KR101117460B1 - 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 알루미늄(Al) 기지상이 챔버에 투입되는 단계와, 상기 기지상에 첨가되어 내마모성을 향상시키기 위한 6㎛ 이상 50㎛ 이하의 탄화물 강화상이 챔버 내에 구비되는 투입수단에 수용되는 단계와, 투입된 알루미늄(Al) 기지상이 용융되어 용탕이 형성되면서, 상기 투입수단에 수용된 탄화물 강화상의 온도를 상승시키는 단계와, 상기 용탕에 의해 온도가 상승한 탄화물 강화상이 첨가되는 단계와, 탄화물 강화상이 첨가된 용탕이 교반수단에 의해 교반되면서 혼합용탕을 형성하는 단계와, 상기 혼합용탕을 가스와 함께 분무하여 탄화물 강화상이 함유된 금속복합분말이 형성되는 단계 및 형성된 금속복합분말이 회수되는 단계가 포함된다. 이에 의하면 특성이 제어된 강화상을 함유하는 분말야금용 금속복합분말을 대량으로 생산할 수 있는 이점이 있다.

금속복합분말, 가스분무법, 전자현미분석, X-선 회절분석, 알루미늄, 실리콘

Description

가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법{ A manufacturing method of composite metal powder using the gas atomization }

본 발명은 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속분말을 제조하는 방법으로는 고체금속을 분쇄하는 분쇄법과, 석출과 같은 화학적 방법을 통한 습식법, 그리고 금속소재를 용융시킨 뒤 분사노즐을 이용하여 분무하는 분무법 등이 사용된다.

이 중에서, 상기 분무법은 사용하는 냉각매체에 따라 물과 같은 액체를 사용하는 수분사법과, 가스를 사용하는 가스분무법으로 구분할 수 있다.

종래 가스분무법(Gas Atomization)에 의한 금속분말제조 방법은 일반적으로 용융금속을 분사노즐을 통하여 흘려주면서 상온의 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 분사하여 금속분말을 제조하며, 제조된 금속분말의 입자크기가 평균 100㎛ 정도로 형성된다.

금속은 용융온도에 따라 아연(Zn), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등과 같이 낮은 융점을 갖는 소재와 스테인레스강, 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등과 같이 높은 융점을 갖는 금속 또는 다원계 합금 등으로 구분할 수 있다.

한편, 상기와 같이 다양한 종류로 구분되는 금속소재들은 강화상(Reinforcing phase)이 포함되어 금속소재의 특성을 향상시키게 되며, 이와 같이 강화상을 함유한 금속소재는 주로 강화상을 투입한 뒤 용융주조법을 통하여 제조된다.

그러나, 상기와 같이 용융주조법을 통하여 제조된 금속소재는 계면을 따라 강화상이 분리될 우려가 높아 제조된 제품의 실형상 가공이 어려우며, 기지상(Matrix phase) 즉, 낮은 용융점의 소재와 강화상 즉, 높은 용융점의 소재를 혼합하는 별도의 용융 혼합과정이 추가된다.

또한, 상기와 같은 혼합과정을 포함하여 용융주조된 금속소재는 강화상과 기지상이 혼합될 때, 상기 강화상이 응집되어 불균일 분포가 발생하게 되며, 이로 인하여 강화상의 양이나 크기, 형상, 분포 등의 제어가 어려운 문제점이 있으며, 강화상 함유 금속소재의 크기 또한 조절하기 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 강화상을 함유하는 금속복합분말의 제조를 위해 용융된 기지상에 강화상을 투입하고 투입된 강화상과 용융된 기지상을 교반한 뒤 가스분무법을 이용하여 금속복합분말을 제조하는 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법을 제공하는 것이다.

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본 발명은 알루미늄(Al) 기지상이 챔버에 투입되는 단계와, 상기 기지상에 첨가되어 내마모성을 향상시키기 위한 6㎛ 이상 50㎛ 이하의 탄화물 강화상이 챔버 내에 구비되는 투입수단에 수용되는 단계와, 투입된 알루미늄(Al) 기지상이 용융되어 용탕이 형성되면서, 상기 투입수단에 수용된 탄화물 강화상의 온도를 상승시키는 단계와, 상기 용탕에 의해 온도가 상승한 탄화물 강화상이 첨가되는 단계와, 탄화물 강화상이 첨가된 용탕이 교반수단에 의해 교반되면서 혼합용탕을 형성하는 단계와, 상기 혼합용탕을 가스와 함께 분무하여 탄화물 강화상이 함유된 금속복합분말이 형성되는 단계 및 형성된 금속복합분말이 회수되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄화물 강화상은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 티타늄 카바이드(TiC)인 것을 특징으로 한다.

