WO2014097661A1 - 金属粉末の製造方法及び金属粉末 - Google Patents

金属粉末の製造方法及び金属粉末 Download PDF

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particles
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columnar particles
metal powder
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Inventor
小松　隆史
Original Assignee
株式会社小松精機工作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/06—Metallic powder characterised by the shape of the particles
    • B22F1/068—Flake-like particles

Definitions

  • the present invention relates to a metal powder having a large number of metal columnar particles and a method for producing the metal powder.
  • Patent Document 1 powder metallurgy material
  • Patent Document 2 laser sintering material
  • Patent Document 3 ceramic material
  • Patent Document 4 electronic component material
  • Patent Document 5 coating material
  • Patent Document 6 magnetic material
  • Patent Document 7 filler for resin or the like
  • Patent Document 8 automobile catalyst raw material
  • mechanical treatment methods such as pulverization methods, chemical treatment methods using metal compounds, atomization methods, centrifugal atomization methods, plasma atomization methods, rotating electrode methods, etc. are used. ing.
  • the action obtained when the metal powder is used in each application tends to vary.
  • the whole may not be melted or dissolved uniformly, and particles may partially remain.
  • the arrangement density varies.
  • the action based on the surface area may vary. For this reason, in order to obtain a metal powder with small variations, it was necessary to sort a large number of produced particles by classification or the like.
  • Patent Document 9 A method for producing a large number of particles with small variations in particle diameter is described in Patent Document 9 below, for example.
  • a fine volume metal piece is cut by cutting an extra fine wire, or a metal foil is punched with a die to obtain a constant volume of metal.
  • a metal piece was produced, and the metal piece was melted and cooled to produce particles with small variations in particle size due to the surface tension of the metal.
  • JP 2012-87416 A Japanese National Patent Publication No. 10-506151 JP 2012-102351 A JP 2011-252194 A JP 2012-31443 A JP 2011-162882 A JP 2011-89063 A JP 2010-209212 A JP-A-10-298615
  • a first object of the present invention is to provide a method for producing metal powder that can easily and accurately adjust the shape and size of a large number of metal particles and their variations. It is a second object of the present invention to provide a metal powder in which the shape and size of a large number of metal particles and variations thereof are accurately adjusted.
  • a method for producing a metal powder that achieves the first object is a method for producing a metal powder having a number of metal columnar particles, the punch having a cross-sectional shape substantially corresponding to the cross-sectional shape of the number of metal columnar particles, and
  • a die is prepared, and a workpiece material having a metal layer having a thickness substantially corresponding to the axial length of a large number of metal columnar particles is punched with a punch and a die to produce a large number of metal columnar particles.
  • the cross-sectional shape of the punch and the die is a cross-sectional shape in a cross section orthogonal to the processing direction of the punch and die
  • the cross-sectional shape of the metal columnar particles is a cross-sectional shape in a cross section orthogonal to the axial direction of the metal columnar particles. It is.
  • the axial length of the metal columnar particles is the maximum length measured along the axis.
  • the cross-sectional shape of the punch and the die is substantially the same as or similar to the cross-sectional shape of many metal columnar particles. In that case, it is particularly preferable to provide a clearance between the punch and the die, and to make this clearance 5 ⁇ m or less.
  • the metal powder may be manufactured by mixing a large number of the metal columnar particles and other metal particles.
  • the other metal particles a large number of other metal columnar particles different from the metal columnar particles may be produced and mixed by punching a work material with a punch and a die in the same manner as described above.
  • the metal layer which consists of a fine grain metal is stamped.
  • the metal powder of the present invention that achieves the second object described above has a large number of metal columnar particles having a cross-sectional shape and an axial length that are orthogonal to the axial direction.
  • the major axis in the cross-sectional shape of many metal columnar particles is 80 to 300 ⁇ m and the aspect ratio is 0.5 or more and 1.0 or less.
  • this metal powder may consist of a mixture of many metal columnar particles and other metal particles.
  • the other metal particles may be composed of a number of other metal columnar particles having a cross-sectional shape orthogonal to the axial direction and an axial length.
  • a punch and die having a cross-sectional shape substantially corresponding to a cross-sectional shape of a large number of metal columnar particles are used, and a thickness corresponding to the axial length of the large number of metal columnar particles is used. Since the metal layer is stamped, a metal powder having a large number of desired metal columnar particles can be easily produced.
  • the axial length and the variation of many metal columnar particles are adjusted by the thickness of the metal layer, and the cross-sectional shape and size orthogonal to the axial direction and the variation are adjusted by the cross-sectional shapes of the punch and die. Therefore, the shape and size of a large number of metal particles constituting the metal powder and their variations can be easily adjusted with high accuracy.
  • the metal particles constituting the metal powder are a number of metal columnar particles, and the cross-sectional shape and the axial length perpendicular to the axial direction of each metal columnar particle are
  • the metal powder is a metal powder in which the shape and size of a large number of metal particles and variations thereof are accurately adjusted.
  • FIG. 1 It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the principal part of the press work apparatus which concerns on embodiment of this invention. It is an enlarged photograph which shows the metal columnar particle obtained as a result of Example 1 of this invention. It is an enlarged photograph of the metal particle obtained as a result of the comparative example 1, (a) shows a side surface, (b) shows one end surface. 2 is a graph showing the distribution of the size of the metal powder produced in Example 1 of the present invention, where (a) shows the data range of diameter from 80 ⁇ m to 294.5 ⁇ m, and (b) shows from 149 ⁇ m to 154 ⁇ m.
  • the metal powder in the present invention has a number of metal columnar particles as metal particles constituting the powder.
  • the metal powder may be a powder composed solely of one or more metal columnar particles, or may be a powder containing other metal particles. Other metal particles include inevitable particles.
