기존 내마모성 소재의 단점
실제로 철 소재는 오랫동안 내마모성 소재로 널리 사용되어 왔으며, 망간강, 백주철, 합금강 등이 대표적인 예입니다. 하지만 이러한 소재에는 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트계 망간강은 인성이 뛰어나지만 가공성이 좋지 않습니다. 일반 백주철과 저합금 백주철은 경도와 내마모성은 우수하지만 취성이 높아 가벼운 하중이 가해지는 용도에만 사용이 제한됩니다. 중합금 및 고합금 백주철은 취성 문제를 해결했지만 생산 비용이 상당히 높습니다.
마모, 부식 및 파손은 장비 부품 고장의 주요 원인이며, 야금, 건설, 전력 및 기계와 같은 산업 분야에서 널리 발생합니다. 이러한 요인 중 마모는 부품에 가장 심각한 영향을 미칩니다. 특히 운송 장비의 경우, 재료 마모는 부품 고장 사례의 약 80%를 차지하며, 기존의 내마모성 재료는 가혹한 작업 환경에서 요구되는 성능을 더 이상 충족하지 못합니다.
1980년대에 붕화물, 탄화물, 질화물과 같은 내마모성 세라믹 소재들이 점차 등장하면서 전 세계 국가들이 관련 연구에 상당한 투자를 단행했습니다. 연구가 심화됨에 따라 이러한 신형 내마모성 세라믹 소재들은 우수한 성능 덕분에 산업 설비 및 파이프라인에 점차 널리 적용되고 있습니다. 기존 금속 소재를 대체함으로써 설비의 수명과 연속 가동 능력을 크게 향상시켰습니다.
내마모성 산업용 세라믹의 특성 및 성질
산업용 세라믹 소재는 다음과 같은 주요 특성 덕분에 내마모성 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
(1) 높은 경도와 강도,
(2) 우수한 내마모성과 긴 사용 수명. 시험 결과 내마모성은 망간강의 180배, 고크롬 주강의 118배인 것으로 나타났습니다.
(3) 높은 충격 저항성;
(4) 고온 저항성. 견고한 접착 및 우수한 내열성;
(5) 경량. 내마모성 세라믹의 밀도는 약 3.6g/센티미터³로 강철과 철의 절반에 불과하여 장비 부하를 크게 줄일 수 있습니다.
(6) 폭넓은 적용 범위와 강력한 적응성 분쇄, 석탄 준비, 재료 이송, 재 배출 및 먼지 제거와 같은 시스템의 모든 내마모성 기계 장비에 대해 다양한 유형의 산업용 세라믹 재료를 특정 요구 사항에 따라 선택할 수 있으며, 이는 화력 발전소, 제철소, 제련소, 광산 및 시멘트 공장을 포함한 기업에서 널리 사용됩니다.
내마모성 산업용 세라믹의 분류
재질별로 분류하면, 일반적인 내마모성 산업용 세라믹 재료는 주로 산화물 세라믹, 탄화물 세라믹, 질화물 세라믹으로 나뉜다.
(1) 산화물 내마모성 산업용 세라믹
내마모성 부품 제조용 소재 중 알루미나 세라믹은 내마모성 산업용 세라믹 소재의 대표적인 예로 꼽힙니다. 높은 경도, 우수한 화학적 안정성, 그리고 탁월한 내마모성 덕분에 알루미나 세라믹은 야금, 석유화학, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 상대적으로 낮은 파괴 인성과 열충격 저항성은 산업 분야, 특히 재료의 기계적 특성에 대한 요구 조건이 엄격한 분야에서의 적용을 제한해 왔습니다. 알루미나 세라믹에 일정량의 다른 화합물을 도입하면 파괴 인성을 효과적으로 향상시켜 내마모성을 더욱 개선할 수 있습니다. 이러한 이유로 알루미나 기지 복합 세라믹은 현재 주요 연구 개발 방향으로 주목받고 있습니다.
(2) 질화물 내마모성 세라믹
질화물 세라믹은 비교적 늦게 등장하여 1970년대에 이르러서야 급속한 발전을 이루었습니다. 거의 모든 질화물 세라믹은 인공 합성으로 생산됩니다. 높은 강도와 경도뿐만 아니라 우수한 전기적 및 열적 특성을 나타냅니다. 수십 년간의 개발 끝에 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소와 같은 질화물 세라믹은 항공우주, 기계, 야금 등 다양한 분야에서 고강도 기계 부품, 내식성 부품, 내마모성 부품으로 널리 사용되고 있습니다.
(3) 탄화물 내마모성 세라믹
탄화붕소 세라믹은 매우 안정적인 화학적 성질을 나타내며, 경도는 다이아몬드와 입방정 질화붕소(CBN) 다음으로 높아 연마재, 베어링, 밀봉 링 및 절삭 공구 등 다양한 분야에서 내마모성 또는 내마찰성 소재로 널리 활용될 가능성이 높습니다. 그러나 탄화붕소 세라믹의 마찰 특성은 온도, 하중, 마찰 속도 및 마찰 쌍의 재질에 크게 영향을 받으므로 실제 적용 시에는 작업 조건과 환경적 요인을 충분히 고려해야 합니다.
