KR100800505B1

KR100800505B1 - 금속분말 제조장치

Info

Publication number: KR100800505B1
Application number: KR1020060088007A
Authority: KR
Inventors: 정은
Original assignee: 에드호텍(주)
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-02-04

Abstract

본 발명은 제조되는 금속분말의 미세화 정도가 향상된 금속 분말 제조장치에 대한 것으로서, 본 발명의 금속분말 제조장치는, 하부에 용융금속을 배출하기 위한 오리피스가 형성된 금속 용해조(40); 진동발생기구로 부터 발새한 진동을 용해조 내부의 용융금속에 전달하여 용융금속을 미세화하기 위한 진동 전달로드(51); 용해조로부터 배출되는 용융금속의 액적을 더욱 미세화하기 위하여 공급 튜브를 통해 용융금속 액적에 분출되는 고압 가스를 수용한 고압가스 저장조(20); 및 고압가스에 의하여 미세화되어 배출되는 용융 금속 액적을 수용하여 냉각하는 금속분말 분무탱크(90)를 구비하여 이루어지는 구성이며, 이로써 평균 입경이 20㎛ 이하인 미세한 구상금속분말의 제조를 안정적으로 저가로 수행할 수 있으며, MIM용 금속분말 및 전자제품용 금속분말 등의 실용화에 있어서 우수하다.

금속분말, MIM, 구상, 진동, 고압가스, 분산부재, 분리배출, 와류

Description

금속분말 제조장치{Fabricating apparatus for metal powder}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속분말 제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 노즐 구조를 도시한 상세도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속분말 제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 일부단면도이다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 금속분말 제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 일부단면도이다.

도 5는 도 4의 분리부재 및 가스 노즐의 배치상태를 도시한 상부평면도이다.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 금속분말 제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 일부단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10:오실로스코프 11:트랜스포머

12:펑션 제너레이터 13:증폭기

14:열전대 20:분무가스 저장용기

30:가스가열기구 40:금속용용기구

50:피에조압전소자 51:진동 로드

60: 오리피스 70:액적 배출구

71,72: 분리배출구 75: 분리부재

80:가스공급 튜브 90: 분말금속 분무탱크

110: 냉각제 노즐 120: 가스 노즐

130: 불활성 가스원 140: 진공 펌프

150: 정전기 대전 링전극 151: 고압전원

160: 회전분산부재 161: 모터

본 발명은 제조되는 금속분말의 미세화 정도가 향상된 금속 분말 제조장치에 대한 것이다.

종래 구상 금속 분말을 제조하는 분야에서 일반적으로 가스 분무법(atomization), 원심 분무법, 회전전극법 등이 사용되며, Ni, co, Cu, Au, Ag 등의 분말을 제조하였다.

가스 분무법에서는 V형 가스 노즐 등에 의하여 100㎛ 정도의 금속 분말을 제조하고, 더욱 용탕의 분쇄 효율을 향상시키기 위하여 가스 노즐을 개량화하여 미세한 금속 분말의 제조가 가능하게 되었으나 평균 입경이 20㎛ 정도인 미세 구상 금속 분말을 제조할 수 있다. 원심 분무법에서는 용융금속의 흐름을 회전하는 원반 등으로 미세화하며, 회전 전극법에서는 고속으로 회전하는 전극에 비임 등을 조사 하여 용융시킴으로써 금속 액적을 발생시켜 구상 금속 분말을 제조한다.

그러나, 최근에는 전자산업 분야에 사용되는 미세한 구상 금속분말이나, MIM(Metal Injection Molding)용 구상 금속분말 등의 20㎛ 이하 크기의 미세한 구상 금속분말에 대한 요구가 증대하여 왔다. 그러나 이러한 측면에서 종래 기술의 제조방법들은 평균 입경을 상기 요구 수준에 합치시키는 것이 곤란하였는 바, 이러한 종래 기술의 과제를 해소하기 위한 부단한 노력의 결과로서 본 발명이 이루어지게 된 것이다.

