KR102193651B1 - 금속분말 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 금속분말 제조장치는,
용융된 금속을 공급하는 공급부;
상기 공급부로부터 제공되는 용융금속에, 유체가 통과하는 유체분사로를 통해 공급되어 상기 유체분사로의 단부에 위치한 분사노즐로부터 상기 유체를 분사하여 상기 용융금속을 액적화하는 분사부; 및
상기 유체분사부에서 액적화한 금속분말을 냉각하는 냉각수를 수용하는 본체와, 상기 본체 내부의 냉각수에 버블을 형성하는 가스주입구를 구비하는 냉각챔버를 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속분말 제조장치{Manufacturing Apparatus for Metal Powder}

본 발명은 금속분말 제조장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 금속분말의 냉각을 조절할 수 있는 금속분말 제조장치에 관한 것이다.

종래 금속분말를 제조하기 위해서는, 금속을 용융하고 용융된 금속을 물 또는 가스 원자화법에 의해 분말화하는 금속분말 제조장치가 이용되고 있다.

이 때 분말화된 금속을 원하는 형상이나 크기, 또는 결정질이나 비정질로 제조하기 위하여 다양한 냉각방식들이 개발되고 있다.

예를 들면, 분말의 비산거리를 줄이기 위하여 원형통체를 기울인다든지, 원형통체 내부로 낙하하는 분말을 원형통체 벽면에 선회하거나 수직으로 낙하하는 냉각수에 충돌시켜서 냉각하는 방식들이 알려져 있다.

특히 물 원자화법에 의하는 경우 분말의 외면에 수증기막이 형성되어 분말의 냉각을 저하하므로 이를 수증기막을 제트류로 다시 제거하는 방식들이 알려져 있다.

그러나 전술한 방법들은 장치들은 내부 진공이나 기밀이 필요하는 등 장치가 복잡하고 관리하기가 어려워 금속분말을 보다 균일하고 급속하게 냉각하기 위한 연구가 지속되고 있다.

한국등록특허 제1319028호

본 발명의 일실시예는 금속분말의 냉각속도를 조절할 수 있는 금속분말 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 일실시예는 진공등의 복잡한 장치구성없이 간단히 냉각속도가 조절될 수 있는 금속분말 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 금속분말 제조장치는,

용융된 금속을 공급하는 공급부;

상기 공급부로부터 제공되는 용융금속에, 유체가 통과하는 유체분사로를 통해 공급되어 상기 유체분사로의 단부에 위치한 분사노즐로부터 상기 유체를 분사하여 상기 용융금속을 액적화하는 분사부; 및

상기 유체분사부에서 액적화한 금속분말을 냉각하는 냉각수를 수용하는 본체와, 상기 본체 내부의 냉각수에 버블을 형성하는 가스주입구를 구비하는 냉각챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 가스주입구는 버블의 발생크기, 발생위치, 및 발생량을 조절하는 버블발생 조절수단에 의해 조절되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 냉각챔버에는 상기 냉각챔버 내의 냉각수보다 낮은 온도의 냉각수를 주입하는 냉각수 주입부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각챔버에서 유출되는 금속분말 및 냉각수를 서로 분리하는 탈액수단을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 탈액수단에서 분리된 냉각수를 냉각하는 냉각수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각수단에서 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 주입부로 공급하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각수의 수위를 조절하는 냉각수위 조절수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분사노즐의 분사방향 및 분사속도를 조절하는 분사노즐 조절수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속분말 제조장치의 냉각속도를 조절하기 위하여 상기 버블발생 조절수단, 냉각수위 조절수단, 및 분사노즐 조절수단을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 금속분말 제조장치의 실시예는 원자화법에 의해 분말화된 금속분말의 냉각속도를 조절하는 효과를 가진다. 이에 따라서, 금속분말의 형상, 크기, 그리고 결정화 정도와 산화정도를 조절할 수 있는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따른 금속분말 제조장치의 실시예는 금속분말의 산화를 방지하기 위하여 위하여 장치전체를 진공화 또는 기밀화할 필요가 없이 간단하게 구현이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속분말 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스주입기 노즐의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속분말 제조장치를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 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.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속분말 제조장치를 나타낸 개략도이다.

