KR20230129084A

KR20230129084A - 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치 및 이를 이용한 가스분사 금속분말 제조장치

Info

Publication number: KR20230129084A
Application number: KR1020220025871A
Authority: KR
Inventors: 이언식
Original assignee: 이언식
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-09-06

Abstract

본 발명은 가스분사장치에서 유출되는 가스제트의 위치별 균일도를 확보함으로써 가스분사 분말화 효율 및 분말의 구형도를 향상시킬 수 있는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치 및 이를 이용한 가스분사 금속분말 제조장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치는 원형의 분리벽에 의해 외경부와 내경부로 분리되어 있는 원형의 노즐 챔버형성부; 상기 외경부로부터 상기 내경부로 상기 노즐 챔버형성부의 반경 방향으로 중심을 향해 가스 유동이 가능하도록 상기 분리벽을 관통하여 형성되는 복수의 방향전환통로; 상기 노즐 챔버형성부의 측부에서 상기 외경부의 접선방향으로 고압가스를 공급하는 적어도 하나의 가스공급관; 및 상기 내경부의 하단에 위치하며 상기 고압가스를 고속의 가스제트로 배출하기 위한 원형의 노즐 슬릿;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치 및 이를 이용한 가스분사 금속분말 제조장치{Gas Spraying Apparatus for Manufacturing Metal and Alloy Powders and Apparatus for Manufacturing Metal Powder Using the Same}

본 발명은 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스분사장치에서 유출되는 가스제트의 위치별 균일도를 확보함으로써 가스분사 분말화 효율 및 분말의 구형도를 향상시킬 수 있는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치 및 이를 이용한 가스분사 금속분말 제조장치에 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.

금속 3D 프린팅에 소요되는 금속분말은 PBF(Powder Bed Fusion) 방식인 경우 45μm 이하의 분말크기를 요구하고, DED(Direct Energy Deposition) 방식인 경우 60μm 내지 150μm 크기의 분말을 요구한다. 이중 분말 수요는 대부분 PBF 방식이 차지하고 있으나, 45μm 이하의 금속분말을 가스분사 제조공정으로 제조하기에는 회수율이 20% 수준으로 매우 낮은 실정이다. 이와 같이 종래의 가스분사 금속분말 제조공정은 미세분말 생산 수율이 낮은 관계로 3D 프린팅용 금속분말은 최소 15만원/kg 이상으로 고가이어서 금속 3D 프린팅 공정의 광범위한 상업화에 걸림돌이 되고 있다.

종래에는 복잡한 형상으로 이루어진 부품의 3D 프린팅용 철계 및 비철계 분말은 원뿔형 가스제트를 적용한 가스분사 금속분말 제조장치를 통해 제조된다.

도가니의 금속 용탕이 하부의 오리피스를 통하여 자유 낙하하며 하부에 장착된 원뿔형 가스제트를 분사하는 가스분사노즐의 중심부를 용탕 줄기가 관통하여 지나간다. 이때 가스분사 노즐의 하부에는 원형 슬릿(Slit) 혹은 원형을 따라서 다수의 미세 제트 홀(Hole)이 가공되어 원뿔 모양의 고속 가스제트를 분사한다. 이러한 고속 가스제트는 하부의 원뿔 꼭지점 한 지점에 집중되며 이곳에서 용탕 줄기와 충돌하여 금속 용탕줄기를 미세한 액적으로 분쇄한다. 이후 분쇄된 액적은 분사챔버 내부에서 분사가스에 의해서 응고 및 냉각되어 고상의 금속 분말로 변하며 최종적으로 분말 포집부에 쌓이게 된다.

상기 분사가스로는 질소(N₂) 및 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 주로 사용하며, 때로는 공기도 사용한다. 가스분사 노즐에 적용되는 분사가스 압력은 일반적으로 5Bar 내지 25Bar 수준이다.

이러한 종래의 원뿔형 가스제트를 적용한 가스분사 노즐 방식은 크게 개방형(Free-Fall Type)과 구속형(Confined Type)으로 대별된다.

상기 개방형 가스분사 노즐 방식은 분사되는 가스제트가 자유 낙하하는 용탕 줄기의 한 점에서 서로 충돌하기 때문에, 그 충돌력이 서로 상쇄되어 분말화 효율이 떨어진다. 가스제트의 충격력이 용탕줄기에 전부 전달되어야 하는데 가스제트 간의 충돌로 대부분의 에너지를 소모하여 분말화를 위해서 더 많은 가스의 양과 더 높은 가스압력을 필요로 한다.

또한, 노즐 슬릿을 통과한 가스제트는 급격하게 속도가 감소하게 되는데, 용탕줄기와 충돌하기까지 비행거리가 상당하여 매우 낮은 속도의 가스제트로 되어 충돌하기 때문에 미분화 효율이 더욱 감소하는 문제점이 있다.

더욱이, 분사된 가스제트가 용탕줄기와 충돌할 때 가스제트의 원주방향을 따른 속도와 압력에 있어 불균일성이 발생할 경우 수많은 용탕액적이 위쪽으로 튀어 올라 가스분사장치의 중심부에 계속 접착되어 조업 중단 사태를 야기하기도 한다. 그러므로 장시간의 조업 안정성을 확보하기 위해서는 가스제트의 원주방향 압력 및 속도의 균일성 확보가 매우 중요하다. 개방형 가스분사 분말 제조공정은 현재 조업 안정성이 가장 우수하여 금속분말 대량 생산에 주로 사용되고 있다.

한편, 상기 구속형 가스분사 노즐은 분사가스와 용탕줄기가 매우 근접하여 분말화 효율은 비교적 우수하다. 그러나 분사가스가 오리피스에 직접 분사되기 때문에 세라믹 재질의 오리피스가 큰 열충격을 받는 환경에 처해 있다. 즉, 오리피스 내경부에는 1600℃ 내외의 금속용탕이 유출되고 외주부에는 고속의 차가운 분사가스가 지나기 때문에 오랜 시간을 견디기 어려워 결국 오리피스가 파열되고 막히는 조업 사고가 빈번하게 발생한다.

특히 이러한 오리피스 막힘 및 파열의 문제에 있어 오리피스와 직접 충돌하는 가스제트의 원주방향 압력 및 속도의 균일성이 매우 중요하다. 오리피스에 충돌하여 둘러싸고 있는 가스제트의 원주방향에서 위치별로 서로 다른 압력 혹은 속도가 발생한다면 오리피스에 불균일한 열적 응력을 지속적으로 가하기 때문에 정상적인 조업을 운영하기 매우 어렵게 된다. 그러므로 구속형 가스분사장치의 경우에도 장시간의 조업 안정성을 확보하기 위해서는 가스제트의 원주방향 압력 및 속도의 균일성 확보가 매우 중요하다. 현재 구속형 가스분사 금속분말 제조공정은 대량 상업 생산에 적용하기에는 곤란하며, 소량 생산 혹은 연구개발에 주로 적용되고 있다.

이와 같이 개방형 및 구속형 가스분사장치에서 공통된 문제점은 가스제트의 원주방향을 따른 위치별 가스압력 및 속도의 불균일성이라고 할 수 있다. 가스분사장치의 슬릿을 빠져나가는 가스제트의 압력 및 속도가 원주방향을 따라서 균일하지 못한 경우, 가스 압력 및 속도가 위치별로 서로 다르기 때문에 순간적인 압력 불균형이 발생하여 상기에서 언급한 여러가지 조업 문제점이 더욱 빈번하게 발생하게 된다. 특히 유출되는 가스제트의 압력 및 속도가 위치별로 조금 다르다면 제조되는 분말의 입도 분포가 커지게 되며 위치별 불균일성으로 기인한 조업 중단 사고가 발생할 수 있다.

가스분사장치에 고압가스를 공급하는 방법으로는 1개에서 4개까지의 가스공급관을 가스분사장치 반경 방향을 따라서 가스분사장치 중심을 향해 배열하여 적용하고 있다. 가스공급관의 수량을 증가시키면 고압가스를 더욱 균일하게 공급하여 위치별 불균일성을 해소할 수 있으나, 실제 장치의 공간적인 제약으로 2개의 가스공급관을 가장 많이 적용하고 있다. 이와 같이 가스분사장치 반경방향을 따라서 가스공급관을 설치하는 경우에는 가스유동이 서로 충돌하는 위치마다 가스 유동 불균일부가 발생하여 제조된 금속분말의 품질 신뢰도가 하락하는 문제가 있다.

물론 가스분사장치의 측부 접선방향을 따라 가스공급관을 설치하면 회전하는 가스 유동으로 위치별 가스 유동 불균일부를 거의 완전하게 해소할 수 있다. 그러나, 회전하는 가스제트는 용탕줄기와 충돌시 구형 분말 보다는 납작하고 일그러진 형상의 분말을 유발하여 분말 품질을 심각하게 손상시키기 때문에 실제 조업에는 적용하기 곤란하다.

이와 같이, 종래기술에 따르면, 가스제트의 위치별 불균일성으로 가스분사 분말 미세화 효율과 구형화 정도가 떨어지고, 제조 공정 동안 오리피스 막힘 등의 불안정한 현상이 발생하여 조업 신뢰도가 열악하다는 문제점이 있었다.

한국공개특허공보 제10-1995-0000268호 한국등록특허공보 제10-1426008호 한국공개특허공보 제10-2018-0104910호 한국공개특허공보 제10-2016-0124068호 한국공개특허공보 제10-2016-0024401호 한국공개특허공보 제10-2013-0078560호 한국공개특허공보 제10-2020-0084887호

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 가스제트의 원주방향 압력 및 속도를 균일화시켜서 용탕줄기를 분쇄하기 때문에 가스분사 미세 분말화 효율을 최대한 향상시킬 수 있는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 가스제트의 원주방향 압력 및 속도를 균일화시키기 때문에 분말의 구형도를 향상시킬 수 있는 장점이 있는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조 공정 동안 오리피스 막힘 등의 불안정한 현상을 예방할 수 있는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치를 이용한 가스분사 금속분말 제조장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치는 원형의 분리벽에 의해 외경부와 내경부로 분리되어 있는 원형의 노즐 챔버형성부; 상기 외경부로부터 상기 내경부로 상기 노즐 챔버형성부의 반경 방향으로 중심을 향해 가스 유동이 가능하도록 상기 분리벽을 관통하여 형성되는 복수의 방향전환통로; 상기 노즐 챔버형성부의 측부에서 상기 외경부의 접선방향으로 고압가스를 공급하는 적어도 하나의 가스공급관; 및 상기 내경부의 하단에 위치하며 상기 고압가스를 고속의 가스제트로 배출하기 위한 원형의 노즐 슬릿;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 방향전환통로는 적어도 4개일 수 있으며, 바람직하게는 상기 방향전환통로는 12개 내지 24개 범위로 설정될 수 있다.

상기 노즐 슬릿은 내측경사각이 외측경사각보다 더 크게 설정되는 것이 가스제트의 분사 속도를 높이는 데 바람직하다.

본 발명에 따른 가스분사 금속분말 제조장치는 금속 용탕을 용해하며 그 하부에 상기 금속 용탕을 배출하기 위한 오리피스가 장착되어 있는 합금 용해부; 상기 합금 용해부의 하단부에 설치되며 상기 오리피스를 통하여 낙하하는 용탕줄기에 소정의 각도로 고속의 가스제트를 분사함에 의해 상기 용탕줄기를 파쇄하여 미세 금속액적을 생성하기 위한 가스분사장치; 및 상기 가스분사장치 하부에 연결되는 분사챔버를 내부에 구비하고 낙하하는 상기 미세 금속액적이 냉각되어 형성되는 금속분말이 저장되는 분사챔버형성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 종래 기술의 경우 가스분사 장치에서 유출된 가스제트가 국부적으로 압력 및 속도가 상이하여 분말의 입도 분포가 커질 가능성 많으나, 가스제트의 원주방향 압력 및 속도를 균일화시켜서 용탕줄기를 분쇄하기 때문에 가스분사 미세 분말화 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.

또한, 종래 기술은 가스 제트의 불균일성으로 국부적으로 너무 조대하고 너무 미세한 액적이 발생할 가능성이 많고 이러한 액적들이 서로 합체되어 분말의 구형도가 나빠질 문제가 있으나, 본 발명의 경우 가스제트의 원주방향 압력 및 속도를 균일화시키기 때문에 분말의 구형도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

더욱이, 종래 기술의 경우 가스제트의 위치별 불균일에서 야기된 공정 불안정성으로 용탕 액적이 가스제트와 함께 역류하거나 오리피스에서 유출되는 용탕줄기가 응고되어 막히는 현상이 자주 발생하나, 본 발명의 경우 이러한 조업 장애 요인을 해소할 수 있어 조업의 신뢰도를 높일 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명에 따른 가스분사장치를 구비한 금속분말 제조장치의 내부 구조를 보여주는 수직방향 단면 사시도, 본 발명에 따른 가스분사장치를 구비한 합금 용해부의 확대 단면 사시도 및 확대 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명에 따른 가스분사장치의 수직 단면도, 단면 사시도, 횡방향 단면도 및 횡방향 단면 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 가스분사장치를 나타낸 단면도이다.

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 발명에 따른 가스분사장치는 먼저 고압가스를 내경부에 접선방향으로 공급하여 가스를 회전시켜 균일도를 확보한 후 고압가스를 내경부의 반경방향으로 균일하게 방향을 전환시켜서 유출되는 가스제트의 위치별 균일도를 향상시킨다. 본 발명에 따른 가스분사장치는 이와 같이 가스제트가 균일하게 고속 분사함으로써 가스분사 분말화 효율 및 분말의 구형도가 향상된 금속 및 합금 분말을 제조하기 위한 장치이다.

첨부된 도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명에 따른 가스분사장치를 구비한 금속분말 제조장치의 내부 구조를 보여주는 수직방향 단면 사시도, 본 발명에 따른 가스분사장치를 구비한 합금 용해부의 확대 단면 사시도 및 확대 단면도이다.

도 1a 내지 도 1c을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분사 금속분말 제조장치는, 금속 용탕(60)을 용해하며 그 하부에 상기 금속 용탕(60)을 배출하기 위한 오리피스(34)가 장착되어 있는 합금 용해부(30), 상기 합금 용해부(30)의 하단부에 설치되며 상기 오리피스(34)를 통하여 낙하하는 용탕줄기(62)에 소정의 각도로 고속의 가스제트(90)를 분사하기 위한 가스분사장치(70) 및 상기 가스분사장치(70) 하부에 연결되는 분사챔버(11)를 내부에 구비하고 분사된 고속의 가스제트(90)에 의해 상기 용탕줄기(62)가 파쇄되어 생성된 미세 금속액적(64)이 냉각되어 형성되는 금속분말(66)이 저장되는 분사챔버형성부(10)를 포함한다.

상기 합금 용해부(30)는 예를 들어, 유도 용해로(36)를 이용하여 내부에 설치된 도가니(32)에 원하는 금속 분말을 얻기 위한 원재료(즉, 금속 및 합금 봉재)를 투입한 후 용해하여 용탕(60)을 준비하며, 도가니(32)의 하부에 상기 금속 용탕(60)을 배출하기 위한 오리피스(34)가 장착되어 있다.

상기 가스분사장치(70)는 상기 오리피스(34)를 통하여 낙하하는 용탕줄기(62)에 소정의 각도로 고속의 가스제트(90)를 분사하며, 상기 가스분사장치(70)의 노즐 슬릿(84)은 오리피스(34)의 축과 동일한 축선상에 형성되어 있다.

상기 분사챔버형성부(10)는 가스분사장치(70)의 하부를 수용하도록 원통형 분사챔버 몸체(12)가 연결되고, 분사챔버 몸체(12)의 하측에는 금속분말(66)을 중앙으로 모으는 역할을 하는 호퍼(14)가 연결되어 있으며, 호퍼(14)의 하단에는 통로(16)를 거쳐 금속분말(66)을 수집하는 금속분말수집통(18)이 배치되어 있다.

상기 분사챔버형성부(10)의 내부에 구비된 분사챔버(11)에는 가스분사장치(70)를 통하여 공급된 고압가스, 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨 가스와 같은 불활성 가스로 채워져 있다.

상기 분사챔버(11)의 하측에는 분사된 고속의 가스제트(90)에 의해 상기 용탕줄기(62)가 파쇄되어 생성된 미세 금속액적(64)이 냉각되어 형성되는 금속분말(66)이 금속분말수집통(18)에 저장된다.

상기 분사챔버형성부(10)의 분사챔버 몸체(12)에는 분사챔버(11)에 충전된 분위기 가스를 배기할 때 사용되는 배기구(19)가 연결되어 있다.

이하에서, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분사장치의 구성에 대해서 설명한다.

본 발명에 따른 가스분사장치(70)는 원형의 분리벽(74)에 의해 외경부(80)와 내경부(82)로 분리되어 있는 원형의 노즐 챔버형성부(72), 상기 외경부(80)부로부터 상기 내경부(82)로 상기 노즐 챔버형성부(72)의 반경 방향으로 중심을 향해 가스 유동이 가능하도록 상기 분리벽(74)을 관통하여 형성되는 복수의 방향전환통로(76), 상기 노즐 챔버형성부(72)의 측부에서 상기 외경부(80)의 접선방향으로 고압가스를 공급하는 적어도 하나의 가스공급관(42) 및 상기 내경부(82)의 하단에 위치하며 상기 고압가스를 고속의 가스제트(90)로 배출하기 위한 원형의 노즐 슬릿(Slit)(84)을 포함하고 있다.

이 경우, 상기 노즐 챔버형성부(72)의 중앙에는 상기 오리피스(34)의 깔때기 부분이 결합되어 안착되는 관통구멍(71)이 형성되어 있으며, 상기 오리피스(34)의 선단부는 관통구멍(71)을 통과하여 하부로 연장되어 있다.

상기 노즐 슬릿(Slit)(84)은 상기 고압가스를 고속의 가스제트(90)로 배출하는 노즐 역할을 하며, 상기 내경부(82)의 천정부로부터 상기 노즐 챔버형성부(72)의 중앙 관통구멍(71)을 통과하여 하부로 연장된 오리피스(34)의 선단부를 향하도록 소정의 경사각을 갖도록 배치되어 있다. 이를 위해 상기 내경부(82)에는 하측으로부터 천정부를 향하여 노즐슬릿 형성용 돌기부(78)가 돌출되어 있다.

상기 방향전환통로(76)는 가스제트(90)의 균일성 확보를 위해서 4개 이상이면 되지만, 바람직하게는 12개 내지 24개 범위로 설정되는 것이 적당하다. 12개 이상이면 가스제트의 균일도가 훨씬 좋아지며, 24개 이상이 되면 방향전환통로(76)를 설치하기에는 공간적으로 어려운 문제가 발생할 수 있으며 인접하는 방향전환통로(76) 사이의 유동 간섭이 발생하여 균일화에 비효율적이다.

이하에서, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치의 구성 및 작용에 대해서 설명한다.

분리벽(74)을 적용하여 내경부(82)와 외경부(80)로 분리되어 결합된 원형의 노즐 챔버형성부(72)를 마련한다. 상기 노즐 챔버형성부(72)의 측부에는 외부로부터 상기 외경부(80)로 관통하는 적어도 하나 이상의 가스공급관(42,44)이 연결되어 있다. 이 경우, 상기 가스공급관(42,44)에서 공급되는 고압가스가 상기 외경부(80) 내부를 회전할 수 있도록 상기 가스공급관(42,44)은 외경부(80)의 접선방향으로 연결되는 것이 바람직하다.

상기 분리벽(74)을 관통하여 고압가스를 외경부(80)에서 내경부(82)로 이송시킬 수 있는 방향전환통로(76)가 적어도 4개 이상 분리벽(74)을 관통하여 설치된다. 이러한 방향전환통로(76)는 회전하는 가스 유동을 반경 방향으로 변환시켜야 하기 때문에 상기 방향전환통로(76)는 노즐 챔버형성부(72)의 반경방향을 따라서 중심을 향하도록 분리벽(74)을 관통하여야 한다.

이와 같이 고압가스의 회전운동을 반경방향의 방사운동으로 전환시키기 때문에 가스공급관(42,44)의 수는 적어도 1개 내지 2개면 충분하다. 다만 방향전환통로(76)의 개수는 4개 이상이면 가능하지만 유출되는 가스제트(90)의 균일성 확보를 위해서 바람직하게는 12개 내지 24개 범위로 설정하는 것이 적당하다.

상기 방향전환통로(76)의 개수가 12개 이상이면 가스제트(90)의 균일도가 훨씬 좋아지며, 24개 이상이 되면 방향전환통로(76)를 설치하기에는 공간적으로 어려운 문제가 발생할 수 있고 인접하는 방향전환통로(76) 사이의 유동 간섭이 발생하여 균일화에 비효율적이다.

도 3 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 가스분사장치를 나타낸 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 가스분사장치(70-70b)에서 노즐 슬릿(84)은 상기 내경부(82)의 천정부로부터 오리피스(34)의 선단부를 향하도록 소정의 경사각을 갖도록 배치되어 있으며, 노즐 슬릿(84)의 입구와 출구의 간격에 따라 노즐 슬릿(84)의 상측벽 사이에 형성되는 내측경사각(A)과 하측벽 사이에 형성되는 외측경사각(B)이 결정되고 가스제트(90)의 분사 속도와 분사 범위가 결정될 수 있다.

먼저, 도 3에 도시된 제1실시예에 따른 가스분사장치(70)와 같이 노즐 슬릿(84)의 입구와 출구의 간격이 동일한 경우 내측경사각(A)과 외측경사각(B)은 동일하게 설정된다. 이와 같이 내측경사각(A)과 외측경사각(B)이 동일한 경우는 가스제트(90)의 속도는 마하(Mach) 1 이하이기 때문에 아주 미세한 분말을 제조하기 곤란하다.

도 4에 도시된 제2실시예에 따른 가스분사장치(70a)와 같이 노즐 슬릿(84)의 출구의 간격이 입구의 간격보다 더 큰 경우, 내측경사각(A)은 외측경사각(B)보다 더 크게 이루어질 수 있다.

노즐 슬릿(84)에서 내측경사각(A)이 외측경사각(B)보다 더 크게 이루어지는 경우, 노즐 슬릿(84)의 출구의 간격이 입구의 간격보다 더 큰 경우로서 고압가스의 압력은 입구에서 출구로 향할수록 낮아지고 가스속도는 증가하게 된다.

따라서, 상기 가스제트(90)의 속도를 최대화하기 위해서는 도 4에 도시된 제2실시예와 같이 내측경사각(A)이 외측경사각(B)보다 더 크게 형성하며, 바람직하게는 내측경사각(A)와 외측경사각(B)의 차이를 조절하여 마하 3 수준으로 가스제트의 속도를 설정하면, 미분 제조에 유리하다.

도 5에 도시된 제3실시예에 따른 가스분사장치(70b)와 같이 노즐 슬릿(84)의 출구의 간격이 입구의 간격보다 더 작은 경우, 내측경사각(A)은 외측경사각(B)보다 더 작게 이루어질 수 있다.

이와 같이 노즐 슬릿(84)의 내측경사각(A)이 외측경사각(B)보다 더 작은 경우는 도 3에 도시된 내측경사각(A)과 외측경사각(B)이 동일한 경우와 비슷한 가스제트(90)의 속도를 기대할 수 있으며 단지 가스제트(90)의 유출이 더욱 용이하다고 할 수 있다.

이하에 도 1a 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분사 금속분말 제조장치의 동작에 대하여 설명한다.

