(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１．２〜１．５気圧の水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させ、その燃焼ガスで原料供給部より供給された棒状又は板状の金属材料を加熱し、粉末化させることを特徴とする球形形状及び粉末粒度の均一な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、銀であることを特徴とする請求項１記載の金属粉末を製造する方法。
【請求項３】
高圧水収容タンク、酸素と水素の混合ガス噴射ノズル、棒状又は板状の元素金属原料供給部、点火栓及び燃焼室を備えた耐圧容器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】
酸素と水素の混合ガスを製造するための水電解装置を付設することを特徴とする請求項３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、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、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が、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金属粉末の使用が注目されている。特に、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おり、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、このような製造方法によっても、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、原料として溶解材を用いると、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、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、水素化脱水法や回転電極法が実用化されており、水素化脱水法は、スポンジチタンや溶解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、溶解材又は溶解材に鍛造や圧延などの加工を加えた溶解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溶解し、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。
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溶解し、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溶解材又は溶解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。
ところで、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元素金属粉末原料を供給することを課題とする。
本発明者は、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。
そこで、本発明者が先に特許出願した（特願２０００−１３６９３２号）出願におけるチタン含有高機能水の製造に関するチタン原料の利用についての技術を利用して、上記課題を解決するに至った。
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２０００−１３６９３２号）は、高圧水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させ、その燃焼ガスで金属チタンを熔融させることを特徴とする、チタン熔融物が溶解した高機能水を製造する方法の発明であり、この技術を利用することによって、元素金属粉末、特に金属チタン粉末の製造において、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た。
本発明は、従来の金属粉末の製造方法やチタン粉末の製造方法とは、その発想又は構成を全く異なるもので、基本的に高圧水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させ、その燃焼ガスで元素金属チタンを熔融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、従来法とは全く異なる面から金属粉末の製造方法を改良した。
すなわち、本発明は、金属原料の加熱に際して、従来の熱溶融やアーク放電又はレーザー照射などの加熱手段を用いることなく、溶湯の流下やガスによる飛散霧化による粉末化も行なうことなく、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。
この発明の方法では、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ある。
上記製造工程においては、高圧水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させると、高温状態が得られ、その熱により元素金属原料が加熱され、熔融し、水中で瞬時に分散して微粒子化し粉末状を形成する。しかしながら、上述の先行発明（特願２０００−１３６９３２号）とは異なり、高圧水の圧力や混合ガスの燃焼の程度を調整することにより、元素金属粉末は浮遊することなく、短時間のうちに粉末として沈降し、本発明において求めるチタン粉末となる。
すなわち、本発明は、基本構成は、高圧水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させ、その燃焼ガスで元素金属原料を加熱し、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。
本発明は、以下の（１）〜（５）の構成を有するもので、高圧水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させ、その燃焼ガスで金属原料を熔融させ、粉末化させることを基本とするものである。
（１）高圧水中で酸素と水素の混合ガスを燃焼させ、その燃焼ガスで元素金属原料を加熱し、粉末化させることにより金属粉末を製造する方法。
（２）元素金属原料が、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）又は銀（Ａｇ）であることを特徴とする上記（１）の金属粉末を製造する方法。
