JP5105879B2 - 金属粉末および多孔質焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高容量の固体電解コンデンサのアノード電極原料に好適な金属粉末、金属粉末の製造方法および多孔質焼結体の製造方法に関する。また本発明は、前記金属粉末を用いて製造されたコンデンサに関する。本願は、２００４年１２月１０日に出願された日本国特許出願２００４−３５８１９９号、および２００４年１２月１３日に出願された米国仮出願６０/６３５，４７０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、電子集積回路は、より低電圧での駆動、高周波化、低ノイズ化が求められており、固体電解コンデンサについても、低ＥＳＲ化、低ＥＳＬ化の要求が高まってきている。固体電解コンデンサのアノード電極に好適に用いられる金属粉末としては、例えば、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、モリブデン等がある。これらのなかでタンタルが使用されたタンタルコンデンサは、小型で、低ＥＳＲかつ高容量であるため、携帯電話やパソコン等の部品として急速に普及してきた。しかし、タンタルコンデンサのより一層の高容量化（高ＣＶ値化）および低ＥＳＲ化は今なお求められており、コンデンサの高容量化のために、比表面積が大きく微細なタンタル粉末の開発が進められている。
近年、電子回路の駆動電圧が低下する傾向にあるため、コンデンサの定格電圧も低下傾向にある。これに伴って、誘電体酸化膜を形成する化成電圧も低下しているが、化成電圧が低下すると、形成される誘電体酸化膜の膜厚が薄くなる傾向にあるため、長期の信頼性が低くなるという問題があった。その対策としては、金属粉末に窒素をドープする方法が知られている。例えば、特開２００１−２２３１４１号公報（特許文献１）には、反応器の内部に充填された溶融塩中で、金属塩と還元剤とを反応させて金属粉末を製造するに際して、溶融塩中に窒素含有ガスを吹き込む方法が開示されている。
しかし、特許文献１に記載の方法では、固溶状態の窒素を得るために均一に窒化させるので、必要以上に窒素が金属粉末中に含有されてしまい（窒素含有量；８０００〜１００００ｐｐｍ）、その結果、金属粉末が固くなり過ぎて実用性を失うという問題があった。
そこで、特開２００３−５５７０２号公報（特許文献２）では、反応器の内部の一部に充填された溶融塩中で、金属塩と還元剤とを反応させて金属粉末を製造するに際して、反応器の内部の残部に窒素含有ガスを導入する方法が提案されている。しかし、特許文献２に記載の方法では、金属粉末中に窒素を充分に含有させることができないため、窒素ドープの効果を充分に発揮させることができなかった。
しかし、特許文献１に記載の方法では、固溶状態の窒素を得るために均一に窒化させるので、必要以上に窒素が金属粉末中に含有されてしまい（窒素含有量；８０００〜１００００ｐｐｍ）、その結果、金属粉末が固くなり過ぎて実用性を失うという問題があった。
そこで、特開２００３−５５７０２号公報（特許文献２）では、反応器の内部の一部に充填された溶融塩中で、金属塩と還元剤とを反応させて金属粉末を製造するに際して、反応器の内部の残部に窒素含有ガスを導入する方法が提案されている。しかし、特許文献２に記載の方法では、金属粉末中に窒素を充分に含有させることができないため、窒素ドープの効果を充分に発揮させることができなかった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、窒素を過剰に含有させずに表面積を大きくすることができ、金属粉末を固体電解質コンデンサに用いた際の長期の信頼性が高い上に、高容量化が可能な金属粉末および多孔質焼結体を製造する方法を提供することを目的とする。また本発明は、コンデンサのアノード電極に好適に用いうる金属粉末、およびその金属粉末を用いたコンデンサを提供することを目的とする。
本発明の金属粉末の製造方法では、反応器の内部の一部に充填された溶融塩中で、金属塩と還元剤とを反応させて金属粉末を製造するに際して、反応器の内部の残部に６００℃以上に加熱した窒素含有ガスを導入する。
本発明の金属粉末の製造方法においては、金属塩がニオブおよび／またはタンタルのフッ化カリウム塩であり、還元剤がナトリウムであることが好ましい。
本発明の多孔質焼結体の製造方法では、上述した金属粉末の製造方法で得られた金属粉末を成形し、焼結する。
本発明の金属粉末の製造方法においては、金属塩がニオブおよび／またはタンタルのフッ化カリウム塩であり、還元剤がナトリウムであることが好ましい。
本発明の多孔質焼結体の製造方法では、上述した金属粉末の製造方法で得られた金属粉末を成形し、焼結する。
本発明の金属粉末は、本発明の粉末を含む、あるいは本発明の粉末よりなるコンデンサに用いることができる。例えば、従来技術を用いたコンデンサのアノード電極の一部を、本発明の粉末で構成してもよい。本発明の金属粉末は、湿式コンデンサ、固体電解質コンデンサのいずれに用いてもよい。
本発明の金属粉末は下記の特性をもつタンタル粉末でもよい。ただし、本発明の粉末の組成範囲が下記に限定されるわけではない。
純度：
残部をタンタル（Ｔａ）として
酸素（Ｏ）含有量は、約５０００ｐｐｍから約２００００ｐｐｍ、好ましくは、約８０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍである。より好ましくは、約１００００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１２０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍの酸素含有量であってもよい。
炭素（Ｃ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約１０ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは、約２０ｐｐｍから約３０ｐｐｍの炭素含有量であってもよい。
窒素（Ｎ）含有量は、約１００ｐｐｍから２００００ｐｐｍ、好ましくは、約１０００ｐｐｍから約５０００ｐｐｍである。より好ましくは約３０００ｐｐｍから約４０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約３０００ｐｐｍから約３５００ｐｐｍの窒素含有量であってもよい。
水素（Ｈ）含有量は、約１０ｐｐｍから１０００ｐｐｍ、好ましくは、約３００ｐｐｍから約７５０ｐｐｍである。より好ましくは約４００ｐｐｍから約６００ｐｐｍの水素含有量であってもよい。
鉄（Ｆｅ）含有量は、約１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２０ｐｐｍである。
純度：
残部をタンタル（Ｔａ）として
酸素（Ｏ）含有量は、約５０００ｐｐｍから約２００００ｐｐｍ、好ましくは、約８０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍである。より好ましくは、約１００００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１２０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍの酸素含有量であってもよい。
炭素（Ｃ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約１０ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは、約２０ｐｐｍから約３０ｐｐｍの炭素含有量であってもよい。
窒素（Ｎ）含有量は、約１００ｐｐｍから２００００ｐｐｍ、好ましくは、約１０００ｐｐｍから約５０００ｐｐｍである。より好ましくは約３０００ｐｐｍから約４０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約３０００ｐｐｍから約３５００ｐｐｍの窒素含有量であってもよい。