가스분무법과 관련하여 미합중국 특허 제6,805,726호의 분말제조방법과, 미합중국 특허 제7,093,463호의 거의 구형상의 입자들로 된 분말을 제조하는 방법과 장치가 개시되어 있으며, 나아가, 일본국 특개2001-64702호의 미세구형상 금속분말의 제조방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 발명들도 여전히 미세한 정도가 낮거나 생산성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 용융금속을 진동시킴으로써 미세한 용융금속의 액적을 제조하며 그 액적을 가스 분사에 의하여 미세화하는 방식으로 소기의 미세 구상 금속분말을 제조하는 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 제조장치는, 용융금속을 낙하배출하기 위한 오리피스가 하부에 형성된 금속 용해조와, 진동발생기구로부터 발생한 진동을 용해조 내부의 용융금속에 전달하여 배출되는 용융금속을 액적으로 형성하기 위한 진동 전달로드와, 용해조로부터 배출되는 용융금속의 액적을 더욱 파쇄시켜 분무시키도록 고압가스 저장조로부터 용융금속 액적에 가열된 고압 가스를 고압으로 분출시키는 가스가열기구 및 가스 노즐와, 고압가스에 의하여 미세화되어 액적 배출구를 통해 분무배출되는 용융 금속 액적을 수용하여 냉각하는 금속분말 분무탱크를 구비하여 이루어지는 미세한 금속분말을 제조하기 위한 장치에 있어서, 상기 액적 배출구로부터 분무배출되는 액적이 충돌되어 더욱 미세하게 파쇄시켜 분무시키도록 모터에 의해 회전하는 회전분산부재가 그 액적 배출구의 하류에 설치되며, 상기 가스 노즐은, 상기 용융금속의 액적이 낙하하는 방향에 대해 하향으로 경사지게 고압가스를 분출시키고 상기 회전분산부재의 회전방향에 대향하여 충돌이 이루어짐으로써 용융금속의 액적을 더욱 파쇄시켜 분무시키도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 가스 노즐이 상류로부터 하류측으로 액적을 낙하시키면서 회전분산부재에 충돌시켜 방사상 외측으로 분무시키도록 원주방향으로 등분하여 경사지게 배치되는 다수의 가스 노즐로 구성될 수 있다. 또, 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속분말 제조장치는, 분무배출되는 액적들이 정전하로 대전되어 서로 응집됨이 없이 반발하도록 정전기 대전수단이 액적 배출구에 인접하여 설치되는 것이 가능하며, 상기 액적 배출구가, 각각 좌우 또는 상하로 분리되어 액적이 분무배출되도록 분리부재로 구분되는 분리배출구로 구성되는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 금속분말 제조장치의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명 장치의 용융금속 액적을 분출시키는 노즐 구멍의 단면 구조를 도시하는 도면이다.

본 발명의 주요 특징은, 용융금속을 진동시키는 것에 의하여 미세한 액적을 제조하고, 이 액적을 가스 분류에 의하여 더욱 미세한 구조로 한 것으로서, 본 발명에 의하면 평균 입경이 20㎛ 이하일 뿐만 아니라, 생산성 내지 수율이 향상된 미세한 구상 금속 분말을 제조할 수 있다.

본 발명에서는 금속을 용융하기 위하여 예컨대, 용기를 사용한다. 이 용기는 저융점 금속이면 스테인레스 합금으로 대응가능하지만, 융점이 높은 금속의 경우 내화물을 사용한 도가니로(crucible)가 필요하며, 내화물과의 활성이 높은 크롬 등의 금속이면 수냉 구리 등의 저온(cold) 도가니로가 필요하다. 용해수단으로서는 저융점 금속이면 히터 등이 가능하며, 융점이 높은 금속이면 고주파 가열 및 유도 가열 등이 필요하다. 금속의 용해는 금속의 산화를 방지하기 위하여 진공 중에서 혹은 질소 및 아르곤 등의 불활성 가스 중에서 수행할 수 있다. 용기의 바닥에는 액적을 형성하는 오리피스가 설치되며, 그 숫자는 하나로 충분하지만, 보다 생산성을 높이기 위하여 복수의 오리피스를 사용하여도 좋다.

