CN103128302B - 金属粉末制造用等离子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够得到粒度分布窄的金属粉末且生产效率更好的金属粉末制造用等离子装置。金属粉末制造用等离子装置(100)具备：供给金属原料的反应容器(102)；等离子枪(104)，其在与反应容器(102)内的金属原料之间生成等离子，使金属原料蒸发而生成金属蒸气；载气供给部(110)，其将用于输送金属蒸气的载气供给至反应容器(102)内；冷却管(103)，其将通过载气从反应容器(102)移送的金属蒸气冷却，生成金属粉末，其中，冷却管(103)具备将从反应容器(102)通过载气移送的金属蒸气和/或金属粉末间接冷却的间接冷却区域(IC)，和接续于间接冷却区域(IC)的、将金属蒸气和/或金属粉末直接冷却的直接冷却区域(DC)，间接冷却区域(IC)由内径不同的2个以上的区域构成。

Description

金属粉末制造用等离子装置

技术领域

本发明涉及制造金属粉末的等离子装置，特别是涉及具备管状冷却管、且通过该冷却管对使金属原料融溶、蒸发而产生的金属蒸气进行冷却来制造金属粉末的等离子装置。

背景技术

在电子电路或配线基板、电阻、电容、IC封装等电子部件的制造中，为形成导电被膜或电极而使用导电性金属粉末。作为对于这种金属粉末所要求的特性及性状，可例举：杂质少、平均粒径为0.01~10μm程度的微细粉末、使粒子形状及粒径一致、凝集少、糊料中的分散性好、结晶性好等。

近年来，伴随电子部件及配线基板的小型化，导电被膜及电极的薄层化及细距化不断进展，因此，期望更微细的、球状且高结晶性的金属粉末。

作为制造这种微细的金属粉末的方法之一，已知有利用等离子在反应容器内使金属原料熔融、蒸发后，对金属蒸气进行冷却、使其凝结而得到金属粉末的等离子装置(参照专利文献1、2)。这些等离子装置中，使金属蒸气在气相中凝结，因此，可以制造杂质少，微细的、球状且结晶性高的金属粒子。

另外，这些等离子装置均具备长的管状冷却管，对包含金属蒸气的载气分多阶段地进行冷却。例如专利文献1中，具备通过在所述载气中直接混合预加热的热气进行冷却的第一冷却部、和之后通过直接混合常温的冷却气体进行冷却的第二冷却部。另外，在专利文献2的等离子装置中，具备：通过使冷却用流体在管状体的周围循环，而使该流体不与所述载气直接接触地、对载气进行冷却的间接冷却区域(第一冷却部)；和之后通过在载气中直接混合冷却用流体进行冷却的直接冷却区域(第二冷却部)。

特别是，和以通过传导或对流进行的冷却为主的其它等离子装置相比，后者采用以辐射进行的冷却为主的间接冷却，因此可以均匀地进行金属核(以下简称为“核”)的生成、生长及结晶化，从而可以得到粒径和粒度分布得以控制的金属粉末。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国申请公开2007/0221635号

专利文献2：美国专利第6379419号

发明内容

发明要解决的问题

图5是表示专利文献2所记载的冷却管的构成的图。如图5所示，冷却管14具备间接冷却区域34和直接冷却区域50，进一步地，间接冷却区域34由内管36和外管38二重管构成。而且，通过使冷却用流体在内管36的外壁和外管38的内壁之间的空间循环，对来自反应容器的金属蒸气、以及该金属蒸气凝结生成的金属粉末进行间接冷却。在接续于间接冷却区域34的直接冷却区域50中，向载气中混合冷却用流体进行直接冷却。另外，在直接冷却区域50，通过采用比间接冷却区域34内径大的冷却管，使通过间接冷却区域34的载气急剧膨胀，提高冷却效率。

但是，在上述间接冷却区域34，对在高温的状态下被移送到冷却管内的载气中的金属蒸气进行辐射冷却，因此，均匀且稳定地进行核的生成、生长、结晶化。但是，在通过专利文献2中记载的装置制造金属粉末的情况下，根据本发明人等的研究，虽然相比现有的等离子装置改善了得到的金属粉末的粒度分布，但对得到更窄的粒度分布也会受限。

