WO2009153865A1

WO2009153865A1 - 微粉体の製造装置及び製造方法

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Publication number: WO2009153865A1
Application number: PCT/JP2008/061128
Authority: WO
Inventors: 浩章岡; 斉彰岡
Original assignee: Sanki Dengyo Co Ltd
Current assignee: Sanki Dengyo Co Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2010-12-18

Abstract

　　ハウジング（又はチャンバー）（１）と、前記ハウジング内に設けたロッド原料格納装置（３）と、該ロッド原料を把持して、下方に配置されたルツボ（６）内に装入し、加熱溶融する間保持する支持装置（５）と、前記ロッド原料をルツボ内で溶解する加熱手段（７）と前記ルツボ内を内側から加熱する手段（８）と、前記ルツボをその中心軸の周りに回転し、ルツボ内で溶解し滴下したロッド原料をルツボ壁に沿って上昇させて、ルツボ開口から遠心力で噴霧状に飛散させる回転装置（９）と、前記噴霧状に飛散して冷却し、前記ハウジング内に捕集する製品コンテナ（１１）と、から構成された粉末製造装置である。

Description

微粉体の製造装置及び製造方法

　本発明は，粉末冶金用球状粉末，磁性材料，溶射用球状金属粉末，導電ペースト用金属粉末，ハンダボール，および磁気冷凍機用蓄冷材等に使用される金属，合金および金属酸化物，さらには食品，医薬品や化学工業等に使用される広範囲の無機，有機物質等にも適用可能な球状の微粒子の製造装置および，その遠心噴霧法による製造方法に関するものである。

　従来の微粉体の製造方法として採用されている遠心噴霧方法やアトマイズ方法（特開２００６－２１７６、特開平１０－８５５８３）は，製造される粉末の粒径分布が極めて広範囲であり，微細粉体の製造を目的とした回転ルツボを用いた遠心噴霧方法は，例えば「回転ルツボを使用した微粉末成形方法とその装置（特開２００７－３３２４０６）」が提案されている。

しかしながら，特開２００７－３３２４０６においては，原料の溶解は溶解炉で溶解後，溶湯の保持を目的としたタンディシュを介して回転ルツボに注湯されている。従って，何らかの形で溶湯を長時間保持する容器としての溶解炉やタンディシュが必要となる。これら溶解炉やタンディシュは，対象原料との反応性を考慮しながら金属や，セラミックスが選定されるが，チタンや一部のレアメタルなどは極めて反応性が高く，それらの金属を汚染なく保持できるルツボ又は容器を選定することは困難である。

一方，チタンやアルミニウムなどの活性金属を対象として，酸素レベルが一定水準以下での溶解を意図してセラミックス製のルツボを使用しないレビテーションを利用した溶解と溶湯保持によるアトマイズ技術が周知である（レビアトマイズプロセス）。しかしながら，レビアトマイズプロセスは，高周波誘導によって溶湯に誘導される電流と誘導コイルとの相互作用によって溶湯がルツボに接触しないように溶解する方法であり，空間保持される溶湯は激しく揺動する。そのため，安定した準静的な注湯が不要な噴霧方法には支障がないものの，本発明のように，回転ルツボに対して静かな注湯流が必要な噴霧方法では採用出来ない。

本発明は，これらの課題を解決するために工夫された技術であり，溶解素材はほぼ完全に耐火物と非接触での溶湯製造が可能であり，注湯された溶湯は，回転するルツボに極めて短時間の接触で噴霧されるため，活性金属等に対してもルツボからの汚染は極めて軽微である。
特開２００６－２１７６号公報特開平１０－８５５８３号公報特開２００７－３３２４０６号公報

粉末冶金用球状粉末，磁性材料，溶射用球状金属粉末，導電ペースト用金属粉末，ハンダボール，および磁気冷凍機用蓄冷材等に使用される金属，合金および金属酸化物，さらには食品，医薬品や化学工業等に使用される広範囲の無機，有機物質等にも適用可能な球状で、粒子径がそろった微粒子の製造装置および，その遠心噴霧法による製造方法を提供するものである。

