KR102082685B1 - 합금 분말의 제조 장치 및 이 제조 장치를 이용하는 합금 분말의 제조 방법 - Google Patents

합금 분말의 제조 장치 및 이 제조 장치를 이용하는 합금 분말의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합금 분말의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제조 장치는, 고상의 금속 재료가 놓이고, 금속을 증발시키는 증발 기구가 마련되어 진공 분위기 하에서 금속 재료가 증발되는 증발 챔버; 증발 챔버 내에 마련되고, 고상의 금속을 기상으로 증발시키는 금속 증발 기구; 증발 챔버에 인접하여 마련되고, 진공 분위기 하에서 합금 분말의 재료가 되는 합금의 결정이 성장하는 반응이 일어나는 반응 챔버; 세라믹 또는 금속으로 이루어지고, 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환하는 표면을 갖추고, 증발 챔버에서 증발되는 기상의 금속의 입자가 상기 표면에 증착되고, 금속의 입자가 증착된 상기 표면이 반응 챔버에 유입되어 합금의 결정이 성장하여 합금의 박막이 형성되는 것인 합금 형성 부재; 합금 형성 부재의 표면에 형성되는 합금의 박막으로부터 합금을 박리하는 박리 기구; 및 박리 기구에 의해 합금 형성 부재로부터 박리되는 합금의 분말을 포집하는 포집 기구를 포함하여 이루어지는 것이다.

Description

합금 분말의 제조 장치 및 이 제조 장치를 이용하는 합금 분말의 제조 방법{Apparatus for Production of Metal Alloy and Method for Production of Metal alloy using the same}
본 발명은 합금 분말의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 자석 등의 재료가 되는 합금 분말의 제조 방법에 관한 것이다.
가전 제품이나 정보 기기 또는 각종 전장 제품 등에 대한 고성능화 및 소형 경량화가 이루어지고 있다. 이에 따라, 이러한 제품에 사용되는 자석은 높은 자속 밀도와 보자력이 요구된다.
높은 자속 밀도와 높은 보자력을 갖는 자석의 재료로서는 철 기재의 합금, 특히 희토류 금속과 철의 합금이 이용되는데, 합금 분말을 소결하고 자화하고 성형하는 것 또는 합금의 분말을 수지에 분포시키고 수지를 경화시켜 성형한 것이 이용되고 있다.
이러한 자석의 재료가 되는 합금 분말은 대한민국 특허공보 제10-0535946호에서 개시하는 바와 같이, 합금의 성분이 되는 금속 재료들을 용탕에서 용융하고 교반하여 잉곳 또는 스트립의 형태로 냉각한 후에, 냉각된 고상의 합금을 분쇄하여 제조한다.
자석의 재료가 되는 합금 분말은 균일한 결정을 가지고 입자 직경이 균일한 것이 바람직하며, 특히 나노 단위의 입경을 갖는 합금 분말이 요구되기도 한다.
합금 분말을 제조하기 위해서는 우선 합금을 이루는 성분 금속을 용탕에서 용융하고 교반하거나 그 밖의 필요한 원소들과의 반응이 일어나도록 하여야 하며, 용융된 합금의 용탕을 냉각하여 잉곳이나 스트립 형태로 제조하고, 이러한 과정에서 합금이 필요한 결정을 이루도록 온도를 조절하여야 한다.
또한, 합금의 잉곳이나 스트립을 형성한 후에는 이를 분쇄하여 분말화하거나 다시 용융하여 분무하는 등의 공정을 통하여 분말을 형성한다.
성분 금속들의 잉곳이나 칩을 용탕에 투입하고 가열하여 균일한 분포를 이루도록 교반하는 것은 매우 까다로운 공정을 수반하고 설비가 거대하게 되며, 용탕을 냉각하여 잉곳이나 스트립으로 제조하는 데에 추가의 설비가 요구된다.
또한, 합금의 잉곳이나 스트립을 분쇄하여 자석 제조용의 분말화하는 것은 추가의 설비와 공정 비용이 소요될 뿐만 아니라, 기존의 분쇄나 분무에 의해서는 균일한 입경의 나노 단위의 분말을 얻는 것이 매우 어렵고 상당한 비용이 수반되는 것이다.
이러한 이유로 높은 보자력과 자속 밀도를 갖는 자석의 재료가 되는 합금 분말은 매우 고가로 되고, 여러 설비를 갖추지 않고는 제조하기 어렵다는 문제가 있다.
대한민국 특허공보 제10-0535946호
본 발명은 합금 분말의 제조 장치와 제조 방법을 제공하려는 것이며, 구체적으로는 금속의 용융과 성형 및 분쇄 등의 각 공정 별로 각각 필요한 설비들을 갖추는 일이 없이 하나의 설비에서 성분 금속으로부터 합금 분말을 얻을 수 있는 제조 장치와 그러한 제조 장치에서의 합금 분말의 제조 방법을 제공하려는 것이다.
