CN114786845A

CN114786845A - 金属粉末制造装置

Info

Publication number: CN114786845A
Application number: CN202080084976.5A
Authority: CN
Inventors: 池庸焕; 金京和; 林美笑; 金信; 徐元奎; 金秀敏
Original assignee: Kolon Industries Inc
Current assignee: Kolon Industries Inc
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2022-07-22
Also published as: WO2021118053A1; JP7366268B2; JP2023504715A; KR20210072476A; US20230010470A1

Abstract

本发明的金属粉末制造装置，用于分裂熔融金属并通过设置在腔室内部的冷却水喷嘴喷射冷却水以冷却雾化的熔融金属液滴，其特征在于，冷却水喷嘴以扇形形状喷射冷却水，并且，设置于不同高度的冷却水喷嘴与腔室的内壁形成的倾斜角，随着冷却水喷嘴的高度降低而增加，以减少熔融金属液滴的飞散距离的偏差，从而能够有效地制造具有均匀形状的金属粉末。

Description

金属粉末制造装置

技术领域

本发明的一个方面涉及制造金属粉末的装置。

背景技术

作为制造金属粉末的方法，主要使用将高压气体或高压水喷射到熔融金属上以将熔融金属分裂成小的液滴形态的雾化方法(Atomizing)。熔融金属的液滴在雾化过程中同时冷却或飞行途中，经过另外的冷却过程获得金属粉末。雾化的熔融金属液滴可以根据金属的组分或冷却速度形成非晶态金属粉末。

非晶态作为表示具有未形成结晶的无秩序、不规则的原子排列状态的物质的状态的术语，代表性的非晶态物质有玻璃。非晶态金属因不具有结晶的方向性，从而具有高强度和优异的延展性，并且没有磁各向异性，从而具有电阻变低等特性，可用于多种目的，因此最近需求正在增加。

为了形成包含这种非晶态的金属粉末，重要的是熔融状态的金属以高速冷却。因为，熔融状态的金属的冷却速度不够高，则熔融金属中的金属原子会冷却并形成稳定的结晶，从而形成结晶态的金属粉末。

传统的金属粉末制造装置试图在熔融金属雾化后使用冷却剂进行冷却，但冷却速度太低而无法形成非晶态金属粉末，或者即使冷却速度充分而获得非晶态粉末，但是存在粒子大小不规则，粉末以非球形的形态生产等问题，由于分裂并冷却熔融金属需使用大量的气体或冷却水，因此存在生产成本高的问题，从而有必要对此进行改进。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面的目的在于提供一种金属粉末制造装置，其作为用冷却水冷却通过雾化法形成的熔融金属液滴的装置，根据由飞散的熔融金属液滴的大小而不同的落下路径，提供适当的飞行距离和冷却速度，从而提高球形性能和非晶态形成率。

另外，本发明的另一目的在于提供一种金属粉末制造装置，该金属粉末制造装置在制造非晶态金属粉末时，能够通过喷射管喷射冷却水减少冷却水的使用并降低维护成本。

技术方案

本发明的一个方面是金属粉末制造装置，该金属粉末制造装置包括包括用于对分裂成液滴形状后下降的熔融金属进行冷却的腔室，

所述腔室的内壁设有用于冷却分裂的所述熔融金属的冷却水喷嘴，

所述冷却水喷嘴包括：第一冷却水喷嘴，所述第一冷却水喷嘴与所述腔室的内壁在竖直方向上形成第一倾斜角θ₁₁并设置在第一高度；第二冷却水喷嘴，所述第二冷却水喷嘴与所述腔室的内壁在竖直方向上形成大于所述第一倾斜角的第二倾斜角θ₁₂并设置在低于所述第一高度的第二高度。

所述第一冷却水喷嘴可以包括位于所述第一高度的多个冷却水喷嘴，

优选为，对于大于2的自然数n，在高度低于第n-1高度的冷却水喷嘴中，将具有最高位置的冷却水喷嘴称为第n冷却水喷嘴，并且将所述第n冷却水喷嘴的喷射方向与所述腔室的内壁在竖直方向形成的角度称为第n倾斜角θ_1n时，满足θ₁₁≤θ₁₂≤…≤θ_1n。

