KR20210106262A

KR20210106262A - 분사노즐 및 이를 포함하는 금속분말 제조장치

Info

Publication number: KR20210106262A
Application number: KR1020200021220A
Authority: KR
Inventors: 김충년폴; 서원규; 지용환; 김수민; 김휘준; 권도훈; 차은지; 노구원
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사; 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-08-30
Also published as: JP7062108B2; JP2021130872A; EP3868492A1

Abstract

본 발명에 따른 분사노즐은 챔버의 내부로 돌출되는 분사노즐 홀더 및 분사노즐 홀더에 결합되는 분사노즐팁을 포함하고, 분사노즐팁이 분사노즐 홀더보다 낮은 방향을 향하도록 이루어져 아토마이즈되어 비산되는 용융금속 액적에 냉각수의 압력을 효과적으로 전달하여 냉각속도가 빠르므로 비정질 상의 비율이 높은 금속분말의 제조에 강점이 있으며,
분사노즐팁의 분사각도 및 분사커버리지각의 조절을 통하여 다양한 냉각조건에서 일정하게 금속분말의 제조가 가능하여 비정질 금속분말의 제조에 유리한 조건을 얻을 수 있으며, 이를 통해 제조된 금속분말의 비정질 상의 비율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

분사노즐 및 이를 포함하는 금속분말 제조장치{Spray nozzles and metal powder manufacturing apparatus comprising the same}

본 발명의 일 측면은 금속분말을 제조하기 위한 장치에서 금속분말을 냉각하기 위하여 냉각수를 분사하는 분사노즐과 금속분말을 제조하는 장치에 관한 것이다.

최근 전자산업의 비약적인 발전과 전자기기의 보급 확대 및 처리속도 향상을 위한 고밀도 전자회로 소자의 미소화 및 고기능화, 다양화, 정밀화를 도출하기 위해서는 화학적으로 안정하고 전도성이 뛰어난 미립 금속분말 제조기술이 우선적으로 확립될 필요가 있다.

이러한 금속분말 제조기술로서 대표적인 방법으로는 급속 응고법(rapid solidification process)이 사용된다. 즉 급속 응고법은 경자성 재료나 연자성 재료, 수소저장합금 재료 및 열전소재 등의 기능성 합금소재는 물론 알루미늄계 합금이나 구리계 합금 및 스테인레스 강 등 구조용으로 사용되는 다양한 기계부품을 위한 구형분말을 제조하기 위한 방법이다.

일반적으로 급속 응고법에는 금속용탕에서 금속분말을 제조할 때 출탕되는 금속용탕에 고속으로 유체 또는 기체를 불어 그 전단력으로 금속용탕을 미립화하는 기술인 수(물) 분무법(water atomization), 가스 분무법(gas atomization)과, 고속회전하는 컵이나 디스크의 원심력에 의해 미립화하는 원심분무법(centrifugal atomization)이 주요하게 사용되고 있다.

종래 분말 제조를 위한 냉각시스템의 경우에는 단순히 가스분사 또는 원심분무에 따른 1차적인 냉각작용에 그치기 때문에 금속분말의 냉각속도(≤103℃)에 한계가 있어 급냉 효과가 불충분하고, 이를 개선하고 높은 냉각속도를 얻기 위하여 제안된 방식인 SWAP(Spinning water atomization process)가 유체에 의한 분말의 분무와 물에 의한 냉각을 동시에 구현할 수 있는 것으로 개발되었다.

그러나, 용융금속분말의 냉각 시 분말의 표면에 기화된 냉각수가 기포를 발생시키거나 수증기 층이 형성되어 일정 수준 이상의 냉각속도를 구현하는데 어려움을 가지는 한계가 있다.

특히, 비정질 금속분말을 제조하기 위하여는 종래 금속분말의 제조 장치에서 얻을 수 있는 냉각속도보다 높은 냉각속도가 필수적이다.

비정질이란 결정을 이루지 않은 무질서, 불규칙한 원자 배열상태를 갖는 물질의 상태를 나타내는 용어로, 대표적인 비정질 물질의 예로 유리가 있다. 비정질 금속은 결정의 방향성이 없어 높은 강도와 뛰어난 연성을 가지고, 자기 이방성이 없으며 전기 저항이 낮아지는 등의 특성이 있어 다양한 목적으로 사용될 수 있으므로 최근 수요가 증가하고 있다.

이러한 비정질의 금속분말의 제조에는 냉각속도가 중요한 요인으로 작용하는 데, 이는 금속 용융액이 냉각되는 속도가 충분히 높지 않으면 용융금속 내에서 금속원자들이 식으면서 안정적인 결정을 형성하게 되어 결정질의 금속분말을 형성하기 때문이다.

SWAP를 포함한 종래의 금속분말 제조장치들은 용융금속의 원자화 이후에 냉각제를 이용한 냉각을 시도하였지만, 비정질의 금속분말을 형성하기에 냉각속도가 너무 낮거나, 냉각속도가 충분하여 비정질의 분말을 얻더라도 입자의 크기가 불규칙하고 분말이 구형에서 벗어난 형태로 생산되는 등의 문제들이 있었고, 용융금속을 분열시키고 냉각시키는 데에 가스 또는 냉각수가 많이 사용되어 생산 비용이 많이 드는 문제점이 있어 효율적으로 높은 비정질 비율을 갖는 금속분말을 제조하는 장치에 관한 연구가 이루어지고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1334156호

본 발명의 목적은 아토마이즈된 용융금속 액적을 높은 냉각속도로 냉각하여 비정질 상의 비율이 높은 금속분말을 제조할 수 있고, 다양한 냉각 조건하에서 비정질 금속분말을 제조하는데 적합한 분사노즐을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면은,