도 1에 내보이는 금속분말 제조장치(10)는, 용융금속(L)을 물 원자화법에 의해 분말화하여 금속분말(P)를 제조하는 장치이다.

금속분말 제조장치는 공급부(100), 분사부(200), 및 냉각챔버(300)를 포함한다.

공급부(100)는 수납용기(110)와 유출구(120)를 포함한다. 수납용기(110)는 용융된 금속을 일시적으로 보관하는 공간이며, 유출구(120)는 수납용기(110)의 하부에 용융된 금속이 유출되게하는 구멍으로 용융금속은 유출구(120)를 통해 자유낙하한다.

용융금속(L)의 종류에는 제한이 없다. 예를 들어, Ti 및 Al와 같이 활성이 높은 금속도 가능하다. 통상 활성이 높은 금속들은 단시간에 공기와의 접촉에 의해 쉽게 산화해서 산화막을 형성하여 미세화하는 것이 어려운 것으로 알려져 있으나, 본 측면에 따른 금속분말 제조장치에 사용되는 금속종류에 제한되지 않는다.

또한 자성이 있는 금속이나 합금, 예를 들면, Fe-Si-B계 비정질 금속, Fe-Si-B-P계 비정질 금속, Fe-Si-B-Nb-Cu계 나노 결정 금속, Fe-Ni-M(metalloid)-T(other transition metal)등도 가능하다.

분사부(200)는 공급부(100)의 하부에 구비된다. 분사부(200)는 용융금속이 통과하는 금속통과로(210)와 유체가 통과하는 유체분사로(220), 및 분사노즐(230)을 구비한다.

금속통과로(210)는 공급부(100)에서 자유낙하하는 용융금속이 통과하면서 금속통과로의 오리피스 구조로 인하여 감압되어 용융금속의 일부 분열시킨다.

유체분사로(220)는 외부에서 공급되는 유체가 통과하면서 금속통과로를 통과한 용융금속을 더욱 미세하게 분열시킨다. 이 때, 유체는 물 또는 가스가 원자화법의 종류에 따라 사용될 수 있다.

유체분사로(220)의 단부에는 유체를 분사하는 분사노즐(230)이 구비된다. 분사노즐은 적어도 하나 이상의 구비될 수 있으며, 바람직하게 다수의 분사노즐(230)이 원형상으로 배치되는 것이 바람직하다.

이 때, 분사노즐(230)의 방향을 결정하는 분사노즐 조절수단(240)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 유체는 분사노즐 조절수단(240)에서 정하는 방향에 따라 분사노즐로부터 분사된다. 보통 분사되는 유체는 낙하하는 일부 분열된 용융금속을 향해서 상부에서 하부로 일부 경사진 방향으로 분사하며, 빠른 냉각을 위해서는 경사를 높여서 보다 빨리 냉각수로 충돌할 수 있게 한다.

이 때, 분사되는 유체의 속도는 모든 분사노즐에서 균일하게 하는 것이 바람직하며, 유체분사로(220)에서 분사되는 유체제트의 압력은 10 내지 70Kg/m2가 바람직하다. 상기 범위 외에서는 냉각속도가 너무 빠르거나 늦어져 원형구현이 어려워지거나 비정질 형성능이 저하된다.

냉각챔버(300)는 유체제트류에 의해서 분말화된 반고체상태의 금속분말을 냉각시킨다. 이를 위해 냉각챔버의 본체(310) 내에 냉각수(W)를 구비한다. 이 때, 냉각수(W)의 수위는 금속분말이 냉각전 비행하는 거리를 결정한다.

