(57)【要約】【課題】不純物量が低減された微細な金属粉末を低コストで製造する方法、およびそのための装置を提供する。【解決手段】溶融金属粒１２に対して高圧水１３を吹き付けて溶融金属粒１２を粉末化する水アトマイズ工程を有する。溶融金属粒１２は、例えば、溶融金属１０に対して、溶融金属１０の融点以上の高温流体を噴射して溶融金属１０を粗粉砕することにより供給される。溶融した状態の金属粒に対して水アトマイズ工程を実施することで、粒径の小さな金属粒を効果的に粉砕し、微細な金属粉末を製造することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属粒に対して高圧水を吹き付けて前記溶融金属粒を粉末化する水アトマイズ工程を有する、金属粉末の製造方法。
【請求項２】
前記溶融金属粒が、溶融金属に対して、前記溶融金属の融点以上の高温流体を噴射して前記溶融金属を粗粉砕することにより供給される、請求項１に記載の金属粉末の製造方法。
【請求項３】
前記高温流体は、フレーム、プラズマおよび高温ガスからなる群より選ばれる少なくとも一種である、請求項２に記載の金属粉末の製造方法。
【請求項４】
前記溶融金属粒の供給は、前記溶融金属を落下させながら、前記溶融金属の落下速度よりも高速で前記高温流体を噴射して行われる、請求項２または３のいずれか一項に記載の金属粉末の製造方法。
【請求項５】
前記水アトマイズ工程は、前記溶融金属粒に、水圧９０〜１６０ＭＰａ、水量１００Ｌ／ｍｉｎ以上の高圧水を吹き付けて行われる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属粉末の製造方法。
【請求項６】
水アトマイズ法を用いて、溶融金属粒から金属粉末を製造する装置であって、
溶融金属粒を供給する供給手段と、前記供給手段により供給される前記溶融金属粒に高圧水を吹き付ける高圧水噴射機構とを有する、金属粉末の製造装置。
【請求項７】
前記供給手段が、溶融金属を供給する溶融金属供給手段と、前記溶融金属供給手段により供給される前記溶融金属に対して、前記溶融金属の融点以上の高温流体を噴射する高温流体噴射機構とを有する、請求項６に記載の金属粉末の製造装置。
【請求項８】
前記高温流体噴射機構がフレームジェット噴射機構である、請求項７に記載の金属粉末の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末を製造する方法および装置に関するものであり、殊に微細な金属粉末の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末は産業において重要な素材であり、その特性に応じて電子材料、触媒、電池の活物質、工具、医薬品、宝飾品など様々な用途に使用されている。これらの中でも、電子材料などの用途においては、近年製造される電子装置などの製品の小型化、集積化が急速に進み、金属粉末のさらなる微細化が求められ、１μｍあるいはそれ以下の微細な金属粉末が求められている。
【０００３】
従来、微細な金属粉末の製造方法としては、例えば特許文献１に開示されているような、１１００℃以上の高温の溶融金属に高圧水を吹き付けて粉砕および急冷を行う水アトマイズ法が知られており、この方法によれば、安価に金属粉末を提供することができる。
【０００４】
その他、ガスアトマイズ法（例えば特許文献２）、金属素材にプラズマジェットを吹き付ける方法（例えば特許文献３）、溶融金属にフレームジェットを噴射する方法（例えば特許文献４）もある。さらに、例えば特許文献５には、水アトマイズ法とガスアトマイズ法とを併用することが示唆されている。これは、先ずガスアトマイズ法で溶融金属を粉砕し、続けて水アトマイズ法でさらに粉砕する方法であると考えられる。
【０００５】
