JPH01206A - 粉末製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、粉末冶金等に使用する金属粉末を製造する粉
末製造装置に関する。

〔従来の技術〕

粉末冶金は、金属又は合金の粉末を型に装入して加圧成
形し、次いでこの成形体を焼結させることにより金属製
品又は金属塊を製造する技術である。粉末冶金において
は、成分元素の偏析が起らないこと、難加工材料の製品
化が可能なこと、極めて微細な結晶組織を有する部材が
得られること、非平衡相を現出させることが可能なこと
等、溶製材では得ることができない種々の利点があり、
また、二次的な切削加工を省略できるという利点がある
。このため、粉末冶金に適用される種々の粉末製造技術
が開発されている。

この中で高合金、Ｔｉ合金等の粉末を製造する代表的な
装置として遠心力を利用した急速凝固法、回転電極法、
遠心造粒法等による粉末製造装置がある。第４図は急速
凝固法の装置を示す模式図である。この装置においては
、高周波コイル２２に高周波電流を付与することにより
容器２１内で金属塊を溶解して生成した溶湯２３を高速
回転するディスク２４上に落下させ、このディスク２４
の回転により溶湯２３を飛散させる。そして、この飛散
した溶湯２３を水素ガス又はヘリウムガス等の熱伝導率
の高い冷却媒体により急速凝固させる。

第５図は回転電極法の装置を示す模式図である。

この装置においては、消耗電極３１と非消耗電極３２の
間にアーク３３を発生させ、この際に、消耗電極３１を
モータ等の回転手段（図示せず）で高速に回転させて、
消耗電極３１が溶融して生成する液滴３４を飛散させる
ことにより粉体３５を得る。

第６図は遠心造粒法の装置を示す模式図である。

この装置においては、アルゴンガス雰囲気下で回転可能
に設置されたるつぼ４１と、延直に設置された電極４２
との間にアーク４３を発生させ、るつぼ４１を水冷しな
がら回転させて電極４２が溶融して形成された液滴４４
をるつぼ４１内に滴下することにより、液滴４４を飛散
させて粉末を生成する。

しかしながらこれらの装置には何れも解決しなければな
らない問題点があった。急速凝固法の装置では溶湯２３
を貯留する容器２１から不純物が混入する虞があるため
、Ｔｉ、　Ｔｉ合金、高合金及び超合金等の高純度の粉
末を製造することは困難である０回転電極法及び遠心造
粒法の装置の場合には、急速凝固法に比較して少ないも
ののそれぞれ非消耗電極３２及びるつぼ４１から不純物
が混入する虞がある。またこれら三方法による装置は製
、造速度が小さいと言う問題もあった。更に、これら三
方法による装置の場合には、非消耗電極３２及び回転る
つぼ４１を水冷しておく必要があり、消費電力の５０％
はこの水冷電極に奪われるため粉末の製造効率が低（、
エネルギ経済上極めて不利である。更にまた、これらの
装置では、得ようとする合金でつくられた消耗電極２１
、及び、水冷電極として作用するるつぼ４１は、粒径の
小さい粉末を得るために高速回転させる必要があるが、
これらの電極を高速で回転させるためには電極の加工精
度上及び回転機構上着しい困難性を伴う。

さらに回転電極法では電極を高速回転させるために、こ
の電極の直径は最大６０＋ｍ程度と小さくする必要があ
り電極製造コストが高いという問題もある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者らはこのような種々の問題点を解決するための
研究を行い、その成果は先に特願昭６１−２２１３４３
号（出願日昭和６１年９月１９日）として出願されてい
る。

第７歯は特願昭６１−２２１３４３号の実施例に係る粉
末製造装置の模式図である。この装置においては、電極
５１間にアーク５２を発生させ、電極５１の先端を溶融
し、溶融金属の液滴５３を生成させて、ディスク５４上
に落下させる。ディスク５４は高速回転しており、液滴
は遠心力により飛散し、冷却されて粉末５５となる。前
記の電極５１は双方が消耗電極であり、又高速回転をし
ない構造である。

