KR20210072476A

KR20210072476A - 금속 분말 제조장치

Info

Publication number: KR20210072476A
Application number: KR1020190162828A
Authority: KR
Inventors: 지용환; 김경화; 임미소; 김신; 서원규; 김수민
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: JP7366268B2; US20230010470A1; CN114786845A; WO2021118053A1; KR102723802B1; JP2023504715A

Abstract

본 발명에 따른 금속 분말 제조장치는 용융금속을 분열시키고, 챔버 내부에 구비된 냉각수 분사노즐로 냉각수를 분사하여 원자화된 용융금속 액적들을 냉각시키는 금속 분말의 제조 장치이다. 냉각수 분사노즐은 부채꼴 형태로 냉각수를 분사하고 서로 다른 높이에 구비된 냉각수 분사노즐은 챔버의 내벽과 이루는 경사각이 냉각수 분사노즐의 높이가 낮아짐에 따라 증가하도록 구비되어 용융금속 액적의 비산거리의 편차를 줄여 균일한 성상을 갖는 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있는데 특징이 있다.

Description

금속 분말 제조장치{Metal powder manufacturing device}

본 발명의 일 측면은 금속 분말 제조장치에 관한 것이다.

금속 분말의 제조 방법에서 용융금속을 작은 액적형태로 분산시키기 위해서 고압의 가스 또는 고압의 물을 용융금속에 분사하는 원자화법(아토마이징, Atomizing)이 주로 사용된다. 용융금속 액적은 원자화되는 과정에서 동시에 냉각되거나 비행하는 중간에 별도의 냉각 과정을 거쳐 금속 분말로 얻어진다. 원자화된 용융금속 액적은 금속의 조성이나 냉각속도에 따라 비정질의 금속 분말을 형성할 수 있다.

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 비정질을 포함하는 금속 분말을 형성하기 위해서는 용융상태의 금속이 높은 속도로 냉각되는 것이 중요하다. 냉각되는 속도가 충분히 높지 않으면 용융금속 내에서 금속원자들이 식으면서 안정적인 결정을 형성하게되어 결정질의 금속 분말을 형성하기 때문이다.

종래의 금속 분말 제조장치들은 용융금속의 원자화 이후에 냉각제를 이용한 냉각을 시도하였지만, 비정질의 금속 분말을 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 단점이 있어 이에 관한 개선이 필요하다.

한국등록특허 제10-1319028호

본 발명의 일측면은, 원자화법에 의해 형성된 용융금속 액적을 냉각수로 냉각하는 장치로서, 비산하는 용융금속 액적의 크기에 따라 달라지는 낙하 경로에 따라 적합한 비행거리와 냉각속도를 제공하여 구형성능과 비정질 형성 비율이 높은 금속 분말 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 목적은 냉각수를 제트노즐로 분사하여 냉각수의 사용을 줄일 수 있어 유지비용을 절감하면서도 비정질의 금속 분말을 제조할 수 있는 금속 분말 제조장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면은 액적형태로 분열된 후 하강하는 용융금속을 냉각시키는 챔버를 포함하는 금속 분말 제조장치로서,

상기 챔버는 내벽에 상기 분열된 용융금속을 냉각시키는 냉각수 분사노즐을 구비하고,

상기 냉각수 분사노즐은, 상기 챔버의 내벽과 연직방향으로 제1경사각(θ₁₁)을 이루고 제1높이에 구비되는 제1냉각수 분사노즐과, 상기 챔버의 내벽과 연직방향으로 상기 제1경사각보다 더 큰 제2경사각(θ₁₂)을 이루고 상기 제1높이보다 낮은 제2높이에 구비되는 제2냉각수 분사노즐을 포함하고,

상기 제1냉각수 분사노즐은 상기 제1높이에 위치하는 복수개의 냉각수 분사노즐을 포함할 수 있으며,

2보다 큰 자연수 n에 대하여, 제(n-1)높이보다 낮은 높이를 갖는 냉각수 분사노즐 중 가장 높은 위치를 가지는 냉각수 분사노즐을 제n냉각수 분사노즐이라 하고, 상기 제n냉각수 분사노즐의 분사방향이 상기 챔버의 내벽과 연직방향으로 이루는 각도를 제n경사각(θ_1n)이라할 때, θ₁₁ ≤ θ₁₂ ≤ … ≤ θ_1n 를 만족하는 것이 좋다.

