[논문]신공정에 의한 초미립 텅스텐계 복합분말 제조

이동원

doi:10.4150/kpmi.2012.19.5.338

[국내논문] 신공정에 의한 초미립 텅스텐계 복합분말 제조
Fabrication of Ultrafine Tungsten-based Composite Powders by Novel Reduction Process 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.19 no.5, 2012년, pp.338 - 342

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A novel chemical method was evaluated to fabricate the ultrafine tungsten heavy alloy powders with bater-base solution made from the ammonium metatungstate (AMT), iron(II) chloride tetrahydrate ($FeCl_2{\cdot}4H_2O$), nickel(II) chloride hexahydrate ($NiCl_2{\cdot}6H_2O$) as source materials and the sodium tungstate dihydrate ($NaWO_4{\cdot}2H_2O$) as Cl-reductant. In the preparation of mixtures the amounts of the source components were chosen so as to obtain alloy of 93W-5Ni-2Fe composition(wt.%). The obtained powders were characterized by X-ray diffraction, XRF, field-emission scanning microscope (FESEM), and chemical composition was analyzed by EDX.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Ni-2 wt%.Fe 조성의 복합분말을 제조하고자 하였다.
즉 텅스텐산나트륨에 존재하는 Na 이온과 Cl 이온의 결합을 유도하여 반응초기에 환경적으로 무해한 상인 염화나트륨 (NaCl)을 사전에 형성시키고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 제안된 새로운 금속염을 적용, 열화학공정을 수행하여 W-Ni-Fe 초미립 복합분말제조를 시도하고, 제조 분말의 순도 및 균일도를 분석하고자 하였다.
금속염화물을 적용한 이유는1) 가격이 상대적으로 저렴하며, 또한2) 수용액에의 용해도가 여타의 금속염 대비 높은 장점이 있다. 반면, 금속염화물의 사용에 기인한 최대단점인 환경문제의 경우, 소량 첨가된 텅스텐산나트륨으로 해소하고자 하였다. 즉 텅스텐산나트륨에 존재하는 Na 이온과 Cl 이온의 결합을 유도하여 반응초기에 환경적으로 무해한 상인 염화나트륨 (NaCl)을 사전에 형성시키고자 하였다.
반면, 금속염화물의 사용에 기인한 최대단점인 환경문제의 경우, 소량 첨가된 텅스텐산나트륨으로 해소하고자 하였다. 즉 텅스텐산나트륨에 존재하는 Na 이온과 Cl 이온의 결합을 유도하여 반응초기에 환경적으로 무해한 상인 염화나트륨 (NaCl)을 사전에 형성시키고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 제안된 새로운 금속염을 적용, 열화학공정을 수행하여 W-Ni-Fe 초미립 복합분말제조를 시도하고, 제조 분말의 순도 및 균일도를 분석하고자 하였다.

