JP4667441B2 - ろう材、管球、マグネトロンおよびろう付け方法 - Google Patents

Description

本発明は高融点金属用ろう材、このろう材を用いた高融点金属接合部品、管球、とくにマグネトロン、およびろう付け方法に関する。

タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）やタンタル（Ｔａ）などの高融点金属は、装置の動作中に高温にさらされる部品に広く用いられている。電球や放電灯を含む照明管球や、マグネトロン、送信管、Ｘ線管を含む電子管などの管球、ガラス炉用電極、プラズマ電極、発熱体、発電タービンのブレードなどに用いられている。複数の高融点金属部品を相互接合する方法として機械的接合、溶接のほかにろう付けがあり、ろう付けに関しては少なくともＭｏを主体とする部品にＲｕ−Ｍｏろう材が使用されている。マグネトロンの陰極は代表例である。

マグネトロンはマイクロ波を効率よく発振することができ、電子レンジ、医療、通信等に用いられる。例えば一般的な電子レンジ用マグネトロンの発振本体は陽極円筒および陽極円筒の内側空間に位置する熱電子放出陰極フィラメントを有する陰極構体、陽極円筒の内壁から陰極フィラメントに向って放射状に配置される複数のベインなどからなり、さらに陽極円筒端面に熱電子の作用空間に磁界を供給するポールピースが配置されている。

上記した構成において、発振本体の入力部から陰極構体に電力を供給し、出力部に配置したアンテナから発振本体の高周波出力を外部に取り出す構造になっている。

陰極構体は陰極フィラメント、エンドハットおよびサポートロッドからなり、動作中に陰極フィラメントは、１７００℃から１８５０℃に加熱される。一対のエンドハットが陰極フィラメントの両端に接合され、また入力部のセラミックの陰極ステムから管内に植立するリードを兼ねる一対のサポートリードに接合されている。上記したように動作中高温に加熱されるために、陰極フィラメントに信頼性の高いトリウム含有タングステンが使用され、これを支持するエンドハットおよびサポートロッドにモリブデン（Ｍｏ）が使用されている。エンドハットとサポートロッド間は溶接により接合され、陰極フィラメントとエンドハット間はろう材で接合される。ろう材として融点１９４０℃の４３ｗｔ％Ｒｕ−Ｍｏ組成の焼結金属またはルテニウム（Ｒｕ）粉末とＭｏ粉末をペースト中に混合したペーストろう材が広く使用されている（特許文献１参照）。

図３に状態図で示すように、ろう材はＲｕ融点が２３３４℃、Ｍｏ融点が２６２３℃であって構成元素の融点は高いが、共晶反応により４３ｗｔ％Ｒｕ−Ｍｏ組成の融点は１９４０℃と低い。また、このろう材の場合、１９４０℃から２３３４℃の間で高周波加熱溶解すれば構成元素の蒸発はない。

Ｍｏ単体は高融点なので溶解が容易でなく、融解前のろう材は合金にせずに金属粉末からの焼結品または金属混合粉末にバインダーを添加したペーストである。

ろう材の融点は陰極フィラメントの動作温度を超える温度でしかも安全を見て約１９００℃以上が必要である。ろう材の溶解は高周波加熱で行うが、融点が高いほど装置が大掛かりとなりまた陰極構体に与える影響も大きいため、ろう材の融点は１９５０±５０℃であることが望ましい。４３ｗｔ％Ｒｕ−Ｍｏろう材（融点１９４０℃）を溶解する場合、高周波加熱で２０５０℃程度に加熱溶融してろう付けする。
特開平８−２９３２６５号公報

Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｒｕは希少金属であり、とりわけＲｕは入手が困難になりつつある。そこで４３ｗｔ％Ｒｕ−Ｍｏろう材に代わり、ほぼ同等の特性を有するＲｕを含まない入手容易なろう材の出現が望まれる。

本発明は、（１〜３．５）ｗｔ（重量）％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ（重量）％Ｂ−残ＭｏでなるＷやＭｏなどの高融点金属用ろう材を得るものである。

さらに本発明は、このろう材を用いた高融点金属接合部品を得るものである。

さらに、本発明の一態様によれば、ＷまたはＭｏを含む金属からなる電極を有し、この電極が（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏでろう付けされてなる管球を得るものである。

さらに、陰極フィラメントとこの陰極フィラメントの両端にろう材で接合される一対のエンドハットとこれらのエンドハットにそれぞれ接続されたサポートロッドからなる陰極構体を備えたマグネトロンにおいて、ろう材が（１〜３．５）ｗｔ（重量）％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ（重量）％Ｂ−残Ｍｏあることを特徴とするマグネトロンを得るものである。

