품질, 가격 구조, 신뢰성 및 다양한 형태의 주물 생산에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있습니다. 프라운호퍼 IKTS는 이러한 요구 사항을 충족하는 데 결정적인 기여를 하는 고성능 세라믹 소재를 개발합니다. 또한, 프라운호퍼 IKTS는 고객별 테스트 시스템의 개발 및 구현에 대한 광범위한 전문 지식을 보유하고 있습니다. 따라서 고성능 소재와 안정적인 생산 및 품질 모니터링을 위한 솔루션을 실현,제공할 수 있습니다.
세라믹 고성능 소재는 고온, 마모 및 부식에 대한 탁월한 내성을 가지고 있습니다. 따라서 광범위한 파운드리 애플리케이션에 이상적입니다. 프라운호퍼 IKTS는 세라믹 부품의 설계, 제조 및 접합에 대한 광범위한 지식과 다년간의 경험을 보유하고 있습니다.
현대식 주조 공장은 더 높은 에너지 효율성, 개선된 제어 메커니즘 및 신뢰할 수 있는 공장 구성 요소가 특징입니다. 그러나 이전 시스템의 약점은 소위 드로스 분리기에 있습니다. 이들은 용융 금속 표면에서 슬래그 잔류물 및 산화물을 제거하고 비운 후 용융 탱크를 일차적으로 청소하는 데 사용됩니다. 스크래치 플레이트는 강철로 만들어지는데 한편으로는 용융 주조 합금에서 부식으로, 다른 한편으로는 세척 과정에서 기계적으로 무거운 하중을 받습니다. 특히, 주물합금의 가공시 부식하중은 후판의 급격한 마모를 초래하여 짧은 주기로 교체하여야 합니다.
서비스 수명을 늘리고 유지보수 비용을 줄이기 위해 프라운호퍼 IKTS는 Rackwitz Industrieanlagen GmbH와 협력하여 드로스 분리기의 금속 표면을 피복하기 위한 세라믹 보호 플레이트를 개발했습니다. 뛰어난 기계적 및 부식성 특성으로 인해 질화규소는 세라믹 소재로 선택되었으며, 알루미늄 용융물에 사용하기 위해 맞춤 수정 및 평가를 수행하였습니다. 이 새로운 소재는 최대 800°C 이상의 높은 파괴 인성과 강도를 가지고 있습니다. 이 새로운 소재는 알루미늄 용융물에도 사용하기에 적합합니다. 알루미늄과 세라믹 사이의 상호 작용에 대한 연구에서 세라믹 표면에 손상을 주는 영향이 없음을 확인했습니다. 또한, 용융 알루미늄은 응고 후 세라믹에 거의 부착되지 않거나 약간만 부착되어 쉽게 제거될 수 있습니다.
또한 프라운호퍼 IKTS는 세라믹 보호판을 드로스 분리기에 부착하기 위한 접합 개념을 개발했습니다. 조인트는 열적으로 유도된 팽창 차이로 인해 잠재적으로 손상을 주는 인장 응력이 세라믹에 영향을 미치지 않도록 설계되었습니다. 세라믹 플레이트 사이의 접착 연결은 플레이트를 서로 연결하여 세퍼레이터에 안정적으로 고정됩니다. 또한 용융 알루미늄이 플레이트 뒤에서 침투하는 것을 방지합니다. 금속에 대해서 접착력이 약하기 때문에, 해머 타격을 통해 개별 플레이트를 수동으로 제거할 수 있으며 국부적 손상이 발생한 경우 교체할 수 있습니다.
반응성, 부식성 또는 고순도 금속을 용융할 때 도가니 라이닝과의 반응은 바람직하지 않습니다. 이는 금속에 불순물을 유발하기 때문입니다. 이러한 문제를 피하기 위해 프라운호퍼 IKTS는 다공성 탄화규소 세라믹을 기반으로 한 비접촉 용융 공정을 개발했습니다. 이러한 세라믹의 도움으로 두 가지 기능을 동시에 실현할 수 있습니다. 우선, 세라믹을 통해 가스를 흐르게 하여 용융물과 도가니 벽 사이에 균일한 가스 쿠션을 생성할 수 있습니다. 이것은 금속이 도가니와 직접 접촉하지 않는다는 것을 의미합니다. 다른 한편으로는 세라믹과 이를 통과하는 가스를 직접 전기적으로 가열하여 금속을 빠르게 가열할 수 있습니다.
