JPS58110604A - 球状金属粉末を製造する方法及び装置 - 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】 本発明は、水平に対して傾斜した飛散面を有する超音波
周波数で振動する共振器によって液状金属流を飛散させ
かつ引続き共振器から水平の衝撃成分で振飛ばされた溶
融物粒子を該粒子が方向付けられたガス流内を飛行する
過程で冷却することにより球状金属粉末を製造する方法
に関する。

液状金属流を自由落下する金属流束の形で円筒状容器の
上端から圧搾ガスによって飛散させることは公知である
。金属粒子は圧搾ガスによって鉛直な容器軸線の方向に
加速される、従って金属粒子が十分に冷却されるまでに
相応して長い落下路が生じ、この落下路は容器の全高に
不都合に影響する。この場合、いかなる場合でも焼結し
て団塊になることを確実に阻止するためには、金属粒子
の十分な冷却が行なわれねばならないことに留意すべき
である。

更に、この形式で製造される金属粒子の落下路を、容器
横断面全体を満す冷却ガス流を金属粒子の落下路とは反
応方向で、しかも粒子の向きを変えずに容器を貫流させ
ることにより短縮することが公知である。

これらの公知方法は°′金属気化°′とも称される。こ
れらの方法は粒度スペクトルが不都合に広いという欠点
と結び付いている。

従って、金属流を一定の波長で振動するガス柱内で飛散
させる方法が記載された（西ドイツ国特許出願公開第２
６・５６３３０号明細書λ又は、金属流を薄層の形で、
水平に対して傾斜した飛散面を有する超音波共振器上で
拡開させ、該面上で金属層を微細な滴に分解しかっ該滴
をまず水平な衝撃成分によって共振器表面に対して直角
方向で振飛し、次いで金属粒子を共振器表面を離れた後
に弾道学的飛行軌道を取らせ、その適当な長い道程で十
分に冷却させる（英国特許第２０７３６１６号明細書）
。

−面では、金属の超音波飛散法は所望の狭い粒度スペク
トルをもたらし、この場合多面では、高速のガス流を断
念せざるを得なかった、それというのも高速のガス流で
は望ましくない粒度スペクトルをもたらすことを恐れた
からである。従って、公知の超音波飛散法は一般には静
止したガス雰囲気内で、最悪Ω場合には振動するガス雰
囲気内（西ドイツ国特許出願公開第２６５６３３０号明
細書）で実施された。しかしながら、この方法では、飛
散工程の終了後に相応して長い飛行軌道が必要であり、
ひいては大きな室又は容器を必要とする。これらの容器
は特に大きな水平方向の拡大部を有する、それというの
も飛散のだめに利用される共振器表面は水平方向に対し
て鋭角で配向されており、従って飛行軌道は著しい水平
方向の成分を有するからである（英国特許第２０７３６
１６号明細書、第８図）。これに起因する低い硬化速度
は少ない処理量ないしは低い生産性をもたらす。更に、
低い冷却速度のために個々の粒子内に粗い結晶構造が観
察される、即ちこのことは多くの用途のために好ましく
ない比較的粗なマイクロ組織を有する。

冒頭に記載した形式の方法は、西ドイツ国特許出願公開
第１５５８３５６号明細書から公知である。この場合、
特に金属粉末の酸化のだめに利用されるガスの流動方向
は、粉末の運動方向に対して反対方向に配・向されてい
る。更に、ガスの供給はほぼ飛行軌道の終端部から又は
粉末の捕集ホラ・ξ−内への流入直前で行なわれる。こ
のような手段の急却作用は低くかつまた容器寸法の縮少
も所望の程度では不可能である。

英国特許第１０８４９０８号明細書から、金属粉末の製
法が公知であシ、該方法は溶融物粒子を方向付けたガス
流によって固定面に対して吹付けることから成シ、しか
しこの方法によっては球状の粒子は得られない。超音波
で振動する飛散面は水平方向に配向されている、従って
個々の粒子は水平な衝撃成分を得ない。溶融物粒子は原
理的に高さ方向で加速されかつ飛散面上に再落下する。

飛散面上で大量の溶融物が捕集されるようにするには、
溶融物粒子の水平方向の変倚が可能であるにすぎない。

専ら個々の振動する溶融物粒子間の二次衝撃によって、
飛散面の縁部に向かう漸進的強制が行なわれる、従って
次いで更に溶融物粒子は配向されたガス流の領域内に達
する。しかしながら、この形式では狭い粒子スペクトル
は得られない。

