KR970001523B1 - 티타늄카바이드의 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

티탄타늄카바이드의 제조방법

제1도는 박편형 미세흑연 및 카본블랙의 카본원료를 이용한 티타늄카바이트 자전고온합성에서 티타늄과 카본의 몰비 1에 첨가된 희석제 양변화에 따른 연소온도변화도.

제2도는 박편형 미세흑연 및 카본블랙의 카본원료를 이용한 티타늄카바이트 자전고온합성에서 티타늄과 카본의 몰비 1에 첨가된 희석제 양변화에 따른 연소속도변화도.

제3도는 압축성형되지 않은 티타늄과 카본의 몰비 1을 갖는 혼합물로부터 연소합성된 티타늄 카바이드의 광학현미경사진.

제4도는 압축성형되지 않은 티타늄과 카본의 몰비 1을 갖는 혼합물로부터 연소합성된 티타늄 카바이드의 엑스레이 희절분석도.

제5도는 티타늄카바이드 자전고온합성에서 티타늄과 카본의 몰비변화 따른 미반응티타늄 양의 변화도.

제6도는 카본원료로서 약 15㎛의 입경을 가진 티타늄카바이드 자전고온합성에서 티타늄 카본의 몰비 1에 첨가된 희석제 양 변화에 따른 연소온도 및 연소속도 변화도.

본 발명은 티타늄과 카본으로부터 자전고온합성법에 의한 티타늄카바이드 합성에서 카본원료로 박편형미세 흑연분말을 사용하여 결정성이 높이 고순도 티타늄카바이드를 방법에 관한 것이다.

최근 내하성 신소재 물질의 수요가 급증하면서 고강도, 고경도, 고순도 및 화학적 안정성등의 성질을 지닌 새로운 세라믹 재료가 많이 요구되어지고 있다. 이러한 관점에서 금속 성분에 비해 우수한 고온저항성과 뛰어난 기계적 성질 및 높은 화학적 안정성등의 특성을 지닌 티타늄카바이드에 대해 관심이 높아지고 있으며, 그 응용범위도 넓어지고 있다. 티타늄카바이드는 연마재, 절삭공구 및 촉매등으로서 응용이 기대되어온 소재이며 자전고온합성법을 이용한 연구개발도 활발하게 진행되어 일부 실용화되고 있다.

자전고온 합성법은 주로 두가지 이상의 고체화합물을 섞어 일정한 모양으로 압축성형 혹은 성형하지 않은 반응혼합물을 고온으로 가열하여 반응을 일으키게 함으로서 수행된다. 반응이 시작되면 이때 방출되는 반응열에 의해 외부의 열원없이도 반응이 자발적으로 진행되며 연소의 형태로 반응이 전파되어 나가게 된다. 따라서 반응물간의 반응성은 연소온도 및 연소속도를 측정함으로서 가능하게 된다. 자전고온합성법은 탄소열환원법등의 종래의 합성방법에 비해 고온 반응로가 필요없고 제조공정이 간단하고 점화만 시켜주면 반응이 자동적으로 진행되므로 에너지가 크게 절약되는 등의 장점이 있어 현재 많은 관심을 끌고 있다.

티타늄과 카본으로부터 자전고온합성법에 의한 티타늄카바이드 합성은 일반적으로 발열량이 가장 높아 반응성이 가장 좋은 조성인 티타늄과 카본의 몰비 1에서 주로 행해지고 있다.

