JPH05271719A

JPH05271719A - 金属粉末の製造方法

Info

Publication number: JPH05271719A
Application number: JP10173092A
Authority: JP
Inventors: Taizo Kawamura; 退三河村; Yoshiyuki Shinohara; 吉幸篠原; Katsuyuki Yoshizawa; 克之吉沢; Yoshio Harakawa; 義夫原川
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1993-10-19

Abstract

(57)【要約】【目的】二段冷却式アトマイズ法の二次冷却を強化
し、アモルファス合金の製造を容易にする。【構成】溶湯ノズル８の下方に位置する一次冷却機構
４で溶湯１を微細な液滴に分断しかつ冷却した後、二次
冷却機構１２の冷媒として液体窒素または液体二酸化炭
素を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスアトマイズ法により
金属粉末を製造する方法に関する。一般にガスアトマイ
ズ粉は、水アトマイズ粉に比べて酸化が少なくかつ球形
の粉末が得られやすいという特長を有する。

【０００２】

【従来の技術】ガスアトマイズ法による粉末製造装置は
コンファインド型（図４参照）とフリーホール型（図５
参照）に分けられることは良く知られている。本発明は
これらのいずれにも適用されるものである。図３はコン
ファインド型による高圧ガスアトマイズ微粒子製造装置
を示すものである。図３に示す製造装置の本体におい
て、容器内に配置した溶湯坩堝２内の溶湯１をストッパ
ー３で開閉される流下用ノズル８に供給し、溶湯１をア
トマイズガス噴射ノズル部４により液滴５に分断する。
この液滴５は粉末として粉末捕集瓶１０に集められ、続
いてサイクロン（図示せず）に送られる。

【０００３】アトマイズガス噴射ノズル４には本体容器
を貫通する管（図示せず）を通して窒素ガスが供給さ
れ、その後アトマイズに供した窒素ガスは粉末捕集瓶１
０の下端の放出出口６を経てサイクロンに送られる。サ
イクロンには粉末容器が設けられて、生成した粒子を収
集するように構成されている。

【０００４】この装置を使用してガスアトマイズ粉末を
作る場合、粉末の凝固過程を連続冷却曲線で見たのが図
２である。Ｌｕｂａｎｓｋａの式により決定されるガス
アトマイズ粉の平均粒径が小さい微細粉末はａで示す曲
線を経て冷却され、冷却曲線ａが結晶析出領域に交差し
ないでガラス化温度Ｔｇと交差するので、アモルファス
合金が形成される。この方法で作られるアモルファス粉
末としては、粒径が２０μｍ以下のＦｅ₆₉Ｃｒ₈ Ｐ₁₃Ｃ
₁₀合金などがある。一方、粒径が大きな粉末は、連続冷
却曲線ｂが結晶析出領域と交差するので、冷却が不十分
となるため結晶となり、アモルファス合金粉末が得られ
ない。

【０００５】また、図１の様にアトマイズガス噴射ノズ
ル４の下方にＨｅガスや窒素ガスを噴霧する粉末製造装
置が特開昭６３−６５００４号にて公知である。この場
合、下方のガス噴射装置はアトマイズガス噴射ノズル４
と同様の構造のノズルであり、アトマイズガス噴射ノズ
ル４によりｘ₁ （図２参照）の領域で冷却された粉末
を、続いてｘ₂ の領域で冷却を強化して冷却するための
ものである。前者の冷却を「一次冷却」と、後者の冷却
を「二次冷却」と言い、これらによる冷却法を「二段冷
却」と言う。すなわち前記公報の方法はｘ₂ の冷却を単
に放冷によるのではなく、ガス冷却による二次冷却を行
い結晶析出領域を経ないようにすることを意図してい
る。

【０００６】しかしながら、冷却ガスの冷却能力が小さ
いためにさほど効果的な二次冷却がなされず、実用でな
い。また、ガスの代わりに水が使用される例が文献ＭＰ
ＲＪｕｌｙ／Ａｕｇｕｓｔ１９９０，ｐ５２９に報告
されている。

