JPH0326331A - 超微粉製造装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は．高純度の単体金属，合金または各種の無機材
料からなる超微粉を高効率で製造する装置に関する。

〔従来の技術〕

本願と発明者を一部共通にする特公昭５７−４４７２５
号公報，特公昭５Ｂ−５４１６６号号公報．特公昭６１
−３９３７２号公報．特開昭６１−４２３１８号公報等
は．熱プラズマ，アークまたは高周波放電によって活性
化された水素または窒素を．当該熱プラズマ，アークま
たは高周波放電（以下，熱プラズマ等と略称することが
ある）によって融解した材料中に溶解させこの溶解した
水素または窒素が融解材料から雰囲気中に放出するさい
に，この放出に伴って該材料の微粒子を雰囲気中に発生
させてこれを捕集する微粒子の製造法を開示している。

これは．水素や窒素の二原子分子が該熱プラズマ等に触
れて活性化し，この活性化した状態で熱プラズマの投射
帯域で溶融している材料中にいったん溶解し，これが再
び三原子分子として雰囲気中に放出されるさいに．溶融
材料の表面から極めて微細な（煙状の）微粒子が同伴放
出されるという現象を利用するものであり．この微粉の
製造法は．雰囲気が大気圧に近い圧力でよいこと．また
水素雰囲気下（貴金属の場合は窒素雰囲気下でも可）で
の微粉化であるので汚染や酸化による純度の低下がない
こと，微粒子を随伴する雰囲気ガスを循環させることに
よって微粒子の捕集も比較的簡単にできること，通常の
方法では達威できないようなサブもクロンオーダの極微
粒子でも容易に製造できること，など優れた長所を有し
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

該公報等に記載の装置では．密閉容器中にセットされた
水冷銅台に原材料を直接載せ，この原材料に対して熱プ
ラズマ等を照射するという構戒を採用したが，この場合
には，材料と接する水冷銅台が強制的に冷却されている
ので，アーク熱エネルギ一の一部が金属の溶融と蒸発に
使用されているにすぎず．多くの熱が水冷銅台を通して
放熱されていた。この結果，アーク溶解時における溶融
材料の平均温度は融点直上の或る温度以上とはなり難く
．アーク熱エネルギー（投入電力）を増大したとしても
溶融材料の温度上昇率は非常に小さかった。このため，
融点より一層高い温度域に保持して蒸発効果を高め，も
って超微粉の発生速度を増大させるということは困難で
あった。この問題は．特に融点に差がある元素を合金戒
分とずるさいにはその蒸発の程度に差が生しることにな
り均一組戒の超微粉合金を製造することを困難にした。

したがって，本発明の一つの目的は，前記のような熱プ
ラズマと活性化ガスの溶解放出現象を利用した超微粉の
製造に際し，アーク熱エネルギー（投入電力）を増加さ
せれば超微粉発生速度が増大するようにすることである
。

他方．該公報に記載の原理を適用して所定の組威をもつ
合金の超微粉を製造しようとすると，次？ような問題が
あることがわかった。すなわち，所定の組或をもつよう
に予め或分調整した二種以上の元素からなる原材料を熱
プラズマ等で溶融させ．この溶融合金から溶解水素放出
に伴う強制蒸発で超微粉を発生させると，合金を構或す
る元素間に蒸気圧や融点等の物性値に差がある場合に．
発生した超微粉の合金組威は使用した材料のものとは異
なったものとなる。また超微粉の組成は発生時間と共に
も変化し，経時的に一定した組威の合金超微粉を製造す
ることは困難である。このことは合金に限らず．多威分
からなる無機材料例えば複合セラ旦ツク等の超微粉を製
造する場合にも言える。

ゆえに本発明のいま一つの目的は，前記のような熱プラ
ズマ等と活性化ガスの溶解放出現象を利用した超微粉の
製造に際し，一定組戒の合金等からなる超微粉を容易に
製造できるようにすることである。

