KR20170122253A - 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

용융 금속류에, 바람직하게는 수온: 30℃ 이하의 물을 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하고 냉각하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말에 2차 냉각을 행하여, 물 애토마이즈 금속 분말로 한다. 2차 냉각에 분사수를 이용하는 경우, 수온은 10℃ 이하가 바람직하다. 용융 금속류를 분단한 냉각수와 함께 금속 분말을 수용하여 냉각 가능한 용기, 또는 용융 금속류를 분단한 냉각수와 함께 금속 분말을 충돌시켜 냉각 가능한 충돌판을 이용한 2차 냉각의 경우에는, 수온은 30℃ 이하가 바람직하다. 2차 냉각을 행함으로써, 막 비등 상태의 냉각으로부터 천이 비등 상태 또는 핵 비등 상태의 냉각을 실현할 수 있어, 금속 분말을 어모퍼스화할 수 있기까지의 급속 냉각을 간편하게 행할 수 있다. 또한, 분단된 금속분의 2차 냉각에 있어서는, 금속분의 온도가 MHF점 이하이고 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도 이상이 된 이후에 행한다.

Description

물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING WATER-ATOMIZED METAL POWDER}

본 발명은, 물 애토마이즈 장치를 이용한 금속 분말(이하, 물 애토마이즈 금속 분말이라고도 함)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 물 애토마이즈 후의 금속 분말의 냉각 속도 향상 방법에 관한 것이다.

종래부터, 금속 분말을 제조하는 방법으로서 애토마이즈법(atomization method)이 있다. 이 애토마이즈법에는, 용융 금속의 흐름에 고압의 물 제트를 분사하여 금속 분말을 얻는 물 애토마이즈법, 물 제트에 대신하여 불활성 가스를 분사하는 가스 애토마이즈법이 있다.

물 애토마이즈법에서는, 노즐에서 분사한 물 제트로 용융 금속의 흐름을 분단하여, 분말 형상의 금속(금속 분말)으로 함과 함께, 물 제트로 분말 형상의 금속(금속 분말)의 냉각도 행하여 애토마이즈 금속 분말을 얻고 있다. 한편, 가스 애토마이즈법에서는, 노즐에서 분사한 불활성 가스에 의해 용융 금속의 흐름을 분단하여, 분말 형상의 금속으로 한다. 그 후, 통상, 분말 형상의 금속을, 애토마이즈 장치의 아래에 구비된 수조, 혹은 유수(flowing water)의 드럼 중에 낙하시켜, 분말 형상의 금속(금속 분말)의 냉각을 행하여 애토마이즈 금속 분말을 얻고 있다.

최근, 에너지 절약의 관점에서, 예를 들면 전기 자동차나 하이브리드차에 사용되는 모터 코어의 저철손화(low iron loss)가 요망되고 있다. 종래, 모터 코어는, 전자 강판을 적층시켜 제작되어 왔지만, 최근에는, 형상 설계의 자유도가 높은 금속 분말(전자 철분)을 이용하여 제작한 모터 코어가 주목받고 있다. 이러한 모터 코어를 저철손화하기 위해서는, 사용하는 금속 분말의 저철손화가 필요해진다. 저철손의 금속 분말로 하기 위해서는, 금속 분말을 비정질화(어모퍼스화(amorphization))하는 것이 유효하다고 생각된다. 그러나, 애토마이즈법으로 비정질화한 금속 분말을 얻기 위해서는, 용융 상태를 포함하는 고온 상태에 있는 금속 분말을 초급냉함으로써, 결정화를 막을 필요가 있다.

그 때문에, 금속 분말을 급냉하는 방법이 몇가지 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 용융 금속을 비산시키면서 냉각·고화시켜 금속 분말을 얻을 때에, 고화하기까지의 냉각 속도를 10⁵K/s 이상으로 하는 금속 분말의 제조 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 비산시킨 용융 금속을, 통 형상체의 내벽면을 따라 냉각액을 선회시킴으로써 발생한 냉각액류에 접촉시킴으로써, 상기한 냉각 속도가 얻어진다고 하고 있다. 그리고, 냉각액을 선회시킴으로써 발생한 냉각액류의 유속은 5∼100m/s로 하는 것이 바람직하다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 급냉 응고 금속 분말의 제조 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 내주면이 원통면인 냉각 용기의 원통부 상단부 외주측에서, 냉각액을 둘레방향에서 공급하여 원통부 내주면을 따라 선회시키면서 유하(流下)시켜, 그 선회에 의한 원심력으로, 중심부에 공동을 갖는 층 형상의 선회 냉각액층을 형성하고, 그 선회 냉각액층의 내주면에 금속 용탕(molten metal)을 공급하여 급냉 응고시킨다. 이에 따라, 냉각 효율이 좋고, 고품질의 급냉 응고 분말이 얻어진다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 유하하는 용융 금속에 가스 제트를 분사하여 용적(molten droplet)으로 분단하기 위한 가스 제트 노즐과, 내주면에 선회하면서 유하하는 냉각액층을 갖는 냉각용 통체를 구비하는, 가스 애토마이즈법에 의한 금속 분말의 제조 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 용융 금속이, 가스 제트 노즐과 선회하는 냉각액층에 의해 2단계로 분단되어, 미세화된 급냉 응고 금속 분말이 얻어진다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 용융 금속을 액상의 냉매 중에 공급하여, 냉매 중에서 용융 금속을 덮는 증기막을 형성하고, 형성된 증기막을 붕괴시켜 용융 금속과 냉매를 직접 접촉시켜 자연 핵생성(spontaneous nucleation)에 의한 비등(boiling)을 일으켜, 그 압력파를 이용하여 용융 금속을 잡아당겨 떼면서(torn) 급속히 냉각하여 어모퍼스화하고, 어모퍼스 금속 미립자로 하는, 어모퍼스 금속 미립자의 제조 방법이 기재되어 있다. 용융 금속을 덮는 증기막의 붕괴는, 냉매로 공급하는 용융 금속의 온도를 냉매에 직접 접촉한 경우에 계면 온도가 막 비등 하한 온도(minimum temperature of film boiling) 이하에서 자발 핵생성 온도 이상의 온도로 하거나, 초음파 조사하여 가능하다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 5에는, 용융한 재료를 액체 냉매 중에 액적 또는 제트류로서 공급할 때에, 용융한 재료의 온도를 액체 냉매와 직접 접촉할 때에, 액체 냉매의 자발 핵생성 온도 이상에서 용융 상태이도록 설정하고, 또한, 액체 냉매의 흐름에 들어갔을 때의 용융한 재료의 속도와 액체 냉매의 흐름의 속도와의 상대 속도차를 10m/s 이상이 되도록 하고, 용융한 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 발생시켜, 미립화함과 함께 냉각 고화하는 미립자의 제조 방법이 기재되어 있다. 이에 따라, 종래는 곤란했던 재료라도, 미립자화, 비정질화할 수 있다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 6에는, 모재가 되는 재료에 기능성 첨가재를 첨가한 원료를 용융하여, 액체 냉매 중에 공급함으로써, 증기 폭발에 의해 미세화함과 함께 냉각 고화할 때에 냉각 속도를 제어함으로써 편석이 없는 다결정(polycrystalline) 또는 비정질인 균질한 기능성 미립자를 얻는 공정과, 이 기능성 미립자와 상기 모재의 미립자를 원료로서 이용하여 고화하여 기능 부재를 얻는 공정을 구비하는 기능 부재의 제조 방법이 기재되어 있다.