【０００７】以上アモルファス合金粉末について説明し
たが、結晶質合金についても微結晶を得ることが望まれ
ている。微結晶を得るには一次冷却で急冷することが必
要になるが、そうすると粉末粒径が小さくなる。微粉末
はそのままでは金型に充填することができないので、予
め造粒するなど製造工程が多くなり、好ましくない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】表１に各種ガス及び水
の冷却能力の比較を示す。表１においてガスは温度０℃
で８０リットル（ｌ）を冷媒として使用し、冷却したと
きに冷媒が奪う熱量をその質量と比熱から計算して示し
ている。一方水は温度０℃で５０ｇを冷媒として使用
し、同様に冷却をしたときに冷媒が奪う熱量をその質
量、比熱及び気化熱から計算して示している。

【０００９】

【表１】気体、液体の冷却能力比較

【００１０】アルゴン、窒素、ヘリウムのガス程度の冷
却能力をもつ冷却媒体によりアモルファス金属を作成し
ようとすると、図３の冷却曲線ｂに示すように、アトマ
イズしたときの粉末の形状が大きいと冷却不足となり結
晶が析出してしまう。

【００１１】表１から明らかなように、水はガスよりも
冷却能力が大きいので、効率的二次冷却媒体であること
が期待されるが、実際は粉体表面で蒸発したときに形成
される蒸気膜が水と粉体の間に介在し、断熱膜として働
く。そこで粉体から水への熱移動は蒸気膜を介して行わ
れるので、水が本来もっている冷却能力よりも著しく小
さくなり、やはり粉末の粒径が大きいと冷却不足になる
ことがあった。

【００１２】さらに、水はアルミニウムのように水素を
吸収しやすい金属の冷却には採用できない。しかも粉体
は水中に捕集されるので、その後の乾燥が必要になり、
経費がかかるという問題があった。

【００１３】したがって、本発明は以上のような従来技
術の現状を考えて、二段冷却方式のガスアトマイズ冷却
法において二次冷却能力を高めるとともに、冷却後の粉
末の乾燥が簡単なガスアトマイズ粉末製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、金属粉末を製造するガスアトマイズ装置
の溶湯ノズル下方に位置する一次冷却機構で、前記金属
溶湯ノズルから流出する溶湯を微細な液滴に分断しかつ
冷却した後、更にその下方に位置しかつ二次冷却機構の
冷却媒として、液体窒素または液体二酸化炭素を使用す
る二次冷却機構で、一次冷却された液滴および粉末を二
次冷却することを特徴とする金属粉末の製造方法を提供
する。

【００１５】本発明者は一次冷却の冷媒について種々検
討した。その一つとして二次冷却に使用する液体二酸化
炭素または液体窒素を一次冷媒に使用することを検討し
たが、これらの一次冷媒は溶湯ノズルに冷媒が直接接触
するコンファインド型アトマイズ装置では溶湯流下ノズ
ルが冷えて、溶湯がノズル内にて固まる問題点がある。
また水を一次冷媒とした場合にも同様の問題がある。フ
リーホール型アトマイズ装置において水を一次冷媒とす
ると、粉末形状が不規則になる。このような点からコン
ファインド型及びフリーホール型いずれにおいても一次
冷媒としてはガスを使用することとした。ガスは特に種
類が限定されないが、二次冷媒と同種のガスが好まし
い。

【００１６】本発明は二次冷媒として液体窒素（液化窒
素ガス）または液体二酸化炭素（液化二酸化炭素ガス）
を使用することを特徴とするものである。この二次冷媒
は一次冷媒により冷却されかつ分断された液滴または粉
末が流下している時にその円錐状外周から噴射され、蒸
発前にこれらを冷却する。二次冷媒の液化ガスは粉末な
どを急冷した後にガス化し、大気中に放出されるか、あ
るいは再生され液化ガスとなり循環使用される。二次冷
却機構は一次冷却機構のアトマイズ作用を妨げない範囲
でできるだけアトマイズガス噴射ノズルに接近して配置
することが好ましく、これにより高温粉末から奪熱して
冷却能率を高くすることができる。上記した二段冷却方
式のガスアトマイズ法は図１に示す装置により実施する
ことができる。その際二次冷却能率が著しく高められる
結果粒径が大きいアモルファス金属粉末を製造すること
が可能になる。

