KR20200044226A - 타이타늄 분말의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

타이타늄 분말의 제조 방법에 대한 것으로, 타이타늄 원료를 준비하는 단계; 및 상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;에서, 타이타늄 원료의 투입속도 및 플라즈마 처리 조건은 다음 수학식을 만족하는 것인 타이타늄 분말의 제조 방법을 제공한다.
[수학식]
1.9 ≤ (E/M) ≤ 5.9
(상기 수학식에서, E는 플라즈마의 출력(kW)을 의미하고, M은 타이타늄 원료 분말의 투입 속도(g/분)을 의미한다.)

Description

타이타늄 분말의 제조 방법 {METHOD OF PREPARING TITANIUM POWDER}

타이타늄 분말의 제조 방법에 대한 것이다.

금속 타이타늄은 타 금속 대비 경량이면서 강도 및 내식성이 우수하여 우주/항공산업, 석유화학장치, 자동차산업 등에 활용되어 왔고 최근에는 의료용품, 레저용품 및 악세서리 등 그 응용분야가 점점 확대되고 있다.

그러나, 타이타늄 원료재는 거의 전량 수입에 의존하고 있다. 특히 최근에는 타이타늄 구형 분말이 개발되면서 3D 프린팅 기술 등을 활용하여 고가의 타이타늄 원료재를 절감하려는 노력이 진행되고 있다.

현재 타이타늄 스크랩은 국내의 경우 거의 활용되지 않고 있으며 스크랩 내에 잔류하는 유지류 제거 등에 의하여 환경오염이 발생되고 있다.

타이타늄 분말 제조는 타이타늄 고유의 높은 반응성으로 인한 오염문제와 고순도 타이타늄의 높은 연성 때문에 파/분쇄가 어려운 문제가 있다.

이를 극복하기 위해 취성이 강한 수소화물을 이용해 분말을 제조하는 공정이 개발되었으며, 이 공정을 수소화-탈수소화(HDH: Hydrogenation-Dehydrogenation)법이라 한다.

타이타늄은 수소의 고용한도가 크고 동시에 수소화합물을 형성하기 때문에 다량의 수소를 흡수할 수 있다. 타이타늄이 수소 고용 한계를 넘게 되면 금속수소화합물을 형성한다.

참고문헌(한국재료학회지, Vol.19, No.7 (2009), pp.397-402)에 따르면, 산소와 쉽게 반응하여 오염되기 쉬운 타이타늄 금속으로부터 고순도 타이타늄 분말을 얻기 위하여 수소화-탈수소화 공정을 수행한 후 탈산처리공정을 실시하여 산소함량을 낮춘 타이타늄 분말의 제조 방법을 개시하고 있다.

특허 제10-0726817호는 상기의 수소화-탈수소화 공정을 기반으로 타이타늄 수소화물을 제조하는 방법으로서, 반응 용기에 타이타늄 스크랩을 장입하는 단계와, 반응 용기 중의 공기를 제거하고 수소 가스를 주입하는 단계와, 볼 밀링을 실시하는 단계를 포함하는 방법에 대하여 기재하고 있다.

상기 방법에 따르면 수소화와 분쇄를 볼 밀링을 통해 동시에 수행함으로써 공정 단계를 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 상기와 같은 방법으로 제조된 타이타늄 수소화물 분말은 불순물이 포함되어 순도가 낮을 수 있고, 분말의 크기를 조절하기 어렵다는 문제점이 있다. 이와 같이 타이타늄 부품가공 공정 중에 발생한 스크랩을 이용한 타이타늄 재분말화 기술은 주로 수소화-탈수소화 공정이 통상적으로 사용되고 있으나, 입도나 형상 등의 그 특성 제어가 제한적이고 불순물의 혼입은 피할 수 없다.

특허 제10-1411429는 구형 타이타늄 분말의 제조방법 및 이의 따라 제조된 구형 타이타늄 분말을 제공하는 특허이다. 상기 특허는 타이타늄 스크랩을 수소화 처리하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 수소화된 타이타늄을 분쇄하여 각형 타이타늄 수소화물 분말을 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 분쇄된 각형 타이타늄 수소화물 분말을 진공열처리하여 각형 타이타늄 분말을 탈수소화하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 제조된 각형 타이타늄 분말을 플라즈마 처리하여 구형 타이타늄 분말을 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형 타이타늄 분말의 제조방법에 대한 것이다.

