JPS63428A - ゲッター組成物 - Google Patents

ゲッター組成物

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JPS63428A JP62056994A JP5699487A JPS63428A JP S63428 A JPS63428 A JP S63428A JP 62056994 A JP62056994 A JP 62056994A JP 5699487 A JP5699487 A JP 5699487A JP S63428 A JPS63428 A JP S63428A
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    • HELECTRICITY
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  • Gas Separation By Absorption (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は水素を捕捉する金属組成物に関する。
より詳細には1本発明は低温度で水素を捕捉する不揮発
性の合金類、並びに前記合金類の製造方法、前記合金類
の水素捕捉能の向上方法及び前記合金類の再生方法に関
する。
〈発明の背景〉 水素の存在が望ましくない多くの装置及び工程がある。
その−例は二次オイル回収のために行なう水蒸気の噴射
注入で用いる熱絶縁された環形#N製配管である。熱絶
縁のためには、環形チューブは真空であるか又はアルゴ
ン等の不活性ガスが充填されていることが望ましい。鋼
又は外部腐蝕による一ガス抜き(outgasing)
の結果、水素が上記の熱絶縁環状部に入って来て環状部
の絶縁特性を低下させる可能性がある。もう一つの例は
、内部腐蝕工程の結果である水素のビルドアップ(滞留
による閉塞)に起因して操作上の故障が生じる可能性の
あるアンモニア加熱パイプである。別の一連の例は、広
く実験室及び工業的に使用されている「乾燥室」のよう
な多種の不活性ガス室である。
この種の室は、ときには水素又は水素の同位元素即ちト
イトリウム及びトリモウムで汚染されることがある。更
に別の例は、工業的規模のヘリウム単離操作で行なわれ
る水素から夕景の水素の分離である。真空室又は各種ガ
ス類から水素又は水素の同位元素を捕捉することが望ま
れる多くの他の例がある。
〈従来の技術〉 水素捕捉剤(水素ゲッター)を用いる多数の例を見い出
すことができるけれども、従来例には幾つかの欠点があ
る。金属チタンが使用されているが、金属チタンは少な
くとも600℃に加熱して水素吸収活性を持つようにし
なればならず、酸素又は水のような気体状不純物の存在
によって容易に活性を失ってしまう6更に、チタンはい
ったん水素で飽和されてしまうと、真空下で600℃程
度に加熱して水素を除去しなければ再作用できない。
よく用いられるもう一つの水素ゲッターは減損ウラニウ
ム全屈である。ウラニウムの欠点の一つは、水素化によ
って細かい粉末を形成し、これを空気に曝露すると潜在
的に発火性になることである。ウラニウムの更に別の欠
点は、減損したU−235の形である場合でも、少しは
放射性であり、特殊な取扱いと廃棄に関する配慮を要す
ることである。
一連のジルコニウム系ゲッターが、イタリアのミラン(
Milan、Italy)の5AES−ゲッターズ(S
AEAGetters)から市販されている。これらの
ゲッター類は、少くとも70重量%のジルコニウムを含
有し、残部がアルミニウム、バナジウム、鉄及びニッケ
ル等の元素から成る。これらの市販されているゲッター
類は、広く水素捕捉の目的に用いられ良くその目的に適
合するものではあるが、多種の望ましくない欠点を持つ
。まず第1にこれら公知のゲッターは、活性化に200
〜900℃の高温度を要する。これらの公知のゲッター
は一般に活性化を行なわない場合には室温では水素を捕
捉しない。第二にいったん水素で活性化されてしまうと
、水素を完全に除去して水素ゲッターとして再使用する
ためには、真空下で800℃程度の温度に加熱しなけれ
ばならない。第三に上記の公知ゲッター類はジルコニウ
ム含有率が高いため、入手の容易な空気炉又は一般的な
セラミックス類るつぼの内部で熔解することはできず、
セラミックス類るつぼ内での空気加熱熔解と比較して本
質的に高価な工程である水冷式銅製るつぼ内部での真空
アーク溶接によらねばならない。
ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー(Jou
rnal of Physical Chemistr
y)、第62巻(1958年)、76頁〜79頁のジー
・ジー・リボウィッッ(G。
G、Libowitz)による[ジルコニウム・ニッケ
ルと水素との系」と題する報文中に金属間化合物ZrN
