JP5917502B2 - モリブデン造粒粉の製造方法 - Google Patents
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Description
このようにMoを使用する場合、(1)Moを粉末のまま使用する方法、(2)Moを焼結した焼結体として使用する方法、(3)圧延、鍛造、鋳造などにより板状に加工する方法、(4)線引き加工してワイヤとして使用する方法、などが挙げられる。いずれの使用方法であっても、Mo粉末かMo溶湯を初期原料として用いることになる。Mo溶湯は溶解し鋳造して目的の形状に加工する方法である。Mo溶湯を使用する方法は、金型に溶湯を流し込む方法であるため、比較的に単純でかつ大きな形状に加工することができる利点がある。一方、Moは前述の通り、高融点金属であるため、Mo溶湯を厳格に管理するためには、耐熱性が高い大型設備が必要である。また、Mo溶湯を鋳型に流し込む方法であるため、複雑な形状には対応できない欠点がある。
このため、Mo粉末を焼結してMo焼結体として使用することが広く実施されている。焼結法であれば、金型にMo粉末を充填することにより、複雑な形状を有する製品も作製可能である。例えば特許第4157369号公報(特許文献1)では、断面がコの字状(カップ形状)の冷陰極管用焼結電極が開示されている。特許文献1では焼結法を用いて直径が1〜2mm程度のカップ形状の電極を作製している。
焼結法により、焼結体を作製する場合、Mo粉末に対して、造粒工程、成形工程、脱脂工程、焼結工程などが実施される。これまで焼結法では脱脂工程や焼結工程の改良が中心に進められてきた。特許文献1の[0027]段落では、脱脂工程をウエット水素雰囲気で実施する一方、焼結工程を水素雰囲気で実施することが開示されている。これにより焼結性が高まり、製品歩留りの向上が図られる。
また、国際公開WO2011/004887A1のパンフレット(特許文献2)では、平均粒径が0.5〜100μmである高純度モリブデン粉末の製造方法が開示されている。特許文献2では、1次粒子の割合が50%以上であるモリブデン粉末が開示されている。
これまでのMo焼結法においては、Mo原料粉末、脱脂工程および焼結工程に関しての改良が主として進められていた。しかしながら、製品の歩留りは必ずしも100%には到達していなかった。
また、溶射粉としてMo造粒粉を使用する場合には、溶射フレーム炎への供給量のばらつきが生じ、溶射膜としての特性が安定しないなどの問題が生じていた。この不具合の原因を追及したところ、造粒工程において目的とする造粒粉の平均粒径に応じた管理がなされていないことに原因があることを見出した。
本発明は、このような問題を解決するためのものであり、Mo製品(粉末または焼結体)の品質の安定化や歩留りの向上を実現できるモリブデン造粒粉の製造方法を提供することを目的とする。
また、スプレードライヤーによる造粒工程完了後の造粒粉に対して、その平均粒径Bの2〜3倍のメッシュ径を有する篩を通す篩分け工程をさらに実施することが好ましい。また、モリブデン造粒粉の平均粒径Bが20〜150μmであることが好ましい。また、スプレードライヤーの回転板の回転数Aが5000〜16000rpmであることが好ましい。
また、バインダーがポリビニルアルコール粉末、ポリエチンレングリコール粉末およびカルボメキシメチルセルロース粉末の少なくとも1種であることが好ましい。また、投入するモリブデン粉末の合計量を100体積部にしたときに、バインダーの体積を3〜20体積部とすることが好ましい。
また、得られるモリブデン造粒粉の見かけ密度が1.3〜3.0g/ccであることが好ましい。また、モリブデン含有水溶液は、モリブデン粉末量を100質量部としたときに、純水量が0.2〜1リットルであることが好ましい。また、スプレードライヤーは、150〜300℃の熱風を供給しながらモリブデン造粒粉の乾燥を実施することが好ましい。また、スプレードライヤーは大気圧以下の減圧雰囲気でモリブデン造粒粉の乾燥を実施することが好ましい。また、得られたモリブデン造粒粉の流動性が50sec/50g以下であることが好ましい。