냉각수의 수위가 높은 경우 액적상태의 금속분말은 냉각되기 까지의 거리가 적어져 빨리 냉각되며, 모양은 편평한 형태가 되기 쉽다. 반면 냉각수의 수위가 낮은 경우 금속분말은 냉각되기까지 비행거리가 길어져 천천히 냉각되며 보다 구형이 되기에 유리하다. 따라서 냉각수의 수위를 조절하는 냉각수위 조절수단(320)을 구비함으로써 금속분말의 냉각속도를 조절할 수 있다.

냉각챔버(300)는 가스주입구(330)를 구비한다. 가스주입구는 냉각챔버의 벽면에 구비되어, 질소, 아르곤 등의 불활성기체를 냉각챔버 내부로 분사하여 냉각챔버내 냉각수에 버블을 발생시킨다. 발생된 버블로 인하여 냉각수의 유동성이 증가하여 금석분말의 표면이 새로운 냉각수와 만나게 되어 냉각효과를 증대시켜 액적상태의 금속분말을 효과적으로 비정질화킬 수 있다.

이 때 버블은 분사 체적 분율을 높이기위해 가스를 가능한 멀리 분사를 하는 것이 바람직하다. 가스를 멀리 보내기 위한 가스주입기 노즐(330)의 실시예가 도 3에 도시된다.

이에 따르면 가스주입기 노즐(330)은 노즐본체, 유입부(331), 오리피스부(332), 및 유출부(333)를 포함한다.

노즐본체(330)는 중공형체로서 재질은 SUS304등의 특수강, 구리, 혹은 구리를 기본으로한 합금 등으로 하는 것이 바람직하다.

노즐본체(330)의 일단부에 형성되는 유입부(331)는 관형상으로 유체가 도입되는 부분이며, 본체 내부에는 구경이 감소되는 오리피스(332)가 구비된다. 오리피스의 지름은 유입부 지름의 1/3 내지 1/4가 바람직하며, 길이는 유입부 길이의 1/3 내지 2/3가 바람직하다.

유출부(333)는 전단부가 테이퍼진 면을 구비하는 관형상인 것이 바람직하며, 유출부에는 기체가 유출되는 홀이 형성되어 있다. 홀은 테이퍼진 면에 구비되는 제1홀(334)과, 관형상의 벽면에 구비되는 제2홀(335)을 구비한다. 제1홀(334)과 제2홀(335)은 원형상으로 다수의 홀이 구비된다.

이 때 유출부(333)의 길이는 유입부(331) 길이의 1 내지 2배가 바람직하며 홀의 지름은 유입부(331) 지름의 1/3 내지 1/4가 바람직하다.

전술한 구조의 노즐은 내부에 오리피스(332)를 구비하고 있고, 유입부(331)와 유출부(333)의 유속이 제어되어 분사 체적과 분사 거리를 높일 수 있다.

이 때 가스주입구(330)는 버블발생량, 버블크기 및 발생위치를 조절할 수 있는 버블발생 조절수단(340)을 구비한다. 버블은 냉각수로 유입된 금속분말에 있는 수증기을 제거하고 미분등의 위성이나 불순물이 표면에 붙는 것을 막을 수 있으므로, 버블의 발생량이 많은 경우 보다 많은 수증기막을 제거할 수 있고, 금속분말의 냉각이 보다 쉽게 이루어지며, 버블의 발생위치가 높을 수록 빨리 냉각이 이루어질 수 있다.

또한 버블의 세기와 체적분율이 크고, 물의 주입 속도가 빠르고 넓게 퍼질수록 큰 분말까지 비정질화의 구현이 가능하다

따라서 금속의 종류나 제조하고자 하는 금속분말의 물성에 따라 버블발생 조절수단을 이용하여 버블의 발생량이나 위치, 및 버블크기를 조절할 수 있다.

