KR100317550B1 - 서브마이크론 전이금속 카보나이트라이드 제조방법 - Google Patents

서브마이크론 전이금속 카보나이트라이드 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반식 MaM'bM"(1-a-b)(C(1-x)Nx)z의 서브미크론 전이금속 카보나이트라이드 제조방법에 관계하며, M은 Ti, Zr 또는 Hf; M'는 V, Nb 또는 Ta; M"는 Cr, Mo 또는 W이고, a는 0 내지 1, b는 (a+b)가 1 이하가 되는 조건하에서 0 내지 1이고 x는 0.02 내지 0.95, z는 0.9 내지 2이다. 이러한 전이금속 카보나이트라이드는 (a) 전이금속 산화물과 (b) 카본 블랙과 같은 탄소원을 혼합하여 제조된다. 이 혼합물은 전이금속 산화물을 (ⅰ) 전이금속 카보나이트라이드 또는 (ⅱ) 전이금속 카보나이트라이드 선구물질에서 선택된 생성물로 전환시키기에 충분한 체류시간동안 전이금속 산화물의 탄소열 환원반응이 열역학적으로 호의적이 되게 하는 상승된 온도까지 질소나 아르곤 혼합된 질소와 같은 질소함유 비-산화성 가스에서 100 내지 100,000,000K/초의 속도로 가열된다. 질소, 수소, 불활성 가스 또는 그 조합과 같은 마무리 대기에서 상승된 온도보다 낮은 온도까지 생성물을 가열하는 마무리 처리를 받아서 더 높은 순도 또는 상이한 화학양론의 서브미크론 카보나이트라이드가 형성된다.

Description

서브마이크론 전이금속 카보나이트라이드 제조방법{METHOD FOR MAKING SUBMICROMETER TRANSITION METAL CARBONITRIDES}
TiN 및 티타늄-텅스텐 카보나이트라이드와 같은 전이금속 질화물 또는 카보나이트라이드는 고강도, 고경도, 양호한 내마모성, 고용융 또는 분해온도 및 내식성을 포함한 성질을 가진다. 이들 성질 때문에 이들 재료는 다이, 절삭공구, 내마모 부품, 금속 보강재, 전기 저항 및 광택용 연마재와 같은 많은 응용분야에 유용하다.
전이금속 질화물 또는 카보나이트라이드 제조에 3가지 방법이 알려진다. 첫 번째 방법은 전이금속 또는 수소화물의 직접 침탄질화법/질화법이다. 이 방법은 강하게 응집된 분말생성을 완료하는데 긴 반응시간을 필요로 한다. 미세분말을 수득하는데 과도한 밀링을 요한다. 결과적으로 밀링동안 도입된 불순물이 화학적 방식(예컨대 산세척)에 의해 분말로 부터 제거되어야 한다.
제 2 방법은 질소와 탄소를 함유한 대기에서 TiCl4와 같은 할로겐화물의 기체 열분해방법이다. 일반적으로 1300℃를 초과하는 온도에서 조차 수율이 나쁘다.더 낮은 온도에서 수행된 반응은 비화학양론적 생성물을 가져온다. 이 방법의 비용 및 성능 때문에 상업화되지 못하였다.
제 3 방법은 고온(1700-2100℃)에서 질소함유 대기 및 탄소의 존재하에서 전이금속 산화물을 탄소열 환원법이다. 반응 시간은 대체로 길며(1 내지 20시간) 생성된 분말은 균일하지 않고 큰 입자 크기를 가진다. 결과적으로 더 균일하고 더 작은 입자를 얻기 위해서 분말 밀링 및 정제가 필요하다.
최근에 미세한 전이금속 질화물 및 카보나이트라이드가 위에서 언급된 전이금속 질화물 및 카보나이트라이드 제조시 일부 문제를 해결하면서 제조되었다. 미국특허 제 5,417,952 호(R. Koc)는 티타늄 탄화물, 티타늄 질화물 또는 티타늄 카보나이트라이드 합성을 위한 탄소열 공정을 발표한다. 이 공정은 매우 미세한 출발 입자크기(즉, 직경이 최대 0.2 마이크론인)를 가진 티타늄염 또는 티타늄 산화물 입자의 존재하에서 열분해성 탄화수소 가스를 열분해하여서 입자상에 탄소의 균일한 코팅을 형성하는 단계를 포함한다. 결과적으로 코팅된 입자는 질소함유 대기나 불활성 대기에서 반응되어서 미세한 크기를 가진 티타늄 질화물, 탄화물 또는 카보나이트라이드를 생성한다. 반응은 1200 내지 1600℃의 온도에서 1 내지 2시간동안 수행된다.
유사하게, 미국특허 제 5,476,530 호(Gries)는 유동 질소/아르곤 대기에서 12㎡/g의 표면적(즉, 0.95 마이크론의 구형직경과 등가인)을 가진 티타늄 산화물을 탄소원과 반응시키는 단계를 포함한다. 탄소-산화물 혼합물은 반응성 성분의 매우 친밀한 접촉 및 균질 분포가 달성되도록 습한 조건하에서 제조된다. 수용액에서의혼합은 건조시 더 미세한 탄소입자(45㎡/g) 및 당과 같은 용해된 유기 탄소질 물질에 의한 산화물 입자의 코팅을 가져온다. 이 혼합물은 이후에 건조되어 점성 페이스트가 되고 추가 건조하고 여전히 습한 혼합물을 흑연로에서 30 내지 180분간 1500 내지 1700℃에서 반응시킨다. 카보나이트라이드 생성물은 4시간동안 건조 본 밀링되어서 직경이 0.7 미크론인 평균 입자크기를 가진 카보나이트라이드 분말이 생성된다.
(1) 산화물 입자를 탄소 함유 물질로 코팅하거나 (2) 매우 미세한 전이금속 산화물 반응물 분말을 사용해야할 필요없이 미세한 입자크기를 갖는 전이금속 카보나이트라이드를 형성하는 방법을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 전이금속 카보나이트라이드 분말 제조방법에 관계한다.
본 발명은 앞서 기술된 적용분야에 사용하기 위해서 서브마이크론 전이금속 카보나이트라이드 제조를 위한 경제적이고 신속하고 효율적인 방법을 제공한다.
본 발명의 목적은 다음 단계를 포함하는 입자성 세라믹 제조방법이다:
- (a) 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀 또는 크롬에서 선택되는 전이금속의 산화물과 (b) 탄소원을 혼합하여 입자 혼합물을 형성하고;
- 입자 혼합물의 탄소열 환원반응이 열역학적으로 호의적이 되게 하는 상승된 온도까지 질소함유 비-산화 가스에서 100 내지 100,000,000K/초의 속도로 입자 혼합물을 가열함으로써 전이금속 산화물을 빠르게 탄소열 환원시키고;
- 전이금속 산화물원을 (ⅰ) 전이금속 카보나이트라이드 또는 전이금속 카보나이트라이드 선구물질로 전환시키기에 충분한 체류시간동안 상승된 온도에 입자 혼합물을 유지하는 단계.
본 발명의 실시에서 2 단계 공정에 의해 일부 전이금속 카보나이트라이드가 제조될 수 있다. 1단계에서 금속 산화물은 신속한 탄소열 환원이 되어서 위에서 기술된 생성물 또는 선구물질이 형성된다. 2단계에서 단계 1의 생성물이 비-산화성 대기에서 제 2시간동안 더 낮은 온도에서 가열되어서 서브마이크론 전이금속 카보나이트라이드를 형성한다. 2단계는 모든 경우에 필요하지 않지만 필요할 때 사용될 수 있다.
