金属粉末微粒化装置

金属粉末アトマイズ法は、工業用途向けに最適化された特性を備えた微細な金属粉末を製造するために使用される粒径縮小技術です。このプロセスでは、溶融金属をノズルに押し込んで均一な液滴に分解し、急速に凝固して粉末粒子になります。

噴霧化により、金属 3D プリンティング、粉末冶金部品の製造、金属コーティングプロセスなどの高性能に重要な粉末の粒度分布、形態、純度、その他の特性を制御できます。この記事では、さまざまな種類の霧化装置、動作原理、設計上の考慮事項、用途、利点、制限事項について包括的に概要を説明します。

金属粉末アトマイズプロセスの概要

金属粉末の噴霧化により、バルクの液体金属が制御された特性を持つ微細な球状粉末に変換されます。これは、ガスまたは液体のジェット衝撃を使用して、溶融金属の流れを細かい液滴に分割することによって実現されます。液滴は冷却されると急速に凝固して粉末粒子になります。

このプロセスに含まれる主な手順は次のとおりです。

金属の溶解 – 原料金属装入物は、誘導炉、アーク溶解、またはその他の技術を使用して溶解されます。噴霧化される一般的な金属には、アルミニウム、チタン、ニッケル、鉄、コバルト、銅などが含まれます。
溶融金属の供給 – 液体金属は最適な温度に維持され、タンディッシュ、るつぼ、またはポンプを使用して噴霧ゾーンに送られます。
霧化 – 溶融金属の流れは、高速のガスまたは液体との相互作用によって液滴に崩壊します。さまざまな霧化方法が使用されます。
パウダーコレクション – 霧化された金属粉末は冷却され、下流の操作のために収集されます。ふるい分け、磁気分離、アニーリングプロセスを利用してもよい。
粉末の特性評価 – 粉末の粒度分布、形態、密度、流動性、微細構造が分析されます。

金属組成、温度、噴霧流体速度、噴霧器設計などのプロセスパラメータを適切に制御することは、望ましい粉末特性を達成するために重要です。

霧化装置の種類

噴霧システムは、溶融金属を液滴に分解するために使用される媒体に基づいて分類できます。

ガス噴霧

ガスアトマイゼーションでは、高圧ガスの運動エネルギーが急速に加速し、液体金属の流れを微細な液滴に分散させます。ガス供給設計に基づいて、さらに次のように分類できます。

圧力ガス噴霧 – 密結合ノズルを使用して、圧縮空気または不活性ガスを液体金属の流れに横から供給します。
二流体ノズルガスアトマイズ – 同軸ノズルは、内側の金属製送出チューブの周囲に高速霧化ガスを導入します。
マルチノズルガス噴霧 – 一連の収束発散ノズルを使用して、超音速ガスジェットを溶融物の流れに供給します。

ガスアトマイズ粉末は、水アトマイズ粉末と比較して、粒子サイズが小さく、形態がより均一で、純度が高くなります。しかし、このプロセスはエネルギーを大量に消費し、費用がかかります。

水の霧化

水アトマイゼーションでは、溶融金属の流れが高圧ウォータージェットの衝撃によって粉砕されます。より広いサイズ分布を持つ液滴が形成されます。水噴霧化は、ガス噴霧化に比べて資本コストと運用コストが低くなります。

設計に基づいて、水噴霧では以下を使用できます。

密結合水噴霧 – ウォータージェットはタンディッシュから出る液体金属に直接衝突します。
自由落下水噴霧 – 落下する溶融金属の流れは、タンディッシュの下のウォータージェットによって遮断されます。

水アトマイズ粉末は、粒子形状がより不規則で、分布が広いため、プレスや焼結に最適です。しかし、水は汚染をもたらします。

遠心霧化

遠心噴霧では、溶融金属が高速回転するディスクまたはカップに注がれるかポンプで送られます。金属は周囲に薄い膜を形成し、遠心力によって微細な液滴に崩壊します。

シンプルな設計、低ガス消費量、容易なスケールアップなどの利点があります。ただし、ガスアトマイズよりもサイズ範囲が比較的広くなります。錫、鉛、亜鉛などの低融点金属から球状粉末を製造するために使用されます。

