JP2021085064A - 金属粉末製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より微細な金属粉末を効率よく製造可能な金属粉末製造装置を提供すること。【解決手段】流下する溶融金属に流体ジェットを衝突させることにより、金属粉末を製造する金属粉末製造装置であって、中心軸に沿って延在する第１貫通孔と、前記流体ジェットを噴出する噴出部と、を備えるノズル本体と、前記第１貫通孔の内部に設けられ、前記中心軸に沿って延在し、内部を前記溶融金属が流下する第２貫通孔を備えるノズル管と、を有し、前記ノズル管の下端部の外周側面は、前記中心軸を軸とする逆円錐台形の側面に対応する形状をなしており、前記外周側面の前記中心軸に対する半頂角は、１０°以上５０°以下であり、前記ノズル管は、外管と、前記外管の内部に設けられ、前記第２貫通孔を備える内管と、を含む多重構造を有しており、前記外管の構成材料と前記内管の構成材料とが異なっていることを特徴とする金属粉末製造装置。【選択図】図３

Description

本発明は、金属粉末製造装置に関するものである。

特許文献１には、ノズル本体およびノズル本体に付設された筒状の干渉部材を備えるアトマイズノズル装置と、干渉部材の上部に設けられた溶融金属収容容器と、を備える溶融金属アトマイズ装置（金属粉末製造装置）が開示されている。

ノズル本体の下面には、上下方向に延在する中心線を中心とする同心円上に設けられた多数のノズル孔が開口している。ノズル孔からは、不活性ガス等の媒体が噴出するように構成されている。これにより、ガスジェットによるジェットカーテンが形成される。

また、ノズル本体は、中心線に沿って上下方向に貫通する中央孔を備えている。前述した干渉部材は、この中央孔に装着されている。溶融金属収容容器から供給された溶融金属流は、干渉部材内を流下し、ガスジェットによって細かい溶滴に分断される。これにより、金属粉末が製造される。

特開平７−１９７１０９号公報

特許文献１に記載されている干渉部材（ノズル管）は、前述したように筒状をなしているが、その下端面は、水平面と平行な面である。

図７は、従来の金属粉末製造装置が備えるノズル管を示す部分断面斜視図である。図７に示すノズル管９は、円筒状をなしており、ノズル管９の下部では、外側面９１および内側面９２の双方が鉛直軸ＶＡと平行な面であり、一方、下端面９３は、外側面９１と内側面９２とをつなぐ面であって、水平面と平行な面である。

ノズル管９の外側には、ガスジェットＧが流れており、ノズル管９の内部９５を流下した溶融金属流９０は、例えばしずくの状態でノズル管９から離れた後、ガスジェットＧによってさらに分断される。そして、細かく分断された溶融金属が固化することによって金属粉末が得られる。

溶融金属流９０は、ノズル管９の下端にできるだけ近い位置で、ガスジェットＧと衝突させることが好ましい。これにより、溶融金属流９０の温度が高い状態で分断させることができるので、より微細な金属粉末を得ることができる。

ところが、図７に示すノズル管９では、その形状が原因で、ガスジェットＧとノズル管９とが干渉しやすい。干渉が起きると、ノズル管９によってガスジェットＧの流れが乱される。これにより、ガスジェットＧの流速の低下、溶融金属流９０に対するガスジェットＧの衝突点のずれ等が発生し、溶融金属流９０を細かく分断することができない。

また、ガスジェットＧとノズル管９とが干渉することによって、ノズル管９が冷却されやすくなる。このとき、ノズル管９の熱伝導性が高い場合、溶融金属流９０の温度を低下させてしまう。そうすると、溶融金属流９０の粘性が上昇し、ガスジェットＧと衝突したとしても、溶融金属流９０を細かく分断することができない。

本発明の適用例に係る金属粉末製造装置は、
流下する溶融金属に流体ジェットを衝突させることにより、金属粉末を製造する金属粉末製造装置であって、
中心軸に沿って延在する第１貫通孔と、前記流体ジェットを噴出する噴出部と、を備えるノズル本体と、
前記第１貫通孔の内部に設けられ、前記中心軸に沿って延在し、内部を前記溶融金属が流下する第２貫通孔を備えるノズル管と、
を有し、
前記ノズル管の下端部の外周側面は、前記中心軸を軸とする逆円錐台形の側面に対応する形状をなしており、
前記外周側面の前記中心軸に対する半頂角は、１０°以上５０°以下であり、
前記ノズル管は、外管と、前記外管の内部に設けられ、前記第２貫通孔を備える内管と、を含む多重構造を有しており、
前記外管の構成材料と前記内管の構成材料とが異なっていることを特徴とする。

第１実施形態に係る金属粉末製造装置を模式的に示す断面図である。 図１に示すノズル部の拡大図である。 図２のノズル部のうち、ノズル管のみを示す部分断面斜視図である。 図３に示すノズル管を、第２中心軸を含む平面で切断したときの断面図である。 第２実施形態に係る金属粉末製造装置が備えるノズル管の断面図である。 図５のノズル管の変形例を示す断面図である。 従来の金属粉末製造装置が備えるノズル管を示す部分断面斜視図である。

以下、本発明の金属粉末製造装置の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る金属粉末製造装置について説明する。

