JP2004522851A - Metal and alloy powders and powder manufacturing - Google Patents

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Abstract

金属化合物を含む先駆物質粉末が、例えばスリップキャスティングによりエレクトロ−デオキシデーションのためのサンプルに形成される。該サンプルは次いで溶融塩を含む溶融物中に浸漬され、そしてカソード電位が印加されてエレクトロ−デオキシデーションおよび溶融物中の溶解により先駆物質粉末から非金属種を除去する。これは典型的に金属粉末を形成するためにフラグメント化された金属サンプルを形成する。本発明の第2の局面において、粉末化供給材料が造形先駆物質に形成され、より広範なエレクトロ−デオキシデーションが行われ、網目形状に近いプロダクトを形成する。A precursor powder containing a metal compound is formed into a sample for electro-deoxidation, for example, by slip casting. The sample is then immersed in the melt containing the molten salt, and a cathodic potential is applied to remove non-metallic species from the precursor powder by electro-deoxidation and dissolution in the melt. This typically forms a metal sample that has been fragmented to form a metal powder. In a second aspect of the present invention, a powdered feedstock is formed into a modeling precursor, and more extensive electro-deoxidation is performed to form a product closer to a mesh.

Description

【技術分野】
【0001】
(発明の分野)
本発明は、明確な粒子サイズの金属粉末および組成物を調製するための方法および装置、ならびにそのように生産された金属粉末に関する。さらなる局面において、本発明は、粉末製造および網目形状に近いプロダクトの生産に関する。
【背景技術】
【0002】
(発明の背景)
金属粉末は多数の用途を有し、これらは以下を包含する:
(a)粉末冶金学的技術のための供給材料として、それは大きいビレット由来のコンポーネントを機械加工しなければならないというよりむしろ、網目形状に近いプロダクトを作製する可能性を提供する。いくつかの場合において、材料の90%は、機械加工プロセスの間に取り除かれ、そしてリサイクルされる必要がある。網目形状に近いプロダクトを作製するための方法は、この廃棄物を有利に減少させ得る。
(b)合金;合金調製における金属粉末の使用は、迅速な溶解および合金中の最小の偏析を生じる。
(c)それらの美的特性のため:金属粉末は、金属塗料においてしばしば使用される。
(d)ロケットにおける燃料として。
(e)例えば、多数の高強度磁気相を作製する際における合金成分として混合するための微細な粉末として。
【0003】
金属粒子を作製する種々の慣用の方法がある。これらとしては、金属が固有に変形に耐える場合に特にエネルギー集約的なプロセスである破砕および粉砕が挙げられ、そして反応性金属については、粉砕プロセスは、酸化を避けるために不活性条件下で行う必要がある。金属粉末はまた、酸化物のような金属化合物の水素による還元によって得られ得るが、これは一般に、水蒸気よりも安定でない酸化物に限定される。非常に反応性の金属の酸化物を還元することは、カルシウムのような反応物を必要とし、次いで粉末は、酸化カルシウムが混入しやすい。
【0004】
スピニングディスク上への溶融金属の注入は、次に凝固する液滴としてディスクから遠心力によって放出される液体の微細粒子を生じる。液体金属は、溶融金属のストリーム中に高速気体を衝突させることによって粉末にされ得る。金属粉末は、衝撃冷却金属蒸気によって製造され得る。相当な水素の溶解度を有するいくつかの金属について、次に微細粒子に破砕されるかまたはか焼され得る、砕けやすいハイドライドを形成することが可能である。高温で加熱することによって、このハイドライドは、簡単に分解して金属粒子を形成する。最後に、水性または溶融塩電解質中に溶解した金属化合物由来の金属の電気化学堆積物は、細かい粉末に容易に破砕され得る樹状堆積物を生じ得る。全般的には、これらの方法は、細かい粉末を与え得るが、この粉末は、頻繁に高度に酸化され、そして酸化物プロダクトが混入しており、そして一般的に、かなりの範囲の粒子サイズが存在する。このことは、所定の粒子サイズの金属粉末が必要とされる場合に特に問題であり、プロダクトの篩い分けおよびかなりのフラクションの除去を必要とする。これらの問題は、合金粉末(特に最も反応性の金属の合金粉末)が必要とされる場合に悪化する。
【0005】
酸化物は、代表的に高度に砕けやすく、そして容易に破砕されるので、金属酸化物粉末は、粉砕によって得るのがはるかに容易である。酸化物であるので、これらは、このプロセスの間に酸化で損害を受けない。非常に細かい酸化物粉末はまた、水性または溶融塩溶液からの沈殿によって製造され得る。あるいは、揮発性の化合物を酸素と反応させることによって、細かい酸化物粉末を形成することが可能であり得る。例えば、四塩化チタンと酸素との反応は、非常に細かい酸化物粉末を生じる。頻繁に、これらの粒子は、均一なサイズであるが、細かい金属粉末を生産する問題が残ったままである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0006】
(発明の要旨)
第一の局面において、本発明は、添付の独立請求項に規定されるように、金属粉末を生産するための方法および装置、ならびに金属粉末を提供する。本発明の好ましいまたは有利な特徴は、従属請求項に示される。
【0007】
本発明のこの局面は、金属酸化物の粉末のような粉末化された金属化合物が電気化学的に処理されて均一な構造およびサイズを有する金属粉末を生じ得るという驚くべき発見に基づく。従って、金属粉末を生産するための方法が有利に提供され得、ここで、金属(M1)と非金属種(X)との間の化合物(M1X)を含む先駆物質の粉末は、エレクトロ−デオキシデーションによって処理される。このプロセスにおいて、先駆物質粉末は、非金属種が溶融物中で溶解するような条件下で、溶融塩(M2Y)を含む溶融物と接触するカソードを形成する。これは、金属粉末を形成することが必要とされる場合に加工され得る多孔性の金属サンプルを有利に形成し得る。
【0008】
驚くべきことに、本発明の実施形態に従って生産される金属粉末は、金属粉末の粒子サイズおよび個々の粒子のミクロ構造の両方の点において、均一な顕微鏡構造を有することが見出された。さらに、類似の形状の粒子が生産され得ることが見出された。例えば、粉末は、立方体構造を形成し得る。先行技術の方法による金属粉末の生産は、高い収率でこのような材料を生産できなかったので、この方法によって生産される小さい、バラツキのない粒子サイズおよび金属純度は、特に有利である;先行技術の方法において、一般に、篩い分けがバラツキのない粒子サイズを調製するために必要とされ、そして非常に重大な廃棄物を伴う。
【0009】
用語「エレクトロ−デオキシデーション」は、化合物を溶融物と接触させること、および、非金属種(すなわちアニオン種)が溶解するようにカソード電圧をそれに印加することによって、固体状態の化合物から非金属種(X)を除去するプロセスを記載するために本明細書中で使用される。電気化学において、用語「酸化」は、酸化状態における変化を意味し、そして酸素との反応を必ずしも意味しない。しかし、エレクトロ−デオキシデーションは、化合物の成分の両方(または全て)の酸化状態における変化を常に含むと推測すべきではない;これは、化合物の性質(例えば、それが、主にイオン性であるかまたは共有結合性であるか)に依存していると考えられる。さらに、エレクトロ−デオキシデーションは、酸化物のみに適用され得ると推定されるべきではない;任意の化合物がこの様式で処理され得る。特定の場合におけるエレクトロ−デオキシデーションプロセスを説明するための他の用語は、エレクトロ−デコンポジション(electro-decomposition)、エレクトロ−リダクション(electro-reduction)または固体状態の電気分解であり得る。
【0010】
好ましい実施形態において、金属化合物に印加されるカソード電圧は、カソード表面における溶融塩由来のカチオンの析出のための電圧よりも小さい。このことは、カチオンを含む金属間化合物の混入を有利に減少し得る。これは、塩(または電解質)の分解電位が、エレクトロ−デオキシデーション(または、エレクトロ−リダクション)の間に限度を超えない1つの実施形態の条件下、または溶融塩M2Yもしくは塩の混合物の電気分解によって金属化合物(M1X)の粉末を処理することによって金属粉末を生産するための方法を提供する1つの実施形態の条件下、M2析出でなくX析出の反応(または、イオン化)が電極表面で生じ、そしてXが電解質M2Yにおいて溶解する条件下で達成され得ると考えられる。
【0011】
エレクトロ−デオキシデーションプロセスのさらなる詳細は、国際特許出願番号PCT/GB99/01781において開示されており、これは、本明細書中においてその全体が参考として援用される。
【0012】
