KR20020014359A - 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법 - Google Patents

급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 준안정성 구조를 구비하는 미세결정질 및 비정질 상태 금속 및 합금의 금속 극세선을 용이하게 추출하고, 용융금속의 온도를 엄밀하게 제어하며, 단시간내에 대량생산하여 생산효율을 증대시킬 수 있는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 원료금속을 도가니에 장입하는 단계와; 이중챔버내를 진공수단에 의해 진공분위기로 유지하는 단계와; 상기 도가니내 장비된 원료금속을 가열수단에 의해 급속 가열·용융시키는 단계와, 상기 급속 가열·용융된 도가니내 용융금속의 온도를 적외선 온도감지부를 통해 측정하여 소정의 온도로 유지·조절하는 단계와; 상기 도가니 및 가열수단을 도가니 승강수단에 의해 디스크방향으로 상승시키는 단계와; 상기 도가니 승강수단에 의해 상승되는 도가니 및 가열수단의 상승속도에 따라 디스크의 회전속도를 작동·조절하는 단계와; 상기 회전되는 디스크에 도가니내 용융금속이 일정하게 직접 접촉되도록 연속공급하여 직경 10㎛∼200㎛ 범위의 금속극세선을 추출하는 단계와; 상기 추출되는 금속 극세선이 급속냉각되는 단계로 이루어진 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법을 제공함에 있다.

Description

급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법{Manufacturing method for metal filament using quick solidification}
본 발명은 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법에 관한 것으로, 용융상태인 원료금속에 고속으로 회전하는 디스크를 일정 깊이로 접촉시켜 미세결정질 또는 비정질의 금속 극세선을 제조하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 급속응고법은 액상금속을 가스, 액체 또는 원심력을 이용하여 102∼ 106K/sec의 속도로 급냉 시켜 합금분말, 비정질 금속 등을 제조하는 공정으로 고강도, 내마모, 내열성, 내식성 등의 탁월한 특성을 지닌 신소재 제조에 사용되고 있으며, Al분말 및 Mg분말 등의 제조, 압출, 단조, 압연분야; Al세선 및 스텐레스 세선등의 금속극세선 제조분야; Fe-Si합금 및 Al합금등의 극박판 제조분야; 스텐레스강 합금 및 Bimetal등의 박판 제조분야; Al합금 및 Cu합금 등의 금형주조 분야; Al합금 및 복합재료 등의 용탕단조 분야; Al 및 Fe등의 자원 재활용 분야등에 활용되고 있다. 또한, 급속응고시에는 고상 용해도가 증가되고, 결정입자(grain)가 미세화되며, 편석된 상의 수와 크기 둘 다 감소하게 됨과 동시에 새로운 비평형 합금상의 생성된다. 그러므로, 새로운 기능을 부여한 신소재의 연구개발과 가공기술의 개발을 통하여 산업에 실용화 함으로써 국내 소재산업 및이에 관련된 주변 사업의 대외 의존도를 줄이고 국제 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술이다.
종래에는 금속 극세선을 제조하기 위하여 기계적인 인발에 의한 군집인발 방법과 반복인발 방법, 그리고 급속응고법 등이 이용되고 있었다. 그러나 상기 인발 방법의 경우 직경 수십 ㎛ 이하의 금속 극세선을 제조하기 위해서는 수십 회 이상의 인발을 반복해야 하는 단점뿐만 아니라, 인발 방법상의 특성으로 인해 제조된 금속 극세선의 경우 표면에 불순물이 침투할 가능성이 높고, 인발 공정시 형성되는 흠집 및 표면산화 등으로 인해 고품질의 극세선 제조가 어려운 문제점이 있었다.
