JPWO2016152350A1 - 金属複合材料の製造装置 - Google Patents
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Abstract
工程が単純で、金属溶湯に対してセラミックス粒子を効率的に分散させる装置を構成する。キャリアガスの吹込みを利用して乾燥状態のセラミックス粒子を飛散させキャリアガスと共にセラミックス粒子を吐出するセラミックス粒子供給部を備え、吐出されたセラミックス粒子をキャリアガスと共に噴射するノズルを備え、セラミックス粒子が噴射されることによりセラミックス粒子が混入する金属溶湯を貯留する溶湯貯留部を備えた。
Description
本発明は、粒子を溶湯に混入させることにより金属複合材料を製造する装置に関する。
金属複合材料の製造装置として特許文献１には、金属蒸気発生室で発生させた金属蒸気と反応ガスとの混合により得られる金属化合物の微粒子を、ノズルから金属の溶湯に噴射して金属化合物の微粒子を金属溶湯に分散させることで、金属化合物粒子が分散した複合金属材料を製造する技術が示されている。
また、特許文献２には、セラミックス（ＳｉＣ）粉末とマグネシウム（Ｍｇ）粉末とを混合し、窒素雰囲気中でアルミニウム合金とともに加熱することにより、アルミニウム合金にセラミックス（ＳｉＣ）粉末を浸透させて中間素材を得る。次に、中間素材を所定温度で熔解し、更に、別に熔解したアルミニウムを加え、攪拌機によって撹拌することにより、鋳造用金属−セラミックス複合材料を製造する技術が示されている。
例えば、アルミニウムに対してセラミックスを混入した金属複合材料は、アルミニウムの軽量さを損なわずに、セラミックスによる剛性や耐摩耗性を向上させる。
金属複合材料の製造では、特許文献１に記載されるように粒子の噴射により、粒子を金属溶湯に対して混入し、分散させることにより、製造工程を単純化して効率的な製造を実現する。しかしながら、特許文献１に示されるように、金属蒸気と反応ガスとの反応により得られる金属化合物の微粒子を用いるものでは、粒子の種類が限られることになり改善の余地がある。
また、金属複合材料の製造を考えると、特許文献２にも示される如く撹拌によりセラミックス粒子の分散を図るものでは、濡れ性の低いセラミックス粒子であっても良好な分散が可能となる。しかしながら、特許文献２に示される製造方法では、金属複合材料を製造するために中間素材を製造する工程を必要とするため、製造工程が複雑化することになり改善の余地がある。
即ち、金属複合材料の製造装置を考えると、工程を単純化しつつ、セラミックス粒子を効率的に分散させることが求められる。
金属複合材料の製造装置の特徴構成は、キャリアガスの吹込みを利用して乾燥状態のセラミックス粒子を飛散させ当該キャリアガスと共に前記セラミックス粒子を吐出するセラミックス粒子供給部と、前記吐出された前記セラミックス粒子を前記キャリアガスと共に噴射するノズルと、前記噴射された前記セラミックス粒子が混入する金属溶湯を貯留する溶湯貯留部と、を備えている点にある。
この構成によると、セラミックス粒子供給部では、キャリアガスを吹き込むことにより乾燥状態のセラミックス粒子を飛散させるため、キャリアガスとともにセラミックス粒子を送り出すことが可能となる。また、溶湯貯留部に貯留されている金属溶湯に対して、ノズルからキャリアガスとともにセラミックス粒子が噴射されるため、噴射時にはキャリアガスから与えられる高い運動エネルギーによりセラミックス粒子を高速化できる。これにより、セラミックス粒子を金属溶湯の深い位置に刺さり込むように金属溶湯に混入させ、分散させることが可能となる。また、セラミックス粒子は乾燥状態にあるため、例えば、多数の粒子が塊となって噴出する不都合を招くことがない。更に、セラミックス粒子とともにノズルから噴射するキャリアガスは、セラミックス粒子と比較して密度が低いため、金属溶湯内部まで混入することはない。そのため、キャリアガスとともに噴射されたセラミックス粒子のみを選択的に金属溶湯に混入させることができる。従って、工程を単純化しつつ、セラミックス粒子を効率的に分散させる金属複合材料の製造装置が構成された。
また、前記セラミックス粒子供給部が、粒子貯留部に貯留されている乾燥状態の前記セラミックス粒子を前記キャリアガスの吹き込みで流動させて送り出す流動層式に構成されても良い。
