(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン製の素材にプラズマ浸炭処理を施して一炭化二タングステン製の電極を形成する高融点金属電極の製造方法であって、
プラズマ浸炭時、前記素材を１２５０℃以上に昇温させた後、１２５０℃未満に急冷して前記電極を製造する工程として、前記素材の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置を利用して行なうとともに、前記素材の１２５０℃未満への冷却を、前記電磁誘導加熱装置の電源オフによって、行なうことを特徴とする高融点金属電極の製造方法。
【請求項２】
タングステン製の素材にプラズマ浸炭処理を施して一炭化二タングステン製の電極を形成する高融点金属電極の製造方法であって、プラズマ浸炭時、前記素材を１２５０℃以上に昇温させた後、１２５０℃未満に急冷して前記電極を製造する工程として、
前記素材の１２５０℃以上への昇温を、前記素材に通電する直流電源を利用して行なうとともに、前記素材の１２５０℃未満への冷却を、前記直流電源の前記素材への通電オフによって、行なうことを特徴とする高融点金属電極の製造方法。
【請求項３】
タングステン製の素材にプラズマ浸炭処理を施して一炭化二タングステン製の電極を形成する高融点金属電極の製造方法であって、プラズマ浸炭時、前記素材を１２５０℃以上に昇温させた後、１２５０℃未満に急冷して前記電極を製造する工程として、
前記素材の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置と前記素材に通電する直流電源とを併用して行なうとともに、前記素材の１２５０℃未満への冷却を、前記電磁誘導加熱装置の電源オフと前記直流電源の前記素材への通電オフとによって、行なうことを特徴とする高融点金属電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明ランプ、フラッシュランプ、ブラウン管、マグネトロン管、及び、ＴＩＧ溶接等に使用する一炭化二タングステン（Ｗ2 Ｃ）製のフィラメント状も含めた電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子レンジに使用されるマグネトロン管等の電極では、電子放出エネルギーを低くして、長寿命化を図るため、タングステンに酸化トリウム、酸化ランタン、及び、酸化セリウム等の不純物を２％程度ドーピングしたものが利用されていた。
【０００３】
しかし、上記不純物は、危険性のある放射性元素を利用していることから、製造時の取り扱いに注意が必要となって、電極材料として、代替物が求められていた。
【０００４】
そこで、特開昭５５−８６０３９号公報に記載されているように、電極材料として、一炭化二タングステン（Ｗ2 Ｃ）を使用することが考えられる。
【０００５】
しかし、上記公報の製造方法では、タングステン素材を浸炭処理して、素材表面に一炭化一タングステン（ＷＣ）を生成し、その後、水素ガス雰囲気で１８００〜２２００℃程度に加熱して、素材表面に一炭化二タングステン（Ｗ2 Ｃ）の層を多く生成するというものであった。
【０００６】
したがって、従来の一炭化二タングステン製電極の製造では、浸炭処理した後に、タングステンの還元処理を行なっているため、製造工程が増加して、生産効率を悪くさせていた。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するものであり、簡単に製造できて、生産効率を向上させることができる一炭化二タングステン製の高融点金属電極の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高融点金属電極の製造方法は、タングステン製の素材にプラズマ浸炭処理を施して一炭化二タングステン製の電極を形成する高融点金属電極の製造方法であって、
プラズマ浸炭時、前記素材を１２５０℃以上に昇温させた後、１２５０℃未満に急冷して製造することを特徴とする。
【０００９】
