JP2002371305A - 金属粉末の製造方法 - Google Patents

金属粉末の製造方法

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JP2002371305A
JP2002371305A JP2001180150A JP2001180150A JP2002371305A JP 2002371305 A JP2002371305 A JP 2002371305A JP 2001180150 A JP2001180150 A JP 2001180150A JP 2001180150 A JP2001180150 A JP 2001180150A JP 2002371305 A JP2002371305 A JP 2002371305A
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Makoto Akai
誠 赤井
Kagehiro Kageyama
景弘 影山
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Hitachi Metals Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 スパッタリングターゲット材、焼結コンデン
サ、化学工業用触媒等に好適な金属粉末を、高品質かつ
低コストにて製造する。 【解決手段】 金属状態での沸点が3000℃以下であ
るその金属の化合物であって、平均粒径が3μm以上の
化合物の原料粉末を、プラズマトーチ7中で給粉ノズル
2を介して水素を導入した熱プラズマ3中に通すこと
で、平均粒径が0.1〜3μmの金属粉末を得る金属粉
末の製造方法である。加えて、化合物は、その金属に化
合する物質1mol当りに換算した標準生成自由エネル
ギーΔG゜(J/mol)が、−550000+150
T以上[但し、T(K):298〜金属の融点]である
金属粉末の製造方法である。本化合物は、酸化物とする
ことができ、あるいはさらに、NiあるいはCuの化合
物が適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、情報産業機器部品
の製造に係るスパッタリングターゲット材、焼結コンデ
ンサ、あるいは化学工業用触媒などに用いることが可能
な、金属粉末の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、情報産業の急速な進展に伴って、
情報産業機器部品の需要が高まっている。これらの部品
のうち、例えば携帯電話等に利用される積層セラミック
スコンデンサーにおいては、Ag、Ni、Cuなどの微
粉末を有機溶剤に混合した導電性ペーストが多量に使用
されている。
【0003】例えば、導電性ペーストに使用される金属
微粉末は、平均粒径が0.1〜3μmの範囲にあるもの
が多く用いられる。ここで、平均粒径とは、レーザー回
折法で測定した粒度分布を小径側から積算し、その値が
全粒径に渡った積算値の半分になるところの粒径を意味
する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来、このような金属
微粉末は、CVD法や熱還元法、湿式法によって製造さ
れてきた。CVD法とは、気相反応から固体を合成する
製法であり、現在主流となっている製造方法である。し
かし、ハロゲン化物などを原料として利用するため危険
性および原料コストが高く、かつ設備1基あたりでの製
造速度が遅いため多基設備で並列処理する必要があり、
設備費が高いという欠点がある。
【0005】熱還元法は、酸化物を出発原料に、ハライ
ド化(ハロゲン(塩素、フッ素など)との化合物化)→
水素還元によって、金属粉末を得る方法である。この場
合、ハライド化処理に耐え得る容器が必要となり、十分
な安全対策が必要となる。また、酸化物からのカスケー
ド的還元処理(生成自由エネルギーが小さくなる順番に
化合物を作っていく還元処理)となるため、十分な外部
エネルギーを投入することができず、その酸化物として
の標準生成自由エネルギーが比較的大きな(負で絶対値
が小さな)金属の粉末製造にしか適用できない。実用的
には、その標準生成自由エネルギーの低いところでもN
i程度が限界である。
【0006】湿式法は、水溶液中の酸化−還元反応を利
用して、水和した金属イオンから金属粉末を析出沈殿さ
せ、これを乾燥して用いる方法である。本法は製造速度
が速いという利点こそあるが、不純物が比較的多いとい
う欠点がある。
【0007】以上のように、従来の手法では、目的とす
る金属粉末の品質と、その製造コストを共に十分満足さ
せることが困難であり、また、適用できる金属種にも制
限がある。そこで、本発明は、上記用途にも適用が可能
な金属粉末を、高品質かつ低コストにて製造する方法の
提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記の課題を
解決するために鋭意研究を行った。その結果、目的とす
る金属種に対し、その化合物の粉体を原料とした金属粉
末の製造方法であって、上記0.1〜3μmの平均粒径
を有する金属粉末の製造にこそ適した方法を見いだし、
本発明に至った。
