JPH01263204A - 低酸素含有量の微細球状粒子並びでに流体エネルギーミリング及び高温処理によりそれを製造する方法 - Google Patents

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】 本発明は、微細球状粉末粒子及びその製造方法に関する
ものである。本方法は、流体エネルギーミリング即ちジ
ェットミリングによる出発材料の機械的減寸と、続いて
の高温処理、特にはプラズマプロセスと係り、約０．８
重量％未満の酸素含有量しか有しない微細球状粒子を生
成する。

Ｌ米弦迩 米国特許第３，９０９．２４１及び３．９７４．２４５
号は、粒子凝集塊を高温プラズマ反応器を通して給送し
て粒子の少なくとも部分溶融をもたらし、そして保護性
の気体雰囲気を有する冷却室において粒子を収集し、こ
こで粒子を凝固せしめることにより製造される自由流動
性の粉末に関係する。

米国特許第４．２６４．３５４号は、高周波誘導コイル
加熱と続いての液体媒体中での冷却による球状歯科用合
金粉末を製造することに関係する。

微細な球状金属粒子はフィルター、精密プレス及び焼結
部品、並びに射出成形部品のような用途に有用である。

そうした金属粉末粒子を製造するための一層良く知られ
た方法の幾つかは、気体或いは水噴霧。

即ちアトマイゼーションによるものである。しかし、噴
霧により製造された粉末の僅かの割合のものしか約２０
μｍ未満にならなかった。従って、収率は低く、その結
果金属粉末コストは高（また水噴霧の場合粉末は球状と
ならないことが多かった。

１９８４年８月２日公開された欧州特許ＷＯ３４０２８
６４号において、溶融液滴の流れをそれをはじき易い反
撥性表面に差し向け、それによりｉ＆Ａを分断しそして
はねかしめそして後凝固せしめることによる超微粉末の
製造方法が開示されている。はね返り後に球状粒子が形
成される傾向があるが、溶融部分は楕円状或いは丸みの
付いた端部を有する細長い粒子を形成し易いと記載され
ている。

米国特許第４．７１１．６６０及び４．７１１．６６１
号は、球状粒子と、材料粒子寸法を減寸しそして高温処
理し、その後急速凝固することによるその製造方法を開
示している。

０が　゛しよ　とする＝１ 上記の米国特許第４．７１１．６６０及び４．７１１゜
６６１号の方法は、球状の微細金属粉末の製造を可能な
らしめた点で有用であったが、材料がそこで好ましいと
されるアトリック−ミリングにより減寸されるとき、球
状粒子の酸素含有量は約０８重量％を超えた。

一層良好な焼結及び−層良好な機械的性質をその他の理
由から酸素含有量がこの値より小さいことが要望される
ようになった。その他、炭素汚染も認められた。

近時の粉末冶金、成形品、エレクトロニクス等の分野に
おいての一層高品質製品への要求が、酸素約０．８重量
％未満で、その他の汚染物も少なくしかも約２０μより
小さな寸法の球状の微細金属粉末を得ることを新たな課
題としている。

幾つかの用途においては、生成微細球状の炭素含有量は
、そして出発材料の炭素含有量を超えないことも必要で
ある。

更には、製造プロセスの一層の効率化も求められている
。

；　を　゛　するための こうした課題に答えて、本発明者は検討を重ねた結果、
前述した米国特許第４．７１１．６６０及び４．７１１
．６６１号は、材料を減少するのに媒体／機械的運動或
いは振動を重要視している。上記の問題点は、これら特
許は減寸が液体媒体中で為されそして爾後の高温処理前
に材料を乾燥せねばならないアトリッターミルプロセス
と関与することに原因があることを究明するに至った。

