JP2009028687A - Method of mechanochemistry treatment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粒状原料のボールミルを用いてメカノケミストリー処理をする方法に関し、さらに詳しくは、1種又は2種以上の粒状原料を、粉砕媒体(ボール)を装入した粉砕筒を備えるボールミル粉砕機に供して粉砕し、メカノケミストリー処理することにより化学的変性品(製品)を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method of performing mechanochemistry using a ball mill of granular materials, and more specifically, a ball mill pulverizer including a pulverizing cylinder in which one or more granular materials are charged with a pulverizing medium (ball). The method relates to a method for producing a chemically modified product (product) by pulverizing and subjecting it to mechanochemistry.
ここでは、メカノケミストリー処理として、メカニカルアロイングを例に採り説明する。 Here, mechanical alloying will be described as an example of mechanochemistry processing.
非特許文献1に、各種ボールミルを用いて、メカニカルアロイング(MA:Mechanical Alloying)による合金合成の技術が紹介されている。 Non-Patent Document 1 introduces a technique for synthesizing an alloy by mechanical alloying (MA) using various ball mills.
そして、同文献1第103〜104頁の「(2)メカニカルアロイングの長所と短所」には、下記記載がある。 Further, “(2) Advantages and disadvantages of mechanical alloying” on pages 103 to 104 of the document 1 includes the following description.
「メカニカルアロイングの特徴の一つは、原料を溶解せずに固体状態のままで合金化できる点にある。そのため、従来の溶解鋳造による合金合成法であった制限が少ないという利点がある。例えば、ニオブ・錫合金やニオブ・アルミニウム合金のように成分の融点差が極めて大きい合金の作成が容易である。また、コバルト・マグネシウム合金のように成分の比重差が極めて大きい合金は、溶解中に比重差により重い成分が下に沈み、軽い成分が上に浮くため、組成が均一な合金を作成することが困難であるが、メカニカルアロイングでは比重差に無関係な均一な組成の合金を作成することができる。タングステンやニオブなどの高融点金属の合金も溶解しないので容易に合成することができる。また、チタンやマグネシウムのように溶解すると極めて活性になりほとんどルツボ材と反応してしまうような活性金属の合金も容易に合成することができる。 “One of the features of mechanical alloying is that it can be alloyed in a solid state without melting the raw material. Therefore, there is an advantage that there are few restrictions that were the conventional alloy synthesis methods by melt casting. For example, it is easy to create an alloy with a very large melting point difference such as a niobium-tin alloy or niobium-aluminum alloy, and an alloy with a very large difference in specific gravity such as a cobalt-magnesium alloy. However, it is difficult to create an alloy with a uniform composition because the heavy component sinks down due to the difference in specific gravity and the light component floats upward, but mechanical alloying creates an alloy with a uniform composition that is independent of the specific gravity difference. Alloys of refractory metals such as tungsten and niobium do not dissolve, so they can be easily synthesized, and can dissolve like titanium and magnesium. When highly active metals alloys that would almost react with the crucible material will activity can also be readily synthesized.
さらに、Schwartzらにより、メカニカルアロイングによるアモルファス合金形成の報告がされて以来、アモルファス合金だけでなく、ナノ結晶粒合金、過飽和固溶体合金などの熱に弱い不安定な合金も容易に合成できることが多数見出され、メカニカルアロイングは新しい金属材料の開発手段として期待されるようになった。特に、アモルファス合金合成の研究は盛んに行われている。Schultzによると、メカニカルアロイングにより合成したアモルファス合金の原子構造は、メルトスピン法(溶解した合金を超急冷する方法の一つ)によって作成したアモルファス合金構造とほとんど同じである。それまでアモルファス合金の研究に必要であったメルトスピン型超急冷凝固装置などの高価な設備がなくても、手軽に合成できるようになり、メカニカルアロイングによるアモルファス合金の研究が盛んになった。 Furthermore, since the formation of amorphous alloys by mechanical alloying was reported by Schwartz et al., Not only amorphous alloys but also heat-sensitive unstable alloys such as nanocrystalline alloys and supersaturated solid solution alloys can be easily synthesized. As a result, mechanical alloying has come to be expected as a means of developing new metal materials. In particular, research on synthesis of amorphous alloys has been actively conducted. According to Schultz, the atomic structure of an amorphous alloy synthesized by mechanical alloying is almost the same as that of an amorphous alloy created by the melt spin method (one of the methods for supercooling a molten alloy). Even without expensive equipment such as a melt spin type ultra-quick solidification device that was necessary for the research of amorphous alloys, the synthesis of amorphous alloys by mechanical alloying has become active.