전이금속 카보나이트라이드
전이금속 카보나이트라이드는 단일 전이금속 카보나이트라이드이거나 고체용액 전이금속 카보나이트라이드이다. 전이금속 카보나이트라이드는 일반식 MaM'bM"(1-a-b)(C(1-x)Nx)z을 가진다.
여기서 M은 Ti, Zr 또는 Hf; M'는 V, Nb 또는 Ta; M"는 Cr, Mo 또는 W이고; a는 0 내지 1; b는 a+b가 1 이하가 되는 조건하에서 0 내지 1; x는 0.02 내지 0.95이고 z는 0.9 내지 2이다. 특히 M은 Ti, M'는 Ta, M"는 W이다. x는 0.2 이상, 특히 0.4 이상, 더더욱 0.6 이상이다. z는 1.9 이하, 특히 1.7 이하이다.
이 전이금속 카보나이트라이드는 최대 1.0㎛의 평균입자크기를 갖는다. 카보나이트라이드 입자는 0 내지 1.0㎛, 0.5㎛ 이하, 0.01 내지 0.3㎛, 0.05 내지 0.2㎛ 순서로 선호되는 평균직경을 갖는다.
이 전이금속 카보나이트라이드는 총 분말 중량의 90% 이상, 특히 98% 이상("순수한 전이금속 카보나이트라이드"), 더더욱 99% 이상("고순수 전이금속 카보나이트라이드")의 순도를 갖는다. 신속한 탄소열 환원공정으로 부터 90% 미만, 그러나 50% 이상의 순도를 가지게 형성된 물질은 "전이금속 카보나이트라이드 선구물질"이라 칭한다. 카보나이트라이드에 존재할 수 있는 불순물은 미반응 전이금속 산화물, 하나 이상의 전이금속, 유리탄소 및 전이금속을 함유하지 않는 기타 화합물을 포함한다. 상기 기타 화합물은 반응물(예컨대 탄소원과 전이금속 산화물)에 존재하는 불순물이다. 일반적으로 이들 기타 화합물은 선구물질 또는 카보나이트라이드의 3중량% 이하의 양으로 존재한다.
전이금속 카보나이트라이드 물질 제조
본 발명의 전이금속 카보나이트라이드는 전이금속 산화물의 신속한 탄소열 환원에 의해 제조된다. 카보나이트라이드 제조시 입자 혼합물이 형성된다. 입자 혼합물은 탄소원과 전이금속 산화물의 혼합물이다. 이 혼합물은 V-블렌딩, 교반, 초음파 교반 및 밀링과 같은 공지 혼합수단에 의해 형성된다. 입자 혼합물은 건식 혼합되거나 액체에서 혼합된다. 특히 입자 혼합물은 건식 혼합에 의해 형성되며 탄소원과 산화물을 함께 밀링하여 형성된다. 대표적인 밀링기술은 제트 밀링 또는 밀링매체를 사용한 밀링(예컨대, 볼밀링, 마멸 밀링 및 행성 밀링)을 포함한다. 매체를 사용한 밀링시 밀링 매체로 시멘트화 텅스텐 카바이드-코발트 밀링매체(즉, 볼)가 선호된다. 특히 밀링은 건식으로 수행된다. 매체 사용 밀링시 볼 밀링이 선호된다.
전이금속 산화물의 전이금속은 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀 또는 크롬에서 선택된다. 금속 산화물은 메타텅스텐산 또는 암모늄 파라텅스테이트와 같이 금속산화물로 분해하는 화합물이나 금속산화물이다. 금속 산화물로는 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀 또는 크롬의 산화물과 같은 모노-전이금속 산화물이 선호된다. 전이금속 고체용액 카보나이트라이드 제조시 산화물의 혼합물이나 두 개이상의 전이금속 함유 단일 다중금속 합금 산화물이 사용될 수 있다. 고체용액 카보나이트라이드 제조시 특히 모노-전이금속 산화물의 혼합물이 사용된다.
고체용액 카보나이트라이드 형성을 방해할 수 있는 저온 공융 산화물 생성가능성을 피하기 위해서 비-산화물 반응물 전이금속 화합물을 사용하는 것이 좋다. 저온 공융 산화물의 형성은 느리게 반응하는 큰 산화물 응집체를 형성시킴으로써 반응을 억제한다. 이러한 전이금속 화합물은 저온 산화물상 형성을 방지하면서 입자성 혼합물의 전이금속 산화물로 고체용액 전이금속 카보나이트라이드를 형성할 수 있는 화합물이다. 비-산화물 전이금속 화합물의 대표적인 예는 전이금속의 탄화물, 질화물, 카보나이트라이드 및 금속이다. 이 화합물은 또한 앞서 기술된 카보나이트라이드 선구물질을 포함한다. 예컨대, 고체용액 텅스텐-티타늄 카보나이트라이드 형성시 신속한 탄소열 환원에 의해 TiO2를 탄소와 반응시켜 탄화물 또는 카보나이트라이드 생성물을 형성시키고, 이 생성물을 WO3및 탄소와 반응시켜 입자성 혼합물을 형성하고, 이것이 기술된 대로 반응되어서 전이금속 고체용액 카보나이트라이드를 형성한다.
금속 산화물 소스는 WO3, TiO2및 Ta2O5와 같은 단순한 금속 산화물을 포함한다. 이 산화물은 최대 25 마이크론 직경의 평균 입자크기를 갖는다. 산화물의 평균 입자크기는 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 0.25 내지 10㎛, 0.5㎛ 이상, 1.0㎛ 이상, 1.5㎛ 이상의 순서로 선호되는 직경을 갖는다. 직경은 구형 직경이다. 특히 입자의 99중량% 이상이 44㎛ 미만의 직경을 갖는다(즉, 입자의 99%가 325 메쉬를 통과한다).
금속 산화물은 비정질 또는 결정성이며 순도는 95중량% 이상, 특히 98중량% 이상, 더더욱 99중량% 이상이다.
탄소원은 입자성 탄소, 유기물질 또는 이의 조합이다. 특히 탄소원은 카본 블랙, 흑연 또는 실온에서 고체분말인 유기물질과 같은 입자성 탄소이다. 유기물질은 분해시 탄소를 형성한다. 특히 선호되는 탄소원은 Chevron Chemical 로 부터 상품 SHAWINIGAN으로 구매가능한 아세틸렌 카본 블랙이다. 유기물질의 예로는 페놀-포름알데히드 수지, 경화된 에폭시, 멜라민, 가교결합된 폴리스티렌, 셀룰로오스 폴리머 및 탄수화물(예컨대 당과 전분)이 있다. 탄소원이 입자성 탄소일 경우에 입자의 크기는 전이금속 산화물 입자크기보다 적은게 좋다.