상기 냉각수 분사노즐은 부채꼴 형태로 냉각수를 분사하는 냉각수 분사노즐을 포함할 수 있고,

상기 챔버의 내벽에 구비되어 상기 냉각수 분사노즐을 보호하는 가림판을 포함할 수 있으며,

이 때, 상기 챔버는 상부에서의 내경이 하부에서의 내경의 1배 내지 3배인 것이 좋고,

상기 챔버의 길이는 상기 챔버의 상부에서의 내경의 1배 내지 5배인 것이 좋다.

상기 냉각수 분사노즐의 냉각수 분사 압력은 80 bar 내지 150bar 인 금속 분말 제조장치.

또, 상기 제1분사각은 30°내지 90°일 수 있고, 상기 제1경사각은 10°내지 60°인 금속 분말 제조장치가 포함될 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 금속 분말 제조장치는 용융금속 액적의 직경에 따라 달라지는 낙하 경로에 맞추어 적합한 비행거리를 가지도록 냉각수를 분사하여 금속분말의 구형성능을 높일 수 있다.

냉각수는 제트노즐로부터 분사되어 금속 액적의 냉각 시 표면에 형성되는 수증기막을 제거할 수 있어 높은 냉각효율을 가지므로 금속 분말의 비정질 형성 비율이 높아진다.

또한 제트노즐은 평평한 부채꼴의 형태로 냉각수를 분사하여 원뿔형태의 냉각수 분사에 비해 금속 액적과의 접촉면적이 넓고 냉각수가 집중분사되어 냉각효율이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 금속 분말 제조장치의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 2는 도 1의 금속 분말 제조장치를 개략적으로 나타낸 투시도이며,
도 3은 금속 분말 제조장치의 챔버의 내벽을 나타낸 평면도이다.

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.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.

본 명세서에서 제트노즐이란 증기나 액체, 기체 등이 고속으로 분출되도록 분사하는 분출구를 말한다. 제트노즐이라는 표현이 사용되는 경우 관의 단면적을 좁게하여 유체의 속도를 높이는 방식의 노즐과 압력을 가하여 유체를 분사하는 방식 등 고속으로 유체를 분사할 수 있는 분출구 등을 포함하여 넓게 해석된다.

용융금속 공급용기(10)는 용융 금속 용탕을 담고 있는 용기를 의미하고, 용융금속 공급용기(10)의 밑면에는 수직 오리피스(11)가 구비되어 용융금속이 중력에 의해 연직방향으로 흘러내린다. 용융금속의 종류에는 제한이 없다. 예를 들어 Ti 및 Al과 같은 활성이 높은 금속이 포함될 수 있다. 활성이 높은 금속들은 공기와의 접촉에 의해 쉽게 산화되어 표면에 산화막을 형성하므로 미세화하는 것이 어려운 것으로 알려져 있으나, 본 측면에 따른 금속 분말 제조장치는 용융금속에 포함되는 금속 종류에 제한되지 않는다.

또한, 자성이 있는 금속이나 합금 및 이를 제조하기 위한 조성의 용융금속, 예를들어, 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)등의 철계 비정질 금속 분말을 제조하기 위한 조성의 금속들이 사용될 수 있으며, 용융금속은 냉각되어 연자성의 비정질 분말을 형성할 수 있다.

