탄화 텅스텐

3. 제조

탄화 텅스텐 분말은 일반적으로 텅스텐 금속 분말과 탄소 분말을 1400°C에서 2000°C 사이의 온도에서 반응시켜 제조한다.^[8][9][62]

다른 방법으로는 저온 유동층 공정이 있는데, 이는 삼산화 텅스텐(WO₃) 분말을 일산화 탄소(CO) 또는 이산화 탄소(CO₂)와 수소(H₂)의 혼합 기체와 900°C에서 1200°C 사이의 온도에서 반응시키는 방식이다.^[10][63] 또한, 삼산화 텅스텐(WO₃)을 흑연과 직접 900°C에서 가열하거나, 수소 중에서 670°C로 가열한 다음 아르곤 기체 분위기에서 1000°C에서 탄화 반응을 시켜 생산할 수도 있다.^[11][64]

화학 기상 증착(CVD) 방법도 연구되었으며, 다음과 같은 반응들이 있다.^[8][62]

• 육염화 텅스텐(WCl₆)을 수소(H₂, 환원제) 및 메테인(CH₄, 탄소 공급원)과 670°C에서 반응시킨다.

• 육불화 텅스텐(WF₆)을 수소(H₂, 환원제) 및 메탄올(CH₃OH, 탄소 공급원)과 350°C에서 반응시킨다.

3. 1. 초경합금 형태

4. 화학적 성질

탄화 텅스텐은 화학적으로 매우 안정하여 물과 수소(H₂)와 반응하지 않는다.^[8] 탄화 텅스텐은 WC와 '''텅스텐 반탄화물''' W₂C의 두 가지 잘 알려진 화합물 형태로 존재한다. 두 화합물 모두 코팅에 존재할 수 있으며, 그 비율은 코팅 방법에 따라 달라질 수 있다.^[12]

WC 상을 플라즈마를 사용하여 고온으로 가열한 다음 불활성 기체로 급랭하면, 텅스텐과 탄소의 또 다른 준안정 화합물인 비화학량론적 고온 상 WC_1-x를 만들 수 있다.^[13] 이 과정에서 거대 결정 WC 입자가 구형화되며, 생성된 WC_1-x 상은 실온에서 준안정 상태로 존재한다. 이 상의 미세 구조는 다른 탄화 텅스텐 화합물에 비해 높은 경도(2800–3500 HV)와 우수한 인성을 제공하지만, 준안정성 때문에 고온 안정성은 감소한다.

고온에서 WC는 텅스텐과 탄소로 분해될 수 있는데, 이는 고속 산소 연료(HVOF) 및 고에너지 플라즈마(HEP) 방법을 포함한 고온 열 스프레이 중에 발생할 수 있다.^[14]

WC의 산화는 500°C~600°C에서 시작된다.^[8] 산에 강하며, 실온 이상에서 불산(HF)/질산(HNO₃) 혼합물에 의해서만 공격을 받는다.^[8] 상온에서 플루오린 가스와 반응하고, 400°C 이상에서 염소와 반응한다. 융점까지 건조 수소(H₂)와는 반응하지 않는다.^[8] 미세하게 분말화된 WC는 과산화 수소 수용액에서 쉽게 산화된다.^[15] 고온 및 고압에서는 수성 탄산 나트륨과 반응하여 텅스텐산 나트륨을 형성하는데, 이 반응은 선택성이 높아 스크랩 초경합금을 회수하는 데 사용된다.

5. 물리적 성질

탄화 텅스텐은 2870°C의 높은 녹는점을 가지며, 1 기압(atm) 압력 하에서는 6000°C의 끓는점을 갖는다.^[16] 열전도율은 110 W/m·K이며,^[4] 열팽창 계수는 5.5 μm/m·K이다.^[17]

탄화 텅스텐은 극도로 단단하여 모스 굳기 척도에서 약 9~9.5의 값을 가지며,^[18] 비커스 경도는 약 2600 정도이다.^[18] 로크웰 경도로는 90 정도의 수치를 기록한다. 기본적인 성상은 회색 분말 상태이며, α-산화 알루미늄(커런덤, 사파이어, 루비)에 필적하는 경도를 가진다.