これによると、セラミックス粒子貯留部に対してキャリアガスを吹き込むだけで、セラミックス粒子を流動させ、この流動を利用してセラミックス粒子の一部をキャリアガス中に浮遊させて送り出すことが可能となる。このため、キャリアガスに対してセラミックス粒子を混合させるための専用の装置を必要としない。
また、前記セラミックス粒子供給部と前記ノズルとの間に設けられて前記セラミックス粒子を搬送する流路に対し、前記キャリアガスを追加供給するガス合流部を備えても良い。
これによると、セラミックス粒子供給部とノズルとの間にセラミックス粒子を搬送する流路に形成された合流部においてキャリアガスを合流させる形態で供給することにより、セラミックス粒子を含むキャリアガスに対して、キャリアガスを加えることが可能となる。その結果、セラミックス粒子を含むキャリアガスの流速と流量とを増大させ、ノズルから噴射するセラミックス粒子の流速の増大が可能となる。
また、前記セラミックス粒子供給部が前記溶湯貯留部の鉛直上方に隣接配置されても良い。
これによると、溶湯貯留部の熱を、セラミックス粒子供給部に対して空気等の対流と、熱の直接的な輻射との少なくとも一方により伝えることが可能となる。このため、セラミックス粒子供給部に特別の加熱装置を設けなくとも、セラミックス粒子供給部においてセラミックス粒子の乾燥と加熱とを良好に行える。
また、前記セラミックス粒子供給部と前記ノズルとの間に設けられて前記セラミックス粒子を搬送する流路には、前記セラミックス粒子を加熱する加熱部が設けられていても良い。
ところで、ノズルから噴射されたセラミックス粒子が低温である場合、セラミックス粒子に接触した金属溶湯の表面から熱が奪われ、金属溶湯の粘性が増加する。その結果、続いて噴射されるセラミックス粒子が、粘性の増加した金属溶湯の表面から抵抗を受け、金属溶湯へのセラミックス粒子の投入が阻害されるおそれがある。
そこで、本構成のようにノズルの上流側流路に加熱部を設ければ、金属溶湯に噴射されるセラミックス粒子が高温に維持される。このため、セラミックス粒子によって金属溶湯の表面から熱が奪われ難く、金属溶湯の粘性の増加が抑制され、セラミックス粒子が金属溶湯の内部に円滑に投入される。また、金属溶湯の温度低下を見越して予め高温にする必要がないので、金属溶湯の高温酸化も防止され、金属複合材料の品質の向上を図ることができる。更に、セラミックス粒子が高温であるため、金属溶湯に対する濡れ性が高まり、セラミックス粒子と金属溶湯とが良好に密着して金属複合材料の強度を高めることができる。
また、前記加熱部は筒状のヒータを有し、当該ヒータの周りに前記流路を沿わせて配置していても良い。
本構成のように、筒状のヒータの周りに流路を沿わせる構成であるので、製造装置の製作が容易である。また、セラミックス粒子の目標温度に応じて、ヒータの温度を設定したり、ヒータ周りの流路長を変更したりすればよく、温度制御が容易である。しかも、セラミックス粒子自体はノズルから噴射されるまで大気開放されないので、セラミックス粒子が酸化されて、品質低下を招くこともない。
また、前記金属溶湯に混入した前記セラミックス粒子は、球状であっても良い。
本構成では、金属溶湯に混入したセラミックス粒子が球状であるので、凹凸の表面を有するセラミックス粒子に比べて、投入時に金属溶湯から受ける抵抗が小さく、セラミックス粒子と金属溶湯との密着性が高い。その結果、セラミックス粒子と金属溶湯との間の空隙を無くして、金属複合材料の強度を高めることができる。しかも、セラミックス粒子が球状であるため、金属複合材料に応力が付与された場合、セラミックス粒子と金属溶湯との界面に対する応力が分散され、疲労強度を高めることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔装置の基本構成〕
図１に示すように、粒子噴射機構Ｆと、金属溶湯Ｍを貯留する溶湯貯留部Ｄとを備えて金属複合材料の製造装置が構成されている。粒子噴射機構Ｆは、キャリアガスを貯留するガス供給源Ｆａと、貯留したセラミックス粒子Ｇ（多数の粒子の総称をＧとしている）を送り出す粒子供給部Ｆｂ（セラミックス供給貯留部）と、先端にノズル１を有する配管流路Ｆｃとで構成されている。
〔装置の基本構成〕
図１に示すように、粒子噴射機構Ｆと、金属溶湯Ｍを貯留する溶湯貯留部Ｄとを備えて金属複合材料の製造装置が構成されている。粒子噴射機構Ｆは、キャリアガスを貯留するガス供給源Ｆａと、貯留したセラミックス粒子Ｇ（多数の粒子の総称をＧとしている）を送り出す粒子供給部Ｆｂ（セラミックス供給貯留部）と、先端にノズル１を有する配管流路Ｆｃとで構成されている。
