JPWO2020021701A1 - 高速流体噴射装置 - Google Patents

Abstract

金属が溶融した金属融体４５が流れる融体流路の少なくとも一部を囲む壁と、前記壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路２０と、前記ガス流路と連通し前記壁の内面に設けられ、前記融体流路に、前記金属融体を加速させる方向に前記ガスを噴射するガス噴射孔２１と、を含むチャンバと、前記ガスが噴射された位置より下流の前記融体流路に、前記金属融体を凝固させる液体膜を形成する液体膜形成部と、を備える金属粉体製造装置用ユニット。

Description

本発明は、金属粉体製造装置用ユニット、金属粉体製造装置および金属粉体製造方法に関し、例えば液体膜を用いた金属粉体製造装置用ユニット、金属粉体製造装置および金属粉体製造方法に関する。

金属融体の流路に液体を噴射し、金属融体を粉砕し凝固させることで金属粉体を製造するアトマイズ法が知られている（例えば特許文献１から４）。ガスと水を用いたアトマイズ法が知られている（例えば特許文献５、非特許文献１および２）。

国際公開第００／３８８６５号 特開２００４−２６９９５６号公報 特開２００７−２９１４５４号公報 特開２０１３−１２９９１６号公報 独国特許出願公開第４００５６９６号明細書

Scripta Metallurgica Vol. 13, pp. 673-676 (1979) Materials Science and Engineering Vol. 62, pp. 217-230 (1984)

しかしながら、特許文献１から４のようなアトマイズ法では、金属粉体の粒度が十分に小さくならない、および／または金属粉体内のアモルファス相といった非平衡相または過飽和固溶体相等の過冷却組織等の相の割合を大きくできないことがある。このように、所望の金属粉体が収率よく製造できないことがある。特許文献５、非特許文献１および２には、ガスと水を用いたアトマイズ法が開示されているが、所望の金属粉体を収率よく製造する方法については記載されていない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、所望の金属粉体を収率よく製造することを目的とする。

本発明は、金属が溶融した金属融体が流れる融体流路の少なくとも一部を囲む壁と、前記壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路と、前記ガス流路と連通し前記壁の内面に設けられ、前記融体流路に、前記金属融体を加速させる方向に前記ガスを噴射するガス噴射孔と、を含むチャンバと、前記ガスが噴射された位置より下流の前記融体流路に、前記金属融体を凝固させる液体膜を形成する液体膜形成部と、を備える金属粉体製造装置用ユニットである。

上記構成において、前記液体膜形成部は、前記液体膜を形成する液体を前記融体流路に向けて噴射する液体噴射部を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記チャンバは、前記金属融体に前記ガスを噴射することにより、前記金属融体を前記金属融体が流れる方向に加速させ、前記液体膜形成部は、加速された前記金属融体が前記液体膜に接触および／または近接することにより前記金属融体が凝固されるように前記液体膜を形成する構成とすることができる。

上記構成において、前記ガス流路は前記ガス噴射孔に向けて間隔が漸減する構成とすることができる。

上記構成において、前記ガス噴射孔は、前記融体流路の中心に対し略回転対称に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記ガス噴射孔は、前記金属融体が流れる方向に複数配置される構成とすることができる。

上記構成において、噴射される前のガスを加熱する加熱部を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記液体膜形成部は、前記液体膜を前記融体流路の中心に形成せず前記中心を囲み前記液体膜が前記中心の周りを回転するように形成する構成とすることができる。

前記ガス噴射孔が前記ガスを噴射する位置と前記金属融体が前記液体膜に接触または近接する位置との間において、前記壁の内面の断面の大きさは、前記金属融体が流れる方向に行くに従い漸減しその後漸増する構成とすることができる。

本発明は、上記金属粉体製造装置用ユニットと、前記金属融体を供給する供給ユニットと、を備える金属粉体製造装置である。

本発明は、金属が溶融した金属融体が流れる融体流路の少なくとも一部を囲む壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路と連通し前記壁の内面に設けられたガス噴射孔から、前記融体流路に、前記金属融体を加速させる方向に前記ガスを噴射し、前記ガスが噴射された位置より下流の前記融体流路に、前記金属融体を凝固させる液体膜を形成することで、前記金属の粉体を形成する金属粉体製造方法である。

本発明によれば、所望の金属粉体を収率よく製造することができる。

図１は、実施形態１に係る金属粉体製造装置の断面図である。 図２は、実施形態１におけるアトマイズユニットの断面図である。 図３は、実施形態１における液体膜の別の例を示すアトマイズユニットの断面図である。 図４（ａ）から図４（ｅ）は、実施形態１におけるガス流路の例を示す断面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施形態１におけるガス流路の例を示す断面図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施形態１におけるガス流路の噴射孔の例を示す平面図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施形態１におけるガス流路の例を示す断面図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施形態１におけるガス流路および液体流路の配置例を示す断面図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施形態１におけるガス流路および液体流路の配置例を示す断面図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施形態１における液体流路の噴射孔の例を示す平面図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施形態１における液体流路の例を示す平面図である。 図１２は、実施形態１における液体流路の例を示す平面図である。 図１３は、実施形態１における液体流路の例を示す断面図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施形態１におけるガイド管の例を示す断面図である。 図１５は、実施形態１の変形例１に係るアトマイズユニットの断面図である。 図１６は、実施例に係る金属粉体製造装置の断面図である。 図１７（ａ）は、実施例１から６のＸ線回折スペクトルを示す図、図１７（ｂ）は、比較例１から５のＸ線回折スペクトルを示す図である。 図１８（ａ）は、実施例および比較例における粒度Ｄ５０に対する非晶質化度を示す図、図１８（ｂ）は、水圧比に対する粒度Ｄ５０を示す図である。

