KR102028184B1 - Method for preparing titanium metal powder or titanium alloy powder - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다양한 분야에 사용할 수 있는 고순도의 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 다단계의 환원 공정을 이용하여 대량 생산 및 비용 절감이 가능한 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high purity titanium metal powder or titanium alloy powder that can be used in various fields. Specifically, the present invention relates to a method for producing titanium metal powder or titanium alloy powder that can be mass-produced and reduced in cost using a multistage reduction process.
티타늄 금속 및 티타늄 합금은 가볍고 기계적 성질이 우수하며 고온특성 및 내식성이 탁월하여 다른 전통적인 합금을 사용하기 어려운 우주 항공 분야에 적합한 재료로 간주되어 왔다. 하지만, 티타늄계 재료는 원료가 비쌀 뿐만 아니라 제조 비용이 높다는 문제점이 있다.Titanium metals and titanium alloys have been regarded as materials suitable for aerospace applications where they are light, have good mechanical properties, have high temperature and corrosion resistance and are difficult to use with other traditional alloys. However, the titanium-based material has a problem that not only the raw material is expensive but also the manufacturing cost is high.
티타늄의 우수한 특성에도 불구하고, 고비용의 문제로 인해, 1950년대 이후 비용 절감을 위해 다양한 제조 방법들이 개발되어 왔다. Despite the excellent properties of titanium, due to the high cost, various manufacturing methods have been developed for cost reduction since the 1950s.
티타늄을 제조하는 공지된 방법으로는, 크롤 공정(Kroll process)을 이용하여 스폰지 티타늄을 만들고, 이것을 이용하여 VAR(Vacuum Arc Remelting)방법으로 잉곳을 제조하여 압출, 압연 등을 통해 가공재를 만드는 방법이 있다. As a known method of manufacturing titanium, a sponge titanium is produced by using a Kroll process, and a method of manufacturing a processed material through extrusion, rolling, etc. by manufacturing an ingot by using a VAR (Vacuum Arc Remelting) method. have.
크롤 공정(Kroll process)은 현재 티타늄 금속 제조에 가장 많이 사용되고 있는데, 최종 제품이 분말이 아니라 스폰지 형태이다. 크롤 공정에서는 특별한 전기 로에서 순수 티타늄 광석에 전하를 가하여 스폰지 형태로 전환시킨다. 이 공정은 염소처리기(chlorinator)에서 이루어지는데, 염소 기체가 전하를 통과하면서 액체 형태의 사염화티타늄(TiCl4)을 형성한다. 이렇게 형성된 사염화티타늄은 복잡한 증류 공정을 거쳐 정제된다. 증류 공정 후에, 마그네슘 또는 나트륨을 정제된 사염화티타늄에 첨가하여 반응시키면 금속 티타늄 스폰지와 마그네슘 또는 염화나트륨이 생성되게 된다. 그런 다음 티타늄 스펀지를 분쇄하고 압착한다. 분쇄된 티타늄 스폰지를 진공 아크 용해방식(VAR)으로 용해시키게 된다. 상기 크롤 공정은 공정이 복잡하고, 취급이 어렵고 안전하지 않은 재료를 사용하는 문제점이 있다.The Kroll process is currently most commonly used for the production of titanium metals, with the final product not in powder but in sponge form. In the crawl process, the pure titanium ore is charged to a sponge in a special electric furnace. This process takes place in a chlorinator where chlorine gas passes through an electric charge to form titanium tetrachloride (TiCl 4 ) in liquid form. The titanium tetrachloride thus formed is purified through a complex distillation process. After the distillation process, magnesium or sodium is added to the purified titanium tetrachloride and reacted to produce a metal titanium sponge and magnesium or sodium chloride. Then the titanium sponge is crushed and pressed. The pulverized titanium sponge is dissolved by vacuum arc melting (VAR). The crawl process is problematic in that the process is complicated, difficult to handle and uses unsafe materials.
분말 야금(Powder Metallurgy, PM) 기술은 잉곳 기술과 비교하여 기계적 특성을 손상시키지 않으면서 저비용으로 복잡한 형상의 티타늄을 제공할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 분말 야금(PM) 기술을 이용하면 티타늄을 저비용으로 제조할 수 있다는 점에서 큰 잠재력을 갖고 있지만, 기존 분말 야금 공정으로 생산된 티타늄 제품의 물성이 만족스럽지 않고, 기대한 정도의 비용 절감 효과가 없다는 등의 이유로 많이 사용되지 않고 있다. 따라서, 분말 야금 기술을 이용하여 티타늄을 제조하기 위해서는 비용 절감뿐만 아니라 최종 제품의 물성 향상을 위한 방법이 요구된다. Powder metallurgy (PM) technology is drawing attention as it can provide titanium in complex shapes at low cost without compromising mechanical properties compared to ingot technology. Powder metallurgy (PM) technology has great potential in that titanium can be manufactured at low cost, but the physical properties of titanium products produced by conventional powder metallurgy processes are not satisfactory, and there is no expected cost savings. It is not used much for such reasons. Therefore, in order to manufacture titanium using powder metallurgy technology, a method for not only reducing costs but also improving physical properties of the final product is required.
