산화물 세라믹
산화물 세라믹은 고성능 또는 엔지니어링 세라믹의 특수 형태입니다. 이는 기술 세라믹 분야에 속합니다. 제조는 전통적인 야금학이 아닌 세라믹 분말 기술을 기반으로 합니다. 산화물 세라믹은 고순도 금속 산화물로 구성됩니다. 산화물 세라믹은 순수 산화물뿐만 아니라 혼합 산화물 및 안정화된 산화물 상을 포함하며, 높은 경도, 내마모성, 내화학성 및 온도 안정성이 특징입니다.
대표적인 원료는 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물 또는 이트륨 산화물입니다. 이러한 분말은 매우 미세하게 분쇄됩니다. 이후 정밀하게 계량되어 균일하게 혼합됩니다. 그 후, 예를 들어 압축 또는 사출 성형을 통해 성형됩니다. 고온에서 소결을 통해 압축됩니다. 이 과정에서 조밀하고 단단하며 거의 기공이 없는 재료가 생성됩니다.
산화물 세라믹은 다양한 조직과 특성을 가질 수 있습니다. 이는 조성, 입자 크기 및 소결 공정에 따라 달라집니다. 화학적으로 산화물 세라믹은 대체로 불활성입니다. 산, 알칼리 또는 용매와 거의 반응하지 않습니다. 또한 전기 절연성과 내열성을 지닙니다.
핵심 특징은 매우 높은 경도입니다. 강철의 경도를 훨씬 능가합니다. 재료에 따라 비커스 경도는 열처리 강철의 여러 배에 달할 수 있습니다. 따라서 산화물 세라믹은 마모 보호에 탁월합니다.
실제 적용에서는 금속 부품에 코팅으로 도포되는 경우가 많습니다. 이는 열분사 공법 등을 통해 이루어집니다. 대표적인 공법으로는 플라즈마 분사, 고속 화염 분사 또는 분말 또는 와이어 충전 시스템으로의 분사가 있습니다. 이 과정에서 모재 위에 단단히 부착된 세라믹 층이 형성됩니다.
산화 세라믹을 웰 보호용으로 사용할 경우 후가공이 필요합니다. 코팅된 표면을 미세 연마 및 래핑하여 극도로 매끄럽고 치수 안정성이 매우 높은 표면을 만듭니다. 이러한 표면은 종종 거울처럼 반짝이며, 시각적으로 금속 기판과 거의 구별되지 않습니다. 경도, 내마모성 및 내화학성 덕분에 산화 세라믹은 기계 및 플랜트 건설의 핵심 소재입니다. 긴 수명과 낮은 오염이 요구되는 곳에 자주 사용됩니다.
1. 밀도 및 상대 밀도
달성된 압축도는 강도와 내마모성에 결정적입니다.
원밀도:
ρ = m / V
- ρ = 밀도
- m = 질량
- V = 부피
상대 밀도:
ρrel = ρtheoretical /ρmeasured
실제 적용에서는 98% 이상의 값이 고품질 소결로 간주됩니다.
2. 경도 (비커스 경도)
마모 방지 코팅에 매우 중요합니다.
HV = 1,854 ⋅ F/d2
- HV = 비커스 경도
- F = 시험 하중
- d = 압흔의 평균 대각선 길이
대표적인 값:
- 알루미늄 산화물: 1,500–2,200 HV
- 강철: 200–800 HV
3. 굽힘 강도 (3점 굽힘 시험)
세라믹과 같은 취성 재료에 중요합니다.
σB = 3FL/(2bh2)
- σB = 굽힘 강도
- F = 파단 하중
- L = 지지 거리
- b = 시편 폭
- h = 시편 두께
산화물 세라믹은 일반적으로 300–1,000 MPa입니다.
4. 열팽창
금속 표면의 세라믹 코팅에 중요합니다.
ΔL = α⋅L0⋅ ΔT
- α = 선형 열팽창 계수
- L0 = 초기 길이
- ΔT = 온도 변화
대표적인 값:
알루미늄 산화물: ~8 · 10⁻⁶ /K
강철: ~12 · 10⁻⁶ /K
→ 계면에서의 열 응력을 설명합니다.