특히, 본 발명은 고성능의 자석 제조에 사용되는 나노 단위의 합금 분말을 제조하는 데 적합한 제조 장치와 제조 방법을 제공하려는 것이다.
또한, 본 발명은 자석 제조에 적합한 결정을 갖는 합금 분말을 제조하는 데 있어서 소규모의 단일 설비를 이용하되 공정 관리가 상대적으로 용이한 제조 장치와 제조 방법을 제공하려는 것이다.
전술한 본 발명의 해결 과제는 본 발명에 따른 합금 분말의 제조 장치와 이 제조 장치를 이용하는 제조 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 합금 분말의 제조 장치는, 고상의 금속 재료가 놓이고, 금속을 증발시키는 증발 기구가 마련되어 진공 분위기 하에서 금속 재료가 증발되는 증발 챔버; 증발 챔버 내에 마련되고, 고상의 금속을 기상으로 증발시키는 금속 증발 기구; 증발 챔버에 인접하여 마련되고, 진공 분위기 하에서 합금 분말의 재료가 되는 합금의 결정이 성장하는 반응이 일어나는 반응 챔버; 세라믹 또는 금속으로 이루어지고, 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환하는 표면을 갖추고, 증발 챔버에서 증발되는 기상의 금속의 입자가 상기 표면에 증착되고, 금속의 입자가 증착된 상기 표면이 반응 챔버에 유입되어 합금의 결정이 성장하여 합금의 박막이 형성되는 것인 합금 형성 부재; 합금 형성 부재의 표면에 형성되는 합금의 박막으로부터 합금을 박리하는 박리 기구; 및 박리 기구에 의해 합금 형성 부재로부터 박리되는 합금의 분말을 포집하는 포집 기구를 포함하여 이루어지는 것이다.
이와 같은 구성의 제조 장치에서는 다음의 공정을 통하여 합금 분말이 제조된다.
먼저, 증발 챔버에서 금속 증발 기구에 금속 재료를 적재한다. 이어서, 증발 챔버와 반응 챔버를 감압하여 진공한 후에 증발 챔버에 적재된 금속 재료를 유도 가열, 저항열 가열 또는 스퍼터링에 의해 증발시킨다.
이와 동시에 합금 형성 부재의 표면을 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동시키고, 증발 챔버에서 증발된 기상의 금속이 합금 형성 부재의 표면에 증착된다.
반응 챔버에서는, 합금 형성 부재의 표면에 증착된 금속과 반응하여 합금을 형성하는 원소의 전구체를 가스상으로 공급되고, 상기 원소가 합금 형성 부재의 표면에 증착된 금속과 반응하여 합금의 결정이 형성된다.
합금 형성 부재가 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동되면서, 합금 형성 부재의 표면에서 상기 증착 단계와 상기 합금 박막 성장 단계가 반복되어 합금의 결정이 성장하고, 소정 두께의 합금 박막이 형성되면 박리 기구가 작동하여 박리 기구에 의해 합금의 박막이 합금 형성 부재의 표면으로부터 박리된다.
박리되는 합금은 분말 또는 박편의 형태로 포집 기구에 의해 포집되고, 포집된 합금은 별도의 분쇄 장치에 의해 요구되는 입경의 분말로 된다.
이상과 같은 본 발명은 합금 분말의 제조 장치와 이 제조 장치를 이용한 합금 분말의 제조 방법에 따르면, 합금을 이루는 금속들을 용융하고 교반하는 장치, 합금을 냉각하여 잉곳이나 스트립 형태로 만드는 장치 및 합금을 분쇄하는 장치를 별도로 마련하는 일이 없이, 간단한 장치로 합금의 박편이나 분말을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제조되는 합금 분말이나 박편은 나노 단위의 매우 얇은 두께를 가지므로 간단한 소규모의 설비에 의해 고성능의 자석 제조에 사용되는 나노 단위의 합금 분말을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 분말의 제조 장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 본 발명의 실시예에 따른 합금 분말의 제조 장치의 구성을 설명하고, 그러한 제조 장치를 이용하여 합금 분말을 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 합금 분말의 제조 장치의 구성을 설명한다.
본 실시예의 제조 장치에는, 외부로부터 내부 공간을 밀폐하는 챔버 하우징(10)이 마련되어 있는데, 이 챔버 하우징(10)의 내부 공간은, 격벽(11)에 의해, 고상의 금속 재료가 놓이고 진공 분위기 하에서 금속 재료가 증발되는 증발 챔버(13)와 진공 분위기 하에서 합금 분말의 재료가 되는 합금의 결정이 성장하는 반응이 일어나는 반응 챔버(14)로 분리되어 있다.
