KR790001890B1 - 고밀도 강철분말의 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

고밀도 강철분말의 제조방법

제 1 도는 분쇄기의 분쇄간격 1/16인치에서 디스크의 회전속도와 입도특성이 밀도에 미치는 영향을 나타내고,

제 2 도는 분쇄간격 1/64인치에서 디스크의 회전속도와 입도특성이 밀도에 미치는 영향을 나타낸다.

본 발명은 물을 분무함으로써 고밀도의 강철분말을 경제적으로 제조하는 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이러한 입자의 밀도를 높이는데 관한 것이다.

현재 여러가지 방법들이 금속분말을 제조하기 위하여 사용되고 있다. 그 방법은 1)전해법 2)산화물의 직접환원법 3)할로겐화합물의 금속환원법 4)유체(예 : 물이나 불활성가스)를 고압으로 분무하는 방법등이 있다.

주형강 분말을 다량으로 제조하는데 있어서는 산화금속의 환원법과 물 분무법이 비교적 경제적이다. 상기 두 가지 방법중에서 물의 분무로 만들어진 강 분말은 일반적으로 메탈로이드 함량이 낮다.

또한 물 분무법으로 제조된 금속분말은 유동성이 양호하고 원료공급 압력의 효율성이 좋으므로, 분말야금분야에서 많이 제조되고 있다. 이러한 공정은 상업적으로 많은 장점을 갖고 있지만 생성된 분말의 기계적 성질 때문에 다소간 제한되어 사용되고 있다. 시중에서 판매되는 물 분무법에 의하여 제조된 강철 분말의 밀도는 대체적으로 2. 8-3.2gr/cc의 범위내에 있다. 밀도는 측정컵에서 분말의 무게를 측정함으로써 얻어진다.

그러나 밀도는 분말을 채워넣는 형식에 따라 좌우되므로 이 측정은 표준법을 사용한다(ASTM B212-48). 즉 25cc컵의 위표면 1인치 위에 0.1×0.125인치의 구멍을 통하여 분말을 붓는다.

종래 문헌에 발표된 고밀도의 주철을 제조하는 방법은 탄소함유율이 극히 많은 관계로 취성이 있고 조잡하므로 사용이 제한되어 있다.

물 분무법에 의하여 제조된 분말의 크기는 80메쉬보다 작으며 주 분포가 200메쉬보다 작아서 제 1 차적으로 제조된 분말은 약 반가량은 사용하지 못하고 버려야 하기 때문에 이 방법은 비 경제적이다.

또한 이 방법에 의하면 탄소함량이 약 1.7%이하인 강철분말의 제조에는 적합치 않다. 그러므로 본 발매의 주 목적은 밀도가 3.2gr/cc보다 큰 바람직하기로는 3. 2gr/cc보다 큰 밀도를 가진 강철분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

아울러 본 발명의 목적은 분말의 밀도가 3.2gr/cc와 같거나 큰 것으로 만들고 이 분말의 대부분을 사용할수 있도록 하는데 있는 것이다.

또 다른 목적은 소결하기전 취급하기에 알맞는 저강도와 아울러 고밀도를 가진 주형 강철 분말의 제조를 위한 방법을 제공하는데 있는 것이다.

본 발명의 내용을 도면과 같이 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 방법은 어떠한 원료든지 물 분무법에 의해 제조되는 강철분말에는 모두 적용할수 있는 것이다.

물 분무법에 의한 강철분말은 일반적으로 주로 산화물 형태의 불순물을 함유하고 있다. 그러나 이것을 분말 야금분야에 있어서 상업적으로 사용하기 위하여는 이를 제거하여야 한다. 그러고 강철분말의 압출율을 최대로 하기 위하여는 최종생산 분말의 탄소함량이 0.1%이하가 바람직하고 0.01%이하가 되면 더욱 바람직하다. 그러나 이러한 저탄소함량을 가진 용융강철 원료를 구하기는 불가능한 것으로 사료된다. 보통 이러한 원료 강철은 탄소가 0.8%까지 함유되고 있으나, 0.15%이하가 적절하다. 그리고 이의 분무화된 분말의 탄소함량은 탈탄분위기에서 소둔을 시행함으로서 적어지게 된다.

분무법의 초기단계에 있어서 고압력의 물을 분무시킴으로써 용융금속의 작은 입자들은 급속히 냉각되게 된다.

그러므로 분무공정에 있어서 비교적 탄소함량이 적은 강철을 (탈탄이 불필요)사용한다 할지라도 강철분말의 유연성과 저산소함유율(0.2%이하)의 성질을 부여하기 위하여는 소둔을 시키는 것이 필요한 것이다.

물 분무에 의한 분말입자의 최초 산소 함유율은 1.2%를 초과하고 있으며 대체적으로 1. 0%에 달하고 있다. 입자의 외형과 표면의 고산소 함유때문에 분무된 각입자들은 고밀도로 될 것이다. 즉 충분히 3.2gr/cc를 초과할 것이다.