超音波ガス噴霧

ガス噴霧化とノズルに接続された超音波発生器を組み合わせます。高周波振動により金属の崩壊と分散が促進され、より微細な液滴となり、サブミクロンの粉末が得られます。

ナノ結晶およびアモルファスの粉末形態を生成するのに非常に効果的です。しかし、高価でメンテナンスも大変です。特殊な用途に使用されます。

火花浸食噴霧化

この電気霧化技術では、パルス状の大電流スパーク放電が溶融金属と電極先端の間に適用され、金属を超微粒子の球状粉末に分解するプラズマを生成します。

非常に微細で球形度の高い金属粉末の製造が可能です。しかし、生産速度が低く、コストが高くなります。主に金、プラチナ、パラジウムなどの貴金属に使用されます。

アトマイザーのコンポーネントと設計

アトマイザーは、金属粉末を効果的に溶解、注入、噴霧、冷却、収集するように設計されたさまざまなコンポーネントで構成されています。

金属溶解注湯システム

誘導炉 – 鋼などの金属を溶解するために最も一般的に使用されます。良好な温度制御と低溶融汚染が可能です。
るつぼ – 金属装入物を入れるために使用される耐火セラミックポット。別の炉で加熱して手動で注入することも、噴霧システムに直接組み込むこともできます。
タンディッシュ – 霧化セクションへの注入速度を制御する中間溶融金属リザーバー。
縦樋 – 溶融金属の流れを霧化ゾーンに正確に導きます。高温に耐えるタングステンなどの高融点金属で作られています。
パンプス – 特定のアトマイザー構成での加圧溶融金属の供給を制御するために使用されます。

霧化セクション

噴霧ノズル – 霧化用のガスまたは水のジェットを生成するために使用される特殊な高圧および耐熱性のノズル。
ノズルアレイ – 液滴形成を最適化するために戦略的に配置された複数の特殊ノズル。
回転コンポーネント – 遠心霧化に使用されるディスクやカップは、電気モーターによって駆動される 10,000 ～ 50,000 RPM という非常に高速で回転します。
超音波発生器 – 電気信号をノズル領域の高周波機械振動に変換します。超音波霧化に使用されます。
電源 – 高電流を供給して火花浸食噴霧用の電気アークを生成します。

粉体ハンドリングシステム

サイクロンセパレーター – 遠心力を使用してプロセスガスまたは水の流れから微粉末を分離します。
バッグフィルター – サイクロンで分離されなかった非常に細かい粉末を収集します。頻繁な交換が必要です。
画面分類子 – メッシュふるいを使用して粉末をさまざまな分画にサイズ分類します。
磁気選別機 – 粉末から混入金属汚染物質を除去します。
コンベア – 装置間で粉体を輸送します。スクリュー、ベルト、振動コンベア等を使用。
ホッパー – さらなる加工または包装のために粉末を保管します。
真空掃除機 – こぼれた粉末を機器や表面から除去します。反応性金属粉末にとって重要です。

計装と制御

温度センサー – 最適な霧化のために、炉/溶融物、ノズル温度を監視および制御することが重要です。
圧力センサー – 適切な霧化を維持するために、ノズルへのガスと水の圧力を監視します。
流量計 – 噴霧流体と溶融物の流量を測定および制御します。
タコメーター – 遠心霧化ディスクの回転速度を監視します。
レベルセンサー – 主要な容器内の最適な溶融レベルを維持します。オーバーフローを防ぎます。
緊急停止 – 問題が発生した場合に機械を迅速かつ安全に停止するために必要です。
制御システム – 自動コンピュータ制御によりパラメータの調整が最適化され、再現性が向上します。

金属粉末噴霧プロセスパラメータ

プロセスパラメータを適切に選択することが、望ましい特性を備えた粉末を実現する鍵となります。以下の表は、主要な変数とそれらが粉末の特性に及ぼす影響をまとめたものです。

パラメータ	粉体特性への影響
溶融金属の温度	温度が高くなると粘度が低下し、噴霧化が向上します。ただし、酸化や蒸発損失が増加する可能性があります。
噴霧ガス圧力	ガス圧力が高いと粒径分布が改善され、平均粒径が小さくなります。ただしガス消費量は増えます。
噴霧ガス流量	流量が高いほど粒子径の縮小が促進されます。ただしガス使用量は増えます。
噴霧流体速度	速度が速いほど粒子サイズの縮小が向上します。ノズルの設計により異なります。
ノズル設計	特殊なノズルにより、より細かい液滴と粉末が生成されます。
溶融物注入速度	注入速度が高いと、連続運転の収量が増加しますが、粒子サイズが小さくなる可能性があります。
溶融過熱	注湯温度が融点を超えると増加します。流動性が向上します。
溶融濾過	介在物や汚染物質を除去します。粉末の純度が向上します。
霧化距離	自由落下距離が長いほど、液滴の形成に時間がかかります。衛星の形成を減らします。
溶融組成	元素を合金化すると粘度や表面張力が変化し、噴霧挙動や粉末の特性に影響を与える可能性があります。

