질화 규소 세라믹: 이 "실용적 강국"은 오늘날 산업 시나리오에서 어떻게 가치를 제공합니까?

I. 질화규소 세라믹이 극한 산업 환경을 견딜 수 있는 이유는 무엇입니까?

현재 산업분야의 극한 환경에 대응하기 위한 "고기능 소재"로서, 질화규소 세라믹스 조밀하고 안정적인 3차원 공유 결합 구조가 특징입니다. 이러한 미세 구조적 특성은 내마모성, 열충격 저항성, 내부식성의 세 가지 실질적인 장점으로 직접적으로 해석되며 각각은 명확한 산업 테스트 결과와 실제 적용 시나리오를 통해 뒷받침됩니다.

내마모성 측면에서 질화규소 세라믹은 기존 공구강보다 훨씬 높은 경도를 자랑합니다. 기계 부품 테스트에서 동일한 작업 조건에서 연속 작동한 후 질화규소 세라믹 베어링 볼의 마모 손실은 강철 볼의 마모 손실보다 훨씬 낮아 내마모성이 크게 향상되었습니다. 예를 들어, 섬유 산업에서 전통적인 강철로 만든 방적기의 롤러는 섬유 마찰로 인해 마모되기 쉽고 실 두께가 고르지 않아 3개월마다 교체해야 합니다. 대조적으로, 질화규소 세라믹 롤러는 마모가 훨씬 느려서 교체 주기가 2년으로 연장됩니다. 이는 부품 교체를 위한 가동 중지 시간을 줄일 뿐만 아니라(이전에는 교체당 가동 중지 시간이 4시간이 필요했으나 현재는 연간 16시간으로 단축됨) 실 결함률을 3%에서 0.5%로 낮춥니다.

세라믹 절삭 공구 분야에서 질화규소 세라믹 공구 비트가 장착된 CNC 선반은 표면 거칠기를 Ra ≤ 0.8μm로 달성하면서 경화강을 직접 절단할 수 있습니다(어닐링 필요 없이 일반적으로 배치당 4~6시간이 소요되는 공정). 또한 질화규소 세라믹 공구 비트의 사용 수명은 기존 초경합금 공구 비트보다 3~5배 길어 단일 부품 배치의 처리 효율성을 40% 이상 높입니다.

열 성능과 관련하여 질화 규소 세라믹은 일반 탄소강보다 열팽창 계수가 훨씬 낮습니다. 즉, 급격한 온도 변화에 따른 부피 변형이 최소화됩니다. 산업용 열충격 테스트에 따르면 질화규소 세라믹 샘플을 1000°C의 고온 환경에서 채취하여 즉시 20°C 수조에 담그면 50사이클 후에도 균열이나 손상이 없는 상태로 유지되고 압축 강도는 3%만 감소하는 것으로 나타났습니다. 동일한 테스트 조건에서 알루미나 세라믹 샘플은 15주기 후에 뚜렷한 균열이 발생하고 압축 강도가 25% 감소했습니다.

이러한 특성으로 인해 질화규소 세라믹은 고온 작업 조건에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 예를 들어, 야금 산업의 연속 주조 장비에서 질화규소 세라믹으로 제작된 몰드 라이너는 냉각수와 자주 접촉하면서 용강의 고온(800~900°C)을 오랫동안 견딜 수 있습니다. 사용 수명은 기존 구리 합금 라이너보다 6~8배 길어 장비 유지 관리 주기가 1개월에서 6개월로 연장됩니다.

화학적 안정성 측면에서 질화규소 세라믹은 고농도 불화수소산과의 반응을 제외하고 대부분의 무기산 및 저농도 알칼리에 대해 우수한 저항성을 나타냅니다. 화학 산업에서 실시한 부식 테스트에서 질화규소 세라믹 시편을 50°C의 20% 황산 용액에 30일 동안 담근 결과, 중량 감소율은 0.02%에 불과했으며 표면에 뚜렷한 부식 흔적이 나타나지 않았습니다. 이에 반해, 동일한 조건에서 304 스테인리스강 시험편은 중량 감소율이 1.5%로 눈에 띄는 녹 반점이 있었습니다.

전기도금 산업에서 질화규소 세라믹으로 제작된 전기도금 탱크 라이너는 누출 없이 황산 및 염산과 같은 전기도금 용액과의 장기간 접촉을 견딜 수 있습니다(일반적으로 1년에 2~3회 누출되는 기존 PVC 라이너의 일반적인 문제). 질화규소 세라믹 라이너의 사용 수명이 1년에서 5년으로 연장되어 전기도금 용액 누출로 인한 생산 사고(누출 발생 시 처리를 위해 1~2일의 생산 중단 필요) 및 환경 오염이 줄어듭니다.

또한 질화규소 세라믹은 고온 환경에서도 우수한 절연 특성을 유지합니다. 1200°C에서 체적 저항률은 101²~1013 Ω·cm 사이로 유지되며 이는 기존 알루미나 세라믹(1200°C에서 약 10⁸ Ω·cm의 체적 저항률)보다 10⁴~10⁵배 더 높습니다. 따라서 고온 전기로의 절연 브래킷 및 항공우주 장비의 고온 와이어 절연 슬리브와 같은 고온 절연 시나리오에 이상적입니다.

II. 현재 질화규소 세라믹은 어떤 주요 분야에 적용되고 있나요?

"다중 성능 적응성"을 활용하여 질화 규소 세라믹은 기계 제조, 의료 기기, 화학 공학 및 에너지, 통신과 같은 주요 분야에 널리 적용되었습니다. 각 분야에는 특정 적용 시나리오와 실질적인 이점이 있어 기존 재료가 극복하기 위해 애쓰는 생산 문제를 효과적으로 해결합니다.

(1) 기계 제조: 자동차에서 농업 기계로 정밀 업그레이드

기계 제조에서 일반적인 세라믹 절삭 공구를 넘어 질화 규소 세라믹은 고정밀, 내마모성 핵심 부품에 널리 사용됩니다. 자동차 엔진에서 질화 규소 세라믹 플런저 샤프트는 디젤 엔진의 고압 커먼 레일 시스템에 사용됩니다. 표면 거칠기가 Ra 0.1μm이고 치수 허용 오차가 ±0.001mm인 이 제품은 기존 스테인리스강 플런저 샤프트보다 연료 부식 저항성이 4~25배 우수합니다(연료 유형에 따라 다름). 10,000시간 연속 엔진 작동 후 질화규소 세라믹 플런저 샤프트의 마모 손실은 스테인리스강의 1/10에 불과하여 고압 커먼 레일 시스템의 고장률을 3%에서 0.5%로 줄이고 엔진 연비를 5% 향상시킵니다(100km당 디젤 0.3L 절약).

농업 기계에서 질화 규소 세라믹으로 만들어진 화분의 종자 계량 장치용 기어는 토양 마모 및 살충제 부식에 대한 강한 저항성을 나타냅니다. 농지 작업에 사용되는 전통적인 강철 기어는 토양의 모래에 의해 빠르게 마모되고 농약 잔류물로 인해 부식되며 일반적으로 3개월마다 교체해야 합니다(마모 손실이 ≥ 0.2mm로 파종 오류가 ≥ 5%로 이어짐). 이에 반해 질화규소 세라믹 기어는 1년 이상 연속 사용이 가능하며 마모 손실은 0.03mm 이하, 파종 오차는 1% 이내로 제어되어 안정적인 파종 정밀도를 보장하고 재파종의 필요성이 줄어듭니다.

