JPH05202404A - 溶湯ガスアトマイズ用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンファインド型溶湯ガスアトマイズ用ノズ
ルで起こる吹き上げに起因するノズルの詰まりを防止す
る。 【構成】 溶湯ノズル本体３が２０〜８０重量％の窒化
ケイ素又は二ホウ化ジルコニウムを含み、残部が窒化ホ
ウ素である複合セラミックス焼結体からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属溶湯を高圧ガスで
アトマイズするコンファインド型ノズルに関するもので
あり、さらに詳しく述べるならば、ノズルから流下した
溶融金属流に高速のガスを接触させて溶湯金属流を分断
し、金属粉末を作る粉末製造装置に組み込まれるコンフ
ァインド型ノズルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１に一例を示すコンファインド型ノズ
ルにおいて、２は溶湯、３は溶湯ノズル本体、５はガス
流、６は高速ガス５によりアトマイズされた液滴、１０
は溶湯溜めである。一方図２に示すフリーホール型ノズ
ルにおいても、２、３、５、６、１０は同様の部材又は
材料を示す。

【０００３】図１に示す高圧ガスアトマイズ装置コンフ
ァインド型ノズルにあっては、通常は１０ｋｇ／ｃｍ²
以上の高圧ガスのガス流５が溶湯ノズル本体３の先細り
になった外面に沿ってガスノズルから高速で噴射される
ために、溶湯ノズル本体３がガス流５により冷却され
る。この結果溶湯ノズル本体３はノズル孔内を流れる高
温の溶湯と外側を流れる噴射ガスとによって、これらの
間の温度勾配が極めて大きくなりノズル先端部が熱衝撃
を受ける状態になる。

【０００４】また、コンファインド型ノズルにおいては
高速で噴射されるガス流５の周囲はガス噴射に伴い負圧
となるために、溶湯流は負圧部にも流出しノズル孔より
径が増大する。このように径が増大した溶湯流が噴射ガ
スによって分断され、液滴６化される。

【０００５】一方、図２に示すフリーホール型ノズルで
は溶湯溜め１０から自由流下した溶湯がガス流５により
分断される。したがって図２に示されるような構造で
は、コンファインド型ノズルと比較して溶湯ノズル本体
３は熱衝撃を受ける状態にはならないが、負圧を利用す
ることができないので、アトマイズできる時間当りの溶
湯の量、すなわちアトマイズ効率が低い。

【０００６】従来、コンファインド型ノズルの溶湯ノズ
ル本体３はアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）又は窒化ホウ素（Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ ）製セラミックであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】かかる溶湯ノズル本体
３は、低温部と高温部との間に急峻な温度勾配が生じ、
さらに急激に溶湯の温度に加熱される状態では、耐熱衝
撃が要求される。しかし、アルミナは耐熱衝撃性が低い
ために、溶湯ノズル本体先端部が割れるかあるいはへた
りにより欠けることが頻発した。溶湯ノズル本体の先端
部が欠けると、高圧ガス流がノズルに沿って均一に噴射
できなくなるために、粉末形状や粒度が均一な製品を製
造できなくなる。

【０００８】一方、窒化ホウ素製溶湯ノズル本体は耐熱
衝撃には優れているが、高圧ガス流とアトマイズされた
液滴、粉末が負圧下の溶湯ノズル本体先端に衝突するた
めに先端がショットブラストされる状態になり、ノズル
先端部がアトマイズ工程とともに次第に崩壊する。この
結果、溶湯ノズルが短くなり、その先端が次第に上方向
に移動しそして見かけ上、ガス流路が下部に変位する。
一般にコンファインド型ノズルではガス噴射によりノズ
ル先端部と溶湯溜めのア圧力バランスがくずれると、
「吹上げ」という現象が起こりガスが溶湯ノズルを通っ
て溶湯溜めに吹上げられる傾向があるが、上記のガス流
路変位が起こると、溶湯ノズル尖端部のガス流速が変化
するために一層顕著になる。この結果溶湯ノズル先端部
で溶湯が凝固してアトマイズが不可能になる。

