KR101883403B1 - 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법에 관한 것으로, 티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계; 상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계; 상기 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계; 및 상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;를 포함하는, 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH PURITY SPHERICAL TITANIUM POWDER}
본 발명은 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법에 관한 것이다.
분말을 이용한 부품제조 기술은 최종 부품의 치수 정밀도를 높이고, 대량 생산이 용이하며, 기계가공 및 재료 손실이 적은 장점이 있다. 또한, 성분 조절이 수월하여 제품 성능을 극대화할 수 있다는 장점이 있어 정밀 부품, 소재 제조산업에서 핵심적인 기술로서 그 중요도가 크게 증가하고 있다. 특히, 자동차 및 전자 기계부품 제조에 분말야금 공정을 적용함으로써, 기존의 기계가공 공정 대비 40% 이상 저렴한 비용으로 생산이 가능하다.
최근 자동차 및 가전/레저 산업의 발전과 함께 소결 부품의 수요가 증대됨에 따라 분말의 사용량이 급증하고 있다. 각 산업에 쓰이는 소결 부품 제조를 위해서는 분말 자체가 적정입도, 유동도, 겉보기 밀도, 성형밀도, 고 청정도 등의 고밀도 소결체를 제조할 수 있도록 우수한 품질을 갖추어야 한다.
기존 사용하고 있는 티타늄분말은 각형분말과 구형분말로 종류가 나뉘어지며 분말의 형태에 따라 각 산업에서 쓰이는 분야가 상이하다. 각형분말의 경우는 전자산업, 레저산업, 쥬얼리, 단조부품 등에 이용되며, 구형분말은 MIM(Metal Injection Moulding)용, HIP(Hot Isostatic Pressing)용, 3D 프린팅용 분말로 사용된다. 3D프린팅용 분말은 현재 kg당 50만원에 호가하는 등 고가의 분말로 판매되고 있어 향후 티타늄 분말산업에 큰 기대가 모아지고 있다.
현재 티타늄 각형분말은 스폰지 티타늄을 이용하여 수소화처리, 파쇄, 탈수소화처리 공정을 통해 제조된다. 구형분말의 경우는 티타늄 wire, 또는 rod를 이용하여 플라즈마 처리화 되어 분말화된다.
티타늄분말의 경우 스폰지로부터 각 공정을 거쳐 분말화하게 되면서 분말 내 산소오염이 문제가 된다. 또한 티타늄 스크랩보다 원가가 높아 원소재가 원가에 차지하는 비율이 높아지게 된다. 분말 내 산소오염이 높아질 경우, 부품제조시 성형공정에 문제가 될 뿐만 아니라 성형후에도 부품의 불량률이 높아질 수 있는 등 최종 생산성을 향상시킬 수 없는 한계를 가지고 있다.
이에, 티타늄 분말의 제조시, 경쟁력 있는 고순도 분말을 제조하기 위한 효율적인 공정을 디자인하는 것이 필요하다.
본 발명의 일 구현예는, 티타늄 분말 내 산소오염을 최소화하고, 가격경쟁력 있는 간단한 공정의 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법을 제공하고자 한다.
이를 통해, 고청정, 및 높은 성형 밀도 등의 우수한 품질을 갖는 티타늄 분말의 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계; 상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계; 상기 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계; 및 상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;를 포함하는, 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법을 제공한다.
상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;는, 히드록시기(-OH)를 갖는 용매 내에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 용매는, 메탄올, 에탄올, 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;는, 5분 이상, 및 120분 이하의 시간동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;에서, 상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말 표면의 위성분말이 제거되어, 티타늄 분말의 구형도가 87이상, 및 95이하로 향상되는 것일 수 있다.
상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;에서, 분말 표면의 불순물이 초음파에 의해 분리되어 분말 내 산소 불순물의 농도가 티타늄 분말 100중량%에 대하여 0.22중량% 이하로 저감되는 것일 수 있다.
상기 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계;는, 불활성 가스 분위기, 또는 불활성 가스 및 수소(H2) 가스의 혼합분위기에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계;는 티타늄 스크랩을 로내에 장입하고, 진공분위기로 제어하는 단계; 상기 진공분위기로 제어된 로내에 수소(H2) 기체를 주입하는 단계; 상기 로내 온도를 500℃ 이상, 및 1000℃ 이하로 제어하여 열처리하는 단계; 및 상기 로내를 냉각한 후, 수소화된 티타늄을 로내로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 로내 온도를 500℃ 이상, 및 1000℃ 이하로 제어하여 열처리하는 단계;는 10분 이상, 및 120분 이하의 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
티타늄 스크랩을 로내에 장입하고, 진공분위기로 제어하는 단계;에서, 10-2 atm 이하의 압력으로 제어되는 것일 수 있다.
