본 총설에서는 이원계티타늄 합금 스크랩을 재활용하기 위해 수소 플라즈마 아크 용해를 이용하여 잉곳을 제조하고, 수소화-탈수소화법과 고상탈산 공정을 통해 저산소 합금 분말을 제조하는 기술에 대하여 소개하고자 한다. 이에 더해, 이원계 티타늄 합금 스크랩을 이용하여 고용상 서메트용 탄화물 분말을 제조하는 응용 분야에 대해서도 소개하고자 한다. 이원계 티타늄 합금 스크랩은 수소 플라즈마 아크 용해를 통해 건전한 잉곳의 제조가 가능함을 확인하였고, 최종적으로 제조된 티타늄 합금 분말의 산소함량은 1,000 ppm 이하였으며, 이를 고용상 서메트용 탄화물 분말의 제조에 응용이 가능함을 확인하였다.
본 총설에서는 이원계 티타늄 합금 스크랩을 재활용하기 위해 수소 플라즈마 아크 용해를 이용하여 잉곳을 제조하고, 수소화-탈수소화법과 고상탈산 공정을 통해 저산소 합금 분말을 제조하는 기술에 대하여 소개하고자 한다. 이에 더해, 이원계 티타늄 합금 스크랩을 이용하여 고용상 서메트용 탄화물 분말을 제조하는 응용 분야에 대해서도 소개하고자 한다. 이원계 티타늄 합금 스크랩은 수소 플라즈마 아크 용해를 통해 건전한 잉곳의 제조가 가능함을 확인하였고, 최종적으로 제조된 티타늄 합금 분말의 산소함량은 1,000 ppm 이하였으며, 이를 고용상 서메트용 탄화물 분말의 제조에 응용이 가능함을 확인하였다.
In the present paper, we review recycling and applications of titanium binary alloy scraps. The recycling techniques are to successfully prepare low oxygen content ingots using hydrogen plasma arc melting (HPAM) and to produce low oxygen content titanium alloy powders by Hydrogenation-dehydrogenatio...
In the present paper, we review recycling and applications of titanium binary alloy scraps. The recycling techniques are to successfully prepare low oxygen content ingots using hydrogen plasma arc melting (HPAM) and to produce low oxygen content titanium alloy powders by Hydrogenation-dehydrogenation (HDH) and Deoxidation in solid state (DOSS) process. In addition, as applications of the titanium binary alloy scraps, Ti based solid-solution carbide powders, which would be used for producing Ti based solid-solution cermets with high toughness, were prepared using the titanium binary alloy scraps. These results confirmed that the titanium alloy scraps could be recycled and refined using the HPAM. The resulting oxygen content of the titanium alloy powders were below 1,000 ppm after powderizing. Finally, we had confirmed that the refined titanium alloy powders were able to be utilized as raw materials for preparing the toughened cermets.
In the present paper, we review recycling and applications of titanium binary alloy scraps. The recycling techniques are to successfully prepare low oxygen content ingots using hydrogen plasma arc melting (HPAM) and to produce low oxygen content titanium alloy powders by Hydrogenation-dehydrogenation (HDH) and Deoxidation in solid state (DOSS) process. In addition, as applications of the titanium binary alloy scraps, Ti based solid-solution carbide powders, which would be used for producing Ti based solid-solution cermets with high toughness, were prepared using the titanium binary alloy scraps. These results confirmed that the titanium alloy scraps could be recycled and refined using the HPAM. The resulting oxygen content of the titanium alloy powders were below 1,000 ppm after powderizing. Finally, we had confirmed that the refined titanium alloy powders were able to be utilized as raw materials for preparing the toughened cermets.
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문제 정의
그동안 순 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금에만 적용되었던 스크랩의 재활용을 티타늄 이원계 합금 스크랩에 적용하여 스크랩 내 금속 불순물을 제거한 건전한 잉곳 제조가 가능함을 확인하였다. 그리고 티타늄 합금 스크랩의 분말야금으로의 활용으로 저산소 고품위 분말 제조에 관하여 보고하였으며, 또한 티타늄 합금 스크랩의 응용 기술로써 저렴한 티타늄 합금 스크랩을 원재료로 고용상 서메트용 탄화물 분말을 제조하는 기술에 대하여 살펴보았다.
