KR102378432B1 - 금속 분말 제조 장치, 그 도가니기 및 용탕 노즐 - Google Patents

금속 분말 제조 장치, 그 도가니기 및 용탕 노즐 Download PDF

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Abstract

분무조(4)와, 용탕(8)이 축적되는 도가니(11)와, 도가니(11)에 축적된 용탕(8)을 분무조(4) 내에 유하시키는 용탕 노즐(12)과, 용탕 노즐(12)에 있어서의 분무조(4)측의 단부(12b)에 유체(7)를 분사하여 용탕 노즐(12)로부터 유하하는 용탕류(8a)를 분쇄하는 복수의 분사 구멍(21)으로 이루어지는 유체 분사 노즐(22)을 구비한 금속 분말 제조 장치이며, 용탕 노즐(12)은, 용탕 노즐 본체(12c)와, 용탕 노즐 본체(12c)의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부(12d)를 구비하고, 오리피스부(12d)의 재질을, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질보다도 단단하게 한다.

Description

금속 분말 제조 장치, 그 도가니기 및 용탕 노즐
본 발명은 용탕 노즐의 분무조측의 단부에 유체를 분사하여 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속에 고압 유체를 충돌시킴으로써 미립자상의 금속(금속 분말)을 제조하는 금속 분말 제조 장치, 그 도가니기 및 용탕 노즐에 관한 것이다.
용융 금속으로부터 미립자상의 금속(금속 분말)을 제조하는 방법에 가스 아토마이즈법이나 물 아토마이즈법을 포함하는 아토마이즈법이 있다. 가스 아토마이즈법은, 용융 금속을 저류하는 용해조의 하부의 용탕 노즐로부터 용탕을 유하시켜, 용탕 노즐의 주위에 배치된 복수의 가스 분사 노즐로부터 불활성 가스를 용탕에 분사한다. 용탕 노즐로부터의 용융 금속의 흐름은, 가스 분사 노즐로부터의 불활성 가스류에 의해 분단되어 미세한 다수의 금속 액적이 되어 분무조 내를 낙하하고, 표면 장력에 의해 구상화되면서 응고한다. 이에 의해 분무조 저부의 채집 호퍼로 구상의 금속 분말이 회수된다.
예를 들어 일본 특허 공개 제2016-211027호 공보에는, 분무 챔버(분무조) 상부에 마련되어 금속 용탕을 보유 지지하는 도가니와, 상기 도가니의 저부에 접속하여 상기 불활성 가스를 분사하면서 상기 금속 용탕을 상기 분무 챔버 내에 낙하시키는 아토마이즈 노즐(용탕 노즐)과, 아토마이즈 노즐의 주위에 구비되며, 아토마이즈 노즐을 유하하는 금속 용탕에 고압의 불활성 가스를 분사하여 미세한 다수의 금속 액적으로 하는 복수의 불활성 가스 노즐(분사 노즐)과, 상기 분무 챔버 내를 가스 치환시키는 가스 도입구 및 가스 배출구와, 상기 분무 챔버 내를 산화 분위기 및/또는 질화 분위기로 하기 위한 가스를 부여하는 제2 가스 도입구를 갖는 금속 분말의 제조 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2016-211027호 공보
대량의 금속 입자를 적층하여 원하는 형상의 금속을 조형하는 금속 3차원 프린터의 재료 등을 비롯하여, 아토마이즈법에 종전 요구되었던 금속 분말보다도 입경이 작은 것의 요구가 최근 높아지고 있다. 분말 야금이나 용접 등에 사용되는 종전부터의 금속 분말의 입경은 예를 들어 70 내지 100㎛ 정도였지만, 3차원 프린터에 사용되는 금속 분말의 입경은 예를 들어 20 내지 50㎛ 정도로 매우 미세하다.
그런데, 아토마이즈법에 의한 금속 분말 제조 장치의 용탕 노즐은, 용탕의 유량을 제어하는 부분이며, 내경이 가장 미세한(좁은) 부분인 오리피스부를 구비하고 있다. 그리고, 용탕 노즐은 일반적으로 단일의 소재로 제조된다. 예를 들어, 질화붕소(보론나이트라이드(BN)) 등의 비교적 유연한 재질의 소재는, 주탕 시의 급격한 온도 변화에 기인하는 충격적인 열응력(열충격)에 강하기 때문에 탕 누설의 우려는 적지만, 용탕과의 접촉에 의해 마모되기 쉽기 때문에, 계속 이용하면 오리피스부의 직경이 확대되어 용탕 유량이 초깃값으로부터 증가되고, 그것에 의해 금속 분말의 입경이 확대될 것이 염려된다. 한편, 세라믹 등의 비교적 단단한 재질의 소재는, 내마모성이 우수하기 때문에, 용탕과 반복하여 접촉해도 오리피스부의 직경을 유지할 수 있다는 특장을 갖는 한편, 주탕 시의 열충격에 의해 손상되기 쉽기 때문에, 탕 누설의 우려를 불식하기 어렵다.