この金属複合材料の製造装置は、溶湯貯留部Ｄにおいて金属複合材料の母材となるアルミニウム等の金属を溶解し、この金属溶湯Ｍに対して粒子噴射機構Ｆのノズル１からキャリアガスと共に微細なセラミックス粒子Ｇを噴射することにより、金属溶湯Ｍにセラミックス粒子Ｇを刺さり込むように混入させ、分散させるものである。更に、この装置では、溶湯貯留部Ｄで撹拌が行われることにより金属材料に対してセラミックス粒子Ｇが良好に分散した金属複合材料が製造される。
〔粒子噴射機構〕
ガス供給源Ｆａは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスをキャリアガスとして圧縮状態で貯留するガスボンベ１１を有すると共に、ガスボンベ１１から供給されるキャリアガスを調圧バルブ１２により圧力を設定して配管流路Ｆｃ（流路の一例）に送り出すように構成されている。この配管流路Ｆｃは、粒子供給部Ｆｂとノズル１との間に設けられてセラミックス粒子Ｇを搬送する。尚、キャリアガスは、アルミニウム溶湯の酸化を抑制するために不活性ガスが好ましいが、乾燥空気を用いても良い。
ガス供給源Ｆａは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスをキャリアガスとして圧縮状態で貯留するガスボンベ１１を有すると共に、ガスボンベ１１から供給されるキャリアガスを調圧バルブ１２により圧力を設定して配管流路Ｆｃ（流路の一例）に送り出すように構成されている。この配管流路Ｆｃは、粒子供給部Ｆｂとノズル１との間に設けられてセラミックス粒子Ｇを搬送する。尚、キャリアガスは、アルミニウム溶湯の酸化を抑制するために不活性ガスが好ましいが、乾燥空気を用いても良い。
配管流路Ｆｃは、ガスボンベ１１から送り出されるキャリアガスを粒子供給部Ｆｂに供給するガス流路３と、粒子供給部Ｆｂから送り出されるキャリアガスとセラミックス粒子Ｇとの混合流を送り出す混合流路４とを備えている。更に、混合流路４はノズル１に接続しており、この混合流路４から供給されるキャリアガスとセラミックス粒子Ｇとの混合流は、ノズル１から金属溶湯Ｍに向けて噴射される。
ノズル１は、耐摩耗性の高いセラミックス材料で筒状に形成されるものであり、図２に示すように、混合流路４に接続する部位の第１内径Ｑ１と比較して、噴射口となる第２内径Ｑ２を小さくした構造を有している。これにより、ノズル１の先端から噴射するセラミックス粒子Ｇの高速化が図られている。
粒子供給部Ｆｂ（セラミックス粒子供給部）は、微細なセラミックス粒子Ｇ（多数の粒子の総称をＧとしている）を貯留する有底筒状の粒子タンク１４と、この粒子タンク１４の上部の開口を閉じるキャップ１５と、粒子タンク１４を加熱する電気式の粒子加熱ヒータ１６とを備えている。尚、セラミックス粒子Ｇの材料としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、炭化チタン等が考えられるが、これに限るものではない。
粒子タンク１４にはセラミックス粒子Ｇが貯留され、キャップ１５にはガス流路３と混合流路４とが上下方向に挿通している。ガス流路３の配管の下端部は粒子タンク１４のセラミックス粒子Ｇの貯留面より下側まで挿入され、混合流路４を構成する配管の下端部はセラミックス粒子Ｇの貯留面より上側に配置されている。
特に、この粒子供給部Ｆｂでは、ガス流路３からキャリアガスが吹き込まれることにより、微細なセラミックス粒子Ｇが粒子タンク１４の内部で流動すると共に、その一部がキャリアガスによって吹き上げられる流動層式に構成されるものである。これにより、吹き上げられた微細なセラミックス粒子Ｇはキャリアガス中に浮遊することになり、粒子タンク１４の上部空間においてキャリアガスと混合し、この混合状態で混合流路４から送り出すことが可能となる。特に、粒子タンク１４の上部空間が、セラミックス粒子Ｇを合流させる合流空間として機能する。
〔溶湯貯留部〕