일본공개특허공보 2010-150587호 일본공고특허공보 평7-107167호 일본특허공보 제3932573호 일본특허공보 제3461344호 일본특허공보 제4793872호 일본특허공보 제4784990호

통상, 고온의 용융 금속을 급냉하기 위해, 용융 금속에 냉각수를 접촉시켜도, 용융 금속 표면이 냉각수와 완전히 접촉하는 것은 어렵다. 즉, 냉각수가 고온의 용융 금속 표면(피(被)냉각면)에 접촉한 순간에 기화하여, 피냉각면과 냉각수의 사이에 증기막을 형성하여, 소위 막 비등 상태가 된다. 그 때문에, 증기막의 존재에 의해 냉각의 촉진이 방해된다.

특허문헌 1∼3에 기재된 기술은, 냉각액을 선회시켜 형성한 냉각액층 중에 용융 금속을 공급하여, 금속 입자의 주위에 형성된 증기막을 벗기고자 하는 것이다. 그러나, 분단된 금속 입자의 온도가 높으면 냉각액층 중에서는 막 비등 상태로 되기 쉽고, 또한 냉각액층 중에 공급된 금속 입자는 냉각액층과 함께 이동한다. 이 때문에, 냉각액층과의 상대 속도차가 적어, 막 비등 상태를 회피하는 것은 어렵다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 4∼6에 기재된 기술에서는, 연쇄적으로 막 비등 상태로부터 핵 비등 상태가 되는 증기 폭발을 이용하여, 용융 금속을 덮는 증기막을 붕괴시켜, 금속 입자의 미세화, 나아가 비정질화를 도모한다고 하고 있다. 증기 폭발을 이용하여 막 비등의 증기막을 제거하는 것은 유효한 방법이지만, 막 비등 상태로부터 연쇄적으로 핵 비등 상태로 하여 증기 폭발을 일으키기 위해서는, 도 6에 나타내는 비등 곡선(boiling curve)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 적어도 최초에, 금속 입자의 표면 온도를 MHF(극소 열 유속；Minimum Heat Flux)점 이하까지 냉각할 필요가 있다. 도 6은, 비등 곡선으로 불리고, 냉매를 액체로 한 경우의, 냉각 능력과 피냉각재의 표면 온도의 관계를 개략적으로 나타낸 설명도이다. 도 6으로부터, 금속 입자의 표면 온도가 높은 경우에는, MHF점 온도까지의 냉각은, 막 비등 영역에서의 냉각이 된다. 막 비등 영역에서의 냉각에서는 피냉각면과 냉각수의 사이에 증기막이 개재하기 때문에, 약냉각이 된다. 그 때문에, 금속 분말의 비정질화를 목적으로 하여 MHF점 이상에서 냉각을 시작하면, 비정질화를 위한 냉각 속도가 부족하다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 1∼6에 기재된 기술에서는, 가스 애토마이즈법을 이용하여 금속 분말을 제조하고 있지만, 가스 애토마이즈법에서는, 애토마이즈를 위해 대량의 불활성 가스를 필요로 하기 때문에, 제조 비용의 상승을 초래한다는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하고, 염가의 금속 분말의 제조 방법인 물 애토마이즈법을 이용하여, 금속 분말의 급속 냉각이 가능하고, 비정질 상태의 금속 분말로 할 수 있는, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

통상의 물 애토마이즈법에서는, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같은 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치를 이용하여 용융 금속의 분말화를 행하고 있다. 용융 금속(1)은, 턴디시(tundish;3) 등의 용기로부터, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여, 챔버(9) 내에, 용융 금속류(molten metal stream;8)로서 유하된다. 또한, 챔버(9) 내는, 불활성 가스 밸브(11)를 열어 불활성 가스 분위기로 해두는 것은 말할 것도 없다. 유하된 용융 금속류(8)에, 노즐 헤더(5)에 설치된 노즐(6)을 통하여 분사수(물 제트)(7)를 분사하고, 당해 용융 금속류(8)를 분단하여 금속 분말(8a)로 한다. 분단된 용융 상태의 금속 분말(8a)은, 그 후의 물 제트(냉각수)에 의한 냉각에 의해 응고한다. 그때, 용해 현열(sensible heat of dissolution)과 응고 잠열(latent heat of solidification)에 의해 냉각수(물 제트)의 온도가 상승한다. 그 때문에, 막 비등 상태로부터 천이 비등 상태로 바뀌는 온도(MHF점)가 저하하여, 막 비등 상태에서 냉각되는 시간이 길어진다. 따라서, 냉각 속도가 저하하여, 금속 분말을 비정질 상태로 하기 위해 필요한 냉각 속도를 달성할 수 없게 된다.

그래서, 본 발명자들은 상기한 목적을 달성하기 위해, 우선, 분사수를 이용한 냉각에 있어서의 MHF점에 미치는 각종 요인에 대해서 예의 검토했다. 그 결과, 냉각수의 온도 및 분사압의 영향이 큰 것을 인식했다.

우선, 본 발명자들이 행한 기초적 실험 결과에 대해서, 설명한다.

소재로서 SUS304 강판(크기: 20㎜ 두께×150㎜ 폭×150㎜ 길이)을 이용했다. 또한, 소재에는 이면으로부터 열전대(thermocouple)를 삽입하여, 표면으로부터 1㎜의 위치(폭 중앙, 길이 중앙)의 온도를 측정 가능하게 했다. 그리고, 소재를 무산소 분위기 가열로에 장입(裝入)하여, 1200℃ 이상으로 가열했다. 가열된 소재를 취출하여, 바로, 당해 소재에 애토마이즈용 냉각 노즐로부터 냉각수를 수량 및 분사압을 변화시켜 분사하여, 표면으로부터 1㎜의 위치의 온도 변화를 측정했다. 얻어진 온도 데이터로부터, 계산으로 냉각시의 냉각 능력을 추정했다. 얻어진 냉각 능력으로부터 비등 곡선을 작성하여, 급격하게 냉각 능력이 상승하는 점을 막 비등으로부터 천이 비등으로 바뀌는 점으로 판단하여, MHF점을 구했다.

얻어진 결과를 도 1에 나타낸다.

도 1로부터, 통상의 물 애토마이즈법으로 사용되고 있는 수온: 30℃의 냉각수를, 분사압: 1㎫로 분사하면, 냉각수를 분사하고 있는 상태에서 MHF점은 700℃ 정도가 된다. 한편, 수온: 10℃ 이하의 냉각수를, 분사압: 5㎫ 이상으로 분사하면, 냉각수를 분사하고 있는 상태에서 MHF점은 1000℃ 이상이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 냉각수의 온도(수온)를 10℃ 이하로 낮게 하는 것 및 분사압을 5㎫ 이상으로 높게 함으로써, MHF점이 상승하고, 막 비등으로부터 천이 비등으로 바뀌는 온도가 1000℃ 이상으로 고온이 되는 것을 발견했다.

