JP6575723B1 - アトマイズ金属粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水アトマイズ法により、高い非晶質化率を有するアトマイズ金属粉末を製造する方法を提供する。【解決手段】鉛直方向に落下する溶融金属と衝突する高圧水を噴射し、該溶融金属を分断して金属粉末とし、かつその金属粉末を冷却し、非晶質化率が９０％以上のアトマイズ金属粉末を製造する方法であって、前記高圧水が前記溶融金属に衝突する際の衝突圧を２０ＭＰａ以上とし、前記高圧水が前記溶融金属との衝突面で亜臨界状態または超臨界状態になるように、前記溶融金属の温度及び／又は前記高圧水の温度を調整するアトマイズ金属粉末の製造方法とする。

Description

本発明は、アトマイズ金属粉末の製造方法に関するものである。本発明は、特に、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で７６ａｔ％以上であるアトマイズ金属粉末の製造に適する。

従来から、金属粉末を製造する方法として、アトマイズ法がある。このアトマイズ法には、溶融金属の流れに高圧の水ジェット（高圧水）を噴射して金属粉末を得る水アトマイズ法と、水ジェットに代えて不活性ガスを噴射するガスアトマイズ法などがある。

水アトマイズ法では、ノズル等より噴射した水ジェットで溶融金属の流れを分断し、粉末状の金属（金属粉末）とするとともに、水ジェットで粉末状の金属（金属粉末）の冷却も行ってアトマイズ金属粉末を得ている。一方、ガスアトマイズ法では、ノズルより噴射した不活性ガスにより溶融金属の流れを分断し、粉末状の金属としたのち、通常、粉末状の金属を、アトマイズ装置の下に備えられた水槽、あるいは流水のドラム中に落下させて、粉末状の金属（金属粉末）の冷却を行ってアトマイズ金属粉末を得ている。

金属粉末を製造する上では、水アトマイズ法はガスアトマイズ法に比べて、生産能力が高く、低コストである。ガスアトマイズ法では、アトマイズする際に、不活性ガスを使用する必要があり、かつアトマイズする際のエネルギー力も水アトマイズ法には劣る。また、ガスアトマイズ法によって製造された金属粉末はほぼ球形であるのに対して、水アトマイズ法によって製造された金属粉末は不定形状であり、モーターコアなどを製造するためにその金属粉末を圧縮成型した際、ガスアトマイズ法の球形金属粉末より、水アトマイズ法の不定形状な金属粉末のほうが、粉末同士が絡みやすく圧縮後の強度が高くなる利点がある。

近年、省エネルギーの観点から、例えば電気自動車やハイブリッド車に使用されるモーターコアの低鉄損化及び小型化が要望されている。従来、これらモーターコアは、電磁鋼板を薄くして積層させて製作されてきた。最近では、形状設計の自由度が高い金属粉末を用いて作製したモーターコアが注目されている。このようなモーターコアの低鉄損化のためには、使用する金属粉末の非晶質化（アモルファス化）することが有効であると考えられている。非晶質化した金属粉末を得るためには、溶融状態の高温からアトマイズしながら、アトマイズした金属粉末を冷却媒体で急速冷却することによって結晶化を防ぐ必要がある。また低鉄損化とともにモーターの小型化、高出力化のためには磁束密度を上昇させる必要があり、高磁束密度化にはＦｅ系（Ｎｉ，Ｃｏを含む）濃度を高くすることが重要で、Ｆｅ系濃度が７６〜９０ａｔ％程度のモーターコア用非晶質化軟磁性金属粉末が求められている。Ｆｅ濃度が８０ａｔ％クラスになると非晶質化するためには冷却速度が１０⁶Ｋ／ｓ以上必要とされ、金属粉末の低鉄損化と磁束密度向上を両立させることは非常に困難である。

特に冷却速度の上昇を妨げている原因として、高温の溶融金属を水によって冷却すると、水が溶融金属に接触した際に、水は一瞬のうちに蒸発して溶融金属の周りに蒸気膜を形成し、被冷却面と水との直接接触を妨げる状態（膜沸騰の発生）になり、冷却速度が上がらなくなることが挙げられる。

