BRPI0206417B1 - Tarugos de tântalo e nióbio e métodos de produção dos mesmos - Google Patents
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Description
TARUGOS DE TÂNTALO E ΝΙΟΒΙΟ E MÉTODOS DE PRODUÇÃO DOS
MESMOS
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção se refere a metais de tântalo e nióbio e a métodos de formação de produtos a partir de tântalo e/ou nióbio, tais como tarugos de tântalo ou tarugos de nióbio. A presente invenção ainda se refere a tarugos de tântalo ou a tarugos de nióbio que têm uma microestrutura fina e uniforme, incluindo um tamanho de grão uniforme.
Tarugos de metal, tais como tarugos de tântalo, estão comercialmente disponíveis a partir de uma variedade de fabricantes. Tipicamente, esses tarugos são definidos por sua espessura mínima e/ou razão de aspecto. Os tarugos típicos são de formato cilíndrico e têm um diâmetro de 6,35 cm ou mais e/ou têm uma razão de aspecto de L/D maior do que 0,5. Assim, os tarugos não são placas ou chapas grossas de metal e, tipicamente, são um produto intermediário formado a partir de um lingote, tal como um lingote de tântalo. Os tarugos de tântalo, então, tipicamente, são ainda processados por meios tal como um forjamento, para outras formas usadas por uma variedade de usuários finais para usos como alvos de desintegração de catodo e similares. Os tarugos de tântalo providos para esses usuários finais, tipicamente, não têm um tamanho de grão fino e uniforme. Ao invés disso, os tarugos de tântalo comercialmente disponíveis têm uma estrutura de grão que varia entre o centro e a borda do tarugo. O centro do tarugo de tântalo comercial, tipicamente, tem uma microestrutura composta por bandas largas de grãos alongados maiores adjacentes a regiões de tamanho de grão fino variável ou de material não recristalizado. Inversamente, as porções externas dos tarugos de tântalo comerciais têm uma estrutura de grão relativamente fina e uniforme comparada ao centro do tarugo. Assim, produtos forjados a partir de tarugos tendo uma estrutura de grão não uniforme grosseira também podem apresentar uma estrutura de grão não uniforme grosseira. Para muitas aplicações de alta performance para tântalo, tais como alvos de desintegração de catodo e cargas explosivas de munição de energia química, uma estrutura de grão não uniforme foi reportada como tendo um impacto prejudicial na performance do produto (S.I. Wright, G. T. Gray e A. D. Rollett, Textural and Microstructural Gradient Effects on the Mechanical Behavior of a Tantalum Plate, Metallurgical and Materials Transactions A, 25A, pp. 1025-1031, 1994; C. A. Michaluk, R. 0. Burt e D. P. Lewis, Tantalum 101: Economics and Technology of Ta Materials, Semiconductor International, Vol. 23, N° 8, pp. 271-278, 2000; C. A. Michaluk, Correlating Discrete Orientation and Grain Size to the Sputter Deposition Properties of Tantalum, Journal of Electronic Materials, Vol. 31, N° 1, pp. 2-9, 2002), todos incorporados em sua totalidade como referência aqui.
Assim sendo, há uma necessidade de se proverem tarugos de tântalo e nióbio tendo um tamanho de grão uniforme e, preferencialmente, feitos a partir de tântalo e/ou nióbio de alta pureza. Além disso, há uma necessidade de provisão de métodos para a feitura de um tarugo de tântalo ou de um tarugo de nióbio.
SUMÁRIO DA PRESENTE INVENÇÃO
Um aspecto da presente invenção é prover tarugos de tântalo ou tarugos de nióbio tendo um tamanho de grão substancialmente uniforme.
Um outro aspecto da presente invenção é prover métodos para a feitura de tarugos de tântalo ou tarugos de nióbio tendo um tamanho de grão substancialmente uniforme.
Um outro aspecto da presente invenção é prover produtos de tarugo intermediários, os quais podem ser usados para a formação de produtos de uso final, tais como alvos de desintegração de catodo, onde os produtos de uso final, bem como os produtos de tarugo intermediários têm um tamanho de grão substancialmente uniforme.
Os aspectos e vantagens adicionais da presente invenção serão estabelecidos em parte na descrição que se segue, e em parte serão evidentes a partir da descrição, ou podem ser aprendidos pela prática da presente invenção. Os objetivos e outras vantagens da presente invenção serão realizados e atingidos por meio dos elementos e das combinações particularmente destacados na descrição e nas reivindicações a seguir.
Para a obtenção dessas e de outras vantagens, e de acordo com as finalidades da presente invenção, como realizado e amplamente descrito aqui, a presente invenção se refere a um tarugo de tântalo que tem um tamanho de grão médio de cerca de 150 mícrons ou menos. Além disso, preferencialmente, a pureza do tântalo no tarugo é de pelo menos 99,95%. O tarugo da presente invenção, alternativamente, pode ser nióbio, com as mesmas características. A presente invenção ainda se refere a alvos de desintegração de catodo a partir dos tarugos de tântalo ou dos tarugos de nióbio descritos acima da presente invenção.
Também, a presente invenção se refere a um método de formação de um tarugo de tântalo que tem um tamanho de grão substancialmente uniforme e envolve a tomada de um lingote de tântalo e o corte do lingote em tarugos grandes. Os tarugos grandes são colocados em uma lata, a qual, então, pode ser colocada sob vácuo e selado, ou os tarugos são revestidos com um revestimento de proteção, o qual protege os tarugos grandes de oxidação, durante o processamento térmico subseqüente, e também podem servir como um lubrificante, durante as operações de extrusão subseqüentes. Os tarugos grandes, em seguida, são aquecidos até uma temperatura suficiente, para garantir pelo menos a recristalização parcial do tarugo de tântalo extrudado e, preferencialmente, a plena recristalização do tarugo de tântalo. Após isso, a lata ou o revestimento de proteção pode ser removido e a haste extrudada, se desejado, pode ser cortado em tarugos menores ou peças e adicionalmente processada por métodos convencionais, tais como forjamento e similares. Novamente, as mesmas etapas podem ser usadas para a formação de tarugos de nióbio.