정밀 공작 기계에서는 질화 규소 세라믹 위치 지정 핀이 CNC 머시닝 센터의 공작물 위치 지정에 사용됩니다. 반복 위치 결정 정확도는 ±0.0005mm(정확도 ±0.002mm인 강철 위치 결정 핀의 4배)로 고주파 위치 결정(일당 1,000번 위치 결정 주기)에서도 긴 수명을 유지하고 유지 관리 주기를 6개월에서 3년으로 연장하고 부품 교체를 위한 기계 가동 중지 시간을 연간 12시간에서 2시간으로 줄입니다. 이를 통해 단일 공작 기계로 매년 약 500개 이상의 부품을 처리할 수 있습니다.

(2) 의료기기: 치과에서 안과로의 안전성 업그레이드

의료 기기 분야에서 질화 규소 세라믹은 "높은 경도, 무독성 및 체액 부식에 대한 저항성"으로 인해 최소 침습 기기 및 치과 도구에 이상적인 재료가 되었습니다. 치과 치료에서 치과용 드릴용 질화규소 세라믹 베어링 볼은 다양한 드릴 속도에 맞게 다양한 크기(1mm, 1.5mm, 2.381mm)로 제공됩니다. 이 세라믹 볼은 초정밀 연마를 거쳐 0.5μm 이하의 진원도 오차를 달성합니다. 치과용 드릴에 조립하면 체액 및 세척제와 장기간 접촉한 후에도 금속 이온(10~15%의 환자에게 알레르기를 일으킬 수 있는 기존 스테인리스 스틸 베어링 볼의 일반적인 문제)을 방출하지 않고 초고속(최대 450,000rpm)으로 작동할 수 있습니다.

임상 데이터에 따르면 질화규소 세라믹 베어링 볼이 장착된 치과용 드릴은 기존 드릴보다 수명이 3배 길어 치과 진료소의 기구 교체 비용이 67% 절감됩니다. 또한 향상된 작동 안정성으로 환자의 진동 불편이 30% 감소합니다(진동 진폭이 0.1mm에서 0.07mm로 감소).

안과 수술에서 백내장 수술용 수정체 유화침은 질화 규소 세라믹으로 제작되며 팁 직경이 0.8mm에 불과합니다. 높은 경도와 매끄러운 표면(표면 거칠기 Ra ≤ 0.02μm)으로 안구 내 조직을 긁지 않고 렌즈를 정밀하게 분해할 수 있습니다. 기존 티타늄 합금 바늘에 비해 질화 규소 세라믹 바늘은 조직 긁힘률을 2%에서 0.3%로 줄이고 수술 절개 크기를 3mm에서 2.2mm로 최소화하며 수술 후 회복 시간을 1~2일 단축합니다. 시력이 0.8 이상으로 회복된 환자의 비율이 15% 증가합니다.

정형외과 수술에서 질화규소 세라믹으로 제작된 최소 침습 척추경 나사 가이드는 높은 경도를 제공하며 CT 또는 MRI 영상을 방해하지 않습니다(영상을 가리는 인공물을 유발하는 기존 금속 가이드와는 달리). 이를 통해 의사는 영상 장비를 통해 실시간으로 가이드 위치를 확인할 수 있어 수술 위치 오차를 ±1mm에서 ±0.3mm로 줄이고 수술 합병증(신경 손상, 나사 정렬 불량 등) 발생률을 25% 낮출 수 있다.

(3) 화학 공학 및 에너지: 석탄 화학에서 석유 추출로 서비스 수명 업그레이드

화학공학과 에너지 분야는 핵심 응용 분야입니다. 질화규소 세라믹스 , "부식 방지 및 고온 저항"은 기존 재료의 짧은 서비스 수명과 높은 유지 관리 비용 문제를 효과적으로 해결합니다. 석탄화학 산업에서 가스화기는 석탄을 합성가스로 변환하는 핵심 장비로, 라이너는 1300°C에 달하는 고온과 황화수소(H2S) 등 가스에 의한 부식을 장기간 견뎌야 합니다.

이전에 이 시나리오에 사용된 크롬 강철 라이너는 평균 서비스 수명이 1년에 불과하여 교체를 위해 20일의 가동 중지 시간이 필요하고 단위당 500만 위안 이상의 유지 관리 비용이 발생했습니다. 질화규소 세라믹 라이너(10μm 두께의 침투 방지 코팅으로 내식성 강화)로 교체한 후 사용 수명이 5년 이상으로 연장되고 이에 따라 유지 관리 주기도 길어집니다. 이는 단일 가스화기의 연간 가동 중단 시간을 4일로 줄이고 매년 유지 관리 비용을 800,000위안 절감합니다.

석유 추출 산업에서 질화규소 세라믹으로 제작된 굴착 장비용 하우징은 깊은 우물의 고온(150°C 이상)과 염수 부식(염수 염분 함량 ≥ 20%)을 견딜 수 있습니다. 기존 금속 하우징(예: 316 스테인리스 스틸)은 사용 후 6개월 후에 누출이 발생하여 기기 고장을 일으키는 경우가 많습니다(고장률은 연간 약 15%). 반면, 질화규소 세라믹 하우징은 1% 미만의 실패율로 2년 이상 안정적으로 작동할 수 있어 데이터 기록의 연속성을 보장하고 재실행 작업의 필요성을 줄여줍니다(재실행 비용은 각각 30,000~50,000위안).

알루미늄 전기분해 산업에서 전해전지의 측벽은 950°C에서 용융된 전해질로 인한 부식을 견뎌야 합니다. 기존의 카본 측벽은 평균 사용 수명이 2년에 불과하며 전해액 누출이 발생하기 쉽습니다(연간 1~2건의 누출, 각 누출 처리를 위해 3일의 생산 중단 필요). 질화 규소 세라믹 측벽을 채택한 후 용융 전해질에 대한 내식성이 3배 향상되어 서비스 수명이 2년에서 8년으로 연장됩니다. 또한, 질화규소 세라믹의 열전도율(약 15W/m·K)은 탄소재료(약 50W/m·K)의 30%에 불과해 전해조에서 발생하는 열 손실을 줄이고 알루미늄 전해 단위 에너지 소비를 3% 낮춘다(알루미늄 1톤당 150kWh 전력 절감). 단일 전해조는 매년 약 120,000위안의 전기 비용을 절약합니다.

(4) 5G 통신: 기지국에서 차량 탑재 시스템으로 성능 업그레이드

5G 통신 분야에서 질화규소 세라믹은 '저유전율, 저손실, 고온 저항'으로 인해 기지국 레이돔과 레이더 커버의 핵심 소재가 됐다. 5G 기지국 레이돔은 바람, 비, 고온, 자외선 등 혹독한 실외 조건을 견디면서 신호 침투를 보장해야 합니다.

전통적인 유리 섬유 레이돔의 유전 상수는 약 5.5이고 신호 침투 손실은 약 3dB입니다. 이와 대조적으로 다공성 질화규소 세라믹(10~50μm의 조정 가능한 기공 크기 및 30%~50%의 다공성)은 유전 상수가 3.8~4.5이고 신호 침투 손실이 1.5dB 미만으로 감소하여 신호 적용 범위 반경이 500m에서 575m로 확장됩니다(15% 개선).

또한 다공성 질화규소 세라믹은 최대 1200°C의 온도를 견딜 수 있어 고온 영역(여름 표면 온도가 60°C에 도달)에서도 노화 없이 모양과 성능을 유지합니다. 유리섬유 레이돔에 비해 사용 수명이 2배(5년에서 10년으로 연장) 길어 기지국 레이돔 교체 비용이 50% 절감됩니다.