상기 로내를 냉각한 후, 수소화된 티타늄을 로내로부터 분리하는 단계;에서, 상기 로내를 15℃ 이상, 및 30℃ 이하의 온도로 냉각하는 것일 수 있다.
상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;는, 불활성, 또는 환원분위기에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;는, 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He), 수소(H2) 또는 이들의 조합을 포함하는 분위기에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;는, 30초 이상, 및 60분 이하의 시간동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;에서 분쇄된 분말의 입경은 1um 이상, 및 80um 이하인 것일 수 있다.
상기 제조된 고순도 구형 티타늄 분말은, 3D 프린팅용인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 티타늄 분말 내 산소오염을 최소화하고, 가격경쟁력 있는 간단한 공정의 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법을 제공한다.
이를 통해, 고청정, 및 높은 성형 밀도 등의 우수한 품질을 갖는 티타늄 분말의 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법의 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 티타늄 스크랩의 수소화처리 전과 수소화처리 및 분쇄 후의 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 티타늄 스크랩의 수소화처리 전 X-Ray 회절(X-Ray Diffraction, XRD) 분석 그래프이다.
도 4는 티타늄 스크랩의 수소화처리 후 X-Ray 회절(X-Ray Diffraction, XRD) 분석 그래프이다.
도 5는 수소화된 티타늄 분말의 플라즈마 처리 전 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 6은 수소화된 티타늄 분말의 플라즈마 처리 후 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 7은 플라즈마 처리된 티타늄 분말의 초음파 처리 후 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
최근 자동차 및 가전/레저 산업의 발전과 함께 소결 부품의 수요가 증대됨에 따라 분말의 사용량이 급증하고 있다. 각 산업에 쓰이는 소결 부품 제조를 위해서는 분말 자체가 적정입도, 유동도, 겉보기 밀도, 성형밀도, 고 청정도 등의 고밀도 소결체를 제조할 수 있도록 우수한 품질을 갖추어야 한다.
이 중, 구형분말은 MIM(Metal Injection Moulding)용, HIP(Hot Isostatic Pressing)용, 3D 프린팅용 분말로 사용된다. 이에, 최근 각광받고 있는 3D프린팅용 티타늄 분말은 현재 kg당 50만원에 호가하는 등 고가의 분말로 판매되고 있어 티타늄 분말산업에 큰 기대가 모아지고 있다.
그러나, 티타늄분말의 경우 스폰지로부터 해당 공정을 거쳐 분말화하게 되면서 분말 내 산소오염이 문제가 된다. 또한 티타늄 스크랩보다 원가가 높아 원소재가 원가에 차지하는 비율이 높아지게 된다. 분말 내 산소오염이 높아질 경우, 부품제조시 성형공정에 문제가 될 뿐만 아니라 성형후에도 부품의 불량률이 높아질 수 있는 등 최종 생산성을 향상시킬 수 없는 한계를 가지고 있다. 이에, 경쟁력 있는 고순도 분말을 제조하기 위한 효율적인 공정을 디자인하는 것이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는, 이러한 문제점을 해결하여, 가격 경쟁력이 뛰어나면서 고순도를 갖는 구형 티타늄 분말을 제조하는 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법의 대한 개략적인 구성도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 일 구현예는, 티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계(S10); 상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계(S20); 상기 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계(S30); 및 상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계(S40); 를 포함하는, 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법을 제공한다.
구형 티타늄 분말, 특히 3D 프린팅용 구형 티타늄 분말은 높은 유동도로 인해 3D 프린터에 적용시 효율적인 리코팅(recoating) 공정이 가능한 이유로, 산소 불순물을 최소로 하고, 구형도가 큰 매끈한 구형이어야 한다.
