特許 7231159 金属粉末製造装置、及び金属粉末の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-20

(45)【発行日】2023-03-01

(54)【発明の名称】金属粉末製造装置、及び金属粉末の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 9/08 20060101AFI20230221BHJP

【ＦＩ】

B22F9/08 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019572323

(86)(22)【出願日】2019-02-19

(86)【国際出願番号】 JP2019005986

(87)【国際公開番号】W WO2019160154

(87)【国際公開日】2019-08-22

【審査請求日】2022-01-21

(31)【優先権主張番号】P 2018026917

(32)【優先日】2018-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】511053964

【氏名又は名称】ハード工業有限会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】株式会社プロテリアル

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山形 虎雄

(72)【発明者】

【氏名】山形 琢一

(72)【発明者】

【氏名】千綿 伸彦

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１４５４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４５４９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ９／０２，９／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶融金属を垂下する供給手段と、
前記供給手段から垂下した溶融金属に、燃焼炎噴射口から超音速の燃焼炎を集中噴射し、集中した前記燃焼炎を噴出集束流にして直下に噴出させる燃焼炎噴射手段と、
前記噴出集束流の上流部周りの雰囲気を安定させる安定部材と、
を有する、金属粉末製造装置。

【請求項2】

前記安定部材は、前記噴出集束流を下端開口に通過させる筒部を有するととともに、前記筒部の上端開口を前記燃焼炎噴射手段との間に隙間を設けて、前記上端開口の縁を前記噴出集束流の上流部周りに配する、請求項１に記載の金属粉末製造装置。

【請求項3】

前記安定部材は、前記噴出集束流の上流部周りにガスを噴射するガス噴射部を有する、請求項１に記載の金属粉末製造装置。

【請求項4】

前記安定部材は、前記燃焼炎噴射手段との間に隙間を設けて配置され前記噴出集束流を下端開口に通過させる筒部を有するとともに、前記筒部の内側面に、流体を噴出して前記内側面に沿って下方に流す流体噴出口を有する、請求項１に記載の金属粉末製造装置。

【請求項5】

前記流体噴出口を、前記内側面の周方向に複数開口する、請求項４に記載の金属粉末製造装置。

【請求項6】

前記流体として液体を噴出可能にする、請求項４または請求項５に記載の金属粉末製造装置。

【請求項7】

前記安定部材は、前記筒部の上端開口から下端開口までの長さが、１０ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項２または請求項４に記載の金属粉末製造装置。

【請求項8】

前記隙間は、５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項２または請求項４に記載の金属粉末製造装置。

【請求項9】

垂下した溶融金属に超音速の燃焼炎を集中噴射し、前記燃焼炎を噴出集束流にして直下に噴出するとともに、前記噴出集束流の上流部に、周りの雰囲気を安定させる安定部材を配置した状態で前記燃焼炎を噴出する、金属粉末の製造方法。

【請求項10】

前記安定部材は、前記噴出集束流の上流部周りに気流を流入させるものである、請求項９に記載の金属粉末の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、金属粉末を製造する金属粉末製造装置、及び金属粉末の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属粉末の製造方法として、溶融金属を垂下して溶滴に粉砕し、その溶滴を冷却して金属粉末を形成するアトマイズ法が知られている。また、アトマイズ法は、高圧ガスにより粉砕するガスアトマイズ法や、高圧水により粉砕する水アトマイズ法が知られている。

【0003】

また、ガスアトマイズ法の一種として、溶融金属を超音速の燃焼炎により粉砕する、燃焼炎ガスアトマイズ法が知られている（例えば、特開２０１４－１３６８０７号公報、国際公開２０１２－１５７７３３号公報）。燃焼炎ガスアトマイズ法は、溶融金属を微細な溶滴に粉砕することができ、通常のガスアトマイズ法よりも微細な金属粉末を形成できることが知られている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１、２に記載された燃焼炎ガスアトマイズ法では、集中噴射した燃焼炎が、超音速ガス流の噴出集束流となって集中点から直下に噴出される。その際、噴出集束流の上流部周りには、ガス流に倣った気流が形成されるが、噴出集束流が超音速であるために、噴出集束流の上流部周りに、負圧部分、すなわち、周囲よりも気圧の低い部分が発生しやすくなる。

【0005】

特に、溶融金属を中空管の下端に垂下し、その下端の外周に沿って燃焼炎を噴射する「コンファインド型」の金属粉末製造装置では、噴出集束流の上方を、燃焼炎噴射手段が閉塞するので、噴出集束流の上流部周りに、負圧部分が発生しやすくなる。

