KR20040062592A - 열풍 유량 조정 밸브체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 열풍 유량 조정 밸브의 문제점을 해결하고, 열적 안정성, 기계적 안정성이 우수하고, 장기 내구성을 가지는 열풍 유량 조정 밸브체 및 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 실질적으로 β-Si3N4상, Si2N2O상 및 Y2Si2O상으로부터 이루어지는 질화 규소질 소결체를 성형 가공하여 이루어지는 열풍 유량 조정 밸브체 및 그 제조 방법이다.

Description

열풍 유량 조정 밸브체 및 그 제조방법{BODY OF VALVE FOR ADJUSTING FLOW RATE OF HOT GAS AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
예를 들면 제철용 용광로의 송풍구로부터 1200℃ 이상의 열풍 가스를 용광로에 불어넣을 때의 유량 조정 밸브로서, 유로의 단면 방향의 면적을 증감함으로써 개방도를 조정하는 밸브가 사용되어 왔다. 그 외에도, 소각로, 화학 플랜트, 열교환기, 가스 터빈 등에서 같은 유량 조정 밸브가 사용되어 왔다. 이 조정 밸브는 내화 단열재 등으로 구성되는 케이싱의 유체 유로 내에 있어서, 밸브판의 회전 또는 개폐에 의하여 유로의 개방도를 조절하여 유량 제어를 행하는 것이다. 이러한 구조로 되어 있기 때문에, 조정 밸브는 고온 그리고 고압·고속의 가스 유체에 상시 노출되는 동시에, 유량 조정을 위하여 밸브체를 회전 또는 개폐시킬 때에는 큰 부하가 걸린다. 또한 열풍의 유로에 노출되는 부분과 내화 단열재 등의 내부에서 폭로 부분을 지지하는 부분의 온도차가 크고, 불규칙한 진동을 항상 받는 등, 그 사용 환경은 극히 혹독하다. 이 때문에, 유량 조정 밸브체의 재질로서 금속을 사용할 경우 실용에 견디지 못하기 때문에, 세라믹스의 적용이 검토되고 있다.
일본국 공개 실용신안 공보 실공평2-32944호에는 질화규소질, 사이알론질,탄화규소질, 산화지르코늄질, 알루미나질 또는 무라이트질의 세라믹스로 밸브체와 축을 일체로 성형한 밸브체가 제안되어 있다. 또한 일본공개특허공보 특개평9-42472호에는 1200℃에 있어서 굽힘 강도가 30kg/mm2이상인 세라믹스로 밸브판과 축부를 일체로 형성하고, 축부의 단부에 금속축을 소감(燒嵌)에 의하여 감착한 밸브체 구조가 제안되어, 세라믹스로서 질화규소계 또는 탄화규소계의 치밀질 세라믹스가 개시되어 있다.
이와 같이 내열성, 항절강도가 우수한 세라믹스를 적용하는 것이 시도되고 있으나, 예를 들면 제철용 고로 송풍구의 열풍 유량 조정 밸브 등에 사용함에 있어서, 수명이 짧고, 단기간 내에 파손되는 내구성에 관한 기본적인 문제가 해결되지 않고 있다.
지금까지, 질화 규소질 소결체는 파괴 인성이 우수하지만, 고온 강도, 내열충격성, 내열 피로성이나 경도가 낮았다. 예를 들면 산화이트륨과 산화알루미늄을 첨가한 계에서는 내열 충격성에 있어서는 우수한 것을 얻을 수 있지만, 내열성, 인성, 고온에서의 기계적 강도가 떨어지는 경우가 있었다. 이에 고온하에서의 특성 개선을 도모하려는 목적에서, 일본국 공개특허공보 특개소56-059674호 공보에 개시되어 있는 소결체 중에 메리라이트 광물상(Y2O3·Si3N4화합물)을 생성시킨 질화 규소 소결체 및 일본국 공개특허공보 특개소62-202864호에 개시되어 있는 산화지르코늄+산화이트륨+산화 규소를 첨가하고, 소결체 속에 산화 지르코늄을 석출시킨 질화 규소 소결체를 시험해 볼 수 있고, 고온 강도의 향상 등에 효과가 인정되는 것으로알려져 있다. 또한, 일본국 공개 특허공보 특개소62-246865호에 개시된 희토류 산화물, 산화지르코늄을 포함하는 소결체에서 입계상으로 J상(Si2N2O·2Y2O3) 고용체가 존재하는 질화 규소 소결체를 시험해 볼 수 있고, 내열성, 내산화성, 정적피로 특성의 향상에 효과가 인정되는 것으로 알려져 있다. 또한 일본국 공개특허공보 특개평03-153574호에서는 보다 고온 강도 특성을 향상시키려는 목적에서, 사이알론의 소결조제로서 HfO2를 첨가하고, 임계상으로서 Y2Hf2O7를 생성시킨 α'-β' 사이알론이 개시되어 있다.
