KR100552861B1 - 미분화된 인 함유 철 및 그 제조 방법 - Google Patents

미분화된 인 함유 철 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펜타카르보닐 철과 휘발성 인 화합물, 특히 PH3를 기체상에서 반응시켜서 미분화된 인 함유 철을 제조하는 것에 관한 것이다. 생성된 인 함유 철 분말 및 철 비스커(whisker)는 특히 외부 인자 함량이 낮다.

Description

미분화된 인 함유 철 및 그 제조 방법 {Finely Divided Phosphorus-Containing Iron}
본 발명은 미분화된 인 함유 철, 그 제조 방법 및 제조 공정을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
특정 사용 분야, 예를 들어 분말 야금술에서는 한정된 기계적 성질을 갖는 미세 금속 분말을 요구한다. 이러한 용도에 특히 적합한 분말은 기체상에서 펜타카르보닐 철의 열 분해되는 통상의 방법에 의해 제조된 카르보닐 철 분말이다. 분말의 양호한 소결성과 같은 특히 바람직한 특성은 분말의 순도, 낮은 형성 온도 및 분말 입자의 작은 크기, 큰 표면적 및 구상 형태에 기인한다. 합금 성분으로서 추가의 요소를 사용하는 것은, 추가 2차 성분의 함량이 매우 낮은 경우, 분말의 기계적 특성이 표적화된 방법으로 영향을 받게 한다. 여기서 가능성은, 특히, 분말 및 이를 이루는 부분의 경도 또는 취성을 결정하는 한정된 인 함량을 갖는 인-철 합금 분말을 제조하기 위하여 인을 사용하는 것이다.
문헌 [Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, volume "Iron", part A, section II, 8th edition 1934/1939, pages 1784-85]은 철-인 합금을 제조하기 위한 다양한 고전적 방법을 기재하고 있다. 철-인 합금은 인 인자를 갖는 금속성 철을 가열하여 철의 존재 하에 인 화합물의 환원 및 철과 인 화합물의 동시적 환원에 의해 형성된다.
상기 방법 중 일부는 높은 반응 온도를 요한다. 생성물은 무정형의, 슬래그 같은 매스로서 획득되고, 높은 비율의 2차 성분을 함유할 수 있다.
철과 인의 합금, 인화철은 전기로에서 인을 생산할 때 부산물로서 형성된다. 인 생산을 위한 원료에 존재하는 철 산화물은 철로 환원되고 인을 흡수한다. 인화철은 인 20 내지 27 중량%와 2차 성분으로서 규소 1 내지 9 중량% 및 티탄, 바나드, 크롬 및 망간과 같은 추가 금속을 함유한다.
인화철은 한정된 인 함량을 갖는 고순도의 철 분말이 요구되는 용도에는 적합하지 않다.
문헌 [보우르키에르(Bourcier) 등, J. Vac. Sci. Technol. A 4 (1986), pages 2943-48]은 PH3 및 펜타카르보닐 철의 분해에 의한 철-인 필름의 생성을 개시하고 있다. PECVD(플라즈마 증진된 화학 증착법)으로 공지된 이러한 방법에서, 플라즈마는, 성분들이 수소 담체 기류에서 희석된 형태로 존재하는 기체 혼합물로부터 방출된 기체로 생성되고, 필름들은 플라즈마로부터 가열된 니켈 기판 표면 상에 증착된다. 이렇게 생성된 초박막 무정형 필름은 철 함량 67%, 산소 함량 2% 및 탄소 함량 10%를 갖는다.
본 발명의 목적은 인 함량이 넓은 범위에서 변화할 수 있고 2차 성분의 비율이 낮은 미분화된 인 함유 철의 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 카르보닐 철 분말의 제조 방법에 기초하여 미분화된 인 함유 철을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 인 함유 성분 및 철 함유 성분으로부터 인을 함유하는 철을 제조하기 위한 공지된 방법으로 출발하여, 본 발명에 따라 펜타카르보닐 철 [Fe(CO)5]과 인 화합물을 기체 상에서 반응시키는 것에 의해 이러한 목적이 달성된다는 것을 발견하였다.
