KR102503836B1 - 금속계 조성물 제조용 장치 및 이를 이용한 금속계 조성물의 제조 방법 - Google Patents

금속계 조성물 제조용 장치 및 이를 이용한 금속계 조성물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

금속계 조성물 제조용 장치 및 이를 이용한 금속계 조성물의 제조 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 금속계 조성물 제조용 장치는 금속 용탕에 나노분말을 혼합하여 금속계 조성물을 제조하기 위한 장치로서, 상기 금속 용탕 내에 인입되는 것으로, 내부 공간을 한정하는 측벽부를 구비하고 상부 및 하부가 개방된 스테이터 부재, 상기 스테이터 부재의 상기 내부 공간에 삽입되어 회전하는 회전 샤프트, 상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 제 1 영역에 설치된 것으로, 상기 측벽부의 내측면과 제 1 간격을 두고 회전하되, 상기 회전 샤프트의 회전축에 대하여 경사진 구조를 갖는 복수의 제 1 회전 날개를 구비하는 제 1 로터 부재, 상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 설치된 것으로, 상기 측벽부의 내측면과 제 2 간격을 두고 회전하는 복수의 제 2 회전 날개를 구비하는 제 2 로터 부재 및 상기 금속 용탕 내에 인입된 상기 스테이터 부재의 위쪽에서 상기 금속 용탕의 표면부로 상기 나노분말을 공급하기 위한 나노분말 공급 유닛을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 로터 부재 중 적어도 상기 제 1 로터 부재는 상기 금속 용탕 및 상기 나노분말을 상기 스테이터 부재의 상부에서 하부로 하강시키도록 구성될 수 있다.

Description

금속계 조성물 제조용 장치 및 이를 이용한 금속계 조성물의 제조 방법{Apparatus for manufacturing metal-based composition and method of manufacturing metal-based composition using the same}
본 발명은 조성물 제조를 위한 장치 및 그 이용에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속계 조성물 제조용 장치 및 이를 이용한 금속계 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
산업기술의 급속한 발달로 인해 정밀하고 미세한 부품 및 이를 이용한 기기들에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 이러한 요구에 부합하는 새로운 재료에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이와 관련해서, 종래의 마이크로미터(㎛) 사이즈의 재료에 비해 우수한 특성을 발휘할 수 있는 나노미터(nm) 스케일의 입자(즉, 나노입자)를 이용하고자 하는 연구가 관심을 모으고 있다.
나노크기의 입자들은 반데르발스(van der Waals) 힘과 표면장력과 같은 물리적/화학적 인력에 의해 서로 응집하려는(즉, 달라붙는) 특성을 가지므로, 나노크기의 입자들을 활용하여 새로운 재료를 개발하는데 어려움이 있다. 특히, 금속 재료 내에 소정의 첨가물이나 추가적 성분을 적절한 형태(미세한 형태)로 분산시키는 것은 기존의 기술로는 수행하기 어려울 수 있다.
예를 들어, 종래의 교반 장치를 이용해서 알루미늄(Al) 용탕에 나노스케일의 파우더를 혼합하고자 할 때, 밀도 차이 및 부력에 의해 용탕 위로 파우더가 부유하고, 파우더 덩어리의 분리 및 분산이 용이하지 않으며, 파우더 덩어리가 그대로 소결되는 등의 문제가 발생한다. 이로 인해, 나노스케일의 파우더를 이용하여 고품질의 합금과 같은 금속계 재료를 제조하는 것이 어려울 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소정의 금속 용탕 내에 나노분말을 균일하게 분산시킴으로써 고품질의 금속계 조성물을 제조할 수 있는 금속계 조성물 제조용 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 금속계 조성물을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 용탕에 나노분말을 혼합하여 금속계 조성물을 제조하기 위한 장치로서, 상기 금속 용탕 내에 인입되는 것으로, 내부 공간을 한정하는 측벽부를 구비하고 상부 및 하부가 개방된 스테이터(stator) 부재; 상기 스테이터 부재의 상기 내부 공간에 삽입되어 회전하는 회전 샤프트; 상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 제 1 영역에 설치된 것으로, 상기 측벽부의 내측면과 제 1 간격을 두고 회전하되, 상기 회전 샤프트의 회전축에 대하여 경사진 구조를 갖는 복수의 제 1 회전 날개를 구비하는 제 1 로터(rotor) 부재; 상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 설치된 것으로, 상기 측벽부의 내측면과 제 2 간격을 두고 회전하는 복수의 제 2 회전 날개를 구비하는 제 2 로터 부재; 및 상기 금속 용탕 내에 인입된 상기 스테이터 부재의 위쪽에서 상기 금속 용탕의 표면부로 상기 나노분말을 공급하기 위한 나노분말 공급 유닛을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 로터 부재 중 적어도 상기 제 1 로터 부재는 상기 금속 용탕 및 상기 나노분말을 상기 스테이터 부재의 상부에서 하부로 하강시키도록 구성된 금속계 조성물 제조용 장치가 제공된다.
상기 제 1 로터 부재와 상기 제 2 로터 부재는 서로 다른 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 제 2 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 틸팅(tilting)되지 않은 미경사 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 제 1 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 제 1 각도로 경사진 구조를 가질 수 있고, 상기 복수의 제 2 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 상기 제 1 각도 보다 작은 제 2 각도로 경사진 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 제 1 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 약 30∼60°만큼 경사진 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 제 2 회전 날개의 개수는 상기 복수의 제 1 회전 날개의 개수 보다 적을 수 있다.
상기 제 1 로터 부재와 상기 제 2 로터 부재는 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다.
상기 제 1 로터 부재의 외경은 상기 제 2 로터 부재의 외경 보다 클 수 있고, 상기 제 1 간격은 상기 제 2 간격 보다 작을 수 있다.
상기 복수의 제 2 회전 날개 각각의 날개 너비는 상기 복수의 제 1 회전 날개 각각의 날개 너비 보다 작을 수 있다.
상기 금속계 조성물 제조용 장치는 지지 구조체를 더 포함할 수 있고, 상기 스테이터 부재는 상기 지지 구조체의 하면부에 연결될 수 있고, 상기 회전 샤프트는 상기 지지 구조체의 상기 하면부로부터 연장될 수 있다.
