愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）

パルス通電焼結法により作製した TaC の耐熱性
菅沼幹裕＊１

来川保紀＊１

High‑Temperature Resistance of TaC Preparedby a Pulsed Electric Current Sintering
Motohiro Suganuma and Yasunori Kitagawa

パルス通電焼結法(PECS)法を用いた炭化タンタル（TaC）について耐熱性を評価する目的で、真空中での通電加熱による溶融試験を行なった。純度 99％の TaC 粉末から総体密度 96％の焼結体を作製し、板状の TaC 試
験片に加工した。アーク放電電極用のタングステン（W）合金を比較試料としたが、この合金には微量の二酸化トリウムが添加されていた。溶融試験のために特別に設計･製作した支持具を汎用の真空蒸着装置に組み込み、試験片に交流電流を流し、試料の自己加熱により溶断するまでの温度を、放射温度計で測定した。TaC 試
験片では 2650℃、W 合金の場合にはそれより低い 2550℃で溶断が生じ、TaC は W 合金よりも優れた耐熱性をもつことが示された。それぞれの融点よりも低い温度で溶断したのは、試験片内での温度勾配の影響によると推測された。

１．はじめに末から相対密度 96％程度の焼結体を得ることができ炭化物は一般に高い融点をもつが、中でも炭化タンた３）。そこで今回は、得られた TaC 焼結体の耐熱性をタル（TaC）や炭化ハフニウム（HfC）は約 4000℃と、調べることを目的として、真空中での通電加熱による現存する化合物の中でも最高の融点を示す。また、こ溶融試験を行ない、W 合金との比較を行なった。そのれらの炭化物は、金属と同程度の導電性を示し、融点結果、W 合金よりも高い温度まで使用できることが明が約 3400℃のタングステン(W)に代わる新しい電子材らかになった。

料として種々の応用が考えられている。しかし、共有結合性が強く、焼結が困難であるため、通常はコバル

２．実験方法ト（Co）などを助剤として添加する必要がある。した約 4000℃の融点をもつ TaC の耐熱試験を行なうにあがって、高純度で緻密(>95%)なバルク焼結体は得られたって、種々の方法を検討した。しかし、そのようななかった。最近、高周波プラズマを利用して、高純度高温に耐える発熱体や支持材料がないこと、放射温度TaC や HfC の焼結が試みられているが、1 時間の焼結で計以外に適当な温度測定方法がないこと、作製できる

１）も 90％程度の相対密度しか得られてない 。炭化物のTaC 試験片の大きさに制限があるなどから、高温強度耐酸化性などの評価が、バルクではなく薄膜や粉末をなどの測定は困難と判断し、簡便な方法を用いた相対使って行なわれてきたのはこうした理由による ２）。

評価を行なうこととした。比較する材料として、フィ

一方、パルス通電焼結（PECS）法は、従来のホットプレス法に代わる新しい焼結法で、加圧焼結の一つでラメントやアーク放電用電極など耐熱性が要求される場合によく用いられる W を選んだ。

あるが、導電性のカーボン型を数 1000Ａのパルス電流実験に用いた試験片は、高純度（99％）の TaC 粉末で加熱して、型内部の粉末を焼結する方法である。ホ（高純度化学）を出発原料に用いて、放電プラズマ焼ットプレスなどに比べて短時間焼結が可能であること、 結装置（住友石炭鉱業）により焼結した。その詳細は導電性材料の場合にはパルス通電による自己発熱効果前報で報告した３ ）。直径 20mm、厚さ約 5mm の円板状のがあるなどの特徴がある。本研究では、この PECS 法をTaC 焼結体を作製した。アルキメデス法により測定し用いて TaC の焼結を試みた結果、99％以上の高純度粉た相対密度は、前回と同様 96％であった。この試験片から、ダイヤモンド砥石を用いて、長さ 15,20mm、幅*1 材料部

約 4mm、厚さ約 0.5mm の板状試験片を数個切り出し、

愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）試験片とした。比較試験片として、アーク放電用電極として市販されている直径 5mm の W 丸棒から、同様の形状の試験片を切り出した。なお、この W 電極について発光分析を行なったところ、少量のトリウム（Th）が検出された。耐熱性向上の目的で二酸化トリウム（ThO２）が添加されているため１ ）と思われるが、添加量などの詳細は不明である。このため、以下では W 合金と呼ぶことにする。
耐熱試験には、真空蒸着装置（真空理工製）を改良して用いた。図 1 に示すような試験片支持具を作製し、蒸着装置内部にある二本の銅製電極間に組み込んだ。

