[논문]타이타늄 하이드라이드 분말의 침탄에 의한 타이타늄 카바이드 분말 제조

이훈석; 서향임; 이영선; 이동준; 왕제필; 이동원

doi:10.4150/kpmi.2017.24.1.29

[국내논문] 타이타늄 하이드라이드 분말의 침탄에 의한 타이타늄 카바이드 분말 제조
Fabrication of TiC powder by carburization of TiH2 powder 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.24 no.1, 2017년, pp.29 - 33

이훈석 (재료연구소 소재실용화연구실) , 서향임 (재료연구소 소재실용화연구실) , 이영선 (재료연구소 소재성형연구실) , 이동준 (재료연구소 소재성형연구실) , 왕제필 (부경대학교 금속공학과) , 이동원 (재료연구소 소재실용화연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium carbide (TiC) powders are successfully synthesized by carburization of titanium hydride ($TiH_2$) powders. The $TiH_2$ powders with size lower than $45{\mu}m$ (-325 Mesh) are optimally produced by the hydrogenation process, and are mixed with graphite powder by ball milling. The mixtures are then heat-treated in an Ar atmosphere at $800-1200^{\circ}C$ for carburization to occur. It has been experimentally and thermodynamically determined that the de-hydrogenation, "$TiH_2=Ti+H_2$", and carburization, "Ti + C = TiC", occur simultaneously over the reaction temperature range. The unreacted graphite content (free carbon) in each product is precisely measured by acid dissolution and by the filtering method, and it is possible to conclude that the maximal carbon stoichiometry of $TiC_{0.94}$ is accomplished at $1200^{\circ}C$.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

열처리 동안에 TiH₂ 분말의 탈 수소화와 탄화 반응이 동시에 발생하여 TiC 분말이 형성되어 질 수 있는데, 이에 대한 반응 열역학 고찰 및 반응 후 합성물의 화학양론 등의 대한 연구 사례는 보고된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 1차적으로 스펀지 타이타늄을 이용하여 TiH₂ 분말을 제조하는 공정을 최적화하고, 이후 제조 분말의 탄화 열처리를 수행하여, 탄화 반응 시의 상 변화 및 합성물의 탄소량, 미세조직 등의 특성을 조사 분석하고자 하였다.
제조된 TiH₂ 분말과 흑연 분말을 혼합하여 탄화 열처리를 시도하고자 하였다. TiC_1.

