1. 서 론

타이타늄 카바이드(Titanium Carbide, TiC) 분말은 고융 점(약 3160°C)의 세라믹 소재로서 우수한 열 및 전기전도 성과 높은 경도 및 내마모성 등으로 인해[1,2], 중공업, 수 송기 및 항공 산업에서 다양한 금속 부품의 가공을 위하 여 활용되는 서멧 및 절삭 공구, 전기전자장비 부품 등을 제조하는데 필요한 원료 분말로써 널리 활용된다[3,4].

종래, TiC 분말제조를 위한 공정들은, TiO₂ 분말의 열탄 소 환원(Carbothermal reduction), SHS 법(Self propagation hight-temperature synthesis), Sol-gel 법, 기계적 볼 밀링 법 및 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°C의 매우 높은 반응 온 도가 요구됨에 따라 분말 제조 시 심한 소결 현상이 발생 하여 이를 재 분체화하기 위한 장시간의 후속 밀링 공정 이 요구되는 점 그리고 이에 따른 오염의 우려가 있는 점 등의 단점들을 갖고 있다[9].

본 연구에서는 TiC 분말 제조를 위하여, 종래 열탄소 환 원 공정 대비 상대적으로 낮은 온도 범위 (800~1200°C)에 서 제조가 가능하고 또한 후속 밀링 공정이 필요 없는 공 정으로 타이타늄 하이드라이드(TiH₂)의 열탄화 공정 (Thermo-carburization process)을 시도하였다. 열처리 동안 에 TiH₂ 분말의 탈 수소화와 탄화 반응이 동시에 발생하 여 TiC 분말이 형성되어 질 수 있는데, 이에 대한 반응 열 역학 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, 탄 화 반응 시의 상 변화 및 합성물의 탄소량, 미세조직 등의 특성을 조사 분석하고자 하였다.

2. 실험방법

본 연구에서 수행한 공정의 흐름을 그림 1에 나타내었다. 또한 TiH₂ 분말 제조를 위한 초기 원료로써 우크라이나 산 스펀지 타이타늄(TG-90 Grade)을 사용하였고 이에 대한 미 세조직 및 순도를 그림 2와 표 1에 나타내었다. 전형적인 다공성 조직을 보이고 있으며 순도는 99.7% 이다. 수소화 처리를 위해 스펀지 타이타늄 200 g을 튜브 로에 장입한 후 고진공(10^-5 torr) 분위기 속에서 승온 속도 10°C/min으 로 350~950°C 까지 각각 승온 시켰으며, 그 온도에서 수 소 가스를 1.1기압까지 투입하여 2시간 유지함으로써 수 소화 반응을 종료시켰다. 이후 제조된 스펀지의 수소화 반 응 정도를 조사하기 위하여 미량 원소분석기(Micro Elemental Analyzer, Flash 2000) 및 X-선 회절 분석기(X- ray Diffraction D/Max 2500)를 이용하여 수소함유량 및 상을 분석하였다. 한편 수소가 가장 많이 함유된 최적의 TiH₂ 소재를 이용하여 직경 10 mm의 SUS 볼과 함께 ﾠ 100RPM으로 1시간 볼 밀링하여 분쇄시켰으며, 45 μm (325 Mesh) 이하의 원하는 TiH₂ 분말을 회수하였다.

Fig. 1

Flow sheet for the hydrogenation and carburization process.

Fig. 2

Photograph and microstructure of sponge titanium.

Table 1

The chemical compositions of sponge titanium

	Fe	Si	Cl	C	N	O	Mn	Mg	H	Purity
wt.%	0.06	0.01	0.06	0.02	0.02	0.06	0.01	0.06	0.005	99.7%

제조된 TiH₂ 분말과 흑연 분말을 혼합하여 탄화 열처리 를 시도하고자 하였다. TiC_1.0에 접근하는 높은 화학양론을 가진 TiC 합성물을 제조하기 위하여 흑연 분말을 화학양 론 중량비 대비 10 wt.% 과잉으로 혼합하였다. TiH₂ 분말 과 흑연의 혼합 또한 위에서 언급한 동일한 밀링장비에서 수행하였으며, 밀링 중 TiH₂ 분말의 추가 분쇄를 방지하기 위하여 20 RPM의 저속에서 수행하였다. 얻어진 혼합분말 ﾠ 을 몰리브덴(Mo) 용기에 10 g 씩 담은 후 튜브 로에 장입 ﾠ 하여 아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서 승온 속도 10°C/min 으로 목표 온도 800, 900, 1000, 1100, 1200°C까지 각각 승온시켰으며, 그 온도에서 2시간 동안 열처리 후 노냉하 였다.

