사례 연구: YSZ가 ZSBN 노즐 내구성을 강화한 방법

소개

이 사례 연구에서는 고온, 고마모 환경에서 더 오래 지속되는 ZSBN 노즐에 대한 고객의 요구를 Stanford Advanced Materials(SAM)가 어떻게 해결했는지 설명합니다. 세라믹 배합과 성형 파라미터를 모두 조정하여 비용을 크게 높이지 않으면서도 마모 및 열 열화에 대한 저항성을 개선한 솔루션을 제공했습니다.

배경

ZSBN(지르코니아 강화 질화 붕소) 노즐은 일반적으로 열 스프레이, 용융 금속 취급 및 열과 마모가 지속적으로 발생하는 기타 산업 공정에 사용됩니다. 한 고객은 표준 ZrO2 강화 BN을 기반으로 하는 기존 노즐의 수명이 짧아지고 있다고 보고했습니다. 1000°C를 초과하는 작동 온도와 빠르게 움직이는 연마재를 사용하는 시스템에서 고장이 발생했습니다. 잦은 노즐 교체는 가동 중단 시간과 유지보수 비용 증가로 이어졌습니다.

고객은 원래 안정화되지 않은 지르코니아를 사용한 포뮬레이션을 사용했습니다. 우리의 임무는 실제 조건, 특히 주기적인 열 및 기계적 하중 하에서 내구성을 향상시키는 것이었습니다.

핵심 과제

주요 문제는 노즐 재료의 조기 마모와 열 균열이었습니다. BN은 윤활성과 내열성을 제공하지만, 기존 첨가제 시스템은 고온에서 충분한 위상 안정성과 기계적 인성이 부족했습니다. 취성을 유발하거나 기계 가공성을 저하시키지 않으면서도 열적으로 더 견고한 강화상이 필요했습니다.

평가된 솔루션

옵션 1: 기존 지르코니아 첨가제 유지, 프레스 공정 조정

• 장점: 원료 소싱 또는 소성 프로파일에 대한 최소한의 변화

• 단점: 내열성 또는 내마모성이 제한적으로 향상됨

옵션 2: 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 교체

• 장점 고온 안정성 개선, 내마모성 향상, 입자 경계 무결성 강화

• 단점: 재료 비용이 약간 높음, 혼합 및 소결 프로토콜 수정 필요

옵션 3: 노즐 표면에 보호 코팅 적용

• 장점 표면 수준의 마모 보호

• 단점: 복잡한 제조, 고온에서 코팅이 박리될 수 있음, 비용 증가

선택된 접근 방식: 옵션 2 - 표준 지르코니아를 3몰% YSZ로 교체하고 약간의 성형 공정 최적화를 병행합니다.

솔루션 및 구현

BN 매트릭스 내 보강 단계로 3mol% YSZ를 도입했습니다. YSZ는 1000°C 이상의 뛰어난 상 안정성을 제공하며 하중 하에서 균열 전파를 늦추는 데 도움이 됩니다. 재료 변경과 더불어 냉간 등방성 프레싱(CIP) 단계도 수정했습니다:

• 프레스 시간: 유지 시간이 30초에서 60초로 증가했습니다.

• 분말 공급 원료: 고밀도 YSZ-BN 복합 파우더 블렌드로 전환했습니다.

• 소결: 추가 에너지 비용을 피하기 위해 기존 일정 유지

이러한 변화는 더 나은 녹색 밀도를 달성하고 궁극적으로 더 일관된 소결 미세 구조를 달성하는 데 도움이 되었습니다.

"우리는 더 나은 입자 패킹, 더 안정적인 강화 단계, 더 엄격한 성형 제어 등 미묘하지만 효과적인 개선에 집중했습니다. 그 결과는 즉각적으로 나타났습니다."라고 SAM의 수석 세라믹스 엔지니어인 Lisa Ross는 말합니다.

결과 및 피드백

성능 지표

고객은 동일한 공정 조건에서 노즐 수명이 20~25% 증가했다고 보고했습니다. 유지보수 주기가 연장되고 예기치 않은 가동 중단 시간이 감소했습니다. 고객은 두 개의 추가 생산 라인에서 확장 사용을 위해 새로운 제형을 승인했습니다.

"업그레이드된 노즐 덕분에 스프레이 시스템을 안정화하고 예기치 않은 가동 중단을 줄일 수 있었습니다. 의미 있는 개선입니다." - 고객 생산 관리자

권장 사항 및 향후 작업

• 생산 노즐에 YSZ 기반 포뮬러 채택

• 다양한 부하 주기에서 장기적인 성능 지속 모니터링

• 향후 배치에서 소결 온도 최적화의 효과 평가

SAM은 고객과 긴밀히 협력하여 필요에 따라 재료 특성을 미세 조정하고 개선된 노즐의 확장을 위한 기술 지원을 제공할 것입니다.

결론

이 프로젝트는 실용적인 성형 조정과 함께 집중적인 소재 대체가 어떻게 실질적인 내구성 향상을 가져올 수 있는지 보여줍니다. 기존 지르코니아를 YSZ로 대체하고 프레스 홀드 시간을 늘림으로써 Stanford Advanced Materials(SAM)는 ZSBN 노즐 시스템의 열적 및 기계적 성능을 모두 개선했습니다.

그 결과 서비스 수명이 연장되고 열악한 공정 조건에 대한 내성이 향상되었으며 고객의 총소유비용이 절감되었습니다.

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