통상, 용융 금속을 애토마이즈한 후의 금속 분말의 온도는, 1000∼1300℃ 정도의 표면 온도를 갖고 있고, 이러한 금속 분말의 표면 온도 이하의 MHF점을 갖는 냉각 능력의 물 분사 냉각으로 냉각을 개시하면, 냉각 개시시는, 냉각능이 낮은 막 비등 영역의 냉각이 된다. 이 점으로부터, MHF점이 용융 상태를 포함하는 금속 분말의 표면 온도보다 높은 물 분사 냉각으로 냉각을 개시하면, 적어도 천이 비등 영역으로부터 금속 분말의 냉각을 개시할 수 있어, 막 비등 영역에 비해 냉각이 촉진되어, 금속 분말의 냉각 속도를 현저하게 높게 할 수 있다.

그러나, 통상의 물 애토마이즈법에서는, 용융 금속류에 분사한 냉각수(물 제트)의 온도가 상승하여, 금속 분말을 비정질 상태로 하기 위해 필요한, 소망하는 급속 냉각을 달성할 수 없다. 그래서, 본 발명자들은, 용융 금속류에 물 제트(분사수)를 분사하여 용융 금속류를 분단하여 냉각하는 냉각(1차 냉각)에 더하여 추가로, 분단된 금속 분말에 2차 냉각을 실시하는 것에 생각이 이르렀다.

그리고, 2차 냉각으로서, 본 발명자들은, 1차 냉각에 의해 분단된 용융 상태를 포함하는 금속 분말에 추가로, 새로운 냉각수, 바람직하게는, 분사압: 5㎫ 이상이고 또한 수온: 10℃ 이하의 냉각수를 공급하는 냉각을 실시하는 것이 유효한 것을 발견했다. 또한, 2차 냉각은, 용융 상태를 포함하는 금속 분말의 표면 온도가, 2차 냉각의 MHF점 이하에서 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도 이상의 온도 범위로부터 행하는 것이 효율적인 것을 인식했다.

또한, 분단되고 냉각(1차 냉각)된, 용융 상태를 포함하는 금속 분말을, 냉각수와 함께 용기에 수용하여 2차 냉각을 행함으로써도, 2차 냉각의 MHF점이 고온이 되어, 냉각능이 향상하는 것을 인식했다. 이 인식의 기초가 된 실험 결과에 대해서, 다음에 설명한다.

소재로서 SUS304 강판(크기: 20㎜ 두께×150㎜ 폭×150㎜ 길이)을 이용했다. 또한, 소재에는, 이면으로부터 열전대를 삽입하여, 표면으로부터 1㎜의 위치(폭 중앙, 길이 중앙)의 온도를 측정 가능하게 했다. 그리고, 소재를, 무산소 분위기 가열로에 장입하여, 1200℃ 이상으로 가열했다. 가열된 소재를 취출하고, 당해 소재의 위에, 프레임(frame)(폭 148㎜×길이 148㎜×높이 50㎜)을, 소재와 프레임에 의해 냉각수가 저장되는 용기를 구성하도록 두었다. 곧바로, 당해 소재에 애토마이즈용 냉각 노즐로부터 냉각수를, 수온 및 분사압을 변화시켜 분사하여, 표면으로부터 1㎜의 위치의 온도 변화를 측정했다. 얻어진 온도 데이터로부터, 계산으로 냉각시의 냉각 능력을 추정했다. 얻어진 냉각 능력으로부터 비등 곡선을 작성하여, 급격히 냉각 능력이 상승하는 점을 막 비등으로부터 천이 비등으로 바뀌는 점으로 판단하여, MHF점을 구했다.

얻어진 결과를 도 2에 나타낸다. 또한, 도 2에는, 도 1의 프레임 없음의 경우도 병기했다.

도 2로부터, 소재(강판)의 위에 프레임을 두고, 용기 형상(프레임 있음)으로 함으로써, 프레임 없음의 경우에 비해, MHF점이 상승하는 것을 알 수 있다. 도 2로부터, 이 MHF점의 상승은 수온이 30℃ 이하인 경우에 현저하게 되는 것을 인식했다. 이는, 용기 형상(프레임 있음)으로 함으로써, 용기 내에서 냉각수가 교반되어, 피냉각면의 표면을 따르는 흐름에 의해, 수증기막이 벗겨지기 쉬워지고, 냉각능이 향상했기 때문이라고 생각된다. 또한, 용기 내의 물 고임면에 물이 고속으로 충돌할 때에 발생하는 충격파가, 막 비등으로부터 천이 비등으로 이동하기 쉽게 하여, 냉각능을 향상시켰기 때문이라고도 생각된다.

이러한 충격파의 영향이 유효한 점에서, 추가로 본 발명자들은, 물 애토마이즈법에서, 분말 형상으로 분단된 용융 금속 혹은 금속 분말이, 냉각수와 함께 낙하해 가는 경로상에, 2차 냉각의 수단으로서 충돌판을 설치하면, 동일하게 냉각능이 높은 냉각이 되는 것을 인식했다.

이러한 냉각능이 높은 냉각 방법으로 금속 분말을 냉각하면, 금속 분말의 비정질화에 필수인, 결정화 온도역(crystallization temperature range)의 급냉이 용이하게 실현 가능해지는 것을 인식했다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하여, 더욱 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 용융 금속류에 물을 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말을 냉각하는 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법에 있어서, 상기 냉각에 더하여 상기 금속 분말에 추가로, 상기 금속 분말의 표면 온도보다 높은 극소 열 유속점(MHF점)을 갖는 냉각 능력의 2차 냉각을 실시하고, 상기 2차 냉각은, 상기 냉각 후의 상기 금속 분말의 온도가, 당해 2차 냉각에 있어서의 극소 열 유속점(MHF점) 이하이고 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도 이상의 온도 범위로부터 행하는, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(2) (1)에 있어서, 상기 2차 냉각이, 상기 용융 금속류의 분단에 사용하는 물과는 상이한 물을 사용하여, 물 분사를 행하는 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(3) (2)에 있어서, 상기 물 분사를 행하는 냉각이, 수온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수를 사용하는 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(4) (1)에 있어서, 상기 2차 냉각이, 상기 냉각 후의 냉각수, 당해 냉각수와 함께 낙하하는 분단된 용융 금속 및 금속 분말의 낙하 경로상에 설치된 용기에 의한 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(5) (1)에 있어서, 상기 2차 냉각이, 상기 냉각 후의 냉각수, 당해 냉각수와 함께 낙하하는 분단된 용융 금속 및 금속 분말의 낙하 경로상에 설치된 충돌판에 의한 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(6) (4) 또는 (5)에 있어서, 상기 냉각이, 상기 수온: 30℃ 이하, 혹은 추가로, 분사압: 5㎫ 이상의 물을 분사하고, 상기 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하여 당해 금속 분말을 냉각하는, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 금속이, Fe-B계 합금, 혹은 Fe-Si-B계 합금으로 이루어지고, 상기 물 애토마이즈 금속 분말이 비정질 금속 분말을 90％ 이상 함유하는 분말인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 간편한 방법으로 10⁵K/s 이상의 금속 분말의 급속 냉각이 가능해진다. 이에 따라, 압분 자심(dust core)의 제조에 유리한, 비정질 상태의 물 애토마이즈 금속 분말의 제조가 용이해져, 저철손의 압분 자심용 금속 분말을 용이하게, 또한 낮은 비용으로 제조할 수 있어, 산업상 각별한 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명에 의하면, 형상이 복잡한 저철손의 압분 자심의 제조가 용이해진다는 효과도 있다. 또한, 물 애토마이즈분은 구형(spherical)으로 되기 어렵기 때문에, 가스 애토마이즈분보다는, 압분 자심의 제조용으로서 적합하다는 효과도 있다.

