KR100494976B1 - 상압 기상반응법에 의한 나노 ｗｃ계 분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도, 내마모가 필요한 초경합금 등의 소재로 사용되는 나노 분말의 제조에 관한 것이며, 그 목적은 상압 기상반응법에 의해 텅스텐이 함유된 전구체를 사용하여 수십 nm급의 WC 분말을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 WC 분말의 제조방법은, 텅스텐을 함유한 전구체를 준비하고, 이 전구체를 반응로(5)에서 기화시켜 가스를 발생시킨 후, 상기 기화된 전구체를 비산화성 분위기 내에서 침탄시키는 것을 포함하여 구성된다.

이렇게 제조된 나노 WC 분말은 강도가 높고, 내마모성이 우수하여 초경공구 등의 초경합금이나, 내마모용 부품 또는 금형 소재의 원료로서 매우 적합하다.

Description

상압 기상반응법에 의한 나노 ＷＣ계 분말의 제조방법{Process for manufacturing WC based powder by vapor reaction under atmospheric pressure}

본 발명은 고강도, 내마모가 필요한 초경합금 등의 소재로 사용되는 나노 분말의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상압 기상반응법에 의해 텅스텐이 함유된 전구체를 사용하여 수십 nm급의 WC 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 WC계 분말은 텅스텐 분말과 고상의 탄소 분말을 혼합하여 고온에서 침탄하는 고상반응에 의하여 합성하여 제조된다. 그러나, 상기 고상반응에 의한 합성기술은 기계적 분쇄공정에 의하여 분말을 미립화시키므로, WC 입자 크기가 약 0.5㎛ 이하의 분말을 제조하기가 힘들었다.

한편, 1990년도 이후 금속수용성 염을 이용하여 W과 Co를 함유한 수용액을 분무 건조하여 초미립 WC/Co 분말을 얻는 합성 기술, 소위 액상반응에 의한 합성기술이 상용화되고 있다. 그러나, 이러한 액상을 이용한 합성공정에서도 수용액의 건조 과정 및 환원·침탄 열처리중에 WC 입자의 성장으로 약 0.1㎛ 이하의 극미세 분말을 제조하는데 한계가 있다.

본 발명의 목적은 상압 기상반응을 이용하여 약 20nm 이하의 WC 초경분말을 합성하는데 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 텅스텐 함유 전구체로부터 WC계 분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 텅스텐을 함유한 전구체를 준비하는 단계; 상기 전구체를 기화시켜 가스를 발생시키는 단계 및 상기 가스를 비산화성 분위기 내에서 침탄시키는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 텅스텐 함유 전구체를 직접 기화시킨 후, 이를 침탄 열처리하여 나노 크기의 목적 분말을 제조하는데 특징이 있다.

상기 전구체는 텅스텐을 함유한 전구체이면 무방하며, 바람직하게는 텅스텐 에톡사이드 용액 또는 텅스텐 클로라이드(WCl₆) 용액이나 고상으로 텅스텐 헥사카보닐[W(CO)₆]을 사용하는 것이다. 또한, 필요에 따라 상기 용액에 Co와 같은 제3 원소를 첨가할 수 있다.

본 발명에서는 상기 전구체를 기화시켜 가스로 만든 후, 가스 상태의 텅스텐을 비산화성 분위기 내에서 침탄시킨다.

도1은 상기 전구체를 기화시킨 후 침탄하기 위한, 본 발명에 부합되는 나노 분말의 제조장치의 일례를 보이고 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 기상반응을 통한 나노 분말의 제조장치(10)는, 저장용기(1) 내의 전구체를 공급하는 펌프(2)와, 상기 전구체를 기화시키는 기화기(3)와, 기화된 전구체와 운반가스가 혼합되는 가열튜브(6)를 가열시키는 히터(4)로 이루어진 반응로(5)와, 상기 반응로(5)에 관통되게 설치된 상기 운반가스의 공급파이프(7)를 포함하여 구성된다.