챔버 하우징(10) 내에는 중공형의 실린더(30)가 합금 형성 부재로서 배치되어 있다. 실린더(30)는 회전축(31)을 중심으로 회전하게 구성되어 있고, 표면(32)이 단결정의 산화마그네슘(MgO)로 이루어져 있어서, 여기에 금속이 증착되고 각종 반응이 일어나면서 합금의 결정이 성장하여 박막을 이루게 된다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 챔버 하우징(10)에서 증발 챔버(13) 측에는 금속 재료를 장입하기 위한 도어(미도시)가 마련되어 있다.
본 실시예에서는 합금 형성 부재를 실린더로 구성하고 있지만, 합금 형성 부재는 실린더형에 한정되지 않고 순환 구동되며 일측 표면에서 금속의 증착 및 합금 결정의 성장이 이루어지는 스트립 형태로 구성될 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 단결정의 산화마그네슘이 실린더의 표면을 이루고 있지만, 실린더 전체가 산화마그네슘으로 이루어질 수도 있고, 산화마그네슘 외에도 다른 단결정의 세라믹, 다결정 세라믹, 비결정질 세라믹이나 금속으로도 구성될 수 있다.
실린더(30)는 회전축(31)이 반응 챔버(14) 내에 배치되어 있고, 증발 챔버(13)와 반응 챔버(14)는 격벽(11)에 의해 분리되어 있지만, 격벽(11)은 증발 챔버(13)와 반응 챔버(14)를 서로 완전히 분리하지 않고, 개구가 형성되어 있어 이 개구를 통하여 실린더의 표면(32) 일부가 증발 챔버(13)에 노출되어 있다. 증발 챔버(13)에 노출된 실린더의 표면(32)은 금속의 증착 영역(33)이고, 반응 챔버(14)에 노출된 실린더의 표면(32)은 합금 결정이 성장하여 박막을 형성하는 결정 성장 영역(34)이다.
격벽(11)과 실린더(30)의 표면(32) 사이는 서로 맞닿지 않고 격벽(11)과 실린더의 표면(32) 사이에 슬릿(15, 16)이 형성되어 있다.
한편, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 실린더(30)는 외부로부터 공급되는 전력에 의해 실린더의 표면(32)을 가열하는 히터(미도시)를 갖추고 있다. 히터에 의해 실린더의 표면(32)이 가열되며, 그 가열 온도는 실린더의 표면(32)에 증착하려는 금속 및 제조하려는 합금의 종류나 반응 챔버(14)에서의 반응의 종류 등에 따라 조절될 수 있다.
증발 챔버(13)의 하부측에는, 고상의 금속을 기상으로 증발시키는 금속 증발 기구(20)로서 도가니(21)와 유도 가열 코일(22)이 마련되어 있다.
금속 증발 기구(20)에 의해 가열하여 증발시키고자 하는 금속 재료(1)는 도가니(21)에 놓이고 유도 가열 코일(22)의 금속 재료(1)가 유도 가열되어 증발된다.
또한, 도 1에는 하나의 유도 가열 코일만을 도시하였지만, 합금을 이루는 금속 성분이 복수 개인 경우에는 각각의 금속의 재료가 놓이는 도가니와 유도 가열 코일을 갖추어 각각의 금속 재료를 증발시키도록 구성할 수 있다.
본 실시예에서는 금속을 증발시키는 기구으로서 유도 가열 코일을 이용하지만, 그 밖에도 저항식의 가열이나 스퍼터링에 의해 금속 재료를 증발시킬 수도 있다.
또한, 본 실시예에서 금속 재료는 잉곳의 형태로 금속 증발 기구에 적재되지만, 칩이나 분말의 형태로 공급될 수도 있다.
증발 챔버(13)와 반응 챔버(14)는 작동 시에 진공 분위기로 되어야 하는데, 챔버 하우징(10)에서 증발 챔버(13)를 둘러싸는 하부와 반응 챔버(14)를 둘러싸는 상부에는 각각 진공 배기 기구(40, 50)가 마련되어 있다.
진공 배기 기구(40, 50)는 각각 챔버 하우징(10)에 결합되어 내부와 통하는 제1 튜브(41, 51), 제1 튜브에 결합되는 진공 펌프(42, 52) 및 배기되는 기체를 외부로 배출하는 제2 튜브(43, 53)을 포함하여 구성되어, 진공 펌프(42, 52)가 작동하여 증발 챔버(13)와 반응 챔버(14)를 배기하여 진공 분위기를 형성한다.
