JPWO2013094685A1 - タングステン合金、およびそれを用いたタングステン合金部品、放電ランプ、送信管並びにマグネトロン - Google Patents
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Abstract
放射性物質であるトリウムを使用せずに、トリウム含有タングステン合金と同等以上のエミッション特性を有するタングステン合金を得ること、及び、該タングステン合金を用いる放電ランプ、送信管及びマグネトロンを提供することを目的とする。
本発明は、タングステン合金において、ＴａＣを含むＴａ成分をＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲で含有させる。
本発明は、タングステン合金において、ＴａＣを含むＴａ成分をＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲で含有させる。
Description
本発明の実施形態は、タングステン合金、およびそれを用いたタングステン合金部品、放電ランプ用電極部品、放電ランプ、送信管並びにマグネトロンに関する。
タングステン合金部品は、タングステンの高温強度を利用して様々な分野に使われている。その一例として、放電ランプ、送信管、マグネトロンが挙げられる。放電ランプ（ＨＩＤランプ）では、カソード電極、電極支持棒、コイル部品などにタングステン合金部品が使われている。また、送信管では、フィラメントやメッシュグリットなどにタングステン合金部品が使われている。また、マグネトロンでは、コイル部品などにタングステン合金部品が使われている。これらタングステン合金部品は、所定の形状を有する焼結体、線材、線材をコイル状にしたコイル部品の形状を取っている。
従来、これらタングステン合金部品には、特開２００２−２２６９３５号公報（特許文献１）に記載されたようにトリウム（またはトリウム化合物）を含有したタングステン合金が用いられている。特許文献１のタングステン合金は、トリウム粒子およびトリウム化合物粒子の平均粒径を０．３μｍ以下と微細分散させることにより、耐変形性を向上させるものである。トリウム含有タングステン合金は、エミッタ特性や高温での機械的強度に優れていることから、前述の分野に使われている。
しかしながら、トリウムまたはトリウム化合物は放射性物質であることから、環境への影響を考慮してトリウムを使わないタングステン合金部品が望まれている。特開２０１１−１０３２４０号公報（特許文献２）では、トリウムを使わないタングステン合金部品として、ホウ化ランタン（ＬａＢ６）を含有するタングステン合金部品が開発されている。
一方、特許文献３には、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）と、ＨｆＯ2またはＺｒＯ2とを含むタングステン合金を用いたショートアーク型高圧放電ランプが記載されている。特許文献３に記載のタングステン合金によると、十分なエミッション特性が得られない。これは、酸化ランタンの融点が２３００℃程度と低いため、印加電圧または電流密度を上げることにより部品が高温になったときに酸化ランタンが早期に蒸発してしまい、エミッション特性が低下するためである。
例えば、タングステン合金部品の用途の一種である放電ランプは、大きく分けて低圧放電ランプと高圧放電ランプの２種類に分けられる。低圧放電ランプは、一般照明、道路やトンネルなどに使われる特殊照明、塗料硬化装置、ＵＶ硬化装置、殺菌装置、半導体などの光洗浄装置など様々なアーク放電型の放電ランプが挙げられる。また、高圧放電ランプは、上下水の処理装置、一般照明、競技場などの屋外照明、ＵＶ硬化装置、半導体やプリント基板などの露光装置、ウエハ検査装置、プロジェクタなどの高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ナトリウムランプなどが挙げられる。
放電ランプは、その用途に応じて、１０Ｖ以上の電圧が印加される。特許文献２に記載されたホウ化ランタンを含有したタングステン合金では、電圧が１００Ｖ未満ではトリウム含有タングステン合金と同等の寿命が得られていた。しかしながら、電圧が１００Ｖ以上と大きくなるにつれエミッション特性が低下し、その結果、寿命も大きく低下した。
送信管やマグネトロンに関しても、同様に印加電圧が上がるにつれて十分な特性が得られないと言った問題があった。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、放射性物質であるトリウムを使用せず、トリウム含有タングステン合金と同等以上のタングステン合金、タングステン合金を用いるタングステン合金部品、放電ランプ、送信管及びマグネトロンを提供することを目的とするものである。
実施形態によれば、Ｗ成分と、ＴａＣを含むＴａ成分とを含有するタングステン合金が提供される。Ｔａ成分の量は、ＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲であり、さらに好ましくはＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲である。また、ＴａＣ粒子の平均一次粒子径は１５μｍ以下である。
実施形態のタングステン合金部品は、ＴａをＴａＣ換算で０．１〜３ｗｔ％含有するタングステン合金部品において、Ｔａ、ＴａＣ、Ｃの少なくとも２種以上を含有するものである。
また、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、ｘ＜１であることが好ましい。また、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、０＜ｘ＜１であることが好ましい。また、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、０．００１＜ｘ＜０．５であることが好ましい。
また、タングステン合金部品の表面部の炭素量をＣ１（ｗｔ％）、中心部の炭素量をＣ２（ｗｔ％）としたとき、Ｃ１＜Ｃ２であることが好ましい。また、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも１種を０．０１ｗｔ％以下含有したことが好ましい。また、Ｔａ含有量を１００質量部としたときＮｂ含有量が５質量部以下であることが好ましい。また、タングステンの平均結晶粒径は１〜１００μｍであることが好ましい。
また、放電ランプ用部品、送信管用部品、マグネトロン用部品の少なくとも１種に用いられるが好ましい。
また、実施形態の放電ランプは、実施形態のタングステン合金部品を具備するものである。また、実施形態の送信管は、実施形態のタングステン合金部品を具備するものである。また、実施形態のマグネトロンは、実施形態のタングステン合金部品を具備するものである。
実施形態の放電ランプ用電極部品は、タングステン合金からなる放電ランプ用電極部品において、タングステン合金はＴａ成分をＴａＣ換算で０．１〜５ｗｔ％含有すると共に、Ｔａ成分の中でＴａＣ粒子は平均粒径１５μｍ以下であることを特徴とするものである。
また、ＴａＣ粒子は平均粒径５μｍ以下、かつ最大径１５μｍ以下であることが好ましい。また、Ｔａ成分は、ＴａＣおよび金属Ｔａの２種類存在することが好ましい。また、Ｔａ成分は、ＴａＣ粒子の表面に金属Ｔａが存在することが好ましい。または、Ｔａ成分のうち、金属Ｔａの一部または全部はタングステンに固溶していることが好ましい。また、Ｔａ成分の全含有量を１００質量部としたとき、ＴａＣ粒子になっているＴａの割合は０．１〜５０質量であることが好ましい。また、タングステン合金は、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも１種からなるドープ材を０．０１ｗｔ％以下含有したことが好ましい。また、タングステン合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｏ、希土類元素の少なくとも１種を２ｗｔ％以下含有することが好ましい。また、線径が０．１〜３０ｍｍであることが好ましい。また、タングステン合金は、ビッカース硬度がＨｖ３３０〜７００の範囲内であることが好ましい。また、放電ランプ用電極部品は先端をテーパ形状とした先端部と円柱状の胴体部を有することが好ましい。
また、胴体部の円周方向断面の結晶組織を観察したとき、単位面積３００μｍ×３００μｍあたりタングステン結晶は１〜８０μｍが面積率９０％以上であることが好ましい。また、胴体部の側面方向断面の結晶組織を観察したとき、単位面積３００μｍ×３００μｍあたりタングステン結晶は２〜１２０μｍが面積率９０％以上であることが好ましい。
また、実施形態の放電ランプは、実施形態の放電ランプ用電極部品を用いたことを特徴とするものである。また、放電ランプの印加電圧が１００Ｖ以上であることが好ましい。
