(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹枝状粒子を形成する方法であって、
（ａ）非樹枝状粒子を含む粉末を、初期段階焼結について適した条件下で加熱し、それにより軽く焼結した物質を形成する工程；及び、
（ｂ）軽く焼結した物質を破砕し、それにより樹枝状粒子を形成する工程を含み、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を順に３回又はそれ以上繰り返して実施する方法。
【請求項２】
軽く焼結した物質を、撹拌することによって破砕する請求項１の方法。
【請求項３】
非樹枝状粒子を含む粉末を、工程（ａ）において均一な層で加熱する請求項１の方法。
【請求項４】
層が厚さ２センチメートル又はそれ以下を有する請求項３の方法。
【請求項５】
非樹枝状粒子が、独立に最も大きい寸法１０μｍ又はそれ以下を有する請求項１の方法。
【請求項６】
軽く焼結した物質をスクリーンを通してブラシすることによって破砕する請求項１の方法。
【請求項７】
工程（ａ）を圧力０〜１．５気圧で実施する請求項１の方法。
【請求項８】
工程（ａ）を不活性な雰囲気又は水素雰囲気で実施する請求項１の方法。
【請求項９】
不活性な雰囲気が、二窒素、アルゴン、又はヘリウムを含む請求項８の方法。
【請求項１０】
非樹枝状粒子が金属を含む請求項１の方法。
【請求項１１】
金属が、単一の元素を含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
金属が合金である請求項１０の方法。
【請求項１３】
非樹枝状粒子がセラミック材料を含む請求項１の方法。
【請求項１４】
セラミックが、金属酸化物、金属窒化物、混成金属酸化物、メタロイド酸化物又はメタロイド窒化物である請求項１３の方法。
【請求項１５】
合金がニッケル、クロム、モリブデン及び鉄を含む請求項１２の方法。
【請求項１６】
非樹枝状合金粒子を７２５〜７７５℃に加熱する請求項１５の方法。
【請求項１７】
合金がステンレスチールである請求項１２の方法。
【請求項１８】
非樹枝状ステンレスチール粒子を７７５〜８２５℃に加熱する請求項１７の方法。
【請求項１９】
更に、樹枝状粒子をシフトして所定の値よりも小さい直径を有する粒子を除き、それにより非樹枝状粒子を除く工程を含む請求項１の方法。
【請求項２０】
請求項１の方法によって形成される樹枝状粒子。
【請求項２１】
粒子が金属を含む請求項２０の樹枝状粒子。
【請求項２２】
金属が合金である請求項２１の樹枝状粒子。
【請求項２３】
金属が、単一の元素を含む請求項２１の樹枝状粒子。
【請求項２４】
粒子がセラミック材料を含む請求項２０の樹枝状粒子。
【請求項２５】
セラミック材料が、金属酸化物、金属窒化物、混成金属酸化物、メタロイド酸化物又はメタロイド窒化物である請求項２４の樹枝状粒子。
【請求項２６】
合金から形成された請求項２０の樹枝状粒子。
【請求項２７】
合金がニッケル、クロム、鉄、モリブデン及び鉄を含む請求項２６の樹枝状金属粒子。
【請求項２８】
請求項２７の樹枝状金属粒子の粉末であって、風成された密度が２．４ｇ／ｃｍ3である前記粒子を複数含む粉末。
【請求項２９】
合金がステンレスチールである請求項２６の樹枝状金属粒子。
【請求項３０】
請求項２９の樹枝状金属粒子の粉末であって、風成された密度が１．５ｇ／ｃｍ3である前記粒子を複数含む粉末。
【請求項３１】
１〜７族、９族、１２〜１６族、ランタニド、アクチニド、白金、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、銀及び金から選択された金属から形成された請求項２０の樹枝状粒子。
【請求項３２】
出発非樹枝状粉末の純度を有する、金属から形成された請求項２０の樹枝状粒子。
【請求項３３】
セラミックから形成された請求項２０の樹枝状粒子。
【請求項３４】
セラミックが、金属酸化物、金属窒化物、混成金属酸化物、メタロイド酸化物又はメタロイド窒化物である請求項３３の樹枝状粒子。
【請求項３５】
金属を含有し高い異方性を有する不規則な粒子を有している粉末であって、前記金属粒子が以下の（１）〜（４）に挙げる成分を一種か二種以上有している粉末；
（１）クロム、モリブデン、コバルト及び鉄からなる群から選択される一種以上の金属、
