KR102651086B1 - 비산화성 워터제트 적용 금속분말 제조장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자유 낙하하는 금속 용탕줄기에 비산화성 가스제트 (gas jet)와 비산화성 워터제트 (water jet)를 연속적으로 충돌시켜서 금속분말의 산화를 최소화하고 미세한 구형의 금속분말을 용이하게 제조할 있는 금속분말의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 금속분말의 제조장치는 금속용탕을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스를 통해서 상기 금속용탕을 하방을 향해 용탕줄기 형태로 유출하는 용탕유출부; 상기 용탕유출부의 하부에서 낙하하는 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)를 분사하는 가스제트 분사부; 및 상기 가스제트 분사부의 하부에 위치하여 상기 가스제트와 충돌한 상기 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성 워터제트(water jet)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 워터제트 분사부;를 포함한다.
본 발명에 따른 금속분말의 제조장치는 금속용탕을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스를 통해서 상기 금속용탕을 하방을 향해 용탕줄기 형태로 유출하는 용탕유출부; 상기 용탕유출부의 하부에서 낙하하는 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)를 분사하는 가스제트 분사부; 및 상기 가스제트 분사부의 하부에 위치하여 상기 가스제트와 충돌한 상기 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성 워터제트(water jet)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 워터제트 분사부;를 포함한다.
Description
본 발명은 금속분말의 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자유 낙하하는 금속 용탕줄기에 비산화성 가스제트(gas jet)와 비산화성 워터제트(water jet)를 연속적으로 충돌시켜서 금속분말의 산화를 최소화하고 미세한 구형의 금속분말을 용이하게 제조할 수 있는 금속분말의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 항공분야, 발전분야, 금형분야, 자동차 부품분야 및 산업기계 등에 필요한 복잡한 형상을 가지는 부품을 3D 프린팅 방법으로 제조하는 금속 3D 프린팅 부품산업이 발전함에 따라서 그 원료로 사용되는 철계 및 비철계 분말의 사용량이 급증하고 있다.
현재 상용화가 유력한 금속 3D 프린팅 공정은 레이저(Laser) 기반 공정과 소결(Sintering) 기반 공정의 두 가지로 구분된다. 현재는 레이저 기반 3D 프린팅 기술이 상업화를 선행되었으나, 제조 공정 비용이 고가이어서 향후 제조 비용이 저렴한 소결기반 3D 프린팅 기술이 양산 상업화의 대세가 될 전망이다.
첫번째로, 금속 레이저 기반 3D 프린팅 공정은 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식이 적용되고 있다. 금속 PBF 방식의 경우 45μm 이하의 분말크기를 요구하고, 금속 DED 방식은 60μm 내지 150μm 크기의 분말을 요구한다. 이중 금속분말 수요는 대부분 PBF 방식이 90% 이상 차지하고 있으며, PBF 방식에 필요한 45μm 이하의 금속분말을 기존의 가스분사 제조공정으로 제조하기에는 회수율이 20% 수준으로 매우 낮아서 문제가 되고 있다. 이와 같이 생산 수율이 낮은 관계로 PBF 3D 프린팅용 45μm 이하 금속분말은 최소 15만원/kg 이상으로 고가이어서 금속 3D 프린팅 공정의 광범위한 상업화에 걸림돌이 되고 있다.
두번째로, 금속 소결기반 3D 프린팅 공정은 금속 BJ(Binder Jetting) 방식과 금속 FDM(Fused Deposition Modelling) 방식이 적용되고 있다.
금속 소결기반 3D 프린팅 기술은 바인더로 성형 접합한 복잡 형상체를 소결함으로써 바로 부품을 완성할 수 있어 매우 저렴하고 생산성이 우수한 부품화 공정기술이다. 금속 BJ 방식의 경우 45μm 이하의 분말크기를 요구하고 금속 FDM 방식은 10μm 이하 크기의 분말을 요구한다. 이와 같이 45μm 이하의 금속분말은 가스분사 공정으로는 생산수율이 너무 낮아 경제성이 열악하며, 반면 1000bar 내외의 초고압 수분사 공정을 적용하면 용이하게 제조할 수 있으나 분말의 산소 농도가 너무 높고 분말의 형태가 구형이 아닌 불규칙 형상을 갖는다는 문제점이 있다. 3D 프린팅된 부품의 물성을 확보하기 위해서는 금속분말이 함유하는 산소농도가 작아야 하며, 3D 프린팅된 부품의 최고 밀도를 얻기 위해서는 금속분말의 형상이 구형에 가까워야 한다.
종래에는 복잡 형상 부품의 3D 프린팅용 철계 및 비철계 분말은 크게 가스분사 금속분말 제조장치나 수분사 금속분말 제조장치를 통해 제조된다.