적절한 인 화합물은 실온에서 휘발성이거나 또는 기체인 쉽게 분해 가능한 인화합물이며, 바람직하게는 포스핀 또는 알킬포스핀이다. 예로는 포스핀(PH3), 디포스핀(P2H4), 메틸포스핀, 디메틸포스핀 및 트리메틸포스핀이 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 인 화합물은 또한 인 증기를 포함한다. PH3를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법의 장점은 미분화된 인 함유 철 분말에서 인 함량이 기체 조성의 선택에 의해 넓은 범위에서 변화될 수 있다는 것이다. 원칙적으로, 기체 혼합물에서 펜타카르보닐 철 대 인 화합물의 비율은 일반적으로 펜타카르보닐 철을 과량의 중량으로 사용하면서 원하는대로 선택할 수 있다. 바람직하게는 10:1 이상, 특히 바람직하게는 15:1, 특히 15:1 내지 300:1의 과량의 펜타카르보닐 철을 사용하는 것이다.
생성된 미분화된 인 함유 철은 50 중량% 이하의 인 함량을 가질 수 있다. 인 함량은 0.1 중량% 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 인 함량은 예를 들어, 습윤 화학적인 공지의 성분 분석 방법 또는 주사 전자 현미경에서 원자 방출 분광법 또는 X-레이 분석법에 의해 측정될 수 있다.
반응은 펜타카르보닐 철의 열 분해에 의한 카르보닐 철 분말의 제조를 위하여 사용되고, 이는 문헌 [Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th edition, Vol. A 14, page 599 또는 독일 특허 제3 428 121호 또는 제3 940 347호]에 기재되어 있는 가열성 분해 장치에서 수행할 수 있다. 이러한 분해 장치는 바람직하게는 석영 또는 V2A 강철과 같은 내열성 물질로 이루어지고 가열 장치, 예를 들어 가열 매질이 흐르는 가열 테이프, 가열선 또는 가열 재킷으로 이루어진 장치에 의해 포위된 수직형 튜브를 포함한다. 가열 장치는 비교적 낮은 온도를 갖는 하나의 영역 및 높은 온도를 갖는 하나의 영역을 제공하는 2개 이상의 구획으로 나뉘는 것이 바람직하다. 기체는 미리 혼합되고, 바람직하게는 먼저 저온 영역을 통과하는 기체 혼합물과 함께 상부로부터 분해 튜브에 혼입된다. 더 뜨거운(하부) 파이프 영역의 온도는 더 차가운 파이프 영역보다 20℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 이러한 온도 프로파일은 온도 구배 영역에서 환류적 기류에 의해 미분화된 인 함유 철을 형성하는데 유리한 것으로 생각된다. 생성된 미분화된 인 함유 철은 중력 또는 원심력 및(또는) 필터를 사용하여 공지된 방법에 의해 분리기에서 분리시킬 수 있다. 생성된 입자의 매스는 입자가 문제없이 분해 장치의 아래로 움직이고 수용기에서 수집되기에 충분히 큰 것이 바람직하다. 기류에 의해 포획되는 미분 입자의 경우에, 분리기에서 1회 이상의 기류의 편향 및(또는) 적절한 필터의 사용에 의해 분리시킬 수 있다.
반응은 실온 보다 높은 온도에서 수행된다. 온도는 바람직하게는 200℃ 초과, 특히 바람직하게는 250 내지 375℃이다.
바람직한 실시 태양에서, 반응은 펜타카르보닐 철이 철과 일산화탄소로 분해되는 것을 촉진하는 암모니아의 존재 하에 수행한다. 기체 혼합물 중에서 암모니아의 비율은 0.1 내지 10 부피%가 바람직하다.
반응은 대기의 산소를 제거하고 수행하는 것이 바람직하고, 추가의 담체 기체의 존재 하에 수행할 수 있다. 추가의 담체 기체로서 일산화탄소를 사용하는 것이 바람직하다. 기체 혼합물의 CO 함량은 10 내지 90%가 바람직하다. 반응 중 총 압력은 1 내지 5 바가 바람직하고, 반응은 특히 대기압에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법의 특별한 잇점은 얻어진 미분화된 인 함유 철의 순도가 높다는 점인데, 이 높은 순도는 특히 순수하고 기체인 출발 물질을 사용하는데 기인한다. 따라서, 일반적으로 탄소 함량은 1 중량% 미만이고, 질소 함량은 1 중량% 미만이고, 수소 함량은 0.5 중량% 미만이다.