국제공개특허 WO2014/187867은 광범위한 금속 분말, 금속 합금 분말, 금속간 화합물 분말 및/또는 그것들의 수소화물 분말의 제조방법을 개시하고 있는데, 금속 분말을 금속으로 환원시키기 위해 칼슘 하이드라이드 분말 또는 과립을 사용하거나, 금속 합금 분말을 제조하기 위해 하나 이상의 금속 산화물에 또 하나의 금속의 존재 유무에 상관 없이 칼슘 하이드라이드를 직접 사용하고 있다. International Publication WO2014 / 187867 discloses a process for producing a wide range of metal powders, metal alloy powders, intermetallic compound powders and / or hydride powders thereof, wherein calcium hydride powders or granules are used to reduce the metal powders to metals. Calcium hydride is directly used, with or without the presence of another metal, in one or more metal oxides to produce metal alloy powder.
미국특허 제6,264,719호는 소량의 이산화티타늄을 알루미늄 금속 분말들과 반응시킬 때 금속 매트릭스 복합재 분말로서 소량의 알루미늄 산화물로 부유된 티타늄 알루미나를 제조하는 방법을 개시하고 있다.US Pat. No. 6,264,719 discloses a process for producing titanium alumina suspended with a small amount of aluminum oxide as a metal matrix composite powder when a small amount of titanium dioxide is reacted with aluminum metal powders.
티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말을 제조하는 다양한 방법들이 시도되고 있지만, 저비용으로 우수한 품질의 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말을 제조할 수 있고, 산업 규모로 대량생산이 가능한 방법에 대해서는 아직 개발이 부족한 실정이다.Various methods of producing titanium metal powder or titanium alloy powder have been tried, but there is still insufficient development of a method capable of producing high quality titanium metal powder or titanium alloy powder at low cost and mass production on an industrial scale. to be.
본 발명은 저비용으로 우수한 품질의 티타늄 금속 분말 또는 임의의 유형의 티타늄 합금 분말을 제조할 수 있고, 쉽게 산업 규모로 확대하여 실시할 수 있는 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a method for producing titanium metal powder or titanium alloy powder of good quality at low cost, which can be easily carried out on an industrial scale, and can be produced on an industrial scale. The purpose.
상기한 과제는 a) 적어도 1종의 금속 산화물과 티타늄 산화물 각각을 부분적으로 환원시키는 단계; b) 상기 부분적으로 환원된 금속 산화물과 티타늄 산화물을 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; c) 상기 제1혼합물과 칼슘 하이드라이드를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 d) 상기 제2 혼합물을 완전히 환원시켜 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 제조하는 단계를 포함하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법에 의해 달성된다.The above task includes the steps of: a) partially reducing each of at least one metal oxide and titanium oxide; b) mixing the partially reduced metal oxide with titanium oxide to produce a first mixture; c) mixing the first mixture with calcium hydride to produce a second mixture; And d) completely reducing the second mixture to produce a titanium metal or a titanium alloy.
또한, 본 발명의 과제는 a) 적어도 1종의 금속 산화물과 티타늄 산화물 중 하나를 부분적으로 환원시키는 단계; b) 상기 하나를 부분 환원한 금속 산화물과 티타늄 산화물을 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; c) 상기 제1혼합물과 칼슘 하이드라이드를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 d) 상기 제2 혼합물을 완전히 환원시켜 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 제조하는 단계를 포함하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법에 의해 달성된다. In addition, the object of the present invention is a step of partially reducing one of at least one metal oxide and titanium oxide; b) preparing a first mixture by mixing the metal oxide and titanium oxide of which one is partially reduced; c) mixing the first mixture with calcium hydride to produce a second mixture; And d) completely reducing the second mixture to produce a titanium metal or a titanium alloy.
바람직하게는, 상기 단계 b) 후, 상기 단계 c) 전에 상기 제1 혼합물을 부분 환원시키는 단계를 포함할 수 있다. Preferably, after step b), before the step c) may comprise the step of partially reducing the first mixture.
바람직하게는, 상기 단계 a)의 상기 부분적 환원 및 단계 d)의 완전 환원은 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도 및 수소분위기 하에서 1 내지 10시간 동안 열처리하여 이루어질 수 있다. Preferably, the partial reduction of step a) and complete reduction of step d) may be carried out by heat treatment for 1 to 10 hours at a temperature of 1,000 ° C to 1,500 ° C and a hydrogen atmosphere.
또한 바람직하게는, 상기 단계 a)의 상기 부분적 환원 및 상기 단계 d)의 완전 환원은 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도 및 수소분위기 하에서 1 내지 10시간 동안 열처리하여 이루어질 수 있다. Also preferably, the partial reduction of step a) and the complete reduction of step d) may be performed by heat treatment for 1 to 10 hours at a temperature of 1,000 ° C to 1,500 ° C and a hydrogen atmosphere.
바람직하게는, 상기 금속 산화물은 CaO, V2O5, Cr2O3, B2O3, SiO2, Nb2O5, MoO3, WO3, Y2O3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.Preferably, the metal oxide in the group consisting of CaO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , B 2 O 3 , SiO 2 , Nb 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 , Y 2 O 3 and ZrO 2 Can be selected.
