JPH04187707A - 金属粉末の製造方法及びガスアトマイズ装置 - 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、粉末冶金用、！気材料用等の原料として有用
な金属粉末をガスアトマイズにより製造する方法及びガ
スアトマイズ装置に関する。

［従来の技術］ 圧粉成形した金属粉末を焼結し、所定形状の製品とする
粉末冶金においては、金属酸化物や塩化物等から金属状
態に還元した還元粉が従来から使用されている。この還
元粉は、一般に見掛は密度が低（、冷間での成形性に優
れている。しかし、還元工程が必要とされるため、金属
粉末を得るまでに、多数の工程や時間が必要とされ、生
産性に劣る。

そこで、比較的容易にしかも多量の金属粉末を製造する
ことができる方法として、アトマイズ法が採用されるよ
うになってきた。この方法においては、水、ガス等の高
圧流体を溶融金属の下降流に吹き付け、溶融金属を微細
な液滴に分断し、急冷・凝固することにより金属粉末が
製造される。

（特開昭６１−２０７５０２号公報、特開平２−４３３
０６号公報等参照） 水アトマイズ法で金属粉末を製造するとき、溶湯と水と
の間の反応が避けられず、得られた粉末粒子の表面に酸
化皮膜が形成される。この点、窒素等の不活性ガスを使
用したガスアトマイズ法にあっては、溶湯との間で反応
を生じず、金属質の表面をもった粉末粒子が得られる。

［発明が解決しようとする課題］ ガスアトマイズ法は、溶湯との反応性が低い点で有利で
あるが、溶湯に与える剪断力が小さい。

そのため、水アトマイズ法と同様なサイズの液滴に溶湯
を剪断させようとすると、ガス圧を極端に大きくするこ
とが必要となる。しかし、ガス圧の上昇に伴って、高圧
ガス発生装置が大規模なものとなることは勿論、アトマ
イズ条件も不安定になる。更には、水アトマイズ法に比
較して、熱容量の小さなガスを使用することから、溶湯
流量の変化による影響が大きく現れ易い。その結果、得
られた金属粉末は、不均一な粒度をもったものとなる。

本発明は、このような問題を解消するために案出された
ものであり、溶湯下降流に対する高圧ガスの吹付６プ状
態を調整することにより、溶湯下降流の流量を一定に維
持して安定した条件下でアトマイズを行い、粒度が揃っ
た金属粉末を製造することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の金属粉末製造方法は、その目的を達成するため
、溶湯下降流に高圧ガスを吹き付けて溶湯を微細な液滴
に剪断し、該液滴を冷却して金属粉末とする際、溶湯保
持容器の底部に設けられた溶湯ノズルから流下した前記
溶湯下降流の流量が一定となるように、ガス噴出孔の開
口面から突出する前記溶湯ノズルの長さをガス吹付は中
に変化させることを特徴とする。

この方法に使用するガスアトマイズ装置は、溶湯保持容
器の底部に設けられた溶湯ノズルと、該溶湯ノズルの周
囲に配置され、複数のガス噴出孔が同心円状に開口され
たガス噴出ノズルと、該ガス噴出ノズルを前記溶湯ノズ
ルに対し相対的に上下動させる昇降機構を備えている。

溶湯ノズルの下端からガス噴出孔の開口までの高さを変
えるためには、ガス噴出ノズル及び溶湯ノズルの何れか
一方或いは両者を上下動させる。

また、複数のガス噴出孔を穿設することに代え、溶湯ノ
ズルを中心とする円周状のガス噴出スリットをガス噴出
ノズルに形成することもできる。

［作　用］ 溶湯ノズルから流下する溶湯下降流の流量は、溶湯保持
容器内の湯面レベルに影響される。すなわち、湯面レベ
ルが大きなときには、溶湯ノズル近傍に大きな溶湯静圧
が加わり、溶湯ノズルを流下する溶湯の流量が多くなる
。他方、溶湯保持容器内の溶湯が少なくなると、溶湯静
圧が小さ（なり、溶湯の流量が減少する。

他方、ガスアトマイズ法では、ガス圧を有効活用するた
め、溶湯ノズルの下端直下にガス噴出ノズルを配置して
いる。そして、溶湯ノズルの下端直下を頂点とする逆円
錐状に、ガス噴出ノズルから高圧ガスが噴出される。溶
湯は、溶湯ノズル下端の開口から、逆円錐状ガスカーテ
ンの頂点に向けて流下する。そのため、噴出されたガス
流に起因する吸引力が溶湯下降流に作用する。この吸引
力は、溶湯ノズルの下端から逆円錐状ガスカーテンの頂
点までの間の距離に応じて変動する。

