KR101372839B1 - 분말 제조방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 산업용으로 사용되는 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재의 분말 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 고온으로 용해한 분말원료를 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 환상의 분사노즐로 분사하여 용융금속이 고상으로 응고할 때 액체금속과 고체금속이 혼재되어 있는 상태를 의미하는 반액상의 미립자로 1차 냉각하는 단계, 상기 환상의 분사노즐 하단에 설치되고 냉각이 이루어지는 상태에서 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러의 외측에 부딪혀 2차적으로 냉각하는 단계, 상기 원통형 냉각롤러의 외측에 고정되어 설치되고 냉각이 이루어지는 상태의 냉각용 중공형 원통의 내측에 부딪혀 3차적으로 냉각하는 단계, 상기 원통형 냉각롤러의 하측에 설치된 임펠러에 의해 냉각된 고체 상태의 미세한 분말을 배출시켜 회수하는 단계로 이루어진다.
본 발명은 합금분말의 응고속도를 더욱 높게 하여 미세편석을 줄여 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 원통형 냉각롤러의 상단 모양을 변화하거나, 회전속도를 조절함으로써, 제조하는 분말의 크기 및 모양을 용이하게 조절할 수 있다.

Description

분말 제조방법 및 그 장치 {Method and apparatus for manufacturing powders}
본 발명은 각종 산업용으로 사용되는 각종 기능성 분말(연·경자성재료, 수소저장재료, 열전재료, 2차전지)이나, 구조 부품용 분말(Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Al,Ti 및 그 합금)로 사용되는 각종 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재의 분말 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 고체상태의 원료를 용해하여 미세관을 통과하는 액상을 냉각 매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)로 고압 분무시켜 미세한 분말형태로 제조할 때, 특히 냉각속도가 느릴 때 발생하는 미세편석을 줄이기 위하여 환상의 분사노즐을 사용하는 한편 회전하는 원통형 냉각롤러의 외측과 고정된 냉각용 중공형 원통의 내측에 연속적으로 부딪혀 냉각효과를 높임으로써 미세편석을 줄이는 동시에 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있도록 하는 것이다.
각종 산업용 사용되는 순금속(Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Al,Ti), 합금(철(Fe)계-비철(Al,Cu,Ni,Co,Ti)계, 비교적 저융점 세라믹 분말(CuO,SnO,PbO,B2O3) 및 그들 복합체의 원료를 고온 용해하여 고상분말로 제조하기 위해서는, 보통 전통적으로 알려진 분무법(atomization process)과 원심분리법(centrifugal process)이 사용된다.
전자의 분무법은, 각종 순금속 및 합금분말을 제조할 목적으로 진공 혹은 불활성 분위기에서 원료금속 잉곳(ingot)을 도가니에 장입하여 고주파 유도로나 아크로로 완전하게 용융하여 미세관을 통과하는 액상의 금속을 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)로 고압 분무시켜 미세한 분말형태로 제조하는 방법으로서, 이러한 방법으로 얻어지는 분말에 산화가 문제될 경우에는 주로 불활성 가스(N2,Ar,He)를 사용하지만, 산화문제가 없을 때는 공기, 고압 수(H2O) 또는 물과 가스(공기,N2 )를 사용하여 제조하며, 용탕온도, 가스압력, 환상노즐의 사이즈의 공정변수에 따라 합금분말의 사이즈, 형상 및 입도분포가 다른 분말이 얻어진다.
이러한 분무법은 냉각매체의 종류에 따라 가스분무법과 수분사법으로 구분되며, 우선 가스분무법은 냉각매체로 불화성 가스(N2,Ar,He)나 공기(air)를 사용하므로 냉각효과가 낮기 때문에 합금분말의 경우 미세편석이 발생하여 균질한 합금분말을 얻을 수 없으며, 사용하는 가스의 가격이 비교적 고가이기 때문에 생산코스트 상승의 문제점이 있다.
한편 수분사법은 비교적 저렴한 물(H2O)을 사용하므로 분말제품의 생산 코스트를 절감할 수 있으며, 냉각효과가 크기 때문에 미세편석을 줄일 수 있지만, 특히 제조된 분말의 표면산화 및 고압 수 발생장치의 설비비가 고가인 것이 단점이다.