또한, 아토마이즈법에 의한 금속 분말 제조 장치의 분무 노즐의 타입에는, 양산성이 우수하지만 미립자 생성이 떨어지는 프리폴형과, 미립자 생성이 우수하지만 양산성이 떨어지는 컨파인드형이 있지만, 상기와 같이 매우 미세한 금속 분말을 제조하는 경우에는 후자의 컨파인드형을 이용하는 것이 바람직하다. 컨파인드형 분무 노즐은, 용탕 노즐의 선단에 고압 가스를 분사하여 용융 금속을 분쇄하는 가스 분사 노즐을 구비하지만, 이 가스 분사 노즐로부터 분사되는 가스는 용탕 노즐의 선단을 냉각한다. 그 때문에, 컨파인드형 분무 노즐에서는, 용탕 노즐에 있어서의 열응력의 분포가 프리폴형에 비해 불균일해지기 쉬워, 열충격에 대한 대책이 종전보다 한층 더 중요해진다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 열충격에 강하고 내마모성이 우수한 컨파인드형 분무 노즐을 구비하는 금속 분말 제조 장치, 그 도가니기 및 용탕 노즐을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 분무조와, 용융 금속이 축적되는 도가니와, 상기 도가니에 축적된 상기 용융 금속을 상기 분무조 내에 유하시키는 용탕 노즐과, 상기 용탕 노즐에 있어서의 상기 분무조측의 단부에 유체를 분사하여 상기 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속을 분쇄하는 복수의 분사 구멍으로 이루어지는 유체 분사 노즐을 구비한 금속 분말 제조 장치이며, 상기 용탕 노즐은, 용탕 노즐 본체와, 상기 용탕 노즐 본체의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부를 구비하고, 상기 오리피스부의 재질은, 상기 용탕 노즐 본체의 재질보다도 단단한 것으로 한다.
본 발명에 따르면, 열충격에 강하고 내마모성이 우수한 컨파인드형 분무 노즐을 구비하는 금속 분말 제조 장치, 그 도가니기 및 용탕 노즐을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 용해조를 단면으로서 나타낸 제1 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 구비되는 가스 분사기와 도가니기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 구비되는 가스 분사기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 구비되는 도가니기의 단면도이다.
도 5는 열충격에 약한 재질(단단한 재질)에 의해 형성된 용탕 노즐을 사용한 도가니기의 단면도이다.
도 6은 내마모성이 떨어지는 재질(유연한 재질)에 의해 형성된 용탕 노즐을 사용한 도가니기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 구비되는 도가니기의 용탕 노즐 본체와 오리피스부의 재질의 조합을 나타내는 표이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기와 스토퍼의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기의 단면도이다.
도 10은 제4 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기와 스토퍼의 단면도이다.
도 12는 다른 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 구비되는 도가니기의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
-금속 분말 제조 장치의 전체 구성-
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치인 가스 아토마이즈 장치의 전체 구성도이고, 도 2는 도 1의 가스 아토마이즈 장치에 관한 도가니기와 가스 분사기의 단면도이며, 도 3은 가스 분사기의 사시도이다. 도 1에 있어서, 가스 아토마이즈 장치는, 용해조(1)와, 가스 분사기(2)와, 분사 가스 공급관(분사 유체 공급관)(3)과, 분무조(4)와, 채집 호퍼(5)와, 배기관(6)을 구비하고 있다.
용해조(1)는, 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기로 유지된 밀폐 용기(밀폐실)이며, 그 내부에 도가니기(10)를 수납하고 있다. 도가니기(10)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 고체상의 금속(용해 소재)을 가열하여 용융시킨 용탕(용융 금속)(8)(도 2 참조)이 축적되는 도가니(11)와, 도가니(11)에 축적된 용탕(8)을 분무조(4) 내에 유하시키는 복수의 용탕 노즐(12)(도시한 예에서는 2개)을 갖고 있다.
가스 분사기(2)는, 복수의 용탕 노즐(12)의 분무조(4)측의 단부(용탕 노즐(12)의 선단부라고도 칭함)에 대하여 고압 유체(본 실시 형태에서는 불활성 가스)를 분사하여 용탕 노즐(12)로부터 유하하는 용탕류(용융 금속)(8a)를 다수의 미립자로 분쇄함으로써 분무조(4) 내에 용융 금속을 분무하는 기구이다(도 2 참조). 가스 분사기(2)는, 복수의 용탕 노즐(12)의 분무조(4)측의 단부(12b)에 각각 불활성 가스(7)를 분사하는 복수의 분사 노즐(유체 분사 노즐이나 가스 분사 노즐이라고도 칭함)(22)과, 불활성 가스(7)를 복수의 분사 노즐(22)에 공급하는 가스 유로(23)와, 용탕 노즐(12)이 각 삽입되는 용탕 노즐 삽입 구멍(24)을 구비하고 있다. 복수의 분사 노즐(22)은, 복수의 용탕 노즐(12)의 각각의 주위에 환상으로 배치된 복수의 분사 구멍(21)으로 이루어지고, 각 용탕 노즐(12)의 분무조(4)측의 단부(12b)에 불활성 가스(7)를 분사한다.
