(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化炉中においてタンタル金属からなる原料を窒素ガスによって窒化する方法であって、前記窒化炉に導入する窒素ガスの流量を制御しながら前記タンタル金属原料の窒化を行う工程を含むことを特徴とする、窒化タンタルの製造方法。
【請求項２】
前記窒化工程が、５００〜１０００℃の温度条件における一次窒化と、１４００〜１８００℃の温度条件における二次窒化とからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一次窒化において、窒化炉の雰囲気温度が、予め定めた昇温プロファイルの上限値ないしその近傍になったとき窒素ガスの流量を減少させ、下限値ないしその近傍になったとき窒素ガスの流量を増加させることにより前記窒素ガス流量の制御を行い、これにより窒化反応を安定的に進行させるようにした、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記一次窒化により窒化度５．０〜６．５％の窒化タンタルを生成させ、前記二次窒化により窒化度６．８〜７．１％の窒化タンタルを得る、請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬工具等の素材として有用な窒化タンタルの製造方法に関し、特にタンタル金属を窒素ガスと反応させることによって窒化する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、窒化タンタルの製造方法としては、粉末状、ペレット状などのタンタル金属を原料とし、窒素雰囲気下でこれを８００〜１１００℃の温度で加熱することによって下記の反応により窒化タンタルを生成させる方法が知られている。
【０００３】
Ｔａ＋１／２Ｎ２→ＴａＮ
しかしながら、本発明者らの知見によれば、上記反応を窒化炉中で行わせた場合、窒化炉中で発熱反応が急激に進む場合があり、このため窒化炉内のタンタル金属原料の反応温度は２千数百度以上に達し、未反応のタンタル金属を含む原料が融解し、窒化タンタルの粒成長ならびに粒子相互の凝結が起こり、これが団塊を形成する現象が不可避的に生じていた。このため反応生成物中に粗大粒子が発生し、これを粉砕したとしても微粒子を得ることは困難となる。また、粗大粒子の生成は、生成物の平均粒径を増大させ、粉砕、分級などの煩雑な後工程が必要となり、これが回収率の低下、製造時間および製造コストの上昇をもたらす。さらに上記のような異常反応の発生にともなう不安定な窒化反応ならびに反応原料の融解や団塊化に起因する窒化度の低下も問題となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、窒化度が高く、粒度が均一で微細な高純度の窒化タンタル粉末を得るための効果的な方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化タンタルの製造方法は、窒化炉中においてタンタル金属からなる原料を窒素ガスによって窒化する方法であって、窒化炉に導入する窒素ガスの流量を制御しながらタンタル金属原料の窒化を行う工程を含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の好ましい態様においては、上記窒化工程が、５００〜１０００℃、更に好ましくは６００〜８００℃の温度条件における一次窒化と、１４００〜１８００℃、さらに好ましくは１４００〜１６００℃の温度条件における二次窒化とからなる。
【０００７】
さらに、本発明の好ましい態様においては、上記一次窒化において、窒化炉の雰囲気温度が、予め定めた昇温プロファイルの上限値ないしその近傍になったとき窒素ガスの流量を減少させ、下限値ないしその近傍になったとき窒素ガスの流量を増加させることにより前記窒素ガス流量の制御を行い、これにより窒化反応を安定的に進行させるようにする工程を含む。
【０００８】
また、本発明の方法においては、上記一次窒化により窒化度５．０〜６．５％の窒化タンタルを生成させ、上記二次窒化により最終的に窒化度６．８〜７．１％の窒化タンタルを得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による窒化タンタルの製造方法は、窒化炉中においてタンタル金属からなる原料を窒素ガスによって窒化する方法において、窒化炉に導入する窒素ガスの流量を制御しながら窒化を行うことを特徴とするものである。
【００１０】