도 9는 종래 분무법을 개선한 실용 특허기술에 관한 일부 도면을 나타낸 것으로, 모두 1차 분사노즐을 사용하여 분사되어 냉각된 분말을 2차적으로 부딪혀 분말을 제조하는 것이며, 도 9의 (a)는 일본특개평11-288807호(1999.10.19 공개)에 제시된 것으로, 판상형 합금분말을 얻기 위해 1차적으로 분무된 분말을 회전하는 원통형 냉각롤에 부딪혀 제조하는 방법이고, 도 9의 (b)는 대한민국 특허공개 10-2002-0047080호(2002.06.21 공개)에 제시된 것으로, 미세한 금속분말을 제조하고 응집을 방하하기 위한 수단으로 금속분말의 융점에 근접한 온도로 가열하여 고온가스를 분사하며, 재차 고온가스노즐 하단에 2, 3차적으로 회전원반을 설치하여 부딪히게 하는 기술이며, 도 9의 (c)는 대한민국특허 특허공개 10-2004-0023534호(2004.03.18 공개)에 제시된 것으로, 고압수 분사법에 의해 제조한 나노결정질 합금분말을 사용하여 자성분말 코어 제조 시, 합금분말이 부정형이면 성형밀도가 낮고, 특히 결합제와 혼합하여 압축성형하면 분말 간 절연이 어려워 자성코어의 특성이 저하하므로, 구형 및 구형에 가깝고 4∼45㎛범위의 사이즈가 코어 제조특성 및 연자기적 특성이 우수함을 제안하고 있다.
이상과 같이 각종 다양한 기능성 및 기계부품용으로 사용되는 합금분말의 특성은 분말의 입도, 형상 및 미세조직은 제조방법이나 공정조건에 의해 결정되며, 이러한 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 10-0542061 (알프스 덴키 가부시키가이샤) 2006.01.03 대한민국 특허청 등록 10-0545849 ((주)아모텍)) 2006.01.18 대한민국 특허청 등록 10-0605148 (정찬홍/한국생산기술연구원) 2006.07.19 대한민국 특허청 등록 10-0561891 (알프스 덴키 가부시키가이샤) 2006.08.10 대한민국 특허청 등록 10-0650354 (세이코 엡슨 가부시키가이샤) 2006.11.21 대한민국 특허청 등록 10-0713241 (주식회사 씨에라인더스트리) 2007.04.24 대한민국 특허청 공개 10-2011-0044832(마키노 아키히로) 2011.05.02 대한민국 특허청 공개 10-2012-0085645((주)아모텍) 2012.08.01 대한민국 특허청 공개 10-1217223((주)아모텍) 2012.12.24)
각종 산업용으로 사용되는 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재의 분말은, 기본적으로 최종 적용 제품의 특성 향상을 위해 균질한 화학적 조성이 중요하지만, 적용 제품에 따라 분말의 입도, 형상 및 미세조직이 매우 중요하다.
그러나 이러한 분말을 고온으로 용해하여 종래 제조방법인 분무법이나 원심분리법으로 제조할 경우에는, 보통 상기한 분말의 화학적 조성, 입도, 형상 및 미세조직 제어가 어려울 뿐만 아니라, 제조공정이 복잡하여 장치 및 설비비가 고가이기 때문에 생산 코스트가 상승하는 문제점이 있기 때문에 본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 하는 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 수단으로써, 우선 고체 원료를 도가니에 장입하여 고주파 유도로(혹은 아크로)로 용해한 후 도가니 하부에 설치된 오리피스(orifice)를 통해 액상으로 자연 낙하하는 원료용액을 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)을 환상(ring shape)의 분사노즐로 분사하여 분무된 반액상(semiliquid : 일반적으로 액체가 고체로 변화할 때, 반정도는 고체가 되고 반은 아직 액체로 남아 있는 상태를 뜻하며, 용융금속이 고상으로 응고할 때 액체금속과 고체금속이 혼재되어 있는 상태를 의미하는 것으로, 본 발명에서는 오리피스를 통해 자연낙하 하는 액체금속을 고압의 냉매로 분무시키면, 처음에는 액상으로 분무되어 냉각되어 완전한 고상의 분말입자로 되기 전의 상태를 의미하며, 고압으로 분무된 액상금속의 원소 및 크기에 따라 반액상의 지속시간이 다를 수 있다)의 미립자(1차 냉각)를 2000rpm이상의 고속으로 회전하며 수냉되는 원통형 냉각롤러의 외측에 2차적으로 부딪히게 한 후, 또한 상기한 원통형 냉각롤러의 외측에 수냉되며 고정 설치한 냉각용 중공형 원통의 내벽에 3차적으로 부딪히게 하여 냉각효과를 상승시킴으로서 이루어진다.
