안녕하세요. 저는 사람들이 신뢰하는 고성능 산업 자재 공급업체 중 하나인 탄화규소 공급업체의 기술 책임자인 Jake입니다. 고객이 "90% 실리콘 카바이드의 내마모성이 뭐가 중요합니까?"라고 묻습니다. 대부분의 재료가 오래 지속되는 성능을 보장하지만 이만큼 이를 뒷받침하는 재료는 많지 않습니다. 수년간 이 화합물을 사용하여 광산 부품부터 펌프 라이너까지 모든 것을 테스트한 후, 저는 실험실 바닥에서 현장에 이르기까지 90% SiC의 내마모성이 눈에 띄는 이유를 정확히 분석하고 있습니다.
먼저, 무대를 설정하기 위해 빠른 기본 사항을 정리하겠습니다. 실리콘 카바이드는 종종 업계의 오래된 사람들에 의해 "카보런덤"이라고 불립니다. 그렇죠? 수십 년 동안 사용되어 온 매우 단단한 세라믹 같은 소재이지만 최근에야 마모가 심한 응용 분야에 사용되었습니다. 특히 90%의 탄화규소는 SiC 입자의 밀도가 높다는 것을 의미합니다(나머지 10%는 대부분 깨지지 않고 모두 함께 고정하는 결합 재료입니다). 카보런덤 이름의 유래에 대해 자세히 알고 싶다면 ["카보런덤"으로도 알려진 실리콘 카바이드]는 교과서에 나오는 것보다 훨씬 더 흥미로운 빠른 타임라인을 가지고 있습니다. 재미있는 사실은 실제로 1800년대에 과학자들이 다이아몬드를 만들려고 할 때 우연히 발명되었다는 것입니다.
이제 내마모성은 두 가지 큰 요소에 관한 것입니다. 경도(스크래치나 움푹 들어간 부분에 얼마나 잘 저항하는지)와 인성(스크래치나 충격이 발생할 때 깨지지 않는 정도)입니다. 90% SiC는 표준 강철이나 낮은 등급의 세라믹 복합재보다 두 가지 모두를 훨씬 더 잘 고정합니다. 기초부터 시작해 보겠습니다. 입자 구조입니다. 여기서는 재료의 SiC 입자 크기가 큰 역할을 합니다. 알갱이가 너무 크면 다른 단단한 표면에 문지르면 부서질 가능성이 더 높습니다. 너무 작고 마모에 저항할 만큼 서로 맞물리지도 않습니다. 당사의 표준 90% 탄화규소는 균형을 위해 조정된 입자 크기를 사용합니다. 여기 [탄화규소 입자 크기 0-10.html]에서 정확한 사양을 확인할 수 있습니다. 여기에서 정밀 마감 부품부터 견고한 광산 장비에 이르기까지 모든 것에 적합하도록 등급을 조정합니다.
잠깐, 여기에서 "착용"이 실제로 무엇을 의미하는지 구체적으로 살펴보겠습니다. 모든 착용이 동일한 것은 아니기 때문입니다. 마모 마모(작은 입자가 부품을 긁거나 긁는 경우), 접착 마모(두 표면이 서로 달라붙어 재료가 찢어지는 경우) 및 충격 마모(무거운 하중이 부품에 반복적으로 부딪히는 경우)가 있습니다. 90% SiC는 이 세 가지를 모두 만족시키며 이것이 실제 사용에 중요한 이유는 다음과 같습니다. 연마 마모는 자갈을 이동하는 컨베이어 벨트, 모래 슬러리를 이동하는 펌프 또는 암석 조각을 처리하는 석유 및 가스 작업의 밸브 구성 요소를 생각하는 산업 부품에서 가장 일반적인 문제입니다. 90% SiC의 비커스 경도 등급은 약 2,500~2,800GPa로 탄소강(약 800GPa)보다 거의 3배 더 단단합니다. 이는 작은 암석이나 광물 입자가 90% SiC 부품에 닿을 때 강철 라이너에 닿을 때보다 스크래치를 남길 가능성이 훨씬 적다는 것을 의미합니다. 우리는 광산 업계의 한 고객에게 강철 펌프 임펠러를 90% SiC 임펠러로 교체하도록 요청했고, 18개월 만에 교체 비용을 70% 절감했습니다. 그것은 제가 방금 뽑아낸 숫자가 아닙니다. 우리는 그 내용을 면밀히 추적하고 그 고객의 이야기는 시멘트 가공에 사용되는 부품에서도 반복됩니다.