球状金属粉末を製造する際に留意すべきことは、こうし
て製造された金属粉末の重要な適用分野が複雑化された
かつ高い負荷を受ける構成部材例えば飛行機部品の製造
であることである。この場合には、必要な合金は鋳造工
程では十分に微細な粒子組織を形成しない。従って、こ
のような成形部品は、できるだけ微細なマイクロ組織を
得るために、金属粉末からプレス加工しかつ焼結させる
手段が取られる。この要求はもちろん得られた金属粉末
の粗なマイクロ組織には相反する。

従って、本発明の課題は、コン・にクトな装置で高い生
産性を伴って実施することができ、それにもかかわらず
無定形構造に至るまでの微細なマイクロ組織をもたらす
冒頭に記載の形式の方法を提供することであった。

前記課題は、本発明により冒頭に記載した方法において
、金属粒子にその弾道飛行の開始時点で飛行方向に対し
てほぼ直角方向で配向した冷却ガス流を衝突させかつ別
の弾道飛行軌道に転向させることにより解決される。

この手段は、共振器が水平に対して傾斜した飛散面を有
し、それにより溶融物粒子が水平な衝撃成分を得るとい
う特徴との直接的関係において理解されるべきである。

それによって、溶融物の個々の体積要素は飛散面上でほ
とんど同じ滞留時間を有し、一方英国特許第１０８４９
０８号明細書記載の方法における振動する粒子の滞留時
間は極めて大きくかつ分解に依存する。公知技術水準に
おいては、個々の溶融物粒子が即座に水平な飛散面の縁
部を越えて押出され、その他の溶融物粒子は飛散面上に
屡々衝突することにより多数の鉛直方向の衝撃を得ると
いう現象が生じ得る。

従って、弾道飛行は、冷却ガス流を無視すれば、大砲が
例えば水平に対して一一一番４５度に傾けられている場
合の砲弾の飛行に一致する。

冷却ガス流に関する転向作用に関して説明すれば、飛行
方向に対して直角方向に作用する衝撃を金属粒子忙及１
１す、しかも西Ｐイッ国特許出願公開第１５５８３５６
号明細書記載の方法とは異なシ、弾道飛行の十分に初期
に及ぼす高速のガス流を使用する。従って、公知のガス
流とは異なり極めて有効なかつ著しく早期の冷却を行な
い、更に水平成分に基づいて飛行運動の鉛直成分が増大
される。それにより、金属粒子は新たな、但しこの場合
も弾道飛行軌道を強制される、すなわち粒子はそれが完
全に硬化する以前には堅い表面に衝突しない。従って、
破裂が生じない。

本発明の技術的手段によれば、硬化するまでの飛行道程
が比較的長いにもかかわらず、著しくコン・セクトであ
シ、しかも高い金属装入量で装入することができる容器
を製作することができる。更に、高い吹付は速度によシ
、金属粒子の著しく急速な冷却が行なわれ、従って無定
形構造に至るまでの微細なマイクロ組織が得られる。こ
の場合驚異的にも、冷却ガス流を用いるにもかかわらず
狭い粒度スペクトルが得られることが判明した。このこ
とは金属粒子が飛散面を離れかつその最終的粒度を得た
後に初めて冷却ガスが作用することに起因する。

この場合、冷却ガスとしては、製造すべき金属粉末が好
ましからぬ反応を起さない全てのガスが該当する。冷却
ガスは室温で供給することができる。適当な高さの圧力
、例えば２〜２０・ぐ−ルの圧力を有する冷却ガスを供
給すると、冷却ガスが例えば１パールの圧力に放圧する
際に著しい断熱的な冷却が生じ、このことが冷却効果に
有効に作用する。ガスは温度が大きければ更にまた大き
な密度を有する。

この場合、本発明の特に有利な実施態様によれば、冷却
ガス流をノズルを用いて発生させ、その際ノズル軸線を
、溶融物粒子がガス流によって転向せしめられた後はぼ
ガス流と同じ方向で継続運動し、しかもそれが硬化する
以前には堅い表面には到達しないように配向する。ノズ
ルによって金属粒子に吹付けることによシ、金属粒子に
対するガス分子の高い衝撃が作用せしめられ、ひいては
強力な冷却を惹起する。その際に、溶融物粒子はガス粒
子と一緒に同一方向に更に運動せしめられ、この場合運
動速度における不可避的な差によって熱交換が完全化さ
れる。