즉, 본 발명은 고온으로 용해한 분말원료를 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 2중의 환상 분사노즐로 분사하여 용융금속이 고상으로 응고할 때 액체금속과 고체금속이 혼재되어 있는 상태를 의미하는 반액상의 미립자로 1차 냉각하는 단계, 상기 환상 분사노즐의 하단에 설치되고 냉각이 이루어지는 상태에서 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러의 외측에 부딪혀 2차적으로 냉각하는 단계, 상기 원통형 냉각롤러의 외측에 고정되어 설치되고 냉각이 이루어지는 상태의 냉각용 중공형 원통의 내측에 부딪혀 3차적으로 냉각하는 단계, 상기 원통형 냉각롤러의 하측에 설치된 임펠러에 의해 고체 상태의 미세한 분말을 배출시켜 회수하는 단계를 수행함으로써 분말의 제조가 이루어진다.
이러한 본 발명에 의해 얻어진 분말의 특성은, 보통 용탕온도, 용탕출구 속도, 냉각 매체의 분사압력에 따라 다를 수 있지만, 특히 상기한 2차적으로 부딪히게 하는 원통형 냉각롤러의 외형 및 회전속도에 따라 제조된 분말의 입도, 형상 및 미세조직이 다를 수 있다.
본 발명에 의해 제조한 분말(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재)은 1차적으로 냉각매체에 의해 환상의 분사노즐에 의해 분무되어 1차적으로 냉각된 직후, 50mm이내의 근거리에 설치되어 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러와 그 외측에 설치한 냉각용 중공형 원통의 내측에 각각 3차적으로 부딪혀 연속적으로 냉각되기 때문에 냉각속도 저하에 의한 미세편석이 적고, 입도 및 형상 제어가 용이하므로, 각종 산업용으로 사용하는 각종 분말제품의 물성 향상에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정이 비교적 단순하여 생산성 향상은 물론, 설비비 절감에 따른 경제적 효과에도 유리하다.
도 1은 본 발명에서 분말 제조장치의 조립단면도.
도 2는 본 발명의 냉각용 중공형 원통의 전 단면도 및 다른 예의 실시예 단면도.
도 3은 본 발명의 원통형 냉각롤러의 전 단면도 및 다른 예의 실시예 단면도.
도 4는 본 발명의 임펠러 단면도.
도 5는 본 발명에 의해 분말 제조과정을 설명하기 위한 부분 단면도.
도 6은 본 발명에서 제 1,2 분사노즐의 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예 단면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예 단면도.
도 9는 기존의 분말제조 방법 설명도.
본 발명에서의 분말 제조방법은 우선 고체 원료를 도가니에 장입하여 고주파 유도로 또는 아크로를 사용하여 용해를 한 후 도가니의 하부에 설치된 오리피스(orifice)를 통하여 액상의 원료용액을 자연 낙하시키되 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 상하로 설치된 환상(ring shape)의 분사노즐에서 분사되어 용융금속이 고상으로 응고할 때 액체금속과 고체금속이 혼재되어 있는 상태를 의미하는 반액상의 미립자로 1차 냉각하는 단계를 수행하고, 상기 반액상의 미립자는 환상의 분사노즐 하단에 설치되고 2000rpm이상의 고속으로 회전하면서 수냉이 이루어지는 원통형 냉각롤러의 외측에 부딪혀 2차로 냉각시키는 단계를 수행하며, 상기 원통형 냉각롤러에 부딪힌 미립자는 원통형 냉각롤러의 외측에 씌워져 수냉이 이루어지는 냉각용 중공형 원통의 내벽에 부딪히면서 3차로 냉각이 이루어지는 단계를 수행하고, 상기 3차 냉각된 분말은 원통형 냉각롤러의 하측에 설치된 나선형 임펠러에 의해 외부로 배출시켜 회수하는 단계를 수행함으로써 이루어지게 된다.
본 발명에서, 용해된 원료용액을 1차 분사시키는 환상의 분사노즐은 용해용 챔버내의 하측에 설치하되, 상기 환상의 분사노즐로부터 분사되는 냉각매체의 교차점으로부터 상기 원통형 냉각롤러의 상단부와 50mm이내의 근거리에 설치되게 한다.
