ケーススタディYSZがZSBNノズルの耐久性を向上させた方法

はじめに

このケーススタディでは、高温・高摩耗環境においてZSBNノズルを長持ちさせたいという顧客のニーズにスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）がどのように対応したかを概説します。セラミックの配合と成形パラメータの両方を調整することで、コストを大幅に引き上げることなく、耐摩耗性と耐熱劣化性を向上させるソリューションを提供しました。

背景

ZSBN（ジルコニア強化窒化ホウ素）ノズルは、溶射、溶融金属処理、および熱と摩耗の両方が常に課題となるその他の工業プロセスで一般的に使用されています。ある顧客は、標準的なZrO2強化BNをベースとした既存のノズルの寿命が短いと報告してきました。1000℃を超える動作温度と、高速で移動する研磨媒体を使用するシステムで故障が発生しました。ノズルの頻繁な交換は、ダウンタイムとメンテナンスコストの増加につながった。

顧客は当初、安定化されていないジルコニアを使用した製剤を使用していました。私たちの課題は、実環境下での耐久性、特に繰り返し熱負荷や機械的負荷下での耐久性を向上させることでした。

核となる課題

主な課題は、ノズル材料の早期摩耗と熱亀裂でした。BNは潤滑性と耐熱性を提供しますが、元の添加剤システムは高温での相安定性と機械的靭性が十分ではありませんでした。脆さや加工性を損なうことなく、より熱に強い強化相が必要でした。

評価された解決策

オプション 1: オリジナルのジルコニア添加剤を維持し、プレス工程を調整する。

• 長所原料調達や焼成プロファイルの変更は最小限

• 短所：耐熱性や耐摩耗性の向上は限定的

オプション2：イットリア安定化ジルコニア（YSZ）への置き換え

• 長所高温安定性の向上、耐摩耗性の向上、粒界整合性の強化。

• 短所：材料費が若干高くなる。

オプション3：ノズル表面に保護コーティングを施す

• 長所表面レベルの摩耗保護

• 短所：製造が複雑、高温でコーティングが剥離する可能性がある、コスト増

選択されたアプローチオプション2：標準的なジルコニアを3mol%のYSZに置き換え、成形工程を少し最適化する。

解決策と実施

BNマトリックス内の強化相として3mol%のYSZを導入しました。YSZは1000℃以上で優れた相安定性を発揮し、荷重下での亀裂伝播を遅らせるのに役立ちます。材料の変更に加え、冷間静水圧プレス（CIP）の段階も変更しました：

• プレス時間：プレス時間：保持時間を30秒から60秒に延長

• 粉末原料：より高密度のYSZ-BN複合粉末ブレンドに変更

• 焼結：余分なエネルギーコストを避けるため、当初のスケジュールを維持

これらの変更により、グリーン密度が改善され、最終的には、より安定した焼結微細構造を達成することができました。

「私たちは、より良い粒子充填、より安定した強化相、成形におけるより厳密な制御といった、微妙だが効果的な改良に焦点を当てました。結果はすぐに現れました」と、SAMのシニア・セラミック・エンジニア、リサ・ロスは述べています。

結果とフィードバック

性能指標

同一のプロセス条件下で、ノズルの寿命が20～25%延びたと報告されました。メンテナンス間隔が延長され、計画外のダウンタイムが減少しました。顧客は、2つの生産ラインを追加して使用することを承認しました。

「アップグレードされたノズルのおかげでスプレーシステムが安定し、予定外の停止が減りました。意味のある改善です。"- クライアントの製造マネージャー

提案と今後の課題

• 生産用ノズルにYSZベースの配合を採用する。

• さまざまな負荷サイクル下での長期的な性能監視の継続

• 将来のバッチにおける焼結温度の最適化の効果を評価する。

SAMは、必要に応じて材料特性を微調整し、改良されたノズルのスケールアップのための技術サポートを提供するために、顧客と緊密に協力していきます。

結論

このプロジェクトは、集中的な材料置換と実用的な成形調整を組み合わせることで、実際の耐久性をいかに向上させることができるかを実証しています。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、従来のジルコニアをYSZに置き換え、プレス保持時間を長くすることで、ZSBNノズルシステムの熱的および機械的性能を改善しました。

その結果、寿命が延び、過酷なプロセス条件に対する耐性が向上し、お客様の総所有コストが削減されました。

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