前記のように特願昭６１−２２１３４３号では、電極の
双方に消耗用の電極を使用するので、不純物が混入する
虞がな（、電極を水冷する必要もなく、生産量も上げら
れるようになった。また電極を高速回転させないので装
置の機構が簡単になった。また電極の直径は例えば２０
０鶴程度の大径でもよいので、電極製造コストが安くな
り処理能力も大きくできる。従って粉末コストも安くな
る。

このように、特願昭６１−２２１３４３号は従来技術の
問題点を解消した優れた方法であるが、それでもなお、
次のような問題があった。

電極間にアークを発生させて電極の先端を溶融し、溶融
金属の液滴を高速回転するディスクで飛散させる場合、
液滴の落下が略々真下になるようにしディスク上に落と
さなければならないが、液滴を略々真下に落下させるた
めにはアークの発生を安定状態に保つことが要求される
。アークの発生を安定させるためにはチャンバ内を減圧
にする必要がある。この減圧度は高真空が望ましく、許
容される圧力の上限は５ＱＴｏｒｒ附近である。圧力が
約５９Ｔｏｒｒ以上になると、電極の一部しかアークが
発生しなくなったり、またはアークが発生しな（なった
りし、非常に不安定になる。このような場合には液滴の
落下方向も乱れ、ディスク上に落下しないこともしばし
ば起る。

一方、ディスク上に落下した液滴を飛散させアルゴンガ
ス、ヘリウムガス等の雰囲気ガス中で冷却させる場合、
急冷粉末にすると共に液滴がチャンバ内壁に衝突する前
に凝固を完了させなければならないので、冷却効率を上
げなければならない。

冷却効率を上げるには、雰囲気ガスの圧力を可能な限り
高くすることが要求され、液滴を急冷し、上記の目的を
達成するためには、冷却媒体である雰囲気ガスの圧力は
、５０Ｔｏｒｒ以上、好ましくは１００Ｔｏｒｒ以上に
保持する必要がある。

更に電極先端から滴下する液滴の注湯速度及び滴下位置
が不安定で一定していないため、ディスクからの液滴の
飛散状態が不安定であり、例えばディスク上の滴下位置
で液滴の一部がはね上ったり、ディスクのふちに達しな
いうちに飛散してしまう。この結果所望の粒径よりも大
きな粒径の粉末が得られしまうなどの問題がある。

このように、特願昭６１−２２１３４３号では、アーク
を安定させる条件と液滴を急冷する条件とを同時に満足
させるためには、圧力を５ＱＴｏｒｒ附近にほぼ一定に
保持せねばならず、条件調整上の困難さがあった。

本発明は従来の粉末製造装置の問題点と共に特願昭６１
−２２１３４３号の問題点をも解決するためになされた
ものであり、Ｔｉ＋　Ｔｉ合金、高合金及び超合金等の
粉末を高純度で、効率よく、低コストで製造でき、装置
の機構が簡単で、チャンバを小型にでき、更に急冷粉末
が得られ、また所望粉末を安定して製造することができ
る粉末製造装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、チャンバ内に間隔をおいて設置された複数の
電極を備え、これらの電極間にアークを発生させて溶融
金属の液滴を形成する液滴形成手段と、上面外周に環状
の側壁部を突設し、前記液滴の落下位置に配置されたデ
ィスクと、このディスクを回転させて液滴を飛散冷却し
て粉末とするディスク回転手段とを具備し、前記チャン
バ内にはアークにより液滴を形成する空間とディスクの
回転により液滴を飛散冷却する空間とを区割する仕切壁
を設置し、この仕切壁には液滴の通過が可能で、かつ通
気抵抗を有する連通部を設けた粉末製造装置である。

〔作　用〕

本発明においては、チャンバ内に仕切壁を設置して、液
滴を形成する空間と液滴を飛散冷却する空間とに区割し
ているので、前記雨空間の圧力をそれぞれ目標とする範
囲に設定することができる。

