JP2002220601A

JP2002220601A - Ｄｃ熱プラズマ処理による低酸素球状金属粉末の製造方法

Info

Publication number: JP2002220601A
Application number: JP2001019722A
Authority: JP
Inventors: Makoto Akai; 誠赤井
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】 DC熱プラズマ処理による酸素量1000ppm以下
の低酸素球状金属粉末の製造方法を提供する。【解決手段】直流電源の使用にて発生させたDC熱プラ
ズマ中に原料金属粉末を通過させて処理する、酸素量が
1000ppm以下の球状金属粉末の製造方法であって、その
プラズマ動作ガスに純度99.9vol%以上の不活性ガスと純
度99.9vol%以上の水素ガスの混合ガスを用い、かつその
混合ガスの水素量を0.5〜20vol%とする。あるいは、原
料金属粉末の通過するDC熱プラズマ領域の最高温度を原
料金属粉末の融点以上、10000℃以下とする。あるい
は、上記条件を組み合わせたものである。上記にて、具
体的には、原料金属粉末の酸素量を1000ppm以下とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱プラズマ処理に
よる低酸素球状金属粉末の製造方法に関し、主としてＤ
Ｃ熱プラズマを用いた金属粉末の球状化に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】熱プラズマ中に金属粉末を投入、通過さ
せることによって、その表面張力により金属粉末を球状
化する技術は広く知られている。これは、真空ないしは
雰囲気保持の可能なタンク内に発生させたプラズマ中に
原料金属粉末を投入、通過させ、その原料金属粉末が飛
行している短時間のうちに溶融、球状化、凝固させて、
堆積した金属粉末を回収するという製造技術である。本
技術に関して、例えば特開昭６３−４５３０９、特開昭
６３−２４３２１１、特開昭６３−２４３２１２などの
手段が提案されている。

【０００３】一例の概略を図１に示す。原料金属粉末
は、給粉機１から給粉パイプ２を通じてプラズマガン３
に給粉される。そして、その原料金属粉末をプラズマ火
炎４に吹き込むことによって、溶融しながら飛行、プラ
ズマ火炎を外れた時点で凝固し、軌跡５を描いて回収ボ
ックス６内に球状金属粉末７として堆積する。この際、
タンク８によって大気と遮断されているため、粉末の酸
化は抑えられる。

【０００４】プラズマの発生方法は、高周波電源を使用
するＲＦ法と、直流電源を使用するＤＣ法の二種類が知
られている。そして、どちらの方法もプラズマ動作ガス
には、Ａｒなどの不活性ガス、水素などの還元性ガスが
使用される。

【０００５】ＲＦ法は、コイルからの電磁誘導によって
加熱するために、電極が不要であり、そして、ガスの流
速が遅く、ガス使用量も少ない。更に、プラズマ発生領
域の上部に別段の加熱機器を設置する必要が無いため、
原料金属粉末の投入が容易である。また、プラズマ火炎
がコイル内部全体で発生するために、局所的な高温部位
が発生し難いという特徴を持つ。反面、電源効率が低
く、電源を大型化し難いという課題がある。

【０００６】これに対して、ＤＣ法は電極の消耗、プラ
ズマ温度分布の不均一といった課題があるも、電源効率
に優れ、装置の大型化が可能であるという利点を持つこ
とから、工業的量産の上で有利な方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＤＣ法での熱プラズマ
処理は、球状金属粉末の量産製造の上で有効である。し
かし、ＤＣ法で発生させたプラズマは、プラズマガンか
ら遷音速〜超音速の速度で吹き出しており、その中心部
が最も高温で、１００００℃以上にも達する。つまり、
ガス流速が極めて速いために、粉末表面における熱伝達
係数が大きく、かつ、極めて高温な領域を通過するため
に、原料金属粉末が過熱し、その一部が蒸発してしま
う。蒸発した原料金属は、比較的低温な領域で処理後の
粉末表面に再凝縮し、ナノサイズの超微粉を発生する
が、この超微粉は表面エネルギーが極めて高いために、
大気（空気）中へ取り出した時点で容易に酸化され、金
属粉末の酸素量を増大させるという問題がある。