본 발명에서 원통형 냉각롤러와 냉각용 중공형 원통의 재질은 Cu계 합금을 사용하되, 상기한 원통형 냉각롤러의 외측 표면과 상기한 냉각용 중공형 원통의 내벽은 고온내열성, 내마모성 및 열전도성이 우수한 TiN, CBN, AlN, SiC, WC로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 코팅된다.
이와 같이 본 발명은 고체 원료를 용해한 후 액상으로 자연 낙하하는 원료용액을 냉각매체를 환상의 분사노즐로 분사하여 냉각시키고, 다시 고속회전하며 수냉되는 원통형 냉각롤러에 부딪혀 냉각된 후 원통형 냉각롤러를 씌워주고 냉각이 이루어지는 냉각용 중공형 원통의 내벽에 부딪혀 분말로 생성되게 하는 것으로, 이러한 본 발명은 장치에 대한 구조와 작용을 설명하는 과정에서 본 발명의 제조방법에 대한 구체화된 실시 예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 분말 제조장치의 개략적인 조립단면도를 나타낸 것으로, 베이스 하우징(40)과 하우징(9) 및 용해용 챔버(1)가 순차적으로 결합되어 있으며, 용해용 챔버(1)에는 도가니(23)가 구비되는 한편 도가니(23)의 하측으로 환상 분사노즐(5)이 설치되고, 하우징(9)에는 수냉되는 냉각용 중공형 원통(11)이 설치되는 한편 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내측에는 고속으로 회전하며 수냉되는 원통형 냉각롤러(35)가 설치되고, 베이스 하우징(40)에는 원통형 냉각롤러(35)와 함께 회전되는 나선형 임펠러(13)가 설치되며, 상기 나선형 임펠러(13)와 원통형 냉각롤러(35)는 고속회전 모터(43)에 의해 회전하도록 구성하되, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내측 일부(나선형 임펠러(13)의 상측)에는 압력 조절용 밸브(86)를 설치함으로써 이루어진다.
우선 제조장치의 상부에는 고체상태의 원료를 적합한 분위기에서 용해할 수 있는 용해용 챔버(1)가 위치되고, 상기 용해용 챔버(1)의 내측에는 용해용 도가니(23)가 위치하게 되며, 상기 용해용 도가니(23)는 유도 코일(27)이 권회되는 고주파 유도로를 사용할 수 있고, 상기 용해용 도가니(23)에는 용해된 액상의 분말이 하부로 배출되는 것을 단속하는 스톱퍼(21)가 구비되는 한편 하측으로 액상의 분말을 배출시키는 단속하는 원통형 오리피스(29)를 구비하게 되며, 그 하측으로 환상의 분사노즐(5)을 설치함으로써 상기 용해용 도가니(23)에서 용해된 후 하측에 설치된 원통형 오리피스(29)를 통과해 낙하하는 액상의 분말원료가 환상의 분사노즐(5)에서 20~500bar의 압력으로 분사되는 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 및 그 혼합물)(31)에 의해 냉각되게 한다.
여기서, 용해용 챔버(1)에는 가스 주입을 단속하여 내부의 분위기를 적절하게 조절하기 위한 가스밸브(3) 및 가스 압력을 체크하는 압력계(19)가 외측에 구비된다.
그리고, 본 발명에서 오리피스(29)를 통과한 액상의 분말을 냉각매체(31)를 분사시켜 냉각시키는 환상의 분사노즐(5)은 원통형을 이루고 하측에 형성되는 교차점(87)에서 교차되게 냉각매체(31)를 분사시키게 되는 것으로, 상기 환상의 분사노즐(5)로부터 분사되는 냉각매체(31)의 교차점(87)으로부터 상기 원통형 냉각롤러의 상단부와의 이격거리(88)는 1~50mm이내의 근거리에 설치되게 하되 바람직하게는 1~20mm의 거리가 되게 한다.
본 발명은 용해용 챔버(1)의 하부에는 용해용 챔버(1)와 상부 플랜지(6)에 의해 고정되는 하우징(9)을 구비하고, 상기 하우징(9)의 내측에는 냉각팬이 부착된 냉각용 중공형 원통(11)을 구비하되, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 외측에는 하우징(9)과의 사이에 냉매순환구(10)를 통하여 냉각수가 순환되어 냉각되도록 한다.
