JP4236906B2 - 金属粉末の製造方法およびこれに使用する原料または希釈塩の評価方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解コンデンサの陽極体等に用いるタンタルまたはニオブの粉末の製造に関するもので、それらの粉末に混入する不純物を最低限に抑えたタンタルまたはニオブ粉末の製造方法およびこれに使用する原料または希釈塩の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子集積回路は、より低電圧での駆動、高周波化、低ノイズ化が求められていて、コンデンサに関しても、低ＥＳＲ、高容量といった優れた特性の要求が高まっている。
上記コンデンサとしては、アルミニウム電解コンデンサが主流であるが、低ＥＳＲ、高容量等の優れた特性から、タンタル、ニオブをコンデンサの陽極体として用いるタンタル、ニオブコンデンサがその代替品として注目されており、それら金属粉末の製造技術が開発のターゲットになっている。
現在行われているタンタルおよびニオブ粉末の製造方法は、フッ化タンタルカリウム、フッ化ニオブカリウム等のタンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中でナトリウム、カリウム等を用いて７００℃以上の高温で還元する方法が一般的である。そして、この還元反応は、通常、ニッケル合金製やステンレス製の反応容器内で行われている。
ところが、この際、原料であるタンタルまたはニオブを含有する金属塩や希釈塩に水分が含まれていると、これらの水分と反応容器とが反応してしまい、反応容器に由来するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物が、得られたタンタルまたはニオブに混入し、これらを陽極体原料に使用した場合、コンデンサの性能を低下させてしまうという問題がある。そのため、これら原料や希釈塩は乾燥されてから使用されていた。そして、これら原料や希釈塩が十分に乾燥されているかどうかは、塩化カリウムにおいてはＪＩＳ−８１２１による乾燥減量、フッ化カリウムにおいてはＪＩＳ−８８１５の強熱減量、金属塩についてはＪＩＳ−００６８−５による乾燥減量に準拠して判断するのが一般的である。なお、本発明に関連する先行技術文献は見あたりませんでした。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの測定に基づく水分量が非常に少ない原料および希釈塩を使用しても、不純物を多く含むタンタル、ニオブ粉末が得られる場合があった。
よって、本発明の目的は、原料や希釈塩に含まれる水分と反応容器とが反応することによる、タンタルまたはニオブへの不純物の混入を最低限に抑え、コンデンサ陽極体として優れた特性を有するタンタルまたはニオブ粉末を安定に製造する方法と、原料または希釈塩が、タンタルおよびニオブの製造に適しているかどうかを評価する方法を提供すると共に、不純物の混入を抑えるための条件を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属粉末の製造方法は、タンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中で還元して、タンタルまたはニオブを生成させる方法において、前記金属塩と前記希釈塩は、その合計水分含有率が、金属塩と希釈塩とを６００℃に加熱して発生した水の量からカールフィッシャー法で求めた場合、０．２質量％以下であることを特徴とする。
また、上記希釈塩は、フッ化カリウム又はそれを含む混合物であり、フッ化カリウム単独の水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１５質量％以下であることが望ましい。
また、上記希釈塩は、塩化カリウム又はそれを含む混合物であり、塩化カリウム単独の水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．０５質量％以下であることが望ましい。
また、上記金属塩はフッ化タンタルカリウムであり、その水分含有率が上記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが望ましい。
また、上記金属塩はフッ化ニオブカリウムであり、その水分含有率が、上記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが望ましい。
本発明の製造方法で製造された金属粉末は、電解コンデンサ陽極体に好適に用いられる。
本発明の金属塩の評価方法は、タンタルまたはニオブの製造に用いるタンタルまたはニオブを含有する金属塩を評価する方法であって、その金属塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、金属塩の水分含有率を求めることを特徴とする。
本発明の希釈塩の評価方法は、タンタルまたはニオブの製造に用いる希釈塩を評価する方法であって、希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、希釈塩の水分含有率を求めることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明は、タンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中で、還元剤を用いて約７００℃以上の高温で還元して、タンタルまたはニオブ粉末を生成する方法において、原料となる金属塩および希釈塩を６００℃以上の温度で加熱し発生した水の量から水分含有率を求め、それらがタンタルまたはニオブ粉末の製造に使用するのに、適しているかどうかを予め評価することによって、金属塩や希釈塩に含まれる水分と反応容器との反応で生じる不純物の混入を最低限に抑え、純度の高い金属粉末を安定に製造しうる金属塩および希釈塩を確実に提供することを可能にした。
【０００６】
