ガスアトマイズ合金粉末 製造・販売 大阪特殊合金株式会社
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ガスアトマイズ法で製造した合金粉末、OTG テクノパウダーのご紹介
合金粉末、OTG テクノパウダーのご紹介
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アトマイズ法は広い意味では、溶湯を細かく粉末化する方法全体を示すが、狭い意味では溶湯の流れにジェット流体を溶湯に吹き付けて、微粉末化する方法を指すことが多い。
 狭い意味でのアトマイズ法とは、大凡次の様な方法である。
合金成分を過熱して溶解後、タンデシュの底部に設けたノズル穴からその溶湯を流し、溶湯の細かい流れを作る。その溶湯の流れに、周囲からジェット流体を吹き付けて、そのジェット流体のエネルギーで流下してくる溶湯流を順次、粉化、生成した液滴を落下させながら擬固させて合金粉末とする方法である。
 この様に製造されたガスアトマイズ合金粉末は、均一に溶融された合金の湯を瞬間的に液滴化と冷却を行うため、均一な微細組織が得られる。合金種によっては、アモルファスの状態が得られる。この微細組織は、機械的特性の向上に役立ち、実用化例も多い。
また、同じ溶湯から連続的に液滴をつくるため、粒子間の組成差はきわめて小さく、大きな粒子、小さな粒子とも組成差が小さいという特徴はある。この特徴から粉末を固めて、焼結して複雑な形状の部品を製造することが広く行われている。
 合金を溶かす方法、ジェットにする流体、ジェットを吹き付ける方法に、それぞれ幾つかある。
ジェットにして吹きつける流体は、不活性ガス、空気、水を用いるケースが多いが、油を用いて実用化した例もある。
 同じアトマイズ法でも、ガスアトマイズでは球状、水アトマイズでは不規則形状の粉末が得られる。冷却速度や粉砕状況の違いによって形状が決定されると推定されている。
形状の違い、純度の違いから、ガスアトマイズ、水アトマイズとでは用途、適用分野が異なっている。ガスアトマイズ、水アトマイズの差異を表に示す。
 
ガスアトマイズ粉末
水アトマイズ
形状

球状

不規則形状
組成 不活性ガスを使用するので酸素量が低い 水を使用するので酸素量が高い
利用先

1:酸素を嫌う高級機能材料、構造材料分野
2:粉末の流動性を必要とする分野
  球状であるので流動性が良好で安定
3:高充填密度が必要な分野
4:均一空孔分布が必要な焼結品分野

1:金型成形分野
  焼結前の成形品強度に優れる
2:低コストを要する分野

用途例 1:高合金粉末製品(工具用粉末ハイス)
  調合金粉末製品、Ti粉末製品
2:溶射溶粉末、粉体プラズマ溶接用粉末
3:HIP成形製品、押出し成型製品
4:均一空孔フィルター

1:金型成形ー焼結部品
 (Fe,Cu系機会部品、磁性材、含油軸受)
2:ガス切断材、脱酸素材
3:科学反応材



急冷凝固粉末
急冷とは高温度より急速に冷却する操作である。
凝固時に103K/sec程度以上の冷却速度で急冷する場合を急冷凝固と一般にいわれている。鋳物では10−3〜101K/sec、DC鋳造でも102K/sec以下である。ガスアトマイズ合金粉末は、小さな穴を通して落下させた溶融金属流に噴射ガスを衝突させて、溶融金属を粉砕させて製造するが、数100〜数μmの微粒子に粉砕された瞬間から、表面からの熱幅射とガスジェットにより急速に冷却される状態となる。体積に対して、熱が放散する表面積が大きいので急冷凝固が可能となる。

凝固と凝固後の合金組織
溶融した合金を凝固する場合、全体が均一に凝固するのでは無く、最初に凝固する組成と後から凝固する組成は異なる。ゆっくり冷やすと状態図に従い、種々の組成物として凝固する。
最初に凝固した部分は1次晶で、最後に凝固した部分は溶融温度の低い共晶などである。
合金組成、凝固速度に応じ、様々な組織を生み出す。
急冷凝固された合金は、微細なデンドライト組織、微細な結晶粒、微細な晶出粒子、過共晶組成での初晶の抑制、非平衡第2次相の生成、準結晶の生成などの組織的特徴を持つ。
再加熱や塑性流動加工などのエネルギーを与えることにより、このような急冷凝固組織の特徴の一部は失われる。
従って、この様な微細組織の特徴を活かす場合、適切な成形方法を選ぶことが重要となる。
圧粉体粒子間隙に低電圧でパルス状大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマ(高温プラズマ・瞬間的に数千〜1万の高温度場が粒子間に生じる)は、従来法に比べ200〜500℃ほど低い温度域で焼結でき、短時間で焼結を完了するので、微細組織の特徴を活かす成形方法として期待されている。

