KR20000000705A

KR20000000705A - 고압 분위기에서 고상-기상 반응에 의한 고체윤활제의 합성방법및 합성장치

Info

Publication number: KR20000000705A
Application number: KR1019980020475A
Authority: KR
Inventors: 신동우; 윤대현
Original assignee: 윤대현; 나노세라믹스 주식회사
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 2000-01-15
Also published as: KR100280771B1

Abstract

본 발명은 50O℃ 이상의 고온 및 10^-5torr 이하의 진공 분위기에서도 윤활효과를 나타내는 고체윤활제의 합성방법 및 합성장치에 관한 것으로, 특히 4B족 또는 5B족 전이금속 분말과 6A족 원소 분말을 일정한 몰비로 혼합한 원료분말을 고압분위기에서 교반을 하면서 반응시켜 WS₂, MoS₂, WSe₂등의 디찰코게나이드(dichalcogenide)계 고체윤활제 분말을 합성하는 방법과 이에 사용된 장치에 관한 것이다.

텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탈륨(Ta) 등의 4B족 또는 5B족 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se), 텔륨(Te) 등의 6A족 원소를 1 : 2.2∼3.0의 몰비로 균일하게 혼합한 원료분말을 반응드럼(1)내에 투입한 후, 개폐식 밸브( 3 )의 반복조작으로 반응드럼( 1 )의 내부를 일정한 고압으로 유지하며 모터( 6 )로 반응드럼( 1 )을 교반시키면서 약 800∼1000℃에서 2 시간 이하로 열처리하여 고체윤활제를 합성하였다.

기존의 원료분말을 진공 용기속에서 열처리하는 방법, 전이금속 산화물에 H₂S 가스를 흘려주며 반응시키는 방법, 전이금속 산화물을 수용성염으로 전환시켜6A족을 포함하는 염과 반응시킨 후 침전시키는 방법과 달리, 공정을 단순화시켜서 생산설비 및 생산비를 절감할 수 있으며 대량 생산이 가능하다.

Description

고압 분위기에서 고상-기상 반응에 의한 고체윤활제의 합성 방법 및 합성장치

일반적으로 자기 윤활성이 있는 층상 디찰코게나이드(dichalcogenide)계 무기물질이란 4B족 또는 5B족 전이금속과 6A족 원소가 결합한 화합물을 일컫는다. 이러한 디찰코게나이드계 무기물질에는 WS₂, MoS₂, NbS₂, TaS₂, WSe₂등이 있으며 고온및 고진공 분위기에서도 윤활효과를 나타내어 고체윤활제로 이용되고 있다. 고체윤활제의 윤활성능은 분말의 입자형상에 의해 좌우된다. 디찰코게나이드계 무기물질은 흑연과 유사한 층상 구조를 가지고 있으며 층 내에서는 4B족 또는5B족 전이금속과 6A족 원소가 강한 공유결합을 하고, 층과 층사이는 6A족 원소간에 약한 반데르발스 결합을 하고 있다. 따라서 전단력을 받을 때, 약한 반데르발스 결합을 하고 있는 층과 층사이에 미끄러짐이 일어나 윤활효과를 나타내게 된다. 그러므로 우수한 윤활효과를 나타내는 고체윤활제를 얻기 위해서는 잘 발달된 육각판상형의 층상구조를 가지는 분말의 획득이 중요하다.

종래의 경우에 있어서, 이러한 디찰코게나이드계 무기물질은 원료분말을 진공 상태로 밀폐한 후 고온 열처리하는 방법, 전이금속 산화물과 H₂S 가스와의 고상-기상 반응을 이용한 방법, 염형태의 전이금속 산화물을 수용성염으로 전환시켜 6A족을 포함하는 염과 반응시킨 후 침전시키는 방법 등으로 제조되었다.

