(57)【要約】      （修正有）【課題】溶湯が流下する経路の気流の影響を低減し、溶湯ノズルの詰りを抑えて、生産性に優れ金属粉末を安定的に製造可能な金属粉末製造装置の提供。【解決手段】貯留容器２の下部に設けられ、溶湯流路２２を構成する溶湯ノズル４と、溶湯ノズル４の下部側に設けられ、溶湯ノズル４よりも溶湯流路２２の断面積が大きい溶湯流路２２を構成する筒状の溶湯ガイド５と、溶湯ガイド５の外側を覆う風防部１１とを備え、流体ノズル３は溶湯ガイド５の直下に貫通孔を有し、前記貫通孔は上方から流体ノズル３の細隙２３に向かう方向の縮径部を備え、前記縮径部と風防部１１との間で流体の噴出により生じる気流の流路２０を構成し、溶湯ガイド５の下端部は、風防部１１から前記貫通孔側へ突出し、流体ノズル３の上端と流体ノズル３の細隙２３との間に位置する、金属粉末製造装置１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を溜める貯留容器と、
前記貯留容器から前記溶湯を鉛直方向に流す溶湯流路と、
前記溶湯流路に向かって前記溶湯を粉末化する流体を噴出する細隙を備えた流体ノズルと、を有する金属粉末製造装置であって、
前記貯留容器の下部に設けられ、前記溶湯流路を構成する溶湯ノズルと、
前記溶湯ノズルの下部側に設けられ、前記溶湯ノズルよりも溶湯流路の断面積が大きい溶湯流路を構成する筒状の溶湯ガイドと、
前記溶湯ガイドの外側を覆う風防部とを備え、
前記流体ノズルは前記溶湯ガイドの直下に貫通孔を有し、前記貫通孔は上方から前記細隙に向かう方向の縮径部を備え、前記縮径部と前記風防部との間で前記流体の噴出により生じる気流の流路を構成し、
前記溶湯ガイドの下端部は、前記風防部から前記貫通孔側へ突出し、前記流体ノズルの上端と前記流体ノズルの細隙との間に位置する金属粉末製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の金属粉末製造装置であって、
前記溶湯ガイドの外側に加熱手段を有し、前記加熱手段を前記風防部で覆った金属粉末製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載の金属粉末製造装置であって、
前記溶湯ガイドの上端側に前記溶湯ノズルの下端が挿入された金属粉末製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水アトマイズ法と呼ばれる金属粉末の製造方法で用いられる金属粉末製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末を製造する方法として溶融金属（溶湯と呼ぶ）をアトマイズ法により粉末化することが知られている。アトマイズ法を採用する金属粉末製造装置は、水を主とする高圧の流体を噴霧媒体とし、流下する溶湯の周囲から斜め下の方向へ円錐状に噴射する水ジェットとすることで、流体のエネルギーを集中させて溶融金属へ衝突させるように構成されている。水ジェットの衝突エネルギーで溶湯が分裂することで微細な金属粉末となる。この様な金属粉末製造装置は、例えば特許文献１から３に記載されている。
【０００３】
図２は金属粉末製造装置の構成の一例を示す図である。金属粉末製造装置１０１は、溶解炉１２１から注がれる溶湯１１０を貯留する貯留容器（タンディシュとも呼ばれる）１０２と、貯留容器１０２の下部に所定の空間１２０を介して配置された流体ノズル１０３とを有する。流体ノズル１０３は環状にスリット（細隙）が形成されていて、そこから噴出する水ジェット１１９によって貯留容器１０２から溶湯ノズル１０４を介して流下する溶湯を粉末化する。
【０００４】
細隙から噴射された水ジェット１１９によって前記空間１２０には周囲から空気が流入し、溶湯１１０が流下する経路にも空気の流れＦ（気流）が形成され、その気流によって溶湯１１０が水ジェット１１９の中央へと導かれる。しかしながら、溶湯１１０がこの空気に接触すると、溶湯１１０の温度低下を招く場合がある。特に融点が１５００℃以上の純鉄やＦｅ基合金、あるいはＮｉ基耐熱合金等の高融点金属では、溶湯が固化する温度が高いため、通常の金属粉末製造装置では。溶湯１１０の流下の途中で水ジェットによる気流Ｆによって粉末化の前に溶湯の冷却が進んで粘度が高くなり、その後の分裂が不十分になって、所望の粒度の金属粉末を製造することができないことがあった。
