JP6576449B2 - タンタルコンデンサの熱処理のための装入装置 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｔａ又はＴａ含有量が９０質量％を超えるＴａ合金からなる少なくとも１つの領域を有する装入装置及びその製造方法に関する。
タンタル（Ｔａ）は、例えば、化学装置の分野及び高温炉に用いられる。更に、Ｔａは、Ｔａ電解コンデンサにおいて用いられる。Ｔａ電解コンデンサは、Ｔａからなる電極本体を有し、陽極酸化により五酸化タンタルの誘電体層で均一に覆われている。電極本体を製造するために、Ｔａ粉末が結合剤と混合され、次いで、Ｔａ線の周りに圧縮されて球形の又は立方形のブロックを形成する。このブロックが高温で焼結される。焼結の結果、粉末粒子は、相互に電気的に接続される。焼結は、典型的には、例えばＴａからなる容器又はプレートのような装入装置の中で、１，３００〜２，０００℃の範囲の温度で実施される。もし容器の壁の高さが低いときは、それはカップ（例えば、装入カップ又は焼結カップ）と称される。装入装置は、交差汚染を避けるために、Ｔａで作られる。交差汚染とは、特に、装入装置の構成要素が加熱されるべき材料中に（例えばＴａコンデンサ中に）拡散することである。
Ｔａコンデンサの焼結は、例えば特許文献１又は２に記載されている。Ｔａ製の装入装置の不利な点は、特に長時間使用した場合又は高繰返し応力を掛けた場合に、高温強度乃至耐クリープ性が低く、寸法安定性が不十分なことである。高温寸法安定性は、（例えばイットリウム（Ｙ）又はシリコン（Ｓｉ）で）ミクロ合金化したＴａを使用した場合にも、改善されない。従来法（例えば、溶融又は高温焼結）で製造された高度合金化Ｔａ合金（例えば１０質量％Ｗ含有Ｔａ）は、Ｔａ中に溶解した合金化元素に因るＴａコンデンサの汚染を引き起こすので、使用することができない。
従って、本発明の目的は、強度が高く、特に高温強度及び耐クリープ性が高く、また、Ｔａコンデンサを汚染しない装入装置を提供することにある。
本発明の更なる目的は、上述の特性を有する装入装置を製造する方法を提供することにある。
上述の目的は、独立請求項により達成される。有利な態様は、従属請求項に示されている。
装入装置は、Ｔａ又はＴａ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＴａ合金からなる少なくとも１つの領域Ａと、Ｍｏ、Ｍｏ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ合金、Ｗ、Ｗ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＷ合金、又はＭｏとＷとの合計含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ−Ｗ合金からなる少なくとも１つの領域Ｂとを、含有してなる。
装入装置は、有利には、少なくとも１つの領域Ａと少なくとも１つの領域Ｂとからなる。
装入装置は、有利には、少なくとも１つの領域Ａと少なくとも１つの領域Ｂとからなる。
本発明の装入装置により、相反する高寸法安定性特性と交差汚染の防止とを１つの部品において同時に達成することが可能になる。
領域Ｂは、上述のように、Ｍｏ、Ｍｏ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ合金、Ｗ、Ｗ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＷ合金、又はＭｏとＷとの合計含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ−Ｗ合金からなる。これらの材料は、純粋なＴａ又はＴａ合金より、遥かに高い高温強度及び耐クリープ性を有しており、その結果、装入装置は、高い使用温度においても優れた寸法安定性を示す。有利なＭｏ合金は、例えば、Ｍｏ−０．１〜２質量％の希土類酸化物である。特に有利な希土類酸化物はＬａ２Ｏ３である。熱処理により又は使用中に、これらの合金は、粗大な整列積層結晶ミクロ構造を形成し、これにより、取り分け１，３００℃を超える温度における優れた耐クリープ性が確保される。他の有利なＭｏ合金は、ＴＺＭ及びＭＨＣである。ＴＺＭは、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及び炭素（Ｃ）との合金である。典型的なＴｉ量は、約０．３〜０．７質量％であり、典型的なＺｒ量は、０．０５〜０．１質量％であり、典型的なＣ量は、０．１５〜０．０４質量％である。ＭＨＣは、ハフニウム（Ｈｆ）及びＣとの合金化であり、典型的なＨｆの量は１〜１．４質量％で、典型的なＣの量は０．０５〜０．１５質量％である。有利なタングステン合金の例は、典型的には０．００４〜０．０１質量％のカリウム（Ｋ）を含有するＡＳＫタングステン、典型的には１〜２質量％のＬａ２Ｏ３を含有するＷ−Ｌａ２Ｏ３、及び、典型的には１〜２質量％のＣｅ２Ｏ３を含有するＷ−Ｃｅ２Ｏ３である。Ｍｏ−Ｗ合金も、また、有利に使用することができ、Ｍｏ含有量及びＷ含有量は、５〜９５質量％の範囲で、有利に選定することができる。