本发明人等对该原因进行了研究，发现在间接冷却区域，在接近冷却管内壁的范围和接近中央部(轴)的范围，载气的流速及温度、金属蒸气的浓度等产生差异。因此，虽然未明确，但因该差异而在接近冷却管内的内壁的范围和接近中央部的范围发生核的生成时间不同，较早析出的核粒生长，特别是由于结合而增大，与之相比，较晚析出的核在结合之前达到直接冷却区域被急冷，认为可能对粒度分布带来影响。而且，冷却管的内径越小，上述差异越显著。

因此，本发明人等尝试将图5的间接冷却区域34的内管36的内径加宽到与直接冷却区域50相同的程度，结果生产效率显著降低。认为其原因在于：在间接冷却区域34的载气中包含的金属蒸气的浓度(密度)降低，因此不能充分生成核。而且发现，由于载气的流速减缓，所以还会产生刚刚析出的核容易附着于内管36的内壁的新问题。

本发明的目的在于：为解决上述问题，提供一种能够得到粒度分布窄的金属粉末、且生产效率更好的金属粉末制造用等离子装置。

解决问题的方法

根据发明的第一方面，提供一种金属粉末制造用等离子装置，其具备：

供给金属原料的反应容器；

等离子枪，其在与所述反应容器内的金属原料之间生成等离子，使所述金属原料蒸发而生成金属蒸气；

载气供给部，其将用于输送所述金属蒸气的载气供给至所述反应容器内；

冷却管，其将通过所述载气从所述反应容器移送的所述金属蒸气冷却，生成金属粉末，其特征在于，

所述冷却管具备将来自于所述反应容器的、通过所述载气移送的所述金属蒸气和/或金属粉末间接冷却的间接冷却区域，和接续于所述间接冷却区域的、将所述金属蒸气和/或金属粉末直接冷却的直接冷却区域，

所述间接冷却区域由内径不同的2个以上的区域构成。

根据发明的第二方面，提供在第一方面基础上的金属粉末制造用等离子装置，其特征在于，

所述间接冷却区域至少具备从所述反应容器移送所述金属蒸气的第一间接冷却区域和配置于该第一间接冷却区域和所述直接冷却区域之间的第二间接冷却区域，

所述第一间接冷却区域的内径比所述第二间接冷却区域的内径小。

根据发明的第三方面，提供在第一方面基础上的金属粉末制造用等离子装置，其特征在于，

在所述间接冷却区域的至少一部分设有传热控制部件。

根据发明的第四方面，提供在第一~第三方面中任一方面基础上的金属粉末制造用等离子装置，其特征在于，

所述间接冷却区域是以冷却用流体冷却所述冷却管的周围、且该流体不与所述金属蒸气和/或金属粉末直接接触的方式对所述金属蒸气和/或金属粉末进行冷却的区域，

所述直接冷却区域是使冷却用流体与所述金属蒸气和/或金属粉末直接接触进行冷却的区域。

发明效果

根据本发明的金属粉末制造用等离子装置，在金属蒸气的浓度高的状态下进行了间接冷却后，以降低了金属蒸气浓度的状态继续进行间接冷却，之后进行直接冷却。由此，可以在使核充分析出后，控制核的生成以及结合生长，由此能够在更均匀的气体氛围中进行金属粉末的生长、结晶化。因此，与现有的金属粉末相比，通过本发明得到的金属粉末的粒度分布窄，而且生产效率也良好。

附图说明

图1是表示本发明的金属粉末制造用等离子装置的整体构成的图；

图2是表示本发明的冷却管之一例的图；

图3是表示本发明的冷却管的其它一例的图；

图4是表示本发明的冷却管的其它一例的图；

图5是表示现有例(专利文献2)的冷却管的图。

符号说明

100金属粉末制造用等离子装置

102反应容器

103冷却管

104等离子枪

107等离子

110载气供给部

130第一间接冷却区域

140第二间接冷却区域

360传热控制部件

DC直接冷却区域

IC间接冷却区域

具体实施方式

下面，基于具体的实施方式对本发明进行说明，但本发明不限于此。

图1表示在与上述专利文献2相同的过渡型电弧等离子装置中应用了本发明的金属粉末制造用等离子装置100(以下简称为等离子装置)的一例，通过在反应容器102的内部使金属原料融溶、蒸发，使生成的金属蒸气在冷却管103内冷却凝结，从而生成金属粒子。