本発明のもう１つの有利な実施態様によれば、金属粒子
にその継続的飛行道程で、先行せる飛行軌道区間に対し
てほぼ直角方向に配向された少なくとも１つの別の冷却
ガス流を衝突させる。この場合には、相応するノズルを
、金属粒子に反対方向の運動方向を強制する形式で金属
粒子の飛行軌道区間に対して方向付けることができる。

これにより、金属粒子をほぼジグザグに方向の異なる冷
却ガス流内を貫通させ、それにより熱交換を著しく強化
することができる。

また、本発明は、超音波共振器と該共振器に配属された
溶融物供給装置とから成る、本発明方法を実施する装置
に関する。この本発明による装置は、冷却ガスノズルを
有しており、該ノズルが共振器の下縁部の上方に配置さ
れておりかつ該ノズルの軸線が共振器の飛散面に対して
ほぼ平行に下向きに方向付けられていることを特徴とす
る。

金属粒子は共振器の飛散面をほぼ垂直方向で飛散すると
いう事実を考慮すれば、冷却ガスノズルから出発したガ
ス流は金属粒子をその先行せる飛行軌道に対して直角方
向で捕捉する、従って望ましい強力な冷却が行なわれる
。この場合、ノズル軸線から共振器の表面までの距離は
、金属粒子が共振器の表面に対してほぼ直角方向で運動
しない限りは、ガス流によって捕捉されないような大き
さに選択されていると理解されるべきである。

その他の点では、共振器表面に対するノズル軸の最適な
配向は実験により確めることができる。冷却ガス流が共
振器表面から離れすぎると、冷却効果は明らかに低下す
る。それに対して、ノズル軸線を著しく共振器表面に近
づけると、目的効果において溶融物粒子の運動を妨害す
ることになシ、かつ粒子が相互に又は共振器の駆動装置
に向かって飛ばされる事態が生じ得る。ノズル軸線の最
適な位置は、前記のようにして確めることができる。こ
の位置は、ノズル軸線が共振器の表面に対してほぼ平行
に配向された際に達成される。

次に、図示の実施例につき本発明の詳細な説明する。

第１図には、薄壁中空円錐体の形状を有しかつ振動を実
施する状態にある共振器１が示されており、この場合最
大振幅は共振器１の下方縁部の領域にある。共振器を励
起させるためには、２つの圧電素子３によって励起され
る連結振動子２が作動する。振動の伝達は円筒体片生を
介して行なわれ、該円筒体上に共振器１がネック部５及
び図示されていないねじ結合によって載設されている。

この種の共振器を有する振動可能な系は西ドイツ国特許
出願公開第２９０６８２３号明細書並びに英国特許第２
０７３６１６号明細書に記載されておシ、従ってここで
は詳細には説明しない。振動可能な系は基板６及びねじ
７によって、図示されていない気密室の固定部分と結合
されており、該室内には十分な負圧及び／又は保護ガス
雰囲気を保持することができる。

共振器１の上方及び該共振器に対して同心的に、溶融物
供給装置８が配置されている。共振器１の円錐尖端に導
ひかれた溶融物は、共振器の下縁部に向かって膜厚さを
減少しながら拡開する。

いわゆる高速節は中空円錐体の尖端領域内並びに連結振
動子２と円筒体片手の移行領域内にある。従って、円錐
体尖端では溶融物の飛散は行なわれない。飛散強度は共
振器の下縁部に向かって一層増大しかつ溶融物飛沫は実
質的にその都度溶融物の下にある共振器の面部材から微
粉状飛沫ないしはミストの形で振飛ばされる。

振飛ばされた粒子の飛行軌道は点線で示されている。飛
行中に特別の影響を受けなければ、金属粒子は例えば弾
道学的飛行軌道９に従いかつ金属粉末のだめの捕集客器
として構成された室の底に著しく外側に拡散して捕集さ
れる。この際に、金属粉末は第１図から明らかなように
共振器１の領域内に凹所を有するほぼ回転対称形のかさ
状を描く。