현재에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 액상금속에서 금속 극세선을 직접 제조하는 급속응고법이 많이 사용되고 있으며, 급속응고법에 의해 제조된 금속 극세선은 인발법에 의해 제조되는 금속 극세선과 비교하여 균일한 굵기 제어 등의 어려움은 존재하지만, 인발 공정으로는 불가능한 단 1회의 공정으로 수십 ㎛의 금속 극세선을 제조할 수 있다. 현재까지 개발된 급속응고법에 의한 금속 극세선 제조방법으로는 용융금속을 미세한 노즐을 통하여 냉매인 액체 중에 분사시켜 용융 금속의 액적화를 방지함과 동시에 급속응고시켜 금속 극세선을 제조하는 얼라이드 케미컬 프로세서(Allied Chemical Process), 용융금속의 젯트류을 고속회전하는 평면, 오목면 또는 볼록면의 원판상 또는 원통상의 냉각된 드럼에 분사하여 금속 극세선을 제조하는 젯(Jet) 급냉법, 액상금속을 냉매인 기체 중이나 액체 중으로 분사시켜 금속류가 액적화하는 것을 방지하여 급속응고시킨 금속 극세선을 권취하여 제조하는 프리-플라이트 멜트 스피닝(Free-Flight Melt Spinning), 금속막대의 끝단을 부분적으로 용융시켜 물방울 형태의 액적을 형성한 후 이 액적을 고속으로 회전하는 디스크에 접촉시켜 금속 극세선을 제조하는 PDME (Pendant Drop Melt Extraction), 용융금속의 표면을 고점성을 지닌 유리질로 피복시켜, 유리질의 점성을 이용하여 금속 극세선을 권취하는 유리질 피복 용융 방사법(Taylor Process)등이 있다.
상기 급속응고를 이용한 금속섬유 제조방법중 가장 널리 사용되고 있는 방법은 러시아에서 개발된 PDME 방법으로, 생산성과 제조원가면에서 가장 유리하며, 고주파 유도코일을 이용하여 금속막대의 끝단을 부분적으로 용융시키도록 되어 있다.
그러나 상기 PDME 방법은 고주파 유도코일을 이용하여 금속막대를 가열하기 때문에 유도가열되는 금속막대의 온도를 단순히 출력만으로 제어하기 곤란할 뿐만 아니라 순간적인 온도의 변동이 심하고, 용융금속의 온도를 측정하기 위해 열전대를 사용할 경우, 유도코일에 의해 발생되는 자기장과 고주파로 인하여 열전대의 오작동이 유발될 수 있었다. 또한, 광학적인 방법으로 온도를 측정하고자 하는 경우에는 용융금속이 유도코일에 의해 차단되기 때문에 측정할 수 있는 부위가 극히 한정되는 문제점이 있었다.
또한, 주변장치 및 디스크 회전에 의해 발생되는 진동과 순간적인 온도변동의 영향으로 유도코일 내부에 있던 용융금속이 자중을 극복하지 못하고 용락되어 용융금속의 공급이 안정적이지 못하게 되고 이로인해 생산효율을 저하되는 등 여러 가지 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 준안정성 구조를 구비하는 미세결정질 및 비정질 상태 금속 및 합금의 금속 극세선을 용이하게 추출하고, 용융금속의 온도를 엄밀하게 제어하며, 단시간내에 대량생산하여 생산효율을 증대시킬 수 있는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 원료금속을 도가니에 장입하는 단계와; 이중챔버내를 진공수단에 의해 진공분위기로 유지하는 단계와; 상기 도가니내 장비된 원료금속을 가열수단에 의해 급속 가열·용융시키는 단계와, 상기 급속 가열·용융된 도가니내 용융금속의 온도를 적외선 온도감지부를 통해 측정하여 소정의 온도로 유지·조절하는 단계와; 상기 도가니 및 가열수단을 도가니 승강수단에 의해 디스크방향으로 상승시키는 단계와; 상기 도가니 승강수단에 의해 상승되는 도가니 및 가열수단의 상승속도에 따라 디스크의 회전속도를 작동·조절하는 단계와; 상기 회전되는 디스크에 도가니내 용융금속이 일정하게 직접 접촉되도록 연속공급하여 직경 10㎛∼200㎛ 범위의 금속극세선을 추출하는 단계와; 상기 추출되는 금속 극세선이 급속냉각되는 단계로 이루어진 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법을 제공함에 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 제조공정을 보인 블록도
