JPH09111388A

JPH09111388A - タングステン電極材及びその熱処理法

Info

Publication number: JPH09111388A
Application number: JP29218895A
Authority: JP
Inventors: Fukuhisa Matsuda; 福久松田; Masao Ushio; 誠夫牛尾; Kiyoyuki Hasegawa; 清幸長谷川; Katsuyoshi Akabane; 克芳赤羽根; Takashi Matsuno; 隆松野
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Hokkai Tungsten Industrial Co Ltd
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 1997-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】主として高圧放電灯等の電極材、特に水銀灯
やキセノンランプ等の陰極材料として使用するに適した
高性能のタングステン電極材を提供する。【解決手段】硼化ランタンを０．０２〜２．０重量％
含み、残部がタングステンである材料で作られた直径
０．２〜１５ｍｍの丸棒の先端部を１５〜６５度の角度
で円錐状に尖らせ、その先端部を先端から０．２〜０．
８ｍｍの長さでカットしてなるタングステン電極材。こ
の電極材の表面部に、その丸棒部分の直径の０．２〜１
０％の厚さで浸炭層を形成しておけば効果的である。ま
た、この電極材、又はその表面部に前記浸炭層を形成し
たものに、還元性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中
で１６００〜２２００℃の温度で１〜３０分加熱する熱
処理を施しておくのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、主として高圧放電
灯等の電極材、特に水銀灯やキセノンランプ等の陰極材
料として使用するに適したタングステン電極材に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】高圧放電灯用電極等の電極材としてよく
知られているのは、酸化トリウムを添加したタングステ
ン電極材、いわゆるトリエ−テッドタングステン材であ
る。酸化トリウムは、電子放出材としては優れたもので
あり、広く使用されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記酸化トリウムを添
加したタングステン電極材は、電子放出特性に優れてい
るものの、再結晶温度が低く、再結晶し易いため、電極
形状の変化が生じ易いと云う問題点があった。また、酸
化トリウムを添加したタングステン電極材は、作動温度
が高く、したがって、電極が高温になり易く消耗量も大
きいという問題もある。

【０００４】さらに、原料である酸化トリウム粉末は、
放射性物質であるため、原料の入手が次第に困難となり
つつあり、コストが高くつくとともに、法律上、その保
管や取扱に厳重な管理が必要であるという問題点もあ
る。

【０００５】近年、高圧放電灯等の用途が多様化し、従
来のものよりも高度の性能を有する電極材が求められる
ようになった。すなわち、高圧放電灯において、陰極に
かかる電流は極めて密度が高いため、高温になり易く、
高い耐熱性が要求される。同時に、長時間連続して点灯
される場合、及び点滅が反復して長時間行われる場合な
ど、その用途、目的に応じて常に安定した放電が要求さ
れる。

【０００６】したがって、作動時の高温高圧化におい
て、結晶組織が常に一定に保たれ、安定した放電が維持
されるために、電子放出物質が内部より安定して供給さ
れることが必要となる。

【０００７】本件発明者等は、硼化ランタンを添加した
タングステン電極材が優れた性能を有することを見出
し、これに関する発明についてすでに特許出願している
（特開平６ー９１３９１号）。

【０００８】本発明は、上記すでに出願済みの発明にか
かる電極材と同等以上の性能を有する電極材を提供する
ことを目的になされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決することを目的に種々の研究を行った結果、以下
の電極材と熱処理法が優れていることを見出して本願発
明を完成した。まず、第１の発明は、硼化ランタンを
０．０２〜２．０重量％含み、残部がタングステンであ
る材料で作られた直径０．２〜１５ｍｍの丸棒の先端部
を１５〜６５度の角度で円錐状に尖らせ、その先端部を
先端から０．２〜０．８ｍｍの長さでカットしてなるタ
ングステン電極材を要旨としている。

【００１０】次に、第２の発明は、硼化ランタンを０．
０２〜２．０重量％含み、残部がタングステンである材
料で作られた丸棒の先端部を円錐状に尖らせたもの、又
はその先端部を所定の長さでカットしたものの表面部
に、その直径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成し
てなるタングステン電極材を要旨としている。

【００１１】上記浸炭層の組成は、実質的にＷ₂ Ｃであ
るのが好ましい。このＷ₂ Ｃの他に、少量のタングステ
ン、他のタングステン炭化物、他の添加元素等が含まれ
ていてもよいことは云うまでもない。

