JP2012000592A - 高温溶湯のガスアトマイザー - Google Patents

Abstract

【解決課題】金属などの高温溶湯を高圧のガスにより噴霧、微粒化して成形体を製造するに当って、機械的性質に優れた高品質の成形体を高い歩留で得るためのガスアトマイザーを提供すること。
【解決手段】流下する高温溶湯（Ｓ）を高圧ガスにより噴霧、微粒化して成形体（５）を製造するガスアトマイザー（Ａ）において、前記高温溶湯流（Ｓ）を包囲する高圧ガス室（ＧＲ）と、この高圧ガス室（ＧＲ）の下部内側に連通して配設された噴霧用ノズル（ＡＮ）と、同高圧ガス室（ＧＲ）の下部外側に連通して配設された冷却用ノズル（ＣＮ）とからなることを特徴とする高温溶湯のガスアトマイザー（Ａ）。
【選択図】図１

Description

本発明は金属などの高温溶湯を高圧のガスにより噴霧、微粒化して成形体を製造するためのガスアトマイザーに関する。

ガスアトマイザーを利用して高品質の金属成形材料（成形体）を製造する方法としてスプレイフォーミング法が知られている。

このスプレイフォーミング法は、一般に、図３に示すように、坩堝（１）内で高周波溶解機（２）によって溶解された高温の金属（その合金を含む）溶湯（３）を、坩堝下部の溶湯ノズル（４）により垂直下方に流下させ、この溶湯流（Ｓ）にこれを包囲するように設けられたガスアトマイザー（Ａ）から高圧のガスを噴射、衝突させてこれを微粒化すなわち微細な溶湯液滴に噴霧化し、且つこれを急速に冷却して下方に位置するコレクター（６）上に順次、堆積、凝固させて金属成形体（５）を製造するものである。この方法によれば、旧来の溶解・鋳造法などでは得られない緻密で均質な材料組織を有する成形体が得られるため強度、硬さや加工性などの機械的性質を大幅に改善することができ、過酷な環境化で使用される各種の構造材や機器、部品などの金属製品を対象とした中間素材の製造法として注目されている。

このガスアトマイザー（Ａ）は図４のように、溶湯流（Ｓ）の全周を包囲する環状の高圧ガス室（ＧＲ）が設けられ、この高圧ガス室の下部に、溶湯流（Ｓ）に向けて斜め下方に傾斜した複数の噴霧ノズル（Ｎ）が同ガス室（ＧＲ）の環状に沿って配設された構造となっている。

ところで、構造材などに使われる成形体の製造においては、金属製品の用途に応じて成形体（５）として一定の硬さや強度などの機械的性質が要求されるが、これらは主に上記溶湯流（Ｓ）の冷却速度に強く依存するため、所望の機械的性質を満足する成形体を得るに当っては、この冷却速度を制御してやる必要がある。そして、より高い硬度、強度を成形体（５）に付与する場合は、溶湯流（Ｓ）の冷却速度を大きくすることが実施されている。

一方、成形体（５）の製造に際しては、上記機械的性質の確保と同時に、生産性を高め、製造コストを下げるため成形体の歩留を向上させることが重要となる。この成形体（５）の歩留は前記コレクター（６）上に既に堆積した成形体上への、微粒化された溶湯液滴の付着量によって決まり、この付着量は溶湯液滴の状態、とりわけその固相率に支配されることになる。すなわち、溶湯液滴がよく冷却され、温度が低い場合はこの液滴の固相率が増加してその硬度が高い状態となるため、すでに堆積した成形体上に落下したときにその反発力によりはじかれる現象（図３の成形体上の矢印で示した溶湯液滴の落下、反発の様子を参照）が生じてコレクター（６）の外側に飛散、逸出する割合が大きくなり、成形体（５）上への付着量が減り、この結果、成形体の歩留が悪化することになる。

以上の理由から、図４に示す構造のガスアトマイザー（Ａ）を用いたスプレイフォーミング法では、硬度や強度の高い成形体を得るために噴霧ズル（Ｎ）による高圧ガス（Ｇ）の量を増加させ、冷却速度を大きくして溶湯流の微粒化を行った場合には、微粒化が促進されるとともに溶湯液滴が急冷され、所望の機械的性質を実現できるものの、冷却速度の増大に伴なう溶湯液滴の温度低下が大きくなり、その固相率が増加して成形体の歩留が悪化し、生産性の低下及びコストの上昇を招く問題が生じる。逆に、成形体の歩留を向上させるために、高圧ガス（Ｇ）の量を減少させると、溶湯の冷却速度が小さくなって上記所望の機械的性質を備えた成形体を得ることが困難となる。