【０００８】さらに、要求される金属粉末の酸素量が１
０００ｐｐｍオーダー以下になってくると、プラズマ動
作ガス自体からの酸素持ち込みも問題となる。この問題
を防止するために、還元力の強い水素ガスを混合して用
いることもあるが、水素ガスは分子解離するエンタルピ
ーが必要であるため、安易な混合は不可避的に投入電力
の増加を招き、電極消耗の加速、プラズマ温度の上昇と
いった問題を引き起こす。

【０００９】ＲＦ法の場合には、電極が無いために、電
極消耗の問題は無い。また、ガス流速が遅いために、熱
伝達係数が比較的小さく、局所的な高温領域も発生しに
くいために、超微粉があまり発生しない。したがって、
ＲＦ法では比較的容易に実現できる１０００ｐｐｍ以下
の低酸素金属粉末処理であるが、ＤＣ法では極めて困難
な状態である。それであっても、溶射ガンや溶接用途と
して実績があり、大型化が可能なＤＣ法が工業的な生産
には好適であるため、ＤＣ法による球状金属粉末の製造
方法の抱える問題点を検討・解決する必要がある。

【００１０】そこで、本発明は、ＤＣ熱プラズマ処理に
よる酸素量１０００ｐｐｍ以下の低酸素球状金属粉末の
製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【００１１】本発明者は、ＤＣ法による熱プラズマ処理
に適用される各種条件について、その金属粉末の低酸素
化に与える影響を調査した。その結果、使用されるプラ
ズマ動作ガス、そして処理温度の影響が大きいことを突
きとめ、その最適条件を見いだすことで、本発明に到達
した。

【００１２】すなわち、本発明の第１の発明は、直流電
源の使用にて発生させたＤＣ熱プラズマ中に原料金属粉
末を通過させて処理する、酸素量が１０００ｐｐｍ以下
の球状金属粉末の製造方法であって、そのプラズマ動作
ガスに純度９９．９ｖｏｌ％以上の不活性ガスと純度９
９．９ｖｏｌ％以上の水素ガスの混合ガスを用い、かつ
その混合ガスの水素量を０．５〜２０ｖｏｌ％とするこ
とを特徴とするＤＣ熱プラズマ処理による低酸素球状金
属粉末の製造方法である。

【００１３】さらに、本発明の第２の発明は、直流電源
の使用にて発生させたＤＣ熱プラズマ中に原料金属粉末
を通過させて処理する、酸素量が１０００ｐｐｍ以下の
球状金属粉末の製造方法であって、原料金属粉末の通過
するＤＣ熱プラズマ領域の最高温度を原料金属粉末の融
点以上、１００００℃以下とすることを特徴とするＤＣ
熱プラズマ処理による低酸素球状金属粉末の製造方法で
ある。

【００１４】加えて、上記第１の発明と第２の発明を組
み合わせることを特徴とするＤＣ熱プラズマ処理による
低酸素球状金属粉末の製造方法である。そして、これら
本発明について、具体的には、原料金属粉末の酸素量を
１０００ｐｐｍ以下とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、工業生産の上で
有利なＤＣ法による熱プラズマ処理（以下、ＤＣ熱プラ
ズマ処理とも言う）に重点を置いて、それによる酸素量
１０００ｐｐｍ以下の球状金属粉末を達成し得るに必要
な条件を明確化したところにある。

【００１６】上述の通り、ＤＣ熱プラズマ処理による低
酸素球状金属粉末の製造にてその酸素量の増加の原因
は、処理系内への酸素の持ち込みと、超微粉が発生する
ことにある。そこで、この二点について対策を検討し
た。