水素（Ｈ）含有量は、約１０ｐｐｍから１０００ｐｐｍ、好ましくは、約３００ｐｐｍから約７５０ｐｐｍである。より好ましくは約４００ｐｐｍから約６００ｐｐｍの水素含有量であってもよい。
鉄（Ｆｅ）含有量は、約１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２０ｐｐｍである。
ニッケル（Ｎｉ）含有量は、約１ｐｐｍから１５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約１００ｐｐｍである。より好ましくは、約２５ｐｐｍから７５ｐｐｍのニッケル含有量であってもよい。
クロム（Ｃｒ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約５ｐｐｍから２０ｐｐｍのクロム含有量であってもよい。
ナトリウム（Ｎａ）含有量は、約０．１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約０．５ｐｐｍから約５ｐｐｍである。
カリウム（Ｋ）含有量は、約０．１ｐｐｍから約１００ｐｐｍ、好ましくは５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約３０ｐｐｍから約５０ｐｐｍのカリウム含有量であってもよい。
マグネシウム（Ｍｇ）含有量は、約１ｐｐｍから約５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２５ｐｐｍである。
燐（P）含有量は、約５ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。
フッ素（F）含有量は、約１ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約２５ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。より好ましくは約５０ｐｐｍから約３００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍのフッ素含有量であってもよい。
クロム（Ｃｒ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約５ｐｐｍから２０ｐｐｍのクロム含有量であってもよい。
ナトリウム（Ｎａ）含有量は、約０．１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約０．５ｐｐｍから約５ｐｐｍである。
カリウム（Ｋ）含有量は、約０．１ｐｐｍから約１００ｐｐｍ、好ましくは５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約３０ｐｐｍから約５０ｐｐｍのカリウム含有量であってもよい。
マグネシウム（Ｍｇ）含有量は、約１ｐｐｍから約５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２５ｐｐｍである。
燐（P）含有量は、約５ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。
フッ素（F）含有量は、約１ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約２５ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。より好ましくは約５０ｐｐｍから約３００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍのフッ素含有量であってもよい。
粉末の粒径は、フィッシャーサブシーブサイズ（ＦＳ）で測定して約１．３０μｍ以下が可能である。粒径は所定の範囲に調整されることが好ましい。たとえばＦＳによる粉末の粒径は、約０．４５μｍから約1．３０μｍでもよい。粉末の粒径は０．４５μｍ以下でもよく、たとえば０．１０μｍから約０．４０μｍ、または約０．２０μｍから約０．４０μｍでもよい。粉末のバルク密度は、１．３５ｇ/ｃｃ以下でもよい。たとえば約０．８０ｇ/ｃｃから約１．３０ｇ/ｃｃ、約１．０ｇ/ｃｃから約１．２０ｇ/ｃｃでもよい。
メッシュサイズであらわした粉末の粒径は、全体に占めるパーセント（重量％）で、以下のような粒径分布を有していてもよい。
+＃６０は、約０．０から約１％、好ましくは、約０．０から約０．５％、さらに好ましくは、０．０または約０．０％である。
＃６０/＃１７０は、約４５％から約７０％、好ましくは約５５％から約６５％、さらに好ましくは約６０％から約６５％である。
＃１７０/＃３２５は、約２０％から約５０％、好ましくは約２５％から約４０％、さらに好ましくは約３０％から約３５％である。
＃３２５/＃４００は、約１．０％から約１０％、好ましくは約２．５％から約７．５％、さらに好ましくは約４％から約６％である。
―＃４００は、約０．１％から約２．０％、好ましくは約０．５％から約１．５％である。
+＃６０は、約０．０から約１％、好ましくは、約０．０から約０．５％、さらに好ましくは、０．０または約０．０％である。
＃６０/＃１７０は、約４５％から約７０％、好ましくは約５５％から約６５％、さらに好ましくは約６０％から約６５％である。
＃１７０/＃３２５は、約２０％から約５０％、好ましくは約２５％から約４０％、さらに好ましくは約３０％から約３５％である。
＃３２５/＃４００は、約１．０％から約１０％、好ましくは約２．５％から約７．５％、さらに好ましくは約４％から約６％である。
―＃４００は、約０．１％から約２．０％、好ましくは約０．５％から約１．５％である。
上記粉末をアノード電極に加工する場合、密度４．５ｇ/ｃｃに圧縮し、１１５０℃で１０分間焼結し、化成温度６０℃、化成電位１０Ｖ（ボルト）で化成してもよい。その場合、アノード電極の電気容量は、ＣＶ値にして１８５０００μＦＶ/ｇから２５００００μＦＶ/ｇ、たとえば１９００００μＦＶ/ｇから２３００００Ｖ/ｇ、または２０００００μＦＶ/ｇから２３００００μＦＶ/ｇとなる。また漏れ電流は、１０ｎＡ/μＦＶ以下より小さくでき、範囲としては、約２．５から約７ｎＡ/μＦＶ、または約３．０から約６ｎＡ/μＦＶでよい。
アノード電極の加工条件として、焼結温度１２００℃または１２５０℃で１０分間の焼結、及び/または化成電位１６Ｖでの化成（例えば陽極酸化処理）をおこなってもよい。これらの条件でも、上記数値または範囲の電気容量及び/または漏れ電流を得ることができる。上記の範囲内の電気容量、漏れ電流であれば、本発明の目的に使用することが可能である。
以下、明細書の記述では、上記と同様にＣＶ値を比静電容量と定格電圧の積としてあらわし、その数値を用いて電気容量を論ずる。
アノード電極の加工条件として、焼結温度１２００℃または１２５０℃で１０分間の焼結、及び/または化成電位１６Ｖでの化成（例えば陽極酸化処理）をおこなってもよい。これらの条件でも、上記数値または範囲の電気容量及び/または漏れ電流を得ることができる。上記の範囲内の電気容量、漏れ電流であれば、本発明の目的に使用することが可能である。
以下、明細書の記述では、上記と同様にＣＶ値を比静電容量と定格電圧の積としてあらわし、その数値を用いて電気容量を論ずる。
本発明のタンタル粉末の空孔は、焼結後の状態で、単項型の孔径分布、または二項分布などの多項型の孔径分布をもつことができる。空孔は、孔径にして約０．１μｍから０．２μｍの範囲内、たとえば０．１μｍから０．１８μｍの範囲内に中心ピークがあってもよい。また、空孔の体積をＶ、孔径をｄであらわして、孔径のピークは、約０．３から約０．５ｄＶ／ｄ（ｌｏｇｄ）、たとえば０．４ｄＶ／ｄ（ｌｏｇｄ）の高さをもってもよい。
本発明のタンタル粉末は、ＢＥＴ法で測定した比表面積が約１．５ｍ２/ｇから約１０ｍ２/ｇでもよい。より好ましい比表面積は、約４ｍ２/ｇから約９ｍ２/ｇであり、例えば約４．５ｍ２/ｇから約８ｍ２/ｇでもよい。
本発明の金属粉末の製造方法および多孔質焼結体の製造方法によれば、窒素を過剰に含有させずに金属粉末の表面積を大きくすることができる。そのため、得られる金属粉末または多孔質焼結体は、固体電解質コンデンサに用いた際の長期の信頼性が高い上に、高容量化、具体的にはＣＶ値として２０万μＦＶ／ｇ以上が可能になる。