또한, 비정질화의 임계 냉각 속도는, 대표적인 어모퍼스 합금인, Fe-B계 합금(Fe₈₃B₁₇)에서는 1.0×10⁶K/s, Fe-Si-B계 합금(Fe₇₉Si₁₀B₁₁)에서는, 1.8×10⁵K/s가 각각 예시되어 있는데, 본 발명에 의하면, 이러한 비정질화의 임계 냉각 속도를 확보하는 것은 용이하다는 효과도 있다.

도 1은, MHF점에 미치는 냉각수의 수온 및 분사압의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는, MHF점과 냉각수의 수온 및 분사압의 관계에 미치는 「프레임」의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 실시에 적합한, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 개략 구성의 일 예를 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 4는, 본 발명의 실시에 적합한, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 개략 구성의 일 예를 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 5는, 본 발명의 실시에 적합한, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 개략 구성의 일 예를 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 6은, 비등 곡선의 개략을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 7은, 종래의 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 개략 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명에서는, 우선, 원료인 금속 재료를 용해하여, 용융 금속으로 한다. 원재료로서 사용하는 금속 재료로서는, 종래부터 분말로서 사용되고 있는 순금속, 합금, 철선(pig iron) 등을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 순철, 저합금강, 스테인리스강 등의 철기 합금(iron based alloy), Ni, Cr 등의 비철 금속, 비철 합금, 혹은 어모퍼스 합금(비정질 합금)으로서 Fe-B계 합금, Fe-Si-B계 합금, Fe-Ni-B 합금 등을 예시할 수 있다. 또한, 상기한 합금은, 상기한 원소 이외의 원소를 불순물로서 포함하는 경우가 있는 것은 말할 것도 없다.

또한, 금속 재료의 용해 방법은 특별히 한정할 필요는 없지만, 전기로(electric furnace), 진공 용해로 등의, 상용의 용해 수단을 모두 적용할 수 있다.

용해된 용융 금속은, 용해로로부터 턴디시 등의 용기로 옮겨져, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치 내에서, 물 애토마이즈 금속분으로 된다. 본 발명에서 사용되는 바람직한 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 일 예를 도 3에 나타낸다.

물 애토마이즈법을 이용하는 본 발명을, 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3(a)는 장치 전체의 구성을 나타낸다. 도 3(b)는, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치(14)의 상세를 나타낸다.

용융 금속(1)은, 턴디시(3) 등의 용기로부터, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여 챔버(9) 내에 용융 금속류(8)로서 유하된다. 또한, 챔버(9) 내는, 불활성 가스 밸브(11)를 열어 불활성 가스 분위기로 해두는 것은 말할 것도 없다. 또한, 불활성 가스로서는, 질소 가스, 아르곤 가스를 예시할 수 있다.

유하된 용융 금속류(8)에, 노즐 헤더(5)에 설치된 노즐(6)을 통하여, 분사수(물 제트)(7)를 분사하여, 당해 용융 금속류(8)를 분단하고, 추가로 냉각하여 금속 분말(8a)로 한다. 또한, 용융 금속류(8)와 분사수(물 제트)(7)가 접촉하는 위치 A는, 용탕 가이드 노즐(4)로부터 적정한 거리만큼 떨어진 위치로 하는 것이, 용융 금속류(8)를 열 방사와 불활성 가스의 냉각 작용에 의해 융점 근방까지 냉각시킨다는 관점 및 분사수(7)의 튀는 물이 용탕 가이드 노즐(4)에 접촉하는 것을 막는다는 관점에서 바람직하다.

본 발명에서, 용융 금속류(8)를 분단하기 위해, 사용하는 분사수(물 제트)(7)는, 용융 금속류(8)를 분단할 수 있는 정도의 분사압을 갖는 분사수이면, 그 분사압, 수온은 한정되지 않지만, 수온: 30℃ 이하, 혹은 추가로 분사압: 5MPa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 특히, 수온이 20℃ 초과로 높으면, 금속 분말의 냉각 속도가 느려져, 2차 냉각을 실시해도, 비정질 상태의 금속 분말을 확보할 수 없게 된다. 또한 수온은, 바람직하게는 10℃ 이하, 더욱 바람직하게는 5℃ 이하이다.

본 발명의 물 애토마이즈에 의한 금속 분말의 제조에서는, 상기한 바와 같이 위치 A에서, 용융 금속류(8)에 분사수(7)를 분사하여, 용융 금속류의 분단과, 분단된 금속 분말(용융 상태의 것도 포함)(8a)의 냉각(1차 냉각)을 우선 행한다. 또한, 금속 분말(용융 상태의 것도 포함)(8a)에, 상기한 위치 A로부터 적정 거리만큼 떨어진 위치 B에서, 2차 냉각을 실시한다.

2차 냉각으로서는, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 냉각 분사수(21)를 분사하는 냉각으로 하는 것이 바람직하다. 2차 냉각에서 사용하는 냉각 분사수(21)의 수온 및 분사압은 특별히 한정되지 않지만, 천이 비등 상태, 혹은 추가로 핵 비등 상태까지의 냉각으로 하기 위해, MHF점이 1000℃를 초과하는 고온이 되도록, 수온: 10℃ 이하의 냉각수를, 분사압: 5㎫ 이상의 냉각수로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각 분사수(21)의 분사 각도는, 1차 냉각수와 함께 낙하하는 금속 분말에 균일하게 분사할 수 있도록, 5∼45°로 하는 것이 바람직하고, 또한, 2차 냉각을 행하는 노즐(26)은, 2∼8개 정도 배치하고, 낙하하는 금속 분말을 거의 전체 둘레로부터 냉각하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각 분사수(21)는, 용융 금속류(8)를 분단하기 위한 분사수와는 상이한 계통의 물을 사용해도 좋다.

