CN109382519B - 金属粉末制造装置和金属粉末的制造方法 - Google Patents

金属粉末制造装置和金属粉末的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够制造高品质的金属粉末的金属粉末制造装置和使用该装置的金属粉末的制造方法。该金属粉末制造装置具有：喷出熔融金属的熔融金属供给部(20)、设置于熔融金属供给部(20)的下方的筒体(32)以及冷却液导出部，冷却液导出部在筒体(32)的内表面形成用于冷却从熔融金属供给部(20)喷出的熔融金属的冷却液的流动。冷却液导出部具有：外侧部(44)、通路部(42)以及冷却液喷出部(52)，其中，通路部(42)使外侧部(44)的冷却液以比外侧部(44)的宽度窄的宽度通过，冷却液喷出部(52)使通过通路部(42)的冷却液朝向沿着筒体(32)的内表面(33)流动的方向。

Description

金属粉末制造装置和金属粉末的制造方法
技术领域
本发明涉及金属粉末制造装置和金属粉末的制造方法。
背景技术
如专利文献1所示，已知有使用所谓的气体雾化法来制造金属粉末的金属粉末制造装置和使用该装置的制造方法。现有的装置具有：喷出熔融金属的熔融金属供给容器、设置于该熔融金属供给容器的下方的筒体、以及冷却液导出部，该冷却液导出部在筒体的内表面形成用于冷却从熔融金属供给部喷出的熔融金属的冷却液的流动。
冷却液导出部向冷却用筒体的内表面的切线方向喷射冷却液，使冷却液一边在冷却容器的内表面旋转一边流下，由此，形成冷却液层。期待通过使用冷却液层，能够使溶滴骤冷并制造高功能性的金属粉末。
但是，现有的装置中，即使向冷却用筒体的内表面的切线方向喷射冷却液，冷却液也会在筒体的内表面进行反射，产生从内表面朝向半径方向的内侧的流动而成为湍流。因此，现有的装置中，存在如下问题：即，难以在筒体的内表面上形成均匀厚度的冷却液层，且难以制造均质的(粒径、结晶状态、形状等均匀的)金属粉末。特别是在增大冷却液的流量，或增大挤出冷却液的泵的压力而增大冷却液的速度时，该倾向增大。
[现有技术文献]
专利文献
专利文献1：日本特开平11-80812号公报
发明内容
[发明所要解决的技术问题]
本发明是鉴于这种实际状况而研发的，其目的在于，提供一种能够制造高品质的金属粉末的金属粉末制造装置和使用该装置的金属粉末的制造方法。
[用于解决技术问题的技术方案]
为了实现上述目的，本发明提供一种金属粉末制造装置，其特征在于，
具有：
熔融金属供给部，其喷出熔融金属；
筒体，其设置于所述熔融金属供给部的下方；以及
冷却液导出部，其在所述筒体的内表面形成用于冷却从所述熔融金属供给部喷出的所述熔融金属的冷却液的流动，
并且，
所述冷却液导出部具有：
外侧部；
通路部，其以比所述外侧部的宽度窄的宽度使所述冷却液向内侧通过；以及
冷却液喷出部，其使通过所述通路部的所述冷却液朝向在所述筒体的所述内表面流动的方向。
更具体而言，本发明提供一种金属粉末制造装置，其特征在于，
具有：
熔融金属供给部，其喷出熔融金属；
筒体，其设置于所述熔融金属供给部的下方；以及
冷却液导出部，其在所述筒体的内表面形成用于冷却从所述熔融金属供给部喷出的所述熔融金属的冷却液的流动，
并且，
所述冷却液导出部配备于所述筒体的轴芯方向的上部，并在内部具有外侧空间部、内侧空间部、以及将这些外侧空间部和内侧空间部连接的通路部，
在所述外侧空间部连结有喷嘴，
所述通路部被构成为，以比所述外侧空间部的上下宽度窄的上下宽度使所述冷却液从所述外侧空间部向所述内侧空间部通过，
该金属粉末制造装置被构成为，从所述喷嘴进入到所述外侧空间部的冷却液从所述外侧空间部朝向所述通路部，并且通过所述通路部的冷却液从所述内侧空间部的冷却液喷出部沿着所述筒体的内表面流动。
