KR102303461B1

KR102303461B1 - 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법

Info

Publication number: KR102303461B1
Application number: KR1020187011451A
Authority: KR
Inventors: 마코토 나카세코; 나오미치 나카무라; 유키코 오자키
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2021-09-16
Also published as: JP2017122278A; JP6266636B2; CN106132599B; KR20160128380A; KR20180043853A; WO2015151420A1; US10293407B2; US20170144227A1; CN106132599A; JPWO2015151420A1; SE1651221A1; SE542606C2

Abstract

용융 금속류에, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수를 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속분으로 함과 함께, 당해 금속분을 냉각하여, 물 아토마이즈 금속 분말로 한다. 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수를 이용하는 냉각은, 냉각 개시시로부터 막비등 영역이 없고, 천이비등 영역에서의 냉각이 되어, 냉각을 촉진할 수 있고, 금속 분말을 어모퍼스화 할 수 있을 때까지의, 급속 냉각을 간편하게 행하는 것이 가능해진다. 또한, 용융 금속류의 분단을 불활성 가스를 분사하여 행하고, 분단된 금속분의 냉각을, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수를 이용하여 행하고, 가스 아토마이즈 금속 분말로 할 수도 있다. 또한, 분단된 금속분의 분사수 냉각시에 있어서는, 금속분의 온도가 MHF점 이하가 된 이후에 행하는 것이 바람직하다.

Description

아토마이즈 금속 분말의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING ATOMIZED METAL POWDER}

본 발명은, 아토마이즈 장치를 이용한 금속 분말(이하, 아토마이즈 금속 분말이라고도 함)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 아토마이즈 후의 금속 분말의 냉각 속도 향상 방법에 관한 것이다.

종래부터, 금속 분말을 제조하는 방법으로서, 아토마이즈법이 있다. 이 아토마이즈법에는, 용융 금속의 흐름에 고압의 물 제트를 분사하여 금속 분말을 얻는 물 아토마이즈법, 물 제트를 대신하여 불활성 가스를 분사하는 가스 아토마이즈법이 있다.

물 아토마이즈법에서는, 노즐로부터 분사한 물 제트로 용융 금속의 흐름을 분단하고, 분말상의 금속(금속 분말)으로 함과 함께, 물 제트로 분말상의 금속(금속 분말)의 냉각도 행하여 물 아토마이즈 금속 분말을 얻고 있다. 한편, 가스 아토마이즈법에서는, 노즐로부터 분사한 불활성 가스에 의해 용융 금속의 흐름을 분단하고, 분말상의 금속(금속 분말)으로 한 후, 통상, 분말상의 금속(금속 분말)을, 아토마이즈 장치의 아래에 구비된 수조, 혹은 유수(流水)의 드럼 중에 낙하시켜, 분말상의 금속(금속 분말)의 냉각을 행하여 아토마이즈 금속 분말을 얻고 있다.

최근, 에너지 절약의 관점에서, 예를 들면 전기 자동차나 하이브리드 차에 사용되는 모터 코어의 저철손화(reduction in the iron loss)가 요망되고 있다. 종래, 모터 코어는, 전자 강판을 적층시켜 제작되어 왔지만, 최근에는, 형상 설계의 자유도가 높은 금속 분말(전자 철분)을 이용하여 제작한 모터 코어가 주목되고 있다. 이러한 모터 코어의 저철손화를 위해서는, 사용하는 금속 분말의 저철손화가 필요해진다. 저철손의 금속 분말로 함에 있어서는, 금속 분말을 비정질화(어모퍼스화)하는 것이 유효하다고 생각된다. 그러나, 아토마이즈법으로, 비정질화한 금속 분말을 얻기 위해서는, 용융 상태를 포함하는 고온 상태에 있는 금속 분말을 초급냉함으로써 결정화를 방지할 필요가 있다.

