KR20010070880A - 초음파 분무노즐에 의한 금속분말 제조방법 및 그제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파 분무노즐에 의하여 금속분말을 제조하는 방법과 그 장치에 관한 것으로서, 특히 용융 금속을 초음파의 모세관파동을 이용하여 균일한 분말입자 크기 분포와 우수한 입자 성상을 얻는 제조방법과 장치에 관한 것이다.
본 발명에서의 금속분말의 제조방법 및 장치는 가)용융로에서 알루미나 등의 세라믹 재료로 만들어진 용융금속 유도관을 통하여 초음파 노즐의 주입구에 용융금속의 일정량을 주입하는 장치, 나) 이 용융금속의 주입구가 있고, 주입된 용융금속이 초음파 노즐의 말단부까지 공급되도록 하는 초음파 노즐내의 유로가 있고 이 유로를 통하여 용융금속을 노즐말단부에 이송시키어 모세관파 진동을 이용하여 용융금속을 무화시키는 역할을 하도록 구성된 초음파 노즐헤드, 다)초음파 노즐헤드와 초음파 트랜스듀서 사이에 온도구배를 조절하면서 초음파 공진의 길이를 갖는 길이연장막대, 라) 초음파 노즐헤드와 초음파 에너지를 공급하는 초음파 트랜스듀서, 길이연장막대로 이루어져 끝단에서 최대 진동진폭을 갖게되어 있는 초음파노즐, 마) 초음파 노즐에 공급되는 초음파 에너지를 피드백 제어하여 일정한 세기의 초음파 출력을 초음파노즐에 공급하여 일정한 입자크기와 성상을 갖는 금속분을 제조하도록 하는 초음파 가진 앰프 시스템을 포함한다.
Description
본 발명은 초음파를 이용하여 금속분말을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 초음파의 모세관파를 제어함으로서 다소간의 용융금속 공급량의 차이나 방법에 덜 영향을 받고 균일한 입도와 성상을 갖는 금속분말을 생산성 있게 만들 수 있는 기술이다.
초음파를 액체에 조사할 경우, 액체가 분무화되는 것은 이미 잘 알려져 있다. 예로서는 초음파 가습기가 널리 쓰이고 있다. 이와 같은 무화방식을 용융된 금속에 응용하여 금속 미분말을 얻는 것도 충분히 생각할 수 있다. 용융된 금속은 밀도, 점도, 표면장력의 값이 물에 비교하여 매우 다르기 때문에 분무화시키는 데는 다양한 출력크기와 출력주파수가 필요하며, 이러한 값들에 의하여 미립분말의 입자크기와 입도의 분포, 성상이 좌우된다.
이 분야의 종래 기술은 공기나 액체의 제트류를 흐르는 용융금속에 가하여 분무시키는 방법이 있으나 입자의 크기 및 입도의 분포를 제어하기가 상대적으로 어려웠다.
초음파를 이용한 금속분의 제조방법은 1967년 그리스해머( ULTRASONICS October)의 실험적 방법에서 보듯이 가진혼 상에 소량의 용융금속을 놓고 여기에 초음파 에너지를 가하면 미립화되며 그 입자의 형상이 구형이고 중심입자의 크기는 주파수의 (2/3)승에 반비례한다는 이론을 실험적으로도 입증하였다. 그리고, 이와같이 초음파 가진면에 소량의 금속재를 놓고 이를 용융시키어 미분화시키는 방법이 질적으로는 구형이고 입도도 미세하고, 입도의 분포도 좁은 금속분이 얻어지는 방법임도 입증되었지만, 이 방식을 연속적이고 대량생산 공정에는 적용하지 못하였다.
이후 현재까지 초음파를 이용하여 금속분을 제조하는 방법이 많이 연구 제안되었으나, 이 연구들은 공통적으로 초음파에 의한 금속적을 만들기 위하여 용융금속과 직접 접촉하는 초음파 진동체 표면상에 이 진동체 외부로부터 용융금속을 부어서 이를 초음파 진동체의 진동을 이용하여 금속적화 하는 방식에 국한되었다. 이 방식은 가변성이 높고, 재현성이 낮아 금속분의 대량 생산에 적용하지는 못하였다. 왜냐하면 초음파진동체인 가진혼상에 용융금속의 흐름이 있거나 용융금속의 다소간의 높이 변화가 생기면 이에 따라 혼에 걸리는 부하변동이 심하고, 미세하게 파동 크기를 제어하는 것이 어려웠기 때문이다.
