(57)【要約】  水、ガス、プラズマ、または回転ディスク噴霧化によって粉末金属材料を製造する改善された方法が提供される。本方法は、噴霧化プロセスの前または最中に少なくとも１つの添加剤を溶融金属材料に添加することを含む。少なくとも１つの添加剤は、処理される溶融物の体積よりも少なくとも３倍大きい、溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する。保護雰囲気は、材料への硫黄（Ｓ）および酸素（Ｏ２）などの汚染物質の導入または再導入を防止する。製造される噴霧化粒子は、以下の利点のうちの少なくとも１つを含む：少なくとも０．６０のメジアン円形度、少なくとも０．６０のメジアン真円度、より少ない内部細孔、より少ない内部酸化物、ならびに微細構造相および／または成分の増加した球形度。
2019536904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属材料を製造する方法であって、
少なくとも１つの添加剤を溶融卑金属材料に添加する工程であって、前記少なくとも１つの添加剤が、処理される前記溶融卑金属材料の体積の少なくとも３倍の体積を有する溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する、工程、および
前記少なくとも１つの添加剤のうちの少なくともいくつかを添加した後に前記溶融金属材料を噴霧化して、複数の粒子を製造する工程を含む、方法。
【請求項２】
前記粒子のメジアン円形度が、少なくとも０．６０である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粒子のメジアン真円度が、少なくとも０．６０である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記噴霧化工程後に前記粒子を熱処理して微細構造成分または相を形成する工程をさらに含み、前記微細構造成分または相が、少なくとも０．６０のメジアン円形度および少なくとも０．６０のメジアン真円度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記金属材料が、鉄系材料であり、前記少なくとも１つの添加剤が、マグネシウムを含み、前記微細構造成分または相が、黒鉛沈殿物ならびに／または炭化物および／もしくは窒化物であり、前記相および／または成分が、少なくとも０．６０のメジアン円形度および少なくとも０．６０のメジアン真円度を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記噴霧化工程が、水噴霧化、ガス噴霧化、プラズマ噴霧化、または回転ディスク噴霧化を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記噴霧化工程が、水噴霧化を含み、前記水噴霧化工程が、前記溶融金属材料に２ＭＰａ〜１５０ＭＰａ以上の圧力で水を加えることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記卑金属材料が、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含み、前記卑金属材料が、銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの合金元素を任意に含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記卑金属材料に添加される前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記卑金属材料が鉄系材料であり、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄を含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記硫黄と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する少なくとも１つの酸化物を含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの酸化物と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記卑金属材料が鉄系であり、不純物として存在する硫黄および少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤がまた、前記硫黄および前記少なくとも１つの酸化物と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記卑金属材料がアルミニウム合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、ＫおよびＮａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記硫黄と反応し、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの酸化物と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記卑金属材料がチタン系であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記硫黄と反応し、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの酸化物と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記卑金属材料がコバルト合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記硫黄と反応し、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの酸化物と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
前記卑金属材料がクロム合金であり、不純物として存在する硫黄および／または少なくとも１つの酸化物を含み、前記保護ガス雰囲気を形成する前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記硫黄と反応し、かつ／または前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み、前記少なくとも１つの酸化物と反応する、請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの添加剤がＭｇを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
卑金属材料および少なくとも１つの添加剤から形成された複数の噴霧化粒子を含み、前記噴霧化粒子が、少なくとも０．６０のメジアン円形度および少なくとも０．６０のメジアン真円度を有する、水噴霧化粉末金属材料。
【請求項２０】
前記卑金属材料が、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含み、前記卑金属材料が、銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの合金元素を任意に含有する、請求項１９に記載の粉末金属材料。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
卑金属材料および少なくとも１つの添加剤から形成された複数の噴霧化粒子を含み、前記噴霧化粒子が、微細構造成分または相を含み、微細構造成分または相で少なくとも０．６０のメジアン円形度および少なくとも０．６０のメジアン真円度を有する、水噴霧化粉末金属材料。
【請求項２３】
前記卑金属材料が、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含み、前記卑金属材料が、銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの合金元素を任意に含有する、請求項２２に記載の粉末金属材料。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの添加剤が、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記卑金属材料が鉄系材料であり、前記少なくとも１つの添加剤がＭｇを含み、前記微細構造成分または相が黒鉛沈殿物であり、前記黒鉛沈殿物が０．６０のメジアン円形度および０．６０のメジアン真円度を有する、請求項２３に記載の粉末金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国特許出願第１５／２９５，７３３号の利益を主張するものであり、その出願の全開示は、本出願の開示の一部とみなされ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に粉末金属材料、および水もしくはガス噴霧化、または液体金属浴の生成を経るために材料を噴霧化することを必要とする任意の他の噴霧化プロセスによって粉末金属材料を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
