JP2003105412A - カリウムドープタングステンの製造のための硼素添加 - Google Patents
カリウムドープタングステンの製造のための硼素添加Info
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Abstract
硼素添加法を提供する。 【解決手段】 タングステン含有化合物とカリウムドー
パントと硼素含有化合物との混合物を形成し、そしてそ
の混合物を還元してカリウムドープタングステン粉末を
形成することによってカリウムドープタングステン粉末
を製造することを構成要件とする。
Description
トを含有するタングステン金属粉末の製造法に関する。
特に、本発明は、白熱ランプフィラメント用の無弛み
(non-sag)タングステン線材に関する。
用されるタングステン線材は、特にフィラメントが約3
000℃よりも上の温度で使用されるようなランプでは
高い機械的負荷及び応力を受ける。純粋なタングステン
線材は白熱ランプ用のフィラメントを作るのに適してい
ない。何故ならば、典型的に操作条件下では、フィラメ
ントの個々の結晶粒が互いに相殺する又は滑り離れる傾
向(クリープ又は弛み)があるからである。これは、フ
ィラメントが弛んだり又は短くなる原因となる。それ故
に、純タングステンフィラメントで作ったランプは早期
に破損する。
させるためにドーピングする有益な効果は、1910年
ほどの早い時期に認識されていた。特に、タングステン
線材のクリープ抵抗性は、タングステンブルー酸化物を
カリウム含有化合物でドーピングしていわゆる無弛み
(NS)タングステン線材を作ることによって向上され
ることが知られている。NSタングステン線材は、タン
グステン及びカリウムの2種の極めて異なった金属の微
量合金であるという点で独特である。そのクリープ抵抗
性は、約75ppmの微量のカリウムがタングステン線
材中に液体及び/又はガスバブルの長い列として分布さ
れたことによるものである。還元及び焼結段階でもっぱ
ら“ヘルパー”として働かせるために、カリウムと共に
珪素及びアルミニウムが添加される。高温焼結後、Si
及びAlの濃度はそれぞれ10ppm未満に下げられ
る。SiもAlもどちらも、最終NSタングステン線材
において積極的な役割を有しないことが知られている。
ンの標準粉末冶金(P/M)製造における長いプロセス
連鎖は、水素、水素/窒素又は不活性雰囲気中において
パラタングステン酸アンモニウム四水和物(APT)、
(NH4)10[H2W12O42]・4H2Oの部分還元で始
まってタングステンブルー酸化物(TBO)、xNH3
・yH2O・WOn(ここで、0<x<0.2、0<y<
0.2、及び2.5<n<3.0)を生成する。TBO
は、次いで、カリウム、珪素及びアルミニウムを含有す
る水溶液で約5000ppmの全濃度までドーピングさ
れる。ドーピングされたTBOは、次いで、ドーピング
したタングステン粉末まで水素で還元される。K、A
l、Si−ドープタングステン粉末は、弗化水素酸で洗
浄され、乾燥され、加圧され、焼結され、圧延又はスエ
ージ加工され、そして引抜加工される。この引抜プロセ
スは、NSタングステン線材をコイル巻フィラメントで
使用するための約15μmの直径まで加工することがで
きる。この多段法は、最終的に、NSタングステン線材
の顕著な高温クリープ抵抗性をもたらす。
i−ドープタングステン粉末の製造法は、関連する工程
の数のために極めて非効率的になる傾向がある。更に、
これらの方法は、適切に処分されなければならない汚染
された酸廃棄物を生成する。ごく最近の方法は、より少
ない処理工程を使用しそして酸廃棄物を減少させること
によって無弛みタングステン線材の製造をより効率的に
している。例えば、フェイト氏他の米国特許57857
31は、パラタングステン酸カリウムアンモニウム(A
KPT)、(NH4)10-xKx[H2W12O42]・4H2O
(x=0.04〜0.4)の混成結晶の一段還元におい
