JP6299873B2 - 水アトマイズ金属粉末の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水アトマイズ装置を用いた金属粉末（以下、水アトマイズ金属粉末ともいう）の製造方法に係り、とくに水アトマイズ後の金属粉末の冷却速度向上方法に関する。

従来から、金属粉末を製造する方法として、アトマイズ法がある。このアトマイズ法には、溶融金属の流れに高圧の水ジェットを噴射して金属粉末を得る水アトマイズ法、水ジェットに代えて不活性ガスを噴射するガスアトマイズ法がある。

水アトマイズ法では、ノズルより噴射した水ジェットで溶融金属の流れを分断し、粉末状の金属（金属粉末）とするとともに、水ジェットで粉末状の金属（金属粉末）の冷却も行ってアトマイズ金属粉末を得ている。一方、ガスアトマイズ法では、ノズルより噴射した不活性ガスにより溶融金属の流れを分断し、粉末状の金属とする。その後、通常、粉末状の金属を、アトマイズ装置の下に備えられた水槽、あるいは流水のドラム中に落下させて、粉末状の金属（金属粉末）の冷却を行ってアトマイズ金属粉末を得ている。

近年、省エネルギーの観点から、例えば電気自動車やハイブリッド車に使用されるモーターコアの低鉄損化が要望されている。従来、モーターコアは、電磁鋼板を積層させて製作されてきたが、最近では、形状設計の自由度が高い金属粉末（電磁鉄粉)を用いて作製したモーターコアが注目されている。このようなモーターコアを低鉄損化するためには、使用する金属粉末の低鉄損化が必要となる。低鉄損の金属粉末とするには、金属粉末を非晶質化（アモルファス化）することが有効であると考えられる。しかし、アトマイズ法で、非晶質化した金属粉末を得るためには、溶融状態を含む高温状態にある金属粉末を超急冷することにより、結晶化を防ぐ必要がある。

そのため、金属粉末を急冷する方法がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１には、溶融金属を飛散させつつ冷却・固化させ金属粉末を得る際に、固化するまでの冷却速度が10^５K/ｓ以上とする金属粉末の製造方法が記載されている。特許文献１に記載された技術では、飛散させた溶融金属を、筒状体の内壁面に沿って冷却液を旋回させることにより生じた冷却液流に接触させることにより、上記した冷却速度が得られるとしている。そして、冷却液を旋回させることにより生じた冷却液流の流速は5〜100m/sとすることが好ましいとしている。

また、特許文献２には、急冷凝固金属粉末の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された技術では、内周面が円筒面である冷却容器の円筒部上端部外周側より、冷却液を周方向より供給し円筒部内周面に沿って旋回させながら流下させ、その旋回による遠心力で、中心部に空洞を有する層状の旋回冷却液層を形成し、その旋回冷却液層の内周面に金属溶湯を供給して急冷凝固させる。これにより、冷却効率がよく、高品質の急冷凝固粉末が得られるとしている。

また、特許文献３には、流下する溶融金属にガスジェットを噴射して溶滴に分断するためのガスジェットノズルと、内周面に旋回しながら流下する冷却液層を有する冷却用筒体とを備える、ガスアトマイズ法による金属粉末の製造装置が記載されている。特許文献３に記載された技術では、溶融金属が、ガスジェットノズルと旋回する冷却液層とにより、二段階に分断され、微細化された急冷凝固金属粉末が得られるとしている。

また、特許文献４には、溶融金属を液状の冷媒中に供給し、冷媒中で溶融金属を覆う蒸気膜を形成し、できた蒸気膜を崩壊させて溶融金属と冷媒とを直接接触させて自然核生成による沸騰を起こさせ、その圧力波を利用し溶融金属を引きちぎりながら急速に冷却しアモルファス化して、アモルファス金属微粒子とする、アモルファス金属微粒子の製造方法が記載されている。溶融金属を覆う蒸気膜の崩壊は、冷媒へ供給する溶融金属の温度を冷媒に直接接触した場合に界面温度が膜沸騰下限温度以下で自発核生成温度以上の温度とするか、超音波照射するか、により可能であるとしている。

また、特許文献５には、溶融した材料を、液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給する際に、溶融した材料の温度を、液体冷媒と直接接触する際に、液体冷媒の自発核生成温度以上で溶融状態であるように設定し、さらに、液体冷媒の流れに入ったときの溶融した材料の速度と液体冷媒の流れの速度との相対速度差を10m/s以上となるようにして、溶融した材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて自発核生成による沸騰を生じさせ、微粒化すると共に冷却固化する微粒子の製造方法が記載されている。これにより、従来は困難であった材料でも、微粒子化、非晶質化することができるとしている。

また、特許文献６には、母材となる材料に機能性添加材を添加した原料を溶融し、液体冷媒の中に供給することにより、蒸気爆発により微細化するとともに冷却固化する際に冷却速度を制御することにより偏析のない多結晶又は非晶質である均質な機能性微粒子を得る工程と、この機能性微粒子と前記母材の微粒子とを原料として用いて固化して機能部材を得る工程とを具備する機能部材の製造方法が記載されている。

特開2010-150587号公報 特公平7-107167号公報 特許3932573号公報 特許第3461344号公報 特許第4793872号公報 特許第4784990号公報

通常、高温の溶融金属を急冷するために、溶融金属に冷却水を接触させても、溶融金属表面が冷却水と完全に接触することは難しい。というのは、冷却水が、高温の溶融金属表面（被冷却面）に触れた瞬間に、気化し、被冷却面と冷却水との間に蒸気膜を形成し、いわゆる膜沸騰状態となる。そのため、蒸気膜の存在により、冷却の促進が妨げられる。