例えばアークにより液滴を形成する空間を１０Ｔｏｒｒ
ｓ液滴が飛散される空間を１００↑ｏｒｒとすることが
できる。このためアークの安定性を保ちながら急冷粉末
を得ることができる。液滴を形成する空間においては、
複数の電極間にアークを発生させて溶融金属の液滴を形
成させ、高速回転しているディスク上に落下させる。こ
の液滴はディスクの回転による遠心力によって、更に細
かい液滴となってディスクの側壁上端から飛散する。飛
散した液滴は液滴を飛散冷却する空間において急冷され
、瞬時に粉末となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す模式図である。

チャンバ６１は仕切壁６２によって区割され、上部が液
滴形成空間６３、下部が液滴冷却空間６４となっている
。液滴形成空間６３は真空ポンプ等の排気手段（図示せ
ず）に接続された排気孔６５を備え、高度の減圧に保持
できるようになっている。液滴冷却空間６４はアルゴン
ガス、ヘリウムガス等の雰囲気ガスの導入孔６６を備え
、圧力を液滴形成空間６３より高くし、前記２空間の間
に圧力差をつけられるようになっている。液滴形成空間
６３には、例えば製造せんとする粉末と同一組成の複数
の電極６７が、その長平方向を一部させて適長間隔をお
いて設置されている。この電極６７には電ａＩ６８から
電流を供給して電極６７間にアーク６９を発生させ、電
極６７の対向端部を溶融させて溶融金属の液滴７０を生
成するようになっている。前記の仕切壁６２には液滴７
０が落下する真下に連通部７１が設けられており、液滴
７０が液滴冷却空間６４に落下する通路を形成している
。前記連通部７１は液滴の通過が可能な範囲で開口面積
を小さくし、通気抵抗が太き（なるようにしである。液
滴冷却空間６４には、液滴７０の落下位置に、回転装置
７２によって高速回転するディスク７３が設置されてお
り、落下して来た液滴７０を飛散させる構造となってい
る。

なお、電極６７の駆動装置７４は、相対向する電極６７
間の間隔を一定に保持するための送り機構を備えている
。また前記電極６７を互いに同一方向または反対方向に
緩やかに回転させる機能をも備えており、電極６７が均
一に溶融し、アーク６９の発生を好ましい状態にするこ
ともできる。

また、雰囲気ガス導入孔６６は複数設けられており、液
滴冷却空間６４における雰囲気ガスの偏流がないように
考慮されている。

また液滴形成空間６３の減圧度を保持する手段として、
排気孔６５から排気する外に、液滴冷却空間６４からも
排気を行い、連通部７１を通過して液滴形成空間６３に
流入する雰囲気ガスの量を減らし、排気孔６５に接続さ
れた排気手段の負荷を軽減させることもできる。

このように構成された粉末製造装置においては、電源６
８により電極６７に給電してアーク６９を発生させ、電
極６７の対向端部を溶融させ溶融金属の液滴７０を生成
させる。この間、電極６７は駆動装置７４により少しづ
つ移動させ、電極６７間の間隔が常に一定になるように
している。この際、液滴形成空間６３の圧力は５０Ｔｏ
ｒｒ以下、好ましくは１ＱＴｏｒｒ以下に保たれるよう
、排気孔６５から排気しているため、電橋６７間のアー
クは安定し、液滴は略々真下に落下する。落下した液滴
７０は仕切壁６４に設けられた連通部７１を通って液滴
冷却空間６４に入り、高速回転するディスク７３上に落
下する。ディスク上に落下した液滴７０は遠心力によっ
て、ディスク上面外周に突設した環状の側壁７３に当り
、この上端から更に細かい液滴となって飛散し、アルゴ
ンガス、ヘリウムガス等の雰囲気ガス中で瞬時に冷却さ
れ、粉末７５となる。この場合、液滴冷却空間６４の圧
力は５０Ｔｏｒｒ以上、好ましくは１００Ｔｏｒｒ以上
になるように雰囲気ガスを導入して、雰囲気ガスの濃度
を高め冷却効率を良くしているので、液滴はチャンバ６
１の内壁に衝突する前に凝固が完了し、急冷粉末になる
。