溶湯貯留部Ｄは、有底筒状の坩堝２１と、この坩堝２１を加熱する電気式の溶湯加熱ヒータ２２と、これらを収容する溶湯部ケース２３と、溶湯部ケース２３の上部の開口を閉じる蓋部２４と、を備えることで電気炉として構成されている。溶湯貯留部Ｄは、金属溶湯Ｍを撹拌する撹拌ユニットＤａを備えており、蓋部２４に対してノズル１が支持されている。このノズル１は、蓋部２４に対して固定されるものであるが、例えば、ノズル１の先端から溶湯面までの距離の調節、あるいは、溶湯面に対するセラミックス粒子Ｇの噴射位置を調節できるように電動式等のアクチュエータを備えても良い。
溶湯貯留部Ｄは、有底筒状の坩堝２１と、この坩堝２１を加熱する電気式の溶湯加熱ヒータ２２と、これらを収容する溶湯部ケース２３と、溶湯部ケース２３の上部の開口を閉じる蓋部２４と、を備えることで電気炉として構成されている。溶湯貯留部Ｄは、金属溶湯Ｍを撹拌する撹拌ユニットＤａを備えており、蓋部２４に対してノズル１が支持されている。このノズル１は、蓋部２４に対して固定されるものであるが、例えば、ノズル１の先端から溶湯面までの距離の調節、あるいは、溶湯面に対するセラミックス粒子Ｇの噴射位置を調節できるように電動式等のアクチュエータを備えても良い。
撹拌ユニットＤａは、電動モータ２６駆動力で回転するシャフト２７の先端にインペラ２８を備えて構成されている。このインペラ２８が金属溶湯Ｍの内部で回転することにより金属溶湯Ｍを坩堝２１の内部で流動させ、金属溶湯Ｍに対するセラミックス粒子Ｇの分散を実現する。
この溶湯貯留部Ｄでは、蓋部２４が坩堝２１に貯留されている金属溶湯Ｍと外部の空気との接触を阻止し、蓋部２４には前述したようにノズル１が支持されると共に、ノズル１から噴射されたキャリアガスを送り出す排気流路２５が形成されている。尚、本実施形態においては、蓋部２４を設けているが、蓋部２４がない構成としても良い。この場合、ノズル１および排気流路２５は、蓋部２４以外の部材で支持される構成となる。
尚、排気流路２５から排出されるキャリアガスを積極的に排出するための排気用ポンプを備えても良い。このように排気用ポンプを備えることにより溶湯部ケース２３の内部空間の減圧が可能となり、減圧状態でセラミックス粒子Ｇを金属溶湯Ｍに噴射した場合には粒子の速度の高速化を実現する。
〔実施例：金属複合材料の製造〕
この金属複合材料の製造装置による製造工程として、金属複合材料の製造のためにキャリアガスとして窒素ガスを用い、溶湯貯留部Ｄで熔解される金属材料としてアルミニウム合金を用い、セラミックス粒子Ｇとして酸化アルミニウム又は二酸化ケイ素を用いたものを例に挙げている。また、以下の説明では８００ｇの金属材料を用いて金属複合材料を製造した際の具体的な数値を示している。
この金属複合材料の製造装置による製造工程として、金属複合材料の製造のためにキャリアガスとして窒素ガスを用い、溶湯貯留部Ｄで熔解される金属材料としてアルミニウム合金を用い、セラミックス粒子Ｇとして酸化アルミニウム又は二酸化ケイ素を用いたものを例に挙げている。また、以下の説明では８００ｇの金属材料を用いて金属複合材料を製造した際の具体的な数値を示している。
まず、セラミックス粒子Ｇを、１５０℃で１時間以上加熱することで水分を除去しておく。次に、このセラミックス粒子Ｇを複数の耐熱性樹脂ボール１８と共に粒子タンク１４に投入し、粒子加熱ヒータ１６での加熱によりセラミックス粒子Ｇの温度を１２０℃に維持する。尚、耐熱性樹脂ボール１８の直径は、混合流路４の内径より充分に大きい値に設定され、混合流路４に流れ込まないものが使用される。
これと並行して、溶湯貯留部Ｄの坩堝２１（溶湯容器の一例）に母材となるアルミニウム合金を投入し、溶湯加熱ヒータ２２による加熱により熔解を行うと共に、金属溶融（アルミニウム合金溶湯）に含まれる介在物を除去するためにフラックス処理（脱ナトリウム・脱酸・脱ガス等）を行う。尚、このフラックス処理では撹拌ユニットＤａで撹拌を行うことにより処理が促進される。
次に、溶湯温度を８００℃とした状態で、粒子供給部Ｆｂに対してガス流路３からキャリアガス（窒素）を供給することで、この粒子供給部Ｆｂでキャリアガスとセラミックス粒子Ｇとを混合し、ノズル１の先端から溶湯面に対してセラミックス粒子Ｇがキャリアガスと共に噴射される。
特に、粒子供給部Ｆｂに対してガス流路３からキャリアガス（窒素）を供給した場合には、キャリアガスがガス流路３から粒子タンク１４の底部に供給されるため、セラミックス粒子Ｇが流動される。更に、耐熱性樹脂ボール１８が粒子タンク１４内部で運動するため、セラミックス粒子Ｇが撹拌される。この撹拌により、粒子タンク１４の内部でセラミックス粒子Ｇの流動が促進され、セラミックス粒子Ｇの一部が浮遊し、このように浮遊するセラミックス粒子Ｇが混合流路４からキャリアガスと共に送り出される。