Deve ser compreendido que ambas a descrição geral precedente e a descrição detalhada a seguir são a título de exemplo e explanatórias apenas e são pretendidas para proverem uma explanação adicional da presente invenção, como reivindicado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é um fluxograma que mostra um processo comercial típico comparado a uma montagem preferida do processo da presente invenção.
As Figuras 2(A) e 2(B) provêem tabelas que mostram os resultados experimentais relativos a vários parâmetros para certos materiais feitos ou usados nos exemplos do presente pedido.
As Figuras 3(A-B) a 9(A-B) são fotomicrografias, que mostram a estrutura de grão de várias amostras usadas e/ou preparadas nos exemplos do presente pedido.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção se refere a tarugos de tântalo e/ou tarugos de nióbio tendo um tamanho de grão substancialmente uniforme. Para as finalidades desta invenção, os tarugos são de formato cilíndrico, tais como formas tendo uma seção transversal oval, quadrada, retangular ou poligonal. A presente invenção ainda se refere a produtos formados dos tarugos de tântalo e/ou tarugos de nióbio como alvos de desintegração de catodo e similares. Também, a presente invenção se refere a métodos de feitura de tarugos de tântalo e tarugos de nióbio da presente invenção.
Em relação ao tarugo de tântalo ou ao tarugo de nióbio, preferencialmente, o tarugo tem um tamanho de grão substancialmente uniforme. Mais preferencialmente, o tarugo tem um tamanho de grão uniforme por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo. Para as finalidades da presente invenção, um tamanho de grão substancialmente uniforme, medido de acordo com a ASTM-E112, determinado em torno de qualquer área em incrementos por toda a seção transversal do tarugo extrudado, não se desvia por mais de cerca de +/-100 mícrons do tamanho de grão médio pela ASTM, determinado através de toda a seção transversal do tarugo extrudado. Além disso, o tamanho dos grãos em torno da seção transversal do tarugo extrudado, preferencialmente, varia uniformemente de acordo com uma distribuição normal ou de Poisson e, preferencialmente, não apresenta uma microestrutura dupla, como evidenciado por uma distribuição de tamanho de grão bimodal. Mais ainda, a razão de aspecto dos grãos longitudinais, preferencialmente, não excede a 20. Os grãos longitudinais são definidos como aqueles contidos em qualquer plano no tarugo cujo pólo seja perpendicular à direção de extrusão. O tarugo extrudado e recozido, preferencialmente, apresenta uma microestrutura parcialmente recristalizada. Mais preferencialmente, o tarugo é mais de 80% recristalizado e, mais preferencialmente, o tarugo extrudado é mais de 90% recristalizado. O tarugo recozido, além disso, preferencialmente, tem um tamanho de grão médio de cerca de 150 mícrons ou menos, embora outros tamanhos de grão estejam nos limites da presente invenção. Mais preferencialmente, o tamanho de grão médio do tarugo de tântalo ou do tarugo de nióbio da presente invenção é de cerca de 150 mícrons ou menos e, ainda mais preferencialmente, de cerca de 100 mícrons ou menos e, o mais preferencialmente, de cerca de 50 mícrons ou menos. Uma faixa preferida de tamanho de grão médio é de cerca de 25 a cerca de 150 mícrons e, mais preferencialmente, uma faixa de tamanho de grão médio de cerca de 2 5 mícrons a cerca de 100 mícrons. Os tarugos da presente invenção, preferencialmente, têm uma microestrutura uniforme e fina.
Preferencialmente, os tarugos extrudados da presente invenção também têm características de textura excelentes, os quais são especialmente adequados para usos tais como alvos de desintegração de catodo. 0 tântalo presente no tarugo de tântalo, preferencialmente, tem uma pureza de pelo menos 99,5% embora outras purezas menores ou maiores do que esta possam ser usadas. Mais preferencialmente, o metal de tântalo tem uma pureza de pelo menos 99,95% e pode variar na pureza de cerca de 99,5% a cerca de 99,999% ou mais. Outras faixas incluem de cerca de 99,99% a cerca de 99,995% e de cerca de 99,995% a cerca de 99,999% e de cerca de 99,999% a cerca de 99,9995%. 0 tântalo que está presente no tarugo da presente invenção ainda pode incluir outros metais e, assim, ser um tarugo de liga de tântalo, o qual compreende, preferencialmente, o metal de tântalo de alta pureza como um dos componentes da liga. Outros componentes, os quais podem formar o tarugo de liga de tântalo da presente invenção incluem, mas não estão limitados a ítrio, nióbio, tungstênio, molibdênio, titânio, silício, háfnio, ferro, níquel, cromo e similares. O tântalo de alta pureza que pode ser usado para a formação do tarugo de tântalo da presente invenção pode ser obtido a partir dos procedimentos descritos no Pedido Internacional Publicado N° WO 00/31310, o qual é incorporado aqui em sua totalidade. Níveis de pureza similares são preferidos com nióbio.
Como descrito acima, para as finalidades da presente invenção, um tarugo de tântalo ou de nióbio, preferencialmente, tem um formato cilíndrico e tem um diâmetro de 6,35 cm ou maior. Uma outra forma de descrever o tarugo da presente invenção é que a razão de aspecto L/D é maior do que 0,5 e, preferencialmente, é de 1,0 e, mais preferencialmente, é de 2,0. O tarugo da presente invenção, em uma montagem preferida, preferencialmente, tem um diâmetro de cerca de 7,62 cm a cerca de 12,7 cm e, mais preferencialmente, de cerca de 8,89 a cerca de 11,43 cm e, ainda mais preferencialmente, de cerca de 9,84 cm, com o tarugo tendo uma altura tal como, mas não limitada a de 12,7 a 17,78 cm.