본 명세서에서는, 용탕 노즐(12)과, 그 용탕 노즐(12)의 주위에 마련된 복수의 분사 구멍(21)으로 이루어지는 분사 노즐(22)을, 분무 노즐(25)이라 총칭한다. 본 실시 형태의 분무 노즐(25)은, 용탕 노즐(12)의 선단부의 주위를 둘러싸도록 복수의 분사 구멍(21)의 개구단이 배치되어 있고, 그 복수의 분사 구멍(21)(분사 노즐(22))으로부터 용탕 노즐(12)의 선단부에 대하여 가스를 분사하여 금속 미립자를 생성하는 소위 컨파인드형 노즐이다. 컨파인드형 노즐은, 분사 구멍(21)으로부터 용탕류까지의 거리가 매우 근접해 있기 때문에, 용탕류에 충돌할 때까지의 가스 유속의 감쇠가 작아 미립자 생성이 우수한 점이 특장이다. 또한, 도 2나 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치는, 2개의 분무 노즐(25)을 구비하고 있다. 복수의 분무 노즐(25)은, 각각, 1개의 용탕 노즐(12)과, 그 용탕 노즐(12)의 주위에 마련된 복수의 분사 구멍(21)으로 이루어지는 분사 노즐(22)로 구성되어 있다. 또한, 도시는 일례에 지나지 않고 분무 노즐(25)은 1개여도 되고, 3개 이상이어도 상관없다.
분사 가스 공급관(3)은, 가스 분사기(2)에 불활성 가스를 주입하기 위한 배관이며, 가스 분사기(2) 내의 가스 유로(23)와 접속되어 있다.
분무조(4)는, 불활성 가스 분위기로 유지된 용기이며, 가스 분사기(2)에서 분무된 미립자상(금속 입자)(8b)의 액체 금속이 낙하 중에 급랭 응고되는 용기이다. 또한, 분무조(4)는, 상부 및 중부에서는 동일한 직경을 갖는 원통상의 용기이지만, 금속 분말의 회수 용이성의 관점에서, 하부에서는 채집 호퍼(5)에 가까워질수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 되어 있다.
채집 호퍼(5)는, 분무조(4)에서의 낙하 중에 응고된 분말상의 고체 금속을 회수하는 기구이며, 분무조(4)의 저부에 마련되어 있다.
배기관(6)은, 분무조(4)와 채집 호퍼(5)에 충만한 불활성 가스를 채집 호퍼(5)로부터 배출하기 위한 배관이며, 채집 호퍼(5)에 접속되어 있다.
-가스 분사기(2)-
가스 분사기(2)에는, 2개의 원주상의 관통 구멍인 용탕 노즐 삽입 구멍(24)이 마련되어 있고, 2개의 용탕 노즐(12)은, 이 2개의 용탕 노즐 삽입 구멍(24)의 각각에 삽입되어 있다. 용해조(1) 내의 용탕(8)은 용탕 노즐(12)의 내부의 구멍(12a)을 용탕류(8a)가 되어 유하하여 분무조(4) 내에 방출된다. 가스 분사기(2)에 유하되는 용탕(8)의 직경의 크기에 기여하는 용탕 노즐(12)의 최소 내경(후술하는 오리피스부(12d)의 직경)으로서는, 예를 들어 종전보다 작은 3㎜ 이하의 값을 선택할 수 있다.
가스 분사기(2)는, 측면에 마련된 가스 흡입 구멍(도시하지 않음)에 접속되는 분사 가스 공급관(3)으로부터 고압의 불활성 가스(7)(이하, 고압 가스)가 주입되고, 그 고압 가스를 원주 저면에 마련된 분사 노즐(22)(분사 구멍(21))을 통해 지향성이 있는 분사 가스 제트(분류 가스(7a))로서 분사한다. 분류 가스(7a)는, 용탕 노즐(12)로부터 유하되는 용탕류(8a)에 대하여 분출된다. 용탕류(8a)는, 분사 노즐(22)로부터 분사되는 분류 가스(7a)의 초점의 근방에서 분류 가스(7a)가 형성하는 역원뿔상의 유체막과 충돌하여 다수의 미립자(8b)로 분쇄된다. 분사 노즐(22)로부터의 분사 가스(7a)에 의해 미스트상의 미립자(8b)가 된 금속은, 분무조(4) 내의 낙하 중에 급속 냉각되어 응고되어 다수의 금속 분말로서 채집 호퍼(5)로 회수된다.
<제1 실시 형태>
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 있어서의 도가니기(10)의 용탕 노즐(12)의 구성의 상세에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 도가니기(10)의 단면도이다. 또한, 상기에서 도 2 및 도 3을 사용하여 행한 금속 분말 제조 장치의 전체 구성의 설명에서는, 도가니기(10)에 2개의 용탕 노즐(12)을 구비하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이하에서는, 설명을 간단하게 하기 위해, 도가니기(10)에 1개의 용탕 노즐(12)을 구비하는 경우에 대하여 설명한다. 또한, 앞의 도면과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략하는 경우가 있다(이것보다 후의 도면에 대해서도 마찬가지로 한다).
