JPS58221201A - 金属粉末の品位を高める方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、チタニウム、ジルコニウム又ハハフニウムの
粉末の品位を高める方法に関する。

より詳細には、本発明は、チタニウム、ジルコニウム又
はハフニウムの粉末のプラズマによる純化法に関する。

チタニウム合金類は耐腐食性が高く、比較的比重が低い
ので、たとえば航空宇宙工業のような多様な用途に理想
的に適合するものである。

これに加えて、ジルコニウムはニュートロン横断面が比
較的に小さいという特性を備え、ハフニウムはニュート
ロン横断面が大きいという特性を備えているから、ジル
コニウム及ヒハフニウムは核燃料技術分野における多様
な用途に理想的に適合するものである。しかしながら、
この種の金属類を広汎な用途に用いることは高価格であ
るという理由から厳しい制約を受けてきており、今後も
この制約を受は続けると考えられ、この種の金属類が高
価格であるのは従来技術による金属製造時における高エ
ネルギー消費及びバッチ法による製造であること更には
仕上がった部材を製作する際に出る多量の材料が無駄に
なることがその原因である。たとえば、部材の形に製作
されたチタニウム１ポンド（４５０グラム）につき、７
〜８ポン“ド（約３．５に９前後）もの材料が廃棄物と
して捨てられることがあム同様に、ジルコニウム及びハ
フニウムの処理・加工時にもかなりのスクラップが生じ
、従ってコスト節減のためではあるが工程自体に高い費
用を要するスクラップの再処理が必要となる。

加工金属部品の高コストを回避する最も有望な手法の一
つは粉末冶金（以下、ＰＭと表記する）である。このＰ
Ｍ技術は、公知の通り必須工程として粉末製造工程とそ
れに続く締固め（ｃｏｍｐａｃｔａｔｉｏｎ）工程とを
有する。技術史的には金属製部品のＰＭによる製造方法
としては２種の異なる方法が開発されている。その−は
予め合金にして郭いた粉末を加熱均等加圧する方法であ
り、他の一つは冷間締固めとそれに続く混合した元素状
粉末の焼結とから成る方法である。

しかしながら、どちらかの方法を最適な方法に仕上げ最
終的な製品を相当する鍛錬法による金属部品と少なくと
も同等の諸特性を持ち、価格の安いものとするためには
、なおかなりの技術的発展が必要である。

チタニウム粉末は柔かくて延性に富み、チタニウムの各
種粉末は既に市場で入手できるから、締固め前に元素状
金属粉末を直接混合するＰＭ法によるチタニウム合金製
部品の製法は、原理的には、経済的に魅力のある方法で
ある。しかしながら、現状においては、磨砕した粉末を
用いる公知の商業的規模で実施されているクロール法（
Ｋｒｏｌｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）又はハンター法（Ｈｕｎ
ｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓ）によるチタニウム製スポンジは
、原理的には塩化物類（たとえば、チタニウムの場合は
一般に０．１５重量％、ジルコニウムの場合は０．５重
量％）に由来する高い残留不純物含有量を示す結果とし
て、最終的なＰＭ法による材料中の気孔率が高くなると
いう大きな欠点がある。

たとえば、１９８０年２月２６日〜２８日に開催された
ＡＩＩ　の冶金学会（Ｔｈｅ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃ
ａｌ　５ｏｃｉｅｒｙ○ｆ　ＡＩＭＥ’　８）の第１０
９回年会講演集第１７５〜１８７頁に発表されたビー・
アール・アンダーソン及びピー−シー　＊　工ｏ　７　
（Ｐ、Ｒ，Ａｎｄｅｒｓｏｎ　ａｎｄ　Ｐ、Ｃ，Ｅｌｏ
ｆｆ）　ノ報文によれは、元素状金属混合処理技術によ
り高密度ＰＭ（チタニウム、バナジウム、アルミニウム
）材料を仕上り部品の形にし、チタニウム／アルミニウ
ム／バナジウム合金の鍛錬品について規定された最低規
格特性値を越える特性値が得られている。しかしながら
、残留塩素含有量により寸 高密度チタニウム合金製品の微細構造に有害が　５　− 影響がもたらされる（上記報文の第１８０頁の法論参照
）。

