JPH0751219B2 - 気体噴霧化により粉末を製造する方法 - Google Patents

気体噴霧化により粉末を製造する方法

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JPH0751219B2
JPH0751219B2 JP2140142A JP14014290A JPH0751219B2 JP H0751219 B2 JPH0751219 B2 JP H0751219B2 JP 2140142 A JP2140142 A JP 2140142A JP 14014290 A JP14014290 A JP 14014290A JP H0751219 B2 JPH0751219 B2 JP H0751219B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、溶融金属流れのような溶融流れを噴霧化(ア
トマイジング)して液滴を生成し、それらを粉末として
凝固せしめる技術に関するものであり、特には溶融流れ
周囲に環状気体流れを噴射しそしてその溶融流れと逆向
き成分を有する気体流れを創出し、逆向き気体流れと溶
融流れとを接触させることにより溶融流れの噴霧化を実
施する粉末製造方法に関する。
(従来技術) 金属粉末のような粉末を製造する一つの方法として、粉
末化すべき溶融流れのまわりに螺旋状に旋回する環状気
体流れを噴射することから成る方法が知られている。溶
融流れは旋回しつつしだいに収斂する気体流れと接触し
そして溶融流れが剪断作用を受けて液滴を形成し、これ
らが凝固して粉末となる。
(発明が解決しようとする課題) この方法は満足しうる結果を与えたが、この方法を用い
て可能であったより一層均一な寸法分布を有する粉末を
製造することが所望される。これは、寸法分布が均一な
方が粉末製造プロセスの収率、従って効率を増大するこ
とを可能とするからである。
従って、本発明の課題は、既知方法で実現可能であった
より一層均一な寸法分布を有する粉末を製造することの
出来る、粉末化すべき溶融流れの気体噴霧化により粉末
を製造する方法を開発することである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、溶融材料噴射点に向けて戻る噴霧用気体の一
部の逆方向流れを利用する。即ち、末広形に渦巻く環状
気体流れの内側境界に負圧の帯域を形成し、気体流れの
大部分は噴射点から拡開する円錐として軸線方向外方に
流れ続けるが、気体の一部を噴射点に戻って軸線方向反
対向きに流すことにより、一層多量の気体が溶融流れと
接触しそして溶融流れを急速に外方に拡開(膨張)せし
めることができ、課題を解決することができるを見出し
た。そのためには、環状渦巻き気体流れの内側境界を従
来の場合のように収斂させずに末広がらせるに充分の遠
心力を生じるような角速度を与え、それにより渦巻き環
状気体流れにおける渦巻きの強さを表す渦巻き数(swir
l number)を定義する角速度対軸線方向速度比を少なく
とも0.6とすることが必要であることが判明した。
こうした知見に基づいて、本発明は、 (A)軸線方向に流れる溶融材料の流れを形成する段階
と、 (B)前記溶融流れの周囲に且つそれに沿って末広形の
渦巻き環状気体流れを形成し、その場合渦巻き環状気体
流れにおける角速度対軸線方向速度比を少なくとも0.6
として、該気体流れの気体の一部を末広形の渦巻き環状
気体流れの方向とは軸線方向反対方向に前記溶融流れに
向けて流す段階と、 (C)前記溶融流れを前記反対向きに流れる気体流れと
接触し、それにより該溶融流れの急激な半径方向拡開を
もたらす段階と、 (D)前記半径方向に拡開する溶融流れを前記末広形の
渦巻き環状気体流れと接触して該溶融流れから液滴を形
成せしめる段階と、 (E)前気液滴を凝固して粉末を形成する段階と を包含する粉末製造方法を提供する。
ここで、「角速度」とは、噴流中心軸線の周りを旋回す
る気体の旋回速度でありそして「軸線方高速度」は噴流
中心軸線に沿っての気体の進行速度である。角速度と軸
線速度とは直交するベクトルである。「角速度対軸線方
向速度比」は、渦巻き環状気体流れにおける渦巻きの強