분말화된 용융금속 액적을 냉각하는 챔버의 내부에 고정수단에 의해 고정되어 냉각수를 분사하는 분사노즐로서,

상기 고정수단에 연결되는 기저부와, 상기 챔버의 내부를 향하여 제1방향으로 돌출되는 선단부, 및 상기 기저부 및 상기 선단부의 내부를 관통하여 형성되며 상기 냉각수가 상기 제1방향으로 흐르는 중공인 유로를 포함하는 분사노즐 홀더; 및

상기 선단부에 결합되는 체결부와, 상기 선단부로부터 상기 냉각수를 공급받아 상기 챔버의 내부로 분사하는 노즐홀이 형성된 분사부를 포함하는 분사노즐팁;을 포함하며,

상기 분사노즐팁은 상기 제1방향보다 낮은 제2방향으로 상기 냉각수를 분사하는 분사노즐이고,

상기 유로는,

상기 기저부에서 상기 제1방향으로 형성되고,

상기 선단부에서 상기 제1방향보다 낮은 방향으로 형성되는 것이 좋으며,

상기 분사노즐팁은 상기 노즐홀에서 분사되는 냉각수 줄기가 퍼지는 각도인 분사커버리지각을 일정 범위 내로 유도하는 가이드부재를 포함하는 것이 좋다.

또, 상기 분사노즐팁은 상기 분사노즐 홀더의 선단부에서 회전되어 분사방향이 조절될 수 있고,

상기 분사노즐 홀더의 길이는 상기 챔버의 내경의 0.1 배 내지 0.7 배인 것이 좋으며,

상기 분사노즐팁의 분사방향과 상기 제1방향의 차이는 35 내지 50°범위인 것이 좋다.

이 때, 상기 유로의 직경은 상기 노즐홀의 직경의 10배 내지 50배인 것이 바람직하고,

상기 고정수단의 중심축과 분사방향이 이루는 각 중 작은각인 수직방향 분사각 및 상기 분사방향을 상기 중심축을 따라 관찰할 때, 상기 분사방향이 상기 중심축 방향으로부터 벗어난 각도인 원주방향 분사각에 대하여, 수직방향 분사각 제어기 및 원주방향 분사각 제어기를 포함할 수 있으며,

상기 수직방향 분사각은 10 내지 70°인 것이 바람직하다.

또, 상기 원주방향 분사각은 0 내지 90°이고, 상기 분사커버리지각은 15 내지 150°인 것이 좋으며,

상기 가이드부재는 상기 노즐홀의 양측에서 분사방향으로 돌출되는 슬릿 형태또는 중공통체인 것이 좋다.

또한, 상기 슬릿의 간격은 상기 노즐홀의 직경의 3 배 내지 4 배인 것이 좋고, 상기 슬릿의 간격은 0.3 내지 5.0mm인 것이 좋으며,

상기 냉각수는 상기 기저부에서 상기 제1방향으로 유동하여 상기 선단부로 흐르고, 상기 선단부에서 제2방향으로 형성된 상기 분사노즐팁을 통하여 상기 노즐홀에서 상기 챔버의 내부로 분사되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면은,

용융금속을 분말화한 후 냉각하는 금속분말 제조장치로서,

용융금속이 내부에서 냉각되는 챔버;

상기 챔버의 내부로 용융금속을 공급하는 용융금속 공급부;

상기 용융금속 공급부로부터 분사되는 용융금속액에 유체를 분사하여 분열시키는 아토마이저; 및

상기 챔버의 내부에서 고정수단에 의해 고정되어 냉각수를 분사하는 분사노즐을 포함하고,

상기 분사노즐은,

상기 고정수단에 연결되는 기저부와 상기 챔버의 내부를 향하여 제1방향으로 돌출되는 선단부 및 상기 기저부 및 선단부의 내부를 관통하는 중공인 유로를 포함하는 분사노즐 홀더; 및

상기 선단부에 결합되는 체결부와 냉각수를 상기 챔버의 내부로 분사하는 노즐홀이 형성된 분사부를 포함하는 분사노즐팁;을 포함하며,

상기 분사노즐 홀더는 상기 제1방향으로 돌출되어 연결되고, 상기 분사노즐팁은 분사방향이 상기 제1방향보다 낮은 방향을 향하도록 구비되는 금속분말 제조장치이며,

상기 분사노즐은 2개 내지 16개 범위로 구비되는 것이 좋고, 상기 냉각수의 분사압력은 30 내지 500 bar인 것이 좋으며,

상기 냉각수의 유량은 20 내지 200 l/min 인 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따른 분사노즐은 가스 아토마이저에 의하여 비산되는 용융 금속 액적에 냉각수를 분사하여 비산되는 용융금속 액적의 표면에 형성되는 수증기층을 파괴할 수 있고, 분말이 더욱 빠른 속도로 냉각되어 높은 비정질 상의 비율을 갖는 금속분말을 제조할 수 있다.

분사노즐은 챔버의 분사노즐 홀더는 내부를 향하는 제1방향으로 돌출되어 냉각수의 분사위치로부터 용융금속액적의 충돌지점이 가깝게 형성되므로 냉각수의 분사압력이 효과적으로 전달될 수 있고, 분사노즐팁은 제1방향보다 낮은 방향으로 분사방향이 형성되어 분사각도의 조절이 용이하고, 넓은 분사각도를 형성하기 유리하다.

또한, 분사노즐의 노즐홀의 양 측면에 형성된 가이드부재가 분사 커버리지각을 원하는 범위로 유도할 수 있으므로, 냉각수에 의한 냉각환경이 안정적으로 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 분사노즐이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 정면도와 단면도이고,
도 2는 분사노즐팁을 나타낸 도면이며,
도 3은 실험예 1 내지 4에서 분말입도에 따른 결정화 엔탈피의 값을 나타낸 것이고,
도 4는 실험예 1 내지 4에서 제조된 금속분말을 X선회절(XRD) 분석장치로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

여기서 1) 첨부된 도면들에 도시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 개략적인 것으로 다소 변경될 수 있다. 2) 도면은 관찰자의 시선으로 도시되기 때문에 도면을 설명하는 방향이나 위치는 관찰자의 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 3) 도면 번호가 다르더라도 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용될 수 있다.

