JP2019019348A - 金属粉末製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末の粒径のコントロールが容易になる金属粉末製造装置を提供する。
【解決手段】金属粉末製造装置１０は、溶融金属Ｍを流下する供給手段１２と、供給手段１２で流下された溶融金属Ｍにフレームジェット３０を噴射して溶融金属Ｍを加熱し、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを生成するジェットバーナー１４と、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐに水を噴射させる噴射ノズル５０と、流下する溶融状態の金属粉末Ｍｍｐに対する冷却媒体の噴射位置を変更することを可能とする分岐通路４６Ａ〜Ｅを備えた冷媒供給部材３６と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属粉末を製造する金属粉末製造装置に関する。

従来、金属粉末を製造する装置として、アトマイズ法が広く用いられている。アトマイズ法として、溶融金属にガスジェットを噴射して溶融金属を微細な溶滴に分断し、冷却することにより金属粉末を製造するガスアトマイズ法を用いた金属粉末製造装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−２７１７１９号公報

従来の金属粉末製造装置では、装置構成や製造条件を決めてしまうと、得られる金属粉末の粒径が決まってしまう。装置構成や製造条件等を変更することで、金属粉末の粒径を変更することは可能と思われるが、装置構成や製造条件等を変更することは煩雑であり、製造する金属粉末の粒径を容易にコントロール可能な金属粉末製造装置は考えられていなかった。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたもので、金属粉末の粒径のコントロールが容易な金属粉末製造装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の金属粉末製造装置は、溶融金属を流下する供給手段と、前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、を有する。

請求項１に記載の金属粉末製造装置では、供給手段から流下された溶融金属に対して、燃焼炎噴射手段から燃焼炎が噴射されることで、溶融した金属が粉砕され、溶融状態の金属粉末となる。即ち、溶融金属を燃焼炎で加熱して粘度を下げて粉砕するため、溶融金属にガスや水を噴射して冷却すると共に粉砕する場合と比較して、溶融金属をより粉砕することができる。

そして溶融状態の金属粉末は、流下して、噴射ノズルから噴射された冷却媒体で急冷されたアモルファス状態の金属粉末となる。

ここで、請求項１の金属粉末製造装置では、溶融金属を燃焼炎で加熱して粉砕するが、燃焼炎の噴射方向の下流に行くに従って徐々に粉砕化が進む。

即ち、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、溶融金属を水またはガスで冷却すると共に粉砕を行うため、溶融金属は粉砕直後に固化して金属粉末となってしまうため粉砕化が進行しないが、請求項１の金属粉末製造装置では、燃焼炎で粉砕した後も粉砕化が進行するため、加熱された粉砕直後の溶融状態の金属粉末に比較して、粉砕位置から下流側に離れた位置の金属粉末の粒径を小さくすることができる。

ここで、噴射ノズル変更手段は、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を変更することができるので、例えば、粉砕直後の溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射して冷却固化すれば、比較的粒径の大きな固化した金属粉末を得ることができ（但し、水アトマイズ法やガスアトマイズ法よりは粒径は小さい）、粉砕位置から離れた位置で溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射して冷却固化すれば、さらに微細化された比較的粒径の小さな固化した金属粉末を得ることができる。
このようにして、請求項１に記載の金属粉末製造装置では、溶融状態の金属粉末に対する冷却媒体の噴射位置を変更するという簡単な作業で、固化した金属粉末の粒径を簡単にコントロールすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の金属粉末製造装置において、前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられ、前記冷却媒体が供給される冷媒供給部材と、前記冷媒供給部材に上下方向に複数形成され、前記冷却媒体が吹き出すと共に前記噴射ノズルが着脱可能な噴射口と、を備えている。

請求項２に記載の金属粉末製造装置では、冷媒供給部材に形成された噴射口の何れかに噴射ノズルを装着する。即ち、噴射ノズルを装着する噴射口を選択することで、流下する溶融状態の金属粉末に対し、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を容易に変更することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の金属粉末製造装置において、前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルを昇降させる昇降手段である。

請求項３に記載の金属粉末製造装置では、噴射ノズルが昇降装置で昇降され、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を容易に変更することができる。また、冷却媒体の噴射位置を連続的に移動することができ、金属粉末（固化している）の粒径を連続的にコントロールすることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の金属粉末製造装置において、前記噴射ノズル変更手段は、前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルの噴射角度を変更する噴射角度変更手段である。