ここで、前記粉末は、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．３８ｇ／ｃｍ3以下となる、
（２）ニッケル、クロム、モリブデン、コバルト及び鉄からなる群から選択される合金、
ここで、前記粉末は、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．３８ｇ／ｃｍ3以下となる、
（３）ステンレススチール、
ここで、前記粉末は、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．７９ｇ／ｃｍ3以下となる、
（４）セラミック材料、
ここで、前記粉末が、個々に１つの次元が他の２つの次元よりも実質的に大きなフィラメントを１つ又はそれ以上含み、
当該粒子は
（ａ）非樹枝状粒子を含む粉末を、初期段階焼結について適した条件下で加熱し、それにより軽く焼結した物質を形成する工程；及び、
（ｂ）軽く焼結した物質を破砕し、それにより樹枝状粒子を形成する工程を含み、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を順に３回又はそれ以上繰り返して形成する、粉末。
【請求項３６】
樹枝状粒子を形成する方法であって、
（ａ）ステンレススチール非樹枝状粒子を含む粉末を、初期段階焼結について適した条件下で加熱し、それにより軽く焼結した物質を形成する工程；及び、
（ｂ）軽く焼結した物質を破砕し、それにより樹枝状粒子を形成し、工程を含む樹枝状粒子を形成し、
粉末が、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．７９ｇ／ｃｍ3以下となり、前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を順に３回又はそれ以上繰り返す方法。
【請求項３７】
樹枝状粒子を形成する方法であって、
（ａ）ステンレススチール非樹枝状粒子を含む粉末を、初期段階焼結について適した条件下で加熱し、それにより軽く焼結した物質を形成する工程；及び、
（ｂ）軽く焼結した物質を破砕し、それにより樹枝状粒子を形成し、工程を含む樹枝状粒子を形成し、
前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を順に３回又はそれ以上繰り返し、
粒子が、風成された密度が２．７９ｇ／ｃｍ3以下となる前記粉末を複数含み、
前記粒子が以下の（１）〜（４）に挙げる成分を一種か二種以上有している方法；
（１）クロム、モリブデン、コバルト及び鉄からなる群から選択される一種以上の金属、
ここで、粉末が、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．３８ｇ／ｃｍ3以下となる、
（２）ニッケル、クロム、モリブデン、コバルト及び鉄からなる群から選択される合金、
ここで、粉末が、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．３８ｇ／ｃｍ3以下となる、
（３）ステンレススチール、
ここで、粉末が、前記粒子を複数含み、風成された密度が２．７９ｇ／ｃｍ3以下となる、
（４）セラミック材料、
ここで、粉末が、個々に１つの次元が他の２つの次元よりも実質的に大きなフィラメントを１つ又はそれ以上含む。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
金属粉末は、金属構造を製作するための一般的な出発原料である。そのような構造は、金属粉末を金型中に詰め込み、次いで造形した粉末を焼結して所望の機械的性質を有する連続構造を形成することによって作られるのが典型的である。最終の構造の性質は、出発粉末粒子の形態学に強く依存する。粒子形態学は、例えば粒子の充填効率、故に最終の構造の密度及び多孔度を決める。
