(57)【要約】【課題】粒径分布の幅が狭く、粒径が揃った、微細な粒子からなる粉末を良好な量産性で製造することができる粉末の製造方法および装置を提供する。【解決手段】加熱されている底付き円筒状ルツボ１０を有する回転容器の回転軸中心近傍の底面に原料溶湯Ａを給湯し、遠心力の100%を溶湯に作用させて当該ルツボ内壁面に当該溶湯を押しつけ、連続供給される溶湯とバランスするようにルツボ開口部から遠心力によってアルゴンやヘリウム、窒素、空気などの雰囲気ガス中に飛散噴霧させて粉体サイズの揃った超微細な粉体Ｂを製造する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機もしくは無機材料を加熱して溶融材料を形成し、
底付き円筒状ルツボを回転中心軸に沿って高速回転させ、
前記ルツボの底面に注湯ノズルから前記溶融材料を注湯し、
前記ルツボの開口端から遠心噴霧し、微粉末を成形することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項２】
請求項1において、回転軸に当該ルツボの中心軸を合せると共に、ルツボ開口部を鉛直上向に設定することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項３】
請求項1、2において、ルツボの深さ方向内面側壁が鉛直方向に対して±10度以内の上広もしくは下広口径に設定することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項４】
請求項1、2、3において、ルツボ外側に断熱材を、さらにその外周に耐熱金属製のルツボ受けを設置した回転体から成ることを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項５】
請求項1、2、3、4において、ルツボを噴霧処理対象材料の溶融温度以上に加熱することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項６】
請求項1、2、3、4、5において、セラミックス製ルツボを使用し、その外周に断熱材を、さらにその外周に高速回転時の遠心力に耐えうる耐熱金属ルツボ受けを設置した回転体から成ることを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項７】
請求項1、2、3、4、5、6において、ルツボ内部に装入するように、回転中心軸を中心に注湯用ノズルとその外周に高周波誘導加熱コイルもしくは通電抵抗加熱装置等を配置して、注湯ノズルとルツボを加熱することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項８】
請求項1、2、3、4、5、6、7において、注湯ノズルの外面に誘導コイルを配置し、当該誘導コイルの内外面とノズル下部に発熱用スリーブを設置して、注湯ノズルとルツボの内側面、および底面を輻射によって加熱することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項９】
請求項1、2、3、4、5、6、7、8において、耐熱金属ルツボ受け外周部に冷却用フィンを取り付けたことを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項１０】
請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9において、容積給湯速度Q、ルツボ半径ｒおよび、ルツボ回転数ｎを次式の範囲に制御し、ここで、Qは［cc/min］、ｒは［cm］および、ｎは［min-1］であることを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【数１】
2007332406.tif 000004
【請求項１１】
請求項1において、ルツボは、セラミックス、高強度成形炭素、もしくは金属製であることを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項１２】
請求項1において、注湯ノズルを、ルツボの回転中心から1/2半径内の領域に配置することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項１３】