需要说明的是，在本发明中，作为金属原料，只要是含有目标金属粉末的金属成分的导电性物质即可，并无特别限制，除纯金属外，也可以使用含有2种以上金属成分的合金或复合物、混合物、化合物等。作为金属成分的一例，可以例举：银、金、镉、钴、铜、铁、镍、钯、铂、铑、钌、钽、钛、钨、锆、钼、铌等。对其没有特别限制，但从处理容易程度方面考虑，作为金属原料，优选使用数mm~数十mm程度大小的粒状或块状金属材料或合金材料。

为便于理解，以下以制造镍粉末作为金属粉末、且使用金属镍作为金属原料为例进行说明，但本发明不限于此。

在装置开始工作之前，预先在反应容器102内准备给定量的金属镍，在装置开始工作后，形成金属蒸气，并根据从反应容器102内减少的量随时从进料口109向反应容器102内补充。因此，本发明的等离子装置能够长时间连续地制造金属粉末。

在反应容器102的上方配置等离子枪104，经由未图示的供给管向等离子枪104供给等离子生成气体。等离子枪104在以负极106为阴极、以设于等离子枪104内部的未图示的正极为阳极产生等离子107后，使阳极向正极105移动，由此在负极106和正极105之间生成等离子107，通过该等离子107的热使反应容器102内的金属镍的至少一部分熔融，生成镍的熔融金属液108。进而，等离子枪104通过等离子107的热使熔融金属液108的一部分蒸发，产生镍蒸气(相当于本发明的金属蒸气)。

载气供给部110将用于输送镍蒸气的载气供给至反应容器102内。作为载气，在制造的金属粉末为贵金属的情况下没有特别限制，可以使用空气、氧气、水蒸气等氧化性气体，氮气、氩气等非活性气体、及它们的混合气体等，在制造容易氧化的镍、铜等贱金属的情况下，优选使用非活性气体。只要没有特别说明，则在以下的说明中使用氮气作为载气。

需要说明的是，也可以根据需要在载气中混合氢气、一氧化碳、甲烷、氨气等还原性气体，醇类，羧酸类等有机化合物，另外，为了改善、调整金属粉末的性状或特性，也可以含有氧、或氧之外的磷或硫等成分。需要说明的是，用于等离子的生成的等离子生成气体也作为载气的一部分起作用。

在反应容器102内生成的含有镍蒸气的载气被移送到冷却管103。

冷却管103具备间接地将载气中含有的镍蒸气和/或镍粉末冷却的间接冷却区域IC、和直接地将载气中含有的镍蒸气和/或镍粉末冷却的直接冷却区域DC。

在间接冷却区域IC，使用冷却用流体及外部加热器等对冷却管(内管)103的周围进行冷却或加热，通过控制间接冷却区域IC的温度来进行冷却。作为冷却用流体，可使用上述载气或其它气体，另外也可以使用水、温水、甲醇、乙醇或它们的混合物等液体。但是，从冷却效率及成本的观点考虑，优选冷却用流体使用水或温水，期待使其在冷却管103的周围循环，将冷却管103冷却。

在间接冷却区域IC，在高温状态下被移送到冷却管103内的载气中的镍蒸气通过辐射而较缓慢地被冷却，在稳定且均匀地进行了温度控制的气体氛围中进行核的生成、生长、结晶化，由此在载气中生成粒径均匀的镍粉末。

在直接冷却区域DC，对从间接冷却区域IC移送来的镍蒸气和/或镍粉末喷出或混合从未图示的冷却流体供给部供给的冷却用流体，进行直接冷却。需要说明的是，在直接冷却区域DC使用的冷却用流体可以与在间接冷却区域IC使用的冷却用流体相同，也可以不同，但从处理容易程度及成本的观点出发，优选使用与上述载气相同的气体(在以下的实施方式中为氮气)。在使用气体的情况下，与上述载气相同，可以根据需要将还原性气体或有机化合物、氧气、磷、硫等成分混合使用。另外，在冷却用流体含有液体的情况下，该液体在喷雾的状态下被导入冷却管103内。

需要说明的是，在本说明书的附图中，省略间接冷却区域IC及直接冷却区域DC的具体的冷却机构，但只要不妨碍本发明的作用效果，则可以使用公知的机构，例如也可以适宜使用上述专利文献2所记载的机构。