溶融した金属である金属融体から粉体を製造する装置として、ガスアトマイズ装置と液体アトマイズ装置が知られている。アトマイズ装置では、金属融体の流路またはその近傍にガスまたは液体を噴射する。これにより、金属融体に粉砕力を作用させつつ金属融体を冷却する。金属融体を急速に冷却することで、アモルファス相のような非平衡相または過飽和固溶体相等の過冷却組織を多く含む金属粉体（いわゆる過冷却粉体）を得ることができる。過冷却粉体は、耐食性、耐摩耗性および／または磁気特性等に優れることが多い。

ガスアトマイズ装置では、ガスの冷却能力が低いため、金属融体から球状の液滴を形成できる。これにより、球状で粒度の小さい金属粉体を得ることができる。しかしながら、金属粉体を高い冷却速度で冷却することが難しい。液体アトマイズ装置では、液体の冷却能力が高いため、金属融体を高い冷却速度で冷却することができる。

特許文献２には、金属融体が流れる環状ノズル内に吸引される気流に回転モーメントを与えて、環状ノズル内の気流を旋回させることが記載されている。金属融体が遠心力で分裂するため、粒度が小さく、粒度分布幅が狭く、擬球形な金属粉体を得ることができる。

しかしながら、粒径が５μｍ以下の金属粉体の収率は５０％以下である。これは、気流の遠心力では粉砕力が不足するためと考えられる。また、金属融体と気流とが長い時間接触するため、低い速度で金属融体が冷却される。このため、金属融体が液体と接触または近接する以前に平衡相が生成しやすくなるため、過冷却粉体を収率よく製造することが難しい。

以上のように、所望の金属粉体を製造することが難しい。以下、図面を参照し所望の金属粉体を製造することができる本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る金属粉体製造装置の断面図である。図１に示すように金属粉体製造装置は、供給ユニット４０、アトマイズユニット１０（金属粉体製造装置用ユニット）、回収槽５０およびガイド管５２を備えている。中心軸６０に平行な上方向をＺ方向とし、中心軸６０に直交する方向をＸ方向およびＹ方向とする。−Ｚ方向は重力の方向であることが好ましい。

供給ユニット４０は、金属を加熱することで溶融させ、加圧することで金属融体をアトマイズユニット１０に噴射するユニットである。金属融体の噴射方向は例えば−Ｚ方向である。

アトマイズユニット１０は、金属融体から金属粉体を生成するユニットである。アトマイズユニット１０は、チャンバ１１、融体流路１５、ガス流路２０および液体流路３０を備えている。チャンバ１１は中心軸６０を中心とする環状であり、例えば鉄合金等の金属からなる。チャンバ１１の中央に金属融体が輸送される融体流路１５が設けられている。ガス流路２０は、チャンバ１１の壁内に設けられ噴射孔２１に連通する。噴射孔２１はチャンバ１１の内面に設けられ、融体流路１５にガスを噴射する。液体流路３０は、チャンバ１１の壁内に設けられ噴射孔３１に連通する。噴射孔３１はチャンバ１１の内面に設けられ、融体流路１５に液体を噴射する。アトマイズユニット１０の詳細については後述する。

融体流路１５はチャンバ１１の壁に囲まれた金属融体が流れる空間である。ガス流路２０および液体流路３０は、チャンバ１１の壁内に設けられた空間であり、それぞれガスおよび液体が充満している。噴射孔２１および３１は、チャンバ１１のそれぞれガス流路２０および液体流路３０の空間が壁の内面に露出した孔である。ガス流路２０および液体流路３０内を高圧とすると、噴射孔２１および３１からそれぞれガスおよび液体が噴出する。

なお、チャンバ１１の材質は、例えば、鉄、銅、ニッケル、アルミニウムもしくはチタン等またはこれらの合金からなり、プロセスに応じて適宜選択できる。例えば、耐食性および強度を重要視する場合には、アトマイズユニット１０がステンレス鋼からなってもよい。また、例えば、耐熱性を重要視する場合には、アトマイズユニット１０がニッケル合金からなってもよい。必要に応じて、金属表面が酸化被膜等の保護層を有していてもよい。

回収槽５０は生成された金属粉体を回収する。回収槽５０には金属粉体を含む液体が回収される。ガイド管５２は液体膜３５に沿って設けられ、−Ｚ方向に向かうに従い内径が漸増する。ガイド管５２は、液体膜３５を外乱から保護する。例えば、回収槽５０の内壁で跳ね返った金属粉体または液体が液体膜３５に影響することを抑制する。

図２は、実施形態１におけるアトマイズユニットの断面図である。アトマイズユニット１０は、中心軸６０を中心にほぼ円対称である。チャンバ１１内の融体流路１５には、金属融体４５が−Ｚ方向に通過する。金属融体４５は、溶融した金属であり、例えばＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｃｏ（コバルト）、Ｗ（タングステン）、Ｓｎ（錫）および／またはＡｇ（銀）等を主要成分とする金属である。チャンバ１１は、上部チャンバ１２と下部チャンバ１３とを有する。上部チャンバ１２の壁にはガス流路２０が設けられ、上部チャンバ１２の内面に噴射孔２１が設けられている。下部チャンバ１３の壁には液体流路３０が設けられ、下部チャンバ１３の内面に噴射孔３１が設けられている。上部チャンバ１２のＸＹ断面は下部チャンバ１３のＸＹ断面より小さい。

