WO2018139544A1 - ガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置 - Google Patents

ガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置 Download PDF

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俊太郎 寺内
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Definitions

  • the metal powder can be generated as fine powder by injecting the supersonic flow gas toward the molten metal passing through the through hole by the nozzle unit configured as the Laval nozzle.
  • the flow direction of the gas injected from the nozzle becomes unstable due to the turbulence of the air flow.
  • the swirling flow imparts a swirling flow to the gas injected from the nozzle by the swirling applying means, whereby the flow of the supersonic flow jetted from the nozzle is rectified and flows The direction of is stabilized.
  • the nozzle portion is formed in a ring shape continuous along the periphery of the center line, and the nozzle portion is connected to the swirl applying means. It is preferable that the gas filling portion form a continuous ring-shaped space along the periphery of the center line, and a gas supply portion that allows gas to flow along the ring shape of the gas filling portion.
  • this gas atomizing nozzle it is possible to provide a simple structure without providing a blade or the like for generating a swirling flow when applying the swirling flow.
  • the swirling flow can be provided by the spiral shape of the hole of each nozzle portion, so that the swirling flow can be reliably provided.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a gas atomizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration view of another example of the gas atomizing device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration view of another example of the gas atomizing device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view of a gas atomizing nozzle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan cross-sectional view of a gas atomizing nozzle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the particle size distribution of the powder produced by the gas atomizing nozzle according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a gas atomizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration view of another example of the gas atomizing device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration view
  • FIG. 1 to 3 are schematic configuration diagrams of a gas atomizing device according to the present embodiment.
  • the heating unit 22 heats the storage container 21, for example.
  • the nozzle 3 jets the gas G to the molten metal M flowing down from the discharge port 21 a of the storage container 21.
  • the nozzle 3 has a through hole 3A through which the molten metal M flowing downward passes, and jets a gas G toward the molten metal M passing through the through hole 3A. Therefore, the molten metal M is instantaneously dropletized and cooled by the injected gas G to be produced as the metal powder P.
  • FIG. 9 is a partially enlarged bottom view showing another example of the gas atomizing nozzle according to the present embodiment.

Landscapes

  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Electrostatic Spraying Apparatus (AREA)

Abstract

粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成する。中心線(C)に沿って形成された貫通穴(3A)と、中心線(C)の周りに沿って配置されて中心線(C)に向き所定角度(α)傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部(3D)と、ノズル部(3D)から噴射されるガスに中心線(C)を中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、を備える。

