금속분말의 복합분말 제조법

1. 니켈도금 텅스텐분말

Ni의 박막으로 피복된 W분말 즉 복합분말은 앞에서 설명한 바와 같이 저온소결로 충분히 조밀화 된다고 하였다.

이 복합분말의 원료로는 을 사용하며 첨가금속은 그 금속을 수용액으로 만들어서 사용하고 있다.

즉 Ni, CO, Fe, Zn, Ag, Mn, Pb 및 Mg 등은 이들의 질산염을 , Cu는 염화물, Al은 황산염 또 Sn은 염산염을 수용액으로 하여 그 적당량을 에 혼합하고 180℃로 건조한 후 연속 환원로를 사용하여 수소기류 중에서 최초 600℃로 환원하여로 하고 다음 850℃로 환원하여 W와 위에 나열한 금속과의 복합분말을 제조한다.

이 분말을 3 ton/(square cm) 으로 성형한 후 몰리브데늄을 써서 수소 중에서 1300℃로 1시간 소결한다.

 

이 결과로써 다음과 같은 사항이 판명된다.

1) W분말의 소결성은 Ni 또는 CO의 첨가에 의하여 심한 영향을 받는다. 약 0.25% Ni(또는 CO)의 첨가에 의하여 이론밀도의 95%에 달한다. Ni과 Co의 사이에는 큰 차는 없다.

2) Fe의 영향은 NO 및 CO에 비교하면 떨어지며 기타 금속에서는 전혀 영향을 받지 않는다.

3) 철 금속은 W과 고용체를 만들며 그 산화물은 수소에 의하여 환원되는 점에서 다른 금속과 구별된다.

4) 여러 가지 다른 금속을 첨가할 때 Ni 또는 CO를 동시에 첨가하면 소결성은 역시 개선된다.

5) Ni 또는 CO의 첨가에 의하여 환원된 W 분말의 입도는 미세해지나 다른 금속은 반대로 조립으로 된다.

 

이상은 여러 금속이 W 분말의 소결성에 미치는 영향에 대한 결과이며 이 금속 중에서 Ni이 가장 심한 결과를 나타내므로 특히 Ni-W복합분말은 중요하며, 이 분말의 제조에서 환원조건과 Ni량이 소결성에 심한 영향을 미친다.

이상 Ni-W 복합분말의 제조방법 외에도 ammonium paratungstate의 암모니아 용액에 Ni을 작용시켜서 ammonium nickelic tungstate를 만들어 수소로 환원하는 방법이 있다.

 

2. Sherritt 복합분말

Sherritt process에 의한 복합분말의 제조방법은 예전부터 Ni 또는 Co의 금속분말 채취법으로 사용된 수소가압 환원법을 응용한 것이다.

이 방법에서 Ni의 분말을 석출 시킬 때에 오토클레이브 내에 Ni의 seed powder를 첨가하여 Ni의 환원속도를 촉진시켜 주었다. 이때 seed powder인 Ni은 일종의 촉매로 작용했다고 볼 수 있다.

그러므로 효과가 Ni과 같은 정도 또는 그 이상인 촉매가 되는 재료라면 Ni은 그 재료 표면에 완전히 균일하게 석출할 것이다. 즉 그 재료의 표면 활성화가 문제가 되며 Sherritt Gorden에서는 안트라퀴논 또는 이것과 유사한 화합물을 사용하여 표면 활성화 처리법을 확립함으로써 Sherritt 복합분말을 만들게 되었다.

Ni 용액 중에 안트라퀴논을 소량 첨가하면 물에 불용성인 안트라퀴논은 고상과 액상의 계면에 존재하여 용액에서 Ni이온이 수소로 확산되는데 촉매로서 작용한다.

Seed가 Ni뿐만 아니고 다른 재료일 때도 용액 중에 안트라퀴논 또는 그와 유사한 화합물을 소량 첨가하여 수소로 가압환원하면 seed는 Ni로 완전히 균일하게 피복된다.

여기에서 Ni로 피복되는 심재료는 물에 불용성이며 암모니아 또는 Ni 및 Co와 반응하는 재료는 좋지 못하다.

이 방법에 의한 대표적인 복합분말을 살펴보면 다음과 같다

1) Ni/Fe 복합분말 : Fe분말은 Ni용액에서 Ni을 수소가압 환원할 때 촉진제로 작용하므로 Ni/Fe복합분말의 제조는 쉽다.