所述冷却水喷嘴可以包括以扇形形状喷射冷却水的冷却水喷嘴，

所述金属粉末制造装置可以包括设置在所述腔室的内壁并用于保护所述冷却水喷嘴的遮挡板，

此时，所述腔室的上部内径优选为下部内径的1～3倍，

所述腔室的长度优选为所述腔室的上部内径的1～5倍。

所述冷却水喷嘴的冷却水喷射压力为80bar～150bar。

另外，所述第一喷射角可以为30°～90°，所述第一倾斜角可以为10°～60°。

有益效果

根据本发明的一个方面的金属粉末制造装置可通过喷射冷却水提高金属粉末的球形性能，以便根据随着熔融金属液滴的直径变化的不同的落下路径，使熔融金属液滴具有适当的飞行距离。

冷却水从喷射管喷射并冷却金属液滴时，可以去除形成在表面的水蒸气膜，从而提高冷却效率，因此金属粉末的非晶态形成比率增加。

另外，喷射管由平坦的扇形形状喷射冷却水，相比于喷射圆锥形的冷却水，与金属液滴的接触面积更大，且冷却水被集中喷射，因此具有提高冷却效率的优点。

附图说明

图1是示意性地表示金属粉末制造装置的截面的剖视图。

图2是示意性地表示图1的金属粉末制造装置的透视图，

图3是表示金属粉末制造装置的腔室的内壁的俯视图。

具体实施方式

在下文中详细描述本发明之前，应理解本说明书中使用的术语只是为了描述特定实施例，并非旨在限制仅由权利要求范围确定本发明的范围。除非另有说明，本说明书使用的所有技术术语和科学术语与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。

在整个本说明书和权利要求书中，除非另有说明，否则术语包括(comprise,comprises,comprising)意在包括提及的对象、步骤或对象组及步骤,它不是在排除任何其他对象、步骤或对象组或步骤组的意义上的使用。

另一个方面，除非有明确的相反意见，否则，本发明的各种实施例可以与其他实施例相结合。特别是，指示为优选或有利的任何特征也可以与指示为优选或有利的之外的任何特征和特征等组合。在下文中，将参照附图描述本发明的实施例及其效果。

在本说明书中，喷射管是指用于高速喷射蒸汽或液体、气体等的喷射口。当使用喷射管的表现时，应被广泛地解释为包括使管的横截面积变窄提高流体速度的方式的喷嘴，以及施加压力喷射流体的方式等可由高速喷射流体的喷射口等。

熔融金属供应容器10是指装有熔融金属的容器，在熔融金属供应容器10的底部设有孔口11，使得熔融金属通过重力沿竖直方向流下来。对熔融金属的种类没有限制，例如可以含有如Ti、Al等活性高的金属。活性高的金属因与空气的接触而容易被氧化并在表面形成氧化膜，因此被认为很难精细化，但是据本方面的金属粉末制造装置不限于包含在熔融金属中的金属种类。

另外，具有磁性的金属或合金以及用于制造其的组成的熔融金属，例如，可以使用Fe-Si-B基非晶态金属、Fe-Si-B-P基非晶态金属、Fe-Si-B-Nb-Cu基纳米晶态金属、Fe-Ni-M(准金属)-T(其他过渡金属)(Fe-Ni-M(metalloid)-T(other transition metal))等用于制造铁基非晶态合金粉末的组分的金属，并且熔融金属被冷却后可形成软磁性的非晶态粉末。

孔口(Orifice)是指流过熔融的金属熔液的出口。保持在高温的熔融金属熔液通过孔口11在腔室的内部中从顶部流到底部。

图1是示意性地表示本发明的一实施例的金属粉末的制造装置的剖视图。金属粉末制造装置的构成包括流体喷嘴、腔室、冷却水喷嘴。

流体喷嘴12是喷射流体的喷嘴。喷射的流体不受限制，但优选使用气体，所使用的气体优选为与金属没有反应性的气体，优选为如氮等反应性较低的气体或氩等惰性气体。

流体喷嘴12设置在孔口11的周边或孔口11的下方，喷嘴的方向设置成朝向熔融金属从孔口11流出的竖直方向上的直线(中心轴)。虽然流体喷嘴12与中心轴所成的角度没有限制，但优选地，设置成与中心轴形成锐角的方式朝向重力方向喷射气体。