  • the metal columnar particle is a metal particle having a shape in which a cross-sectional shape orthogonal to the axial direction is substantially constant along the axial direction.
  • the cross-sectional shape is particularly preferably circular, but may be elliptical, polygonal, or various irregular shapes.
  • an example of columnar particles having a major axis of 80 to 300 ⁇ m in cross-sectional shape will be mainly described as metal columnar particles.
  • the major axis is the maximum length in the cross-sectional shape, and is the diameter when the cross-sectional shape of the metal columnar particles is a substantially perfect circle.
  • the particles preferably have an aspect ratio of 0.1 or more and 1.5 or less indicated by a ratio of an axial length to a major axis of a cross-sectional shape orthogonal to the axial direction.
  • the aspect ratio is excessively small, the particle shape becomes flat, and when used as a metal powder, the bulk density is lowered and the arrangement tends to be uneven.
  • the aspect ratio is excessively large, processing becomes difficult in terms of plastic processing, and the punch is often damaged at the time of punching.
  • This aspect ratio 0.5 or more or 1.0 or less, the balance between the axial direction and the radial direction in each particle shape may be improved.
  • Each aspect ratio may be a value that can be regarded as equivalent.
  • the manufacturing method of the metal powder in the present embodiment prepares a work material corresponding to a desired metal columnar particle, prepares a press working apparatus having a punch and a die corresponding to the desired metal columnar particle, This is a production method for producing metal powder by producing a large number of metal columnar particles by punching with a punch and die.
  • the material to be processed prepared by this manufacturing method has a metal layer corresponding to the material of the desired metal columnar particles. Since the use of the metal powder is diverse, a work material having a metal layer made of a metal suitable for the use of the metal powder is prepared. This material to be processed may be composed of one or two or more metal layers laminated on other material layers. However, in order to simplify the work after punching, it consists of only one metal layer. Thin plate materials are preferred.
  • the metal constituting the metal layer may be the same material as the desired metal columnar particle when it does not change during processing, and may be a material that becomes a precursor from which the desired metal columnar particle is obtained when it changes during processing.
  • the material and metal structure of the many metal columnar particles constituting the metal powder can be easily and uniformly adjusted.
  • Such a metal layer may be ferrous metal or non-ferrous metal, hard metal such as carbon steel, alloy steel, stainless steel, and tool steel, copper softer than hard metal, brass, aluminum Any soft metal such as gold can be used.
  • a layer made of fine grain metal is used as the metal layer, the workability during punching is improved, so that the fracture surface, burrs, dripping, etc. formed on the surface of each metal columnar particle should be minimized. And a large number of metal columnar particles can be formed with high accuracy.
  • the fine crystal grain metal is, for example, a metal having an average crystal grain size of 10 ⁇ m or less or similar in a metal structure, and may be ultrafine grain steel having an average crystal grain size of 3 ⁇ m or less or similar.
  • the thickness of the metal layer needs to be a thickness corresponding to the axial length of the desired metal columnar particle.
  • the thickness of the metal layer is made to correspond to the axial length of the metal columnar particles, and the processing direction is inclined with respect to the orthogonal direction of the metal layer.
  • the thickness of the metal layer measured obliquely along the machining axis is made to correspond to the axial length of the metal columnar particles.
  • a large number of metal columnar particles having a constant axial length of the metal columnar particles obtained after punching can be produced.
  • the axial lengths of a large number of metal columnar particles obtained by punching can be made uniform with high accuracy.
  • a press working apparatus prepared by this manufacturing method includes a punch 11 and a die 12 having a cross-sectional shape substantially corresponding to a cross-sectional shape of a desired metal columnar particle, and a work material 13 is formed by press working. Any device that can be punched out may be used.
  • the punch 11 and the die 12 have a cross-sectional shape orthogonal to at least one axial direction corresponding to a cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the desired metal columnar particle.
  • the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the punch 11 and the die 12 is preferably the same or similar to the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the desired metal columnar particle, but the cross-sectional shape of the desired metal columnar particle It is possible to obtain the desired metal columnar particles by punching even with a similar shape slightly different from the above.
  • a clearance can be provided between the die 12 and the punch 11 by making the sectional shape of the punch 11 smaller than the sectional shape of the die 12.
  • this clearance variations in the shape and size of a large number of metal columnar particles obtained by repeated punching are adjusted. That is, the larger the clearance, the larger the variation in the shape and size of the obtained metal columnar particles, and the smaller the clearance, the smaller the variation in the shape and size of the metal columnar particles.
  • the clearance between the die 12 and the punch 11 is 5 ⁇ m or less, the variation in the cross-sectional shape and size of a large number of metal columnar particles obtained by punching can be suppressed to be extremely small. It is possible to accurately form the orthogonal cross-sectional shape and the size thereof in a desired shape and size.
  • the machining direction of the die 12 and the punch 11, that is, the inclination angle ⁇ of the axis of the die 12 and the punch 11 with respect to the axis orthogonal to the metal layer of the workpiece 13 can be adjusted as appropriate.
  • the inclination angle ⁇ is set to 0 degree and perpendicular to the metal layer, metal columnar particles having columnar shapes with both end faces and an axial length corresponding to the thickness of the metal layer are obtained.
  • the tilt angle ⁇ is provided and tilted with respect to the metal layer, metal columnar particles having an axial length different from the thickness of the metal layer according to the tilt angle ⁇ are obtained.
  • the tip of the punch 11 is directly brought into contact with the surface of the material 13 to be pressed, so that the tip of the punch 11 is transferred to one end face of each metal columnar particle. Therefore, the tip shape of the punch 11 is preferably a shape corresponding to one end surface of the desired metal columnar particle. In this embodiment, since one end surface of the desired metal columnar particle has a substantially planar shape orthogonal to the axial direction, the tip shape of the punch 11 is orthogonal to the processing direction of the die 12 and the punch 11. It has a flat shape.
