KR101096734B1 - 구형의 합금분말 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 분말야금용 합금분말 제조법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 급속응고법(RSP)중의 하나인 종래의 가스 분무법(gas atomization process)의 경우에 목적 조성의 합금원료를 도가니에 용융하여 챔버내에 환상의 분사 노즐로 고압가스를 분사 및 냉각시켜 미세분말을 제조하는 것과는 달리, 본 발명은 상기한 환상의 분사 노즐에 의해 분사된 반액상의 미립자를 재차 고속으로 회전하는 수냉된 원통형 냉각 롤러의 내측에 부딪혀 2차적으로 냉각시켜 합금분말을 회수하는 원리로서, 용융합금의 냉각효과를 더욱 높게 하여 미세편석을 줄여 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 0.1∼2,000㎛ 크기의 구형의 합금분말을 제공하는 합금분말의 제조법에 관한 것이다.

Description

구형의 합금분말 및 그 제조방법{Spherical alloy powder and producing method of the same}
본 발명은 구형의 합금 분말 및 그 제조방법에 관한 것으로, 용융합금의 냉각효과를 높게 하여 미세편석을 줄여 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있도록 하는 한편 0.1∼2,000㎛의 구형 합금분말을 제조하는 것이다.
일반적으로 각종 경자성 재료(희토류 자석 및 알니코(Alnico) 등), 연자성 재료(아몰퍼스 합금, 샌더스트, 퍼멀로이 등), 수소저장합금 재료(LaNi5, TiFe2 등) 및 열전소재(Bi-Te계, Sb-Te계 등) 등의 기능성 합금소재 뿐만 아니라, Al계 합금, Cu계 합금 및 스테인레스 강 등 구조용으로 사용되는 다양한 기계 부품을 위한 분말 제조법으로 잘 알려진 급속 응고법(rapid solidification process)은 냉각롤법(chill rolling process)과 가스 분무법(gas atomization process)으로 대별된다.
후자의 가스 분무법은, 각종 순금속 및 합금분말을 제조할 목적으로 진공 혹은 불활성 분위기에서 원료 금속의 잉곳을 도가니에 장입한 후 고주파 유도로를 사용하여 용해한 후, 보통 자유 낙하되는 용융금속을 환상(環狀)의 분사가스(보통 Ar, N2) 노즐 중앙을 통과시키면서 고압으로 분산(分散)시켜 분말화하는 방법으로서, 제조하는 분말의 산화문제가 없을 때는 공기 혹은 고압 수(H2O)를 사용하는 경우가 있으며, 또한 용탕온도, 가스압력, 환상노즐의 사이즈 등의 공정변수에 따라 합금분말의 형상, 사이즈, 입도분포 및 냉각속도 저하에 의한 미세편석 등은 상기한 각종 제품의 특성에 큰 영향을 미친다.
도 4는 본 발명과 비교설명을 위해 나타낸 종래 가스 분무법에 의해 각종 순금속 및 합금분말을 제조하는데 사용되는 분말 제조장치의 개략도를 나타낸 것으로, 상기 분말 제조장치의 경우, 전술한 바와 같이 원료합금의 용해를 위한 진공 분위기의 도가니(3a)에 채워진 원료합금을 고주파 유도코일(2a)을 이용하여 용융한 후 환상의 가스분사 노즐(12a) 중앙을 통과시켜 고압으로 분산되게 하여 분말을 제조하게 되며, 스톱퍼(7a)를 이용하여 용융 금속의 배출을 조절한다.
상기와 같이 분말 제조 시 가스분사 노즐(12a)을 통하여 대형의 챔버(80)내부에 분사된 액체상태의 분말은 보통 원추형으로 회전(32a)하면서 응고하게 되나, 챔버(80)의 하부 내측에 부딪히기 전의 높이 H(85)까지는 매우 높은 고온상태로 유지 및 낙하하면서 냉각되므로, 합금분말의 냉각속도가 낮으며 실제 대량으로 분말을 제조할 때는 상기한 대형의 챔버(80)마저 온도가 더욱 상승하게 되므로 합금분말의 냉각효과는 더욱 떨어지게 된다.