ハウジング（１）と、このハウジング内に設けたロッド原料格納装置（３）と、該ロッド原料を把持して、下方に配置されたルツボ（６）内に装入し、加熱溶融する間保持する支持装置（５）と、前記ロッド原料をルツボ内で溶解する加熱手段（７）と前記ルツボ内を内側から加熱する手段（８）と、前記ルツボをその中心軸の周りに回転し、ルツボ内で溶解し滴下したロッド原料をルツボ壁に沿って上昇させて、ルツボ開口から遠心力で噴霧状に飛散させる回転装置（９）と、前記噴霧状に飛散して冷却し、前記ハウジング内に捕集する製品コンテナ（１１）と、から構成された粉末製造装置を提供する。

また、粉末の製造方法は、ハウジング（１）内に設けた支持装置（５）でロッド原料を把持して、下方に配置されたルツボ（６）内に装入し、加熱溶融し、ロッド原料をルツボ内で溶解し、ルツボ内を内側から加熱し、前記ルツボをその中心軸の周りに回転し、ルツボ内で溶解滴下したロッド原料をルツボ壁に沿って上昇させ、ルツボ上端の開口からルツボ回転による遠心力で溶解したロッド原料を噴霧状に飛散させ、前記噴霧状に飛散した粉末を冷却し、前記ハウジング内の製品コンテナ（１１）に捕集することを特徴とする粉末製造方法である。

上記本発明によれば、ルツボ上端面の開口端から飛散する溶湯液滴は均一な速度分布を有するため、粒径分布の幅が狭く、粒径が揃った微細な粒子からなる粉末の製造可能である。さらに，溶解された溶湯は，原料溶湯追加溶解することが可能なため，連続的に粉末を製造することができ、高い生産性が確保される。

次ぎに本発明の効果を具体的な用途に関して説明する。
ハンダボール
超小型LSI 部品のBGA（Ball Grid Array）やCSP（Chip Size Package）は，携帯電話，デジタル家電などに，利用されるが、その接点材料としてハンダボールが使用されている。現在のボールサイズは50～100μm径であるが，LSIの小型化に対応して，将来的には5～10μm径まで縮小されることが望ましい。本発明の方法による微粒子は、サイズの均一性と真円度が高く、Snxz-Ag系，Sn-Ag-Cu系，Sn-Ag-Cu-Bi系，Sn-Bi系，Sn-Cu系および，Sn-Zn系等，鉛フリーはんだの製造が可能となる。
溶射材料
近年，コールドスプレーに代表される音速レベルに高速化した粒子を部材に衝突させる「高速粒子衝突技術」を利用した表面コーティング技術が注目されており、Ti，Co，クロム－ニツケル合金や超硬合金粉末等が，航空機のエンジン部材等への表面コーティング技術として採用されている。そのために20μm程度以下の微粉末が好ましく，キャリヤーガスによる粒子搬送中の飛散速度低下防止や，流動性，粒子衝突時の変形機構のために，使用される粒子は球形に近いことが不可欠であり，更に，効率面から均一な粒子サイズへの要望が大きい。本願発明による粒子はこれらの粒子として利用される。
MIM用（金属射出成形素材）
一般的にチタタン合金は、航空機用材料、化学機器用材料などとして使用されているが，チタンは加工がむずかしく、粉末冶金法が注目されている。従来のプレス成形粉末冶金法が利用されているが、それに代わる原料粉をバインダで包んだ状態で射出成形する金属粉末射出成形法（Metal Injection Molding：以下MIMという）が開発され、その製造した焼結体は，密度が高く，表面粗度も小さく，成形体の焼結後の密度を向上させるためにも、充填密度が高くなる球形で緻密な微粉が望ましく，更に，球形微粉の方が流動しやすい。本発明による粉末の製造は，かかる用途に適した粉末を提供できる。