그러나 소둔을 하여 함유된 산소를 환원시킨 후에는 밀도는 2.8-3.2gr/cc의 범위안에 들어오게 된다.

소둔은 불순물의 환원과 유연성을 부여하기에 충분한 시간동안 온도 1, 400

F-2, 100

F에서 수소와 해리된 암모니아와 같은 환원분위기에서 실시한다.

이 소둔 처리는 강철분말을 순수하게 할뿐만 아니라 입자들간에 고착시키는 작용을 하여 분말을 소결된 덩어리 형태가 되게하므로 이를 파쇄하여 처음 입자상태로 그대로 복구시키는 것이 필요하다. 종래 문헌에 발표된 공정에 있어서는 파쇄의 방법이 함마 분쇄기에 의하여 달성되고 있다. 즉 충격 파쇄시켜서 분무화될 당시의 원형입자가 되도록 하는 것이다.

본 발명은 이러한 방법에서 탈피하여 디스크 분쇄기에서 전단기구를 사용하여 진정한 분쇄공정을 수행시키는 것이다.

이러한 분쇄공정을 조절함으로서 최종의 밀도가 분무화될 당시의 입자의 크기 특성에 따르는 입자로 조절될 수 있는 것이다.

분무화된 분말의 입도는 종래의 스크린 분석에 의하여 분석된다. 이 스크린 분석은 분말의 입도특성(PSC)을 알아 내는데 적용되는 것이다. 분무된 입자 중에서 과도하게 거칠은 것들은 본 발명의 목적을 성취시킬 수 없다. 그래서 필요한 분쇄를 성취시키기 위하여 분무된 분말의 크기가 적어도 80%, 적절하기는 95%이상이 80메쉬보다 작아야 한다. 입도특성을 정의하는데에는 여러가지 방법이 있지만, 본 발명의 목적을 위해서는 입도 특성의 측정은 다음과 같은 방법에 의하여 실시된다.

누적 중량율은 제일 먼저, 팬과 325, 230, 140, 100 100의 미국 표준 메쉬스크린에 남는 입자에 대하여 결정하고 각 누적 백분율을 더해서 100으로 나눈 값을 입도 특성의 측정 기준으로 하는 것이다.

그러므로 이 분류 방법에서는 입도 특성에 있어서 큰 치수는 조대한 입도를 나타내는 것이고 적은 수치는 미세한 입도를 나타내는 것이다.

예를들면 아래와 같은 분말의 입도 특성은 다음과 같다.

그러므로 이 분말의 입도 특성은 204.2/100.0 혹은 2.04가 된다. 물로 분무된 약 2.0-4.0의 입도 특성치를 가진 입자는 본 공정에 효과적으로 사용될 수 있다. 일단 입도특성이 알려지고, 분말이 소둔처리되면 요구하는 성질에 따라 적합하게 분쇄하게 되는 것이다. 이때에 디스크 마찰 분쇄기를 요구되는 분쇄를 하기 위해 적용하는 것이다. 소둔처리결과 각 입자들은 덩어리 형태로 소결된다. 만일 필요하다면 소둔처리로 생긴 덩어리는 우선 디스크 분쇄기에 공급시키기 위하여 일반적으로 1인치보다 작은 입자로 부서져야 한다.

분쇄는 이러한 분쇄기에서 수직 또는 수평으로 회전하는 디스크와 디스크사이에 이루어지며, 원료공급은 디스크 중심부로 공급되며 공급된 원료는 다시 원심력에 의하여 원주로 진행되어 가면서 분쇄되어 분쇄기를 나오게 되는 것이다.

디스크에 돌출부가 있는 디스크 분쇄기는 본 발명에는 적합치 못하고 통상의 마찰분쇄판을 가진 분쇄기를 사용해야 한다.

그리고 여기서 분쇄간격이라는 것은 디스크와 디스크의 간격을 말하는 것이다. 디스크 분쇄기는 특히 본 발명의 목적에 적합하다. 왜냐하면 이러한 분쇄기는 분쇄 간격과 디스크의 평균 반지름의 속도를 기본적으로 조절함으로서 분쇄정도를 조절하고 예측하여 분말을 제조할 수 있는 기능을 갖고 있기 때문이다.

디스크 분쇄기에 있어서 디스크(분쇄판)의 궤적은 원이 된다(예 : 두개의 중심이 같은 원). 중심으로 부터 디스크(분쇄판)까지의 거리 즉 중심으로부터 내측원까지의 거리를 r₁, 중심으로부터 디스크(분쇄판)의 원주 부분까지의 거리, 즉 중심으로부터 외측원까지의 거리를 r₂라고 하면 평균 반지름 r_m은

이 된다.

이 때에 선속도 V는 각속도 W에 반지름을 곱한것과 같다. 평균 반경의 어떤점의 선속도는 디스크(분쇄판)의 회전속도에 의하여 쉽게 구할수 있다. 따라서 예를들면 12인치의 r_m을 가진 디스크는 분당 회전속도가 3, 000회라면 선속도(V)는 V=W.r 혹은 V=3, 000×2

×12=72, 000

인치/분이 된다.

귀납적인 통계와 공학 해석 분석을 통하여 최종 분말제품의 밀도에 대한 전기한 변수의 영향은 다음과 같은 관계식에 의해 표시되는 것이 발견되었다.

밀도(gr/cc)=2. 16+0. 30PSC-1. 28×10^-5×V+2. 87×10^-2×LG+1. 93×10^-6×V×PSC+4. 00×10^-11×V²-3. 96×10^-6×V×LG

위식에서

PSC는 소둔처리전 분무된 분말의 입도특성

V는 디스크(분쇄판)의 평균 반지름위의 어떤 한점의 선속도이며 단위는 인치/분

LG는 분쇄간격의 로그(log)(분쇄간격의 단위는 인치)

상기 관계식을 통하여 분쇄주기에 따라 특별히 요구되는 최종분말의 성질을 조절할 수 있다.

제 1 도와 제 2 도의 그라프를 보면 이것을 더욱 이해하기 쉬울 것이다. 이때의 13인치 직경의 디스크를 가진 디스크 분쇄기는 r_m이 5.31인치이다. 쉽게 설명하면(즉 거치장스러운 수자는 피함)선속도 V는 분쇄기의 회전속도에 따라 정해진다. 그러나 이 그라프는 r_m이 5.31인치의 분쇄기에만 적용된다는 것을 이해하여야 한다. 보통 상업적으로는 보다 큰 직경을 가진 분쇄기가 적용되고 있다.

제 1 도와 제 2 도의 곡선은 분쇄기의 크기가 증가함에 따라 회전속도가 적은 쪽으로 이동될 것이다. 왜냐하면 선속도 V(주어진 분당 회전속도에서)는 이에 상응하여 빠르게 되기 때문이다.

대체로 이러한 분쇄기는 200-5, 000rpm과 분쇄간격 0.01-0.10인치 범위내에서 작동된다. 그리고 제 1 도와 제 2 도의 그라프는 아래에 예로들은 스크린 분석에 의한 분말상태를 설명하여 준다.

만일 분말 A가 사용되고 분쇄기의 분쇄간격이 1/16인치(제 1 도)로 작동되면 예를 들어 3.2-3.45gr/cc의 밀도는 2, 500-3, 650rpm의 회전속도에 의하여 얻어지게 되는 것을 알 수 있다.

분쇄간격의 감소 효과는 제 2 도와 비교함으로써 알 수 있다. 만일 같은 분말(A)이 1/64인치의 분쇄간격으로 사용되었다면 유사한 밀도는 현저히 작은 디스크(분쇄판)회전속도에서 이루어질 것이다. 그래서 단지 1, 600rpm의 회전속도만이 3.2gr/cc의 밀도를 가진 제품을 만들어 줄 것이며, 한편 3.45gr/cc의 밀도는 2, 775rpm에서 달성될 것이다.

그리고 보다 미세한 분말 B는 적은 직경의 분쇄기를 사용하여 쉽게 고밀도를 제조할 수는 없다. 그럼에도 불구하고 만일 분쇄간격이 제 2 도처럼 1/64인치로 감소된다면 동일한 밀도가 각각 3, 225rpm과 4, 050rpm의 회전속도에서 만들어질 수 있다.

이상의 예와 관계식으로 부터 밀도는

가)분무된 입자의 입도특성치가 증가될 때,

나)분쇄기의 디스크(분쇄판)속도가 증가될 때,

다)분쇄간격이 작아질 때,

증가하는 것을 알 수 있다.

그리고 밀도는 1, 400°F - 2, 100°F의 온도에서는 소둔처리 온도를 감소시키므로써 약간은 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 그러나 낮은 온도로 소둔할 때는 소둔처리 시간을 길게 하여야 할 것이다. 이러한 여러가지 조건을 감안할때 짧은 시간내에 고밀도의 생산품을 얻기 위해서는 1, 700°F -1, 900°F의 온도범위가 적절하다.

Claims (1)

1. 물로 분무처리된 입자의 80% 이상이 80메쉬이하이고 입도특성치가 2.0-4.0인 강철 입자를 필요한 유연성을 얻고 산소 함량이 0.2중량%이하로 되기에 충분한 시간동안 1, 400°F -2, 100°F의 온도 범위내에서 입자를 소둔처리하여 소결이 일어나게 하고, 소둔처리시킨 것을 분당 회전속도 200-5, 000, 분쇄간격 0.01-0. 10인치로 작동하는 디스크 분쇄기에 3.2gr/cc를 초과하는 밀도를 갖는 주형 강 분말로서 80메쉬 이하가되게 공급하여 분쇄하여 고밀도 강철분말을 제조하는 방법.

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