そして、前記素材の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置を利用して行なうとともに、前記素材の１２５０℃未満への冷却を、前記電磁誘導加熱装置の電源オフによって、行なっても良い。
【００１０】
また、前記素材の１２５０℃以上への昇温を、前記素材に通電する直流電源を利用して行なうとともに、前記素材の１２５０℃未満への冷却を、前記直流電源の前記素材への通電オフによって、行なっても良い。
【００１１】
さらに、前記素材の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置と前記素材に通電する直流電源とを併用して行なうとともに、前記素材の１２５０℃未満への冷却を、前記電磁誘導加熱装置の電源オフと前記直流電源の前記素材への通電オフとによって、行なっても良い。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る一炭化二タングステン製の高融点金属電極の製造では、プラズマ浸炭時、前記素材を１２５０℃以上に昇温させた後、１２５０℃未満に急冷して製造するものである。
【００１３】
すなわち、本発明者は、図１のＷーＣ二元系平衡状態図に示すように、１２５０℃（１５２３Ｋ）以下では、Ｗ（タングステン）／ＷＣ（一炭化一タングステン）／Ｇｒａｐｈｉｔｅ（炭素）の３相が平衡して、Ｗ2 Ｃが存在せず、逆に、１２５０℃（１５２３Ｋ）以上では、Ｗ2 Ｃ相（β・β′・β″部位）が形成され、その温度上昇に伴って、Ｗ2 Ｃ相の状態が増加することに着目し、Ｗ2 Ｃ相が存在する状態で、急冷すれば、常温でも、Ｗ2 Ｃを残留させ得ることに想到した。
【００１４】
したがって、プラズマ浸炭時、タングステン製の素材を１２５０℃以上に昇温させた後、１２５０℃未満に急冷すれば、素材表面に、Ｗ2 Ｃ層を設けることが可能となり、一炭化二タングステン製の高融点金属電極を製造することができる。そして、製造工程は、単に、プラズマ浸炭処理を行なう過程で、素材を所定温度以上に昇温させた後、急冷するだけであるため、複雑な装置を使用しなくとも、かつ、複雑な工程を経なくとも、簡単に製造でき、生産効率を向上させることができる。
【００１５】
そして、素材の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置を利用して行なうようにすれば、浸炭炉自体を昇温させるような電気炉を使用しなくとも良く、逆に、電磁誘導加熱装置の電源をオフさせても、炉自体が高温のままである電気炉を使用しているような場合に比べて、素材自体を急激に冷却することができるため、素材を急冷させ易く、Ｗ2 Ｃの残留量を多くした高融点金属電極を容易に製造することができることとなる。
【００１６】
同様に、素材の１２５０℃以上への昇温を、素材に通電する直流電源を利用して行なうようにすれば、浸炭炉自体を昇温させるような電気炉を使用しなくとも良く、また、直流電源をオフさせても、炉自体が高温のままである電気炉を使用しているような場合に比べて、素材自体を急激に冷却することができるため、素材を急冷させ易く、Ｗ2 Ｃの残留量を多くした高融点金属電極を容易に製造することができることとなる。
【００１７】
そして勿論、素材の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置と素材に通電する直流電源とを併用して行ない、また、素材の１２５０℃未満への冷却を、電磁誘導加熱装置の電源オフと直流電源の前記素材への通電オフとによって、行なえば、素材の昇温時間の短縮化が可能となって、一層、生産効率を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
実施形態の製造に使用するプラズマ浸炭装置Ｍ１は、図２に示すように、高融点金属電極となるタングステン製の素材Ｘ１を浸炭処理する真空容器１、真空容器１内に浸炭ガスを供給するガス供給装置６、真空容器１内を減圧する真空ポンプ８、素材Ｘ１を昇温させる電磁誘導加熱装置９、及び、グロー放電装置１７を備えて構成されている。なお、素材Ｘ１は、円柱状の棒状としている。
【００２０】