図１は、第１実施形態に係る金属粉末製造装置を模式的に示す断面図である。なお、図１および後述する各図では、鉛直軸をＶＡとし、各図の上方が鉛直上方である。

図１に示す金属粉末製造装置１は、溶融金属Ｑをアトマイズ法により粉末化した後、冷却固化させ、金属粉末Ｒを得るための装置である。この金属粉末製造装置１は、溶融金属Ｑを供給する溶融金属供給部２と、タンク３と、タンク３内に冷却液Ｓを流出させる冷却液流出部４と、流下する溶融金属Ｑに向けて流体ジェットＪを噴射するノズル部５と、を有している。以下、各部の構成について詳述する。

１．１．溶融金属供給部
図１に示すように、溶融金属供給部２は、有底筒状をなしている。この溶融金属供給部２内には、製造すべき金属粉末の原材料を溶融した溶融金属Ｑが一時的に収容される。溶融金属供給部２は、例えば黒鉛、窒化ケイ素、アルミナ、耐熱鋼等の耐火性材料で構成される。また、溶融金属供給部２の外周は、溶融金属Ｑを加熱して保温するための加熱用コイル６で覆われている。

溶融金属供給部２の底部の中央部には、底部を貫通する吐出口２１が設けられている。この吐出口２１からは、溶融金属供給部２内の溶融金属Ｑが下方に向かって吐出される。

１．２．タンク
溶融金属供給部２の下方には、後述するノズル部５が設けられ、さらにノズル部５の下方にタンク３が設けられている。

図１に示すタンク３は、鉛直軸ＶＡと平行な第１中心軸Ａ１を有する円筒状をなしている。なお、タンク３の第１中心軸Ａ１は、鉛直軸ＶＡに対して傾いていてもよい。また、本明細書において「平行」とは、対象となる線または面とのなす角度が５°以下の状態をいう。

第１中心軸Ａ１を法線とする面で切断したときの、タンク３の内径側の断面形状は、例えば真円、楕円、長円等の円形とされるが、多角形のような円形以外の形状であってもよい。

このような円筒状をなすタンク３の上端は、板状をなす蓋部材７で覆われている。この蓋部材７は、中央部を貫通する貫通孔７１を有している。

タンク３の内部空間３０には、前述した溶融金属供給部２から流下した溶融金属Ｑが後述するノズル部５を介して供給される。溶融金属Ｑは、ノズル部５を経た後、例えば下方に向かう線状の流れを形成しながら蓋部材７の貫通孔７１を通過し、内部空間３０に達する。

また、タンク３の内部空間３０には、ノズル部５から流体ジェットＪが噴射される。噴射された流体ジェットＪは、内部空間３０に流下してきた溶融金属Ｑと衝突する。この衝撃により、溶融金属Ｑは分断され、内部空間３０に多数の液滴Ｑ１を飛散させる。

さらに、タンク３の内部空間３０には、後述する冷却液流出部４から冷却液Ｓが供給される。供給された冷却液Ｓは、内部空間３０の内壁面に沿って流動し、冷却液層Ｓ１を形成する。液滴Ｑ１は、自然落下した後、この冷却液層Ｓ１に接触する。これにより、液滴Ｑ１は急速に冷却され、固化に至る。このようにして金属粉末Ｒが形成される。形成された金属粉末Ｒは、冷却液Ｓとともに、タンク３の下方に設けられた回収容器８に回収される。

１．３．冷却液供給部
冷却液流出部４は、タンク３の上端部に設けられている。冷却液流出部４は、タンク３の内周に沿って設けられた冷却液流出口４１と、冷却液流出口４１に冷却液Ｓを圧送する図示しないポンプと、を備えている。各冷却液流出口４１は、タンク３の内部空間３０の内壁面に沿うように冷却液Ｓを流出させる。流出した冷却液Ｓは、内壁面に沿って冷却液層Ｓ１を形成する。

冷却液Ｓとしては、例えば、水、油等が用いられ、必要に応じて還元剤、酸化防止剤等の各種添加剤が添加されていてもよい。

また、冷却液層Ｓ１を形成する代わりに、冷却液Ｓが貯留された冷却液溜まりが設けられていてもよく、冷却液Ｓのジェットを形成し、そこに液滴Ｑ１が接触するようになっていてもよい。

１．４．ノズル部
ノズル部５は、溶融金属供給部２とタンク３との間に設けられている。ノズル部５は、流下する溶融金属Ｑに向けて流体ジェットＪを噴射する。

図２は、図１に示すノズル部５の拡大図である。図３は、図２のノズル部５のうち、ノズル管５２のみを示す部分断面斜視図である。この図３では、ノズル管５２の一部を切り欠いている。図４は、図３に示すノズル管５２を、後述する第２中心軸Ａ２を含む平面で切断したときの断面図である。なお、図４では、溶融金属Ｑの挙動の一例も併せて図示している。
図２に示すノズル部５は、ノズル本体５１と、ノズル管５２と、を有している。

１．４．１．ノズル本体
ノズル本体５１は、鉛直軸ＶＡと平行に延在する第１貫通孔５１２と、流体ジェットＪを噴出する噴出部５１４と、を備えている。なお、第１貫通孔５１２は、鉛直軸ＶＡに対して傾いていてもよい。

第１貫通孔５１２は、円柱状をなす孔であり、ノズル本体５１の上面から下面までつなぐように、ノズル本体５１を貫通している。第１貫通孔５１２には、後述するノズル管５２が挿入されている。ノズル管５２は、鉛直軸ＶＡと平行な第２中心軸Ａ２に沿って延在する第２貫通孔５２２を備えている。溶融金属Ｑは、この第２貫通孔５２２を流下し、内部空間３０に供給される。

