JPH0463206A - 金属粉末製造用高圧水噴射管及び見掛け密度が低い金属粉末の製造方法 - 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１ 本発明は、粉末冶金用、電気材料用等の原料として使用
され、特に冷間での成形性に優れた低見掛は密度の金属
粉末を水アトマイズ法で製造する方法及び高圧水噴射管
に関する。

［従来の技術と課題］ たとえば、圧粉成形した金属粉末を焼結し所定形状の製
品とする粉末冶金においては、金属酸化物や塩化物等か
ら金属状態に還元した還元粉が従来から使用されている
。この還元粉は、一般に見掛は密度が低（、冷間での成
形性に優れている。

しかし、還元工程が必要とされるため、金属粉末を得る
までに多数の工程や時間が必要とされる。

そこで、比較的容易にしかも多量に金属粉末を生産する
ことができる方法として、水アトマイズ法が採用される
ようになってきた。この方法においては、゛溶融金属の
下降流に対して高圧水を吹き付け、溶融金属を微細な液
滴に分散させ、急冷・凝固することによって金属粉末が
製造される。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、水アトマイズ法で製造された金属粉末は、−
射的に球状化が進んだものであり、比表面積が小さくな
っている。そのため、見掛は密度が高く、冷間加工性に
劣っている。

そこで、水アトマイズ粉の見掛は密度を下げ成形性を改
善するため、これまで、種々の研究が行われている。

たとえば、特開昭８−８１９０３号公報では、水アトマ
イズ法で得られた鉄粉を還元焼鈍することにより粒子相
互を付着結合させ、複雑な形状をもった粉末とすること
で、成形性の向上を図っている。

また、特開昭５９−５９８１０号公報では、水アトマイ
ズ法で得られた生銅粉に還元焼鈍を施した後で解砕し、
ふるい上部分を更に軽度に解砕することによって、成形
性を高めた粉末を製造している。

しかし、その多（は、水アトマイズ後の粉末に対して何
らかの熱処理を施すことによって、微細な粉末相互を凝
集させ、見掛は密度を低下させるものである。そのため
、水アトマイズ後に余分な工程が付加されることになる
。他方、水アトマイズの状態のままで粉末の見掛は密度
を低下させる必要的な手段が少ないのが現状である。

本発明は、このような問題に鑑み案出されたものであり
、特定された条件下で所定数の噴霧孔を穿設した高圧水
噴射管を使用することにより、溶融金属流を効率よく微
細な液滴に分散させ、比表面積が大きく見掛は密度が小
さな金属粉末を製造することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、その目的を達成するため、流下する溶融金属
に高圧水を噴射して金属粉末を製造する水アトマイズ法
用の高圧水噴射管であり、環状に成形された本体をもち
、その内周面に複数の噴霧孔が等間隔で円周上に穿設さ
れ、前記噴霧孔穿設位置での前記環状本体の直径をＤ　
（ｍｍ）、前記高圧水の流量をＱ　（ｆ２／分）、前記
噴霧孔の個数をＮとするとき、これらの間に ＝２４〜７２ （Ｄ１５０）Ｘ　（Ｑ／２００） の関係を成立させたことを特徴とする。

また、前記噴霧孔から噴出される高圧水で形成される円
錐状水膜の頂角が２５〜４４度となるように、前記噴霧
孔を噴射管本体に下向きに傾斜させて穿設することもで
きる。

また、高圧水が吹き付けられる溶融金属は、流量１００
０ｇ／秒以下で流下させることが好ましい。

〔作　用〕

本発明者等は、水アトマイズ法において高圧水により溶
融金属が急冷・凝固する過程を種々の面から研究した。

溶融金属の凝固過程で、溶融金属が比較的緩やかな条件
下で冷却・凝固すると、高圧水で与えられる剪断エネル
ギーにより溶融金属の下降流から分散された液滴が表面
張力によって収縮する。また、分散された液滴も、比較
的大粒のものとなる。その結果、液滴の球状化が進み、
得られた金属粉末は、真球或いはそれに近い形状となる
。このような金属粉末は、見掛は密度が高（、圧粉成形
時に加えられる成形圧力に対し大きな抵抗力を示し、且
つ粉末相互の噛合いも悪いため、成形性に劣ったものと
なる。

本発明においては、溶融金属の下降流に対して全周から
高圧水を吹き付けるため、内周側に複数の噴霧孔を等間
隔で穿設した環状の高圧水噴射管を使用した。そして、
液滴の球状化凝固を避けるため、溶融金属の下降流に対
して吹き付けられる水流を高圧に維持して可能な限り大
きな剪断エネルギーを与え、且つ分散された液滴を所定
のサイズに収めるべく、均一で且つある程度の厚みをも
つ円錐状水膜を形成することが必要であることを見い出
した。そのための条件として、特許請求の範囲に記載し
たように、高圧水噴射管の直径り及び高圧水の流量Ｑと
の関係において噴霧孔の孔数Ｎを規定することが有効で
あることを解明した。