제안 방법

수소화 처리를 위해 스펀지 타이타늄 200 g을 튜브 로에 장입한후 고진공(10-5 torr) 분위기 속에서 승온 속도 10 ºC/min으로 350~950 ºC 까지 각각 승온 시켰으며, 그 온도에서 수소 가스를 1.1기압까지 투입하여 2시간 유지함으로써 수소화 반응을 종료시켰다.
얻어진 혼합분말을 몰리브덴(Mo) 용기에 10 g 씩 담은 후 튜브 로에 장입하여 아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서 승온 속도 10 ºC/min으로 목표 온도 800, 900, 1000, 1100, 1200 ºC까지 각각 승온시켰으며, 그 온도에서 2시간 동안 열처리 후 노냉하였다.
한편 수소가 가장 많이 함유된 최적의 TiH2 소재를 이용하여 직경 10 mm의 SUS 볼과 함께 100RPM으로 1시간 볼 밀링하여 분쇄시켰으며, 45 μm (325 Mesh) 이하의 원하는 TiH2 분말을 회수하였다.
1기압까지 투입하여 2시간 유지함으로써 수소화 반응을 종료시켰다. 이후 제조된 스펀지의 수소화 반응 정도를 조사하기 위하여 미량 원소분석기(Micro Elemental Analyzer, Flash2000) 및 X-선 회절 분석기(Xray Diffraction D/Max2500)를 이용하여 수소함유량 및 상을 분석하였다. 한편 수소가 가장 많이 함유된 최적의 TiH₂ 소재를 이용하여 직경 10 mm의 SUS 볼과 함께 100RPM으로 1시간 볼 밀링하여 분쇄시켰으며, 45 μm (325 Mesh) 이하의 원하는 TiH₂ 분말을 회수하였다.
초기 TiH₂ 분말 및 열탄화 공정 후 제조한 각각의 시료에 대하여 X-선 회절 분석기, 미량 원소분석기, 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6610LV), 레이저 입도분석(Laser Paticle Size Analyzer, LS13 320) 등의 장비를 통해 상 및 미세조직, 성분(수소, 탄소)을 조사하였다. 또한 탄화 반응은 정적인 고상반응으로 인해 합성물 내에는 미반응한 유리 탄소들이 잔류할 가능성이 크므로, 이의 양을 확인하기 위하여 불산 및 질산 혼합용액 (50:50)에 합성물 TiC_x 성분만을 용해한 후 남은 잔류물(유리 탄소)을 필터링하는 방식으로 유리 탄소량을 분석하였다.
스펀지 타이타늄의 수소화 반응을 조사하기 위하여, 먼저 “TiH2 = Ti + H2” 반응에 대한 열역학적 구동력을 조사하였다(그림 3).
분말 및 열탄화 공정 후 제조한 각각의 시료에 대하여 X-선 회절 분석기, 미량 원소분석기, 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6610LV), 레이저 입도분석(Laser Paticle Size Analyzer, LS13 320) 등의 장비를 통해 상 및 미세조직, 성분(수소, 탄소)을 조사하였다. 또한 탄화 반응은 정적인 고상반응으로 인해 합성물 내에는 미반응한 유리 탄소들이 잔류할 가능성이 크므로, 이의 양을 확인하기 위하여 불산 및 질산 혼합용액 (50:50)에 합성물 TiC_x 성분만을 용해한 후 남은 잔류물(유리 탄소)을 필터링하는 방식으로 유리 탄소량을 분석하였다.
얻어진 스펀지 형 TiH2 를 볼 밀링을 통해 325 Mesh 이하의 분말 상으로 제조하였으며, 이를 흑연 분말과 혼합 하여 800~1200ºC에서 탄화 반응을 위한 열처리를 수행하였다.
본 연구에서는 TiC 분말 제조를 위하여, 종래 열탄소 환원 공정 대비 상대적으로 낮은 온도 범위 (800~1200 ºC)에서 제조가 가능하고 또한 후속 밀링 공정이 필요 없는 공정으로 타이타늄 하이드라이드(TiH2)의 열탄화 공정(Thermo-carburization process)을 시도하였다.
따라서 이들의 미반응 잔류 유리 탄소를 정량하고자 하였으며, 이를 위하여 산 용해법 및 필터링 방법을 통해 전탄소(total carbon content) 및 유리 탄소를 정량 분석하고, 그 수치의 차이를 결합 탄소량으로 취하여, 화학양론 TiC_x를 확인하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다. 전반적으로 탄화 열처리 온도가 저온에서 고온으로 갈수록 유리 탄소량이 감소하면서 동시에 결합 탄소량이 높아지는 것을 볼 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서 수행한 공정의 흐름을 그림 1에 나타내었다. 또한 TiH₂ 분말 제조를 위한 초기 원료로써 우크라이나 산스펀지 타이타늄(TG-90 Grade)을 사용하였고 이에 대한 미세조직 및 순도를 그림 2와 표 1에 나타내었다. 전형적인 다공성 조직을 보이고 있으며 순도는 99.