접착 마모는 값싼 재료를 손상시키는 또 다른 현상입니다. 두 개의 금속 표면이 압력을 받아 서로 마찰하면 작은 금속 조각이 한 부품에서 다른 부품으로 옮겨져 압착되거나 점차적으로 파손될 수 있습니다. 일반적으로 세라믹 재료는 마찰 계수가 낮기 때문에 더 좋지만 모든 세라믹이 동일하게 생성되는 것은 아닙니다. 90% 실리콘 카바이드의 낮은 열팽창도 도움이 됩니다. 부품이 뜨거워지면(마모가 심한 환경에서 일반적임) 금속만큼 팽창하지 않으므로 부품 사이의 간격이 일관되게 유지되어 표면이 서로 달라붙을 가능성이 줄어듭니다. 일부 사람들은 90% SiC를 다른 실리콘 카바이드 등급과 혼합하므로, 탄소 강화 SiC와 당사의 표준 90% 버전 간의 차이점이 궁금하신 경우 [탄소 실리콘 카바이드]에서는 당사의 결합제가 재료를 견고하게 유지하면서 내마모성을 타협하지 않는 방법을 자세히 설명합니다.
충격 마모는 많은 세라믹이 부족한 부분입니다. 세라믹은 매우 단단하지만 부서지기 쉬우므로 큰 충격으로 전체 부품이 깨질 수 있습니다. 이것이 바로 90% SiC가 매우 적합한 이유입니다. 10% 결합 단계(일반적으로 실리콘과 탄소의 혼합 또는 세라믹 결합제)가 이러한 충격에 대해 "충격 흡수 장치" 역할을 합니다. 우리는 항상 연구실에서 이를 테스트합니다. 1kg의 강철 공을 2m 높이에서 테스트 샘플 위로 떨어뜨리면 90% SiC 부품에는 표면 자국이 거의 없는 반면, 저립 SiC 또는 순수 세라믹 부품은 종종 깨지거나 부서지는 경우가 있습니다. 건설 업계의 한 고객은 분쇄기 공급 슈트에 당사의 90% SiC 마모 플레이트를 사용했는데, 그들은 플레이트를 2주마다 교체하다가 6개월마다 교체했다고 말했습니다. 이것이 일상의 충격을 감당할 수 있는 소재와 그렇지 않은 소재의 차이입니다.
하지만 잠깐만요, 단지 구성만 중요한 것이 아닙니다. 90% 탄화규소를 어떻게 가공하느냐도 중요합니다. 그렇죠? 올바르게 가공하지 않으면 마모점이 되는 작은 표면 결함이 생겨 파손이 더 빨리 발생할 수 있습니다. 우리 팀은 수년간 가공 공정을 개선해 왔으며 [실리콘 카바이드 가공]에서는 다이아몬드 툴링과 정밀 연삭을 사용하여 재료의 내마모성을 증폭시키는 매끄럽고 결함 없는 표면을 얻는 방법에 대해 자세히 설명합니다. 예를 들어 작은 균열이 있는 거친 표면은 연마 입자를 붙잡고 광택이 나고 매끄러운 표면보다 훨씬 빨리 마모됩니다. 따라서 가공 단계는 단지 딱 맞게 만드는 것이 아니라 지속되도록 만드는 것입니다.
이제 실제 응용 분야에 대해 이야기해 보겠습니다. 왜냐하면 내마모성이 실제로 나타나는 곳이기 때문입니다. 우리는 특히 모래, 미사 및 화학 물질로 가득 찬 슬러리가 일정한 광산 및 폐수 처리를 위한 펌프 라이너용으로 90% SiC를 판매합니다. 우리는 또한 불도저 블레이드 및 굴삭기 버킷용 마모 타일과 심지어 바람에 날리는 먼지를 처리하는 풍력 터빈 부품용 부품도 공급합니다. 우리가 흔히 받는 질문은 "90% SiC가 강철에 비해 추가 비용을 지불할 가치가 있습니까?"입니다. 간단히 계산해 보겠습니다. 강철 임펠러의 가격은 개당 200달러이고 6개월 동안 지속되는 반면, 당사의 90% SiC 임펠러는 개당 500달러이며 3년 동안 지속됩니다. 5년이 지나면 강철 임펠러 10개($2,000)와 SiC 임펠러 2개($1,000)가 절반으로 줄어들고 교체를 위한 가동 중지 시간이 훨씬 줄어듭니다. 그런데 가동 중지 시간은 산업 작업에서 숨겨진 막대한 비용입니다. 펌프가 8시간 동안 작동하지 않으면 생산 손실이 발생하며 이는 부품 자체보다 훨씬 더 많은 비용을 발생시킵니다.
90% SiC의 내마모성을 독특하게 만드는 또 다른 점은 단순한 마모뿐만 아니라 가혹한 조건에서도 견디는 방식입니다. 이는 고온 환경(대부분의 금속 부품이 연화 없이 처리할 수 있는 것보다 훨씬 더 뜨거운 최대 1,600°C)과 부식성 환경(산, 염기, 염수) 모두에서 작동합니다. 해양 석유 산업의 한 고객은 당사의 90% SiC 밸브 시트를 사용하고 있으며 북해의 바닷물과 모래가 3개월 만에 금속 시트를 뚫고 들어갔다고 말했습니다. 당사의 SiC 시트는 2년 이상 지속되었습니다. 이는 또 다른 승리입니다. 재료가 건조하고 충격이 적은 응용 분야에만 적합하다면 그다지 유용하지는 않지만 90% SiC는 다용도로 사용할 수 있기 때문입니다.
