JP2808836B2

JP2808836B2 - 粉末製造装置および粉末製造方法

Info

Publication number: JP2808836B2
Application number: JP16920790A
Authority: JP
Inventors: 敏郎木村; 健根岸
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JPH0461927A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、各種金属および非金属材料の粉末を製造す
るための粉末製造装置および粉末製造方法に係わり、特
に、粉末の粒径を微細化するための改良に関する。

「従来の技術」この種の粉末製造方法としては、遠心噴霧法が周知で
ある。この遠心噴霧法は、粉末化すべき材料の融液を遠
心力で飛散させ粉末化させる方法の総称であり、以下の
各法に大別される。

i.高速回転されるディスク上に融液を滴らせてディスク
の外周縁から不活性ガス中に飛散させる回転ディスク
法。

ii.材料を回転軸に固定するとともに、この材料と対向
させて電極を配置し、材料と電極との間に放電させて材
料を加熱し、材料の先端外周から融液を不活性ガス中に
飛散させる回転電極法。加熱方法としては、他にプラズ
マや電子ビーム等を用いる場合もある。

iii.回転軸の先端に水冷されるるつぼを設け、このるつ
ぼで消耗電極（材料）から生じた融液を受け、るつぼの
外周から融液を不活性ガス中に飛散させる回転るつぼ
法。

また、Sn等の低融点金属に対しては、ピエゾ素子など
により超音波振動されるホーン上に金属融湯を滴下し、
定常波の波頭から飛沫を生じさせて粉末化する超音波噴
霧法も開発されている。

「発明が解決しようとする課題」ところで、上記の回転ディスク法では、得られる粉末
を微細化するためにはディスクの回転数を高めなければ
ならないが、この回転数をある程度以上に上げると、デ
ィスクの熱変形等により回転バランスが悪化しやすくな
り、激しい振動を生じる危険がある。そのため回転数に
は上限があり、この上限によって製造可能な粉末の最小
粒径が制限される問題があった。

また、ディスクの回転数を高めると、それに応じて飛
沫の初速度が大きくなるため、飛行中に飛沫を十分冷却
させるために必要な補集容器の寸法が大きくなり、装置
が大形化する問題もあった。これらの問題は前記回転電
極法についてもいえることである。

一方、超音波噴霧法では、一般に発振子の出力が小さ
いため、単位時間に処理できる融液量が小さく生産性が
悪いうえ、ホーンの温度を材料の融点以上に上げなけれ
ばならないので、前述したSnなど低融点材料の粉末製造
にしか用いることができなかった。

「課題を解決するための手段」本発明は上記課題を解決するためになされたもので、
まず本発明の粉末製造装置は、軸受機構により回転自在
かつ軸方向変位可能に支持された回転軸と、この回転軸
を軸方向変位可能に回転させる回転駆動機構と、前記回
転軸を軸方向に振動させる加振機構と、前記回転軸の一
端に同軸に固定された回転振動体と、この回転振動体の
表面に粉末化すべき材料の融液を供給する融液供給手段
と、回転振動体から飛散する粉末を補集する補集容器と
を具備したことを特徴とする。

また、本発明の粉末製造方法は、回転軸の一端に固定
された回転振動体を回転するとともに軸方向に振動さ
せ、この回転振動体の表面に粉末化すべき材料の融液を
供給し、この融液を遠心力および振動力により回転振動
体から微小飛沫として飛散させ、粉末化することを特徴
とする。

「作用」この粉末製造装置および粉末製造方法では、回転振動
体を回転し軸方向に振動させながら、その表面に融液を
供給するため、この融液が遠心力により回転振動体の外
周縁に流れたうえ、この外周縁で振動により融液が波立
ち、その波頭から飛沫が生じて遠心力で放射状に飛散す
る。この時、外周縁に形成される波形は、遠心力による
波形と加振力による波形の合成波形となり、作用力は合
ベクトルとなる。このように、互いに直交する方向に働
く加振力と遠心力によって微小飛沫を融液から発生させ
るので、遠心力のみによって飛沫を振り切る従来法に比
して、同じ回転速度でも遥かに粒径の小さい粉末を製造
することができる。