粉末金属材料は、水噴霧化、ガス噴霧化、プラズマ噴霧化、または回転ディスクなどの様々なプロセスによって形成することができる。一般的な噴霧化プロセスは、溶融金属材料に流体（水、ガス、油、またはプラズマ）を適用して複数の粒子を形成することを含む。水噴霧化プロセスの間、溶融金属の冷却速度は、ガス噴霧化の冷却速度よりはるかに速く、これは、金属射出成形、溶射、選択的レーザー焼結、電子ビーム溶融、三次元印刷、およびより球状粒子が好ましい他の製造技術などの付加的製造プロセスには一般的に望ましくない不規則形状粒子をもたらす。したがって、水噴霧化によって形成された粉末金属材料は、典型的なプレスおよび焼結プロセスにおいてしばしば使用される。ガス噴霧化は、より球状を有する粒子を形成することが知られている。しかしながら、ガス噴霧化は、水噴霧化よりも３〜９倍高価である。ほとんどの噴霧化粉末で遭遇する別の一般的な問題は、内部空隙および内部酸化物の存在である。これらの欠陥は、粉末から作製された部品の機械的性質に悪影響を及ぼす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様は、粉末金属材料の改善された製造方法を提供する。本方法は、溶融物を囲む保護気体雰囲気を形成する少なくとも１つの添加剤を溶融金属材料に添加することを含む。保護雰囲気は、硫黄（Ｓ）および／または酸素（Ｏ２）などの不純物が溶融金属材料へ侵入または再侵入することを防止するための障壁として作用し、添加剤の少なくとも一部を添加した後に溶融金属材料を噴霧化して複数の粒子を製造する。噴霧化される合金の化学組成に関する選択された添加剤の化学的性質は、これらの改善：少なくとも０．６のメジアン円形度、少なくとも０．６のメジアン真円度、および／またはより少ない内部細孔、および／またはより少ない内部酸化物を有する粒子のうちの少なくとも１つを製造することができる。
【０００５】
本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮すると、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになるので、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない約１．３％のＣおよび１．１％のＳｉを含有する比較の水噴霧化鋼粉末（ＦＧＰ１２１０）の光学顕微鏡写真であって、赤い矢印が、内部空隙を指す光学顕微鏡写真である。
【図２】１つの例示的な実施形態例による−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加した約１．４％のＣおよび１．１％のＳｉを含有する水噴霧化鋼粉末（ＦＧＰ１２１０Ｍｇ、「ＦＧＰ」は、遊離黒鉛粉末を表す）の光学顕微鏡写真であって、赤い矢印が、図１のものと比較して、より少なくかつより小さい空隙を指す光学顕微鏡写真である。
【図３】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない約４．０％のＣおよび２．３％のＳｉを含有する比較の水噴霧化鋳鉄粉末（ＦＧＰ４０２５）の後方散乱電子顕微鏡写真であって、１つの赤い矢印が、１つの空隙を指す後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図４】１つの例示的な実施形態例による−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、約４．１％のＣおよび２．４％のＳｉを含有する水噴霧化鋳鉄粉末（ＦＧＰ４０２５Ｍｇ）の後方散乱電子顕微鏡写真であって、図３のものと比較して空隙が観察されなかった後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図５】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない比較の水噴霧化ステンレス鋼粉末（ＳＳ３０４）の後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図６】１つの例示的な実施形態例による−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた、マグネシウムを添加した水噴霧化ステンレス鋼粉末（ＳＳ３０４Ｍｇ）の後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図７】水噴霧化プロセスを受け、評価された組成を列挙する表を含む。
【図８】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた図７のＦＧＰ１２１０組成を有する粉末の円形度頻度分布を示す図である。
【図９】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた図７のＦＧＰ１２１０組成を有する粉末の真円度頻度分布を示す図である。
【図１０】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた図７のＦＧＰ４０２５組成を有する粉末の円形度頻度分布を示す図である。
【図１１】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた図７のＦＧＰ４０２５組成を有する粉末の真円度頻度分布を示す図である。
【図１２】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた図７のＳＳ３０４組成を有する粉末の円形度頻度分布を示す図である。
【図１３】−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけた図７のＳＳ３０４組成を有する粉末の真円度頻度分布を示す図である。
【図１４】図７に列挙された組成の円形度についての数値データを示す表である。
【図１５】図７に列挙された組成の真円度についての数値データを示す表である。
【図１６】−８０／＋２００メッシュ（１７７〜７４ミクロン）でふるいにかけた、マグネシウムを添加しない水噴霧化ステンレス鋼粉末（ＳＳ３０４）の後方散乱電子顕微鏡写真であって、赤い矢印が、内部空隙を指す電子顕微鏡写真である。
【図１７】−８０／＋２００メッシュ（１７７〜７４ミクロン）でふるいにかけた、マグネシウムを添加した別の水噴霧化ステンレス鋼粉末（ＳＳ３０４Ｍｇ）の後方散乱電子顕微鏡写真であって、１つの赤い矢印が、図１６のものと比較して、１つのみの小さい内部空隙を指す後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図１８】噴霧化プロセスの注入工程中に溶融物に導入された内部酸化ケイ素上に多くの不規則な１次黒鉛ノジュールが沈殿した、マグネシウムを添加しない水噴霧化鋳鉄粉末（ＦＧＰ４０２５）の後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図１９】噴霧化プロセス中にＭｇを含有する不均一酸化物核上に１つの球形１次黒鉛ノジュールが沈殿した、マグネシウムを添加した別の水噴霧化鋳鉄粉末（ＦＧＰ４０２５Ｍｇ）の後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図２０】マグネシウムを添加しない約４．０％のＣおよび２．３％のＳｉを含有する水噴霧化鋳鉄粉末（ＦＧＰ４０２５）の後方散乱電子顕微鏡写真であって、後熱処理プロセス中に固体状態で成長した黒鉛ノジュールが存在する後方散乱電子顕微鏡写真である。
【図２１】例示的な実施形態によるマグネシウムを添加した別の水噴霧化鋳鉄粉末（ＦＧＰ４０２５Ｍｇ）の顕微鏡写真であって、図２０に示したものと比較して、後熱処理プロセス中に固体状態で成長したより球形の黒鉛ノジュールが存在する顕微鏡写真である。
【図２２】熱処理後の図７のＦＧＰ４０２５組成を有する粉末中の黒鉛ノジュールの円形度頻度分布を示す図である。
【図２３】熱処理後の図７のＦＧＰ４０２５組成を有する粉末中の黒鉛ノジュールの真円度頻度分布を示す図である。
【図２４】組成が図７に列挙されている２つの粉末について固体状態で成長した黒鉛ノジュールの円形度についての数値データを示す表である。
【図２５】組成が図７に列挙されている２つの粉末について固体状態で成長した黒鉛ノジュールの真円度についての数値データを示す表である。
【図２６】図７の例示的な組成物中の添加剤の量の関数として溶融物１００グラム当たりに得られるガスの計算された総体積を示すグラフである。
【図２７】図２６に記載される粉末の噴霧化プロセス中にタンディッシュの上部の雰囲気に曝される前後の研磨された純鉄表面上で実験的に得られたＥＤＳスペクトルを示すグラフである。