오리피스(Orifice)는 용융된 금속 용탕을 흘려보내는 토출구를 의미한다. 고온으로 유지되는 용융금속 용탕은 오리피스(11)를 통해 챔버의 내부에서 상부에서 하부로 흘러내린다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 금속 분말 제조장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 금속 분말 제조장치는 유체분사노즐, 챔버, 냉각수 분사노즐을 포함하여 구성된다.

유체분사노즐(12)은 유체를 분사하는 노즐이다. 분사되는 유체는 제한되지 않으나 기체를 사용하는 것이 좋고, 사용되는 기체는 금속과의 반응성이 없는 기체인 것이 좋으며, 바람직하게는 질소와 같이 반응성이 낮은 가스 또는 아르곤 등의 불활성 기체일 수 있다.

유체분사노즐(12)은 오리피스(11)의 주변부 또는 오리피스(11)의 아래쪽에서 구비되며 노즐의 방향은 오리피스(11)에서 용융금속이 흘러내리는 직선(중심축)을 향하도록 배치된다. 유체분사노즐(12)의 중심축과 이루는 각도는 제한이 없지만 중심축과 예각을 이루면서 중력방향을 향해 기체가 분사되도록 배치되는 것이 바람직하다.

유체분사노즐(12)이 중심축과 직각을 이루는 경우 서로 다른 노즐에서 분사되는 분사 가스끼리 충돌하여 용융 액적이 비산되는 방향이 일정하지 않아 금속분말의 품질이 좋지 않고, 특히 분사가스에 의해 용융 액적이 오리피스(11)를 향해 비산되어 오리피스(11)를 막거나 좁게 할 가능성이 있어 바람직하지 않다.

유체분사노즐(12)은 복수개로 구성되어 오리피스(11) 주변에 환형으로 배치될 수 있다. 복수의 분사노즐은 오리피스(11)에서 연직방향에 위치하는 특정 점을 향해 가스가 분사되도록 구성될 수 있다. 이 경우에 흘러내리던 금속용융액은 분사되는 가스에 의해 미세한 용융 액적(droplet)으로 비산되어 원뿔 형상을 이루며 챔버 내부로 떨어진다.

챔버(Chamber)는 내부에서 용융금속입자들의 냉각이 이루어지는 곳으로, 내부에 공간을 가지는 통형체로 구성되는 것이 바람직하다. 챔버(1)는 용융금속 공급 용기의 아래에 위치한다. 챔버(1)의 형태는 제한되지 않으나, 원통형으로 이루어지는 것이 바람직하며, 챔버(1)의 내경은 상부에서 크고 하부로 갈수록 작아질 수 있다. 챔버(1)의 상부에서의 내경 D1과 챔버(1)의 하부에서의 내경 D2의 비율인 D1/D2는 1이상이고, 3이하일 수 있으며 바람직하게는 1.2 내지 2.5인것이 좋다.

챔버(1)의 중심축은 용융금속 공급 용기의 오리피스(11)와 일치하게 설치될 수 있고, 냉각수분사노즐의 각도 및 배치 형태에 따라 오리피스(11)가 챔버(1)의 중심축과 일치하지 않을 수 있으며, 챔버(1)의 중심축이 연직방향과 평행하지 않고 일정한 각도를 이루도록 비스듬하게 구성될 수 있다.

흘러내리는 용융금속이 비산되는 거리를 확보하여 구형성능을 향상시키기 위하여 챔버(1)의 길이는 챔버(1) 상부의 내경의 1배 내지 5배 범위인 것이 좋으며, 바람직하게는 1.5배 내지 4배 범위인 것이 좋다.

챔버(1)의 길이 대 직경비가 해당 범위를 벗어나는 경우 냉각수 분사노즐(20)의 설치 높이 간격이 멀어지고 냉각수 분사노즐의 각도를 조절하여 용융금속 액적의 비산거리를 조절할 수 있는 범위가 좁아지거나 용융금속과 냉각수 분사 노즐과의 거리가 멀어져서 용융금속 액적이 구형화 되기전에 냉각될 수 있어 냉각 효율이 떨어질 수 있다.