또한 바람직하게는, 상기 제1 혼합물과 상기 칼슘 하이드라이드의 화학양론적 비는 1: 1.1~1.25일 수 있다.Also preferably, the stoichiometric ratio of the first mixture and the calcium hydride may be 1: 1.1 to 1.25.
또한 바람직하게는, 상기 제2 혼합물은 알루미늄 및 산화바나듐(V2O5) 분말을 추가로 포함할 수 있다.Also preferably, the second mixture may further include aluminum and vanadium oxide (V 2 O 5 ) powder.
또한 바람직하게는, 상기 티타늄 합금 분말은 Ti-6Al-4V 분말일 수 있다.Also preferably, the titanium alloy powder may be Ti-6Al-4V powder.
또한 바람직하게는, 상기 티타늄 금속 분말 및 티타늄 합금 분말은 산소 함량이 0.3 중량% 미만이고 입자 크기 분포가 50μm 미만일 수 있다.Also preferably, the titanium metal powder and the titanium alloy powder may have an oxygen content of less than 0.3 wt% and a particle size distribution of less than 50 μm.
본 발명은 더 많은 응용 분야에서 사용될 수 있는 우수한 품질의 티타늄 금속 분말 및 티타늄 합금 분말을 제조할 수 있는 저비용의 제조방법을 제공할 수 있다. 본 발명을 통해, 일반산업용뿐만 아니라 우주 항공, 의료 또는 군수용 용도와 같은 우수한 품질의 티타늄 금속 분말을 요구하는 분야에까지 티타늄 및 그 합금 분말의 용도를 확장시킬 수 있다.The present invention can provide a low cost method of manufacturing high quality titanium metal powder and titanium alloy powder that can be used in more applications. Through the present invention, the use of titanium and its alloy powders can be extended not only to general industry but also to fields requiring high quality titanium metal powders such as aerospace, medical or military use.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 티타늄 금속 분말의 형상(Morphology)을 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 티타늄 금속 분말의 물질 상을 보여주는 X 선 회절 패턴이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 티타늄 금속 분말의 입도 분포를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 분말의 형상(Morphology)을 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 분말 생성물의 입도 분포를 나타내는 도면이다.1 is a scanning electron micrograph showing the Morphology of a titanium metal powder prepared according to the present invention.
2 is an X-ray diffraction pattern showing the material phase of a titanium metal powder prepared according to the present invention.
3 is a view showing a particle size distribution of titanium metal powder prepared according to the present invention.
Figure 4 is a scanning electron micrograph showing the Morphology of the titanium alloy (Ti-6Al-4V) powder prepared according to the present invention.
5 is a view showing a particle size distribution of a titanium alloy (Ti-6Al-4V) powder product prepared according to the present invention.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.All technical terms used in the present invention, unless defined otherwise, have the following definitions and conform to the meanings commonly understood by those skilled in the art in the relevant field of the present invention. In addition, although a preferred method or sample is described herein, similar or equivalent things are included in the scope of the present invention.
용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.The term "about" means 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, by reference quantity, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, amount, weight, or length. By amount, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, amount, weight or length, varying by 4, 3, 2 or 1%.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, the terms “comprises” and “comprising”, unless otherwise indicated in the context, include a given step or component, or group of steps or components, but any other step or component, or It is to be understood that it does not exclude a step or group of components.
본 발명에 따른 티타늄 금속 분말 또는 임의의 형태의 티타늄 합금 분말의 제조 방법은, 다단계의 환원 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 2단계의 환원 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 다음의 단계들을 포함한다:The process for producing titanium metal powder or titanium alloy powder of any form according to the invention is characterized in that it comprises a multistage reduction step. Preferably, it comprises a reduction step of two steps. More preferably it comprises the following steps:
a) 적어도 1종의 금속 산화물과 티타늄 산화물 각각을 부분적으로 환원시키는 단계(제1 환원 단계);a) partially reducing each of the at least one metal oxide and the titanium oxide (first reduction step);
b) 상기 부분적으로 환원된 금속 산화물과 티타늄 산화물을 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계(제1 혼합 단계); b) mixing the partially reduced metal oxide and titanium oxide to produce a first mixture (first mixing step);
c) 상기 제1 혼합물과 칼슘 하이드라이드를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계(제2 혼합 단계);c) mixing the first mixture and calcium hydride to produce a second mixture (second mixing step);
d) 상기 제2 혼합물을 열처리하여 완전히 환원시켜 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 제조하는 단계(제2 환원 단계)를 포함한다.d) thermally treating the second mixture to reduce the second mixture to produce a titanium metal or a titanium alloy (second reduction step).
본 발명의 일 실시형태에 따르면, e) 제조된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 분쇄하여 분말화시키는 단계(분말화 단계)를 추가로 포함한다.According to one embodiment of the present invention, the method further comprises e) pulverizing and powdering the manufactured titanium metal or titanium alloy (powdering step).
이하, 각 단계를 상세히 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.
먼저, 적어도 1종의 금속 산화물과 티타늄 산화물 각각을 부분적으로 환원시킨다(제1 환원 단계). First, at least one of the at least one metal oxide and titanium oxide is partially reduced (first reduction step).