먼저, 유도 용해로(36) 내부에 배치된 도가니(32)에서 금속 또는 합금 원료를 용해하여 금속 용탕(60)을 준비하며, 도가니(32) 내의 금속 용탕(60)은 하부의 오리피스(34)를 통하여 상기 도가니(32)의 하부로 유출되며 상기 가스분사장치(70)로 관통하여 용탕줄기(62)가 유출된다. 이때 상기 가스분사장치(70)의 노즐 슬릿(84)을 통해서 슬릿의 원주 방향으로 압력 및 속도가 균일한 가스제트(90)를 용탕줄기(62)에 소정의 각도로 분출한다.

일반적인 개방형 방식의 경우는 가스제트가 용탕줄기와 충돌하며, 구속형의 경우에는 가스제트가 오리피스 외경 표면에 접촉한 후 용탕줄기와 충돌하게 된다.

본 발명에서는 노즐 챔버형성부(72)의 외경부(80)의 고압가스는 복수개의 방향전환통로(76)에 의해서 내경부(82)의 방사방향으로 중심을 향해 균일하게 유동하기 때문에 최종 노즐 슬릿(84)에서 분출하는 가스제트(90)는 원주 방향을 따라서 균일성을 갖게 된다.

상기 고압가스로는 질소, 아르곤, 헬륨 가스와 같은 불활성 가스를 주로 사용하며, 경제적인 면을 고려할 때 질소 가스가 가장 바람직하다.

이와 같이 용탕줄기(62)는 균일한 가스제트(90)에 의해서 용탕액적(64)으로 미세화 분쇄되고 구형화되어, 최종적으로 분사챔버(11)의 하부로 고압가스와 함께 낙하하며 응고되어 금속분말(66)이 된다.

따라서, 본 발명에 따른 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치(70)는 노즐 챔버형성부(72)에서 고압가스의 균일한 회전 유동을 방향전환통로(76)를 이용하여 균일한 방사운동으로 바꿔줌으로써 구형의 초미세 금속분말을 용이하게 제조할 수 있으며, 종래 분말 제조 공정상 발생하는 용탕액적의 역류 및 오리피스 막힘 현상을 방지할 수 있어 조업의 신뢰도를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 가스분사 금속분말 제조장치(100)는 초음속의 가스제트(90)와 용탕줄기(62)의 속도 차이를 이용하여 구형의 초미세 금속분말(66)을 용이하게 제조할 수 있다.

<실시예>

SKD11(Fe-1.5C-12Cr-1Mo-0.5V) 냉간공구강 분말을 제조하기 위해서 SKD11 봉재를 유도 용해로에서 50kg씩 용해하였다. 이와 같이 용해한 금속용탕은 1600℃에서 용해로 혹은 도가니 하부의 오리피스를 통해 배출되며, 합금 용해부의 하부에는 비교를 위해 종래의 개방형 가스분사장치(비교예 1), 구속형 가스분사장치(비교예 2) 및 본 발명에 따른 분리벽 적용 구속형의 가스분사장치(실시예 1)가 설치된 3종류의 가스분사 금속분말 제조장치를 사용하여 분말을 제조하였다.

이때 각각의 오리피스의 내경은 5mm이며, 분사가스의 압력은 17Bar에서 20Bar의 범위에서 분사 유량을 고려하여 적용하였다. 종래 개방형 가스분사장치(비교예 1)의 경우 충돌각도는 7도를 적용하였고, 반면에 구속형 가스분사장치(비교예 2)의 충돌각도는 25도를 적용하였다. 본 발명예의 분리벽 적용 구속형 가스분사장치(실시예 1)는 내측분사각 60도, 외측분사각 40도를 적용하여 분말을 제조하였다. 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 각 가스분사장치 적용에 따른 분말의 평균직경, 겉보기밀도, 45μm 이하의 미세분말 회수율 및 분말의 입도편차를 측정하고 아래 표 1에 정리하였다.