상기 나노분말 공급 유닛은 상기 지지 구조체 상에 배치된 나노분말 공급기 및 상기 나노분말 공급기로부터 상기 스테이터 부재의 위쪽으로 연장된 적어도 하나의 나노분말 공급관을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 나노분말 공급관은 상기 나노분말 공급기로부터 상기 지지 구조체의 옆쪽을 지나 상기 내부 공간 위쪽의 상기 회전 샤프트 주변 영역으로 연장된 제 1 나노분말 공급관; 및 상기 나노분말 공급기로부터 상기 지지 구조체의 일부를 관통하여 상기 내부 공간 위쪽의 상기 회전 샤프트 주변 영역으로 연장된 제 2 나노분말 공급관; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 스테이터 부재의 상단으로부터 그 위쪽으로 연장되고 상호 이격하여 배치된 복수의 로드(rod) 부재가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 바와 같은 금속계 조성물 제조용 장치를 제공하는 단계; 금속 용탕 및 이와 혼합될 나노분말을 제공하는 단계; 상기 금속 용탕 내에 상기 금속계 조성물 제조용 장치의 상기 스테이터 부재와 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 인입하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 회전시키면서 상기 나노분말 공급 유닛을 이용해서 상기 나노분말을 상기 금속 용탕 내에 공급하여 상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계를 포함하는 금속계 조성물의 제조 방법이 제공된다.
상기 금속 용탕의 온도는 약 900℃ 이상일 수 있다.
상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계에서, 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 50 ∼ 5000 rpm으로 회전시킬 수 있다.
상기 나노분말은 금속 화합물 및 비금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 화합물 및 상기 비금속 화합물 중 적어도 하나는 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.
상기 금속 용탕은 알루미늄(Al)을 주요 구성물질로 포함할 수 있고, 상기 나노분말은 산화물 나노입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 금속 용탕 내에 나노분말을 균일하게 분산시킴으로써 고품질의 금속계 조성물을 제조하는데 유리한 금속계 조성물 제조용 장치를 구현할 수 있다.
이러한 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용하면, 우수한 물성을 갖는 금속계 조성물을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치의 일부를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 구조를 측면에서 바라본 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치에 적용될 수 있는 회전 샤프트 및 이에 설치된 제 1 및 제 2 로터 부재를 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치에 적용될 수 있는 회전 샤프트 및 이에 설치된 제 1 및 제 2 로터 부재를 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치의 전체적인 구조를 보여주는 도면(측면도)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 금속 용탕에 인입하여 상기 금속 용탕과 나노분말을 혼합하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치에 적용될 수 있는 스테이터 부재를 보여주는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 금속계 조성물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 금속 용탕과 나노분말을 혼합할 때 나노입자 응집체가 분리 및 분산되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 제조된 금속계 조성물의 미세 구조를 보여주는 TEM(transmission electron microscope) 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금) 및 비교예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금)에 대한 인장 시험 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치의 일부를 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 구조를 측면에서 바라본 측면도이다. 편의상, 도 1 및 도 2에서 스테이터(stator) 부재(100)가 보이도록 금속계 조성물 제조용 장치의 내부가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치는 금속 용탕에 나노분말을 혼합하여 금속계 조성물을 제조하기 위한 장치일 수 있다. 상기 금속계 조성물 제조용 장치는 스테이터 부재(100)를 포함할 수 있다. 스테이터 부재(100)는 금속 용탕 내에 인입되는 것으로, 상부 및 하부가 개방된 구조를 가질 수 있고, 내부 공간을 한정하는 측벽부(110)를 가질 수 있다. 측벽부(110)는 상부 및 하부가 개방된 원통형 구조(또는 중공부를 갖는 원형 실린더 구조)를 가질 수 있다. 측벽부(110)에는 측방향으로 내부와 외부를 연통시키는 관통홀(또는, 측방향으로의 관통홀)이 형성되지 않아 후술하는 것과 같이 나노분말의 분해를 위해 상부에서 하부의 연직 방향으로 강한 유동과 용탕 유체에 대한 강한 전단을 발생시킬 수 있다. 측벽부(110)의 상단부 둘레에 고리형 확장부(150)가 설치될 수 있다. 고리형 확장부(150)는 일종의 림(rim) 부재라고 할 수 있다. 고리형 확장부(150)는 측벽부(110)의 상단부나 그와 인접한 부분의 둘레에 고정되도록 설치될 수 있다. 또한, 고리형 확장부(150)는 그 상면으로부터 형성된 복수의 삽입홀(H10)을 가질 수 있다. 복수의 삽입홀(H10)은 일정 간격으로 배치될 수 있다. 고리형 확장부(150)는 스테이터 부재(100)의 일부일 수 있다.
상기 금속계 조성물 제조용 장치는 스테이터 부재(100)의 상기 내부 공간에 삽입되어 회전하는 회전 샤프트(200), 상기 내부 공간에서 회전 샤프트(200)의 제 1 영역에 설치된 제 1 로터(rotor) 부재(311) 및 상기 내부 공간에서 회전 샤프트(200)의 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 설치된 제 2 로터 부재(321)를 포함할 수 있다.
회전 샤프트(200)는 상기 내부 공간의 중앙부를 지나도록 실질적으로 수직하게 배치될 수 있고, 측벽부(110)의 개방된 상부 위쪽으로 연장될 수 있다. 제 1 로터 부재(311)는 회전 샤프트(200)의 상기 제 1 영역을 둘러싸도록 설치될 수 있고, 제 1 높이에 배치될 수 있다. 제 1 로터 부재(311)는 회전 샤프트(200)의 상기 제 1 영역을 중심으로 그 주위에 배치된 복수의 제 1 회전 날개(11)를 포함할 수 있다. 복수의 제 1 회전 날개(11)는 회전 샤프트(200)의 회전축에 대하여 정해진 각도로 경사진(틸팅된) 구조를 가질 수 있다. 복수의 제 1 회전 날개(11)는 측벽부(110)의 내측면과 소정의 제 1 간격을 두고 회전할 수 있다. 제 1 로터 부재(311)는 일종의 스크류(screw) 부재라고 할 수 있다.