非晶質鉄粉を製造する上で、この蒸気膜・膜沸騰による冷却抑制の問題を解決するために、特許文献１〜１１にあげる検討がなされてきた。

例えば、特許文献１には、溶融金属を飛散させつつ冷却・固化させ金属粉末を得る際に、固化するまでの冷却速度が１０^５Ｋ／ｓ以上とする金属粉末の製造方法が記載されている。特許文献１に記載された技術では、飛散させた溶融金属を、筒状体の内壁面に沿って冷却液を旋回させることにより生じた冷却液流に接触させることにより、上記した冷却速度が得られるとしている。そして、冷却液を旋回させることにより生じた冷却液流の流速は５〜１００ｍ／ｓとすることが好ましいとしている。

また、特許文献２には、急冷凝固金属粉末の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された技術では、内周面が円筒面である冷却容器の円筒部上端部外周側より、冷却液を周方向より供給し円筒部内周面に沿って旋回させながら落下させ、その旋回による遠心力で、中心部に空洞を有する層状の旋回冷却液層を形成し、その旋回冷却液層の内周面に金属溶湯を供給して急冷凝固させる。これにより、冷却効率がよく、高品質の急冷凝固粉末が得られるとしている。

また、特許文献３には、流下する溶融金属にガスジェットを噴射して溶滴に分断するためのガスジェットノズルと、内周面に旋回しながら流下する冷却液層を有する冷却用筒体とを備える、ガスアトマイズ法による金属粉末の製造装置が記載されている。特許文献３に記載された技術では、溶融金属が、ガスジェットノズルと旋回する冷却液層とにより、二段階に分断され、微細化された急冷凝固金属粉末が得られるとしている。

また、特許文献４には、溶融金属を液状の冷媒中に供給し、冷媒中で溶融金属を覆う蒸気膜を形成し、できた蒸気膜を崩壊させて溶融金属と冷媒とを直接接触させて自然核生成による沸騰を起こさせその圧力波を利用し溶融金属を引きちぎりながら急速に冷却しアモルファス化して、アモルファス金属微粒子とする、アモルファス金属微粒子の製造方法が記載されている。溶融金属を覆う蒸気膜の崩壊は、冷媒へ供給する溶融金属の温度を冷媒に直接接触した場合に界面温度が膜沸騰下限温度以下で自発核生成温度以上の温度とするか、超音波照射するか、により可能であるとしている。

また、特許文献５には、溶融した材料を、液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給する際に、溶融した材料の温度を、液体冷媒の自発核生成温度以上で溶融状態であるように設定し、さらに、液体冷媒の流れに入ったときの溶融した材料の速度と液体冷媒の流れの速度との相対速度差を１０ｍ／ｓ以上となるようにして、溶融した材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて自発核生成による沸騰を生じさせ、微粒化すると共に冷却固化する微粒子の製造方法が記載されている。これにより、従来は困難であった材料でも、微粒子化、非晶質化することができるとしている。

また、特許文献６には、母材となる材料に機能性添加材を添加した原料を溶融し、液体冷媒の中に供給することにより、蒸気爆発により微細化するとともに冷却固化する際に冷却速度を制御することにより偏析のない多結晶又は非晶質である均質な機能性微粒子を得る工程と、この機能性微粒子と前記母材の微粒子とを原料として用いて固化して機能部材を得る工程とを具備する機能部材の製造方法が記載されている。

特許文献７、８では水アトマイズの下方に吸引管を設置し、溶融粉化後の粉末が吸引されることにより粉末周囲の蒸気膜を破壊できることが記載されている。

特許文献９では水アトマイズの下方に冷却ブロックを設置し、８０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の液体を噴射して、溶融粉化後の粉末を冷却ブロックに当て、粉末周囲の蒸気膜を破壊することが記載されている。

特許文献１０ではアトマイズの下方に第２の液体を噴射する装置を設置して、液体の噴射圧力は５〜２０ＭＰａで、溶融金属を含む分散液の進行方向を強制的に変化させることにより、覆われている蒸気膜を除去することが記載されている。

特許文献１１では、希土類を含む鉄ボロン系の強磁性材料（永久磁石）の特許であるが、水アトマイズにより微粉、非晶質化するにあたり水圧を７５０〜１２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とすること、水温を２０℃以下とすること、鉄１ｋｇあたりの水量（ｋｇ）を２５〜４５［−］にすることが望ましいとされている。