ニッケル及び鉄の樹枝状又は繊条状粉末は、市販されている、例えばＩＮＣＯ（登録商標）Ｆｉｌａｍｅｎｔａｒｙ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｐｏｗｄｅｒ，Ｔｙｐｅ２８７（ニュージャージー、サドルブルーク、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．）である。しかし、鉄、ニッケル及び銅の外の金属の市販されている樹枝状粉末は、存在しない。ほとんどの金属の粉末は、アトマイゼイションによって形成されることができ、アトマイゼイションは、実質的に非樹枝状の粉末粒子を生じるのが典型的である。鉄、銅及び銀の粉末を調製するのに、電着が用いられる。これらの粉末は、樹枝状にすることができるが、製造するのに費用がかかりかつ出発原料中に存在するアニオンに由来する不純物を加入する（オハイオ、メタルスパーク、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｓ、Ｔａｕｂｅｎｂａｌｔ  ｉｎ  Ｐｏｅｄｅｒ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ、Ｍｅｔａｌｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋの７巻、第９版）。金属ニッケル及び鉄の粉末は、また、極めて毒性のオルガノ金属化合物であるニッケルテトラカルボニル及び鉄ペンタカルボニルをそれぞれ熱分解することによっても形成されることができる。生成する粉末は、このプロセスの細部に応じて、実質的に球形かまたは繊条状のいずれかの形態学を有する。
しかし、多くの金属及び合金の樹枝状粒子は、金属カルボニル分解によって形成されることができない。ニッケルテトラカルボニル及び鉄ペンタカルボニルと異なって、その他の二成分金属カルボニルは、熱分解して元素状金属及び一酸化炭素を形成しない。その上に、主族金属、白金、パラジウム及び希土類金属（ランタニド及びアクチニド）のような所定の金属について、二成分カルボニル化合物は、知られていない（ニューヨーク、Ｗｉｌｅｙ、Ｃｏｔｔｏｎ等、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１０２１〜１０５１（１９８７））。加えて、分子プリカーサーの分解による金属合金粉末の形成は、合金のような固溶体に求められる原子スケールでの緊密な混合を達成するために、プリカーサーが所望の金属を所望の割合で含有することを必要とする。いくつかのバイメタルカルボニル化合物が知られているが、それらは、通常巨視的な量で製造するのが困難でありかつ分解する際に合金を形成するのが知られているものはない（上記Ｃｏｔｔｏｎ等、（１９８７））。その上に、繊条状ニッケル及び鉄粉末を調製する方法は、他の実質的に純な金属及び合金に適用し得ない。この方法は、また、特に鉄の場合に、相当の炭素不純物を有する生成物を生じる。
種々の用途について、樹枝状又は繊条状粉末を含む種々の金属粉末で造られかつ増大した純度を有する金属膜フィルターエレメントについての要求がある。このことは、ニッケル及び鉄がデバイスの潜在的用途に適合しない場合に、特に当てはまる。例えば、そのようなフィルターは、半導体製造において用いられるガスを精製するのに使用されることができよう。しかし、この用途では、ニッケルは、半導体合成によく用いられる、ホスフィン、アルシンやジボランのような所定の水素化物試薬の分解を触媒するので、不利になる。
これより、現行で入手し得るものを越える金属及び金属含有材料の樹枝状粉末についての要求が存在する。樹枝状金属粉末を製造する従来知られている方法の限界は、この要求を、そのような粉末を形成する新規な方法を開発することによって満足させることができることを示す。
発明の要約
本発明は、（１）非樹枝状粒子を含む粉末を、焼結の初期段階について適した条件下で加熱して軽く焼結した物質を形成し；及び（２）軽く焼結した物質を破砕して樹枝状粒子を含む粉末を形成する工程を含む、樹枝状金属粒子を形成する方法に関する。その方法の一実施態様では、非樹枝状粒子を適した基材上に層で散布し又は置いた後に加熱する。別の実施態様では、軽く焼結した物質をスクリーンを通してブラシすることによって破砕する。別の実施態様では、上記の工程（１）及び（２）を、順次に１回又はそれ以上繰り返す。
