KR20160020594A - 탄질화티타늄 분말의 제조 방법 - Google Patents

탄질화티타늄 분말의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160020594A
KR20160020594A KR1020140104899A KR20140104899A KR20160020594A KR 20160020594 A KR20160020594 A KR 20160020594A KR 1020140104899 A KR1020140104899 A KR 1020140104899A KR 20140104899 A KR20140104899 A KR 20140104899A KR 20160020594 A KR20160020594 A KR 20160020594A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
titanium carbonitride
titanium
calcium
present
powder
Prior art date
Application number
KR1020140104899A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101691410B1 (ko
Inventor
이현호
김기홍
신수정
김상면
Original Assignee
주식회사 나노테크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 나노테크 filed Critical 주식회사 나노테크
Priority to KR1020140104899A priority Critical patent/KR101691410B1/ko
Priority to US15/510,050 priority patent/US9981856B2/en
Priority to PCT/KR2015/003319 priority patent/WO2016024689A1/ko
Priority to EP15832342.8A priority patent/EP3181274B1/en
Priority to ES15832342T priority patent/ES2767408T3/es
Publication of KR20160020594A publication Critical patent/KR20160020594A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101691410B1 publication Critical patent/KR101691410B1/ko

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00Compounds of titanium
    • C01G23/002Compounds containing, besides titanium, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • B22F9/20Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from solid metal compounds
    • B22F9/22Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from solid metal compounds using gaseous reductors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/0828Carbonitrides or oxycarbonitrides of metals, boron or silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90Carbides
    • C01B32/914Carbides of single elements
    • C01B32/921Titanium carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/01Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/30Particle morphology extending in three dimensions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/51Particles with a specific particle size distribution
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/61Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/62Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/64Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/32Thermal properties
    • C01P2006/37Stability against thermal decomposition

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

상대적으로 저온 조건에서 분쇄 공정을 둘 필요가 없는 탄질화티타늄의 초미립 분말 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 제조 방법은 불활성 분위기 하에서 이산화티타늄(TiO2), 칼슘(Ca)과 탄소(C)를 접촉시키는 혼합 단계, 질소 분위기 하에서 이렇게 얻은 혼합물을 600~1500℃ 이하의 온도로 가열하여 반응시키는 합성 단계와 이 반응 혼합물을 수세하여 산화칼슘을 제거하는 세척 단계를 포함한다.