Description

ガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置
 本発明は、ガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置に関する。
 例えば、特許文献1には、流下する溶鋼流に高速ガスを噴射して金属粉末を得るガスアトマイズ法におけるノズルについて、環状ノズルをラバルノズルとすることが示されている。
実開昭61-108323号公報
 特許文献1においては、ラバルノズルを適用することでガス流を加速させて超音速とすることができるが、溶鋼流がより一層膨れて噴き上がるため閉塞部の延べ長さをノズル内径の少なくとも1/2以上に設定しておく必要があることが示されている。このように、ガスアトマイズ用ノズルにおいては、ガス流を超音速にするだけで金属粉末の生成に影響を及ぼすおそれがあることが知られている。
 また、金属粉末としては、金属粉末射出成形法における射出性や焼結性の観点や3次元金属造形法における表面粗度改善の観点から微細粉末(例えば、45μm以下)とすることが望まれている。しかし、一般的なガスアトマイズ用ノズルにより生成される金属粉末は、粒度にばらつきが多く微細粉末の収率は1つのインゴット材料から2割未満と低い。
 本発明は上述した課題を解決するものであり、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成することのできるガスアトマイズ用ノズルおよびガスアトマイズ装置を提供することを目的とする。
 上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルは、中心線に沿って形成された貫通穴と、前記中心線の周りに沿って配置されて前記中心線に向き所定角度傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部と、前記ノズル部から噴射されるガスに前記中心線を中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、を備える。
 このガスアトマイズ用ノズルによれば、ラバルノズルとして構成されたノズル部により超音速流のガスを、貫通穴を通過する溶融金属に向けて噴射することで、金属粉末を微粒粉末として生成することができる。また、超音速流のガスの場合、気流の乱れによりノズル部から噴射されるガスの流れの方向が不安定となる。この点、このガスアトマイズ用ノズルによれば、旋回付与手段によりノズル部から噴射されるガスに旋回流れを付与することで、ノズル部から噴射される超音速流のガスの流れが整流化されて流れの方向が安定する。このため、生成された金属粉末同士が衝突して形状が変化したり、生成された金属粉末同士が接触してくっついたりすることを防止でき、金属粉末の粒度のばらつきを抑制することができる。また、生成された金属粉末がノズル部の開口部に付着することを抑制でき、付着した金属粉末によりノズル部を塞ぐ事態を防止することができる。また、旋回流れによる遠心力によって生成された金属粉末が分散されることで、金属粉末を微粒粉末として生成することができる。
 また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部が接続されて前記中心線の周りに沿って連続したリング状の空間を形成するガス充填部と、前記ガス充填部のリング状に沿ってガスを流入させるガス供給部とにより構成されることが好ましい。
 このガスアトマイズ用ノズルによれば、旋回流れを付与するにあたり、旋回流れを生じさせる翼などを設けることのない簡素な構成とすることができる。
 また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部に設けられて旋回流れを付与するフィンとして構成されることが好ましい。
 このガスアトマイズ用ノズルによれば、フィンにより旋回流れを付与するため、旋回流れを確実に付与することができる。
 また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記フィンにより前記ノズル部をラバルノズルとして構成してもよい。
 このガスアトマイズ用ノズルによれば、フィンにより旋回流れを付与する機能とラバルノズルの機能とを兼ねるため、ノズル部側と機能を分ける設計が必要なく製造が容易である。
 また、本発明の一態様に係るガスアトマイズ用ノズルでは、前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って複数設けられた穴として形成されており、前記旋回付与手段は、前記穴が前記中心線を中心として螺旋状に形成されていることが好ましい。
 このガスアトマイズ用ノズルによれば、各ノズル部の穴の螺旋状により旋回流れを付与するため、旋回流れを確実に付与することができる。
 上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るガスアトマイズ装置は、内部が真空引きされる真空容器と、前記真空容器内にて金属を溶融する溶融金属供給部と、前記溶融金属供給部から流下される溶融金属にガスを噴射する上述したいずれか1つのガスアトマイズ用ノズルと、を備える。
 このガスアトマイズ装置によれば、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成するため、規定の粒度の微細粉末の生成効率を向上することができる。
 本発明によれば、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成することができる。
図1は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ装置の概略構成図である。 図2は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ装置の他の例の概略構成図である。 図3は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ装置の他の例の概略構成図である。 図4は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの側断面図である。 図5は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの平断面図である。 図6は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルにより生成した粉末の粒度分布を示す図である。 図7は、従来のガスアトマイズ用ノズルにより生成した粉末の粒度分布を示す図である。 図8は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの他の例を示す部分拡大底面図である。 図9は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの他の例を示す部分拡大底面図である。