コノ噴霧孔の孔数Ｎが（Ｄ１５０）Ｘ　（Ｑ／２００）
ｘ２４　（個）未満であると、高圧水噴出環から噴射さ
れた高圧水は、筋流或いは脈流となって、均一な厚みを
もった円錐状水膜にならない。

逆に、噴霧孔の孔数Ｎが（Ｄ１５０）ｘ　（Ｑ／２００
）Ｘ７２　（個）を超えるとき、水膜の厚さが薄くなり
、アトマイズが不充分なまま凝固してしまうものの割合
が著しく増加する。

また、溶融金属の下降流に吹き付けられる高圧水により
与えられる剪断エネルギーが上向きの成分をもたないよ
うにすることが、水アトマイズ法を安定した条件下で継
続する上で有効であることを解明した。このための条件
として、請求項２に記載したように噴霧孔の方向を規定
した。これにより、上向きの方向成分を持たない剪断エ
ネルギーを、溶融金属の下降流に対して効率よく与える
ことができる。

水膜の頂角が４４度を超えると、高圧水の剪断エネルギ
ーが上向きの方向成分をもつようになって、上向きの水
流が生じる。その結果、溶融金属流が吹き上げられ、溶
融金属流出ノズルの内部で溶融金属が凝固・付着し、溶
融金属の流下状態が不安定になる。更には、ノズル内部
に閉塞を発生させ、アトマイズを継続することが困難に
なる。

逆に、水膜の頂角が２５度未満のとき、噴射された高圧
水は、溶融金属の下降流に沿って流れる割合が多（なり
、溶融金属の分散に寄与する剪断エネルギーが著しく低
下する。そのため、冷却に働く高圧水の割合が小さ（な
ると共に、下降流から分断された液滴のサイズも大きく
なる。その結果、液滴の凝固・冷却が緩慢となり、球状
化が促進される。したがって、得られた金属粉末は、見
掛は密度が大きく、成形性の悪いものとなる。

以上に述べた高圧水噴射管による冷却及び剪断作用は、
高圧水が吹き付けられる溶融金属の流量を１０００ｇ／
秒以下に規定することによって、より一層顕著なものと
なる。

このような条件下で溶融金属をアトマイズするとき、溶
融金属が微細な液滴に分断され、しかも十分な冷却力が
与えられる。したがって、液滴が表面張力によって凝集
しようとする間も無く凝固が始まり、比表面積が大きく
、見掛は密度が小さな金属粉末が得られる。そのため、
得られた金属粉末は、何らの熱処理等を施す必要なく、
水アトマイズされたままの状態で冷開成形性の良好な金
属粉末として使用することができる。

［実施例］ 以下、実施例を説明する。

ステンレス鋼５ＵＳ４４０Ｃを溶解し、第１図に示した
容器１に収容した。容器１の底壁には、孔径６ｍｍのノ
ズル２が取り付けられている。また、容器１の側壁に熱
電対３が埋設されており、熱電対３によって測定された
溶鋼温度に基づいて高周波コイル４に供給される電力を
制御し、溶鋼５を液相線より１８０℃だけ高い過熱温度
に維持した。

溶鋼温度は、ノズル２から流下する溶鋼５の温度が所定
のアトマイズ粉末を得る上で重要な因子となる。そのた
め、熱電対３の埋設位置を可能な限りノズル２の近傍に
することが好ましい。或いは、ノズル２の下方に光温度
計等の温度検出器を配置し、ノズル２から流出する溶鋼
５の温度を直接測定することも可能である。

溶鋼５は、容器１の底壁に設けられているノズル２から
流下する。この下降流６を取り囲んで高圧水噴射管７を
配置した。高圧水噴射管７は、第２図に示すように、環
状本体８の内周面側に複数の噴霧孔９を等間隔で穿設し
ている。また、高圧水供給源（図示せず）に接続した高
圧水供給管１０を、環状本体８の内面一部に開口させて
いる。

噴霧孔９を穿設した位置での環状本体８の直径りを５０
ｍｍとした。噴霧孔９から噴出された高圧水は、円錐状
の水膜１１として溶鋼の下降流６に吹き付けられ、溶鋼
を液滴１２に分散させた。

このとき、下降流６の流量を２２０　ｇ／秒、高圧水の
噴出圧力及び噴出流量をそれぞれ２００ｋｇｆ　／　ｃ
　ｍ　”及び１８０β／分とし、円錐状水膜１１の頂角
αを種々変更した。