そこで、溶湯保持容器内の湯面レベル等に応じて変動す
る溶湯下降流の流量変化を打ち消すように吸引力を調整
するとき、溶湯ノズルから一定流量で溶湯が流下する。

この吸引力は、溶湯ノズルとガス噴出ノズルとの相対的
な位置関係を変更することにより調整される。このよう
にして、流量が一定化された溶湯下降流に対し高圧ガス
が吹き付けられるため、アトマイズ条件が安定化し、得
られた金属粉末の粒度分布はバラツキが少なくシャープ
なものとなる。その結果、希望の粒径の金属粉末を高い
収率で得ることが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する、 アトマイズ装置としては、たとえば第１図に概略を示し
た設備構造をもつものが使用される。アトマイズされる
溶湯１３は、溶湯保持容器１１に収容され、高周波コイ
ル１２によって液相線よりも１００℃高い過熱度に保持
される。溶湯保持容器１１の底壁には、溶湯ノズル１４
が組み込まれている。溶湯ノズル１４としては、溶湯１
３に対する濡れ性が小さな材質のセラミックス製ノズル
を使用することが好ましい。

溶湯ノズル１４の下方には、溶湯ノズル１４を取り囲ん
でガス噴出ノズル２０を配置している。

ガス噴出ノズル２０の内部には環状の分配室２１が設け
られており、ガス供給源（図示せず）に接続されたガス
導入管２２が分配室２１に開口している。また、分配室
２１から複数のガス噴出孔２３が同心円状に且つ溶湯ノ
ズル１４側に下向きに傾斜した角度で刻設されている。

ガス導入管２２は、昇降機構３０の機枠３１に支持され
ている。機枠３１にはラック３２が設けられており、ラ
ック３２に昇降歯車３３が噛み合っている。昇降歯車３
３がステッピングモータ３４で駆動されることにより、
機枠３１を必要量昇降させて、溶湯ノズル１４とガス噴
出ノズル２０との位置関係を調整する。

溶湯ノズル１４とガス噴出ノズル２ｏとの位置関係を調
整する手段として、溶湯保持容器１１内の溶湯１３の湯
面レベルを液面計３５で検出し、検出結果に基づきガス
噴出ノズル２０の高さを制御する方式を採用することが
できる。すなわち、液面計３５で検出された湯面レベル
を検出信号ａとして制御回路３６に入力する。制御回路
３６には、予め求められた湯面レベルと溶湯流出量との
関係及び後述する溶湯ノズル１４の突出長さ２と吸い込
み圧力との関係が基準信号すとして入力されている。

入力された検出信号ａは基準信号すと比較演算され、溶
湯ノズル１４を流下する溶湯下降流１５に加える吸引力
を調整しその流量を一定にするため、溶湯ノズル１４に
対するガス噴出ノズル２０の位置を算出する。算出結果
は制御信号Ｃとしてステッピングモータ３４に入力され
、昇降歯車３３を所定回転数だけ回転させ、ガス噴出ノ
ズル２０を昇降させる。

ガス噴出孔２３は、噴出された高圧ガスが溶湯ノズル１
４の下端直下を頂点とする逆円錐状に流れるように、溶
湯ノズル１４側に斜め下向きに傾斜している。ガス噴出
孔２３の開口部２４は、第２図に示すように同一水平面
上に位置している。

このガス噴出孔２３は、第３図（ａ）に示すように、溶
湯ノズル１４を中心とする円周状に等間隔で形成されて
いる。或いは、第３図（ｂ）に示すように、円周状のガ
ス噴出スリット２５をガス噴出ノズル２０に形成しても
良い。

ガス噴出孔２３の開口が位置する水平面から突出する溶
湯ノズル１４の長さβは、溶湯ノズル１４から流下する
溶湯下降流１５に作用する吸引力に影響を与える。たと
えば、口径５ｍｍの溶湯ノズル１４の上側開口に圧力計
を配置し、質量流量９０２／秒、噴出圧力１００ｋｇｆ
／ｃｍ”及びノズル出口での噴出速度８００ｍ／秒で温
度２０℃の窒素ガスを高圧ガス２６として傾斜角θ＝３
０度で吹き付けたとき、第４図に示すように溶湯ノズル
１４の突出長さ２に応じて、圧力計で測定された吸込み
圧力が変化した。