本発明の方法において、生産された金属は、溶融物(または塩)の融点よりも高い融点を有することが好ましい。
【0013】
さらに、他の金属化合物(例えば、金属酸化物)が存在し得、そして電気分解産物は、合金粉末であり得る。
【0014】
本発明の方法は、非常に均一な粒子サイズであり、かつ酸素または他の混入物がないプロダクトを有利に与え得る。
【0015】
本発明の好ましい実施形態に従って、酸化物から酸素をカソードによってイオン化することによる金属酸化物粉末の電気化学的還元は、純粋な金属粉末の凝集物を生じ、その粒子サイズは、金属酸化物粉末のプレ形成および焼結の条件、ならびにエレクトロ−デオキシデーション(または電気分解)の時間および温度に依存する。電圧、電流および塩組成のような他の電気分解パラメーターもまた、金属粉末の形態を制御するために変化され得る。これらのパラメーターの制御は、酸化物ではなく先駆物質粉末に有利に適用可能であり得る。
【0016】
金属化合物または酸化物は、少なくともいくらかの電子伝導性を示すかまたは導体と接触して使用されるべきである。
【0017】
金属合金粉末は、二つ以上の金属化合物または1つ以上の金属または1つ以上の金属化合物を有する合金の混合物または固溶体を含む先駆物質粉末のエレクトロ−デオキシデーションによって有利に形成され得る。
【0018】
第2の局面において、本発明は、網目形状に近いプロダクトを形成するための方法を有利に提供し得る。この方法において、成形された先駆物質は、金属(M1)と非金属種(X)との間の化合物(M1X)を含む粉末化供給材料から形成される。次いで、先駆物質は、エレクトロ−デオキシデーションによって処理され、この先駆物質は、非金属種が溶融物中で溶解するような条件下で、溶融塩(M2Y)を含む融解物と接触するカソードを形成する。エレクトロ−デオキシデーションは、さらなる処理のために十分に強い網目形状に近いプロダクトを生産するために、エレクトロ−デオキシデーションによって生産される金属粉末粒子間に相互連結を形成するに十分に長い時間および/または十分に高い温度で実行される。
【0019】
上に記載される本発明の粉末生産局面の利点はまた、本発明のこの局面に適用可能であり得る。例えば、溶融物由来のカチオン析出についての電位よりも小さいカソード電位でエレクトロ−デオキシデーションを実行することは、網目形状に近いプロダクトの混入を有利に減少し得、そして二つ以上の金属の混合物または固溶体を含む供給材料を使用することは、所望の合金の網目形状に近いプロダクトを有利に生産し得る。当業者は、上記の他の利点もまた網目形状に近いプロダクトに適用可能であり得ることを容易に理解するであろう。
【0020】
(本発明の特定の実施形態および最良の様式)
本発明の実施形態は、図面を参照して、例としてここで記載される。
【0021】
図1および2は、カソード伝導体と接触する金属酸化物のペレット2を示す。各ペレットは、粉末加工技術(例えば、二酸化チタンのようなサブミクロンまたはミクロンサイズの粉末(図3)を加圧またはスリップ−キャスティングすること)によって調製される。次いで、このペレットは、るつぼ6が溶融塩8を含むセル中でカソードが作製される前に、それに構造強度を与えるために燃焼される。この実施形態において、該セルは、クロライド塩(CaCl2またはBaCl2あるいはお互いとのまたはNaClのような別のグロライド塩とのこれらの共融混合物である)を含む。
【0022】
図1の実施形態において、ペレットは環状であり、そしてカンタルワイヤ4の形態でカソード伝導体に通される(threaded)。このるつぼは、黒鉛またはアルミナの不活性るつぼである。図2の実施形態において、るつぼ12は、チタンまたは黒鉛のような伝導性物質から作製されている。ペレットは、溶融物中に沈み、そしてるつぼと接触し、るつぼに対してカソード電圧が印加される。従って、るつぼ自体は、電流コレクタとして作用する。
【0023】
両方の実施形態において、電気化学的プロセスは、以下のように同じである。電流の印加の際に、酸素はイオン化し、塩中で溶解し、そしてこれが放電される黒鉛アノード10に拡散する。それにより酸素は酸化物より除去され、金属が後に残る。金属プロダクトは、図4に示されるように、非常に均一なサイズの非常に微細な粉末である。調製された金属粉末は、酸化物粉末の最初の粒子サイズよりもはるかに大きい粒子サイズを有することに注意すべきである。エレクトロ−デオキシデーション(還元)の時間、温度、電圧、電流および/または塩を変えることによって、金属粉末のサイズおよび形態を変化および制御することが可能である。
【0024】
上記の実施形態は、チタン金属粉末を生産するが、酸化物の粉末を単純に一緒に混合することによって、そして好ましくは、ペレットを強化するためにこれらを燃焼させるかまたは焼結することによって、同じ経路によって合金粉末を作製することが可能である。このペレットはまた、酸化物の固溶体を形成するように燃焼され得る。酸化物粉末は、粒子サイズにおいてミクロン以下であり、そして生産される金属粉末よりも細かい。
【0025】
生産される金属の等価の塩よりもより安定である塩からなるべきであり、好ましくは、この塩は、できるだけ低い濃度に酸素を取り除くことが可能であるようにできるだけ安定であるべきである。塩の選択は、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属(特に、バリウム、カルシウム、セシウム、リチウム、ストロンチウムおよびイットリウム)のクロライドまたは他のハライド塩を包含する。
【0026】
純粋な塩によって与えられるより低い融点を有する塩を得るため、そして/またはカソードと電解質との間の相互作用を改変するために、塩の混合物(好ましくは、共融組成物)が使用され得る。
【0027】
還元の終わりにおいて、還元された成形体は、溶融した塩から回収される。しかしながら、塩の幾つかは回収されたペレット中に含まれ、粉末の酸化を停止する。この塩は、水またはエタノールのような有機溶媒中で洗浄することによって簡単に除去され得る。一般に、ペレットは非常に砕けやすく、そして容易に破砕されて金属粉末を示し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【0028】
以下の実施例は、本発明を例示する。
【0029】
(実施例1)
湿らせた0.25μm二酸化チタン粉末(図3)をプレスし、そして乾燥および950℃で二時間大気中で焼結して調製した3つのペレット(直径5mmおよび厚さ1mm)を、950℃で溶融した塩化カルシウムで充填したチタンのるつぼ中に配置した。セル配置を図2に示す。3Vの電位を、黒鉛アノードとチタンるつぼとの間に印加した。10時間後、エレクトロ−デオキシデーションを終了し、塩を凝固させ、次いで水中に溶解してブラック/金属ペレットを示し、次いでこれをるつぼから取り出して乾燥した。走査型電子顕微鏡下の試験により、このペレットの粒子構造は、0.25μmの二酸化チタン粒子から12μmのチタン粒子に変化したことを示した(図4)。このチタン粒子サイズは、有利に非常に均一であり、約12μm+/−3μmである。実験誤差において、エネルギー分散式X線分析によって酸素は検出されなかった。
【0030】
他の実験において、電気分解の時間を増加することは粒子のサイズを増加し、そして同時に、個々の粒子間の相互連絡が著しく強力になることが観察されたことに注意すべきである。このことは、最終的に、粉末に破砕され得ない、従って網目形状に近いプロダクトの形態の強固な金属ペレットの生産を生じ得る。さらに、このような強力なペレットは、種々の二次加工技術(例えば、焼結)のための供給ストックとして直接使用され得る。これらの強固なペレットにおけるミクロ構造は、従来のクロールチタンスポンジ(Kroll titanium sponge)における構造と類似であると考えられる。チタンペレットの形成はまた、溶解塩の性質ならびにプレ形成条件およびペレットの焼結のような他の実験条件に依存する。
【0031】
(実施例2)
実施例1におけるようなTiO2粉末を、水と混合してスラリーを形成させ、次いで小さいペレットにスリップキャスト(slip cast into)し、乾燥し950℃で大気中で2時間焼結した。焼結ペレットは、直径約8mmおよび厚さ2mmであった。穴(直径1.5mm)を、焼結したTiO2ペレットの各々にあけた。これらのうちの2つを、カンタルワイヤ(直径1.5mm)に通し、次いで950℃で塩化カルシウムおよび塩化バリウムの溶融した共融混合物に挿入した。アルミナるつぼを、塩を収容するために使用し、セル配置は図1に示されるようである。3.1Vの電位を、黒鉛アノードとカンタルワイヤとの間に印加した。約20時間後、温度を700℃まで下げ、カンタルワイヤ上のペレットを、るつぼから取り出し、大気中で冷却し、次いで水中で洗浄して灰色/金属ペレットを示す。走査型電子顕微鏡下の試験により、各ペレットの粒子構造は、0.25μmの二酸化チタン粒子から2つの型のチタン粒子(それぞれ約3μmおよび約12μm)に変化したことを示した(図5を参照のこと)。
【0032】
上の実施例1に示されるように、プロセスのパラメーターの適切な制御によって、これよりもよりバラツキのない粒子サイズのチタン粉末を生産することが可能であるが、実施例2において生産された粒子サイズの範囲は、先行技術の方法によって生産されたサイズの範囲よりも有利に実質的により均一であり得ることに注意すべきである。
【0033】
(実施例3)