特開２０１０−１５０５８７号公報 特公平７−１０７１６７号公報 特許第３９３２５７３号公報 特許第３４６１３４４号公報 特許第４７９３８７２号公報 特許第４７８４９９０号公報 特開昭６０−２４３０２号公報 特開昭６１−２０４３０５号公報 特開昭６０−２４３０３号公報 特開２００７−２９１４５４号公報 特開２００４−３４９３６４号公報

特許文献１〜３に記載された技術は、分断された金属粒子を、冷却液を旋回させて形成した冷却液層中に溶融金属を供給して、金属粒子の周りに形成された蒸気膜を剥がそうとするものであるが、分断された金属粒子の温度が高いと冷却液層中では膜沸騰状態になりやすく、しかも冷却液層中に供給された金属粒子は冷却液層とともに移動するため、冷却液層との相対速度差が少なく、膜沸騰状態を回避することは難しいという問題がある。

また、特許文献１〜６に記載された技術では、ガスアトマイズ法を利用して金属粉末を製造しているが、ガスアトマイズ法では、アトマイズのために大量の不活性ガスを必要とするため、製造コストの高騰を招くという問題がある。

特許文献７〜１０に記載されている技術は、水アトマイズ法に関する。特許文献７および８に記載されている技術は、粉末を吸引することにより蒸気膜を除去できるとあるが、高温物体の周囲に水があれば、物体内部からの熱により水が連続的に気化されて蒸気膜を形成するので、水と溶融金属が一緒に吸引されるだけで蒸気膜を除去することは難しい。

特許文献９では、アトマイズ下方に冷却ブロックを設置して、蒸気膜に覆われた溶湯を冷却ブロックに当てることにより、蒸気膜を破壊することが可能とされているが、液体を分断に用いた場合、液体の温度が上がること、それに伴い蒸気膜の形成がされやすくなり、また分断に液体がもつ噴射圧（圧力エネルギー）を使用するため、冷却ブロックにあたるときには蒸気膜を破壊するためのエネルギー量が不足する。仮に、蒸気膜を崩壊させたとしても、溶融金属（粉末）が高温である限り、またすぐに蒸気膜が復活する。そのため常に蒸気膜を取り続ける必要がある。

特許文献１０でも、アトマイズ後に液滴になった溶融金属を含む分散液を、液体ジェットスプレーにより進行方向を変えることにより、蒸気膜が除去できるとあるが、進行方向を変える際に、蒸気膜をまとっている溶融金属温度が高すぎると、また再び周囲にある冷却水のために蒸気膜を覆ってしまう可能性があり、逆に冷却ブロックに当たったときの温度が低すぎると、溶融金属が凝固して結晶化が進む可能性がある。特に鉄系元素（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）の含有量が多いと融点が高くなるため冷却開始温度が高く、冷却開始当初から膜沸騰となりやすく、液体噴射圧力が５〜２０ＭＰａ程度では十分とは言えない。

特許文献１１では永久磁石用粉末ではあるが、粉末を微粉化、非晶質化するために７５０〜１２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とすること、水温を２０℃以下とすること、鉄１ｋｇあたりの水量を２５〜４５Ｌ（リットル）にすることが記載されており、これらにより膜沸騰や蒸気膜をとることは示されていないが、噴射圧を６０ＭＰａ以上の高圧にすることは高圧ポンプ及び高圧配管にコストがかかり、これは製品価格が高くなることを意味する。また鉄１ｋｇあたりの水量を２５〜４５Ｌとしているが、鉄系元素が高い軟磁性材料にはこれでも十分とは言えない。

以上、背景技術でも述べたように、生産性や粒同士の接着性の観点からは水アトマイズ法が有利である。また、非晶質化するために急冷却する際には、特許文献１〜６のようにガスアトマイズ後に水による急冷却を行なうことが非晶質化に有利である。水アトマイズの場合は、アトマイズ後に分断された溶融金属の周囲にアトマイズを行なった冷却水により蒸気膜で覆われる為、さらに別の手段を加えることが必要で、特許文献７〜１１のような手段がある。特に鉄系元素が７６ａｔ％以上の軟磁性材料の非晶質化にはそれぞれの効果が不十分である。