상부와 하부의 직경 및 챔버의 길이 비율이 해당 범위내에 있을 경우 챔버 의 하부에서 냉각수에 의한 냉각이 집중적으로 이루어질 수 있어 용융금속의 냉각효율이 상승한다.

냉각수 분사노즐은 챔버(1)의 내면에 배치되어 액적화 된 용융금속을 냉각시키는 냉각수를 분사하는 분사구이다. 냉각수 분사노즐은 냉각수를 고속으로 분사할 수 있도록 제트노즐(jet nozzle)이 사용될 수 있다.

챔버의 내벽에 구비되는 냉각수 분사노즐 중 가장 상부에 위치하는 냉각수 분사노즐을 제1냉각수 분사노즐(21)이라고하고, 제1냉각수 분사노즐(21)이 위치하는 높이를 제1높이라고 정의 한다. 제1냉각수 분사노즐(21)은 하나의 냉각수 분사노즐일 수 있고, 동일한 제1높이를 가지는 복수개의 냉각수 분사노즐을 포함할 수 있다.

제1높이보다 낮은 높이에 위치하는 냉각수 분사노즐 중 가장 높은 위치를 가지는 냉각수 분사노즐을 제2냉각수 분사노즐(22)이라하고, 제2냉각수 분사노즐(22)이 위치하는 높이를 제2높이라고 정의한다. 제2냉각수 분사노즐(22)은 하나의 냉각수 분사노즐일 수 있고, 동일한 제2높이를 가지는 복수개의 냉각수 분사노즐을 포함할 수 있다. 마찬가지로 제3높이, 제4높이와 제3냉각수 분사노즐(23) 및 제4냉각수 분사노즐(24)이 정의될 수 있다. 제(n-1)높이보다 낮은 높이에 위치하는 냉각수 분사노즐 중 가장 높은 위치를 가지는 냉각수 분사노즐을 제n냉각수 분사노즐이라하고, 제n냉각수 분사노즐이 위치하는 높이를 제n높이라고 정의한다.

경사각은 냉각수 분사노즐의 냉각수 분사방향이 챔버의 내벽과 연직방향으로 이루는 각도를 의미하는 것으로 해석될 수 있으며, 분사방향의 가상의 직선이 챔버의 내벽과 만나는 점에서 챔버의 내벽에 접하는 접평면과 가상의 직선이 이루는 각도로 해석될 수 있다.

제1냉각수 분사노즐(21)의 경사각을 제1경사각, 제2냉각수 분사노즐(22)의 경사각을 제2경사각이라 하고, 마찬가지로 제3냉각수 분사노즐(23)의 경사각을 제3경사각, 제4냉각수 분사노즐(24)의 경사각을 제4경사각이라 하며, 제n냉각수 분사노즐의 경사각을 제n경사각이라 한다.

제1높이에 위치하는 제1냉각수 분사노즐(21)이 복수개인 경우, 복수개의 냉각수 분사노즐은 모두 같은 제1경사각을 갖거나 둘이상의 제1경사각을 가질 수 있다. 냉각수 분사노즐(20)의 배치는 제한되지 않으나 중심축을 기준으로 회전대칭을 이루거나 각각의 냉각수 분사노즐(20) 사이의 거리가 최대가 되도록 배치되는 것이 균일한 금속분말의 냉각을 위해 바람직하다.

예를 들어 2개의 냉각수 분사노즐(20)은 중심축을 기준으로 서로 마주보도록 배치되는 것이 좋고, 3개의 냉각수 분사노즐(20)은 서로 중심축을 기준으로 120도의 각도를 이루며 정삼각형 형태로 배치되는 것이 좋다. 본 발명의 일 실시예는 냉각수 분사노즐(20)이 중심축을 기준으로 대칭적으로 배치되는 구조를 이룬다.