Como declarado anteriormente, os tarugos da presente invenção, então, podem ser subseqüentemente formados em produtos de uso final, tais como alvos de desintegração de catodo, pelo corte dos tarugos nos tamanhos desejados e, então, forjando-se por compressão axial os tarugos em discos, os quais, então, podem ser usados como alvos de desintegração de catodo planos. Além disso, os tarugos podem ser laminados para a produção de uma chapa ou placa. Os tarugos da presente invenção também podem ser usados para uma variedade de outros usos, tais como, mas não limitados a alvos de desintegração de catodo de magnétron de catodo oco (HCM), revestimentos de cargas explosivas de energia química (CE), e material bruto de alimentação para aplicações de estampagem profunda, tais como copos, cadinhos e tubos sem costura estirados, e similares.
Essencialmente, os tarugos da presente invenção podem ser usados da mesma maneira que os tarugos de tântalo e de nióbio convencionais, exceto pelo fato de os tarugos da presente invenção terem propriedades melhoradas em relação a um tamanho de grão uniforme e, preferencialmente, um tamanho de grão médio menor, tal como de cerca de 150 mícrons ou menos, o que leva a uma variedade de propriedades desejadas, tais como, mas não limitado a, uma deformação mais homogênea e um endurecimento de trabalho por toda a peça de trabalho, durante o processamento subseqüente. Isso, por sua vez, permite uma redução na temperatura das operações de recozimento subseqüentes, e permite a obtenção de uma microestrutura mais fina e mais homogênea no produto final formado do que podería ser realizado, de outra forma, por um processamento convencional.
Os tarugos da presente invenção, preferencialmente, são feitos como se segue. Preferencialmente, um lingote de tântalo ou um lingote de nióbio é obtido e cortado em tamanhos grandes de tarugo, tal como de cerca de 15,24 a cerca de 35,56 cm e, mais preferencialmente, de cerca de 2 0,32 a cerca de 27,94 cm de diâmetro e, o mais preferencialmente, de cerca de 25,4 cm de diâmetro com a altura sendo qualquer comprimento. Os exemplos de comprimentos adequados incluem, mas não estão limitados a de cerca de 2 5,4 a cerca de 101,6 cm e, mais preferencialmente, de cerca de 38,1 a cerca de 76,2 cm.
Este tarugo seria o tamanho de tarugo de partida antes da conversão deste tarugo no tarugo de tântalo ou de nióbio da presente invenção.
Preferencialmente, este tarugo de partida, então, é colocado em uma lata de metal, a qual pode ser colocada sob vácuo e selada, ou o tarugo pode ser revestido com um revestimento de proteção preferencialmente impede a oxidação da superfície do tarugo, e atua como um lubrificante, durante o processamento subseqüente. Assim, qualquer lata adequada ou revestimento de proteção pode ser usado, desde que ele impeça ou reduza a oxidação da superfície do tarugo e não se deteriorará durante as etapas de processamento subseqüentes. Um revestimento de proteção subseqüente seria um revestimento de cobre, o qual pode ser aplicado por técnicas convencionais, tal como aspersão de chama. Dependendo das temperaturas de extrusão discutidas abaixo, outros revestimentos de proteção, tais como revestimentos à base de vidro, podem ser empregados. A temperaturas de extrusão substancialmente altas, um metal de alto ponto de fusão pode ser usado em combinação com um revestimento de vidro. Por exemplo, uma lata de metal, tal como de molibdênio, pode ser usada para a proteção do tântalo ou do nióbio de uma contaminação, durante operações de encharcamento e extrusão, enquanto o revestimento de vidro provê uma lubrificação. Seguindo-se à extrusão, as partículas de vidro são embutidas no metal barato da lata e não no tarugo de tântalo ou nióbio. Os contaminantes de vidro, então, podem ser removidos por usinagem do metal da lata, sem se ter de usinar o tarugo de tântalo ou de nióbio subjacente, resultando em uma produção aumentada do material de tântalo ou nióbio mais dispendioso.
Uma vez que a lata esteja no lugar ou o revestimento de proteção seja preferencialmente aplicado, o tarugo de partida pode ser aquecido a uma temperatura suficiente e por um tempo suficiente para garantir que a definição e a energia armazenada sejam uniformemente distribuídas na peça de trabalho, durante e após a extrusão e, preferencialmente, causando pelo menos a recristalização dinâmica parcial e, mais preferencialmente, a recristalização plena do tarugo, durante a extrusão. Como um exemplo, um extrusor convencional pode ser usado para a extrusão de metais tendo um tamanho de revestimento igual a ou maior do que o comprimento e o diâmetro do tarugo pré-extrudado mais a lata ou o revestimento de proteção. Como um exemplo, uma matriz de extrusão fabricada a partir de aço endurecido tendo uma inclinação de cerca de 45° e um diâmetro interno de cerca de 10,16 cm pode ser usada. O conjunto de matriz de extrusão, antes da introdução do tarugo de partida, pode ser geralmente aquecido até uma temperatura próxima da temperatura de encharcamento do tarugo, para preparação para a extrusão. As temperaturas adequadas incluem, mas não estão limitadas a, faixas de temperatura de cerca de 648,9°C a cerca de 1621,1°C e, preferencialmente, de cerca de 982,2°C a 1037,8°C para o tântalo. Uma vez que o tarugo seja aquecido por um tempo suficiente, de modo que o centro do tarugo esteja na ou próximo da temperatura de encharcamento, então, o tarugo de partida pode ser introduzido no extrusor e extrudado.