本願発明の全体構成を示す図である。上部にロッド状の予備原料を収納する部屋と，それらの駆動，供給機構を示した粉体処理装置全体の概念図で、ハウジング（又はチャンバー）内で、回転ルツボの加熱用に，高周波誘導コイルを用いたロッド状原料の溶融する装置の概念図を示す。高周波誘導加熱コイルでロッド原料を溶解し、回転ルツボ内壁を加熱し、微粉末を製造する製造装置を示すルツボ周辺の概念図を示す。底部がある抵抗ヒータの構造を示す図である。高周波誘導加熱コイルを回転ルツボの加熱用とロッド原料の溶融用に二重巻きコイルとして設置した場合のルツボ周辺の概念図を示す。は，ハロゲンランプ又はキセノンランプ加熱方式によるロッド状原料と噴霧用回転ルツボの加熱方式を採用した場合のルツボ周辺の構造を示す概念図である。本発明で製造された銅の微粉末の形状の１例を示す写真である。

符号の説明

１　ハウジング（又はチャンバー）
２　ロッド原料
２１　原料追装装置
２２　ゲートバルブ
２３　注湯液滴
２４　液膜
３　原料格納装置
４　ロッド原料供給機構
５　ロッド原料支持装置
６　ルツボ
６１　断熱材
６２　耐熱鋼容器
６３冷却用フィン
７　ロッド原料溶解コイル
８　ルツボ加熱ヒータ
８１　加熱光源
８２　集光ミラー
８３　加熱光ビール
９　ルツボ回転装置
１０　飛散粉末
１１　製品コンテナ

発明実施の形態

上記装置は、活性な金属等を原料として、高周波による局部溶解技術と回転ルツボによる遠心噴霧方法を組み合わせた技術である。
図１に示すように、本発明では原料を予め溶融するのではなく、ロッド原料として供給し、高周波コイルで順次溶解し、回転ルツボで飛散させ粉末とする。
注湯された原料を遠心力によって回転するルツボの開口部まで安定して移送するには，回転ルツボの温度を当該溶湯の溶融温度以上に保持することが必要であり，望ましくは外周を耐熱金属などで強度補強されている回転ルツボの内面で，効率良く加熱することが出来る。ルツボの形状は比較的円筒形で、一定の深さ（H）があり、開口径（D）は、D/Hが１０～０．５程度である（図２）。Dが１０を超えると噴霧が困難なり、また０．５未満では均一な噴霧が出来なくなるためである。

ルツボ回転中心部近傍に注湯された溶湯は，ルツボの回転による遠心力によって、例えば1mm以下の液膜でルツボ内面を，ルツボ底面から側面に沿って流動するため，ルツボ内部に円筒状のヒータを装入することが望ましい（図２）。
回転するルツボを内面から加熱する方法は，上記の円筒状ヒータ（図３（A）、（B））他に，高周波誘導コイルをカーボンなどのサセプターと一緒にルツボ内に装入する方法（図４）や，離れた場所から加熱可能な方法として，レーザー照射や，集光ミラーを使用してハロゲンランプなどによる方法（図５）も適用できる。ルツボの形状としては均一な開口から均一な噴霧が可能な形状であればよいが、
そのためには側壁は円筒状で、側壁は鉛直を中心として±１５度以内であればよい。この範囲を超えると円滑で均一な噴霧が困難となるためである。

ロッド原料を高周波誘導加熱する場合，原料ロッド溶解用の誘導コイルと回転ルツボ加熱用の誘導コイルは，２つの高周波電源を用いてそれぞれ独立に制御することが望ましいが，状況によっては，１つの電源で二重巻きコイルで両者を加熱（溶解）させても良い。なお，２つの高周波電源を使用する場合，発生周波数が近いと干渉し合って制御不可能になることが考えられるが，ロッド状の原料の端部から順次スムースに連続溶解させるには，対象原料の導電率にも依存するが，一般的に数十キロHzから数MHzの周波数が必要であるのに対して，ルツボ加熱にはカーボンなどの導電性を有するサセプターを使用し，数ｋHzの周波数を使用し、２つの高周波電源の相互干渉は回避可能である。

