티타늄 질화물(TiN) 분말은 다양한 산업 분야에서 사용하기에 적합한 독특한 특성을 가진 매우 단단한 세라믹 소재입니다. 이 문서에서는 다음에 대한 개요를 제공합니다. 질화 티타늄 분말의 구성, 주요 특징, 제조 공정 및 응용 분야를 살펴보세요.
질화 티타늄 분말 개요
질화 티타늄 또는 TiN은 티타늄과 질소 원자로 구성된 황금빛 노란색 세라믹 화합물입니다. 화학식은 TiN입니다.
질화 티타늄 분말의 몇 가지 주요 특징은 다음과 같습니다:
- 극한의 경도 - 다이아몬드에 가까운 경도
- 뛰어난 내마모성 및 내식성
- 높은 열 안정성
- 메탈릭 골드 색상
- 전기 전도성
- 생체 적합성 및 무독성
이러한 독특한 특성의 조합으로 인해 TiN 분말은 공구, 자동차 부품, 터빈, 의료용 임플란트 등 다양한 표면 코팅 분야에 활용되고 있습니다.
다음 섹션에서는 질화티타늄 분말의 구성, 특성, 생산 및 용도에 대해 자세히 설명합니다.
구성 및 특성 질화 티타늄 분말
| 속성 | 설명 | 단위 |
|---|---|---|
| 화학 공식 | 주석 | |
| 화학 성분(일반) | – 티타늄(Ti): Min. 77.0중량%<br> – 질소(N): 최소. 20.0중량%<br> – 탄소(C): 최대. 0.1중량% | wt% |
| 결정 구조 | NaCl형 면심 입방체 | |
| 입자 크기 | 애플리케이션에 따라 다름<br> – 미분말: < 10미크론<br> – 서브미크론 분말: < 1미크론<br> – 나노분말: 100나노미터 미만 | 미크론, 나노미터 |
| 모양 | 골드 컬러 | |
| 융점 | ~2930°C | °C |
| 밀도 | 5.22 – 5.44g/cm³ | g/cm³ |
| 경도 | 비커스 경도: 1800-2100 HV<br> 모스 경도: 8-9 | HV |
| 탄성 계수 | 550±50GPa | 평점 |
| 열팽창 계수 | 9.35 × 10⁻⁶K⁻² | K⁻¹ |
| 전기 전도성 | 금속 도체(전도도는 화학량론 및 불순물에 따라 다름) | S/m |
| 열 전도성 | 높음(15-30W/mK) | W/mK |
| 초전도 전이 온도 | 최대 6.0K(단결정) | 케이 |
| 화학적 안정성 | 실온에서 대부분의 화학물질에 대한 탁월한 내성<br> 고온(> 800°C)에서 산소와 반응합니다. | |
| 생체 적합성 | 일반적으로 생체적합성으로 간주됨 |
질화 티타늄 분말의 제조 공정
| 프로세스 | 설명 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| 질화 | 이는 질화티타늄 분말을 제조하는 데 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이는 티타늄 공급원료를 고온(일반적으로 900°C 이상)에서 질소 가스 또는 암모니아와 반응시키는 것을 포함합니다. 반응은 유동층, 회전 반응기, 플라즈마 반응기를 포함한 다양한 반응기 구성에서 수행될 수 있습니다. | – 확립되고 신뢰할 수 있는 기술 – 고순도 TiN 분말 생산 – 분말 형태에 대한 우수한 제어 제공 | – 고온이 필요하므로 에너지 소비가 증가합니다. – 고온에서는 입자 크기와 크기 분포를 제어하기 어려울 수 있습니다. – 주의 깊게 제어하지 않으면 산소 오염 가능성이 있습니다. |