1μmの酸化クロム粉末を、水と混合してスラリーを形成し、直径約8〜10mmおよび厚さ3〜5mmの小さいサンプル(または、ペレット)にスリップキャストし、次いで乾燥および950℃で大気中2時間焼結した。焼結後、サンプルの色(緑色)およびサイズについて重要な変化は観察されなかったが、機械的強度は著しく強化された。3つの焼結されたサンプルを、図1に示されるように、990℃で溶融した塩化カルシウムで充填した黒鉛るつぼ中に配置した。NaClを溶融物に添加し、溶融物中の酸化クロムの溶解を減少させることによって、よりよい結果が得られた。2.7Vの電位を、黒鉛アノードと黒鉛るつぼとの間に印加した。15時間後、電気分解を終了し、塩を凝固させ、次いで水中に溶解して灰色/金属ペレットを示した。走査型電子顕微鏡下の試験により(図6)、還元したサンプルにおいて2つのサイズの微結晶の凝集物を示した;大きい微結晶は、サイズが20〜50μmであり、一方小さい微結晶は、5〜8μmであった。エネルギー分散式X線分析によって、両方の型の微結晶は、純粋なクロム金属であることが確認された。
【0034】
この実施例において生産された粒子サイズの範囲は、プロセスのパラメーター制御により減少され得るが、先行技術の方法によって(代表的に、機械的粉砕によって)生産されたクロム粒子サイズの範囲よりも著しく狭い。
【0035】
(実施例4)
二酸化チタン(0.25μmの粒子サイズ)、アルミナ(0.25μm)および酸化バナジウム(1〜2μm)の粉末を、金属元素の比率が所望の合金と同じ(この実施例においてTi−6Al−4V合金である)になるような比率で混合した。次いで混合物を、水と共にスラリーを作製させ、そしてペレットにスリップキャストし、次いで乾燥し950℃で2時間、大気中で焼結させた。焼結後、ペレットの色は、淡緑色から暗褐色に変化した。焼結したペレットのサイズは、直径約8mmおよび厚さ6mmであった。直径1.5mmの穴をあけた後、焼結したペレットの1つを、カンタルワイヤに通し、次いで950℃で塩化カルシウムおよび塩化バリウムの溶融した共融混合物に挿入した。アルミナるつぼを、溶融塩を収容するために使用し、セル配置を図1において示す。3.1Vの電位を、黒鉛アノードとカンタルワイヤとの間に印加した。20時間後、塩の温度を700℃まで下げ、エレクトロ−デオキシデーションを終了する。カンタルワイヤ上のペレットを、るつぼから取り出し、大気中で冷却し、次いで水中で洗浄し/浸して、灰色/金属ペレットを現す。走査型電子顕微鏡下の試験により、ペレットの粒子構造は、図3に示されるチタンについての粒子構造と類似であることが示された。EDX分析は、実験誤差内で、ペレット中に酸素がないことを示し、所望の比率での個々の粒子中におけるチタン、アルミニウムおよびバナジウムの存在を確認した。
【0036】
(実施例5)
Al33およびNiOの粉末を、1:6のモル比で混合し、小さい円柱状ペレット(直径10mmおよび高さ5〜10mm)にプレスし、そして980〜1000℃で約2時間、大気中で焼結した。焼結後、灰−緑色のペレットがわずかに色が薄くなった。直径1.7mmの穴を、焼結したペレットにあける。4つの焼結したペレット(約4グラムの重量)を、カンタルワイヤ(直径1.0mm)に通して組み立て(assembled)カソードを形成した。エレクトロ−デオキシデーションを、図1に示されるように、950℃で約18時間、3.1Vでアルゴン保護した溶融CaCl2中で組み立てカソードと黒鉛アノードとの間で実行した。ペレットを、還元の際に溶融塩から除去し、最初にアルゴン中で、次いで室温まで大気中で冷却した。水を使用して、還元したペレットを洗浄し、次いで大気中で乾燥し、灰色の金属色を示した。還元したペレットの表面および横断面は、サイズが2〜20ミクロンの結節性(nodular)粒子からなり、そして1:3の原子比でAlおよびNiを含んだ。酸素は検出されなかった。次いでペレットを、めのう乳鉢中で手動で粉末に粉砕した。XRD(X線回析)を粉末に適用し、そしてスペクトルにより、標準的なAlNi3サンプルとほぼ同一のパターンを示した(図8)。
【0037】
(実施例6)
実験で使用したNb25粉末は、純度99.97重量%および99.99重量%であり、それぞれ4.03μmおよび12.71μmの平均粒子サイズであった。次いで、粉末を多孔性の成形体にプレスし、次いで焼結によって強化した。焼結したペレットを、カソード電流コレクタに取り付けて、組み立て酸化物カソードを形成する。溶融物について使用したCaCl22H2OおよびNaClは、分析用試薬であった。全ての化学薬品は、Aldrich Chemicalによって供給された。CaCl22H2Oを、373Kで1時間、大気中で脱水し、573Kにゆっくり加熱し、次いで573Kで12時間維持した。脱水したCaCl2および乾燥したNaClを完全に混合し、次いで混合物を、使用の前に473Kで乾燥した。直径10mmおよび長さ100mmの高密度黒鉛ロッドを、Graphite Technologiesから購入し、そしてアノードとして使用した。カンタル(登録商標)ワイヤ(直径1.5mm)を、カソード電流コレクタとして使用した。
【0038】
電気分解のための電解セルは、図11に概略的に示される。2つのFarnell LS30−10 Autoranging Power Suppliesを、定電圧下で電気分解を行うために使用した。Nb25 60のペレットを接続するための第一のワイヤ50を、1つの電源の陰端(negative end)につないだ。溶融した電解質58を維持するためのステンレス鋼るつぼ56を、第2のワイヤ62によって、もう一つの電源の陰端に接続した。2つの電源の2つの陽端は共に、黒鉛ロッドアノード52に接続した。個々の電極から電源への全ての電気的接続を、カンタル(登録商標)ワイヤ50,62によって行った。電解質温度を、アルミナシース(sheath)54においてK型熱電対を使用して測定した。セルを、一方の末端が閉鎖した垂直のInconel(登録商標)リアクタ管中に配置した。
【0039】
電解セルを、必要な温度まで加熱しながら、高純度アルゴンでフラッシュした。セルがその電気分解温度に達すると、黒鉛ロッドアノードを溶融電解質に浸漬し、そしてプレ電気分解がアノードの泡が視覚によって観察されなくなるまで(通常、12時間の期間)、U2=2.8〜3.0Vおよび1173Kで実施した。プレ電気分解を完了した後、酸化物カソードを溶融物中に浸漬した。電気分解を、図11に示されるようなセルにそれぞれ印加した定電圧(U1およびU2)で実行した。印加した電圧(U1)(得られた電流と共に)を、電気分解の過程の間にADAMS 4017−8チャネルアナログ−デジタル変換器(Channel Analogue−to−Digital Convertor)プラスSerial RS232を備えたPCによって表示および記録した(logged)。
【0040】
還元された場合の(as−reduced)サンプルを、873Kのアルゴンのフロー下で溶融物から迅速に取り出し、クエンチし、そして冷水中で洗浄し、酸に浸し、水でリンスし、そしてアセトン洗浄した。得られた多孔性ペレットを、手動で粉砕することによって粉末にした。次いで、得られたニオブ金属粉末を、再びアセトンで洗浄し、そして室温で真空下で乾燥した。
【0041】
焼結または還元されたペレットの形態を、エネルギー分散式X線分析(EDXA)付属装置と共にJeol JSM−5800LV走査型電子顕微鏡を使用して観察した。不純物の濃度を、EDXAによって測定した。調製された粉末中に存在する種々の相を、CuK∝1放射を有するPhilips回析計PW1710を使用して粉末X線回析法(XRD)によって試験した。酸素の含有量もまた、大気中における再酸化の前および後に調製されたニオブ金属粉末の重量を測定することによって決定し、ここで、金属粉末のNb25への完全な再酸化を、XRD分析によって確認した。オフガス(off−gasses)中の塩素のレベルを、Drager QuadGard Chlorine Detectorを使用してモニターした。
【0042】
電気分解後のカソードに残る最終産物は、多孔性のペレットの形態の金属ニオブであることが見出された。図9および10は、U1=3.1Vおよび24時間1123Kでのエレクトロ−デオキシデーションの前(粒子サイズ4.03μmのNb25について)および後のNb25ペレットの横断面の代表的なミクロ構造を示す。還元後、還元産物の形態は、本質的にばらばらに一緒に焼結された粉末成形体であり、そしてまた、粒子サイズがある程度拡大していたということを観察するのは興味深い。調製されたニオブ金属粉末は、2311質量ppmの酸素を含んだ。
【0043】
代表的に測定されたXRD(X線回析)パターンを、1173Kで48時間還元されたニオブ金属粉末について図12に示し、これから、当業者は、この粉末が純粋なニオブであり、いずれの酸化物相もないことを理解し得る。
【0044】
全体として、本実験結果によって、Nb25の多孔性のペレットが金属ニオブに容易に脱酸素され得るという証拠が提供される。調製されたニオブ金属粉末は、引き続く精製処理(例えば、高温における高真空焼結)について明らかに受容可能である。本発明者らの実験によって、ニオブ金属粉末の粒子サイズの種々の範囲が、実験条件の適切な制御によって、そしてNb25粉末の粒子サイズを変更することによって容易に調製され得ることが示された。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】図1は、本発明の第一の実施形態に従う金属酸化物粉末のエレクトロ−デオキシデーションのための装置を示す。
【図2】図2は、本発明の第2の実施形態に従う装置を示す。
【図3】図3は、実施例1および2における出発物質として使用されるようなチタン酸化物粉末の顕微鏡写真である。
【図4】図4は、実施例1における図3の酸化物から生産されたチタン粉末の顕微鏡写真である。
【図5】図5は、実施例2における図3の酸化物から生産されたチタン粉末の顕微鏡写真である。
【図6】図6は、実施例3において生産されるようなクロム粉末の顕微鏡写真である。
【図7】図7は、実施例5において生産されるようなAlNi3粉末の顕微鏡写真である。
【図8】図8は、AlNi3の参照サンプルについてのスペクトルに重ねた、図7の粉末についてのXRD(X線回析)スペクトルである。
【図9】図9は、実施例6における出発材料として使用されるような、ニオブ酸化物粉末の顕微鏡写真である。
【図10】図10は、図9の酸化物粉末から実施例6において生産されるようなニオブ粉末の顕微鏡写真である。
【図11】図11は、実施例6において使用されるようなエレクトロ−デオキシデーションのための装置の概略図である。
【図12】図12は、実施例6におけるように生産されたニオブ粉末のXRD分析のプロットである。
【Technical field】
[0001]
(Field of the Invention)
The present invention relates to a method and an apparatus for preparing metal powders and compositions of well-defined particle size, and to metal powders so produced. In a further aspect, the present invention relates to powder production and production of products that are close to a mesh shape.
[Background Art]
[0002]
(Background of the Invention)
Metal powders have a number of uses, including:
(A) As a feedstock for powder metallurgy, it offers the possibility to make products that are close to mesh-shaped rather than having to machine large billet-derived components. In some cases, 90% of the material needs to be removed during the machining process and recycled. Methods for making products that resemble a mesh shape can advantageously reduce this waste.
(B) Alloys; the use of metal powders in alloy preparation results in rapid melting and minimal segregation in the alloy.
(C) Due to their aesthetic properties: Metal powders are often used in metal coatings.
(D) As fuel in rockets.
(E) For example, as a fine powder to be mixed as an alloy component in producing a large number of high-strength magnetic phases.
[0003]
There are various conventional methods of making metal particles. These include crushing and grinding, which are energy intensive processes especially when the metal inherently resists deformation, and for reactive metals, the grinding process is performed under inert conditions to avoid oxidation There is a need. Metal powders can also be obtained by reduction of metal compounds, such as oxides, with hydrogen, but are generally limited to oxides that are less stable than water vapor. Reducing oxides of highly reactive metals requires reactants such as calcium, and the powder is then susceptible to calcium oxide contamination.
[0004]
Injection of the molten metal onto the spinning disk results in fine particles of liquid being ejected from the disk by centrifugal force as droplets that subsequently solidify. Liquid metal can be powdered by impinging a high velocity gas into a stream of molten metal. The metal powder can be produced by impact cooling metal vapor. For some metals with considerable hydrogen solubility, it is possible to form brittle hydrides that can then be broken up or calcined into fine particles. By heating at an elevated temperature, the hydride easily decomposes to form metal particles. Finally, electrochemical deposits of metals from metallic compounds dissolved in aqueous or molten salt electrolytes can result in dendritic deposits that can be easily crushed into a fine powder. In general, these methods can give fine powders, which are frequently highly oxidized and contaminated with oxide products, and generally have a considerable range of particle sizes. Exists. This is particularly problematic when metal powders of a given particle size are required, requiring sieving of the product and removal of significant fractions. These problems are exacerbated when alloy powders, especially those of the most reactive metals, are required.
[0005]
Metal oxide powders are much easier to obtain by grinding, since oxides are typically highly friable and easily crushed. Being oxides, they do not suffer from oxidation during this process. Very fine oxide powders can also be produced by precipitation from aqueous or molten salt solutions. Alternatively, it may be possible to form a fine oxide powder by reacting a volatile compound with oxygen. For example, the reaction of titanium tetrachloride with oxygen produces a very fine oxide powder. Frequently, these particles are of uniform size, but the problem of producing fine metal powders remains.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Means for Solving the Problems]
[0006]
(Summary of the Invention)
In a first aspect, the present invention provides a method and an apparatus for producing a metal powder, as defined in the accompanying independent claims, and a metal powder. Preferred or advantageous features of the invention are set out in the dependent claims.