メカニカルアロイングの短所は、合成に時間を要する点と、粉砕操作に比較してボールミルで1回に処理できる量が少ない点である。そのため、溶解鋳造法と比較して合金合成のコストが高くなる傾向がある。」
そして、同文献第104頁の「(3)メカニカルアロイングに用いられるボールミル」の項には、下記記載とともに模式図(本願添付の図1として引用)が記載されている。
「メカニカルアロイングには、主として高エネルギーボールミルと呼ばれる攪拌ボールミル、遊星ボールミル、振動ボールミルが用いられる。」と記載されるとともに、「これらの高エネルギーボールミルは、入力エネルギーが大きく、数時間〜数十時間の比較的短い時間で合金を合成することができる場合が多いが、スケールアップが容易でないため、大量生産には不向きである。・・・回転ボールミルなどの低エネルギーボールミルでも数十〜数百時間と時間がかかるが合金を合成することができる。また、回転ボールミルは構造が単純で、比較的安価であり、スケールアップも容易という利点がある。」
なお、本発明の特許性に影響を与えるものではないが、関連先行技術文献として、特許文献1・2等を挙げることができる。
The disadvantages of mechanical alloying are that the synthesis takes time and that the amount that can be processed at one time by the ball mill is small compared to the grinding operation. Therefore, the cost of alloy synthesis tends to be higher than that of the melt casting method. "
And in the section of “(3) Ball mill used for mechanical alloying” on page 104 of the same document, a schematic diagram (cited as FIG. 1 attached to the present application) is described together with the following description.
“Mechanical alloying mainly uses a stirring ball mill called a high energy ball mill, a planetary ball mill, and a vibration ball mill.” Although it is often possible to synthesize alloys in a relatively short time, it is not suitable for mass production because scale-up is not easy .... Several dozens to hundreds even in low energy ball mills such as a rotating ball mill It takes time and time to synthesize alloys, and a rotating ball mill has the advantages of simple structure, relatively low cost, and easy scale-up. "
In addition, although it does not affect the patentability of this invention, patent document 1 * 2 etc. can be mentioned as related prior art literature.
なお、特許文献1・2には、「ボールミル粉砕を用いて、メカニカルアロイング法で、異質複合粉末粒子(SiC粉末)を製造する方法」が記載されている。なお、特許文献1には、さらに異質複合粉末粒子は、ラメラ構造を有することが記載されている。 Patent Documents 1 and 2 describe “a method for producing heterogeneous composite powder particles (SiC powder) by mechanical alloying using ball milling”. Patent Document 1 further describes that the heterogeneous composite powder particles have a lamellar structure.
また、本発明で使用するのと類似する旋回式粉砕装置(遠心ミル:偏心ミルとも称されることがある。)が、特許文献3において提案されている。 Further, Patent Document 3 proposes a swirling crusher similar to that used in the present invention (centrifugal mill: sometimes referred to as an eccentric mill).
しかし、特許文献3においては、メカニカルアロイング(メカノケミストリー処理)を予定していない。
昨今、さらに、短時間で且つスケールアップも容易なボールミル粉砕機等による粉砕方法の出現が希求されている。 Recently, there has been a demand for the emergence of a pulverization method using a ball mill pulverizer or the like that can be easily scaled up in a short time.
本発明は、上記要請に応えることができるボールミル粉砕機等によるメカノケミストリー処理の方法を提供することを目的(課題)とする。 An object of the present invention is to provide a mechanochemistry processing method using a ball mill pulverizer or the like that can meet the above requirements.
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意開発に努力をする過程で下記知見を得た。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have obtained the following knowledge in the course of making an intensive effort.
特許文献3に記載されている構成の旋回方式粉砕装置により、粒状原料を粉砕してメカニカルアロイングをした場合、前述の如く、メカニカルアロイングに一番適しているとされていた効率の良好な遊星ボールミルに比して、予測を超えた短時間で、メカニカルアロイングによる粉体複合材を得ることができる。 When the granular raw material is pulverized and mechanically alloyed by the swirling method pulverizer having the configuration described in Patent Document 3, as described above, the efficiency that has been most suitable for mechanical alloying is excellent. Compared to a planetary ball mill, a powder composite material by mechanical alloying can be obtained in a shorter time than expected.
そして、上記知見に基づいて、下記構成のメカノケミストリー処理の方法に想到した。 And based on the said knowledge, it came to the method of the mechanochemistry process of the following structure.
1種又は2種以上の粒状原料を、粉砕媒体を装入した粉砕筒を備える粉砕機に供して粉砕して、メカノケミストリー処理することにより化学的変性品(製品)を製造する方法であって、
粉砕機として、公転(旋回)により振動を発生させる旋回方式粉砕装置を使用することを特徴とする。
A method for producing a chemically modified product (product) by subjecting one or more kinds of granular raw materials to a pulverizer equipped with a pulverization cylinder charged with a pulverization medium and pulverizing and mechanochemistry treatment. ,
As the pulverizer, a swirl type pulverizer that generates vibration by revolution (turning) is used.
