주조에서 실리콘 카바이드의 주요 기능

탄화규소는 높은 열전도도, 뛰어난 경도, 화학적 불활성, 열충격 저항성을 포함한 고유한 특성의 조합을 가진 합성 세라믹 소재입니다. 이러한 특성으로 인해 주조 산업에서 다재다능한 첨가제로 사용되며, 주조 금속의 품질과 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다. 주조 공정(특히 철강 생산)에서 탄화규소는 기공 제어, 기계적 특성 향상, 에너지 효율성과 같은 오랜 과제에 대한 솔루션을 제공하는 혁신적인 소재로 부상했습니다. 이 기사에서는 주조에서 탄화규소의 주요 기능을 살펴보고 작용 메커니즘과 실질적인 이점을 분석합니다.

1. ‌핵형성 및 입자 미세화 향상‌

주조에서 실리콘 카바이드의 가장 중요한 역할 중 하나는 ‌핵 생성제‌ 역할을 하여 용융 금속에서 미립자 구조의 형성을 촉진하는 능력에 있습니다. 주조 합금의 응고 중에 입자의 크기와 분포는 강도, 연성 및 피로 저항과 같은 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 실리콘 카바이드 입자는 이질적인 핵 생성 사이트 역할을 하여 결정 성장을 시작하기 위한 표면을 제공합니다. 이를 통해 응고에 필요한 온도 차이인 과냉각이 감소하고 핵 생성 지점의 균일한 분포가 보장됩니다.

예를 들어, 회주철 주조에서 실리콘 카바이드는 고온(1,400°C 이상)에서 분해되어 탄소와 실리콘을 용융물로 방출합니다. 방출된 탄소는 철과 반응하여 흑연 플레이크를 형성하는 반면 실리콘은 유동성을 향상시킵니다. 결합된 효과로 인해 더 미세한 흑연 구조와 더 작은 펄라이트 콜로니가 생성되어 인장 강도가 향상되고 취성이 감소합니다. 마찬가지로 알루미늄 주조에서 실리콘 카바이드 입자는 α-알 매트릭스를 정제하여 고온 인열 위험을 최소화합니다.

2. ‌용융 유동성 개선 및 수축 결함 감소‌

용융 금속에 실리콘 카바이드를 첨가하면 ‌용융 유동성‌이 개선되며, 이는 복잡한 금형을 채우고 결함 없는 주조물을 얻는 데 중요한 요소입니다. 실리콘 카바이드는 화학적 구성을 변경하여 용융물의 액상 온도를 낮추어 더 오랜 기간 동안 유동 상태를 유지할 수 있습니다. 이는 조기 응고로 인해 불완전한 충전이 발생할 수 있는 박형 ​​주조물이나 복잡한 형상에서 특히 유용합니다.

또한, 탄화규소는 냉각 중 체적 수축으로 인해 발생하는 미세 기공 및 거시 수축 공동과 같은 ‌수축 결함‌을 완화합니다. 핵 생성을 향상시키고 입자 구조를 미세화함으로써 SiC는 수축 기공이 일반적으로 형성되는 수지상 간 공간을 줄입니다. 연성 주철 생산에서 0.5~1.5% 탄화규소를 추가하면 수축 기공이 최대 30%까지 감소하여 엔진 블록 및 유압 밸브와 같은 구성 요소의 압력 기밀성이 크게 향상된다는 연구 결과가 있습니다.

3. ‌산소 및 불순물 수준 제어‌

탄화규소는 철 및 비철 주조에서 ‌탈산제‌ 및 ‌탈황제‌ 역할을 합니다. 용융 철 또는 강철에 도입되면 SiC는 용존 산소 및 유황과 반응하여 실리카(실리콘₂) 및 일산화탄소(코오롱)와 같은 안정된 화합물을 형성합니다. 이러한 반응은 가스 다공성 또는 슬래그 포함물로 이어질 수 있는 유해한 불순물의 존재를 줄입니다. 예를 들어, 제강에서 SiC를 통해 산소를 제거하면 핀홀 결함의 일반적인 원인인 코오롱 거품의 형성을 최소화합니다.

알루미늄 주조에서 실리콘 카바이드는 용융 표면에 보호 산화층을 형성하여 가스 다공성의 주요 원인인 수소 흡수를 줄입니다. 이 층은 장벽 역할을 하여 대기 중 수소가 용융 금속에 용해되는 것을 방지합니다.

4. ‌기계적 특성 향상‌

탄화규소를 첨가하면 주조 합금의 ‌기계적 특성‌이 직접 향상됩니다. 주철에서 SiC는 탄소당량값(CEV)을 높여 흑연 형성을 안정화하는 동시에 세멘타이트와 같은 경질 탄화물의 침전을 억제합니다. 이러한 균형은 가공성과 내마모성을 향상시킵니다. 브레이크 디스크나 실린더 라이너와 같은 고성능 애플리케이션의 경우 SiC를 추가하면 경도와 열전도도가 높아져 구성 요소가 극한의 마찰과 온도 구배를 견딜 수 있습니다.

알루미늄-실리콘(알-시) 합금에서 실리콘 카바이드는 금속 매트릭스 복합재(엠씨엠씨)의 강화 단계로 작용합니다. 이러한 실리콘 카바이드-알 복합재는 우수한 강도 대 중량 비율을 나타내어 항공우주 및 자동차 부품에 이상적입니다. SiC의 경도는 또한 주조 후 가공 작업 중 공구 마모를 줄입니다.

5. ‌에너지 효율성 및 비용 절감‌

실리콘 카바이드는 주조 작업에서 ‌에너지 절감‌에 기여합니다. 발열 분해로 인해 열이 방출되어 용융 및 유지 중 열 손실을 보상합니다. 이를 통해 용융 금속을 최적의 주입 온도로 유지하는 데 필요한 에너지가 줄어듭니다. 전기 아크로에서 SiC를 사용하면 전기 소비량을 5~10%까지 줄일 수 있어 대규모 주조소의 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.

또한, 실리콘 카바이드는 용광로와 래들의 내화 라이닝 ​​수명을 연장합니다. 높은 열전도도는 균일한 열 분배를 보장하여 내화 재료를 저하시키는 국부 과열을 최소화합니다. 이를 통해 유지 관리 및 교체를 위한 가동 중지 시간이 줄어들어 운영 비용이 더욱 절감됩니다.

6. ‌환경적 이점‌

탄화규소의 채택은 지속 가능한 제조에 대한 강조가 커지고 있는 것과 일치합니다. SiC는 수율 개선과 결함으로 인한 폐기물 감소를 통해 재료 낭비를 최소화합니다. 탈산제로서의 역할은 탄소 발자국이 더 큰 페로실리콘과 같은 기존 첨가제에 대한 의존도를 낮춥니다. 게다가 SiC의 에너지 효율적 특성은 생산된 주조 금속 1톤당 온실 가스 배출량을 낮추는 데 기여합니다.

7. ‌특수 응용 프로그램‌

기존 주조를 넘어, 실리콘 카바이드는 고급 공정에서 틈새 시장에 응용됩니다. ‌로스트 폼 주조‌에서 실리콘 카바이드 코팅 폼 패턴은 폼의 분해를 안정화하여 치수 정확도를 개선합니다. ‌인베스트먼트 주조‌에서 실리콘 카바이드 기반 세라믹 쉘은 기존 실리카 기반 몰드에 비해 우수한 열 안정성을 제공합니다. 금속 부품의 ‌적층 제조‌의 경우, 실리콘 카바이드 강화 파우더는 3D 인쇄 구성 요소의 레이저 흡수율과 밀도를 향상시킵니다.

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