초기 TiH₂ 분말 및 열탄화 공정 후 제조한 각각의 시료 에 대하여 X-선 회절 분석기, 미량 원소분석기, 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6610LV), 레 이저 입도분석(Laser Paticle Size Analyzer, LS13 320) 등 의 장비를 통해 상 및 미세조직, 성분(수소, 탄소)을 조사 하였다. 또한 탄화 반응은 정적인 고상반응으로 인해 합성 물 내에는 미반응한 유리 탄소들이 잔류할 가능성이 크므 로, 이의 양을 확인하기 위하여 불산 및 질산 혼합용액 (50:50)에 합성물 TiC_x 성분만을 용해한 후 남은 잔류물(유리 탄소)을 필터링 하는 방식으로 유리 탄소량을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

스펀지 타이타늄의 수소화 반응을 조사하기 위하여, 먼저 “TiH₂ = Ti + H₂” 반응에 대한 열역학적 구동력을 조사하였 다(그림 3). 그림 3에서 보면, 반응의 자유에너지 변화, ΔG° 값은 약 770°C 기준으로 그 이상의 온도에서는 양의 값으 로 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 770°C 이하에서는 TiH₂ 를 형성하는 방향으로 구동력이 작용하며, 그 이상의 온도 에서는 Ti와 H₂로 분해되는 방향으로 반응이 발생함을 알 수 있다. 따라서 TiH₂를 형성시키기 위한 수소화 반응열처 리는 770°C 이하에서 수행하여야 하는데, 지나치게 낮은 온도에서는 확산속도의 저하로 수소화 반응이 곤란해지기 때문에, 적절한 반응 온도를 찾을 필요가 있다.

Fig. 3

Free energy changes for the reaction “TiH₂ = Ti + H₂(g)” at various temperatures.

그림 4와 그림 5에 350~950°C에서 수소화 처리 후 각 수 소화물에 대한 상 및 성분(수소) 변화를 나타내었다. 350~550°C로 낮은 온도에서 열처리할 경우 순수 α-Ti 상(조 밀육방구조, Hexagonal Closed Packed), TiH_1.5 상(면심입방 정, face-centered cubic), TiH_0.71 상(사방정, Orthorhombic)이 검출되었으며, 이때의 수소 함량은 1.15~2.8 wt% 로 저조하 게 나타났다(그림 5). 한편, 700°C와 750°C에서 반응시킬 경우 완전한 TiH₂ (H :4 wt%) 상에 근접한 TiH_1.924 상(면심 입방정, face-centered cubic)이 검출되었으며, 이때 수소 함량은 3.98 wt.% 로 최대치를 나타내었다(그림 5). 한편, ﾠ 800°C에서의 수소함량은 3.92 wt.% 로 최대치보다 약간 감 소하기 시작하여 그 이상의 온도(950°C)에서 더욱 감소하 는 것을 볼 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 반응의 구동 력을 감안한 적정 온도를 고려할 때, TiH₂를 제조하기 위 한 최적 수소화 처리 온도는 750°C 인 것으로 판단하였다.

Fig. 4

X-ray patterns of sponge TiH_x produced by hydrogenation process at various temperatures.

Fig. 5

Hydrogen contents of sponge TiH_x produced by hydrogenation process at various temperatures.

수소화 처리 및 볼 밀링을 통해 제조된 TiH₂ 분말의 입 도 및 미세조직 분석 결과를 그림 6에 나타내었다. 입도크 기의 분포 범위는 4.5~38.4 μm로 나타났고 이중 가장 많이 ﾠ 분포하고 있는 입도크기(Mode, 최빈수)는 31.5 μm이며, 미 ﾠ 세조직 또한 불규칙한 각형의 입자로 관찰되었다.

Fig. 6

Particle size distribution and microstructure of TiH₂ powders (<325 Mesh).

혼합분말(TiH₂ + C)에 대한 미세조직을 관찰한 결과(그림 7), TiH₂ 입자 표면에 미세한 흑연 분말들이 흡착되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 흑연 특성 상 흡착성이 좋은 관계로, 혼합 시 TiH₂ 입자 표면에 미세한 흑연 입자들이 흡착된 것으로 사료된다[10]. 또한 혼합은 저속(20 RPM) 의 볼 밀링으로 수행되었기 때문에 초기 TiH₂ 분말들이 분쇄되지 않고 초기 원료분말의 크기 (<325 Mesh)가 유지 ﾠ 되어 있음을 알 수 있었다.