도 4의 도가니기(10)는, 도가니(11)와 용탕 노즐(12)을 구비하고 있다. 도가니(11)는, 고체상의 금속(용해 소재)을 가열 용융하여 용융 금속(용탕(8))이 축적되는 기구이며, 내열성이 우수한 소재, 예를 들어 알루미나(산화알루미늄), 마그네시아(산화마그네슘), 지르코니아(이산화지르코늄)에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 도가니(11)의 저면에는, 용탕 노즐(12)을 삽입하여 고정하기 위한 관통 구멍인 노즐 고정 구멍(11a)이 형성되어 있다.
용탕 노즐(12)은, 도가니(11)에 축적된 용탕(용융 금속)(8)을 분무조(4) 내에 유하시키기 위한 기구이며, 그 상단부(기단부)가 노즐 고정 구멍(11a) 내에 삽입된 상태에서 접착제 등에 의해 도가니(11)와 고정되어 있다.
또한, 용탕 노즐(12)은, 용탕 노즐 본체(12c)와, 용탕 노즐 본체(12c)의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부(12d)를 구비하고 있다. 오리피스부(12d)와 용탕 노즐 본체(12c)는 다른 재질의 소재로 이루어지고, 오리피스부(12d)의 재질은 용탕 노즐 본체(12c)의 재질보다도 단단하게 되어 있다. 즉, 오리피스부(12d)는 용탕 노즐 본체(12c)의 소재보다도 상대적으로 단단한 재질의 소재로 형성되어 있고, 용탕 노즐 본체(12c)는 오리피스부(12d)의 소재보다도 상대적으로 유연한 재질의 소재로 형성되어 있다.
용탕 노즐 본체(12c)는, 도가니(11)의 노즐 고정 구멍(11a)에 상단부(기단부)가 삽입되어 고정된 원통상의 노즐이며, 오리피스부(12d)의 소재보다도 상대적으로 유연하고 열충격에 강한 재질의 소재, 예를 들어 질화규소, 질화붕소, 실리카 등에 의해 형성되어 있다. 도 4에 도시한 용탕 노즐 본체(12c)는 선단부가 역원뿔대상으로 뾰족한 형상을 갖지만, 용탕 노즐 본체(12c)의 선단부의 형상은 이 형상에 한정되지 않는다.
오리피스부(12d)는, 용탕(8)의 유량을 제어하기 위해 용탕 노즐 본체(12c)의 내경 이하의 내경을 갖고 있고, 용탕 노즐 본체(12c)의 내측에 접착제 등에 의해 고정된 환상의 부재이다. 오리피스부(12d)는, 용탕 노즐 본체(12c)의 소재보다도 상대적으로 단단하고 내마모성이 우수한 재질의 소재, 예를 들어 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 등에 의해 형성되어 있다.
도 4의 오리피스부(12d)는, 용탕 노즐 본체(12c)의 내경과 대략 동등한 외경을 갖는 원통 부재(관상 부재)이며, 용탕 노즐 본체(12c)의 내측에 고정되어 있다. 오리피스부(12d)의 축 방향에 있어서의 분무조(4)측의 단부(하단부)는, 용탕 노즐 본체(12c)의 축 방향에 있어서의 분무조(4)측의 단부(선단부 또는 하단부)보다도 상방에 위치하고 있고, 오리피스부(12d)의 축 방향에 있어서의 도가니(11)측의 단부(상단부)는, 용탕 노즐 본체(12c)의 축 방향에 있어서의 도가니(11)측의 단부(기단부 또는 상단부)보다도 하방에 위치하고 있다.
일반적으로, 유연한 재질의 것은 열충격에 강한 경향이 있고, 단단한 재질의 것은 내마모성이 우수한 경향이 있다. 그 때문에, 용탕 노즐(12c)로서는 오리피스부(12d)보다도 상대적으로 유연한 재질의 것을 이용하는 것이 바람직하고, 오리피스부(12d)로서는 용탕 노즐(12c)보다도 상대적으로 단단한 재질의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질로서는, 수중 낙하에 의한 내열충격성(JIS R1648)이 500℃ 이상인 재질을 이용하는 것이 바람직하고, 오리피스부(12d)의 재질로서는, 비커스 경도(JIS R1610)가 10GPa 이상인 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 도 7에는 이 조건을 만족시키는 용탕 노즐 본체(12c)와 오리피스부(12d)의 재질의 조합의 예가 도시되어 있다. 즉, 용탕 노즐 본체(12c)와 오리피스부(12d)의 재질의 바람직한 조합으로서는, 질화규소와 지르코니아(실시예 1), 질화규소와 알루미나(실시예 2), 질화규소와 탄화규소(실시예 3), 질화붕소와 지르코니아(실시예 4), 질화붕소와 알루미나(실시예 5), 질화붕소와 탄화규소(실시예 6), 실리카와 지르코니아(실시예 7), 실리카와 알루미나(실시예 8), 실리카와 탄화규소(실시예 9)를 들 수 있다.