【図２８】異なる温度（摂氏８００度および摂氏９００度）でアルミニウム中のナトリウムおよびカリウム添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図２９】摂氏１８００度の温度でチタン中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３０】摂氏１６００度の温度でコバルト中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３１】摂氏２０００度の温度でクロム中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３２】摂氏１２００度の温度で銅中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３３】摂氏１６５０度の温度で鉄中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３４】摂氏１４００度の温度でマンガン中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３５】摂氏１６００度の温度でニッケル中の様々な添加剤によって発生したガスの計算体積を示すグラフである。破線は、ガスの下限を示している。
【図３６】添加剤（ＫおよびＬｉ）の量の関数として、摂氏１６００度の温度で複合コバルト合金の溶融物１００グラム当たりに得られるガスの計算された総体積を示すグラフである。
【図３７】化学系（Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣｒ）ごとに保護ガス雰囲気を生成する添加剤を示す表である。
【図３８】化学系（Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣｒ）ごとに溶存硫黄と反応する添加剤を示す表である。
【図３９】各化学系の天然酸化物（Ａｌ中のＡｌ２Ｏ３、Ｃｕ中のＣｕＯ、Ｍｎ中のＭｎＯ２、Ｎｉ中のＮｉＯ、Ｃｏ中のＣｏＯ、Ｆｅ中のＦｅ２Ｏ３、Ｔｉ中のＴｉＯ２、およびＣｒ中のＣｒ２Ｏ３）と反応する添加剤を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の１つの態様は、水もしくはガス噴霧化、または噴霧化される材料がプラズマ噴霧化もしくは回転ディスク噴霧化などの液体金属浴の生成を経ることを必要とする他の噴霧化プロセスによって、噴霧化プロセスの前および／または最中に少なくとも１つの添加剤を溶融金属材料に添加することによって粉末金属材料を製造する改善方法を含む。少なくとも１つの添加剤は、処理される溶融物の体積よりも少なくとも３倍大きい、溶融金属材料を囲む保護ガス雰囲気を形成する。
【０００８】
溶融材料に添加される少なくとも１つの添加剤は、保護ガスが溶融物から出てくるので、硫黄（Ｓ）および／もしくは酸素（Ｏ２）または他のものなどの不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入するのをそれらを溶融材料から押し出すことによって防止するための障壁として作用する保護雰囲気を生成する。保護ガス雰囲気を形成する添加剤は、添加剤の導入前に溶融物中の溶存硫黄および／または溶融物中に懸濁していた酸化物とも反応することができる。添加剤と溶融物中の溶存硫黄との反応は、粒子ならびに／または微細構造相および成分の球形度を増加させる。添加剤の導入前に溶融物中に懸濁していた酸化物と添加剤との反応は、内部空隙の量およびサイズを低下させる。添加剤の導入前に溶融物中にあった酸化物および溶存硫黄の両方と添加剤との反応は、内部細孔の量およびサイズを低下させ、粒子ならびに／または微細構造相および成分の球形度を増加させる。場合によっては、添加剤と溶存硫黄との間の反応も、内部細孔の量およびサイズを低下させる。改善された方法によって形成された粒子は、より清浄である、かつ／またはより少ない内部細孔を含有する、かつ／またはより球形である、かつ／またはより球形の微細構造成分および／もしくは相を含む。
【０００９】
水噴霧化を用いる場合、溶融金属材料に添加剤を添加すると、噴霧化粒子の球形度をガス噴霧化によって形成された粒子の球形度に近いレベルまで増加させることができるが、ガス噴霧化と比較してコストが低い。添加剤を溶融金属材料に添加することはまた、溶融物の表面からの新しい酸化物の形成およびエントレインメントを制限し、添加剤の導入前に溶融物中に既に存在するものと反応させることによってより清浄な粒子を製造することができる。これらの酸化物は、酸化物の膜が重なり合って酸化物膜の間に弱い界面を残している二層膜として形成することができる。添加剤はまた、噴霧化粉末で遭遇する問題である内部空隙の量およびサイズを低下させることができる。添加剤はまた、噴霧化粒子中におよび／またはその後の熱処理プロセス中に形成される微細構造成分および／または相の球形度を増加させることができる。例えば、噴霧化粒子が鋳鉄材料から形成される場合、後熱処理プロセス中に形成される黒鉛沈殿物の少なくとも５０％は、少なくとも０．６の円形度および少なくとも０．６の真円度を有する。
【００１０】
１つの例示的な実施形態によれば、本方法は、卑金属材料を溶融することから始まる。多くの異なる金属組成を卑金属材料として使用することができる。しかしながら、保護雰囲気として作用する十分なガスを製造し、これによって所望の球状の粉末および／もしくはより球形の微細構造成分および／もしくはより清浄な粒子を得るため、かつ／またはより少ない内部細孔を有するために、添加剤は、金属材料中で低い溶解度を有しなければならない。基材および添加剤は、添加剤が導入されたときに発生する保護ガス雰囲気の体積が、処理される溶融物の体積の少なくとも３倍になるように選択されるべきである。例えば、０．２２重量パーセント（重量％）のマグネシウムが図７のＦＧＰ４０２５Ｍｇのものと同様の組成を有する溶融物に添加される場合、発生するガスの体積は、下限の体積の約２０倍であると計算される。
【００１１】
卑金属材料は、典型的には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、およびクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１つを含む。基材は、純Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、またはＣｒを含むことができる。アルミニウムリッチ、銅リッチ、マンガンリッチ、ニッケルリッチ、コバルトリッチ、鉄リッチ、チタンリッチ、クロムリッチ合金、または少なくとも５０重量％のＡｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、および／またはＣｒを含む合金も出発卑金属材料としての使用によく適している。異なる割合のこれらの卑金属材料の混合物はまた、Ａｌ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｃｕ、およびＣｏ−Ｃｒ合金などの出発材料としての使用によく適しているが、これらに限定されない。合金はまた、それらが目的の合金の溶融物中に溶解状態で留まる限り、合金元素として以下のうちの少なくとも１つを含むことができる：銀（Ａｇ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カリウム（Ｋ）、ランタン（Ｌａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒素（Ｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、スカンジウム（Ｓｃ）、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）。１つの例示的な実施形態例によれば、Ａｌ−Ｍｇ合金内にガス状保護雰囲気を生成するために、Ｋおよび／またはＮａを添加剤として使用し、選択した添加剤に従って溶融温度を選択しなければならず、図２８を参照されたい。Ｍｇは、アルミニウム合金（Ａｌ−５０００シリーズ）の合金元素として使用されており、保護ガス雰囲気を発生しない。
【００１２】
しかしながら、出発金属材料は、上記の組成に限定されない。添加剤が選択された材料への溶解度が低く、十分な量の保護ガス雰囲気を発生する限り、他の金属組成物を使用することができる。また、添加剤処理が粉末ならびに微細構造成分および／または相の形状を変化させるのに効果的であるためには、添加剤は、溶融金属材料中に存在する硫黄などの不純物と反応して、溶融物における溶液中の硫黄の量を減少させ、それによって表面張力を増加させなければならない。周囲の環境に曝される高表面張力の液体または固体成分の表面積は、成分が球状をとるときに最小化され、それは次に表面対体積比を最小化する。ガス状保護雰囲気を生成するために使用されるいくつかの添加剤は、溶融物中の溶存硫黄と自然に反応してより安定な化合物を生成し、それによって表面張力を増加させる。これは、固体のＭｇＳが沈殿するＦｅリッチ系におけるＭｇの場合である。しかしながら、いくつの添加剤は、保護雰囲気を生成するが、Ｆｅリッチ系におけるＮａの場合のように、溶存硫黄と反応しない。このような状況では、表面張力を上げるために異なる添加剤を組み合わせて使用しなければならない。