그러나, 상기 재료에서는 고온 즉시 파단강도는 우수하나, 고온 강도를 유지한 채 인성 및 내산화성을 비약적으로 개선하는데는 이르지 않아 보다 혹독한 사용 환경하, 특히 고온 연소 불꽃 중에 있어서 입자의 충돌 등이 발생하는 구조부재에 적용하는데 있어서도 신뢰성이 떨어지는 등의 문제가 있어, 실용화를 저해하고 있다. 따라서 고온 강도의 향상에 더하여 내산화성, 내열 충격성 및 인성이 향상된 재료가 요망되고 있다.
이와 같은 유량 조정 밸브의 사용 환경에서는 단순한 내열성이나 고온 강도뿐만 아니라, 고온의 유체 중에 포함되는 먼지나 내화물의 박리입자 등의 분립체에 의한 입자 충돌 손상이나 내산화성, 열적 피로 특성, 회전 구동 또는 개폐시의 비틀림이나 풍량 변동시 등의 진동에 대한 기계적 내구성, 핸들링 시의 내결손성 등의 물리·화학적 안정성이나 기계적 안정성도 우수할 필요가 있어, 이러한 특성이 우수한 재질을 가지는 유량 조정 밸브체의 제공이 요망되고 있다.
이에, 본 발명은 상기의 종래의 열풍유량 조정 밸브의 문제점을 해결하고, 물리·화학적 안정성, 열적 안정성, 기계적 안정성이 우수하고, 장기 내구성을 가지는 열풍 유량 조정 밸브체 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 유체의 유량을 제어하기 위한 조정 밸브에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 실시예의 열풍 유량 조정 밸브체의 모식도이다.
도2는 본 발명의 실시예의 열풍 유량 조정 밸브체의 설치 상황을 나타내는 모식도이다.
본 발명자들은 종래 사용되어온 열풍 유량 조정 밸브체에 대하여, 그 손모 상황을 예의 해석한 결과, 고온 고압의 가스 류체가 고속으로 유통될 경우, 내산화성이 떨어지는 재료에서는 표면에 내마모성이 떨어지는 산화층을 형성하고, 그 산화층이 용이하게 마모되고, 손모되는 것을 밝혀내었다. 또한 마모부 주위에는 칩핑이나 균열 등의 결손이 인정되는 경우가 많고, 그 결손은 열피로나 유체 중의 입자의 충돌에 따르는 기계적 충격에 의하여 생성, 진전되고, 열풍 유량 조정 밸브체의파손에 이르는 것도 밝혀내었다. 이들의 마모와 결손은 열풍 유량 조정 밸브체의 재질이 내산화성이 떨어지고, 인성이나 내열 충격성의 특성이 낮을 경우에 특히 현저하게 인정되었다. 따라서, 유량 조정 밸브를 장기간 안정적으로 사용하기 위하여는 내마모성과 내결손성을 동시에 향상시킬 필요가 있고 그 때문에 내산화성이나 내열 충격성에 우수하여, 고인성 재질의 세라믹스를 사용하는 것이 필요 불가결하다. 질화 규소질 소결체는 알루미나나 산화지르코늄 등을 주성분으로 하는 세라믹스 소결체와 다르고, 내열성이 우수한 동시에, 고온하에 있어서의 기계강도도 유지할 수 있으므로, 고온 고압 환경하에서 사용되는 열풍 유량 조정 밸브체의 재질로서 최적이다.