优选的是，所述通路部配备于所述外侧空间部的所述轴芯方向的上部。
优选的是，所述通路部的上下宽度比所述外侧空间部的上下宽度窄，且为所述外侧空间部的上下宽度的1/2以下。
优选的是，在所述冷却液导出部的所述外侧空间部按照切线方向连结有所述喷嘴，冷却液以围绕轴芯进行旋转的方式从所述喷嘴进入所述外侧空间部的内部，以旋涡状进入所述外侧空间部的内部的冷却液通过所述通路部，并以旋涡状进入所述内侧空间部的内部。
为了实现上述目的，本发明提供一种金属粉末的制造方法，其特征在于，具有：
在设置于熔融金属供给部的下方的筒体的内表面上形成冷却液的流动的工序；以及
从所述熔融金属供给部将熔融金属向所述冷却液的流动进行喷出的工序，
并且，
使所述外侧部的所述冷却液通过具有比所述外侧部的宽度窄的宽度的通路部，
使通过所述通路部的所述冷却液朝向在所述筒体的所述内表面流动的方向。
更具体而言，本发明提供一种金属粉末的制造方法，其特征在于，
具有：
在设置于熔融金属供给部的下方的筒体的内表面上形成冷却液的流动的工序；以及
从所述熔融金属供给部将熔融金属向所述冷却液的流动进行喷出的工序，
并且，
使用上述的金属粉末制造装置，
使所述外侧空间部的所述冷却液通过具有比所述外侧空间部的宽度窄的上下宽度的通路部，
使通过所述通路部的所述冷却液朝向在所述筒体的所述内表面流动的方向。
附图说明
图1A是本发明一个实施方式的金属粉末制造装置的简要剖面图。
图1B是图1A所示的金属粉末制造装置的主要部分放大剖面图。
图2是本发明另一实施方式的金属粉末制造装置的简要剖面图。
图3是本发明又一实施方式的金属粉末制造装置的简要剖面图。
符号说明
10、110、210…金属粉末制造装置
20…熔融金属供给部
21…熔融金属
22…容器
23…喷出口
24…加热用线圈
26…气体喷嘴
27…气体喷射口
30、130、230…冷却部
32…筒体
33…内表面
34…排出部
36…冷却液导入部
136、236…盒子
37、137、236…喷嘴
38、138、238…框体
238a…框前端
40、140…板部
42…通路部
44…外侧部(外侧空间部)
46…内侧部(内侧空间部)
50…冷却液层
52…冷却液喷出部
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式说明本发明。
第一实施方式
如图1A所示，本发明一个实施方式的金属粉末制造装置10是用于将熔融金属21通过雾化法(气体雾化法)进行粉末化，而得到由多个金属颗粒构成的金属粉末的装置。该装置10具有熔融金属供给部20和配备于金属供给部20的铅垂方向的下方的冷却部30。附图中，铅垂方向是沿着Z轴的方向。
熔融金属供给部20具有收容熔融金属21的耐热性容器22。在耐热性容器22的外周配备有加热用线圈24，将收容于容器22的内部的熔融金属21加热并维持成熔融状态。在容器22的底部形成有喷出口23，从该喷出口23朝向构成冷却部30的筒体32的内表面33，熔融金属21以滴下来的熔融金属21a的方式进行喷出。
在容器22的外底壁的外侧部，以包围喷出口23的方式配备有气体喷嘴26。气体喷嘴26具备有气体喷射口27。从气体喷射口27朝向从喷出口23喷出的滴下来的熔融金属21a喷射高压气体。高压气体从由喷出口23喷出的熔融金属的周围整周向斜下方向喷射，滴下来的熔融金属21a成为多个液滴，并沿着气体的流动向筒体32的内表面行进。