그 때문에, 금속 분말을 급냉하는 방법이 몇 가지 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 용융 금속을 비산시키면서 냉각·고화시켜 금속 분말을 얻을 때에, 고화할 때까지의 냉각 속도가 10⁵K/s 이상으로 하는 금속 분말의 제조 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 비산시킨 용융 금속을, 통상체의 내벽면을 따라 냉각액을 선회시킴으로써 발생한 냉각액류에 접촉시킴으로써, 상기한 냉각 속도가 얻어진다고 하고 있다. 그리고, 냉각액을 선회시킴으로써 발생한 냉각액류의 유속은 5∼100m/s로 하는 것이 바람직하다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 급냉 응고 금속 분말의 제조 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 내주면이 원통면인 냉각 용기의 원통부 상단부 외주측으로부터, 냉각액을 둘레방향으로부터 공급하고 원통부 내주면을 따라 선회시키면서 유하(flow downward)시키고, 그 선회에 의한 원심력으로, 중심부에 공동(cavity)을 갖는 층 형상의 선회 냉각액층을 형성하고, 그 선회 냉각액층의 내주면에 금속 용탕을 공급하여 급냉 응고시킨다. 이에 따라, 냉각 효율이 좋고, 고품질인 급냉 응고 분말이 얻어진다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 유하하는 용융 금속에 가스 제트를 분사하여 용적(droplet)으로 분단하기 위한 가스 제트 노즐과, 내주면에 선회하면서 유하하는 냉각액층을 갖는 냉각용 통체를 구비하는, 가스 아토마이즈법에 의한 금속 분말의 제조 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 용융 금속이, 가스 제트 노즐과 선회하는 냉각액층에 의해, 2단계로 분단되어, 미세화된 급냉 응고 금속 분말이 얻어진다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 용융 금속을 액상의 냉매 중에 공급하고, 냉매 중에서 용융 금속을 덮는 증기막을 형성하고, 만들어진 증기막을 붕괴시켜 용융 금속과 냉매를 직접 접촉시켜 자연핵 생성에 의한 비등을 일으켜 그 압력파를 이용하여 용융 금속을 잡아 떼면서 급속히 냉각하고 어모퍼스화하여, 어모퍼스 금속 미립자로 하는, 어모퍼스 금속 미립자의 제조 방법이 기재되어 있다. 용융 금속을 덮는 증기막의 붕괴는, 냉매로 공급하는 용융 금속의 온도를 냉매에 직접 접촉한 경우에 계면 온도가 막비등(film boiling) 하한 온도 이하로서 자발핵 생성 온도 이상의 온도로 하거나, 초음파 조사하거나, 에 의해 가능하다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 5에는, 용융한 재료를, 액체 냉매의 안에 액적 또는 제트류로서 공급할 때에, 용융한 재료의 온도를, 액체 냉매와 직접 접촉할 때에, 액체 냉매의 자발핵 생성 온도 이상에서 용융 상태이도록 설정하고, 추가로, 액체 냉매의 흐름에 들어갔을 때의 용융한 재료의 속도와 액체 냉매의 흐름의 속도의 상대 속도차를 10m/s 이상이 되도록 하여, 용융한 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴시켜 자발핵 생성에 의한 비등을 발생시키고, 미립화함과 함께 냉각 고화 하는 미립자의 제조 방법이 기재되어 있다. 이에 따라, 종래는 곤란했던 재료라도, 미립자화나 비정질화할 수 있다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 6에는, 모재가 되는 재료에 기능성 첨가재를 첨가한 원료를 용융하고, 액체 냉매의 안에 공급함으로써, 증기 폭발에 의해 미세화함과 함께 냉각 고화할 때에 냉각 속도를 제어함으로써 편석이 없는 다결정 또는 비정질인 균질한 기능성 미립자를 얻는 공정과, 이 기능성 미립자와 상기 모재의 미립자를 원료로서 이용하여 고화하여 기능 부재를 얻는 공정을 구비하는 기능 부재의 제조 방법이 기재되어 있다.

일본공개특허공보 2010-150587호 일본공고특허공보 평7-107167호 일본특허 제3932573호 공보 일본특허 제3461344호 공보 일본특허 제4793872호 공보 일본특허 제4784990호 공보

통상, 고온의 용융 금속을 급냉하기 위해, 용융 금속에 냉각수를 접촉시켜도, 용융 금속 표면이 냉각수와 완전히 접촉하는 것은 어렵다. 그렇다는 것은, 냉각수가, 고온의 용융 금속 표면(피(被)냉각면)에 닿는 순간에, 기화하고, 피냉각면과 냉각수의 사이에 증기막을 형성하여, 소위 막비등 상태(film boiling state)가 된다. 그 때문에, 증기막의 존재에 의해, 냉각의 촉진이 방해된다.