てカリウムドープタングステン粉末を製造する方法を開
示しているので、必要ならばそれを参照されたい。この
方法は、Al又はSiでドーピングせず且つ酸洗浄を行
わずに行われる。しかしながら、2つの問題がある。第
一に、焼結タングステンインゴットにおいて80ppm
よりも高いカリウム含量を得ることは困難であり、そし
て少なくとも17.2g/cm3の密度を達成すること
も困難である。第二に、この方法は、AKPTの還元で
カリウムの損失を防止せず、又は少なくとも著しくは減
少しない。
6165412に記載されているので、必要ならば参照
されたい。この方法では、熱不安定性カリウム含有塩又
はタングステン酸カリウムがパラタングステン酸アンモ
ニウムニム又はメタタングステン酸アンモニウムと一緒
にされ、次いで一段階で還元されてカリウムドープタン
グステン粉末を生成する。この一段法還元は、いくつか
の利益を提供するけれども、還元中にかなりの量のカリ
ウムがなお失われる。
技術の不利益を軽減することである。
グステン粉末中のカリウム組込量を増加させるための方
法を提供することである。
とカリウムドーパントと硼素含有化合物との混合物を形
成し、そしてその混合物を還元してカリウムドープタン
グステン粉末を形成することを含むカリウムドープタン
グステン粉末の製造法が提供される。
3:1の硼素対カリウムモル比を有する硼酸とパラタン
グステン酸カリウムアンモニウムとの混合物を形成し、
そしてその混合物を還元してカリウムドープタングステ
ン粉末を形成することを含むカリウムドープタングステ
ン粉末の製造法が提供される。
約3:1の硼素対カリウムモル比を有する硼酸とカリウ
ムドーパントとタングステン含有化合物との混合物を形
成し、ここでカリウムドーパントは熱不安定性カリウム
含有塩又はタングステン酸カリウムから選択され、そし
てタングステン含有化合物はパラタングステン酸アンモ
ニウム、メタタングステン酸アンモニウム又は酸化タン
グステンから選択されるものとし、そしてその混合物を
還元してカリウムドープタングステン粉末を形成するこ
とを含むカリウムドープタングステン粉末の製造法が提
供される。
及び能力と一緒によりよく理解するためには、以下の説
明及び特許請求の範囲を添付図面と関連させて参照され
たい。
る初期工程で硼素含有化合物好ましくは硼酸(B(O
H)3)を添加すると、カリウム含有出発物質の還元中
にカリウムの蒸発を減少させることが分かった。特に、
カリウム含有出発物質からのカリウム損失は、硼素添加
を行わない場合の約80%から硼素を添加する場合の僅
か約10%に減少させることができる。還元工程におけ
るK2B2O4、K2B4O7及びKB5O8の如き不揮発性硼
酸カリウムの形成がカリウム損失の減少に有意に寄与す
ると考えられる。加えて、硼素を添加して作られるカリ
ウムドープ粉末の焼結圧縮後に保持されるカリウムの量
は、硼素を使用しないで作った焼結圧縮体中に保持され
るカリウムの量よりも2倍多くなりうる。
又は環式ドーピングすることによって行うことができ
る。カリウム含有出発物質は、カリウムドーパントと、
タングステン金属に還元されうるタングステン含有化合
物とから構成される。カリウムドーパントは、パラタン
グステン酸カリウムアンモニウム(AKPT)、(NH
4)10-xKx[H2W12O42]・4H2O(x=0.04〜
0.4)若しくは部分還元AKPT(カリウムドープT
BO(K))の場合におけるようにタングステン含有化
合物中に含有されてもよく、又は、カリウムドーパント
は、タングステン含有化合物とは別個に一緒にさせるこ
とができる。後者の場合には、好ましいタングステン含
有化合物は、パラタングステン酸アンモニウム(AP
T)、(NH 4)10[H2W12O42]・4H2O、メタタ
ングステン酸アンモニウム(AMT)、(NH4)6[H
2W12O40]・〜5H2O、及びTBOの如き酸化タング
ステンである。カリウムドーパントは、硝酸カリウムK
NO3、又は亜硝酸カリウムKNO2を含むのが好まし