本発明の別の実施態様は、上記の方法によって形成されることができる樹枝状粒子を含む。これらの粒子は、遷移金属、希土類金属、主族金属或はメタロイド或は二種又はそれ以上のかかる金属の合金のような任意の適した金属を含むことができる。粒子は、また、金属酸化物のようなセラミック材料も含むことができる。この方法によって製造される粒子は、実質的に非樹枝状の粒子の融解から生じる樹枝状の、極めて異方性の形態学、及び実質的に非樹枝状の出発材料に比べて低い見掛け密度を特徴とする。本樹枝状粒子は、高い純度を有しかつ炭素汚染が実質的に存在しないものにすることができる。本方法の更なる利点は、ニッケル及び鉄のような金属の樹枝状粒子を、毒性の高い金属カルボニルプリカーサーを使用しないで提供することである。
【図面の簡単な説明】
図１は、製造業者から受け入れたままの及び６つの初期段階焼結／破砕サイクルの後のＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５粉末粒子のサイズ分布を示すグラフである。
図２は、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末の風成された（ａｉｒ−ｌａｉｄ）密度の変化を初期段階焼結／破砕サイクルの数の関数として例示するグラフである。
図３Ａは、未処理のＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末のエネルギー分散ｘ線蛍光スペクトルである。
図３Ｂは、６つの初期段階焼結／破砕サイクルの後のＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末のエネルギー分散ｘ線蛍光スペクトルである。
図４は、２つの逐次初期段階焼結／破砕サイクルの後の３１６Ｌステンレスチール粉末の密度の変化を示すグラフである。
図５は、未処理の３１６Ｌステンレスチール粉末及び４つの逐次初期段階焼結／破砕サイクルで処理した３１６Ｌステンレスチール粉末についての粒子サイズ分布を比較するグラフである。
図６は、例１に記載する通りにして製造した樹枝状金属粒子の走査電子顕微鏡写真である。
発明の詳細な説明
本発明は、樹枝状金属粒子を形成する方法に関する。その方法は、（１）非樹枝状粒子を含む粉末を、初期段階焼結について適した条件下で加熱して軽く焼結しかつ随意に連続した物質を形成し；及び（２）軽く焼結し、随意に連続した物質を破砕して樹枝状粒子を含む粉末を形成する工程を含む。
本発明の別の実施態様は、本発明の方法によって形成される樹枝状粒子を含む。これらの粒子は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅又は亜鉛或はこれらの金属の一層重質の同族体のような遷移金属；ウラン、ガドリニウム、ユウロピウム、サマリウム、イッテルビウム又はランタニド及びアクチニド系列からの別の金属のような希土類金属；リチウム、ベリリウム及び又は同族体、アルミニウム、スズ、鉛、ガリウム、アンチモン、又はインジウムのような主族金属；或は硼素、ケイ素、テルル、ゲルマニウム又はヒ素のようなメタロイドを含む任意の適した金属を含むことができる。これらの粒子は、また、合金のような、これらの金属の内の一種又はそれ以上の別の金属への一相又は多相固溶体を含むこともできる。加えて、本方法によって形成される粒子は、金属又はメタロイドの酸化物或は金属又はメタロイドの窒化物のようなセラミック材料を含むことができる。
本用途の目的から、「樹枝状」なる用語は、個々に１つの次元が他の２つの次元よりも実質的に大きなフィラメントを１つ又はそれ以上含む極めて異方性の不規則な形態学を意味することを意図する。フィラメントは、まっすぐにする又は曲げることができ、また枝分れに又は枝なしにすることができる。樹枝状粒子は、一層規則的な形態学の粒子に比べて充填効率が低いことを特徴とし、従って、一層規則的な形態学の粒子によって形成される粉末に比べて密度が小さい粉末を形成する。本発明の樹枝状粒子は、出発の、実質的に非樹枝状の粒子の融解によって形成される。粒子は、倍率下で、実質的に樹枝状の形態学を有する出発粒子の凝結体として見えることができる。樹枝状粒子は、また、自立の未加工の形態及び一層規則的な形態学の粉末に比べて密度が小さい、これより多孔度が一層大きい焼結された物品も形成する。
「実質的に非樹枝状の粉末」なる用語は、典型的には非樹枝状の形態学を有する粒子を含む粉末を言う。これより、これらの粒子は、実質的に均等な次元を少なくとも２つ有する、例えば同じオーダーの大きさの長さを有する。