【００１７】まず、処理系内への酸素の持ち込み抑制に
ついて述べる。タンク（処理系）内に残存する酸素を減
少させるためには、まずタンクの気密性を高め、そして
ポンプ容量を大きくして、到達真空度を上げることが好
ましい。この場合、容器サイズもあって、通常は０．１
〜１０Ｐａ程度となる。そして、不活性ガス置換、水素
プラズマの空吹きなどで残存酸素量を更に低減すること
が望ましい。しかし、これらの対策だけでは、処理後の
金属粉末の酸素量は低下するものの、その１０００ｐｐ
ｍ以下にまで引き下げることは困難である。

【００１８】そこで、本発明者は、プラズマの発生に使
用するプラズマ動作ガスの調整に注視して、その諸条件
による実験・検討を行なった。その結果、使用する動作
ガスに純度９９．９ｖｏｌ％以上に高めた不活性ガスと
水素ガスの混合ガスを適用し、かつその混合ガスに含ま
れる水素の添加量を０．５〜２０ｖｏｌ％に調整するこ
とで、その製造される球状金属粉末の酸素含有量を１０
００ｐｐｍ以下に低減でき得ることを見いだした。

【００１９】具体的には、本発明の第１発明として、直
流電源の使用にて発生させたＤＣ熱プラズマ中に原料金
属粉末を通過させて処理する、酸素量が１０００ｐｐｍ
以下の球状金属粉末の製造方法であって、そのプラズマ
動作ガスに純度９９．９ｖｏｌ％以上の不活性ガスと純
度９９．９ｖｏｌ％以上の水素ガスの混合ガスを用い、
かつその混合ガスの水素量を０．５〜２０ｖｏｌ％とす
るＤＣ熱プラズマ処理による低酸素球状金属粉末の製造
方法である。

【００２０】まず、本発明に使用するプラズマ動作ガス
には、Ａｒといった不活性ガスに、還元性付与のための
水素を混合したものを使用する。これにおいて、ガスの
純度が９９．９ｖｏｌ％を切ると、原料金属粉末の含有
し得る酸素量に対するガス中の酸素量が過剰になり、金
属粉末の酸化が激しくなる。ガス純度は高い方が無論望
ましいが、コストとの関係から、９９．９〜９９．９９
９９ｖｏｌ％程度の範囲の精製度で充分である。この
際、ガスに含まれる不純物については酸素量だけではな
く、酸素源となり得る物質、例えば水、二酸化炭素など
の量を低く抑えることも重要である。

【００２１】そして、本発明にて重要となるのが、上記
混合したガス中に占める水素量である。これが０．５ｖ
ｏｌ％を下回ると、水素混合による還元力効果が不足す
る。しかし、２０ｖｏｌ％上回ると、プラズマ温度が上
がり過ぎるため、上述したナノサイズの超微粉の発生助
長、最終的には処理後の球状金属粉末の酸素量増大につ
ながる。よって、本発明では、その混合ガスの水素量を
０．５〜２０ｖｏｌ％とすることが適正である。なお、
本発明におけるガス純度の測定方法としては、例えばガ
スクロマトグラフィなどで分析すればよい。水素添加量
については、流量計で調整することができる。

【００２２】次に、超微粉の発生抑制について述べる。
上記提案した本発明の第１の発明は、酸素量１０００ｐ
ｐｍ以下の球状金属粉末を得るに効果を有するが、ＤＣ
法による、特に処理開始直後の多量の超微粉発生を抑制
する手段も低酸素球状金属粉末の達成に有効となる。上
記発生した多量の超微粉は、粉末表面や容器壁などに付
着する。特に容器壁に付着した粉末は、これが処理後の
金属粉末に混入すると、酸素量が再度上昇する大きな原
因となる。この場合、トータルの処理粉末量を増やすこ
とで、混入する超微粉の比率を実質的に問題無いレベル
まで薄めることは可能であるが、本質的な解決方法では
ない。