【００１３】
硫黄は、様々な化学系で合金元素として使用されて、噴霧化粉末に固体硫化物を生成することができる（事前合金化硫化物を含む粉末として既知）。これらの硫化物は、これらの粉末で作製された部品の機械加工性を改善するためにしばしば望まれる。事前合金化硫化物を含有するより球形の粒子を生成するためには、保護ガス雰囲気を生成し、かつ溶存硫黄と反応して粒子ならびに／または微細構造相および成分の球形度を増加させる添加剤の量を望ましい硫化物の量に従って増加すべきである。例えば、計算から、１．４重量％のＣ、１．１重量％のＳｉ、および０．５０重量％のＳを含有するＦｅリッチ合金に０．７０重量％のＭｇを添加すると、下限の約１８倍のガスを生成し、約０．９０重量％の硫化物（ＭｇＳ）を生成し、溶融物中の溶存硫黄の量を低下させ粒子の球形度を増加させる。
【００１４】
上述のように、様々な異なる添加剤を溶融金属材料に添加して、保護雰囲気の増加および上述の他の利点を達成することができる。選択される添加剤は、卑金属材料の組成に依存する。例えば、少なくとも１つの添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａのうちの少なくとも１つを含み得る。添加剤によって発生した保護ガス雰囲気は、不純物が溶融金属材料に侵入または再侵入することを防止する。
【００１５】
上記の添加剤は、それらが使用される化学系に応じて、異なる量の保護ガス雰囲気を発生する。いくつかの添加剤は、他のものよりもいくつかの系に適している。例えば、アルミニウム合金では、ＫおよびＮａがしばしば好ましい。銅合金では、ＫおよびＮａがしばしば好ましい。マンガン合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＬｉがしばしば好ましい。ニッケル合金では、ＫおよびＮａがしばしば好ましい。コバルト合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａがしばしば好ましい。鉄合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａがしばしば好ましい。チタン合金では、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃａ、およびＢａがしばしば好ましい。クロム合金では、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａがしばしば好ましい。例を図３７に示している。
【００１６】
保護雰囲気の発生に加えて、より球形の粒子ならびに微細構造相および／または成分が望まれる場合、添加剤は、溶存硫黄と反応しなければならない。いくつかの添加剤は、他のものよりもいくつかの系でより効果的である。１つの実施形態によれば、同じ添加剤が保護雰囲気を形成し、硫黄と反応することができる。別の実施形態によれば、追加の添加剤を添加して、不純物として存在しかつ溶融卑金属材料中に既に溶解している硫黄と反応させる。この追加の添加剤は、保護ガス雰囲気に寄与し得るが、必ずしも保護ガス雰囲気を生成するわけではなく、その場合、それは保護ガス雰囲気を生成することができる別の添加剤と結合されなければならない。
【００１７】
溶融基材が鉄系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。より球形の粒子ならびに／または相および成分を生成するための鉄系材料またはＦｅリッチ合金中の添加剤のそのような組み合わせの例は、ＮａとＢａとの混合物であり得る。Ｎａは、保護雰囲気を生成し、Ｂａは、Ｓと反応する。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がニッケル合金またはニッケル系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料が銅合金または銅系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系であり、不純物として硫黄を含む場合、硫黄と反応させるためには、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａが好ましい。例を図３８に示している。
【００１８】
特定の１つの例示的な実施形態によれば、金属系材料は、鉄リッチであり、保護ガスを発生するとともに硫黄不純物とも反応するＭｇを含む。あるいは、卑金属材料は、純鉄であり、添加剤は、Ｍｇである。別の特定の例によれば、金属系材料は、鉄リッチであり、添加剤は、ＫとＢａとの混合物を含む。カリウム（Ｋ）は、保護ガス雰囲気を発生すると予想され、バリウム（Ｂａ）は、硫黄と反応すると予想される。
【００１９】
保護雰囲気は、噴霧化粒子中の酸化物の量を制限し、内部空隙のサイズおよび量を制限する。ガス状保護雰囲気を生成するために使用されるいくつかの添加剤、例えば、合金元素としてＳｉを含有するＦｅリッチ系におけるＭｇ添加剤は、溶融物中に懸濁している酸化物と自然に反応してより安定な化合物を生成し、化学反応プロセス中にそれらの形態も変化する。これらの材料では、二層膜の形態であり得るＳｉＯ２の酸化物が溶融物中に懸濁している。より少ない量の空隙が観察されることを説明する理由のうちの１つは、Ｍｇと酸化物との間の化学反応の結果としてＭｇが二層膜の界面をシールし、それ以上に膨張して孔を形成することができないより強い界面を生成することである。図１６および１７におけるＭｇ処理による１７７ミクロンより小さいステンレス鋼の粒子におけるより少ない量の空隙の例を参照されたい。自己発生Ｍｇガス状雰囲気は、溶融物の表面のさらなる酸化を制限し、それは粒子中の内部酸化物の量を制限する。しかしながら、いくつかの添加剤は、保護雰囲気を生成するが、Ｔｉリッチ系におけるＺｎの場合のように、溶融物中に懸濁している酸化物とは反応しない。このような状況では、内部空隙の量とサイズを制限するために異なる添加剤の組み合わせを使用しなければならない。例えば、少なくとも１つの添加剤を添加して、溶融金属材料への不純物の侵入または再侵入を防止する保護ガス雰囲気を生成することができ、少なくとも１つの添加剤を添加して既に溶融物中の酸化物と反応させることができるが、必ずしも保護ガス雰囲気を生成するとは限らない。より球形の粒子ならびに／またはより少ない内部空隙を有する相および成分を生成するためのＴｉリッチ合金中の添加剤のそのような組み合わせの例は、保護雰囲気の発生には関与しないが、保護雰囲気を生成するためのＺｎと、ＳおよびＴｉＯ２と反応させるためのＳｒとの混合物であり得る。
【００２０】
言い換えれば、いくつかの添加剤は、形成される酸化物の種類に応じて、他の系よりもいくつかの系においてより効果的である。上に示したように、より小さいサイズを有するより少ない内部空隙が望まれる場合、添加剤は、溶融物中の懸濁液中の酸化物と反応しなければならない。これらの酸化物はまた、溶融卑金属材料中の不純物、例えば、アルミニウム系材料中のＡｌ２Ｏ３、または鉄系材料中のＦｅ２Ｏ３とみなされる。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系である場合、酸化物と反応するのに好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｌｉ、およびＣａを含む。溶融卑金属材料が鉄合金または鉄系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系である場合、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料が銅合金または銅系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がニッケル合金またはニッケル系であるとき、酸化物と反応するための好ましい添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。例を図３９に示している。
【００２１】
さらに、ある種の添加剤は、保護ガス雰囲気を首尾よく発生し、溶融卑金属材料中に不純物として存在する硫黄および酸化物とも反応する。例えば、溶融卑金属材料が鉄合金または鉄系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｓｒ、およびＣａを含む。溶融卑金属材料がチタン合金またはチタン系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、ＣａおよびＢａを含む。溶融卑金属材料がクロム合金またはクロム系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＢａを含む。溶融卑金属材料がコバルト合金またはコバルト系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｎａ、Ｌｉ、およびＣａを含む。溶融卑金属材料がアルミニウム合金またはアルミニウム系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、ＫおよびＮａを含む。溶融卑金属材料が銅合金または銅系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、ＫおよびＮａを含む。溶融卑金属材料がマンガン合金またはマンガン系である場合、保護ガス雰囲気を発生するとともに硫黄および酸化物不純物と反応する添加剤は、Ｋ、Ｎａ、Ｍｇ、およびＬｉを含む。