さらに本発明は、前記ろう材を焼結部品とし、またはろう材成分を混合しバインダーでペースト状にしたものを少なくとも２個の高融点金属部品間の接合部分に適用するろう付け方法にある。

本発明は（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏろう材を得ることにより、共晶温度が２０００℃以下の高融点金属用ろう材を得ることができる。Ｒｕ金属を使用しないので、低コストのろう材を安定して使用することが可能であり、従来のＲｕ−Ｍｏろう材に対して省資源化を図ることができる。

さらに一態様のマグネトロンにおいては、望ましい融点で陰極構体の接合ができ、また融解により成分の蒸発がないので陰極フィラメントに不要な元素が付着せず陰極フィラメント活性化の浸炭処理が正常にできる。さらにサポートロッドに不要元素が付着しないから、マグネトロン動作時の熱で付着元素から放出されるガスによる真空度低下を防ぐことができる。

本発明は（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏ組成のろう材にある。

本発明の一態様によれば、マグネトロンの陰極構体の陰極フィラメントとエンドハットの接合にこのろう材を使用する。例えば組成が３ｗｔ％Ｃ−３ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏの場合、融点が２０００℃のろう材が得られる。

従来のＲｕ−Ｍｏろう材のＲｕの代替としては、Ｍｏの融点が高いため、融点を低くするための低融点金属を混ぜる必要がある。参考に、Ｒｕを低融点で一般的な金属例えばＦｅ（鉄）で置き換えた場合を説明する。図４は、Ｆｅ−Ｍｏの二元合金状態図（The Moffat Collection, Handbook of Binary Phase Daigrams、以下の二元合金状態図も同様）を示しており、３４ｗｔ％Ｆｅ−Ｍｏの組成で１９００℃に融点があることが知られる。しかしこれより融点の低いＦｅ（融点１５３８℃）は焼結品およびペーストの段階では単独（非合金）で存在しているので、高周波加熱で２０５０℃まで加熱される途中でＦｅが蒸発を起こしてしまい周囲の陰極部品に付着する。陰極フィラメントに付着すると正常な浸炭ができなくなり、また、サポートロッドに付着すると真空封着後のマグネトロン管の動作による熱でガスを発生し管の真空度を低下させる。

したがってろう材には構成元素の各融点が高周波加熱温度より高い元素を組合わせることが望ましい。これを満足するのが、元素の融解温度よりも低い温度で共晶反応がある元素の組合わせ、組成である。本発明の一態様は３ｗｔ％Ｃ−３ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏであり、３ｗｔ％Ｃ−Ｍｏ（共晶反応組成）（二元状態図を図５に示す）と３ｗｔ％Ｂ−Ｍｏ（共晶反応組成）（二元状態図を図６に示す）よりもさらに融点を低下させることができた。

ここに、
Ｃ（カーボン）融点は３５５０℃
Ｂ（ボロン）融点は２０９２℃
Ｍｏ（モリブデン）融点は２６２３℃
３ｗｔ％Ｃ−Ｍｏ（共晶反応配合）の融点は２２０５℃
３ｗｔ％Ｂ−Ｍｏ（共晶反応配合）の融点は２１７５℃
本発明の一態様の３ｗｔ％Ｃ−３ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏの融点は略２０００℃である。

Ｍｏを母相としてＣおよびＢ元素を固溶させる３ｗｔ％Ｃ−３ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏはろう付け時の高周波加熱温度を、構成３元素の中でもっとも低いＢの融点２０９２℃よりも低く、かつ共晶反応温度よりも高い状態に制御することによって、各元素が蒸発することなく融解可能になる。ＣおよびＢともに（１〜３．５ｗｔ％の幅の構成比としたのは、前記した制御できる加熱温度の範囲において共晶反応により、ろう材としての機能を発揮できるからである。

つぎに本発明が適用されるマグネトロンの構成例を図１および図２に示す。マグネトロンの発振本体は陽極円筒１１とその内側に配置された陰極構体２０を有している。陰極構体２０は管軸ｍに沿って配置されている。また、陽極円筒１１の内壁から陰極構体２０の方に半径方向に、かつ陽極円筒１１の円周方向に等間隔に、偶数個例えば１０個のベイン１２が設けられている。ベイン１２の外側端部は陽極円筒１１内壁に固定され、内側端部は遊端１６になっている。各ベイン１２の図示上辺および図示下辺は、それぞれ径の大きい一対の第１ストラップリング１３、および、第１ストラップリング１３の内側に位置し第１ストラップリング１３よりも径の小さい一対の第２ストラップリング１４によって１つおきに交互に接続されている。