상기 리코팅(Recoating) 공정에서, 분말을 매끄럽게 적층할 수 있어야 한다. 이와 관련하여, 분말이 진구형에 가깝고, 산소농도가 최저가 되면 분말을 매우 매끄럽게 기판(substrate)에 코팅될 수 있다. 이에, 리코팅 공정에서 발생하는 결함이 최소화될 수 있다. 또한, 분말 내 산소농도가 낮아져 부품 내 개재물의 생성가능성이 감소될 수 있다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법은, 플라즈마 처리 후 추가적으로 초음파 처리를 수행함으로써, 최종적으로 수득되는 구형 티타늄 분말 내 산소 농도를 최소화할 수 있고, 위성분말의 제거를 통해 매우 향상된 구형도를 갖는 티타늄 분말을 제조할 수 있다. 또한, 티타늄 원소재를 와이어, 또는 잉곳 형태가 아닌 스크랩 형태를 그래도 사용함으로써, 원가에서 85% 이상을 차지하는 원소재에 관한 비용을 혁신적으로 절감할 수 있다. 또한, 동일 설비에서 단위 시간당 생산량을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 저비용으로 고청정, 및 높은 성형 밀도 등의 우수한 품질을 갖는 티타늄 분말의 제조할 수 있다.
이하, 각 제조 단계에 대해 상세히 설명한다.
티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계(S10);에서 상기 티타늄 스크랩은 박판, 또는 후판 스크랩 모두 용이하며, 특정 형태의 스크랩에 한정되는 것은 아니다.
상기 단계(S10)은 분쇄(S20) 단계 이전에 수행되는 것이 바람직하며, 이는 티타늄을 수소화하여 취성을 부여함으로써, 후속 단계인 분쇄를 용이하게 하기 위함이다. 티타늄 스크랩의 수소화 결과로 수소화된 티타늄(TiHx, 통상적으로 TiH2) 가 수득될 수 있다.
이러한 수소화 처리는, 진공가압로 또는 튜브로 등에서 수행될 수 있다. 여기서, 상기 단계(S10)은 보다 구체적으로, 티타늄 스크랩을 로내에 장입하고, 진공분위기로 제어하는 단계; 상기 진공분위기로 제어된 로내에 수소(H2) 기체를 주입하는 단계; 상기 로내 온도를 500℃ 이상, 및 1000℃ 이하로 제어하여 열처리하는 단계; 및 상기 로내를 냉각한 후, 수소화된 티타늄을 로내로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
티타늄은 산소 등의 기체와 반응이 용이하여, 가열 이전 단계로 로내를 진공분위기로 제어하여야 한다. 이에, 수소화 단계는 진공이 가능한 로에서 수행되는 것이 바람직하다. 이후, 고진공상태의 로내에 수소(H-2) 기체를 주입한 후, 상기 온도 범위로 가열한다. 이러한 고온, 고압 조건에서 티타늄이 수소화될 수 있다. 여기서, 상기 열처리 온도가 너무 작은 경우, 티타늄이 수소와 반응하기에 충분한 에너지가 공급되지 않아, 반응 수율이 미미한 문제가 발생할 수 있다. 반면, 열처리 온도가 너무 높은 경우, 필요 이상의 에너지가 공급되어 잉여 에너지 발생으로 공정 효율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 로내 온도를 500℃ 이상, 및 1000℃ 이하로 제어하여 열처리하는 단계;는 10분 이상, 및 120분 이하의 시간동안 수행되는 것일 수 있다. 이는 상기 온도 범위에서, 티타늄의 수소화에 필요한 에너지를 충분히 공급할 수 있는 시간일 수 있다.
상기 티타늄 스크랩을 로내에 장입하고, 진공분위기로 제어하는 단계;에서, 10-2 atm 이하의 압력으로 제어될 수 있다. 보다 구체적으로는 0 atm 초과, 및 10-2atm 이하로 제어될 수 있다. 진공압력은 10-2atm 이하가 되어야 하며, 이는 수소화처리시 산소의 오염가능성을 방지하기 위함이다.
상기 로내를 냉각한 후, 수소화된 티타늄을 로내로부터 분리하는 단계;에서, 상기 로내를 15℃ 이상, 및 30℃ 이하의 온도로 냉각하는 것일 수 있다. 이는 상온 범위로, 티타늄의 분리를 용이하게 하기 위함이다.
수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계(S20);는 상기 단계(S10)에서 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계이다. 티타늄은 연성이 강하여 아무런 전처리 없이 분말을 제조하는데 큰 어려움이 있으므로, 티타늄을 수소와 반응시켜 티타늄 수소화물을 형성시키면 취성이 생겨 이를 쉽게 분말화할 수 있다.
