金属粉末の調製方法 - 物理的および化学的方法

公開日:2020-09-18

還元法:

金属酸化物および塩類の還元法は、最も広く用いられている粉末製造法である。固体炭素を用いて鉄粉やタングステン粉を還元し、水素または分解されたアンモニアを用いてタングステン、モリブデン、鉄、銅、コバルト、ニッケルなどの粉末を得ることができる。天然ガスやガスを変換することで鉄粉などを製造でき、ナトリウム、カルシウム、マグネシウムなどの金属を還元剤として用いることでタンタル、ニオブ、チタン、ジルコン、セオール、ウランなどの希少金属粉末を製造することができる。金属酸化物および塩類の還元法の基本原理は、使用される還元剤が酸素に対する親和性が、酸化物および使用される塩類中の対応する金属の酸素に対する親和性よりも高いことにより、酸化物または塩類中の酸素を奪い、金属を還元させることにある。異なる金属元素が酸素に対して異なる作用を持つため、生成される酸化物の安定性も異なり、酸化物の安定度は反応過程における△Gの大きさによって評価できる。反応過程における△G値が小さいほど、その酸化物の安定性が高い、つまり酸素に対する親和性が大きいことを示す。

この方法の利点は操作が簡単で、プロセスパラメータの制御が容易であり、生産効率が高く、コストが低いことから工業的生産に適している。欠点としては、水素と反応しやすく、水素吸収後に脆くなり破壊しやすい金属材料にのみ適用可能である。

金属熱還元法および還元化法:

金属熱還元法とは、還元される原料が固形、気体、あるいは溶融塩でもよい。後者の2つはそれぞれ気相還元および液相沈殿の特徴を持つ。工業的によく用いられる金属熱還元法には、カルシウムを用いてTiO₂、ThO₂、UO₂などを還元する方法、マグネシウムを用いてTiCl₄、ZrCl₄、TaCl₅などを還元する方法、ナトリウムを用いてTiCl₄、ZrCl₄、K₂ZrF₆、K₂TaF₇などを還元する方法、また水素化カルシウム(CaH₂)を共還元して酸化クロムや酸化ニッケルを還元し、ニッケルクロムステンレス鋼粉を製造する方法などがある。

還元化法とは、炭素、炭化ボロン、シリコン、窒素を難融金属酸化物と反応させて炭化物、ホウ化物を得る方法である。窒化物の方法も含まれる。

電解法:

電解法とは、溶融塩または塩の水溶液を電解することで、金属粉末が陰極に析出・堆積する方法である。電解法ではほぼすべての金属粉末を製造可能であり、特に銅粉、銀粉、錫粉の製造に適している。電解による粉末製造は、水溶液電解、有機電解質電解、溶融塩電解、液体金属陰極電解などに分類される。

この方法の利点は、得られる金属粉末の純度が比較的高くなること、一般的に単体粉末の純度は99.7%以上に達することである。また、電解法では粉末の粒径を良好に制御でき、超微細粉末の製造にも適している。ただし、電解法による製造は電力消費が多く、製造コストが比較的高いという欠点がある。電解水溶液を用いればCu、Ni、Fe、Ag、Sn、Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Coなどの金属(合金)粉末を製造でき、溶融塩を電解すればZr、Ta、Ti、Nbなどの金属粉末を製造できる。

ヒドロキシル法:

特定の金属(鉄、ニッケルなど)を一酸化炭素と結合させて金属カルボニル化合物を合成し、再び加熱して分解することで金属粉末と一酸化炭素が得られる。こうして得られた粉末は非常に細かく純度も高いが、コストが高くなる。工業的には主にニッケルおよび鉄の細粉末および超細粉末、またFe-Ni、Fe-Co、Ni-Coなどの合金粉末の製造に用いられる。

化学置換法:

化学置換法とは、金属の活性の強弱に基づき、活性の強い金属を用いて活性の低い金属を金属塩溶液から置換し、その置換によって得られた金属(金属粉末)を他の方法でさらに処理・微細化する手法である。この方法は主にCu、Ag、Auなどの不活性金属粉末の製造に用いられる。

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