ガス流路２０は中心軸６０を中心とした円対称のスリット状であり、先端部２２と供給部２３とを有している。大気圧より圧力の高いガスは、供給部２３において水平方向に中心軸６０方向に導入される。供給部２３に導入されるガスは、ガス圧縮機、ボンベまたはタンク等により大気圧より高く昇圧されている。ガスの圧力は、例えば１．０ＭＰａである。ガスは、例えば空気または不活性ガス（例えば窒素またはアルゴン等の希ガス）である。先端部２２は、−Ｚ方向に傾斜しており、噴射孔２１に向けてスリットの間隔が漸減する。これにより、ガス２５の噴射速度が速くなる。噴射孔２１はガス２５を−Ｚ方向を含むように噴射する。金属融体４５はガス２５により加速される。ガス２５が金属融体４５に衝突することで、金属融体４５の輸送方向４５ａは−Ｚ方向から広がる。上部チャンバ１２の径が小さいことで、噴射孔２１は金属融体４５の近くにガスを噴射することができる。これにより、金属融体４５をより加速することができる。また、例えば、噴射孔２１からのガスが断熱膨張する効果を増大させることができ、追加の冷却効果をガスに付与することができる。

液体流路３０はスリット状であり、先端部３２と供給部３３とを有している。大気圧より圧力の高い液体は、供給部３３において水平方向に中心軸６０方向に導入される。液体は、溶融金属の冷却用の液体であり、例えば水である。液体として用いる水は例えば水溶液または超純水でもよく、水に特定の物質が添加されていてもよいし、特定の物質が除去されていてもよい。例えば酸化防止のため水中に溶解した酸素等を除去してもよい。液体の圧力は、例えば６０ＭＰａである。

先端部３２は、−Ｚ方向に傾斜しており、噴射孔３１に向けてスリットの間隔が漸減する。噴射孔３１は液体を−Ｚ方向に噴射する。これにより、−Ｚ方向に液体膜３５を形成する。液体膜３５は、例えば特許文献１に記載されているような一葉双曲面状であり、中心軸６０には液体膜３５は形成されず、液体膜３５は中心軸６０を中心に回転する。これは、液体が直線的に噴射されると、液体膜３５の形状が、液体の噴射方向に仮想的に延長した線の集合体、もしくは、これら線の集合体がなす曲面、あるいは、それらを−Ｚ方向にずらした形状となるためである。

金属融体４５は領域５１において液体膜３５に接触または近接する。領域５１において液体膜３５により金属融体４５が粉砕されかつ冷却される。これにより、金属融体４５が急冷され金属粉体が生成される。なお、金属融体４５はガス２５により粉砕され、液体膜３５により冷却されてもよい。

実施形態１によれば、チャンバ１１の壁は、金属が溶融した金属融体４５が流れる融体流路１５の少なくとも一部を囲む。ガス流路２０は、チャンバ１１の壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れる。噴射孔２１（ガス噴射孔）は、ガス流路２０と連通し壁の内面に設けられており、融体流路１５に、金属融体４５を加速させる方向にガス２５を噴射する。液体膜形成部である噴射孔３１は、ガスが噴射された位置より下流の融体流路１５に、金属融体４５を粉砕しかつ凝固させる液体膜３５を形成する。

このように、チャンバ１１は、金属融体４５にガスを噴射することにより、金属融体４５を−Ｚ方向（金属融体が流れる方向）に加速させる。噴射孔３１は、加速された金属融体４５が液体膜３５に接触および／または近接することにより金属融体４５が凝固されるように液体膜３５を形成する。この際、金属融体４５を粉砕することもできる。

噴射孔２１から金属融体４５に高圧のガスを噴射することで、金属融体４５にせん断力等の粉砕力が加わる。これにより、ガス２５が金属融体４５を粉砕するため、粒度の小さい金属粉体を得ることができる。ガス２５と液体膜３５により金属融体４５を冷却できる。さらに、ガス２５により金属融体４５が加速されるため、ガス２５による金属融体４５の冷却から液体膜３５による金属融体４５の冷却までの時間を短縮できる。よって、金属融体４５の冷却速度を高くできる。よって、非平衡相または過飽和固溶体相等を多く含む過冷却粉体を得ることができる。ガスの圧力と液体の圧力とのバランスで、金属粉体の粒度を調整できる。これにより、所望の粒度の過冷却粉体を収率よく製造することができる。このように、所望の金属粉体を収率よく製造することができる。

噴射孔２１から噴射されるガス２５の圧力（すなわちガス流路２０内の圧力）は０．１５ＭＰａ（１．５気圧）以上が好ましく、０．２０ＭＰａ（２．０気圧）以上がより好ましく、０．５０ＭＰａ（５．０気圧）以上がさらに好ましい。ガスの圧力の上限は、特に限定されない。例えば、ガスの圧力は５．０ＭＰａ（５０気圧）以下であってもよい。噴射孔３１から噴射される液体の圧力（すなわち液体流路３０内の圧力）は０．３ＭＰａ（３．０気圧）以上が好ましく、６．０ＭＰａ（６０気圧）以上がより好ましく、５０ＭＰａ（５００気圧）以上がさらに好ましい。液体の圧力の上限は特に制限されないが、例えば１５０ＭＰａ（１５００気圧）以下であってもよい。