상기 제1 환원 단계는 원료 물질은 금속 산화물과 티타늄 산화물을 각각 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도 및 수소분위기 하에서 1 내지 10시간 동안 열처리하여 실시할 수 있다. 상기 열처리 온도는 바람직하게는 1,100℃ 내지 1,300℃, 보다 바람직하게는, 1,100℃ 내지 1,200℃일 수 있다. 상기 처리 시간은 바람직하게는 2내지 4시간일 수 있다. 상기 수소분위기는 수소 가스 흐름을 1.5 l/min 이상, 바람직하게는 1.5 l/min 내지 5 l/min일 수 있으며, 이는 열처리 노의 크기와 원료 물질의 양에 따라 달라질 수 있다. The first reduction step may be performed by heat treating the metal oxide and the titanium oxide for 1 to 10 hours at a temperature of 1,000 ° C. to 1,500 ° C. and a hydrogen atmosphere, respectively. The heat treatment temperature is preferably 1,100 ℃ to 1,300 ℃, more preferably, may be 1,100 ℃ to 1,200 ℃. The treatment time may preferably be 2 to 4 hours. The hydrogen atmosphere may be a hydrogen gas flow of 1.5 l / min or more, preferably 1.5 l / min to 5 l / min, which may vary depending on the size of the heat treatment furnace and the amount of raw material.
상기 제1 환원 단계는 스테인레스 스틸 재질의 반원형 단면 도가니에 금속 산화물 또는 티타늄 산화물을 넣고 노의 열처리 영역에서 가열한다. 상기 열처리 노는 관형 노(tube furnace)가 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 열처리 노는, 제1 환원 단계와 제2 환원 단계를 위해 2개의 분리된 열처리 영역을 가질 수 있다. 바람직하게는 최대 1,500℃의 온도에서 작동하는 환원 반응을 촉진할 수 있는 가스분위기 하에서 작동하는 모든 유형의 가열로가 사용될 수 있다. 상기 열처리 노는 수소, 아르곤 등의 기체를 이용한 작업에 적합해야 한다.In the first reduction step, a metal oxide or titanium oxide is placed in a semi-circular cross-section crucible made of stainless steel and heated in a heat treatment region of the furnace. The heat treatment furnace can be a tube furnace. The heat treatment furnace used in the present invention may have two separate heat treatment zones for the first reduction step and the second reduction step. Preferably all types of furnaces operating under a gas atmosphere capable of promoting a reduction reaction operating at temperatures up to 1,500 ° C. can be used. The heat treatment furnace should be suitable for working with a gas such as hydrogen or argon.
각각의 열처리 영역은 개별적으로 수소 가스 흐름을 형성할 수 있다.Each heat treatment zone may individually form a hydrogen gas stream.
본 단계에서는 열처리를 통해 원료물질인 금속 산화물과 티타늄 산화물의 산소 함량을 감소시키고 제2 환원 단계에서 용이하게 환원될 수 있는 산화물을 형성할 수 있다. In this step, the oxygen content of the metal oxide and the titanium oxide, which are raw materials, may be reduced by heat treatment, and an oxide which may be easily reduced in the second reduction step may be formed.
상기 금속 산화물은 CaO, V2O5, Cr2O3, B2O3, SiO2, Nb2O5, MoO3, WO3, Y2O3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고 보다 바람직하게는 CaO 일 수 있다. 상기 티타늄 산화물은 TiO2 또는 TiO일 수 있고, 보다 바람직하게는 TiO2이다.The metal oxide may be at least one selected from the group consisting of CaO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , B 2 O 3 , SiO 2 , Nb 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 , Y 2 O 3 and ZrO 2 . And more preferably CaO. The titanium oxide may be TiO 2 or TiO, more preferably TiO 2 .
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 티타늄 합금 분말을 제조하는 경우에는 금속 산화물은 CaO 및 V2O5일 수 있고, 추가로 알루미늄 또는 산화 알루미늄을 금속 산화물과 함께 사용할 수 있다. 이 경우 티타늄 합금 분말은 Ti-6Al-4V일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, when producing a titanium alloy powder, the metal oxide may be CaO and V 2 O 5 , and further, aluminum or aluminum oxide may be used together with the metal oxide. In this case, the titanium alloy powder may be Ti-6Al-4V.
상기 금속 산화물 및 티타늄 산화물은 분말 형태인 것이 바람직하다. The metal oxide and titanium oxide are preferably in powder form.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 환원 단계는 a1) 칼슘 산화물 및 티타늄 산화물 각각을 부분적으로 환원시키는 제1 부분적 환원 단계; 및 a2) 상기 부분적으로 환원된 칼슘 산화물 및 티타늄 산화물을 혼합한 제1 혼합물을 다시 부분적으로 환원시키는 제2 부분적 환원 단계로 이루어질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the first reduction step includes: a1) a first partial reduction step of partially reducing each of calcium oxide and titanium oxide; And a2) a second partial reduction step of partially reducing the first mixture of the partially reduced calcium oxide and titanium oxide again.
제1 환원 단계를 상기와 같이 2단계로 나누어 실시함으로써, 균일하게 환원되고 혼합된 칼슘 산화물 및 티타늄 산화물의 혼합물을 얻을 수 있다.By dividing the first reduction step into two steps as described above, a mixture of calcium oxide and titanium oxide that is uniformly reduced and mixed can be obtained.