実施形態のタングステン合金は、放射性物質であるトリウム（酸化トリウム含む）を含有していないことから環境への悪影響がない。その上で、トリウム含有タングステン合金と同等以上の特性を有している。そのため、それを使ったタングステン合金部品、放電ランプ用電極部品、放電ランプ、送信管、マグネトロンは環境にやさしい製品とすることができる。
（第１の実施形態）
第１の実施形態によれば、Ｗ成分と、ＴａＣを含むＴａ成分とを含有するタングステン合金が提供される。Ｔａ成分の量は、ＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲である。Ｔａ成分は、少なくともＴａＣを含むもので、ＴａＣ以外のＴａ含有化合物、Ｔａ単体等を含んでいても良い。Ｔａ含有化合物の例には、Ｔａ2Ｏ3が含まれる。
第１の実施形態によれば、Ｗ成分と、ＴａＣを含むＴａ成分とを含有するタングステン合金が提供される。Ｔａ成分の量は、ＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲である。Ｔａ成分は、少なくともＴａＣを含むもので、ＴａＣ以外のＴａ含有化合物、Ｔａ単体等を含んでいても良い。Ｔａ含有化合物の例には、Ｔａ2Ｏ3が含まれる。
実施形態のタングステン合金部品は、Ｔａ成分をＴａＣ換算で０．１〜３ｗｔ％含有するタングステン合金部品において、Ｔａ、ＴａＣ、Ｃの少なくとも２種以上を含有することを特徴とするものである。
Ｔａ（タンタル）成分をＴａＣ（炭化タンタル）換算で０．１〜３ｗｔ％含有することにより、エミッション特性や強度などの特性を向上させることができる。つまり、Ｔａ成分含有量がＴａＣ換算で０．１ｗｔ％未満であると添加の効果が不十分であり、３ｗｔ％を超えると特性が低下する。また、Ｔａ成分含有量はＴａＣ換算で０．５〜２．５ｗｔ％であることが好ましい。
また、タングステン合金に含有されているＴａＣ成分は、Ｔａ、ＴａＣ、Ｃの少なくとも２種以上含有していることが必要である。つまり、ＴａＣ成分として、ＴａとＴａＣの組合せ、ＴａとＣ（炭素）の組合せ、ＴａＣとＣ（炭素）の組合せ、ＴａとＴａＣとＣ（炭素）の組合せのいずれかでＴａＣ成分を含有しているのである。それぞれ融点を比較すると、金属Ｔａは２９９０℃、ＴａＣは３９８０℃、タングステンは３４００℃である（岩波書店「理化学事典」参照）。また、金属トリウムの融点は１７５０℃、酸化トリウム（ＴｈＯ2）の融点は３２２０±５０℃である。タンタルはトリウムと比べて高融点であることから、トリウム含有タングステン合金と比較して、高温強度を同等以上にすることができる。
また、Ｔａ、ＴａＣおよびＣ（炭素）の合計量をＴａＣｘ換算したとき、ｘ＜１であることが好ましい。ｘ＜１であるということは、タングステン合金中に含有するＴａＣ成分がすべてＴａＣで存在するわけではなく、その一部が金属Ｔａになっていることを意味する。金属Ｔａの仕事関数は４．２５であり、金属Ｔｈの仕事関数３．４と比べて大きいことからエミッション特性は低下すると考えられるが、放電ランプ用などの用途においては特に問題となるものではない。また、金属タンタルはタングステンと固溶体を形成するので強度向上に有効な元素である。
また、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、０＜ｘ＜１であることが好ましい。ｘ＜１は前述の通りである。また、０＜ｘであるということは、タングステン合金中に含有するＴａＣ成分としてＴａＣまたはＣのいずれかが存在することを意味している。ＴａＣまたはＣは、タングステン合金に含まれる不純物酸素を取り除く脱酸効果がある。不純物酸素を低減することにより、タングステン部品の電気抵抗値を下げることができるので電極としての特性が向上する。また、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、０．００１＜ｘ＜０．５であることが好ましい。この範囲であると、金属Ｔａ、ＴａＣまたはＣがバランスよく存在し、エミッション特性、強度、電気抵抗、寿命などの特性が向上する。さらに好ましくは０．０１０≦ｘ≦０．０５０である。
また、タングステン合金部品中のＴａ、ＴａＣ、Ｃの含有量の測定方法はＩＣＰ分析法および燃焼−赤外線吸収法を用いるものとする。ＩＣＰ分析法であれば、ＴａのＴａ量とＴａＣのＴａ量を合計したＴａ量を測定することができる。また、燃焼−赤外線吸収法によりＴａＣの炭素量と単独で存在する炭素量もしくは他の炭化物として存在する炭素量を合計した炭素量を測定することができる。実施形態ではＩＣＰ分析法および燃焼−赤外線吸収法によりＴａ量、Ｃ量を測定し、ＴａＣｘに換算するものとする。
また、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも１種を０．０１ｗｔ％以下含有してもよい。Ｋ（カリウム）、Ｓｉ（珪素）、Ａｌ（アルミニウム）はいわゆるドープ材であり、これらドープ材を添加することにより再結晶特性を向上させることができる。再結晶特性を向上させることにより、再結晶熱処理を行った際に均一な再結晶組織を得易くなる。また、ドープ材の含有量の下限は特に限定されるものではないが、０．００１ｗｔ％以上であることが好ましい。０．００１ｗｔ％未満では添加の効果が小さく、また、０．０１ｗｔ％を超えると焼結性や加工性が悪くなり量産性が低下する恐れがある。
また、Ｔａ含有量を１００質量部としたときＮｂ含有量が５質量部以下であることが好ましい。このＴａ含有量はＴａおよびＴａＣの合計のＴａ量を示すものである。Ｎｂ（ニオブ）は、融点が２４７０℃と高いことからタングステン部品に含有されていたとしても悪影響は少ない。また、市販のＴａ粉などには、粉のグレードによってはＮｂが数％含まれていることもある。不純物を除去した高純度Ｔａ粉または高純度ＴａＣ粉を使うことは特性向上のためには有効である。一方で原料の高純度化はコストアップの要因となる。Ｔａ１００重量部としたとき、Ｎｂ（ニオブ）含有量は５質量部以下であれば、特性を必要以上に低下させずに済む。
また、タングステン合金部品の表面部の炭素量をＣ１（ｗｔ％）、中心部の炭素量をＣ２（ｗｔ％）としたとき、Ｃ１＜Ｃ２であることが好ましい。表面部とはタングステン合金の表面から２０μｍまでの部分を示す。また、中心部とはタングステン合金部品の断面における中心部分である。また、この炭素量は、ＴａＣなどの炭化物の炭素と単独で存在する炭素の両方を合計した値であり、燃焼−赤外線吸収法で分析するものとする。表面部の炭素量Ｃ１＜中心部の炭素量Ｃ２、であるということは表面部の炭素が脱酸によりＣＯ２となって系外に出て行ったことを示す。また、表面部の炭素量が減るということは表面部のＴａ量が相対的に増える状態となる。このため、Ｔａをエミッタ材として使用する場合に特に有効である。
また、タングステンの平均結晶粒径は１〜１００μｍであることが好ましい。タングステン合金部品は焼結体であることが好ましい。焼結体であると、成型工程を利用することにより様々な形状の部品を作製することができる。また、焼結体を鍛造工程、圧延工程、線引き工程などを行うことにより、線材（フィラメント含む）、コイル部品などへの加工を行い易い。
また、タングステン結晶は、焼結体のときはアスペクト比３未満の結晶が９０％以上の等方結晶組織となる。また、線引き加工を行うとアスペクト比３以上の結晶が９０％以上の扁平結晶組織となる。また、タングステン結晶の粒径の求め方は、金属顕微鏡などの拡大写真により結晶組織を撮る。そこに写るタングステン結晶一つにて最大フェレー径を測定し、粒径とする。この作業を任意の１００粒について行い、その平均値を平均結晶粒径とする。
また、タングステンの結晶の最大フェレー径の平均が１μｍ未満と小さいと、Ｔａ、ＴａＣまたはＣといった分散成分の分散状態を均一にするのが困難となる。分散成分は、タングステン結晶同士の粒界に存在する。そのため、タングステンの結晶の最大フェレー径の平均が１μｍ未満と小さいと粒界が小さくなるため、分散成分を均一分散させるのが困難となる。一方、タングステンの結晶の最大フェレー径の平均が１００μｍを超えて大きいと、焼結体としての強度が低下する。そのため、タングステンの結晶の最大フェレー径の平均が１〜１００μｍ、さらには１０〜６０μｍであることが好ましい。
また、均一分散の観点からＴａ、ＴａＣまたはＣといった分散成分の最大フェレー径の平均値は、タングステンの最大フェレー径の平均値よりも小さいことが好ましい。また、タングステンの結晶の最大フェレー径の平均値をＡ（μｍ）、分散成分の最大フェレー径の平均値をＢ（μｍ）としたとき、Ｂ／Ａ≦０．５であることが好ましい。Ｔａ、ＴａＣまたはＣといった分散成分は、タングステン結晶同士の粒界に存在し、エミッタ材や粒界強化材として機能する。分散成分の平均粒径をタングステンの平均結晶粒径の１／２以下に小さくすることにより、分散成分がタングステン結晶粒界に均一分散し易くすることができ、特性バラツキを低減することができる。