また、噴射孔３１は、液体膜３５を融体流路１５の中心に形成せず、中心を囲み液体膜３５が中心の周りを回転するように形成する。液体膜３５が融体流路１５の中心に形成されないため、ガスが融体流路１５の中心を通り−Ｚ方向に高速に移動できる。これにより、金属融体４５がより加速され、金属融体４５の冷却速度をより高めることができる。液体膜３５が回転しているため、液体膜３５の領域５１では、ガスが高速に回転する。この回転力により金属融体４５がより小さく粉砕される。

融体流路１５の少なくとも一部における金属融体４５の周りのガスの速度は超音速であることが好ましい。これにより、超音速の衝撃波により金属融体４５を粉砕できる。また、金属融体４５の速度を速くできるため金属融体４５の冷却速度を高くできる。領域５１におけるガスの速度が超音速であることが好ましい。

金属融体４５の急速冷却（すなわち着水）までの時間を短縮するため、噴射孔２１と領域５１との間の距離は短いことが好ましい。

［液体膜の例］
図３は、実施形態１における液体膜の別の例を示すアトマイズユニットの断面図である。図３に示すように、液体流路３０は液体膜３５を特許文献３および４に記載されているようなコーン形状、コニカル形状または逆円錐形状とする。液体膜３５のコーン形状の頂点は例えば中心軸６０に位置している。液体膜３５が融体流路１５の中心に形成されているため、金属融体４５が、より液体膜３５に接触する。これにより、金属融体４５を冷却することができる。また、冷却と同時に、金属融体４５を粉砕することもできる（二次粉砕）。液体膜３５の形状は任意に設定できる。金属融体４５をより小さく粉砕するためには、液体膜３５は中心軸６０を中心とする一葉双曲面形状であることが好ましい。

［ガス流路の例］
図４（ａ）から図５（ｂ）は、実施形態１におけるガス流路の例を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、ガス流路２０の先端部２２は噴射孔２１に向けてスリットの間隔が漸減する。図４（ｂ）に示すように、ガス流路２０の先端部２２は噴射孔２１に向けてスリットの間隔が漸増する。図４（ｃ）に示すように、ガス流路２０の先端部２２はスリットの間隔が略均一である。図４（ｄ）に示すように、ガス流路２０の先端部２２は噴射孔２１に向けてスリットの間隔が漸減した後漸増する。先端部２２は例えばラバールノズルのような形状である。図４（ｅ）に示すように、管の内面に螺旋溝２４が形成されていてもよい。

図５（ａ）に示すように、供給部２３および先端部２２は、ＸＺ平面（またはＹＺ平面）において中心軸６０方向に行くにしたがい−Ｚ方向に湾曲している。図５（ｂ）に示すように、供給部２３および先端部２２は、ＸＺ平面（またはＹＺ平面）において中心軸６０方向に行くにしたがい−Ｚ方向となるように直線的に延伸している。図４（ａ）から図４（ｅ）のように、ガス流路２０は、ＸＹ平面に延伸する供給部２３と、−Ｚ方向に傾斜する先端部２２を有してもよい。図５（ａ）および図５（ｂ）のように、ガス流路２０の供給部２３は−Ｚ方向に傾斜していてもよい。

図４（ａ）から図４（ｄ）のように、ガス流路２０の先端部２２の形状は適宜設計できる。図４（ａ）のように、ガス流路２０の先端部２２は噴射孔２１に向けて間隔が漸減することが好ましい。これにより、噴射孔２１からのガスの噴射速度を速くすることができる。また、図４（ｄ）のように、先端部２２は噴射孔２１に向けて間隔が漸減しその後漸増することが好ましい。これにより、噴射孔２１からのガスの噴射速度を速くすることができる。金属融体４５を加速させる観点から、ガス２５の頂角θ（図３参照）は例えば０°から１００°が好ましい。

図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施形態１におけるガスの噴射孔の例を示す平面図である。図６（ａ）から図６（ｃ）は、噴射孔２１のＸＹ平面形状を示している。図６（ａ）に示すように、噴射孔２１は中心軸６０を中心とする環状である円環スリット型である。図６（ｂ）に示すように、複数の噴射孔２１が中心軸６０を中心とする円６１に沿って設けられている多孔ペンシル型である。図６（ｃ）に示すように、噴射孔２１は、中心軸６０に対し−Ｘ側のみに設けられている。

図６（ａ）から図６（ｃ）のように、噴射孔２１の形状は適宜設計できる。図６（ａ）および図６（ｂ）のように、噴射孔２１は、融体流路１５の中心に対し製造誤差程度に略回転対称に設けられていることが好ましい。これにより、ガス２５が金属融体４５に均一に噴射される。よって、金属融体４５を効率よく加速することができる。噴射孔２１の幅は例えば０．１ｍｍから５ｍｍである。噴射孔２１はガス圧が加わることで開口する構造でもよい。噴射孔２１の全体の面積は例えば０．５ｍｍ^２から１０００ｍｍ^２である。

図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施形態１におけるガス流路の例を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、Ｚ方向に複数のガス流路２０ａから２０ｃが設けられている。噴射孔２１ａから２１ｃは上部チャンバ１２においてＺ方向に配置されている。ガス流路２０ａから２０ｃの形状は互いに同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。噴射孔２１ａから２１ｃは互いに同じ形状でもよいし、互いに異なる形状でもよい。

図７（ｂ）に示すように、１つの供給部２３から複数の先端部２２ａおよび２２ｂが分岐する。上部チャンバ１２の内面に複数の噴射孔２１ａおよび２１ｂがＺ方向に配置されている。噴射孔２１ａおよび２１ｂは互いに同じ形状でもよいし、互いに異なる形状でもよい。