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상기와 같은 특징을 가지는 본 발명에 의하면, 챔버 내부의 투입수단에 강화상이 미리 구비되고, 구비된 강화상이 챔버 내부의 진공분위기에서 용탕에 의해 가열되어 용탕과 온도차이가 줄어들게 된다. 따라서, 용탕과 강화상의 온도차가 줄어듬에 따라 용탕과 강화상의 혼합이 보다 용이하게 이루어지게 되어 기지금속과 우수한 계면접합 특성을 보이게 된다.

또한, 본 발명에서는 교반수단을 통해 혼합용탕을 교반하는 단계가 포함되어 6㎛ 내지 50㎛이하의 탄화물 또는 질화물 강화상을 효과적으로 용융할 수 있게 된다. 그리고, 상기와 같은 입도의 강화상은 기지상과 상대적으로 큰 밀도차를 가지게 되므로 본 발명에 따른 금속복합분말을 이용하여 제조되는 제품의 내마모성을 포함하는 다양한 기계적 특성이 향상되는 이점을 가진다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예에 관하여 설명한다. 다만, 본 발명의 기술적 사상은 이하 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1 에는 본 발명에 의한 일실시 예인 가스분무법을 이용한 금속복합분말 제조장치의 구조가 개략적으로 도시된 도면이 있다.

도시된 바에 의하면, 본 발명에 의한 일실시 예인 가스분무법을 이용한 금속복합분말 제조장치는 제조하고자 하는 금속복합분말의 기지상(도 3 에서 도면부호 600)과 강화상(도 3 에서 도면부호 700)이 상챔버(100) 내부에 수용될 수 있도록 구성된다.

상세하게, 상기 상챔버(100) 내부에는 상기 기지상(600)을 용융시키기 위한 도가니(120)와 히터(140)가 구비되고, 상기 도가니(120)의 상측으로 상기 강화상(700)이 수용되는 투입수단(500)이 구비된다.

상기 도가니(120)는 상방이 개구되도록 형성되며, 상부에서 하부로 갈수록 수용면적이 좁아지도록 형성되어 하단에는 아래에서 상세히 설명할 분무노즐(300)이 연결되도록 구성된다.

그리고, 상기 도가니(120)의 외측에는 상기 도가니(120)를 가열하기 위한 히 터가 구비되어, 내부에 수용되는 기지상(600)을 도가니(120)와 함께 가열한다.

상기 투입수단(500)은 수용부(520)와 조작부(540)를 포함하여 구성되며, 대략 원통 형상으로 형성되어 내부에 상기 강화상(700)이 수용되는 수용부(520)는 몸체 중심에서 일방향으로 치우진 부분에 회전축이 형성되어, 상기 회전축을 중심으로 회동할 수 있도록 형성된다.

그리고, 상기 수용부(520)의 몸체 일측에는 사용자 조작에 의해 상기 수용부(520)를 일방향으로 기울여 상기 수용부(520)의 내부에 수용된 강화상(700)이 상기 도가니(120) 내부로 투입될 수 있도록 하는 조작부(540)가 연결된다.

즉, 상기 조작부(540)는 일단이 상기 수용부(520)와 연결되고, 타단이 상기 상챔버(100)의 외측으로 노출되도록 형성되어, 사용자가 노출된 타단을 파지하여 잡아당기게 되면, 상기 수용부(520)가 회전축을 중심으로 사용자가 파지하는 방향을 따라 상승하게 되어, 내부에 수용된 강화상(700)이 경사를 따라 상기 도가니(120) 내부로 투입된다.

물론, 모터와 조작스위치 등을 구비하여 사용자가 조작스위치를 조작하면 상기 수용부(520)가 상기 모터의 작동에 의해 일방향으로 기울어지도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
또한, 상기 투입수단(500)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 도가니(120)의 상측에 위치하게 되어, 상기 상챔버(100) 내부의 진공 분위기에서 도가니(120) 내부의 용탕에 의해 내부에 수용된 강화상(700)의 온도가 상승하게 된다.
따라서, 상기 수용부(520) 내부의 강화상(700)은 가열된 상태로 용탕에 투입되어 용탕과의 온도차이가 줄어들게 되고, 이에 따라 용탕 내부에서 강화상(700)이 보다 용이하게 용융되어 혼합될 수 있게 된다.