以上のようなタングステン合金及びタングステン合金部品は、放電ランプ用部品、送信管用部品、マグネトロン用部品の少なくとも１種に用いることが好ましい。
放電ランプ用部品とは、放電ランプに用いるカソード電極、電極支持棒、コイル部品が挙げられる。図１および図２に放電ランプ用カソード電極の一例を示した。図中、１はカソード電極、２は電極胴体部、３は電極先端部、である。カソード電極１はタングステン合金の焼結体で形成されている。また、電極先端部３は図１のように先端が台形状（円錐台形状）であってもよいし、図２のように先端が三角状（円錐形状）であってもよい。必要に応じ、先端部は研磨加工を行うものとする。また、電極胴体部２は直径２〜３５ｍｍの円柱状、また、電極胴体部２の長さは１０〜６００ｍｍであることが好ましい。
図３に放電ランプの一例を示した。図中、１はカソード電極、４は放電ランプ、５は電極支持棒、６はガラス管、である。放電ランプ４は、一対のカソード電極１を電極先端部を向い合せになるように配置する。カソード電極１は電極支持棒５に接合されている。また、ガラス管６の内部には、図示しない蛍光体層が設けられている。また、ガラス管の内部には、必要に応じ、水銀、ハロゲン、アルゴンガス（またはネオンガス）などが封入されている。
また、実施形態のタングステン合金部品を電極支持棒５として使う場合、電極支持棒全体が実施形態のタングステン合金であってもよいし、カソード電極と接合する部分について実施形態のタングステン合金を使い、残りの部分を他のリード材と接合する形状であってもよい。
また、放電ランプは、その種類によっては、電極支持棒にコイル部品を取り付けて電極とするものもある。このコイル部品に実施形態のタングステン合金を適用することも可能である。
また、実施形態の放電ランプは、実施形態のタングステン合金またはタングステン合金部品を用いたものである。放電ランプの種類は特に限定されるものではなく、低圧放電ランプと高圧放電ランプのどちらにも適用できる。また、低圧放電ランプは、一般照明、道路やトンネルなどに使われる特殊照明、塗料硬化装置、ＵＶ硬化装置、殺菌装置、半導体などの光洗浄装置など様々なアーク放電型の放電ランプが挙げられる。また、高圧放電ランプは、上下水の処理装置、一般照明、競技場などの屋外照明、ＵＶ硬化装置、半導体やプリント基板などの露光装置、ウエハ検査装置、プロジェクタなどの高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ナトリウムランプなどが挙げられる。
また、実施形態のタングステン合金部品は、送信管用部品にも好適である。送信管用部品としては、フィラメントまたはメッシュグリッドが挙げられる。また、メッシュグリッドは線材をメッシュ状に編んだものや、焼結体板に複数の穴を形成したものであってもよい。実施形態の送信管は、送信管用部品として実施形態のタングステン合金部品を使用しているのでエミッション特性などがよい。
また、実施形態のタングステン合金部品は、マグネトロン用部品にも好適である。マグネトロン用部品としては、コイル部品が挙げられる。図４にマグネトロン用部品の一例として、マグネトロン用陰極構体を示した。図中、７はコイル部品、８は上部支持部材、９は下部支持部材、１０は支持棒、１１はマグネトロン用陰極構体、である。上部支持部材８と下部支持部材９は支持棒１０を介して一体化されている。また、支持棒１０の周囲にはコイル部品７が配置され、上部支持部材８と下部支持部材９に一体化されている。このようなマグネトロン用部品は、電子レンジに好適である。また、コイル部品は、用いるタングステン線材の線径０．１〜１ｍｍが好ましい。また、コイル部品としての直径は２〜６ｍｍが好ましい。実施形態のタングステン合金部品は、マグネトロン用部品に用いたとき、優れたエミッション特性と高温強度を示す。そのため、それを用いたマグネトロンの信頼性を向上させることができる。
次に実施形態のタングステン合金及びタングステン合金部品の製造方法について説明する。実施形態のタングステン合金及びタングステン合金部品は前述の構成を有すればその製造方法は特に限定されるものではないが、効率のよい製造方法として以下の方法が挙げられる。
まず、原料となるタングステン粉末を用意する。タングステン粉末は平均粒径１〜１０μｍが好ましい。平均粒径が１μｍ未満では、タングステン粉末が凝集し易く、ＴａＣ成分を均一分散させ難い。また、１０μｍを超えると焼結体としての平均結晶粒径が１００μｍを超えてしまう恐れがある。また、純度は、目的とする用途にもあるが９９．０ｗｔ％以上、さらには９９．９ｗｔ％以上の高純度タングステン粉末であることが好ましい。
次に、ＴａＣ成分として、ＴａＣ粉末を用意する。また、ＴａＣ粉末の代わりに、Ｔａ粉末および炭素粉末の混合物を用いてもよい。また、ＴａＣ粉末単独ではなく、ＴａＣ粉末に、Ｔａ粉末または炭素粉末の１〜２種を混合したものであってもよい。この中では、ＴａＣ粉末を用いることが好ましい。ＴａＣ粉末は、焼結工程において、一部の炭素が分解してタングステン粉末中の不純物酸素と反応し、二酸化炭素となって系外に放出され、タングステン合金の均一化に貢献するので好ましい。Ｔａ粉末と炭素粉末の混合粉末で対応した場合、Ｔａ粉末と炭素粉末の両方を均一混合しないといけないので製造工程の負荷が増える。また、金属Ｔａは酸化し易いのでＴａＣ粉末を用いることが好ましい。
また、ＴａＣ成分粉末は、平均粒径０．５〜５μｍであることがこのましい。平均粒径が０．５μｍ未満ではＴａＣ粉末の凝集が大きく均一分散させ難い。また、５μｍを超えるとタングステン結晶の粒界に均一分散させ難くなる。また、均一分散という観点からすると、ＴａＣ粉末の平均粒径≦タングステン粉末の平均粒径、であることが好ましい。
また、ＴａＣ粉末またはＴａ粉末は、そのＴａ量を１００質量部としたとき、Ｎｂが５質量部以下であることが好ましい。ＴａＣ粉末またはＴａ粉末にはＮｂ成分が不純物として含まれる場合がある。Ｔａ量に対し、Ｎｂ量が５質量部以下であればＴａ成分の特性に良さを阻害しないで済む。また、Ｎｂ量は少ないほど好ましいが、原料の高純度化はコストアップの要因となる。そのため、Ｎｂ量は０．１〜３質量部がさらに好ましい範囲である。
また、必要に応じ、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種以上のドープ材を添加するものとする。添加量は０．０１ｗｔ％以下が好ましい。
次に、各原料粉末を均一混合する。混合工程は、ボールミルなどの混合機を用いて行うことが好ましい。混合工程は８時間以上、さらには２０時間以上行うことが好ましい。また、必要に応じ、有機バインダーや有機溶媒と混合してスラリーとしてもよい。また、必要に応じ、造粒工程を行ってもよい。
次に、金型でプレスし、成形体を作製する。必要に応じ、成形体に脱脂工程を行う。次に、焼結工程を行う。焼結工程は、水素、窒素などの不活性雰囲気または真空中で行うことが好ましい。また、焼結条件は温度１４００〜３０００℃にて１〜２０時間で行うことが好ましい。焼結温度が１４００℃未満または焼結時間が１時間未満では焼結が不十分であり、焼結体の強度が低下する。また、焼結温度が３０００℃を超えるまたは焼結時間が２０時間を超えるとタングステン結晶が粒成長し過ぎる恐れがある。また、水素、不活性雰囲気または真空中で焼結を行うことにより、焼結体表面部の炭素を系外に放出し易くできる。また、焼結工程は、通電焼結、常圧焼結、加圧焼結など特に限定されるものではない。
次に、焼結体を部品に加工するための工程を行う。部品に加工するための工程は、鍛造工程、圧延工程、線引き工程、切断工程、研磨工程などが挙げられる。また、コイル部品にする場合はコイリング工程が挙げられる。また、送信管用部品としてメッシュグリッドを作製する場合は、フィラメントをメッシュ状に組み上げる工程が挙げられる。
次に、部品に加工した後、必要に応じ、歪取り熱処理を行うものとする。歪取り熱処理は、不活性雰囲気または真空中で、１３００〜２５００℃の範囲で行うことが好ましい。歪取り熱処理を行うことにより、部品への加工工程で発生した内部応力を緩和し、部品の強度を向上させることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態によれば、Ｗ成分と、ＴａＣ粒子を含むＴａ成分とを含有するタングステン合金、タングステン合金を用いたタングステン合金部品、放電ランプ、送信管並びにマグネトロンが提供される。Ｔａ成分の量は、ＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲である。Ｔａ成分は、少なくともＴａＣを含むもので、ＴａＣ以外のＴａ含有化合物、Ｔａ単体等を含んでいても良い。Ｔａ含有化合物の例には、Ｔａ2Ｏ3が含まれる。また、ＴａＣ粒子の平均一次粒子径は１５μｍ以下である。
