JP2741205B2 - 均一粒子径の金属粉末をうるための素材溶融方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は粉末成形法や粉末と樹脂等との混合物成形に
よって機器物品をつくる場合あるいは粉末のまま用いる
粉末利用分野において、均一粒子径によりその機能を向
上せしめるための粉末製造技術に関するものである。

〔従来の技術〕

被溶解材を高速回転してその一端より溶融し、融液を
遠心力で飛散させて、その融液を飛行中に凝固せしめて
つくる粉末製造法の一部は回転電極法として従来より公
知である。この方法では装置、運転条件等の選定によっ
ては球形の粉末が得られ、粉末の流動性が良く粉末成形
時に金型への充填密度が均一になるとか、樹脂共用材の
表面のすべりが良く耐摩耗性が向上する、あるいは粉末
のまま用いる化学触媒等のように反応液や気体の浸透性
が良いなどの特長があり、すぐれた粉末製造方法の１種
である。

但し、前記等の粉末の各用途において、それぞれ適す
る特定の粒子径があり、製造された粉末を従来は篩別分
級して各用途に向けられて来た。従って粒子径が均一な
ものを、粒度を特定して製造できれば粉末の製造歩留を
向上し、被溶解素材が有効に利用でき、その経済性及び
品質管理上に寄与すること甚大である。しかるに回転電
極法といえども常に粒子径のそろったものが得られるわ
けではなく、従来数百ミクロンの範囲の広い粒径で得ら
れている。この点に関する改善方法として特開昭62−16
4804には円筒形素材を用いる方法が開示されている。該
発明は棒状Ti電極の外径を一定値以上にすることで小粒
径を得るが、太径の棒状Ti電極の全面にプラズマアーク
を作用させようとすれば、アーク自体の広がりを相当大
きなものとする必要があり、溶解能力が減少しモータ出
力も高出力となってコスト上問題があるとして、電極を
円筒状にしている。その結果粒度分布幅の狭いしかも平
均粒径の小さい金属粉末を低コストに製造できることが
開示されている。該発明が粒度分布を狭くできるとする
のは、従来の棒状Ti電極において円周部と中心へ向う各
位置とが回転の周速度が異なることに着目し、中心部の
ない筒状にしたことをその主旨としている。該発明の問
題点は円筒形に加工または形成できる電極材質への適用
に限定される点にある。一般に粉末成形分野では曲げや
切削加工性が劣る素材である程その適用意義が広がるも
のであって、本発明におけるねらいはこの点を考慮し、
通常の丸棒電極でも発明の諸条件を満せば十分粘度幅の
狭い粒子を得る技術を提供するものである。

また、特公昭62−24483は球状金属粉末の製造装置に
関するものであって、２本の消耗電極の対向電極間隔を
自動的に最適電圧へ調整する手段として、両極間の電圧
変動を検出器を介して、電極の駆動モータに指令信号を
与えることが開示されているが、その調整範囲を示すも
のではない。

その他、回転電極法に関しては電極の回転速度に関し
て特開昭62−80205、焼結電極を用いる方法が特公昭59
−20723、モータ振動の検出による偏溶解の修正装置に
関し特開昭62−20803、非移行式プラズマ電極の直交配
置に関し特開昭61−246304、加熱点移動装置に関し特公
昭58−34525がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

被溶解材を高速回転させ、その一端より溶解しながら
粉末を得るいわゆる回転電極法において、粒度は電極の
回転速度、さらに詳しくは電極の周速度に依存する。従
って、均一粒径の粉末を得るためには融液が常に被溶解
材の円周部のみから離脱するように溶解方法を制御する
必要がある。更に離脱前の融液が円周部に過剰に滞留す
ると離脱寸前の融液形状を不定形状にするので融液量は
過剰にならないよう制御する必要がある。このような条
件は本発明における特許請求の範囲に示す各条件を満す
ことによって達成し得るものである。

均一粒径を得るための上記２条件のうち前者、つまり
融液の離脱が円周位置のみであるようにする方法として
は前記特開昭62−164804において中空の筒状電極材を用
いる方法が提案されている。本発明との大きなちがいは
本発明が丸棒電極においても十分均一な粒径を得る溶解
方法を提供するものである。

本発明者らは高速度カメラ等によって被溶解材の端面
における融液の形状とその円周部からの離脱に至る現象
を詳細に検討の結果、この間における融液の流動を制御
することによって安定した粒度分布および形状の粒子を
得ることを見出した。