한편 전술한 바와 같이 가스 분무법 중에서 용융금속의 분사가스 원(source)으로 물을 이용하는 고압수 분사법은 장치의 원리 및 주요 구성부품은 도 4에 도시한 종래 가스분무법과 대부분 유사하며, 냉각속도는 공기나 불활성 가스(Ar, N2)를 분사가스로 사용할 때보다 클 수 있고, 초미분말의 제조가 가능, 형상제어 용이 및 설비비 저가 등의 장점이 있으나, 실제로 기능소재인 자성합금 분말을 제조할 경우, 10㎛이상으로 커지면 냉각효과의 저하로 인해 비정질 합금분말의 제조가 어려울 뿐만 아니라, 비정질 합금분말의 형상 제어가 어려운 것으로 알려져 있으며, 이러한 현상은 분사가스를 Ar 및 N2 등의 불활성 가스나 공기(air)를 사용하는 경우에도 마찬가지이다.
이상과 같이 각종 다양한 기능성 및 기계부품용으로 사용되는 합금분말의 여러 가지의 주요 물성, 즉, 특히 합금분말의 형상, 사이즈 및 미세조직 등은 제조방법이나 수 많은 공정변수 등에 의해 결정되며, 최종 제품의 성능에도 큰 영향을 줄 뿐만 아니라, 각종 기능성 부품소재의 경박 단소 및 경제적 측면에서도 매우 중요하다.
대한민국 특허청 공고 91-000128 (뤼데르 게르킹) 1987.04.13 US 4787935 (Daniel Eylon etc.) 1988.11.29 US 4869469 (Daniel Eylon etc.) 1989.09.26 대한민국 특허청 등록 10-0002097 (포항종합제철주식회사) 1997.02.22 대한민국 특허청 등록 10-0174749 (가부시끼 가이샤 구보다) 1998.11.06 대한민국 특허청 등록 10-0279880 (한국원자력연구소) 2000.11.06 대한민국 특허청 등록 10-0320156 (동부한농화학 주식회사) 2001.12.26 대한민국 특허청 등록 10-0344010 (휴먼일렉스(주)) 2002.06.28 대한민국 특허청 등록 10-0372226 (휴먼일렉스(주)) 2003.01.30 대한민국 특허청 등록 10-0374363 (덕산하이메탈(주)) 2003.02.19 대한민국 특허청 등록 10-0461622 (소에이 가가쿠 가부시키가이샤) 2004.12.03 대한민국 특허청 등록 10-0605148 (정찬홍/한국생산기술연구원) 2006.07.19 대한민국 특허청 등록 10-0561891 (알프스 덴키 가부시키가이샤) 2006.08.10 대한민국 특허청 등록 10-0713241 (주식회사 씨에라인더스트리) 2007.04.24
본 발명은 각종 분말야금용 합금분말을 제조하는 급속응고법(RSP)중의 하나인 종래의 가스 분무법(gas atomization process)에서, 합금분말 제조 시 냉각속도 저하로 인한 합금분말의 미세편석이나, 제품의 물성을 향상시키기 위해 구형의 합금분말이 요구되는 경우에 적합한 수단으로써, 환상의 가스분사 노즐에 의해 분사된 반액상의 미립자를 고속으로 회전하며 수냉되는 원통형 냉각 롤러의 내측에 2차적으로 부딪히게 하여 냉각효과를 상승시킴으로서 이루어지게 된다.
본 발명은 각종 분말야금용 합금분말을 제조하는 급속응고법(RSP)중의 하나인 종래의 가스 분무법(gas atomization process)에서, 목적 조성의 합금원료를 도가니에서 용융한 후 챔버 내에 환상의 분사 노즐로 고압가스를 분사 및 냉각시켜 미세분말을 제조하는 것과는 달리 상기한 환상의 분사 노즐에 의해 분사된 반액상의 미립자를 고속으로 회전하는 수냉된 원통형 냉각 롤러의 내측에 부딪히게 함으로써 2차적으로 냉각시켜 합금분말을 회수하도록 하는 것으로, 용융합금의 냉각효과를 더욱 높게 하여 미세편석을 줄여 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 0.1∼2,000㎛ 크기의 구형의 합금분말을 제공하는 합금분말의 제조법에 관한 것이다.