탄성 계수(영의 계수)는 약 530–700 GPa로,^{[4][17][18][21]} 이는 강철의 약 2배에 해당하는 강성이다. 체적 탄성 계수는 379-381 GPa이며,^[19] 전단 탄성 계수는 274 GPa이다.^[20] 극한 인장 강도는 344 MPa이며,^[21] 극한 압축 강도는 약 2.7 GPa이고, 푸아송 비는 0.31이다.^[20] 강철이나 티타늄보다 훨씬 치밀한 구조를 나타낸다.

탄화 텅스텐 얇은 막대에서의 종파(음속) 속도는 6220 m/s이다.^[22]

전기 저항은 약 0.2 μΩ·m로 낮은 편이며, 이는 일부 금속(예: 바나듐 0.2 μΩ·m)과 유사하다.^[8][23]

탄화 텅스텐(WC)은 용융된 니켈과 코발트에 의해 쉽게 습윤된다.^[24] W-C-Co 시스템의 상 평형도를 보면 WC와 Co가 유사 이진 공정을 형성하며, (W,Co)₆C 조성을 갖는 취성(깨지기 쉬운 성질)을 가진 η-탄화물이 형성될 수 있음을 알 수 있다. 이 때문에 WC-Co 초경합금에서는 탄소 함량 관리가 중요하다.^[24] 코발트와 같은 용융상이 존재할 경우, 탄화 텅스텐 소결 시 비정상적인 입자 성장이 발생할 수 있으며, 이는 제품 재료의 성능에 영향을 미칠 수 있다.

6. 구조

7. 용도

• 절삭 공구: 소결된 탄화 텅스텐-코발트 합금은 내마모성이 매우 뛰어나고 일반적인 고속도강(HSS) 공구보다 높은 온도를 견딜 수 있다. 이 때문에 탄소강이나 스테인리스강처럼 가공하기 어려운 재료나 고속, 고정밀 생산 환경에서 절삭 공구로 자주 사용된다. 탄화물 공구는 절삭 날의 예리함을 오래 유지하여 가공물의 표면 마감을 개선하고, 높은 내열성 덕분에 더 빠른 가공 속도를 가능하게 한다. 이 재료는 일반적으로 초경 합금, 솔리드 카바이드, 경질 금속 등으로 불린다.^[30][31] 코발트 대신 철 알루미나이드를 사용하면 마모 및 산화 특성을 개선할 수 있으며,^[32][33][34] 질화 티타늄 알루미늄이나 질화 티타늄 크롬과 같은 코팅을 통해 열적 안정성을 높이고 공구 수명을 연장하기도 한다.

• 탄약: 철갑탄의 관통자로 사용되며, 특히 열화 우라늄 사용이 정치적으로 어렵거나 불가능할 때 대안으로 선택된다. W₂C 탄자는 제2차 세계 대전 중 독일 공군의 대(對)전차전 부대에서 처음 사용되었으나, 당시 독일의 텅스텐 비축량 한계로 인해 주로 공작 기계나 소량의 철갑탄, 경질 코어 탄자 제작에 쓰였다. 탄화 텅스텐은 뛰어난 경도와 매우 높은 밀도를 결합하여 효과적인 관통력을 제공한다.^[35][36] 현대에는 주로 사보 형태의 탄약(예: SLAP)으로 사용되어 경장갑 표적에 대한 관통력을 높인다.^[37][38]

• 채광 및 건설: 채광 산업에서 탑 해머 암반 드릴 비트, 다운홀 해머, 롤러 커터, 롱월 플로우 정, 터널 보링 머신 등 다양한 장비의 절삭 및 파쇄 부품으로 광범위하게 활용된다. 또한 유정 스크린, 씰 링, 부싱 등 석유 및 가스 시추 장비의 내마모성 및 내식성 부품에도 사용된다.^[39] 주로 강철 본체에 탄화 텅스텐 버튼 인서트를 삽입하는 형태로 제작된다.