さを表す渦巻き数(swirl number)を定義する。環状渦
巻き気体流れの内側境界を従来の場合のように収斂させ
ずに末広がらせるに充分の遠心力を維持することのでき
る角速度を与えるには、角速度対軸線方向速度比を少な
くとも0.6とすることが必要なのである。
(実施例の説明) 本発明方法において、溶融材料は、噴射ノズルを通して
充分の圧力下で溶融材料を噴射することによる等して例
えば空気中を軸線方向に流れる流れとして形成される。
一般に、溶融材料は、鉄、鋼、銅、ニッケル、アルミニ
ウム、マグネシウム及びそれらの合金のような金属であ
る。本発明方法はまた、溶融流れとして酸化物或いはセ
ラミック材料を使用すること等により非金属粉末を製造
するのにも使用されうる。
本発明方法により製造される粉末は、自動車、農機具、
航空機エンジン、汎用及び事務機器・器具のような製品
のための部品への圧縮成型、切削或いは加工工具への圧
縮成型並びに保護或いは耐摩耗コーティングとして基材
上への溶射等を含め非常に多くの用途に使用されうる。
軸線方向に流れる溶融流れの周囲に且つそれに沿って、
噴霧(アトマイジング)用気体の環状流れが形成され
る。噴霧用気体は一般に、アルゴン、ヘリウム或いは窒
素のような不活性な或いは実質上不活性な気体である。
しかし、任意の適当な気体或いは気体混合物が本発明に
おいて使用出来る。例えば、空気或いは不活性気体/酸
素混合物のような酸化性気体がマグネシウムやアルミニ
ウムのような反応性金属を噴霧するのに使用されて、生
成する金属粉末に酸化物層を形成して、それらの爆発性
を低減するようにも出来る。
噴霧用気体は、溶融流れの周囲に環状流れを形成する任
意の適当な装置を通して噴射され得る。そうした装置の
一つは、接線方向入口と溶融流れ噴射ノズル周囲に環状
出口を構成する、溶融流れ噴射ノズル周囲に設けられる
環状ノズルである。また別のそうした装置は、溶融流れ
噴射ノズルの周囲に複数の気体噴射口を有するノズルで
ある。
噴霧用気体は、一般に50〜2500psiaの範囲内の圧力下で
そして環状気体流れを溶融流れの周囲に渦巻かせしかも
噴射点から外方に広がる円錐を形成するよう末広がらせ
るために斜め噴射方向成分を有して噴出される。
本発明方法は、溶融材料噴射点に向かって戻る噴霧用気
体の一部の反対方向流れを利用する。即ち、末広形に渦
巻く環状気体流れの大部分は噴射点から拡開する円錐と
して軸線方向外方に流れ続けるが、気体の一部が噴射点
に戻って軸線方向反対向きに流れるようにされる。
本発明の反対向き流れは、気体噴出点に近接して負のゲ
ージ圧の領域を創出することにより達成される。この負
のゲージ圧は環状気体流れの内側境界流れと該流れをす
ぐ近接して取り巻く周囲大気との粘性摩擦(viscous fr
iction)により創りだされる。この粘性摩擦は、近接し
て取り巻く大気の一部を連行して巻き込み、それにより
近接取り巻き領域における局所圧力を低減する。
本発明方法においては、渦巻き気体流れに円錐状環状気
体流れの内側境界を従来の場合のように収斂させずに末
広がらせるに充分の角速度を与えることによりこの反対
向き流れが実現される。第1図に、この末広形の内側境
界の断面が概略示されている。第1図を参照して、溶融
材料がノズル10から噴射されると同時に、気体流れが生
成する溶融流れ周囲に且つそれに沿って流れるようノズ
ル11を通して噴射される。気体流れは、外側境界12によ
り定義される外方に拡開する円錐を形成する。しかも、
この気体円錐の内側境界13もまた末広がる。これは、内
側境界が収斂して溶融流れに接触する従来方法と対照的
である。この末広がりは、環状気体流れ内で気体流れと
周囲大気との間の接触面積を増大する。接触面積の増大
は、環状気体流れ内部の周囲大気の一層急速な連行をも
たらして負圧を創成し従って一層多くの流量の反対向き
流れをもたらす。この反対向き流れが第2図に示され
る。第2図において、第1図と共通する要素には同じ番
号が付けられている。第2図を参照すると、ノズル11を
通して外側及び内側境界12及び13により定義される外方
に拡開する円錐状で噴射される気体の一部は、その流れ