領域Ａは、純粋なＴａ又は９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＴａ含有量を有するＴａ合金よりなる。本発明において、純粋なＴａとは、技術的な意味で純粋なＴａをいい、典型的なＴａ含有量は、約９９．５〜９９．９９５質量％である。
Ｔａ合金は、有利には、酸化物、炭化物、窒化物、Ｗ、Ｍｏ及びニオブ（Ｎｂ）からなる群から選ばれる１以上の成分を０．００１〜１０質量％含有していてもよい。Ｗ、Ｍｏ及びＮｂは、溶解した形態ではなく分離した粒子として存在するのが有利であり、これにより外部への拡散が減少する。
Ｔａ合金は、有利には、酸化物、炭化物、窒化物、Ｗ、Ｍｏ及びニオブ（Ｎｂ）からなる群から選ばれる１以上の成分を０．００１〜１０質量％含有していてもよい。Ｗ、Ｍｏ及びＮｂは、溶解した形態ではなく分離した粒子として存在するのが有利であり、これにより外部への拡散が減少する。
領域Ａと領域Ｂとは、形態的に（Ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）及び／又は物質的に（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）に結合するのが有利である。形態的結合は、結合の構成成分が力の行使なしでは又は加えている力の解除では分離できないことによって特徴づけられる。物質的結合も、また、原子間力及び／又は分子間力によって、部材がともに保持されているので、解放することができない。
領域Ａは、領域Ｂに層の形態で適用されるのが特に有利である。このようにして製造された複合材料は、通常、層複合体と称される。領域Ａは、形態的結合（例えば、機械的噛み合い効果）により及び／又は物質的に（例えば、相互拡散により）、領域Ｂに結合される。更に非常に有利な態様では、層複合体は、形態的に及び／又は物質的に相互に結合した３つの層を有する。外側の層は領域Ａからなり、中央の層は領域Ｂからなる。
領域Ａは、熱溶射プロセスに依り、簡単な方法で適用できる。熱溶射プロセスには、溶融浴溶射、電弧溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射、高速フレーム溶射、爆発溶射、レーザー溶射、ＰＴＷＡ溶射及びコールドガススプレー（略してＣＧＳ）が含まれる。ＣＧＳは、特に有利なものとして選ばれる。というのは、この場合、スプレーされる材料が溶融されず、非常に純粋であり、それにより、低酸素層を生成することができるからである。熱溶射に関する教科書に詳細に述べられているとおり、当業者は、堆積された層のミクロ構造から、その層が熱溶射プロセスによって製造されたものか否かを疑問の余地なく、結論付けることができる。当業者は、また、ＣＧＳ層を、他の熱溶射プロセスによって製造された層から、区別することもできる。というのは、ＣＧＳの場合、被覆材料は溶融されず、プロセスに関連する酸化が起こらないからである。層を構成する粒子は、少なくとも幾つかの領域において冷間変形されており、比較的（他の熱溶射プロセスに比較して）高い硬度を示す。
ＣＧＳにおいて、粉末粒子は、非常に高い運動量且つ低い熱エネルギで支持体材料に適用される。高圧下のプロセスガス、例えば窒素（Ｎ２）、空気、ヘリウム（Ｈｅ）又はこれらの混合物、が、先細末広ノズル（超音波ノズルとも称される。）により、減圧される。典型的なノズル形状は、ラバルノズル（ドラバルノズルとも称される。）である。使用されるプロセスガスにより、Ｎ２の場合は９００ｍ／秒から、Ｈｅの場合は２，５００ｍ／秒のガス速度が達成される。被覆材料（純Ｔａ又は９０質量％を超えるＴａ含有量のＴａ合金）は、例えば、スプレーガンの部分を形成する先細末広ノズルの最も狭い断面部分の上流でガス流に注入され、典型的には３００〜１，２００ｍ／秒の速度に加速されて領域Ｂ（例えば、金属シートで形成された賦形部品）に堆積される。先細末広ノズルの上流でガスを加熱することにより、ガスの流速及び、従って、粒子の速度を増加させることができる。ＣＧＳにより、Ｔａ又はＴａ含有量が９０質量％を超えるＴａ合金をスプレーして稠密で強固に付着した層を得ることができる。個々のＴａ又はＴａ合金粒子から複数の層を層状に作りあげることができる。
このようにして製造された複合材料は、異なる機能特性を有する領域を有する。領域Ｂにより、高い高温強度と耐クリープ性とをＴａよりも低い材料コストで、確保することができる。Ｔａ又はＴａ合金からなる被覆（領域Ａ）は、熱処理され又は焼結される材料、例えばＴａコンデンサ、と使用中に接触する場合に、有利に適用することができる。これにより、Ｔａコンデンサが装入装置の元素に因り汚染されることを確実に防止することができる。
