KR20090066433A - 비정질 합금 분말 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

급냉응고를 통해 비정질 합금의 금속 분말을 고속으로 제조할 수 있도록, 금속판재를 용융 절단하여 금속입자를 생성하는 절단부와, 상기 절단부에 의한 금속판재 절단과정에서 생성된 용융 금속 입자를 급냉시키는 비정질화하는 냉각부를 포함하는 비정질 합금 분말 제조장치를 제공한다.
Figure P1020070133952
레이저빔, 판재, 용융, 구리관다발

Description

비정질 합금 분말 제조장치 및 그 제조방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING AMORPHOUS PARTICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 금속 입자를 비정질화하는 제조 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 초 미세 집광 레이저 빔을 이용하여 금속 합금을 초고속으로 용융 입자화하고 급속냉각하여 금속 입자를 비정질화하는 비정질 합금 분말 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비정질 합금을 제조하기 위해서는 용융 금속의 급냉이 요구된다. 일반 합금의 경우 냉각 속도는 10-5초 정도로 엄청난 냉각 속도에 도달되어야만 금속의 비정질이 이루어진다. 이러한 급냉 공정이 없이는 비정질 제조가 불가능하기 때문에 급냉 공정 자체가 핵심 기술이라고 할 수 있다. 통상 비정질에 도달하는 급냉 시간을 얻기 위해서는 용융상태의 금속을 열전도도가 높은 구리(Cu) 표면에 부착시킴으로써 냉각 속도를 향상시킬 수 있지만 수십 ~ 수백 마이크론 두깨로 그 한계가 있다.
또다른 냉각 공정으로는 Au-Si 합금을 급냉 응고시킴으로써 비정질 금속을 얻는 공정이 있으며, 이어 피스턴-앤빌법도 고안되고, 더욱 토션카타펄트법이라는 토숀(torsion)에 의해 튕겨날려 충돌 급냉시키는 방법도 알려져 있다.
이들 방법은 스플랫 쿨링(splat cooling)이라고 총칭되지만 어느 것이나 얻어지는 비정질 시료는 부정형의 작은 얇은 편상의 것이었다.
그러나 그 후에 증본에 의해 원심급냉법이 개발되고 또 고속 로울러에 의한 급냉압연법 등이 고안되어 테이프상의 시료가 얻어지게 되어 공학적 성질의 측정도 가능하게 되었다.
급냉 응고에 의해 금속 분말을 제조할 경우에는 첫째 용질원소의 과포화 고용한이 증가하고, 둘째 상태도에 나타나 있지 않은 비정질 및 준안정상의 제조가 가능하며, 셋째 결정입도가 미세화될 뿐아니라 넷째, 편석이 없는 균일한 조직을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 상기한 급냉응고에 의한 금속 분말의 제조가 요구되고 있는 실정이다.
이에 급냉응고를 통해 비정질 합금의 금속 분말을 고속으로 제조할 수 있도록 된 비정질 합금 분말 제조장치 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 구성이 간단하여 제조가 용이하고 운전이 경제적이어서 비정질 합금의 금속 분말 제조 원가를 낮출 수 있도록 된 비정질 합금 분말 제조장치 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 비정질 합금의 금속 분말의 미세 입도별 구분이 가능하여 금속 분말의 품질을 높이고 산업계의 활용도를 높일 수 있는 비정질 합금 분말 제조장치 및 그 제조방법을 제공한다.
이를 위해 본 비정질 합금 분말 제조장치는 금속판재를 용융 절단하여 금속입자를 생성하는 절단부와, 상기 절단부에 의한 금속판재 절단과정에서 생성된 용융 금속 입자를 급냉시키는 비정질화하는 냉각부를 포함할 수 있다.
또한, 본 장치는 상기 냉각부를 거쳐 냉각된 미세 금속 입자를 입자 크기별로 분류하기 위한 분류부를 더욱 포함할 수 있다.
이와같이 금속판재를 용융 절단하면서 금속을 용융 입자화하고 이를 급속 냉각시킴으로써 금속 입자를 비정질화하게 되는 것이다.
여기서 상기 절단부는 레이저빔에 의한 고속 절단 구조일 수 있다.
또한, 상기 냉각부는 상기 금속판재의 용융절단이 이루어지는 극저온 분위기 챔버를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각부는 상기 용융 금속 입자가 통과되는 구리관 다발을 더 포함할 수 있다.