반응 챔버(14)를 둘러싸는 챔버 하우징(10)에는 외부로부터 반응 가스를 반응 챔버(14) 내로 공급하는 가스 공급 기구(60)가 배치되어 있다.
가스 공급 기구(60)은 반응 챔버(14) 내부로 가스를 분사하는 노즐(63), 밸브(62) 및 가스 공급원(61)으로 구성되어 있다. 도면에는 노즐, 밸브 및 가스 공급원이 1개만 도시되어 있지만, 서로 다른 종류의 가스를 보유하는 복수의 가스 공급원 및 각각의 가스 공급원으로부터의 가스를 반응 챔버(14)에 각각 공급하는 복수 개의 밸브와 노즐이 마련될 수 있다.
가스 공급 기구(60)은 반응 챔버(14)를 불활성 분위기로 만드는 가스를 공급할 수도 있고, 실린더의 표면(32)에 증착되는 금속과 반응하여 합금을 형성하는 성분 원소의 전구체를 가스상으로 공급할 수도 있다.
한편, 내부 구조를 도시하지는 않지만, 가스 공급 기구의 노즐(63) 내부에는 외부 전원(미도시)으로부터 전력을 공급받는 전극들이 배치되어 있어서, 노즐(63)을 통하여 반응 챔버(14)로 공급되는 가스가 전극들 사이를 통과하면서 플라즈마화할 수 있다.
노즐(63)을 통하여 성분 원소의 전구체로서의 가스가 공급되는 경우에는 전극(미도시)이 작동하여 반응 챔버(14)에 공급되는 가스를 해리시켜서 실린더의 표면(32)에 증착된 금속과 반응할 수 있게 해준다.
한편, 도 1에 도시한 상태에서, 실린더(30)는 시계 반대 방향으로 회전하고, 반응 챔버(14) 쪽에 배치되는 가스 공급 기구(60)는 실린더의 표면(32)이 증발 챔버(13)로부터 반응 챔버(14)로 이동한 직후의 위치에 대향하게 배치되어 있어서, 금속이 증착된 실린더의 표면(32)이 증발 챔버(13)로부터 반응 챔버(14)로 이동한 직후의 위치에 실린더의 표면(32)에 증착된 금속이 반응 챔버(14)에서 가스 공급 기구(60)로부터 공급되는 가스와 바로 반응할 수 있는 분위기를 형성한다.
한편, 가스 공급 기구의 반대편, 즉 실린더의 표면(32)이 반응 챔버(14)로부터 증발 챔버(13)로 복귀하는 위치에는 박리 기구로서 스크래퍼(80)가 배치되어 있다.
스크래퍼(80)는 각각이 직경 방향으로 연장되는 여러 개의 블레이드(81)가 원주 방향으로 이격되어 배치되어 있는 것인데, 스크래퍼(80)가 회전하면서 각각의 블레이드(81)의 선단이 실린더의 표면(32)에 접촉하여 실린더 표면(32)에 형성되어 부착되어 있는 합금의 박막을 박리한다.
합금 박막은 수백 nm 단위의 얇은 박막으로 형성되며, 블레이드(81)의 선단과 접촉에 의해 실린더 표면(32)으로부터 박리되면서 파쇄되어 분말을 이룬 상태로 낙하한다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 스크래퍼(80)는 블레이드(81)의 선단이 실린더의 표면(32)에 접촉하는 위치와 서로 이격되는 위치 사이에서 이동 가능하게 구성되어 있어서, 합금의 박막에 대한 박리 작동 시에는 접촉 위치로 이동하고 실린더 표면(32)에 합금 박막이 성장하는 동안에는 이격 위치에 있게 된다.
스크래퍼(80)의 아래 쪽으로는 실린더 표면(32)으로부터 박리되어 낙하하는 합금 박편 또는 합금 분말을 수용하여 외부로 배출되게 하는 안내관(91)이 마련되어 있다.
안내관(91)은 스크래퍼의 블레이드(81) 아래에서는 실린더(30)의 전체 폭에 걸쳐 확장되고 위쪽으로 개방되어 있고, 챔버 하우징(10)에 인접한 쪽에서는 튜브형으로 되어 챔버 하우징을 관통하여 외부로 연장되며, 안내관(91)의 종단에는 포집 박스(92)가 배치되어 있어서, 안내관(92)을 통하여 낙하하여 외부로 나오는 합금 분말 또는 합금 박막의 박편이 포집 박스(92)에 수용된다. 안내관(91)과 포집 박스(92)는 포집 기구(90)를 이루는 것이다.
한편, 본 실시예에서 박리 기구로서 실린더의 표면(32)과 접촉하여 합금 박막을 떼어내는 블레이드를 갖춘 스크래퍼(80)를 이용하지만, 박리 기구로서 시판되는 레이저 클리너(Laser Cleaner)를 이용할 수 있다.