고품질 주물 및 반제품을 생산하기 위한 금속 용융 여과는 오늘날까지 세라믹 폼의 가장 큰 적용 분야 입니다. 세라믹 필터를 사용하면 슬래그 잔류물, 주물 모래 및 갇힌 기포와 같은 불순물을 제거할 수 있습니다. 동시에 난류가 없는 용융 흐름이 형성되어 금형 충전이 매우 우수하고 특히 복잡하고 벽이 얇은 주조 부품의 생산이 가능합니다.
프라운호퍼 IKTS는 탄화규소, 산화알루미늄, 산화지르코늄을 기반으로 하는 제형과 이러한 필터의 제조 공정을 개발합니다. 한편으로는 특히 우수한 접착 특성을 지닌 고충전 코팅 현탁액에 초점을 두고, 다른 한편으로는 롤링 및 원심분리와 같은 다양한 코팅 기술에 중점을 둡니다. IKTS는 산업 코팅 조건을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 지속적으로 작동하는 모듈식 코팅 시스템을 갖추고 있습니다. 따라서 산업용 폼-세라믹 생산을 시뮬레이션하고 최적으로 준비할 수 있습니다.
새로 개발된 레시피를 사용하면 산화지르코늄 필터 비용을 약 40% 절감할 수 있습니다. 이전에는 높은 원자재 가격으로 인해 산화알루미늄 및 탄화규소로 만든 필터보다 훨씬 비쌌습니다. 그러나 더 높은 온도에서도 사용할 수 있기 때문에 비용을 절감하면 적용 범위가 더 넓어질 수 있습니다. 프라운호퍼 IKTS에서 개발한 반응 결합 발포체의 조성을 살펴보면, 기존의 산화지르코늄 분말의 65%가 산화알루미늄과 규산지르코늄의 화학량론적 혼합물로 대체되었습니다. 따라서 기존의 지르코니아 필터와 비교하여 새로운 반응 결합 필터는 가격이 저렴할 뿐만 아니라 강도도 훨씬 높습니다.
많은 기술 응용 분야에는 특정 소재 특성을 가진 복잡한 대형 주조물이 필요합니다. 이러한 제품은 비용 측면에서 경쟁 우위를 확보하고 질적 개선을 달성하기 위해 제조 공정의 정밀한 제어가 필요합니다. 주조 공정에서 주형은 기하학적 모양과 소재 구성으로 인해 상당한 기여를 할 수 있습니다. 그것들은 용융 금속과 주형 사이의 상호 작용, 주조 본체의 냉각 공정 및 주조 중 작업 공정의 설계를 결정합니다. 소재 구성 외에도, 냉각 또한 형성되는 소재 구조와 제품의 특성을 정의합니다.
금형 제조업체인 Direkt Form과 협력하여 프라운호퍼 IKTS는 탄화규소와 새로 개발된 점토 바인더를 기반으로 하는 새로운 금형 소재를 생산했습니다. 이러한 방식으로 접합된 탄화규소 성형 소재는 기존의 상용 성형 소재에 비해 열전도율이 크게 향상되었습니다. 이를 통해 넓은 범위에 걸쳐 주물에서 열 방출을 제어할 수 있어, 맞춤형 미세 구조를 구현할 수 있습니다. 또한, 다른 벽 두께로 인한 주물의 다른 냉각 속도는 몰딩 소재의 목표 사용에 의해 보상될 수 있는 것으로 나타났습니다. 주조 주형 생산 시 개별 성형과 결합하여 경도, 강도, 주조 제품의 탄성 계수 또는 부식 안정성. 동일한 주조 합금 및 균일한 야금 공정으로 국부적으로 다른 특성을 갖는 주조 제품을 생산하거나 균일한 특성을 갖는 기하학적으로 복잡한 주조 제품을 얻을 수 있습니다.
다양한 소재를 사용할 수 있음에도 불구하고 주조 금속 부품의 사용은 강도, 강성 또는 내마모성 측면에서 제한적입니다. 그러나 다공성 세라믹 인서트(소위 프리폼)의 도움으로 적용 가능성이 확장되고 서비스 수명이 연장될 수 있습니다. 프리폼은 높은 응력에 노출되는 구성요소에만 사용된다는 것에 이점이 있습니다. 이는 전체 공작물을 세라믹으로 덮을 필요가 없다는 것을 의미하며, 이는 우수한 가공성을 보장하고 또한 저렴한 생산을 가능하게 합니다. 프라운호퍼 IKTS에서 이러한 프리폼은 입자 소결 세라믹과 세라믹 폼으로 개발 및 제조됩니다. 다양한 세라믹 소재를 사용할 수 있으며 용도에 따라 선택 및 추가 개발이 가능합니다.