当流体喷嘴12与中心轴成直角时，从不同喷嘴喷射的喷射气体相互碰撞，导致熔融液滴飞散的方向不一致，从而导致金属粉末的品质较差，特别是，喷射气体使熔融液滴向孔口11飞散，有可能使孔口11堵塞或变窄，因此不优选。

流体喷嘴12由多个构成并以环形设置在孔口11周围设置。多个喷嘴可以被配置为朝向位于孔口11的竖直方向的特定点喷射气体。在这种情况下，流下来的金属熔融液被喷射的气体分散成细微的熔融液滴(droplet)并形成锥形状落入腔室内部。

腔室(Chamber)作为在内部进行熔融金属颗粒冷却的装置，优选构成为在内部具有空间的筒形状。腔室1位于熔融金属供应容器的下方。腔室1的形状不受限制，但优选为圆筒形，腔室1的内径可以是上部大并向下部变小。腔室1上部的内径D1与腔室1下部的内径D2之比D1/D2可以为1以上3以下，优选为1.2～2.5。

腔室1的中心轴可以设置成与熔融金属供应容器的孔口11一致，根据冷却水喷嘴的角度和设置形态，孔口11可能与腔室1的中心轴不一致，腔室1的中心轴可以倾斜，即不平行于竖直方向而形成一定的角度。

为了通过确保流动的熔融金属飞散的距离来提高球形性能，腔室1的长度优选为腔室1的上部内径的1～5倍的范围，更优选为1.5～4倍的范围。

当腔室1的长径比超出相应范围时，冷却水喷嘴20的安装高度间隔变远，并且通过调节冷却水喷嘴的角度来调节熔融金属液滴的飞散距离的范围变窄，或者熔融金属与冷却水喷嘴的距离变远，从而熔融金属液滴在球形化之前可能会被冷却，导致冷却效率下降。

当上部和下部的直径和腔室的长度比例在相应范围内时，可以在腔室的下部集中进行由冷却水的冷却，从而提高熔融金属的冷却效率。

冷却水喷嘴是设置在腔室1的内表面的喷射口，用于喷射冷却水来冷却被液滴化的熔融金属。冷却水喷嘴可以使用喷射管(jet nozzle)，以高速喷射冷却水。

将设置在腔室的内壁上的冷却水喷嘴中，位于最上部的冷却水喷嘴称为第一冷却水喷嘴21，并将第一冷却水喷嘴21所处的高度定义为第一高度。第一冷却水喷嘴21可以是一个冷却水喷嘴，也可以包括具有相同第一高度的多个冷却水喷嘴。

将位于低于第一高度的冷却水喷嘴中，具有最高位置的冷却水喷嘴称为第二冷却水喷嘴22，并将第二冷却水喷嘴22所处的高度定义为第二高度。第二冷却水喷嘴22可以是一个冷却水喷嘴，也可以包括具有相同第二高度的多个冷却水喷嘴。以同样的方式定义第三高度、第四高度和第三冷却水喷嘴23及第四冷却水喷嘴24。将位于低于第n-1高度的冷却水喷嘴中，具有最高位置的冷却水喷嘴称为第n冷却水喷嘴，将第n冷却水喷嘴所处的高度定义为第n高度。

倾斜角可以解释为冷却水喷嘴的冷却水喷射方向与腔室的内壁的沿竖直方向形成的角度，可以解释为在喷射方向上的虚拟直线与腔室的内壁相交的点处，腔室的内壁接触的切平面与虚拟直线形成的角度。