상기 특허에 따르면 기존의 수소화-탈수소화 공정(H-DH process)을 통해 제조된 각형의 타이타늄 분말을 플라즈마 처리를 통하여 금속사출성형에 이용할 수 있도록 구형화할 수 있고, 분말의 입자 크기를 소형화할 수 있으며 타이타늄 분말 내부에 포함된 불순물을 제거할 수 있다는 장점이 있다고 하고 있으나 구체적인 불순물이 무엇인지 적시되어 있지 않다.

상기 특허의 후속 특허 제10-1421244를 참조하면, 상기 특허 역시, 탈수소화 공정이 고스란히 포함되어 고가의 제조방법으로 판단된다.

특허 제10-1421244는 타이타늄 스크랩을 수소화 처리하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 수소화된 타이타늄을 분쇄하여 타이타늄 수소화물 분말을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 분쇄된 타이타늄 수소화물 분말을 플라즈마 처리하여 구형 타이타늄 분말을 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 플라즈마 처리를 통한 구형 타이타늄 분말의 제조방법을 개시하고 있다.

기존의 수소화-탈수소화 공정(H-DH process)을 통해 타이타늄 분말을 제조하는 방식에서 탈수소화 공정을 생략하고 이를 플라즈마 처리하여 소결함으로써 제조공정이 단순화되어 공정상 경제성이 향상된다는 장점에 대해 언급하고 있다.

또한, 각형의 분쇄된 타이타늄 수소화물 분말을 플라즈마 처리하여 구형화할 수 있고 분말의 입자 크기를 소형화할 수 있으며 타이타늄 수소화물 분말 내부에 포함된 수소 및 불순물을 제거할 수 있다는 장점이 있다고 언급하고 있다.

그러나, 플라즈마에서 처리한다고 수소나 불순물이 제거되지 않는다는 최근에 시험연구에서 확인할 수 있었다.

보다 구체적으로, 상기 인용발명에서 얻어진 수소화된 타이타늄을 분쇄하여 타이타늄 수소화물 분말을 제조하는 단계에서 얻어진 분말은 탈수소화가 되지 않아서 고성능 공정인 3D 프린팅용 원료분말로는 사용할 수 없으며, 이를 금속 사출성형에 이용하여 얻어진 부품도 탈수소화 추가 공정이 필요하게 되어 부품제조 공정비용이 오히려 더 상승하게 된다. 분말의 탈수소화가 소결 부품의 탈수소화보다 더 쉽기 때문이다.

또 다른 문제는 타이타늄 스크랩 또는 타이타늄 스폰지를 수소화 처리하는 단계는 타이타늄 원료를 이용함으로써 복잡한 제조공정을 거치게 되고, 실제 이들 원료로 만든 H-DH 분말도 kg당 단가 6만원 수준으로 매우 고가이다.

상기 언급된 선행발명 및 특허들은, 기존 활용되는 타이타늄 스폰지보다는 스크랩을 이용하여 단가를 낮춘다는 단순한 가격 이점 외에는 별다른 발명의 효과를 찾아보기 어렵다.

여기에는 타이타늄 스크랩 소재의 특수성을 이해하면 가격 이점도 미미할 수 있다.

그 이유는 타이타늄 스크랩은 이물질이나 표면 산화층 등을 제거하는 스크랩 전처리 공정이 반드시 필요하며, 이러한 전처리 공정을 거친 스크랩은 타이타늄 스폰지 가격에 이르기 때문이다.

그러므로 어차피 기름때가 잔뜩 묻은 스크랩을 H-DH 공정 원료로 그대로 사용하지 않으므로 가격 이점도 없다.