상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내측은 중공형으로 하되, 그 내측에는 상기 환상의 분사노즐(5)에서 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물)(31)에 의해 1차적으로 냉각되어 분무된 분말의 냉각효과를 더욱 높이기 위해 고속으로 회전하며 수냉되는 원통형 냉각롤러(35)를 설치한다.
상기 원통형 냉각롤러(35)에는 환상의 분사노즐(5)에서 냉각매체(31)를 분사시켜 냉각시킨 분말이 상부 외측으로 연속되어 부딪히면서 냉각이 이루어지게 되고, 상기 원통형 냉각롤러(35)의 하측에는 상기한 냉각매체(31)와 냉각된 분말이 하측의 배출관(15)으로 용이하게 배출될 수 있도록 나선형 임펠러(13)를 구비하되, 상기한 임펠러(13)는 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 압력을 고려하여 적절하게 설계되어야 하며, 또한 상기한 임펠러(13)의 하측에는 상기한 원통형 냉각롤러(35)와 임펠러(13)를 고속으로 회전할 수 있도록 하는 회전베어링(39), 베이스 하우징(40) 및 중공형 구동축(51)이 구비되며, 상기한 중공형 구동축(51)을 고속으로 회전시키기 위한 풀리(47)(41), 벨트(45) 및 구동모터(43)가 구비되고, 상기 원통형 냉각롤러(35)에는 냉매 공급용 파이프(49)를 통하여 내부 중공으로 냉매를 공급함으로써 이루어진다.
또한 상기한 냉각용 중공형 원통(11)의 내측에 설치되는 압력 조절용 밸브(86)는 본 발명의 분말 제조장치의 운전 초기에 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 압력보다 임펠러(13)에 의한 배출압력이 과대하거나 과소하지 않도록 적절하게 조절하기 위한 것으로 가능한 상기한 임펠러(13)의 상측에 설치하는 것이 바람직하다.
여기서 상기한 환상의 분사노즐(5)에서 20~500bar의 압력으로 분사되는 냉각매체(31)는 불활성 가스(N2,Ar,He), 공기, 물(H2O)로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루어진다.
도 2는 냉각용 중공형 원통(11)의 단면도로서, 중앙에는 환상의 분사노즐(5)에서 분무되는 분말과 냉각매체(31)가 용이하게 유입되도록 경사각(59)을 갖는 깔대기형으로 제작하고, 상기 경사각(59)과 하측 구멍의 크기(56)는 상기한 환상의 분사노즐(5) 직경 사이즈 및 분사각(87)을 참고하여 제작하며, 상기 냉각용 중공형 원통(11)은 열전도성이 우수한 Cu계 합금으로 제작하되, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 중공 내벽(53)의 표면은 상기 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)와 분무된 고체분말이 고온 고압으로 부딪혀 냉각되므로 고내열성, 내마모성 및 열전도성이 우수한 물질(TiN, CBN, AlN, SiC, WC)로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 외측은 냉각효과를 높일 수 있도록 요철(凹凸)로 이루어지도록 하는 것이 바람직하며, 전술한 하우징(9)의 외부로부터 순환되는 냉각수가 냉매순환구(10)를 통하여 순환되면서 냉각이 이루어지게 되므로, 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽(53)에 부딪히는 분말을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또한 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 높이(54)와 상기 냉각용 중공형 원통(11) 중공부의 내벽(53)에 대한 내경 사이즈(55) 및 다양한 형상(61)은 제조하는 분말의 입형과 미세조직에 영향을 줄 수 있기 때문에 적절하게 제작하되, 특히 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)의 분사압을 고려하여 사이즈를 설계하여야 한다.
도 3은 고속으로 회전하며 수냉되는 원통형 냉각롤러(35)의 단면도로서, 전술한 환상 의 분사노즐(5)에서 원통형으로 분무되어 냉각된 분말이 재차 부딪혀 냉각효과를 더욱 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 원통형 냉각롤러(35)의 회전속도 조절과 상측의 모양을 다양한 형상(69)으로 함으로써 제조되는 분말의 크기와 형상이 달라질 수 있다.