図７（ａ）および図７（ｂ）のように、噴射孔２１ａから２１ｃは、Ｚ方向に複数配置される。これにより、金属融体４５をより加速させることができる。

図７（ｃ）に示すように、アトマイズユニット１０はガスを加熱する加熱部２６（例えばヒータ）を備えている。加熱部２６はガス流路２０内のガスを加熱する。これにより、ガスは室温より高くなる。

金属融体４５の冷却速度を高くするため、ガス速度を速くし、金属融体４５の速度を速くすることが好ましい。そこで、ガスを加熱する。これにより、ガスの速度を加速させることができ、金属融体の冷却速度を高くすることができる。ガスの温度は、例えば１００℃以上が好ましい。

［ガス流路および液体流路の配置例］
図８（ａ）から図９（ｂ）は、実施形態１におけるガス流路および液体流路の配置例を示す断面図である。図８（ａ）に示すように、アトマイズユニット１０では、ガス流路２０を有する上部チャンバ１２と液体流路３０を有する下部チャンバ１３とが分離している。このように、アトマイズユニット１０は複数に分離していてもよい。

図８（ｂ）に示すように、上部チャンバ１２の中心軸６０ａと下部チャンバ１３の中心軸６０ｂとは一致していない。このように、中心軸６０ａと６０ｂは一致していなくてもよいが、金属融体４５を均一に粉砕するためには、中心軸６０ａと６０ｂとは一致していることが好ましい。

図９（ａ）に示すように、ガス流路２０の噴射孔２１は液体流路３０の噴射孔３１より−Ｚ方向に設けられている。このように、噴射孔２１は噴射孔３１より下流側にあってもよい。金属融体４５が液体膜３５に接触または近接する前に金属融体４５を一次粉砕するため、噴射孔２１は領域５１より＋Ｚ方向に配置することが好ましい。

図９（ｂ）に示すように、チャンバ１１は噴射孔２１がガスを噴射する位置と金属融体４５が液体膜３５に接触または近接する位置との間に狭窄部１４を有している。狭窄部１４では、チャンバ１１の壁の内面のＸＹ断面の大きさが−Ｚ方向に行くに従い漸減しその後漸増する。狭窄部１４は例えばラバールノズル形状である。狭窄部１４はラバールノズルとして機能し、狭窄部１４を通過したガスを高速（例えば超音速）とする。これにより、金属融体４５の冷却速度を高くできる。噴射孔３１は、狭窄部１４に設けてもよい。例えばチャンバ１１の壁の内面のＸＹ断面が最も小さくなるあたりに噴射孔３１を設けてもよい。

［液体流路の例］
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施形態１における液体流路の噴射孔の例を示す平面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、噴射孔３１のＸＹ平面形状を示している。図１０（ａ）に示すように、噴射孔３１は中心軸６０を中心とする環状である。図１０（ｂ）に示すように、複数の噴射孔３１が中心軸６０を中心とする円６１に沿って設けられている。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、噴射孔３１の形状は適宜設計できる。液体膜３５を均一に形成するため、噴射孔３１は中心軸６０を中心に製造誤差程度に略回転対称に設けられていることが好ましい。例えば、図１０（ｂ）のように、噴射孔２１および３１が複数の孔の場合、先端部３２の中心線を噴射孔３１から中心軸６０方向に延長した直線と中心軸６０との距離が最小となるＺ方向の位置が先端部２２の中心線を噴射孔２１から中心軸６０方向に延長した直線と中心軸６０との距離が最小となるＺ方向の位置よりも＋Ｚ側にあってもよく、−Ｚ側にあってもよい。また、例えば、図１０（ａ）のように、噴射孔２１および噴射孔３１が円環スリット状である場合、中心軸６０を含むＸＺ断面（またはＹＺ断面）において、先端部３２の中心線の噴射孔３１から中心軸６０に延長した直線と中心軸６０との交点（先端部３２の中心線によって形成される面（錐）の頂点）が先端部２２の中心線の噴射孔２１から中心軸６０に延長した直線と中心軸６０との交点（先端部２２の中心線によって形成される面（錐）の頂点）よりも＋Ｚ側にあってもよく、−Ｚ側にあってもよい。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１２は、実施形態１における液体流路の例を示す平面図である。図１１（ａ）に示すように、下部チャンバ１３の内面に噴射孔３１が設けられている。噴射孔３１を囲むように先端部３２が設けられている。先端部３２を囲むように供給部３３が設けられている。先端部３２には旋回羽３４が設けられている。旋回羽３４は、供給部３３から導入された液体３９ｂに左回りの回転モーメントを付加する。回転モーメントを有する液体３９ａは噴射孔２１から融体流路１５に噴射される。これにより、液体３９ａにより形成される液体膜３５は、回転し、例えば一葉双曲面形状となる。

図１１（ｂ）に示すように、旋回羽３４は図１１（ａ）に比べ短くかつ太い。旋回羽３４は、供給部３３から導入された液体３９ａに右回りの回転モーメントを付加する。

図１２に示すように、液体流路３０に旋回羽３４が設けられていない。導入管３６は、供給部３３に液体３９ｃをオフセットして導入する。導入管３６は、例えば中心軸６０を中心とした円の接線方向に液体３９ｃを導入する。これにより、噴射孔３１から回転モーメントを付与された液体３９ａが噴射される。その他の構成は図１１（ａ）と同じである。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１２のように、旋回部は、液体膜３５に回転モーメントを付与するように適宜設定できる。また、液体膜３５が回転モーメントを有さないことで、図３のようなコーン形状の液体膜３５を形成することができる。例えば、液体膜３５に回転モーメントを付与する構成では、噴出孔３１から融体流路１５に噴出する液体３９ａの噴出方向は、ＸＹ平面において中心軸６０を中心とする円の円周方向成分を含む方向を含みうる。また、例えば噴出孔３１から融体流路１５に噴出する液体３９ａの噴出方向は、ＸＹ平面において中心軸６０を中心とする円の円周方向成分と中心軸６０へ向かう方向成分（半径方向成分）とを含んでもよい。このような液体３９ａの噴出方向は、例えば、図１１（ａ）または図１１（ｂ）の旋回羽３４の壁面や導入管３６の壁面（内面）によって形成することができる。