第２の実施形態によれば、Ｗ成分と、ＴａＣ粒子を含むＴａ成分とを含有するタングステン合金、タングステン合金を用いたタングステン合金部品、放電ランプ、送信管並びにマグネトロンが提供される。Ｔａ成分の量は、ＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲である。Ｔａ成分は、少なくともＴａＣを含むもので、ＴａＣ以外のＴａ含有化合物、Ｔａ単体等を含んでいても良い。Ｔａ含有化合物の例には、Ｔａ2Ｏ3が含まれる。また、ＴａＣ粒子の平均一次粒子径は１５μｍ以下である。
実施形態の放電ランプ用電極部品は、タングステン合金からなる放電ランプ用電極部品において、タングステン合金はＴａ成分をＴａＣ換算で０．１〜５ｗｔ％含有すると共に、Ｔａ成分の中でＴａＣ粒子の一次粒子径は平均粒径１５μｍ以下であることを特徴とするものである。
図５および図６に、実施形態の放電ランプ用電極部品の一例を示した。図中、２１は放電ランプ用電極部品、２２はテーパ形状の先端部を有する放電ランプ用電極部品、２３は先端部、２４は胴体部、である。放電ランプ用電極部品２１は円柱状であり、その先端部２３をテーパ形状に加工して放電ランプ用電極部品２２にする。なお、テーパ形状に加工する前の放電ランプ用電極部品２１は、通常、円柱形状であるが、四角柱形状であってもよい。
まず、タングステン合金は、Ｔａ成分をＴａＣ換算で０．１〜５ｗｔ％含有するものである。Ｔａ成分は、ＴａＣ、Ｔａの２種が挙げられる。ＴａＣ（炭化ハフニウム）の場合、Ｃ／Ｔａの原子比が１に限るものではなく、Ｃ／Ｔａの原子比が０．７５〜１の範囲のものを含むものとする。また、Ｔａ成分は、ＴａＣ（Ｃ／Ｔａ原子比＝１）換算で０．１〜５ｗｔ％含有するものである。Ｔａ成分は放電ランプ用電極部品においてエミッタ材として機能する成分である。Ｔａ成分の含有量がＴａＣ換算で０．１ｗｔ％未満ではエミッション特性が不十分である。一方、５ｗｔ％を超えると強度低下などを招く恐れがある。そのため、Ｔａ成分はＴａＣ換算で０．３〜３．０ｗｔ％、さらには０．５〜２．５ｗｔ％が好ましい。
また、Ｔａ成分は前述のようにＴａＣまたはＴａとして存在する。このうち、ＴａＣの一次粒子径は平均粒径１５μｍ以下の粒子であることが必要である。つまり、ＴａＣはＴａＣ粒子であることが重要である。ＴａＣ粒子はタングステン結晶粒子同士の粒界に存在する。そのため、ＴａＣ粒子があまり大きいとタングステン結晶粒子同士の隙間を大きくしてしまい、密度低下や強度低下の原因となる。また、タングステン結晶粒子同士の粒界に存在することにより、ＴａＣ粒子がエミッション材としてだけでなく、分散強化材としても機能するため電極部品の強度向上も得られる。
また、ＴａＣ粒子の一次粒子径は平均粒径５μｍ以下、かつ最大径１５μｍ以下であることが好ましい。また、ＴａＣ粒子は平均粒径０．１〜３μｍであることが好ましい。また、最大径は１〜１０μｍ以下であることが好ましい。平均粒径が０．１μｍ未満または最大径が１μｍ未満と小さなＴａＣ粒子ではエミッションによる消耗により早く消滅してしまう恐れがある。電極としての長寿命化を図るためには、ＴａＣ粒子は、平均粒径０．１μｍ以上または最大径１μｍ以上であることが好ましい。
また、ＴａＣ粒子の分散状態は、任意の直線２００μｍ上に２〜３０個の範囲であることが好ましい。ＴａＣ粒子の個数が直線２００μｍあたり２個未満（０〜１個）であると部分的にＴａＣ粒子が少なくなりエミッションのばらつきが大きくなる。一方、ＴａＣ粒子の個数が直線２００μｍあたり３０個を超えて多い（３１個以上）と、部分的にＴａＣ粒子が多くなりすぎ、強度低下などの悪影響がでる恐れがある。なお、ＴａＣ粒子の分散状態の測定方法は、タングステン合金の任意の断面を拡大撮影する。拡大写真は、１０００倍以上とする。拡大写真上に、任意の直線２００μｍ（線の太さ０．５ｍｍ）を引き、その線上に存在するＴａＣ粒子の個数をカウントするものとする。
また、ＴａＣ粒子の二次粒子は最大径１００μｍ以下であることが好ましい。ＴａＣ粒子の二次粒子とは、一次粒子の凝集体のことである。二次粒子が１００μｍを超えて大きいとタングステン合金部品の強度が低下する。そのため、ＴａＣ粒子の二次粒子の最大径は１００μｍ以下、５０μｍ以下、さらには２０μｍ以下と小さいことが好ましい。
また、Ｔａ成分のうち、Ｔａ（金属Ｔａ）に関しては、様々な分散状態がある。
第一の分散状態は、金属Ｔａ粒子として存在するものである。金属Ｔａ粒子はＴａＣ粒子と同様にタングステン結晶粒子同士の粒界に存在する。タングステン結晶粒子同士の粒界に存在することにより、金属Ｔａ粒子もエミッション材および分散強化材として機能する。そのため、金属Ｔａ粒子の一次粒子径は、平均粒径１５μｍ以下、さらには１０μｍ以下、０．１〜３μｍが好ましい。また、最大径は１５μｍ以下、さらには１０μｍ以下が好ましい。また、金属Ｔａ粒子は、タングステン合金を作製する場合に、予めＴａＣ粒子と金属Ｔａ粒子を混合してもよいし、ＴａＣ粒子を製造工程中に脱炭する方法でもよい。なお、脱炭する方法を使えば、タングステン中の酸素と反応して二酸化炭素として系外に放出する脱酸効果も得られることから好ましい。脱酸ができれば、タングステン合金の電気抵抗を下げることができるので電極として導電性が向上する。また、金属Ｔａ粒子の一部はＴａ2Ｏ3粒子になってもよい。
また、第二の分散状態は、ＴａＣ粒子の表面に金属Ｔａが存在するものである。第一の分散状態と同様にタングステン合金の焼結体を作製する場合にＴａＣ粒子表面から炭素が脱炭されて、表面に金属Ｔａ被膜が形成された状態となる。金属Ｔａ被膜付きＴａＣ粒子であっても、すぐれたエミッション特性を示す。また、金属Ｔａ被膜付きＴａＣ粒子は、平均粒径１５μｍ以下、さらには１０μｍ以下、０．１〜３μｍが好ましい。また、最大径は１５μｍ以下、さらには１０μｍ以下が好ましい。
また、第三の分散状態は、金属Ｔａの一部または全部はタングステンに固溶しているものである。金属Ｔａはタングステンと固溶体を形成する組合せである。固溶体を形成することでタングステン合金の強度を向上させることができる。また、固溶の有無の測定方法は、ＸＲＤ分析によって可能である。まず、Ｔａ成分および炭素の含有量を測定する。また、Ｔａ成分中のＴａ量と炭素量からＴａＣ換算し、ＴａＣx，ｘ＜１であることを確認する。次にＸＲＤ分析を行い金属Ｔａのピークが検出されないことを確認する。ＴａＣx、ｘ＜１と炭化タンタルになっていないタンタルが存在するにも関わらず、金属Ｔａのピークが検出されないということは金属Ｔａがタングステンに固溶していることを意味する。
一方、ＴａＣｘ、ｘ＜１と炭化タンタルになっていないタンタルが存在し、その上で金属Ｔａのピークが検出されるということは金属Ｔａが固溶せずタングステン結晶同士の粒界に存在する第一の分散状態であることを意味するものである。また、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）やＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を使うことにより第二の分散状態であることは分析できる。
金属Ｔａの分散状態は、第一の分散状態、第二の分散状態、第三の分散状態のいずれか１種または２種以上の組合せであってもよい。
また、Ｔａ成分の全含有量（Ｔａ含有量）を１００質量部としたとき、ＴａＣ粒子になっているＴａの割合は０．１〜５０質量部であることが好ましい。Ｔａ成分は、当然ながら、そのすべてがＴａＣ粒子であってもよい。ＴａＣ粒子であれば、エミッション特性は得られる。一方、金属Ｔａを分散させることにより、タングステン合金の導電性や強度を向上させることができる。しかしながら、Ｔａ成分すべてが金属Ｔａであるとエミッション特性や高温強度が低下する。金属Ｔａは融点２９９０℃、ＴａＣの融点３９８０℃、金属タングステンの融点３４００℃である。ＴａＣの方が融点が高いことから、ＴａＣを所定量含有した方が高温強度が向上する。
なお、ＴａＣと金属Ｔａの含有量を分析する方法は、ＩＣＰ分析法によりタングステン合金中の全Ｔａ量を測定する。次に、燃焼−赤外線吸収法によりタングステン合金中の全炭素量を測定する。タングステン合金がＴａ成分とＷ成分との２元系である場合、測定された全炭素量すべてがＴａＣになっていると考えて良い。そのため、測定された全Ｔａ量と全炭素量の比較でＴａ成分中のＴａＣ量を測定することができる。なお、この方法の場合は、Ｃ／Ｔａ＝１にてＴａＣ量を計算するものとする。
また、ＴａＣ粒子のサイズの測定は、タングステン合金焼結体の任意の断面において拡大写真を撮り、そこに写るＴａＣ粒子のもっとも長い対角線をＴａＣ粒子の粒径として測定する。この作業をＴａＣ粒子５０個分を測定し、その平均値をＴａＣ粒子の平均粒径とする。また、ＴａＣ粒子の粒径（もっとも長い対角線）の中で一番大きな値をＴａＣ粒子の最大径とする。
また、タングステン合金は、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも１種からなるドープ材を０．０１ｗｔ％以下含有してもよい。Ｋ（カリウム）、Ｓｉ（珪素）、Ａｌ（アルミニウム）はいわゆるドープ材であり、これらドープ材を添加することにより再結晶特性を向上させることができる。再結晶特性を向上させることにより、再結晶熱処理を行った際に均一な再結晶組織を得易くなる。また、ドープ材の含有量の下限は特に限定されるものではないが、０．００１ｗｔ％以上であることが好ましい。０．００１ｗｔ％未満では添加の効果が小さく、また、０．０１ｗｔ％を超えると焼結性および加工性が悪くなり量産性が悪くなる。
また、タングステン合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｏ及び希土類元素よりなる群から選択される少なくとも１種を２ｗｔ％以下含有してもよい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｏ、希土類元素は、それぞれ、金属単体、酸化物、炭化物のいずれか１種の形態が挙げられる。また、２種以上を含有してもよい。なお、２種以上を含有する場合であっても、その合計は２ｗｔ％以下が好ましい。これらの含有成分は、主に分散強化材として機能するものである。ＴａＣ粒子はエミッション材として機能するものであるから、放電ランプを長時間使用していると消耗してくる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｏ、希土類元素はエミッション特性が弱いため、エミッションによる消耗が少ないため長期に渡り分散強化材としての機能を維持することができる。含有量の下限は特に限定されるものではないが、０．０１ｗｔ％以上であることが好ましい。また、これらの成分の中では、Ｚｒ、Ｈｆ、希土類元素が好ましい。これら成分は原子半径が０．１６ｎｍ以上と大きな原子であるため、表面電流密度が大きい成分である。言い換えれば、原子半径が０．１６ｎｍ以上の元素を含む金属単体またはその化合物が好ましいと言える。
また、放電ランプ用電極部品は先端をテーパ形状とした先端部と円柱状の胴体部を有することが好ましい。テーパ形状、つまりは先端部を尖らせた形状とすることにより放電ランプ用電極部品としての特性が向上する。図６に示したように、先端部２３と胴体部２４の長さの割合は特に限定されるものではなく、用途に応じて決めるものとする。
また、放電ランプ用電極部品の線径φは０．１〜３０ｍｍであることが好ましい。０．１ｍｍ未満では電極部品としての強度が保てず、放電ランプに組み込む際に折れたり、先端部をテーパ加工する際に折れたりする恐れがある。また、３０ｍｍを超えて大きいと後述するようなタングステン結晶組織の均一性を制御し難くなる。
また、胴体部の円周方向断面（横断面）の結晶組織を観察したとき、単位面積３００μｍ×３００μｍあたりタングステン結晶は結晶粒径が１〜８０μｍのものが面積率９０％以上であることが好ましい。図７に胴体部の円周方向断面の一例を示した。図中、２４は胴体部、２５は円周方向断面、である。円周方向断面の結晶組織を測定する際は、胴体部の長さの中心の断面を拡大写真にて撮影するものとする。また、線径が細く、一視野で単位面積３００μｍ×３００μｍが測定できないときは、任意の円周方向断面を複数回撮影するものとする。拡大写真において、そこに写るタングステン結晶粒子の最も長い対角線を最大径とし、その最大径が１〜８０μｍの範囲内に入っているものの面積％を測定するものとする。
胴体部の円周方向断面のタングステン結晶が単位面積あたり結晶粒径が１〜８０μｍのものが面積率９０％以上であるということは、結晶粒径が１μｍ未満の小さなタングステン結晶および８０μｍを超える大きなタングステン結晶が少ないことを示す。１μｍ未満のタングステン結晶が多すぎるとタングステン結晶粒子同士の粒界が小さくなり過ぎてしまう。粒界中にＴａＣ粒子の割合が増えてしまうと、エミッションによりＴａＣ粒子が消耗した場合に大きな欠陥となりタングステン合金の強度が低下する。一方、８０μｍを超えて大きなタングステン結晶粒子が多いと、粒界が大きくなり過ぎてタングステン合金の強度が低下する。より好ましくは結晶粒径が１〜８０μｍのものが面積率９６％以上、さらには面積率１００％である。
また、円周方向断面のタングステン結晶粒子の平均粒径は５０μｍ以下、さらには２０μｍ以下が好ましい。また、タングステン結晶粒子の平均アスペクト比は３未満であることが好ましい。なお、アスペクト比を測定する際は、単位面積３００μｍ×３００μｍの拡大写真を撮影し、そこに写るタングステン結晶粒子の最大径（フェレー径）を長径Ｌ、長径Ｌの中心から垂直に伸ばした粒径を短径Ｓとし、長径Ｌ／短径Ｓ＝アスペクト比とする。この作業を５０粒行い、その平均値を平均アスペクト比とする。また、平均粒径を求める際は、（長径Ｌ＋短径Ｓ）／２＝粒径とし、５０粒の平均値を平均粒径とする。
また、胴体部の側面方向断面（縦断面）の結晶組織を観察したとき、単位面積３００μｍ×３００μｍあたりタングステン結晶は結晶粒径が２〜１２０μｍのものが面積率９０％以上であることが好ましい。図８に側面方向断面の一例を示した。図中、２４は胴体部、２６は側面方向断面、である。側面方向断面の結晶組織を測定する際は、胴体部の線径の中心を通る断面を測定するものとする。また、一視野で単位面積３００μｍ×３００μｍが測定できないときは、任意の側面方向断面を複数回撮影するものとする。拡大写真において、そこに写るタングステン結晶粒子の最も長い対角線を最大径とし、その最大径が２〜１２０μｍの範囲内に入っているものの面積％を測定するものとする。
胴体部の側面方向断面のタングステン結晶が単位面積あたり結晶粒径が２〜１２０μｍのものが面積率９０％以上であるということは、結晶粒径が２μｍ未満の小さなタングステン結晶および１２０μｍを超える大きなタングステン結晶が少ないことを示す。２μｍ未満のタングステン結晶が多すぎるとタングステン結晶粒子同士の粒界が小さくなり過ぎてしまう。粒界中にＴａＣ粒子の割合が増えてしまうと、エミッションによりＴａＣ粒子が消耗した場合に大きな欠陥となりタングステン合金の強度が低下する。一方、１２０μｍを超えて大きなタングステン結晶粒子が多いと、粒界が大きくなり過ぎてタングステン合金の強度が低下する。より好ましくは結晶粒径が２〜１２０μｍのものが面積率９６％以上、さらには面積率１００％である。
また、側面方向断面のタングステン結晶粒子の平均粒径は７０μｍ以下、さらには４０μｍ以下が好ましい。また、タングステン結晶粒子の平均アスペクト比は３以上であることが好ましい。なお、平均粒径や平均アスペクト比の測定方法は円周方向断面と同じである。
以上のように、タングステン結晶粒子のサイズ、Ｔａ成分のサイズや割合を制御することにより、放電特性に優れ、かつ強度、特に高温強度のタングステン合金を提供することが可能となる。そのため、放電ランプ用電極部品の特性も向上する。
また、タングステン合金は、相対密度は９５．０％以上、さらには９８．０％以上であることが好ましい。相対密度が９５．０％未満であると気泡が増えて強度低下や部分放電などの悪影響がでる恐れがある。なお、相対密度の求め方は、アルキメデス法による実測密度を理論密度で割った値である。（実測密度／理論密度）×１００（％）＝相対密度、となる。また、理論密度は、タングステンの理論密度１９．３ｇ／ｃｍ３、タンタルの理論密度１６．６５ｇ／ｃｍ３、炭化タンタルの理論密度１３．９ｇ／ｃｍ３、としてそれぞれ質量比に応じて計算により求めるものとする。例えば、ＴａＣを１ｗｔ％、Ｔａを０．２ｗｔ％、残部タングステンからなるタングステン合金の場合、１６．６５×０．０１＋１３．９×０．００２＋１９．３×０．９８８＝１９．２６２７ｇ／ｃｍ３が理論密度になる。また、理論密度を計算する場合は、不純物の存在は考慮しなくてよい。
また、タングステン合金は、ビッカース硬度ＨＶ３３０以上であることが好ましい。さらにはＨｖ３３０〜７００の範囲内であることが好ましい。ビッカース硬度がＨｖ３３０未満ではタングステン合金が柔らか過ぎて強度が低下する。一方、Ｈｖ７００を超えるとタングステン合金が硬過ぎて先端部をテーパ形状に加工し難くなる。また、硬過ぎると胴体部の長い電極部品の場合に柔軟性がなく折れやすくなる恐れがある。また、タングステン合金の３点曲げ強度を４００ＭＰａ以上と高くすることができる。
また、放電ランプ用電極部品の表面粗さＲａが５μｍ以下であることが好ましい。特に、先端部に関しては表面粗さＲａは５μｍ以下、さらには３μｍ以下と小さいことが好ましい。表面凹凸が大きいとエミッション特性が低下する。