용융금속은 표면장력을 가지고 있으며 직경이 작은 오리피스를 통해서는 자유롭게 낙하하지 못하므로, 용융금속을 불활성 가스 등에 의하여 가압하며 회수 상자와의 압력 차이를 형성하여 낙하시키는 것이 바람직하다.

또한, 용융금속을 진동시키는 방법으로서는 피에조 압전소자에 로드를 결합 하고 그 로드로서 용융금속을 진동시키는 방법이 예로 들 수 있으며, 피에조 압전소자를 사용하는 경우 예컨대, 펑션(function) 제너레이타, 트랜스포머, 앰프 및 오실로스코프로 구성되는 진동발생기구에 의하여 진동을 발생시킬 수 있다. 또한, 기타 용융금속을 진동시키는 수단으로서 전기 진동자, 펄스상 가스 흐름, 초음파 및 펄스 자장 등에 의하여 발생시키는 것도 가능하다.

용융금속을 진동시키는 것에 의하여 오리피스를 통과한 용융금속 흐름은 진동에 의한 효과와 그 표면장력에 의한 효과에 기인하여 액적으로 단속화되며 액적 흐름으로 변화된다. 발생된 액적 흐름은 가스 분류에 의하여 더욱 미세화된다. 이로써 더욱 미소한 액적으로 되며 그 표면장력에 의하여 미세한 구상으로 되고 응고시키는 것에 의하여 미세구상 분말이 제조된다.

가스 분류는 예컨대 플리폴 형태의 가스 노즐 혹은 콤파이드 형태의 가스 노즐을 사용하며 액적 흐름의 낙하 방향에 대해 10°내지 35°의 분무 각도로 충돌시킬 수 있다. 또한, 낙하 방향에 대해 45°내지 90°각도에서 액적 흐름의 측면 방향으로부터 충돌시킬 수 있다. 또한, 측면 방향으로부터의 방식이 미세화 힘이 강력하게 작용하므로 바람직하게 된다. 또한, 응고한 미세금속 분말은 회수 상자 등에 의하여 회수할 수 있다. 회수 상자는 미세금속분말의 산화 방지를 위하여 질소 혹은 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 중에 설치하는 것이 바람직하다.

미세금속 분말의 입경 분포는 용융금속의 점성, 액적의 크기 및 분무 가스 압력, 분무 가스 유량에 의하여 결정되며, 특히, 액적의 크기에 크게 좌우된다. 그래서 오리피스 직경은 1㎜ 이하인 것이 바람직하다. 또한 오리피스 직경이 너무 작 은 경우에는 용융금속의 낙하가 저해되므로 0.01㎜ 이상인 것이 바람직하다. 미세 액적을 오리피스로부터 낙하시키기 위해서는 0.05 - 0.5 ㎜인 것이 바람직하며, 0.07 - 0.3㎜인 것이 가장 바람직하다.

도면과 관련하여 본 발명의 미세한 금속분말 제조장치를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 금속 분말 제조장치는, 도 1의 도시와 같이, 용융금속의 액적 제조장치(A)와 액적을 분무하는 고압가스를 저장하는 가스 저장조(20), 고압 가스를 용융금속의 액적으로 공급하는 가스 공급관(80), 그 말단부에 장착된 가스 노즐(120), 분무탱크에 장착된 냉각제 노즐(110), 및 금속 분말 분무탱크(90)를 구비하여 이루어진다. 가스 저장용기(20)의 고압가스는 가열 기구(30)를 거치면서 가열되며, 용융금속 용해조(40) 내부 및 금속 분말 분무탱크(90)는 진공 펌프(13)에 의하여 내부를 배기할 수 있으며, 불활성 가스공급원(130)으로부터 불활성가스로 채울 수 있다.