特許文献１〜３に記載された技術は、冷却液を旋回させて形成した冷却液層中に溶融金属を供給して、金属粒子の周りに形成された蒸気膜を剥がそうとするものである。しかし、分断された金属粒子の温度が高いと冷却液層中では膜沸騰状態になりやすく、しかも冷却液層中に供給された金属粒子は冷却液層とともに移動する。このため、冷却液層との相対速度差が少なく、膜沸騰状態を回避することは難しいという問題があった。

また、特許文献４〜６に記載された技術では、連鎖的に膜沸騰状態から核沸騰状態になる蒸気爆発を利用して、溶融金属を覆う蒸気膜を崩壊させて、金属粒子の微細化、さらには非晶質化を図るとしている。蒸気爆発を利用して膜沸騰の蒸気膜を取り去ることは有効な方法であるが、膜沸騰状態から連鎖的に核沸騰状態にして蒸気爆発を生じさせるためには、図６に示す沸騰曲線からわかるように、少なくとも最初に、金属粒子の表面温度をMHF（極小熱流速；Minimum Heat Flux）点以下まで冷却する必要がある。図６は、沸騰曲線と呼ばれ、冷媒を液体とした場合の、冷却能力と被冷却材の表面温度との関係を模式的に示した説明図である。図６から、金属粒子の表面温度が高い場合には、MHF点温度までの冷却は、膜沸騰領域での冷却となる。膜沸騰領域での冷却では被冷却面と冷却水の間に蒸気膜が介在するため、弱冷却となる。そのため、金属粉末の非晶質化を目的としてMHF点以上から冷却を始めると、非晶質化のための冷却速度が不足するという問題があった。

また、特許文献1〜６に記載された技術では、ガスアトマイズ法を利用して金属粉末を製造しているが、ガスアトマイズ法では、アトマイズのために大量の不活性ガスを必要とするため、製造コストの高騰を招くという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、安価な金属粉末の製造方法である水アトマイズ法を利用し、金属粉末の急速冷却が可能で、非晶質状態の金属粉末とすることができる、水アトマイズ金属粉末の製造方法を提供することを目的とする。

通常の水アトマイズ法では、例えば、図７に示すような水アトマイズ金属粉末製造装置を利用して溶融金属の粉末化を行っている。溶融金属１は、タンディッシュ３等の容器から、溶湯ガイドノズル４を介して、チャンバー９内に、溶融金属流８として流下される。なお、チャンバー９内は、不活性ガスバルブ１１を開けて不活性ガス雰囲気としておくことはいうまでもない。流下された溶融金属流８に、ノズルヘッダー５に配設されたノズル６を介し噴射水（水ジェット）７を噴射し、該溶融金属流８を分断して金属粉末８ａとする。分断された溶融状態の金属粉末８ａは、その後の水ジェット（冷却水）による冷却により、凝固する。その際、溶解顕熱と凝固潜熱により冷却水（水ジェット）の温度が上昇する。そのため、膜沸騰状態から遷移沸騰状態に変わる温度（MHF点）が低下し、膜沸騰状態で冷却される時間が長くなる。よって、冷却速度が低下し、金属粉末を非晶質状態とするために必要な冷却速度を達成することができなくなる。

そこで、本発明者らは、上記した目的を達成するため、まず、噴射水を用いた冷却におけるMHF点におよぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、冷却水の温度および噴射圧の影響が大きいことを知見した。

まず、本発明者らが行った基礎的実験結果について、説明する。

素材としてSUS304鋼板（大きさ：20mm厚×150mm幅×150mm長さ）を用いた。なお、素材には、裏面から熱電対を挿入し、表面から1mmの位置（幅中央、長さ中央）の温度を測定可能とした。そして、素材を、無酸素雰囲気加熱炉に装入し、1200℃以上に加熱した。加熱された素材を取り出し、直ちに、該素材にアトマイズ用冷却ノズルから冷却水を、水量および噴射圧を変化させて噴射し、表面から1mmの位置の温度変化を測定した。得られた温度データから、計算で冷却時の冷却能力を推定した。得られた冷却能力から沸騰曲線を作成し、急激に冷却能力が上昇する点を膜沸騰から遷移沸騰に変わる点と判断し、MHF点を求めた。

得られた結果を図１に示す。

図１から、通常の水アトマイズ法で使用されている水温：30℃の冷却水を、噴射圧：1MPaで噴射すると、冷却水を噴射している状態でMHF点は700℃程度となる。一方、水温：10℃以下の冷却水を、噴射圧：5MPa以上で噴射すると、冷却水を噴射している状態でMHF点は1000℃以上となることがわかる。すなわち、冷却水の温度（水温）を10℃以下と低くすること、および、噴射圧を5MPa以上と高くすることにより、MHF点が上昇し、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度が1000℃以上と高温となることを見出した。

通常、溶融金属をアトマイズした後の金属粉末の温度は、1000〜1300℃程度の表面温度を有しており、このような金属粉末の表面温度以下のMHF点を有する冷却能力の水噴射冷却で冷却を開始すると、冷却開始時は、冷却能が低い膜沸騰領域の冷却となる。このことから、MHF点が溶融状態を含む金属粉末の表面温度より高い水噴射冷却で冷却を開始すれば、少なくとも遷移沸騰領域から金属粉末の冷却を開始することができ、膜沸騰領域に比べて冷却が促進され、金属粉末の冷却速度を著しく高くすることができる。