以下、本発明の望ましい形態について、説明する。 Hereinafter, desirable modes of the present invention will be described.
本発明に使用する旋回式粉砕装置(偏心ミル)の一例及びその原理を図2〜4に示す。ここでは、粉砕筒一筒式の場合を例に採ったが、特許文献3の図1・2に示すような粉砕筒二筒式でも同様である。 An example of the swirl type crusher (eccentric mill) used in the present invention and its principle are shown in FIGS. Here, the case of the single cylinder type is used as an example, but the same applies to the double cylinder type as shown in FIGS.
基本的構成は、粉体媒体及び被粉砕物が充填された(円)筒形の粉砕容器(粉砕筒)12を、複数(図例では一対:2本)のクランク(偏心シャフト)14により旋回(公転)させる如く、絶対座標系に対して自らは回転させることなく、その絶対座標系の原点Oの周りを旋回(旋回軌跡L)させる如くして、容器(粉砕筒)内部に充填された粉砕媒体及び被粉砕物に対し、遠心力を発生させて粉砕可能としたものである(図符号以外は、特許文献3の請求項1から引用)。なお、図3において、英小文字a、b、c、dは、それぞれ、粉砕筒12a、12b、12c、12dの中心位置を示す。
The basic configuration is that a (circular) cylindrical pulverization container (pulverization cylinder) 12 filled with a powder medium and an object to be pulverized is swung by a plurality (one pair: two in the example) of cranks (eccentric shafts) 14. (Revolved) The container (grinding cylinder) was filled in such a way as to turn around the origin O of the absolute coordinate system (turning locus L) without rotating itself with respect to the absolute coordinate system. The pulverization medium and the material to be pulverized can be pulverized by generating a centrifugal force (other than the reference numerals are cited from claim 1 of Patent Document 3). In FIG. 3, lowercase letters a, b, c, and d indicate the center positions of the crushing
より具体的には、下記のとおりである。 More specifically, it is as follows.
各偏心シャフト14は、大径部(クランク腕)14aと、大径部の両側偏心位置に形成される小径部(クランク軸)14bとで構成される。
Each
該一対の小径部(クランク軸)14bは、固定支持台16に配された一対の主軸受け(固定軸受け)18、18に支持される。小径部(クランク軸)14bには、それぞれ、カウンタウェイト(バランスウェイト)20が取り付けられ、振動モーメントが打ち消され、実質的に振動が発生しないようになっている。
The pair of small diameter portions (crankshafts) 14 b are supported by a pair of main bearings (fixed bearings) 18, 18 disposed on the
各偏心シャフト14の一方側の小径部(クランク軸)14aには、自在軸継手(ユニバーサルジョイント)22を介して、駆動モータ24に連結される。
A small-diameter portion (crankshaft) 14 a on one side of each
他方、一対の偏心シャフト14の大径部(クランク腕)14aは固定支持されていない副軸受け(浮動軸受け)26が装着されている。そして、各副軸受け26、26の副軸受け箱27、27間には、軸前後方向に一対の粉砕筒取付け板28、28が架渡され、該粉砕筒取り付け板28、28に粉砕筒12を着脱可能とされている。当然、粉砕筒固定方式であってもよい。
On the other hand, a large bearing (crank arm) 14a of the pair of
また、前記駆動モータ24、24の間は、プーリ30、30を介してタイミングベルト32により、駆動モータ24、24相互が同期回転可能となっている。
Further, between the
上記において、旋回直径(G)と粉砕筒内径(D)の比率は、0.01<G/D<0.3の範囲から適宜選定する。これらの数値は、回転数500〜1200 min-1の場合を想定したもので、回転数がこれらの範囲外である場合は、上記G/Dの範囲も若干変動する(図3参照)。 In the above, the ratio between the turning diameter (G) and the pulverizing cylinder inner diameter (D) is appropriately selected from the range of 0.01 <G / D <0.3. These numerical values are based on the assumption that the rotational speed is 500 to 1200 min −1 , and when the rotational speed is outside these ranges, the G / D range also varies slightly (see FIG. 3).