도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 장치예시도
도 3 은 본 발명의 메탈 필라멘트 제조원리를 보인 예시도
도 4 는 본 발명에 따라 제조된 금속(스테인레스강) 극세선 예시도
도 5 는 본 발명에 따라 제조된 금속(구리) 극세선 예시도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1) : 가열수단 (2) : 용융금속
(3) : 도가니 승강수단 (4) : 이중챔버
(5) : 진공수단 (6) : 디스크
(7) : 디스크 구동수단 (8) : 도가니
도 1 은 본 발명에 따른 제조공정을 보인 블록도를, 도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 장치예시도를, 도 3 은 본 발명의 메탈 필라멘트 제조원리를 보인 예시도를, 도 4 는 본 발명에 따라 제조된 금속 극세선 예시도를, 도 5 는 본 발명에 따라 제조된 금속(구리) 극세선 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 원료금속의 용융과 온도유지를 위한 가열수단(1)과, 상기 용융금속(2)을 공급하기 위한 도가니 승강수단(3)과, 이중챔버(4)내의 진공분위기 유지를 위한 진공수단(5)과, 상기 이중챔버(4)내에 설치된 디스크(6)를 고속회전시키는 구동수단(7)과, 상기 가열수단(1), 도가니 승강수단(3), 진공수단(5), 디스크 구동수단(7)등을 제어하는 제어수단(도시없음)으로 구성되어, 진공분위기 또는 불활성 분위기에서 저항가열 또는 유도가열등의 가열수단(1)에 의해 소정의 온도로 금속을 용융시키고, 용융금속(2)이 장입되어 있는 도가니(8)를 도가니 승강수단(3)에 의해 소정의 속도로 상승시켜 내부를 순환하는 냉각수로 냉각함과 동시에, 고속으로 회전하는 디스크(6)와 용융금속(2)의 직접 접촉에 의해 소정 직경의 금속 극세선을 추출함과 동시에 급속냉각하도록 되어 있다.
상기 디스크(6)는 용융금속(2)에 직접 접촉되는 것으로, 모터등에 의해 회전·작동되고, 열전도도가 높은 구리합금계 재질의 것을 사용하였으며, 디스크 내부에 냉각수가 순환되도록 되어 있으며, 고속으로 회전하는 디스크(6)를 용융금속(2)에 최적의 깊이로 접촉시키기 위하여 도가니 승강수단(3)을 이용하여 일정한 소정의 속도로 도가니(8)를 상승시켜 균일한 직경의 금속 극세선을 제조하도록 되어 있다. 상기 도가니 승강수단(3)은 직류모터와 구동기어등을 이용하며, 디스크 구동수단(7)에 의해 작동되는 디스크(6)는 진동이 0.005㎜ 이하가 되도록 유지한다.
또한, 상기 이중챔버(4)내를 진공분위기 또는 불활성분위기로 유지하여 고속으로 회전하는 디스크(6)에 의해 용융금속(2)으로부터 추출되어 나오는 금속 극세선의 산화를 방지하였으며, 챔버의 이중 벽 내부로 냉각수를 순환시켜 원활한 챔버 냉각과 밀폐성을 향상시켰다. 이때 상기 진공수단(5)은 진공펌프등을 이용한다.
상기 도가니(8)는 용융금속(2)이 도가니(8)내에 장시간 장입된 상태를 유지할 경우, 발생될 수 있는 용융금속(2)과 도가니(8)와의 반응에 의한 용융금속 성질의 변화를 방지하기 위하여 질화보론 재질의 도가니를 사용한다. 즉, 내열금속 재질의 도가니들은 용융금속과 심하게 반응하고, 알루미나, 마그네시아등 세라믹 재질의 도가니들은 열충격에 매우 취약하였으나, 질화보론 재질의 도가니는 열충격에도 강하였으며 진공분위기에서 스테인레스강을 용융시킨 후 2,000℃ 이상의 온도에서 수 시간 이상 장시간 방치하여도 용융금속과의 반응이 발생되지 않았다.