본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 환원 단계에서 금속 산화물 및 티타늄 산화물 중 하나만이 부분적으로 환원될 수도 있다. According to another embodiment of the present invention, only one of the metal oxide and the titanium oxide may be partially reduced in the first reduction step.
다음으로, 상기 부분적으로 환원된 금속 산화물과 티타늄 산화물을 혼합하여 제1 혼합물을 제조하고(제1 혼합단계), 상기 제1 혼합물과 칼슘 하이드라이드를 혼합하여 제2 혼합물을 제조한다(제2 혼합 단계). Next, a first mixture is prepared by mixing the partially reduced metal oxide and titanium oxide (first mixing step), and a second mixture is prepared by mixing the first mixture and calcium hydride (second mixture). step).
본 단계에서 상기 제1 혼합물과 칼슘 하이드라이드는 1: 1.1~1.25의 화학양론적 비(stoichiometric ratio)로 혼합되는 것이 바람직하다.In this step, the first mixture and calcium hydride are preferably mixed in a stoichiometric ratio of 1: 1.1 to 1.25.
상기에서 칼슘 하이드라이드는 분말 또는 그래뉼 형태를 사용할 수 있고, 입자 크기는 바람직하게는 0.02~2mm 일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 칼슘 하이드라이드는 시판되는 제품을 사용할 수 있지만, 바람직하게는 본 발명에서 사용된 칼슘 하이드라이드는 칼슘 금속 조각(shaving) 또는 칼슘 금속 그래뉼(granule)을 수소 가스 분위기 하에서 550 내지 750℃의 온도로 1 시간 내지 10 시간 동안 가열하여 변환된 칼슘 하이드라이드 조각 또는 그래뉼일 수 있다.Calcium hydride may be used in the form of a powder or granule, the particle size may be preferably 0.02 ~ 2mm. Calcium hydride used in the present invention may use a commercially available product, but preferably, the calcium hydride used in the present invention may be used for Calcium Metal Shaving or Calcium Metal Granules under a hydrogen gas atmosphere of 550 to 750. Calcium hydride flakes or granules converted by heating to a temperature of 1 hour to 10 hours.
다음으로, 상기 제2 혼합물을 열처리하여 완전히 환원시켜 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 제조하는 단계(제2 환원 단계)이다.Next, the second mixture is heat-treated and completely reduced to prepare a titanium metal or a titanium alloy (second reduction step).
상기 열처리는 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도 및 수소분위기 하에서 1 내지 10시간 동안 실시할 수 있다. 상기 열처리 온도는 바람직하게는 1,100℃ 내지 1,300℃, 보다 바람직하게는, 1,100℃ 내지 1,200℃일 수 있다. 상기 처리 시간은 바람직하게는 2 내지 4시간일 수 있다. 상기 수소분위기는 수소 가스 흐름을 1.5 l/min 이상, 바람직하게는 1.5 l/min 내지 5 l/min일 수 있으며, 이는 열처리 노의 크기와 혼합물의 양에 따라 달라질 수 있다. 제2 환원 단계에서 사용되는 열처리 노는 상기 제1 환원 단계에서 설명한 것과 같다. The heat treatment may be performed for 1 to 10 hours under a temperature and hydrogen atmosphere of 1,000 ℃ to 1,500 ℃. The heat treatment temperature is preferably 1,100 ℃ to 1,300 ℃, more preferably, may be 1,100 ℃ to 1,200 ℃. The treatment time may preferably be 2 to 4 hours. The hydrogen atmosphere may be a hydrogen gas flow of 1.5 l / min or more, preferably 1.5 l / min to 5 l / min, depending on the size of the heat treatment furnace and the amount of the mixture. The heat treatment furnace used in the second reduction step is the same as described in the first reduction step.
본 단계에서는 부분적으로 환원된 금속 산화물과 티타늄 산화물의 혼합물과, 환원제인 칼슘 하이드라이드가 수소 분위기 하에서 반응하여 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 회수한다. In this step, a mixture of a partially reduced metal oxide and titanium oxide and calcium hydride as a reducing agent may react under a hydrogen atmosphere to form a titanium metal or a titanium alloy. The titanium metal or titanium alloy thus formed is recovered.
마지막으로, e) 회수 단계에서 생성된 분말은 세척 및 건조 단계를 거처 분말화 될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 회수된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금은 벌크 형태이므로, 세척 및 건조 단계 전에 고에너지 볼 밀링 장치를 사용하여 분쇄시킬 수 있다.Finally, e) the powder produced in the recovery step can be powdered by washing and drying. According to one embodiment of the invention, since the recovered titanium metal or titanium alloy is in bulk form, it can be ground using a high energy ball milling device prior to the washing and drying steps.
상기 세척 및 건조 단계는 상기 분쇄된 분말을 물과 혼합하여 슬러리 형태로 만들고, 교반하면서 세척할 수 있다. 세척 효과를 증진시키기 위하여 상기 슬러리에 아세트산 등의 용매를 추가할 수 있다. In the washing and drying step, the ground powder may be mixed with water to form a slurry, and washed with stirring. In order to enhance the washing effect, a solvent such as acetic acid may be added to the slurry.
세척 후 건조 단계에서는 개방형 저온 오븐에서 80~90℃의 온도에서 분말을 건조시킬 수 있다. In the drying step after washing, the powder may be dried at a temperature of 80 ~ 90 ℃ in an open low temperature oven.
