JPH0472884B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高融点金属の共存下、つまり高融点
金属と溶質金属（超微粉を製造しようとする金
属）とを少なくとも含む合金を原料として、プラ
ズマ・アーク加熱溶融することにより、効率的に
金属超微粉を製造する方法に関するものである。
本発明で得られた金属超微粉は、磁性材料、焼結
用金属粉末、耐食性材料、触媒材料等の有用な機
能性材料である。 （従来の技術） 従来の金属超微粉の製造方法は、物理的方法と
してはアトマイズ法、ガス中蒸発法等があり、ア
トマイズ法では、溶融金属を気体、液体等の冷媒
で飛散冷却する方法であるが、粒径1μm以下の超
微粉を得ることは極めてむずかしい方法である。
ガス中蒸発法は真空もしくは低圧気中で金属を蒸
発・凝縮させる方法であるが、鉄などの蒸気圧が
低く、融点の高い金属の超微粉製造は、極めてむ
ずかしい方法である。 化学的方法としては、熱分解法、ガス還元法、
気相反応法が知られている。熱分解法は金属のカ
ーボニル塩を一酸化炭素気流中で熱分解する方法
であるが、カーボニル塩を原料とするため、製造
可能な対象金属が極めて限定される欠点がある。 ガス還元法、気相反応法は、金属塩化物を融点
以下の温度又は気化した水素又は一酸化炭素によ
り還元して、超微粉を得る方法で、この方法は連
続操業が可能な反面、水素一酸化炭素の還元力が
弱く、超微粉化し得る対象金属が限定される欠点
がある。又、物理、化学的方法として、水素プラ
ズマ−金属反応法があり、この方法は本発明と同
じく水素プラズマにより、活性化した水素を溶金
属と反応させ、溶融金属に過飽和に溶解した水素
の再結合、放出過程において、溶融金属を強制蒸
発、凝縮させる方法である。そのためガス中蒸発
法に比べ、溶解水素が触媒の作用としてより一層
蒸発速度が早くなるため、各種金属超微粉の製造
が可能である。（大野 悟、宇田雅広：日本金属
学会誌 第48巻 第６号（1984）P640〜P646） しかしながら、水素プラズマ−金属反応法にお
ける超微粉発生速度は、溶解水素の触媒作用を利
用しているとはいえ、やはり金属の蒸発現象であ
るため、その金属個有の沸点、蒸気圧等の物理的
因子に依存している。そのため、水素プラズマ−
金属反応法は、金属超微粉生成速度の面より実用
的には、対象金属がマンガン、アルミニウム、ク
ロムに限定される欠点がある。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は従来の水素プラズマ−金属反応法では
生成速度が遅いため、生産性の面より実用的でな
かつた金属でも本発明により極めて生成速度が上
昇するため、金属超微粉の製造が実用的となり、
しかも従来製造困難であつた多種の金属を超微粉
とすることが可能となる。 （問題点を解決する方法） 本発明の要旨は、高融点金属の共存下つまり高
融点金属と溶質金属（超微粉の製造を目的とする
金属）とを含む合金を原料とすることにより、合
金中の高融点金属が触媒の作用をして、従来の水
素プラズマ−金属反応法に比べ、金属の蒸発速度
が数倍以上早くなり、極めて生産性の高い高純度
の金属超微粉の製造法にあり、以下詳細について
説明する。 （作 用） 本発明における高融点金属は溶質金属より融点
が高ければよく、元素周期表のＡ、Ａ族の金
属があり、さらに好ましくはニオブ、タンタル、
モリブデン、タングステンといつた融点が、2000
℃以上の金属がよい。又、溶質金属は、元素周期
表Ｂ、Ｂ、Ｂ、Ａ、Ａ、族の金属が
あり、このような金属として、銅、アルミニウ
ム、ケイ素、クロム、マンガン、鉄、コバルト、
ニツケルがあげられる。 本発明の原料としては、高融点金属を一種以上
含み、超微粉を得ようとする金属、つまり溶質金
属をも含む合金であれば特に制限されない。原料
にはフエロニオブ、フエロタンタル、フエロモリ
ブデン、フエロタングステンなどの高融点金属の
フエロ・アロイも含まれる。また、溶融高融点金
属と溶質金属との混合溶融浴からも金属超微粉の
製造が可能である。合金組成としては、プラズ
マ・アークによる加熱温度や蒸発速度の関係で、
