JPH0819445B2 - 窒化ホウ素表面を有する噴霧ノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願の説明 本願は下記のごとき３つの同時係属出願と関連を有し
ている。

1.本願と同時に提出された「近接配置方式のノズルから
溶融液を噴霧する方法、装置および製品」と称する米国
特許出願第584,687号。

2.本願と同時に提出された「不安定な溶融液流を噴霧す
る装置および方法」と称する米国特許出願第584,689
号。

3.本願と同時に提出された「ガス流量の低減された溶融
液噴霧法および噴霧装置」と称する米国特許出願第584,
691号。

上記の各関連出願の明細書は引用によって本明細書中
に併合されるものとし、また各関連出願は本願の場合と
同じ譲渡人に譲渡されている。

発明の背景 急速な粒子凝固 本発明は、溶融液を噴霧凝固させることによって粉末
を製造する技術に関するものである。更に詳しく言えば
本発明は、流体噴霧によって微粒子状の高温材料を製造
する方法並びにかかる方法を実施するための装置および
かかる方法によって得られた製品に関する。

たとえば、本発明は超合金の溶融液からの粉末製造に
適用することができる。

超合金の粉末を製造するための経済的な手段は強く要
望されている。かかる粉末は、粉末冶金技術による超合
金製品の製造において使用することができる。かかる粉
末に対する工業的需要は現在拡大しつつあり、また超合
金製品の需要の拡大に伴って将来も拡大し続けるであろ
う。

現在のところ、工業的に製造されている粉末のうちで
10ミクロン未満のものは約３％しかなく、従ってかかる
粉末の原価は非常に高い。

噴霧法によって製造されかつ工業的用途のために役立
つ微細粉末の主たる原価因子を成すのは、噴霧法におい
て使用されるガスの費用である。現在のところ、かかる
ガスの費用は噴霧試料中に所望される微細粉末の割合が
上昇するのに伴って増大する。また、より微細な粉末が
所望されるのに伴い、製造される粉末の単位質量当りの
ガス量も増加する。粉末の製造に際して消費されるガ
ス、特にアルゴンのような不活性ガスは高価である。

現在、より微細な粉末に対する工業的需要は増大しつ
つある。従って、溶融合金を粉末に変換する効率を向上
させ得るガス噴霧技術および装置を開発すること、かつ
また特に所望の粒度範囲が益々小さくなっていく場合で
も所望粒度範囲の粉末の製造に際して消費されるガスを
増加させないようにすることが要望されている。

微細粉末の製造は、原料となる溶融液の表面張力の影
響を受ける。表面張力の大きい溶融液の場合、微細粉末
の製造は困難であり、しかも多量のガスおよびエネルギ
ーを消費する。現在のところ、表面張力の大きい溶融金
属から平均粒径37ミクロン（またはμｍ）未満の微細粉
末を工業的に製造する際の典型的な収率は25〜約40（重
量）％程度である。

ある種の金属から成る37ミンロン（またはμｍ）未満
の微細粉末は、低圧プラズマ溶射用途において使用され
ている。現在利用可能な工業的方法によってかかる粉末
を製造する場合には、粒度が過大であるために60〜75％
もの粉末を廃棄しなければならない。このように、微細
粉末のみを選択的に取出して過大粒度の粉末を廃棄する
必要があることにより、使用可能な粉末の原価は増大す
る。

微細粉末はまた、急速に変化しかつ拡大しつつある、
急速凝固材料の分野においても有用である。一般的に述
べれば、ある方法または装置によって製造し得る微細粉
末の比率が高くなるほど、その方法または装置は急速凝
固技術において一層有用となる。

流動している液体や流動性材料の集合体のごとき対流
性環境中における比較的小さい粒度の溶融粒子の凝固速
度は、粒子の粒径の２乗の逆数にほぼ比例することが知
られている。

このような関係は次式によって表わすことができる。

T_P∝1/D_P ² 式中、T_Pは粒子の冷却速度であり、またD_Pは粒径であ
る。

従って、粒子組成物の平均粒径が半分に低下すれば、
冷却速度は約４倍に増大する。また、平均粒径がさらに
半分に低下すると、総合冷却速度は16倍に増大すること
になる。

ある種の用途、とりわけ粒子の冷却速度が最終的に得
られる性質にとって重要であるような用途のためには、
粒度の小さい粉末を製造することが望ましい。たとえ
ば、37ミンロンより小さい粒度の急速凝固粉末、とりわ
けかかる粉末を製造するための経済的手段が要望されて
いる。

それに加えて、ある種の用途にとっては、狭い粒度分
布を有する粒子を得ることも重要である。すなわち、あ
る用途のために粒度100ミクロンの粒子が所望されると
すれば、大部分の粒子が60〜1400ミクロンの範囲内にあ
るような製造方法よりも、大部分の粒子が80〜120ミク
ロンの範囲内にあるような製造方法の方が多くの場合に
著しく有利である。また、既知もしくは予測可能な平均
粒度および粒度範囲を有する粉末が製造できれば、顕著
な経済的利点が得られることにもなる。本発明は、かか
る粉末を工業的規模で製造する能力を向上させるもので
ある。

所定用途のために第１の方法によって所定の溶融金属
から粒度100ミンロンの粒子が製造されたものとし、次
いで平均粒度50ミクロンの粒子を製造する第２の方法が
知られたとすれば、この第２の方法においては同じ溶融
金属から形成された粒子が遥かに急速に冷却されて凝固
するはずである。本発明は、溶融金属をはじめとする溶
融液からより微細な粒子をより高い比率で製造するため
の方法を提供しようとするものである。本発明の新規な
方法においてかかる粒子のより急速な凝固が達成される
理由は、一つには製造される粒子自体が平均してより小
さいことにあり、また一つにはその製造が工業的規模に
おいて再現可能であることにある。

微小な粒度の達成は、急速な冷却が得られる点、そし
てまたある種の溶融材料については急速な冷却に由来す
る付随的な利益が得られる点で有利である。すなわち、
このようにして新規なアモルファスおよびそれに関連す
る性質を達成することができるのである。このように本
発明は、微小な粒度を有しかつそれに付随して急速な冷
却を受けた粉末の製造を可能にするものである。