本発明は、出発材料の減寸方法を検討した結果として、
流体エネルギーミリング即ちジェットミリングの導入が
課題解決に有用であるとの結論に至った。

本発明は、出発材料のジェットミリングと続いての高、
晶処理及び生成高温処理材料の直接凝固により、金属、
合金、セラミックガラス、及び結晶性セラミックガラス
並びにその組合せから成る群から選択される実質上球状
粒子から成る粉末材料であって、楕円状及び丸みの付い
た端部な有する細長い粒子を実質上告まず、直径におい
て約２０μｍ未満の粒寸を有し、約０．８重量％未満の
酸素含有量しかを有しない粉末材料の開発にここに初め
て成功した。

本発明はまた、低酸素含有量微細粒子製造方法をも提供
する。本方法は、粉末を製造するべき出発材料の寸法を
減寸して、実質上すべてが直径において約２０μｍ未満
の粒寸を有するような微細粉末を生成することを出発段
階とする。これは流体エネルギーミリングにより為され
る。生成微細粉末をキャリヤガスに搬送させそして該粉
末の融点を超えしかもプラズマジェットにより創出され
た約５５００℃〜約１７．０００℃の温度にある高温帯
域に該粉末を通して、該微細粉末の少な（とも約５０重
量％のものをを溶融して該溶融部分の球状粒子を形成す
る。生成する高温処理粉末は、それが飛行している間に
、急速に且つ直接的に再凝固せしめられる。

生成微細球状の炭素含有量は、そして出発材料の炭素含
有量を超えない。

「ミリング」とは粒子をもっと小さな寸法まで粉砕或い
は分断することを云う。これは微粉砕とも云われる。「
流体エネルギーミリング」とは、流体のエネルギーを利
用して粉砕される材料に高速度を付与しそして加速粒子
を互い同志また固体基板に対して衝撃して粒子をもっと
小さな寸法まで粉砕することを云う。

見五皿二五」 本発明の実施における出発物質としては実質上任意の型
式の材料を使用しつるが、好ましい材料は、金属、合金
、セラミックガラス、及び結晶性セラミックガラス並び
にその組合せである。このプロセスによりセラミック材
料を製造するための主たる基準は、それらがその融点ま
で化学的安定性を維持することである。

出発材料の寸法はもっと細かい粉末材料を生成するよう
に減寸される。出発材料は、最初任意の或いは直径をと
りつる。本発明の目的の一つは材料の直径寸法を初期寸
法から減寸することであるからである。実質上すべての
材料が、空気或いは液体沈降法或いはレーザデイフラク
トメトリのような従来からの技術により測定したとして
２０μｍ未満の直径の粒寸まで減寸される。

減寸は、斯界で一般にジェットミリング（ｊｅｔｍｉｌ
ｌｉｎｇ　）或いは流体エネルギーミリングと呼ばれる
一層のプロセスにより達成される。これは、流動層型対
向ジェット（ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ　ｏｐｐｏｓ
ｅｄｊｅｔ　）ミリング、出発材料及び気体を固定ター
ゲットに衝突せしめるコールドストリーム（Ｃｏｌｄｓ
ｔｒｅａｍ　　）等を含む。ここで言及された「ジェッ
トミリング」或いは［流体エネルギーミリング」とはこ
の形式のプロセスすべてを包括するものであることを理
解されたい。本発明方法において、流体エネルギー流れ
を創りだすための気体圧縮機を除いて可動部品は存在し
ない。エネルギーは流体、特に気体により、即ち流体の
速度により粒子に付与される。これらプロセスのすべて
は、粉砕される材料に高速度を付与しそして加速粒子を
互い同志また固体基板に対して粒子をもっと小さな微粉
にまで粉砕或いは分断するに充分の力において衝撃する
。