서로 다른 높이를 가지는 냉각수 분사노즐들은 도 2에서와 같이 엇갈리게 배치될 수 있다. 도 2에 나타난 실시예에서는 제1냉각수 분사노즐(21)은 제2냉각수 분사노즐(22)과 서로 엇갈리게 배치되고, 제2냉각수 분사노즐(22)과 제3냉각수 분사노즐(23)이 엇갈리게 배치된다.

냉각수 분사노즐(20)은 챔버(1)의 중심축을 향하여 냉각수를 분사하고, 노즐의 분사방향은 경사각을 가진다. 경사각은 냉각수 분사노즐의 높이가 낮아질수록 증가되도록 이루어질 수 있다. 제1경사각은 10°이상이고, 60°이하로 이루어지며, 바람직하게는 10°내지 30°범위인 것이 좋다. 이후 제2경사각은 제1경사각과 동일하거나 더 크며, 제1경사각과의 차이가 0°이상 30°이하일 수 있고, 바람직하게는 5°내지 15°범위인 것이 좋다.

제3경사각은 제2경사각과 동일하거나 더 크며, 제2경사각과의 차이가 0°이상 30°이하일 수 있고, 바람직하게는 5°내지 15°범위인 것이 좋다.

제1냉각수 분사노즐(21)이 챔버(1)의 내벽과 이루는 제1경사각을 θ11이라하고, 제n냉각수 분사노즐의 제n경사각을 θ_1n 이라고 하면, 2보다 큰 n에 대하여θ₁₁ ≤ θ₁₂ … ≤ θ_1n 와 같은 관계가 성립할 수 있고, 바람직하게는 θ₁₁ < θ₁₂ < … < θ_1n 의 관계가 성립하는 것이 좋다. 제n경사각은 제n-1경사각과 동일하거나 더 크며, 제n-1경사각과의 차이가 0°이상 30°이하일 수 있고, 바람직하게는 5°내지 15°범위인 것이 좋다.

냉각수 분사노즐(20)이 경사각을 가지며 냉각수를 분사하여 유체분사노즐(12)에 의해 비산되는 금속 액적의 직경에 따라 다른 비행거리가 제공될 수 있다. 비산되는 용융금속 액적은 직경이 클수록 질량이 크므로 운동에너지가 크고 유체의 저항을 적게 받아 중력방향에 가까운 비행경로를 가지고, 직경이 작은 액적은 질량이 적으므로 운동에너지가 상대적으로 작고 분사되는 유체의 저항을 받아 중력방향과 큰 분사각도를 이루며 퍼지는 비행경로를 갖는다.

냉각수가 수평방향으로 분사되는 경우 직경이 큰 액적의 비행거리가 짧아지게 되고, 냉각수가 챔버(1)의 내벽에만 형성되는 경우 직경이 큰 액적의 비행거리가 길어지게 되는 차이가 발생한다. 냉각수가 중심축을 향하여 챔버(1)의 내벽과 일정 각도 범위에서 분사되는 경우 직경이 큰 액적과 직경이 작은 액적의 비행거리를 조절할 수 있다.

비행거리가 너무 짧은 경우 표면장력에 의한 입자의 구형화가 잘 이루어지지 않아 구형성능이 떨어지고, 비행거리가 너무 큰 경우 냉각속도가 낮아 비정질이 형성되지 않으므로 비정질이 형성되면서도 구형성능이 좋은 비행거리의 조절이 필요하므로 냉각수 분사노즐(20)의 각도 및 설치 위치를 조절하여 효율적인 금속 분말의 생산이 이루어질 수 있다.