本発明の金属塩及び希釈塩の評価方法は、それらを６００℃以上に加熱し発生した水の量から、金属塩および希釈塩の水分含有量を求めることを特徴とする。
金属塩および希釈塩を加熱すると、まず、約２５０℃までの温度範囲で金属塩および希釈塩の表面に吸着している吸着水分が脱離して気化する。そして、更に加熱を続けて約５００℃になると、金属塩や希釈塩の結晶内に、何らかの形で取り込まれた結晶水が脱離して気化しはじめ、６００℃未満の温度でこれら結晶水の脱離が終了する。すなわち、金属塩および希釈塩は、６００℃以上に加熱されることによって、吸着水だけでなく、結晶内に取り込まれた結晶水も気化させることができる。
従って、金属塩および希釈塩のより正確な水分含有率を求め、金属粉末の製造に使用する金属塩および希釈塩に適しているかどうかを評価するためには、金属塩および希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、水分含有率を求める必要がある。また、より好ましくは、６００℃〜それぞれの融点までの範囲で金属塩および希釈塩を加熱して発生した水の量から、それらの水分含有率を求め、金属粉末の製造に適しているかどうかを評価する。
金属塩および希釈塩を加熱する温度が６００℃未満では、結晶水の脱離が不十分となり、正確な水分含有率が求められず、金属塩および希釈塩を加熱する温度が融点以上になると、測定装置機材との反応が生じる危険性が増加し、測定結果にばらつきが生じ、正確な水分含有率が求められないためである。
【０００７】
金属塩および希釈塩の測定方法の一例としては、ＪＩＳ−Ｋ００６８（化学製品の水分測定方法）の４．５による方法がある。
まず、サンプル重量１〜３ｇを精秤した後、カールフィッシャー法水分測定器に直結した気化器にセットし、その後、気化器温度を６００℃以上〜融点未満にコントロールして水蒸気を発生させ、アルコール等に吸収させた後、カールフィッシャー試薬を用いて滴定する。
このようにして、６００℃以上の加熱で発生した水の量から、カールフィッシャー法等の簡単な方法で水分含有率を求め、金属粉末の製造に適しているか評価することができる。
【０００８】
従来技術において、金属塩や希釈塩を２５０℃以下の温度で加熱してから、これらを金属粉末の製造に使用してはいたものの、２５０℃以下の加熱では結晶水は脱離せず、また２５０℃以下の加熱で発生した水の量からでは、それらの水分含有率を正確に把握することもできないため、実際に金属粉末を製造して、それを分析するまでは、得られた金属粉末がどのくらいの不純物を含有しているか、電解コンデンサ陽極体の原料に適しているかどうかの判断ができなかった。
しかしながら、このような評価方法によれば、金属塩や希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法などの簡単な方法で測定するだけで、それらの水分含有率を正確に把握でき、電解コンデンサ陽極体の原料に適した金属粉末が得られるかどうかを判断することができる。
また仮に、その水分含有率が高くても、再晶出させることによって低水分化をはかることが可能なため、電解コンデンサの陽極体に適した高純度の金属粉末を安定に製造しうる金属塩および希釈塩を確実に提供することができる。
【０００９】
本発明の金属粉末の製造方法は、前記評価方法によって、金属粉末の製造に適していると判断された金属塩および希釈塩を用いて、タンタルまたはニオブ粉末を生成させる方法である。
タンタルまたはニオブを含有する金属塩としては、特に制限はなく、フッ化カリウム塩、ハロゲン化物等を例示できる。
フッ化カリウム塩としては、フッ化タンタルカリウム、フッ化ニオブカリウム等が挙げられる。また、ハロゲン化物としては、五塩化タンタル、低級塩化タンタル、五塩化ニオブ、低級塩化ニオブやヨウ化物、臭化物等が挙げられる。また、特にニオブを含有する金属塩としては、フッ化ニオブカリウム等のフッ化ニオブ塩が挙げられる。
これらタンタルまたはニオブを含有する金属塩の中で、特にフッ化タンタルカリウム、フッ化ニオブカリウムが、化学的に安定で、吸湿性が少ないため好適に用いられる。
【００１０】
上記還元反応に用いる希釈塩としては、塩化カリウム、フッ化カリウム、塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム等が挙げられる。これらを単独で使用しても、２種類以上を混合して使用してもよいが、これらの中でも、塩化カリウム若しくはフッ化カリウム、又はこれらの混合物を使用すると、高品質のものが手に入りやすいため好ましい。
還元反応に用いる還元剤としては、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ金属およびアルカリ土類金属、及びその水素化物、すなわち水素化マグネシウム、水素化カルシウムや水素含有ガス等の還元性の気体が挙げられる。
【００１１】
次に、金属粉末を製造する具体的な方法を、タンタル粉末の製造方法の例を挙げて説明する。
まず、ニッケル合金、ステンレスなどからなる反応容器を１３０℃程度で乾燥した後、これに希釈塩として塩化カリウム、フッ化カリウム等の混合塩を投入する。ついで、原料の金属塩であるフッ化タンタルカリウムを投入し、反応容器に蓋をした後、反応容器内をアルゴンなどの不活性ガスで十分に置換する。その後、これを攪拌しながら８００〜９００℃まで加熱して溶融させた後、還元剤であるナトリウムを先に投入したフッ化タンタルカリウムの還元に必要な量論量程度、添加して下記式（１）の還元反応を行う。
【００１２】
【化１】
【００１３】
ここで、本発明においては、金属塩及び希釈塩は、６００℃に加熱して発生した水の量からカールフィッシャー法で求めた場合、合計水分含有率が０．２質量％以下である金属塩および希釈塩を使用して金属粉末を製造する。