図２

使用した試験片支持具の外観

板状試験片の片側を一方の支持具で固定し、他端に別の支持具につけたスプリングの反発力で銅製の電極を押し付けた。このような支持構造により、試験片装着時に曲げ応力の発生を防ぐことができ、また加熱による試験片の熱膨張を吸収することもできる。電極と試験片との接触部に銅箔を挟むことにより、接触抵抗を下げ、電流密度 200A/mm２程度の電流が安定に流れるようにした。
実際に用いた支持具の外観を図２に示す。このような支持方法は、予備実験を何度か繰り返し、その都度発生する問題を解決する中で決定された。図２に示す
ように、試験片を真空装置内にセットした後、ガラス

図３

試験装置外観窓の付いた鋼製のふたをかぶせ、装置内部を真空排気した。真空度が 10−３ Pa 程度まで下がった後、真空蒸３．実験結果と考察

着用電源(最大電流 300A)からの交流電流を、二本の銅TaC 及び W 合金のそれぞれについての加熱曲線の一製電極を通して試験片に流して、自己発熱により試験例を図４に示す。図の例では、TaC の場合 2650℃で、片を加熱した。試験装置の外観を図３に示す。図のよまた W 合金の場合には 2550℃で試験片が溶断した。こうに、放射温度計（チノー、IR‑AH、測定範囲 600〜の溶断温度は試験片の支持方法や測温場所などの実験3000℃）をガラス窓の外に配置し、試験片側面に放射条件により大きく変化したが、図２に示すような支持温度計の焦点を合わせて試験片の温度を測定した。温方法を採用し、さらに放射温度計の焦点位置を試験片度上昇が 1000〜2000℃/min になるように、電源電圧をの中央に固定するなどの改善を行なった結果、溶断温手動で操作した。この方法は、導電性の材料にしか適度のばらつきは小さくなった。また、図４に示した試用できない欠点はあるものの、耐熱材料や特殊な試験

験で溶断した試験片の外観を TaC 及び W 合金のそれぞ装置を用いることなく、試験片のみを数 1000℃の高温れについて、図５に示す。試験片中央部が溶けているに加熱できること、また非接触で温度計測ができるこのが観察される。しかし、溶断時の温度は、TaC の場となど長所がある。

合には融点より 1000℃以上、W 合金でも 850℃程度低い。融点と実際に得られた溶断温度の違いは、放射温銅線

試験片度計による温度計測に起因すると考えられる。すなわち、電極間隔が約 10mm と狭いので、長さ方向に極めて大きな温度勾配が生じているはずである。仮に試験片中央部が 4000℃に加熱され、試験片両端が室温付近にあるとして単純計算すると、温度勾配は 800℃/mm にもスプリング

銅箔なる。一方、今回の実験では、試験片から放射温度計までの距離を短くできなかったため、直径 1〜2mm 程度の領域の温度が計測されたと推測される。この領域内で大きな温度差が生じており、このために融点よりも

図１

試験片支持具の概略かなり低い測定値が得られたと考えられる。実際に、

愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）

試験片温度 (℃)

3000

2000

10000

最高温度(℃)
TaC
2650
W合金 25500図４3060

時間 (s)

耐熱試験における加熱曲線
図４

耐熱試験における加熱曲線

菅沼

放射温度計の視野を試験片中央部から端部方向にわずかにずらしただけで、温度の計測値は大きく低下した。
また、試験片の幅を小さくしても計測値は低下した。
これらのことから、試験片内での温度勾配、あるいは計測領域の大きさが測定結果に大きく影響しているこ

図５

試験後の試験片外観とが確認された。
しかし、このような温度計測上の問題は、試験片をTaC の場合にも、このような粒子を分散させることに長くする、放射温度計を試験片に近づける、あるいはより高温時の粒成長や粒界破壊を抑えて、耐熱性を向微小領域での計測が可能な光ファイバー付の放射温度上させることが可能である。TaC を耐熱材料として応計を用いることなどにより、容易に解決することがで用するためには、高温での劣化機構の解明と伴に、こき、温度勾配の影響を十分小さくすることができるとのような特性改善の研究も必要と思われる。

思われる。
今回行なったような耐熱試験においては、材料が極めて高い温度にさらされる。こうした環境下では、原子の拡散や再結晶、粒子の粗大化が加速され、また応力下ではクリープ変形による粒界破壊やキャビテーションなどが生じることが知られている

４）。これらの現象は、結晶粒径や粒界構造、不純物の有無、第二相の存在などに大きく影響されると思われる。実際に、今

参考文献
１）S. Shimada, M. Inagaki and K. Matsui:J. Am. Ceram.
Soc., 75[10], 2671 (1992).
２）牛尾、誠夫、池内建二、田中学、林強:ニューセラ
ミックス、10, 55 (1997).
３）菅沼幹裕、来川保紀:愛知県工業技術センター研究報告、36, 6 (2000).

回比較試料として用いたアーク放電電極用 W 合金には、 ４）破壊と材料、日本材料科学会編、昇華房.
微量の ThO２添加により、高温特性の改善を図っている。