偏析抑制微細組織
凝固速度を上げることにより、凝固組織は微細となる。
冷却速度を上げると、一般には凝固速度は早くなる。
鋳造の様に、ゆっくりした冷却に比べ、組織的な偏析は小さな単位となる。さらに結晶粒も微細なものとなる。
大きな偏析や、大きな析出物がないこと、結晶粒が小さいことは、同じ合金組成でも特徴のある特性を発現する。実用化されている例を2〜3紹介する。
ガスアトマイズ合金粉末をHIP、押出し法により成形焼結した粉末高速度工具鋼は、均一微細な炭化物組織であることから、従来溶製材に比較して以下の優れた特性を有する。
@ 表面粗さが小さい。
A 非研削性が良好
B 熱処理歪が少なく、寸法変形が安定する。
C 硬さ、バラツキが減少する。
このように優れた特性を発現し、高級切削工具として幅広く使用されている。アルミニウム合金、特にAl-Zn-Mg-Cu系合金において、急冷凝固粉末の特徴は実用化されている。高い引張り強度を有する7090合金が得られている。過共晶Al-Si系においては、超塑性現象の発現と比強度向上が確認されている。

非平衡凝固組織
自由エネルギーが最も低い状態が平衡状態。
溶融合金を一般の速度で冷却すると、原子が規則も周期もなく存在している非晶質の状態から金属間の結合力により、自由エネルギーが最も低い状態の合金組織へと変化していく。
規則的、周期的な組織を有する高いエネルギー状態を急冷凝固によって凍結できるケースがある。その様に凍結された合金組織を非平衡凝固組織という。特定の溶融合金を急冷凝固させると、原子が規則も周期もなく存在している非晶質(アモルファス)が得られる。

過飽和来固溶
均一固溶体である高温度から急冷すると、第2相が析出する現象が起きずに凝固、正常な平衡を保持できる溶媒の量を超えて溶剤が溶け込んでいる状態の固体が製造できる。

アモルファス金属・アモルファス合金
原子が規則性も周期性もなく存在している状態をアモルファス(非晶質)という。
特定の金属、合金を急冷凝固させると、アモルファス金属、合金を得ることができる。力学的特性や磁性特性を高めることが知られている。アトマイズにおいても、粒子径の小さい粒子は、アモルファス化する可能性が高い。近年、冷却速度が比較的遅くても、アモルファス化が起きやすい金属ガラスが数多く発明されている。

粉末溶射

『溶射』は、コーティング材料を、加熱により溶融もしくは軟化させ(「溶」)、微粒子状にして加速し被覆対象物表面に衝突させて(「射」)、扁平に潰れた合金粉末を凝固・堆積させることにより皮膜を形成するコーティング技術の一種です。溶射にも様々な方式があり、使用する材料や熱源の種類等により分類されています。

粉末ハイスのHIP鍛造処理

熱間静水圧焼結:HIP(100〜300MPa)は、Ar、N2などの不活性ガスを圧力媒体として高温高圧ガス圧下で合金粉末焼結する方法で、二つの方法がある。一つは圧力媒体が成形体の内部に入らないように、成形体を金属、ガラスなどのカプセルに封入してHIP処理する方法。
もう一方は予め常圧焼結やホットプレスなどの方法により予備焼結して、ある程度緻密化した焼結体をカプセル無しでHIP処理する方法である。他の方法に比べ空孔などの欠陥が少なく、高強度で信頼性の高い焼結体を得る方法である。

粉体プラズマ肉盛溶接

プラズマア−ク中にガスアトマイズ合金粉末を供給、プラズマ熱により、合金粉末を溶融して
基板上肉盛する。 母材と冶金的に接合しているので密着強度も高い。
粉末であることから難加工性材料や混合材料の肉盛りもできる。
表面改質、補修に用いられる。

放電プラズマSPS焼結

SPSプロセスは、圧粉体粒子間隙に低電圧でパルス状大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマ(高温プラズマ:瞬間的に数千〜1万℃の高温度場が粒子間に生じる)の高エネルギーを熱拡散・電界拡散などへ効果的に応用したものです。低温から2000℃以上の超高温域において従来法に比べ200〜500℃ほど低い温度域で、昇温・保持時間を含め概ね5〜20分程度の短時間で焼結を完了します。

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