前述したように、本発明者らの知見によれば、タンタルが窒化する際に比較的窒化反応が活発化する期間があり、この間に急激な発熱反応が進行して製造原料の融解および団塊化が生じることが判明した。このような異常反応を抑制するためには、反応温度を低下させるために反応炉を冷却することが考えられるが、この方法は、有効ではあるものの効率的ではなく、また温度の効果的な制御は必ずしも容易ではない。
【００１１】
本発明においては、窒化炉に導入する窒素ガスの流量に着目し、これを特定の方法で制御するようにしたので、比較的簡単な操作で安定的な窒化反応を進行させることができ、これによって原料タンタルの融解や団塊化を防止して、均質かつ高窒化度の窒化タンタルを得ることができる。
【００１２】
原料タンタルは単体金属であり、その形態は特に限定されるものではないが、粒状、ペレット状あるいは線材状のものを用いることができ、リサイクルによって回収された金属タンタルを用いることもできる。
【００１３】
本発明における窒化工程は、上記の窒素ガス流量の制御を行う一次窒化と、さらに窒化を進めて完全なものとする二次窒化の２段階に分けて行うことが好ましい。この２段階の窒化工程は同一の反応炉または異なる反応炉で行うことができる。
【００１４】
一次窒化工程は、好ましくは５００〜１０００℃、さらに好ましくは６００〜８００℃の温度条件で行う。この一次窒化において、窒化炉の雰囲気温度が、予め定めた昇温プロファイルの上限値ないしその近傍になったとき窒素ガスの流量を減少させ、下限値ないしその近傍になったとき窒素ガスの流量を増加させることにより窒素ガス流量の制御を行い、これにより窒化反応を安定的に進行させることができる。
【００１５】
この一次窒化反応における昇温速度は、１〜４℃／分が好ましく、さらに好ましくは２〜３℃／分である。この範囲で予め定めた昇温プロファイルから高温側に逸脱する温度上昇の上限値は、好ましくは２０〜１００℃、さらに好ましくは３０〜７０℃の範囲に設定する。さらに、この昇温プロファイルから低温側に逸脱する温度低下の下限値は、好ましくは２０〜１００℃、さらに好ましくは４０〜６０℃の範囲に設定する。本発明においては、上記上限値と下限値の温度範囲内に反応炉内の温度が保持されるように導入する窒素ガス流量を制御することが肝要である。この温度範囲内でのガス流量の具体的制御方法は特に制限されるものではなく、２段階ないしそれ以上の多段階の流量制御方法の他、連続的な流量制御を行うこともできる。通常は、上記のような高流量および低流量の２段階の流量制御で十分であり、工程の簡素化の点でも好ましい。本発明者らの研究によれば、上記逸脱温度の上限値と下限値の範囲内でガス流量を上下に振動させることによって窒化反応が安定化するという効果以外に原料タンタルの窒化率を顕著に向上させることができるという予想外の知見を得ている。この場合の窒素ガス流量は、窒化炉の規模や反応物充填量によって適宜最適値が設定され得るが、通常、高流量側では、充填量１ｋｇ当たり、好ましくは０．５〜２リットル／分、さらに好ましくは０．５〜１リットル／分であり、さらに低流量側では、好ましくは０〜０．５リットル／分、さらに好ましくは０〜０．２リットル／分である。上記の流量制御は、一次窒化反応の初期における比較的反応が不安定で異常反応が進行しやすい昇温時間帯において行うことが肝要であり、窒化反応が安定化ないし緩慢化したのちにおいては、流量制御は必ずしも必要ではない。一次窒化反応の終了後、放冷し一次窒化物を得る。一次窒化工程に要する時間は、通常、２０〜３０時間である。
【００１６】
上記の一次窒化によって、窒化度５．０〜６．５％の窒化タンタルを生成させることができる。
【００１７】
得られた一次窒化物に対してさらに、好ましくは１４００〜１８００℃、さらに好ましくは１４００〜１６００℃の範囲で二次窒化処理を行う。この二次窒化によって窒化はさらに均質かつ完全なものとなる。この二次窒化は上記の一次窒化と同一反応炉において連続的な工程で行うこともできるが、それぞれ分離した窒化炉でバッチ処理によって行うことも可能である。この二次窒化においては、通常異常反応は生じないので流量制御は必要ではない。二次窒化反応でのガス流量は、充填量１ｋｇ当たり、好ましくは０．１〜０．５リットル／分、さらに好ましくは０．２〜０．３リットル／分である。二次窒化工程に要する時間は、通常、３０〜４０時間である。
【００１８】
この二次窒化工程によって、窒化度６．８〜７．１％の窒化タンタルを得ることができる。
【００１９】
得られた窒化タンタルは必要に応じて、ボールミル等の粉砕手段ならびに篩等の分級手段により粒径を揃えて、所望の粒度分布を有する窒化タンタル粉末とすることができる。
【００２０】
【実施例】
実施例