최근 일본의 공개특허공보(소63-105907, 출원인 일본공업기술원장, 출원일 1986년10월23일)에 의한 "초음파에 의한 금속분 제조방법 및 그 제조장치"란 특허에서는 가진혼을 용탕내에서 반복적으로 상하로 이동하여 일정량의 용융금속을 가진혼의 표면에 올려 분무시키는 방법을 고안하였다. 금속분 제조용 초음파진동장치의 가진부는 용융금속과 반응하지 않는 것이 필요하고, 충분히 고온에서도 견딜 수 있는 재료인 알루미나등의 세라믹을 사용하기도 하는 데, 가진부에 초음파 응력이 집중되면, 대응력, 대변위가 발생하여 끝내는 파괴되므로, 고온하의 용융금속중에서는 초음파 출력의 증가와 집중에는 한계가 있게되어 , 한번에 많은 량의 금속을 무화시키는 것은 곤란하였다. 이러한 곤란함을 피하기 위하여 이 특허에서는 가진면위에 소량의 용융된 금속을 반복하여 올릴 수 있도록 하고 초음파를 발생시키어 미분화하였다. 그러나, 이러한 방법도 실제로는 균일한 성상과 입자크기를 갖는 고품위의 연속적이고도 실용적인 금속분말의 생산성 있는 제조가 어려웠다. 그 이유는 가진혼상에 일정한 량의 용융금속을 반복하여 올리기가 실질적으로 어려우며,용융로를 관통하는 분무화 가진혼의 상하의 정밀한 위치제어가 쉽지 않으며, 이 제어방식에 의하여 고온하에서 반복적인 과정에서 용융금속의 누설이 염려되고 소량의 용융금속만을 분무혼상에 올릴 수 있으므로, 생산량에 한계가 있다. 그리고, 입자의 크기가 적은 분말을 만드는데 사용되는 40kHz 이상의 상대적인 고주파 대역에서 사용되어야 하는 소직경의 가진혼의 사용이 이러한 방식에서는 매우 어려우며, 일회마다 가진부에 소량의 금속재를 올리고 용융시키는 바람에 생산성이 낮고 입자의 크기를 좌우하는 초음파의 가진주파수를 조절하기 위한 가진혼의 교체가 어려웠다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 하는 목적으로 안출되었으며, 이러한 목적을 달성하기 위하여 그림 1과 같이 노즐에서 발생하는 모세관파를 이용하여 안정되고 연속적이며 경제성 있는 금속분을 제조할 수 있는 초음파 분무노즐(이하 초음파 노즐이라 한다)을 사용한 금속분 제조장치 및 방법을 제안한다.
기존의 초음파를 이용하여 금속적을 만드는 방법은 용융금속과 직접 접촉하여 용융 금속을 무화시키어 용융금속적을 만드는 초음파 진동체 표면상에 이 진동체 외부로부터 용융금속을 공급하는 데 반하여, 본 발명은 초음파 진동체 내부에 용융금속을 이송하는 유로와 노즐을 형성하여 용융금속이 초음파 진동체 내부를 통하여초음파 진동체의 노즐 끝단에 공급되어 그곳에서 초음파 진동에 의하여 금속적화 하도록 하는 방법이다.
초음파 진동체 내부의 유로와 노즐속의 용융금속이 모세관현상에 의하여 노즐 말단에 이르고 이 노즐 끝단부의 용융금속에 일정하게 크기로 제어되는 모세관파를 초음파 진동에 의하여 형성시키어, 그 모세관파의 진폭을 정밀하게 제어하여 파동의 불안정성을 일정하게 야기시키어 용융금속을 분무시키어 일정한 크기의 금속적이 만들어지고 이 금속적을 응고시키어 금속분말을 제조하는 기술이다.