 以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
 図1~図3は、本実施形態に係るガスアトマイズ装置の概略構成図である。
 図1に示すように、本実施形態のガスアトマイズ装置は、金属粉末Pを生成するもので、真空容器1と、溶融金属供給部2と、ガスアトマイズ用ノズル(以下、ノズルという)3と、を備える。真空容器1は、その内部が真空引きされた後、不活性ガスが充填され、不活性ガスの雰囲気とされる。溶融金属供給部2は、金属粉末Pの基となる金属塊を収容する収容容器21と、収容容器21内の金属塊を溶融させる加熱部22と、を有する。収容容器21は、耐熱材料にて形成され、底部に溶融した溶融金属を下方に流す排出口21aが開閉を可能に設けられている。加熱部22は、例えば、収容容器21を加熱するものである。ノズル3は、収容容器21の排出口21aから流下する溶融金属Mに対してガスGを噴射させるものである。ノズル3は、流下する溶融金属Mを通過させる貫通穴3Aを有し、この貫通穴3Aを通過する溶融金属Mに向けてガスGを噴射する。従って、溶融金属Mは、噴射されたガスGにより瞬間的に液滴化と冷却が行われて金属粉末Pとして生成される。
 図2に示すように、本実施形態の他の例のガスアトマイズ装置は、金属粉末Pを生成するもので、真空容器1と、溶融金属供給部2と、ガスアトマイズ用ノズル(以下、ノズルという)3と、を備える。真空容器1は、その内部が真空引きされた後、不活性ガスが充填され、不活性ガスの雰囲気とされる。溶融金属供給部2は、金属粉末Pの基となる金属棒を支持する支持部23と、支持部23に支持された金属棒を溶融させる加熱部24と、を有する。支持部23は、金属棒を縦に支持して下端をノズル3に向けて配置する。加熱部24は、金属棒を加熱し溶融するもので、例えば、誘導加熱コイルが適用される。ノズル3は、金属棒の下端から流下する溶融金属Mに対してガスGを噴射させるものである。ノズル3は、流下する溶融金属Mを通過させる貫通穴3Aを有し、この貫通穴3Aを通過する溶融金属Mに向けてガスGを噴射する。従って、溶融金属Mは、噴射されたガスGにより瞬間的に液滴化と冷却が行われて金属粉末Pとして生成される。
 図3に示すように、本実施形態の他の例のガスアトマイズ装置は、金属粉末Pを生成するもので、真空容器1と、溶融金属供給部2と、ガスアトマイズ用ノズル(以下、ノズルという)3と、を備える。真空容器1は、その内部が真空引きされた後、不活性ガスが充填され、不活性ガスの雰囲気とされる。溶融金属供給部2は、金属粉末Pの基となる金属が予め溶融された溶融金属Mを収容する収容容器25を有する。収容容器25は、図1に示すように底部に排出口21aが開閉を可能に設けられていてもよいが、図3に示すように傾けることにより上部の開口部より溶融金属Mをノズル3に流し込むように構成されていてもよい。ノズル3は、収納容器25から流下する溶融金属Mに対してガスGを噴射させるものである。ノズル3は、流下する溶融金属Mを通過させる貫通穴3Aを有し、この貫通穴3Aを通過する溶融金属Mに向けてガスGを噴射する。従って、溶融金属Mは、噴射されたガスGにより瞬間的に液滴化と冷却が行われて金属粉末Pとして生成される。
 なお、図1~図3に示すガスアトマイズ装置は一例であり、溶融金属供給部2については、ノズル3に溶融金属Mを供給することができれば上記構成に限定されるものではない。
 図4は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの側断面図である。図5は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの平断面図(図4におけるA-A断面図)である。
 図4および図5に示すように、ノズル(ガスアトマイズ用ノズル)3は、上述した貫通穴3Aと、ガス充填部3Bと、ガス供給部3Cと、ノズル部3Dと、を備える。
 貫通穴3Aは、ノズル3の中心にて鉛直方向に延在する中心線Cに沿って形成されている。すなわち、ノズル3は、貫通穴3Aを中心としてリング状に形成されている。中心線Cは、上述したガスアトマイズ装置における収容容器21の排出口21aから下方に延在する基準線である。従って、収容容器21の排出口21aから排出される溶融金属Mは、中心線Cに沿って流下する。
 ガス充填部3Bは、ノズル3の内部に形成されて中心線Cを中心として中心線Cの周りに沿って連続したリング状の空間を形成する。
 ガス供給部3Cは、ノズル3を貫通してガス充填部3Bに連通する穴であり、一端3Caがノズル3の外部に通じ、他端3Cbがガス充填部3Bに通じている。ガス供給部3Cは、一端3Caにガス供給管4が接続される。ガス供給管4は、図示しない圧縮ガス生成部からガスGを送る管である。従って、ガス供給部3Cは、ガス充填部3Bの内部に圧縮されたガスGを供給する。
 ノズル部3Dは、中心線Cを中心として中心線Cの周りに沿って配置されている。図4および図5に示すノズル部3Dは、中心線Cの周りに沿って連続したリング状に形成されている。また、ノズル部3Dは、ガス充填部3Bに連通すると共に貫通穴3Aの周りで開口して形成されている。また、ノズル部3Dは、中心線Cに向けて当該中心線Cに対して所定角度αで傾けて設けられている。このノズル部3Dは、ガス充填部3Bに連通する部分が狭い通路に形成された絞部3Daを有し、当該絞部3Daから開口部分に向かって徐々に通路が広く形成された拡大部3Dbを有しており、ラバルノズルとして構成されている。従って、ノズル部3Dにおいて、ガス充填部3Bの内部の圧縮されたガスGは、絞部3Daを通過する際に速度が増加し、拡大部3Dbを通過する際に膨張することで超音速流として噴射される。
 また、本実施形態のノズル3は、旋回付与手段を備えている。旋回付与手段は、ノズル部3Dから噴射されるガスGに中心線Cを中心とする旋回流を付与するもので、図4および図5に示す形態のノズル3においては、ガス充填部3Bと、ガス供給部3Cと、により構成される。
 旋回付与手段は、ガス充填部3Bが中心線Cの周りに沿って連続したリング状の空間を形成している。また、旋回付与手段は、ガス供給部3Cが、ガス充填部3Bのリング状に沿ってガスGを流入させるように、ガス充填部3Bのリング状の円の接線に沿って設けられている。すなわち、旋回付与手段は、ガス供給部3Cからガス充填部3Bのリング状に沿ってガスGを流入させることで、当該ガスGにガス充填部3Bのリング状に沿う旋回流れを付与する。そして、旋回流れを付与されたガスGは、中心線Cを中心とする旋回流れを伴ってノズル部3Dにより噴射される。