図２に示す第１貫通孔５１２を第２中心軸Ａ２を法線とする面で切断したときの断面形状は、真円であるが、それ以外の形状、例えば楕円、長円、多角形等であってもよい。また、第１貫通孔５１２の内径は、第２中心軸Ａ２に沿って一定であっても、途中で変化していてもよい。

図２に示す噴出部５１４は、流体ジェットＪを噴出する複数の噴出口５１４０を含んでいる。

複数の噴出口５１４０は、第２中心軸Ａ２を中心とする同一の円周上に、好ましくは等間隔で配置されている。図３に示すように、各噴出口５１４０は、その軸Ａ３が、第２中心軸Ａ２上の一点に集束するように構成されている。これにより、各噴出口５１４０から噴出された流体ジェットＪも、第２中心軸Ａ２上の一点に集束する。

図３において、各軸Ａ３と第２中心軸Ａ２とのなす角度をαとするとき、角度αは、１０°以上５０°以下であるのが好ましく、２０°以上４０°以下であるのがより好ましい。これにより、流体ジェットＪの噴出角度を最適化することができる。その結果、流体ジェットＪと衝突した溶融金属Ｑが微細でかつ均一な粒径の液滴Ｑ１となる。なお、角度αが前記下限値を下回ると、溶融金属Ｑを分断し、微細化するためのエネルギーを、流体ジェットＪによって十分に与えられないおそれがある。一方、角度αが前記上限値を上回ると、流体ジェットＪが上方にも飛散しやすくなり、溶融金属Ｑの流下が妨げられるおそれがある。

また、ノズル本体５１は、その内部に設けられ、環状をなすガス室５１６と、ガス室５１６にガスを圧送する図示しないポンプと、を備えている。複数の噴出口５１４０は、それぞれガス室５１６に接続されている。これにより、各噴出口５１４０からは、同じ流量および流速で流体ジェットＪが噴出する。

ノズル本体５１の構成材料は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼のような金属材料、アルミナのようなセラミックス材料等が挙げられる。

流体ジェットＪは、気体または液体のジェットである。気体としては、例えば窒素ガス、アルゴンガスのような不活性ガス、アンモニア分解ガスのような還元性ガス、空気等が挙げられる。一方、液体としては、例えば水が挙げられ、必要に応じて添加剤が添加されていてもよい。

なお、ノズル本体５１の構成は、上記の構成に限定されない。例えば、ノズル本体５１は複数の部品から組み立てられていてもよい。

１．４．２．ノズル管
ノズル管５２は、前述したように、ノズル本体５１の第１貫通孔５１２に挿入されている。ノズル管５２の外周面と第１貫通孔５１２の内壁面との間には、隙間があってもよいし、双方が密着していてもよい。また、隙間を充填する介在物が設けられていてもよい。

図２に示すノズル管５２は、多重構造になっている。具体的には、図２に示すノズル管５２は、外管５３と、外管５３の内部に位置する内管５４と、を含んでいる。外管５３および内管５４は、それぞれ円筒状をなしている。

ノズル管５２において外側に位置する外管５３は、図３および図４に示すように、第２中心軸Ａ２に沿って延在する第３貫通孔５３２を有している。この第３貫通孔５３２の内部に、後述する内管５４が挿入されている。図４に示す外管５３は、直管である直管部５３４と、直管部５３４の上端に接続され、直管部５３４よりも外径が大きい拡径部５３６と、を備えている。直管部５３４の外径は、前述したノズル本体５１の第１貫通孔５１２の内径と等しいか、第１貫通孔５１２の内径より小さい。これにより、直管部５３４は、第１貫通孔５１２に挿入可能になっている。また、拡径部５３６の外径は、第１貫通孔５１２の内径より大きい。これにより、第１貫通孔５１２に挿入された外管５３は、拡径部５３６が第１貫通孔５１２の上端に係合するため、ノズル本体５１に対して固定された状態で容易に保持される。なお、拡径部５３６は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

ノズル管５２において内側に位置する内管５４は、図３および図４に示すように、第２中心軸Ａ２に沿って延在する、前述の第２貫通孔５２２を有している。この第２貫通孔５２２が、溶融金属Ｑが流下する経路になっている。図４に示す内管５４は、直管である直管部５４４と、直管部５４４の上端に接続され、直管部５４４よりも外径が大きい拡径部５４６と、を備えている。直管部５４４の外径は、外管５３の第３貫通孔５３２の内径と等しいか、第３貫通孔５３２の内径より小さい。これにより、直管部５４４は、第３貫通孔５３２に挿入可能になっている。また、拡径部５４６の外径は、第３貫通孔５３２の内径より大きい。これにより、第３貫通孔５３２に挿入された内管５４は、拡径部５４６が第３貫通孔５３２の上端に係合するため、外管５３に対して固定された状態で容易に保持される。なお、拡径部５４６は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

ノズル管５２が以上のような多重構造になっていることにより、溶融金属Ｑが接する内管５４を、外管５３と分離することができる。このため、溶融金属Ｑとの接触によって内管５４が消耗した場合でも、内管５４のみを交換することによって、ノズル管５２全体を交換する必要がなくなる。これにより、交換作業が容易になるとともに、消耗品のコストを削減することができる。なお、外管５３の第３貫通孔５３２の内壁面を、例えば滑らかにしておくことで、第３貫通孔５３２に挿入される内管５４の交換作業をより円滑に行うことができ、かつ、交換作業を行った場合でも外管５３や内管５４に損傷等が発生しにくくなるという利点もある。