【0009】すなわち、本発明は、金属状態での沸点が
3000℃以下であるその金属の化合物であって、平均
粒径が3μm以上の化合物の原料粉末を、水素を導入し
た熱プラズマ中に通すことで、平均粒径が0.1〜3μ
mの金属粉末を得ることを特徴とする金属粉末の製造方
法である。化合物は、酸化物とすることができる。
【0010】加えて、化合物は、その金属に化合する物
質1mol当りに換算した標準生成自由エネルギーΔG
゜(J/mol)が、−550000+150T以上
[但し、T(K):298〜金属の融点]であることを
特徴とする金属粉末の製造方法である。本発明の化合物
においては、NiあるいはCuの化合物が適用できる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の特徴は、目的とする金属
種に対して、その化合物の粉体を原料とした金属粉末の
製造方法であって、その平均粒径が0.1〜3μmの金
属粉末を得るに最適な製造方法を見いだしたところにあ
る。
【0012】つまり、上記化合物の原料粉末を、水素を
導入した熱プラズマ高温領域に供給することにより、そ
の高温領域での化合物の還元、気化、そして再凝縮さ
せ、高品質の金属粉末を製造することができ、しかも、
その平均粒径を0.1〜3μmに調整することが可能で
ある。
【0013】ここで、特に重要な点は、熱プラズマの豊
富な熱量を利用し、さらにはその熱プラズマ中に水素を
も導入することによる、原料粉末の還元反応と気化反応
の平行進行にあり、金属粉末の上記平均粒径の達成に重
要な作用である。水素を導入することにより、プラズマ
をより高温化するとともに、プラズマの熱伝導率、拡散
速度を飛躍的に高め、粉末の気化を促進することができ
る。さらに、強還元性の解離水素、電離水素によって、
酸化物の還元を促進する効果も得られる。
【0014】本発明の場合、その十分に気化された金属
成分であれば、続く再凝集反応によって容易に0.1〜
3μmの平均粒径の金属粉末として調整することが可能
であり、この点で供する原料粉末の粒度範囲を問わない
ことからも、有効な手段である。
【0015】しかし、本発明者が検討したところ、上記
の場合であっても、目的とする金属の沸点が高くなると
十分な気化が困難となる。不十分な気化は、得られた金
属粉末の中に原料粉末の粒径に依存した寸法の粉末を多
く残存させる結果となり、更には、還元が不十分な粉末
の残存にも繋がる。よって、本発明の場合、供する原料
粉末は、金属状態での沸点が3000℃以下であるその
金属の化合物とする必要がある。併せて、プラズマの条
件をも最適に調整することで、更なる気化反応の遂行が
可能となる。
【0016】上記本発明であれば、粒径の大きい原料粉
末であっても平均粒径が0.1〜3μmの金属粉末を得
ることが可能である。具体的には、原料粉末の平均粒径
を3μm以上とすることで、給粉器からのスムーズな給
粉、そして原料コストの低減にも有利であり、本発明の
効果発揮の点からも好ましい。なお、歩留向上という観
点から見ると、上限を100μm程度としてもよい。
【0017】また、本発明にて供する原料粉末は酸化物
であってもよい。特に酸化物は化学的に安定で、コスト
も安いという利点もあることから、その原料として使用
することが望ましい。しかし、その化学的に安定である
が故に、酸化物を還元できるだけの十分なエネルギー投
与が必要となる。これにおいて、エネルギー密度の高い
プラズマを利用する本発明であれば、原料粉末に酸化物
を適用することが可能である。
【0018】上述したように、本発明では、化学的に安
定な化合物を原料粉末として利用することができる。例
えば酸化物で言えば、従来の還元法よりも、さらに安定
な酸化物を出発原料として利用することが可能である。
化合物の安定さを示す指標として、その標準生成自由エ
ネルギーがある。これは、ある元素からその化合物を作
るときの自由エネルギーであるが、本発明であれば、そ
の金属に化合する物質1mol当りに換算した標準生成
自由エネルギーΔG゜(J/mol)が、−55000
0+150T以上[但し、T(K):298〜金属の融
点]の化合物を原料に使用することが可能である。
【0019】酸化物を一例に述べると、その標準生成自
由エネルギーΔG゜はΔH゜−TΔS゜のT(K)に対
しての直線関係で表わされることが知られる。ここで、
ΔH゜は標準生成エンタルピー(J/mol)、ΔS゜
は標準生成エントロピー(J/K・mol)である。
【0020】例えばNi(融点:1723K)の酸化物
(NiO)の場合、その酸素1molとの化合物を作る
標準生成自由エネルギーΔG゜(J/mol)として
は、298K〜融点間で−468600+170.46
Tが報告されているが、本発明に供することのできる化
合物の標準生成自由エネルギーに比して十分高いことが
わかる。Cu(融点:1356K)の酸化物であれば、
CuOの場合でその酸素1molとの化合物を作る標
準生成自由エネルギーΔG゜(J/mol)は、298
K〜融点間で−333000+141.26Tが報告さ
れており、本発明の効果を十分に達成できる。
【0021】これについては、エリンガム図からも評価
でき、本発明の数式:−550000+150Tにて定
義される線を境界に、その上回る標準生成自由エネルギ