本発明は、上記課題を解決するために完成されたものであり、水アトマイズ法により、高い非晶質化率を有するアトマイズ金属粉末を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、溶融金属に、高圧水を噴射し、該溶融金属を分断して、冷却を行い、アトマイズ金属粉末を得る際に、噴射圧ではなく衝突圧に着目し、さらに、溶融金属と高圧水との衝突面での水の状態を調整することで、上記課題を解決するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。

［１］ 鉛直方向に落下する溶融金属に高圧水を噴射して衝突させ、該溶融金属を分断して金属粉末とし、かつその金属粉末を冷却し、非晶質化率が９０％以上のアトマイズ金属粉末を製造する方法であって、
前記高圧水が前記溶融金属に衝突する際の衝突圧を２０ＭＰａ以上とし、
前記高圧水が前記溶融金属との衝突面で亜臨界状態または超臨界状態になるように、前記溶融金属の温度及び／又は前記高圧水の温度を調整するアトマイズ金属粉末の製造方法。

［２］前記高圧水と前記溶融金属との衝突時において、前記溶融金属の温度と前記高圧水の温度との平均温度を３７４℃以上とする［１］に記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。

［３］前記溶融金属の単位時間当たりの落下量をＱｍ（ｋｇ／ｍｉｎ）、前記高圧水の単位時間当たりの噴射量をＱａｑ（ｋｇ／ｍｉｎ）としたときに、質量比（Ｑａｑ／Ｑｍ）が３５以上である［１］又は［２］に記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。

［４］前記アトマイズ金属粉末は、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で７６．０ａｔ％以上であり、Ｃｕの含有量が原子分率で０．１ａｔ％以上２．０ａｔ％以下である［１］〜［３］のいずれかに記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。

［５］前記アトマイズ金属粉末は、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で８２．５ａｔ％を超え８６ａｔ％未満であり、Ｓｉ、Ｐ及びＢから選ばれる少なくとも２種とＣｕを含有し、平均粒径が５μｍ以上である［１］〜［３］のいずれかに記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。
［６］前記亜臨界状態は、圧力が０．５〜２２ＭＰａ、かつ、水温が１５０〜２７４℃であり、前記超臨界状態は、圧力が２２ＭＰａ以上、かつ、水温が３７４℃以上である［１］〜［５］のいずれかに記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。

本発明によりアトマイズ金属粉末の非晶化率９０％以上の非晶質化が可能となった。これにより、本発明で得られたアトマイズ金属粉末を成型後に適切な熱処理を施せば、ナノサイズの結晶が析出する。特に、高Ｆｅ系軟磁性材料（鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で７６ａｔ％以上のもの）であれば、本粉末を成型後に適切な熱処理を施せば、低損失性と高磁束密度を両立できることが可能となった。このように、本発明は、従来知られる任意の非晶質利用軟磁性材料の製造に適する。

加えて近年では、まてりあＶｏｌ．４１ Ｎｏ．６ Ｐ．３９２， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １０５， ０１３９２２（２００９）、特許第４２８８６８７号公報、特許第４３１０４８０号公報、特許第４８１５０１４号公報、ＷＯ２０１０−０８４９００号、特開２００８−２３１５３４号公報、特開２００８−２３１５３３号公報、特許第２７１０９３８号公報などに示されるように磁束密度の大きなヘテロアモルファス材料や、ナノ結晶材料が開発されてきている。これらの高Ｆｅ系成分濃度の軟磁性材料の水アトマイズによる製造に際して、本発明はきわめて有利に適合する。特にａｔ％でＦｅ系成分濃度が８２．５％を超えると、さらには８３．５％を超えると、従来技術では非晶化率を高めることが困難であった。しかし、本発明の製造方法を適用すれば、アトマイズ後の非晶質化率を９０％以上にすることができる。さらに、従来技術では、非晶質化率を９０％以上かつ５μｍ以上の平均粒径とすることは、極めて困難であった。しかし、本発明の製造方法を適用すれば、平均粒径を大きくしても、非晶質化率を９０％以上にできる。非晶質化率を９０％以上かつ５μｍ以上の平均粒径にできることで、成型後に適切な熱処理を施せば、飽和磁束密度（Ｂｓ）値が極めて大きくなる。

また、上記の通り、本発明は、高Ｆｅ系成分濃度のアトマイズ金属粉末の製造に好適であるが、高Ｆｅ系成分濃度のアトマイズ金属粉末以外のアトマイズ金属粉末の製造方法に本発明を適用すると、従来より、容易に大径の粉末に対しても安定して非晶質粉末が得られる効果を有する。