〔問題点を解決するための手■段］ 本発明は，排気口と給気口とをもつ密閉容器内に，原材
料受け器と，この受け器内の原材料に熱プラズマまたは
アーク放電を照射する電極を設置し．該密閉容器の外に
おいて該排気口から給気口に通ずるガス循環路を形成し
，このガス循環路に微粉捕集器を介装すると共に系内を
所定のガス雰囲気下に維持するようにした超微粉製造装
置において．前記の原材料受け器が水冷台上に設置され
た炭素ルツポからなり，装置稼働中において該炭素ルツ
ボ内に密閉容器の外から原材料を補給するための原料補
給装置を設置したことを特徴とする超微粉製造装置を提
供するものである。ここで，原料補給装置は．密閉容器
の外において炭素ルツボのレベルより高位置に設置され
たホッパーと．このホッパーから密閉容器の壁を貫通し
て炭素ルツボの上方に延びる装入管と．この装入管に介
装された弁とからなる。

〔実施例〕 第Ｉ図に本発明の装置の主構成例を示した。１は超微粉
発生室であり，先の諸公報に示されたのと同様の原理で
超微粉を発生させるものである。

この超微粉発生室１は，周囲雰囲気と遮断する密閉容器
２内に，炭素ルッポ３およびこの炭素ルッポ３内の材料
との間で熱プラズマ等を発生させる電極４を設置するこ
とによって構威されており炭素ルッポ３は水冷銅台５の
上にセットされている。また炭素ルッポ３内に容器２の
外側から原材料を供給するための原料供給装置６が設け
られている。この原料供給装置６は粉状原料８を入れた
ホッパ−７（炭素ルッポ３のレヘルより高位置に設定さ
れる）と．このホッパ−７から容器２の側壁を貫通して
炭素ルッポ３に向かって延びる装入管９と，この装入管
９に介装された制御バルブ１ｏとからなっている。該ホ
ッパ−７に粉状原料（図の場合には合金を構戒する元素
源ＡとＢの二種の場合を示した）が収容されるが，これ
は原料ホッパ−１１ａ，ｌｌｂから各元素源ＡおよびＢ
が秤量された量比で供給される。そのさい，好ましくは
撹拌機構１２を経て供給される。この炭素ルッポ３内に
装入された材料１３は，電極４との間に形成される放！
帯域の投射を受けて融解する。１５はこの放電を行うた
めの電源装置を示す。この放電操作は系内を水素ガスま
たは窒素ガス雰囲気とした状態で行われる。これは，図
示しないが，系内を真空ポンプによって減圧したあと水
素ガスまたは窒素ガス源１６から該ガスを導入すること
によって行うか或いは不活性ガス源１７から不活性ガス
で系内を一たん置換し，次いで水素ガスまたは窒素ガス
で置換するという操作で行う。水素ガスの場合には不活
性ガスとの混合ガスの状態で操業することが実際的であ
る。

容器２には，放電帯域に対して一方の側に排気口１８が
，また他方の側に給気口１９が設けられ，この排気口１
８から給気口１９に通ずる循環路が容器２の外に形成さ
れている。この循環路にはガス循環ボンプ２０が介装さ
れ３発生した超微粉を同伴する雰囲気ガスを排気口１８
から吸引し，超微粉を分離したあと再び給気口ｌ９に送
気して容器２内を雰囲気ガスで満たす。この循環にさい
し１排気口ｌ８から取り出される超微粉同伴の雰囲気ガ
スは先ず熱交換Ｆｆ２１を通過して冷却され，次いで捕
集器２２ａ２２ｂで超微粉が捕集される。この捕集器２
２ａ　．　２２ｂは筒状フィルタ２３ａ’，２３ｂを筒
状容器内に挿入したカートリッジタイプのもので，超微
粉同伴ガスが筒状容器内から筒状フィルタ２３ａ　，　
２３ｂ内に吸引されるさいにそのフィルタ表面に超微粉
が捕集される。このフィルタ表面に捕集された超微粉は
，筒状フィルタ２３ａ　，　２３ｂ内に背圧を付与する
ことによってフィルタ表面から筒状容器内に落下回収さ
れる。この背圧は背圧付与ボンブ２４によって付与され
る。フィルタの目詰まりによる圧損増加によって連続操
業に支障をきたすことを防止するために複数の捕集器２
２ａ，２２ｂ（図例では２台）が並列に循環路に挿入さ
れ，弁２５ａ，２５ｂおよび２６ａ．２６ｂの切換動作
で一方の捕集器２２ａが捕集動作にあるとき他方の捕集
器２２ｂに背圧付与動作を行うという捕集と再生の切換
動作が連続して行なえるようにしてある。なお．この背
圧は，使用している雰囲気ガスと同じ種類のガスか不活
性ガスを用いて付与する。