-종전의 과제-
여기서 종전의 용탕 노즐이 안고 있는 과제를 확인한 후에, 본 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 효과에 대하여 설명한다. 도 5는 단단하고 내마모성이 우수하지만 열충격 내성이 떨어지는 단일의 재질(예를 들어 세라믹)로 용탕 노즐을 제조한 경우의 과제의 설명도이고, 도 6은 유연하고 열충격 내성이 우수하지만 내마모성이 떨어지는 단일의 재질(예를 들어 질화붕소)로 용탕 노즐을 제조한 경우의 과제의 설명도이다.
일반적으로, 아토마이즈법에 의한 금속 분말 제조 장치의 용탕 노즐은, 단일의 소재로 제조된다. 예를 들어, 질화붕소(보론나이트라이드(BN)) 등의 비교적 유연한 재질의 소재는, 주탕 시의 급격한 온도 변화에 기인하는 충격적인 열응력(열충격)에 강하기 때문에 탕 누설의 우려는 적다. 그러나, 용탕과의 접촉에 의해 마모되기 쉽기 때문에, 계속 이용하면 도 6에 도시한 바와 같이, 오리피스부의 직경(용탕 노즐 본체의 내경(12a))이 확대되어 용탕 유량이 초깃값으로부터 증가되고, 그것에 의해 금속 분말의 입경이 확대되는 것이 염려된다. 한편, 세라믹 등의 비교적 단단한 재질의 소재는, 내마모성이 우수하기 때문에, 용탕과 반복하여 접촉해도 오리피스부의 직경을 유지할 수 있다는 특장을 갖는다. 그러나, 주탕 시의 열충격에 의해 손상되기 쉽기 때문에, 도 5에 도시한 바와 같이 용탕 노즐이 파손되어 탕 누설이 발생할 우려를 불식하기 어렵다. 또한, 아토마이즈법에 의한 금속 분말 제조 장치의 분무 노즐로서, 프리폴형이 아니라, 용탕 노즐의 선단에 고압 가스를 분사하여 용융 금속을 분쇄하는 가스 분사 노즐을 구비하는 컨파인드형을 이용한 경우에는, 그 가스 분사 노즐로부터 분사되는 가스가 용탕 노즐의 선단을 냉각한다. 그 때문에, 컨파인드형 분무 노즐에서는, 용탕 노즐에 있어서의 열응력의 분포가 프리폴형에 비해 불균일해지기 쉬워, 열충격에 대한 대책이 종전보다 한층 더 중요해진다.
-효과-
이와 같은 과제에 대하여, 상기와 같이 구성한 본 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에서는, 용탕 노즐(12)을, 용탕 노즐 본체(12c)와, 용탕 노즐 본체(12c)의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부(12d)로 형성하고, 오리피스부(12d)의 재질로서 용탕 노즐 본체(12c)의 재질보다도 단단한 것을 채용하였다. 이와 같이 용탕 노즐(12)을 형성하면, 금속 분말 제조 중에 용탕류(8a)와의 마찰 환경에 놓이는 것은, 주로, 상대적으로 단단하고 내마모성이 우수한 오리피스부(12d)가 되기 때문에, 계속 사용해도 오리피스부(12d)의 내경이 확대되는 것을 방지할 수 있어 용탕류(8a)의 직경의 유지가 용이해진다. 또한, 오리피스부(12d)는, 용탕 노즐 본체(12c)에 덮여 그 내부에 위치하고 있기 때문에, 분사 노즐(22)로부터 분사된 가스에 직접 접촉하는 일은 없고, 주로 용탕류(8a)에 의해서만 가열되는 환경에 놓이기 때문에, 종전보다도 열응력 분포가 균일화되어 손상의 가능성을 저감할 수 있다. 한편, 용탕 노즐 본체(12c)는, 상대적으로 유연한 열충격 내성이 우수한 소재로 형성되어 있기 때문에, 분사 노즐(22)로부터의 가스나 분무조(4) 내의 불활성 가스와 같이 비교적 저온의 것과, 도가니(11) 내의 용탕이나 용탕 노즐(12) 내의 용탕류와 같이 비교적 고온의 것의 양쪽과 열 교환할 수 있는 환경에서 이용해도 쉽게 손상되는 일이 없다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 컨파인드형 분무 노즐(용탕 노즐)의 열충격 내성과 내마모성을 향상시킬 수 있고, 그것에 의해 안정된 입경 분포의 금속 분말을 계속적으로 제조할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에서는, 오리피스부(12d)의 축 방향에 있어서의 분무조(4)측의 단부(하단부)는, 용탕 노즐 본체(12c)의 축 방향에 있어서의 분무조(4)측의 단부(선단부 또는 하단부)보다도 상방에 위치하고 있기 때문에, 분사 노즐(22)로부터 분사되는 가스에 의해 오리피스부(12d)가 냉각되는 것을 방지할 수 있고, 그것에 의해 열충격에 의한 오리피스부(12d)의 손상의 가능성을 저감할 수 있다. 또한, 오리피스부(12d)의 축 방향에 있어서의 도가니(11)측의 단부(상단부)는, 용탕 노즐 본체(12c)의 축 방향에 있어서의 도가니(11)측의 단부(기단부 또는 상단부)보다도 하방에 위치하고 있기 때문에, 도가니(11) 내의 가장 고온의 용탕에 의해 오리피스부(12d)가 가열되는 것을 방지할 수 있고, 그것에 의해 열충격에 의한 오리피스부(12d)의 손상의 가능성을 저감할 수 있다.