본 발명에서는 상기의 문제를 해결하기 위하여, 저가의 타이타늄 원료 분말을 이용하여 플라즈마 처리시에 최적의 플라즈마 공정조건으로 구형 가공함으로써 수소 제거는 물론이고 구형화가 동시에 이루어진 고급 3D 프린팅용 분말을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 구현예에서는, 타이타늄 원료를 준비하는 단계; 및 상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;에서, 타이타늄 원료의 투입속도 및 플라즈마 처리 조건은 다음 수학식을 만족하는 것인 타이타늄 분말의 제조 방법을 제공한다.

[수학식]

1.9 ≤ (E/M) ≤ 5.9

(상기 수학식에서, E는 플라즈마의 출력(kW)을 의미하고, M은 타이타늄 원료 분말의 투입 속도(g/분)을 의미한다.)

이때, 상기 E/M 값이 1.9보다 작은 경우에는 충분한 탈수소화가 이루어지지 않으며, 5.9보다 큰 경우에는 에너지 효율 측면이나 수율 측면에서 비효율적이다.

상기 타이타늄 원료의 투입 속도 (g/분)은 1 내지 50g/분일 수 있다.

상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;는, 타이타늄 원료의 탈수소화 및 구형화가 동시에 이루어지는 단계일 수 있다.

상기 타이타늄 원료를 준비하는 단계;에서, 타이타늄 원료는 수소화된 순수 타이타늄 또는 합금 스크랩; 및/또는 스폰지 수소화물;을 포함할 수 있다.

상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;에서, 상기 타이타늄 원료는 플라즈마 불꽃 중심에서 최대 직경의 40% 범위 이내에 위치할 수 있다.

상기 타이타늄 원료를 준비하는 단계;에서, 상기 타이타늄 원료는 분말 형태이며, 상기 분말의 입도는 5㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 즉, 이미 분말 형태의 원료 물질을 이용할 수 있다. 상기 입도 범위를 만족하는 경우 효과적인 플라즈마 처리가 가능하다.

상기 타이타늄 원료를 준비하는 단계; 이후에, 상기 타이타늄 원료를 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 타이타늄 원료를 분쇄하는 단계;에서, 분쇄된 타이타늄 원료의 입도는 5㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다.

상기 수득된 타이타늄 분말은, 3D 프린팅용으로 사용될 수 있다.

수소 제거는 물론이고 구형화가 동시에 이루어진 고급 3D 프린팅용 타이타늄 분말을 제공할 수 있다.

도 1은 플라즈마 출력을 변화시키면서 수소화 타이타늄 원료분말에서 탈수소화율을 도식화한 것이다.
도 2는 도 1을 플라즈마 출력과 투입중량의 비로 변환하여 그 비를 변화시키면서 탈수소화율을 재도식화한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 구현예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 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.

본 발명의 목적은 공정 생략형 구형 타이타늄 분말의 제조방법 및 이에 따라 제조된 저가의 고순도 구형 타이타늄 분말을 제공하는 데 있다.

이를 위하여 본 발명은 플라즈마 처리 방법을 이용하여 효과적으로 탈수소화가 진행된 구형 타이타늄 분말의 제조방법 및 구형 분말을 제공한다.

본 발명의 원료로는 타이타늄 스폰지 제조과정에서 수소화 공정을 수행하여 얻은 수소화 타이타늄 분말이나 스크랩의 H-DH 과정에서 얻은 수소화 분말을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.

타이타늄 원료로는 전술한 바와 같이 다양한 공정의 스크랩이 사용될 수 있다.

이때 원료가 될 수 있는 수소 화합물화된 스폰지나 H-DH 분말은 분쇄 과정을 거칠 수 있다. 분쇄는 건식 밀링 또는 볼밀 등의 다양한 기계적 분쇄 방법으로 수행될 수 있다. 수소화 스폰지나 H-DH 분말의 경우, 분쇄조건에 대해서는 여러 선행 논문에서 이미 잘 나타나 있다.

다만, 이미 충분히 작은 입도의 원료를 사용하는 경우에는 분쇄 공정은 생략될 수 있다.

상기에서 타이타늄 원료 분말의 입도는 5 내지 300 ㎛로 조절되는 것이 바람직하다.