원료분말을 상온에서 반응용기 내에 투입하고 반응용기를 진공으로 밀폐하여 900℃ 이상의 고온에서 열처리하는 방법은 진공 분위기를 만들기 위한 여러 단계의 공정이 필요하며 1주일 이상의 반응시간이 요구될 뿐 아니라 반응용기의 재사용이 불가능하다는 단점이 있으며, 전이금속 산화물과 H₂S 가스와의 고상-기상 반응은 고가이면서 유독성인 H₂S 가스를 장시간 흘려주어야 하므로 생산비가 많이 소요될 뿐 아니라 재해의 위험 때문에 공업적인 대량생산이 불가능한 문제점이 있다. 그리고 염 형태의 전이금속 산화물을 수용성염으로 전환시켜 6A족을 포함하고 있는 염과 반응시킨 후 침전시키는 방법은 염 형태의 전이금속 산화물이 잔존하며 생성물이 비정질형태이므로 결정질을 얻기 위하여 다시 고온에서 열처리해야하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 4B족 또는 5B족 전이금속 분말과 6A족 원소 분말을 혼합한 원료분말을 고압 분위기에서 교반을 하면서 반응시켜 WS₂, MoS₂, WSe₂등의 디찰코게나이드계 고체윤활제 분말을 합성하는 방법과 이에 사용된 장치를 제공하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 일정한 몰비로 혼합한 원료분말을 고압 분위기에서 교반을 하면서 800∼1000℃에서 2 시간 이하로 반응시킨 보다 간편한 방법으로 짧은 시간내에 윤활특성이 우수한 육각 판상형이 잘 발달된 고체윤활제를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 반응용기의 재사용이 가능하며 설비 및 생산비를 절감할 수 있는 고체윤활제 분말의 염가양산제조 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 합성장치의 개략도

도 2는 고압 분위기를 위한 압력조절 부분의 상세도

도 3은 본 발명에 따른 합성 WS₂의 XRD 분석 선도

도 4는 본 발명에 따른 합성 WS₂의 주사전자현미경(SEM) 사진

도 5는 본 발명에 따른 합성 WS₂의 입도 분석 선도

도 6은 본 발명에 따른 합성 MoS₂의 XRD 분석 선도

도 7은 본 발명에 따른 합성 MoS₂의 주사전자현미경(SEM) 사진

도 8은 본 발명에 따른 합성 MoS₂의 입도 분석 선도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 반응드럼, 2 : 가스배출관, 3 : 개폐식 밸브, 4 : 안전밸브, 5 : 압력계, 6 : 모터, 7 : 열전대, 8 : 기어, 9 : 전기로, 10 : 발열체, 11 : 컨트롤박스

상기한 목적을 실현하기 위해서, 본 발명은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탈륨(Ta) 등의 4B족 또는 5B족 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se), 텔륨(Te)등의 6A족 원소를 1 : 2.2∼3.0의 몰비로 균일하게 혼합한 원료분말을 고압 분위기에서 교반을 하면서 약 800∼1000℃에서 2 시간 이하로 열처리하여 고체윤활제를 합성하였다.

한편 첨부 도면 제 1 도는 본 발명에 따라 고체윤활제를 합성하는데 사용되는 합성장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며 제 2 도는 일정한 고압을 유지하기 위한 압력조절 부분의 상세도이다. 제 1 도에 의하면 합성장치는 고압을 유지하기 위하여 개폐식 밸브( 3 )와 안전밸브( 4 ) 그리고 압력계( 5 )로 구성된 압력조절 부분이 부착된 가스배출관( 2 )이 연결된 반응드럼(1)을 적재하고 있다. 상기반응드럼( 1 )의 한 측면은 교반을 하기 위하여 기어( 8 )를 설치하여 모터( 6 )와 체인밸트로 연결하였다. 열처리를 위한 전기로( 9 )는 열전대( 7 )와 발열체( 10 )로 구성되었으며 (11)은 컨트롤 박스이다.

반응드럼( 1 )은 1000℃까지 견딜 수 있는 두께 5 mm의 스테인리스강(SUS)으로 지름 200 mm, 길이 600 mm의 크기의 원통형에 회전이 가능하도록 길이 방향으로 양측면에 회전축을 접합하였다. 한쪽( 1a )은 지름 40 mm의 봉으로 접합하고 끝에 기어( 8 )를 부착하였으며, 다른 한쪽( 1b )은 원료분말의 투입과 반응생성물의 수거를 위하여 바깥지름 40 mm, 안지름 20 mm의 환봉으로 접합하였다.

가스배출관( 2 )은 개폐식 밸브( 3 ), 안전밸브( 4 ), 압력계( 5 )를 장착하여 개폐식 밸브( 3 )의 반복조작에 의해 반응드럼( 1 )의 내부를 일정고압으로 유지하고 이상 압력 발생시 자동으로 안전밸브( 4 )가 열려 폭발을 방지할 수 있도록 하였다. 특히 나사형식으로 하여 반응드럼( 1 )의 환봉으로 된 부분( 1b )에 장탈이 가능하도록 구성하였다.