| 탄수화물 감소 | 이 방법에는 이산화티타늄(TiO2), 탄소(흑연 또는 목탄) 및 질소 가스의 혼합물을 고온(약 1300°C)으로 가열하는 작업이 포함됩니다. 탄소는 환원제 역할을 하여 이산화티타늄을 질화티타늄으로 전환시킵니다. | – 질화에 대한 잠재적으로 저렴한 대안 제공 – 특정 탄질화물 조성으로 질화 티타늄을 생산하는 데 사용할 수 있음 | – 질화에 비해 더 복잡한 반응 화학 – 원하는 제품 순도를 달성하려면 출발 물질 비율과 반응 조건에 대한 엄격한 제어가 중요 – 불순물을 제거하기 위해 추가적인 후처리 단계가 필요할 수 있음 |
| 반응성 볼밀링 | 이는 티타늄 분말과 질소원(종종 요소)을 고에너지 볼 밀에서 함께 밀링하는 고에너지 기계화학적 공정입니다. 밀링 볼의 기계적 힘은 입자를 파괴하고 티타늄과 질소 사이의 고체 반응을 촉진하여 상대적으로 낮은 온도(실온 부근)에서 질화티타늄을 형성합니다. | – 나노 크기의 질화티타늄 분말 생산에 적합 – 고온 방식에 비해 에너지 소비가 적음 – 확장 가능한 공정 가능 | – 지속적인 연구 및 개발이 진행되는 비교적 새로운 기술 – 밀링 매체로 인한 오염이 발생할 수 있음 – 균일한 입자 크기 분포를 달성하는 것이 어려울 수 있음 |
| 화학 기상 증착(CVD) | 이 방법은 티타늄과 질소를 함유한 전구체 가스를 가열된 반응 챔버에 도입하는 것을 포함합니다. 전구체 가스는 분해되고 반응하여 질화티타늄 입자를 형성하며, 이 입자는 기판에 증착되거나 분말로 수집됩니다. | – 맞춤형 특성을 지닌 분말을 생산할 수 있는 매우 다양한 방법 – 입자 크기 및 형태에 대한 정밀한 제어 가능 | – 복잡하고 고가의 공정 장비 필요 – 다른 방법에 비해 생산 능력 제한 – 잠재적으로 위험한 전구체 가스 사용으로 인한 안전 고려 사항 |
| 물리 기상 증착(PVD) | CVD와 유사하게 PVD는 진공 환경에서 티타늄을 기화시키고 이를 질소 가스와 반응시키는 과정을 포함합니다. 기화된 티타늄은 스퍼터링, 음극 아크 증착 또는 전자빔 증발과 같은 다양한 기술을 사용하여 생성될 수 있습니다. | – 고순도 및 잘 정의된 질화티타늄 박막 또는 분말 생산에 적합 – 필름 두께 및 조성에 대한 우수한 제어 제공 | – 고도로 전문화되고 값비싼 장비 – 분말 생산을 위한 제한된 생산 속도 – 가시선 증착으로 인해 복잡한 기하학적 구조에 적합하지 않음 |
질화 티타늄 분말의 응용 및 용도
| 범주 | 애플리케이션 | 활용되는 속성 | 세부 정보 |
|---|---|---|---|
| 절단 도구 | 드릴 비트, 밀링 커터, 엔드밀 | 고경도, 내마모성, 낮은 마찰계수 | 질화티타늄(TiN) 분말은 코팅되지 않은 공구에 비해 공구 수명을 최대 3배 연장하는 탁월한 경도로 인해 절삭 공구 코팅에 널리 사용됩니다. TiN 코팅의 낮은 마찰계수는 공구와 가공물 사이의 마찰을 줄여 발열을 최소화하고 절삭 효율성을 향상시킵니다. 또한 TiN의 내마모성은 칩핑 및 절삭날 열화를 방지하여 예리한 절삭을 오랫동안 유지합니다. |
