질화규소 세라믹의 공정 방법은 무엇인가요?
질화규소(Si3N4) 세라믹 는 우수한 종합적인 특성으로 인해 "다용도 세라믹"으로 알려져 있습니다. 고강도, 고경도, 우수한 내마모성, 뛰어난 열충격 저항성(급격한 온도 변화에 견딜 수 있음), 우수한 화학적 안정성 및 저밀도라는 장점을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 항공우주, 자동차 산업, 기계 제조, 전자 반도체, 헬스케어 등의 분야에서 널리 사용되는 극한의 작업 조건에서 기술적 문제를 해결하는 데 이상적인 소재입니다.
그러나 이러한 우수한 특성을 가진 질화규소 세라믹 제품을 얻으려면 일련의 정밀하고 복잡한 준비 과정이 필요합니다.
핵심 원료: 질화규소 분말의 제조
모든 고성능 세라믹의 출발점은 고품질 파우더입니다. 질화규소 분말의 합성 방법은 순도, 입자 크기 분포 및 소결 활성을 직접적으로 결정하며, 이는 최종 제품의 성능에 영향을 미칩니다.
- 탄소 열 감소 방법
프로세스: 실리카(SiO ₂) 분말과 탄소 분말(C)을 혼합하고 질소(N ₂) 분위기에서 1400~1550℃의 고온에서 반응시킵니다. 화학식은 다음과 같습니다: 3SiO ₂+6C+2N ₂ → Si ∝ N ₄+6CO.
특징: 다양한 원료 공급원과 저렴한 비용으로 현재 산업 생산에서 가장 주류적인 방법입니다. 분말의 비표면적과 입자 형태는 공정 파라미터를 제어하여 조정할 수 있습니다. - 직접 질화 방법
프로세스: 고순도 실리콘(Si) 금속 분말을 고온(1200~1400℃)에서 질소와 직접 반응시켜 질화규소를 생성합니다: 3Si+2N ₂ → Si ∝ N ₄.
특성: 공정은 간단하지만 반응은 강한 발열 반응으로 실리콘 분말이 녹거나 뭉치는 것을 방지하기 위해 정밀한 온도 제어가 필요합니다. 얻어진 분말은 일반적으로 사용하기 전에 분쇄하고 분쇄해야 합니다. - 실리콘 이마인 분해 방법
프로세스: 사염화규소(SiCl ₄)를 불활성 용매에서 암모니아 가스(NH3)와 반응시켜 실리콘 이민을 형성합니다. 세척, 건조, 소성 과정을 거쳐 최종적으로 고순도 질화규소 분말이 분해됩니다.
특징: 초고순도 및 높은 소결 활성을 가진 서브 미크론 분말을 얻을 수 있지만 비용이 높아 주로 성능이 매우 높은 하이엔드 분야에서 사용됩니다. - 기체상 반응 방법
프로세스: 실란(예: SiCl ₄ 또는 SiH ₄)을 활용하여 고온에서 암모니아와 기체상 반응을 일으켜 나노 크기의 질화규소 분말을 직접 생성합니다.
특성: 분말 순도가 매우 높고 입자 크기가 작고 균일하지만 기술적 난이도가 높고 생산량이 낮으며 비용이 가장 높습니다.
성형 과정: 재료에 예비 모양을 부여하기
분말을 특정 모양의 블랭크로 변환하는 것은 제조 공정에서 매우 중요한 단계입니다. 성형 방법의 선택은 제품의 모양, 크기 및 정밀도 요구 사항에 따라 달라집니다.
- 건식 프레스 성형
프로세스: 질화규소 분말과 소량의 유기 바인더를 혼합하여 금속 주형에 넣고 단방향 또는 양방향 기계적 압력을 통해 밀도가 높은 몸체로 압착합니다.
특징: 고효율, 저비용, 고도의 자동화로 세라믹 베어링 볼, 씰링 링 등과 같이 단순한 모양과 대량 배치의 부품 생산에 적합합니다.
문제 해결: 대규모의 표준화된 제품 제조에 적합하여 개별 부품의 비용을 절감합니다. - 등압 형성
과정: 탄성이 있는 고무 또는 플라스틱 몰드에 분말을 넣고 밀봉한 후 고압 용기에 넣습니다. 액체 또는 기체 매체를 통해 등방성 초고압(최대 300MPa 이상)을 가하여 블랭크를 균일하고 조밀하게 만듭니다.
특성: 복잡한 모양, 균일한 밀도 및 등방성 특성을 가진 대형 그린 바디를 생산할 수 있어 건식 프레스 중에 발생할 수 있는 밀도 구배 문제를 방지할 수 있습니다.
문제 해결: 대형 도가니, 라돔, 절연체 등 고성능, 고신뢰성, 복잡한 형상의 부품을 제조하는 데 사용됩니다. - 사출 성형
공정: 질화규소 분말을 다량의(보통 최대 30-50%) 열가소성 바인더와 혼합하고 펠릿화하여 사출 성형기로 보냅니다. 가열 및 녹은 상태로 금속 금형 캐비티에 주입하고 냉각 및 탈형하여 "녹색 몸체"를 얻습니다.
특징: 매우 복잡한 3차원 형상을 형성할 수 있고 치수 정확도가 높으며 후속 기계 가공이 필요하지 않습니다. 그러나 후속 공정에는 길고 복잡한 탈지(접착제 제거)가 필요합니다.
