KR20010008459A - 금속 황화물 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 황화물을 제조하기 위한 방법에 있어서, 용기에 강성이 있는 볼과 함께 합금시키고자 하는 황 및 1이상의 금속 성분의 분체상 또는 알갱이상 원료를 넣고, 이 용기를 회전시키거나 또는 용기 내부에 있는 회전체를 돌려 충격흡수와 분쇄-접합-분쇄 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 금속 황화물의 제조 방법이다.

본 발명은 기계적 합금화법을 이용하여 금속과 황을 원료로 다른 중간 단계나 부산물을 만들지 않고 직접 금속 황화물을 제조함으로써 폐액 처리 등 환경 문제에 효율적으로 대처할 수 있을 뿐만 아니라 시간적, 경제적 이점도 도모할 수 있는 우수한 제조 방법이다.

Description

금속 황화물 제조 방법{A method of producing metal sulfides}

금속 황화물은 금속과 황이 결합하여 형성된 화합물의 총칭으로, 대표적인 것으로는 FeS, MnS, MoS₂, CuS, WS₂등이 있다. 이와 같은 금속 황화물들은 그 비금속적 특성과 윤활 특성으로 인하여 금속, 기계 분야를 비롯하여 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.

종래에는 대부분의 자연에 존재하는 광물들이 산화물이나 황화물로서 존재하기때문에 황화물이나 황산화물로 존재하는 금속의 경우, 제련이나 정련 과정 중에 부산물로 얻어지기도 하고 산화물 또는 수산화물을 반응시켜 황화물을 얻은 다음에 정제하여 사용하였다. 또한 황산화물을 열분해하여 황화물을 얻는 열분해법이 사용되기도 한다.

그러나 이와 같은 종래의 제조법들은 제조과정 중에 폐액, 폐가스 등 별도로 처리하지 않으면 안되는 공해 물질 등이 필연적으로 발생하게 되고, 순도를 높이기 위한 정제과정 중에 많은 어려움이 있어왔으며, 제조 공정이 길고 복잡하게 됨에 따라 제조기간도 길어 경제적으로도 매우 고가로 제조되어 왔다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술에서의 어려움을 해결하고, 보다 쉽고 단시간 내에 금속 황화물을 제조하기 위한 것이다. 즉, 기존의 화학적인 접근에서와 달리 기계-금속학적인 접근으로, 윤활제, 이형제 등으로 금속, 기계 분야를 비롯하여 전자, 요업, 산업 기기 분야 전반에 널리 사용되고 있는 금속 황화물을 효율적으로 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 기계적 합금화 장치의 계략도를 나타내고,

도 2는 기계적 합금화 시간에 따라 A, B 2성분 분말이 합금화 되어가는 과정의 모식도를 나타내며,

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 철-황 성분계에서의 기계적 합금화 시간에 따른 합금화 정도를 나타내고,

도 4는 본 발명의 실시예인 철-황 성분계에서 기계적 합금화 시간에 따른 합금화 과정의 X선 회절 분석도를 나타내며,

도 5는 수평식 볼밀링 장치를 나타내고,

도 6은 본 발명의 실시예인 중석-황 성분계에서의 기계적 합금화 시간에 따른 합금화 정도를 나타낸다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 … 아트리터 자 2 … 볼

3 … 피합금 대상 성분 4 … 회전체

5 … 회전체 구동장치 6 … 회전축

7 … 볼밀 자

본 발명은 금속 황화물을 제조하기 위한 방법에 있어서, 용기에 강성이 있는 볼과 함께 합금시키고자 하는 황 및 1이상의 금속 성분의 분체상 또는 알갱이상 원료를 넣고, 이 용기를 회전시키거나 또는 용기 내부에 있는 회전체를 돌려 충격흡수와 분쇄-접합-분쇄 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 금속 황화물의 제조 방법이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기계적 합금화법을 이용하여, 종래에 화학법이나 열분해법 등에 의해 제조되어 오던 금속 황화물을 제조하기 위한 것이다. 이 기계적 합금화법은 합금화에 필요한 구동력을 외부에서 기계적인 에너지를 공급하기 때문에 붙여진 이름으로서, 1970년에 초내열합금에 최초로 시도되었다. 상기 기계적 합금화 방법은 용융 상태의 액상 반응이 아닌 고상 반응으로 2종 이상의 금속이나 비금속의 성분을 미세하고 균일하게 합금 시킬 수 있는 방법으로, 성분 간 고용도가 없어 기존의 합금법을 적용할 수 없거나, 비금속과 금속간 결합을 하여야 하는 경우에 사용될 수 있는 합금법으로 유효성이 인증된 신규한 제조 방법이다. 이 방법은 경우에 따라서 비정질상이나 금속간 화합물의 제조에도 응용되고 있다.