Description

탄질화티타늄 분말의 제조 방법{Method for Preparing Titanium Carbonitride Powder}
본 발명은 탄질화티타늄의 초미립 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 금속 열환원법을 통해 구형화된 초미립 탄질화티타늄 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
전이금속 탄화물과 금속 결합제(binder)를 결합시켜 얻는 복합 재료는 절삭 공구의 소재로 널리 쓰이고 있다. 이러한 절삭 공구용 복합 재료에는 여러 종류가 있지만 가장 주된 것은 높은 인성(靭性 toughness)과 양호한 경도를 지닌 텅스텐 탄화물계(WC-Co carbide) 복합 재료와 탄질화티타늄(Ti(C,N) 또는 TiCN) 기반 쎄멧(cermet)이다.
탄질화티타늄(Ti(C,N) 또는 TiCN)은 질화티타늄(TiN)과 탄화티타늄(TiC)의 고용체로서 질화티타늄과 탄화티타늄을 모두 함유하고 있다. 이 때문에 탄질화티타늄은 탄화티타늄의 높은 경도와 질화티타늄의 뛰어난 화학적 안정성 및 인성을 모두 갖추고 있는 장점이 있다. 또한 탄질화티타늄은 내산화성, 전기와 열에 대한 전도도가 우수하며 크리프(creep)와 마모에 대한 내성도 뛰어나기 때문에 텅스텐 탄화물계 복합 재료에 비하여 절삭 공구의 소재로 쓰였을 때 성능 특성이 우월하다.
이 때문에 탄질화티타늄 분말은 비교적 고가임에도 불구하고 절삭용 소재분야에서 사용량이 늘어나고 있는데 대표적인 용도로는 강철과 주철의 반제품과 마감 제품 제조용 절삭 공구로서 텅스텐 탄화물보다 고속의 절삭 속도가 필요한 분야를 들 수 있다.
종래의 탄질화티타늄 분말의 제조 방법에서는 먼저 탄화티타늄 분말을 얻은 다음, 이 분말을 고압의 질소 분위기 하에서 고온으로 장시간 가열하여 탄질화티타늄을 합성하였다. 그러나 이 제조 방법에서는 질소와의 반응이 고온이기 때문에 질소와 반응하기 전에 탄화티타늄의 입자가 급격히 성장하여 버려서 탄질화티타늄을 미립으로 얻기가 매우 어려웠다.
그런데 절삭용 소재에서 요구하는 기계적 성질은 탄질화티타늄의 분말의 입자가 고와질수록, 그리고 그 순도가 높아질수록 향상되는 경향이 있다. 그래서 종래에는 수 마이크로미터 미만의 미세한 입자를 얻기 위해서는 합성한 탄질화티타늄 분말을 다시 볼밀링 등의 방법을 써서 분쇄하여야 하였는데, 탄질화티타늄의 높은 경도 때문에 분쇄 시간이 길게 들 수 밖에 없는 단점이 있었다.
예를 들어, 초미립 TiCN 매트릭스 써멧을 제조하는 것에 관한 한 선행 문헌(Zhang 외, Rare Metals, 통권 29(2010), 제 5호, 528쪽, Preparation and properties of ultra - fine TiCN matrix cermets by vacuum microwave sintering)에서는 시판 중인 평균 입자 크기 2.2 μm의 탄질화티타늄 분말을 50시간에 걸쳐서 분쇄하고 이를 다시 진공 조건에서 마이크로파 소결 처리함으로써 1 μm 미만의 초미립 분말을 얻는데 성공하였으며 이렇게 진공 마이크로파 소결 처리하여 얻은 TiCN 써멧은 단순 진공 소결한 것에 비하여 입자가 더 곱고 경도와 밀도가 더 우수하였다고 보고하고 있다.
현재 시판되는 탄질화티타늄 분말은 평균 입자 크기가 1~3 μm 정도이다. 당업계에서는 이보다 더 미세한 입자 크기인 초미립(ultrafine), 즉 수십 내지 수백 나노미터 크기인 탄질화티타늄 분말에 대한 수요가 크지만, 전술한 바와 같이 분쇄나 열 처리 등의 합성 후 추가 공정 없이 초미립 탄질화티타늄 분말을 제공하는 데에는 아직 뚜렷한 해결책이 없다. 따라서 이러한 업계의 수요를 만족할 수 있는 경제적인 방법을 기술 개발할 필요성은 여전히 남아 있는 실정이다.
본 발명의 기술적 과제 중 하나는, 상대적으로 저온에서 탄질화티타늄을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 과제 중 다른 하나는, 간단한 제조 공정을 통해 용이하게 대규모로 탄질화티타늄을 제조할 수 있는 경제적인 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 과제 중 또 다른 하나는, 초미립자 형태의 탄질화티타늄을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 (1) 불활성 분위기 하에서 이산화티타늄(TiO2), 칼슘(Ca)과 탄소(C)를 접촉시키는 혼합 단계, (2) 이렇게 하여 얻은 반응 혼합물을 질소 분위기 하에서 600~1500℃ 이하의 온도로 가열하여 반응시키는 합성 단계와 (3) 합성 단계를 마친 반응 생성물을 수세하는 세척 단계를 포함하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 제조 방법에서 합성 단계는 이산화티타늄 출발 물질에 대한 탄화와 질화 반응이 동시에 진행되어 탄질화티타늄을 생성하는 단계이다. 본 발명의 제조 방법에서 세척 단계는 반응 생성물로부터 산화칼슘을 물에 용해시켜 제거하는 단계이다.
