100メッシュ～400メッシュの金属粉末水噴霧器

真空空気アトマイズ法で製造された粉末は、高純度、低酸素含有量、微細な粉末粒径といった利点を有しています。長年にわたる継続的な革新と改良を経て、真空空気アトマイズ粉末技術は高性能金属・合金粉末の主要な製造方法へと発展し、新素材の研究や新技術の開発を支え、促進する主要因となっています。本稿では、真空空気アトマイズの原理、プロセス、粉砕装置について解説し、真空空気アトマイズ法で製造された粉末の種類と用途について分析します。

アトマイゼーション法は、高速で流れる流体（アトマイゼーション媒体）が金属または合金の溶融液に衝突したり、その他の方法で微細な液滴に分裂させたりして、それらを凝縮して固体粉末にする粉末製造法である。アトマイゼーションによって得られた粉末粒子は、溶融合金と全く同じ均質な化学組成を持つだけでなく、急速な凝固によって結晶構造が微細化され、第二相のマクロ偏析が解消される。一般的に用いられるアトマイゼーション媒体は水または超音波であり、それぞれ水アトマイゼーション、ガスアトマイゼーションと呼ばれる。水アトマイゼーションによって製造された金属粉末は、収率が高く経済的であり、冷却速度が速いが、酸素含有量が高く、形状が不規則で、通常は薄片状である。超音波アトマイゼーション技術によって製造された粉末は、粒径が小さく、球形度が高く、酸素含有量が低いため、高性能な球状金属および合金粉末を製造する主要な方法となっている。

真空製錬高圧ガスアトマイズ粉砕技術は、高真空技術、高温製錬技術、高圧高速ガス技術を統合したもので、粉末冶金開発のニーズ、特に活性元素粉末を含む高品質合金の製造ニーズを満たすために開発されました。超音波/ガスアトマイズ粉砕技術は、新しい急速凝固技術です。冷却速度が速いため、粉末は結晶粒微細化、均一な組成、高い固溶度といった特徴を持ちます。

上記利点に加え、真空溶解高圧ガスアトマイズ法で製造された金属粉末は、純度が高く酸素含有量が少ないこと、微粉末の収率が高いこと、外観の球形度が高いことという3つの特徴を有しています。この粉末から作製された構造材料や機能材料は、物理的・化学的特性において従来の材料に比べて多くの利点があります。開発された粉末には、超合金粉末、溶射合金粉末、銅合金粉末、ステンレス鋼粉末などがあります。

1．真空空気噴霧式粉末粉砕プロセスおよび装置

1.1 真空空気噴霧粉末粉砕プロセス

真空空気噴霧粉砕法は、近年金属粉末製造業界で開発された新しいプロセスです。材料の酸化しにくく、金属粉末の急速冷却が可能で、自動化の度合いが高いという利点があります。具体的なプロセスとしては、合金（金属）を誘導炉で溶解・精製した後、溶融金属液を断熱スランプに注ぎ込み、ガイドチューブとノズルを通して、高圧ガス流によって噴霧します。噴霧された金属粉末は噴霧塔内で凝固・沈殿し、粉末収集タンクに落下します。

ガス噴霧プロセスの基本要素は、噴霧装置、噴霧用超音波、および溶融金属の流れの3つです。噴霧装置では、注入された噴霧用超音波が、注入された溶融金属の流れを加速し、相互作用して流動場を形成します。この流動場において、溶融金属の流れは破砕、冷却、凝固され、特定の特性を持つ粉末が得られます。噴霧装置のパラメータには、ノズル構造、カテーテル構造、カテーテル位置などが含まれ、噴霧ガスとそのプロセスパラメータには、超音波特性、空気入口圧力、空気速度などが含まれ、溶融金属の流れとそのプロセスパラメータには、溶融金属の流れ特性、過熱度、液体の流れ径などが含まれ、超音波噴霧は、様々なパラメータとその調整によって、粉末の粒径、粒度分布、および微細構造を調整する目的を達成します。

1.2 真空空気噴霧粉砕装置

現在、真空噴霧式粉砕装置は主に海外製と国内製に分けられます。海外製の装置は安定性と制御精度が高いものの、装置価格が高く、保守・修理費用も高額です。一方、国内製の装置は価格と保守費用が低く、メンテナンスも容易です。しかし、国内の装置メーカーは一般的に、噴霧ノズルや噴霧プロセスといった装置のコア技術を習得していません。現在、関連する海外の研究機関や生産企業は技術を厳重に機密保持しており、関連文献や特許から具体的な工業化されたプロセスパラメータを入手することはできません。そのため、高品質粉末の収率が低すぎて経済的に成り立たず、これが我が国がエアロゾル粉末の生産・研究機関を多数抱えているにもかかわらず、高品質粉末の工業生産に成功していない主な理由となっています。

超音波噴霧粉砕装置の構造は、中間周波数誘導溶解炉、保持炉、噴霧システム、噴霧タンク、集塵システム、超音波供給システム、水冷システム、制御システムなどから構成されます。

現在、エアロゾル化に関する様々な研究は主に2つの側面に焦点を当てています。一つは、ノズル構造のパラメータとジェット流の特性を研究することです。その目的は、気流場とノズル構造の関係を把握し、超音波流量が小さい状態でノズル出口で超音波が目標速度に達するようにすること、そしてノズルの設計と加工のための理論的基礎を提供することです。もう一つは、噴霧化プロセスパラメータと粉体特性の関係を研究することです。これは、ノズルごとに噴霧化プロセスパラメータが粉体特性と噴霧効率に及ぼす影響を研究し、粉体生産の最適化と指針を得ることを目的としています。つまり、微粉の生産性向上とガス消費量の削減が、超音波噴霧化技術の発展方向を牽引していると言えます。

1.2.1 超音波噴霧用ノズルの各種

噴霧ガスはノズルを通過する速度とエネルギーを増加させ、それによって溶融金属を効果的に粉砕し、要求を満たす粉末を準備します。ノズルは噴霧媒体の流れと流れパターンを制御し、噴霧効率のレベルと噴霧プロセスの安定性に重要な役割を果たし、超音波噴霧のキー技術です。初期のガス噴霧プロセスでは、自由落下ノズル構造が一般的に使用されていました。このノズルは設計がシンプルで詰まりにくく、制御プロセスも比較的簡単ですが、噴霧効率は高くなく、粒径が50～300μmの粉末の製造にのみ適しています。噴霧効率を向上させるために、後に制限ノズルまたは密着型噴霧ノズルが開発されました。密着型または制限型ノズルは、ガスの飛行距離を短縮し、ガス流プロセスでの運動エネルギー損失を低減し、それによって金属と相互作用するガス流の速度と密度を増加させ、微粉末の収率を高めます。

1.2.1.1 円周スロットノズル

高圧超音波がノズルに接線方向に流入し、高速で噴射されて渦を形成する。