종래에는 카본원료로서 주로 카본블랙을 사용하므로, 합성된 티타늄카바이드내에 일부반응하지 않은 티타늄 및 카본이 존재하게 되어 소결등의 후처리공정에서 나쁜 영향을 주기 때문에 미반응티탄늄과 카본을 산처리등에 의해 제거하여야 하는 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 티타늄카바이드를 자전고온합성법에 의해 제조함에 있어 카본원료로서 비정질구조의 카본블래에 비해 결정성이 아주 높은 박편형태의 흑연분말을 사용하므로서, 티타늄과 반응성을 증가시켜 결정성이 좋은 고순도의 티타늄카바이드를 제조하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 티타늄과 카본원료를 이용하여 자전고온합성법에 의해 티타늄카바이드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 카본원료가 0.5㎛ 이하의 입경을 갖는 박편형태의 흑연분말인 것을 특징으로 하는 티타늄카바이드의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서 카본원료로 사용되는 흑연분말은 결정성이 높이며, 축회전속도 6Hz, 0.3㎝ 직경의 알루미나볼 미디어를 사용하여 24시간정도 마모분쇄법(attritionmilling method)으로 얻어진 0.5㎛이하 크기의 입경을 가진 박편형태의 흑연분말이 바람직하다.

상기 흑연분말의 입경이 0.5㎛ 이상인 경우에는 반응표면적이 적어 반응성이 떨어지므로 고순도의 티타늄카바이드를 제조하기 어려우므로, 상기 흑연분말의 입경은 0.5㎛ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

통상, 자전고온합성법에 의해 티타늄카바이드를 제조하는 경우, 티타늄과 카본 분말의 몰비는 1∼1.6정도이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

티타늄과 카본분말을 몰비 1에서 1.6 범위의 조성을 갖는 반응혼합물을 유리병에 넣은 후 3차원으로 회전하는 건식 혼합기로 약 15시간 혼합하였다. 그후 스테인레스스틸 몰드에서 높이 약 30㎜, 직경 약 20㎜를 가진 원통형의 시편을 성형하였으며, 시편은 이론밀도의 약 62±2%의 상대밀도를 갖는다. 상기와 같이 압축성형된 시편과 압축성형되지 않은 혼합물을 진공건조오븐에 넣은 후 1×10^-4mbar, 약 573K에서 약 24시간 건조시켰다. 진공건조된 시편을 반응기에 넣었다. 적외선 온도계로 연소온도측정시 고온에서 티타늄카바이드가 합성되는 동안 상변화가 일어나는데 이때의 방사율데이타가 없기 때문에 시편의 측벽에 흑체를 만들어 사용하였다.

직경 0.5㎜의 텅스텐 필라멘트를 장착시킨 전극을 움직여 시편위 약 2㎜위에 놓는다. 진공펌프와 진공게이지를 이용해 1×10^-3mbar의 진공으로 만들고 다시 아르곤 가스를 1기압으로 채우는 작업을 몇번 되풀이 한 후 변압기로부터 약 80암페어의 전류를 흘려주어 시편의 윗표면을 점화시켜 반응소결시킴으로써, 티타늄카바이드를 제조하였다.

본 실시예에서는 연속온도 및 연소속도를 낮추어 주는 역할을 하는 티타늄카바이드인 회석제를 첨가하였다.

상기 반응소결시의 반응온도 및 반응속도를 측정하고 그 결과를 제1도 및 제2도에 나타내었다.

또한, 압축성형되지 않은 티타늄과 카본의 몰비 1을 갖는 혼합물로부터 연소 합성된 티타늄카바이드 단면의 광학현미경 사진 및 티타늄카바이드 측면의 일반사진 관찰과 엑스레이 회절분석을 행하고, 광학현미경사진 및 일반사진은 제3도에, 그리고, 엑스레이 회절분석 결과는 제4도에 나타내었다.

제3도의 (a)는 박편형 미세흑연을 사용한 경우의 광학현미경사진을 나타내고, (b)는 카본블랙을 사용한 경우의 광학현미경사진을 나타내고, (c)는 박편형 미세흑연 및 카본블랙을 사용한 경우의 일반사진관찰결과로서, 좌측이 박편형 미세흑연을 사용한 경우이고, 우측이 카본블랙을 사용한 경우이다.

그리고, 제4도의 (a)는 박편형 미세흑연을 사용한 경우를, (b)는 카본블랙을 사용한 경우를 나타낸다. 또한, 티타늄카바이드중의 미반응티타늄을 측정하고, 그 측정결과를 제5도에 나타내었다. 또한, 연소반응시 희석제량에 따른 연소온도 및 연소속도를 측정하고, 그 결과를 제6도에 나타내었다.