なお、カールフィッシャー法とは、水の定量用試薬であるカールフィッシャー試薬を使用して、水の量を求める方法であり、カールフィッシャー試薬とは、ヨウ素と二酸化硫黄とピリジンとを、Ｉ２：ＳＯ２：ピリジン＝１：３：１０（モル比）となるように混合した試薬である。この試薬中のＩ２１モルとＨ２Ｏ１モルとが反応することを利用して、水を溶解させたアルコールなどの被検溶液をカールフィッシャー試薬で滴定することより、被検溶液中の水の量を精度よく求めることができる。
滴定の終点の確認は、視覚法のほかに異種金属電位差滴定法、定電圧分極電流滴定法等の方法により行うことができる。
【００１４】
合計水分含有率の具体的な測定方法としては、１〜３ｇ程度の試料を秤量し、ブローボックス内にある気化器に試料をセットする。
まず、サンプリング段階で、付着した水分を１００〜１５０℃に加熱し気化させる。その水分量をカールフィッシャー水分気化法で測定し、その後、６００℃以上に試料を加熱し、そこで発生した水分量を同様に、カールフィッシャー水分気化法で測定する。この測定法により、還元反応工程に持ち込まれる水分量を正確に把握することができる。
【００１５】
金属塩や希釈塩の結晶中に取り込まれた結晶水が脱離する高温条件下において、それらの合計水分含有率が０．２質量％以下のとき、希釈塩中で金属塩を還元しても、希釈塩および金属塩から発生する水の量が少ない。その結果、この水と、還元反応に使用する反応容器とが反応することにより生成するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物量を少なく抑えることができ、これら不純物のタンタルまたはニオブ粉末への混入を２０ｐｐｍ以下まで低減することができる。
また、このように不純物の混入が少ないタンタル粉末やニオブ粉末を陽極体原料に使用することによって、漏れ電流が少なく、耐圧が高い優れたコンデンサを製造することができる。
一方、上記の評価方法で求めた合計水分含有率が、０．２質量％を超えた金属塩および希釈塩を使用してタンタル粉末やニオブ粉末を製造すると、還元反応中に金属塩および希釈塩から発生する水の量が多く、生成するタンタルやニオブの粉末にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物が多く混入してしまう。
これら不純物を多く含むタンタル粉末やニオブ粉末を陽極体に使用すると、コンデンサの漏れ電流が多く、耐圧特性が低下してしまうので、得られたタンタルやニオブ粉末は、コンデンサの陽極体原料として適さない。
【００１６】
本発明のより好ましい具体例としては、希釈塩として、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた水分含有率が、０．１５質量％以下であるフッ化カリウム、又はそれを含む混合物を使用する方法が挙げられる。
また、希釈塩が塩化カリウム、又はそれを含む混合物であり、塩化カリウムの水分含有率が、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた場合、０．０５質量％以下であることが望ましい。
また本発明において、タンタル粉末を製造するときは、金属塩としてフッ化タンタルカリウムを用い、その水分含有率が、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが好ましい。
また、ニオブ粉末を製造するときは、金属塩がフッ化ニオブカリウムで、その水分含有率が、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが好ましい。特に、希釈塩および金属塩として、このようなものを使用すると、不純物の混入が少ない陽極体原料が得られ、電気特性に優れたコンデンサとすることができる。
【００１７】
なお、還元反応の具体的な形態としては、上記で説明した方法の他に、原料の金属塩と還元剤とを少量ずつ小分けにして反応させることを繰り返し、還元反応を終了させる方法でもよいし、還元剤として水素含有ガス等の還元性の気体を反応容器内に導入する方法でもよい。
還元反応が終了した後、内容物を冷却し、得られた集塊を水、弱酸性水溶液等で繰り返し洗浄して希釈塩を除去し、金属粉末を得る。この場合、必要に応じて、遠心分離、濾過等の分離操作を組み合わせても、フッ酸と過酸化水素が溶解している溶液等で粒子を洗浄し、精製してもよい。
【００１８】
上記方法によって得られたタンタルまたはニオブの金属粉末に、熱凝集、脱酸素、徐酸化安定化処理等の前処理を行った後、この金属粉末を成形、焼結して多孔質焼結体を製造する。以下、その具体的な方法を述べる。
熱凝集は、金属粉末を真空中で加熱して凝集させて、粉末中に存在する極微細な粒子を比較的粒径の大きな２次粒子とするため行う。比較的大きな２次粒子を成形、焼結して得られた多孔質焼結体は、極微細な粒子から得られた多孔質焼結体よりも大きな空孔を有するため、電解コンデンサ陽極体として使用する場合に、電解質溶液が多孔質焼結体の内部まで浸透し、高容量化をはかることができる。また、真空中で加熱することによって、希釈塩由来のナトリウム、マグネシウム等の不純物を除去することができる。
熱凝集は、通常、金属粉末を真空中１０００〜１６００℃で、０．５〜２時間加熱して行う。熱凝集の前には、金属粉末に振動を与えながら、粉体全体が均一に濡れる量の水を添加する予備凝集を行うこともできる。また、金属に対して１０〜３００ｐｐｍ程度のリン、ホウ素等を予め添加しておくことによって、一次粒子の融合成長を抑え、高表面積を維持しながら熱凝集させることができる。
【００１９】
ついで、熱凝集で得られたケーキ状の粉体を、大気中または不活性ガス中で解砕した後マグネシウム等の還元剤を加え、粒子中の酸素と還元剤を反応させ、脱酸素を行う。脱酸素はアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で、還元剤の融点以上の温度で１〜６時間行う。
そして、その後の冷却中に、アルゴンガスに空気を導入して金属粉末の徐酸化安定化処理を行った後、粉末中に残留しているマグネシウム、酸化マグネシウム等の還元剤由来の物質を酸洗浄して除去する。