また、粒径の小さい粉末を製造する場合にも回転速度
が比較的小さくて済むから、回転振動体の熱変形等によ
る回転バランスの悪化が生じにくく、振動発生の危険性
が低減できる。

加振力のみにより粉末を製造する場合、飛散する粉末
の初速度は数十〜数百cm/sのオーダーであり、飛散時の
滞空時間が長いため冷却に必要な飛程は小さく、容器は
小さくすることができるが冷却速度は小さくなる。これ
に対し、本発明の装置および方法では、遠心力と加振力
により生成する粉末が、遠心力によって決定される数十
〜数百m/sの大きな初速度を持つ。微細な粉末が高速で
飛散すると初期冷却速度（凝固速度）が大きくなるとと
もに抗力係数が大きくなるため、減速も大きく、その冷
却に要する空間を小さくすることができ、装置の小形化
が図れる。

また、この結果、得られる粉末は10⁵〜10⁶℃/sの急冷
を受けて微細な下部組織を有するようになり、溶質原子
の固溶度が大きくなるという利点を有する。

「実施例」第１図および第２図は、本発明に係わる粉末製造装置
の一実施例を示す縦断面図およびII−II線視断面図であ
る。

図中符号１は垂直に配置された回転軸で、この回転軸
には中央に回転駆動機構２が設けられるとともに、その
上下にそれぞれ磁気浮上式軸受機構３が設けられ、さら
にその上方には加振機構４が設けられている。

回転駆動機構２は通常のモータと同様で、回転軸１に
固定されたロータ５と、このロータ５の外周面から間隔
を空けて配置された複数の電磁石６とから構成され、こ
れら電磁石６は図示しない駆動回路にそれぞれ接続され
ている。

一方、磁気浮上式軸受機構３は、回転軸１に同軸に固
定された強磁性体製のロータ７と、第２図に示すように
ロータ７の外周面に向け等間隔を空けて周方向90゜毎に
配置された４個の電磁石８とから構成され、互いに180
゜隔てた電磁石８同士は対をなし、これら各対はそれぞ
れ独立した径方向制御回路９に接続されている。

回転軸１の両端部にはまた、回転軸１の外周面に向け
等間隔を空けて、各電磁石８と軸方向に合致した箇所に
それぞれ４個づつ径方向センサ10が配置されている。こ
れらのうち互いに180゜隔てた対をなすセンサ10は、そ
れぞれ対応する電磁石８が接続された径方向制御回路９
に接続されている。そして各径方向制御回路９は、前記
一対の径方向センサ10が検出した回転軸１の径方向の偏
差に応じ、対応する対をなす電磁石８への通電量を増減
し、その電磁力により回転軸１を吸引し、回転軸１の軸
線位置を常に一定に保つ構成とされている。

加振機構４は、回転軸１に固定された円板状の駆動プ
レート11と、この駆動プレート11の両面に対向して配置
された一対の電磁石12A,12Bとから構成され、これら電
磁石12A,12Bは軸方向駆動回路13に接続されている。

また、回転軸１には駆動プレート11の近傍に円板状の
基準プレート14が固定されるとともに、この基準プレー
ト14の下面と対向して軸方向センサ15が設けられ、前記
軸方向駆動回路13に接続されている。

この軸方向駆動回路13は、軸方向センサ15の出力信号
を、後述する加振周期より長い単位時間で平均化し（単
に時間的分解能を低下させるだけでもよい）、この平均
値が予め設定された基準値より大なら下側の電磁石12B
への通電量を増し、逆であれば上側の電磁石12Aへの通
電量を増すことにより、駆動プレート11の振幅の中心を
定位置に保つ。

