金属粉の作り方

はじめに

金属粉末 は細かく分割された金属粒子で、様々な製造工程で使用される。金属粉末は、鉄、アルミニウム、銅、ニッケルなど様々な金属から作られます。自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、化学、製薬など、多くの産業で幅広く使用されています。この包括的なガイドでは、金属粉末の製造に使用されるさまざまな方法を、その原理と用途とともに説明します。

金属粉末の製造方法

金属粉末の製造にはいくつかの手法があり、機械的手法、物理的手法、化学的手法に分類される。それぞれの方法には独自の原理、設備要件があり、異なる特性を持つ粉末が得られる。金属粉末の製造に用いられる一般的な方法には、以下のようなものがある：

機械的方法

ミーリング

粉砕は、金属を機械的に分解して粉末状にすることである。出発原料は通常、ボールミル、ハンマーミル、ジェットミルを使って粉砕される粗い粒子やスクラップの形をしている。ボールミルでは、粉砕ボールが粉砕機の中で転がりながら粒子を粉砕する。ハンマーミルは、ハンマーや刃を使って金属を粉砕する。ジェットミルは、粒子を高速で衝突させて微粉砕する。粉砕は、不規則な形状と広い粒度分布を持つ粉末を製造する。シンプルで費用対効果が高いが、粉体の特性を正確に制御することはできない。

霧化

アトマイズは、ノズルやオリフィスの小さな開口部から溶融金属を押し出す金属粉末製造法である。金属は細かい液滴の噴霧として現れ、固化して粉末粒子になる。アトマイズは、分解方法に基づいて、ガス、水、プラズマ、遠心、超音波アトマイズにさらに分類することができる。ガスアトマイズと水アトマイズが最も一般的なタイプである。この方法では、正確な粒子径の球状粉体が得られる。しかし、特殊な装置と高いエネルギー投入が必要である。

電着

電気めっきとしても知られる電着は、電解液から陰極に金属イオンを電解析出させることで金属粉末を生成する。析出した層は除去され、粉砕されて粉末になる。この方法では、粒径と形状の制御が可能である。しかし、粉末は見かけ密度が低く、生産速度も遅い。銅、鉄、コバルトなどの金属から粉末を製造するのに使われる。

物理的方法

蒸発

真空蒸発のような蒸発技術は金属蒸気を発生させ、それを凝縮させて微細な金属粉末にする。金属は真空チャンバー内で蒸発するまで加熱され、冷たい表面で凝縮して粉末になる。この方法では、粒度分布が制御された球状の粉末を作ることができる。しかし、特殊な装置が必要で、融点の高い金属には不向きである。

スパッタリング

スパッタリングは、固体金属ターゲットから原子を放出するためにプラズマエネルギーを使用する。放出された原子は薄膜として堆積され、削り取られて粉末となる。粒径、形態、組成の制御が可能である。しかし、生産速度が非常に遅く、大規模製造には不向きである。この方法は主に超微粒子やナノ粉末の製造に用いられる。

化学的方法

削減

還元とは、水素、炭素、一酸化炭素などの還元剤を用いて、金属塩や酸化物を粉末状の金属に変えることである。例えば、酸化鉄を水素で還元して鉄粉を作ることができる。この汎用性の高い方法は、様々な金属から粉末を製造することができる。粉末は純度が高いが、形状が不規則で粒度分布が広い。

電解

電解は、金属イオンを含む溶液から金属粉末を生成するために電解セルを使用する。粉末は陰極で析出し、陽極は溶液中の金属イオンを補充するために溶解する。この方法では粒子の特性を制御することができ、アルミニウム、クロム、チタン、マグネシウムの粉末の製造に使用される。しかし、生産速度が遅く、高価なプロセスである。

自己増殖型高温合成(SHS)

SHSは、金属酸化物と還元剤との発熱反応によって金属粉末を生成する。反応によって発生する熱は、化学変換プロセスを維持・促進する。酸化鉄とアルミニウムは、SHS反応によく使われる原料である。シンプルで費用対効果の高い方法だが、特殊な反応装置とプロセス制御が必要である。

