鉭－矽合金,含該合金的產品以及製造該合金的方法
2023-04-25 12:00:21
專利名稱：鉭－矽合金,含該合金的產品以及製造該合金的方法
背景技術：
本發明涉及金屬合金、製造該合金的方法以及用該合金製成的產品或含該合金的產品。本發明尤其涉及至少含鉭的合金。
鉭在工業上有很多用途，如用於作電容器級的絲，用於製造坩堝等物的深衝質量級的帶材，薄的導管帶材或其它的常規用途。在製造用於工業的產品時，從含鉭礦石中取得鉭，再將其轉變成鹽，然後再將此鹽還原成粉末。可通過熔煉將此粉末加工成錠，或使此粉末經壓制和燒結而形成所需的產品。雖然目前市售等級的鉭可為產業界所接受，仍需要提高鉭的性能，因為用粉末冶金法製造的鉭棒從上到下的抗拉強度差異很大，而鉭錠冶金法取得的鉭的晶粒尺寸很大，粗大的晶粒將使鉭不希望地變脆，而在形成小尺寸時，如導線級的產品時則尤為如此。
因此，需要提高鉭的緻密性以克服上述缺點。
發明簡述按照本發明的一個方面，本發明涉及至少含鉭和矽的金屬合金，其中鉭以最高的重量百分比存在於該金屬合金中。當將該合金形成絲時，它優選具有抗拉強度的均勻性，以使該絲的抗拉強度的最大集群標準偏差，對最終直徑的未退火絲而言為約3KSI，而對最終直徑的退火絲而言為約2KSI。
本發明還涉及由該合金製造的各種產品，如棒、管、板、線、電容器等。
本發明還涉及製造至少含鉭和矽的金屬合金的方法，其中鉭在該金屬合金中佔最大的重量百分比。該方法包括如下步驟將含鉭或其氧化物的第一粉末與至少含矽、其一種氧化物，或含矽的化合物的第二粉末混合以形成一種混合物。然後藉助，比如熔化使此混合物轉變至液態，再由液態形成固體合金。
本發明還涉及另一種製造該合金的方法，它包括轉變為液態，單獨地或一起地將含矽固體和含鉭固體轉變成含矽液體和含鉭液體的步驟。再將此兩種液體混和形成一種液體混合物，然後此液體混合物形成固體合金。
此外本發明還涉及提高鉭金屬的抗拉強度均勻性的方法，該方法將足量的矽摻雜或引入鉭金屬中，以提高鉭金屬的抗拉強度的均勻性。
本發明還涉及降低鉭金屬脆性的方法，該方法包括將鉭與足量的矽相摻，或將足量的矽引入鉭金屬中以降低鉭金屬的脆性。
本發明最後涉及使鉭金屬具有可控的機械抗拉強度的方法，該方法使鉭金屬與矽相混，或將矽引入鉭金屬中，再使鉭金屬退火，從而使鉭金屬具有可控的或所需的機械抗拉強度。
應理解的是，上述的一般性描述及下文的詳細敘述僅僅是示例性和說明性的，因而按權利要求書對本發明提供進一步的說明是本發明的目的。本發明的詳細說明本發明部分地涉及至少含鉭和矽的金屬合金錠。作為該金屬合金之一部分的鉭是主要存在的金屬。因此，在任何任選地存在的金屬中，鉭佔最大的重量百分比。在該合金中，鉭所佔的重量百分比至少約50％，優選至少約75％、更優選至少約85％或至少95％，最優選至少約97％，或約97％-約99.5％或更高。在較佳實施方案中，也可認為該合金是用矽合金微合金化的鉭合金。矽以低的量存在。優選該鉭矽合金含約50ppm(重量)-約5％(重量)的元素態矽，更優選含約50ppm-約1000ppm的元素態矽，而最優選含約50ppm-約300ppm的元素態矽(以合金重量為基準計)。該合金優選含有1％(重量)以下的元素態矽。該合金中的矽含量是足以使所得合金的抗拉強度均勻性高於不含矽的鉭金屬的該均勻性的量。
本發明的合金可含其它的附加成分，如其它金屬或通常加於鉭金屬中的成分，比如，釔、鋯、鈦或它們的混合物。這些附加成分的類型和數量可以與常規鉭金屬所採用的類型和數量相同，而且是本領域的扶人員所公知的。在一個實施方案中，釔在該合金中的含量少於400ppm，或少於100ppm，或少於50ppm。還可存在除鉭之外的其它金屬，而它們在該合金中優選少於4％，更優選少於3％或少於2％(以該合金重量為基準計)。在該合金中沒有或基本上沒有鎢或鉬也是可取的。
該合金含少量氮，比如小於200ppm，優選小於50ppm，更優選是小於25ppm而最優選小於10ppm的氮也是可取的。該合金還可含少量的氧，如小於150ppm，較好是小於100ppm，更好是小於約75ppm，而最好是小於約50ppm的氧。
本發明的合金有任何的晶粒尺寸，這包括通常在純的或基本上純的鉭金屬中出現的晶粒尺寸。當將該合金於1800℃加熱30秒時，該合金的晶粒尺寸以約75-約210微米的為佳，更好是約75-約125微米。當在1530℃將此合金加熱2小時，其晶粒尺寸為約19-約27微米也是較佳的。
當將該合金形成絲時，優選具有下述的抗拉強度方面的均勻性對於最終直徑的未退火絲而言，該絲的抗拉強度的最大集群標準偏差為約3KSI，優選是約2.5KSI，最優選是2.0KSI，而最好是1.5或1.0KSI。對於最終直徑的退火絲而言，該絲的抗拉強度的最大集群標準偏差優選是約2KSI、更優選是約1.5KSI，甚好是約1.0KSI，而最優選是約0.5KSI。