제 2 로터 부재(321)는 제 1 로터 부재(311) 아래에 이와 이격하여 배치될 수 있다. 제 2 로터 부재(321)는 회전 샤프트(200)의 상기 제 1 영역 아래의 상기 제 2 영역을 둘러싸도록 설치될 수 있고, 제 2 높이에 배치될 수 있다. 제 2 로터 부재(321)는 회전 샤프트(200)의 상기 제 2 영역을 중심으로 그 주위에 배치된 복수의 제 2 회전 날개(21)를 포함할 수 있다. 복수의 제 2 회전 날개(21)는 측벽부(110)의 내측면과 제 2 간격을 두고 회전할 수 있다.
제 1 로터 부재(311)와 제 2 로터 부재(321)는 서로 다른 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 1 로터 부재(311)와 제 2 로터 부재(321)는 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 제 1 로터 부재(311)와 제 2 로터 부재(321)의 차이점에 대해서는, 아래에서 도 3 및 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 321) 중 적어도 제 1 로터 부재(311)는 금속 용탕과 나노분말의 혼합 공정에서 상기 금속 용탕 및 상기 나노분말을 스테이터 부재(100)의 상부에서 하부로 하강시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 금속 용탕과 상기 나노분말의 혼합물은 제 1 로터 부재(311)의 아래로 소용돌이(와류)를 일으키면서 하강할 수 있고, 스테이터 부재(100)의 개방된 하부로 배출될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 321)의 회전에 따라, 상기 금속 용탕과 상기 나노분말의 혼합물은 스테이터 부재(100)의 개방된 하부로 배출되고 개방된 상부를 통해 다시 스테이터 부재(100)의 내부로 인입됨으로써, 스테이터 부재(100)의 내부와 외부 사이에서 순환될 수 있다. 금속 용탕이 소용돌이(와류)를 일으키면서 순환되는 과정에서, 나노분말을 상기 금속 용탕에 적절히 투입함으로써, 상기 금속 용탕과 상기 나노분말의 혼합물이 소용돌이(와류)를 일으키면서 스테이터 부재(100)의 내부와 외부 사이에서 순환될 수 있고, 결과적으로, 덩어리진 나노분말로부터 효과적으로 개개의 나노분말 입자들을 분리 및 분산시켜 금속 용탕과 혼합되도록 유도할 수 있다. 또한, 나노분말 입자들의 분리 및 분산은 컨테이너(도 6의 700 참조)와 로터 부재(311, 321) 사이에 있는 스테이터 부재(100)의 측벽부(110)에 의해 유도되는 용탕 유체에 대한 강한 전단에 의해 더 촉진될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시하지는 않았지만, 상기 금속계 조성물 제조용 장치는 상기 금속 용탕 내에 인입된 스테이터 부재(100)의 위쪽에서 상기 금속 용탕의 표면부로 상기 나노분말을 공급하기 위한 '나노분말 공급 유닛'을 포함할 수 있다. 상기 나노분말 공급 유닛은 스테이터 부재(100)의 위쪽에서 상기 금속 용탕의 표면부에서 발생하는 소용돌이(와류) 부분에 상기 나노분말을 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 나노분말 공급 유닛에 대해서는 추후에 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2에서 미설명된 참조번호 250은 스테이터 부재(100)를 고정 및 지지하기 위한 '고정 부재'를 나타낸다. 복수의 고정 부재(250)가 고리형 확장부(150)에 체결되어 배치될 수 있다. 복수의 고정 부재(250)의 일단부가 고리형 확장부(150)의 복수의 삽입홀(H10) 중 적어도 일부에 삽입될 수 있다. 복수의 고정 부재(250)는, 예컨대, 기둥 형상을 가질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 복수의 고정 부재(250)의 타단부(상단부)는 소정의 지지 구조에 체결/고정될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 스테이터 부재(100) 및 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 321)는 금속 용탕의 고온(예컨대, 약 900 ℃ 이상의 온도) 환경을 견딜 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 스테이터 부재(100) 및 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 321)는 HDG(high density graphite)를 포함하거나 HDG로 형성될 수 있다. 여기서, HDG는 약 1.6 g/cm3 이상의 밀도를 갖는 것으로, 강도, 내구성 등의 특성이 우수한 물질일 수 있다. 그러나, 스테이터 부재(100) 및 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 321)의 재질은 HDG로 한정되지 않고, 공지의 고온 세라믹 내열 재료 또는 내화 코팅된 여하의 복합 재질일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서, 상기 '금속 용탕(molten metal)'이라는 용어는 소정의 금속이나 금속 합금이 주요 구성성분으로 포함된 용탕을 의미할 수 있고, 이러한 금속 용탕 내에는 일정 수준 이하의 불순물이 포함되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 용탕의 금속 성분(또는 금속 합금 성분)은 90% 이상 또는 95% 이상 또는 98% 이상일 수 있다. 상기 나노분말은 상기 금속 용탕과 혼합되는 성분으로서, 상기 금속 용탕의 주요 구성성분에 해당하는 금속(또는 금속 합금)이 아닌 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노분말은 세라믹 분말(나노입자)을 포함할 수 있다. 상기 나노분말은 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 금속 화합물 또는 비금속 화합물일 수 있다. 상기 금속 화합물에 포함되는 금속은 Ti, Mo 등과 같은 전이금속을 포함하거나, Mg와 같은 비전이금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 비금속 화합물에 포함되는 비금속은 Si 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 나노분말은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnOx), 주석 산화물(SnO2), 실리콘 산화물(SiO2)과 같은 산화물의 분말(나노입자)을 포함하거나, 질화물의 분말(나노입자) 또는 실리콘 탄화물(SiC)과 같은 탄화물의 분말(나노입자)을 포함할 수 있다. 그러나, 전술한 나노분말의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 물질이 사용될 수도 있다. 상기 나노분말은, 예컨대, 수 nm 내지 수백 nm 정도의 사이즈(평균 직경)를 가질 수 있다. 상기한 나노분말의 평균 직경은, 예를 들어, 약 1 nm 이상 1000 nm 미만이거나, 또는, 약 3 nm 이상 700 nm 이하이거나, 또는, 약 5 nm 이상 500 nm 이하일 수 있다. 또는, 상기 나노분말의 평균 직경은 약 100 nm 이하일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치에 적용될 수 있는 회전 샤프트(200) 및 이에 설치된 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 321)를 보여주는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 회전 샤프트(200)의 제 1 영역에 복수의 제 1 회전 날개(11)를 갖는 제 1 로터 부재(311)가 배치될 수 있고, 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 복수의 제 2 회전 날개(21)를 갖는 제 2 로터 부재(321)가 배치될 수 있다.