반응드럼( 1 )의 교반을 위하여, rpm 조절이 가능한 모터( 6 )를 장착하고 축 베어링과 축 기어를 이용하여 반응드럼( 1 )에 부착된 기어( 8 )와 연결하였다. 전기로( 9 )는 발열체( 10 )로 칸탈을 사용하였으며 반응드럼( 1 )의 장탈이 용이하도록 개폐식으로 구성하였다.

본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저 일정몰비로 균일하게 혼합한 원료분말을 반응드럼( 1 )속에 투입한 후, 가스배출관( 2 )을 반응드럼( 1 )의 환봉부( 1b )에 연결하고 전기로( 9 )에 장착한다. 고른 반응과 반응시간을 단축하기 위하여, 모터( 6 )를 작동시켜 7rpm의 속도로 반응드럼( 1 )을 회전시키며 전기로( 9 )의 온도를 서서히 승온시킨다. 처음에는 반응드럼( 1 ) 내에 존재하는 산소를 제거하기 위하여 여분으로 첨가한 황과 산소를 반응시켜, 가스배출관( 2 )에 연결된 개폐식 밸브( 3 )가 열린 상태에서 서서히 가열하여 아황산가스를 배출한다. 반응이 어느 정도 진행되어 산소가 제거되면 개폐식 밸브( 3 )를 잠근다. 반응이 일어나는 동안 반응드럼( 1 )의 내부를 일정고압으로 유지하기 위하여 압력계( 5 )를 보며 개폐식 밸브( 3 )의 열고 닫는 조작을 반복한다. 800∼1000℃에서 2시간 이하로 유지 후 반응드럼( 1 )을 계속 회전시키며 서서히 노냉시킨다.

[실시예 1]

WS₂고체윤활제의 제조를 위하여, 원료로 텅스텐( >순도 99.9%, 평균입도0.64 μm, 대한중석(주))과 황( > 순도 99.5%, 미원상사(주))을 사용하였다. 플라스틱 용기에 텅스텐과 황을 몰비로 1 : 2.2∼3.0으로 평량하여 투입하고 테프론 볼을 장입한 후, 건식 회전 혼합 방식으로 24 시간 혼합하였다. 반응드럼( 1 )에 혼합된 분말을 4 kg 장입하고 가스배출관( 2 )을 연결하였다. 반응드럼( 1 )을 전기로( 9 )에 장착한 후, 개폐식 밸브( 3 )를 열고 7 rpm의 속도로 반응드럼( 1 )을 회전시키며 5℃/min의 속도로 가열하였다. 800∼1000℃까지 온도가 올라가는 동안 개폐식밸브( 3 )의 개폐에 의해 반응드럼( 1 )의 내압을 일정하게 유지하며 반응시켰다. 800∼1000℃에서 2시간 이하로 유지하고 로냉하였다. 반응생성물을 수거하고 체가름 하여 XRD, SEM, 입도분석을 하였다.

제 3도는 합성 WS₂고체윤활제의 X-선 회절분석(XRD) 결과이다. CuKα X-ray로 분석하였으며 반응생성물은 2H-WS₂결정상의 peak 위치와 일치하였다. 반응하지 않은 텅스텐이나 텅스텐 산화물은 존재하지 않음을 확인하였다.

제 4도는 합성 WS₂의 주사전자현미경(SEM) 사진으로 육각판상형의 고체윤활제 분말이 형성되었음을 보여주고 있다.

제 5도는 입도분석기를 이용한 합성 WS₂의 입도 분석 결과이다. 평균 입자 크기는 약 15 ㎛ 이며 입자는 0.5∼50 ㎛ 사이의 분포를 하고 있음을 알 수 있다.

[실시예 2]

MoS₂고체윤활제의 제조를 위하여, 원료로 몰리브덴과 황을 사용하였다. 플라스틱 용기에 몰리브덴과 황을 몰비로 1 : 2.2∼3.0으로 평량하여 투입하고 테프론 볼을 장입한 후, 건식 회전 혼합 방식으로 24 시간 혼합하였다. 반응드럼( 1 )에 혼합된 분말을 4 kg 장입하고 가스배출관( 2 )을 연결하였다. 반응드럼( 1 )을 전기로( 9 )에 장착한 후, 개폐식 밸브( 3 )를 열고 7 rpm의 속도로 반응드럼( 1 )을 회전시키며 5℃/min의 속도로 가열하였다. 800∼1000℃까지 온도가 올라가는 동안 개폐식 밸브( 3 )의 개폐에 의해 반응드럼( 1 )의 내압을 일정하게 유지하며 반응시켰다. 800∼1000℃에서 2시간 이하로 유지하고 로냉하였다. 로냉 동안에 계속반응드럼( 1 )을 회전시켰다. 반응생성물을 수거한 후, 체가름을하여 XRD, SEM, 입도분석을 하였다.