本発明の装入装置は、高使用温度及び高繰り返し回数でも寸法的に安定である。領域Ｂから領域Ａへの又は領域Ａから領域Ｂへの元素の領域間拡散は、驚くべきことに、所与の使用温度／時間において、非常に低いものにすぎず、従って、装入装置の安定性を損なう（カーケンドール孔として知られている）拡散孔が、高温での長時間使用中にも実質的に形成されない。
更に、ＣＧＳによるＴａの塗被効率は、非常に高いので、その結果、実質上、被覆中の材料の損失がない。Ｔａ又はＴａ合金からなる被覆は、５０〜４００μｍ、好適には１００〜３００μｍ、特に好適には１２０〜２００μｍ、の層厚を有するのが有利である。Ｔａ層の厚さは、ＣＧＳにより精密に信頼性よく設定することができる。従って、より厚いＴａ層を有し、より高い応力に曝すことが可能な装入装置の領域を提供することができる。
より好ましい態様において、装入装置は、容器又はプレートとして設計される。容器は、好ましくは、領域Ａをその内部の少なくとも一部に有する。容器の内側のみが熱処理されるべき材料（例えば、コンデンサ）と接触するので、熱処理されるべき材料の汚染を確実に避けることができる。容器の外側は、有利には、領域Ｂで作られる。というのは、この領域は、熱処理される材料と接触しないからである。領域Ｂは、高い寸法安定性を保証する。更に好ましい態様では、容器は、外側及び内側の少なくとも幾つかの領域に領域Ａを有する。領域Ｂは、少なくとも幾つかの領域において領域Ａの間に配列されている。この態様により、熱処理されるべき材料が容器の外側と接触したとしても、信頼性よく汚染を防止することができる。領域Ｂの中央層は、また、容器の高寸法安定性を保証する。
容器は、カップとして設計するのが特に好ましい。本発明において、カップは、円筒形側面の高さが低い容器である。より好ましくは、容器又はカップは、中央領域に装入支持装置として機能するスリーブを有している。
本発明の装入装置は、特に有利に、高温炉で使用することができる。本発明において、高温炉とは、１，０００℃を超える温度で運転される炉をいう。
本発明の目的は、また、装入装置を製造するプロセスに依り達成される。
本発明のプロセスは、少なくとも下記の工程を有する。
−Ｍｏ、Ｍｏ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ合金、Ｗ、Ｗ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＷ合金、又はＭｏ＋Ｗの合計含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ−Ｗ合金からなる少なくとも１つの領域Ｂを含有してなる主要部分を準備する工程、及び
−Ｔａ、又はＴａ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＴａ合金からなる層（領域Ａ）を、前記主要部分が少なくとも部分的にこの層を備えるように、熱溶射により領域Ｂに塗被する工程。
−Ｍｏ、Ｍｏ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ合金、Ｗ、Ｗ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＷ合金、又はＭｏ＋Ｗの合計含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＭｏ−Ｗ合金からなる少なくとも１つの領域Ｂを含有してなる主要部分を準備する工程、及び
−Ｔａ、又はＴａ含有量が９０質量％、好ましくは９５質量％、を超えるＴａ合金からなる層（領域Ａ）を、前記主要部分が少なくとも部分的にこの層を備えるように、熱溶射により領域Ｂに塗被する工程。
本発明のプロセスは、下記の特性の少なくとも１つを有する装入装置を製造するのに好ましく用いられる。
−領域Ａ及び領域Ｂは、形態的に及び／又は物質的に結合される。
−領域Ａ及び領域Ｂは、層複合体を形成する。
−前記層複合体は、領域Ａ／領域Ｂ／領域Ａの層配列を有する。
−装入装置は、容器又はプレートである。
−装入装置の内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。
−装入装置の外側は少なくとも部分的に領域Ｂで構成され、内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。
−装入装置の外側は少なくとも部分的に領域Ｂで構成され、内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。
−装入装置の外側及び内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。領域Ｂの層は、領域Ａの層の間に配列される。
−容器は、カップとして設計される。