このような条件下で溶鋼をアトマイズし、金属粉末を製
造した。第１表は、高圧水噴射管として種々のものを使
用し、それに応じて得られた金属粉末の物性等を示す。

また、得られた金属粉末の粒径と見掛は密度との関係を
、第３図でグラフ化して示した。

第１表及び第３図から明らかなように、噴霧孔の孔数Ｎ
がそれぞれ３６個及び７５個の高圧水噴射管を使用した
試験番号ｌ及び３の場合には、孔数Ｎが２０個の高圧水
噴射管を使用した試験番号２の場合に比較して、見掛は
密度が低い金属粉末が得られていることが判かる。ただ
し、試験番号３では、多数の噴霧孔を穿設した高圧水噴
射管を使用しているため、溶鋼に吹き付けられる高圧水
の水腹が薄くなりすぎ、アトマイズが不十分なままで冷
却・凝固されたものが多くなっている。そのため、１０
６μｍ以下の金属粉末の回収率が著しく低下した。

また、水膜の頂角を４５度とした試験番号４では、高圧
水の吹き上げにより閉塞が発生し、アトマイズを続行す
ることが不可能であった。更に、水膜の頂角を２０度と
した試験番号５では、孔数Ｎを調整したことによる効果
がある程度みられるものの、試験番号１に比べて剪断エ
ネルギーが小さいため、見掛密度の低下の度合いが小さ
くなっている。また、１０６μｍ以下の粉末の回収率も
悪化していることが判かる。

製造された金属粉末を圧粉体に成形した。得られた圧粉
体の抗折力（３点曲げ強度）を測定し、その結果を第４
図に示した。圧粉体の成形にはプレス機を使用し、成形
圧力を６トン／　ｃ　ｍ　”とした。

第２図から明らかなように、本発明にしたがった金属粉
末は、他の比較例に比べて見掛は密度が低く、且つ優れ
た圧粉成形性を有していることが判かる。

また、ノズル２を大径のものに取り替え、ノズル２から
流下する溶鋼の流量を１２００ｇ／秒に増加させて、試
験番号１と同様な条件下でアトマイズを行ったところ、
得られた金属粉末の１０６μｍ以下の回収率は９２．７
％と低いものであった。これは、高圧水が与えつる剪断
エネルギーを溶鋼の流量が超えており、十分なアトマイ
ズが行われなかったことを示すものである。

また、ステンレス溶鋼以外の普通鋼、非鉄合金等につい
ても、同様な条件下でアトマイズを行った。この場合に
も、本発明の高圧水噴射管は、微細で成形性に優れた金
属粉末を製造する上で有効なものであることが判明した
。

〔発明の効果］ 以上に説明したように、本発明においては、高圧水噴射
管の直径及び高圧水の流量との関係で高圧水噴霧孔の孔
数を規定することによって、溶融金属を所定のサイズの
液滴に分断し、急速に冷却・凝固させる上で、最適の水
膜を形成している。

そのため、溶融金属の下降流から分散された液滴は、表
面張力によって凝集する時間的な余裕がなく、はぼ分散
状態のままで凝固し、比表面積が大きく、見掛は密度が
小さく、冷開成形性に優れた金属粉末となる。このよう
にして得られた金属粉末は、たとえば粉末冶金法等で焼
結される圧粉体を高い寸法精度で製造するときの有用な
原料として使用される。しかも、アトマイズ後の粉末を
熱処理する必要がないため、製造コスト及び工数の提言
も図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水アトマイズ法による金属粉末の製造工程を説
明するための図であり、第２図は本発明の高圧水噴射管
を示し、第３図及び第４図は本発明の効果を具体的に表
したグラフである。 １：容器　　　　　　　２：ノズル ３：熱電対　　　　　　４：高周波コイル５：溶鋼　　
　　　　　６：溶鋼の下降流７：高圧水噴射管　　　８
：Ｆｊ状本体９：噴霧孔　　　　　　１ｏ：高圧水供給
管１１：円錐状水膜　　　１２：液滴 （ｂ） 平 均 ６μｍ以下粉 見掛密度（ｇ／ｃｍ３）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）流下する溶融金属に高圧水を噴射して金属粉末を
   製造する水アトマイズ法に使用する高圧水噴射管であり
   、環状に成形された本体をもち、その内周面に複数の噴
   霧孔が等間隔で円周上に穿設されており、前記噴霧孔穿
   設位置での前記環状本体の直径をＤ（ｍｍ）、前記高圧
   水の流量をＱ（ｌ／分）、前記噴霧孔の個数をＮとする
   とき、これらの間に （Ｎ）／（Ｄ／５０）×（Ｑ／２００）＝２４〜７２の
   関係を成立させたことを特徴とする金属粉末製造用高圧
   水噴射管。
2. （２）請求項１記載の噴霧孔を、該噴霧孔から噴射され
   た高圧水で形成される円錐状水膜の頂角が２５〜４４度
   となるように、下向きに傾斜させて噴射管本体に穿設し
   たことを特徴とする金属粉末製造用高圧水噴射管。
3. （３）溶融金属を流量１０００ｇ／秒以下で流下させ、
   該溶融金属の下降流に対して前記請求項１又は２記載の
   何れかの高圧水噴射管から高圧の高圧水を吹き付けるこ
   とを特徴とする見掛け密度が低い金属粉末の製造方法。