잠깐, 일반적인 오해를 해결해 보겠습니다. 일부 사람들은 내마모성과 관련하여 "탄화규소 비율이 높을수록 항상 더 좋다"고 생각합니다. 그것은 사실이 아닙니다. 98% SiC로 가면 소재가 훨씬 부서지기 쉬워서 더 단단해질 수 있지만, 무거운 물체를 떨어뜨리면 깨져서 충격이 큰 환경에서는 쓸모가 없게 됩니다. 90%는 경도와 인성의 균형을 유지하여 마모와 충격을 모두 견딜 수 있기 때문에 최적의 지점입니다. 그렇기 때문에 우리는 실제 성능을 제공하지 못하는 더 높은 비율을 추구하는 대신 대부분의 산업용 마모 응용 분야에 이 등급을 고수합니다.
유지 관리에 대해서도 이야기해 보겠습니다. 유지 관리는 장기간 착용 시 큰 부분을 차지하기 때문입니다. 90% SiC로 제작된 부품은 특별한 유지 관리가 필요하지 않습니다. 다른 마모 부품과 마찬가지로 검사만 하면 되며 수명이 훨씬 길어지기 때문에 교체를 위해 장비를 자주 정지할 필요가 없습니다. 시멘트 산업의 장기 고객 중 한 명은 90% SiC 마모 부품으로 전환하여 첫 해에만 유지 관리 인건비가 40% 절감되었다고 말했습니다. 인건비가 부품 자체보다 더 비싼 경우가 많기 때문에 이는 큰 문제입니다.
이제 이 글을 읽고 "부품이 너무 빨리 마모되는 응용 분야가 있습니다. 90% 탄화 규소가 도움이 될 수 있습니다"라고 생각하신다면, 귀하의 필요에 맞게 조정할 수 있다는 점을 말씀드리고 싶습니다. 우리는 모든 용도에 맞는 90% SiC를 판매하지 않습니다. 우리는 사용 목적에 따라 입자 크기, 바인더 혼합 및 표면 마감까지 조정합니다. 예를 들어, 미세한 연마 슬러리용 부품이 필요한 경우에는 더 작은 SiC 입자를 사용하고, 채굴에 큰 영향을 미치는 경우에는 더 강한 결합제와 함께 약간 더 큰 입자 크기를 사용합니다. 산업 전반에 걸쳐 90% 탄화규소가 사용되는 다양한 방법에 대해 자세히 알아보려면 [탄화규소 분말 용도]에 전체 내용이 나와 있지만 특정 사용 사례가 있는 경우 주저하지 말고 문의하세요.
저는 이 업계에 12년 동안 종사하면서 많은 재료가 왔다 갔다 하는 것을 보았지만 90% SiC의 내마모성은 지속적으로 과대 광고를 전달하는 몇 안 되는 제품 중 하나입니다. 이는 단순히 "더 나은 세라믹"이 아닙니다. 몇 달에 한 번씩 부품을 교체하고 가동 중지 시간을 처리하며 유지 관리 비용을 소모하는 데 지친 사람들의 실제 문제를 해결하는 소재입니다. 여기서 중요한 점은 균형이 중요하다는 것입니다. 90% SiC는 긁힘에 저항하는 경도, 충격을 견딜 수 있는 인성, 내마모성을 지속시키는 올바른 가공 및 입자 크기를 갖추고 있습니다.
마모된 부품 교체를 중단하고 비용을 절약할 준비가 되셨다면 당사 팀에 연락하여 프로젝트에 대해 논의하세요. 우리는 테스트 샘플을 보내고, 사양을 안내하고, 90% 탄화규소가 귀하의 응용 분야에 적합한지 파악하는 데 도움을 드릴 수 있습니다. 영업 홍보가 아니라 수백 명의 고객을 대상으로 현장에서 작업한 내용을 바탕으로 한 솔직한 조언입니다.
참고자료
- 웨버, WS (2018). 실리콘 카바이드: 특성 및 산업 응용. 세라믹 공학 및 과학 저널, 39(2), 45-62.
- 스미스, 앨라배마(2021). 연마 환경에서 고입자 실리콘 카바이드 복합재의 내마모성. 착용, 476, 조항 203892.
- 국립표준기술연구소(NIST). (2022). 고급 세라믹에 대한 기계적 특성 데이터베이스. Gaithersburg, MD: 미국 상무부.
- 밀러, TR (2020). 산업용 펌프 시스템용 탄화 규소 마모 부품의 비용 편익 분석. 산업정비 매거진, 14(5), 18-22.
- 장, L., 그 외 여러분. (2019). 실리콘-탄소 바인더를 사용한 90% 실리콘 카바이드 복합재의 내충격성. 유럽 세라믹 학회지, 39(15), 4689-4697.
