KR101483039B1 - 스폰지 티타늄을 이용한 금속 다공체의 표면 합금화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스폰지 티타늄을 이용한 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 관한 것으로, 상세하게는 금속 다공체와, 스폰지 티타늄을 진공로 내에 장입하고 가열하는 단계를 포함하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법은 합금화 처리를 통해 내식성을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 합금성분인 티타늄을 금속 다공체의 표면으로 합금화시킬 수 있어 금속 다공체의 내식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면 합금화를 위하여 0.5 ~ 1.0 m2/g의 비표면적, 즉 그 자체가 다공성인 스폰지 티타늄을 이용함에 따라 표면 합금화를 더욱 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있으며, 상대적으로 가격이 고가인 고순도 티타늄 분말과 비교하여 가격적인 측면에서도 유리한 장점이 있다.
Description
본 발명은 스폰지 티타늄을 이용한 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 관한 것으로, 상세하게는 고순도의 스폰지 티타늄을 이용하여 금속 다공체의 표면을 티타나이징(titanizing)하는 방법에 관한 것이다.
금속 다공체는 세라믹소재와는 달리 변형의 자유도가 우수하여 다양한 형상으로의 제조가 가능하며, 환경정화 산업에 있어서의 촉매 담체, 고온필터, 디젤자동차 매연여감장치(Diesel Particulate Filter, DPF), 세균탈취 등의 용도로 사용될 수 있고, 그 밖에도 석유정제, 전자부품 산업에서의 차폐/전지, 열특성 부품에서의 전달체, 히트 싱크(Heat sink) 등으로도 사용될 수 있으며, 기계진동 산업에서의 충격흡수, 유체제어부품 등에 광범위하게 적용되고 있다.
한편, 최근 들어 지구의 온난화 등의 문제가 심화됨에 따라 가뭄현상이 심해지고 있으며, 이에 따른 급속한 사막화가 진행되고 있다. 또한, 산업이 발달함에 따라 배기가스 및 환경정화용 가스 처리 문제가 심각한 이슈로 대두되고 있는 실정이다. 특히, 교토의정서, 발리로드맵 같은 온실가스 배출에 대한 기후변화협약과 디젤자동차의 CO2 배출에 대한 Euro 6 등 환경관련 규제는 전 세계적으로 필수적으로 적용되고 있는 사항이며, 이러한 규제에 대한 소재적인 측면에서의 가장 근본적인 해결책은 환경 정화용 다공성 소재의 개발에 있다고 할 수 있다.
다공성 소재는 최근 저탄소 녹색성장의 일환으로 정부에서 중점적으로 추진 중인 신재생에너지산업, 첨단그린도시, 탄소저감, 그린수송시스템의 핵심 소재로서, 부품의 형태로는 디젤자동차 매연여감장치(DPF), 소각로/발전용 백필터, 배기가스 포집/정화용 촉매담체, 전극소재 등으로 다양하게 활용되고 있다.
이러한 금속 다공체는 타소재의 다공체와 비교하여 투과성, 열충격저항성, 반응성이 우수한 장점이 있지만, 세라믹 필터 대비, 내식성이 저조한 점이 최대의 단점으로 지적되어 왔다. 이때, 상기 금속다공체로 가장 광범위하게 사용되는 소재로는 스테인레스계와 순철이 있으며, 이중 스테인레스계 소재의 경우 내식성능은 우수하지만 가격이 상대적으로 높은 단점이 있다. 또한, 순철의 경우 내식성은 상대적으로 저조한 반면, 가격이 저렴하여 산업적으로 가장 광범위하게 사용되고 있다.
상기한 바와 같이 내식성이 상대적으로 저조한 순철 금속 다공체의 내식성을 향상시키기 위한 방법으로서 표면개질을 통한 금속 다공체 표면부의 합금화 처리가 수행될 수 있다. 그러나, 금속 표면부를 합금화 처리하는 대표적 기술 중 하나인 진공증착방식은 고가의 장비 및 타겟 소재의 사용이 요구되는 단점이 있다.