상기 분쇄는, 제트밀, 유성밀, 진동밀, 스펙스밀, 볼밀 등의 다양한 기계적 분쇄 방법으로 수행될 수 있으며, 분위기 제어가 가능한 밀링장비면 사용이 가능하고, 특정 방식에 한정하는 것은 아니다.
상기 분쇄는, 불활성, 또는 환원분위기에서 수행되는 것일 수 있고, 보다 구체적으로는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He), 수소(H2) 또는 이들의 조합을 포함하는 분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 분쇄를 불활성, 또는 환원분위기에서 수행하는 것은 파쇄시 산소로 인한 분말의 산화를 방지하기 위함이다.
상기 분쇄는, 30초 이상, 및 60분 이하의 시간동안 수행되는 것일 수 있다. 분쇄 시간이 너무 짧은 경우, 분쇄 시간이 짧아 충분히 분쇄되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 분쇄 시간이 너무 긴 경우, 충분히 작은 입도로 분쇄된 이후 추가적인 잉여 공정이 진행되어 공정 효율이 저하될 수 있다.
상기 분쇄를 통해 분쇄된 분말의 입경은 1um 이상, 및 80um 이하인 것일 수 있다. 분쇄된 티타늄 분말의 입경이 너무 작은 경우, 후속단계인 플라즈마 처리 단계(S30)에서 분말이 증발되어 나노입자만 생성되는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 입경이 너무 큰 경우, 후속 단계(S30)에서 구형화 정도가 저하되고, 부품 제조용 분말로 부적합할 수 있다.
분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계(S30);는 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하여, 분말 내 수소 및 불순물을 제거하여 티타늄 분말의 순도를 높임과 동시에 분말의 구형도를 향상시키는 단계이다. 전술한 바와 같이, 3D프린팅용 등에 사용되는 구형 티타늄 분말을 제조하기 위해 플라즈마 처리를 한다.
이러한 플라즈마 처리 단계는, 불활성 가스 분위기, 또는 불활성 가스 및 수소(H2) 가스의 혼합분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 플라즈마 처리를 불활성 가스 분위기, 또는 불활성 가스 및 수소(H2) 가스의 혼합분위기에서 수행하는 것은 플라즈마 처리시 챔버 내 산소로 인한 분말의 산화를 방지하기 위함이다. 또한, 수소화처리 된 TiH2 각형분말이 Ti구형분말로 되면서 해리된 H2는 챔버내에서 분말의 산화방지 및 환원분위기로써의 역할을 할 수 있다.
이러한 플라즈마 처리를 통해 티타늄 분말이 구형화되고, 산소 등 불순물의 저감 효과가 있으나, 플라즈마 처리만으로는 후술되는 실시예에 뒷받침되는 바와 같이 충분한 구형도가 구현되지 못하고, 산소 불순물의 추가적인 저감도 요구된다. 이에, 추가적인 공정 개발이 요구되며, 본 발명은 후술되는 초음파 처리 공정을 통해 티타늄 분말의 구형도, 및 불순물 감소 효과를 혁신적으로 구현하였다.
플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계(S40);는 플라즈마 처리 후, 티타늄 분말 표면의 위성 분말을 제거하여 구형도를 향상시키고, 산소 불순물의 농도를 저감하기 위한 단계이다. 전술한 바와 같이, 구형 티타늄 분말은 높은 유동도로 인해 3D 프린터에 적용시 효율적인 리코팅(recoating) 공정이 가능 하며, 이를 위해 분말 내 산소 불순물을 최소로 하고, 구형도가 큰 매끈한 구형이어야 한다.
추가적인 초음파 처리를 통해, 구형도를 혁신적으로 향상시키고, 산소 불순물 농도를 저감할 수 있다. 이하, 단계(S40)에 대해 보다 자세히 설명한다.
상기 초음파 처리하는 단계;는, 히드록시기(-OH)를 갖는 용매 내에서 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 용매는, 메탄올, 에탄올, 또는 이들의 조합인 것일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다. 초음파 처리를 히드록시기(-OH)를 갖는 용매 내에서 수행함으로써 잔존된 산소와의 결합을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 초음파 처리하는 단계;는, 5분 이상, 및 120분 이하의 시간동안 수행되는 것일 수 있다. 초음파 처리 시간이 너무 짧은 경우 분말의 순도 및 형상이 충분히 만족하지 못한 문제가 발생할 수 있다. 반면, 초음파 처리 시간이 120분까지는 고순도, 구형분말이 가능하여 이상시간 초과되면 공정시간에 따른 영향이 미미해지므로 공정효율이 저하될 수 있다.
