JP5803198B2 - 金属粉末製造装置および金属粉末製造方法 - Google Patents
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Description
ところが、製造する金属粉末の組成によっては、溶融金属が固化する速度が速い場合がある。溶融金属の固化が進むと、筒状部材の内部を経由している際に溶融金属の粘度が高くなり、その後の分裂が不十分になる。また、固化した溶融金属によって前記筒状部材が閉塞してしまい、それ以上、金属粉末を製造することができないこともある。
本発明の金属粉末製造装置は、溶融金属を貯留する貯留部と、
前記貯留部の下方に設けられ、前記貯留部から流下した溶融金属が通過可能で内径が下方に向かって連続的に減少する流路と、前記流路の下端部に開口し、前記流路内に向けて流体を噴射するスリットと、を備えるノズルと、
下端が前記流路の途中に位置するように、前記貯留部と前記ノズルとの間に設けられ、前記貯留部に貯留された溶融金属を下端から前記流路に向けて供給する筒状部材と、
下端が前記流路の途中に位置するように、かつ、前記筒状部材の外側を覆うように、前記筒状部材から離間して設けられた保護管と、
を有し、
前記筒状部材と前記保護管との隙間は、その上端において閉じており、下端では開いていることを特徴とする。
これにより、製造する金属粉末の組成によらず、微細で粒径の揃った高品質の金属粉末を安定して製造可能な金属粉末製造装置が得られる。
また、これにより、流路に生起される空気の流れに伴って、隙間内の圧力が低下する。その結果、隙間内が減圧状態に維持され、隙間の断熱性を大幅に高めることができるので、溶融金属の粘度上昇を抑制することができる。
これにより、保護管の下端が、流路に生起される空気の流れを妨げることが防止される。これにより、微細で粒径の揃った高品質の金属粉末を安定して製造することができる。
これにより、貯留部内に貯留された溶融金属を、外気に触れさせることなくノズルに導くことができ、かつ、その間の溶融金属の温度低下を確実に抑制することができる。
本発明の金属粉末製造装置では、前記保護管は、ステンレス鋼またはチタン合金で構成されていることが好ましい。
これらの材料は熱伝導性が高いことから、例えば保護管が貯留部の下面に接している場合、貯留部の高い温度が保護管に伝達され易くなり、溶融金属の温度低下を確実に抑制することができる。
セラミックス材料は熱伝導性が低いことから、貯留部筒状部材は、外部の温度低下の影響を受け難く、それゆえ、溶融金属の温度低下を抑制し得るものとなる。
本発明の金属粉末製造装置では、前記筒状部材の下端および前記保護管の下端は、それぞれ前記流路の途中に位置するよう配置されており、
前記保護管の下端と前記流路の内壁面との最短距離をL1とし、前記筒状部材の下端と前記流路の内壁面との最短距離をL2としたとき、L1≧L2の関係を満足することが好ましい。
これにより、流路の下方に向かうほど圧力が低下することとなり、隙間の断熱性をより高めることができる。
本発明の金属粉末製造装置では、前記筒状部材と前記保護管との隙間の距離は、1mm以上20mm以下であることが好ましい。
これにより、隙間の断熱性を確実に高めることができる。
本発明の金属粉末製造方法は、溶融金属を貯留する貯留部と、
前記貯留部の下方に設けられ、前記貯留部から流下した前記溶融金属が通過可能で内径が下方に向かって連続的に減少する流路と、前記流路の下端部に開口し、前記流路内に向けて流体を噴射するスリットと、を備えるノズルと、
下端が前記流路の途中に位置するように、前記貯留部と前記ノズルとの間に設けられ、前記貯留部に貯留された溶融金属を下端から前記流路に向けて供給する筒状部材と、
下端が前記流路の途中に位置するように、かつ、前記筒状部材の外側を覆うように、前記筒状部材から離間して設けられた保護管と、
を有し、
前記筒状部材と前記保護管との隙間は、その上端において閉じており、下端では開いている金属粉末製造装置を用い、
前記スリットから前記流体を噴射することにより前記流路内に下方に向かって空気の流れを生じさせ、前記保護管が前記空気の流れから前記筒状部材の外表面を保護するとともに、前記筒状部材と前記保護管との隙間を減圧している状態で、