熔融金属21也可以含有任意元素，例如能够使用含有Ti、Fe、Si、B、Cr、P、Cu、Nb、Zr中的至少一种的金属。这些元素的活性高，含有这些元素的熔融金属21经短时间的与空气的接触，就会容易氧化而形成氧化膜，从而难以进行微细化处理。如上所述，金属粉末制造装置10使用惰性气体作为从气体喷嘴26的气体喷射口27喷射的气体，由此，即使是容易氧化的熔融金属21，也能够容易进行粉末化处理。
作为从气体喷射口27喷射的气体，优选为氮气、氩气、氦气等的惰性气体，或氨分解气体等的还原性气体，但是，如果熔融金属21是难以氧化的金属则也可以是空气。
本实施方式中，筒体32的轴心O相对于铅垂线Z以预定角度θ1倾斜。对于预定角度θ1没有特的别限定，但优选为5～45度。通过设为这种角度范围，容易使来自喷出口23的滴下来的熔融金属21a向形成于筒体32的内表面33的冷却液层50喷出。
向冷却液层50喷出的滴下来的熔融金属51与冷却液层50碰撞，进一步被分割并被微细化，并且被冷却固化，从而成为固体状的金属粉末。在沿着筒体32的轴心O的下方设置有排出部34，能够将冷却液层50中所包含的金属粉末和冷却液一起向外部排出。与冷却液一起被排出的金属粉末在外部的存留槽等中与冷却液分离并被取出。此外，对于冷却液没有特别的限定，可以使用冷却水。
本实施方式中，在筒体32的轴芯O方向的上部具备冷却液导入部(冷却液导出部)36。在冷却液导入部36的上部安装有框体38的凸缘39。由冷却液导入部36的内部和框体38的内部包围的空间被板部40分隔成外侧部(外侧空间部)44和内侧部(内侧空间部)46。
这些外侧部44与内侧部46之间利用设置于板部40的轴芯O方向的上部的通路部(冷却液导出部)42连通。如图1B所示，通路部42是冷却液导入部36的内壁面与板部40的上端之间的间隙，其轴芯O方向的上下宽度W1比外侧部44的轴芯O方向的上下宽度W2窄。优选W1/W2只要为1/2以下即可。
本实施方式中，在冷却液导入部36的外侧部36连结有喷嘴37。通过将喷嘴按照冷却液导入部36的切线方向连接，冷却液以围绕轴芯O进行旋转的方式从喷嘴37进入处于冷却液导入部36的内部的外侧部44的内部。以旋涡状进入外侧部44的内部的冷却液通过通路部42，并以旋涡状进入内侧部46的内部。
框体38具有比筒体32的内表面33小的内径，框体38与内表面33之间的间隙成为冷却液喷出部52，而喷出冷却液。本实施方式中，框体38与板部40之间的间隙形成冷却液喷出部52。冷却液喷出部52的外径与板部40的内径一致，冷却液喷出部52的内径与框体38的内径一致。此外，冷却液喷出部52的外径也可以不与板部40的内径一致，而与筒体32的内表面33一致。
本实施方式中，通过通路部42以旋涡状进入内侧部46的内部的冷却液，沿着框体38，从沿着轴芯O向下的冷却液喷出部52以旋涡状流出，并成为沿着内表面33的螺旋状的流动，从而形成冷却液层50。或者，从冷却液喷出部52流出的冷却液的流动成为与沿着内表面33的轴芯O平行的流动，从而形成冷却液层50。
本实施方式中，对于冷却液喷出部52的径向宽度而言，也可以通过改变板部40的位置或倾斜度而进行变化。对于冷却液喷出部52的径向宽度没有特别的限定，根据与冷却液层50的厚度的关系来决定。
对于框体38的轴方向长度L1而言，只要是覆盖通路部42的轴芯O方向的宽度W1的程度的长度即可，以在筒体32的内表面33露出充分的轴方向长度L0的冷却液层50的液面的方式设定。就露出于内侧的冷却液层50的轴方向长度L0而言，与框体38的轴方向长度L1相比，优选为5～500倍的长度。另外，对于筒体32的内表面33的内径没有特别的限定，优选为50～500mm。
本实施方式中，从喷嘴37以旋涡状进入外侧部44的冷却液通过通路42，由此，流速变快，并进入内侧部46。在内侧部46，通过通路42的螺旋状的冷却液与框体38发生碰撞，其流动的方向被改变，并改变成沿着轴芯O向下的流动。