ここで、第２貫通孔５２２は、円柱状をなしている孔である。そして、第２貫通孔５２２は、ノズル管５２の上面から下面までつなぐように、ノズル管５２を貫通している。

第２貫通孔５２２には、図２に示すように、その上端から溶融金属Ｑが供給され、下端から流下する。このとき、溶融金属Ｑは、第２貫通孔５２２の内壁面を伝って流下し、最終的には下端から落下するような挙動を示す。その後、落下する溶融金属Ｑに流体ジェットＪを衝突させることにより、液滴Ｑ１が形成される。

第２貫通孔５２２から流下する溶融金属Ｑは、図２に示すような連続した流れを形成する場合もあるが、詳細に見ると、例えば図４に示すような「しずく」の状態で落下している場合が多い。このしずくの形状や大きさは、特に限定されない。また、第２貫通孔５２２から流下する溶融金属Ｑのしずくの直径は、流体ジェットＪと溶融金属Ｑとの衝突で発生する液滴Ｑ１の直径より十分に大きい。したがって、溶融金属Ｑのしずくは、十分な高温を維持し、溶融状態のまま落下することができる。そして、溶融金属Ｑのしずくと流体ジェットＪとの衝突により、微細な液滴Ｑ１が形成される。

ところが、従来のノズル管では、流体ジェットＪとノズル管とが干渉してしまい、流体ジェットＪの流速を低下させたり、溶融金属Ｑと流体ジェットＪとの衝突点がずれてしまったりする。そうすると、流体ジェットＪが持つエネルギーを溶融金属Ｑの微細化に十分利用することができず、微細化が不十分になる。また、流体ジェットＪとノズル管とが干渉すると、ノズル管の温度が低下し、溶融金属Ｑの温度も低下して粘性が上昇する。そうすると、溶融金属Ｑの流動性が低下するため、流体ジェットＪと衝突しても、微細化が不十分になる。

そこで、本実施形態では、ノズル管５２の形状を下記のように最適化することによって、溶融金属Ｑの十分な微細化を図っている。

図２ないし図４に示すように、内管５４は、第２中心軸Ａ２に沿った全長が、外管５３よりも長くなっている。そして、内管５４の直管部５４４の下端部５４４０は、外管５３の第３貫通孔５３２から下方に突出している。

下端部５４４０の一部の外周側面５４４２は、第２中心軸Ａ２を軸とする逆円錐台形の側面に対応する形状をなしている。「逆円錐台形の側面に対応する形状」とは、外周側面５４４２が逆円錐台形の側面の一部と重なっている形状のことをいう。すなわち、外周側面５４４２を第２中心軸Ａ２を法線とする平面で切断したときの断面の内径は、第２中心軸Ａ２の上方から下方に向かって、好ましくは一定の比率で減少している。なお、断面の内径が減少する比率は、一定でなくてもよい。

そして、外周側面５４４２は、第２中心軸Ａ２に対する半頂角θが１０°以上５０°以下という傾斜面になっている。つまり、内管５４の下端部５４４０は、テーパー状をなす外周側面５４４２を含んでいる。このような外周側面５４４２を設けることにより、流体ジェットＪがノズル管５２と干渉してしまうのを抑制することができる。これにより、干渉に伴って流体ジェットＪの流速が低下したり、流体ジェットＪの飛行経路がずれて溶融金属Ｑに衝突させることができなかったりする問題を解消または軽減することができる。その結果、流体ジェットＪが持つエネルギーを溶融金属Ｑの微細化に十分利用することができ、微細な金属粉末Ｒを効率よく製造することができる。なお、第２中心軸Ａ２に対する半頂角θとは、図４に示す断面図において、外周側面５４４２を延長したとき、その延長線と第２中心軸Ａ２とのなす角度のことをいう。

また、流体ジェットＪとノズル管５２との干渉を抑制することによって、ノズル管５２が流体ジェットＪによって冷却されるのを抑制することができる。これにより、第２貫通孔５２２を流下する溶融金属Ｑの温度が低下しにくくなり、溶融金属Ｑの粘性が上昇するのを抑制することができる。これにより、溶融金属Ｑの微細化を図ることができ、微細な金属粉末Ｒを製造することができる。

さらに、流体ジェットＪの流速を高く維持することができるので、ノズル管５２の下方に、負圧の領域が形成されやすくなる。この負圧の領域は、第２貫通孔５２２を流下する溶融金属Ｑを下方に引っ張る駆動力となる。このため、粘性が高い溶融金属Ｑであっても、温度が高い状態で液滴化することができ、溶融金属Ｑの微細化が図られやすい。

なお、外周側面５４４２の半頂角θは、前述したように１０°以上５０°以下とされるが、好ましくは２０°以上４０°以下とされる。外周側面５４４２の半頂角θが前記下限値を下回ると、外周側面５４４２は、第２中心軸Ａ２に対する傾斜角度が小さくなる。このため、相対的に、外周側面５４４２の下端部が外側に張り出しやすくなり、その張り出した部分と流体ジェットＪとが干渉しやすくなる。一方、外周側面５４４２の半頂角θが前記上限値を上回ると、外周側面５４４２は、第２中心軸Ａ２に対する傾斜角度が大きくなる。このため、相対的に、外周側面５４４２の上端部が外側に張り出しやすくなり、その張り出した部分と流体ジェットＪとが干渉しやすくなる。