い。他の有用なカリウムドーパントとしては、炭酸カリ
ウムK2CO3及び炭酸水素カリウムKHCO3の如き他
の熱不安定性カリウム含有塩、又は多数の異なるタング
ステン酸カリウムK2WnO3n+1(n=1〜8)のうちの
どれか1種を挙げることができる。硼素添加法の場合の
ように、カリウムドーピング法は、通常の湿式又は環式
ドーピング法によって行うことができる。好ましくは、
混合物中のカリウムドーパントの濃度は、タングステン
の濃度を基にして約500ppm〜約2000ppmで
ある。出発物質を一緒にする順序は、厳密なものではな
いようである。
しては、AKPTの乾式ドーピング、カリウムドープT
BO(K)の乾式又は湿式ドーピング、及びAPT/K
NO 3の乾式ドーピングが挙げられる。好ましくは、還
元温度及び保持時間は、約500℃〜約600℃及び約
5時間〜約10時間の範囲内である。より好ましくは、
還元温度は約550℃である。約1時間の最終温度保持
は約900℃で行われる。還元を金属粉末まで完結させ
るにはそれよりも高い温度が使用される。900℃より
も低い温度が可能であるが、しかし還元時間は増長され
る。例えば、同様の条件下に650℃での還元は約15
時間を要する。それ故に、好ましくは、最終の保持温度
は約650℃〜約900℃の範囲内であってよく、そし
て最終の保持時間は約1時間〜約15時間の範囲内であ
ってよい。
本発明の方法は、135ppmまでのカリウム含量及び
16.5〜18.1g/cm3の範囲内の密度を有する
焼結タングステン圧縮体の生成を可能にする。焼結後に
保持されるカリウムの量は、ドーピングされたタングス
テン粉末が還元時に焼結されても又は焼結前に水洗若し
くは酸洗浄されてもほぼ同じである。好ましくは、硼素
ドープ出発材料の硼素含量は、タングステン含量を基に
して約500ppm〜約6500ppmである。焼結圧
縮体の残留硼素含量は一般には15ppm未満である。
硼素ドープ出発材料における硼素対カリウムモル比の好
ましい範囲は約0.6:1〜約3:1である。焼結圧縮
体において0.6:1の硼素対カリウムモル比では、1
20ppmのK量に達する。また、焼結圧縮体において
3:1の相当するモル比では、135ppmのK量に達
する。
あるが、本発明を限定するものではない。
グ 表1は、タングステン含量を基にして800ppmのK
を含有するAKPTのカリウム保持量に及ぼす硼素添加
の影響を比較するものである。すべての4つの試料を管
炉において乾燥水素中で6K/分の加熱速度、550℃
で5時間保持及び900℃で最終の1時間保持の同じ条
件下に還元した。焼結圧縮体を、還元時、水洗及びHF
洗浄の粉末から作った。HF洗浄の粉末は、還元時の粉
末を先ず水で、次いで弗化水素酸でそして最後に水で十
分に洗浄することによって作られた。9g焼結圧縮体
を、機械的プレス成形、及び20−cfh乾燥水素中に
おいて20K/分の温度傾斜を使用して1800℃で6
時間の間接的焼結によって形成された。得られた粉末及
び圧縮体の分析値を表1に提供する。
作ったタングステン粉末のカリウムレベルが硼素添加を
行わずに作ったタングステン粉末よりも有意に高いこと
を示している。出発材料と比較したカリウムドープタン
グステン粉末のカリウム組込量を表2に示す。硼素を添
加して作った焼結圧縮体のカリウム含量は、硼素添加を
行わずに作った圧縮体よりも約1.5〜約2.1倍大き
い。焼結圧縮体を作った粉末と比較した焼結圧縮体のカ
リウム保持量を表3に記載する。焼結圧縮体における約
70%の観測カリウム保持量は、通常のK、Al、Si
ドープタングステン粉末の場合と同じ範囲にある。しか
しながら、先に記載したように、本発明の方法によって
作った圧縮体のカリウム含量は、硼素を添加せずに作っ
た圧縮体よりもずっと高い。
の乾式ドーピング (A)TBO(タイプ1)組成:〜WO2.8 TBO(タイプ1)/KNO3/B(OH)3ブレンド
(1500ppmのK及び1245ppmのB(Wを基
にして)、3:1の硼素対カリウムモル比)の267g