본 발명에 의해 제조할 수 있는 합금분말은 미세편석이 적고, 보다 미세한 조직, 그리고 0.1∼2,000㎛까지 구형의 합금분말의 제조가 가능하므로, 그에 적합한 각종 분말 제품의 물성 향상에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정이 비교적 단순하여 생산성 향상은 물론, 설비비 절감에 따른 경제적 효과에도 유리하다.
도 1은 본 발명에서 구형 합금분말 제조장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 도 1에 도시된 환상 가스 분사 노즐의 A-A선 단면도.
도 3은 본 발명의 도 1에 도시된 타낸 임펠러의 B-B선 단면도.
도 4는 기존의 가스 분말 제조 장치의 단면도.
도 5는 본 발명의 합금분말 제조 장치에 의해 제조된 합금분말의 전자현미경 사진.
도 1은 본 발명에 따른 구형의 합금분말 제조장치의 개략적인 단면도를 나타낸 것으로서, 각 주요 구성부품을 살펴보면, 우선 제조장치의 상측에는 원료합금을 불활성 분위기에서 용해할 수 있는 용해용 챔버(1)의 내측에는 고주파용 코일(2)의 유도가열에 의해 원료합금을 용해시키는 도가니(3)와 원료합금의 배출을 단속하는 스톱퍼(7) 및 용해용 챔버(1)의 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공 밸브(11)와 진공압을 확인하기 위한 진공계(13)가 구비되는 한편 도가니(3)에서 용융된 원료합금을 고압으로 분산되게 하는 환상의 가스분사 노즐(12) 등을 구비하게 된다.
상기 챔버(1)의 하측에는 챔버(1)와 상부 플랜지(16)에 의해 고정되는 하우징(21)을 구비하고, 상기 하우징(21)의 내측에는 냉각팬이 부착된 원통형 냉각 롤러(25)가 회전하도록 하되 상기 원통형 냉각롤러(25)가 회전할 수 있도록 상하부에 회전베어링(17)(17a)을 구비하며, 상기 원통형 냉각 롤러(25)의 외측으로 형성된 냉각팬은 하우징(21)의 내측에 채워진 냉매에 노출된 채로 회전되게 하되 상기 하우징(21)에는 냉매 순환구(18)를 구비하고, 상기 원통형 냉각 롤러(25)는 하측으로 구동모터(23)의 회전동력이 풀리(22)로 전달되어 회전되게 하되 원통형 냉각 롤러(25)에서 분산되는 원료는 깔대기형 회전 냉각관(31)을 통하여 냉각조(50)로 유입되게 한다.
도 2는 환상의 가스분사 노즐(12)의 단면도로서, 분사용 가스로 사용하는 분사매체(27)는 120o(65)의 3방향으로 분배되어 가스 유입관(62)을 통해 원형의 노즐 출구(60)로 유입되게 하는 한편 상기 환상의 가스분사 노즐(12)의 중앙에는 합금 용탕이 도가니(3)로부터 낙하되어 상기한 노즐 출구(60)의 하측에 공급되도록 하는 원통형 오리피스(66)가 설치되어진다.
여기서 상기 분사매체(27)는 불활성 가스(He,Ne,Ar), N2, 공기, 물(H2O) 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루어진다.
도 3은 임펠러(34)의 단면도를 나타낸 것으로, 내측을 향하여 경사진 방향으로 여러 개의 임펠러 날개(70)가 구성되고, 이러한 임펠러(34)의 내경 사이즈, 임펠러 날개(70)의 개수 및 사이즈 등은 상기한 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되는 가스 분사압과 유량에 중요하므로, 전술한 원통형 냉각 롤러(25)의 회전수(rpm), 냉각관(31)의 내경, 환상의 가스분사 노즐(12) 사이즈 및 사용 가스압력 등을 고려하여 설계한다.