냉각챔버(300) 내부에는 냉각수 순환기(350)가 더 구비될 수 있다. 냉각수 순환수는 냉각챔버내에 사용된 냉각수를 일정한 온도로 유지시키기 위해서 순환시키는 장치이다.

또한 냉각챔버(300)의 저면에는 제조된 금속분말이 유출될 수 있는 분말회수(360)로가 구비된다. 분말회수로(360)를 통해서 금속분말이 외부로 반출되고 이후 냉각수의 탈수 및 건조를 통해서 금속분말을 얻을 수 있다.

또한 냉각챔버(300)의 저면에는 제조된 금속분말이 유출될 수 있는 분말회수로(360)가 구비된다. 분말회수로(360)를 통해서 금속분말이 외부로 반출되고 이후 냉각수의 탈수 및 건조를 통해서 금속분말을 얻을 수 있다.

이하에서는 본 발명의 전술한 실시예에 따른 작용을 설명한다. 용융된 금속은 수납용기(110)에 일시보관된 후 수납용기(110)의 저면에 형성된 유출구(120)를 통해 하부로 자유낙하한다. 자유낙하한 용융금속은 오리피스형상의 금속통과로를 지나면서 일부 분열되며, 이후 유체분사로(220)를 통한 분사노즐(230)에서 조절되는 방향 및 속력으로 분사되는 유체에 의해 보다 미세하게 분열된다.

분열된 금속분말은 유체화 함께 냉각챔버(300)의 냉각수로 충돌하면서 냉각된다. 금속분말은 냉각수 내부에 형성되어 있는 버블과 충돌 되면서 금속분말 외면에 형성되어 있는 수증기막이 제거되며 보다 냉각이 신속히 이루어질 수 있게 된다. 이 때 냉각되는 속도는 냉각챔버(300) 내의 냉각수의 수위나 버블의 크기, 발생량, 발생위치에 의해 조절될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속분말 제조장치를 나타낸 개략도이다.

이에 따른 금속분말 제조장치는, 용융금속(L)을 가스 원자화법에 의해 분말화하여 금속분말(P)를 제조하는 장치이다.

도 3의 실시예는 도 1의 실시예와 가스원자화법에 의한 것을 제외하고는 동일하므로 차이점만을 설명한다. 본 실시예에서 유체로 물 대신에 가스를 사용하는 경우 낙하하는 용융금속에 바로 유체분사로(221) 단부의 분사노즐(231)을 통해 가스제트를 분사하여 함으로써 용융금속을 분할할 수 있으며, 냉각수 주입부와 탈액수단을 더 구비하는 점에서 차이가 있다.

본 실시예에서 냉각수 주입부(330)는 냉각챔버(300)에 벽면에 구비되어 새로운 냉각수를 주입하는 수단으로 챔버내의 냉각수가 정체되는 것을 방지하며, 냉각수로 챔버내 냉각수의 유동성을 더욱 높이며, 새로운 냉각수를 주입함으로써 액적의 냉각 속도를 높일 수 있다.

이 때, 냉각수 주입부는 분사되는 냉각수가 입자의 운동방향과 다른 운동방향을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 냉각수 주입시 서로 간에 간섭을 일으켜서 운동 방향의 무질서함을 증대시킬 수 있다. 이를 위하여 물이 주입될 때 회전을 부여함으로써 넓게 퍼지게 하는 방법등이 가능하다.

냉각수 내부에 분사하는 가스주입구(330)와 냉각수를 주입하는 냉각수 주입부(370)가 도시된 바와 같이 쌍으로 연속적으로 구성되는 것이 보다 바람직하다. 이 경우 각쌍마다 냉각수의 유동과 동시에 발생된 버블에 기한 유동성으로 인해 액적의 표면이 새로운 냉각수와 만나는 효과를 극대화시킬수 있어서 보다 효과적인 냉각을 시켜 분말의 비정질화를 이룰 수 있다.