また、例えば特許文献６には、溶融金属に対してフレームジェットを噴射し、フレームジェットの噴射により得られた溶融金属粉末を冷却媒体で冷却する金属粉末の製造方法が記載されている。これは、コストに着目し、水アトマイズ法などでかかる各種設備、装置の費用を低減し、さらに低コストで金属粉末を提供しようとしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１４１８１７号公報
【特許文献２】特開昭５６−１４６８０４号公報
【特許文献３】特開平５−１７９３１６号公報
【特許文献４】国際公開第２０１２／１５７７３３号
【特許文献５】特開２０１０−２４５４６０号公報
【特許文献６】特開２０１４−１３６８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている水アトマイズ法では、溶融金属の粉砕と同時に冷却が起こり溶融金属の粘性が増すため、粉砕の微細化には限度がある。そのため、水アトマイズ法で得られる金属粉末の粒径は、通常数μｍから数十μｍ程度であり、サブミクロンレベルの粒径の粉末は得られない。
【０００８】
また、上記特許文献２〜４のいずれの方法でも、溶融金属を粉砕する力が弱く、得られる金属粉末の粒径は、せいぜい水アトマイズ法と同レベルである。さらに、上記特許文献５に記載されているように水アトマイズ法とガスアトマイズ法を併用する方法についても、ガスと接触した時点で溶融金属が冷却されて固化するか溶融金属の粘性が増すため、水アトマイズによる粉砕は不十分になり、やはり粉砕の微細化には限度があるという問題がある。
【０００９】
上記特許文献６には、水アトマイズ法で使用されるような高圧ポンプが不要である旨が記載されており、特許文献６における冷却媒体の噴射は冷却のみを目的としたものである。特許文献６のようなフレーム、あるいはガスや水のいずれかを単独で噴射して得られる金属粉末の粒子径は、上記の通り数μｍから数十μｍ程度であり、電子材料をはじめとした各種用途における今後の金属粉末の微細化のニーズには十分に応じることができない。
【００１０】
一方、金属粉末の製造方法として、溶液中で金属イオンを還元することにより金属粉末を合成する湿式反応も知られている。湿式反応プロセスによれば、水アトマイズ法等よりも微細な金属粉末が得られることが知られているが、反応においてさまざまな薬剤を使用するため、これらが金属粉末中に不純物として混入するという問題がある。さらに、湿式反応は、水アトマイズ法に比べてコストが高い。
【００１１】
以上の問題を解決するため、本発明は、不純物量が低減された微細な金属粉末を低コストで製造する方法、およびそのための装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題を解決するため、本発明は、溶融金属粒に対して高圧水を吹き付けて前記溶融金属粒を粉末化する水アトマイズ工程を有する、金属粉末の製造方法を提供する。
【００１３】
前記溶融金属粒が、溶融金属に対して、前記溶融金属の融点以上の高温流体を噴射して前記溶融金属を粗粉砕することにより供給されてもよい。前記高温流体は、フレーム、プラズマおよび高温ガスからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。前記溶融金属粒の供給は、前記溶融金属を落下させながら、前記溶融金属の落下速度よりも高速で前記高温流体を噴射して行われてもよい。
【００１４】
前記水アトマイズ工程は、前記溶融金属粒に、水圧９０〜１６０ＭＰａ、水量１００Ｌ／ｍｉｎ以上の高圧水を吹き付けて行われてもよい。
【００１５】
また、本発明は、水アトマイズ法を用いて、溶融金属粒から金属粉末を製造する装置であって、溶融金属粒を供給する供給手段と、前記供給手段により供給される前記溶融金属粒に高圧水を吹き付ける高圧水噴射機構とを有する、金属粉末の製造装置を提供する。
【００１６】