方向を逆転しそして矢印14により示されるようにノズル
10に向けて流れ、環状気体流れとは軸線方向反対方向に
流れる。
必要とされる末広がり(発散)の程度は、形成される環
状流れが少なくとも約0.6の、好ましくは特に気体流量
がノズルにおいて測定された環状気体流れの内径に比べ
て低い(6mmの環状内径でもって200scfm(標準ft3
分)のような場合)時に少なくとも0.65の角速度対軸線
速度比を有するように気体を噴射することにより実現さ
れ得る。
上記の0.6は実験的に求めた値であるが、次のような理
論的説明によっても裏づけられる。気体噴流は粘性摩擦
により周囲気体を巻き込む。環状の気体噴流に対して
は、この気体巻き込みは環状の内部に低圧の帯域を生み
出す。これは環状気体噴流の内側境界を収斂させようと
する。この低圧帯域の大きさは低渦巻き噴流に対しては
約30kPaである。この内側境界の収斂を抑制して末広が
り状態を維持するには、気体噴流の角運動量から生じる
充分に強い遠心力が必要である。例えば、気体噴流とし
て窒素に対しては、その密度は1.15×10-3g/cm3である
から、収斂させないようにするに必要なバランスした角
速度は16,150cm/sである。噴流に必要な全体速度(合成
速度)は窒素に対して約16,150cm/sである。角速度と軸
線速度とは直交するベクトルであるから、 (全体速度)2=(角速度)2+(軸線速度)2 と表すことができ、これを解くと、軸線速度は27,900cm
/sとして表される。従って、内側境界の収斂を抑制して
末広がり状態を維持するには、角速度対軸線速度比が0.
58、約0.6以上であることが必要である。角速度が大き
いほど末広がり状態の内側境界が生み出される。
渦巻き気体噴流は、例えば、溶融流れを噴射する管の周
りに接線方向に配向された入口と管を取り巻く円環状の
出口と備える円筒状のノズルを設け、入口から気体を供
給してノズル内部のトロイダル状空間内を渦巻かせ、そ
して円環状の出口から気体を噴出することにより形成す
ることができる。この場合、入口を通して送り込まれる
気体の速度が出口における渦巻き気体噴流の角速度とな
る。角速度対軸線速度比は、ノズルの設計、特に入口速
度(角速度)を決定するノズルへの気体入口の断面積と
中央軸線からの距離並びに軸線速度を決定するノズル出
口の断面積と中央軸線からの距離を調整することにより
コントロールすることができる。
環状気体流れは好ましくは、溶融流れ質量流量の0.1〜1
0倍の範囲内の質量流量を有する。噴霧用気体流れを噴
射するのに一般に使用される圧力を与える為に、気体は
音速でノズルを流出する。
環状流れにおいて得られる末広形は、角速度対軸線速度
比が0.6を越えた場合でも実質上同じである。しかし、
噴霧用気体に対して一般に使用される圧力範囲の下端に
おいて、噴霧模様は約2の角速度対軸線速度比において
急激に変化する。約2の比率において、環状流れは、溶
融流れに対して垂直に半径方向外側に流れ、気体流れと
溶融流れとの接触を乏しいものとする。
本発明において、反対向きに流れる気体は、溶融流れが
流れている方向とは反対向きに溶融流れと接触する。本
発明により実現される反対向きに流れる一層多量の気体
が溶融流れと接触しそして溶融流れを急速に外方に拡開
(膨張)せしめる。第3図は、本発明方法の操作中噴射
点のすぐ下流での溶融流れの代表的形状を示す。第3図
において、操作の完了時に溶融流れ噴射ノズル上に形成
された凝結付着成長物30が示されている。この場合、溶
融材料は銅でありそして噴霧用気体は窒素であり、噴霧
用気体はノズル32から100psigの圧力においてそして250
scfm(標準状態ft3/分)の流量で噴射された。また、
環状気体流れは580ft/秒の角速度と810ft/秒の軸線速度
とを有し、従って0.65の角速度対軸線速度比であった。
対照目的でまた比較目的で本発明が使用されなかった場
合に形成された凝結付着成長物40が第4図に示される。
第4図の場合、溶融材料はノズル41を通して噴射された
銅でありそして噴霧用気体はノズル42を通して100psig
及び150scfmで噴射された窒素であった。ノズル31及び4