따라서 본 논문에서는 이원계 β-티타늄 합금인 Ti-Mo 및 Ti-V 합금 스크랩으로부터 HDH법을 이용하여 합금 분말을 제조하고 또한 산소 저감을 위해 고상탈산법(deoxidation in solid state, DOSS)을 적용하여 저산소 티타늄 합금 분말을 제조하는 분야에 대하여 보고하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 이원계 β-티타늄 합금인 Ti-Mo 및 Ti-V 합금 스크랩으로부터 HDH법을 이용하여 합금 분말을 제조하고 또한 산소 저감을 위해 고상탈산법(deoxidation in solid state, DOSS)을 적용하여 저산소 티타늄 합금 분말을 제조하는 분야에 대하여 보고하고자 한다. 또한 분말화 및 산소 저감에 있어서 순 티타늄과의 차이점을 확인하기 위하여 순 티타늄 스크랩으로부터 같은 공정에 의해 제조된 저산소 분말의 특성 비교도 살펴보고자 한다.
이러한 단점을 보완하기 위해 개발되어온 재료가 고용상 서메트이며 이 고용상 서메트는 기계적합금화 방법을 통해 제조하는 것이 일반적이다[27-30]. 본 논문에서는 티타늄 합금 스크랩의 응용기술로써 저렴한 티타늄 합금 스크랩을 원재료로 고용상 서메트용 탄화물 분말을 제조하는 기술에 대하여 살펴보고자 한다.
본 총설에서는 티타늄 합금 스크랩의 재활용을 위해 먼저 고온 용해법을 통해 스크랩 내 금속불순물을 제거한 후 글로 방전 질량 분석기(glow discharge mass spectrometry, GDMS)를 이용하여 극미량 불순물을 분석하여 순도를 평가하고, 이러한 스크랩을 이용해 저산소 고품위 분말을 제조한 후 응용기술로써 복합 탄질화물에 적용하는 일련의 연구에 대해 살펴보고자 한다.
가설 설정
이에 반해 650 ℃ 이상의 온도에서는 수소가 티타늄 내부에 흡착하지 않고 바로 탈수소가 일어나는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 실험에서는 티타늄 합금과 순 티타늄 스크랩의 수소화 반응 설정온도를 600 ℃로 정하였다. Figure 3에 티타늄 합금 및 순 티타늄 스크랩의 수소화 반응 설정온도와 실제 수소화 반응 시 발열온도를 나타내었다.
제안 방법
고용상 서메트용 탄화물 분말을 합성하기 위해 기계적합금화 방법을 사용하였고 티타늄 스크랩과 흑연 분말에 대해 유성 볼밀을 사용하여 아르곤 분위기에서 밀링을 진행하였다. 밀링 후 분말은 열처리를 진행하여 결정화되었으며 이 때 온도는 1,200 ℃, 분위기는 진공이었고 열처리로의 재질은 흑연이었다.
그 이유로는 GDMS 분석 시 합금 원소의 증가에 따라서 다량의 간섭 피크가 발생하므로 합금 내 극미량 불순물의 정확한 해석이 쉽지 않기 때문이다. 이에 본 GDMS 분석에서는 티타늄과 합금 원소들을 매트릭스로 선정하여 합금 원소로 인해 발생한 간섭 피크들을 배제함으로써 극미량 불순물을 평가하였다.
티타늄 이원계합금 중 Ti-Ni, Ti-Mo, Ti-Al 합금 스크랩의 재활용을 위하여 합금 성분의 손실을 최대한 억제하면서 정련이 가능한 수소첨가 플라즈마 아크 용해를 이용하여 잉곳을 제조하였다. 이후 수소 플라즈마 용해 전후의 티타늄 합금 내 금속 불순물의 거동을 확인하기 위하여 GDMS (Autoconcept GD90, MSI Ltd.)를 이용하여 순도를 평가하였다.
대상 데이터
일례로 시판중인 동일 조성의 티타늄 이원계 합금 분말의 경우(아메리칸 엘레멘트-미국, 99.9%, 150 µm) 순 티타늄 또는 합금 원소가 석출되어 있어서 완전한 합금 분말이 아님을 확인할 수 있었다.
티타늄 이원계 합금 스크랩의 수소 첨가 플라즈마 아크 용해를 통해 금속불순물이 최대 86% 저감된 잉곳을 제조하였다. 이러한 티타늄 합금 잉곳은 VAR 전극으로 활용이 가능하며, GDMS를 이용한 순도분석을 통해 공업용 원재료로써 적합하여 티타늄 합금 원료의 수입대체 효과를 기대할 수 있다.