【0006】

このような負圧部分は、噴出集束流を引き寄せ、発生と消失を繰り返して、噴出集束流を揺動させてしまうことがある。すなわち、負圧部分の発生により、噴出集束流が揺動し、乱流を発生してしまうことがある。これにより、溶融金属の粉砕が不安定になり、形成された金属粉末の粒径分布が悪くなって、所望の粒度分布が得られなくなるおそれがある。

【0007】

そこで本開示では、噴出集束流の揺動を抑制して、安定した噴出集束流にすることができる、金属粉末製造装置、及び金属粉末製造方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１の態様に係る金属粉末製造装置は、溶融金属を垂下する供給手段と、前記供給手段から垂下した溶融金属に、燃焼炎噴射口から超音速の燃焼炎を集中噴射し、集中した前記燃焼炎を噴出集束流にして直下に噴出させる燃焼炎噴射手段と、前記噴出集束流の上流部周りの雰囲気を安定させる安定部材と、を有する。

【0009】

第１の態様に係る金属粉末製造装置によれば、噴出集束流の上流部周りにおいて、負圧の発生を抑制でき、噴出集束流の揺動を抑制して、安定した噴出集束流にすることができる。これにより、溶融金属を安定して粉砕可能な、すなわち、微細にしてかつ粒径分布が良好な金属粉末を形成することが可能な、金属粉末製造装置にすることができる。

【0010】

なお、ここで言う「噴出集束流の上流部」とは、超音速の燃焼炎が集中して噴出集束流を形成する部分のことであり、集中する直前の超音速の燃焼炎部分を含む部分を意味している。また、雰囲気が安定するとは、具体的には、負圧部分の発生が抑制されること、雰囲気における圧力の変動が抑制されること等を意味している。

【0011】

第２の態様に係る金属粉末製造装置は、第１の態様に係る金属粉末製造装置において、前記安定部材は、前記噴出集束流を上端開口から下端開口に通過させる筒部を有するととともに、前記筒部の上端開口を前記燃焼炎噴射手段との間に隙間を設けて、前記噴出集束流の上流部周りに配する。

【0012】

第２の態様に係る金属粉末製造装置によれば、筒部の上端開口と燃焼炎噴射手段との間に隙間が設けられているため、筒部周囲の雰囲気ガスが噴出集束流に引き込まれ、噴出集束流の上流部周りから筒部の上端開口にかけて、噴出集束流周りに流入する気流を形成することができる。これにより、噴出集束流の上流部周りにおいて、負圧部分の発生を抑制でき、安定した噴出集束流にすることができる。

【0013】

第３の態様に係る金属粉末製造装置は、第１の態様に係る金属粉末製造装置において、前記安定部材は、前記噴出集束流の上流部周りにガスを噴射するガス噴射部を有する。

【0014】

第３の態様に係る金属粉末製造装置によれば、ガス噴射部から噴出集束流の上流部周りにガスを噴射することで、噴出集束流の上流部周りに気流を流入させることができる。これにより、噴出集束流の上流部周りにおいて、負圧部分の発生を抑制でき、安定した噴出集束流にすることができる。

【0015】

第４の態様に係る金属粉末製造装置は、第１の態様に係る金属粉末製造装置において、前記安定部材は、前記燃焼炎噴射手段との間に隙間を設けて配置された上端開口から前記噴出集束流を流入させる筒部を有するとともに、前記筒部の内側面に、流体を噴出して前記内側面に沿って下方に流す流体噴出口を有する。

【0016】

第４の態様に係る金属粉末製造装置によれば、筒部の上端開口と燃焼炎噴射手段との間に隙間が設けられているため、筒部周囲の雰囲気ガスを、流体の流れにより上端開口から筒部内に引き込み、噴出集束流の上流部周りから筒部の上端開口にかけて、噴出集束流周りに気流を流入させることができる。これにより、噴出集束流の上流部周りにおいて、負圧部分の発生を抑制でき、安定した噴出集束流にすることができる。

【0017】

なお、第４の態様に係る金属粉末製造装置では、筒部周囲の雰囲気ガスを、流体の流れにより強く筒部内に引き込むことができるので、筒部の位置は、噴出集束流の上流部から下流側にずらした位置、すなわち、燃焼炎の集中点から下の噴出集束流周りに配置することもできる。

【0018】

第５の態様に係る金属粉末製造装置は、第４の態様に係る金属粉末製造装置において、前記流体噴出口を、前記内周面の周方向に複数開口する。

【0019】

このような流体噴出口とすることで、筒部周囲の雰囲気ガスをスパイラルな気流にして筒部内に引き込み、噴出集束流の上流部周りから筒部の上端開口にかけて、スパイラルにして流入する気流を形成することができる。これにより、噴出集束流の上流部周りにおいて、負圧部分の発生をより抑制でき、スパイラルな気流により噴出集束流の位置を一定にし、より一層安定した噴出集束流にすることができる。