現行の粉末冶金技術では、粒径10〜37ミクロンの範囲
内の粒度を持った微細粒子および超微細粒子が要望され
ている。しかるに本発明の新規な方法によれば、10〜37
ミクロンの範囲内の平均粒度を持った粒子が製造される
のである。

より微小な粒度の達成は、通常の粉末冶金技術よる材
料の一体化に際して重要であることがわかろう。なぜな
ら、粒度の小さい粉末ほど焼結速度が大きくなることが
認められているからである。また、より高い充填密度を
得るためにかかる微小な粒度の粉末を大きな粒度の粉末
と共に合体させることが所望される場合にもそれは重要
となることがある。

粉末冶金業界における現在の傾向としては、微細金属
粉末（すなわち37ミクロン未満の粒径を持った粉末）お
よび超微細粉末（すなわち10ミクロン未満の粒径を持っ
た粉末）に対する関心が高まりつつある。しかるに、溶
融材料の表面張力が大きいと、より小さな粒子の形成は
一層困難となる。

噴霧法によって溶融金属から粉末を製造するための従
来装置においては、製造方法および材料に応じ、比較的
広い粒度分布を持った製品が得られる。かかる広い粒度
分布は、第３図中の曲線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤによって表
わされている。これらの曲線を検討すれば明らかなごと
く、粒子の粒度は10ミクロン未満から100ミクロン以上
にまでわたっている。従来の技術によって製造される微
細粉末（すなわち37ミクロン未満の粉末）の比率は約０
〜40％の範囲内にあり、また超微細粉末（すなわち10ミ
クロン未満の粉末）の比率は約０〜３％の範囲内にあ
る。かかる製品中に得られる微小な粒度の粉末の収率が
低い結果、超微細粉末の製造原価は過大となって、１ポ
ンド当り数百ドルあるいは数千ドルにも達することがあ
る。

第３図のグラフ（たとえば第３図中の曲線Ｅ）によっ
て示されるごとく、本発明の方法を微細粉末モードで実
施した場合に得られる粉末の粒度範囲は現行の常法によ
って得られる粒度範囲よりも著しく優れている。なお、
第３図中の曲線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの基礎となるデータ
は、ジャーナル・オブ・メタルズ（Journal of Metal
s）の1981年１月号に記載されたエイ・ローリー（A.Law
ly）の総説（特殊合金粉末の噴霧製法」から得たもので
ある。

このジャーナル・オブ・メタルズ誌上のデータ、すな
わち曲線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤに係わるデータは、超合金
の溶融液から製造された粉末に関するものである。ま
た、曲線Ｅの基礎となるデータも超合金溶融液から製造
された粉末に関するものであるから、これら２群のデー
タは全く比較しうる。

なお、異なる種類の合金から粉末を製造する際の容易
度に大きな差のあることは周知の通りである。

粒度範囲 第３図には、様々な噴霧技術によって製造された超合
金粉末に関する典型的な制度分布が示されている。曲線
Ａは、アルゴンガス噴霧法によって製造された粉末に関
するものである。曲線Ｂ、ＣおよびＤは、回転電極法、
急速凝固法および真空噴霧法によってそれぞれ製造され
た粉末に関するものである。

曲線ＥおよびＦを境界とする斜線領域は、本発明の方
法を微細粉末モードで実施した場合に得られる粉末の粒
度分布の範囲を示している。

第３図中の各種曲線を見れば容易に明らかとなる通
り、本発明の装置を使用しながら本発明の方法に従って
製造された粉末は、従来の方法によって製造された粉末
よりも遥かに小さい粒度の範囲および累積粒度を有して
いる。これは、特に約60ミクロン以下の微小な粒度の範
囲において著しい。

曲線ＥおよびＦの間の斜線領域は、微細粉末を製造す
るための本発明方法に従って得られる粉末の粒度分布曲
線が存在し得る範囲を示している。

この図から明らかとなる通り、本発明の方法は10ミク
ロン以下の粒子を10〜37％も含んだ粉末の製造を可能に
し、また37ミクロン未満の粒子の累積百分率で44〜70％
も含んだ粉末の製造を可能にする。

他のガス噴霧法およびガス噴霧装置に比べて本発明の
方法および装置がより高い微細粉末収率を与え得る理由
は、本発明の実施によってエネルギーが噴霧ガスから噴
霧すべき溶融金属へより効率的に伝達されることにあ
る。このような改善された微細粉末製造を達成する手段
の１つは噴霧ガスノズルを溶融液流に対して近接させる
ことであって、これは前例のないものである。このよう
に溶融液流オリフィスに対してガスノズルを近接させる
ことは、本明細書中では近接配置方式と呼ばれる。近接
配置方式の利点は、後述のごとき文献中において認識さ
れていた。しかるに、これまでのところ、高温材料に対
してこの方式を利用した発明は見られていない。その原
因は、少なくとも部分的には、噴霧ガスノズルおよび噴
霧装置の他の箇所に凝固した高温の溶融液が沈着すると
いう問題にある。

従来のノズルに対する沈着 従来の噴霧ガスノズルおよび噴霧方法に関連した主要
な問題点は、噴霧された高温の合金の微小片や小球体が
ノズル表面上において凝固することであった。こうして
ノズル上に生じた沈着物は、時には噴霧操作の停止を引
起こすことがある。このような停止は、溶融液を放出す
べき穴が目詰りすること、あるいは放出された溶融液流
に対して噴霧ガスが高いエネルギーをもって直接に衝突
することが少なくとも部分的に妨げられることに原因し
ていた。ひどい場合には、ノズル先端に沈着累積した固
形物がノズルから離脱することがあった。このような場
合には、ノズルまたは溶融液供給機構に由来する材料に
よって製造すべき粉末が汚染される結果が生じることも
あった。

従来の装置では、ガスノズルまたは溶融金属オリフィ
スにおける凝固した高温材料の沈着の問題は、後記に一
層詳しく説明するごとくガスノズルを噴霧域からかなり
遠去けることによって解決されている。