높이가 낮아질수록 경사각이 증가하는 배치는 챔버(1)의 중심축에 가까워질수록 냉각수 분사노즐에서 분사되는 냉각수 단계의 간격을 좁게하는 효과가 있다. 직경의 크기가 큰 금속 액적일 수록 중심축에 가까운 비행경로를 가지므로 복수의 냉각수층을 빠른 속도로 통과하며 높은 냉각속도를 가지게 되어 냉각효율이 높아진다.

냉각수 분사노즐(20)의 경사각은 조절될 수 있다. 단일한 조성의 용융금속으로부터 다른 성상을 가진 분말을 제조하기 위한 경우 또는 용융금속의 조성이 변하는 경우에 동일하거나 더 좋은 성상을 가진 분말을 제조하기 위한 경우에 냉각수의 분사 각도를 조절하여 용융 금속 액적의 비산거리 및 냉각속도를 조절할 수 있고, 비정질의 비율이나 구형성능이 더 높은 분말을 형성할 수 있다. 경사각의 조절 범위는 상하로 30도 범위로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 챔버의 냉각수 분사 각도를 나타낸 투시도이다. 챔버의 내벽에 설치된 냉각수 분사노즐(20)의 냉각수 분사형태가 파선으로 나타난다. 냉각수 분사노즐(20)의 냉각수 분사 형태와 냉각수 분사노즐(20)로부터 분사되는 냉각수의 분사각이 냉각수 분사노즐의 높이에 따라 달라진다.

분사노즐에서 분사되는 냉각수는 평평한 부채꼴의 형태로 분사되며, 이 때 부채꼴의 중심각을 분사각으로 정의한다. 분사각은 30°내지 130°범위일 수 있고, 바람직하게는 35°내지 110°, 더욱 바람직하게는 40°내지 90°범위로 이루어질 수 있다.

냉각수 분사노즐(20)의 부채꼴 형태의 분사는 원뿔형태의 분사에 비해 냉각수를 집중하여 분사하므로 냉각수가 높은 밀도로 분사되어 냉각효율이 높아지고 금속 분말 표면의 수증기층 제거가 용이한 장점이 있으며, 부채꼴의 형태로 분사되며 넓은 접촉면적을 가져 챔버의 중심축에서 멀어져서 낙하되는 용융 금속 액적까지 접촉하여 냉각시킬 수 있다.

제1냉각수 분사노즐(21)이 복수개의 냉각수 분사노즐(20)들을 포함하는 경우, 제1냉각수 분사노즐(21)은 동일한 분사각을 가질 수 있고, 분사각은 분사노즐의 높이에 따라 다양한 분사각을 가지도록 구비돨 수 있다.

도 2 에 나타난 실시예에서 분사각은 냉각수 분사노즐(20)의 높이가 낮아질수록 증가한다. 제1냉각수 분사노즐(21)의 분사각을 θ₂₁이라하고, 제n냉각수 분사노즐의 분사각을 θ_2n 이라고 하면, 2보다 큰 n에 대하여 θ₂₁ ≤ θ₂₂ ≤ … ≤ θ_2n또는 θ₂₁ < θ₂₂ < … < θ_2n 의 관계가 성립할 수 있다.

냉각수 분사노즐(20)의 분사각이 높이가 낮아질수록 증가하는 구성은 챔버(1)의 하단으로 갈수록 금속 액적의 냉각이 많이 이루어져 하나의 금속 액적에 대한 냉각수의 집중분사 냉각효율이 감소하므로 접촉면적을 최대화하여 많은 수의 금속 액적과 접촉하여 전체 냉각 효과를 향상시키는데 유리한 효과를 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예인 금속 분말 제조장치를 나타낸 평면도이다. 제1냉각수 분사노즐(21) 내지 제4냉각수 분사노즐(24)은 각각의 높이에서 4개의 냉각수 분사노즐로 구비되어 있으며, 서로 90도씩 떨어지도록 배치된다. 제2냉각수 분사노즐(22)은 제1냉각수 분사노즐(21)과 45도 회전되어 배치되고 서로 엇갈리는 형태를 나타낸다. 제3냉각수 분사노즐(23)은 제3높이에서 제1냉각수 분사노즐(21)과 동일한 배치를 가지고, 제4냉각수 분사노즐(24)은 제4높이에서 제2냉각수 분사노즐(22)과 동일한 배치를 갖는다. 이러한 교차되는 형태의 노즐 배치로 인해 형성되는 냉각수의 단계는 넓은 접촉면적을 가지고 효율적인 냉각수 단계가 형성되도록 한다.