• 원자력: 효과적인 중성자 반사체로 알려져 있으며, 핵무기 개발 초기 단계의 핵 연쇄 반응 연구에 사용되었다. 1945년 8월 21일, 로스 앨러모스 국립 연구소에서 해리 다글리언이 악마의 핵으로 알려진 플루토늄 구체 위로 탄화 텅스텐 벽돌을 실수로 떨어뜨리는 사고가 발생했다. 이로 인해 반사된 중성자가 아임계 상태의 플루토늄을 임계 상태로 만들었고, 다글리언은 심각한 방사선 피폭으로 25일 후 사망했다.^[40][41][42]

• 스포츠 용품:
• 트레킹 폴: 딱딱한 바위 같은 표면에서 접지력을 확보하기 위해 카바이드 팁을 사용한다. 내구성이 뛰어나 다른 재질의 팁보다 오래 사용할 수 있다.^[43]
• 롤러 스키: 아스팔트 등 단단한 지면에서 사용하므로 카바이드 팁을 사용한다.
• 스노우모빌: 구동 트랙에 카바이드 스터드를 박아 얼음 위에서의 접지력을 높이고, 스키 하단의 마모 로드에 카바이드 엣지를 적용하여 조향 성능을 향상시킨다.^[44]
• 스터드 타이어: 자동차, 오토바이, 자전거용 타이어에 카바이드 스터드를 사용하여 얼음 위에서의 접지력을 높인다. 내마모성이 우수하여 강철 스터드보다 선호된다.^[45]
• 말굽: 말굽에 카바이드 팁이 박힌 못을 사용하거나, '보륨'(Borium, 탄화 텅스텐 칩을 부드러운 금속 매트릭스에 넣은 것)을 용접하여 미끄러운 노면이나 얼음 위에서의 접지력을 개선한다.^[46][47]

• 수술 도구: 개복 수술이나 복강경 수술에 사용되는 가위, 겸자, 지혈기, 바늘 홀더 등 다양한 외과 수술 기구 제작에 사용된다. 스테인리스강 제품보다 가격이 비싸고 섬세한 관리가 필요하지만, 절삭력이나 내구성 면에서 더 우수한 성능을 제공한다.^[48]

• 장신구: 주로 시멘트화 탄화물(탄화물 입자를 금속 결합재로 굳힌 것) 형태로 반지와 같은 장신구 제작에 사용된다. 극도로 단단하고 긁힘에 강해 인기가 높다.^[51][49] 하지만 매우 단단한 만큼 강한 충격에는 깨질 수 있다.^[50] 사고 시 절단이 어려운 귀금속 반지와 달리, 충격을 받으면 산산조각 나 제거가 용이하다는 장점이 있지만, 응급 상황에서는 특수 공구가 필요할 수도 있다.^[52]

• 기타:
• 볼펜 팁의 회전 볼: 필기 시 잉크를 종이로 전달하는 작은 구슬 제작에 널리 사용된다.^[53]
• 기타 슬라이드: 일부 연주자들은 탄화 텅스텐의 경도와 무게, 밀도를 활용하여 뛰어난 서스테인과 음량을 얻기 위해 사용하기도 한다.^[54]
• 촉매: 백금과 유사한 촉매 활성을 보여, 물 합성, 산화 텅스텐 환원, 이성질체화 반응 등에서 촉매로서의 가능성이 연구되고 있다.^[55] 하이드라진을 사용하는 위성 추진기의 이리듐 촉매 대체재로도 제안되었다.^[56]
• 브레이크 디스크 코팅: 고성능 자동차의 브레이크 디스크에 코팅하여 성능을 개선하고 수명을 늘리며 브레이크 분진을 줄이는 데 사용된다.^[57]

7. 1. 대한민국에서의 활용

8. 독성

탄화 텅스텐과 관련된 주요 건강 위험은 먼지 흡입으로, 이는 규폐증과 유사한 폐 섬유증을 유발할 수 있다.^[58][65] 코발트를 함유한 탄화 텅스텐(코발트-시멘트 탄화 텅스텐)은 미국 국립 독성 프로그램(NTP)에 의해 인체 발암 물질로 예상된다.^[59]