粉体製造によく使われる金属

粉末の製造によく使われる卑金属には、以下のようなものがある：

• 鉄だ： 鉄粉は最も広く使用されている鉄粉のひとつである。鉄粉は還元鉄鉱石から製造され、粉末冶金、自動車部品、磁石、切削工具、磁気インキなどの製造に使用される。
• アルミニウムだ： アルミニウム粉末は熱伝導性・電気伝導性が高く、テルミット反応、添加剤製造、自動車部品、塗料、火工品などに使用される。溶融アルミニウムの霧化によって製造される。
• 銅だ： 銅粉は熱伝導性、電気伝導性に優れている。電解法、アトマイズ法、還元法などで製造され、電子部品、巻線、摩擦材、溶接棒などに使用される。
• ニッケルだ： ニッケル粉末は、耐食性、靭性、強磁性を有する。カルボニル分解、電気分解、還元によって製造され、合金鋼、電池、触媒、導電性塗料などに使用される。
• スズだ： スズ粉末は、メッキ材料、はんだ、ベアリング、化学製造に使用される。スズ粉末は、スズ溶液からの噴霧化または電着によって製造される。
• タングステン タングステン粉末は密度、強度、融点が高い。彼らは水素還元によって製造され、タングステンワイヤー、発熱体、耐摩耗性コーティングを作るために使用されます。
• シルバーだ： 銀粉は高い電気伝導性と熱伝導性を持つ。電気分解によって製造され、はんだ、ろう付け合金、導電性コーティング、太陽電池接点などに使用される。
• ゴールドだ： 金粉は化学的に安定で、導電性がある。電解法や蒸着法で製造され、電子機器製造や装飾用コーティングに使用される。

金属粉末の用途

金属粉の用途は多岐にわたり、様々な産業で使用されている：

• 製造： 粉末冶金は、金属粉末を使用して完成品または半完成品を製造する。粉末を圧縮してから焼結し、複雑な形状の精密部品を製造する。一般的な製品には、ギア、ブッシュ、ベアリング、磁石、切削工具、自動車部品などがある。
• アディティブ・マニュファクチャリング： 選択的レーザー焼結、ダイレクトメタルレーザー焼結、バインダージェッティングは、金属粉末を使用して金属部品を層ごとに3Dプリントする。航空宇宙、医療、自動車産業がこれらの技術を使用している。
• エレクトロニクス： 銅と銀の粉末は、プリント回路、多層セラミック・コンデンサー、導電性接着剤の製造に使われる。フェライト粉末はインダクターやトランスのコアに使われる。
• 化学産業： 金属粉末は、化学薬品、医薬品、石油製品、顔料、電池材料を製造するための触媒や試薬として機能する。
• コーティング： アルミニウム・フレークは塗料にメタリック・コーティングを作る。銅や亜鉛の粉末は防錆コーティングを作る。金属粉末は導電性コーティングや電磁波シールドにもなる。
• 溶接： アルミニウムとマグネシウムの粉末は、テル マイト溶接の発熱反応に使われる。鉄粉、銅粉、ニッケル粉は溶接フィラー材料となる。
• 花火： アルミニウム、マグネシウム、鉄の粉末は、発熱性の酸化反応を起こすため、花火、線香花火、照明弾、テルミットなどの主要成分である。
• その他 金属粉末は、ダイヤモンド工具、摩擦材、ろう付け用合金、導電性プラスチック、磁気インクなど、ニッチな用途にも使われている。

金属粉末の特性

金属粉末の特性は、組成、粒径、形状、気孔率、微細構造だけでなく、製造方法にも影響される。重要な粉末特性には以下のようなものがある：

• 粒子径： マイクロメートル（ミクロン）単位で測定され、大きさは密度、反応性、焼結挙動に影響する。超微粉のサイズは10ミクロン以下である。
• 粒子の形状： 形状は粉末の流動性と充填密度に影響する。粒状、球状、フレーク状、樹枝状が一般的。
• 粒度分布： 狭い分布は均一な包装と加工を可能にするが、広い分布は取り扱い中に偏析する可能性がある。
• 見かけ密度： 粉末の体積に対する質量の比率。圧縮性と最終部品の密度に影響する。理論密度の25％～80％の範囲。
• タップの密度： メカニカルタッピング後の最大密度。粉体充填効率を示す。
• 流量： 取り扱いや加工に重要。粒子径、形状、表面酸化物、水分などの要因に影響される。
• 圧縮性： 粉末が圧力を受けて変形し、成形体になる能力。延性、加工硬化、吸着ガスに依存する。
• 焼結活性： 加熱中に粉末粒子が結合する能力。組成、粒子径、酸化物含有量、欠陥に影響される。
• 純粋さ： 酸素、窒素、炭素の存在は、粉末の特性に悪影響を与える。重要な用途には高純度が要求される。

