Preparation and Characterization of Tungsten Carbide Using Products of Hard Metal Sludge Recycling Process

초경합금 슬러지 재활용 공정 산물을 활용한 텅스텐 탄화물 제조 및 특성 평가

In this study, tungsten carbide (WC) powder was prepared using a novel recycling process for hard metal sludge that does not use ammonium paratungstate. Instead of ammonia, acid was used to remove the sodium and crystallized tungstate, resulting in the formation of tungstic acid (H₂WO₄). The WC powder was successfully synthesized by the carbothermal reduction of tungstic acid through H₂O decomposition, reduction of WO₃ to W, and formation of WC. The carbon content and holding time at the carbothermal reduction temperature were optimized to remove free carbon from the WC powder. As a result, most of the free carbon in the WC powder prepared from sludge was removed, and the content of free carbon in the synthesized WC powder was lower than that in commercial WC powder. Moreover, the crystallite size of WC prepared from H₂WO₄ was much smaller than that of commercial micron-sized WC powder produced from APT. The small crystallite size of WC induces grain growth during the sintering of the WC-Co composite; thus, a WC-Co composite with large WC grains was fabricated using the WC powder prepared from H₂WO₄. The large WC grains affected the mechanical properties of the WC-Co composite. Further, due to the large grain size, the WC-Co composite fabricated from H₂WO₄ exhibited a higher toughness than that of the WC-Co composite prepared from commercial WC powder.

본 연구에서는 텅스텐산암모늄(APT, Ammonium Paratungstate, (NH₄)₁₀[W₁₂O₄₆H₁₀])이 사용되지 않는 친환경 초경합금 슬러지 재활용 공정을 통해 초경합금 주원료인 텅스텐 탄화물 분말을 합성하고자 하였다. 초경합금 슬러지에 대한 산 처리를 통해 텅스텐산(H₂WO₄) 추출 및 결정화를 수행하고 결정화된 텅스텐산을 텅스텐 탄화물의 원료로 사용하였다. H₂WO₄에 대한 탄화환원을 통해 텅스텐탄화물 (WC) 분말이 합성되었고 합성된 WC 분말은 200~700nm 수준의 결정립으로 구성되어 있음이 확인되었다. 이는 현재 절삭공구로 가장 널리 사용되는 1~3㎛ 입도의 상용 WC 분말에 비해 미세한 것으로 텅스텐 금속 분말에 대한 고온(1,700℃ 이상) 고상 탄화법을 통해 제조되는 상용 WC 분말과 달리 H₂WO₄ 나노 결정립에 대한 탄화환원을 통해 WC 분말이 합성되었기 때문으로 사료된다. H₂WO₄로 부터 합성된 WC 분말의 경우 탄화환원에 의해 탄소의 제거가 수월하여 상용 WC 분말에 비해 잔류 탄소가 적은 것으로 확인되었으며 작은 결정립 크기로 인해 초경합금 원료로 사용되었을 때 WC-Co 복합체 내 WC 입자의 성장이 활발하게 일어나 H₂WO₄로부터 합성된 WC 분말이 적용된 WC-Co 복합체의 경우 WC 입자가 조대하고 파괴인성이 우수한 것으로 확인되었다.