또한, 오리피스부(12d)의 최소 내경은, 용탕 노즐 본체(12c)의 최소 내경과 일치시켜도 된다. 이와 같이 용탕 노즐(12)을 구성하면, 사용 당초는 용탕 노즐 본체(12c)가 용탕류(8a)와 접촉하여 마모될 가능성이 있지만, 어느 정도 마모가 진행된 시점에서 용탕류(8a)와의 접촉은 발생하지 않게 되고, 결과적으로 오리피스부(12d)의 최소 내경이 용탕 노즐 본체(12c)의 최소 내경보다도 작아질 수 있기 때문이다.
<제2 실시 형태>
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
도 8은 제2 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기의 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 점은, 금속 분말 제조 장치(도가니기(10))가 도가니(11) 내에서 승강 가능하게 지지되고, 그 하강 위치에서 용탕 노즐 본체(12c)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(12e)와 접촉하여, 용탕 노즐(12)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(12f)를 폐색하는 스토퍼(13)를 더 구비하는 점과, 그 스토퍼(13)의 재질이, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질보다도 단단한(용탕 노즐 본체(12c)의 재질이, 스토퍼(13)의 재질보다도 유연한) 점이다.
스토퍼(13)는 대략 연직 방향으로 연장되는 막대상의 내열성의 단단한 재질 (예를 들어, 세라믹)의 부재이며, 스토퍼(13)에는 스토퍼(13)를 상하 이동시키는 구동 기구(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 이 구동 기구에 의해 스토퍼(13)를 하방으로 이동시켜, 스토퍼(13)의 선단(하단)을, 용탕 노즐 본체(12c)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(12e)(용탕 노즐 본체(12c)의 기단부)에 맞닿게 하면 용탕 노즐(12)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(12f)가 폐색되어, 도가니(11) 내의 용탕(8)의 유출이 정지된다. 반대로, 구동 기구에 의해 스토퍼(13)를 상방으로 이동시켜, 스토퍼(13)의 선단을 용탕 노즐(12)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(12f)로부터 이격시키면, 용탕 노즐(12)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(12f)가 도가니(11) 내에 개방되어, 도가니(11) 내의 용탕을 용탕 노즐(12)에 유하할 수 있다.
상기와 같이 구성한 본 실시 형태의 금속 분말 제조 장치(도가니기(10))에 있어서는, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질은 스토퍼(13)의 재질보다도 유연한 재질 (예를 들어, 질화규소)이기 때문에, 용탕 노즐 본체(12c)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(12e)(용탕 노즐 본체(12c)의 기단부)는, 이것에 맞닿는 스토퍼(13)의 선단(하단)에 용이하게 밀착할 수 있으므로, 도가니(11) 내의 용탕(8)이 용탕 노즐(12) 내에 누설되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질을 스토퍼(13)의 재질보다도 유연하게 하고, 스토퍼(13)를 용탕 노즐 본체(12c)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(12e)와 접촉시켜, 용탕 노즐(12)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(12f)를 폐색하였지만, 이것 대신에, 스토퍼(13)의 재질을 오리피스부(12d)의 재질보다도 유연하게 하고, 스토퍼(13)를 오리피스부(12d)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(12g)와 접촉시켜, 용탕 노즐(12)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(12f)를 폐색해도 된다. 또한, 도 8에 도시한 스토퍼(13)의 하단의 형상은 직사각형의 단면을 갖는 것으로 하였지만, 스토퍼의 하단의 형상은 곡선상의 단면으로 해도 되고, 그 밖의 단면을 갖는 형상으로 해도 된다.
<제3 실시 형태>
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
도 9는 제3 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기(14)의 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 주된 점은, 오리피스부(15a)가, 용탕 노즐 본체(12c)의 내측면에 환상으로 피복된 부재인 점이다.
이와 같은 막상의 오리피스부(15a)를 구비하는 용탕 노즐(15)의 제조 방법으로서는, 제1 실시 형태의 용탕 노즐 본체(12c)의 내주면에 대하여, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질보다도 상대적으로 단단하고 내마모성이 우수한 재질의 소재를 도포하거나 분사하거나 하는 방법이 있다. 그 다른 부분에 대해서는 제1 실시 형태와 동일하다. 즉, 본 실시 형태에 관한 용탕 노즐(15)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 열충격에 강한 재료에 의해 형성된 용탕 노즐 본체(12c)와, 경도가 높고 내마모성이 우수한 재질에 의해 형성된 오리피스부(15a)에 의해 구성되어 있다.