4) '포함한다(comprise, comprises, comprising), 갖는다, 이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 5) 단수로 설명되는 경우 다수로도 해석될 수 있다. 6) 형상, 크기의 비교, 위치 관계 등이 '약, 실질적' 등으로 설명되지 않아도 통상의 오차 범위가 포함되도록 해석된다.

7) '~후, ~전, 이어서, 후속하여, 이때' 등의 용어가 사용되더라도 시간적 위치를 한정하는 의미로 사용되지는 않는다. 8) '제1, 제2, 제3' 등의 용어는 단순히 구분의 편의를 위해 선택적, 교환적 또는 반복적으로 사용되며 한정적 의미로 해석되지 않는다.

9) '~상에, ~상부에, ~하부에, ~옆에, ~측면에, ~사이에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우 '바로'가 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 10) 부분들이 '~또는'으로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독뿐만 아니라 조합도 포함되게 해석되나, '~또는, ~중 하나'로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독으로만 해석된다.

이하에서는 도면을 바탕으로 본 발명의 구성요소에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 측면인 금속분말 제조용 분사노즐의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 금속분말 제조용 분사노즐은 분사노즐 홀더(32), 분사노즐팁(34)을 포함하여 이루어지며, 고정수단(31)에 의해 금속분말 제조장치의 챔버(10) 내벽에 구비될 수 있다.

고정수단(31)은 금속분말을 제조하는 반응기 내부에 분사노즐을 고정하는 수단으로서, 분사노즐 홀더(32)가 고정수단(31)에 결합될 수 있고, 크기나 형태가 제한되지 않으나, 중심축을 가지는 원통체 형상으로 구성되는 것이 바람직하다.

고정수단(31)은 분사노즐을 챔버(10)에 고정하기 위하여 설치될 수 있으며, 상부에 가깝게 설치되는 것이 바람직하다.

용융금속 용해로는 챔버(10)의 상부에 배치될 수 있고, 용해로가 고정되어 안정적으로 용융금속을 분사할 수 있게 하기 위하여 용융금속 용해로가 거치되거나 결합되어 고정되는 상부판이 챔버(10)의 상부와 용해로 사이에 더 포함될 수 있다.

상부판은 용해로를 받칠 수 있고, 용해로가 고정될 수 있도록 외부에 나사가 결합될 수 있는 체결공을 포함한다. 상부판은 중앙부에 동심원 형태의 상부홀을 포함하여 구성되며, 용융금속은 상부홀을 관통하여 챔버(10)의 내부로 분사될 수 있다. 상부홀의 내경은 챔버(10)의 내부 직경보다 작게 형성되는 것이 좋다.

고정수단(31)의 형태가 예를들어 원통형인 경우, 원주면을 따라 하나 이상의 분사노즐이 설치될 수 있다. 분사노즐은 고정된 위치에 설치될 수 있고, 설치된 후 위치가 이동되거나 분사노즐간의 간격이 변화될 수 있다.

고정수단(31)에 결합되는 분사노즐의 개수 및 위치를 달리하여 설치할 수 있도록 분사노즐 홀더(32)가 결합될 수 있는 결합부의 위치가 달라질 수 있으며, 고정수단(31)이 원통체인 경우, 내부의 원주면을 따라 분사노즐 홀더(32)가 결합될 수 있는 고정수단(31) 결합부가 형성될 수 있고, 결합부는 레일 또는 홈의 형태를 포함하여 이루어질 수 있다.

분사노즐 홀더(32)는 고정수단(31)에 연결되어 분사노즐을 챔버(10)에 고정시키고, 외부로부터 공급되는 냉각수를 분사노즐에 일정하게 제공하는 역할을 수행한다.

분사노즐 홀더(32)는 내부에 중공을 포함하는 중공관체 형태로 구성되며, 내부 중공을 유로(33)로 하여 냉각수를 유동시키고, 고정수단(31)에 고정되는 기저부와 분사노즐팁(34)이 결합되는 선단부를 포함하며, 선단부는 단부로 갈수록 외경이 감소하는 형태로 이루어질 수 있다.

분사노즐 홀더(32)의 길이는 100 mm 내지 120 mm 정도로 형성되며, 분사노즐 홀더(32)의 길이는 챔버(10)의 내경 대비 0.1 내지 0.7 배, 바람직하게는 0.15 배 내지 0.5 배로 이루어질 수 있다.

분사노즐 홀더(32)가 해당 범위보다 짧은 경우 냉각수의 분사위치가 용융금속 액적 비산 지점보다 멀어져 압력의 전달 효율 및 냉각 속도의 감소와 입도가 큰 분말들의 분포가 증가될 수 있으며, 해당 범위보다 긴 경우, 분사노즐 홀더(32) 사이의 간격이 좁아지므로 용융금속 액적의 아토마이징 시 용융금속 액적이 직접 노즐에 충돌할 수 있어 구형의 분말을 제조하는데 문제가 있다.

분사노즐 홀더(32)가 챔버(10)의 내벽으로부터 내부방향으로 돌출되어 형성되므로, 가압되어 분사되는 냉각수는 비산되는 용융금속 액적과 충돌하기까지의 거리 및 소요시간이 감소한다. 이 때, 용융금속과 냉각수의 충돌 시 압력이 효율적으로 전달되어 금속액적의 표면에 형성되는 수증기층이 쉽게 파괴되어 냉각속도가 매우 높아진다.