본 발명에서 제조된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금은 분말 형태이며, 입자 크기 분포가 50μm 이하이고, 바람직하게는 10~50μm이고, 산소 함량이 0.3 중량% 미만이다.The titanium metal or titanium alloy produced in the present invention is in powder form, has a particle size distribution of 50 μm or less, preferably 10 to 50 μm, and an oxygen content of less than 0.3 wt%.
본 발명에서 사용된 "분말"이라는 용어는 입자 크기가 1 mm 미만인 것을 가리킨다. As used herein, the term "powder" indicates that the particle size is less than 1 mm.
본 발명에서 사용된 "X50"은 최종 분말의 입자 크기 분포를 나타내는 것으로서, 입자 크기 분포의 중간 직경 또는 중간 값을 나타낸다. 바람직하게는 X50은 입자 크기 분포가 50 μm 이하, 또는 40 μm 이하, 보다 바람직하게는 20 μm 이하를 가리킨다.As used herein, "X50" refers to the particle size distribution of the final powder, which represents the median diameter or median value of the particle size distribution. Preferably X50 indicates a particle size distribution of 50 μm or less, or 40 μm or less, more preferably 20 μm or less.
이하에서는 실시예를 들어서 본 발명을 자세히 설명하지만, 이들 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by these Examples.
실시예Example
본 발명의 실시예에서 사용된 출발 물질은 아래 표 1과 같다.Starting materials used in the examples of the present invention are shown in Table 1 below.
본 발명에서 최종 제조된 티타늄 금속 분말 및 티타늄 합금 분말을 분석하는데 사용된 장치는 아래 표 2와 같다.The apparatus used to analyze the titanium metal powder and titanium alloy powder finally prepared in the present invention is shown in Table 2 below.
실시예Example 1: 티타늄 금속 분말 제조 1: titanium metal powder manufacturer
순도 99.5%의 CaO 분말 50g과 순도 99%의 TiO2 분말 50g을 각각 SUS310S 도가니에 넣고 관형 튜브로의 열처리 영역에서 2~3 L/min의 수소 가스 분위기에서 1,100℃에서 2시간 동안 부분 환원시켰다. 부분 환원된 CaO와 TiO2를 혼합한 제1 혼합물 100g과 칼슘 하이드라이드 분말(입자크기 0.02~2mm) 130g을 완전히 혼합하여 제2 혼합물을 제조하였다. 칼슘 하이드라이드의 제1 혼합물과의 화학양론적 비는 1.1~1.25x이다. 이어서 제2 혼합물을 SUS310S 도가니에 넣고 관형 튜브로의 열처리 영역에서 2~3 l/min의 수소 가스 분위기에서 1,100℃에서 2시간 동안 완전히 환원시켰다. 얻어진 벌크 형태의 물질을 볼 밀링 장치에 넣고 분쇄한 후 물 및 아세트산과 혼합하고 교반하면서 세척하였고 90℃에서 완전히 건조시켰다. 상기 표 2의 장치를 이용하여 금속 분말의 물성을 측정하였다. 제조된 분말의 주사 전자 현미경 사진을 도 1에 나타냈다. 또한, 제조된 분말의 물질을 확인하기 위해 X 선 회절 패턴을 측정하여 도 2에 나타내었고, 분말의 입자크기분포를 측정하여 도 3 및 표 3에 나타냈다. 도 2를 보면, 제조된 분말이 티타늄(Ti) 금속임을 확인할 수 있다. 또한, 도 3 및 표 3을 보면, 제조된 분말의 입도 분포 범위가 10~50μm인 것을 확인할 수 있다. 또한, 제조된 분말의 잔여 산소량을 확인한 결과 0.19 wt%이었다. 본 발명에서 제조된 티타늄 금속 분말의 잔여 산소량은 공지된 방법으로 제조된 티타늄 금속 분말과 대비하여 현저히 낮은 것이다. 50 g of CaO powder having a purity of 99.5% and 50 g of TiO 2 powder having a purity of 99% were placed in a SUS310S crucible, respectively, and partially reduced at 1,100 ° C. for 2 hours in a hydrogen gas atmosphere of 2-3 L / min in a heat treatment region of a tubular tube. A second mixture was prepared by thoroughly mixing 100 g of the first mixture of partially reduced CaO and TiO 2 and 130 g of calcium hydride powder (particle size of 0.02-2 mm). The stoichiometric ratio of calcium hydride to the first mixture is 1.1 to 1.25x. The second mixture was then placed in a SUS310S crucible and fully reduced at 1,100 ° C. for 2 hours in a hydrogen gas atmosphere of 2-3 l / min in the heat treatment zone to the tubular tube. The bulk material obtained was placed in a ball milling apparatus, ground, mixed with water and acetic acid, washed with stirring and dried completely at 90 ° C. The physical properties of the metal powder were measured using the apparatus of Table 2 above. A scanning electron micrograph of the prepared powder is shown in FIG. 1. In addition, the X-ray diffraction pattern was measured in order to confirm the substance of the prepared powder and is shown in FIG. 2, and the particle size distribution of the powder was measured and shown in FIGS. 2, it can be seen that the prepared powder is a titanium (Ti) metal. In addition, looking at Figure 3 and Table 3, it can be seen that the particle size distribution range of the prepared powder is 10 ~ 50μm. In addition, it was 0.19 wt% when the residual oxygen content of the prepared powder was confirmed. The residual oxygen content of the titanium metal powder produced in the present invention is significantly lower than that of the titanium metal powder produced by a known method.