１１ 反応器、１１ａ 反応器の内部の残部
（金属粉末の製造方法）
本発明の金属粉末の製造方法における一実施形態について説明する。
図１に、本実施形態の金属粉末の製造方法で使用する製造装置を示す。この製造装置１０は、反応器１１と、反応器１１内に窒素含有ガスを導入するためのガス導入管１２と、反応器１１から窒素含有ガスを排出するためのガス排出管１３とを、反応器１１内に金属塩を投入するための金属塩投入口１４と、反応器１１内に還元剤を投入するための還元剤投入口１５と、反応器１１内を攪拌する攪拌翼１６とを備えたものである。
この製造装置１０における反応器１１は、ニッケルとインコネルのクラッド材質からなることが好ましい。
この製造装置１０におけるガス導入管１２は、その噴出口１２ａが反応器１１内に充填される溶融塩表面より上方に位置するように設けられており、反応器１１内に導入した窒素含有ガスが、溶融塩と金属塩と還元剤とを含む反応融液の表面に接触するようになっている。
本発明の金属粉末の製造方法における一実施形態について説明する。
図１に、本実施形態の金属粉末の製造方法で使用する製造装置を示す。この製造装置１０は、反応器１１と、反応器１１内に窒素含有ガスを導入するためのガス導入管１２と、反応器１１から窒素含有ガスを排出するためのガス排出管１３とを、反応器１１内に金属塩を投入するための金属塩投入口１４と、反応器１１内に還元剤を投入するための還元剤投入口１５と、反応器１１内を攪拌する攪拌翼１６とを備えたものである。
この製造装置１０における反応器１１は、ニッケルとインコネルのクラッド材質からなることが好ましい。
この製造装置１０におけるガス導入管１２は、その噴出口１２ａが反応器１１内に充填される溶融塩表面より上方に位置するように設けられており、反応器１１内に導入した窒素含有ガスが、溶融塩と金属塩と還元剤とを含む反応融液の表面に接触するようになっている。
上記製造装置１０を用いた金属粉末の製造方法では、まず、反応器１１の内部の一部に希釈塩を充填し、次いで、反応器１１の内部における希釈塩が充填されていない空間部分（反応器の内部の残部）１１ａに、ガス導入管１２から加熱した窒素含有ガスを導入する。導入した窒素含有ガスをガス排出管１３から反応器１１外に排出して、窒素含有ガスを反応器１１内に流通させる。このようにして、反応器１１内を加熱した窒素含有ガス雰囲気に保つと同時に、希釈塩を８００〜９００℃に加熱して溶融する。その後、溶融した希釈塩（以下、溶融塩という。）中に、金属塩を金属塩投入口１４から投入し、次いで、先に投入した金属塩の還元に必要な量だけ、還元剤を還元剤投入口１５から投入する。
これにより、反応器１１中で下記式（１）に表される還元反応を行う。この際、攪拌翼１６を作動させて反応融液を緩やかに攪拌する。
Ｋ２ＴａＦ７＋５Ｎａ→２ＫＦ＋５ＮａＦ＋Ｔａ・・・（１）
これにより、反応器１１中で下記式（１）に表される還元反応を行う。この際、攪拌翼１６を作動させて反応融液を緩やかに攪拌する。
Ｋ２ＴａＦ７＋５Ｎａ→２ＫＦ＋５ＮａＦ＋Ｔａ・・・（１）
次いで、先に投入した金属塩と還元剤との反応がほぼ終了した時点で、窒素含有ガスの流通を続けながら、さらに金属塩と還元剤とを順次投入する。この操作を繰り返して、原料の金属塩と還元剤とを分割して少量ずつ反応させて金属粉末を生成する。
生成した金属粉末は、その比重が溶融塩よりも大きいために反応融液内を沈降する。その沈降によって、希釈塩からの金属粉末の回収が容易になるため、攪拌翼１６の回転速度は、金属の沈降を妨げない程度に設定することが好ましい。
生成した金属粉末は、その比重が溶融塩よりも大きいために反応融液内を沈降する。その沈降によって、希釈塩からの金属粉末の回収が容易になるため、攪拌翼１６の回転速度は、金属の沈降を妨げない程度に設定することが好ましい。
上記還元反応終了後、反応融液を冷却し、得られた集塊を水、弱酸性水溶液等で繰り返し洗浄して、希釈塩を除去することにより金属粉末を回収する。その際、必要に応じて、遠心分離、濾過等の分離操作を組み合わせてもよいし、フッ酸と過酸化水素が溶解している溶液等で金属粉末を洗浄し、精製してもよい。
この製造方法では、希釈塩として、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、フッ化カリウム（ＫＦ）やこれらの共晶塩などを使用することができる。
窒素含有ガスとしては、分子状窒素（Ｎ２）を含有するガスや、アンモニア、尿素、Ｎ３等のガスが挙げられる。
反応器１１の内部の残部の雰囲気は、金属粉末中に窒素をより容易に含有させることができることから、窒素ガス濃度が５０体積％以上であることが好ましい。窒素ガス濃度を５０体積％にするためには、窒素含有ガスの中でも窒素濃度約１００％の純窒素ガスが好ましい。また、純窒素ガスをアルゴンガスなどで窒素濃度５０％以上の範囲内で希釈したガスを用いても構わない。純窒素ガスまたはこれを上記の範囲で希釈したガスを用いれば、反応器１１内の窒素含有ガス雰囲気中の窒素ガス濃度を５０体積％以上に維持しやすく、金属粉末中に窒素をより容易に含有させることができる。
窒素含有ガスの温度は６００℃以上であり、８００℃以上が好ましい。窒素含有ガスの加熱方法としては、例えば、ガス導入管１２をヒータまたは高温熱交換または高周波加熱等により加熱する方法などが挙げられる。また、ガス導入管１２を溶融塩内にくぐらせて加熱することもできる。
反応器１１の内部の残部の雰囲気は、金属粉末中に窒素をより容易に含有させることができることから、窒素ガス濃度が５０体積％以上であることが好ましい。窒素ガス濃度を５０体積％にするためには、窒素含有ガスの中でも窒素濃度約１００％の純窒素ガスが好ましい。また、純窒素ガスをアルゴンガスなどで窒素濃度５０％以上の範囲内で希釈したガスを用いても構わない。純窒素ガスまたはこれを上記の範囲で希釈したガスを用いれば、反応器１１内の窒素含有ガス雰囲気中の窒素ガス濃度を５０体積％以上に維持しやすく、金属粉末中に窒素をより容易に含有させることができる。
窒素含有ガスの温度は６００℃以上であり、８００℃以上が好ましい。窒素含有ガスの加熱方法としては、例えば、ガス導入管１２をヒータまたは高温熱交換または高周波加熱等により加熱する方法などが挙げられる。また、ガス導入管１２を溶融塩内にくぐらせて加熱することもできる。
金属塩としては、コンデンサ用途として特に好適なニオブ、タンタル、ニオブ−タンタル合金のいずれかからなる金属粉末を製造する場合には、ニオブおよび／またはタンタルのフッ化カリウム塩が好ましい。これらのフッ化カリウム塩を使用すると、アノード電極として使用する多孔質焼結体の製造に適した連鎖状粒子を容易に製造できる。具体的な、フッ化カリウム塩としては、Ｋ２ＴａＦ７、Ｋ２ＮｂＦ７、Ｋ２ＮｂＦ６等が挙げられる。フッ化カリウム塩以外の金属塩としては、五塩化ニオブ、低級塩化ニオブ、五塩化タンタル、低級塩化タンタル等の塩化物や、ヨウ化物、臭化物などのハロゲン化物が挙げられる。
還元剤としては、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ金属やアルカリ土類金属、これらの水素化物、すなわち水素化マグネシウム、水素化カルシウムが挙げられる。金属塩としてフッ化カリウム塩を使用した場合には、これらの中でもナトリウムが好ましい。金属塩としてフッ化カリウム塩を使用した場合に還元剤としてナトリウムを使用すると、フッ化カリウム塩中のフッ素とナトリウムとが反応して、ナトリウムのフッ化物が生成する。このナトリウムのフッ化物は水溶性であるため、後の工程で容易に除去できるという利点を有する。
また、この金属粉末の製造方法においては、希釈塩の量を、金属塩と還元剤との合計質量に対して、１５〜２５倍程度の質量にすると共に、金属塩と還元剤との添加回数を希釈率に比例させて４０〜６０回に設定することが好ましい。