陽極円筒１１の上下開口部分に第１ポールピース１８および第２ポールピース１９が配置され、陽極円筒１１の外周に、陽極円筒１１を冷却するための複数の冷却用フィン３０が配置されている。また、出力部を構成するアンテナ３１の一端が排気管３２に接続されている。アンテナ３１の他端は絶縁筒３３などの内側空間を通り、ベイン１２の１つに接続されている。また、第２ポールピース１９に金属容器３４が気密接合され、金属容器３４に入力部の一部となる陰極ステム４０が管軸ｍに沿って延長され固定されている。

第１ポールピース１８の上方および第２ポールピース１９の下方に環状の永久磁石５０、５１が配置されている。また、陽極円筒１１および冷却用フィン３０、永久磁石５０、５１を囲むように、磁路を形成する磁気ヨーク３５が配置されている。陰極ステム４０の外側部分に、フィルタ回路を構成するコイル４１およびコンデンサ４２が接続されている。

陰極ステム４０およびコイル４１はフィルタケース４３に囲まれ、コンデンサ４２は、フィルタケース４３を貫通するように取り付けられている。

そして、ベイン１２で形成される空洞共振器などの作用で高周波信号が発生する。この高周波信号は、陽極ベイン１２に連結するアンテナ３１によって外部に取り出される。

図２Ａに示すように、陰極構体２０はアルミナセラミックからなる陰極ステム４０の内側部分に植設されたセンターロッド２１およびサイドロッド２２の一対のサポートロッドと、このサポートロッドの各先端に取付けられて相互に対向するエンドハット２３、２４と、これらのエンドハット間に挟まれて支持された陰極フィラメント２５とからなっている。センターロッド２１は管軸ｍすなわち陽極円筒の中心軸にそって入力側から出力側にかけて延長され、その先端に上エンドハット２３が取付けられる。上エンドハット２３はロッド先端近傍に設けられた円筒状のボス２３ａとロッド貫通孔が設けられてロッド先端に取付けられるカップ状部２３ｂで形成される。下エンドハット２４は入力側に設けられ、センターロッド２１が非接触で貫通できるディスク状に形成され、ディスク周囲の一部がサイドロッド２２の先端に溶接などで取付けられている。下エンドハット２４はディスク状部２４ａと円環状部２４ｂでできている。陰極フィラメント２５はコイル状をなし、センターロッド２１を取り巻くようにしてベイン１２の遊端１６との間に作用空間を形成する筒状に形成され、フィラメントの一先端２５ａが上エンドハットのボス２３ａ外周に巻きつき、他の先端２５ｂが下エンドハットのディスク状部２４ａに載置される。陰極フィラメント２５はトリウムタングステン、エンドハット２３、２４およびサポートロッド２１、２２はモリブデンで形成される。

図２Ｂに示すように、陰極フィラメント２５と上下エンドハット２３、２４の接触部分に３ｗｔ％Ｃ−３ｗｔ％Ｂ−Ｍｏろう材２６、２７が適用され、高周波加熱手段によって約２０５０℃に加熱され、ろう材が共晶反応を起こして融解し、これらの接触部がろう付け、接合される。

サポートロッド２１、２２は陰極ステム４０に設けられた電極リード端子４４に接続されて、陰極フィラメントに電流および管電流を供給するリードになる。

（実施例１）
Ｃ、ＢおよびＭｏの粉末を３ｗｔ％Ｃ−３ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏの共晶反応配合になるように、配合混合し、下記条件でディスク状焼結金属部品とした。この焼結部品２７を図２Ｂに示すように下エンドハットのディスク状部に載せ陰極フィラメントと接触した状態で高周波加熱した。加熱温度をＢの融点である２０９２℃よりも低い２０５０℃に制御したところ各元素が蒸発することなく融解しろう付けすることができた。
Ｃ粉末粒度：４〜５μｍ
Ｂ粉末粒度：４〜５μｍ
Ｍｏ粉末粒度：３〜６μｍ
焼結温度：１２００℃

（実施例２）
Ｃ，ＢおよびＭｏの下記粒度の粉末を１ｗｔ％Ｃ−１ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏの共晶反応配合になるように、配合混合し、バインダーでペースト状にする。図２Ｂに示すように上エンドハットのボス２３ａ部分にディスペンサーによってペースト状ろう材２６を塗布して乾燥させる。これを高周波加熱で２０５０℃で溶解した結果、元素の蒸発なく、ろう付けすることができた。
Ｃ（１ｗｔ％）、粉末粒度：４〜５μｍ
Ｂ（１ｗｔ％）、粉末粒度：４〜５μｍ
Ｍｏ（残り）、粉末粒度：３〜６μｍ