また、溶湯貯留部Ｄでは、ガスボンベ１１からは０．２５ＭＰａの圧力で、２０Ｌ／ｍｉｎの量のキャリアガス（窒素ガス）がノズル１から噴射される。この噴射の際には撹拌ユニットＤａによる金属溶湯Ｍの撹拌が連続的に行われるが、この撹拌は分散の均一化を図る目的であるためインペラ２８の回転は低速で行われる。
ノズル１からキャリアガスと共にセラミックス粒子Ｇが噴射された場合には、セラミックス粒子Ｇはキャリアガスから与えられる高い運動エネルギーにより高速で送り出され、金属溶湯Ｍに刺さり込むように金属溶湯Ｍに混入し、金属溶湯Ｍに分散する。尚、キャリアガスは、セラミックス粒子Ｇと比較して密度が低くエネルギーが小さいためセラミックス粒子Ｇの運動を妨げることがなく、セラミックス粒子Ｇの刺さり込む深さを抑制することもない。また、金属溶湯Ｍは坩堝２１の内部で対流するため、撹拌ユニットＤａによる撹拌を積極的に行わずとも分散が行われる。
特に、この装置では、セラミックス粒子Ｇが金属溶湯Ｍに対して高速で刺さり込むため、セラミックス粒子Ｇと金属溶湯Ｍとの間に強い剪断力が作用し、濡れ性が不良な材料のセラミックス粒子Ｇを用いる場合でも、金属溶湯Ｍに混合し良好な分散が実現する。従って、濡れ性を向上させるためのセラミックス粒子Ｇの表面処理を行う必要がなく、前処理のための設備も必要としない。更に、キャリアガスとして不活性ガスを用いため、金属溶湯Ｍの酸化を抑制して高品質の金属複合材料の製造が可能となる。尚、セラミックス粒子Ｇとしてアルミニウムの比重より大きい比重の材料を用いた場合には、粒子が浮き上がることがないため、一層良好な分散が可能となる。
そして、セラミックス粒子Ｇの噴射を設定時間だけ行った後には、自然放熱を行うことにより、金属母材に対してセラミックス粒子Ｇが均一に分散した金属複合材料が得られるのである。セラミックス粒子Ｇの材料として二酸化ケイ素を用いた場合には、二酸化ケイ素が金属溶湯Ｍの主成分のアルミニウムと反応して高強度の金属複合材料を製造することが可能となる。また、本実施例のように酸化アルミニウム又は二酸化ケイ素を用いた場合は、安価に金属複合材料を製造できる。しかも、液体の金属溶湯Ｍにセラミックス粒子Ｇを不活性ガスと共に噴射して製造するため、粉末どうしを加熱して成形する場合に比べ、セラミックス粒子Ｇと金属溶湯Ｍとの間に空隙が少なくなり、不純物（粉末酸化物など）の混入もないので、機械的特性を安定的に向上させることができる。
図８および図９には、上述したように製造された金属複合材料の電子顕微鏡写真が示される。ここで、図８は、セラミックス粒子Ｇの材料として酸化アルミニウムを用いた例であり、図９は、セラミックス粒子Ｇの材料として二酸化ケイ素を用いた例である。図面から、球状のセラミックス粒子Ｇは、金属溶湯Ｍに密着した状態で分散していることが理解される。つまり、球状のセラミックス粒子Ｇは、比較的均一に分散しており、セラミックス粒子Ｇと金属溶湯Ｍとの界面では、顕著な隙間が見受けらず、良好な密着性が確認できた。
このように、セラミックス粒子Ｇを球状とすることで、セラミックス粒子Ｇの表面に凹凸がある場合に比べて、金属溶湯Ｍに対する濡れ性が高まり、良好な密着性が得られる。その結果、セラミックス粒子Ｇと金属溶湯Ｍとの間に空隙がほとんどなく、金属複合材料の強度を高めることができる。つまり、アルミニウム合金中に密着した硬質な酸化物を分散させることで、ヤング率や硬度といった機械的特性を向上させることができる。また、セラミックス粒子Ｇが球状であるため、金属複合材料に応力が付与された場合、セラミックス粒子Ｇと金属溶湯Ｍとの界面に対する応力が分散され、疲労強度を高めることができる。
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い。以下に示す別実施形態では、実施形態と共通する構成に対し実施形態と共通する符号を付している。
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い。以下に示す別実施形態では、実施形態と共通する構成に対し実施形態と共通する符号を付している。