しかし、通常の水アトマイズ法では、溶融金属流に噴射した冷却水(水ジェット)の温度が上昇し、金属粉末を非晶質状態とするために必要な、所望の急速冷却を達成することができない。そこで、本発明者らは、溶融金属流に水ジェット（噴射水)を吹き付けて溶融金属流を分断し冷却する冷却（一次冷却）に加えてさらに、分断された金属粉末に二次冷却を施すことに想到した。

そして、二次冷却として、本発明者らは、一次冷却により分断された溶融状態を含む金属粉末にさらに、新しい冷却水、好ましくは、噴射圧：5MPa以上でかつ水温：10℃以下の冷却水を供給する冷却を施すことが有効であることを見出した。さらに、二次冷却は、溶融状態を含む金属粉末の表面温度が、二次冷却のMHF点以下で非晶質化のための必要冷却開始温度以上の温度範囲から行うことが効率的であることを知見した。

また、分断され、冷却（一次冷却）された、溶融状態を含む金属粉末を、冷却水と一緒に容器に収容して二次冷却を行うことによっても、二次冷却のMHF点が高温となり、冷却能が向上することを知見した。この知見の基礎となった実験結果について、つぎに説明する。

素材としてSUS304鋼板（大きさ：20mm厚×150mm幅×150mm長さ）を用いた。なお、素材には、裏面から熱電対を挿入し、表面から1mmの位置（幅中央、長さ中央）の温度を測定可能とした。そして、素材を、無酸素雰囲気加熱炉に装入し、1200℃以上に加熱した。加熱された素材を取り出し、該素材の上に、枠（幅148mm×長さ148mm×高さ50mm）を、素材と枠とにより冷却水が溜まる容器を構成するように置いた。直ちに、該素材にアトマイズ用冷却ノズルから冷却水を、水温および噴射圧を変化させて噴射し、表面から1mmの位置の温度変化を測定した。得られた温度データから、計算で冷却時の冷却能力を推定した。得られた冷却能力から沸騰曲線を作成し、急激に冷却能力が上昇する点を膜沸騰から遷移沸騰に変わる点と判断し、MHF点を求めた。

得られた結果を図２に示す。なお、図２には、図１の枠無しの場合も併記した。

図２から、素材（鋼板）の上に枠を置き、容器状（枠あり）とすることにより、枠無しの場合に比べて、MHF点が上昇することがわかる。図２から、このMHF点の上昇は水温が30℃以下である場合に顕著になることを知見した。これは、容器状（枠あり）とすることにより、容器内で冷却水が攪拌され、被冷却面の表面に沿う流れにより、水蒸気膜が剥がされやすくなり、冷却能が向上したためと考えられる。また、容器内の水溜り面に水が高速で衝突する際に発生する衝撃波が、膜沸騰から遷移沸騰へと移りやすくし、冷却能を向上させたためとも考えられる。

このような衝撃波の影響が有効であることから、さらに本発明者らは、水アトマイズ法で、粉末状に分断された溶融金属あるいは金属粉末が、冷却水とともに落下していく経路上に、二次冷却の手段として衝突板を配設すれば、同様に冷却能の高い冷却となることを知見した。

このような冷却能が高い冷却方法で金属粉末を冷却すれば、金属粉末の非晶質化に必須である、結晶化温度域の急冷が容易に実現可能となることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）溶融金属流に水を噴射し、該溶融金属流を分断して金属粉末とし、該金属粉末を冷却する水アトマイズ金属粉末の製造方法において、前記冷却に加えて前記金属粉末にさらに、前記金属粉末の表面温度より高い極小熱流速点（MHF点）を有する冷却能力の二次冷却を施し、前記二次冷却は、前記冷却後の前記金属粉末の温度が該二次冷却における極小熱流速点（MHF点）以下で非晶質化のための必要冷却開始温度以上の温度範囲から行う、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
（２）（１）において、前記二次冷却が、前記溶融金属流の分断に使用する水とは異なる水を使用して、水噴射を行う冷却である、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
（３）（２）において、前記水噴射を行う冷却が、水温：10℃以下、噴射圧：5MPa以上の噴射水を使用する冷却である、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
（４）（１）において、前記二次冷却が、前記冷却後の冷却水、該冷却水とともに落下する分断された溶融金属、および金属粉末の落下経路上に設置された容器による冷却である、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
（５）（１）において、前記二次冷却が、前記冷却後の冷却水、該冷却水とともに落下する分断された溶融金属、および金属粉末の落下経路上に設置された衝突板による冷却である、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
（６）（４）又は（５）において、前記冷却が、前記水温：30℃以下、あるいはさらに、噴射圧：5MPa以上の水を噴射し、前記溶融金属流を分断して金属粉末とし該金属粉末を冷却する、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
（７）（１）ないし（６）のいずれかにおいて、前記溶融金属が、Fe−B系合金、あるいはFe−Si−B系合金からなり、前記水アトマイズ金属粉末が非晶質金属粉末を90％以上含有する粉末である、水アトマイズ金属粉末の製造方法。

本発明によれば、簡便な方法で、10^５K/ｓ以上の、金属粉末の急速冷却が可能となる。これにより、圧粉磁芯の製造に有利な、非晶質状態の水アトマイズ金属粉末の製造が容易となり、低鉄損の圧粉磁芯用金属粉末を容易に、しかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、形状が複雑な低鉄損の圧粉磁芯の製造が容易となるという効果もある。また、水アトマイズ粉は球形になりにくいので、ガスアトマイズ粉よりは、圧粉磁芯の製造用として好適であるという効果もある。