  • the shape of the other end face of each metal columnar particle may be adjusted, but even if a surface shape that does not come into contact with the punch 11 of the workpiece 13 remains, it is formed in the same shape in many metal columnar particles. can do.
  • a plane shape that does not come into contact with the punch 11 of the metal layer of the material 13 to be processed is left to form an inclined surface corresponding to the processing direction.
  • a punch 11 and a die 12 corresponding to a desired metal columnar particle are mounted on a press working apparatus, and a workpiece 13 having a metal layer corresponding to the desired metal columnar particle is mounted.
  • the machining axes of the punch 11 and the die 12 are accurately set with respect to the metal layer of the work material 13.
  • a large number of metal columnar particles can be produced by repeatedly punching with the punch 11 and the die 12 while moving the amount of workpiece.
  • the manufacturing method of the present embodiment by punching the metal layer using the punch 11 and the die 12, many metal columnar particles constituting the metal powder can be manufactured.
  • a metal powder composed of metal columnar particles having substantially the same desired size can be easily produced.
  • the axial length and the variation of a large number of metal columnar particles are adjusted by the thickness of the metal layer, and the cross-sectional shape and size orthogonal to the axial direction and the variations thereof are adjusted by the cross-sectional shapes of the punch 11 and the die 12. Therefore, the shape and size of a large number of metal columnar particles constituting the metal powder and their variations can be adjusted easily and accurately, and a metal powder having a large number of particle shapes and sizes can be easily manufactured. it can.
  • the cross-sectional shapes of the punch 11 and the die 12 are the same as or similar to the cross-sectional shape of the many metal columnar particles, a large number of metal columnar particles having a desired cross-sectional shape within a certain range can be easily obtained. Can be formed.
  • This metal powder is composed of a large number of metal columnar particles having a cross-sectional shape orthogonal to the axial direction and an axial length.
  • a large number of metal particles constituting the metal powder have a columnar shape.
  • the columnar shape has an axis extending in one direction, and the cross-sectional shape is a substantially continuous shape along the axial direction. If it is such a shape, compared with what consists of many metal particles of spherical shape or an irregular shape, the shape and size of a metal particle can be formed equally mutually as mentioned above, and shape and size Variation can be made much smaller.
  • the cross-sectional shapes of the particles are substantially the same or similar to each other, and the variation indicated by the cross-sectional diameter is relative to the average value. It should be within a range of ⁇ 10 ⁇ m.
  • the axial lengths of the respective particles are the same or approximate, and the variation shown in the axial cross section is within a range of ⁇ 10 ⁇ m with respect to the average value. It is good to make it become.
  • a large number of metal columnar particles having such shapes and sizes can reliably prevent a powder having a wide particle size distribution, such as a metal powder composed of a large number of spherical particles and irregular particles. Is possible.
  • grains of this embodiment consist of the mutually same metal material, and have an equivalent metal structure.
  • each metal particle constituting the metal powder is columnar and has a clear direction, unlike spherical or irregular particles. Therefore, the arrangement density of the metal particles can be increased as compared with a powder made of irregular particles, spherical particles, or the like.
  • a cylindrical particle having a circular cross section having a radius r and an axial length of 2r is compared with a spherical particle having a radius r, if the particles are regularly arranged along the xyz axis and stored, the cylindrical shape These particles have a smaller porosity with respect to a cube having the same side than spherical particles.
  • the radius r is 0.3 mm
  • the spherical shape is 0.0114137 mm 3 and the porosity is 48%
  • the cylindrical shape is 0.02206 mm 3 and the porosity is 21%, which is 26% compared to the spherical shape. % Smaller.
  • a large number of other metal particles may be one kind or two or more kinds, but those which can grasp the size and variation of the metal particles in a powder state are preferably used.
  • a metal particle having a known size and variation, or a metal particle that can be manufactured by adjusting the size and variation of the metal particle is preferable.
  • Such other metal particles may have various shapes such as a spherical shape and an irregular shape, or may be columnar particles.
  • a large number of metal columnar particles may be prepared as described above, and then a number of other metal particles prepared in advance may be mixed.
  • a large number of other metal particles may be combined and sequentially mixed.
  • a coating layer having a metal layer having a thickness corresponding to the axial length of the other metal columnar particles is used, as in the above-described method for producing a large number of metal columnar particles.
  • the processing material may be produced by punching with a punch and die having a cross-sectional shape corresponding to the cross-sectional shape of other metal columnar particles.
  • a metal powder can be produced by mixing a number of metal columnar particles and a number of other metal particles while adjusting the mixing ratio.
  • the metal powder made of the obtained mixture is a powder in which the shape and size of a large number of metal columnar particles are aligned as described above, and the variation in particles is extremely small. Therefore, by adjusting the mixing ratio of each metal particle, it is possible to produce metal powders that are accurately adjusted to various particle size distributions according to the mixing ratio. Therefore, by adjusting the particle size distribution according to the use of the metal powder, the desired action by the metal powder can be efficiently realized.
  • an apparatus including a set of punches and dies is illustrated as a press processing apparatus.
  • a press processing apparatus including a plurality of punches and dies is used, a large number of metal columnar particles can be efficiently produced. it can.
  • a plurality of types of metal columnar particles can be simultaneously produced by making each die and punch different from each other. In that case, by punching a set of punches and dies having different shapes from each other with a number corresponding to the mixing ratio of each type of metal columnar particles, each type of metal columnar particles can be mixed at the target mixing ratio. Each metal columnar particle can be produced in a mixed state.