この突出長さでと吸込み圧力との関係は、高圧ガス２６
の噴出条件、溶湯ノズル１４の口径等が決まっていると
き、一定したものである。したがって、この関係を制御
回路３６に取り込んでおくとき、検出信号ａと基準信号
すとの比較演算から必要とする溶湯ノズル１４の突出長
さを求めることができる。そして、この算出結果に基づ
きガス噴出ノズル２ｏを昇降させ、湯面レベルの変動に
起因する影響を打ち消すように、溶湯下降流１５の流量
を調整する。

たとえば、湯面レベルが低下して溶湯ノズル１４から流
下する溶湯下降流１５の流量が少なくなったとき、ガス
噴出ノズル２０を下降させ、突出長さεを６ｍｍ程度に
調整する。これにより、吸込み圧力が太き（なり、溶湯
ノズル１４内を流下する溶湯１３の流動が促進される。

そして、湯面レベルの低下による影響を打ち消し、一定
した流量の溶湯下降流１５が得られる。

また、溶湯ノズル１４の突出長さ２は、第４図に示され
ているように、３〜６ｍｍのエリアＩと６〜１０ｍｍの
エリア■とでほぼ同じ吸込み圧力を得ている。ところで
、突出長さβが短いほど、高圧ガス２６の剪断力が溶湯
下降流１５に効率よ（伝えられる。したがって、同じ吸
込み圧力を溶湯下降流１５に与える場合でも、製造しよ
うとする金属粉末の目標粒径が小さいときにはエリアＩ
を使用し、目標粒径が大きなときにはエリア■を使用す
る。すなわち、溶湯ノズル１４の突出長さｉによって、
製造される金属粉末の粒径を調整することも可能である
。

なお、高圧ガス２６による溶湯下降流１５の剪断を効率
よく行うためには、溶湯ノズル１４の突出長さβを３〜
１０ｍｍの範囲に維持することが好ましい、突出長さβ
が３ｍｍ未満になると、吹上げによる溶湯ノズルの閉塞
が生じ易くなる。逆に、突出長さぁか１０ｍｍを超える
とき、ガス噴出ノズル２０から吹き出された高圧ガス２
６が溶湯ノズル１４の周面に直接衝突し、溶湯下降流１
５の噴霧が不十分になる。

［実施例］ 次いで、ガス噴出ノズル２０を上下動させながらアトマ
イズしたときの操業諸元を示す。

アトマイズにより金属粉末に製造される材料として、Ｊ
ＩＳ規格５ＫＨ５１相当の高速度工具鋼を使用した。工
具鋼１０ｋｇを溶湯保持容器１１に収容し、高周波コイ
ル１２によって液相線よりも１００℃高い過熱度に保持
して、溶湯１３を用意した。このときの湯面レベルは、
１５０ｍｍであった。溶湯保持容器１１の底壁に組み込
んだ溶湯ノズル１４には、溶湯１３に対する濡れ性が小
さなボロシナイトライド（ＢＮ）で作られ、口径が５ｍ
ｍのセラミックス製ノズルを使用した。

湯面レベルは、溶湯１３が溶湯ノズル１４を介して流出
するに従って、第５図に示すように低下した。この湯面
レベルの低下に伴って溶湯ノズル１４の近傍に加えられ
る溶湯静圧が小さくなるため、溶湯１３を流下させる力
が弱（なる、そのため、突出長さβが４．５ｍｍの一定
位置に溶湯ノズル１４を保持した場合、第５図で流量Ｉ
として示すように、溶湯ノズル１４からの溶湯下降流１
５の流量が減少した。

そこで、この流量減少を打ち消すため、溶湯ノズル１４
の突出長さβを段階的に４．５ｍｍから５．２ｍｍ、６
．０ｍｍに調整した。これによって、高圧ガスによる吸
込み圧力が大きくなり、溶湯下降流１５の流出が促進さ
れた。その結果、流量■として示すように、湯面レベル
が低下した流出末期でも、大幅な流量減少が抑えられた
。

このように、流量変動を抑制した溶湯下降流１５を高圧
ガス２６でアトマイズするため、湯面レベルの変動に拘
らずほぼ一定した条件下で溶湯下降流１５が液滴１６に
剪断された。その結果、得られた金属粉末は、第６図に
示すように平均粒径が６０μｍで正規分布に近いシャー
プな粒度分布をもっていた。また、粉末圧延に使用可能
な金属粉末の収率は、８５％であった。しかも、金属粉
末は、表面に酸化皮膜が形成されていないため、そのま
ま圧粉したものを焼結しても、酸化物に起因する欠点が
ない焼結体が得られた。