【０００９】上述した溶湯ノズルの欠け、侵食に起因す
る先端形状の変化はフリーホール型では見られないコン
ファインド型ノズルに特有の現象であり、従来のセラミ
ックスを使用した溶湯ノズルではこの現象に起因して、
アトマイズが不可能になるか、あるいは粉末形状や粒度
が均一な製品を作ることが困難になっていた。本発明は
かかる問題点を解決するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、窒化ホウ素
が耐熱性、耐食性にすぐれているために、窒化ホウ素を
成分として使用し、一方その割れ、欠け、吹上げに伴う
ショットブラストなどの耐損傷性に劣る欠点を解消する
ために研究を行い、その結果、２０〜８０重量％の窒化
ケイ素又は二ホウ化ジルコニウムを含有し、残部が窒化
ホウ素である複合セラミックス焼結体からなガスアトマ
イズ用溶湯ノズル本体の発明を完成した。以下、本発明
の構成を説明する。

【００１１】表１は従来例、比較例及び本発明組成のセ
ラミックスの物性値を示す。表１の硬度はショア硬度計
で測定したショア硬度（Ｈｓ）であり、また耐熱衝撃性
は冷却法で測定したものである。

【００１２】 表１ 材質による物性値 組 成 （％） 物 性 備考 窒化 アルミナ 窒化 二ホウ化 硬度 耐熱衝撃性 No ホウ素 ケイ素 ジルコニウム Hs ℃ 1 100 − − − 18 2000 従来例 2 − 100 − − 100 200 従来例 3 90 − 10 − 28 ＞1500 比較例 4 90 − − 10 25 400 比較例 5 70 − 30 − 48 ＞1500 実施例 6 50 − 50 − 69 ＞1500 実施例 7 30 − 70 − 74 ＞1500 実施例 8 70 − 30 − 38 300 実施例 9 50 − − 50 56 300 実施例10 30 − − 70 69 300 実施例

【００１３】表１に示すように窒化ホウ素系セラミック
スに添加された窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄ ）は硬度を高
め、一方耐熱衝撃性を若干低下させる。さらに、窒化ホ
ウ素系セラミックスに添加された二ホウ化ジルコニウム
（ＺｒＯ₂ ）は硬度を高めるが耐熱衝撃性を低下させ
る。

【００１４】本発明においては表１にて判明した結果か
ら複合セラミックスの組成を限定した。すなわち、窒化
けい素または二ホウ化ジルコニウムが２０ｗｔ％未満に
なると、粉末を巻き込んだガス流による摩耗に対する耐
摩耗性が悪化する。一方、窒化けい素または二ホウ化ジ
ルコニウムが８０ｗｔ％を越えると、耐摩耗性は良好に
なるがノズル形状への加工が不可能になりまた耐熱衝撃
製が大幅に低下する。したがってこれらの理由のため
に、窒化けい素または二ホウ化ジルコニウムを２０〜８
０ｗｔ％に限定した。

【００１５】上記した窒化ホウ素、窒化けい素および二
ホウ化ジルコニウムは、市販の粉末を混合して所定の組
成となるようにし、好ましくは３〜７ＭＰａの圧力で成
形し、その後窒素雰囲気中で１２００〜１５００℃の温
度で焼結する。その後焼結体を切断し、孔開け及び表面
研削してノズル形状にする。

【００１６】

【作用】上述のような組成の複合セラミックスは、３０
以上８０以下のショア硬さと１００ＭＰａ以上の曲げ強
度を有する。ショア硬度は耐摩耗性と相関性を有し、シ
ョア硬さが３０未満であると溶湯ノズル先端が粉末を巻
き込んだガスによる侵食を起こし易い。一方、硬さが８
０以上であると研磨加工が困難になる。

【００１７】一方、曲げ強度はセラミックスの粒子間結
合力に関係があり、粒子間結合力はノズル先端部損耗を
左右する大きい因子である。上述のように曲げ強度が１
００ＭＰａであると損耗が著しく少なくなる。