−領域Ｂは、Ｍｏ、Ｍｏ−０．１〜２質量％のＬａ２Ｏ３、ＴＺＭ又はＭＨＣで構成される。
−領域Ａは、純Ｔａからなる。
−領域Ａは、溶射された層として存在し、領域Ｂは、変形された金属シート又はプレートとして存在する。
−領域Ａ及び領域Ｂは、形態的に及び／又は物質的に結合される。
−領域Ａ及び領域Ｂは、層複合体を形成する。
−前記層複合体は、領域Ａ／領域Ｂ／領域Ａの層配列を有する。
−装入装置は、容器又はプレートである。
−装入装置の内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。
−装入装置の外側は少なくとも部分的に領域Ｂで構成され、内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。
−装入装置の外側は少なくとも部分的に領域Ｂで構成され、内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。
−装入装置の外側及び内側は少なくとも部分的に領域Ａで構成される。領域Ｂの層は、領域Ａの層の間に配列される。
−容器は、カップとして設計される。
−領域Ｂは、Ｍｏ、Ｍｏ−０．１〜２質量％のＬａ２Ｏ３、ＴＺＭ又はＭＨＣで構成される。
−領域Ａは、純Ｔａからなる。
−領域Ａは、溶射された層として存在し、領域Ｂは、変形された金属シート又はプレートとして存在する。
特に有利な熱溶射プロセスは、ＣＧＳである。好ましい変形態様において、５バールを超える、好ましくは１０バールを超える、特に好ましくは２０バールを超える（例えば２０〜６０バールの）圧力を有するプロセスガスが、先細末広ノズル中で加速され、Ｔａ又はＴａ含有量が９０質量％を超えるＴａ合金からなる粉末（塗被材料）が先細ノズルの上流で、先細ノズル中に又は先細ノズルの下流で、プロセスガス中に注入され、加速され、主要部分上に堆積される。例として示された６０バールの上限値は、現在利用可能なプラントに基づく。将来、より高いガス圧力が可能なプラントが利用可能となれば、前記制限値は、対応して移動し得る。塗被材料は、典型的には、３００〜８００ｍ／秒の速度に加速される。プロセスガスは、先細末広ノズルの上流で加熱されるのが有利である。その結果、ノズル中でのガスの膨張、ガスの流速及び従って粒子速度を増大させることができる。
本発明のプロセスは、その低いプロセス温度の故に、好適には、また、酸化物、炭化物、窒化物、Ｗ、Ｍｏ及びニオブ（Ｎｂ）からなる群から選ばれる１以上の成分０．００１〜１０質量％を含有するＴａ合金の製造を可能にする。溶射操作の後、Ｗ、Ｍｏ及びＮｂは、Ｔａマトリクス中に個別の粒子として存在する。セラミックス又は金属（例えば、Ｗ及びＭｏ）の硬い構成成分は、層厚に好ましい効果をもたらす。というのは、前もって堆積された層の構成成分が硬い粒子の衝突によって圧縮されるからである。
これらの成分の導入により、また、Ｔａ層の高温強度及び耐クリープ性を向上させることができる。セラミック成分は、１，３００℃を超える、特に好ましくは１，８００℃を超える、融点を有するのが有利である。
ＣＧＳにおける溶射距離は、好ましくは２０〜６０ｍｍ、特に好ましくは３０〜５０ｍｍである。所望の層厚は、スプレーパスの回数を適宜選定することにより設定することができる。更に、領域Ｂは、有利には、変形した材料からなる。というのは、それにより、高い高温強度と耐クリープ性が達成されるからである。特に有利な変形プロセスは、圧延である。従って、変形された材料は、有利には圧延されたプレート又は圧延された金属シートである。プレート又は金属シートは、更に成形プロセスに依り加工して賦形された部品（例えば容器又はカップ）とするのが有利である。
以下に、実施例の助けを借りて、本発明を説明する。
好適な実施態様において、装入装置は、カップ中に装入される部品（例えばＴａコンデンサ）の熱処理に用いられるカップとして設計される。このカップは、一片で形成され、カップの底と縁とを有する。Ｍｏのスリーブがカップの底の中央に結合されている。例示的態様において、カップは、１７８ｍｍの外径と１７ｍｍの縁の高さを有する。再結晶状態の、変形された（金属シート様出発材料）Ｍｏ−０．７質量％Ｌａ２Ｏ３合金がカップの主要部分の材料として用いられ、更に通常の彫刻可能な賦形プロセスに依り加工されてカップが得られる。カップの内側及びスリーブの外側をＣＧＳにより純Ｔａで塗被し、次いで互いに接合させる。２６．４μｍのレーザー光学的に測定した平均直径ｄ５０を有するＴａ粉を塗被材料として用いる。
以下の塗被パラメータを使用した。
−プロセスガス圧：３０バール
−プロセスガス流：６５ｍ３／ｈ
−Ｔａ粉の供給速度：４６ｇ／分
−プロセスガス温度：８００℃
−塗被ガン−主要部分の距離：４０ｍｍ
−プロセスガス圧：３０バール
−プロセスガス流：６５ｍ３／ｈ
−Ｔａ粉の供給速度：４６ｇ／分
−プロセスガス温度：８００℃
−塗被ガン−主要部分の距離：４０ｍｍ