（ａ）図３に示すように、粒子噴射機構Ｆのガス供給源Ｆａとして、キャリアガスを圧縮状態で貯留する２つのガスボンベ１１を備える。そして、粒子噴射機構Ｆの配管流路Ｆｃとして一方のガスボンベ１１からキャリアガスが送られるガス流路３と、他方のガスボンベ１１からキャリアガスが送られる加圧流路５と、キャリアガスとセラミックス粒子Ｇとの混合流が送られる混合流路４を備える。
粒子供給部Ｆｂ(セラミックス粒子供給部)は、粒子タンク１４の下部に対して、セラミックス粒子Ｇを送り出すホッパー部１４ａと、これから下方に延びる供給筒１４ｂとを形成し、この供給筒１４ｂの下端に加圧流路５と混合流路４とを接続することで、この接続部位がキャリアガスを追加供給するガス合流部Ｆｍとして機能する。更に、ガス流路３からのキャリアガスを粒子タンク１４の上部空間に供給するように接続する。
この構成により、ガス流路３から粒子タンク１４の上部空間に供給されるキャリアガスの流れに伴い、粒子タンク１４に貯留したセラミックス粒子Ｇの一部をキャリアガスと共に供給筒１４ｂから送り出し、ガス合流部Ｆｍにおいて加圧流路５に流れるキャリアガスが合流する。このように、加圧流路５からのキャリアガスがガス合流部Ｆｍにおいて合流することにより、キャリアガスの流量が増大し、セラミックス粒子Ｇとキャリアガスとの流速を増大し、ノズル１から噴射させることが可能となる。また、ガス合流部Ｆｍでは加圧流路５からのキャリアガスが粒子タンク１４の方向に逆流しないようにガス流路３と加圧流路５との圧力関係が設定されている。尚、このような逆流を阻止するための構成をガス合流部Ｆｍに備えても良い。
この別実施形態（ａ）では、実施形態と共通する構成の溶湯貯留部Ｄを備えており、ノズル１から金属溶湯Ｍに向けてキャリアガスとセラミックス粒子Ｇとの混合流を噴射することで、セラミックス粒子Ｇを金属溶湯Ｍに対して刺さり込むように混入させ金属複合材料の製造が実現する。
（ｂ）図４に示すように、粒子噴射機構Ｆのガス供給源Ｆａが、１つのガスボンベ１１からのキャリアガスを、ガス流路３と加圧流路５とに分岐し、別実施形態（ａ）に示したものと同様の構成の粒子供給部Ｆｂに供給するように構成する。つまり、単一のガスボンベ１１を備えるだけで別実施形態（ａ）と同様に、粒子タンク１４に貯留されたセラミックス粒子Ｇをガス流路３からキャリアガスと共に送り出し、キャリアガスを追加供給するガス合流部Ｆｍにおいて加圧流路５のキャリアガスを合流させている。
この別実施形態（ｂ）では、溶湯貯留部Ｄが実施形態と同様の構成を有しており、混合流路４から供給されるキャリアガスとセラミックス粒子Ｇとの混合流は、ノズル１から金属溶湯Ｍに向けて噴射され、セラミックス粒子Ｇを金属溶湯Ｍに対して刺さり込むように混入させ金属複合材料の製造が実現する。
（ｃ）図５に示すように、粒子噴射機構Ｆのガス供給源Ｆａが、１つのガスボンベ１１からのキャリアガスを、ガス流路３と加圧流路５とに分岐し、別実施形態（ｂ）に示したものと同様の構成の粒子供給部Ｆｂに供給するように構成する。
この構成では、粒子供給部Ｆｂ(セラミックス粒子供給部)を、溶湯部ケース２３の内部に収容される状態で溶湯貯留部Ｄの鉛直上方に隣接配置し、粒子タンク１４において鉛直下方に延びる供給筒１４ｂの延長線上に混合流路４を配置し、この混合流路４の下端位置にノズル１を備えている。このように粒子供給部Ｆｂを溶湯貯留部Ｄの直上位置に配置したため、溶湯貯留部Ｄの溶湯加熱ヒータ２２の熱を、溶湯部ケース２３の内部の空気の対流や、輻射により粒子供給部Ｆｂに作用させることが可能となり、粒子供給部Ｆｂにヒータを備えない構成となっている。
この別実施形態（ｃ）では、溶湯貯留部Ｄが実施形態と同様の構成を有しており、混合流路４から供給されるキャリアガスとセラミックス粒子Ｇとの混合流は、ノズル１から金属溶湯Ｍに向けて噴射され、この混合流に含まれるセラミックス粒子Ｇを金属溶湯Ｍに対して刺さり込むように混入させ金属複合材料の製造が実現する。
特に、この構成では、溶湯貯留部Ｄの廃熱を利用して粒子供給部Ｆｂに貯留されたセラミックス粒子Ｇの乾燥と温度上昇を容易に行うことが可能となる。しかも、粒子タンク１４からのセラミックス粒子Ｇを供給筒１４ｂからノズル１に達する領域が直線的に形成されているので、セラミックス粒子Ｇを円滑に供給でき、キャリアガスの流速を減ずることがなく、金属溶湯Ｍに対するセラミックス粒子Ｇの分散を良好に行えるものとなる。尚、この別実施形態（ｃ）の構成において、粒子供給部Ｆｂに対して加熱を補助するためのヒータを備えても良い。