真空容器１には、素材Ｘ１を載置させる架台２が設けられ、さらに、素材Ｘ１の温度を計測するための観察窓３が設けられるとともに、容器１内の真空度を計測するための真空計４が設けられている。また、真空容器１の周壁には、冷却水循環装置１６からの配管１２・１３が接続されて、真空容器１を冷却可能に構成されている。観察窓３の外方には、素材Ｘ１の温度を計測する放射温度計２１が配置されている。
【００２１】
ガス供給装置６は、メタンガス・プロパンガス等の炭化水素系ガスに希釈用のアルゴンガスや還元用の水素ガスを混入させた浸炭ガスを、配管５を経て、真空容器１内へ供給可能に構成されている。また、実施形態の場合、炭化水素系ガスと別々に、アルゴンガスや水素ガスを真空容器１内に供給できるように構成されている。
【００２２】
電磁誘導加熱装置９は、高周波発振回路１０に接続されている誘導コイル１１が、架台２に載置される素材Ｘ１を巻き込んで包むような形状に配置され、さらに、誘導コイル１１は、内部に冷却水を通過させるように冷却水循環装置１６から延びる配管１４・１５を接続させている。
【００２３】
グロー放電装置１７は、その直流電源１８の陰極側１９を、絶縁させて真空容器１内に挿入させるとともに架台２上面に配置させ、架台２上に載置させた素材Ｘ１に導通させて、直流電源１８の陽極側２０を真空容器１の壁部に接続させ、両極相互に直流電圧を印加することにより、容器１内でグロー放電して、素材Ｘ１をプラズマ浸炭するように構成されている。なお、直流電源１８は、０〜１．５ｋＶ、０〜０．１Ａの範囲で、適宜設定されている。
【００２４】
また、実施形態のプラズマ浸炭装置Ｍ１では、真空計４、ガス供給装置６、真空ポンプ８、電磁誘導加熱装置９、冷却水循環装置１６、グロー放電装置１７、及び、放射温度計２１が電気的に制御装置２２に接続され、この制御装置２２の制御によって、素材Ｘ１がプラズマ浸炭処理されることとなる。
【００２５】
つぎに、このプラズマ浸炭装置Ｍ１を使用して高融点金属電極を製造する工程を説明する。この工程は、図３に示すように、減圧工程、放電クリーニング工程、浸炭ガス導入工程、昇温工程、浸炭工程、急冷工程、からなる。
Ａ．減圧工程
真空容器１の図示しない開閉扉を開いて、架台２上の誘導コイル１１内に、タングステン製の棒状の素材Ｘ１をセットし、開閉扉を閉じた後、制御装置２２を作動させれば、真空ポンプ８が作動されて、真空容器１内が１×１０-2Torr以下、望ましくは、１×１０-6Torr程度に減圧される。
Ｂ．放電クリーニング工程
真空容器１内が所定圧まで減圧されたならば、真空計４からの電気信号を入力していた制御装置２２は、ガス供給装置６を作動させて、真空容器１内に、アルゴンガス、あるいは、水素ガス、あるいは、その混合ガスを流入させ、さらに、グロー放電装置１７を一定時間作動させて停止させる。このグロー放電装置１７の作動では、グロー放電によるスパッタリングにより、汚れが飛散されて、素材Ｘ１の表面がクリーニングされることとなる。
Ｃ．浸炭ガス導入工程
素材Ｘ１のクリーニング後、真空計４からの電気信号を入力していた制御装置２２は、さらにガス供給装置６を作動させ、真空容器１内のガスと置換するように、真空容器１内に浸炭ガスを流入させ、真空容器内１を所定の浸炭処理圧（０．１〜数１０Torrの範囲）に維持させる。
Ｄ．昇温工程
真空容器１内に浸炭ガスが導入されたならば、電磁誘導加熱装置９とグロー放電装置１７とが作動されて、素材Ｘ１が、１５００℃（１７７３Ｋ）まで昇温される。なお、この時、冷却水循環装置１６も作動され、真空容器１と誘導コイル１１とが冷却される。真空容器１と誘導コイル１１とは、５０℃程度に維持される。また、昇温は、電磁誘導加熱装置９およびグロー放電装置１７の作動によりなされている。
Ｅ．浸炭工程
素材Ｘ１が１５００℃に昇温されたならば、電磁誘導加熱装置９とグロー放電装置１７とを作動させながら、一定時間、その温度を維持する。この時、グロー放電装置１７の作動により、炭素原子が素材Ｘ１に蒸着され、電磁誘導加熱装置９の作動による温度維持により、炭素原子を素材Ｘ１の内部に拡散させることとなる。
Ｆ．急冷工程