また、本発明のモリブデン造粒粉は、上記モリブデン造粒粉の製造方法によって製造されたモリブデン造粒粉であって、このモリブデン造粒粉の見かけ密度が1.3〜3.0g/ccであることを特徴とするものである。
さらに、モリブデン造粒粉の平均粒径が20〜150μmであることが好ましい。また、モリブデン粉末の合計量を100体積部にしたときに、バインダーの体積が3〜20体積部であることが好ましい。また、モリブデン造粒粉の流動性が50sec/50g以下であることが好ましい。
まず、容器に水を注入する。この水としては、水道水、純水、超純水などが使用できる。純水および超純水は、不純物をほとんど含まない水のことである。この中で純水は、比抵抗が104Ω・cm(25℃)以上の水を示し、超純水は比抵抗が18×106Ω・cm(25℃)以上の水を示す。純水および超純水は、蒸留水、イオン交換水、RO(Reverse Osmosis:逆浸透膜)水などが挙げられる。得られるモリブデン造粒粉に不純物が混入することを防止するためには、純水や超純水を使用することが好ましい。なお、超純水は、その調製が複雑でコストアップの要因となることから、純水を使用することが経済的に好ましい。また、不純物の混入を制御する必要がない場合は、水道水を使用することにより、コストメリットが高まる。
また、容器1に水を注入し、その水を50〜80℃に加熱する工程を実施する。水の温度が50℃未満では、後述するバインダーを添加したときに、バインダーが水に溶解せずに固まってしまうので、均一なモリブデン含有水溶液の調製が困難になる。一方、水温が80℃を越えた場合には、水の蒸発が発生し過ぎて、水、バインダーおよびモリブデン粉末の配合割合が大きく変化してしまうおそれがある。そのため、水の加熱温度は50〜80℃の範囲であり、さらには60〜70℃であることが好ましい。
次に、水を攪拌しながら平均粒径が1〜10μmであるモリブデン粉末を投入することにより、モリブデン含有水溶液を調製する工程を実施する。モリブデン粉末の平均粒径とは一次粒径の平均粒径である。ここではFSSS法(フィッシャー法)により求めた値を平均粒径とする。平均粒径が1μm未満では、Mo粉が過小であり製造するのが困難でありコストアップの要因となる。
一方、平均粒径が10μmを超えると一次粒径が過大になり、Mo造粒粉の特性を安定させることが困難となる。そのため、モリブデン粉末の平均粒径は1〜10μm、さらには2〜5μmが好ましい。また、モリブデン粉末を一度に大量の粉末を投入するとモリブデン粉末が必要以上に凝集し易いので少量ずつ、例えば0.5〜2kgずつ投入することが好ましい。
また、バインダーの全量が加熱した水に溶解したことを確認してから、モリブデン粉末を添加することが好ましい。バインダーを粉末で添加すれば、溶解したか否かが肉眼で判別できる。なお、バインダーとしてポリビニルアルコール粉末を使用したとき、ポリビニルアルコール粉末が水に完全に溶解すると、モリブデン粉末を添加する前の水が半透明になる。バインダーが水に完全に溶解したか否かを判定し易くするためにも、バインダーを添加した後、モリブデン粉末を添加する順番であることが好ましい。ポリエチンレングリコールおよびカルボメキシメチルセルロースについても同様のことが言える。
図1に示すように、水2に、モリブデン粉末3、バインダー4を添加して、モリブデン水溶液6を調製するにあたり、投入するモリブデン粉末の合計量を100体積部にしたときに、バインダーの体積を3〜20体積部とすることが好ましい。バインダーはモリブデン造粒粉を形成する際に、モリブデン粉末同士を接着する接着剤の役割を果たす。そのため、モリブデン粉末の合計量を100体積部としたときに、バインダーの添加量が3体積部未満ではバインダー量が過少であり、均一な造粒粉を得られない恐れがある。また、バインダーの添加量が20体積部を超えて過大になると、モリブデン粉末同士の隙間にバインダーが入り過ぎて密度のばらつきが大きな造粒粉となってしまう。そのため、バインダーの添加量は、モリブデン粉末100体積部に対し、3〜20体積部、さらには5〜15体積部であることが好ましい。
また、それぞれの不純物量としては、Fe(鉄)は10質量ppm以下、Al(アルミニウム)は50質量ppm以下、Ca(カルシウム)は30質量ppm以下、Mg(マグネシウム)は20質量ppm以下、Si(ケイ素)は50質量ppm以下、Ni(ニッケル)は50質量ppm以下、Na(ナトリウム)は10質量ppm以下、K(カリウム)は20質量ppm以下、Pb(
鉛)は70質量ppm以下、Bi(ビスマス)は70質量ppm以下、Cd(カドミウム)は70質量ppm以下、Cu(銅)は70質量ppm以下、Mn(マンガン)は20質量ppm以下、Sn(錫)は30質量ppm以下であることが好ましい。
また、上記金属不純物以外の不純物として酸素などのガス成分が挙げられる。酸素量は7質量%以下であり、窒素量は7質量%以下であることが好ましい。
前記工程にて調整されたモリブデン含有水溶液6を投入口7に流し込む。投入口7への投入速度は、10〜80cc/分が好ましい。投入速度が10cc/分未満では投入量が少なすぎて量産性が悪い。一方、投入速度が80cc/分を超えると投入量が多すぎて得られる造粒粉の特性にばらつきが生じ易い。
ここで、造粒粉の平均粒径は、スプレードライヤーの回転板の回転速度との関連性が高い。そこで本発明では回転板の回転速度をA(rpm)、造粒粉の平均粒径をB(μm)としたとき、その比の値A/Bを50〜700の範囲内に制御することを特徴とするものである。モリブデン含有水溶液6を回転板8に供給したとき、回転板8によって一定量ずつ弾かれ、弾かれたモリブデン含有水溶液は表面張力により球状の造粒粉になる。また、バインダーを添加していることからも、均一な造粒粉を製造することができる。
一方、A/Bが700を超えると、目的とする造粒粉の平均粒径に対して回転板の回転速度が速すぎるため、目的とする造粒粉の平均粒径Bが得られない。またA/Bが700を超えると、目的とする造粒粉の平均粒径Bに対して、小さな平均粒径となる。
こうして、A/Bを50〜700の範囲に制御することにより、目的とする造粒粉の平均粒径Bに対して±20%の範囲の平均粒径を有する造粒粉が効率的に得られる。例えば、目的とする造粒粉の平均粒径Bを50μmとしたとき、±50%とは50×0.5=25μmであるから、平均粒径が25〜75μmの範囲内の造粒粉が得られることを意味している。なお、造粒粉の平均粒径は拡大写真を使用して、そこに写る造粒粉の最大径を粒径とし、造粒粉100粒の平均値を造粒粉の平均粒径とする。
上記熱風は図示しない熱風供給口からスプレードライヤーの外壁10内に供給され、図示しない排気口から排気される。熱風を供給口から排気口に排気しながら供給することにより、常に新鮮な熱風を供給することにより造粒粉から蒸発した水分が他の造粒粉に取り込まれるのを防止することができる。
なお、上記熱風の供給温度が150℃未満では、水分の蒸発速度が遅くなる一方、300℃を超えると水分が瞬間的に蒸発し過ぎて造粒粉の粒径のばらつきが大きくなる原因となる。
また、スプレードライヤーは、大気圧以下の減圧雰囲気でモリブデン造粒粉の乾燥を実施することが好ましい。スプレードライヤーの外壁10内を大気圧以下の減圧雰囲気とすることにより、造粒粉中の水分を蒸発し易くすることができる。なお、減圧雰囲気は、大気圧(1atm=1.01×105Pa)から100〜500Pa低い減圧雰囲気であることが好ましい。100Pa未満では減圧雰囲気とする効果が十分でない一方、500Paを超えると減圧雰囲気を制御する負担が大きくなりコストアップの要因となる。
また、得られるモリブデン造粒粉の見かけ密度が1.3〜3.0g/ccであることが好ましい。前述したように、本発明ではモリブデン造粒粉の平均粒径は拡大写真を使用して測定している。この測定方法であれば、外観上の平均粒径は判断できる。
しかしながら、造粒粉の内部に空隙が多く密度が小さな造粒粉が存在すると、その後の製品(溶射用粉末や焼結体)に使用するときに、部分的にモリブデン粉末の存在比率にばらつきが生じる。存在比率のばらつきは、製品のばらつきに繋がる。例えば、造粒粉を溶射用粉末に使用する場合、密度が大きく異なる造粒粉が存在すると、溶射フレーム炎に投入されるモリブデン粉末量にばらつきが生じ、結果として溶射Mo膜の特性のばらつきが発生する原因となる。また、焼結体を作製する場合は、成形金型に挿入されるモリブデン量のばらつきが生じ、焼結体中のポアが必要以上に大きくなる恐れがある。
また、モリブデン造粒粉の見かけ密度が1.3g/cc未満であると、造粒粉中のモリブデン量が少なすぎて、その後の製品化における品質のばらつきが発生する原因となる。一方、見かけ密度が3.0g/ccを超えて過大であると、モリブデン粉末がぎっしり詰まった状態であるため、スプレードライヤーで造粒粉を安定的に製造することが困難である。見かけ密度の測定方法は、JIS−Z−2504に準拠した方法で実施するものとする。
また、流動性が良いということは、モリブデン造粒粉の形状が球体に近いことを意味している。モリブデン造粒粉が球体に近いとは、アスペクト比が1.5以下を示すものとする。図3にモリブデン造粒粉の形状の一例を示す。図中、符号3はモリブデン粉末であり、9はモリブデン造粒粉であり、L1はモリブデン造粒粉の短径であり、L2は長径である。アスペクト比は「長径L2/短径L1」により求める。アスペクト比1.0とは真球に近い状態であることを示す。
また、モリブデン造粒粉の平均粒径、特に粒度分布の制御手段として、スプレードライヤーによる造粒工程完了後の造粒粉に対して、その平均粒径Bの2〜3倍のメッシュ径を有する篩を通す篩分け工程をさらに実施する方法もある。この篩分け工程を実施することにより、過大な造粒粉を除去することができる。これにより、さらに平均粒径のより正確な制御が可能となる。また、篩分け工程により、過小な造粒粉を除去することも有効である。
以上のように本発明に係るモリブデン造粒粉の製造方法であれば、平均粒径、見かけ密度、流動性が優れたモリブデン造粒粉を歩留り良く効率的に製造することができる。そのため、各製品に応じた造粒粉を歩留り良く製造することができる。
この造粒粉の用途としては、溶射用粉末、各種焼結体の原料粉などが挙げられる。溶射用粉末として、平均粒径、見かけ密度および流動性が優れたモリブデン造粒粉を使用することにより、溶射フレーム炎への供給量を安定化させることができる。その結果、溶射膜の品質を均質なものとすることができる。また、各種焼結体の原料粉末としてモリブデン造粒粉を使用する場合、平均粒径、見かけ密度および流動性が優れたモリブデン造粒粉を使用することにより成形金型への充填量を均質化できる。その結果、焼結体の密度などを安定化させることができる。特に、成形金型の形状に応じて、平均粒径を変えることにより、さらに歩留りの向上を図ることができる。例えば、厚さが1mm以下の焼結体では造粒粉の平均粒径を50μm程度とする一方、厚さが5mm程度の焼結体では、造粒粉の平均粒径を100μm程度にすることにより成形金型への充填を効率よく実施することができる。
(実施例1〜7および比較例1)
モリブデン粉末(純度99.9%以上)と、バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)粉末および純水を用意した。ステンレス製容器に、水を注入し、水を加熱および攪拌しながら、ポリビニルアルコール粉末を添加し、添加したポリビニルアルコール粉末が全て溶解させた。ポリビニルアルコール粉末が全て溶けたときは、半透明の水溶液となっていることが確認できた。その後、モリブデン粉末を1〜2kgずつ、合計40kg投入した。モリブデン粉末の攪拌において、水が蒸発して不足する分は、必要に応じて純水を追加投入した。バインダーとしてポリビニルアルコール粉末を使ったものを実施例1〜5とした。また、バインダーとしてポリエチンレングリコール粉末を使ったものを実施例6、カルボメキシメチルセルロース粉末を使ったものを実施例7とした。
一方、水の加熱温度が35℃とした点以外は実施例1と同様に処理して比較例1に係るモリブデン含有水溶液を調製した。
ここまでのモリブデン含有水溶液の調整工程の条件を下記表1に示す。
次に、上記実施例1〜7のモリブデン含有水溶液を用いて、スプレードライヤーによる造粒工程を実施した。スプレードライヤーによる造粒工程の条件を下記表2に示す。
なお、平均粒径は得られたモリブデン造粒粉の任意の100粒を抜き出し、拡大写真を撮り、そこに写る各粒の最大径を求め100粒の平均値を平均粒径とした。アスペクト比は同様の拡大写真を使用して短径L1および長径L2を求め、それぞれのL2/L1の平均値をアスペクト比とした。また、見かけ密度および流動性はJIS−Z−2504に準拠した方法で測定した。また、歩留りは、投入したモリブデン粉末40kg量とモリブデン造粒粉の合計量の比「(造粒粉の合計量/40kg)×100%」から算出した。
それらの測定算出結果を下記表3に示す。
2…水
3…モリブデン粉末
4…バインダー
5…必要に応じて再度投入する水
6…モリブデン含有水溶液
7…モリブデン含有水溶液の投入口
8…回転板
9…モリブデン造粒粉
10…スプレードライヤーの外壁
11…モリブデン造粒粉の回収容器
Claims (10)
- 容器に水を注入し、水を50〜80℃に加熱する工程と、
加熱された水にバインダーを添加する工程と、
水を攪拌しながら平均粒径が1〜10μmであるモリブデン粉末を投入することによりモリブデン含有水溶液を調製する工程と、
上記モリブデン含有水溶液を分散するスプレードライヤーの回転板の回転数をA(rpm)とし、造粒粉の平均粒径をB(μm)としたときに、A/Bが50〜700の範囲であるスプレードライヤーに上記モリブデン含有水溶液を投入し、上記モリブデン含有水溶液を分散すると共に乾燥してモリブデン造粒粉を調製する工程と、
を有することを特徴とするモリブデン造粒粉の製造方法。 - スプレードライヤーによる造粒工程完了後の造粒粉に対して、平均粒径Bの2〜3倍のメッシュ径を有する篩を通す篩分け工程をさらに実施することを特徴とする請求項1記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- モリブデン造粒粉の平均粒径Bが20〜150μmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 前記スプレードライヤーの回転板の回転数Aが5000〜16000rpmであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 前記バインダーがポリビニルアルコール粉末、ポリエチンレングリコール粉末およびカルボメキシメチルセルロース粉末の少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 投入する前記モリブデン粉末の合計量を100体積部にしたときに、前記バインダーの体積を3〜20体積部とすることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 得られるモリブデン造粒粉の見かけ密度が1.3〜3.0g/ccであることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 前記スプレードライヤーは、150〜300℃の熱風を供給しながらモリブデン造粒粉の乾燥を実施することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 前記スプレードライヤーは、大気圧以下の減圧雰囲気でモリブデン造粒粉の乾燥を実施することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
- 得られたモリブデン造粒粉の流動性が50sec/50g以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載のモリブデン造粒粉の製造方法。
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