상기에서, 연소온도는 적외선온도계로 측정되고, 연소속도는 초당 30컷을 찍을 수 있는 비디오 카메라를 이용하여 측정된 것이다.

제1도에 나타난 바와같이, 카본원료로서 박편형 미세흑연을 사용하는 경우가 카본블랙을 사용하는 경우보다 반응성이 좋아 연소온도는 약 170K정도 높게 나타남을 알 수 있다.

제2도에 나타나는 바와같이, 카본 원료로서 박편형 미세흑연분말을 사용하여 화학양론값을 갖는 티타늄카바이드를 제조하는 경우 30wt% 티타늄카바이드 분말이 티타늄과 카본의 반응혼합물에 첨가되었을 때 연소속도는 약 0.82㎝/sec인 반면에, 카본원료로 비정질 카본을 사용한 경우 21wt% 이상의 티타늄카바이드 분말이 첨가되었을 때 연소파는 진행되지 않음을 알 수 있으며, 박편형 미세흑연의 카본원료를 이용한 경우 티타늄카바이드 희석제에 대한 연소속도는 같은 양의 티타늄카바이드 희석제를 첨가하였을 경우 카본블랙에 비해 약 2배 정도 높은 값을 보여주고 있음을 알 수 있다.

제3도에 나타난 바와같이, 박편형 미세흑연카본원료를 사용하는 경우가 카본블랙을 사용한 경우보다 더 치밀한 형태의 티타늄카바이드 분말이 형성됨을 알수 있다.

실제로 카본블랙으로부터 만들어진 티타늄카바이드 분말은 흑연으로부터 합성된 것보다 훨씬 더 쉽게 부서졌으며, 또한, 흑연카본원료인 경우에 측면에 미반응카본이 관찰되지 않았으나, 카본블랙의 경우에는 티타늄카바이드 분말성형체 측면에 미반응카본으로 둘러싸여 있는 것이 관찰됨을 알 수 있다.

제4도에 나타난 바와같이, 카본블랙으로부터 티타늄카바이드를 합성하는 경우, 보다 박편형 미세흑연을 사용하여 합성한 티타늄카바이드 분말의 경우가 결정성 및 순도 측면에 있어서의 특성이 우수한 것으로 나타났고, 조성에 있어서도 당량비에 가까운 것으로 나타남을 알 수 있다.

제5도에 나타난 바와같이, 카본에 대한 티타늄의 몰비가 증가함에 따라 박편형 미세흑연을 카본원료로 사용한 경우가 카본블랙을 사용한 경우보다 미반응티타늄의 양이 적은 것을 알 수 있다. 즉, 박판형 미세흑연의 경우 미반응 티타늄의 양의 0.05wt%에서 0.3wt%범위에 있는 반면, 카본블랙의 경우 0.308wt%에서 0.753wt%범위로 나타남을 알 수 있다.

제6도에 나타난 바와같이, 카본원료로서 입경이 약 15㎛ 흑연원료인 경우 연소온도 및 연소속도는 제1도의 박편형미세흑연의 경우보다 훨씬 낮게 나타남을 알 수 있다. 즉, 연소온도는 약 270K 정도 낮게 나타났고, 연소속도는 약 반으로 감소되는 현상을 보여주고 있음을 알 수 있다.

Claims (2)

1. 티타늄과 카본원료를 1:1∼1:6의 몰비로 혼합 성형하여 자전고온합성법에 의해 티타늄카바이드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 카본원료가 0.5㎛ 이하의 입경을 갖는 박편형태의 흑연분말인 것을 특징으로 하는 티타늄카바이트의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 흑연분말이 축회전속도 6Hz, 0.3㎝ 직경의 알루미나 볼 미디어를 사용하여 24시간 정도 마모분쇄하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 티타늄카바이드의 제조방법.