前記供給手段が、溶融金属を供給する溶融金属供給手段と、前記溶融金属供給手段により供給される前記溶融金属に対して、前記溶融金属の融点以上の高温流体を噴射する高温流体噴射機構とを有してもよい。前記高温流体噴射機構がフレームジェット噴射機構でもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、不純物量が低減された微細な金属粉末を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態にかかる金属粉末の製造装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
［金属粉末の製造方法］
まず、本発明の金属粉末の製造方法について説明する。本発明は、アトマイズ法を用いて溶融金属粒から金属粉末を製造する方法である。従来のアトマイズ法等では、粉砕力が不十分で、上記の通り粒径数μｍ程度の金属粉末が得られるにとどまる。また、水アトマイズ法とガスアトマイズ法との併用では、形式上は２段階の粉砕となるものの、最初の粉砕であるガスアトマイズを行った時点で溶融金属が粉砕されるとともに冷却され、固化するかまたは溶融状態を保っていても粘度が上昇し、次の水アトマイズによる粉砕は不十分なものとなる。
【００２１】
このように、粉砕の回数を増やしたとしても、各粉砕が効果的に行われなければ、微細な金属粉末は得られない。そこで本発明では、溶融した状態の金属粒に対して水アトマイズ工程を実施することで、ある程度粒径の小さな金属粒を効果的に粉砕し、微細な金属粉末を製造することを可能とした。
【００２２】
本発明の金属粉末の製造方法が対象とする金属種に特に限定はないが、本発明によれば微細な金属粉末を提供することができるので、微細な粉末が求められる用途に使用される金属が対象として好適である。そのような金属として具体的には、元素周期表第２族から第１５族の元素のうちの１種以上が挙げられ、本発明の金属粉末の製造方法が好適に適用できる観点から、好ましくはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｍｎのうちの１種以上が挙げられる。これらの金属を単独で使用して金属粉末としてもよいし、複数を使用して合金粉末としてもよい。さらに、１種又は複数の金属をメインとしてこれに他の金属を微量添加して、得られる金属（合金）粉末に所望の特性を付与してもよい。
【００２３】
＜溶融金属粒の供給（粗粉砕工程）＞
本発明においては、溶融金属粒は公知の方法で供給することができる。例えば、金属を加熱して溶融金属とし、これに、その金属の融点以上の高温流体を噴射することで、溶融金属にせん断力を付与して粗粉砕する。溶融金属へ高温流体を噴射する方法は特に限定されないが、溶融金属粒の製造効率の観点から、炉などにおいて溶融させた金属をその底部の開口部から落下させ、これに高温流体を噴射して粗粉砕することが好ましい。
【００２４】
このような粗粉砕工程に使用できる高温流体の種類は特に制限されないが、粉砕力の観点から、高速で噴射できる高温流体として、フレーム、プラズマ、および高温ガスが好ましい。これらは１種単独で使用してもよいし２種以上をあわせて使用してもよい。また、これらを多段階で噴射することによって、溶融金属を複数回粗粉砕してもよい。これによって、次の水アトマイズ工程に供給される溶融金属粒の粒径が小さくなり、最終的に得られる金属粉末がより微細なものとなると考えられる。コストの観点からは、高温流体として、フレームが特に好ましい。
【００２５】
高温流体の温度は、粗粉砕する金属の融点以上であればよいが、これにより生成した溶融金属粒が次の水アトマイズ工程に移行するまでに一定の冷却を受けるので、この冷却によって溶融金属粒の粘度が上がらないようにすることが望ましい。すなわち、高温流体の温度は、溶融金属の比熱、高温流体との接触時間等から勘案し、溶融金属粒の粘度が上昇しないだけのエネルギーを与えられる程度にすることが望ましい。
【００２６】
高温流体の噴射速度は、溶融金属に適切なせん断力を付与できれば特に制限されないが、上記のように溶融金属を炉などから落下させる場合には、その落下速度よりも速いことが好ましく、せん断力の観点から１００ｍ／ｓ〜２５００ｍ／ｓであることがより好ましい。さらに好ましくは１５０ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓであるとよい。以上の粗粉砕工程によって、溶融金属粒が供給される。