請求項４に記載の金属粉末製造装置では、噴射角度変更手段によって噴射ノズルの噴射角度を変更し、噴射ノズルから噴射される冷却媒体の噴射位置を容易に変更することができる。また、冷却媒体の噴射位置を連続的に移動することができ、金属粉末（固化している）の粒径を連続的にコントロールすることが可能となる。

本発明の金属粉末製造装置は上記の構成としたので、金属粉末の粒径のコントロールが容易になる、という優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係る金属粉末製造装置の上部を拡大した縦断面図である。 図１に示す金属粉末製造装置の３−３線断面図である。 冷媒供給部材の一部を拡大した断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る金属粉末製造装置を示す縦断面図である。

［第１の実施形態］
図１乃至図４にしたがって、本発明の第１の実施形態に係る金属粉末製造装置１０を説明する。
図１には、本発明の第１の実施形態に係る金属粉末製造装置１０の概略構成が示されている。図１に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０は、溶融した金属Ｍを供給する供給手段１２、溶融した金属Ｍを一次粉砕して溶融状態の金属粉末Ｍｍｐとする、即ちアトマイズするジェットバーナー１４、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを冷却して固化した金属粉末Ｍｓｐを得る冷却筒１８等を含んで構成されている。

供給手段１２は、溶融金属Ｍを収納する容器２０を備えている。容器２０の外周側には、金属を加熱溶融するための高周波コイル２２が配置されている。供給手段１２は、容器２０の底面下方の中央に、容器２０の内部に連通する注湯ノズル２４を有しており、容器２０の内部に収納した溶融金属Ｍを注湯ノズル２４から下方に流出可能となっている。

図２に示すように、ジェットバーナー１４は、注湯ノズル２４の下側に配置されており、中央に溶融金属Ｍを流下させる円錐状の通路部１５が形成されている。なお、ジェットバーナー１４は、フランジ部１４Ａが、後述する冷却筒１８の閉塞部３４に図示しないボルトで固定されている。

ジェットバーナー１４は、円環状の燃焼室２６と、燃焼炎であるフレームジェット３０を噴射するための燃焼炎噴射口２８を備えている。燃焼炎噴射口２８は、通路部１５の外周側を囲むように、通路部１５の外周側に円環状に形成されている。

本実施形態のジェットバーナー１４は、燃焼室２６の内部において、例えば、空気と炭化水素である灯油とが混合されて燃焼され、燃焼炎噴射口２８から下方内側に向かって、燃焼炎噴射口２８の円周に沿って隙間なくフレームジェット３０を噴射するように構成されている。

本実施形態のジェットバーナー１４は、音速よりも速い速度でフレームジェット３０を噴射可能になっている。ジェットバーナー１４は、供給手段１２の下方で、注湯ノズル２４から供給される溶融金属Ｍの垂下流Ｍａに対してフレームジェット３０で取り囲んで、垂下流Ｍａの一箇所に集中するように、燃焼炎噴射口２８からフレームジェット３０を斜め下方に向かって噴射する。また、ジェットバーナー１４は、注湯ノズル２４から供給される溶融金属Ｍの垂下流Ｍａの外周に沿って隙間なく、均等なジェット圧で、フレームジェット３０を衝突させる。

このように溶融金属Ｍの垂下流Ｍａに対してフレームジェット３０が衝突することで、垂下流Ｍａは粉砕されてアトマイズされた、即ち、霧状とされた微細な溶融状態の金属粉末（固化していない金属微粒子）Ｍｍｐとなる。そして、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐは、フレームジェット３０の流れに乗って鉛直直下に向けて音速よりも速い速度で流下する。なお、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを含んだフレームジェット３０は、ジェットバーナー１４の中心軸ＣＬａの延長線上を流下する。

図１に示すように、冷却筒１８は、ジェットバーナー１４の下方に同軸的に配置されている。冷却筒１８は、円筒部３２、及び円筒部３２の上部を塞ぐ円板状の閉塞部３４を備えている。閉塞部３４は、円筒部３２のフランジ３２Ａに図示しないボルトを用いて固定されている。なお、円筒部３２は、上側が一定径に形成されており、下側が下端に向けて徐々に縮径している。

