티타늄 카바이드 분말은 극한의 온도에서 높은 경도, 내마모성, 열전도도 및 화학적 안정성이 요구되는 다양한 산업 분야에 사용되는 매우 단단한 세라믹 소재입니다. 이 문서에서는 특성, 제조 방법, 응용 분야, 공급업체, 사양, 등급 등을 다루는 TiC 분말에 대한 포괄적인 기술 참조 자료를 제공합니다.
개요 티타늄 카바이드 분말
티타늄 카바이드(TiC) 분말은 탄소와 티타늄으로 구성되며, 일반적으로 소량의 다른 금속 원소가 포함되어 있습니다. 3140°C의 매우 높은 녹는점과 질화 티타늄에 가까운 높은 경도를 가지고 있습니다. 몇 가지 주요 속성 및 특성은 다음과 같습니다:
표 1: 티타늄 카바이드 분말의 특성 및 특성
| 속성 | 특성 |
|---|---|
| 화학 공식 | TiC |
| 구성 | 티타늄(88.1%), 탄소(11.9%) |
| 색상 | 회색에서 검은색 가루 |
| 녹는점 | 3140°C |
| 밀도 | 4.93g/cm3 |
| 모스 경도 | 2800-3200 HV |
| 힘 | 높은 압축 및 굴곡 강도 |
| 열 속성 | 높은 열 전도성 및 열 충격에 대한 내성 |
| 전기 전도성 | 금속 전기 도체 |
| 내산화성 | 최대 800°C의 공기 중에서 산화에 강함 |
| 내산성 | 상온 산에 용해되지 않음 |
티타늄 카바이드 분말의 주요 장점은 극도의 경도 및 내마모성, 3100°C 이상의 기계적 강도 유지, 화학적 불활성입니다. 단점으로는 다른 탄화물에 비해 취성과 800°C 이상에서 산화에 대한 저항성이 낮다는 점이 있습니다.
제조방법
티타늄 카바이드 분말은 여러 제조 공정을 통해 생산할 수 있습니다:
표 2: 티타늄 카바이드 분말 제조 방법 개요
| 방법 | 설명 | 특성 |
|---|---|---|
| 직접 카바이드 반응 | 티타늄 분말은 1600°C 이상의 탄소로 가열하여 침탄 처리합니다. | 더 낮은 순도, 더 큰 입자 |
| 자체 전파 고온 합성(SHS) | TiC 생산에 사용되는 높은 발열량의 테르밋 반응 | 더 미세한 입자 크기 |
| 솔-젤 | 티타늄과 탄소 전구체를 사용하는 습식 화학 방법 | 초미립자 균일 분말 입자 |
| 플라즈마 합성 | 플라즈마 방전 시 기체 반응물에서 형성된 TiC | 고순도의 구형 나노 파우더 |
| 기타 방법 | 전기분해, 레이저 열분해, 연소 합성 | 독특한 크기와 모양의 특수 파우더 |
생산 방법 선택의 핵심 요소에는 입자 크기, 모양, 순도, 비용 등 필요한 분말 특성이 포함됩니다.
응용 티타늄 카바이드 분말
티타늄 카바이드 분말의 주요 응용 분야는 다음과 같습니다:
표 3: 티타늄 카바이드 분말의 산업 응용 분야 개요
| 산업 | 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 열 보호 시스템, 분사 노즐 |
| 자동차 | 세라믹 차량 장갑, 브레이크 디스크 |
| 제조 | 절삭 공구, 성형 금형, 베어링 표면 |
| 건설 | 노즐 라이너, 암석 드릴링 버튼 |
| 에너지 | 핵연료 코팅, 핵융합로 재료 |
| 화학 물질 | 유체 촉매 지지대, 부식 방지 라이닝 |
티타늄 카바이드는 가장 까다로운 기계 및 고온 애플리케이션에 적합한 극한의 경도와 내마모성을 갖춘 TiC-Ni 및 TiC-Co와 같은 경량 복합재를 만듭니다.
다음과 같은 기능이 가장 중요합니다:
- 3100°C 이상의 강도 유지 - 강철과 탄화물이 실패하는 곳의 특성 유지
- 극한의 경도로 고온에서도 마모에 강합니다.