2차 냉각에 있어서의 냉각 분사수(21)의 액온(수온)이 10℃를 초과하여 높아지면, MHF점이 저온이 되어, 소망하는 냉각 속도를 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, 2차 냉각의 냉각 분사수(21)의 액온(수온)은 10℃ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 8℃ 이하이다. 또한, 2차 냉각에 있어서의 냉각 분사수(21)의 분사압이 5㎫ 미만에서는, 냉각수의 수온이 10℃ 이하가 되어도, MHF점이 소망하는 온도가 되는 냉각으로 할 수 없게 되어, 소망하는 냉각 속도를 확보하기 어렵게 된다. 이 때문에, 냉각 분사수(21)의 분사압은 5㎫ 이상으로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 분사압: 10㎫를 초과하여 높게 해도 MHF점의 상승이 포화하기 때문에, 분사압은 10㎫ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 여기서 말하는 「소망하는 냉각 속도」란, 비정질화를 달성할 수 있는 최저의 냉각 속도인, 결정화를 막기 위한 필요 냉각 온도 범위 내에서의 평균으로 10⁵∼10⁶K/s 정도의 냉각 속도이다.

여기서 말하는 「결정화를 막기 위한 필요 냉각 온도 범위」란, 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도에서, 냉각 종료 온도로서 제1 결정화 온도(예를 들면 400∼600℃)까지의 범위를 말한다. 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도로서는 용탕의 조성에 따라 상이하지만, 예를 들면 900∼1100℃를 예시할 수 있다.

또한, 2차 냉각은, 냉각(1차 냉각) 후의 금속 분말의 온도가, 2차 냉각의 MHF점 이하이고 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도 이상의 온도 범위로부터 행하는 것이 바람직하다. 냉각 후의 금속 분말의 온도가 2차 냉각의 MHF점 초과에서는, 2차 냉각을 천이 비등 상태 혹은 추가로 핵 비등 상태까지의 냉각으로 할 수 없어, 소망하는 냉각 속도를 확보할 수 없게 된다. 또한, 냉각 후의 금속 분말의 온도가 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도 미만에서는, 금속 분말의 온도가 지나치게 낮아져, 소망하는 냉각 속도를 확보할 수 없게 되어, 결정화가 진행되기 쉬워진다.

분사수(7)에 이용되는 냉각수는, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치(14)의 외부에 설치된 냉각수 탱크(15)(단열 구조)에, 미리 냉각수를 저온으로 냉각하는 칠러(chiller;16) 등의 열 교환기로 저수온의 냉각수로서 저장해 두는 것이 바람직하다. 또한, 일반적인 냉각수 제조기에서는 열 교환기 내가 동결하기 때문에 3∼4℃ 미만의 냉각수를 생성하는 것이 어려워, 얼음 제조기에 의해 얼음을 탱크 내에 보급하는 기구를 설치해도 좋다. 또한, 냉각수 탱크(15)에는, 분사수(7)에 이용되는 냉각수를 승압·송수하는 고압 펌프(17), 고압 펌프로부터 노즐 헤더(5)에 냉각수를 공급하는 배관(18)이 설치되는 것은 말할 것도 없다.

또한, 냉각 분사수(21)에 이용되는 냉각수는, 분사수(7)에 이용되는 냉각수와 동일하게, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치(14)의 외부에 설치된 냉각수 탱크(15)(단열 구조)에, 미리 저장된 냉각수로 하는 것이 바람직하다. 냉각수 탱크(15)에는, 분사수(7)에 이용되는 냉각수와는 별도 계통으로, 냉각 분사수(21)에 이용되는 냉각수를 승압·송수하는 고압 펌프(27), 고압 펌프(27)로부터 2차 냉각용 노즐(26)에 냉각수를 공급하는 배관(28)이 설치되는 것은 말할 것도 없다. 또한, 배관의 도중에, 서지 탱크(surge tank), 전환 밸브 등을 형성하고, 돌발적으로 고압수의 분사를 행하기 쉽게 해도 좋다.

또한, 2차 냉각은, 분단된 금속 분말(8a)에, 천이 비등 상태, 혹은 추가로 핵 비등 상태까지의 냉각을 실시하는 것이 가능한 냉각으로 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 2차 냉각의 개시 위치(위치 B: 2차 냉각용 노즐의 위치)는, 물 애토마이즈된 금속 분말(8a)의 표면 온도가, 2차 냉각의 MHF점 이하이고, 또한 결정화를 막기 위한 필요 냉각 개시 온도 이상이 되는 위치로 하는 것이 바람직하다. 금속 분말(8a)의 표면 온도는, 애토마이즈된 위치 A와 2차 냉각의 냉각 개시 위치(위치 B)까지의 거리를 변경함으로써 조정이 가능하다. 그 때문에, 2차 냉각용 노즐(26)은, 상하 방향으로 이동 자유롭게 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 2차 냉각을, 상기한 냉각 분사수에 의한 냉각에 대신하여, 위치 A의 하류측에 설치된 용기(41)에 의한 냉각으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우의, 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 일 예를 도 4에 나타낸다. 도 4(a)는 장치의 전체를, 도 4(b)는 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치(14)의 상세를 나타낸다.

용기(41)는, 용융 금속류(8)의 분단과 그 후의 금속 분말의 냉각에 이용된 냉각수(애토마이즈 냉각수), 분단된 용융 금속 및 냉각 도중의 금속 분말의 낙하 경로인, 위치 A의 하류측의 상기 위치 B에 설치된다. 위치 B는, 금속 분말(8a)의 표면 온도가, MHF점 이하이고, 또한 결정화를 막기 위한 필요 냉각 개시 온도 이상이 되는 위치로서, 2차 냉각 개시 위치로 한다. 이러한 위치 B에 용기(41)(바람직하게는 용기의 저면 위치가 위치 B가 되도록)를 설치함으로써, 용기 내에 냉각수가 수용되어 물 웅덩이를 형성함과 함게, 용기 내에서 냉각수가 교반되고, 동시에 수용된 금속 분말의 표면을 따르는 흐름에 의해, 금속 분말 표면의 수증기막이 벗겨지기 쉬워진다. 또한, 용기 내에 형성되는 물 고임면에 물이 고속으로 충돌할 때에 발생하는 충격파가, 막 비등으로부터 천이 비등으로의 천이를 일으키기 쉽게 한다고 생각된다.

또한, 설치되는 용기(41)는, 용융 금속류(8)의 분단과 그 후의 금속 분말의 냉각에 이용된 냉각수(애토마이즈 냉각수, 분단된 용융 금속 및/또는 금속 분말이 수용 가능한 정도의 크기의 용기로 하는 것이 바람직하다. 용기가 지나치게 크면, 충격파가 발생하기 어려워진다. 애토마이즈 냉각수의 양이, 200L/min 정도이면, 내경이 50∼150㎜, 깊이가 30∼100㎜ 정도의 용기로 충분하다. 용기는, 강도적으로는 금속제로 하는 것이 바람직하지만, 세라믹제로 해도 좋다.