閉塞部３４の下面には、円筒状の冷媒供給部材３６が取り付けられている。図２、及び図３に示すように、冷媒供給部材３６の内部には、９０度間隔で、縦通路３８が形成されている。縦通路３８の中間部には、冷媒供給部材３６の外周面に向けて延びる横通路４０が接続されている。

横通路４０の冷媒供給部材３６の外周面側の端部には、冷却媒体供給パイプ４２の一端部が接続されている。冷却媒体供給パイプ４２の他端部には、冷却媒体供給装置４４が接続されている。冷却媒体供給装置４４は、ポンプ等を含んで構成されており、後述する噴射ノズル５０から噴射する高圧の冷却媒体Ｗを冷却媒体供給パイプ４２へ供給可能としている。なお、本実施形態では、冷却媒体Ｗとして水が用いられている。

また、縦通路３８には、冷媒供給部材３６の内周面に向けて延びる複数の分岐通路４６Ａ〜４６Ｅが上下方向に間隔を開けて接続されている。

図４に示すように、これら分岐通路４６Ａ〜４６Ｅ（図４では、４６Ｃ，４６Ｄのみ図示）には、冷媒供給部材３６の内周面側の端部（本発明の噴射口）に雌螺子４８が形成されている。雌螺子４８には、噴射ノズル５０の雄螺子部５０Ａ、または閉止ネジ５２の雄螺子部５２Ａが螺合可能となっている。

噴射ノズル５０は、分岐通路４６Ａ〜４６Ｅに連通する通路５３が中心軸ＣＬｂ上に形成されている。図３に示すように、各噴射ノズル５０の中心軸ＣＬｂの延長線は、冷媒供給部材３６の中心軸ＣＬｃと交差するようになっている。なお、各噴射ノズル５０からは、ストレート状の冷却媒体Ｗが水平方向（冷媒供給部材３６の中心軸ＣＬｃと直交する方向）に噴射されるようになっている。これにより、各噴射ノズル５０から噴射された冷却媒体が、中心軸ＣＬｃ上の１点で衝突するようになっている。

図１に示すように、冷却筒１８の下端には、配管５４を介してサイクロン５６が接続されている。

（作用、効果）
以下に本実施形態の金属粉末製造装置１０を用いた金属粉末の製造工程を説明する。
（１） 先ず最初に、噴射ノズル５０を分岐通路４６Ａ〜４６Ｅの何れか一つに接続し、噴射ノズル５０を接続していない分岐通路４６Ａ〜４６Ｅには、閉止ネジ５２を接続して塞ぐ（図４参照）。

（２） サイクロン５６のブロアを起動し、噴射ノズル５０から高圧の冷却媒体Ｗを噴射する。

（３） ジェットバーナー１４の燃焼炎噴射口２８から音速よりも速い速度でフレームジェット３０を噴射する。

（４） 容器２０の内部に金属材料を投入し、金属材料を高周波コイル２２で加熱溶融して溶融金属Ｍとし、溶融金属Ｍを注湯ノズル２４から垂下流Ｍａとして鉛直下方に流出させる。垂下流Ｍａに対して、ジェットバーナー１４の燃焼炎噴射口２８から音速よりも速い速度でフレームジェット３０が噴射されると、垂下流Ｍａは粉砕され、アトマイズされた、即ち、霧状とされた微細な溶融状態の金属粉末（固化していない溶融している高温の金属微粒子）Ｍｍｐとなる。

溶融金属Ｍは、ガスアトマイズ法や、水アトマイズ法で粉砕に用いるガスや水よりも高速で噴射される燃焼炎であるフレームジェット３０で加熱され、粘度が低下した状態で粉砕される。即ち、溶融金属Ｍは、ガスや水を噴射して冷却と粉砕とを同時に行わないため、粒径の小さい、即ち微細な溶融状態の金属粉末Ｍｍｐとなる。

フレームジェット３０で霧状とされた微細な溶融状態の金属粉末Ｍｍｐは、フレームジェット３０と共に音速よりも速い速度で流下し、噴射ノズル５０から噴射された水により急冷されて固化し、微細な固化したアモルファス化した金属粉末Ｍｓｐとなる。

なお、噴射ノズル５０から高圧で噴射された冷却媒体である水を、流下するフレームジェット３０の中心に向けて突入させるが、水が即時に気化し、乾燥した金属粉末Ｍｓｐが得られるように、噴射する水の量を設定することが好ましい。これにより、後工程で、水で湿潤した金属粉末Ｍｓｐを乾燥する乾燥工程を省くことができる。

