JPH01191706A

JPH01191706A - 金属微粉末の製造方法及びその装置

Info

Publication number: JPH01191706A
Application number: JP1553488A
Authority: JP
Inventors: Motoji Tagashira; 田頭　基司; Hitoshi Oishi; 均大石; Shuzo Fukuda; 福田　脩三
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-01-26
Filing date: 1988-01-26
Publication date: 1989-08-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、気中強力超音波を用いて、溶融金属を微粒
化し金属粉末を製造する方法及びその装置に関する。

〔従来技術〕

従来、超音波振動を用いて金属微粒子を製造する方法と
して、例えば、特開昭５８−１）０６４号や特開昭６１
−２９５３０６号が開示されている。これらの方法の特
徴は、第２図及び第３図に示すように、超音波振動する
共振器１上に金属溶液に落下させ微小液滴２として飛散
させたり、超音波振動する共振器ｌを金属溶液の中に浸
漬させて、金属溶液の表面から微小液滴２を飛散させる
ものである。これらの方法では、以下のような問題があ
る。

（１）共振Ｈ１としては、ステンレス鋼や、チタン合金
などが用いられるのが一般的である。しかし、溶融物３
が直接共振器１に触れるため耐熱性のある材料を使用し
なければならない。

（２）溶融物３の融点が高いと、共振器１に含まれる合
金元素や不純物が溶融物に混入し純度の高い微粉末がで
きない。

（３）共振器ｌにセラミックス材料を用いると、振動特
性が悪く所望の振動が得られない。

（４）共振器１上に乗せる溶融金属の膜厚の制御が難し
く、膜厚がバラツクと微粒化後の粉末の粒径もバラツキ
、所望の粒子径分布の粉末を製造することができない。

以上のことからこれらの技術では、半田などの比較的融
点の低い金属材料しか微粒化できなかった。

以上の問題を解決する方法として、本発明者らは、先に
、前記の方法が直接溶融金属と共振器を接触させる点に
問題があることに着目し、従来とはまったく異なる新し
い方法を発明した。この発明は、金属材料の溶融液の上
方に超音波共振器を設置し、共振器を超音波振動させる
ことにより雰囲気ガスを超音波振動させる。次いで、音
波の進行方向を放射方向変換器により溶融液の表面に集
束して、溶融液表面から微小液滴を霧化する。この液滴
を冷却ガス中に飛行させつつ冷却凝固させることを特徴
とするものであった。

この方法により得られた金属粉末は、純度が高く、しか
も粒子径を任意に制御できる効果があった。而して、溶
融液表面に強力音場を形成するためには、共振器から放
射する音波を効率的に溶融液の表面に到達させる必要が
ある。ところが、■共振器として用いる矩形振動板の振
幅を相当太き（する必要があるが、材料の疲労強度の関
係で許容振幅に制限をうける。例えば、共振周波数２０
ｋＨｚで共振器を振動させた場合、許容される振幅はチ
タン合金で２０ミクロン程度である。このため、形成さ
れる音場の音圧レヘルの最大限度は１７２ｄＢ程度であ
りこれ以上の音圧レベルは得られなかった。

■溶融金属を微粒化するには、溶融液表面の音圧レベル
で約１７０ｄＢの強力音場が必要である。しかし、超音
波の振動周波数を高くすると、音波の減衰は大きくなり
、実用的゛に使用可能な周波数は約５０ｋＨｚが限度で
あった。このため、製造可能な微粒子の最少粒径は５〜
１０ミクロンが限界である。

という問題があった。

（発明が解決しようとする課題〕本発明者らは、上記の方法では音場を形成する雰囲気ガ
スの音響特性に問題があることに着目して、本発明を創
作した。すなわち、 ■雰囲気ガスの固有音響インピーダンスを大きく　し、 ■超音波の発生能率を高め、 ■超音波の伝播による減衰を小さくする、ことができれ
ば、上記の問題を解決できることを究明した。

例えば、超音波を水中で発生させる場合と、空気中で発
生させる場合を比較してみると、水中では水中の固有音
響インピーダンスが空気の場合と比較して約３５００倍
も高い。また、水中では共振器での放射インピーダンス
も大きいため空気中よりも能率良く強力超音波を発生し
やすい。一方、水中での音波の伝播速度は空気中の伝播
速度よりも速い。音波の減衰は、固有音響インピーダン
スが小さいほど音波の伝播にともなう減衰量が大きいか
ら、空気中の方が水中のよりも減衰量は大きい。