つまり、図４の一種類の噴霧ノズル（Ｎ）を使用する限り、溶湯の冷却速度の制御は成形体の機械的性質と歩留に対してトレードオフの関係となり、両者を同時に改善、向上させることができないことになる。

従来、このスプレイフォーミング法による歩留の改善を目的としたものに特許文献１などがある。この技術はガスアトマイザーにより金属溶湯流を微粒化するガスジェット流の衝突点近傍直下に金属粒子流偏向器を配設し、この偏向器内に微粒化後の金属粒子流を通過させ、コレクター上に落下させるもので、これによりガスジェット流の衝突に伴ってコレクターの堆積面の外側に拡散する金属粒子の一部をも強制的に捕集して成形体の歩留を向上させようとするものである。しかし、この技術はガスジェット流の衝突によってコレクター外に拡散する金属粒子をコレクター上に落下させる方法を工夫したに過ぎず、前記した成形体の機械的性質を確保するために冷却速度の増加させた場合に、必然的に生じる溶湯液滴の固相率の増加による歩留の低下を改善することはできない。また、金属粒子流偏向器に噴霧後の金属粒子の液滴が通過する際、平滑な材料でこれを構成したとしても偏向器内に液滴が付着、凝集して閉塞する現象を確実に回避することが困難であり、頻繁にこの偏向器を交換しなければならないなど、反って成形体の生産性を阻害する恐れがあり、実用に適する技術とはいえない。

この他、歩留に関連するガスアトマイザーの構造の改良に関する従来技術も特許文献２や３などに提案されてはいるが、これらは主に溶湯の微粒化によって得られる金属粒子などの粒度分布を所定の範囲に調整するもので、やはり、冷却速度の増加に伴う溶湯液滴の固相率の増加による歩留の低下を防止できるものではない。

特開平４−４１０６３号公報 特開昭６２−２４４８１号公報 特開平９−１０９０３０号公報

本発明は、上述した金属などの高温溶湯を高圧のガスにより噴霧、微粒化して成形体を製造するに当って、機械的性質に優れた高品質の成形体を高い歩留で得るためのガスアトマイザーを提供することをその課題としてなされたものである。

本発明は、上記課題を解決するための具体的手段として、以下のガスアトマイザーを提案する。
（１）流下する高温溶湯を高圧ガスにより噴霧、微粒化して成形体を製造するガスアトマイザーにおいて、前記高温溶湯の流れを包囲する高圧ガス室と、この高圧ガス室の下部内側に連通して配設された噴霧用ノズルと、同高圧ガス室の下部外側に連通して配設された冷却用ノズルとからなることを特徴とする高温溶湯のガスアトマイザー（請求項１）。
（２）前記冷却用ノズルが高温溶湯の流れの向きと平行して下向きに配設されたものである前記（１）に記載の高温溶湯のガスアトマイザー（請求項２）。
（３）前記冷却用ノズルがラバ−ルノズル形状を有したものである前記（１）または（２）に記載の高温溶湯のガスアトマイザー（請求項３）。
（４）前記高圧ガス室が環状を有し、前記噴霧用ノズル及び冷却用ノズルが高圧ガス室の環状に沿って同心円周上に複数個配設されたものである前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高温溶湯のガスアトマイザー（請求項４）。
（５）前記高温溶湯が金属である前記（１）〜（４）のいずれかに記載の高温溶湯のガスアトマイザー（請求項５）。
（６）前記（５）に記載のガスアトマイザーがスプレイフォーミング法による金属成形体の製造に適用されるものであるガスアトマイザー。

本発明のガスアトマイザーによれば、硬度、強度などの機械的性質に優れた高品質の成形体を高い歩留で製造することができる。しかも、高圧ガスの全体の使用量を減少させることができ、従って、高い生産性のもとに成形体の品質を向上させ且つ製造コストを下げることができるという優れた効果を奏する。

本発明ガスアトマイザーの実施形態における縦断面及び平面を示した概要図。 本発明ガスアトマイザーの他の実施形態を示した一部断面斜視図。 スプレイフォーミング法による金属成形体の製造装置の概略図。 従来の一般的なガスアトマイザーの構造を示した縦断面図。