한편, 대한민국 공개특허 특1996-0007804호에서는 내열성, 내식성 금속다공체의 제조방법이 개시된 바 있으며, 상세하게는 금속으로 만들어지거나 또는 그 표층이 금속으로 만들어진 금속다공체를 크롬 또는 크롬화합물과 NH4Cl을 함유한 분말재료를 950~1100 ℃에서 가열하여 생성한 가스와 환원성 희석가스와의 혼합가스 중에서 800 내지 1100 ℃에서 열처리함으로써 합금화 조성의 조정을 수행하는 내열성 및 내식성 금속다공체의 제조방법이 개시된 바 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2007-0006500호에서는 내식성이 우수한 구리-아연 합금 다공체 및 그 제조방법이 개시된 바 있으며, 상세하게는 3차원 망목상 구조의 구리 다공체를, 2∼25중량%의 아연 또는 아연더스트 분말, 0.5∼5%중량의 염화암모늄(NH4Cl) 분말 및 잔부 알루미나(Al2O3) 분말로 이루어진 혼합분말 중으로 묻은 후, 350∼750 ℃의 온도범위에서 10∼120 분 동안 가열 확산침투시켜 합금화시키는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 구리-아연 합금 다공체 제조방법이 개시된 바 있습니다.
상기한 바와 같이, 선행특허들에서는 금속 다공체의 내식성을 향상시키기 위한 수단들이 개시되어 있으나, 합금화 처리를 통해 내식성을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 합금성분은 티타늄으로서
이에 본 발명자들은 티타늄을 이용하여 금속 다공체의 표면을 합금화시키는 방법을 연구하던 중, 고순도의 스폰지 티타늄을 이용하여 금속 다공체의 표면을 티타나이징(titanizing), 즉 금속 다공체의 표면을 티타늄으로 합금화시키는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 스폰지 티타늄을 이용한 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
금속 다공체와, 스폰지 티타늄을 진공로 내에 장입하고 가열하는 단계를 포함하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
트레이(tray)로 스폰지 티타늄을 장입하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 스폰지 티타늄이 장입된 상기 트레이 상부로 금속 다공체를 구비시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 트레이 및 금속 다공체를 진공로 내로 장입하고 가열하는 단계(단계 3)를 포함하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
상기 합금화 방법에 따라 티타늄으로 표면처리된 금속 다공체를 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은
상기 금속 다공체를 포함하는 가스 정화용 촉매 담체를 제공한다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법은 합금화 처리를 통해 내식성을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 합금성분인 티타늄을 금속 다공체의 표면으로 합금화시킬 수 있어 금속 다공체의 내식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면 합금화를 위하여 0.5 ~ 1.0 m2/g의 비표면적, 즉 그 자체가 다공성인 스폰지 티타늄을 이용함에 따라 표면 합금화를 더욱 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있으며, 상대적으로 가격이 고가인 고순도 티타늄 분말과 비교하여 가격적인 측면에서도 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 수행하는 일례를 나타낸 그림이고;
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 표면 합금화가 수행된 금속 다공체의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 도 2의 주사전자현미경 사진을 Ti-매핑(Mapping) 분석한 사진이고;
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 표면 합금화가 수행되기 전/후의 금속 다공체 표면을 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(Enery Disperse X-ray Spectrometer, EDS)를 이용하여 분석한 결과이고;
도 5는 실시예 1 및 3에서 표면 합금화가 수행된 금속 다공체의 내식성을 분석한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 표면 합금화가 수행된 금속 다공체의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 도 2의 주사전자현미경 사진을 Ti-매핑(Mapping) 분석한 사진이고;
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 표면 합금화가 수행되기 전/후의 금속 다공체 표면을 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(Enery Disperse X-ray Spectrometer, EDS)를 이용하여 분석한 결과이고;
도 5는 실시예 1 및 3에서 표면 합금화가 수행된 금속 다공체의 내식성을 분석한 그래프이다.
본 발명은
금속 다공체와, 스폰지 티타늄을 진공로 내에 장입하고 가열하는 단계를 포함하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 표면 합금화 방법은 타소재의 다공체와 비교하여 투과성, 열충격저항성, 반응성이 우수한 반면, 세라믹 필터 대비, 내식성이 저조한 금속 다공체의 내식성을 향상시키기 위하여 상기 금속 다공체의 표면을 합금화시키는 방법이다.
종래 기술에 따르면 크롬 등의 금속을 이용하여 금속 다공체의 표면을 합금화하는 방법이 개시된 바 있으나, 본 발명에 따른 표면 합금화 방법에서는 합금화 처리를 통해 내식성을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 합금성분인 티타늄을 금속 다공체 표면으로 합금화하는 방법을 제공한다.
