KR101675085B1

KR101675085B1 - 텅스텐 물품의 세척방법

Info

Publication number: KR101675085B1
Application number: KR1020140108406A
Authority: KR
Inventors: 김인호; 조봉휘; 김태욱
Original assignee: 엔에이티엠 주식회사
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-11-23
Also published as: KR20160023004A

Abstract

본 발명은 텅스텐 물품의 세척방법에 관한 것으로, 텅스텐 물품을 염산, 질산 및 불산을 함유하는 1차 전해액에서 전해 연마하는 1차 전해 연마 단계; 1차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척하는 1차 세척 단계; 1차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 함유하는 2차 전해액에서 전해 연마하는 2차 전해 연마 단계; 2차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척하는 2차 세척 단계; 및 1차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 건조하는 건조 단계를 포함하는 텅스텐 물품의 세척방법을 제공한다.

Description

텅스텐 물품의 세척방법{Method for washing tungsten articles}

본 발명은 텅스텐 물품의 세척방법에 관한 것으로, 특히 표면 조도를 개선할 수 있는 텅스텐 물품의 세척방법에 관한 것이다.

텅스텐은 주기율표 6족에 속하며, 굳고 단단한 백색 또는 회백색의 금속원소이다. 텅스텐은 백색 또는 회백색의 백금 유사 금속으로, α형과 β형의 두 가지가 있는데, 모두 등축정계에 속한다. α형은 공기 중에서 안정하지만, β형은 불안정하여 자연 발화한다. 시중 판매품의 순도는 99.75 내지 99.99%이다. 습한 공기 중에서는 산화된다. 상온에서는 물과 거의 반응하지 않지만, 고온에서는 산화물이 된다. 묽은 황산이나 묽은 염산에 넣고 온도를 높이면 약간 침식된다. 높은 온도의 진한 질산에 잘 녹고, 왕수와 반응한다. 고체 수산화 알칼리를 가열해 녹인 액체에 넣어도(알칼리 융해) 잘 녹는다. 텅스텐은 지구상에 비교적 널리 존재하지만, 양은 그다지 많지 않다. 클라크수는 제26위이다. 주로 회중석(CaWO₄), 철망간중석(Fe·Mn)WO₄ 등의 텅스텐산염석의 형태로 산출되고, 아시아의 태평양 연안, 북아메리카 등에 풍부한 광맥이 있다. 철망간중석을 알칼리 융해하거나 회중석을 염산으로 처리하면, 산화 텅스텐 수화물이 만들어진다. 이것을 원료로 하여, 수소기류 속에서 700℃ 이상, 또는 탄소와 1,100℃ 이상으로 가열하거나, 규소, 나트륨, 마그네슘 등의 금속과 함께 가열하면, 텅스텐 분말을 얻는다. 주로 텅스텐강, 고속도강 등의 합금을 제조하는 데에 사용되며, 순수한 텅스텐은 백열전구나 진공관의 필라멘트, 용접용 전극, 전기 접점 등과 같은 전기 분야에서 사용된다. 또한 탄화물은 대단히 단단하여 기계 공구에 사용된다.

텅스텐 도가니 및 기타 소형 부품들은 다음과 같은 공정을 거쳐 제조된다. 1차적으로 분말을 몰드에 충진을 하게 되고, 성형 과정을 거친 후 가공을 하며, 소결과정을 거치고 다시 재가공을 하게 된다. 소결 후 가공을 할 때, 텅스텐의 경우 난가공의 소재로서, 표면의 조도가 균일하지 못하게 되며, 이로 인해 품질적인 측면에서 떨어지게 된다.

대한민국 특허 공개 제2005-24829호에는 텅스텐 와이어의 세척방법 및 그 장치가 개시되어 있다. 이 종래기술에 따르면 전기 세척 공정에서 표면 흑화 현상을 개선할 수 있으나, 표면 조도를 개선하기는 힘들다. 또한, 상기 종래기술은 텅스텐 와이어에만 적용이 가능한 기술로서, 다른 부품들에는 적용이 불가능하다.

본 발명의 목적은 여러 가지 물품에 적용 가능하고, 특히 표면 조도를 개선할 수 있는 텅스텐 물품의 세척방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 텅스텐 물품을 염산, 질산 및 불산을 함유하는 1차 전해액에서 전해 연마하는 1차 전해 연마 단계; 1차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척하는 1차 세척 단계; 1차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 함유하는 2차 전해액에서 전해 연마하는 2차 전해 연마 단계; 2차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척하는 2차 세척 단계; 및 2차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 건조하는 건조 단계를 포함하는 텅스텐 물품의 세척방법을 제공한다.