前記貯留部から前記流路を通過するように前記溶融金属を流下させ、前記流体に衝突させることにより、前記溶融金属を微細化するとともに固化させて金属粉末を製造することを特徴とする。
<金属粉末製造装置>
まず、本発明の金属粉末製造装置の実施形態について説明する。
図1は、本発明の金属粉末製造装置の実施形態を模式的に示す縦断面図、図2は、図1の部分詳細図である。
ここで、上記のような保護管23を設けたことにより、貯留部筒状部材22の内部を溶融金属90が経由する際に、溶融金属90の温度低下が抑制される。その結果、溶融金属90が固化する速度を抑えることができ、良好な条件で溶融金属90を粉末化することができる。
(供給部)
図1に示す供給部6は、有底筒状をなす供給部容器61と、この供給部容器61の下面に接続された供給部筒状部材62と、を有している。このうち、供給部容器61内には、製造しようとする金属粉末の原材料を溶融した溶融金属90が一時的に貯留される。また、供給部容器61の底部の中央には、底部を貫通する開口611が設けられている。前述した供給部筒状部材62は、その中空部と前記開口611とが重なるように、前記供給部容器61の下面に接続されている。したがって、供給部容器61内に貯留された溶融金属90は、開口611と供給部筒状部材62とを介して下方に流下し、続いて貯留部2に貯留される。
さらに、蓋を被せることにより、供給部容器61内を加圧することもできる。この場合、溶融金属90は自重による流下速度よりも速い速度で吐出されることになるため、加圧力を適宜調整することにより、溶融金属90の単位時間当たりの供給量を制御することができる。
図1に示す貯留部(タンディシュ)2は、有底筒状をなす貯留部容器21と、この貯留部容器21の下面に接続された貯留部筒状部材22と、を有している。このうち、貯留部容器21は、供給部6から供給された溶融金属90を受け、これを一時的に貯留する。また、貯留部容器21の底部の中央には、底部を貫通する開口211が設けられている。前述した貯留部筒状部材22は、その中空部と前記開口211とが重なるように、前記貯留部容器21の下面に接続されている。
したがって、貯留部容器21内に貯留された溶融金属90は、開口211と貯留部筒状部材22とを介して、下方に流下する。
貯留部容器21および貯留部筒状部材22の構成材料は、供給部容器61および供給部筒状部材62の構成材料と同様である。
図1に示すノズル3は、ノズル本体30と、ノズル本体30に設けられ、貯留部2から流下してきた溶融金属90が通過する流路31と、流路31内に向けて流体を噴射するスリット32と、ノズル本体30の下面に設けられたカバー7と、を有している。流体としては、例えば、水が用いられる。
図1に示すノズル本体30は、例えば円柱状をなしており、その軸線と貯留部2から流下する溶融金属90の流下経路とが一致するよう配置されている。
流路31は、鉛直方向にノズル本体30を貫通する貫通孔であり、貫通孔の内径は連続的に変化している。具体的には、流路31は、その内径が流路31の上端部において最も大きく、そこから下方に向かって連続的に減少するよう構成されている。その結果、この領域における流路31の内壁面は、滑らかな曲面になっている。そして、流路31の中間付近において、流路31の内径が最も小さくなっており、そこから下方に向かっては再び連続的に増加している。
なお、導入路321は、その一部の縦断面形状がくさび状をなしている。このような形状であれば、導入路321に導入された流体が、くさび状の部分においてその流速を徐々に高めることができる。このため、くさび状の部分をスリット32の直前に配置することにより、スリット32からは高速の流体を安定して噴射することができる。また、流体は加圧された状態で導入路321に供給されるので、ノズル本体30には十分な耐圧性が求められる。
このようなノズル本体30の構成材料は、供給部容器61および供給部筒状部材62の構成材料と同様であってもよいが、金属材料が好ましい。これにより、耐熱性と流体に加わる耐圧性とを両立するノズル本体30が得られる。
また、カバー7は、ノズル本体30の下面に気密的に接続されているのが好ましい。これにより、カバー7内に外気が流入するのを防止することができる。その結果、溶融金属90が粉末化され、固化して金属粉末が生成される際に、溶融金属90が外気と接触して、金属粉末が酸化、変質してしまうのを防止することができる。