【0020】

第６の態様に係る金属粉末製造装置は、第４の態様または第５の態様に係る金属粉末製造装置において、前記流体として液体を噴出可能にする。

【0021】

第６の態様に係る金属粉末製造装置によれば、筒部内に引き込んだ雰囲気ガスの温度を容易に低くすることができる。これにより、安定した噴出集束流にして、粉砕した溶滴を急冷することが可能となり、粒径分布が良好にして、かつ、非晶質な金属粉末を容易に形成することが可能な、金属粉末製造装置にすることができる。

【0022】

ここで、第６の態様に係る金属粉末製造装置では、噴出集束流に対して、筒部を傾けて配置してもよく、噴出集束流が筒部内の液体に突入し、溶滴が液体により直接冷却できるようにしてもよい。この場合、液体の流れは、溶滴の冷却効率を高めるために、例えば旋回流にすることが好ましい。このようにすることで、粉砕した溶滴をより急冷することが可能となり、粒径分布が良好にして、かつ、より非晶質な金属粉末を容易に形成することが可能な、金属粉末製造装置にすることができる。
なお、筒部を傾け過ぎると噴出集束流が不安定になる場合がある。したがって、傾ける角度は小さく抑えることが好ましく、噴出集束流に対して３０度以内の角度にすることが好ましい。

【0023】

第７の態様に係る金属粉末製造装置は、第２の態様または第４の態様に係る金属粉末製造装置において、前記安定部材は、前記筒部の上端開口から下端開口までの長さが、１０ｍｍ以上であることを特徴とする。

【0024】

第７の態様に係る金属粉末製造装置では、筒部の上端開口から下端開口までの長さを１０ｍｍ以上としたので、１０ｍｍ未満とした場合に比較して、粒径分布の均一化を図ることができる。

【0025】

第８の態様に係る金属粉末製造装置は、第２の態様または第４の態様に係る金属粉末製造装置において、前記隙間は、５ｍｍ以上であることを特徴とする。

【0026】

第８の態様に係る金属粉末製造装置では、筒部の上端開口と燃焼炎噴射手段との間に設けた隙間を５ｍｍ以上としたので、５ｍｍ未満とした場合に比較して、所定の粒径を有する微細な金属粉末を安定かつ効率よく製造することができる。

【0027】

また、第９の態様に係る金属粉末の製造方法は、垂下した溶融金属に超音速の燃焼炎を集中噴射し、前記燃焼炎を噴出集束流にして直下に噴出するとともに、前記噴出集束流の上流部周りに雰囲気を流入させる。

【0028】

第９の態様に係る金属粉末の製造方法によれば、噴出集束流の上流部周りの雰囲気を安定させて、噴出集束流の上流部周りにおいて、負圧部分の発生を抑制し、噴出集束流の揺動を抑制して、安定した噴出集束流にすることができる。これにより、溶融金属を安定して粉砕可能な、すなわち、粒径分布が良好な金属粉末を形成することが可能な金属粉末の製造方法にすることができる。

【発明の効果】

【0029】

本開示に係る金属粉末製造装置、及び金属粉末の製造方法によれば、安定した噴出集束流にして、微細にしてかつ粒径分布が良好な金属粉末を形成することができる、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の第１実施形態である金属粉末製造装置を示す概念図である。

【図2】本発明の第２実施形態である金属粉末製造装置を示す概念図である。

【図3】本発明の第３実施形態である金属粉末製造装置を示す概念図である。

【図4】本発明の第４実施形態である金属粉末製造装置の筒部及びノズルを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

［第１実施形態］
図１にしたがって、本発明の第１実施形態に係る金属粉末製造装置１０について説明する。
図１に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０は、溶融金属Ｍを供給する供給手段１２、溶融金属Ｍを粉砕して溶滴Ｍｍｐを生成する燃焼炎噴射手段１４を含む構成としている。そして、金属粉末製造装置１０は、供給手段１２、及び燃焼炎噴射手段１４を、開放空間中（一例として、大気中）に配置している。

【0032】

供給手段１２は、溶融金属Ｍを収納する容器１６を備え、容器１６の外周側には、金属材料を加熱溶融して溶融金属Ｍにする高周波コイル１８を配置している。供給手段１２は、容器１６の底面下方の中央に、容器１６の内部に連通する注湯ノズル２０を有し、容器１６の内部に収納した溶融金属Ｍを、注湯ノズル２０から垂下できるようにしている。