この装置の稼働は次のようにして実施される。

先ず，超微粉発生室１内を真空ポンブ（図示せず）によ
り排気し．次いで所定の水素／アルゴン混合ガスまたは
窒素ガスを例えば約０．１ＭＰａまで封入する。次に電
源装置１５から電流を供給して．電極４と原材料１３と
の間で熱プラズマを発生させると共にガス循環ポンプ２
０を稼働して雰囲気ガスを循環させ．前記の諸公報に記
載の原理に従って超微粉を発生させる。すなわち，雰囲
気ガスの二原子分子が熱プラズマによって活性化され．
これが熱プラズマによって溶融した材料中に溶解し，こ
の溶解ガスが再び雰囲気中に三原子分子となって放出す
るさいに．溶融材料の表面から煙状の超微粉が同時に放
出される。この超微粉を伴った雰囲気ガスは，捕集器２
２ａ　，　２２ｂのいずれか一方を通過するさいに超微
粉が分離され，雰囲気ガスは再び超微粉発生室１に循環
される。そのさい，必要に応じて原料補給装置８から原
材料を炭素ルッポ３に補給する。

〔作用効果〕

本発明装置によると．前記諸公報に記載の装置に比べて
超微粉の発生速度が著しく増加する。

以下に．稼働例によってこれを示す。第１図の装置にお
いて， 雰囲気：５０％Ｈｚ−Ａｒ混合ガス 原材料受け器：外径５０■．内径４０ｍｍ，深さ２０ｍ
ＩＩ１の炭素ルツボ， 使用電極：直径６ｍｍのタングステン アーク電圧：３０■ の条件で，各種の金属を原料として超微粉を発生させ，
そのさいの投入アーク電流値に対する各種金属超微粉の
発生速度を調べた。その結果を第２図〜第５図に示した
。第２図は原料として銀を．第３図は原料としで銅を，
第４図は原料として鉄を，そして第５図は原料としてニ
ッケルを用いた例である。また，原材料受け器として前
記諸公報に示されるように水冷銅台を使用した（炭素ル
ッポは使用しないで直接水冷銅台上で溶解した）以外は
，各例と同じ条件で各金属の超微粉を発生させ．投入ア
ーク電流値と超微粉発生速度を調べ，それらの比較例結
果も，対応する第２図〜第５図に併記した。第２図〜第
５図の結果から，本発明に従って炭素ルツボを使用した
場合には，超微粉発生速度は投入電流値の増加と共に著
しく増大することが明らかである。これに刻し，比較例
では投入電流値を増加しても超微粉発生速度は殆んど増
大しないか全く増大しない。

また，第２図．第４図および第５図の例において得られ
た銀．ｗ４およびニッケルの超微粉の平均粒径（各超微
粉の比表面積の測定値より換算した平均粒径）と投入電
流値との関係を調べ，第６図の結果を得た。第６図から
投入電流値を増加すると発生する超微粉の平均粒径が増
大することがわかる。つまり，本発明によれば，アーク
電流のコントロールによって発生させる超微粉の平均粒
径を変化させることもできる。