소결된 다공성 입자 예비 성형체는 미세 입자와 거친 입자로 구성될 수 있으며 최대 50%의 비교적 높은 세라믹 비율을 갖습니다. 특징적인 구조로 인해 높은 내마모성과 긴 수명이 필요한 분야에 특히 적합합니다. 또한 중력주철 소재에 다양한 주물을 침투시킬 수 있어 특별한 주조공정이 필요하지 않습니다. 폼-세라믹 프리폼은 용융 금속의 여과에 사용되는 기존의 주조 필터를 더욱 발전시킨 것입니다. 그러나 이들은 프리폼과 금속의 우수한 연동을 위해 최대 30%의 훨씬 높은 세라믹 함량과 특수한 거친 표면을 가지고 있습니다. 이러한 폼-세라믹 프리폼은 더 높은 강성을 생성하기 위해 경금속 합금을 강화하는 데 매우 적합합니다. 금속 합금으로 다이캐스팅하여 침투시키는 것이 바람직합니다. 세라믹 폼의 대안으로 금속 폼을 사용할 수도 있습니다(예: IKTS에서 개발 중인 강철).
세라믹과 금속이 충돌하는 접촉면의 형성이 주조 부품의 특성에 있어 매우 중요합니다. 이것은 항상 금속과 세라믹의 각각의 소재 조합에 맞게 조정되어야 하며, 이는 특수 세라믹 표면을 설계하여 달성됩니다.
IKTS에서 구축한 다양한 파운드리들과의 협력을 통해 프리폼 제조는 물론, 응용 중심의 소재 조합에 대한 복합 소재 개발도 가능합니다.
용융 야금의 여러 응용 분야에서 다이어프램은 용융 금속으로 채워지지 않고 구성 요소의 중공 챔버의 압력 균등화를 가능하게 하는 데 필요합니다. 예를 들어, 용융 코팅에서 금속 스트립은 용융 금속 수조를 통과하며, 중공 롤러는 현재 편향 및 가이드 롤러로 사용됩니다. 그러나 극한의 열과 그에 따른 과압이 발생할 경우, 현재 설계는 안정성이 부족합니다. 문제는 중공 롤러 내부에서 가스가 팽창함에 따라 롤러가 금속 수조로 내려갈 때 롤러가 변형될 수 있다는 것입니다. 또한 중공 롤러에 소량의 수분이 포함되어 있으면, 파열을 포함하여 압력이 극도로 증가할 위험이 있습니다.
프라운호퍼 IKTS는 중공 롤러의 불안정성 문제를 해결하는 산업 협력의 일환으로 용융 야금 및 금속 마감에 사용할 새로운 가스 투과성 세라믹을 개발했습니다. 이 세라믹으로 만든 작은 디스크는 특별히 개발된 고정 장치를 이용하여 중공 롤의 베어링에 삽입됩니다. 팽창 가스를 롤에서 용융물로 방출합니다. 세라믹 디스크는 용탕에 거의 젖지 않고, 기공이 미세하여 가스가 통과하지만 높은 용융 압력에서도 용탕의 침투가 불가능합니다. 이러한 다공성 세라믹 덕분에 가스가 빠르게 소실되고, 기능적에 결정적으로 영향을 미치는 과압이 방지됩니다.
또한, 다공성 세라믹은 극심한 압력 증가 시 초과 압력의 방향 분산을 위한 파열 디스크 역할을 하여 중공 롤러의 변형 및 파열을 안정적으로 방지하기 때문에 능동 안전 장치로도 사용할 수 있습니다.
산업 조건에서의 테스트는 이미 세라믹이 2.5m의 용융 수조 높이에서 680°C에서 용융 알루미늄 또는 480°C에서 용융 아연의 용융 압력을 견딜 수 있음을 보여주었습니다. 용융물에 대한 세라믹의 불침투성은 용융 금속이 구성 요소로 침투하는 것을 확실하게 방지하고 목표한 배기 및 압력 감소를 보장합니다.
세라믹은 또한 약 100℃까지 내열성이 있습니다. 공기 중 1200 °C 및 경금속 용해에 대한 내식성. 따라서 적용 원리는 다른 합금에도 확장될 수 있습니다.
Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS