KR100768804B1 - 비정질 금속 제조 방법, 비정질 금속 미립자의 제조 방법 및 제조장치, 비정질 금속 미립자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정질 금속의 제조 방법 및 제조장치에 관한 것이며, 종래의 비정질 금속 제조 방법 및 장치에서는 비정질화를 실현할 수 없었던 재료나 수㎛의 미립자를 함유한 서브미크론 오더로부터 100미크론 오더까지의 비정질 금속 미립자를 높은 수율로 성공률 양호하고, 용이하게 실현할 수 있는 것이다. 용융 금속(1)을 액상의 냉매(4) 중에 공급하고, 자발 핵생성에 의한 비등을 일으켜 그 압력파를 이용하여 용융 금속(1)을 미립화하면서 급속히 냉각하여 비정질화하도록 하고 있다. 이 제조 방법은 재료 공급 수단(3)과, 공급되는 용융 금속(1)을 냉각 고체화시키는 데 충분하고 또한 소량의 냉매(4)를 도입하여 자발 핵생성에 의한 비등으로 발생하는 압력파에 의해 용융 금속(1)을 미립화시키면서 급속히 냉각하여 비정질화한 미립자를 얻는 냉각부(2)와, 냉매(4) 중으로부터 비정질 금속 미립자를 회수하는 회수 수단(5)을 구비하는 장치에 의해 실현된다.

용융 금속, 냉매, 재료 공급 수단, 냉각부, 회수 수단.

Description

비정질 금속 제조 방법, 비정질 금속 미립자의 제조 방법 및 제조장치, 비정질 금속 미립자 {METHOD FOR PRODUCING AMORPHOUS METAL, METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING AMORPHOUS METAL FINE PARTICLES, AND AMORPHOUS METAL FINE PARTICLES}

본 발명은 비정질 금속의 제조 방법, 비정질 금속 미립자의 제조 방법 및 제조장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 설명하면, 본 발명은 얼음 등의 액체를 냉매로서 사용하는 비정질 금속의 제조 방법, 비정질 금속 미립자의 제조 방법 및 제조장치에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은, 전술한 제조 방법으로 제조된 비정질 금속 미립자에 관한 것이다.

종래의 비정질 금속 제조 방법으로는 액체 급냉법이 있다. 이 액체 급냉법은 용융시켜 액체로 되어있는 금속을 냉매 중에 분출시키는 것 등이며 10⁴∼10⁵K/s 등의 속도로 용융 금속을 냉각 응고시켜 비정질 금속을 제조하는 것이다. 또한, 액체 급냉법으로는 가스 분무법이나 단(單) 롤법, 쌍(雙) 롤법 등, 여러 가지의 방법이 있지만, 그중에서도 냉각 속도를 비교적 크게 할 수 있는 방법으로서 냉매에 물 등의 액체를 사용하는 원심법이 널리 알려져 있다.

이 원심법에서의 냉각은 냉매로서 냉각수(101)가 사용되고 있으며, 도 14에 나타내는 것과 같이, 회전 드럼(102) 내를 고속으로 순환하는 냉각수(101)의 흐름 중에 용융 금속(103)을 강하게 연속적으로 분출함으로써 실행되고 있다.

냉각수(101)에 대하여 용융 금속(103)을 주입하면, 주입 직후에 용융 금속(103)의 주위에 증기막이 형성된다. 용융 금속(103)의 표면이 막 비등에 의한 증기막으로 덮힌 상태에서는 용융 금속(103)의 냉각이 완만해지기 때문에, 용융 금속(103)을 강하게 냉각수(101) 중에 분사하는 동시에 냉각수(101)가 고속류로 되도록 공급함으로써, 그들 사이에 속도차를 생기게 하여 강제로 증기막을 파괴하고 있다. 그리고, 냉각수(101)와 용융 금속(103)을 직접 접촉시켜 보통의 비등 냉각(용융 금속 표면에서 일어나는 협의의 핵 비등) 또는 대류 냉각 상태로 하여 냉각 속도를 크게 하도록 하고 있다. 이들 보통의 비등 냉각 또는 대류 냉각은 냉매의 상대 속도가 빠르지 않으면 냉각 효율이 나쁘기 때문에, 냉각수(101)는 용융 금속(103)에 대하여, 예를 들면 3∼12m/s의 속도로 흐르고 있다.

그러나, 통상의 비등 냉각 또는 대류 냉각에 의한 열 전달에서는 용융 금속과 냉매 2액 사이의 열유속(熱流束)이 최대라도 한계 열유속에 한정되어 버리므로, 원리적으로 냉각 속도를 그다지 크게 할 수 없다. 이 때문에, 냉각 속도는 10⁴∼10⁵K/s가 한계이며, 비정질화할 수 있는 금속도 한정 되어 있다.

본 발명은 종래 비정질화할 수 없었던 금속까지도 비정질화 가능한 매우 큰 냉각 속도로 용융 금속을 응고시킬 수 있는 비정질 금속 제조 방법 및 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은 종래 방법 및 장치에서는 실현할 수 없던 서브㎛ 오더로부터 10O㎛ 오더, 특히 수㎛의 비정질 금속 미립자를 용이하게 제조할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 본 발명은 높은 수율로 성공률이 양호하여, 비정질 금속 미립자가 대량으로 얻어지는 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법은 용융 금속을 액상의 냉매 중에 공급하고, 냉매 중에 용융 금속을 덮는 증기막을 형성하고, 증기막을 붕괴시켜 용융 금속과 냉매를 직접 접촉시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 일으켜 그 압력파를 이용하여 용융 금속을 파열하면서 미립화하는 동시에 냉각하여 고체화하는 것이다. 즉, 본 발명은 공급 용융 금속과 냉매의 양을 소량으로 제어함으로써, 안전하고 또한 소규모인 증기 폭발을 연속적으로 발생시킴에 따라, 용융 금속을 미립화하면서 급속히 냉각시킴으로써 비정질화하는 것이다. 상기 비정질 제조 방법에 있어서, 보다 바람직하게는, 냉매에 직접 접촉한 경우에 냉매와의 계면온도가 자발 핵생성 온도 이상으로 되는 온도로서 막비등(膜沸騰) 하한(下限) 온도 이하의 온도로 용융한 상기 용융 금속을, 상기 냉매 중에 공급하고, 냉매 중에서 용융 금속을 덮는 안정된 증기막을 형성하고, 이를 응축에 의해 붕괴시키는 것이다. 더욱 바람직하게는, 용융 금속을 적하(滴下)함으로써 냉매 중에 공급하는 것이다.

냉매 중에 공급된 용융 금속의 주위에는 용융 금속의 열을 받아 냉매가 증발됨으로써 증기막이 형성된다. 이 증기막은 용융 금속으로부터의 열을 받아 진행되는 증발과 냉매에 의한 냉각 간에 열평형이 이루어짐으로써 유지되지만, 이윽고 용융 금속의 온도가 내려가면, 열평형이 무너져서 응축된다(자발적 붕괴). 또는 압력파나, 용융 금속과 냉매 사이의 속도차, 다른 물질에의 접촉 등의 외적 요인을 받아 붕괴된다(강제 붕괴). 응축의 경우에는, 대체로 동시에 전체면에서 증기막의 붕괴가 일어난다. 따라서, 용융 금속의 전체면에서 동시에 냉매와 접촉하여, 용융 금속의 입자 주위에 자발 핵생성에 의한 비등을 일으킨다.

이 자발 핵생성에 의한 비등은 냉매의 내부로부터 비등을 개시한다. 핵 비 등이 수중에서 발생하는 데에는 물·냉매의 표면 장력을 이겨내고 기포핵을 생성하는 것이 필요하고, 그 때의 개시 온도 조건이 자발 핵생성 온도이며, 예를 들어 물이면 1 기압 하에서 313℃이다. 따라서, 증기막이 붕괴되어 용융 금속과 냉매가 직접 접촉할 때의 그 계면 온도가 자발 핵생성 온도 이상이면, 냉매 중에 기포핵이 생성되며, 일단 기포핵이 형성되면, 100℃에서 증발할 수 있으므로, 잇달아 여기에 증기가 모여 폭발적인 비등이 된다. 그리고 자발 핵생성에 의한 증기 생성은 급속하고, 압력파의 발생을 수반하므로, 이 압력파에 의해 용융 금속의 입자가 강제로 깨져서 분쇄되어 미립화된다. 특히, 응축에 의해 증기막이 붕괴되는 경우에는, 높은 압력파가 용융 금속의 입자 전체에 균일하게 적용되기 때문에, 큰 덩어리를 남기지 않고, 효율적으로 미립화할 수 있다. 동시에, 미립화된 용융 금속은 그 비표면적(比表面積)이 커지기 때문에 더욱 냉각이 빨라진다. 그리고 잠열(潛熱) 이행에 의해 냉각 응고된다. 이 용융 금속의 미립화는 더욱 그 비표면적을 크게 하여 냉각 속도를 높이기 때문에, 이로써 냉매로부터의 증발을 더욱 증가시켜 더 큰 압력파를 만들어 내는 정(正)의 피드백이 걸려, 미립화가 촉진되는 동시에 매우 급속히 냉각된다. 이 때의 냉각 속도는 본 발명자들의 실험에 의해, 종래의 방법에서는 비정질화할 수 없던 재료까지도 비정질화할 수 있는 10⁷K/s를 크게 상회하는 속도였던 것이 확인되었다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법은 용융 금속을 적하함으로써 냉매 중에 공급하는 것이다. 이 경우, 적하된 용융 금속의 대부분의 체적이 자발 핵생성 에 관여하게 되어, 금속입자의 효율적인 미립화와 냉각을 촉진할 수 있다. 높은 효율(미립화와 냉각 속도)을 얻고 싶은 경우에는, 용융 액적 직경이 작은 것이 바람직하고, 예를 들면 수10Oμm, 가장 바람직하게는 안개 형태으로하여 냉매와 접촉시키는 것이다. 이 경우에는, 비표면적이 커져, 보다 미립화가 진행되어 냉각 속도가 비약적으로 높아진다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법에 있어서, 냉매는 염을 첨가하는 것이다. 이 경우, 염은 용해되어 용융 금속을 덮는 증기막의 주위에 존재하며, 그 속에 존재하는 물분자가 상대적으로 적어짐으로써, 냉매측으로부터의 증발이 일어나 어렵게 됨에도 불구하고, 응축은 보통으로 일어나기 때문에, 전체로서 응축의 방향으로 향하는 것으로 생각된다. 따라서, 용융 금속이 예를 들면 알루미늄 등의 자발적인 증기막 붕괴가 발생하기 어려운 물질이라도, 증기막의 붕괴가 촉진되어 자발 핵생성에 의한 비등을 촉진할 수 있다. 또, 융점이 높고 초기 온도가 높은 재료인 경우에도, 증기막이 응축으로 향하는 데 시간이 걸려 자발적인 증기막 붕괴가 발생하기 어렵게 되지만, 이 경우에도, 냉매 중의 염이 증기막의 붕괴를 촉진하여 자발 핵생성에 의한 비등을 촉진시킨다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법은 용융 금속과 냉매를 동일 방향에서 또한 적은 속도차로 공급하여 혼합시키는 것이 바람직하다. 또한, 대략 연직 방향으로 낙하되는 영역을 가지는 냉매의 흐름을 형성하고, 상기 냉매 흐름의 낙하 영역에 용융 금속을 자유 낙하에 의해 또는 제트 형상 분사에 의해 공급하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 냉매에 공급된 용융 금속은 그 흐름의 방향을 거의 바꾸 지 않고 냉매의 흐름 중에 공급되어, 용융 금속이 냉매의 흐름으로부터 큰 전단력(剪斷力)을 받지 않는다. 이 때문에, 외적 요인에 의한 증기 파괴를 방지하여 응축에 의한 자발적 붕괴를 달성할 수 있어, 입자의 주위에 거의 동시에 자발 핵생성에 의한 비등을 주변에 발생시킬 수 있다. 여기에서, 고속의 비등 즉 자발 핵생성에 의한 비등은 뜨거운 용융 금속과 찬 냉매가 접촉하고, 그 계면 온도가 자발 핵생성 온도 이상이 되면, 이것이 개시 조건으로 되어 기포핵이 생성되며, 또한 용융 금속과 냉매와의 상대 속도차가 충분히 낮으면 이것이 성장하여 고속의 비등 즉 자발 핵생성에 의한 비등을 일으킨다. 용융 금속에 대한 냉매의 유속(상대 속도)가 너무 빠르면, 자발 핵생성에 의한 비등이 일어나지 않거나, 약간 발생해도 냉각되어 성장하지 않고 소멸된다. 따라서, 용융 금속의 속도와 냉매의 유속을 거의 일치시켜 두는 것이 바람직하다. 예를 들면, 냉매 중에서의 냉매와 용융 금속과의 속도차를 1m/s 이하, 거의 없애는 보다 바람직하다. 이 경우에는, 용융 금속이 냉매의 흐름으로부터 받는 전단력을 더욱 억제할 수 있다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법은 용융 금속이 냉매에 닿기 전에 초음파를 조사하도록 하고 있다. 이 경우, 어느 정도 미세하게 된 용융 금속의 액적에서 냉매 중에 공급할 수 있기 때문에, 용융 금속의 비표면적을 크게 하여 전체적으로 증기 폭발에 관여하기 때문에 미립화가 더욱 촉진되는 동시에, 그 냉각 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 용융 금속은 냉매 중에 공급되기 전에 공기에 닿으면 산화될 우려가 있다. 용융 금속의 산화는 금속의 성질을 변화시켜 버리는 데다, 산화막이 균일하게 부착되지 않기 때문에, 산화막이 부착된 부분과 부착되지 않은 부분에서는 동시에 미립화·냉각이 일어나지 않는다. 이 때문에, 증기 폭발을 잘 이용할 수 없어 미립화의 효율이 떨어진다. 따라서, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법은 용융 금속의 산화를 방지하면서 냉매 중에 공급하도록 하고 있다.
또한, 본 발명의 비정질 금속 제조방법은 용융 금속을 덮는 증기막을, 초음파 조사에 의해 붕괴시키도록 할 수 있다. 즉, 냉매중에 용융 금속의 액적의 주위를 덮은 증기막을 조기에 붕괴하여, 보다 고온의 상태에서 용융 금속의 액적과 냉매를 직접 접촉시켜, 효율이 좋은 자발 핵생성에 의한 비등을 일으키게 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 비정질 금속 미립자의 제조방법은, 전술한 제조 방법을 사용하여 비정질 금속 미립자를 제조하는 것이다.
또한, 본 발명의 비정질 금속 미립자는, 전술한 제조방법을 사용하여 제조된 것이다.

또한, 본 발명의 비정질 금속 제조장치는 용융 금속을 그 공급량을 제어하면서 공급하는 재료 공급수단으로부터 공급되는 소량의 용융 금속과 혼합시켜 용융 금속을 덮은 증기막을 형성하고, 증기막을 붕괴시켜 용융 금속과 냉매를 직접 접촉시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 발생시키고 그에 따라 발생하는 압력파에 의해 용융 금속을 미립화시키면서 급속히 냉각하여 비정질화시키는 냉각부와, 냉매중에서 미립화된 비정질 금속을 회수하는 회수 수단을 구비하도록 하고 있다.

이 장치의 경우, 용융 금속을 자유 낙하시키는 것만으로, 냉매 중의 자발 핵생성에 의한 비등에 의해 미립화되면서 급속히 냉각되어, 비정질 금속이 제조된다. 그리고, 고체화시킨 비정질 금속의 미립자를 냉매로부터 분리하는 것만으로 회수할 수 있다. 따라서, 복잡한 구조의 분무 노즐이나 회전 드럼을 고속 회전시키는 구동 기구 또는 여기에 수반되는 동력 부분을 필요로 하지 않아, 설비 비용이 저가인 동시에 내구성이 우수하고 또한 고장의 우려가 적다.

여기에서, 공급하는 용융 금속과 냉매의 양을 소량으로 함으로써, 자발 핵생성에 의한 비등을, 냉매 중에 적하한 용융 금속을 미립화시킬 정도 크기의 압력파를 발생시키는 규모로 함으로써, 자발 핵생성에 의한 비등으로 생기는 압력파가 필요 이상으로 커지는 것을 방지할 수 있어, 대규모의 증기 폭발 발생을 방지할 수 있다. 또, 냉각부에 멈추는 냉매의 양을 재료 공급 수단에서의 제어를 잃어 용융 금속이 한번에 공급되어도 대규모의 증기 폭발을 일으키지 않는 양으로 함으로써, 재료 공급 수단이 파괴되어 대량의 용융 금속이 유출되었다고 해도, 사고로 이어지는 대규모의 증기 폭발을 초래하지 않는다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조장치는 재료 공급 수단이 용융 금속을 냉매에 적하하는 것이다. 따라서, 적하된 용융 금속의 대부분의 체적이 자발 핵생성에 관여하여, 용융 금속 액적의 미립화를 촉진하는 동시에 냉각을 촉진할 수 있다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조장치에서 사용되는 냉매는 염이 첨가되어 있는 것이다. 이 경우에는, 종래 증기 폭발이 일어나지 않는다고 되어 있던 알루미늄 등의 자발적인 증기막 붕괴가 발생하기 어려운 물질인 경우라도, 증기막의 붕괴가 촉진되어 자발 핵생성에 의한 비등을 일으킬 수 있다. 따라서, 이들 알루미늄 등의 종래 미립화가 곤란했던 재료의 비정질화를 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조장치는 자유 공간에 연직 방향으로 낙하되는 영역을 가지는 냉매의 흐름을 형성하고, 상기 냉매의 흐름 낙하 영역에 용융 금속을 자유 낙하에 의해 공급하게 하여 냉각부를 구성하도록 하고 있다. 이 경우에는, 용융 금속에 냉매의 흐름에 기인하는 전단력을 거의 부여하지 않고 자발적 증기막 붕괴를 일으키도록 할 수 있으므로, 효율적인 미립화를 실시할 수 있는 동시에 냉각부 그 자체가 구조적으로는 불필요하게 된다. 따라서, 저가인 동시에 사고나 고장도 적다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조장치는 재료 공급 수단과 냉매 사이에 용융 금속에 대하여 초음파를 조사하는 초음파 조사 수단을 구비하도록 하고 있다. 따라서, 미세화 수단인 초음파 조사 수단에 의해 어느 정도 미세하게 한 용융 금속의 액적을 냉매 중에 공급할 수 있다. 이 때문에, 냉매 중에서의 용융 금속의 미립화를 더욱 촉진할 수 있는 동시에, 그 냉각 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 초음파 조사에 의한 미세화 기술은 이미 확립되어 있으므로, 안전하고 또한 간단히 용융 금속의 1차 미립화를 실현한다.

또, 본 발명의 비정질 금속 제조장치는 재료 공급 수단으로부터 냉각부에 공급되는 용융 금속의 산화를 방지하는 산화 방지 수단을 구비하도록 하고 있다. 따라서, 용융 금속을 산화시키지 않고 냉매에 접촉시킬 수 있어, 자발 핵생성에 의한 비등을 쉽게 발생시킬 수 있다. 또, 용융 금속의 액적이 냉각부의 주위로 비산되는 것을 방지할 수도 있다.
또한, 본 발명의 비정질 금속의 제조장치는, 용융 금속을 덮는 증기막을, 초음파 조사에 의해 붕괴시키도록 한다. 따라서, 냉매 중의 용융 금속의 액적의 주위를 덮는 증기막을 조기에 붕괴하여, 보다 고온의 상태로 용융 금속의 액적과 냉매를 직접 접촉시켜, 효율이 좋은 자발 핵생성에 의해 비등을 일으키도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 비정질 금속 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 비정질 금속 제조장치를 나타내는 개념도이다.

도 3은 혼합 노즐 내에 선회류 가이드 와이어가 배치되어 있는 모양을 나타내는 개념도이다.

도 4는 혼합 노즐과 선회수 노즐의 접속 관계를 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명의 비정질 금속 제조장치의 제1 변형예를 나타내는 개념도이다.

도 6은 냉매의 흐름에 용융 금속이 합류되는 모양을 나타내는 개념도이다.

도 7은 본 발명의 비정질 금속 제조장치의 제2 변형예를 나타내는 개념도이다.

도 8은 본 발명의 비정질 금속 제조장치의 제3 변형예를 나타내는 개념도이다.

도 9은 본 발명의 비정질 금속 제조장치의 제4 변형예를 나타내는 개념도이다.

도 10은 본 발명의 비정질 금속 제조장치의 제5 변형예를 나타내는 개념도이다.

도 11은 냉매 중에의 용융 금속의 공급 방법과 그 방법으로 미립화된 용융 금속의 입경(粒徑) 분포의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 12는 용융 금속 온도를 바꿔 제조된 금속 미립자의 입경 분포를 나타내는 그래프이다.

도 13은 본 발명의 냉각 방식과 종래의 냉각 방식의 냉각 속도를 비교한 그래프이다.

도 14는 종래의 원심법의 냉각 과정을 나타내는 개념도이다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 나타낸 최선의 형태에 따라 상세하게 설명한다.

도 1에 본 발명의 비정질 금속 제조 방법의 일례를, 도2~도4에 본 발명의 비정질 금속 제조장치의 일례를 나타낸다. 이 제조장치는 용융 금속(1)을 그 공급량을 제어하면서 공급하는 재료 공급 수단(3)과, 용융 금속(1)을 냉각 고체화시키는 냉매(4)를 도입하여 재료 공급 수단(3)으로부터 공급된 용융 금속(1)과 혼합시키고 용융금속(1)을 덮는 증기막을 형성하고, 증기막을 붕괴시켜 용융 금속(1)과 냉매(4)를 직접 접촉시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 이용하여 미립화시키면서 급속히 냉각하여 비정질화시키는 냉각부(2)와, 냉매(4) 중에서 비정질화된 금속 미립자를 회수하는 회수 수단(5)을 구비하고 있다.

재료 공급 수단(3)은, 예를 들면, 보온용 히터(6)를 구비한 도가니(7)에 의해 구성되어 있다. 이 도가니(7)는 바닥면에 형성된 출탕구(出湯口)(7a)를 개폐하는 스토퍼(stopper)(8)와, 도가니(7) 내의 용융 금속(1) 온도를 계측하는 열전대(熱電對)(9)를 구비하고 있다. 스토퍼(8)는 도시하지 않은 액추에이터(actuator)에 의해 상하 이동함으로써, 출탕구(7a)로부터 낙하되는 용융 금속(1)의 양을 제어하거나 완전히 정지시킨다. 용융 금속(1)의 공급은 미립화 효율을 높이는 동시에 사고로 연결되는 대규모의 증기 폭발을 일으키지 않도록 하는 데다, 될 수 있는 한 소량으로 하고 또한 비표면적을 크게 한 상태인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예에서는, 예를 들면 수g 정도의 액적으로서 1 액적씩 염주 형상으로 자유 낙하시키도록 하고 있지만, 이것에 특히 한정되는 것이 아니며, 높은 미립화 효율을 얻고 싶은 경우에는, 금속 액적 직경 보다도 작게 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 수10O㎛, 가장 바람직하게는 안개 형태으로 하여 냉매와 접촉시키는 것이다.

냉각부(2)는 본 실시예의 경우, 용융 금속(1)과 항상 찬 냉매(4)를 혼합시키면서 통과시키는 구조의 노즐(이하 혼합 노즐이라고 함)(2)로 구성되어 있다. 이 냉각부인 혼합 노즐(2)은 도가니(7)로부터 적하되는 용융 금속(1)을 받아내도록, 도가니(7)의 출탕구(7a) 바로 아래에 설치되어 있다. 도가니(7)의 출탕구(7a)와 혼합 노즐(2) 내의 냉매(4) 액면(液面)까지의 거리는 될 수 있는 한 짧은 것이 바람직하고, 예를 들면 30mm 정도 또는 그 이내로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 용융 금속 액적과 냉매와의 충돌력을 작게 하여, 용융 금속 액적을 원활하게 냉매 중에 수용하고, 액적을 덮은 증기막을 파괴하지 않고 냉매와 함께 낙하시킬 수 있어, 안정된 증기막을 형성하고 그것을 응축에 의한 자발 붕괴로 일거에 붕괴시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 일으킬 수 있다.

여기에서, 냉각부로서의 혼합 노즐(2)에는 자발 핵생성에 의한 비등(급속한 증발 현상)을 일으켜 용융 금속(1)을 미립화시키면서 비정질화에 필요한 속도로 급속히 냉각시키는 데에 충분한 용융 금속(1)과 냉매(4)와의 접촉 시간을 확보하는 것이 요구된다. 따라서, 본 실시예의 혼합 노즐(2)은 예를 들면 원통 형상을 이루고 있으며, 그 주벽(周壁) 부분에 냉매(4)로서의 물을 분사하는 선회수 노즐(10)이 접속되어 있다. 선회수 노즐(10)은 2개 채용되며, 도 4에 나타내는 것과 같이, 혼합 노즐(2)의 상부에 혼합 노즐(2)의 내주면에 대하여 접선 방향이 되도록 180°간격으로 접속되어 있다. 여기에서, 증기 폭발을 일으키는 데는 냉매·물의 흐름은 없는 쪽이 바람직하다. 따라서, 용융 금속(1)과 냉매(4) 사이의 속도차를 만들지 않고, 혼합 노즐(2) 내에서의 체류 시간을 벌기 위해, 혼합 노즐(2)의 내주면에 코일 형상의 선회류 가이드 와이어(11)를 선회수 노즐(10)의 분사구로부터 혼합 노즐 하단의 출구에 걸쳐 설치함으로써 선회류의 형성을 돕도록 하고, 이 가이드 와이어(11)에 따라 혼합 노즐(2)의 하부까지 선회류가 계속되도록 설치되어 있다. 따라서, 2개의 선회수 노즐(10)로부터 분사된 물·냉매(4)는 용융 금속(1)의 액적과 함께 혼합 노즐(2)의 내주면을 따라 선회하면서 낙하되는 흐름(선회 분류)을 형성한다. 이에 따라, 용융 금속과 냉매와의 접촉 시간을 길게하여, 용융 금속이 차가워져 증기막 붕괴와 그것에 계속되는 자발 핵생성에 의한 비등(급속한 증발 현상)하기까지의 시간을 확보하도록 하고 있다.

선회수 노즐(10)의 도중의 배관 부분에는 제어 밸브(12)가 설치되어 있어, 혼합 노즐(2) 내의 선회류의 유속이나 유량을 조정할 수 있다. 냉매(4)의 유속은 용융 금속(1)과의 혼합에 의해 발생한 증기막을 붕괴시키지 않을 정도의 속도이며, 또한 혼합 노즐(2) 내에 어느 정도의 시간에 걸쳐 멈추어 있을 수 있도록 선회류를 형성할 수 있는 속도로 조정되어 있다. 그리고 냉매(4)의 유속이 너무 빠르면, 혼합 노즐(2)의 중심에 냉매(4)의 소용돌이나 수면에 홈이 생겨 버려, 이들이 금속 액적(1)의 자발적 붕괴를 방해하게 되므로, 냉매(4)의 유속은 소용돌이나 수면의 홈을 발생하게 하지 않을 정도의 속도, 예를 들면 1m/s 정도 이하, 바람직하게는 가능한 한 저속으로 하는 것이 바람직하다. 또, 도시하지 않고 있지만 냉매를 순환공급하는 공급 계통에는 필요에 따라 냉매를 냉각하는 냉각기 등을 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 혼합 노즐(2) 내에서 냉매(4)의 선회류를 형성함으로써, 냉매(4)를 어느 정도의 시간에 걸쳐 혼합 노즐(2) 내에 멈추게 하여 놓을 수 있게 된다. 이 때문에, 사용하는 냉매(4)의 양을 적게 할 수 있어, 대규모의 증기 폭발이 발생하지 않는다.

혼합 노즐(2)의 내부 직경은 용융 금속(1)의 액적 직경 보다도 충분히 크고, 또한 완만하게 흐르는 선회류를 형성할 수 있을 정도로 작게 되어 있다. 예를 들면 약 2∼8mm 정도 이상이며 또한 25mm 정도 이하의 내부 직경으로 되어 있다. 이 혼합 노즐(2) 내에서 선회하고 있는 냉매(4)의 양은 혼합 노즐(2)에 적하된 용융 금속 액적의 주위를 모두 채울 수 있는 충분한 양, 예를 들면 금속 액적에 대하여 적어도 5배 이상의 체적 냉매(4)가 공급되어 있다. 동시에, 이 냉매(4)는 도가니(7)가 파손되어 용융 금속(1)이 한번에 혼합 노즐(2) 내에 낙하되어도 대규모의 증기 폭발을 일으키지 않을 정도의 소량인 것이 바람직하다. 본 발명자가 실행한 실험에서는, 혼합 노즐(2)에 한번에 모이는 냉매의 양을 예를 들면 약 1OOml 정도 이하로 하는 것이 바람직하다.

용융 금속(1)은 냉매(4)에 직접 접촉한 경우에 용융 금속과 냉매와의 계면 온도가 자발 핵생성 온도 이상이 되는 온도, 바람직하게는 자발 핵생성 온도보다도 충분히 높은 온도로 보온용 히터(6)에 의해 가열되어 있다. 또, 용융 금속(1)의 온도는, 예를 들면 냉매(4)에 직접 접촉한 경우에 증기막이 붕괴되는 온도 즉 막 비등 하한 온도 이하로 되어 있다. 이 막 비등 하한 온도는 외력이 전혀 없는 경우의 용융 금속과 냉매와의 온도로 규정되는 것이다.

냉매(4)로서는 비정질화하려고 하는 용융 금속과 접촉하여 자발 핵생성에 의한 비등을 일으킬 수 있는 액체이면 양호하므로, 예를 들면 물이나 액체 질소, 및 메탄올이나 에탄올 등의 유기 용매나 그 밖의 액체가 바람직하고, 일반적으로는 경제성 및 안전성이 우수한 물이 사용된다. 냉매(4)의 선정은 용융 금속(1)의 재질 에 따라 결정된다. 예를 들면, 용융 금속(1)이 갈륨과 같이 융점이 낮은 경우는, 액체 질소를 냉매(4)로서 채용한다. 또, 용융 금속(1)이, 예를 들면 알루미늄이나 철이나 아연 등의 자발적인 증기막 붕괴가 발생되기 어려운 물질인 경우 등에는, 예를 들면 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘 등의 염 등을 냉매(4)에 첨가하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 용융 금속(1)으로서 아연을 사용하는 경우에는, 냉매(4)로서 염화 나트륨 수용액(水溶液)을 사용함으로써 자발적인 증기막 붕괴를 발생시켜 증기 폭발을 발생시킬 수 있다. 또, 용융 금속(1)으로서 예를 들면 Fe-Si계 합금을 사용하는 경우에는, 냉매(4)로서 포화하는 정도, 예를 들면 25wt%의 염화 칼슘 수용액을 사용함으로써, 자발적인 증기막 붕괴를 발생시켜 Fe-Si계 합금을 증기 폭발시킬 수 있다. 또, 용융 금속(1)으로서 융점이 높은 것을 사용하는 경우에도, 냉매(4)에 염을 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우의 첨가하는 염으로는, 예를 들면 염화칼슘, 염화나트륨, 황산칼륨, 황산나트륨, 질산칼슘의 사용이 가능하다. 물론, 용융 금속과 반응하지 않는 종류의 염을 선택하여 사용하는 것이 바람직한 것은 물론이다. 또, 염을 포함하는 냉매(4)로는 해수를 이용하는 것이 바람직하다.

냉매(4)에의 염의 첨가는, 염이 용해되어 용융 금속을 덮는 증기막의 주위에 존재하기 위해, 그 속에 존재하는 물분자가 상대적으로 적어지기 때문에, 이온이 방해를 하여 냉매측으로부터의 증발이 일어나기 어렵게 됨에도 불구하고, 응축은 보통으로 일어나기 때문에, 전체로서 응축의 방향으로 향하는 것으로 생각된다. 따라서 증기막 붕괴를 촉진할 수 있다.

회수 수단(5)은 예를 들면 필터이다. 본 실시예에서는 2단의 필터(5a, 5b)를 사용하여, 소정 입경의 비정질 금속의 미립자를 회수하도록 하고 있다. 제1단 필터(5a)에는 목적으로 하는 입경보다도 눈이 거친 것을, 제2단 필터(5b)에는 목적으로 하는 입경보다도 눈이 미세한 것을 사용한다. 그리고, 제1단 필터(5a)를 통과하여 제2단 필터(5b)에 의해 포착된 비정질 금속의 미립자를 제품으로서 회수한다. 또, 제1단 필터(5a)에 의해 모여인 비정질 금속은 도가니(7)로 되돌아와 다시 용융된 다음 미세화 처리에 제공된다.

이 제조장치에서는, 사고로 연결되지 않을 정도인 소규모의 자발 핵생성에 의한 비등을 일으키고, 그에 따라 발생하는 압력파를 이용하여 냉매(4) 중에 적하한 용융 금속(1)을 미립화시키고, 동시에 급속히 냉각하여 비정질화하도록 하고 있다. 본 실시예에서는, 혼합 노즐(2) 내에 도입하는 냉매의 양을 될 수 있는 한 소량으로 하고, 또한 용융 금속(1)을 될 수 있는 한 비표면적이 큰 상태로 그 공급량을 소량으로 제어하여, 용융 금속(1)과 냉매(4)의 접촉량을 조정함으로써 자발 핵생성에 의한 비등을 소정 규모로 억제하고 있다. 예를 들면, 수g씩 용융 금속(1)을 적하시키는 동시에, 혼합 노즐(2) 내에서 선회하고 있는 냉매(4)의 양을 100ml 정도로 함으로써 대규모의 증기 폭발이 발생하는 것을 확실하게 방지하고 있다.

또, 이 제조장치에는, 적어도 재료 공급 수단(3)으로부터 혼합 노즐(2)에 공급되는 용융 금속(1)의 산화를 방지하는 산화 방지 수단(14)이 구비되어 있다. 또, 경우에 따라서는 도가니(7)을 포함해서 제조장치 전체를 불활성 분위기로 덮는 산화 방지 수단을 설치하며, 도가니(7)에 저류되어 있는 동안에 용융 금속이 산화되지 않도록 설치된다. 이 산화 방지 수단(14)은, 예를 들면 불활성 가스를 이용한 것이며, 적어도 도가니(7)의 출탕구(7a)와 혼합 노즐(2) 사이의 공간을 외부로부터 차단하는 케이싱(15)을 설치하여 그 안에 불활성 가스를 충전한 것이며, 용융 금속의 액적이 불활성 분위기 중을 적하하도록 설치되어 있다. 불활성 가스로서는 예를 들면 아르곤 등이 사용된다.

이상과 같이 구성된 장치를 사용하고, 아래와 같이 하여 비정질 금속의 미립자를 제조할 수 있다.

먼저, 2개의 선회수 노즐(10)로부터 소정량의 냉매(4)를 혼합 노즐(2) 내에 공급하여, 나선 형상으로 낙하되는 선회류를 형성한다. 또, 도가니(7) 내의 용융 금속(1)을, 냉매(4)와 직접 접촉한 경우의 용융 금속과 냉매와의 계면 온도가 자발 핵생성 온도보다도 충분히 높아지는 온도까지 가열 보온해 둔다.

이 상태에서, 재료 공급 수단(3)의 스토퍼(8)를 상승시켜 도가니(7) 내의 용융 금속을 1액적씩 염주 형상으로 자유 낙하시킨다(단계 S21). 용융 금속(1)은 혼합 노즐(2) 내에서 냉매(4)와 충돌했을 때에 충돌의 기세로 냉매(4) 중에 분산되며, 이어서 용융 금속의 온도가 높기 때문에 막 비등으로 발생한 증기의 막으로 덮인 거친 혼합 상태로 된다(단계 S22).

증기막은 용융 금속(1)의 열을 받아 냉매·물이 증발됨으로써 용융 금속(1)의 주위에 발생한다. 이 증기막은 용융 금속(1)으로부터의 열을 받아 진행되는 증발과 냉매에 의한 냉각과의 열평형이 이루어지므로 유지되지만, 이윽고 용융 금속의 온도가 내려가면, 열평형이 붕괴되어 응축된다. 즉, 증기막의 붕괴가 일어난다(단계 S 23). 그리고, 이 응축은 대개 동시에 전체면에서 일어난다. 따라서, 용융 금속(1)의 전체면에서 동시에 냉매와 접촉하여, 그 계면 온도가 자발 핵생성 온도 이상으로 되기 때문에, 용융 금속의 입자 주위의 저온측 액체인 냉매(4) 중에 자발 핵생성에 의한 비등이 일어난다(단계 S24). 자발 핵생성에 의한 비등은 급속한 증발을 생기게 하고, 증기포(蒸氣泡)를 급팽창시켜 높은 압력파를 발생시킨다. 이 압력파는 매우 고속으로 전파되어, 용융 금속의 입자 전체에 균일하게 작용하기 때문에, 입자는 압력파로 강제로 깨져 분쇄되어 미립화된다(단계 S25). 동시에, 미립화에 의해 비표면적이 커져, 냉각 속도를 더욱 높인다. 이는 또한 냉매로부터의 증발을 증가시키고, 증기막 형성, 증기막 붕괴, 자발 핵생성에 의한 비등으로 발전하여 한층 압력파를 만들어 낸다.

따라서, 분산된 곳의 입자로 증기막이 깨지면, 여기에서 발생한 압력파가 다른 입자에 미쳐 잇달아 자발 핵생성에 의한 비등을 야기시킨다. 그리고 용융 금속의 미립화는 그 비표면적이 커지고, 냉각이 빨라지기 때문에, 그것이 더욱 냉매로부터의 증발을 증가시켜 압력파를 또한 만들어 내는 정(正)의 피드백이 걸려, 미립화가 촉진되는 동시에 급속히 냉각된다. 따라서, 용융 금속은 큰 덩어리를 남기지 않고, 효율적으로 미립화되는 동시에 10⁷K/s를 크게 상회하는 속도로 급속히 냉각되어 비정질화된다.

여기에서, 용융 금속(1)은 수㎚의 자발 핵생성 기포로부터 발생하는 압력파를 이용하여 미립화되는 동시에 비등에 의해 급속히 냉각되기 때문에, 용이하게 서 브㎛ 오더로부터 10O㎛ 오더까지의 크기의 미립자로서 제조할 수 있다. 또한, 종래의 비정질 금속 제조 방법 및 장치에서는 실현 곤란했던 수㎛, 특히 3㎛정도의 종래 방법에서는 얻어지지 않았던 크기의 미립자 제조를 실현할 수 있다. 그리고, 이 미립화는 전체가 동시에 미립화됨으로써 큰 덩어리가 남지 않기 때문에, 성공률이 양호하다. 또한, 입경 분포가 집중되기 때문에, 바람직한 직경의 미립자가 대량으로 얻어진다. 그리고, 이 경우, 단위 질량당의 미립화 효율(미립화 비율)을 양호하게 할 수 있다. 또한, 미립화가 진행되면 비표면적이 커져서 냉각 속도도 더욱 높아진다.

또한, 본 제조장치는 용융 금속을 혼합 노즐(2) 내의 선회 낙하되는 냉매 중에 자유 낙하, 예를 들면 적하시키는 것만으로 미립화되고, 또한 비정질화될수록 급속히 냉각되기 때문에, 용융 금속 방출 노즐에 의해 미립화하는 가스 분무법 등과 같이, 노즐에 부담을 끼치지 않고, 장치가 내구성이 우수한 것으로 되어, 장기적인 운전이 가능하다. 또한, 장치의 구조가 단순하기 때문에, 장치의 제조 비용을 저렴하게 억제할 수 있다.

또한, 비정질화된 금속 미립자와 냉매(4)는 혼합 노즐(2) 내를 선회하면서 낙하되고, 냉매(4)는 제1단 필터(5a)와 제2단 필터(5b)를 통과하여 탱크(13) 내로 되돌아 온다. 그리고, 비정질 금속 미립자는 제1단 필터(5a) 또는 제2단 필터(5b)에 포착된다.

본 발명자들의 실험에 의하면, 1500℃ 정도의 용융 금속(Al₈₉-Si₁₁ 합금)을 직경 8mm 정도의 액적으로서 냉매 100ml를 유속 1m/s 정도로 선회시키는 혼합 노즐(2) 내에 연속적으로 적하함으로써, 용융 금속을 미립화하면서 10⁷K/s를 크게 상회하는 속도로 급속히 냉각하여 고체화시켰다.

또한, 전술한 실시예에서는, 혼합 노즐(2)에 의해 구성된 냉각부를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 냉각부(2)는 자유 공간에 방출되는 냉매의 흐름에 의해 구성되는 것도 있다. 예를 들면, 도시하지 않고 있지만, 도가니(7)의 출탕구(7a) 주위에 냉매를 유출시키는 노즐을 나란히 연직 방향 하향으로 배치하고, 용융 금속과 냉매를 동일 방향으로 흘러내리도록 해도 된다. 이 경우에, 용융 금속과 냉매와의 속도차가 거의 없어, 증기막이 붕괴될 정도의 전단력도 받지 않기 때문에, 증기막의 자발적 붕괴가 균일하게 일어나, 미립화의 효율이 양호하다.

또한, 도 5에 나타내는 것과 같이, 냉매(4)를 경사 위로 향해(또는 도시하고 있지 않지만, 수평 방향으로 향해) 방출시키는 노즐(32)을 설치하고, 노즐(32)로부터 방출되는 냉매(4)가 중력의 작용으로 하향으로 흐름 방향을 바꾸는 영역(31) 부분에 용융 금속(1)을 적하시켜 공급하도록 해도 된다. 냉매(4)를 일단 상향으로 방출함으로써 노즐(32)의 근방에 하향 흐름 영역(31f)을 형성할 수 있다. 이 경우, 용융 금속(1)의 공급방향 A에 대하여 냉매(4)의 흐름(31)의 대략 연직 방향의 하향 흐름 영역(31f)은 함께 연직 방향이기 때문에, 적하된 용융 금속(1)은 그 흐르는 방향을 거의 바꾸지 않고 냉매(4) 중에 공급되어, 용융 금속(1)이 냉매(4)의 흐름으로부터 받는 전단력을 작게 억제할 수 있다. 또, 합류하는 용융 금속(1)의 낙하 속도와 냉매(4)의 유속을 일치시킴으로써, 용융 금속(1)이 냉매(4)의 흐름(31)으로부터 받는 전단력을 더욱 억제할 수 있다. 즉, 용융 금속(1)을 냉매(4)의 흐름(3l) 중에 공급하면 용융 금속(1)과 냉매(4) 사이에 증기막이 발생하지만, 이 증기막을 냉매(4)의 흐름(31)에 의해 생기는 전단력으로 부수는 것이 아니라, 증기막의 응축에 의해 증기막 전체를 단숨에 부실 수 있어, 자발 핵생성에 의한 비등을 국한시키지 않고 전체적으로 일으킬 수 있다. 이 경우, 노즐(32)로부터 유출되는 냉매(4)의 유속을 예를 들면 50cm/s 이하, 보다 바람직하게는 20cm/s 정도로 함으로써, 냉매(4)와 용융 금속(1)을 속도차가 거의 없는 상태를 실현할 수 있어, 냉매(4)가 자발 핵생성에 의한 비등을 일으키기 쉽게 된다. 냉매의 방출 속도는 될 수 있는 한 느린 쪽이 바람직하지만, 20cm/s 정도보다도 저속이면, 노즐로부터 늘어지게 되어 정리된 도 5에 도시한 바와 같은 흐름을 형성할 수 없다. 용융 금속의 공급 방향에 대하여 옆쪽으로부터 냉매를 방출함으로써, 용융 금속의 액적이 분출되는 방향(낙하되는 방향)으로 거의 동일 방향의 하향 흐름 영역(31f)을 냉매의 흐름(31)에 형성하는 이른바 평행 분류 체계를 구성하는 데에는, 도 5의 노즐(32)과같이 약간 상향으로 배치하지 않아도, 수평 또는 약간 하향으로 배치해도 실시 가능하다. 이 경우에는, 보다 저속으로 냉매를 방출할 수 있다.

또, 공급하는 용융 금속(1)의 액적이나 제트의 크기에 대하여, 냉매(4)의 흐름(31) 중에서도 하향 흐름 영역(31f)의 흐름(31) 크기를 예를 들면 2∼5배의 크기로 하는 것이 바람직하다. 냉매(4)의 하향 흐름 영역(31f)의 흐름(31) 크기를 용 융 금속(1)의 액적이나 제트 크기의 2배 이상의 크기로 하는 것은, 이 정도의 값으로 함으로써 냉매(4) 중의 용융 금속(1)의 주위에 자발 핵생성에 의한 비등을 발생시키는 데 충분한 양의 냉매(4)를 확보할 수 있기 때문이다. 또, 냉매(4)의 흐름(31)의 크기를 용융 금속(1)의 액적이나 제트 크기의 5배 이하의 크기로 하는 것은, 이것 보다도 크게 하면 용융 금속(1)에 작용하는 전단력이 커지기 때문이다. 즉, 도 6에 실선으로 나타낸 바와 같이, 냉매(4)의 흐름(31)이 가늘면 용융 금속(1)이 흐름(31)에 유입될 때까지 가로 지르는 흐름(37)은 그다지 많지 않지만, 도 6에 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 냉매(4)의 흐름(31')이 커지면, 용융 금속(1)이 흐름(31')에 합류될 때까지 가로 지르는 흐름(37')이 많아져, 보다 많은 전단력을 받게 되기 때문이다. 즉, 냉매(4)의 흐름(31) 크기를 전술한 범위의 값으로 함으로써 용융 금속(1)의 주위에 충분한 양의 냉매(4)를 확보하면서, 냉매(4)의 흐름(31)으로부터 받는 전단력을 억제할 수 있다. 또, 반드시 노즐(32)을 경사 상방으로 향해 설치할 필요는 없고, 예를 들면 수평이나 경사 하방으로 향해 노즐(32)을 설치해도 된다.

또, 도 7에 나타낸 것과 같이, 만곡된 가이드(33) 상에 냉매(4)를 흐르게 함으로써 하향으로부터 수평 방향으로 방향이 변화되는 냉매(4)의 흐름(31)을 형성하고, 이 흐름(31)에 재료 공급 수단(3)으로부터 용융 금속(1)을 공급하도록 해도 된다. 이와 같이 함으로써, 냉매(4)의 사용량이 소량으로 충분하고, 또한 용융 금속(1)의 주위에 충분한 양의 냉매(4)를 확보할 수 있다.

또, 도 8에 나타내는 것과 같이, 냉매(4)를 분출시키는 노즐(32)을 상향으로 설치하고, 이 노즐(32)의 바로 위로부터 용융 금속(1)을 공급하도록 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 용융 금속(1)을 냉각하는 냉각부(2)가 단순하고 콤팩트한 것이 된다. 이 때문에, 작은 공간에 많은 노즐(32)을 나란히 설치할 수 있어, 대량 생산에 적합한 장치를 제공할 수 있다. 즉, 보다 적은 설비 투자로 금속 미립자를 대량 생산할 수 있다.

또, 도 9에 나타내는 것과 같이, 용융 금속(1)의 낙하점으로 향해 냉매(4)를 분사하는 노즐(32)을 이 낙하점을 둘러싸도록 복수 설치할 수도 있다. 도 9에서는, 4개의 노즐(32)을 원주 방향으로 90˚간격으로 설치하고 있다. 4개의 노즐(32)로부터 동일 유속 또한 동일 유량의 냉매(4)를 분사시켜 부딪침으로써 냉매(4)의 흐름(3l)이 상쇄되어, 냉각부(2)에 냉매(4)가 모이도록 형성할 수 있다. 즉, 용융 금속(1)의 낙하점으로 향해 4개의 노즐(32)로부터 냉매(4)를 분사시킴으로써, 공급된 용융 금속(1)의 주위에 자발 핵생성에 의한 비등을 일으키는 데 충분한 양의 냉매(4)가 모이도록 할 수 있어, 금속 미립자의 비정질화를 양호한 것으로 하는 동시에 미립자 수율이 향상된다. 즉, 소정의 입경 이하의 미립자의 비율을 크게 할 수 있어, 미립자 제조의 성공률이 향상된다. 또, 4개의 노즐(32)로부터 예를 들면 50cm/s의 유속으로 냉매(4)를 분사함으로써, 자발 핵생성에 의한 비등을 일으키는 데 적합한 냉매(4)가 모이도록 할 수 있다.

또, 도 10에 나타내는 것과 같이, 냉매(4)가 포트(34)로부터 유입되고 포트(35)로부터 유출되는 풀(36) 내에 용융 금속(1)을 공급하도록 해도 된다. 이 경우, 풀(36)의 주벽을 어느 정도의 높이로 형성해 둠으로써, 제조된 금속 미립자 는 풀(36) 내에 모두 회수된다. 이 때문에, 비정질 금속 미립자의 회수가 용이하게 된다.

여기에서, 냉매와 용융 금속의 혼합 체계의 차이가 미립화에 미치는 영향을 도 11에 따라, 및 용융 금속 온도의 차이가 미립화에 미치는 영향을 도 12에 따라 설명한다.

도 11에, 냉매와 용융 금속의 3종류의 상이한 접촉 모드에 대한 용융 금속(주석)의 입경 분포를 나타낸다. 냉매로서 물을 이용하며, 그 물의 공급 방법은 도 5에 나타낸 평행 분류, 즉 용융 금속(1)의 공급 방향과 거의 일치되는 방향의 냉매(4)의 흐름(31)(본 명세서에서는 평행 분류라고 함)에 용융 금속(1)을 공급하는 방법(부호 A), 도 8에 나타낸 충돌 분류, 즉 바로 위에서 낙하하는 용융 금속(1)에 대하여 상향으로 분출시키는(본 명세서에서는 충돌 분류라고 함) 냉매(4)의 흐름(31)에 용융 금속을 공급하는 방법(부호 B), 도 10에 나타낸 풀 체계, 즉 내부 직경 155mm의 연직관에 물을 채운 풀(36)에 용융 금속(1)을 공급하는 방법(부호 C)이다. 용융 금속(1)을 적하하는 노즐과 냉매(4)의 액면과의 거리는 모두 30mm으로 했다. 또, 냉매(4)의 서브 쿨도(도 10의 방법에서는 초기 서브 쿨도)는 85K로 했다. 또한, 용융 금속(주석)(1)의 초기 온도는 700℃, 액적 직경은 3.2mm로 했다.

도 11로부터 , 평형 분류에 용융 금속 l의 액적을 접촉시킨 경우(부호 A의 경우)에 용융 금속(1)의 미립화가 가장 촉진되며, 이어서 풀(36) 내에 용융 금속(1)의 액적을 적하하는 방법(부호 C의 경우), 충돌 분류에 용융 금속(1)의 액 적을 접촉시키는 방법(부호 B의 경우)의 순으로 미립화 효율이 양호한 것을 알았다. 평형 분류를 이용하는 방법이 가장 미립화 효율이 양호한 것은 아래와 같이 고려된다. 즉, 평형 분류에 용융 금속(1)을 공급하는 경우에는, 용융 금속(1)을 그 흐르는 방향을 그다지 바꾸지 않고 냉매(4)의 흐름(31)에 합류시킬 수 있다. 따라서, 용융 금속(1)이 냉매(4)의 흐름(31)으로부터 받는 전단력을 가장 작게 억제할 수 있다. 이에 따라, 자발 핵생성에 의한 비등이 가장 발생하기 쉽게 또한 안정되게 성장하여, 용융 금속(1)의 액적의 대부분을 증기 폭발에 관여시킬 수 있기 때문이라고 생각된다. 또, 풀(36) 내에 용융 금속(1)의 액적을 낙하시키는 방법의 경우에는, 후속의 액적이 접촉하는 냉매(4)의 실질적인 서브쿨도가 저하되기 때문에, 용융 금속(1)의 미립화가 그다지 촉진되지 않았다고 생각된다. 한편, 충돌 분류에 용융 금속(1)의 액적을 접촉시키는 방법에 대해서는 충돌면이 되는 액적 하부가 증기 폭발에 의해 미립화되지만, 그 이외의 부위에서는 보통의 핵 비등 또는 대류 냉각으로 되어 비정질화되기 어려운 것이 관찰에 의해 판명되었다.

도 12에, 미립화 효율이 가장 양호한 평행 분류 체계로 냉매와 용융 주석 액적을 접촉시켜 얻어지는 입경 분포를 용융 주석 온도마다 나타낸다. 초기 용융 주석 온도의 상승에 따라, 미립화가 촉진되고 있다. 이것은 직접 접촉 시의 응고점까지의 엔탈피 차이가 클수록 증기 폭발 발생 압력이 높아지고, 및 점성(粘性) 계수가 작아지기 때문이라고 생각된다. 그러나, 온도의 상승에 따라, 이들이 미립화에 끼치는 영향은 작아진다. 또, 어느 온도 이상이 되면 증기막이 자발적으로 붕괴되지 않게 되는 등의 원인으로 증기 폭발이 발생하지 않으므로, 미립화에는 최적 온도가 존재한다고 생각된다.

이들 결과로부터, 미립화에 최적의 초기 온도가 존재하는 것, 냉매와의 상대 속도가 작은 접촉 모드에서는 액적 전체가 증기 폭발에 관여함으로써 미립화가 가장 촉진되는 것이 명백해졌다.

또, 비정질로 되지 않는 물질(Al₈₉-Si₁₁ 합금)을 사용하여, 본 발명의 비정질 금속 제조 방법을 실시하고, 수지상 결정(dendrite) 관찰에 의해 냉각 속도를 이하와 같이 확인했다. 여기에서, 이 용융 금속의 초기 온도는 약 1000℃, 액적 직경은 6mm이며, 150mm 연직 하방의 수용액면에 충돌시킨다. 초기 서브 냉각 온도는 85K로 했다. 알루미늄과 물과의 조합에서는 자발적증기 폭발을 발생시키지 않는 것이 알려져 있다. 본 발명에서는 증기 폭발 촉진제로서 25wt% 염화 칼슘 수용액을 사용함으로써, Al-Si를 증기 폭발시켜 분말을 얻었다.

냉각 속도를 측정하기 위해, 증기 폭발에 의해 미립화한 Al-Si 분말을 연마하여, 왕수로 에칭하고, 금속 현미경으로 수지상 결정를 관찰했다. 그 일례로서, 비교적 큰 분말(입경 1mm) 중심부의 평균 수지상 결정의 암(dendrite-arm) 간격은 0.83μm였다. Al₈₉-Si₁₁에 대한 상관식에 따르면, 냉각 속도는 2.0×10⁵ K/s였다고 추정된다. 또 냉각 속도가 높다고 생각되는 수㎛의 분말에 대해서도 관찰했지만, 수지상 결정의 암 간격이 짧기 때문에, 금속 현미경으로는 의미 있는 계측이 불가능했다.

도 13에 본 발명 방법 및 장치에 의해 달성되는 냉각 속도를 실험하여 결과 를 나타낸다. 또, 도면 중에서는, 일반적인 냉각 방식으로서 가스 분무법, 현재 최고의 냉각 속도를 가지는 SWAP법과 비교하고 있다. SWAP법은 대류 냉각을 이용하고 있으며, 당연하지만 본 방식이 가장 높은 냉각 속도를 가지고 있는 것이 된다.

실험 조건:

용융 금속: Al₈₉-Si₁₁

냉매: 20w% 염화 칼슘 수용액

용융 금속 온도: 1500℃

냉매 온도: 20℃

혼합 체계: 용융 금속을 염주 상 수용액 풀에 주입하는 체계

용융 금속 액적 직경: 8mm

냉각 속도 추정법: 수지상 결정의 암 간격

이 도 13의 실험 결과는 본 발명 방법에 의하면, 종래 최고 속도를 가지고 있다고 되어 있던 swap법보다도 1 자리수 이상 높은 냉각 속도가 얻어진 것을 나타내고 있어, 종래에는 비정질화할 수 없었던 재료라도 비정질화가 가능하게 되는 것을 시사하고 있다.

이상의 비정질 금속 제조 방법 및 장치에 의하면, 자발 핵생성에 의한 비등열 전달을 이용하여 용융 금속(1)을 냉각함으로써, 종래의 방법과 비교하여 냉각 속도를 매우 크게 할 수 있다. 이 때문에, 비정질화에 필요한 냉각 속도가 크기 때문에 종래의 방법에서는 제조할 수 없었던 재질의 비정질화가 가능하게 된다. 또, 비정질화에 필요한 냉각 속도가 크기 때문에, 종래, 비정질화 시키기 위해서는 결정핵 생성을 억제하는 첨가제를 가하는 것이 필요했던 재질에 대하여, 첨가제의 양을 감소시키거나, 또는 첨가하지 않아도 양호하게 비정질화할 수 있다. 보통, 이 첨가 물질은 고가의 희토류인 것이 많아, 고가의 희토류 사용을 억제할 수 있기 때문에 제조 비용 절감에 크게 기여한다. 또, 용융 금속(1)이 알루미늄 합금 등인 경우에는, 첨가제의 양을 감소함으로써 비정질화시킨 경우의 밀도를 작게 할 수 있다.

또, 제조되는 비정질 금속은 서브미크론∼10O㎛ 오더의 미립자로서 얻어지기 때문에, 기계적 합금화나 압출 형성, 분말 압착시킴으로써, 비정질 벌크 재료를 얻을 수 있다. 예를 들면, 비정질 금속에 의해 변압기의 철심을 만들 수 있다. 종래부터, 변압기의 철심은 비정질 금속으로 함으로써 무부하(無負荷) 손해를 현저하게 감소시켜 에너지 절약 효과를 향상시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 그러나, 비정질 금속을 변압기의 철심으로서 사용하기 위해서는, 판두께가 50∼100㎛, 판폭이 150mm 이상의 비정질 박판이 필요하며, 이것을 균질이고, 대량으로 생산할 수 있는 제조 기술의 개발이 요구되고 있다. 종래에는 액체 급냉법으로 제조된 매우 얇은 테이프 형상의 비정질 금속을 거듭 접착함으로써 전술한 비정질 박판을 제조하여 변압기의 철심으로서 사용하고 있다. 이 때문에, 철심의 제조 비용이 매우 높아진다. 그러나, 본 발명에 의해 미립자 형상의 비정질 금속을 생성하고, 이것을 원재료로서 분말 성형에 의해 박판을 제조함으로써, 저가로 비정질의 박판을 제조하는 것이 가능하게 되어, 변압기의 제조 비용을 낮출 수 있다.

또한, 이와 같이 하여 얻은 비정질 벌크 재료를 융점 근방까지 가열하여 결정화시킴으로써, 결정 입경이 작기 때문에 고강도인 다결정체(나노 결정 재료)를 얻을 수 있다.