【0033】

燃焼炎噴射手段１４の中央には、供給手段１２の下側に位置し、溶融金属Ｍを垂下させる円錐状の中空管部２２が下方に向けて延びている。また、燃焼炎噴射手段１４は、円環状の燃焼室２４と、燃焼炎２６を噴射する燃焼炎噴射口２８を備えていて、燃焼炎噴射口２８が、円環状にして中空管部２２の外周側を囲むようにしている。

【0034】

本実施形態の燃焼炎噴射手段１４は、燃焼室２４の内部において、例えば、空気と炭化水素である灯油とを気体混合して燃焼し、燃焼炎噴射口２８から下方内側に向かい、燃焼炎噴射口２８の円周に沿って隙間なく燃焼炎２６を噴射できるようにしている。なお、燃焼炎２６は、溶融金属Ｍの融点より高温にして、かつ、超音速のガス流として噴射される。

【0035】

また、燃焼炎噴射手段１４は、コンファインド型の構成にして、供給手段１２の下方にて、燃焼炎噴射口２８から斜め下方に向かって、燃焼炎２６を噴射できるものであり、燃焼炎２６を、注湯ノズル２０から供給した溶融金属Ｍの垂下流Ｍａを取り囲んで、垂下流Ｍａの一箇所（以後、垂下流Ｍａに燃焼炎２６が集中する集中位置ＳＰとする）に集中して噴射できるようにしている。

【0036】

また、燃焼炎噴射手段１４は、燃焼炎２６を、注湯ノズル２０から供給される溶融金属Ｍの垂下流Ｍａの外周に沿って隙間なく、均等な噴射圧力にて集中噴射できるものであり、噴射した燃焼炎２６が、垂下流Ｍａの集中位置ＳＰに集中して衝突できるようにしている。

【0037】

さらに、燃焼炎噴射手段１４は、燃焼炎２６を、超音速にて集中噴射できるものであり、集中した燃焼炎２６が、広がりが抑えられた略直線状の噴出集束流３４となって、集中位置ＳＰから鉛直直下に向けて、噴出できるようにしている。

【0038】

ここで、燃焼炎２６が、垂下流Ｍａの集中位置ＳＰに衝突すると、溶融金属Ｍは粉砕され、霧状に微細化した溶融状態の金属粉末、即ち、溶滴Ｍｍｐが生成される。（以降、本粉砕を一次粉砕と称する。）そして、溶滴Ｍｍｐを含んだ噴出集束流３４は、超音速あるいは超音速に近い高速を保って、燃焼炎噴射手段１４の軸線ＣＬｃの延長線上を流下する。

【0039】

なお、一次粉砕により生成した溶滴Ｍｍｐは、質量を有する液体なので、慣性力が働き、気体である噴出集束流３４よりも流下速度が遅くなる。このため、流下する溶滴Ｍｍｐは、流下する過程において、相対速度の速い噴出集束流３４により、引っ張られ、引きちぎられるような力を受け、再粉砕されて微細化される。（以降、本粉砕を二次粉砕と称する。）

【0040】

噴出集束流３４の流速や形状は、例えば、燃焼室２４内の圧力や中空管部２２及び燃焼炎噴射口２８の形状によって決定される。また、粉砕能力は、噴出収束流３４の流れに対して中空管部２２から吐出される溶融金属Ｍの単位時間当たりの吐出量との比率によって決定される。すなわち、噴出収束流３４に対して吐出される溶融金属Ｍの量が多いほど溶融金属Ｍの単位体積当たりの粉砕エネルギーが小さくなり、粉砕が不十分になる。
一方、中空管部２２からの溶融金属Ｍの吐出量は、溶融金属Ｍの液面高さによる自重と、容器１６の溶融金属Ｍに作用する気圧（一例として容器１６の置かれている環境の気圧。なお、容器１６が圧力容器（図１では図示せず）の中に配置されている場合には、圧力容器内の気圧。）と、燃焼炎噴射口２８の下側部分との差圧に加え、燃焼炎２６の噴出によって発生する引き込む流れによって発生する圧力（負圧）によって決定される。
この燃焼炎２６の噴出による圧力は、容器１６を空にした常態で、注湯ノズル２０に連通する容器１６の孔部１６ａの入り口に圧力センサーを配置し、該入り口における、溶融金属Ｍを吐出しない状況での圧力を測定することで得られる。この圧力はトップ圧と呼ばれる。しかしながら、燃焼炎２６の噴出によって発生するトップ圧は、燃焼条件に大きく依存するため、溶融金属Ｍの吐出量と粉砕エネルギーを完全に独立して制御することができず、噴出集束流３４の制御を難しいものとしていた。特に燃焼炎２６を集中噴射する本開示の製造方法では、長時間高い温度域での粉砕が続くため、二次粉砕に影響する噴出集束流３４の制御が重要である。本実施形態におけるトップ圧は、筒部３６が無い場合のトップ圧に比べて、１．２倍以上になるように、制御可能となる。
したがって、筒部３６が無い場合に比較して、中空管部２２から吐出される溶融金属Ｍの吐出量を増大させることができる。