また、媒質の固有音響インピーダンスは、密度と音波の
伝播速度の積で表されるがら、雰囲気ガスのこれらの特
性値を大きくするように改善すれば良い。

本発明は、このような改善された金属微粉末の製造方法
とその装置を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕本発明は、金属材料の溶融液の上方に超音波共振器を設
置し、該共振器を超音波振動させることにより雰囲気ガ
スを超音波振動させて、超音波の進行方向を放射方向変
換器により溶融液の表面に集束し、前記溶融液表面から
微小液滴を霧化し、該液滴を冷却ガス中に飛行させつつ
冷却凝固させる金属微粉末の製造方法において、金属溶
融液を霧化するための音場の圧力を大気圧力以上とした
ことを特徴とする金属微粉末の製造方法である。

また、本発明は、金属材料を供給する供給装置及び該金
属材料を溶融するための加熱源を備えた耐火性の溶融液
保持容器と、該溶融液保持容器の上方に設けられた超音
波振動による共振器と、該共振器を振動させる振動子と
前記共振器に振動を伝播させて振幅を拡大する振幅拡大
器と、前記共振器から雰囲気ガス中に放射された音波の
方向を変え、溶融液表面方向に集束させる放射方向変換
器と、金属溶融液を霧化するための音場の圧力が大気圧
力以上で、該音場の雰囲気を制御し、かつ、霧化した微
小液滴を凝固させるための冷却ガスの供給装置と、凝固
した微小粒子を回収する回収器とを具備することを特徴
とする金属微粉末の製造装置である。

ここで、雰囲気ガスの圧力を高くするため、微粒化室お
よび冷却室内部は耐圧構造とする。

また、ガスの圧力は、圧縮機で昇圧し圧力調整用の弁な
どにより音場の圧力を調整する。

このように冷却ガス供給装置、圧縮機、圧力調整器、微
粒化室、冷却室を構成することにより溶融液表面近傍で
共振周波数によらず１７０ｄＢ以上の音場が容易に形成
される。この結果、このような雰囲気ガスの圧力を高め
て、気中音場を溶融金属の界面に作用させて溶融金属を
霧化する上記方法の問題点を容易に解消できる。

〔作　用〕

以下に本発明の構成と作用を詳しく説明する。

第１図は、本発明の装置の構成を示している。

溶融液保持器１０に固体金属を図示していない金属供給
装置により供給する。溶融液保持容器１０は固体金属を
加熱し液体状にするとともに、溶融液１）の温度を保持
する機能を有している。

また、溶融液１）と化学的な反応をしないようにアルゴ
ンガスなどの不活性ガスを用いて、冷却ガス供給器１２
により雰囲気の調整をおこなうとともに、微粒化室１３
ならびに冷却室１４の内部の圧力は大気圧以上とし、絶
対圧力１．２ｋｇ／ｃｄ以上とすることが望ましい。

溶融液保持容器１０の上方に設けた超音波の共振器１５
としては、チタン合金や八１合金を用いる。共振器１５
は、振幅拡大器１６を介して超音波振動子１７により加
振される。共振器１５の振動により雰囲気ガスに音波が
放射される。雰囲気ガスの圧力を高めるとガスの密度が
大きくなる。

なお、この場合、音波の伝播速度はガス圧力を高めても
ほとんど変化しない。従って、雰囲気ガスの固有音響イ
ンピーダンスは常圧時よりも大きくなるから、共振器１
５からの雰囲気ガス中への超音波の発振能率が良くなる
。

而して、放射された音波は共振器１５を取囲むように設
けられた放射方向変換器１８により反射されて、共振器
１５の下方に設けた溶融液１）の表面に集束される。共
振器１５からの放射音波は共振器１５の振動子側と反搬
動子側では互に逆位相の音波を放射するから、溶融液１
）の表面で共振液１５の振動子側の放射音波と反搬動子
側の放射音波が放射方向変換器１８をへて同位相で重な
り合うように、それぞれの放射方向変換器１８の位置を
調整しておく。放射方向変換器１８は、効率良く音波を
溶融液１）の表面に到達させるため、その反射面を放物
線型にすることが望ましい。雰囲気ガス中を伝播する音
波の減衰は固有音響インピーダンスの増大により小さく
なる。この結果、第４図に示すように、雰囲気ガスの圧
力を高めることによって溶融液１）に作用する音場の音
圧レベルは大きくなる。このようにすることで、共振周
波数にかかわらず溶融液１）の表面近傍で１７０ｄＢ以
上の音圧レベルの強力気中音場が形成できる。

強力超音波が溶融液１）の表面に作用すると、溶融液１
）の表面にキャピラリー波ができ表面張力に打ち勝って
微小液滴が溶融液１）の表面から飛上がる。

微小液滴の粒径の大きさは、音波の周波数を適当に選択
することにより所望の粒径の微小液滴とすることができ
る。この場合、共振器１５の共振周波数を増しても固有
音響インピーダンスの増大により音波の減衰量が小さく
なるから、実用的に使用できる共振周波数は常圧時より
も高くすることができる。この結果、より粒子径の小さ
い金属微粒子を製造することが可能となる。