상기 가열튜브(6)는 스테인레스, 이와 동등의 금속 또는 알루미나, 뮬라이트, 실리콘카바이드 등의 세라믹, 테프론 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 튜브는 상기 전구체의 기화온도보다 50~ 150℃ 높은 온도에서 견딜 수 있는 재질을 사용하는 것이다. 또한, 기화기(3)의 내경은 가열튜브(6)의 1/30~ 1/50 정도가 적당하다.

이러한 제조장치에서 기화기(3)의 한쪽 끝에 연결된 펌프(2)를 통해 상기 전구체를 이송시킨다. 이때, 전구체의 이송 유량은 0.05~ 2cc/min 정도가 적당하다.

상기 전구체가 기화기(3)를 통해 기화되면서 가열튜브(6) 내로 들어가며, 상기 가열튜브(6) 내에는 운반가스를 취입하여 가열튜브 내부를 비산화성 분위기로 만든다. 운반가스로는 He, Ar, N₂, H₂ 등 또는 이들의 혼합가스가 적당하다. 또한, 가스 유량은 10~ 500cc/min의 범위로 취입하는 것이 바람직하다.

상기 반응로(5)는 히터(4)로 가열하여, 900~ 1500℃의 온도에서 침탄열처리가 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 기상(gas phase) 상태의 텅스텐을 침탄 반응이 빠를 뿐만 아니라 침탄반응이 종료된 분말은 응고된 후에는 그 입자가 약 20nm 이하의 크기를 갖게 된다.

본 발명에서 상기 전구체에 제3의 원소, 예컨대 Co, Mo, V, Ni, Cr 및 Fe 등과 같은 제3의 원소를 첨가할 수 있음은 물론이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 아래의 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

[실시예]

기화온도가 290℃이고 부식성이 없는 텅스텐 에톡사이드 용액을 준비하고, 이 용액을, 도1과 같은 장치에서 0.44cc/min의 속도로 이송하면서 기화시켜 직경 약 60mm인 알루미나 튜브 내로 이송하였다. 이때, 가스는 Ar가스를 사용하였으며, 가스 유량은 약 100cc/min이었다. 또한, 반응로를 가열하여 약 1100℃에서 기화된 전구체의 침탄시켰다.

이렇게 침탄 열처리되어 얻어진 WC 분말을 회수하고, 그 회수된 분말을 전자현미경으로 관찰하여, 그 결과를 도2에 나타내었다.

도2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 WC 분말은 그 입자가 약 20nm 이하의 크기를 보이고 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 상압 기상반응을 통해 수십 nm급의 WC 분말을 제공할 수 있으며, 이러한 나노 분말은 강도가 높고, 내마모성이 우수하여 초경공구 등의 초경합금이나, 내마모용 부품 또는 금형 소재의 원료로서 매우 적합하다.

도1은 본 발명에 부합되는 나노 분말의 제조장치의 개략 구성도이다.

도2는 본 발명에 따라 제조된 나노 분말의 조직사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ... 저장용기 2 ... 펌프 3 ... 기화기

4 ... 히터 5 ... 반응로 6 ... 튜브

7 ... 가스공급파이프

Claims (4)

1. 텅스텐 함유 전구체로부터 WC계 분말을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 텅스텐을 함유한 전구체를 준비하는 단계;

   상기 전구체를 기화 또는 승화시켜 가스를 발생시키는 단계 및

   상기 가스를 비산화성 분위기 내에서 침탄시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압 기상반응법에 의한 나노 WC계 분말의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전구체는 텅스텐 에톡사이드, 텅스텐 클로라이드 및 텅스텐 헥사카보닐 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 상압 기상반응법에 의한 나노 WC계 분말의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 비산화성 분위기는 He, Ar, N₂, H₂ 및 이들의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 상압 기상반응법에 의한 나노 WC계 분말의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 침탄은 900~ 1500℃의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 상압 기상반응법에 의한 나노 WC계 분말의 제조방법.