Fig. 7

Microstructure of powders (TiH₂ + C) mixed by low RPM ball milling.

그림 8은 혼합분말과 반응온도 800~1200°C 범위에서 탄 화 열처리를 수행한 다음 얻어진 TiC에 대한 X-선 회절분 석 결과이다. 초기 혼합분말의 경우 TiH_1.924 상을 나타내며, 800°C에서 탈 수소화 및 탄화 반응에 의하여 α-Ti 상과 TiC 상이 혼재하기 시작하며 900~120°C 까지 고온으로 갈수록 α-Ti 상의 소멸과 함께 TiC 상이 발달되어짐을 알 수 있었 다. 한편, 앞서 고찰한 바와 같이 800°C 이상의 온도는 탈 수소화가 발생하는 영역이므로 탈 수소화와 탄화 반응이 동반적으로 작용한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 8

X-ray pattern of the mixture powders (TiH₂ + C) and the TiC powders produced by carburization at various temperatures.

1200°C에서 제조된 TiC에 대하여 미세조직을 살펴보면 (그림 9), 그림 7의 혼합 분말에서 보여준 미세 흡착 입자 의 형태가 다소 잔존하는 것을 볼 수 있었다. 더욱이 본 연구에서는 TiC 목표 조성 대비 과잉의 탄소를 혼합하였 기 때문에 잔존한 흡착 입자의 일부는 미반응한 흑연 분 말(유리 탄소)일 가능성이 크다.

Fig. 9

Microstructure of TiC powders produced by carburization at 1200°C.

따라서 이들의 미반응 잔류 유리 탄소를 정량하고자 하 였으며, 이를 위하여 산 용해법 및 필터링 방법을 통해 전 탄소(total carbon content) 및 유리 탄소를 정량 분석하고, 그 수치의 차이를 결합 탄소량으로 취하여, 화학양론 TiC_x 를 확인하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다. 전반적으 로 탄화 열처리 온도가 저온에서 고온으로 갈수록 유리 탄소량이 감소하면서 동시에 결합 탄소량이 높아지는 것 을 볼 수 있다. 한편, XRD에서 최종 목표 TiC 단일상이 나타났던 1200°C 합성물의 경우, 결합 탄소량 및 유리 탄 소량이 18.86 wt.%와 2.81 wt.% 로 각각 나타났고, 이때 계산된 화학양론은 TiC_0.94 이었다. 통상 산업에서 활용되 는 TiC의 화학양론적 조건은 0.9 이상의 수준이고 유리 탄 소량은 0.5 wt.% 이내로 제어되고 있다. 즉 1200°C에서 열 ﾠ 처리된 합성물이 산업용 TiC의 화학양론적 조건에 부합됨 을 확인할 수 있었다. 반면 흑연의 과잉 혼합으로 인해 높 게 잔존했던 2.81 wt.%의 유리 탄소는 초기 과잉 혼합량 ﾠ 을 줄이면서 밀링 및 침탄 열처리를 추가 수행함에 따라 감소될 것으로 사료되었다.

Table 2

Carbon contents and stoichiometry TiC_x for TiC produced by carburization at various temperature

Temperature (°C)	Carbon contents (wt%)			X values in TiCx
	total	free	combined
800	21.51	17.08	4.43	0.22
900	21.74	13.47	8.27	0.41
1000	21.62	9.14	12.48	0.62
1100	21.48	4.27	17.21	0.86
1200	21.67	2.81	18.86	0.94

4. 결 론

고순도 스펀지 타이타늄을 이용하여 타이타늄 하이드라 이드를 제조하고자 하였으며, 이를 위하여 350~950°C에서 수소화 열처리를 수행하였고, 수소화 반응이 가장 양호하 게 진행되어진 최적의 반응 온도는 750°C 인 것으로 나타 났다. 얻어진 스펀지 형 TiH₂를 볼 밀링을 통해 325 Mesh 이하의 분말 상으로 제조하였으며, 이를 흑연 분말과 혼합 하여 800~1200°C에서 탄화 반응을 위한 열처리를 수행하 였다. 800~1000°C 부근의 탄화 열처리 시에는 TiC 상이 일부 형성되어지지만 α-Ti 상, TiH_1.5 상, TiH_0.71 상 등이 확 인되었다. 한편, 목표로 하였던 TiC 단일상은 1200°C 에서 의 열처리에 의해 얻어졌으며, 이때 재료 내부에 잔류하는 유리 탄소량 및 결합 탄소량은 각각 2.81 wt% 와 18.86 wt% 로써, 계산된 화학양론은 TiC_0.94 인 것으로 나타났다.

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