한편, 상기 도가니(120) 내부에는 상기 기지상(600)이 수용되어 상기 히터(140)에 의해 가열됨으로써 용탕이 되고, 상기와 같이 형성된 용탕에 상기 강화상(700)이 투입되어 교반될 수 있도록 교반수단(400)의 일부가 수용된다.

상세하게, 상기 교반수단(400)은 상기 상챔버(100) 일측에 구비되어 회전력 을 생성하는 교반모터(420)와, 상기 교반모터(420)의 회전축과 연결되며, 상기 도가니(120) 내부에 수용되어 용탕 즉, 용융 상태의 기지상(600)과 상기 강화상(700)이 교반되도록 회전하는 임펠러(440)를 포함하여 구성된다.

그리고, 도면에 상세하게 도시되지는 않았지만 상기 교반모터(420)는 실린더나 별도의 모터 등을 이용해 높낮이가 조절될 수 있도록 장착되며, 이로 인해 상기 도가니(120) 내부에서 상기 임펠러(440)의 위치가 가변 가능하게 되어 상기 용탕에 투입된 강화상(700)이 상기 용탕과 원활하게 교반될 수 있도록 한다.

한편, 상기 기지상(600)은 용융점이 상대적으로 낮은 금속(Al, Cu, Fe 등) 및 합금(AlSi, FeNi 등)이 사용되고, 상기 강화상(700)은 용융점이 상기 기지상(600) 보다 상대적으로 높은 세라믹(SiC, TiC, Al2O3, SiO2 등)과 금속간 화함물(Al3Zr 등) 또는 유기물 또는 무기물이 하나 이상 포함되어 사용된다.

그리고, 상기 기지상(600)은 그 크기가 10㎛ 내지 1000㎛ 범위를 가지고, 상기 강화상(700)은 그 크기가 최종 생산되는 금속복합분말보다 작은 크기를 가지거나, 6㎛내지 50㎛ 범위 이내의 크기를 가지게 된다.

이는 상기 강화상(700)이 기지상(600)의 크기 보다 클 경우 기지상(600)의 특성을 향상시키기 위한 강화상(700)의 역할 수행이 되지 않기 때문이며, 크기가 너무 작을 경우 내마모 특성이 저하되므로 상기와 같은 범위에서 강화상(700)의 크기가 결정될 수 있다.

또한, 상기 강화상(700)은 부피 분율이 상기 용융되는 기지금속 대비 0.1 내지 50 vol% 이내의 범위를 가지도록 투입된다. 이는 상기 강화상(700)이 50% 이상일 경우 점도가 높아져 가스분무가 원활하게 이루어지지 않기 때문이다.

한편, 상기 분무노즐(300)은 전술한 바와 같이 상기 도가니(120)의 하단에 연결되어 상기와 같은 크기 및 분율의 범위를 가지는 강화상(700)과 용탕의 혼합용탕이 고압의 가스와 함께 상기 하챔버(200) 내부로 분무 될 수 있도록 형성되며, 이와 같은 노즐구조는 이미 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 분무노즐(300)에 의해 분무되는 혼합용탕은 고압의 가스와 함께 분사되면서 분말 형태로 변환되고, 이와 같이 변환된 금속복합분말은 상기 하챔버(200) 내부로 회수된다.

즉, 상기 하챔버(200)는 도시된 바와 같이 상기 상챔버(100)의 하측에서 상기 상챔버(100)를 지지하면서 상기 분무노즐(300)과 연결된다. 그리고 상기 분무노즐(300)의 단부에서 가스와 함께 분사되면서 분말형태로 변환되는 금속복합분말을 포집하여 저장하게 되며, 도면에 도시되지는 않았지만 이를 위해 싸이클론이 상기 하챔버(200)의 하측으로 더 구비된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 금속복합분말 제조장치를 이용하여 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 2 에는 본 발명에 의한 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법을 도시한 순서도가 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법에서는 우선, 상기 상챔버(100) 내부에 상기 기지상(도 3 에서 도면부호 600)이 투입되는 단계가 수행된다.

즉, 전술한 바와 같이 상기 상챔버(100) 내부에는 상기 기지상(600)이 수용되는 도가니(120)가 구비되고, 상기 도가니(120) 내부에 상기 기지상(600)이 수용된다.

