제조됩니다. 이는 고성능 엔진 부품 및 전자 기판에 사용되는 탁월한 기계적 강도와 열전도율을 지닌 고밀도 세라믹입니다.
질화규소(Si3N4) 세라믹 소결 과정에서 성형체는 치밀화되어 견고한 구조를 형성합니다. 분해를 방지하기 위해 1750~1850°C의 질소 분위기에서 무가압 소결이 이루어질 수 있습니다. 가스 가압 소결(GPD)은 최대 10MPa의 질소 가스 압력을 가하여 치밀화를 향상시킵니다. 이를 통해 소결 온도를 1700°C까지 낮추고 이론적인 밀도에 근접한 값을 얻을 수 있습니다. 고온 등방압 소결(HIP)은 고온(1600~1800°C)과 등방압 가스 압력(100~200MPa)을 결합하여 기계적 특성을 향상시킵니다. 최적의 결정립 성장, 기계적 강도 및 낮은 기공률을 얻기 위해서는 소결 온도, 압력 및 환경을 정밀하게 조절해야 합니다.
β'-시알론 세라믹의 소결은 질화규소와 유사점도 있지만 차이점도 있습니다. 두 물질 모두 고온 소결을 사용하지만, 시알론은 액상 형성과 치밀화 증진을 위해 Y2O3와 MgO를 첨가해야 할 수 있습니다. 이러한 첨가제는 소결 온도를 1600~1750°C까지 낮추고 일시적인 액상을 생성할 수 있습니다. 액상은 입자를 용해시키고 재침전시켜 균일한 미세구조 성장을 유도합니다. 용해-확산-재침전 소결 공정은 입자의 크기와 형상에 영향을 미칩니다. 미세구조 제어는 파괴 인성과 내마모성을 향상시킵니다. 따라서 고성능 시알론 세라믹을 얻기 위해서는 첨가제와 소결 조건 설정이 매우 중요합니다.
일반적인 응용 분야
높은 경도, 내마모성 및 온도 안정성 덕분에 시알론 및 질화규소 세라믹(Si3n4)은 절삭 공구 및 연마재에 이상적인 소재입니다. 시알론 세라믹은 고속 및 고온 환경에서도 절삭 공구의 날카로움을 유지하여 공구 교체 빈도를 최소화합니다. 질화규소는 고속 주철 및 경강 가공에서 생산성을 향상시킵니다. 자동차 엔진 부품 및 터보차저에도 이러한 세라믹이 사용됩니다. 낮은 열팽창률과 강력한 열충격 저항성으로 가혹한 환경에서도 내구성이 뛰어납니다. 높은 내마모성, 낮은 마찰 및 긴 수명은 산업 장비 베어링 및 롤러의 수명을 연장하여 유지 보수 비용을 절감합니다.
내열 충격성과 내화학성이 뛰어난 시알론 및 질화규소 세라믹(Si3N4)은 용융 비철금속을 다룰 수 있습니다. 이러한 소재는 열악한 환경에서도 급격한 온도 변화에도 파손되지 않습니다. 세라믹 열전대 외피는 신뢰할 수 있는 온도 측정을 통해 공정 제어를 가능하게 합니다. 라이저 튜브 와 로터 샤프트는 오염을 최소화하고 용융금속 취급을 보호합니다. 또한, 용융금속에 대한 낮은 젖음성과 뛰어난 기계적 강도로 주조 시간을 단축하고 효율성을 향상시킵니다.
용융 비철금속 공정은 1000°C 이상의 고온과 매우 부식성이 강한 반응성 금속에 노출될 수 있습니다. 이러한 조건은 흑연과 알루미나의 열화를 가속화하여 잦은 교체와 공급 부족을 초래합니다. 또한 이러한 환경에서는 빠른 열 순환과 심각한 화학 반응을 견딜 수 있는 재료가 필요합니다. 부품의 효율성과 수명을 위해서는 열 안정성, 내식성 및 기계적 강도가 향상된 새로운 소재가 필수적입니다.
용융 비철금속 분야는 시알론 및 질화규소 세라믹의 이점을 누립니다. 특히 시알론 세라믹은 강력한 열충격 저항성, 17.37 ± 0.48 GPa 의 경도, 그리고 극한 환경에서의 화학적 안정성을 가지고 있습니다. 질화규소 세라믹은 낮은 열팽창 계수(3.27×10⁻⁶°C⁻¹)와 우수한 파괴 인성 덕분에 열 응력 하에서도 내구성이 뛰어납니다. 이러한 세라믹은 고온에서 산화되는 흑연과는 달리 산화를 억제하는 산화질화규소 층을 생성합니다. 따라서 표준 재료보다 수명이 길고 관리가 덜 필요합니다.
질화규소 열전대 외피는 용융 금속 욕조의 온도 센서를 보호하여 정확한 측정값과 긴 수명을 제공합니다. 또한, 시알론 세라믹의 열적 및 기계적 내구성은 라이저 튜브의 내구성을 향상시킵니다. 이는 저압 다이캐스팅에 필수적인 요소로, 고온에서도 성능과 형상을 유지하고 주조 결함을 줄이며 생산 효율을 높입니다. 알루미늄 정련 공정 지속적인 용융 금속 및 부식성 플럭스에 노출되지만 산화 및 마모에 강합니다. 이는 수리 비용을 절감하고 공정 신뢰성을 향상시킵니다.
최근 시알론 및 질화규소 세라믹 소결 기술의 발전으로 첨가제와 보조제가 개선되어 재료 특성이 향상되었습니다. 이트리아와 이터비아를 포함한 희토류 산화물은 치밀화 및 미세구조 균일성을 촉진합니다. 또한, 결정립계 상 발달을 촉진하고 소결 온도를 낮춰 파괴 인성과 열 안정성을 향상시킵니다. 무가압 소결 및 스파크 플라즈마 소결(SPS) 기술의 발전으로 정밀한 미세구조 제어가 가능해졌으며, 결과적으로 세라믹에서 200nm 미만의 초미세 결정립을 구현할 수 있게 되었습니다. 소결 시간을 단축하면 결정립 형성이 감소하고 경도와 내마모성이 향상됩니다.
실리콘 및 질화규소 세라믹(Si3N4)은 생의학 및 전자 분야에 활용되고 있습니다. 질화규소는 생체 적합성과 항균성 덕분에 척추 유합술 및 치과 임플란트와 같은 의료용 임플란트 소재로 더욱 적합합니다. 또한, 높은 열전도율(최대 85W /m•K)과 우수한 전기 절연성으로 인해 전자 제품의 고주파, 고온 부품에 사용됩니다. 내열 충격성 및 내마모성은 고효율 터빈 블레이드 및 태양 전지 기판과 같은 재생 에너지 산업에서 연구되고 있는 부품의 성능 향상에 기여합니다. 이러한 다용도성 덕분에 질화규소 세라믹은 혁신적인 기술 분야에서 중요한 역할을 수행할 수 있는 매력적인 소재로 주목받고 있습니다. 따라서, 이러한 창의적인 응용 분야에서 상당한 발전이 기대됩니다.
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