JP2894661B2 - Tantalum material and method for producing the same - Google Patents

Tantalum material and method for producing the same

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JP2894661B2 JP4221633A JP22163392A JP2894661B2 JP 2894661 B2 JP2894661 B2 JP 2894661B2 JP 4221633 A JP4221633 A JP 4221633A JP 22163392 A JP22163392 A JP 22163392A JP 2894661 B2 JP2894661 B2 JP 2894661B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は高温領域で使用するタン
タル材料に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tantalum material used in a high temperature range.

【0002】[0002]

【従来の技術】タンタル材料は、高温雰囲気で使用され
ることが多いが、主な用途はタンタルコンデンサ用リー
ド線及び一般板管として真空、高温下で繰り返し使用さ
れる場合と二通りにわけられる。いずれも結晶の粗大化
と酸素の存在によって材料が脆化する性質がある。タン
タルは、一般的には弗化タンタル酸カリウム(K2 Ta
7 )をナトリウム(Na)で還元して得られる。図1
に一般的な製法のフローシートを示す。コンデンサ用に
はこの還元粉をコンデンサ用粉末に調整するが、静電容
量を大きくし小型化を計るため粉末は年々細くなってお
り、それに対応して含有酸素量も多くなってきている。
2. Description of the Related Art Tantalum materials are often used in high-temperature atmospheres, but their main applications are divided into two types: when they are repeatedly used under vacuum and high temperature as lead wires for tantalum capacitors and general plate tubes. . Both have the property that the material becomes brittle due to the coarsening of the crystal and the presence of oxygen. Tantalum is generally potassium fluoride tantalate (K 2 Ta).
F 7 ) is obtained by reduction with sodium (Na). FIG.
Shows a flow sheet of a general manufacturing method. For a capacitor, this reduced powder is adjusted to a capacitor powder, but the powder is becoming thinner year by year in order to increase the capacitance and reduce the size, and the oxygen content is correspondingly increasing.

【0003】一方、タンタルの板管などの加工品は従来
からの粉末冶金手法での焼結体の塑性加工による方法の
他に、近年では図2のフローシートで示すように、ナト
リウム還元粉をブリケット化してエレクトロンビーム溶
解してインゴットとし、このインゴットを塑性加工する
方法で製造される。タンタルのワイヤーや板管などの材
料は1000℃以上で加熱すると加工歪が除去される回
復が起り、次に新しい結晶粒が発生し再結晶がはじま
り、さらに高温になると粒子の成長粗大化が起る。タン
タルの場合、再結晶温度は1000℃前後といわれてい
るが、不純物量や加工方法、加工率等で異なってくる。
結晶粒が粗大化して、かつ結晶中に酸素が多量に存在す
ると、材料の脆化が起こるため問題となる。これを防ぐ
ためには、再結晶しにくくかつ結晶成長が遅いタンタル
材料が望まれる。結晶粒成長抑止をするためには、第2
相粒子などの分散物、溶質原子などの不純物を均一にマ
トリックス中へ分散させると良いとされている。
[0003] On the other hand, processed products such as tantalum plate tubes are not limited to a method of plastic working of a sintered body by a conventional powder metallurgy technique. In recent years, as shown in a flow sheet of FIG. It is manufactured by briquetting and electron beam melting to form an ingot, and the ingot is subjected to plastic working. For materials such as tantalum wire and plate tubes, heating at 1000 ° C or higher causes recovery from removal of processing strain, then new crystal grains are generated and recrystallization starts, and at higher temperatures, grain growth coarsens. You. In the case of tantalum, the recrystallization temperature is said to be around 1000 ° C., but varies depending on the amount of impurities, the processing method, the processing rate, and the like.
If the crystal grains are coarse and a large amount of oxygen is present in the crystal, the material becomes brittle, which causes a problem. In order to prevent this, a tantalum material that is difficult to recrystallize and has a slow crystal growth is desired. In order to suppress grain growth, the second
It is said that it is good to uniformly disperse a dispersion such as phase particles and impurities such as solute atoms in a matrix.

【0004】本発明に関するタンタル材料は、この加工
品用の素材に関するものであり、主にタンタルコンデン
サ用リード線及び高温用の材料を対象としている。以下
にタンタルをこの2つの用途に使用した場合の説明を述
べる。
[0004] The tantalum material according to the present invention relates to a material for this processed product, and is mainly intended for a lead wire for a tantalum capacitor and a high temperature material. The following describes the case where tantalum is used for these two purposes.