噴霧ノズル上に凝固した溶融液の多数の微小片や小球
体が徐々に沈着するという問題は、極めて高温の溶融液
とりわけ高い融点を有する溶融金属の場合に最も重大と
なる。

従来の低温噴霧法 液流にガス流を衝突させて噴霧を生じさせるため低温
材料に対して使用される技術と高温下で起こる現象との
間には大きな相違点がある。一般的に言えば、低温噴霧
という概念の中には、常温で液体の材料および約300℃
までの温度下で液体になる材料が包含されると言える。
このような低温下にある材料とりわけ常温で液体の材料
を噴霧しても、高温溶融金属またはその他の高温材料を
使用した場合に起こる程度ちかくまで凝固金属が噴霧ノ
ズル上に沈着することは伴わない。また、噴霧ノズルに
対する低温材料の沈着がノズル自体の部品の破壊をもた
らすこともない。また、低温下では、噴霧すべき溶融液
と溶融液供給管または噴霧ノズルの他の部品の材料との
間の反応および交互作用は遥かに少ない。更にまた、30
0℃以下にて材料を噴霧するためには金属製の溶融液供
給管を使用し得るが、1000℃、1500℃および2000℃以上
という高温下ではセラミック製の供給機構を使用しなけ
ればならない。

もう一つの相違点は、溶融液と噴霧ガスとの間に存在
する溶融液供給管の壁中の温度勾配が噴霧すべき溶融液
の温度の上昇に伴って増大することである。幾何学的形
状が一定の噴霧機構について言えば、溶融液の温度が上
昇するのに伴い、より多量の熱を除去しなければならな
いためにより多くのガス流量が必要となる。噴霧すべき
溶融液の単位体積当りのガス量が多くなれば、装置内に
おいて溶融液のはね返りの起こる傾向が強くなることが
ある。溶融液が1000℃以上もの非常に高い温度下にある
場合には、液滴は即座に凝固して低温の表面に沈着する
ことがある。このような高温の溶融材料は、低温の溶融
量よりも化学的に活性であり、そして接触した表面に対
してより強固な結合を生じることがある。

従来のガス噴霧法における遠隔配置方式 本出願人はここに示す説明または記述の正確さを保証
する義務を負うものではないが、本発明の性質および特
徴の理解を容易にするためには、先行技術に関連して述
べられてきた噴霧機序の一般的説明を行い、かつまた従
来の噴霧法の実施に際して起こる現象の図式的表示を行
うことが有用であると信じる。このような目的のため、
従来の方法を使用した場合に起こると理解されている噴
霧現象の模式図である第４図を示す。図中に示された２
つのガスオリフィス30および32は、溶融液流34に対し、
先行技術における慣例に従って配置されている。すなわ
ち、ガス噴射ノズル30および32は溶融液流から一定の距
離だけ離隔しかつ一定の角度を成している結果、ガスは
ノズルから実質的に離れた箇所の溶融液流に向けて噴射
される。なお、この図はやや模式的であって、実際に
は、ノズル30および32は溶融液供給装置を包囲する単一
の環状ノズルを成しかつガスは通常の空気室から供給さ
れればよいことを理解すべきである。なお、溶融液供給
装置36も模式的に示されている。

先行技術に従えば、溶融流液が、それぞれのノズル30
および32からのガスが合流する区域にまで下降する頃に
は、溶融液流は中空の円錐体を形成する現象が認められ
ている。合流点38は、２つのガス流の間に干渉が存在し
ないと仮定した場合にそれら２つガス流の中心線が交わ
る点である。しかしながら、実際にはガス流は下降中の
溶融液流に作用を及ぼすのであって、このような作用の
一部が図中に40として示された中空円錐体の形成であ
る。

従来の噴霧法において次に起こる現象は、円錐体の壁
が溶融液の帯状体または小球体に分裂することである。
この現象は図中に42として示された区域内において起こ
る。

従来の噴霧法において次に起こる現象は、帯状体が液
適に分割または噴霧化されることである。図中では、こ
れは概して帯状体の形成される区域の直下の区域内で起
こるように示されている。個々の液滴はそれよりも大き
い液適または小球体から生じるものとして表わされてい
る。

このような模式的表示に従えば、従来の噴霧法は多段
階かつ多現象の方法である。すなわち、第１段階の現象
は中空円錐体の形成であり、第２段階の現象は円錐体の
壁の帯状体への分裂であり、そして第３段階の現象は帯
状体の液適への分割である。

液適の形成に関して言えば、このような説明からわか
る通り、極めて高率の液適が帯状体または小球体の分割
によって形成されるという意味で二次的な現象なのであ
る。

溶融金属の遠隔配置式噴霧法に関して技術文献中に引
用される最も明確な業績は、メタラージカル・トランス
アクションズ（Met.Trans.）第４巻（1973年）の2669〜
2673頁に収載されたジェイ・ビー・シー、ジェイ・ラン
クルおよびティー・ビー・キング（J.B.See,J.Rankleお
よびT.B.King）の論文「窒素噴流による溶融鉛流の分
散」であって、その中には高速度写真撮影法を用いて行
った研究結果に基づく噴霧現象が記載されている。

本発明の方法が特異かつ新規である点は、二次的な粒
子形成が大幅に低減され、そして第４図に模式的に図示
されかつ上記に記載されたような第２段階の溶融液分裂
を経過することなく溶融液から直接に粒子を生み出す一
次的な粒子形成が極めて高い比率で起こることである。

従来の噴霧法におけるガスエネルギーの損失 ガス供給機構によって冷却される装置部分に高温の液
滴が沈着するのを防止するため、従来の高温噴霧装置で
は、ガス噴流の衝突すべ溶融液流の表面から比較的遠く
離れたノズルからガスを供給していた。