그리고, 전술한 형태는 본 발명의 바람직한 형태의 일례이기는 하지만 이것에 한정되지 않고 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형 실시가 가능하다. 예를 들면, 전술한 설명에서는 산화 방지 수단(14)으로서 케이싱(15) 내를 불활성 가스 분위기로 하고 있었지만, 불활성 가스 분위기로 하는 것에 대신하여, 수소나 일산화 탄소 등의 환원 가스 분위기로 하거나, 또는 케이싱(15) 내를 감압하여 산소 농도가 낮은 진공 상태로 하도록 해도 된다. 또, 케이싱(15) 내를 감압함으로써 자발 핵생성에 의한 비등을 소규모로 강하게 할 수 있어, 금속 액적(1)을 보다 미립화하기 쉽게 된다. 또, 장치 전체를 불활성 가스 분위기나 환원 가스 분위기 중에 설치하거나, 감압한 케이싱 내에 설치해도 된다.

또한, 용융 금속(1)을 미리 외력을 가하여 미세화하고 냉매(4) 중에 공급하도록 해도 된다. 예를 들면, 재료 공급 수단(3)과 냉매(4) 사이에 용융 금속(1)을 미세화하는 수단을 설치함으로써, 용융 금속(1)의 입자를 어느 정도 미세하게 한 후에 냉매(4) 중에 공급할 수 있다. 이 경우, 미세화 수단에 의해 용융 금속(1)을 어느 정도 미세하게 한 후 냉매 중에 공급하기 때문에, 비표면적이 커져 증기막의 생성과 냉각이 보다 효율적으로 된다. 그 후, 냉매(4) 중에서 자발 핵생성에 의한 비등을 발생시키고 이 비등으로 발생하는 압력파에 의해 용융 금속(1)을 더욱 미립 화할 수 있다. 이 때문에, 냉매(4) 중에서의 용융 금속(1)의 미립화를 더욱 촉진할 수 있는 동시에, 그 냉각 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 용융 금속(1)을 미립화하는 미세화 수단으로는, 예를 들면 이미 미세화 기술로서 확립되어 있는 초음파 조사 기술의 응용이 바람직하고, 도 5에 나타낸 바와 같이 재료 공급 수단(3)과 냉매(4) 사이에 초음파 조사 장치(16)를 설치하여, 재료 공급 수단(3)으로부터 적하되는 용융 금속(1)에 10kHz∼10MHz 정도의 초음파를 조사하도록 해도 된다. 또, 용융 금속(1)이 통과하는 공간에 전기장을 형성하여 용융 금속(1)을 미세화하는 장치의 사용도 가능하다. 그리고, 용융 금속(1)을 미세화하는 것은 재료 공급 수단(3)으로부터 용융 금속(1)이 방출된 직후인 것이 적절하다고 생각된다.

또, 전술한 설명에서는, 도가니(7)의 출탕구(7a)로부터 용융 금속(1)을 적하시킴으로써 혼합 노즐(2)에 공급하고 있었지만, 출탕구(7a)로부터 용융 금속(1)을 제트 형상으로 분출시키도록 해도 된다. 이 경우에는, 실 형상으로 가늘고 양이 적은 것이 필요하다.

또한, 본 실시예에서는 증기막 붕괴에 대하여 주로 응축에 의한 자발적 붕괴에 대하여 설명했지만, 경우에 따라서는 외적 요인으로 증기막을 부수는 것도 있다. 예를 들면, 냉각부를 구성하는 혼합 노즐(2) 또는 냉매의 흐름에 대하여, 10kHz∼10MHz 정도의 초음파를 조사하는 초음파 조사 장치를 설치하여, 냉매 중의 용융 금속의 액적 주위를 덮는 증기막을 조기에 붕괴하여 보다 고온의 상태로 용융 금속의 액적과 냉매를 직접 접촉시켜 효율이 양호한 자발 핵생성에 의한 비등을 일으키게 하는 것도 가능하다. 융점이 높은 금속의 비정질화에 바람직하다. 이 경 우에는, 어느 하나의 방향으로부터 부수는 것이 되므로, 다른 영역 예를 들면 반대측에서는 증기막이 부서지지 않거나, 부서졌다고 해도 효율이 양호하게 자발적인 핵생성이 일어나지 않아, 전체가 미립자되지 않고 남겨지는 부분이 발생하지 않도록, 복수의 방향으로부터 증기막이 부서지도록 배려하는 것이 바람직하다.

Claims (21)

1. 용융 금속을 액상의 냉매 중에 공급하고, 상기 냉매 중에서 상기 용융 금속을 덮는 증기막을 형성하고, 상기 증기막을 붕괴시켜 상기 용융 금속과 상기 냉매를 직접 접촉시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 일으켜 그 압력파를 이용하여 상기 용융 금속을 파열시키면서 급속히 냉각하고 비정질화하여, 비정질 금속 미립자로 형성하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 냉매에 직접 접촉한 경우에 상기 냉매와의 계면온도가 자발 핵생성 온도 이상이 되는 온도로서 막비등(膜沸騰) 하한(下限) 온도 이하의 온도에서 용융한 상기 용융 금속을 상기 냉매 중에 공급하고, 상기 냉매 중에서 상기 용융 금속을 덮는 안정된 증기막을 형성하고, 상기 증기막을 응축에 의해 붕괴시키는 것을 특징으로 하는 비정질 금속의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 용융 금속을 덮는 증기막을, 초음파 조사에 의해 붕괴시키는 것을 특징으로 하는 비정질 금속의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 용융 금속을 적하함으로써 상기 냉매 중에 공급하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 용융 금속은 안개 형태로 상기 냉매에 공급되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 냉매는 염이 첨가된 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 용융 금속과 상기 냉매는 동일 방향에서 동일한 속도로 공급되어 혼합되는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   연직 방향으로 낙하되는 영역을 가지는 냉매의 흐름을 형성하고, 상기 냉매 흐름의 상기 낙하 영역에 상기 용융 금속을 자유 낙하에 의해 공급하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 용융 금속이 상기 냉매에 닿기 전에 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 용융 금속의 산화를 방지하면서 상기 냉매 중에 공급하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 냉매와 상기 냉매 중의 상기 용융 금속과의 속도차를 1m/s 이하로 하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 비정질 금속 미립자를 제조하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 미립자 제조방법.
13. 제12항에 따른 제조 방법을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 비정질 금속 미립자.
14. 공급량을 제어하면서 융융 금속을 공급하는 재료 공급 수단과,

    상기 용융 금속을 냉각 고화시키기에 충분한 양의 냉매를 도입하여 상기 재료 공급 수단으로부터 공급되는 상기 용융 금속과 혼합하여 상기 용융 금속을 덮는 증기막을 형성하고, 상기 증기막을 붕괴시켜 상기 용융 금속과 상기 냉매를 직접 접촉시켜 자발 핵생성에 의한 비등을 발생시키고, 이에 따라 발생하는 압력파에 의해 상기 용융 금속을 미립화시키면서 급속히 냉각하고 비정질화하여 미립자를 얻는 냉각부와,

    상기 냉매 중에서 상기 비정질 금속 미립자를 회수하는 회수 수단

    을 구비하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
15. 제14항에 있어서,

    상기 재료 공급 수단은, 상기 용융 금속을 상기 냉매에 적하하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
16. 제14항에 있어서,

    상기 냉매는 염이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
17. 제14항에 있어서,

    상기 냉각부는, 자유 공간에 연직 방향으로 낙하되는 영역을 가지는 냉매의 흐름을 형성하고, 상기 냉매 흐름의 상기 낙하 영역에 상기 용융 금속을 자유 낙하에 의해 공급하도록 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
18. 제14항에 있어서,

    상기 재료 공급 수단과 상기 냉각부의 상기 냉매까지의 사이에 상기 용융 금속에 대하여 초음파를 조사하는 초음파 조사 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
19. 제14항에 있어서,

    상기 재료 공급 수단으로부터 상기 냉각부에 공급되는 용융 금속의 산화를 방지하는 산화 방지 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
20. 제14항에 있어서,

    상기 냉각부에 멈추는 냉매의 양은, 상기 재료 공급 수단이 제어되지 않아서 상기 용융 금속이 한번에 공급되는 경우에도 대규모의 증기 폭발을 일으키지 않는 양인 것을 특징으로 하는 비정질 금속 제조장치.
21. 제14항에 있어서,

    상기 용융 금속을 덮는 증기막을, 초음파 조사로 붕괴시키는 것을 특징으로하는 비정질 금속의 제조장치.

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