第一冷却水喷嘴21的倾斜角称为第一倾斜角，第二冷却水喷嘴22的倾斜角称为第二倾斜角，同样第三冷却水喷嘴23的倾斜角称为第三倾斜角，第四冷却水喷嘴24的倾斜角称为第四倾斜角，第n冷却水喷嘴的倾斜角称为第n倾斜角。

当位于第一高度的第一冷却水喷嘴21为多个时，多个冷却水喷嘴均具有相同的第一倾斜角或具有两个以上的第一倾斜角。冷却水喷嘴20的设置不受限制，为了金属粉末的均匀冷却，优选以中心轴为基准形成旋转对称，或者使各个冷却水喷嘴20之间的距离最大。

例如，优选地，两个冷却水喷嘴20以中心轴为基准设置成彼此相对，并且，优选地，三个冷却水喷嘴20配置成以中心轴为基准分别形成120度的等边三角形。根据本发明的一实施例，冷却水喷嘴20以中心轴为基准形成对称设置的结构。

如图2所示，具有不同高度的冷却水喷嘴可以交替配置。在图2所示的实施例中，第一冷却水喷嘴21和第二冷却水喷嘴22交替配置，第二冷却水喷嘴22和第三冷却水喷嘴23交替配置。

实施方式

冷却水喷嘴20朝向腔室1的中心轴喷射冷却水，喷嘴的喷射方向具有倾斜角。倾斜角可以随着冷却水喷嘴的高度减小而增大。第一倾斜角为10°以上60°以下，优选在10°～30°的范围内。之后，第二倾斜角等于或大于第一倾斜角，与第一倾斜角的差可以为0°以上30°以下，优选在5°～15°的范围内。

第三倾斜角等于或大于第二倾斜角，其与第二倾斜角的差可以为0°以上30°以下，优选在5°～15°的范围内。

如果第一冷却水喷嘴21与腔室1的内壁形成的第一倾斜角为θ₁₁，第n冷却水喷嘴的第n倾斜角为θ_1n，则对于大于2的n可以成立θ₁₁≤θ₁₂…≤θ_1n的关系，优选成立θ₁₁<θ₁₂<…<θ_1n的关系。第n倾斜角等于或大于第n-1倾斜角，其与第n-1倾斜角的差可以为0°以上30°以下，优选在5°～15°范围内。

冷却水喷嘴20以具有倾斜角的方式喷射冷却水，根据由流体喷嘴12飞散的金属液滴的直径可提供不同的飞行距离。飞散的熔融金属液滴的直径越大，质量越大，动能就越大，且受到流体的阻力越小，从而具有接近重力方向的飞行路径，直径小的液滴质量小，因此动能相对较小且受到喷射的流体的阻力，从而具有与重力方向形成较大的喷射角度并扩散的飞行路径。

当在水平方向上喷射冷却水时，会发生直径较大的液滴的飞行距离变短，且冷却水仅形成于腔室1的内壁时，直径较大的液滴的飞行距离变长的差异。在腔室1的内壁和一定角度范围内向中心轴喷射冷却水时，可以调节直径较大的液滴和直径较小的液滴的飞行距离。

飞行距离过短时，由于表面张力导致颗粒的球形化没有很好地进行，从而球形性能下降，并且飞行距离过大时，冷却速度变低，从而不能形成非晶态，因此，为了调节飞行距离以形成非晶态的同时具有良好的球形性能，可以调节冷却水喷嘴20的角度及安装位置，以实现有效的金属粉末的生产。

倾斜角随着高度减小而增大的设置具有随着接近腔室1的中心轴，从冷却水喷嘴喷射的冷却水步骤之间的间隔变窄的效果。直径大小越大的金属液滴，具有更靠近中心轴的飞行路径，因此快速通过多个冷却水层，并具有高的冷却速度，从而提高冷却效率。

冷却水喷嘴20的倾斜角可以调节。在从单一组分的熔融金属制造具有不同特性的粉末的情况，或者在改变熔融金属的组成的情况下，为了制造具有相同或更好特性的粉末，可通过调节冷却水的喷射角度，调节熔融金属液滴的飞散距离和冷却速度，并且可形成具有非晶态的比率或球形性能更高的粉末。倾斜角的调节范围可以在上下30度的范围内。