이 때, 이들 특성을 동시에 향상시키기 위하여, 각종 결정상으로 구성되는 질화 규소질 소결체를 제작하고, 그 특성을 평가하였다. 종래의 저융점 글래스상을 가지는 질화규소 소결체로는 고온하에서의 내산화성, 내열 충격성이 떨어진다. 특성 평가의 결과, β-Si3N4상 및 입계상으로서 Si2N2O상, Y2Si2O7상으로 구성되는 치밀한 세라믹스 소결체가 우수한 특성을 가지는 것을 밝혀내었다. 특히 β-Si3N4상, Si2N2O상 및 Y2Si2O7상으로 이루어지는 질화 규소질 소결체를 성형 가공한 유량 조정 밸브체는 내산화성, 내열 충격성이 우수하고, 사용 환경 하에서 밸브체 중에 생기는 온도 구배에 기인하는 정피로특성, 또한 휴풍시(休風時)의 급냉에 따른 열 응력 파괴 저항 특성을 높이는 등의 특징을 가진다. 입계상으로서 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상을 결정화시키려면, 소결의 강온 과정에서 5℃/분 이하의 강온 속도로 냉각하거나,강온 과정에서 1350∼1650℃, 2시간 이상 유지한 열처리를 하거나, 또는 소결후 질소 분위기중에서 1350∼1650℃, 2시간 이상 유지하는 재가열 처리의 적어도 하나를 하도록 한다. 강온과정에서 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상을 석출시킬 경우의 강온속도가 5℃/분 이하가 바람직하나, 보다 바람직하게는 2℃/분이다. 강온 속도가 5℃/분보다 빠른 경우에는 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상이 충분히 생성되지 않는다. 또한 강온 과정의 유지 온도, 및, 재가열 처리 시의 유지 온도가 1350℃ 미만, 1650℃ 초과의 경우도 마찬가지로 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상이 충분하게 생성되지 않는다. 또한, 각각의 보관 유지시간이 2시간 미만인 경우에도 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상은 생성되지 않는다. Si2N2O상과 Y2Si2O7상이 각각 질량비로 0.1%, 49% 미만에서는 소결체 중의 기공율이 높아져 바람직하지 않고, 각각 3%, 12%를 넘으면 β-Si3N4결정립이 충분하게 서로 얽히지 않고 강도나 인성이 저하되어 바람직하지 못하다. 또한 Si2N2O상과 Y2Si2O7상에 관한 것으로서, Si2N2O상의 질량비가 전체의 0.1% 미만에서는 기계적 강도에 기여하는 효과가 적고, 3%을 넘으면 β-Si3N4결정립이 충분하게 서로 얽히지 않아 강도나 인성이 저하되므로 바람직하지 못하다. 마찬가지로, Y2Si2O7상의 질량비가 전체의 4.9% 미만에서는 Si3N4의 α→β 전이시의 액상이 적고, 상 전이를 원활하게 진행시키지 않으며, 12%를 넘으면 β-Si3N4결정립이 충분하게 서로 얽히지 않고 강도나인성이 저하되므로 바람직하지 못하다. 본 발명에 의하여 얻을 수 있는 질화 규소질 소결체는 β-Si3N4의 평균 결정립경이 1 내지 3μm 정도, 가로세로비가 1.5 내지 10 정도로 크고, 또한 β-Si3N4의 주상 결정립이 얽힌 조직을 나타내며, 입계에 고융점의 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상이 석출되므로, 고온까지 높은 강도를 유지한 채 높은 인성을 가지고, 항절강도가 대기중 1400℃로 500MPa 이상의 고강도이고, 또한 강성치 KIC가 5MPam1/2의 고인성을 가지므로, 고온 환경하에서의 특성이 요구되는 유량 조정 밸브에 적합하게 채용할 수 있다. 이 때, Si2N2O상은 분말 X선 회절법에 의하여 동정되는 Si2N2O 결정과 같은 형의 X선 회절 패턴을 가지고, Si3N4와 SiO2로 이루어지는 화합물 중에서 고온 산화분위기 중에서 가장 안정적인 화합물이다. 마찬가지로, Y2Si2O7결정상은 분말 X선 회절법에 의하여 동정되는 Y2Si2O7결정과 같은 형의 X선 회절 패턴을 가지고, Y2O3와 SiO2로 이루어지는 화합물 중에서 고온 산화 분위기 중에서 가장 안정적인 화합물이다. 또한 β-Si3N4결정상은 JCPDS 카드 33-1160으로 나타내는 β-Si3N4결정과 같은 형의 X선 회절 패턴을 가진다. 또한, 상기 β-Si3N4상, Si2N2O상 및 Y2Si2O7상에 의하여 구성되는 질화 규소질 소결체의 상대밀도는 이론밀도에 대하여 95% 이상인 것이 바람직하다. 상대밀도 95% 미만에서는 열적 안정성, 기계적 안정성이 불충분하게 되기 쉽고, 장기 내구성 향상 효과가 나타나지 않을 우려가 높아진다.
