KR101551857B1 - 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저비용으로 구현 가능한 바륨 산화물의 환원방법을 위하여, 바륨 산화물을 준비하는 단계 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 환원제를 사용하여 상기 바륨 산화물을 환원하는 단계를 포함하는, 바륨 산화물의 환원방법을 제공한다.

Description

바륨 마그네슘 합금의 제조 방법{Method of manufacturing barium magnesium alloy}

본 발명은 바륨 산화물을 금속 바륨 혹은 바륨을 포함하는 합금으로 환원시키는 방법에 대한 것이다.

일반적으로 금속 바륨은 산화바륨(BaO)을 고온에서 알루미늄(Al) 또는 규소(Si)로 환원시킨 후, 여기서 얻은 바륨 증기를 아르곤 기체 속에서 냉각·밀폐시켜 얻는다.

또한, 금속 바륨은 용융 BaCl₂를 전기 분해시켜 얻을 수 있다. 이 경우에는 환원된 Ba가 용융된 할로겐화물과 함께 섞여 녹아 있어 덜 순수한 바륨이 얻어지는 단점이 있다. 한편, BaCl₂ 수용액을 수은을 음극으로 사용하여 전기 분해시켜 바륨아말감을 얻고, 이를 수소 기류 하에서 증류하여 수소화바륨(BaH₂)을 얻은 후 진공에서 열 분해시켜 금속 바륨을 얻을 수 있다.

금속 바륨은 알루미늄 또는 마그네슘과 합금을 만들어서 진공관 내의 잔류가스를 흡입하는 물질로 쓰이고 있다. 또한, 다양한 합금의 형태로 자동차의 점화플러그, 차량용 베어링 등에도 사용된다.

<선행기술 문헌>

1. 한국등록특허 제10-0294484호 (2001.04.17)

그러나 이러한 종래의 금속 바륨은 가격이 고가여서, 알루미늄 합금 등에 사용될 때 공정비용이 상승하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 저비용으로 구현 가능한 바륨 산화물의 환원방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 바륨 산화물을 준비하는 단계 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 환원제를 사용하여 상기 바륨 산화물을 환원하는 단계를 포함하는, 바륨 산화물의 환원방법이 제공된다.

상기 바륨 산화물의 환원방법에서, 상기 바륨 산화물은 산화바륨(BaO)을 포함할 수 있다.

상기 바륨 산화물의 환원방법에서, 상기 바륨 산화물은 과산화바륨(BaO₂)을 포함하고, 상기 환원제는 탄소(C)를 더 포함할 수 있다.

상기 바륨 산화물의 환원방법에서, 상기 바륨 산화물을 준비하는 단계는 과산화바륨(BaO₂)을 준비하는 단계 및 상기 과산화바륨과 탄소의 반응에 의하여 산화바륨(BaO)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 바륨 산화물의 환원방법에서, 상기 마그네슘을 포함하는 환원제를 사용하여 상기 바륨 산화물을 환원하는 단계는, 환원반응에 의하여 바륨-마그네슘 합금(Ba-Mg)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 바륨 산화물의 환원방법에서, 상기 마그네슘을 포함하는 환원제를 사용하여 상기 바륨 산화물을 환원하는 단계는, 상기 산화바륨을 관(pipe)을 통하여 마그네슘 용탕에 첨가할 수 있다.

상기 바륨 산화물의 환원방법에서, 바륨 산화물 분말과 마그네슘 분말을 혼합한 혼합체를 압축하여 펠렛을 형성하는 단계 및 상기 펠렛을 마그네슘 용탕에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저비용으로 제조 가능한 바륨 산화물의 환원방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바륨 산화물의 환원방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바륨 산화물의 환원방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바륨 산화물의 환원방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 바륨-마그네슘 합금의 조직을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 바륨-마그네슘 합금의 제조방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 바륨 산화물의 환원방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 바륨 산화물의 환원방법은, 바륨 산화물을 준비하는 단계(S10), 상기 바륨 산화물을 마그네슘(Mg)을 포함하는 환원제를 사용하여 환원하는 단계(S20)를 포함한다. 이러한 환원의 결과로서 바륨-마그네슘(Ba-Mg) 합금을 형성하는 단계(S30)를 더 포함할 수 있다.

상기 바륨 산화물은, 예를 들어, 산화바륨(BaO) 및/또는 과산화바륨(BaO₂)을 포함할 수 있다.

상기 환원제에 포함되는 마그네슘은 순수 마그네슘 및 마그네슘 합금을 포함할 수 있다. 본 명세서 및 특허청구범위에 있어서 마그네슘은 순수 마그네슘 혹은 마그네슘 합금을 모두 지칭할 수 있다.

마그네슘을 환원제로 이용하는 경우 상기 마그네슘은 액상 또는 고상의 상태로 존재할 수 있다. 예를 들어, 액상의 마그네슘 용탕 또는 고상의 마그네슘 등을 포함할 수 있다.