본 발명에 따라 얻어진 인 함유 철 분말은 외래 성분들의 함량이, 니켈 100 ppm 미만, 크롬 150 ppm 미만, 몰리브덴 20 ppm 미만, 비소 2 ppm 미만, 납 10 ppm 미만, 카드뮴 1 ppm 미만, 구리 5 ppm 미만, 망간 10 ppm 미만, 수은 1 ppm 미만, 황 10 ppm 미만, 규소 10 ppm 미만 및 아연 10 ppm 미만인 것이 바람직하다. 외래 성분 함량은 원자 흡수 분광법에 의해 측정될 수 있다. 통상적으로 원자 흡수 분광법의 검출 한계 미만인 낮은 외래 성분 함량은 본 발명의 방법에 의해 제조된 인 함유 철과 공지된 방법에 의해 제조된 인 함유 철을 뚜렷이 구별짓는다.
본 발명의 방법의 다른 장점은 인 함유 철을 미분화된 형태로 얻고, 따라서 추가의 기계적 처리, 예를 들어 분쇄를 생략할 수 있다는 점이다.
반응에서, 미분화된 인을 함유하는 철은 본질적으로 구형 입자로 이루어진 분말 또는 비스커(whisker)로 공지된 미세 다중결정성 실(thread)로서 얻어진다.
본 발명의 인 함유 철 분말은 평균 직경이 0.3 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛인 구형 입자를 본질적으로 포함한다. 평균 직경은 공지 방법인 사진 또는 예를 들어 레이저광 산란 장치를 사용하는 광산란법에 의해 측정할 수 있다.
본 발명의 인 함유 철 비스커는 구 직경이 1 ㎛ 내지 3 ㎛인 실과 같은 응집체를 본질적으로 포함한다.
본 발명의 또 다른 장점은 압력, 온도 및 유동 속도의 선택으로 분말 또는 비스커가 얻어진다는 점이다. 분말의 평균 입자 직경은 또한 이 매개변수들을 선택함으로써 변화될 수 있다.
인-철 합금의 기계적 특성은 특히, 그들의 인 함량에 의해 결정된다. 따라서, 본 발명의 인 함유 철 분말은 경도 또는 취성과 같은 특정 기계적 특성의 세팅이 중요한 용도에 특히 유리하다.
본 발명의 미분화된 인 함유 철의 바람직한 사용 분야는 분말 야금술 분야이다. 분말 야금술은 물질 생산 및, 분말화된 금속 물질을 가압 및(또는) 소결에 의해 가공하여서 형태를 이루는 물질 가공의 특정 분야이다. 바람직한 사용 분야는 예를 들어 다이(die) 가압 및 금속 사출 성형이다.
본 발명의 미분화된 인 함유 철은 단독으로 또는 철 합금을 생산하기 위하여 니켈, 코발트 또는 청동과 같은 다른 금속 분말과의 혼합물로서 사용될 수 있다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 예시된다.
<실시예 1 내지 13>
펜타카르보닐 철[Fe(CO)5] 및 포스핀(PH3)의 열 분해를 위한 장치는 길이가 1 m이고 내부 직경이 20 ㎝인 V2A 강철 분해 튜브를 포함한다. 분해 튜브는 가열 테이프에 의해 가열되고, 튜브 하부의 1/3 지점에 설정된 온도 T2는 튜브 하부에서의 온도 T1보다 20℃ 이상 높았다. 액체 형태로 보관된 Fe(CO)5는 전기적으로 가열된 저장기에서 증기화되고, 증기는 PH3 및 CO (약 15ℓ/시간) 및 NH3 (약 1ℓ/시간)과 함께 상부에서 분해 튜브로 혼입되었다. 분해 튜브에서, CO 및 H2를 방출하면서 인 함유 철 분말이 생성되었다. 생성된 인 함유 철 분말은 분해 장치의 아래로 이동하고, 유리 플라스크에 수집되었다.