飛行軌道に作用するためかつ金属粒子の効果的冷却ない
しは急冷のだめに、溶融物供給装置８に対して同心的に
、しかも共振器１の下縁部１１の上に冷却ガスノズル１
０が配置されている。冷却ガスノズル１０は、この実施
例の場合には、ノズルスリット１２が下及び外向きに傾
斜しているリングスリットノズルを形成する。

このノズルスリット１２は冷却ガスノズル１０の半径横
断面に対してノズル軸線１３を有する。この場合、全て
の可能な半径断面のノズル軸線は、共振器１の円錐状飛
散面１４と実質的に同じ開き角度を有する円錐面内にあ
る。しかしながら、両者の円錐面は実験的に確認される
程度で軸線方向でずらされている、即ち全てのノズル軸
線１３は飛散面１４のかなり上にある。

前記配置形式から、全てのノズル軸線が飛散面のその都
度の所属の母線に対して平行に延びることが達成される
。

冷却ガスノズル１０はガス供給導管１５と接続されてお
り、該ガス供給導管を介して適当な冷却ガス、例えばヘ
リウムが供給される。ノズルスリット１２から、相応す
る寸法規定及び圧力段階で高速で流動する回転対称のガ
スカーテンから噴出し、該ガスカーテンの進路は少なく
とも初期は、全てのノズル軸線１３が存在する円錐面に
一致する。

このようにして、金属粒子は、飛行軌道９の著しく下に
ある飛行軌道に転向される。選択された配置形式により
、ガスカーテンは共振器１の表明の直ぐ近くで金属粒子
の最初の飛行軌道に対してほぼ９０°の角度で配向され
る。しかしながら、ガスカーテンにより金属粒子はほぼ
ノズル軸線の方向に転向される、従って金属粒子はガス
流とはほぼ同じ方向で更に運動せしめられる。

更に、冷却がス１ｏの下には、もう１つの冷却ガスノズ
ル１０ａを配置することができる、該ノズルは実質的に
同じ構造原理を有し、但しそのノズルスリッ）１２ａが
上向きに傾斜して配向されており、従って記入された矢
印の方向で噴出するガスカーテンが、冷却ガスノズル１
０の作用を受は丁得た金属粒子の飛行軌道にほぼ垂直に
再衝突する。この手段によれば、金属粒子の飛行軌道に
ジグザグ路を強制させ、該道程で金属粒子を有効に急冷
し、従って個々の粒子内部で所望のマイクロ組織を形成
させることができる。更に、それにより飛行軌道全体の
長さが有効に短縮されかつひいては室ないしは捕集容器
の直径が縮少される。

この場合も、ノズルスリット１２，１は、冷却ガスノズ
ルＩＱのノズル軸線１３が存在する円錐面の母線に対し
て垂直に延びる母線を有する円錐面内にある。

ガスカーテンの方向及び開き゛角度は一定の限界内で可
変であり、５この場合最適な配向は実験によシ規定可能
である。この場合、金属粒子はできるだけ別の冷却ガス
及び／又は共振器１の振動系に向けられないように配慮
すべきである。

第１図の実施例の変更形である第２図においては、共振
器１ａは中空円錐形ではなく、屋根面の形状を有する。

この場合、溶融物供給装置８ａは長方形横断面を有する
、従って金属溶融物は共振器１ａの長い区間上に供給す
ることができる。この場合にも、共振器１ａの棟の領域
内に高速節が１、一方直線状下縁部１１ａが最大振幅で
振動する。この場合にも、溶融物１６は共振器ｌａ上で
薄膜の形で開拡し、該薄膜の厚さは下縁部１１ａに向か
って減少し、最後には液状金属は小さな粒子１７の形で
図示の矢印の方向で振飛ばされる。この場合、飛行軌道
はまず平行に進行するが、但しその他の点ではこの種の
飛行軌道の公知の弾道学的経過に従う溶融物供給装置８
ａに対して鏡面対称的に、２つの直線的冷却ガスノズル
１８及び１９が配置されており、該ノズルの長方形のノ
ズルスリット２０及び２１は、ノズル軸線２２及び２３
が共振器１ａの夫々所属の屋根面に対して平行に延びる
ように配向されている。この場合、冷却ガスノズルのノ
ズル軸線全部は夫々ノズルの対称面内にある。全ての配
置形式は完全に鏡面対称でありかつ第１図記載の実施例
に類似している。