본 발명에서 1차 전해액은 물 675 ㎖를 기준으로 염산 30±5 ㎖, 질산 15±5 ㎖ 및 불산 30±5 ㎖를 함유하고, 텅스텐 물품 1 ㎤당 20±5 ㎖의 1차 전해액을 사용하며, 1차 전해액의 온도는 50 내지 80℃이고, 1차 전해 연마의 총 시간은 300±50초이며, 10초당 5±2 A/㎠의 전류를 상승시키고, 최대 전류 값이 50±5 A/㎠에 도달했을 때 150±50초를 유지시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서 2차 전해액은 물 500 ㎖를 기준으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 10±3 g을 함유하고, 2차 전해 연마 단계에서 1 A/㎠에서 30±5 A/㎠까지 전류를 300±50초 동안 상승시키며, 30±5 A/㎠에서 180±50초를 유지시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서 1차 세척 단계 및 2차 세척 단계는 순환펌프가 장착된 수조에 텅스텐 물품을 넣고 물을 순환시켜 세척하고, 세척시간은 300 내지 1,000초이며, 건조 온도는 100±20℃인 것이 바람직하다.

본 발명에서 텅스텐 물품의 최종 표면 조도는 Ra 조도로서 0.01 내지 0.3 ㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 기계적 가공 대비 짧은 작업시간 동안 제품의 표면 조도를 개선하고 이물질을 완벽하게 제거함으로써, 텅스텐 물품의 품질을 개선하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 이뿐만 아니라, 제품의 원가 역시 종래 대비 약 7% 정도를 절감할 수 있어서, 경제적 유용성이 매우 우수하다.

또한, 본 발명의 세척과정을 통해 제품의 하자를 용이하게 발견할 수 있고, 매끄럽고 우수한 광택도를 부여할 수 있으며, 표면 조도를 개선하여 전류의 흐름을 균일하게 유지시킴으로써 제품의 수명 및 교체주기를 연장할 수 있다. 아울러, 각종의 기름 및 먼지 등이 완벽하게 제거되므로, 제조 및 사용자 모두의 만족감을 구현할 수 있다.

도 1 및 도 2는 전해 연마조의 기본 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 텅스텐 물품의 세척방법을 개략적으로 나타낸 전체 공정도이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 텅스텐 물품의 세척방법에 관한 것으로, 세척공정은 텅스텐 물품의 제조과정 중에서 후처리 공정에 속할 수 있다.

본 발명이 적용 가능한 텅스텐 물품은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 텅스텐 도가니, 텅스텐 와이어, 기타 텅스텐 소형 부품에 적용 가능하다. 기타 텅스텐 소형 부품으로는 반도체 공정에 들어가는 텅스텐 이온 임플란트 챔버, 텅스텐 바, 텅스텐 로드, 텅스텐 블록 등을 예시할 수 있다.

텅스텐 물품은 텅스텐 분말을 몰드에 충진하고 가압 성형한 후 소결하여 제조할 수 있고, 이후 본 발명에 따른 세척방법이 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 텅스텐 물품의 세척방법은 크게 1차 전해 연마 단계, 1차 세척 단계, 2차 전해 연마 단계, 2차 세척 단계, 건조 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 텅스텐 물품의 세척방법을 개략적으로 나타낸 전체 공정도로서, 이하 각 단계별로 상세하게 설명한다.

[1차 전해 연마]

1차 전해 연마 단계에서는 텅스텐 물품을 1차적으로 전해 연마한다.

1차 전해 연마에 사용되는 1차 전해액은 염산(Hydrochloric acid, HCl), 질산(Nitric acid, HNO₃) 및 불산(Hydrofluoric acid, HF)을 함유할 수 있다. 즉, 1차 전해액은 염산, 질산 및 불산의 혼합물로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 수용액 형태의 산 혼합물로 구성될 수 있다.