【００２７】
＜水アトマイズ工程＞
次に、水アトマイズ工程について説明する。例えば上記のような粗粉砕工程によって供給された溶融金属粒に対して高圧水を吹き付けることで、溶融金属粒が粉末化し、微細な金属粉末が製造される。
【００２８】
水アトマイズ工程においては、溶融金属粒に、好ましくは水圧９０〜１６０ＭＰａ（より好ましくは１２０ＭＰａ〜１６０ＭＰａ）で、好ましくは水量１００Ｌ／ｍｉｎ以上（より好ましくは１３０Ｌ/ｍｉｎ〜１６０Ｌ／ｍｉｎ）で、水を吹き付ける。これに使用される水のｐＨは特に制限されないが、金属を腐食したり溶解するようなｐＨ領域は避ける。
【００２９】
溶融金属粒は、高圧水を吹き付けられることでせん断されて更に粒径が小さくなるとともに、急冷凝固する。このようにして得られた金属粉末は微細で、その平均一次粒子径はサブミクロン〜１μｍ程度となる。さらに本発明によれば、湿式反応のように様々な薬剤を使用することなく粉末を製造することから、得られる金属粉末中の不純物量が少なく、これに起因する様々な不利点（例えば粉末を焼成した際のガス発生）が改善される。このような特性から、本発明の金属粉末の製造方法により製造された金属粉末は、その金属種にもよるが、電子材料、触媒、電池の活物質、工具、医薬品、宝飾品などの様々な用途に利用可能である。
【００３０】
なお、水アトマイズにより金属粉末が水中に分散したスラリーが得られるが、このスラリーを濾過して金属粉末を回収し、さらにこれを水洗、乾燥、解砕、分級等してもよい。
【００３１】
従来のアトマイズ法等によっても、製造される金属粉末の中にはサブミクロンサイズのものが含まれることがあり、それだけを分級などの方法により回収することは可能であるが、出発原料からの収率は１％にも満たず、実用的ではない。これに対し、本発明では、溶融金属粒に対して水アトマイズすることで、金属粒を効果的に粉砕するため、従来に比較して高収率でサブミクロンサイズの金属粉末を製造することができ、産業上有用である。
【００３２】
［金属粉末の製造装置］
次に、本発明の実施形態にかかる金属粉末の製造装置の例を参照して、本発明の金属粉末の製造方法の具体的な実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる金属粉末の製造装置を示し、金属粉末の製造時の様子を模式的に示す断面図である。
【００３３】
製造装置１は、溶融金属粒１２を供給する供給手段２と、供給手段２により供給された溶融金属粒１２に高圧水１３を吹き付ける高圧水噴射機構５とを有している。供給手段２は、具体的には、溶融金属１０を供給する溶融金属供給手段３（例えばタンディッシュ）と、溶融金属１０の融点以上の高温流体を噴射する高温流体噴射機構４（例えばフレームジェット噴射機構）とを有している。以下、溶融金属供給手段をタンディッシュ３、高温流体噴射機構をフレームジェット噴射機構４として説明する。
【００３４】
溶融金属１０の供給手段であるタンディッシュ３は、金属を融点以上に加熱して溶融させることができ、溶融金属１０を収容するとともに、底面に、溶融金属１０を出湯するノズル３ａを有している。タンディッシュ３内の溶融金属１０は、融点以上の温度に加熱されるとともにその温度が保持されており、ノズル３ａを介して下方へ溶融金属１０を落下させることができる。
【００３５】