但是，在内侧部46，冷却液也以围绕轴芯O螺旋状地流动，因此，通过与重力的复合效果，从冷却液喷出部52沿着筒体32的内表面33流动的冷却液成为螺旋状的流动，并形成冷却液层50。图1所示的滴下来的熔融金属21a入射于这样形成的冷却液层50的内侧液面，滴下来的熔融金属21a在螺旋流动的冷却液层50的内部与冷却液一起流动并被冷却。
本实施方式的金属粉末制造装置10及金属粉末的制造方法中，在从熔融金属供给部20喷出的熔融金属与冷却液接触的位置的上游侧具备冷却液喷出部52。通过通路部42的冷却液，从冷却液喷出部52开始，朝向从内侧部46的冷却液喷出部52沿着筒体32的内表面33流动的方向。外侧部44内的冷却液朝向通路部42，并通过该通路部42，由此，流速增大，然后，从冷却液喷出部52流出的冷却液沿着筒体32的内表面33高速地流动，在筒体32的内表面33形成预定厚度的冷却液层50。
因此，即使是在增大冷却液的流量、或增大冷却液的速度的情况下，也能够容易地沿着筒体32的内表面33形成均匀的厚度的冷却液层50，并能够生产高品质的金属粉末。
而且，本实施方式中，通路部42配备于筒体32的上部。通过这样的构成，能够使重力作用于从通路42向冷却液喷出部52的冷却液的流动，使从冷却液喷出部52流出的冷却液的流速进一步增大。
另外，通路部42配备于外侧部44的上部。通过这样的构成，容易增大从通路部42通过内侧部46且向冷却液喷出部52流出的冷却液的流速。
而且，通路部42的上下宽度W1比外侧部44的上下宽度W2窄，并被设定为预定的关系，由此，容易增大从通路42向冷却液喷出部52流出的冷却液的流速。另外，外侧部44以能够形成冷却液的螺旋状流动的方式连结有喷嘴37。
例如，通过朝向外侧部44的内表面的切线方向进入冷却液，在外侧部44的内部形成冷却液的螺旋流动，外侧部44被冷却液充满，该螺旋流动的冷却液通过通路42，由此，冷却液在维持螺旋流动的状态下朝向冷却液喷出部52。从冷却液喷出部52沿着筒体32的内表面33流出的冷却液在螺旋流动的状态下，沿着筒体32的内表面33形成均匀的厚度的冷却液层50。
此外，上述的实施方式中，以如下方式构成：从喷嘴孔37a向框体38的内周面以螺旋流动进行碰撞，流动的方向被改变，通过冷却液喷出部52，沿着筒体32的内周面33以螺旋状流动。但是，本实施方式中，不限定于这种流动。
例如，也可以是：通过将喷嘴37以与筒体32的外周面大致垂直的方式连接，使从形成在筒体32的内周面33的喷嘴孔37a朝向框体38的内周面的流动，成为非螺旋流动(也可以在一部分中混入螺旋流动)。在该情况下，非螺旋流动与框体38的内周面发生碰撞，流动的方向被改变，通过冷却液喷出部52喷出，从而形成沿着筒体32的内周面33的非螺旋流动的冷却层50。
第二实施方式
如图2所示，对于本发明的第二实施方式的金属粉末制造装置110和金属粉末的制造方法而言，除了以下所示的以外，均与第一实施方式相同，对相同的部件标注相同的部件名称和符号，并省略一部分相同的部分的说明。
本实施方式中，就金属粉末制造装置110而言，在冷却部130中，外侧部44形成于盒子136的内部，通路部42由装配于盒子136的内部的板部140形成。通过这样的构成，能够容易地形成通路部42。
而且，配备于盒子136的内部的板部140相对于轴芯O以θ2的角度倾斜。角度θ2优选在0～90度的范围内，进一步优选为0～45度。
本实施方式中，在盒子136的轴芯O方向的上部(或下部)连接多个喷嘴137。这些喷嘴137也可以在盒子136的外侧部44的上部(或下部)在外周侧相对于轴芯O倾斜地连接。
或者，这些喷嘴137也可以在盒子136的外侧部44的上部(或下部)在外周侧相对于轴芯O平行地连接。