본 발명 제조 방법의 한 실시 형태에서, 상기 혼합 단계의 이산화티타늄과 칼슘의 혼합비는 이산화티타늄 1몰에 대하여 칼슘 2몰 초과 내지 6몰 이하로 할 수 있다. 본 발명의 한 실시 형태에서, 상기 혼합 단계의 이산화티타늄과 탄소의 혼합비는 이산화티타늄 1몰에 대하여 탄소 0.2몰 내지 2.5몰로 할 수 있다.
본 발명의 탄질화티타늄 분말의 제조 방법의 한 실시 형태에서 상기 혼합 단계는 건식 혼합으로 진행될 수 있다.
본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서, 상기 합성 단계는 칼슘의 녹는점 이상의 온도에서 이루어질 수 있다. 다른 구체적인 실시 형태에서, 상기 합성 단계는 탄소질 용기 속에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 혼합 단계와 상기 가열 단계 사이에 상기 혼합 단계에서 얻은 반응 혼합물을 가압하여 성형하는 성형 단계를 둘 수 있다.
본 발명의 탄질화티타늄 분말 제조 방법으로 얻은 탄질화티타늄의 조성은 TiC 0.3 N 0.7 내지 TiC 0.7 N 0.3 의 범위이며 입도는 10 nm 내지 1 μm이다.
본 발명의 탄질화티타늄 분말의 제조 방법에 있어서, 필요에 따라, 상기 수세된 탄질화티타늄을 산(acid) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 탄질화티타늄 분말의 제조 방법은 매우 흔한 재료인 이산화티타늄 및 칼슘을 사용하므로 경제성이 우수하다. 또한 본 발명은 녹는점이 높지 않은 칼슘을 환원제로 사용하기 때문에 물질 분배를 양호하게 유지하여 균일한 반응을 꾀할 수 있으면서도 상대적으로 저온에서 합성 반응을 진행할 수 있고, 분말의 응집 현상 제어도 용이하다. 또한 본 발명의 제조 방법은 탄화와 질화 반응을 한 단계에서 처리할 수 있고, 부산물의 제거가 쉽기 때문에 공정이 간단하다. 본 발명에 따르면 균일한 형상 및 입도를 갖는 탄질화티타늄을 대규모로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 한 실시 형태에서 얻은 반응 생성물에서 탄질화티타늄 분말과 부산물인 산화칼슘의 존재를 확인하는 X선 회절 그래프이다. 이 X선 회절 분석은 수세를 거치지 않은 반응 생성물을 대상으로 이루어졌다.
도 2a와 도 2b는 도 1과 동일한 실시 형태에서 얻은 반응 생성물의 전계 방출형 주사 전자현미경(FE-SEM) 사진들로서, 수세를 거치지 않은 반응 생성물을 촬영한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 한 실시 형태에서 얻은 탄질화티타늄 분말의 X선 회절 그래프이다. 이 X선 회절 분석은 수세한 반응 생성물의 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 도 3과 동일한 실시 형태에서 얻은 탄질화티타늄 분말의 FE-SEM 사진이다. 이 사진은 반응 생성물의 수세 후 촬영한 것이다.
이하, 본 발명의 탄질화티타늄 분말의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방식으로 설명하기 위해 용어의 의미를 적절하게 정의할 수 있으며 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어를 통상적이거나 사전적인 의미로만 해석하였을 때 본 명세서에 따른 정의와 상충하는 경우, 용어의 해석은 본 발명의 기술적 사상에 부합하도록 본 발명 명세서의 정의를 우선하여 이루어져야 한다는 점을 밝혀 둔다.
본 발명의 제조 방법의 첫째 단계는 이산화티타늄(TiO2), 칼슘(Ca)과 탄소(C)를 불활성 분위기 하에서 접촉시키는 혼합 단계이다.
본 발명의 제조 방법에서 반응물인 이산화티타늄으로는 아나타제(anatase)와 루타일(rutile)의 결정형을 모두 사용할 수 있는데, 이 중 아나타제형이 루타일형보다 반응성이 우월하다. 또한, 이산화티타늄 반응물로 입도가 작은 분말을 사용할수록 탄질화티타늄을 초미립으로 얻는데 유리하다. 경제성과 탄질화티타늄의 입도를 고려할 때 본 발명의 구체적인 실시 형태에서는 이산화티타늄 분말로 입도가 10 nm ~ 10μm 범위인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에서 칼슘은 이산화티타늄을 환원하여 질소와 탄소에 반응할 수 있게 하여 주는 환원제 역할을 한다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서, 혼합 단계의 이산화티타늄:칼슘의 혼합비는 이산화티타늄 1몰에 대하여 칼슘 2몰 초과 내지 6몰 이하로 할 수 있다. 칼슘이 2몰 이하이면 미반응 이산화티타늄이 잔존할 수 있으며, 6몰 초과이면 티타늄 주변에 칼슘이 국부적 과량으로 존재할 수 있는데, 이렇게 되면 탄질화티타늄 입자가 조대(粗大)하여지고 생성 분말의 응집이 일어날 수 있어서 균일한 분말을 얻기 어려워진다.
이론적으로는 이산화티타늄 1몰 대비 칼슘이 2몰만 투입하여도 이산화티타늄 전체가 반응이 가능하나, 실제로는 칼슘의 높은 반응성 때문에 일부 칼슘이 생성물로 이어지는 환원 반응에 참여하지 못한 채 산화되어 버리므로 이론양보다 더 많은 칼슘을 사용하는 것이 바람직하다. 한편 칼슘은 입도가 작을수록 반응성이 좋아지기 때문에 너무 입도가 작은 것을 사용할 경우 취급에 어려움이 있다. 따라서 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 TiO2 분말에 비해 다소 큰 분말을 사용한다.
본 발명에서 탄소는 탄질화티타늄의 탄소원이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 탄소원으로 사용할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 활성탄, 카본 블랙 등을 들 수 있다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 제조되는 탄질화티타늄의 입도를 고려할 때 카본 블랙을 사용한다.
본 발명의 한 실시 형태에서 이산화티타늄과 탄소의 혼합비는 이산화티타늄 1몰에 대하여 탄소 0.2몰 내지 2.5몰을 사용한다. 탄소가 0.2몰 미만이면 반응하지 않은 채로 잔류하는 이산화티타늄이 많아지며, 2.5몰을 초과하면 저온에서의 질화 처리가 거의 불가능하게 된다.
본 발명의 제조 방법에서 사용하는 탄소 분말은 고른 혼합을 꾀하기 위하여 지나치게 조대한 분말을 피하는 것이 바람직하며, 칼슘보다는 작은 입도의 분말을 사용하면 적당하다.
본 발명의 제조 방법에서 혼합 단계는 칼슘이 산화되는 것을 억제하기 위해 불활성 분위기 하에서 수행한다. 불활성 분위기는 질소나 아르곤 등의 불활성 기체를 이용하여 산소를 배제한 상태이면 충분하다. 본 발명의 제조 방법의 한 실시 형태에서는 혼합 단계 후 이어지는 합성 단계와의 연속성을 생각할 때 불활성 분위기로 질소 분위기를 사용한다.
혼합 단계는 습식 혼합 또는 건식 혼합으로 수행될 수 있다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는, 칼슘의 산화를 억제하기가 용이한 건식 혼합을 사용한다.
본 발명의 제조 방법에서 상기 혼합 단계의 시간은 출발 물질의 완전한 혼합이 일어날 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않으며, 사용되는 출발 물질들의 입도나 혼합 방식 등을 고려하여 다양하게 채택할 수 있다. 예를 들면 10 분 내지 48 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어지는 단계에서는, 질소 분위기 하에서 상기 혼합 단계의 반응 혼합물을 가열하여 탄질화티타늄(Ti(C,N))을 합성한다. 이 합성 단계는 각 출발 물질의 반응 분위기를 조성함으로써 탄질화티타늄을 생성하는 단계이다. 탄질화티타늄이 합성되는 반응식은 다음과 같다.
TiO2 + xCa + C +N2 → TiCyN1 -y + xCaO
가열은 적절한 속도로 상기 반응이 효과적으로 진행되는 온도까지 승온하며 목적하는 온도에 도달하면 충분한 시간 동안 수행된다. 이 때, 가열의 최대 온도는 600 내지 1500℃인 것이 탄질화티타늄을 높은 수득률로 얻을 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 상기 합성 단계는 칼슘의 용융점 이상의 온도에서 수행한다. 즉 합성 단계의 최대 온도를 칼슘의 용융점에서부터 1500℃ 이하인 범위에서 채택할 수 있다. 칼슘의 용융점 이상에서 반응을 진행시키게 되면, 칼슘이 액상으로 존재하게 되어 유동성이 증가하게 되고, 그에 따라 반응계에 존재하는 물질의 분배 효과가 현저하게 개선된다. 물질의 분배가 균일하게 이루어지면 균일하고 구형화된 탄질화티타늄을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 구체적인 실시 형태에서는 상기 합성 단계의 압력이 질소 분위기 하에서 0.5 kgf/cm2 내지 10 kgf/cm2이다.
본 발명의 합성 단계에 사용하는 반응 혼합물의 용기는 반응 온도를 견딜 수 있는 소재라면 특별한 제한은 없다. 본 발명의 한 실시 형태에서는, 유리질 또는 세라믹 용기를 사용하는 경우 반응열로 인한 국부적인 반응이 유발되어 생길 수 있는 분말 오염을 막기 위하여 탄소질 용기를 사용한다.