용융금속을 진동시키기 위한 진동발생장치는 피에조 압전소자(50) 및 이에 소정 주파수의 사인파를 발생시키는 펑션 제너레이타(12)와, 이를 관찰하기 위한 오실로스코프(10), 사인파를 증폭하는 증폭기(13), 트랜스포머(11)를 구비한다. 피에조 압전소자(50)의 하부에는 로드(51)가 장착되며, 이로써 진동을 용융금속에 전달할 수 있다. 이 진동에 의하여 용기(40) 내부에 있는 용융금속(100)은 용기(40) 하부의 오리피스(60)를 통하여 분출되면서 파단(break-up)되어 액적(101)으로 된다. 액적(101)은 고압 가스노즐(120)을 통하여 유출하는 가스 분류에 의하여 더욱 미세하게 분쇄되면서 배출구(70)를 통하여 분출되어 미세한 구상 금속분말(102)을 얻을 수 있다.

펑션 제너레이터(12), 트랜스포머(11), 및 증폭기(13)에 의하여 피에조는 대략 300V에서 1 ~ 100 ㎑의 진동을 발생시킬 수 있다. 이 전압에 의하여 미소거리 진동을 발생시킬 수 있다. 이 미소거리 진동은 로드(51)에 의하여 용융금속(100)에 전달된다. 피에조 압전소자(50)는 큐리점 이하에서 사용할 필요가 있으며, 로드의 길이에 의해 용융금속으로부터 발생하는 열을 저감시켜 피에조 압전소자를 사용할 수 있도록 하고 있다. 용융금속의 융점이 높은 경우에는 단열재 등에 의하여 열을 차단할 수 있다.

액적진동장치의 용기의 재질은 저융점의 금속 구상분말을 제조하는 경우, 스테인레스강을 사용할 수 있지만, 높은 융점을 가지는 금속의 구상분말을 제조하는 경우에는 알루미나, 실리카 등의 내화물 및 흑연을 사용하는 것이 좋다. 로드의 재질도 용기와 같다. 오리피스(60)에는 사파이아, 루비 등을 가공하여 중심에 원형의 구멍을 경사지게 형성한 것을 사용함이 좋다. 구멍의 크기는 액적의 크기에 영향을 미치므로 그 크기는 대략 1㎜ 이하인 것이 바람직하다.

액적발생장치의 용기(40) 주위에는 금속을 용해하기 위하여 가열장치가 장착될 수 있는 데, 저융점 금속의 경우에는 가열 히터로서 좋지만, 높은 융점을 가지는 금속의 경우에는 유도가열장치 및 고주파가열장치 등이 필요하다. 용융금속의 온도는 열전대(14)로 확인하며, 가열장치에 공급되는 전원의 조정이 필요하다. 또한, 액적발생장치 내부의 압력 및 가스분무 탱크 내부의 압력은 압력측정기에 의하 여 통상 액적발생장치 내부 압력이 높도록 설정되는 조정시스템을 설치할 필요가 있다.또한, 각각으로의 가스 공급은 밸브에 의하여 공급량을 설정할 수 있다. 실제로는 액적발생장치와 가스분무탱크 내부에서의 압력차이는 0.1Mpa 정도로서 설정함이 바람직하다. 또한, 가스 분무 중에 탱크 내부의 압력이 높아지도록 고려되지만, 이는 압력에 의하여 개폐되는 가스배출밸브를 설치하는 것에 의하여 대응할 수 있다.

작업을 수행할 경우에는 금속 소재를 액적발생장치 내부의 용기(40)에 장입하고, 피에조 압전소자(50)에 장착한 로드(51)를 오리피스(60)의 바로 위가 되도록 조정하여 장착한다. 이 후에, 진공 펌프(140)에 의하여 탱크(90) 내부를 배기한 후에 용기(40) 내부를 배기한다. 고진공으로 된 것을 확인한 후에 가열장치로 금속소재를 가열하여 용융상태로 한다. 용융 상태를 확인한 후에, 용기(40)에 Ar 혹은 N₂ 등의 불활성가스를 봉입하고 그 후에 탱크(90)에도 동일하게 불활성가스를 봉입한다. 이 후에 가열장치의 전원을 증가하여 용융금속의 온도를 상승시켜 용융금속의 점도를 낮추어 오리피스를 통해 용이하게 용융금속이 낙하하도록 한다. 용융금속의 온도는 융점 보다 100 ∼ 200℃ 정도 상승시키는 것이 바람직하다(이는 열전대로 확인한다).