[0007]
This aspect of the invention is based on the surprising discovery that a powdered metal compound, such as a metal oxide powder, can be electrochemically treated to yield a metal powder having a uniform structure and size. Accordingly, a method for producing a metal powder may be advantageously provided wherein the metal (M 1 ) And the nonmetallic species (X) (M 1 The precursor powder containing X) is processed by electro-deoxidation. In this process, the precursor powder is mixed with molten salt (M) under conditions such that the non-metallic species dissolve in the melt. Two Forming a cathode in contact with the melt containing Y). This can advantageously form a porous metal sample that can be processed if needed to form a metal powder.
[0008]
Surprisingly, it has been found that metal powders produced according to embodiments of the present invention have a uniform microscopic structure, both in terms of the particle size of the metal powder and the microstructure of the individual particles. Furthermore, it has been found that particles of a similar shape can be produced. For example, the powder may form a cubic structure. The small, consistent particle size and metal purity produced by this method are particularly advantageous since the production of metal powders by prior art methods has not been able to produce such materials in high yields; In the process of technology, sieving is generally required to prepare a consistent particle size and involves very significant waste.
[0009]
The term "electro-deoxidation" refers to the conversion of a non-metallic species from a solid state compound by contacting the compound with a melt and applying a cathodic voltage thereto to dissolve the non-metallic species (i.e., anionic species). Used herein to describe the process of removing (X). In electrochemistry, the term "oxidation" means a change in the oxidation state and does not necessarily imply a reaction with oxygen. However, it should not be inferred that electro-deoxidation always involves a change in the oxidation state of both (or all) of the components of the compound; this is due to the nature of the compound (eg, it is primarily ionic). Or covalent). Furthermore, it should not be assumed that electro-deoxidation can be applied only to oxides; any compound can be treated in this manner. Other terms to describe the electro-deoxidation process in a particular case can be electro-decomposition, electro-reduction or solid-state electrolysis.
[0010]
In a preferred embodiment, the cathodic voltage applied to the metal compound is lower than the voltage for the deposition of cations from the molten salt on the cathode surface. This may advantageously reduce the incorporation of cation-containing intermetallic compounds. This is because under one embodiment, the decomposition potential of the salt (or electrolyte) does not exceed the limit during electro-deoxidation (or electro-reduction), or the molten salt M Two By electrolysis of a mixture of Y or a salt, a metal compound (M 1 X) under the conditions of one embodiment providing a method for producing a metal powder by processing the powder of Two A reaction (or ionization) of X but not deposition occurs at the electrode surface and X is the electrolyte M Two It is believed that this can be achieved under conditions that dissolve in Y.
[0011]
Further details of the electro-deoxidation process are disclosed in International Patent Application No. PCT / GB99 / 01781, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
[0012]
In the method of the present invention, the metal produced preferably has a higher melting point than the melting point of the melt (or salt).
[0013]
Additionally, other metal compounds (eg, metal oxides) may be present, and the electrolysis product may be an alloy powder.
[0014]
The method of the present invention can advantageously provide a product having a very uniform particle size and no oxygen or other contaminants.
[0015]
According to a preferred embodiment of the present invention, the electrochemical reduction of the metal oxide powder by ionizing oxygen from the oxide by the cathode produces agglomerates of the pure metal powder, the particle size of which is reduced It depends on the conditions of preforming and sintering, and the time and temperature of the electro-deoxidation (or electrolysis). Other electrolysis parameters such as voltage, current and salt composition can also be varied to control the morphology of the metal powder. Control of these parameters may be advantageously applicable to precursor powders rather than oxides.
[0016]
The metal compound or oxide should exhibit at least some electronic conductivity or be used in contact with a conductor.
[0017]
The metal alloy powder may be advantageously formed by electro-deoxidation of a precursor powder comprising a mixture or solid solution of two or more metal compounds or one or more metals or an alloy having one or more metal compounds.
[0018]
In a second aspect, the present invention may advantageously provide a method for forming a product close to a mesh shape. In this method, the shaped precursor is a metal (M 1 ) And the nonmetallic species (X) (M 1 X). The precursor is then treated by electro-deoxidation, and the precursor is treated with a molten salt (M.sub.M) under conditions such that the non-metallic species dissolves in the melt. Two Forming a cathode in contact with the melt containing Y). Electro-deoxidation takes a long enough time to form an interconnect between the metal powder particles produced by electro-deoxidation and / or to produce a product close to the network shape strong enough for further processing. Or run at a sufficiently high temperature.
[0019]
The advantages of the powder production aspect of the invention described above may also be applicable to this aspect of the invention. For example, performing electro-deoxidation at a cathodic potential that is less than the potential for cation precipitation from the melt can advantageously reduce incorporation of products that are close to a network shape, and can be a mixture of two or more metals or Using a feed containing a solid solution can advantageously produce a product that approximates the network shape of the desired alloy. One of ordinary skill in the art will readily appreciate that other advantages described above may also be applicable to products that are close to a mesh shape.
[0020]
(Specific embodiments and best modes of the invention)
Embodiments of the present invention will now be described by way of example with reference to the drawings.
[0021]
1 and 2 show a pellet 2 of metal oxide in contact with the cathode conductor. Each pellet is prepared by a powder processing technique (eg, pressing or slip-casting a submicron or micron sized powder such as titanium dioxide (FIG. 3)). This pellet is then burned to give it structural strength before the cathode is made in a cell in which crucible 6 contains molten salt 8. In this embodiment, the cell contains a chloride salt (CaCl 2). Two Or BaCl Two Or eutectic mixtures thereof with each other or with another globide salt such as NaCl).
[0022]
In the embodiment of FIG. 1, the pellet is annular and is threaded through the cathode conductor in the form of a kanthal wire 4. This crucible is an inert crucible of graphite or alumina. In the embodiment of FIG. 2, crucible 12 is made from a conductive material such as titanium or graphite. The pellet sinks into the melt and contacts the crucible, to which a cathodic voltage is applied. Thus, the crucible itself acts as a current collector.
[0023]
In both embodiments, the electrochemical process is the same as follows. Upon application of a current, oxygen ionizes, dissolves in the salt, and diffuses into the discharged graphite anode 10. This removes oxygen from the oxide, leaving behind the metal. The metal product is a very fine powder of very uniform size, as shown in FIG. It should be noted that the prepared metal powder has a much larger particle size than the original particle size of the oxide powder. By changing the time, temperature, voltage, current and / or salt of the electro-deoxidation (reduction), it is possible to change and control the size and morphology of the metal powder.
[0024]
The above embodiments produce titanium metal powders, but by simply mixing the oxide powders together, and preferably by burning or sintering them to strengthen the pellets. It is possible to make the alloy powder by the same route. The pellets can also be burned to form a solid solution of the oxide. Oxide powders are submicron in particle size and finer than the metal powders produced.
[0025]
It should consist of a salt that is more stable than the equivalent salt of the metal produced, and preferably the salt should be as stable as possible so that it can remove oxygen to the lowest possible concentration. Salt choices include chlorides or other halide salts of alkali and / or alkaline earth metals, especially barium, calcium, cesium, lithium, strontium and yttrium.
[0026]
A mixture of salts (preferably a eutectic composition) may be used to obtain a salt with a lower melting point provided by the pure salt and / or to modify the interaction between the cathode and the electrolyte .
[0027]
At the end of the reduction, the reduced compact is recovered from the molten salt. However, some of the salt is contained in the recovered pellets, stopping the oxidation of the powder. The salt can be easily removed by washing in water or an organic solvent such as ethanol. In general, the pellets are very brittle and can be easily broken to show metal powder.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0028]
The following examples illustrate the invention.