| 의료 기기 | 메스 블레이드, 뼈톱, 정형외과용 임플란트 | 생체적합성, 내마모성, 선명도 | 의료 분야에서 TiN 분말은 메스 및 뼈톱과 같은 수술 도구 코팅에 적용됩니다. 생체적합성 특성으로 인해 신체 내 이식에 안전합니다. 또한 TiN 코팅의 내마모성은 시술 중에 기구의 선명도를 유지하여 더 깔끔한 절단과 향상된 환자 결과를 보장합니다. TiN은 내마모성을 강화하고 임플란트-뼈 경계면의 마찰을 줄여 장기적인 임플란트 안정성을 촉진하는 능력으로 인해 고관절 치환술과 같은 일부 정형외과 임플란트를 코팅하는 데에도 사용됩니다. |
| 장식 코팅 | 의상 주얼리, 자동차 트림 | 매력적인 골드 컬러, 높은 내구성 | 기능적 적용 외에도 TiN 분말은 미적 특성으로 인해 가치가 높습니다. TiN 코팅의 금속성 금색은 의상 보석 및 자동차 트림의 장식 목적에 이상적입니다. TiN은 실제 금도금과 달리 뛰어난 내구성과 긁힘 방지 기능을 제공하여 오랫동안 광택을 유지합니다. 이러한 미학과 기능성의 조합으로 인해 TiN 분말은 스타일과 수명 사이의 균형을 추구하는 제조업체에게 매력적인 선택이 됩니다. |
| 소비재 | 배관 설비, 문 손잡이 | 내식성, 내마모성, 미적 매력 | TiN의 유익한 특성은 일상적인 소비재에도 적용됩니다. 일반적인 용도는 배관 설비 및 문 손잡이 코팅입니다. TiN의 내식성은 특히 습기에 노출된 부위에서 이러한 품목이 변색되거나 마모되는 것을 방지합니다. 또한 TiN 코팅의 내마모성으로 긁힘을 방지하고 수도꼭지와 문 손잡이의 원활한 작동을 유지합니다. 어떤 경우에는 TiN의 최상층이 니켈 또는 크롬 베이스 코팅 위에 사용되어 내구성, 내식성 및 황금빛 우아함을 결합합니다. |
| 반도체 | 확산 장벽, 전기 전도체 | 높은 열 안정성, 우수한 전기 전도성 | 반도체 영역 내에서 TiN 분말은 제조 공정에서 중요한 역할을 합니다. TiN 박막은 실리콘 웨이퍼에 증착되어 확산 장벽 역할을 하여 원치 않는 요소가 층을 통해 이동하는 것을 방지하고 장치의 전기적 특성을 방해합니다. TiN은 또한 우수한 전기 전도성을 나타내므로 집적 회로 내의 전기 접점으로 사용하기에 적합합니다. |
| 새로운 애플리케이션 | 태양전지, 건축용 코팅 | 광범위한 속성 | 연구 개발 노력으로 TiN 분말의 새로운 응용 분야를 모색하고 있습니다. 태양 에너지 분야에서는 TiN 코팅이 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 가능성이 연구되고 있습니다. 특정 파장의 빛을 흡수하고 다른 파장은 반사하는 TiN의 능력은 보다 효율적인 광 수확 장치의 개발로 이어질 수 있습니다. 또한 TiN은 경도, 내식성, 자기 윤활 효과 등의 특성이 결합되어 건물의 건축용 코팅으로 유망한 후보입니다. 이러한 코팅은 혹독한 기상 조건으로부터 보호하고, 자가 세척 특성을 향상시키며, 잠재적으로 구조물의 미적 매력을 향상시킬 수 있습니다. |
사양 질화 티타늄 분말
질화 티타늄 분말 제품은 다양한 순도 수준, 입자 크기 분포, 형태로 제공되며 애플리케이션 요구 사항에 따라 맞춤화할 수 있습니다.