【００２２】
上述したように、粉末金属材料は、水またはガス噴霧化によって製造することができる。さらに、いくつかの金属材料は、水噴霧化にはあまり適しておらず、ガスおよびプラズマ噴霧化などの他の噴霧化プロセスが好ましい。例えば、チタンは、酸素と容易に反応し、非常に安定な化合物である酸化チタンを形成することができるため、チタン合金の水噴霧化は、好ましくない。チタン合金粉末は、より一般的にはガス噴霧化およびプラズマ噴霧化によって製造される。この場合、使用される少なくとも１つの添加剤は、例えば、溶存Ｓとも反応するカルシウム（Ｃａ）である。これは、粉末の粒度分布を低下させるためにより積極的な噴霧化パラメータを支持する条件を提供することができ、小さな球形粉末の収率を改善する。Ｃａはまた、プロセス中に存在するいかなる残留酸素とも反応し、これによって内部空隙の量およびサイズを低下させる。
【００２３】
上で示唆したように、選択される出発卑金属材料は、しばしば添加剤を添加する前の金属材料の総重量に基づいて、少なくとも５０．０重量％の量の鉄を含む。例えば、鋳鉄、高合金鋳鉄、ステンレス鋼、非合金鋼および合金鋼、工具鋼、マレージング鋼、またはハドフィールド鋼を使用することができる。１つの例示的な実施形態例によれば、金属材料は、１．３重量％の炭素および１．１重量％のケイ素を含む鋼粉末である。別の例示的な実施形態によれば、金属材料は、４．０重量％の炭素および２．３重量％のケイ素を含む鋳鉄粉末である。別の例示的な実施形態によれば、金属材料は、１．２％のＭｎ、０．３０％のＳｉ、０．４４％のＣｕ、０．２３％のＭｏ、１７．３％のＣｒ、９．５％のＮｉ、および他の微量元素を含むステンレス鋼粉末である。上述のように、アルミニウム合金（例えば、２０２４、３００３、３００４、６０６１、７０７５、７４７５、５０８０、および５０８２と表される合金）、銅合金（アルミニウム青銅、ケイ素青銅、および黄銅など）、マンガン合金、ニッケル合金（例えば、６２５と表される合金）、コバルト合金（トリバロイおよびＨａｙｎｅｓ１８８など）、コバルト−クロム合金（ＣｏＣｒＭｏ合金およびステライトなど）、チタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖと表される合金）、クロム合金（Ｋｈ６５ＮＶＦＴ合金など）、ならびにこれらの化学系から作製された任意のハイブリッド合金も出発粉末金属材料として使用することができる（例えば、Ｉｎｖａｒ、Ｍｏｎｅｌ、Ｃｈｒｏｍｅｌ、Ａｌｎｉｃｏ、およびＮｉｔｉｎｏｌ６０と表される合金）。これらの例は、網羅的なものではなく、少なくとも１つの添加剤（カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、およびバリウム（Ｂａ））が選択された材料への溶解度が低い限り、他の金属組成物を使用することができ、その結果、溶融材料の上部に保護ガス雰囲気が形成されて、処理される溶融物の初期体積の少なくとも３倍の総量を形成する。図２６〜図３６は、添加剤が本発明の例示的な実施形態による溶融金属材料に添加されるときに発生する保護ガス雰囲気の体積の増加を示す実施された計算および実験の結果を表す。図２６は、例示的な組成物について添加剤の量の関数として得られるガスの総体積の曲線を示す。添加剤（ここでは、添加剤は、９０重量％のＭｇと１０重量％のＮａとの混合物であった）。この合金は、４．０％のＣ、１．５％のＳｉ、０．０２％のＳ、および２．０％のＣｕを含有する鋳鉄材料（Ｆｅリッチ）である。この曲線は、水噴霧化された１つの粉末の化学組成を使用して計算され、この実験で使用された添加剤の量は、０．１１重量％であり、これは、溶融物１００グラムごとに約０．４０リットルの保護ガス（ＭｇおよびＮａ）をもたらした。破線は、処理される溶融物の初期体積の３倍の体積を有する保護雰囲気を提供するために得られるべきであるガスの総量の下限を表す。この具体例では、計算されたガス量は、下限の約５倍である。
【００２４】
図２７は、図２６に記載される粉末の噴霧化プロセス中にタンディッシュの上部のガス状雰囲気に曝される前後の研磨された純鉄表面上で得られたエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）スペクトルを示す。これは、添加剤（この場合はＭｇおよびＮａ）が溶融物の上部に発生させたガス状保護雰囲気を形成し、これらの元素が露出した研磨された鉄表面に堆積したことを裏付ける。
【００２５】
図２８は、異なる添加剤について異なる温度でアルミニウム合金中に発生し得る異なる量のガスの例を示す。計算の基本系は、Ａｌ＋０．０２％のＳ＋０．０２％のＡｌ２Ｏ３である。破線は、処理される溶融物の初期体積の３倍として定義される保護雰囲気を提供するために得られるべきであるガス量の下限を表す。これらの例において、添加される添加剤の最小量は、添加剤の性質および溶融物の温度に従って変わる。例えば、溶融物が摂氏約８００度の温度である場合、添加される量にかかわらず、Ｎａは、十分なガスを発生させることができない。しかしながら、溶融物の温度が摂氏約９００度まで上昇すると、処理される溶融物の初期体積の少なくとも３倍を発生するためのＮａの最小量は、約０．３２重量％である。Ｋについては、溶融物が摂氏８００度である場合、最小量は、０．３６重量％であり、溶融物が摂氏約９００度である場合、０．２６重量％である。半分のＮａと半分のＫとの混合物が摂氏９００度のアルミニウム溶融物中で使用される場合、Ｎａ＋Ｋの最小量は、約０．２９重量％（０．１６重量％のＮａおよび０．１３重量％のＫ）となる。図２９は、摂氏１８００度でチタン溶融物に添加される最小量の異なる添加剤の例を示す。例えば、０．１１重量％のＣａの添加は、０．４８重量％のＺｎの添加とほぼ同じ最小量のガス保護を提供する。同様に、図３０〜図３５は、異なる系（Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＮｉ）における異なる量の異なる添加剤の他の例を示す。図３６は、複合コバルト合金中の計算された最小量の添加剤（Ｋ＋Ｌｉ）を示す。
【００２６】
少なくとも１つの添加剤を溶融卑金属材料に添加した後、本方法は、次に溶融金属材料を噴霧化することを含む。ガス噴霧化、水噴霧化、プラズマ噴霧化、または回転ディスク噴霧化を使用することができる。しかしながら、水噴霧化は、ガス噴霧化よりも３〜９倍安価であり、他の噴霧化プロセスよりもさらに安価であるため、しばしば好ましい。しかしながら、容易に酸化されるいくつかの合金については、ガス噴霧化が好ましい。ガス噴霧化前の付加的処理は、より大きいガス圧などの噴霧化のための改善された条件を可能にし、それでもなお円形粒子を達成し、内部酸化物および空隙の量を制限することもできる。さらに、添加された添加剤は、水噴霧化粒子の球形度を増加させることができ、その結果、球形度は、ガス噴霧化粒子の球形度に近づく。
【００２７】
水噴霧化工程は、典型的には、所与の圧力で溶融金属材料に水を加えることを含む。例示的な実施形態では、実験室規模の噴霧器および限られた利用可能な圧力範囲で噴霧化が実行されたので、圧力は、２．６〜７．５ＭＰａの範囲である。しかしながら、使用される組成およびプロセスパラメータに応じて他の圧力レベルを使用することができる。例えば、噴霧化工程の圧力は、約２ＭＰａ〜約１５０ＭＰａ以上であり得る。外部保護雰囲気または真空システムはまた、窒素流（Ｎ２）の投射、または溶融物の上部へのアルゴン流の投射などの本明細書に記載されている自己発生保護雰囲気と一緒に使用することができるが、これらに限定されない。溶融物は、真空システムを備えたチャンバー内に封入することもできる。これらのシステムは、プロセスの有効性を高めることができる。
【００２８】
噴霧化工程中またはその前に、本方法は、添加剤を溶融金属材料に添加することを含む。言い換えれば、本方法は、少なくともいくらかの添加剤を添加した後に溶融金属材料を噴霧化することを含む。上述のように、添加剤は、添加剤の導入後のガスの総体積が、処理される溶融物の初期体積の少なくとも３倍になるような量で添加される。１つの例示的な実施形態例では、具体的には図７の合金ＦＧＰ１２１０Ｍｇでは、添加剤、この場合はＭｇが、溶融卑金属材料および添加したマグネシウムの合計重量に基づいて、０．０５〜１．０重量％、例えば０．１８重量％の範囲の量で純Ｍｇの塊として単一の操作で添加される。したがって、得られた噴霧化粉末金属材料は、添加剤を含まない粉末と同様に、非常に少量の残留マグネシウムおよび総硫黄含有量を含むが、この噴霧化粉末金属材料の場合、Ｓが添加剤と化学的に結合して（ＭｇＳの固体沈殿物として）溶融物中に溶解しておらず、このことは、より大きな表面張力、ひいてはより球形の粒子をもたらす。熱力学的計算は、たとえ両方の粉末の総硫黄含有量が同様であっても、Ｍｇ処理粉末中の遊離硫黄含有量が未処理粉末のものよりも１０倍を超えて低いことを示した。
