JPH08199207A

JPH08199207A - 金属粉末の製造方法およびその装置

Info

Publication number: JPH08199207A
Application number: JP7012723A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Arimoto; 伸弘有本; Hiroaki Shiraishi; 博章白石; Shigeru Mori; 盛森; Koji Yamazaki; 考二山崎
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-06
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JP2816110B2

Abstract

(57)【要約】【構成】(1) 溶融金属をアトマイズ法によって微細化す
る金属粉末の製造方法であって、溶融金属に回転ベクト
ルを有するガスジェットを噴射させることを特徴とする
金属粉末の製造方法。上記の回転ベクトルを有するガス
ジェットは、旋回性のガスジェットと直進性のガスジェ
ットとを組み合わせるのが望ましい。 (2) ガスノズル１を備え溶融金属をアトマイズ法によっ
て微細化する金属粉末を製造する装置であって、前記ガ
スノズルは流下する溶融金属にガスジェットを噴射する
スリット８を有し、かつ外部から供給されるガスを旋回
させる円環状の空洞部５と、円環状の空洞部の接線方向
にガスを供給するガス導入口６と、円環状の空洞部の中
心に向かう法線方向にガスを供給するガス導入口７とを
具備することを特徴とする金属粉末の製造装置。【効果】アトマイズ法における溶融金属の吹き上げ現象
を回避することができ、高融点金属や活性金属およびこ
れらの合金の溶融金属から安定して均一、微細な金属粉
末を製造することができる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金や金属溶射等
に用いられる金属粉末の製造方法およびその装置に関
し、さらに詳しくはガスアトマイズ法によって溶融金属
（または、溶湯という）から微細でかつ高純度の金属粉
末を製造する方法およびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金や金属溶射等に用いられる金属
粉末は、従来から多くの方法によって製造されている。
例えば、代表的なものとして、（１）塊状の金属をボー
ルミル等で機械的に粉砕する方法、（２）金属を消耗電
極として高速回転させ、電極の先端をプラズマアーク等
によって部分溶解して遠心力により飛散させる回転電極
法、（３）溶融金属に噴射ノズルから高速の不活性ガス
や空気等を噴射し、急冷微細化するガスアトマイズ法が
ある。

【０００３】なかでもガスアトマイズ法で製造される金
属粉末は、組織が均一微細化されて材料特性に優れると
ともに、形状が球状となり流動性がよく、適度な粒度分
布をもっているので粉末冶金用として用いる場合には冷
間成形も可能である。このため、特に粉末冶金用の金属
粉末を製造するにはこのガスアトマイズ法が好適であ
る。

【０００４】ガスアトマイズにおける溶融金属の流下・
噴霧方法を大別すると、溶融金属を貯留した耐火物製の
受皿、タンディッシュ、あるいは冷却された金属るつぼ
に設けられた溶湯ノズルから溶融金属を連続的に流下さ
せ、これに高速の気体を吹き付けて溶融金属を霧化させ
る方法と、棒状の金属原料を高周波コイル内に回転させ
ながら挿入して、高周波コイル内で金属原料を溶解し溶
融金属を連続的または断続的に流下させ、これに高速の
気体を吹き付けて溶融金属を霧化させる方法とがある。
通常、いずれの場合も、気体の吹き付けにはガスジェッ
トが用いられ、流下する溶融金属の廻りには逆円錐状の
ガスジェットを形成するガスノズルが設けられる。

【０００５】図４は、ガスジェットによって溶融金属を
噴霧するガスノズルの一般的な構成を説明する概略図で
あるが、ガスノズル１の中心部分を溶融金属が流下する
構造となっている。流下する溶融金属を霧化（アトマイ
ズ）するため、ガスノズル１から噴射されたガスジェッ
トはその軸芯線ａに沿って直進し、溶融金属の軸芯線ｂ
との交点ｆに向けて吹き付けられ、逆円錐状のガスジェ
ットを構成する。このような逆円錐状のガスジェットを
構成する理由は、流下する溶融金属の軸芯線ｂ上にアト
マイズ領域を形成し、この領域にガスジェットを集中さ
せて、その運動エネルギーを金属粉の微細化に有効利用
するためである。逆円錐状のガスジェットによって形成
されたアトマイズ領域では、溶融金属が溶滴群を生成
し、さらに分裂・冷却されて金属微粉末となる。

