JP2007270187A - ネジ加工が施されたタングステン焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】従来無かった高密度で、実質的にタングステンからなる汎用性の高いボルトおよびナットなどネジ部を持った焼結体を提供することにある。
【解決手段】粉末冶金法によって高圧、高温での熱間静水圧加工処理をほどこした高密度なタングステン焼結体を得て、焼結体を機械加工することにより課題を解決した。ネジ加工部を有するタングステンは、耐熱性、耐プラズマ製などが優れ、高温使用用途でも用いることができる。また、他のタングステン部材と熱膨張係数が同じであるために高温時での部材の変形を抑えることができる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、タングステン製のボルト及びナットなど、ネジ山を有する焼結体に関する。

ボルト及びナットなどは機械の基礎的部品にて、その材質や形状についてはこれまでに既に多数の技術が示されている。
それとは別に、現在では耐高温材料、耐プラズマ材料、放射線遮蔽材料などで注目を集めているのが高融点、低蒸気圧のタングステン焼結体である。
タングステン焼結体は、焼結により緻密化をさせるのが難しく、焼結後もその加工は困難である。
そのようなタングステンに若干の加工を施した技術としては、特許文献１〜４に示すような技術が開示されている。
しかし、そのいずれも、棒や板などの一部の加工に過ぎず、それそのものが汎用性に富むボルトやナットの役目を果たすとは言い難いものであった。
また、特許文献５には一部ネジ山加工ほど越されたタングステンが使用されているが、φ３ｍｍ程度のタングステン棒にネジ山を付けているにとどまり、その製造方法や材料については詳細が述べられていない。

特開２００２−２１６９３５ 特開平８−３０８９３０ 特開平７−２５２０５１ 特開平１１−１６４８８６ 特開２００２−２２６２８１

本発明は、従来無かった実質的にタングステンからなる汎用性の高いボルトおよびナットなどネジ部を持った焼結体を提供することにある。

本発明によって、耐高温材料、耐プラズマ材料、放射線遮蔽材料等の特徴を有するボルト、ナットなどネジ溝加工部を有するタングステン焼結体を得ることができる。

本発明のボルトやナットなどネジ部を持ったタングステン焼結体を得るためには、以下の手段が最も望ましい。
粉末は高純度タングステン粉末（９９．９％以上）や、意図的にカリウムなどの軽金属を１〜数１００ＰＰＭ添加したドープタングステンの粉末を使用する。これらは、特に高温や腐食しやすい環境下で使用する上で望ましいからである。
まず、タングステン粉末をリング状（ナット）や棒状（ボルト）あるいはボルトの形状に近いゴム型に入れ、冷間静水圧プレスにて成形する。プレスの圧力は３００〜５００ＭＰａが望ましい。
続いて、得られたプレス体に整形を行う。整形は旋盤やグラインディングセンタ、平面研削盤など一般に用いられる加工装置で行えば良い。また、ネジ溝はこの段階で付けておくことが望ましい。整形に用いる工具は、ダイヤモンド、超硬合金やセラミックスなど、公知の工具でよい。
整形後に焼結を行う。焼結は還元雰囲気中にて２０００℃以上にて行う。この段階で理論密度比で９０％を出しておき、続いて熱間静水圧プレス処理を行う。処理の温度は２０００℃以上、２０００ａｔｍ以上とする必要がある。
こうして得られたタングステンの焼結体を、所望のボルト、ナット等の形状に機械、電気加工を施すことにより、本発明のタングステン製ボルトおよびナットを得ることができる。
また、上記は冷間静水圧プレスして、焼結、熱間静水圧プレスをする手段を用いたが、この方法とは別に、粉末をプレス後に水素雰囲気中で通電焼結を行い、その後に熱間回転鍛造（スエージ）して焼結体を得る方法も同様の結果が得られる。

本発明のタングステン焼結体は、下記用途に利用ができる。
コイルサポート材、コイルフィラメント材、接点部品、耐アーク用部品、放電灯用電極、メタルハライド電極、キセノンランプ、ヒートシンク、放電加工用電極、切削工具、熱間使用用金型、るつぼ、重錘、バランサー、スパッタリング用ターゲット、スポーツ用品用部材、高温構造材、炉内部材、高温ガラス・プラスチック成形用モールド、スポット溶接用電極、抵抗溶接用電極、耐摩耗材、耐熱部材、アークチャンバやフロントスリットなどのプラズマ関連機器、ヒーター用電極、しゅう動部材、弾丸および防護壁、放射線遮蔽用部材など。