해양 통신 기지국에서 질화규소 세라믹 레이돔은 해수 염분(해수 내 염화물 이온 농도가 약 19,000mg/L)으로 인한 부식에 저항할 수 있습니다. 기존의 유리섬유 레이돔은 일반적으로 해양에서 2년 동안 사용하면 표면 노화와 박리(박리 면적 ≥ 10%)가 나타나므로 조기 교체가 필요합니다. 이에 비해 질화규소 세라믹 레이돔은 뚜렷한 부식 없이 5년 이상 사용할 수 있어 유지 관리 빈도(2년에 한 번에서 5년에 한 번)를 줄이고 유지 관리당 인건비를 약 20,000위안 절약할 수 있습니다.

차량 탑재 레이더 시스템에서 질화규소 세라믹 레이더 커버는 넓은 온도 범위(-40°C ~ 125°C)에서 작동할 수 있습니다. 밀리미터파 레이더(77GHz 주파수 대역)에 대한 테스트에서 유전 손실 탄젠트(tanδ)는 0.002 이하로 기존 플라스틱 레이더 커버의 유전 손실 탄젠트(tanδ ≒ 0.01)보다 훨씬 낮습니다. 이를 통해 레이더 감지 거리가 150m에서 180m(20% 개선)로 늘어나고, 악천후(비, 안개)에서도 감지 안정성이 30% 향상(감지 오차가 ±5m에서 ±3.5m로 감소)되어 차량이 장애물을 사전에 식별할 수 있어 주행 안전성이 향상됩니다.

III. 기존 저비용 준비 기술이 질화 규소 세라믹의 대중화를 어떻게 촉진합니까?

이전에는 질화규소 세라믹의 적용이 높은 원자재 비용, 높은 에너지 소비 및 복잡한 제조 공정으로 인해 제한되었습니다. 오늘날 다양한 성숙한 저비용 준비 기술이 산업화되어 전체 공정(원료부터 성형 및 소결까지)에 걸쳐 비용을 절감하는 동시에 제품 성능을 보장합니다. 이로 인해 더 많은 분야에서 질화규소 세라믹의 대규모 적용이 촉진되었으며, 각 기술은 명확한 적용 효과와 사례로 뒷받침됩니다.

(1) 3D 프린팅 연소 합성: 복잡한 구조를 위한 저비용 솔루션

연소합성과 결합된 3D 프린팅은 최근 질화규소 세라믹의 비용 절감을 주도하는 핵심 기술 중 하나로, "저비용 원자재, 낮은 에너지 소비, 맞춤형 복잡한 구조" 등의 장점을 제공합니다.

전통적인 질화규소 세라믹 제조는 고순도 질화규소 분말(순도 99.9%, 가격은 약 800위안/kg)을 사용하고 고온로(1800~1900°C)에서 소결해야 하므로 에너지 소비가 높습니다(제품 톤당 약 5000kWh). 이에 반해 3D 프린팅 연소합성 기술은 일반 공업용 실리콘 분말(순도 98%, 가격은 약 50위안/kg)을 원료로 사용한다. 먼저, 선택적 레이저 소결(SLS) 3D 프린팅 기술을 사용하여 실리콘 분말을 원하는 모양의 그린 바디로 인쇄합니다(인쇄 정확도 ±0.1mm). 그런 다음 성형체를 밀봉된 반응기에 넣고 질소 가스(순도 99.9%)를 도입합니다. 성형체를 실리콘의 발화점(약 1450°C)까지 전기적으로 가열함으로써 실리콘 분말이 질소와 자발적으로 반응하여 질화규소를 형성합니다(반응식: 3Si 2N² = Si₃N₄). 반응에 의해 방출된 열은 후속 반응을 유지하여 지속적인 외부 고온 가열의 필요성을 제거하고 "거의 에너지 소비 소결"을 달성합니다(에너지 소비가 제품 톤당 1000kWh 미만으로 감소됨).

이 기술의 원자재 비용은 기존 공정의 6.25%에 불과하며 소결 에너지 소비는 80% 이상 절감됩니다. 또한, 3D 프린팅 기술을 사용하면 후속 가공 없이 복잡한 다공성 구조나 특수 형상의 질화규소 세라믹 제품을 직접 생산할 수 있어(전통적인 공정에서는 여러 번의 절단 및 연삭 단계가 필요하므로 재료 손실률이 약 20%에 달함) 재료 활용도가 95% 이상으로 높아집니다.

예를 들어, 다공성 질화규소 세라믹 필터 코어를 생산하기 위해 이 기술을 사용하는 회사는 5% 이하의 기공 크기 균일성 오류를 달성하고 생산 주기를 15일(기존 공정)에서 3일로 단축하며 제품 적격성 비율을 85%에서 98%로 높입니다. 단일 필터 코어의 생산 비용은 200위안에서 80위안으로 감소됩니다. 폐수 처리 장비에서 이러한 3D 프린팅 다공성 세라믹 필터 코어는 폐수의 불순물을 효율적으로 필터링하고(최대 1μm의 여과 정밀도) 산-염기 부식에 저항할 수 있습니다(pH 범위 2~12의 폐수에 적합). 기존 플라스틱 필터 코어보다 서비스 수명이 3배 더 길고(6개월에서 18개월로 연장) 교체 비용이 더 저렴합니다. 많은 중소 규모 폐수 처리장에서 홍보 및 사용되어 여과 시스템의 유지 관리 비용을 40% 절감하는 데 도움이 됩니다.

(2) 겔 캐스팅 금형 재활용: 금형 비용 대폭 절감

젤 캐스팅과 금형 재활용 기술의 결합은 "금형 비용"과 "성형 효율성"이라는 두 가지 측면에서 비용을 절감하여 기존 젤 캐스팅 공정에서 금형을 일회성으로 사용하여 발생하는 높은 비용 문제를 해결합니다.

전통적인 젤 캐스팅 공정은 대부분 수지 몰드를 사용하는데, 이는 폐기되기 전에 1~2회만 사용할 수 있습니다(수지는 성형 중 경화 수축으로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다). 모양이 복잡한 질화규소 세라믹 제품(예: 특수 모양의 베어링 슬리브)의 경우 단일 수지 금형 비용은 약 5,000위안이고 금형 제작 주기는 7일이 소요되어 생산 비용이 크게 증가합니다.

이에 반해, 겔 주조 금형 재활용 기술은 저온 용해성 합금(비스무트-주석 합금 등 녹는점이 약 100~150°C)을 사용하여 금형을 제작합니다. 이러한 합금 금형은 50~100회 재사용할 수 있으며, 금형 비용을 상각한 후 제품 배치당 금형 비용이 5,000위안에서 50~100위안으로 90% 이상 감소합니다.

구체적인 공정 흐름은 다음과 같습니다. 먼저 저온 용해성 합금을 가열하여 녹인 다음 강철 마스터 몰드(장시간 사용 가능)에 붓고 냉각하여 합금 몰드를 형성합니다. 다음으로, 질화규소 세라믹 슬러리(질화규소 분말, 바인더, 물로 구성되며 고형분 함량 약 60%)를 합금 주형에 주입하고, 60~80°C에서 2~3시간 동안 배양하여 슬러리를 겔화하여 성형체로 고화시킵니다. 마지막으로, 그린 바디가 있는 합금 몰드를 100~150°C로 가열하여 합금 몰드를 다시 녹이고(합금 회수율은 95% 이상) 동시에 세라믹 그린 바디를 꺼냅니다(그린 바디의 상대 밀도는 약 55%이며, 후속 소결 후 상대 밀도는 98% 이상에 도달할 수 있음).