제 1 로터 부재(311)는 금속 용탕 및 나노분말을 상부에서 하부로 하강시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 복수의 제 1 회전 날개(11)는 회전 샤프트(200)의 회전축에 대하여 정해진 각도로 경사진(틸팅된) 구조를 가질 수 있다. 복수의 제 1 회전 날개(11)는 상기 회전축에 대하여 약 30∼60°정도 경사진 구조를 가질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 제 1 회전 날개(11)가 경사진 구조를 갖는 경우, 제 1 로터 부재(311)가 시계 방향으로 회전시, 금속 용탕 및 나노분말이 상부에서 하부로 하강될 수 있다. 제 1 로터 부재(311)를 구성하는 복수의 제 1 회전 날개(11)의 개수는, 예컨대, 3 내지 6 개일 수 있으며, 도 3에서는 6 개의 회전 날개가 예시되어 있다.
제 2 로터 부재(321)는 제 1 로터 부재(311)에 의해 하강된 나노분말을 스테이터 부재의 하단부를 넘어 컨테이너의 측벽 측으로 배출시켜 금속 용탕 내에 나노분말을 분산하고 분리하면서 아울러 금속 용탕(나노분말이 혼합된 금속 용탕)의 흐름을 적절히 제어하는 역할을 할 수 있다. 이와 관련해서, 복수의 제 2 회전 날개(21)는 상기 회전축에 대하여 틸팅(tilting)되지 않은 미경사 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 제 2 회전 날개(21)는 날개면(측면)이 상기 회전축에 평행한 구조를 가질 수 있다. 또한, 복수의 제 2 회전 날개(21)의 개수는 복수의 제 1 회전 날개(11)의 개수 보다 적을 수 있다. 예를 들어, 제 2 로터 부재(321)를 구성하는 복수의 제 2 회전 날개(21)의 개수는 2 개 내지 4 개 정도일 수 있다. 이 경우, 제 2 로터 부재(321)는 나노분말을 분산 및/또는 분리하면서 금속 용탕(나노분말이 혼합된 금속 용탕)의 흐름을 제어하여 스테이터 부재(도 1의 100)의 내부 및 외부 사이에서 적절히 순환되도록 만들 수 있다.
또한, 제 1 로터 부재(311)와 제 2 로터 부재(321)는 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 제 1 로터 부재(311)의 외경은 제 2 로터 부재(321)의 외경 보다 클 수 있다. 따라서, 복수의 제 1 회전 날개(11)와 스테이터 부재(도 1의 100)의 내측면 사이의 간격(즉, 상기 제 1 간격)은 복수의 제 2 회전 날개(21)와 스테이터 부재(도 1의 100)의 내측면 사이의 간격(즉, 상기 제 2 간격) 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 간격은 약 2∼5 mm 정도일 수 있고, 상기 제 2 간격은 약 2∼20 mm 정도일 수 있다. 아울러, 복수의 제 2 회전 날개(21) 각각의 날개 너비(w2)는 복수의 제 1 회전 날개(11) 각각의 날개 너비(w1) 보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 로터 부재(311)와 제 2 로터 부재(321)의 높이 차이는 약 60∼100 mm 정도일 수 있다. 상기한 부가 조건들 중 적어도 하나를 만족할 때, 금속 용탕(나노분말이 혼합된 금속 용탕)의 하강, 나노분말의 분리/분산 및 금속 용탕(나노분말이 혼합된 금속 용탕)의 순환이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 그러나, 상기한 구체적인 수치 범위들은 예시적이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치에 적용될 수 있는 회전 샤프트(200) 및 이에 설치된 제 1 및 제 2 로터 부재(311, 322)를 보여주는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 회전 샤프트(200)의 제 1 영역에 복수의 제 1 회전 날개(11)를 갖는 제 1 로터 부재(311)가 배치될 수 있고, 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 복수의 제 2 회전 날개(22)를 갖는 제 2 로터 부재(322)가 배치될 수 있다. 회전 샤프트(200) 및 제 1 로터 부재(311)의 구성은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.
본 실시예에서 제 2 로터 부재(322)를 구성하는 복수의 제 2 회전 날개(22)는 회전 샤프트(200)의 회전축에 대하여 정해진 각도로 경사진(틸팅된) 구조를 가질 수 있다. 복수의 제 1 회전 날개(11)는 상기 회전축에 대하여 제 1 각도로 경사진 구조를 가질 수 있고, 복수의 제 2 회전 날개(22)는 상기 회전축에 대하여 상기 제 1 각도 보다 작은 제 2 각도로 경사진 구조를 가질 수 있다. 다시 말해, 복수의 제 2 회전 날개(22)는 복수의 제 1 회전 날개(11) 보다 수직선에 대하여 덜 경사지도록 구성될 수 있다. 복수의 제 1 회전 날개(11)와 복수의 제 2 회전 날개(22)의 경사진 방향은 동일할 수 있다. 이 경우, 제 2 로터 부재(322)는 나노분말을 분산/분리하는 역할을 할 뿐 아니라, 금속 용탕을 어느 정도 하강시키는 역할도 겸할 수 있다.