なお「非晶質化率」は、得られた金属粉末（軟磁性鉄粉）について、金属粉末以外のゴミを除去したのち、Ｘ線回折法により、アモルファス（非晶質）からのハローピークおよび結晶からの回折ピークを測定し、ＷＰＰＤ法により算出する。ここでいう「ＷＰＰＤ法」とは、Ｗｈｏｌｅ―ｐｏｗｄｅｒ−ｐａｔｔｅｒｎ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄの略である。ＷＰＰＤ法については、虎谷秀穂：日本結晶学会誌， ｖｏｌ．３０（１９８８）， Ｎｏ．４， Ｐ２５３〜２５８に詳しい説明がある。

図１は、本発明のアトマイズ金属粉末の製造方法に用いることができる製造装置の一例を、模式的に示す図である。 図２は、本発明の製造方法を実施するための製造設備の一例を、模式的に示す図である。 図３は、圧力と水温と水の状態との関係を示す図である。 図４は、非晶質化率と衝突圧との関係を示すグラフである。 図５は、溶融金属の衝突圧を衝突圧測定圧力センサーで測定する様子を説明する模式図である。 図６は、ＶＳＭによって得られたＢ−Ｈ線図を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１に、本発明のアトマイズ金属粉末の製造方法に用いることができる製造装置の一例を模式的に示す。図１においてはタンディッシュ２に溶融金属３が注がれた状態で、溶融金属３の自重により、溶融金属注入ノズル４から溶融金属３が落下する。また、ノズルヘッダー５に供給された冷却水は冷却用ノズル６から冷却水２０（高圧水に相当）が噴射される。冷却水２０が溶融金属（落下する溶融金属）に衝突しアトマイズされ、分断された溶融金属である金属粉末８となる。

図２には、本発明の製造方法を実施するための製造設備の一例を模式的に示す。図２に示す製造設備は、冷却水用温度調節機１６を用いて、冷却水タンク１５中の冷却水の温度を調整し、温度調整された冷却水をアトマイズ冷却水用高圧ポンプ１７に送り、アトマイズ冷却水用高圧ポンプ１７からアトマイズ冷却水用配管１８を通して、アトマイズ装置１４（図１の製造装置に相当）に送り、このアトマイズ装置１４から、鉛直方向に落下する溶融金属と衝突する高圧水を噴射し、該溶融金属を分断して金属粉末とし、かつその金属粉末を冷却して、アトマイズ金属粉末を製造する。

先ず、本発明においては、冷却水２０が溶融金属に衝突したときの衝突圧を２０ＭＰａ以上及び衝突面で水が亜臨界状態または超臨界状態になるように調整することを特徴とする。水の超臨界状態とは、３７４℃以上かつ２２ＭＰａ以上の領域である。水の亜臨界状態とは、臨界点に近い高温高圧状態であり、例えば、図３に示す通り、１００℃以上３７４℃未満かつ０．１ＭＰａ以上２２ＭＰａ未満の領域、３７４℃以上かつ２ＭＰａ以上２２ＭＰａ未満の領域、２５０℃以上３７４℃未満かつ２２ＭＰａ以上の領域である。

本発明の製造方法では、冷却水２０が溶融金属に衝突したときの衝突圧を２０ＭＰａ以上とする。衝突圧は、非アトマイズ時に衝突面センサー径φ２ｍｍの圧力センサーで測定する。衝突圧２０ＭＰａ以上とするためには、冷却水２０の噴射圧はさらにその圧力以上が必要である。上記噴射圧は最大９８ＭＰａとして衝突圧を調整するためにインバーター方式の高圧ポンプで圧力調整を行うことが好ましい。また、冷却水２０を扇状に広げると噴射圧が低下するので、直進タイプのノズルを取り付けることが好ましい。また、冷却用ノズル６と溶融金属との距離を広げると噴射圧が低下するので、冷却用ノズル６の冷却水２０の噴射口から溶融金属までの直線距離は１５０ｍｍ以下とすることが望ましい。さらに望ましくは１００ｍｍ以下である。