また、非晶質化の臨界冷却速度は、代表的なアモルファス合金である、Fe−B系合金（Fe_８３B_１７）では1.0×10^６K/s、Fe−Si−B系合金（Fe_７９ Si_１０ B_１１）では、1.8×10^５K/s、がそれぞれ例示されているが、本発明によれば、このような、非晶質化の臨界冷却速度を確保することは容易であるという効果もある。

図１は、MHF点に及ぼす冷却水の水温および噴射圧の影響を示すグラフである。 図２は、MHF点と冷却水の水温および噴射圧の関係に及ぼす「枠」の影響を示すグラフである。 図３は、本発明の実施に好適な、水アトマイズ金属粉末製造装置の概略構成の一例を模式的に示す説明図である。 図４は、本発明の実施に好適な、水アトマイズ金属粉末製造装置の概略構成の一例を模式的に示す説明図である。 図５は、本発明の実施に好適な、水アトマイズ金属粉末製造装置の概略構成の一例を模式的に示す説明図である。 図６は、沸騰曲線の概略を模式的に示す説明図である。 図７は、従来の水アトマイズ金属粉末製造装置の概略構成を模式的に示す説明図である。

本発明では、まず、原料である金属材料を溶解し、溶融金属とする。原材料として使用する金属材料としては、従来から粉末として使用されている純金属、合金、銑鉄等がいずれも適用できる。例えば、純鉄、低合金鋼、ステンレス鋼などの鉄基合金、Ni、Cr等の非鉄金属、非鉄合金、あるいはアモルファス合金（非晶質合金）としてFe−B系合金、Fe−Si−B系合金、Fe−Ni−B合金等が例示できる。なお、上記した合金は、上記した元素以外の元素を不純物として含む場合があることは言うまでもない。

なお、金属材料の溶解方法はとくに限定する必要はないが、電気炉、真空溶解炉等の、常用の溶解手段がいずれも適用できる。

溶解された溶融金属は、溶解炉からタンディッシュ等の容器に移され、水アトマイズ金属粉末製造装置内で、水アトマイズ金属粉とされる。本発明で使用される好ましい水アトマイズ金属粉末製造装置の一例を図３に示す。

水アトマイズ法を利用する本発明を、図３を利用して、説明する。図３（ａ）は装置全体の構成を示す。図３（ｂ）は、水アトマイズ金属粉末製造装置１４の詳細を示す。

溶融金属１は、タンディッシュ３等の容器から、溶湯ガイドノズル４を介して、チャンバー９内に、溶融金属流８として流下される。なお、チャンバー９内は、不活性ガスバルブ１１を開けて不活性ガス雰囲気としておくことはいうまでもない。なお、不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスが例示できる。

流下された溶融金属流８に、ノズルヘッダー５に配設されたノズル６を介し、噴射水（水ジェット）７を噴射し、該溶融金属流８を分断し、更に冷却して金属粉末８ａとする。なお、溶融金属流８と噴射水（水ジェット）７とが接触する位置Ａは、溶湯ガイドノズル４から適正な距離だけ離れた位置とすることが、溶融金属流８を熱放射と不活性ガスの冷却作用により融点近傍まで冷却させるという観点、および噴射水７の飛び水が溶湯ガイドノズル４に接触するのを防ぐという観点から好ましい。

本発明で、溶融金属流８を分断するために、使用する噴射水（水ジェット）７は、溶融金属流８を分断できる程度の噴射圧を有する噴射水であれば、その噴射圧、水温は限定されないが、水温：30℃以下、あるいはさらに噴射圧：5MPa以上とすることが好ましい。とくに、水温が30℃超えと高いと、金属粉末の冷却速度が遅くなり、二次冷却を施しても、非晶質状態の金属粉末を確保できにくくなる。なお水温は、好ましくは10℃以下、さらに好ましくは5℃以下である。

本発明の水アトマイズによる金属粉末の製造では、上記したように位置Ａで、溶融金属流８に噴射水７を噴射し、溶融金属流の分断と、分断された金属粉末（溶融状態のものも含む）８ａの冷却（一次冷却）を、まず行う。さらに、金属粉末（溶融状態のものも含む）８ａに、上記した位置Ａから適正距離だけ離れた位置Ｂで、二次冷却を施す。

二次冷却としては、図３（ｂ）に示すように、冷却噴射水２１を噴射する冷却とすることが好ましい。二次冷却で使用する冷却噴射水２１の水温および噴射圧はとくに限定されないが、遷移沸騰状態、あるいはさらに核沸騰状態までの冷却とするために、MHF点が1000℃を超える高温となるように、水温：10℃以下の冷却水を、噴射圧：5MPa以上の冷却水とすることが好ましい。なお、冷却噴射水２１の噴射角度は、一次冷却水とともに落下する金属粉末に均一に噴射できるように、5〜45°とすることが好ましく、かつ、二次冷却を行うノズル２６は、2〜8本程度配置して、落下する金属粉末をほぼ全周から冷却することが好ましい。また、冷却噴射水２１は、溶融金属流８を分断するための噴射水とは異なる系統の水を使用してもよい。