通常は溶質金属を2wt％以上含まれているものを
用いることが好ましい。又その形状は特に制限さ
れない。本発明では、プラズマ・アークの作動ガ
スとして、水素を含むガスを用いるが、この作動
ガス中の水素濃度は、2Vol％以上であればよく、
水素濃度が高いほど溶出金属の蒸発速度は早くな
る。水素以外のガスとしては、アルゴン、ヘリウ
ムが用いられる。プラズマ・アークによる溶解温
度は、高融点金属と溶質金属との合金組成により
融点が変わるため変動するが必要以上に高温度に
することはエネルギーロスが多くなるので好まし
くなく、経済的には融点から融点＋200℃の範囲
で溶解する。プラズマ・アーク溶解は通常大気圧
で行なうが、製造目的の金属超微粉によつては、
減圧もしくは加圧で行なつてもよい。 高融点金属の蒸気圧は、通常の溶解温度では、
低いため蒸発ロスは少なく生成金属超微粉の純度
は非常に高いものが得られる。本発明で蒸発した
金属を通常のガス、水冷等の冷却手段により冷却
し、サイクロン、バツクフイルター、電気集塵機
等の捕集手段により捕集回収する。捕集された金
属粉は粒径が数nm〜100nmの粒度分布の狭い均
一な金属超微粉である。得られた金属超微粉は、
磁性材料、焼結用金属粉末、触媒材料、耐食材料
等の用途に利用出来る。 本発明によれば、高融点金属と溶質金属とを含
む合金を水素プラズマ・アークで溶解することに
より、合金中の高融点金属が媒体（触媒の作用）
となり、従来の水素プラズマ−金属反応に比べ、
金属の蒸発速度（超微粉生成速度）が数倍以上も
早くなり、より効率的な高純度超微粉の製造が可
能となつた。本発明に使用する装置は、バツチ式
でも連続式でも構わない。好ましくは第１図に示
すような溶質金属を連続的に供給する装置を用い
ることが望ましい。 具体的に連続金属超微粉製造装置の操業法を説
明すると次のようになる。 最初に水冷銅ルツボ上６に母合金と溶質金属を
乗せる。鉄ロツド８を連続供給装置７に取付け
る。次に炉体１、超微粉回収装置９を真空排気装
置にて１〜0.1Paの真空度まで排気後炉内の圧力
を水素−アルゴンの混合ガスにて大気圧まで戻
す。その後ガス循環精製装置１０にてガスを循環
させる。プラズマ・フレーム４は、プラズマ・ト
ーチ３にプラズマ作動ガスを流しながら高周波電
源の補助により、プラズマ・アークを発生させ安
定したプラズマ・フレームを得る。このプラズ
マ・フレーム照射により、水冷銅ルツボ上の母合
金は、約２分にて全量溶解するが、プラズマ・フ
レーム照射直後より溶質金属の蒸気は少量ではあ
るが発生してくる。金属浴５の形成とともに溶質
金属の蒸気の発生が激しくなるため、溶質金属ロ
ツド８をプラズマ・フレーム内に連続的に供給
し、溶質金属蒸気発生量と溶質金属ロツド供給量
を調整しながら操業を続ける。溶質金属蒸気は超
微粉回収装置９にて回収される。回収した超微粉
は別室にて安定化処理を施し、装置より取出す。
鉄ロツド供給終了後、直ちにプラズマ・アークを
停止する。溶出金属ロツドを再補充後、同一操作
にて金属超微粉を製造する。 （発明の効果） 以上の説明より明らかなように本発明によれば (1) 高融点金属の共存下、つまり高融点金属と溶
質金属との合金を水素プラズマ・アーク加熱溶
融することにより、従来の水素プラズマ−金属
反応法に比べ数倍以上の速度で金属超微粉が得
られる。 (2) 従来の水素プラズマ−金属反応法では、製造
が実用的に困難であつた鉄、ケイ素、ニツケル
等の蒸気圧の低い金属でも、超微粉が効率よく
製造できる。 (3) 得られた超微粉は高融点金属をほとんど含ま
ないため、高純度で、その粒径は数nm〜
100nmであるため、磁性材料、焼結用金属粉
末、耐食性材料、触媒材料等の用途に使用する
ことが出来る。 次に実施例及び比較例で更に詳細に説明する
が、水素はこれらに限定されるものではない。 （実施例） 実施例 １ （母合金の作成法） 市販の金属ニオブ140ｇと金属鉄60ｇとを出力
100KWのプラズマ・アーク炉にて、水冷銅ルツ
ボを用いて、アルゴンのプラズマ作動ガスにて
表、裏各１回、各２分間溶解した。溶解後ニオブ
鉄合金を化学分析した結果、ニオブ70.1wt％、鉄