이 기술은 금형 비용을 절감할 뿐만 아니라 금형 제작 주기를 7일에서 1일로 단축해 그린 바디 성형 효율을 6배 높인다. 질화규소 세라믹 플런저 샤프트를 생산하기 위해 이 기술을 사용하는 세라믹 기업은 월간 생산 능력을 500개에서 3,000개로 늘리고 제품당 금형 비용을 10위안에서 0.2위안으로 줄였으며 종합 제품 비용을 18% 낮췄습니다. 현재 이 기업에서 생산하는 세라믹 플런저 샤프트는 많은 자동차 엔진 제조업체에 대량으로 공급되어 전통적인 스테인리스 스틸 플런저 샤프트를 대체하고 자동차 제조업체가 엔진 고압 커먼 레일 시스템의 고장률을 3%에서 0.3%로 줄여 매년 판매 후 유지 관리 비용을 약 1천만 위안 절약하는 데 도움이 됩니다.

(3) 건식압착 공정: 대량생산을 위한 효율적인 선택

건식 프레싱 공정은 '공정 단순화 및 에너지 절약'을 통해 비용 절감을 실현하므로 베어링 볼, 부싱 등 단순한 형상의 질화규소 세라믹 제품을 대량 생산하는 데 특히 적합합니다. 이는 현재 세라믹 베어링 및 씰과 같은 표준화된 제품의 주류 준비 공정입니다.

전통적인 습식 프레싱 공정은 질화규소 분말을 다량의 물(또는 유기용매)과 혼합하여 슬러리(고형분 함량 약 40~50%)를 만든 후 성형, 건조(80~120°C에서 24시간 유지), 탈지(600~800°C에서 10시간 유지) 과정을 거쳐야 합니다. 이 공정은 번거롭고 에너지 집약적이며, 성형체는 건조 중에 균열이 발생하기 쉬우며(균열률은 약 5%~8%) 제품 적격성 비율에 영향을 미칩니다.

대조적으로, 건식 프레싱 공정은 질화규소 분말을 직접 사용합니다(폴리비닐 알코올과 같은 소량의 고체 바인더를 분말 질량의 2%-3% 비율로 첨가함). 혼합물을 고속믹서(1,500~2,000rpm 회전)에서 1~2시간 동안 혼합하여 바인더가 분말 표면에 균일하게 코팅되도록 하여 유동성이 좋은 분말을 형성합니다. 그런 다음 분말을 건식 프레싱용 프레스(성형 압력은 일반적으로 20~50 MPa, 제품 모양에 따라 조정됨)에 공급하여 균일한 밀도(생체의 상대 밀도는 약 60%~65%)의 성형체를 한 단계로 형성합니다.

이 공정에서는 건조 및 탈지 단계가 완전히 제거되어 생산 주기가 48시간(기존 습식 공정)에서 8시간으로 단축되어 30% 이상 단축됩니다. 동시에 건조 및 탈지를 위한 가열이 필요하지 않기 때문에 제품 톤당 에너지 소비량이 500kWh에서 100kWh로 80% 감소합니다.

또한 건식 프레싱 공정에서는 폐수나 폐가스 배출이 발생하지 않으며(습식 프레싱 공정에서는 바인더가 포함된 폐수 처리가 필요함) "탄소 배출 제로"를 달성하고 환경 보호 생산 요구 사항을 충족합니다. 질화규소 세라믹 베어링 볼(직경 5~20mm)을 생산하기 위해 건식 프레싱 공정을 사용하는 베어링 기업은 금형 설계 및 프레싱 매개변수를 최적화하여 성형체 균열률을 0.5% 미만으로 제어하고 제품 적격성 비율을 88%(습식 공정)에서 99%로 높였습니다. 연간 생산 능력은 100,000개에서 300,000개로 증가하고, 제품당 에너지 비용은 5위안에서 1위안으로 감소했으며, 폐수 처리가 필요하지 않아 기업은 매년 환경 처리 비용을 200,000위안 절감했습니다.

이 세라믹 베어링 볼은 고급 공작 기계 스핀들에 적용되었습니다. 스틸 베어링 볼과 비교하여 스핀들 작동 중 마찰열 발생을 줄이고(마찰계수는 0.0015에서 0.001로 감소) 스핀들 속도는 15% 증가(8,000rpm에서 9,200rpm)하고 보다 안정적인 가공 정확도를 보장합니다(가공 오류는 ±0.002mm에서 ±0.001mm로 감소).

(4) 원료 혁신: 모나자이트가 희토류 산화물을 대체함

원료의 혁신은 질화규소 세라믹의 원가 절감에 결정적인 뒷받침이 되고 있으며, 그 중 '희토류 산화물 대신 모나자이트를 소결조제로 사용'하는 기술이 산업화됐다.

질화규소 세라믹의 전통적인 소결 공정에서는 소결 온도(2,000°C 이상에서 1,800°C 정도)를 낮추고 입자 성장을 촉진하여 치밀한 세라믹 구조를 형성하기 위해 소결 보조제로 희토류 산화물(Y2O₃ 및 La2O₃ 등)을 첨가합니다. 그러나 이러한 고순도 희토류 산화물은 고가(Y2O₃의 가격은 약 2,000위안/kg, La2O₃의 경우 약 1,500위안/kg)이며, 첨가량은 보통 5~10%(질량 기준)로 전체 원재료비의 60% 이상을 차지해 제품 가격이 크게 상승한다.

모나자이트는 천연 희토류 광물로서 주로 CeO2, La2O₃, Nd2O₃ 등의 여러 희토류 산화물로 구성되어 있습니다. 선광, 산 침출 및 추출 정제 후 희토류 산화물의 총 순도는 95% 이상에 도달할 수 있으며 가격은 약 100위안/kg에 불과하며 단일 고순도 희토류 산화물의 가격보다 훨씬 낮습니다. 더욱 중요한 것은 모나자이트에 함유된 여러 희토류 산화물이 CeO2는 소결 초기 치밀화를 촉진하고, La2O₃는 과도한 결정립 성장을 억제하며, Nd2O₃는 세라믹의 파괴인성을 향상시켜 단일 희토류 산화물보다 종합적인 소결 효과가 더 좋은 시너지 효과를 갖는다는 점이다.

실험 데이터에 따르면 5%(질량) 모나자이트가 첨가된 질화규소 세라믹의 경우 소결 온도가 1,800°C(기존 공정)에서 1,600°C로 감소할 수 있고, 소결 시간이 4시간에서 2시간으로 단축되며, 에너지 소비가 25% 감소합니다. 동시에 제조된 질화규소 세라믹의 굽힘 강도는 850 MPa에 도달하고 파괴 인성은 7.5 MPa·m1/²에 도달합니다. 이는 희토류 산화물을 첨가한 제품(굽힘 강도 800~850 MPa, 파괴 인성 7~7.5 MPa·m1/²)과 비슷하며 산업 응용 요구 사항을 완전히 충족합니다.