[0029]
(Example 1)
Three pellets (5 mm diameter and 1 mm thick) prepared by pressing a moistened 0.25 μm titanium dioxide powder (FIG. 3) and drying and sintering in air at 950 ° C. for 2 hours were dried at 950 ° C. Placed in a crucible of titanium filled with molten calcium chloride. FIG. 2 shows the cell arrangement. A potential of 3 V was applied between the graphite anode and the titanium crucible. After 10 hours, the electro-deoxidation was terminated, the salt was allowed to solidify and then dissolved in water to show a black / metal pellet, which was then removed from the crucible and dried. Examination under a scanning electron microscope showed that the particle structure of the pellets changed from 0.25 μm titanium dioxide particles to 12 μm titanium particles (FIG. 4). The titanium particle size is advantageously very uniform, about 12 μm +/− 3 μm. In the experimental error, no oxygen was detected by energy dispersive X-ray analysis.
[0030]
It should be noted that in other experiments it was observed that increasing the duration of the electrolysis increased the size of the particles, and at the same time, the interconnectivity between individual particles became significantly stronger. This can ultimately result in the production of solid metal pellets that cannot be crushed into a powder, and therefore in the form of a product that is close to a mesh. In addition, such strong pellets can be used directly as feedstock for various fabrication technologies (eg, sintering). The microstructure in these solid pellets is believed to be similar to the structure in a conventional Kroll titanium sponge. The formation of titanium pellets also depends on the nature of the dissolved salt and other experimental conditions such as pre-forming conditions and sintering of the pellets.
[0031]
(Example 2)
TiO as in Example 1 Two The powder was mixed with water to form a slurry, then slip cast into small pellets, dried and sintered at 950 ° C. in air for 2 hours. The sintered pellet was approximately 8 mm in diameter and 2 mm thick. Holes (1.5 mm diameter) are made of sintered TiO Two Dried into each of the pellets. Two of these were passed through a Kanthal wire (1.5 mm diameter) and then inserted at 950 ° C. into a molten eutectic mixture of calcium chloride and barium chloride. An alumina crucible was used to contain the salt and the cell arrangement is as shown in FIG. A potential of 3.1 V was applied between the graphite anode and the Kanthal wire. After about 20 hours, the temperature is reduced to 700 ° C., and the pellets on the Kanthal wire are removed from the crucible, cooled in air, and then washed in water to show gray / metal pellets. Examination under a scanning electron microscope showed that the particle structure of each pellet changed from 0.25 μm titanium dioxide particles to two types of titanium particles (about 3 μm and about 12 μm, respectively) (see FIG. 5). That).
[0032]
As shown in Example 1 above, with proper control of the process parameters, it is possible to produce a titanium powder with a more consistent particle size, but the particles produced in Example 2 It should be noted that the size range may advantageously be substantially more uniform than the size range produced by prior art methods.
[0033]
(Example 3)
1 μm chromium oxide powder is mixed with water to form a slurry, slip cast into small samples (or pellets) about 8-10 mm in diameter and 3-5 mm thick, then dried and dried at 950 ° C. in air at 2 ° C. Sintered for hours. After sintering, no significant change in the color (green) and size of the sample was observed, but the mechanical strength was significantly enhanced. The three sintered samples were placed in a graphite crucible filled with calcium chloride melted at 990 ° C., as shown in FIG. Better results were obtained by adding NaCl to the melt and reducing the dissolution of chromium oxide in the melt. A potential of 2.7 V was applied between the graphite anode and the graphite crucible. After 15 hours, the electrolysis was terminated, the salt solidified and then dissolved in water to show a gray / metal pellet. Examination under a scanning electron microscope (FIG. 6) showed aggregates of two sizes of crystallites in the reduced sample; large crystallites were 20-50 μm in size, while small crystallites were 5 μm in size. 88 μm. Energy dispersive X-ray analysis confirmed that both types of crystallites were pure chromium metal.
[0034]
The range of particle sizes produced in this example can be reduced by controlling the parameters of the process, but is significantly narrower than the range of chromium particle sizes produced by prior art methods (typically by mechanical milling). .
[0035]
(Example 4)
Titanium dioxide (0.25 μm particle size), alumina (0.25 μm) and vanadium oxide (1-2 μm) powders were prepared using the same metal element ratio as the desired alloy (in this example, Ti-6Al-4V ). The mixture was then allowed to make a slurry with water and slip cast into pellets, then dried and sintered at 950 ° C. for 2 hours in air. After sintering, the color of the pellet changed from light green to dark brown. The size of the sintered pellet was about 8 mm in diameter and 6 mm in thickness. After drilling a hole 1.5 mm in diameter, one of the sintered pellets was passed through a Kanthal wire and then inserted at 950 ° C. into a molten eutectic mixture of calcium chloride and barium chloride. An alumina crucible was used to contain the molten salt and the cell configuration is shown in FIG. A potential of 3.1 V was applied between the graphite anode and the Kanthal wire. After 20 hours, the temperature of the salt is reduced to 700 ° C. and the electro-deoxidation is terminated. The pellet on the Kanthal wire is removed from the crucible, cooled in air, and then washed / immersed in water to reveal a gray / metal pellet. Examination under a scanning electron microscope showed that the particle structure of the pellet was similar to the particle structure for titanium shown in FIG. EDX analysis showed, within experimental error, the absence of oxygen in the pellet, confirming the presence of titanium, aluminum and vanadium in the individual particles at the desired ratio.
[0036]
(Example 5)
Al Three O Three And NiO powder were mixed in a molar ratio of 1: 6, pressed into small cylindrical pellets (10 mm in diameter and 5-10 mm in height), and sintered in air at 980-1000 ° C. for about 2 hours. . After sintering, the gray-green pellets became slightly lighter in color. A 1.7 mm diameter hole is drilled in the sintered pellet. Four sintered pellets (weighing about 4 grams) were passed through a Kanthal wire (1.0 mm diameter) to form an assembled cathode. The electro-deoxidation was performed at 950 ° C. for about 18 hours at 3.1 V with Argon-protected molten CaCl 2 as shown in FIG. Two The assembly was performed between a cathode and a graphite anode. The pellet was removed from the molten salt upon reduction and cooled first in argon and then to room temperature in air. The reduced pellet was washed using water and then dried in air to give a gray metallic color. The surface and cross-section of the reduced pellet consisted of nodular particles 2-20 microns in size and contained Al and Ni in an atomic ratio of 1: 3. No oxygen was detected. The pellet was then manually ground to a powder in an agate mortar. XRD (X-ray diffraction) was applied to the powder, and the spectrum showed that standard AlNi Three The pattern was almost the same as the sample (FIG. 8).
[0037]
(Example 6)
Nb used in the experiment Two O Five The powder was 99.97% and 99.99% by weight pure and had an average particle size of 4.03 μm and 12.71 μm, respectively. The powder was then pressed into a porous compact and then strengthened by sintering. The sintered pellet is attached to a cathode current collector to form an assembled oxide cathode. CaCl used for the melt Two 2H Two O and NaCl were the analytical reagents. All chemicals were supplied by Aldrich Chemical. CaCl Two 2H Two O was dehydrated in air at 373K for 1 hour, slowly heated to 573K, and then maintained at 573K for 12 hours. Dehydrated CaCl Two And dried NaCl were mixed thoroughly, then the mixture was dried at 473 K before use. High density graphite rods 10 mm in diameter and 100 mm in length were purchased from Graphite Technologies and used as anodes. Kanthal® wire (1.5 mm diameter) was used as the cathode current collector.