具体的には、粉砕筒12の内径を、例えば、180mmとした場合、旋回直径(振幅):約1.8〜54mmとなる。
Specifically, when the inner diameter of the pulverizing
旋回直径Gが粉砕筒内径Dに比して、大きすぎると、旋回時の遠心力(加速度数)が大きくなり、偏心シャフト14を相対的に太くする(特にクランク軸14b)必要があるとともにカウンタウェイト20も重くする必要がある。当然、実用強度を有する偏心シャフトの製造も困難となる。シャフトの引張強度、靭性をあげるために調質を施した材料を使用した場合、材料の芯まで一様な調質ができないため、旋盤加工中に偏心部分で大きく歪みがでる。このため、材料を荒引き後に、調質して仕上げ加工をする必要がある。また、旋回直径Gが粉砕筒内径Dに比して、小さすぎると、旋回時に十分な遠心力が発生せず、被処理物にメカノケミストリー処理の処理時間の短縮化が困難となる。
If the turning diameter G is too large compared with the inner diameter D of the grinding cylinder, the centrifugal force (acceleration number) at the time of turning becomes large, and it is necessary to make the
そして、本発明のボールミル粉砕機は、メカニカルアロイングに使用するため、粉砕筒内に気体を供給する給気手段、及び/又は、前記粉砕筒内を減圧(真空)状態とする減圧手段、並びに、粉砕筒温調手段を備えている。 The ball mill pulverizer according to the present invention is used for mechanical alloying, and therefore, an air supply means for supplying gas into the pulverization cylinder, and / or a decompression means for reducing the pressure in the pulverization cylinder, and In addition, a pulverizing cylinder temperature control means is provided.
すなわち、メカニカルアロイングにおいて、酸化物生成を嫌う場合が多く、粉砕筒にN2やAr不活性気体を封入したり、脱気して粉砕筒内を真空状態にしたりする必要があるためである。図例では、それぞれ可撓性配管と接続された気体送入口12a、及び、脱気口(吸引口)12bを備えている。なお、12cは、開閉蓋である。
That is, in the mechanical alloying, is often dislike oxide formation, or filled with N 2 and Ar inert gas to the grinding cylinder, is due to the need or the vacuum state in the milling tube was degassed . In the illustrated example, a
また、メカニカルアロイングに際して粉砕筒温調手段が必要な理由は、下記の如くである。 The reason why the pulverizing cylinder temperature adjusting means is necessary for mechanical alloying is as follows.
温度を設定温度に制御しないと、反応(アロイ化)制御が困難となり、要求される合金・結晶形態(固溶体、相移転等)を得難い。また、酸化や容器材質の変質により、製品(合金粉体)が汚染されるおそれがある。そして、図例では、ジャケット13に熱媒(冷却水)を通過させる構成とされている。温調手段は、上記不活性気体を冷却気体として使用することも可能である。 If the temperature is not controlled to the set temperature, it is difficult to control the reaction (alloying), and it is difficult to obtain the required alloy / crystal form (solid solution, phase transfer, etc.). Further, the product (alloy powder) may be contaminated by oxidation or alteration of the container material. In the illustrated example, a heat medium (cooling water) is passed through the jacket 13. The temperature control means can also use the inert gas as a cooling gas.
なお、粉砕筒の温度検出は、粉砕筒の蓋体の温度を放射温度計を用いた測温する非接触式や、測温抵抗体を用いてその測温部を蓋体表面に断熱材で覆って直付けして測温する接触式で行うことができる。 Note that the temperature of the crushing cylinder can be detected by using a non-contact type that measures the temperature of the lid of the crushing cylinder using a radiation thermometer, or by using a resistance thermometer to place the temperature measuring part on the lid surface with a heat insulating material. It can be performed by a contact method in which the temperature is measured by covering directly.
次に、上記旋回式粉砕装置を使用しての、本発明のメカニカルアロイングによる合金の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the alloy by the mechanical alloying of this invention using the said turning-type grinding | pulverization apparatus is demonstrated.
まず、2種以上の金属をベースとする粒状原料を用意する。原料の材質としては、金属とともに、非金属、セラミック(金属酸化物・窒化物、炭化物等)を適宜組み合わせることができる。 First, a granular material based on two or more metals is prepared. As the material of the raw material, nonmetals and ceramics (metal oxides / nitrides, carbides, etc.) can be appropriately combined with metals.
被処理物の粒状原料としては、粒状(球状、板状、鱗片、薄片、不定形等を含む.)であれば、特に限定されないが、平均粒径100〜5000μm、望ましくは、粒径100〜1500μmのものを使用する。 The granular raw material of the object to be processed is not particularly limited as long as it is granular (including spherical, plate-like, scales, flakes, irregular shapes, etc.), but the average particle size is 100 to 5000 μm, preferably 100 to Use 1500μm.