입자 혼합물은 전이금속 산화물 소스내 모든 산소를 일산화탄소로 반응시키지만 과잉 유리탄소, 탄화물 생성물 또는 이의 조합을 갖는 카보나이트라이드를 형성하지 못하도록 하는 양으로 탄소함량을 가져야 한다. 예컨대, 입자 혼합물의 탄소의 양은 금속산화물의 산소를 "CO"로 환원시키는데 (예컨대 WO3+ 3C = W + CO) 필요한 양보다는 많아야 하고 불활성가스 대기에서 가장 안정한 전이금속 탄화물을 형성하는데 (예컨대 WO3+ 4C = WC + 3CO) 필요한 이론적 양보다는 적어야 한다. 약간 초과하는 탄소는 밀링동안 오염에 의한 탄소 손실을 보상하는데 사용될 수 있다. 탄소의 양은 불활성가스 대기에서 (즉, 질소 또는 수소와 같은 반응성 화학종의 부재하에서) 가장 안정한 전이금속 탄화물을 형성하는데 필요한 양보다 적은 것이 좋다. 여기서 가장 안정한 전이금속 탄화물은 모노텅스텐 탄화물(WC); 모노티타늄 탄화물(TiC); 모노탄탈륨 탄화물(TaC); 모노바나듐 탄화물(VC); 모노하프늄 탄화물(HfC); 모노니오븀 탄화물(NbC); 모노지르코늄 탄화물(ZrC); 디몰리브덴 탄화물(Mo2C); 트리크롬 디탄화물(Cr3C2)이다.
입자 혼합물이 준비되면 입자혼합물의 입자는 입자혼합물의 전이금속 산화물의 탄소열 환원이 열역학적으로 호의적이 되게 하는 상승된 온도까지 질소함유 비-산화성 가스의 존재하에서 신속하게 탄소열방식으로(carbothermally) 가열된다.
탄소열 환원반응이 열역학적으로 선호되도록 온도가 충분히 높아야 한다. 그러나 목적 반응 생성물의 용융점보다 온도가 낮아야 한다. 신속한 탄소열 공정의 최소 온도는 전이금속 산화물의 탄소열 환원반응의 Gibbs 자유에너지가 가장 안정한 전이금속 탄화물에 대해서 음이 되는 온도에 대응한다. 예컨대 텅스텐 함유 카보나이트라이드 형성시 반응온도는 수소 또는 질소와 같은 반응성 화학종의 부재하에서 모노텅스텐 탄화물이 열역학적으로 선호되는 온도이다. 1673K 이상의 반응온도, 특히 1823 내지 2673K의 온도가 선호된다. 초당 10,000 내지 100,000,000K의 가열속도가 사용될 때 1873 내지 2423K의 반응온도가 적절하다. 전이금속 카보나이트라이드 형성을 위한 열역학적으로 계산된 최소 반응온도는 다음과 같다: 텅스텐 카보나이트라이드 950K; 티타늄 카보나이트라이드 1555K; 탄탈늄 카보나이트라이드 1381K; 바나듐 카보나이트라이드 932K; 하프늄 카보나이트라이드 1934K; 니오븀 카보나이트라이드 1228K; 지르코늄 카보나이트라이드 1930K; 몰리브덴 카보나이트라이드 742K; 크롬 카보나이트라이드 1383K.
질소함유 비-산화성 가스는 위에서 기술된 열역학적으로 선호되는 온도 이상에서 전이금속 카보나이트라이드 또는 카보나이트라이드 선구물질을 산화시키지 못하는 가스이며, 상기 가스는 반응조건에서 전이금속 카보나이트라이드 또는 카보나이트라이드 선구물질을 형성하기에 충분한 질소를 포함한다. 질소함유 비-산화성 가스는 불활성가스와 혼합된 질소 또는 순수 질소이며, 불활성 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 또는 그 혼합물이다. 질소의 양은 질소함유 비산화성 가스의 5% 이상, 특히 10% 이상, 더더욱 50부피% 이상이며, 순수 질소가 가장 선호된다. 질소함유 비-산화성 가스는 수소나 탄소함유 환원가스와 혼합될 수도 있다. 탄소함유 환원가스는 열역학적으로 호의적인 온도 이상에서 전이금속 산화물을 환원시키거나 전이금속 산화물의 전이금속을 침탄시킬 수 있는 가스이다. 탄소함유 환원가스의 예로는 메탄, 에탄 및 일산화탄소가 있다.
상승된 온도, 체류시간 및 가열속도는 전이금속 카보나이트라이드 또는 카보나이트라이드 선구물질을 생성하도록 선택되어야 한다.
입자혼합물을 실온에서 상승된 온도까지 되게 하는 가열속도는 초당 100 내지 10,000K 이상, 특히 10,000 내지 100,000,000K이다.
신속한 탄소열 환원공정동안 상승된 온도에서 입자혼합물의 체류시간은 가열속도 및 온도에 달려있다. 온도 및 가열속도에 관계없이 체류시간은 입자 혼합물의 대부분의 금속산화물(5중량% 이상)을 환원시키도록 충분히 길어야 한다. 가열방법, 가열속도, 반응온도 및 필요한 최종 입자크기에 따라 체류시간은 0.1초 내지 10분이다. 1823K 이상의 반응온도에서 초당 10,000 내지 100,000,000K의 가열속도와 0.2 내지 10초의 체류시간이 선호된다. 더 높은 가열속도에서 10초 이상의 체류시간은 입자 생성물보다 소결된 응집체를 생성할 수 있다. 그러나 어떠한 반응온도, 체류시간 및 가열속도가 선택되든 입자 혼합물을 적어도 하나의 금속의 카보나이트라이드로 주로 구성된 생성물로 전환시키기에 적절해야 한다.
3가지 인자인 온도, 체류시간 및 가열속도는 수득된 입자의 크기를 조절한다. 이들은 금속 카보나이트라이드 입자 형성을 위한 핵화속도와 형성된 입자의 성장속도에 영향을 준다. 예컨대 입자의 모양이 구형이며 출발물질의 생성물로의 전환이 일정한 용적율에서 일어난다면 입자의 성장속도는 체류시간의 3제곱근에 비례한다. 결과의 금속 카보나이트라이드 분말의 입자크기를 최소화하기 위해서 입자성장속도보다 높은 입자 핵화속도를 생성하도록 온도, 가열속도 및 체류시간이 선택되어야 한다.
입자 혼합물의 산화물을 신속하게 탄소열 환원시키는 방법
전이금속 산화물 소스와 탄소원으로된 입자 혼합물을 신속히 가열하기 위한두가지 방법이 있다. "적하" 방법으로 공지된 방법에서 입자 혼합물은 초당 100 내지 10,000K의 속도로 입자 혼합물을 가열하는 사전가열된 도가니에 입자 혼합물이 강하된다. "비말동반법"으로 알려진 제 2 방법에서 입자 혼합물은 미국특허 5,110,565 에 발표된 대로 반응온도에 유지된 수직 반응튜브로 비-산화성 대기에 비말동반된다. 비말동반법에서 가열속도는 초당 10,000 내지 100,000,000K이다. A. W. Weimer는 "베타 실리콘 카바이드의 탄소열 환원 합성의 반응속도"에서 가열속도 측정을 발표한다(AlChE Journal, Vol. 39, No. 3(1993년 3월), 493-503 페이지).
적하방법에서 유도로는 필요한 반응온도가 되고 유동 질소함유 비-산화성 가스하에서 30분간 평형이 된다. 입자 혼합물의 일부가 로의 고온지대에서 흑연 도가니속에 강하된다. 반응의 정도는 시간의 함수로서 도가니내 부산물인 일산화탄소(CO)의 농도를 측정함으로써 모니터링된다. CO 함량이 사전-반응값으로 감소될 때 반응이 끝난 것으로 간주된다.