나아가 버블과 물의 회전 주입으로 증폭된 냉각수의 운동 에너지를 통해 냉각수에 투입된 액적 표면에 형성된 수증기막을 걷어내고 신규 냉각수를 공급하여 냉각 속도를 극대화하여 조대한 비정질 분말을 얻을 수 있다.

탈액수단(400)은 냉각챔버 하부에서 금속분말과 냉각수를 유출하는 유출라인(410)으로 연결된다. 탈액수단은 냉각된 금속분말과 냉각수를 분리하는 수단으로서, 원심분리기, 거름망등이 비제한적으로 사용될 수 있다.

냉각수단(500)은 탈액수단(400)에서 분리된 냉각수를 냉각하여, 냉각된 냉각수를 다시 냉각챔버로 회수시킨다. 회수되는 냉각수는 전술한 냉각수 토출부로 연결되어 냉각탱크내로 주입된다.

도시된 부호 중 미설명된 301, 302, 303은 각각 수증기배기관, 질소퍼지라인, 물 퍼지라인이다.

본 실시예의 경우에도 냉각챔버에 주입되는 액적상태의 금속분말은 가스주입기에서 형성되는 버블이나, 버블과 함께 주입되는 회전 냉각수로인하여 냉각속도를 높일 수 있으며, 대기 중의 미분이 표면에 붙는 위성 형성을 막을 수 있어 매끄러운 표면을 유지하는데 도움이 될 수는 있다.

또한 언제나 냉각수의 온도를 저온으로 유지할 수 있어서, 냉각수 온도 저하에 따른 문제점이 감소한다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100 : 공급부 110 : 수납용기
120 : 유출구 200 : 분사부
210 : 급속통과로 220 : 유체분사로
230 : 분사노즐 240 : 분사노즐 조절수단
300 : 냉각챔버 310 : 본체
320 : 냉각수위 조절수단 330 : 가스주입구
340 : 버블발생 조절수단 350 : 냉각수 순환기

Claims (9)

1. 용융된 금속을 공급하는 공급부;
   상기 공급부로부터 제공되는 용융금속에, 유체가 통과하는 유체분사로를 통해 공급되어 상기 유체분사로의 단부에 위치한 분사노즐로부터 상기 유체를 분사하여 상기 용융금속을 액적화하는 분사부; 및
   상기 분사부에서 액적화한 금속분말을 냉각하는 냉각수를 수용하는 본체와, 상기 본체 내부의 냉각수에 불활성기체를 분사하는 가스주입구를 구비하는 냉각챔버;를 포함하고,
   상기 불활성기체는 상기 냉각수 내에 버블을 형성하며,
   상기 버블을 상기 냉각챔버에 수용된 상기 금속분말과 충돌시키는 금속분말 제조장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스주입구는 버블의 발생크기, 발생위치, 및 발생량을 조절하는 버블발생 조절수단에 의해 조절되는 금속분말 제조장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉각챔버에는 상기 냉각챔버 내의 냉각수보다 낮은 온도의 냉각수를 주입하는 냉각수 주입부를 더 구비하는 금속분말 제조장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 냉각챔버에서 유출되는 금속분말 및 냉각수를 서로 분리하는 탈액수단을 더 구비하는 금속분말 제조장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 탈액수단에서 분리된 냉각수를 냉각하는 냉각수단을 더 구비하는 금속분말 제조장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 냉각수단에서 냉각된 냉각수를 상기 냉각수 주입부로 공급하는 금속분말 제조장치.
7. 제2항에 있어서,
   상기 냉각수의 수위를 조절하는 냉각수위 조절수단을 더 구비하는 금속분말 제조장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 분사노즐의 분사방향 및 분사속도를 조절하는 분사노즐 조절수단을 더 구비하는 금속분말 제조장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 금속분말 제조장치의 냉각속도를 조절하기 위하여 상기 버블발생 조절수단, 냉각수위 조절수단, 및 분사노즐 조절수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 금속분말 제조장치.

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