（ｄ）ノズル１から噴射されたセラミックス粒子Ｇは実施例のように１２０℃以下の低温である場合、セラミックス粒子Ｇに接触した高温（実施例では８００℃）の金属溶湯Ｍの表面から熱が奪われ、金属溶湯Ｍの粘性が増加する。その結果、続いて噴射されるセラミックス粒子Ｇが、粘性の増加した金属溶湯Ｍの表面から抵抗を受け、金属溶湯Ｍへのセラミックス粒子Ｇの投入が阻害されるおそれがある。
そこで、図６に示すように、別実施形態（ａ）〜別実施形態（ｃ）の製造装置において、粒子供給部Ｆｂとノズル１との間に設けられてセラミックス粒子Ｇを搬送する混合流路４（配管流路Ｆｃ）には、セラミックス粒子Ｇを加熱する加熱部Ｋが設けられている。この加熱部Ｋは、配管流路Ｆｃのうち、ノズル１に隣接する配管流路Ｆｃに設けられている。加熱部Ｋで加熱されたセラミックス粒子Ｇの温度は、金属溶湯Ｍの融点以上で、セラミックス粒子Ｇの融点以下に制御される。
本実施形態における加熱部Ｋは、円筒状に構成される電気式の加熱ヒータＨを有し、加熱ヒータＨの周りに配管流路Ｆｃを沿わせて配置している。具体的には、配管流路Ｆｃを加熱ヒータＨの周りに螺旋状に包囲させ、加熱ヒータＨから配管流路Ｆｃを介してセラミックス粒子Ｇを加熱する構成としている。また、加熱部Ｋは、配管流路Ｆｃがノズル１に至るまでセラミックス粒子Ｇを高温に維持するための断熱部３０を有している。この断熱部３０は、セラミックス粒子Ｇの温度に耐え得る断熱材で構成されている。また、ノズル１と配管流路Ｆｃとは螺合して接続されており、ノズル１と配管流路Ｆｃとの接続部にシール材Ｓを配置して気密性を高めている。
尚、配管流路Ｆｃを加熱ヒータＨの外面と一体に形成しても良いし、配管流路Ｆｃを直線状や屈曲形状で加熱ヒータＨの周りに沿わせても良く、特に限定されない。また、加熱ヒータＨの形状を角筒状に形成するなど、配管流路Ｆｃを沿わせることができればどのような形態であっても良いし、加熱ヒータＨを高温の流体を流通させる構成としても良く、特に限定されない。更に、断熱部３０に電気式のヒータを内蔵し、セラミックス粒子Ｇを高温に維持する構成としても良いし、ノズル１と配管流路Ｆｃとを嵌合や接着により接続しても良く特に限定されない。
このように、ノズル１の上流側にある配管流路Ｆｃに加熱部Ｋを設けることで、金属溶湯Ｍに噴射されるセラミックス粒子Ｇが高温に維持される。このため、セラミックス粒子Ｇによって金属溶湯Ｍの表面から熱が奪われ難く、金属溶湯Ｍの粘性の増加が抑制され、セラミックス粒子Ｇは金属溶湯Ｍの内部に円滑に投入される。また、金属溶湯Ｍの温度低下を見越して金属溶湯Ｍを予め高温に設定する必要がないので、金属溶湯Ｍの高温酸化も防止され、品質の向上を図ることができる。更に、セラミックス粒子Ｇが高温であるため、金属溶湯Ｍに対する濡れ性が高まり、セラミックス粒子Ｇと金属溶湯Ｍとが良好に密着して金属複合材料の強度を高めることができる。
また、筒状の加熱ヒータＨの周りに配管流路Ｆｃを沿わせる構成であるので、製造装置の製作が容易である。また、セラミックス粒子Ｇの目標温度に応じて加熱ヒータＨの温度を設定したり、加熱ヒータＨの周りの配管流路Ｆｃの流路長を変更したりすればよく、温度制御が容易である。しかも、セラミックス粒子Ｇ自体はノズル１から噴射されるまで大気開放されないので、セラミックス粒子Ｇが酸化されて品質低下を招くこともない。
（ｅ）図７に示すように、別実施形態（ｄ）の加熱部Ｋに代えて、配管流路Ｆｃと並行に設けられた燃焼ガス流路３１を設けた加熱部Ｋａで構成する。この燃焼ガス流路３１は、配管流路Ｆｃを包囲しても良いし、配管流路Ｆｃの一部に接触するものであっても良い。燃焼ガス流路３１に供給される燃焼ガスは、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）に酸素を供給して燃焼させたガスで構成される。尚、キャリアガスに酸素を用いて配管流路ＦｃにＬＮＧを供給し、ノズル１の噴射口で点火する構成としても良い。この場合、燃焼炎によって高温化しすぎるのを防止するため、ノズル１付近の断熱部３０に冷却装置を設けるのが好ましい。
本実施形態においても、ノズル１の上流側にある配管流路Ｆｃに加熱部Ｋを設けることで、金属溶湯Ｍに噴射されるセラミックス粒子Ｇが高温に維持される。このため、セラミックス粒子Ｇによって金属溶湯Ｍの表面から熱が奪われ難く、金属溶湯Ｍの粘性の増加が抑制され、セラミックス粒子Ｇは金属溶湯Ｍの内部に円滑に投入される。特に、本実施形態では、高温の燃焼ガスを用いているので、セラミックス粒子Ｇの温度は速やか上昇するので、加熱部Ｋをコンパクトにすることができる。