몇 가지 중요한 TiN 파우더 사양입니다:
| 사양 | 세부 정보 |
|---|---|
| 순도 | 대부분의 용도에 최소 99% 질화티타늄 함량. 또한 중요하지 않은 용도의 경우 순도를 92%~95%로 낮출 수 있습니다. |
| 입자 모양 형태 | 구형, 응집형, 각형 등 다양함 |
| 입자 크기(d50) 분포 | 도구/부품 코팅을 위한 나노 스케일 30~50nm에서 미크론 등급 2~5μm까지 다양합니다. 서브 미크론 등급 ~0.5μm도 일반적입니다. |
| 비표면적(SSA) | 미크론 등급의 경우 최저 5m2/g에서 나노 분말의 경우 15-30m2/g까지 다양합니다. |
| 색상 | 메탈릭 브라이트 골드 |
| 녹는점 | 2950°C |
| 모스 경도 | 8.5 |
| 결정 구조 | 큐빅 - NaCl 유형 |
| 밀도 | 5.22g/cm3 |
| 산소/탄소 함량 | 1% 미만의 산소 함량은 고순도를 위해 중요합니다. |
표 1: 질화 티타늄 사양 요약
이러한 파우더 사양은 맞춤형 제조 과정에서 대상 산업 분야에 따라 변경할 수 있습니다.
글로벌 공급업체 및 가격
| 지역 | 주요 공급업체 | 제품 | 가격(USD/kg) | 주요 고려 사항 |
|---|---|---|---|---|
| 북미 | 아메리칸 엘리먼츠(American Elements), 미국 티타늄 밀스(US Titanium Mills), 나노벤처(Nanoventure) | 미분화된 TiN(>1미크론) | 100-200 | 내마모성 코팅에 대한 비용과 성능 간의 적절한 균형을 제공합니다. |
| Alfa Aesar, ATI 특수 소재 | 나노미터화된 TiN(<100 nm) | 400-800 | 전자 및 촉매 응용 분야에 이상적인 높은 표면적 | |
| 프렉스에어 표면 기술 | CVD(Chemical Vapor Deposition)용 공급원료 | 요청 시 가격 | 박막 코팅에 중요한 일관된 품질과 입자 크기 | |
| 유럽 | HC 스탁, 샌드빅 하이페리온, 플랜시 | 범용 TiN | 80-150 | 평판이 좋은 유럽 생산업체의 폭넓은 가용성 |
| Evonik Industries, Arkema | 고순도 TiN(99.9%+) | 250-500 | 항공우주 및 의료기기 산업에서 요구되는 사항 | |
| 나노재료 | 초미세 TiN(<50nm) | 800-1200 | 연구 및 개발 목적의 선도적인 공급업체 | |
| 아시아 태평양 지역 | 중국 국가 Bluestar (CNB), Fangda 탄소 신소재, Ningbo Tianxiang | 상업 등급 TiN | 50-80 | 대량 애플리케이션을 위한 비용 효율적인 옵션 |
| 토다 금속, 미쓰이 광업 및 제련 | 고성능 TiN | 120-200 | 아시아에서 품질과 일관성으로 유명 | |
| 고준도화학연구소 | 특수 TiN 등급(예: 도핑) | 요청 시 가격 | 특정 요구에 맞는 맞춤형 엔지니어링 분말에 대한 전문성 |
질화 티타늄과 다른 하드 코팅의 비교
속성 비교
| 속성 | 질화 티타늄 | 질화 크롬 | 알루미늄 질화 티타늄 | 다이아몬드와 같은 탄소 | 티타늄 카바이드 |
|---|---|---|---|---|---|
| 경도(HV) | 2000 – 2400 | 1400 – 1800 | 3200 – 3400 | 1000 – 1500 | 2800 – 3400 |
| 힘 | 우수 | 양호 | 우수 | 매우 좋음 | 매우 높음 |
| 내마모성 | 매우 높음 | 보통 | 매우 높음 | 보통 | 매우 높음 |
| 내식성 | 높음 | 보통 | 매우 높음 | 낮음 | 높음 |
| 산화 저항 | 보통 | 양호 | 우수 | 양호 | 양호 |
| 마찰 계수 | 0.5 | 0.35 – 0.6 | 0.4 | 0.1 – 0.2 | 0.25 – 0.35 |
| 색상 | 밝은 골드 | 회색 | 진한 보라색 | 그래파이트 그레이 | 파란색-회색 |
| Max. 작동 온도 (°C) | 500 | 750 | 800 | 250 | 600 |
| 비용 | 보통 | 낮음 | 높음 | 높음 | 높음 |
| 독성 | 무독성 | Cr, Co 함유 | 무독성 | 무독성 | 무독성 |
질화 티타늄의 장점
다른 대안에 비해 질화 티타늄 코팅을 선택하면 얻을 수 있는 몇 가지 이점과 장점이 있습니다:
- TiC에 필적하는 등급으로 마모 방지를 위한 극한의 경도를 제공합니다.
