KR101421772B1 - 다공체용 철-크롬-알루미늄계 합금분말의 제조방법 - Google Patents

다공체용 철-크롬-알루미늄계 합금분말의 제조방법 Download PDF

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Abstract

나노 크기의 Fe-Cr-Al계의 합금분말을 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 그 제조방법은 Fe-Cr-Al계 금속와이어를 액체가 채워진 챔버의 하부공간으로 피딩하는 단계와, 하부공간으로 피딩된 Fe-Cr-Al계 금속와이어에 펄스파워를 제공하는 단계와, 펄스파워로 인한 액중 전기폭발로 인해 Fe-Cr-Al계 금속와이어가 액중에서 기화하는 단계 및 기화된 증기가 액체에 의해 냉각 또는 응축되어 Fe-Cr-Al계 합금분말이 생성되는 단계를 포함한다.

Description

다공체용 철-크롬-알루미늄계 합금분말의 제조방법{Method of manufacturing the Fe-Cr-Al base alloy powder for porous structure}
본 발명은 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기폭발법을 이용하여 Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
첨단산업의 발전에 따라 부품 및 시스템의 고성능화 및 소형화가 진행되고 있으며, 나노기술은 기존 기술의 한계성을 극복할 수 있는 것이다. 나노 분말은 이러한 나노기술의 중요성을 이루어갈 수 있는 대안으로 제시되어, 현재 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 극미세 분말인 나노분말은 미세화(약 100㎚ 이하)에 따른 표면적의 증가로 인하여 기존의 재료에서는 얻을 수 없는 전자기적, 기계적 및 촉매 특성을 나타낼 수 있으므로, 초고강도 부품, 자성 부품, 열전 센서, 필터, 전지, 촉매 등에 적용되는 차세대 기능성 소재로서 산업 전반에 걸쳐 새로운 수요를 창출할 것으로 기대된다.
한편, Fe-Cr-Al계 합금은 내산화성이 우수하여 1000℃ 이상의 고온에서도 내구성이 뛰어나다. 따라서 이 Fe-Cr-Al계 합금을 입자상물질의 포집용 필터로 사용한다면, 재생과정에서 발생하는 1000℃ 이상의 고온에서도 뛰어난 내산화성을 발휘하게 되어 내구성이 증진될 수 있다.
Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조하는 방법은 아토마이제이션(atomization), 액상환원법, 플라즈마를 이용하는 방법 등이 있으나 아토마이제이션 방법으로는 나노크기의 분말을 제조할 수 없고 대략 50㎛ 정도 크기의 분말을 제조할 수 있다. 또한 액상환원법은 나노크기인 몇 가지 귀금속 분말만을 만들 수 있어서 나노크기의 Fe-Cr-Al계 합금분말은 제조할 수 없다. 플라즈마 방법은 생산에 비해 전력소모가 크며 분말을 포집할 때 산화를 방지하는 별도의 장치가 요구된다. 이에 따라, 나노 크기의 Fe-Cr-Al계의 합금분말을 안정적으로 제조할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 나노 크기의 Fe-Cr-Al계의 합금분말을 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금분말의 제조방법은 Fe-Cr-Al계 금속와이어를 액체가 채워진 챔버의 하부공간으로 피딩하는 단계와, 상기 하부공간으로 피딩된 상기 Fe-Cr-Al계 금속와이어에 펄스파워를 제공하는 단계와, 상기 펄스파워로 인한 액중 전기폭발로 인해 상기 Fe-Cr-Al계 금속와이어가 액중에서 기화하는 단계 및 기화된 증기가 상기 액체에 의해 냉각 또는 응축되어 Fe-Cr-Al계 합금분말이 생성되는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 Fe-Cr-Al계 합금분말의 조성은 중량 %로 Fe; 55∼85%, Al; 3∼15%, Cr; 10∼30%이고, 나머지 부가원소가 1% 미만으로 첨가되어 이루어질 수 있다. 또한, 상기 Fe-Cr-Al계 합금분말의 크기는 입도가 0.05~0.3㎛이고 평균입도가 0.08~0.13㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금분말의 제조방법에 의하면, 전기폭발법을 이용함으로써 나노 크기의 Fe-Cr-Al계 합금분말을 안정적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조하기 위한 액중 전기폭발장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 액중 전기폭발장치를 이용하여 Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들은 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 나노 크기의 다공체용 Fe-Cr-Al계 분말을 전기폭발법에 의해 제조하는 방법을 제시한다. 나노분말을 제조하는 방법은 다양한 관점에서 알려져 있지만, 그 중에서 펄스파워를 이용한 전기폭발법에 의한 금속 나노분말을 제조하는 기술이 활발하게 연구되고 있다. 전기폭발법에 의한 금속 나노분말 제조방법은 산업적인 응용 측면에서 매우 중요한 의의를 갖고 있고, 경제적으로 다른 방법에 비해 유리하다. 종래의 펄스파워를 이용한 전기폭발법은 기중 전기폭발법과 액중 전기폭발법으로 발전되어 왔다. 단, 이하의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 액중 전기폭발장치를 중심으로 살펴보기로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 나노 크기의 Fe-Cr-Al계 합금분말은 약 200㎛ 이하의 미세한 기공을 형성할 수 있으며, 니켈기 합금을 포함하지 않는 Fe-Cr-Al계 합금 다공체에 적용하기 위한 것이다. 여기서, 극미세한 Fe-Cr-Al계 합금분말은 입도가 약 0.05~0.3㎛으로 평균입도가 약 0.1㎛의 크기를 가지는 분말을 말한다. 하지만, 본 발명의 범주 내에서 상기 입도와 평균입도는 달라질 수 있을 것이다. 이에 따라, 본 발명의 극미세한 합금분말은 입도가 0.05~0.3㎛으로 평균입도가 0.08~0.13㎛로 정할 수 있다.