제 6도는 합성 MoS₂의 X-선 회절분석(XRD) 결과이다. CuKα X-ray로 분석하였으며 반응생성물은 2H-MoS₂결정상의 peak 위치와 일치하였다. 반응하지 않은 몰리브덴이나 몰리브덴 산화물은 존재하지 않음을 확인하였다.

제 7도는 합성 MoS₂의 주사전자현미경(SEM) 사진으로 육각판상형의 고체윤활제 분말이 형성되었음을 보여주고 있다.

제 8도는 입도분석기를 이용한 합성 MoS₂의 입도 분석 결과를 도시하였다. 평균 입자 크기는 약 16 ㎛를 이며 입자는 0.5∼50 ㎛ 사이의 분포를 하고 있음을 알 수 있다

상기와 같이 본 발명에 따른 합성방법과 합성장치를 이용하여 고압 분위기에서 고상-기상 반응에 의해 제조된 WS₂와 MoS₂고체윤활제는 2H-WS₂와 2H-MoS₂결정상을 가지는 육각판상형의 입자를 나타내었다.

상기한 바와 같이 본 발명은 기존의 원료분말을 진공 용기속에서 열처리하는 방법, 전이금속 산화물에 H₂S 가스를 흘려주며 반응시키는 방법, 전이금속 산화물을 수용성염으로 전환시켜 6A족을 포함하는 염과 반응시킨 후 침전시키는 방법과 달리, 공정을 단순화시켜서 생산설비 및 생산비를 절감할 수 있으며 대량 생산이 가능하다.

현재 미국이나 일본에서는 고체윤활제를 정밀기계류 및 고부가가치 항공기부품 등에 광범위하게 적용하고 있다. 제조업의 기술 고도화 추세에 따라 정밀기계류, 고부가가치 제품의 수요가 증대되고 있으며 이에 따라 고체윤활제의 수요 또한 증대되고 있다. 그러나 국내에서는 고체윤활제를 전량 수입에 의존하므로 가격이 비싸서 광범위하게 적용하지 못하고 있다.

본 발명으로 고체윤활제의 염가 대량 생산이 가능하여 건식 고체윤활제의 국산화를 이룰 수 있으며, 가격을 낮출 수 있어 연관 기계 부품에 광범위하게 적용가능하다.

Claims

디찰코게나이드계 고체윤활제를 제조함에 있어서, 텅스텐 분말 또는 몰리브덴 분말과 황 분말을 1: 2.2∼3.0 의 몰비로 혼합한 원료분말을 일정 고압 분위기에서 교반을 하면서 800∼1000℃에서 2 시간 이하로 열처리하여 텅스텐 또는 몰리브덴과 황의 고상-기상 반응에 의해 WS₂및 MoS₂고체윤활제 분말을 합성하는 방법.
원료 혼합 분말을 고압 분위기에서 교반을 하면서 반응시키기 위하여, 측면에 개폐식 밸브( 3 )와 안전밸브( 4 ) 그리고 압력계( 5 )로 구성된 압력조절장치를 연결한 가스배출관( 2 )과 기어( 8 )가 장착된 반응드럼( 1 )에 원료분말을 투입하고 발열체( 10 )와 열전대( 7 )로 구성된 전기로( 9 )에 장착한 후, 회전속도 의 조절이 가능한 모터( 6 )에 연결하여 교반을 하면서 컨트롤 박스( 11 )에서 제어하며 고체윤활제를 합성하는 장치.
제 2항에 있어서, 반응이 일어나는 반응드럼( 1 )의 내부를 일정한 고압으로 유지하기 위하여, 개폐식 밸브( 3 )와 안전밸브( 4 )가 장착된 가스배출관( 2 )을 나사형식으로 반응드럼( 1 )의 환봉부( 1b )에 연결하여 개폐식 밸브( 3 )의 개폐조작의 반복에 의해 반응드럼( 1 )의 내부를 일정 고압으로 유지하는 장치.