산화성 분위기에서 8~12개월이 지나면 질화물 결합 실리콘 카바이드의 강도가 떨어지는 이유

저는 지난 12년 동안 상하이 및 인근 지역의 세라믹 및 야금 공장에서 고온 장비를 다루며 일해 왔습니다. 질화물 결합 실리콘 카바이드에서 가장 빈번하게 발생하는 문제 중 하나는, 가마 선반, 플레이트 및 세터가 가마에 들어갈 때는 견고해 보이지만, 몇 달간 정상적으로 가동한 후에는 이전에는 문제없이 견뎌냈던 하중에도 균열이 생기거나 처지기 시작한다는 점입니다. 대부분의 운영자들은 단순히 재료가 “마모되었다”거나 소성 사이클이 너무 가혹했다고 생각합니다. 제가 담당하는 생산 라인에서 실제 원인은 표면이 고온 상태에서 공기에 노출되면 질화물 결합상이 점진적으로 산화되기 때문입니다.

질화물 결합 실리콘 카바이드는 실리콘 질화물 매트릭스를 통해 실리콘 카바이드 입자들을 결합시켜 부품에 강도와 열충격 저항성을 부여합니다. 환원성 또는 중성 분위기에서는 이 결합이 비교적 안정적으로 유지됩니다. 그러나 간헐적인 세라믹 소성이나 특정 금속 열처리 공정에서 흔히 발생하는 것처럼 가마나 용광로에서 과잉 공기가 유입되면 산소가 질화물을 부식시킵니다. 이로 인해 표면, 특히 결정립 경계에 실리카가 풍부한 얇은 층이 형성됩니다. 부품이 갑자기 파손되는 것은 아니지만, 점차 굽힘 강도를 잃고 온도 구배에 더 민감해집니다. 저는 신품일 때 40 MPa를 훨씬 상회하던 판재들이 1200 °C와 실온 사이를 매일 8~12개월 동안 반복적으로 오가며 20 MPa 초반대로 떨어지는 사례를 자주 목격합니다.

이로 인한 실질적인 결과는 두 가지 방식으로 나타납니다. 첫째, 선반의 가장자리나 지지점 주변에서 시작된 미세한 균열이 선반 자체의 무게와 적재된 용기의 무게로 인해 점차 확산됩니다. 둘째, 눈에 보이는 균열이 나타나기도 전에 실제 하중 지지 능력이 떨어지기 때문에, 운영자는 선반당 적재 수량을 줄이거나 파손율이 높아지는 것을 감수해야 합니다. 두 경우 모두 공장은 당초 구매 시 산정했던 것보다 더 빨리 가구를 교체하게 됩니다. 대기 제어 수준이 더 엄격한 연속식 푸셔 또는 롤러 가마를 운영하는 공장은 일반적으로 동일한 등급의 가마를 더 오래 사용할 수 있습니다. 반면 상하이 지역에서 흔히 볼 수 있는 간헐식 배치 가마는 냉각 과정마다 뜨거운 표면에 신선한 공기가 유입되기 때문에 이 문제가 더 빨리 나타납니다.

결합 상을 제한 요인으로 간주하면, 실제로 열화 속도를 늦추는 요인은 간단합니다. 공정상 허용되는 한도 내에서 최고 온도와 해당 온도 유지 시간을 최대한 낮게 유지하십시오. 1350 °C를 초과하는 온도가 50 °C 증가할 때마다, 반환된 부품에서 측정된 산화 속도가 눈에 띄게 빨라집니다. 가마 설계상 가능한 경우, 고온 유지 단계에서 짧은 퍼지(purge)를 실시하거나 약한 환원성 분위기를 조성하면 산소 분압을 충분히 낮춰 사용 수명을 수개월 정도 연장할 수 있습니다. 기계적 하중 역시 마찬가지로 중요합니다. 양 끝단만 지지되고 무겁고 고르지 않은 제품 하중을 지탱하는 질화물 결합 SiC의 경우, 하단면에 더 높은 인장 응력이 발생합니다. 산화로 인해 표면이 약해지면 이러한 응력으로 인해 균열이 더 일찍 발생합니다. 3점 지지 또는 연속 지지 방식으로 전환하거나, 단순히 플레이트당 최대 하중을 15~20 % 줄이는 것만으로도, 재료 등급을 변경하지 않고도 원래의 교체 주기를 회복하는 경우가 많습니다.

또한 반환된 플레이트의 산화층 두께도 확인합니다. 수백 마이크론 두께의 균일한 연회색 표면막이 형성된 것은 정상이며, 국부적으로 두꺼운 산화막이 생기거나 가장자리에 분말화가 나타나는 경우, 대개 가마 내의 과열 부위가 있거나 권장 한도를 초과하여 장시간 노출되었음을 의미합니다. 대기 조건 측정값과 최대 선반 적재량, 그리고 첫 균열이 나타나기 전까지의 사이클 수를 기록하는 공장들은 대개 동일한 질화물 결합 SiC의 평균 수명을 약 10개월에서 14~16개월로 늘릴 수 있습니다. 원래의 고밀도 적재 방식과 완전 공기 분위기를 계속 유지하는 공장들은 단순히 더 짧고 비용이 많이 드는 주기로 플레이트를 교체할 뿐이며, 왜 새 세트가 이전 세트보다 오래가지 못하는지 계속 의아해합니다.

결합상이 보호된다면 이 소재 자체는 장기간 사용이 가능합니다. 현장에서 제가 목격하는 차이는 원자재 품질의 갑작스러운 변화에서 비롯되는 경우가 거의 없으며, 오히려 해당 공장에서 산화와 부하를 제어 가능한 변수로 간주하는지, 아니면 피할 수 없는 배경 조건으로 여기는지에 달려 있습니다.