예를 들면, 분말 제조장치의 작업 시 임펠러(34)의 가스배출 용량이 상기한 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되는 가스양 보다 적을 때는 용탕의 흐름을 늦추는 조절을 하여야 하고, 조절에 실패하는 경우 역류가 발생할 수 있기 때문에 적절한 설계가 이루어져야 한다.
이러한 본 발명에서, 환형 가스분사 노즐(12)을 통하여 도가니(3)에서 용융된 합금용탕(8)의 분산이 이루어지는 과정은 기존 방식과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 환상의 가스분사 노즐(12)을 통하여 분사되는 분말의 냉각을 위한 것으로, 가스분사 노즐(12)에서 분산되는 분말은 도면에 도시된 바와 같이 시계방향의 회전(29)이 이루어지게 된다.
본 발명은 챔버(1)의 하단에 결합되어 환형 가스분사 노즐(12)을 통하여 분산되게 하는 원통형 냉각 롤러(25)는 풀리(22)를 회전시키는 모터(23)에 의해 회전이 이루어지게 되며, 상기 원통형 냉각 롤러(25)의 회전은 원통 내경의 치수 및 고속모터(23)의 rpm에 의존하게 되므로, 특히 합금분말의 균질화 및 구형화를 위해서는 상기한 원통형 냉각 롤러(25)의 내측 원주 속도가 적어도 20m/sec 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한 원통형 냉각 롤러(25)의 내측에는 상기한 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 회전하면서 고압으로 분사되는 분사매체(27)에 의해 1차적으로 도면에 표시된 방향으로 회전(29)하면서 냉각되어 형성된 합금분말이 고온 상태로 부딪혀 2차적으로 냉각되므로 고온내열 및 열전도 특성이 우수한 적당한 물질로 코팅하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
그리고 상기 원통형 냉각 롤러(25)는 하우징(21)의 내부에 채워진 냉매에 의해 냉각이 이루어지게 되므로, 합금 분말을 빠르게 냉각시킬 수 있으며, 상기 하우징(21)의 냉매는 냉매 순환구(18)를 통하여 순환이 이루어지면서 원통형 냉각롤러(25)를 외부에서부터 냉각되어 내부에서 냉각이 이루어질 수 있도록 한다.
한편 하우징(21)의 하부에 고정된 하부 플랜지(26)의 하측에는 구동 모터(23)에 의해 원통형 냉각 롤러(25)와 동시에 회전이 가능하도록 연결된 깔대기 형상의 냉각관(31)을 구비함으로써, 원통형 냉각 롤러(25)에서 냉각된 원료가 재차 냉각되어 분말이 이루어지도록 한다.
상기 냉각관(31)을 거친 합금원료는 냉각관(31)의 하측에서 분사가스 및 냉각된 합금분말(28)의 배출이 용이하도록 임펠러 날개(70)가 형성된 임펠러(34)를 통하여 냉각조(50)에 담긴 냉매(36) 속으로 흩어지게 하고, 상기 냉각조(50)의 저면에는 회수용 영구자석(37)을 설치하여 냉각조(50)의 내부에 합금분말(38)이 붙어서 회수될 수 있도록 한다.
여기서 냉각관(31)의 하부는 냉각조(50)에 채워진 냉매(36)에 잠겨져 있게 하고, 상기 냉각조(51)에는 배출가스관(35)을 설치하는 한편 드레인관(52)을 설치하도록 한다.
본 발명의 임펠러(34)와 회전 냉각관(31) 및 원통형 냉각 롤러(25)의 회전방향(32)은 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되어 회전 및 냉각하는 합금분말의 회전방향(29)과 반드시 반대 방향으로 회전하도록 하여야 한다.
본 발명에서 제조되는 합금분말(38)은 도가니(3)에 채워지는 원료에 의해 선택되는 것으로, 단일 재료 즉 1종의 금속으로만 이루어진 순금속 분말을 제조하는 경우에도 동일한 과정을 거쳐 분말을 제조하면 된다.