  • Example 1 A metal powder made of a rolled steel material having a circular cross-sectional shape with a diameter of 0.15 mm perpendicular to the axial direction and a large number of metal columnar particles with an axial length of 0.14 mm was produced.
  • the punch and die shown in FIG. 1 were provided, and the inclination angle ⁇ in the working direction of the punch and die was set to 20 degrees with respect to the direction orthogonal to the work material.
  • the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the punch and the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the die were both made circular corresponding to the cross-sectional shape of the metal columnar particles, and the clearance between the die and the punch was 5 ⁇ m.
  • a rolled steel plate made of a fine crystal grain metal having an average crystal grain size of 9 ⁇ m and made only of a metal layer having a thickness of 0.13 mm was used as a material to be processed.
  • the variation in thickness of the rolled steel sheet was measured with a micrometer, the dimensional difference was 1 ⁇ m.
  • a number of metal columnar particles were produced by repeating the punching process of the material to be processed with a punch and die, and the metal powder of Example 1 was obtained.
  • the obtained metal powder has a circular cross-sectional shape orthogonal to the axial direction, a planar shape in which one end surface is orthogonal to the axis, and a cylindrical shape in which the other end surface is inclined. It was. The average axial length of this metal powder and the average diameter of the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction were measured, and each variation was determined.
  • the axial length and diameter were each measured using a scanning electron microscope, and an average value and a standard deviation were obtained from 40 pieces of measurement data. As a result, the average axial length was 141.2 ⁇ m, and the variation in axial length was 4.1 ⁇ m. The average diameter was 152.4 ⁇ m, and the variation in diameter was 1.4 ⁇ m.
  • the diameter distribution is shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). When the outer surface of each metal columnar particle was observed, a shear surface and a fracture surface existed on the side surface, and burrs and drooling were relatively small.
  • Example 1 it was possible to obtain a metal powder having a uniform diameter and an axial length, an extremely narrow variation, and an equal metal powder distribution.
  • the shape and size of a large number of metal columnar particles correspond to dies and punches
  • the axial length corresponds to the work material.