본 발명은 원료금속을 먼저 도가니(8)에 장입하고, 진공펌프등의 진공수단(5)을 가동하여 이중챔버(4)내부가 10-3torr 정도의 진공도를 유지하도록 한 다음, 필요에 따라 불활성 가스를 이중챔버(4) 내부로 흘려준다. 유도가열 및 저항가열 방식등의 가열수단(1)에 의해 도가니(8)내의 원료금속을 급속 가열·용융시키고 적외선 온도감지부(도시없음)를 이용하여 용융금속을 최고 2,500℃ 이하의 소정의 온도로 일정하게 유지시킨다. 이때 도가니(8)는 2000℃ 이상의 고온에서도 열적 안정성이 우수하고 용융금속과의 반응성이 없는 질화보론 재질의 것을 사용한다. 일정한 온도로 유지된 용융금속이 장입되어 있는 도가니(8) 및 가열수단(1)을도가니 승강수단(3)을 이용하여 10-5∼ 3600mm/hr 범위내에서 소정의 가동속도로 상승시킨다. 이때 상기 도가니(8)의 상승속도를 디스크 구동수단(7)에 의해 1000 ∼ 3000 RPM 범위내의 소정 회전속도로 회전하고 있는 디스크(6)에 용융금속이 일정깊이로 직접 접촉하도록 일정한 속도로 공급시켜주면, 용융금속(2)에 접촉되는 디스크(6)의 회전에 의해 10㎛∼200㎛ 범위의 고품질 금속 극세선이 추출된다.
상기 추출되는 금속 극세선은 내부에 순환되는 냉각수에 의해 냉각되는 디스크(6)에 의해 추출과 동시에 100백만℃/초 이상의 냉각속도로 급속 냉각되게 되며, 이중챔버(4)내에의 일측공간에 저장된다.
또한, 상기 용융금속에 직접 접촉되는 디스크(6)의 회전날 에지에 소정의 간격으로 요홈을 형성하면, 형성되는 요홈의 길이에 따라 다양한 길이의 단섬유 형태의 금속 극세선이 추출되며, 요홈을 형성하지 않을 경우, 회전되는 디스크에 의해 장섬유 형태의 금속 극세선이 추출된다. 또한, 상기 용융금속에 직접 접촉되는 디스크를 1 개 이상 사용할 경우, 설치된 디스크의 수에 따라 다수개의 금속 극세선이 동시에 추출되게 된다.
이하 본 발명과 PDME 방법의 비교분석을 표 1 에 도시하였다.
제조방법항 목 CME 방법 PDME 방법
열 원 다양화 가능 다양화 곤란
온도제어 쉬 움 어 려 움
Melt공급 안 정 불 안 정
설비조작 간 단 복 잡
생산효율 고 효 율 저 효 율
극세선 품질 우 수 보 통
경 제 성 높 음 낮 음
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 용융상태인 원료금속에 고속으로 회전하는 디스크를 일정깊이로 접촉시켜 미세결정질 또는 비정질의 금속 극세선을 제조하도록 되어 있어, 일반적인 인발법으로 직경 수십 ㎛ 이하의 금속 극세선을 제조할 시 수십 회 이상 인발을 반복하던 것을 단 1회의 공정에 의해 다량의 금속 극세선을 제조하므로, 생산성과 경제성을 극대화할 수 있다.
또한, 급속응고 방법으로 제조되는 금속 극세선은 금속의 결정이 극미세화되거나 비정질화 되는데, 이러한 경우 일반적인 주조법과 소성가공법으로 제조되는 벌크 금속 또는 인발법으로 제조되는 금속 극세선과 비교하여 매우 우수한 기계적, 물리적, 화학적 특성을 가진다.