이와 같은 과정에 의해 제조한 Fe-Si-B계 합금분말을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 시료의 일부는 도 5에 나타낸 바와 같고, 상기 합금분말의 입자 사이즈 및 분포는 0.1∼2,000㎛까지 분포하며 합금분말의 형상은 대부분 구형으로 이루어져 있으며, 특히 상기한 분말입자 사이즈는 환상의 가스분사 노즐(12)의 크기 및 분사압의 세기 등에 의해 차이가 발생할 수 있다.
1 : 챔버 2 : 고주파 유도코일
3 : 도가니 7 : 스톱퍼
8 : 합금용탕 12 : 가스분사 노즐
17(17a) : 구동 베어링 18 : 냉매 순환구
21 : 하우징 23 : 구동 모터
25 : 원통형 냉각 롤러 28 : 2차 냉각된 합금분말
31 : 회전 냉각관 34 : 임펠러
35 : 배출 가스관 36 : 냉매
37 : 영구자석 38 : 회수된 합금분말
50 : 냉각조 60 : 가스 노즐 출구
62 : 분사가스 유입관 66 : 오리피스
70 : 임펠러 날개

Claims (6)

  1. 원료금속을 도가니(3)에 넣고 고주파 유도코일(2)로 용해하여 원통형의 오리피스(66)를 통과하는 합금용탕(8)을 환상의 가스분사 노즐(12)에서 분사매체(27)를 회전과 함께 고압으로 분사하여 제조하는 각종 순금속 및 합금분말(38)에 있어서,
    상기 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되어 1차적으로 냉각된 분말은 환상의 가스분사 노즐(12) 하부에 위치하고 고속으로 회전하는 동시에 외측에는 냉각팬이 부착된 원통형 냉각 롤러(25)의 내측에 부딪히게 하고, 상기 원통형 냉각 롤러(25)의 회전방향(32)이 상기한 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되는 분말의 회전방향(29)과 반대로 회전시켜 2차적으로 냉각시킴과 동시에 구형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 구형의 순금속 및 합금 분말.
  2. 제1항에 있어서, 분사매체(27)는 불활성 가스(He,Ne,Ar), N2, 공기, 물(H2O) 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루진 것을 특징으로 하여 제조되는 구형의 순금속 및 합금 분말.
  3. 제1항에 있어서, 구형의 순금속 및 합금분말(38)의 크기는 0.1∼2,000㎛로 제조된 것으로 특징으로 하는 구형의 순금속 및 합금 분말.
  4. 각종 순금속 및 합금분말을 구형으로 제조하기 위한 원료금속을 도가니(3)에서 용해하여 원통형의 오리피스(66)를 통과하는 용융금속(8)을 환상의 가스분사 노즐(12)에 분사매체(27)를 회전과 함께 고압으로 분사하여 제조하는 구형의 순금속 및 합금 분말(38)의 제조방법에 있어서,
    상기 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되어 1차적으로 냉각된 분말은 환상의 가스분사 노즐(12) 하부에 위치하고 고속으로 회전하는 동시에 외측에는 냉각팬이 부착된 원통형 냉각 롤러(25)의 내측에 부딪히게 하고, 상기 원통형 냉각 롤러(25)의 회전방향(32)이 상기한 환상의 가스분사 노즐(12)로부터 분사되는 분말의 회전방향(29)과 반대로 회전시켜 2차적으로 냉각시킴과 동시에 구형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 구형의 순금속 및 합금분말(38)의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 분사매체(27)는 불활성 가스(He, Ne, Ar), N2, 공기, 물(H2O) 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루진 것을 특징으로 하여 제조하는 구형의 순금속 및 합금분말(38)의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 구형의 순금속 및 합금분말(38)의 크기는 0.1∼2,000㎛로 제조하는 것을 특징으로 하는 구형의 순금속 및 합금 분말(38)의 제조방법.
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