기존의 용융금속을 초음파 혼상에 부어서 미립화시키는 방법이 용융금속이 가진혼상에서 유동층을 형성하여 미립화를 위한 초음파 파동제어를 어렵게 하거나 용융금속이 무화를 시키는 표면상에 직접 공급되어져 그 량의 미소변화에도 용융금속을 무화시키는 초음파 파동 크기의 제어가 어려웠던 문제점은 본 발명의 방법으로 손쉽게 해결된다.
초음파 노즐을 이용하여 모세관파라는 물리현상을 이용하면 용융금속의 다소간 공급의 차이가 있더라도 용융금속이 유로와 노즐로 구성되는 모세관을 통과하는 동안 일정한 속도를 유지하게 되고 노즐 끝단에 이르러서는 일정한 높이와 압력분포하에 있으므로 일정한 표면현상을 유지하게되어 노즐 끝단에서의 정밀한 파동제어가 가능한 유리한 조건을 확보하게 된다. 따라서, 항상 일정한 상태를 이루게 된 노즐 끝단의 용융금속에 모세관파를 여기시키고 그 밖의 다소간의 부하변동 사항에 대하여는 전자 회로의 피드백제어 방식을 통하여 일정한 크기와 주파수의 파동이 형성되도록 조절함으로서 균일한 중심크기의 협대역의 입자중심크기 분포를 갖으면서도 성상이 좋은 금속적을 연속적이며 다량으로 만들 수 있게된다.
실제 용융금속의 높은 온도는 대부분의 초음파를 발생시키는 데 쓰이는 압전소자나 자왜소자의 기능에 큰 영향을 주게되어 압전소자에서의 온도와 용융금속의 액상의 온도를 유지할 수 있도록 하는 장치가 필요한 데, 본 발명에서는 길이연장 막대를 이용하여 상당히 쉽게 이러한 목적도 이룰 수 있다.
또, 초음파분무노즐을 이용한 금속분 제조방법은 공압이나 수압을 이용한 분무식 금속분 제조방법과는 달리 전체 제조장치의 규모가 매우 적어지고 비용이 적게 들게된다. 또한, 다양한 주파수대의 초음파 노즐 장치를 손쉽게 교환함으로서 다른 주변장치의 교환 없이 입자의 중심크기를 손쉽게 다르게 만들 수 있는 장점이 있다.
기존의 용융금속을 가진혼에 부어서 초음파에너지를 이용하여 금속적을 얻는 방법은 방법론상 액상금속의 흐름이 존재하게되고 따라서 파동제어가 어려웠을 뿐만 아니라, 금속적을 무화시키기 위한 에너지의 값들이 커지게 되어 쉽게 공동현상을 발생할 수 있는 크기의 초음파에너지를 가하게되는, 실용적인 측면에서의 결함을 가지고 있다. 이와같이 초음파의 공동현상을 일으키면 그 결과로서 금속적의 중심크기 분포가 넓어지고 평균중심크기의 값도 많이 변하며 금속적의 형상도 구상을 이루지 못하고 금속적내에 기포가 형성될 수도 있게 되는 데, 본 발명은 모세관파의 정밀한 미소제어가 가능하여서 이러한 현상을 적절히 방지 할 수 있다.
금속분의 평균크기는 모세관파의 파장에 비레하고, 모세관파의 파장은 용융금속의 표면장력을 용융금속의 밀도로 나눈 값을 다시 가진주파수의 자승으로 나눈 값의 3분의 2승에 비례하는 것으로 알려져 있다. 본 발명은 금속분 제조시에 이 초음파 노즐만을 교체하여 가진되는 초음파 주파수를 변경하면 초음파 노즐을 이용하여 제조되는 금속분의 크기를 쉽게 조절할 수가 있다.
또, 용융금속과 초음파 노즐의 재료가 반응을 일으키는 경우에는 반응을 일으키지 않는 재료로 만든 초음파 노즐 헤드를 교체하기만 하면 된다.