従って、市販されているチタニウム粉末の塩化ナトリウ
ム含有率を減少させる経済的な方法が必要とされる。

又、プラズマ処理による規程かの高融点耐火性粉末の球
状化処理法が一般に知られている。

〔たとえば、１９７７年１月刊行のＩ＆ＥＣ・プロセス
・デザイン・アンド・ディベロップメント（Ｉ　＆　Ｅ
　ＣＰｒｏｃｅｓｓＤｅｓｉｇｎ　＆　Ｄｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ）　（Ｄ　第１６巻、第１０８頁以降に掲載さ
れた［交流アーク加熱器を用いる磁鉄鉱の球状化Ｊ　（
Ｍａｇｎｅｔｉｔｅ　Ｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚａｔｉｏｎ
Ｕｓｉｎｇ　ａｎ　Ａｌｔｅｒｎａｔｅ　Ｃｕｒｒｅｎ
ｔ　Ａｒｃ　Ｈｅａｔｉｎｇ）と題スるエム・ジー・フ
ェイ、シー・ビーｅウォルフ及ヒ１７ｍジエイ１１　バ
ー　ヘイ（Ｍ、Ｇ、ｒｅｙ、　Ｃ、Ｂ　、　Ｗｏｌｆ　
ａｎｄＦ’　、　Ｊ　、　Ｈａｒｖｅｙ）による論文：
　１９７５年にフランスのオテｏ　（Ｏｄｅｉｌｌｏ）
　テ開かれたＩＵＰＡＣ−ＣＭＲＳノ「熱プラズマにお
ける輸送現象の研究及び応用に関する国際円卓会議の成
果」中で公刊された「アーク加熱ガス流中の粒子加熱転
移モデル」　６　− と題するエフ・ジエイ・ハーベイ、テイーエヌ・メイヤ
ー。

アール・イー・コツトマン及びエム・ジーーフエイ（Ｆ
’、Ｊ。

Ｈａｒｖｅｙ、Ｔ、ＮｏＭｅｙｅｒ、Ｒ，Ｅ、Ｋｏｔｈ
ｍａｎｎ　ａｎｄ　Ｍ、Ｇ。

１ｉ’ｅｙ）による先行文献を参照されたい。〕従って
、本発明は、プラズマ反応器の内部でプラズマを発生さ
せ、少なくとも１種のアルカリ金属又はアルカリ土類金
属のハロゲン化物から成る塩爽雑物を含有する粉末化し
たチタニウム、ジルコニウム又はハフニウムを供給し、
前記プラズマによって前記金属と前記の塩爽雑物とを物
理的に分離し、前記金属を冷却し、高品位になった前記
金属を回収することを特徴とする金属粉末の品位を高め
る方法を提供せんとするものである。

本発明は、夾雑不純物として、アルカリ金属又はアルカ
リ土類金属のハロゲン化物を含有する細かく粉砕された
市販の金属粉末の品位を高めるものである。プラズマ流
を通過した後に金属をプラズマ流の下流で冷却し、品位
の高くなった粉末として回収することができる。好まし
くは、物理的分離（即ち、プラズマ加熱）は喪雑塩（た
とえばＮａＣ）、ＭｇＣ’　２　）の沸点以上の温度で
行なって、爽雑塩を蒸発させる。その結果、金属と塩と
を別々に集めることができる。純化された金属の表面か
ら残留爽雑物を取り除くために、必要な場合には、次の
工程として洗浄を行なってもよい。

クロール法（ｉ＜ｒｏｌｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ）又はハン
ター法（Ｈｕｎｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ）　ニよッテ製
造された市販ノチタニウム粉末又はスポンジ（或いは、
たとえばＺｒ及びＨｆの同等品）の品位を経済的な方法
で高めることにより、元素金属粉末混合物の粉末冶金法
による高密度の部品の容易な製作が可能になり、粉末の
塩化物含有率を下げ、所望する場合には、球状化され純
化された粉末を製造する能力を含めて最終製品の粒度を
制御できる。

プラズマ発生源を組み込んだプラズマ反応器を用いるの
が好ましい。プラズマ源としてはアーク加熱器（プラズ
マ・トーチ）を用いることもでき、電気アークを使用せ
ずに、たとえば無線毎波数トーチ（ｒａｄｉｏ　ｆｒｅ
ｑｕｅｎｃｙ　ｔｏｒｃｈ）によってプラズマを発生さ
せることもできる。