도 4에서는 복수의 제 1 회전 날개(11)와 복수의 제 2 회전 날개(22)를 같은 개수로 도시하였지만, 실제, 제 2 로터 부재(322)를 구성하는 복수의 제 2 회전 날개(22)의 개수는 제 1 로터 부재(311)를 구성하는 복수의 제 1 회전 날개(11)의 개수 보다 적을 수 있다. 예를 들어, 복수의 제 1 회전 날개(11)의 개수는 4∼6개일 수 있고, 복수의 제 2 회전 날개(22)의 개수는 2∼4개 정도일 수 있다. 또한, 제 2 로터 부재(322)의 외경은 제 1 로터 부재(311)의 외경 보다 작을 수 있다. 따라서, 복수의 제 2 회전 날개(22)와 스테이터 부재(도 1의 100)의 내측면 사이의 간격(즉, 상기 제 2 간격)은 복수의 제 1 회전 날개(11)와 스테이터 부재(도 1의 100)의 내측면 사이의 간격(즉, 상기 제 1 간격) 보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 간격은 약 2∼5 mm 정도일 수 있고, 상기 제 2 간격은 약 2∼20 mm 정도일 수 있다. 아울러, 복수의 제 2 회전 날개(22) 각각의 날개 너비(w2')는 복수의 제 1 회전 날개(11) 각각의 날개 너비(w1) 보다 작을 수 있다. 이러한 부가 조건들 중 적어도 하나를 만족할 때, 금속 용탕(나노분말이 혼합된 금속 용탕)의 하강, 나노분말의 분리/분산 및 금속 용탕(나노분말이 혼합된 금속 용탕)의 순환이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 그러나, 상기한 구체적인 수치 범위들은 예시적인 것이고, 경우에 따라, 달라질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치의 전체적인 구조를 보여주는 도면(측면도)이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치는 스테이터 부재(100), 회전 샤프트(200), 제 1 로터 부재(310) 및 제 2 로터 부재(320)를 포함할 수 있다. 스테이터 부재(100), 회전 샤프트(200), 제 1 로터 부재(310) 및 제 2 로터 부재(320) 각각은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 또한, 고리형 확장부(150) 및 고정 부재(250)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.
일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치는 스테이터 부재(100) 및 회전 샤프트(200)에 연결된 지지 구조체(400)를 더 포함할 수 있다. 지지 구조체(400)는 스테이터 부재(100) 및 회전 샤프트(200)를 지지하기 위한 구조체일 수 있다. 스테이터 부재(100)는 지지 구조체(400)의 하면부에 연결/체결될 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(250)에 의해 스테이터 부재(100)와 지지 구조체(400)의 하면부가 상호 연결될 수 있다. 이때, 고정 부재(250)의 일단은 스테이터 부재(100) 쪽에 연결/체결될 수 있고, 고정 부재(250)의 타단은 지지 구조체(400)의 하면부 쪽에 연결/체결될 수 있다. 또한, 회전 샤프트(200)는 지지 구조체(400)의 하면부로부터 그 아래로 연장되도록 배치될 수 있다. 지지 구조체(400)의 내부에는 회전 샤프트(200)를 회전시키기 위한 구동부(모터부)가 배치될 수 있다. 지지 구조체(400)는 다양한 형태로 연장될 수 있고, 다른 지지 구조체(미도시)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치는 금속 용탕 내에 인입된 스테이터 부재(100)의 위쪽에서 상기 금속 용탕의 표면부로 나노분말을 공급하기 위한 '나노분말 공급 유닛'을 더 포함할 수 있다. 상기 나노분말 공급 유닛은 나노분말 공급기(500) 및 적어도 하나의 나노분말 공급관(610, 620)을 포함할 수 있다. 나노분말 공급기(500)는 지지 구조체(400) 상에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 나노분말 공급관(610, 620)은 나노분말 공급기(500)로부터 스테이터 부재(100)의 위쪽으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 적어도 하나의 나노분말 공급관(610, 620)은 금속 용탕의 표면부에서 소용돌이(와류)가 발생되는 부분에 상기 나노분말을 투입하도록 설계될 수 있다. 적어도 하나의 나노분말 공급관(610, 620)은, 예를 들어, 제 1 나노분말 공급관(610) 및 제 2 나노분말 공급관(620)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 나노분말 공급관(610)은 나노분말 공급기(500)로부터 지지 구조체(400)의 옆쪽을 지나 스테이터 부재(100)의 내부 공간 위쪽의 회전 샤프트(200) 주변 영역으로 연장될 수 있다. 제 2 나노분말 공급관(620)은 나노분말 공급기(500)로부터 지지 구조체(400)의 일부를 관통하여 스테이터 부재(100)의 내부 공간 위쪽의 회전 샤프트(200) 주변 영역으로 연장될 수 있다. 제 1 나노분말 공급관(610)의 하단부는 회전 샤프트(200)와 인접한 영역에 배치될 수 있고, 이와 유사하게, 제 2 나노분말 공급관(620)의 하단부도 회전 샤프트(200)와 인접한 영역에 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치(1000)를 금속 용탕(800)에 인입하여 상기 금속 용탕(800)과 나노분말을 혼합하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 컨테이너(700) 내에 금속 용탕(800)이 담겨질 수 있고, 금속 용탕(800) 내에 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치(1000)의 스테이터 부재(100) 및 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)가 인입될 수 있다. 여기서, 금속계 조성물 제조용 장치(1000)는 도 5에서 설명한 장치에서 제 2 나노분말 공급관(620)이 배제된 경우에 해당된다. 스테이터 부재(100) 및 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)는 금속 용탕(800) 내에 완전히 인입될 수 있다. 스테이터 부재(100)의 측벽부의 상단면은 금속 용탕(800)의 표면부 보다 아래에 위치할 수 있다. 또한, 고리형 확장부(150)도 금속 용탕(800) 내에 완전히 인입될 수 있다. 따라서, 고리형 확장부(150)의 상단면도 금속 용탕(800)의 표면부 보다 아래에 위치할 수 있다.
금속 용탕(800) 내에 스테이터 부재(100) 및 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)를 인입한 후, 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)를 회전시켜 금속 용탕(800)을 교반하면서, 나노분말 공급기(500) 및 제 1 나노분말 공급관(610)을 이용해서 금속 용탕(800)의 표면부(상면부)로 나노분말을 투입할 수 있다. 상기 나노분말은 제 1 나노분말 공급관(610)을 통해서 금속 용탕(800)의 표면부(상면부)로 일정한(혹은, 대체로 일정한) 속도로 떨어질 수 있다. 적어도 제 1 로터 부재(310)의 회전에 의해 금속 용탕(800)에 소용돌이(와류)가 발생할 수 있고, 스테이터 부재(100)의 상부에서 하부로 금속 용탕(800)이 하강될 수 있다. 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)의 회전에 의해 금속 용탕(800)은 스테이터 부재(100)의 내부와 외부 사이에서 순환될 수 있다. 상기 나노분말은 금속 용탕(800) 표면부의 소용돌이(와류)가 발생된 부분에 투입될 수 있다. 이렇게 금속 용탕(800)의 표면부에 공급된 상기 나노분말은 금속 용탕(800)과 함께 스테이터 부재(100)의 하부로 하강(즉, 기계적으로 강하)될 수 있고, 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)를 거쳐 스테이터 부재(100)의 내부와 외부 사이에서 순환될 수 있다. 이러한 과정에서 상기 나노분말은 분리되고 분산되어 금속 용탕(800)과 혼합될 수 있다. 결과적으로, 금속 용탕(800) 내에 상기 나노분말을 균일하게(혹은, 대체로 균일하게) 분산시켜 고품질의 금속계 조성물을 제조할 수 있다. 이러한 금속계 조성물은 강도, 내구성 등의 측면에서 우수한 물성을 가질 수 있다.