이에 상기 금속판재로부터 용융 분출되는 금속 입자는 구리관을 통과하면서 비정질화 한계 급냉 시간까지 도달되어 질 수 있는 것이다.
한편, 본 비정질 합금 분말 제조방법은 금속 판재를 용융 절단하여 용융 금속 입자를 생성하는 단계와, 분출된 금속입자를 극저온 챔버 내에서 구리관을 통과시켜 급냉하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 제조방법은 금속 판재 절단시 불활성가스를 분사하여 용융시 발생된 금속 입자를 분출하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 본 제조 방법은 상기 급냉단계를 거쳐 제조된 금속 입자를 크기별로 분류하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
이와 같이 본 장치에 의하면, 급냉응고를 통해 비정질 합금의 금속 분말을 고속으로 제조할 수 있게 된다.
제조장치의 구성이 간단하여 제조가 용이하고 운전이 경제적이어서 비정질 합금의 금속 분말 제조 원가를 낮출 수 있다.
비정질 합금의 금속 분말의 미세 입도별 구분이 가능하여 금속 분말의 품질을 높이고 산업계의 활용도를 높일 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
도 1은 본 실시예에 따른 비정질 합금 분말 제조장치의 구성을 도시한 개략적인 도면이고, 도 2는 본 제조장치의 일부 구성을 도시한 사시도이다.
상기 도면에 의하면, 본 제조장치는 금속판재(100)를 용융 절단하여 금속 입자를 생성하는 절단부와, 상기 절단부에 의한 금속판재(100) 절단과정에서 생성된 용융 금속 스패터(spatter) 입자를 급속 냉각시켜 비정질화 하기 위한 냉각부 및 상기 냉각부를 거쳐 냉각된 미세 금속 입자를 입자 크기별로 분류하기 위한 분류부를 포함한다.
본 실시예에서 상기 금속판재(100)의 절단은 레이저빔을 이용하여 고속으로 절단하는 구조로 되어 있다.
이를 위해 상기 절단부는 레이저빔을 발진하기 위한 레이저발진기(10)와, 레 이저발진기(10)로부터 생성된 레이저빔을 금속판재(100)에 조사하기 위한 빔헤드(11) 내에 설치되어 레이저빔을 금속판재(100)에 집광하기 위한 집광렌즈(12), 상기 빔헤드(11) 선단을 통해 금속판재(100)의 집광부(S)로 불활성가스를 분사하여 용융된 금속을 분출할 수 있도록 상기 빔헤드(11) 일측에 연결설치되는 불활성가스관(13)을 포함한다.
이에 따라 레이저빔이 금속판재(100)에 집광되면서 금속판재(100)가 용융되고 이때 상기 빔헤드(11) 선단을 통해 분사되는 불활성가스에 의해 용융 스패터가 분출되면서 입자화된다.
그리고 입자화된 금속판재(100)의 용융 스패터는 상기 냉각부를 거치면서 급냉된다. 이를 위해 상기 냉각부는 상기 금속판재(100)의 용융절단이 이루어지는 극저온 분위기 챔버(20)와, 상기 금속판재(100)에 근접설치되어 상기 절단부에 의해 용융되어 분출되는 용융 금속 입자가 통과되는 구리관 다발(30)을 포함한다.
여기서, 상기 레이저는 현재 산업계에서 많이 활용되고 있는 Nd:YAG 레이저를 비롯하여 CO2 레이저, 가시광역의 각종 레이저 등이 모두 적용될 수 있다. 특히 빔 품질이 우수한 파이퍼 레이저(fiber laser), 디스크 레이저(disk laser) 등이 보다 적합하다 할 것이다. 또한, 상기 레이저의 평행빔을 집광할 수 있는 빔헤드(11) 등 광학 구성요소들은 금속 입자 제조가 이루어지는 상기 챔버(20) 내에 장착이 된다. 상기 빔헤드(11)의 측면으로 불활성가스관(13)이 설치되어 불활성가스가 공급되며, 빔헤드(11) 내로 유입된 불활성가스는 상기 레이저빔과 동축으로 빔 헤드(11) 선단을 통해 분출된다.
이와같이 본 장치는 레이저빔의 집관경으로 미세화하여 금속 판재(100)의 표면 위에 고파워밀도를 만든 뒤 고속으로 이동하면서 금속을 용융 분출시켜 미세 입자화시키게 된다.