軸方向駆動回路13にはまた、発信周波数を無段階変更
できる高周波発生器16が接続されており、この高周波発
生器16からの高周波電流により、前述した各電磁石12A,
12Bへの電流が互いに逆位相に変調され、前記高周波電
流と同期して駆動プレート11が上下に振動する構成とな
っている。また振幅は、高周波発生器16の出力電流を増
減して調整できるようになっている。

一方、回転軸１の上端部には、これを覆う開閉可能な
補集容器19が設けられ、さらに回転軸１の上端にはMo等
の耐熱材または水冷銅で成形された平面視円板形をなす
傘状のホーン（回転振動体）17がホーン同軸に固定され
ている。このホーン17の形状や寸法は、粉末化すべき材
質、ホーン17の振動数および回転数に応じて、ホーン17
の外周縁の振幅が回転軸１の軸方向振幅よりも大になる
ように振幅増幅効果を考慮して決定される。ただし、本
発明ではホーン17の振幅および加振周波数を従来の超音
波噴霧法ほどには大きくしなくてよいので、ホーン17の
耐熱性・耐久性を従来の超音波噴霧装置よりも高めるこ
とができ、高融点金属等の粉末製造にも適用可能であ
る。

また補集容器19内には、ホーン17と対向して融液ノズ
ル（融液供給手段）18が配置されている。この融液ノズ
ル18は、バルブを介して加熱溶解炉（共に図示略）に接
続されており、この溶融炉内で溶かされた粉末化すべき
材料の融液をホーン17の中央部に一定流量で滴下あるい
は吹き付ける構成となっている。

さらに補集容器19には、不活性ガスの導入口および導
出口（共に図示略）が設けられ、図示しない不活性ガス
供給器から窒素ガスやArガス等が補集容器19内に導入さ
れる。

次に、上記構成からなる装置を用いた粉末製造方法を
説明する。

まず、加熱溶融炉に通電して粉末化すべき材料を溶融
し、補集容器19に不活性ガスを導入する。

次いで、回転駆動機構２を作動して回転軸１を回転さ
せ、所定の回転速度に達したらバルブを開き、加熱溶融
炉内の融液を融液ノズル18からホーン17に連続した細流
として吹き付ける。

すると、ホーン17と接触した融液は高速回転するホー
ン17の外周縁に移動するとともに、外周縁で超音波振動
により波立ち、その波頭から微細な飛沫が生じる。この
飛沫は遠心力により放射状に飛散し、不活性ガスとの接
触によって冷却されて球状の固体粒子となり、補集容器
19の内面に衝突して落下し、補集容器19内に堆積する。

なお、好ましい粉末化条件は、材料の種類、ホーン17
の寸法や形状、希望する粉末粒径等によって変わるが、
例えばTi合金の場合には、以下の範囲で平均粒径100μ
ｍ以下の粉末製造が可能である。

回転数:6000〜15000rpm 振動数:1000〜20000Hz 振幅:5〜50μｍなお、上記実施例では磁気浮上式軸受３を使用してい
たが、回転軸を軸方向変位可能に支持できれば他の軸受
機構も使用可能であり、例えば、エアベアリング、オイ
ルベアリング、水圧ベアリング等に変更可能である。

また、第３図ないし第６図に示すように、回転振動体
および融液供給手段を変更してもよい。

第３図は、回転振動体を円板状のディスク21とし、融
液ノズル18によってその外周部に偏心して融液を供給す
る例である。本発明ではあまり大きな振幅がなくとも十
分に微細な飛沫を形成することができるので、必ずしも
ホーン17を使用する必要はない。また、このように偏心
した位置に融液を供給すると、飛沫の放射方向を接線方
向に絞ることができる。

第４図は回転振動体をるつぼ22とし、この内部に融液
ノズル18から融液を供給する例である。この場合、るつ
ぼ22を粉末化すべき材料で成形しておき、融液ノズル18
から供給される融液により徐々にるつぼ22を溶解しつつ
粉末化してもよいし、るつぼ22の内部に冷却手段を設け
ることにより、るつぼ22の内面に粉末化すべき材料の固
化壁（スカル）を形成し、るつぼ22から融液への不純物
混入を防ぎつつ粉末製造を行なってもよい。