이후에 용기(40) 내에 더욱 불활성가스를 봉입하고 탱크 내부 압력 보다 약 0.1Mpa 상승시켜 그 압력 차에 의하여 용융금속을 오리피스로부터 낙하시키고, 용융금속 흐름을 발생시킨다. 용융금속의 흐름이 발생한 직후에 펑션 제너레이터(12), 증폭기(13), 트랜스포머(11) 및 오실로스코프(10)에 의하여 피에조 압전소 자에 진동을 발생시키며, 그 진동을 로드에 전달하여 용융금속을 진동시켜 오리피스로부터 낙하하는 용융금속 흐름을 파단시킴으로써 액적 흐름을 형성한다.

이와 같이 하여 형성된 액적(101)은, 고압가스 저장조(20)로부터 공급되어 가스노즐(120)을 통해 분출하는 가스 분류에 의하여 더욱 미세화되어, 더욱 미세한 구상 액적으로 되고 응고 후에 미세한 구상 금속 분말(102)을 제조하게 된다. 고압가스에 의한 가스 압력은 높은 쪽이 좋지만 미세화 효율이 좋은 측면 방향으로부터의 가스 분무는 1MPa 정도의 압력으로 미세하게 분무가능하다. 경사 방향으로부터 분무하는 경우에는 미세화 효율이 낮으므로 1 ~ 3 MPa 가 필요하다. 가스 분류는 마하 1.3 이상이면 충분히 분무가능하다. 미세한 구상금속분말(102)은 가스 분류에 의하여 먼 측으로 비산하여 회수용기(95)로 모여진다.

또한, 본 발명에서 상기 배출구(70)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 분리부재(75)에 의해 좌우로 분리된 두개의 분리배출구(71,72)로 구성함으로써 각 분리배출구(71,72)를 통해 배출되는 각도를 서로 달리 할 수 있어 분무후 충돌되어 응집되는 것을 방지시킬 수 있으며, 각 분리배출구(71,72)를 통과하는 유량이 절반으로 줄어듬으로써 분리배출구(71,72)를 하류로 갈수록 확대시켜 더욱 유속을 증대시킬 수 있으며, 이에 따라 분리배출구(71,72)로부터 더욱 미세하게 액적들을 분무시킬 수 있게 된다. 각 분리배출구(71,72)의 내부에도 더욱 와류의 정도를 증대시키도록 내지 와류발생구조로 하거나, 와류판을 부착시킬 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 금속분말 제조장치는, 고압전원(151)으로부터 고압의 직류전압이 인가되는 정전기 대전수단으로서 정전기 대전 링전극(150)이 액적 배출구(70)에 인접하여 설치될 수 있다. 이와 같은 정전기 대전 링전극(150)에 의해 상기 분무배출되는 액적들이 정전하로 대전되게 되어 분무되는 동안 반발력이 작용하게 되므로, 서로 응집되는 것을 방지할 수 있어 미세화 및 그 수율을 향상시킬 수 있게 된다.

또, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 금속분말 제조장치는, 액적 배출구(70)로부터 분무배출되는 액적이 충돌되어 더욱 미세하게 파쇄시켜 분무시키도록 모터(161)에 의해 회전하는 회전분산부재(160)가 그 액적 배출구(70)의 하류에 설치된다. 이 경우, 가스 노즐(120)은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상류로부터 하류측으로 액적을 낙하시키면서 회전분산부재(160)에 충돌시켜 방사상 외측으로 분무시키도록 원주방향으로 등분하여 경사지게 배치되는 다수의 가스 노즐(120)로 구성될 수 있으며, 나아가, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 용융금속의 액적이 낙하하는 방향에 대해 하향으로 경사지게 고압가스를 분출시키며 상기 회전분산부재(160)의 회전방향에 대향하여 충돌이 이루어짐으로써 용융금속의 액적을 더욱 파쇄시켜 분무시키도록 가스 노즐(120)이 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같이 회전분산부재(160)를 이용함으로써 가스 노즐(120)로부터의 고압가스에 의해 미세하게 파쇄된 후, 더욱 미세하게 파쇄시키는 것이 가능할 뿐만 아니라, 동일한 액적을 형성시키기 위해서는 분출되는 가스의 압력을 저감시킬 수 있고 가스분무 탱크 내부의 압력과 액적발생장치 내부의 압력을 낮출 수 있어 이에 따른 다양한 장점이 제공될 수 있게 된다.

미설명 부호 "170"은, 액적이 고압 가스와 반응한 후에 미세한 구상 금속 분말은 냉각 용액 또는 가스 또는 물에 의한 냉각 지역을 통과해서 형성되고, 초미립자 파편들을 분리하기 위해 설치되는 원심 분리기로서 본원발명에서도 채용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 평균 입경이 20㎛ 이하인 미세한 구상금속분말의 제조를 안정적으로 저가로 수행할 수 있으며, MIM용 금속분말 및 전자제품용 금속분말 등의 실용화에 있어서 우수한 기술을 현실적으로 제공할 수 있으며, 종래에 비해 더욱 미세화시키거나, 수율을 향상시킬 수 있으며, 나아가, 사용압력을 낮춤으로써 다대한 효과를 창출할 수 있게 된다.

Claims

용융금속을 낙하배출하기 위한 오리피스(60)가 하부에 형성된 금속 용해조(40)와, 진동발생기구로부터 발생한 진동을 용해조 내부의 용융금속에 전달하여 배출되는 용융금속을 액적으로 형성하기 위한 진동 전달로드(51)와, 용해조로부터 배출되는 용융금속의 액적을 더욱 파쇄시켜 분무시키도록 고압가스 저장조(20)로부터 용융금속 액적에 가열된 고압 가스를 고압으로 분출시키는 가스가열기구(30) 및 가스 노즐(120)와, 고압가스에 의하여 미세화되어 액적 배출구(70)를 통해 분무배출되는 용융 금속 액적을 수용하여 냉각시키는 금속분말 분무탱크(90)를 구비하여 이루어지는 미세한 금속분말을 제조하기 위한 장치에 있어서,

상기 액적 배출구(70)로부터 분무배출되는 액적이 충돌되어 더욱 미세하게 파쇄시켜 분무시키도록 모터(161)에 의해 회전하는 회전분산부재(160)가 그 액적 배출구(70)의 하류에 설치되며, 상기 가스 노즐(120)은, 상기 용융금속의 액적이 낙하하는 방향에 대해 하향으로 경사지게 고압 가스를 분출시키고 상기 회전분산부재(160)의 회전방향에 대향하여 충돌이 이루어짐으로써 용융금속의 액적을 더욱 파쇄시켜 분무시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 금속분말 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가스 노즐(120)이 상류로부터 하류측으로 액적을 낙하시키면서 회전분산부재(160)에 충돌시켜 방사상 외측으로 분무시키도록 원주방향으로 등분하여 경사지게 배치되는 다수의 가스 노즐(120)로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속분말 제조장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 분무배출되는 액적들이 정전하로 대전되어 서로 응집됨이 없이 반발하도록 정전기 대전수단이 액적 배출구(70)에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 금속분말 제조장치.
제 4 항에 있어서, 상기 액적 배출구(70)가, 각각 좌우 또는 상하로 분리되어 액적이 분무배출되도록 분리부재(75)로 구분되는 분리배출구(71,72)로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속분말 제조장치.