1차 전해액으로 염산, 질산 및 불산의 혼합물을 사용하는 이유는 표면 조도를 개선하기 위함이다. 흔히 텅스텐을 포함하는 고온 금속을 마크로 에칭(Macro Etching)을 하게 될 때, 염산과 질산 및 불산의 혼합물을 사용하게 된다. 텅스텐의 경우 일반적인 산에 반응하기는 하나, 미미한 수준으로 반응을 하게 되므로, 표면의 조도 개선을 위해서는 강산을 사용해야 한다. 흔히 텅스텐을 녹일 수 있을 정도로 강한 산으로 알려진 염산 및 질산과 함께, 반응성이 높은 불산을 첨가할 경우, 표면 조도 개선에 효과적이다. 염산과 질산의 경우 이 혼합물을 왕수라 칭하며, 흔히 텅스텐도 녹일 수 있는 강산으로 알려져 있다. 불산의 경우 약산이지만, 부식성이 크며, 염산과 질산의 촉매제로 작용함으로써, 표면 조도를 효과적으로 개선할 수 있다.

1차 전해액은 염산, 질산 및 불산을 함유하는 수용액으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 표면 조도 개선을 위해, 1차 전해액은 물 675 ㎖를 기준으로 염산 30±5 ㎖, 질산 15±5 ㎖ 및 불산 30±5 ㎖를 함유할 수 있다. 염산과 불산의 경우 같은 함량으로 혼합물을 제조할 수 있다. 질산의 경우, 농도가 많이 짙어지게 되면, 반응성이 높아져서 온도 상승이 빨라지게 되므로, 질산의 경우 염산과 불산보다 적은 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 배합비율과 같은 비율로 양을 늘려서 전해액을 제조할 수 있다.

염산, 질산 및 불산은 각각 물로 희석한 희석 용액의 형태로 혼합할 수 있으며, 상기 함량 범위는 희석 용액을 기준으로 한 것이다. 염산의 경우 35±5% 농도의 희석 용액을 사용할 수 있다. 질산의 경우 68±5% 농도의 희석 용액을 사용할 수 있다. 불산의 경우 40±5% 농도의 희석 용액을 사용할 수 있다.

1차 전해액의 사용량은 제품의 부피에 비례하며, 바람직하게는 텅스텐 물품 1 ㎤당 20±5 ㎖의 1차 전해액을 사용할 수 있다.

1차 전해액의 온도는 바람직하게는 50 내지 80℃일 수 있다. 1차 전해액의 온도가 50℃보다 저온에서 전해연마를 시작해도 되지만, 반응이 가장 활발히 일어나는 온도가 50℃이므로, 1차 전해 연마는 50℃에서 시작하는 것이 바람직하다. 또한, 1차 전해액의 온도가 80℃를 넘어가게 되면, 많은 양의 가스가 발생하게 되므로, 안전상이나 환경적으로 좋지 않다.

1차 전해 연마는 도 1 및 도 2에 예시된 전해 연마조에서 수행될 수 있다. 전해 연마조는 전해액을 수용하는 욕조, 이 욕조에 설치되는 +전극 및 -전극을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 전해액의 순환을 위해, 전해 연마조에는 교반기가 설치될 수 있고, 또한 순환펌프, 파이프라인, 전해액 저장조 등이 전해 연마조에 연결될 수 있다. +전극 및 -전극은 전원공급장치와 연결될 수 있고, 전원공급장치는 전압조절장치, 변압기, 다이오드 등을 구비할 수 있다. 전원공급장치는 최대 60 A 및 60 V까지 인가할 수 있다.

1차 전해 연마는 DC 전류를 이용하여 수행될 수 있다. 텅스텐 도가니 등의 텅스텐 물품은 +전극에 연결될 수 있고, 전해 연마조의 내부에 설치된 동판은 -전극에 연결될 수 있다. 1차 전해 연마는 최초 50℃에서 시작될 수 있다. 50℃의 온도 조건은 전해연마시 표면 거칠기(조도)가 개선되기 시작하는 온도 조건이며, 전해액의 점성이 증가하여 전해연마의 선택적 용해가 더욱 활발히 진행되면서 금속의 가공성을 증가시킨다. 전압이 높아질수록 전해액의 온도는 점점 높아지게 된다. 전해연마 중 전해액의 온도가 80℃를 넘지 않도록 주의해야 한다. 교반기를 사용하여 전해액의 순환이 계속되도록 하여 온도를 유지할 수 있다. 전해액의 온도 상승률은 전압과 제품의 부피에 따라 다를 수 있다.