1並びにノズル32及び42は実質上同じであった。環状気
体流れは、380ft/秒の角速度と985ft/秒の軸線速度とを
有し、従って0.39の角速度対軸線速度比であった。
本発明方法が使用されないとき、第4図に描かれるよう
に、内側気体境界は最初収斂していることがわかる。収
斂する流れ軌跡と反対向き流れの流量が少ない事実のた
めに、溶融流れは気体内側境界43を追従し、気体流れ中
に認めうる程に突入しない。対照的に、本発明方法が使
用されるときには、第3図に示されるように、末広がる
内側境界33と大量の反対向き流れとがあいまって、溶融
流れを半径方向外側にそして気体流れ中に拡げている。
半径方向に拡開する溶融流れは末広がる渦巻き環状気体
流れと接触して、液滴を形成せしめ、これらが続いて凝
固される。生成する粉末は、斯界で周知の技術により回
収される。
第3図に描かれるような、溶融流れの気体流れ中への半
径方向外方への拡開は、一層一様な粒子寸法をもたら
す。理論に縛られることを欲しないが、本発明者は、こ
の改善の主たる理由は本方法の場合溶融流れが気体流れ
の内部に曝露されここで流れ条件が流れ境界における流
れ条件より一層一貫しそして一層一様となるためと考え
ている。改善に対する副次的理由は、末広がる気体流れ
と強い反対向き気体流れが小さな噴霧化された液滴間の
衝突とその結果としての液滴の合着の頻度を低減するこ
とによるものであろう。
以下、本発明の例示目的でそして本発明の効果を示すた
めに実施例及び比較例を呈示する。
(実施例及び比較例) 一連の6つの噴霧試験を本発明方法に従って実施した。
溶融材料は、等級CDA102(無酸素高電導性)銅でありそ
して噴霧用気体は窒素であった。生成された粉末を粒寸
について調査した。各試験に対するデータを表1にまと
めて示す。
平均標準偏差は、150scfmの気体流量においては2.1であ
りそして250scfmの気体流量においては1.85であった。5
5〜100psigの範囲内の圧力において平均粒寸対窒素/銅
流量比の関係が第5図のグラフに示される。第5図に示
されるように、本発明により生成される粉末の平均粒寸
は気体対溶融材料流量比に依存しない。
比較目的で、窒素の角速度/軸線速度比が本発明の反対
向き流れをもたらすに必要な水準未満であることを除い
て、上記の手順を繰り返した。これら比較実験7〜12の
データを次表2にまとめて示す。
平均標準偏差は、150scfmの気体流量においては2.25で
ありそして250scfmの気体流量においては2.05であっ
た。
250scfmの場合を考察するとそして75μmの平均粒寸を
仮定すると、1.85の粒寸標準偏差を有する粉末は53μm
と106μmとの間の、即ち標準篩寸法No.270とNo.140と
の粉末を43%の収率で生成する。2.05の粒寸標準偏差を
有する粉末は同じ寸法範囲内で僅か27%の収率である。
従って、本発明方法は、報告した例において、16%の収
率の改善を達成する。
更に、比較例に対する窒素/銅流量比と平均粒寸の関係
が第6図のグラフに示される。第6図に示すように、粉
末の平均粒寸は気体/溶融材料流れ比とともに変動す
る。
第6図に示されるこの変化は、生成される粉末の標準偏
差の更に一層の増大につながり、それにより収率の一層
の損失につながる。第6図に示される結果とは対照的
に、本発明方法により生成される平均粉末寸法は、第5
図に示したように気体溶融材料流量比に存在しない。こ
の平均粉末寸法が気体溶融材料流量比に依存しないこと
は、例えば溶融材料噴射ノズルの変動或いは閉塞或いは
その内面の浸食による、或いは気体噴射ノズルの損傷に
よる或いは気体乃至溶融材料温度の変動による等の、噴
霧用気体対溶融材料流量比における固有の或いは不慮の
変動にもかかわらず、所望の平均寸法が得られることを
保証する。
一般に、本発明方法の使用により製造される粉末は1〜
1000μmの範囲内の粒寸を有する。
(発明の効果) 本発明の使用により、従来方法で達成可能であったより
著しく改善された粒寸分布をもって、従って改善された
収率及びプロセス効率でもって気体噴霧による粉末製造
を実施出来る。本発明はまた、噴霧用気体対溶融材料流
量比における固有の或いは不慮の変動にもかかわらず、