【００２３】まず、超微粉の発生原因について調査した
ところ、投入した原料金属粉末がプラズマ火炎中心部の
１００００℃を越える高温部分を通過する際に、超微粉
が著しく発生することを明らかにした。そこで、原料金
属粉末がこのような高温のプラズマ火炎部分を通過しな
いよう制御すれば、超微粉の発生を抑制できる。

【００２４】具体的には、本発明の第２の発明として、
直流電源の使用にて発生させたＤＣ熱プラズマ中に原料
金属粉末を通過させて処理する、酸素量が１０００ｐｐ
ｍ以下の球状金属粉末の製造方法であって、原料金属粉
末の通過するＤＣ熱プラズマ領域の最高温度を原料金属
粉末の融点以上、１００００℃以下とするＤＣ熱プラズ
マ処理による低酸素球状金属粉末の製造方法である。

【００２５】なお、原料金属粉末がプラズマの高温部分
を通過しないようにするには、その投入方法（位置、角
度）を変更すれば良い。この他にも、原料金属粉末搬送
用のキャリアガスやプラズマ動作ガスの流量を増やす、
投入電力を下げる、タンク内圧を下げる、プラズマ動作
ガス中の水素量を可能な限り少なくする等の方法もプラ
ズマ温度を低下させるのに有効である。

【００２６】また、プラズマ動作ガスの流量は、投入電
力との比で決まる。ガス／電力比は、少なくとも１（Ｎ
Ｌ／ｋＷ・ｍｉｎ）以上、望ましくは２（ＮＬ／ｋＷ・
ｍｉｎ）以上が良い。但し、高すぎると未処理金属粉末
が出来るため、高くても１０（ＮＬ／ｋＷ・ｍｉｎ）程
度が上限となる。なお、ここで挙げたガス／電力比の上
下限は、処理する金属粉末の融点、沸点をも考慮して決
定することが望ましい。例えば、ステンレス粉末の球状
化処理の場合、５〜１０（ＮＬ／ｋＷ・ｍｉｎ）、Ｍｏ
粉末の球状化処理の場合、４〜８（ＮＬ／ｋＷ・ｍｉ
ｎ）がよい。

【００２７】処理中のタンク内圧は、６５０００Ｐａ以
下、望ましくは１００００Ｐａ以下とするのがよい。タ
ンク内圧はプラズマ温度や残存酸素の調整の面で低けれ
ば低いほど良いが、タンク内圧を下げると、プラズマ火
炎の長さが長くなり、粉末の壁面との衝突によって異形
粉が発生する原因となる。この意味からは、例えば１０
Ｐａ以上とすればよいが、これについてはタンク寸法、
ポンプ容量、ポンプ油寿命などとの兼ね合いで決定する
ことが望ましく、工業的実績も考慮すると、３０００Ｐ
ａ以上とするのが妥当である。

【００２８】なお、本発明の製造方法に供する原料金属
粉末であるが、その含有する酸素量は低ければ低いほど
望ましい。本発明の酸素量増加の抑制効果を発揮するた
めにも、１０００ｐｐｍ以下、さらには６００ｐｐｍ以
下としておくことが望ましい。

【００２９】その他、本発明の製造方法に適用できる金
属粉末についても述べておくと、例えば上述したものに
加えて、種々の高融点金属（Ｗ，Ｔａなど）、白金族金
属（Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｏｓなど）、その他の金属（Ｆ
ｅ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ）、およびこれらの合金等、あら
ゆる金属粉末が可能である。

【００３０】

【実施例】本実施例に使用したＤＣ熱プラズマ処理装置
について、そのプラズマガン部分の概略形状を図２に示
す。図２中、９はアノード電極、１０は給粉リング（ノ
ズルガイド）、１１は給粉ポート、１２はカソード電極
を表している。図２（ａ）は本発明の製造方法を達成す
べく、そのノズルガイドを延長し、給粉位置をノズル出
口から５ｃｍの位置とし、プラズマ火炎中心の高温部分
を避けるような角度で給粉するものである。なお、図２
（ｂ）は従来型のプラズマガン部分である。