【０００５】
特許文献４や特許文献５では、図３に示すように、貯留容器１０２の下面に接続された溶湯ノズル１０４を水ジェット１１９の近くまで及ばせている。溶湯１１０が直接気流Ｆに晒される区間が短くなれば、溶湯が気流Ｆによって冷却されるのを低減することが出来る。
【０００６】
また特許文献６では、図４に示すように、貯留容器１０２の下面に接続された溶湯ノズル１０４を所定の間隔をもって配置された保護管１０５で覆い、水ジェット１１９による気流Ｆ  が直接溶湯ノズル１０４に晒されるのを減じている。
【０００７】
保護管１０５には熱伝導性の高い鉄系、チタン系、あるいは銅系等の金属材料が用いられていて、それを貯留容器１０２の下面に接して設けることで、貯留容器１０２側の熱を利用して保護管１０５を加熱している。更に加熱手段を付加し保護管１０５を加熱するなどして、保護管１０５が気流Ｆによって冷却されても、それを補うようにしている。
【０００８】
また溶湯ノズル１０４と保護管１０５との隙間は、貯留容器１０２側の上端は閉じていて、流体ノズル１０３側の下端は開いるように構成される。水ジェット１１９による気流Ｆ  が直接溶湯ノズル１０４に晒されるのを減じ、さらに気流Ｆによって前記隙間内の圧力を低下させて減圧状態に維持することで断熱性を向上し、溶湯ノズル１０４を通る溶融金属の温度低下を抑え、その粘度上昇を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公昭４３−６３８９号公報
【特許文献２】特開昭６０−１５２６０５号公報
【特許文献３】国際公開第１９９９／０１１４０７号
【特許文献４】特開平２−１９８６２０号公報
【特許文献５】特開２００７−２４７０５４号公報
【特許文献６】特開２０１２−２０１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献４から６の金属粉末製造装置では、貯留容器１０２から水ジェットの細隙に近い位置まで溶湯ノズル１０４を及ばせた構造となっている。貯留容器１０２や溶湯１１０の熱で溶湯ノズル１０４が加温されるものの、溶湯ノズル１０４が長いほど、流体ノズル１０３側の下端では温度が低下するため、溶湯ノズル１０４の内壁に接触する溶湯１１０の粘度が上昇して、溶湯ノズル１０４を通る溶湯１１０の通過量が変動したり、溶湯ノズル１０４内で溶湯１１０が固まって詰まりを生じたりする場合がある。また溶湯ノズル１０４は溶湯１１０の出湯毎に取り換える必要があるが、金属系の材料と比べて相対的に熱伝導性の低い、アルミナなやジルコニアなどのセラミックス材料で構成される溶湯ノズル１０４は、その長さが長いほど作製が難しく高価なものとなり、製造コストを増加させる要因にもなる。
【００１１】
また特許文献６の金属粉末製造装置では、溶湯ノズル１０４を覆う保護管１０５を貯留容器１０２の下面に接して設けるが、貯留容器１０２側と流体ノズル１０３側との間の断熱構造が複雑なものとなり易く、また溶湯ノズル１０４が気流Ｆによって冷却されることで貯留容器１０２側の熱を奪ってしまい、それによって局部的な溶湯温度の低下等の不具合が生じることも懸念される。
【００１２】
そこで本発明の目的は、溶湯が流下する経路の気流の影響を低減し、溶湯ノズルの詰りを抑えて、生産性に優れ金属粉末を安定的に製造可能な金属粉末製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、溶湯を溜める貯留容器と、前記貯留容器から前記溶湯を鉛直方向に流す溶湯流路と、前記溶湯流路に向かって前記溶湯を粉末化する流体を噴出する細隙を備えた流体ノズルと、を有する金属粉末製造装置であって、前記貯留容器の下部に設けられ、前記溶湯流路を構成する溶湯ノズルと、前記溶湯ノズルの下部側に設けられ、前記溶湯ノズルよりも溶湯流路の断面積が大きい溶湯流路を構成する筒状の溶湯ガイドと、前記溶湯ガイドの外側を覆う風防部とを備え、前記流体ノズルは前記溶湯ガイドの直下に貫通孔を有し、前記貫通孔は上方から前記細隙に向かう方向の縮径部を備え、前記縮径部と前記風防部との間で前記流体の噴出により生じる気流の流路を構成し、前記溶湯ガイドの下端部は、前記風防部から前記貫通孔側へ突出し、前記流体ノズルの上端と前記流体ノズルの細隙との間に位置する金属粉末製造装置である。
