JP6646325B2 - ガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置に関する。
例えば、特許文献１には、流下する溶鋼流に高速ガスを噴射して金属粉末を得るガスアトマイズ法におけるノズルについて、環状ノズルをラバルノズルとすることが示されている。
特許文献１においては、ラバルノズルを適用することでガス流を加速させて超音速とすることができるが、溶鋼流がより一層膨れて噴き上がるため閉塞部の延べ長さをノズル内径の少なくとも１／２以上に設定しておく必要があることが示されている。このように、ガスアトマイズ用ノズルにおいては、ガス流を超音速にするだけで金属粉末の生成に影響を及ぼすおそれがあることが知られている。
また、金属粉末としては、金属粉末射出成形法における射出性や焼結性の観点や３次元金属造形法における表面粗度改善の観点から微細粉末（例えば、４５μｍ以下）とすることが望まれている。しかし、一般的なガスアトマイズ用ノズルにより生成される金属粉末は、粒度にばらつきが多く微細粉末の収率は１つのインゴット材料から２割未満と低い。
本発明は上述した課題を解決するものであり、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成することのできるガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルは、中心線に沿って形成された貫通穴と、前記中心線の周りに沿って配置されて前記中心線に向き所定角度傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部と、前記ノズル部から噴射されるガスに前記中心線を中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、を備える。
このガスアトマイズ用ノズルによれば、ラバルノズルとして構成されたノズル部により超音速流のガスを、貫通穴を通過する溶融金属に向けて噴射することで、金属粉末を微粒粉末として生成することができる。また、超音速流のガスの場合、気流の乱れによりノズル部から噴射されるガスの流れの方向が不安定となる。この点、このガスアトマイズ用ノズルによれば、旋回付与手段によりノズル部から噴射されるガスに旋回流れを付与することで、ノズル部から噴射される超音速流のガスの流れが整流化されて流れの方向が安定する。このため、生成された金属粉末同士が衝突して形状が変化したり、生成された金属粉末同士が接触してくっついたりすることを防止でき、金属粉末の粒度のばらつきを抑制することができる。また、生成された金属粉末がノズル部の開口部に付着することを抑制でき、付着した金属粉末によりノズル部を塞ぐ事態を防止することができる。また、旋回流れによる遠心力によって生成された金属粉末が分散されることで、金属粉末を微粒粉末として生成することができる。
また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部が接続されて前記中心線の周りに沿って連続したリング状の空間を形成するガス充填部と、前記ガス充填部のリング状に沿ってガスを流入させるガス供給部とにより構成されることが好ましい。
このガスアトマイズ用ノズルによれば、旋回流れを付与するにあたり、旋回流れを生じさせる翼などを設けることのない簡素な構成とすることができる。
また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部に設けられて旋回流れを付与するフィンとして構成されることが好ましい。
このガスアトマイズ用ノズルによれば、フィンにより旋回流れを付与するため、旋回流れを確実に付与することができる。
また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記フィンにより前記ノズル部をラバルノズルとして構成してもよい。
このガスアトマイズ用ノズルによれば、フィンにより旋回流れを付与する機能とラバルノズルの機能とを兼ねるため、ノズル部側と機能を分ける設計が必要なく製造が容易である。
また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って複数設けられた穴として形成されており、前記旋回付与手段は、前記穴が前記中心線を中心として螺旋状に形成されていることが好ましい。