발생된 기체의 PH3 함량을 확인하기 위하여, 발생된 기체를 염화수은(II) 용액에 통과시키고, 생성된 침전을 인에 대해 분석하였다. 인이 미량으로만 검출되었고, 이로부터 사용된 PH3가 완전히 반응된 것으로 결론 내릴 수 있다. 성분 조성은 주사 전자 현미경에서 X-레이 분광법에 의해 측정하였다.
평균 입자 직경은 레이저광 산란 장치에 의해 측정하였다.
<실시예 14>
상기 실시예에 기재된 제조법을 반복하였으나, 반응은 암모니아의 부재 하에 수행하였다.
반응 생성물 및 생산물의 특성은 하기 표에 나타내었다.
실시예 번호 T1(℃) T2(℃) Fe(CO)5(g) PH3 (g) Fe 함량(중량%) P 함량(중량%) C 함량(중량%) H 함량(중량%) N 함량(중량%) BET 표면적(m2/g) 충전 밀도(g/㎖)
1 267 304 316 4 94.2 4.2 0.9 〈 0.5 0.8 0.31 1.4
2 260 293 850 3 97.7 1.1 0.57 〈 0.5 0.6 0.27 3.4
3 263 298 770 7 96.2 2.4 0.5 〈 0.5 0.56 0.24 3.2
4 263 294 850 16 93.8 4.4 0.47 〈 0.5 0.44 0.25 3.0
5 269 301 850 24 91.5 7.2 0.44 〈 0.5 0.35 0.31 2.5
6 269 301 880 32 89.9 9.2 0.39 〈 0.5 0.31 0.33 2.0
7 265 300 813 57 83.9 15.6 0.24 〈 0.5 0.20 0.30 2.0
8 264 311 880 69 81.8 17.8 0.13 〈 0.5 0.19 0.31 2.3
9 268 305 3000 112 88.8 9.5 0.45 〈 0.5 0.24 0.29 2.1
10 268 297 2000 77 89.5 10.2 0.40 〈 0.5 0.21 0.34 2.1
11 328 370 1000 36 88.4 10.4 0.59 〈 0.5 0.32 0.5 0.6
12 331 362 1000 16 92.8 5.1 0.69 〈 0.5 0.44 0.78 1.0
13 334 357 1000 60 83.5 14.8 0.45 0.6 0.29 x 0.7
14 265 299 880 34 88.0 10.9 0.9 〈 0.5 〈 0.5 0.35 1.7
상기된 방법에 따라, 본 발명의 미분화된 인 함유 철은 절단 및 갈음질 방법에서 산업용 다이아몬드를 합입하기 위하여 또는 도성 합금으로 공지된 금속 세라믹을 생산하기 위하여 사용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 펜타카르보닐 철을 기체상인 포스핀 존재하에서 열 분해하는 것인 인 함유 성분과 철 함유 성분의 반응에 의해 미분화된 인 함유 철을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 반응이 암모니아의 존재 하에 수행되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응이 250 내지 375℃의 온도에서 수행되는 것인 방법.
  4. 평균 직경이 1 내지 10 ㎛인 구형 입자를 반드시 포함하는 미분화된 인 함유 철.
  5. 직경이 1 내지 3 ㎛인 실 유사 응집체를 반드시 포함하는 미분화된 인 함유 철.
  6. 제4항 또는 5항에 있어서,
    인 함량이 0.1 내지 50 중량%이고,
    추가 성분의 함량이 2.6 중량% 미만이며, 여기서 추가 성분은 탄소, 질소, 수소, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 비소, 납, 카드뮴, 구리, 망간, 수은, 황, 규소 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이고,
    잔여량의 철을 갖는 것인 미분화된 인 함유 철.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    인 함량이 0.1 내지 50 중량%이고,
    탄소 함량이 1 중량% 미만이며,
    질소 함량이 1 중량% 미만이고,
    수소 함량이 0.5 중량% 미만이며,
    추가의 외래 성분의 총 함량이 0.1 중량% 미만이고, 여기서 추가의 외래 성분은 니켈, 크롬, 몰리브덴, 비소, 납, 카드뮴, 구리, 망간, 수은, 황, 규소 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이며,
    잔여량의 철을 갖는 것인, 제1항 또는 제2항의 방법에 의해 제조될 수 있는 미분화된 인 함유 철.
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