本発明のより明解な理解のために、図面を参照しつつ、
本発明の好ましい実施例を例示して説明を加える。

添附の図面において、プラズマ反応装置１０は、１基又
は２基以上、好ましくは６基のアーク加熱器１２（図面
には２基示されている）を有するが、これらのアーク加
熱器の作動及び構造は米国特許第３，７０５，９７５号
及び第３，８３２，５１９号明細書に記載されたものと
同様である。上記の引用特許明細書に完全な開示がなさ
れていることを考慮に入れ、本明細書中においては、ア
ーク加熱器１２についての説明は基本的な構造及び作動
のみに限ることにする。各アーク加熱器１２は、出力レ
ベル最大約３５００キロワツトの単相自己安定型交流装
置又は三相プラント設備の場合には最大１１１力１０，
０００キロワツトの自己安定型交流装　９　− のアーク１１目熱器１２を設置する。

各アーク加熱器１２は２極の環形銅製電極１４及び１６
を暮し、これらの電極は約１ミリメートルの間隙１８に
よって隔てらね約４ＫＶの線周波数電源に適合するよう
構成さねている。アーク２０は空間即ち間隙１８で発生
し、入口２２から入って来る不活性ガスによりアーク２
０が間隙からアーク室２４の内部に吹き込まわる。入口
２２から入って来るガスは、品位向上処理される金属に
合ったものでなければならす、不活性ガス、水素又はこ
れらの混合物から成る群から選択されるガスの一種であ
ればよい。好ましい不活性ガスはアルゴンである。アー
ク２０は、アーク電流（最大数千ボルトの交流）と内部
に設けた磁場コイル２６及び２８によって作られる直流
磁場との相互作用により、約１０００ＲＰＳの速度で回
転する。

速度を付１１０することによりこの型式の設備の場合に
おける作動効率を極めて高いものにすることができ、ガ
スによって噴射注入された細長いアークは下流にあるガ
ス充満室６０に入る。チ　１０− タニウム、ジルコニウム又はハフニラムラ含ム供給スト
ック金属粉末を加圧下で入口６２を介して導入し、プラ
ズマにより加熱されているガスと直接接触させる。

図面に示したように、アーク加熱器１２は管状部材３４
に取りつけられ、管状部材６４から半径方向に延びてい
る。部材ろ４は、好ましくは、円筒形であってガス充網
室６０ヲ形成している。部材３４は、品位向上反応のガ
ス状生成物及び粒子状生成物の遠心分離を増進するよう
接線方向に設けられた分離器６６に接続さ第１ており、
たとえば夾雑塩類のような軽いガス状生成物は出［１部
材６８ヲ通って分離器６６から出てゆき、重い粉末状ノ
チタニウム、ジルコニウム又はハフニウムは分離器の下
端部にある出口４０を通って１］１てゆく。

分離器は、冷却水人口４４と冷却水出口４６を有する冷
却ジャケット４２によって冷却されている。

得ら才する金属製品は、るつは４８に落下し、品位が向
−１−シた粉末５０はこのるつほに集められる。

アーク加熱器の作動時には、電気アークは先ず銅電極１
４と１６との間で発生ずる。不活性ガス（たとえばアル
ゴン、ヘリウム等）の加圧流即ちさや状のガス流を両電
極の中間に位置するへロ２２ヲ介して導入する。このよ
うな方法で、プラズマ・アーク２Ｄの長さをガス充満室
３０及び金執粉末の通路に同かつて引き延ばし、所望す
る熱接触及び滞留時間にすることができる。好ましくは
、与えらねた粒子供給速度に対して最低の流速の活性ガ
スを使用する。粒子の流速表プラズマ出力（温度）とは
、金属が熔融はするが超細粉の材料になってしまう強度
の蒸発は起こらないよう、流速と出力を調節する。既知
の基本理論に従い、アーク・プラズマ中における滞留時
間及び熱伝達を計算することができる。アーク加熱器で
の熱伝達の数学的モデル化は、前出のエフ・ジエイ・ハ
ーベイ（Ｐ、Ｊ　、Ｈａ　ｒＶｅｙ）　等（１）ＩＵＰ
ＡＣ所載の文献に詳細に記載されており、この文献を参
照文献として本明細書に引用する。