필요에 따라, 상기 혼합 단계를 마치고 상기 합성 단계에 들어가기 전에 반응 혼합물을 가압하여 성형할 수 있다. 반응 혼합물을 가압 성형함으로써 입자들의 접촉 면적을 확대하여 반응의 효율을 높일 수 있다.
상기 합성 단계에 이어, 생성물 속에 포함된 탄질화티타늄으로부터 산화칼슘(CaO)을 분리하여 내기 위한 세척 단계를 진행한다. 본 발명에서는 반응의 부산물로는 산화칼슘이 생성되는데 산화칼슘은 물에 쉽게 용해되므로 수세를 통해 간단하게 반응 혼합물로부터 제거할 수 있다. 이와 같이 부산물 제거 공정이 쉽고 간단하므로, 본 발명은 고순도 탄질화티타늄을 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명은 필요에 따라, 상기 수세된 탄질화티타늄을 산(acid) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 수세 이후 존재하는 미량의 불순물을 황산, 질산, 염산, 아세트산 등을 이용하여 제거하고, 고순도의 탄질화티타늄을 얻을 수 있다.
한 실시 형태에서 전술한 본 발명의 방법에 따라 얻은 탄질화티타늄의 조성은 TiC 0.3 N 0.7 내지 TiC 0.7 N 0.3 의 범위(이 범위 내에서 C와 N의 계수의 합은 1임)이다. 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 TiC 0.3 N 0.7 , TiC 0.5 N 0.5 및/또는 TiC 0.7 N 0.3 의 조성을 지니는 탄질화티타늄 분말을 얻을 수 있다.
전술한 본 발명의 방법에 따를 때 입도가 10 nm 내지 1 μm, 더 구체적으로는 100 nm 내지 600 nm, 더욱 구체적으로는 100 내지 500 nm인 탄질화티타늄 분말을 얻을 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 다음과 같이 실시예를 제시한다.
아나타제형 TiO2 분말(입도 0.1 μm) 1 몰, 칼슘 분말(입도 2 mm) 3몰, 탄소 분말(카본블랙, 입도 10 μm) 0.5몰을 준비하였다. 이때 출발 물질은 모두 99% 이상의 순도를 가진 것을 사용하였다. 이 출발 물질을 3시간 동안 건식 혼합하였는데, 혼합 중 칼슘의 산화를 막기 위해 내부에 질소 기체를 채워 넣었다.
이 반응 혼합물 분말에 프레스로 1000 kgf/mm2 이상의 압력으로 가압 성형하였고, 성형 후에는 탄소 도가니 속에 담아 전기로 안으로 옮겼다. 전기로를 통해 반응 혼합물을 가열하기 이전에 진공을 뽑고 질소 기체를 흘려보내주었으며, 질소 기체는 1.5 kgf/cm2 압력으로 실험 내내 유지하였다. 전기로의 승온 속도는 분당 5로 하였고, 반응 온도를 최대 880℃가 되도록 설정하였다.
이 최대 온도에서 1시간에 걸쳐 반응을 시켰으며 반응을 마친 생성물을 5회에 걸쳐 증류수로 세척하였다. 수세한 생성물에서 마지막 수분을 제거하거 위하여 묽은 염산(6N, 1.5 L)으로 세척하여 불순물을 제거하였다. 이렇게 하여 최종적으로 얻은 생성물 분말을 X선 회절(XRD) 분석과 전계 방출형 주사 전자현미경(FE-SEM) 분석한 결과 순수한 탄질화티타늄으로 나타났는데, 조성은 TiC0 .7N0 .3이었으며 입도는 500 nm 이하였다.
루타일형 TiO2 분말(입도 0.2 μm) 1 몰, 칼슘 분말(입도 2 mm) 3몰, 탄소 분말(카본블랙, 입도 10 μm) 0.65몰을 준비하였다.
질소 기체 압력을 2.0 kgf/cm2으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄질화티타늄 분말을 제조하였다. 그 결과 생성물은 XRD 분석과 FE-SEM 분석을 통해 순수한 탄질화티타늄으로 나타났는데, 조성은 TiC0 .7N0 .3이었으며 입도는 600 nm 이하였다.
실시예 1과 2에서 수세하기 전의 산화칼슘을 포함하는 생성물 분말의 X선 회절 그래프와 전자 현미경 사진을 각각 도 1과 도 2a(실시예 1)와 도 2b(실시예 2)에 나타내었다.
도 3과 도 4에서는 실시예 1에서 얻은, 수세한 탄질화티타늄 분말의 XRD 그래프와 FE-SEM 사진을 각각 나타내었다. 이로써 본 발명의 제조 방법에 따라 합성한 탄질화티타늄의 높은 순도(도 3)와 구형화된 균일한 형상(도 4)을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명을 비록 한정된 실시예와 도면에 의하여 설명하였으나, 본 발명은 이들만으로 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 여기서 개시한 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 안에서 전술한 내용을 다양하게 수정 및 변형할 수 있고, 이러한 수정 및 변형 형태도 본 발명의 권리 범위에 속함은 물론이다.