本实施方式的金属粉末制造装置110和使用该装置的金属粉末的制造方法中，在从金属供给部20的喷出口23喷出的滴下来的熔融金属21a与冷却液层50接触的位置的上游侧具备冷却液喷出部52。从冷却液喷出部52开始，通过通路部42的冷却液朝向从内侧部46的冷却液喷出部52沿着筒体32的内表面33流动的方向。外侧部44的内部的冷却液朝向通路部42，通过这里而进一步被整流，然后，从冷却液喷出部52流出的冷却液沿着筒体32的内表面33高速地流动，在筒体32的内表面33形成预定厚度的冷却液层50。
因此，即使是在增大冷却液的流量、或增大冷却液的速度的情况下，也能够容易地沿着筒体32的内表面33形成均匀的厚度的冷却液层50，并能够生产高品质的金属粉末。
第三实施方式
如图3所示，对于本发明一个实施方式的金属粉末制造装置210而言，除了以下所示的以外，均与第一实施方式或第二实施方式相同，对相同的部件标注相同的部件名称和符号，并省略一部分相同的部分的说明。
图1及图2所示的实施方式中，框体38或138的内径向框体38或138的轴芯O方向的下端大致相同，但在本实施方式中，冷却部230中，框体238的下方前端部238a朝向前端较大地构成为锥形状。本实施方式中，构成盒子236的内表面的框体238的下方前端部238a和筒体32的内表面33之间的间隙成为冷却液喷出部52。
就框体238的下方前端部238a相对于轴芯O的锥形角度θ3而言，没有特别的限定，但优选为5～45度。通过将框体238的下方前端部238a的内径朝向轴方向的下端增大为锥形状，将从冷却液喷出部52流出的冷却液向内表面33挤压的方向的力发挥作用，容易沿着筒体32的内表面33形成均匀的厚度的冷却液层50。角度θ3也可以与角度θ2相同，但也可以不同。
此外，本发明不限定于上述的实施方式，能够在本发明的范围内进行各种改変。
实施例
以下，基于详细的实施例进一步说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。
实施例
使用图1所示的金属粉末制造装置10，制造由Fe-Si-B(实验编号6)、Fe-Si-Nb-B-Cu(实验编号7)、Fe-Si-B-P-Cu(实验编号8)、Fe-Nb-B(实验编号9)、Fe-Zr-B(实验编号10)构成的金属粉末。
各实验中，熔解温度为1500℃、喷射气体压力为5MPa、使用气体种类为氩气，这些为固定条件，螺旋水流条件即泵压为7.5kPa。实施例中，能够制造出平均粒径为约25μm的金属粉末。平均粒径是使用干式粒度分布测定装置(HELLOS)求得的。另外，通过粉末X射线衍射法评价了实验编号6～10中制作的金属粉末的结晶分析。对于金属粉末的磁特性，则通过利用Hc仪表测定矫顽力(Oe)来进行。将结果在表1中表示。另外，观察到冷却液层50的厚度为30mm，且轴芯O方向上的偏差较小。
比较例
所使用的金属粉末制造装置除了不具备框体38和板部40以外其他均与实施例相同，按照与实施例相同的方式制造金属粉末(实验编号1～5)，并进行同样的评价。将结果在表1中表示。观察到冷却液层50的厚度为30mm，且轴芯O方向上的偏差较大。
表1中，与比较例相比，实施例的磁特性得到了提高，且非晶质性得到了提高。发明人认为其理由如下：冷却液被外侧部44整流，并进一步通过通路部42而被进一步整流，因此，螺旋水流被均匀化，能够得到更均匀的冷却效果，冷却不足的粉末较少。另外，通过粉末X射线衍射进行了金属粉末的结晶分析，其结果发现，还存在具有结晶引起的峰值的比较例。对于金属粉末的磁特性，能够确认到比较例的矫顽力都比实施例的大，实施例是优异的，因此，可知得到了更均匀的冷却效果。