以上のような放電ランプ用電極部品であれば、様々な放電ランプに適用することができる。そのため、印加電圧が１００Ｖ以上と大きな電圧をかけても長寿命を成し得ることができる。また、前述のような低圧放電ランプや高圧放電ランプなど、特に使用制限を受けるものではなく。また、胴体部の線径が０．１〜３０ｍｍと、線径が０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下の細いサイズ、３ｍｍを超えて１０ｍｍ以下の中くらいのサイズ、１０ｍｍを超えて３０ｍｍ以下の太いものまで適用可能である。また、電極胴体部の長さは１０〜６００ｍｍであることが好ましい。
図９に放電ランプの一例を示した。図中、２２は電極部品（先端部をテーパ加工済み）、２７は放電ランプ、２８は電極支持棒、２９はガラス管、である。放電ランプ２７は、一対の電極部品２２を電極先端部を向い合せになるように配置する。電極部品２２は電極支持棒２８に接合されている。また、ガラス管２９の内面には、図示しない蛍光体層が設けられている。また、ガラス管の内部には、必要に応じ、水銀、ハロゲン、アルゴンガス（またはネオンガス）などが封入されている。
また、実施形態の放電ランプは、実施形態の電極部品を用いたものである。放電ランプの種類は特に限定されるものではなく、低圧放電ランプと高圧放電ランプのどちらにも適用できる。また、低圧放電ランプは、一般照明、道路やトンネルなどに使われる特殊照明、塗料硬化装置、ＵＶ硬化装置、殺菌装置、半導体などの光洗浄装置など様々なアーク放電型の放電ランプが挙げられる。また、高圧放電ランプは、上下水の処理装置、一般照明、競技場などの屋外照明、ＵＶ硬化装置、半導体やプリント基板などの露光装置、ウエハ検査装置、プロジェクタなどの高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ナトリウムランプなどが挙げられる。また、タングステン合金の強度を向上させているので、自動車用放電ランプのように移動（振動）を伴う分野にも適用できる。
次に、製造方法について説明する。実施形態のタングステン合金及び放電ランプ用電極部品は、前述の構成を有すれば製造方法は特に限定されるものではないが、効率よく得るための製造方法として次のものが挙げられる。
まず、タングステン合金の製造方法として、Ｔａ成分を含有したタングステン合金粉末の調製を行う。
まず、Ｔａ成分として、ＴａＣ粉末を用意する。ＴａＣ粒子は一次粒子径が平均粒径１５μｍ以下、さらには平均粒径５μｍ以下が好ましい。また、篩を使用して最大径１５μｍを超えるものを予め除去することが好ましい。また、最大径を１０μｍ以下にしたいときは目的のメッシュ径を有する篩を使って大きなＴａＣ粒子を除去する。また、小さな粒径のＴａＣ粒子を除去したい場合も目的のメッシュ径を有する篩を使って除去するものとする。また、篩通しを行う前に、ＴａＣ粒子をボールミル等により粉砕工程を行うことが好ましい。粉砕工程を行うことにより、凝集体を破壊できるので篩通しによる粒径制御を行い易くなる。
次に、金属タングステン粉末を混合する工程を行う。また、金属タングステン粉末は平均粒径０．５〜１０μｍのものが好ましい。また、タングステン純度９８．０ｗｔ％以上、酸素含有量１ｗｔ％以下、不純物金属成分１ｗｔ％以下のタングステン粉末がよい。また、ＴａＣ粒子と同様に、予めボールミル等により粉砕し、篩通し工程により、小さな粒子および大きな粒子を除去しておくことが好ましい。
ＴａＣ換算したときに目的とするＴａ成分量（ＴａＣ換算０．１〜５ｗｔ％）になるように金属タングステン粉末を添加するものとする。ＴａＣ粒子と金属タングステン粉末の混合粉末を混合容器に入れ、混合容器を回転させ均一に混合させる。このとき、混合容器を円筒形状とし、円周方向に回転させることにより、スムーズに混合させることができる。この工程により、ＴａＣ粒子を含有するタングステン粉末を調製することができる。また、後述の焼結工程時に脱炭することを考慮して炭素粉末を微量添加してもよい。このとき、脱炭する炭素量と同量以下にするものとする。
次に、得られたＴａＣ粒子を含有するタングステン粉末を使って成形体を調製する。成形体を形成する際は、必要に応じ、バインダーを使うものとする。また、成形体は円柱形状であるときは直径０．１〜４０ｍｍの円柱形状であることが好ましい。また、後述するように板状の焼結体から切り出す場合は、成形体のサイズは任意である。また、成形体の長さ（厚さ）は任意である。
次に、成形体を予備焼結する工程を行う。予備焼結は１２５０〜１５００℃で行うことが好ましい。この工程により、予備焼結体を得ることができる。次に、予備焼結体を通電焼結する工程を行う。通電焼結は、焼結体が２１００〜２５００℃の温度になるように通電することが好ましい。温度が２１００℃未満では十分な緻密化ができず強度が低下する。また、２５００℃を超えると、ＴａＣ粒子およびタングステン粒子が粒成長し過ぎて目的とする結晶組織が得られない。
また、別の方法では、成形体を温度１４００〜３０００℃で１〜２０時間で行うこと方法がある。焼結温度が１４００℃未満または焼結時間が１時間未満では焼結が不十分であり、焼結体の強度が低下する。また、焼結温度が３０００℃を超えるまたは焼結時間が２０時間を超えるとタングステン結晶が粒成長し過ぎる恐れがある。
また、焼結雰囲気は、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中、水素などの還元雰囲気中、真空中が挙げられる。これらの雰囲気であれば焼結工程時に、ＴａＣ粒子の炭素が脱炭する。脱炭の際にタングステン粉末中の不純物酸素を一緒に除去するので、タングステン合金中の酸素含有量を１ｗｔ％以下、さらには０．５ｗｔ％以下と小さくすることができる。タングステン合金中の酸素含有量が減ると導電性が向上する。
この焼結工程により、Ｔａ成分含有タングステン焼結体を得ることができる。また、予備焼結体が円柱形状であれば焼結体も円柱状焼結体（インゴット）になる。また、板状焼結体の場合は、所定のサイズに切り出す工程を行う。この切り出し工程により円柱状焼結体（インゴット）になる。
次に、円柱状焼結体（インゴット）を、鍛造加工、圧延加工、線引加工などにより、線径を調製していく工程を行うものとする。その際の加工率は３０〜９０％の範囲であることが好ましい。この加工率とは、加工前の円柱状焼結体の断面積をＡ、加工後の円柱状焼結体の断面積をＢとしたとき、加工率＝［（Ａ−Ｂ）／Ａ］×１００％、により求めるものである。また、線径の調製は複数回の加工により行うことが好ましい。複数回の加工を行うことにより、加工前の円柱状焼結体のポアをつぶし密度の高い電極部品を得ることができる。
例えば、直径２５ｍｍの円柱状焼結体を直径２０ｍｍの円柱状焼結体に加工した場合を使って説明する。直径２５ｍｍの円の断面積Ａは４６０．６ｍｍ２、直径２０ｍｍの円の断面積Ｂは３１４ｍｍ２であるから加工率は３２％＝［（４６０．６−３１４）／４６０．６］×１００％となる。このとき直径２５ｍｍから直径２０ｍｍへの加工を複数回の線引加工などにより加工することが好ましい。
また、加工率が３０％未満と低いと、結晶組織が加工方向に十分延ばされず、タングステン結晶およびトリウム成分粒子が目的とするサイズになり難くなる。また、加工率が３０％未満と小さいと加工前の円柱状焼結体内部のポアが十分につぶれず、そのまま残存する恐れがある。内部ポアが残存するとカソード部品の耐久性などが低下する原因となる。一方、加工率が９０％を超えて大きいと、加工し過ぎにより断線して歩留まりが低下する恐れがある。このため、加工率は３０〜９０％、好ましくは３５〜６５％である。
なお、焼結上がりのタングステン合金の相対密度が９５％以上の場合は、必ずしも所定の加工率で加工しなくてもよい。
また、線径を０．１〜３０ｍｍに加工した後、必要な長さに切断することにより、電極部品となる。また、必要に応じ、先端部をテーパ形状に加工する。また、必要に応じ、研磨加工、熱処理（再結晶熱処理など）、形状加工を行うものとする。
また、再結晶熱処理は還元雰囲気、不活性雰囲気または真空中で、１３００〜２５００℃の範囲で行うことが好ましい。再結晶熱処理を行うことにより、電極部品への加工工程で発生した内部応力を緩和する歪取り熱処理の効果が得られ、部品の強度を向上させることができる。
以上のような製造方法によれば、実施形態のタングステン合金及び放電ランプ用電極部品を効率的に製造することができる。
第１の実施形態のタングステン合金において、第２の実施形態で挙げた物性を特定するか、第２の実施形態のタングステン合金において、第１の実施形態で挙げた物性を特定することにより、エミッション特性のさらなる向上を期待できる。例えば、第１の実施形態のタングステン合金において、ＴａＣ粒子の一次粒子径及び二次粒子径、ＴａＣ粒子の分散状態、金属Ｔａの分散状態、ＴａＣになっているＴａの割合、分散強化材、相対密度、ビッカース硬度のうちいずれかを第２の実施形態のように特定することで、エミッション特性を向上することができる。また、第１の実施形態のタングステン合金部品において、断面の結晶組織、表面粗さＲａを第２の実施形態のように特定することで、エミッション特性を向上することができる。