또한, 국제 암 연구 기구(IARC)는 코발트와 탄화 텅스텐 합금(cobalt metal with tungsten carbide)에 노출되는 환경을 발암성 위험 목록 그룹 2A로 분류하고 있다. 이는 해당 물질이 '인간에게 발암성이 있을 가능성이 있음'(Group 2A)을 의미한다. 미국 국립 독성 프로그램(NTP) 역시 코발트-탄화 텅스텐 합금(분말 및 경금속 형태, cobalt–tungsten carbide: powders and hard metals)에 대해 발암 가능성이 있다고 보고하고 있다.^[66]

9. 천연 탄화텅스텐

중국 티베트 자치구 산난 시 취수 현에서 천연 상태의 탄화 텅스텐이 발견되었다. 2007년에 발견지인 취수 현의 이름을 따 Qusongite|쿠송가이트^영어(쿠송 광, 탄화 텅스텐 광)으로 명명되었고, 새로운 광물로 공식 승인되었다.

참조

_[1] 웹사이트 Tungsten carbide https://gestis-datab[...] Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung 2023-08-19
_[2] 서적 RubberBible92nd
_[3] 문서 Kurlov
_[4] 서적 Wear of Materials https://books.google[...] Elsevier
_[5] 웹사이트 Tungsten carbide https://www.britanni[...] 2024-07-04
_[6] 웹사이트 https://www.wolframc[...]
_[7] 웹사이트 molding industry https://www.wolframc[...]
_[8] 서적 Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications William Andrew Inc.
_[9] 웹사이트 Tungsten Carbide Powder: The Key Material for Hard Alloys https://powder.samat[...] Stanford Advanced Materials 2024-11-11
_[10] 특허 Gas carburizing of tungsten carbide (WC) powder
_[11] 간행물 A study on the synthesis of nanostructured WC–10 wt% Co particles from
_[12] 간행물 Comparative study of WC-cermet coatings sprayed via the HVOF and the HVAF Process
_[13] 간행물 Plasma Spheroidization of Ceramic Particles 2005-02-01
_[14] 간행물 Microstructural evaluation of tungsten carbide-cobalt coatings
_[15] 간행물 Reaction of Metal, Carbide, and Nitride of Tungsten with Hydrogen Peroxide Characterized by ¹⁸³W Nuclear Magnetic Resonance and Raman Spectroscopy
_[16] 서적 Sittig's Handbook of Toxic and Hazardous Chemicals and Carcinogens https://books.google[...] Elsevier, Inc.
_[17] 문서 Kurlov
_[18] 서적 Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems https://books.google[...] John Wiley & Sons 2010
_[19] 웹사이트 mp-1894: WC (Hexagonal, P-6m2, 187) https://next-gen.mat[...] 2023-11-26
_[20] 문서 Kurlov
_[21] 서적 Materials Handbook: A Concise Desktop Reference https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2008
_[22] 뉴스 Velocity of Sound in Various Media http://www.rfcafe.co[...] RF Cafe 2013-04-04
_[23] 서적 Introduction to Solid State Physics Wiley-India
_[24] 서적 Carbides: transition metal solid state chemistry encyclopedia of inorganic chemistry John Wiley & Sons
_[25] 서적 Structural Inorganic Chemistry Oxford Science Publications
_[26] 간행물 Phase Equilibria in the System Tungsten—Carbon
_[27] 간행물 Untersuchungen im System Tantal-Wolfram-Kohlenstoff
_[28] 간행물 Preparation and Structures of [W(CH₃)₆], [Re(CH₃)₆], [Nb(CH₃)₆]⁻, and [Ta(CH₃)₆]⁻
_[29] 간행물 Optical spectroscopy of tungsten carbide (WC)
_[30] 서적 Manufacturing Technology Vol.II 2E https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education
_[31] 서적 Tool materials https://books.google[...] ASM International
_[32] 간행물 Effect of sintering techniques on the structure and dry sliding wear behavior of WC-FeAl composite https://www.scienced[...] 2020-08-01
_[33] 간행물 Wear behavior of laser cladded WC-FeAl coating on 321 stainless steel substrate http://dx.doi.org/10[...] 2020-11
_[34] 간행물 High-temperature oxidation behaviour of WC-FeAl composite fabricated by spark plasma sintering https://www.scienced[...] 2018-10-01
_[35] 서적 Germany's Secret Weapons in World War II https://books.google[...] Zenith Imprint
_[36] 서적 US Tank and Tank Destroyer Battalions in the ETO 1944–45 https://books.google[...] Osprey Publishing