Tipicamente, o extrusor utiliza velocidades de martelo de cerca de 0,254 a cerca de 25,4 cm/segundo, dependendo das capacidades da máquina de extrusão. Na montagem preferida, se o tarugo de partida tiver um diâmetro de cerca de 25,4 cm, a extrusão, preferencialmente, reduz o diâmetro do tarugo para de cerca de 7,62 a 10,16 cm. A combinação do encharcamento do tarugo a uma temperatura elevada e do aquecimento subseqüente adiabático incorrido durante a extrusão leva a uma recristalização parcial e, preferencialmente, à recristalização plena do tarugo. O tarugo resultante, preferencialmente, contém um tamanho de grão substancialmente uniforme por todo o tarugo, com um tamanho de grão médio preferido de cerca de 150 mícrons ou menos e, mais preferencialmente, um tamanho de grão médio de cerca de 10 0 mícrons ou menos. O tarugo pode ser produzido por um passe único através do extrusor, ou por uma progressão de operações de extrusão, ou por uma combinação de extrusão e de processos de deformação convencionais.
Após sair do extrusor, o tarugo extrudado, preferencialmente, é deixado resfriar ao ar ou, opcionalmente, pode ser resfriado bruscamente com água, para rapidamente se reduzir a temperatura do tarugo extrudado e impedir um crescimento de grão. No método preferido, a lata de metal ou o revestimento de proteção, então, pode ser removido por dissolução em ácido ou limpeza à máquina, ou qualquer outro tipo de técnica usada para a remoção de revestimentos de metais.
Uma vez que o revestimento de proteção ou a lata seja removido, o tarugo extrudado, preferencialmente, é recozido para a obtenção de uma microestrutura parcialmente recristalizada e, mais preferencialmente, para a obtenção de uma estrutura de grão completamente recristalizada com um tamanho de grão homogêneo ou uniforme e, preferencialmente, um tamanho de grão médio de 150 mícrons ou menos e, mais preferencialmente, abaixo de 100 mícrons. 0 recozimento pode ocorrer a qualquer temperatura para a obtenção de níveis desejados de recristalização, tal como de cerca de 950°C ou menos a cerca de 1150°C ou mais e, preferencialmente, ocorre em um vácuo, tal como de pelo menos 0,013 Pa. 0 tempo de recozimento pode ser de 2 horas ou outros tempos adequados, mais ou menos de 2 horas. O processo de recozimento, preferencialmente, inclui decapagem com ácido convencional ou outras técnicas de limpeza superficial, antes do recozimento, para a remoção de quaisquer contaminantes superficiais. O tarugo, então, pode ser cortado em peças menores, como descrito acima, e processado para produtos de uso final, como em qualquer tipo de tarugos convencionais. Por exemplo, o tarugo da presente invenção pode ser forjado em um disco e usado como um alvo de desintegração de catodo. Como declarado anteriormente, com o tarugo extrudado da presente invenção tendo um tamanho de grão substancialmente uniforme, bem como um tamanho de grão fino, os produtos de uso final formados a partir dos tarugos têm as mesmas excelentes propriedades as quais são benéficas pelas razões estabelecidas acima.
Como uma opção ou uma montagem alternativa, a extrusão dos tarugos pode ocorrer da maneira descrita acima, mas o tarugo extrudado não precisa ser pelo menos parcialmente recristalizado pelo processo de extrusão. Quando a recristalização não precisa ocorrer durante o processo de extrusão, a extrusão pode ocorrer a qualquer temperatura, tal como a partir de em torno da temperatura ambiente (por exemplo, de 20°C a 25°C) até temperaturas abaixo do ponto de fusão do tântalo ou do nióbio. Preferencialmente, a temperatura de extrusão é de cerca de 648,9°C a cerca de 2982,2°C para o tântalo. Se a extrusão ocorrer com muito pouca recristalização ocorrendo no tarugo extrudado ou não ocorrer de todo, o tarugo extrudado, então, preferencialmente, pode ser submetido a uma ou mais etapas de recozimento, de modo a causar uma recristalização pelo menos parcialmente, se não completa, do tarugo extrudado. A temperatura de recozimento é uma temperatura suficiente para causar uma recristalização pelo menos parcial do tarugo extrudado e, preferencialmente, uma recristalização plena do tarugo extrudado. As temperaturas de recozimento preferidas são de cerca de 950°C a cerca de 1150°C em relação ao tântalo, por um tempo de recozimento preferido de 2 horas. Como indicado acima, é preferido submeter o tarugo extrudado a etapas de limpeza convencionais, tal como uma decapagem com ácido convencional, antes de qualquer recozimento para a remoção de quaisquer contaminantes superficiais. O lingote, o qual é usado para a formação dos tarugos da presente invenção, pode ser obtido por técnicas convencionais, usadas para a formação de lingotes de tântalo ou de nióbio. Por exemplo, o tântalo pode ser obtido a partir de minério e subseqüentemente triturado e o tântalo separado do minério triturado através do uso de uma solução de ácido e uma separação de densidade da solução de ácido contendo o tântalo da solução de ácido contendo nióbio e outras impurezas. A solução de ácido contendo o tântalo, então, pode ser cristalizada em um sal, e este sal contendo tântalo, então, é reagido com sódio puro em um vaso tendo um agitador, tipicamente construído de um material de liga de níquel, onde o sal, então, é dissolvido em água para a obtenção de um pó de tântalo, o qual então pode ser fundido por uma variedade de técnicas de fundição, tais como fundição com feixe de elétrons, refundição com arco a vácuo, ou fundição com plasma.
