JP6803156B2 - タンタル又はタンタル合金部材を処理するための方法 - Google Patents
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Description
具体的に言うと本発明は、タンタル又はタンタル合金部材の表面に炭化タンタルの1重又は多重層をそれらの構造及び厚みを制御しながら形成することを可能にするものである。
この方法の利用分野は非常に多く、全て耐久性のあるタンタル又はタンタル合金部材の製造を必要としている分野である(冶金用坩堝、電極、照明器具用フィラメント、抵抗、工具その他の製造)。
耐食性及び硬度をさらに高めるために浸炭処理を施すことが可能である。これは、部材表面に炭素含有量の増加をもたらす熱化学処理である。その結果、特定の表面微細構造を確保するためにその後の処理(化学的、機械的又は熱的)を行うことがきる。
浸炭タイプは、浸炭媒質の状況により固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭の3タイプに識別される。これら3タイプの中には一般的に次の4つの重要な浸炭方法(主に鋼の浸炭方法として開発されたもの)が文献に記述されている:パック浸炭、制御された雰囲気ガス浸炭、低圧浸炭及びプラズマ浸炭。
したがって使用された浸炭方法にかかわらず、部材表面にTaC層は常に得られる。しかし、用途によっては部材の表面にそのような層があるのは好ましくないので、それを取り除く必要がある。
そのためには、本発明の1つの目的はタンタル又はタンタル合金の部材を処理するための方法を提供することである。それは、以下の手順から構成される:
b) 加熱した炉内において、気体炭素源を最高10ミリバール以下の圧力で注入することによって当該部材の周辺部分に炭素多重層を形成する。この場合当該炭素多重層は、部材の表面に位置する少なくとも1層の炭化タンタルの層C1並びにその下側に位置する、それぞれ炭素含有量がC1層の炭素含有量と異なり、それより低い二つの層C2及びC3により構成されている;
c) 部材を冷却して炭素多重層の形成を停止する;
d) 部材の周囲に炭素、酸素及び窒素を捕捉可能な保護装置を取り付け、炭素並びに炉内に残留している可能性のある微量の酸素及び窒素から部材を保護する;
e) 部材が保護装置の中に置かれた状態の真空下で炉を加熱し、層C1に存在する炭素の全部又は1部分を層C2及びC3に向けて拡散させる;及び
f) 炭素多重層内に存在する炭素が部材の中心部分に到達する前に、真空下で部材を冷却し、炭素の拡散を停止させる;
これらの手順によって、表層にはTaCの形でのタンタルが存在せず、中心部には炭素が存在せず、表面と中心部との中間に位置する部分(以下「中間部」と呼ぶ)はタンタルと炭素で構成される部材を得ることができる。
− Ta2C/TaC/Ta2C/C 飽和 Ta + Ta2C(すなわち、表層がTa2C層であり、部材の中間部においてTaC層、Ta2C層及び粒界にTa2Cを伴う炭素飽和Ta層がある多層構造);さらにはまた
− 炭素飽和Ta+ Ta2C /Ta2C/炭素飽和Ta+ Ta2C(すなわち、表層において粒界にTa2Cを伴う炭素飽和Ta 層があり、部材の中間部において Ta2C層及び粒界にTa2Cを伴う炭素飽和Ta層がある多層構造);
C 飽和 Ta + Ta2C の表層も単純にタンタル又はタンタル合金から成る中心部分の上に載った状態で存在し得る。
上記の諸例において、当該C 飽和 Ta + Ta2Cの表層は、タンタル層の炭素飽和度合が少ない場合にはC 飽和Ta層になり得ることを指摘する必要がある。
− 炉内に部材を導入すること;
− 炉を真空にすること;及び
− 1500〜1700℃の運転温度に達するまで徐々に炉を加熱すること。
望ましくは手順 b) における炭素源ガスの注入が、注入圧力 5ミリバール、流量 20L/h の条件で、炉温度を 1 600°Cに加熱して行われるもの。
