JP2007154231A - 球状モリブデン金属粒子とその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高融点金属のモリブデン（約２９００Ｋ）を水素ガスやアンモニアガスのような活性ガスを用いることなく粒径が１０μｍ以上の大きなモリブデン金属粒子を製造する方法を提供する。
【解決手段】 窒素ガスの雰囲気中または窒素と不活性ガスとの混合ガスの雰囲気中アーク放電を行い、生成する直流アークプラズマをモリブデン金属塊に照射して球状モリブデン金属粒子を形成する。
【選択図】図３

Description

この出願の発明は球状モリブデン金属粒子の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明はモリブデン金属塊を直流アーク溶解することで球状で粒径の大きいモリブデン金属粒子を製造する方法に関するものである。

金属の微粒子は光学フィルターや触媒などに数多く用いられている。また磁性を帯びた金属の粒子や粉末は、磁気テープ、磁気記録ディスク等の磁気記録媒体や、電波吸収体、インダクタ、プリント基板等の電子デバイス等の原材料としても幅広く使用されている。

このように多くの用途に使用されている金属微粒子の１つとしてモリブデン金属粉末があるが、このモリブデン金属粉末の製造方法としてはモリブデンの酸化物（ＭｏＯ_３）を加熱して分解したり、モリブデンの酸化物（ＭｏＯ_３）を水素（Ｈ）や亜鉛（Ｚｎ）あるいはカルシウム（Ｃａ）等の還元剤を用いて還元することにより粒径が０．５〜１０μｍ程度のモリブデン金属粉末を製造する方法が一般的に知られている。

例えば、金属粉末を製造する方法としては、水素雰囲気中で各種金属をアークプラズマ溶解することにより粒径が小さいナノサイズ程度の金属粉末を製造する方法等が知られている（特許文献１、２）。また、この他にも、高純度のモリブデン金属粉末を製造する方法としては高周波プラズマ炎（Ａｒ＋Ｈ_２）中に粒径が１０μｍ程度のモリブデン金属粉末を供給する方法（特許文献３）等が知られている。
： 特公昭５８−５４１６６号公報 ： 特許第３３８３６０８号公報 ： 特開２００３−２６８４２２号公報

しかしながら、従来の方法で製造されたモリブデン金属粉末は粒径が１０μｍ以下の小さなものが大半であり、粒径が数十μｍ以上の球状のモリブデン金属粒子を得る製造方法はこれまで知られていない。従来から鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）の合金ように融点が低い金属については、溶融状態の金属をノズルから流下させながら圧縮ガスを吹き付けて溶融金属を飛散させて粉末化する、いわゆるガスアトマイズ法を利用して粒径が１０μｍ以上の金属粒子を製造する方法が採用されていたが、モリブデン金属のように高融点（２６１０℃）の金属に対しては、このようなガスアトマイズ法を用いることができないため粒径が１０μｍ以上のモリブデン金属粒子を得ることができなかった。

そこで、この出願の発明は高融点金属であるモリブデン金属を用いて粒径が数１０μｍ以上の大きなモリブデン金属粒子を製造する方法を提供するものである。

この出願の発明は上記の課題を解決するものとして、第１には、窒素ガスまたは窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスの雰囲気中でモリブデン金属塊を直流アークプラズマで溶解して粒子形成する球状モリブデン金属粒子の製造方法を提供する。

第２には、混合ガス中の窒素比を大きくすることで球状モリブデン金属粒子の発生速度を増大させる上記の球状モリブデン金属粒子の製造方法を提供する。

第３には、プラズマとモリブデン金属塊との接触面積は、モリブデン金属塊の表面積より小さくする上記の球状モリブデン金属粒子の製造方法を提供する。

第４には、球状モリブデン金属粒子径が１０μｍ〜１ｍｍ範囲内であることを特徴とするとする上記いずれかの球状モリブデン金属粒子の製造方法を提供する。

第５には、球状モリブデン金属粒子中の窒素濃度が４００〜１１００ｐｐｍの範囲内であることを特徴とする上記いずれかの球状モリブデン金属粒子の製造方法を提供する。

第６には、プラズマをモリブデン金属塊の表面上を移動させて球状モリブデン金属粒子の発生速度を増大させることを特徴とする上記いずれかの球状モリブデン金属粒子の製造方法を提供する。

上記第１のモリブデン粒子の製造方法の発明によれば、モリブデン金属を粒子化するために窒素ガス雰囲気または窒素ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気の中でモリブデン金属塊に直流アーク溶解するだけの簡単な操作で粒径の大きな球状のモリブデン金属粒子を製造することができる。