【0005】タンタルコンデンサ用のリード線としてタ
ンタルを用いる場合は、まず図1に示す方法で製造され
たタンタル粉をペレットに成形し、その際別途準備した
タンタルワイヤーを装入する。このペレットはその後の
図3に示すようなコンデンサ製造工程で、強度を必要と
されるため、通常1500℃×30分程度以上の高温で
焼結する。この焼結は多くの場合1回で終了するが、2
回以上行う場合もある。ところでコンデンサ製造プロセ
スの焼結過程で、タンタル粉末中の酸素がタンタルワイ
ヤーへ拡散し、ワイヤーの酸素濃度が高くなる。ワイヤ
ーは上記焼結条件のもとでは再結晶が起こり結晶成長を
起こす。その際、含有していた酸素は結晶欠陥の集りで
ある結晶粒界へ集まり易い。粒界に存在する酸素は、そ
の濃度が低いうちは固溶状態であるため脆化の問題はな
いが、酸素濃度が高くなると焼結後ワイヤーが脆化する
ことが知られている。しかも、タンタルワイヤーの結晶
粒の粗大化が顕著な場合は製品としての歩留まりが悪化
する。このような現象を少なくするには、タンタル粉末
中の酸素を低下させるのが大切であるが、一方リード線
としては、焼結中に結晶粒が粗大化しないものが望まれ
る。
When tantalum is used as a lead wire for a tantalum capacitor, first, the tantalum powder produced by the method shown in FIG. 1 is formed into a pellet, and at that time, a separately prepared tantalum wire is charged. Since the pellets require strength in the subsequent capacitor manufacturing process as shown in FIG. 3, they are usually sintered at a high temperature of about 1500 ° C. for about 30 minutes or more. This sintering is often completed only once,
It may be performed more than once. By the way, in the sintering process of the capacitor manufacturing process, oxygen in the tantalum powder diffuses into the tantalum wire, and the oxygen concentration in the wire increases. Under the above sintering conditions, the wire undergoes recrystallization and causes crystal growth. At that time, the oxygen contained tends to collect at the crystal grain boundary, which is a collection of crystal defects. Oxygen present at the grain boundary is in a solid solution state while its concentration is low, so there is no problem of embrittlement. However, it is known that when the oxygen concentration is high, the wire becomes brittle after sintering. In addition, when the crystal grains of the tantalum wire are remarkably coarsened, the yield as a product deteriorates. In order to reduce such a phenomenon, it is important to reduce the oxygen in the tantalum powder, but on the other hand, a lead wire that does not cause crystal grains to become coarse during sintering is desired.

【0006】次にタンタルコンデンサ製造用の焼結炉や
高温材料の焼鈍などに用いる高温焼鈍炉の炉材として使
用する場合について述べる。炉材には通常タングステ
ン、モリブデン、タンタル等の高融点金属が用いられ
る。この中で加工性、強度の面からタンタルの板材、丸
棒などが使用されることが多い。たとえば、タンタルコ
ンデンサの焼結条件は、コンデンサの高容量化に伴い年
々低温にシフトしているが、それでも1500℃前後以
上で行われることが多い。このような条件下でコンデン
サの焼結作業を繰り返すと、タンタル材料は結晶粒が成
長する。一方では炉の開閉時毎に、活性化したタンタル
材料の表面が空気に接触するため酸素が付着し、自然酸
化皮膜がその都度生成する。結果的に母材に蓄積した酸
素濃度が高くなり、粗大化した結晶粒界へ偏析し、粒界
破壊の原因となる。高温材料の焼鈍炉として使用される
場合もこの様な現象が起こり、タンタル材料の寿命が尽
きることになる。
Next, the case of using as a furnace material for a sintering furnace for manufacturing a tantalum capacitor or a high-temperature annealing furnace used for annealing a high-temperature material will be described. As the furnace material, a high melting point metal such as tungsten, molybdenum, and tantalum is usually used. Among them, a tantalum plate, a round bar, or the like is often used in terms of workability and strength. For example, the sintering conditions for tantalum capacitors are shifting to low temperatures year by year with the increase in capacity of the capacitors, but they are still often performed at around 1500 ° C. or higher. When the sintering operation of the capacitor is repeated under such conditions, crystal grains of the tantalum material grow. On the one hand, every time the furnace is opened and closed, the surface of the activated tantalum material comes into contact with air, so that oxygen adheres and a natural oxide film is formed each time. As a result, the oxygen concentration accumulated in the base material increases, segregating into coarse crystal grain boundaries, causing grain boundary destruction. Such a phenomenon also occurs when used as an annealing furnace for a high-temperature material, and the life of the tantalum material is exhausted.

【0007】これらの2つの例でもわかるように、純粋
なタンタル材料やタンタルワイヤーを高温で使用する
と、酸素の増加とともに結晶粗大化が脆化の原因とな
り、材料の寿命が短くなったりワイヤー折れが発生し、
コンデンサの場合は製品歩留まりが悪くなる。これらの
現象を防ぐためには、タンタル材料として高温処理時に
結晶成長が遅いことが望まれる。
As can be seen from these two examples, when a pure tantalum material or a tantalum wire is used at a high temperature, the increase in oxygen causes the crystal coarsening to become brittle, thereby shortening the life of the material or breaking the wire. Occurs
In the case of a capacitor, the product yield is reduced. In order to prevent these phenomena, it is desired that the tantalum material be slow in crystal growth during high-temperature treatment.