가스분사 금속분말 제조장치의 경우, 용탕유출부 내의 금속용탕이 하부의 오리피스(orifice)를 통하여 자유 낙하하며 하부에 장착된 가스제트 분사부를 관통하여 용탕줄기가 지나간다. 이때 가스제트 분사부의 하부에는 원형 슬릿(slit) 혹은 원형을 따라서 다수의 미세 제트 홀이 가공되어 콘 모양의 고속 가스제트를 분사한다. 이러한 고속 가스제트는 하부의 콘 꼭지점 한 지점에 집중되며 이곳에 용탕줄기와 충돌하여 금속용탕은 미세한 액적으로 분쇄된다. 이후 분쇄된 액적은 가스제트에 의해서 응고 및 냉각되어 고상의 금속 분말로 된다.
상기 가스제트의 가스로는 질소(N2) 및 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 주로 사용하며, 때로는 공기도 사용한다. 가스분사 금속분말 제조 공정은 가스제트와 용탕줄기가 매우 근접하기 때문에 분말화 효율은 비교적 우수하나, 45μm 이하의 금속분말을 제조하기에는 생산 수율이 20% 내외로 매우 낮다.
또한, 가스제트가 오리피스에 직접 분사되기 때문에 세라믹 재질의 오리피스가 큰 열충격을 받는 환경에 처해 있어, 오리피스가 파열되고 막히는 조업 사고가 빈번하게 발생한다.
더욱이, 가스분사 금속분말 제조 공정은 산소농도가 매우 작은 구형 분말을 제조할 수 있는 장점이 있으나 45μm 이하의 초미세한 금속분말을 제조하기에는 경제성이 부족해서 부적합하다.
한편, 수분사 금속분말 제조장치의 경우, 용탕유출부 내의 금속용탕이 하부의 오리피스를 통하여 자유 낙하하며 하부에 장착된 워터제트 분사부를 관통하여 용탕줄기가 지나간다. 이때 워터제트 분사부의 하부에는 원형 슬릿 혹은 원형을 따라서 다수의 미세 제트 홀이 가공되어 콘 모양의 고속 워터제트를 분사한다. 이러한 고속 워터제트는 하부의 콘 꼭지점 한 지점에 집중되며 이곳에 용탕줄기와 충돌하여 금속용탕은 미세한 액적으로 분쇄된다. 이후 분쇄된 액적은 분사수에 의해서 응고 및 냉각되어 고상의 금속 분말로 된다.
이러한 워터제트 방식의 금속분말 제조는 가스제트에 비해서 분쇄 충격량이 월등하게 크기 때문에 좀더 미세한 금속분말을 제조하기 용이하다. 그러나, 워터제트의 분사수로 인해서 금속분말이 산화되기 때문에 분말의 최종 산소 농도가 매우 높다는 단점을 가진다.
또한, 워터제트 분사수는 큰 충격량으로 액적을 미세하게 만들 뿐만아니라 냉각 및 응고속도가 너무 커서 분말이 구형화되지 못하고 매우 불규칙한 형상을 갖는다.
더욱이, 금속 3D 프린팅 공정으로 제조된 부품의 물성을 담보하기 위해서는 산소 함유량이 작고 좀 더 구형의 분말이 요구되기 때문에 이러한 수분사 공정으로 제조된 분말은 응용에 한계점을 갖고 있다. 다행히도 수분사 공정으로 제조된 5μm이하의 금속분말은 표면장력 효과 때문에 대체로 구형의 형상을 보이며, 3μm 이하일 경우는 거의 구형의 분말이 된다.
그러므로, 수분사 금속분말 제조공정의 경우 산소 함유량을 감소시키고, 현재 불규칙한 형상을 갖는 10μm 이상의 금속분말에 대해서 구형화시킬 수 있는 혁신적인 기술이 필요하다.
지금까지 상기 가스분사 및 수분사 금속분말 제조공정을 개선하기 위해서 워터제트와 가스제트를 결합하여 새로운 기능을 부여하고자 하는 노력이 있었다. 동일한 종류의 가스제트-가스제트를 결합하거나 혹은 워터제트-워터제트를 결합하여 기존 가스분사 및 수분사 분말 제조 공정을 개선하는 종래기술(특허문헌 0001 내지 특허문헌 0004)이 있었으나 단지 분말 크기를 미세화하는 기술에 국한되었다.
또한, 이종의 액체제트-가스제트를 복합화하여 수분사 및 가스분사 금속분말 제조공정의 단점을 극복하고자 하는 종래기술(특허문헌 0005 및 특허문헌 0006)도 있었으나, 이 또한 금속분말의 산화 방지 및 구형화 기술을 완수하는 것에 미흡했다.