이를 위하여, 본 발명의 표면 합금화 방법은 그 표면을 합금화 처리할 금속 다공체와, 티타늄 원으로서 스폰지 티타늄을 진공로 내에 장입하고 가열함으로서 금속 다공체의 표면을 합금화 처리한다. 이는 상기 스폰지 티타늄의 경우 비표적이 0.5 내지 1.0 m2/g으로 많은 표면적을 보유하고 있으며, 그 자체가 다공성이기 때문에 티타늄 금속의 진공휘발량 증대에 유리하기 때문으로, 상기 스폰지 티타늄을 사용함에 따라 금속 다공체 표면의 합금화를 용이하게 수행할 수 있다.
이때, 본 발명의 표면 합금화 방법에서는, 티타늄 원으로서 그 순도가 99% 이상인 고순도 스폰지 티타늄을 사용한다.
상기 스폰지 티타늄의 불순물 중 가장 큰 비중을 차지하는 원소는 산소이며,산소 성분은 스폰지 티타늄 표면부에 부동태 피막으로 존재한다. 따라서, 산소농도가 높다는 것은 부동태 피막이 두껍다는 의미이며, 이에 따라 스폰지 티타늄의 티타늄 금속 휘발이 용이하지 않는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 표면 합금화 방법에서는 그 순도가 99% 이상인 고순도의 스폰지 티타늄을 사용하며, 이를 통해 티타늄 금속의 휘발을 더욱 용이하게 유발하여 금속 다공체의 표면 합금화를 더욱 용이하게 수행할 수 있다.
한편, 스폰지 티타늄이 아닌 고순도의 티타늄 분말, 예를 들어 99% 이상의 순도인 티타늄 분말의 경우에는 더욱 높은 비표면적으로 인하여 티타늄 금속의 휘발에는 유리한 면이 있을 수 있다. 그러나, 고순도 티타늄 분말의 가격은 매우 고가인 반면, 스폰지 티타늄의 경우 상대적으로 가격이 매우 저렴하기 때문에 본 발명의 표면 합금화 방법에서는 경제적인 측면을 고려하여 스폰지 티타늄을 티타늄 원으로서 사용하였다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 상기 금속 다공체는 스테인레스, 순철, 니켈, 구리 등의 금속재질일 수 있다. 그러나, 상기 금속 다공체가 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 분야에서 사용되고 있는 다양한 금속 다공체 중 그 내식성이 향상될 필요성이 있는 금속 다공체들을 사용하여 표면 합금화를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 금속 다공체와 스폰지 티타늄의 가열은 1 × 10-5 내지 1 × 10-7 Torr의 진공도의 진공로 내에서 수행될 수 있다. 즉, 상기한 바와 같은 진공 조건인 진공로 내에서 금속 다공체와 스폰지 티타늄의 진공열처리가 수행될 수 있으며, 이를 통해 스폰지 티타늄이 기화되며 티타늄 원자가스가 휘발되고, 휘발된 상기 티타늄 원자가스는 금속 다공체 표면에 흡착될 수 있다. 이와 같이, 티타늄 원자가스가 흡착된 금속 다공체의 표면에서는 진공열처리 온도 및 시간에 따라 확산에 의한 합금화가 진행된다.
이때, 상기한 바와 같은 진공도는 공업적으로 널리 적용되고 있는 일반적인 확산펌프(Diffusion pump)로 구현 가능한 진공도로서, 상기 범위 보다 우수한 진공도는 통상의 펌프로 확보하기에 많은 시간, 전력 및 부가적 장치 소요비 등이 소비되는 것과 같은 문제가 발생할 수 있으며, 상기 범위 보다 저조한 진공도에서는 상대적으로 티타늄 원자가스의 휘발이 저해되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 금속 다공체는 판상 구조인 것이 바람직하다.
이는 티타늄 코팅을 위한 장치 구조를 2차원적으로 수행하기에 유리하기 때문이다. 그러나, 티타늄 가스의 휘발영역 내에서 부품을 회전시키는 방법을 취하면 판상 구조가 아닌 다양한 형태의 구조물에도 적용 가능하다. 따라서 내식성 향상을 위하여 티타늄 합금화가 요구되는 다양한 구조의 금속 다공체를 본 발명의 표면 합금화 방법에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 금속 다공체와 스폰지 티타늄의 가열은 800 내지 1100 ℃의 온도에서 5 내지 20 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
이는 진공열처리에 의하여 휘발된 티타늄 원자가스가 금속 다공체의 표면에 흡착되고, 상기 티타늄 원자가스가 흡착된 금속 다공체의 표면에서는 진공열처리 온도 및 시간에 따라 확산에 의한 합금화가 진행되기 때문이다. 즉, 열처리 조건에 따라 합금화를 조절할 수 있기 때문이다.
