금속 분말의 제조 방법 중 물리화학적 방법

게시일: 2020-09-18

환원법:

금속 산화물 및 염류의 환원법은 가장 널리 사용되는 분말 제조 방법이다. 고체 탄소를 이용해 철분말과 텅스텐 분말을 환원하고, 수소 또는 분해된 암모니아를 사용하여 텅스텐, 몰리브덴, 철, 구리, 코발트, 니켈 등의 분말을 얻을 수 있다. 천연가스나 가스를 전환하여 철분말 등을 생산할 수 있으며, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 등의 금속을 환원제로 사용하면 탄탈륨, 니오븀, 티타늄, 지르코니아, 토륨, 우라늄 등 희귀금속 분말을 제조할 수 있다. 금속 산화물 및 염류의 환원법의 기본 원리는 사용된 환원제가 산화물과 해당 염류 내 금속이 산소에 대해 가지는 친화력보다 강하기 때문에, 산화물이나 염류 내의 산소를 빼앗아 금속을 환원시킬 수 있다는 것이다. 서로 다른 금속 원소들이 산소와 반응하는 방식이 다르기 때문에 생성된 산화물의 안정성도 다소 차이가 난다. 산화 반응 과정에서의 △G 값의 크기를 통해 산화물의 안정성을 나타낼 수 있다. 반응 과정에서 △G 값이 작을수록 산화물의 안정성이 높고, 즉 산소에 대한 친화력이 더 강하다는 것을 의미한다.

이 방법의 장점은 조작이 간단하고 공정 파라미터를 쉽게 제어할 수 있으며, 생산 효율이 높고 비용이 저렴하여 산업화 생산에 적합하다는 점이다. 단점은 수소와 반응하기 쉬우며 수소를 흡수한 후 취약해져 깨지기 쉬운 금속 재료에만 적용 가능하다는 점이다.

금속 열환원 및 환원법:

금속 열환원법은 환원 대상 원료가 고체, 기체 형태일 수도 있고 용융염일 수도 있다. 후자의 경우 기상 환원과 액상 침전 특성을 갖는다. 산업적으로 주로 사용되는 금속 열환원법으로는 칼슘을 이용해 TiO₂, ThO₂, UO₂ 등을 환원하는 방법, 마그네슘을 이용해 TiCl₄, ZrCl₄, TaCl₅ 등을 환원하는 방법, 나트륨을 이용해 TiCl₄, ZrCl₄, K₂ZrF₆, K₂TaF₇ 등을 환원하는 방법, 그리고 수소화칼슘(CaH₂)을 함께 사용해 Cr₂O₃ 및 NiO를 환원하여 니켈크롬 스테인리스강 분말을 제조하는 방법 등이 있다.

환원법(환원화법):

환원법은 용융염 또는 염류의 수용액을 전기분해하여 금속 분말이 음극에서 침전되어 분리되는 방법이다. 전기분해법을 사용하면 거의 모든 금속 분말을 제조할 수 있으며, 특히 구리 분말, 은 분말, 주석 분말의 생산에 매우 적합하다. 전기분해 분말 제조는 수용액 전기분해, 유기 전해질 전기분해, 용융염 전기분해, 액체 금속 음극 전기분해 등으로 나눌 수 있다.

이 방법의 장점은 생성된 금속 분말의 순도가 높으며, 일반적으로 단일 원소 분말의 순도는 99.7% 이상에 이를 수 있다는 점이다. 또한 전기분해법은 분말의 입자 크기를 효과적으로 제어할 수 있어 초정밀 분말을 제조할 수 있다. 그러나 전기분해법은 전력 소비량이 많고 분말 제조 비용이 높다는 단점이 있다. 전기분해 수용액을 통해 Cu, Ni, Fe, Ag, Sn, Fe-Ni, Fe-Co, Ni-Co 등의 합금 분말을 생산할 수 있으며, 용융염을 전기분해하면 Zr, Ta, Ti, Nb 등의 금속 분말을 얻을 수 있다.

하이드록실화법:

일부 금속(철, 니켈 등)을 일산화탄소와 반응시켜 금속 캐보니딜 화합물을 형성한 후 다시 가열하여 금속 분말과 일산화탄소로 분해하는 방법이다. 이렇게 만들어진 분말은 매우 미세하고 순도가 높지만 비용이 높다. 산업적으로는 니켈과 철의 미세 및 초미세 분말, 그리고 Fe-Ni, Fe-Co, Ni-Co 등의 합금 분말 생산에 주로 사용된다.

화학적 치환법:

화학적 치환법은 금속의 활성 정도에 따라 활성도가 높은 금속을 사용하여 활성도가 낮은 금속을 금속염 용액에서 치환시키는 방법이다. 이때 치환된 금속(분말 상태)은 다른 방법으로 추가 처리되어 더욱 미세하게 만들 수 있다. 이 방법은 주로 Cu, Ag, Au 등의 불활성 금속 분말의 제조에 적용된다.

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