图2是显示根据本发明的一实施例的腔室的冷却水喷射角的透视图。安装在腔室的内壁的冷却水喷嘴20的冷却水喷射形态以虚线表示。冷却水喷嘴20的冷却水喷射形态和从冷却水喷嘴20喷射的冷却水的喷射角，根据冷却水喷嘴的高度而不同。

从喷嘴喷射的冷却水以平坦的扇形形状喷射，此时将扇形的中心角定义为喷射角。喷射角可以是30°～130°范围，优选为35°～110°，更优选为40°～90°范围。

冷却水喷嘴20的扇形形状的喷射与圆锥形状的喷射相比，更集中喷射冷却水，因此冷却水以高密度被喷射，从而具有提高冷却效率且容易去除金属粉末表面的水蒸气层的优点，以扇形形状喷射具有宽的接触面积，从而可以接触至远离腔室的中心轴落下的熔融金属液滴并进行冷却。

当第一冷却水喷嘴21包括多个冷却水喷嘴20时，第一冷却水喷嘴21可以具有相同的喷射角，也可以根据喷嘴的高度具备多种喷射角。

图2所示实施例中，喷射角随着冷却水喷嘴20的高度减小而增加。假设第一冷却水喷嘴21的喷射角度为θ₂₁，第n冷却水喷嘴的喷射角度为θ_2n时，则对于大于2的n，可以成立θ₂₁≤θ₂₂≤…≤θ_2n或θ₂₁<θ₂₂<…<θ_2n的关系。

冷却水喷嘴20的喷射角度随着高度减小而增加的构造，随着越向腔室1的下端金属液滴的冷却越多，从而对于一个金属液滴的冷却水的集中喷射冷却效率降低，因此使接触面积最大化，具有与大量金属液滴接触有利于提高整体冷却效果。

图3是表示本发明的一实施例的金属粉末的制造装置的俯视图。第一冷却水喷嘴21至第四冷却水喷嘴24在各个高度被设置成四个冷却水喷嘴，并且配置成彼此隔开90度。第二冷却水喷嘴22配置成与第一冷却水喷嘴21旋转45度，并呈相互交替的形态。第三冷却水喷嘴23在第三高度与第一冷却水喷嘴21具有相同的配置，第四冷却水喷嘴24在第四高度与第二冷却水喷嘴22具有相同的配置。由这种交替形态的喷嘴配置形成的冷却水步骤，具有宽的接触面积并形成有效的冷却水步骤。

冷却水喷嘴包括以平坦的扇形形状喷射的喷嘴，并且可以包括锥形形状的喷嘴。多个冷却水喷嘴中的一部分以平坦的扇形形状喷射而一部分以锥形形状喷射，并且可以使用各种冷却水喷射方法。

从冷却水喷嘴20喷射的冷却水越以高压、高速喷射，则越分裂熔融金属液滴，或者打破由冷却水与熔融金属液滴接触形成的熔融金属液滴表面的水蒸气层，从而提高热交换效率，提高冷却速度并且可提高生成的金属粉末的非晶态程度。冷却水的压力可以是80bar～150bar，优选为90bar～130bar，冷却水的喷射速度不受限制，包括能够在相应冷却水的压力范围内通过喷嘴的结构获得的喷射速度。

在金属粉末制造装置中还可以包括能够调节冷却水喷嘴角度的角度调节装置。角度调节装置将冷却水射喷射嘴连接到腔室的内壁，并可调节冷却水喷嘴的喷射方向。由于可以调节冷却水喷嘴的角度，因此，在相同组分的熔融金属中，通过更长地调节飞散距离，可以将金属粉末的颗粒形状调整为更接近球形，并且可调节成将飞散距离设置成相对较短的同时增加液滴化的金属的冷却速度，以提高所制造的金属粉末的非晶态比率。由于该喷射角度可以根据熔融金属的组分和所要制造的金属粉末的具体特性等进行调节，因此可以在相同的装置中制造具有各种特性的金属粉末。