모나자이트를 소결 보조제로 채택한 한 세라믹 소재 기업은 원재료 비용을 톤당 12,000위안에서 톤당 6,000위안으로 50% 절감했습니다. 한편, 소결 온도를 낮추어 소결로의 수명을 5년에서 8년으로 연장해 장비 감가상각비를 37.5% 절감했다. 이 기업에서 생산하는 저가형 질화규소 세라믹 라이닝 벽돌(치수 200mm × 100mm × 50mm)은 화학 반응 주전자의 내벽용으로 일괄 공급되어 기존의 고알루미나 라이닝 벽돌을 대체합니다. 서비스 수명이 2년에서 4년으로 연장되어 화학 기업이 반응 주전자의 유지 관리 주기를 두 배로 늘리고 매년 주전자당 유지 관리 비용을 300,000위안 절약할 수 있습니다.

IV. 질화규소 세라믹을 사용할 때 어떤 유지 관리 및 보호 사항에 유의해야 합니까?

질화 규소 세라믹은 우수한 성능을 가지고 있지만 실제 사용 시 과학적인 유지 관리 및 보호를 통해 서비스 수명을 더욱 연장하고 부적절한 작동으로 인한 손상을 방지하며 적용 비용 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 특히 장비 유지 관리 담당자 및 일선 운영자에게 중요합니다.

(1) 매일 청소: 표면 손상 및 성능 저하 방지

질화규소 세라믹 표면에 기름, 먼지 또는 부식성 매체와 같은 불순물이 부착된 경우 장기간 축적되면 내마모성, 밀봉 성능 또는 절연 성능에 영향을 미칩니다. 적용 시나리오에 따라 적절한 청소 방법을 선택해야 합니다.

기계 장비의 세라믹 부품(베어링, 플런저 샤프트, 고정 핀 등)의 경우 먼저 압축 공기(0.4~0.6MPa 압력)를 사용하여 표면 먼지를 불어낸 다음 중성 세제(예: 산업용 알코올 또는 5%~10% 중성 세제 용액)에 담근 부드러운 천이나 스폰지로 부드럽게 닦아야 합니다. 세라믹 표면 긁힘을 방지하려면 스틸 울, 사포 또는 단단한 스크레이퍼와 같은 딱딱한 도구를 피해야 합니다. 표면 긁힘은 조밀한 구조를 손상시켜 내마모성을 감소시키고(마모율은 2~3배 증가할 수 있음) 밀봉 시나리오에서 누출을 유발합니다.

의료 기기(예: 치과용 드릴 베어링 볼 및 수술용 바늘)의 세라믹 부품의 경우 엄격한 멸균 세척 절차를 따라야 합니다. 먼저 탈이온수로 표면을 헹구어 혈액 및 조직 잔류물을 제거한 다음 고온 고압 멸균기(121°C, 0.1MPa 증기)에서 30분간 멸균합니다. 멸균 후에는 손 접촉으로 인한 오염을 방지하기 위해 멸균 핀셋으로 구성 요소를 제거해야 하며, 세라믹 구성 요소의 치핑이나 균열을 방지하기 위해 금속 기구(예: 수술용 집게 및 트레이)와의 충돌을 방지해야 합니다(칩은 사용 중 응력 집중을 유발하여 골절로 이어질 수 있음).

화학 장비의 세라믹 라이닝 및 배관의 경우 매체 운송을 중지하고 장비를 상온으로 식힌 후 청소를 수행해야 합니다(고온 청소로 인한 열충격 손상 방지). 고압 물총(수온 20~40°C, 압력 1~2MPa)을 사용하여 내벽에 부착된 스케일이나 불순물을 씻어낼 수 있습니다. 스케일이 두꺼운 경우 약산성 세척제(예: 5% 구연산 용액)를 사용하여 1~2시간 동안 담가둔 후 헹궈낼 수 있습니다. 세라믹 표면의 부식을 방지하기 위해 강한 부식성 세척제(농염산, 농질산 등) 사용을 금지합니다.

(2) 설치 및 조립: 응력 제어 및 피팅 정밀도

질화규소 세라믹은 경도가 높지만 상대적으로 높은 취성(파괴 인성 약 7~8MPa·m1/², 150MPa·m1/² 이상인 강철보다 훨씬 낮음)을 갖습니다. 설치 및 조립 시 응력이 부적절하거나 장착 정밀도가 부족하면 균열이나 파손이 발생할 수 있습니다. 다음 사항에 유의해야 합니다.

강한 충격을 피하십시오: 세라믹 부품을 설치하는 동안 망치나 렌치와 같은 도구를 사용하여 직접 두드리는 것은 금지됩니다. 보조 설치에는 특수한 연질 도구(예: 고무 망치 및 구리 슬리브) 또는 안내 도구를 사용해야 합니다. 예를 들어, 세라믹 고정 핀을 설치할 때 소량의 윤활 그리스(예: 이황화 몰리브덴 그리스)를 먼저 설치 구멍에 바른 다음 특수 압력 헤드(공급 속도 5mm/s 이하)로 천천히 밀어 넣어야 하며, 누르는 힘은 세라믹 압축 강도의 1/3(보통 200MPa 이하)로 제어되어 과도한 압출로 인해 고정 핀이 파손되는 것을 방지해야 합니다.

제어 피팅 간격: 세라믹 부품과 금속 부품 사이의 피팅 간격은 적용 시나리오에 따라 일반적으로 전환 끼워맞춤 또는 작은 간격 끼워맞춤(간격 0.005-0.01mm)을 사용하여 설계해야 합니다. 간섭 끼워 맞춤은 피해야 합니다. 간섭으로 인해 세라믹 부품이 장기간 압축 응력을 받게 되어 쉽게 미세 균열이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 세라믹 베어링과 샤프트 사이의 끼워맞춤의 경우, 억지 끼워 맞춤은 고속 작동 시 열팽창으로 인해 응력 집중을 유발하여 베어링 파손으로 이어질 수 있습니다. 과도한 간격은 작동 중 진동을 증가시켜 정밀도에 영향을 미칩니다.

탄성 클램핑 설계: 고정이 필요한 세라믹 부품(예: 세라믹 공구 비트 및 센서 하우징)의 경우 견고한 클램핑 대신 탄성 클램핑 구조를 채택해야 합니다. 예를 들어, 세라믹 도구 비트와 도구 홀더 사이의 연결은 클램핑을 위해 스프링 콜릿 또는 탄성 확장 슬리브를 사용할 수 있으며, 탄성 요소의 변형을 사용하여 클램핑 힘을 흡수하고 과도한 국부 응력으로 인해 도구 비트가 부서지는 것을 방지할 수 있습니다. 기존의 볼트 고정식 클램핑은 공구 비트에 균열을 일으키고 수명을 단축시키는 경향이 있습니다.

(3) 작업 조건 적응: 성능 한계 초과 방지

질화규소 세라믹에는 명확한 성능 한계가 있습니다. 작업 조건에서 이러한 제한을 초과하면 급격한 성능 저하 또는 손상이 발생하므로 실제 시나리오에 따라 합리적인 조정이 필요합니다.

온도 제어: 질화 규소 세라믹의 장기 사용 온도는 일반적으로 1,400°C 이하이며 단기 고온 한계는 약 1,600°C입니다. 초고온 환경(1,600°C 이상)에서 장기간 사용하면 입자 성장 및 구조적 풀림이 발생하여 강도가 저하됩니다(1,600°C에서 10시간 유지 후 굴곡 강도가 30% 이상 감소할 수 있음). 따라서 야금 및 유리 제조와 같은 초고온 시나리오에서는 세라믹 부품에 단열 코팅(예: 두께 50~100μm의 지르코니아 코팅) 또는 냉각 시스템(예: 수냉식 재킷)을 사용하여 세라믹 표면 온도를 1,200°C 미만으로 제어해야 합니다.