粉末状、ペレット状および線材状の金属Ｔａ（純度９９．９％）６５ｋｇを用意し、これを７つの容器に分配し一次窒化用の窒化炉に装入した。図１に示す流量変化ならびに図２に示す温度変化に従うように導入する窒素ガスを制御しながら一次窒化を行った。
【００２１】
すなわち、炉内温度が６００℃に達するまで昇温させながら２リットル／分の割合で窒素ガスを導入したのち、さらに図２に示す昇温プロファイルの上限温度Ａおよび下限温度Ｂの２段階の間で窒素ガス流量を変化させた。図２に示す温度プロファイルの上限値Ａに達する温度まで３５リットル／分の流量で窒素ガスを導入し、上限値Ａないしその近傍に達する前にガス流量を１２リットル／分に絞り、さらに炉内温度が下限値Ｂないしその近傍に達した段階でガス流量を３５リットル／分に増大させ、これを窒化反応が比較的活発な間（ゾーンＩ）（約５〜６時間）繰り返した。その後、ガス流量２リットル／分で約６時間安定な後反応（ゾーンＩＩ）を行い、反応終了後（１６時間経過後）、放冷し一次窒化が終了した。この一次窒化反応で得られた窒化物の窒化度（窒素含有量）は６．１％であった。また、得られた窒化物には融解や凝集に起因する団塊等の粗大粒子の存在は認められなかった。
【００２２】
得られた一次窒化生成物６８ｋｇを二次窒化のための窒化炉に装入し、１５００℃で６時間二次窒化反応を行った。窒素ガス流量は、１５リットル／分であった。得られた二次窒化生成物を粉砕し、平均粒子径１．２μｍの窒化タンタルを得た。この二次窒化物の窒化度（窒素含有量）は７．１％であり、酸素含有量は０．３％であった。得られた窒化タンタルの窒化度は理論値７．１８％に近いものであった。
【００２３】
比較例１
実施例と同一の原料タンタルを用いて同一の窒化炉により一次窒化を行った。ただし、炉内温度が６００℃に達するまで昇温させながら２リットル／分の割合で窒素ガスを導入したのち、窒素ガス流量を３５リットル／分に一定に保持したまま窒化反応を進行させた。約１０時間経過後、反応は安定化し、安定化したのち、実施例と同様に、ガス流量２リットル／分で約６時間安定な後反応を行い、反応終了後、放冷し一次窒化が終了した。この一次窒化反応で得られた窒化物の窒化度（窒素含有量）は６．５％であり、また、得られた窒化物には融解や凝集に起因する団塊等の粗大粒子が認められた。
【００２４】
得られた一次窒化生成物６８ｋｇを二次窒化のための窒化炉に装入し、１５００℃で６時間二次窒化反応を行った。窒素ガス流量は、１５リットル／分であった。得られた二次窒化生成物を粉砕したが、粉砕には長時間を要し、均質な窒化タンタルを得ることは困難であった。この二次窒化物の窒化度（窒素含有量）は６．５％であり、酸素含有量は０．５％であった。
【００２５】
比較例２
実施例と同一の原料タンタルを用いて同一の窒化炉により一次窒化を行った。ただし、炉内温度が６００℃に達するまで昇温させながら２リットル／分の割合で窒素ガスを導入したのち、窒素ガス流量を１０リットル／分に一定に保持したまま窒化反応を進行させた。約１６時間経過後、反応は終了し、反応終了後、放冷した。この一次窒化反応で得られた窒化物の窒化度（窒素含有量）は４．３％であった。
【００２６】
得られた一次窒化生成物６５ｋｇを二次窒化のための窒化炉に装入し、１５００℃で６時間二次窒化反応を行った。窒素ガス流量は、３０リットル／分であった。この二次窒化反応において異常反応にともなう融解や凝集に起因する団塊等の粗大粒子が認められた。得られた二次窒化生成物を粉砕したが、粉砕には長時間を要し、均質な窒化タンタルを得ることは困難であった。この二次窒化物の窒化度（窒素含有量）は６．７％であり、酸素含有量は０．５％であった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、窒素ガス流量を制御しながらタンタル金属の窒化反応を行うようにしたので、比較的簡単な操作によって、原料の融解や凝集に起因する団塊等の粗大粒子を生じさせることなく、しかも理論値に近い窒化度を有する高純度の均粒微細な窒化タンタル粉末を効率的に得ることが可能となり、産業上すこぶる有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による窒化タンタルの製造工程における窒素ガス流量の変化を示すグラフ。
【図２】本発明の実施例による窒化タンタルの製造工程における温度プロファイルのグラフ。
【図１】
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【図２】
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