특허문헌 1∼3에 기재된 기술은, 냉각액을 선회시켜 형성한 냉각액층 중에 분단된 용융 금속을 공급하여, 금속 입자의 주위에 형성된 증기막을 벗기고자 하는 것이지만, 분단된 금속 입자의 온도가 높으면 냉각액층 중에서는 막비등 상태가 되기 쉽고, 게다가 냉각액층 중에 공급된 금속 입자는 냉각액층과 함께 이동하기 때문에, 냉각액층과의 상대 속도차가 적어, 막비등 상태를 회피하는 것은 어렵다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 4∼6에 기재된 기술에서는, 연쇄적으로 막비등 상태로부터 핵비등(nucleate boiling) 상태가 되는 증기 폭발을 이용하여, 용융 금속을 덮는 증기막을 붕괴시켜, 금속 입자의 미세화, 나아가서는 비정질화를 도모한다고 하고 있다. 증기 폭발을 이용하여 막비등의 증기막을 제거하는 것은 유효한 방법이지만, 막비등 상태로부터 연쇄적으로 핵비등 상태로 하여 증기 폭발을 발생시키기 위해서는, 도 4에 나타내는 비등 곡선으로부터 알 수 있듯이, 적어도 우선 최초로, 금속 입자의 표면 온도를 MHF(극소열 유속: Minimum Heat Flux)점 이하까지 냉각할 필요가 있다. 도 4는, 비등 곡선이라고 칭해지며, 냉매를 물(냉각수)로 한 경우의, 냉각능과 피냉각재의 표면 온도의 관계를 개략적으로 나타낸 설명도이다. 도 4로부터, 금속 입자의 표면 온도가 높은 경우에는, MHF점 온도까지의 냉각은, 막비등 영역에서의 냉각이 되고, 막비등 영역에서의 냉각에서는 피냉각면과 냉각수의 사이에 증기막이 개재하기 때문에, 약냉각이 된다. 그 때문에, 금속 분말의 비정질화를 목적으로 하여 MHF점 이상으로부터 냉각을 시작하면, 비정질화를 위한 냉각 속도가 부족하다는 문제가 있었다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하고, 금속 분말의 급속 냉각이 가능하고, 비정질 상태의 금속 분말로 할 수 있는, 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 우선, 물 분사 냉각에 있어서의 MHF점에 미치는 각종 요인에 대해서 예의 검토했다. 그 결과, 냉각수의 온도 및 분사압의 영향이 크다는 것을 인식했다.

우선, 본 발명자들이 행한 기초적 실험 결과에 대해서, 설명한다.

소재로서 SUS 304 스테인리스 강판(크기: 20㎜ 두께×150㎜ 폭×150㎜ 길이)을 이용했다. 또한, 소재에는, 이면으로부터 열전대(thermocouple)를 삽입하고, 표면으로부터 1㎜의 위치(폭 중앙, 길이 중앙)의 온도를 측정 가능하게 했다. 그리고, 소재를, 무산소 분위기 가열로에 장입하여, 1200℃ 이상으로 가열했다. 가열된 소재를 취출하여, 즉시, 당해 소재에 아토마이즈용 냉각 노즐로부터 냉각수를, 수온, 분사압을 변화하여 분사하고, 표면으로부터 1㎜의 위치의 온도 변화를 측정했다. 얻어진 온도 데이터로부터, 계산으로 냉각시의 냉각 능력을 추정했다. 얻어진 냉각 능력으로부터 비등 곡선을 작성하고, 급격하게 냉각 능력이 상승하는 점을 막비등으로부터 천이비등(transition boiling)으로 변하는 점으로 판단하여 MHF점을 구했다.

얻어진 결과를 도 1에 나타낸다.

도 1로부터, 통상의 물 아토마이즈법에서 사용되고 있는 수온: 30℃의 냉각수를, 분사압: 1㎫로 분사하면, 냉각수를 분사하고 있는 상태에서 MHF점은 700℃ 정도가 된다. 한편, 수온: 10℃ 이하 2℃ 이상의 냉각수를, 분사압: 5㎫ 이상 20㎫ 이하로 분사하면, 냉각수를 분사하고 있는 상태에서 MHF점은 1000℃ 이상이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 냉각수의 온도(수온)를 10℃ 이하로 낮게 하는 것 및, 분사압을 5㎫ 이상으로 높게 함으로써, MHF점이 상승하고, 막비등으로부터 천이비등으로 변하는 온도가 고온이 되는 것을 발견했다.

통상, 용융 금속을 아토마이즈한 후의 금속 분말의 온도는, 1000∼1300℃ 정도의 표면 온도를 갖고 있고, 또한 결정화를 방지하기 위해서도 필요 냉각 온도 범위는, 약 1000℃에서 제1 결정화 온도 이하까지의 온도 범위를 냉각할 필요가 있고, 금속 분말의 냉각 개시 온도가 MHF점보다 높은 온도에서 물 분사 냉각을 개시하면, 냉각 개시시는, 냉각능이 낮은 막비등 영역의 냉각이 된다. 이 점에서, MHF점이, 필요 냉각 온도 범위 이상이 되는 바와 같은 물 분사 냉각으로, 냉각을 개시하면 적어도 천이비등 영역으로부터, 금속 분말의 냉각을 개시할 수 있고, 막비등 영역에 비해 냉각이 촉진되어, 금속 분말의 냉각 속도를 현저하게 높게 할 수 있다. 이러한 냉각능이 높은 냉각으로 금속 분말을 냉각하면, 금속 분말의 비정질화에 필수의 결정화 온도영역의 급냉이 용이하게 실현 가능해지는 것을 인식했다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하고, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 용융 금속류에, 유체를 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말을 냉각하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법으로서, 상기 유체를, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수로 하여 상기 용융 금속류의 분단 및 상기 금속 분말의 냉각을 행하는 것을 특징으로 하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(2) 용융 금속류에, 유체를 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말을 냉각하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법으로서, 상기 유체를 불활성 가스로 하여 상기 용융 금속류의 분단을 행하고, 상기 금속 분말의 냉각을, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(3) (2)에 있어서, 상기 분사수의 분사를, 상기 금속 분말의 온도가 1000℃ 이하가 된 후에, 행하는 것을 특징으로 하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 금속류가, Fe-B계 합금, 혹은 Fe-Si-B계 합금으로 이루어지고, 상기 아토마이즈 금속 분말이 비정질 금속 분말인 것을 특징으로 하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 간편한 방법으로, 10⁵K/s 이상의 금속 분말의 급속 냉각이 가능해지고, 비정질 상태의 아토마이즈 금속 분말로 하는 것이 용이해지고, 저철손의 압분 자심용 금속 분말을 용이하게, 게다가 염가로 제조할 수 있어, 산업상 각별한 효과를 가져온다. 또한, 본 발명에 의하면, 형상이 복잡한 저철손의 압분 자심의 제조가 용이해진다는 효과도 있다.