이와 같이, 종래기술에 따르면, 가스분사 금속분말 제조공정의 경우 분말 미세화 효율이 떨어지고, 반면에 수분사 금속분말 제조공정의 경우 분말의 산소 함량(농도)이 과대하며, 구형의 분말을 제조하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 자유 낙하하는 금속 용탕줄기에 비산화성 가스제트와 비산화성 워터제트를 연속적으로 충돌시켜서 금속분말의 산화를 최소화하면서도 미세한 금속분말을 용이하게 제조할 수 있는 금속분말의 제조장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비산화성 가스제트와 비산화성 워터제트의 온도를 제어하여 거의 구형의 미세한 금속분말을 제조할 수 있는 금속분말의 제조장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 특징에 따른 금속분말 제조장치는, 금속용탕을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스를 통해서 상기 금속용탕을 하방을 향해 용탕줄기 형태로 유출하는 용탕유출부; 상기 용탕유출부의 하부에서 낙하하는 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)를 분사하는 가스제트 분사부; 및 상기 가스제트 분사부의 하부에 위치하여 상기 가스제트와 충돌한 상기 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성 워터제트(water jet)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 워터제트 분사부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비산화성 워터제트의 워터는 탈이온수 또는 환원성 전해수일 수 있다. 또한, 상기 비산화성 워터제트의 워터는 알코올이 5% 내지 30% 혼합된 알코올 혼합수일 수 있다. 더욱이, 상기 비산화성 워터제트의 온도는 50℃ 내지 80℃ 범위의 고온일 수 있다.
상기 비산화성 가스제트의 가스는 질소, 아르곤 가스 및 상기 질소와 아르곤 가스 중의 어느 하나에 1% 내지 5%의 수소가스를 혼합한 혼합가스 중 어느 하나일 수 있다. 이 경우, 상기 비산화성 가스제트의 온도는 200℃ 내지 600℃의 고온일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속분말 제조방법은, 금속용탕을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스를 통해서 상기 금속용탕을 하방을 향해 용탕줄기 형태로 유출하는 단계; 상기 유출된 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)를 분사하는 단계; 및 상기 비산화성 가스제트와 충돌한 용탕줄기에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 워터제트(water jet)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 용탕줄기는 일차적으로 비산화성 가스제트와 충돌하여 비산화성 혹은 환원성 분위기를 유지하면서 낙하할 때 비산화성 혹은 환원성 워터제트와 이차적으로 충돌하여 미세한 용탕 액적이 생성되며, 상기 미세한 용탕 액적은 비산화성 혹은 환원성 가스제트 및 비산화성 혹은 환원성 워터제트와 함께 낙하하며 응고되어 금속분말을 형성할 수 있다.
또한, 상기 용탕 액적이 고상으로 응고할 때 구형화 시간을 확보하도록 상기 비산화성 워터제트의 온도를 제어하여 열전도율을 최소화함에 의해 워터제트와 충돌한 상기 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 연장시킬 수 있다.
더욱이, 상기 워터제트의 충돌시 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 연장하여 구형의 금속분말을 형성하도록 상기 비산화성 가스제트의 온도를 승온시켜서 가스제트의 속도를 증가시킴으로써 금속분말의 초미세화를 촉진하고, 고온 분위기를 유지시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 비산화성 가스제트를 용탕줄기와 먼저 충돌시켜서 비산화성(환원성 포함) 분위기를 유지한 후 상기 용탕줄기에 비산화성(환원성 포함) 워터제트를 충돌시키기 때문에 금속분말의 산화를 최대한 방지할 수 있고 금속분말의 초미세화 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 비산화성 워터제트의 온도를 제어하여 열전도율을 최소화하여 워터제트와 충돌한 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 최대화할 수 있어 액적이 고상으로 응고할 때 구형화 시간을 충분하게 확보해 줌으로써 거의 구형의 금속분말을 제조할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 비산화성 가스제트의 온도를 승온시켜서 가스제트의 속도를 증가시킴으로써 금속분말의 초미세화를 촉진하고, 고온 분위기를 유지함으로써 워터제트의 충돌시 용탕 액적의 냉각 및 응고시간이 길어져 거의 구형의 금속분말을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 제조장치를 보여주는 개략 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 각각 본 발명의 비교예 1, 비교예 2, 실시예 2 내지 실시예 4 및 실시예 6에 따라 제조된 금속분말의 형상을 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 2a 내지 도 2f는 각각 본 발명의 비교예 1, 비교예 2, 실시예 2 내지 실시예 4 및 실시예 6에 따라 제조된 금속분말의 형상을 보여주는 전자현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 실시예에 따른 금속분말 제조장치는 자유 낙하하는 금속 용탕줄기에 비산화성(환원성 포함) 가스제트와 비산화성(환원성 포함) 워터제트를 연속적으로 충돌시켜서 금속분말의 산화를 최소화하고 미세한 구형의 금속분말을 용이하게 제조할 있는 금속분말의 제조하기 위한 장치이다.
첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 제조장치를 보여주는 개략 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 제조장치(100)는, 금속용탕(40)을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스(12)를 통해서 상기 금속용탕(40)을 하방을 향해 용탕줄기(42) 형태로 유출하는 용탕유출부(10); 상기 용탕 유출부(10)의 하부에서 낙하하는 용탕줄기(42)에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)(24)를 분사하는 가스제트 분사부(20); 및 상기 가스제트 분사부(20)의 하부에 위치하여 상기 가스제트(24)와 충돌한 상기 용탕줄기(42)에 대하여 고속의 비산화성(非酸化性) 워터제트(water jet)(34)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 워터제트 분사부(30);를 포함할 수 있다.
상기 가스제트 분사부(20)는 하부에 원형 슬릿(slit)(22) 혹은 원형을 따라서 다수의 미세 제트 홀이 가공되어 콘 모양의 고속의 비산화성 가스제트(24)를 분사한다. 이러한 고속의 비산화성 가스제트(24)는 하부의 콘 꼭지점 한 지점에 집중되며 이곳에 용탕줄기(42)와 충돌하여 금속용탕(40)은 미세한 액적으로 분쇄될 수 있다.
또한, 상기 워터제트 분사부(20)의 하부에는 원형 슬릿(32) 혹은 원형을 따라서 다수의 미세 제트 홀이 가공되어 콘 모양의 고속의 비산화성 워터제트(34)를 분사한다. 이러한 고속의 비산화성 워터제트(34)는 하부의 콘 꼭지점 한 지점에 집중되며 이곳에 용탕줄기(42)와 충돌하여 금속용탕(40)은 미세한 액적으로 분쇄될 수 있다. 이후 분쇄된 액적은 분사수에 의해서 응고 및 냉각되어 고상의 금속 분말로 된다.
이하에서, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 제조장치의 작동에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 금속분말 제조장치(100)는 이종의 가스제트-워터제트 복합방식으로 금속용탕으로부터 유출되는 용탕줄기에 가스제트와 워터제트를 순차적으로 충돌시킴에 의해 미세한 용탕 액적을 형성하는 방식으로 금속분말을 형성한다.
먼저, 합금용해부의 용해로 내부에서 합금 원료를 용해하여 금속용탕(40)을 준비하며, 상기 용해로 내부에 배치된 도가니, 즉 용탕 유출부(10) 내의 금속용탕(40)은 하부의 오리피스(12)를 통하여 용탕줄기(42) 형태로 하부로 자유 낙하한다.
상기 오리피스(12)의 하단부에 배치된 가스제트 분사부(20)는 콘 모양의 고속의 비산화성 가스제트(24)를 자유 낙하하는 용탕줄기(42)로 분사한다.
이 경우, 비산화성 가스제트(24)를 용탕줄기(42)와 먼저 충돌시켜서 비산화성 혹은 환원성 분위기를 유지한 후, 상기 용탕줄기(42)에 비산화성 혹은 환원성 워터제트(34)를 충돌시킴에 따라 용탕줄기(42)는 용탕 액적으로 미세화된다. 이러한 용탕 액적은 챔버 하부로 비산화성 혹은 환원성 가스제트(24) 및 비산화성 혹은 환원성 워터제트(34)와 함께 낙하하며 응고되어 금속분말이 된다. 그 결과, 금속분말(44)의 산화를 최대한 방지하면서 초미세화 금속분말을 얻게 된다.
상기 비산화성 가스제트(24)를 위한 분사가스는 질소, 아르곤, 혹은 헬륨 등의 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 이러한 불활성 가스 제트는 용탕줄기(42)에 일차적으로 충돌하여 조대한 용탕 액적을 생성시키며 불활성 가스의 특성으로 용탕 액적의 산화 반응을 억제할 수 있다. 상기 용탕줄기(42)는 불활성 가스 제트와 1차 충돌 후, 비산화성 워터제트(34)가 용탕줄기(42)와 2차 충돌시 이미 형성된 불활성 가스 분위기는 분사수에 의한 용탕 액적의 산화반응을 어느 정도 억제할 수 있다.
또한, 상기 비산화성 워터제트(34)를 위한 분사수는 금속 산화반응 억제력이 우수한 탈이온수, 환원성 전해수, 알코올 혼합수 등을 적용하여, 금속용탕(40)의 액적과 워터제트(34) 사이의 산화 반응을 상당한 수준으로 억제할 수 있다. 이러한 산화반응을 방지하면 최종 금속분말(44)에 함유된 산소 함량(농도)을 최소 수준으로 감소시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 금속분말 제조장치(100)는 비산화성 가스제트(24)의 온도를 200℃ 내지 600℃ 범위로 승온시켜서 가스제트(24)의 속도를 증가시킴으로써 분말 초미세화를 촉진하고, 고온 분위기를 유지함으로써 워터제트(34)의 충돌시 용탕 액적의 냉각 및 응고시간이 길어져 거의 구형의 금속분말(44)을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속분말 제조장치(100)는 비산화성 워터제트(34)의 온도를 50℃ 내지 80℃ 범위로 제어하여 열전도율을 최소화하고 워터제트(34)와 충돌한 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 최대화함으로써 거의 구형의 금속분말(44)을 제조할 수 있다.