본 발명에 있어서 사용되는 질화 규소 분말은 α형의 결정구조를 가지는 Si3N4분말이 소결성을 고려할 때 적합하지만, β형 또는 비정질 Si3N4분말을 포함하고 있어도 무방하다. 소결시에 충분하게 높은 밀도로 하려면 평균 입경 1μm 이하의 미립자인 것이 바람직하다. 질화 규소는 공유 결합성이 강한 물질이며, 단독으로는 소결이 곤란한 것이 많기 때문에, 일반적으로 치밀화하기 위하여 소결조제를 첨가한다. 본 발명에 있어서는 소결 조제로서, 산화규소, 산화이트륨을 사용한다. 이 때, 산화이트륨은 Si3N4의 소결시에 α-Si3N4상으로부터 β-Si3N4상으로의 결정상 이전을 그 융액 중에서 촉진시키는 기능을 가지고, 또한 β-Si3N4의 주상 상의 성장을 조장함으로써, 고온 강도 및 인성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 각각의 첨가량은 산화규소가 1 내지 5 질량%, 산화이트륨이 3∼10질량%가 바람직하다. 산화규소가 1질량% 미만인 경우, 소결 승온시의 액상 생성 온도가 높아져 충분히 치밀한 소결체가 얻어지지 않고, 또한 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상이 형성되지 않는다. 5질량%를 넘으면, Y2Si2O7상이 형성되지 않고, 비교적 저융점의 SiO2가 형성되어, 고온에서의 기계적 강도가 저하되므로 바람직하지 않다. 산화이트륨의 첨가량이 3질량%보다 적으면 융액 형성이 불충분하여 상대밀도가 95%미만이 되어 친밀화가 진행하지 않는다. 산화이트륨의 첨가량이 10질량%을 넘으면, Y2Si2O7상이 형성되지 않고 비교적 저융점의 Y2SiO5상이 형성되고, 얻어진 소결체의 고온에서의 기계적 강도 및 내산화성이 저하된다. 산화 규소도 산화이트륨도 균질 그리고 고밀도의 소결체를 얻기 위하여는 평균 입경이 2μm 이하의 미립자인 것이 바람직하다. 소결 조제로서 사용하는 이들 원료분말은 비교적 저렴하여, 수중에서의 혼합 공정에서 변질되지 않는 안정적인 세라믹스 분말이다.
소결 방법으로서는 질소 가스를 포함하는 분위기에서, 예를 들면 무가압 소결법, 가스압 소결법, 열간 정수압 프레스 소결법, 핫 프레스 소결법 등의 각종 소결법을 사용할 수 있고, 또한 이들의 소결법을 복수 조합하여도 된다. 질소 가스를 포함하는 분위기에서 소결하는 것은 소결 중에서의 Si3N4의 분해를 억제하기 위함이다.
Si3N4는 질소 가스 1기압 하에서는 약1850℃ 이상에서 분해가 일어나므로, 1850℃ 이상에서 소결을 행할 경우에는, 질소 가스압을 소결 온도에 있어서의 Si3N4의 임계 분해 압력 이상으로 설정하도록 한다. 또한 대형 후육 형상의 유량 조절 밸브체를 제조하는 경우에는 충분한 치밀화를 하기 위하여 무가압 소결후에 또한 질소가스 분위기 중에서의 열간 정수압 프레스 소결을 하는 것이 보다 바람직하다. 무가압 및 열간 정수압 프레스 소결조건으로서는 소결온도가 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하다.