상기 원통형 냉각롤러(35) 내측의 중공부(63)에는 외부로부터 냉매 공급용 파이프(49)를 타고 순환되는 냉매에 의해 냉각이 이루어지게 되므로 환상의 분사노즐(5)에 의해 냉각된 미립자 분말을 보다 빠르게 냉각시킬 수 있으며, 바로 상측의 환상 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)와 분무되어 생성된 고체분말이 고온 고압으로 부딪혀 냉각되므로 고온내열성, 내마모성 및 열전도성이 우수한 물질로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 나선형 임펠러(13)의 단면도를 나타낸 것으로, 상기 환상의 분사노즐(5), 원통형 냉각롤러(35) 및 냉각용 중공형 원통(11)에 부딪혀 연속적으로 냉각된 분말이 용이하게 하측의 분말 배출관(15)으로 용이하게 배출될 수 있도록 나선형으로 여러 개의 날개(70)가 구성되고, 이러한 임펠러(13)의 외경 사이즈(72), 날개(70)의 수 및 상하 길이(75)는 상기한 환상의 분사노즐(5)로부터 분사되는 냉각매체(31)의 분사압 및 유량뿐만 아니라, 전술한 원통형 오리피스(29)를 통과하는 액상의 분말원료의 용탕 량과 상기 원통형 냉각 롤러(35)의 회전수(rpm), 배출관(15) 사이즈를 고려하여 설계하여야 한다.
예를 들면, 분말 제조장치의 운전 시 임펠러(13)의 배출 용량이 상기한 용탕 량과 환상의 분사노즐(5)로부터 분사되는 냉각매체(31)보다 적을 때는 용탕 흐름량의 조절이 필요하며, 조절에 실패하는 경우 역류가 발생할 수 있기 때문에 적절한 설계가 이루어져야 한다.
도 5는 본 발명에 있어서, 도 1에 도시한 상측의 도가니(23), 원통형 오리피스(29), 환상의 분사노즐(5), 냉각용 중공형 원통(11), 원통형 냉각롤러(35), 임펠러(13), 분말 배출관(15), 상기 원통형 냉각롤러(35)의 회전용 모터(43)의 주요 구성 부품과 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 회전 방향(37) 및 냉매의 순환방향을 나타낸 것으로, 특히 고체상태의 분말원료로부터 분말이 얻어지는 과정을 살펴보면, 우선 도가니(23)에서 용해된 액상의 원료용액은 원통형 오리피스(29)를 통해 환상의 분사노즐(5)에 유입되면, 상기 환상 분사노즐(5)에서 냉각매체(31)를 20~500bar의 압력으로 분사하여 원료용액을 미립으로 분무시켜 분말이 생성되게 하며, 이 같이 환상 분사노즐(5)에서 액상의 원료용액을 냉각매체(31)로 분사하는 과정은 액상의 원료용액이 1차적으로 냉각되어 완전하게 응고되지 않은 상태로 계속하여 응고가 진행됨과 동시에 고상반응도 진행되는 상태가 된다.
예를 들면, 종래 금속응고(RSP)에 의한 가스분무법이나 원심분리법으로 다결정 합금분말을 제조할 경우에도 상당한 분사압으로 분무되어 분말이 생성되면서 1차적으로 냉각되지만, 그 후 챔버 내에서 비산되면서 낮은 속도로 냉각되므로 합금성분의 편석은 물론, 미세조직을 얻을 수가 없으며, 더욱이 동일한 방법으로 냉각속도를 높여 비정질 합금분말을 제조하기 위해 상기 환상의 분사노즐(5)의 냉각매체(31)로 물(H2O)을 사용하여 분사압을 초고압(300bar이상)으로 분사하여도 10㎛이상의 비정질 분말을 얻기 어려운 것으로 알려져 있다.