次に、上記粒状原料を、開閉蓋12cを介して粉砕筒12に、粉砕媒体を装入するとともに、粉砕筒12に投入する。粉砕媒体としては、ボール、ロッド、さらには、角柱、四面体、六面体、八面体等限定されないが、通常、ボールとする。ここで、粉砕媒体の投入量(充填率)は、メカニカルアロイングの場合、粉砕筒12の容量の50〜95%、望ましくは65〜85%とする。このときの、粉砕媒体であるボールの径は、粉砕筒の大きさ、到達製品粒径、粒状原料の粒径等により異なるが、通常、3〜30mm(より普通には、3〜13mm)の範囲から適宜選定する。また、ボールの材質は、メカニカルアロイングの場合、通常、鉄(鋼)製とするが、他の合金やセラミックスであってもよい。
Next, the granular material is charged into the pulverizing
なお、粉砕筒としては、特に限定されないが、磨耗防止の見地から、通常、ライナー張りとする。さらには、粉砕筒は、円筒に限られず、多角筒(断面4〜8角形)であってもよい。 The pulverizing cylinder is not particularly limited, but is usually liner-lined from the viewpoint of preventing wear. Furthermore, the pulverization cylinder is not limited to a cylinder, and may be a polygonal cylinder (cross-sectional 4-8 octagon).
さらに、金属の粒状原料の投入量は、原料の種類及び/又は粒径並びに粉砕媒体の種類及び/又は材質により異なるが、例えば、粉砕媒体がボールの場合、粉砕筒内容積の3〜10%の範囲から適宜設定する。 Furthermore, the amount of metal granular raw material input varies depending on the type and / or particle size of the raw material and the type and / or material of the grinding medium. For example, when the grinding medium is a ball, 3 to 10% of the volume in the grinding cylinder It sets from the range.
そして、回転数は、公転(旋回)直径を、10〜30mmとしたとき、500〜1800min-1、より普通には、500〜1200min-1とる。 The rotational speed, revolves (turning) in diameter, when the 10~30mm, 500~1800min -1, more usually, take 500~1200min -1.
すなわち、下記計算式で求められる加速度数(G)が、4〜72G、望ましくは、10超32G、さらに望ましくは、12〜20Gの範囲で適宜設定する。加速度数が小さすぎると、所要の製品粒径のものを得難く、加速度数が大きすぎると、運転時負荷が大きすぎて実際的でない。 That is, the acceleration number (G) obtained by the following calculation formula is appropriately set within the range of 4 to 72G, preferably more than 10 and 32G, and more preferably 12 to 20G. If the acceleration number is too small, it is difficult to obtain a product having the required particle size. If the acceleration number is too large, the load during operation is too large to be practical.
加速度数(G)=
1/9.8(ms-2)×片振幅(旋回半径)(m)×(2π×振動数(min-1)×60(s-1))2
運転時間は要求される合金の種類により異なるが、本発明の場合、後述の実施例の如く、10分前後で、粒径100μm以下のものを得ることができる。
Acceleration number (G) =
1 / 9.8 (ms -2 ) x single amplitude (turning radius) (m) x (2π x frequency (min -1 ) x 60 (s -1 )) 2
Although the operation time varies depending on the type of alloy required, in the case of the present invention, a particle size of 100 μm or less can be obtained in about 10 minutes as in the examples described later.
そして、上記のようにして得た製品(合金)は、通常、バッチ式とするが、たとえば、図4に示す如く、粉砕筒12から気体輸送(通常、不活性気体を用いる。)により排出して製品タンク38に回収することもできる。
The product (alloy) obtained as described above is usually a batch type, but is discharged from the pulverizing
すなわち、不活性気体を、給気装置(気体輸送機)34を用いて粉砕筒12内に送入し、該不活性気体圧で製品を粉砕筒12から排出し、サイクロン36を介して製品タンク38に回収する。なお、40はバッグフィルターであり、41は吸引装置(気体輸送機)である。製品は、吸引装置41により粉砕筒12から吸引排出してもよい。
That is, an inert gas is fed into the
こうして、製造した合金粉体は、後述の如く、焼結等により焼結体製品とする。例えば、図5に示すような、ダイ42と上・下パンチ44、46からなる焼成型48を用いて、真空中若しくは不活性雰囲気中で、パルス通電加熱により焼結体を製造することができる。
Thus, the manufactured alloy powder is made into a sintered product by sintering or the like as will be described later. For example, a sintered body can be manufactured by pulse current heating in a vacuum or in an inert atmosphere using a firing die 48 including a
本発明のメカニカル処理の方法は、上記メカニカルアロイングばかりでなく、下記のような他のメカニカルケミストリーの分野に適用した場合、処理時間の大幅な短縮化が期待できる。 When the mechanical processing method of the present invention is applied not only to the above mechanical alloying but also to other mechanical chemistry fields as described below, it can be expected that the processing time will be greatly shortened.