1700℃ 미만에서는 치밀한 소결체가 얻어지지 않고, 고인성의 소결체로 할 수 없다. 한편, 2000℃를 넘는 고온에서는 β-Si3N4결정립이 조대화하여 강도 저하를 일으키고, 고경도와 내열 충격성이 얻어지지 않는다. 유지시간이 8시간 미만에서는 치밀화가 충분하게 진행되지 않는다.
또한, 본 발명의 열풍 유량 조정 밸브체는 제철용 용광로에 한하지 않고, 소각로, 화학 플랜트, 열교환기, 가스 터빈 등의 고내열성 및/또는 고내식성이 요구되는 여러 분야의 유량 조정 밸브에 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 열풍 유량 조정 밸브체는 도1에 나타나 있는 바와 같은 형상의 것에 한하지 않고, 유량 조정 가능한 형상의 밸브체이면 된다.
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 질화 규소질 세라믹스 소결체를 구성하는 결정상에 관한 검토를 주의 깊게 한 결과, 상기 β-Si3N4상, Si2N2O상 및 Y2Si2O7상의 3종의 결정상으로 구성될 경우에, 유량 조정 밸브체로서 우수한 특성을 가지는 소결체를 얻을 수 있는 것을 밝혀내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 다음과 같다.
(1) 실질적으로 β-Si3N4상, Si2N2O상 및 Y2Si2O7상으로 구성되는 질화 규소질 소결체를 성형 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열풍 유량 조정 밸브체.
(2) 상기 질화 규소질 소결체의 조성이 0.1∼3질량%의 Si2N2O상, 4.9∼12질량%의 Y2Si2O7상 및 잔부가 β-Si3N4상으로 이루어지는 (1) 기재의 유량 조정 밸브체.
(3) 상기 질화 규소질 소결체의 상대밀도가 95% 이상인 (1) 또는 (2) 중 어느 하나에 기재된 열풍유량 조정 밸브체.
(4) 산화이트륨(Y2O3) 3∼10질량%, 산화 규소(SiO2) 1∼5질량% 및 잔부가 질화 규소(Si3N4)로 이루어지는 혼합 분말을 성형하고, 상기 성형체를 질소 가스 분위기 중에서 1700∼2000℃의 온도범위에서 소결하고, 이하의 (a)∼(c)중 적어도 하나의 수단에 의하여 입계상으로서 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상을 생성시킨 질화 규소질 소결체를 성형 가공하는 것을 특징으로 하는 열풍 유량 조정 밸브체의 제조 방법.
(a) 소결의 강온 과정에 있어서 강온 속도를 5℃/분 이하로 하는 것.
(b) 소결의 강온 과정에 있어서, 1350∼1650℃의 온도범위에 있어서 2시간 이상 유지하는 것.
(c) 소결후, 질소 분위기중 1350∼1650℃의 온도범위에 있어서 2시간 이상 유지의 재가열 처리를 하는 것.
다음에 본 발명을 실시예를 비교예와 함께 설명한다.
(실시예1∼3)
질화규소(Si3N4) 분말 (α화율 97% 이상, 순도 99.7%, 평균 입경 0.3μm)에 산화이트륨(Y2O3) 분말 (평균 입경 1.5μm), 산화 규소(SiO2) 분말 (평균 입경 0.3μm)을 표1에 나타내는 소정량(질량%) 첨가하고, 분산매로서 정제수 또는 아세톤을 쓰고, 탄화규소 세라믹스를 안에 바른 볼 밀로 24시간 혼련하였다. 정제수 또는 아세톤의 첨가량은 세라믹스 전분말 원료 100g에 대하여 120g으로 하였다.