【0041】

（安定部材）
燃焼炎噴射手段１４の下方には、噴出集束流３４の上流部周りの雰囲気を安定させる安定部材として、一定径の筒部３６が燃焼炎噴射手段１４の軸線ＣＬｃと同軸的に配置されている。筒部３６は、燃焼炎噴射手段１４の下面から一定の距離で離間して配置されており、筒部３６の上端と燃焼炎噴射手段１４の下面との間に環状の隙間Ｓ１を設けている。また、筒部３６は、燃焼炎２６、及び噴出集束流３４との間に環状の隙間Ｓ２を設けるように、その内径が決められている。
なお、筒部３６は、燃焼炎噴射手段１４と、溶滴Ｍｍｐを冷却するためのガスや液体が供給される部位との間に配置されることが好ましい。

【0042】

筒部３６の長さＬは、図１に示すように、筒部３６の上端開口から下端開口までの長さである。筒部３６の長さＬは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。長さＬが１０ｍｍ未満では、筒部３６による粒径分布の均一化の効果が得られないことがある。長さＬの下限は、１５ｍｍが好ましく、２０ｍｍがさらに好ましい。一方、長さＬの上限は特に限定されないが、一定の長さに限定することで、筒部３６の下端開口に溶滴Ｍｍｐが付着して凝固することを防止できる。
噴出集束流３４は、広がりが抑えられた略直線状の流れではあるが、燃焼炎噴射手段１４の下面から離れるにつれて若干ではあるが広がる傾向にある。そのため、筒部３６が長すぎると、広がった噴出集束流３４に含まれる溶滴Ｍｍｐが、筒部３６の下側の内面に付着して凝固することがある。この場合、金属粉末製造装置１０を長時間連続して稼動した場合、下端開口の流路面積が徐々に狭くなり、粒径分布の均一化の効果が得られないことがある。筒部３６の長さＬの上限は、３００ｍｍが好ましく、１００ｍｍがさらに好ましく、８０ｍｍがさらに好ましく、６０ｍｍがさらに好ましい。

【0043】

筒部３６の上端での内径（図１のＲ２）は、燃焼室２４に連通し、燃焼炎噴射手段１４の下側に形成される燃焼炎噴射口２８の開口部の最小径（図１のＲ１）に対し、１．５倍以上とすることが好ましい。１．５倍未満だと飛散する溶滴Ｍｍｐが筒部３６の内側に付着して凝固しやすい。２倍以上がさらに好ましい。なお、燃焼炎噴射手段１４により形成される噴出集束流３４の一般的な幅を考慮すると、筒部３６の上端での内径Ｒ２は３０ｍｍ以上とすることが好ましい。
筒部３６の内径の上限は得に限定されないが、開口部の最小径Ｒ１に対して１０倍を超えると、筒部３６を配置することによる本開示の効果が薄れることがある。そのため、１０倍以下とすることが好ましい。例えば、筒部３６の内径Ｒ２は、５００ｍｍ以下が好ましい。

【0044】

（作用、効果）
次に、本実施形態の金属粉末製造装置１０の、作動及び作用・効果について説明する。

【0045】

金属粉末製造装置１０により金属粉末Ｍｓｐを製造する手順は、まず、容器１６内に金属材料を投入し、高周波コイル１８により加熱溶融して溶融金属Ｍを作製する。その際、不図示の弁により、容器１６内から燃焼炎噴射口２８に通じる中空管部２２を閉じ、溶融金属Ｍが中空管部２２を垂下しないようにしておく。

【0046】

次に、燃焼炎噴射手段１４の燃焼炎噴射口２８から超音速の燃焼炎２６を噴射し、容器１６の不図示の弁を開けて、容器１６内の溶融金属Ｍを、注湯ノズル２０から垂下流Ｍａとして鉛直下方に流出させる。
これにより、超音速の燃焼炎２６を、垂下流Ｍａの集中位置ＳＰに集中噴射し、超音速の燃焼炎２６が、垂下流Ｍａの集中位置ＳＰに衝突し、垂下流Ｍａが超音速の燃焼炎２６の衝突エネルギーにより一次粉砕され、霧状の微細な溶滴Ｍｍｐが生成される。

【0047】

本実施形態では、燃焼炎噴射手段１４により、垂下流Ｍａを、高温で超音速の燃焼炎２６で加熱しながら、即ち、垂下流Ｍａの粘度を低下させながら粉砕（一次粉砕）することができる。そして、超音速の燃焼炎２６を集中噴射することにより、超音速の燃焼炎２６の高い衝撃エネルギーで、垂下流Ｍａを粉砕することができる。これにより、垂下流Ｍａを容易に粉砕することができ、微細な粒径の溶滴Ｍｍｐを得ることができる。