二次冷却における冷却噴射水２１の液温（水温）が10℃を超えて高くなると、MHF点が低温となり、所望の冷却速度を確保できにくくなる。このため、二次冷却の冷却噴射水２１の液温（水温）は10℃以下に限定することが好ましい。なお、好ましくは8℃以下である。また、二次冷却における冷却噴射水２１の噴射圧が5MPa未満では、冷却水の水温が10℃以下となっても、MHF点が所望の温度となる冷却とすることができなくなり、所望の冷却速度を確保できにくくなる。このため、冷却噴射水２１の噴射圧は5MPa以上に限定することが好ましい。なお、噴射圧：10MPaを超えて高くしてもMHF点の上昇が飽和するため、噴射圧は10MPa以下とすることが好ましい。

なお、ここでいう「所望の冷却速度」とは、非晶質化を達成できる最低の冷却速度である、結晶化を防ぐための必要冷却温度範囲内での平均で10^５〜10^６Ｋ/ｓ程度の冷却速度である。

ここでいう「結晶化を防ぐための必要冷却温度範囲」とは、非晶質化のための必要冷却開始温度から冷却終了温度として第一結晶化温度（例えば400〜600℃）までの範囲をいう。非晶質化のための必要冷却開始温度としては溶湯の組成によって異なるが、例えば900〜1100℃が例示できる。

また、二次冷却は、冷却（一次冷却）後の金属粉末の温度が、二次冷却のMHF点以下で非晶質化のための必要冷却開始温度以上の温度範囲から行うことが好ましい。冷却後の金属粉末の温度が二次冷却のMHF点超えでは、二次冷却を遷移沸騰状態あるいはさらに核沸騰状態までの冷却とすることができず、所望の冷却速度を確保できにくくなる。また、冷却後の金属粉末の温度が非晶質化のための必要冷却開始温度未満では、金属粉末の温度が低くなりすぎて、所望の冷却速度を確保できにくくなり、結晶化が進行しやすくなる。

噴射水７に用いられる冷却水は、水アトマイズ金属粉末製造装置１４の外部に設けられた、冷却水タンク１５（断熱構造）に、あらかじめ冷却水を低温に冷却するチラー１６などの熱交換器で低水温の冷却水として貯蔵しておくことが好ましい。なお、一般的な冷却水製造機では熱交換器内が凍結するために３〜４℃未満の冷却水を生成することが難しいため、氷製造機によって氷をタンク内に補給する機構を設けてもよい。さらに、冷却水タンク１５には、噴射水７に用いられる冷却水を昇圧・送水する高圧ポンプ１７、高圧ポンプからノズルヘッダー５に冷却水を供給する配管１８が配設されることはいうまでもない。

また、冷却噴射水２１に用いられる冷却水は、噴射水７に用いられる冷却水と同様に、水アトマイズ金属粉末製造装置１４の外部に設けられた、冷却水タンク１５（断熱構造）に、あらかじめ貯蔵された冷却水とすることが好ましい。冷却水タンク１５には、噴射水７に用いられる冷却水とは別系統で、冷却噴射水２１に用いられる冷却水を昇圧・送水する高圧ポンプ２７、高圧ポンプ２７から二次冷却用ノズル２６に冷却水を供給する配管２８が配設されることはいうまでもない。なお、配管の途中に、サージタンク、切替弁等を設けて、突発的に高圧水の噴射を行いやすくしてもよい。

なお、二次冷却は、分断された金属粉末８ａに、遷移沸騰状態、あるいはさらに核沸騰状態までの冷却を施すことが可能な冷却とすることが好ましい。そのため、二次冷却の開始位置（位置Ｂ：二次冷却用ノズルの位置）は、水アトマイズされた金属粉末８ａの表面温度が、二次冷却のMHF点以下で、かつ結晶化を防ぐための必要冷却開始温度以上となる位置とすることが好ましい。金属粉末８ａの表面温度は、アトマイズされた位置Ａと二次冷却の冷却開始位置（位置Ｂ）までの距離を変更することにより調整が可能である。そのため、二次冷却用ノズル２６は、上下方向に移動自在に配設することが好ましい。

また、二次冷却を、上記した冷却噴射水による冷却に代えて、位置Ａの下流側に配設された容器４１による冷却とすることが好ましい。この場合の、水アトマイズ金属粉末製造装置の一例を図４に示す。図４（ａ）は装置の全体を、図４（ｂ）は水アトマイズ金属粉末製造装置１４の詳細を示す。

容器４１は、溶融金属流８の分断とその後の金属粉末の冷却に用いられた冷却水（アトマイズ冷却水）、分断された溶融金属、および冷却途中の金属粉末の落下経路である、位置Ａの下流側の前記位置Ｂに配設される。位置Ｂは、金属粉末８ａの表面温度が、MHF点以下でかつ結晶化を防ぐための必要冷却開始温度以上となる位置であり、二次冷却開始位置とする。このような位置Ｂに容器４１（好ましくは容器の底面位置が位置Ｂとなるように）を配設することにより、容器内に冷却水が収容され水溜りを形成するとともに、容器内で冷却水が攪拌され、同時に収容された金属粉末の表面に沿う流れにより、金属粉末表面の水蒸気膜が剥がされやすくなる。また、容器内に形成される水溜り面に水が高速で衝突する際に発生する衝撃波が、膜沸騰から遷移沸騰への遷移を生じやすくする、と考えられる。

なお、配設される容器４１は、溶融金属流８の分断とその後の金属粉末の冷却に用いられた冷却水（アトマイズ冷却水、分断された溶融金属、および／または金属粉末が収容可能な程度の大きさの容器とすることが好ましい。容器が大きすぎると、衝撃波が発生しにくくなる。アトマイズ冷却水の量が、200L/min程度であれば、内径が50〜150mm、深さが30〜100mm程度の容器で十分である。容器は、強度的には金属製とすることが望ましいが、セラミック製としてもよい。

