JP3882093B2

JP3882093B2 - タングステン電極材及びその熱処理法

Info

Publication number: JP3882093B2
Application number: JP29218795A
Authority: JP
Inventors: 福久松田; 誠夫牛尾; 清幸長谷川; 克芳赤羽根; 隆松野
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: JPH09111387A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、主として高圧放電灯等の電極材、特に水銀灯やキセノンランプ等の陰極材料として使用するに適したタングステン電極材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高圧放電灯用電極等の電極材としてよく知られているのは、酸化トリウムを添加したタングステン電極材、いわゆるトリエ−テッドタングステン材である。酸化トリウムは、電子放出材としては優れたものであり、広く使用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記酸化トリウムを添加したタングステン電極材は、電子放出特性に優れているものの、再結晶温度が低く、再結晶し易いため、電極形状の変化が生じ易いと云う問題点があった。また、酸化トリウムを添加したタングステン電極材は、作動温度が高く、したがって、電極が高温になり易く消耗量も大きいという問題もある。
【０００４】
さらに、原料である酸化トリウム粉末は、放射性物質であるため、原料の入手が次第に困難となりつつあり、コストが高くつくとともに、法律上、その保管や取扱に厳重な管理が必要であるという問題点もある。
【０００５】
近年、高圧放電灯等の用途が多様化し、従来のものよりも高度の性能を有する電極材が求められるようになった。すなわち、高圧放電灯において、陰極にかかる電流は極めて密度が高いため、高温になり易く、高い耐熱性が要求される。同時に、長時間連続して点灯される場合、及び点滅が反復して長時間行われる場合など、その用途、目的に応じて常に安定した放電が要求される。
【０００６】
したがって、作動時の高温高圧化において、結晶組織が常に一定に保たれ、安定した放電が維持されるために、電子放出物質が内部より安定して供給されることが必要となる。
【０００７】
本件発明者等は、タングステンに酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウムのうちの１種又は２種以上を所定の割合で添加することにより、電極材として優れた性能が得られることを見出し、これに関する発明についてすでに特許出願している（特公平３ー２２１９号、特開昭６２ー２２４４９５号及び特開昭６２ー２８６６９８号）。
【０００８】
本発明は、上記すでに出願済みの発明にかかる電極材と同等以上の性能を有する電極材を提供することを目的になされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決することを目的に種々の研究を行った結果、以下の電極材と熱処理法が優れていることを見出して本願発明を完成した。まず、第１の発明は、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウムのうちより１種以上を総量で０．２〜３．０重量％含み、残部がタングステンである材料で作られた直径０．２〜１５ｍｍの丸棒の先端部を１５〜６５度の角度で円錐状に尖らせ、その先端部を先端から０．２〜０．８ｍｍの長さでカットしてなるタングステン電極材を要旨としている。
【００１０】
次に、第２の発明は、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウムのうちより１種以上を総量で０．２〜３．０重量％含み、残部がタングステンである材料で作られた丸棒の先端部を円錐状に尖らせたもの、又はその先端部を所定の長さでカットしたものの表面部に、その直径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成してなるタングステン電極材を要旨としている。
【００１１】
上記浸炭層の組成は、実質的にＷ₂ Ｃであるのが好ましい。このＷ₂ Ｃの他に、少量のタングステン、他のタングステン炭化物、他の添加元素等が含まれていてもよいことは云うまでもない。
【００１２】