레이저 클리너는 강도가 조절되는 레이저를 일정한 길이와 폭으로 조사하여 레이저가 조사되는 부분에 에너지를 인가하는 것이다. 레이저 클리너는, 어떠한 제품의 표면에 그 제품을 이루는 재료와 다른 재료나 오염 물질이 부착되거나 그 제품의 재료가 부식된 산화물 등이 부착되어 있는 경우에, 레이저가 인가하는 에너지에 의해 산화물이나 부착된 다른 재료가 그 제품의 표면으로부터 박리되도록 한다.
이러한 레이저 클리너는 세라믹으로 형성되어 있는 실린더의 표면(32)에서 증착되어 성장한 합금 박막에 에너지를 인가하여 분말로 분쇄하면서 실린더의 표면으로부터 박리하기에 적합한 것이다.
이상과 같은 구성을 갖는 제조 장치를 이용하여 합금 분말을 형성하는 방법에 대해 설명한다.
희토류 금속과 철의 합금 또는 질소가 결합되는 합금으로서, SmFe12 또는 SmFe12Nx의 조성식을 갖는 합금은 보자력과 자속 밀도가 매우 높은 자석의 재료가 되는데, 이 중에서 사마륨과 철 및 질소의 합금인 SmFe12Nx의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 1에 도시한 제조 장치에서 사마륨과 철을 각각 가열하여 증발시키는 금속 증발 기구(20)가 2개 마련되고, 챔버 하우징(10)의 도어를 개방하고 각각의 도가니(21)에 각각 순도가 높은 사마륨(Sm)과 철을 적재하여 유도 가열 코일(22) 사이에 놓이게 한 후 도어를 닫는다.
챔버 하우징(10)이 밀폐된 상태에서 진공 배기 기구(40, 50)를 가동하여 증발 챔버(13)와 반응 챔버(14)를 각각 10-5 토르(Torr) 및 10-3 토르로 감압하여 진공 분위기를 형성하되, 반응 챔버(14)에는 가스 공급 기구(60)로 질소를 공급한다.
한편, 증발 챔버(13)와 반응 챔버(14) 사이에는 슬릿(15, 16)이 형성되어 있어 서로 완전히 격리되지는 않지만, 이 슬릿(15, 16)은 격벽(11)과 실린더 표면(32) 사이의 간섭이나 접촉이 없도록 하는 수준의 매우 좁은 폭을 가지므로 이 슬릿을 통한 누설에도 불구하고 양 챔버의 진공도를 다르게 유지할 수 있다.
진공의 형성과 함께 실린더(30)를 가열하여 표면(32)의 온도를, 예컨대 800 ℃ 또는 형성하려는 합금의 종류에 따라 더 높은 더 낮은 온도로 유지되게 한다. 실린더의 표면(32)은 상온 상태로 둘 수도 있지만, 실린더의 표면 온도가 낮은 경우에는 실린더의 표면(32)에 증착되는 금속 원자의 결정화가 지나치게 늦게 진행되어 합금을 이루는 사마륨과 철의 분산이 적절하게 이루어지지 않거나 반응 챔버에서 질소 원자와의 반응이 적절하게 이루어지지 않을 수 있다.
챔버 하우징(10)의 진공 분위기 형성 및 실린더 표면(32)의 승온이 이루어진 후에는 금속 증발 기구(20)의 유도 가열 코일(22)에 전력을 공급하여 여기에 놓인 사마륨과 철을 가열하여 이들 금속의 증발이 이루어지게 한다.
금속 재료들이 충분히 가열되어 증발이 이루어지기 시작하면, 실린더(30)를 회전시키면서 가스 공급 기구(60)를 가동하여 노즐(63)로부터 질소 가스를 반응 챔버(14)에 공급한다.
증발 챔버(13)에서는 가열에 의해 증발한 가스상의 사마륨과 철이 실린더의 표면(31)에 부착되어 있고, 실린더(30)가 회전하여 사마륨과 철이 증착된 실린더의 표면(32)이 반응 챔버(14)로 이동한다.
가스 공급 기구의 노즐(63)을 통과하는 질소 가스(N2)는 노즐 내의 전극이 작동하여 플라즈마화함으로써 원자 상태로 해리되어 반응 챔버(14)에 공급된다. 해리된 원자 상태의 질소는 높은 반응성을 띄게 되고, 실린더 표면(32)에 증착되어 있는 사마륨 및 철과 결합하여 합금 결정을 형성하여 간다.