[0038]
An electrolytic cell for electrolysis is shown schematically in FIG. Two Farnell LS30-10 Automotive Power Supplies were used to perform electrolysis under constant voltage. Nb Two O Five A first wire 50 for connecting the 60 pellets was connected to the negative end of one power supply. A stainless steel crucible 56 for maintaining the molten electrolyte 58 was connected by a second wire 62 to the other end of the power supply. The two positive ends of the two power supplies were both connected to a graphite rod anode 52. All electrical connections from individual electrodes to the power supply were made by Kanthal® wires 50,62. Electrolyte temperature was measured using a K-type thermocouple in an alumina sheath 54. The cell was placed in a vertical Inconel® reactor tube with one end closed.
[0039]
The electrolysis cell was flushed with high purity argon while heating to the required temperature. When the cell reaches its electrolysis temperature, the graphite rod anode is immersed in the molten electrolyte and pre-electrolysis is performed until U anode bubbles are no longer visually observed (typically for a period of 12 hours). Two = 2.8-3.0V and 1173K. After completing the pre-electrolysis, the oxide cathode was immersed in the melt. The electrolysis was performed by applying a constant voltage (U) to each of the cells as shown in FIG. 1 And U Two ). Applied voltage (U 1 ) (With the resulting current) were displayed and logged by a PC equipped with an ADAMS 4017-8 channel Analog-to-Digital Converter plus a Serial RS232 during the course of the electrolysis. ).
[0040]
An as-reduced sample was quickly removed from the melt under a flow of argon at 873K, quenched and washed in cold water, soaked in acid, rinsed with water, and washed with acetone. . The resulting porous pellets were pulverized by manual grinding. The resulting niobium metal powder was then washed again with acetone and dried at room temperature under vacuum.
[0041]
The morphology of the sintered or reduced pellets was observed using a Jeol JSM-5800LV scanning electron microscope with an energy dispersive X-ray analysis (EDXA) accessory. The impurity concentration was measured by EDXA. The various phases present in the prepared powder are 1 Tested by powder X-ray diffraction (XRD) using a Philips diffractometer PW1710 with radiation. The oxygen content is also determined by weighing the niobium metal powder prepared before and after reoxidation in air, where the Nb of the metal powder is determined. Two O Five Complete reoxidation to was confirmed by XRD analysis. The level of chlorine in the off-gases was monitored using a Drager QuadGard Chlorine Detector.
[0042]
The final product remaining on the cathode after electrolysis was found to be niobium metal in the form of porous pellets. 9 and 10 illustrate the U 1 = 3.1 V and 24 hours before electro-deoxidation at 1123 K (particle size 4.03 μm Nb) Two O Five About) and after Nb Two O Five 1 shows a representative microstructure of a cross section of a pellet. After reduction, it is interesting to observe that the morphology of the reduction product is essentially a powder compact sintered together and sintered to some extent, and the particle size has increased to some extent. The prepared niobium metal powder contained 2311 ppm by mass of oxygen.
[0043]
A representative measured XRD (X-ray diffraction) pattern is shown in FIG. 12 for a niobium metal powder reduced at 1173 K for 48 hours, from which one skilled in the art will recognize that the powder is pure niobium and any oxidation It can be understood that there is no physical condition.
[0044]
Overall, the results of this experiment show that Nb Two O Five Provides evidence that the porous pellets can be easily deoxygenated into niobium metal. The prepared niobium metal powder is clearly acceptable for subsequent purification processing (eg, high vacuum sintering at high temperatures). According to our experiments, various ranges of the particle size of the niobium metal powder can be controlled by appropriate control of the experimental conditions and by Nb Two O Five It has been shown that it can be easily prepared by changing the particle size of the powder.
[Brief description of the drawings]
[0045]
FIG. 1 shows an apparatus for electro-deoxidation of metal oxide powder according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a photomicrograph of a titanium oxide powder as used as a starting material in Examples 1 and 2.
FIG. 4 is a photomicrograph of titanium powder produced from the oxide of FIG. 3 in Example 1.
FIG. 5 is a photomicrograph of titanium powder produced from the oxide of FIG. 3 in Example 2.
FIG. 6 is a photomicrograph of a chromium powder as produced in Example 3.
FIG. 7 shows AlNi as produced in Example 5. Three It is a microscope picture of a powder.
FIG. 8 is a schematic diagram of AlNi. Three 8 is an XRD (X-ray diffraction) spectrum for the powder of FIG.
FIG. 9 is a photomicrograph of a niobium oxide powder, such as used as a starting material in Example 6.
FIG. 10 is a photomicrograph of niobium powder as produced in Example 6 from the oxide powder of FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram of an apparatus for electro-deoxidation as used in Example 6.
FIG. 12 is a plot of an XRD analysis of niobium powder produced as in Example 6.

Claims (36)

以下の工程:
非−金属種が溶融物中に溶解するような条件下において、金属(M1)と非−金属種(X)との間の化合物(M1X)を含む先駆物質粉末をエレクトロ−デオキシデーション(electro−deoxidation)によって処理し、この先駆物質粉末が溶融塩(M2Y)を含む溶融物と接触するカソードを形成すること;および
必要に応じてエレクトロ−デオキシデーションのプロダクトを加工し、金属粉末を形成すること
を包含する、金属粉末を生産するための方法。
The following steps:
Electrodeoxidation of a precursor powder containing a compound (M 1 X) between a metal (M 1 ) and a non-metal species (X) under conditions such that the non-metal species dissolves in the melt. treated (electro-deoxidation) by the precursor powder may form a cathode in contact with the melt containing molten salt (M 2 Y); and, optionally electro - processed products deoxy retardation, metal A method for producing a metal powder, comprising forming a powder.
エレクトロ−デオキシデーションが、カチオン(M2)の溶融物からの析出のための電位より低いカソード電位がカソードに印加される条件下において行われる、請求項1に記載の方法。Electro - deoxy retardation is carried out under conditions that lower the cathode potential than the potential for the precipitation from the melt of the cation (M 2) is applied to the cathode, the method according to claim 1. 溶融物が塩の混合物(2つ以上のカチオン(M2)を含む)を含み、そしてエレクトロ−デオキシデーションが、任意のカチオン(M2)の溶融物からの析出のための電位より低いカソード電位がカソードに印加される条件下において行われる、請求項1に記載の方法。Melt comprises a mixture of salts (including two or more cations (M 2)), and Electro - deoxy retardation is lower cathode potential than the potential for the precipitation from the melt of any cations (M 2) The method according to claim 1, wherein the reaction is carried out under conditions applied to the cathode. 先駆物質粉末が導体であり、且つカソードとして使用される、請求項1、2または3に記載の方法。The method according to claim 1, 2 or 3, wherein the precursor powder is a conductor and is used as a cathode. 先駆物質粉末が絶縁体であり、且つ導体と接触して使用され、カソードを形成する、請求項1、2または3に記載の方法。The method of claim 1, 2 or 3, wherein the precursor powder is an insulator and is used in contact with the conductor to form a cathode. エレクトロ−デオキシデーションが700−1000℃の温度にて行われる、先の請求項のいずれかに記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the electro-deoxidation is performed at a temperature of 700-1000C. 