WO2010087018A1 - 遠心噴霧法に用いる回転ディスクとこれを用いた遠心噴霧法 - Google Patents

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和己 皆川
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独立行政法人物質・材料研究機構
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    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/10Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying using centrifugal force

Definitions

  • the present invention relates to a rotating disk used in a centrifugal spraying method in which a molten raw material is dropped onto a rotating disk and the raw material is made into a fine powder by centrifugal force, and a centrifugal spraying method using the rotating disk.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to enable pulverization by a centrifugal spray method even for a high-melting-point material that has been impossible in the past.
  • Invention 1 relates to a rotating disk, which is a rotating disk used in a centrifugal spraying method in which a molten raw material is dropped onto the rotating disk and the raw material is finely powdered by centrifugal force, and has heat resistance and heat.
  • the surface of the base material whose conductivity is better than that of ceramics is covered with a ceramic thin film.
  • Invention 2 is characterized in that, in the rotating disk having the characteristics of Invention 1, the thickness of the ceramic thin film is 1 ⁇ 10 2 ⁇ m or less and 1 ⁇ 10 ⁇ 1 ⁇ m or more.
  • a third aspect of the present invention is the rotating disk having the characteristics of the first or second aspect, wherein the base material is graphite.
  • Invention 4 relates to a centrifugal spraying method, and is a centrifugal spraying method using a rotating disk having any one of the features of Inventions 1 to 3, wherein a raw material solution is dropped onto the rotating disk to form a molten film on the surface of the rotating disk. And fine droplets are scattered from the tip of the rotating disk.
  • centrifugal spraying can be performed without impairing the thermal conductivity of the rotating disk while taking advantage of the heat resistance of the ceramic.
  • FIG. 1 is a graph showing a temperature course of the lower surface of the rotating disk when molten copper is dropped on the upper surface of each rotating disk.
  • FIG. 2 is a photograph of a sialon rotating disk after use.
  • FIG. 3 is a photograph of a rotating disk made of C / C composite material after use.
  • FIG. 4 is a photograph of a rotating disk after use in which sialon is coated on a graphite substrate of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph of a rotating disk after use in which titanium nitride is coated on a graphite substrate of the present invention.
  • the material of the base material is generally graphite, but boron nitride, C / C composite, etc. are exemplified as a material having high heat resistance and high heat conductivity instead of this.
  • the material of the ceramic thin film is typically sialon, zirconia, or titanium nitride, and alumina, silicon carbide, silicon dioxide, titanium carbide, or the like can be selected depending on the raw material to be dropped.
  • the reason why the thickness of the ceramic thin film is preferably 1 ⁇ 10 2 ⁇ m or less and 1 ⁇ 10 ⁇ 1 ⁇ m or more is as follows.
  • the thickness of the ceramic thin film is 1 ⁇ 10 ⁇ 1 ⁇ m or more.
  • the present invention makes it possible to apply the centrifugal spray method not only to conventional low melting point materials but also to various high melting point materials including copper. Centrifugal spraying depends on the size of the powder to be obtained, but the contact angle between ceramic and raw material is affected (for example, wettability between ceramics and liquid metal, revised 4th edition, Metal Data Book, edited by the Japan Institute of Metals, 2004. 1) P57-63).
  • the contact angle between the surface of the rotating disk and the raw material is preferably 1 ⁇ 10 2 ° or less, more preferably 9 ⁇ 10 ° or less. As the contact angle decreases, the molten film formed on the surface of the rotating disk can be made thinner, and finer particles can be generated.