도 1은, MHF점에 미치는 냉각수의 수온, 분사압의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는, 본 발명의 실시에 적합한, 물 아토마이즈 금속분 제조 장치의 개략 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 3은, 본 발명의 실시에 적합한, 가스 아토마이즈 금속분 제조 장치의 개략 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 4는, 비등 곡선의 개략을 개략적으로 나타내는 설명도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명에서는, 우선, 원료인 금속 재료를 용해하여, 용융 금속으로 한다. 원재료로서 사용하는 금속 재료로서는, 종래부터 분말로서 사용되고 있는 순금속, 합금, 선철 등을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 순철, 저합금강, 스테인리스강 등의 철기합금(iron-based alloy), Ni, Cr 등의 비(非)철금속, 비철 합금, 혹은 어모퍼스 합금(비정질 합금)으로서 Fe-B계 합금, Fe-Si-B계 합금, Fe-Ni-B 합금 등을 예시할 수 있다. 또한, 이들 합금은 표기한 원소 이외에 불순물을 포함하는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 금속 재료의 용해 방법은 특별히 한정할 필요는 없지만, 전기로(electric furnace), 진공 용해로, 고주파 용해로(melting furnace) 등의, 상용의 용해 수단을 모두 적용할 수 있다.

용해된 용융 금속은, 용해로로부터 턴디쉬(tundish) 등의 용기에 옮겨지고, 아토마이즈 금속분 제조 장치 내에서, 아토마이즈 금속분이 된다. 본 발명에서 사용되는 바람직한 물 아토마이즈 금속분 제조 장치의 예를 도 2에 나타낸다.

물 아토마이즈법을 이용하는 경우의 본 발명을, 도 2를 이용하여, 설명한다.

용융 금속(1)은, 턴디쉬(3) 등의 용기로부터, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여, 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하된다. 또한, 챔버(9) 내는, 불활성 가스 밸브(11)를 열어 불활성 가스(질소 가스, 아르곤 가스 등) 분위기로 해둔다.

유하된 용융 금속류(8)에, 노즐 헤더(5)에 설치된 노즐(6)을 통하여 유체(7)를 분사하고, 당해 용융 금속류(8)를 분단하여 금속 분말(8a)로 한다. 본 발명에서 물 아토마이즈법을 이용하는 경우는, 유체(7)로서 분사수(물 제트)를 사용한다.

본 발명에서, 유체(7)로서 분사수(물 제트)를 사용한다. 사용하는 분사수(물 제트)는, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수(물 제트)로 한다.

분사수의 액온(수온)이 10℃를 초과하여 높아지면, MHF점이 1000℃ 정도 이상이라는 소망하는 MHF점이 되는 물 분사 냉각으로 할 수 없게 되어, 소망하는 냉각 속도를 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, 분사수의 액온(수온)은 10℃ 이하로 한정했다. 또한, 바람직하게는 7℃ 이하이다. 여기에서 말하는 「소망하는 냉각 속도」란, 비정질화를 달성할 수 있는 최저의 냉각 속도인, 응고가 종료된 온도에서 제1 결정화 온도(예를 들면 400∼600℃ 정도)까지의 평균으로 10⁵∼10⁶K/s 정도의 냉각 속도이다.

또한, 분사수(물 제트)의 분사압이 5㎫ 미만에서는, 냉각수의 수온이 10℃ 이하가 되어도, MHF점이 소망하는 온도 이상이 되는 물 분사 냉각으로 할 수 없게 되어, 소망하는 급냉(소망하는 냉각 속도)을 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, 분사수의 분사압은 5㎫ 이상으로 한정했다. 또한, 분사압: 10㎫를 초과하여 높게 해도 MHF점의 상승이 포화되기 때문에, 분사압은 10㎫ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 물 아토마이즈에 의한 금속 분말의 제조에서는, 용융 금속류에, 상기한 바와 같이 수온 및 분사압이 조정된 분사수를 분사하고, 용융 금속류의 분단과, 분단된 금속 분말(용융 상태의 것도 포함함)의 냉각, 고화를 동시에 행한다.