2) Ni/Al 복합분말 : Al은 촉매적 특성이 전혀 없으므로 안트라퀴논과 같은 표면 활성제를 사용하면 Al입자 표면에 Ni을 균일하게 피복 시킬 수 있다.

3) Ni/ Al2O3 복합분말 : 표면 활성제로 안트라퀴논의 첨가로 복합분말을 제조한다.

4) Ni/ TiB2 복합분말 : TiB2는 Ni로 쉽게 피복된다.

그 외에 Ni/diamond, Ni/graphite 및 Ni/glass 등의 복합분말이 안트라퀴논의 사용으로 경제적으로 생산되고 있다.

 

3. 동도금 흑연분말

금속 carbon 브러시는 흑연 18-35%, Cu잔부로 된 소결합금으로 대용량 회전 변류기, 도금용 발전기, 고속 대용량 유도발전기, 자동차 시동용 전동기 등에 사용되고 있다.

이것은 예전부터 흑연분말과 Cu분말, 기타 분말을 혼합하여 형성한 후 소결되었으나 비중의 차가 심한 분말은 균일한 혼합이 어려우므로 조직상 균질한 제품을 제조하기 어렵다. 그러므로 흑연분말에 Cu도금을 하든가 또는 Cu-Pb도금을 한 복합분말을 사용함으로써 좋은 결과를 얻고 있다.

 

4. 전기 접점재료

분말야금법을 응용한 전기 접점재료로서는 Ag-W, Ag-CdO, Ag-Mo, Ag-WC, Ag-C, Ag-W-WC, Ag-Cu-W, Ag-Ni, Cu-C, Cu-B, Cu-WC, W등 여러 가지가 있으나 일반적으로 1성분이 고융점금속 또는 탄화물로 되어 있거나 또는 2성분간에 상호 용해도가 없거나 소량이어서 주조할 수 없으므로 분말야금법으로

제조되고 있다.

 

 1) Ag-Ni-W 복합분말

Ag-W은 두 금속 상호간에 고용하지 않으므로 각 금속분말을 혼합하여 가압 소결하는 방법으로 전기 접점재료를 만들고 있다.

이 Ag-W 전기 접점재료에 Ni을 소량 첨가하면 Ni이 합금원소로 작용하므로 소결온도가 저하하고 물질 이동량이 감소되어 고전류에 견디나 전기전도율은 떨어지므로 다량 첨가하는 것은 좋지 못하다.

Ag와 W은 서로 용해도가 없으므로 합금 결합시키기 위하여 미리 W에 소량의 Ni을 함유한 Ni-W합금분말을 만들고 이것을 은도금 및 열처리에 의하여 Ag-Ni-W복합분말을 만든 후 분말로서 전기적 특성이 우수한 전기 접점재료를 만든다.

이 때 Ni-W합금분말은 ammonium paratungstate의 암모니아 수용액과 황산 Ni 수용액에 과잉의 암모니아수를 첨가하여서 만든 Ni을 혼합하여 가열하면 ammonium nickelic tungst- ate이 된다.

 

 2) 기타 방법

이상과 같은 분말제조방법 외에 여러 방법들이 연구 발표되었으며 간단하게 몇 가지 더 소개하기로 한다.

ⅰ) 합금 분해법

이 방법은 합금의 1성분만을 용해 시키는 용매를 사용하여 처리하고 용해하지 않는 성분을 미세하게 분리하여 분말을 얻는다.

예로 촉매용 Ni분말의 제조에는 Ni-Al 또는 Ni-Si의 합금을 만들어서 이것을 분쇄하여 분말로 한 후 Al이나 Si가 용해되는 Na-알칼리 용액으로 Al 또는 Si을 용해 제거 시켜서 Ni분말을 얻는다. 이것은 활성미분이며 자연연소성이 있으므로 진공중이나 불활성 가스 중에 보존하여야 한다.

ⅱ)확산 합금분말

각각 다른 분말을 혼합하여 적당한 온도로 가열하여 상호 확산시켜서 전처리 합금의 분말을 만든다.

이 방법은 비철금속 합금분말을 만드는데, 즉 Cu-Ni, Cu-Zn, Cu-Sn 합금분말 등을 만드는 데 이용되고 있다.