前記のように、液滴形成空間６３と液滴冷却空間６４と
の間に圧力差をつけられるようになっているので、前記
各空間において圧力の変動があっても、それぞれが限界
内の圧力であれば許容され、電極６７間のアーク６９を
安定させる条件及び液滴を急冷する条件の調整は容易に
なる。

第２図は他の実施例を示す模式図である。本実施例はチ
ャンバ６１を液滴形成空間６３と液滴冷却空間６４とに
区割する仕切壁の構造を変えたものであり、液滴形成空
間６３には複数の電極と回転装置７２によって高速回転
するディスク７３が設けられている。前記仕切壁は、液
滴形成空間６３と液滴冷却空間６４を上下に区割する平
面の仕切壁６２ａと、円筒形セディスク７３の周囲に設
置された直立の仕切壁６２ｂ及び６２Ｃよりなっている
。仕切壁６２ｂ及び６２ｃは同一の形状で、ディスク７
３上端の延長平面の上下に近接して設置されている。こ
の仕切壁６２ｂと６２ｃとの間隙が連通部７１に形成し
、全周に亘って設けられている。

この装置においては、電極６７の溶融によって生成した
液滴７０はディスク７３上に落下して飛散され、連通部
７１を通過して液滴冷却空間６４に入る。液滴冷却空間
６４に入った液滴は雰囲気ガスによって冷却され、チャ
ンバ６１の内壁に衝突する前に凝固し、粉末となる。

本実施例では液滴７０が電極６７からディスク７３に落
下するまでの通路が広くできるので、液滴７０の落下方
向が若干変化することがあっても、液滴７０が仕切壁に
耐着することがないと言う利点がある。

なお、前述のように、液滴形成空間６３と液滴冷却空間
６４の間に圧力差を保持するので、仕切壁６２ｂ及び６
２ｃはできるだけディスク７４に近づけ、遠心力で飛散
する液滴の速度が速く、液滴の広がらない位置に設置で
きる大きさにし、狭い連通部７１でも液滴の通過を可能
にすることが望ましい。また、前記圧力差の保持を更に
容易にするには、第１図の仕切壁６２と第２図の仕切壁
６２ｂ及び６２ｃを組み合わせた仕切壁を設け、液滴７
０が電極６７から落下する通路と液滴がディスクから飛
散する通路との２ケ所に連通部を設け、通気抵抗を大き
くするのが良い。

本発明では、ディスクの上面に側壁を突設しているが、
これは次の理由による。電極の先端で形成される液滴は
、その落下速度が一定せず、また滴下位置も一定してい
ない。このため上面が平滑なディスクを使用すると、そ
の飛散状態が不安定となり、例えば滴下位置で液滴の一
部が跳上がったり、ディスクの周縁に達する前に飛散し
てしまうなどの現象が生じ、所望とする粉末よりも大き
い粉末が得られてしまう問題がある。本発明では、側壁
を突設することにより、液滴が確実にディスクの周縁か
ら飛散することにより、飛散状態を安定化し所望粒径の
粉末を得ることができる。ディスクめ側壁の内径は、２
００μｍ以下の粉末を得る目的では、ディスクの１５０
０Ｏｒｐｍ　〜３００００ｒｐｍの回転時では、５０〜
２００ｎが好適である。また側壁の高さは、あまり低い
と遠心力が十分働かず、高すぎるとディスクの高速回転
が困難となるため、１００〜１００　ｗ程度が好適であ
る。側壁の形状としては、第３図（ａ）ないしくｒ＋に
断面で示した各種の形状のものを使用することができる
。なお同図（ａは、第３図Ｆａ）のディスクの平面図で
ある。