ノズルが噴霧域から離隔している場合、ノズルからの
ガスが噴霧すべき溶融液との衝突点にまで移動する間に
ガスのエネルギーは著しく減少する。つまり、ガスがノ
ズルから溶融液流までの距離を通過する間に、分散およ
びエントレインメントに原因する実質的な損失が生じる
のである。現在使用されている特定の構造の溶融金属噴
霧装置の場合、そようなエネルギー損失は初期エネルギ
ーの90％以上にも達すると推定されている。従って、噴
霧すべき溶融液流との接触点から離隔したガス噴流を使
用する方法は、ガスの使用法の点で不経済である。なぜ
なら、溶融液流に接触する以前にガス噴流中で起こるエ
ネルギー損失に打勝つために多量のガスが必要とされる
からである。

溶融液流と噴霧ガス供給オリフィスとのこのような遠
隔配置方式は、「遠隔配置」という言葉は用いられては
いないが、米国特許第4272463、3588951、3428718、364
6176、4080126、4191516および3340338号明細書中いに
記載されている。

先行技術の説明 液体供給管またはオリフィスに極めて近接したガス噴
流を生じる金属製およびプラスチック製ノズルの使用は
従来でも知られていた。たとえば、常温の液体の噴霧は
ノズル上における液体の顕著な凝結および沈着なしに実
施することができる。たとえば、ある種のペイント吹付
用ノズルはこのような構造を有している。

ジョン・キース・ベドウ（John Keith Beddow）の著
書「ザ・プロダクション・オブ・メタル・パウダーズ・
バイ・アトミゼーション（The Production of Metal Po
wders by Atomization）」（ハイデン・パブリッシャー
ズ社）の45頁には、溶融金属流から金属粉末を製造する
ため各種構造のノズルが示されている。これらのノズル
は高温ガス噴霧法に係わるものである。

ベドウのノズルは、溶融金属流の放出のための中央開
口を有する環状ノズルである。ガスは、中央開口を取巻
く感情のガスオリフィスから放出される。ベドウのノズ
ルは、外面的に見れば、本明細書の第１図に示されたノ
ズルに似ている。しかし、ベドウによって開示されたよ
うな環状ノズルには沈着の問題があることが、同書45頁
の図の直下に次のように指摘されている。すなわち、
「環状ノズルに関する重要な問題の１つは、金属製ノズ
ル本社上への沈着の問題である。これは、ノズルの内部
とりわけ底部のリム付近への溶融金属のはね返りに原因
する。このようなはね返った金属は凝固し、そして沈着
する金属の量は増加する。更に後の段階になると、空気
噴流が高温の金属沈着物を発火かせる。このようにし
て、いとも簡単にノズルブロックが失われることがあ
る。」 このように、かかるノズル構造が知られていたとは言
え、高温材料とりわけ溶融金属のガス噴霧法に関してベ
ドウが指摘した問題を従来の当業者は解決できなかった
のである。

噴霧技術において使用すべきノズルの構造に関するそ
の他の情報源としては米国特許明細書がある。米国特許
第2997245号明細書中には、いわゆる「衝撃波」を使用
した溶融金属の噴霧法が記載されている。

米国特許第3988084号明細書中には、中空の円錐体を
描くようにして細い溶融金属流を発生させ、そしてそれ
を環状のガス噴流で遮断する方式が記載されている。米
国特許第3988084号の方式においては、噴霧ガスは溶融
金属の円錐体の一方の面すなわち円錐体の外面）に向け
てのみ放出されるのであって、溶融金属の円錐体の他方
の面（すなわち円錐体の内面）に向けては全く放出され
ない。特定のモードで本発明を実施した場合には、噴霧
ガスは溶融液流の全ての表面に向けて放出される。米国
特許第3988084号の円錐体は、上記のごとき従来の遠隔
配置方式に従って下降溶融金属流のガス噴霧を行う際に
形成される円錐体に類似している。すなわち、後者の場
合にもガスは円錐体の下部縁端において溶融金属のウェ
ブの一方の面にのみ作用する。かかるウェブは円錐面に
沿って縁端にまで広がっていて、ガスはその縁端から溶
融金属を掃射することによって中空の倒立円錐体を形成
するのである。

本願の発明者は、「アモルファス金属粉末の製造およ
び一体化」と題する学位請求論文を作成し、そして1980
年９月にそれをアメリカ合衆国マサチューセッツ州ボス
トン市所在のノースイースタン大学機械工学部に提出し
た。この論文中には、セラミック製および（または）黒
鉛製の溶融金属供給管を持った環状ガスノズルの使用が
記載されている。その中にはまた、環状のガス噴流を用
いて溶融金属を噴霧することにより、より微細な粒子を
より高い比率で含む粉末を製造するための改良が報告さ
れている。

発明の概要 本発明の目的の一つは、同様な固体状態にあるリボ
ン、箔またはストリップとして最初に形成された材料を
微粉砕その他の方法で細分するような二次的操作を必要
とすることなく、液体状態から直接に微細な金属粉末を
製造することにある。

また、より微細な粒子を実質的に高い比率で含む粉末
を溶融液から製造することも本発明の目的の一つであ
る。

また、より均一な粒度の粉末を直接に製造することも
本発明の目的の一つである。

また、ガス噴霧法によって一層効率的に粉末を製造す
ることも本発明の目的の一つである。

また、ガス噴霧法によって所望流度の粉末を一層効率
的に製造するための方法および装置を提供することも本
発明の目的の一つである。

また、一層高温の溶融液から安価に粉末を製造するこ
とも本発明の目的の一つである。

また、従来の技術では有用な製品にすることのできな
い合金由来な粉末から有用な製品を製造することも本発
明の目的の一つである。

また、新規な製品の製造に使用するための粉末を急速
凝固技術によって製造することを可能にすることも本発
明の目的の一つである。

また、ガス噴霧法によって溶融液から新規かつ特異な
粉末を製造すること、しかもそれを経済的に行うことも
本発明の目的の一つである。

また、自己清浄方式の噴霧ノズルおよび噴霧方法を提
供することも本発明の目的の一つである。

また、寿命の長いノズルを提供することも本発明の目
的の一つである。

また、再使用可能なノズルを提供することも本発明の
目的の一つである。

また、従来のノズルに比べて溶融金属による沈着およ
び侵食の少ないノズルを提供することも本発明の目的の
一つである。

また、噴霧装置上への溶融液の沈着を制限する方法を
提供することも本発明の目的の一つである。

また、噴霧装置の長時間連続運転を可能にする方法を
提供することも本発明の目的の一つである。

その多の目的については、一部は自ら明らかとなろう
し、また一部は以下の説明中に指摘されることになろ
う。

これらの目的は、本発明に従って一般的に述べれば、
溶融液を噴霧域へ直接に供給するための溶融液供給管を
用意し、噴霧域に近接した少なくとも１個のガスオリフ
ィスから噴霧域へ噴霧ガスを供給し、かつ噴霧域からの
溶融液のはね返りを受ける装置表面を窒化ホウ素で形成
することによって達成し得る。