실시예 2: 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 분말 제조 Example 2: Titanium Alloy (Ti-6Al-4V) Powder Preparation
순도 99.5%의 CaO 분말과 순도 99%의 TiO2 분말을 혼합한 혼합물 150g을 SUS310S 도가니에 넣고 관형 튜브로의 열처리 영역에서 2~3 l/min의 수소 가스 분위기에서 1,100℃에서 2시간 동안 부분 환원시켰다. 부분 환원된 CaO와 TiO2와, 순도 99.6%의 V2O5 분말 7.13g 및 순도 99.5%의 알루미늄 금속 분말 6g을 혼합한 제1 혼합물과 칼슘 하이드라이드 분말(입자크기 0.02~2mm) 207g을 완전히 혼합하여 제2 혼합물을 제조하였다. 칼슘 하이드라이드의 제1 혼합물과의 화학양론적 비는 1.1~1.25x이다. 이어서 제2 혼합물을 SUS310S 도가니에 넣고 관형 튜브로의 열처리 영역에서 2~3 l/min의 수소 가스 분위기에서 1,100℃에서 2시간 동안 완전히 환원시켰다. 얻어진 벌크 형태의 물질을 볼 밀링 장치에 넣고 분쇄한 후 물 및 아세트산과 혼합하고 교반하면서 세척하였고 90℃에서 완전히 건조시켰다. 상기 표 2의 장치를 이용하여 금속 분말의 물성을 측정하였다. 제조된 분말의 주사 전자 현미경 사진을 도 4에 나타냈다. 또한, 제조된 분말의 입자크기분포를 측정하여 도 5 및 표 4에 나타냈다. 또한, 도 5 및 표 4를 보면, 제조된 분말의 입도 분포 범위가 10~50μm인 것을 확인할 수 있다. 또한, 제조된 분말의 잔여 산소량을 확인한 결과 0.28 wt%이었다. 본 발명에서 제조된 티타늄 합금 분말의 잔여 산소량은 공지된 방법으로 제조된 티타늄 금속 분말과 대비하여 현저히 낮은 것이다. 150 g of a mixture of 99.5% pure CaO powder and 99% pure TiO 2 powder was placed in a SUS310S crucible and partially reduced at 1,100 ° C. for 2 hours in a hydrogen gas atmosphere of 2 to 3 l / min in a heat treatment zone to a tubular tube. I was. Completely mixed the first mixture of CaO and TiO 2 partially reduced, 7.13g of V 2 O 5 powder of 99.6% purity and 6g of aluminum metal powder of 99.5% purity, and 207g of calcium hydride powder (particle size 0.02 ~ 2mm) Mixing gave a second mixture. The stoichiometric ratio of calcium hydride to the first mixture is 1.1 to 1.25x. The second mixture was then placed in a SUS310S crucible and fully reduced at 1,100 ° C. for 2 hours in a hydrogen gas atmosphere of 2-3 l / min in the heat treatment zone to the tubular tube. The bulk material obtained was placed in a ball milling apparatus, ground, mixed with water and acetic acid, washed with stirring and dried completely at 90 ° C. The physical properties of the metal powder were measured using the apparatus of Table 2 above. A scanning electron micrograph of the prepared powder is shown in FIG. 4. In addition, the particle size distribution of the prepared powder was measured and shown in FIG. 5 and Table 4. FIG. 5 and Table 4, it can be seen that the particle size distribution range of the prepared powder is 10 ~ 50μm. In addition, it was 0.28 wt% when the residual oxygen content of the prepared powder was confirmed. The residual oxygen content of the titanium alloy powder produced in the present invention is significantly lower than the titanium metal powder produced by the known method.