카보나이트라이드로의 전환후 입자응집과 그레인 성장을 최소화하도록 충분한 온도까지 가능한 신속히 냉각된다. 적하 방법은 비말동반법 결과를 예측하기 위해서 사용될 수 있다.
비말동반법에서 혼합물은 수직반응튜브에서 0.2초 내지 1분, 특히 0.2 내지 10초의 평균 체류시간을 가진다. 적하 방법에서 가열속도가 더 느리므로 적하 방법에서 체류시간은 0.5 내지 10분, 특히 0.5 내지 5분, 더더욱 0.5 내지 3분이다.
비말동반법에서는 미국특허 5,110,565 에 발표된 수직 흑연 튜브 반응로를사용한다. 입자 혼합물은 이송 호퍼에 담기고, 질소함유 비-산화성 가스나 다음 문단에서 기술된 비-산화성 가스와 같은 유도가스가 분말화된 혼합물을 비말동반하여 먼지구름으로서 로의 반응 챔버에 전달한다. 분말 또는 입자 혼합물은 초당 10,000 내지 100,000,000K의 속도로 반응 챔버에서 수초간 가열된다. 유동가스는 반응챔버 고온지대로 부터 수냉 스텐레스강 재킷으로 분말을 운반하여 반응된 분말을 283K 아래로 급냉시킨다. 비말동반법은 더 적은 크기의 입자를 생성하고 대량생산이 가능하므로 적하방법보다 선호된다.
비-산화성 가스는 전이금속 카보나이트라이드 또는 카보나이트라이드 선구물질을 형성하는데 열역학적으로 호의적인 온도에서 전이금속 카보나이트라이드 또는 카보나이트라이드 선구물질을 산화시키지 못하는 가스로서 질소를 포함하지 않는다. 대표적인 예로는 수소나 탄소함유 환원가스와 혼합될 수 있는 불활성 가스(예컨대, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)가 있다.
미국특허 5,110,565 에 발표된 반응기는 4가지 주요 요소를 포함한다: 냉각된 반응물 운반 부재; 운반부재에 의해 공급을 받는 반응기 챔버; 반응기 챔버를 가열하는 수단 및 반응기 챔버에 의해 공급받는 냉각챔버.
운반부재는 입자 혼합물을 반응 챔버에 운반하며 환형 가스 유동공간내에 배치되는 도관이다. 운반부재는 입자 혼합물이 운반부재 출구내 또는 근처에서 응집하는 것을 방지하도록 금속 산화물 소스의 용융온도 이하의 온도로 유지된다. 따라서 운반부재의 온도는 모든 입자 혼합물이 이산 입자로서 반응기 챔버에 들어가도록 하는 온도여야 한다.
입자 혼합물은 분말 이송 장치에 의해 운반부재에 이송된다. 운반부재에 입자 혼합물이 계량된 또는 조절된 방식으로 흐르게 하는 한 입자 분말 이송 장치는 중요하지 않다. 이송장치는 단일 스크루 이송기, 트윈스크루 이송기, 진동 이송기, 회전밸브 이송기 또는 종래 구성의 기타 이송기이다.
반응기 설계 및 반응기 용량은 최대 허용가능한 입자 이송 속도를 결정한다. 예컨대, 2.16ft3(0.06㎥)의 반응지대 부피를 갖는 반응기의 경우에 허용가능한 이송속도는 분단 0.02 내지 0.5 킬로그램이다(kgm). 상이한 반응지대 부피를 갖는 반응기에 대한 허용가능한 이송 속도는 과도한 실험없이 쉽게 결정될 수 있다.
질소함유 비-산화성 가스는 운반 부재를 통해 직접 다량 공급되고 반응물 운반부재의 변부 둘레의 가스 유동공간을 통해 반응챔버에 소량 공급되거나 냉각지대를 포함한 반응기 챔버에 주입될 수 있다. 공급된 가스는 유동가스가 질소함유 비-산화성 가스인 경우에 비-산화성 가스일 수 있다.
비-산화성 가스나 질소함유 비-산화성 가스는 입자 혼합물을 비말동반하여 입자 혼합물을 반응챔버에 운반하는데 충분한 유속과 압력에서 운반부재에 공급된다. 따라서 유속은 반응기 챔버내 체류시간을 결정한다. 예컨대, 운반부재와 운반부재 변부주위의 가스흐름은 2.16ft3(0.06㎥)의 반응지대 부피를 가지는 반응기의 경우 분당 85 및 28 표준 리터(slm) 이상이다. 사용된 유속은 반응물 온도 및 공급속도에 달려있다. 가스흐름 공간으로 부터 반응챔버로 흐르는 가스는 입자 혼합물이 운반부재 출구 연결부 근처의 반응기 챔버표면과 접촉하는 것을 최소화 또는방지하는 역할을 한다. 표면은 혼합물 응집을 촉진하는 온도에 있으므로 이러한 접촉은 바람직하지 않다. 혼합물 응집은 반응기를 막아서 공정을 중단시킬 수 있다.
비말동반된 입자 혼합물의 흐름은 잘 분산된 먼지구름 형태도 반응지대에 들어간다. 혼합물의 입자는 가스 전달성 및 전도성 열전달이나 가열된 반응지대를 한정하는 벽에 나오는 복사열에 의해 거의 순간적으로 가열된다. 그러나 1000㎛ 미만의 직경을 갖는 입자의 경우에 입자 가열은 복사에 의해서 보다 가스/입자 전도/대류 과정에 의해 지배된다. 내부 입자 전도는 표면가열에 비해서 매우 빠르므로 입자는 표면가열 특성을 갖는 물질의 가열속도와 등온성이다. 이것을 기초로 10,000K/초 이상의 선호되는 가열속도가 계산된다. 반응지대내 실제온도는 고온측정법으로 측정될 수 있다.
입자 혼합물을 비말동반하여 반응지대로 흐르게 하는 가스흐름은 반응지대로부터 혼합된 입자 선구물질을 운반한다. 비말동반된 먼지구름은 반응지대를 빠져나와 순간적으로 냉각지대에 들어간다. 냉각지대는 반응온도 아래로 혼합된 선구물질을 급냉시킨다. 냉각지대내 냉각 속도는 반응지대내 가열속도와 비슷하다. 냉각지대의 벽은 비말동반 가스를 냉각시키고 신속한 탄소열 반응의 생성물이 가진 열을 빠르게 제거한다. 신속한 냉각이 되지 않으면 입자와의 반응에 시간이 지연되므로 생성물에 바람직하지 않은 응집체나 큰 입자를 형성시킨다. 실제 냉각시간은 입자크기, 냉각지대의 물리적 구성 및 가스 탈출속도에 달려있다.
냉각된 입자는 종래적인 기술에 의해 수집 및 처리된다. 전이금속 카보나이트라이드 선구물질 입자가 형성될 때 직경은 0 내지 1.0㎛, 0.5㎛ 이상, 0.01 내지 0.3㎛, 0.05 내지 0.2㎛ 순으로 선호된다.
두가지 가열방법이 입자 혼합물은 신속한 탄소열 가열하는 것으로 판명되었지만 가열의 신속성이 유지되는한 서브마이크론 전이금속 카보나이트라이드 및 서브마이크론 고체용액 전이금속 카보나이트라이드를 제조하는데 임의의 가열방법이 사용될 수 있다.
