(57)【要約】純度が高く、粉末形状や粒度が均一な金属粉末を経済的に製造する方法及び装置を提供する。高圧水中において、元素金属の電極と対極の間でプラズマ水中放電して生ずる金属イオン蒸気を水と接触させて粉末化させる金属粉末を製造する方法である。また、高圧・高電流放電用電源、金属チタン等の金属電極供給装置、チタン等の金属電極と対極を有する高圧放電装置、電極振動又は摺動装置、水収容タンク、水供給口、生成した金属チタン等の金属分散液の排出口と排出ポンプから構成され、金属チタン等の金属分散液から金属チタン等の金属粉末を分離・回収する装置によって、金属チタン等の金属粉末を製造する。
2003037553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧水中において、元素金属の電極と対極の間でプラズマ水中放電して生ずる金属イオン蒸気を水と接触させて粉末化させることを特徴とする金属粉末を製造する方法。
【請求項２】
元素金属原料が、チタン、ジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金又は銀であることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末を製造する方法。
【請求項３】
高電圧・高電流放電用電源、元素金属電極供給装置、電極に請求項２記載の元素金属と対極を備えた高圧放電発生装置、水収容タンク、水収容タンクへの水供給口、生成した元素金属微粒子の分散水の排出口、排出ポンプ及びろ過装置より構成されることを特徴とする金属粉末を製造する装置。
【請求項４】
一方の電極として、チタン、ジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金又は銀から選ばれた元素金属原料を使用することを特徴とする請求項３に記載の金属粉末を製造する装置。
【請求項５】
電極の元素金属原料が、棒状、板状又は線状であることを特徴とする請求項３又は４に記載の金属粉末を製造する装置。
【請求項６】
対極としてカーボン電極を使用し、両電極を振動又は摺動させることにより電極同士の溶着を防ぎ、瞬間的にプラズマ放電させるため分散量の制御を行うことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の金属粉末を製造する装置。
【請求項７】
対極のカーボン電極の径及び／又は長さを変えることにより容易に回路に流れる電流値を変更することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の金属粉末を製造する装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、元素金属の純度が高く、かつ粉末形状や粒度が均一な金属粉末を経済的に製造する方法及び装置に関する。
また、本発明は、上記金属粉末としてチタン、ジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金、銀、特にチタン粉末の製造に関するものである。
背景技術
元素金属原料は、特に高純度の元素金属の粉末成形品、板材、棒状、細線や箔材など用途に応じて多種の形態に加工されている。
最近、粉末冶金法や溶射法などの成形分野において成形原料として高純度の金属粉末の使用が注目されている。粉末冶金法は、機械部品の製造など応用面が広く重要視されており、それにともないその出発原料としての金属粉末の需要も増大化している。
従来、金属粉末の製造には、金属粒を機械的に直接粉砕して粉末にする古典的方法や溶融金属をガスにて吹き飛ばして粉末にする方法などが利用されているが、粉末形状や粒度の均一性又は経済性などに難点があった。
金属粉末製造の比較的新しい方法として、電解製造法なども知られているが、この方法によって平滑緻密で均一な結晶組織の析出を得る電解条件の範囲外で金属の析出を行なうと、もろい海綿状又は粉末状の金属が得られることが報告されている。しかし、このような公知の製造方法によって得られた金属粉末は、純度の問題は勿論金属の粉末形状や粒度の均一性において満足できるものではなく、また経済性などの問題は解決されていなかった。
金属のなかで、特に金属チタンは、古来からの鉄や銅又はアルミニウムなどに比して比較的に新しい金属であり、軽くて高温における優れた強度や耐食性などを活かして工業的に多用されている。
例えば、航空機宇宙分野におけるジェットエンジン材料や航空機の構造部材又は宇宙船部材、火力発電や原子力発電における熱交換器材料、高分子化学工業における触媒材料、日用品分野の眼鏡フレームやゴルフクラブヘッド、さらには健康用品や医療機器又は医科歯科材料など多岐にわたっており、利用分野はさらに拡大する方向にある。今後は、ステンレス鋼やジュラルミンなどと用途を競っており、今やそれらを超える材料になると予想される。