図４に示す外周側面５４４２は、第２中心軸Ａ２を含む平面で切断されたときの断面形状が直線となる面であるが、断面形状が曲線となる面であってもよい。その場合、曲線の上端と下端とをつなぐ直線を仮想し、その直線に基づいて半頂角θを求めるようにすればよい。

また、直管部５４４の下端部５４４０の内周側面５４４４は、第２貫通孔５２２の内周面の一部であり、第２中心軸Ａ２と平行な面である。また、外周側面５４４２と内周側面５４４４との間は、下端面５４４６を介して接続されている。

下端面５４４６は、水平面と平行な面である。本実施形態に係るノズル管５２の内管５４は、外周側面５４４２の下端に連続し、水平面と平行な下端面５４４６を有している。このような下端面５４４６を設けることにより、図４に示す、下端部５４４０の最下部の肉厚ｔ２を確保することができる。これにより、下端部５４４０の機械的強度を確保することができ、下端部５４４０に欠けや割れ等が発生するのを抑制することができる。また、最下部に至るまで肉厚ｔ２が確保されていることにより、最下部まで下端部５４４０の断熱性が維持されることになる。これにより、最下部に到達した溶融金属Ｑの温度が下がりにくくなり、溶融金属Ｑの粘性が上昇するのを抑制することができる。その結果、溶融金属Ｑを十分に微細化することができる。なお、下端面５４４６は、水平面に対して傾いていてもよいが、その場合、水平面に対する傾斜角度が１０°以下であれば、上記と同様の効果が期待できる。

内周側面５４４４は、前述したように、第２中心軸Ａ２と平行な面であるため、外周側面５４４２が傾斜面になっていても、内周側面５４４４を設けることによって、下端部５４４０の最下部の肉厚ｔ２が急激に薄くなるのを防止することができる。これにより、前述したように、下端部５４４０の機械的強度を確保することができ、下端部５４４０に欠けや割れ等が発生するのを抑制することができる。また、前述したように、最下部に至るまで肉厚ｔ２が確保されていることにより、最下部まで下端部５４４０の断熱性が維持されることになる。これにより、最下部に到達した溶融金属Ｑの温度が下がりにくくなり、溶融金属Ｑの粘性が上昇するのを抑制することができる。その結果、溶融金属Ｑを十分に微細化することができる。なお、内周側面５４４４は、第２中心軸Ａ２に対して傾いていてもよいが、その場合、第２中心軸Ａ２に対する傾斜角度が１０°以下であれば、上記と同様の効果が期待できる。
なお、下端面５４４６は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

図４に示す直管部５４４の肉厚ｔ１は、特に限定されないが、０．５ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であるのが好ましく、１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であるのがより好ましく、１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。肉厚ｔ１がこのような範囲内であれば、直管部５４４において必要かつ十分な機械的強度を確保しつつ、熱衝撃に伴う破損や亀裂等の発生を十分に抑制することができる。したがって、肉厚ｔ１が前記下限値を下回ると、直管部５４４の機械的強度が低下するおそれがあり、肉厚ｔ１が前記上限値を上回ると、熱分布が生じやすくなって、直管部５４４の破損や亀裂等が発生しやすくなるおそれがある。

図４に示す下端部５４４０の最下部の肉厚ｔ２は、特に限定されないが、肉厚ｔ１の５％以上９０％以下であるのが好ましく、１０％以上８０％以下であるのがより好ましく、２０％以上７０％以下であるのがさらに好ましい。肉厚ｔ１に対する肉厚ｔ２の割合を前記範囲内に収めることにより、下端部５４４０の機械的強度を確保するとともに、下端部５４４０の断熱性を確保することができる。

また、図３に示す第２貫通孔５２２を、第２中心軸Ａ２を法線とする面で切断したときの断面形状は、真円であるが、これに限定されず、それ以外の形状、例えば楕円、長円、多角形等であってもよい。また、第２貫通孔５２２の内径φ２は、第２中心軸Ａ２に沿って一定であっても、途中で変化していてもよい。第２貫通孔５２２の内径φ２は、特に限定されないが、１．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるのが好ましく、２．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であるのがより好ましい。

以上、本実施形態では、内管５４が、前述した第２中心軸Ａ２に対して傾斜する外周側面５４４２を有しているが、これに加え、外管５３も、第２中心軸Ａ２に対して傾斜する外周側面を有していてもよい。

一方、本実施形態に係るノズル管５２では、外管５３の構成材料と内管５４の構成材料とが異なっている。これにより、外管５３の構成材料については、後述するように、例えば機械的強度を重視した材料を選択し、内管５４の構成材料については、後述するように、例えば熱特性を重視した材料を選択することができる。つまり、外管５３と内管５４とで、機能に応じた構成材料の選択が可能になる。これにより、内管５４の熱特性を最適化することができ、それを活かして、溶融金属Ｑの微細化を十分に図ることができる。また、ノズル管５２が多重構造になっているため、内管５４のみを交換することが可能になり、ノズル管５２全体を交換するよりも交換の作業効率を高めることができる。さらに、内管５４が仮に破損したとしても、溶融金属Ｑがノズル管５２の外側に漏れ出すのを防止することができる。これにより、復旧作業を迅速に行うことができ、金属粉末製造装置１の稼働率を高めることができる。