이에, 본 발명에 따른 표면 합금화 방법에서는 800 내지 1100 ℃의 온도에서 5 내지 20 시간 동안 금속 다공체와 스폰지 티타늄의 가열을 수행하며, 이를 통해 금속 다공체 표면의 합금화를 원활히 진행할 수 있다.
만약, 상기 가열이 800 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 스폰지 티타늄으로부터 티타늄 원자가스의 진공휘발량이 지극히 적어 표면 합금화가 수행되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 상기 가열이 1100 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 사용된 금속 다공체 변형되는 문제가 발생할 수 있다.
아울러, 상기 가열이 5 내지 20 시간 동안 수행되는 것은 1싸이클의 열처리 공정을 수행함에 있어서 2일에 걸쳐서 상기 1싸이클의 열처리를 완료할 수 있는 시간적 범위로서, 상기 가열이 이에 제한되는 것은 아니며 온도조건에 따라 적절히 변동될 수 있다.
또한, 본 발명은
트레이(tray)로 스폰지 티타늄을 장입하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 스폰지 티타늄이 장입된 상기 트레이 상부로 금속 다공체를 구비시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 트레이 및 금속 다공체를 진공로 내로 장입하고 가열하는 단계(단계 3)를 포함하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법이 수행되는 일례를 도 1의 그림을 통해 개략적으로 도시하였으며,
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 단계 1은 트레이(tray)로 스폰지 티타늄을 장입하는 단계이다.
본 발명에 따른 표면 합금화 방법은 타소재의 다공체와 비교하여 내식성이 저조한 금속 다공체의 내식성을 향상시키기 위하여 상기 금속 다공체의 표면을 합금화시키는 방법으로, 합금화 처리를 통해 내식성을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 합금성분인 티타늄을 금속 다공체 표면으로 합금화하기 위하여, 상기 단계 1에서는 트레이로 티타늄 원인 스폰지 티타늄을 장입한다.
상기 스폰지 티타늄은 비표적이 0.5 내지 1.0 m2/g으로 많은 표면적을 보유하고 있으며, 그 자체가 다공성이기 때문에 티타늄 금속의 진공휘발량 증대에 유리하며, 상기 단계 1에서 티타늄 원으로서 스폰지 티타늄을 사용함에 따라 금속 다공체 표면의 합금화를 용이하게 수행할 수 있다.
한편, 상기 단계 1의 트레이는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등의 금속재질, 바람직하게는 몰리브덴 재질일 수 있다.
금속 다공체의 표면 합금화를 위해서는 장시간의 진공열처리가 요구되며, 티타늄 원으로서 사용되는 스폰지 티타늄은 진공열처리가 수행된 후에도 재사용하여야한다. 이에 따라, 진공열처리가 수행된 후 상기 트레이와 스폰지 티타늄의 융착이 이루어지는 것을 방지할 필요성이 있다.
이러한 트레이와 스폰지 티타늄의 융착을 방지하기 위해서, 융점이 매우 높고 가공이 유리한 소재인 트레이를 사용하는 것이 바람직하다. 이에, 상기 단계 1에서는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 융점이 높은 금속 소재의 트레이를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴 트레이를 사용할 수 있으나, 상기 트레이의 재질이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 경우에 따라 상기 트레이로 알루미나, 지르코니아, 탄탈륨, 텅스텐 등의 고융점 소재를 적용하여 사용할 수 있으며, 트레이와 스폰지 티타늄의 융착을 방지할 수 있는 고융점 소재라면 트레이의 재질이 상기 알루미나, 지르코니아 등으로 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 스폰지 티타늄으로는 그 순도가 99% 이상인 고순도 스폰지 티타늄을 사용한다.
상기 스폰지 티타늄의 불순물 중 가장 큰 비중을 차지하는 원소는 산소이며,산소 성분은 스폰지 티타늄 표면부에 부동태 피막으로 존재한다. 따라서, 산소농도가 높다는 것은 부동태 피막이 두껍다는 의미이며, 이에 따라 스폰지 티타늄의 티타늄 금속 휘발이 용이하지 않는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 표면 합금화 방법에서는 그 순도가 99% 이상인 고순도의 스폰지 티타늄을 사용하며, 이를 통해 티타늄 금속의 휘발을 더욱 용이하게 유발하여 금속 다공체의 표면 합금화를 더욱 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 스폰지 티타늄이 장입된 상기 트레이 상부로 금속 다공체를 구비시키는 단계이다.