以上は材料受け器として炭素ルツボを使用することによ
る効果である。

次に，原料補給装置６の作用効果について説明する。先
にも述べたように，合金の超微粉を本発明の原理によっ
て発生させる場合．発生時間の経１１ １２ 過と共に炭素ルツポ３中の源材料１３の合金濃度は変化
する。例えば，原材料組威７５％Ａｇ−２５％Ｃｕ合金
材料から発生する超微粉組戒は組戒分析より９６％Ａｇ
−４％Ｃｕとなることがわかった。銀一銅合金の場合に
は銀が銅より蒸気圧が大きいので，原材料中に銀を供給
しなければ，原材料の銅濃度が超微粉の発生とともに高
くなるからである。したがって，９６％Ａｇ−４％Ｃｕ
の超微粉合金を製造するには．系外より銀を銅より多く
供給して原材料組成を７５％Ａ　ｇ−２５％Ｃｕに維持
することが必要となり，また或る組戒の銀一銅超微粉合
金を製造するのであれば．この超微粉合金が得られる或
る原材料組戒に維持することが必要となる。このために
は．原材料組成と超微粉合金組威との相関を予め求めて
おき，目的とする超微粉合金組戒に対応する原材料組威
をこの相関から決定し．この決定された原材料組成が放
電中において実質上一定に維持されるように系外から合
金元素を原材料に連続的に補給すればよいことになる。

いま，２元合金（Ａ元素とＢ元素とからなる）の場合を
例としてさらに説明すると，使用する装置における前記
の相関を予め求めるために．まず元素ＡとＢを任意割合
でルツボ３に入れ，雰囲気ガスをアルゴンにして，アー
ク放電により均一な合金組威となるまで溶解する。つい
で装置内の雰囲気を水素含有ガスとし，数分間放電を行
い合金超微粉を製造する。そして，発生した超微粉と超
微粉発生後の原材料の組威を分析する。この操作を，原
材料中の元素ＡとＢの組威割合を変えて数多く行い，原
材料中の元素人（またはＢ）の濃度と発生し回収した超
微粉中の元素Ａ（またはＢ）の濃度の関係を求める。こ
れによって，目的とする組威の超微粉を得るためには原
材料中の合金組戒をどのようにすればよいかわかる。そ
して，この決定された原材料中の合金組威が放電中一定
となるように　原料供給装置６より各元素量を炭素ルツ
ボ３内に連続的に補給すれば，目的とする一定濃度の合
金超微粉を連続的に生産することができる。なお，２元
系に限らず多元系合金の場合にも同様にして一定組戒の
ものを生産することができる。また本発明の装置では前
記のように炭素ルツボ３を原料受け器として使用してお
り．前記の諸公報に示された水冷銅台を溶解台とする場
合に比べて冷却水への放熱が少なくなり．このために原
材料に投入されたアーク熱が溶融材料温度の上昇に有効
に利用されるので，融点に差のある元素を合金元素とす
る場合でも一様に溶解でき．これによって均一な合金が
できる。

以下，この作用効果を１第１図に示した装置に従って銀
一パラジウム合金の超微粉および銀一銅合金の超微粉を
製造した例をもって具体的に説明する。

装置の稼働条件は次のとおりである。

雰囲気：５０％Ｈ２　　Ａｒ混合ガス 原材料の溶解台：炭素ルッポ， 炭素ルッポの大きさ： （１）　　外径５０Ｉ，内径４０Ｉ，深さ１０ｍｍノも
の（２〉　　外径８０ｍｍ　，　　内径６０ｌ，深さ４
０ｍｍのものの２種類 アーク電圧＝３０〜４０Ｖ 電極：材質一タングステン 大きさ一直径６ｍｍ 超微粉発生時間：ｌＯ分以内 銀−パラジウム合金の場合には．原材料中のパラジウム
濃度を種々変化させて超微粉を製造し，得られた超微粉
のパラジウム濃度を分析して，原材料のパラジウム濃度
と超微粉のパラジウム濃度との相関を求め第７図の結果
を得た。同様にして銀一銅合金の場合も原材料中の銅濃
度と得られた超微粉の銅濃度との相関を求め，その結果
を第７図に併記した。