さらに、上記金属粉末の製造方法では、溶融塩中に酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）やフッ化ホウ素カリウム（ＫＢＦ４）などのホウ素化合物を添加してもよい。ホウ素化合物を添加することによって、還元金属粉末の過度な微細化を抑制することができる。ここでのホウ素の添加量は、金属粉末に対して５〜１００ｐｐｍが好ましい。５ｐｐｍ未満では、微細化抑制効果が不充分であり、一方１００ｐｐｍを超えると、焼結時にホウ素酸化物の気相を介しての移動が増加し、コンデンサとした時にリード線上に析出する場合があり好ましくない。
この製造方法により得られた金属粉末中には窒素が含まれる。金属粉末中の窒素の形態としては、窒素が金属に固溶している状態であることが好ましい。金属に窒素が固溶すると、金属結晶の格子定数が変化するため、金属への窒素の固溶は、Ｘ線回折ピークの位置のシフトによって確認することができる。例えば、タンタルに３０００ｐｐｍの窒素が固溶すると、金属タンタルの（１１０）面の面間隔ｄ＝０．２３３７５ｎｍ（＝２．３３７５Å）が、ｄ＝０．２３４００ｎｍ（＝２．３４００Å）へと、約０．１％増加する。これに対し、金属粉末中の窒素の形態が、窒素と金属とからなる結晶性窒化物である場合には、コンデンサの容量や誘電体酸化膜の信頼性が低下する場合がある。
金属粉末中の窒素量Ｗは、市販の酸素／窒素分析計（堀場製作所ＥＭＧＡ５２０）を使用して、ヘリウムガス中、試料をインパルス融解加熱し、発生ガスをＴＣＤ（熱伝導度法）で定量する方法などで求めることができる。
金属粉末中の窒素量Ｗは、市販の酸素／窒素分析計（堀場製作所ＥＭＧＡ５２０）を使用して、ヘリウムガス中、試料をインパルス融解加熱し、発生ガスをＴＣＤ（熱伝導度法）で定量する方法などで求めることができる。
以上説明した金属粉末の製造方法では、反応器の内部の残部に６００℃以上に加熱した窒素含有ガスを導入し、反応融液に加熱した窒素含有ガスを反応融液の表面にて接触させることで、金属塩に窒素を容易に含有させることができる。その結果、金属塩の還元反応の際には、分子レベルの金属塩表面に付着した窒素により粒子の互着粗大化を抑制することができるので、比表面積を大きくすることができる。
なお、窒素含有ガスをプラズマ状態とし、その状態のガスを反応器の内部の残部に導入した場合にも上記と同様の効果を発揮するものと推定される。
なお、窒素含有ガスをプラズマ状態とし、その状態のガスを反応器の内部の残部に導入した場合にも上記と同様の効果を発揮するものと推定される。
反応融液中に窒素含有ガス導入管を浸漬して窒素含有ガスを吹き込む従来法では、金属塩と窒素との接触量が多いため、金属粉末中の窒素含有量が過剰になるのに対し、本実施形態の製造方法では、反応融液に対して窒素含有ガスは反応融液の表面１７（図１参照）のみで接触するため、金属塩と窒素との接触量を少なくできる。しかも、還元され、すでに窒素が添加された金属粉末は反応融液中を沈降して表面１７から離れていくため、金属と窒素とは再度接触しにくくなっている。したがって、還元された直後の金属にのみ窒素を導入することができ、窒素の含有量が過剰になることを防ぐことができる。
図２に、金属粉末中の窒素含有量とＣＶ値との関係を示す。この図に示されるように、窒素含有量とＣＶ値とは相関関係を有し、窒素含有量が多いほどＣＶ値が大きくなっている。ＣＶ値は比表面積に正に相関するから、この図は、窒素含有量が多くなるほど比表面積が大きくなることを示唆している。そして、窒素含有ガスを溶融塩中に吹き込む従来の方法では、ＣＶ値（横軸）が大きくなるにしたがって、金属粉末が含有する窒素量も大きく増加する。これに対し、本実施形態の製造方法では、ＣＶ値（横軸）が大きくなるにしたがって、粉末が含有する窒素量も若干は増加するものの、その程度は従来の方法に比べ小さくなっている。したがって、吹き込む方法では、金属粉末に含まれる窒素量が過剰になりやすいのに対し、本実施形態の方法によれば、その金属粉末には必要最小量の窒素のみを含有させることができる。すなわち、本実施形態の製造方法では、窒素を過剰に含有させることなく、金属粉末の比表面積を大きくすることができる。
以上のことから、本実施形態の製造方法によれば、必要最小量の窒素を含みつつ、金属粉末の比表面積Ｓを容易に５．０ｍ２／ｇ以上にすることができる。比表面積Ｓが５．０ｍ２／ｇの金属粉末を用いれば、より高容量のコンデンサ、具体的には化成電圧１０ＶでＣＶ値が２０万μＦＶ／ｇ以上のコンデンサを容易に得ることができる。
本実施形態の製造方法のように、金属塩と還元剤とを分割して添加した場合には、一括して添加する方法に比べて、反応熱による急激な発熱を抑えることができ、微細でかつ均一な粒度分布の金属粉末を得ることができる。
上述した実施形態では、金属塩と還元剤とを溶融塩に分割添加したが、本発明は、その実施形態に限定されず、例えば、金属塩と還元剤とをそれぞれ所定の添加速度で連続的に添加してもよい。このように連続的に添加した場合にも、急激な温度上昇を押さえることができ、微細で均一な粒度分布の金属粉末を得ることができる。
（多孔質焼結体の製造方法）
次に、本発明の多孔質焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態の多孔質焼結体の製造方法では、まず、上述のようにして得た金属粉末に、例えば、熱凝集処理、脱酸素処理、徐酸化安定化処理等の前処理を施す。
ここで、熱凝集処理は、金属粉末を真空中で加熱して凝集させて、金属粉末中に存在する極微細な粒子を比較的粒径の大きな２次粒子にする処理である。２次粒子を成形、焼結して得られた多孔質焼結体は、極微細な１次粒子から得られた多孔質焼結体よりも大きな空孔を有する。よって、アノード電極として使用する場合には、電解質溶液が多孔質焼結体の内部まで浸透するため、より高容量にすることができる。
また、真空中で加熱することによって、金属粉末中に含まれる希釈塩由来のナトリウム、マグネシウム等の不純物を除去することができる。
熱凝集の条件としては、高周波加熱により、温度８００〜１２００℃で０．５〜１時間加熱することが好ましい。高周波加熱の具体例としては、２０ｍｍφの反応器の周囲に、冷却式誘電コイルを１０ｍｍ離して５ｍｍの間隔にて巻き付け、反応器内を真空に保ちながら、加熱ゾーンを１００ｍｍとして５ＭＨｚの高周波を誘電コイルに印加する方法が挙げられる。
次に、本発明の多孔質焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態の多孔質焼結体の製造方法では、まず、上述のようにして得た金属粉末に、例えば、熱凝集処理、脱酸素処理、徐酸化安定化処理等の前処理を施す。
ここで、熱凝集処理は、金属粉末を真空中で加熱して凝集させて、金属粉末中に存在する極微細な粒子を比較的粒径の大きな２次粒子にする処理である。２次粒子を成形、焼結して得られた多孔質焼結体は、極微細な１次粒子から得られた多孔質焼結体よりも大きな空孔を有する。よって、アノード電極として使用する場合には、電解質溶液が多孔質焼結体の内部まで浸透するため、より高容量にすることができる。
また、真空中で加熱することによって、金属粉末中に含まれる希釈塩由来のナトリウム、マグネシウム等の不純物を除去することができる。
熱凝集の条件としては、高周波加熱により、温度８００〜１２００℃で０．５〜１時間加熱することが好ましい。高周波加熱の具体例としては、２０ｍｍφの反応器の周囲に、冷却式誘電コイルを１０ｍｍ離して５ｍｍの間隔にて巻き付け、反応器内を真空に保ちながら、加熱ゾーンを１００ｍｍとして５ＭＨｚの高周波を誘電コイルに印加する方法が挙げられる。
脱酸素処理は、熱凝集で得られたケーキ状の粉体を大気中または不活性ガス中で解砕し、その後マグネシウム等の還元剤を加え、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で、還元剤の融点以上沸点以下の温度で１〜３時間加熱して、金属粉末中の酸素と還元剤を反応させる処理である。
徐酸化安定化処理は、脱酸素処理後、冷却中にアルゴンガスに空気を導入する処理である。徐酸化安定化処理の後には、粉末中に残留しているマグネシウム、酸化マグネシウム等の還元剤由来の物質を酸洗浄して除去することが好ましい。