【００３１】これら仕様による装置を用いて、酸素量５
００ｐｐｍのＭｏ原料粉末（融点：２６１０℃）をＤＣ
熱プラズマ処理した。その処理後の球状金属粉末の酸素
量を、処理条件含め、表１にまとめる。なお、原料金属
粉末の供粉位置については、プラズマ火炎中心部を高温
部とし、その周辺を低温部として表記、その具体的温度
については分光測色法により算出した（高温部：１２０
００℃、低温部：６０００℃）。高温部への給粉はプラ
ズマガン（ｂ）にて、低温部への給粉はプラズマガン
（ａ）にて行なった。また、各ガス純度はガスクロマト
グラフィによって測定し、混合ガス中の水素量は流量計
にて調整した。処理に供した原料金属粉末は１ｋｇであ
り、その含有酸素量は、処理後の球状金属粉末も同様、
１０ｇのサンプリングを３回行なうことで測定した。単
位はｐｐｍ（質量比）である。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１より、本発明の混合ガスあるいは熱プ
ラズマ処理温度にて得られた球状金属粉末の酸素含有量
はいずれも１０００ｐｐｍ以下であって、本発明の酸素
量増加の抑制効果が得られているものである。特に、本
発明の混合ガスと熱プラズマ処理温度を満たすものは更
なる効果が達成されており、７００ｐｐｍ以下にまで酸
素量の増加を抑えている。中でも条件の好ましいもの
は、原料粉末とほぼ同等か、寧ろ低いレベルまで、酸素
量を低減することが出来る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、ＤＣ熱プラズマ処理に
て酸素量の増加を抑えた金属粉末の球状化が達成でき、
具体的には酸素量１０００ｐｐｍ以下の低酸素球状金属
粉末を製造することが可能である。工業的生産にとって
欠くことのできない技術となり、本発明の価値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱プラズマ処理による球状金属粉末の製造装置
の一例を示す概略図である。

【図２】本発明の実施例に使用したＤＣ熱プラズマ処理
装置のプラズマガン部分を示す概略図である。

【符号の説明】

１．給粉機、２．給粉パイプ、３．プラズマガン、４．
プラズマ火炎、５．粉末の飛行軌跡、６．回収ボック
ス、７．球状金属粉末、８．タンク、９．アノード電
極、１０．給粉リング（ノズルガイド）、１１．給粉ポ
ート、１２．カソード電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源の使用にて発生させたＤＣ熱プ
ラズマ中に原料金属粉末を通過させて処理する、酸素量
が１０００ｐｐｍ以下の球状金属粉末の製造方法であっ
て、そのプラズマ動作ガスに純度９９．９ｖｏｌ％以上
の不活性ガスと純度９９．９ｖｏｌ％以上の水素ガスの
混合ガスを用い、かつその混合ガスの水素量を０．５〜
２０ｖｏｌ％とすることを特徴とするＤＣ熱プラズマ処
理による低酸素球状金属粉末の製造方法。
【請求項２】直流電源の使用にて発生させたＤＣ熱プ
ラズマ中に原料金属粉末を通過させて処理する、酸素量
が１０００ｐｐｍ以下の球状金属粉末の製造方法であっ
て、原料金属粉末の通過するＤＣ熱プラズマ領域の最高
温度を原料金属粉末の融点以上、１００００℃以下とす
ることを特徴とするＤＣ熱プラズマ処理による低酸素球
状金属粉末の製造方法。
【請求項３】請求項１、２の製造方法を組み合わせる
ことを特徴とするＤＣ熱プラズマ処理による低酸素球状
金属粉末の製造方法。
【請求項４】原料金属粉末の酸素量が１０００ｐｐｍ
以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載のＤＣ熱プラズマ処理による低酸素球状金属粉
末の製造方法。