분사노즐 홀더(32)의 기저부는 고정수단(31)의 결합부에 고정되며, 중심축에 대하여 수직방향인 가로방향으로 회동가능하게 하는 회동축이 고정수단(31)과 분사노즐 홀더(32)의 결합부에 구비될 수 있다. 분사노즐 홀더(32)는 기저부의 회동축에 대하여 회동하여 분사노즐 홀더(32)의 방향을 조절할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로는 고정수단(31)에 동일한 높이의 레일 형태의 결합부가 형성되고, 분사노즐 홀더(32)는 고정수단(31)의 결합부에 구비되어 레일을 따라 이동 가능하게 결합되어 기저부가 고정수단(31)의 원주면의 결합부를 따라 이동가능하며 원하는 위치에서 고정되어 구동될 수 있는 분사노즐 홀더(32)가 사용될 수 있다.

분사노즐 홀더(32)는 기저부에 연결되어 제1방향을 향하여 구비된다. 제1방향은 챔버(10)의 내부, 바람직하게는 챔버(10)의 중심축을 향하는 방향일 수 있고, 분사노즐 홀더(32)의 내부에 형성된 유로(33)는 기저부에서 제1방향으로 형성된다.

분사노즐 홀더(32) 선단부에서 유로(33)는 제1방향보다 낮은 제2방향으로 형성될 수 있다. 유로(33)는 분사노즐 홀더(32)의 내부에서 곡선으로 굽은 형태 또는 하나 이상의 지점에서 꺾인 형태로 형성될 수 있다.

이 때, 분사노즐 홀더(32)에서 제1방향으로 형성된 유로의 길이가 제2방향으로 형성된 유로의 길이보다 긴 것이 좋다.

도 2는 분사노즐팁(34)의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 분사노즐팁(34)은 분사노즐 홀더(32)의 유로(33)로 공급된 냉각수를 금속분말 제조장치의 내부로 분사하여 용융금속 액적을 냉각한다. 분사노즐팁(34)은 내부에 중공이 형성되는 중공체 형태로서, 유체의 분사 방향을 기준으로 토출구가 전방에 형성되고, 유입구가 후방에 형성된다.

분사노즐팁(34)은 분사노즐 홀더(32)에 체결되며 분사노즐팁(34)의 후방에는 체결부가 형성되고, 냉각수를 분사하는 분사부가 전방에 형성된다. 체결부는 분사노즐 홀더(32)의 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 유입구를 포함하며, 둘레면에 분사노즐 홀더(32)에 체결하기 위한 수단을 포함하고, 예를들어 나사산을 포함할 수 있다.

분사노즐팁(34)의 체결부 외면에 나사산이 체결되는 경우, 분사노즐팁(34)은 분사노즐 홀더(32)의 선단부 유로의 내면에 형성된 나사산과 체결된다. 분사노즐 홀더(32)의 내부 유로는 선단부의 말단에서 굽어진 형태로 이루어지므로, 분사방향은 제1방향보다 낮은 방향인 제2방향을 향하도록 형성될 수 있다.

분사노즐의 체결부는 분사노즐 홀더(32)의 선단부의 제1방향을 향하는 유로에서 분사노즐팁(34)과 나사산으로 체결될 수 있고, 제2방으로 형성된 유로에서 분사노즐팁(34)과 체결될 수 있다.

제1방향은 제한되지 않으나 중심축에 수직인 방향 또는 챔버(10)의 내벽에 수직으로 형성되는 것이 좋으며, 바람직하게는 중심축 또는 챔버(10)의 내벽과 이루는 각도가 80 내지 100°인 것이 좋다.

분사노즐 홀더(32)의 선단부에서 유로가 향하는 제2방향은 기저부에서 유로가 형성되는 제1방향과 차이가 있고, 제1방향과 제2방향의 차이는 35 내지 50° 범위로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 35 내지 45°범위인 것이 좋다.

유로가 직선형으로 이루어진 경우, 분사방향을 조절하기 위하여 분사노즐 홀더(32)가 직접 회전될 수 있으나, 이 경우 분사노즐 홀더(32)의 돌출 구조로 인해 회전반경이 크므로 아토마이즈된 용융금속액적과의 충돌을 피하면서 분사방향을 변화시키기 어렵고, 분사방향을 조절하기 위하여 분사노즐팁(34)의 분사방향을 변화시키는 경우, 일반적인 경우 냉각수의 분사는 하부방향으로 이루어지므로 제1방향의 분사방향을 하부로 변화시키기 위하여 한 방향으로만 큰 각이 변위되어야 한다.

분사노즐 홀더(32)가 전술한 바와 같이 제1방향보다 낮은 방향으로 구비되는 조건에서는 분사각 조절이 상하로 모두 이루어질 수 있으므로, 작은 각 범위의 변위로도 상부 및 하부로 넓은 영역의 분사각도를 구현할 수 있어 장비의 구현 및 조작에 유리한 점이 있다.

결합된 분사노즐팁(34)은 분사각 제어기에 의하여 분사방향이 조절된다. 분사각 제어기는 분사노즐 홀더(32)의 선단부에 결합된 분사노즐팁(34)의 분사방향을 수직방향 및 원주방향으로 제어할 수 있다.

분사노즐의 분사방향은 수직방향의 분사각과 원주방향의 분사각으로 나누어 표현할 수 있으며, 해당 분사각을 도 1에 나타내었다. 수직방향 분사각(α)은 고정수단(31) 또는 챔버(10)의 중심축에 대하여 분사방향이 이루는 각 중 작은 각을 의미한다. 수직방향 분사각은 10 내지 70도로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 60도, 더욱 바람직하게는 35 내지 45도로 이루어지는 것이 좋다.