【0008】結晶成長を抑制するために、ドーパントを
添加しタンタル中に均一微細に分散させて結晶粒界の移
動を防ぐ効果を利用することがよく知られている。例え
ば、USP1,054,049(1967)やUSP
3,268,328(1967)によればイットリウム
金属を10ppm から10,000ppm 添加する材料につ
いて述べている。又、Journal of The
Less−Common Metals:9(196
5),International Symposiu
m onTantalum and Niobium:
November 1988,KOBELCO TEC
HNOLOGY Review No.11:June
1991等には希土類酸化物を5ppm 以上添加する方法
が開示されている。これらの文献に開示されている技術
の共通点として、添加する元素量がいずれも5ppm を下
限としている。さらに添加方法に関しては、粉末冶金的
方法か不活性雰囲気中のアーク溶解による製造方法が知
られている。このように、従来は極微量の添加物をタン
タル等の高融点金属へ添加する方法は、アーク溶解か粉
末冶金法によるものが一般的である。
In order to suppress crystal growth, it is well known to utilize the effect of adding a dopant and dispersing it uniformly and finely in tantalum to prevent the movement of crystal grain boundaries. For example, USP 1,054,049 (1967) and USP
No. 3,268,328 (1967) describes a material to which 10 ppm to 10,000 ppm of yttrium metal is added. Also, Journal of The
Less-Common Metals: 9 (196
5), International Symposiu
montantalum and Niobium:
November 1988, KOBELCO TEC
HNOLOGY Review No. 11: June
1991 and the like disclose a method of adding a rare earth oxide of 5 ppm or more. As a common feature of the techniques disclosed in these documents, the lower limit of the amount of added elements is 5 ppm in all cases. As for the addition method, a powder metallurgy method or a production method by arc melting in an inert atmosphere is known. As described above, conventionally, a method of adding a trace amount of an additive to a high melting point metal such as tantalum is generally performed by arc melting or powder metallurgy.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来の希土類元素を5
ppm 以上含むタンタル材料では、コンデンサのリードワ
イヤーとして使用する場合の洩れ電流が増大する原因に
なり、細線や箔に加工する際に加工性が劣化する等の問
題があり、希土類元素は少ない方が好ましい。しかし、
純度が高くかつ少量の結晶成長抑止元素を使用して高温
脆性を起こしにくくしたタンタル材料は得られていなか
った。従来の製法によれば、高温での結晶粒成長抑止剤
を添加する方法は、粉末冶金的な方法かアルゴンまたは
真空アーク溶解に限られている。これらの方法による
と、前者の場合は通常その元素の添加剤より低い固体の
まま焼結が行われる。又、後者の場合は不活性雰囲気か
低真空中で行われるため、いずれの場合も不純物が十分
抜けきれずに製品中に残存し、特にタンタルコンデンサ
のリード線として使用する際、コンデンサの洩れ電流の
原因となる。
The conventional rare earth element is 5
A tantalum material containing more than ppm causes an increase in leakage current when used as a lead wire of a capacitor, and has problems such as deterioration in workability when processing into a fine wire or foil. preferable. But,
A tantalum material having high purity and less likely to cause high-temperature embrittlement by using a small amount of a crystal growth inhibiting element has not been obtained. According to conventional manufacturing methods, the method of adding a grain growth inhibitor at a high temperature is limited to a powder metallurgy method or argon or vacuum arc melting. According to these methods, in the former case, sintering is usually performed with a solid lower than the additive of the element. In the latter case, the impurities are removed in an inert atmosphere or in a low vacuum, and in either case, the impurities do not fully escape and remain in the product, especially when used as tantalum capacitor lead wires. Cause.

【0010】これに対して、電子ビーム溶解で製造した
インゴットを素材にする方法も知られている。この方法
によると純度は良いため洩れ電流への影響も少ないが、
高真空、高温下で溶解するため、一般的には蒸気圧の高
い添加物のドーピングは不可能とされてきた。電子ビー
ム溶解で母材よりも蒸気圧の高い結晶成長抑止元素であ
る希土類元素を添加できれば、全体として純度が高く、
かつ機能性に優れた材料が得られる。本発明は、従来添
加がむずかしいとされている結晶成長抑止元素を電子ビ
ーム溶解によって効率的に添加する技術に関するもので
ある。すなわち本発明によれば、従来の技術で必要とさ
れていた添加量よりはるかに少ない量でも結晶成長抑止
効果があり、不純物も極めて少なく、高品質で加工性に
優れたタンタル材料が得られるものである。
[0010] On the other hand, a method of using an ingot manufactured by electron beam melting as a material is also known. According to this method, the purity is good and the influence on the leakage current is small,
Because of melting under high vacuum and high temperature, it has been generally impossible to dope additives having a high vapor pressure. If a rare earth element which is a crystal growth inhibiting element having a higher vapor pressure than the base material can be added by electron beam melting, the purity as a whole will be high,
In addition, a material having excellent functionality can be obtained. The present invention relates to a technique for efficiently adding a crystal growth-inhibiting element, which is conventionally considered to be difficult to add, by electron beam melting. That is, according to the present invention, a tantalum material having a crystal growth inhibiting effect even with an amount much smaller than that required in the conventional technology, having very few impurities, and having high quality and excellent workability can be obtained. It is.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明ではタンタル中の
酸素濃度を100ppm 以下に低く抑え、希土類元素を
0.01〜1.0ppm 含有させた。酸素を100ppm 以
下に限定する理由は、希土類元素をタンタル中に有効に
留めると共に、材料の粒界脆化を抑制するためである。
希土類元素とはイットリウム(Y)、スカンジウム(S
c)を含み、ランタン系のランタン(La)、セリウム
(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、
プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピ
ウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(T
b)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、
エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウ
ム(Yb)、ルテチウム(Lu)が該当する。これら希
土類元素量を1.0ppm 以下に制限するのは、希土類元
素が多くなると、コンデンサリード線に使用する場合に
洩れ電流が増大する原因となったり、加工性が悪くなる
からである。一方、希土類元素により結晶粒粗大化防止
効果を得るためには、0.01ppm 以上含有しているこ
とが必要である。
According to the present invention, the oxygen concentration in tantalum is suppressed to 100 ppm or less, and the rare earth element is contained at 0.01 to 1.0 ppm. The reason for limiting the oxygen to 100 ppm or less is to keep the rare earth element in tantalum effectively and to suppress grain boundary embrittlement of the material.
Rare earth elements include yttrium (Y) and scandium (S
c), lanthanum-based lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd),
Promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (T
b), dysprosium (Dy), holmium (Ho),
Erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) are applicable. The reason for limiting the amount of the rare earth element to 1.0 ppm or less is that an increase in the amount of the rare earth element causes an increase in leakage current when used for a capacitor lead wire, or deteriorates workability. On the other hand, in order to obtain the effect of preventing the coarsening of the crystal grains by the rare earth element, it is necessary to contain 0.01 ppm or more.