望ましくは手順 b) におけるガス状炭素源がエチレンであるもの。エチレンの選択は、低流量での炭素供給を可能にし、アセチレンの場合のような高炭素含量のガスの使用で生じるすすを制限する利点を持っている。
- 部材を密閉した空洞内に置くこと。この場合、その空洞の壁(当該材質の選択にあたっては、もちろん炉内の処理温度を支援するものでなければならない。)は炭素、酸素及び窒素を引き寄せる材料で作られており、望ましくはその材料がなるべくタンタルであること;及び
- 上記の空洞内の雰囲気を不活性ガスを用いて置換し、炭素、酸素及び窒素のうちから選定された少なくとも一つの元素の原子を含む可能性のある一切のガスを炉内から排出するようにすること。
手順f)において、タンタル又はタンタル合金部材を炉内に残留している可能性のある微量の汚染物から保護するために真空下で冷却を行う。それは、炉が高温で再加圧された場合に部材に送り込まれる可能性がある汚染物からの保護である。
第一に、部材の周辺部分への炭素供給は制御され、調整されている。理由は、炭素が本発明の対象である方法の手順b)の間に使用されるガス状炭素源のみから由来し、当該方法の次に来る手順c)及び手順d)では炭素供給は妨げられているからである。したがって、たとえ炭素が炉の内壁に残留する場合(例えばすすとして又は単純に炭素製の内壁を有する炉が用いられる場合)であっても、そして手順e)で炉の加熱のために炉内雰囲気中に炭素が存在したとしても、当該炭素は、保護装置によって捕捉され、部材の中には取り入れられない。したがって部材の周辺部分に調整された厚みを持つ浸炭の達成とともに部材の中心部分は元の金属の性質を維持し、そして表面に炭化タンタルTaCが含まれない表層を持つことが可能である。
部材の表層からTaCタイプ炭化タンタルを取り除くため、装置にとって扱いにくい化学薬品を一切使用せず、そして処理された部材に酸素及び窒素の汚染が全く生じない。
最後に、本発明の対象である方法は、複雑な表面形状及び/又は特異性(小径の穴など)を持つ部材の処理に使用することができる。
さらに本発明の特徴及び長所は、本発明に基づく製造方法の代表的な実施例に関してこれから説明する付加的記述で明らかになるであろう。
当該付加的記述は、本発明の対象の例証を目的としてのみ示され、決して本発明の対象範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことは言うまでもない。
タンタルの部材、例えば直径100mm、厚さ1.5mm高さ150mmのるつぼが用いられる。
処理対象の部材は、例えば商標名BMI製品記号BMICROの炉の筐体内に設置される。
次いで炉の筐体は圧力が10-2 ± 0.01mbarに達するまで真空下に置かれる。
圧力が安定化した後、筐体は温度上昇速度30°C/min で1,600°C ± 1%に達するまで加熱する。
次いで筐体内に低圧下で(約10ミリバール以下の圧力)所定の時間燃料ガスを注入することにより部材の浸炭が行われる。この例ではエチレン(C2H6)が圧力5 ± 1ミリバール、及び制御された流量20L/h で1時間、筐体内に注入される。
次いで部材の冷却が、例えば圧力1バールで90分間、窒素を炉の筐体内に注入することによって行われる。
この形成速度は温度とともに指数関数的に増加する。
次いで、部材は加熱される。手順e)における真空下での加熱によって、炭素多重層1のC1層内に存在する炭素が当該多重層内のC2及びC3層に拡散することを可能にする。
部材及び保護装置によって形成される組み合わせ物体の加熱保持時間は、以下の3種の変動要因によって左右される:
−工程終了時において取得しようとしている構造の種類;
−浸炭工程の間に形成される多層構造の厚さ;
−部材の厚さ。
上述のように、手順 b) においてタンタル部材を1600°Cで1時間加熱後、 TaC の C1 層、Ta2C の C2 層、及びCが飽和したTa+Ta2C の C3 層を有する炭素多重層1が得られる(図 1a 及び 1b)。
部材にさらに、本発明の対象である方法の他の手順(手順 e)での、部材を一切の炭素源から隔離した後真空下で1,600°Cでの1時間の加熱を含む)を加えると、下側にある、Cが飽和したTa + Ta2C の層3の上に乗ったTa2C の表層2が得られる(図 3a 及び 3b)。