문제 해결: 터빈 로터, 엔진 스월 챔버 등과 같은 복잡한 불규칙한 부품의 그물망에 가까운 성형 문제를 완벽하게 해결하여 재료 낭비와 가공 비용을 크게 줄였습니다. - 주조 성형
프로세스: 분말을 용매에 분산시키고 바인더, 가소제 등을 첨가하여 균일하고 안정적인 슬러리를 만듭니다. 주조기의 스크레이퍼를 사용하여 베이스 테이프에 얇은 슬러리 층을 긁어내고 건조하여 연속적인 얇은 시트 본체를 형성합니다.
특징: 특징: 매우 얇고 평평한 시트형 세라믹을 생산할 수 있도록 특별히 설계되었습니다.
문제 해결: 주로 질화규소 세라믹 기판 준비, 칩 방열 및 절연 문제 해결과 같은 전자 산업 분야에서 사용됩니다.
소결 공정: 재료의 최종 성능을 달성하는 열쇠
소결은 세라믹 제조의 마무리 단계로, 고온에서 분말 본체를 밀도화하여 최종 기계적 및 물리적 특성을 확보하는 과정입니다. 실리콘 질화물은 강한 공유 결합 특성으로 인해 산화물 세라믹과 같은 고체 소결로는 밀도를 달성하기 어렵기 때문에 특수한 소결 기술을 사용해야 합니다.
- 대기압 소결
프로세스: 정상 대기압 하에서 소결로에서 수행됩니다. 소결을 촉진하기 위해 소결 보조제(예: MgO, Y ₂ O3, Al ₂ O3 등)를 분말에 첨가해야 하며, 이는 고온에서 실리콘 질화물 표면에 SiO ₂와 액상을 형성하고 액상 소결 메커니즘을 통해 치밀화를 달성할 수 있습니다.
특징: 저비용, 간단한 장비로 복잡하고 큰 모양의 제품 생산에 적합합니다. 현재 가장 경제적이고 널리 사용되는 소결 방법입니다.
문제 해결: 내마모성 부품, 부식 방지 노즐 등 대부분의 상업용 애플리케이션에 가장 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. - 열간 프레스 소결
프로세스: 분말을 흑연 주형에 넣고 소결 과정에서 단방향 고온(보통 >1700℃)과 고압(20-40MPa)을 동시에 가합니다.
특성: 압력은 입자 재배열과 확산을 촉진하여 이론적 밀도에 가깝고 입자 크기가 미세하며 기계적 특성(특히 강도 및 인성)이 매우 높은 제품을 생산할 수 있습니다. 그러나 단순한 형태의 블록 또는 판형 제품만 생산할 수 있으며 비용이 높습니다.
문제 해결: 항공우주 엔진용 베어링, 미사일 유도 시스템용 자이로 볼 커버 등 매우 높은 신뢰성이 요구되는 부품 제조에 사용됩니다. - 압력 소결
프로세스: 대기 소결의 업그레이드 버전입니다. 소결 후기 단계에서는 고온에서 질화규소의 분해 및 기화를 억제하기 위해 고압 질소 가스(1~10MPa)를 퍼니스 캐비티에 도입합니다.
특성: 고압 분위기는 재료 분해를 효과적으로 억제하여 더 높은 소결 온도를 사용할 수 있으므로 더 완전한 입자 개발, 우수한 성능(높은 인성, 높은 웨이불 계수) 및 거의 완전한 밀도의 제품을 얻을 수 있습니다. 핫 프레스 소결과 유사한 성능으로 복잡한 형상의 부품을 생산할 수 있지만 후자보다 비용이 저렴합니다.
문제 해결: 고성능 질화규소 세라믹 베어링 볼을 제조하는 데 선호되는 방법으로 고속, 고하중, 장수명 베어링의 기술적 병목 현상을 해결합니다. - 반응 소결
공정: 실리콘 분말을 원료로 하여 위의 성형 공정을 통해 블랭크를 만든 다음 질소 분위기에서 질화 처리를 거칩니다. 질소는 빌릿 내부로 침투하여 실리콘과 반응하여 질화규소를 형성함으로써 빌릿을 서로 결합시킵니다.
특성: 질화 과정에서 크기 변화가 최소화되고(<0.1%), 매우 정확한 그물 모양에 가까운 제품을 얻을 수 있습니다. 그러나 이 제품에는 소량의 미반응 유리 실리콘이 포함되어 있어 다른 소결 방식에 비해 밀도가 낮고(약 80%) 기계적 특성(특히 강도)이 현저히 낮습니다.
문제 해결: 주로 금속 용융 가공에서 리프팅 튜브, 고정구, 지그 등과 같이 복잡한 형상, 높은 치수 정확도 요구 사항이 있지만 응력이 낮은 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
위의 공정 방법의 조합과 혁신을 통해 다양한 분야의 까다로운 요구 사항을 충족하도록 질화규소 세라믹을 맞춤 제작할 수 있습니다. 비용 절감형 대기 소결부터 열간 프레스 및 압력 소결을 통한 궁극적인 성능 추구, 반응 소결을 통한 치수 정확도 강조에 이르기까지 각 공정은 특정 산업 문제 해결에 기여하며 하이엔드 제조의 기술 발전을 지속적으로 주도하고 있습니다.
브루드세 세라믹 는 알루미나 세라믹, 지르코니아 세라믹, 질화 규소 세라믹, 질화 알루미늄 세라믹, 실리콘 카바이드 세라믹, 탄화 붕소 세라믹, 바이오 세라믹, 기계 가공 가능 세라믹 등 다양한 고품질 석영 유리를 공급 및 판매합니다. 다양한 세라믹 제품의 맞춤형 요구 사항을 충족할 수 있습니다.