【0012】上記の限定は次のような実験結果に基づい
て決定した。すなわち、Na還元法で得られたタンタル
粉末をカルシウムで脱酸素して、酸素レベルが2,00
0、2,500、2,800、3,000、3,50
0、4,000ppm の粉末とした。これ等のタンタル粉
末にY23 をY純分換算で1wt%相当添加し、プレ
ス成形して1,500℃で30分間焼結した。各々の焼
結ペレットを原料にして、電子ビーム溶解してインゴッ
トをつくり、鍛造、圧延を経て1mm厚さの板をつくっ
た。各々のインゴットについてYの含有量を分析した。
又板材を圧力約1×10-4Torrの真空中で1,600℃
で30分間で焼鈍し、焼鈍後の結晶粒径を測定した。結
果を表1に示す。
The above limitations were determined based on the following experimental results. That is, the tantalum powder obtained by the Na reduction method is deoxygenated with calcium so that the oxygen level becomes 2,000.
0, 2,500, 2,800, 3,000, 3,50
A powder of 0, 4,000 ppm was obtained. To these tantalum powders, Y 2 O 3 was added in an amount of 1 wt% in terms of Y pure content, press-molded, and sintered at 1,500 ° C. for 30 minutes. Each of the sintered pellets was used as a raw material and melted by an electron beam to form an ingot, which was then forged and rolled to form a 1 mm thick plate. The content of Y was analyzed for each ingot.
Further, the plate is heated at 1600 ° C. in a vacuum of about 1 × 10 −4 Torr.
For 30 minutes, and the crystal grain size after annealing was measured. Table 1 shows the results.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】電子ビーム溶解では、10-3〜10-5Torr
台の高真空下でタンタルを溶解する。タンタルの融点は
3,000℃であるから、通常の元素及び化合物は3,
000℃以上では蒸気圧が高いため蒸発してしまい、タ
ンタルインゴット中には残存しない。希土類元素の場合
も従来はタンタルインゴット中に添加するのは困難であ
るとされた。しかしながら電子ビーム溶解を行う際に原
料タンタルの酸素を低くして希土類酸化物を混合し、そ
れをプレス成形し、さらに1,500℃以上で30分以
上焼結することによってタンタルと希土類元素を拡散結
合させておくと、電子ビーム溶解後でも希土類元素がマ
トリックス中に微量であるが分散した形で残存すること
がわかった。
In electron beam melting, 10 -3 to 10 -5 Torr
Dissolve the tantalum under high vacuum on the stage. Since the melting point of tantalum is 3,000 ° C., ordinary elements and compounds
If the temperature is higher than 000 ° C., the vapor pressure is so high that it evaporates and does not remain in the tantalum ingot. Conventionally, it has been considered difficult to add rare earth elements to tantalum ingots. However, when performing electron beam melting, lowering the oxygen of the raw material tantalum, mixing the rare earth oxide, pressing it, and sintering it at 1,500 ° C or higher for 30 minutes or more diffuses the tantalum and the rare earth element. It was found that the rare earth elements remained in the matrix in a small but dispersed form even after the electron beam melting, when they were bonded.

