(57)【要約】【課題】  放電消耗量の小さいタングステン電極材料を提供する。【解決手段】  タンタルを０．０１質量％を超えて、３０質量％以下含み、残部タングステンであることを特徴とするタングステン電極材料。また、タンタル含有量が０．０３〜５質量％であることが好ましい。また、タンタルがタングステンと固溶体を形成していることが好ましい。このようなタングステン電極材料は、アーク溶接用、各種ランプ用、マグネトロン用陰極などの各種電極に好適である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタルを０．０１質量％を超えて、３０質量％以下含み、残部タングステンであることを特徴とするタングステン電極材料。
【請求項２】
タンタル含有量が０．０３〜５質量％であることを特徴とする請求項１記載のタングステン電極材料。
【請求項３】
タンタルがタングステンと固溶体を形成していることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のタングステン電極材料。
【請求項４】
エミッター材として、トリウムまたは希土類元素の酸化物、硼化物、窒化物、炭化物の少なくとも１種以上をトリウムまたは希土類元素の金属単体量に換算して０．０１〜１０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタングステン電極材料。
【請求項５】
前記エミッター材の平均粒径は２０μm以下であることを特徴とする請求項４のタングステン電極材料。
【請求項６】
Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタングステン電極材料。
【請求項７】
鉄含有量が０．５％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のタングステン電極材料。
【請求項８】
表面に炭化層を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のタングステン電極材料。
【請求項９】
１３００〜２５００℃で真空または不活性ガス中で熱処理が施されたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のタングステン電極材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接用、ランプ用、マグネトロンの陰極等の様々な電極に用いられるタングステン電極材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、アーク溶接用の電極、高圧放電ランプ用の電極、マグネトロンの陰極に、純タングステン（W）、Ａｌ等のドープ材を含有させたドープタングステン、または、ＴｈまたはＬａの酸化物からなるエミッター材を添加したタングステン電極が用いられている。これらの電極は、長寿命化（消耗が少ない）や安定した放電特性、エミッション特性が望まれている。特開２００５−１５９１７号公報（特許文献１）［００１６］欄にはＴａ等を１００ｐｐｍ添加したタングステン線状材が記載され、［００４４］欄には各種ランプ用フィラメントに用いることが記載されている。
近年、溶接ロボットの操業度の向上や自動車のヘッドランプ、液晶プロジェクターのランプ、さらには水銀レス放電ランプ等のように、長時間に渡る連続使用や大電流を流すと言ったより過酷な条件でタングステン電極が使用されるようになってきている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のタングステン電極では、前述のような過酷な条件での使用に耐えられなくなってきている。ランプ等の各種電極に使用する際は一般にフィラメント（線材）状に加工されている。フィラメント形状の電極を、長時間連続使用や大電流を流すと、電極先端部の放電消耗が著しく、その結果、電極の寿命が短いと言った問題が生じていたのである。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、特に電極の消耗量を著しく低減することを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、タンタルを０．０１質量％を超えて、３０質量％以下含み、残部タングステンであることを特徴とするタングステン電極材料である。
また、タンタル含有量が０．０３〜５質量％であることが好ましい。また、タンタルがタングステンと固溶体を形成していることが好ましい。
また、エミッター材として、トリウムまたは希土類元素の酸化物、硼化物、窒化物、炭化物の少なくとも１種以上をトリウムまたは希土類元素の金属単体量に換算して０．０１〜１０質量％含有させてもよい。また、前記エミッター材の平均粒径は２０μm以下であることが好ましい。