실린더(30)가 회전함에 따라, 실린더 표면(32)의 증착 영역(33)에서는 증발 챔버(13)로부터 증발된 사마륨과 철이 증착되고 반응 영역(34)에서는 합금의 결정이 성장되어 가고, 실린더 표면(32)이 증발 영역(33)과 반응 영역(33)를 반복적으로 통과하면서 합금의 결정이 성장하여 박막을 이룬다.
박막이 요구되는 두께로 성장하는 시간이 경과하면 금속 증발 기구(20)의 작동이 중지되고, 스크래퍼(80)가 접촉 위치로 이동하여 회전하여 블래이드(81)가 실린더(30)의 표면과 접촉하여 표면(32)에 있는 합금 박막을 박리한다.
이때, 가스 공급 기구(60)에서는 노즐(63)의 전극에의 전력 공급이 중단되어 플라즈마화가 중지되고 질소 가스는 계속 공급되어 실린더 표면(32)이 박막이 산화되지 않는 불활성 분위기를 형성한다. 또한, 포집 박스(92)에도 불활성 가스를 공급하여 합금의 산화를 방지하는 것이 바람직하다.
스크래퍼(80)에 의해 박리된 합금의 박편이나 분말은 그 하부의 안내관(91)에 낙하하여 포집 박스(92)에 모이게 되고, 본 실시예의 합금 분말의 제조 장치의 작동은 종료된다.
포집 박스(92)에 포집된 합금 분말 또는 합금의 박편은 추가의 분쇄 과정을 거쳐 얻고자 하는 입경의 합금 분말이 제조된다. 합금의 박편은 미크론 또는 나노 단위의 두께를 갖기 때문에 작은 용량의 분쇄 장치로도 원하는 입경의 분말로 분쇄된다.
한편, 본 실시예에서는 사마륨과 철 및 질소의 합금 분말을 제조하는 것으로 설명하였지만, 앞서 설명한 제조 장치 및 제조 방법에 의해 사마륨이 아닌 네오디뮴(Nd) 또는 가돌리늄(Gd)과 같은 다른 희토류 금속과 철 및 질소의 합금을 제조할 수 있고, 합금의 결정상의 안정화를 위하여 치환형 원소인 티타늄(Ti), 바나듐(V), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si)을 추가로 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 질소 가스를 반응 챔버(14)에 공급하고 플라즈마에 의해 질소를 해리시켜 금속들과 반응하도록 구성하였지만, 질소의 공급원으로서 반응성이 높은 암모니아 가스를 공급할 수도 있다.
한편, 사마륨, 철 및 질소의 합금이 아닌 사마륨과 철의 합금(SmF12)의 분말을 제조하는 경우에는, 질소 가스 또는 다른 불활성 가스를 공급하지 않고 증발 챔버(13)와 반응 챔버(14)를 모두 10-5 토르의 진공 분위기로 한 상태에서 사마륨과 철의 합금을 제조할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 사마륨과 철 및 질소의 합금 분말을 제조하는 것으로 설명하였지만, 전술한 장치와 방법에 의해 사마륨과 코발트(Co)의 합금인 SmCo5 또는 Sm2Co17를 제조할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 제조 장치에서 희토류 금속, 철 및 붕소(B)의 합금 분말을 제조할 수 있다.
자석용 합금의 성분으로서 이용되는 희토류 금속으로서 네오듐(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy) 홀뮴(Ho) 및 터븀(Tb)가 있고, 이들 희토류 금속 중의 하나와 철 및 붕소의 합금 분말을 도 1에 도시한 합금 분말의 제조 장치와 앞서 설명한 제조 방법을 통하여 제조할 수 있다.
예컨대, 네오듐(Nd)과 철 및 붕소의 합금으로서 Nd2Fe14B의 조성을 갖는 합금을 제조할 수 있는데, 네오듐과 철을 금속 증발 기구(20)에 의해 증발시켜 실린더 표면(32)에 증착하고, 반응 챔버(14)에는 가스 공급 기구(60)를 통하여 '디보란'이라고 불리우는 붕소수화물(B2H6) 또는 삼염화붕소(BCl3)를 반응 챔버(14)에는 공급하여 실린더 표면에 증착된 네오듐, 철 및 붕소가 결합하여 합금 결정을 형성한다.
본 실시예의 제조 장치와 제조 방법으로는 철과 질소의 합금 분말을 제조할 수 있다.
금속 증발 기구(20)에 순도가 높은 철을 적재하고, 가스 공급 기구(60)에서는 질소 가스(N2)가 공급되어 플라즈마에 의해 생성되는 해리된 원자 상태의 질소가 300 ℃ 이하로 유지되는 실린더 표면(32)에 증착된 철과 반응하여 철과 질소의 합금(Fe16N2)의 결정이 생성된다.