図１０（ａ）から図１２のように、液体膜形成部は、液体膜３５を形成する液体を融体流路１５に向けて噴射する噴射孔３１（液体噴射部）を含む。これにより、液体膜３５を容易に形成することができる。

図１３は、実施形態１における液体流路の例を示す断面図である。図１３に示すように、下部チャンバ１３の壁にＺ方向に複数の液体流路３０ａから３０ｃが設けられている。噴射孔３１ａから３１ｃは下部チャンバ１３内面においてＺ方向に配置されている。液体流路３０ａから３０ｃの形状は互いに同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。噴射孔３１ａから３１ｃは互いに同じ形状でもよいし、互いに異なる形状でもよい。

図１３のように、噴射孔３１ａから３１ｃはＺ方向に複数配置されていてもよい。これにより、複数の液体膜３５を形成できる。金属融体４５は複数の液体膜３５に接触または近接するため、金属粉体をより小さく粉砕できる。また、金属融体４５の冷却速度を高くすることができる。

液体膜３５の温度は低い方が金属融体４５を急冷できる。よって、噴射孔３１から噴出される液体の温度は室温より低いことが好ましい。液体膜３５の温度は室温より高くてもよい。

［ガイド管の例］
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施形態１におけるガイド管の例を示す断面図である。図１４（ａ）に示すように、ガイド管５２の外から内部に液体５４を導入する導入管５３が設けられている。液体５４は例えば水等の冷媒であり、ガイド管５２内を冷却する。ガイド管５２内の温度が上昇すると、金属融体４５の冷却速度が低くなる。ガイド管５２内に液体５４を導入することで、ガイド管５２内を冷却することができる。

図１４（ｂ）に示すように、ガイド管５２の内面は−Ｚ方向に内径が漸減しその後漸増する。ガイド管５２の内面はラバールノズル形状である。これにより、ガイド管５２内のガスは−Ｚ方向に加速される。これにより、金属融体４５の速度を速くできる。よって、金属融体４５の冷却速度を高くできる。

ガイド管５２の形状は、液体膜３５を保護するように適宜設定できる。液体膜３５を保護する観点からガイド管５２は液体膜３５に沿って設けられることが好ましい。ガイド管５２の内面には螺旋溝が設けられていてもよい。

［実施形態１の変形例１］
図１５は、実施形態１の変形例１に係るアトマイズユニットの断面図である。図１５に示すように、アトマイズユニット１０は、ガス流路２０を有する上部チャンバ１２と回転体３７を備えている。回転体３７の内面は例えば一葉双曲面形状であり、中心軸６０を中心に回転する。導入管３８は液体３９ｄを回転体３７の内面に導入する。これにより、回転体３７の内面に回転する液体膜３５が形成される。

実施形態１の変形例１のように、液体膜３５は回転体３７により形成してもよい。液体膜形成部は金属融体４５を凝固させる液体膜３５を形成すればよい。この際、金属融体４５を粉砕することもできる（二次粉砕）。

実施形態１の金属粉体製造装置用ユニットは、金属が溶融した金属融体４５が流れる融体流路１５の少なくとも一部を囲む壁と、この壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路２０と、このガス流路２０と連通し壁の内面に設けられ、融体流路１５に、金属融体４５を加速させる方向にガスを噴射するガス噴射孔２１と、壁に設けられ大気圧より高い圧力の液体が流れる液体流路３０と、この液体流路３０と連通し壁の内面に設けられ、融体流路１５に、液体を噴射する液体噴射部とを含むチャンバ１１を備える。この金属粉体製造装置用ユニットの液体噴射部は、ガスが噴射された位置より下流の融体流路１５に、金属融体４５を凝固させる液体膜３５を形成することができる。

実施形態１の変形例１の金属粉体製造装置用ユニットは、金属が溶融した金属融体４５が流れる融体流路１５の少なくとも一部を囲む壁と、この壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路２０と、このガス流路２０と連通し壁の内面に設けられ、融体流路１５に、金属融体４５を加速させる方向にガスを噴射するガス噴射孔２１と、融体流路１５の中心軸６０の周りに壁が回動可能な回転体３７とを含むチャンバを備える。この金属粉体製造装置用ユニットの回転体の内面（壁）に液体供給部（導入管３８）から液体を供給することにより、ガスが噴射された位置より下流の融体流路に、金属融体４５を凝固させる液体膜３５を形成することができる。

すなわち、上記の金属粉体製造装置用ユニットは、金属が溶融した金属融体４５が流れる融体流路１５の少なくとも一部を囲む壁と、この壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路２０と、このガス流路２０と連通し上記壁の内面に設けられ、融体流路１５に、金属融体４５を加速させる方向にガスを噴射するガス噴射孔２１と、を含むチャンバ１１と、ガスが噴射された位置より下流の融体流路１５に、金属融体４５を凝固させる液体膜３５を形成する液体膜形成部と、を備える。