【０００６】アトマイズ領域を形成して溶融金属の霧化
を続けると、ガスジェットは溶融金属が流下する方向と
は逆方向、すなわち、図４においては上向きのガス流れ
を形成して、溶融金属を吹き上げるという現象が生じる
ことがある。この現象の原因は、粉末を微細化させるた
めにガスジェットを溶融金属の軸芯線上の一点（図４に
おける交点ｆ）に向けて噴射するため、一点に集中した
ガスジェットが互いに衝突し、干渉しあって部分的に上
向きのガス流れを形成することである。溶融金属を吹き
上げる現象が発生すると、溶融金属が溶湯ノズルに付着
し、または甚だしい場合にはガスノズルに付着して正常
な溶融金属の流下およびガスジェットの噴射を阻害し
て、均一な微細粒の生成が困難になるとともに、溶融金
属の流下ができなくなることもある。

【０００７】このような問題を避けるため、ガスノズル
を多孔式またはペンシル型と呼ばれる独立した個々のノ
ズルで構成して、それを溶融金属の軸芯線上の目標とな
る焦点に配向する方法がある。多孔式およびペンシル型
のガスノズルは、噴射されるガスジェットとガスジェッ
トとの間に空隙を持たす構造となっているため、このよ
うなガスノズルを採用すると、焦点に向けてガスジェッ
トを集中させてもガスジェット間の空隙が緩衝部となっ
て、上向きのガス流れの形成が軽減されるとともに、溶
融金属はこの空隙に逃げることができて溶融金属を吹き
上げるという現象を回避することができる。

【０００８】しかしながら、多孔式およびペンシル型の
ガスノズルによってアトマイズ領域を形成した場合に
は、前述のガスジェット間の空隙によって、溶融金属の
霧化が部分的に不充分となって、所定の金属微粉末が得
られないという基本的な問題がある。また、ガスノズル
の製作において、独立した個々のノズルを配置する方法
では、配置が不均一となり易く、特に高温の溶融金属の
場合には装置が変形して配置の不均一および所定値との
ズレが発生し易い。ノズルの配置を一定にしようとする
と、極めて高い工作精度が必要になるという問題もあ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来技術の問題を克服し、安定したアトマイズ法によっ
て、高融点金属や活性金属およびこれらの合金の溶融金
属から球状かつ均一、微細な金属粉末を製造する方法お
よびその装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記 (1)の金
属粉末の製造方法および (2)の金属粉末の製造装置を要
旨としている。

【００１１】(1) 溶融金属をアトマイズ法によって微細
化する金属粉末の製造方法であって、流下する溶融金属
に回転ベクトルを有するガスジェットを噴射させること
を特徴とする金属粉末の製造方法。

【００１２】上記の回転ベクトルを有するガスジェット
は、旋回性のガスジェットと直進性のガスジェットとを
組み合わせるのが望ましい。

【００１３】(2) ガスノズル１を備え溶融金属をアトマ
イズ法によって微細化する金属粉末を製造する装置であ
って、前記ガスノズルは流下する溶融金属３にガスジェ
ットを噴射するスリット８を有し、かつ外部から供給さ
れるガスを旋回させる円環状の空洞部５と、円環状の空
洞部の接線方向にガスを供給するガス導入口６と、円環
状の空洞部の中心に向かう法線方向にガスを供給するガ
ス導入口７とを具備することを特徴とする金属粉末の製
造装置（図１、図２参照）。