【００２９】
添加剤は、単一の連続工程で、例えば単一の連続工程で最大１．０重量％、またはある時間間隔で互いに間隔があいた複数の工程で、例えば、最大０．２重量％の添加剤を含むそれぞれ３工程または４工程で添加することができる。１回のみの連続マグネシウム処理が溶融卑金属材料に適用される場合、噴霧化工程は、典型的には１０〜３０分続く。しかしながら、より大きな溶融物の噴霧化が実施される場合、噴霧化工程は、より長い期間にわたって実施され得る。鉄系材料を水噴霧化する場合、添加剤は、典型的には、噴霧化工程が、液体鉄と添加剤との激しい反応後に起こるように、水噴霧化プロセスの前に添加される。添加剤は、炉内または取鍋内に添加することができ、それらは、純金属の形態、または添加剤を含む合金もしくは化合物としてあり得る。既に利用可能な様々な技術は、これらに限定されないが、添加剤を含有する材料の塊／チャンクなどの溶融金属材料に添加剤を導入するために使用することができ、溶融物の上部に直接堆積させることも、芯入りワイヤ技術を使用することも、プランジャープロセスを使用することもできる。
【００３０】
噴霧化工程は、球状を有する複数の粒子を製造することも含み得る。粒子の球形度は、以下の式に従って、２つの画像分析指標、具体的には円形度および真円度によって計算することができる。
【００３１】
円形度（Ｃ）＝４π×（［面積］／［周囲長］2）
真円度（Ｒ）＝４×（［面積］／（π×［長軸］2））＝１／ＡＲ
式中、ＡＲ＝［長軸］／［短軸］である。
【００３２】
画像分析指標は、オープンソースソフトウェア、ＩｍａｇｅＪ（ｈｔｔｐ：／／ｉｍａｇｅｊ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｉｊ／）を使用して計算することができる。１．０の球形度指数値は、真円を示す。
【００３３】
添加剤が溶存硫黄と反応する場合、上記の方法によって形成された粉末金属材料の円形度のメジアンは、少なくとも０．６０であり、上記の方法によって形成された粉末金属材料の真円度のメジアンも、少なくとも０．６０である。より好ましくは、記載された方法によって形成された粉末金属材料の円形度および真円度のメジアンは、少なくとも０．６４であり、さらにより好ましくは粉末金属材料の円形度および真円度のメジアンは、少なくとも０．６８である。
【００３４】
上述のように、（Ｆｅリッチ合金中のＭｇの場合には）溶融金属材料に添加剤を添加することによって、０．６以上の円形度および真円度値を有する水噴霧化粒子の数が、添加剤を含まない同じ水噴霧化材料と比較して、少なくとも８％増加した。添加剤、例えばマグネシウムはまた、内部酸化物を少なくし、溶融金属材料中に存在する残留酸化物二層膜の界面をシールすることができ、それによって、より少なくかつより小さい内部空隙を有するより清浄な噴霧化粒子を製造する。
【００３５】
図１〜６は、水噴霧化プロセスの前またはその間にマグネシウムを添加することによって達成される改善された球形度を示す顕微鏡写真である。図のそれぞれは、−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけられたＳｉ合金鋼、鋳鉄粉末、およびステンレス鋼（タイプ３０４）を示す。図１および図２に示す材料は、水噴霧化されており、１．３重量％の炭素および１．１重量％のケイ素を含んでいた。図１の材料は、本発明の例示的な実施形態によりマグネシウムを添加せずに噴霧化したが、図２の材料は、マグネシウムを添加して噴霧化した。マグネシウムを添加した、図２に示す本発明の粉末金属粒子の円形度のメジアンは、０．８１であると計算された。マグネシウムを含まない、図１に示す比較金属粒子の円形度のメジアンは、０．７１であると計算された。マグネシウムを添加した図２に示す本発明の粉末金属粒子の真円度のメジアンは、０．７２であると計算された。マグネシウムを含まない、図１に示す比較金属粒子の真円度のメジアンは、０．６３であると計算された。図１４および図１５に示すように、円形度のメジアンおよび真円度のメジアンの改善も、他の実験的に試験した粉末について観察された。要約すると、少なくとも１つの添加剤、例えば保護雰囲気を形成するとともに溶存硫黄と反応するマグネシウムを添加すると、水噴霧化粒子の球形度（円形度および真円度）がガス噴霧化粉末の球形度に近いレベルまで増加する。
【００３６】
噴霧化工程後、本方法は、後熱処理プロセスを含むことができる。熱処理工程は、粉末金属材料に典型的に適用される焼鈍または別の加熱プロセスを含むことができる。熱処理は、不活性または還元雰囲気、例えば窒素、アルゴン、および／もしくは水素を含む雰囲気、または真空中で実施されるが、これらに限定されない。例えば、水噴霧化後に還元雰囲気中で焼鈍すると、表面酸化物を還元することができる。熱処理工程はまた、噴霧化粒子中に微細構造相および／または成分、例えば黒鉛沈殿物もしくはノジュール、炭化物、または窒化物を形成することを含むことができる。金属材料の組成に応じて、他の微細構造相および／または成分が存在し得る。１つの例示的な実施形態例では、金属材料は、過共晶鋳鉄合金であり、鋳鉄合金中に存在するセメンタイトは、熱処理工程中にフェライトおよび球状黒鉛ノジュールに変換する。球状炭化物はまた、高合金鋼の熱処理中にも形成されるべきである。
【００３７】
添加剤はまた、後熱処理中に噴霧化粒子中に形成される微細構造成分および／または相の球形度を増加させることができる。しかしながら、より丸い相および／または成分は、熱処理後だけでなく噴霧化直後に粉末金属材料中に存在することができる。微細構造相は、黒鉛沈殿物、炭化物、および／または窒化物を含み得る。金属材料の組成に応じて、他の微細構造相および／または成分が存在し得る。典型的には、微細構造成分および／または相は、少なくとも０．６の円形度のメジアンおよび真円度のメジアンを有する。また、同じ合金であるが添加剤処理をしていないものと比較して、０．６より大きい円形度および真円度値を有する、マグネシウム処理材料中に形成される少なくとも１０％以上、好ましくは少なくとも１５％以上の成分および／または相が存在する。
【００３８】
１つの例示的な実施形態例によれば、粉末金属材料は、鋳鉄などの鉄を少なくとも５０重量％の量で含み、噴霧化粒子は、黒鉛沈殿物を含み、黒鉛沈殿物の少なくとも５０％は、０．６以上の円形度および真円度を有する。金属材料が鉄系、例えば図７の合金ＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇである別の実施形態では、焼鈍工程は、黒鉛沈殿物またはノジュールを製造することを含み、黒鉛沈殿物またはノジュールは、少なくとも０．６の円形度のメジアンおよび真円度のメジアンを有する。１つの例示的な実施形態例では、金属材料は、過共晶鋳鉄合金であり、球状黒鉛ノジュールが熱処理プロセス中に形成される。
【００３９】
図２０および２１は、水噴霧化プロセスの前またはその間および熱処理後に添加剤（この場合はマグネシウム）を添加することによって達成される、微細構造相および／または成分、具体的には、黒鉛ノジュールの改善された球形度を示す顕微鏡写真である。各材料は、約４．０重量％の炭素および２．３重量％のケイ素を含む鋳鉄粉末である。しかしながら、図２０の材料は、マグネシウムを添加せずに噴霧化されたが、図２１の材料は、マグネシウムを添加して噴霧化された。マグネシウムを添加していない図２０に示す黒鉛ノジュールの真円度のメジアンは、０．５６であると計算された。図２１に示すマグネシウムを含む黒鉛ノジュールの真円度のメジアンは、０．７３であると計算された。添加剤処理によるノジュールの球形度の改善を示す他の結果を図２４および図２５に示す。
【００４０】
噴霧化粒子が噴霧化プロセス後に所望の粒度または形態を含まない場合、そのときこの方法は、噴霧化粒子を粉砕することを含み得る。例えば、噴霧化粒子は、形態を球形から不規則形に変化させ、グリーン強度を改善させるために粉砕することができる。
【００４１】
添加されたマグネシウムはまた、粒子の内部空隙を低下させると予想される。例えば、図１６は、あらゆる添加剤を含まないステンレス鋼粉末（ＳＳ３０４、−８０および＋２００メッシュでふるいにかけた）における大量の大きな内部空隙を示す（図７の化学作用を参照）。しかしながら、０．１５重量％のＭｇを溶融物に添加することによって、図１７に示すように、噴霧化粉末中の内部空隙の量およびサイズが著しく減少した。粉末（ＳＳ３０４およびＳＳ３０４Ｍｇ）ごとに約２６０個の粒子を観察すると、内部空隙を含有する粒子の数は、１７％から８％になり、したがって５０％を超える改善を示す。内部酸化物の数もまた測定され、１５％から約１０％になり、したがって約３３％の改善であった。