層を測定した結果、以下の値が得られた。
−密度：９９．５％
−Ｏ含有量：４７．８μｇ／ｇ
−水素（Ｈ）含有量：２６μｇ／ｇ
−Ｎ含有量：９４μｇ／ｇ
−密度：９９．５％
−Ｏ含有量：４７．８μｇ／ｇ
−水素（Ｈ）含有量：２６μｇ／ｇ
−Ｎ含有量：９４μｇ／ｇ
スリーブの外側及びカップの内側を塗被した後、スリーブをカップの主要部分に結合させる。このために、スリーブをカップの底の中央開孔に押し込み、パンチングして結合させる。スリーブとカップの底とをパンチングにより変形させ、リベット状の結合を形成する。本発明によるカップは、焼結炉においてＴａコンデンサに使用する。分析の結果、使用した焼結温度１，４５０℃において、主要部分の材料に依るＴａコンデンサの汚染は、見られない。複数回の繰り返しの後、本発明の装入装置は、如何なる変形をも示さない。
Claims (17)
- Ｔａ又は９０質量％を超えるＴａ含有量を有するＴａ合金からなる少なくとも１つの領域Ａ及びＭｏ、Ｍｏ含有量が９０質量％を超えるＭｏ合金、Ｗ、Ｗ含有量が９０質量％を超えるＷ合金、又はＭｏとＷとの合計含有量が９０質量％を超えるＭｏ−Ｗ合金からなる少なくとも１つの領域Ｂを含有してなり、前記領域Ａ及び前記領域Ｂによって形成される層複合体を含有してなることを特徴とする収容用具。
- 前記領域Ａ及び前記領域Ｂが、機械的嵌合結合及び原子間力又は分子間力による結合からなる群から選ばれる少なくとも１つの結合技術を用いて相互に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の収容用具。
- 領域Ａ／領域Ｂ／領域Ａの層配列を有する層複合体を含有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の収容用具。
- 前記領域Ａが熱溶射プロセスに依り前記領域Ｂに適用されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の収容用具。
- 前記熱溶射プロセスがコールドガススプレーであることを特徴とする請求項４に記載の収容用具。
- 容器又はプレートであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の収容用具。
- 前記容器の内側が少なくとも部分的に前記領域Ａからなることを特徴とする請求項６に記載の収容用具。
- 前記容器の外側が少なくとも部分的に前記領域Ｂからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の収容用具。
- 前記容器がカップとして設計されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の収容用具。
- 前記領域ＢがＭｏ、Ｍｏ−０．１〜２質量％のＬａ２Ｏ３、ＴＺＭ又はＭＨＣからなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の収容用具。
- 前記領域Ａが純Ｔａからなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の収容用具。
- 高温炉で使用するための請求項１〜１１のいずれか１項に記載の収容用具。
- 少なくとも下記の工程を有する収容用具の製造方法。
−Ｍｏ、Ｍｏ含有量が９０質量％を超えるＭｏ合金、Ｗ、Ｗ含有量が９０質量％を超えるＷ合金、又はＭｏ＋Ｗの合計含有量が９０質量％を超えるＭｏ−Ｗ合金からなる少なくとも１つの領域Ｂを含有してなる主要部分を準備する工程、及び
−Ｔａ又はＴａ含有量が９０質量％を超えるＴａ合金からなる層（領域Ａ）を、前記主要部分が少なくとも部分的にこの層を備えるように、熱溶射により領域Ｂに塗被する工程。 - 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の収容用具を製造するための請求項１３に記載の方法。
- 前記層がコールドガススプレーにより適用されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
- ５バールを超える圧力を有するプロセスガスが先細末広ノズル中で加速され、Ｔａ又はＴａ含有量が９０質量％を超えるＴａ合金からなる粉末が、前記先細末広ノズルの上流で又は前記先細末広ノズル中に又は前記先細末広ノズルの下流で、前記プロセスガス中に注入され、加速され、少なくとも幾つかの領域において前記主要部分上に堆積されて前記領域Ａを形成することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
- 前記領域Ｂが圧延された材料から製造されることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
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