第２図の装置は、仮定の垂直な対称面の一方側にある装
置の半分だけが存在する場合でも本発明の技術思想によ
れば完全に有効であると理解されるべきである。この場
合には、溶融物供給装置８ａが側方にずらされて、溶融
物流が完全に共振器ｌａ上に達するように配慮するだけ
で十分である。このことからも、共振器は、その上に薄
膜の形で施された溶融物が遅くとも共振器の下縁部の領
域で飛散される条件を満足する限シ、広い範囲内で変更
可能であることが明らかである。

ここまで説明して来た実施例は、゛共振器が固有振動を
実施する振動可能な系に関する。しかしながら、本発明
の原理はその１まで、超音波発生器と固定結合された共
振器に転用可能である。このような場合は、例えば超音
波発生器と結合された傾Ｍした中実円筒体の端面に液状
金属噴流が衝突しかつ金属粒子が衝突面の法線の方向で
空間内を加速する場合に生じる。それによって形成され
た飛沫流が完全に類似した形式で相応して配向された冷
却ガスノズルを経て吹付けられると直ちに、前記の、結
果をもたらす。

もう１つの適用分野は、合金アルミニウム粉末の製造で
ある。例えば若干のアルミニウム合金の場合には一定の
合金配分を上回ると硬化際に解離が起る。しかしながら
、本発明の高速冷却によれば、著しく高い合金配分が粉
末粒子内に合金状態で維持される。

【図面の簡単な説明】

第１９図は、本穐明の装置の１実施例の鉛直断面図、第
２図は、別の実施例の第１図に相応する略示断面図であ
る。 １　、　ｌ　ａ−共振器、１０，１０ａ　、１８．１９
・・・冷却ガスノズル、１１，１１ａ・・・共振器の下
縁部、１３，２２，２３・・・ノズル軸線、１４・・・
飛散面 ↓↓ ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水平に対して傾斜した飛散面を有する超音波周波数
   で振動する共振器によって液状金属流を飛散させかつ引
   続き共振器から水平の衝撃成分で振飛ばされた溶融物粒
   子を該粒子が方向付けられたガス流内を飛行する過程で
   冷却することによシ球状金属粉末を製造する方法におい
   て、金属粒子をその弾道飛行の開始時点で飛行方向に対
   してほぼ直角方向で方向付けられた冷却ガス流と衝突さ
   せかつ別の弾道飛行軌道に転向させることを特徴とする
   、球状金属粉末を製造する方法。 ２、　冷却ガス流をノズルで発生させ、その際にノズル
   軸線の溶融物粒子に対する向きを、溶融物粒子がそのガ
   ス流による転向後にほぼガス流と同じ方向で更に運動し
   、しかも硬化前には堅い表面に衝突しないよう１に規定
   する、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３　金属粒子にその飛行を継続する途中で、先行せる飛
   行軌道区分に対してほぼ直角方向に方向付けられている
   少なくとも１つの別の冷却ガス流を働突させる、特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 屯　水平に対して傾斜した飛散面を有する超音波周波数
   で振動する共振器によって液状金属流を飛散させかつ引
   続き共振器から水平の衝撃成分で振飛ばされた溶融物粒
   子を該粒子が方向付けられたガス流内を飛行する過程で
   冷却することにより球状金属粉末を製造する装置であっ
   て、水平に対して傾斜した飛散面及び該飛散面に配属さ
   れた溶融物供給装置を有する超音波共振器から成る形式
   のものにおいて、冷却ガスノズル（１０，ｌｏａ　、１
   ８゜１９）を有しており、該ノズルが共振器（１，１ａ
   ）の下縁部（１１，１ｌａ）の上方に配置されておりか
   つ該ノズルの軸線（１３゜２２．２３）が共振器の飛散
   面（１４）に対してほぼ平行に下向きに方向付けられて
   いることを特徴とする、球状金属粉末を製造する装置。 ５、共振器（１）が円錐状の飛散面（１４）を有しかつ
   冷却ガスノズル（１０）が、共振器に対して同心的に配
   置された環状スリットノズルとして構成されている、特
   許請求の範囲第４項記載の装置。 ６、　共振器（１ａ）が水平に対して傾斜した少なくと
   も１つの平坦な飛散面を有しかつ冷却ガスノズル（１８
   ，１９）が、飛散面に対して水平かつ平行に延びる細長
   いスリット状ノズルとして構成されている、特許請求の
   範囲第４項記載の装置。