한편, 교반 작업시, 금속 용탕(800)의 온도는 약 900℃ 이상 또는 약 1000℃ 이상일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 로터 부재(310, 320)의 회전 속도는, 예컨대, 약 50 ∼ 5000 rpm 또는 약 700 ∼ 1500 rpm 정도일 수 있다.
종래의 교반 장치를 이용해서 알루미늄(Al) 용탕과 같은 금속 용탕에 나노스케일의 파우더를 혼합하고자 할 때, 밀도 차이 및 부력에 의해 용탕 위로 파우더가 부유하고, 파우더 덩어리의 분리 및 분산이 용이하지 않으며, 파우더 덩어리가 그대로 소결되는 등의 문제가 발생한다. 이로 인해, 고품질의 알루미늄 합금을 제조하는 것이 어려울 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치(1000)를 사용하면, 금속 용탕 내에 나노분말을 용이하게 분리 및 분산시킬 수 있고, 나노입자들이 균일하게(대체로 균일하게) 분산된 금속계 조성물을 제조할 수 있다. 이러한 금속계 조성물에서는 나노스케일의 파우더가 뭉쳐져서 소결되는 등의 문제가 발생하지 않을 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치에 적용될 수 있는 스테이터 부재(100a)를 보여주는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 스테이터 부재(100a)의 상단으로부터 그 위쪽으로 연장된 복수의 로드(rod) 부재(120)가 더 배치될 수 있다. 복수의 로드 부재(120)는 스테이터 부재(100a)의 측벽부(100a)의 상단으로부터 그 위쪽으로 연장되게 배치될 수 있다. 복수의 로드 부재(120)는 상호 이격하여 규칙적으로(혹은, 대체로 규칙적으로) 배치될 수 있다. 복수의 로드 부재(120) 각각의 일부(하측부: lower portion)는 금속 용탕 내에 인입될 수 있고, 복수의 로드 부재(120) 각각의 나머지 부분(상측부: upper portion)은 금속 용탕 위로 노출될 수 있다. 복수의 로드 부재(120)는 스테이터 부재(100a)의 외부, 즉 컨테이너(700)의 측벽과 스테이터 부재(100a) 사이의 금속 용탕의 표면부에 형성된 산화 피막이 스테이터 부재(100a)의 내부 공간으로 빨려들어가는 것을 방지해주는 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 산화 피막은 스테이터 부재(100a)의 외측에서 금속 용탕의 표면부에 형성될 수 있고, 복수의 로드 부재(120)는 상기 산화 피막이 스테이터 부재(100a)의 내측으로 들어오는 것을 막아주는 역할을 할 수 있다. 복수의 로드 부재(120)는 스테이터 부재(100a)의 일부로 여길 수 있다.
도 7에서는 복수의 로드 부재(120)가 스테이터 부재(100a)의 측벽부(100a)의 상단에 배치된 경우를 도시하였지만, 경우에 따라, 복수의 로드 부재(120)의 형성 위치는 달라질 수 있다. 예를 들어, 복수의 로드 부재(120)는 도 1에서 설명한 고리형 확장부(150)에 배치될 수도 있다. 이 경우, 복수의 로드 부재(120)는 도 1에서 설명한 고정 부재(250)와 함께 고리형 확장부(150)에 배치될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 금속계 조성물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 제공할 수 있다(S10). 상기 금속계 조성물 제조용 장치는 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 장치일 수 있다. 다시 말해, 상기 금속계 조성물 제조용 장치는 내부 공간을 한정하는 측벽부를 구비하고 상부 및 하부가 개방된 스테이터 부재, 상기 스테이터 부재의 상기 내부 공간에 삽입되어 회전하는 회전 샤프트, 상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 제 1 영역에 설치된 것으로 상기 측벽부의 내측면과 제 1 간격을 두고 회전하되 상기 회전 샤프트의 회전축에 대하여 경사진 구조를 갖는 복수의 제 1 회전 날개를 구비하는 제 1 로터 부재, 상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 설치된 것으로 상기 측벽부의 내측면과 제 2 간격을 두고 회전하는 복수의 제 2 회전 날개를 구비하는 제 2 로터 부재 및 상기 스테이터 부재의 위쪽에서 나노분말을 공급하기 위한 나노분말 공급 유닛을 포함할 수 있다.
상기 금속계 조성물의 제조 방법은 금속 용탕 및 이와 혼합될 나노분말을 제공하는 단계(S20), 상기 금속 용탕 내에 상기 금속계 조성물 제조용 장치의 상기 스테이터 부재와 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 인입하는 단계(S30) 및 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 회전시키면서 상기 나노분말 공급 유닛을 이용해서 상기 나노분말을 상기 금속 용탕 내에 공급하여 상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 금속 용탕의 온도는 약 900℃ 이상 또는 약 1000℃ 이상일 수 있다. 상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계(S40)에서, 상기 제 1 및 제 2 로터 부재는, 예컨대, 약 50 ∼ 5000 rpm 또는 약 700 ∼ 1500 rpm으로 회전될 수 있다.
상기 나노분말은 나노사이즈의 세라믹 분말을 포함할 수 있다. 상기 나노분말은 금속 화합물 및 비금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 화합물 및 상기 비금속 화합물 중 적어도 하나는 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 상기 금속 화합물에 포함되는 금속은 전이금속이거나 비전이금속일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 나노분말은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnOx), 주석 산화물(SnO2), 실리콘 산화물(SiO2)과 같은 산화물의 분말(나노입자)을 포함하거나, 질화물의 분말(나노입자) 또는 실리콘 탄화물(SiC)과 같은 탄화물의 분말(나노입자)을 포함할 수 있다. 그러나 여기서 제시한 나노분말의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
상기 나노분말은, 예컨대, 수 nm 내지 수백 nm 정도의 사이즈(평균 직경)를 가질 수 있다. 상기한 나노분말의 평균 직경은, 예를 들어, 약 1 nm 이상 1000 nm 미만이거나, 또는, 약 3 nm 이상 700 nm 이하이거나, 또는, 약 5 nm 이상 500 nm 이하일 수 있다. 또는, 상기 나노분말의 평균 직경은 약 100 nm 이하일 수 있다.