제 1도는 본 발명중 초음파 노즐 구성도
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 노즐헤드의 손잡이 2 : 길이연장막대
12 : 노즐 끝단 11 : 노즐헤드내의 용융금속 유로
10 : 노즐헤드 9 : 용융금속 주입구
8 : 압전소자 5 : 냉각체임버
4 : 냉각유체 주입구 6 : 냉각유체 배출구
3 : 초음파 트랜스듀서의 전면 정합층
본 발명에서의 금속분말의 제조방법 및 장치는 가)용융로에서 알루미나등의 세라믹 재료로 만들어진 용융금속 공급관을 통하여 초음파 노즐의 주입구에 용융금속의 일정량을 주입하는 장치, 나) 이 용융금속의 주입구가 있고, 주입된 용융금속이 초음파 노즐의 말단부까지 공급되도록 하는 초음파 노즐내의 유로가 있고 이 유로를 통하여 용융금속을 노즐말단부에 이송시키어 모세관파 진동을 이용하여 용융금속을 무화시키는 역할을 하도록 구성된 초음파 노즐헤드, 다)초음파 노즐헤드와 초음파 트랜스듀서 사이에 온도구배를 조절하면서 초음파 공진의 길이를 갖는 길이연장막대, 라) 초음파 노즐헤드와 초음파 에너지를 공급하는 초음파 트랜스듀서, 길이연장막대로 이루어져 끝단에서 최대 진동진폭을 갖게되어 있는 초음파노즐, 마) 초음파 노즐에 공급되는 초음파 에너지를 피드백 제어하여 일정한 세기의 초음파출력을 초음파노즐에 공급하여 일정한 입자크기와 성상을 갖는 금속분을 제조하도록 하는 초음파 가진앰프 시스템을 포함한다.
금속분 제조장치의 핵심이라 할 수 있는 제1도의 금속분 제조용 초음파 노즐의 구성을 보면, 전기적 에너지를 초음파로 바꾸어주는 압전소자나 자왜소자 8, 이 소자의 후면층 및 전면정합층 13으로 구성되는 트랜스듀서가 있다. 그리고 용융금속이 노즐 끝단에 공급되도록 하는 유로 11과 그리고 필요에 따라 직경을 달리 할 수 있는 모세관형 노즐구멍 12, 그리고 축방향 초음파 진동의 노달라인에 해당하는 단면에 위치하여 용융금속을 공급받는 주입구 9와 노즐헤드 고정부 1로 구성되는 초음파 노즐헤드 10이 있다. 또한 초음파 노즐헤드와 트랜스듀서의 사이에 초음파의 공진을 유지하면서 열전달 경로를 길게 하여 이들 사이의 온도구배를 완만히 하여 장치의 열적 피로를 완화시키며 초음파 노즐의 축방향 공진을 유지시키는 길이를 갖는 길이연장막대 2와 13이 있다. 이 길이연장막대는 필요에 따라 하나로 만들 수 있다. 그리고, 트랜스듀서의 냉각을 위하여 냉각체임버 3, 냉각체임버의 냉각수 또는 공기의 입구 4와 출구6이 있다.
트랜스듀서와 길이연장막대, 노즐헤드로 이루어지는 초음파 노즐은 축방향의 초음파 공진이 효과적으로 일어나도록 축방향 초음파의 종파형 공진구조를 갖으며 특히 유로입구 9는 종방향 초음파의 노달라인상에 위치하게되고, 노즐구멍 12는 종방향 초음파 진동 진폭이 최대로 되는 앤티노달라인 상에 위치하도록 구성되어 있다.
본 발명은 가진혼 내부에 용융금속을 가진 초음파 노즐 끝단까지 공급하는 유로를 만들어 모세관파를 이용함으로서 초음파에 의한 금속분 제조를 연속적으로 대량 생산 하는 것에 성공하였다.
또, 노즐 끝단 부위의 구멍직경보다 용융금속의 주 통로인 유로의 직경을 크게 만들어 용융금속의 외부에서의 공급량의 다소간 변화에 대하여도 일정한 용융금속만을 초음파 노즐 끝단에 공급하게 만들어서 용융금속의 공급제어가 쉬워, 연속적으로 비교적 다량의 균질한 입자크기와 성상을 갖은 금속분말을 제조할 수 있는 실용적인 장치를 고안하였다.