  • Example 1 A wire having a circular cross section with a diameter of 0.5 mm was produced from the same rolled steel material as in Example 1 by drawing, and was cut with a cutting die so that the axial length was 1.5 mm. As a result, as shown in FIGS. 3A and 3B, the vicinity of the end face was remarkably deformed at the time of cutting, and a uniform metal powder could not be obtained.

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Abstract

　金属柱状粒子の断面形状に略対応した断面形状を有するパンチ１１及びダイ１２を準備し、金属柱状粒子の軸方向長さに略対応した厚みの金属層を有する被加工材料１３を、パンチ１１及びダイ１２により打抜加工することで、多数の金属粒子の形状及び大きさとそれらのバラツキとを調整して金属粉末を製造する。

Description

金属粉末の製造方法及び金属粉末
　本発明は、多数の金属柱状粒子を有する金属粉末とその製造方法に関する。
　従来、種々の分野で金属粉末が使用され、例えば粉末冶金材料（特許文献１）、レーザ焼結用材料（特許文献２）、セラミックス材料（特許文献３）、電子部品材料（特許文献４）、被覆材料（特許文献５）、磁性材料（特許文献６）、樹脂等への充填材（特許文献７）、自動車用触媒原料（特許文献８）などに利用し得ることが知られている。
　微細な金属粉末を製造するには、例えば粉砕法等の機械的処理法、金属化合物を用いた化学的処理法、アトマイズ法、遠心力アトマイズ法、プラズマ・アトマイズ法、回転電極法などが利用されている。
　ところが、金属粉末には粒子の形状や大きさにバラツキがあり、このバラツキが大きいと、各用途において金属粉末を用いた際に得られる作用にバラツキが生じ易かった。
　例えば金属粉末を溶融したり溶解して使用する場合、全体を均等に溶融したり溶解することができず部分的に粒子が残留することがある。金属粉末を収容又は充填して使用する場合、配置密度にバラツキが生じる。金属粉末の表面に他の物質を接触させて使用する場合、表面積に基づく作用にバラツキが生じることもある。このため、バラツキが小さい金属粉末を得るには、製造した多数の粒子を分級等により選別する必要があった。
　粒径のバラツキが小さい多数の粒子を製造する方法が、例えば下記特許文献９に記載されている。この方法では、金又は金合金等の半導体バンプ用の微細球状金属粒子を製造するにあたり、極細線を切断して一定体積の金属切片を作製するか、金属箔を金型で打ち抜いて一定体積の金属切片を作製し、この金属切片を溶融させて冷却することで、金属の表面張力により粒径のバラツキの小さい粒子を製造していた。
特開２０１２－８７４１６号公報 特表平１０－５０６１５１号公報 特開２０１２－１０２３５１号公報 特開２０１１－２５２１９４号公報 特開２０１２－３１４４３号公報 特開２０１１－１６２８８２号公報 特開２０１１－８９０６３号公報 特開２０１０－２０９４１２号公報 特開平１０－２９８６１５号公報
　しかしながら、バラツキを小さくするために分級等の粒子の選別を行うと、金属粉末の製造に手間を要し、粒径が小さい場合には長時間の処理が必要であった。
　また上記特許文献９のように、一定体積の金属切片を切り出した後で溶融及び冷却するとしても、複数の工程が必要で製造に手間を要し、しかも溶融時に金属切片同士が繋がるなどにより、得られる粒子の集合体に粒径のバラツキが生じていた。
　そこで本発明では、多数の金属粒子の形状及び大きさとそれらのバラツキとを容易に精度よく調整できる金属粉末の製造方法を提供することを第１の目的とする。また、多数の金属粒子の形状及び大きさとそれらのバラツキとが精度よく調整された金属粉末を提供することを第２の目的とする。
　上記第１の目的を達成する金属粉末の製造方法は、多数の金属柱状粒子を有する金属粉末を製造する方法であって、多数の金属柱状粒子の断面形状に略対応した断面形状を有するパンチ及びダイを準備し、多数の金属柱状粒子の軸方向長さに略対応した厚みの金属層を有する被加工材料を、パンチ及びダイにより打抜加工して多数の金属柱状粒子を作製する方法である。
　ここで、パンチ及びダイの断面形状とは、パンチ及びダイの加工方向と直交する断面における断面形状であり、金属柱状粒子の断面形状とは、金属柱状粒子の軸方向と直交する断面における断面形状である。また金属柱状粒子の軸方向長さとは、軸線に沿って測定される最大長である。
　この製造方法では、パンチ及びダイの断面形状が多数の金属柱状粒子の断面形状と実質的に同一又は相似形状であるのがよい。その場合、パンチとダイとの間にクリアランスを設け、このクリアランスを５μｍ以下にするのが特に好適である。
　この製造方法では、上記の多数の金属柱状粒子と他の金属粒子とを混合して金属粉末を製造してもよい。他の金属粒子としては、上記金属柱状粒子とは異なる多数の他の金属柱状粒子を、上記と同様に被加工材料をパンチ及びダイにより打抜加工することで作製して混合してもよい。
　なお、この製造方法にあっては、好ましくは、微細結晶粒金属からなる金属層を打抜加工する。
　上記第２の目的を達成する本発明の金属粉末は、軸方向と直交する断面形状及び軸方向長さを揃えた多数の金属柱状粒子を有するものである。
　この金属粉末では、多数の金属柱状粒子の断面形状における長径が８０～３００μｍで、アスペクト比が０．５以上１．０以下であるのが好適である。
　また、この金属粉末は多数の金属柱状粒子と他の金属粒子との混合物からなるものであってもよい。他の金属粒子は、軸方向と直交する断面形状及び軸方向長さを揃えた多数の他の金属柱状粒子からなるものでもよい。
　本発明の金属粉末の製造方法によれば、多数の金属柱状粒子の断面形状に略対応した断面形状を有するパンチ及びダイを用いて、多数の金属柱状粒子の軸方向長さに対応した厚みの金属層を打抜加工するので、多数の所望の金属柱状粒子を有する金属粉末を容易に製造できる。
　その際、多数の金属柱状粒子の軸方向長さやそのバラツキは金属層の厚みにより調整し、軸方向と直交する断面形状及び大きさやそれらのバラツキはパンチ及びダイの断面形状により調整する。そのため、金属粉末を構成する多数の金属粒子の形状及び大きさとそれらのバラツキとを容易に精度よく調整することができる。