次に、金属粉末製造装置1を用いて金属粉末を製造する方法について説明する。
まず、供給部容器61内に溶融金属90を貯留する。貯留された溶融金属90は、供給部筒状部材62を介して下方の貯留部容器21内に流下する。
貯留部容器21内に流下した溶融金属90は、貯留部容器21内に貯留されるとともに、貯留部筒状部材22を介して下方のノズル3に向かって流下する。
この状態にある流路31に貯留部筒状部材22から流下した溶融金属90が到達すると、流路31内の圧力低下により溶融金属90が分裂(一次分裂)する。これは、溶融金属90が密集しようとする力よりも、周囲の減圧力が上回ることにより生じるものである。この一次分裂により、溶融金属90は多数の液滴91となる。
また、本実施形態に係る貯留部2は、さらに、貯留部筒状部材22の外側を覆うように、貯留部筒状部材22から離間して向けられた保護管23を有している。
前述したように、金属粉末を製造する際には、ノズル3のスリット32から高速の流体が噴射され、流体ジェット33が形成されるとともに、流路31内を下方に向かって流れる空気の流れGが生起されるため、保護管23がない場合、貯留部筒状部材22の外表面はこの空気の流れGに直接曝されることとなる。こうなると、貯留部筒状部材22の温度が急速に低下し、それに伴って貯留部筒状部材22内を流下している溶融金属90の温度が奪われるとともに、溶融金属90の粘度が上昇する。その結果、上記一次分裂において溶融金属90は微細な液滴91に分裂し難くなる。さらに、液滴91が二次分裂を迎えたときにも、微細な液滴に分裂することが困難になり、その結果、微細な金属粉末を製造することが妨げられる。
なお、この圧力範囲については、流路31内のうち、貯留部筒状部材22の下端近傍における圧力も同様の範囲になる。
なお、貯留部筒状部材22の形状は、筒状であれば特に限定されないものの、その底面の外周形状としては、真円、楕円のような円形、三角形、四角形、五角形、六角形のような多角形等が挙げられる。このうち、底面の外周形状は略真円であるのが好ましい。これにより、仮に貯留部筒状部材22が冷却されたとしても、その冷却が均一になり易いため、溶融金属90の温度低下も均一になる。その結果、製造される金属粉末の粒径もより均一になる。
また、保護管23が円筒状であれば、流路31内に生起される空気の流れGが、この保護管23によって妨げられ難くなる。その結果、流路31内において確実に圧力低下を生じさせることができる。
さらに、保護管23の長さは、一例として、5cm以上100cm以下であるのが好ましく、10cm以上50cm以下であるのがより好ましい。
また、保護管23の下端231は、貯留部筒状部材22の下端221より下方に位置していてもよいが、図2に示すように下端221より上方に位置しているのが好ましい。保護管23をこのように配置したことにより、保護管23の下端231が、流路31に生起される空気の流れGを妨げることが防止される。これは、保護管23を上記のように配置することで、保護管23の下端231と貯留部筒状部材22の下端221とが、空気の流れGと同様の方向に沿って並ぶこととなり、その結果、空気の流れGが下端231の影響を受け難くなるためであると推察される。
また、図2に示す流路31は、その上端において内径が最も大きく、下方に向かうにつれて内径が徐々に小さくなるよう構成されている。
以上、金属粉末製造装置1について説明したが、保護管23には図示しない加熱手段が設けられていてもよい。この加熱手段によって保護管23を加熱することにより、溶融金属90の温度低下をより確実に抑制することができる。
また、供給部6は、溶融金属90を貯留部2に対して供給し得るものであれば、その他のもの(例えば、溶融炉等)で代替することもできる。
以上、本発明の金属粉末製造装置を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く、例えば、金属粉末製造装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
また、筒状部材と保護管との隙間の上端は開いていてもよく、下端は閉じていてもよい。
さらに、保護管は1つだけでなく、多重で設けられていてもよい。すなわち、保護管23の外側に、さらに別の保護管を設けるようにしてもよい。
(実施例1)
まず、ステンレス鋼SUS316L(融点Tm:1450℃)を高周波誘導炉で溶融して溶融金属を得た。
次いで、得られた溶融金属を図1、2に示す金属粉末製造装置の供給部容器内に移した。そして、溶融金属を貯留部およびノズルへと流下させるとともに、ノズルのスリットから水ジェットを噴射することにより、溶融金属を粉末化した。これにより、金属粉末を得た。
・流体ジェットの噴射圧力:100MPa
・供給部容器の材質 :アルミナ・グラファイト複合材料
・貯留部容器の材質 :アルミナ・グラファイト複合材料
・貯留部筒状部材の材質 :アルミナセラミックス
・供給部筒状部材の内径 :5mm(円筒状)
・貯留部筒状部材の内径 :5mm(円筒状)
・保護管の材質 :チタン合金(Ti−6Al−4V)
・保護管の厚さ(肉厚) :0.5mm(円筒状)
・保護管の長さ :30cm
・保護管と貯留部筒状部材との隙間:1mm
・保護管の下端と貯留部筒状部材の下端との離間距離:3cm
・L1 :50mm
・L2 :45mm
・隙間内部の圧力 :24kPa
また、金属粉末製造装置における溶融金属の温度は以下の通りである。
・供給部容器に貯留された溶融金属の初期温度 :1720℃
保護管と貯留部筒状部材との隙間を2mmに変更した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、27kPaであった。
(実施例3)
保護管と貯留部筒状部材との隙間を5mmに変更した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、61kPaであった。
保護管と貯留部筒状部材との隙間を10mmに変更した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、82kPaであった。
(実施例5)
保護管と貯留部筒状部材との隙間を15mmに変更した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、93kPaであった。
保護管と貯留部筒状部材との隙間の下端も閉じるようにした以外は、実施例2と同様にして金属粉末を得た。なお、閉空間となった前記隙間内部の圧力は大気圧(100kPa)とした。
(実施例7)
保護管の材質をチタン合金に代えてステンレス鋼(SUS304)に変更した以外は、実施例2と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、30kPaであった。
保護管の下端と貯留部筒状部材の下端との離間距離を0mmに変更した以外は、実施例2と同様にして金属粉末を得た。なお、このとき、L1は40mm、L2は45mmであった。また、隙間内部の圧力は、94kPaであった。
(実施例9)
保護管を横断面の外周形状が正方形である管体に変更した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間の距離は平均3mm、離間距離は2cm、隙間内部の圧力は42kPaであった。
溶融金属をアルミニウム(融点Tm:660℃)に変更した以外は、実施例2と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、27kPaであった。また、溶融金属の初期温度を900℃とした。
(実施例11)
溶融金属をアルミニウム(融点Tm:660℃)に変更した以外は、実施例3と同様にして金属粉末を得た。なお、隙間内部の圧力は、60kPaであった。
保護管を省略した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。
(比較例2)
保護管と貯留部筒状部材との隙間を0mmに変更した以外は、実施例1と同様にして金属粉末を得た。なお、L1は52mmであった。
保護管を省略した以外は、実施例10と同様にして金属粉末を得た。
(比較例4)
保護管と貯留部筒状部材との隙間を0mmに変更した以外は、実施例10と同様にして金属粉末を得た。なお、L1は52mmであった。
2.1.粒径の評価
各実施例および各比較例で得られた金属粉末について、レーザー回折式粒度分布測定装置により平均粒径および標準偏差を測定した。なお、平均粒径は、体積基準で累積量が50%になるときの粒子径(μm)である。また、標準偏差は、次式で定義され、粒度分布の幅の目安となるものである。
(標準偏差)=(d84%−d16%)/2
これらの結果を表1に示す。なお、実施例1〜9および比較例2で得られた金属粉末の標準偏差については、比較例1で得られた金属粉末の標準偏差を1としたときの相対値で示し、実施例10、11および比較例4で得られた金属粉末の標準偏差については、比較例3で得られた金属粉末の標準偏差を1としたときの相対値で示した。
一方、各比較例で得られた金属粉末は、粒径を小さくすることができず、粒度分布も相対的に広かった。特に、溶融金属がAlの場合、その傾向が顕著であった。また、Alの場合、比較例3では、途中で貯留部筒状部材が詰まってしまい、それ以上、金属粉末を製造することができなかった。
Claims (8)
- 溶融金属を貯留する貯留部と、
前記貯留部の下方に設けられ、前記貯留部から流下した溶融金属が通過可能で内径が下方に向かって連続的に減少する流路と、前記流路の下端部に開口し、前記流路内に向けて流体を噴射するスリットと、を備えるノズルと、
下端が前記流路の途中に位置するように、前記貯留部と前記ノズルとの間に設けられ、前記貯留部に貯留された溶融金属を下端から前記流路に向けて供給する筒状部材と、
下端が前記流路の途中に位置するように、かつ、前記筒状部材の外側を覆うように、前記筒状部材から離間して設けられた保護管と、
を有し、
前記筒状部材と前記保護管との隙間は、その上端において閉じており、下端では開いていることを特徴とする金属粉末製造装置。 - 前記保護管は、その下端が、前記筒状部材の下端より上方に位置するよう配置されている請求項1に記載の金属粉末製造装置。
- 前記筒状部材および前記保護管は、それぞれの上端が前記貯留部の下面に接するよう配置されている請求項1または2に記載の金属粉末製造装置。
- 前記保護管は、ステンレス鋼またはチタン合金で構成されている請求項1ないし3のいずれか1項に記載の金属粉末製造装置。
- 前記筒状部材は、セラミックス材料で構成されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の金属粉末製造装置。
- 前記筒状部材の下端および前記保護管の下端は、それぞれ前記流路の途中に位置するよう配置されており、
前記保護管の下端と前記流路の内壁面との最短距離をL1とし、前記筒状部材の下端と前記流路の内壁面との最短距離をL2としたとき、L1≧L2の関係を満足する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の金属粉末製造装置。 - 前記筒状部材と前記保護管との隙間の距離は、1mm以上20mm以下である請求項1ないし6のいずれか1項に記載の金属粉末製造装置。
- 溶融金属を貯留する貯留部と、
前記貯留部の下方に設けられ、前記貯留部から流下した前記溶融金属が通過可能で内径が下方に向かって連続的に減少する流路と、前記流路の下端部に開口し、前記流路内に向けて流体を噴射するスリットと、を備えるノズルと、
下端が前記流路の途中に位置するように、前記貯留部と前記ノズルとの間に設けられ、前記貯留部に貯留された溶融金属を下端から前記流路に向けて供給する筒状部材と、
下端が前記流路の途中に位置するように、かつ、前記筒状部材の外側を覆うように、前記筒状部材から離間して設けられた保護管と、
を有し、
前記筒状部材と前記保護管との隙間は、その上端において閉じており、下端では開いている金属粉末製造装置を用い、
前記スリットから前記流体を噴射することにより前記流路内に下方に向かって空気の流れを生じさせ、前記保護管が前記空気の流れから前記筒状部材の外表面を保護するとともに、前記筒状部材と前記保護管との隙間を減圧している状態で、
前記貯留部から前記流路を通過するように前記溶融金属を流下させ、前記流体に衝突させることにより、前記溶融金属を微細化するとともに固化させて金属粉末を製造することを特徴とする金属粉末製造方法。
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