용융금속의 용이한 공급제어와 모세관파의 제어를 쉽게 하는 분무노즐에 의하여 일정한 크기와 성상을 갖는 입자를 다량으로 단시간 내에 제조할 수 있으며, 다양한 금속의 분무화에 사용될 수 있다. 또한, 분무노즐이나 혼을 용융금속과 반응하지 않는 세라믹이나 금속재료로 쉽게 제작함으로서 금속에 의한 노즐이나 혼의 침식도 막을 수 있다.
또, 공진주파수가 다른 초음파노즐만을 교체하고 출력을 조절함으로서 입자의 크기나 크기분포, 성상, 분무형태를 다양하게 조절할 수 있으며, 기존의 금속분 제조장치보다 그 장치의 규모를 매우 적게 할 수 있다.
분무되는 용융 금속적의 운동 속도가 느려서 응고시키어 금속분을 만드는 공정을다양하게 구성할 수 있다.
Claims (6)
- 금속분 제조방법에 있어서,초음파 노즐 내부를 통과한 용융금속을 이 초음파 노즐로 무화시키고, 이 무화된 금속적을 응고시키어 금속분을 만드는 제조장치와 공정
- 초음파 진동체 표면에 용융금속을 주입하는 주입구를 갖고 있으며, 이 주입구를 초음파 노즐장치의 종방향 초음파진동 진폭의 노달라인 단면상에 위치하도록 하고 이 주입구로부터 용융금속이 무화되는 노즐 끝단까지 자체 내부에 용융금속의 유로가 형성되어 있는 구조를 갖는 금속분 제조용 초음파 노즐헤드
- 노즐헤드와 초음파 트랜스듀서 및 길이연자막대로 구성되어 노즐 말단부에 도달한 용융금속에 모세관파를 만들어 이 용융금속을 무화시키는 금속분 제조를 위한초음파노즐
- 공급된 용융금속의 열전달 경로를 길게하여 트랜스듀서와 초음파 노즐헤드 사이에 온도구배를 완만히 하여 초음파 노즐의 열적 피로에 의한 파괴를 지연시키며 초음파 노즐의 축방향 공진을 유지시키는 길이를 갖는 길이연장막대
- 노즐 끝단 부위의 구멍직경보다 초음파 노즐헤드내의 용융금속 유로의 직경을 크게 만들어 용융금속의 외부 공급량의 다소간 변화를 수용할 수 있게 하여 일정한 용융금속만을 초음파 노즐 끝단에 공급하게 만들어서 용융금속의 공급제어를 쉽게 하는 구조
- 초음파 노즐장치의 부하변동에 따른 공진주파수와 전기적 부하변동을 트랜스듀서에 공급되는 전압이나 전류의 변화에 의하여 감지하여 전기출력을 조절하여, 일정한 초음파 진폭이 초음파 노즐 헤드 끝단에 유지되도록 하여 일정한 금속분이 만들어 지도록하는 전기적 피드백제어를 하는 것이 특징인 장치
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| KR1020010034088A Ceased KR20010070880A (ko) | 2001-06-16 | 2001-06-16 | 초음파 분무노즐에 의한 금속분말 제조방법 및 그제조장치 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20010070880A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100815818B1 (ko) * | 2001-12-26 | 2008-03-20 | 주식회사 포스코 | 강판의 연속 도금장치 및 이를 이용한 강판의 연속 도금방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5925904A (ja) * | 1982-08-04 | 1984-02-10 | Toyo Alum Kk | 金属粉製造装置および金属粉製造方法 |
| KR870010214A (ko) * | 1986-04-25 | 1987-11-30 | 원본미기재 | 액체 증발장치 |
| JPS63105907A (ja) * | 1986-10-23 | 1988-05-11 | Agency Of Ind Science & Technol | 超音波による金属粉製造方法及び製造装置 |
| JPH0371712A (ja) * | 1989-08-11 | 1991-03-27 | Sanyo Electric Co Ltd | アクティブフィルタ |
-
2001
- 2001-06-16 KR KR1020010034088A patent/KR20010070880A/ko not_active Ceased
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20010616 |
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Patent event date: 20030731 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20030227 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |