JPH03226509A

JPH03226509A - プラズマ発生装置および超微粒粉末の製造方法

Info

Publication number: JPH03226509A
Application number: JP2022970A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Nakada; 中田　好和; Toshihiko Kubo; 敏彦久保; Masaru Nishiguchi; 西口　勝
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-10-07

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、複数の直流プラズマ源を有するプラズマ発
生装置と、その装置を使用して組成の均一な化合物粉末
または二層以上の複層構造の複合粉末であって、その粒
子が極めて微細かつ均一で、しかも清浄度の高い粉末を
製造する方法に関する。

（従来の技術）粉末に高い機能性を付与する方法として、その粒子を微
細にすること（超微粉末化）または粉末粒子を多層構造
にして表面を改質する複合化がある。

粉末を超微粉にすれば、比表面積の増大、高化学反応性
、低温焼結性、磁気特性の向上、光吸収の増大および分
散性の向上等の数々の特性向上がもたらされることは周
知である。このため超微粉末の製造方法の研究が活発に
行われているが、とりわけプラズマ蒸発法は、不純物の
混入が少な、く、清浄度の高い超微粉末を効率よく製造
するのに適しているため、超微粉末製造方法の主流にな
ることが予想できる。

一方、粉末の内部と表層部の組成を変えた複合粉末の製
造には、従来、めっき法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等、種
々の方法が採用されているが、その超微粉末の製造には
、やはりプラズマ蒸発法が通している。

プラズマ茎発法は、プラズマ炎中に供給した原料粉末を
気化させ、その後凝縮させることにより超微粉末を生成
させるものである。

プラズマを発生性別に分類するとＤＣ（直／Ｊｔ）プラ
ズマ、ＲＦ（高周波）プラズマおよびＤＣプラズマとＲ
Ｆプラズマとを結合させたハイブリッド（複合）プラズ
マとがある。

ＤＣプラズマにおいては、プラズマ炎内に温度分布と質
量分布があり、プラズマ炎の中心部に高温・低畜度のガ
ス流が、またプラズマ炎の周辺部に低温・高密度のガス
流がある。従って、原料粉末を十分に加熱するためには
、プラズマ炎の中心部に原料粉末を供給する必要がある
。

ＲＦプラズマにおいても、プラズマ炎内には流れがあり
、それはプラズマ炎の中心部から上方へ、さらに上方か
らプラズマ炎の側面を通って下方に流れるものである。

またＲＦプラズマ炎は原料粉末注入による熱的擾乱を受
けて消えやすい、従ってＲＦプラズマ炎中に原料粉末を
安定に投入するためには、原料粉末の供給孔はプラズマ
炎の中心軸上に設定しなければならない。原料粉末の供
給孔がＲＦプラズマ炎の中心軸上からずれると、粘性を
持つプラズマ炎により弾き飛ばされたりプラズマ炎が消
えてしまったりすることがある。

上記の理由により、ＤＣプラズマであれ、ＲＣプラズマ
であれ、原料粉末の供給は１カ所（一つの供給孔）から
行うのであるが、これでは超微粒の化合物粉末や複合粉
末を製造するのが難しい。

例えば、Ａ８Ｂ、なる組成の超微粒化合物粉末を製造す
る場合には、原料粉末としてＡの粉末とＢの粉末との混
合粉末を使用するか、又は予めＡヶＢｙの組成の粉末を
製造し、これを原料粉末として使用しなければならない
。しかし、混合粉末を使用する場合、各原料粉末に比重
差および粒度差があるため、一つの供給孔から投入され
た混合粉末が当初の混合比を保ちながらプラズマ炎の中
心まで行くのは難しい。さらにＤＣプラズマ炎内におい
て混合粉末を十分に気化させることのできる高温領域は
狭い上に、プラズマ炎内の流速が速（、混合粉末の滞留
時間も短い。従って供給された混合粉末を一様に気化す
ることのできる確率は極めて低い。これらの理由から、
混合粉末を用いて化合物粉末を製造しても、得られる粉
末の組成は橿めで不均質である。

原ギ４粉末として予め化合物にした粉末を使用し、これ
を原料粉末供給孔から投入して超微粒化合物粉末製造す
る方法では、当然のことながら、化合物粉末を得るだめ
の特別な前処理が必要である。

さらに予め化合物にした原料粉末であっても、粘性を持
つプラズマ炎に弾き飛ばされ、あるいはＤＣプラズマ炎
内の速い流速のため、原料粉末が十分に加熱されないと
いう問題がある。

複合粉末、例えばＡ成分をＢ成分で被覆したような粉末
、の製造は、化合物粉末の製造よりも一層困難である。

即ち、原料としてＡ成分粉末とＢ成分粉末の混合粉末を
用いても、これらを同時に気化または液化させてＡ成分
がＢ成分で被覆された構造の粒子を得ることは難しい。

さて、プラズマ蒸発法によって化合物などの粉末を製造
するのに、複数のプラズマ炎を使用するという方法が、
特開昭６３−２２１８４２号公報に開示されている。こ
の公報に示されているのは）ｚ４ブリッドプラズマ装置
を使用する方法であるが、その方法でも原料粉末はハイ
ブリッドプラズマ装置の上部にある１カ所の原料供給孔
からＤＣプラズマのプラズマ炎の合流部に供給されてい
る。このような方法では、２種類以上の原料粉末を使用
して均一な組成の化合物粉末または複合粉末を製造する
ことは、前記の理由でやはり困難である。

（発明が解決しようとする課題）本発明の目的の一つは、超微粒の化合物粉末および複合
粉末を製造することができる装置を提供することである
。

本発明のもう一つの目的は、組成が均一でしかも超微細
な化合物粉末または複合粉末を製造する方法を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段）本発明は、超微粉末の製造にプラズマ蒸発法の利点を生
かすことを前提として、前述したその問題点を解消しよ
うとするものである。

まず、本発明のプラズマ発生装置は、第１図にその全体
を概略図で示すように、下記の点を特徴とする。

■　一つの中心軸（ａ−ａ軸）を囲んで配置された複数
のＤＣプラズマｉａ　（１−１，１−２，−・＞　を有
する。

■　これらのプラズマ源は、それらで発生するプラズマ
炎が上記中心軸上の一点に収束するように、中心軸に対
して成る角度をもって配置されている。

■　各プラズマ源には、それぞれの独立した原料供給系
と出力調整装置が付属している。

■　プラズマ炎を大気から遮断する容器を有する。

次に、本発明の超微粒粉末の製造方法は、下記の点を特
徴とするものである。

■　複数のＤＣプラズマ源を使用する。

■　各ＤＣプラズマ源に異種の原料を個別に供給し、各
ＤＣプラズマ炎内で各原料粉末を十分に気化または液化
させる。

■　さらに各ＤＣプラズマ炎の先端を重ね合わせること
により形成される合体プラズマ炎中で、既に気化または
液化した各原料を混合し、反応させる。

■　上記の操作は、望ましくはアルゴンと水素の混合ガ
スの雰囲気下で、さらに望ましくは大気圧よりも低い圧
力下で行う。

上記本発明の装置は、本発明の超微粒粉末の製造方法の
実施に使用するのに適している。しかしその用途はこれ
に限られない０例えば、容器５の中に基材をおいて、プ
ラズマ蒸発によって合成された化合物をその上に溶射す
る、というような場合にも使用できる。ｆ４射被膜とし
て、金属とセラミックスの混合比が厚み方向に変化した
ような、いわゆる濃度勾配をもつ被膜、或いは均一で超
微細な結晶粒の合金被膜などの形成も容品である。

以下、図面を参照しながら本発明の構成とその作用効果
を説明する。

（作用）第１図は、本発明装置の１例を示す全体概略図、第２回
はその要部の拡大断面図である。

この装置は、二つのＤＣプラズマ源１−１と１−２を有
し、これらは垂直軸（ａ−ａ軸）に対してそれぞれ３０
℃の角度で傾斜して対称に配置されている。従って、各
プラズマ源１−１　、１−２で作られるＤＣプラズマ炎
２−１および２−２は、垂直軸上の一点で重畳し、合体
プラズマ炎３を形成する。

各ＤＣプラズマａ１−ｔ　と１−２は、それぞれ原料供
給系をもっている。これは、プラズマ炎の発生力所近傍
に設けられた供給孔４−１．４−２（第２図）と、ここ
へ原料を送る配管と、原料の貯蔵容器９−１．９２と、
キャリヤーガス流量調整装置１０−１．１０−２等から
なる。なお、原料とは、化合物粉末または複合粉末を構
成する金属、非金属の単体、または化合物であり、通常
は粉粒状でプラズマ炎内に供給される。

上記のプラズマ発生領域は、反応容器５によって大気か
ら遮断されている。前記原料供給孔４−１゜４−２もこ
の容器内に位置して、原料は大気に触れずにプラズマ炎
内に投入されるようになっている。

第１図において、７はアルゴンガス容器、８は水素ガス
容器で、いずれも流量調整装置１４−１，１４２を備え
たプラズマ源１−１　、１−２への配管を有する。

なお、アルゴンガス容器７からは、前記の原料供給系へ
の配管がある。さらに、１１は真空ポンプ、１２は容器
内の圧力を調整する装置、１３−１および１３２はそれ
ぞれプラズマ源１−１および１−２の出力調整装置、１
５は製造された粉末を回収するバグフィルタ−である。

上記のような装置を用いて、本発明方法は次のように実
施される。

プラズマガスとしては、通常はアルゴンガスが使用され
るが、後述の理由でアルゴンと水素の混合ガスを使用す
るのが望ましい、これらは、それぞれの容器７．８から
所定量プラズマ発生源１−１゜１−２に供給される。プ
ラズマ発生源では、銅製ノズル１７−１．１７−２を陽
橿とし、これとタングステン電極（陰１（ｉ）　１８−
１．１８−２との間でアークを発生させる。このアーク
中にプラズマガスをその導入孔６−１６−２から送り込
みＭさせてプラズマを生成させる。原料粉末はキャリヤ
ーガスで運ばれ、銅製ノズルの側面にある原料供給孔４
−１．４〜２からプラズマ中に送り込まれる。

各プラズマ発生源で生成するプラズマの強度（温度）は
、出力調整装置１３−１．１３−２によって独立に龍■
卸される。

まず、ＡヨＢ、の組成の化合物粉末を製造する場合、原
料粉末の供給孔４−１からＡ成分の原料粉末を、供給孔
４−２からＢ成分の原料粉末を、アルゴンガスをキャリ
ヤーとしてＸ：ｙの比率で供給する。各原料粉末はＤＣ
プラズマ炎２−１および２−２中で加熱され、気化して
蒸気となり、合体プラズマ炎３中に運ばれて混合し、こ
こで直ちに反応してＡ、Ｂ、の組成の化合物となる。こ
の化合物は、容器５内で冷却・凝縮して超微細でかつ高
清浄度の化合物粉末となる。この粉末は、第１図に示す
バグフィルタ−１５で回収される。

次に、Ａ成分がＢ成分で被覆された粒子構造の複合粉末
を製造する方法を説明する。

複数のＤＣプラズマ源を使用する本発明方法では、前記
のように各ＤＣプラズマ源の出力をそれぞれ独立に制御
することができる。従って、各原料粉末の加熱度合を変
えることが可能であり、その結果原料粉末を液の状態か
ら蒸気の状態まで変化させて、合体プラズマ炎中に送り
込むことができる０例えば、Ａ成分の芯と日成分の表層
部（被覆層）をもつ複合粉末を製造する場合には、プラ
ズマ源１−１にＡ成分の粉末を供給し、Ａが液体となる
ように加熱温度を調整する。一方、プラズマａ１−２に
はＢ成分の粉末を供給し、これは気化させる。これらを
合体プラズマ炎３中で混合すれば、Ａの環球の周りにＢ
が凝縮し、目的の複合粉末が得られる。各粉末の供給量
の調整などにより、被覆厚の制御も容易である。

第１図および第２図に示した装置は、ＤＣプラズマ源を
２個備えたものであるが、これは３個以上であってもよ
い６例えば、Ａ、、ＢｙＣヨのような三元化合物を製造
する場合は、３個のプラズマ源にそれぞれＡ、Ｂ、Ｃの
粉末を所定比率で供給して、Ａ、Ｂ、Ｃ，の化合物微粉
末を製造することができる。また、Ａ、Ｂ、Ｃの三層構
造の複合粉末を製造することもできる。

本発明の装置を用いれば、２種類以上の原料を各ＤＣプ
ラズマ源に独立に、しかも一定の比率で供給できる。そ
して、各原料はそれぞれ温度が独立に制御されたプラズ
マ炎の中で十分に気化または液化される。従って合体プ
ラズマ炎の中では、一定比率の気化または液化した原料
が十分に混合され、組成および構造のバラツキの少ない
高清浄度の化合物粉末または複合粉末の製造が可能とな
る。

また第１図および第２図に示すように、ＤＣプラズマ源
の原料粉末の供給孔４−１．４−２をａ−ａ軸側に設け
ることにより、原料粉末をＤＣプラズマｉｆ［１−１，
１−２の上方から供給できる。この原料粉末供給孔４−
１．４−２は銅製ノズルの内壁を通ってプラズマの発生
する領域に開口しているので、原料粉末をＤＣプラズマ
炎２−１．２−２中の最も温度の高い部分に確実に供給
でき、これを完全に加熱できる。

さらに原料粉末の供給孔４−１　、４−２は下向きに開
口しているので、その閉塞も防止できる。

一般にＤＣプラズマはＲＦプラズマに比ベプラズマ炎の
領域が狭い上に流速が速いという欠点があるが、本発明
においては、複数のＤＣプラズマ炎を重畳させて合体プ
ラズマ炎を形成さ仕ることにより、プラズマ炎の領域を
拡張させ、原料の蒸気および環球の混合領域を広げるこ
とができかつ安定化できる。

本発明方法の実施に当たっては、ＡｒとＨ２との混合ガ
スを使用するのが望ましいａ　Ｈｔガスのプラズマは、
その粘性係数が低く熱伝導係数が高い。またＡｒガスに
比べてプラズマ化しにくいため、より大きな電力を必要
とし、その結果混合ガスの工不ルギー密度が高くなる。

言い換えれば、ＡｒとＨｚとの混合ガスのプラズマ炎の
方が、Ａｒのみのプラズマ炎よりもプラズマの粘度が小
さく、供給した原料粉末をプラズマ炎内に受は入れ易い
。また、プラズマが拡張して原料粉末のプラズマ中での
滞留時間が長くなり、プラズマからの熱伝達量が増して
加熱の効率が高くなる。

また、Ａｒガスのプラズマ炎中には、不純物として不可
避的に含まれる極＠量の酸素のプラズマがあり、これが
供給した原料と反応して酸化物の超微粉末が生成する。

しかし、Ａｒに■２を混合しておけば、プラズマ炎中で
は活性水素による還元作用を受け、酸化物のない高清浄
度の超微粉末が製造できる。

さらにまた、反応容器５の内部は減圧雰囲気にする方が
望ましい、プラズマガスを減圧することでプラズマ炎の
粘度が低下し、供給した原料粉末がプラズマ炎と混合し
易くなる上に、プラズマ炎が広がり、かつ高温領域を拡
大できるため、供給した原料粉末を加熱するために十分
な滞留時間が得られる。

以下、本発明方法の実施例を示して詳細に説明するが、
この実施例はなんら本発明を限定するものではない。

〔実施例１〕第１図および第２図に示したＤＣプラズマ源を２個備え
た装置を使用した。これらのＤＣプラズマ源１−１およ
び１−２は、直径４０１ａｌｌ・長さ１５０ｍｍの円筒
形のものである０反応容器５はステンレス鋼製で内径５
００ｍｌ１１である。

反応容器５内をＩ　Ｘｌ０−’Ｐａまで真空引きした後
、プラズマガス導入孔６−１．６−２からプラズマガス
としてＡｒガスを流１ｔ４７ｊ！／ａ＋ｉｒ＋で、Ｈｔ
ガスを流量２０１／ｗｉｎで流し込み、圧力制御装置１
２で反応容器５内をｌＰａに安定に保てるように調整し
た。この＾ｒＨ２の混合ガスの減圧雰囲気下で各ＤＣプ
ラズマ炎２−１．２−２を発生させた。この時の各ＤＣ
プラズマ源の出力はすべて２０ｋｗにした。

このＤＣプラズマ発生条件下において、一方のＤＣプラ
ズマ源１−１に５４！／ｓｉｎのＡｒガスをキャリヤー
ガスとして、平均粒径５μｍのＴｉ粉末を０．５ｇ／！
１ｌｉｎで供給し、他方のＤＣプラズマ源１−２に３１
／ｍｉｎのＡｒガスをキャリヤーガスとして、平均粒径
１０μｍのＡｉ粉末を０．２８ｇ／ｗｉｎで供給した。

この操作を１０分間実施してバングフィルター１５で黒
っぽい灰色の粉末６．３ｇを得た。

得られた粉末の性状を調べたところ、０．０２〜０゜０
５ｕｔｍの粒度がよく揃ったＴｉＡｊ！の粉末で、その
酸素含有量は１．７ｉｉ置％であった。

なお、プラズマガスの雰囲気をＡｒ　　Ｈｚの混合ガス
であるが、常圧の雰囲気下で上記操作を行った場合、粒
度が０．０２〜０．５μ霧と広い範囲に分布したＴｉＡ
　ｅの粉末が得られた。

また、プラズマガスの雰囲気をＡｒガスのみの減圧雰囲
気として上記操作を行ったところ、粒度が０．０２〜０
，１μ−のＴｉＡｌが主体の粉末が得られたが、透過型
電子顕微鏡で調べた結果、若干の＾１２０１、およびＴ
ｉＯ□の存在が確認された。

〔実施例２］実施例Ｉと同一のプラズマ発生装置およびプラズマ発生
条件下において、一方のＤＣプラズマ源１−１に５１　
／ｓｉｎのＡｒガスをキャリヤーガスとして、平均粒径
５μ閣のＴｉ粉末を０．６ｇ／＋ｍｉｎで供給し、他方
のＤＣプラズマ源１−２に３４２　／ｓｉｎのＡｒガス
をキャリヤーガスとして、平均粒径１０μｍのＳ＋粉末
を０、１２ｇ／ｓｉｎで供給して、１０分間操作し、バ
ッグフィルター１５で灰色の粉末４．８ｇを回収した。

この粉末の性状を調べたところ、０．０１〜０．０３μ
ｍの粒度がよく揃ったＴｉ３Ｓｉの粉末で、その酸素含
有量は２．０重量％であった。

〔実施例３〕実施例１と同一のプラズマ発生装置およびプラズマ発生
条件下において、一方のＤＣプラズマ源１−１に５１　
／ｗｉｎのＡｒガスをキャリヤーガスとして、平均粒径
５．５．１／ＩＩのＡＩ！ｔＯｓＩｔを０．５ｇ／１ａ
ｒｎで供給し、他方のＤＣプラズマ源１〜２に３　Ｉｔ
　／ｓｉｎのＡｒガスをキャリヤーガスとして、平均粒
径１０μ蒙のＦｅ粉末をＯ，Ｉｇ／＋ｓｉｎで投入して
、１０分間操作し、バングフィルター１５で黒色の粉末
４．１ｇを回収した。

その性状を調べたところ、内部がＡ　１　ｇｏｚで表層
部がＦｅの二層構造を持つ複合粉末であった０粒径は５
．５〜５．７　μｍとよく揃ったものであった。

〔実施例４〕実施例１と同し装置およびプラズマ発生条件において、
プラズマ出力のみを変更した。即ち、方のプラズマ１ｔ
−ｔの出力を１０ｋｗとし、他方のプラズマａ１−２の
出力を２０に−とじた。この条件で、一方のＤＣプラズ
マ源Ｌｌに５１　／ｍｉｎのＡｒガスをキャリヤーガス
として、平均粒径５４ｎ＋のＴｉｌ末を（１，５ｇ／ｍ
ｉｎで供給し、他方のＤＣプラズマ源１−２に３１　／
ｍｉｎのＡｒガスをキャリヤーガスとして、平均粒径１
０７７ｍのＡｌ粉末をＯ１Ｉｇ／ｍｉｎで投入して、１
０分間操作し、バッグフィルター１５で現色の粉末３．
７ｇを回収した。その性状を調べたところ、内部がＴｉ
で表層部がｉの二層構造を持つ複合粉末であった。粒径
は１〜５μｍの範囲であった。

〔比較例〕第３図に示すように、ＤＣプラズマ発生装置を２個有す
るが、原料供給はその中間部に設けた供給孔１６から合
体プラズマ中に行う装置を使用して実験を行った。装置
のその他の構成およびプラズマ発生条件は実施例１と同
しにした。即ち、原料供給孔１６から、平均粒径５μｍ
のＴｉわ）末と平均粒径１０μｍのへ！粉末を重量比で
１　：　０．５６で混合した粉末を６１　／ｆｉｉｎの
Ａｒガスをキャリヤーガスとして０．７８ｇ／ｍｉｎで
供給した。得られた粉末は、Ｔｉ粉末およびＡｌ粉末の
混合したＴｉＡ　１．粉末（粒度は２〜１０μｍ）であ
った。

（発明の効果）以上、本発明袋！を化合物粉末または複合粉末の製造に
使用する場合を例にして説明したが、本発明の装置は、
前記のようにして生成させた粉末を基板の上に７容射す
るような場合にも使用できる。

また、本発明のプラズマを利用する粉末の製造方法によ
れば、清浄で組成の均一な化合物粉末および複合粉末が
製造できる。その粉末は極めて微細であるだけでなく粒
度もよく揃ったものであり、例えばこれらを焼結部品製
造の原料として使用すれば、Ｍｉ織が微細でかつ均一な
焼結体を得ることができる。

本発明方法は、実施例に上げたＴｉ−Ａ　ｌ　、　Ｔｉ
−５ｉの金属間化合物のみならず、Ｆｅ−Ｔｉ、　Ｆｅ
−５ｉ、　Ｍ。

Ｓｌ、Ｔｉ−Ｃｏなど様々な金属間化合物粉末、非金属
化合物の粉末、および複合粉末の製造に広く利用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の粉末製造装置の一例を示す全体概略
図、第２図は、その要部の拡大断面図、第３図は、比較試験に用いた粉末製造装置の要部拡大断
面口、である。図において、１−２　１２・・・ＤＣプラズマ源、２−１．２−２・・・プラズマ炎、　３・・・合体プラ
ズマ、４−１．４−２・・・原料供給孔、５・・・反応容器、　６−１．６−２・・・プラズマガ
ス導入孔、７・・・アルゴン容器、８・・・水素容器、
９−１．９−２・・・原料貯蔵容器、１０−１．１０〜２・・・キャリヤーガス流量調整装置
、１１・・・真空ポンプ、　１２・・・圧力調整装置、
１３−１．１３−２・・・プラズマ出力調整装置、１４
−１　、１４−２・・・プラズマガス流量調整装置、１
５・・・ハゲフィルター、１６・・・原料供給孔、１７
−１．１７−２・・・銅製ノズル、１Ｂ−１，１８−２
・・・タングステン電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一つの中心軸を囲んで配置された複数のプラズマ
源が、それらで発生するプラズマ炎が大気から遮断され
た容器内で上記中心軸上の一点に収束するように配置さ
れており、しかも各プラズマ源がそれぞれの原料供給系
と出力調整装置を有することを特徴とするプラズマ発生
装置。
（２）独立した複数の直流プラズマ源にそれぞれ個別に
異種の原料を供給し、これらの原料をそれぞれのプラズ
マ炎中で気化または液化させ、その後各プラズマ炎を合
体させ、この合体プラズマ炎中で前記の気化または液化
した原料を混合し反応させることを特徴とする超微粒化
合物粉末または複合粉末の製造方法。
（３）プラズマガスがアルゴンと水素の混合ガスである
ことを特徴とする請求項（２）の超微粒化合物粉末また
は複合粉末の製造方法。
（４）アルゴンと水素の混合ガス雰囲気を大気圧よりも
低い圧力とする請求項（３）の超微粒化合物粉末または
複合粉末の製造方法。