前述した米国特許筒４．７１１．６６０及び４．７１１
．６６１号は、材料粒子寸法を減寸しそして高温処理し
、その後急速凝固することによる球状粒子の製造方法に
関係する。これら特許は、粒寸を減少するのに媒体／機
械的運動或いは振動を重要視している。これら特許は減
寸が液体媒体中で為されそして爾後の高温処理前に材料
を乾燥せねばならないプロセスと関与する。これら段階
は共に、粉末の酸化の機会を増大する。対照的に　本発
明に従えば、減寸は材料を不活性雰囲気中で乾燥状態と
してなしつる。適正な寸法の粉末のみが生成されるので
高温処理前に分篩或いは寸法分級の必要はない。更に、
これら特許の方法は、幾つかの用途において必要とされ
る基準を超える炭素含有量を持つ粉末をもたらす。これ
は、減寸が代表的に液体有機媒体中で為されそしてこの
有機媒体が分解し或いは粉末粒子内部に捕捉されるとの
事実に由る。これは粉末の炭素含有量を増大する。対照
的に、本発明では、材料を乾燥状態として実施され従っ
て炭素含有量が増大することはない。従って、本発明は
例えば低炭素ステンレス鋼といった成る種の合金系に一
層適する。流体エネルギーミリングが使用されるとき、
生成球状粉末粒子の酸素含有量は約０．８重１％未膚で
あり、そして炭素含有量は出発材料の炭素含有量を超え
ない。更にまた、このプロセスは、気体或いは水噴霧法
や上記２つの特許の方法より一層高い効率において為さ
れる。何故なら、適正な寸法の粉末のみがジェットミリ
ング装置から放出されそしてそれが直接高温処理により
球状粒子に変換されるからである。先行技術の機械的減
寸法はバッチ式のプロセスである。従って、材料のすべ
てが、例えその−部が適正な寸法でなかったとしても、
高温処理を受ける。従って、所定量の製品を生成するの
に−層多（の材料が高温処理を受けねばならず、そして
所望の最終寸法分布を得るのに高温処理後の分級操作が
一層必要である。本発明のこのプロセスは、先行技術の
処理より爾後の高温処理のための一層一様な寸法の減寸
材料を与える。これは、流体エネルギーミリングが、連
続プロセスであるからである。過大寸法の粉末はミリン
グプロセスに再循環され同時に出発材料より細かい適正
寸法の材料は爾後の高温プロセスのためにミルから放出
される。これは、高温処理を受ける材料が寸法において
一様であるとき渚融効率（全粒子に対する溶融粒子の重
量比）が増大するから重要な事項である。

粒子の減寸を達成するための好ましいジェットミルは、
アルビンにより発明された流動層対向式ジェットミルで
ある。このミルは、上端にアルビン分級機を設置した筒
状粉砕室から成る。圧縮された空気、窒素或いは不活性
気体がミル内部に粉砕室の下方部分に沿って周回的に隔
置された３つ或いはもっと多（の水平配向ノズルを通し
て導入される。材料は、室内に室の底におけるフィーダ
により或いは気体ジェットより上で粉砕室に通人するデ
ユープを通して導入される。ミル内に流入する気体によ
り、減寸されつつある材料は粉砕室の底部で流動層を形
成する。気体は超音速でノズルを離れそして減寸される
べき材料を加速する。

材料粒子は、各気体ジェットに連行され粉砕室の中央近
くで他の気体ジェットに連行された粒子とｉΦｉ突する
。プロセスのこの段階で粒子の破断が生じ従って減寸が
起こる。減寸材料と未粉砕材料との混合物が、粉砕室を
通して上方に移動し空気分級機に達する。空気分級機は
、高速（＞５．００Ｏｒｐｍ　）で回転するフィン付き
ホイールである（外観において「リスかご」ブロワ−に
似ている）。

ホイールは成る寸法（調節自在である）を超える粒子を
拒絶して通さず、そしてこれら未粉砕或いは部分粉砕粒
子を粉砕室の流動層に戻す。分級機ホイールにより通さ
れなかった過大寸法粒子は気体ジェットに再連行されて
再度粉砕処理に供せられる。所望寸法の微細粒子は分級
機ホイールを通過し、ここで粒子はガスサイクロン或い
はフィルタのような従来手段により捕集される。