このガスアトマイズ用ノズルによれば、各ノズル部の穴の螺旋状により旋回流れを付与するため、旋回流れを確実に付与することができる。
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るガスアトマイズ装置は、内部が真空引きされる真空容器と、前記真空容器内にて金属を溶融する溶融金属供給部と、前記溶融金属供給部から流下される溶融金属にガスを噴射する上述したいずれか１つのガスアトマイズ用ノズルと、を備える。
このガスアトマイズ装置によれば、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成するため、規定の粒度の微細粉末の生成効率を向上することができる。
本発明によれば、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成することができる。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
図１〜図３は、本実施形態に係るガスアトマイズ装置の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態のガスアトマイズ装置は、金属粉末Ｐを生成するもので、真空容器１と、溶融金属供給部２と、ガスアトマイズ用ノズル（以下、ノズルという）３と、を備える。真空容器１は、その内部が真空引きされた後、不活性ガスが充填され、不活性ガスの雰囲気とされる。溶融金属供給部２は、金属粉末Ｐの基となる金属塊を収容する収容容器２１と、収容容器２１内の金属塊を溶融させる加熱部２２と、を有する。収容容器２１は、耐熱材料にて形成され、底部に溶融した溶融金属を下方に流す排出口２１ａが開閉を可能に設けられている。加熱部２２は、例えば、収容容器２１を加熱するものである。ノズル３は、収容容器２１の排出口２１ａから流下する溶融金属Ｍに対してガスＧを噴射させるものである。ノズル３は、流下する溶融金属Ｍを通過させる貫通穴３Ａを有し、この貫通穴３Ａを通過する溶融金属Ｍに向けてガスＧを噴射する。従って、溶融金属Ｍは、噴射されたガスＧにより瞬間的に液滴化と冷却が行われて金属粉末Ｐとして生成される。
図２に示すように、本実施形態の他の例のガスアトマイズ装置は、金属粉末Ｐを生成するもので、真空容器１と、溶融金属供給部２と、ガスアトマイズ用ノズル（以下、ノズルという）３と、を備える。真空容器１は、その内部が真空引きされた後、不活性ガスが充填され、不活性ガスの雰囲気とされる。溶融金属供給部２は、金属粉末Ｐの基となる金属棒を支持する支持部２３と、支持部２３に支持された金属棒を溶融させる加熱部２４と、を有する。支持部２３は、金属棒を縦に支持して下端をノズル３に向けて配置する。加熱部２４は、金属棒を加熱し溶融するもので、例えば、誘導加熱コイルが適用される。ノズル３は、金属棒の下端から流下する溶融金属Ｍに対してガスＧを噴射させるものである。ノズル３は、流下する溶融金属Ｍを通過させる貫通穴３Ａを有し、この貫通穴３Ａを通過する溶融金属Ｍに向けてガスＧを噴射する。従って、溶融金属Ｍは、噴射されたガスＧにより瞬間的に液滴化と冷却が行われて金属粉末Ｐとして生成される。
図３に示すように、本実施形態の他の例のガスアトマイズ装置は、金属粉末Ｐを生成するもので、真空容器１と、溶融金属供給部２と、ガスアトマイズ用ノズル（以下、ノズルという）３と、を備える。真空容器１は、その内部が真空引きされた後、不活性ガスが充填され、不活性ガスの雰囲気とされる。溶融金属供給部２は、金属粉末Ｐの基となる金属が予め溶融された溶融金属Ｍを収容する収容容器２５を有する。収容容器２５は、図１に示すように底部に排出口２１ａが開閉を可能に設けられていてもよいが、図３に示すように傾けることにより上部の開口部より溶融金属Ｍをノズル３に流し込むように構成されていてもよい。ノズル３は、収納容器２５から流下する溶融金属Ｍに対してガスＧを噴射させるものである。ノズル３は、流下する溶融金属Ｍを通過させる貫通穴３Ａを有し、この貫通穴３Ａを通過する溶融金属Ｍに向けてガスＧを噴射する。従って、溶融金属Ｍは、噴射されたガスＧにより瞬間的に液滴化と冷却が行われて金属粉末Ｐとして生成される。