본 발명은 전술한 반응고 상태의 분말을 재차 2000rpm이상의 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러(35)의 상단(2차 냉각)과 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽(53)에 부딪혀 연속적으로 냉각시켜(3차 냉각) 냉각속도를 증가시킴으로서 냉각속도 저하로 인해 발생하는 미세편석을 줄이고 미세조직이 치밀한 합금분말을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 원통형 냉각롤러(35)의 회전속도 및 상단의 형상을 변화시킴으로써, 다양한 분말의 사이즈, 입도 및 형상을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 각종 비정질 합금분말도 용이하게 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명에 있어서, 전술한 환상의 분사노즐(5)의 냉매물질 분사각(81)에 따라 결정되는 냉각매체(31)의 교차점(87), 즉, 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)의 교차점(87)은 상기 환상의 분사노즐(5)의 분사각(81)에 의해 결정되는 것으로서, 특히 상기 환상의 분사노즐(5)에서 1차적으로 분무된 분말의 냉각속도를 상승하기 위해서는 상기한 교차점(87)과 전술한 원통형 냉각롤러(35)의 상단부의 이격거리(88)를 1~50mm범위로 가능한 적게 설계하되 바람직하게는 1~20mm가 적합하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예로, 전술한 도가니(23), 원통형 오리피스(29) 및 환상의 분사노즐(5)은 동일한 것을 사용하되, 냉각용 중공형 원통(11a)의 중공부(53f)를 좁게 하며, 상기 중공부(53f)의 내측에 설치되어 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러(35g) 또한 가는 것을 사용함으로써, 도 5에 나타낸 것과 동일한 분사압으로 분무되어도 더욱 미세한 분말을 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 도 7에 나타낸 것과는 달리, 전술한 환상의 제 분사노즐(5)에서 20~500bar의 압력으로 분사하는 냉각매체(31)과 냉각용 중공형 원통(11b)의 내벽(53f) 부딪혀 냉각된 후, 단지 고속으로 회전하는 임펠러(13)에 의해 분말 배출관(15) 쪽으로 배출시켜 분말을 제조할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 있어서, 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)을 시계방향 혹은 반시계 방향으로 회전시켜 분사할 경우, 전술한 원통형 냉각롤러(35)의 회전방향은 보통 시계방향으로 회전하도록 제작하는 것이 용이하므로, 특히 제조하는 분말의 형상 변화가 요구되거나 냉각효과를 고려하여 상기 환상의 분사노즐(5)을 적절하게 설계하여야 한다.
또한 본 발명에 있어서, 전술한 원통형 냉각롤러(35)의 회전은 도 1 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 하우징(9)에 연결된 플랜지(40)의 하측에 위치하는 풀리(47)를 회전시키는 전동 모터(43)에 의해 회전이 이루어지게 되며, 상기 원통형 냉각롤러(35)의 외경 치수(67) 및 전동 모터(43)의 회전속도(rpm)에 의존하므로, 특히 제조하는 분말의 사이즈, 입도, 입형, 분말의 균질화, 미세화를 위해서는 각각 적절한 회전속도가 필요하다.
1 : 용해용 챔버 3 : 가스 밸브
5 : 환상의 분사노즐 6 : 플랜지
9 : 하우징 10 : 냉매 순환구
11 : 냉각용 중공형 원통 13 : 나선형 임펠러
15 : 분말 배출관 21 : 스톱퍼
23 : 도가니 27 : 고주파 유도코일
28 : 분말원료 용탕 29 : 오리피스
31 : 냉각매체 35 : 원통형 냉각롤러
37 : 원통형 냉각롤러의 회전방향 39 : 구동 베어링
43 : 모터 47 : 풀리
49 : 냉매 공급용 파이프 51: 원통형 냉각롤러 회전 중공 축
52 : 회수된 분말 81 : 환상의 분사노즐 분사각
86 : 압력 조절용 밸브
87 : 환상의 분사노즐에서 분사하는 냉각매체의 교차점
88 : 이격거리

Claims (14)

  1. 고체 원료를 도가니(23)에 장입하여 용해를 한 후 도가니(23)의 하부에 설치된 오리피스(29)를 통하여 액상의 원료용액을 자연 낙하시키되 냉각매체(31)를 환상의 분사노즐(5)에서 20~500bar의 압력으로 분사하여 액체금속과 고체금속이 혼재되어 있는 상태인 반액상의 미립자로 1차 냉각하는 단계를 수행하고,
    상기 1차 냉각된 반액상의 미립자는 환상의 분사노즐(5)의 하단에 설치되고 2000rpm이상의 고속으로 회전하면서 수냉이 이루어지는 원통형 냉각롤러(35)의 외측에 부딪혀 2차로 냉각시키는 단계를 수행하며,
    상기 원통형 냉각롤러(35)에 부딪혀 냉각된 미립자는 원통형 냉각롤러(35)의 외측에 씌워져 수냉이 이루어지는 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽에 부딪히면서 3차로 냉각이 이루어지는 단계를 수행하고,
    상기 3차 냉각된 분말은 원통형 냉각롤러(35)의 하측에 설치된 나선형 임펠러(13)에 의해 외부로 배출시켜 회수하는 단계를 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분말 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 냉각매체(31)는 불활성 가스(N2,He,Ne,Ar), 공기, 물(H2O)로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루진 것을 특징으로 하는 분말 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)의 교차점(87)과 원통형 냉각롤러(35)의 상단부의 이격거리(88)를 1~20mm 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 분말 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 환상의 분사노즐(5)의 하측에 설치되어 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러(35)는 전동 모터(43)에 의해 시계방향으로 회전하도록 설치하고, 상기한 원통형 냉각롤러(35)의 내측으로 냉각수를 순환시켜 냉각이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 분말 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러(35)의 외측에 고정되어 설치되는 냉각용 중공형 원통(11)은 중공부(53)가 다양한 내경 사이즈(55)를 갖도록 하는 한편 다양한 형상(61)을 갖도록 제작하여 사용하는 것을 특징으로 하는 분말 제조방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 원통형 냉각롤러(35)와 냉각용 중공형 원통(11)의 재질은 Cu계 합금을 사용하되, 상기한 원통형 냉각롤러(35)의 외측 표면과 상기한 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽은 고온내열성, 내마모성 및 열전도성이 우수한 TiN, CBN, AlN, SiC, WC로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 코팅되는 것을 특징으로 하는 분말 제조방법.