徐酸化安定化処理は、脱酸素処理後、冷却中にアルゴンガスに空気を導入する処理である。徐酸化安定化処理の後には、粉末中に残留しているマグネシウム、酸化マグネシウム等の還元剤由来の物質を酸洗浄して除去することが好ましい。
次いで、上記のように前処理が施された金属粉末に、バインダーとして３〜５質量％程度のショウノウ（Ｃ１０Ｈ１６Ｏ）等を混合した後、その混合物をプレス成形して成形体を作製する。次いで、その成形体を焼結温度１０００〜１２００℃で０．３〜１時間程度加熱し、焼結することで多孔質焼結体を製造することができる。なお、この多孔質焼結体をアノード電極として使用する場合には、金属粉末をプレス成形する前に金属粉末中にリード線を埋め込み、これを焼結して、リード線を一体化しておくことが好ましい。
このようにして得られた多孔質焼結体は比表面積が大きいものであるため、ＥＩＡＪＲＣ−２３６１に準拠して、６０℃、１０Ｖで化成し、固体電解コンデンサの陽極電極として固体電解コンデンサを作製した場合には、比静電容量で示したＣＶ値が２０万〜３５万μＦＶ／ｇの高容量とすることも可能である。なお、ＥＩＡＪ ＲＣ−２３６１は、日本電子機械工業会規格において電解コンデンサ用タンタル焼結素子の試験方法として定められているものである。
また、得られた多孔質焼結体は、密度が成形体の密度の１０３〜１１５％となることが好ましい。多孔質焼結体の密度が成形体の密度の１０３％未満では、強度が不充分であり、実用的ではない。一方、１１５％を超えると、焼結による体積収縮が大きすぎて、焼結体の寸法を制御しにくい。多孔質焼結体の密度を成形体の密度の１０３〜１１５％とすることによって、固体電解コンデンサに適したものになる。
また、多孔質焼結体は、圧縮強度が成形体の圧縮強度の３〜２０倍となることが好ましい。多孔質焼結体の圧縮強度が成形体の圧縮強度の３倍未満では、強度が不充分であり、実用的ではなく、固体電解コンデンサとした場合に異常が起こる場合がある。一方、２０倍を超えると、強度が高すぎるとともに固すぎて、空孔も少なくなるため、酸化マンガンの含浸が不充分となり、陰極体の製造が困難となる場合がある。
また、多孔質焼結体は、圧縮強度が成形体の圧縮強度の３〜２０倍となることが好ましい。多孔質焼結体の圧縮強度が成形体の圧縮強度の３倍未満では、強度が不充分であり、実用的ではなく、固体電解コンデンサとした場合に異常が起こる場合がある。一方、２０倍を超えると、強度が高すぎるとともに固すぎて、空孔も少なくなるため、酸化マンガンの含浸が不充分となり、陰極体の製造が困難となる場合がある。
なお、本発明の多孔質焼結体は上述した実施形態に限定されず、例えば、前処理を省略してもよい。しかし、高品質の多孔質焼結体を得るためには上記前処理を施すことが好ましい。
上述した製造方法により得られた多孔質焼結体を用いて固体電解コンデンサを製造することができる。固体電解コンデンサの製造方法では、まず、上記多孔質焼結体を、例えば、温度３０〜６０℃、濃度０．１質量％程度のリン酸、硝酸等の電解溶液中、４０〜８０ｍＡ／ｇの電流密度で１０Ｖまで昇圧し、１〜３時間処理して化成酸化する。この化成酸化した多孔質焼結体を固体電解コンデンサ用のアノード電極として使用する。すなわち、このアノード電極上に、公知の方法で二酸化マンガン、酸化鉛や導電性高分子等の固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を順次形成し、さらにその上に陰極端子をハンダ付けなどで接続した後、樹脂外被を形成することにより固体電解コンデンサを得ることができる。
次に、本発明の一実施形態としての金属粉末について説明する。本発明の実施形態としての金属粉末は、下記の組成を有していてもよい。ただし、本発明の粉末の組成範囲が下記に限定されるわけではない。
純度：
残部をタンタル（Ｔａ）として
酸素（Ｏ）含有量は、約５０００ｐｐｍから約２００００ｐｐｍ、好ましくは、約８０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍである。より好ましくは約１００００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１２０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍの酸素含有量であってもよい。
炭素（Ｃ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約１０ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約２０ｐｐｍから約３０ｐｐｍの酸素含有量であってもよい。
窒素（Ｎ）含有量は、約１００ｐｐｍから２００００ｐｐｍ、好ましくは、約１０００ｐｐｍから約５０００ｐｐｍである。より好ましくは約３０００ｐｐｍから約４０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約３０００ｐｐｍから約３５００ｐｐｍの窒素含有量であってもよい。
水素（Ｈ）含有量は、約１０ｐｐｍから１０００ｐｐｍ、好ましくは、約３００ｐｐｍから約７５０ｐｐｍである。より好ましくは約４００ｐｐｍから約６００ｐｐｍの水素含有量であってもよい。
鉄（Ｆｅ）含有量は、約１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２０ｐｐｍである。
純度：
残部をタンタル（Ｔａ）として
酸素（Ｏ）含有量は、約５０００ｐｐｍから約２００００ｐｐｍ、好ましくは、約８０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍである。より好ましくは約１００００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１２０００ｐｐｍから約１５０００ｐｐｍの酸素含有量であってもよい。
炭素（Ｃ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約１０ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約２０ｐｐｍから約３０ｐｐｍの酸素含有量であってもよい。
窒素（Ｎ）含有量は、約１００ｐｐｍから２００００ｐｐｍ、好ましくは、約１０００ｐｐｍから約５０００ｐｐｍである。より好ましくは約３０００ｐｐｍから約４０００ｐｐｍ、さらに好ましくは約３０００ｐｐｍから約３５００ｐｐｍの窒素含有量であってもよい。
水素（Ｈ）含有量は、約１０ｐｐｍから１０００ｐｐｍ、好ましくは、約３００ｐｐｍから約７５０ｐｐｍである。より好ましくは約４００ｐｐｍから約６００ｐｐｍの水素含有量であってもよい。
鉄（Ｆｅ）含有量は、約１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２０ｐｐｍである。
ニッケル（Ｎｉ）含有量は、約１ｐｐｍから１５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約１００ｐｐｍである。より好ましくは約２５ｐｐｍから７５ｐｐｍのニッケル含有量であってもよい。
クロム（Ｃｒ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約５ｐｐｍから２０ｐｐｍのクロム含有量であってもよい。
ナトリウム（Ｎａ）含有量は、約０．１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約０．５ｐｐｍから約５ｐｐｍである。
カリウム（Ｋ）含有量は、約０．１ｐｐｍから約１００ｐｐｍ、好ましくは５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約３０ｐｐｍから約５０ｐｐｍのカリウム含有量であってもよい。
マグネシウム（Ｍｇ）含有量は、約１ｐｐｍから約５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２５ｐｐｍである。
燐（Ｐ）含有量は、約５ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。