小さな粒径で非晶質化度が高い金属粉体を高い歩留まりで得る場合には、次の条件が好ましい。金属粉体の累積頻度５０％の粒度Ｄ５０の上限については、２０μｍ未満が好ましく、１０μｍ以下がより好ましく、８．０μｍ以下がさらに好ましい。金属粉体の累積頻度５０％の粒度Ｄ５０の下限は、特に限定されない。例えば、後述のマイクロトラックの精度の観点から、粒度Ｄ５０の下限が０．０２μｍであってもよい。表面酸化等の表面状態を考慮すると、例えば、粒度Ｄ５０の下限が０．５０μｍであってもよく、１．０μｍであってもよく、２．０μｍであってもよい。この場合の非晶質化度の下限については、８０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましく、９５％以上であるとさらに好ましい。非晶質化度の上限については、１００％である。

大きな粒径で非晶質化度が高い金属粉体を高い歩留まりで得る場合には、次の条件が好ましい。金属粉体の累積頻度５０％の粒度Ｄ５０の上限については、１００μｍ以下が好ましく、８０μｍ以下がより好ましく、５０μｍ以下がさらに好ましい。金属粉体の累積頻度５０％の粒度Ｄ５０の下限は、２０μｍ以上が好ましい。この場合の非晶質化度の下限については、６０％以上が好ましく、７０％以上がより好ましく、８０％以上であるとさらに好ましい。非晶質化度の上限については、１００％である。

上記については、合金組成によって難易度が変動するため、特に上記効果に関する数値的な条件については限定されない。例えば、Ｆｅの量が８０原子％以上の鉄合金において非晶質を得る場合には、上記効果が得られると特に好ましい。

以下、実施形態１を用いた実施例および比較例について説明する。

図１６は、実施例に係る金属粉体製造装置の断面図である。図１６に示すように、供給ユニット４０は、加熱槽４２、加熱部４４および噴出孔４６を有する。加熱槽４２内に母合金４８が導入される。加熱部４４は、加熱槽４２内の母合金４８を誘導加熱し溶融させる。加熱槽４２内の母合金４８に圧力を加えることで、噴出孔４６から溶融した金属が噴出する。

アトマイズユニット１０はチャンバ１１、融体流路１５、ガス流路２０および液体流路３０を備えている。上部チャンバ１２の内面の径は下部チャンバ１３の内面の径より小さく−Ｚ方向に漸減する。噴射孔２１は上部チャンバ１２の−Ｚ端に設けられている。下部チャンバ１３の内面の径は−Ｚ方向に漸減した後漸増する。液体流路３０の先端部３２には旋回羽３４が設けられている。下部チャンバ１３の内面の径が最も小さい付近に噴射孔３１が設けられている。噴射孔３１から噴射される液体により中心軸６０を中心に回転する液体膜３５が形成される。液体膜３５を保護するようにガイド管５２が設けられている。その他の構成は実施形態１の図１および図２と同様であり説明を省略する。

実施例の金属粉体製造装置を用い金属粉体を生成した。Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−ＰおよびＣｕをＦｅ_８３．３Ｓｉ_４Ｂ_８Ｐ_４Ｃｕ_０．７の組成（原子量組成）となるように調整した。調整した原料を加熱することで、所望の組成の溶融した母合金４８を作製した。母合金４８を破砕して加熱槽４２に充填した。加熱部４４は母合金４８をアルゴン雰囲気中で誘導加熱し１３５０℃とした。供給ユニット４０から供給された金属融体４５は、アトマイズユニット１０により粉砕され、冷却凝固されることで金属粉体を得た。ガス流路２０を流れるガスには大気圧換算で２０℃の空気を用い、液体流路３０を流れる液体には大気圧換算で２５℃の水を用いた。金属粉体については振動フルイ器を通し異物および凝結した粒子を除去した。

株式会社リガク製のＸ線回折装置ＳｍａｒｔＬａｂＩＸを用い、回折角２θが２０°以上９０°以下の範囲で、金属粉体のＸ線回折スペクトルを取得した。これにより、金属粉体の構造相を同定した。マイクロトラックベル株式会社製のマイクロトラックＭＴ３３００ＥＸを用い、金属粉体の累積頻度５０％の粒度Ｄ５０を測定した。

表１は、実施例１から６および比較例１から５の金属粉体の作製条件および構造相および粒度の測定結果を示す表である。

表１において、噴射する水量は全て同じである。「ガス圧力比」は、ガス流路２０内のガスの圧力を実施例１のガス圧力で規格化した値である。「ガス流量比」は、噴射孔２１におけるガスの流量を実施例１のガス流量で規格化した値である。「水圧比」は、液体流路３０内の水の圧力を実施例１の水圧で規格化した値である。「旋回羽」は旋回羽３４の有無を示す。旋回羽が有の場合液体膜３５は一葉双曲面形状となり、旋回羽が無の場合液体膜３５はコーン形状となる。「相」は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：X‐ray diffraction）法により同定された相であり、Ａｍｏはアモルファス相を示しＣｒｙは結晶相を示す。「非晶質化度」はＸ線回折法により求めたアモルファスの割合を示す。「Ｄ５０」は粒度Ｄ５０である。

表１のように、実施例１から６では、噴射孔２１からガスを噴射させ、融体流路１５内にガスを強制導入した。実施例１から３では、液体膜３５を一葉双曲面形状とし、それぞれ水圧比を変えた。実施例４から６では、液体膜３５をコーン形状とし、それぞれ水圧比を変えた。