なお、図１〜図３に示すガスアトマイズ装置は一例であり、溶融金属供給部２については、ノズル３に溶融金属Ｍを供給することができれば上記構成に限定されるものではない。
図４は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの側断面図である。図５は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの平断面図（図４におけるＡ−Ａ断面図）である。
図４および図５に示すように、ノズル（ガスアトマイズ用ノズル）３は、上述した貫通穴３Ａと、ガス充填部３Ｂと、ガス供給部３Ｃと、ノズル部３Ｄと、を備える。
貫通穴３Ａは、ノズル３の中心にて鉛直方向に延在する中心線Ｃに沿って形成されている。すなわち、ノズル３は、貫通穴３Ａを中心としてリング状に形成されている。中心線Ｃは、上述したガスアトマイズ装置における収容容器２１の排出口２１ａから下方に延在する基準線である。従って、収容容器２１の排出口２１ａから排出される溶融金属Ｍは、中心線Ｃに沿って流下する。
ガス充填部３Ｂは、ノズル３の内部に形成されて中心線Ｃを中心として中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状の空間を形成する。
ガス供給部３Ｃは、ノズル３を貫通してガス充填部３Ｂに連通する穴であり、一端３Ｃａがノズル３の外部に通じ、他端３Ｃｂがガス充填部３Ｂに通じている。ガス供給部３Ｃは、一端３Ｃａにガス供給管４が接続される。ガス供給管４は、図示しない圧縮ガス生成部からガスＧを送る管である。従って、ガス供給部３Ｃは、ガス充填部３Ｂの内部に圧縮されたガスＧを供給する。
ノズル部３Ｄは、中心線Ｃを中心として中心線Ｃの周りに沿って配置されている。図４および図５に示すノズル部３Ｄは、中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状に形成されている。また、ノズル部３Ｄは、ガス充填部３Ｂに連通すると共に貫通穴３Ａの周りで開口して形成されている。また、ノズル部３Ｄは、中心線Ｃに向けて当該中心線Ｃに対して所定角度αで傾けて設けられている。このノズル部３Ｄは、ガス充填部３Ｂに連通する部分が狭い通路に形成された絞部３Ｄａを有し、当該絞部３Ｄａから開口部分に向かって徐々に通路が広く形成された拡大部３Ｄｂを有しており、ラバルノズルとして構成されている。従って、ノズル部３Ｄにおいて、ガス充填部３Ｂの内部の圧縮されたガスＧは、絞部３Ｄａを通過する際に速度が増加し、拡大部３Ｄｂを通過する際に膨張することで超音速流として噴射される。
また、本実施形態のノズル３は、旋回付与手段を備えている。旋回付与手段は、ノズル部３Ｄから噴射されるガスＧに中心線Ｃを中心とする旋回流を付与するもので、図４および図５に示す形態のノズル３においては、ガス充填部３Ｂと、ガス供給部３Ｃと、により構成される。
旋回付与手段は、ガス充填部３Ｂが中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状の空間を形成している。また、旋回付与手段は、ガス供給部３Ｃが、ガス充填部３Ｂのリング状に沿ってガスＧを流入させるように、ガス充填部３Ｂのリング状の円の接線に沿って設けられている。すなわち、旋回付与手段は、ガス供給部３Ｃからガス充填部３Ｂのリング状に沿ってガスＧを流入させることで、当該ガスＧにガス充填部３Ｂのリング状に沿う旋回流れを付与する。そして、旋回流れを付与されたガスＧは、中心線Ｃを中心とする旋回流れを伴ってノズル部３Ｄにより噴射される。
このように、本実施形態のガスアトマイズ用ノズル３は、中心線Ｃに沿って形成された貫通穴３Ａと、中心線Ｃの周りに沿って配置されて中心線Ｃに向き所定角度α傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部３Ｄと、ノズル部３Ｄから噴射されるガスＧに中心線Ｃを中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、を備える。
このガスアトマイズ用ノズル３によれば、ラバルノズルとして構成されたノズル部３Ｄにより超音速流のガスＧを、ガスアトマイズ装置において貫通穴３Ａを通過する溶融金属Ｍに向けて噴射することで、金属粉末Ｐを微粒粉末として生成することができる。