フッ素（Ｆ）含有量は、約１ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約２５ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。より好ましくは約５０ｐｐｍから約３００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍのフッ素含有量であってもよい。
上記の不純物組成は、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ質量分析）等の微量分析法によって求めることができる。上記の好ましい組成範囲にある粉末を用いれば、高い容量のコンデンサを得ることができる。好ましい範囲は、コンデンサの機能と粉末製造時の経済効率により規定される。
クロム（Ｃｒ）含有量は、約１ｐｐｍから１００ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約５ｐｐｍから２０ｐｐｍのクロム含有量であってもよい。
ナトリウム（Ｎａ）含有量は、約０．１ｐｐｍから５０ｐｐｍ、好ましくは、約０．５ｐｐｍから約５ｐｐｍである。
カリウム（Ｋ）含有量は、約０．１ｐｐｍから約１００ｐｐｍ、好ましくは５ｐｐｍから約５０ｐｐｍである。より好ましくは約３０ｐｐｍから約５０ｐｐｍのカリウム含有量であってもよい。
マグネシウム（Ｍｇ）含有量は、約１ｐｐｍから約５０ｐｐｍ、好ましくは、約５ｐｐｍから約２５ｐｐｍである。
燐（Ｐ）含有量は、約５ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。
フッ素（Ｆ）含有量は、約１ｐｐｍから約５００ｐｐｍ、好ましくは、約２５ｐｐｍから約３００ｐｐｍである。より好ましくは約５０ｐｐｍから約３００ｐｐｍ、さらに好ましくは約１００ｐｐｍから約３００ｐｐｍのフッ素含有量であってもよい。
上記の不純物組成は、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ質量分析）等の微量分析法によって求めることができる。上記の好ましい組成範囲にある粉末を用いれば、高い容量のコンデンサを得ることができる。好ましい範囲は、コンデンサの機能と粉末製造時の経済効率により規定される。
上記の粉末の粒径は、フィッシャーサブシーブサイズ（FS)による測定で約１．３０μｍ以下が可能である。粒径は粉末の製造工程で任意に調整が可能であるが、好ましい粒径分布を得るためには、所定の範囲に調整されることが好ましい。たとえば、ＦＳによる粉末の粒径は０．４５μｍから１．３０μｍでもよい。また０．４５μｍ以下でもよく、たとえば約０．１０μｍから０．４０μｍ、または約０．２０μｍから約０．４０μｍでもよい。粉末のバルク密度は、１．３５ｇ/ｃｃ以下でもよい。たとえば約０．８０ｇ/ｃｃから約１．３０ｇ/ｃｃ、または約１．０ｇ/ｃｃから約１．２０ｇ/ｃｃでもよい。
メッシュサイズであらわした粉末の粒径は、全体に占めるパーセント（重量％）で、以下のような粒径分布を有していてもよい。
+＃６０は、約０．０から約１％、好ましくは、約０．０から約０．５％、さらに好ましくは、０．０または約０．０％である。
＃６０/＃１７０は、約４５％から約７０％、好ましくは約５５％から約６５％、さらに好ましくは約６０％から約６５％である。
＃１７０/＃３２５は、約２０％から約５０％、好ましくは約２５％から約４０％、さらに好ましくは約３０％から約３５％。
＃３２５/＃４００は、約１．０％から約１０％、好ましくは約２．５％から約７．５％、さらに好ましくは約４％から約６％。
―＃４００は、約０．１％から約２．０％、好ましくは約０．５％から約１．５％である。
ここで、+＃６０は、＃６０（６０メッシュ）のふるい上に残留する粉末、＃６０/＃１７０は＃６０より細粒で、＃１７０のふるい上には残留する粉末（１７０/３２５、３２５/４００も同様）、−＃４００は＃４００より細粒な粉末をあらわす。
+＃６０は、約０．０から約１％、好ましくは、約０．０から約０．５％、さらに好ましくは、０．０または約０．０％である。
＃６０/＃１７０は、約４５％から約７０％、好ましくは約５５％から約６５％、さらに好ましくは約６０％から約６５％である。
＃１７０/＃３２５は、約２０％から約５０％、好ましくは約２５％から約４０％、さらに好ましくは約３０％から約３５％。
＃３２５/＃４００は、約１．０％から約１０％、好ましくは約２．５％から約７．５％、さらに好ましくは約４％から約６％。
―＃４００は、約０．１％から約２．０％、好ましくは約０．５％から約１．５％である。
ここで、+＃６０は、＃６０（６０メッシュ）のふるい上に残留する粉末、＃６０/＃１７０は＃６０より細粒で、＃１７０のふるい上には残留する粉末（１７０/３２５、３２５/４００も同様）、−＃４００は＃４００より細粒な粉末をあらわす。
上記の組成、および粒径分布をもつタンタル粉末は、本発明の金属粉末の製造方法を用いて製造することができる。ただし、上記タンタル粉末は、上記の製造方法によって限定されるものではなく、上記の特性をもつタンタル粉末であれば、他の製造方法を用いて製造されたものであってもよい。
上記粉末をアノード電極に加工する場合、成型温度６０℃、圧縮時の密度４．５ｇ/ｃｃ、１１５０℃で１０分間焼結し、化成電位１０Ｖ（ボルト）で化成（例えば陽極酸化）してもよい。その場合、アノード電極の電気容量は、ＣＶ値にして１８５０００μＦＶ/ｇから２５００００μＦＶ/ｇ、たとえば１９００００μＦＶ/ｇから２３００００μＦＶ/ｇ、または２０００００μＦＶ/ｇから２３００００μＦＶ/ｇとなる。また漏れ電流は、１０ｎＡ/μＦＶ以下より小さくでき、範囲としては、約２．５から約７ｎＡ/μＦＶ、または約３．０から約６ｎＡ/μＦＶが可能である。
アノード電極の加工条件として、焼結温度１２００℃または１２５０℃で１０分間の焼結及び/または化成電位１６Ｖでの化成をおこなってもよい。これらの条件でも、上記数値または範囲の電気容量及び/または漏れ電流を得ることができる。上記の範囲内の電気容量、漏れ電流であれば、本発明の目的に使用することが可能である。
アノード電極の加工条件として、焼結温度１２００℃または１２５０℃で１０分間の焼結及び/または化成電位１６Ｖでの化成をおこなってもよい。これらの条件でも、上記数値または範囲の電気容量及び/または漏れ電流を得ることができる。上記の範囲内の電気容量、漏れ電流であれば、本発明の目的に使用することが可能である。
本発明のタンタル粉末の空孔は、焼結後の状態で、単項型の孔径分布、または二項分布などの多項型の孔径分布をもつことができる。空孔は、孔径にして約０．１μｍから０．２μｍの範囲内、たとえば０．１μｍから０．１８μｍの範囲内に中心ピークがあってもよい。また、空孔の体積をＶ、孔径をｄであらわして、孔径のピークは、約０．３から約０．５ｄＶ／ｄ（ｌｏｇｄ）、たとえば０．４ｄＶ／ｄ（ｌｏｇｄ）の高さをもってもよい。
本発明のタンタル粉末は、ＢＥＴ法で測定した比表面積が約１．５ｍ２/ｇから約１０ｍ２/ｇでもよい。より好ましい比表面積は、約４ｍ２/ｇから約９ｍ２/ｇであり、例えば約４．５ｍ２/ｇから約８ｍ２/ｇでもよい。
本発明のタンタル粉末は、ＢＥＴ法で測定した比表面積が約１．５ｍ２/ｇから約１０ｍ２/ｇでもよい。より好ましい比表面積は、約４ｍ２/ｇから約９ｍ２/ｇであり、例えば約４．５ｍ２/ｇから約８ｍ２/ｇでもよい。
［実施例１］（金属粉末の製造）
図１に示す製造装置１０を用い、以下のような手順でタンタル粉末を製造した。
まず、５０Ｌの反応器１１に、希釈塩であるフッ化カリウムと塩化カリウムを各１５ｋｇ仕込んだ。次いで、９００℃に加熱した窒素ガス（純度９９．９９９％）を、３Ｌ／分の流量でガス導入管１２から反応器１１内の希釈塩上方（反応器の内部の残部）に導入し、ガス排出管１３から排出させて、反応器１１内を窒素雰囲気に保った。それと同時に、希釈塩を８５０℃に加熱して溶融塩とした。次いで、金属塩投入口１４から反応器１１内に、１回あたりフッ化タンタルカリウム３７．５ｇを添加し、１分後、溶解したナトリウムを還元剤投入口１５から１０．８ｇ添加し、３分間反応させた。この操作を４０回繰り返して還元反応を行った。この操作の間、反応器１１内を窒素雰囲気に維持するとともに、攪拌翼１６で攪拌した（攪拌翼回転数；１５０ｒｐｍ）。還元反応終了後、冷却し、得られた集塊を砕き、弱酸性水溶液で洗浄し、タンタル粉末を得た。さらに、フッ酸と過酸化水素を含む洗浄液で精製処理した。