또한, 분사수에 이용되는 냉각수는, 물 아토마이즈 금속분 제조 장치(14)의 외부에 설치된, 냉각수 탱크(15; 단열 구조)에, 미리 냉각수를 저온으로 냉각하는 칠러(chiller; 16) 등의 열교환기로 저수온의 냉각수로서 저장하여 두는 것이 바람직하다. 또한, 일반적인 냉각수 제조기에서는 열교환기 내가 동결하기 때문에 3∼4℃ 미만의 냉각수를 생성하는 것이 어려워, 얼음 제조기에 의해 얼음을 탱크 내에 보급하는 기구를 설치해도 좋다. 단, 0℃ 이하의 냉각수는 얼음이 되기 쉽기 때문에, 0℃ 초과의 냉각수로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각수 탱크(15)에는, 냉각수를 승압·송수하는 고압 펌프(17), 고압 펌프로부터 노즐 헤더(5)에 냉각수를 공급하는 배관(18)이 설치되는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에서는, 유체(7)로서, 불활성 가스(22a)를 이용한 가스 아토마이즈법에 의해, 용융 금속류의 분단을 행해도 좋다. 그 경우, 본 발명에서는, 분단된 금속 분말에, 추가로, 분사수에 의한 냉각을 행한다. 즉, 본 발명의 가스 아토마이즈법을 이용한 금속 분말의 제조에서는, 용융 금속류에 불활성 가스를 분사하여, 용융 금속류의 분단을 행하고, 분단된 금속 분말(용융 상태의 것도 포함함)의 냉각을 분사압: 5㎫ 이상, 수온: 10℃ 이하의 분사수로 행하는 것으로 한다. 본 발명에서 사용되는 바람직한 가스 아토마이즈 금속분 제조 장치의 예를 도 3에 나타낸다.

가스 아토마이즈법을 이용하는 경우의 본 발명을, 도 3을 이용하여, 설명한다.

용해된 용융 금속(1)은, 용해로(2)로부터 턴디쉬(3) 등의 용기에 옮겨지고, 당해 용기로부터, 가스 아토마이즈 금속분 제조 장치(19)의 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여, 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하된다. 또한, 챔버(9) 내는, 불활성 가스 밸브(11)를 열어 불활성 가스 분위기로 해둔다.

유하된 용융 금속류(8)에, 가스 노즐 헤더(21)에 설치된 가스 분사 노즐(22)을 통하여 불활성 가스(22a)를 분사하여, 당해 용융 금속류(8)를 분단하고 금속 분말(8a)로 한다. 그리고, 얻어진 금속 분말(8a)의 온도가, 바람직하게는 필요 냉각 온도 범위가 되는 약 1000℃의 위치에서, 분사수(25a)를 분사하여 금속 분말(8a)을 냉각한다. 분사수(25a)는, 분사압:5㎫ 이상, 수온: 10℃ 이하의 분사수로 한다.

분사압: 5㎫ 이상, 수온: 10℃ 이하의 분사수로 냉각함으로써, MHF점이 1000℃ 정도까지 상승한다. 이 때문에, 본 발명에서는, 바람직하게는 1000℃ 정도 이하의 온도의 금속 분말에, 분사압: 5㎫ 이상, 수온: 10℃ 이하의 분사수에 의한 냉각을 적용한다. 이에 따라, 냉각 개시시로부터 천이비등 영역에서의 냉각이 되고, 냉각이 촉진되어, 소망하는 냉각 속도를 용이하게 확보할 수 있다. 또한, 금속분의 온도 조절은, 가스 아토마이즈점(atomization point)에서 분사수의 분사 개시까지의 거리를 변경함으로써, 가능하다.

또한, 분사수에 의한 냉각 개시시에, 금속 분말(8a)의 온도가 1000℃를 초과하는 고온인 경우에는, 분사수의 수온을 5℃ 미만으로 해도, 막비등 상태에 의한 냉각이 되고, 1000℃ 이하에서 냉각 개시하는 천이비등 상태에서의 냉각에 비해 냉각능은 낮아지지만, 분사압이 5㎫ 미만, 수온이 10℃ 이상에서 행하는 통상의 막비등 상태의 냉각에 비해 냉각능은 높아, 막비등 상태인 시간을 짧게 할 수 있다. 또한, 추가로 수온을 낮게 하고, 분사압을 높게 함으로써, MHF점을 상승시킬 수 있어, 얻어지는 금속 분말은 비정질성이 향상된다. 예를 들면, 수온을 5℃ 이하, 분사압을 10㎫ 이상으로 함으로써, MHF점은 1030℃ 정도까지 상승시킬 수 있다. 또한, 이에 따라, 입경이 큰 금속 분말도 비정질화가 가능해진다.