 このように、本実施形態のガスアトマイズ用ノズル3は、中心線Cに沿って形成された貫通穴3Aと、中心線Cの周りに沿って配置されて中心線Cに向き所定角度α傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部3Dと、ノズル部3Dから噴射されるガスGに中心線Cを中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、を備える。
 このガスアトマイズ用ノズル3によれば、ラバルノズルとして構成されたノズル部3Dにより超音速流のガスGを、ガスアトマイズ装置において貫通穴3Aを通過する溶融金属Mに向けて噴射することで、金属粉末Pを微粒粉末として生成することができる。
 また、超音速流のガスGの場合、気流の乱れによりノズル部3Dから噴射されるガスGの流れの方向が不安定となる。この点、このガスアトマイズ用ノズル3によれば、旋回付与手段によりノズル部3Dから噴射されるガスGに旋回流れを付与することで、ノズル部3Dから噴射される超音速流のガスGの流れが整流化されて流れの方向が安定する。このため、生成された金属粉末P同士が衝突して形状が変化したり、生成された金属粉末P同士が接触してくっついたりすることを防止でき、金属粉末Pの粒度のばらつきを抑制することができる。また、生成された金属粉末Pがノズル部3Dの開口部に付着することを抑制でき、付着した金属粉末Pによりノズル部3Dを塞ぐ事態を防止することができる。また、旋回流れによる遠心力によって生成された金属粉末Pが分散されることで、金属粉末Pを微粒粉末として生成することができる。
 また、本実施形態のガスアトマイズ用ノズル3では、ノズル部3Dは、中心線Cの周りに沿って連続したリング状に形成されており、旋回付与手段は、ノズル部3Dが接続されて中心線Cの周りに沿って連続したリング状の空間を形成するガス充填部3Bと、ガス充填部3Bのリング状に沿ってガスGを流入させるガス供給部3Cとにより構成されることが好ましい。
 このガスアトマイズ用ノズル3によれば、旋回流れを付与するにあたり、旋回流れを生じさせる翼などを設けることのない簡素な構成とすることができる。
 図6は、本発明の実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルにより生成した粉末の粒度分布を示す図である。図7は、従来のガスアトマイズ用ノズルにより生成した粉末の粒度分布を示す図である。上述した構成において、TiAl合金の粒径45μm以下の金属粉末Pを生成するにあたり、溶融金属Mの粘性、ガス充填部3Bに供給するガスGの圧力、およびノズル部3Dの中心線Cに対する角度αを一定として、上述した旋回付与手段を適用し、ノズル部3Dにラバルノズルを適用した本実施形態のノズル3と(図6)、ラバルノズルを適用しない従来ノズルと(図7)、を比較した。この結果、図6および図7に示すように、旋回付与手段を適用してノズル部3Dにラバルノズルを適用した本実施形態のノズル3は、ラバルノズルを適用しない従来ノズルに対して、生成された金属粉末Pの粒度のばらつきが少ないことが明らかとなった。
 図8は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの他の例を示す部分拡大底面図である。
 図8に示すノズル3は、ノズル部3Dが、図4および図5に示すように、中心線Cの周りに沿って連続したリング状に形成されてラバルノズルとして構成されている。そして、旋回付与手段が、ノズル部3D内に配置されたフィン3Eにより構成されている。フィン3Eは、ノズル部3Dのリング状に沿って所定間隔をおいて複数配置され、中心線Cを中心とした螺旋状に湾曲して形成されている。従って、ガス供給部3Cは、ガス充填部3B内で旋回流れを生じさせる必要はなく、ガス充填部3Bのリング状の円の接線に沿って設けられていない。
 このように、図8に示すノズル3では、ノズル部3Dは、中心線Cの周りに沿って連続したリング状に形成されており、旋回付与手段は、ノズル部3Dに設けられて旋回流れを付与するフィン3Eとして構成されていてもよい。
 この図8に示すノズル3においても、金属粉末Pを微粒粉末として生成し、金属粉末Pの粒度のばらつきを抑制することができる。しかも、図8に示すノズル3によれば、フィン3Eにより旋回流れを付与するため、図4および図5に示すノズル3と比較して、旋回流れを確実に付与することができる。
 また、図8に示すノズル3では、フィン3Eは、ノズル部3Dをラバルノズルとして構成するようにしてもよい。すなわち、ノズル部3D自体は、上述した絞部3Daおよび拡大部3Dbを有さず、フィン3Eの形状および配置により絞部3Daおよび拡大部3Dbを形成する。この構成においても、金属粉末Pを微粒粉末として生成し、金属粉末Pの粒度のばらつきを抑制することができ、しかも、フィン3Eにより旋回流れを付与するため、図4および図5に示すノズル3と比較して、旋回流れを確実に付与することができる。特に、フィン3Eにより旋回流れを付与する機能とラバルノズルの機能とを兼ねるため、ノズル部3D側と機能を分ける設計が必要なく製造が容易である。
 図9は、本実施形態に係るガスアトマイズ用ノズルの他の例を示す部分拡大底面図である。
 図9に示すノズル3は、ノズル部3Dが、中心線Cの周りに沿って複数設けられた穴として形成されている。各ノズル部3Dの穴は、上述した絞部3Daおよび拡大部3Dbを有してそれぞれがラバルノズルとして構成されている。そして、旋回付与手段は、各ノズル部3Dの穴が中心線Cを中心とした螺旋状に湾曲して形成されることで構成される。
 この図9に示すノズル3においても、金属粉末Pを微粒粉末として生成し、金属粉末Pの粒度のばらつきを抑制することができる。しかも、図9に示すノズル3によれば、各ノズル部3Dの穴の螺旋状により旋回流れを付与するため、図4および図5に示すノズル3と比較して、旋回流れを確実に付与することができる。
 また、上述した各構成のいずれか1つのノズル3を備えるガスアトマイズ装置によれば、粒度のばらつきの少ない微細粉末を生成するため、規定の粒度の微細粉末の生成効率を向上することができる。
 1 真空容器
 2 溶融金属供給部
 21 収容容器
 21a 排出口
 22 加熱部
 23 支持部
 24 加熱部
 25 収容容器
 3 ガスアトマイズ用ノズル(ノズル)
 3A 貫通穴
 3B ガス充填部
 3C ガス供給部
 3Ca 一端
 3Cb 他端
 3D ノズル部
 3Da 絞部
 3Db 拡大部
 3E フィン
 4 ガス供給管
 C 中心線
 G ガス
 M 溶融金属
 P 金属粉末
 α 角度