수소 첨가 플라즈마 아크 용해는 고진공 분위기에서 행해지는 전자빔 용해에 비해 정련 효과가 저감되는 것을 수소 첨가로 보완할 수 있으며, 또한 용해 중 챔버 내 압력을 조절할 수 있으므로 합금 성분의 손실을 억제할 수 있는 장점이 있다. 티타늄 이원계합금 중 Ti-Ni, Ti-Mo, Ti-Al 합금 스크랩의 재활용을 위하여 합금 성분의 손실을 최대한 억제하면서 정련이 가능한 수소첨가 플라즈마 아크 용해를 이용하여 잉곳을 제조하였다. 이후 수소 플라즈마 용해 전후의 티타늄 합금 내 금속 불순물의 거동을 확인하기 위하여 GDMS (Autoconcept GD90, MSI Ltd.
이론/모형
위의 결과에서 나타나듯이 탈수소화가 진행되면서 분말의 산소함량이 2,000 ppm 정도 감소하였지만 여전히 3,000 ppm 이상으로 산소함량이 높았다. 따라서 HDH 공정 후 얻어진 각각의 분말들은 고상탈산법에 의해 추가적인 탈산을 진행하였다. 칼슘을 이용한 탈산과정은 Ca (g) + O (in Ti powder) = CaO (s)의 반응식에 의해 이루어진다[36].
성능/효과
이로써 Ti-Mo와 Ti-V 합금 스크랩의 HDH 공정을 통해 건전한 분말의 제조가 가능한 것을 확인하였다. 게다가 분말제조 시 합금원소가 석출되지 않고 완전히 고용된 합금 분말을 제조가 가능함을 확인하였다. 일례로 시판중인 동일 조성의 티타늄 이원계 합금 분말의 경우(아메리칸 엘레멘트-미국, 99.
결과적으로 β-티타늄 합금인 Ti- Mo 및 Ti-V 합금 스크랩으로부터 HDH법을 이용하여 합금 분말을 제조하였고 칼슘을 이용한 고상탈산법에 의한 추가적인 산소 저감을 통하여 약 1,000 ppm 이하의 저산소 티타늄 합금 분말의 제조가 가능함을 확인하였다.
그동안 순 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금에만 적용되었던 스크랩의 재활용을 티타늄 이원계 합금 스크랩에 적용하여 스크랩 내 금속 불순물을 제거한 건전한 잉곳 제조가 가능함을 확인하였다. 그리고 티타늄 합금 스크랩의 분말야금으로의 활용으로 저산소 고품위 분말 제조에 관하여 보고하였으며, 또한 티타늄 합금 스크랩의 응용 기술로써 저렴한 티타늄 합금 스크랩을 원재료로 고용상 서메트용 탄화물 분말을 제조하는 기술에 대하여 살펴보았다.
1%로 확인되었다. 또한 무게손실이 1% 미만으로 합금의 조성 성분의 손실은 거의 없는 것으로 확인되었다. 이러한 결과로부터 각각의 합금 모두 수소 플라즈마 아크 용해를 통해 스크랩의 재활용이 가능함을 보고하였다.
하지만 이러한 반응온도는 시편의 부피 및 표면 상태에 따라 달라질 수 있다. 본 실험에서 사용되는 시편들은 예비실험을 통해 550 ℃ 미만에서 수소화 반응이 완벽하지 않아서 분말의 제조가 어려운 것을 확인하였다. 이에 반해 650 ℃ 이상의 온도에서는 수소가 티타늄 내부에 흡착하지 않고 바로 탈수소가 일어나는 것을 알 수 있었다.
본 실험에서 티타늄 합금 스크랩을 활용하여 고용상 서메트용 탄화물을 합성하는 것이 가능하였고 분말은 나노 크기의 결정립의 응집 형태를 나타내는 것으로 확인되었다. 이 고용상 탄화물을 사용하여 제조된 고용상 서메트의 경우 기존 서메트와 달리 코어/림 구조를 가지지 않아 파괴인성이 향상될 것으로 예상되어 티타늄 합금 스크랩의 응용 가능성을 확인하였다.