이하에 본 발명에 따른 비산화성 가스제트와 비산화성 워터제트의 분사에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 비산화성 가스제트(24)를 위한 분사가스는 질소, 아르곤, 혹은 헬륨 등의 불활성 가스일 수 있다. 이러한 불활성 가스 제트는 용탕줄기(42)에 일차적으로 충돌하여 조대한 용탕 액적을 생성시키며 불활성 가스의 특성으로 용탕 액적의 산화 반응을 억제할 수 있다. 1차 충돌 후, 비산화성 워터제트(34)가 용탕줄기(42)와 2차 충돌시 이미 형성된 불활성 가스 분위기는 분사수에 의한 용탕 액적의 산화반응을 어느 정도 억제할 수 있다.
또한, 상기 비산화성 가스제트(24)를 위한 분사가스는 질소 혹은 아르곤 가스 중의 어느 하나에 1vol% 내지 5vol%의 수소가스를 혼합한 환원성 혼합가스일 수 있다. 이러한 환원성 혼합가스 제트는 용탕줄기(42)에 일차적으로 충돌하여 조대한 용탕 액적을 생성시키며 환원성 가스의 특성으로 용탕 액적의 산화 반응을 용이하게 억제할 수 있다. 1차 충돌 후, 비산화성 워터제트(34)가 용탕줄기(42)와 2차 충돌할 때 이미 형성된 환원성 가스 분위기는 분사수에 의한 용탕 액적의 산화반응을 적극 억제할 수 있다. 수소의 농도가 1vol% 보다 작으면 환원성 분위기 조성이 어려우며, 반면에 수소의 농도가 5vol% 보다 크게 되면 수소에 의한 폭발 및 화재 위험이 크기 때문에 수소 농도의 범위 제한이 필요하다.
더욱이, 상기 비산화성 가스제트(24)의 온도는 200℃ 내지 600℃의 고온일 수 있다. 가스제트(24)의 온도를 증가시키면 가스제트(24)의 분사속도가 급격하게 증가한다. 소량의 분사가스 유량으로도 금속 용탕줄기(42)를 용이하게 분쇄할 수 있으며, 워터제트(34)와 용탕줄기(42)가 충돌할 때 가스 분위기 온도를 높게 유지해 줌으로써 용탕 액적의 응고 시간이 늘어나 최종 금속분말을 구형화시킬 수 있다.
일반적으로 가스제트(24)의 온도가 200℃ 미만이면 가스제트 속도가 상온 가스제트 대비 최대 1.3배 수준에 불과해 가스 속도 증가 효과를 기대하기 어려우며, 600℃ 보다 높은 온도의 가스제트(24)를 적용하는 경우 금속분말 제조장치의 내열 신뢰도와 고온 가스 생성 비용 증가 등의 이유로 현실화가 곤란하다. 600℃ 미만의 가스온도에서도 최대 1.7배의 가스제트 속도 증가를 기대할 수 있으며 액적 용탕의 응고 속도 감소를 통한 금속분말(44)의 구형화에도 충분한 효과를 기대할 수 있다.
상기 비산화성 워터제트(34)는 금속용탕(40)과 충돌하여 액적으로 분말화시킬 때 금속 액적의 표면에 산화층이 생성되는 것을 억제할 수 있어야 한다. 일반적으로 일반용수에 유무기 방청액을 혼합하여 산화를 방지하도록 하나, 금속 액적의산화 반응 억제에 그리 효과적이지 못하며, 최종적으로 방대한 폐수처리에 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명의 경우, 비산화성 워터제트(34)의 분사수는 환경문제를 유발하지 않으며 금속 산화반응 억제력이 우수한 탈이온수, 환원성전해수, 알코올 혼합수 등을 적용할 수 있다.