【００１２】さらに、第３の発明は、硼化ランタンを
０．０２〜２．０重量％含み、残部がタングステンであ
る材料、又はその表面部に浸炭層を形成した材料を還元
性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で１６００〜２
２００℃の温度で１〜３０分加熱することを特徴とする
タングステン電極材の熱処理法を要旨としている。

【００１３】なお、上記発明によって得られるタングス
テン電極材は、高性能を要求される高圧放電灯用陰極材
として適したものであるのみならず、他の放電灯用電極
等の電極材としてもすぐれたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】この電極材料は、例えば次のよう
にして製造される。まず、原料となる金属タングステン
粉末に硼化ランタンＬａＢ₆ 粉末を添加し、均一に分散
するまで混合する。硼化ランタンＬａＢ₆ 粉末の添加量
は、製品中の含有量が０．０２〜２．０重量％とするの
が好ましい。金属タングステン粉末の好ましい平均粒度
は、例えば２〜４ミクロンであり、硼化ランタン粉末の
好ましい平均粒度は例えば１〜３ミクロンである。

【００１５】得られた混合粉末は、粉末冶金における定
法にしたがってプレス成形し、燒結を行った後、得られ
た燒結体にスエ−ジング、ドロ−イング等の必要な加工
を施して所望の形状・寸法の電極材とする。この電極材
は、主成分であるタングステンのほかに電子放出特性に
優れた仕事関数の低い電子放出材料である硼化ランタン
を含んでおり、耐消耗性と、ア−ク点弧性にすぐれたも
のである。

【００１６】上記硼化ランタンの含有量が０．０２％よ
りも低い場合は性能的に期待するものが得られない。ま
た、硼化ランタンの含有量が２．０％よりも多くなる
と、現在の粉末冶金技術では、製造時におけるクラック
の発生や折損事故が多発して不良率が増加するという問
題がある。なお、硼化ランタンの含有量が多くなると、
融点が下がって消耗が激しくなる傾向があるので、大電
流向けの用途には、硼化ランタンの量を上記の範囲とす
るのが特に好ましい。

【００１７】このタングステンを主成分とする電極材
は、加工形状等を変えることにより、プラズマ溶解精練
用電極、タンデイッシュ用プラズマ電極、プラズマ溶接
用電極、ＴＩＧ溶接用電極、および各種照明用放電管の
電極等として使用することができる。

【００１８】本発明者等の実験によれば、上記のように
して製造された丸棒の先端部分を特定の形状に加工して
使用すれば、優れた性能が得られることがわかった。ま
ず、上記組成を持つ素材としては、直径０．２〜１５ｍ
ｍの丸棒状のものが好ましい。そして、その丸棒の先端
部を１５〜６５度の範囲で円錐状に尖らせておくのが好
ましい。図２は好ましい先端形状を表すもので、この電
極材１の円錐状の先端部２の角度αは、放電灯の種類や
出力、サイズ等により丸棒（線棒）の径が異なり、アー
ク距離も異なるため、上記範囲内で適宜選択するのが好
ましい。この角度範囲以外では、先端消耗が激しくなっ
たり、アークのふらつきのため照度の乱高下が起こりや
すい。

【００１９】さらに、円錐状に尖らせた先端部を少しだ
けカットして、図２の（ａ）に示すように平坦部３を形
成し、先端が余り鋭利にならないようにしておく方が長
寿命と安定した電子放出性能が得られる。このカットす
る長さは、１ｍｍ以下、０．２〜０．８ｍｍとするのが
好ましい。このカット長さが小さ過ぎると安定性に欠
け、大き過ぎるとア−ク特性が低下するのでいずれも好
ましくない。このカットは、必ずしも実際に切断するこ
とにより行う必要はなく、研磨、塑性加工等他の方法で
行ってもよい。また、上記平坦部３の形状は平面状でな
くてもよく、例えば、図２の（ｂ）に示すように凸状の
曲面４として形成してもよい。

【００２０】また、上記組成の丸棒材料の表面部に、そ
の直径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成しておけ
ば、内部からの電子放出がこの浸炭層によって抑制さ
れ、一挙に大量の電子放出が行われず、常時適量の電子
放出が行われるため、長時間にわたり安定した性能を得
ることができる。この浸炭層の組成は実質的にＷ₂ Ｃで
あるのが効果的である。この浸炭層の組成が例えばＷＣ
であると、電子放出抑制効果が大き過ぎて、性能が低下
する。また、この浸炭層の厚みが上記範囲よりも薄過ぎ
ると抑制効果が小さくなり、厚過ぎると抑制効果が大き
過ぎるようになるので、いずれも好ましくない。