金属チタンは、難加工性や難切削性などの物性のため、複雑な形状の機械部品を製造する場合、原料として分散材を用いると、熱間鍛造や圧延などの塑性加工を行なった後に切削などの機械加工を行なわなければならず、製造工数が増加し製造コストが嵩んでしまう。
したがって、金属チタンを利用する際には、上述するように粉末冶金法が多用されており、このためにチタン粉末、特に純度が高く、粉末形状や粒度の均一性の良好なチタン粉末が必要となっている。従来の金属一般の粉末製造法によりチタン粉末を製造しても、他の金属の場合と同様に粉末形状や粒度の均一性又は経済性などで問題があり、現在では、純度が高く、粉末形状や粒度の均一性においてより優れたチタン粉末の製造方法の開発が待たれている。
例えば、金属チタン粉末の改良製法としては、水素化脱水素法や回転電極法が実用化されており、水素化脱水素法は、スポンジチタンや分散材又は切削加工などで生じた切り屑などを原料とし、この原料を水素雰囲気中で加熱し、水素ガスを吸収させて脆化させ、この脆化した状態で粉砕した後、再び真空中で加熱して水素ガスを放出させて粉末を得る方法である。回転電極法は、分散材又は分散材に鍛造や圧延などの加工を加えた分散加工材から丸棒に成形した材料を原料とし、この丸棒原料をアルゴンやヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で高速回転させながら、その先端をアークやプラズマアークなどの熱源で分散し、流下する溶湯を遠心力で飛散させて球状の粉末を得る方法である。この方法では、分散させる金属の分散埴土の制御が非常に難しい。
水素化脱水素化法で得られるチタン粉末は、球状が不規則で、金型による成形が可能であるが、加熱工程を二回繰り返す必要がある。ボールミルなどによる機械的な粉砕工程を講ずることもできるが、チタン粉末の酸素による汚染が避けられない。また、回転電極法では、不活性ガス中で溶融したチタン原料を粉化するので、粉末の形状が球状であるために流動性が良好で、酸素による汚染は生じないが、成形個化性に劣る欠点がある。さらに、上記両方法ではともにバッチ式であるため、粉末の製造コストが高くなるという問題もある。
このような、品質上や製造コストの問題を解決したチタン粉末の製造方法としてアトマイズ法が開発された。これは、水冷銅ルツボ中でプラズマアークなどの熱源を用いて原料を分散し、ルツボの一端から溶湯を連続的に流下させ、この溶湯流にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを噴射して溶湯を霧化して粉末を得る方法である。しかし、この方法でもチタンの分散材又は分散加工材を原料とするので、従来法に比して製造コストの大幅な低下は困難であった。
また、製造コストをより低下させ、酸素による汚染も避け、成形し易い不規則な球状又は流動性のを改良した粉末チタンの製造方法が特開平５−９３２１３号公報に開示されているが、この方法では、スポンジチタンを冷間静水圧プレス処理し固化した棒状材料を不活性ガス中で溶湯流として、この溶湯流にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを噴射して溶湯を霧化して粉末が得られるが、この改良法によっても、純度や粉末の球状形状又は粉末粒度の一定性が良好とはいえず、製造コストも満足できるものではなかった。
発明の開示
上述するように金属粉末、特に金属チタン粉末は、粉末冶金法などの新しい成形加工法の進展にともない、必要性や需要が増大しているが、従来かかる要求に対して十分に対応できる粉末製造方法が開発されておらず、特に元素金属の純度、粉末の球状形状や粉末粒度の均一性、さらには製造コストで問題があった。
そこで、本発明では、粉末冶金法などの成形手段のための粉末の球状形状の均一性や粉末粒度の一定性に優れた高純度の元素金属の粉末原料を供給製造することを課題とする。
本発明者らは、チタン粉末のような元素金属粉末の製造において、元素金属の純度、粉末の球状形状の均一性、粉末粒度の一定性や製造コストなどの問題を解決するために、種々の検討した結果、本発明者が先の特許出願（特願２００１−３１５４４６号）におけるチタン含有高機能水の製造に関する技術を利用して、上記課題を解決することができた。
先に開発した上記チタン含有高機能水の製造の発明（特願２００１−３１５４４６号）は、金属チタン電極と対極の間でプラズマ水中放電して生じた金属イオン蒸気が水と接触・分散させることによる金属チタンが超微分散した高機能水を製造する方法にかかるものであるが、本発明はこの技術を利用して、純度が高く、粉末の球状形状や粉末粒度の均一性が優れた元素金属粉末、特に金属チタン粉末が得られ、しかも製造コストを大幅に低下することができる。