【0015】希土類元素の酸化物は、タンタルの酸化物
よりも生成自由エネルギー的に安定している。従って、
微量の希土類元素は純物質として添加しても酸化物とし
て添加しても、酸化物の形となってマトリックス中に存
在しているものと思われる。添加の形は元素のままでも
よいが、より安定で入手も容易な酸化物を使用するのが
望ましい。まず、タンタル粉末と希土類酸化物を均一に
混合する。酸化物はなるべく細かい方が良い。この混合
粉末を電子ビーム溶解炉に合わせてプレス成形する。成
形圧力は2〜4 ton/cm2 程度あればよい。次いでこ
の成形体を真空中で1,500℃以上に加熱し、30分
以上かけて焼結する。焼結条件は成形体の大きさにより
適宜調節する。
Oxides of rare earth elements are more stable in terms of free energy of formation than oxides of tantalum. Therefore,
It is considered that a trace amount of a rare earth element is present in the matrix in the form of an oxide regardless of whether it is added as a pure substance or as an oxide. The form of addition may be elemental, but it is desirable to use a more stable and easily available oxide. First, the tantalum powder and the rare earth oxide are uniformly mixed. The finer the oxide, the better. This mixed powder is press-molded in accordance with an electron beam melting furnace. The molding pressure may be about 2 to 4 ton / cm 2 . Next, this compact is heated to 1,500 ° C. or more in a vacuum and sintered for 30 minutes or more. The sintering conditions are appropriately adjusted depending on the size of the compact.

【0016】電子ビーム溶解では真空度や溶湯の温度に
よって添加物の蒸発がコントロールされる。しかしなが
ら、電子ビームを安定に出すためには真空度は一定以上
の値が必要であり、又インゴットの表面欠陥、内部欠陥
を無くすためには、一定以上の溶湯温度、すなわち電気
入力が必要となる。特に板、管等の加工に際しては上記
欠陥は製品の不良となるため、完全に溶解するだけの電
気入力をかける。このように、電子ビーム溶解のための
条件のもとでは、最終的に残留する添加物の量もほぼ一
定となることがわかった。本発明の技術によれば、電子
ビーム溶解でのタンタル中の残留希土類元素の量は、多
くの場合1ppm から0.01ppm の間にあり、又この程
度の量でもタンタルの結晶粒成長抑止に効果があること
がわかった。
In electron beam melting, the evaporation of additives is controlled by the degree of vacuum and the temperature of the molten metal. However, in order to stably emit an electron beam, the degree of vacuum needs to be a certain value or more, and in order to eliminate surface defects and internal defects of the ingot, a certain temperature of the molten metal, that is, an electric input is required. . In particular, when processing a plate, a pipe, or the like, since the above-mentioned defect becomes a defect of the product, an electric input enough to completely dissolve is applied. As described above, it was found that the amount of the finally remaining additive was almost constant under the conditions for the electron beam melting. According to the technique of the present invention, the amount of residual rare earth elements in tantalum in electron beam melting is often between 1 ppm and 0.01 ppm, and even this amount is effective in suppressing the growth of tantalum grains. I found that there was.

【0017】[0017]

【作用】希土類元素の酸化物とタンタル粉末を単に混ぜ
ただけでは、電子ビーム溶解中にタンタル中に滞留する
ことなく蒸発してしまうので残存しにくい。本発明によ
ると、あらかじめこれらの混合粉末をプレス成形して高
温真空焼結するので、タンタルと希土類元素酸化物が拡
散結合し、その分離のためにエネルギーを必要とするこ
とになる。従って、残留する割合は大きくなるものと思
われる。 又、原料のタンタル粉末の酸素が多いと表面
層の酸素も多く、希土類元素の酸化物との拡散結合のさ
またげとなるため、タンタル粉末中の酸素濃度は低く保
つことが重要である。希土類元素は組織内で微量かつ極
めて微細に分散しているので、その存在形態は現在の技
術では観測できず、効果があがる理由を正確に述べるこ
とは難しいが、従来効果が得られなかった低い濃度で結
晶成長抑制効果がでるのは、原料段階で希土類を含有し
たブリケットの真空焼結工程を入れることにより、溶製
インゴット内での希土類元素の有効形態での存在比率が
従来よりはるかに高まったためと考えられる。
By simply mixing the rare earth element oxide and the tantalum powder, they do not stay in the tantalum during the electron beam melting and evaporate, so that they do not easily remain. According to the present invention, these mixed powders are press-formed in advance and sintered at a high temperature in a vacuum, so that tantalum and rare earth element oxides are diffusion-bonded and energy is required for their separation. Therefore, it is considered that the ratio of the residual is increased. Also, if the raw material tantalum powder has a large amount of oxygen, the surface layer also has a large amount of oxygen, which hinders the diffusion bonding with the rare earth element oxide. Therefore, it is important to keep the oxygen concentration in the tantalum powder low. Since rare earth elements are very small and very finely dispersed in the structure, their existence cannot be observed with the current technology, and it is difficult to accurately explain the reason why the effect is increased, but the low effect where the effect was not obtained in the past The effect of suppressing the crystal growth at the concentration is that the existence ratio of the rare earth element in the effective form in the smelting ingot is much higher than in the past by introducing the vacuum sintering process of the briquette containing the rare earth at the raw material stage. It is considered that

【0018】[0018]