또한, 요구되는 성능과 사용분야에 따라 도가니의 상승속도, 디스크의 회전속도, 용융금속의 온도등 제조조건을 적절하게 변화시킴으로써 다양한 직경의 미세결정질 및 비정질의 금속 극세선을 용이하게 제조할 수 있으며, 고속회전 디스크의 형상에 따라 금속 극세선의 길이와 단면 모양의 조절이 가능하다.
즉, 본 발명은 안정적으로 공급되는 용융금속과 고속회전 디스크의 직접접촉및 높은 냉각속도에 의해 준안정성 구조를 가지는 미세결정질 및 비정질 상태 금속 및 합금의 금속 극세선을 용이하게 추출할 수 있으며, 용융금속의 온도가 엄밀하게 제어되고 금속 극세선 제조가 진공 분위기 또는 불활성 분위기에서 진행되기 때문에, 특별한 목적의 기능성들이 요구되는 다양한 재질의 고품질 금속 극세선을 단시간 내에 대량으로 제조할 수 있으며, 이로인해 생산효율이 매우 높아 생산원가를 절감하고, 금속 극세선을 이용한 관련 제품의 성능을 향상할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 원료금속을 도가니에 장입하는 단계와;
    이중챔버내를 진공수단에 의해 진공분위기로 유지하는 단계와;
    상기 도가니내 장비된 원료금속을 가열수단에 의해 급속 가열·용융시키는 단계와;
    상기 급속 가열·용융된 도가니내 용융금속의 온도를 적외선 온도감지부를 통해 측정하여 소정의 온도로 유지·조절하는 단계와;
    상기 도가니 및 가열수단을 도가니 승강수단에 의해 디스크방향으로 상승시키는 단계와;
    상기 도가니 승강수단에 의해 상승되는 도가니 및 가열수단의 상승속도에 따라 디스크의 회전속도를 작동·조절하는 단계와;
    상기 회전되는 디스크에 도가니내 용융금속이 일정하게 직접 접촉되도록 연속공급하여 직경 10㎛∼200㎛ 범위의 금속극세선을 추출하는 단계와;
    상기 추출되는 금속 극세선이 급속냉각되는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
  2. 원료금속을 도가니에 장입하는 단계와;
    이중챔버내를 진공수단에 의해 진공분위기로 유지하는 단계와;
    상기 진공분위기를 유지하는 이중챔버내로 불활성기체를 넣어 불활성분위기를 유지하는 단계와;
    상기 도가니내 장비된 원료금속을 가열수단에 의해 급속 가열·용융시키는 단계와;
    상기 급속 가열·용융된 도가니내 용융금속의 온도를 적외선 온도감지부를 통해 측정하여 소정의 온도로 유지·조절하는 단계와;
    상기 도가니 및 가열수단을 도가니 승강수단에 의해 디스크방향으로 상승시키는 단계와;
    상기 도가니 승강수단에 의해 상승되는 도가니 및 가열수단의 상승속도에 따라 디스크의 회전속도를 작동·조절하는 단계와;
    상기 회전되는 디스크에 도가니내 용융금속이 일정하게 직접 접촉되도록 연속공급하여 직경 10㎛∼200㎛ 범위의 금속극세선을 추출하는 단계와;
    상기 추출되는 금속 극세선이 급속냉각되는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 이중챔버내부는 10-3torr 진공도로 유지되는 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 도가니내의 용융금속온도는 최고 2500℃ 이하의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 도가니 및 가열수단은 10-5∼3600㎜/hr 범위내에서 상승되는 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 디스크는 1000 ∼ 3000 rpm 범위내에서 회전되는 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 추출된 금속 극세선은 106℃/sec 이상으로 급속·냉각시키는 것을 특징으로 하는 급속응고를 이용한 메탈 필라멘트 제조방법.
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