また、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含むことが好ましい。また、鉄含有量が０．５％以下であることが好ましい。また、表面に炭化層を具備させてもよい。また、１３００〜２５００℃で真空または不活性ガス中で熱処理が施されたことが好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のタングステン電極材料はタンタルを所定量含有していることから、放電消耗量が低減されていることから長寿命の電極を得ることができる。また、エミッター材、ドープ材、鉄の含有量の制御または炭化層の形成により特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のタングステン電極は、タンタルを０．０１質量％を超えて、３０質量％以下含み、残部がタングステン（Ｗ）からなることを特徴とするものである。タンタル（Ｔａ）は、Ｗ電極の放電消耗量を抑えるのに有効であり、このＴａ含有量が０．０１質量％以下であると、電極消耗量を抑える効果が充分得られない。一方、Ｔａ含有量が３０質量％を超えるようになると、Ｔａをより均一に分散させることが困難になることや、電極の加工性、塑性加工性が落ちるため上記範囲が好ましい。放電消耗量の低減および加工性を考慮するとＴａ含有量は０．０３〜５質量％であることが好ましい。
また、Ｔａはタングステンと固溶体を形成していることが好ましい。ＴａとＷは全率固溶となることから固溶体を形成し易い。固溶体はＴａとＷが一定の割合で固溶した成分となることから、結果としてＴａを均一分散し易い形態となる。なお、固溶体の有無はＥＰＭＡ等により確認可能である。
次に、エミッター材として、トリウム（Ｔｈ）または希土類元素の酸化物、硼化物、窒化物、炭化物の少なくとも１種をトリウムまたは希土類元素の金属単体量に換算して０．０１〜１０質量％含有してもよい。Ｔｈまたは希土類元素は、酸化物、硼化物、窒化物、炭化物の形で１種以上含有することが好ましい。なお、これらは、複合炭酸化物、複合炭窒化物等の形でも良い。また、希土類元素としてはランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）などが挙げられる。また、エミッター材を２種以上添加する場合であっても合計で０．０１〜１０質量％の範囲になるようにするものとする。
これらエミッター材は、電極の動作温度を下げる効果があり、電極の動作温度が下がると放電消耗を抑制できる。エミッター材の含有量が０．０１質量％未満であると動作温度を下げる効果が不十分であり、逆に１０質量％を超えると焼結し難くなるため上記範囲が好ましい。
【０００８】
また、前記エミッター材は平均粒径が２０μm以下であることが好ましい。平均粒径が２０μmを超えるようになると、電極表面に存在するＴｈまたは希土類元素が大きすぎるため、電極表面へ電流が供給されに難くなるため、上記範囲が好ましい。
次に、これらの電極は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含ませても良い。アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、カリウム（Ｋ）はドープ材として機能するものであり、電極の再結晶温度を向上させる効果がある。このドープ材の含有量が０．００１質量％未満では添加の効果が充分得られず、逆に０．０１質量％を超えると焼結性や加工性に問題が発生するため上記範囲が好ましい。また、ドープ材を２種または３種用いる場合であってもその合計量が０．００１〜０．０１質量％の範囲内になることが好ましい。
また、鉄含有量が０．５質量％以下であることが好ましい。鉄は、放電を阻害する要因となる。さらに好ましくは０．０１質量％以下である。また、下限値としては鉄含有量が０質量％（検出限界以下）も含むものとする。
【０００９】
次に、タングステン電極材料の表面に炭化層を具備させても良い。炭化層は、エミッター材の活性を促すのに有効である。炭化層は、元素材（炭化層形成前のタングステン電極材料）と比較し、１１０％以上、さらには１１０〜２００％程度の比抵抗になるように形成させることが望ましい。比抵抗が１１０％未満ではエミッター材の活性効果が充分得られない。一方、エミッター材の活性効果だけであれば比抵抗値の大きな炭化層が好ましいが、元素材との差が大きすぎると熱膨張差等の要因から剥離現象が起き易くなる。そのため、上限は２００％以下が好ましい。なお、炭化層としては炭素粉末または炭化物粉末を焼結等により固着させる方法や炭素被膜を蒸着や溶射により成膜する方法などが挙げられる。