- 대부분의 프로덕션 환경에 적합한 내식성
- 최대 500°C까지 경도를 유지하는 높은 온도 안정성
- 낮은 독성 - CrN과 달리 의료 기기/임플란트에 안전합니다.
- 티타늄 합금 및 스테인리스 스틸 기판에 대한 우수한 접착력
- 생체 불활성으로 생체 적합성 승인 용이성 향상
- 중성 마찰 계수로 부품의 갈링 방지
- TiC 코팅 대비 더 높은 산화 저항성
질화 티타늄의 한계
티타늄 질화물은 매우 뛰어난 성능을 가지고 있지만 몇 가지 한계가 있습니다:
- 800°C 이상에서 안정된 AlTiN보다 낮은 온도 안정성을 제공합니다.
- DLC에 비해 상대적으로 낮은 인성 및 내충격성
- 코팅 응력이 높으면 시간이 지남에 따라 균열/박리 현상이 발생할 수 있습니다.
- 자연 산화로 인해 산성 환경에는 권장하지 않습니다.
- 단순 Cr 또는 WC 코팅에 비해 더 비쌉니다.
- 금속 가공 공정에서 TiN 마감재에 금속 파편이 묻을 수 있습니다.
질화 티타늄 대신 대체재를 선택해야 하는 경우
다음과 같은 경우 다른 코팅이 TiN보다 더 적합할 수 있습니다:
- 작동 온도가 500°C를 초과하는 경우(AlTiN 또는 질화크롬 사용)
- 충격 하중에 대한 우수한 인성 필요(DLC 고려)
- RF 신호 통과가 필요한 경우(예: 항공우주/통신)(DLC가 더 나은 옵션)
- 할로겐산 또는 기타 부식성이 강한 매체에 노출(DLC 선택)
질화 티타늄 코팅의 장단점
| 기능 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 내마모성 | * 마찰과 마모를 줄여 공구 수명을 대폭 연장합니다. 절단 도구, 드릴 비트 및 기타 도구는 더 오래 지속되므로 교체 비용과 가동 중지 시간이 줄어듭니다. * 연마재에 대한 탁월한 보호 기능을 제공하므로 복합재, 목재 및 특정 금속 가공에 이상적입니다. | * 취성: TiN은 단단하지만 큰 충격이나 과도한 힘을 가할 경우 깨지거나 벗겨질 수 있습니다. 강력한 타악기 용도에는 적합하지 않을 수 있습니다. * 두께 |
| 마찰 감소 | * 마찰계수를 낮추어 절단 작업을 더욱 원활하게 해줍니다. 이렇게 하면 열 발생이 줄어들어 공구가 손상되고 가공물의 품질이 저하될 수 있습니다. * 가공 중 에너지 소비를 최소화하여 비용을 절감하고 보다 환경 친화적인 공정을 구현합니다. | * 가공되는 소재에 따라 성능이 달라질 수 있습니다. 일부 응용 분야에서는 여전히 윤활이 필요할 수 있습니다. |
| 내식성 | * TiN은 부식에 대한 장벽 역할을 하여 녹 및 기타 환경 요인으로부터 밑에 있는 금속을 보호합니다. * 열악한 환경에서도 도구 및 구성 요소의 무결성과 기능을 유지합니다. | * 특정 화학물질이나 부식성이 강한 물질에는 효과적이지 않습니다. * 극단적인 내식성 요구 사항에는 다른 코팅이 더 적합할 수 있습니다. |
| 열 안정성 | * 높은 온도에서도 잘 작동하므로 고속 가공 응용 분야에 적합합니다. * 열 관련 공구 마모를 줄이고 가공 부품의 치수 정확도를 유지합니다. | * 다른 고급 코팅이 뛰어난 초고온 환경에서는 최선의 선택이 아닐 수도 있습니다. |