　本発明の第２の目的を達成する金属粉末によれば、金属粉末を構成する金属粒子が多数の金属柱状粒子であり、各金属柱状粒子の軸方向と直交する断面形状と軸方向長さとが揃っているので、多数の金属粒子の形状及び大きさとそれらのバラツキとが精度よく調整された金属粉末となる。
本発明の実施形態に係るプレス加工装置の要部を示す概略縦断面図である。 本発明の実施例１の結果として得られた金属柱状粒子を示す拡大写真である。 比較例１の結果として得られた金属粒子の拡大写真であり、（ａ）は側面、（ｂ）は一方の端面を示す。 本発明の実施例１で製造された金属粉末の大きさの分布を示すグラフであり、（ａ）は直径のデータ区間を８０μｍ～２９４．５μｍとし、（ｂ）は１４９μｍ～１５４μｍとして示す。
　以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
　本発明における金属粉末は、粉末を構成する金属粒子として多数の金属柱状粒子を有する。金属粉末は１種又は２種以上の金属柱状粒子のみからなる粉末であってもよく、他の金属粒子を含む粉末であってもよい。他の金属粒子には不可避の粒子も含まれる。
　ここで金属柱状粒子とは、軸方向と直交する断面形状が軸方向に沿って略一定に連続した形状を有する金属粒子である。断面形状は円形が特に好ましいが、楕円形、多角形、各種の異形であってもよい。
　本実施形態では、金属柱状粒子として断面形状の長径が８０～３００μｍである円柱形状の粒子の例を主として説明する。長径とは、断面形状における最大長であり、金属柱状粒子の断面形状が略真円形状の場合には直径である。
　この粒子は、軸方向と直交する断面形状の長径に対する軸方向長さの比で示されるアスペクト比を０．１以上１．５以下とするのがよい。アスペクト比が過剰に小さいと粒子形状が扁平となり、金属粉末として使用する際に嵩密度が低下し、配置にムラが生じ易くなる。一方、アスペクト比が過剰に大きいと、塑性加工学的にも加工が困難となり、打抜き時にパンチの破損が多く発生するため、打抜加工に手間がかかり実用的でない。
　このアスペクト比を０．５以上にしたり、１．０以下にしたりすることで、各粒子形状における軸方向と径方向とのバランスを向上させてもよい。なお各アスペクト比はそれぞれ同等と見なせる程度の値であればよい。
　本実施形態における金属粉末の製造方法は、所望の金属柱状粒子に応じた被加工材料を準備し、所望の金属柱状粒子に対応したパンチ及びダイを有するプレス加工装置を準備し、被加工材料をパンチ及びダイにより打抜く打抜加工により、金属柱状粒子を多数作製することで金属粉末を製造する製造方法である。
　本製造方法で準備する被加工材料は、所望の金属柱状粒子の材料に応じた金属層を有する。金属粉末の用途は多岐にわたるため、金属粉末の用途に適した金属からなる金属層を有する被加工材料を準備する。この被加工材料は、１層又は２層以上の金属層が他の材料層に積層されていてもよいが、打抜加工後の手間を簡素化するには、１層の金属層のみからなる薄肉板材が好適である。
　金属層を構成する金属は、加工時に変質しない場合には所望の金属柱状粒子と同一材料とし、加工時に変質する場合には所望の金属柱状粒子が得られる前駆体となる材料としてもよい。本実施形態では、金属層の材料を選択することで、金属粉末を構成する多数の金属柱状粒子の材質や金属組織を容易に均質に調整できる。
　このような金属層としては、鉄系金属であっても非鉄系金属であってもよく、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼等の硬質金属、硬質金属より軟質の銅、黄銅、アルミニウム、金等の軟質金属の何れであっても使用可能である。
　金属層として、微細結晶粒金属からなる層を用いると、打抜加工時の加工性が向上することから、各金属柱状粒子の表面に形成される破断面、バリ、だれ等を極力少なくすることができ、多数の金属柱状粒子を精度よく形成できる。微細結晶粒金属とは、例えば金属組織における平均結晶粒径が１０μｍ以下又は同程度の金属であり、平均結晶粒径が３μｍ以下又は同程度の超微細粒鋼などであってもよい。
　金属層の厚みは、所望の金属柱状粒子の軸方向長さに対応した厚みにする必要がある。例えば、打抜加工における加工方向が金属層に対して直交する場合には、金属層の厚みを金属柱状粒子の軸方向長さに対応させ、加工方向が金属層の直交方向に対して傾斜する場合には、加工軸に沿って斜めに測定される金属層の厚みを金属柱状粒子の軸方向長さに対応させる。
　被加工材料として、一定厚の薄肉板材を使用することで、打抜加工後に得られる金属柱状粒子の軸方向長さが一定の多数の金属柱状粒子を作製することができる。特に、厚みが均一な金属層を用いれば、打抜加工により得られる多数の金属柱状粒子の軸方向長さを精度よく均一にできる。
　本製造方法で準備するプレス加工装置は、図１に示すように、所望の金属柱状粒子の断面形状に略対応した断面形状を有するパンチ１１及びダイ１２を備え、プレス加工により被加工材料１３を打抜可能な装置であればよい。
　パンチ１１及びダイ１２は、少なくとも一方の軸方向と直交する断面形状が所望の金属柱状粒子の軸方向と直交する断面形状に対応している。パンチ１１及びダイ１２の軸方向と直交する断面形状は、所望の金属柱状粒子の軸方向と直交する断面形状と同一又は相似形状とするのが好適であるが、所望の金属柱状粒子の断面形状と多少相違した類似形状であっても、打抜加工により所望の金属柱状粒子を得ることは可能である。
　パンチ１１の断面形状をダイ１２の断面形状より小さくすることで、ダイ１２とパンチ１１との間にクリアランスを設けることができる。このクリアランスにより、繰り返し打抜加工して得られる多数の金属柱状粒子の形状及び大きさのバラツキが調整される。即ち、クリアランスが大きい程、得られる多数の金属柱状粒子の形状及び大きさのバラツキが大きくなり、クリアランスを小さくする程、金属柱状粒子の形状及び大きさのバラツキを小さくできる。
　ダイ１２とパンチ１１との間のクリアランスを５μｍ以下にすると、打抜加工により得られる多数の金属柱状粒子の断面形状及び大きさのバラツキを極めて小さく抑えることができ、金属柱状粒子の軸方向と直交する断面形状及びその大きさを精度よく所望の形状及び大きさに形成することが可能である。
