金属粉はどのように作られるか

金属粉末は、主に4つの製造プロセスを用いて製造される：アトマイズ（物理的）、固体還元（化学的）、電解、機械的粉砕である。このうち、アトマイズは、溶融金属の流れを水やガスの高圧ジェットで微細な液滴に分解するもので、現代の高性能用途では最も主流な方法です。固体還元は、金属酸化物（通常は鉄）から化学的に酸素を除去し、スポンジ状の粉末を作る。電解は、電流を利用して溶液から高純度の金属粉末を析出させるもので、銅によく用いられる。最後に、機械的粉砕は、粉砕や研削の技術を使い、もろい金属や合金を物理的に粉砕して粉末にします。特定の製造工程を選択することで、粉末の粒子形状（球状か不規則か）、純度、密度が決定され、3Dプリンティング（AM）、金属射出成形（MIM）、プレス・焼結などの下流の用途への適合性が決定されます。

霧化法

アトマイズは現在、特に航空宇宙や医療機器製造のような、材料の性能を極度に重視する産業で最も普及している技術である。これは物理的なプロセスであり、核となる論理は、高エネルギーの流体を使用して溶融金属の流れに衝撃を与えることである。

実際の運用では、その違いによって「衝撃媒体」を2つに細分化するのが一般的で、両者の適用シーンは大きく異なる：

• ガスアトマイゼーション：金属の流れに不活性ガス（窒素やアルゴンなど）を吹き付けるプロセスです。完成品は非常に美しく、滑らかな表面を持つ球状である。私の経験では、粒子が丸いため、その高い充填密度と優れた流動性により、エアロゾル化パウダーは積層造形（3Dプリント）や金属射出成形（MIM）の業界標準となっています。精密な作品をプリントしたいなら、これを使わない手はない。
• ウォーターアトマイズ：溶融金属を処理するために高圧ウォータージェットを使用する方法。水の冷却速度が速すぎるため、金属粒子が丸くなる前に凝固してしまうため、形状が非常に不規則になり、表面が粗くなる。流動性はエアロゾル化粉末に劣りますが、私見では、この "欠点 "こそが長所であり、プレス工程では、不規則な形状が粒子間の機械的閉塞を引き起こす可能性があります。したがって、プレスや焼結の用途において、部品の「グリーン強度」（すなわち焼結前の強度）を重視するのであれば、水アトマイズ粉が第一選択となります。

固体還元法

固体還元は化学的な方法である。これといえば、基本的には誰もが鉄粉製造を思い浮かべるだろう。金属を溶かすアトマイズ法とは違い、固体を相手にする。

全体の流れは通常こうだ：

• 原料の準備：鉱石を粉砕し、還元剤（通常、炭素源としてコークスまたは木炭）と混合する。
• 反応：混合物を窯で加熱し、温度を鉄の融点以下に制御する。この時、還元剤が働き始め、酸化鉄中の酸素が「つかみ」取られる。
• その結果、最後に残るのは多孔質でスポンジ状の金属鉄の構造である。この「海綿鉄」を粉砕し、選別した後、最終製品が得られる。

エンジニアリングの観点からは、この多孔質構造には、油を吸収できるという大きな利点がある。そのため、この粉末は特に自己潤滑性ベアリングの製造や、構造部品の高い圧縮性を必要とする製造に適している。

電解

導電性や化学的純度が厳しく要求されるプロジェクトでは、電気分解が唯一の方法です。この方法は銅粉の製造に最もよく使われます。

その原理は、簡単に言えば電気メッキに似ている：

• セッティング硫酸金属溶液の入った電解槽に金属板（陽極）を投入する。
• 析出：通電後、陽極上の金属は溶解し、電解液を通過して陰極に析出する。
• パウダー：金属削り、洗浄、乾燥、研削の下に堆積する時間の経過後。

電解粉は顕微鏡で見ると非常に特徴的で、樹枝状（シダ状）を示し、純度が極めて高い。このため、導電性インクやモーター・ブラシなどの電子用途では、ほとんど代用がきかない。

機械的破砕法

機械的破砕法は "異種 "であり、純粋に機械的な力によって固体金属を破砕する。この方法は通常、脆い金属（ベリリウム、アンチモン、ビスマスなど）や脆い合金に限られる。理由は簡単で、可鍛性金属を粉砕しても、平らになるだけで、壊れることはないからである。

一般的な手段としては、以下のようなものがある：

• ボールミル：回転ドラムに金属ブロックを投入し、内部の硬いセラミックボールやスチールボールで材料を粉砕する。
• 研削：研削には重研削砥石を使用する。

正直なところ、この方法には不純物が混入しやすい（何しろ粉砕ボールが摩耗する）という頭痛の種がある。しかし、現在の技術も進歩している。例えば、高エネルギー・ボールミル（メカニカル・アロイング）は、原子レベルで異なる材料を溶接したり割り込ませたりして、興味深い複合粉末を作ることができる。

製造工程は最終的な用途をどのように決定するのか？

金属粉がどのように作られるか」を理解することは、推奨することではないが、製造方法が粉の物理的特性、特に粒子の形状、純度、密度を直接的に固定するからである。

球状パウダー（エアロゾル化）：3DプリンティングやMIMに最適。ボールがあるため、パウダーは平らに広がり、スムーズに流れます。

不規則／スポンジ状粉末（水アトマイズ／固体還元）：焼結のためにプレスされた糊状粉末。表面が粗いため、粒子同士が "噛み合う "ことができ、プレスされた部品はバラバラになりにくい。

樹枝状／高純度パウダー（電解）：ハイエンドの電気化学用途を考えると、純度と導電性は譲れない。

最終的な分析では、微粒化や粉砕という物理的な暴力であれ、還元法という化学反応であれ、電解法という電気化学的な析出であれ、核心となるのは、最終的な金属部品が連鎖から外れないように、プロセスを通じて性能をロックすることである。

著者 ： アレックス・ミラー

材料工学に17年以上携わり、粉末冶金を専門としています。現代の積層造形や産業用途で使用される金属粉が、霧化や還元プロセスによってどのように形成されるかについて、専門的な見識を共有しています。