・金属粉体乃至金属酸化物を酸素雰囲気内で粉砕して焼結用酸化物材料を調整する。 -Metal powder or metal oxide is pulverized in an oxygen atmosphere to adjust the oxide material for sintering.
・銅フタロンシア人系顔料をβ型からα型に結晶転移させるためのドライミリング処理をする(「粉体と工業 Vol.31.No.12(1999)」p58参照)。 ・ Dry milling to crystallize copper phthalonian pigments from β to α (see “Powder and Industry Vol.31.No.12 (1999)” p.58).
・ポリ塩化ビニルのメカノケミカル脱塩処理をする。(「粉体工学会誌Vol.31.No.44(2007)」p49参照)
・硫化物系固体電解質の原料とLixFeSyの原料との混合物をメカニカルミリング処理する。(特開2006−164695号公報請求項6参照)
・ Mechanochemical desalting treatment of polyvinyl chloride. (See “Journal of Powder Engineering Vol.31.No.44 (2007)” p49)
A mechanical milling process is performed on a mixture of the sulfide-based solid electrolyte material and the LixFeSy material. (Refer to claim 6 of JP 2006-164695 A)
以下、本発明の効果を確認するために、Fe2VAl系焼結体を調製する場合に適用した実施例・比較例1・2について説明する。Fe2VAl系焼結体は、ゼーベック効果が優れており、該ゼーベック効果を利用して廃熱利用の温度差発電の熱電変換材料として期待されるものである。 Hereinafter, in order to confirm the effect of the present invention, Examples and Comparative Examples 1 and 2 applied when preparing an Fe 2 VAl-based sintered body will be described. The Fe 2 VAl-based sintered body has an excellent Seebeck effect, and is expected as a thermoelectric conversion material for temperature difference power generation utilizing waste heat by utilizing the Seebeck effect.
なお、遊星ボールミルの加速度数は、下記式に基づいて、求めたものである。 The acceleration number of the planetary ball mill is obtained based on the following formula.
加速度数(G)=1/(9.8ms-2)×ω2[D+d(1+R)2]/2
ω:公転角速度(s-1)、D:公転直径(m)、d:ポット内径(m)、R:公転自転のギア比(−)で、自公転方向が順方向か逆方向によってRの値が正又は負である。
Acceleration number (G) = 1 / (9.8ms -2 ) x ω 2 [D + d (1 + R) 2 ] / 2
omega: revolution angular velocity (s -1), D: the revolution diameter (m), d: Pot inside diameter (m), R: the gear ratio of the revolution rotation (-), the revolving direction of R by the forward or backward direction The value is positive or negative.
実施例・比較例に使用した原料粒径及び組成は、下記のとおりである。 The raw material particle sizes and compositions used in the examples and comparative examples are as follows.
FeAl(10〜100μm):0.5165
FeV(100〜200μm):0.3214
Fe(20〜50μm):0.1490
Si(30〜40μm):0.0131
<実施例1>
本実施例で使用した旋回式粉砕装置は、仕様及び運転条件は下記のとおりである。
FeAl (10-100 μm): 0.5165
FeV (100-200 μm): 0.3214
Fe (20-50 μm): 0.1490
Si (30-40 μm): 0.0131
<Example 1>
The specifications and operating conditions of the swirling grinder used in this example are as follows.
粉砕筒容量:1.38L(98mmφ×183mm)
回転数:900min-1
全振幅(旋回直径):30mm
加速度数:13.6G
粉砕媒体(ボール):径1/2インチ(約12.7mm)、充填率80%、
原料投入量:150g(嵩比重0.3、充填率100%;粉砕媒体合計空隙容量比)
運転時間: 20h
<比較例1>
本比較例で使用した遊星ボールミルの仕様及び運転条件は下記のとおりである。
Crushing cylinder capacity: 1.38L (98mmφ × 183mm)
Rotation speed: 900min -1
Total amplitude (turning diameter): 30mm
Number of acceleration: 13.6G
Grinding medium (ball): 1/2 inch diameter (about 12.7mm), filling
Raw material input: 150 g (bulk specific gravity 0.3, filling
Operating time: 20h
<Comparative Example 1>
The specifications and operating conditions of the planetary ball mill used in this comparative example are as follows.
粉砕筒容量:500mL(100mmφ×深さ75mm)×4
公転回転数:180min-1、公転直径:250mm
自転回転数:200min-1、自転直径:100mm
加速度数:6.8G
粉砕媒体(ボール):φ10mm:100個+φ1インチ(約24.5mm)2個、
充填率:14%、
原料投入量:30g×4
運転時間:200h
<比較例2>
本比較例で使用した振動ボールミルの仕様及び運転条件は下記のとおりである。
Crushing cylinder capacity: 500ml (100mmφ x 75mm depth) x 4
Revolving speed: 180min -1 , Revolving diameter: 250mm
Rotation speed: 200min -1 , rotation diameter: 100mm
Number of acceleration: 6.8G
Grinding medium (ball): φ10mm: 100 pieces + 2 pieces of φ1 inch (about 24.5mm),
Filling rate: 14%
Raw material input: 30g x 4
Driving time: 200h
<Comparative Example 2>
The specifications and operating conditions of the vibrating ball mill used in this comparative example are as follows.