이러한 초음파 처리 단계에서, 상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말 표면의 위성분말이 제거되어, 후술되는 실시예에 뒷받침되는 바와 같이, 티타늄 분말의 구형도가 87이상, 및 99이하로 향상될 수 있다. 구형도는 분말의 가장 긴 직경에 대한, 가장 짧은 직경의 비율(가장 짧은 직경/가장 긴 직경)을 의미한다.
또한, 상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리할 때, 분말의 불순물이 포함된 표면을 초음파가 일부 분리하는 메커니즘에 의해 티타늄 분말 내 산소 농도가 저감될 수 있다.
이에, 플라즈마 처리 후 초음파 처리를 추가적으로 수행함으로써, 최종적으로 수득되는 티타늄 분말의 구형도가 향상되고, 분말 내 산소 농도가 저감되어, 구형 티타늄 분말의 품질이 향상될 수 있다. 초음파의 주파수를 제어함으로써 약하게 결합된 위성분말의 분리 및 분말표면에 잔존된 불순물의 제거가 가능하며, 이로인해 3D프린팅에 적용시 원활한 리코팅(recoating)작업이 가능하며 견고한 부품제작 및 부품내 개재물을 최소화 할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 실험예
티타늄 스크랩을 활용하여 분말화 가능성 평가를 실시하였다. 기존에 기공이 많은 스폰지를 이용하여 분말을 제조하였지만 본 실시예에서는 스크랩을 활용하여 분말화 가능성을 평가하였다.
먼저 티타늄 스크랩(출처 : 포스코 스크랩)을 준비하였다. 이후, 준비된 티타늄 스크랩을 진공가압로에 장입하고, 10-3atm의 진공도로 감압하였다. 이후, 로내에 수소(H2) 기체를 충분히 장입하고, 로내 온도를 700℃, 또는 800℃로 가열한 뒤 60분 동안 수소화처리 하였다.
수소화처리 후 로내 온도를 상온(약 25℃)으로 하강 후, 로내로부터 수소화된 티타늄을 분리하여 제트 밀(Jet mill)을 사용하여 밀링처리를 실시하였다. 이 때 밀링은 질소, 아르곤기체의 혼합 분위기에서 수행하였으며, 분쇄 시간은 20분 이었다.
각 수소화 온도에서 수소화된 티타늄 및 분쇄 후의 사진을 도 2에 나타내었다. 수소화된 티타늄 분말이 충분히 분쇄된 것을 확인할 수 있다.
분쇄 후 분말들에 대해 X-Ray 회절 분석(X-Ray Diffractin, XRD) 분석을 통해 수소화 여부를 확인하였다. 이때 분석 장치는 Rigaku D사의 Max-2500 V를 이용하였다.
그 결과는 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 3 및 도 4를 비교하여 알 수 있듯이, TiH2 피크(Peak)가 관찰되어, 티타늄 분말의 수소화가 이루어진 것을 알 수 있었다.
이후 수소화된 티타늄 분말에 대해 RF 플라즈마 처리를 하였다. 플라즈마 처리는 아르곤 분위기에서 실시하였다. 플라즈마 처리 전,후에 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 표면관찰을 실시하였고 그 결과는 도 5, 및 도 6에 나타내었다. 도 5 및 도 6 의 비교를 통해 알 수 있듯이, 플라즈마 처리를 통해 티타늄 분말의 구형도가 향상되었다. 그러나, 도 6에 나타나듯, 플라즈마 처리 후에도 분말 표면에 위성분말이 많이 존재하여, 분말의 표면 조도 및 구형도가 충분히 향상되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이후, 플라즈마 처리된 분말을 추가로 초음파 공정을 통해 표면의 위성분말 제거하고, 분말 내 산소 농도 감소를 도모하고자 하였다. 초음파 처리는 에탄올 용매에서, 40분간 실시하였다. 초음파 처리 이후 분말에 대해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 표면관찰을 실시하였고 그 결과는 도 7에 나타내었다. 플라즈마 처리 전인 도 6 및 도 7의 비교를 통해 알 수 있듯이, 초음파 처리 후 티타늄 분말 표면의 위성분말의 거의 다 제거된 것을 알 수 있다. 이에, 구형도가 87 이상, 및 95 이하로 매우 구형화된 티타늄 분말의 수득이 가능하였다.