１５００℃で一定時間が経過されたならば、制御装置２２が、電磁誘導加熱装置９とグロー放電装置１７との電源をオフにすると同時に、冷却効率の向上と酸化防止のために、ガス供給装置６を作動させて、真空容器１内に不活性のアルゴンガス（他にヘリウムガスやチッ素ガス等を使用しても良い）を流入させる。すると、浸炭処理された素材Ｘ１は、誘導コイル１１内と真空容器１の周壁とに、冷却水が流れているため、直ちに冷却されて、６分程度で、素材Ｘ１は２００〜３００℃程度まで冷却される。
【００２６】
なお、この急冷工程では、グロー放電装置１７自体は、素材Ｘ１に対する１０００℃以上の高温の加熱には殆ど寄与していないため、グロー放電装置１７の電源オフは厳格に行なわなくとも良い。
【００２７】
その後、常温まで素材Ｘ１を徐冷した後、真空容器１内を大気圧に戻し、図示しない開閉扉を開いて、浸炭処理済みの素材Ｘ１を取り出せば良い。
【００２８】
このようにプラズマ浸炭した素材Ｘ１では、その表面に１〜３μｍ程度の厚さのＷＣ層が生成されているものの、その下に２０〜３０μｍ程度の厚さのＷ2 Ｃ層が生成されており、長寿命の高融点金属電極を製造することができた。
【００２９】
ちなみに、急冷工程時、１２５０℃以上から１２５０℃未満に移る温度降下率は、５℃／秒以上、１２５０℃から５００℃までは、２℃／秒以上とする必要がある。温度降下率がこれらの値未満であれば、Ｗ2 Ｃ相が多く生成されていても、大部分がＷＣ相に変化してしまうためである。そして、温度降下率は、これらの値より大きければ大きい程よい。ただし、５００℃以下では、Ｗ中のＣの拡散が遅く、ＷＣへの変化を無視できるため、温度変化率による制限を特に設けなくとも良い。
【００３０】
また、浸炭時の処理温度（浸炭温度）は、１２５０℃以上であれば、高ければ高い程、浸炭時間は、長ければ長い程、Ｗ2 Ｃ相が厚くなるため、希望の厚さに制御できる。ただし、処理温度は、ＷＣ等が液相となる２９８８Ｋ、すなわち、２２１５℃以下とする必要がある。ちなみに、図４に、浸炭温度とＷ2 Ｃ相との関係を示すグラフ図を示し、図５に、浸炭時間とＷ2 Ｃ相との関係を示すグラフ図を示した。
【００３１】
さらに、浸炭ガスとして、アルゴンガスまたは水素ガスの雰囲気中での炭化水素系ガスの体積濃度（ vol％）は、炭化水素系ガスがメタンガス（ＣＨ4 ）の場合、１〜１０％、望ましくは、２〜５％が好ましい。１％未満では、素材Ｘ１表面への炭素蒸着が少ないため、素材Ｘ１の温度−時間制御によりＷ2 Ｃ層の厚さを制御できず、そのため、Ｗ2 Ｃ層が形成されても薄くなって、好ましくない。また、１０％を超えると、素材Ｘ１表面への炭素蒸着膜の密着が悪く、炭素がススとなって素材Ｘ１表面に付着したまま素材Ｘ１内部へ拡散していかないことから、好ましくない。
【００３２】
なお、この体積濃度は、炭化水素系ガスの各々のガス中の炭素の割合に比例する。そのため、メタンガス（ＣＨ4 ）では、炭素Ｃは、１／（１＋４）であって、２０％であり、プロパンガス（Ｃ3 Ｈ8 ）では、炭素Ｃは、３／（３＋８）であって、２７．３％であるため、２７．３／２０（≒１．４）として、プロパンガスの場合には、上記数値の約１．４倍となる。すなわち、炭化水素系ガスとしてプロパンガスを使用する場合には、アルゴンガスまたは水素ガスの雰囲気中でのプロパンガスの体積濃度（ vol％）は、１．４〜１４％、望ましくは、２．８〜７％が好ましくなる。
【００３３】
ちなみに、図６に、炭化水素系ガス（メタン）の体積濃度とＷ2 Ｃ相やススとの関係を示すグラフ図を示した。
【００３４】
さらにまた、実施形態では、素材Ｘ１の昇温に電磁誘導加熱装置９を使用した場合を示したが、図７に示すプラズマ浸炭装置Ｍ２のように、素材Ｘ２の昇温を、素材Ｘ２に通電する直流電源２５を利用して行なうようにして、電極を製造しても良い。
【００３５】
このプラズマ浸炭装置Ｍ２は、高融点金属電極となるタングステン製の素材Ｘ２は、フィラメント状に形成され、また、直流電源２５の陽極側２６が、絶縁されて真空容器１内に挿入されるとともに架台２の上面の素材Ｘ２に導通させ、直流電源２５の陰極側をグロー放電装置１７の陰極側１９と共用している。なお、直流電源２５は、０〜２００Ｖ、０〜２Ａの範囲で、適宜設定されている。また、このプラズマ浸炭装置Ｍ２では、プラズマ浸炭装置Ｍ１と同一の部材には同一の符号を付して、それらの説明を省略する。