이상과 같이, 본 발명에서는, 가스 아토마이즈법으로 용융 금속류를 분단한 후, 분사압: 5㎫ 이상, 수온: 10℃ 이하의 분사수에 의한 냉각을 행하는 것으로 했다. 금속 분말의 온도가 MHF점 이하인 경우에, 상기한 조건으로 물 분사 냉각을 행하면, 냉각 속도를 보다 높일 수 있다.

또한, 분사수에 이용되는 냉각수는, 물 아토마이즈법의 경우와 동일하게, 가스 아토마이즈 금속분 제조 장치(19)의 외부에 설치된, 냉각수 탱크(15; 단열 구조)에, 미리 냉각수를 저온으로 냉각하는 칠러(16) 등의 열교환기로 저수온의 냉각수로서 저장하여 두는 것이 바람직하다. 또한, 얼음 제조기에 의해 얼음을 탱크 내에 보급하는 기구를 설치해도 좋다. 가스 노즐 헤더(21)에는, 가스 봄베(27)가 배관(28)을 개재하여 설치되어 있는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 냉각수 탱크(15)에는, 냉각수를 승압·송수하는 고압 펌프(17), 고압 펌프로부터 냉각수 분사 노즐(25)에 냉각수를 공급하는 배관(18)이 설치되는 것은 물 아토마이즈 금속분 제조 장치와 동일한 것은 말할 필요도 없다.

금속 분말을 비정질 상태의 분말로 하기 위해서는, 결정화 온도영역을 급냉각 할 필요가 있다. 비정질화하기 위한 임계 냉각 속도로서는, 합금계에 따라 변화하지만, 예를 들면, Fe-B계 합금(Fe₈₃B₁₇)에서는 1.0×10⁶K/s, Fe-Si-B계 합금(Fe₇₉Si₁₀B₁₁)에서는, 1.8×10⁵K/s가 예시되어 있다(일본기계학회: 비등 열전달과 냉각, P208, 1989년, 일본공업출판). 그 외, Fe계, Ni계의 대표적인 어모퍼스 합금에 있어서도, 비정질화의 임계 냉각 속도로서는, 10⁵∼10⁶K/s 정도이다. 본 발명에 있어서와 같이, 냉각 개시 당초부터 막비등 영역을 피하고, 천이비등 영역 혹은 핵비등 영역에서 냉각을 행하는, 금속 분말의 제조 방법에 의하면, 상기한 정도의 냉각 속도를 확보하는 것이 가능하다.

실시예

(실시예 1)

도 2에 나타내는 물 아토마이즈 금속분 제조 장치를 이용하여 금속 분말을 제조했다.

at％로, 79％ Fe-10％ Si-11％ B의 조성(Fe₇₉Si₁₀B₁₁)이 되도록 원료를 배합(일부, 불순물을 포함하는 것은 피할 수 없음)하고, 용해로(2)에서 약 1550℃로 용해하여, 용융 금속 약 50kgf를 얻었다. 용해로(2) 중에서 1350℃까지 서냉한 후, 턴디쉬(3)에 주입했다. 또한, 챔버(9) 내는, 미리 불활성 가스 밸브(11)를 열어 질소 가스 분위기로 해 두었다. 또한, 용융 금속을 턴디쉬(3)에 주입하기 전에, 고압 펌프(17)를 가동하여, 냉각수 탱크(15; 용량: 10㎥)로부터 냉각수를 노즐 헤더(5)에 공급하여, 물 분사 노즐(6)로부터 분사수(유체; 7)가 분사된 상태로 해두었다. 또한, 용융 금속류(8)가 분사수(유체; 7)와 접촉하는 위치는, 용탕 가이드 노즐(4)로부터 200㎜의 위치로 설정했다.

턴디쉬(3)에 주입된 용융 금속(1)을, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하하고, 표 1에 나타내는 바와 같이 수온 및 분사압을 변화시킨 분사수(유체; 7)와 접촉시켜, 분단하여 금속분으로 함과 함께, 냉각수와 섞으면서 냉각하여, 금속분 회수 밸브(13)를 구비한 회수구로부터 금속 분말로서 회수했다.

얻어진 금속 분말에 대해서, 금속 분말 이외의 먼지를 제거한 후, 샘플을 취하여 X선 회절 측정을 행하고, 회절 X선의 적분 강도의 비(比)로부터 결정화율을 조사하고, 1로부터 결정화율을 뺌으로써 (1－결정화율＝)비정질화율을 구했다. 얻어진 결과를 표 1에 나타낸다. 비정질화율: 90％ 이상을 합격으로 했다. 또한, 얻어진 금속 분말에는, 불순물로서 화합물이 함유되는 경우가 있지만, 불순물로서 함유되는 화합물은 1질량％ 미만이었다.