i  (Zr 60.8重量%、Ni39.2%)の水
素吸収及び水素脱着特性が記載されている。しかしなが
ら100℃以下のデータは示されておらず、実際のとこ
ろ、この材料は室温では望ましくないことに活性化特性
が遅い。
〈発明が解決しようとする問題点〉 従って、本発明の目的は、0.01 Torr以下の圧
力で18乃至20℃、即ちほぼ室温で水素を捕捉するこ
とができる水素捕捉合金(水素ゲッター)を提供するこ
とである。
本発明のもう一つの目的は、室温下、低水素圧力で容易
に活性化することができる水素捕捉合金を提供すること
である。
本発明の更に別の目的は、セラミックス類るつぼ内部で
従来法の空気誘導加熱熔解(AirInduction
 melting)により製造できる水素捕捉合金を提
供することである。
本発明の更に別の目的は、異なる組成の水素捕捉合金を
提供し、吸収/脱着、圧力/温度の関係を変える手段を
提供することである。
本発明の更に別の目的は、低温度における水素捕捉合金
の活性を増すための表面酸化処理を提供することである
その他の諸口的は、以下の記載から明らかになろう。
〈問題点を解決するための手段〉 本発明によれば、室温で容易に且つ迅速に活性化され、
再使用のために容易に且つ迅速に再生できる活性な水素
捕捉組成物を提供することである。
本発明による組成物は、重量百分率で約20%〜約45
%のニッケルと、約0.1%〜約10%の1種又はそれ
以上の希土類金属とを含有し、残部がジルコニウムから
成る。好ましい組成物は1重量百分率で、約20%〜約
40%のニッケルと、約0.1%〜約6%の1種又はそ
れ以上の希土類金属とを含有し、残部がジルコニウムか
ら成る。
本発明による好ましい合金は1重量百分率で36%のニ
ッケルと、4%の1種又はそれ以上の希土類金属と、6
0%のジルコニウムとから成る。
更に、ジルコニウム及び/又はニッケルの一部分を置換
するその他の元素類の部分置換率は最高約15重量%ま
でにすることができる。置換元素として使用できるもの
としては多くのものが考えられるが、なかでもコバルト
、銅、鉄、アルミニウム、チタン、錫及び珪素を例とし
て挙げることができる。これらの置換物の幾つかは、捕
捉温度/圧力の関係を変えて、所期の用途により良く適
合させる。
希土類金属は、周期率のランタン系列の元素として存在
している。この種の元素の例としては、ランタン、セリ
ウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリ
ウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
プロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッ
テルビウム及びルテシウムを挙げることができる。更に
、カルシウム及び/又はイッテリウムを1種又はそれ以
上の希土類金属によって置換することもできる。
本発明組成物中で上記の2種又はそれ以上の希土類金属
を組み合わせて使用することができ、本発明者の知見に
よれば、2種又はそれ以上の上記金属を含有する合金を
使用するのがよいことがわかった。この型の合金組成物
は当業界でミツシュメタル(mischmetal ;
以下MMと略記する)と呼ばれており、種々の希土類元
素の混合物を表わし、各混合物は鉱石源の組成によって
変動する組成を持つ。本発明の実施に使用する代表的な
MMは48〜50重最%のCe、32〜34重量%のL
aと。
13〜14重量%のNdと、4〜5重量のPrと約1.
5重量%の希土類金属類とから成りバストネサイト石(
bastr+asite)鉱石源から誘導されるもので
ある。この合金はユニオン・モリコープ・カンパニー(
Union Mo1ycorp Con+pany)が
ら製品コード番号4601の名で入手できる。希土類金
属の比率が上記の組成物と幾分か異なり、少量の鉄を含
有する他のMM組成物がある。MM組成物の正確な組成
は本発明の実施に臨界的なものではない。
本発明の合金は、冷却型るつぼアーク炉又は粘土・グラ
ファイト製るつぼを用いて標準型空気誘導加熱炉の内部
で不活性ガス雰囲気(又は真空)中で市販の等級の原料
を熔融することによって製造できる。固化させた後に、
インゴットを砕いて、例えば−10メツシユ〜+80メ
ツシユの範囲の粒度にしてゲッターとして直接使用でき
る。場合によっては、粉砕した材料に、室温から350
℃の温度で空気中で表面酸化処理を施し、捕捉活性を増
大させるのが望ましい場合もある。
水素圧力及び/又は温度が充分に高い場合には、ゲッタ
ー合金の粒子を直接に意図する用途の水素捕捉のために
使用することができる。この場合には、粒状合金を所望
の装置に入れ、残留空気を除去する。雰囲気温度が低い
(たとえば室温)であるか予想される水素圧力が低い(
50Torr未満)である場合には、ゲッターを予め活
性化しておくのが望ましい。予備活性化は試料が水素で
