JP2006283077A - 複合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複合体3は、金属からなる中実の長尺体2、およびこの長尺体の外側から径方向へと応力を加えた状態で固定されている金属粉末の焼結体11を備えている。
【選択図】 図1
Description
同様に、特許文献2に開示されているような構造では、例えば第1部分としてタングステン、第2部分としてタンタルの組合わせや或いは第1部分としてモリブデン第2部分としてニオブが示されている。いずれの材料も高融点金属であって溶融しにくく、また硬度が高く、もろい性質を有するので、これらを高い接合強度をもって突合せで接合するプロセスは実施が難しく、高コストである。
特許文献2の場合、電流貫通導体をセラミックのリードスルー管に挿入し、第1部分と第2部分の境界部に封止用のフリット材を溶融流し込んで、電流貫通導体を過大な熱応力が生じないように密封固着する高度な接合技術が要求される。このような工程は厳密なプロセスパラメーターの制御が必要であり、歩留りが低くなったり、工程のコストが高くなる傾向がある。
すなわちアルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2),窒化珪素(Si3N4),炭化珪素(SiC),ムライト(3Al2O3・2SiO2)、スピネル(MgO・Al2O3)、YAG(3Y2O3・5Al2O3)等の高融点セラミックス粉末である。
また、長尺体の導電性を高く維持するという観点からは、サーメットを構成する金属の割合は30体積%以上であることが好ましく、50体積%以上であることが更に好ましい。
すなわちアルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2),窒化珪素(Si3N4),炭化珪素(SiC),ムライト(3Al2O3・2SiO2)、スピネル(MgO・Al2O3)、YAG(3Y2O3・5Al2O3)等の高融点セラミックス粉末である。
また、焼結体の熱膨張が発光容器の取付け部と近い値になって取付部に発生する熱応力を小さくするという観点からは、サーメットを構成する金属の割合は発光容器取付け部との熱膨張係数差が2ppm以下になるような体積割合であることが好ましく、発光容器取付け部との熱膨張係数が1ppm以下になるような体積割合であることが更に好ましい。
焼成温度は、材質の種類によって決定されるので限定されないが、一般的には、1400℃〜2000℃とすることができる。
各種高圧放電ランプの電極、プロジェクター発光管の電極、その他セラミックス部材と金属部品を複合化するときの金属部品。
これと同様に、複数の長尺部品を突き合わせて接合し、接合部分の外周側に焼結体を固着させる、例えば図2記載の方法によれば、やはり最適な異種材料の組合せを溶接する必要がない。従って、高融点金属を溶接により結合をする必要がないので、製造コストを著しく低減できる。
図4(a)、図4(b)、図4(c)は、それぞれ本発明で使用可能な成形体1B、1C、1Dを示す断面図である。成形体1Cの外周エッジにはリング状の突起4が形成されている。また、成形体1Dの外周エッジには面取り部5が設けられている。これら成形体を、図4(d)に示すように長尺体2の外周に取り付け、焼結させると、図4(e)に示すような焼結体11Cおよび複合体3Cが得られる。
図7は、本発明を適用して作製した高圧放電灯発光管10を概略的に示す断面図である。透光性材料からなる発光容器9の両端内側が封止部材11Cによって封止されている。具体的には、各封止部材11Cの各貫通孔11a中に電極兼電流貫通導体2が挿通されている。ここで、封止材11Cと電流貫通導体2とは本発明によって結合されており、本発明の複合体3Cを構成している。複合体3Cはそれぞれ気密に保持されている。各封止部材3Cの外側エッジにはリング状突起4が形成されている。
板状金属片7は、後述のようにして圧着把持されている把持部7aと、発光容器の端部から突出する非把持部7bとを備えている。このように、板状金属片7の非把持部を発光管端部から突出させることによって、一般的に、発光容器端部の封止が一層容易となる。即ち、フリット等の封止材を使用して封止する場合には(例えば図8)、非把持部7bの内側に封止材を付着させることによって、封止を行うことができる。また、レーザー溶接法によって封止を行う場合にも、こうした非把持部は溶接時の熱を逃がし、熱の発光管側への集中を防止してクラック発生を防止する作用があり、また溶接材料の漏れなどを防止する作用もある。