【００２０】
このようにして熱凝集、脱酸素、徐酸化安定化処理を行った金属粉末に、バインダーとして３〜５重量％程度のショウノウ（Ｃ１０Ｈ１６Ｏ）等を加えて、プレス成形し、ついで１１００〜１８００℃で０．３〜１時間程度加熱して焼結し、多孔質焼結体を製造する。なお、焼結温度は、金属の種類や粉末の表面積に応じて適宜設定できる。
この多孔質焼結体を電解コンデンサ陽極体として使用する場合には、金属粉末をプレス成形する前に、この粉末中にリード線を埋め込んでプレス成形し、焼結して、リード線を一体化させる。そして、これを例えば温度３０〜９０℃、濃度０．１質量％程度のリン酸、硝酸等の電解溶液中で、４０〜８０ｍＡ／ｇの電流密度で所定電圧まで昇圧して１〜３時間処理し、化成酸化を行って、電解コンデンサ用陽極体に使用するが、更に具体的には、公知の方法で二酸化マンガン、酸化鉛や導電性高分子等の固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を多孔質焼結体上に順次形成し、ついでその上に陰極端子をハンダ付けなどで接続した後、樹脂外被を形成して、電解コンデンサ陽極体として使用する。
このようにして製造された電解コンデンサ陽極体は、漏れ電流が少なく、耐圧が高いといった非常に優れた特性を有する。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
（実施例１）
ニッケル合金製の反応容器を１３０℃において乾燥した後、希釈塩として、水分含有率が、０．１５質量％のフッ化カリウムと０．０３質量％の塩化カリウムを重量比１：１になるように反応容器に充填した。ここに、原料の金属塩として、水分含有率が０．２質量％のフッ化ニオブカリウムを投入し蓋を閉じて、十分にアルゴンガスで置換した。これを８００℃に昇温して溶融した後、ナトリウムをフッ化ニオブカリウムが還元されるのに必要な化学量より１％過剰になるように添加して、フッ化ニオブカリウムの還元を行った。これを冷却した後、蓋を開いて生成物を水洗し、さらに混酸を用いて洗浄したところ表１に示すような不純物を含んだニオブ粉末が得られた。
【００２２】
なお、希釈塩および金属塩の水分含有率の測定は、次のようにして行った。１〜３ｇ程度の試料を秤量し、ブローボックス内にある気化器に試料をセットした。まず、サンプリング段階で付着した水分を１００〜１５０℃に加熱し気化させた。その水分量をカールフィッシャー水分気化法で測定し、その後、６００℃以上に試料を加熱し、そこで発生した水分量を同様に、カールフィッシャー水分気化法にて測定した。
また、ニオブ粉末中の不純物含有量は、フッ酸溶液に試料を溶解させ、ＩＣＰで測定した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
（実施例２〜７、比較例１〜３）
ニッケル合金製の反応容器を１３０℃において乾燥した後、実施例１と同様にして求めた水分含有率が表２の値の希釈塩および金属塩を使用して、実施例１と同様に還元を行った。その結果、表２に示すような不純物を含んだタンタル粉末が得られた。
なお、ここで使用した希釈塩と金属塩については、これらを２００℃に加熱して発生した水の量についても、カールフィッシャー法で測定した。この結果も表２に示す。
【００２５】
【表２】
【００２６】
表１より、実施例１で得られたニオブ粉末は、不純物量が少なく、コンデンサの陽極体に用いるのに十分な純度を有していた。
また、表２から、合計水分含有率が０．２質量％未満の希釈塩および金属塩を使用して得られた金属粉末は、純度が高いことが明らかである。また、２００℃において発生する水分量が等しい試料どうしにおいても、６００℃に昇温した場合に、発生した水分量、すなわち本発明における水分含有率が異なった。そして、タンタル中に含まれる不純物の量は、６００℃で発生した水の量から求めた水分含有率に相関し、２００℃で発生した水の量から求めた水分含有率とは相関しないことがわかった。
したがって、従来行われていた２５０℃以下の温度による乾燥では、十分に乾燥が行われず、その結果、金属塩および希釈塩の結晶内に残存していた水分と反応容器とが反応してしまい、反応容器に由来するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物が、得られたタンタルまたはニオブ粉末に、比較的多く混入してしまうことがわかった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属塩および希釈塩の評価方法、並びに金属粉末の製造方法によれば、予め金属粉末の製造に適した金属塩および希釈塩を使用できるため、反応容器と水分との反応で生じる不純物の溶出・混入を最低限に抑え、安定に高純度の金属粉末を得ることができる。また、その金属粉末を原料にした多孔質焼結体は、漏れ電流が少なく、耐圧が高いといった優れた特性を有する電解コンデンサの陽極体として好適に用いることができ、工業的に有益である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解コンデンサの陽極体等に用いるタンタルまたはニオブの粉末の製造に関するもので、それらの粉末に混入する不純物を最低限に抑えたタンタルまたはニオブ粉末の製造方法およびこれに使用する原料または希釈塩の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子集積回路は、より低電圧での駆動、高周波化、低ノイズ化が求められていて、コンデンサに関しても、低ＥＳＲ、高容量といった優れた特性の要求が高まっている。
上記コンデンサとしては、アルミニウム電解コンデンサが主流であるが、低ＥＳＲ、高容量等の優れた特性から、タンタル、ニオブをコンデンサの陽極体として用いるタンタル、ニオブコンデンサがその代替品として注目されており、それら金属粉末の製造技術が開発のターゲットになっている。