상기 비산화성 워터제트(34)를 위한 분사수는 이온을 제거한 탈이온수(Deionized Water)일 수 있다. 금속이 순수한 물속에 있을 때 산화되는 경향이 매우 적다. 그러나 물속에 산소가 녹아들어 용존 산소가 있거나 불순물 이온 등이 존재할 때 금속의 산화가 빨라진다. 그러므로 일반용수를 이온교환시켜 내부의 용존 산소를 제거하고 불순물로 존재했던 금속 및 비금속 이온들을 제거한 탈이온수를 워터제트(34)로 적용하면 금속용탕(40)의 액적과 워터제트(34) 사이의 산화 반응을 상당한 수준으로 억제할 수 있다. 이러한 산화반응을 방지하면 최종 금속분말(44)에 함유된 산소 함량(농도)을 최소 수준으로 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 비산화성 워터제트(34)를 위한 분사수는 환원성 전해수(Alkaline Electrolyzed Water)일 수 있다. 물은 항상 수소이온(H+)과 수산이온(OH_)으로 분해하는 성질을 갖고 있기 때문에 미세한 전류가 흐르는 것만으로도 분해되어 음극에서 활성수소가 발생하고, 이어서 수소가스가 발생한다. 일반용수를 전기분해시키면 음극에서 환원성 전해수를 쉽게 얻을 수 있다. 이러한 환원성 전해수는 용존산소가 없으며 활성수소를 갖고 있어 금속의 산화반응을 억제한다. 설령 어떤 이유에서 산소가 유입되더라도 활성수소가 먼저 반응해서 제거하여 주기 때문에 환원성 전해수를 워터제트(34)로 적용하면 금속용탕(40)의 액적과 워터제트(34) 사이의 산화 반응을 상당한 수준으로 억제할 수 있다. 이러한 산화반응을 방지하면 최종 금속분말(44)에 함유된 산소 함량(농도)을 최소 수준으로 감소시킬 수 있다.
더욱이, 상기 비산화성 워터제트(34)을 위한 분사수는 알코올이 5vol% 내지 30vol% 혼합된 혼합수일 수 있다. 물에 알코올을 혼합하여 워터제트(34)를 분사하면 금속용탕(40) 액적과 충돌할 때 분사수 내의 알코올이 휘발하여 용탕 액적의 표면을 먼저 뒤덮게 되어 산소가 반응할 수 없게 됨으로써 용탕 액적 표면의 산화를 억제할 수 있다. 알코올의 농도가 5vol% 보다 작으면 액적 표면에 알코올 증기보다 물이 먼저 접촉할 가능성 높아서 산화 방지 효과가 부족하게 되며, 반면에 알코올 농도가 30vol% 보다 많으면 알코올 휘발량이 너무 많아져 화재나 폭발 위험성이 발생하기 때문에 적용하기 곤란하다.
한편, 상기 비산화성 워터제트(34)의 온도는 50℃ 내지 80℃의 고온일 수 있다. 수분사 금속분말 제조공정에서 금속분말(44)의 형상이 불규칙해지는 것은 분사수의 냉각능이 너무 좋아서 용탕 액적이 급격하게 냉각 및 응고되어 용탕 액적이 표면장력으로 구형화될 시간이 없기 때문이다. 그러므로 워터제트 분사수의 온도를 고온으로 승온하여 분사수의 열전달 능력을 감소시키면 용탕 액적의 응고 시간이 늘어나 최종 금속분말(44)을 구형화시킬 수 있다.
일반적으로 물의 온도가 45℃ 이하이면 냉각능이 우수한 것으로 알려져 있으며, 50℃ 이상이 되면 열전달 능력이 떨어져 냉각능이 나빠진다. 그러나, 분사수의 냉각능을 감소시키기 위해서 온도를 80℃ 보다 높이면 수증기 발생이 과다하게 되어 용탕 액적의 산화 반응이 증가하게 되어 워터제트(34) 적용 온도를 제한하여야 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속분말 제조장치(100)는 비산화성 가스제트(24)를 용탕줄기(42)와 먼저 충돌시켜서 비산화성 혹은 환원성 분위기를 유지한 후, 상기 용탕줄기(42)에 비산화성 혹은 환원성 워터제트(34)를 충돌시키기 때문에 금속분말(44)의 산화 방지 능력 및 분말 초미세화 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 비산화성 워터제트(34)의 온도를 제어하여 열전도율을 최소화하고 워터제트(34)와 충돌한 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 최대화함으로써 거의 구형의 금속분말(44)을 제조할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 비산화성 가스제트(24)의 온도를 승온시켜서 가스제트(24)의 속도를 증가시킴으로써 분말 초미세화를 촉진하고, 고온 분위기를 유지함으로써 워터제트(34)의 충돌시 용탕 액적의 냉각 및 응고시간이 길어져 거의 구형의 금속분말(44)을 제조할 수 있다.
<실시예>
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명은 생략하기로 한다.
SKD11(Fe-1.5C-12Cr-1Mo-0.5V) 냉간공구강 분말을 제조하기 위해서 SKD11 봉재를 유도 용해로에서 50kg씩 용해하였다. 이러한 용탕 유출부(10)의 냉간공구강 용탕의 온도는 1600℃ 수준으로 유지하였으며 하부의 오리피스(12)를 통해 용탕을 배출하였다. 이때 그 하부에 장착된 가스제트 분사부(20)와 워터제트 분사부(30)에서 비산화성 가스제트(24)와 비산화성 워터제트(34)를 분사시켜, 미세한 용탕 액적을 생성하고, 비산화성 가스제트(24)와 비산화성 워터제트(34)와 함께 낙하하여 응고된 금속분말을 얻었다.