一方，供給されるロッド状原料の端部からの逐次溶融手段としては，種々の加熱手段が考えられ，シリコン単結晶のFZ（フローティングゾーン）法で一般的に採用されている高周波誘導加熱が最も便利であるが，プラズマ溶解，抵抗発熱式ヒータによる通電溶解もしくはランプ加熱溶解等を用いて原料棒を溶解，注湯することも可能である。

一般的にロッド状の金属を端部から高周波誘導溶解する場合，当該金属の溶融温度に達した後，局部溶融体の自重や粘性，表面張力などから決定される所定の温度になると自然に落下して注湯される。従って，注湯速度を制御するためには，原料ロッドの下降速度にバランスした高周波誘導電力を印可することによってロッド端部からの安定した溶解と注湯を行なう。
原料溶解用のインダクター内部に設置されるサセプターは，ロッド状原料が導電体の場合は，設置不要であり，サセプターを設置しない方が，ロッド端部に集中的に電力投入が可能であって端部からの安定溶解に有利である。

原料素材の電気抵抗や原料棒の直径と下降速度に加え，高周波コイルの巻き数，高周波コイルの形状，印可電力および，印可される高周波の周波数などによって原料棒の溶解挙動は変化するため，溶解落下する注湯流に対して，原料端部から連続的に安定した流れが形成されるようにこれらの条件を選定することが肝要である。

直径80mmの純チタン丸棒を原料素材として１ターンのインダクターに１MHzの高周波を印可して誘導溶解によって断熱材を介してステンレス鋼製の外ルツボに収納したCaOを主成分とする高速回転ルツボに溶湯供給を行った。CaOルツボの加熱は，高密度に成形したカーボンヒータをルツボ内部に装入して行った。

用いたカーボンヒータは図３に示すように上下方向にスリットを入れた円筒状ヒータを用いた。円筒状ヒータは，ルツボの底面も加熱可能なように，底面中心部近傍の注湯部を避けて底付きの円筒ヒータとした（図３（B））。

原料棒の下降速度と原料溶解のための高周波電力を変化させて溶融落下する注湯流の制御を行った。
溶解開始初期を除いて毎分15回の回転速度で回転させながら毎分5 cm（おおよそ毎分1.1kg）で下降させている原料棒に対して36kWの電力供給で安定して連続溶解することが出来た。なお，断熱材を介して耐熱鋼ルツボに内装されている回転ルツボには毎分35,000回転を与えながら約1700℃に保持した。ロッド原料の重量を計測することにより、溶解量を制御できる

直径80mmの純銅丸棒を原料として３ターンの誘導コイルに500ｋHzの高周波を印可して誘導溶解によって断熱材を介してステンレス鋼製の外ルツボに収納した直径200mmのMgOを主成分とする高速回転ルツボに溶湯供給を行った。MgOルツボの加熱は，高密度に成形したカーボンカーボンヒータをルツボ内部に装入して行った。　
用いたカーボンヒータは，実施例１と同様に，図３に示した底付きの上下方向にスリットを入れた円筒状ヒータを用いた。原料棒の下降速度と原料溶解のための高周波電力を変化させて溶融落下する注湯流の制御を行いながら溶解開始初期を除いて下降速度5 cm/min（おおよそ毎分2.1kg）で連続溶解して給湯した。なお，回転ルツボには毎分35,000回転を与えながら約1150℃に保持した。