상기 단계 2의 금속 다공체는 실질적으로 표면 합금화가 수행되는 대상으로서, 상기 금속 다공체는 스테인레스, 순철, 니켈, 구리 등의 금속재질일 수 있다. 그러나, 상기 금속 다공체가 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 분야에서 사용되고 있는 다양한 금속 다공체 중 그 내식성이 향상될 필요성이 있는 금속 다공체들을 사용하여 표면 합금화를 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 상기 단계 2의 금속 다공체는 판상 구조인 것이 바람직하다.
이는 티타늄 코팅을 위한 장치 구조를 2차원적으로 수행하기에 유리하기 때문이다. 그러나, 티타늄 가스의 휘발영역 내에서 부품을 회전시키는 방법을 취하면 판상 구조가 아닌 다양한 형태의 구조물에도 적용 가능하다. 따라서 내식성 향상을 위하여 티타늄 합금화가 요구되는 다양한 구조의 금속 다공체를 본 발명의 표면 합금화 방법에 적용할 수 있다.
상기 단계 2의 금속 다공체가 판상 구조인 경우, 도 1의 그림을 통해 도시한 바와 같이, 트레이(3) 내부에 스폰지 티타늄(2)을 장입하고, 표면 합금화가 수행된 판상의 금속 다공체를 트레이 상부에 구비시킬 수 있다. 그러나, 도 1의 그림은 본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법의 일례를 나타낸 것일 뿐, 트레이의 형태, 스폰지 티타늄의 장입형태, 금속 다공체 구조 등은 그 필요에 따라 적절한 형태로 변경하여 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 금속 다공체의 표면 합금화 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2의 트레이 및 금속 다공체를 진공로 내로 장입하고 가열하는 단계이다.
상기 단계 3은 트레이 및 금속 다공체를 진공로 내에 장입하여 진공열처리를 수행함으로서 금속 다공체 표면을 티타늄으로 합금화시키는 단계이다.
즉, 상기 단계 3의 가열, 진공열처리가 수행됨에 따라 트레이에 장입된 스폰지 티타늄이 기화되며 티타늄 원자가스가 휘발되고, 휘발된 상기 티타늄 원자가스는 금속 다공체 표면에 흡착된다. 이와 같이, 티타늄 원자가스가 흡착된 금속 다공체의 표면에서는 온도 및 시간에 따라 확산에 의한 합금화가 진행되어, 궁극적으로 금속 다공체의 표면을 티타늄으로 합금화시킬 수 있으며, 금속 다공체의 내식성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 3의 가열은 1 × 10-5 내지 1 × 10-7 Torr의 진공도의 진공로 내에서 수행될 수 있다. 즉, 상기한 바와 같은 진공 조건인 진공로 내에서 금속 다공체와 트레이 내에 장입된 스폰지 티타늄의 진공열처리가 수행될 수 있으며, 이를 통해 스폰지 티타늄이 기화되며 티타늄 원자가스가 휘발되고, 휘발된 상기 티타늄 원자가스는 금속 다공체 표면에 흡착될 수 있다.
이때, 상기한 바와 같은 진공도는 공업적으로 널리 적용되고 있는 일반적인 확산펌프(Diffusion pump)로 구현 가능한 진공도로서, 상기 범위 보다 우수한 진공도는 통상의 펌프로 확보하기에 많은 시간, 전력 및 부가적 장치 소요비 등이 소비되는 것과 같은 문제가 발생할 수 있으며, 상기 범위 보다 저조한 진공도에서는 상대적으로 티타늄 원자가스의 휘발이 저해되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 단계 3의 가열은 800 내지 1100 ℃의 온도에서 5 내지 20 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
이는 가열, 즉 진공열처리에 의하여 휘발된 티타늄 원자가스가 흡착된 금속 다공체의 표면에서는 진공열처리 온도 및 시간에 따라 확산에 의한 합금화가 진행되기 때문이다. 즉, 열처리 조건에 따라 합금화를 조절할 수 있기 때문이다.