現在行われているタンタルおよびニオブ粉末の製造方法は、フッ化タンタルカリウム、フッ化ニオブカリウム等のタンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中でナトリウム、カリウム等を用いて７００℃以上の高温で還元する方法が一般的である。そして、この還元反応は、通常、ニッケル合金製やステンレス製の反応容器内で行われている。
ところが、この際、原料であるタンタルまたはニオブを含有する金属塩や希釈塩に水分が含まれていると、これらの水分と反応容器とが反応してしまい、反応容器に由来するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物が、得られたタンタルまたはニオブに混入し、これらを陽極体原料に使用した場合、コンデンサの性能を低下させてしまうという問題がある。そのため、これら原料や希釈塩は乾燥されてから使用されていた。そして、これら原料や希釈塩が十分に乾燥されているかどうかは、塩化カリウムにおいてはＪＩＳ−８１２１による乾燥減量、フッ化カリウムにおいてはＪＩＳ−８８１５の強熱減量、金属塩についてはＪＩＳ−００６８−５による乾燥減量に準拠して判断するのが一般的である。なお、本発明に関連する先行技術文献は見あたりませんでした。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの測定に基づく水分量が非常に少ない原料および希釈塩を使用しても、不純物を多く含むタンタル、ニオブ粉末が得られる場合があった。
よって、本発明の目的は、原料や希釈塩に含まれる水分と反応容器とが反応することによる、タンタルまたはニオブへの不純物の混入を最低限に抑え、コンデンサ陽極体として優れた特性を有するタンタルまたはニオブ粉末を安定に製造する方法と、原料または希釈塩が、タンタルおよびニオブの製造に適しているかどうかを評価する方法を提供すると共に、不純物の混入を抑えるための条件を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属粉末の製造方法は、タンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中で還元して、タンタルまたはニオブを生成させる方法において、前記金属塩と前記希釈塩は、その合計水分含有率が、金属塩と希釈塩とを６００℃に加熱して発生した水の量からカールフィッシャー法で求めた場合、０．２質量％以下であることを特徴とする。
また、上記希釈塩は、フッ化カリウム又はそれを含む混合物であり、フッ化カリウム単独の水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１５質量％以下であることが望ましい。
また、上記希釈塩は、塩化カリウム又はそれを含む混合物であり、塩化カリウム単独の水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．０５質量％以下であることが望ましい。
また、上記金属塩はフッ化タンタルカリウムであり、その水分含有率が上記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが望ましい。
また、上記金属塩はフッ化ニオブカリウムであり、その水分含有率が、上記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが望ましい。
本発明の製造方法で製造された金属粉末は、電解コンデンサ陽極体に好適に用いられる。
本発明の金属塩の評価方法は、タンタルまたはニオブの製造に用いるタンタルまたはニオブを含有する金属塩を評価する方法であって、その金属塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、金属塩の水分含有率を求めることを特徴とする。
本発明の希釈塩の評価方法は、タンタルまたはニオブの製造に用いる希釈塩を評価する方法であって、希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、希釈塩の水分含有率を求めることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明は、タンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中で、還元剤を用いて約７００℃以上の高温で還元して、タンタルまたはニオブ粉末を生成する方法において、原料となる金属塩および希釈塩を６００℃以上の温度で加熱し発生した水の量から水分含有率を求め、それらがタンタルまたはニオブ粉末の製造に使用するのに、適しているかどうかを予め評価することによって、金属塩や希釈塩に含まれる水分と反応容器との反応で生じる不純物の混入を最低限に抑え、純度の高い金属粉末を安定に製造しうる金属塩および希釈塩を確実に提供することを可能にした。
【０００６】
本発明の金属塩及び希釈塩の評価方法は、それらを６００℃以上に加熱し発生した水の量から、金属塩および希釈塩の水分含有量を求めることを特徴とする。
金属塩および希釈塩を加熱すると、まず、約２５０℃までの温度範囲で金属塩および希釈塩の表面に吸着している吸着水分が脱離して気化する。そして、更に加熱を続けて約５００℃になると、金属塩や希釈塩の結晶内に、何らかの形で取り込まれた結晶水が脱離して気化しはじめ、６００℃未満の温度でこれら結晶水の脱離が終了する。すなわち、金属塩および希釈塩は、６００℃以上に加熱されることによって、吸着水だけでなく、結晶内に取り込まれた結晶水も気化させることができる。
従って、金属塩および希釈塩のより正確な水分含有率を求め、金属粉末の製造に使用する金属塩および希釈塩に適しているかどうかを評価するためには、金属塩および希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、水分含有率を求める必要がある。また、より好ましくは、６００℃〜それぞれの融点までの範囲で金属塩および希釈塩を加熱して発生した水の量から、それらの水分含有率を求め、金属粉末の製造に適しているかどうかを評価する。