【００３６】
そして、このプラズマ浸炭装置Ｍ２を使用する場合でも、既述のプラズマ浸炭装置Ｍ１を使用する昇温工程、浸炭工程、及び、急冷工程において、電磁誘導加熱装置９の代わりに直流電源２５のスイッチ２７を制御装置２２が操作して、フィラメント状の素材Ｘ２がプラズマ浸炭処理されることとなり、他の減圧工程、放電クリーニング工程、浸炭ガス導入工程は、プラズマ浸炭装置Ｍ１を使用する際と同様である。
【００３７】
このプラズマ浸炭装置Ｍ２を使用する製造方法でも、素材Ｗ２の１２５０℃以上への昇温を、素材Ｗ２に通電する直流電源２５を利用して行なっているため、浸炭炉自体を昇温させるような電気炉を使用しなくとも良く、また、直流電源２５をオフさせれば、炉自体が高温のままである電気炉を使用しているような場合に比べて、素材Ｗ２自体を急激に冷却することができるため、素材Ｗ２を急冷させ易く、Ｗ2 Ｃの残留量を多くした高融点金属電極を容易に製造することができることとなる。
【００３８】
なお、直流電源２５を通電させて昇温させる構成は、ジュール熱を利用して昇温させるものであり、比較的細いフィラメント状等の形状の電極素材が昇温させ易いことから、直流電源２５を通電させて昇温させる場合には、プラズマ浸炭させる電極素材として、このようなフィラメント状のものを対象とする場合に好適となる。また、装置Ｍ２自体も誘電コイル１１を真空容器１内に配置させなくとも良いことから、イニシャルコストも低くさせることができる。
【００３９】
そして勿論、図８に示す電磁誘導加熱装置９と直流電源２５と備えたプラズマ浸炭装置Ｍ３を使用するようにして、素材Ｗ３をプラズマ浸炭させても良い。
【００４０】
このプラズマ浸炭装置Ｍ３は、電磁誘導加熱装置９と直流電源２５とを併用したほかは、プラズマ浸炭装置Ｍ１・Ｍ２と同一の構成であり、プラズマ浸炭装置Ｍ１・Ｍ２と同一の部材には同一の符号を付してある。
【００４１】
また、このプラズマ浸炭装置Ｍ３を使用する場合でも、既述のプラズマ浸炭装置Ｍ１を使用する昇温工程、浸炭工程、及び、急冷工程において、電磁誘導加熱装置９と直流電源２５のスイッチ２７とを制御装置２２が操作して、素材Ｘ３がプラズマ浸炭処理されることとなり、他の減圧工程、放電クリーニング工程、浸炭ガス導入工程は、プラズマ浸炭装置Ｍ１を使用する際と同様である。
【００４２】
そして、このプラズマ浸炭装置Ｍ３を使用する製造方法でも、素材Ｗ３の１２５０℃以上への昇温を、電磁誘導加熱装置９の電源オンと素材Ｗ３に通電する直流電源２５の通電オン（スイッチ２７のオン）とを併用して行ない、また、素材Ｗ３の１２５０℃未満への冷却を、電磁誘導加熱装置９の電源オフと直流電源２５の素材Ｗ３への通電オフ（スイッチ２７のオフ）とによって、行なえば、素材の昇温時間の短縮化が可能となって、一層、生産効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＷーＣ二元系平衡状態図を示す。
【図２】本発明の実施形態で使用するプラズマ浸炭装置の概略図である。
【図３】実施形態のプラズマ浸炭時の素材の温度と真空容器内の圧力との関係を示す図である。
【図４】浸炭温度とＷ2 Ｃ相との関係を示すグラフ図である。
【図５】浸炭時間とＷ2 Ｃ相との関係を示すグラフ図である。
【図６】炭化水素系ガス（メタン）の体積濃度とＷ2 Ｃ相やススとの関係を示すグラフ図である。
【図７】他の実施形態で使用するプラズマ浸炭装置の概略図である。
【図８】さらに、他の実施形態で使用するプラズマ浸炭装置の概略図である。
【符号の説明】
９…電磁誘導加熱装置、
２５…直流電源、
Ｗ１・Ｗ２・Ｗ３…高融点金属電極用素材、
Ｍ１・Ｍ２・Ｍ３…プラズマ浸炭装置。
【図１】
0004155626.tif 000002
【図２】
0004155626.tif 000003
【図３】
0004155626.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004155626.tif 000009