本発明の方法及び装置は、従来の金属粉末の製造方法やチタン粉末の製造とは、その発想又は構成が根本的に相違するもので、基本的にプラズマ水中放電により元素金属チタンを微粒子化させることによって水中に沈下した金属粉末を得るもので、この手法は、チタン以外の金属にも適用であるものであって、従来法とは全く異なる面から金属粉末の製造方法及び装置を改良したものである。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（７）の構成を有するもので、元素金属の電極と対極の間でプラズマ水中放電して生じた金属イオン蒸気を水と接触させて粉末化させることを基本とするものである。
（１）元素金属の電極と対極の間でプラズマ水中放電して生ずる金属イオン蒸気を水と接触させて粉末化させることを特徴とする金属粉末を製造する方法。
（２）元素金属原料が、チタン、ジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金又は銀であることを特徴とする上記（１）記載の金属粉末を製造する方法。
（３）高電圧・高電流放電用電源、元素金属電極供給装置、元素金属と対極を備えた高圧放電発生装置、水収容タンク、水収容タンクへの水供給口、生成した元素金属微粒子の分散水の排出口、排出ポンプ及びろ過装置より構成されることを特徴とする金属粉末を製造する装置。
（４）元素金属として、チタン、ジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金又は銀から選ばれた元素金属原料を使用することをことを特徴とする上記（３）に記載の金属粉末を製造する装置。
（５）電極の元素金属原料が、棒状、板状又は線状のものであることを特徴とする上記（３）又は（４）に記載の金属粉末を製造する装置。
（６）一方の電極を元素金属とし、対極としてカーボン電極を用い、該対の電極を振動又は摺動させることにより電極同士の溶着を防ぎ、瞬間的にプラズマ放電させるため分散量の制御を行うことを特徴とする上記（４）〜（６）のいずれかに記載の金属粉末を製造する装置。
（７）カーボン電極の径及び／又は長さを変えることにより容易に回路に流れる電流値を変更することを特徴とする上記（３）〜（６）のいずれかに記載の金属粉末を製造する装置。
本発明の方法及び装置では、きわめて効率良く、元素金属粉末を製造することができる。そして、本発明では、目的とする金属粉末以外の副生成物や不純物などの生成が全く無い。また、金属原料の加熱による金属酸化物の発生もきわめて微量で、しかも得られた金属粉末の球状形状の均一性や粉末粒度の一定性が優れており、製造コストも大幅な低下が可能である。また、バッチ生産と共に、連続生産も可能で、均一粒径の金属粉末の大量生産の実用化が可能で、経済性を十分に満たすことができる。
本発明の製造工程においては、水中で元素金属電極と対極の間でプラズマ放電させると、元素金属のイオン蒸気が得られ、その蒸気が水と接触し、水中で瞬時に分散して微粒子化し、微粉末を形成する。すなわち、プラズマ水中放電時の対極を同種の金属を使用せず、カーボンとの対を構成し、かつその対を振動又は摺動させることにより電極同士の溶着を防ぎ、瞬間的にプラズマ放電させるため分散量の制御が簡単に行え、またカーボン対の径及び長さを変えることにより容易に回路に流れる電流値を変更することができるため、電源の選択の必要が無くなる。また、金属と同時に分散したカーボン粒子は無害であり、ほとんどすべてをろ過装置で容易に除去でき、純度の高い金属分散水ができる。かくして、本発明において求める電極に用いた元素金属の微粉末となる。
本発明によれば、元素金属原料としては、チタンの他に、、ジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金又は銀を使用して、それら金属の微細粉末を製造することができる。
本発明の基本構成は、上述するように元素金属の電極とカーボンなどの対極を用いてプラズマ水中放電により発生した金属イオン蒸気を水と接触させて粉末化させることにより、均一粒径の金属粉末を製造する方法であって、その製造工程の概略は、図１の製造フローチャートに示す。
図１に示すように、金属チタン粉末製造の水収容タンク内に蒸留水などの精製水を注入しておく。元素金属の電極供給装置より電極の金属チタン棒などを供給して対極の炭素棒との間でプラズマ水中放電する。水中放電によって発生した元素金属イオン蒸気が水と接触すると、瞬間的に水中に分散することとなる。このときにミクロンスケールの非常に細かいチタンの微粒子が生成し、粉末状となって分散状態となり、元素金属の分散水を形成する。水中の元素金属の微粉末は、熔融や浮遊することなく、短時間のうちに沈降する。これをろ過精製して、元素金属の微粉末を得る。得られた元素金属の微粉末は、高純度で、粉末の球形形状が一定で、粒度がそろっている。
発明を実施するための最良の形態
以下に金属チタン粉末の製造を例にとって説明するが、本発明はチタン粉末の製造に限定されるものではない。