【0048】

そして、垂下流Ｍａの集中位置ＳＰに集中噴射した燃焼炎２６は、超音速のガス流の特性により、集中位置ＳＰから広がりを抑制された噴出集束流３４にして、直線状に流下する。その際、燃焼炎２６の一次粉砕により霧状に生成された溶滴Ｍｍｐは、噴出集束流３４と共に、超音速あるいはそれに近い高速を保って、鉛直下方に流下する。

【0049】

本実施形態の金属粉末製造装置１０では、燃焼炎噴射手段１４により、溶滴Ｍｍｐを、高温・高速の噴出集束流３４と共に流下させることができる。即ち、噴出集束流３４の加熱により、溶滴Ｍｍｐの粘度を低下させながら流下させると共に、超音速の噴出集束流３４との間に相対速度差を生じさせて流下させることができる。これにより、溶滴Ｍｍｐを容易に二次粉砕することができ、より微細な溶滴Ｍｍｐを生成することができる。
二次粉砕により微細化した溶滴Ｍｍｐはその後冷却されて微細な金属粉末Ｍｓｐとなる。

【0050】

ところで、筒部３６が設けられていない場合、噴出集束流３４の上流部周りにおいて、気流が澱んで不安定な雰囲気となる負圧部分を発生する場合があり、噴出集束流３４の上流部が不安定な負圧部分に引き寄せられ、負圧の発生と消失を繰り返しながら、噴出集束流３４を揺動させてしまう場合がある。燃焼炎ガスアトマイズ法では、超音速の噴出集束流３４により溶滴Ｍｍｐを二次粉砕して微細化することから、不安定な噴出集束流３４となると、かかる二次粉砕にバラつきを生じ、粒径分布の悪い金属粉末Ｍｓｐが生成される場合がある。

【0051】

一方、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、筒部３６の上端と燃焼炎噴射手段１４の下面との間に形成された環状の隙間Ｓ１から、噴出集束流３４の上部周りに、噴出集束流３４を引き込ませるように気流Ｃ（金属粉末製造装置１０の置かれている周囲の空気）を流入させることで、噴出集束流３４の上流部周りにおいて負圧部分の発生が抑制され、噴出集束流３４の上流部周りの気流、すなわち雰囲気を安定させることができる。
また、筒部３６の上端開口と燃焼炎噴射手段１４の下面との間には隙間（図１に示す幅ｗ）を形成することが好ましい。隙間の幅ｗは、５ｍｍ以上とすることが好ましい。後述するように、金属粉末Ｍｓｐの粒径をコントロールすることができる。つまり、所定の粒径を有する微細な金属粉末Ｍｓｐを安定かつ効率よく低コストで量産できる。隙間の幅ｗの下限は、７ｍｍが好ましく、１０ｍｍがさらに好ましい。
また、隙間の幅ｗは、上記の範囲において、筒部３６の上端での内径（図１に示すＲ２）に対して０．１倍以上とすることが好ましい。０．１倍未満であると、前記で説明したコンファインド型の金属粉末製造装置と同様に、負圧部分の発生により、噴出集束流３４が揺動し、乱流を発生してしまうことがある。これにより、溶融金属Ｍの粉砕が不安定になり、形成された金属粉末Ｍｓｐの粒径分布が悪くなって、所望の粒度分布が得られなくなるおそれがある。
一方、隙間の幅ｗの上限は、筒部３６の内径Ｒ２に対して１０倍を越えると、やはり同様に、不安定な雰囲気となる負圧部分を発生する場合がある。例えば、隙間の幅ｗの上限は、６００ｍｍ、筒部３６の内径Ｒ２は、６００ｍｍ以下が好ましい。この上限は、５００ｍｍ以下がさらに好ましく、３００ｍｍ以下がさらに好ましく、２００ｍｍ以下がさらに好ましく、１００ｍｍ以下がさらに好ましい。

【0052】

これにより、揺動を抑制して安定した噴出集束流３４を形成することができ、溶滴Ｍｍｐの安定した２次粉砕が可能となり、微細で、かつ粒径分布が良好な金属粉末Ｍｓｐを得ることが可能となる。

【0053】

本実施形態の金属粉末製造装置１０によれば、溶融金属Ｍを垂下させる中空管部２２が燃焼炎噴射口２８に向けて延びているため、中空管部２２から溶融金属Ｍを垂下して燃焼炎２６で一次粉砕するまでの距離が短くなり、安定した一次粉砕となる。したがって、安定した一次粉砕と安定した二次粉砕とにより、粒径分布がより良好な金属粉末Ｍｓｐを得ることが可能となる。