「軽く焼結した物質」なる用語は、Ｒａｎｄａｌｌ（Ｍｅｔａｌ  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ  Ｉｎｄｕｓｒｙ，Ｇｅｒｍａｎ編、「Ｐｏｗｄｅｒ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  Ｓｃｉｅｎｃｅ」、第２版（１９９４）におけるＲａｎｄａｌｌ、同書の内容を本明細書中に援用する）によって規定される通りに、焼結の初期段階を通る金属粉末粒子の融解によって作られる物質を意味することを意図する。焼結の初期段階、又は短期間の拡散焼結において、粒子の接点で粒子間に結合が形成し、金属粉末粒子がそれらの直ぐ隣にあるものだけと融合することになる。これより、焼結の初期段階は、機械的強さの小さい脆性構造を生じる。所定の物質について、焼結は、物質の焼結範囲の下方端の温度でこの初期段階を越えてゆっくり進行する。本発明の目的から、「初期段階焼結」なる用語は、焼結が実質的に初期段階を越えて進行しない条件下での粉末の焼結を言う。
本明細書中で用いる通りの「風成された密度」なる用語は、粉末をスクリーンを通してシフトし、かつ空気を通して既知の容積の金型又は容器中に落下させた後の粉末の測定した密度である。密度を測定するこの方法は、本明細書中に記載するタイプの樹枝状粉末についてのように、極めて再現可能である。
本明細書中で用いる通りの「金属」なる用語は、任意の金属又はメタロイド化学元素或はこれらの元素の内の二種又はそれ以上の合金を言う。好適な金属は、白金、クロム、ニッケルのような遷移金属、及びステンレスチールやＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５のような合金のメンバーを含む。
本明細書中で用いる通りの「セラミック」なる用語は、金属又はメタロイドの酸化物又は窒化物のような、非分子固体物質を形成する、一種又はそれ以上の金属又はメタロイド元素と一種又はそれ以上の非金属主族元素との任意の組合せを言う。例は、種々のシリケート、三酸化タングステン、窒化タンタル、及び窒化ケイ素を含む。
本方法は、従来入手できなかった、かつ入手し得る非樹枝状出発原料の純度によってだけ制限される純度を有する樹枝状金属粉末の製造を可能にする。オルガノ金属プリカーサーを分解することによって形成される金属含有物質は、炭素不純物を加入しているのが普通である。例えば、ＩＮＣＯ（登録商標）Ｆｉｌａｍｅｎｔａｒｙ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｐｏｗｄｅｒ，Ｔｙｐｅ２８７のようなＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．により販売される繊条状ニッケル粉末は、規定の典型的な純度９９．６％を有し、最大の規定の炭素含量０．２５％を有する。対照して、アトマイゼイションによって形成される粉末は、一層高い純度を有することができる。例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ウィスコンシン、ミルウオーキ）により販売される非繊条状ニッケル粉末は、規定の典型的な純度９９．９９９％を有する。本方法は、温度及び圧力の比較的に温和な条件下で実施し、かつ不活性な又は還元性雰囲気で実施することができるので、粉末の化学組成は、このプロセスの結果実質的に変化しない。これより、生成物樹枝状粉末は、実質的に、出発の実質的に非樹枝状の粉末の純度を有する。従って、本方法においてＡｌｄｒｉｃｈニッケル粉末を出発原料として使用することは、現時点で入手し得る繊条状又は樹枝状ニッケル粉末に勝る実質的に均等な純度の、純度の著しく増大した樹枝状ニッケル粉末を生じることが予期される。
本方法は、これより、炭素含有出発原料に依らないことから、炭素汚染が実質的に存在しない樹枝状粒子を提供する。樹枝状粒子の炭素含量は、関心のある物質の入手し得る非樹枝状粉末に応じて、実質的に０．２０％よりも少なくすることができる。