한편, 철과 질소의 합금 분말에도 특성 향상을 위하여 코발트(Co), 티타늄(Ti) 또는 망간(Mn)이 추가로 함유될 수 있으며, 이러한 금속은 철과 함께 금속 증발 기구(20)에 의해 증발되어 실런더 표면(32)에 증착되고, 이어서 반응 챔버에서 질소와 결합하여 합금 결정을 형성한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 합금 분말의 제조 장치와 이 제조 장치를 이용한 합금 분말의 제조 방법에서는 각각의 재료를 장치에 투입하여 단일 장치에서 합금의 분말 또는 합금의 박편을 얻을 수 있다.
특히, 본 실시예의 제조 장치와 제조 방법에서는 장치가 거대해지고 공정 관리가 까다로운 재료의 용융과 결정화 및 분쇄 과정이 없이 단일 장치에서 합금의 분말 또는 소규모 분쇄 장치로 분말화할 수 있는 합금 박편을 얻을 수 있다,
이상 본 발명의 실시예에 따른 합금 분말의 제조 장치와 제조 방법의 구성과 작동을 설명하였는바, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재한 범위에서 다양한 수정과 변형 및 구성 요소의 부가가 가능하다,
10: 챔버 하우징 20: 금속 증발 기구
30: 실린더 40, 50: 진공 배기 기구
60: 가스 공급 기구 80: 스크래퍼
90: 포집 기구

Claims (14)

  1. 합금 분말의 제조 장치로서,
    고상의 금속 재료가 놓이고, 금속을 증발시키는 증발 기구가 마련되어 진공 분위기 하에서 금속 재료가 증발되는 증발 챔버;
    증발 챔버 내에 마련되고, 고상의 금속을 기상으로 증발시키는 금속 증발 기구;
    증발 챔버에 인접하여 마련되고, 진공 분위기 하에서 합금 분말의 재료가 되는 합금의 결정이 성장하는 반응이 일어나는 반응 챔버;
    세라믹 또는 금속으로 이루어지고, 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환하는 표면을 갖추고, 증발 챔버에서 증발되는 기상의 금속의 입자가 상기 표면에 증착되고, 금속의 입자가 증착된 상기 표면이 반응 챔버에 유입되어 합금의 결정이 성장하며, 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동되어 금속 입자의 증착과 합금 결정 성장이 반복되어 합금의 박막이 형성되는 것인 합금 형성 부재;
    합금 형성 부재의 표면에 형성되는 합금의 박막으로부터 합금을 박리하는 박리 기구; 및
    박리 기구에 의해 합금 형성 부재로부터 박리되는 합금의 분말을 포집하는 포집 기구
    를 포함하여 이루어지는 것인 합금 분말의 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 챔버에, 증발 챔버에서 합금 형성 부재에 증착된 금속과 반응하여 합금을 형성하는 원소의 전구체를 가스 상으로 공급하는 가스 공급 기구를 더 포함하고,
    상기 가스 공급 기구는 상기 합금을 이루는 원소의 전구체를 해리시키는 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성되는 것인, 합금 분말의 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금 형성 부재는 원통형의 표면을 갖추고 회전하는 실린더로 구성되고, 실린더의 표면은 실린더의 회전에 의해 증발 챔버와 반응 챔버에 교호로 놓이는 것인, 합금 분말의 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금 형성 부재는 기상의 금속이 증착되고 합금 박막이 성장하는 표면을 갖춘 스트립으로 이루어지는 것인, 합금 분말의 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    증발 챔버에서의 금속 재료의 증발은 유도 가열, 저항열 가열 또는 스퍼터링에 의해 이루어지는 것인, 합금 분말의 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    박리 기구는 합금 형성 부재의 표면과 접촉하여 합금 형성 부재의 표면에 생성되는 합금의 박막을 분리하는 복수 개의 블레이드가 원주 방향으로 이격되어 배치되며, 회전에 의해 블레이드가 순차로 합금 형성 부재의 표면과 접촉하도록 구성되는 것인, 합금 분말의 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    박리 기구는 합금 형성 부재의 표면에 레이저를 조사하여 합금 형성 부재의 표면으로부터 합금 박막을 분리하는 레이저 클리너로 구성되는 것인, 합금 분말 제조 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 따른 합금 분말 제조 장치를 이용하는 합금 분말의 제조 방법으로서,
    증발 챔버에서 금속 증발 기구에 금속 재료를 적재하는, 금속 재료 적재 단계;
    증발 챔버와 반응 챔버를 감압하여 진공화하는 것인 진공화 단계;