　ダイ１２及びパンチ１１の加工方向、即ち被加工材料１３の金属層と直交する軸に対するダイ１２及びパンチ１１の軸線の傾斜角度θは適宜調整し得る。傾斜角度θを０度として金属層に対して直交させると、両端面が整った柱状で金属層の層厚に応じた軸方向長さの金属柱状粒子が得られる。一方、傾斜角度θを設けて金属層に対して傾斜させると、傾斜角度θに応じて金属層の層厚とは異なる軸方向長さの金属柱状粒子が得られる。
　本実施形態のプレス加工装置では、パンチ１１の先端を直接被加工材料１３の表面に直接当接して加圧するため、パンチ１１の先端形状が各金属柱状粒子の一方の端面に転写される。そのためパンチ１１の先端形状は、所望の金属柱状粒子の一方の端面に対応した形状とするのがよい。この実施形態では、所望の金属柱状粒子の一方の端面は、軸方向に対して直交する略平面形状となっているため、パンチ１１の先端形状がダイ１２及びパンチ１１の加工方向に対して直交する平面形状となっている。
　一方、各金属柱状粒子の他方の端面の形状は、調整してもよいが、被加工材料１３のパンチ１１と当接しない表面形状が残留したとしても、多数の金属柱状粒子において同じ形状に形成することができる。この実施形態では、作製容易にするため、被加工材料１３の金属層のパンチ１１と当接しない平面形状を残留させて、加工方向に対応した傾斜面を形成するようにしている。
　なお本実施形態のプレス加工装置では、ダイ１２及びパンチ１１の加工方向の長さ、軸方向の勾配、ストローク量、加工速度等は、打抜加工により円滑に金属柱状粒子を打抜けるように適宜設定すればよい。
　以上のようなプレス加工装置及び被加工材料１３を準備して、本実施形態により多数の金属柱状粒子を作製するには、次の通り行う。
　まずプレス加工装置に所望の金属柱状粒子に対応したパンチ１１及びダイ１２を装着し、所望の金属柱状粒子に対応した金属層を有する被加工材料１３を装着する。このとき、パンチ１１及びダイ１２の加工軸を被加工材料１３の金属層に対して精度よく設定する。そして、被加工材量を移動させつつパンチ１１及びダイ１２により繰り返し打抜加工を行うことで、多数の金属柱状粒子を作製することができる。
　打抜加工を繰り返す際には、パンチ１１及びダイ１２の金属層に対する加工方向を一定に保つことが好適である。なお従来の各種の製造方法のように、金属粒子を溶融して作製する必要がないため、大気下で高温に加熱することなく常温で加工してもよい。
　本実施形態の製造方法によれば、パンチ１１及びダイ１２を用いて金属層を打抜加工することで、金属粉末を構成する多数の金属柱状粒子を製造できるので、繰り返し打抜加工するだけで、実質的に同一で所望のサイズの金属柱状粒子からなる金属粉末を容易に製造することができる。
　多数の金属柱状粒子の軸方向長さやそのバラツキは、金属層の厚みにより調整され、軸方向と直交する断面形状及び大きさやそれらのバラツキは、パンチ１１及びダイ１２の断面形状により調整される。従って、金属粉末を構成する多数の金属柱状粒子の形状及び大きさとそれらのバラツキとを、容易に精度よく調整することができ、多数の粒子の形状及び大きさを揃えた金属粉末を容易に製造できる。
　この製造方法では、パンチ１１及びダイ１２の断面形状を、多数の金属柱状粒子の断面形状と同一又は相似形状にするので、バラツキが一定範囲内で所望の断面形状の多数の金属柱状粒子を容易に形成することができる。
　特に、パンチ１１とダイ１２との間に設けるクリアランスを５μｍ以下にして打抜加工を行うと、多数の金属柱状粒子を高精度に作製でき、多数の金属柱状粒子の断面形状及び大きさのバラツキが極めて少ない金属粉末を容易に製造できる。
　次に、このようにして製造された金属粉末について説明する。
　この金属粉末は軸方向と直交する断面形状と軸方向長さとを揃えた多数の金属柱状粒子からなる。ここでは、金属粉末を構成する多数の金属粒子が柱状の形状を有している。柱状の形状は一方向に延びる軸を有し、断面形状が軸方向に沿って略一定に連続した形状である。このような形状であれば、球形状や不定形形状の多数の金属粒子からなるものに比べ、上述のように金属粒子の形状や大きさを互いに同等に形成することができ、形状や大きさのバラツキを格段に小さくすることができる。
　ここで、多数の金属柱状粒子の軸方向と直交する断面形状を揃えるには、各粒子の断面形状が互いに実質的に同一又は相似形状となり、断面の直径で示されるバラツキが平均値に対して±１０μｍの範囲以内となるようにするのがよい。
　また多数の金属柱状粒子の軸方向長さを揃えるには、各粒子の軸方向長さが互いに同一又は近似長さとなり、軸方向断面で示されるバラツキが平均値に対して±１０μｍの範囲以内となるようにするのがよい。このような形状及び大きさを有する多数の金属柱状粒子であれば、多数の球状粒子や不定形粒子からなる金属粉末のように、広い粒径分布を有する粉末となることを確実に防止することが可能である。なおこの実施形態の多数の金属柱状粒子は、互いに同じ金属材料からなり同等の金属組織を有している。
　以上のような金属粉末によれば、多数の金属粒子の断面形状及び軸方向長さが揃っているので、粒子のバラツキが極めて少なく、そのため各種の用途に使用する際に、用途に応じた作用を金属柱状粒子毎に同等に得ることができる。そのため各種の用途において所望の作用を効率よく実現することが可能である。
　例えば金属粉末を収容したり充填して使用したりする場合には、金属粉末を構成する各金属粒子が柱状で、球形状の粒子や不定形の粒子とは異なり明確な方向性を有しているため、不定形の粒子や球状粒子等からなる粉末に比べて金属粒子の配置密度を高めることができる。即ち、半径ｒの円形断面を有して軸方向長さが２ｒの円柱形状の粒子と半径ｒの球形状の粒子とを比較した場合、ｘｙｚ軸に沿って規則正しく配列して収容すると、円柱形状の粒子は球形状の粒子に比べて、一辺を同じくする立方体に対する空隙率が小さくなる。例として、半径ｒが０．３ｍｍの場合、球形状では０.０１４１３７ｍｍ３となり空隙率は４８％であるが、円柱形状では０.０２１２０６ｍｍ３となり空隙率は２１％で、球形状に比べて２６％小さくなる。
　次に変形例について説明する。
　上記では、多数の金属柱状粒子からなる金属粉末の例について説明したが、ここでは、多数の金属柱状粒子と多数の他の金属粒子との混合物からなる金属粉末の例について説明する。
　多数の他の金属粒子は、１種であっても２種以上であってもよいが、好ましくは粉末の状態で金属粒子の大きさ及びバラツキを把握可能なものを用いる。具体的には、金属粒子の大きさ及びバラツキが既知のものや、金属粒子の大きさ及びバラツキを調整して作製可能なものがよい。このような他の金属粒子の形状は、球形状、不定形形状等の各種の形状であってもよく、柱状粒子であってもよい。