実施例１
出発原料として、平均粒子径が１．５μｍで、純度９９．９９％の粉末を準備した。この粉末を円柱状および円筒状のゴム型に詰めて、４００ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレスを行ってプレス体を得た。このプレス体に、ボルトおよびナット形状への整形加工を行った。加工は旋盤やフライス機、マシニングセンターなどを用い、工具としては刃先がダイヤモンドの切削工具を用いた。次に整形体を水素雰囲気中にて２０００℃で焼結を行った。得られた焼結体を、続けて熱間静水圧プレスを２０００℃にて行った。
こうして得られた焼結体を、さらに旋盤やフライス機、マシニングセンター、円筒研削盤などを用いてボルトおよびナットの形状に最終加工を行った。この際は、工具としてダイヤモンド工具、超硬工具、サーメット工具、硬質材料で被覆した各種工具を用いた。
こうして得られた焼結体を、還元雰囲気炉で高温部にあたるカーボン板を固定するのに用いるボルトおよびナットとして使用した。炉の昇温を２０００℃まで上げて下ろす使用を繰り返し１００回行った後にボルトおよびナットを確認したところ、全く損傷なく固定ができていた。一方、カーボン板は劣化および損耗が発生していた。そのために、本発明のボルトおよびナットは、カーボンよりも高温使用に適していることが分かる。

実施例２
実施例１と同様の材料を用いて、タングステン製の容器と蓋およびボルトを作製した。それらを還元雰囲気炉中で、窒化アルミセラミックスの焼結を行う際に、外部からの不純物の混入がないように、タングステン製の容器と蓋を用い、それぞれにねじ切りを行いタングステンのボルトにて密封した。焼結後の窒化アルミセラミックスは、焼結雰囲気中の不純物による色むらなどが全く出ておらず、良好な結果が得られた。
実施例３

実施例３
出発原料として、平均粒子径が０．５μｍで、純度９９．９％のタングステン粉末に、カリウムを５０ｐｐｍドープした粉末を準備した。この粉末を角柱形状、板形状、および円筒形状のゴム型に詰めて、３００ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレスを行ってプレス体を得た。このプレス体に、ボルトおよびナット形状への整形加工を行った。加工は旋盤やフライス機、マシニングセンターなどを用い、工具としては刃先がダイヤモンドの切削工具を用いた。次に整形体を水素雰囲気中にて２０００℃で焼結を行った。得られた焼結体を、続けて熱間静水圧プレスを２０００℃にて行った。
こうして得られた焼結体を、さらに旋盤やフライス機、マシニングセンター、円筒研削盤などを用いてボルトおよびナットの形状に最終加工を行った。
アークチャンバーの固定用に、アークチャンバーの端部にネジ山を設け、フロントスリットと合わせて両者をボルトで固定した。両者は良好に密封されており、耐プラズマ製が高いためにプラズマなどの漏洩もなかった。

実施例４
出発原料として、純度９９．９９％で平均粒子径が０．５μｍと４．０μｍの大小の粉末を混合した。この粉末を円筒状および円柱状のゴム型に詰めて、１０ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレスを行ってプレス体を得た。このプレス体の両端に電極をつけ、水素雰囲気中にて通電焼結を行った。得られた焼結体を、旋盤やフライス機、マシニングセンター、円筒研削盤などを用いてボルトおよびナットの形状に最終加工を行った。得られたボルトおよびナットを原子炉の炉心に近い温度が上昇する部分の、金属部品の固定に用いた。タングステンは耐高温性が高いために、損傷や溶解などを起こすことなく使用できた。

実施例５
実施例４と同じ材料の本発明の焼結体を作製し、原子力発電所で用いられるタングステン系材料板からなる放射線遮蔽材の接合に本発明のボルトとナットを用いた。放射線遮蔽材同士は、ボルトおよびナットにより密着しており、放射能漏れなどの不具合は起こらなかった。

実施例６
実施例１と同様の材質を用いて、ガラス熱間成形用のモールドを作製した。モールドはレンズ型部分とその下方に台座に固定するためのつばを付けてあるが、つば部分に通し穴を空けて、同じくタングステン製の台座に本発明のタングステンネジにて固定した。熱間成形時につばと台座部の熱膨張差により台座が歪むのが問題となっているが、本発明のタングステンネジは熱膨張率がモールドと同じであるために歪みは生じず、良好な面を持ったレンズを成形できた。

Claims (3)

1. ネジ溝加工が施された実質的にタングステンからなる焼結体。
2. タングステンの純度が９９．９％以上である請求項１に記載のタングステンからなる焼結体。
3. タングステンからなる焼結体がボルト、ナット、ネジ、控えボルト、植え込みボルト、止めねじのいずれかである請求項１または請求項２に記載のタングステンからなる焼結体。