또한, 2차 냉각을, 상기한 용기(41)의 설치에 의한 냉각에 대신하여, 충돌판(42)의 설치에 의한 냉각으로 해도 좋다. 이 경우의 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치의 일 예를 도 5에 나타낸다. 도 5(a)는, 충돌판(42)이 역원추형인 경우이고, 원반형인 경우를 도 5(b)에, 원추형인 경우를 도 5(c)에, 각각 나타낸다.

충돌판(42)은, 용기(41)와 동일하게 애토마이즈 냉각수, 분단된 용융 금속 및 금속 분말의 낙하 경로인, 위치 A의 하류측의 2차 냉각 개시 위치(상기 위치 B)에 설치한다. 이러한 위치에 충돌판(42)을 설치함으로써, 충돌판(42)에 애토마이즈 냉각수 및 금속 분말이 충돌할 때에 발생하는 충격파에 의해, 금속 분말은, 막 비등 상태로부터 천이 비등 상태로 이동하기 쉬워지고, 동일하게 냉각능이 높은 냉각으로 할 수 있다.

충돌판(42)은, 애토마이즈 냉각수, 용융 금속 및 냉각 도중의 금속 분말의 낙하 경로를 차단할 수 있으면 좋고, 그 형상은, 원반형, 원추형, 역원추형 등을 생각할 수 있지만, 특별히 한정할 필요는 없다. 낙하 경로에 대하여, 수직면을 형성할 수 있는 형상으로 하는 것이 충격파의 발생에 유효한 점에서, 역원추형(도 5(c))으로 하는 것은 피하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예에 기초하여, 추가로 본 발명에 대해서 설명한다.

실시예

(실시예 1)

도 3에 나타내는 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치를 이용하여 금속 분말을 제조했다.

at％로, 83％ Fe-17％ B의 Fe-B계 합금(Fe₈₃B₁₇) 조성 및, at％로, 79％ Fe-10％ Si-11％ B의 Fe-Si-B계 합금(Fe₇₉Si₁₀B₁₁) 조성이 되도록, 각각 원료를 배합(일부, 불순물을 포함하는 것은 피할 수 없음)하고, 용해로(2)에서 약 1550℃로 용해하여, 용융 금속을 각 약 50kgf를 얻었다. 얻어진 용융 금속(1)을 용해로(2) 안에서 1350℃까지 서냉한 후, 턴디시(3)에 주입했다. 또한, 챔버(9) 내는, 미리 불활성 가스 밸브(11)를 열어 질소 가스 분위기로 해 두었다. 또한, 용융 금속을 턴디시(3)에 주입하기 전에, 고압 펌프(17)를 가동하여, 냉각수 탱크(15)(용량:10㎥)로부터 냉각수를 노즐 헤더(5)에 공급하여, 물 분사 노즐(6)로부터 분사수(유체)(7)가 분사된 상태로 해 두었다. 또한, 2차 냉각수용 고압 펌프(27)를 가동하여, 2차 냉각수용 밸브(22)를 개방하고, 냉각수 탱크(15)(용량:10㎥)로부터 냉각수를 2차 냉각용 노즐(26)에 공급하여, 냉각 분사수(21)를 분사 상태로 해 두었다.

또한, 용융 금속류(8)가, 분사수(7)와 접촉하는 위치 A는, 용탕 가이드 노즐(4)로부터 80㎜의 위치에 설정했다. 또한, 2차 냉각용 노즐(26)은, 위치 B에 설치했다. 위치 B로서는, 상기한 위치 A로부터 100∼800㎜의 각 위치로 했다. 또한, 분사수(7)는, 분사압: 1㎫ 또는 5㎫, 수온: 30℃(±2℃) 또는 8℃(±2℃)로 하고, 또한, 2차 냉각에서 이용하는 냉각 분사수(21)의 분사압은 5㎫로 하고, 수온: 20℃(±2℃) 또는 8℃(±2℃)로 했다. 또한, 수온은, 냉각수 탱크(15)의 외부에 설치되는 칠러(16)로 조정했다.

턴디시(3)에 주입된 용융 금속(1)을, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하하고, 표 1에 나타내는 바와 같이 수온 및 분사압을 변화시킨 분사수(유체)(7)와 접촉시키고, 분단하여 금속 분말로 함과 함께, 냉각수와 섞이면서 냉각되고, 또한 2차 냉각용 노즐(26)로부터 분사된 냉각 분사수(21)로 2차 냉각하여, 회수구(13)로부터 금속 분말로서 회수했다. 또한, 2차 냉각을 행하지 않은 예를 비교예로 했다. 또한, 2차 냉각 전의 금속 분말의 표면 온도를, 별도 행한 1차 냉각의 실험 결과로부터 추정했다. 또한, 2차 냉각의 MHF점은, 별도 행한 실험으로부터 추정하여, 표기했다.

얻어진 금속 분말에 대해서, 금속 분말 이외의 이물을 제거한 후, X선 회절법에 의해, 어모퍼스로부터의 헤일로 피크(halo peak) 및 결정으로부터의 회절 피크(diffraction peak)를 측정하여, 양자의 회절 X선의 적분 강도비로부터 결정화율을 구하고, (1-결정화율)로부터 어모퍼스의 비율(어모퍼스도:％)을 산출했다. 어모퍼스도(비정질화율)가 90％ 이상인 경우를 「○」로 하고, 그 이외는 「×」로 평가했다.

얻어진 결과를 표 1에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 어모퍼스도가 90％ 이상인 물 애토마이즈 금속 분말로 되어 있다. 이로부터, 본 발명에서는, 비정질화의 임계 냉각 속도인 1.8×10⁵K/s∼1.0×10⁶K/s 이상의 냉각 속도가 얻어지게 된다. 한편, 2차 냉각을 행하지 않은 비교예(분말 No.1, No.2)는, 어모퍼스도가 90％ 미만이었다.

또한, 본 발명예 중 일부는, 어모퍼스도가 낮게 되어 있다. 분말 No.3, No.6은, 2차 냉각의 냉각 분사수의 수온이 비교적 높고, 또한, 분말 No.7은, 용융 금속류의 분단을 위한 분사수의 분사압이 적합 범위를 낮게 벗어나고, 또한, 분말 No.8, No.9는, 2차 냉각의 냉각 개시 위치가 위치 A에 가깝기 때문에, 2차 냉각의 냉각 개시 온도가 MHF점 부근이 되고, 어모퍼스도가 90％ 이상이지만, 비교적 낮게 되어 있다. 또한, 분말 No.10은, 2차 냉각의 냉각 개시 위치가 위치 A로부터 떨어져 있기 때문에, 2차 냉각의 냉각 개시까지의 시간이 길어져, 분체 표면 온도가 지나치게 낮아져 냉각이 느려지고, 어모퍼스도가 90％ 이상이지만, 비교적 낮게 되어 있다. 또한, 분말 No.11은, 2차 냉각 개시 위치(위치 B)가 위치 A로부터 지나치게 떨어져, 금속 분말의 온도가 필요 냉각 개시 온도 미만이 되어, 결정화가 진행된 것으로 생각된다.

