JPS61153208A - 高融点金属を媒体とした金属超微粉の製造法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高融点金属の共存下、つまり高融点金属と溶
質金属（超微粉を製造しようとする金属）とを少なくと
も含む合金を原料として、プラズマ・アーク加熱溶融す
ることにより、効率的に金属超微粉を製造する方法に関
するものである。本発明で得られた金属超微粉は、磁性
材料、焼結用金属粉末、耐食性材料、触媒材料等の有用
な機能性材料である。

（従来の技術） 従来の金属超微粉の製造方法は、物理的方法としてはア
トマイズ法、ガス中蒸発法等があり、アトマイズ法では
、溶融金属を気体、液体等の冷媒で飛散冷却する方法で
あるが、粒径１μｍ以下の超微粉を得ることは極めてむ
ずかしい方法である。

ガス中蒸発法は真空もしくは低圧気中で金属を蒸発・凝
縮させる方法であるが、鉄などの蒸気圧が低く、融点の
高い金属の超微粉製造は、極めてむずかしい方法である
。

化学的方法としては、熱分解法、ガス還元法、気相反応
法が知られている。熱分解法は金属のカーボニル塩を一
酸化炭素気流中で熱分解する方法であるが、カーボニル
塩を原料とするため、製造可能な対象金属が極めて限定
される欠点がある。

ガス遣元法、気相反応法は、金属塩化物を融点以下の温
度又は気化した蒸気を水素又は−酸化炭素により還元し
て、超微粉を得る方法で、この方法は連続操業が可能な
反面、水素−酸化炭素の還元力が弱く、超微粉化し得る
対象金属が限定される欠点がある。又、物理、化学的方
法として、水素プラズマ−金属反応法があり、この方法
は本発明と同じく水素プラズマにより、活性化した水素
を溶融金属と反応させ、溶融金属に過飽和に溶解した水
素の再結合、放出過程において、溶融金属を強制蒸発、
凝縮させる方法である。そのためガス中蒸発法に比べ、
溶解水素が触媒の作用としてより一層蒸発速度が早くな
るため、各種金属超微粉の製造が可能である。（大野　
悟、宇田雅広：日本金属学会誌　第４８巻　第６号（１
９８４）Ｐ６４０〜ｐ６４６） し力）しながら、水素プラズマ−金属反応法における超
微粉発生速度は、溶解水素の触媒作用を利用していると
はいえ、やはり金属の蒸発現象であるため、その金属個
有の沸点、蒸気圧等の物理的因子に依存している。その
ため、水素プラズマ−金属反応法は、金属超微粉生成速
度の面より実用的には、対象金属がマンガン、アルミニ
ウム、クロムに限定される欠点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は従来の水素プラズマ−金属反応法では生成速度
が遅いため、生産性の面より実用的でなかった金属でも
本発明により極めて生成速度が上昇するため、金属超微
粉の製造が実用的となり、しかも従来製造困難であった
多種の金属を超微粉とすることが可能となる。

（問題点を解決する方法） 本発明の要旨は、高融点金属の共存下つまり高融点金属
と溶質金属（超微粉の製造を目的とする金属）とを含む
合金を原料とすることにより、合金中の高融点金属が触
媒の作用をして、従来の水素プラズマ−金属反応法に比
べ、金属の蒸発速度が数倍以上早くなり、極めて生産性
の高い高純度の金属超微粉の製造法にあり、以下詳細に
ついて説明する。

（作　用） 本発明における高融点金属は溶質金属より融点が高けれ
ばよく、元素周期表のＶＡ、ＭＡ族の金属があり、さら
に好ましくはニオブ、タンタル。

モリブデン、タングステンといった融点が２０００℃以
上の金属がよい。又、溶質金属は、元素周期表ＩＢ、Ｉ
！ＩＢ、ＩＶＢ、ＭＡ、■Ａ、■族の金属があり、この
ような金属として、銅、アルミニウム、ケイ素、クロム
、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルがあげられる。

本発明の原料としては、高融点金属を一種以上含み、超
微粉を得ようとする金属、つまり溶質金属をも含む合金
であれば特に制限されない。原料にはフェロニオフッフ
ェロタンタル、７エロモリブデン、フェロタングステン
などの高融点金属のフ二口・アロイも含まれる。また、
溶融高融点金属と溶質金属との混合溶融浴からも金属超
微粉の製造が可能である。合金組成としては、プラズマ
・ア−りによる加熱温度や蒸発速度の関係で、通常は溶
質金属を２　ｗｔ％以上含まれているものを用いること
が好ましい。又その形状は特に制限されない。