Claims (11)

  1. 이산화티타늄(TiO2), 칼슘(Ca)과 탄소(C)를 불활성 분위기 하에서 접촉시키는 혼합 단계;
    질소 분위기 하에서 상기 혼합 단계에서 얻은 혼합물을 600~1500℃ 이하의 온도에서 가열하여 반응시키는 합성 단계; 및
    상기 합성 단계를 마친 혼합물을 수세하여 산화칼슘을 제거하는 세척 단계를 포함하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이산화티타늄과 칼슘의 혼합비는 이산화티타늄 1몰에 대하여 칼슘 2몰 초과 내지 6몰 이하인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 이산화티타늄과 탄소의 혼합비는 이산화티타늄 1몰에 대하여 탄소 0.2~2.5몰인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 단계는 건식 혼합인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 합성 단계의 온도는 칼슘의 용융점 이상인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 합성 단계는 압력이 0.5 kgf/cm2 내지 10 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 합성 단계는 탄소질 용기 속에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 단계와 상기 합성 단계의 사이에 상기 혼합 단계에서 얻은 혼합물을 가압하여 성형하는 성형 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 방법으로 얻은 탄질화티타늄의 조성은 TiC0.3N0.7 내지 TiC0.7N0.3의 범위이고, 이 탄질화티타늄에서 탄소와 질소의 계수의 합은 1인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 방법으로 얻은 탄질화티타늄 분말의 입도는 10 nm 내지 1 μm인 것을 특징으로 하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 세척 단계 후 수세된 탄질화티타늄을 산 처리하는 단계를 더 포함하는 탄질화티타늄 분말의 제조 방법.
KR1020140104899A 2014-08-13 2014-08-13 탄질화티타늄 분말의 제조 방법 KR101691410B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140104899A KR101691410B1 (ko) 2014-08-13 2014-08-13 탄질화티타늄 분말의 제조 방법
US15/510,050 US9981856B2 (en) 2014-08-13 2015-04-02 Method of preparing titanium carbonitride powder
PCT/KR2015/003319 WO2016024689A1 (ko) 2014-08-13 2015-04-02 탄질화티타늄 분말의 제조 방법
EP15832342.8A EP3181274B1 (en) 2014-08-13 2015-04-02 Method for producing titanium carbonitride powder
ES15832342T ES2767408T3 (es) 2014-08-13 2015-04-02 Método de producción de polvo de carbonitruro de titanio