把持部と脆性材料との接触界面に発生する応力は、例えば以下の原因によって発生する。金属材料の熱膨張係数がα1、ヤング率がE1、脆性材料の熱膨張係数がα2、ヤング率がE2とする。金属材料を脆性材料の中に埋設し、焼結温度T1により圧着把持させ、室温まで冷却したとき、両者が全く変形せずまた界面での滑りも生じなかった場合、金属側の発生応力σ1は次式のように表される。
σ1∝E1x(T1−室温)x(α1−α2) (1)
同様に脆性材料側の発生応力σ2は次式の様に表される。
σ2∝E2x(T1−室温)x(α2−α1) (2)
セラミックス材料に対して、金属材料側を相対的に薄肉にし、金属側のみに降伏応力以上の応力を発生させて塑性変形するように設計することにより、熱膨張差による応力を緩和しようとするものである。
ε=(T1−室温)x(α1−α2)〜0.5% (3)
厚み方向での変形量は
Δt=εxt〜0.5ミクロン (4)
となり非常に僅かな変形で発生する応力を緩和することができる。
あるいは、好適な実施形態においては、板状金属片の把持部を圧着する両側の脆性材料の内側が、ガラス、単結晶などの焼成収縮しない脆性材料であり、外側が焼成収縮する脆性材料である。
(1)メタルハライドランプ(一般照明)
50〜200mbarのAr雰囲気下でMo製の金属キャップ(キャップ自体にガイド部分があってもよい)の孔からHg(必須ではない。)、金属(Na、希土類元素等)沃化物を投入してMoもしくはW電極を挿入し、TIG溶接もしくはレーザー溶接により溶接封着する。
金属沃化物とHg(必須でない。)を(1)と同様に封止する。場合に応じ7〜20barのXeを始動ガスとして用いる。特に本発明のような場合はごく短時間&低温で封止が終了するため始動ガスをはじめとする発光物質の蒸発をほぼ完全に抑制できる。胴部材料は通常の透光性アルミナでもよいが、直線透過率の高いYAG、サファイア、粒径が10μm以下の多結晶アルミナ等を選ぶとなお良い。
金属キャップはNbを用いる。電極はMo、W、Nbを用いこれらを溶接する。発光物質はNa-HgアマルガムとAr等の始動ガスか、Hgを用いない場合はXeを封入する。特にチューブ表面に補助電極を用いる場合(コイル巻き、メタライズ印刷等種類は不問)は、電極保持部材近傍と補助電極の短絡を防止するため場合に応じて絶縁手段を補助電極上などに設けてもよい。
胴部材料は、直線透過率の高いYAG、サファイア、粒径が10μm以下の多結晶アルミナ等が好適である。発光物質はHgとBrである。金属キャップはMo、WのほかにNbが使用可能であり、溶接法は上記と同様である。
図1(a)〜(d)を参照しつつ説明した方法によって、複合体3を作製した。具体的には、平均粒径2ミクロンの金属モリブデン粉末100部に、有機溶剤15部、バインダー5部及び潤滑剤2部を加えてハイ土状に混練後、更に真空土練機で空気を含まない状態に練り、押出し用の金型を準備して押出し成形を実施し、乾燥して所定の長さの金属モリブデン粉末成形体1を準備した。押出し成形体1の断面形状は略円形状で、中心部には一体化するタングステン線材の直径とほぼ同等の穴1aが長手方向に形成されている。この穴は押出し用の金型の中心に予め芯材を固定することによって形成することができるが、成形体の長さが短い場合は、中実の棒状に押出した成形体を所定長さに切断した後に、ドリルで機械加工して形成することも可能である。所定長さへの切断は乾燥前でも乾燥後でも良い。
図4(b)、(d)、(e)に示すような形態の複合体3Cを作製した。具体的には、平均粒径2ミクロンの金属モリブデン粉末100部にバインダー3部及び可塑剤1.5部を加えた造粒粉末を用意した。この造粒紛体に一軸方向の圧力(1,000kg/cm2)を印加してプレス成形を実施し、その後乾燥して所定形状の金属モリブデン粉末成形体1Cを準備した。
プレス成形体1Cの断面形状は略円形状で、中心部には一体化するタングステン線材の直径とほぼ同等の穴1aが長手方向に形成されている。この穴はプレス成形用のダイセット金型の中心に予め芯材を固定することによって形成することができるが、成形体の厚さが短い場合は、中実の円盤状の成形体にドリルで機械加工して、穴を形成することも可能である。
図3(a)〜(c)に示すような複合体3Aを作製した。具体的には、平均粒径2ミクロンの金属モリブデン粉末70体積パーセントと平均粒径0.3ミクロンのアルミナ(酸化アルミニウム)粉末30体積パーセントの混合粉末100部に有機溶剤20部、バインダー5部及び潤滑剤2部を加えてハイ土状に混練後、更に真空土練機で空気を含まない状態に練り、押出し用の金型を準備して押出し成形を実施し、乾燥して所定の長さの金属モリブデン‐アルミナ混合粉末成形体1Aを準備した。