이에, 본 발명에 따른 표면 합금화 방법의 상기 단계 3에서는 800 내지 1100 ℃의 온도에서 5 내지 20 시간 동안 금속 다공체와 스폰지 티타늄의 가열을 수행하며, 이를 통해 금속 다공체 표면의 합금화를 원활히 진행할 수 있다.
만약, 상기 가열이 800 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 스폰지 티타늄으로부터 티타늄 원자가스의 진공휘발량이 지극히 적어 금속 다공체의 표면 합금화가 수행되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 상기 가열이 1100 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 사용된 금속 다공체 변형되는 문제가 발생할 수 있다.
아울러, 상기 가열이 5 내지 20 시간 동안 수행되는 것은 1싸이클의 열처리 공정을 수행함에 있어서 2일에 걸쳐서 상기 1싸이클의 열처리를 완료할 수 있는 시간적 범위로서, 상기 가열이 이에 제한되는 것은 아니며 온도조건에 따라 적절히 변동될 수 있다.
또한, 본 발명은
상기 합금화 방법에 따라 티타늄으로 표면처리된 금속 다공체를 제공한다.
상기한 바와 같이, 금속 다공체는 타소재의 다공체와 비교하여 투과성, 열충격저항성, 반응성이 우수한 장점이 있지만, 세라믹 재질과 비교하여 내식성이 저조한 점이 최대의 단점으로 지적되어 왔다.
이에, 본 발명에서는 금속 다공체의 내식성 향상을 위하여, 금속 다공체 표면을 합금화 처리하되, 합금화 처리를 통해 내식성을 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 합금성분인 티타늄으로 그 표면을 처리한 금속 다공체를 제공한다.
본 발명에 따른 금속 다공체는 상기 합금화 방법을 통해 표면처리가 수행됨에 따라 고순도의 티타늄으로 표면처리된 것으로, 표면처리 전과 비교하여 더욱 향상된 내식성을 나타낼 수 있다.
나아가, 본 발명은
상기 금속 다공체를 포함하는 가스 정화용 촉매 담체를 제공한다.
금속 다공체는 예를 들어, 환경정화 산업에 있어서의 촉매 담체, 고온필터, 디젤자동차 매연여감장치(Diesel Particulate Filter, DPF), 세균탈취 등의 용도로 사용되고 있으며, 경우에 따라 전자부품 산업에서의 차폐/전지, 열특성 부품에서의 전달체, 히트 싱크(Heat sink) 등으로도 사용가능한 것으로 알려져 있다.
한편, 교토의정서, 발리로드맵 같은 온실가스 배출에 대한 기후변화협약과, 디젤자동차의 CO2 배출에 대한 Euro 6 등 환경관련 규제가 강화되고 있는 실정에서, 온실가스 등의 가스 정화처리를 위한 촉매 담체가 요구되고 있다.
이때, 본 발명에 따른 촉매 담체는 그 표면이 티타늄으로 합금화되어 우수한 내식성을 나타낼 수 있는 금속 다공체를 포함하는 것으로서, 종래의 금속 다공체와 비교하여 부식으로 인한 문제를 방지할 수 있는바, 자동차 배기가스 정화용도 등 다양한 가스 정화용도로서 사용될 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 금속 다공체의 표면 합금화 1
단계 1 : 폭 100 mm, 길이 100 mm, 높이 20 mm이고, 두께가 5 mm인 몰리브덴 트레이 내에 3 - 5 mm 크기의 스폰지 티타늄 조각(순도 99.8%) 200 g을 장입하였다.
단계 2 : 도 1의 그림을 통해 나타낸 바와 같이, 상기 단계 1의 몰리브덴 트레이 상부에 금속 다공체로서 순철 판재를 구비시켰다. 이때, 트레이 내의 스폰지 티타늄과 순철 판재와의 거리는 약 10 mm로 이격되도록 하였다.
단계 3 : 상기 단계 2의 트레이 및 순철 판재를 진공로에 장입하고, 진공로 내부를 10-6 torr의 진공도로 조절한 후, 800 ℃의 온도로 각각 5, 10, 15 및 20 시간 동안 가열하여 진공열처리를 수행함으로서 금속 다공체의 합금화를 수행하였다.
<실시예 2> 금속 다공체의 표면 합금화 2
상기 실시예 1의 단계 3에서 900 ℃의 온도로 각각 5, 10, 15 및 20 시간 동안 가열하여 진공열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속 다공체의 합금화를 수행하였다.