합금 스크랩 내 주요 불순물은 염소, 철, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘 등이었다. 수소가 20% 첨가된 플라즈마 아크 용해에 의해 10분간 정련한 잉곳내 불순물들은 상당히 제거되었고, Ti-Ni 합금의 경우 122 ppm, Ti-Mo 합금은 344 ppm, 그리고 Ti-Al 합금은 378 ppm으로 감소됨을 확인하였다. 임의의 금속이 다른 금속과 분리될 수 있는 가장 중요한 성질 중 하나는 휘발성이다[31].
원재료인 티타늄 합금 스크랩 내 불순물의 농도는 Ti-Ni 합금이 446 ppm, Ti-Mo 합금이 1,842 ppm, 그리고 Ti-Al 합금의 경우 568 ppm으로 확인되었다. 합금 스크랩 내 주요 불순물은 염소, 철, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘 등이었다.
위의 결과에서 나타나듯이 탈수소화가 진행되면서 분말의 산소함량이 2,000 ppm 정도 감소하였지만 여전히 3,000 ppm 이상으로 산소함량이 높았다. 따라서 HDH 공정 후 얻어진 각각의 분말들은 고상탈산법에 의해 추가적인 탈산을 진행하였다.
이 순 티타늄 분말을 탈수소화를 진행한 후 얻어진 분말에서는 모두 α-티타늄 상이 관찰되었다. 이로써 Ti-Mo와 Ti-V 합금 스크랩의 HDH 공정을 통해 건전한 분말의 제조가 가능한 것을 확인하였다. 게다가 분말제조 시 합금원소가 석출되지 않고 완전히 고용된 합금 분말을 제조가 가능함을 확인하였다.
Figure 2에 아르곤 플라즈마 용해 시 수소 첨가에 의한 정련 효과 상승에 관한 모식도를 나타내었다. 이후 Ar-20%H2 플라즈마 분위기에서 20분간 용해된 각각의 합금 내 불순물 제거율은 82.6, 86.2, 49.1%로 확인되었다. 또한 무게손실이 1% 미만으로 합금의 조성 성분의 손실은 거의 없는 것으로 확인되었다.
후속연구
본 실험에서 티타늄 합금 스크랩을 활용하여 고용상 서메트용 탄화물을 합성하는 것이 가능하였고 분말은 나노 크기의 결정립의 응집 형태를 나타내는 것으로 확인되었다. 이 고용상 탄화물을 사용하여 제조된 고용상 서메트의 경우 기존 서메트와 달리 코어/림 구조를 가지지 않아 파괴인성이 향상될 것으로 예상되어 티타늄 합금 스크랩의 응용 가능성을 확인하였다.
현재 시판중인 같은 조성의 Ti-Mo, Ti-V 합금 분말의 경우 동일한 입도에서 각각의 산소함량은 약 2,750 ppm, 3,340 ppm으로 측정되었다. 이것은 본 실험에서 제조된 합금 분말이 상용 티타늄 합금 분말보다 산소함량이 상당히 낮다는 것을 의미하며 이에 따른 소결체 특성이 향상될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
티타늄 1 kg을 생산하는데 소요되는 에너지는 361 MJ인데, 알루미늄과 철강과 비교할 때 어떠한가?
[4]의 연구에 따르면 티타늄 1 kg을 생산하는데 소요되는 에너지는 361 MJ로 보고하였다. 이는 1 kg의 알루미늄(211 MJ), 철강(23 MJ)보다 더 많은 에너지가 소요되는 것을 알 수 있다. 또한, 고융점·고반응성·난가공성 등의 단점이 있어서 외국의 경우 티타늄 및 티타늄 합금 스크랩의 재활용 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다[5,6].
티타늄의 단점은 무엇인가?
티타늄은 경량금속으로 고비강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재로 알려져 있다[2,3]. 그러나 티타늄이 갖는 우수한 성질에도 불구하고 티타늄의 제조공정이 복잡하고 장시간이 소요되어 제조원가가 타 구조용 재료에 비해 매우 고가이다. Norgate et al.
티타늄 스크랩의 재활용에 있어서 가장 큰 문제점은 무엇인가?
한편 티타늄 스크랩의 재활용에 있어서 가장 큰 문제점은 가공 중 발생하는 가스 및 금속 불순물의 오염으로 이러한 불순물은 티타늄의 물성에 큰 영향을 끼치게 된다. 특히 티타늄의 기계적 가공 중 발생하는 열화현상으로 인해 스크랩 내 산소함량이 크게 증가하게 되는데, 이러한 산소는 티타늄의 물성에 가장 큰 영향을 끼치게 된다[2,3].
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