比較例１から５では、噴射孔２１からガスを噴射させず、融体流路１５内のガスは上部から自然に流入する空気である。比較例１および２では、液体膜３５をコーン形状とし、それぞれ水圧比を変えた。比較例３から５では、液体膜３５を一葉双曲面形状とし、それぞれ水圧比を変えた。

図１７（ａ）は、実施例１から６のＸ線回折スペクトルを示す図、図１７（ｂ）は、比較例１から５のＸ線回折スペクトルを示す図である。図１７（ａ）に示すように、実施例１から４では、結晶相によるピークは観測されない。実施例５では小さなピークが観測される。実施例６ではやや大きなピークが観測される。表１のように実施例１から３および６では構造相はアモルファス相であり非結晶化度は１００％である。実施例４および５の構造相はアモルファス相と結晶相であることがわかる。また実施例４および５では、非晶質化度が７２％および９７％とやや小さくなる。

図１７（ｂ）に示すように、比較例１から５では、結晶相によるピークが観測される。表１のように、比較例１から５では構造相は結晶相であり、非晶質化度は５０％以下である。

図１８（ａ）は、実施例および比較例における粒度Ｄ５０に対する非晶質化度を示す図、図１８（ｂ）は、水圧比に対する粒度Ｄ５０を示す図である。数字は実施例１から６および比較例１から５を示す。表１および図１８（ａ）に示すように、比較例１から５では非晶質化度が５０％以下と小さい。実施例１から３では、粒度Ｄ５０が小さく、かつ非晶質化度が１００％である。実施例４から６では、粒度Ｄ５０が大きいものの、比較例に比べると非晶質化度が高い。このように、実施例では、比較例に比べ非晶質化度を大きくできる。実施例内では、液体膜３５が一葉双曲面形状の実施例１から３では、液体膜３５がコーン形状の実施例４から６より粒度Ｄ５０を小さくかつ非結晶化度を大きくできる。

表１および図１８（ｂ）に示すように、水圧比が大きい方が粒度Ｄ５０を小さくできる。このように、水圧を変化させることで、金属粉体の粒度を制御できる。

以上のように、実施例では、比較例に比べ金属粉体の非晶質化度を大きくできる。これは、ガス流路２０が噴射孔２１から金属融体４５にガスを噴射することにより、金属融体４５が加速されるためである。金属融体４５が加速されると、金属融体４５は高温の状態で液体膜３５に接触または近接する。これにより、金属融体４５が粉砕されるときと同時あるいは直後（ほぼ同時）に同時に急冷される。このため、アモルファス状態で金属粉体が形成される。このように、実施例では、非平衡相または過飽和固溶体相等の過冷却組織を多く含む金属粉体を収率よく製造することができる。また、水圧とガス圧力との比率を制御することで、金属粉体の粒度を制御することができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ アトマイズユニット
１１ チャンバ
１２ 上部チャンバ
１３ 下部チャンバ
２０ ガス流路
２１、３１ 噴射孔
２２、３２ 先端部
２３、３３ 供給部
３０ 液体流路
３４ 旋回羽
３５ 液体膜
４０ 供給ユニット
５０ 回収槽
５２ ガイド管

Claims (11)

1. 金属が溶融した金属融体が流れる融体流路の少なくとも一部を囲む壁と、前記壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路と、前記ガス流路と連通し前記壁の内面に設けられ、前記融体流路に、前記金属融体を加速させる方向に前記ガスを噴射するガス噴射孔と、を含むチャンバと、
   前記ガスが噴射された位置より下流の前記融体流路に、前記金属融体を凝固させる液体膜を形成する液体膜形成部と、
   を備える金属粉体製造装置用ユニット。
2. 前記液体膜形成部は、前記液体膜を形成する液体を前記融体流路に向けて噴射する液体噴射部を含む請求項１に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
3. 前記チャンバは、前記金属融体に前記ガスを噴射することにより、前記金属融体を前記金属融体が流れる方向に加速させ、
   前記液体膜形成部は、加速された前記金属融体が前記液体膜に接触および／または近接することにより前記金属融体が凝固されるように前記液体膜を形成する請求項１または２に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
4. 前記ガス流路は前記ガス噴射孔に向けて間隔が漸減する請求項１から３のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
5. 前記ガス噴射孔は、前記融体流路の中心に対し略回転対称に設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
6. 前記ガス噴射孔は、前記金属融体が流れる方向に複数配置される請求項１から５のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
7. 噴射される前のガスを加熱する加熱部を備える請求項１から６のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
8. 前記液体膜形成部は、前記液体膜を前記融体流路の中心に形成せず、前記中心を囲み、前記液体膜が前記中心の周りを回転するように形成する請求項１から７のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
9. 前記ガス噴射孔が前記ガスを噴射する位置と前記金属融体が前記液体膜に接触または近接する位置との間において、前記壁の内面の断面の大きさは、前記金属融体が流れる方向に行くに従い漸減しその後漸増する請求項１から８のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニット。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の金属粉体製造装置用ユニットと、
    前記金属融体を供給する供給ユニットと、
    を備える金属粉体製造装置。
11. 金属が溶融した金属融体が流れる融体流路の少なくとも一部を囲む壁に設けられ大気圧より高い圧力のガスが流れるガス流路と連通し前記壁の内面に設けられたガス噴射孔から、前記融体流路に、前記金属融体を加速させる方向に前記ガスを噴射し、
    前記ガスが噴射された位置より下流の前記融体流路に、前記金属融体を凝固させる液体膜を形成することで、前記金属の粉体を形成する金属粉体製造方法。

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