【0054】

なお、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、筒部３６の下方において、噴出集束流３４に向けて水を噴霧して、二次粉砕により微細化した溶滴Ｍｍｐを急冷したり、二次粉砕により微細化した溶滴Ｍｍｐを水流に突入させて急冷してもよい。これにより、非晶質化したＭｓｐを得ることが可能となる。

【0055】

また、本実施形態では、筒部３６の断面は円形であることが望ましいが、それに限られるものではない。なお、非円形の場合の筒部３６の内径は、噴出集束流３４が噴出される方向に見て、噴出集束流３４の中心部と同軸の円で、かつ、筒部３６の内径に接する最小円の径を内径とする。さらに、筒部３６は、軸方向に一定径であったが、軸の一方向に向けて徐々に拡径した形状としてもよい。

【0056】

［第２実施形態］
図２にしたがって、本発明の第２実施形態に係る金属粉末製造装置１０を説明する。なお、第１実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

【0057】

図２に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、噴出集束流３４の上流部周りの雰囲気を安定せる安定部材として、燃焼炎噴射手段１４の下側にガス噴射部３８が配置されている。
ガス噴射部３８は、先端のガス噴射口４０からガスを噴射するノズル４２を備えている。本実施形態のノズル４２は、噴出集束流３４の上流部周り囲むように環状に形成されており、噴出集束流３４の軸線に対して径方向に延びている。なお、ガス噴射口４０は、周方向に連続して形成されている。ガス噴射口４０からは、噴出集束流３４の中心に向けて、噴出集束流３４の軸線に対して直交方向にガスＧを噴出する。なお、ガス噴射口４０から噴出させるガスＧは、空気であってもよく、酸素を含まないアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス等の不活性ガスや還元ガス等であってもよい。

【0058】

本実施形態では、噴出集束流３４の上流部周りに、ガス噴射口４０からガスＧを噴出させることで、噴出集束流３４の上流部周りの気流を安定させることができ、負圧部分の発生をより確実に抑制することができる。

【0059】

これにより、本実施形態の金属粉末製造装置１０も第１実施形態と同様に、噴出集束流３４の揺動を抑制して、安定した噴出集束流３４を形成することができ、溶滴Ｍｍｐの安定した２次粉砕が可能となって、微細で、かつ粒径分布が良好な金属粉末Ｍｓｐを得ることが可能となる。

【0060】

［第３実施形態］
図３にしたがって、本発明の第３実施形態に係る金属粉末製造装置１０を説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

【0061】

図３に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、噴出集束流３４の上流部周りの雰囲気を安定させる安定部材として、筒部３６とガス噴射部３８とが設けられている。

【0062】

ノズル４２は、筒部３６の上部側に設けられており、先端部分が筒部３６の内部へ突出している。ノズル４２の先端部分は下方に向けられており、垂下する噴出集束流３４に沿うように、ガス噴射口４０からガスＧを噴射させることができる。

【0063】

本実施形態では、垂下する噴出集束流３４に沿って流れる気流の外周側を、筒部３６で覆っているため、より一層安定した噴出集束流３４を形成することができる。

【0064】

［第４実施形態］
図４にしたがって、本発明の第４実施形態に係る金属粉末製造装置１０を説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

【0065】

図４に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、筒部３６の接線方向に沿って延びる複数（本実施形態では４本）のノズル４４が、筒部３６の周方向に等間隔に配置されている。

【0066】

ノズル４４からは、筒部３６の内周面に沿ってガスＧが噴射できるようにしている。これにより、筒部３６の内部において、噴出集束流３４を囲むようにガスＧの旋回流を形成することで、垂下する噴出集束流３４を旋回流の中心に安定して配置せることができる。