나아가, 초음파 처리에 따른 티타늄 분말의 산소 농도 감소 효과를 확인하기 위해, 티타늄 스크랩, 수소화 처리후 수소화된 티타늄 분말, 플라즈마 처리 후 티타늄 분말, 및 초음파 처리후의 티타늄 분말에 대하여, N/O분석 방법으로 분말 내 산소 농도를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다. 이때 분석 장치는 LECO사의 TC-600을 이용하였다.
하기 표 1에서 알 수 있듯이, 초음파 처리 후 분말 내 산소 불순물의 농도가 감소한 것을 알 수 있다.
현재 3D프린팅용 Ti 분말은 약 0.22% 산소농도를 허용하여, 실제로 공정의 다단계를 이용하여 티타늄 분말내 최소화 연구가 활발히 시행되고 있다. 상기 결과로부터 초음파처리 또한 효율적인 산소농도 감소를 위한 공정으로 적합하다는 것을 파악할 수 있다.
구분 Oxygen (wt%)
Raw material Ti 0.24
플라즈마 처리 전(수소화처리 후, TiH2) 0.31
플라즈마 처리 후(초음파처리전) 0.23
초음파 처리 후 0.21
본 발명의 일 구현예에 따라, 티타늄 스크랩을 수소화, 플라즈마, 및 초음파 처리를 통해 분말화 함으로써 3D 프린팅용 티타늄 구형분말을 제조함으로써 기존에 상용화 되고 있는 철계 분말 제조방법에 비해 저원가 고순도의 구형 티타늄 분말을 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계;
    상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;
    상기 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계; 및
    상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;는,
    히드록시기(-OH)를 갖는 용매 내에서 수행되고,
    상기 용매는 메탄올, 에탄올, 또는 이들의 조합인 것이고,
    상기 분쇄된 수소화된 티타늄 분말을 플라즈마 처리하는 단계;는,
    불활성 가스 분위기, 또는 불활성 가스 및 수소(H2) 가스의 혼합분위기에서 수행되는 것이고,
    상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;는,
    불활성, 또는 환원분위기에서 수행되는 것이고,
    상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;는,
    아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He), 수소(H2) 또는 이들의 조합을 포함하는 분위기에서 수행되는 것이고,
    상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;에서,
    분말 표면의 불순물이 초음파에 의해 분리되어 분말 내 산소 불순물의 농도가 티타늄 분말 100중량%에 대하여 0.22중량% 이하로 저감되는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에서,
    상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;는,
    5분 이상, 및 120분 이하의 시간동안 수행되는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  5. 제 1항에서,
    상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말을 초음파 처리하는 단계;에서,
    상기 플라즈마 처리된 티타늄 분말 표면의 위성분말이 제거되어, 티타늄 분말의 구형도가 87이상, 및 95이하로 향상되는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에서,
    상기 티타늄 스크랩을 수소화 처리하여 수소화된 티타늄을 제조하는 단계;는
    티타늄 스크랩을 로내에 장입하고, 진공분위기로 제어하는 단계;
    상기 진공분위기로 제어된 로내에 수소(H2) 기체를 주입하는 단계;
    상기 로내 온도를 500℃ 이상, 및 1000℃ 이하로 제어하여 열처리하는 단계; 및
    상기 로내를 냉각한 후, 수소화된 티타늄을 로내로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  9. 제 8항에서,
    상기 로내 온도를 500℃ 이상, 및 1000℃ 이하로 제어하여 열처리하는 단계;는
    10분 이상, 및 120분 이하의 시간 동안 수행되는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  10. 제 8항에서,
    티타늄 스크랩을 로내에 장입하고, 진공분위기로 제어하는 단계;에서,
    10-2 atm 이하의 압력으로 제어되는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  11. 제 8항에서,
    상기 로내를 냉각한 후, 수소화된 티타늄을 로내로부터 분리하는 단계;에서, 상기 로내를 15℃ 이상, 및 30℃ 이하의 온도로 냉각하는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1항에서,
    상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;는,
    30초 이상, 및 60분 이하의 시간동안 수행되는 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  15. 제 14항에서,
    상기 수소화된 티타늄을 분쇄하여 수소화된 티타늄 분말을 제조하는 단계;에서 분쇄된 분말의 입경은 1um 이상, 및 80um 이하인 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
  16. 제 1항에서,
    상기 제조된 고순도 구형 티타늄 분말은, 3D 프린팅용인 것인,
    고순도 구형 티타늄 분말의 제조방법.
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