카보나이트라이드를 형성하기 위해 가능한 침탄 및 질화 단계
신속한 탄소열 환원공정을 사용하여 텅스텐 카보나이트라이드와 같은 일부 전이금속 카보나이트라이드를 직접 제조하는 것은 불가능하다. 따라서 텅스텐 카보나이트라이드 제조시 침탄/질화 단계(마무리 단계)를 사용하는 것이 좋다. 이에 반하여 텅스텐이 없이 티타늄을 함유한 카보나이트라이드는 신속한 단일 탄소열 반응으로 제조될 수 있으며, 필요할 경우 카보나이트라이드, 순수한 카보나이트라이드, 고순도 카보나이트라이드 및 상이한 화학양론의 카보나이트라이드에서 선택된 전이금속 카보나이트라이드 제조를 위해서 마무리단계가 사용될 수 있다.
두단계 공정(신속한 탄소열 공정과 마무리 단계) 사용시 1단계에서 비말동반법, 2단계에서 적하방법을 사용할 수 있다. 2단계의 적하방법의 대안은 충분한 가열 및 체류시간을 제공하여 전이금속 카보나이트라이드, 순수 전이금속 카보나이트라이드 또는 고순도 전이금속 카보나이트라이드를 형성하기 위해서 회전로를 사용하는 것이다.
본 발명의 신속한 탄소열 공정에서 나오는 생성물이 수집되면 필요한 화학양론의 카보나이트라이드, 순수 카보나이트라이드 또는 고순도 전이금속 카보나이트라이드가 탄소열 환원, 수소 환원, 침탄, 질화 또는 그 조합이 관련된 마무리 단계에서 제 1 반응(즉, 신속한 탄소열 환원)의 온도보다 낮은 온도에서 생성물을 더욱 반응시킴으로써 수득될 수 있다. 제 1 반응의 생성물이 전환이 사실상 완결된 것일 수 있지만 순수 또는 고순수 카보나이트라이드 또는 상이한 화학양론의 카보나이트라이드가 필요할 경우가 있다.
마무리 단계에서 입자 혼합물의 전이금속 산화물 소스의 탄소열 환원의 생성물은 필요한 서브마이크론 카보나이트라이드 형성에 충분한 시간동안 마무리 대기에서 신속한 탄소열 환원반응 온도 이하의 마무리 온도까지 가열된다. 마무리 대기는 질소, 수소, 탄소함유 환원가스, 불활성 가스 또는 그 혼합물일 수 있다. 필요한 생물에 따라 대기가 선택된다.
마무리 단계는 신속한 탄소열 공정에 의해 선구물질을 형성하는데 사용된 온도보다는 낮지만 선구물질을 필요한 서브마이크론 카보나이트라이드로 전환시키기에 충분한 마무리 온도에서 수행된다. 마무리 온도는 1073K 이상, 1173K 이상, 1273K 이상, 1373K 이상 내지 1873K 이하, 1773K 이하, 1673K 이하, 1573K 이하이다.
마무리단계는 선구물질을 필요한 전이금속 카보나이트라이드로 전환시키는데 충분한 시간 및 마무리 온도에서 수행된다. 적절한 카보나이트라이드를 형성시키기 위해 시간은 가능한 짧다. 시간은 5분 이상, 특히 15분 이상, 더더욱 30분 이상 내지 120분 이하, 특히 90분 이하, 더더욱 60분 이하이다.
추가량의 고체 탄소가 제 1 단계의 생성물에 첨가되어서 제 1 단계에서 남아있는 금속을 침탄시키거나 남아있는 화학적으로 결합된 산소를 탄소열 환원시킨다. 선구물질과 보충 탄소는 종래적 혼합장치를 사용하여 혼합될 수 있다. 대표적인 장치는 리본 블렌더, 롤러 및, 수직 스크루 믹서, V-블렌더 및 FORBERG로 판매되는 유동화 지대 믹서이다.
예컨대, 제 1 단계의 생성물이 텅스텐 함유 선구물질, 텅스텐-몰리브덴 함유 선구물질, 텅스텐-티타늄 함유 선구물질 또는 텅스텐-바나듐 함유 선구물질일 경우에 가열 또는 마무리는 1473 내지 1673K의 마무리 온도에서 수행된다. 이 온도는 15 내지 180분간 유지된다.
추가량의 탄소가 첨가되는 경우 첨가량은 실험적으로 결정된다. 첨가된 고체탄소의 양은 선구물질 특성(예컨대 산소 및 금속농도), 가열장치, 사용된 비-산화성 대기의 양과 종류 및 마무리 시간과 같은 마무리단계의 조건에 달려있다.
마무리 단계는 제 1 단계에 나오는 선구물질 또는 생성물에 대해 동적 또는 정적으로 수행된다. 예컨대 제 1 단계의 생성물이 흑연 보트에 담기고 비-산화성 대기에서 가열된다. 또는 생성물 또는 선구물질을 움직이면서 제 1 단계의 생성물이 가열된다.
보충 탄소를 첨가하든 안하든 선구물질의 이동은 다양한 방식으로 수행되지만 회전되어 선구물질을 회전시키는 회전식 흑연 도가니에 선구물질을 놓고 수행될 수 있다. 예컨대 분당 1 내지 10회전하는 직경 20㎝의 도가니가 선구물질 500그램과 보충 탄소의 처리에 유용하다. 가열동안 선구물질을 교반하는데 적합한 다른장치는 회전 하소기, 유동 베드 및 진동 유동 베드이다.
다음 실시예에서 주성분의 양은 생성물의 20중량% 이상이고 부성분의 양은 생성물의 5 내지 20중량%이고 소량은 5중량% 이하이다.
실시예 1
400 파운드의 0.5인치(12.7㎜) 직경 WC-6% Co 밀링매체를 포함한 40 갤론 볼 밀에서 1시간동안 14.78㎏ WO3, 1.79㎏ Ta2O5, 2.08㎏ TiO2및 3.95㎏ C를 볼 밀링함으로써 입자 혼합물이 제조된다. 텅스텐 트리옥사이드(WO3)는 평균 5.2미크론의 입자크기, 5.0㎡/g의 표면적을 가지며 Scopino Yellow Oxide라는 상표로 TACOW Trade Consultants, Ltd.(Hockessin, Delaware)로 부터 구매가능하다. 탄탈륨 펜톡사이드(Ta2O5)는 평균 19 마이크론의 입자크기, 0.08㎡/g의 표면적을 가지며 Zhuzhou-Grade-F Ta2O5로 TACOW Trade Consultants, Ltd. (Hockessin, Delaware)로부터 구매가능하다. 이산화티타늄(TiO2)은 평균 13마이크론의 입자크기, 1.4㎡/g의 표면적을 가지며 Kronos K3020라는 상품으로 Matteson-Ridolfi (Riverview, Michigan)으로 부터 구매가능하다. 카본 블랙(C)은 Chevron Shawinigan 아세틸렌 블랙이다. 이들 분말의 표면적은 Quantacrome Autosorb 1 (Quantachrome, Syosset, NY)을 사용한 질소가스 흡착에 의해 측정된다. 볼 밀링후 분말 혼합물은 거친 스크린(8메쉬, 2.36㎜)을 통과하여 밀링 매체를 제거한다.