상기 금속 용탕은 알루미늄(Al)을 주요 구성물질로 포함하거나, 알루미늄(Al)이 함유된 합금을 주요 구성물질로 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 나노분말의 물질로는 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnOx), 주석 산화물(SnO2) 또는 실리콘 산화물(SiO2)과 같은 산화물의 분말(나노입자)을 사용할 수 있다. 이 경우, 알루미늄 내에 산소 원자와 같은 나노성분들이 고르게 분포된(예를 들어, 고용된) 금속계 조성물을 제조할 수 있다. 그러나, 상기 금속 용탕이 알루미늄(Al)을 포함하더라도, 나노분말로 질화물이나 탄화물의 분말을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 금속 용탕은 알루미늄(Al)이 아닌 다른 경량 금속, 예를 들어, 마그네슘(Mg)을 주요 구성물질로 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 금속 물질을 주요 구성물질로 포함할 수도 있다.
상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계(S40) 이후, 상기 나노분말이 분산 및 분해되어 혼합된 금속 용탕을 별도의 공간이나 장치로 옮긴 후에, 소정의 가공 공정이나 냉각, 소성 등의 공정을 더 수행할 수 있다. 이러한 과정을 통해 나노입자/성분들이 균일하게(비교적 균일하게) 분산된 금속계 조성물이나 그 가공품을 제조할 수 있다. 이러한 금속계 조성물은 나노입자/성분들이 분산된 것과 관련해서 높은 강도 등 우수한 물성을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 금속 용탕과 나노분말을 혼합할 때 나노입자 응집체(10)가 분리 및 분산되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 9의 (A)를 참조하면, 나노분말에 포함된 나노입자(1)들은 응집체(10)를 구성할 수 있다. 나노크기의 입자들은 반데르발스(van der Waals) 힘과 표면장력과 같은 물리적/화학적 인력에 의해 서로 응집하려는 특성을 가질 수 있고, 그 결과, 나노입자 응집체(10)가 형성될 수 있다.
도 9의 (B) 내지 (D)를 참조하면, 금속 용탕(800)의 표면부에 강한 와류가 발생될 수 있고, 이러한 와류가 발생한 부분에 나노입자 응집체(10)가 투입될 수 있다. 또한, 금속 용탕(800)에는 상기 와류와 함께 상부에서 하부로 하강하는 하강력이 형성될 수 있다. 상기한 와류 및 하강력에 의해 나노입자 응집체(10)는 개별적인 나노입자(1)들로 분리되고 금속 용탕(800) 내에 용이하게 분산될 수 있다. 예를 들어, 상기한 와류에 의한 전단력 등이 작용하여 금속 용탕(800)에 직접 접촉된 나노입자 응집체(10)의 하부측 나노입자(1)가 응집체(10)로부터 분리될 수 있다. 일반적으로, 나노입자 응집체는 금속 용탕과 젖음(wetting) 특성이 좋지 않고, 밀도 차이 및 부력에 의해 금속 용탕 상에 부유하려는 특성을 갖는다. 따라서, 일반적인 방식으로는 나노입자 응집체의 분리, 분산 및 분해가 용이하지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용하면, 상기한 와류 및 하강력 그리고 제 1 및 제 2 로터 부재에 의한 교반력 등을 이용해서 나노입자 응집체(10)를 분리하여 금속 용탕(800) 내에 용이하게/효율적으로 분산시킬 수 있다. 경우에 따라, 금속 용탕(800) 내에 분산된 나노입자(1)들 각각은 금속 용탕(800) 내에서 분해되는 과정을 거칠 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용해서 제조된 금속계 조성물의 미세 구조를 보여주는 TEM(transmission electron microscope) 이미지이다. 상기 금속계 조성물은 알루미늄계 조성물(일종의 알루미늄 합금)이다.
도 10의 (a)도면을 참조하면, 실시예에 따른 장치를 이용해서 제조된 알루미늄계 조성물(알루미늄 합금)은 나노입자 클러스터(cluster)(R1)가 미세 구조상 대체로 균일하게 분산된 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 10의 (b)도면은 (a)도면의 나노입자 클러스터(R1) 부분을 확대하여 보여준다. 도 10의 (b)도면을 참조하면, 나노입자들이 분리 및 분산되어 소결되지 않은 상태로 알루미늄계 조성물(알루미늄 합금) 내에 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있다. (b)도면에서 참조번호 R2는 하나의 나노입자를 가리킨다. 여기서, 나노입자는 수십 nm 이하의 크기(직경)를 갖는다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금) 및 비교예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금)에 대한 인장 시험 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서, '1'로 표시된 그래프는 비교예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금)에 대한 결과이고, '2'로 표시된 그래프는 실시예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금)에 대한 결과이다. 여기서, 상기 비교예는 기존의 교반 장치를 이용한 경우이다. 장치의 구성을 제외한 나머지 조건(원료 물질의 조건)은 상기 실시예 및 비교예에서 동일하였다.
