탄화물 내화 재료 - 합성부터 완제품까지

카바이드는 탄소와 금속 또는 비금속이 결합한 화합물을 의미합니다. 주요 내화 원료는 탄소와 일부 전이 금속 원소 및 비금속 원소가 형성한 내화 화합물로, 티타늄 카바이드, 크롬 카바이드, 지르코늄 카바이드, 나이오븀 카바이드, 몰리브데넘 카바이드, 하프늄 카바이드, 탄탈럼 카바이드, 텅스텐 카바이드, 바나듐 카바이드 등의 금속 카바이드와 실리콘 카바이드, 보론 카바이드 등의 비금속 카바이드를 포함합니다.

다음 세 가지 합성 방법이 있습니다:
(1) 금속과 탄소 분말의 직접 결합, 반응 온도는 약 1200~2000℃입니다.
(2) 금속과 탄소 함유 가스의 반응
(3) 탄소와 산화물의 반응(탄소 환원법), 즉 산화물과 탄소의 혼합물을 고온에서 용융하여 합성하거나, 산화물의 융점 이하의 온도에서 진공, 수소, 불활성 가스 또는 기타 환원성 분위기에서 탄소로 산화물을 환원하여 고상 반응을 일으키고 카바이드를 합성하는 방법입니다. 합성된 카바이드를 원료로 사용하고 분말 야금 공정을 적용하여 내화 제품을 제조합니다. 카바이드 내화 재료는 화학 조성에 따라 SiC, B4C, Cr3C2, TaC 등과 같은 순수 카바이드 재료, TiC-WC-TaC, WC-Co, 카바이드-탄소계 및 "과공정 카바이드" 재료와 같은 복합 카바이드 재료로 나눌 수 있습니다. 1. 카바이드의 성능 카바이드는 융점이 가장 높은 재료군에 속하며, 많은 카바이드의 융점은 3000℃를 넘습니다. 일반적으로 카바이드는 높은 경도, 우수한 화학적 안정성, 높은 내산화성, 우수한 융점 금속 특성, 금속의 전기 및 열전도성을 갖습니다.

대표적인 카바이드 재료의 특성
명칭	밀도/g·cm-3	융점/℃	선팽창 계수  (20~1000℃)/C-1	열전도율  /W(m·K)-1	비저항  /Π.cm	미세경도 /MPa	격렬한 산화가 시작되는 온도/C°
SiC	3.21	2600	(5~7)x10-6	8.37	50	33400	1100~1400 1500
B4C	2.52	2450	4.5x10-6	(100'C)121.4	(20°C)0.44 (500'C)0.02	33400
TaC	14.3	3880	8.3x10-6	(700℃)62.8	42.1x10-6	16000
HfC	12.2	3890	5.6x10-6	22.19	45.0x10-6	29600
WC	15.7	2700	5.2x10-6	6.28	(20℃)53x10-6	24000
TiC	4.93	3107	7.74x10-6	24.28	52.5x10-6	30000

2. 카바이드의 합성
일반적으로 탄소(또는 그 화합물)와 금속(또는 그 화합물)을 해당 온도에서 반응시켜 제조하며, 필요한 경우 보호 가스를 사용합니다. 카바이드의 제조 방법

카바이드 제조 방법
방법	반응	주요 장비	온도 범위/℃	대표적인 카바이드
제련법	Me+C->MeC MeO+C->MeC+CO	전기로	>2000	보론 카바이드
소결법	Me+C->MeC MeO+C->MeC+CO	탄소관 저항로	1200~2200	크롬 카바이드, 탄탈럼 카바이드, 텅스텐 카바이드, 하프늄 카바이드
탄소 함유 가스를 이용한 탄화	Me+CxHy->MeC+H2 Me+C0->MeC+CO	특수 장비	700~2900	탄화티타늄, 탄화몰리브덴 등
기상 증착법	Me+CxHy->MeC+H2 Me+H2+halogen+CmHm	수평 탄소관로 및 특수 장비	300~2500	탄화몰리브덴, 탄화크롬, 고순도 탄화물