【実施例】タンタル粉末としてK2 TaF7 をNa還元
して得たままの粉末(粉末Aとする)と、これをさらに
Caを用いて脱酸処理した粉末(粉末Bとする)を準備
した。粉末Aの酸素含有量は4,500ppm 、粉末Bの
酸素含有量は2,900ppm であった。希土類元素化合
物としては酸化イットリウム(Y23 )、酸化ネオジ
ム(Nd32 )、酸化セリウム(Ce23 )を準備
した。いずれの酸化物も純度は99.9%以上、粒度は
200メッシュ以下であった。
EXAMPLES As tantalum powder, a powder as obtained by reducing K 2 TaF 7 with Na (hereinafter referred to as powder A) and a powder obtained by further deoxidizing the powder with Ca (hereinafter referred to as powder B) were prepared. . Powder A had an oxygen content of 4,500 ppm and powder B had an oxygen content of 2,900 ppm. As rare earth element compounds, yttrium oxide (Y 2 O 3 ), neodymium oxide (Nd 3 O 2 ), and cerium oxide (Ce 2 O 3 ) were prepared. Each oxide had a purity of 99.9% or more and a particle size of 200 mesh or less.

【0019】次に酸素含有量の少ないタンタル粉末B
に、酸化イットリウム、酸化ネオジム、酸化セリウムを
各希土類元素が純分で1wt%となるように配合して、ミ
キサーにて均一に混合した。混合粉末を金型に入れ2.
9 ton/cm2 の圧力を加えて成形し、55mmφ×1
0mmlのブリケットとした。このブリケットを10-4
Torr以下の真空中で、1,500℃×30分熱処理して
焼結ブリケットを得た。
Next, tantalum powder B having a low oxygen content
Then, yttrium oxide, neodymium oxide, and cerium oxide were blended so that each rare earth element was 1 wt% in pure content, and were uniformly mixed by a mixer. 1. Put the mixed powder in a mold.
Forming by applying pressure of 9 ton / cm 2 , 55mmφ × 1
It was a 0 mml briquette. This briquette is 10 -4
Heat treatment was performed at 1,500 ° C. for 30 minutes in a vacuum of Torr or less to obtain a sintered briquette.

【0020】各焼結ブリケットは、電子ビーム溶解によ
って2回溶解し150mmφの鋳型に鋳造しインゴット
を得た。この際電子ビームの出力が弱すぎると表面及び
内部に欠陥が生じ、強すぎるとビームがプラズマ化して
散乱し溶解できないため、300KWにコントロールさ
れた。このような条件のもとでは溶湯の温度は融点より
100℃以上高い温度で一定であり、チャンバー中の真
空度の挙動は各溶解に関して同じであった。
Each sintered briquette was melted twice by electron beam melting and cast into a 150 mmφ mold to obtain an ingot. At this time, if the output of the electron beam was too weak, defects were generated on the surface and inside. If the output was too strong, the beam was turned into plasma and scattered and could not be melted. Under these conditions, the temperature of the molten metal was constant at a temperature higher than the melting point by 100 ° C. or more, and the behavior of the degree of vacuum in the chamber was the same for each melting.

【0021】このようなプロセスで製造したインゴット
を図2で示されるフローシートによって板材及びワイヤ
ーに加工した。図2の工程を説明すると、各々のインゴ
ットは表面の欠陥を旋盤で面削除去し、1000トンプ
レスで30mm厚さのスラブにした。スラブは粗圧延し
て6mm厚さの板材とし、加工歪をとるため焼鈍した。
この焼鈍材を圧延し1mm厚さの板とした。この板材を
評価テストに供した。別に面削したインゴットを鍛造に
より50mmφのビレットとし、焼鈍後スェージングに
よって9mmφのワイヤーロッドとし、さらに焼鈍後、
ダイス線引によって1mmφのワイヤーとした。このワ
イヤーはタンタルコンデンサのリード線用として使用
し、折れ曲げテストに供した。
The ingot manufactured by such a process was processed into a plate and a wire by the flow sheet shown in FIG. Referring to the process of FIG. 2, each of the ingots was surface-removed with a lathe to remove defects on the surface, and formed into a 30 mm thick slab by a 1000 ton press. The slab was roughly rolled into a plate having a thickness of 6 mm, and was annealed to remove processing strain.
This annealed material was rolled into a 1 mm thick plate. This plate was subjected to an evaluation test. Separately chamfered ingot was forged into a 50 mmφ billet, and after annealing, swaged into a 9 mmφ wire rod.
A wire of 1 mmφ was formed by die drawing. This wire was used for a lead wire of a tantalum capacitor and subjected to a bending test.