이와 같이 용탕 노즐(15)을 형성하면, 제1 실시 형태의 효과 외에, 용탕 노즐(15)을 용이하게 제조할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
<제4 실시 형태>
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
도 10은 제4 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치의 도가니기(16)의 단면도이다. 본 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 주된 점은, 오리피스부(17b)가, 용탕 노즐 본체(17a)보다도 상방에 위치하고, 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부(도가니(11)측의 단부(상단부면))에 의해 지지되어 있는 점이다. 즉, 도 10에 도시한 바와 같이, 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부와 오리피스부(17b)가 도가니(11)의 노즐 고정 구멍(11a)에 삽입되어 있고, 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부가 접착제 등에 의해 도가니(11)의 노즐 고정 구멍(11a)에 고정되어 있고, 오리피스부(17b)의 하단부가 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부에 의해 지지되어 있다. 또한, 오리피스부(17b)가, 용탕 노즐 본체(17a)의 내경 이하의 내경을 갖고, 용탕 노즐 본체(12c)의 재질보다도 단단하고 내마모성이 우수한 재질에 의해 형성되어 있는 것은 제1 실시 형태의 오리피스부(12d)와 마찬가지이다.
본 실시 형태에 따르면, 오리피스부(17b)가 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부에 의해 지지되어 있기 때문에, 용탕 노즐(17)로부터의 오리피스부(17b)의 탈락을 방지할 수 있다. 또한, 제1 실시 형태의 용탕 노즐(12)이 갖는 효과와 마찬가지의 효과를 본 실시 형태의 용탕 노즐(17)이 발휘할 수 있음은 물론이다.
또한, 오리피스부(17b)는, 도가니(11)의 노즐 고정 구멍(11a)이나 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부에 접착제 등으로 고정해도 되고, 접착제 등에 의한 고정을 삼가하고, 도가니(11)의 노즐 고정 구멍(11a)이나 용탕 노즐 본체(17a)의 상단부로부터 착탈 가능하게 구성해도 된다. 후자의 경우, 원하는 금속 분말의 입경에 따라서 내경이 다른 오리피스부(17b)로 교환하는 것이 용이해지기 때문에, 다른 입경의 금속 분말의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 금속 분말 제조 장치에 대하여, 도 11에 도시한 바와 같은, 오리피스부(17b)의 재질보다도 유연한 재질의 스토퍼(18)를 추가 설치해도 된다. 스토퍼(18)는, 오리피스부(17b)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(17c)와 접촉 가능하고, 용탕 노즐(17)에 있어서의 도가니(11)측의 개구(17d)를 폐색할 수 있다. 이 경우, 스토퍼(18)의 재질은 오리피스부(17b)의 재질보다도 유연한 재질 (예를 들어, 질화규소)이기 때문에, 스토퍼(18)의 선단(하단)은, 맞닿는 오리피스부(17b)에 있어서의 도가니(11)측의 단부(17c)에 밀착하여, 도가니(11) 내의 용탕(8)이 맞닿음 부분으로부터 누설되어 버리는 것을 방지할 수 있다.
<기타>
본 발명은, 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은, 상기 각 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되지 않고, 그 구성의 일부를 삭제한 것도 포함된다. 또한, 어떤 실시 형태에 관한 구성의 일부를, 다른 실시 형태에 관한 구성에 추가 또는 치환하는 것이 가능하다.
상기 각 실시 형태에서는 도가니(11)의 저면에 1개의 용탕 노즐(12)이 마련된 경우에 대하여 설명하였지만, 도가니(11)의 저면에 마련하는 용탕 노즐(12)의 수는 1개에 한정되지 않고, 2개여도 되고, 3개 이상이어도 된다. 이 경우, 복수의 분사 노즐(22)은, 용탕 노즐(12, 15, 17)의 각각의 주위에 마련되어, 용탕 노즐(12)의 각각으로부터 유하되는 용탕류(8a)에 대하여 분류 가스(7a)를 분출하게 된다.
또한, 용탕 노즐(12, 15, 17)을 도가니(11)의 노즐 고정 구멍(11a)에 삽입하여 고정하는 예를 나타냈지만, 도 12에 도시한 바와 같이, 도가니(19)의 저면에 관통 구멍(19a)과 용탕 노즐(12, 15)의 내측이 연통하도록 용탕 노즐(12, 15)을 접착제 등에 의해 고정하도록 해도 된다.
또한, 상기에서는 분사 노즐(22)로부터 기체(불활성 가스(7))를 분사하는 소위 가스 아토마이즈 장치에 대하여 설명하였지만, 분사 노즐(22)로부터 물(액체)을 분사하는 물 아토마이즈 장치를 포함하여, 유체를 분사하는 것이면 본 발명은 적용 가능하고, 나아가, 디스크 아토마이즈 장치에도 적용 가능하다.