好適な実施の態様の説明 以下、添付の図面を参照しながら本発明を詳しく説明
しよう。

噴霧ノズルの例示 第１図を見ると、本発明に従って提供されるような噴
霧ノズル10の一態様が縦断面図によって示されている。
本発明の実施に際しては様々な態様の噴霧ノズルを使用
することができるが、それらについては本明細書の他の
個所に記載されている。

図示のごとく、ノズル10はセラミックライナから成る
溶融液供給管12を内部に有している。管12の上端部14に
は噴霧すべき溶融金属が導入され、また下端部16からは
噴霧すべき溶融金属が下降流として放出される。下端部
16には、倒立円錐台形のテーパ付き外面18を持った下部
先端17が設けられている。下端部16において管12から放
出される溶融金属は、ノズル10の環状がガスオリフィス
部からのガスによって掃射される。かかる環状ガス噴流
は、充気室20から、内側ベベル面24と溶融液供給管12の
倒立円錐台形外面またはベベル面18との間に形成された
開口22を通って下向きに流れ出るガスによって構成され
る。ガス噴流の出口を成す開口または環状オリフィス22
は、管12のベベル面18にほぼ対応するように形成された
ベベル面を具備することもできる。その場合の環状オリ
フィス22は、管12のベベル面18、環状充気室20の上部の
対応ベベル面26、および充気室20の下部閉鎖部材を成す
板32上と対向面24によって規定されることになる。管12
の下部外面18は小さなランド19の一方の側面を成してい
る。かかるランド19の他方の側面は、やはり管12に設け
られた溶融液オリフィス15によって規定される。

ガス供給源（図示せず）からガス導管30を通して高圧
のガスを供給すると、そのガスは環状充気室20に入って
環状オリフィス22から放出される。その結果、管12内を
下降して管12の下端部16の先端17から放出された溶融金
属の流れに衝突する。

充気室の閉鎖部材を成す板32の内縁にはベベル面24が
設けられていれば好都合である。また、板32におねじを
設けることにより、充気室の外被34の側壁の下端部36に
設けられためねじにそれをねじ込むようにすることもで
きる。充気室20の内方または外方にむかって、めねじに
沿って板32を回転させることによって上下させれば、外
面18に対してベベル面24を相対的に移動させ、それによ
り環状オリフィス22を開閉すると共に管12の下部先端17
に対する環状オリフィス22の相対位置を変化させるとい
う効果が得られる。

充気室の外被34は、一体に形成された棚40を内側に有
する環状上板38を含んでいる。棚40には、溶融液供給管
12の一部を成す環状円錐体42がフランジ44によって支持
されている。なお、円錐体42はセラミックまたは金属か
ら成ることが好ましい。ガスを環状オリフィス22へ導く
ために役立つ充気室20の環状内面を形成するに際して
は、円錐体42の外面26いの形状が重要である。すなわ
ち、円錐体42の外面26を管12の下端の円錐形外面18と整
列させることにより、これら二つの外面が一つの連続し
た円錐面を形成し、充気室20からのガスが環状オリフィ
ス22を通って放出される際、１つの連続した円錐面に沿
って移動するようにすればよい。

図示のごとく、管12は下部先端17を有していて、その
外面18は環状円錐体42の外面26と整合している。管12は
また中間フランジ46をも有していて、それにより管12の
垂直位置をノズル10全体および円錐体42の外面26に対し
て正確に決定しかつ設定することができる。

上部環状体48の内側に突出したボス50が中間フランジ
46を圧迫することにより、管12および円錐体42は正確に
整列した状態に保持される。

溶融金属を噴霧するための関連装置内にかかるノズル
を保持する手段は従来通りのものでよく、従って本発明
の一部を成すことはない。

本発明の実施に際して有用なガスオリフィスの構成お
よび形態は、第１図に示された態様に限定されることは
ない。ある種の用途にとっては、第１図の環状オリフィ
ス22から放出されるガスの膨張を制御するため、ラヴァ
ル（Laval）ノズル状のノズルが好適である。

更にまた、環状オリフィスが好適であるとは言え、必
ずしも環状オリフィスによって環状がガス噴流を形成す
る必要はない。たとえば、環状に配列されかつ各々が溶
融液表面に向けて配置された個別の管状ノズル群によっ
て管状ガス噴流を形成することもできる。この場合、個
々の管状ノズルからのガスが溶融液表面またはその近傍
で集束する結果、かかる管状ノズル群からのガスは単一
の環状ガス噴流を形成し得るのである。

更にまた、ガスがガスオリフィスから溶融液表面に向
けて放出される際の角度は、図中に示された態様に限定
されることはない。ノズルの構成と噴霧すべき溶融液と
のある種の組合せについては特定の角度が提唱されてい
るとは言え、一般的に言えば、数分の１度から90度まで
の衝突角を用いて噴霧を実施し得ることが知られてい
る。本発明に従えば、第１図に示されるようなノズルを
用いながら22度の衝突角で噴霧を実施すると、従来法に
よるよりも高率の微細粉末を製造するのに極めて有効で
あることが判明している。

微小粒子の利点 噴霧すべき金属の多くについては、ゆっくりと冷却し
た粒子に比べ、急速に凝固させた粒子の方がある種の性
質の改善を示すことが知られている。「発明の背景」の
所で指摘した通り、流度が低下するほど凝固速度は増大
する。従って、より微細な粉末はより早い速度で凝固し
たものであって、単に粒度が小さい粉末というだけでは
ない。すなわち、かかる微細な粉末は従来の材料に比べ
て他の利点をも有するものである。