금속분말 제조에 있어서 오리피스(12)의 내경은 4.5mm이며, 가스제트 분사부(20)의 분사가스 압력은 20Bar, 분사 유량은 8m3/분을 적용하고, 워터제트 분사부(30)의 분사수 압력은 900Bar, 분사수 유량은 135 Liter/분을 적용하였다.
일반적으로 가스분사 분말 제조공정의 경우 분사압력은 10 내지 50Bar, 분사유량은 20 내지 30m3/분을 사용하며, 반면에 수분사 분말 제조공정의 경우 분사압력은 600 내지 1200Bar, 분사유량은 150 내지 400 Liter/분을 사용한다. 본 발명의 경우 가스제트(24)와 워터제트(34)를 함께 적용하기 때문에 분사가스 및 분사수의 유량이 종래 공정에 비해서 매우 작은 것이 장점이다.
상기 조건의 금속분말 제조 시험에서 하기 표 1에 기재된 바와 같이, 비교예 1은 종래의 일반용수 워터제트 분말 제조공정을 적용하고, 비교예 2는 종래의 질소 가스제트 + 일반용수 워터제트 분말 제조공정을 적용하며, 본 발명에 따른 실시예 1은 질소 가스제트 + (물 + 10% 알코올) 혼합수 워터제트 분말 제조공정을 적용하고, 실시예 2는 질소 가스제트 + 탈이온수 워터제트 분말 제조공정을 적용하며, 실시예 3은 질소 가스제트 + 환원성 전해수 워터제트 분말 제조공정을 적용하고, 실시예 4는 질소 가스제트 + 환원성 전해수(65℃ 승온) 워터제트 분말 제조공정을 적용하며, 실시예 5는 (질소 + 4% 수소) 가스제트 + 환원성 전해수 워터제트 분말 제조공정을 적용하고, 실시예 6은 질소(450℃ 승온) 가스제트 + 환원성 전해수 워터제트 분말 제조공정을 적용하였다.
상기 분말 제조공정을 적용하여 얻어진 금속분말에 대하여 금속분말의 산소농도와 겉보기 밀도를 측정하여 표 1에 나타냈으며, 도 2a 내지 도 2f에 비교예 1, 비교예 2, 실시예 2 내지 실시예 4, 실시예 6의 금속분말의 형상을 알 수 있도록 전자현미경 조직사진을 도시하였다.
| 구분 | 가스제트 종류 |
가스온도 (℃) |
워터제트 종류 |
워터 온도 (℃) |
산소 농도 (wt%) |
겉보기 밀도 (g/㎤) |
| 비교예 1 | - | - | 일반용수 | 상온 | 2.15 | 2.59 |
| 비교예 2 | 질소 | 상온 | 일반용수 | 상온 | 0.67 | 2.88 |
| 실시예 1 | 질소 | 상온 | 물+10%알코올 | 상온 | 0.38 | 3.23 |
| 실시예 2 | 질소 | 상온 | 탈이온수 | 상온 | 0.21 | 3.48 |
| 실시예 3 | 질소 | 상온 | 환원성 전해수 | 상온 | 0.14 | 3.51 |
| 실시예 4 | 질소 | 상온 | 환원성 전해수 | 65 | 0.15 | 3.68 |
| 실시예 5 | 질소+4%수소 | 상온 | 완원성 전해수 | 상온 | 0.09 | 3.52 |
| 실시예 6 | 질소 | 450 | 환원성 전해수 | 상온 | 0.12 | 3.74 |
금속분말의 겉보기 밀도는 분말 형상이 구형화됨에 따라 커지기 때문에 금속분말의 구형화 정도를 알 수 있는 척도이다. 각 조건에서 제조된 금속분말의 평균입도는 19μm 내지 23μm 사이로 거의 동등한 수준으로 평가되었으나, 분말 제조 조건에 따라 금속분말의 산소 농도와 형상은 큰 차이가 나타났다.
일반용수의 워터제트를 적용한 비교예 1의 경우 산소농도가 2.15wt%로 매우 높으며, 분말 형상은 도 2a에 도시된 바와 같이 매우 불규칙한 형태를 보이고 있다. 또한, 가스제트(질소) + 일반용수 워터제트의 복합분사를 적용한 비교예 2의 경우 산소 농도가 감소하고 겉보기 밀도는 증가하나 산소 농도가 0.67wt%로 산업적으로 사용하기에는 부적합하며 도 2b에 도시된 바와 같이 금속분말의 형태 또한 상당히 불규칙한 모양을 보이는 것으로 나타났다.
반면에 비산화성 가스제트(질소) + 비산화성 워터제트를 적용하는 실시예 1 내지 실시예 6에서는 산소 농도(함량)가 큰 폭으로 감소된 것을 알 수 있다. 산소 농도 감소 능력은 환원성 전해수, 탈이온수, 알코올 혼합수(물+10% 알코올) 순으로 우수한 것으로 분석되며, 산소 농도(함량)를 0.09wt%(실시예 5 참조)까지 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 산업적 적용 측면에서 매우 유용한 산소함량 수치이다.