(실시예 2)

도 4에 나타내는 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치를 이용하여 금속 분말을 제조했다.

at％로, 83％ Fe-17％ B의 Fe-B계 합금(Fe₈₃B₁₇) 조성 및, at％로, 79％ Fe-10％ Si-11％ B의 Fe-Si-B계 합금(Fe₇₉Si₁₀B₁₁) 조성이 되도록, 각각 원료를 배합(일부, 불순물을 포함하는 것은 피할 수 없음)하고, 용해로(2)에서 약 1550℃로 용해하여, 용융 금속을 각 약 50kgf를 얻었다. 얻어진 용융 금속(1)을 용해로(2) 안에서 1350℃까지 서냉한 후, 턴디시(3)에 주입했다. 또한, 챔버(9) 내는, 미리 불활성 가스 밸브(11)를 열어 질소 가스 분위기로 해 두었다. 또한, 용융 금속을 턴디시(3)에 주입하기 전에, 고압 펌프(17)를 가동하여, 냉각수 탱크(15)(용량: 10㎥)로부터 냉각수를 노즐 헤더(5)에 공급하여, 물 분사 노즐(6)로부터 분사수(유체)(7)가 분사된 상태로 해 두었다. 또한, 위치 A의 하류측의 냉각수 및 금속 분말의 낙하 경로상에, 금속제의 용기(41)를 설치하여, 물 애토마이즈 후의 냉각수와 분단된 금속 분말을 수용했다. 금속제의 용기(41)의 크기는, 외경 100㎜×내경 90㎜×깊이 40㎜로 했다.

또한, 용융 금속류(8)가, 분사수(7)와 접촉하는 위치 A는, 용탕 가이드 노즐(4)로부터 80㎜의 위치에 설정했다. 또한, 2차 냉각용의 용기(41)는, 위치 B에 설치했다. 위치 B로서는, 상기한 위치 A로부터 100∼800㎜의 각 위치(용기 바닥의 위치)로 했다. 또한, 분사수(7)는, 분사압: 3㎫ 또는 5㎫, 수온: 40℃(±2℃) 또는 20℃(±2℃)로 하고, 또한, 수온은 냉각수 탱크(15)의 외부에 설치되는 칠러(16)로 조정했다.

턴디시(3)에 주입된 용융 금속(1)을, 용탕 가이드 노즐(4)을 통하여 챔버(9) 내에, 용융 금속류(8)로서 유하하고, 표 2에 나타내는 바와 같이 수온 및 분사압을 변화시킨 분사수(7)와 접촉시키고, 분단하여 금속 분말로 했다. 분단된 금속 분말은, 냉각수와 섞이고, 냉각되면서 낙하하고, 용기(41) 내에 수용되어, 용기(41) 내에서, 냉각수와 함께 교반되고, 냉각되어, 회수구(13)로부터 회수되었다. 또한, 용기 내에 수용된 금속 분말은, 낙하하는 냉각수가 용기 내의 물 고임면에 고속으로 충돌할 때에 발생하는 충격파에도 노출된다. 또한, 2차 냉각을 행하지 않은 예를 비교예로 했다. 또한, 2차 냉각 전의 금속 분말의 표면 온도, 2차 냉각의 MHF점을 (실시예 1)과 동일하게 추정하여 표 안에 병기했다.

얻어진 금속 분말에 대해서, 금속 분말 이외의 이물을 제거한 후, X선 회절법에 의해, 어모퍼스로부터의 헤일로 피크 및 결정으로부터의 회절 피크를 측정하여, 양자의 회절 X선의 적분 강도비로부터, 실시예 1과 동일하게, 결정화율을 구하고, (1-결정화율)로부터 어모퍼스의 비율(어모퍼스도:％)을 산출했다. 어모퍼스도가 90％ 이상인 경우를 「○」로 하고, 90％ 미만을 「×」로, 동일하게 평가했다.

얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 어모퍼스도가 90％ 이상인 물 애토마이즈 금속 분말로 되어 있다. 한편, 2차 냉각을 행하지 않은 비교예(분말 No.2-1, No.2-7)는, 어모퍼스도가 90％ 미만이었다. 또한, 본 발명예 중, 본 발명의 적합 범위를 벗어나는 예는, 어모퍼스도가 비교적 낮게 되어 있다.

분말 No.2-3, No.2-9는, 용융 금속류의 분단을 위한 분사수(1차 냉각수)의 수온이 적합 범위를 높게 벗어나, 2차 냉각 개시 온도가 높아지고, 막 비등 영역에서의 냉각이 길어져, 어모퍼스도가 90％ 미만으로 비교적 낮게 되어 있다.

또한, 분말 No.2-4, No.2-10은, 용기(41)의 설치 위치가, 용융 금속류의 분단 위치인 위치 A에 가깝기 때문에, 2차 냉각의 냉각 개시 온도가 비교적 높아졌기 때문에, 어모퍼스도가 90％ 이상이지만, 비교적 낮게 되어 있다.

또한, 분말 No.2-5, No.2-11은, 용기(41)의 설치 위치가, 용융 금속류의 분단 위치인 위치 A로부터 떨어져 있기 때문에, 2차 냉각의 냉각 개시까지의 시간이 길어지고, 금속 분말 표면 온도가 낮아져 냉각이 느려지고, 어모퍼스도가 90％ 이상이지만, 비교적 낮게 되어 있다. 분말 No.2-6, No.2-12는, 2차 냉각 개시 위치(위치 B)가, 위치 A로부터 지나치게 떨어져, 금속 분말의 온도가 필요 냉각 개시 온도 미만으로 되어, 결정화가 진행하고, 어모퍼스도가 90％ 미만으로 되어 있다.

(실시예 3)

도 5에 나타내는 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치를 이용하여 금속 분말을 제조했다.

at％로, 83％ Fe-17％ B의 Fe-B계 합금(Fe₈₃B₁₇) 조성 및, at％로, 79％ Fe-10％ Si-11％ B의 Fe-Si-B계 합금(Fe₇₉Si₁₀B₁₁) 조성이 되도록, 각각 원료를 배합(일부 불순물을 포함하는 것은 피할 수 없음)하고, 용해로(2)에서 약 1550℃로 용해하여, 용융 금속을 각 약 50kgf를 얻었다. 얻어진 용융 금속(1)을 용해로(2) 안에서 1350℃까지 서냉한 후, 턴디시(3)에 주입했다. 또한, 챔버(9) 내는, 미리 불활성 가스 밸브(11)를 열어 질소 가스 분위기로 해 두었다. 또한, 용융 금속을 턴디시(3)에 주입하기 전에, 고압 펌프를 가동하여, 냉각수 탱크(용량: 10㎥)로부터 냉각수를 노즐 헤더(5)에 공급하여, 물 분사 노즐(6)로부터 분사수(유체)(7)가 분사된 상태로 해 두었다. 또한, 위치 A의 하류측의 냉각수 및 금속 분말의 낙하 경로상에, 금속제의 충돌판(42)을 설치하고, 낙하해 오는 물 애토마이즈 후의 냉각수와 분단된 금속 분말을 충돌시키는, 2차 냉각을 행했다. 2차 냉각 후, 금속 분말은 회수구(13)로부터 회수되었다.