【００１４】
本発明においては、前記溶湯ガイドの外側に加熱手段を有し、前記加熱手段を前記風防部で覆うのが好ましい。
【００１５】
また本発明においては、前記溶湯ガイドの上端側に前記溶湯ノズルの下端を挿入して配置するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、溶湯が流下する経路の気流の影響を低減し、溶湯ノズルの詰りを抑えて、生産性に優れ金属粉末を安定的に製造可能な金属粉末製造装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例に係る金属粉末製造装置の断面図である。
【図２】従来の金属粉末製造装置の断面図である。
【図３】従来の他の金属粉末製造装置の断面図である。
【図４】従来の他の金属粉末製造装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る金属粉末製造装置について具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。なお、図の一部又は全部において、説明に不要な部分は省略し、また説明を容易にするために拡大または縮小等して図示した部分がある。また説明において示される寸法や形状、構成部材の相対的な位置関係等は特に断わりの記載がない限りは、それのみに限定されない。さらに説明においては、同一の名称、符号については同一又は同質の部材を示していて、図示していても詳細説明を省略する場合がある。
【００１９】
図１は、本発明の金属粉末製造装置の一実施形態を示す縦断面図である。図１に示す金属粉末製造装置１は、貯留容器側と流体ノズル側とその間の吸気部とに分けられる。溶湯１０を水等でなる噴霧媒体で粉砕し、粉砕された溶湯を水等の冷却媒体により冷却して粉末化するのに用いられる装置であって、溶融し流下する原料溶湯をノズルより噴射した高圧水で粉砕して粉末状とするとともに、冷却も行って粉末を得る。得られる粉末は、例えばサブミクロンから数百ミクロンオーダーまで広く分布する大小の粒子で構成されたものとなっている。
【００２０】
この金属粉末製造装置１は貯留容器２側に、溶解炉（図示せず）から注がれる溶湯１０を一時的に溜める貯留容器２と、その底面に設けられた溶湯ノズル４と、前記溶湯ノズル４の下方に設けられた溶湯ガイド５と、前記溶湯ガイド５から流出する溶湯１０を粉砕する流体ノズル３を有しており、さらに、溶湯ガイド５の外側にヒータ等の加熱手段１２を備え、それらの外側を覆うように、風防部１１が設けられている。
【００２１】
流体ノズル３は、その本体部分と、本体部分に設けられ、貯留容器２から流下する溶湯１０を通過させる溶湯流路となる貫通孔２２と、貫通孔２２に向けて水ジェット１９を噴射する細隙２３とを有している。貫通孔２２は水ジェットにより形成される気流Ｆの流路２０でもある。貫通孔２２は、流体ノズル３の本体部分を鉛直方向に貫通し、その径は細隙２３に向かって連続的に縮径する縮径部を備えている。具体的には、吸気部において貯留容器２と流体ノズル３との空間２０から連続し、貯留容器２側である流体ノズル３の上部において最も大きく開口し、下方の細隙２３に向かって減少している。細隙２３よりも下方側では、下方に向かって拡径している。貫通孔２２を鉛直方向に見ると円形をなしていて、その中心と貯留容器２から流下する溶湯１０の経路である溶湯流路の中心とが一致するように流体ノズル３が配置されている。
【００２２】
流体ノズル３の本体部分は上部筒２５と下部筒２６とを重ねて構成されている。外部のポンプ装置等の流体の供給源（図示せず）からホース等の接続経路にて供給される５０〜２００ＭＰａの高圧流体は、流体通路２４と、それと繋がり、貫通孔２２側に開口する円環状の導入路２７を経て細隙２３から流下する溶湯１０へ噴射され、円錐状の水ジェット１９を形成する。流体ノズル３は耐熱性と、流体の圧力に耐えうる耐圧性とを備えた材料であれば特に限定されないが、金属材料で構成するのが好ましい。