3. 탄화물 제품의 생산 공정
(I) 선별 합성 방법에 따라 인공 선별, 수선별 및 진공 또는 H2 분위기에서의 예비 소성을 통해 과잉 탄소와 기타 불순물을 제거할 수 있습니다.
(ii) 분쇄: 탄화물 볼을 분쇄 매체로 사용하고 분쇄 보조제를 첨가하여 볼 밀링으로 원료의 입도를 수 미크론에서 수십 미크론까지 낮춥니다.
(iii) 성형
(1) 기계 프레싱: 일반적으로 휘발유 고무 용액, 페놀 수지 등을 결합제로 사용하며, 성형 압력은 50~80MPa입니다.
(2) 필름 압연: 폴리비닐알코올 용액을 결합제로 사용하고, 2롤 필름 압연기에서 반복적으로 압연하여 두께 0.5~1mm의 필름을 형성합니다. 이 방법은 플라즈마 용사에 사용되는 탄화물 재료 제조에 적합합니다.
(3) 정수압 프레싱: 분말을 고무 금형에 넣고 정수압 프레스에서 압축합니다. 일반적으로 결합제는 첨가하지 않으며, 원료를 미세하게 분쇄한 경우에는 소량의 폴리비닐알코올을 첨가합니다. 성형 압력은 250~350MPa입니다.
(4) 용융 주조: 이 방법은 "과공정 탄화물" 제품 제조에 적합합니다. 탄화물 분말을 일정 비율로 흑연 분말과 혼합하고, 진공 아크로에서 용융한 후 중력 주조하여 원하는 형상을 얻습니다.
(5) 열간 프레싱: 이 방법을 사용하면 치밀한 고성능 탄화물 제품을 제조할 수 있습니다. 구체적인 공정은 다음과 같습니다. 분말을 흑연 금형에 넣고 탄소관 열간 프레싱로에서 보호 분위기 중 가열합니다. 온도가 미리 정해진 특정 온도에 도달하면 압력을 서서히 높이고, 온도와 압력을 동시에 상승시켜 소결 온도와 설정 압력에 도달하게 합니다. 일정 시간 동안 보온을 시작하고 압력을 유지합니다(전체 열간 프레싱 성형 및 소결 공정이 완료될 때까지). 이 방법은 성형과 소결을 일체화한 것으로, 탄화물 내화 재료에 일반적으로 사용되는 성형 방법입니다. 이 방법으로 제조한 제품의 체적 밀도는 이론 밀도에 근접할 수 있습니다. 일반적인 열간 프레싱 온도는 1500~2600℃이고 압력은 25~35MPa입니다. 예를 들어, 탄화티타늄 제품의 밀도는 4.90~4.93g/cm³에 달합니다.

(IV) 프레스 성형, 롤링 필름 및 정수압 프레스로 성형한 제품을 건조한 후, 보호 분위기에서 수평 탄소관로를 사용해 소결합니다. 소결 온도는 열간 프레스 온도보다 높아야 하며, 일반적으로 1600~2700℃입니다. 치밀한 탄화물 재료를 제조하려면 소결 조제를 첨가해야 합니다.

IV. 탄화티타늄 제품은 산업적으로 이산화티타늄과 카본 블랙을 1700~2100℃의 고온에서 단시간 반응시켜 탄화티타늄을 생성하는 방식으로 제조됩니다. 이 공정은 불활성 분위기, 바람직하게는 진공에서 수행할 수 있습니다. 탄화티타늄은 녹는점이 높고(3140℃) 경도가 높습니다(모스 경도 9). 주로 탄화티타늄계 서멧, 내열 합금 및 초경합금을 제조하는 데 사용됩니다.

탄화티타늄 제품은 대부분 열간 프레스로 제조되며, 제품 밀도는 이론 밀도인 4.90∼4.93g/cm³에 가깝습니다. 특수한 경우에는 탄화티타늄의 기상 증착법을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 초경합금이나 금형강 위에 탄화티타늄을 증착하여 경도와 내마모성을 높일 수 있습니다(강철과 탄화티타늄 사이의 마찰 계수는 0.14인 반면, 강철과 강철 사이의 마찰 계수는 0.7입니다).

V. 탄화붕소 제품 탄화붕소는 검고 매우 단단하며, 모스 경도는 9.3입니다. 우수한 연마재이자 내마모 재료입니다. 탄화붕소의 녹는점은 2350℃(분해)이고, 선팽창 계수는 4.5×10-6/℃-1(20~1000℃)이며, 제품의 압축 강도는 2250MPa입니다. 산과 알칼리 부식에 강하고 대부분의 금속을 적시지 않으며, 화학적 안정성이 상당히 높습니다.

현재 국내 탄화붕소 대량 생산은 붕산, 석유 코크스 및 인조 흑연을 사용하고, 반응식에 따라 배합비를 계산한 다음 아크 용융으로 합성합니다. 이 방법으로 제조한 제품에는 다량의 유리 탄소가 포함됩니다. 더 나은 방법은 무수 붕산과 탄소의 혼합물을 탄화붕소의 분해 온도보다 낮은 온도에서 저항로로 가열하여 제조하는 것입니다. 이 방법으로 제조한 제품에는 유리 탄소가 매우 적으며, 경우에 따라 유리 붕소가 포함되기도 합니다.

반응식은 다음과 같습니다. 탄화붕소 제품의 생산 공정은 아직 미성숙하며, 제품은 일반적으로 열간 프레스로 제조됩니다. 보통 아르곤 보호 분위기에서 탄소관 가열 방식의 열간 프레스 가마를 사용합니다. 열간 프레스 온도는 2050~2150℃, 압력은 30MPa, 보온 시간은 30min입니다. 제품 밀도는 2.46~2.51g/cm³이고, 기공률은 0.46%~0.62%입니다.