金属塩および希釈塩を加熱する温度が６００℃未満では、結晶水の脱離が不十分となり、正確な水分含有率が求められず、金属塩および希釈塩を加熱する温度が融点以上になると、測定装置機材との反応が生じる危険性が増加し、測定結果にばらつきが生じ、正確な水分含有率が求められないためである。
【０００７】
金属塩および希釈塩の測定方法の一例としては、ＪＩＳ−Ｋ００６８（化学製品の水分測定方法）の４．５による方法がある。
まず、サンプル重量１〜３ｇを精秤した後、カールフィッシャー法水分測定器に直結した気化器にセットし、その後、気化器温度を６００℃以上〜融点未満にコントロールして水蒸気を発生させ、アルコール等に吸収させた後、カールフィッシャー試薬を用いて滴定する。
このようにして、６００℃以上の加熱で発生した水の量から、カールフィッシャー法等の簡単な方法で水分含有率を求め、金属粉末の製造に適しているか評価することができる。
【０００８】
従来技術において、金属塩や希釈塩を２５０℃以下の温度で加熱してから、これらを金属粉末の製造に使用してはいたものの、２５０℃以下の加熱では結晶水は脱離せず、また２５０℃以下の加熱で発生した水の量からでは、それらの水分含有率を正確に把握することもできないため、実際に金属粉末を製造して、それを分析するまでは、得られた金属粉末がどのくらいの不純物を含有しているか、電解コンデンサ陽極体の原料に適しているかどうかの判断ができなかった。
しかしながら、このような評価方法によれば、金属塩や希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法などの簡単な方法で測定するだけで、それらの水分含有率を正確に把握でき、電解コンデンサ陽極体の原料に適した金属粉末が得られるかどうかを判断することができる。
また仮に、その水分含有率が高くても、再晶出させることによって低水分化をはかることが可能なため、電解コンデンサの陽極体に適した高純度の金属粉末を安定に製造しうる金属塩および希釈塩を確実に提供することができる。
【０００９】
本発明の金属粉末の製造方法は、前記評価方法によって、金属粉末の製造に適していると判断された金属塩および希釈塩を用いて、タンタルまたはニオブ粉末を生成させる方法である。
タンタルまたはニオブを含有する金属塩としては、特に制限はなく、フッ化カリウム塩、ハロゲン化物等を例示できる。
フッ化カリウム塩としては、フッ化タンタルカリウム、フッ化ニオブカリウム等が挙げられる。また、ハロゲン化物としては、五塩化タンタル、低級塩化タンタル、五塩化ニオブ、低級塩化ニオブやヨウ化物、臭化物等が挙げられる。また、特にニオブを含有する金属塩としては、フッ化ニオブカリウム等のフッ化ニオブ塩が挙げられる。
これらタンタルまたはニオブを含有する金属塩の中で、特にフッ化タンタルカリウム、フッ化ニオブカリウムが、化学的に安定で、吸湿性が少ないため好適に用いられる。
【００１０】
上記還元反応に用いる希釈塩としては、塩化カリウム、フッ化カリウム、塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム等が挙げられる。これらを単独で使用しても、２種類以上を混合して使用してもよいが、これらの中でも、塩化カリウム若しくはフッ化カリウム、又はこれらの混合物を使用すると、高品質のものが手に入りやすいため好ましい。
還元反応に用いる還元剤としては、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ金属およびアルカリ土類金属、及びその水素化物、すなわち水素化マグネシウム、水素化カルシウムや水素含有ガス等の還元性の気体が挙げられる。
【００１１】
次に、金属粉末を製造する具体的な方法を、タンタル粉末の製造方法の例を挙げて説明する。
まず、ニッケル合金、ステンレスなどからなる反応容器を１３０℃程度で乾燥した後、これに希釈塩として塩化カリウム、フッ化カリウム等の混合塩を投入する。ついで、原料の金属塩であるフッ化タンタルカリウムを投入し、反応容器に蓋をした後、反応容器内をアルゴンなどの不活性ガスで十分に置換する。その後、これを攪拌しながら８００〜９００℃まで加熱して溶融させた後、還元剤であるナトリウムを先に投入したフッ化タンタルカリウムの還元に必要な量論量程度、添加して下記式（１）の還元反応を行う。
【００１２】
【化１】
ここで、本発明においては、金属塩及び希釈塩は、６００℃に加熱して発生した水の量からカールフィッシャー法で求めた場合、合計水分含有率が０．２質量％以下である金属塩および希釈塩を使用して金属粉末を製造する。
なお、カールフィッシャー法とは、水の定量用試薬であるカールフィッシャー試薬を使用して、水の量を求める方法であり、カールフィッシャー試薬とは、ヨウ素と二酸化硫黄とピリジンとを、Ｉ２：ＳＯ２：ピリジン＝１：３：１０（モル比）となるように混合した試薬である。この試薬中のＩ２１モルとＨ２Ｏ１モルとが反応することを利用して、水を溶解させたアルコールなどの被検溶液をカールフィッシャー試薬で滴定することより、被検溶液中の水の量を精度よく求めることができる。
滴定の終点の確認は、視覚法のほかに異種金属電位差滴定法、定電圧分極電流滴定法等の方法により行うことができる。
【００１４】
合計水分含有率の具体的な測定方法としては、１〜３ｇ程度の試料を秤量し、ブローボックス内にある気化器に試料をセットする。
まず、サンプリング段階で、付着した水分を１００〜１５０℃に加熱し気化させる。その水分量をカールフィッシャー水分気化法で測定し、その後、６００℃以上に試料を加熱し、そこで発生した水分量を同様に、カールフィッシャー水分気化法で測定する。この測定法により、還元反応工程に持ち込まれる水分量を正確に把握することができる。
【００１５】