- 낮은 열팽창으로 열충격에 대한 내성 강화
- 침식, 부식 및 화학적 공격에 대한 내성 강화
사양 및 등급
티타늄 카바이드 분말은 표준 및 맞춤형 사양으로 제공됩니다:
표 4: 티타늄 카바이드 분말의 사양 및 등급
| 매개변수 | 사양 범위 |
|---|---|
| 순도 | 89-99.5% TiC |
| 탄소 함량 | 5-15% |
| 입자 크기 | 0.5μm - 45μm |
| 파티클 모양 | 구형, 각진, 분쇄 |
| 밀도 | 4.90 - 5.10g/cm3 |
| 경도 | 2800-3200 HV 비커스 |
| 산소 함량 | < 2% 무게 |
| 특정 표면적 | 0.5 - 15m2/g |
| 탭 밀도 | 2.0 - 3.5g/cm3 |
성적:
- 원자력 등급 > 99% TiC
- 구조 등급 89-92% TiC
- 야금 등급 70-75% TiC
순도가 높은 핵종은 유리 탄소, 철, 니켈 오염물질이 적습니다. 구조용 TiC는 경도가 높고 입자가 균일합니다.
표준 및 테스트 방법
티타늄 카바이드 분말 제품은 조성, 불순물, 입자 크기 분포 및 최종 용도에 따른 기타 매개변수에 대한 다양한 적용 표준을 충족해야 합니다. 몇 가지 일반적인 표준은 다음과 같습니다:
표 5: TiC 분말의 표준 및 테스트 방법
| 표준 | 설명 |
|---|---|
| ISO 11358 | 카바이드 분말 - 레이저 회절에 의한 입자 크기 분포 측정 |
| ASTM C1046 | 티타늄 및 티타늄 합금 주물 검사를 위한 표준 관행 |
| AMS-H-8656 | 텅스텐 베이스, 코발트 베이스, 철 베이스, 니켈 베이스; 세라믹 및 카바이드 분말, 항공기 품질 |
| MIL-PRF-32159 | 회전 터보 기계 부품용 티타늄 합금 분말 및 열간 등방성 프레스(HIP) 링 단조품에 대한 성능 요구 사항 |
| GB/T 5481 | 카바이드 분말의 야금 분석 방법 |
| JIS R 1611 | 분말 야금 - 카바이드 분말 샘플링 및 테스트 방법 |
이러한 표준은 다양한 생산 로트와 여러 공급업체에서 제품 신뢰성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 공급업체와 최종 사용자 모두 재료의 세부적인 특성을 파악하기 위해 SEM, EDX, XRD, 레이저 입자 크기 분석과 같은 추가 분석 기법을 자주 활용합니다.
공급업체 및 가격
티타늄 카바이드 분말은 전 세계 여러 주요 공급업체에서 상업적으로 판매되고 있습니다. 주요 제조업체는 다음과 같습니다:
표 6: 티타늄 카바이드 분말 공급업체 선택하기
| 공급업체 | 위치 | 제품 등급 |
|---|---|---|
| 대서양 장비 엔지니어 | US | 원자력, 구조, 금속 공학 |
| H.C. 스탁 | 독일 | 핵, 스퍼터링 등급 |
| 케나메탈 | US | 맞춤형 합금 및 복합재 |
| 마테리온 | US | 고순도 핵 등급 |
| 마이크론 금속 | US | 표준 및 맞춤형 입자 크기 |
| 리드 고급 재료 | US | 파우더 및 HIP 제품 |
| 영국 연마재 | UK | 다중 순도 |
가격은 매우 다양합니다:
- 핵 등급 TiC 분말 - $1800+ kg당
- 구조용 등급 TiC 분말 - kg당 $20-100
- HIP 제품용 TiC 잉곳 - kg당 $50-200
정확한 가격은 순도 수준, 입자 크기 사양, 구매 수량 등에 따라 달라집니다.
비교 티타늄 카바이드 분말 대안으로
표 7: 티타늄 카바이드 분말과 대체 경질 세라믹의 비교
| 매개변수 | 티타늄 카바이드 | 텅스텐 카바이드 | 실리콘 카바이드 |
|---|---|---|---|
| 밀도 | 4.93g/cm3 | 15.63g/cm3 | 3.21g/cm3 |
| 경도 | 2800-3200 HV | 1300-2400 HV | 2400-2800 HV |
| 최대 사용 시간 | 3100°C | 700°C | 1650°C |
| 골절 인성 | 3-6 MPa√m | 10-15 MPa√m | 3-5 MPa√m |
| 내산화성 | 800°C까지 사용 가능 | 500°C 이상에서 불량 | 최대 1600°C까지 견딜 수 있습니다. |
| 비용 | 보통 | 낮음 | 낮음 |
| 독성 | 낮음 | 높음 | 낮음 |
주요 차이점:
- 텅스텐 카바이드는 인성이 더 높습니다.