1: 용해조
2: 가스 분사기
3: 분사 가스 공급관
4: 분무조
5: 채집 호퍼
6: 배기관
7: 불활성 가스
7a: 분류 가스
8: 용탕
8a: 용탕류
8b: 미립자
10: 도가니기
11, 19: 도가니
11a: 노즐 고정 구멍
12, 15, 17: 용탕 노즐
12c, 17b: 용탕 노즐 본체
12d, 15a, 17a: 오리피스부
13, 18: 스토퍼
21: 분사 구멍
22: 분사 노즐
24: 용탕 노즐 삽입 구멍
25: 분무 노즐

Claims (23)

  1. 분무조와, 용융 금속이 축적되는 도가니와, 상기 도가니에 축적된 상기 용융 금속을 상기 분무조 내에 유하시키는 용탕 노즐과, 상기 용탕 노즐에 있어서의 상기 분무조측의 단부에 유체를 분사하여 상기 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속을 분쇄하는 복수의 분사 구멍으로 이루어지는 유체 분사 노즐을 구비한 금속 분말 제조 장치이며,
    상기 용탕 노즐은, 용탕 노즐 본체와, 상기 용탕 노즐 본체의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부를 구비하고,
    상기 오리피스부의 재질은, 상기 용탕 노즐 본체의 재질보다도 단단하고,
    상기 오리피스부의 축 방향에 있어서의 상기 분무조측의 단부는, 상기 용탕 노즐 본체의 축 방향에 있어서의 상기 분무조측의 단부보다도 상방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스부의 축 방향에 있어서의 상기 도가니측의 단부는, 상기 용탕 노즐 본체의 축 방향에 있어서의 상기 도가니측의 단부보다도 하방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 용탕 노즐 본체의 내측에 고정된 환상의 부재인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 용탕 노즐 본체의 내측면에 환상으로 피복된 부재인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용탕 노즐 본체의 상단부와 상기 오리피스부가 상기 도가니의 노즐 고정 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오리피스부의 하단부가 상기 용탕 노즐 본체의 상단부에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 도가니의 상기 노즐 고정 구멍, 및 상기 용탕 노즐 본체의 상단부로부터 착탈 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용탕 노즐은, 상기 도가니에 축적된 상기 용융 금속을 상기 분무조 내에 유하시키는 복수의 용탕 노즐이며,
    상기 유체 분사 노즐은, 상기 복수의 용탕 노즐의 각각의 주위에 환상으로 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조 장치.
  9. 용융 금속이 축적되는 도가니와, 상기 도가니에 축적된 상기 용융 금속을 분무조 내에 유하시키는 용탕 노즐을 구비한 금속 분말 제조 장치의 도가니기이며,
    상기 용탕 노즐에 있어서의 상기 분무조측의 단부에는, 상기 용탕 노즐의 주위에 마련된 복수의 분사 구멍으로 이루어지는 유체 분사 노즐로부터 유체가 분사되고 있고,
    상기 용탕 노즐은, 용탕 노즐 본체와, 상기 용탕 노즐 본체의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부를 구비하고,
    상기 오리피스부의 재질은, 상기 용탕 노즐 본체의 재질보다도 단단하고,
    상기 오리피스부의 축 방향에 있어서의 상기 분무조측의 단부는, 상기 용탕 노즐 본체의 축 방향에 있어서의 상기 분무조측의 단부보다도 상방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 오리피스부의 축 방향에 있어서의 상기 도가니측의 단부는, 상기 용탕 노즐 본체의 축 방향에 있어서의 상기 도가니측의 단부보다도 하방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 용탕 노즐 본체의 내측에 고정된 환상의 부재인 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 용탕 노즐 본체의 내측면에 환상으로 피복된 부재인 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 용탕 노즐 본체의 상단부와 상기 오리피스부가 상기 도가니의 노즐 고정 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 오리피스부의 하단부가 상기 용탕 노즐 본체의 상단부에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 도가니의 상기 노즐 고정 구멍, 및 상기 용탕 노즐 본체의 상단부로부터 착탈 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 용탕 노즐은, 상기 도가니에 축적된 상기 용융 금속을 상기 분무조 내에 유하시키는 복수의 용탕 노즐인 것을 특징으로 하는, 도가니기.
  17. 도가니에 축적된 용융 금속을 분무조 내에 유하시키는 금속 분말 제조 장치의 용탕 노즐이며,
    상기 용탕 노즐에 있어서의 상기 분무조측의 단부에는, 상기 용탕 노즐의 주위에 마련된 복수의 분사 구멍으로 이루어지는 유체 분사 노즐로부터 유체가 분사되고 있고,
    상기 용탕 노즐은, 용탕 노즐 본체와, 상기 용탕 노즐 본체의 내경 이하의 내경을 갖는 오리피스부를 구비하고,
    상기 오리피스부의 재질은, 상기 용탕 노즐 본체의 재질보다도 단단하고,
    상기 오리피스부의 축 방향에 있어서의 상기 분무조측의 단부는, 상기 용탕 노즐 본체의 축 방향에 있어서의 상기 분무조측의 단부보다도 상방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 오리피스부의 축 방향에 있어서의 상기 도가니측의 단부는, 상기 용탕 노즐 본체의 축 방향에 있어서의 상기 도가니측의 단부보다도 하방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 용탕 노즐 본체의 내측에 고정된 환상의 부재인 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 용탕 노즐 본체의 내측면에 환상으로 피복된 부재인 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 용탕 노즐 본체의 상단부와 상기 오리피스부가 상기 도가니의 노즐 고정 구멍에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 오리피스부의 하단부가 상기 용탕 노즐 본체의 상단부에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 오리피스부는, 상기 도가니의 상기 노즐 고정 구멍, 및 상기 용탕 노즐 본체의 상단부로부터 착탈 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 용탕 노즐.
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