焼結の初期段階が起きる、温度を含む条件は、関心のある物質に依存し、かつ当業者ならば容易に決めることができる。所定の物質についての焼結の初期段階は、物質の焼結温度範囲の下方端で起きるのが普通でありかつ最適であり；焼結は、これらの条件下でゆっくりとだけ初期段階を越えて進行する。加熱は、ヘリウム、アルゴン又は二窒素のような不活性な雰囲気で、或は二水素のような還元性雰囲気で、真空（例えば、１０-6程度の圧力で）下で行うのが好ましい。２つの後者の場合では、圧力は、約０〜５気圧又はそれよりもわずかに高いのが好ましく、０〜約１．５気圧が一層好ましい。これらの条件は、金属粒子の酸素への暴露を回避するために好適であり、酸素は、高い温度で多くの金属と反応して金属酸化物表面を形成することになる。二水素のような還元性雰囲気は、酸素、窒素、炭素及び硫黄のような汚染物を除くことによって粒子を精製することができる。所望の金属が金属酸化物である場合に、雰囲気が酸素を含むことができるのはもちろんである。
上記の工程（１）の期間は、出発の粉末サンプル全体にわたって初期段階焼結を実施するのに十分にすることができる。必要な時間の長さは、関心のある物質、処理する粉末の量、粉末サンプルの厚さ、及び金属粒子のサイズに依存することになる。
一実施態様では、非樹枝状粒子を含む粉末を、加熱する前に、板又はその他の適した基材上に、好ましくは厚さ約２センチメートル又はそれよりも薄い均一な層で散布し又は置く。これは、サンプル全体にわたって初期段階焼結の均一性を増大させる、
本発明のそれ以上の実施態様では、粉末のサンプルを方法の工程（１）及び（２）を通して２度又はそれ以上連続に循環させることができる。本明細書中で用いる通りの「サイクル」及び「初期段階焼結／破砕サイクル」なる用語は、上記した方法の工程（１）及び（２）の逐次の完了を言う。例１及び２に記載する通りに、粉末のサンプルの密度は、このプロセスの各々のサイクルによって低下する。これより、ニッケル／クロム／鉄／モリブデン合金粉末ＩＮＣＯＮＥＬ６２５を出発原料として用いる場合に、購入したままの粉末の風成された密度は、３．７ｇ／ｃｍ3であった。３回の初期段階焼結／破砕サイクルの後に、風成された密度は、３．０ｇ／ｃｍ3であり、６サイクルの後に、風成された密度は、更に２．３８ｇ／ｃｍ3に低下された。更に別の実施態様では、工程（２）の軽く焼結した物質を、撹拌により、例えばかき混ぜることによって破砕した。この工程は、自動化しかつ炉内で当分野において知られている手段を用いて実施することができる。
いくつかの連続の初期段階焼結／破砕サイクルの各々の後の風成された密度の低下は、各々のサイクルによる粉末粒子の樹枝状特性の増大を示すものと解釈される。これより、樹枝状粉末粒子が長くなる程かつ枝分れの度合いが大き長くなる程、充填効率は小さくなり、故に粉末の密度は小さくなると予期される。この効果は、密度が一層小さい粉末が、平均で、一層長く、一層薄くかつ一層高度に枝分れした粒子で構成され、他方密度が一層大きい粉末が、一層短くかつ一層厚い粒子で構成されるＩＮＣＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃｏ．）繊条状ニッケル粉末について立証された。これより、本方法は、所定の粉末の密度が粉末を調製するのに用いる初期段階焼結／破砕サイクルの数に依存する、異なる密度の粉末を調製するのを可能にする。従って、本発明の方法は、金属粉末出発原料の風成された密度を少なくとも約２０％、好ましくは約３０％、一層好ましくは約４０％低下させることができる。
この方法に適した材料は、実質的に非樹枝状の粉末として入手し得る焼結可能な材料を含む。これらは、アルカリ及びアルカリ土類系統、遷移金属、アルミニウム、スズ及び鉛のような主族金属、希土類金属（ランタニド及びアクチニド）及びケイ素、ゲルマニウムやヒ素のようなメタロイドからの実質的に純な金属を含む。金属又はメタロイドの酸化物及び金属又はメタロイドの窒化物のようなセラミック材料のように、合金もまた用いることができる。出発の非樹枝状粒子は、任意のサイズにすることができるが、好適な実施態様では、１０μｍ又はそれよりも小さい程度の直径を有することができる。
好適な実施態様では、軽く焼結した物質をスクリーンを通してブラシすることによって機械的に破砕する。このスクリーンのメッシュサイズは、粒子直径についての上限を決める。このようにして得られる樹枝状粒子を含む粉末を、更にシフトして所定のサイズよりも小さい粒子を除くことができる。このようにして、はっきりした粒径範囲を有する粉末サンプルを調製することができる。