（ｆ）溶湯貯留部Ｄに撹拌ユニットＤａを備えずに製造装置を構成する。この構成では、セラミックス粒子Ｇを高速で金属溶湯Ｍに供給するため、金属溶湯Ｍに対するセラミックス粒子Ｇの混入を良好に行える。また、金属溶湯Ｍは加熱により対流するため、この対流により自然な撹拌が行われ、セラミックス粒子Ｇが金属母材に均一に分散した金属複合材料を得ることになる。
（ｇ）金属溶湯Ｍに対するセラミックス粒子Ｇの混入量を把握するために、粒子供給部Ｆｂの全重量を計測する重量センサを備える。又は、溶湯貯留部Ｄの全重量を計測する重量センサを備える、これらの構成において、粒子供給部Ｆｂに重量センサを備えたものでは、粒子供給部Ｆｂで減少した重量を、金属溶湯Ｍに混入したセラミックス粒子Ｇの量とすることになる。また、溶湯貯留部Ｄに重量センサを備えるものでは、重量センサでの計測値の増大分を、金属溶湯Ｍに混入したセラミックス粒子Ｇの量とすることになる。これらの構成によれば、重量センサを備えているため、重量センサに基づきセラミックス粒子Ｇの供給量を制御することができ、高度に制御された金属複合材料の製造が実現できる。
（ｈ）溶湯貯留部Ｄの坩堝２１に貯留された金属を加熱するため、坩堝２１の外周に誘導コイルを配置し、誘導コイルに高周波を供給することで、金属に過電流を生じさせ金属の電気抵抗によるジュール熱により金属を溶解するように構成しても良い。特に、このように誘導加熱を行う場合に、金属溶湯Ｍに作用する磁場と、金属溶湯Ｍに流れる電流とから、フレミングの左手の法則に従って金属溶湯Ｍが流動する電磁撹拌を利用できる。このように構成することにより、インペラ２８を有した撹拌ユニットＤａを用いずに済む。
（ｉ）別実施形態（ｄ）の加熱部Ｋを、配管流路Ｆｃの周りに加熱ヒータＨを配置する構成としても良い。この場合、既設の配管流路Ｆｃを変更せずに加熱ヒータＨを追加するだけで良いので、効率的である。
本発明は、金属溶湯にセラミックス粒子を分散させた金属複合材料を製造する装置に利用することができる。
１ ノズル
Ｄ 溶湯貯留部
Ｆｂ セラミックス粒子供給部（粒子供給部）
Ｆｃ 流路（配管流路）
Ｆｍ ガス合流部
Ｇ セラミックス粒子
Ｈ ヒータ（加熱ヒータ）
Ｋ 加熱部
Ｄ 溶湯貯留部
Ｆｂ セラミックス粒子供給部（粒子供給部）
Ｆｃ 流路（配管流路）
Ｆｍ ガス合流部
Ｇ セラミックス粒子
Ｈ ヒータ（加熱ヒータ）
Ｋ 加熱部
Claims (7)
- キャリアガスの吹込みを利用して乾燥状態のセラミックス粒子を飛散させ当該キャリアガスと共に前記セラミックス粒子を吐出するセラミックス粒子供給部と、
前記吐出された前記セラミックス粒子を前記キャリアガスと共に噴射するノズルと、
前記噴射された前記セラミックス粒子が混入する金属溶湯を貯留する溶湯貯留部と、を備えた金属複合材料の製造装置。 - 前記セラミックス粒子供給部が、粒子貯留部に貯留されている乾燥状態の前記セラミックス粒子を前記キャリアガスの吹き込みで流動させて送り出す流動層式に構成されている請求項１記載の金属複合材料の製造装置。
- 前記セラミックス粒子供給部と前記ノズルとの間に設けられて前記セラミックス粒子を搬送する流路に対し、前記キャリアガスを追加供給するガス合流部を備えている請求項１又は２に記載の金属複合材料の製造装置。
- 前記セラミックス粒子供給部が前記溶湯貯留部の鉛直上方に隣接配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属複合材料の製造装置。
- 前記セラミックス粒子供給部と前記ノズルとの間に設けられて前記セラミックス粒子を搬送する流路には、前記セラミックス粒子を加熱する加熱部が設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属複合材料の製造装置。
- 前記加熱部は筒状のヒータを有し、当該ヒータの周りに前記流路を沿わせて配置している請求項５に記載の金属複合材料の製造装置。
- 前記金属溶湯に混入した前記セラミックス粒子は、球状である請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属複合材料の製造装置。
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