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140104899A KR101691410B1 (ko) 2014-08-13 2014-08-13 탄질화티타늄 분말의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160020594A true KR20160020594A (ko) 2016-02-24
KR101691410B1 KR101691410B1 (ko) 2017-01-02

Family

ID=55304298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140104899A KR101691410B1 (ko) 2014-08-13 2014-08-13 탄질화티타늄 분말의 제조 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9981856B2 (ko)
EP (1) EP3181274B1 (ko)
KR (1) KR101691410B1 (ko)
ES (1) ES2767408T3 (ko)
WO (1) WO2016024689A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102061677B1 (ko) * 2018-08-23 2020-02-11 주식회사 나노테크 텅스텐과 티타늄 복합 탄화물 분말의 제조 방법
KR102103217B1 (ko) 2019-09-30 2020-05-08 (주)웰크론 체열반사 부직포원단 제조장치 및 방법 및 이를 이용한 침구제품

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020170223A1 (en) * 2019-02-22 2020-08-27 University Of Johannesburg Titanium carbonitride
CN110468320B (zh) * 2019-08-06 2021-08-10 广东工业大学 一种高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用
CN115385697B (zh) * 2022-08-24 2023-06-23 湖南昊坤硬质新材料有限公司 一种高氮的氮碳化钛的生产工艺
CN115818646A (zh) * 2022-12-14 2023-03-21 昆明理工大学 一种碳化钛粉的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100113092A (ko) * 2008-01-23 2010-10-20 트라듐 게엠베하 무감각화된 금속 분말 또는 합금 분말 및 이의 생산을 위한 방법 및 반응 용기
JP2013199402A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Kyoto Univ シリコンの製造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE8900918L (sv) * 1988-03-22 1989-09-23 Inst Struturnoi Makrokinetikia Foerfarande foer framstaellning av pulverformiga svaarsmaelta oorganiska foereningar och metallkompositioner
US5417952A (en) * 1994-05-27 1995-05-23 Midwest Research Institute Process for synthesizing titanium carbide, titanium nitride and titanium carbonitride
CA2322707C (fr) * 1998-03-16 2008-12-16 Sep Bienvenu-Lacoste Procede de synthese de ceramiques complexes pulverulentes de metaux refractaires
CN1830807A (zh) * 2006-04-06 2006-09-13 武汉科技大学 一种低温熔盐碳热还原合成碳氮化钛粉末的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100113092A (ko) * 2008-01-23 2010-10-20 트라듐 게엠베하 무감각화된 금속 분말 또는 합금 분말 및 이의 생산을 위한 방법 및 반응 용기
JP2013199402A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Kyoto Univ シリコンの製造方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102061677B1 (ko) * 2018-08-23 2020-02-11 주식회사 나노테크 텅스텐과 티타늄 복합 탄화물 분말의 제조 방법
WO2020040353A1 (ko) * 2018-08-23 2020-02-27 주식회사 나노테크 텅스텐과 티타늄 복합 탄화물 분말의 제조 방법
US11713251B2 (en) 2018-08-23 2023-08-01 Nanotech Co., Ltd. Method for preparing powdered composite carbide of tungsten and titanium
KR102103217B1 (ko) 2019-09-30 2020-05-08 (주)웰크론 체열반사 부직포원단 제조장치 및 방법 및 이를 이용한 침구제품