실시예 3: 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 분말 제조 Example 3: Titanium Alloy (Ti-6Al-4V) Powder Preparation
순도 99.5%의 CaO 분말과 순도 99%의 TiO2 분말을 혼합한 혼합물 150g을 SUS310S 도가니에 넣고 관형 튜브로의 열처리 영역에서 2~3 l/min의 수소 가스 분위기에서 1,100℃에서 2시간 동안 부분 환원시켰다. 부분 환원된 CaO와 TiO2와, 순도 99.6%의 V2O5 분말 7.13g 및 순도 99.5%의 산화 알루미늄 분말 7.1g을 혼합한 제1 혼합물과 칼슘 하이드라이드 분말(입자크기 0.02~2mm) 207g을 완전히 혼합하여 제2 혼합물을 제조하였다. 칼슘 하이드라이드의 제1 혼합물과의 화학양론적 비는 1.1~1.25x이다. 이어서 제2 혼합물을 SUS310S 도가니에 넣고 관형 튜브로의 열처리 영역에서 2~3 l/min의 수소 가스 분위기에서 1,100℃에서 2시간 동안 완전히 환원시켰다. 얻어진 벌크 형태의 물질을 볼 밀링 장치에 넣고 분쇄한 후 물 및 아세트산과 혼합하고 교반하면서 세척하였고 90℃에서 완전히 건조시켜서, 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 분말을 얻었다.150 g of a mixture of 99.5% pure CaO powder and 99% pure TiO 2 powder was placed in a SUS310S crucible and partially reduced at 1,100 ° C. for 2 hours in a hydrogen gas atmosphere of 2 to 3 l / min in a heat treatment zone to a tubular tube. I was. 207 g of calcium hydride powder (particle size 0.02 to 2 mm) and a first mixture of CaO and TiO 2 partially reduced, 7.13 g of V 2 O 5 powder having a purity of 99.6%, and 7.1 g of aluminum oxide powder having a purity of 99.5% were mixed. Mix thoroughly to prepare a second mixture. The stoichiometric ratio of calcium hydride to the first mixture is 1.1 to 1.25x. The second mixture was then placed in a SUS310S crucible and fully reduced at 1,100 ° C. for 2 hours in a hydrogen gas atmosphere of 2-3 l / min in the heat treatment zone to the tubular tube. The obtained bulk material was placed in a ball milling apparatus, pulverized, mixed with water and acetic acid, washed with stirring, and dried completely at 90 ° C. to obtain a titanium alloy (Ti-6Al-4V) powder.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Having described the specific part of the present invention in detail, it is apparent to those skilled in the art that the specific technology is merely a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereto. Therefore, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.
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Claims (13)
b) 상기 부분적으로 환원된 금속 산화물과 티타늄 산화물을 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
c) 상기 제1 혼합물과 칼슘 하이드라이드를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및
d) 상기 제2 혼합물을 완전히 환원시켜 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 금속 산화물은 CaO인 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.a) partially reducing each of at least one metal oxide and titanium oxide;
b) mixing the partially reduced metal oxide with titanium oxide to produce a first mixture;
c) mixing the first mixture with calcium hydride to produce a second mixture; And
d) completely reducing the second mixture to produce a titanium metal or a titanium alloy,
The metal oxide is CaO, characterized in that the titanium metal powder or titanium alloy powder production method.
b) 상기 하나를 부분 환원한 금속 산화물과 티타늄 산화물을 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
c) 상기 제1혼합물과 칼슘 하이드라이드를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및
d) 상기 제2 혼합물을 완전히 환원시켜 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 금속 산화물은 CaO인 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.a) partially reducing one of at least one metal oxide and titanium oxide;
b) preparing a first mixture by mixing the metal oxide and titanium oxide of which one is partially reduced;
c) mixing the first mixture with calcium hydride to produce a second mixture; And
d) completely reducing the second mixture to produce a titanium metal or a titanium alloy,
The metal oxide is CaO, characterized in that the titanium metal powder or titanium alloy powder production method.
상기 단계 b) 후, 상기 단계 c) 전에 상기 제1 혼합물을 부분 환원시키는 단계를 포함하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법. The method according to claim 1 or 2,
After said step b), before said step c), partially reducing said first mixture.
상기 단계 a)의 상기 부분적 환원 및 상기 단계 d)의 완전 환원은 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도 및 수소분위기 하에서 1 내지 10시간 동안 열처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The partial reduction of step a) and the complete reduction of step d) are performed by heat treatment for 1 to 10 hours at a temperature of 1,000 ° C. to 1,500 ° C. and a hydrogen atmosphere, to produce titanium metal powder or titanium alloy powder. Way.
상기 단계 a)의 상기 부분적 환원 및 상기 단계 d)의 완전 환원은 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도 및 수소분위기 하에서 1 내지 10시간 동안 열처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method of claim 3,
The partial reduction of step a) and the complete reduction of step d) are performed by heat treatment for 1 to 10 hours at a temperature of 1,000 ° C. to 1,500 ° C. and a hydrogen atmosphere, to produce titanium metal powder or titanium alloy powder. Way.
e) 상기 제조된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금을 분쇄하여 분말화시키는 단계를 추가로 포함하는 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
e) a method of producing titanium metal powder or titanium alloy powder, further comprising the step of pulverizing the powdered titanium metal or titanium alloy.
상기 제1 혼합물과 상기 칼슘 하이드라이드의 화학양론적 비는 1: 1.1~1.25인 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
A stoichiometric ratio of the first mixture and the calcium hydride is 1: 1.1 to 1.25, characterized in that the titanium metal powder or titanium alloy powder production method.
상기 제2 혼합물에 알루미늄 및 산화바나듐(V2O5) 분말을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
Method for producing a titanium metal powder or titanium alloy powder, characterized in that it further comprises aluminum and vanadium oxide (V 2 O 5 ) powder in the second mixture.
상기 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V인 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method of claim 10,
The titanium alloy is Ti-6Al-4V, characterized in that the titanium metal powder or titanium alloy powder production method.
상기 티타늄 금속 및 티타늄 합금은 산소 함량이 0.3 중량% 미만이고 입자 크기 분포가 50μm 미만인 것을 특징으로 하는, 티타늄 금속 분말 또는 티타늄 합금 분말의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The titanium metal and titanium alloy is characterized in that the oxygen content is less than 0.3% by weight and the particle size distribution is less than 50μm, titanium metal powder or titanium alloy powder production method.
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