1차 전해 연마의 총 시간은 바람직하게는 300±50초일 수 있다. 바람직하게는, 10초당 5±2 A/㎠의 전류를 상승시키고, 최대 전류 값이 50±5 A/㎠에 도달했을 때 150±50초를 유지시킬 수 있다. 전해연마시에 전류를 급하게 올리게 되면, 갑작스러운 고반응으로 인하여 안전사고의 문제점이 발생할 수 있으며, 표면의 착색과 같은 반응이 일어나서 제품의 품질이 저하될 수 있으므로, 10초당 5±2 A/㎠의 전류를 상승시는 것이 바람직하다. 또한, 최대 전류 값(50±5 A/㎠)에서 150±50초를 초과하여 반응이 진행되면, 텅스텐 표면에 크랙(Crack) 또는 착색현상이 발생할 수 있으며, 혼합물의 온도가 많이 상승할 수 있다.

[1차 세척 단계]

1차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척함으로써, 1차 전해 연마에서 전해액으로 사용된 염산, 질산 및 불산을 제거할 수 있다. 1차 세척은 세척조에서 수행될 수 있다. 세척조는 물을 수용하는 수조로 구성될 수 있다. 물의 순환을 위해, 물 세척조에 교반기가 설치될 수 있고, 또한 순환펌프, 파이프라인, 저장조 등이 물 세척조에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 1차 물 세척의 경우, 순환펌프가 장착된 수조에 텅스텐 물품을 넣고 물을 계속해서 순환시켜 세척하는 방식을 사용할 수 있다. 세척시간은 300 내지 1,000초일 수 있으며, 최소 300초 이상은 세척을 해주어야 한다. 세척조에서 나오는 물의 경우 폐기물로 분류하여야 하며, 순환펌프를 통해 새로운 물이 계속해서 주입되는 방식을 사용할 수 있다.

[2차 전해 연마 단계]

1차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 2차적으로 전해 연마한다. 2차 전해 연마에 사용되는 2차 전해액은 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 표면 조도 개선을 위해, 2차 전해액은 물 500 ㎖를 기준으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 10±3 g을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 2차 전해 연마 단계에서 1 A/㎠에서 30±5 A/㎠까지 전류를 300±50초 동안 상승시키며, 30±5 A/㎠에서 180±50초를 유지시킬 수 있다. 최대 전류 값이 30±5 A/㎠를 넘어가게 되면, 반응성이 오히려 감소할 수 있다. 나머지 전해 조건은 1차 전해 연마 단계와 동일하거나 유사할 수 있다. 1차 전해 연마를 통해 표면 조도를 대폭 개선할 수 있으며, 2차 전해 연마를 통해 표면 조도를 더욱 개선할 수 있다.

[2차 세척 단계]

2차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척함으로써, 2차 전해 연마에서 전해액으로 사용된 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 제거할 수 있다. 2차 물 세척의 경우도 1차 물 세척 공정과 동일하거나 유사한 조건으로 시행할 수 있다.

[건조 단계]

2차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 건조한다. 건조공정은 전기 버너 등을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 건조공정은 수소 분위기 하에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 건조 온도는 100±20℃일 수 있다. 건조온도가 100±20℃를 초과해도 되지만, 텅스텐의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위해서는, 건조온도가 100±20℃인 것이 바람직하다. 수소 분위기가 아닌 건조로의 경우, 이론상 텅스텐의 산화조건은 600℃부터이지만, 표면의 경우 색이 변할 수도 있기 때문에, 100±20℃의 온도범위에서 건조하는 것이 바람직하다. 건조 공정 이후, 검사 및 포장 공정 등이 수행될 수 있다.

[표면 조도]

본 발명에서 텅스텐 물품의 최종 표면 조도는 Ra 조도로서 0.01 내지 0.3 ㎛인 것을 특징으로 한다. 종래기술(대한민국 특허 공개 제2005-24829호)의 경우, 표면 흑화 현상 개선에는 좋은 효과를 보이지만, 표면 조도를 개선하지는 못한다. 기계적 가공을 거친 물품들의 경우, 표면 흑화 현상보다는 표면 조도를 개선하는 것이 품질 개선 및 기능 유지에 적합하다. 본 발명은 이에 착안하여 NaOH 또는 KOH 수용액이 아닌 HCl, HNO₃, HF 수용액에서 1차 전해연마를 시행한 후, 2차 세정의 목적으로 NaOH 수용액에서 전해연마를 진행함으로써, 표면 조도를 획기적으로 개선할 수 있다.

[실시예]

텅스텐 물품으로서 텅스텐 도가니를 사용하였다.