【0067】

［実験結果１］
以下に、筒部３６の長さＬと、得られる金属粉末Ｍｓｐの粒度分布との関係について示す。
本実施形態では、図１の金属粉末製造装置１０を用いた。
供給手段１２の溶融金属Ｍは、合金組成がＦｅＳｉＣｒＣ系となるものを用いた。
燃焼炎噴射口２８の開口部の最小径Ｒ１は、２５ｍｍとした。
安定部材として図１に示す筒部３６を用いた。この筒部３６は、ＳＵＳ３０４材からなり、内径が４６ｍｍ、外径が５０ｍｍの円筒形のものを用いた。また、上端開口から下端開口までの長さＬは、２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍ（試料No.1,2,3）とした。
なお、筒部３６の上端開口と燃焼炎噴射手段１４の下面との隙間の幅ｗは、Ｎｏ．１，２では、１０ｍｍ、Ｎｏ．３では、２０ｍｍとした。
得られた金属粉末Ｍｓｐの粒度の体積分布（メジアン径：Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０）をマイクロトラック社製のレーザー回折・散乱式 粒子径分布測定装置（機種名ＭＴ３３００）を用いて測定した。
測定結果を表１に示す。また、粒径のバラツキを表す、（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０の数値を併記する。この数値は、小さいほどバラツキが少ないことを示す。
筒部３６の長さが長くなるにつれ、得られる金属粉末Ｍｓｐの粒径が大きくなる。また、（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０の数値は、Ｎｏ．１の数値（２．３）が小さい。
本実施形態の金属粉末製造装置１０は、溶融金属Ｍに燃焼炎噴射口２８から超音速の燃焼炎２６を集中噴射するため、装置が大掛かりになりやすく、噴射速度の調整や燃焼温度の調整が難しくなることがある。しかし、このような金属粉末製造装置１０であっても、筒部３６の形状を変えることで金属粉末Ｍｓｐの粒径をコントロールすることができる。つまり、所定の粒径を有する微細な金属粉末Ｍｓｐを安定かつ効率よく低コストで量産できる。

【表1】

【0068】

［実験結果２］
以下に、筒部３６の上端開口と燃焼炎噴射手段１４の下面との隙間の幅ｗを変えた場合の金属粉末Ｍｓｐの粒度分布との関係について示す。
本実施形態では、図１の金属粉末製造装置１０を用いた。
供給手段Ｍｓｐの溶融金属Ｍは、合金組成がＦｅＳｉＣｒＣ系となるものを用いた。
燃焼炎噴射口２８の開口部の最小径Ｒ１は、２５ｍｍとした。
安定部材として図１に示す筒部３６を用いた。この筒部３６は、ＳＵＳ３０４材からなり、図面横方向での断面が円形であり、上端開口の内径が６０ｍｍ、下端開口の内径が８０ｍｍのものを用いた。また、上端開口から下端開口までの長さＬは、２３０ｍｍとした。
なお、本実施形態では、筒部３６の下端側を、筒部３６と同方向に伸びる円筒形の冷却筐体（図示せず）に挿入し、噴出集束流３４に水を噴霧することで、溶滴Ｍｍｐの冷却を行うことができる構造とした。
得られた金属粉末Ｍｓｐの粒度の体積分布（メジアン径：Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０）をマイクロトラック社製のレーザー回折・散乱式 粒子径分布測定装置（機種名ＭＴ３３００）を用いて測定した。
測定結果を表２に示す。また、粒径のバラツキを表す、（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０の数値を併記する。
隙間の幅ｗが２０ｍｍから６０ｍｍの範囲では、長くなるにつれ、（Ｄ９０－Ｄ１０）／Ｄ５０の数値が小さくなる傾向がある。つまり、この隙間の幅ｗを変えることで、金属粉末Ｍｓｐの粒径をコントロールすることができ、所定の粒径を有する微細な金属粉末Ｍｓｐを安定かつ効率よく低コストで量産できる。

【表2】

【0069】

［その他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【0070】

上記第３実施形態では、ノズル４２からガスを噴射したが、ノズル４２から水等の液体を噴射してもよい。これにより、筒部３６の内部に引き込んだ雰囲気ガスの温度を容易に低くすることができ、安定した噴出集束流３４にして、粉砕した溶滴Ｍｍｐを急冷することが可能となり、粒径分布が良好にして、かつ、非晶質な金属粉末Ｍｓｐを容易に形成することが可能となる。

【0071】

また、筒部３６を噴出集束流３４に対して傾けて配置し、噴出集束流３４を筒部３６内の液体に突入させ、溶滴Ｍｍｐを液体により直接冷却できるようにしてもよい。この場合、液体の流れは、溶滴Ｍｍｐの冷却効率を高めるために、例えば、第４実施形態にて示したノズル４２のようにして、旋回流にすることが好ましい。このようにすることで、粉砕した溶滴Ｍｍｐをより急冷することが可能となり、粒径分布を良好にして、かつ、より非晶質な金属粉末Ｍｓｐを容易に形成することが可能となる。なお、筒部３６を傾け過ぎると噴出集束流３４が不安定になる場合がある。したがって、傾ける角度は小さく抑えることが好ましく、噴出集束流３４に対して３０度以内の角度にすることが好ましい。

【0072】

なお、金属粉末製造装置１０の下方に、金属粉末Ｍｓｐを吸引して回収するチャンバー、吸引装置等を配置してもよい。

【0073】

２０１８年２月１９日に出願された日本国特許出願２０１８－０２６９１６号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載されたすべての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】