바람직하게는 Fe-Cr-Al계 합금은 다음과 같은 조성을 가지며, 여기서는 각각의 조성에 따른 수치한정의 이유를 함께 설명하기로 한다. 이때, %는 중량%를 나타낸다.
(1) 철(Fe): 55-85%
Fe의 함량이 85%보다 많으면 내열성, 내식성, 열변형성이 나빠지며, 55%보다 적으면 강도 특성이 떨어져 금속 다공체 폼을 만들기가 어렵다.
(2) 알루미늄(Al): 3-15%
Al의 함량이 15%보다 많으면 Fe-Cr-Al계 합금의 가공성이 나빠지며, 3%보다 적으면 내열성과 내식성의 향상을 보기 어렵다.
(3) 크롬(Cr): 10-30%
Cr의 함량이 10%보다 적으면 고온에서 상대적으로 높은 열팽창계수와 열변형 특성을 나타내기 때문에 고온용 DPF필터 재질로 사용하기에 부적절하다. 또한, Cr 함량이 30 %보다 많으면 급격한 가공성의 저하가 나타나므로 사용하기에 어렵다.
(4) 기타 부가 원소: Y, La, Zr, Ti, Be 등이 1% 미만으로 첨가될 수 있다. 특히, Zr의 경우 내열성과 내식성을 크게 향상시키는 원소로 첨가량은 1% 이하로 하고, Be과 Ti은 0.01% 이하 첨가될 경우 부식성과 가공성 향상을 꾀할 수 있다.
<Fe-Cr-Al계 합금분말의 제조방법>
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조하기 위한 액중 전기폭발장치의 하나의 예를 나타내는 단면도이고, 도 2는 상기 장치를 이용하여 본 발명의 실시예에 의한 Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 여기서, 본 발명의 범주 내에서 나노 크기의 Fe-Cr-Al계 합금 분말을 제조하기 위하여 다른 형태의 전기폭발장치를 적용할 수 있다.
도 1를 참조하면, 전기폭발장치(100)는 전기폭발이 이루어지는 공간을 제공하는 챔버(10)의 내부를 판형태의 절연체(12)에 의하여 상부공간(10a)과 하부공간(10b)으로 구분된다. 상부공간(10a)에는 금속 와이어 피딩부가 설치되는 데, 상기 와이어 피딩부는 금속 와이어(16)가 감겨져 있는 와이어롤(14)과 와이어롤(14)로부터 풀려나오는 금속 와이어(16)를 하부공간(10b) 방향으로 피딩시키는 한 쌍의 가이드롤러(18)로 구성된다. 와이어롤(14)과 가이드롤러(18)의 회전축에는 회전력을 제공하는 전기모터(도시하지 않음)가 연결되어 있다.
하부공간(10b)에는 분산용매를 포함하는 액체(26)가 채워져 있으며, 액체(26)는 오일, 절연유, 알콜류의 유기용매, 증류수, 기타 유기용매 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 액체(26) 속에는 접지전극(22)이 부착되며, 접지전극(22)은 전기적 폭발에 대한 접지 역할을 한다. 하부공간(10b)의 챔버(10)의 바닥면에는 고전압 전극(24)이 설치된다.
가이드롤러(18)에 의해 하부공간(10b)으로 피딩되는 금속 와이어(16)는 절연체(12)를 관통하여 배치된 중공의 와이어 가이드(20)를 통과하게 된다. 다시 말해, 금속 와이어(16)는 와이어 가이드(20)에 의해 경로가 결정되어 하부공간(10b)의 고전압 전극(24)의 근처에 도달하도록 피딩된다. 고전압 전극(24)에 펄스파워가 인가되면, 그 펄스파워는 금속 와이어에 전달되어 금속 와이어는 전기폭발을 일으켜 증기화된다. 금속 와이어가 증기화되면, 액체(26)에 의해 냉각/응축되어 나노분말을 얻을 수 있다.
이하에서는 도 1에 도시된 액중 전기폭발장치를 이용하여 본 발명의 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금 분말의 제조방법에 대하여 상세하게 살펴볼 것이다.
도 2를 참조하면, 먼저 와이어 피딩장치의 와이어롤(14)이 일방향으로 회전되면서 Fe-Cr-Al계 금속와이어(16)가 한쌍의 가이드롤러(18)에 의해 액체(26)로 채워진 챔버(10)의 하부공간(10b) 쪽으로 피딩된다(S1). 다시 말해, 한쌍의 가이드롤러(18)에 의해 아래쪽으로 피딩되는 Fe-Cr-Al계 금속와이어(16)는 와이어 가이드(20)를 통하여 하부공간(10b)의 고전압 전극(24) 쪽으로 연속하여 제공된다.
이어서, 고전압 전극(24)을 통하여 펄스파워가 Fe-Cr-Al계 금속와이어(16)로 흐르게 된다(S2). 이에 따라 Fe-Cr-Al계 금속와이어(16)는 액체 중에서 전기적인 폭발이 일어나게 된다(S3). 이러한 전기적 폭발과 함께 Fe-Cr-Al계 금속와이어(16)가 액체(26) 중에서 기화하게 되고, 기화된 증기의 부피 팽창으로 만들어진 공간에 Fe-Cr-Al계 금속와이어(18)의 합금 분말이 발생하게 된다(S4). 이렇게 생성된 Fe-Cr-Al계의 합금 분말은 도시하지 않은 포집장치에 의해 포집된다.
이와 같이, 액중에서 Fe-Cr-Al계 금속와이어에 펄스파워를 가하여 전기적 폭발을 유도함으로써, 입도가 0.05~0.3㎛이고 평균입도가 0.08~0.13㎛인 극미세한 Fe-Cr-Al계 합금분말을 제조할 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 챔버 12; 절연체
14; 와이어롤 16; 금속와이어
18; 가이드롤러 20; 와이어 가이드
22; 접지전극 24; 고전압 전극
26; 액체 100; 액중 전기폭발장치