부식 방지: 질화규소 세라믹의 내식성 범위는 명확하게 식별되어야 합니다. 이는 불화수소산(농도 ≥ 10%) 및 농축 인산(농도 ≥ 85%)을 제외한 대부분의 무기산, 알칼리 및 염 용액에 내성이 있지만 강한 산화 매질(예: 농축 질산과 과산화수소의 혼합물)에서는 산화 부식을 겪을 수 있습니다. 따라서 화학적 시나리오에서는 배지 구성을 먼저 확인해야 합니다. 불화수소산이나 강력한 산화 매체가 있는 경우 다른 부식 방지 재료(예: 폴리테트라플루오로에틸렌 및 하스텔로이)를 대신 사용해야 합니다. 매체가 부식성이 약한 경우(예: 20% 황산 및 10% 수산화나트륨) 부식 방지 코팅(예: 알루미나 코팅)을 세라믹 표면에 뿌려 보호 기능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

충격 부하 방지: 질화 규소 세라믹은 충격 저항이 낮습니다(충격 인성은 약 2-3kJ/m²로 강철의 충격 인성(50kJ/m² 이상)보다 훨씬 낮음)으로 심각한 충격이 있는 시나리오(예: 광산 분쇄기 및 단조 장비)에는 적합하지 않습니다. 충격이 있는 시나리오(예: 진동 스크린용 세라믹 체판)에서 사용해야 하는 경우 세라믹 부품과 장비 프레임 사이에 완충층(예: 두께 5~10mm의 고무 또는 폴리우레탄 엘라스토머)을 추가하여 충격 에너지의 일부를 흡수하고(충격 부하를 40%~60% 줄일 수 있음) 고주파 충격으로 인한 세라믹의 피로 손상을 방지해야 합니다.

(4) 정기 점검 : 현황을 모니터링하고 적시에 처리

일상적인 청소 및 설치 보호 외에도 질화 규소 세라믹 부품의 정기적인 유지 관리 검사는 적시에 잠재적인 문제를 감지하고 결함의 확대를 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다양한 적용 시나리오의 구성 요소에 대한 검사 빈도, 방법 및 판단 기준은 특정 용도에 따라 조정되어야 합니다.

1. 기계적 회전 부품(베어링, 플런저 샤프트, 위치 핀)

3개월마다 종합검사를 받는 것이 좋습니다. 검사 전에 장비를 끄고 전원을 꺼서 구성 요소가 고정되어 있는지 확인해야 합니다. 육안 검사 중에는 10~20배 확대경으로 표면 긁힘과 균열을 확인하는 것 외에도 깨끗하고 부드러운 천을 사용하여 표면을 닦아 금속 마모 잔해가 있는지 확인해야 합니다. 잔해가 있으면 일치하는 금속 구성 요소의 마모를 나타낼 수 있으며 검사도 필요합니다. 플런저 샤프트와 같은 밀봉 부품의 경우 밀봉 표면에 찌그러진 부분이 있는지 확인하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다. 0.05mm를 초과하는 움푹 들어간 곳 깊이는 밀봉 성능에 영향을 미칩니다.

성능 테스트에서 진동 감지기는 구성 요소 표면(예: 베어링 외부 링)에 밀접하게 부착되어야 하며 진동 값은 다양한 속도(저속에서 정격 속도까지, 500rpm 간격)에서 기록되어야 합니다. 특정 속도(예: 0.08mm/s에서 0.25mm/s)에서 진동 값이 갑자기 증가하는 경우 과도한 피팅 간격이나 윤활 그리스의 결함을 나타낼 수 있으므로 분해 및 검사가 필요합니다. 온도 측정은 접촉식 온도계를 사용하여 수행해야 합니다. 부품을 1시간 동안 작동시킨 후 표면 온도를 측정하십시오. 온도 상승이 30°C를 초과하는 경우(예: 주위 온도가 25°C일 때 부품 온도가 55°C를 초과하는 경우) 윤활 부족(그리스 양이 베어링 내부 공간의 1/3 미만) 또는 이물질 걸림을 확인하십시오.

긁힘 깊이가 0.1mm를 초과하거나 진동 값이 지속적으로 0.2mm/s를 초과하는 경우 구성 요소가 여전히 작동 중이더라도 즉시 교체해야 합니다. 계속 사용하면 긁힘이 확대되어 구성 요소가 파손되고 이후 다른 장비 부품이 손상될 수 있습니다(예: 파손된 세라믹 베어링으로 ​​인해 스핀들 마모가 발생하여 수리 비용이 몇 배 이상 증가할 수 있음).

2. 화학 장비 부품(라이닝, 파이프, 밸브)

검사는 6개월마다 실시해야 합니다. 검사하기 전에 장비에서 매체를 배출하고 질소로 파이프를 퍼지하여 잔류 매체가 검사 도구를 부식시키는 것을 방지합니다. 벽 두께 테스트의 경우 초음파 두께 측정기를 사용하여 구성 요소의 여러 지점(접합부 및 굽힘과 같이 쉽게 마모되는 영역을 포함하여 평방 미터당 5개의 측정 지점)을 측정하고 평균값을 현재 벽 두께로 사용합니다. 측정 지점의 마모 손실이 원래 두께의 10%를 초과하는 경우(예: 원래 두께 10mm에 대해 현재 두께가 9mm 미만) 마모된 영역이 응력 집중 지점이 되어 압력에 의해 파손될 수 있으므로 부품을 미리 교체해야 합니다.

조인트 부위의 씰 검사는 두 단계로 이루어집니다. 먼저 가스켓의 변형이나 노화(불소 고무 가스켓의 균열이나 경화 등)를 육안으로 검사한 다음, 씰링 부위에 비눗물(5% 농도)을 바르고 0.2MPa의 압축 공기를 주입합니다. 기포 형성을 관찰하십시오. 1분 동안 기포가 없으면 밀봉에 적합한 것입니다. 기포가 있는 경우 씰 구조를 분해하고 개스킷을 교체하고(개스킷 압축은 30%~50% 사이로 제어되어야 하며 과도한 압축으로 인해 개스킷 고장이 발생함) 세라믹 조인트에 충격 표시가 있는지 확인합니다. 변형된 조인트는 씰링 불량으로 이어질 수 있습니다.

3. 의료기기 부품(치과용 드릴 베어링 볼, 수술용 바늘, 가이드)

매 사용 후 즉시 검사하고, 근무일 종료 시 종합적인 점검을 실시하십시오. 치과용 드릴 베어링 볼을 검사할 때 부하 없이 치과용 드릴을 중간 속도로 작동하고 균일하게 작동하는지 들어보십시오. 비정상적인 소음은 베어링 볼의 마모 또는 정렬 불량을 나타낼 수 있습니다. 베어링 볼 손상을 나타내는 세라믹 잔해가 있는지 확인하려면 멸균 면봉으로 베어링 영역을 닦으십시오. 수술용 바늘의 경우 강한 빛 아래에서 팁에 거친 부분(부드러운 조직 절단을 방해함)이 있는지 검사하고 바늘 본체에 구부러진 부분이 있는지 확인하십시오. 5°를 초과하는 구부러진 부분은 폐기해야 합니다.