粉砕筒容量:3.6L(145mmφ×220mm)
回転数:1200min-1
全振幅:9mm
加速度数:9.7G
粉砕媒体(ボール):径1/2インチ(約12.7mm)、充填率80%、
原料投入量:300g(嵩比重0.3、充填率100%;粉砕媒体合計空隙容量比)
運転時間:25h
そして、運転終了後、粉砕筒から取り出した各実施例・比較例の製品(合金粉体:Fe2VAl系合金)を観察した。
Crushing cylinder capacity: 3.6L (145mmφ × 220mm)
Rotation speed: 1200min -1
Total amplitude: 9mm
Acceleration number: 9.7G
Grinding medium (ball): 1/2 inch diameter (about 12.7mm), filling
Raw material input amount: 300 g (bulk specific gravity 0.3, filling
Driving time: 25h
Then, the completion of the run, the product of each of Examples and Comparative Examples was taken out from the milling tube: was observed (alloy powder Fe 2 VAl-based alloy).
実施例1では、比較例1と同様に薄片(鱗片)が重なりあった10μm程度の球形に近い凝集粒が得られた。また、比較例2で得られた凝集粒も粒径10μm程度であったが、実施例1や比較例1と異なり、角張ったものであった。この様に、本発明では、加速度数が約倍近くであるだけで、遊星ボールミルと同様の丸まった形状の凝集粒を極めて短時間で得られることが確認できた。なお、従来、同様粒径に粉砕するための粉砕時間は、略加速度数に略比例するというのが当業者常識であった(実施例1と比較例2参照)。 In Example 1, as in Comparative Example 1, aggregated particles close to a spherical shape of about 10 μm with thin pieces (scale pieces) overlapped were obtained. Further, the aggregated particles obtained in Comparative Example 2 also had a particle size of about 10 μm, but unlike Example 1 and Comparative Example 1, they were angular. As described above, in the present invention, it was confirmed that the agglomerated particles having the round shape similar to that of the planetary ball mill can be obtained in a very short time only when the acceleration number is about double. Conventionally, it has been common knowledge to those skilled in the art that the pulverization time for pulverizing to a particle size is approximately proportional to the acceleration number (see Example 1 and Comparative Example 2).
後述の如く、薄片が重なりあった球形の凝集粒子が、角張った凝集粒子に比して、優れた特性を得ることができる。その理由は、メカニカルアロイングに際して、均質化(アロイング化:合金結晶化)がより高度に進行しているためと考えられる。 As will be described later, spherical agglomerated particles with overlapping flakes can obtain superior characteristics as compared to angular agglomerated particles. The reason is considered to be that homogenization (alloying: alloy crystallization) proceeds at a higher level during mechanical alloying.
そして、上記各実施例・比較例で調製した合金粉末を用いて、下記条件でパルス通電焼結(PCS:Pulse Current Sintering)を行って、焼結体試験片を調製した。 Then, pulse current sintering (PCS) was performed under the following conditions using the alloy powder prepared in each of the above Examples and Comparative Examples to prepare a sintered body test piece.
焼成型(黒鉛製、焼成寸法:10mmφ×2mmh)を用いて、真空度:20Pa、加圧力:40MPa、焼結温度:1000℃、焼結時間:3min、昇温速度:100℃min-1で行った。 Using a firing mold (made of graphite, firing size: 10 mmφ × 2 mmh), with a degree of vacuum of 20 Pa, a pressing force of 40 MPa, a sintering temperature of 1000 ° C., a sintering time of 3 min, and a heating rate of 100 ° C. min −1 went.
こうして調製した各試験体について、ゼーベック係数を測定した。 The Seebeck coefficient was measured for each specimen thus prepared.
その結果、図8に示す如く、実施例では、遊星ボーミルで200hメカニカルアロイングした場合(比較例1)と、同程度のゼーべック(熱起電力)特性が得られることが確認できた。逆に、振動ボールミルで25hメカニカルアロイングした場合(比較例2)では、明らかにゼーベック特性において劣ることが分かる。 As a result, as shown in FIG. 8, it was confirmed that in the example, the Seebeck (thermoelectromotive force) characteristic comparable to that obtained when mechanically alloyed with a planetary ball mill (Comparative Example 1) was obtained. . On the other hand, when mechanical alloying is performed with a vibrating ball mill for 25 hours (Comparative Example 2), it can be seen that the Seebeck characteristics are clearly inferior.