金属粉の取り扱いに関する安全対策

金属粉の取り扱いには、安全衛生上の潜在的危険が伴う。主な対策は以下の通り：

• 粉体を取り扱う際には、吸入や皮膚接触を防ぐため、手袋、保護メガネ、保護マスク、全身スーツを着用する。
• 粉末は、熱、火花、炎にさらされると発火することがあります。適切な接地手順に従ってください。
• 粉塵爆発の防止 – 粉塵は爆発性の粉塵空気混合物を形成する。粉塵排出システムを使用し、粉塵の堆積を避ける。
• 不活性に保管する – 粉体は、酸化を防ぐために、アルゴンや窒素のような不活性ガス下で密閉容器に保管されることが多い。
• 適切な換気を確保する – ヒュームフードまたは局所排気装置を使用し、金属ヒュームや粉塵にさらされないようにする。
• こぼれないようにする – 粉塵をまき散らすブラシではなく、バキュームシステムを使用して、こぼれたものを直ちに掃除する。
• 地域の環境規制に従って廃棄し、排水溝や埋立地を通さないこと。
• トレーニングの実施 – 粉末の危険性、適切な取り扱い手順、および緊急時の措置について、作業員にトレーニングを行う。
• モニタリングの実施 – 粉塵レベルと作業員の暴露を監視し、それらが許容暴露限度内にあることを確認する。

よくある質問

金属粉末の主な製造方法は？

主な方法は以下の通り：

• 機械加工
• 霧化
• 化学還元
• 電解
• 蒸発技術

金属粉は何に使われるのか？

金属粉末は、粉末冶金による完成部品の製造、付加製造部品の製造、電子機器の製造、導電性／抵抗性コーティングの塗布、化学薬品や触媒の製造、火工品の製造などに使用される。

金属粉末の粒子径はどのように測定するのですか？

粒子径は、顕微鏡法、レーザー回折法、沈降法、ふるい分け法、動的光散乱法などを用いてマイクロメートル（ミクロン）単位で測定されます。超微粉末のサイズは10ミクロン以下です。

金属粉の取り扱いにはどのような注意が必要ですか？

注意事項には、保護具の使用、着火源の回避、粉塵爆発の防止、不活性保管、適切な換気、安全な廃棄、作業員教育、暴露モニタリングなどが含まれる。

金属粉末のどのような特性がその性能に影響するのか？

重要な特性は、粒径、形状、粒度分布、密度、流動性、圧縮性、焼結性、純度、組成である。これらは加工、取り扱い、最終製品の品質に影響する。

金属粉の安全な保管方法は？

金属粉末は酸化反応を防ぐため、アルゴンや窒素などの不活性ガス下で密閉容器に保管されることが多い。これにより、粉末の純度が保たれ、粉末の特性の変化を防ぐことができます。

粉末冶金とは？

粉末冶金は、金属粉末を使用して完成品または半完成品を製造する製造プロセスである。粉末を圧縮した後、焼結して複雑な形状の精密金属部品を製造する。

粉体の製造によく使われる金属は？

鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、スズ、タングステン、銀、金などがよく使われる。金属は、要求される材料特性と用途に基づいて選択される。

金属粉製造のアトマイズプロセスとは？

アトマイズでは、溶融金属をノズルから押し出し、微細な液滴に分解して粉末粒子に凝固させる。粒子径と形状の制御が可能で、球状粉末の製造に使用される。

金属粉に関する危険性は？

金属粉は、熱や火花にさらされると発火することがある。爆発性の粉塵と空気の混合物を形成する。また、金属ヒュームや微粉末は吸入すると有毒です。適切な保護具と取り扱い手順が必要である。

より多くの3Dプリントプロセスを知る