飽和されるまで室温で0.5気圧(絶対気圧)を越える
圧力で水素を加え、次いで動的真空化又は不活性ガスに
よる掃気を行ない、試料を300〜400℃に加熱して
水素を除去することによって達成できる。上記の如く活
性化した状態下では、空気又は−酸化炭素、水、硫化水
素等の他の腐蝕性ガス類に曝露されない限り、ゲッター
から水素を除去して室温で0.1 Torr未満の水準
まで下げることができる。ゲッターの使用期間中、一度
水素で飽和された合金類を上述の脱水素化物(dchy
driding)することができる。
当業者には容易に理解できるように1本発明合金は、水
素に加えてたとえば酸素及び水蒸気のような少量の他の
ガス類を捕捉することができる。
他の全てのゲッターと同様に、水素以外の化学種(以下
、非水素化学種という)の捕捉は表面吸収に限られてお
り、体猜吸収が起こる水素の捕捉よりも更に限られてい
る。非水素化学種ガス類により過度の表面な芯層が形成
されると水素を吸収するゲッターの能力が制限されるが
、真空での不活性ガス類の存在下における高温度処理に
よって、水素に対する活性を取り戻す。
添付の図面を参照しながら、以下の実施例を読めば本発
明をより明確に理解できるものと考える。
本発明の基本的思想を逸脱することなく、下記の実施例
に多くの変更を加えることができるので、下記の実施例
及び図面は本発明の好ましい実施態様を示すものであり
、本発明を制限するものと解釈されるべきものではない
実施例r 金属Zr、Ni及びMMをアルゴン・アーク熔解し、3
0グラムのボタンにすることにより、下記の組成を調製
した。(数値は重量%)Zr     Ni     
MM A   61,2  38.8  0.OB   60
,0  38.0  2.OC59,336,74,0 容易に理解できるように土たる変動因子はMM含有率で
ある。8グラムの試料を空気中で粉砕して一12メソシ
ュ、+80メツシユの粒子にし、粒子を別個に独立した
複数のステンレス鋼製反応器に装入する。次に、各反応
器の空気を抜いて約0.01 Torrの圧力にし、純
度99.999%の水素を0.68気圧になるまで充填
(backfill) I、た、各反応器と並列に約4
リツトル容の貯槽と圧力変換器とを設置し、活性化及び
捕捉にともなう圧力の変化を測定した。圧力変化と既知
の貯槽の容積から、試料の水素含有率を時間の関数の形
で算出することができる。3例の何れの場合も、反応器
は動かない室温の空気中に吊り下げられていた。第1図
にモル/g及び水素/金属化の量単位で、水素の取り込
み量を時間の関数として図示しである0図かられかるよ
うに、MMを含まない試料は、水素飽和状態に達するま
で24時間を越える時間を必要とする。室温における水
素捕捉を増大させる点に関するMMの能力は極めて大き
い。たとえば4%のMMを含有する試料が飽和状態にな
るに要する時間は0.5時間未満であり、この事実は本
発明の基本的な有用性を示すものと言える。
失五籐l スポンジ状ジルコニウムと、電解ニッケルと、MMのイ
ンゴットとから充填組成として58.8%Z r −3
6,2%N i −4,0%MM(重量%)の組成物5
80 kg(1280ポンド)を粘土/グラファイト製
るつぼの内部で空気中で熔解し、内径15anの鋳鉄製
インゴット型に流し込んだ(ヒートDと呼ぶ)6固化・
冷却後、8グラムの試料を−12、+80メツシユの粒
子に粉砕し、実施例■に記載したと同じ室温度活性化を
行なった。試料は迅速に活性化され、1時間以内に飽和
濃度である0、0095モル/gの飽和値に達した。飽
和後に試料を232℃(450下)に加熱し0.5 T
orr未滴の真空を印加することにより、水素の大部分
を除去した。次に、試料を232℃で絶対水素圧力1o
気圧にして再び水素で飽和させた。再飽和後に、第2図
に示した232℃における脱着等1線が得られ、試料の
最終脱着により400℃における測定低圧力偏位値はI
 Toor未満になった。この図は好ましい合金類の2
32℃における基本説着圧カを示すとともに、本発明に
よる水素で飽和されたゲッターを再使用のために処理で
きることを示す図でもある。サイクルが一回だけの場合
でも水素化/脱水素化サイクル中に粒子のクランキング
によってゲッターの表面積が増大し、その後の室温にお
ける水素の捕捉が著しく早く且つ効果的になる(実施例
■および■参照)。
去i匹」− 活性化及び400℃でI Torr未満へのバックアウ
ト(backout)を含む実施例■と同様の手順でヒ
ートDから8gの試料を*mした。次に試料を真空上室
温で冷却した。次いで、約I Torrの水素圧力で約
4リツトルの試料を充填し、弁を開口して低圧力の水素
と試料とを連通させた。圧力を時間の関数として記録し
た。35分間以内に、室温での操作により、試料が水素
を捕捉して、水素の圧力が0.01 Torr未満に下
がった。
実施例■ 実施例■と同様にして、空気誘導加熱熔解(AirIu