본 발명은 도 1에서와 같은 아트리터 자(1) 속에 강성이 있는 볼(2)과 함께 합금시키고자 하는 황 및 1이상의 금속 성분 원료(3)를 넣는다.

본 발명에서 사용되는 원료로서는 분체상의 것이 바람직하다. 원료의 형태가 덩어리 또는 알갱이인 것이 사용될 수 있으나, 초기 원료의 입도가 굵으면 굵을수록 화합물을 형성하는데 소요되는 시간이 길어지게 된다. 따라서, 적정 원료의 크기는 금속의 경우는 60 메쉬 이하, 황의 경우는 150 메쉬 이하가 바람직하다.

이외에도 합금하고자 하는 원료는 순수 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 따라서, 1 금속성분의 황화물 뿐만 아니라 복합적인 조성의 금속 황화물의 제조도 가능하다.

종래의 공법에서는 특정한 성분비로 제조하는 것이 불가능하거나 또는 부가적인 공정을 요구하였지만, 본 발명에 의한 제조 방법은 어떠한 성분비일지라도 미리 정확하게 계량하여 원하는 성분비를 조절할 수가 있다. 본 발명에서는 제조된 금속 황화물 중 금속과 황의 화합물 또는 금속과 황의 혼합물이 50% 이상으로 포함되도록 성분비를 조절하는 것이 바람직하다. 금속 황화물이나 황화물을 포함한 황화물의 양이 50% 미만이 될 경우 다른 불순물의 영향으로 인하여 윤활 특성 등 본래의 기능을 나타내지 못하기 때문이다.

이어서, 상기 원료가 투입된 아트리터 자(1)를 회전시키거나 또는 아트리터 자 내부에 있는 회전체(4)를 돌려, 회전력인 기계적인 에너지가 강성을 가진 볼(2)의 충격에너지로 피합금 대상의 성분(3)에 전달됨으로써, 도 2에 나타낸 바와 같이 어느 정도의 시간이 경과하면 피대상 합금 성분인 황(A)과 금속 성분(B)은 충격 흡수와 분쇄-접합-분쇄 과정을 반복하게 되면서 균일한 조성의 합금 또는 화합물을 형성하고, 경우에 따라서는 금속간 화합물이나 비정질합금이 형성한다.

종래에는 금속 황화물을 금속의 정제 과정 중에서 얻은 부산물을 주로 하여 화학적인 방법에 의존하여 만들었기 때문에 제조과정이 복잡하고 특히 고순도의 활화물이 필요한 경우, 순도를 높이기 위한 정제에 많은 노력이 들었으나, 본 발명에 의한 제조 방법에서는 고순도의 원료를 사용하기 때문에 정제의 필요가 적고 기계적 합금화법에 의해서 금속 황화물을 제조하게 되므로 단지 금속과 단체황을 기계적 합금화를 실시하기 위하여 도 1 또는 도 5에 나타낸 합금화 장치의 용기((1) 또는 (7))에 넣고 회전시켜 기계적 에너지를 가하기만 하면 되기 때문에 항상 균일한 조성과 우수한 품질의 황화물을 미분 상태로 손쉽게 제조하는 것이 가능하다. 또 이때 제조과정 중에 발생하는 어떤 부산물이나 공해물질, 이를테면 폐액이나 폐가스 등의 발생 없이 금속 황화물을 제조하는 것이 가능하다.