第５図はディスク21と対向して粉末化すべき材料から
なる電極23を配置するとともに、この電極23をディスク
21に向けて送る送り機構を設け、両者の間で放電して電
極23を徐々に溶解させ、生じた融液をディスク21に滴下
し粉末化する構成である。この場合さらに、ディスク21
を粉末化すべき材料で成形しておいてもよい。

第６図は、粉末化すべき材料23を送り機構でディスク
に向けて送りつつ、その下端にプラズマや電子線を照射
して溶解させ、生じた融液をディスク21に滴下する構成
である。

なお本発明は、金属に限らずTiAl等の金属間化合物に
も使用可能であるし、装置各部の構成は必要に応じて適
宜変更してよい。

「実験例」一般的な回転ディスク法によるTi合金の粉末製造方法
では、100mmφの水冷銅製ディスクを15000rpmで回転
し、平均100μｍの粉末を得ていた。

これに対し、第１図の構成の装置（ただし、ホーンは
使用しない）を実際に組み立てて、前記と同寸法・同材
質のディスクを同速で回転しつつ振動数20kHz、振幅10
μｍで振動させたところ、従来法と変わらない生産速度
で粉末が得られた。この場合、ディスクの周縁部におけ
る振幅増幅が大きいため、加振の効果が大きい。また、
この粉末の粒径を測定した結果、平均34μｍだった。

「発明の効果」以上説明したように、本発明の粉末製造装置および粉
末製造方法では、回転振動体を回転し軸方向に振動させ
ながら、その表面に融液を供給するため、この融液が遠
心力により回転振動体の外周縁に流れたうえ、この外周
縁で振動により融液が波立ち、その波頭から飛沫が生じ
て遠心力で放射状に飛散する。このように、互いに直交
する方向に働く加振力と遠心力によって微小飛沫を融液
から発生させるので、遠心力のみによって飛沫を振り切
る従来法に比して、同じ回転速度でも遥かに粒径の小さ
い粉末を製造することができる。

さらに、回転数が低くてよい分、飛沫の初速度を低下
できるので、その冷却に要する空間を小さくすることが
でき、装置の小形化が図れるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明に係わる粉末製造装置の
一実施例の縦断面図およびII−II線視断面図である。また、第３図ないし第６図は、本発明の他の実施例にお
ける融液供給手段を示す正面図である。１……回転軸、２……回転駆動機構、３……磁気浮上式
軸受機構、４……加振機構、９……径方向制御回路、10
……径方向センサ、11……駆動プレート、12A,12B……
電磁石、13……軸方向駆動回路、14……基準プレート、
15……軸方向センサ、16……高周波発生器、17……ホー
ン（回転振動体）、18……融液ノズル（融液供給手
段）、19……補集容器、21……ディスク（回転振動
体）、22……るつぼ（回転振動体）、23……粉末化すべ
き材料、24……加熱手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−31404（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−20803（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−125303（ＪＰ，Ａ) 特開平４−61926（ＪＰ，Ａ) 特公昭60−41814（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01J 2/02,2/18 B22F 9/10 B29B 9/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受機構により回転自在かつ軸方向変位可
能に支持された回転軸と、この回転軸を軸方向変位可能
に回転させる回転駆動機構と、前記回転軸を軸方向に振
動させる加振機構と、前記回転軸の一端に同軸に固定さ
れた回転振動体と、この回転振動体の表面に粉末化すべ
き材料の融液を供給する融液供給手段と、回転振動体か
ら飛散する粉末を補集する補集容器とを具備したことを
特徴とする粉末製造装置。
【請求項２】回転軸の一端に固定された回転振動体を回
転するとともに軸方向に振動させ、この回転振動体の表
面に粉末化すべき材料の融液を供給し、この融液を遠心
力および振動力により回転振動体から微小飛沫として飛
散させ、粉末化することを特徴とする粉末製造方法。