本発明について、その実施形態を中心に図面を参照しながら以下に詳述して行くことにする。

図１は本発明ガスアトマイザー（Ａ）の典型的な実施形態に係る概要図であり、図の上側がその縦断面、下側がその平面を示している。

本発明のガスアトマイザーは図示のように、高圧ガス室（ＧＲ）と、これに連通して設けられた２種類のノズル、すなわち噴霧用ノズル（ＡＮ）及び冷却用ノズル（ＣＮ）とで構成されている。高圧ガス室（ＧＲ）は、図３で示した坩堝１から溶湯ノズル４を介して垂直下方に排出、流下する金属の溶湯流Ｓの全周を包囲するように設置された環状構造を有したものである。

噴霧用ノズル（ＡＮ）はこの高圧ガス室（ＧＲ）の下部の内側、つまり溶湯流Ｓ側に設けられ、同ガス室（ＧＲ）の環状に沿ってその複数（図の場合は１２個）が溶湯流Ｓを中心とする円周上に等間隔で配置されている。また、この複数の噴霧用ノズル（ＡＮ）はその向きがそれぞれ溶湯流Ｓのアトマイズ点（衝突点）Ｐに向かって溶湯流Ｓと一定の角度（１０〜 ２０°）を成して傾斜した状態で配設されている。同噴霧用ノズル（ＡＮ）の形状はそのガスの入口から出口にかけて開孔径が一定した通常の短いストレートノズルである。

冷却用ノズル（ＣＮ）は同高圧ガス室（ＧＲ）の下部の外側、つまり溶湯流（Ｓ）と反対側に設けられ、ガス室（ＧＲ）の環状に沿ってその複数（図の場合は１２個）が噴霧用ノズル（ＡＮ）と同心円周上に等間隔で配置されている。この冷却用ノズル（ＣＮ）の向きは、噴霧用ノズル（ＡＮ）とは異なり、溶湯流（Ｓ）に対して平行に、すなわち垂直下方向となるように配設されている。また、この冷却用ノズル（ＣＮ）の形状は、高圧ガス室（ＧＲ）との境界となるガスの入口（Ｘ）の開孔径が小さく絞られ、その出口（Ｙ）に向かうに従って開孔径が拡大したラッパ状を呈する長めのもので、いわゆるラバールノズルと呼ばれているものである。

そして、冷却用ノズル（ＣＮ）の出口の開孔径は噴霧用ノズル（ＡＮ）のそれより大きめに形成されており、噴霧用ノズル（ＡＮ）と冷却用ノズル（ＣＮ）の開孔面積比は好ましくは１：１〜１：１．２の範囲とする。これは、スプレイフォーミング法への適用例についての以下の説明からも理解されるように、１：１未満になると成形体の冷却が不足して、機械的性質の優れた成形体が得れがたくなると共に歩留が低下することになり、また、１：１．２を超えると溶湯の微粒化が不十分になり、成形体の品質を損なうことになって望ましくないからである。

かかる構造のガスアトマイザー（Ａ）をスプレイフォーミング法による金属成形体の製造に適用した場合の作用（機能）及び効果などについて以下に説明する。高圧ガス源（図示しない）から高圧ガス室（ＧＲ）にＡｒやＮ_２などの高圧ガス（Ｇ）を所定の流量で供給すると、高圧ガス室（ＧＲ）内の高圧ガス（Ｇ）は両ノズルの出口の開孔面積比に比例してガス量が分配されて、噴霧用ノズル（ＡＮ）と冷却用ノズル（ＣＮ）の両方から噴出される。

噴霧用ノズル（ＡＮ）から噴出された噴霧ガス（Ｇ１）は流下する金属の溶湯流（Ｓ）にそのアトマイズ点（Ｐ）において衝突し、微粒化される。微粒化された溶湯液滴はその下方に設けられたコレクター（６）（図３参照）上に落下、堆積する。