22.0 킬로그램의 반응물인 입자 혼합물을 미국특허 5,110,565 및 5,380,688 에 발표된 수직 흑연 튜브 반응로의 이송 호퍼에 채운다. 튜브는 3.35 미터의 길이와 15.2 센티미터의 내경을 가진다. 이송 호퍼는 트윈 스크루 중량 손실 이송기에 의해 반응로의 냉각된 반응물 운반부재에 연결된다. 반응물 운반부재는 1.3내의 내경을 가지며 반응물 운반부재를 에워싸는 냉각 자켓을 통해 흐르는 물에 의해 약 283K의 온도로 유지된다. 입자 혼합물 충진후 반응 챔버 외벽을 관측하는 광학적 고온측정계로 측정시 튜브가 2083K가 되는 동안 30분간 아르곤 가스가 이송 호퍼에 충진된다. 아르곤 가스는 분당 3 표준 입방피트 "scfm" (분당 85.05 표준 리터 "slm")의 속도로 반응물 운반부재에 흐른다.
이후에 트윈 스크루 이송기에 의해 이송 호퍼로 부터 시간당 10㎏(시간당 22 파운드)의 속도로 냉각된 반응물 운반 부재에 입자혼합물이 공급된다. 유동 아르곤 가스는 입자 혼합물을 비말동반하여 먼지구름으로서 반응챔버에 운반한다. 입자 혼합물은 반응챔버에서 초당 10,000 내지 100,000,000K의 속도로 즉시 가열된다. 반응로에서 입자 혼합물의 평균체류시간은 3 내지 4초이다.
반응챔버의 고온지대를 나온후 유동 아르곤 및 일산화탄소(탄소열 환원반응동안 발생된) 가스 혼합물은 생성물(선구물질)을 선구물질을 283K 이하로 급냉시키는 수냉 스텐레스강 자켓으로 운반한다. 질소가스는 약 1scfm의 속도로 반응기의 냉각지대에 유입되어 선구물질이 냉각되는 아르곤, 일산화탄소 및 질소로 된 대기를 생성한다. 반응기를 나온후 선구물질은 스텐레스강 드럼에 삽입된 플라스틱 백에 수집된다.
선구물질이 제 2 단계(마무리 단계) 처리를 받는다. 9.8㎏의 12.7㎜ 직경 WC-6% Co 밀링매체를 써서 2시간동안 1.6갤론의 볼 밀에서 볼밀링하여 500그램의 선구물질이 균질화된다. 균질화 이후에 LECO 융합 및 연소장치(Leco Corporation, St. Joseph, MI)에 의해 측정시 산소 및 탄소함량은 각각 2.36중량% 및 6.71중량%이다. 12.42그램의 C (Chevron Shawinigan 에세틸렌 블랙)이 이후에 균질화된 선구물질에 첨가되고 혼합물이 추가 2시간동안 볼 밀링된다. 이후에 흑연로에서 선구물질/탄소 혼합물이 30분간 1773K에서 가열된다. 이러한 마무리 처리는 95% Ar/5% H2로 된 유동(15 scfh) 대기에서 수행된다.
마무리단계후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량이 LECO 분석에 의해 측정된다. 산소 농도는 0.26중량%, 탄소는 7.53중량%, 질소는 0.45중량%이다. 최종 생성물은 X-선 회절에 의해 측정시 소량의 WC와 입방체(Ti, Ta, W) 고체용액 카보나이트라이드로 구성된다. 최종 생성물은 주사전자 현미경(SEM)을 사용하여 112개의 무작위 선택된 입자에 대한 측정에 기초하여 평균 0.060 ±0.024 마이크론의 결정크기를 가진다. 최종 생성물의 표면적은 Quantacrome Autosorb 1(Quantachrome, Syosset, NY)을 사용한 질소가스 흡착에 의해 측정시 2.95㎡/g 이었다.
실시예 2
입자 혼합물의 조성이 5.72㎏ WO3, 6.44㎏ TiO2(Degussa P25), 5.53㎏ Ta2O5및 4.99㎏ C 이다는 점을 제외하고는 실시예 1 이 반복된다. 1055그램의 선구물질이 실시예 1 과 같이 균질화된다. 이 실시예의 TiO2는 0.7 미크론의 평균 입자크기와 2.8㎡/g의 표면적을 가진다. 균질화된 선구물질의 산소 및 탄소함량은 각각 4.88중량% 및 12.04중량%이다. 14.11그램의 C가 선구물질에 첨가되고 추가 2시간동안 혼합물이 볼 밀링된다. 마무리 온도가 1873K이고 시간이 15분인 것을 제외하고는 실시예 1 처럼 선구물질/C 혼합물이 마무리처리된다.
마무리단계후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소 함량은 각각 0.33중량%, 10.89중량% 및 0.95중량%이다. 분말 X-선 회절에 의해 측정할 때 최종 생성물은 소량의 WC와 (Ti, Ta, W) 고체용액 카보나이트라이드로 구성된다. 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 102개의 무작위 선택된 입자에 대해 측정할 때 최종 생성물의 평균 결정크기는 0.063 ±0.017 미크론이다. 생성물의 표면적은 5.78㎡/g이었다.
실시예 3
8.05㎏ WO3, 9.07㎏ TiO2(Kronos K3020 대신에 Degussa P25) 및 5.55㎏ C로 입자 혼합물이 구성된 것을 제외하고는 실시예 1 이 반복되었다. 입자 혼합물이 실시예 1 에 기술된 대로 볼 밀링되고 반응되어서 선구물질을 형성한다. 500그램의 선구물질이 균질화되었다. 균질화된 선구물질의 산소 및 탄소함량은 각각 4.96중량% 및 13.33중량% 였다. 선구물질에 탄소를 첨가하지 않고 추가 2시간동안 균질화된 선구물질을 볼 밀링하였다. 추가 탄소 없이 선구물질이 실시예 1 과 동일한 절차(단, 마무리 온도는 1773K, 마무리 시간은 60분, 마무리 가스는 95% Ar/5% H2대신에 질소인 것을 제외하고는)를 사용하여 마무리 처리되었다. 마무리 조건은표 1 에 도시된다.
마무리 단계후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량은 각각 0.62중량%, 10.62중량% 및 7.86중량%였다. 최종 생성물은 소량의 WC와 (Ti, W) 고체 용액 카보나이트라이드로 구성된다. 생성물의 특성이 표 2 에 도시된다.
실시예 4
실시예 3 의 선구물질 500그램이 균질화되고 산소 및 탄소함량은 각각 4.96중량% 및 13.33중량%이다. 4.15그램의 탄소가 선구물질에 첨가되고 혼합물을 추가 2시간동안 볼밀링하였다. 선구물질/C 혼합물을 실시예 3 에 기술된 절차를 사용하여 마무리 처리하였다. 마무리 단계의 조건은 표 1 에 도시된다.
마무리 단계후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량은 각각 0.66중량%, 11.41중량% 및 7.89중량%였다. 최종 생성물은 소량의 WC와 (Ti, W) 고체용액 카보나이트라이드로 구성된다. 생성물의 특성은 표 2 에 도시된다.
실시예 5
실시예 3 의 선구물질 500 그램이 균질화되고 산소 및 탄소함량은 각각 4.96중량% 및 13.33중량%이다. 8.80그램의 탄소가 선구물질에 첨가되고 혼합물을 추가 2시간동안 볼밀링하였다. 선구물질/C 혼합물을 실시예 3 에 기술된 절차를 사용하여 마무리 처리하였다. 마무리 단계의 조건은 표 1 에 도시된다.
마무리 단계후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량은 각각 0.72중량%, 12.39중량% 및 7.69중량%였다. 최종 생성물은 소량의 WC와 (Ti, W) 고체용액 카보나이트라이드로 구성된다. 생성물의 특성은 표 2 에 도시된다.