直径80mmのSUS316Lの丸棒を原料として１ターンのインダクターに１MHzの高周波を印可して誘導溶解によって断熱材を介してステンレス鋼製の外ルツボに収納した直径200mmのMgOを主成分とする高速回転ルツボに溶湯供給を行った。MgOルツボの加熱は，高密度に成形したカーボンヒータをルツボ内部に装入して行った。
用いたカーボンヒータは，実施例１や実施例２と同様に，図３に示した底付きの上下方向にスリットを入れた円筒状ヒータを用いた（図３（A）、（B））。原料棒の下降速度は溶解開始初期を除いて5 cm/min（おおよそ毎分2.0kg）で連続溶解して給湯した。なお，回転ルツボには毎分35,000回転を与えながら約1570℃に保持した。

比較例１．
純チタン50kgをＣａＯを主成分とするルツボを用いて一旦溶解した後，溶湯と接触する内面がＣａＯを主成分とするセラミックスで形成されているタンディッシュに出湯して，その底部に設置されているノズルからＣａＯを主成分とする回転ルツボに所定の速度で注湯した。
回転ルツボの材質と回転速度や，回転ルツボへの給湯速度などは，極力実施例１に近い条件で実施して，実施例１で製造された粉体との比較を行った。

なお，初回溶解した溶湯の残湯量が完全になくなる前に，原料装入機構を用いて大気と遮断しながら２回目の溶解を開始し，連続的に約100kgの粉体処理を行った。
製造された粉体は，実施例１に比較して，全体的に汚染程度が大きく，特に粉体化処理の末期には酸化汚染が顕著であった。これは，溶解後粉体化処理されるまでに約１時間程度の時間が経過した結果と推定される。なお，製造されて粉体の粒径分布は，実施例１に類似していた。

比較例２：TD使用
比較例１と同様な方法で，純銅50kgを２回にわたって溶解し，順次タンディシュを通して回転ルツボに注湯した。溶融純銅は，溶融チタンに比較して活性度が低いため，溶解ルツボやタンディッシュ，回転ルツボなどはMgOを主成分とする一般的な材質を選定した。
製造された粉体の粒径分布は，実施例２とほぼ同様であったが，実施例２で得られた粉体に比較して酸素含有量がかなり多めであった。
表１に本発明の３つの実施例と比較例１，２に関して，主なテスト条件と製造された粉体の特性をまとめて示した。粒径は従来法よりも小さく、形状が球形で、しかも粒径分布幅が小さい。

図６に製造された微粉末形状の写真の１例を示すが、きわめて真円に近く、また、直径の分布は均一であることが示されている。
発明の効果

導電ペースト用銅粉：
導電ペースに供される粉体は，均一塗布性や流動性などの観点から球形化と微細化が重要な特性として要求されており，その粉体サイズは数ミクロン直径であることから、本発明による粉末が望ましく利用できた。

溶射材料：
重層皮膜が熱影響なしに得られることや，従来技術では不可能な材質・組織の部材が直接コーティング可能なことに加え，部材製造装置として生産性が高く，かつ，装置コストも低いことなどから，「高速粒子衝突技術」を利用した表面コーティング技術が注目され、Ti，Co，クロム－ニツケル合金や超硬合金粉末等が，耐熱性，耐酸化性向上を目的とした航空機のエンジン部材や，発電機のタービン翼，ボイラーチューブ等への表面コーティング技術として採用されている。
これらには，20μm程度以下の微粉末が好ましく，キャリヤーガスによる粒子搬送中の飛散速度低下防止や，流動性，粒子衝突時の変形機構のために，使用される粒子は球形に近いことが不可欠であり，更に，効率面から均一な粒子サイズへの要望が強く，本発明で製造された粉末は望ましいことが判明した。

MIM用（金属射出成形素材）：
一般的にチタタン合金は、軽量、高強度という利点をもち、かつすぐれた耐食性を有しているので、航空機用材料、化学機器用材料などとして使用されているが，チタンは加工がむずかしく、航空機部材のように形状の複雑な製品の場合は、製品歩留りの低いことも相まって非常にコスト高となっており，このような問題を解決するため、粉末冶金法として、原料粉をバインダで包んだ状態で射出成形する金属粉末射出成形法（Metal Injection Molding：以下MIMという）があり、近年，急速にその利用が拡大している。
MIMの原料粉の圧縮成形性は要求されず，むしろ焼結後の密度を向上させるためにも、充填密度が高くなる球形で緻密な微粉が望ましく，更に，球形微粉の方が流れやすいため，製品欠陥低減の観点から，球形微粉末が不可欠となっている。本発明により製造された微粉末はかかる方法の材料として利用できる。