【００２３】
図１に示すように、有底の貯留容器２は、周囲がジルコン砂（図示せず）で埋められた状態となっていて、更にその周囲を電気絶縁性及び耐熱性に優れるマイカボード（図示せず）で囲われ、さらに誘導コイル（図示せず）が配置されている。誘導コイルによって加温して溶解炉から注がれる溶湯１０の温度を所定の範囲となるように調整している。貯留容器２は溶湯１０によって変形等が生じない材料であればよく、例えば、アルミナ、ジルコニアのような各種セラミックス材料や、黒鉛などが用いられる。また、貯留容器２の底部には、貫通孔が設けられていて、そこに溶湯ノズル４が螺合結合等によって嵌められる。ジルコン砂は貯留容器の固定と保温・断熱のために用いられ、他にもアルミナ砂等を用いても良い。また溶湯ノズル４はセラミック製のロッド３５によって開栓、閉栓される。
【００２４】
溶湯ノズル４は図１に示すように長尺の筒状の部材で直線状に貫通する孔部を有し、それを通して貯留容器２内に貯留された溶湯１０を下方に流下させる。溶湯ノズル４の形状は筒状であれば特に限定されず、貯留容器２への取り付け性や耐熱衝撃性等を考慮して適宜設定可能である。孔部の開口形状は円状が好ましく、また長さ方向の断面は、貯留容器２側が幅広で下方になるほど幅が狭くなるテーパ状で、更に最も狭まった部分から直線状とするのが好ましい。得られる金属粉末の粒度（レーザー回折法により計測される体積基準の粒度分布から、小径側からの累積％が５０体積％となる粒子径であるメジアン径ｄ５０で規定）は、一般に溶湯ノズル４の内径に影響を受ける。そのため目的とする金属粉末のメジアン径が１〜２０μｍ程度であれば、孔部の最も狭い部分の内径は１〜５ｍｍ程度であるのが好ましい。溶湯ノズル４には、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ボロン・ナイトライドのような各種セラミックス材料が用いられる。
【００２５】
溶湯ノズル４の周囲には、例えば溶湯ノズル４を中心に円筒状に配置可能なアルミナ等の断熱用のセラミック部材１６が配置されている。図示した例ではアルミナスリーブを用いている、セラミック部材１６の上端側と貯留容器２との底部側とで挟むようにして、溶湯ノズル４の貯留容器２への取り付け部にグラファイト等の高耐熱性シール部材（図示せず）が設けられている。また流体ノズル３側との断熱のため、貯留容器２の底部にはファイバーボード等の断熱部材２８が敷き詰められ、その下部には冷却用の水冷銅板１７を設けて、断熱性を高めている。なお溶湯ノズル４の下端は水冷銅板１７から突き出ない位置とするようにしている。ファイバーボード等の断熱部材２８の厚みは、断熱性と金属粉末製造装置の小形・省スペースを考慮すれば１〜５ｃｍであるのが好ましい。断熱部材２８はファイバーボードのほかに、アルミナブロックを敷き、その間をジルコニア砂で埋めて形成しても良い。
【００２６】
溶湯ノズル４の下方に、溶湯ノズル４を通過した溶湯１０を通す長尺で筒状の溶湯ガイド５が配置される。溶湯ガイド５の孔部の中心は溶湯ノズル４の孔部の中心に一致するように設けられているのが好ましい。筒状の溶湯ガイド５の孔部の断面積が溶湯ノズル４よりも大きくて、溶湯ガイド５の上端が溶湯ノズル４の下端を囲むように、溶湯ノズル４の下端側が溶湯ガイド５の孔部の上端側に挿しいれられている。また下端は流体ノズルの近くまで及ぶ位置となるようにしている。溶湯ガイド５を構成する材料としては、耐熱鋼のような鉄系材料や、アルミナ、ジルコニア、ムライト、あるいは耐熱衝撃性に優れるボロン・ナイトライドのような各種セラミックス材料などが用いられる。溶湯ガイド５の形状も、筒状であれば特に限定されないが、形成の容易さから円筒形状が好ましく、上端側に鍔部を設けたりして組み付けが容易なようにしても良い。溶湯ガイド５が上記のような構成になっていると、図１に示すように、冷却用の水冷銅板１７の下側の窪みに溶湯ガイド５の上端を差し込むように配置して、その鍔部を押さえ板１８で水冷銅板１７に螺子固定することが出来る。上端を固定するだけで溶湯ガイド５を容易に取り付けることができ、取り外しの作業も容易になる。
【００２７】