본 발명예는, 결정화율이 10％ 미만으로, 대부분이 비정질의 금속 분말로 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는 모두, 10％ 이상의 결정화가 확인되고, 비정질의 금속 분말로 되어 있지 않은 것이 확인되었다. 사용한 합금 조성(Fe₇₉Si₁₀B₁₁)에서는, 비정질화를 위한 임계 냉각 속도는 1.8×10⁵K/s로 생각되고 있는 점에서 추론하면, 본 발명예에서는, 1.8×10⁵K/s 이상의 냉각 속도가 얻어진 것이 된다.

(실시예 2)

도 3에 나타내는 가스 아토마이즈 금속분 제조 장치를 이용하여 금속 분말을 제조했다.

at％로, 79％Fe-10％Si-11％B의 조성(Fe₇₉Si₁₀B₁₁)이 되도록 원료를 배합(일부, 불순물을 포함하는 것은 피할 수 없음)하고, 용해로(2)에서 약 1550℃로 용해하여, 용융 금속 약 10kgf를 얻었다. 용해로 중에서 1400℃까지 서냉한 후, 턴디쉬(3)에 주입했다. 또한, 챔버(9) 내는, 미리 불활성 가스 밸브(11)를 열어 질소 가스 분위기로 해두었다. 또한, 용융 금속을 턴디쉬(3)에 주입하기 전에, 고압 펌프(17)를 가동하여, 냉각수 탱크(15; 용량: 10㎥)로부터 냉각수를 물 분사 노즐(25)에 공급하여, 물 분사 노즐(25)로부터 분사수(유체; 25a)가 분사된 상태로 해두었다.

턴디쉬(3)에 주입된 용융 금속(1)을, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하하고, 가스 노즐(22)로부터 분사압: 5㎫로 분사된 아르곤 가스(유체; 22a)와 접촉시키고, 분단하여 금속 분말(8a)로 했다. 분단된 금속 분말은, 열방사와 분위기 가스에 의한 작용으로, 고화하면서 냉각되고, 1000℃ 정도까지 냉각된 시점에서, 즉 가스 아토마이즈점(용융 금속류(8)와 아르곤 가스(22a)의 접촉점)으로부터 350㎜(일부 250㎜)의 위치에서, 금속 분말에 표 2에 나타내는 분사압 및 수온의 분사수에 의한 냉각을 행하고, 금속분 회수 밸브(13)를 구비한 회수구로부터 금속 분말로서 회수했다.

얻어진 금속 분말에 대해서, 금속 분말 이외의 먼지를 제거한 후, 샘플을 취하여 X선 회절 측정을 행하고, 회절 X선의 적분 강도의 비로부터 결정화율을 조사하고, 1로부터 결정화율을 뺌으로써 (1－결정화율＝)비정질화율을 구했다. 얻어진 결과를 표 2에 나타낸다. 비정질화율: 90％ 이상을 합격으로 했다. 또한, 얻어진 금속 분말에는, 불순물로서 화합물이 함유되는 경우가 있지만, 불순물로서 함유되는 화합물은 1질량％ 미만이었다.

본 발명예는, 결정화율이 10％ 미만으로, 대부분이 비정질의 금속 분말로 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명 범위의 분사수를 사용하여 냉각한 분말 No.B4는, 냉각 개시시의 분말의 평균 온도가 1046℃이지만, 분사압을 20㎫, 수온을 4℃로 하여, MHF점을 1050℃ 부근까지 상승시켜 냉각했기 때문에, 대부분이 비정질의 금속 분말로 되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는 모두, 10％ 이상의 결정화가 확인되고, 비정질의 금속 분말로는 되어 있지 않은 것이 확인되었다. 사용한 합금 조성(Fe₇₉Si₁₀B₁₁)에서는, 비정질화를 위한 임계 냉각 속도는 1.8×10⁵K/s로 생각되고 있는 점에서 추론하면, 본 발명예에서는, 1.8×10⁵K/s 이상의 냉각 속도가 얻어진 것이 된다.

(실시예 3)

at％로, 83％Fe-17％B의 조성(Fe₈₃B₁₇)이 되도록 원료를 배합(일부, 불순물을 포함하는 것은 피할 수 없음)하고, 용해로(2)에서 약 1550℃로 용해하여, 용융 금속 약 10kgf를 얻었다. 용해로 중에서 1500℃까지 서냉한 후, 턴디쉬(3)에 주입했다. 또한, 챔버(9) 내는, 미리 불활성 가스 밸브(11)를 열어 질소 가스 분위기로 해두었다. 또한, 용융 금속을 턴디쉬(3)에 주입하기 전에, 고압 펌프(17)를 가동하여, 냉각수 탱크(15; 용량: 10㎥)로부터 냉각수를 물 분사 노즐(25)에 공급하여, 물 분사 노즐(25)로부터 분사수(유체; 25a)가 분사된 상태로 해두었다.