실시예 6
실시예 3 의 선구물질 500 그램이 균질화되고 산소 및 탄소함량은 각각 4.96중량% 및 13.33중량%이다. 13.45그램의 탄소가 선구물질에 첨가되고 혼합물을 추가 2시간동안 볼밀링하였다. 선구물질/C 혼합물을 실시예 3 에 기술된 절차를 사용하여 마무리 처리하였다. 마무리 단계의 조건은 표 1 에 도시된다.
마무리 단계후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량은 각각 0.81중량%, 13.41중량% 및 7.55중량%였다. 최종 생성물은 소량의 WC와 (Ti, W) 고체용액 카보나이트라이드로 구성된다. 생성물의 특성은 표 2 에 도시된다.
실시예 7-26
실시예 7 내지 26은 실시예 3 의 선구물질을 사용하였다. 이들 실시예는 마무리 온도, 시간 및 대기가 표 1 에 도시된 바와 같이 상이하다는 것을 제외하고는 실시예 3∼6에 기술된 동일한 절차를 사용하였다.
마무리 처리후 최종 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량이 LECO에 의해 측정되었다. 모든 경우에 최종 생성물의 X-선 회절은 소량의 WC와 (Ti, W) 고체 용액 카보나이트의 존재를 보여준다. 모든 생성물의 특성이 표 2 에 도시된다.
실시예 3-26의 마무리 조건
실시예 번호 탄소첨가(g) 온도(K) 시간(분) 대기
3 0.00 1773 60 N2
4 4.15 1773 60 N2
5 8.80 1773 60 N2
6 13.45 1773 60 N2
7 0.00 1773 60 5% H2/Ar
8 4.15 1773 60 5% H2/Ar
9 8.80 1773 60 5% H2/Ar
10 13.45 1773 60 5% H2/Ar
11 0.00 1873 30 5% H2/Ar
12 4.15 1873 30 5% H2/Ar
13 8.80 1873 30 5% H2/Ar
14 13.45 1873 30 5% H2/Ar
15 0.00 1873 30 진공
16 4.15 1873 30 진공
17 8.80 1873 30 진공
18 13.45 1873 30 진공
19 0.00 1573 120 N2
20 4.15 1573 120 N2
21 8.80 1573 120 N2
22 13.45 1573 120 N2
23 0.00 1873 30 N2
24 4.15 1873 30 N2
25 8.80 1873 30 N2
26 13.45 1873 30 N2
실시예 3-26 생성물의 특성
실시예 번호 산소(중량%) 탄소(중량%) 질소(중량%)
3 0.62 10.62 7.86
4 0.66 11.41 7.89
5 0.72 12.39 7.69
6 0.81 13.41 7.55
7 0.39 10.87 4.67
8 0.50 11.76 4.23
9 0.54 12.62 4.04
10 0.58 13.50 3.99
11 0.24 10.88 3.30
12 0.32 11.66 3.60
13 0.33 12.55 3.50
14 0.34 13.37 3.40
15 0.33 11.00 3.09
16 0.28 11.80 3.00
17 0.28 12.76 3.04
18 0.34 13.54 3.11
19 1.64 10.89 9.89
20 1.64 11.65 11.16
21 1.64 12.53 11.27
22 1.68 13.30 10.95
23 0.26 10.48 7.16
24 0.29 11.28 6.70
25 0.31 12.18 6.87
26 0.37 12.94 6.74
실시예 3-26 에 기술된 모든 텅스텐 티타늄 카보나이트라이드는 소량의 유리탄소를 포함한다. 이러한 유리탄소의 존재는 입자 선구물질에 과량의 탄소 때문이다. 필요한 탄소의 양은 일상적 실험에 의해 쉽게 결정되며 질소의 양, 온도, 체류시간 및 마무리 조건과 같은 합성조건과 필요한 카보나이트라이드에 달려있다.
실시예 3-26 에서 출발 산화물 반응물이 서브마이크론 분말이 아닐 때조차 서브마이크론 카보나이트라이드가 2단계 공정에서 형성될 수 있음을 보여준다.
실시예 27
1250g의 균질화된 실시예 10 의 선구물질이 27.9그램의 C와 혼합된 점을 제외하고는 실시예 11 이 반복되었다. 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량은 각각0.37중량%, 12.98중량%, 3.75중량%였다. X-선 회절법으로 측정시 최종 생성물은 소량의 잔류 WC와 (W-Ti) 고체 용액 카보나이트라이드로 구성된다. 최종 생성물의 표면적은 11.7㎡/g이고 결정크기는 104개의 입자에 대한 측정시 0.097 ±0.020 미크론(0.06 내지 0.14미크론)이었다.
최종 생성물의 TEM 분석은 샘플내 모든 질소가 고체 용액 카보나이트라이드(Ti-W)C-N 형태임을 보여준다. TiN은 탐지되지 않았다. TEM 분석은 또한 샘플이 소량의 (Ti-W)C와 WC를 포함함을 보여준다.
실시예 28
1250g의 균질화된 실시예 10 의 선구물질이 26.2그램의 C와 혼합된 점을 제외하고는 실시예 7 이 반복되었다. 생성물의 산소, 탄소 및 질소함량은 각각 0.65중량%, 13.02중량%, 5.06중량%였다. X-선 회절법으로 측정시 최종 생성물은 소량의 잔류 WC와 (W-Ti) 고체 용액 카보나이트라이드로 구성된다. 최종 생성물의 표면적은 14.9㎡/g이고 결정크기는 103개의 입자에 대한 측정시(SEM) 0.098 ±0.022 미크론(0.06 내지 0.14미크론)이었다.
최종 생성물의 TEM 분석은 실시예 27 의 최종 생성물과 유사함을 보여준다. 샘플은 대부분의 (Ti-W)C-N과 소량의 (Ti-W)C 및 WC를 포함한다.
실시예 29-34
7.5㎏의 WC-Co 밀링매체를 갖는 3 갤론의 우레탄 라인 볼 밀에서 2시간동안 38.1 중량부(pbw)의 WO3, 42.9pbw TiO2(kronos) 및 19pbw C (Chevron ShawiniganAcetylene Black)을 밀링하여 5.0㎏의 입자 혼합물이 제조된다. 볼밀링후 거친 스크린(8메쉬, 2.36㎜)을 통해 입자 혼합물을 통과시켜 밀링 매체를 제거한다.
입자 혼합물은 다음과 같이 적하방법을 사용하여 반응되었다. 실시예 29-31에서 10그램의 입자 혼합물이 유도가열로 내부에서 반응온도(표 3 참조)에 유지된 흑연 도가니에 강하된다. 혼합물을 유동가스하에서 5분간 반응시키고 로를 차단시켜서 가능한 신속히 실온까지 냉각한다. 형성된 생성물의 특성이 표 3 에 요약된다.
실시예 29-31의 반응온도 및 생성물 특성
실시예 번호 온도(K) 탄소(중량%) 산소(중량%) 질소(중량%)
29 1973 11.5 4.2 3.2
30 2073 9.4 1.5 4.0
31 2173 9.1 0.9 4.5
표 3 에 도시된 각 선구물질(실시예 29-31)이 실시예 1 의 방법을 사용하여 마무리 처리된다(단, 실시예 29-31의 각 생성물은 1쿼터 볼밀을 사용 탄소첨가없이 추가 밀링된다) 마무리 열처리는 유동가스에서 15분간 1873K에서 흑연로에서 수행된다. 최종 카보나이트라이드 생성물의 특성이 표 4 에 도시된다.