これに対し、ガス噴出ノズル２０を上下動させず突出長
さβ”４．５ｍｍの一定値に保ち、他は同じ条件下でア
トマイズしたとき、得られた金属粉末の粒度分布は、第
６図に比較例として示すようにシャープさが劣る粒度分
布をもつものであった。しかも、目標粒径を外れる粒度
の金属粉末が占める割合が多くなり、粉末圧延に使用可
能な金属粉末の収率は６７％であった。

この対比から明らかなように、ガス噴出ノズル２０の突
出長さβを調整することによって、粒径の揃った金属粉
末を効率よく得ることが可能となる。

なお、以上の例においては、溶湯ノズル１４に対してガ
ス噴出ノズル２０を上下動させる方式を説明した。しか
し、本発明はこれに拘束されるものではな（、溶湯ノズ
ル１４の突出長さ２を変える限り、他の方式を採用する
こともできる。たとえば、溶湯ノズル１４を単独で或い
は溶湯保持容器１１と共に上下動させる方式、溶湯ノズ
ル１４及びガス噴出ノズル２０双方を上下動させる方式
等によっても、溶湯ノズル１４の突出長さβが変えられ
る。

また、溶湯ノズル１４内を流下する溶湯１３に加わる溶
湯静圧を湯面レベルから求めることに代え、溶湯保持容
器１１にロードセルを付設し、重量変化から溶湯静圧の
変動を算出することもできる。

［発明の効果〕 以上に説明したように、本発明においては、溶湯ノズル
の突出長さを調整することにより、溶湯ノズルから流下
する溶湯下降流の流量変動を抑制している。その結果、
一定した流量の溶湯下降流に高圧ガスが吹き付けられて
アトマイズされるため、溶湯に加えられる剪断力や急冷
効果が平均化され、粒径の揃った金属粉末を高い収率で
得ることが可能となる。得られた金属粉末は、ガスアト
マイズ法特有の金属質表面をもつため、還元工程等を必
要とすることな（、焼結等の後工程に使用することがで
きる長所をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用されるアトマイズ装置の概略を示
し、第２図は溶湯ノズルとガス噴射管との関係を示し、
第３図（ａ）及び（ｂ）は複数のガス噴射孔を同心円状
に穿設したガス噴射ノズル及び円周状のガス噴射スリッ
トを穿設したガス噴射ノズルをそれぞれ示し、第４図は
溶湯ノズルの突出長さと吸込み圧力との関係を表したグ
ラフ、第５図はアトマイズ時の操業条件の経時変化を示
し、第６図は得られた金属粉末の粒度分布を示すグラフ
である。 １１：溶湯保持容器　　　１３：溶湯 １４：溶湯ノズル　　　　１５：溶湯下降流１６：液滴 ２０：ガス噴出ノズル　２３：ガス噴出孔２４：開口部
　　　　　２５：ガス噴出スリット２６：高圧ガス　　
　　３０：昇降機構ε：開口面から溶湯ノズル１４が突
出する長さ第１図 一、＠＋６ “・、°− 第４図 溶湯ノズル突出長さＩｔ　（ｍｍ） 第５図 時　　　Ｉａｌ（秒） 第６図 粒　径（μｍ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶湯下降流に高圧ガスを吹き付けて溶湯を微細な
   液滴に分断し、該液滴を冷却して金属粉末とする際、溶
   湯保持容器の底部に設けられた溶湯ノズルから流下した
   前記溶湯下降流の流量が一定となるように、前記溶湯ノ
   ズルの下端からガス噴出孔の開口面から突出する前記溶
   湯ノズルの長さをガス吹付け中に変化させることを特徴
   とする金属粉末の製造方法。
2. （２）溶湯下降流に高圧ガスを吹き付けて溶湯を微細な
   液滴に分断し、該液滴を冷却して金属粉末とするガスア
   トマイズ装置において、溶湯保持容器の底部に設けられ
   た溶湯ノズルと、該溶湯ノズルの周囲に配置され、複数
   のガス噴出孔が同心円状に又は円周状のスリットが開口
   されたガス噴出ノズルと、該ガス噴出ノズルを前記溶湯
   ノズルに対して相対的に上下動させる昇降機構とを備え
   ていることを特徴とするガスアトマイズ装置。