Preferencialmente, o lingote de partida usado para a formação do tarugo de tântalo de partida é um lingote de tântalo de alta pureza. Geralmente, um processo que pode ser usado para a feitura do metal de tântalo de alta pureza da presente invenção envolve um processo de refino, um processo de fundição a vácuo e um processo mecânico térmico. Neste processo ou operação, o processo de refino envolve as etapas de extração do metal de tântalo, preferencialmente na forma de um pó, de um minério contendo tântalo e, preferencialmente, o minério contendo tântalo selecionado tem baixas quantidades de impurezas, especialmente, baixas quantidades de nióbio, molibdênio e tungstênio. Mais preferencialmente, a quantidade de nióbio, molibdênio e tungstênio está abaixo de 10 ppm e, mais preferencialmente, abaixo de cerca de 8 ppm. Uma seleção como essa leva a um metal de tântalo mais puro. Após o processo de refino, o processo de fundição a vácuo é usado para se purgarem impurezas de ponto de fusão baixo, tais como alquidos e metais de transição do tântalo, enquanto consolida o material de tântalo em um lingote maleável plenamente denso. Então, após este processo, o lingote pode ser mecanicamente trabalhado, o que ajuda a romper a estrutura de grão como fundido até um tamanho e uma forma apropriados para a extrusão. O metal de tântalo de alta pureza, preferencialmente, pode ser feito pela reação de um sal contendo tântalo com pelo menos um agente (por exemplo, composto ou elemento) capaz de reduzir este sal para o metal de tântalo e, ainda, resulta na formação de um segundo sal em um recipiente de reação. O recipiente de reação pode ser qualquer recipiente tipicamente usado para a reação de metais, e deve suportar altas temperaturas da ordem de cerca de 800°C a cerca de 1200°C. Para as finalidades da presente invenção, o recipiente de reação ou o revestimento no recipiente de reação, o qual entra em contato com o sal contendo tântalo e o agente capaz de reduzir o sal para tântalo, é feito a partir de um material que tem a mesma pressão de vapor ou uma mais alta do que o tântalo no ponto de fusão do tântalo. 0 agitador no recipiente de reação pode ser feito do mesmo material, ou pode ser revestido também. O revestimento pode existir apenas nas porções do recipiente de reação e o agitador entrar em contato com o sal e o tântalo. Os exemplos desses materiais de metal, os quais podem formar o revestimento ou o recipiente de reação incluem, mas não estão limitados a materiais à base de metal, feitos a partir de níquel, cromo, ferro, manganês, titânio, zircônio, háfnio, vanádio, rutênio, cobalto, ródio, paládio, platina, ou qualquer combinação dos mesmos ou liga dos mesmos, desde que o material de liga tenha a mesma pressão de vapor ou uma mais alta do que o ponto de fusão do metal de tântalo. Preferencialmente, o metal é um níquel ou uma liga à base de nitrogênio, um cromo ou uma liga à base de cromo ou um ferro ou uma liga à base de ferro. 0 revestimento, no recipiente de reação e/ou no agitador, se presente, tipicamente, terá uma espessura de cerca de 0,5 cm a cerca de 3 cm. Outras espessuras podem ser usadas. Está nos limites da presente invenção ter múltiplas camadas de revestimentos feitas dos mesmos materiais de metal ou de diferentes descritos acima. O sal contendo tântalo pode ser qualquer sal capaz de ter tântalo contido ali, tal como um tântalo de fluoreto de potássio. Em relação ao agente capaz de reduzir o sal para tântalo e um segundo sal no recipiente de reação, o agente o qual é capaz de fazer esta redução é um agente o qual tem a capacidade de resultar na redução do sal contendo tântalo para exatamente metal de tântalo e outros ingredientes (Por exemplo, sais), os quais podem ser separados do metal de tântalo, por exemplo, pela dissolução dos sais com água ou outras fontes aquosas. Preferencialmente, este agente é sódio. Outros exemplos incluem, mas não estão limitados a lítio, magnésio, cálcio, potássio, carbono, monóxido de carbono, hidrogênio iônico, e similares. Tipicamente, o segundo sal, o qual também é formado durante a redução do sal contendo tântalo é fluoreto de sódio. Os detalhes do processo de redução, o qual pode ser aplicado para a presente invenção, tendo em vista o presente pedido, são estabelecidos em Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition, Vol. 22, pp. 541-564, Patentes U.S. N° 2.950.185; 3.829.310; 4.149.876; e 3.767.456. Outros detalhes do processamento de tântalo podem ser encontrados nas Patentes U.S. N° 5.234.491; 5.242.481; e 4.684.399. Todas essas patentes e publicações são incorporadas aqui em sua totalidade como referência. 0 processo descrito acima pode ser incluído em um processo de múltiplas etapas, o qual pode começar com um tântalo de baixa pureza, tal como um minério contendo tântalo. Uma das impurezas que pode estar substancialmente presente com o tântalo é nióbio. Outras impurezas neste estágio são tungstênio, silício, cálcio, ferro, manganês, etc. Em maiores detalhes, o tântalo de baixa pureza pode ser purificado pela mistura do tântalo de baixa pureza, o qual tem tântalo e impurezas, com uma solução de ácido. O tântalo de baixa pureza, se presente como um minério, primeiramente, deve ser triturado antes de ser combinado com uma solução de ácido. A solução de ácido deve ser capaz de dissolver substancialmente todo o tântalo e as impurezas, especialmente quando a mistura estiver ocorrendo a altas temperaturas.
Uma vez que uma solução de ácido tenha tido tempo suficiente para a dissolução de substancialmente todo, se não todo o sólido contendo o tântalo e as impurezas, uma separação de líquido e sólido pode ocorrer, a qual, geralmente, removerá qualquer uma das impurezas não dissolvidas. A solução é ainda purificada pela extração de líquido - líquido. Uma cetona de metil isobutila (MIBK) pode ser usada para contatar a solução rica em tântalo, e água desionizada pode ser adicionada para a criação de uma fração de tântalo. Neste ponto, a quantidade de nióbio presente no líquido contendo tântalo é geralmente abaixo de cerca de 25 ppm.