  7. 삭제
  8. 분말원료를 용해용 챔버(1)에 설치된 도가니(23)에 넣고 고온으로 용해한 용탕을 원통형의 오리피스(29)를 통과시키되 상기 오리피스(29)의 하측으로 환상의 분사노즐(5)을 설치하여 자연 낙하되는 액상의 원료용액을 냉각매체(31)로 1차 냉각되게 구성하고,
    상기 환상의 분사노즐(5)을 거치면서 1차 냉각된 액체금속과 고체금속이 혼재되어 있는 상태인 반액상의 미립자는 환상의 분사노즐(5)의 하단에 설치되고 2000rpm이상의 고속으로 회전하면서 내부로 냉각수가 순환되어 수냉이 이루어지는 원통형 냉각롤러(35)의 외측에 부딪혀 2차로 냉각되게 구성하며,
    상기 원통형 냉각롤러(35)에 부딪혀 냉각된 미립자는 원통형 냉각롤러(35)의 외측에 씌워진 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽에 부딪히게 하되 상기 냉각용 중공형 원통(11)과 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 외측을 감싸는 하우징(9) 사이로 냉각수를 순환시켜 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽에 부딪힌 미립자가 3차로 냉각되게 구성하고,
    상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽에 부딪혀 3차 냉각된 분말은 베이스 하우징(40)의 내부에 설치되는 한편 원통형 냉각롤러(35)의 하측에 설치되어 원통형 냉각롤러(35)와 함께 회전되는 나선형 임펠러(13)에 의해 분말 배출관(15)으로 배출이 이루어지게 구성하는 것을 특징으로 하는 분말 제조장치.
  9. 제 8항에 있어서, 냉각매체(31)는 불활성 가스(N2,He,Ne,Ar), 공기, 물(H2O)로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루진 것을 특징으로 하는 분말 제조장치.
  10. 제 8항에 있어서, 환상의 분사노즐(5)에서 분사되는 냉각매체(31)의 교차점(87)과 원통형 냉각롤러(35)의 상단부의 이격거리(88)를 1~20mm 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 분말 제조장치.
  11. 제 8항에 있어서, 환상의 분사노즐(5)의 하측에 설치되어 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러(35)는 전동 모터(43)에 의해 시계방향으로 회전하도록 설치하고, 상기한 원통형 냉각롤러(35)의 상측은 다양한 형상으로 제작하여 사용하는 것을 특징으로 하는 분말 제조장치.
  12. 제 8항에 있어서, 고속으로 회전하는 원통형 냉각롤러(35)의 외측에 고정되어 설치되는 냉각용 중공형 원통(11)의 중공부(53)는 다양한 내경 사이즈(55) 및 다양한 형상(61)으로 제작하여 사용하는 것을 특징으로 하는 분말 제조장치.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 원통형 냉각롤러(35)와 냉각용 중공형 원통(11)의 재질은 Cu계 합금을 사용하되, 상기한 원통형 냉각롤러(35)의 외측 표면과 상기한 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽은 고온내열성, 내마모성 및 열전도성이 우수한 TiN, CBN, AlN, SiC, WC로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 코팅하는 것을 특징으로 하는 분말 제조장치.
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