もし金属或いは合金粉末が連行／雰囲気気体として窒素
或いは不活性気体を使用して上述したジェットミルによ
り減寸されるなら、減寸粉末の酸素含有量は多（なった
としても出発酸素含有量をご（僅か超えるのみである。

ミリングにどの気体が使用されようとも、減寸中の酸素
による以外の材料の汚染は、他のジェットミリング法に
比べてさえ、材料同志が衝突しそして材料が自身で破断
するから最小限ですむ。ジェットミリング装置の摩耗、
これは減寸されている材料の汚染を意味するわけである
が、は最小限ですむ。上記設備は、金属粉末減寸のため
の従来形式の転勤式或いは撹拌式ボールミルを上回る多
くの利点を提供する。

従来形式のミルにおいては、粉砕は通常有機媒質中で実
施され、これは炭素汚染につながる。これは本発明プロ
セスでは起こらない。また、減寸材料は、球状粒子への
変換前に乾燥せねばならず、従って酸化はほぼ回避出来
ない。

減寸材料はアルゴンのようなキャリヤガスに連行されそ
して微細粉末の融点を超える温度にある高温帯域を、微
細粉末の少なくとも約５０重量％のものを溶融しそして
溶融部分の実質上微細な粒子を形成するに充分な時間通
過する。幾らかの追加粒子が５表面において部分溶融さ
れ或いは溶融されて、これらは上記溶融部分に加えて球
状粒子となる。好ましい高温帯域はプラズマである。

プラズマ反応器の原理及び作動の詳細は周知である。プ
ラズマは高温帯域を有するが、断面において温度は代表
的に約５５００℃から１７．０００℃まで変動しつる。

外縁部は低温にありそして内部の方が高温にある。滞留
時間は、プラズマ銃のノズル内にキャリヤガスに連行さ
れた粒子がどこで噴火されるかに依存する。つまり、粒
子が外縁部に噴入されると、滞留時間は長（なるはずで
あり、そして粒子が内部に噴火されると、滞留時間は短
くなる。プラズマ火炎内での滞留時間は粒子をプラズマ
中に噴入する地点を選択することにより制御され得る。

プラズマにおける滞留時間は、プラズマ作動条件及び粉
末粒子の与えられた組み合わせに対してプラズマ気体の
物理的性質と粉末材料自体の関数である。大きな粒子程
プラズマ中に一層容易に入り、他方小さな粒子はブラズ
メジェットの外縁に留まるか或いはプラズマジェットか
ら離れて偏向される傾向がある。

材料がプラズマを通過した後、材料は冷えそして急速に
凝固される。一般に、材料の多くの重量部分が球状粒子
に変換される。一般に、材料の約７５％を超えるものが
、最も代表的には材料の約８５％を超えるものがこの高
温処理において球状粒子に変換される。はぼ１００％の
球状粒子への変換が達成され得る。球状粒子の主部分は
直径において約２０μｍ未満である。プラズマ処理粒子
の粒寸は主に、減寸段階で得られた材料の寸法に依存す
る。最も代表的には、約９９％を超える粒子が約２０μ
ｍ未満である。

一層好ましい粒寸は、直径において約１５μｍ未満であ
りそして一番好ましくは直径において約１０μｍ未満で
あり、他方粒子が直径において約１μｍを超えることが
好ましい。

冷却と続いての再凝固後、生成する高温処理済み材料は
、主たる球状化粒子部分を実質上非球状化粒子部分から
取り出しそして所望の粒寸分布を得るよう分級され得る
。分級は分篩或いは空気分級のような標準的技術により
なしつる。

溶融しなかった小部分はその後、それを微細な球状粒子
に変換するため本発明に従って再処理され得る。

九匪立盈逮 本発明の粉末材料は、楕円状材料を実質含まずそして丸
みの付いた端を有する細長い粒を実質含まない実質上球
状粒子である。これは前述したヨーロッパ特許出願ＷＯ
３４０２８６４に比べて大きな利点である。