請求項1において、注湯ノズルから直径0.3mmないし5.0mmの円形もしくは楕円断面のラミナー状態を確保させながら当該溶融材料を注湯することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形方法。
【請求項１４】
底付き円筒状ルツボと、
当該ルツボを回転中心軸に沿って高速回転させる駆動装置と、
当該ルツボの底面に溶融材料を注湯する注湯ノズルとを備え、
当該溶融材料を当該ルツボの開口端から遠心噴霧し、微粉末を成形することを特徴とする回転ルツボを使用した微粉末成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末冶金用球状粉末、磁性材料、溶射用球状金属粉末、導電ペースト用金属粉末、ハンダボール、および磁気冷凍機用蓄冷材等に使用される金属、合金および金属酸化物、さらには食品、医薬品や化学工業等に使用される広範囲の無機、有機物質等にも適用可能な球状微粒子の製造方法、および、その遠心噴霧装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属、または合金を球状粉末化する方法として、回転消耗電極法、液滴落下噴霧法、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法の他、種々の遠心噴霧法等が知られている。しかし、これらの方法における粉体粒径は数μmから数100μmにわたって広く分布するのが一般的であり、また製造される粒径制御に制約があったり、生産性に問題があったりして、多くの課題を抱えている。その中で遠心噴霧法は、運転パラメータの制御性が良好なことに加え、比較的、球状粉末を得ることが可能なことから多くの手法が試みられている。
【０００３】
従来技術における遠心噴霧方法は、たとえば、回転体として表面は平坦な円板や、円板に凹凸を加えたもの（特許文献１、２）、皿状に円板上部にへこみを加工したもの（特許文献４）、逆に傘状に上部に傾斜を付けたもの等、円板を基本形として、対象原料の注湯と飛散を考慮して種々の加工が加えられたものが提案されている。
【０００４】
しかしながら、これらの方法では、溶湯と回転体との濡れ性や、注湯位置によっては、急激な速度差に起因して溶湯と回転体との間にスリップが発生する。その結果、高速回転によって生み出される遠心力が十分に溶湯に作用出来ないまま回転体外周部に到達して雰囲気中に飛散するため、十分な噴霧細粒化が実現出来ないのが現状である。その解決策として遠心噴霧とガス噴霧を併用したもの（特許文献４）があるが、この技術では従来のガス噴霧の欠点を大きく補うことが不可能であり、製造される粉体の粒径分布の広がりを低減することが出来ない。さらに、噴霧用のガスが大量に必要であり、経済的に得策ではない。
【０００５】
【特許文献１】特開2006-2176／エスサイエンス
【特許文献２】特開2002-317212／三栄化成株式会社
【特許文献３】特許3511082／NIMS
【特許文献４】特開平10-85583／同和鉄粉
【特許文献５】特許第3270713／日本素材
【特許文献６】特開平05-171228／信越
【特許文献７】特開平07-224305／福田金属
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、製造する金属等の粒子の粒径分布のコントロールが難しく、製造した金属等の粒子の粒径分布が所要の粒径分布の幅よりも広くなることが一般的である。このため、所要の粒径分布の粒子を得るため、製造した幅広い粒径分布を有する粒子を分球しているが、ややもすれば非常に歩留まりが悪いのが現状である。従って、生産性の悪さ、ひいては金属等の粉末の製造コスト等にも影響し、金属等の粉末製造の最大のネックとなっている。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、粒径分布の幅が狭く、粒径が揃った、微細な粒子からなる粉末を良好な量産性で製造することができる粉末の製造方法および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】
【０００８】