원주방향 분사각(γ)은 중심축을 따라 분사방향을 관찰하였을 때, 분사방향이 중심축을 향하는 방향으로부터 벗어난 각도를 의미하며, 냉각수의 분사방향을 중심축에 수직한 횡단면에 내린 정사영이 중심축과 노즐의 분사구를 지나는 가상의 평면과 이루는 각도로 표현될 수 있다. 원주방향 분사각은 0 내지 90도로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0 내지 65도, 더욱 바람직하게는 15 내지 45도범위로 이루어지는 것이 좋다.

분사노즐팁(34)은 분사부와 체결부가 서로 독립적으로 회전가능한 구조의 노즐팁이 사용될 수 있다. 분사노즐 홀더(32)의 선단부에 결합된 체결부는 나사산에 의해 분사노즐 홀더(32)에 고정되고, 분사노즐팁(34)의 분사부는 회전가능하여 분사각 제어기에 의하여 희망하는 분사방향으로 조절되어 냉각수 분사방향을 제어할 수 있다.

분사노즐팁(34)의 분사방향의 제어는 분사노즐팁(34)의 분사방향이 중심축을 향하도록 정렬된 상태에서 중심축을 따라 수직방향 분사각이 조절된 후, 가로방향으로 분사방향을 회전시켜 원주방향 분사각을 조절하는 방식으로 이루어질 수 있다.

분사노즐팁(34)의 토출구에 형성되는 노즐홀(35)은 0.1 내지 5.0mm로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.3 내지 3.0mm로 형성될 수 있다. 분사노즐팁(34)의 노즐홀(35)의 직경에 따라 분사 단면적이 변화하므로 분사되는 냉각수의 유속이 달라질 수 있다.

해당범위보다 노즐홀(35)의 직경이 작은 경우 유속이 증가하여 용융금속이 추가로 분열되거나 구형 분말의 형성이 어려울 수 있으며, 노즐홀(35)의 직경이 큰 경우 유속이 감소하여 냉각효과가 떨어져 제조된 금속분말의 비정질 상의 비율이 낮게 형성되는 문제가 있다.

분사노즐팁(34)의 중공의 직경은 노즐홀(35)과 동일한 직경으로 이루어질 수 있고, 분사노즐 홀더(32)의 유로의 직경보다 작게 이루어지며, 그 비율은 10배 내지 50배 일 수 있고, 바람직하게는 15배 내지 30배일 수 있다. 직경의 비율이 해당 범위를 벗어나는 경우에는 분사되는 냉각수의 유속과 공급되는 냉각수의 유속의 비율이 감소하므로 냉각수의 분사속도가 감소하거나, 공급되는 냉각수를 높은 압력으로 가압해야 하는 어려움이 있고, 직경의 차이에 따른 저항이 커져 비효율적인 문제가 있다.

분사커버리지각(β)은 분사방향에 대하여 분사되는 냉각수가 퍼지는 각도를 의미하며, 도 1에 이를 나타내었다. 분사커버리지각은 원뿔 혹은 부채꼴 분사형태의 중심각을 의미한다. 분사커버리지각은 노즐홀(35)의 직경과 슬릿의 간격에 의해 조절될 수 있다.

분사노즐팁(34)에서 슬릿이 형성되는 돌출면으로부터 내부의 토출구 노즐홀(35)까지의 깊이를 d라고 하고, 슬릿간격을 D2, 노즐홀(35)의 직경을 D1 이라고 할 때, 커버리지각 β에 대하여 다음과 같은 부등식이 성립한다.

분사 커버리지각은 15도 내지 150도 범위로 제어될 수 있으나, 바람직하게는 25 내지 90도 범위로 형성되는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 25도 내지 65도 범위로 형성될 수 있다.

분사노즐팁(34)이 위치하는 분사부는 분사노즐팁(34)에서 분사되는 냉각수 줄기를 일정한 각도 범위내로 제한하여 유도하거나 제어할 수 있는 가이드부재(36)를 포함한다.

가이드부재(36)는 분사노즐팁(34)에서 원뿔(cone)형태 또는 부채꼴 형태로 분사되는 냉각수의 분사각 또는 분사커버리지각을 정해진 범위 이내로 형성되게 한다.

본 발명의 일 실시예는 분사노즐팁(34)의 토출구의 양 측면에 돌출되어 슬릿 형태를 가지는 구조가 포함한다. 분사노즐팁(34)은 토출구의 양 측면에 돌출된 슬릿을 포함하여 분사되는 냉각수의 분사형태 및 커버리지각을 조절할 수 있다. 분사노즐팁(34)의 토출구로부터 분사되는 냉각수는 원형 노즐홀(35)에 대하여 대칭적인 원뿔의 형태로 분사될 수 있으며, 냉각수의 압력 및 유속 조건에 따라 분사되는 형태의 각도, 즉 커버리지각의 크기가 다르게 얻어질 수 있다.

분사커버리지각의 크기를 원하는 각도로 설정하고 유지하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 포함된 분사노즐팁(34)의 돌출된 슬릿구조가 사용될 수 있다. 분사노즐팁(34)의 슬립은 노즐홀(35)의 양쪽에 돌출되므로 슬릿 간격에 의해 퍼지며 분사되는 냉각수의 분사형태가 정해진다.

노즐홀(35)에서 분사되는 냉각수의 각도가 노즐홀(35)과 슬릿의 단부가 이루는 각보다 작은 경우에는 분사되는 냉각수는 슬릿의 간격 사이로 분사되고, 노즐홀(35)에서 분사되는 냉각수의 각도가 노즐홀(35)과 슬릿의 단부가 이루는 각보다 큰 경우에는 분사되는 냉각수는 슬릿의 안쪽면에 충돌하고, 슬릿의 간격에 의해 정해지는 각도범위 내로 냉각수가 분사되어 균일한 커버리지각이 얻어질 수 있다.