金属塩や希釈塩の結晶中に取り込まれた結晶水が脱離する高温条件下において、それらの合計水分含有率が０．２質量％以下のとき、希釈塩中で金属塩を還元しても、希釈塩および金属塩から発生する水の量が少ない。その結果、この水と、還元反応に使用する反応容器とが反応することにより生成するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物量を少なく抑えることができ、これら不純物のタンタルまたはニオブ粉末への混入を２０ｐｐｍ以下まで低減することができる。
また、このように不純物の混入が少ないタンタル粉末やニオブ粉末を陽極体原料に使用することによって、漏れ電流が少なく、耐圧が高い優れたコンデンサを製造することができる。
一方、上記の評価方法で求めた合計水分含有率が、０．２質量％を超えた金属塩および希釈塩を使用してタンタル粉末やニオブ粉末を製造すると、還元反応中に金属塩および希釈塩から発生する水の量が多く、生成するタンタルやニオブの粉末にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物が多く混入してしまう。
これら不純物を多く含むタンタル粉末やニオブ粉末を陽極体に使用すると、コンデンサの漏れ電流が多く、耐圧特性が低下してしまうので、得られたタンタルやニオブ粉末は、コンデンサの陽極体原料として適さない。
【００１６】
本発明のより好ましい具体例としては、希釈塩として、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた水分含有率が、０．１５質量％以下であるフッ化カリウム、又はそれを含む混合物を使用する方法が挙げられる。
また、希釈塩が塩化カリウム、又はそれを含む混合物であり、塩化カリウムの水分含有率が、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた場合、０．０５質量％以下であることが望ましい。
また本発明において、タンタル粉末を製造するときは、金属塩としてフッ化タンタルカリウムを用い、その水分含有率が、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが好ましい。
また、ニオブ粉末を製造するときは、金属塩がフッ化ニオブカリウムで、その水分含有率が、６００℃に加熱して発生した水の量から、カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることが好ましい。特に、希釈塩および金属塩として、このようなものを使用すると、不純物の混入が少ない陽極体原料が得られ、電気特性に優れたコンデンサとすることができる。
【００１７】
なお、還元反応の具体的な形態としては、上記で説明した方法の他に、原料の金属塩と還元剤とを少量ずつ小分けにして反応させることを繰り返し、還元反応を終了させる方法でもよいし、還元剤として水素含有ガス等の還元性の気体を反応容器内に導入する方法でもよい。
還元反応が終了した後、内容物を冷却し、得られた集塊を水、弱酸性水溶液等で繰り返し洗浄して希釈塩を除去し、金属粉末を得る。この場合、必要に応じて、遠心分離、濾過等の分離操作を組み合わせても、フッ酸と過酸化水素が溶解している溶液等で粒子を洗浄し、精製してもよい。
【００１８】
上記方法によって得られたタンタルまたはニオブの金属粉末に、熱凝集、脱酸素、徐酸化安定化処理等の前処理を行った後、この金属粉末を成形、焼結して多孔質焼結体を製造する。以下、その具体的な方法を述べる。
熱凝集は、金属粉末を真空中で加熱して凝集させて、粉末中に存在する極微細な粒子を比較的粒径の大きな２次粒子とするため行う。比較的大きな２次粒子を成形、焼結して得られた多孔質焼結体は、極微細な粒子から得られた多孔質焼結体よりも大きな空孔を有するため、電解コンデンサ陽極体として使用する場合に、電解質溶液が多孔質焼結体の内部まで浸透し、高容量化をはかることができる。また、真空中で加熱することによって、希釈塩由来のナトリウム、マグネシウム等の不純物を除去することができる。
熱凝集は、通常、金属粉末を真空中１０００〜１６００℃で、０．５〜２時間加熱して行う。熱凝集の前には、金属粉末に振動を与えながら、粉体全体が均一に濡れる量の水を添加する予備凝集を行うこともできる。また、金属に対して１０〜３００ｐｐｍ程度のリン、ホウ素等を予め添加しておくことによって、一次粒子の融合成長を抑え、高表面積を維持しながら熱凝集させることができる。
【００１９】
ついで、熱凝集で得られたケーキ状の粉体を、大気中または不活性ガス中で解砕した後マグネシウム等の還元剤を加え、粒子中の酸素と還元剤を反応させ、脱酸素を行う。脱酸素はアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で、還元剤の融点以上の温度で１〜６時間行う。
そして、その後の冷却中に、アルゴンガスに空気を導入して金属粉末の徐酸化安定化処理を行った後、粉末中に残留しているマグネシウム、酸化マグネシウム等の還元剤由来の物質を酸洗浄して除去する。
【００２０】
このようにして熱凝集、脱酸素、徐酸化安定化処理を行った金属粉末に、バインダーとして３〜５重量％程度のショウノウ（Ｃ１０Ｈ１６Ｏ）等を加えて、プレス成形し、ついで１１００〜１８００℃で０．３〜１時間程度加熱して焼結し、多孔質焼結体を製造する。なお、焼結温度は、金属の種類や粉末の表面積に応じて適宜設定できる。
この多孔質焼結体を電解コンデンサ陽極体として使用する場合には、金属粉末をプレス成形する前に、この粉末中にリード線を埋め込んでプレス成形し、焼結して、リード線を一体化させる。そして、これを例えば温度３０〜９０℃、濃度０．１質量％程度のリン酸、硝酸等の電解溶液中で、４０〜８０ｍＡ／ｇの電流密度で所定電圧まで昇圧して１〜３時間処理し、化成酸化を行って、電解コンデンサ用陽極体に使用するが、更に具体的には、公知の方法で二酸化マンガン、酸化鉛や導電性高分子等の固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を多孔質焼結体上に順次形成し、ついでその上に陰極端子をハンダ付けなどで接続した後、樹脂外被を形成して、電解コンデンサ陽極体として使用する。