특히, 실시예 4와 실시예 6과 같이 워터제트의 온도를 65℃로 승온시키거나 가스제트의 온도를 450℃로 승온시키는 경우, 도 2e 및 도 2f에 도시된 바와 같이, 금속분말 구형화에 많은 도움이 되는 것으로 나타났다. 상기한 결과는 금속분말의 구형화가 상당히 진행되었으며, 겉보기 밀도 또한 비교예 1 및 비교예 2와 비교하여 상승하는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 금속분말의 산화를 최소화하고 미세한 구형의 금속분말을 용이하게 제조할 있는 금속분말의 제조에 적용될 수 있다.
10: 용탕유출부 12: 오리피스
20: 가스제트 분사부 22,32: 슬릿
24: 가스제트 30: 워터제트 분사부
34: 워터제트 40: 금속용탕
42: 용탕줄기 44: 금속분말
100: 금속분말 제조장치
20: 가스제트 분사부 22,32: 슬릿
24: 가스제트 30: 워터제트 분사부
34: 워터제트 40: 금속용탕
42: 용탕줄기 44: 금속분말
100: 금속분말 제조장치
Claims (10)
- 금속용탕을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스를 통해서 상기 금속용탕을 하방을 향해 용탕줄기 형태로 유출하는 용탕 유출부;
상기 용탕 유출부의 하부에서 낙하하는 용탕줄기에 대하여 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)를 분사하는 가스제트 분사부; 및
상기 가스제트 분사부의 하부에 위치하며 상기 가스제트와 충돌한 상기 용탕줄기에 대하여 비산화성 워터제트(water jet)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 워터제트 분사부;를 포함하고,
상기 가스제트 분사부와 워터제트 분사부의 배치에 의해, 상기 용탕줄기에 대해 비산화성 가스제트와 비산화성 워터제트가 순차적으로 분사되며,
상기 비산화성 가스제트의 가스는 질소 가스, 아르곤 가스, 및 질소 가스와 아르곤 가스 중 어느 하나에 1vol% 내지 5vol%의 수소 가스를 혼합한 혼합가스 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 비산화성 워터제트는 탈이온수, 환원성 전해수, 및 알코올 혼합수 중에서 선택되는 어느 하나인 금속분말 제조장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 비산화성 워터제트의 온도는 50℃ 내지 80℃ 범위인 금속분말 제조장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 비산화성 가스제트의 온도는 200℃ 내지 600℃ 범위인 금속분말 제조장치. - 금속용탕을 내부에 저장하고, 그 하부에 장착된 오리피스를 통해서 상기 금속용탕을 하방을 향해 용탕줄기 형태로 유출하는 단계;
상기 유출된 용탕줄기에 대하여 비산화성(非酸化性) 가스제트(gas jet)를 분사하는 단계; 및
상기 비산화성 가스제트와 충돌한 상기 용탕줄기에 대하여 탈이온수, 환원성 전해수, 및 알코올 혼합수 중에서 선택되는 어느 하나의 비산화성 워터제트(water jet)를 분사하여 미세한 용탕 액적을 생성하는 단계;를 포함하고,
상기 비산화성 가스제트의 가스는 질소 가스, 아르곤 가스, 및 질소 가스와 아르곤 가스 중 어느 하나에 1vol% 내지 5vol%의 수소 가스를 혼합한 혼합가스 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 용탕줄기는 일차적으로 비산화성 가스제트와 충돌하여 비산화성 혹은 환원성 분위기를 유지하면서 낙하할 때 비산화성 혹은 환원성 워터제트와 이차적으로 충돌하여 미세한 용탕 액적이 생성되며,
상기 미세한 용탕 액적은 비산화성 혹은 환원성 가스제트 및 비산화성 혹은 환원성 워터제트와 함께 낙하하며 응고되어 금속분말을 형성하는 금속분말 제조방법. - 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 용탕 액적이 고상으로 응고할 때 구형화 시간을 확보하도록 상기 비산화성 워터제트의 온도를 제어하여 열전도율을 최소화함에 의해 워터제트와 충돌한 상기 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 연장시키는 금속분말 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 워터제트의 충돌시 용탕 액적의 냉각 및 응고시간을 연장하여 구형의 금속분말을 형성하도록 상기 비산화성 가스제트의 온도를 승온시켜서 가스제트의 속도를 증가시킴으로써 금속분말의 초미세화를 촉진하고, 고온 분위기를 유지시키는 금속분말 제조방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020220002746A KR102651086B1 (ko) | 2022-01-07 | 2022-01-07 | 비산화성 워터제트 적용 금속분말 제조장치 및 그 방법 |
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ID=87430257
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|---|---|
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