（実施例１）
原料粉末として、平均粒径２μｍのタングステン粉末（純度９９．９９ｗｔ％）に、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末（純度９９．０％）を１．５ｗｔ％となるように添加した。なお、ＴａＣ粉末にはＴａ量を１００質量部としたとき不純物Ｎｂ量は０．５質量部であった。
原料粉末として、平均粒径２μｍのタングステン粉末（純度９９．９９ｗｔ％）に、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末（純度９９．０％）を１．５ｗｔ％となるように添加した。なお、ＴａＣ粉末にはＴａ量を１００質量部としたとき不純物Ｎｂ量は０．５質量部であった。
原料粉末をボールミルにより１０時間混合して混合原料粉末を調製した。次に、混合原料粉末を金型に入れて、成形体を作製した。得られた成形体を水素中で１８００℃×１０時間の炉焼結を行った。この工程により、縦１６ｍｍ×横１６ｍｍ×長さ４２０ｍｍの焼結体を得た。
鍛造加工などにより径が断面四角形状の棒を作成し、次に、直径２．４ｍｍ×長さ１５０ｍｍの円柱体の試料を切り出した。試料に対し、センタレス研磨加工を施し、表面粗さＲａを５μｍ以下にした。次に、歪取り熱処理として、水素中にて１６００℃の熱処理を施した。
これにより、実施例１に係るタングステン合金部品としてエミッション特性測定用電極を作成し、エミッション電流測定を行った。
（比較例１）
ＴｈＯ２を２ｗｔ％含有するタングステン合金からなる同サイズの放電ランプ用カソード部品を作製した。
ＴｈＯ２を２ｗｔ％含有するタングステン合金からなる同サイズの放電ランプ用カソード部品を作製した。
実施例１に係るタングステン合金部品に関して、ＴａＣ成分の含有量、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算した時のｘ値、表面部と中心部の炭素量、タングステン結晶の平均粒径を調べた。ＴａＣ成分の含有量の分析は、ＩＣＰ分析、燃焼−赤外線吸収法により、Ｔａ量、炭素量を分析し、ＴａＣｘ換算した。また、表面部と中心部の炭素量の分析は、表面から１０μｍの範囲および円柱断面から測定用試料を切り取り、それぞれ炭素量を測定した。また、タングステンの平均結晶粒径は、任意の断面組織において最大フェレー径を１００粒測定し、その平均値を平均結晶粒径とした。その結果を表１に示す。
次に、実施例１および比較例１に係る放電ランプ用カソード部品のエミッション特性を調べた。エミッション特性の測定は、印加電圧（Ｖ）を１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖと変化させ、エミッション電流密度（ｍＡ／ｍｍ2）を測定した。カソード部品への印加電流負荷１８±０．５Ａ／Ｗ、印加時間２０ｍｓで測定した。その結果を図１０に示す。
図１０から分かる通り、実施例１は比較例１と比べて、エミッション特性が優れていることが分かった。この結果、実施例１の放電ランプ用カソード部品は放射性物質である酸化トリウムを使わずに、優れたエミッション特性を示すことが分かる。なお、測定時は、カソード部品は２１００〜２２００℃になっていた。このため、実施例１に係るカソード部品は高温強度や寿命なども優れていることが分かる。
（実施例２〜５）
次に、ＴａＣの添加量、ドープ材としてＫ添加量を表２のように変えた原料混合粉末を調製した。各原料混合粉末を金型成形し、水素中にて１５００〜１９００℃で７〜１６時間焼結して焼結体を得た。なお、実施例２〜３は必要に応じ、鍛造加工などを行って焼結体サイズを実施例１と同様にして、切り出し工程を行った。また、実施例４〜５は、成形体サイズを調製して直径２．４ｍｍ×長さ１５０ｍｍの焼結体を直接得たものである。
次に、ＴａＣの添加量、ドープ材としてＫ添加量を表２のように変えた原料混合粉末を調製した。各原料混合粉末を金型成形し、水素中にて１５００〜１９００℃で７〜１６時間焼結して焼結体を得た。なお、実施例２〜３は必要に応じ、鍛造加工などを行って焼結体サイズを実施例１と同様にして、切り出し工程を行った。また、実施例４〜５は、成形体サイズを調製して直径２．４ｍｍ×長さ１５０ｍｍの焼結体を直接得たものである。
各試料に対し、センタレス研磨加工を施し、表面粗さＲａを５μｍ以下にした。次に、歪取り熱処理として、水素中にて１４００〜１７００℃の熱処理を施した。これにより、実施例２〜５に係る放電ランプ用カソード部品を作製し、実施例１と同様の測定を行った。その結果を表３に示す。
次に、実施例１と同様の条件にて、エミッション特性を評価した。その結果を表４に示す。
表から分かる通り、本実施例に係る放電ランプ用カソード部品は、いずれも優れた特性を示した。なお、測定時は、カソード部品は２１００〜２２００℃になっていた。このため、実施例２〜５に係るカソード部品は高温強度や寿命なども優れていることが分かる。
（実施例１１〜１８、比較例１１）
原料粉末として表５に示したタングステン粉末（純度９９．０ｗｔ％以上）、ＴａＣ粉末を用意した。いずれの粉末もボールミルにより十分ほぐし、必要に応じ、それぞれ最大径が表５に示した値になるように篩通し工程を行ったものである。
原料粉末として表５に示したタングステン粉末（純度９９．０ｗｔ％以上）、ＴａＣ粉末を用意した。いずれの粉末もボールミルにより十分ほぐし、必要に応じ、それぞれ最大径が表５に示した値になるように篩通し工程を行ったものである。
次にタングステン粉末とＴａＣ粉末を、タングステン合金中のＴａ成分のＴａＣ換算での量が表６に示す割合となるように混合して、ボールミルにより再度混合した。次に成形して成形体を調製した。次に表６に示した条件により焼結工程を行った。縦１６ｍｍ×横１６ｍｍ×長さ４２０ｍｍの焼結体を得た。
次に、得られたタングステン合金焼結体から、円柱状焼結体（インゴット）を切り出し、鍛造加工、圧延加工、線引加工を適宜組合せて線径を調整した。加工率は表７に示す通りである。また、線径を調整後、所定の長さに切断し、先端部をテーパ形状に加工した。その後、表面研磨して表面粗さＲａをＲａ５μｍ以下に研磨した。次に、水素雰囲気中にて１６００℃の再結晶熱処理を施した。これにより、放電ランプ用電極部品を完成させた。
次に、各放電ランプ用電極部品の胴体部の円周方向断面と側面方向断面の拡大写真を撮り、ＴａＣ成分の一次粒子の平均粒径、一次粒子及び二次粒子の最大径、タングステン結晶粒子の割合、平均粒径、アスペクト比を測定した。拡大写真に関しては、それぞれ胴体部の中心を通る円周断面および側面方向断面を切り出し、任意の単位面積３００μｍ×３００μｍについて調べた。その結果を表８に示す。
次に各放電ランプ用電極部品に対して、Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算した時のｘ値、Ｔａ成分中のＴａＣの割合を測定した。また、酸素含有量、相対密度（％）、ビッカース硬度（Ｈｖ）、３点曲げ強度を求めた。
Ｔａ成分中のＴａＣの割合は、ＩＣＰ分析法によりタングステン合金中のＴａ量、燃焼−赤外線吸収法によりタングステン合金中の炭素量を測定する。タングステン合金中の炭素はＴａＣになっていると考えて良い。そのため、検出された全Ｔａ量を１００重量部とし、ＴａＣになるＴａ量を換算し、その質量比を求めるものとする。また、タングステン合金中の酸素含有量は不活性ガス燃焼−赤外線吸収法により分析した。また、相対密度は、アルキメデス法により分析した実測密度を理論密度で割って求めた。なお、理論密度は前述の計算により求めた。また、ビッカース硬度（Ｈｖ）は、ＪＩＳ−Ｚ−２２４４に準じて求めた。また、３点曲げ強度は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じて求めた。その結果を表９に示す。
本実施例に係る放電ランプ用電極部品は密度が高く、ビッカース硬度（Ｈｖ）も優れた値を示した。これは、ＴａＣの一部が脱炭したためである。また、ＴａＣになっていないＴａ成分は、金属Ｔａ粒子になったもの、ＴａＣ粒子の表面の一部が金属Ｔａになったもの、タングステンとタンタルの固溶体になったもの、のいずれかの状態であった。
（実施例１９〜２３）
次に、タングステン粉末およびＴａＣ粉末として実施例１２と同様のものを用い、第二の成分として表１０に示した組成に変えたものを用意した。焼結条件を水素雰囲気中、２０００℃で炉焼結としてインゴットを得た。インゴットを加工率５０％で加工して、線径１０ｍｍの電極部品を得た。また、水素雰囲気中にて１６００℃の再結晶熱処理を施した。各実施例に対して、同様の測定を行った。その結果を、表１０〜１２に示した。
次に、タングステン粉末およびＴａＣ粉末として実施例１２と同様のものを用い、第二の成分として表１０に示した組成に変えたものを用意した。焼結条件を水素雰囲気中、２０００℃で炉焼結としてインゴットを得た。インゴットを加工率５０％で加工して、線径１０ｍｍの電極部品を得た。また、水素雰囲気中にて１６００℃の再結晶熱処理を施した。各実施例に対して、同様の測定を行った。その結果を、表１０〜１２に示した。