（実施例３）
実施例２において、Ｃ，ＢおよびＭｏの混合比を下記のように変えて配合混合し、バインダーでペースト状にする。図２Ｂに示すように上エンドハットのボス２３ａ部分にディスペンサーによってペースト状ろう材２６を塗布して乾燥させる。これを高周波加熱で２０５０℃で溶解した結果、元素の蒸発なく、ろう付けすることができた。
Ｃ（２ｗｔ％）、粉末粒度：４〜５μｍ
Ｂ（２ｗｔ％）、粉末粒度：４〜５μｍ
Ｍｏ（残り）、粉末粒度：３〜６μｍ

以上実施例により説明したが、ろう付けの過程は上記説明に限られるものではなく、例えばろう材の製造において前以って各元素粉末を混合融解して共晶合金としてから、再度粉末状にしてペーストにしたり、ディスクなどのろう付け形状に適したろう材部品とすることができるものである。

（実施例１〜１３）および（比較例１〜６）
図７は高周波融解装置を用いて、Ｃ、Ｂ、Ｍｏの各組成比率を変えた実施例１〜１３および比較例１〜６の融解温度を示した表である。各元素の粒径は実施例１と同じものを使用した。高周波融解装置は１５ｋＷ型で、電磁コイルに高周波電力を供給する。コイル内側に、図２に示す陰極構体が複数本、挿入配置できる構造である。上エンドハットのボス２３ａや下エンドハット２４にペーストや焼結ディスクとしたろう材源試料を電磁コイルで加熱融解する。本実施例および比較例は、すでに融解温度がわかっている基準試料とともに同時加熱して、この基準試料の融解状態と照合し試料の融解温度を計測した。測定温度は約２０℃のステップで得られる。したがって測定算定温度はほぼ±１０℃の誤差がある。

図８は同表で得られた各組成に対する温度分布を示したもので、領域Ａが１９７７℃領域（１９６８〜１９８８℃）、領域Ｂが１９９９℃領域（１９８９〜２０１０℃）、領域Ｃが２０１０℃を超える領域である。領域Ａ（実施例１〜３，５〜１１）、領域Ｂ（実施例４，１２，１３）が２０１０℃以下の融解温度であり、ろう材として適しており、Ｒｕ−Ｍｏろう材と特性的に遜色がない。ろう材として適切な範囲は（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏであり、さらに望ましくは（１〜３．０）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．０）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏである。

本発明によれば、上記したマグネトロンの実施形態に限られず、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａなどの高融点性金属部品の接合用のろう材として広く適用することができるものであり、照明や電子管の管球、プラズマ用電極、ガラス炉用電極、フィラメントや溶融ボートなどの発熱体、発電機のタービンブレード、原子炉アーマータイルなど、本発明を逸脱しない範囲で広く適用できるものである。

本発明の一実施形態を説明するマグネトロンの略断面図 図１の陰極構体の拡大断面図 図２Ａの陰極構体の製造方法を説明する一部断面図 Ｒｕ−Ｍｏの二元合金状態図 Ｆｅ−Ｍｏの二元合金状態図 Ｃ−Ｍｏの二元合金状態図 Ｂ−Ｍｏの二元合金状態図 実施例および比較例の組成および融解温度を示す表 Ｍｏに対するＣおよびＢの組成比に対応する融解温度領域を示す図

符号の説明

１１：陽極円筒
１２：ベイン
２０：陰極構体
２１：センターロッド
２２：サイドロッド
２３：上エンドハット
２４：下エンドハット
２５：陰極フィラメント
２６、２７：ろう材
４０：陰極ステム

Claims (7)

1. （１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏでなるろう材。
2. 前記ろう材がＷまたはＭｏを含む高融点金属用である請求項１記載のろう材。
3. ＷまたはＭｏを含む金属からなる電極を有し、この電極が（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏでろう付けされてなる管球。
4. 陰極フィラメントとこの陰極フィラメントの両端にろう材で接合される一対のエンドハットとこれらのエンドハットにそれぞれ接続されたサポートロッドからなる陰極構体を備えたマグネトロンにおいて、前記ろう材が（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏであることを特徴とするマグネトロン。
5. Ｃ（カーボン）粉末、Ｂ（ボロン）粉末およびＭｏ（モリブデン）粉末を（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏの比率で焼結したろう材を少なくとも２個の接合されるべき高融点金属部品の接合部に配置し、加熱により溶融して前記高融点金属部品を接合するろう付け方法。
6. Ｃ（カーボン）粉末、Ｂ（ボロン）粉末およびＭｏ（モリブデン）粉末を（１〜３．５）ｗｔ％Ｃ−（１〜３．５）ｗｔ％Ｂ−残Ｍｏの比率で混合し、バインダーでペースト状にして少なくとも２個の接合されるべき高融点金属部品の接合部に配置し、加熱により溶融して前記高融点金属部品を接合するろう付け方法。
7. 前記高融点金属部品がマグネトロンの陰極フィラメントとエンドハットである請求項５または６記載のろう付け方法。

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