アトマイズ金属粉末の特性評価

噴霧された粉末の特性と品質が、下流の用途での性能を決定します。評価される主な特性は次のとおりです。

粒度分布

さまざまなサイズ分率にわたる粉末粒子の分布。通常、D10、D50、および D90 パーセンタイルとして表されます。ガスアトマイズでは 20 ミクロン未満を達成できますが、水アトマイズではより粗い粉末が生成されます。

粒子の形状と形態

ガスアトマイズ粉は粒子が球形に近いのに対し、水アトマイズ粉は粒子が不規則です。衛星粒子は、最適な霧化が欠如していることを示しています。丸い粉末は流動性と充填密度が優れています。

化学組成

アッセイから得られた元素と相の組成。合金のグレードを決定します。ガス噴霧により高純度が得られますが、水はチタンやアルミニウムなどの反応性金属を汚染する可能性があります。

見掛け密度とタップ密度

粉体の充填効率を示す指標です。密度が高くなると、プレスおよび焼結時の製品特性が向上します。ただし、粉末の流れに影響を与える可能性があります。通常、材料密度の値は 40 ～ 65% です。

流量特性

取り扱いおよび下流の処理にとって重要です。粒子の形状、サイズ分布、表面構造などの要因に影響されます。焼鈍、表面処理により改善します。

微細構造

顕微鏡観察により明らかになった内部粉末構造。ガスアトマイズ粉は粒子が細かく、急速凝固による欠陥が生じますが、水アトマイズ粉は粒子が粗くなります。焼結挙動を決定します。

金属粉末アトマイズの応用例

アトマイズ金属粉末は高度な製造において幅広い用途に使用され、従来の金属加工と比較して製品の品質と性能が向上します。

アディティブ・マニュファクチャリング

3D プリント – サイズ分布が制御された噴霧化された球状粉末は、粉体層融合技術に最適です。アルミニウム、チタン、ニッケル超合金が一般的に使用されます。
金属射出成形 – より細かいステンレス鋼、チタン、アルミニウムの粉末により、焼結プロセスと部品の密度が向上します。

粉末冶金

プレスおよび焼結 – 不規則で粗い水アトマイズ鉄粉で、良好な機械的特性を備えた P/M 部品の大量生産に使用されます。
ソフト磁石とハード磁石 – 微結晶 NdFeB、SmCo 粉末により、高性能のボンド磁石やホットプレス磁石が製造されます。
摩擦材 - 水噴霧銅粉がブレーキパッドとクラッチライニングの性能を向上させます。

表面コーティング

サーマルスプレー – プラズマまたは HVOF スプレーによる均一で緻密なコーティングに重要な、球状でサイズ分布が制御されたパウダーです。 WC-Co、ニッケル合金粉末を使用。
蒸着 – 保護を強化したタービンコーティングの電子ビーム物理蒸着に使用される超微細超合金粉末原料。

その他

金属射出成形 – 微細なステンレス鋼、チタン、アルミニウムの粉末原料を使用して、小型で複雑なコンポーネントを製造できます。
ろう付けペースト – 高温ろう付け接合部の製造に使用される噴霧化された銀、金、銅合金。
火花侵食 – 誘電媒体として使用される超微粒子球状粉末により、EDM 加工の精度と速度が向上します。

金属粉末アトマイズのメリット

従来の金属加工ルートと比較して、噴霧粉末を使用する主な利点は次のとおりです。

機械的特性の向上 – 急速凝固による微細で均質な微細構造により、降伏強度、疲労寿命、延性が向上します。
正確な寸法管理 – 一貫した球状の粉末により、高密度で正確なネットシェイプの製造が可能になります。機械加工を軽減します。
生産性の向上 – 金属粉末処理により、サブトラクティブ法よりも迅速にコンポーネントを大量生産できます。
設計の自由度が向上 – 鋳造や機械加工では不可能な複雑な形状を製造できます。
無駄を最小限に抑える – ニアネットシェイプ機能により、インゴット冶金と比較してスクラップの損失が削減されます。未使用の粉末はリサイクル可能です。
エネルギー使用量の削減 – 粉末プロセスは、バルク金属からの製造よりも低い温度とエネルギーを必要とします。
カスタム合金 – インゴットでは製造が難しい特殊な組成を噴霧することができます。
高純度 – チタンのような反応性元素は、従来の方法よりも低い汚染で噴霧化できます。