【0022】各サンプルは板材に関しては結晶粒粗大化
比較評価を行い、ワイヤーに関してはタンタル粉末と一
緒にプレス焼結を行いタンタルコンデンサ用焼結ペレッ
トを作り、脆化の評価として1kgの鐘りでワイヤーに
荷重をかけながら水平方向に90度曲げてからもとへ戻
し(1回)、反対方向へ90度曲げもとへ戻す操作を繰
り返し、折れ曲げ回数を数えた。なお、板材は10-5To
rr台の真空中で1,600℃で焼鈍し、ワイヤーは4,
000ppm の酸素を含むタンタル粉末と共にプレスし、
1,700℃、1,800℃で各々30分間焼結し、リ
ード線付きのタンタルコンデンサ用ペレットとした。各
々のインゴット段階でのレアアース酸化物含有量及び板
材の焼鈍後の焼結粒径及びワイヤー折れ曲げテストの結
果を表2に示す。
Each sample was subjected to comparative evaluation of coarsening of the grain of the plate material, and press sintering of the wire together with the tantalum powder to produce a sintered pellet for a tantalum capacitor. While applying a load to the wire, the wire was repeatedly bent 90 degrees in the horizontal direction and then returned to the original position (once), and then returned to the original position by bending it 90 degrees in the opposite direction, and the number of times of bending was counted. The plate material is 10 -5 To
Anneal at 1600 ° C in vacuum of rr level, wire is 4,
Pressed with tantalum powder containing 000 ppm oxygen,
Sintering was performed at 1,700 ° C. and 1,800 ° C. for 30 minutes each to obtain pellets for tantalum capacitors with lead wires. Table 2 shows the rare earth oxide content, the sintered particle size after annealing of the sheet material, and the results of the wire bending test at each ingot stage.

【0023】比較例 比較のため酸素含有量の高い粉末Aを使用して、実施例
と同様にして希土類元素を添加し、ブリケットに成形し
て焼結した後、電子ビーム溶解してインゴットとし、こ
のインゴットを用いて実施例と同様の板材、ワイヤーに
加工し、実施例と同様の評価試験をした。また、粉末A
及び粉末Bを用いてブリケットの焼結を省略した以外は
実施例と同様にして板材を加工し、評価試験をした。こ
れら評価試験に供した材料の調整経歴を図4に示す。ま
た、評価結果を表2に併記する。
Comparative Example For comparison, a powder A having a high oxygen content was used, a rare earth element was added in the same manner as in the example, molded into a briquette, sintered, and then melted with an electron beam to form an ingot. Using this ingot, the same plate and wire as in the example were processed, and the same evaluation test as in the example was performed. Powder A
A plate material was processed in the same manner as in Example except that sintering of the briquette was omitted using the powder B and the powder B, and an evaluation test was performed. FIG. 4 shows the adjustment history of the materials subjected to these evaluation tests. Table 2 also shows the evaluation results.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】表2の結果からわかるように、電子ビーム
溶解の原料タンタル粉の酸素量が4500ppm の場合
(粉末A)は、プレス焼結した場合でも添加した希土類
元素はすべて0.01ppm 以下の検出限界以下であり残
存していない。又、1mm板材を1600℃で焼鈍した
後の結晶粒はすべて280μm以上であった。又、タン
タルワイヤーの折れ曲げテストも0から2回で脆くなっ
ていることがわかった。一方、酸素が2900ppm と低
い粉末(粉末B)を原料に使った場合でも、粒成長抑止
効果がはっきり表われているのは、希土類元素の酸化物
をブレンドし、真空焼結したサンプルに限られているこ
とがわかる。又、同時に比較したタンタルワイヤーだけ
を1700℃、1800℃で30分焼鈍したワイヤーに
ついて、粒径とワイヤー折れ曲げを測定したところ、粒
径については板材と同じように希土類元素を添加焼結し
た材料のみが焼結粗大化が遅れている。又、折れ曲げテ
ストはすべてのサンプルが136回以上となっている。
このことから、タンタル材料の高温脆化は結晶粒の粗大
化だけで起こるのではなく、酸素がともなってはじめて
起こることがわかった。脆化の傾向としては、タンタル
ワイヤーをコンデンサのリード線として使用する場合、
一緒にプレスするタンタル粉末の酸素が高い程、又、焼
結温度が高い程脆化しやすいことが知られている。
As can be seen from the results in Table 2, when the oxygen content of the raw material tantalum powder for electron beam melting is 4500 ppm (powder A), the added rare earth elements are all detected at 0.01 ppm or less even in the case of press sintering. It is below the limit and does not remain. Further, all the crystal grains after annealing the 1 mm plate material at 1600 ° C. were 280 μm or more. In addition, the bending test of the tantalum wire was found to be brittle from 0 to 2 times. On the other hand, even when a powder having a low oxygen content of 2900 ppm (powder B) is used as a raw material, the effect of suppressing the grain growth is clearly exhibited only in a sample obtained by blending a rare earth element oxide and vacuum sintering. You can see that it is. In addition, when the tantalum wire compared at the same time was also annealed at 1700 ° C. and 1800 ° C. for 30 minutes, the grain size and wire bending were measured. Only the sinter coarsening is delayed. In the bending test, all the samples were 136 times or more.
From this, it was found that the high-temperature embrittlement of the tantalum material does not occur only with the coarsening of the crystal grains, but occurs only with oxygen. As for the tendency of embrittlement, when using tantalum wire as a capacitor lead wire,
It is known that the higher the oxygen of the tantalum powder pressed together and the higher the sintering temperature, the easier the embrittlement.