구분	가스압 (bar)	평균직경 D₅₀(μm)	겉보기밀도 (g/cm³)	분말회수율 (<45μm)	입도편차 ((D₉₀-D₁₀)/ D₅₀)
비교예 1	10	112	3.77	17.0%	2.21
비교예 2	20	63	3.69	34.1%	2.08
실시예 1	20	54	3.86	43.3%	1.99

상기 표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따르면, 종래의 비교예 1 및 비교예 2의 공정에 비하여 3D 프린팅 공정의 목표 입경 크기(45μm) 이하의 분말의 회수율이 17.%와 34%에서 43%로 증가하는 것으로 분석되었다. 이와 같이 미세분말의 회수율이 증가하기 때문에 미세분말 제조에 있어 종래기술 대비 월등한 가격 경쟁력을 갖는 장점이 있다.

또한, 분말의 겉보기밀도는 분말이 커지거나 형상이 구형이 될수록 증가하는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 실시예 1에서 제조된 분말은 종래 개방형(비교예 1)으로 제조된 분말보다 평균직경은 작아지지만 겉보기밀도는 더 커진 것으로 유추할 때 분말의 형상이 훨씬 구형화된 것으로 판단할 수 있다. 결론적으로 본 발명의 실시예 1의 분말은 종래의 비교예 1 및 비교예 2의 공정으로 제조된 분말에 비해서 크기가 더욱 미세하며, 형상은 더욱 구형화되기 때문에 3D 프린팅용 금속분말로는 더 적합하다.

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 가스분사장치에서 유출되는 가스제트의 위치별 균일도를 확보함으로써 가스분사 분말화 효율 및 분말의 구형도를 향상시킬 수 있는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치에 사용될 수 있다.

10: 분사챔버형성부 11: 분사챔버
12: 분사챔버 몸체 14: 호퍼
16; 통로 18: 금속분말 수집통
19: 배기구 30: 합금용해부
32: 도가니 34: 오리피스
36: 용해로 42,44: 가스공급관
60: 금속 용탕 62: 용탕줄기
64: 금속액적 66: 금속분말
70-70b: 가스분사장치 71: 관통구멍
72: 몸체 74: 분리벽
76: 방향전환통로 78: 돌기
80: 외경부 82: 내경부
84: 노즐 슬릿 90: 가스제트

Claims

원형의 분리벽에 의해 외경부와 내경부로 분리되어 있는 원형의 노즐 챔버형성부;
상기 외경부로부터 상기 내경부로 상기 노즐 챔버형성부의 반경 방향으로 중심을 향해 가스 유동이 가능하도록 상기 분리벽을 관통하여 형성되는 복수의 방향전환통로;
상기 노즐 챔버형성부의 측부에서 상기 외경부의 접선방향으로 고압가스를 공급하는 적어도 하나의 가스공급관; 및
상기 내경부의 하단에 위치하며 상기 고압가스를 고속의 가스제트로 배출하기 위한 원형의 노즐 슬릿;을 포함하는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 방향전환통로는 적어도 4개인 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치.
제1항에 있어서,
상기 방향전환통로는 12개 내지 24개 범위로 설정되는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐 슬릿은 내측경사각이 외측경사각보다 더 크게 설정되는 금속 및 합금 분말 제조용 가스분사장치.
금속 용탕을 용해하며 그 하부에 상기 금속 용탕을 배출하기 위한 오리피스가 장착되어 있는 합금 용해부;
상기 합금 용해부의 하단부에 설치되며 상기 오리피스를 통하여 낙하하는 용탕줄기에 소정의 각도로 고속의 가스제트를 분사함에 의해 상기 용탕줄기를 파쇄하여 미세 금속액적을 생성하기 위한 가스분사장치; 및
상기 가스분사장치 하부에 연결되는 분사챔버를 내부에 구비하고 낙하하는 상기 미세 금속액적이 냉각되어 형성되는 금속분말이 저장되는 분사챔버형성부;를 포함하며,
상기 가스분사장치는 제1항의 가스분사장치인 가스분사 금속분말 제조장치.
제5항에 있어서,
상기 노즐 슬릿은 내측경사각이 외측경사각보다 더 크게 설정되는 가스분사 금속분말 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐 슬릿은 출구의 간격이 입구의 간격보다 더 크게 설정되는 가스분사 금속분말 제조장치.