　混合物からなる金属粉末を製造するには、上記のようにして多数の金属柱状粒子を作製し、その後、予め作製された多数の他の金属粒子を混合してもよく、上記のようにして多数の金属柱状粒子を製造する際に多数の他の金属粒子を合わせて作製して、順次混合してもよい。
　多数の他の金属粒子として金属柱状粒子を用いる場合には、上記の多数の金属柱状粒子の製造方法と同様に、他の金属柱状粒子の軸方向長さに対応した厚みの金属層を有する被加工材料を、他の金属柱状粒子の断面形状に対応した断面形状を有するパンチ及びダイにより打抜加工することで作製してもよい。これにより、形状や大きさ、それらのバラツキが精度良く調整された多数の他の金属粒子を得ることができる。
　このようにして多数の金属柱状粒子と他の多数の金属粒子とを、混合割合を調整して混合することで金属粉末を製造することができる。得られた混合物からなる金属粉末は、上述のように多数の金属柱状粒子の形状及び大きさが揃えられ粒子のバラツキが極めて小さい粉末であり、多数の他の金属粒子が大きさ及びバラツキを把握できるものであるため、各金属粒子の混合割合を調整することで、混合割合に応じて種々の粒度分布に精度よく調整された金属粉末を製造することができる。そのため、金属粉末の用途に応じて粒度分布を調整することで、金属粉末による所望の作用を効率よく実現することができる。
　なお上記実施形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
　例えば、上記ではプレス加工装置として、一組のパンチ及びダイを備えた装置を図示したが、複数のパンチ及びダイを備えたプレス加工装置を用いれば効率良く多数の金属柱状粒子を製造することができる。
　また複数のパンチ及びダイを備えたプレス加工装置を用いれば、各ダイ及びパンチをそれぞれ互いに異なる形状にすることで、複数種類の金属柱状粒子を同時に製造することもできる。その場合、互いに異なる形状のパンチ及びダイの組を、各種類の金属柱状粒子の混合割合に応じた数を装着して打抜加工することで、各種類の金属柱状粒子を目的の混合割合で混合した状態で各金属柱状粒子を作製することができる。
［実施例１］
　圧延鋼材からなり、軸方向と直交する断面形状が直径０．１５ｍｍの円形で、軸方向長さが０．１４ｍｍの多数の金属柱状粒子からなる金属粉末を製造した。
　プレス加工装置として、図１に示すパンチ及びダイを備え、被加工材料と直交する方向に対してパンチ及びダイの加工方向の傾斜角度θを２０度にした。
　パンチの軸方向と直交する断面形状とダイの軸方向と直交する断面形状とを共に金属柱状粒子の断面形状に対応させて円形とし、ダイとパンチとの間のクリアランスを５μｍとした。
　被加工材料として、平均結晶粒径が９μｍの微細結晶粒金属からなり、厚み０．１３ｍｍの金属層のみからなる圧延鋼板を用いた。この圧延鋼板の厚みのバラツキをマイクロメータで測定したところ、寸法差は１μｍであった。
　被加工材料をパンチ及びダイにより打抜き加工することを繰り返すことで、多数の金属柱状粒子を作製して、実施例１の金属粉末とした。
　得られた金属粉末は、図２に示すように、軸方向と直交する断面形状が円形で、一方の端面が軸と直交する平面形状を有し、他方の端面が傾斜した円柱形状を有していた。この金属粉末について平均軸方向長さと、軸方向と直交する断面形状の平均直径とを測定し、それぞれのバラツキを求めた。
　軸方向長さ及び直径は、それぞれ走査電子顕微鏡を用いて寸法測定を行い、４０個の測定データから平均値及び標準偏差を求めた。
　その結果、平均軸方向長さは１４１．２μｍ、軸方向長さのバラツキは４．１μｍであった。また平均直径は１５２．４μｍ、直径のバラツキは１．４μｍであった。直径の分布を図４（ａ），（ｂ）に示した。
　なお、各金属柱状粒子の外表面を観察したところ、側面にはせん断面と破断面が存在し、バリやだれは比較的少ない状態であった。
　実施例１では、直径及び軸方向長さが精度よく揃っていてバラツキが極めて狭く、粒子の分布が無いに等しい金属粉末を得ることができた。ここでは、多数の金属柱状粒子の形状及び大きさがダイ及びパンチに対応し、軸方向長さが被加工材料に対応していた。
［比較例１］
　実施例１と同じ圧延鋼材から直径０．５ｍｍの断面円形の線材を引き抜き加工により作製し、切断用金型で軸方向長さが１．５ｍｍとなるように切断した。その結果、図３（ａ），（ｂ）に示すように、切断時に端面付近が著しく変形し、均一な金属粉末は得られなかった。
１１　パンチ
１２　ダイ
１３　被加工材料

Claims (10)

  1. 　多数の金属柱状粒子を有する金属粉末を製造する方法であって、
    　上記多数の金属柱状粒子の断面形状に略対応した断面形状を有するパンチ及びダイを準備し、
    　上記多数の金属柱状粒子の軸方向長さに略対応した厚みの金属層を有する被加工材料を、上記パンチ及びダイにより打抜加工して上記多数の金属柱状粒子を作製する、金属粉末の製造方法。
  2. 　前記パンチ及びダイの断面形状が、前記多数の金属柱状粒子の断面形状と同一又は相似形状である、請求項１に記載の金属粉末の製造方法。
  3. 　前記パンチと前記ダイとの間にクリアランスを設け、該クリアランスを５μｍ以下にする、請求項１に記載の金属粉末の製造方法。
  4. 　前記多数の金属柱状粒子と他の金属粒子とを混合する、請求項１に記載の金属粉末の製造方法。
  5. 　前記他の金属粒子として、前記金属柱状粒子とは異なる多数の他の金属柱状粒子を作製して混合する、請求項４に記載の金属粉末の製造方法。
  6. 　前記金属柱状粒子を、微細結晶粒金属からなる前記金属層を打抜加工することで得る、請求項１に記載の金属粉末の製造方法。
  7. 　軸方向と直交する断面形状及び軸方向長さを揃えた多数の金属柱状粒子を有する、金属粉末。
  8. 　前記多数の金属柱状粒子の前記断面形状における長径が８０～３００μｍで、アスペクト比が０．５以上１．０以下である、請求項７に記載の金属粉末。
  9. 　前記多数の金属柱状粒子と他の金属粒子との混合物からなる、請求項７に記載の金属粉末。
  10. 　前記他の金属粒子が、軸方向と直交する断面形状及び軸方向長さを揃えた多数の他の金属柱状粒子からなる、請求項９に記載の金属粉末。
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