ーの化合物であれば、その原料粉末として供することで
本発明の効果が得られる。以上、本発明であれば、Ni
金属粉末やCu金属粉末等の製造に好適であり、その用
途として例えば低コストな導電性ペーストを製造するこ
とが可能となる。
【0022】本発明の製造方法を実施する装置の一例と
して、図1にその概念図を示す。ここでは例として、垂
直型RFトーチをモデルとしているが、トーチ方式、チ
ャンバー配置はこれに限るものではなく、DC型のトー
チや水平型のチャンバーなども使用可能である。
【0023】熱プラズマ装置1は大きく分けて、粉末供
給装置2、チャンバー4、プラズマトーチ7から構成さ
れる。チャンバー4の下部には、製造した金属粉末の回
収缶5が設置されている。プラズマトーチ7で発生させ
たプラズマ炎内に、粉末供給装置2から給粉ノズル6を
通して原料粉末を投入し、プラズマ高温帯3領域中で還
元、気化させる。プラズマ高温領域を外れた気化ガスは
再凝集し、微粉末となって回収缶5に堆積する。水素の
導入は、プラズマトーチ7に供給することで行ない、ア
ルゴン−水素プラズマとする。
【0024】
【実施例】出力50kwのAr−50vol%Hプラ
ズマにて、NiO、CuO、FeO、比較例として、
MoO、Nbの原料粉末を処理した。そして、
本処理に際し、原料粉末および処理後の粉末の構成(主
成分、ガス成分、相)および粒径を下記要領にて分析・
測定した。
【0025】粉末の構成について、主成分分析には誘導
結合プラズマ分析(IntroductiveCoupling Plasma:I
CP)、ガス分析にはカーボンるつぼ不活性ガス雰囲気
溶解吸光分析、そして、相同定にはX線回折法(X-Ray
Diffraction:XRD)を利用した。
【0026】粉末の粒度分布はレーザー回折法で測定
し、小径側から積算して、その値が全粒径に渡った積算
値の半分になる粒径を平均粒径(D50)とした。な
お、同じく積算値が全粒径に渡った積算値の90%とな
る粒径を便宜上の最大粒径(D90)とした。分析・測
定結果を表1にまとめる。
【0027】
【表1】
【0028】本実施例に該当するNiO、CuO、F
eO化合物のプラズマ処理においては、平均粒径D50
が0.1〜3μmの範囲内に制御されおり、本発明の目
的が達成されていることがわかる。そして、これらおい
ては、その平均粒径が沸点の降べき順に並んでいること
から考えて、各々のプラズマ処理条件(電流、ガス流量
など)を個々に調整することで、更なる狙い粒径への制
御も可能である。
【0029】これに対し、本発明の条件から外れるMo
、Nb化合物のプラズマ処理おいては、所望
の粉末を得ることができず、平均粒径を0.1〜3μm
に制御することも困難であった。例えば、MoOの処
理においては、還元は進んでいるものの不十分であり、
平均粒径も極めて大きい。Nbの処理において
は、もはや還元自体殆ど進んでおらず、平均粒径も大き
いものである。
【0030】これら結果より、本発明の達成において
は、目的とする金属の沸点と粒度、化合物の標準生成自
由エネルギーと還元性の相関性を十分に考慮することが
重要であることがわかる。
【0031】
【発明の効果】本発明であれば、平均粒径が0.1〜3
μmの金属粉末を、高品質かつ低コストにて製造するこ
とができる。本発明により得られた金属粉末はスパッタ
リングターゲット材、焼結コンデンサ、化学工業用触媒
等に好適であり、工業的価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施に用いる熱プラズマ装置の一例を
示す模式図である。
【符号の説明】
1.熱プラズマ装置、2.粉末供給装置、3.プラズマ
高温帯、4.チャンバー、5.回収缶、6.給粉ノズ
ル、7.プラズマトーチ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属状態での沸点が3000℃以下であ
    るその金属の化合物であって、平均粒径が3μm以上の
    化合物の原料粉末を、水素を導入した熱プラズマ中に通
    すことで、平均粒径が0.1〜3μmの金属粉末を得る
    ことを特徴とする金属粉末の製造方法。
  2. 【請求項2】 化合物は、酸化物であることを特徴とす
    る請求項1に記載の金属粉末の製造方法。
  3. 【請求項3】 化合物は、その金属に化合する物質1m
    ol当りに換算した標準生成自由エネルギーΔG゜(J
    /mol)が、−550000+150T以上[但し、
    T(K):298〜金属の融点]であることを特徴とす
    る請求項1または2に記載の金属粉末の製造方法。
  4. 【請求項4】 化合物は、Niの化合物であることを特
    徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の金属粉末
    の製造方法。
  5. 【請求項5】 化合物は、Cuの化合物であることを特
    徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の金属粉末
    の製造方法。
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