- 실리콘 카바이드는 내산화성이 우수합니다.
- 티타늄 카바이드는 매우 높은 온도를 견딜 수 있습니다.
- 티타늄 카바이드는 모든 면에서 최고의 성능을 제공합니다.
장점과 한계
표 8: 티타늄 카바이드 분말의 장점과 제한점
| 장점 | 제한 사항 |
|---|---|
| 고온에서 극도의 경도 | 부서지기 쉽고 골절 인성이 낮음 |
| 높은 내식성 및 내마모성 | 텅스텐 카바이드보다 비싸다 |
| 3100°C 이상의 강도 유지 | 800°C 이상에서 쉽게 산화 |
| 높은 열전도율 | 산소 오염에 민감 |
주요 애플리케이션 심층 분석
티타늄 카바이드는 항공우주, 자동차, 제조, 에너지 등 산업 전반에 걸쳐 탁월한 성능 향상을 가능하게 합니다. 이 섹션에서는 티타늄 카바이드의 우수한 특성을 강조하는 몇 가지 주요 응용 분야를 살펴봅니다.
항공우주 애플리케이션
항공우주 분야에서는 극한의 환경을 견딜 수 있는 소재가 필요합니다. 티타늄 카바이드는 3000°C 이상의 강도를 유지하고 열충격에 강하며 반복적인 가열 사이클에도 성능이 저하되지 않아 극초음속 항공기 부품에 이상적인 특성을 지닙니다.
최첨단 소재 및 코팅
티타늄 카바이드 복합재 TiC-Ni와 TiC-Co는 극초음속 비행체의 날카로운 앞날개 모서리가 최대 3200°C의 대기권 재진입 시 강한 마찰열에 견딜 수 있도록 합니다. 기존 흑연 또는 세라믹 매트릭스 복합재보다 성능이 훨씬 뛰어납니다.
또한 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리적 기상 증착(PVD)을 통해 적용된 티타늄 카바이드 코팅은 마하 5 이상의 속도에서 날개 표면, 엔진 흡기 및 기타 구성품의 산화 및 마모로부터 보호합니다.
열 보호 시스템
우주선의 재사용 가능한 열 보호 시스템(TPS)은 우주 공간에서 -150°C에서 재진입 시 1650°C까지 극심한 온도 변화를 견뎌냅니다. 티타늄 카바이드는 이 범위에서 강도를 유지하며 다른 세라믹보다 반복 노출 후 열 피로 균열에 더 잘 견딥니다.
예를 들어, X-37B 우주선은 기본 차량 구조를 보호하기 위해 TPS에 TiC 층을 사용합니다. 또한 TiC 절삭기는 로켓 노즐과 극초음속 스크램제트 엔진을 3300°C 이상의 배기가스로부터 차단합니다.
항공기 브레이크
제트 항공기의 카본 브레이크는 160노트 속도로 착륙하는 동안 700°C 이상을 견뎌야 합니다. 하지만 탄소는 쉽게 산화되어 먼지가 발생하고 조기 마모가 발생합니다.
카본 부품을 티타늄 카바이드 로터와 스테이터로 교체하면 부품 수명이 크게 연장되고 허용 제동 온도가 1150°C로 높아져 전체적으로 제동 시스템이 가벼워집니다.
무기
용융 금속은 기존의 총신 라이닝을 빠르게 파괴하여 고르지 않은 마모나 총신 폭발을 유발합니다. 하지만 플라즈마 분사 티타늄 카바이드 코팅은 금속 침식에 매우 잘 견디며 마모를 최소화하면서 정상 작동 온도를 넘어서는 고구경 무기를 지속적으로 발사할 수 있습니다.
자동차 용도
자동차 제조업체는 더 빠르고, 더 안전하고, 더 가벼운 자동차와 트럭을 만들기 위해 끊임없이 소재를 연구합니다. 자동차 업계에서는 방탄, 브레이크, 엔진 부품에 티타늄 카바이드를 많이 사용합니다.