금속제의 충돌판(42)의 크기는, 금속 분말의 낙하 방향과 수직인 면에서, 직경 100㎜φ의 면적을 점유하는 것으로 했다. 이 크기는, 물 애토마이즈 후의 낙하하는 금속 분말의 거의 전체량과 충돌 가능한 크기이다.

충돌판(42)의 형상은, 도 5에 나타내는 바와 같이 역원추형(a), 원반형(b), 원추형(c) 중 어느 하나로 했다. 모두, 금속 분말의 낙하 방향과 수직인 면에서, 거의 상기한 면적을 점유하도록 형성된 것은 말할 것도 없다.

또한, 용융 금속류(8)가, 분사수(7)와 접촉하는 위치 A는, 용탕 가이드 노즐(4)로부터 80㎜의 위치에 설정했다. 또한, 2차 냉각용의 충돌판(42)은, 2차 냉각 개시 위치(위치 B)에 설치했다. 위치 B로서는, 상기한 위치 A로부터 100∼800㎜의 각 위치로 했다. 또한, 분사수(7)는, 분사압: 3㎫ 또는 5㎫, 수온: 40℃(±2℃) 또는 20℃(±2℃)로 하고, 또한, 수온은, 냉각수 탱크의 외부에 설치되는 칠러로 조정했다. 또한, 충돌판(42)의 설치를 행하지 않은(2차 냉각을 행하지 않은) 예를 비교예로 했다. 또한, 2차 냉각 전의 금속 분말의 표면 온도, 2차 냉각의 MHF점을 실시예 1과 동일하게 추정하여 표 안에 병기했다.

얻어진 금속 분말에 대해서, 금속 분말 이외의 이물을 제거한 후, X선 회절법에 의해, 어모퍼스로부터의 헤일로 피크 및 결정으로부터의 회절 피크를 측정하여, 양자의 회절 X선의 적분 강도비로부터, 실시예 1과 동일하게, 어모퍼스의 비율(어모퍼스도:％)을 산출했다. 어모퍼스도가 90％ 이상인 경우를 「○」로 하고, 90％ 미만은 「×」로, 동일하게 평가했다.

얻어진 결과를 표 3에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 어모퍼스도가 90％ 이상인 물 애토마이즈 금속 분말로 되어 있다. 한편, 2차 냉각을 행하지 않은 비교예(분말 No.3-1, No.3-9)는, 어모퍼스도가 90％ 미만이었다. 또한, 본 발명예 중, 본 발명의 적합 범위를 벗어나는 예는, 어모퍼스도가 비교적 낮게 되어 있다.

분말 No.3-3, No.3-11은, 용융 금속류의 분단을 위한 분사수(1차 냉각수)의 수온이 적합 범위를 높게 벗어나고, 2차 냉각 개시 온도가 MHF점보다 높아져, 막 비등 영역에서의 냉각이 길어지고, 어모퍼스도가 90％ 미만으로 비교적 낮게 되어 있다.

또한, 분말 No.3-5, No.3-13은, 충돌판(42)의 형상이 원추형(도 5(c))으로 적합한 범위를 벗어나기 때문에, 2차 냉각의 효과가 적고, 어모퍼스도가 낮아져 있다. 그러나, 2차 냉각을 행하지 않은 경우보다도, 어모퍼스도는 높아져 있다.

또한, 분말 No.3-6, No.3-14는, 충돌판(42)의 설치 위치가, 용융 금속류의 분단 위치인 위치 A에 가깝기 때문에, 2차 냉각의 냉각 개시 온도가 높아져, 어모퍼스도가 90％ 이상이지만, 비교적 낮게 되어 있다.

또한, 분말 No.3-7, No.3-15는, 충돌판(42)의 설치 위치가, 용융 금속류의 분단 위치인 위치 A로부터 떨어져 있기 때문에, 2차 냉각의 냉각 개시까지의 시간이 길어져, 금속 분말 표면 온도가 낮아져 냉각이 느려지고, 어모퍼스도가 90％ 이상이지만, 낮게 되어 있다. 분말 No.3-8, No.3-16은, 냉각 개시 온도가 필요 냉각 개시 온도 미만이 되어, 어모퍼스도가 90％ 미만으로 되어 있다.

1 : 용융 금속(용탕)
2 : 용해로
3 : 턴디시
4 : 용탕 가이드 노즐
5 : 노즐 헤더
6 : 물 분사 노즐
7 : 분사수
8 : 용융 금속류
8a : 금속 분말
9 : 챔버
10 : 호퍼
11 : 불활성 가스 밸브
12 : 오버플로우 밸브
13 : 금속분 회수 밸브
14 : 물 애토마이즈 금속 분말 제조 장치
15 : 냉각수 탱크
16 : 칠러(저온 냉각수 제조 장치)
17 : 고압 펌프
18 : 냉각수 배관
21 : 2차 냉각수(냉각 분사수)
22 : 2차 냉각수용 밸브
26 : 2차 냉각수 분사 노즐
27 : 2차 냉각수용 고압 펌프
28 : 2차 냉각수용 냉각수 배관
41 : 용기
42 : 충돌판

Claims (7)

1. 용융 금속류에 물을 분사하고, 당해 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하고, 당해 금속 분말을 냉각하는 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법에 있어서, 상기 냉각에 더하여 상기 금속 분말에 추가로, 상기 금속 분말의 표면 온도보다 높은 극소 열 유속점(MHF점)을 갖는 냉각 능력의 2차 냉각을 실시하고,
   상기 2차 냉각은, 상기 냉각 후의 상기 금속 분말의 온도가, 당해 2차 냉각에 있어서의 극소 열 유속점(MHF점) 이하이고 비정질화를 위한 필요 냉각 개시 온도 이상의 온도 범위로부터 행하는, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2차 냉각이, 상기 용융 금속류의 분단에 사용하는 물과는 상이한 물을 사용하여, 물 분사를 행하는 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 물 분사를 행하는 냉각이, 수온: 10℃ 이하, 분사압: 5㎫ 이상의 분사수를 사용하는 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 2차 냉각이, 상기 냉각 후의 냉각수, 당해 냉각수와 함께 낙하하는 분단된 용융 금속 및 금속 분말의 낙하 경로상에 설치된 용기에 의한 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 2차 냉각이, 상기 냉각 후의 냉각수, 당해 냉각수와 함께 낙하하는 분단된 용융 금속 및 금속 분말의 낙하 경로상에 설치된 충돌판에 의한 냉각인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 냉각이, 상기 수온: 30℃ 이하, 혹은 추가로, 분사압: 5㎫ 이상의 물을 분사하고, 상기 용융 금속류를 분단하여 금속 분말로 하여 당해 금속 분말을 냉각하는, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 용융 금속이, Fe-B계 합금, 혹은 Fe-Si-B계 합금으로 이루어지고, 상기 물 애토마이즈 금속 분말이 비정질 금속 분말을 90％ 이상 함유하는 분말인, 물 애토마이즈 금속 분말의 제조 방법.
   

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