또한, 슬릿의 존재로 인하여 원뿔형태의 분사형태와 평평한 부채꼴 형태로 냉각수가 분사될 수 있어 냉각면적 및 집중냉각의 요구사항에 따라 적정한 분사형태가 사용될 수 있는 장점이 있다.

분사노즐팁(34)의 슬릿 간격은 0.3 내지 5.0mm 범위가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 0.8 내지 4.5 mm 범위, 더욱 바람직하게는 1 내지 2.5 mm 인 것이 좋으며, 노즐홀(35)의 직경 대비 2 배 내지 6 배, 바람직하게는 3 배 내지 4 배 인 것이 좋다.

가이드부재(36)의 형태는 제한되지 않으며, 전술한 바와 같이 노즐홀(35)의 양쪽에서 돌출된 슬릿형태일 수 있고, 노즐홀(35)의 주변부에서 돌출되어 주위를 둘러싸는 중공형 원통체 형태일 수 있다.

금속분말 제조용 분사노즐이 금속분말 제조장치에 사용되는 경우, 노즐의 개수 및 배치는 제한되지 않으나, 노즐의 개수가 2개 내지 16개 범위로 구비되는 것이 좋고, 각 노즐 사이의 간격은 10 내지 100mm 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

노즐의 수가 1개인 경우 냉각수가 낙하하는 용융금속 액적의 일면에만 분사되므로 전반적인 용융금속 액적을 균일하게 냉각하기 어려우며, 17개 이상인 경우 큰 직경을 가지는 챔버(10)가 사용되어야 하고, 노즐의 수가 증가됨에 따라 위쪽으로 튀는 물을 방지하기 위해 분사되는 각각의 노즐의 분사각을 달리할 필요가 있으며, 분사되는 냉각수의 유량이 증가하게 되어 생산 비용이 증가되는 문제점이 있다.

노즐 사이의 간격이 해당 범위를 벗어나는 경우에는 빠른 냉각 속도로 결정구조를 제어해야하는 금속 분말 제조에 문제점이 있으며, 또 액적으로 비산되면서 충분히 냉각하지 못하여 내부 챔버(10)에 부딪혀 구형 분말이 아닌 판상의 불건전한 분말의 형상이 제조될 수 있는 문제점이 있다.

금속분말 제조용 분사노즐이 2개 이상 구비되는 경우 금속분말 제조용 분사노즐은 중심 축에 대하여 대칭형태로 배치될 수 있으며, 바람직하게는 회전대칭형태를 갖도록 정다각형의 꼭지점에 대응되는 위치에 각각의 분사노즐이 구비되는 것이 좋다.

공급되는 냉각수는 가압장치에 의해 공급되어 분사노즐 홀더(32)의 유로를 따라 복수개의 냉각수 분사노즐로 공급되며, 공급되는 냉각수의 유량은 20 내지 200 l/min 범위이고, 가압된 냉각수의 수압은 30 내지 500 bar 인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 금속분말 제조용 분사노즐을 포함하는 금속분말 제조장치이다.

금속분말 제조장치는 금속분말 제조용 분사노즐, 고정수단(31)이 결합되는 챔버(10), 챔버(10)의 상부에서 용융금속을 분사하는 용융금속 공급부 및 용융금속에 유체를 분사하여 액적으로 분열시키는 아토마이저(20) 또는 유체분사노즐을 포함한다. 본 명세서에서 유체분사노즐은 아토마이저(20)와 동일한 의미로 사용되며, 전술한 분사노즐과 구별되는 개념으로, 용탕줄기에 직접 유체를 분사하여 액적화 하는 수단이지만 냉각효과가 충분하지 못하여 구형의 금속분말을 제조하기는 어려운 차이가 있다.

금속분말 제조용 분사노즐은 전술한 특징을 포함하는 노즐이 사용될 수 있으며, 분사노즐의 구성에 대한 설명은 전술한 내용과 동일하므로 생략하였다.

챔버(10)는 아토마이즈된 용융금속 액적이 냉각되는 공간을 포함하는 통체로, 그 형태는 제한되지 않으나 원통형 또는 직경이 변화하는 통체인 것이 바람직하다. 챔버(10)는 외부와 내부를 나누어 외부 공기가 챔버(10)의 내부로 유입되지 못하도록 밀폐된 구조로 이루어지며, 내벽에 금속분말 제조용 분사노즐이 결합되기 위한 고정수단(31)이 구비된다.

챔버(10)는 상부와 하부 챔버로 이루어질 수 있으며, 상부 챔버와 하부 챔버는 서로 연결되어 사용될 수 있다. 챔버(10)의 하부에는 냉각된 금속분말과 분사된 냉각수가 존재하며, 금속분말과 냉각수를 분리하기 위한 분리부가 존재할 수 있고, 분리된 금속분말은 건조되며, 분리된 냉각수는 처리된 후 다시 가압되어 금속분말 제조용 분사노즐을 통해 챔버(10)의 내부로 순환되며 사용될 수 있다.

챔버(10)는 내경과 길이의 비율이 3 내지 10 배로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 6 내지 7 배인 것이 좋다.

해당 내경 대 길이 비율을 벗어나는 경우 노즐에서 고압으로 분무되는 물에 흐름을 따라 발생되는 챔버(10) 내부의 기류들이 충분히 빠져나가지 못하여 기류가 위쪽으로 역류하여 용융되어 오리피스를 통과하여 내려오던 금속액상의 온도를 식힘으로 막히는 문제가 있을 수 있다.

용융금속 공급부는 챔버의 상부에 위치하며 챔버(10)의 내부로 용융금속을 분사할 수 있고, 외부의 공기가 내부로 유입되지 않도록 챔버(10)의 상부와 결합될 수 있다.

용융금속액은 용융금속 공급부를 통하여 분사되거나 중력에 의해 유하될 수 있다. 용융금속의 조성은 제한되지 않으나, 제조하고자 하는 금속분말의 조성에 따라 미리 결정되어 구비될 수 있으며, 분말의 냉각 시 비정질상의 비율이 높게 형성될 수 있도록 조성이 조절될 수 있다.