전차 방어구
군용 차량은 탄도 장갑에 기존 강철이 아닌 TiC-Kevlar와 같은 티타늄 카바이드 세라믹 복합재를 사용합니다. 이를 통해 장갑을 관통하는 위협에 대한 보호 수준을 실제로 높이면서 중량은 30%까지 줄일 수 있습니다.
세라믹 라미네이트는 금속판에 비해 발사체를 더 잘 분산시키고 변형시킵니다. 장갑이 가벼워지면 전투 임무에 중요한 차량 기동성과 연료 효율성이 향상됩니다.
브레이크 디스크
포뮬러 1 및 기타 고성능 차량은 최대 350km/h의 최고 속도에서 반복되는 제동 중력가속도로 인한 극한의 온도를 견디기 위해 티타늄 카바이드 세라믹 매트릭스 복합재(CMC) 브레이크 디스크를 사용합니다.
또한 TiC 디스크는 제동력을 향상시키고 고급 스포츠카가 경주용으로 사용할 때 문제가 되는 브레이크 페이드 문제를 제거합니다. 전기 자동차의 회생 제동 시스템도 마찬가지로 극한의 내열성을 위해 티타늄 카바이드 로터에 의존합니다.
마모 구성 요소
티타늄 카바이드는 1000°C 이상의 고온에서 마모되기 쉬운 고부하 엔진 부품의 수명을 연장합니다. 예를 들어, 기존의 스틸 밸브와 피스톤 슬리브 인서트를 TiC 버전으로 교체하면 마모가 고장 한계에 도달하기 전에 작동 시간이 50-100% 더 길어집니다.
코팅된 엔진 보어에서 TiC는 현재 사용되는 니켈 카바이드 용사 코팅보다 성능이 뛰어납니다. 이를 통해 최고 압력과 연소 온도를 높여 연료 효율을 높일 수 있습니다.
절단 도구
모든 주요 절삭 공구 공급업체는 티타늄 카바이드 기판에 다른 카바이드, 세라믹 또는 다이아몬드 코팅이 결합된 광범위한 인서트, 드릴, 엔드밀 및 특수 공구를 제공합니다.
내마모성
TiC는 기존 공구강의 연화점인 약 600°C 이상의 경도를 유지하여 건식 고속 가공 응용 분야에서 더 빠른 재료 제거 속도, 더 빠른 절삭 속도, 더 낮은 마모를 제공합니다.
열 속성
열전도율이 높기 때문에 절삭 중단 시 공구 파손의 원인이 되는 국부적인 핫스팟을 방지합니다. 또한 TiC는 다이아몬드와 동등한 수준의 최소 열팽창을 나타내므로 미세 제조 정밀 툴링에 매우 중요합니다.
성능 업그레이드
인덱서블 인서트와 같은 기존 텅스텐 카바이드 부품을 TiC 업그레이드로 교체하면 동일한 작동 파라미터에서 공구 수명을 2~4배 연장할 수 있습니다. 또는 동일한 인서트 마모 수준을 유지하면서 절삭 속도 또는 이송 속도를 크게 높일 수 있습니다.
인코넬 718, 티타늄 알루미나이드 TiAl, 금속 매트릭스 복합재 MMC와 같이 가공이 어려운 차세대 항공우주 합금의 경우 티타늄 카바이드 툴링을 사용하면 다른 방법으로는 불가능했던 제조 옵션을 실현할 수 있습니다.
노즐 인서트
티타늄 카바이드 노즐은 농자재 및 광물 가공부터 샷 피닝 및 분말 금속 소결에 이르기까지 연마재를 처리하는 매우 침식성이 강한 입자 흐름에 견딜 수 있습니다:
내마모성
식품, 제약 및 특수 화학 공정에 사용되는 TiC 노즐 인서트는 일반적으로 마모성이 매우 높은 미세 분말 스트림에서 기존 텅스텐 카바이드, 실리콘 카바이드 및 크롬 카바이드 버전보다 300~500% 더 오래 지속됩니다.
고속 보호
냉각 공기 소용돌이가 포함된 티타늄 카바이드 덮개는 복합재 항공기 엔진 블레이드를 650m/s 속도를 초과하는 유입되는 모래로부터 보호합니다. 블레이드 봉쇄 테스트에서 TiC 부품은 대체 재료가 파손되는 팬 붕괴 사고로 인한 블레이드 펑크를 그대로 견뎌냈습니다.