上記第２のモリブデン粒子の製造方法の発明によれば、混合ガス中の窒素の割合を増加することによりさらに効率的に球状のモリブデン金属粒子を製造することができる。

上記第３のモリブデン粒子の製造方法の発明によれば、より効率よく粒径の大きい球状モリブデン金属粒子の製造方法を製造することができる。

そして第４の発明の方法により１０μｍ〜１ｍｍの粒径の球状モリブデン金属粒子が提供され、第５の発明の方法によれば、窒素濃度が４００〜１１００ｐｐｍの粒子が提供される。

また、第６の発明の方法によりさらに効率的な製造が可能となる。

この出願の発明は、窒素ガスまたは窒素と不活性ガスとの混合ガスの雰囲気中において、モリブデン金属塊を直流アークプラズマで溶解することにより粒径が１０μｍ以上の大きな球状のモリブデン金属粒子を製造することを特徴とするものである。気相中の窒素は室温から２０００Ｋ程度の低温領域では分子状ガスとして存在しているが、同じ気相中の窒素でも３０００〜１００００Ｋの高温領域においては、原子状窒素として存在している。そして、この低温領域と高温領域とにおける窒素の形態の差により窒素の金属に対する化学反応の速度や程度は大きく異なるものとされている。

この出願の発明は窒素の形態の差によるモリブデン金属との化学反応の差、すなわち気相中に存在する窒素ガスの形態が分子状態であるか原子状態であるかによってモリブデン金属中への窒素の溶解度が大きく異なることを利用することにより粒径の大きな球状のモリブデン金属粒子を製造するものである。

窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いる場合には、不活性ガスとして、アルゴン、ヘリウム等の希ガス等が適宜に用いられる。そして、窒素比を大きくすることで、モリブデン金属粒子の発生速度を増大させることができる。

窒素ガスもしくは上記の混合ガスの全圧は直流アークプラズマを生成させることができ
る条件として、電流や電圧とともに適宜に選択される。たとえば０．５ＭＰａ以下とすることが例示される。もちろんこれに限定されることはない。

なお、この出願の発明における「球状」との規定については「真球」であることに限定されることはない。一般的な意味で球形であることを意味している。

実際の操作においては、プラズマとモリブデン金属塊との接触面積を、モリブデン金属塊の表面積より小さくすることが好適に考慮される。また、プラズマをモリブデン金属塊の表面上を移動させることで球状モリブデン金属粒子の発生速度を増大させることもできる。

この出願の発明の概要を図１および図２に従って説明すると、図１はモリブデン金属を窒素雰囲気中で直流アークプラズマ溶解する時の模式図である。図１に示されているように、窒素ガス（３）雰囲気中の水冷銅台（４）上に載置されたモリブデン金属に対して電極（１）からアーク放電することにより発生した窒素プラズマ（２）により、溶融されたモリブデン金属（５）の表面からモリブデン金属粒子（６）が放出されている。この図１の溶融されたモリブデン金属（５）上に表示されている（Ａ）は窒素が原子状に解離して接触している領域であり、また（Ｂ）で表示されている部分は窒素が分子状のままで接触している領域である。図２は溶融されたモリブデン金属（５）からモリブデン金属粒子（６）が発生する機構を示した概念図であるが、この図２は非プラズマ溶解（Ｃ）が行われている状態と本願発明の直流窒素プラズマ溶解（Ｄ）が行われている状態の態様を比較して示した模式図でもある。この図２には本願発明の直流窒素プラズマ溶解（Ｄ）した場合のモリブデン金属粒子（６）が、非プラズマ溶解（Ｃ）により生成されたモリブデン金属粉末よりも大きなモリブデン金属粒子（６）が生成される態様が示されている。