凝固速度の増大に伴って通例観察される現象の一つ
は、粒子製造用の合金の成分の偏析が大幅に減少するこ
とである。たとえば、そのような偏析の減少の結果とし
て合金の初期融点を上昇させることができる。初期融点
が上昇する本質的な理由は、本発明の方法が均質な核生
成を可能にすることにある。これは、凝固がほとんど瞬
間的に起こる結果、凝固前端が偏析を起こすことなく液
滴の溶融材料中を急速に移動することを本質的に意味す
る。それがもたらす正味の効果は、均質な組織を与える
ことである。均質な組織が得られれば、合金の液相線温
度と固相線温度との差は減少し、そして遂には両者は互
いに接近する。こうして得られる利点は、結局、初期融
点が固相線温度に等しくなることである。すなわち、初
期融点は上昇し、従って合金の可能な処理温度も上昇す
るわけである。このようにして製造された粉末を用いれ
ば、現行の一体化技術に従って改善された性質を有する
製品を得ることができる。

急速に凝固した微細なアルモファス粉末を従来使用さ
れてきた種類の技術によって一体化させようとする場
合、転移温度を越えると材料は結晶化する。そのため、
多くのアモルファス合金については材料を一体化させな
がらアモルファス状態を維持することは不可能である。
一部のアモルファス合金は一体化させることが可能であ
ったが、超合金の場合には、急速に凝固した状態におい
ても結晶質のままであるために一体化させることが可能
であった。こうして一体化させた材料とりわけ急速に凝
固させた工具鋼においてはある種の有益な性質の向上が
認められた。

極めて微細な粉末に関し、冷却速度の効果を排除して
もっぱら粒度の点から考察してみよう。各粒子は溶融液
に由来するものであって、その溶融液は均質であると推
定される。また、偏析が起こるとしても、偏析のために
利用可能な材料という観点から見ただけで、極めて微細
な粒子における偏析の可能性は、極めて大きい粒子の場
合よりも小さいことがわかろう。

微小な粒度がもたらす第二の利点は、文献中に示され
ている通り、小さな金属粒子は大きな金属粒子よりも低
い温度下で短かい時間内に焼結する傾向がある。すなわ
ち、焼結操作それ自体に対する推進力が大きいのであ
る。これは経済的な利点である。

第三に、粉末冶金技術に関連した問題の一つとして異
物による粉末の汚染がある。かかる異物が粉末中に混入
し、次いでその粉末が部品に加工されると、その部品中
に潜在的な破損部位を生じることになる。ところで、極
めて微細な粉末の場合には、粉末をふるいにかければか
かる大きい異物は除去できると信じてよい。従って、微
細な粉末を使用すれば、粗大な粉末を使用した場合より
も潜在的な欠陥の少ない最終製品を製造することができ
るわけである。

更に、微細な粉末のその他の利点を考察してみよう。
かかる微細な粉末が経済的な価格で入手できるものと仮
定する。今、100ミクロンの球体に対して10ミクロンの
球体を使用する場合を考えると、両者の充填率は同じに
なる。このように、球体間の空隙を充填するためにもよ
り小さな球体を得ることが望ましいわけである。かかる
充填の後でも、小さな球体と大きな球体との間にはやは
り空隙が存在するから、そのような小さい空隙を充填す
るために更に小さな球体が所望されることになる。

急速凝固技術の結果として発展した比較的新しい分野
の中に、全く新しい系列の合金の開発がある。従来の材
料においては、凝固速度が遅いため、合金の成分が脆い
金属間化合物または長い結晶粒界として析出する。かか
る材料は、幾つかの点で急速凝固材料よりも劣った性質
を有する。

急速凝固技術によれば、それらの析出物質の一部は溶
解状態に保たれ、そして強化剤として作用することがで
きる。その結果、急速凝固技術によって新しい合金組成
物が得られることになる。同じ合金を従来の技術によっ
て製造した場合には、脆さのためにそれらを廃棄しなけ
ればならないはずである。しかるに、急速に凝固させた
場合には、これらの合金は有用な性質を有することが判
明している。このような現象は合金系に応じて変化し、
また凝固速度に応じて変化する。結局、材料が使用でき
るか否かは凝固技術によって左右させることになる。

本発明の重要な特徴の一つは、ガスの使用により高い
効率をもって溶融液から粉末を製造し得ることである。
こうして達成される改善は、全く意外にも、得られた粉
末が微細な粒子をより高い比率で含むというものであ
る。ところで、このように微細な分割を達成するために
は、遥かに大きいガス流量が必要となると考えるのは合
理的であると言える。ガス流量が遥かに大きくなれば、
言うまでもなくガスの使用効率は低下するはずである。
ところが意外にも、本明細書中に記載された方法に従え
ば、極めて微細な粒子を従来の方法に比べて高い比率で
製造する際に使用されるガスは実際に減少することが判
明した。

粒度パラメーター狭い粒度範囲 一般的に言えば、比較的一様な粒度またはより狭い範
囲内の粒度を持った微細粒子から成る粉末を得ることが
有利である。その理由は、粒度が一様であるほど、それ
らの粒子は一様な冷却履歴を経てきたはずだからであ
る。冷却履歴が一様であることは、言い換えれば、粒子
が一様な冶金学的性質を有することを意味する。

また、本明細書の導入部に示した式によって表わされ
るごとく、一般に粒度の小さい粒子ほど急速に冷却され
る。粉末中に広範囲の粒度が存在しかつその粉末が粉末
冶金技術によって加工される場合、組成物に付与し得る
望ましい性質には限界がある。このような限界は、その
組成物中に含まれる大きい粒子の組成および性質に関係
している。かかる大きい粒子は、潜在的な弱点すなわち
初期融点やその他の性質についてより低い値を与える個
所を構成するのである。