部分を還元することによって、カリウム及び硼素でドー
ピングしたタングステン粉末の1kg量を作った。出発
物質は、乾燥水素中において6K/分の温度傾斜、55
0℃での10時間保持及び900℃での最終の1時間保
持を使用して還元された。一緒にされ、均質にされそし
て水洗されたタングステン粉末は、179ppmのK及
び77ppmのBを含有していた。微細粉末は、1.5
μmのFSSS粒度を有していた。
即ち、250g(47ksi、〜1インチ直径、13/4
インチ長さ)及び500g(48ksi、〜1インチ直
径、31/2インチ長さ)をそれぞれ、モリブデン内張モ
リブデンボートに一端を直立して置き、そして20−c
fhの乾燥水素中にいて1800℃で6時間間接的に焼
結した。インキ吸収試験は、両方の焼結ビレットについ
てシール表面層を示した。焼結ビッレトについての分析
値を表4に記載する。
2.95 TOB(タイプ2)/KNO3/B(OH)3の乾燥ブレ
ンド(1500ppmのK及び1245ppmのB(W
を基にして)、3:1の硼素対カリウムモル比)を乾燥
水素中で還元すると、TOB(タイプ1)の使用よりも
高いカリウム組込量をもたらす。図面は、HF−洗浄カ
リウムドープタングステン粉末中のカリウム保持量につ
いて保持温度と保持時間との間の関係を示す。550℃
での5時間保持は、HF−洗浄粉末において174pp
mの高いカリウム含量を与えた。550℃での10時間
保持は、213ppmKの極めて高い値をもたらした。
の乾式ドーピング 実験室的V−ブレンダーにおいて二段ドーピング操作を
使用して15kg量のTBO(タイプ1)をドーピング
した。先ず、46.8gのKNO3を300mlの水中
に溶解させた溶液を加え、次いで85.8gのB(O
H)3を700mlの水中に溶解させた溶液を加えた。
この第二溶液は、室温でのB(OH)3の比較的低い水
溶解度の故に約70℃に加熱された。両方の溶液量を少
しずつ加え、次いで混合した。これを、全容液容量が添
加されるまで反覆した。ドーピングした物質を炉におい
て約80℃において乾燥し、100メッシュを通してふ
るい分けし(1.5%残留)、そしてV−ブレンダーで
均質化した。得られたドーピングしたTBO粉末は、1
500ppmのK及び1244ppmのB(Wを基にし
て)を含有していた。硼素対カリウムのモル比は3:1
であった。この粉末を乾燥水素中で還元させた。還元時
の粉末のある量を6%のHFで洗浄した。粉末の分析値
を表5に記載する。
れるものについて例示記載したけれども、当業者には、
特許請求の範囲によって規定される如き本発明の範囲か
ら逸脱することなく本発明に幾多の変更修正をなし得る
ことが明らかであろう。
ウムドープタングステン粉末中のカリウム組込量に関し
て保持温度と保持時間との間の関係を示す図である。
Claims (32)
- 【請求項1】 タングステン含有化合物とカリウムドー
パントと硼素含有化合物との混合物を形成し、そしてそ
の混合物を還元してカリウムドープタングステン粉末を
形成する、ことを含むカリウムドープタングステン粉末
の製造法。 - 【請求項2】 カリウムドーパントがタングステン含有
化合物中に含有される請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 タングステン含有化合物がパラタングス
テン酸カリウムアンモニウム又は部分還元パラタングス
テン酸カリウムアンモニウムである請求項2記載の方
法。 - 【請求項4】 タングステン化合物がパラタングステン
酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム又は
酸化タングステンから選択され、そしてカリウムドーパ
ントが熱不安定性カリウム含有塩又はタングステン酸カ
リウムである請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 カリウムドーパントが硝酸カリウムであ