    증발 챔버에 놓인 금속 재료를 유도 가열, 저항열 가열 또는 스퍼터링에 의해 증발시키는 것인 증발 단계;
    합금 형성 부재의 표면을 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동시켜. 증발 챔버에서 증발된 기상의 금속이 합금 형성 부재의 표면에 증착되는 것인 증착 단계;
    반응 챔버에, 합금 형성 부재의 표면에 증착된 금속과 반응하여 합금을 형성하는 원소의 전구체를 가스상으로 공급하여, 상기 원소가 합금 형성 부재의 표면에 증착된 금속과 반응하여 합금의 결정이 형성되는 것인, 합금 결정 형성 단계;
    합금 형성 부재가 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동되면서, 합금 형성 부재의 표면에서 상기 증착 단계와 상기 합금 박막 성장 단계가 반복되어 합금의 결정이 성장하여 소정 두께의 합금 박막이 형성된 후에 박리 기구에 의해 합금의 박막을 박리하는 것인 박리 단계; 및
    박리된 합금이 포집 기구에 의해 포집되는 것인 포집 단계
    를 포함하는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서
    상기 금속 재료 적재 단계에서는, 증발 기구에 금속 재료로서 철(Fe)을 적재하고,
    상기 합금 결정 형성 단계에서는, 반응 챔버에 질소 가스를 공급하고 플라즈마에 의해 공급되는 질소 가스를 해리시키거나 암모니아 가스를 공급하고, 질소 가스 또는 암모니아 가스로부터 유래하는 질소 원자가 합금 형성 부재의 표면에 증착된 철과 반응하여 철과 질소의 합금을 형성하면서 철과 질소의 합금의 결정이 형성되는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속 재료 적재 단계에서는 금속 재료로서 코발트(Co), 티타늄(Ti), 망간(Mn) 중의 하나의 금속이 더 적재되고,
    상기 합금 결정 형성 단계에서는, 철과 코발트 및 질소의 합금, 철과 티타늄 및 질소의 합금 또는 철과 망간 및 질소의 합금의 결정이 형성되는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 따른 합금 분말 제조 장치를 이용하는 합금 분말의 제조 방법으로서,
    증발 챔버에 금속 재료로서 희토류 금속과 철(Fe) 또는 코발트(Co)를 적재하는 것인, 금속 재료 적재 단계;
    증발 챔버와 반응 챔버를 감압하여 진공화하는 것인 진공화 단계;
    증발 챔버에 적재된 희토류 금속과 철을 유도 가열, 저항열 가열 또는 스퍼터링에 의해 증발시키는 것인 증발 단계;
    합금 형성 부재의 표면을 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동시켜. 증발 챔버에서 증발된 희토류 금속과 철 또는 코발트가 합금 형성 부재의 표면에 증착되는 것인 증착 단계;
    반응 챔버에서, 합금 형성 부재의 표면에 증착된 희토류 금속과 철 또는 코발트가 합금의 결정을 형성하는 것인, 합금 결정 형성 단계;
    합금 형성 부재가 증발 챔버와 반응 챔버 사이에서 순환 구동되면서, 합금 형성 부재의 표면에서 상기 증착 단계와 상기 합금 결정 형성 단계가 반복되어 합금의 결정이 성장하여 소정 두께의 합금 박막이 형성된 후에 박리 기구에 의해 합금의 박막을 박리하는 것인 박리 단계; 및
    박리된 합금이 포집 기구에 의해 포집되는 것인 포집 단계
    를 포함하는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 금속 재료 적재 단계에서는 희토류 금속과 철이 적재되고,
    상기 합금 결정 형성 단계에서는, 반응 챔버에 질소 가스를 공급하고 플라즈마에 의해 공급되는 질소 가스를 해리시키거나 암모니아 가스를 공급하고, 질소 가스 또는 암모니아 가스로부터 유래하는 질소 원자가 합금 형성 부재의 표면에 증착된 금속들과 반응하여 희토류 금속, 철 및 질소의 합금의 결정을 형성하는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 합금 결정 형성 단계에서는, 반응 챔버에 붕소를 함유하는 가스를 공급하고, 붕소를 함유하는 가스로부터 유래하는 붕소 원자가 합금 형성 부재의 표면에 증착된 금속들과 반응하여 희토류 금속, 철 및 붕소의 합금의 결정을 형성하는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 금속 재료 적재 단계에서는, 합금의 상의 안정화를 위한 치환형 원소로서, 티타늄(Ti), 바나듐(V), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 및 실리콘(Si) 중의 어느 하나가 더 적재되고,
    상기 합금 결정 형성 단계에서는 티타늄, 바나듐, 망간, 코발트, 몰리브덴 및 실리콘 중의 어느 하나의 금속, 희토류 금속 및 철의 합금 박막이 성장하는 것인, 합금 분말의 제조 방법.
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