각 구성품에 대한 환자 정보, 멸균 시간, 사용 횟수를 기록하기 위해 사용 기록을 유지합니다. 치과용 드릴용 세라믹 베어링 볼은 50회 사용 후 교체하는 것이 좋습니다. 눈에 보이는 손상이 없더라도 장기간 사용하면 내부 미세 균열(육안으로 보이지 않음)이 발생하여 고속 작동 시 파편이 발생하여 의료 사고가 발생할 수 있습니다. 수술용 가이드는 사용 후 매번 CT로 스캔하여 내부 균열을 확인해야 합니다. (X선으로 검사할 수 있는 금속 가이드와 달리 세라믹은 X선 투과율이 높기 때문에 CT가 필요합니다.) 향후 사용을 위해 내부 손상이 없는 것으로 확인된 가이드만 멸균 처리해야 합니다.

V. 질화 규소 세라믹은 유사한 재료와 비교하여 어떤 실질적인 이점이 있습니까?

산업용 재료 선택에서 질화규소 세라믹은 종종 알루미나 세라믹, 탄화규소 세라믹 및 스테인리스강과 경쟁합니다. 아래 표는 빠른 적합성 평가를 용이하게 하기 위해 성능, 비용, 서비스 수명 및 일반적인 적용 시나리오를 직관적으로 비교한 것입니다.

비교 차원	실리콘 질화물 세라믹	알루미나 도자기	실리콘 카바이드 세라믹	스테인레스 스틸 (304)
핵심 성과	경도: 1500-2000HV; 열충격 저항: 600~800°C; 파괴 인성: 7–8 MPa·m²/²; 우수한 단열성	경도: 1200-1500HV; 열충격 저항: 300~400°C; 파괴 인성: 3–4 MPa·m²/²; 좋은 단열	경도: 2200-2800HV; 열충격 저항: 400~500°C; 파괴 인성: 5–6 MPa·m²/²; 우수한 열전도율(120~200W/m·K)	경도: 200-300HV; 열충격 저항: 200~300°C; 파괴 인성: >150 MPa·m²/²; 적당한 열전도율(16W/m·K)
부식 저항	대부분의 산/알칼리에 내성이 있습니다. 불산에만 부식됨	대부분의 산/알칼리에 내성이 있습니다. 강알칼리에 부식됨	우수한 내산성; 강알칼리에 부식됨	약한 부식에 강함; 강산/알칼리에서 녹슬음
참고 단가	베어링 볼(ø10mm): 25위안/개	베어링 볼(ø10mm): 15위안/개	베어링 볼(ø10mm): 80위안/개	베어링 볼(ø10mm): 3위안/개
일반적인 시나리오의 서비스 수명	회전 기계 롤러: 2년; 가스화기 라이닝 : 5년	회전 기계 롤러: 6개월; 연속주조 라이닝 : 3개월	연마 장비 부품: 1년; 산성파이프 : 6개월	회전 기계 롤러: 1개월; 가스화기 라이닝: 1년
조립 공차	피팅 클리어런스 오류 ≤0.02mm; 좋은 충격 저항	피팅 클리어런스 오류 ≤0.01mm; 깨지기 쉬움	피팅 클리어런스 오류 ≤0.01mm; 높은 취성	피팅 클리어런스 오류 ≤0.05mm; 기계 가공이 용이함
적합한 시나리오	정밀기계부품, 고온절연, 화학적 부식환경	중저하중 마모 부품, 상온 단열 시나리오	내마모성 연마 장비, 고열 전도성 부품	저비용 상온 시나리오, 비부식성 구조 부품
부적합한 시나리오	심한 충격, 불산 환경	고온 고주파 진동, 강알칼리 환경	강한 알칼리 환경, 고온 절연 시나리오	고온, 고마모, 강한 부식 환경

표는 질화규소 세라믹이 포괄적인 성능, 사용 수명 및 적용 다양성 측면에서 이점을 갖고 있어 내식성, 내마모성 및 열충격 저항성이 결합된 시나리오에 특히 적합하다는 것을 명확하게 보여줍니다. 가격에 대한 민감도가 매우 높은 경우 스테인리스강을 선택하고, 열 전도성이 높은 경우에는 탄화규소 세라믹을, 저렴한 비용으로 기본적인 내마모성을 위해서는 알루미나 세라믹을 선택하세요.

(1) vs. 알루미나 세라믹: 더 나은 종합 성능, 더 높은 장기적 비용 효율성

알루미나 세라믹은 질화규소 세라믹보다 30~40% 저렴하지만 장기 사용 비용이 더 높습니다. 섬유 산업의 방적 기계 롤러를 예로 들어 보겠습니다.

알루미나 세라믹 롤러(1200HV): 면왁스가 쌓이기 쉬우므로 6개월마다 교체해야 합니다. 교체할 때마다 4시간의 가동 중지 시간(800kg의 출력에 영향)이 발생하며 연간 유지 관리 비용은 12,000위안입니다.

질화 규소 세라믹 롤러(1800 HV): 면 왁스 축적에 강하며 2년마다 교체해야 합니다. 연간 유지관리 비용은 5,000 CNY로 58% 절감됩니다.

열충격 저항성의 차이는 야금 연속 주조 장비에서 더욱 두드러집니다. 알루미나 세라믹 몰드 라이너는 온도 차이로 인해 3개월마다 균열이 발생하여 교체가 필요한 반면, 질화규소 세라믹 라이너는 매년 교체되어 장비 가동 중단 시간이 75% 감소하고 연간 생산 능력이 10% 증가합니다.

(2) 실리콘 카바이드 세라믹과 비교: 적용 범위는 넓고 제한은 적습니다.

탄화 규소 세라믹은 경도와 열 전도성이 더 높지만 내식성과 절연성이 좋지 않아 제한됩니다. 화학 산업의 산성 용액 수송 파이프를 예로 들어 보겠습니다.

탄화규소 세라믹 파이프: 6개월 후 20% 수산화나트륨 용액에 부식되어 교체가 필요합니다.

질화 규소 세라믹 파이프: 동일한 조건에서 5년 후에도 부식이 없으며 수명이 10배 더 깁니다.

고온 전기로 절연 브래킷에서는 탄화규소 세라믹이 1200°C(체적 저항률: 10⁴Ω·cm)에서 반도체가 되어 단락 불량률이 8%에 달합니다. 이에 비해 질화규소 세라믹은 체적 저항률 101²Ω·cm을 유지하고 단락 불량률이 0.5%에 불과해 대체할 수 없습니다.

(3) 대 스테인리스강: 우수한 부식 및 내마모성, 유지보수 감소

스테인레스 스틸은 가격이 저렴하지만 유지 관리가 자주 필요합니다. 석탄 화학 산업의 가스화기 라이너를 살펴보겠습니다.

304 스테인리스 스틸 라이너: 1년 후 1300°C H2S에 의해 부식되어 단위당 유지 관리 비용으로 500만 위안을 교체해야 합니다.

질화 규소 세라믹 라이너: 침투 방지 코팅으로 서비스 수명이 5년으로 연장되고 유지 관리 비용은 120만 위안으로 76% 절감됩니다.

의료 기기에서 스테인리스강 치과용 드릴 베어링 볼은 사용 시 0.05mg의 니켈 이온을 방출하여 10%~15%의 환자에게 알레르기를 유발합니다. 질화규소 세라믹 베어링 볼은 이온 방출이 없으며(알레르기율 <0.1%) 서비스 수명이 3배 길어 환자의 후속 방문이 줄어듭니다.

6. 실리콘 질화물 세라믹에 대한 일반적인 질문에 대답하는 방법은 무엇입니까?

실제 응용 분야에서 사용자는 재료 선택, 비용 및 교체 타당성에 대해 자주 질문합니다. 기본 답변 외에도 정보에 입각한 의사 결정을 지원하기 위해 특수 시나리오에 대한 보충 조언이 제공됩니다.