このようにして微細に粉砕された溶融状態の金属粉末Ｍｍｐが固化することで得られた微細な金属粉末Ｍｓｐは、配管５４を介してサイクロン５６に吸引されて回収される。

ところで、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、溶融金属Ｍを高速のフレームジェット３０で加熱して粉砕するが、粉砕された溶融状態の金属粉末Ｍｍｐは、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法とは異なり、粉砕後であってもある程度の時間は溶融状態を保つことができ、流下するに従って徐々に粉砕化を進ませることができる。

即ち、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、溶融金属を水またはガスで冷却と共に粉砕を行うため、溶融金属は粉砕直後に固化して比較的粒径の大きな金属粉末となってしまうが、本実施形態では、加熱された粉砕直後の溶融状態の金属粉末Ｍｍｐは粒径が比較的大きいが（但し、水アトマイズ法やガスアトマイズ法よりは粒径は小さい）、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐは高速で流下するに従って粉砕が進み微細化する。したがって、粉砕直後の金属粉末Ｍｍｐの粒径に比較して、粉砕位置から下流側に離れた位置の金属粉末Ｍｍｐの粒径は小さくなる。

本実施形態の金属粉末製造装置１０では、噴射ノズル５０を分岐通路４６Ａ〜４６Ｅの何れかに接続することで、噴射ノズル５０とジェットバーナー１４との距離、即ち、破砕位置から冷却位置までの距離を変更することができる。例えば、上側の分岐通路４６Ａに噴射ノズル５０を接続すれば、噴射ノズル５０とジェットバーナー１４との距離が近くなり、下側の分岐通路４６Ｅに噴射ノズル５０を接続すれば、噴射ノズル５０とジェットバーナー１４との距離が遠くなる。

上側の分岐通路４６Ａに噴射ノズル５０を接続すれば、噴射ノズル５０とジェットバーナー１４との距離が近くなるので、粉砕直後で粉砕化が比較的進んでいない溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを冷却水で急冷して固化させてそれ以上の破砕を止めることができるので、比較的粒径の大きな固化した金属粉末Ｍｓｐ（但し、水アトマイズ法やガスアトマイズ法よりは粒径は小さい）を得ることができる。

一方、下側の分岐通路４６Ｅに噴射ノズル５０を接続すれば、噴射ノズル５０とジェットバーナー１４との距離が遠くなるので、粉砕化が進んだ溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを冷却水で急冷して固化させることができるので、比較的粒径の小さな固化した金属粉末Ｍｓｐを得ることができる。

このようにして、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、噴射ノズル５０の取り付け位置を変更するという簡単な作業で金属粉末Ｍｍｐの粒径を簡単にコントロールすることができる。なお、本実施形態では、分岐通路４６Ａ〜４６Ｅの何れかに噴射ノズル５０を取り付けることで、金属粉末Ｍｓｐの粒径を５段階にコントロールすることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る金属粉末製造装置１０ついて説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、ジェットバーナー１４のフランジ部１４Ａ、及び閉塞部３４を貫通するように、複数の空気孔５８がジェットバーナー１４の周方向に間隔を開けて形成されている。

本実施形態の金属粉末製造装置１０では、サイクロン５６のブロアを作動させることにより、冷却筒１８の内部が負圧となるため、外気が空気孔５８を介して冷却筒１８に流入し、フレームジェット３０の外周側に沿うように流下する（矢印Ａ参照）。

ところで、フレームジェット３０（溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを含む）の速度は、当初は音速を超えているが、流下するに従って速度が下がる。フレームジェット３０は、速度が音速を超えている状態では直線状に流下するが、速度が音速よりも下がると徐々に拡がって拡散する傾向になる。

冷却筒１８に流入した外気は、フレームジェット３０の外周を囲むようにしてフレームジェット３０と共に流下するので、音速よりも速度が下がったフレームジェット３０の拡がりを抑制すると共に、フレームジェット３０を安定した状態で流下させることができる。