別の実施例によれば、部材が手順 b) において真空下1,600°Cの加熱により2時間の浸炭処理を受け、さらに手順 e) において真空下1,600°Cで30分間加熱された場合、Ta2Cから成る表層2、TaCから成る1番目の下層3、Ta2Cから成る2番目の下層4及びCが飽和したTa + Ta2C から成る3番目の下層5を有する部材が得られる(図 5a 及び図 5b )。
その一方で、部材が手順b)において真空下1,600°Cで2時間の加熱による浸炭処理を受け、さらに手順 e) において真空下1,600°Cで6時間加熱された場合、C が飽和したTaから成る表層2、Ta2Cから成る1番目の下層3及びCが飽和したTa + Ta2C から成る2番目の下層4が得られる(図 6a 及び図 6b )。
Claims (7)
- 以下の手順を含む、周辺部分及び中心部分を有する、タンタル又はタンタル合金の部材を処理する方法:
a) 当該部材を炉内に置き、真空下において1,400°C以上の温度で加熱する;
b) 加熱した炉内において、気体炭素源を最高10ミリバール以下の圧力で注入することによって当該部材の周辺部分に炭素多重層(1)を形成し、この場合当該炭素多重層は、部材の表面に位置する少なくとも1層のTaCタイプの炭化タンタルの層C1並びにその下側に位置する、それぞれ炭素含有量がC1層の炭素含有量と異なり、それより低い二つの層C2及びC3を含み、層C2はTa 2 Cタイプの炭化タンタルの層であり、層C3は粒界にTa 2 Cタイプの炭化タンタル沈殿物を有する炭素が飽和したタンタルの層である;
c) 部材を冷却して炭素多重層(1)の形成を停止する;
d) 部材の周囲に炭素、酸素及び窒素を捕捉可能な保護装置を取り付け、炭素並びに炉内に残留している可能性のある微量の酸素及び窒素から部材を保護する;
e) 部材が保護装置の中に置かれた状態で真空下で炉を加熱し、層C1に存在する炭素の全部又は1部分を層C2及びC3に向けて拡散させる;及び
f) 炭素多重層内に存在する炭素が部材の中心部分に到達する前に、真空下で部材を冷却し、炭素の拡散を停止させる;
これらの手順によって、表層にはTaCの形でのタンタルが存在せず、中心部には炭素が存在せず、表面と中心部との中間に位置する部分はタンタルと炭素で構成される部材を得られる。 - 手順d)が以下の措置を含む、請求項1に記載の方法。;
−部材を密閉した空洞内に置くこと。この場合、その空洞の壁は炭素、酸素及び窒素を引き寄せる材料で作られており、その材料が好ましくはくタンタルであること;及び
−上記の空洞内を不活性ガスを用いて置き換え、炭素、酸素及び窒素のうちから選定された少なくとも一つの元素の原子を含む可能性のある一切のガスを炉内から排出するようにすること。 - 手順a)が以下の措置を含む請求項1又は2に記載の方法。;
−炉内に部材を導入すること;
−炉を真空にすること;及び
−1500から1700℃の間の運転温度に達するまで徐々に炉を加熱すること。 - 手順b)がガス状炭素源を、流量1〜100L/h、注入圧力10ミリバール以下で炉内に注入することを含む、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 手順b)における炭素源ガスの注入が、注入圧力5ミリバール、流量20L/Hの条件で、1600℃に加熱した炉中にて行われる、請求項4に記載の方法。
- 手順e)が1600℃の温度、10-2ミリバールの圧力で炉を加熱することを含む請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 手順b)において使用されるガス状炭素源がエチレンである請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
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