Então, com o líquido contendo pelo menos tântalo, o líquido é deixado cristalizar em um sal com o uso de tinas. Tipicamente, este sal será um sal de fluoreto de tântalo de potássio. Mais preferencialmente, este sal é K2TaF7. Este sal, então, é reagido com um agente capaz de reduzir o sal em 1) tântalo e 2) um segundo sal, como descrito acima. Este composto, tipicamente, será sódio puro e a reação ocorrerá em um recipiente de reação descrito acima. Como declarado acima, os segundo subprodutos de sal podem ser separados do tântalo pela dissolução do sal em uma fonte aquosa e lavando-se o sal dissolvido. Neste estágio, a pureza do tântalo, tipicamente, é de 99,50 a 99,99% de Ta.
Uma vez que o pó de tântalo seja extraído desta reação, quaisquer impurezas remanescentes, incluindo qualquer contaminação do recipiente de reação, podem ser removidas através de fundição do pó de tântalo. 0 pó de tântalo pode ser fundido por várias formas, tal como refundição com arco a vácuo ou fundição com feixe de elétrons. Geralmente, o vácuo durante a fundição será suficiente para a remoção substancialmente de quaisquer impurezas existentes do tântalo recuperado, de modo a se obter um tântalo de alta pureza. Preferencialmente, a fundição ocorre em um alto vácuo, tal como 0,0133 Pa ou mais. Preferencialmente, a pressão acima do tântalo fundido é mais baixa do que as pressões de vapor das impurezas de metal, de modo que essas impurezas, tais como níquel e ferro, sejam vaporizadas. O diâmetro do lingote fundido deve ser tão grande quanto possível, preferencialmente maior do que 24,13 cm. O diâmetro grande assegura uma maior superfície de fusão para uma interface de vácuo, o que melhora as taxas de purificação. Além disso, o diâmetro de lingote grande permite que uma maior quantidade de trabalho a frio seja impressa ao metal, durante o processamento, o que melhora os atributos dos produtos finais. Uma vez que a massa do tântalo fundido se consolide, o lingote formado terá uma pureza de 99,995% ou mais alta e, preferencialmente, de 99,999% ou mais alta. O processamento com feixe de elétrons, preferencialmente, ocorre a uma taxa de fusão entre cerca de 136,1 a cerca de 362,9 kg por hora, usando-se de 20.000 a 28.000 Volts e de 15 a 40 A, e sob um vácuo de cerca de 0,133 a cerca de 0,000133 Pa. Mais preferencialmente, a taxa de fusão é de cerca de 181,4 a cerca de 272,2 kg por hora, usando-se de cerca de 24.000 a 26.000 Volts e de 17 a 36 A, e sob um vácuo de 0,0133 a 0,00133 Pa. Em relação ao processamento de VAR, a taxa de fusão, preferencialmente, é de 226,8 a 907,2 kg por hora, usando-se de 25 a 45 Volts e de 12.000 a 22.000 A, sob um vácuo de 2,66 a 0,0133 Pa e, mais preferencialmente, de 362,9 a 544,3 kg por hora a de 30 a 60 volts e a de 16.000 a 18.000 A, e sob um vácuo de 2,66 a 0,0133 Pa. 0 lingote de metal de alta pureza resultante tem 10 ppm ou menos de impurezas metálicas e, preferencialmente, 50 ppm ou menos de 02, 25 ppm ou menos de N2, e 25 ppm ou menos de carbono. Se um nível de pureza de cerca de 99,995 for desejado, então, o metal de alta pureza resultante, preferencialmente, tem impurezas metálicas de cerca de 50 ppm ou menos e, preferencialmente, 50 ppm ou menos de 02, 25 ppm ou menos de N2, e 25 ppm ou menos de carbono. Este lingote, então, pode ser usado da maneira descrita acima para a formação dos tarugos de tântalo da presente invenção.
Como declarado anteriormente, os tarugos de nióbio podem sr feitos seguindo-se os detalhes de extrusão acima. Assim sendo, um tarugo de nióbio tendo um tamanho de grão substancialmente uniforme é obtido. Os parâmetros preferidos para o tamanho de grão e outras características são os mesmos que os parâmetros de tântalo providos acima, levando-se em consideração a temperatura de fusão diferente e outras condições de trabalho de nióbio (por exemplo, extrusão a temperaturas mais baixas, tal como de cerca de 1000°C a cerca de 1650°C) que são conhecidas por aqueles versados na técnica. A presente invenção será adicionalmente esclarecida pelos exemplos a seguir, os quais se pretende que sejam exemplares da presente invenção.
EXEMPLOS
Dois lingotes de produção de tântalo por fundição com triplo Feixe de Elétrons (3EB) foram fabricados em tarugos de 9,53 cm por métodos de processamento diferentes. Um lingote identificado como "Processo Comercial" era um lingote de 30,48 cm de diâmetro pesando 1576,7 kg. Os resultados químicos das amostras topadas do topo, da metade e do fundo do lingote são providos nas Figuras 2(A) e 2(B). O lingote foi fabricado em uma haste de 9,53 cm usando-se um processo comercial padrão mostrado na Figura 1. Uma fatia de amostra, de aproximadamente 1,27 cm de espessura por diâmetro usinado foi cortada a partir de um tarugo tomado de uma posição representando a porção média do produto forjado. A fatia de amostra foi recozida em um vácuo de pelo menos 0,066 Pa por 2 horas. Os espécimes metalográficos representando as seções transversais do centro e da borda da fatia de amostra foram polidos de acordo com os procedimentos metalográficos padronizados, e atacados quimicamente em uma solução de 50HF-50HN03 por de 30 a 60 segundos. Os resultados do exame metalográfico do produto de tarugo de tântalo produzido comercialmente são resumidos nas Figuras 2(A) e 2(B).