加熱されている底付き円筒状ルツボ形状を有する回転容器の回転軸中心近傍の底面に原料溶湯を給湯し、遠心力の100%を溶湯に作用させて当該ルツボ内壁面に当該溶湯を押しつけ、連続供給される溶湯とバランスするようにルツボ開口部から遠心力によってアルゴンやヘリウム、窒素、空気などの雰囲気ガス中に飛散噴霧させて粉体サイズの揃った超微細な粉体を製造する。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明によれば、ルツボ上端面の開口端から飛散する溶湯液滴が均一な速度分布を有するので、粒径分布の幅が狭く、粒径が揃った、微細な粒子からなる粉末が得られる。そして、ノズルの溶湯の流下速度を一定に保ちつつ、粉末を形成するので、連続的に粉末を製造でき、良好な生産性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。遠心噴霧装置の概略と高速回転ルツボ構造を図１と図２に示す。図１は装置全体図である。図２は、回転ルツボ周辺の構造と注湯される溶湯の挙動を示したものである。
【００１１】
遠心噴霧装置は、容器１の内部に溶融炉２を備え、原料追装装置３から溶融対象の原料を溶融炉２に装填し、加熱して溶湯Ａを形成する。そして、溶湯Ａを保持炉（タンディッシュ）４に移し、ノズル５より底付き円筒状ルツボ１０の底面に注湯する。ルツボ１０は、その周囲に断熱材１２が配置され、耐熱金属製のルツボ受け１３に収容され、駆動機構により高速回転が可能となっている。耐熱金属製のルツボ受け１３には冷却のためのフィン１４が設けられている。保持炉（タンディッシュ）４およびノズル５には溶湯を保温するための高周波誘導加熱コイル１５，１６が設けられている。なお、通電抵抗加熱装置を用いてもよい。
【００１２】
注湯ノズル５の外面に誘導コイル１６を配置し、当該誘導コイルの内外面とノズル下部に発熱用スリーブ１７を設置して、注湯ノズルとルツボの内側面、および底面を輻射によって加熱する。
【００１３】
本発明は高速で回転するルツボ１０の中心近傍へ溶湯Ａを注ぎ、遠心力によって溶湯Ａをルツボ内側壁に押しつけ液膜状態を確保しながら、一気にルツボ開口部から高速飛散させて、雰囲気を構成しているＨｅガス、Ａｒガス、もしくは、Ｎ２ガスなどとの衝突によって噴霧化して急速冷凝固粉Ｂを製造するものである。なお、製造された凝固粉Ｂは容器１の下部に設けたコンテナ６に連続的に装填される。
【００１４】
本発明による粉末製造の最大のメリットは、遠心力で当該ルツボ１０の内側壁に溶湯金属Ａを液膜状に形成することであり、従来技術で最大のポイントであった回転ディスク材質選定の自由度が大幅に増大する。すなわち、従来技術では対象とする金属との濡れ性確保がディスク材料選定の大きな問題であったのに対して、本発明では、上述の理由から、単に対象金属との溶融状態での反応性の観点のみを考慮すれば良い。更に、高速回転させる円盤の場合、材質的に具備すべき条件としては、遠心力に耐え得る機械的強度の確保が不可欠であるが、本方法においては、回転ルツボ１０は、その外側に配置されている耐熱金属製のルツボ受け１３に機械的強度を担わせることが可能であり、この観点からもルツボ１０に要求される特性は大きく緩和される。
【００１５】
また、ノズル上端部に設置されている制御装置によって所定の給湯速度になるように制御されながらルツボ底中心近傍に注湯された溶融金属Ａは、瞬時に薄い液膜となってルツボ底をルツボ側壁面に向かって流動し、供給量に対して遠心力でバランスしながらルツボ側壁面に沿って上昇して開口部からガス雰囲気中に飛散する。そのため、ルツボ内部に加熱機構を有する注湯ノズルを装入することが可能であり、その加熱装置は、ノズルのみならず、ルツボの加熱も併用することが可能となる。
【００１６】
高周波誘導炉２などで溶解、成分調整された溶湯原料は、高周波誘導などの手段を用いて高温保持されている保持炉、もしくは、タンディッシュ（中間容器）４を経てタンディッシュ底部に設定されている注湯ノズル５から、高速回転しているルツボ１０のほぼ中心の底面に所定給湯速度で注湯される。注湯位置は、注湯部が局部的に溶損するのを防止する目的で所定の速度でルツボ中心から半径方向に向かって徐々に変更／移動させてもよい。ただし、注湯される溶湯はルツボ中心から遠ざかるにつれて、高速回転しているルツボ底面に落下した時の急激な回転速度差を避けるために、移動させ得る距離は、ルツボ半径の１／２程度以内に収めるのが好ましい。
【００１７】
ルツボ底面に注湯された溶湯は、遠心力によってルツボ側壁面まで移動したあと、連続的に注湯される溶湯によって徐々にルツボ側壁面での溶融厚みを増大させながら遠心鋳造での溶湯の挙動に類似して強い遠心力を受けながらルツボ側壁面を液膜状態で上昇する。この液膜状態の溶湯はルツボ１０の開口上端に達した瞬間、遠心力から開放されて蓄積されているエネルギーによって雰囲気中に高速飛散し、雰囲気ガスとの急激な摩擦衝突に伴って微細噴霧化する。このように、本発明では、ルツボ側壁面に存在する溶湯液膜には遠心力の１００％が作用しており、従来技術のディスク回転による遠心噴霧におけるようなディスクと液膜とのスリップは存在し得ず、また従来技術で液膜との濡れ性の観点から問題であった回転ディスクの材質と形状などに左右されることはない。