Claims (6)

  1.  中心線に沿って形成された貫通穴と、
     前記中心線の周りに沿って配置されて前記中心線に向き所定角度傾けて設けられたラバルノズルからなるノズル部と、
     前記ノズル部から噴射されるガスに前記中心線を中心とする旋回流れを付与する旋回付与手段と、
     を備える、ガスアトマイズ用ノズル。
  2.  前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部が接続されて前記中心線の周りに沿って連続したリング状の空間を形成するガス充填部と、前記ガス充填部のリング状に沿ってガスを流入させるガス供給部とにより構成される、請求項1に記載のガスアトマイズ用ノズル。
  3.  前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って連続したリング状に形成されており、前記旋回付与手段は、前記ノズル部に設けられて旋回流れを付与するフィンとして構成される、請求項1に記載のガスアトマイズ用ノズル。
  4.  前記フィンは、前記ノズル部をラバルノズルとして構成する、請求項3に記載のガスアトマイズ用ノズル。
  5.  前記ノズル部は、前記中心線の周りに沿って複数設けられた穴として形成されており、前記旋回付与手段は、前記穴が前記中心線を中心として螺旋状に形成されている、請求項1に記載のガスアトマイズ用ノズル。
  6.  内部が真空引きされる真空容器と、
     前記真空容器内にて金属を溶融する溶融金属供給部と、
     前記溶融金属供給部から流下される溶融金属にガスを噴射する請求項1から5のいずれか1つに記載のガスアトマイズ用ノズルと、
     を備える、ガスアトマイズ装置。
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