냉각수 분사노즐의 분사 형태는 평평한 부채꼴의 형태로 분사되는 노즐을 포함하며 원뿔형태의 분사 노즐을 포함할 수 있다. 복수개의 냉각수 분사노즐은 일부는 평평한 부채꼴 형태로 분사되고 일부는 원뿔 형태로 분사되며 다양한 냉각수 분사 방식이 사용될 수 있다.

냉각수 분사노즐(20)에서 분사되는 냉각수는 고압, 고속으로 분사될수록 용융금속 액적을 추가적으로 분열시키거나 냉각수와 용융금속 액적의 접촉으로 형성되는 용융금속 액적 표면의 수증기층을 깨뜨려 열 교환 효율이 좋아져 냉각속도를 향상시키고 생성되는 금속 분말의 비정질 정도를 높일 수 있다. 냉각수의 압력은 80 bar 내지 150 bar일 수 있고, 바람직하게는 90 bar ~ 130bar 인 것이 좋으며, 냉각수의 분사 속도는 제한되지 않고, 해당 냉각수의 압력 범위에서 노즐의 구성에 의해 얻어질 수 있는 분사 속도를 포함하여 구성될 수 있다.

냉각수 분사노즐의 각도를 조절할 수 있는 각도조절수단이 금속 분말 제조장치에 추가로 더 포함될 수 있다. 각도조절수단은 냉각수 분사노즐을 챔버의 내벽에 연결하며 냉각수 분사노즐의 분사방향을 조절할 수 있게 한다. 냉각수 분사노즐의 각도를 조절할 수 있으므로, 동일한 조성의 용융금속에서는 비산거리를 길게 조절하여 금속 분말의 입자 형태를 더 구형에 가깝도록 조절할 수 있고, 비산거리를 상대적으로 짧게 하면서 액적화된 금속의 냉각속도를 증가시켜 제조되는 금속 분말의 비정질 비율이 높아지도록 조절할 수 있다. 이러한 분사각도는 용융금속의 조성 및 제조하고자하는 금속 분말의 구체적인 성상 등에 따라 조절될 수 있으므로, 동일한 장치에서 다양한 특성의 금속 분말을 제조할 수 있다.

또한, 용융금속의 조성이 달라지는 경우 동일한 냉각수 분사노즐 각도에서도 입자의 냉각에 의한 비정질 비율 및 표면장력에 의한 구형성 정도가 달라질 수 있는데, 냉각수분사노즐을 조절하여 금속 조성에 최적화된 비산거리 및 냉각속도로 생산할 수 있다.

용융금속의 조성이 변하지 않고 목표 성상이 달라지는 경우에도 마찬가지로 냉각수 분사노즐의 각도를 조절하면 새로운 설비나 투자가 없이도 구형성능이 향상되거나, 분말의 입도가 균일해지는 등의 차이를 얻을 수 있다.

냉각수 분사노즐(20)이 용융금속 액적이 노즐로 비산되어 냉각되며 노즐의 분사구를 막거나 좁아지게 하여 냉각수 분사노즐(20)의 분사에 방해가 되는 경우나 냉각수가 챔버의 내면을 따라 흘러내려 냉각수 분사노즐의 분사를 방해하는 경우를 방지하기 위하여 챔버(1)는 내벽에 냉각수 분사노즐(20)을 덮는 형태의 가림판(30)을 포함하여 냉각수 분사노즐(20)을 보호한다.