실시예 32-34의 생성물 특성
실시예 번호 선구물질실시예 번호 탄소(중량%) 산소(중량%) 질소(중량%)
32 29 9.30 0.62 4.04
33 30 8.91 0.56 4.87
34 31 8.88 0.51 4.90
실시예 32-34 생성물의 XRD는 다량의 (Ti, W) 고체용액 카보나이트라이드와 소량의 WC의 존재를 보여준다. 실시예 29-31은 질소 고함량 카보나이트라이드가 신속한 탄소열 환원단계에 의해 형성될 수 있음을 보여준다. 실시예 32-34는 이들 카보나이트라이드가 추가 처리되어서 산소함량을 감소시킬 수 있음을 보여준다.
실시예 35-37
7.5㎏ WC-Co 밀링매체를 갖는 3갤론 우레탄 라인 볼밀에서 2시간동안 39pbw WO3, 44pbw TiO2(Kronos) 및 17pbw C (Chevron Acetylene Black)을 볼 밀링하여 5.0㎏의 입자 혼합물이 제조된다. 볼 밀링후 분말 혼합물을 스크린(8메쉬, 2.36㎜)에 통과시켜 밀링매체를 제거한다.
실시예 35-37 에서 실시예 29-31 의 방법에 의해 입자 혼합물이 반응된다. 실시예 35-37 의 합성조건 및 특성이 표 5 에 도시된다.
실시예 35-37 의 반응온도 및 생성물 특성
실시예 번호 온도(K) 탄소(중량%) 산소(중량%) 질소(중량%)
35 1973 7.5 4.5 9.0
36 2073 5.3 1.4 9.7
37 2173 4.9 1.0 10.4
표 5 에 도시된 각 선구물질(실시예 35-37)은 실시예 1 의 방법을 사용하여 마무리 된다(단, 1쿼터 볼 밀이 사용되고 탄소가 첨가되지 않는다). 마무리 열처리는 유동 질소에서 15분간 1873K 흑연로에서 수행된다. 최종 카보나이트라이드의특성이 표 6 에 도시된다.
실시예 38-40 의 생성물 특성
실시예 번호 선구물질실시예 번호 탄소(중량%) 산소(중량%) 질소(중량%)
38 35 5.25 0.48 9.01
39 36 4.80 0.52 9.50
40 37 4.91 0.45 9.41
최종 생성물의 XRD는 다량의 (Ti, W) 고체용액 카보나이트라이드와 소량의 WC의 존재를 보여준다. 실시예 35-40 은 실시예 29-34 와 유사한 결과를 보여주며 입자 혼합물내 낮은 탄소함량은 최종 카보나이트라이드 생성물내 높은 질소함량을 가져옴을 보여준다.

Claims (30)

  1. - (ⅰ) 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀 또는 크롬에서 선택된 전이금속의 산화물과 (ⅱ) 탄소원을 혼합하여 입자 혼합물을 형성하고;
    - 입자 혼합물의 탄소열 환원반응이 열역학적으로 호의적이 되게 하는 상승된 온도까지 질소함유 비-산화성 가스에서 100 내지 100,000,000K/초의 속도로 입자혼합물을 가열함으로써 전이금속 산화물을 탄소열 환원하고;
    - 전이금속 산화물을 (ⅰ) 전이금속 카보나이트라이드 또는 (ⅱ) 전이금속 카보나이트라이드 선구물질에서 선택된 생성물로 전환시키기에 충분한 체류 시간동안 상승된 온도에 입자 혼합물을 유지하는 단계를 포함하는 입자 세라믹 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상승된 온도가 1673 내지 2673K이며 생성물이 전이금속 카보나이트라이드 선구물질이고 상기 선구물질이 텅스텐을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 전이금속 카보나이트라이드 선구물질 입자가 0.1 내지 0.2미크론의 직경크기를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 체류시간이 0.1초 내지 10분임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 체류시간이 0.1초 내지 5분임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 체류시간이 0.1초 내지 30초임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 체류시간이 0.1초 내지 10초임을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 가열속도가 100 내지 100,000,000K/초임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 가열속도가 1000 내지 1,000,000K/초임을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 가열속도가 10,000 내지 100,000K/초임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 생성물이 티타늄 카보나이트라이드, 지르코늄 카보나이트라이드, 하프늄 카보나이트라이드, 탄탈륨 카보나이트라이드, 또는 몰리브덴 카보나이트라이드에서 선택된 전이금속 카보나이트라이드임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 생성물이 티타늄 카보나이트라이드, 몰리브덴-탄탈륨 카보나이트라이드, 티타늄-탄탈륨 카보나이트라이드, 하프늄-탄탈륨 카보나이트라이드, 티타늄-하프늄 카보나이트라이드, 탄탈륨 카보나이트라이드 또는 티타늄-탄탈륨-하프늄 카보나이트라이드에서 선택된 전이금속 카보나이트라이드임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 생성물이 텅스텐-몰리브덴 카보나이트라이드 선구물질, 텅스텐-바나듐 카보나이트라이드 선구물질, 텅스텐-티타늄-탄탈륨 카보나이트라이드 선구물질, 텅스텐-티타늄 카보나이트라이드, 텅스텐 카보나이트라이드 선구물질, 또는 텅스텐-탄탈륨 카보나이트라이드에서 선택된 전이금속 카보나이트라이드 선구물질임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 혼합이 건식으로 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 혼합이 건식 볼 밀링에 의해 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 건식 볼 밀링이 시멘트화 WC-Co 밀링 매체를 사용하여 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소원이 입자성 탄소임을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 탄소원이 카본블랙임을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 선구물질 또는 카보나이트라이드를 전이금속 카보나이트라이드로 전환시키기에 충분한 마무리 시간동안 상승된 온도보다 낮은 마무리 온도까지 마무리 대기에서 전이금속 카보나이트라이드 또는 전이금속 카보나이트라이드 선구물질을 가열하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 선구물질이 텅스텐 함유 선구물질이고 마무리 온도는 1473 내지 1673K이고 마무리 시간은 15 내지 60분임을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 가열동안 전이금속 카보나이트라이드 또는 전이금속 카보나이트라이드 선구물질을 교반하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 마무리 대기가 불활성 가스, 수소, 질소 또는 그 조합임을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 불활성 가스가 아르곤임을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 19 항에 있어서, 가열에 앞서 선구물질 카보나이트라이드가 추가량의 탄소와 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 텅스텐 함유 선구물질이 텅스텐 카보나이트라이드, 티타늄-텅스텐 카보나이트라이드, 탄탈륨-텅스텐 카보나이트라이드, 또는 티타늄-탄탈륨-텅스텐 카보나이트라이드에서 선택된 순수한 전이금속 카보나이트라이드를 형성함을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1 항에 있어서, 입자 혼합물이 질화물, 카보나이트라이드, 탄화물, 카보나이트라이드 또는 그 조합에서 선택된 비-산화물 반응물 전이금속 화합물을 포함하고 상기 전이금속 화합물의 전이금속이 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 또는 W에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서, 전이금속 산화물이 0.25 내지 25미크론의 평균 직경을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 평균 직경이 0.5미크론 이상임을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 평균 직경이 1미크론 이상임을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 평균 직경이 1.5미크론 이상임을 특징으로 하는 방법.
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