第１図は溶融端面の断面図を示すものであり、１は被
溶解材、２は熱源である。（ａ）に示すものは本発明が
ねらいとする理想的溶解状況を示し、融液は固体面に沿
って円周部へ移動し、常に周辺部のみから離脱する。
（ｂ）は被溶解材の端面に穴を掘るが如く溶解し融液の
流出が熱源からの熱流によって阻害され、定常な流れを
生じないため放出量のむらが生ずる。また融液の離脱も
周辺部へ達しないうち穴の出口から飛散するものもある
ため粒径は特定されにくい。（ｃ）は被溶解材の端面が
凸になるような状況で溶解される場合であって、融液の
離脱は周辺部以外からも発生し、粒径の不揃いを生ず
る。つまり、本発明が技術的根拠とする正常な溶解状態
は（ａ）の状態を維持することにあり、溶解端面の円周
位置を包含する面からの最大変位位置は凹側ｌ′で4mm
以下、凸側ｌで10mm以下を理想とする。

第２図は素材被溶解材の溶融面の正面図であって点線
で示す３は素材の外周位置、４は素材の溶融面、５は離
脱寸前の融液形状、６は飛行する溶滴を示すものであ
る。（ａ）に示される状態は本発明がねらいとする理想
的状態であって、融液量が滞留することなく飛散する状
況を示す。（ｂ）は融液量が過大な場合であって、融液
は素材の外周位置３より更に外にはみ出した位置で溶滴
に分裂し離脱するので、離脱寸前の融液は安定せず、こ
のため分裂した溶滴の大きさが不揃いとなって飛散粒子
径は不均一となる。

前記の各理想状態を現出するためには素材被溶解材か
らの融液の流れに関する素材の比重、溶解熱源とのバラ
ンスに関係する素材径、熱源の指向性とひろがりに関係
する熱源の種類を特定し、さらにそれを維持する特定範
囲の電圧制御を行うことによって本発明における各運転
条件が規制される。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に適用できる被溶解材は比重が3.5〜7.0であ
る。比重が3.5未満の場合は、本発明の範囲において融
液が飛散しにくく、被溶解材の外周部に傘状に滞留しが
ちとなり、離脱粒子量は一定しない。また比重が7.0を
越える金属においては融液が溶解端面を定常に流れず、
溶解後直に飛末状で走る粒子が存在し、より微粉が混入
した粒度分布となる。

被溶解材の外径は25〜70mmを適用範囲とする。25mm未
満では、本発明の範囲において溶解される端面の外周ま
で溶解されるようになり、第１図（ｃ）のタイプの溶解
端形状が形成される結果、融液の離脱は外周径よりも小
さい位置からも発生し、周速度の異る位置からの飛散粒
子を含むので粒径分布は広くなる。また70mmを越える場
合は本発明の熱源において溶解面積のわりに深さが過大
となり、第１図（ｂ）のタイプの溶解形状を示すように
なる。その結果、端面上の融液の流れを不定常にし融液
量が規制されにくくなる。

熱源にプラズマトランスファードアークを用いている
のは、例えばノントランスフアードプラズマを用いる場
合は被溶解材に非導電性のものまで適用できるという利
点があるが、溶解熱量は極度に低下し、本発明の被溶解
材の外径限界を下まわる素材にしか適用できなくなり、
溶解能力が低下し経済的ではない。またアークのみを用
いる場合は、アークの特性として、より鋭角な相手電極
位置に極点が移動しやすくなり、本発明が主眼のひとつ
とする外周部の融液離脱のための角形成部にアークが移
動し、不定常に第１図（ｃ）の形が形成される。プラズ
マトランスファードアークでは、プラズマによって被溶
解材側の決った位置へ向けてプラズマ流を形成し、その
中を熱量補充のアークが形成されるので安定した熱流位
置を形成し得る。本発明が溶融液の流れを定常に規制す
ることをその骨子としているところから、熱源はプラズ
マトランスファードアークのように十分な指向性を有す
る場合にのみ、本発明が適用できるのである。本発明は
前記の各適用条件において、第１図および第２図で述べ
た如き均一粒径を得るための溶解状態は、主として溶解
端面における融液の流れを適正に規制し、素材の円周部
からの離脱を適正に保つための回転周速度をそれに見合
った電流値ならびに、周辺部の角形成を阻害しない電圧
範囲とその電圧を一定に制御することで達成される。

回転速度は本発明において周速度において毎分393〜
6,600mが適正であり、393m未満では本発明の他の条件内
において、融液の離脱力が不足し第２図（ｂ）に示すご
とく、融液量が過剰となって、離脱形状を不安定にす
る。また、6,600mを超える場合は、装置の回転機構にお
いて特別の配慮がともない、経済的でない。

プラズマトランスファードアークの電流値は本発明の
他の条件下において100〜500Aが使用できる。100A未満
では電極径に25mm以下を使用しないと前記の本発明が適
正となる溶融形状を示さず、たとえ電極径において本発
明内でプラズマ電流によって、溶解域を広げたとしても
トランスファー電流が不足のため溶解速度が低く非能率
である。また、500Aを超える場合は入熱量過大のため本
発明の素材回転速度範囲を超えた回転が必要であり、前
記の如き装置面からの制約がある。