先駆物質粉末が0.05〜20μmのサイズの粒子を含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the precursor powder comprises particles of a size between 0.05 and 20 [mu] m. 先駆物質粉末が0.25〜2μmのサイズの粒子を含む、請求項1〜6のいずれかに記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the precursor powder comprises particles of a size between 0.25 and 2 [mu] m. 金属粉末が1〜30μmのサイズの粒子を含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the metal powder comprises particles of a size between 1 and 30 [mu] m. 溶融塩がカチオン種(M2)としてCa、Ba、Li、Csおよび/またはSrを含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。Ca molten salt as the cation species (M 2), including Ba, Li, and Cs and / or Sr, A method according to any preceding claim. 溶融塩がアニオン(Y)としてClまたはFを含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the molten salt comprises Cl or F as an anion (Y). 非−金属種がO、S、CまたはNを含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the non-metallic species comprises O, S, C or N. 金属(M1)がTi、Si、Ge、Zr、Hf、Sm、U、Al、Mg、Nd、Mo、CrまたはNb、V、Ta、Mb、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Be、Sr、Ga、In、Tl、ランタニドまたはアクチニド、あるいはそれらの合金を含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。The metal (M 1 ) is Ti, Si, Ge, Zr, Hf, Sm, U, Al, Mg, Nd, Mo, Cr or Nb, V, Ta, Mb, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Any of the preceding claims comprising Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Be, Sr, Ga, In, Tl, lanthanides or actinides, or alloys thereof. the method of. 先駆物質粉末が粉末加工技術(例えば、スリップ−キャスティングまたは圧縮(compaction))によってエレクトロ−デオキシデーション用サンプルに形成され、そしてエレクトロ−デオキシデーションのプロダクトが粉砕されるかまたは破砕され、金属粉末が形成される、先の請求項のいずれかに記載の方法。The precursor powder is formed into a sample for electro-deoxidation by a powder processing technique (eg, slip-casting or compaction) and the product of electro-deoxidation is ground or crushed to form a metal powder. A method according to any of the preceding claims. 先駆物質粉末の形成が焼結することを包含する、請求項14に記載の方法。15. The method of claim 14, wherein forming the precursor powder comprises sintering. 先駆物質粉末が1つ以上の金属化合物の混合物または固溶体、および必要に応じて1つ以上の金属または合金を含む、先の請求項のいずれかに記載の方法。A method according to any of the preceding claims, wherein the precursor powder comprises a mixture or solid solution of one or more metal compounds and, optionally, one or more metals or alloys. 先の請求項のいずれかに記載されるような方法に従って生産される金属粉末。Metal powder produced according to a method as described in any of the preceding claims. 先の請求項のいずれかに記載の方法を行うための装置。Apparatus for performing the method according to any of the preceding claims. 以下の工程:
金属(M1)と非−金属種(X)との間の化合物(M1X)を含む粉末化供給材料から造形先駆物質(shaped precursor)を形成すること;
この先駆物質をエレクトロ−デオキシデーション(electro−deoxidation)によって処理すること(この先駆物質は、非−金属種が溶融物中に溶解するような条件下において溶融塩(M2Y)を含む溶融物と接触するカソードを形成し、エレクトロ−デオキシデーションは、エレクトロ−デオキシデーションによって産生される金属粉末粒子の間に相互連結を形成し、そして更なる加工に対して十分に強い網目形状に近いプロダクトを生産するよう十分に長い時間および/または十分に高い温度で行われる)
を包含する、網目形状に近いプロダクトを形成するための方法。
The following steps:
Forming a metal seed compound between (X) (M 1 X) shaped precursor from powdered feed material comprising (shaped precursor) - metal (M 1) and the non;
Treating the precursor by electro-deoxidation (the precursor comprises a molten salt (M 2 Y) under conditions such that the non-metallic species dissolve in the melt; Electrodeoxidation forms an interconnect between the metal powder particles produced by electrodeoxidation, and a product close to a network shape that is strong enough for further processing. Done for a long enough time and / or at a sufficiently high temperature to produce)
And a method for forming a product having a shape close to a mesh.
エレクトロ−デオキシデーションが、カチオン(M2)の溶融物からの析出のための電位よりも低いカソード電位がカソードに印加される条件下において行われる、請求項19に記載の方法。Electro - deoxy retardation is carried out under conditions where a low cathode potential than the potential for the precipitation from the melt of the cation (M 2) is applied to the cathode, the method according to claim 19. 溶融物が塩の混合物(2つ以上のカチオン(M2)を含む)を含み、エレクトロ−デオキシデーションが、任意のカチオン(M2)の溶融物からの析出のための電位よりも低いカソード電位がカソードに印加される条件下において行われる、請求項19に記載の方法。Melt comprises a mixture of salts (including two or more cations (M 2)), electro - deoxy retardation is lower cathode potential than the potential for the precipitation from the melt of any cations (M 2) 20. The method according to claim 19, wherein the method is performed under conditions in which is applied to the cathode. 先駆物質が導体であり、且つカソードとして使用される、請求項19、20または21に記載の方法。22. The method according to claim 19, 20 or 21, wherein the precursor is a conductor and is used as a cathode. 先駆物質粉末が絶縁体であり、且つ導体と接触して使用され、カソードを形成する、請求項19、20または21に記載の方法。22. The method of claim 19, 20 or 21, wherein the precursor powder is an insulator and is used in contact with the conductor to form a cathode. エレクトロ−デオキシデーションが700−1000℃の温度で行われる、請求項19から23のいずれかに記載の方法。24. The method according to any of claims 19 to 23, wherein the electro-deoxidation is performed at a temperature of 700-1000 <0> C. 粉末化供給材料が0.05〜20μmのサイズの粒子を含む、請求項19から24のいずれかに記載の方法。25. The method according to any of claims 19 to 24, wherein the powdered feed comprises particles of a size between 0.05 and 20 [mu] m. 粉末化供給材料が0.25〜2μmのサイズの粒子を含む、請求項19から24のいずれかに記載の方法。25. The method according to any of claims 19 to 24, wherein the powdered feed comprises particles of a size between 0.25 and 2 [mu] m. 溶融塩がカチオン種(M2)としてCa、Ba、Li、Csおよび/またはSrを含む、請求項19から26のいずれかに記載の方法。Ca molten salt as the cation species (M 2), including Ba, Li, and Cs and / or Sr, the method according to any of claims 19 26. 溶融塩がアニオン種(Y)としてClまたはFを含む、請求項19から27のいずれかに記載の方法。28. The method according to any of claims 19 to 27, wherein the molten salt comprises Cl or F as the anionic species (Y). 非−金属種がO、S、CまたはNを含む、請求項19から28のいずれかに記載の方法。29. The method according to any of claims 19 to 28, wherein the non-metallic species comprises O, S, C or N. 金属(M1)がTi、Si、Ge、Zr、Hf、Sm、U、Al、Mg、Nd、Mo、Cr、Nb、V、Ta、Mb、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Be、Sr、Ga、In、Tl、ランタニドまたはアクチニド、あるいはそれらの合金を含む、請求項19から29のいずれかに記載の方法。The metal (M 1 ) is Ti, Si, Ge, Zr, Hf, Sm, U, Al, Mg, Nd, Mo, Cr, Nb, V, Ta, Mb, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, 30. Any of claims 19 to 29 comprising Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Be, Sr, Ga, In, Tl, lanthanide or actinide, or alloys thereof. The described method. 粉末化供給材料が、スリップ−キャスティングまたは圧縮(compaction)によってエレクトロ−デオキシデーション用のサンプルに形成される、請求項19から30のいずれかに記載の方法。31. The method according to any of claims 19 to 30, wherein the powdered feed is formed into a sample for electro-deoxidation by slip-casting or compaction. 先駆物質の形成が焼結することを包含する、請求項19から31のいずれかに記載の方法。32. The method according to any of claims 19 to 31, wherein forming the precursor comprises sintering. 粉末化供給材料が1つ以上の金属化合物の混合物または固溶体、および必要に応じて1つ以上の金属または合金を含む、請求項19から32のいずれかに記載の方法。33. A method according to any of claims 19 to 32, wherein the powdered feed comprises a mixture or solid solution of one or more metal compounds and, optionally, one or more metals or alloys. 網目形状に近いプロダクトが、続いて焼結および/または機械加工(machining)によって処理される、請求項19から33のいずれかに記載の方法。34. The method according to any of claims 19 to 33, wherein the product close to the network shape is subsequently processed by sintering and / or machining. 請求項19から34のいずれかに記載されるような方法によって形成される網目形状に近いプロダクト(near net-shaped product)。A near net-shaped product formed by a method as claimed in any one of claims 19 to 34. 請求項35に記載の網目形状に近いプロダクトを生産するための装置。An apparatus for producing a product close to the mesh shape according to claim 35.
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