また、二次冷却を、上記した容器４１の配設による冷却に代えて、衝突板４２の配設による冷却としてもよい。この場合の、水アトマイズ金属粉末製造装置の一例を図５に示す。図５（ａ）は、衝突板４２が逆円錐型の場合であり、円盤型の場合を図５（ｂ）に、円錐型の場合を図５（ｃ）に、それぞれ示す。

衝突板４２は、容器４１と同様にアトマイズ冷却水、分断された溶融金属、および金属粉末の落下経路である、位置Ａの下流側の二次冷却開始位置（前記位置Ｂ）に配設する。このような位置に衝突板４２を配設することにより、衝突板４２にアトマイズ冷却水および金属粉末が衝突する際に発生する衝撃波により、金属粉末は、膜沸騰状態から遷移沸騰状態へと移りやすくなり、同様に、冷却能の高い冷却とすることができる。

衝突板４２は、アトマイズ冷却水、溶融金属、および冷却途中の金属粉末の落下経路を遮ることができればよく、その形状は、円盤型、円錐型、逆円錐型等が考えられるが、とくに限定する必要はない。落下経路に対し、垂直面を形成することができる形状とすることが衝撃波の発生に有効であることから、逆円錐型（図５（ｃ））とすることは避けることが好ましい。

以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。

（実施例１）
図３に示す水アトマイズ金属粉末製造装置を用いて金属粉末を製造した。

at％で、83％Fe‐17％BのFe−B系合金（Fe_８３B_１７）組成、および、at％で、79％Fe−10％Si−11％BのFe−Si−B系合金（Fe_７９ Si_１０ B_１１）組成となるように、それぞれ原料を配合（一部、不純物を含むこと避けられない）し、溶解炉２で約1550℃で溶解し、溶融金属を各約50kgfを得た。得られた溶融金属１を溶解炉２中で1350℃まで徐冷したのち、タンディッシュ３に注入した。なお、チャンバー９内は、あらかじめ不活性ガスバルブ１１を開けて窒素ガス雰囲気としておいた。また、溶融金属をタンディッシュ３に注入する前に、高圧ポンプ１７を稼動して、冷却水タンク１５（容量：10m^３）から冷却水をノズルヘッダー５に供給し、水噴射ノズル６から噴射水（流体）７が噴射された状態としておいた。また、二次冷却水用高圧ポンプ２７を稼動し、二次冷却水用バルブ２２を開放して、冷却水タンク１５（容量：10m^３）から冷却水を二次冷却用ノズル２６に供給し、冷却噴射水２１を噴射状態としておいた。

なお、溶融金属流８が、噴射水７と接触する位置Ａは、溶湯ガイドノズル４から80mmの位置に設定した。また、二次冷却用ノズル２６は、位置Ｂに設置した。位置Ｂとしては、上記した位置Ａから100〜800mmの各位置とした。また、噴射水７は、噴射圧：1MPaまたは5MPa、水温：30℃（±2℃）または8℃（±2℃）とし、また、二次冷却で用いる冷却噴射水２１の噴射圧は、5MPaとし、水温：20℃（±2℃）または8℃（±2℃）とした。なお、水温は、冷却水タンク１５の外部に設けられるチラー１６で調整した。

タンディッシュ３に注入された溶融金属１を、溶湯ガイドノズル４を介してチャンバー９内に、溶融金属流８として流下し、表１に示すように水温および噴射圧を変化させた噴射水（流体）７と接触させて、分断して金属粉末とするとともに、冷却水と混ざりながら冷却され、さらに二次冷却用ノズル２６から噴射された冷却噴射水２１で二次冷却して、回収口１３から金属粉末として回収した。なお、二次冷却を行わなかった例を比較例とした。また、二次冷却前の金属粉末の表面温度を、別途行った一次冷却の実験結果から推定した。また、二次冷却のMHF点は、別途行った実験から推定して、表記した。

得られた金属粉末について、金属粉末以外のゴミを除去したのち、Ｘ線回折法により、アモルファスからのハローピーク、および結晶からの回折ピークを測定し、両者の回折Ｘ線の積分強度比から結晶化率を求め、（1−結晶化率）からアモルファスの割合（アモルファス度：％）を算出した。アモルファス度（非晶質化率）が90％以上である場合を「○」とし、それ以外は「×」と評価した。

得られた結果を表１に示す。

本発明例はいずれも、アモルファス度が90％以上の水アトマイズ金属粉末となっている。このことから、本発明では、非晶質化の臨界冷却速度である1.8×10^５K/s〜1.0×10^６K/s以上の冷却速度が得られたことになる。一方、二次冷却を行わなかった比較例（粉末No.1、No.2）は、アモルファス度が90％未満であった。