용융금속의 온도는 제한되지 않으나, 용융금속의 조성에 따라 합금의 용융온도보다 높게 형성되며, 바람직한 냉각속도를 얻고 비정질 상의 비율이 높은 금속분말을 제조하기 위하여 조절될 수 있다.

금속의 용융 및 가열은 용해로(melting furnace)에서 이루어지고, 용해로의 방식은 제한되지 않으며, 반사로, 도가니로, 용선로 또는 전기로 등이 사용될 수 있다.

아토마이저(20)는 용융금속 공급부로부터 분사되거나 유하하는 용융금속액 분사줄기 또는 용탕줄기에 유체를 분사하여 미세한 액적형태로 분열시킨다. 분사되는 유체는 제한되지 않으며, 액체를 분사하는 액체 아토마이징 방식과 기체를 분사하는 가스 아토마이징 방식이 사용될 수 있고, 이 중 가스 아토마이징 방식을 사용하는 것이 바람직하다.

가스 아토마이징 시 사용되는 기체의 종류는 제한되지 않으나, 고온의 용융금속을 산화시키거나 반응을 일으키지 않는 기체가 사용될 수 있으며, 헬륨이나 네온, 아르곤 같은 불활성기체 또는 질소 등의 반응성이 낮은 기체가 사용되는 것이 좋다.

아토마이저(20)는 용융금속을 분사하는 용해로의 하부에 위치하며, 고정수단(31)의 상부판의 상부홀에 결합되어 챔버(10)의 내부로 분사되는 용융금속액을 분열시킬 수 있다.

아토마이징에 사용되는 유체분사노즐은 다양한 형태와 수의 노즐이 사용될 수 있고, 제조하고자하는 금속분말의 입경 범위의 용융금속 액적으로 용융금속액 분사줄기를 분열시킬 수 있는 형태 및 개수의 노즐이라면 어떠한 것이라도 사용가능하다.

아토마이저(20)의 유체분사노즐이 위치 및 분사각도는 다양하게 조절될 수 있다. 유체분사노즐의 분사각도에 따라 하방으로 분사되는 용융금속 액적의 냉각 면적이 달라질 수 있고, 구비되는 위치, 높이에 따라 냉각속도 및 냉각 면적이 달라질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 상부판의 상부홀에 유체분사노즐이 결합될 수 있다. 유체분사노즐은 상부홀에 결합되며 내무에 용융금속이 관통하여 분사될 수 있는 관통공을 포함하고, 관통공의 주변을 둘러싸는 환형의 슬릿 형태의 노즐 또는 분사구를 포함할 수 있다.

외부로부터 공급되는 유체는 기체 또는 냉각수일 수 있으며, 유체분사노즐의 주변에 형성된 공급관에 충진된 후 환형의 유체분사노즐로 분사된다. 분사형태는 원뿔형태(cone)로, 용해로에서 분사되는 용융금속액을 직접 분열시킴과 동시에 급냉시켜 비정질의 금속분말을 형성하게 할 수 있다.

분사되는 용융금속 액적을 높은 속도로 냉각하고 균일한 냉각조건을 형성하기 위하여, 유체분사노즐의 분사방향이 용융금속액 분사줄기와 이루는 각도를 유체분사각도(a)라고 할때, 금속분말 제조용 분사노즐과 아토마이저(20) 유체분사노즐 사이의 거리 또는 높이 차이(h), 유체분사각도(a) 및 챔버(10)의 내경(D)에 대하여

h*tan a / D 의 값은 0.1 내지 0.5 범위의 값을 가지는 것이 바람직하다.

해당 범위를 벗어나는 경우 용융금속액적의 비산각도가 너무 커지므로 금속분말 제조용 분사노즐에 의한 냉각 면적을 벗어나는 영역으로 용융금속 액적이 낙하되어 제조되는 금속분말의 성질이 불균일하거나 비정질 상의 비율이 낮을 수 있다.

실시예

실시예 1

아토마이징으로 분사방향이 5도 방향인 가스 아토마이저를 사용하였고, 액적 냉각으로 수직방향 분사각을 30도, 원주방향 분사각을 20도로 설정하고, 분사 커버리지각이 65도이며, 노즐팁의 홀 직경을 1.0mm로 하는 분사노즐을 4개 배치하였다.

비교예 1

분사노즐을 포함하지 않고, 가스 아토마이저와 정적인 상태의 냉각수로 구성된 금속분말 제조장치를 준비하였다.

실험예

실험예 1 내지 4 : 금속분말의 제조

실시예 1 내지 3, 비교예 1에 대하여 아토마이징 기체의 압력을 각각 65, 75, 75 60 bar로 하고, 냉각수의 유량은 각각 35, 40, 40 및 0 l/min, 수압은 각각 110, 180 및 180 bar로 한 후, 분사되는 용융금속의 온도는 각각 1500, 1420, 1400, 1550℃로 하여 금속분말을 제조하였다.

하기 표 1에 실험예 1 내지 실험예 3, 비교예 1의 결과를 정리하였다.

No.	Gas Atomization		cooling / 2^nd Water Atomization							용융금속온도 [℃]
No.	각도 ( °)	압력 [bar]	수직방향 분사각, α (°)	분사 커버리지각, β (°)	원주방향 분사각, γ (°)	노즐팁 개수	노즐팁 홀 직경 [mm]	수량 [ℓ/min]	압력 [bar]	용융금속온도 [℃]
실시예 1	5	65	30	65	20	4	1.0	35	110	1500
실시예 2	5	75	30	65	20	4	1.0	40	180	1420
실시예 3	5	75	30	65	20	4	1.0	40	180	1400
비교예	5	60								1550

실험예 5 내지 8

실험예 1 내지 4에서 분말입도에 따른 결정화 엔탈피의 값을 DSC 측정장비를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 정리하였고, 측정 그래프를 도 3에 나타내었다.