  • the contact angle between the ceramic thin film and the raw material not only the well-known data described in the above-mentioned document but also the results obtained by the same method as the measurement method described in the above-mentioned document are sufficiently taken into consideration.
  • Table 1 shows the experimental conditions.
  • the experimental conditions are as follows. 1.
  • the shape of the rotating disk: 70 mm in diameter, and the thickness of the portion excluding the central axis is as shown in Table 3.
  • Table 3 also shows the thickness of the ceramic thin film coated on the substrate surface. 2.
  • the melting temperature of raw materials (shown as melting temperature in Table 1) was in the range of 1300 to 1650 ° C. (measurement results in units of 50 ° C.). Copper was used as a raw material. 3.
  • the dropping speed was changed in the range of 1376.8 to 1556.2 g / min. 4).
  • the number of revolutions was 5 ⁇ 10 4 rpm for the rotating disk based on the C / C composite material, and 1 ⁇ 10 4 rpm for the other rotating disks.
  • surface has shown having coated each ceramic thin film on the surface of the graphite-made base material. The same applies to Tables 2 and 3 below.
  • Table 2 shows the characteristics of each material.
  • each ceramic is as low as 1/5 to 1/20 compared to the thermal conductivity of graphite.
  • FIG. 1 shows the temperature of the lower surface of the rotating disk when molten copper having different temperatures is dropped on the upper surface of each rotating disk.
  • a rotating disk having a base material made of sialon breaks in a few seconds when molten copper is dropped, so the temperature drops in a few seconds.
  • the rotating disk in which the base material was formed from a graphite C / C composite material was able to measure the temperature until the end of dropping all the molten copper.
  • the rotating disk in which the base material was formed from graphite and each ceramic thin film was coated on the surface of the base material was able to measure the temperature until the end of dropping of the entire amount of molten copper, as in the case of the graphite C / C composite material.
  • the lower surface temperature of the rotating disk in which sialon and zirconia were respectively coated on the surfaces of the graphite C / C composite material having poor wettability with respect to molten copper and the base material made of graphite was measured to be considerably lower than the melting temperature.
  • the temperature on the lower surface of the disk increased as the melting temperature increased.
  • FIG. 2-5 shows the surface of each rotating disk after dropping molten copper.
  • the rotating disk made of sialon was damaged (FIG. 2).
  • the rotating disk whose base material was made of graphite C / C composite material was not damaged (FIG. 3). It is confirmed from Table 2 that the bending strength is higher than that of other rotating disks.
  • the rotating disk coated with sialon and made of graphite was not damaged (FIG. 4).
  • a little molten copper dripped on the surface of the rotating disk remains, but a healthy molten film is not formed on the upper surface of the rotating disk. The cause is due to poor wettability.
  • the base material was made of graphite and the rotating disk coated with titanium nitride was not damaged (FIG. 5). A thin molten film was formed on the entire surface of the rotating disk (good wettability).
  • Table 3 summarizes the evaluation for each rotating disk.
  • the refractory metal raw material
  • the thickness of the ceramic thin film exceeds 1 ⁇ 10 2 ⁇ m, it is affected by the thermal conductivity of each ceramic shown in Table 1 and may be damaged.
  • the wettability of the molten metal (raw material) and each ceramic thin film it was possible to form a sound molten film on the surface of the rotating disk.
  • a fine powder of high melting point material by centrifugal spraying is realized by the present invention.
  • Fine powders of high melting point materials are expected to open the way for use as raw metal powders for fine metal injection molding (high density / high performance), high density thermal spraying, soft magnetic materials and fuel cells.