内管５４の構成材料は、耐火材であれば特に限定されないが、熱膨張係数が１×１０^−６［／℃］以下であるのが好ましく、５×１０^−７［／℃］以下であるのがより好ましい。内管５４の構成材料の熱膨張係数が前記範囲内であれば、内管５４の耐熱性を特に高めることができる。具体的には、高温の溶融金属Ｑと接触しても、熱膨張が抑えられ、破損や亀裂等が発生しにくい内管５４を実現することができる。また、熱膨張に伴う内管５４の変形も抑えることができる。これにより、内管５４の形状を長期にわたって高精度に維持することができ、金属粉末製造装置１の稼働率を高めることができる。なお、上記の熱膨張係数は、常温において測定された値とする。

内管５４の構成材料としては、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスのようなガラス材料、アルミナ、ジルコニアのようなセラミックス材料、黒鉛のような炭素材料、耐熱鋼のような金属材料等が挙げられる。このうち、内管５４の構成材料は、ガラス材料であるのが好ましく、石英ガラスであるのがより好ましい。ガラス材料、特に石英ガラスは、熱膨張係数が非常に小さいことから、耐熱衝撃性に優れた内管５４を実現することができる。また、ガラス材料は、内管５４の表面粗さを小さくしやすいため、溶融金属Ｑの流下抵抗を減少させやすいという観点からも有用である。

内管５４の構成材料の常温での熱伝導率は、外管５３の構成材料の常温での熱伝導率より低いことが好ましい。これにより、内管５４の断熱性を確保することができるので、溶融金属Ｑの温度が下がりにくくなり、溶融金属Ｑの粘性が上昇するのを抑制することができる。その結果、溶融金属Ｑを十分に微細化することができる。

内管５４の構成材料の常温での熱伝導率は、１１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であるのが好ましく、０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上４．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であるのがより好ましい。熱伝導率が前記範囲内であれば、内管５４の断熱性を確保することができるので、溶融金属Ｑの温度が下がりにくくなり、溶融金属Ｑの粘性が上昇するのを抑制することができる。その結果、溶融金属Ｑを十分に微細化することができる。なお、熱伝導率が前記下限値を下回っていてもよいが、熱伝導率が小さすぎた場合、内管５４において熱分布が大きくなり、内管５４の割れ等を生じるおそれがある。

また、内管５４の構成材料の常温での熱伝導率と、外管５３の構成材料の常温での熱伝導率と、の差は、特に限定されないが、１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上３０．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であるのが好ましく、３．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上２０．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であるのがより好ましい。これにより、内管５４の断熱性を確保しつつ、その一方、外管５３の熱伝導性を高めることによって、内管５４の熱分布を特に抑えることができる。

外管５３の構成材料としては、例えば、金属材料、セラミックス材料、ガラス材料、炭素材料等が挙げられるが、特に金属材料が好ましく用いられる。金属材料は、機械的強度が高いため、交換頻度が低い外管５３の構成材料として有用である。つまり、金属材料を用いることにより、熱衝撃を何度も受けたり、内管５４との接触を繰り返したりしても、破損しにくい外管５３が得られる。したがって、ノズル部５の長寿命化を図ることができる。

外管５３の構成材料として用いられる金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金等が挙げられる。

外管５３と内管５４との間は、密着していてもよいが、隙間があることが好ましい。これにより、隙間が断熱層となり、内管５４の断熱性をさらに高めることができる。なお、外管５３と内管５４との間に、任意の介在物を充填するようにしてもよい。また、外管５３と内管５４との隙間の上端および下端は、それぞれ封止剤等で封止しておくようにしてもよい。これにより、隙間が閉空間になるため、断熱性をより高めることができる。

以上のように、本実施形態に係る金属粉末製造装置１は、流下する溶融金属Ｑに流体ジェットＪを衝突させることにより、金属粉末Ｒを製造する装置であって、中心軸である第２中心軸Ａ２に沿って延在する第１貫通孔５１２と、流体ジェットＪを噴出する噴出部５１４と、を備えるノズル本体５１と、第１貫通孔５１２の内部に設けられ、第２中心軸Ａ２に沿って延在し、内部を溶融金属Ｑが流下する第２貫通孔５２２を備えるノズル管５２と、を有している。そして、ノズル管５２は、外管５３と、外管５３の内部に設けられ、第２貫通孔５２２を備える内管５４と、を含む多重構造を有している。このうち、ノズル管５２が備える内管５４の下端部５４４０の外周側面５４４２は、第２中心軸Ａ２を軸とする逆円錐台形の側面に対応する形状をなしている。また、外周側面５４４２の第２中心軸Ａ２に対する半頂角θは、１０°以上５０°以下である。さらに、外管５３の構成材料と内管５４の構成材料とが異なっている。

このような構成によれば、内管５４の下端部５４４０にテーパー状をなす外周側面５４４２を設けることにより、流体ジェットＪがノズル管５２と干渉してしまうのを抑制することができ、溶融金属Ｑの微細化を図ることができる。また、ノズル管５２を多重化して、外管５３と内管５４とで構成材料を異ならせることにより、装置の稼働率を下げることなく、内管５４の構成材料を最適化することができ、溶融金属Ｑの十分な微細化を図ることができる。これらの結果、より微細な金属粉末Ｒを効率よく製造することができる。