在间接冷却区域IC内的载气中混合有镍蒸气和镍粉末，但是与其上游侧相比，下游侧的镍蒸气的比例降低。另外，根据装置不同，在直接冷却区域DC内的载气中也可以混合镍蒸气和镍粉末。但是，如上所述，优选核的生成、生长、结晶化在间接冷却区域IC内进行并完成，因此，优选直接冷却区域DC内的载气中不含镍蒸气。

含有金属粉末的载气从冷却管103进一步向下游输送，在未图示的收集器中被分离成金属粉末和载气，将金属粉末回收。需要说明的是，在收集器中分离出的载气也可以以在载气供给部110再利用的方式构成。

另外，在等离子装置100的工作中，在冷却管103内，载气中的镍粉末的一部分及从镍蒸气的析出物逐渐附着于冷却管103的内壁，有时根据情况成为氧化物或其它化合物而堆积。因此，为除去附着于冷却管103内的附着物，优选在冷却管103内配置手动或自动往复移动以及绕轴方向旋转的刮板101。通过利用刮板101对附着物施加物理的力，能够有效地刮去附着物。

如图2所示，冷却管103将间接冷却区域IC分为第一间接冷却区域130和第二间接冷却区域140这2个区域。第一间接冷却区域130的内管120的内径比直接冷却区域DC的内管160的内径小。

本发明的特征在于，在第一间接冷却区域130和直接冷却区域DC之间具备第二间接冷却区域140。第二间接冷却区域140的内管121的内径比第一间接冷却区域130的内管120的内径大。另外，第二间接冷却区域140的内管121的内径与直接冷却区域DC的内管160的内径大致相等。第一间接冷却区域130的内管120和第二间接冷却区域140的内管121的内径之比优选为0.05：1~0.95：1。

本发明由于具备上述特征，从而生产效率好，得到粒度分布窄的金属粉末。由该特征得到这种优异的作用效果的理由尚不明确，考虑是否如下所述。

在本发明中，载气中的金属蒸气被诱导至第一间接冷却区域130的时刻，浓度也高，温度也为数千K(例如3000K)，但通过间接冷却(辐射冷却)，该温度降低至金属的沸点附近，大量的核开始大致同时地析出，开始粒生长。粒生长大致分为处于核周围的金属蒸气一边在核表面上析出一边进行的粒生长、和相邻的多个核一边结合一边进行的粒生长，作为对于粒度分布宽窄的影响，认为后者占主导。在本发明中，具备比第一间接冷却区域130的内径大的第二间接冷却区域140，因此，在第一间接冷却区域130充分进行核的生成后，包含核的金属蒸气在第二间接冷却区域140继续进行间接冷却(辐射冷却)。在第二间接冷却区域140，载气中的金属浓度(包含金属蒸气和核的浓度)降低，抑制由于结合的粒生长，另一方面，由于载气的流速也降低，所以粒生长在更缓慢且稳定、均匀的气体氛围中进行。由于以上的理由，在本发明中，即使有在不同时间析出的核，其粒径也不易产生大的差异，其结果，可以推测为可以得到较窄粒度分布的金属粉末。

作为本发明的冷却管103，也可以是图3的构成。需要说明的是，图中，对于与图2的例相同的部位标注相同的符号，省略说明。

图3中，间接冷却区域IC分别包含直径不同的第一间接冷却区域230、第二间接冷却区域240、第三间接冷却区域250。内径按内管220、内管221、内管222的顺序增大。通过将内管220、221、222、160的内径适宜组合，可以多样地控制载气的流速及金属浓度，可以与所希望的种类的金属、平均粒径、粒度分布相对应。这样，相比图2的例，可以通过增大直径不同的间接冷却区域，减小与相邻的间接冷却区域的内径之差，因此，可以使冷却管103内的载气的气流更稳定。

另外，作为本发明的冷却管103，也可以为图4那样的构成，该例中，第二间接冷却区域340的内管321的内径成为朝向下游侧而逐渐增大的形状。通过设为这样的形状，能够抑制冷却管103内的载气的气流的紊乱，能够使其更稳定。另外，优选将第一间接冷却区域330的内管320和/或第二间接冷却区域340的内管321的外周由耐热性的纤维原材料及无机粘接剂等传热控制部件包覆、填充。可以通过改变该传热控制部件360的填充量来控制冷却效率。