本発明では、プラズマ・アークの作動ガスとして、水素
を含むガスを用いるが、この作動ガス中の水素濃度は、
２　ｗｔ４以上であればよく、水素濃度が高いほど溶出
金属の蒸発速度は早くなる。水素以外のガスとしては、
アルゴン、ヘリウムが用いられる。プラズマ・アークに
よる溶解温度は、高融点金属と溶質金属との合金組成に
より融点が変わるため変動するが必要以上に高温度にす
ることはエネルギーロスが多くなるので好ましくなく、
経済的には融点から融点＋２００°Ｃの範囲で溶解する
。プラズマ・アーク溶解は通常大気圧で行なうが、製造
目的の金属超微粉によっては、減圧もしくは加圧で行な
ってもよい。

高融点金属の蒸気圧は、通常の溶解温度では、低いため
蒸発ロスは少なく生成金属超微粉の純度は非常に高いも
のが得られる。本発明で蒸発した金属を通常のガス、水
冷等の冷却手段により冷却し、サイクロン、バックフィ
ルター、電気集塵機等の捕集手段により捕集回収する。

捕集された金稿粉は粒径が数ｎｍ〜ＩＱＯｎｍの粒度分
布の狭い均一な金属超微粉である。得られた金属超微粉
は、磁性材料、焼結用金嬉粉末、触媒材料、耐食材料等
の用途に利用出来る。

本発明によれば、高融点金用と溶質金属とを含む合金を
水素プラズマ・アークで溶解すること罠より、合金中の
高噌点金属が媒体（触媒の作用）となり、従来の水素プ
ラズマ−金属反応に比べ、金属の蒸発速度（超微粉生成
速度）が数倍以上も早くなり、より効率的な高純度超微
粉の製造が可能となった。本発明に使用する装置は、パ
ッチ式でも連続式でも構わない。好ましくは第１図に示
すような溶質金属を連続的に供給する装置を用いること
が望ましい。

具体的に連続金属超微粉製造装置の操業法を説明すると
次のようＫなる。

最初に水冷銅ルツボ上（６）に母合金と溶質金属を乗せ
る。鉄ロッド（８）を連続供給袋！（７）Ｋ取付ける。

次に炉体（１）、超微粉回収装置（９）を真空排気装置
にて１〜Ｑ、ＩＰａの真空度まで排気後炉内の圧力を水
素−アルゴンの混合ガスにて大気圧まで戻す。その後ガ
ス循環精製装置００にてガスを循環させる。プラズマ・
フレーム（４）は、プラズマ・トーチ（３）にプラズマ
作動ガスを流しながら高周波電源の補助により、プラズ
マ・アークを発生させ安定したプラズマｅフレームを得
る。このプラズマ拳フレーム照射により、水冷銅ルツボ
上の母合金は、約２分にて全量溶解するが、プラズマ・
フレーム照射直後より溶質金属の蒸気は少量ではあるが
発生してくる。金属浴（５）の形成とともに溶質金属の
蒸気の発生が激しくなるため、溶質金属ロッド（８）を
プラズマ・フレーム内の連続的に供給し、溶質金属蒸気
発生量と溶質金属ロッド供給量を調整しながら操業を続
ける。溶質金属蒸気はサイクロン・バックフィルターＱ
！１にて回収される。回収した超微粉は別室にて安定化
処理を施し、装置より取出す。

鉄ロッド供給終了後、直ちにプラズマ・アークを停止す
る。溶出金属ロッドを再補充後、同一操作にて金属超微
粉を製造する。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように本発明によれば（１）　
　高融点金属の共存下、つまり高融点金属と溶質金属と
の合金を水素プラズマ・アーク加熱溶融すること圧より
、従来の水素プラズマ−金属反応法に比べ数倍以上の速
度で金属超微粉が得られる。

（２）従来の水素プラズマ−金属反応法では、製造が実
用的に困難であった鉄、ケイ素、ニッケル等の蒸気圧の
低い金属でも、超微粉が効率よく製造できる。

（３）得られた超微粉は高融点金属をほとんど含まない
ため、高純度で、その粒径は数ｎｍ〜１０Ｑｎｍである
ため、磁性材料、焼結用金属粉末、耐食性材料、触媒材
料等の用途に使用することが出来る。

次に実施例及び比較例で更に詳細に説明するが、本発明
はこれらに限定されるものではない。

（実施例） 実施例１ （母合金の作成法） 市販の金属ニオブ１４０ｇと金属鉄６０ｇとを出力１０
０需のプラズマ・アーク炉にて、水冷銅ルツボを用いて
、アルゴンのプラズマ作動ガスにて表、実名１回、各２
分間溶解した。溶解後ニオブ鉄合金を化学分析した結果
、ニオブ７Ｑ、１ｗｔチ、鉄２９．９　ｗｔチであった
。