溶湯ガイド５の下端部は、貫通孔２２内に配置され、流体ノズル３の上端と細隙２３との間に位置するようするのが好ましい。このように配置すると、溶湯ガイド５の孔部を溶湯流路として気流Ｆの影響を避けながら、溶湯１０を水ジェット１９に近づけて供給することが出来る。なお水ジェット１９は基本頂点が下方の円錐状であるが、細隙２３の近くでは、一部が分裂した溶湯とともに上方向へ吹きあがる場合がある。吹きあがった溶湯が溶湯ガイド５の下端に付着しても良いが、水ジェット１９への溶湯ガイド５を閉塞せず、溶湯流路を確保できる位置が、溶湯ガイド５の下端の目安となる。
【００２８】
溶湯１０を溶湯ガイド５の中空部を通過させるように構成することで、溶湯ノズル４を細隙２３の近くまで延ばす必要がなく、短くしても貯留容器２内の溶湯１０を安定して流体ノズル３の細隙近傍まで供給出来る。また溶湯ノズル４を短くすることで溶湯１０の詰まりが生じる虞も低減することが出来る。
【００２９】
溶湯ガイド５の溶湯１０が流下する内空間は断熱層としても機能し、溶湯１０の粘度上昇を抑制することが出来る。また、高圧の流体によって水ジェット１９が形成されると、それに伴って気体の流路２０の上方から下方に向かう気流が生じる。この気流Ｆにより、溶湯ガイド５の内空間が減圧状態となり易い。特許文献６では、水ジェットにより吸引される気流Ｆ  によって、溶湯ノズル１０４と保護管１０５との隙間の圧力が低下して減圧状態に維持され、それによって隙間の断熱性を高めているが、本発明においても同様な効果が得られやすい。
【００３０】
更に溶湯ガイド５の外側には風防部１１を有している。風防部１１は溶湯ガイド５の下端側を通すように開口していて、溶湯ガイド５の略全体を覆うように、気流Ｆの流路２０を構成する吸気部の一部である天板３０側に取り付けられる。
【００３１】
また風防部１１の形状を、流体ノズル３の貫通孔２２の形状に倣った流線形とすることで、気流Ｆの妨げとなるのを防いでいる。溶湯ガイド５から流下した溶湯１０は安定した気流Ｆとともに水ジェット１９に送られて、良好な条件で粉末化することが出来る。風防部１１は、その形状への加工の容易さから、耐熱鋼のような鉄系材料やステンレス鋼などの金属材料を用いるのが好ましい。
【００３２】
溶湯ガイド５にヒータ等の加熱手段１２を設けても良い。加熱手段１２は溶湯ノズル４の下端よりも下方であって、溶湯ノズル４の長手方向の中間付近に設けるのが好ましい。この加熱手段によって溶湯ガイド５を加熱することにより、溶湯１０の温度低下をより確実に抑制することができる。また、溶湯ガイド５に溶湯１０が飛散した場合に熱衝撃で割れる虞が低減される。また加熱の効率を上げるように風防部１１で加熱手段１９の全体を覆うのが好ましい。加熱手段１２を前記天板３０に取り付けても良い。また、前記天板３０には加熱手段１２への接続ケーブルや測温用の熱電対を配置する溝等を設けても良い。
【００３３】
この様な構成の金属粉末製造装置では、短い溶湯ノズル４から溶湯１０を流下させ、その溶湯ノズル４から流下する溶湯１０を溶湯ガイド５の中空部を通過させるように構成することで、貯留容器２内の溶湯１０を、溶湯ノズル４から溶湯ガイド５を通って流体ノズル３へと供給する。そのため溶湯１０の温度低下を抑えて安定して流体ノズル３の細隙近傍まで溶湯１０を供給出来る。また溶湯ノズル４を流体ノズル３の細隙２３の近くまで延ばす必要がなく、溶湯ノズル４を短くすることで溶湯１０の詰まりが生じる虞も低減し生産性を損ねることが無い。水ジェット１９によって分裂した溶湯は微細な金属粉末はスラリーとして回収され、金属粉末を安定的に製造可能となる。
【符号の説明】
【００３４】
１  金属粉末製造装置
２  貯留容器
３  流体ノズル
４  溶湯ノズル
５  溶湯ガイド
１０  溶湯
１１  風防部
１２  加熱手段
１５  誘導コイル
１９  水ジェット
２０  気流の流路
２２  溶湯流路
２３  細隙
２４  流体通路
２５  流体ノズルの上部筒
２６  流体ノズルの下部筒
２７  円環状の導入路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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