図１に示す製造装置１０を用い、以下のような手順でタンタル粉末を製造した。
まず、５０Ｌの反応器１１に、希釈塩であるフッ化カリウムと塩化カリウムを各１５ｋｇ仕込んだ。次いで、９００℃に加熱した窒素ガス（純度９９．９９９％）を、３Ｌ／分の流量でガス導入管１２から反応器１１内の希釈塩上方（反応器の内部の残部）に導入し、ガス排出管１３から排出させて、反応器１１内を窒素雰囲気に保った。それと同時に、希釈塩を８５０℃に加熱して溶融塩とした。次いで、金属塩投入口１４から反応器１１内に、１回あたりフッ化タンタルカリウム３７．５ｇを添加し、１分後、溶解したナトリウムを還元剤投入口１５から１０．８ｇ添加し、３分間反応させた。この操作を４０回繰り返して還元反応を行った。この操作の間、反応器１１内を窒素雰囲気に維持するとともに、攪拌翼１６で攪拌した（攪拌翼回転数；１５０ｒｐｍ）。還元反応終了後、冷却し、得られた集塊を砕き、弱酸性水溶液で洗浄し、タンタル粉末を得た。さらに、フッ酸と過酸化水素を含む洗浄液で精製処理した。
次に、得られたタンタル粉末（乾燥品）１００ｇに、タンタルに対して約１００ｐｐｍのリン酸を添加した後、振動を与えながら全体が均一に濡れるまで水を添加して団塊とし、予備凝集を行った。この際、団塊になる水量はおおよそ２５ｍｌであった。次いで、この団塊を乾燥後、真空加熱炉１１５０℃で１時間加熱し、熱凝集させた。そして、熱凝集させた団塊を、まず、セラミック製のロールクラッシャーで粗砕し、さらに、アルゴン雰囲気中ピンミルで粒径２５０μｍ以下に粉砕した。粉砕物１００ｇに３ｇのマグネシウムチップを混合し、アルゴン雰囲気の加熱炉中、８００℃で２時間保持し、タンタル中の酸素とマグネシウムを反応させ、脱酸素を行った。そして、その後の冷却過程でアルゴンガス中に空気を導入しタンタル粉末の徐酸化安定処理を行い、加熱炉から取り出した。取り出した粉末を硝酸水で洗浄し、マグネシウムと酸化マグネシウムを洗浄し、除去した。
（多孔質焼結体の製造）
次いで、このタンタル粉末０．１５ｍｇに、バインダーとしてショウノウ２質量％を添加、混合し、プレス成形して直径３ｍｍ、密度４．５ｇ／ｃｍ３の成形体を作製した。そして、この成形体を真空焼結炉で１１５０℃、２０分の条件で加熱して多孔質焼結体を製造した。
（化成酸化条件）
得られた多孔質焼結体を１０質量％リン酸水溶液中で、化成電圧１０Ｖ、温度６０℃、保持時間１２０分で化成酸化（陽極酸化）して、誘電体酸化膜を形成した。
（ウェット法電気特性測定）
誘電体酸化膜が形成された多孔質焼結体について、３０．５体積％硫酸水溶液にて、バイアス電圧１．５Ｖ、周波数１２０Ｈｚで電気容量（ＣＶ値であらわす）を測定した。結果を表１に示す。
（ＢＥＴ表面積の測定）
タンタル粉末に窒素ガスを吸着させ、ＢＥＴ式を利用して単分子層吸着量を求め、さらに単分子層吸着量からＢＥＴ表面積を求めた。
（元素定量方法）
ＪＩＳ Ｈ １６９９：１９９９に準拠して、タンタル粉末中の窒素、酸素、ナトリウム、カリウムの量を測定した。
次いで、このタンタル粉末０．１５ｍｇに、バインダーとしてショウノウ２質量％を添加、混合し、プレス成形して直径３ｍｍ、密度４．５ｇ／ｃｍ３の成形体を作製した。そして、この成形体を真空焼結炉で１１５０℃、２０分の条件で加熱して多孔質焼結体を製造した。
（化成酸化条件）
得られた多孔質焼結体を１０質量％リン酸水溶液中で、化成電圧１０Ｖ、温度６０℃、保持時間１２０分で化成酸化（陽極酸化）して、誘電体酸化膜を形成した。
（ウェット法電気特性測定）
誘電体酸化膜が形成された多孔質焼結体について、３０．５体積％硫酸水溶液にて、バイアス電圧１．５Ｖ、周波数１２０Ｈｚで電気容量（ＣＶ値であらわす）を測定した。結果を表１に示す。
（ＢＥＴ表面積の測定）
タンタル粉末に窒素ガスを吸着させ、ＢＥＴ式を利用して単分子層吸着量を求め、さらに単分子層吸着量からＢＥＴ表面積を求めた。
（元素定量方法）
ＪＩＳ Ｈ １６９９：１９９９に準拠して、タンタル粉末中の窒素、酸素、ナトリウム、カリウムの量を測定した。
［実施例２］
窒素ガスを６００℃に加熱したこと以外は実施例１と同様にしてタンタル粉末を得た。
そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
窒素ガスを６００℃に加熱したこと以外は実施例１と同様にしてタンタル粉末を得た。
そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
［実施例３］
タンタル粉末の団塊を乾燥後、真空加熱炉で加熱し熱凝集させた代わりに、高周波で１０００℃５分間加熱し凝集させたこと以外は実施例１と同様にしてタンタル粉末を得た。
そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
タンタル粉末の団塊を乾燥後、真空加熱炉で加熱し熱凝集させた代わりに、高周波で１０００℃５分間加熱し凝集させたこと以外は実施例１と同様にしてタンタル粉末を得た。
そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
［実施例４］
実施例１の還元反応にて、１回あたりフッ化タンタルカリウムを８５ｇ添加し、その１分後、溶解したナトリウムを２５ｇ添加し、５分間反応させ、この操作を３０回繰り返したこと以外は実施例２と同様にしてタンタル粉末を得た。そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
実施例１の還元反応にて、１回あたりフッ化タンタルカリウムを８５ｇ添加し、その１分後、溶解したナトリウムを２５ｇ添加し、５分間反応させ、この操作を３０回繰り返したこと以外は実施例２と同様にしてタンタル粉末を得た。そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
［比較例１］
窒素ガスを加熱しなかったこと以外は実施例４と同様にしてタンタル粉末を得た。そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
窒素ガスを加熱しなかったこと以外は実施例４と同様にしてタンタル粉末を得た。そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
［比較例２］
窒素ガスを加熱しなかったこと以外は実施例１と同様にしてタンタル粉末を得た。そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
窒素ガスを加熱しなかったこと以外は実施例１と同様にしてタンタル粉末を得た。そして、実施例１と同様にして多孔質焼結体の製造、化成酸化をした後、ウェット法による電気特性測定を行った。結果を表１に示す。
反応器の内部の残部に６００℃以上に加熱した窒素ガスを導入しながら金属塩を還元した実施例１〜４では、表面積が大きく、得られた多孔質焼結体のＣＶ値が高く、いずれもＣＶ値が２０万μＦＶ／ｇ以上のものであった。
これに対し、窒素ガスを加熱しなかった比較例１，２では、金属粉末中に窒素を充分に含有させることができず、表面積を大きくすることができなかったため、実施例１〜４で得られた多孔質焼結体よりＣＶ値が低かった。
これに対し、窒素ガスを加熱しなかった比較例１，２では、金属粉末中に窒素を充分に含有させることができず、表面積を大きくすることができなかったため、実施例１〜４で得られた多孔質焼結体よりＣＶ値が低かった。
［実施例５、６］
次に、本発明の金属粉末の実施例として製造した二種類のタンタル粉末について、その特性を対比する。
（金属粉末の調整）
本発明の金属粉末の実施例として、実施例１と同様の製造法を用い、二種類のタンタル粉末、実施例５、実施例６を調整した。その微量元素分析の結果を表２に示す。実施例５は、タンタル粉末の純度が上記の好ましい範囲にあるが、実施例６も本願の範囲にある。