さらに、第３の発明は、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウムのうちより１種以上を総量で０．２〜３．０重量％含み、残部がタングステンである材料、又はその表面部に浸炭層を形成した材料を還元性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で１６００〜２２００℃の温度で１〜３０分加熱することを特徴とするタングステン電極材の熱処理法を要旨としている。
【００１３】
なお、上記発明によって得られるタングステン電極材は、高性能を要求される高圧放電灯用陰極材として適したものであるのみならず、他の放電灯用電極等の電極材としてもすぐれたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この電極材料は、例えば次のようにして製造される。まず、原料となる金属タングステン粉末に酸化ランタンＬａ₂ Ｏ₃ 、酸化イットリウムＹ₂ Ｏ₃ 、酸化セリウムＣｅＯ₂ からなる酸化物粉末群のうちより１種以上を添加し、均一に分散するまで混合する。酸化物粉末の添加量は、製品中の含有量が総量で０．２〜３．０重量％とするのが好ましい。金属タングステン粉末の好ましい平均粒度は、例えば２〜４ミクロンであり、酸化物粉末の好ましい平均粒度は例えば１〜３ミクロンである。
【００１５】
得られた混合粉末は、粉末冶金における定法にしたがってプレス成形し、燒結を行った後、得られた燒結体にスエ−ジング、ドロ−イング等の必要な加工を施して所望の形状・寸法の電極材とする。この電極材は、主成分であるタングステンのほかに電子放出特性に優れた仕事関数の低い電子放出材料である酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウム等の酸化物を含んでおり、耐消耗性と、ア−ク点弧性にすぐれたものである。
【００１６】
上記酸化物の含有量が０．２％よりも低い場合は性能的に期待するものが得られない。また、酸化物の含有量が３．０％よりも多くなると、現在の粉末冶金技術では、製造時におけるクラックの発生や折損事故が多発して不良率が増加するという問題がある。なお、酸化物の含有量が多くなると、融点が下がって消耗が激しくなる傾向があるので、大電流向けの用途には、酸化物の量を上記の範囲とするのが好ましい。
【００１７】
このタングステンを主成分とする電極材は、加工形状等を変えることにより、プラズマ溶解精練用電極、タンデイッシュ用プラズマ電極、プラズマ溶接用電極、ＴＩＧ溶接用電極、および各種照明用放電管の電極等として使用することができる。
【００１８】
本発明者等の実験によれば、上記のようにして製造された丸棒の先端部分を特定の形状に加工して使用すれば、優れた性能が得られることがわかった。まず、上記組成を持つ素材としては、直径０．２〜１５ｍｍの丸棒状のものが好ましい。そして、その丸棒の先端部を１５〜６５度の範囲で円錐状に尖らせておくのが好ましい。図２は好ましい先端形状を表すもので、この電極材１の円錐状の先端部２の角度αは、放電灯の種類や出力、サイズ等により丸棒（線棒）の径が異なり、アーク距離も異なるため、上記範囲内で適宜選択するのが好ましい。この角度範囲以外では、先端消耗が激しくなったり、アークのふらつきのため照度の乱高下が起こりやすい。
【００１９】
さらに、円錐状に尖らせた先端部を少しだけカットして、図２の（ａ）に示すように平坦部３を形成し、先端が余り鋭利にならないようにしておく方が長寿命と安定した電子放出性能が得られる。このカットする長さは、１ｍｍ以下、０．２〜０．８ｍｍとするのが好ましい。このカット長さが小さ過ぎると安定性に欠け、大き過ぎるとア−ク特性が低下するのでいずれも好ましくない。このカットは、必ずしも実際に切断することにより行う必要はなく、研磨、塑性加工等他の方法で行ってもよい。また、上記平坦部３の形状は平面状でなくてもよく、例えば、図２の（ｂ）に示すように凸状の曲面４として形成してもよい。
【００２０】
また、上記組成の丸棒材料の表面部に、その直径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成しておけば、内部からの電子放出がこの浸炭層によって抑制され、一挙に大量の電子放出が行われず、常時適量の電子放出が行われるため、長時間にわたり安定した性能を得ることができる。この浸炭層の組成は実質的にＷ₂ Ｃであるのが効果的である。この浸炭層の組成が例えばＷＣであると、電子放出抑制効果が大き過ぎて、性能が低下する。また、この浸炭層の厚みが上記範囲よりも薄過ぎると抑制効果が小さくなり、厚過ぎると抑制効果が大き過ぎるようになるので、いずれも好ましくない。