여기서 금속 입자는 금속 리본(ribbon)이나 극 박판과는 달리 비정질화하기 위한 급냉이 곤란하다. 입자의 내부에서 표면으로 열전달되는 시간이 극 박판보다 길며 표면과 내부의 편차가 발생하기 때문이다. 그래서 입자가 크면 클수록 불리하다. 본 장치는 레이저 빔의 미세 집광을 이용한 고속 가공 프로세스로 상기한 단점을 극복하여 나노 직경의 입자를 제조할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉각부를 이루는 극저온 분위기 챔버(20)는 내부에 극저온의 분위기 가스가 충진되어 극저온의 환경을 만드는 구조로 되어 있으며, 일측에는 외부에 위치한 레이저발진기(10)로부터 발진된 레이저빔이 챔버(20) 내부로 유입되기 위한 윈도우(21)가 설치된다.
상기 냉각부를 이루는 구리관 다발(30)은 금속판재(100)를 기준으로 빔헤드(11)의 반대쪽에서 금속판재(100)의 집광부(S)에 근접 설치된다. 상기 구리관 다발(30)은 구리재질로 이루어진 관 구조물로 다수개가 모여 다발을 이루는 구조로 되어 있다. 이에 상기 금속판재(100)로부터 용융 분출되는 금속 입자는 구리관 다발(30)을 통과하면서 비정질화 한계 급냉 시간까지 도달되어 질 수 있는 것이다.
상기 구리관 다발(30)을 이루는 구리관의 개수나 그 길이에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
또한, 상기 분류부는 상기 챔버(20) 일측에 연통설치되고 상기 냉각부의 구리관 다발(30)을 통과하여 비정질화된 금속 입자가 이동되고 이동방향을 따라 불활성가스가 투입되어 금속입자를 날리도록 된 이동관(40)과, 상기 이동관(40)을 따라 간격을 두고 연통설치되어 입자크기별로 낙하되는 금속입자가 모아지는 저장통(41)을 포함한다.
이에 제조된 금속 입자는 이동관(40)으로 유입된 후 불활성가스에 의해 날리게 되며 이 과정에서 입자 크기에 따른 무게 차이로 인해 늦게 떨어지거나 빨리 떨어져 이동관(40)에 배치되어 있는 각 저장통(41)으로 분류되어 모아지게 된다.
이하, 본 장치에 의한 비정질 합금 분말 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.
본 프로세스는 금속 합금을 초고속으로 용융 입자화하고, 이 입자화된 금속 입자를 급속 냉각공정을 통해 비정질화하며, 제조된 비정질 금속 입자를 입자 크기별로 분류하는 과정을 포함한다.
상기 금속 합금의 용융 입자화 과정은 초 미세 집광 레이저빔을 금속 판재(100)에 집광하여 금속판재(100)를 용융하고, 상기 집광부(S)에 불활성가스를 분사하여 금속판재(100)를 절단하는 과정에서 이루어진다.
레이저발진기(10)로부터 조사된 레이저빔은 집광렌즈(12)에 의해 집광되어 금속판재(100)의 집광부에 조사된다. 이와같이 금속의 표면에 집광된 레이저 빔을 조사하면 용융지(melting pool)가 형성되고 증발점 이상으로 고온이 되면서 금속의 내부에 홀(hole)이 생겨나게 된다. 동시에 레이저 빔 조사 방향의 동축으로 불활성가스를 분사하게 되면 집광점 주변의 용융 금속이 분출되면서 금속 판재(100)의 절 단이 이루어진다. 이 과정에서 분출되는 용융 스패터는 입자화되어 응고된다.
상기 용융 스패터로부터 입자화되는 금속 입자의 직경은 상기 빔헤드(11) 집광렌즈(12)에 의한 집광빔의 직경(이하 집광경이라 한다)에 영향을 받는다. 즉, 집광경이 작으면 작을수록 절단폭이 좁아지고 분출되는 용융 스패터 입자의 직경도 작아지게 된다. 또한, 상기 금속 입자의 직경은 사용되는 금속판재(100)의 두께에 영향을 받게 된다. 즉, 상기 금속판재(100)의 두께가 얇을수록 제조되는 금속 입자의 직경을 작게 하는 데 유리하다.
예컨대, 파이버 레이저와 같은 고품질의 레이저빔을 이용하면 10마이크로미터의 집광경이 가능하고, 금속판재(100)의 두께가 10 ~ 50마이크로미터라면 판재(100)의 절단 폭이 대략 10 ~ 30마이크로미터 정도에 이른다. 이때 분출되는 입자의 직경은 나노미터(nano meter) 레벨에서 크게는 수 마이크로미터의 초 미세 입자를 얻을 수 있게 된다.