【００２１】上記表面層の浸炭処理は、例えば水素ガス
に気化したメタンを混合したガス雰囲気中で１８００℃
で３０分程度加熱することにより行われる。炭素源とし
ては、メタンに限らず、ベンゼン、プロパンなどでもよ
く、場合によっては、炭素粉末中に埋め込んで加熱して
もよい。加熱温度と時間は、電極材の寸法等に応じて適
当な条件とすればよい。

【００２２】なお、結晶組織を調整して、電子放出を好
ましい状態とするため、上記組成の材料を水素ガス等の
還元性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で１６００
〜２２００℃の温度で１〜３０分加熱する熱処理を施し
ておくのが好ましい。

【００２３】

【実施例】平均粒度２．７ミクロン、純度９９．９％以
上のタングステン粉末に平均粒度１〜２ミクロンの硼化
ランタン粉末を添加し、乾式で十分混合した。添加する
硼化ランタンの量は、最終製品中の含有量が表１に示す
量となるようにした。得られた混合粉末を原料として、
粉末冶金法における定法にしたがって圧縮成形、燒結、
スエージングを行い、直径３．２ｍｍの丸棒を製造し
た。

【００２４】得られた丸棒の先端部を３０度の円錐状に
研削加工し、その尖った先端を０．２ｍｍの長さでカッ
トした。なお、表１には、組成、先端形状等が異なる比
較例を併せて記載した。

【００２５】

【表１】

【００２６】次に、上記加工後の丸棒材料を、水素気流
中でメタンを気化させて混合した雰囲気中にて、１８０
０℃で約３０分加熱保持し、表面部に約３０ミクロンの
厚さの浸炭層を形成した。この浸炭層の組成を調べたと
ころ、主としてＷ₂ Ｃであった。浸炭後の材料は、水素
雰囲気中で２０００℃で約１０分間加熱処理を行った。

【００２７】図１は、これらの電極材を用いて１００時
間、３００時間、７００時間の連続点灯を行い、その消
耗量を測定した結果を示す。この点灯試験は、チャンバ
内のアルゴン雰囲気中で上記先端部を加工した丸棒から
なる電極材を陰極とし、純タングステン材を陽極として
アーク距離２ｍｍ、１２Ａ定電圧にて行った。

【００２８】表２は、上記と同一の材料を用いて、かつ
同一の条件下で２０分点灯、５分間休止を１サイクルと
し、これを１００回及び５００回繰り返し、それぞれ１
秒以内に点弧した回数を測定したものである。同表に
は、比較例のデータも併記されている。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【発明の効果】以上に説明した如く、本発明にかかるタ
ングステン電極材料は、従来のトリエ−テッドタングス
テン電極材以上の良好な点弧性を有し、耐消耗性もきわ
めてすぐれている。

【図面の簡単な説明】

【図１】消耗試験結果を表すグラフである。

【図２】電極材の好ましい先端形状を表す図である。

【符号の説明】

１電極材２円錐状先端部３平坦部（先端カット部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長谷川清幸北海道深川市音江町字広里105番地の１北海タングステン工業株式会社内 (72)発明者赤羽根克芳北海道深川市音江町字広里105番地の１北海タングステン工業株式会社内 (72)発明者松野隆北海道深川市音江町字広里105番地の１北海タングステン工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硼化ランタンを０．０２〜２．０重量％
含み、残部がタングステンである材料で作られた直径
０．２〜１５ｍｍの丸棒の先端部を１５〜６５度の角度
で円錐状に尖らせ、その先端部を先端から０．２〜０．
８ｍｍの長さでカットしてなるタングステン電極材。
【請求項２】硼化ランタンを０．０２〜２．０重量％
含み、残部がタングステンである材料で作られた丸棒の
先端部を円錐状に尖らせたもの、又はその先端部を所定
の長さでカットしたものの表面部に、その丸棒部分の直
径の０．２〜１０％の厚さで浸炭層を形成してなるタン
グステン電極材。
【請求項３】浸炭層の組成が実質的にＷ₂ Ｃである請
求項２に記載のタングステン電極材。
【請求項４】硼化ランタンを０．０２〜２．０重量％
含み、残部がタングステンである材料、又はその表面部
に浸炭層を形成した材料を、還元性ガス雰囲気中又は不
活性ガス雰囲気中で１６００〜２２００℃の温度で１〜
３０分加熱することを特徴とするタングステン電極材の
熱処理法。
【請求項５】タングステン電極材が、放電灯用電極材
である請求項１乃至４のいずれかに記載のタングステン
電極材。