도 11을 참조하면, '2'번 그래프에 해당하는 실시예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금)은 '1'번 그래프에 해당하는 비교예에 따라 제조된 금속계 조성물(알루미늄 합금) 보다 약 20% 이상 인장 강도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 금속계 조성물 제조용 장치를 이용하면, 우수한 품질을 갖는 금속계 조성물을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 금속 용탕 내에 나노분말을 균일하게 분산시킴으로써 고품질의 금속계 조성물을 제조하는데 유리한 금속계 조성물 제조용 장치를 구현할 수 있다. 이러한 실시예에 따른 장치를 이용하면, 우수한 물성을 갖는 금속계 조성물을 용이하게 제조할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 금속계 조성물 제조용 장치 및 이를 이용한 금속계 조성물 제조 방법은, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
11 : 제 1 회전 날개 21, 22 : 제 2 회전 날개
100 : 스테이터 부재 110 : 측벽부
120 : 로드 부재 150 : 고리형 확장부
200 : 회전 샤프트 250 : 고정 부재
310, 311 : 제 1 로터 부재 320, 321, 322 : 제 2 로터 부재
400 : 지지 구조체 500 : 나노분말 공급기
610 : 제 1 나노분말 공급관 620 : 제 2 나노분말 공급관
700 : 컨테이너 800 : 금속 용탕

Claims (18)

  1. 금속 용탕에 나노분말을 혼합하여 금속계 조성물을 제조하기 위한 장치로서,
    상기 금속 용탕 내에 인입되는 것으로, 내부 공간을 한정하는 측벽부를 구비하고 상부 및 하부가 개방된 스테이터(stator) 부재;
    상기 스테이터 부재의 상기 내부 공간에 삽입되어 회전하는 회전 샤프트;
    상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 제 1 영역에 설치된 것으로, 상기 측벽부의 내측면과 제 1 간격을 두고 회전하되, 상기 회전 샤프트의 회전축에 대하여 경사진 구조를 갖는 복수의 제 1 회전 날개를 구비하는 제 1 로터(rotor) 부재;
    상기 내부 공간에서 상기 회전 샤프트의 상기 제 1 영역 아래의 제 2 영역에 설치된 것으로, 상기 측벽부의 내측면과 제 2 간격을 두고 회전하는 복수의 제 2 회전 날개를 구비하는 제 2 로터 부재; 및
    상기 금속 용탕 내에 인입된 상기 스테이터 부재의 위쪽에서 상기 금속 용탕의 표면부로 상기 나노분말을 공급하기 위한 나노분말 공급 유닛을 포함하고,
    상기 나노분말은 1 nm 이상 1000 nm 미만의 평균 직경을 갖고,
    상기 제 1 로터 부재와 상기 제 2 로터 부재는 서로 다른 사이즈를 갖되, 상기 제 1 로터 부재의 외경은 상기 제 2 로터 부재의 외경 보다 크고, 상기 제 1 간격은 상기 제 2 간격 보다 작으며,
    상기 제 1 및 제 2 로터 부재 중 적어도 상기 제 1 로터 부재는 상기 금속 용탕 및 상기 나노분말을 상기 스테이터 부재의 상부에서 하부로 하강시키도록 구성되고,
    상기 금속 용탕과 상기 나노분말의 혼합물은 상기 제 1 로터 부재의 아래로 하강하고, 상기 제 1 및 제 2 로터 부재의 회전에 따라 상기 금속 용탕과 상기 나노분말의 혼합물은 상기 스테이터 부재의 상기 개방된 하부를 통해 상기 스테이터 부재의 외부로 배출되고 상기 개방된 상부를 통해 상기 스테이터의 내부로 인입되도록 구성된 금속계 조성물 제조용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 로터 부재와 상기 제 2 로터 부재는 서로 다른 구조를 갖되,
    상기 복수의 제 1 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 제 1 각도로 경사진 구조를 갖고,
    상기 복수의 제 2 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 상기 제 1 각도 보다 작은 제 2 각도로 경사진 구조를 갖거나, 상기 회전축에 대하여 틸팅(tilting)되지 않은 미경사 구조를 갖는 금속계 조성물 제조용 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 회전 날개는 상기 회전축에 대하여 30∼60°만큼 경사진 구조를 갖는 금속계 조성물 제조용 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 2 회전 날개의 개수는 상기 복수의 제 1 회전 날개의 개수 보다 적은 금속계 조성물 제조용 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 2 회전 날개 각각의 날개 너비는 상기 복수의 제 1 회전 날개 각각의 날개 너비 보다 작은 금속계 조성물 제조용 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속계 조성물 제조용 장치는 지지 구조체를 더 포함하고, 상기 스테이터 부재는 상기 지지 구조체의 하면부에 연결되고, 상기 회전 샤프트는 상기 지지 구조체의 상기 하면부로부터 연장되며,
    상기 나노분말 공급 유닛은 상기 지지 구조체 상에 배치된 나노분말 공급기 및 상기 나노분말 공급기로부터 상기 스테이터 부재의 위쪽으로 연장된 적어도 하나의 나노분말 공급관을 포함하는 금속계 조성물 제조용 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노분말 공급관은,
    상기 나노분말 공급기로부터 상기 지지 구조체의 옆쪽을 지나 상기 내부 공간 위쪽의 상기 회전 샤프트 주변 영역으로 연장된 제 1 나노분말 공급관; 및
    상기 나노분말 공급기로부터 상기 지지 구조체의 일부를 관통하여 상기 내부 공간 위쪽의 상기 회전 샤프트 주변 영역으로 연장된 제 2 나노분말 공급관; 중 적어도 하나를 포함하는 금속계 조성물 제조용 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터 부재의 상단으로부터 그 위쪽으로 연장되고 상호 이격하여 배치된 복수의 로드(rod) 부재를 더 포함하는 금속계 조성물 제조용 장치.
  13. 청구항 1, 2, 5, 6 및 9 내지 12 중 어느 한 항에 기재된 금속계 조성물 제조용 장치를 제공하는 단계;
    금속 용탕 및 이와 혼합될 나노분말을 제공하는 단계;
    상기 금속 용탕 내에 상기 금속계 조성물 제조용 장치의 상기 스테이터 부재와 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 인입하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 회전시키면서 상기 나노분말 공급 유닛을 이용해서 상기 나노분말을 상기 금속 용탕 내에 공급하여 상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 나노분말은 1 nm 이상 1000 nm 미만의 평균 직경을 갖는, 금속계 조성물의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 용탕의 온도는 900℃ 이상인 금속계 조성물의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 용탕과 상기 나노분말을 혼합하는 단계에서, 상기 제 1 및 제 2 로터 부재를 50 ∼ 5000 rpm으로 회전시키는 금속계 조성물의 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노분말은 금속 화합물 및 비금속 화합물 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 금속 화합물 및 상기 비금속 화합물 중 적어도 하나는 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 금속계 조성물의 제조 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 용탕은 알루미늄(Al)을 구성물질로 포함하고,
    상기 나노분말은 산화물 나노입자를 포함하고, 상기 산화물 나노입자는 1 nm 이상 1000 nm 미만의 평균 직경을 갖는 금속계 조성물의 제조 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노분말은 티타늄 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물 및 실리콘 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 금속계 조성물의 제조 방법.
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