또한, 상기 스패터 입자는 집광경과 더불어 절단 속도에 따라서도 변화한다. 상기 금속판재(100)의 절단속도가 빠를수록 재료에의 입열량이 적어지기 때문에 스패터 입자 직경은 작아진다. 따라서 궁극의 미세 금속 입자를 얻기 위해서는 레이저 집광경을 작게하고 얇은 금속판재(100)를 고속으로 절단하는 구조가 필요하다.
상기와 같이 금속판재(100)를 고속으로 절단하여 제조된 미세 금속 입자는 급속 냉각과정을 거치면서 비정질화된다.
도 1에 도시된 바와 같이 극저온의 분위기 속에서 레이저빔에 의해 분출되는 극 미세 금속 입자들은 구리관 다발(30)을 통과하면서 비정질화 한계 급냉 시간까 지 도달되어 질 수 있다. 따라서 상기 입자들은 구리관 다발(30)을 통과하면서 구르거나 부딪혀 열 전달이 이루어지고 이에 따라 급냉된다.
상기 급냉과정을 거쳐 비정질화된 금속 입자들은 각기 그 크기가 상이하며, 다음 분류과정을 거치면서 입자크기별로 모아지게 된다.
상기 분류과정은 상기 입자들이 불활성가스가 분사되는 이동관(40)을 따라 이동하면서 이루어진다. 이동관(40)으로 유입된 입자들은 분사된 불활성가스 바람에 의해 날려가게 되고 입자의 질량에 따라 무거운 순서대로 차례로 떨어지게 된다.
이렇게 낙하된 입자들은 해당 위치에 설치된 저장통(41)에 크기별로 모아지게 되는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비정질 합금 분말 제조장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비정질 합금 분말 제조장치의 일부 구성을 상세하게 도시한 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 레이저발진기 11 : 빔헤드
12 : 집광렌즈 13 : 불활성가스관
20 : 챔버 21 : 윈도우
30 : 구리관다발 40 : 이동관
41 : 저장통

Claims (9)

  1. 금속판재를 용융 절단하여 금속 입자를 생성하는 절단부와,
    상기 절단부에 의한 금속판재 절단과정에서 생성된 금속 입자를 급냉시켜 비정질화하는 냉각부
    를 포함하는 비정질 합금 분말 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부를 거쳐 냉각된 금속 입자를 입자 크기별로 분류하기 위한 분류부를 더욱 포함하는 비정질 합금 분말 제조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절단부는 레이저빔에 의한 고속 절단 구조인 비정질 합금 분말 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절단부는 레이저빔을 발진하기 위한 레이저발진기와,
    상기 레이저발진기로부터 생성된 레이저빔을 금속판재에 조사하기 위한 빔헤드 내에 설치되어 레이저빔을 금속판재에 집광하기 위한 집광렌즈,
    상기 빔헤드 선단을 통해 금속판재의 집광부로 불활성가스를 분사하여 용융 된 금속을 분출할 수 있도록 상기 빔헤드 일측에 연결설치되는 불활성가스관을 포함하는 비정질 합금 분말 제조장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 금속판재의 용융절단이 이루어지는 극저온 분위기 챔버와, 상기 챔버 내의 구비되어 상기 절단부에 의해 생성된 용융 금속 입자가 통과되는 구리관 다발을 포함하는 비정질 합금 분말 제조장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 분류부는 상기 냉각부의 구리관 다발을 통과하여 비정질화된 금속 입자가 이동되고 이동방향을 따라 불활성가스가 투입되어 금속입자를 날리도록 된 이동관과, 상기 이동관을 따라 간격을 두고 연통설치되어 입자 무게에 따라 낙하되는 금속입자가 모아지는 저장통을 포함하는 비정질 합금 분말 제조장치.
  7. 금속 판재를 용융 절단하여 융용 금속 입자를 생성하는 단계와,
    생성된 금속 입자를 극저온 챔버 내에서 구리관을 통과시켜 급냉하는 단계를 포함하는 비정질 합금 분말 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 그속 입자 생성 단계는 금속 판재 절단시 불활성가스를 분사하는 단계 를 더욱 포함하는 비정질 합금 분말 제조방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 급냉 단계를 거쳐 제조된 금속 입자를 크기별로 분류하는 단계를 더욱 포함하는 비정질 합금 분말 제조방법.
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