그리고, 상기 상챔버(100) 내부에 구비되는 투입수단(500)에 상기 강화상(700)이 수용되는 단계가 상기 기지상(600)의 수용단계와는 별도 과정으로 수행된다.

즉, 상기 기지상(600)이 상기 도가니(120) 내부에 수용되는 단계와 상기 강화상(700)이 상기 투입수단(500)의 일구성인 수용부(520)의 내부에 수용되는 과정은 각각 개별적으로 이루어지므로 순서와는 무관하게 이루어질 수 있다. 그러나, 상기 기지상(600)의 기계적 특성을 보강하기 위하여 상기 강화상(700)이 투입되므로 상기 기지상(600)의 수용 이후 보강할 특성을 고려하여 상기 강화상(700)을 수용하는 것이 바람직할 것이다.

한편, 상기와 같이 상챔버(100) 내부에 기지상(600)과 강화상(700)의 수용이 완료되면, 상기 도가니(120) 내부에 수용된 기지상(600)이 용융되어 용탕을 형성하면서 상기 투입수단(500)에 수용된 강화상(700)을 가열하는 단계가 수행된다.

상기 용탕이 형성되는 단계에서는, 상기 상챔버(100)의 내부에 구비되는 도가니(120)에서 유도용해에 의해 약 900℃의 용탕으로 상기 기지상(600)이 변환된다.

그리고, 상기 기지상(600)이 용융되어 용탕이 형성되면서 진공분위기의 상챔버(100) 내부의 투입수단(500)에 수용된 강화상(700)이 가열된다. 따라서, 상기 강화상(700)이 투입되는 단계에서는 대기중에 노출된 상태보다 높은 온도에서 상기 용탕에 강화상(700)이 투입된다.

이때, 상기 강화상(700)은 전술한 바와 같이 사용자가 외부에서 조작가능하도록 조작부(540)와 연결된 수용부(520) 내부에 구비되므로, 사용자는 상기 기지상(600)의 상태를 확인하고 용탕으로 변환되었음이 확인되면, 상기 조작부(540)를 이용하여 강화상(700)을 상기 용탕에 투입하는 것이 가능하게 된다.

상기와 같이 투입되는 강화상(700)은 전술한 바와 같이 상기 기지상(600) 보다 용융점이 높은 재질로 용융된 기지상(600)내부에 투입된 상태에서 그 특성을 유지하게 되며, 상챔버(100) 내부에서 온도가 상승하여 기지금속과의 계면 접합특성이 향상될 수 있다.

그리고, 상기 강화상(700)이 용탕 즉, 용융된 기지상(600)에 투입되면, 상기 교반수단(400)의 일구성인 교반모터(420)가 회전하여 이와 연결된 임펠러(440)를 고속으로 회전시키게 되고, 이와 같이 고속회전하는 임펠러(440)에 의해 상기 강화상(700)이 용탕 내부에서 고르게 퍼지게 되어 혼합용탕이 된다.

한편, 상기와 같이 혼합용탕이 형성되면, 상기 혼합용탕을 분무노즐(300)을 이용해 고압의 가스와 함께 분무함으로써 금속복합분말을 형성하는 단계가 수행된다.

그리고, 상기와 같이 생성되는 금속복합분말은 상기 기지상(600)에 상기 강화상(700)이 함유된 상태로 상기 하챔버(200) 내부에서 회수되어 수용된다.

이하에서는 상기와 같이 제조되는 금속복합분말에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 살펴본다.

도 3 에는 본 발명에 의해 제조된 금속복합 분말의 결정질 구조를 개략적으로 보인 단면도가 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법에 의해 제조된 금속복합분말은 기지상(600)의 내부에 상기 강화상(700)이 함유되어 기지상(600)의 내부에서 상기 강화상(700)과 기지상(600)의 계면이 형성된다. 따라서, 상기 강화상(700)이 응집되어 상기 기지상(600) 일측으로 불균일하게 분포되는 것이 방지된다.

이하에서는 실시 예를 통해 이를 보다 구체적으로 살펴본다.

도 4 는 본 발명에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)를 함유한 알루미늄(Al) 복합분말의 미세조직을 보인 사진이고, 도 5 는 본 발명에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)를 함유한 알루미늄(Al) 복합분말의 전자현미분석(Electron Probe Micro Analysis : EPMA) 사진이며, 도 6 은 본 발명에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)를 함유한 알루미늄(Al) 복합분말의 X-선 회절분석 결과를 보인 도면이다.