| 미학 | * 종종 고성능 도구와 관련된 독특한 황금색 또는 노란색 색조. * 특정 제품의 시각적 매력을 향상시킵니다. | * 미용적 이점은 기능적 이점에 비해 부차적입니다. * 증착 공정에 따라 색상이 조금씩 다를 수 있습니다. |
| 비용 | * 다른 고급 코팅 기술에 비해 상대적으로 저렴합니다. * 합리적인 비용으로 상당한 성능 향상을 제공합니다. | * 초기 코팅 비용은 공구 수명 연장 및 가공 효율성 향상의 이점을 고려하여 평가되어야 합니다. |
| 환경 영향 | * 공구 수명을 연장하고 교체 횟수를 줄여 낭비를 줄입니다. * 보다 지속 가능한 가공 공정에 기여합니다. | * 코팅 과정 자체에는 특정 화학 물질이 사용될 수 있으므로 적절한 폐기 절차가 필요합니다. |
자주 묻는 질문
질문: 티타늄 질화물이 금색인 이유는 무엇인가요?
A: 황금색은 질화 티타늄 결정 구조의 광 흡수/반사 특성으로 인해 발생하며, 플라즈마 또는 기상 증착된 TiN 코팅에 독특한 금색 마감을 부여합니다.
질문: 질화 티타늄은 독성이 있나요?
A: 아니요, 질화 티타늄 세라믹은 완전히 무독성이며 생체 불활성으로 간주되므로 ISO 10993 생체 적합성 표준에 따라 생체 의료용 임플란트에 사용하기에 안전합니다.
Q: 어떤 두께의 TiN 코팅을 사용해야 하나요?
A: 일반적인 두께 범위는 1~5미크론입니다. 0.5-1미크론의 얇은 코팅은 마모 방지 기능을 제공합니다. 2~5미크론 필름은 부식 및 침식 저항성을 제공하여 더 오래 사용할 수 있습니다.
Q: TiN 코팅이 마찰을 증가시키나요, 감소시키나요?
A: TiN은 강철에 비해 마찰 계수를 크게 줄여줍니다. 정확한 값은 상대 소재에 따라 0.4에서 0.9까지 다양하므로 전반적인 마찰을 줄이면서도 갈링 발작을 방지할 수 있습니다.
Q: 질화 티타늄 필름의 일반적인 경도는 얼마인가요?
A: 경도 값은 PVD 또는 CVD 기술을 사용하여 박막으로 증착할 경우 2000~2500비커스 범위로, 상용 코팅에서 얻을 수 있는 가장 높은 값에 속합니다.
질문: 아쿠아 티타늄 질화물이란 무엇인가요?
A: Aqua TiN은 8-20% 실리콘과 합금된 탄화티타늄 코팅으로 최대 700도까지 뛰어난 마찰 성능과 함께 아쿠아 블루 색상 마감 처리를 제공합니다. C 온도에서 뛰어난 마찰 성능을 제공합니다.
Q: TiN 코팅은 갈링과 접착 마모를 방지하나요?
A: 예, 질화 티타늄은 성형/펀칭/드로잉과 같은 응용 분야에서 널리 사용되며, 경계 윤활 조건에서도 우수한 갈링 방지 및 고착 방지 코팅 역할을 합니다.
Q: 질화 티타늄 코팅을 사용하는 산업 분야는 무엇인가요?
A: 자동차, 항공우주, 섬유, 포장, 전자, 철강, 석유화학, 의료 등 모든 주요 제조 부문에서 핵심 부품 및 툴링의 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해 TiN 필름을 사용합니다.