제안 방법

Fe의 조성을 목표로 하여 텅스텐 염으로는 AMT와 텅스텐산나트륨(Sodium tungstate di-hydrate, NaWO4 · 2H2 O)을 사용하였고 Ni 및 Fe 금속성분을 위한 염으로는 철염화물(Iron chloride)과 니켈염화물(Nickel chloride)을 적용하여 열화학공정을 시도하였다.
C에서 완료되는 것으로 보고된바 있다[10]. 따라서 본 연구에서 준비한 개개의 염을 볼밀링하여 균일하게 용해 분산시킨 후 얻어진 건조분말을 750 ^oC, 대기 중에서 탈염처리 하였으며, 얻어진 탈염분말에 대한 X-선 분석 결과를 그림 2에 나타내었다. 그림에서 보이듯이 매우 복잡한 피크 형태를 보여주고 있으며, 일부분 피크들의 경우 분석이 불가능하였다.
조대한 각형입자는 W_x O _y상, 나트륨 함유 하이드레이트기의 결정상(그림 4 참조), 혹은 이들의 화학적 결합상 등이 결정화되어진 상의 존재와 관련된 것으로 추정되었다. 본 연구에서의 최종 텅스텐계 금속복합분말은 탈염처리한 분말을 환원 후 염화나트륨의 제거에 의해 완성되므로 탈염처리 분말에 대한 심도 있는 특성평가는 수행하지 않았다.
새로운 염을 적용한 열환원 공정을 적용하여 W-Ni-Fe계 미립복합분말을 제조하였다. 텅스텐산나트륨과 금속염화 물을 녹인 수용액의 건조과정에서 염화나트륨이 수월하게 형성되어, 금속염화물의 적용에 환경적 문제가 없음이 확인되었다.
수소분위기에서의 환원열처리 중 상 변화를 관찰하기 위해, 환원 온도를 500 ^oC, 600 ^oC, 700 ^oC, 800 ^oC로 변화시켰으며 이때 환원시간은 2시간을 일정하게 유지하였다. 환원 후 얻어진 분말에 혼재되어 있는 염화나트륨은 증류수에서 2시간씩 3회 반복된 교반처리에 의해 제거하였다.
이때 얻어진 복합산화물 내에는 다량의 염화나트륨이 혼재되어 있다. 이는 증류수에서 쉽게 용해 제거될 수 있는데, 본 연구에서는 복합산화물의 환원처리를 수행한 다음 염화나트륨의 용해를 시도하였다. 그 이유는 환원처리 후 얻어진 비중이 큰 금속 분말의 경우 비중선별이 더욱 수월했기 때문이다.
준비된 각 염(총 중량 1 kg)을 증류수 1 kg에 용해한 슬러리를 SUS 304로 제작된 볼과 용기에서 1 시간 밀링한 후, 얻어진 용액을 건조하여 전구체 건조분말을 얻었다. 이후 건조 분말을 750 ^oC에서 대기 중 2시간 열처리 하여 복합 산화물의 형태로 제조하였다.
최종 건조된 환원분말을 이용하여 X-선 회절기(X-ray Diffraction, R2000), 산소질소분석기(Oxygen Nitrogen Determinator, ELTRA ON900), 탄소 분석기(Carbon Determinator, LECO CS600), X-선형광분석기(XRF-PW 2400), 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, Zeiss SUPRA 55 VP-25-78)을 이용하여 조직, 상, 균일도 및 순도를 조사하였다.
탈염처리한 분말을 이용하여 튜브 로에서 수소분위기 하에서 환원열처리를 500 ^oC, 600 ^oC, 700 ^oC, 800 ^oC에서 2시간동안 각각 진행하였으며, 얻어진 환원분말에서 수행한 X-선 분석결과를 그림 4에 나타내었다. 환원 온도가 500 ^oC와 600 ^oC 일 경우, 텅스텐 산화물은 부분적으로 환원되고 WO₂ 상이 남으며, 이들은 염화나트륨과 혼재되어 존재하여 있다.