更に、本発明の最終製品における化学汚染（炭素、酸素
等）の水準は先行技術の高温処理により得られた球状粒
子に見られる水準よりはるかに低い。本発明方法により
製造された粒子における酸素水準は、代表的に約０．８
重量％未満でありそしてもっと代表的には約０．５重重
％未満であり、そして０．２５重量％もの低水準が実現
されつる。

球状粒子は射出成形及びプレス及び焼結操作において非
球状粒子を上回る利点を有する。匹敵寸法の非球状粒子
と違って球状粒子の表面積の小さなこと及び球状粒子の
流動性は、バインダとの混合を容易ならしめそして脱ロ
ウ等の洗浄を一層容易ならしめる。

本発明は、こうした球状粒を一層効率的に且つ確実に生
成する。

以上、本発明について具体的に説明したが、本発明の範
囲内で多くの変更を為しうることを銘記されたい。

、・−３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ａ）粉末を製造するべき出発材料の寸法を流体エネ
   ルギーミリングにより減寸して、実質上すべてが直径に
   おいて約２０μｍ未満の粒寸を有するような微細粉末を
   生成する段階と、 ｂ）前記微細粉末をキャリヤガスに搬送させそして該粉
   末の融点を超えしかもプラズマジェットにより創出され
   た約５５００℃〜約１７，０００℃の温度にある高温帯
   域に該粉末を通して、該微細粉末の少なくとも約５０重
   量％を溶融して、該溶融部分の実質上微細な球状粒子を
   形成する段階と、 ｃ）生成する高温処理材料を、該材料が飛行している間
   に、急速に且つ直接的に再凝固せしめて、直径において
   約２０μｍ未満の粒寸を有するような微細球状粒子であ
   って、楕円状及び丸みの付いた端部を有する細長い粒子
   を実質含まず、酸素含有量が約０．８重量％未満であり
   、そして出発材料の炭素含有量を超えない炭素含有量を
   有する微細球状粒子を形成する段階と を包含する微細球状粒子製造方法。 ２）出発材料の寸法が該材料を流動層型対向ジェットミ
   リングにより減寸されて微細粉末を生成する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ３）再凝固後、高温処理材料が分級されて所望の粒寸の
   球状粒子を得る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４）材料が金属、合金、セラミックガラス、及び結晶性
   セラミックガラス並びにその組合せから成る群から選択
   される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５）材料が金属及び合金から成る群から選択される特許
   請求の範囲第４項記載の方法。 ６）金属、合金、セラミックガラス、及び結晶性セラミ
   ックガラス並びにその組合せから成る群から選択される
   実質上球状粒子から成る粉末材料であって、楕円状及び
   丸みの付いた端部を有する細長い粒子を実質含まず、直
   径において約２０μｍ未満の粒寸を有し、出発材料のジ
   ェットミリングと続いての高温処理及び生成高温処理材
   料の直接凝固により製造され、約０．８重量％未満の酸
   素含有量を有し、そして出発材料の炭素含有量を超えな
   い炭素含有量を有する粉末材料。 ７）粉末材料が金属及び合金から成る詳から選択される
   特許請求の範囲第６項記載の粉末材料。 ８）球状粒子の粒寸が直径において約１５μｍ未満であ
   る特許請求の範囲第６項記載の粉末材料。 ９）粒寸が直径において約１０μｍ未満である特許請求
   の範囲第６項記載の粉末材料。 １０）粒寸が直径において約１μｍを超える特許請求の
   範囲第６項記載の粉末材料。 １１）粒寸が直径において約１μｍを超える特許請求の
   範囲第８項記載の粉末材料。 １２）粒寸が直径において約１μｍを超える特許請求の
   範囲第９項記載の粉末材料。