同様に、アーク加熱器作動の全工程及び関連機器につい
ては、米国特許第４　、０８０　、１９４号及び第４．
１０７，４４５号明細書により詳細に記載されている。

急冷室即ち冷却室としては、当該技、術分野で公知のど
の型式のものを用いてもよい。好ましくは、冷却塔の壁
部を二重壁又は二重管とし、熱伝達を制御するために用
いる内部冷媒を循環させる。当該技術分野で知られてい
るように、室全体の内壁を選択したセラミックの円筒形
内張りでつ＼み、冷却条件を変え或いは壁部上に拗縮す
る製品を集めるよう構成することもできる。プラズマ反
応器には各種の製品蒐集手段を組み込むこ吉ができる。

例示したようにサイクロン式分離器３６を用いてもよく
、フィルタ一方式、静電式沈降方式その信置等の効果を
持つ方式を採用することができる。

脚雑不純物を持つ金属粉末粒子がプラズマ加熱ガス中に
入りガス中を通過すると、融点がより低くより蒸発し易
い夾雑物は液化してスポンジ構造の細かい粒子の格子か
ら蒸気の形で逸出すると考えられる。プラズマ流中に充
分な滞留　１６一 時間留まらせると、金属は熔融し、工程全体は個別の粒
子を基本単位とする熔解と相分離の現象としてとらえる
ことができるものになる。固体粒子が熔融すると、粒子
は表面張力の影響下で収縮し熔融小滴になる。この球形
の形状は粒子が冷えて固体になった後にもそのま＼保持
される。小滴の冷却及び蒐集の方法は、製品の性状を決
定する要因であり、幾つかの可能な方法がある。夾雑不
純物である塩かガス状である（即ち、高温条件下にある
）とき船とサイクロン又は類似の装置を用いて個々の金
属粒子を集めると、一工程で効率良く分離され高純度の
製品が得られる。しかしながら、この方式は高価な高温
蒐集設備を必要し、得られる加熱粉末が自己結合する慣
れかある。別法として、粒子の凝集の危険をなくすため
に、プラズマ流中で高品位になった金属を急冷し低温度
で集めることもできる。この別法によれば、金属の融点
以上の温度で高品位になった球形粒子を製造することも
でき、粒度分布を大きく変えるこ吉なく低温度１４− で旨品位になった粗粒のスポンジ状粒子を製造すること
もできる。しかしながら、この別法の＋ 場合には、個別の喪雑物粒子が金属粒子付着又は接着し
たり、或いは部分的に固状の夾雑物層で覆われた金属粒
子の数か増える慣れがある。

分離が不完全である場合には、次の工程で水又は弱酸液
で洗浄すればよい。粉末のプラズマ処理によって同時に
分離されたこん跡量の鉄その他の不純物を除去するため
にも、酸水溶液による洗滌工程が有益である。

本発明によるプラズマによる金属粉末の品位向−に方法
は、典型的な市販のチタニウムの場合には約０．１５重
量％、ジルコニウムの場合には約０．５重量％程度含ま
れているノ１０ゲン化物、特にＮａＣ４千を除去する極
めて効果的な方法である。

しかしながら、上述の典型的な含有量を遥かに越えた濃
度の場合並びに類百ＰＰｍ又はそれ以下の の濃度の場合においても、本発明枡目的を同等に達成す
ることができる。本発明方法は、Ｍｇ。

”　ｇ　Ｃ’　２　＋　Ｎａ　、　Ｆ　ｅ及びＣｒヲ含
有する化合物（こねらは例示の目的で示すものであり、
本発明方法により除去できる夾雑不純物はこわらには限
定さねない）並びに所望する場合に（Ｊ鉤半するＨ２と
いったチタニウム、ジルコニラＬ　＆　（Ｊハフニウム
の製造に特有なその他の望ましくないこん跡量の夾雑不
純物を減少させるためにも有用な方法であると考えらね
る。金属から夾雑不純物を直接に分離するためには、好
ましくはプラズマ反応器内の粉末の温度を夾雑物の沸点
より高く、金属粉末の沸点より低くできれば金属粉〕 末の融点よりも低くする。−例を挙げると、チタニウム
からＮａＣノを分離する際の最低温度は約１４１６℃、
最高温度は約６３２７℃である。