【００２１】
上記表面層の浸炭処理は、例えば水素ガスに気化したメタンを混合したガス雰囲気中で１８００℃で３０分程度加熱することにより行われる。炭素源としては、メタンに限らず、ベンゼン、プロパンなどでもよく、場合によっては、炭素粉末中に埋め込んで加熱してもよい。加熱温度と時間は、電極材の寸法等に応じて適当な条件とすればよい。
【００２２】
なお、結晶組織を調整して、電子放出を好ましい状態とするため、上記組成の材料を水素ガス等の還元性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で１６００〜２２００℃の温度で１〜３０分加熱する熱処理を施しておくのが好ましい。
【００２３】
【実施例】
平均粒度２．７ミクロン、純度９９．９％以上のタングステン粉末に平均粒度１〜２ミクロンの酸化物粉末を添加し、乾式で十分混合した。添加する酸化物粉末の量は、最終製品中の含有量が表１に示す量となるようにした。得られた混合粉末を原料として、粉末冶金法における定法にしたがって圧縮成形、燒結、スエージングを行い、直径３．２ｍｍの丸棒を製造した。
【００２４】
得られた丸棒の先端部を３０度の円錐状に研削加工し、その尖った先端を０．２ｍｍの長さでカットした。なお、表１には、組成等が異なる比較例を併せて記載した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
次に、上記加工後の丸棒材料を、水素気流中でメタンを気化させて混合した雰囲気中にて、１８００℃で約３０分加熱保持し、表面部に約３０ミクロンの厚さの浸炭層を形成した。この浸炭層の組成を調べたところ、主としてＷ₂ Ｃであった。浸炭後の材料は、水素雰囲気中で２０００℃で約１０分間加熱処理を行った。
【００２７】
図１は、これらの電極材を用いて１００時間、３００時間、７００時間の連続点灯を行い、その消耗量を測定した結果を示す。この点灯試験は、チャンバ内のアルゴン雰囲気中で上記先端部を加工した丸棒からなる電極材を陰極とし、純タングステン材を陽極としてアーク距離２ｍｍ、１２Ａ定電圧にて行った。
【００２８】
表２は、上記と同一の材料を用いて、かつ同一の条件下で２０分点灯、５分間休止を１サイクルとし、これを１００回及び５００回繰り返し、それぞれ１秒以内に点弧した回数を測定したものである。同表には、比較例のデータも併記されている。
【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
以上に説明した如く、本発明にかかるタングステン電極材料は、従来のトリエ−テッドタングステン電極材以上の良好な点弧性を有し、耐消耗性もきわめてすぐれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】消耗試験結果を表すグラフである。
【図２】電極材の好ましい先端形状を表す図である。
【符号の説明】
１電極材
２円錐状先端部
３平坦部（先端カット部）

Claims

酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウムのうちより１種以上を総量で０．２〜３．０重量％含み、残部がタングステンである材料で作られた直径０．２〜１５ｍｍの丸棒の先端部を１５〜６５度の角度で円錐状に尖らせ、その先端部を先端から０．２〜０．８ｍｍの長さでカットしてなるタングステン電極であって、表面部に、その丸棒部分の直径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成してなるタングステン電極。
浸炭層の組成が実質的にＷ₂Ｃである請求項１に記載のタングステン電極。
酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウムのうちより１種以上を総量で０．２〜３．０重量％含み、残部がタングステンであり、直径０．２〜１５ｍｍの丸棒の先端部を１５〜６５度の角度で円錐状に尖らせ、その先端部を先端から０．２〜０．８ｍｍの長さでカットしてなり、表面部に、その丸棒部分の直径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成した材料を、還元性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で１６００〜２２００℃の温度で１〜３０分間加熱することを特徴とするタングステン電極の熱処理法。