【００１８】
上述のように、ルツボ開口部では、遠心力で蓄積された溶湯の運動エネルギーが一気に開放されるため、ルツボ開口端からの飛散時の飛散速度分布は、きわめて狭い範囲での速度分布であり、その結果、本発明の方法と装置で製造された粉体は原理的に非常に揃ったサイズ分布が、また、粉体の形状は、粒滴状態で凝固が完了するため極めて高い心円度が得られる。
【００１９】
一般的な遠心噴霧においては、通常、噴霧直前の液膜の状態が噴霧サイズを決定するため、本発明では回転ルツボから離脱する直前の液膜厚みを支配する因子である給湯速度Q(cc/min)とルツボ半径r(cm)、回転速度n(min-1)からQ/r2nを規定する。
【００２０】
操業パラメータは、希望する粉体サイズや生産速度に対応させながら、ルツボ直径の最適化に合せて、その回転数を2000min-1から50000min-1まで変更させることが可能である。
今、純銅に対して、半径2.5cmのルツボを使用して2000min-1の回転を与えながら毎分10kgの給湯速度の場合、溶融純銅の密度を7.8g/cm3とすれば、Ｑ／ｒ2ｎの値は、0.10（cm）であり、同様に毎分0.1kgの給湯速度に対して半径25cmのルツボで20000min-1の回転数の場合、Ｑ／ｒ2ｎの値は、1.0×10−6（cm）、また、同じ毎分0.1kgの給湯速度に対して半径16cmのルツボで50000min-1の回転数の場合、Ｑ／ｒ2ｎの値は、1.0×10−6（cm）となる。
【００２１】
これらから、液膜厚みを制御しながら微細金属粉体を製造するための給湯速度Q(cc/min)と、ルツボ半径ｒ（cm）、ルツボ回転速度ｎ(min-1)との関係は次式の範囲に制御すれば十分であることが判明した。
1.0×10-6  ≦ Ｑ／ｒ2ｎ  ≦1.0×10-1
【００２２】
なお、ルツボの加熱方法は、高周波誘導加熱に限定されるものではない。すなわち、比較的低温加熱で十分な場合は、赤外線ランプでの輻射加熱が可能であり、また、同様にルツボ材質として導電性材料が可能な場合は、ルツボ外周やルツボ底の下部に、回転軸とは分離固定された永久磁石を配置し、永久磁石との誘導により、ルツボ回転に伴って発生する渦電流による加熱も可能である。
【００２３】
次に、数例の実施例と比較例について説明する。
実施例１：
約１気圧のアルゴンガス雰囲気容器内に、回転飛散噴霧を目的に、次のような回転体を設置した。まず、内径85mm、深さ65mmのカーボン製ルツボを回転体ルツボとして使用した。ルツボの外周には、肉厚8mmのジルコニアを主成分とする多孔質セラミックスで断熱構造とした。これらの回転体は、インコネル600で成形したルツボ受けの内部に格納してある。また、ルツボ受けの外周には、冷却を目的としてルツボ高さ方向に8mmピッチで翼厚み1.5mm、深さ6mmのフィンが加工されている。フィンの厚みは、軽量化のため、ルツボ外筒面から遠ざかるにつれて薄くなっている。
【００２４】
このように配置されているルツボ内面に10kgの純銅を高周波誘導炉で溶解後、保持炉（タンディシュ）底部に設定されている直径1.0mmの開口部を有する注湯ノズルから、35000min-1で回転しているルツボのほぼ中心に毎分約1kgの速度で注湯した。なお、注湯ノズルはカーボン製で、ノズル先端部から10mmのみ直径1.0mmの開口部を有しており、それより上部（タンディッシュ側）は内径10mmの円筒形を有している。なお、本実施例においては、保持炉に給湯した後、溶解炉に原料の追加装入を行い、次のヒートを溶解して、合計３ヒートの連続操業を行った。
【００２５】
実施例２：
純銅を対象に、200mmφルツボ直径、ルツボ回転数35000min-1に対して、1.0mmφのノズル口径に対して注湯速度を1.0kg/minで、更なる微細化を試みた。実施例１と比較して、ルツボ径が大きいため液膜の受ける遠心力も大きく、得られた粒径分布は、実施例１に比較して半分以下の平均粒径が得られている。
【００２６】
実施例３：
アルミナ製ルツボを用いて鉛フリーハンダである95.75％Sn-3.5％Ag-0.75Cu合金を対象に粉体製造試験を実施した。表１に示すような試験条件で試験を行った結果、平均径10μmの粉体を製造することができた。