29.9wt％であつた。 このニオブ鉄合金20.1ｇを別の出力20KWのプ
ラズマ・アーク炉にて最初はアルゴンの作動ガス
を使用して、水冷銅ルツボ上にて溶解し直ちにア
ルゴンに水素を50Vol％混合して、１分間溶解を
続けた。溶解の際蒸発した鉄（実施例５、６では
クロム、実施例７ではケイ素、実施例８ではニツ
ケル）の超粒子は排ガスと共に、プラズマ・アー
ク炉に接続したサイクロンバツクフイルターに導
き、捕集回収した。実験の結果、プラズマ・アー
ク炉の水冷銅ルツボ上には16.4ｇの未反応のニオ
ブ鉄母合金が残り、この母合金の化学分析の結
果、ニオブ85.9wt％、鉄14.1wt％であつた。又、
サイクロンバツクフイルターにて回収した微粒子
は3.5ｇで螢光Ｘ線の解析では鉄のみが検出され、
ニオブは検出されなかつた。化学分析の結果、ニ
オブは2ppmであつた。また得られた鉄粉の結晶
粒子形状を示すために電子顕微鏡写真を第２図と
して示す。その粒径は数nm〜100nmであり鉄超
微粉が製造されたことが確認された。 実施例 ２、３、４、５、６、７、８ 実施例１と同様に、予め所定濃度の母合金を溶
解作成し、化学分析によりその組成を確認後、金
属超微粉製造を実施した。 比較例 １、２、３、４ 金属鉄（金属クロム、金属ケイ素、金属ニツケ
ル）を用いて、水素−アルゴンプラズマによる鉄
等の超微粉製造実験を本発明と比較するため実施
例１と同様の方法で実施した。 実施例 ９、10 原料の母合金の変わりにフエロアロイ（フエロ
ニオブ、フエロモリブデン）を用いて水素−アル
ゴンプラズマにより鉄超微粉製造実験を実施例１
と同様の方法で実施した。実施例２〜８、９〜
10、比較例１〜４の結果を第１表にまとめた。実
施例２〜10、比較例１〜４で得られた金属超微粉
は、いずれも実施例１と同様に螢光Ｘ線解析では
不純物は検出されず、電子顕微鏡観察でもその粒
径は数nm〜100nmであつた。 実施例 11 第１図に示す様な連続金属超微粉製造装置を作
製し各種高融点金属と溶質金属との合金を用いて
実験を行なつた。 水冷銅ルツボには、市販の金属モリブデン320
ｇ、金属鉄80ｇを予め乗せておき、出力100KW
のプラズマトーチにて作動ガスをアルゴンにして
溶解した。溶解後直ちに作動ガスに水素を混合し
アルゴンVol％〜水素50Vol％のガスにて鉄蒸気
を発生させた。 鉄蒸気の発生と同時に鉄ロツドを20ｇ/Mの供
給速度にて連続的に溶融合金浴中に供給した。 連続的に蒸発する鉄微粒子は、超微粉回収装置
で捕集回収した。プラズマ作動ガスもガス精製装
置にて精製後循環再使用した。実験は５時間行な
つた結果、炉内の水冷銅ルツボにはモリブデン鉄
合金が404ｇ残り、化学分析ではモリブデン
79.1wt％、鉄20.0wt％であつた。又回収装置に捕
集された鉄超微粉は5696ｇでありその回収率は95
％であつた。又その回収鉄超微粉の化学分析では
モリブデン5ppmであつた。電子顕微鏡観察でも
その粒径は数nm〜100nmであつた。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いる反応装置の
概略図であり、第２図は本発明の一実施例で得ら
れた鉄超微粉の結晶形状を表わす電子顕微鏡写真
（50000倍）を示すものである。第１図において、
各記号は次の内容を示す。 １…炉体、２…プラズマ炉電源、３…プラズ
マ・トーチ、４…プラズマ・フレーム、５…溶融
金属浴、６…水冷銅ルツボ、７…鉄ロツド連続供
給装置、８…鉄ロツド、９…超微粉回収装置、１
０…ガス循環精製装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高融点金属と、これら金属の融点より低い融
   点の溶質金属との共存下で水素プラズマ−金属反
   応により溶質金属の超微粉を得ることを特徴とす
   る金属超微粉の製造法。 ２ 高融点金属としてＡ及びＡ族に属する１
   種以上の金属を用いる特許請求の範囲１項記載の
   製造法。 ３ Ａ及びＡ族に属する金属として、ニオ
   ブ、タンタル、モリブデン、タングステンからな
   る群から選ばれた１種以上の金属を用いる特許請
   求の範囲２項記載の製造法。