성능/효과

입도크기의 분포 범위는 4.5~38.4 μm로 나타났고 이중 가장 많이 분포하고 있는 입도크기(Mode, 최빈수)는 31.5 μm이며, 미세조직 또한 불규칙한 각형의 입자로 관찰되었다.
따라서 본 연구에서는 반응의 구동력을 감안한 적정 온도를 고려할 때, TiH2 를 제조하기 위한 최적 수소화 처리 온도는 750ºC 인것으로 판단하였다.
% 로 최대치보다 약간 감소하기 시작하여 그 이상의 온도(950ºC)에서 더욱 감소하는 것을 볼 수 있었다.
즉 1200ºC에서 열처리된 합성물이 산업용 TiC의 화학양론적 조건에 부합됨을 확인할 수 있었다.
고순도 스펀지 타이타늄을 이용하여 타이타늄 하이드라이드를 제조하고자 하였으며, 이를 위하여 350~950ºC에서 수소화 열처리를 수행하였고, 수소화 반응이 가장 양호하게 진행되어진 최적의 반응 온도는 750ºC 인 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이타늄 카바이드 분말은 어떤 특징을 갖는가?	타이타늄 카바이드(Titanium Carbide, TiC) 분말은 고융점(약 3160 ºC)의 세라믹 소재로서 우수한 열 및 전기전도성과 높은 경도 및 내마모성 등으로 인해[1, 2], 중공업, 수송기 및 항공 산업에서 다양한 금속 부품의 가공을 위하여 활용되는 서멧 및 절삭 공구, 전기전자장비 부품 등을제조하는데 필요한 원료 분말로써 널리 활용된다[3, 4].
	열 탄소 환원법에는 어떤 단점이 있는가?	이중 열 탄소 환원법의 경우 친환경적인 공정이면서 제조공정이 단순하고 경제적인 측면에서 유리하여 상용화 공정으로 적용되고 있다. 그러나 초기원료로 사용되는 TiO2의 열역 학적 안정도에 기인하여 약 2,000 ºC의 매우 높은 반응 온도가 요구됨에 따라 분말 제조 시 심한 소결 현상이 발생 하여 이를 재 분체화하기 위한 장시간의 후속 밀링 공정이 요구되는 점 그리고 이에 따른 오염의 우려가 있는 점등의 단점들을 갖고 있다[9].
	열 탄소 환원법은 어떤 특징이 있는가?	종래, TiC 분말제조를 위한 공정들은, TiO2 분말의 열탄소 환원(Carbothermal reduction), SHS 법(Self propagation hight-temperature synthesis), Sol-gel 법, 기계적 볼 밀링 법및 TiCl4 의 가스반응법 등이 연구되어 왔다[5-8]. 이중 열 탄소 환원법의 경우 친환경적인 공정이면서 제조공정이 단순하고 경제적인 측면에서 유리하여 상용화 공정으로 적용되고 있다. 그러나 초기원료로 사용되는 TiO2의 열역 학적 안정도에 기인하여 약 2,000 ºC의 매우 높은 반응 온도가 요구됨에 따라 분말 제조 시 심한 소결 현상이 발생 하여 이를 재 분체화하기 위한 장시간의 후속 밀링 공정이 요구되는 점 그리고 이에 따른 오염의 우려가 있는 점등의 단점들을 갖고 있다[9].

참고문헌 (10)

A. T. Santhanam: The Chemistry of Transition Metal Carbides and Nitrides, S.T. Oyama(Ed.), Blackle Academic & Professional, UK(1996) 28.
E. K. Storms: The Refractory Carbides, Academic Press, UK(1967) 9.
F. H. Sam: Advances in Powder Metallurgy, I. Chang and Y. ZhaO(Ed.), Woodhead Publishing, USA (2013) 202.
P. Ettmayer, H. Kolaska, W. Lengauer and K. Dreyer: Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 13 (1995) 343.

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M. B. Rahaei, R. Y. Rad, A. Kazemzadeh and T. Ebadzadeh: Powder Technol., 217 (2012) 369.

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C. R. Rambo, J. Cao, O. Rusina and H. Sieber: Carbon, 43 (2005) 1174.

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W. Sena, H. Sun, B. Yang, B. Xu, W. Ma, D. Liu and Y. Dai: Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 28 (2010) 628.

상세보기
D. W. Lee, S. Alexandrovskii and B. K. Kim: Mater. Chem. Phys., 88 (2004) 23.

상세보기
W. Sen, B.Q. Xu, B. Yang, H.Y. Sun, J.X. Song, H.L. Wan and Y.N. Dai: T. Nonferr. Metal. Soc., 21 (2011) 185.

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T. Morimoto and K. Miura: Langmuir 1(1985) 658.

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