一方、冷却用ノズル（ＣＮ）から噴出された冷却ガス（Ｇ２）はラバールノズルの作用により音速以上の超高速に加速された状態でその垂直下方に向かって流れ、瞬時にコレクター（６）に到達し、コレクター（６）に上に落下、堆積された成形体を冷却する。この冷却用ノズル（ＣＮ）による冷却ガス（Ｇ２）のガス流は、溶湯流（Ｓ）から離れた外側の位置を流下し、且つその内側の噴霧ガス（Ｇ１）のガス流によりカーテン状に遮断された状態となるため、溶湯流（Ｓ）の顕熱による影響をほとんど受けることなく、低温を維持したままでコレクター（６）上に堆積される成形体（５）に到達し、これを直接且つ効率的に冷却することができる。

このように、本発明のガスアトマイザー（Ａ）は、溶湯の微粒化を行う噴霧用ノズル（ＡＮ）と成形体の冷却を行う冷却用ノズル（ＣＮ）が高圧ガス室（ＧＲ）に連通して併設された構成となっているため、高硬度、高強度の成形体が要求される場合においても従来の噴霧ノズル単独で微粒化と冷却を行う構成のように、高圧ガス（Ｇ）の全体のガス供給量を増加させることなく、成形体の冷却速度を大きくできるとともに溶湯の微粒化時の冷却速度を小さくでき、従って、所望の機械的性質を有する成形体を歩留よく製造することができる。すなわち、冷却用ノズル（ＣＮ）の出口開孔面積を噴霧用ノズル（ＡＮ）のそれより相対的に大きくすれば冷却用ノズル（ＣＮ）から噴出されるガス流量が増大し、同時に噴霧用ノズル（ＡＮ）から噴出されるガス流量は減少するので、成形体の冷却速度が大きくなり、その機械的性質は向上し、一方、微粒化時の冷却速度は小さくなり、溶湯液滴の温度低下が抑制されるためにその固相率が低く維持され、その結果、コレクター（６）上に既に堆積された成形体上への落下に際して衝突による反発力が小さくなり、その付着量が増大することになるからである。

また、高圧ガス（Ｇ）の全体の供給量を従来と同量とした場合に、機械的性質などの要求レベルがさらに厳しくなるなど、両ノズルの出口開孔面積の調整だけでは冷却用ノズル（ＣＮ）に分配する冷却ガス（Ｇ２）の流量を大きくできても、これに伴って噴霧用ノズル（ＡＮ）による溶湯の微粒化に必要な噴霧ガス（Ｇ１）の流量が十分に確保できなくなり、微細で均一な組織が得られず、返って成形体の機械的性質が損なわれる恐れが生じる。こうした場合においても、本発明のガスアトマイザーによれば、全体の供給量を必要量増加させることによって、噴霧ガス（Ｇ１）の流量を下げずに十分に確保した状態で、冷却用ノズル（ＣＮ）に分配する冷却ガス（Ｇ２）の流量をさらに増加させることができるため、やはり要求に見合った高品質の成形体を歩留よく製造することが可能となる。
従って、本発明によると、従来に比べて全体のガス供給量（使用量）少なくして機械的性質の優れた成形体を高い歩留で製造することができ、製品品質及び製造コストの両面において極めて有利な効果を奏するものである。

また、本発明のガスアトマイザーは従来のアトマイザーに冷却用ノズル（ＣＮ）を付設した比較的簡易な構造であるため、低コストで容易に製作できる利点もある。
さらに、本実施形態の如く、冷却用ノズル（ＣＮ）を溶湯流Ｓと平行した垂直下向きに設定することで、噴霧ガス（Ｇ１）と、流溶湯流Ｓ側に向けて傾斜した噴霧用ノズル（ＡＮ）からの冷却ガス（Ｇ１）との相互干渉を排除してそれぞれ効率的に溶湯の微粒化と成形体の冷却を促進することができる。