図6(a)、(d)に示すような形態の複合体を作製した。具体的には、平均粒径2ミクロンの金属タングステン粉末80体積パーセントと平均粒径0.3ミクロンのアルミナ(酸化アルミニウム)粉末20体積パーセントの混合粉末100部に有機溶剤20部、バインダー5部及び潤滑剤2部を加えてハイ土状に混練後、更に真空土練機で空気を含まない状態に練り、押出し用の金型を準備して押出し成形を実施し、乾燥して所定の長さの金属タングステン‐アルミナ混合粉末成形体11Fを準備した。
実施例1と同様にして複合体を作製した。ただし、タングステン棒2の直径、焼結前の成形体の外径(直径)、内径、肉厚、長さは、表1に示すように種々変更した。そして、実施例1と同様にして実験を行ったところ、表2に示すような結果が得られた。
図16、図17に示したような手順に従い、図7の高圧放電灯発光管を作製した。
具体的には、モリブデン板を深絞り成形して作製した厚さ0.2mmの円筒状金属片7を準備した。或いはモリブデン粉末を管状に押出成形後、焼結することにより厚さ0.2mmの円筒状金属片7を準備した。また、高純度アルミナ焼結体からなる封止部材6を準備し、6の外側に円筒状金属片7を固定し、その外側にアルミナ粉末の成形体9Aを固定した。成形体9Aは、ドライバッグ成形機で成形した、内径が2.1mm、外径が4mm、長さが20mmの高純度アルミナからなるチューブ状の発光管用成形体2(成形圧力1,500kg/cm2)である。この組み立て体を、水素雰囲気中1,800℃で焼成し、図16(b)に示す発光容器を得た。
Claims (17)
- 金属またはサーメットからなる中実の長尺体、およびこの長尺体の外側に固定されている、少なくとも金属粉末を含む成形体の焼結体を備えていることを特徴とする、複合体。
- 前記焼結体が円板状あるいは管状をなしていることを特徴とする、請求項1記載の複合体。
- 前記長尺体のうち、前記焼結体が固定されている部分が同一素材からなっていることを特徴とする、請求項1または2記載の複合体。
- 前記長尺体が複数の長尺部品からなり、これら長尺部品を長手方向につないだ際の連結部が、前記焼結体により固定されていることを特徴とする、請求項1または2記載の複合体。
- 前記長尺体が電極及び電流貫通導体として機能することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記焼結体が発光管への取り付け部として機能する、請求項5記載の複合体。
- 前記焼結体が、電極ラジエーターとして機能する、請求項5記載の複合体。
- 前記焼結体が、長尺体の直径を調整するためのスリーブとして機能する、請求項5記載の複合体。
- 前記焼結体が、電流リード線との溶接のための端部として機能する、請求項5記載の複合体。
- 前記長尺体が、高融点金属あるいは高融点金属含有サーメットの線材からなることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記高融点金属が、タングステン、モリブデン、タンタルおよびイリジュウムからなる群より選ばれた一種以上の金属あるいはこの金属を含む合金であることを特徴とする、請求項10記載の複合体。
- 前記焼結体が、高融点金属あるいは高融点金属含有サーメットからなることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記長尺体の外径が5mm以下であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記焼結体の外径が10mm以下であり、かつ前記長尺体の外径よりも0.1mm以上大きいことを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記焼結体の厚さが0.5mm以上、20mm以下であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記焼結体の外周部分に、厚さが0.1〜1mm、高さが1mm〜5mmのリング状の突起を有する、請求項1〜15のいずれか一つの請求項に記載の複合体。
- 前記長尺体が同一素材からなっていることを特徴とする、請求項3記載の複合体。
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