フィッシャーサブシーブサイズ（FS）を用いて求めた、実施例５、６の粉末の粒径、およびバルク密度を表２に示す。また、メッシュサイズであらわされる粉末の粒径の分布を表２に示す。微量元素分析は、ＩＣＰ質量分析によって行った。フィッシャーサブシーブサイズの測定はＡＳＴＭＢ３３０−０２により、バルク密度の測定はＪＩＳＺ２５０４により行った。
次に、本発明の金属粉末の実施例として製造した二種類のタンタル粉末について、その特性を対比する。
（金属粉末の調整）
本発明の金属粉末の実施例として、実施例１と同様の製造法を用い、二種類のタンタル粉末、実施例５、実施例６を調整した。その微量元素分析の結果を表２に示す。実施例５は、タンタル粉末の純度が上記の好ましい範囲にあるが、実施例６も本願の範囲にある。
フィッシャーサブシーブサイズ（FS）を用いて求めた、実施例５、６の粉末の粒径、およびバルク密度を表２に示す。また、メッシュサイズであらわされる粉末の粒径の分布を表２に示す。微量元素分析は、ＩＣＰ質量分析によって行った。フィッシャーサブシーブサイズの測定はＡＳＴＭＢ３３０−０２により、バルク密度の測定はＪＩＳＺ２５０４により行った。
（多孔質焼結体の製造）
次いで、このタンタル粉末を用い、直径３ｍｍ、密度４．５ｇ／ｃｍ３の成形体をそれぞれ作製した。そして、この成形体を実施例５については真空焼結炉で１１５０℃、１０分の条件、および１２００℃、１０分の条件、実施例６についてはで真空加熱炉で１２００℃、１０分の条件加熱して多孔質焼結体を製造した。
（化成酸化条件）
得られた多孔質焼結体を０．１体積％リン酸水溶液中で、化成電圧１０Ｖ、温度６０℃、保持時間１２０分、電流密度９０ｍA/ｇで化成酸化（陽極酸化）して、誘電体酸化膜を形成した。
（ウェット法電気特性測定）
誘電体酸化膜が形成された多孔質焼結体について、実施例１と同じ条件で電気容量（ＣＶ値であらわす）を測定した。また、温度２５℃、１０体積％のリン酸水溶液中で、電圧７V、３分間の条件で漏れ電流（ＬＣ値）の測定を行った。これらの結果を表２に示す。
また、実施例５、６の粉末を焼結温度１２００℃で焼結したものについて、上記の化成条件で、化成電位を８Ｖ、１５Ｖで化成したものについてもＣＶ値の測定を行い、その結果を図３Ｂにプロットした。
（粉末の圧縮率の測定）
また、損失角の正接tanδ、焼結体の密度Ｄｓ、焼結体とプレス成型体の密度比Ｄｓ/ＧＤについても表２に示す。
次いで、このタンタル粉末を用い、直径３ｍｍ、密度４．５ｇ／ｃｍ３の成形体をそれぞれ作製した。そして、この成形体を実施例５については真空焼結炉で１１５０℃、１０分の条件、および１２００℃、１０分の条件、実施例６についてはで真空加熱炉で１２００℃、１０分の条件加熱して多孔質焼結体を製造した。
（化成酸化条件）
得られた多孔質焼結体を０．１体積％リン酸水溶液中で、化成電圧１０Ｖ、温度６０℃、保持時間１２０分、電流密度９０ｍA/ｇで化成酸化（陽極酸化）して、誘電体酸化膜を形成した。
（ウェット法電気特性測定）
誘電体酸化膜が形成された多孔質焼結体について、実施例１と同じ条件で電気容量（ＣＶ値であらわす）を測定した。また、温度２５℃、１０体積％のリン酸水溶液中で、電圧７V、３分間の条件で漏れ電流（ＬＣ値）の測定を行った。これらの結果を表２に示す。
また、実施例５、６の粉末を焼結温度１２００℃で焼結したものについて、上記の化成条件で、化成電位を８Ｖ、１５Ｖで化成したものについてもＣＶ値の測定を行い、その結果を図３Ｂにプロットした。
（粉末の圧縮率の測定）
また、損失角の正接tanδ、焼結体の密度Ｄｓ、焼結体とプレス成型体の密度比Ｄｓ/ＧＤについても表２に示す。
図３Ａは横軸に１１５０℃と１２００℃で焼結した焼結体の密度を、縦軸にＣＶ値をとって表２の結果をプロットしたものである。
図３Ｂは実施例５と実施例６の粉末について、化成電位、８Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖで化成した場合のＣＶ値を示している。図より、好ましい組成範囲をもつ実施例５が、化成電位１０Ｖ近辺で高い電気容量を示すことがわかる。
図３Ｂは実施例５と実施例６の粉末について、化成電位、８Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖで化成した場合のＣＶ値を示している。図より、好ましい組成範囲をもつ実施例５が、化成電位１０Ｖ近辺で高い電気容量を示すことがわかる。
図４は、実施例５、６の粉末の組織を示す走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）である。図５は、実施例５、６の粉末を圧縮密度４．５で圧縮し、１２００℃で焼結した焼結体のＳＥＭ像である。
図６Ａ、図６Ｂは、実施例５と６について、焼結後の粉末の空孔の孔径分布を示した図であり、図６Ａは積算分布を、図６Ｂは頻度分布で示した図である。
図６Ａ、図６Ｂは、実施例５と６について、焼結後の粉末の空孔の孔径分布を示した図であり、図６Ａは積算分布を、図６Ｂは頻度分布で示した図である。
上記、記載した数値に関し、本発明の目的のためには、この上記の記述や図に示した数値範囲は、２０％内、または１０％内、または５％内であればよい。
本発明の金属粉末の製造法によれば、窒素濃度が低く、かつ細粒で比表面積の大きいタンタル、ニオブ等の金属粉末を製造することができる。本発明の金属粉末を焼結して、多孔質焼結体を製造し、これをコンデンサのアノード電極に利用することにより、長期の信頼性が高い上に、高容量の固体電解質コンデンサを製造することができる。
Claims (3)
- 金属粉末の製造方法であって、
反応器の内部の一部に充填された溶融塩中で、金属塩と還元剤とを反応させて金属粉末を製造するに際して、
反応器の内部の残部に６００℃以上に加熱した窒素含有ガスを導入する金属粉末の製造方法。 - 金属塩がニオブのフッ化カリウム塩およびタンタルのフッ化カリウム塩の少なくとも一方であり、還元剤がナトリウムである請求項１に記載の金属粉末の製造方法。
- 多孔質焼結体の製造方法であって、請求項１または２に記載の金属粉末の製造方法で得られた金属粉末を成形し、焼結する多孔質焼結体の製造方法。
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| JP2006546787A JP5105879B2 (ja) | 2004-12-10 | 2005-12-12 | 金属粉末および多孔質焼結体の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JPH08239207A (ja) * | 1994-01-26 | 1996-09-17 | Hc Starck Inc | 窒化タンタル粉末 |
| JP2000226602A (ja) * | 1999-02-03 | 2000-08-15 | Showa Kyabotto Super Metal Kk | 高容量コンデンサー用タンタル粉末 |
| JP2002030301A (ja) * | 2000-07-12 | 2002-01-31 | Showa Kyabotto Super Metal Kk | 窒素含有金属粉末およびその製造方法ならびにそれを用いた多孔質焼結体および固体電解コンデンサ |
-
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- 2005-12-12 JP JP2006546787A patent/JP5105879B2/ja active Active
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|---|---|---|---|---|
| JPH08239207A (ja) * | 1994-01-26 | 1996-09-17 | Hc Starck Inc | 窒化タンタル粉末 |
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