そこで、この出願の発明を実施例を用いてさらに詳しく説明する。

モリブデン金属粒子作製用原料は、モリブデン金属塊（９９．９９％以上、約２５ｇ）を１００％アルゴンガス雰囲気中で直流プラズマ−ク溶解（雰囲気全圧０．１ＭＰａ、電流２００Ａ、電圧２０〜２５Ｖ）して、ボタン状のインゴットを作製した。このようにして得られたモリブデン金属塊を同じアーク炉を用いて、以下のとおりの雰囲気中で直流プラズマアーク溶解（雰囲気全圧０．１ＭＰａ、電流２００Ａ、電圧２０〜６０Ｖ）することにより行った。
＜実施例１＞
モリブデン金属塊を窒素８０％（ｖｏｌ）−アルゴンの混合ガスの雰囲気中で直流プラズマアーク溶解した時に得られたモリブデン金属粒子のマイクロデジタル顕微鏡写真が図３である。図３から粒子形状は球状であり、その粒径は５〜５０μｍの大きさであることが分かる。
＜実施例２＞
モリブデン金属塊を窒素ガス１００％（ｖｏｌ）の雰囲気中（０．１ＭＰａ）で直流プラズマアーク溶解（電流１５０Ａ、電圧５５Ｖ）した時に得られたモリブデン金属粒子のマイクロデジタル顕微鏡写真が図４である。図４から粒子形状は球形で、ほとんどの粒径は５０〜３００μｍであるが、５００〜１０００μｍの粒子が少数の在しているのが観察できる。
＜実施例３＞
モリブデン金属塊を窒素（Ｎ_２）濃度を１０、５０、８０、９５％（ｖｏｌ）−アルゴン（Ａｒ）の混合ガス雰囲気中（全圧０．１ＭＰａ）および窒素ガス（Ｎ_２）１００％（ｖｏｌ）の雰囲気中（全圧０．１ＭＰａ）で直流プラズマアーク溶解した時の雰囲気窒素濃度とモリブデン金属粒子の発生量（ｇｒ／ｈ）との関係を示したものが図５である。な
お、モリブデン金属粒子の発生量（ｇｒ／ｈ）は直流プラズマアーク溶解前後のモリブデン金属塊の質量差から算出した。
＜実施例４＞
モリブデン金属塊を窒素（Ｎ_２）濃度１０、５０、８０％（ｖｏｌ）−アルゴン（Ａｒ）の混合ガスおよび窒素ガス（Ｎ_２）１００％（ｖｏｌ）の雰囲気中（全圧０．１ＭＰａ）で直流プラズマアーク溶解した時に発生したモリブデン金属粒子中の窒素濃度（ｐｐｍ）は微量窒素ガス分析器（ＬＥＣＯ：ＴＣ６００）で測定した。また、窒素（Ｎ_２）雰囲気（２０、６０％（ｖｏｌ））中で直流プラズマアークを使用しない方法（非アーク溶解、コールドクルシブル装置：富士電機製 ＨＦ００５Ｗ）での溶融モリブデン金属中の窒素濃度を測定した。図６に雰囲気窒素濃度とモリブデン金属中の窒素濃度との関係を示す。

図６から同一雰囲気窒素濃度では常にアーク溶解のほうが非アーク溶解より窒素溶解量が数倍大きい値となっていることが示されている。

窒素雰囲気中でモリブデン金属を直流プラズマアーク溶解した際に発生するモリブデン金属粒子放出状態を示す模式図である。 モリブデン金属粒子の発生機構を示す概念図である。 窒素８０％（ｖｏｌ）−アルゴンの混合ガスの雰囲気中でのモリブデン金属粒子のデジタル顕微鏡写真である。 窒素ガス１００％（ｖｏｌ）雰囲気中でのモリブデン金属粒子のデジタル顕微鏡写真である。 窒素ガス濃度とモリブデン金属粒子の発生量（ｇｒ／ｈ）の関係を示すグラフである。 窒素ガス濃度とモリブデン金属中の窒素濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１：電極（−）
２：直流窒素プラズマ
３：窒素ガス
４：水冷銅台（＋）
５：溶融モリブデン
６：放出モリブデン粒子
Ａ：窒素が原子状に解離して接触している領域
Ｂ：窒素が分子状のままで接触している領域
Ｃ：非アークプラズマ溶解の態様
Ｄ：直流窒素プラズマ溶解の態様

Claims (6)

1. 窒素ガスまたは窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスの雰囲気中でモリブデン金属塊を直流アークプラズマで溶解して粒子形成することを特徴とする球状モリブデン金属粒子の製造方法。
2. 混合ガス中の窒素比を大きくすることで球状モリブデン金属粒子の発生速度を増大させることを特徴とする請求項１に記載された球状モリブデン金属粒子の製造方法。
3. プラズマとモリブデン金属塊との接触面積は、モリブデン金属塊の表面積より小さくすることを特徴とする請求項１または２に記載された球状モリブデン金属粒子の製造方法。
4. 球状モリブデン金属粒子径が１０μｍ〜１ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の球状モリブデン金属粒子の製造方法。
5. 球状モリブデン金属粒子中の窒素濃度が４００〜１１００ｐｐｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の球状モリブデン金属粒子の製造方法。
6. プラズマをモリブデン金属塊の表面上を移動させて球状モリブデン金属粒子の発生速度を増大させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の球状モリブデン金属粒子の製造方法。

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