【００４２】
上述のように、添加剤の導入後に生成された自己発生保護雰囲気は、溶融物の表面の酸化を抑制し、粉末中の内部酸化物の量を制限する。図１８は、るつぼからタンディッシュに注入する間に形成され、ＦＧＰ４０２５粉末の噴霧化の前に溶融物中に懸濁していた酸化ケイ素上に沈殿した１次黒鉛ノジュールを示す。高炭素含有量を含有するＦｅリッチ系では、（高温のために）炭素がるつぼ内の溶融物の酸化に対する保護をもたらし、それがるつぼ内での酸化物の形成を防止する。これらの異なる酸化物上に成長した多数の黒鉛ノジュールが、添加剤を含まない粉末中に観察され得る。比較すると、図１９は、添加剤（図７のＦＧＰ４０２５Ｍｇ合金中のＭｇ）で処理した合金中に観察することができる数少ない１次黒鉛ノジュールのうちの１つを示す。Ｍｇガスで作製された保護雰囲気は、るつぼから直接かつ注入を通して溶融物の酸化を制限したので、添加物の導入前に溶融物中に存在していた酸化物の量は、添加物を含まない溶融物中よりも著しく少なかった。したがって、ＦＧＰ４０２５Ｍｇ粉末の噴霧化中の黒鉛沈殿物に利用可能な基材は非常にわずかであった。
【００４３】
上述のように、保護雰囲気の発生および溶存硫黄との反応に対する添加剤の組み合わせ効果のために、水噴霧化によって製造された場合でも、噴霧化粒子は、球状を有する。噴霧化粒子の円形度および真円度のメジアンは、少なくとも０．６である。噴霧化粒子の粒度は、変えることができる。１つの実施形態によれば、噴霧化粒子は、２．５ｍｍ以下の粒度または粒径を有する。例えば、ＦＰＧ４０２５（Ｍｇ）組成物を２．６ＭＰａの水圧で噴霧化した場合、最大直径約２ｍｍ程度の粒子が得られた。別の実施形態によれば、噴霧化粒子は、５００ミクロン以下の粒度を有する。例えば、噴霧化粒子は、−２００メッシュ（７４ミクロン以下）でふるいにかけることができる。別の実施形態によれば、ＳＳ３０４（Ｍｇ）組成物を７．５ＭＰａの水圧で噴霧化した場合、最大径約４００ミクロン程度の粒子が約７２ミクロンのメジアン径で得られた。水圧をさらに変えること、および／または噴霧化粉末を異なるサイズにふるいにかけて、付加的製造を含む目標とするプロセスに適合するサイズ分布を得ることも可能である。
【００４４】
粉末金属材料は、典型的には水またはガス噴霧化によって形成される。しかしながら、別の噴霧化プロセスを様々な異なる自動車または非自動車用途に使用することができる。例えば、噴霧化粒子は、典型的なプレスおよび焼結プロセスにおいて使用することができる。噴霧化粒子はまた、金属射出成形、溶射、ならびに三次元印刷および選択的レーザー焼結などの積層造形用途にも使用することができる。
【実施例】
【００４５】
実験
図７の表に示される組成を有する粉末金属材料の球形度、内部空隙、および内部酸化物の観察は、水噴霧化プロセス後に測定された。組成物のうちの４つは、噴霧化工程の前に溶融金属材料に添加されたマグネシウムを含み、それらのうちの３つは、添加されたマグネシウムを含まない同じ材料と比較された。これらの粉末のそれぞれについて、約１５〜２５キログラムの原料を誘導炉で溶融した。噴霧化プロセスを通して、アルゴン流を溶融物の上に噴射した。次いで、Ｍｇを、ＦＧＰ１２１０Ｍｇと表されるケイ素鋼、およびＦＧＰ４０２５Ｍｇ、ＦｅＳｉＭｇ（３．６５重量％のＭｇ）と表される鋳鉄に対して、純Ｍｇとして添加するのに加えて、Ｓ４−ＦＧＰ＃１と表される鋳鉄に対して約０．０１重量％のＮａの付加として、ならびにステンレス鋼粉末（ＳＳ３０４Ｍｇ）に対してＮｉＭｇ（１５重量％Ｍｇ）として添加した。噴霧化温度は、ケイ素鋼については摂氏約１５５０度、鋳鉄ＦＧＰ４０２５Ｍｇについては摂氏約１５００度、鋳鉄Ｓ４−ＦＧＰ＃１については摂氏約１６２０度、およびステンレス鋼については摂氏約１６４０度であった。水圧は、ケイ素鋼については４．５ＭＰａ、鋳鉄ＦＧＰ４０２５Ｍｇについては２．６ＭＰａ、鋳鉄Ｓ４−ＦＧＰ＃１については５．０ＭＰａ、およびステンレス鋼については７．５ＭＰａであった。Ｍｇで処理した４つの粉末では、Ｍｇ添加後約１０〜２０分で噴霧化が完了した。上記の詳細は実験室で実行されたが、同様のメカニズムおよび傾向は、産業環境にも反映される。
【００４６】
図８は、−２００メッシュでふるいにかけたＦＧＰ１２１０粉末およびＦＧＰ１２１０Ｍｇ粉末の円形度頻度分布を示す。図９は、−２００メッシュでふるいにかけたＦＧＰ１２１０およびＦＧＰ１２１０Ｍｇ粉末の真円度頻度分布を示す。図１０は、−２００メッシュでふるいにかけたＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇ粉末の円形度頻度分布を示す。図１１は、−２００メッシュでふるいにかけたＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇ粉末の真円度頻度分布を示す。図１２は、−２００メッシュでふるいにかけたＳＳ３０４およびＳＳ３０４Ｍｇ粉末の円形度頻度分布を示す。図１３は、−２００メッシュでふるいにかけたＳＳ３０４およびＳＳ３０４Ｍｇ粉末の真円度頻度分布を示す。図１４は、図７の表に列挙した各組成物の円形度の数値データを示す表である。図１５は、図７の表に列挙した各組成物の真円度の数値データを示す表である。Ｍｇは、これら全ての系において溶存硫黄と反応したので、この添加剤で処理された全ての粉末について円形度および真円度の改善が観察される。
【００４７】
図２０は、Ｍｇを添加せずに鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５の後熱処理プロセス中に固体状態で成長した黒鉛ノジュールを示す。比較すると、図２１は、鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５Ｍｇ（Ｍｇを添加した）の後熱処理プロセス中に固体状態で成長した、より球形の黒鉛ノジュールを示す。２つの粉末は、同じ炉内で同じ熱処理プロファイルで処理された。図２２は、鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇにおいて固体状態で成長した黒鉛ノジュールの円形度頻度分布を示す。図２３は、鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇにおいて固体状態で成長した黒鉛ノジュールの真円度頻度分布を示す。図２４は、鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇにおいて固体状態で成長した黒鉛ノジュールの円形度についての数値データを示す表である。図２５は、鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５およびＦＧＰ４０２５Ｍｇにおいて固体状態で成長した黒鉛ノジュールの真円度についての数値データを示す表である。Ｍｇは、ＦＧＰ４０２５Ｍｇ粉末中の溶存硫黄と反応したので、後熱処理プロセス中に固体状態で成長した黒鉛ノジュールの円形度および真円度の改善が、Ｍｇで処理されなかった粉末（ＦＧＰ４０２５）中に存在する黒鉛ノジュールと比較して観察された。
【００４８】
図１６は、添加剤を含まないＳＳ３０４の多数の内部空隙を示している。図１７は、噴霧化前に溶融物中にＭｇを導入することによって、内部空隙の量が図１６のものと比較して低下したことを示す。粉末（ＳＳ３０４およびＳＳ３０４Ｍｇ）ごとに約２６０個の粒子を観察すると、内部空隙を含有する粒子の数は、１７％から８％になり、したがって５０％を超える改善を示す。内部酸化物の数もまた測定され、１５％から約１０％になり、したがって約３３％の改善であった。内部酸化物の量および内部空隙の改善の正確な値は、合金、噴霧化プロセス、およびプロセスパラメータに依存することに留意されたい。図１８は、噴霧化プロセスの注入工程中に溶融物中に導入された内部酸化ケイ素上に沈殿した鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５（マグネシウムを添加していない）中の多くの不規則な１次黒鉛ノジュールを示す。比較すると、図１９は、鋳鉄粉末ＦＧＰ４０２５Ｍｇ（Ｍｇを添加した）において観察することができる数少ない１次黒鉛ノジュールのうちの１つを示す。Ｍｇの保護ガス雰囲気は、るつぼから直接かつ注入を通して溶融物の酸化を制限し、添加物の導入前に溶融物中に存在していた酸化物の量は、添加物なしの溶融物中よりも著しく少なかった。これは、ＦＧＰ４０２５Ｍｇ粉末の噴霧化中の黒鉛沈殿に利用可能な非常に限定された量の基材によって実証されている。
【００４９】
図２７は、粉末Ｓ４−ＦＧＰ＃１の溶融物を注入した後にタンディッシュの上部で大気に曝される前後の研磨された純鉄表面で実験的に得られたＥＤＳスペクトルを示す。この場合、添加剤は、ＭｇおよびＮａであった。図２７のスペクトルは、ＭｇおよびＮａからなる保護ガス雰囲気が溶融物の上に形成されたことを証明している。図２６は、Ｓ４−ＦＧＰ＃１合金と同様の組成を有する溶融物１００グラムごとに形成された保護ガスの計算体積を示す。０．１１重量％のＭｇ＋Ｎａの添加のために形成された保護ガスの量は、下限の体積の約５倍である。