タンディッシュ３の下方には、フレームジェット噴射機構４としてのジェットバーナーが設けられている。ジェットバーナーは、ノズル３ａから落下する溶融金属１０の流れの横断面の外周側に、対称位置となるように複数設置されていることが好ましい。ジェットバーナーは、落下する溶融金属１０に対して、溶融金属１０の融点以上の高温のフレーム１１を、溶融金属１０の外周側から斜め下方に向かって噴射する。フレーム１１の噴射速度は、溶融金属１０の落下速度よりも高速であり、例えば溶融金属１０の落下速度が２．０ｍ／ｓ程度の場合、噴射速度を１５０〜２５００ｍ／ｓ程度とする。このようなフレームジェット噴射機構４により、ノズル３ａから落下する溶融金属１０を粗粉砕する粗粉砕工程が行われ、粗粉砕されてできた溶融金属粒１２が、さらに下方に向けて落下する。なお、フレーム１１は落下する溶融金属１０に対して小さな角度で噴射することが好ましいが、粗粉砕されてできる溶融金属粒１２が広がらないように、フレームジェット噴射機構４と高圧水噴射機構５との間において、溶融金属粒１２を包むように所定径のバレルを設置してもよい（図示せず）。
【００３６】
フレームジェット噴射機構４の下方には、高圧水を吹き付ける高圧水噴射機構５が設けられ、フレームジェット噴射機構４で粗粉砕されてできた溶融金属粒１２に向けて高圧水１３を吹き付ける水アトマイズ工程を行う。高圧水噴射機構５は、高圧ポンプおよび複数の注水ノズルを有し、注水ノズルは、好ましくは、溶融金属粒１２の流れの横断面の外周側に、高圧水１３を斜め下方に噴射するように設置され、落下する溶融金属粒１２に対して、外周側から斜め下方に向かって、溶融金属粒１２の外周全体に均等に吹き付ける。高圧水１３の噴射は、金属粉末１４の粒度の均一性の観点から、フレームジェット噴射機構４の噴射と同心円状に行われることが好ましい。この水アトマイズ工程では、上記で説明した水圧や水量の条件で、高圧水１３を溶融金属粒１２に向けて噴射し、急冷凝固させることによって、溶融金属粒１２を粉末化する。
【００３７】
以上のような製造装置１のフレームジェット噴射機構４および高圧水噴射機構５は、例えばチャンバー２１内に設けられ、チャンバー２１の底部に金属粉末１４が堆積する。得られた金属粉末１４は、ろ過、水洗、乾燥、解砕、分級等の工程を経て、製品として使用される。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【実施例】
【００３９】
銅の溶湯から、水アトマイズ法のみで得られる銅粉の粒径と、本発明の実施形態の一例にかかる、フレームジェットによる粉砕工程と水アトマイズ工程とを併用する製造方法で得られる銅粉の粒径とを、シミュレーションによって求めた。シミュレーションは、「平居正純著、溶融合金の粘度推定式」による下記式（１）を用いて行った。
【００４０】
【数１】
2018095915.tif 000003
ｄ：平均粒径（μｍ）
Ｋ：定数
ηＭ：溶湯の粘性（ｍＮ・ｓ／ｍ２）
ηＧ：銅の動粘性係数（ｍ２／ｓ）
Ｖ：溶融金属粒の速度（ｍ／ｓ）
ρＭ：溶湯の密度（ｋｇ／ｍ３）
γＭ：銅の表面張力（ｍＮ／ｍ）
Ｄ：出湯ノズル径（ｍ）
Ｘ：溶融金属粒流量（ｋｇ／ｍｉｎ）／水流量（ｋｇ／ｍｉｎ）
【００４１】
なお、式（１）は、ガスアトマイズ法により得られる粉末の粒径についての経験式であるが、これを水アトマイズ法で得られる粉末の粒径を求めるのに準用した。すなわち、水アトマイズによる銅粉の平均粒径ｄのデータを複数採取し、それに合うように定数Ｋの数値を決めることで、式（１）が水アトマイズ法に利用できるように合わせ込んだ。ηＭ、ρＭ、γＭは、温度１６００℃の場合とし、Ｖ＝１０００ｍ／ｓ、Ｄ＝０．００２ｍ、Ｘ＝０．０１２５として求めた。
【００４２】
この計算式によれば、水アトマイズ法のみで得られる銅粉の粒径が３．０μｍ程度に対し、本発明の実施形態にかかる製造方法では、粒径が０．５μｍとなった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、溶融金属から金属の微細な粉末を製造する際に適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１    製造装置
２    供給手段
３    タンディッシュ
４    フレームジェット噴射機構
５    高圧水噴射機構
１０  溶融金属
１１  フレーム
１２  溶融金属粒
１３  高圧水
１４  金属粉末
２１  チャンバー
【図１】
2018095915.tif 000004