所望の平均寸法が得られることを保証する。
本発明の好ましい具体例について説明したが、本発明の
範囲内で当業者は多くの変更をなしうることを銘記され
たい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に従う環状気体流れの様相を示す断面
図であり、末広がる内側気体噴流境界を示す。 第2図は、本発明に従う環状気体流れの様相を示す断面
図であり、反対向きに流れる気体成分を示す。 第3図は、本発明の溶融流れへの影響を示す説明図であ
る。 第4図は、本発明が使用されなかった場合の溶融流れへ
の影響を示す説明図である。 第5図は、本発明方法で実現された気体/溶融材料流量
比の関数としての粉末平均粒寸を表わすグラフである。 第6図は、本発明を使用しなかった場合に得られる気体
/溶融材料流量比の関数としての粉末平均粒寸を表わす
グラフである。 10、31、41……溶融材料ノズル 11、32、42……気体ノズル 12、33、43……外側境界 13……内側境界 14……反対向き流れ 30、40……凝結付着成長物

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(A)軸線方向に流れる溶融材料の流れを
    形成する段階と、 (B)前記溶融流れの周囲に且つそれに沿って末広形の
    渦巻き環状気体流れを形成し、その場合渦巻き環状気体
    流れにおける角速度対軸線方向速度比を少なくとも0.6
    として、該気体流れの気体の一部を末広形の渦巻き環状
    気体流れの方向とは軸線方向反対方向に前記溶融流れに
    向けて流す段階と、 (C)前記溶融流れを前記反対向きに流れる気体流れと
    接触し、それにより該溶融流れの急激な半径方向拡開を
    もたらす段階と、 (D)前記半径方向に拡開する溶融流れを前記末広形の
    渦巻き環状気体流れと接触して該溶融流れから液滴を形
    成せしめる段階と、 (E)前記液滴を凝固して粉末を形成する段階と を包含する粉末製造方法。
  2. 【請求項2】溶融材料が金属若しくはセラミックである
    特許請求の範囲第1項記載の方法。
JP2140142A 1989-06-01 1990-05-31 気体噴霧化により粉末を製造する方法 Expired - Lifetime JPH0751219B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US359978 1989-06-01
US07/359,978 US4988464A (en) 1989-06-01 1989-06-01 Method for producing powder by gas atomization

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Publication Number Publication Date
JPH0332735A JPH0332735A (ja) 1991-02-13
JPH0751219B2 true JPH0751219B2 (ja) 1995-06-05

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JP2140142A Expired - Lifetime JPH0751219B2 (ja) 1989-06-01 1990-05-31 気体噴霧化により粉末を製造する方法

Country Status (9)

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US (1) US4988464A (ja)
EP (1) EP0400659B1 (ja)
JP (1) JPH0751219B2 (ja)
KR (1) KR960004430B1 (ja)
BR (1) BR9002551A (ja)
CA (1) CA2018017C (ja)
DE (1) DE69002398T2 (ja)
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