また、本発明では、冷却水２０が溶融金属との衝突面で亜臨界状態または超臨界状態になるように、溶融金属の温度及び／又は冷却水の温度を調整する。溶融金属の温度の調整は、溶解炉での高周波出力による加熱温度調整によって行うことができる。また、加熱後に溶解炉で溶融金属３を保持してタンディッシュ２に注がれる溶融金属３の温度を調整することができる。

本発明の製造方法では、溶融金属の温度と冷却水２０の温度との平均温度（（溶融金属温度＋冷却水温度）／２）を、衝突面での水の温度とする。溶融金属温度は、アトマイズポイントにおいて非接触温度計を用いて測定することができる。冷却水の温度は、図２の冷却水タンク１５の水温を測定する温度計（図示せず）から水温を確認することができる。そして、図３に示す、圧力と水温と水の状態との関係に基づいて、亜臨界状態または超臨界状態になる平均温度と衝突圧になるように、衝突圧と、溶融金属温度と、冷却水２０の温度とを調整する。なお、溶融金属および冷却水の温度は変動しやすいため、溶融金属温度は±５０°の範囲で調整し、冷却水温度は±５℃の範囲で調整してもよい。

次いで、本発明の効果について説明する。

図４は、非晶質化率と衝突圧との関係を示すグラフである。図４に示すグラフは、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で７６．０ａｔ％(水溶融金属比（質量比：Ｑａｑ／Ｑｍ）２０)でかつＣｕ０．５ａｔ％含むアトマイズ金属粉末を製造する場合と鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で８５．８ａｔ％（水溶融金属比３５）でかつＣｕ０．５ａｔ％含むアトマイズ金属粉末を製造する場合に関する。また、図４のグラフにおいて、衝突圧が２０ＭＰａの例については、冷却水と溶融金属との衝突面の水の状態が亜臨界状態になるように調整した。この２０ＭＰａの例よりも高圧力側の衝突圧が２２ＭＰａ以上の例は、上記衝突面での水の状態が超臨界状態になるように調整した。また、上記２０ＭＰａの例よりも低圧力側の例は、上記衝突面の水の状態が、亜臨界状態および超臨界状態以外になるように調整した。

図４から、衝突圧が２０ＭＰａ以上であれば、得られるアトマイズ金属粉末の組成の変化や、水溶融金属比の変化、衝突面での水の状態が亜臨界状態であるか超臨界状態であるかに関わらず、９０％以上の非晶質化率にすることができる。

また、本発明の製造方法を実施するにあたっては、冷却水（高圧水）と溶融金属との衝突時において、溶融金属の温度と冷却水の温度との平均温度を３７４℃以上とすることが好ましい。上記平均温度を３７４℃以上にすることで臨界状態に近づき、また蒸気も高密度化するという効果がある。

溶融金属の単位時間当たりの落下量をＱｍ（ｋｇ／ｍｉｎ）、冷却水（高圧水）の単位時間当たりの噴射量をＱａｑ（ｋｇ／ｍｉｎ）としたときに、質量比（Ｑａｑ／Ｑｍ）は、３５以上が好ましい。上記質量比が大きいと、非晶質化率が高まりやすく、３５以上であれば調整もしやすく、十分高い効果が得られるからである。

本発明の製造方法は、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で７６ａｔ％以上であり、Ｃｕの含有量が原子分率で０．１ａｔ％以上２ａｔ％以下であるアトマイズ金属粉末の製造に適する。鉄系元素（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）の含有量が多いと融点が高くなるため冷却開始温度が高く、冷却開始当初から膜沸騰となりやすく、従来の方法では非晶質化率を９０％以上に高めることは困難であった。本発明によれば、鉄系元素（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）の含有量が多い場合でも、非晶質化率を高めることができる。本発明の製造方法によれば、鉄系元素（Ｆｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ）の含有量を多くしつつ、非晶質化率を高められるので、高磁束密度化できる。その結果、本発明の製造方法は、モーターの小型化、高出力化に寄与する。