また、前述した図３に示す角度αと、図４に示す半頂角θと、の関係は、特に限定されないが、角度αに対する半頂角θの比θ／αを最適化することによって、上記効果がより顕著になる。具体的には、比θ／αは、０．３以上１．８以下であるのが好ましく、０．６以上１．５以下であるのがより好ましい。これにより、外周側面５４４２に近接させて流体ジェットＪを通過させやすくなるため、流体ジェットＪと溶融金属Ｑとの衝突点を、内管５４の下端に近づけやすくなる。その結果、溶融金属Ｑの温度が十分に高く、粘性が低い状態で、流体ジェットＪと衝突させることができ、より微細な金属粉末Ｒをより効率よく製造することができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る金属粉末製造装置について説明する。

図５は、第２実施形態に係る金属粉末製造装置１が備えるノズル管の断面図である。図６は、図５のノズル管の変形例を示す断面図である。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図５において、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

前述した第１実施形態では、ノズル管５２が備える内管５４の下端部５４４０の外周側面５４４２が、逆円錐台形の側面に対応する形状をなしている。これに対し、本実施形態では、ノズル管５２Ａが備える外管５３の下端部５３４０の外周側面５３４２が、第２中心軸Ａ２を軸とする逆円錐台形の側面に対応する形状をなしている。すなわち、外周側面５３４２を第２中心軸Ａ２を法線とする平面で切断したときの断面の内径は、第２中心軸Ａ２の上方から下方に向かって、好ましくは一定の比率で減少している。また、外周側面５３４２は、第２中心軸Ａ２に対する半頂角θが１０°以上５０°以下という傾斜面になっている。したがって、本実施形態は、第１実施形態に係る内管５４の外周側面５４４２が担う機能を、外管５３の外周側面５３４２が担うように構成されている以外、第１実施形態と同様である。

そして、本実施形態に係るノズル管５２Ａは、第１実施形態に係るノズル管５２と同様の効果を奏する。

すなわち、外周側面５３４２を設けることにより、流体ジェットＪがノズル管５２Ａと干渉してしまうのを抑制することができる。これにより、干渉に伴って流体ジェットＪの流速が低下したり、流体ジェットＪの飛行経路がずれて溶融金属Ｑに衝突させることができなかったりする問題を解消または軽減することができる。その結果、流体ジェットＪが持つエネルギーを溶融金属Ｑの微細化に十分利用することができ、微細な金属粉末Ｒを効率よく製造することができる。

また、流体ジェットＪとノズル管５２Ａとの干渉を抑制することによって、ノズル管５２Ａが流体ジェットＪによって冷却されるのを抑制することができる。これにより、第２貫通孔５２２を流下する溶融金属Ｑの温度が低下しにくくなり、溶融金属Ｑの粘性が上昇するのを抑制することができる。これにより、溶融金属Ｑの微細化を図ることができ、微細な金属粉末Ｒを製造することができる。

さらに、流体ジェットＪの流速を高く維持することができるので、ノズル管５２Ａの下方に、負圧の領域が形成されやすくなる。この負圧の領域は、第２貫通孔５２２を流下する溶融金属Ｑを下方に引っ張る駆動力となる。このため、粘性が高い溶融金属Ｑであっても、温度が高い状態で液滴化することができ、溶融金属Ｑの微細化が図られやすい。

なお、外周側面５３４２の半頂角θは、前述したように１０°以上５０°以下とされるが、好ましくは２０°以上４０°以下とされる。外周側面５３４２の半頂角θが前記下限値を下回ると、外周側面５３４２は、第２中心軸Ａ２に対する傾斜角度が小さくなる。このため、相対的に、外周側面５３４２の下端部が外側に張り出しやすくなり、その張り出した部分と流体ジェットＪとが干渉しやすくなる。一方、外周側面５３４２の半頂角θが前記上限値を上回ると、外周側面５３４２は、第２中心軸Ａ２に対する傾斜角度が大きくなる。このため、相対的に、外周側面５３４２の上端部が外側に張り出しやすくなり、その張り出した部分と流体ジェットＪとが干渉しやすくなる。

また、図５に示す外周側面５３４２は、第２中心軸Ａ２を含む平面で切断されたときの断面形状が直線となる面であるが、断面形状が曲線となる面であってもよい。その場合、曲線の上端と下端とをつなぐ直線を仮想し、その直線に基づいて半頂角θを求めるようにすればよい。

さらに、図５に示す内管５４の下端面５４４６は、外管５３の下端面５３４６よりも下方に突出している。この場合、外周側面５３４２を含む逆円錐台形の側面を仮想したとき、外管５３の下端面５３４６は、逆円錐台形の側面よりも上方に位置しているのが好ましい。これにより、内管５４が流体ジェットＪと干渉しにくくなる。その結果、上述した効果がより確実に発揮される。

一方、図６は、図５に示すノズル管５２Ａの変形例である。図６に示すノズル管５２Ｂでは、第２中心軸Ａ２に沿った内管５４の全長が、外管５３よりも短くなっている。これにより、図６に示す内管５４の下端面５４４６は、外管５３の下端面５３４６よりも上方に後退している。その結果、内管５４は、流体ジェットＪとさらに干渉しにくくなり、上述した効果が特に確実に発揮される。

以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、内管５４の下端面５４４６は、外管５３の下端面５３４６と同じ位置にあってもよい。