상기 환원제는 마그네슘 이외에 탄소(C)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서 산화바륨을 액상의 마그네슘에 투입하여 환원시킴으로써 바륨-마그네슘 합금을 얻을 수 있다. 예를 들어, 액상의 마그네슘 용탕에 분말형태의 산화바륨을 투입한 후 적절하게 교반시켜 반응식 1과 같은 마그네슘과 산화바륨의 반응을 유도한다.

(반응식 1)

BaO(s) + Mg(ℓ) → Ba(ℓ) + MgO(s)

반응식 1과 같이 마그네슘에 의해 환원된 바륨은 마그네슘 용탕 내에서 액상으로 존재할 수 있다. 환원제인 마그네슘이 산소와 반응하여 형성된 산화마그네슘(MgO)을 용탕으로부터 제거한 후 상기 용탕을 응고시킬 경우, 바륨-마그네슘 합금을 얻을 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 액상의 마그네슘 용탕(30)에 분말형태의 산화바륨(50)을 투입할 때. 산화바륨(50)이 마그네슘 용탕(30)에 잘 혼합될 수 있도록, 산화바륨(50)을 관(Pipe)(40)을 이용하여 마그네슘 용탕(30)에 투입할 수 있다.

또한, 관(40)을 통하여 산화바륨(50)을 마그네슘 용탕(30)에 투입할 때, 산화바륨(50)을 캐리어 가스(60)와 함께 투입한다. 이때 캐리어 가스(60)는 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 이용할 수 있다.

다른 실시예로서 그래뉼 형상(granular type)을 가지는 고상의 마그네슘과 분말 형태의 산화바륨을 도가니에 같이 넣은 후 도가니를 가열하여 마그네슘을 용융시킴으로서 반응식 1의 액상의 마그네슘과 산화바륨과의 반응을 유도할 수 있다.

또 다른 실시예로서 분말형태의 마그네슘과 분말형태의 산화바륨이 일정 비율로 혼합된 펠렛을 제작하고, 상기 펠렛을 마그네슘 용탕에 투입하여 가열함으로써 반응식 1의 환원반응을 일으킬 수 있다.

상기 펠렛은, 예를 들어, 분말형태의 마그네슘과 분말형태의 산화바륨을 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합체를, 예를 들어, 냉간 프레스(Cold pressing)로 압축하여 제조할 수 있다.

또 다른 실시예로서 바륨 산화물로서 과산화바륨을 이용하는 경우에는 예비적으로 과산화바륨을 탄소를 이용하여 산화바륨으로 환원시키는 단계(반응식 2)를 수행할 수 있다.

(반응식 2)

BaO₂(s) + C(s) → BaO(s) + CO(g)↑

도 2를 참조하면, 과산화발륨을 준비하고(S100), 준비된 과산화바륨과 탄소(예를 들어, 흑연분말)를 같이 소정의 도가니에 장입한 후 가열함으로써 반응식 2의 환원반응을 일으킬 수 있다(S200). 상기 반응식 2에 의해 과산화바륨을 산화바륨으로 환원시킨 후 이러한 반응으로 얻어진 산화바륨을 이용하여 이미 위에서 기술한 방법을 사용함으로써 바륨-마그네슘 합금을 얻을 수 있다(S300 및 S400).

또 다른 실시예로서 도 3에 도시된 것과 같이, 바륨 산화물로서 과산화바륨을 이용하는 경우에 환원제로서 마그네슘과 탄소를 같이 사용함으로써 과산화바륨으로부터 직접 바륨을 환원시켜 얻을 수 있다(반응식 3).

(반응식 3)

BaO₂(s)+ Mg(ℓ) + C(s) → Ba(ℓ) + MgO(s) + CO(g)↑

도 3의 단계 S2000을 구체적으로 설명하면, 예를 들어, 과산화바륨 분말을 그래뉼 형상의 마그네슘 및 탄소(예를 들어 흑연분말)를 같이 도가니에 장입한 후 가열함으로써 1차적으로 반응식 2를 일으켜 과산화바륨을 산화바륨으로 환원시킨다. 다음, 계속 가열하여 고상의 마그네슘을 용융시킨 후 반응식 1과 같이 액상의 마그네슘과 산화바륨을 반응시켜 산화바륨을 액상의 바륨으로 환원시킨다. 이러한 일련의 과정은 하나의 도가니에서 연속적으로 일어날 수 있으며, 이는 최종적으로 반응식 3으로 나타낼 수 있다. 이러한 반응이 완료된 후 위에서 기술한 것과 같이 최종적으로 용탕을 응고시킴으로써 바륨-마그네슘 합금을 제조한다(S3000).

이하에서, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.

(실험예 1)

분말형태의 산화바륨과 분말형태의 마그네슘을 일정비율로 혼한한 후, 터불렌트 믹서(Turbulent mixer)를 이용하여, 3시간 동안 혼합하였다. 그 다음에, 상기 혼합된 산화바륨 및 마그네슘 분말에 냉간 프레스를 수행하여 펠렛을 제작하였다.