【００１４】

【作用】本発明者らは、ガスアトマイズ法における種々
のガスジェット流れに関して検討した結果、溶融金属の
吹き上げ現象を回避し、安定して微細な金属粉末を製造
するには、流下する溶融金属の軸芯線の廻りを旋回する
回転ベクトルを有するガスジェットをアトマイズ領域に
噴射するのが有効であることを知見して、本発明を完成
した。ここで、回転ベクトルを有するガスジェットと
は、円柱状の溶融金属の円周方向に沿って溶融金属の軸
芯線の廻りを旋回するガス流れをもつガスジェットであ
って、直進性のガスジェットと旋回性のガスジェットと
の組み合わせによって構成するのが望ましい。

【００１５】上記の知見に基づく本発明の金属粉末の製
造方法および装置の一例を、図１、図２を用いて説明す
る。

【００１６】図１は、本発明方法によるガスジェットを
円柱状の溶融金属に噴射して金属微粉末を製造する状況
を説明する図である。例えば、高周波誘導コイル内で溶
解された溶融金属３は軸芯線に沿って流下し、流下する
溶融金属３を囲撓してガスノズル１が配置される。ガス
ノズル１のスリット８からガスジェット２が流下する溶
融金属３に向けて噴射され、この噴射作用によって、溶
融金属３が溶滴群を生成し、その後分裂・冷却されて金
属微粉末４となる。

【００１７】回転ベクトルを有するガスジェットを溶融
金属のアトマイズ領域に噴射すると、逆円錐状のガスジ
ェットを構成するが、旋回するガス流れの作用によっ
て、図１に示すようにガスジェットは溶融金属の軸芯線
上の頂点に集中することがなく円環状の交錯部をもつよ
うになる。すなわち、噴射されるガスジェットが逆円錐
状の頂部に集中しないので、ガスジェット同士の衝突を
防止することができて、溶融金属の吹き上げ現象を回避
できる。しかし、このような円環状の交錯部が形成され
ると、理論的にはガスジェットは逆円錐状の頂部におい
て溶融金属に直接作用しないこととなるが、その後、溶
融金属の流下方向と同じ方向にガス流れを構成しアトマ
イズ領域を形成するので、所定の金属粉の微細化には支
障は生じない。

【００１８】本発明で用いられる溶融金属は、前述の通
り、貯留した溶融金属を連続的に流下させるものであっ
ても、高周波誘導コイル内で金属原料を溶解して連続的
または断続的に流下させるものであってもよい。いずれ
の場合であっても、微細な金属粉の製造ができる。ま
た、貯留した溶融金属を流下させる場合には溶湯ノズル
を設けることが好ましい。さらに溶融金属として、高融
点金属や活性金属およびこれらの合金、例えば、純チタ
ン、チタン合金、テルビウム、テルビウム合金、ガドリ
ニウムおよびガドリニウム合金等に適用するのが好まし
い。

【００１９】本発明のガスノズルのガスジェットの噴射
部は、円周状の細長い溝からなるスリット８によって構
成される。独立した個々のノズルで構成すると、前述の
問題が発生するからである。また、本発明で使用される
ガスジェットとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が
利用できる。

【００２０】回転ベクトルを有するガスジェットを溶融
金属に噴射するため、ガスノズルには外部から供給され
るガスを旋回させる円環状の空洞部と、円環状の空洞部
の接線方向にガスを供給するガス導入口と、円環状の空
洞部の中心に向かう法線方向にガスを供給するガス導入
口とが設けられる。すなわち、接線方向に供給されるガ
スは円環状の空洞部で旋回し回転ベクトルを有する旋回
性のガスジェットになるのに対し、空洞部の中心に向か
う法線方向に供給されるガスはそのまま直進性のガスジ
ェットとなって溶融金属に噴射される。このとき、接線
方向に供給されるガスと法線方向に供給されるガスの流
量を調整することによって、ガスノズルから噴射される
ガスジェットの旋回力、言い換えるとガスジェットに付
加される回転ベクトルをコントロールすることができ
る。

【００２１】図２は、本発明のガスノズルの構造例を示
す断面図であり、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は
（ａ）図におけるＸ−Ｘ視野の水平断面図を示す。図か
ら明らかなように、ガスノズル１は円環状の空洞部５と
旋回性ガス導入口６と直進性ガス導入口７とから構成さ
れる。旋回性ガス導入口６は円環状の空洞部５の接線方
向に外部からガスを供給するように取り付けられ、供給
されるガスは空洞部５内で旋回して回転ベクトルが付加
される。一方、直進性ガス導入口７は円環状の空洞部５
の中心に向かって法線方向にガスを供給するように設け
られているので、供給されるガスは直進性のガスとな
る。これらのガス流れが組み合わされてスリット８から
溶融金属に噴射される。図中のＡ、Ｂ、Ｃはガスノズル
の主要寸法を示しており、Ａはガスジェット噴射径を、
Ｂは空洞部直径を、Ｃは空洞部有効高さをそれぞれ示
し、具体的な数値は後述の実施例で述べる。

【００２２】スリット８から噴射されるガスジェットは
逆円錐状のガスジェットとなってアトマイズ領域を形成
するが、旋回性のガスジェットの作用で逆円錐状の頂点
に集中せず円環状の交錯部をもつことになるので、溶融
金属の吹き上げ、ひいてはガスノズル閉塞という現象が
回避できる。前述のように、逆円錐状の頂点ではガスジ
ェットの作用が少ない領域となるが、ガスジェットの流
れにより周囲のガスが誘引され、溶融金属の流下方向と
同じ方向の流れを形成して溶融金属のアトマイズを継続
するので、微細な金属粉の生成には支障はない。

【００２３】旋回性ガス導入口６から供給されるガス流
量によって、ガスジェットの回転ベクトルが決定され
る。この回転ベクトルによってガスジェットの作用が少
ない円環状の交錯部の大きさが決定され、この交錯部が
大きい程ガスジェット同士の衝突が少なく溶融金属の吹
き上げ防止に有効であるが、溶融金属を均一に微細化す
るには交錯部が小さい方が有利になる。そのため、旋回
性のガスと直進性のガスの供給流量を調整して、溶融金
属の微細化を安定して行う必要がある。

【００２４】以下、本発明の効果およびガスの流量比の
例について実施例に基づいて説明する。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）溶融金属として純チタン（純度99.9％）を
使用するため、棒状の純チタン原料を高周波誘導コイル
内に回転させながら挿入して、溶融・流下させ、図２に
示すガスノズルによってガスジェットを噴射し、純チタ
ン粉末を製造した。このときのアトマイズ条件は下記の
通りである。

【００２６】１．溶融チタン流下量： 1.8 kg／分２．ガスノズル仕様（主要寸法）ガスジェット噴射径（Ａ）：30mm、空洞部直径（Ｂ）： 160mm 空洞部有効高さ（Ｃ）：30mm ３．ガスジェット条件（１）使用ガス：アルゴン（２）噴射圧力： 35 kg／cm² （３）噴射流量： 15 Nm³／分（４）流量比：旋回性ガス・・・ 30〜 100％直進性ガス・・・ 70〜０％製造された純チタン粉末の粒径を測定し、その平均粒径
を図３に示す。また、アトマイズ中の運転状況も調査
し、その結果を図３に示す。

【００２７】図３から明らかなように、旋回性のガスの
流量比が大きくなる程、溶融金属の吹き上げ、ガスノズ
ルの閉塞というトラブルを解消できるが、純チタン粉末
の平均粒径が粗粒化してくる。したがって、実施例にお
けるアトマイズ条件では、旋回性ガスの流量比を80〜40
％とするガスジェットを噴射するのがよいことが分か
る。旋回性ガスの流量比が80％を超えると平均粒径が80
μｍを確保することができず純チタン粉末の微細化に問
題があり、40％未満であると溶融金属の吹き上げ、ガス
ノズル閉塞が発生するためである。さらに、純チタン粉
末の微細化とガスアトマイズの安定化の観点からは、旋
回性ガスの流量比を60〜40％とするのが望ましい。

【００２８】（実施例２）溶融金属としてチタン合金
（Ti−６Al−４Ｖ）を使用し、溶融金属を貯留した金属
るつぼから流下させ、図２に示すガスノズルによってガ
スジェットを噴射し、チタン合金（Ti−６Al−４Ｖ）粉
末を製造した。このときのアトマイズ条件は下記の通り
である。