实施例

〔实施例1〕

通过图1所记载的等离子装置100来制造镍粉末。作为冷却管103，使用将内径8cm的内管120(第一间接冷却区域)、内径18cm的内管121(第二间接冷却区域)及内径18cm的内管160(直接冷却区域)组合而成的冷却管。需要说明的是，将内管120的长度设为35cm，将内管121的长度设为80cm，将内管160的长度设为60cm。

另外，以通过冷却管的载气为每分300L，金属浓度为2.1~14.5g／m³的范围的方式进行控制。

对于得到的镍粉末，使用激光式粒度分布测定装置测定粒度分布，根据所测得的粒度分布的重量基准积分比率10%值、50%值、90%值(以下分别为“D10”“D50”“D90”)，求出作为粒度分布指标的以SD＝(D90－D10)／(D50)表示的SD值。

在实施例1得到的镍粉末为D50＝0.46μm、SD＝1.27这样的粒度分布窄的粉末。

〔比较例1〕

除使用不具备内管121(第二间接冷却区域〉、而在内径8cm、长度115cm的内管120(第一冷却区域)上连接有内管160(直接冷却区域)的与现有例相同的冷却管之外，以与实施例1相同的装置、在相同的条件下制造镍粉末。

在比较例1得到的镍粉末为D50＝0.47μm、SD＝1.36。

〔实施例2〕

除将内管120(第一间接冷却区域)的内径变更为10cm以外，与实施例1同样地制造镍粉末。

在实施例2得到的镍粉末为D50＝0.43μm、SD＝1.15这样的粒度分布窄的粉末。

〔实施例3〕

除将内管120(第一间接冷却区域)的长度设为42cm、将内管121(第二间接冷却区域)的长度设为73cm以外，与实施例2同样地制造镍粉末。

在实施例3得到的镍粉末为D50＝0.42μm、SD＝1.09这样的粒度分布窄的粉末。

〔比较例2〕

除使用不具备内管121(第二间接冷却区域)、而在内径10cm、长度115cm的内管120(第一冷却区域)上连接有内管160(直接冷却区域)的与现有例相同的冷却管之外，以与实施例3相同的装置、相同的条件制造镍粉末。

在比较例2得到的镍粉末为D50＝0.45μm、SD＝1.30。

根据以上的结果，与比较例1~2得到的镍粉末相比，在实施例1~3得到的镍粉末粒度分布窄。

需要说明的是，在本发明中，间接冷却区域或直接冷却区域的内管的内径及长度应根据目标金属的种类或金属蒸气的浓度、载气的流量、金属蒸气及载气的温度、管内的温度分布等适宜变更、设定，不限于上述的实例。

工业实用性

本发明可以用于制造用于各种电子部件及电子设备等的金属粉末的等离子装置。

Claims (3)

1.一种金属粉末制造用等离子装置，其具备：

供给金属原料的反应容器；

等离子枪，其在与所述反应容器内的金属原料之间生成等离子，使所述金属原料蒸发而生成金属蒸气；

载气供给部，其将用于输送所述金属蒸气的载气供给至所述反应容器内；

冷却管，其将通过所述载气从所述反应容器输送的所述金属蒸气冷却，生成金属粉末；其特征在于，

所述冷却管具备将来自于所述反应容器的、通过所述载气输送的所述金属蒸气和/或金属粉末间接冷却的间接冷却区域，和接续于所述间接冷却区域的、将所述金属蒸气和/或金属粉末直接冷却的直接冷却区域，

所述间接冷却区域由内径不同的2个以上的区域构成，且至少具备从所述反应容器输送所述金属蒸气且进行核的生成的第一间接冷却区域、以及设置于该第一间接冷却区域和所述直接冷却区域之间并使核进行粒生长的第二间接冷却区域，所述第一间接冷却区域的内径比所述第二间接冷却区域的内径小。

2.如权利要求1所述的金属粉末制造用等离子装置，其特征在于，

在所述间接冷却区域的至少一部分设有传热控制部件。

3.如权利要求1或2所述的金属粉末制造用等离子装置，其特征在于，

所述间接冷却区域是以冷却用流体冷却所述冷却管的周围、且该流体不与所述金属蒸气和/或金属粉末直接接触的方式对所述金属蒸气和/或金属粉末进行冷却的区域，

所述直接冷却区域是使冷却用流体与所述金属蒸气和/或金属粉末直接接触进行冷却的区域。