성능/효과

Fe의 조성을 목표로 하여 텅스텐 염으로는 AMT와 텅스텐산나트륨(Sodium tungstate di-hydrate, NaWO₄ · 2H₂ O)을 사용하였고 Ni 및 Fe 금속성분을 위한 염으로는 철염화물(Iron chloride)과 니켈염화물(Nickel chloride)을 적용하여 열화학공정을 시도하였다. 금속염화물을 적용한 이유는1) 가격이 상대적으로 저렴하며, 또한2) 수용액에의 용해도가 여타의 금속염 대비 높은 장점이 있다. 반면, 금속염화물의 사용에 기인한 최대단점인 환경문제의 경우, 소량 첨가된 텅스텐산나트륨으로 해소하고자 하였다.
표 1에 제조분말을 이용하여 X-선형광분석기로 금속성분을 그리고 원소분석기로 S 와 O 의 분석을 수행한 결과를 나타내었다. W, Ni, Fe 성분비는 초기 목표했던 수치와 잘 일치함을 알았다. 반면 산소농도가 1 wt.
700 ^oC로 처리한 분말에서 분석한 X-선 회절 및 EDS 분석 결과를 그림 6에 나타내었다. 그 결과 나트륨과 염소의 성분은 검출되지 않음을 보아, 용해 교반처리에 의해 나트륨염이 성공적으로 제거되었음을 알 수 있었다. 한편, X-선 결과로부터 철과 니켈은 합금화되어 존재함을 알 수 있었으며, EDS 분석결과로 부터 W-Ni-Fe 의 중량비도 초기 목표치와 잘 상응하는 것으로 나타났다.
대체적으로 볼 때, 다양한 형태의 텅스텐 산화물의 존재가 확인되었고 염화나트륨의 상 또한 관찰되었다. 따라서 그림 2의 결과로부터 금속염화물과 텅스텐산나트륨과의 반응이 잘 이루어져 건조 시 염화나트륨이 효과적으로 형성되어짐을 확인할 수 있었다. 철산화물과 니켈산화물의 경우 초기 염의 혼합량이 약 5 wt.
제조 분말로부터 텅스텐, 니켈, 철의 균일분포도를 파악하기 위해 전자현미경에서 매핑분석을 수행 하였으며(그림 7), 그 결과, 철과 니켈은 임의 특정 부위에 편석되어 존재하지 않음이 밝혀졌다. 실질적으로 본 공정과 동일 개념이고 잘 알려진 열화학 공정은 매우 균일한 복합분말의 제조에 큰 장점이 있는 것으로 보고된바 있어 [10], 본 연구에서 수행한 복합분말의 균일도도 상당히 우수할 것으로 판단된다. 표 1에 제조분말을 이용하여 X-선형광분석기로 금속성분을 그리고 원소분석기로 S 와 O 의 분석을 수행한 결과를 나타내었다.
한편, X-선 결과로부터 철과 니켈은 합금화되어 존재함을 알 수 있었으며, EDS 분석결과로 부터 W-Ni-Fe 의 중량비도 초기 목표치와 잘 상응하는 것으로 나타났다. 제조 분말로부터 텅스텐, 니켈, 철의 균일분포도를 파악하기 위해 전자현미경에서 매핑분석을 수행 하였으며(그림 7), 그 결과, 철과 니켈은 임의 특정 부위에 편석되어 존재하지 않음이 밝혀졌다. 실질적으로 본 공정과 동일 개념이고 잘 알려진 열화학 공정은 매우 균일한 복합분말의 제조에 큰 장점이 있는 것으로 보고된바 있어 [10], 본 연구에서 수행한 복합분말의 균일도도 상당히 우수할 것으로 판단된다.
탈염처리 한 분말의 경우 700 ^oC 이상의 수소 열처리를 통해 원하는 목표조성인 W-5%Ni-2%Fe계 금속복합분말 상으로 제조되었고, 환원 후 불순물로 존재하는 나트륨기 화합물은 후속 공정인 교반세척 처리에 의해 대부분 제거되었다. 최종 제조된 복합분말의 입자 크기는 약 100 nm, 순도는 98.8% 수준이었다.
새로운 염을 적용한 열환원 공정을 적용하여 W-Ni-Fe계 미립복합분말을 제조하였다. 텅스텐산나트륨과 금속염화 물을 녹인 수용액의 건조과정에서 염화나트륨이 수월하게 형성되어, 금속염화물의 적용에 환경적 문제가 없음이 확인되었다. 탈염처리 한 분말의 경우 700 ^oC 이상의 수소 열처리를 통해 원하는 목표조성인 W-5%Ni-2%Fe계 금속복합분말 상으로 제조되었고, 환원 후 불순물로 존재하는 나트륨기 화합물은 후속 공정인 교반세척 처리에 의해 대부분 제거되었다.
그 결과 나트륨과 염소의 성분은 검출되지 않음을 보아, 용해 교반처리에 의해 나트륨염이 성공적으로 제거되었음을 알 수 있었다. 한편, X-선 결과로부터 철과 니켈은 합금화되어 존재함을 알 수 있었으며, EDS 분석결과로 부터 W-Ni-Fe 의 중량비도 초기 목표치와 잘 상응하는 것으로 나타났다. 제조 분말로부터 텅스텐, 니켈, 철의 균일분포도를 파악하기 위해 전자현미경에서 매핑분석을 수행 하였으며(그림 7), 그 결과, 철과 니켈은 임의 특정 부위에 편석되어 존재하지 않음이 밝혀졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열화학 공정기술의 장단점은?	한편, 서로 다른 수용성 금속염을 균일 하게 녹인 화학용액을 시작소재로 하여 산화/환원 열처리를 거쳐 복합분말을 제조하는 “열화학 공정기술”이 개발된 바 있다[9]. 열화학 공정은 입자크기의 미세화와 우수한 균일도를 얻는 측면에서는 매우 유리한 공정이지만, 초기소재로써 금속염의 사용에 따른 환경문제의 애로점이 있다. 이때, 텅스텐염의 경우 암모늄메타텅스텐염(Ammonium metatungstate, AMT)을, 그리고 첨가제 금속분말의 염의 경우 수용성-나이트레이트(Nitrate) 및 아세테이트(Acetate)를 주로 사용한다.
	열화학 공정기술이란?	따라서 이를 해결하는 방안으로 기계적합금화공정이 시도된 바 있지만[6~8], 장시간 밀링에 의한 순도 저하 및 균일도 한계성 등의 문제점을 안고 있다. 한편, 서로 다른 수용성 금속염을 균일 하게 녹인 화학용액을 시작소재로 하여 산화/환원 열처리를 거쳐 복합분말을 제조하는 “열화학 공정기술”이 개발된 바 있다[9]. 열화학 공정은 입자크기의 미세화와 우수한 균일도를 얻는 측면에서는 매우 유리한 공정이지만, 초기소재로써 금속염의 사용에 따른 환경문제의 애로점이 있다.
	기계적합금화공정의 단점은?	개개의 순수 미세금속분말을 단순 혼합하는 방식으로는 우수한 균일도를 얻는데 한계가 있다. 따라서 이를 해결하는 방안으로 기계적합금화공정이 시도된 바 있지만[6~8], 장시간 밀링에 의한 순도 저하 및 균일도 한계성 등의 문제점을 안고 있다. 한편, 서로 다른 수용성 금속염을 균일 하게 녹인 화학용액을 시작소재로 하여 산화/환원 열처리를 거쳐 복합분말을 제조하는 “열화학 공정기술”이 개발된 바 있다[9].

참고문헌 (10)

S. H. Hong, H. J. Ryu and W. H. Baek: Mater. Sci. Eng., A333 (2002) 187.

상세보기
Z. He and T. H. Courtney: Mater. Sci. Eng. A, 315 (2001) 166.

상세보기
V. Srikanth and G. S. Upadhyaya: Int. J. Refract. Hard Metl., 5 (1986) 49.
E. Fortuna, K. Sikorski and K. J. Kurzydlowski: Mater. Character., 52 (2004) 323.

상세보기
A. Upadhyaya, S. K. Tiwari and P. Mishra: Scrip. Mater. 56 (2007) 5.

상세보기
Y. Wu, R. M. German, B. Marx, P. Suri and R. Bollina: J. Mater. Sci., 38 (2003) 2271.

상세보기
B. Huang, J. Fan, S. Liang and X. Qu: J. Mater. Proc. Tech., 137 (2003) 177.

상세보기
S. H. Hong and H. J. Ryu: Mater. Sci. Eng., 344 (2003) 253.

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D.-W. Lee, Fakhod Turaev, J.-H. Kim and Mingchuan Yang: Mater. Res. Bull., 45 (2010) 348.

상세보기
G.-G. Lee, G.-H. Ha, B.-K. Kim and D.-W. Lee: J. Kor. Inst. Met. & Mater., 36 (1998) 104 (Korean).

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