【００１７】液体窒素などの二次冷媒の二次冷却機構
は、粉末・液滴の円錐状流束の外周に分配しかつ一旦溜
める手段と、その手段から冷媒を放出する手段とを備え
る。この放出手段はパイプ、スリットなどであるが、放
出パイプを使用することが好ましく、その場合パイプの
口径は好ましくは３ｍｍ以上，より好ましくは５ｍｍ以
上である。それはパイプから低圧の外部に放出される時
ノズル口径が小さいと摩擦熱により冷却媒の熱が奪わ
れ、ガス化しやすい為である。

【００１８】本発明が最も有利である適用対象はアモル
ファス化が困難である金属の大径アトマイズ粉の製造で
あって、この場合一次冷却機構により分断された粉末の
平均粒径が、二次冷却を行わないで一次冷却のみで冷却
した連続冷却曲線が結晶析出領域と交差する程度の粒径
であるように一次冷却を行う。これに続く二次冷却は急
冷により連続冷却曲線が結晶析出領域と交差しないよう
に冷却を行うから、粒径が大きくともアモルファス組織
を有するアトマイズ粉末が得られる。

【００１９】本発明の方法は金属の種類を問わず適用さ
れ、例えば純Ｆｅ，Ｃｕ，Ａｌなどの金属、あるいはス
テンレス、青銅などの結晶質合金のアトマイズ粉を製造
することもできる。また本発明により提供されるアトマ
イズ粉には下記の：組成がＡｌ_100-x-y Ｔ_x Ｒ_y （ただ
し、ＴはＮｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｏから選択された少なく
とも１種の遷移金属元素、Ｒはミッシュメタル、Ｙ，Ｃ
ｅ，Ｌａから選択された少なくとも１種の希土類元素、
ｘ＝２〜１５ａｔ％，ｂ＝２〜１５ａｔ％である）を有
し、平均粒径が２５ないし５０μｍであり、かつ全体が
アモルファス組織を有するとともに表面が実質的に酸化
されていないアトマイズ金属粉末がある。

【００２０】ここで、上記の組成範囲はアモルファス化
が可能な範囲に設定されている。また平均粒径が２５μ
ｍ未満であると、従来法でも製造可能であり、さらに容
器に入れて押出加工する際の容器への充填密度を高めら
れる利点が活用できない。また２５μｍ未満の微細粉末
は粉末を固めた際の粉末の充填密度が均一にならない。
一方平均粒径が５０μｍを越えるとアモルファス化が困
難になる。最後に粉末表面に酸化相が、粉末粒子の結合
を妨げる程度には存在していないので、押出加工等によ
り強度の高い材料を得ることができる。

【００２１】

【作用】高周波コイルなどにより溶解された金属溶湯は
細いノズルを伝わって流出していく。その流出した溶湯
は一次冷媒ガスノズルから吹き出した窒素ガスなどによ
り分断され微細な粒子になる。この時、二次冷却用冷媒
放出ノズルから放出された液体二酸化炭素などは粉末に
衝突し、その熱を奪う。これによる急冷速度は１０⁴ 〜
１０⁶ ℃／秒と考えられる。その後冷媒に使われた液化
二酸化炭素はガス化し装置の中を流れてサイクロンを通
過して排気筒にたどり着く。液体窒素及び二酸化炭素の
冷却能力を表２に示す。

【００２２】

【表２】気体、液体の冷却能力比較

【００２３】表２に示されるような液体窒素と二酸化炭
素の高い冷却能力と蒸発し易さを利用して二次冷却を行
うと、冷媒は粉末表面から断熱膜を形成することなく直
ちに気化して急冷するとともに事後の乾燥の必要もなく
なる。また請求項２では、粒径が大きくアモルファス化
が困難なアトマイズ粉末を二次冷却によりアモルファス
化する。出された液化ガスにより二次冷却が行われる。
図２の結晶が析出するノーズ部にかかる事なく冷却が進
みガラス化温度以下にすることができるために、アモル
ファス合金粉末が作れる。

【００２４】次に請求項３では二次冷却機構から冷媒が
放出される際の気化を防止して二次冷却の効率をさらに
高める。以下、本発明の実施例及び比較例を詳しく説明
する。