また、本発明のタングステン電極材料は１３００〜２５００℃で真空または不活性ガス中で熱処理が施されていることが好ましい。タングステン電極は、使用中に非常に高温になるため、予め加工歪みをできるだけ除去し、結晶を安定化させることが重要である。つまり、この熱処理は歪取り熱処理となる。この熱処理温度が１３００℃未満では結晶を安定化させる効果が充分得られず、逆に２５００℃を超えるようになると、電極表面および内部からの添加材（エミッター材、ドープ材）等の飛散が大きくなるため上記範囲が好ましい。
【００１０】
以上のように、本発明のタングステン電極はＴａ含有量を０．０１質量％を超え、３０質量％以下にすることにより放電消耗量を低減させ、さらには固溶体、エミッター材、ドープ材、炭化層、歪取り熱処理などの構成を単独または複数種組合せることにより電極材料の特性をさらに向上させることができるのである。
また、本発明のタングステン電極材料の形状は、線状（フィラメント）、四角形、円柱、カップ形状など様々な形状で使用することができる。また、そのサイズも様々なサイズで使用できるものとする。
続いて、本発明に係るタングステン電極の製造方法について説明する。製造方法は特に限定されるものではないが例えば次のような方法が挙げられる。
まず、平均粒径３μm以下で純度99.95%以上のＷ粉末と平均粒径３μm以下で純度99.0%のＴａ粉末、必要に応じ、エミッター材粉末、ドープ材粉末をボールミル等により混合する。また、混合の際に、磁石を使って鉄成分を除去することが好ましい。続いて、金型でプレスし、所定の大きさの成形体を作製する。その後、真空雰囲気で通電焼結を行い焼結体を得る。
エミッター材の含有量が３％を超えるものについては、この焼結体より電極を切り出し製品を得る。また、エミッター材の含有量が３％以下のものについては、１４００〜１７００℃で加熱し、転打加工、伸線加工、センタレス研磨加工、電解処理等を行い、続いて必要に応じて切断、電極加工し、製品を得る。
【００１１】
また、得られた製品について、歪取り熱処理として１３００℃〜２５００℃の真空または不活性ガス中で熱処理を行うことが好ましい。また、炭素粉末中あるいは、炭素系のガス中で熱処理を行うことにより製品表面に炭化層を形成させることも可能である。
なお、本発明のタングステン電極材料とは、電極（製品）として使用できる状態にまで加工したもののみならず、加工前の線材、焼結体をも含むものとする。
このようなタングステン電極材料は、放電消耗量が小さいため、アーク溶接用、各種ランプ用、マグネトロンの陰極等様々な電極に使用することができる。そのため、それを使用したランプ等の各種応用製品は長寿命を得ることができる。
【実施例】
【００１２】
（実験１）
平均粒径３μmで純度９９．９５%以上のＷ粉末と平均粒径３μmで純度９９．０％のＴａ粉末、必要に応じ、平均粒径１０μｍ以下のエミッター材粉末をボールミル等により混合する。続いて、金型でプレスし縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×長さ５００ｍｍの成形体とする。その後、真空雰囲気で通電焼結を行い、縦１６ｍｍ×横１６ｍｍ×長さ４２０ｍｍの焼結体とした。
その後、エミッター材の含有量が３％を超えるものについては、この焼結体より、φ２．４ｍｍ×Ｌ１５０ｍｍの電極を切り出し製品（電極材料）を得た。一方、エミッター材が３％以下のものについては、１５００℃で加熱し、転打加工、伸線加工、センタレス研磨加工、切断を行い、φ２．４ｍｍ×Ｌ１５０ｍｍとした。
続いて、先端を４５°に加工し、その後、真空雰囲気で種々温度を変え熱処理（歪取り熱処理）を行い、実施例および比較例に係る電極材料を得た。
これらの電極を放電試験に供した。放電試験は、TIG溶接機を用い、直流、対抗電極を水冷銅板、電極間距離２ｍｍ、放電電流を200A、放電時間を30分とし、試験前後の電極重量を電子天秤で測定することで電極消耗量を測定した。この結果を表1・２に示す。
【００１３】
【表１】
2007113104.tif 000002
【００１４】
【表２】
2007113104.tif 000003
【００１５】
表１・２から分かる通り、本実施例に係る電極材料は放電消耗量が少ないことが分かる。また、実施例に係る電極材料をＥＰＭＡにかけたところ、いずれもＴａがＷと固溶体を形成していることが確認された。
（実験２）
次に炭化層の効果を確認するため、先端加工後の電極を所定温度で熱処理を行い、続いてカーボン粉末中に電極を入れ、１５００℃×２H  水素雰囲気中で表面に炭化層を形成させた。続いて、放電電流１００Aで放電させた際の電極先端の温度をマイクロパイロメータで測定した。その結果を表３に示す。
【００１６】
【表３】
2007113104.tif 000004
【００１７】
表２から分かる通り、炭化層を設けることで電極先端の温度が著しく下がり効果が認められた。なお、試料３８の炭化層は元素材（タングステン電極材料）の比抵抗の１３０％のものであった。