이어서, 얻어진 혼합 분말을 성형한 후, 소결하였다. 성형조건으로서는 냉간 정수압에 의한 가압 150MPa로 하고 250mm×700mm×두께 65mm의 평판을 성형하였다. 이를 소지 가공하고, 밸브체 지름φ 220mm×두께 28mm의 외주부에 대향하도록 배치된 2개의 등장축부 지름φ 55mm×길이 220mm의 형상을 가지는 성형체를 얻었다. 소결 조건으로서는 질소 가스 유통 중에 표1 중에 나타내는 온도 8시간 유지의 무가압 소결을 하고, 강온시에 1500℃에서 마찬가지로 표1에 기재한 시간만큼의 유지 및 강온속도로 로냉하였다. 실시예 3에 대하여는 강온시 방냉을 한 후에 1500℃까지 재가열하고 표1에 기재한 유지를 하였다. 얻어진 소결체로부터 도1에 도시하는 바와 같이 밸브체 3으로서, 지름φ 160mm×두께 20mm의 밸브판(2)의 외주부에 대향하도록 배치된 지름φ40mm×길이 170mm의 2개의 등장축부(1)를 연삭 가공하고, 열풍 가스의 통풍 중에서의 내구시험에 제공하였다.
얻어진 소결체로부터 각종 형상의 시험편을 잘라내어, 기계적 특성을 평가하였다. 항절 강도는 JIS R1601에 의하여, 대기중 실온 및 1400℃에서 측정하였다. 경도는 압입하중 98N에서 비커스 경도로서 측정하였다. 인성에 관해서는 JIS R1607의 SEPB법에 의하여 실온에서 파괴 인성치 KIC를 측정하였다.
또한 내열충격성으로서는 굽힘 시험편을 대기중에서 소정의 온도로 가열한 후, 수중 급랭하고, 항절 강도의 열화가 시작되는 급랭 온도차 △T로 평가하였다. 소결체 밀도는 아르키메데스법에 의하여 상대밀도로서 측정한 각종 결정상의 비율에 관해서, 미리 X선 회절 피크 높이로부터 구한 검량선을 따라서 구하고, 표1에 나타내었다.
얻어진 각 소결체의 여러 가지 특성을 표2에 나타낸다. 열풍 가스 통풍시험으로서 가스 성분은 공기+산소 3%, 가스 압력 0.3MPa, 가스 온도 1200℃, 송풍구 통풍 속도 120m/초의 조건으로 실시하였다. 밸브체(3)는 도2에 나타나 있는 바와 같이 내화 단열재(4)에서 형성된 고온의 가스유로(5) 내에 통풍방향에 대하여 45°가 되는 방향(밸브=반개)으로 고정하고, 2개월의 통풍후, 밸브체의 외주부에 발생한 마모 흔적의 깊이 h를 투영형 현미경으로 측정하였다. 또한, 마모 흔적 주위의 손상 유무, 칩핑 깊이 및 균열 깊이를 형광 탐상법 및 단면 연마면의 광학 현미경 관찰에 의하여 평가하였다.
(비교예 4 내지 5)
비교예 1∼5은 실시예l∼3과 동일 원료를 이용하여, 동일하게 정제수 또는 아세톤으로 정제하였으나, 각각 강온시의 소결 조건이 부적절하여 상대밀도가 95%을 밑돈 경우 (비교예 4), 소결 조제(Y2O3)의 첨가 비율이 부적하여 상대밀도가 95%을 밑돈 경우 (비교예 5)의 각 비교예이다. 이들을 함께 표1에 나타낸다.
또한 이들 비교예의 재료도 실시예1∼3과 동일한 조건으로 통풍시험을 하고, 그 결과를 표2에 나타내었다.
No. Si3N4(질량%) Si3N4(질량%) Si3N4(질량%) 분산매 소결온도(℃) 1500℃에서의 유지온도, 강온속도 X선 회절에 의하여 관측된 결정상(조성은 피크 높이의 검량선으로부터 구하였다.