以上、本発明の金属粉末製造装置について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。例えば、本発明の金属粉末製造装置は、前記実施形態に係る各部の構成を、同様の機能を発揮する任意の構成に置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
３．金属粉末の製造
（実施例１）
図１〜４に示す金属粉末製造装置により、金属粉末を製造した。なお、金属粉末製造装置の構成については表１に示す通りである。また、ノズル部から噴出させる流体ジェットには窒素ガスを用い、冷却液流出部から流出させる冷却液には水を使用した。さらに、溶融金属の原材料には、ＳＵＳ３０４Ｌを使用した。また、ノズル管５２の内径は、１０ｍｍとした。さらに、図３に示す角度αを３０°とし、図４に示す半頂角θを１０°とした。また、角度αに対する半頂角θの比θ／αは、表１に示す通りである。

（実施例２〜８）
金属粉末製造装置の構成を表１に示すように変更した以外は、それぞれ実施例１と同様にして金属粉末を得た。

（比較例１〜６）
金属粉末製造装置の構成を表１に示すように変更した以外は、それぞれ実施例１と同様にして金属粉末を得た。

４．金属粉末の評価
４．１．粒径の評価
製造した金属粉末の平均粒径を測定した。測定には、レーザー回折方式の粒度分布測定装置を使用し、体積基準の累積分布において小径側から累積５０％になるときの粒径を平均粒径として採用した。そして、測定結果を以下の評価基準に照らして評価した。

（粒径の評価基準）
Ａ：粒径が特に小さい（平均粒径が３．５μｍ未満である）
Ｂ：粒径が小さい（平均粒径が３．５μｍ以上５．０μｍ未満である）
Ｃ：粒径がやや小さい（平均粒径が５．０μｍ以上６．５μｍ未満である）
Ｄ：粒径がやや大きい（平均粒径が６．５μｍ以上８．０μｍ未満である）
Ｅ：粒径が大きい（平均粒径が８．０μｍ以上である）
以上の評価結果を表１に示す。

４．２．ノズル管の損傷の評価
ノズル管の損傷しやすさを評価するため、ノズル管に溶融金属を通過させる操作と、ノズル管をガス流で冷却する操作と、を５０回繰り返す評価試験を行った。なお、各操作のたびに、ノズル本体からノズル管を抜き取り、再び差し込む操作を併せて行った。そして、評価試験後のノズル管の外観を、以下の評価基準に照らして評価した。

（ノズル管の外管の評価基準）
Ａ：評価試験後のノズル管の外観に損傷が認められない
Ｂ：評価試験後のノズル管の外観にわずかな損傷が認められる
Ｃ：評価試験後のノズル管の外観に多数の損傷が認められる
以上の評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、各実施例では、微細な粒径の金属粉末を製造することができた。特に半頂角θおよび比θ／αを最適化した場合、この傾向が顕著であった。また、各実施例では、ノズル管が損傷を受けにくいことも認められた。以上のことから、本発明によれば、より微細な金属粉末を、高い装置稼働率を維持しながら効率よく製造可能な金属粉末製造装置を実現し得ることが認められた。

１…金属粉末製造装置、２…溶融金属供給部、３…タンク、４…冷却液流出部、５…ノズル部、６…加熱用コイル、７…蓋部材、８…回収容器、９…ノズル管、２１…吐出口、３０…内部空間、４１…冷却液流出口、５１…ノズル本体、５２…ノズル管、５２Ａ…ノズル管、５２Ｂ…ノズル管、５３…外管、５４…内管、７１…貫通孔、９０…溶融金属流、９１…外側面、９２…内側面、９３…下端面、９５…内部、５１２…第１貫通孔、５１４…噴出部、５１６…ガス室、５２２…第２貫通孔、５３２…第３貫通孔、５３４…直管部、５３６…拡径部、５４４…直管部、５４６…拡径部、５１４０…噴出口、５３４０…下端部、５３４２…外周側面、５３４６…下端面、５４４０…下端部、５４４２…外周側面、５４４４…内周側面、５４４６…下端面、Ａ１…第１中心軸、Ａ２…第２中心軸、Ｇ…ガスジェット、Ｊ…流体ジェット、Ｑ…溶融金属、Ｑ１…液滴、Ｒ…金属粉末、Ｓ…冷却液、Ｓ１…冷却液層、ＶＡ…鉛直軸、ｔ１…肉厚、ｔ２…肉厚、θ…半頂角、φ２…内径

Claims (5)

1. 流下する溶融金属に流体ジェットを衝突させることにより、金属粉末を製造する金属粉末製造装置であって、
   中心軸に沿って延在する第１貫通孔と、前記流体ジェットを噴出する噴出部と、を備えるノズル本体と、
   前記第１貫通孔の内部に設けられ、前記中心軸に沿って延在し、内部を前記溶融金属が流下する第２貫通孔を備えるノズル管と、
   を有し、
   前記ノズル管の下端部の外周側面は、前記中心軸を軸とする逆円錐台形の側面に対応する形状をなしており、
   前記外周側面の前記中心軸に対する半頂角は、１０°以上５０°以下であり、
   前記ノズル管は、外管と、前記外管の内部に設けられ、前記第２貫通孔を備える内管と、を含む多重構造を有しており、
   前記外管の構成材料と前記内管の構成材料とが異なっていることを特徴とする金属粉末製造装置。
2. 前記ノズル管は、前記外周側面の下端に連続し、水平面と平行な下端面を有している請求項１に記載の金属粉末製造装置。
3. 前記内管の構成材料の熱膨張係数は、１×１０^−６［／℃］以下である請求項１または２に記載の金属粉末製造装置。
4. 前記内管の構成材料は、石英ガラスである請求項３に記載の金属粉末製造装置。
5. 前記内管の構成材料の常温での熱伝導率は、１１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の金属粉末製造装置。

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