(1) 질화 규소 세라믹에 적합하지 않은 시나리오는 무엇입니까? 어떤 숨겨진 제한 사항을 주목해야 합니까?

심각한 충격, 불산 부식 및 비용 우선 시나리오 외에도 두 가지 특수 시나리오를 피해야 합니다.

장기간의 고주파 진동(예: 광산의 진동 스크린 체판): 질화규소 세라믹은 다른 세라믹보다 내충격성이 우수하지만, 고주파 진동(>50Hz)은 내부 미세균열 전파를 유발하여 사용 3개월 후 파손으로 이어집니다. 고무 복합 재료(예: 고무 코팅 강판)가 더 적합하며 사용 수명은 1년 이상입니다.

정밀 전자기 유도(예: 전자기 유량계 측정 튜브): 질화 규소 세라믹은 절연성이 있지만 미량 철 불순물(일부 배치에서는 >0.1%)이 전자기 신호를 방해하여 >5%의 측정 오류를 유발합니다. 측정 정확도를 보장하려면 고순도 알루미나 세라믹(철 불순물 <0.01%)을 사용해야 합니다.

또한 저온 시나리오(<-100°C, 예: 액체 질소 수송 파이프)에서는 질화규소 세라믹이 더욱 부서지기 쉽고(파괴 인성이 <5 MPa·m1/²로 떨어짐) 파손을 방지하고 비용 증가를 방지하기 위해 저온 수정(예: 탄화붕소 입자 추가)이 필요합니다.

(2) 질화규소 세라믹은 여전히 ​​비용이 많이 듭니까? 소규모 애플리케이션의 비용을 관리하는 방법은 무엇입니까?

질화규소 세라믹은 기존 재료보다 단가가 높지만 소규모 사용자(예: 소규모 공장, 실험실, 진료소)는 다음 방법을 통해 비용을 제어할 수 있습니다.

맞춤형 부품 대신 표준 부품 선택: 맞춤형 특수 형상 세라믹 부품(예: 비표준 기어)에는 최대 10,000CNY의 금형 비용이 필요한 반면, 표준 부품(예: 표준 베어링, 위치 결정 핀)은 금형 비용이 필요하지 않으며 20%~30% 저렴합니다(예: 표준 세라믹 베어링 비용은 맞춤형 베어링보다 25% 저렴합니다).

배송비 분담을 위한 대량 구매: 질화규소 세라믹은 대부분 전문 제조업체에서 생산됩니다. 소규모 구매의 경우 배송비가 10%를 차지할 수 있습니다(예: 세라믹 베어링 10개에 50 CNY). 인근 기업과의 공동 대량 구매(예: 베어링 100개)는 운송 비용을 단위당 ~5 CNY로 줄여 90% 절감 효과를 줍니다.

오래된 부품 재활용 및 재사용: 손상되지 않은 기능 영역(예: 베어링 궤도, 위치 핀 결합 표면)이 있는 기계적 세라믹 부품(예: 베어링 외부 링, 위치 핀)은 전문 제조업체에서 수리할 수 있습니다(예: 재연마, 코팅). 수리 비용은 새 부품의 약 40%(예: 수리된 세라믹 베어링의 경우 10 CNY, 새 부품의 경우 25 CNY)이므로 소규모 주기적 사용에 적합합니다.

예를 들어, 매월 2개의 세라믹 드릴을 사용하는 소규모 치과 진료소에서는 표준 부품을 구매하고 3개 진료소에 대량 구매를 통해 연간 조달 비용을 최대 1,200위안까지 줄일 수 있습니다(개별 맞춤 구매 대비 최대 800위안 절약). 또한, 오래된 드릴 베어링 볼을 수리용으로 재활용하여 비용을 더욱 절감할 수 있습니다.

(3) 기존 장비의 금속 부품을 질화 규소 세라믹 부품으로 직접 교체할 수 있습니까? 어떤 적응이 필요합니까?

교체 후 장비의 정상적인 작동을 보장하려면 구성 요소 유형 및 크기 호환성을 확인하는 것 외에도 세 가지 주요 조정이 필요합니다.

하중 적응: 세라믹 부품은 금속보다 밀도가 낮습니다(질화규소: 3.2g/cm3, 스테인리스강: 7.9g/cm3). 교체 후 무게를 줄이려면 동적 균형과 관련된 장비(예: 스핀들, 임펠러)에 대한 재균형이 필요합니다. 예를 들어 스테인레스 스틸 베어링을 세라믹 베어링으로 ​​교체하려면 진동 증가를 방지하기 위해 스핀들 균형 정확도를 G6.3에서 G2.5로 높여야 합니다.

윤활 적응: 금속 부품용 미네랄 오일 그리스는 접착력이 좋지 않아 세라믹에 적합하지 않을 수 있습니다. 윤활 부족이나 과도한 저항을 방지하기 위해 충진량을 조정하여(세라믹 베어링의 경우 내부 공간의 1/2, 금속 베어링의 경우 1/3) 세라믹 전용 그리스(예: PTFE 기반 그리스)를 사용해야 합니다.

결합 재료 적용: 세라믹 부품이 금속(예: 금속 실린더가 있는 세라믹 플런저 샤프트)과 결합할 때 금속의 경도는 낮아야 합니다(

예를 들어, 공작 기계의 강철 위치 핀을 세라믹으로 교체하려면 피팅 간격을 0.01mm로 조정하고, 결합 금속 고정구를 45# 강철(HV200)에서 황동(HV100)으로 변경하고, 세라믹 전용 그리스를 사용해야 합니다. 이를 통해 위치 정확도가 ±0.002mm에서 ±0.001mm로 향상되고 서비스 수명이 6개월에서 3년으로 연장됩니다.

(4) 질화 규소 세라믹 제품의 품질을 평가하는 방법은 무엇입니까? 신뢰성을 위해 전문적인 테스트와 간단한 방법을 결합하세요

종합적인 품질평가를 위해서는 육안검사 및 간단한 테스트 외에도 전문적인 테스트 보고서와 실제 시험이 필요합니다.

전문 테스트 보고서에서는 두 가지 주요 지표에 중점을 둡니다. 부피 밀도(적격 제품: ≥3.1g/cm3, <3.0g/cm3는 내부 기공을 나타내며 내마모성이 20% 감소함) 및 굴곡 강도(상온: ≥800MPa, 1200°C: ≥600MPa, 강도가 부족하면 고온 파손이 발생함).

간단한 평가를 위해 "온도 저항 테스트"를 추가합니다. 샘플을 머플로에 넣고 실온에서 1000°C(5°C/분 가열 속도)까지 가열한 다음 1시간 동안 유지하고 자연 냉각합니다. 균열이 없으면 열 충격 저항이 적격하다는 것을 나타냅니다(균열은 소결 결함 및 잠재적인 고온 파괴를 나타냄).

실제 시험을 통한 검증: 소량(예: 세라믹 베어링 10개)을 구입하고 장비에서 1개월 동안 테스트합니다. 대량 구매 전 신뢰성을 확인하기 위해 마모 손실(<0.01mm) 및 진동 값(<0.1mm/s에서 안정적)을 기록합니다.

소결이 불충분하거나(부피 밀도: 2.8g/cm3) 불순물이 많거나(철 >0.5%) "3-no 제품"(테스트 보고서 없음, 제조업체 없음, 보증 없음)을 피하십시오. 서비스 수명은 적격 제품의 1/3에 불과하므로 유지 관리 비용이 증가합니다.