Claims (3)

  1. 전기폭발법을 이용하여 나노크기를 갖는 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금 분말의 제조방법에 있어서,
    Fe-Cr-Al계 금속와이어를 액체가 채워진 챔버의 하부공간으로 피딩하는 단계;
    상기 하부공간으로 피딩된 상기 Fe-Cr-Al계 금속와이어에 펄스파워를 제공하는 단계;
    상기 펄스파워로 인한 액중 전기폭발로 인해 상기 Fe-Cr-Al계 금속와이어가 액중에서 기화하는 단계; 및
    기화된 증기가 상기 액체에 의해 냉각 또는 응축되어 Fe-Cr-Al계 합금분말이 생성되는 단계를 포함하는 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금 분말의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Fe-Cr-Al계 합금분말의 조성은 중량 %로 Fe; 55∼85%, Al; 3∼15%, Cr; 10∼30%이고, 나머지는 Y, La, Zr, Ti 및 Be을 포함한 기타 부가원소로 이루어진 것을 특징으로 하는 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금 분말의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 Fe-Cr-Al계 합금분말의 크기는 입도가 0.05~0.3㎛이고 평균입도가 0.08~0.13㎛인 것을 특징으로 하는 다공체용 Fe-Cr-Al계 합금 분말의 제조방법.

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