概して、固結物体を製造するために使用される成分粉
末としての微細粉末の平均粒度が小さくかつ粒度が一様
であるほど、その粉末から製造される固結物体は特定の
組合せの望ましい性質を有する可能性が高くなる。理想
的には、全ての粒子の粒系がちょうど20ミクロンであれ
ば、それらの全てがほとんど同じ熱履歴を有することに
ある。従って、これらの粒子から製造された物体は原料
である一様な粒度の粒子に固有の性質を示すことにな
る。

勿論、小さな粒子に関して実現可能であるような速度
で急速に冷却された大きな粒子が得られれば望ましいわ
けである。しかしながら、大きい粒子の凝固に際しては
冶金学的に見て粒子内部で成分の偏析が起こり、またか
かる凝固を達成するために大きい粒子から熱を除去する
速度には限界がある。そのため、従来の噴霧技術によっ
て粉末を製造する際にかかる大きい粒子を溶融金属から
形成しようとしても、従来の技術によって製造し得る粉
末の性質には限界が見られ、また粉末冶金技術によって
かかる粉末から大形の製品を製造する際の用途にも限界
が見られる。粉末冶金技術の使用は、現在のところ、急
速凝固を受けた粉末を用いて優れた製品を得るための主
要な手段である。本発明は、このような小さい粒子の形
成を向上させると共に、急速に凝固した金属の持つ極め
て望ましい組合せの性質を示す大形製品の製造にも改善
をもたらす。その上、原料となる粉末の粒度が一様であ
る結果、かかる製品の示す性質も一様なものとなる。

本発明によって実現可能となる特異な特徴の一つは、
本明細書中に記載されたような噴霧法によって製造され
る粉末の幾つかのパラメータを精密に制御し得ることで
ある。

たとえば、従来の方法によって製造された粉末におい
て見られるややランダムな粒度分布を変化させて、特定
の粒度の濃度を高め得ることが判明した。

第二に、特定の粒度に関して見れば、その粒度の値に
かかわらず所定の作業によってその粒度の粒子をより高
い収率で製造することが可能となる。たとえば、粉末の
主要粒度が10ミクロンに選定された場合、本発明による
パラメータ制御は選定された粒度の粒子の製造に力点を
置くことを可能にする。あるいはまた、所望の粒度が50
ミンロンまたは100ミクロンに選定された場合には、本
発明に従って工程パラメータを変化させることにより、
選定された粒度範囲内の粒子をより高い濃度で含む粉末
を製造することができる。

従来の方法を使用すれば、単一のロットまたは１回の
操作において広範囲の粒度を得ることが可能である。し
かしながら、特定または所定の粒度に対し比較的小さい
標準偏差を示す粉末を製造することができれば経済的に
有利である。従って本発明は、一定量のエネルギーおよ
び材料を消費する所定の操作によって経済的に一層有利
な粉末を製造することを可能にするものである。

本発明に従って粉末を製造することの派生的な利点
は、比較的狭い粒度分布を示す粉末の製造が可能となる
ばかりでなく、狭い粒度分布のために粒子が特定の顕微
鏡組織を有することにある。従って、本発明の方法に例
えば、所定の粉末製品の内部において比較的大きい粒度
および狭い粒度分布を示すような粒子を製造することも
可能となる。かかる大きい粒子は、緩徐な冷却を受ける
から、急速な冷却を受ける粒子よりは粗い結晶構造を有
することになる。

他方、より微小な粒度を生み出すような条件を選定す
ることにより、アモルファスな粉末を製造することも可
能となる。なぜなら、微細な粒子は上記の場合よりも一
層急速に冷却され、しかもそれらの粒度は製造すべき粉
末製品に対して選定された粒度を中心とする極めて狭い
分布を示すからである。

好適な実施の態様の説明 噴霧操作の例示 噴霧域が形成される場所は、ガス供給用充気室20の底
部に位置する環状オリフィス22から放出される環状の噴
霧ガス流と溶融液流との合流する区域である。従って、
溶融液供給管12はガスノズルののど部を通して溶融液流
を噴霧域に送り込むわけである。ところで本発明の要点
の１つは、溶融液供給管の成形未満と協働するようなガ
スノズル本体を設置し、それにより溶融液供給管の出口
側の成形未満と協力して働く環状のガスオリフィスを持
ったガスノズルを形成することにある。

換言すれば、本明細書中に一層詳しく説明されている
ごとく、溶融液供給管の下端部に協働的に作用するよう
な成形未満を設けることが本発明の特徴の１つなのであ
る。以下に詳しく説明するが、これは、各種溶融液の優
れた噴霧を達成するために利用される幾つかの独立に作
用する現象の１つである。

ガスオリフィスと溶融液オリフィスとが近接して配置
される結果、溶融液供給管の表面は環状ガスオリフィス
の一部を構成することになる。そうすることにより、充
気室から放出されるガス噴流は溶融液供給管の成形未満
をかすめて流れることになる。溶融液供給管の下端部に
対してガス噴流が及ぼすこのような掃去作用は、本来な
らば溶融液供給管の下端部に形成したり沈着累積したり
する傾向のある凝固金属の粒子の大部分を運び去るのに
有効であることが判明した。かかる粒子が溶融液供給管
の下端部に実際に沈着しないという例は全く聞いたこと
がないのであってベドウの著書に関連して上記に述べた
通り、従来の噴霧ノズルに対してかかる沈着が起こるこ
とは知られている。しかるに、本発明の実施に際しては
幾つかの要点の１つとして上記のような対策を講じた結
果、かかる液体または凝固粒子の沈着は低減する。すな
わち、上記のごとき掃去ガスがかかる粒子の沈着を防止
するか、あるいはかかる粒子が溶融液供給管の下端部に
沈着または付着してもそれらを除去することが可能とな
るのである。

第１図に示された特定の態様においては、溶融液供給
管の下部成形表面18とガス供給用充気室20の成形包囲面
26との間は連続的に整合しかつ整列した状態にある。し
かし実際には、環状ガスノズルは様々な形態および様々
な方法で構成し得ることを理解すべきである。ただし、
本明細書中において「近接配置」と呼ばれる方式に従っ
て具備すべき重要な特徴は、環状ガスノズルが少なくと
も部分的には溶融液供給管の成形下端部によって達成さ
れかつ溶融液表面に近接していることである。