なお、本発明例のうち、一部は、アモルファス度が低めとなっている。粉末No.3、No.6は、二次冷却の冷却噴射水の水温が高めであり、また、粉末No.7は、溶融金属流の分断のための噴射水の噴射圧が好適範囲を低く外れ、また、粉末No.8、No.9は、二次冷却の冷却開始位置が位置Ａに近いため、二次冷却の冷却開始温度がMHF点付近となり、アモルファス度が90％以上であるが、低めとなっている。また、粉末No.10は、二次冷却の冷却開始位置が位置Ａから離れているため、二次冷却の冷却開始までの時間が長くなり、粉体表面温度が低くなりすぎて冷却が遅くなり、アモルファス度が90％以上であるが、低めとなっている。また、粉末No.11は、二次冷却開始位置（位置Ｂ）が位置Ａから離れすぎ、金属粉末の温度が必要冷却開始温度未満となり、結晶化が進行したものと考えられる。
（実施例２）
図４に示す水アトマイズ金属粉末製造装置を用いて金属粉末を製造した。

at％で、83％Fe‐17％BのFe−B系合金（Fe_８３B_１７）組成、および、at％で、79％Fe−10％Si−11％BのFe−Si−B系合金（Fe_７９ Si_１０ B_１１）組成となるように、それぞれ原料を配合（一部、不純物を含むこと避けられない）し、溶解炉２で約1550℃で溶解し、溶融金属を各約50kgfを得た。得られた溶融金属１を溶解炉２中で1350℃まで徐冷したのち、タンディッシュ３に注入した。なお、チャンバー９内は、あらかじめ不活性ガスバルブ１１を開けて窒素ガス雰囲気としておいた。また、溶融金属をタンディッシュ３に注入する前に、高圧ポンプ１７を稼動して、冷却水タンク１５（容量：10m^３）から冷却水をノズルヘッダー５に供給し、水噴射ノズル６から噴射水（流体）７が噴射された状態としておいた。なお、位置Ａの下流側の冷却水および金属粉末の落下経路上に、金属製の容器４１を配設し、水アトマイズ後の冷却水と分断された金属粉末とを収容した。金属製の容器４１の大きさは、外径100mm×内径90mm×深さ40mmとした。

なお、溶融金属流８が、噴射水７と接触する位置Ａは、溶湯ガイドノズル４から80mmの位置に設定した。また、二次冷却用の容器４１は、位置Ｂに設置した。位置Ｂとしては、上記した位置Ａから100〜800mmの各位置（容器底の位置）とした。また、噴射水７は、噴射圧：3MPaまたは5MPa、水温：40℃（±2℃）または20℃（±2℃）とし、なお、水温は、冷却水タンク１５の外部に設けられるチラー１６で調整した。

タンディッシュ３に注入された溶融金属１を、溶湯ガイドノズル４を介してチャンバー９内に、溶融金属流８として流下し、表２に示すように水温および噴射圧を変化させた噴射水７と接触させて、分断して金属粉末とした。分断された金属粉末は、冷却水と混ざり、冷却されながら落下し、容器４１内に収容され、容器４１内で、冷却水とともに攪拌され、冷却されて、回収口１３から回収された。なお、容器内に収容された金属粉末は、落下する冷却水が容器内の水溜り面に高速で衝突する際に発生する衝撃波にも晒される。なお、二次冷却を行わなかった例を比較例とした。また、二次冷却前の金属粉末の表面温度、二次冷却のMHF点を（実施例１）と同様に推定して表中に併記した。

得られた金属粉末について、金属粉末以外のゴミを除去したのち、Ｘ線回折法により、アモルファスからのハローピーク、および結晶からの回折ピークを測定し、両者の回折Ｘ線の積分強度比から、実施例１と同様に、結晶化率を求め、（1−結晶化率）からアモルファスの割合（アモルファス度：％）を算出した。アモルファス度が90％以上である場合を「○」とし、90％未満を「×」と、同様に、評価した。

得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、アモルファス度が90％以上の水アトマイズ金属粉末となっている。一方、二次冷却を行わなかった比較例（粉末No.2-1、No.2-7）は、アモルファス度が90％未満であった。なお、本発明例のうち、本発明の好適範囲を外れる例は、アモルファス度が低めとなっている。

粉末No.2-3、No.2-9は、溶融金属流の分断のための噴射水（一次冷却水）の水温が好適範囲を高く外れ、二次冷却開始温度が高くなり、膜沸騰領域での冷却が長くなり、アモルファス度が90％未満と低めとなっている。

また、粉末No.2-4、No.2-10は、容器４１の設置位置が、溶融金属流の分断位置である位置Ａに近いため、二次冷却の冷却開始温度が高めとなったため、アモルファス度が90％以上であるが、低めとなっている。

また、粉末No.2-5、No.2-11は、容器４１の設置位置が、溶融金属流の分断位置である位置Ａから離れているため、二次冷却の冷却開始までの時間が長くなり、金属粉末表面温度が低くなり冷却が遅くなり、アモルファス度が90％以上であるが、低めとなっている。粉末No.2-6、No.2-12は、二次冷却開始位置（位置Ｂ）が、位置Ａから離れすぎ、金属粉末の温度が必要冷却開始温度未満となり、結晶化が進行し、アモルファス度が90％未満となっている。
（実施例３）
図５に示す水アトマイズ金属粉末製造装置を用いて金属粉末を製造した。

at％で、83％Fe‐17％BのFe−B系合金（Fe_８３B_１７）組成、および、at％で、79％Fe−10％Si−11％BのFe−Si−B系合金（Fe_７９ Si_１０ B_１１）組成となるように、それぞれ原料を配合（一部、不純物を含むこと避けられない）し、溶解炉２で約1550℃で溶解し、溶融金属を各約50kgfを得た。得られた溶融金属１を溶解炉２中で1350℃まで徐冷したのち、タンディッシュ３に注入した。なお、チャンバー９内は、あらかじめ不活性ガスバルブ１１を開けて窒素ガス雰囲気としておいた。また、溶融金属をタンディッシュ３に注入する前に、高圧ポンプを稼動して、冷却水タンク（容量：10m^３）から冷却水をノズルヘッダー５に供給し、水噴射ノズル６から噴射水（流体）７が噴射された状態としておいた。なお、位置Ａの下流側の冷却水および金属粉末の落下経路上に、金属製の衝突板４２を配設し、落下してくる水アトマイズ後の冷却水と分断された金属粉末とを衝突させる、二次冷却を行った。二次冷却後、金属粉末は回収口１３から回収された。