실시예 1 95.8 3.0 1.2 정제수 1800 24, 강온 2℃/분 β-Si3N4:94%, Si2N2O:0.4%, Y2Si2O7:5.6%
2 91.5 6.0 2.5 정제수 1810 24, 강온 10℃/분 β-Si3N4:91%, Si2N2O:0.5%, Y2Si2O7:8.5%
3 86.0 9.0 5.0 아세톤 1820 재가열 24 방냉=20℃/분 β-Si3N4:85.5%, Si2N2O:2.5%, Y2Si2O7:12.0%
비교예 4 90.0 8.0 2.0 정제수 1780 유지 없음 β-Si3N4:88%, 글래스상:12%
5 81.5 12.0 6.5 아세톤 1800 12, 강온 2℃/분 β-Si3N4:82%, Y2SiO5:18%
No. 상대밀도(%) 항절강도(MPa) 비커스경도98N 인성KIC(MPam 1/2) 내열충격성△T(℃) 마모흔적의 깊이(μm) 균열 결손 유무 2개월 경과후의 상태
실온 1400℃
실시예 1 98.0 780 550 1430 6.2 1100 15 무 변화없음
2 98.7 880 680 1510 7.1 950 20 무 변화없음
3 99.1 750 660 1410 8.2 1150 15 무 변화없음
비교예 4 93.9 790 360 1310 5.9 600 (80) (많음) 2주후에 축 파손
5 94.5 720 280 1300 5.0 450 (120) (많음) 3주후에 밸브 파괴
※ 비교예 4 내지 5의 마모흔적이나 균열 결손은 파손에 이르기까지의 값을 참고치로 하여 나타내었다.
표2에 나타내는 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 것은 마모 흔적 깊이가 20μm 이하로 비교적 작고, 또한 마모 흔적 주위에는 균열·칩핑 결손이 어떠한 경우에도 인정되지 않으며, 내마모성, 내결손성 모두 우수하나, 비교예의 각 밸브체는 본 발명의 실시예에 비하여, 파손이나 파단이 발생하기까지의 단기간의 마모 흔적 깊이가 80μm 이상으로 크고, 또한 균열 등의 결손이 발생하고 있어, 내마모성, 내결손성이 불충분한 것이 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 β-Si3N4상, Si2N2O상, 및 Y2Si2O7상에 의하여 구성되는 질화 규소질 세라믹스 소결체를 성형 가공하여 이루어지는 열풍 유량 조정 밸브체는 열적 안정성, 기계적 안정성이 우수하고, 장기 내구성을 가지므로, 고온 고압 환경하에서의 장기 신뢰성의 매우 뛰어난 열풍 유량 조정 밸브체이다. 또한, 예를 들면, 제철용 용광로 송풍구로부터 불어넣는 열풍 가스의 유량 조정 등의 밸브로서, 본 발명의 열풍 유량 조정 밸브체를 사용하면, 장기간 열풍 등의 유량 조정에 제공할 수 있다. 제철용 용광로에 한정하지 않고, 소각로, 화학플랜트, 열교환기, 가스 터빈 등의 안정 조업에 의한 생산성 향상과 함께 자재비의 압축에 기여하는 바가 크다.

Claims (4)

  1. 실질적으로 β-Si3N4상, Si2N2O상 및 Y2Si2O7상으로 구성되는 질화 규소질 소결체를 성형 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열풍 유량 조정 밸브체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화 규소질 소결체의 조성이 0.1∼3질량%의 Si2N2O상, 4.9∼12질량%의 Y2Si2O7상 및 잔부가 β-Si3N4상으로 이루어지는 열풍 유량 조정 밸브체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질화 규소질 소결체의 상대밀도가 95% 이상인 열풍유량 조정 밸브체.
  4. 산화이트륨(Y2O3) 3∼10질량%, 산화 규소(SiO2) 1∼5질량% 및 잔부가 질화 규소(Si3N4)로 이루어지는 혼합 분말을 성형하고, 상기 성형체를 질소 가스 분위기 중에서 1700∼2000℃의 온도범위에서 소결하고, 이하의 (a)∼(c)의 적어도 하나의 수단에 의하여 입계상으로서 Si2N2O상 및 Y2Si2O7상을 생성시킨 질화 규소질 소결체를 성형 가공하는 것을 특징으로 하는 열풍 유량 조정 밸브체의 제조 방법.
    (a) 소결의 강온 과정에 있어서 강온 속도를 5℃/분 이하로 하는 것.
    (b) 소결의 강온 과정에 있어서, 1350∼1650℃의 온도범위에 있어서 2시간 이상 유지하는 것.
    (c) 소결후, 질소 분위기중 1350∼1650℃의 온도범위에 있어서 2시간 이상 유지의 재가열 처리를 하는 것.
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