また、超音速流のガスＧの場合、気流の乱れによりノズル部３Ｄから噴射されるガスＧの流れの方向が不安定となる。この点、このガスアトマイズ用ノズル３によれば、旋回付与手段によりノズル部３Ｄから噴射されるガスＧに旋回流れを付与することで、ノズル部３Ｄから噴射される超音速流のガスＧの流れが整流化されて流れの方向が安定する。このため、生成された金属粉末Ｐ同士が衝突して形状が変化したり、生成された金属粉末Ｐ同士が接触してくっついたりすることを防止でき、金属粉末Ｐの粒度のばらつきを抑制することができる。また、生成された金属粉末Ｐがノズル部３Ｄの開口部に付着することを抑制でき、付着した金属粉末Ｐによりノズル部３Ｄを塞ぐ事態を防止することができる。また、旋回流れによる遠心力によって生成された金属粉末Ｐが分散されることで、金属粉末Ｐを微粒粉末として生成することができる。
また、本実施形態のガスアトマイズ用ノズル３では、ノズル部３Ｄは、中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状に形成されており、旋回付与手段は、ノズル部３Ｄが接続されて中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状の空間を形成するガス充填部３Ｂと、ガス充填部３Ｂのリング状に沿ってガスＧを流入させるガス供給部３Ｃとにより構成されることが好ましい。
このガスアトマイズ用ノズル３によれば、旋回流れを付与するにあたり、旋回流れを生じさせる翼などを設けることのない簡素な構成とすることができる。
図６は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルにより生成した粉末の粒度分布を示す図である。図７は、従来のガスアトマイズ用ノズルにより生成した粉末の粒度分布を示す図である。上述した構成において、ＴｉＡｌ合金の粒径４５μｍ以下の金属粉末Ｐを生成するにあたり、溶融金属Ｍの粘性、ガス充填部３Ｂに供給するガスＧの圧力、およびノズル部３Ｄの中心線Ｃに対する角度αを一定として、上述した旋回付与手段を適用し、ノズル部３Ｄにラバルノズルを適用した本実施形態のノズル３と（図６）、ラバルノズルを適用しない従来ノズルと（図７）、を比較した。この結果、図６および図７に示すように、旋回付与手段を適用してノズル部３Ｄにラバルノズルを適用した本実施形態のノズル３は、ラバルノズルを適用しない従来ノズルに対して、生成された金属粉末Ｐの粒度のばらつきが少ないことが明らかとなった。
図８は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの他の例を示す部分拡大底面図である。
図８に示すノズル３は、ノズル部３Ｄが、図４および図５に示すように、中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状に形成されてラバルノズルとして構成されている。そして、旋回付与手段が、ノズル部３Ｄ内に配置されたフィン３Ｅにより構成されている。フィン３Ｅは、ノズル部３Ｄのリング状に沿って所定間隔をおいて複数配置され、中心線Ｃを中心とした螺旋状に湾曲して形成されている。従って、ガス供給部３Ｃは、ガス充填部３Ｂ内で旋回流れを生じさせる必要はなく、ガス充填部３Ｂのリング状の円の接線に沿って設けられていない。
このように、図８に示すノズル３では、ノズル部３Ｄは、中心線Ｃの周りに沿って連続したリング状に形成されており、旋回付与手段は、ノズル部３Ｄに設けられて旋回流れを付与するフィン３Ｅとして構成されていてもよい。
この図８に示すノズル３においても、金属粉末Ｐを微粒粉末として生成し、金属粉末Ｐの粒度のばらつきを抑制することができる。しかも、図８に示すノズル３によれば、フィン３Ｅにより旋回流れを付与するため、図４および図５に示すノズル３と比較して、旋回流れを確実に付与することができる。
また、図８に示すノズル３では、フィン３Ｅは、ノズル部３Ｄをラバルノズルとして構成するようにしてもよい。すなわち、ノズル部３Ｄ自体は、上述した絞部３Ｄａおよび拡大部３Ｄｂを有さず、フィン３Ｅの形状および配置により絞部３Ｄａおよび拡大部３Ｄｂを形成する。この構成においても、金属粉末Ｐを微粒粉末として生成し、金属粉末Ｐの粒度のばらつきを抑制することができ、しかも、フィン３Ｅにより旋回流れを付与するため、図４および図５に示すノズル３と比較して、旋回流れを確実に付与することができる。特に、フィン３Ｅにより旋回流れを付与する機能とラバルノズルの機能とを兼ねるため、ノズル部３Ｄ側と機能を分ける設計が必要なく製造が容易である。