<실시예 3> 금속 다공체의 표면 합금화 3
상기 실시예 1의 단계 3에서 1000 ℃의 온도로 각각 5, 10, 15 및 20 시간 동안 가열하여 진공열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속 다공체의 합금화를 수행하였다.
<실시예 4> 금속 다공체의 표면 합금화 4
상기 실시예 1의 단계 3에서 1100 ℃의 온도로 각각 5, 10, 15 및 20 시간 동안 가열하여 진공열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속 다공체의 합금화를 수행하였다.
<실시예 5 내지 8> 금속 다공체의 표면 합금화 5 내지 8
상기 실시예 1 내지 4에서 금속 다공체로서 다공성 스테인레스 판재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 내지 4와 동일하게 수행하여 금속 다공체의 합금화를 수행하였다.
<실험예 1> 주사전자현미경 관찰
상기 실시예 3에서 5시간 동안 진공열처리가 수행된 순철 판재의 표면을 주사전자현미경((JEOL, Model: JSM 6380LV)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 순철 판재의 표면에 흰색으로 표현된 티타늄이 존재하는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 본 발명에 따른 표면 합금화 방법으로 금속 다공체의 표면처리를 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 티타늄 원소 맵핑 분석
상기 실험예 1에서 도출된 주사전자현미경 사진을 바탕으로 주사전자현미경에 구비된 원소맵핑기능을 이용하여 티타늄 원소 맵핑을 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 금속 다공체 표면에는 녹색으로 표시된 티타늄 원소가 균질하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 표면 합금화 방법으로 금속 다공체의 표면을 티타늄으로 균질하게 표면처리 할 수 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 에너지 분산형 X-ray 분광분석
상기 실시예 1 내지 4에 있어서, 표면 합금화가 수행되기 전/후의 금속 다공체 표면을 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(Enery Disperse X-ray Spectrometer, EDS; JEOL, Model: JSM-5600LV)를 통해 분석하였고, 분석된 결과를 토대로 검출된 철과 티타늄의 총 함량을 100으로 취하여 티타늄 성분의 백분율을 산출하였으며, 상기 분석의 결과를 도 4 및 하기 표 1에 나타내었다.
| 실시예 | 온도 | 시간 | Ti/(Ti+Fe) (단위 : %) |
| 1 |
800 |
5 | 0.1 |
| 10 | 0.3 | ||
| 15 | 0.8 | ||
| 20 | 1.4 | ||
| 2 |
900 |
5 | 1.2 |
| 10 | 2.5 | ||
| 15 | 4.9 | ||
| 20 | 8.2 | ||
| 3 |
1000 |
5 | 7.4 |
| 10 | 9.1 | ||
| 15 | 10.5 | ||
| 20 | 12.1 | ||
| 4 |
1100 |
5 | 8.4 |
| 10 | 10.8 | ||
| 15 | 15.7 | ||
| 20 | 21.3 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 800 ℃의 온도로 진공열처리가 수행되는 경우, 가열시간의 변화에 따라 0.1 내지 1.4%에 해당하는 티타늄이 금속 다공체 표면에 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 실시예 2에서 900 ℃의 온도로 진공열처리가 수행되는 경우에는 가열시간의 변화에 따라 1.2 내지 8.2%, 실시예 3에서 1000 ℃의 온도로 진공열처리가 수행되는 경우에는 가열시간의 변화에 따라 7.4 내지 12.1%, 실시예 4에서 1100 ℃의 온도로 진공열처리가 수행되는 경우에는 가열시간의 변화에 따라 8.4 내지 21.3%의 티타늄이 금속 다공체 표면에 형성되었음을 알 수 있다.
이때, 종래의 니켈과 크롬을 이용한 금속 합금화를 감안하면, 약 10%의 티타늄이 코팅되는 경우 금속 다공체의 우수한 내식성을 확보할 수 있을 것으로 예측되는 바, 온도 및 시간 조건을 적절히 변경하여 금속 다공체의 합금화 정도를 조절할 수 있다.
아울러, 도 4에 나타낸 바와 같이, 표면 합금화 수행 전/후의 금속 다공체 표면을 분석한 결과, 합금화가 수행되기 전(도 4에서 a)로 표기됨)에는 티타늄이 검출되지 않았음을 알 수 있다, 즉, 합금화 전 금속 다공체 표면에는 티타늄이 존재하지 않는 것을 알 수 있다.
