JPH09111387A - タングステン電極材及びその熱処理法 - Google Patents
タングステン電極材及びその熱処理法Info
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Abstract
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
高性能のタングステン電極材を提供する。 【解決手段】 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。この電極材の表面部に、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おけば効果的であ
る。また、この電極材、又はその表面部に前記浸炭層を
形成したものに、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。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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2
219号、特開昭62ー224495号及び特開昭62
ー286698号)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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0.2〜15m
m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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
中でメタンを気化させて混合した雰囲気中にて、180
0℃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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- 【請求項1】 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。 - 【請求項2】 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
タングステン電極材。 - 【請求項3】 浸炭層の組成が実質的にW2 Cである請
求項2に記載のタングステン電極材。 - 【請求項4】 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。 - 【請求項5】 タングステン電極材が、放電灯用電極材
である請求項1乃至4のいずれかに記載のタングステン
電極材。
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