此外，当熔融金属的组分不同时，即使在相同的冷却水喷嘴角度下，由颗粒的冷却的非晶态比率和由表面张力的球形成程度也不同，通过调节冷却水喷嘴，能够以最适合于金属组分的飞散距离和冷却速度进行生产。

在熔融金属的组分不变且目标特性不同的情况下，同样通过调整冷却水喷嘴的角度，无需新的装置或投资也可获得提高球形性能或者粉末的粒度变得均匀等的差异。

为了防止熔融金属液滴飞散到冷却水喷嘴20中并冷却导致喷嘴的喷射口堵塞或变窄而妨碍冷却水喷嘴20的喷射，或冷却水沿着腔室的内表面流下而妨碍冷却水喷嘴的喷射，腔室1在内壁包括覆盖冷却水喷嘴20的遮挡板30，从而保护冷却水喷嘴20。

只要是遮挡板30安装在冷却水喷嘴20的上部，在不遮挡冷却水喷嘴20的喷射路径的前提下，能够从飞散的金属液滴中覆盖或包围冷却水喷嘴20功能的形状，则其结构不受限制。遮挡板30可以是平坦的板状，也可以是平面板折叠的形状，也可以构成为曲面，或者是球面的一部分，或包围冷却水喷嘴的上部和下部，仅开放相应于喷射路径的部分的形状。

形成于腔室的下部的金属粉末与冷却水一起被移送，经过干燥工艺，所使用的冷却水与粉末分离处理后，能够经泵重新供应至冷却水喷嘴20以重复使用。

上述各实施例中示例的特征、结构、效果等可以由实施例所属领域的普通技术人员针对其他实施例进行组合或修改。因此，与这些组合和修改有关的内容应被解释为包含在本发明的范围内。

附图标记:

1：腔室 10：熔融金属供应容器

11：孔口 12：流体喷嘴

20：冷却水喷嘴 21：第一冷却水喷嘴

22：第二冷却水喷嘴 23：第三冷却水喷嘴

24：第四冷却水喷嘴 30：遮挡板

Claims

1.一种金属粉末制造装置，包括用于对分裂成液滴形状后下降的熔融金属进行冷却的腔室，其中，

所述腔室在内壁设有用于冷却分裂的所述熔融金属的冷却水喷嘴，

所述冷却水喷嘴包括：

第一冷却水喷嘴，所述第一冷却水喷嘴与所述腔室的内壁在竖直方向上形成第一倾斜角(θ₁₁)并设置在第一高度；

第二冷却水喷嘴，所述第二冷却水喷嘴与所述腔室的内壁在竖直方向上形成大于所述第一倾斜角的第二倾斜角(θ₁₂)并且设置在低于所述第一高度的第二高度。

2.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

所述第一冷却水喷嘴包括位于所述第一高度的多个冷却水喷嘴。

3.根据权利要求2所述的金属粉末制造装置，其中，

对于大于2的自然数n，在高度低于第n-1高度的冷却水喷嘴中，将具有最高位置的一个或多个冷却水喷嘴称为第n冷却水喷嘴，并将所述第n冷却水喷嘴的喷射方向与所述腔室的内壁在竖直方向上形成的角度称为第n倾斜角(θ_1n)时，满足θ₁₁≤θ₁₂≤…≤θ_1n。

4.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

所述冷却水喷嘴包括以扇形形状喷射冷却水的冷却水喷嘴。

5.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

包括遮挡板，所述遮挡板设置在所述腔室的内壁，用于保护所述冷却水喷嘴。

6.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

所述腔室的上部内径是下部内径的1～3倍。

7.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

所述腔室的长度是所述腔室的上部内径的1～5倍。

8.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

所述冷却水喷嘴的冷却水喷射压力为80bar～150bar。

9.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其中，

所述第一倾斜角为10°～60°。

10.根据权利要求4所述的金属粉末制造装置，其中，

所述冷却水喷嘴喷射冷却水的扇形形状的中心角即喷射角处于30°～130°的范围内。