このようにして製造された電解コンデンサ陽極体は、漏れ電流が少なく、耐圧が高いといった非常に優れた特性を有する。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
（実施例１）
ニッケル合金製の反応容器を１３０℃において乾燥した後、希釈塩として、水分含有率が、０．１５質量％のフッ化カリウムと０．０３質量％の塩化カリウムを重量比１：１になるように反応容器に充填した。ここに、原料の金属塩として、水分含有率が０．２質量％のフッ化ニオブカリウムを投入し蓋を閉じて、十分にアルゴンガスで置換した。これを８００℃に昇温して溶融した後、ナトリウムをフッ化ニオブカリウムが還元されるのに必要な化学量より１％過剰になるように添加して、フッ化ニオブカリウムの還元を行った。これを冷却した後、蓋を開いて生成物を水洗し、さらに混酸を用いて洗浄したところ表１に示すような不純物を含んだニオブ粉末が得られた。
【００２２】
なお、希釈塩および金属塩の水分含有率の測定は、次のようにして行った。１〜３ｇ程度の試料を秤量し、ブローボックス内にある気化器に試料をセットした。まず、サンプリング段階で付着した水分を１００〜１５０℃に加熱し気化させた。その水分量をカールフィッシャー水分気化法で測定し、その後、６００℃以上に試料を加熱し、そこで発生した水分量を同様に、カールフィッシャー水分気化法にて測定した。
また、ニオブ粉末中の不純物含有量は、フッ酸溶液に試料を溶解させ、ＩＣＰで測定した。
【００２３】
【表１】
（実施例２〜７、比較例１〜３）
ニッケル合金製の反応容器を１３０℃において乾燥した後、実施例１と同様にして求めた水分含有率が表２の値の希釈塩および金属塩を使用して、実施例１と同様に還元を行った。その結果、表２に示すような不純物を含んだタンタル粉末が得られた。
なお、ここで使用した希釈塩と金属塩については、これらを２００℃に加熱して発生した水の量についても、カールフィッシャー法で測定した。この結果も表２に示す。
【００２５】
【表２】
表１より、実施例１で得られたニオブ粉末は、不純物量が少なく、コンデンサの陽極体に用いるのに十分な純度を有していた。
また、表２から、合計水分含有率が０．２質量％未満の希釈塩および金属塩を使用して得られた金属粉末は、純度が高いことが明らかである。また、２００℃において発生する水分量が等しい試料どうしにおいても、６００℃に昇温した場合に、発生した水分量、すなわち本発明における水分含有率が異なった。そして、タンタル中に含まれる不純物の量は、６００℃で発生した水の量から求めた水分含有率に相関し、２００℃で発生した水の量から求めた水分含有率とは相関しないことがわかった。
したがって、従来行われていた２５０℃以下の温度による乾燥では、十分に乾燥が行われず、その結果、金属塩および希釈塩の結晶内に残存していた水分と反応容器とが反応してしまい、反応容器に由来するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の不純物が、得られたタンタルまたはニオブ粉末に、比較的多く混入してしまうことがわかった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属塩および希釈塩の評価方法、並びに金属粉末の製造方法によれば、予め金属粉末の製造に適した金属塩および希釈塩を使用できるため、反応容器と水分との反応で生じる不純物の溶出・混入を最低限に抑え、安定に高純度の金属粉末を得ることができる。また、その金属粉末を原料にした多孔質焼結体は、漏れ電流が少なく、耐圧が高いといった優れた特性を有する電解コンデンサの陽極体として好適に用いることができ、工業的に有益である。
Claims (7)
- タンタルまたはニオブを含有する金属塩を希釈塩中で還元して、タンタルまたはニオブを生成させる方法において、
前記金属塩と前記希釈塩は、その合計水分含有率が、該金属塩と該希釈塩とを６００℃に加熱して発生した水の量からカールフィッシャー法で求めた場合、０．２質量％以下であることを特徴とする金属粉末の製造方法。 - 前記希釈塩は、フッ化カリウム又はそれを含む混合物であり、フッ化カリウム単独の水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１５質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の金属粉末の製造方法。
- 前記希釈塩は、塩化カリウム又はそれを含む混合物であり、塩化カリウム単独の水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．０５質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の金属粉末の製造方法。
- 前記金属塩はフッ化タンタルカリウムであり、その水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属粉末の製造方法。
- 前記金属塩はフッ化ニオブカリウムであり、その水分含有率が、前記カールフィッシャー法で求めた場合、０．１質量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属粉末の製造方法。
- タンタルまたはニオブの製造に用いるタンタルまたはニオブを含有する金属塩を評価する方法であって、該金属塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、該金属塩の水分含有率を求めることを特徴とする金属塩の評価方法。
- タンタルまたはニオブの製造に用いる希釈塩を評価する方法であって、該希釈塩を６００℃以上に加熱して発生した水の量から、該希釈塩の水分含有率を求めることを特徴とする希釈塩の評価方法。
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