プラズマトランスファードアークの電圧は溶解面の大
きさと溶解速度に関係し本発明において適用できる範囲
は30〜60Vである。30V未満では溶解の広さが不足し、前
記第１図（ｂ）に示すごとき局部溶解が生ずる。また60
Vを超える場合は溶解面が広くなりすぎて、第１図
（ｃ）に示したごとく周辺に融液飛散の起点となるべき
角を形成しにくくなる。電圧の値については、被溶解材
の溶融進退によって徐々に上昇してくるので、熱源位置
または被溶解材位置もしくはその両者をくり出して電圧
を一定に保つ必要がある。しかも、本発明のように融液
の流動をこまかく制御しようとすると、この電圧変動の
影響は極めて大きく、従って±0.5V内で十分制御できる
ことが必要である。第３図はそのための構成図を示すも
のであり、７は熱源、８は被溶解材、９は電圧検知器、
10は電気制御部、11は距離制御装置を示す。

〔作用〕

本発明の技術的骨子は、被溶解材の端面における融液
の流れを定常に保つため、溶融面の形状を適正にし、融
液は端面上を流れるそのすべてが円周位置からのみ離脱
するようにしたこと、ならびに融液が円周位置で過剰と
ならないよう溶融量を規制した点にある。

このような細い溶解制御をおこなうためには各種の要
因を特定しなければならない。本発明は適用素材につい
て、実用的に比重が3.5〜7.0のものにおいて適用できる
他の規制条件を提供するものである。また被溶解材の外
径は溶解形状を規制するうえで特定されるべきもので、
その範囲を25〜70mmとした。また同様に溶解形状の規制
をおこなうために実用的に最も制御しやすいプラズマト
ランスファードアークを熱源にえらんで、前記融液の端
面上での流れを均一にするため、その方向を被溶解材の
軸方向に平行に配置したこれは斜角配置であると端面の
円周位置に融液が離脱すべき角が形成されにくくなり、
他の制御条件が極めて狭くなることによる。

以上の素材と方法において熱源である電流、電圧と、
融液の放出エネルギーであるところの回転速度とをバラ
ンスさせて本発明を構成している。本発明が溶融液の飛
行に至る動的挙動を制御したことにその主旨があり、融
けたものが単に遠心力で飛び出せば粉末が得られるとい
う考え方ではない点において従来技術と根本的に異って
いる。

〔実施例〕

第１表は、本発明溶解方法によって得られた金属粉末
の粒子径分布範囲と、従来方法によるそれとを示すもの
である。

〔発明の効果〕 溶解と粉化とを同工程の中でおこなわしめる回転電極
法は、融液が炉材やノズル等に触れる他の方法にくらべ
ると、得られる粉末の化学成分的汚染がないことと球状
の粉末が得られる点で、粉末の利用上多くのすぐれた利
点を生み出すものである。ただし、ひとつの欠点は生産
能率がわるく、コスト高である。本発明はそのような背
景のもとでなされたもので、その結果、粒径の幅は従来
の回転電極法にくらべはるかに狭い、均一粒径が得られ
るようになり、粒径の安定化によって製造条件の設定と
期待する粒径との関係はより安定化し、希望どおりの粒
径が本発明の溶解条件によって歩留り良く得られるよう
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は被溶解材の溶融形状を示す断面図であって、
（ａ）は本発明の溶解条件による適正形状を示し、
（ｂ）は溶融部の広がりが不足の場合、（ｃ）は過大の
場合を示す。 第２図は被溶解材の溶融形状の正面図であって、（ａ）
は本発明溶解条件による適正形状を示し、（ｂ）は融液
量過大で、円周部に滞留し不定形状を示すと共にこの場
合大粒が混入して得られる状況を示す。 第３図は本発明の溶解条件の中で被溶解材の溶解面と熱
源との距離を一定に保ち、電圧の変動を本発明の範囲内
に維持するための機器の構成に関するひとつの態様を示
す説明図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−274011（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−246304（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−29121（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭62−24483（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粉末に加工しようとする比重が3.5〜7.0の
   導電性金属の外径が25〜70mmの被溶解丸棒をその円周方
   向に高速回転させ、その一端より、回転の軸方向と平行
   に配したプラズマトランスファードアークによって溶解
   することにより、融液を飛散させてつくる金属粉の製造
   方法において、被溶解丸棒の回転速度を周速度において
   毎分393〜6,600mとし、プラズマトランスファードアー
   ク電流を100〜500A、同電圧を30〜60Vとし、同電圧の変
   動幅を±0.5Vに制御したことを特徴とする均一粒子径の
   金属粉末をうるための素材溶融方法。