とのニオブ鉄合金２（ＬＩＦを別の出力２０ＫＷのプラ
ズマ・アーク炉にて最初はアルゴンの作動ガスを使用し
て、水冷銅ルツボ上にて溶解し直ちにアルゴンに水素を
５０ｖｏ１％混合して、１分間溶解を続けた。溶解の際
蒸発した鉄（実施例５．６ではクロム、実施例７ではケ
イ素、実施例８ではニッケル）の微粒子は排ガスと共に
、プラズマ・アーク炉に接続したサイクロンパックフィ
ルターに導き、捕集回収した。実験の結果、プラズマ・
アーク炉の水冷銅ルツボ上には１６４ｇの未反応のニオ
ブ鉄母合金が残り、この母合金の化学分析の結果、ニオ
ブ８５．９　ｗｔ係、鉄１４．１　ｗｔチであった。

又、サイクロンバックフィルターにて回収した微粒子は
１５９で螢光Ｘ線の解析では鉄のみが検出され、ニオブ
は検出されなかった。化学分析の結果、ニオブは２　ｐ
ｐｍであった。また得られた鉄粉の結晶粒子形状を示す
ために電子顕微鏡写真を第２図として示す。その粒径は
数ｎｍ〜１１００ｎであり鉄超微粉が製造されたことが
確認された。

実施例２．翫４５．へ７，８ 実施例１と同様に、予め所定濃度の母合金を溶解作成し
、化学分析によりその組成を確認後、金属超微粉製造を
実施した。

比較例１．２．４４ 金属鉄（金属クロム、金属ケイ素、金属ニッケル）を用
いて、水素−アルゴンプラズマによる鉄等の超微粉製造
実験を本発明と比較するため実施例１と同様の方法で実
施した。

実施例９．１０ 原料の母合金の変わりにフェロアロイ（フェロニオブ、
フェロモリブデン）を用いて水素−アルゴンプラズマに
よる鉄超微粉製造実験を実施例１と同様の方法で実施し
た。実施例２〜８．９〜１０、比較例１〜４の結果を第
１表にまとめた。

実施例２〜１０、比較例１〜４で得られた金属超微粉は
、いずれも実施例１と同様に螢光Ｘ線解析では不純物は
検出されず、電子顕微鏡観察でもその粒径は数ｎｍ〜１
１００ｎであった。

実施例１１ 第１図に示す様な連続金属超微粉製造装置を作製し各種
高融点金属と溶質金属との合金を用いて実験を行なった
。

水冷銅ルツボには、市販の金属モリブデン５２０９、金
属鉄８０９を予め乗せておき、出力１００ＫＷのプラズ
マトーチにて作動ガスをアルゴンにして溶解した。溶解
後直ちに作動ガスに水素を混合しアルゴン５０ｖ０１ｅ
ＩＰ、ｊ水素５０　ｙｏ’１４のガスにて鉄蒸気を発生
させた。

鉄蒸気の発生と同時に鉄ロッドを２０９／Ｍの供給速度
にて連続的に溶融合金浴中に供給した。

連続的に蒸発する鉄微粒子は、超微粉回収装置で捕集回
収した。プラズマ作動ガスもガス精製装置にて精製後循
環再使用した。実験は５時間行なった結果、炉内の水冷
銅ルツボにはモリブデン鉄合金が４０４ｇ残り、化学分
析ではモリブデン７９、１　ｗｔ係、鉄２［Ｌ７ｗｔチ
であった。又回収装置に捕集された鉄超微粉は５６９６
９でありその回収率は９５チであった。又その回収鉄超
微粉の化学分析ではモリブデン５　ｐｐｍであった。電
子顕微鏡観察でもその粒径は数ｎｍ〜１１００ｎであっ
へ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いる反応製蓋の概略図で
あり、第２図は本発明の一実施例で得られた鉄超微粉の
結晶形状を表わす電子顕微鏡写真（５［１，Ｑ、（１゛
、０倍猜示すものである。 第１図において、各記号は次の内容を示す。 １・・・炉体 ２・０．プラズマ炉電源 ３・・・プラズマ・トーチ ４・・・プラズマ・フレーム ５・・・溶融金属浴 ６・・・水冷銅ルツボ ７・・・鉄ロッド連続供給装置 ８・・・鉄ロッド ？・・・超微粉回収装置 １０・・・ガス循環精製装置 特許出願人　　東洋置達工業株式会社 第　　１　　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高融点金属と溶質金属との共存下で、プラズマ・
   アーク加熱溶融することを特徴 とする金属超微粉の製造法。
2. （２）高融点金属としてＶＡ及びVIＡ族に属する１種以
   上の金属を用いる特許請求の範囲第１項記載の製造法。
3. （３）ＶＡ及びVIＡ族に属する金属として、ニオブ、タ
   ンタル、モリブデン、タングステンからなる群から選ば
   れた１種以上の金属を用いる特許請求の範囲第２項記載
   の製造法。