극한의 온도 사용
용융 지르코늄, 강철 및 유리 섬유 생산용 플라즈마 스프레이 노즐은 추가 냉각 없이 독립형 TiC 파이프로 구성됩니다. TiC는 코발트 및 니켈 합금을 쉽게 파괴하는 3000°C 이상의 슬래그 부식과 금속 액적 방출 열 플럭스를 안정적으로 견뎌냅니다.
원자력 애플리케이션
티타늄 카바이드는 핵연료 피복재부터 실험용 핵융합로의 첫 번째 벽 보호재에 이르기까지 원자력 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다.
연료 피복
기존의 지르코늄 연료 피복 합금은 원자로 노심 과열 사고 시 산화, 용융되어 방사성 동위원소를 방출할 수 있습니다. 그러나 티타늄 카바이드 코팅은 반응 속도가 더 느리고 냉각되어 부동태화 TiO2 층을 형성하여 빠져나가는 입자를 억제하므로 안전 한계를 크게 높일 수 있습니다.
플라즈마 페이싱 구성 요소
실험용 토카막 핵융합로 내부에서는 40MW/m2의 강력한 플라즈마 열 플럭스가 핵융합 입자와 엑스레이가 지속적으로 표면을 강타하면서 견고한 아머 타일을 빠르게 침식합니다. 열 스프레이 레이어 또는 독립형 TiC 부품은 이러한 가혹한 조건을 더 잘 견디며 텅스텐 대체품에 비해 작동 수명이 2~3배 길어 교체가 필요하지 않습니다.
방사성 폐기물 용기
연료 재처리 후, 고준위 방사성 액체는 붕규산 유리 통나무로 유리화되어 부식 방지 용기에 저장됩니다. 티타늄 카바이드는 지질학적 기간 동안 기체와 액체에 대한 완전한 불투과성을 지니고 있어 환경으로 누출되지 않고 장기간 안전하게 보관할 수 있습니다.
석유 및 가스 시추
티타늄 카바이드는 지금까지 개발된 소재 중 가장 단단하고, 가장 뜨겁고, 가장 내마모성이 뛰어난 암반 시추용 인서트 소재로서 특별한 가치를 지니고 있습니다. TC 버튼은 석유, 가스 및 지열 시추 산업에서 기존의 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC) 솔루션보다 뛰어난 성능을 발휘하는 표준으로 자리 잡았습니다.
마찰 암석 마모
6000m 깊이까지 심해 드릴링에 사용되는 로터리 콘 드릴 비트는 절단 중에 극한의 암반 압력과 100kW의 마찰 열 플럭스에 직면하게 됩니다. 솔리드 TC 인서트는 이러한 조건에서 3200HV 이상의 경도를 유지하면서 강철 톱니보다 5~10배 빠른 속도로 드릴링하여 교체가 필요하지 않습니다.
고속 암석 관통
단단한 퇴적층이나 현무암층을 전문으로 시추하는 지열 및 석유/가스 시추 회사들은 동일한 마모 수명을 가진 다른 드릴 유형보다 최대 4배 높은 관통률을 기록하는 TC 버튼 비트만을 사용합니다.
결론부터 말하자면, 티타늄 카바이드보다 바위를 더 잘 뚫고 가혹한 다운홀 환경을 견딜 수 있는 것은 없습니다.
결론
극한의 경도, 3000°C 이상의 내열성, 높은 내마모성을 갖춘 티타늄 카바이드는 경쟁 세라믹이나 기존 합금에서는 찾아볼 수 없는 탁월한 소재 특성을 제공합니다. 티타늄 카바이드는 모든 산업 분야에서 가장 극심한 열, 화학, 기계적 환경을 안정적으로 견뎌냅니다.
티타늄 카바이드는 상당한 성능 이점에도 불구하고 몰리브덴이나 텅스텐과 같은 내화성 금속보다 가격이 저렴합니다. 이러한 성능과 경제성의 독특한 조합 덕분에 항공우주, 자동차, 제조, 에너지 및 전 세계적으로 가장 까다로운 응용 분야에서 티타늄 카바이드의 활용도가 높아지고 있습니다.
기술이 발전하여 더욱 안정적인 생산과 가용성이 가능해짐에 따라 티타늄 카바이드의 보급이 더욱 가속화될 것으로 예상됩니다. 이 소재는 최첨단을 정의합니다.