가림판(30)은 냉각수 분사노즐(20)의 상부에 설치되어 냉각수 분사노즐(20)의 분사경로를 가리지 않으면서 비산되는 금속 액적으로부터 냉각수 분사노즐(20)을 덮거나 둘러싸는 기능을 발휘할 수 있는 형태라면 그 구조에 제한되지 않는다. 가림판(30)은 평평한 판 형태일 수 있고, 평면 판이 접힌 형태일 수 있으며, 곡면으로 이루어지거나 구면의 일부 또는 냉각수 분사노즐의 상부와 하부를 모두 둘러싸며 분사경로에 해당하는 부분만이 개방되는 형태일 수 있다.

챔버의 하부에 형성된 금속분말들은 냉각수와 함께 이송되어 건조 공정을 거치고, 사용된 냉각수는 분말과 분리되어 처리된 후 펌프를 거쳐 냉각수 분사노즐(20)로 다시 공급되어 재사용될 수 있다.

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.

1 : 챔버 10 : 용융금속 공급용기
11 : 오리피스 12 : 유체분사노즐
20 : 냉각수 분사노즐 21 : 제1냉각수 분사노즐
22 : 제2냉각수 분사노즐 23 : 제3냉각수 분사노즐
24 : 제4냉각수 분사노즐 30 : 가림판

Claims

액적형태로 분열된 후 하강하는 용융금속을 냉각시키는 챔버를 포함하는 금속 분말 제조장치로서,
상기 챔버는 내벽에 상기 분열된 용융금속을 냉각시키는 냉각수 분사노즐을 구비하고,
상기 냉각수 분사노즐은, 상기 챔버의 내벽과 연직방향으로 제1경사각(θ₁₁)을 이루고 제1높이에 구비되는 제1냉각수 분사노즐과, 상기 챔버의 내벽과 연직방향으로 상기 제1경사각보다 더 큰 제2경사각(θ₁₂)을 이루고 상기 제1높이보다 낮은 제2높이에 구비되는 제2냉각수 분사노즐을 포함하는 금속 분말 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 제1냉각수 분사노즐은 상기 제1높이에 위치하는 복수개의 냉각수 분사노즐을 포함하는 금속 분말 제조장치.
제2항에 있어서,
2보다 큰 자연수 n에 대하여, 제(n-1)높이보다 낮은 높이를 갖는 냉각수 분사노즐 중 가장 높은 위치를 가지는 하나 이상의 냉각수 분사노즐을 제n냉각수 분사노즐이라 하고, 상기 제n냉각수 분사노즐의 분사방향이 상기 챔버의 내벽과 연직방향으로 이루는 각도를 제n경사각(θ_1n)이라할 때, θ₁₁ ≤ θ₁₂ ≤ … ≤ θ_1n 를 만족하는 금속 분말 제조장치.
제3항에 있어서,
상기 냉각수 분사노즐은 부채꼴 형태로 냉각수를 분사하는 냉각수 분사노즐을 포함하는 금속 분말 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 챔버의 내벽에 구비되어 상기 냉각수 분사노즐을 보호하는 가림판을 포함하는 금속 분말 제조장치.
제5항에 있어서,
상기 챔버는 상부에서의 내경이 하부에서의 내경의 1배 내지 3배인 금속 분말 제조장치.
제6항에 있어서,
상기 챔버의 길이는 상기 챔버의 상부에서의 내경의 1배 내지 5배인 금속 분말 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 냉각수 분사노즐의 냉각수 분사 압력은 80 bar 내지 150bar 인 금속 분말 제조장치.
제8항에 있어서,
상기 제1경사각은 10°내지 60°인 금속 분말 제조장치.
제9항에 있어서,
상기 냉각수 분사노즐이 냉각수를 분사하는 부채꼴 형태의 중심각인 분사각은 30°내지 130°범위인 금속 분말 제조장치.