반면, 합금화가 수행된 후(도 4에서 b)로 표기됨)에는 티타늄이 검출되고 있음을 알 수 있는 바, 이를 통해 금속 다공체의 표면에 티타늄의 합금화가 수행되었음을 알 수 있다.
<실험예 4> 금속 다공체의 내식성 분석
금속 합금화가 수행됨에 따른 금속 다공체의 내식성을 분석하기 위하여, 실시예 1에서 800 ℃의 온도로 10시간 동안 진공열처리가 수행된 금속 다공체와, 실시예 3에서 1000 ℃의 온도로 10시간 동안 진공열처리가 수행된 금속 다공체를 대기 중에서 5 ℃/분의 속도로 승온시키며 발생하는 산화 및 질화에 따른 증량증가 경향을 열중량분석기를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 대조군으로서 분석한 표면 합금화가 수행되지 않은 순철 판재의 경우에는 약 600 ℃의 온도에서 급격한 산화/질화에 의한 무게증가경향을 나타내었다.
반면, 실시예 3에서 1000 ℃의 온도로 진공열처리가 수행된 금속 다공체는 800 ℃의 온도까지 무게증가가 거의 없는 상태를 유지하였다.
금속 다공체로서 사용된 순철의 경우, 고온 하의 조건에서는 표면층에 철산화물 및 철질화물이 형성되며, 지속적인 반응에 의해 산소 및 질소가 소재 내부로 확산되어 궁극적으로는 소재 전체가 철산화물/질화물로 변태된다. 그러나, 표면층에 티타늄 성분이 충분히 도포되어 있을 경우에는, 표면층에 철산화물/질화물(예를 들어, 철질산화물, iron oxynidride : FeOxNy) 대신, 이보다 열역학적으로 훨씬 안정하며 융점이 높은 티타늄산화물/티타늄질화물(예를 들어, 티타늄질산화물, Titanium oxynitride : TiOxNy)이 도포되며, 이러한 안정상 피막으로 인하여 고온에서도 추가적인 산소와 질소의 침투를 효과적으로 차단할 수 있다.
즉, 상기의 결과를 통해 본 발명의 표면 합금화 방법으로 금속 다공체의 고온 내산화 능력을 월등히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
1 : 금속다공체 판재
2 : 스폰지 티타늄
3 : 금속트레이
2 : 스폰지 티타늄
3 : 금속트레이
Claims (11)
- 삭제
- 트레이(tray)로 스폰지 티타늄을 장입하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 스폰지 티타늄이 장입된 상기 트레이 상부로 순철 재질의 금속 다공체를 구비시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 트레이 및 금속 다공체를 진공로 내로 장입하고 1000 내지 1100 ℃의 온도로 10 내지 20 시간 동안 가열하는 단계(단계 3)를 포함하며,
표면 합금화 후 금속 다공체 표면의 철과 티타늄의 총 함량에 대한 티타늄의 백분율은 9.1 내지 21.3 %인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법.
- 삭제
- 제2항에 있어서, 상기 스폰지 티타늄은 그 순도가 99% 이상인 고순도 스폰지 티타늄인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 진공로는 1 × 10-5 내지 1 × 10-7 Torr의 진공도인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 금속 다공체는 판상 구조인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 트레이는 알루미나, 지르코니아, 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 재질인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 트레이는 몰리브덴 재질인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 표면 합금화 방법.
- 삭제
- 제2항의 합금화 방법에 따라 티타늄으로 표면처리된 금속 다공체.
- 제10항의 금속 다공체를 포함하는 가스 정화용 촉매 담체.
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR20060035789A (ko) * | 2003-09-30 | 2006-04-26 | 인코 리미티드 | 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법 및 이방법으로 제조된 컴포넌트 |
| KR20070010829A (ko) * | 2005-07-20 | 2007-01-24 | 한국기계연구원 | 구리-니켈 합금 다공체 및 그 제조방법 |
| KR20080106002A (ko) * | 2007-05-31 | 2008-12-04 | 그린 하이드로텍 인코포레이티드. | 다공성 촉매 구조 및 그의 제조방법 |
| KR20100119668A (ko) * | 2009-05-01 | 2010-11-10 | 한국기계연구원 | 고순도 스폰지 티타늄을 제조하기 위한 반응기 내부 표면 개질방법 |
-
2013
- 2013-04-02 KR KR20130035775A patent/KR101483039B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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