なお、溶融金属の組成を上記範囲に調整すれば、アトマイズ金属粉末の組成も上記範囲内になる。

本発明の製造方法は、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で８２．５ａｔ％を超え８６．０ａｔ％未満であり、Ｃｕを含み、Ｓｉ、Ｐ及びＢから選ばれる少なくとも２種を含有し、平均粒径が５μｍ以上であるアトマイズ金属粉末の製造に適する。従来の方法では、非常に高い鉄系成分含有量の場合、具体的には、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で８２．５ａｔ％を超え８６ａｔ％未満の場合に、平均粒径を微細にすれば冷却されやすくなり、非晶率化率を平均粒径が大きい場合よりは高くすることができた。しかし、平均粒径が５μｍ以上の場合に、非晶質化率を９０％以上に高めることは極めて困難であった。本発明によれば、平均粒径が５μｍ以上であっても、非晶質化率を９０％以上にすることができる。また、本発明で非晶質化率を９０％以上にできる平均粒径の上限の目安は、７５μｍである。なお、粒径は篩方法により分級して測定し、積算法によって平均粒径（Ｄ５０）を算出する。また、レーザー回折/散乱式粒度分布測定を用いることもある。

実施例および比較例の実施を、図１に示す水アトマイズ金属粉製造装置を、図２に示す製造設備に適用して用いて行った。

高周波溶解炉等によって原料を所定の温度で溶解した溶融金属３を、タンディッシュ２に注ぐ。あらかじめタンディッシュ２内に所定の溶融金属注入ノズル径をもった溶融金属注入ノズル４をセットしておく。タンディッシュ２内に溶融金属３が入ると、自由落下あるいは背圧により溶融金属が溶融金属注入ノズル４から押し出され、落下する。アトマイズ冷却水用高圧ポンプ１７によって所定の水圧の冷却水用ノズル６から噴射された冷却水が溶融金属に衝突し、溶融金属は粉砕・微細化し、かつ冷却される。冷却水はあらかじめ冷却水タンク１５に溜めておき、必要により冷却水温度調整機１６で水温を調整することもある。冷却水噴射ノズルは直進タイプのものを使用した。溶融金属が落下する周囲に１２本、鉛直方向と３０度の角度を設定して設置した。なお、ノズルの取付角度は５〜６０度に調整しても本発明の効果が得られる。アトマイズ開始前に、溶融金属の衝突圧を衝突圧測定圧力センサー５１で測定する（図５参照）。衝突圧測定圧力センサー５１はノズルの噴射角度と鉛直方向にセットして所定の衝突圧であることを確認する。ここで、図５には冷却水が溶融金属に噴射される様子と、衝突圧測定圧力センサー５１に向けて噴射される様子を同時に示したが、これは便宜上であり、衝突圧測定圧力センサー５１での衝突圧の測定は、溶融金属を落下させる前に行う。鉄粉となった溶融金属は、ホッパーにより回収され、乾燥、分級のち、非晶質化率を評価する。非晶質化率９０％以上で合格とする。

実施例および比較例の製造方法を実施するにあたり、以下の成分系の軟磁性材料を準備した。「％」は「ａｔ％」を意味する。（ｉ）〜（ｖ）はＦｅ系軟磁性原料である。（ｖｉ）はＦｅ＋Ｃｏ系軟磁性材料である。（ｖｉｉ）はＦｅ＋Ｃｏ＋Ｎｉ系軟磁性材料である。
（ｉ）Ｆｅ７６％−Ｓｉ９％−Ｂ１０％−Ｐ５％
（ｉｉ）Ｆｅ７８％−Ｓｉ９％−Ｂ９％−P４％
（ｉｉｉ）Ｆｅ８０％−Ｓｉ８％−Ｂ８％−Ｐ４%
（ｉｖ）Ｆｅ８２．８％−Ｂ１１％−Ｐ５％−Ｃｕ１．２％
（ｖ）Ｆｅ８４．８％−Ｓｉ４％−Ｂ１０％−Ｃｕ１．２％
（ｖｉ）Ｆｅ６９．８％−Ｃｏ１５％−Ｂ１０％−Ｐ４％−Ｃｕ１．２％
（ｖｉｉ）Ｆｅ６９．８％−Ｎｉ１．２％−Ｃｏ１５％−Ｂ９．４％−Ｐ３．４％−Ｃｕ１．２％
（ｉ）〜（ｖｉｉ）は、各目的の配合となるように調整したが、実際の組成については、溶解してアトマイズが終了した時点で、±０．３ａｔ％程度の誤差や、その他不純物が含まれる場合がある。また、溶解中、アトマイズ中、アトマイズ後において酸化等により多少の組成の変化が現れることもある。