窒化ホウ素 溶融液供給管用の材料に要求される主な基準は、その
材料が高温の溶融液に対して抵抗性を有すること、そし
てまたそれの耐熱衝撃性が大きいことである。また、望
ましい特性としては、沈着物質との機械的合着を防止す
るための平滑な表面を持った状態に機械的加工または鋳
造し得ること、溶融液に対して濡れを示さないこと、か
つ熱伝導率が小さいことが挙げられる。

窒化ホウ素はこれらの基準の全てに適合する。それ
は、高温溶融液のガス噴霧に際して有用なノズルを形成
するための材料として特に適することが判明した。

第１図中の管12のごとき溶融液供給管を窒化ホウ素で
作ったところ、特に上記のごとき２つの主な基準への適
合という点で立派に機能を果すことが判明した。すなわ
ち、この材料は1350〜1750℃の温度を有する高温溶融液
に対して抵抗性を示すことがわかった。更に窒化ホウ素
製の溶融液供給管は、管の内部に1750℃の溶融金属を流
しかつ外面に沿って約−200℃噴霧ガスを流した場合に
顕著な耐熱衝撃性を示すこともわかった。それはまた、
ほとんどの金属に対して小さな電熱係数を有する。

実際の材料供給源について述べれば、ユニオン・カー
バイド・コーポレーション（Union Carbide Corporat
ion）からHBRという商品名で販売されている窒化ホウ素
は、第１図に示された形状に機械加工することができ、
しかもかかる機械加工によって平滑な表面を与える。

やはりユニオン・カーバイド・コーポレーションから
商業的に入手可能な別の銘柄HBCもまた、ノズル材料と
して有用である。ただしそれの破壊強さはHBRの破壊強
さの約1/2に過ぎない。

溶融液供給管の形成のために使用された窒化ホウ素
は、明らかに、高温の溶融金属に対してある程度の濡れ
を示した。しかしその濡れは、溶融液供給管としての、
かつまた溶融液噴霧ガスに暴露される表面部材としての
満足すべき使用を妨げるほどのものではなかった。

この点について言えば、窒化ホウ素は極めて良い性能
を示した。すなわち、試験した他のいかなる材料と比べ
ても、窒化ホウ素は高温の溶融金属の沈着に抵抗したの
である。

本発明は、噴霧ノズルが第１図の構造や形状を有する
ものであるか、あるいはその他の種類のものであるかを
問わず、そのノズルの任意の表面を窒化ホウ素で形成す
ることによってはね返った溶融金属の沈着を防止しよう
とするものである。

たとえば、窒化ホウ素表面を持った個々のガスノズル
を形成することによって沈着の防止が意図される。すな
わち、第１図中の部材32を窒化ホウ素で形成することに
より、溶融金属の微小片が付着しかつかかる微小片が次
第に蓄積するのを防止することが意図されるのである。

一般的に言えば、ガス噴霧法の実施に際して溶融金属
のはね返りを受ける表面に窒化ホウ素を使用することが
意図される。更に詳しく言えば、それらの表面に凝固粒
子の沈着が起こる可能性があり、かつかかる沈着が噴霧
操作の進行を妨げるような場合に本発明が適用される。

上記に説明された理由に基づけは、第１図中のベベル
面18はこのような表面の一例である。かかる表面に溶融
金属の粒子が沈着したとしても、沈着物と窒化ホウ素表
面との結合力が小さいため、環状ノズルからのガスによ
ってかかる粒子は掃去されるのである。

耐熱衝撃性をはじめとする他の利点が部材の適正な機
能にとって不可欠というわけではない場合には、その部
材（たとえば32）の表面を窒化ホウ素で被覆したり、あ
るいは窒化ホウ素をはめ込んだりすることによって非付
着性を付与することもできる。

勿論、環状ノズルの全体を窒化ホウ素のごとき不活性
セラミック材料によって製造することも本発明の範囲内
に含まれる。とは言え、少なくとも凝固金属の沈着が最
も起こり易い表面にだけは、窒化ホウ素のごとき不活性
セラミック材料を設置すべきである。沈着が最も起こり
易いと思われる個所は溶融金属の放出される開口に近接
した部分である。それは、溶融液供給管の下端部16のベ
ベル面18である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に際して有用なガス噴霧ノズルの
一態様を示す縦断面図、第２図は寸法ＡおよびＢを示す
第１図の噴霧ノズルの先端部の詳細図、第３図は各種の
方法によって製造された粉末試料における流度分布に関
して、流度に対して累積百分率をプロットしたグラフ、
そして第４図は従来の噴霧現象を示す略図である。 図中、10は噴霧ノズル、12は溶融液供給管、14は管の上
端部、16は管の下端部、17は下部先端、18は下端部の外
面、20は充気室、22は環状オリフィス、24はベベル面、
26は充気室の内面、30はガス導管、32は閉鎖部材、34は
充気室の外被、38は環状上板、40は棚、42は環状円錐
体、44はフランジ、46は中間フランジ、そして50はボス
を表わす。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融液供給容器および溶融液供給管を有
   し、該溶融液供給管が環状ガスオリフィスで包囲され、
   該環状ガスオリフィスの壁の一部が前記溶融液供給管に
   よって形成されている、少なくとも1000℃の温度を有す
   る液体金属を噴霧する装置において、前記溶融液供給管
   のうちの少なくとも噴霧帯域内へ延びる部分が窒化ホウ
   素からなっていることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】溶融金属の噴霧に暴露される全ての表面が
   窒化ホウ素からなっている特許請求の範囲第１項記載の
   装置。
3. 【請求項３】噴霧ガスの流れの源の露出表面が窒化ホウ
   素からなっている特許請求の範囲第１項記載の装置。
4. 【請求項４】溶融液供給管および該溶融液供給管を包囲
   するガスオリフィスを有し、少なくとも1000℃の温度を
   有する液体金属を噴霧するノズルにおいて、溶融液を受
   ける表面が少なくとも窒化ホウ素で被覆されていること
   を特徴とするノズル。