【００５０】
図２８〜図３５は、１００グラムの異なる純金属（Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＮｉ）の溶融物ごと、および異なる量の様々な添加剤に関して形成される保護ガスの計算体積を示す。これらの図は、１つの特定の化学系について、保護ガス雰囲気を生成するために添加されなければならない添加剤の最小量が添加剤の性質によって変わることを示している。例えば、摂氏１６５０度の鉄において、Ｚｎからなる保護ガス雰囲気を生成するためのＺｎの最小量は、約０．２０重量％であるが、Ｌｉからなる保護ガス雰囲気を生成するためのＬｉの最小量は、約０．０６重量％である。図２８〜図３５はまた、保護ガス雰囲気を生成するための１つの特定の添加剤の最小量が、それが使用される化学系に従って変わることを示している。例えば、摂氏１６５０度の鉄において、Ｚｎからなる保護ガス雰囲気を生成するための最小量のＺｎは、約０．２０重量％であるが、摂氏１８００度のチタンにおいて、Ｚｎからなる保護ガス雰囲気を生成するための最小量のＺｎは、約０．５０重量％である。
【００５１】
図３６は、様々な合金元素（２８％のＣｒ、６％のＭｏ、０．５％のＳｉ、０．５％のＦｅ、０．５％のＭｎ、および０．０２％のＳ）および摂氏１６００度の溶融物（Ｃｒ２Ｏ３）中の０．０２重量％の酸化クロムを含有する複合コバルト合金の溶融物１００グラムごとに形成される保護ガスの計算体積を示す。保護ガス雰囲気を形成する添加剤は、６０重量％のＫと４０重量％のＬｉとからなる混合物である。この系では、処理される溶融物の体積の少なくとも３倍である体積のガスを生成するための添加剤の最小量は、約０．０２５重量％のＫ＋Ｌｉ（０．０１５重量％のＫおよび０．０１０重量％のＬｉ）である。例えば、０．１０重量％のＫ＋Ｌｉが添加される場合、計算は、保護ガス雰囲気の体積が下限の約５倍であり、かつ保護ガスの組成が約６６体積％のＫおよび２７体積％のＬｉであることを示した。計算はまた、添加剤Ｌｉが溶存硫黄および酸化クロムと反応したことを示した。図２６〜図３６に示された例は、網羅的ではなく、包括的でもない。
【００５２】
実験に基づいて、添加剤が溶存硫黄と反応するとき、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小百分率］０．７〜１．０］は、典型的には３０％であると結論付けられた。より好ましくは、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小百分率］０．７〜１．０］は、４０％である。さらにより好ましくは、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小百分率］０．７〜１．０］は、５０％である。
【００５３】
実験に基づいて、添加剤が溶存硫黄と反応するとき、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小百分率］０．８〜１．０］は、典型的には１５％であると結論付けられた。より好ましくは、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小百分率］０．８〜１．０］は、２０％である。さらにより好ましくは、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小百分率］０．８〜１．０］は、２５％である。
【００５４】
実験に基づいて、添加剤が溶存硫黄と反応するとき、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小相対増加率］０．６〜１．０］は、典型的には添加剤を含まない粉末と比較して８％であると結論付けられた。より好ましくは、円形度および真円度について、ビン内の粒子の最小相対増加率］０．６〜１．０］は、１０％である。さらにより好ましくは、円形度および真円度について、ビン内の粒子の最小相対増加率］０．６〜１．０］は、１２％である。
【００５５】
実験に基づいて、添加剤が溶存硫黄と反応するとき、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小相対百分率増加率］０．７〜１．０］は、典型的には添加剤を含まない粉末と比較して１５％であると結論付けられた。より好ましくは、円形度および真円度について、ビン内の粒子の最小相対増加率］０．７〜１．０］は、２０％である。さらにより好ましくは、円形度および真円度について、ビン内の粒子の最小相対増加率］０．７〜１．０］は、２５％である。
【００５６】
実験に基づいて、添加剤が溶存硫黄と反応するとき、円形度および真円度についてのビン中の粒子の最小相対百分率増加率］０．８〜１．０］は、典型的には添加剤を含まない粉末と比較して２０％であると結論付けられた。より好ましくは、円形度および真円度について、ビン内の粒子の最小相対増加率］０．８〜１．０］は、２５％である。さらにより好ましくは、円形度および真円度について、ビン内の粒子の最小相対増加率］０．８〜１．０］は、３０％である。
【００５７】
実験に基づいて、添加剤が溶存硫黄と反応するとき、円形度および真円度の両方について、微細構造相の量および／またはビン中の成分の最小相対増加率］０．６〜１．０］は、添加剤を含まない粉末の微細構造相および成分と比較して、典型的には１０％であると結論付けられた。より好ましくは、ビン中の微細構造相および／または成分の量の最小相対増加率］０．６〜１．０］は、典型的には１５％である。さらにより好ましくは、ビン中の微細構造相および／または構成要素の量の最小相対増加率］０．６〜１．０］は、典型的には２０％である。
【００５８】
実験は、水噴霧化プロセスの前またはその間に、Ｆｅリッチ溶融金属材料にマグネシウムを添加すると、マグネシウムを添加しない同じ材料と比較して、噴霧化粉末金属材料の球形度の増加が得られることを示している。
【００５９】
明らかに、本発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、添付の特許請求の範囲内にありながら具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得る。そのような組み合わせが互いに矛盾しない限り、全ての請求項および全ての実施形態の全ての特徴を互いに組み合わせることができると考えられる。
【図１】
2019536904.tif 000003
【図２】
2019536904.tif 000004
【図３】
2019536904.tif 000005
【図４】
2019536904.tif 000006
【図５】
2019536904.tif 000007
【図６】
2019536904.tif 000008
【図７】
2019536904.tif 000009
【図８】
2019536904.tif 000010
【図９】
2019536904.tif 000011
【図１０】
2019536904.tif 000012
【図１１】
2019536904.tif 000013
【図１２】
2019536904.tif 000014
【図１３】
2019536904.tif 000015
【図１４】
2019536904.tif 000016
【図１５】
2019536904.tif 000017
【図１６】
2019536904.tif 000018
【図１７】
2019536904.tif 000019
【図１８】
2019536904.tif 000020
【図１９】
2019536904.tif 000021
【図２０】
2019536904.tif 000022
【図２１】
2019536904.tif 000023
【図２２】
2019536904.tif 000024
【図２３】
2019536904.tif 000025
【図２４】
2019536904.tif 000026
【図２５】
2019536904.tif 000027
【図２６】
2019536904.tif 000028
【図２７】
2019536904.tif 000029
【図２８】
2019536904.tif 000030
【図２９】
2019536904.tif 000031
【図３０】
2019536904.tif 000032
【図３１】
2019536904.tif 000033
【図３２】
2019536904.tif 000034
【図３３】
2019536904.tif 000035
【図３４】
2019536904.tif 000036
【図３５】
2019536904.tif 000037
【図３６】
2019536904.tif 000038
【図３７】
2019536904.tif 000039
【図３８】
2019536904.tif 000040
【図３９】
2019536904.tif 000041
【国際調査報告】
2019536904.tif 000042
2019536904.tif 000043
2019536904.tif 000044