【００２７】
実施例４：
アルミナ製ルツボを使用して銀ロウ用に供されている30％Ag-38％Cu-32％Zn合金を対象とした粉体製造試験を行った。表１に示すような試験条件で試験を行った結果、平均径32μmの粉体を製造することができた。
【００２８】
実施例５：
ステンレス（SUS316L）に対して、微細粉末の製造を高い生産性で製造することを目的として、大径ルツボの使用テストを行った。直径：500mmφ、深さ120mmのマグネシア製のルツボを採用し、2000min-1の回転数を与えて注湯速度2.0kg/minで噴霧処理を行った。使用した注湯ノズル口径は1.5mmφで、ノズル加熱やルツボ加熱、およびルツボ周辺構造は、ルツボサイズに対応させて一連の実施例に類似した構造となっている。製造された粉体のサイズ分布は、平均粒径は5.2μmで、累計10％に2.1μm以下、累計50％に4.2μm以下、累計90％に7.8μm以下のサイズ分布であった。
【００２９】
比較例１：
ルツボの代わりに従来技術に見られるような平板ディスク（SUS304で製造された直径120mmφ、厚み23mm）を用いてSn-Ag-Cuハンダを対象に噴霧試験を行った。なお、実施例1〜5で用いた回転ルツボ周辺構造物は全て取り外し、ディスク表面で溶湯が凝固するのを避けるため、当該ディスクの裏面側に、当該ディスクとほぼ同じ直径で円周方向に磁極を交互に変更した６極の永久磁石を配置して、ディスクとの距離を調整しながらディスク表面を430℃まで加熱した。なお、この永久磁石は、薄い断熱シートで覆われており、回転軸とは分離固定されている。試験条件は表１に示すが、生成した粉体は平均粒径が85μmであるものの、数ミクロンのサイズから最大320ミクロンまで極めて広い粒径分布であった。
【００３０】
比較例２：
比較例１で使用したディスクに対して、表面を600mmRで一定半径の球面形状に加工して平板中心部に対して最外周部をおおよそ3mm高くして回転ディスクの遠心力を極力溶湯液膜に付与出来る工夫を行った。試験条件は比較例１と全く同じであるが、平均粒径56μmであり、比較例１に見られたような巨大粒は存在せず、比較的狭い粒径分布の粉体が得られた。これは、比較例１に対して、溶湯への遠心力の付与が比較的十分に行われていた結果と思われる。しかしながら、全体の粒径分布を見ると、平均粒径は74μmに対し、累計10％重量に8μm以下、累計50％重量に68μm以下、累計90％重量に145μm以下とルツボ方式での分布に対して極めて広範囲のサイズ分布であった。
【００３１】
【表１】
2007332406.tif 000003
【００３２】
なお、本実施例では金属粉末の製造に限定したが、食品、医薬品および染料、顔料などにも適用可能であることは言うまでもなく、金属のように処理温度が高くない場合には、場合によってはルツボの加熱機構が不要であることから、簡単な回転機構での対処が可能となる。また、大きな粉体サイズが要求される場合には、本実施例で使用したルツボ直径よりも更に大径のルツボを使用して大きな生産性で球形粉体の製造も可能である。
【００３３】
なお、加熱手段は、高周波誘導加熱の他に通電抵抗加熱も可能である。更に、一般的には注湯部おいては溶融金属によるルツボの溶損、摩耗が懸念されるため、ルツボサイズに余裕がある場合には、注湯位置をルツボの半径方向に徐々に移動させる機構を具備してもよい。
【００３４】
また、本実施例では、注湯流の制御に電磁流動制御方式を取り入れたが、保持炉（タンディシュ）内に浸漬したストッパー方式を採用してもよい。
【００３５】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態の粉末製造装置の全体図である。
【図２】回転ルツボ周辺の構造と注湯される溶湯の挙動を示した図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    容器
２    溶融炉
３    原料追装装置
５    注湯ノズル
６    コンテナ
１０  底付き円筒状ルツボ
１２  断熱材
１３  耐熱金属製のルツボ受け
１４  フィン
１５，１６  高周波誘導加熱コイル
１７  発熱用スリーブ
Ａ    原料溶湯
Ｂ    急速冷凝固粉（粉体）
【図１】
2007332406.tif 000005
【図２】
2007332406.tif 000006