그 다음에, 상기 펠렛을 마그네슘 용탕에 투입하여 750℃로 가열한다. 이때 마그네슘의 산화를 방지하기 위하여, 보호가스로서 SF₆를 투입하였다.

그 다음에, 환원제인 마그네슘과 산소가 반응하여 형성된 산화마그네슘(MgO)을 용탕으로부터 제거한 후 상기 용탕을 응고시켜 바륨-마그네슘 합금을 제조하였다.

본 발명에서는 실험예 1에 의한 바륨-마그네슘 합금 제조에 있어서, SEM 분석을 이용한 성분 분석결과를 <표 1> 및 <표 2>에 나타내었다.

<표 1>

<표 2>

<표 1>, <표 2> 및 도 4를 참조하면, 실험에 1에 의하여 제조된 바륨-마그네슘 합금의 성분은 도 4의 10 부분에서 MgK 85.92 Wt%, 97.18 At%, BaL 14.08 Wt%, 2.82At%로 나타났으며, 도 4의 20 부분에서 MgK는 88.45 Wt%, 97.74 At%, BaL은 11.55 Wt%, 2.26At% 로 나타났다. 이 결과를 참조하였을 때. 실험예 1에 의하여 바륨-마그네슘 합금이 잘 형성된 것을 알 수 있었다.

(실험예 2)

SF₆ 분위기에서 용해로에 산화바륨 분말과 고상/또는 액상의 마그네슘을 투입한 후, 750℃로 가열하였다. 그 다음에, 환원제인 마그네슘과 산소가 반응하여 형성된 산화마그네슘(MgO)을 용탕으로부터 제거한 후 상기 용탕을 응고시켜 바륨-마그네슘 합금을 제조하였다.

실험예 2의 경우, XRF 측정으로 성분 분석을 한 결과, 마그네슘 90.9 mass%, 바륨 9.07 mass%으로 나타났다. 이 결과를 참조하였을 때, 실험예 2에 의하여 바륨-마그네슘 합금이 잘 형성된 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 산화바륨보다 저렴한 과산화바륨을 사용하여 바륨-마그네슘 합금을 형성할 경우, 상기 산화바륨을 사용하여 바륨-마그네슘 합금을 형성하는 경우보다 적은 비용으로 바륨-마그네슘 합금을 형성할 수 있다.

본 발명에 의해 제조된 바륨-마그네슘 합금은 다른 금속재료의 합금원소로서 첨가될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄에 첨가할 경우 알루미늄 마그네슘의 의한 강도 및 내식성 효과과 바륨에 의한 효과를 동시에 얻을 수 있다. 다른 예로서 구리 또는 철계 합금에도 합금원소로서 첨가될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

30 : 마그네슘 용탕
40 : 관
50 : 산화바륨
60 : 캐리어 가스

Claims (7)

1. 바륨 산화물을 준비하는 단계;
   마그네슘(Mg)을 포함하는 마그네슘 용탕에 상기 바륨 산화물을 투입하여 상기 바륨 산화물을 환원하는 단계; 및
   상기 바륨 산화물로부터 환원된 바륨과 상기 마그네슘이 바륨-마그네슘 합금을 형성하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 마그네슘의 일부는 상기 바륨 산화물을 환원하는 환원제로서 기능하여, 상기 바륨 산화물로부터 환원에 의하여 배출된 산소와 결합하여 마그네슘 산화물을 형성하고,
   상기 마그네슘의 다른 일부는 상기 바륨 산화물로부터 환원된 바륨과 결합하여 상기 바륨-마그네슘 합금을 형성하는, 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 바륨 산화물은 산화바륨(BaO)을 포함하는, 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 바륨 산화물은 과산화바륨(BaO₂)을 포함하고, 상기 환원제는 탄소(C)를 더 포함하는, 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 바륨 산화물을 준비하는 단계;는
   과산화바륨(BaO₂)을 준비하는 단계; 및
   상기 과산화바륨과 탄소의 반응에 의하여 산화바륨(BaO)을 형성하는 단계;
   를 포함하는, 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네슘을 포함하는 환원제를 사용하여 상기 바륨 산화물을 환원하는 단계는, 산화바륨을 관(pipe)을 통하여 마그네슘 용탕에 첨가하는, 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법.
7. 바륨 산화물 분말과 마그네슘 분말을 혼합한 혼합체를 압축하여 펠렛을 형성하는 단계;
   상기 펠렛을 마그네슘 용탕에 투입하는 단계; 및
   상기 바륨 산화물 분말로부터 환원된 바륨과 상기 마그네슘 분말 또는 상기 마그네슘 용탕의 마그네슘이 바륨-마그네슘 합금을 형성하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 마그네슘의 일부는 상기 바륨 산화물을 환원하는 환원제로서 기능하여, 상기 바륨 산화물로부터 환원에 의하여 배출된 산소와 결합하여 마그네슘 산화물을 형성하고,
   상기 마그네슘의 다른 일부는 상기 바륨 산화물로부터 환원된 바륨과 결합하여 상기 바륨-마그네슘 합금을 형성하는, 바륨 마그네슘 합금의 제조 방법.

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