턴디쉬(3)에 주입된 용융 금속(1)을, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하하고, 가스 노즐(22)로부터 분사압: 5㎫로 분사된 아르곤 가스(유체; 22a)와 접촉시키고, 분단하여 금속 분말(8a)로 했다. 분단된 금속 분말은, 열방사와 분위기 가스에 의한 작용으로, 고화하면서 냉각되고, 1000℃ 정도까지 냉각된 시점에서, 즉 가스 아토마이즈점으로부터 450㎜(일부 250㎜)의 위치에서, 금속 분말에 표 3에 나타내는 분사압 및 수온의 분사수에 의한 냉각을 행하고, 금속분 회수 밸브(13)로부터 금속 분말로서 회수했다. 얻어진 금속 분말에 대해서, 금속 분말 이외의 먼지를 제거한 후, 샘플을 취하여 X선 회절 측정을 행하고, 회절 X선의 적분 강도의 비로부터 결정화율을 조사하고, 1로부터 결정화율을 뺌으로써 (1－결정화율＝)비정질화율을 구했다. 얻어진 결과를 표 3에 나타낸다. 비정질화율: 90％ 이상을 합격으로 했다. 또한, 얻어진 금속 분말에는, 불순물로서 화합물이 함유되는 경우가 있지만, 불순물로서 함유되는 화합물은 1질량％ 미만이었다.

본 발명예는, 결정화율이 10％ 미만으로, 대부분이 비정질의 금속 분말로 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명 범위의 분사수를 사용하여 냉각한 분말 No.C4는, 냉각 개시시의 분말의 평균 온도가 1047℃이지만, 분사압을 20㎫, 수온을 4℃로 하여, MHF점을 1050℃ 부근까지 상승시켜 냉각했기 때문에, 비정질의 금속 분말로 되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는 모두, 10％ 이상의 결정화가 확인되고, 비정질의 금속 분말로는 되어 있지 않은 것이 확인되었다. 사용한 합금 조성(Fe₈₃B₁₇)에서는, 비정질화를 위한 임계 냉각 속도는 1.0×10⁶K/s로 생각되고 있는 점에서 추론하면, 본 발명예에서는, 1.0×10⁶K/s 이상의 냉각 속도가 얻어진 것이 된다.

1 : 용융 금속(용탕)
2 : 용해로
3 : 턴디쉬
4 : 용탕 가이드 노즐
5 : 노즐 헤더
6 : 노즐(물 분사 노즐)
7 : 유체(분사수)
8 : 용융 금속류
8a : 금속 분말
9 : 챔버
10 : 호퍼
11 : 불활성 가스 밸브
12 : 오버 플로 밸브
13 : 금속분 회수 밸브
14 : 물 아토마이즈 금속분 제조 장치
15 : 냉각수 탱크
16 : 칠러(저온 냉각수 제조 장치)
17 : 고압 펌프
18 : 냉각수 배관
19 : 가스 아토마이즈 금속분 제조 장치
21 : 노즐 헤더(가스 노즐 헤더)
22 : 가스 노즐
24 : 헤더 밸브
25 : 냉각수 분사 노즐
25a : 분사수
26 : 냉각수용 밸브
27 : 가스 아토마이즈용 가스 봄베
28 : 고압 가스 배관

Claims

용융 금속류에, 유체를 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말을 냉각하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법으로서, 상기 용융 금속류가, 희토류 원소를 포함하지 않는 Fe-B계 합금 혹은 Fe-Si-B계 합금으로 이루어지고, 상기 아토마이즈 금속 분말이 비정질 금속 분말이며, 상기 유체를, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상 20㎫ 이하의 분사수로 하여, 상기 용융 금속류의 분단 및 상기 금속 분말의 냉각을 행하고, 또한 상기 분사수의 분사를, 상기 금속 분말의 온도가 1000℃ 이하가 된 후에 행하는 것을 특징으로 하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
용융 금속류에, 유체를 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말을 냉각하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법으로서, 상기 용융 금속류가, 희토류 원소를 포함하지 않는 Fe-B계 합금 혹은 Fe-Si-B계 합금으로 이루어지고, 상기 아토마이즈 금속 분말이 비정질 금속 분말이며, 상기 유체를 불활성 가스로 하여 상기 용융 금속류의 분단을 행하고, 상기 금속 분말의 냉각을, 액온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상 20㎫ 이하의 분사수를 이용하여 행하고, 또한 상기 분사수의 분사를, 상기 금속 분말의 온도가 1000℃ 이하가 된 후에, 행하는 것을 특징으로 하는 아토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
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