このようにして、フレームジェット３０を冷却媒体が噴射される上下の位置に関わらず安定した状態で直線状に流下させることができるので、冷却媒体が噴射される上下の位置に関わらず、流下する溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを確実に冷却して固化することが可能となる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る金属粉末製造装置１０ついて説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、冷却筒１８の内部に、円環状に形成された冷媒供給部材６２が配置されている。冷媒供給部材６２の内部には、９０度間隔で４本の横通路６４が形成されている。横通路６４の一端には噴射ノズル５０が接続されており、横通路６４の他端には、フレキシブルホース６６を介して冷却媒体供給パイプ４２が接続されている。本実施形態においても、各噴射ノズル５０から噴射された冷却媒体Ｗが、冷媒供給部材６２の中心軸ＣＬｃ上で衝突するようになっている。

冷却筒１８の上側には、昇降装置としての油圧シリンダー６８が縦に配置されている。油圧シリンダー６８のピストンロッド７０は、閉塞部３４に形成された孔７２を介して冷却筒１８の内部に挿入されており、ピストンロッド７０の先端が冷媒供給部材６２に接続されている。

このため、ピストンロッド７０を上下方向に移動することで、冷媒供給部材６２の高さ位置、即ち、噴射ノズル５０とジェットバーナー１４との距離を連続的に変更することができるため、第１の実施形態の金属粉末製造装置１０よりも金属粉末Ｍｓｐの粒径を細かくコントロールすることができる。
なお、本実施形態では、昇降装置としての油圧シリンダー６８を用いたが、ラックアンドピニオン、送りねじ等の他の昇降装置を用いて冷媒供給部材６２を移動してもよい。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る金属粉末製造装置１０ついて説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０は、冷媒供給部材６２が支柱７４を介して閉塞部３４に固定されている。噴射ノズル５０は、自在継手７６を介して冷媒供給部材６２に取り付けられており、噴射ノズル５０は、上下方向に向きを変更可能となっている。

本実施形態では、噴射ノズル５０の向きを変更することで、流下する溶融状態の金属粉末Ｍｍｐに対して冷却媒体Ｗの噴射位置を上下方向に連続的に変更することができ、前述した第３の実施形態と同様に金属粉末Ｍｓｐの粒径を細かくコントロールすることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

第１〜３の実施形態では、噴射ノズル５０から噴射される冷却媒体Ｗを、溶融状態の金属粉末Ｍｍｐを含んで流下するフレームジェット３０の中心軸（冷媒供給部材３６または冷媒供給部材の中心軸ＣＬｃ）に対して９０度（直角）で噴射したが、９０度以外の角度で噴射してもよい。

なお、冷却筒１８の内部には、例えば、酸素の含まれていないアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを流入させてもよい。これにより、金属の酸化を抑制することができる。また、冷却筒１８の内部に、水素ガス等の還元性のガスを流入させてもよい。

１０ 金属粉末製造装置
１２ 供給手段
１４ ジェットバーナー（燃焼炎噴射手段）
３０ フレームジェット（燃焼炎）
３６ 冷媒供給部材（噴射ノズル変更手段、冷媒供給部材）
４６Ａ〜Ｅ 分岐通路（噴射口）
４８ 雌螺子
５０ 噴射ノズル
６２ 冷媒供給部材（噴射ノズル変更手段、冷媒供給部材）
７２ 油圧シリンダー（昇降装置）
７６ 自在継手（噴射ノズル変更手段、噴射角度変更手段）
Ｗ 冷却水（冷却媒体）
Ｍ 溶融金属
Ｍｍｐ 溶融状態の金属粉末

Claims (4)

1. 溶融金属を流下する供給手段と、
   前記供給手段で流下された前記溶融金属に燃焼炎を噴射し溶融状態の金属粉末を生成する燃焼炎噴射手段と、
   前記溶融状態の金属粉末に冷却媒体を噴射する噴射ノズルと、
   前記噴射ノズルの噴射位置を変更する噴射ノズル変更手段と、
   を有する金属粉末製造装置。
2. 前記噴射ノズル変更手段は、
   前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられ、前記冷却媒体が供給される冷媒供給部材と、前記冷媒供給部材に上下方向に複数形成され、前記冷却媒体が吹き出すと共に前記噴射ノズルが着脱可能な噴射口と、を備えている請求項１に記載の金属粉末製造装置。
3. 前記噴射ノズル変更手段は、
   前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルを昇降させる昇降手段である、請求項１に記載の金属粉末製造装置。
4. 前記噴射ノズル変更手段は、
   前記溶融状態の金属粉末が流下するケーシング内に設けられた前記噴射ノズルの噴射角度を変更する噴射角度変更手段である、請求項１に記載の金属粉末製造装置。