duction Melting)により、重量比で5
8.8%のZrと、37.2%のNiと、4.0%のM
Mとから成るヒート(ヒートEと呼ぶ)の8kgを準備
した。
試料Logを一35メツシュに磨砕し、流過型反応器に
装入した。実施例IIに記載したと同様の方法で、加熱
及びポンプ圧送を交互に繰り返して、試料を室温で3サ
イクル交互に水素化・脱水素化した・。第3回目の脱水
素サイクル時に、試料は部分的に脱水素化されて258
℃で44Torrの圧力、即ち第2図に示すようなプラ
ト一部(平らになったほぼ一定の値を示す部分)の直ぐ
下の圧力になった。次に、試料を25°Cに冷却し、制
御された温度の水浴を用いて25℃に保持した。この時
点で0.75容量%の水素を含有するヘリウムと水素の
混合物を準備し、この混合物119.5 リットルを4
1気圧の圧力で1.5時間にわたり試料に通じて、水素
を選択的に捕捉させた。混合物の通過が完了した後、試
料から再び脱ガスを行なって可能な限り所期状態(25
8℃で44 Torr )にして、捕捉されていた水素
を槃めた。測定の精度の範囲内で、回収された水素は0
.75容量%の水素を含有するヘリウム・水素混合物の
うち通過型反応器に入った水素の少なくとも99%が回
収された。この結果は水素含有率が1回の通過で0.7
5%の水準から0.0075%以下になる程度まで水素
が捕捉されたことを示し、活性化された状態にあるとき
には本発明品が低水素レベルになるまで不活性ガスから
室温で水素を捕捉できる能力を持つことを示すものであ
る。
実施例■ アルゴン雰囲気中でのアーク熔解により、30グラムの
ボタン形状で以下の組成をもつ合金類を調製した。(組
成は重量%で示す。) ヒートID   Zr    Ni    MM   
 その他F     60.9 31.2  0  7
.9C。
G     58.7 30.2  3  8.ICu
H60,335,031,7AI I     50.2 40,3  3  6.5Ti
J     54.7 34.9  3  7.4Sn
K     58.2 37.0  3  1.851
8gの試料を粉砕しく−12,+80メツシユ)。
室温で活性化し、1サイクルの脱水素化/百本素化サイ
クル処理を施こし、232℃(450°F)で10気圧
の水素を充填した。232℃における脱着等温線を求め
た。得られた脱着等層線を第3図に示す。図示した全部
の合金は使用可能な特性を示し、多数の置換合金を使用
できることを示している。特に興味のあるものはチタン
によりジルコニウムの一部を置換したもの(ヒーhI)
であり、これはプラト一部の圧力が高く、更にニッケル
の一部をコバルト及び銅で置き換えた例(ヒートF及び
G)も興味を惹くものであり、これはプラト一部の圧力
が低い。この実験は基本的な合金系を変性して特定の用
途に適合させ、圧力及び/又は温度に関するゲッター特
性を変えることができることを示す。
尖胤剪旦 空気誘導加熱熔解(Air Induction Me
lting)により、以下の組成の合金類の各5kgの
バッチを憎備した。(組成は重量%で示す。) ヒート1.D、   Zr     Ni    MM
L     59.3  36.7  4M     
59.8  36.2  4空気中で−12,+18メ
ツシユに粉砕した後、空気中で空気圧力0゜015絶対
気圧乃至1絶対気圧の圧力下、室温乃至316℃の温度
で試料の表面酸化処理を行なった。次いで8gの試料を
用いて実施例Iに記載したと同じ室温度での水素活性化
テストを行なった。第4図のグラフで示されている結果
によれば、第4図に示す処理試料の水素飽和に要する時
間が短いという事実によって証明されているように、表
面処理により(室温に長時間置かれたときでも)水素捕
捉活性が高くなる。
く作用及び効果〉 上記の記載及び実施例かられかるように、本発明による
ジルコニウム・ニッケル・ミツシュメタル系の合金類は
、高温度下での活性化を行なわない場合でも室温度下で
も効果的に働く水素ゲッターになる。一度水素で飽和さ
れた合金類は、所望する場合には再生して再使用できる
ことも、上述の記載から明らかである。好ましい実施例
から多数の種々の変形例及び置換物をつくることができ
ることも明示されている。本発明の合金系は、従来法の
経済的な空気加熱熔解によって製造することができ、こ
れはほとんど全ての他の反応性金属ゲッター合金類の場
合にはなかった特徴である。
最後になったが、表面酸化処理により、捕捉能を太線に
高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、約59.3〜61.2重量%のZrと、 3
6.7〜38.8重量%のNiとを含有し、残部を占め
るMMから成る合金類の所期水素捕捉(活性化)の室温
におけるMM含有率の効果を示す3本の曲線を示す図で
ある。 第2図は、空気誘導加熱熔解(Air Inducti