本発明においては、極めて効率良く、純度の高いチタン粉末の製造を実現できるものであるが、このためには、金属チタンとなる電極の供給量の制御が重要である。例えば、カーボン対の径及び長さを変えて回路に流れる電流値を変更することも一つの手段である。
本発明の製造装置によれば、水収容タンク内でプラズマ水中放電するため、それに耐える程度の耐圧性を有する水収容タンクが必要である。
また、放電させる電極対を同種の金属を使用せずにカーボンを対極に使用し、その電極対を振動又は摺動させることにより溶着を防ぎ、瞬間的に放電させるため、分散量の制御が簡単に行え、さらにカーボン極の径及び長さを変えることにより容易に回路に流れる電流値を変更できるため電源の選択の必要が無くなる。この際、元素金属と同時に分散したカーボン粒子は無害であり、ほとんどすべてをろ過フィルターで容易に除去でき、純度の高い元素金属の分散水が得られる。
また、金属チタン原料である電極は、棒状及び板状材又は線状のいずれでも使用でき。１トン規模の容器による生産スケールよりかなり小規模の容器での製造では、棒状の代わりに線状の金属チタンの供給が適当となる。
本発明の製造装置を用いて製造できる金属粉末の製造のために使用可能な元素金属原料は、チタン以外では、例えばジルコニウム、ゲルマニウム、スズ、金、白金、銀などが挙げられるが，これらに限定されるものではない。
図面に沿って、本発明の実施の態様を詳説するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、前述するように本発明における金属粉末の製造フローチャートを示すものである。
図２は、本発明の金属粉末製造装置を示すもので、水収容タンク１４、元素金属電極と対極を有するプラズマ放電発生装置１、元素金属粉末のろ過装置１１より構成されている。
金属粉末製造耐圧容器には、高圧・高電流放電用電源２、電極を振動又は摺動させるための装置３、元素金属の電極を供給する装置４、元素金属電極６とその対極７を有するプラズマ放電発生装置１、水収容タンク１４への水供給口８、プラズマ水中放電後に生じた元素金属分散液の排出口９と排出ポンプ１０、元素金属分散液から金属粉末を分離するろ過装置１１が装備されている。１３は生成された金属粉末を表わす。
プラズマ放電発生装置の設置されている水収容タンクに精製水が注入される。
タンク内の水に浸漬されている元素金属であるチタン電極とその対極であるカーボンとの間にプラズマ放電させる。水中におけるプラズマ放電によりチタンのイオン蒸気が発生し、この蒸気が水と接触してチタン金属の分散液が生ずる。
プラズマ放電に際しては、電極を浸動又は摺動装置３によって振動又は摺動することにより電極同士の溶着を防ぎ、瞬間的アークを発生させるため分散量の制御が簡単に行える。また、金属チタン電極が逐次消費されるため連続的あるいは間欠的に電極供給装置４により供給されるようにする。プラズマ水中放電によりチタン材料が瞬間的に溶解され、水中に分散する。
このときにミクロンスケールの非常に細かいチタンの微粒子４が生成され、粉末状となって分散状態となり、金属チタン粉末は、熔融や浮遊することなく、短時間のうちに粉末として沈降し、分離され、金属チタン粉末取り出し口９より排出されてろ過装置１１によって濾液１２と分離されてチタン粉末１３となる。水収納タンクに水１トンを入れておき、金属チタン棒を２５ｋｇ消費したとき、水に若干量のチタンがとけ込んだ水が得られるが、それ以外はチタン粉末として容器底部に沈殿した。チタン粉末の平均粒径は、１０〜３０μｍであった。
また、得られたチタン粉末は、副生成物や不純物などの生成が全く無く、チタン粉末の球状形状の均一性や粉末粒度の一定性が優れたものであった。
本方法と装置によれば、きわめて経済的にチタン粉末の均一粒径のものが得られた。
産業上の利用可能性
本発明では、純度の高い金属粉末、特にチタン粉末を極めて効率良く安定に製造することができる。本発明における製造方法によれば元素成分以外の副生成物や不純物の生成が無く、得られた粉末の球状形状や粉末粒度の均一性はきわめて優れており、しかも装置が小さく効率的であるため製造コストを大幅に低下することができる。また、バッチ生産、連続生産、大量生産が可能である。
【図面の簡単な説明】
「図１」
本発明の金属粉末製造時のフローチャート
「図２」
本発明の金属粉末製造のための装置
符号の説明
１  プラズマ放電発生装置
２  高圧・高電流放電用電源
３  電極振動又は摺動装置
４  元素金属電極供給装置
６  元素金属電極
７  対極
８  水供給口
９  元素金属分散液排出口
１０  排出ポンプ
１１  ろ過装置
１２  濾液
１３  金属粉末
１４  水収容タンク
【図１】
2003037553.tif 000003
【図２】
2003037553.tif 000004
【国際調査報告】
2003037553.tif 000005
2003037553.tif 000006