本発明の別の態様は、本発明の方法によって調製される樹枝状粒子を含む。これらは、実質的にアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、主族金属又はメタロイド又は希土類金属（すなわち、ランタニド及びアクチニド金属）の内の任意のメンバーのような単一の金属又はメタロイド元素を含む樹枝状粒子を含む。また、前記の元素の群からの二種又はそれ以上の金属又はメタロイドの合金を含む本発明の方法によって調製される樹枝状粒子も含む。加えて、本発明は、金属又はメタロイドの酸化物、金属又はメタロイドの窒化物、混成金属、例えば三成分の、酸化物のようなセラミック材料を含む本方法によって調製される樹枝状粒子を包含する。
本発明の更なる実施態様は、実質的にアルカリ又はアルカリ土類金属、３〜７族、９族又は１２〜１６族、又は希土類金属のメンバーである金属又はメタロイド元素を含む樹枝状粒子を含む。また、白金、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、銀及び金を含む樹枝状粒子も含む。本発明は、また、二種又はそれ以上の元素を含む合金を含む樹枝状粒子も包含する。加えて、本発明は、更に金属又はメタロイドの酸化物、金属又はメタロイドの窒化物、混成金属酸化物のようなセラミック材料を含む樹枝状粒子を含む。
本発明の樹枝状金属粉末は、いくつかの利点を有する。米国特許第５，４８７，７７１号（同特許の内容全体を本明細書中に援用する）に記載されている金属膜フィルターを加工する際の出発原料として、それらは種々の化学物質及び使用の条件に適合し得るそのような高多孔度のフィルターへの接近をもたらす。例えば、例１に記載する通りにして調製した樹枝状ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５粉末のサンプルを、そのような金属膜フィルターエレメントを加工するための出発原料として使用した。未加工の形態の中間体は、密度３．１３ｇ／ｃｍ3（６３％多孔質）を有し、最終の焼結した物品は、密度３．４４ｇ／ｃｍ3（６０％多孔質）を有していた。処理した粉末は、未処理のＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末（３．７ｇ／ｃｍ3）に比べて密度の低い焼結した物品を生じる。これより、処理した粉末は、未処理の粉末により結合剤の不存在において達成されることができるのに比べて密度の低い（かつ多孔度の大きい）焼結した物品をもたらす。
不均質触媒として有用な金属及び金属酸化物の樹枝状粉末は、一層規則的な形態学の粒子に比べて表面積が大きいことにより、一層規則的な形態学を有する同じ物質の粉末に比べて高い活性を示すことが予期される。また、樹枝状粉末は、極めて圧縮性であり、自立性の未加工の形態を形成することができ、その構造は、焼結する前に、金型において粉末を圧縮することから生じる。これより、そのような未加工の形態は、金型なしで凝結することができる。これは、粉末を金型内で凝結すると、金型の変形及び金属粉末の汚染に至り得ることから、有利である。
金属粉末を１回又はそれ以上の初期段階焼結／破砕サイクルによって処理することは、また、出発原料に比べて流動性の向上した粉末を生じる。これは、粒径の増大が初期段階焼結／破砕サイクルから生じ、これが、粒子形態学を一層不規則にする場合に一般に観測される流動性の低下に相殺することによる。これより、本発明の粉末は、粉末流動性が重要な用途において有用になる。
発明を、今、下記の例によって更にかつ具体的に説明することにする。
例
例１ 樹枝状Ｎｉ／Ｃｒ／Ｍｏ／Ｆｅ合金粉末の調製
材料
ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５  Ｎｉ／Ｃｒ／Ｍｏ／Ｆｅ合金粉末（−３μｍカット）を、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．から得た。この粉末は、受け入れたままで、風成された密度３．７０ｇ／ｃｍ3を有しており、非粉末固体ＩＮＣＯＮＥＬ６２５の密度は、８．４４ｇ／ｃｍ3である。
方法
ＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末２００ｇ分をモリブデン板上に置きかつ同様の上部取り付け板で軽くプレスして厚さおよそ２．０ｃｍの均一な層を形成した。粉末を保有する板を真空炉中に真空（１０-6トル）下に置いた。次いで、炉の温度を、速度２５℃／分で、温度が７６０℃に達するまで、上げた。この温度を３０分間保ち、次いで、炉を室温に冷却させ、それにより軽く焼結した物質を得た。次いで、軽く焼結した粉末をシーブサイズ１００μｍを有するスクリーン上に置き、それをスクリーンを通してブラシすることによって穏やかに破砕して粉末にした。生成した粉末を、再び上記した通りにして軽く焼結しかつ生成した物質を破砕して粉末にした。この粉末サンプルに関して、合計６回の初期段階焼結／破砕サイクルを実施した。
上に概略した方法によって調製した粉末のサンプルを用いて米国特許第５，４８７，７７１号に記載されている手順に従って金属膜フィルターエレメントを製造した。
結果
６回処理した後のこの粉末の風成された密度は、２．３８ｇ／ｃｍ3であった。図１に示す通りに、処理は、出発原料に存在していたのに比べ、一層大きいサイズの方にシフトしたずっと広いサイズ分布を生じる。その分布は、５μｍよりも小さい〜３０μｍよりも大きいの範囲であり、最も大きな割合は、５〜２０μｍになる。図２は、粉末の風成された密度が、更なる処理サイクルによっていかに変わるかを示す。処理数を増大するにつれて、一本調子の風成された密度の低下がある。これは、粉末粒子形態学が、各々の処理によって一層不規則になることを示す。
図３Ａ及び図３Ｂは、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末の、６回の初期段階焼結／破砕サイクルの前及び後のＥＤＳスペクトルを示す。処理した粉末及び未処理の粉末の元素組成に有意の差異は認められない。
処理したＩＮＣＯＮＥＬ６２５粉末から、金属膜フィルターエレメントを米国特許第５，４８７，７７１号に開示されている方法によって加工した。上に示した通りに、処理した粉末は、風成された密度２．３８ｇ／ｃｍ3を有していた。この粉末を金型で圧縮することによって製造した未加工の形態は、密度３．１３ｇ／ｃｍ3（６３％多孔質）を有し、焼結した後のフィルターエレメントは、密度３．４４ｇ／ｃｍ3（６０％多孔質）を有していた。
例２ 樹枝状ステンレスチール粉末の調製
材料
３１６Ｌステンレスチール粉末（−１０μｍカット）を、Ａｍｅｔｅｋ（ペンシルバニア、エイティ−フォー、Ａｍｅｔｅｋ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）から得た。その粉末は、受け入れたままで、風成された密度２．７９ｇ／ｃｍ3を有していた。
方法
２つの他は、例１に記載する方法に従った。第一に、３１６Ｌステンレスチール出発原料の１００ｇサンプルを用いた。第二に、温度を最大温度８００℃に上げ、８００℃を３０分間保った。初期段階焼結／機械的破砕手順を合計４回行った。生成した樹枝状３１６Ｌステンレスチール粉末から、金属膜フィルターエレメントを米国特許第５，４８７，７７１号に開示されている手順に従って加工した。
結果
一連の初期段階焼結／破砕サイクルに伴う３１６Ｌステンレスチール粉末の風成された密度の変化を示す。サイクルの数を増大するにつれて、一本調子の風成された密度の低下が観測される。４回の処理サイクルの後に、風成された密度は、１．５４ｇ／ｃｍ3であった。
図５は、４回の初期段階焼結／破砕サイクルの後の粒径分布の変化を示す。出発粉末は、比較的狭いサイズ分布を有し、粒子の大部分は３〜１５μｍの範囲内である。しかし、４回の初期段階焼結／破砕サイクルの後に、その分布はずっと広くなり、一層大きいサイズの方にシフトし、粒子の大部分は、今２０μｍよりも大きいサイズである。
樹枝状３１６Ｌステンレスチール粉末から製造した金属膜フィルターエレメントは３．１３ｇ／ｃｍ3（６１％多孔質）であり、圧縮した未加工の形態の密度は、２．８３ｇ／ｃｍ3（６５％多孔質）であった。
均等
当業者ならば、本明細書中に記載する発明の特定の実施態様の多数の均等物を、せいぜい日常の実験を用いて認める又は確認することができるものと思う。そのような均等物は、添付する請求の範囲に包含する意図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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