（３）高圧水収容タンク、酸素と水素の混合ガス噴射ノズル、元素金属原料供給部、点火栓及び燃焼室を備えた耐圧容器より構成される金属粉末を製造する装置。
（４）さらに、酸素と水素の混合ガスを製造するための水電解装置を付設する上記（３）の金属粉末を製造する装置。
（５）元素金属原料が、棒材及び板材又は粒子及び箔のいずれかであることを特徴とする上記（３）又は（４）の金属粉末を製造する方法。
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。
まず、本発明によれば、金属チタン粉末製造耐圧容器における高圧水収容タンク内の蒸留水などの精製水を注入し、元素金属の原料供給部より金属チタン棒などの金属チタン原料を供給して高圧下に加圧し、水素と酸素をノズルから混合ガスとして噴射して、混合ガスに点火し、燃焼室内において混合ガスを完全に燃焼させ、完全な超高温の水蒸気ガス燃焼状態とし、その燃焼ガス中でチタン原料を瞬間的に熔解し、水中に分散させる。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る。生成した、チタン微粉末は、熔融や浮遊することなく、短時間のうちに沈降する。
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、燃焼させる混合ガスの量や反応圧力及び金属チタン原料の供給量の制御が重要である。
本発明の製造装置によれば、１トンの精製水の容器による生産スケールでは、毎秒２〜４Ｌ程度の混合ガスの噴射量の程度がよく、またガス圧力もかけすぎると、装置の構造が破壊される危険があり、圧力が少ないと、ノズルからガスが吹き上がってしまい加熱熔融された金属微粒子がそのまゝ気泡に包まれ水上に発散して金属の微粒子の発生状態が悪くなる。加圧タンク内の高圧に加圧した水の圧力は、１．２気圧〜１．５気圧である。
供給される原料の金属チタンは、生成物のチタン粉末に不純物を生成させないためにも可能な限り純度の高いチタン原料が好ましい。
水中での金属チタンの燃焼は、水素と酸素の混合ガスが最も効率的で、安定燃焼でき、その安定燃焼のために高圧が必要となる。高圧水中の燃焼ガス中で元素金属チタンが瞬間的に熔解し、超微粒子となる物理化学的な理由は未だ不明である。
また、金属チタン原料は、棒材及び板材のいずれでも使用できる。
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。
本発明の装置において使用する高圧水収容タンクは、金属製、好ましくはスチール製の耐圧タンクであり、燃焼室など他の部材もスチール製とすることが好ましい。ガスポンプは混合ガスを高圧にて噴出させるために設置される。元素金属原料は斬次連続的に燃焼量に応じて供給される。
元素金属原料を供給する位置は、混合ガスが完全に燃焼し、完全に超高温の水蒸気ガスとなる位置にしなければならず、このために混合ガスを燃焼させるための燃焼室が設置される。この設定により、不純物や副生成物のない純粋な金属粉末が生成される。また、純粋な混合ガスを完全に燃焼させるために、高圧が必要となる。
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。また、図２に示す金属粉末製造装置Ａは、高圧水収容タンク２、酸素と水素の混合ガス噴射ノズル５、元素金属原料供給部２２、点火栓１２及び燃焼室７を備えた耐圧容器Ｂより構成されている。
金属粉末製造装置Ａは、金属粉末製造耐圧容器Ｂから構成され、金属粉末製造耐圧容器には、ガス噴出ポンプ１、高圧水収容タンク２、燃焼室７、圧力調節弁８、金属粉末取り出し口１３、精製水３、粉末製造用の元素金属原料２１、点火栓１２、元素金属原料供給部２２、混合ガス噴出ノズル５が装備されている。４は生成された金属粉末を表わす。
金属粉末製造耐圧容器Ｂにおける高圧水収容タンク２に蒸留水などの精製水３が注入されるようになっており、元素金属原料供給部２２より金属チタン棒などの金属チタン材料２１を供給して高圧下に加圧し、水素と酸素をノズル５から混合ガスとして噴射して、点火装置１２により混合ガスを点火し、燃焼室７内において混合ガスを完全に燃焼させ完全な超高温の水蒸気ガス燃焼状態とし、その燃焼ガス中でチタン材料が瞬間的に熔解され、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１３より排出されチタン粉末となる。
水素と酸素の混合ガスの供給は、水素と酸素の比が２対１になるように精密な制御が必要である。水素と酸素の混合ガスは市販のガスボンベから供給されるが、水の電気分解装置Ｃを付設して、水の電気分解にて水素と酸素の混合ガスを製造すれば、完全に純粋なガスが得られ、好適に効率良く混合ガスを供給することができる。
本発明では、水素と酸素の混合ガスを市販のガスボンベから供給する代わりに、水の電解装置Ｃを付設して、水の電気分解にて水素と酸素の混合ガスを製造すれば、完全に純粋なガスが得られ、簡易にかつ効率良く混合ガスを供給することができる。酸素と水素の混合ガスを製造するための水電解装置を付設する場合、電解装置Ｃは、水の電気分解により水素と酸素の混合ガスを製造して供給するための任意の付設装置であり、水素と酸素の各ガスの供給パイプ９と１０、電極１９と２０、仕切板１８、水１６で示されている。この電解装置では、酸性又はアルカリ性原料水を電気分解して、陽極に酸素ガスを陰極に水素ガスを発生させ、燃焼用原料ガスとして供給する。
実施条件と結果
加圧水；水１トン 圧力１．５ｋｇ／ｍ２
製造タンク内圧；１．５気圧
混合ガス；５Ｌ／ｓｅｃ （２気圧）
噴射時間；１時間
金属チタン供給量；２５ｋｇ
生成チタン粉末；約２５ｋｇ
生成チタン粉末の評価
元素チタン粉末以外の副生成物や不純物などの生成は全く無く、粉末の球状形状の均一性や粉末粒度の一定性が優れた粉末が得られた。また、製造コストも従来技術に比べて、約１／２程度の廉価であった。
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装置
符号の説明
Ａ 金属粉末製造装置
Ｂ 金属粉末製造耐圧容器
Ｃ 電気分解装置
１ 混合ガス噴出ポンプ
２ 高圧水収容タンク
３ 精製水
４ 金属微粒子
５ 混合ガス噴出ノズル
６ 混合ガス
７ 燃焼室
８ 圧力調節弁
９ 水素ガス供給パイプ
１０ 酸素ガス供給パイプ
１１ 撹拌棒
１２ 点火栓
１３ 金属粉末取り出し口
１４ ろ過装置
１５ 製品
１６ 水
１８ 仕切板
１９ 電極
２０ 電極
２１ 元素金属原料
２２ 金属供給部
【図１】
0004137643.tif 000002
【図２】
0004137643.tif 000003