【００２９】１．溶融チタン合金流下量： 1.7 kg／分２．ガスノズル仕様（主要寸法）ガスジェット噴射径（Ａ）：30mm、空洞部直径（Ｂ）： 160mm 空洞部有効高さ（Ｃ）：30mm ３．ガスジェット条件（１）使用ガス：アルゴン（２）噴射圧力： 35 kg／cm² （３）噴射流量： 15 Nm³／分（４）流量比：旋回性ガス・・・ 50％直進性ガス・・・ 50％アトマイズ中の運転状況は溶融金属の吹き上げもなく安
定しており、製造されたチタン合金（Ti−６Al−４Ｖ）
粉末の平均粒径は73μｍで球状かつ均一であった。

【００３０】（実施例３）溶融金属としてテルビウム鉄
合金を使用するため、棒状の合金原料を高周波誘導コイ
ル内に回転させながら挿入して、溶融・流下させ、図２
に示すガスノズルによってガスジェットを噴射し、テル
ビウム鉄合金粉末を製造した。このときのアトマイズ条
件は下記の通りである。

【００３１】１．溶融テルビウム鉄合金流下量： 3.1 kg／分２．ガスノズル仕様（主要寸法）ガスジェット噴射径（Ａ）：30mm、空洞部直径（Ｂ）： 160mm 空洞部有効高さ（Ｃ）：30mm ３．ガスジェット条件（１）使用ガス：アルゴン（２）噴射圧力： 30 kg／cm² （３）噴射流量： 12 Nm³／分（４）流量比：旋回性ガス・・・６０％直進性ガス・・・ 40％アトマイズ中の運転状況は溶融金属の吹き上げもなく安
定しており、製造されたテルビウム鉄合金粉末の平均粒
径は57μｍで球状かつ均一であった。

【００３２】

【発明の効果】本発明の金属粉末の製造方法および装置
によれば、アトマイズ法における溶融金属の吹き上げ現
象、それに起因するガスノズルの閉塞トラブルを回避す
ることができ、高融点金属や活性金属およびこれらの合
金の溶融金属から安定して球状かつ均一、微細な金属粉
末を製造することができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転ベクトルを有するガスジェットを
円柱状の溶融金属に噴射して金属微粉末を製造する状況
を説明する図である。

【図２】本発明のガスノズルの構造例を示す断面図であ
り、（ａ）は縦断面図を、（ｂ）は水平断面図を示す。

【図３】実施例１におけるアトマイズ条件と粉末平均粒
径、運転状況との関係を示す図である。

【図４】ガスジェットによって溶融金属を噴霧するガス
ノズルの一般的な構成を説明する概略図である。

【符号の説明】

１…ガスノズル、２…ガスジェット、３…溶融金
属、４…金属微粉末５…空洞部、６…旋回性ガス導入口７…直進性ガ
ス導入口８…スリットＡ…ガスジェット噴射径、Ｂ…空洞部直径、Ｃ…空
洞部有効高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山崎考二兵庫県尼崎市東浜町１番地住友シチックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属をアトマイズ法によって微細化す
る金属粉末の製造方法であって、流下する溶融金属に回
転ベクトルを有するガスジェットを噴射させることを特
徴とする金属粉末の製造方法。
【請求項２】上記の回転ベクトルを有するガスジェット
が旋回性のガスジェットと直進性のガスジェットとの組
み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の金属
粉末の製造方法。
【請求項３】ガスノズルを備え溶融金属をアトマイズ法
によって微細化する金属粉末を製造する装置であって、
前記ガスノズルは流下する溶融金属にガスジェットを噴
射するスリットを有し、かつ外部から供給されるガスを
旋回させる円環状の空洞部と、円環状の空洞部の接線方
向にガスを供給するガス導入口と、円環状の空洞部の中
心に向かう法線方向にガスを供給するガス導入口とを具
備することを特徴とする金属粉末の製造装置。