飛上がった微小液滴は雰囲気ガスによって冷却凝固され
るとともに、雰囲気ガスの流れにより回収器１９に運ば
れる。冷却ガスの量は被溶融物の種類や液滴の発生量に
より、また、冷却ガスの圧力は必要とする粒子の粒径の
大きさにより変化させることが必要である。

凝固した微粒子２０は回収器１９により回収され、金属
微粒子を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１第１図に示した装置を用いて、アルゴンガス雰囲気を絶
対圧力で３ｋｇ／ｃ＋Ｊに保ち、周波数を２０ｋＨｚに
設定した共振器１５を振動させて、片振幅で約１６ミク
ロンの振動を行わせたところ、溶融液１）の表面近傍で
１７７ｄＢＯ音圧レベルの強力気中超音波が得られた。

共振器１５としてはチタン合金を用いた。そして、アル
ミ合金を溶融しこの強力超音波を作用させた。

得られたアルミ合金粉末は、粒径１２〜３０ミクロン、
平均粒径２２ミクロンで球状の粒子が得られた。粒子表
面の酸化や、不純物元素の混入はまったくなく、極めて
純度の高い微粉末が得られた。また、粒子の生成量は約
１）００グラム／時間であった。粒子の生成量を常圧下
の場合と比較すると約１．４倍の収量が得られた。

実施例２第１図に示した装置を用いて、アルゴンガス雰囲気を絶
対圧力で１０ｋｇ／ｃｎｌに保ち、周波数を１００ｋＨ
ｚに設定した共振器１５を振動させて、片振幅で約１６
ミクロンの振動を行わせたところ、溶融液１）の表面近
傍で１７５ｄＢＯ音圧レベルの強力気中超音波が得られ
た。共振器１５としてはチタン合金を用いた。そして、
アルミ合金を溶融しこの強力超音波を作用させた。

得られたアルミ合金粉末は、粒径２〜２０ミクロン、平
均粒径１０ミクロンで球状の粒子が得られた。粒子表面
の酸化や、不純物元素の混入はまったくなく、極めて純
度の高い微粉末が得られた。

また、粒子の生成量は約１，０００グラム／時間であっ
た。常圧下では、不可能だった平均粒子径のより小さい
微粒子の製造が可能となった。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明によれば、Ｐｂ、　Ｍｇ。

Ｓｎ、　Ｚｎ　、　ＡＪなどの比較的溶融温度の低い金
属の微粉末から、Ｃｕ、　Ａｇ、　Ａｕなどの比較的溶
融温度の高い金属、および合金の微粉末を純度が高くし
かも安価に製造することができる。そして、粒子径も任
意のものが大量に製造でき、これらは高性能粉末冶金製
造製品や電子材料の原材料となり、工業的に利用価値の
高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の構成・作用を示すための説明図、第
２図及び第３図は、従来の金属微粒子製造装置の説明図
、第４図は、本発明の実施例におけるガス圧力と音圧レ
ヘルの関係を示す特性図である。１０・・・溶融液保持容器、１）・・・溶融液、１３・
・・微粒化室、１４・・・冷却室、１５・・・超音波の
共振器、Ｉ６・・・振幅拡大器、１７・・・超音波振動
子、Ｉ８・・・放射方向変換器、１９・・・回収器、２
０・・・微粒子。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属材料の溶融液の上方に超音波共振器を設置し
、該共振器を超音波振動させることにより雰囲気ガスを
超音波振動させて、超音波の進行方向を放射方向変換器
により溶融液の表面に集束し、前記溶融液表面から微小
液滴を霧化し、該液滴を冷却ガス中に飛行させつつ冷却
凝固させる金属微粉末の製造方法において、金属溶融液
を霧化するための音場の圧力を大気圧力以上としたこと
を特徴とする金属微粉末の製造方法。
（２）金属材料を供給する供給装置及び該金属材料を溶
融するための加熱源を備えた耐火性の溶融液保持容器と
、該溶融液保持容器の上方に設けられた超音波振動によ
る共振器と、該共振器を振動させる振動子と前記共振器
に振動を伝播させて振幅を拡大する振幅拡大器と、前記
共振器から雰囲気ガス中に放射された音波の方向を変え
、溶融液表面方向に集束させる放射方向変換器と、金属
溶融液を霧化するための音場の圧力が大気圧力以上で、
該音場の雰囲気を制御し、かつ霧化した微小液滴を凝固
させるための冷却ガスの供給装置と、凝固した微小粒子
を回収する回収装置とを具備することを特徴とする金属
微粉末の製造装置。