이와 같은 기계적 합금화법을 이용한 금속 황화물 제조의 실시예는 다음과 같으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1에서와 같은 아트리터 자(1)에 -100메쉬 크기의 철분(Fe) 100g 및 상기 철분과 원자중량으로 1 : 1에 해당되는 단체 황(S) 57.4g(3)을 아트리터자 용량의 50%에 해당하는 1/4인치 크기의 철계 강구(2) 3㎏과 함께 넣고, 뚜껑을 덮은 후 불활성 가스를 충전한 다음, 회전체(4)를 600rpm으로 회전시키고 기계적 에너지를 가하여 황화철(FeS)을 제조하였다. 이 때 합금화 정도는 5시간에서 약 20%, 10시간에서 약 50%, 20시간에서 약 80%가 진행되는 결과를 얻었으며, 30시간 이후에서는 100%의 진척을 나타내었다(도 3참조).

또한 이 경우 도 4에서 알 수 있는 것과 같이 X-선 회절법에 의한 확인에서도 30시간에서 모두 황화철로 합금화 된 것으로 판명되어 쉽게 합금화가 될 수 있음을 알 수 있다.

실시예 2

도 5에서와 같은 볼밀 자(7)에 자 용량의 35%에 해당하는 중석분(W) 3.0㎏ 및 상기 중석분과 원자중량으로 1 : 2에 해당하는 단체 황(S) 1.046㎏을 탄화 중석계 ø15mm 초경볼(7) 30㎏과 함께 넣고, 뚜껑을 덮은 후 불활성 가스를 충전한 다음, 120rpm의 속도로 회전시키고 기계적인 에너지를 가하여, 황화중석(WS₂)을 제조하였다. 이 때 합금화 정도는 50시간에서 30%, 100시간에서 50%, 250시간이 경과하면서 75%가 진행되었으며, 370시간 이후에는 100%의 진척을 나타내었다(도 6참조).

상기 실시예에서처럼 기계적 합금화법에 의해서 산소와의 친화력이 적은 철은 물론 산소와의 친화력이 높고 융점이 높은 중석(텅스텐)의 경우도 쉽게 황화물을 형성하는 것으로 나타났으며, 이와 같은 점에서 볼 때 중석보다 융점이 낮고 산소와 친화력이 유사하거나 작아 합금화가 용이한 Mo, Cu, Mn 등 대부분의 금속에서 금속 황화물의 제조가 가능한 것으로 추론될 수 있다.

본 발명에 의해 금속 황화물을 제조할 경우의 이점은 다음과 같다.

첫째, 고순도의 금속 황화물을 경제적으로 만들 수 있다. 종래의 방법과 비교하여 정제의 노력이 줄어들어 그 만큼 고순도의 황화물을 제조하는데 경제적이 된다.

둘째, 단일 또는 복합 금속 황화물을 만드는것이 가능하다. 종래의 방법은 불순물로 혼입되는 경우를 제외하고는 복합 황화물을 만드는 것이 곤란하였으나 본 발명을 사용하면 원료분의 조합에 의해 합금의 고용도 여부나 비중차, 융점 차이 등 합금간 개연성이 없는 어떠한 경우라도 추가적인 공정 없이 쉽게 복합 금속 황화물을 만드는 것이 가능하다.

셋째, 제조과정 중에 폐액이나 폐가스 등의 환경오염을 해치는 부산물이 없다. 제조 과정이 단순하고 액상물질이나 가스상 물질을 전혀 사용하지 않으므로 환경 친화적인 공법이다. 따라서 부산물의 처리에 필요한 경비를 절감할 수 있다. 넷째, 미분상의 분말을 바로 얻을 수 있어 미세한 분말을 얻기 위한 추가적인 연마 공정 등의 필요가 없다.

Claims (3)

1. 금속 황화물을 제조하기 위한 방법에 있어서, 용기에 강성이 있는 볼과 함께 합금시키고자 하는 황 및 1이상의 금속 성분의 분체상 또는 알갱이상 원료를 넣고, 용기를 회전시키거나 또는 용기 내부에 있는 회전체를 돌려 충격흡수와 분쇄-접합-분쇄 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 금속 황화물의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 성분은 순수 금속 또는 금속 합금인 것을 특징으로 하는 금속 황화물을 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 금속 황화물에는 금속과 황의 화합물 또는 금속과 황의 혼합물이 50%이상으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 황화물의 제조방법.