상기 분쇄된 타이타늄 분말의 입도가 5 ㎛ 미만인 경우 분말의 산화방지와 관련된 취급이 어렵고 후속되는 플라즈마 공정에서 증발되어 구상화가 어렵다.

또한, 300㎛를 초과하는 경우 후속 플라즈마 처리시 타이타늄 분말이 구형화되지 않고 부품제조에 응용 되는데 제한이 있다.

이후 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형 타이타늄 분말을 제조할 수 있다.

플라즈마 처리시, 플라즈마 장치 부위에 따라 1000-10,000℃로 매우 광범위하게 온도가 변화한다. 따라서 다른 작동 변수로 수소제거나 구형화를 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

단순히 플라즈마 온도 조절로 수행하는 경우에는 플라즈마 가장자리는 1000-2000℃ 수준으로 매우 낮은 온도로 인하여 수소제거는 물론이고 구형화조차도 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.

이에 원료 분말 투입 시 효율적인 구형화를 위해서는 플라즈마 불꽃 중심에서 최대 직경의 40% (±20%) 범위를 벗어나지 않아야 한다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예1 ]

본 발명에서 약 플라즈마 장치의 출력을 1.3kW 수준으로 하고 분말 피딩속도를 약 분당 5g 수준으로 한 경우에 타이타늄 원료분말은 TiH₂에서 Ti 분말로 변환되는 비율은 약 3% 수준에 불과하였다.

[ 실시예2 ]

본 발명에서 약 플라즈마 장치의 출력을 3.2kW 수준으로 하고 분말 피딩속도를 약 분당 5g 수준으로 한 경우에 타이타늄 원료분말은 TiH₂에서 Ti 분말로 변환되는 비율은 약 25% 수준으로 약 1/4의 원료분말에서만 수소가 제거되었다.

[ 실시예3 ]

본 발명에서 약 플라즈마 장치의 출력을 7.1kW 수준으로 하고 분말 피딩속도를 약 분당 5g 수준으로 한 경우에 타이타늄 원료분말은 TiH₂에서 Ti 분말로 변환되는 비율은 약 77% 수준으로 약 3/4의 원료분말에서만 수소가 제거되었다.

[ 실시예4 ]

본 발명에서 약 플라즈마 장치의 출력을 10-30kW 수준으로 하고 분말 피딩속도를 약 분당 5g 수준으로 한 경우에 타이타늄 원료분말은 TiH₂에서 Ti 분말로 변환되는 비율은 약 100% 수준으로 완전히 수소가 제거되었다. 다만 29kW 이상에서는 원료분말 회수율이 낮아 권장하지 않는다.

본 발명은 상기 구현예 및/또는 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 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

1. 타이타늄 원료를 준비하는 단계; 및
   상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;를 포함하고,
   상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;에서, 타이타늄 원료의 투입속도 및 플라즈마 처리 조건은 다음 수학식을 만족하는 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   [수학식]
   1.9 ≤ (E/M) ≤ 5.9
   (상기 수학식에서, E는 플라즈마의 출력(kW)을 의미하고, M은 타이타늄 원료 분말의 투입 속도(g/분)을 의미한다.)
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 원료의 투입 속도 (g/분)은 1 내지 50g/분 인 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;는,
   타이타늄 원료의 탈수소화 및 구형화가 동시에 이루어지는 단계인 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 원료를 준비하는 단계;에서,
   타이타늄 원료는 수소화된 순수 타이타늄 또는 합금 스크랩; 및/또는 스폰지 수소화물을 포함하는 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 원료를 플라즈마 처리하여 구형의 타이타늄 분말을 수득하는 단계;에서,
   상기 타이타늄 원료는 플라즈마 불꽃 중심에서 최대 직경의 40% 범위 이내에 위치하는 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 원료를 준비하는 단계;에서,
   상기 타이타늄 원료는 분말 형태이며, 상기 분말의 입도는 5㎛ 내지 300 ㎛인 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 수득된 타이타늄 분말은, 3D 프린팅용으로 사용되는 것인 타이타늄 분말의 제조 방법.
   
   

Images