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  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

 高融点材料であっても遠心噴霧法により粉末化できるようにするために、回転ディスクでは、耐熱性を有し、且つ熱伝導性がセラミックスよりも良好な基材の表面がセラミックス薄膜で被覆されている。

Description

遠心噴霧法に用いる回転ディスクとこれを用いた遠心噴霧法
 本発明は、溶融した原材料を回転ディスク上に滴下し、遠心力にて原材料を微粉状にする遠心噴霧法に用いる回転ディスクとこれを用いた遠心噴霧法に関するものである。
 特許文献1に記載された遠心噴霧法では、遠心力を利用して粉末を製造する場合、各種の融液を回転ディスクに滴下し、グラファイトを代表とする耐熱性の回転ディスク表面にそれらの溶融膜を形成させ、回転ディスク先端から微細液滴を飛散させる。たとえば、NIMS HYBRID METHOD(登録商標)として、錫合金を代表とする低融点材料の微細化に実用化されている。
 しかし、錫合金より遙かに融点が高い銅をはじめとする各種の高融点材料に対しては、回転ディスクが原材料中に溶解することに起因して材質の変化を招くという問題があった。
 そこで、本発明者は、セラミックス製の回転ディスクを用いて高融点材料の微細化を試みたが、熱衝撃により回転ディスクが破損し、高融点材料の微細化は不可能であった。
特許第3511082号
 本発明は、このような実情な鑑み、従来では不可能とされていた高融点材料であっても、遠心噴霧法により粉末化ができるようにすることを課題とした。
 本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
 発明1は、回転ディスクに関し、溶融した原材料を回転ディスク上に滴下し、遠心力にて前記原材料を微粉状にする遠心噴霧法に用いられる回転ディスクであって、耐熱性を有し、且つ熱伝導性がセラミックスよりも良好な基材の表面が、セラミックス薄膜で被覆されていることを特徴とする。
 発明2は、発明1の特徴を有する回転ディスクにおいて、前記セラミックス薄膜の厚さが1×10μm以下1×10-1μm以上であることを特徴とする。
 発明3は、発明1又は2の特徴を有する回転ディスクにおいて、前記基材がグラファイトであることを特徴とする。
 発明4は、遠心噴霧法に関し、発明1乃至3いずれか一つの特徴を有する回転ディスクを用いた遠心噴霧法であって、原材料の溶液を回転ディスクに滴下し、回転ディスク表面に溶融膜を形成させ、回転ディスク先端から微細液滴を飛散させることを特徴とする。
 本発明により、銅をはじめとする各種の高融点材料の溶融材料を滴下しても、破損することはなく、高融点材料に遠心力をかけ、微小な粒子とすることが可能になった。
 また、セラミックス薄膜の厚さを設定することで、セラミックスの持つ耐熱性を生かしながら、回転ディスクの熱伝導性を阻害せずに遠心噴霧することができる。
図1は、各回転ディスク上面に溶融銅を滴下したときの回転ディスク下面の温度経過を示すグラフである。 図2は、使用後のサイアロン製回転ディスクの写真である。 図3は、使用後のC/Cコンポジット材製の回転ディスクの写真である。 図4は、本発明の、黒鉛製基材にサイアロンをコーティングした使用後の回転ディスクの写真である。 図5は、本発明の、黒鉛製基材にチタンナイトライドをコーティングした使用後の回転ディスクの写真である。
発明を実施するための形態
 本発明の回転ディスクでは、基材の材質は、グラファイトが一般的であるが、これに替わる高耐熱・高熱伝導性の材料として、ボロンナイトライド、C/Cコンポジットなどが例示される。
 また、セラミックス薄膜の材質としては、サイアロン、ジルコニア、チタンナイトライドが代表的なものであり、滴下する原材料によっては、アルミナ、シリコンカーバイト、二酸化ケイ素、チタンカーバイドなどが選択可能である。
 セラミックス薄膜の厚さとして、1×10μm以下1×10-1μm以上を良好とする理由は、以下のとおりである。
 1)1×10μmを超えると、基材に与える熱伝導が遅くなり、回転ディスクの温度上昇が低下する。そのため、回転ディスク上面での健全な溶融膜の形成が困難になる。また、1×10μm以上になると、セラミックスの、耐熱衝撃性が悪いという性質が顕在化するため、溶融金属を滴下すると、破損が生じる虞がある。
 2)セラミックス薄膜は、厚さが1×10-1μm未満では、溶融金属と濡れ、基材からセラミックス薄膜が剥がれる虞がある。また、基材の表面に不可避的に生じる凹凸を埋め尽くすことができず、ミクロンレベルで基材表面が露出して、均質な濡れ性を表面全体に維持することが困難な場合がある。このような観点から、セラミックス薄膜の厚さは1×10-1μm以上とするのが望ましい。
 本発明は、従来の低融点材料のみならず、銅をはじめとする各種の高融点材料についても、遠心噴霧法の適用を可能とする。
 遠心噴霧法では、得るべき粉末の大きさによって異なるが、セラミックと原材料の接触角が影響する(たとえば、セラミックスと液体金属との濡れ性、改訂4版、金属データブック、日本金属学会編、2004.1、p57-63)。本発明では、回転ディスク表面と原材料の接触角について、好ましくは1×10°以下、より好ましくは9×10°以下を例示することができる。接触角が小さくなるほど回転ディスク表面に形成する溶融膜を薄くすることができ、より微小な粒子の生成が可能となる。