ディスクの材質としては、グラファイト、ボロンナイト
ライド、ホウ化ジルコニウム　（ＺｒＢｚ）、水冷銅、
ステンレススチールなどがあげられる。

なおチタン又はチタン合金の粉末を製造する時には、こ
のディスクからの汚染を防ぐために、得ようとする粉末
と同じ素材でディスクを構成するのが好適である。

次に実施例により実際の粉末を製造した具体例について
説明する。電極は組成が八１６％、■４％のＴｉ合金で
、大きさが直径１００龍のものを使用した。装置は第１
図の構成によるもので、仕切壁６２の連通部７１は直径
４０＊ｍ、ディスク７３は直径９０１１で回転数３０．
０ＯＯｒｐ＋＋＋とした。粉末の製造に際し、予め液滴
形成空間６３から３０．０００　Ａ／秒の拡散ポンプで
排気し、液滴冷却空間６４には４Ｎｌ／秒のヘリウムガ
スを導入した。ガスの導入と排気が平衡に達した時点の
各空間の圧力は液滴形成空間６３が７　Ｔｏｒｒ、液滴
冷却空間６４が９ＱＴｏｒｒであった。このように条件
を調整しながら、前記電極６７２本を対向させ、３，０
００　Ａの電流を供給してアークを発生させた。電極６
７が溶融した液滴７０はすべてディスク７３上に落下し
、微小液滴となって飛散した。飛散した液滴はチャンバ
内壁に耐着することなく、得られた粉末７５の粒径は約
１００μであった。なお、この場合の電極６７の溶解速
度は４．２ｋｇ／分であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶湯の容器、るつぼ、非消耗電極等を
使用しないので不純物が混入する虞がなく、高純度の粉
末を得ることができる。また複数の電極はすべて消耗電
極を使用するので、高生産速度を維持することができ、
しかも電極を水冷する必要がないのでエネルギ効率が良
く、電極径も大径のものを使用できるので電極製造コス
トも低く粉末製造コストを安くすることができる。そし
て、電極を高速で回転する必要がないので装置の機構を
簡単にできる。

更に、電極間のアークを安定させる条件と液滴を急冷す
る条件の双方を同時に満足させることが容易になったの
で、溶融金属の液滴を略々真下に落下させて、すべての
ディスクの回転により飛散させることができ、また、飛
散した液滴は、効率よく、瞬時にして粉末となるので、
チャンバを小さくすることができる。また更に、液滴を
急冷できるので、微細な結晶組織を有する非平衡相の急
冷粉末を得ることができる。更にディスクの上面に環状
の側壁部を突設したので、ディスクに落下する液滴の落
下速度、落下位置にばらつきがあっても、液滴を確実に
飛散させて所望粒径の粉末を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す模式図である。 第２図は他の実施例を示す模式図である。 第３図（ａ）〜（ｆ）は本発明の係るディスクの断面図
、同図（ｇ）は第４（ａｌのディスクの平面図、第４図
乃至第６図はそれぞれ従来の粉末製造装置を示す模式図
である。 第７図は本発明者が先に提案した発明の一実施例を示す
模式図である。 ６１・・・チャンバ、６２・・・仕切壁、６２ａ・・・
仕切壁、６２ｂ・・・仕切壁、６２ｃ・・・仕切壁、６
３・・・液滴形成空間、６４・・・液滴冷却空間、６７
・・・電極、ｄ９・・・アーク、７０・・・液滴、７１
・・・連通部、７３・・・ディスク、７５・・・粉末。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦ｓ　１　図 第　２　蘭 第３！ｉｌ 第４図 第　５ｗＩ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チャンバ内に間隔をおいて設置された複数の電極と、こ
   れらの電極間にアークを発生させて溶融金属の液滴を形
   成する液滴形成手段と、上面外周に環状の側壁部を突設
   し、前記液滴の落下位置に配置されたディスクと、この
   ディスクを回転させて液滴を飛散冷却して粉末とするデ
   ィスク回転手段とを具備し、前記チャンバ内にはアーク
   により液滴を形成する空間とディスクの回転により液滴
   を飛散冷却する空間と区割する仕切壁を設置し、この仕
   切壁には液滴の通過が可能で、かつ通気抵抗を有する連
   通部を設けたことを特徴とする粉末製造装置。