Um lingote da presente invenção era um lingote de 25,4 cm pesando 1693,7 kg. Os resultados químicos das amostras tiradas das seções do topo, do meio e do fundo do lingote também são incluídos nas Figuras 2 (A) e 2 (B) por uma referência a Φ e temperatura de extrusão. Este segundo lingote foi cortado em 4 seções de aproximadamente 50,8 cm de comprimento e designadas A, B, C e D. As seções A a D foram divididas a partir do fundo até o topo do lingote, respectivamente, e extrudadas a quente, como descrito abaixo e como mostrado nas Figuras 1 e 2(A-B): Processo A: Seção de Lingote A, usinado para um diâmetro de 22,61 cm, enlatado em cobre, encharcado a 982,2°C por 6 horas, extrudado a partir de um revestimento de 24,13 cm através de uma matriz de 10,16 cm de diâmetro.
Processo B: Seção de Lingote B, usinado para um diâmetro de 22,61 cm, enlatado em cobre, encharcado a 1010°C por 6 horas, extrudado a partir de um revestimento de 24,13 cm através de uma matriz de 10,16 cm de diâmetro.
Processo C: Seção de Lingote C, usinado para um diâmetro de 22,61 cm, enlatado em cobre, encharcado a 1037,8°C por 6 horas, extrudado a partir de um revestimento de 24,13 cm através de uma matriz de 10,16 cm de diâmetro.
Processo D: Seção de Lingote C, usinado para um diâmetro de 24,13 cm, enlatado em cobre, encharcado a 1037,8°C por 6 horas, extrudado a partir de um revestimento de 26,04 cm através de uma matriz de 10,16 cm de diâmetro.
Fatias de amostra, cada uma de aproximadamente 1,27 cm de espessura por diâmetro usinado foram cortadas a partir da porção central de cada haste extrudada. Cada fatia de amostra foi cortada em cunhas, e uma cunha a partir de cada haste extrudada foi recozida em um vácuo de pelo menos 0,066 Pa por 2 horas a temperaturas de 950, 1050 e 1150°C. Os espécimes metalográficos representando as seções transversais longitudinais do centro e da borda da fatia de amostra foram polidos de acordo com os procedimentos metalográficos padronizados, e atacados quimicamente em uma solução de 50HF-50HN03 por de 3 0 a 60 segundos. Os resultados do exame metalográfico do produto de tarugo de tântalo produzido comercialmente são resumidos nas Figuras 2 (A) e 2 (B) .
As fotomicrografias mostrando a estrutura de grão ao longo do plano longitudinal nas regiões do centro e da borda do tarugo comercialmente produzido são mostradas nas Figuras 3(A) e 3(B). Aqui, o eixo de tarugo é perpendicular â escala de mícron nas imagens. As Figuras 3 (A) e 3 (B) mostram muitas das questões associadas à microestrutura de um tarugo de tântalo comercialmente produzido. Em primeiro lugar, o centro do tarugo contém uma estrutura de grão dupla compreendida por bandas largas de material não recristalizado contendo ilhas pequenas de cristalitos adjacentes a regiões contendo grãos grandes alongados. O centro do tarugo comercial apresentou uma faixa de tamanho de grão de cerca de 20 a cerca de 245 μχη, a faixa maior de tamanho de grão observada em todos os materiais examinados. Em seguindo lugar o caráter da estrutura de grão ao longo da borda do tarugo comercial foi completamente recristalizada e relativamente uniforme. Isso foi significativamente diferente daquela no centro do tarugo e refletido na não homogeneidade microestrutural vista nos tarugos de tântalo comercialmente produzidos.
As fotomicrografias mostrando a seção de centro e de borda da haste extrudada A, recozida a 950, 1050 e 1150°C, são providas nas Figuras 4(A) e 4(B), 5(A) e 5(B), e 6 (A) e 6(B), respectivamente. Uma comparação nas imagens nas Figuras 4 a 6 demonstra o efeito geral da temperatura de recozimento na microestrutura. O caráter de tamanho de grão visto nas Figuras 4(A) e 4(*B) foi similar àquele observado no tarugo comercial, mas com uma quantidade notadamente menor de duplicação. Em geral, um aumento da temperatura de recozimento de 950 a 1050°C não aumentou dramaticamente o tamanho de grão médio dos tarugos de tântalo extrudados, mas realmente melhorou a uniformidade do tamanho de grão e a recristalização percentual. Uma temperatura de recozimento de 1150°C não promoveu um certo crescimento de grão sem sacrifício da uniformidade nos tarugos de tântalo extrudados. O recozimento a uma temperatura mais alta do que a microestrutura por todo o tarugo de tântalo extrudado foi uniforme e completamente recristalizado.
As fotomicrografias das regiões do centro e da borda dos tarugos extrudados A, B, C e D, cada um recozido a 1150°C por 2 horas, são dadas nas Figuras 6(A) e (B), 7(A) e (B) e 8 (A) e (B) e 9 (A) e (B) , respectivamente. Em conjunto, as Figuras 6 a 9 revelam a influência da temperatura e da estrutura de grão do tarugo de tântalo extrudado. Para as seções de lingote de 22,61 cm de diâmetro extrudadas a partir de um revestimento de 24,13 cm e recozidas a 1150°C por 2 horas, um aumento da temperatura de extrusão de 982,2 para 1037,8°C teve um ligeiro efeito sobre o aumento do tamanho de grão e melhoria da uniformidade do tamanho de grão. Esta tendência mostra que um aumento na temperatura de extrusão aumenta a uniformidade de deformação e a energia armazenada no material impressa durante a extrusão. Entretanto, para uma temperatura de extrusão de 1037,8°C, um aumento no diâmetro da seção de lingote de 22,61 cm a 24,13 cm e um revestimento de extrusão de 24,13 cm a 26,04 cm de diâmetro produziu um produto de tarugo tendo um tamanho de grão médio igual ou mais fino e uma uniformidade de tamanho de grão similar. Esta observação demonstra que um aumento no diâmetro do lingote pré-extrudado permite que uma maior quantidade de energia armazenada seja impressa ao tarugo extrudado.