No.	분말입도	ΔH [J/g]
No.	분말입도	-25 ㎛	25 ~ 32 ㎛	32 ~ 45 ㎛	45 ~ 63 ㎛
실시예 1		58.86	50.41	58.9	56.28
실시예 2		72.73	77.47	76.06	65.12
실시예 3		74.30	66.18	75.61	77.14
비교예		70.89	73.3	66	55.7

실험예 9 내지 12

실험예 1 내지 4에서 제조된 금속분말을 XRD 분석 장비로 분석하였다. 그 결과를 도 4-a 내지 4-d에 나타내었다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 챔버 20 : 아토마이저
31 : 고정수단 32 : 분사노즐 홀더
33 : 유로 34 : 분사노즐팁
35 : 노즐홀 36 : 가이드부재

Claims

분말화된 용융금속 액적이 냉각되는 챔버의 내부에 고정수단에 의해 고정되어 냉각수를 분사하는 분사노즐로서,
상기 고정수단에 연결되는 기저부와, 상기 챔버의 내부를 향하여 제1방향으로 돌출되는 선단부, 및 상기 기저부 및 상기 선단부의 내부를 관통하여 형성되며 상기 냉각수가 상기 제1방향으로 흐르는 중공인 유로를 포함하는 분사노즐 홀더; 및
상기 선단부에 결합되는 체결부와, 상기 선단부로부터 상기 냉각수를 공급받아 상기 챔버의 내부로 분사하는 노즐홀이 형성된 분사부를 포함하는 분사노즐팁;을 포함하며,
상기 분사노즐팁은 상기 제1방향보다 낮은 제2방향으로 상기 냉각수를 분사하는 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 유로는,
상기 기저부에서 상기 제1방향으로 형성되고,
상기 선단부에서 상기 제1방향보다 낮은 방향으로 형성되는 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 분사노즐팁은 상기 노즐홀에서 분사되는 냉각수 줄기가 퍼지는 각도인 분사커버리지각을 일정 범위 내로 유도하는 가이드부재를 포함하는 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 분사노즐팁은 상기 분사노즐 홀더의 선단부에서 회전되어 분사방향이 조절될 수 있는 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 분사노즐 홀더의 길이는 상기 챔버의 내경의 0.1 배 내지 0.7 배인 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 분사노즐팁의 분사방향과 상기 제1방향의 차이는 35 내지 50°범위인 분사노즐.
상기 유로의 직경은 상기 노즐홀의 직경의 10배 내지 50배인 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 고정수단의 중심축과 분사방향이 이루는 각 중 작은 각인 수직방향 분사각; 및
상기 분사방향을 상기 중심축을 따라 관찰할 때 상기 분사방향이 상기 중심축 방향으로부터 벗어난 각도인 원주방향 분사각;에 대하여,
수직방향 분사각 제어기 및 원주방향 분사각 제어기를 포함하는 분사노즐.
제8항에 있어서,
상기 수직방향 분사각은 10 내지 70°인 분사노즐.
제8항에 있어서,
상기 원주방향 분사각은 0 내지 90°인 분사노즐.
제3항에 있어서,
상기 분사커버리지각은 15 내지 150°인 분사노즐.
제3항에 있어서,
상기 가이드부재는 상기 노즐홀의 양측에서 분사방향으로 돌출되는 슬릿 형태인 분사노즐.
제3항에 있어서,
상기 가이드부재는 상기 노즐홀을 둘러싸며 분사방향으로 돌출되는 중공통체인 분사노즐.
제12항에 있어서,
상기 슬릿의 간격은 상기 노즐홀의 직경의 3 배 내지 4 배인 분사노즐.
제12항에 있어서,
상기 슬릿의 간격은 0.3 내지 5.0mm인 분사노즐.
제1항에 있어서,
상기 냉각수는 상기 기저부에서 상기 제1방향으로 유동하여 상기 선단부로 흐르고, 상기 선단부에서 제2방향으로 형성된 상기 분사노즐팁을 통하여 상기 노즐홀에서 상기 챔버의 내부로 분사되는 분사노즐.
용융금속을 분말화한 후 냉각하는 금속분말 제조장치로서,
용융금속이 내부에서 냉각되는 챔버;
상기 챔버의 내부로 용융금속을 공급하는 용융금속 공급부;
상기 용융금속 공급부로부터 분사되는 용융금속액에 유체를 분사하여 분열시키는 아토마이저; 및
상기 챔버의 내부에서 고정수단에 의해 고정되어 냉각수를 분사하는 분사노즐을 포함하고,
상기 분사노즐은,
상기 고정수단에 연결되는 기저부와 상기 챔버의 내부를 향하여 제1방향으로 돌출되는 선단부 및 상기 기저부 및 선단부의 내부를 관통하는 중공인 유로를 포함하는 분사노즐 홀더, 및
상기 선단부에 결합되는 체결부와 냉각수를 상기 챔버의 내부로 분사하는 노즐홀이 형성된 분사부를 포함하는 분사노즐팁을 포함하며,
상기 분사노즐 홀더는 상기 제1방향으로 돌출되어 연결되고, 상기 분사노즐팁은 분사방향이 상기 제1방향보다 낮은 방향을 향하도록 구비되는 금속분말 제조장치.
제17항에 있어서,
상기 분사노즐은 2개 내지 16개 범위로 구비되는 금속분말 제조장치.
제17항에 있어서,
상기 냉각수의 분사압력은 30 내지 500 bar인 금속분말 제조장치.
제17항에 있어서,
상기 냉각수의 유량은 20 내지 200 l/min 인 금속분말 제조장치.