이들 도면에 도시된 금속복합분말은 본 발명에 의한 가스분무법을 이용한 금속복합분말 제조방법 및 이를 위한 금속복합분말 제조장치에 의해 형성된 것으로, 세라믹의 한 종류인 실리콘 카바이드(SiC)가 함유된 알루미늄(Al) 복합분말이다.

상기 실리콘 카바이드(SiC)가 함유된 알루미늄(Al) 복합분말은 전술한 바와 같이 유도용해를 통하여 상기 상챔버(100)의 도가니(120)에서 약 900℃의 알루미늄(Al) 용탕이 되고, 약 2 vol.%의 실리콘 카바이드(SiC)가 상기 수용부(520)의 내부에 수용되어 있다가 상기 알루미늄(Al) 용탕에 직접 투입된다.

그리고, 상기 교반수단(400)을 상하로 이동시키면서 상기 실리콘 카바이드(SiC)가 투입된 알루미늄(Al) 용탕을 약 500RPM으로 회전시켜 교반시킴으로써 혼합용탕을 형성한다.

상기와 같이 형성된 실리콘 카바이드(SiC)와 알루미늄(Al)의 혼합용탕을 직경 2㎜ 분무노즐(300)을 통해 흘려보내고, 이와 함께 약 20bar의 혼합가스(질소:산소=8:2)를 상기 분무노즐(300) 끝단으로 분사함으로써 약 150㎛ 크기의 실리콘 카바이드(SiC)가 함유된 알루미늄(Al) 복합분말이 형성되고, 상기 실리콘 카바이드(SiC)가 함유된 알루미늄(Al) 복합분말은 상기 하챔버(200) 내부에서 회수되어 수용된다.

상기 과정을 통해 형성된 실리콘 카바이드(SiC)가 함유된 알루미늄(Al) 복합분말의 현미경 사진과 전자현미분석 결과와 X-선 회절 분석 결과를 통해, 기지상(600)인 알루미늄(Al) 속에 강화상(700)인 실리콘 카바이드(SiC)가 함유된 상태가 확인된다.

도 1 은 본 발명에 의한 일실시 예인 가스분무법을 이용한 금속복합분말 제조장치의 구조가 개략적으로 도시된 도면.

도 2 는 본 발명에 의한 가스분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법을 도시한 순서도.

도 3 은 본 발명에 의해 제조된 금속복합분말의 결정질 구조를 개략적으로 보인 단면도.

도 4 는 본 발명에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)를 함유한 알루미늄(Al) 복합분말의 미세조직 및 이를 부분확대한 모습을 보인 사진.

도 5 는 본 발명에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)를 함유한 알루미늄(Al) 복합분말의 전자현미분석(Electron Probe Micro Analysis : EPMA) 사진.

도 6 은 본 발명에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)를 함유한 알루미늄(Al) 복합분말의 X-선 회절분석 결과를 보인 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100..... 상챔버 120..... 도가니

140..... 히터 200..... 하챔버

300..... 분무노즐 400..... 교반수단

420..... 교반모터 440..... 임펠러

500..... 투입수단 520..... 수용부

540..... 조작부 600..... 기지상

700..... 강화상

Claims (8)

1. 알루미늄(Al) 기지상이 챔버에 투입되는 단계;

   상기 기지상에 첨가되어 내마모성을 향상시키기 위한 6㎛ 이상 50㎛ 이하의 탄화물 강화상이 챔버 내에 구비되는 투입수단에 수용되는 단계;

   투입된 알루미늄(Al) 기지상이 용융되어 용탕이 형성되면서, 상기 투입수단에 수용된 탄화물 강화상의 온도를 상승시키는 단계;

   상기 용탕에 의해 온도가 상승한 탄화물 강화상이 첨가되는 단계;

   탄화물 강화상이 첨가된 용탕이 교반수단에 의해 교반되면서 혼합용탕을 형성하는 단계;

   상기 혼합용탕을 가스와 함께 분무하여 탄화물 강화상이 함유된 금속복합분말이 형성되는 단계; 및

   형성된 금속복합분말이 회수되는 단계;가 포함되는 가스분무법을 이용한 금속복합분말 제조방법.
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3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화물 강화상은,

   실리콘 카바이드(SiC) 또는 티타늄 카바이드(TiC)인 것을 특징으로 하는 가스분무법을 이용한 금속복합분말 제조방법.
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