また、冷却用ノズル（ＣＮ）としてラバールノズルを採用することにより、成形体の冷却を強化でき、機械的性質がより優れた成形体を容易に得ることができる。

次に、図２は本発明ガスアトマイザー（Ａ）の他の実施形態に係る一部断面斜視図である。同図において符号の名称は図１と同じで、この実施形態は複数本の溶湯流Ｓ（図の場合は３本）を同時に微粒化し、及び冷却して複数個の成形体を製造する際に適したものである。ガスアトマイザーは図１と同様に高圧ガス室（ＧＲ）と、これに連通して設けられた２種類のノズル、すなわち噴霧用ノズル（ＡＮ）及び冷却用ノズル（ＣＮ）とで構成されている。高圧ガス室（ＧＲ）は、図示のように垂直下方に排出、流下する金属の３本の溶湯流Ｓを両側から包囲するように設置された一対の直方体状の構造を呈したものである。そして、噴霧用ノズル（ＡＮ）及び冷却用ノズル（ＣＮ）はいずれも高圧ガス室（ＧＲ）と同じ長さのスリット構造を有しており、それぞれ一対が高圧ガス室（ＧＲ）の下部の内側及び外側に位置して同ガス室の長さ方向に沿って直線的に配設されている。この一対の噴霧用ノズル（ＡＮ）はスリット幅が一定した通常の短いスリットノズルであり、一方、冷却用ノズル（ＣＮ）は高圧ガス室（ＧＲ）側の入口Ｘのスリット幅が小さく絞られ、その出口Ｙに向かうに従ってスリット幅が拡大した縦断面がラッパ状を呈する長めのもので、やはりラバールノズル形状を有したものである。また、この一対の噴霧用ノズル（ＡＮ）はその向きがそれぞれ３本の溶湯流Ｓのアトマイズ点（衝突点）Ｐに向かって溶湯流Ｓと一定の角度（１０〜２０°）を成して傾斜した状態で配設されている。さらに、一対の冷却用ノズル（ＣＮ）の向きは、噴霧用ノズル（ＡＮ）とは異なって溶湯流Ｓに対して平行に、すなわち垂直下方向となるように配設されている。

このスリット構造を備えた、噴霧用ノズル（ＡＮ）と冷却用ノズル（ＣＮ）の出口のスリット幅は冷却用ノズル（ＣＮ）の方が大きく形成されており、噴霧用ノズル（ＡＮ）と冷却用ノズル（ＣＮ）の出口におけるスリット開孔面積比は図１の実施形態と同様に、また同様な理由により、好ましくは１：１〜１：１．２の範囲とする。この実施形態のガスアトマイザーをスプレイフォーミング法による金属成形体の製造に適用した場合についての作用（機能）及び効果などについては既に図１で述べた内容と同じであるためその説明は割愛する。

以上の本発明ガスアトマイザーの実施形態などの説明においてはスプレイフォーミング法による成形体の製造への適用を中心に述べたが、これに限らず、スプレイキャスティング法、ラピッドプロトタイピング法などによる各種成形体の製造に用いるガスアトマイザーとしても同様に適用できるものである。

また、成形体の材料としては、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ，Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ，Ｃｕなどの各種の金属（含む合金）、セラミックスに有用であるが、溶湯流にガスを噴射、衝突させて微粒化し、これを堆積させて成形体となし得るものであれば如何なる材料にも本発明ガスアトマイザーを使用することができる。

Ａ；ガスアトマイザー Ｓ：溶湯流 Ｐ：アトマイズ点 Ｇ：高圧ガス
Ｇ１：噴霧ガス Ｇ２：冷却ガス ＧＲ：高圧ガス室 ＡＮ：噴霧用ノズル
ＣＮ：冷却用ノズル Ｘ：ガスの入口 Ｙ：ガスの出口
１：坩堝 ２：高周波溶解機 ３：溶湯 ４：溶湯ノズル ５：成形体
６：コレクター

Claims (6)

1. 流下する高温溶湯を高圧ガスにより噴霧、微粒化して成形体を製造するガスアトマイザーにおいて、前記高温溶湯の流れを包囲する高圧ガス室と、この高圧ガス室の下部内側に連通して配設された噴霧用ノズルと、同高圧ガス室の下部外側に連通して配設された冷却用ノズルとからなることを特徴とする高温溶湯のガスアトマイザー。
2. 前記冷却用ノズルが高温溶湯の流れの向きと平行して下向きに配設されたものである請求項１に記載の高温溶湯のガスアトマイザー。
3. 前記冷却用ノズルがラバ−ルノズル形状を有したものである請求項１または２に記載の高温溶湯のガスアトマイザー。
4. 前記高圧ガス室が環状を有し、前記噴霧用ノズル及び冷却用ノズルが高圧ガス室の環状に沿って同心円周上に複数個配設されたものである請求項１〜３のいずれかに記載の高温溶湯のガスアトマイザー。
5. 前記高温溶湯が金属である請求項１〜４のいずれかに記載の高温溶湯のガスアトマイザー。
6. 前記請求項５に記載のガスアトマイザーがスプレイフォーミング法による金属成形体の製造に適用されるものであるガスアトマイザー。