金属製の衝突板４２の大きさは、金属粉末の落下方向と垂直な面で、直径100mmφの面積を占めるものとした。この大きさは、水アトマイズ後の落下する金属粉末のほぼ全量と衝突可能な大きさである。

衝突板４２の形状は、図５に示すように逆円錐状（ａ）、円盤状（ｂ）、円錐状（ｃ）、のいずれかとした。いずれも、金属粉末の落下方向と垂直な面で、ほぼ上記した面積を占めるように、形成されたことはいうまでもない。

なお、溶融金属流８が、噴射水７と接触する位置Ａは、溶湯ガイドノズル４から80mmの位置に設定した。また、二次冷却用の衝突板４２は、二次冷却開始位置（位置Ｂ）に設置した。位置Ｂとしては、上記した位置Ａから100〜800mmの各位置とした。また、噴射水７は、噴射圧：3MPaまたは5MPa、水温：40℃（±2℃）または20℃（±2℃）とし、なお、水温は、冷却水タンクの外部に設けられるチラーで調整した。なお、衝突板４２の設置を行わない（二次冷却を行わない）例を比較例とした。また、二次冷却前の金属粉末の表面温度、二次冷却のMHF点を実施例１と同様に推定して表中に併記した。

得られた金属粉末について、金属粉末以外のゴミを除去したのち、Ｘ線回折法により、アモルファスからのハローピーク、および結晶からの回折ピークを測定し、両者の回折Ｘ線の積分強度比から、実施例１と同様に、アモルファスの割合（アモルファス度：％）を算出した。アモルファス度が90％以上である場合を「○」とし、90％未満は「×」と、同様に、評価した。

得られた結果を表３に示す。

本発明例はいずれも、アモルファス度が90％以上の水アトマイズ金属粉末となっている。一方、二次冷却を行わなかった比較例（粉末No.3-1、No.3-9）は、アモルファス度が90％未満であった。なお、本発明例のうち、本発明の好適範囲を外れる例は、アモルファス度が低めとなっている。

粉末No.3-3、No.3-11は、溶融金属流の分断のための噴射水（一次冷却水）の水温が好適範囲を高く外れ、二次冷却開始温度がMHF点より高くなり、膜沸騰領域での冷却が長くなり、アモルファス度が90％未満と低めとなっている。

また、粉末No.3-5、No.3-13は、衝突板４２の形状が円錐状（図５（ｃ））で好適な範囲を外れるため、二次冷却の効果が少なく、アモルファス度が低くなっている。しかし、二次冷却を行わない場合よりも、アモルファス度は高くなっている。

また、粉末No.3-6、No.3-14は、衝突板４２の設置位置が、溶融金属流の分断位置である位置Ａに近いため、二次冷却の冷却開始温度が高くなり、アモルファス度が90％以上であるが、低めとなっている。

また、粉末No.3-7、No.3-15は、衝突板４２の設置位置が、溶融金属流の分断位置である位置Ａから離れているため、二次冷却の冷却開始までの時間が長くなり、金属粉末表面温度が低くなり冷却が遅くなり、アモルファス度が90％以上であるが、低めとなっている。粉末No.3-8、No.3-16は、冷却開始温度が必要冷却開始温度未満となり、アモルファス度が90％未満となっている。

１ 溶融金属（溶湯）
２ 溶解炉
３ タンディッシュ
４ 溶湯ガイドノズル
５ ノズルヘッダー
６ 水噴射ノズル
７ 噴射水
８ 溶融金属流
８ａ 金属粉末
９ チャンバー
１０ ホッパー
１１ 不活性ガスバルブ
１２ オーバーフローバルブ
１３ 金属粉回収バルブ
１４ 水アトマイズ金属粉末製造装置
１５ 冷却水タンク
１６ チラー（低温冷却水製造装置)
１７ 高圧ポンプ
１８ 冷却水配管
２１ 二次冷却水（冷却噴射水）
２２ 二次冷却水用バルブ
２６ 二次冷却水噴射ノズル
２７ 二次冷却水用高圧ポンプ
２８ 二次冷却水用冷却水配管
４１ 容器
４２ 衝突板

Claims (2)

1. 溶融金属流に水を噴射し、該溶融金属流を分断して溶融状態を含む金属粉末とするとともに、該溶融状態を含む金属粉末を冷却して水アトマイズ金属粉末とする水アトマイズ金属粉末の製造方法において、
   前記冷却として、
   前記溶融金属流に、水温：３０℃以下、あるいはさらに、噴射圧：５ＭＰａ以上の分断用の噴射水を吹き付ける一次冷却を施し、
   さらに、前記溶融状態を含む金属粉末が落下する途中の、前記一次冷却後の前記溶融状態を含む金属粉末の表面温度が、遷移沸騰状態あるいはさらに核沸騰状態になる温度範囲まで冷却する二次冷却を施し、
   前記二次冷却として、水温：１０℃以下、噴射圧：５ＭＰａ以上の冷却噴射水の噴射を行う、水アトマイズ金属粉末の製造方法。
2. 前記溶融金属が、Ｆｅ−Ｂ系合金、あるいはＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金からなり、前記水アトマイズ金属粉末中の非晶質化率が９０％以上である、請求項１に記載の水アトマイズ金属粉末の製造方法。

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