먼저, 35% 염산 30 ㎖, 68% 질산 15 ㎖ 및 40% 불산 30 ㎖를 혼합한 후, 675 ㎖의 증류수와 배합하여 1차 전해액을 제조하였다. 텅스텐 도가니는 +전극에 연결하고, 전해 연마조의 내부에 설치된 동판은 -전극에 연결하였다. 텅스텐 도가니 1 ㎤당 20 ㎖의 1차 전해액을 사용하였다. 1차 전해 연마는 DC 전류를 이용하여 최초 50℃에서 시작하였다. 1차 전해연마는 총 300초 동안 진행하였고, 10초당 5 A/㎠의 전류를 상승시켰다. 전류 최대치를 50 A/㎠ 정도로 하고 전류를 상승시켜 50 A/㎠에 도달했을 때 150초 동안 유지시켰다.

다음, 1차 전해 연마를 거친 텅스텐 도가니를 순환펌프가 장착된 수조에 넣고, 물을 계속해서 순환시키면서 500초 동안 세척하여 염산, 질산 및 불산을 제거하였다.

다음, 1차 세척 단계를 거친 텅스텐 도가니에 대하여, 수산화나트륨 10 g 및 물 500 ㎖를 배합하여 제조한 2차 전해액을 이용하여 2차 전해 연마를 수행하였다. 2차 전해 연마 단계에서는 1 A/㎠에서 30 A/㎠까지 전류를 300초 동안 상승시켰고, 30 A/㎠에서 180초를 유지하였다.

다음, 2차 전해 연마를 거친 텅스텐 도가니를 순환펌프가 장착된 수조에 넣고, 물을 계속해서 순환시키면서 500초 동안 세척하여 수산화나트륨을 제거하였다.

다음, 2차 세척 단계를 거친 텅스텐 도가니를 전기 버너를 이용하여 약 100℃에서 건조하였다.

[시험예]

실시예의 텅스텐 도가니에 대해 표면 조도를 측정하였다. 표면 조도는 조도 측정기를 텅스텐 도가니 표면에 대고 측정하였으며, Ra 조도로서 측정하였다.

처리 전 표면 조도	Ra 0.584 ㎛
1차 전해연마 후 표면 조도	Ra 0.281 ㎛
2차 전해연마 후 표면 조도	Ra 0.238 ㎛

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 1차 전해연마 후의 표면 조도는 처리 전 조도 값의 절반 이하로 대폭(약 0.3 ㎛ 정도) 개선되었으며, 2차 전해연마 후에도 표면 조도가 소폭(약 0.05 ㎛ 정도)으로 개선되었다.

Claims

텅스텐 물품을 염산, 질산 및 불산을 함유하는 1차 전해액에서 전해 연마하는 1차 전해 연마 단계;
1차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척하는 1차 세척 단계;
1차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 함유하는 2차 전해액에서 전해 연마하는 2차 전해 연마 단계;
2차 전해 연마를 거친 텅스텐 물품을 물로 세척하는 2차 세척 단계; 및
2차 세척 단계를 거친 텅스텐 물품을 건조하는 건조 단계를 포함하며,
1차 전해액은 물 675 ㎖를 기준으로 염산 30±5 ㎖, 질산 15±5 ㎖ 및 불산 30±5 ㎖를 함유하고, 텅스텐 물품 1 ㎤당 20±5 ㎖의 1차 전해액을 사용하며, 1차 전해액의 온도는 50 내지 80℃이고, 1차 전해 연마의 총 시간은 300±50초이며, 10초당 5±2 A/㎠의 전류를 상승시키고, 최대 전류 값이 50±5 A/㎠에 도달했을 때 150±50초를 유지시키는 것을 특징으로 하는 텅스텐 물품의 세척방법.
삭제
제1항에 있어서,
2차 전해액은 물 500 ㎖를 기준으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 10±3 g을 함유하고, 2차 전해 연마 단계에서 1 A/㎠에서 30±5 A/㎠까지 전류를 300±50초 동안 상승시키며, 30±5 A/㎠에서 180±50초를 유지시키는 것을 특징으로 하는 텅스텐 물품의 세척방법.
제1항에 있어서,
1차 세척 단계 및 2차 세척 단계는 순환펌프가 장착된 수조에 텅스텐 물품을 넣고 물을 순환시켜 세척하고, 세척시간은 300 내지 1,000초이며, 건조 온도는 100±20℃인 것을 특징으로 하는 텅스텐 물품의 세척방법.
제1항에 있어서,
텅스텐 물품의 최종 표면 조도는 Ra 조도로서 0.01 내지 0.3 ㎛인 것을 특징으로 하는 텅스텐 물품의 세척방법.