図９は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの他の例を示す部分拡大底面図である。
図９に示すノズル３は、ノズル部３Ｄが、中心線Ｃの周りに沿って複数設けられた穴として形成されている。各ノズル部３Ｄの穴は、上述した絞部３Ｄａおよび拡大部３Ｄｂを有してそれぞれがラバルノズルとして構成されている。そして、旋回付与手段は、各ノズル部３Ｄの穴が中心線Ｃを中心とした螺旋状に湾曲して形成されることで構成される。
この図９に示すノズル３においても、金属粉末Ｐを微粒粉末として生成し、金属粉末Ｐの粒度のばらつきを抑制することができる。しかも、図９に示すノズル３によれば、各ノズル部３Ｄの穴の螺旋状により旋回流れを付与するため、図４および図５に示すノズル３と比較して、旋回流れを確実に付与することができる。
また、上述した各構成のいずれか１つのノズル３を備えるガスアトマイズ装置によれば、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成するため、規定の粒度の微細粉末の生成効率を向上することができる。
１ 真空容器
２ 溶融金属供給部
２１ 収容容器
２１ａ 排出口
２２ 加熱部
２３ 支持部
２４ 加熱部
２５ 収容容器
３ ガスアトマイズ用ノズル（ノズル）
３Ａ 貫通穴
３Ｂ ガス充填部
３Ｃ ガス供給部
３Ｃａ 一端
３Ｃｂ 他端
３Ｄ ノズル部
３Ｄａ 絞部
３Ｄｂ 拡大部
３Ｅ フィン
４ ガス供給管
Ｃ 中心線
Ｇ ガス
Ｍ 溶融金属
Ｐ 金属粉末
α 角度
２ 溶融金属供給部
２１ 収容容器
２１ａ 排出口
２２ 加熱部
２３ 支持部
２４ 加熱部
２５ 収容容器
３ ガスアトマイズ用ノズル（ノズル）
３Ａ 貫通穴
３Ｂ ガス充填部
３Ｃ ガス供給部
３Ｃａ 一端
３Ｃｂ 他端
３Ｄ ノズル部
３Ｄａ 絞部
３Ｄｂ 拡大部
３Ｅ フィン
４ ガス供給管
Ｃ 中心線
Ｇ ガス
Ｍ 溶融金属
Ｐ 金属粉末
α 角度
Claims (5)
- 中心線に沿って形成された貫通穴と、
前記中心線の周りに沿って配置されて前記中心線に向き所定角度傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部と、
前記ノズル部から噴射されるガスに前記中心線を中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、
を備え、
前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部内に設けられて旋回流れを付与するフィンとして構成される、
ガスアトマイズ用ノズル。 - 前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状の空間を形成してガスが流入されるガス充填部に接続されている、請求項１に記載のガスアトマイズ用ノズル。
- 前記フィンは、前記ノズル部をラバルノズルとして構成する、請求項１または２に記載のガスアトマイズ用ノズル。
- 中心線に沿って形成された貫通穴と、
前記中心線の周りに沿って配置されて前記中心線に向き所定角度傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部と、
前記ノズル部から噴射されるガスに前記中心線を中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、
を備え、
前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って複数設けられた穴として形成されており、前記旋回付与手段は、前記穴が前記中心線を中心として螺旋状に湾曲して形成されている、
ガスアトマイズ用ノズル。 - 内部が真空引きされる真空容器と、
前記真空容器内にて金属を溶融する溶融金属供給部と、
前記溶融金属供給部から流下される溶融金属にガスを噴射する請求項１から４のいずれか１つに記載のガスアトマイズ用ノズルと、
を備える、ガスアトマイズ装置。
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