金属粉末アトマイズの限界

バルク金属加工と比較して、噴霧装置や粉体処理システムには多額の設備投資が必要です。
粉末から製品を製造するには、圧縮、焼結などの追加の下流プロセスが必要です。全体的な生産ルートは複雑です。
超微細なナノスケール粉末を実現することは困難であり、スループットも低くなり、コストがかかる場合があります。
水噴霧を使用する場合、特に反応性金属の場合、汚染の可能性があります。
粉末は酸素と水分を吸着する可能性があるため、保護された保管と取り扱いが必要です。
粉塵爆発、火災の危険、特定の粉末の組成や形態の毒性に関連した安全性の問題が存在します。
鍛造製品と比較した最終コンポーネントの特性のばらつき。粉末に関連した欠陥は、固化後に現れる可能性があります。
金属粉末のリサイクルと再利用は、バルク金属形態に比べて限られています。材料は 1 ～ 2 回の再利用サイクル後に廃棄されます。
新規金属粉末の特性、試験方法、品質管理、認証に関する業界標準が不足しているため、採用の障壁が生じています。

金属粉末アトマイズシステムの選択

用途に適した噴霧装置の選択は、次のような要因によって決まります。

生産量

低生産 – ラボおよびパイロットスケールのアトマイザー。遠心または加圧ガス噴霧システム。
中規模生産 - 連続噴霧器の定格粉末出力は 3 トン/時間です。
高生産 – 10 トン/時を超える生産能力を持つカスタム大規模システム。

パウダー素材

鋼やニッケル合金などの非反応性金属には水噴霧を使用できます。
アルミニウムやチタンのような水に弱い合金は、不活性ガス噴霧が必要です。
タングステンのような高融点金属には、特殊な噴霧媒体と保護が必要です。

粉末の特性

球状形態を有する 30 ミクロン未満のより微細な粉末のガスアトマイズ。
プレス用の粗く不規則な粉末を水アトマイズします。
ナノ結晶またはアモルファス金属粉末の特殊な噴霧。

製品の用途

積層造形には、ガスアトマイズによる非常に細かく制御された粒子分布の粉末が使用されます。
粉末射出成形には、流動性の良い微細な球状の粉末が必要です。
溶射コーティングには、よく固まる高密度の球形の粉末が必要です。

資本コストと営業コスト

水噴霧化は設備コストと運用コストが低くなりますが、粉末の品質が損なわれる可能性があります。
ガス噴霧化は資本コストが 10 倍かかりますが、優れた粉末を生成します。運用コストも高くなります。
遠心噴霧は経済的ですが、サイズと形状に制限があります。

プラント統合

溶融物の準備、粉末の取り扱い、保管、輸送のための十分なインフラストラクチャが必要です。
不活性ガス雰囲気などの反応性金属に対する保護システム。
自動化された制御とデータ監視により、プロセスの安定性が向上します。

大手金属粉末アトマイザーメーカー

いくつかの企業が、標準化およびカスタム設計の金属粉末噴霧システムおよびコンポーネントを提供しています。

ガス噴霧システム

Praxair – 高圧ガス噴霧装置の市場リーダー。ラボ、パイロット、生産規模のシステムを提供します。
AP&C – 反応性金属および高融点金属用の密結合ノズルガスアトマイザーを専門としています。チタンやアルミニウムの粉末に広く使用されています。
ALD Vacuum Technologies – 中規模から高生産向けのマルチノズルガスアトマイザーを設計します。エリコンメテコが所有。

水の霧化

Gasbarre – 中量から大量まで、密結合型および自由落下型の水の噴霧を提供します。
シェフィールドアトマイジングシステム – 50 年以上にわたって自由落下水噴霧技術を専門としています。

遠心霧化

ABB – 大手世界的機器プロバイダー。ラボからフル生産規模までの遠心霧化システムを提供します。
Ferrum AG – スイスに本拠を置く水平および垂直遠心式アトマイザーの大手サプライヤー。

超音波霧化

Tekna – 特許取得済みの結合ツインワイヤ誘導ガイド技術に基づいた超音波ガス噴霧器システムを提供
Ultramet – 高温液化技術を備えた特殊な超音波霧化装置を提供します

火花浸食噴霧化

PyroGenesis – 超微細な球状金属粉末を製造するためのプラズマ噴霧システム (PAS) を提供します。
Plasma Innovations – 回転電極プロセス (REP) 火花浸食噴霧システムを提供します。

金属粉末アトマイザーのコスト分析

アトマイザーのコストは、規模、生産速度、自動化レベル、処理される粉末材料によって異なります。典型的な資本コストの見積もり:

大型生産用ガスアトマイザー	カスタムビルディング	1000	千万
少量生産用水噴霧器	トレーラー/コンテナシステム	100	750,000
中量生産水噴霧器	シェルターシステム	500	200万
大規模生産水噴霧器	カスタムビルディング	2000	500万
パイロット遠心式アトマイザー	スキッドマウント	50	400,000
中型遠心式アトマイザー	シェルターシステム	500	150万
ラボ用超音波噴霧器	ベンチトップ	5	250,000
パイロット超音波アトマイザー	スキッドマウント	20	100万
スパークエロージョンアトマイザー	コンテナシステム	10	200万