産業上の利用分野

本発明の効果を金属微粉末の製造に関して説明したが、本発明は、プラスチック、薬品、食料品等の微粉末の製造装置としても広く利用できる装置である。

Claims

　ハウジング（１）と、
前記ハウジング内に設けたロッド原料格納装置（３）と、
該ロッド原料を把持して、下方に配置されたルツボ（６）内に装入し、加熱溶融する間保持する支持装置（５）と、
前記ロッド原料をルツボ内で溶解する加熱手段（７）と
前記ルツボ内を内側から加熱する手段（８）と、
前記ルツボをその中心軸の周りに回転し、ルツボ内で溶解し滴下したロッド原料をルツボ壁に沿って
上昇させて、ルツボ開口から遠心力で噴霧状に飛散させる回転装置（９）と、
前記噴霧状に飛散して冷却し、前記ハウジング内に捕集する製品コンテナ（１１）と、
から構成された粉末製造装置。
前記ロッド原料は、原料追加装置（２１）からゲートバルブ（２２）を介して、追加する場合、前記ハウジング内の原料格納装置（３）に供給され、順次ロッド支持装置（５）に供給される請求項１記載の粉末製造装置。
前記原料ロッド支持装置はロッドを均一な溶解のために回転しながら供給する原料ロッド供給機構（４）に接続している請求項１記載の粉末製造装置。
前記原料ロッドの加熱溶解手段は高周波電力が供給されるコイルである請求項１記載の粉末製造装置。
前記ルツボを内側から加熱する手段は、電力により抵抗加熱される黒鉛加熱体又はニクロム線加熱体である請求項１記載の粉末製造装置。
前記黒鉛抵抗加熱体又はニクロム線加熱体の内側には断熱材が内張りされ、その外側のルツボを加熱ように配置されている請求項５記載の粉末製造装置。
前記ロッド原料をルツボ内で溶解する加熱手段（７）と前記ルツボ内を内側から加熱する手段（７１）はともに高周波コイルで、ともにサセプター（７２）内に配置されたコイルである請求項１記載の粉末製造装置。
前記ロッド原料とルツボの内面を加熱する手段として、反射鏡とハロゲンランプ又はキセノンランプを組み合わせた手段とする請求項１記載の粉末製造装置。
前記ルツボはセラミックス又は高融点金属製ルツボである請求項１記載の粉末製造装置。
前記ルツボは円筒状であり、上部口径（D）と深さ（H）の比（D/H）が１０～０．５である請求項１記載の粉末製造装置。
前記ルツボ壁のテーパは鉛直線の対して±１５度である請求項１記載の粉末製造装置。
前記原料ロッドの下降速度又は原料ロッドの重量変化を計測し、給湯速度を制御する制御装置を備えてた請求項１記載の粉末製造装置。
前記ルツボはその外側に断熱材を設け、さらに外側に耐熱鋼の容器と冷却用のフィンを備えた請求項１記載の粉末製造装置。
ハウジング（１）内に設けた支持装置（５）でロッド原料を把持して、下方に配置されたルツボ（６）内に装入し、加熱溶融し、
前記ロッド原料をルツボ内で溶解し、
前記ルツボ内を内側から加熱し、前記ルツボをその中心軸の周りに回転し、ルツボ内で溶解滴下したロッド原料をルツボ壁に沿って上昇させ、
ルツボ上端の開口からルツボ回転による遠心力で溶解したロッド原料を噴霧状に飛散させ、
前記噴霧状に飛散した粉末を冷却し、前記ハウジング内の製品コンテナ（１１）に捕集することを特徴とする粉末製造方法。