【００２５】

【実施例】

実施例１合金Ａｌ₈₈Ｎｉ₇ Ｍｍ₅ （ａｔ％）を２ｋｇ用意する
（なお、Ｍｍはミッシュメタルである）。それを図１の
溶解坩堝２にセットする。溶解坩堝２を入れた容器を真
空に引いた後アルゴンガスと置換し、１１５０℃の温度
で溶解した後７０ｋｇ／ｃｍ² のガス圧力で窒素ガスを
アトマイズ用ノズル４より噴出させアトマイズ（一次冷
却）する。かくして分断された液滴及び粉末はその後そ
の真下にセットした二次冷却用冷媒である液化二酸化炭
素が吹き付けられ冷却される。その液量は５０ｇ／ｓと
した。その結果２５μｍの平均粒径の粉末まで完全なア
モルファス組織の粉末材料が得られた。

【００２６】実施例２実施例１と同様な工程で、アモルファス合金になり易い
Ａｌ₈₄Ｎｉ₁₀Ｍｍ₆ を粉末化したところ３８μｍの粒径
でもアモルファス合金となった。この結果を表３に示
す。

【００２７】比較例１実施例１及び実施例２の合金を実施例１の一次冷却のみ
で粉末化したところ、表３に示す結果が得られ、Ａｌ₈₄
Ｎｉ₁₀Ｍｍ₆ 組成でかつ２５μｍ以下の粒径の場合にの
みアモルファス合金となった。

【００２８】比較例２実施例１及び実施例２の合金を実施例１の二段冷却法に
おいて二次冷却にＨｅガスを使用して粉末化したとこ
ろ、表３に示す結果が得られ、２５μｍ以下の粒径の場
合にのみアモルファス合金となった。

【００２９】

【表３】本発明例および比較例

【００３０】

【発明の効果】通常のガスアトマイズのみでは十分な急
冷速度が得られないが、請求項１記載の本発明法では二
次冷却媒体として所定の液化ガスを使用することによ
り、極めて凝固速度の速い粉末が得られる。したがって
アモルファス合金粉末がアトマイズ法により容易に得ら
れる。また本発明法では粉末の乾燥が必要ないかあるい
は極めて簡単なものでよい。加えて本発明は結晶質粉末
の製造にも適用可能であり、この場合は結晶粒径が極め
て小さい微結晶でかつ粉末の粒径が比較的大きい粉末が
得られる。この粉末を使用して微結晶からなる高強度粉
末冶金製品を作ることができる。

【００３１】請求項２記載の本発明法では、同一組成で
あれば従来小さい粒径でしか作製できなかったアモルフ
ァス合金粉末が大きな粒径まで作製可能となるため、二
次加工である押出のときにカプセル充填が容易となり、
また強度の大きな材料の得られる可能性が高い材料を提
供できる。

【００３２】請求項３記載の本発明法では、液化ガスが
粉末などに衝突する前の気化を少なくして、二次冷却の
効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二段冷却式アトマイズ装置の図である。

【図２】粉末が急冷凝固し組織がアモルファスになると
き及び結晶質になるときの連続冷却曲線の図である。

【図３】一般的なアトマイズ装置の図である。

【図４】コンファインタイプのノズル部を示す図であ
る。

【図５】フリーホールタイプのノズル部を示す図であ
る。

【符号の説明】

１溶湯２溶湯坩堝３ストッパー４アトマイズガス噴射ノズル５液滴８流下用ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原川義夫東京都中央区八重洲１丁目９番９号帝国ピストンリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属粉末を製造するガスアトマイズ装置
の溶湯ノズル下方に位置する一次冷却機構で、前記溶湯
ノズルから流出する溶湯を微細な液滴に分断しかつ冷却
した後、更にその下方に位置しかつ二次冷却機構の冷媒
として液体窒素または液体二酸化炭素を使用する二次冷
却機構で、一次冷却された液滴および粉末を二次冷却す
ることを特徴とする金属粉末の製造方法。
【請求項２】前記一次冷却機構により分断された粉末
の平均粒径が、前記二次冷却を行わないで一次冷却のみ
で冷却した場合の連続冷却曲線が結晶析出領域と交差す
る程度の粒径であることを特徴とする請求項１記載の金
属粉末の製造方法。
【請求項３】前記二次冷却機構の冷媒を３ｍｍ以上の
ノズルから放出することを特徴とすることを特徴とする
請求項１または２記載の金属粉末の製造方法。