表から分かる通り、添加元素を用いることにより、分散強化機能が強化し、タングステン結晶の粒成長が抑制されるため強度の向上が見られた。
（実施例１１Ａ〜２３Ａ、比較例１１−１Ａ〜１１−２Ａおよび比較例１２Ａ）
実施例１１〜２３、比較例１１−１および比較例１１−２の放電ランプ用電極部品のエミッション特性を調べた。エミッション特性の測定は、印加電圧（Ｖ）を１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖと変化させ、エミッション電流密度（ｍＡ／ｍｍ２）を測定した。放電ランプ用電極部品への印加電流負荷１８±０．５Ａ／Ｗ、印加時間２０ｍｓで測定した。
実施例１１〜２３、比較例１１−１および比較例１１−２の放電ランプ用電極部品のエミッション特性を調べた。エミッション特性の測定は、印加電圧（Ｖ）を１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖと変化させ、エミッション電流密度（ｍＡ／ｍｍ２）を測定した。放電ランプ用電極部品への印加電流負荷１８±０．５Ａ／Ｗ、印加時間２０ｍｓで測定した。
また、比較例１２として、ＴｈＯ２を２ｗｔ％含有するタングステン合金からなる線径８ｍｍの放電ランプ用電極部品を作製した。その結果を表１３に示す。
各実施例に係る放電ランプ用電極部品は、酸化トリウムを使用しないにも関わらず、酸化トリウムを使用した比較例１２と同等以上のエミッション特性を示した。また、測定時は、カソード部品は２１００〜２２００℃になっていた。このため、各実施例に係る放電ランプ用電極部品は高温強度も優れるものである。
（実施例２４〜２６）
次に、実施例１１、実施例１３、実施例１６の放電ランプ用電極に対し、再結晶熱処理条件を１８００℃に変えた以外は同じ製造方法にて製造したものを実施例２４（実施例１１の再結晶熱処理条件を１８００℃に変えたもの）、実施例２５（実施例１３の再結晶熱処理条件を１８００℃に変えたもの）、実施例２６（実施例１６の再結晶熱処理条件を１８００℃に変えたもの）として用意した。同様の測定を行った。その結果を表１４〜１５に示す。
次に、実施例１１、実施例１３、実施例１６の放電ランプ用電極に対し、再結晶熱処理条件を１８００℃に変えた以外は同じ製造方法にて製造したものを実施例２４（実施例１１の再結晶熱処理条件を１８００℃に変えたもの）、実施例２５（実施例１３の再結晶熱処理条件を１８００℃に変えたもの）、実施例２６（実施例１６の再結晶熱処理条件を１８００℃に変えたもの）として用意した。同様の測定を行った。その結果を表１４〜１５に示す。
本実施例に係る放電ランプ用電極部品は密度が高く、ビッカース硬度（Ｈｖ）および３点曲げ強度も優れた値を示した。これは、ＴａＣの一部が脱炭したためである。また、ＴａＣになっていないＴａ成分を分析した結果、いずれもタングステンとタンタルの固溶体になったものであった。つまり、Ｔａ成分としてＴａとＴａＣの２種が存在するものであった。このため、再結晶熱処理温度を１７００℃以上にすると金属Ｔａをタングステンに固溶させ易いことが分かる。また、エミッション特性を実施例１１Ａと同様の方法により測定した。その結果を表１６に示す。
上記のように金属Ｔａをすべてタングステンに固溶させることによりエミッション特性が向上することが分かった。これは固溶により金属Ｔａがタングステン合金の表面に存在し易くなったためであると考えられる。
また、上記のようにエミッション特性に優れることから放電ランプ用電極部品に限らず、エミッション特性を要求されるマグネトロン用部品（コイル部品）、送信管用部品（メッシュグリット）などの分野にも使用できる。
１…カソード電極、２…電極胴体部、３…電極先端部、４…放電ランプ、５…電極支持棒、６…ガラス管、７…コイル部品、８…上部支持部材、９…下部支持部材、１０…支持棒、１１…マグネトロン用陰極構体、２１…放電ランプ用電極部品、２２…テーパ形状の先端部を有する放電ランプ用電極部品、２３…先端部、２４…胴体部、２５…円周方向断面、２６…側面方向断面、２７…放電ランプ、２８…電極支持棒、２９…ガラス管。
Claims (23)
- Ｗ成分と、ＴａＣを含むＴａ成分をＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の範囲で含有することを特徴とするタングステン合金。
- Ｗ成分と、ＴａＣ粒子を含むＴａ成分をＴａＣ換算で０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲で含有し、前記ＴａＣ粒子の平均一次粒子径は１５μｍ以下であることを特徴とするタングステン合金。
- 前記ＴａＣ粒子の一次粒子径は平均粒径５μｍ以下、かつ最大径１５μｍ以下であること特徴とする請求項２記載のタングステン合金。
- 前記ＴａＣ粒子の二次粒子径は最大値１００μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- 前記Ｔａ成分は、Ｔａ及びＣのうち少なくとも１種をさらに含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、ｘ＜１であることを特徴とする請求項５に記載のタングステン合金。
- Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、０＜ｘ＜１であることを特徴とする請求項５に記載のタングステン合金。
- Ｔａ、ＴａＣおよびＣの合計量をＴａＣｘ換算したとき、０．００１＜ｘ＜０．５であることを特徴とする請求項５に記載のタングステン合金。
- Ｋ、Ｓｉ及びＡｌよりなる群から選択される少なくとも１種を０．０１ｗｔ％以下含有したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- Ｔａ含有量を１００質量部としたときＮｂ含有量が５質量部以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- 前記Ｔａ成分は、Ｗに固溶している金属Ｔａを含有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- 前記Ｔａ成分は金属Ｔａを含有し、前記金属Ｔａが表面に存在することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- Ｔａ含有量を１００質量部としたとき、ＴａＣになっているＴａの割合は０．１質量部以上５０質量部以下であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- ビッカース硬度がＨｖ３３０以上であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- 前記Ｗ成分は、平均結晶粒径が１μｍ以上１００μｍ以下のタングステン粒子を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のタングステン合金。
- 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のタングステン合金を含むことを特徴とするタングステン合金部品。
- 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のタングステン合金を含み、線径が０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の線材であることを特徴とするタングステン合金部品。
- 前記線材の横断面の結晶組織は、単位面積３００μｍ×３００μｍあたり結晶粒径が１μｍ以上８０μｍ以下のタングステン結晶の占める面積率が９０％以上であることを特徴とする請求項１７記載のタングステン合金部品。
- 前記線材の縦断面の結晶組織は、単位面積３００μｍ×３００μｍあたり結晶粒径が２μｍ以上１２０μｍ以下のタングステン結晶の占める面積率が９０％以上であることを特徴とする請求項１７記載のタングステン合金部品。
- 放電ランプ用部品、送信管用部品及びマグネトロン用部品よりなる群から選択される少なくとも１種の部品に用いられることを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のタングステン合金部品。
- 請求項２０記載のタングステン合金部品を備えることを特徴とする放電ランプ。
- 請求項２０記載のタングステン合金部品を備えることを特徴とする送信管。
- 請求項２０記載のタングステン合金部品を備えることを特徴とするマグネトロン。
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