ゼーベック係数は、ヘリウムで満たした100℃の炉内に棒状の試料(2×2×9mm)をその両端に温度差を与え、試料の両端で発生する熱起電力と温度差との関係から計測した。 The Seebeck coefficient is measured from the relationship between the thermoelectromotive force generated at both ends of a sample and a temperature difference between the ends of a rod-shaped sample (2 × 2 × 9 mm) in a 100 ° C furnace filled with helium. did.
なお、ゼーベック係数は、同一組成の原料を用いて、遊星ボールミルによりメカニカルアロイングを行った場合、図6に示す如く、処理時間に比例することを実験的に確認している。 It has been experimentally confirmed that the Seebeck coefficient is proportional to the processing time as shown in FIG. 6 when mechanical alloying is performed by a planetary ball mill using raw materials having the same composition.
すなわち、粉砕処理(メカニカルアロイング)時間を長くすることにより、粒子が細かくなるとともに合金混合系の均一化が進行し、結晶化が早くなり目的結晶構造が得やすくなることによりゼーベック係数が増大するものと推定される。 That is, by increasing the pulverization (mechanical alloying) time, the particles become finer and the alloy mixing system becomes more uniform, the crystallization is accelerated and the target crystal structure is easily obtained, thereby increasing the Seebeck coefficient. Estimated.
すなわち、本発明におけるメカニカルアロイングの原理は、遊星ボールミルにおける図7を示すものと同様で、下記の如くであると考えられる。 That is, the principle of mechanical alloying in the present invention is the same as that shown in FIG. 7 in the planetary ball mill, and is considered as follows.
1)2種以上の金属粉末52が粉砕媒体(ボール)54によって伸ばされながら、混ざり合いフレーク状になる。
1) Two or more kinds of
2)フレーク状の粉末が重なり合いながら引き伸ばされ、微細なラメラ組織化する。 2) The flaky powder is stretched while overlapping, forming a fine lamellar texture.
3)破砕と結合を繰り返し、均質化する。 3) Repeat crushing and bonding to homogenize.
4)非平衡状態の合金となり、凝集粒(扁平球状)を形成する。 4) It becomes a non-equilibrium alloy and forms agglomerated grains (flat spheres).
12・・・粉砕筒(粉砕容器)、
14・・・偏心シャフト(クランク)
14a・・・大径部(クランク腕)
14b・・・小径部(クランク軸)
52・・・金属粉末
54・・・粉砕ボール
12 ... Grinding cylinder (grinding container),
14 ... Eccentric shaft (crank)
14a ... Large diameter part (crank arm)
14b ... Small diameter part (crankshaft)
52 ...
Claims (6)
前記粉砕機として、公転(旋回)により振動を発生させる旋回方式粉砕装置を使用することを特徴とするメカノケミストリー処理の方法。 A method for producing a chemically modified product (product) by subjecting one or more kinds of granular raw materials to a pulverizer equipped with a pulverization cylinder charged with a pulverization medium and pulverizing and mechanochemistry treatment. ,
A mechanochemistry processing method, characterized in that a swirling crusher that generates vibration by revolution (turning) is used as the grinder.
加速度数(G)=
1/9.8(ms-2)×片振幅(旋回半径)(m)×(2π×振動数(min-1)×60(s-1))2 As the granular raw material, one having a particle size of 100 to 1000 μm is used, and the swirl type pulverizer is operated under operating conditions of a rotational speed of 500 to 1800 min −1 and an acceleration number (G) represented by the following formula is 10 3. The method of mechanochemistry treatment according to claim 2, wherein the inorganic composite material having a particle size of 10 to 100 [mu] m is obtained as a product by using ultra-32G.
Acceleration number (G) =
1 / 9.8 (ms -2 ) x single amplitude (turning radius) (m) x (2π x frequency (min -1 ) x 60 (s -1 )) 2
前記粉砕筒内に気体を供給する給気手段、及び/又は、前記粉砕筒内を減圧状態とする減圧手段、並びに、粉砕筒温調手段を備え、メカニカルアロイング可能としたことを特徴とする旋回方式のボールミル粉砕機。
A swirl type ball mill pulverizer comprising a pulverization cylinder and a vibration generator for generating vibration by revolving (turning) the pulverization cylinder,
An air supply means for supplying gas into the pulverization cylinder, and / or a decompression means for reducing the pressure inside the pulverization cylinder, and a pulverization cylinder temperature control means, are characterized by being capable of mechanical alloying. A swivel ball mill.
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