比较上述比较例和实施例可知：通过具备板部40和通路42，即使是在泵压较高的状态下，也不会成为湍流而被整流，由此，提高了金属粉末的冷却效果，对于现有技术中曾经不能制作的组成也能够确认到非晶质性，能够进一步改善磁特性。
[表1]
Figure BDA0001755122180000111

Claims (6)

1.一种金属粉末制造装置，其特征在于，
具有：
熔融金属供给部(20)，其喷出熔融金属；
筒体(32)，其设置于所述熔融金属供给部的下方；以及
冷却液导出部(36、136、236)，其在所述筒体的内表面形成用于冷却从所述熔融金属供给部喷出的所述熔融金属的冷却液的流动，
并且，
所述冷却液导出部(36、136、236)配备于所述筒体的轴芯方向的上部，并在内部具有：外侧空间部(44)、内侧空间部(46)、将这些外侧空间部(44)和内侧空间部(46)连接的通路部(42)、以及覆盖通路部(42)的轴芯方向的宽度的框体(38、138、238)，
在所述外侧空间部(44)连结有喷嘴(37、137、237)，
所述通路部(42)被构成为，以比所述外侧空间部(44)的上下宽度窄的上下宽度使所述冷却液从所述外侧空间部(44)向所述内侧空间部(46)通过，并且
该金属粉末制造装置被构成为，从所述喷嘴(37、137、237)进入到所述外侧空间部(44)的冷却液从所述外侧空间部(44)朝向所述通路部(42)，并且通过所述通路部(42)的冷却液与所述框体(38)发生碰撞，其流动的方向被改变，从所述内侧空间部(46)的冷却液喷出部(52)沿着所述筒体(32)的内表面流动。
2.根据权利要求1所述的金属粉末制造装置，其特征在于，
所述外侧空间部(44)与内侧空间部(46)之间利用设置于板部(40、140)的上部的所述通路部(42)连通，
所述通路部(42)配备于所述外侧空间部(44)的所述轴芯方向的上部。
3.根据权利要求1或2所述的金属粉末制造装置，其特征在于，
所述通路部(42)的上下宽度比所述外侧空间部(44)的上下宽度窄，且为所述外侧空间部(44)的上下宽度的1/2以下。
4.根据权利要求1或2所述的金属粉末制造装置，其特征在于，
在所述冷却液导出部(36、136、236)的所述外侧空间部(44)按照切线方向连结有所述喷嘴(37、137、237)，冷却液以围绕轴芯进行旋转的方式从所述喷嘴(37、137、237)进入所述外侧空间部(44)的内部，以旋涡状进入所述外侧空间部(44)的内部的冷却液通过所述通路部(42)，并以旋涡状进入所述内侧空间部(46)的内部。
5.根据权利要求3所述的金属粉末制造装置，其特征在于，
在所述冷却液导出部(36、136、236)的所述外侧空间部(44)按照切线方向连结有所述喷嘴(37、137、237)，冷却液以围绕轴芯进行旋转的方式从所述喷嘴(37、137、237)进入所述外侧空间部(44)的内部，以旋涡状进入所述外侧空间部(44)的内部的冷却液通过所述通路部(42)，并以旋涡状进入所述内侧空间部(46)的内部。
6.一种金属粉末的制造方法，其特征在于，
具有：
在设置于熔融金属供给部(20)的下方的筒体(32)的内表面上形成冷却液的流动的工序；以及
从所述熔融金属供给部(20)将熔融金属向所述冷却液的流动进行喷出的工序，
并且，
使用权利要求1～5中的任一项所述的金属粉末制造装置，
使所述外侧空间部(44)的所述冷却液通过具有比所述外侧空间部(44)的宽度窄的上下宽度的通路部(42)，
使通过所述通路部(42)的所述冷却液朝向在所述筒体(32)的所述内表面流动的方向。
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