実施例１〜４および比較例１〜３について、表１に示す条件で実施した。平均粒径、非晶質化率は上述の方法で評価した。各実施例、比較例を実施した結果、本発明の範囲内である実施例においてはいずれも非晶質化率９０％以上を得ることができた。比較例においては、９０％以上の非晶質化率を得ることができなかった。

実施例１〜４のアトマイズ金属粉末を成型後に適切な熱処理を施した。これによりナノサイズの結晶が析出した。また、低損失性と高磁束密度を両立できることを確認した。具体的には以下の方法で確認した。

ナノ結晶サイズはＸＲＤ（Ｘ線回折装置）で測定後、シェラーの式を用いて求めた。このシェラーの式においてＫは形状因子（一般的に０．９を用いる）、βはピーク半値全幅（ただしラジアン値）、θは２θ＝５２．５０５°(Ｆｅ１１０面)、τが結晶サイズとなる。
τ＝Ｋλ／βｃｏｓθ （シェラーの式）
また得られた粉末の磁性特性はＶＳＭ（振動型磁力計）によって調査し、ＶＳＭによって得られたＢ−Ｈ線図（図６）から、飽和磁束密度をＣ点（Ｆ点）、保持力をＥ点、透磁率をＢの最大傾き、損失をヒステリシスの面積（Ｃ−Ｄ−Ｆ−Ｇ）で求めた。なお、図６は、国立研究開発法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ）より一般公開されている（インターネットＵＲＬ：https://www.jst.go.jp/pr/report/report27/grf2.html 検索日２０１７年１１月１６日）。

表１中、「アトマイズ開始温度」は、アトマイズポイントにおける溶融金属の温度である。アトマイズポイントにおける溶融金属温度は、非接触温度計により測定した。

表１中、「平均温度」は、（（溶融金属温度＋冷却水温度）／２）で表される。アトマイズポイントでの溶融金属温度は非接触温度計で測定し、冷却水温度は冷却水タンクの水温を温度計で測定した。

表１中、「水溶融金属比」は、質量比Ｑａｑ／Ｑｍである。

２ タンディッシュ
３ 溶融金属
４ 溶融金属注入ノズル
５ ノズルヘッダー
６ 冷却用ノズル
８ 金属粉末
１４ アトマイズ装置
１５ 冷却水タンク
１６ 冷却水用温度調節機
１７ アトマイズ冷却水用高圧ポンプ
１８ アトマイズ冷却水用配管
２０ 冷却水
５１ 衝突圧測定圧力センサー

Claims (5)

1. 鉛直方向に落下する溶融金属に高圧水を噴射して衝突させ、該溶融金属を分断して金属粉末とし、かつその金属粉末を冷却し、非晶質化率が９０％以上のアトマイズ金属粉末を製造する方法であって、
   前記高圧水が前記溶融金属に衝突する際の衝突圧を２０ＭＰａ以上、および、
   前記高圧水が前記溶融金属との衝突面で、前記高圧水の圧力が０．５〜２２ＭＰａかつ前記高圧水の水温が１５０〜３７４℃である亜臨界状態、または前記高圧水の圧力が２２ＭＰａ以上かつ前記高圧水の水温が３７４℃以上である超臨界状態になるように、前記溶融金属の温度及び／又は前記高圧水の温度を調整するアトマイズ金属粉末の製造方法。
2. 前記高圧水と前記溶融金属との衝突時において、前記溶融金属の温度と前記高圧水の温度との平均温度を３７４℃以上とする請求項１に記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。
3. 前記溶融金属の単位時間当たりの落下量をＱｍ（ｋｇ／ｍｉｎ）、
   前記高圧水の単位時間当たりの噴射量をＱａｑ（ｋｇ／ｍｉｎ）としたときに、質量比（Ｑａｑ／Ｑｍ）が３５以上である請求項１又は２に記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。
4. 前記アトマイズ金属粉末は、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で７６．０ａｔ％以上であり、Ｃｕの含有量が原子分率で０．１ａｔ％以上２．０ａｔ％以下である請求項１〜３のいずれかに記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。
5. 前記アトマイズ金属粉末は、鉄系成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の合計含有量が原子分率で８２．５ａｔ％を超え８６.０ａｔ％未満であり、Ｓｉ、Ｐ及びＢから選ばれる少なくとも２種とＣｕを含有し、平均粒径が５μｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載のアトマイズ金属粉末の製造方法。