onMelLing)によって製造した約59.8重量
%のZrと、36.2重量%のNiと、4.0重量%の
MMとから成る組成の合金の232℃の水素吸収等層線
を示す図である。 第3図は、第2図の等層線にほぼ基づいたゲッター組成
物の多数本の232℃における水素吸収等温線を示す図
であり、ジルコニウム及び/又はニッケルの一部をコバ
ルト、銅、アルミニウム、錫、チタン及び珪素で置換し
た組成物の等混線を示す図である。 第4図は、約59.3%Zr−36,7%Ni−4%M
M及び59.8%Z r−36,2%Ni−4%MM 
(百分率は重量基準)の合金組成の室温における所期H
,捕捉(活性化)に及ぼす表面酸化の効果を示す多数の
曲線を示す図である。 特許出願人  アージェニツクス・インコーホレイテッ
ド 代理人弁理士  兼  坂     具間      
酒  井      −同      兼  坂   
   繁s1図 0  2  4  6   B   +0  12  
1牛  16  18  20 22 17.5時間 
(hr5) 第2図 第3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)重量百分率で約20%乃至約45%のニッケルと、
    約0.1%乃至10%の一種又はそれ以上の希土類金属
    と、約0%乃至約15%のコバルト、銅、鉄、アルミニ
    ウム、錫、チタン、珪素又はこれらの混合物から成る群
    から選択した金属とを含有し、100%となるよう残部
    がジルコニウムであることを特徴とする水素その他のガ
    ス類を除去するためのゲッター組成物。 2)重量百分率で約20%乃至約40%のニッケルと、
    約0.1%乃至約6%の1種又はそれ以上の希土類金属
    とを含有し、100%となるよう残部がジルコニウムで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のゲ
    ッター組成物。 3)希土類金属がミッシュメタルの形で存在し、重量百
    分率で以下の成分を含有することを特徴とする特許請求
    の範囲第2項に記載のゲッター組成物。 セリウム 約48%〜約50% ランタン 約32%〜約34% ネオジム 約13%〜約14% プラセオジム 約4%〜約5% その他の希土類金属 約1.5% 4)重量百分率で以下の成分を含有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第3項に記載のゲッター組成物。 ニッケル 36% ミッシュメタル 4% ジルコニウム 60% 5)重量百分率で以下の成分を含有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第3項に記載のゲッター組成物。 ニッケル 30% ミッシュメタル 3% コバルト 8% ジルコニウム 59% 6)重量百分率で以下の成分を含有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第3項に記載のゲッター組成物。 ニッケル 40% ミッシュメタル 3% チタン 6.5% ジルコニウム 50.5% 7)一度水素で飽和させるか又は部分飽和させた組成物
    を、真空、部分真空又は不活性ガス流下で100〜50
    0℃に加熱することにより再生し再使用可能な状態にし
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のゲッ
    ター組成物。 8)粉砕し、最高400℃までの温度で空気又は酸化性
    雰囲気に露出することから成る表面酸化を行なったこと
    を特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のゲッター組
    成物。 9)誘導加熱炉を用いて粘土/グラファイト製るつぼ内
    で空気存在下で成分元素類を熔融することによって製造
    したことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のゲ
    ッター組成物。 10)誘導加熱炉を用い、グラファイト製るつぼの内部
    で真空又は不活性ガス雰囲気下で成分元素類を熔融する
    ことによって製造したことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項に記載のゲッター組成物。 11)アーク加熱炉を用い、水冷式金属製るつぼの内部
    で真空又は不活性ガス雰囲気下で成分元素類を熔融する
    ことによって製造したことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項に記載のゲッター組成物。
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