第７図に見られるように，発生した合金超微籾中のパラ
ジウム濃度，銅濃度は原材料中のそれよりもかなり低い
値となっている。これは銀の蒸気圧がパラジウムや銅の
それよりもかなり高い値であるためと考えられる。しか
し，いずれの場合も原材料中の濃度と超微粉中の濃度と
は一定の相関を有していることがわかる。そして，この
相関は炭素ルツボを使用するかぎり，その大きさにはあ
まり依存しないこともわかる。したがって　この１５ ｌ６ 相関から目的とする超微粉の濃度に対応する原材料の濃
度を求め，この原材料の濃度が一定になるように，本発
明の原料補給装置６によって銀リッチの材料を補給すれ
ば目的とする濃度の超微粉が製造できる。

なお，上記は二元合金について示したが多元合金の場合
にも同様にして同一組威の超微粉を製造することができ
る。また合金に限らず，複合セラくツタのように複数の
威分からなる材料の超微粉を製造する場合にも同様に効
果を発揮する。

加えて，単体金属や単体物質の超微粉を製造する場合に
おいても，装置稼働中において原材料を連続的に炭素ル
ッポに補給することができるので連続操業が可能となり
，前記の諸公報に示された装置のバッチ操業に比べて操
業効率が非常に向上する。そして．本発明の原料補給装
置６は密閉容器の外において炭素ルッポのレベルより高
位置に設置されたホッパ−７と，このホッパ−７から密
閉容器２の壁を貫通して炭素ルッポ３の上方に延びる装
入管９と，この装入管９に介装された弁１ｏとからなる
非常に単純な構造を有し，操作も簡便であり．粉状原料
を材料源として使用した場合にその配合比の調整も簡単
に行うことができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例を示す略断面配置図，第２
図乃至第５図は本発明装置において炭素ルッポ使用した
場合の電流値と超微粉発生速度との関係を炭素ルッポ使
用ない場合と比較して示した図，第６図は炭素ルッポを
使用した場合の電流値と超微粉の平均粒径との関係を示
す図．第７図は本発明装置によって銀−パラジウム系合
金および銀一銅系合金の超微粉を製造する場合の．原材
料のパラジウムまたは銅濃度と超微粉合金のパラジウム
または銅濃度との相関を示す図である。 １・・超微粉発生室，　　２・・密閉容器３・・炭素ル
ッポ，　　４・・電極，　　５・・銅水冷台，　　６・
・原材料供給装置，１５・・電源装置．２１・・ガス循
環ポンプ，２１・・熱交換器２２ａ，２２ｂ・・捕集器
．　　２３ａ．２３ｂ・−筒状フィル夕， ２４　・ 背圧付与ポンプ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）排気口と給気口とをもつ密閉容器内に、原材料受
   け器と、この受け器内の原材料に熱プラズマまたはアー
   ク放電を照射する電極を設置し、該密閉容器の外におい
   て該排気口から給気口に通ずるガス循環路を形成し、こ
   のガス循環路に微粉捕集器を介装すると共に系内を所定
   のガス雰囲気下に維持するようにした超微粉製造装置に
   おいて、前記の原材料受け器が水冷台上に設置された炭
   素ルツボからなり、装置稼働中において該炭素ルツボ内
   に密閉容器の外から原材料を補給するための原料補給装
   置を設置したことを特徴とする超微粉製造装置。
2. （２）原料補給装置は、密閉容器の外において炭素ルツ
   ボのレベルより高位置に設置されたホッパーと、このホ
   ッパーから密閉容器の壁を貫通して炭素ルツボの上方に
   延びる装入管と、この装入管に介装された弁とからなる
   請求項１に記載の超微粉製造装置。