 なお、セラミックス薄膜と原材料の接触角に関しては、上記文献に記載された周知データばかりでなく、上記文献に記載された測定方法と同様な方法により得られる結果も十分考慮されるものである。
 以下、本発明についての具体的な例を示す。
 表1に実験条件を示す。
 実験条件は以下のとおりである。
 1.回転ディスクの形状:直径70mm、中心軸を除く部分の厚さは表3に示すとおりである。基材表面にコーティングしたセラミックス薄膜の厚さも表3に示すとおりである。
 2.原材料の溶解温度(表1には溶解温度として記載)は1300~1650℃(50℃単位での測定結果)の範囲とした。原材料には銅を用いた。
 3.滴下速度は、表1に示すように、1376.8~1556.2g/minの範囲で変化させた。
 4.回転数は、C/Cコンポジット材を基材とする回転ディスクについては、5×10rpmとし、その他の回転ディスクについては、1×10rpmとした。
 なお、表中の星印は、黒鉛製基材の表面に各セラミックス薄膜をコーティングしたことを示している。以下、表2および表3についても同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
表2に各材料の特性を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 
 各セラミックスの熱伝導率は、黒鉛(グラファイト)の熱伝導率に比して1/5~1/20と低い値である。
 図1に、各回転ディスクの上面に異なる温度の溶融銅を滴下したときの回転ディスク下面の温度を示している。
 基材をサイアロンから形成した回転ディスクは、溶融銅を滴下すると、数秒で破損してしまうため、温度が数秒で低下している。
 基材を黒鉛C/Cコンポジット材から形成した回転ディスクは、溶融銅の全量滴下終了まで温度測定をすることができた。基材を黒鉛から形成し、各セラミックス薄膜を基材表面にコーティングした回転ディスクも、黒鉛C/Cコンポジット材と同様に、溶融銅の全量滴下終了まで温度測定をすることができた。
 溶融銅に対して濡れ性の悪い黒鉛C/Cコンポジット材および黒鉛製基材の表面にサイアロン、ジルコニアをそれぞれコーティングした回転ディスクの下面温度は、溶解温度よりもかなり低い温度が測定された。
 溶融銅と濡れ性の良いチタンナイトライドをコーティングした回転ディスクでは、溶解温度の上昇に伴い、ディスク下面の温度が上昇した。
 図2-5に、溶融銅滴下後の各回転ディスクの表面を示している。
 基材がサイアロン製の回転ディスクは破損した(図2)。
 基材が黒鉛C/Cコンポジット材製の回転ディスクは破損しなかった(図3)。曲げ強度が他の回転ディスクよりも高いことによることが、表2から確認される。
 基材が黒鉛製で、サイアロンをコーティングした回転ディスクは破損しなかった(図4)。一方、回転ディスク表面に滴下した溶融銅が少し残っているが、回転ディスク上面に健全な溶融膜が形成されていない。その原因は濡れ性が悪いことによる。
 基材が黒鉛製で、チタンナイトライドをコーティングした回転ディスクは破損しなかった(図5)。回転ディスク表面の全面に薄い溶融膜が形成された(濡れ性が良い)。
 表3に各回転ディスクについての評価をまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 高融点金属(原材料)に対して、黒鉛製基材の表面に各セラミックスを1×10μm以下にコーティングした回転ディスクには破損が生じない。しかし、セラミックス薄膜の厚さが1×10μmを超えると、表1に示す各セラミックスの熱伝導率に影響され、破損が生じる虞がある。
 溶融金属(原材料)と各セラミックス薄膜の濡れ性を考慮することで、回転ディスク表面に健全な溶融膜を形成することができた。
 遠心噴霧法による高融点材料の微小粉末が本発明により実現される。高融点材料の微小粉末は、微小金属射出成形(高密度化・高性能化)、高密度溶射、軟磁性材料や燃料電池などの原料粉末として利用の路を開くと期待される。

Claims (4)

  1. 溶融した原材料を回転ディスク上に滴下し、遠心力にて前記原材料を微粉状にする遠心噴霧法に用いられる回転ディスクであって、耐熱性を有し、且つ熱伝導性がセラミックスよりも良好な基材の表面が、セラミックス薄膜で被覆されていることを特徴とする回転ディスク。
  2. 請求項1に記載の回転ディスクにおいて、前記セラミックス薄膜の厚さが1×10μm以下1×10-1μm以上であることを特徴とする回転ディスク。
  3. 請求項1又は2に記載の回転ディスクにおいて、前記基材がグラファイトであることを特徴とする回転ディスク。
  4. 請求項1、2乃至3いずれかに一項に記載の回転ディスクを用いた遠心噴霧法であって、原材料の融液を回転ディスクに滴下し、回転ディスク表面に溶融膜を形成させ、回転ディスク先端から微細液滴を飛散させることを特徴とする遠心噴霧法。
                      
                      
                 
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