【００１８】以上の性質を有する溶湯ノズル本体をコン
ファインド型ノズルを備えたアトマイズ装置に適用する
と、溶湯ノズル先端での欠け、損耗を防ぐことができ
る。したがって、溶湯ノズル本体外面の周囲のガス流路
での詰まり原因を解消できるようになり、この結果アト
マイズ粉末が安定して製造でき、さらに製品粉末の均質
性も向上する。

【００１９】

【実施例】以下、図３に示す装置を使用し、溶湯材料は
Ｆｅ，溶湯温度１４００℃，ガス圧１００ｋｇ／ｃｍ²
の条件でＦｅ粉末を作製した実施例を説明する。

【００２０】図３において、溶湯溜め１０内で３ｋｇの
Ｆｅを高周波誘導溶解し、ストッパー１を引き上げ直ち
に溶湯２を溶湯ノズル本体３（長さ４６ｍｍ，先端部直
径８．０ｍｍ，溶湯流ノズル直径４ｍｍ）から流下させ
た。１秒間溶湯を流下させた後、窒素ガス４をガスノズ
ル幅（０．８ｍｍ）より噴出させた。噴射されたガスは
溶湯流に沿うように流れ、溶湯を液滴に分断した。溶湯
本体ノズルの組成を種々変え、その侵食度（アトマイズ
によるノズル長さの変化量）をアトマイズ時間１０、２
０、３０分毎に測定して評価した。なお溶湯ノズル本体
１０以外の溶湯溜め１０はアルミナ製である。結果を表
２及び３に示す。

【００２１】 表２ 実施例の侵食度 組 成 （％） 侵食度（μｍ） 窒化 アルミナ 窒化 二ホウ化 No ホウ素 ケイ素 ジルコニウム 10分 20分 30分 1 70 − 30 − ＜ 100 ＜ 150 ＜ 200 2 50 − 50 − ＜ 50 ＜ 100 ＜ 150 3 30 − 70 − ＜ 0 ＜ 50 ＜ 100 4 70 − − 30 ＜ 50 ＜ 150 ＜ 200 5 50 − − 50 ＜ 100 ＜ 150 ＜ 200 6 30 − − 70 ＜ 50 ＜ 100 ＜ 150

【００２２】 表３ 比較例の侵食度 組 成 （％） 侵食度（μｍ） 窒化 アルミナ 窒化 二ホウ化 No ホウ素 ケイ素 ジルコニウム 10分 20分 30分 1 100 − − − ＞1000 ＞1000 ＞1000 2 − 100 − − 割れ 割れ 割れ 3 90 − 10 − ＞ 500 ＞1000 ＞1000 4 10 − 90 − 加工不可 5 90 − − 10 ＞ 500 ＞1000 ＞1000 6 10 − − 90 加工不可 なおNo.1の窒化ホウ素ではノズル先端及びテーパ部がしわ状に摩耗した。

【００２３】

【発明の効果】本発明のコンファインド型溶湯ノズルを
使用することにより、高圧ガス噴霧による溶湯ノズル先
端部の欠けや侵食と言った先端形状の変化が少なくな
り、安定したアトマイズが可能となりまた均質性にすぐ
れた粉末製品が製造できる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】コンファインド型ノズルの説明図である。

【図２】フリーホール型ノズルの説明図である。

【図３】実施例で使用したコンファインド型ノズルの説
明図である。

【符号の説明】

２ 溶湯 ３ 溶湯ノズル本体 ５ ガス流 ６ 液滴 １０ 溶湯溜め

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 均 東京都中央区八重洲一丁目９番９号 帝国 ピストンリング株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属溶湯を高圧ガスでアトマイズするコ
   ンファインド型ノズルにおいて、溶湯ノズル本体が２０
   〜８０重量％の窒化ケイ素又は二ホウ化ジルコニウムの
   うちの一種を含み、残部が窒化ホウ素である複合セラミ
   ックス焼結体からなることを特徴とする溶湯ガスアトマ
   イズ用ノズル。