Also Published As

Publication number Publication date
EP3181274B1 (en) 2019-12-18
EP3181274A1 (en) 2017-06-21
EP3181274A4 (en) 2018-04-18
ES2767408T3 (es) 2020-06-17
US9981856B2 (en) 2018-05-29
KR101691410B1 (ko) 2017-01-02
WO2016024689A1 (ko) 2016-02-18
US20170267541A1 (en) 2017-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101691410B1 (ko) 탄질화티타늄 분말의 제조 방법
CN1254339C (zh) 金属粉末和合金粉末的制备方法
JP5424215B2 (ja) 金属炭化物微粒子の製造方法
WO2006106873A1 (ja) 炭化チタン粉末および炭化チタン-セラミックス複合粉末とその製造方法ならびにその炭化チタン粉末の焼結体および炭化チタン-セラミックス複合粉末の焼結体とその製造方法
CN110102752B (zh) 一种金属陶瓷用固溶合金粉末及制备方法
CN110184488B (zh) 一种短流程制备金属弥散强化铜的方法
CN101863663B (zh) 燃烧法制备亚微米级碳化钛多晶粉末
US20150064094A1 (en) Method of preparing titanium carbide powder
CN115093233A (zh) 一种适合于工业化宏量生产的高纯超细过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉体的制备方法
JP2018165233A (ja) 微粒炭化タングステン粉末の製造方法
JP2018165391A (ja) 微細タングステン粉末の製造方法
Chen et al. Novel rapid synthesis of nanoscale tungsten nitride using non-toxic nitrogen source
CN109437917B (zh) 一种两段还原氮化生产氮化钛及碳氮化钛的方法
CN112250080B (zh) 一种两步制备难熔金属硼化物的方法
KR101044723B1 (ko) 용융염 도입 자전연소반응을 이용한 초미립 텅스텐카바이드분말의 제조방법
US11713251B2 (en) Method for preparing powdered composite carbide of tungsten and titanium
JP5176119B2 (ja) 遷移金属の炭化物および/または複合炭化物の製造方法
CN1120817C (zh) 一种原位热压固-液相反应制备钛碳化硅体材料的方法
JP2007045670A (ja) 金属炭化物の製造方法
JPS58213617A (ja) 炭窒化チタン粉末の製造法
Hosseinzadeh et al. Preparation and characterization of nano-sized TiC powder by sol gel processing
JPS58213618A (ja) 複合炭窒化物固溶体粉末の製造法
CN103896298B (zh) 二硼化钇的制备方法
JP2008069062A (ja) 炭化チタン、又は、炭化チタンと炭素の混合物の前駆体及びその製造方法
EP4223694A1 (en) Method of obtaining boron carbide nanoparticles

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191126

Year of fee payment: 4