金属粉末をプラズマ反応器内及びアーク加熱器等から出
る加熱ガス中に噴射する方法としては、当該技術分野で
知られた従来技術のどの方法を採用してもよい。プラズ
マ流を適切に侵入させるには、好ましくは、高速度であ
ることを要する。所望のプラズマ・ジェットの尾即ちプ
ラズマ流をつくるために用いたアルゴン、ヘリウム等の
加圧された不活性担体ガスを利用して、金属粒子をプラ
ズマ中に掃入又は噴射注入するのが好ましい。所望する
化学反応を起こさせるために、場合によっては、目的に
合わせて選定した反応性ガス類を不活性ガス流に混入す
ることもできる。従って、アルゴン流に水素を添加して
、品位向上工程中で水素化チタニウムを製造することも
本発明の目的の一部であると考えら才する。

広い意味では、加熱の形式とは無関係に、あらゆる型の
公知のプラズマ・アーク加熱器を用いて本発明方法を実
施できる。アーク加熱器は交流型でもよく、直流型でも
よい。同様に、例示したアーク加熱器の代わりに、公知
の各種の代替装置を用いることができる。

本発明による方法の採用によって達成できる利益は、金
属粉末の純化並びに球状化の程度を制御しつ５行なわれ
る粒度分布の維持のみに存するのではな（、本発明方法
は経済的にも魅力があり極めて好ましい方法である。現
場でのプ　１７− ラズマ球形化工程では、注入された材料１ポンド（４５
０グラム）当たり僅かに２〜６キロワツチ ト・時の電力しか消費しない。たとえば、やタニウムの
熔融に要する最小エネルギー量は理論上は約１　、７８
ｋｗ−ｈｒ／に７　（Ｑ、８ｋｗ、ｈｒ／ポンド）であ
る。従って、プラズマ・ガスに要する費用と推定無効分
とを含めて、本発明によるチタニウム粉末の品位向上処
理にか＼る上積みコストは、スポンジ状綿粉末の市場価
格の１０％以下であると見積ることかできる。この僅か
の上積み処理コストは、品質の向上及びチタニウム粉末
の応用範囲の拡大によって補って余りあるものといえる
。

【図面の簡単な説明】

添附の図面は、金属粉末の品位を高めるのに使用するプ
ラズマ反応器の一部切断説明図である。 １０・・・プラズマ反応器、１２・・・アーク加熱器、
１４゜１６・・・環形銅製電極、１８・・・間隙、２０
・・・アーク、２２・・・入口、２４・・・アーク室、
２６　、２８・・・磁場コイル、１８− ３０・・・ガス充満室、６４・・・管状部材、３６・・
・分離器（サイクロン）、３８・・・出口部材、４０・
・・出口、４２・・・冷却ジャケット、４８・・・るつ
ぼ、５０・・・製品粉末。 　１９−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　プラズマ反応器の内部にプラズマを発生させ、ア
   ルカリ金属又はアルカリ土類金属のハロゲン化物から成
   る塩類夾雑不純物の少なくとも１種を含むチタニウム、
   ジルコニウム又ハハフニウムを前記プラズマを介して供
   給して前記金属と前記塩類夾雑不純物とを物理的に分離
   し、品位が高められた金属を回収することを特徴とする
   金属粉末の品位を画める方法。 ２、　塩類夾雑不純物が塩化ナトリウムであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ６、　高品位になった金属がプラズマ反応器の内部で冷
   却され高品位の金属粉末の形で回収されることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。 ４、　夾雑不純物である塩の沸点以上の温度で物理的分
   離を行ない、従って前記爽雑塩が少なくとも部分的に蒸
   発する条件で物理的分離が行なわれることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載の方法
   。 ５、　物理的分離の結果、前記夾雑不純物の少なくとも
   一部分が高品位になった金属の表面上に存在するように
   なり、次いで前記の高品位になった金属を水洗すること
   により金属表面」二の夾雑不純物を取り除くことを特徴
   とする特許請求の範囲第４項に記載の方法。