る請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 硼素含有化合物が硼酸である請求項1記
載の方法。 - 【請求項7】 混合物が約500℃〜約600℃の温度
で還元される請求項6記載の方法。 - 【請求項8】 混合物が約900℃の第二温度で更に還
元される請求項7記載の方法。 - 【請求項9】 混合物が約500℃〜約600℃の第一
温度で約5時間〜約10時間の間、及び約650℃〜約
900℃の第二温度で約1時間〜約15時間の間還元さ
れる請求項6記載の方法。 - 【請求項10】 タングステン含有化合物がパラタング
ステン酸カリウムアンモニウムである請求項6記載の方
法。 - 【請求項11】 タングステン含有化合物がパラタング
ステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウ
ム又は酸化タングステンから選択され、そしてカリウム
ドーパントが熱不安定性カリウム含有塩又はタングステ
ン酸カリウムである請求項6記載の方法。 - 【請求項12】 カリウムドーパントが硝酸カリウムで
ある請求項11記載の方法。 - 【請求項13】 混合物が約550℃で還元される請求
項12記載の方法。 - 【請求項14】 混合物が約550℃で還元される請求
項10記載の方法。 - 【請求項15】 硼素対カリウムのモル比が約0.6:
1〜約3:1である請求項1記載の方法。 - 【請求項16】 混合物中のカリウムドーパントの濃度
がタングステンの量を基にして約500ppm〜約20
00ppmである請求項1記載の方法。 - 【請求項17】 硼酸が水溶液で添加される請求項6記
載の方法。 - 【請求項18】 混合物中の硼素含量がタングステンの
量を基にして約500ppm〜約6500ppmである
請求項1記載の方法。 - 【請求項19】 約0.6:1〜約3:1の硼素対カリ
ウムモル比を有する硼酸とパラタングステン酸カリウム
アンモニウムとの混合物を形成し、そしてその混合物を
還元してカリウムドープタングステン粉末を形成する、
ことを含むカリウムドープタングステン粉末の製造法。 - 【請求項20】 混合物が約500℃〜約600℃の温
度で還元される請求項19記載の方法。 - 【請求項21】 混合物が約550℃の温度で還元され
る請求項20記載の方法。 - 【請求項22】 混合物が約650℃〜約900℃の温
度で約1時間〜約15時間更に還元される請求項20記
載の方法。 - 【請求項23】 混合物が約5時間〜約10時間還元さ
れる請求項20記載の方法。 - 【請求項24】 混合物が約550℃で還元される請求
項23記載の方法。 - 【請求項25】 混合物が約900℃で約1時間更に還
元される請求項24記載の方法。 - 【請求項26】 約0.6:1〜約3:1の硼素対カリ
ウムモル比を有する硼酸とカリウムドーパントとタング
ステン含有化合物との混合物を形成し、ここでカリウム
ドーパントは熱不安定性カリウム含有塩又はタングステ
ン酸カリウムから選択され、そしてタングステン含有化
合物はパラタングステン酸アンモニウム、メタタングス
テン酸アンモニウム又は酸化タングステンから選択され
るものとし、そしてその混合物を還元してカリウムドー
プタングステン粉末を形成する、ことを含むカリウムド
ープタングステン粉末の製造法。 - 【請求項27】 混合物が約500℃〜約600℃の温
度で還元される請求項26記載の方法。 - 【請求項28】 混合物が約550℃の温度で還元され
る請求項27記載の方法。 - 【請求項29】 混合物が約650℃〜約90℃の温度
で約1時間〜約15時間更に還元される請求項27記載
の方法。 - 【請求項30】 混合物が約5時間〜約10時間還元さ
れる請求項27記載の方法。 - 【請求項31】 混合物が約550℃で還元される請求
項30記載の方法。 - 【請求項32】 混合物が約900℃で約1時間更に還
元される請求項31記載の方法。
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