Em conjunto, a informação desenvolvida neste exemplo conclui que o processo ótimo envolve a extrusão de grandes seções de lingote de tântalo de 24,13 cm de diâmetro a uma temperatura de 1037,8°C para a produção de uma haste como extrudado de 10,16 cm de diâmetro que pode ser usinada em tarugos de 9,53 cm de diâmetro. Uma microestrutura completamente recristalizada e relativamente uniforme tendo um tamanho de grão médio abaixo de 100 μπι através de toda a seção transversal do tarugo é obtida após o recozimento do tarugo de tântalo extrudado a uma temperatura de 1050 a 1150 °C.
Outras montagens da presente invenção serão evidentes para aqueles versados na técnica a partir de uma consideração do presente relatório descritivo e da prática da presente invenção mostrada aqui. Pretende-se que o presente relatório descritivo e os exemplos sejam considerados como exemplos apenas, com o verdadeiro escopo e o espírito da invenção sendo indicados pelas reivindicações a seguir e pelos equivalentes delas.
Claims (18)
1. Tarugo de tântalo ou nióbio extrudado caracterizado pelo fato de ter um formato cilíndrico tendo uma seção transversal com uma razão de aspecto L/D maior do que 0,5 e tendo um diâmetro de 3 ½ polegadas (8,9 cm) ou maior, em que o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado é derivado de lingote e tem uma pureza de pelo menos 99,99% e em que o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado tem um tamanho de grão substancialmente uniforme por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado após extrusão, e o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado tem um tamanho de grão médio por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado de 150 pm (mícrons) ou menos, e o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado é 98% ou mais recristalizado.
2. Tarugo de tântalo ou nióbio extrudado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do referido tamanho de grão médio ser 100 pm (microns) ou menos, preferivelmente 50 pm (mícrons) ou menos, e mais preferivelmente de 25 pm (mícrons) a 100 pm (mícrons).
3. Tarugo de tântalo ou nióbio extrudado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ter uma pureza de pelo menos 99,995%, preferivelmente de 99,995% a 99,999%.
4. Tarugo de tântalo ou nióbio extrudado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do referido tarugo de tântalo ser completamente recristalizado.
5. Uso do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser para formar um alvo de desintegração de catodo.
6. Uso do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser para formar uma lata de capacitor.
7. Uso do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser para formar uma camada de filme resistivo.
8. Processo para a feitura do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender extrusão de um lingote de tântalo ou nióbio tendo um formato cilíndrico tendo uma seção transversal com um diâmetro de 6 polegadas (15,2 cm) a 14 polegadas (35,6 cm) e tendo uma pureza de metal de 99, 99% em uma temperatura de 649 °C a 1621 °C (1200 F a 2950 F) para tântalo ou 538 °C a 1454 °C (1000 F a 2650 F) para nióbio, e por um tempo suficiente para pelo menos parcialmente recristalizar o tarugo de tântalo ou nióbio durante extrusão e formar o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado tendo um formato cilíndrico com uma razão de aspecto L/D maior do que 0,5 com um diâmetro reduzido de 3 ½ polegadas (8,9 cm) ou maior e um tamanho de grão substancialmente uniforme por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado a partir da referida extrusão, em que o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado tem um tamanho de grão médio por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado de 150 pm (mícrons) ou menos, e o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado é 98% ou mais recristalizado.
9. Processo para a feitura do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de compreender ainda o corte de um lingote em pelo menos um tarugo de partida tendo um formato cilíndrico tendo uma seção transversal com um diâmetro de 6 polegadas (15,2 cm) a 14 polegadas (35,6 cm) e tendo uma pureza de metal de 99,99% e a aplicação de um revestimento de proteção no referido tarugo de partida ou a colocação do tarugo de partida em uma lata; extrusão do tarugo de partida em uma temperatura de 649 °C a 1621 °C (1200 F a 2950 F) para tântalo ou 538 °C a 1454 °C (1000 F a 2650 F) para nióbio, e por um tempo suficiente para pelo menos parcialmente recristalizar o tarugo de tântalo ou nióbio durante extrusão e formar o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado tendo um formato cilíndrico com uma razão de aspecto L/D maior do que 0,5 com um diâmetro reduzido de 3 ½ polegadas (8,9 cm) ou maior e um tamanho de grão substancialmente uniforme por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado a partir da referida extrusão, em que o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado tem um tamanho de grão médio por todo o diâmetro e o comprimento do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado de 150 pm (mícrons) ou menos, e o referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado é 98% ou mais recristalizado.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato da referida temperatura ser uniforme por todo o processo de extrusão.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de resfriamento brusco com água do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado após a extrusão.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda a limpeza à máquina do tarugo de tântalo ou nióbio extrudado.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do referido lingote ser obtido pela fusão com feixe de elétrons de um material bruto de alimentação de pó de tântalo ou nióbio de alta pureza.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do referido revestimento de proteção ou lata ser removido após a extrusão.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato do referido revestimento de proteção ser removido por lavagem com ácido ou limpeza à máquina ou ambas.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda o recozimento do referido tarugo de tântalo ou nióbio extrudado.
17. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato do referido recozimento ocorrer a uma temperatura e por um tempo suficiente para pelo menos parcialmente recristalizar o tarugo de tântalo ou nióbio extrudado durante o recozimento.
18. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato do referido recozimento ocorrer a uma temperatura de 950°C a 1150°C, por 2 horas.
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