【0026】タンタル板材の場合は単独で用いるため、
一回の焼鈍で脆化が顕著に表れることはない。通常高温
で処理され、冷却後空気でリークされ再び高温で処理す
るサイクルを何度も繰り返す内に、高温中で活性化し表
面層の酸素が内部へ拡散する。この現象を何回か繰り返
す間に、マトリックス中の酸素が増加する。又、結晶も
粗大化するため、タンタルコンデンサ用ワイヤーと同じ
ような状況になる。板材の場合は最終的には粗大化した
結晶粒界がわれて変形するようになる。板材の評価につ
いては寿命をみるためかなりの焼鈍を繰り返さなければ
いけないが、傾向としてはワイヤーでの折れ曲げテスト
から推定できる。又、1回の焼鈍でも結晶粒成長に差が
あれば数回の繰り返しでもその差が継続することがわか
っている。
In the case of a tantalum plate, since it is used alone,
Embrittlement does not appear remarkably in one annealing. Normally, treatment is performed at a high temperature, and after cooling, the cycle of leaking with air and treating again at a high temperature is repeated many times, and activated at a high temperature to diffuse oxygen in the surface layer into the inside. While repeating this phenomenon several times, the oxygen in the matrix increases. In addition, since the crystals are coarsened, the situation is similar to that of a wire for a tantalum capacitor. In the case of a plate material, the coarse grain boundaries are finally broken and deformed. For the evaluation of the sheet material, considerable annealing must be repeated to check the life, but the tendency can be estimated from a bending test with a wire. It is also known that if there is a difference in crystal grain growth even in one annealing, the difference will continue even in several repetitions.

【0027】[0027]

【発明の効果】これらの実施例からわかるように、タン
タルコンデンサ用タンタルワイヤー及び高温炉材用タン
タル板材等において、希土類元素の酸化物を電子ビーム
溶解で添加すると極微量でも、高温処理における焼結粒
粗大化抑止に効果がある。又、電子ビーム溶解の添加方
法では、原料タンタル粉の酸素は3000ppm 以下で希
土類元素酸化物との混合物をプレス成形し、焼結結合す
るのに充分な温度(1500℃以上が望ましい)で処理
すると残留しやすくなる。このようにタンタル材料の結
晶粒が高温処理でも粗大化しない技術により、結晶粒度
のコントロールも可能となる。従来加工率と焼鈍温度で
結晶粒径分布をコントロールしているが、さらに希土類
元素添加によってコントロールしやすくなる。このよう
な材料の新しい用途として成形弾用材料、高速用装甲板
貫通材料などが考えられる。
As can be seen from these examples, in a tantalum wire for a tantalum capacitor and a tantalum plate for a high-temperature furnace, etc., when an oxide of a rare earth element is added by electron beam melting, even a very small amount of sintering in a high-temperature treatment is performed. Effective for suppressing grain coarsening. In addition, in the addition method of the electron beam melting, the oxygen of the raw material tantalum powder is 3000 ppm or less, and a mixture with the rare earth element oxide is press-molded and processed at a temperature sufficient for sintering and bonding (preferably 1500 ° C. or more). It tends to remain. As described above, the technology in which the crystal grains of the tantalum material are not coarsened even by the high-temperature treatment makes it possible to control the crystal grain size. Conventionally, the crystal grain size distribution is controlled by the working ratio and the annealing temperature, but it is easier to control by adding a rare earth element. New applications of such materials include molding bullet materials, high-speed armor plate penetration materials, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】コンデンサ用タンタル粉末の製造工程を示す図
である。
FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of a tantalum powder for a capacitor.

【図2】タンタル材料の製造工程を示す図である。FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of a tantalum material.

【図3】タンタルコンデンサの製造工程を示す図であ
る。
FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the tantalum capacitor.

【図4】評価試験に供したサンプルの履歴を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a history of samples subjected to an evaluation test.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 酸素が100ppm以下で、希土類元素
を0.01〜1.0ppm含有することを特徴とするタ
ンタル展伸材料。
1. A tantalum wrought material characterized by containing 100 ppm or less of oxygen and 0.01 to 1.0 ppm of a rare earth element.
【請求項2】 希土類元素がイットリウム、ネオジウ
ム、セリウムのうちいずれか1種である請求項1記載の
タンタル展伸材料。
2. The wrought tantalum material according to claim 1, wherein the rare earth element is any one of yttrium, neodymium, and cerium.
【請求項3】 酸素含有量が3,000ppm以下のタ
ンタル粉末中に希土類元素またはその酸化物を添加して
均一な混合粉末とし、該混合粉末をプレス成形後高温真
空焼結した後、焼結ブリケットを原料として電子ビーム
溶解することを特徴とする希土類元素を含有するタンタ
ル展伸材料の製造方法。
3. A rare earth element or an oxide thereof is added to a tantalum powder having an oxygen content of 3,000 ppm or less to form a uniform mixed powder, and the mixed powder is subjected to press molding, high-temperature vacuum sintering, and sintering. A method for producing a tantalum wrought material containing a rare earth element, wherein electron beam melting is performed using a briquette as a raw material.
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