_[37] 서적 M1 Abrams at War https://books.google[...] Zenith Imprint
_[38] 서적 Tanks: an illustrated history of their impact https://books.google[...] ABC-CLIO
_[39] 웹사이트 Oil and Gas Components https://www.hyperion[...] 2022-06-21
_[40] 간행물 A Review of Criticality Accidents http://www.orau.org/[...] Los Alamos National Laboratory 2000-05
_[41] 서적 The Prometheus Bomb: The Manhattan Project and Government in the Dark https://books.google[...] University of Nebraska Press 2021-11-30
_[42] 서적 Under the Cloud: The Decades of Nuclear Testing https://archive.org/[...] Two Sixty Press
_[43] 서적 The mountaineering handbook: modern tools and techniques that will take you to the top https://books.google[...] McGraw-Hill Professional
_[44] 서적 Snowmobile and ATV accident investigation and reconstruction https://books.google[...] Lawyers & Judges Publishing Company
_[45] 서적 Four-Stroke Motocross and Off-Road Performance Handbook https://books.google[...] MotorBooks International
_[46] 웹사이트 Road nail http://www.mustadhoo[...] Mustad Hoof Nails
_[47] 서적 Farriery: a convention for farriers and veterinarians, in conjunction with AustralAsian Farrier News https://books.google[...] University of Sydney
_[48] 서적 Sterilization technology for the health care facility https://books.google[...] Jones & Bartlett Learning
_[49] 웹사이트 SERANITE – Trademark Details http://trademarks.ju[...] Justia Trademark
_[50] 웹사이트 Breaking Tungsten Carbide http://cherylkremkow[...] Cheryl Kremkow 2009-10-29
_[51] 웹사이트 Tungsten Carbide Manufacturing https://www.foreverm[...] Forever Metals 2005-06-18
_[52] 학술지 Removal of a Tungsten Carbide Ring from the Finger of a Pregnant Patient: A Case Report Involving 2 Emergency Departments and the Internet
_[53] 웹사이트 How does a ballpoint pen work? http://science.howst[...] HowStuffWorks 1998–2007
_[54] 웹사이트 Wolfram Martin Simpson Signature Slide http://www.wolframsl[...] 2013-08-06
_[55] 학술지 Platinum-Like Behavior of Tungsten Carbide in Surface Catalysis
_[56] 학술지 Nitride and carbide of molybdenum and tungsten as substitutes of iridium for the catalysts used for space communication
_[57] 뉴스 Hard like Diamond https://newsroom.por[...] 2018-05-12
_[58] 학술지 Respiratory disease in tungsten carbide production workers 1984
_[59] 웹사이트 12th Report on Carcinogens http://ntp.niehs.nih[...] National Toxicology Program 2011-06-24
_[60] 학술지 Thermal Expansion of Tungsten Carbide at Low Temperature
_[61] 웹사이트 Elastic Properties and Young Modulus for some Materials http://www.engineeri[...]
_[62] 서적 Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications William Andrew Inc.
_[63] 특허 Gas carburizing of tungsten carbide (WC) powder
_[64] 학술지 A study on the synthesis of nanostructured WC–10 wt% Co particles from WO3, Co3O4, and graphite
_[65] 학술지 Respiratory disease in tungsten carbide production workers 1984-10
_[66] 웹사이트 12th Report on Carcinogens http://ntp.niehs.nih[...] National Toxicology Program 2011-06-24
_[67] 웹인용 보관된 사본 http://gestis-en.itr[...] 2020-11-03
_[68] 서적 RubberBible92nd
_[69] 서적 Sittig's Handbook of Toxic and Hazardous Chemicals and Carcinogens https://books.google[...] Elsevier, Inc.
_[70] 문서 Kurlov
_[71] 서적 Structural Inorganic Chemistry https://archive.org/[...] Oxford Science Publications
_[72] 서적 Wear of Materials https://books.google[...] Elsevier