可用多種方法製造本發明的合金。在一優選的方法，將含鉭或其氧化物的第一粉末(如含鉭的固體)與含矽或含矽化合物的第二粉末相混合。
就本發明的目的而言，含矽的固體可以是隨後被轉變至液態，從而將元素矽加於鉭金屬中的任何固體。含矽化合物的例子包括，但不限於，元素態的矽粉、SiO2、玻璃球等。含鉭固體可以是至少含鉭的任何固體材料，它們可被轉變為液態，從而形成鉭金屬。含鉭固體的例子是鉭粉或鉭碎片等。
在將粉末混合形成混合物之後，將此混合物轉變為液態，比如通過熔化轉變為液態。將此混合物，比如通過熔化轉變成液態的方式可用任何手段進行。比如，可用電子束熔化，真空電弧重熔工藝或等離子熔化法完成所述熔化。
混合物一旦轉變成液態，則此液態混合物形成，或再轉變成固態並形成固態合金，轉變為固態可用任何方法完成，這包括在坩堝，如水冷銅坩堝中急冷、或霧化(如，氣體或液體霧化)、快速凝固工藝等。
按照此工藝，一般可採用任意量的含矽化合物或元素矽，或將其以任意量加於鉭金屬中，只要該量能形成鉭基合金即可。一旦形成此粉狀混合物，它含有約0.01％(重量)-約2.5％(重量)的元素態矽，優選是約0.5％(重量)-約2.0％(重量)，最優選是約0.80％(重量)-約1.2％(重量)(以該混合物總重為基準計)。
如前所述，該混合物還可含其它的成分、添加劑或摻雜劑，如通常用於常規鉭金屬中的那些物質，比如釔、鋯、鈦或它們的混合物。
按照本發明的一個較優選實施方案，用電子束熔化法(在真空中)將該混合物轉變為液態，其中可以任何速率，包括約200磅/小時-約700磅/小時的速率，用比如，可鑄成10-12吋錠的1200kW Leybold EB爐將此混合物熔化。根據EB爐的類型及其冷卻能力可以製造任意尺寸的錠。
優選將隨後形成的合金轉變成液態，或熔融多次，優選2次或更多次。當熔融至少2次時，第一次熔融以約400磅/小時的熔融速率進行為佳，第2次熔融以約700磅/小時的熔融速率進行為佳。因此，該合金一旦形成，可任意次地將其轉變為液態，以便產生更純的合金，及有助於將最終產品中的矽含量降至所需水平，這些矽或含矽化合物可能是過量添加的。
用上述方法形成的合金可含有前述量的元素態矽，而以該合金的重量為基準計，該合金優選是含約50ppm-約5％，更優選小於約1％的元素態矽。
製造本發明的合金的其它方法包括將含矽固體和含鉭固體轉變為液態。在該方法中，可以單獨地將含矽固體和含鉭固體轉變成液態。然後將此兩種液體混在一起。可供選擇的是，含矽固體和含鉭固體可作為固體一併添加，接著再將其轉變成液態。
一旦將含矽固體和含鉭固體轉變成液體後，例如通過熔融，將此二種液體混在一起形成液體混合物，隨後形成了固態合金。用類似於前述工藝，可在該工藝期間添加附加成分、添加劑和/或摻雜物。
或者，可以氣體和「混合物」的方式將矽或含矽化合物引入熔融槽或坩鍋中。
本發明還涉及提高含有鉭金屬的材料的抗拉強度均勻性的方法。如前所述，鉭金屬，尤其是形成棒或類似形狀時，在其全長和/或整個寬度上，諸如抗拉強度之類的機械性能會有很大的不同。而採用本發明的合金，該鉭金屬的抗拉強度均勻性較之不含矽的鉭金屬有所提高。換言之，在本發明的合金中，抗拉強度的標準偏差的差別可有所下降。因此，通過將矽以形成一種Ta-Si合金的方式摻入或加入鉭金屬中可提高合金的抗拉強度的均勻性，所述的Ta-Si合金的抗拉強度均勻性較之不含矽的鉭金屬是有所提高或改進的，而且當該鉭被成形為絲或帶時則尤為如此。
鉭合金中存在的矽含量可與前述的數量相同。用含矽的鉭金屬可使抗拉強度的標準偏差降低好幾倍。比如，與不含矽的鉭金屬相比，其抗拉強度的標準偏差可降低約10倍或更多。較好地是，該標準偏差下降至少10％，更優選是下降至少25％，最優選是下降至少50％(與不含矽的鉭金屬相比)。
與不含矽的熔融法生產的鉭相比，或與不含矽的粉末冶金的鉭相比，由於形成Ta-Si合金，鉭金屬的脆性也類似地下降。
除了這些優點之外，本發明還涉及使鉭金屬具有可控的機械抗拉強度的方法。詳而言之，根據Ta-Si合金中矽的含量及用於該合金的退火溫度，可使該合金具有可控範圍的抗拉強度。比如，較高的退火溫度將導致該合金有較低的抗拉強度，而該合金中含有較高量的矽則使該合金的抗拉強度較高。因此，本發明基於這些變量使人們得以在鉭合金中控制或「撥入」所需的特定的抗拉強度。
有助於確定鉭金屬中的可控機械抗拉強度水平的退火溫度是對該Ta-Si合金進行最終退火的溫度。Ta-Si合金的這種最終退火是在確定該鉭金屬中的特定機械抗拉水平時最起控制作用的退火。一般而言，可用不使該合金熔融的任何溫度對該Ta-Si合金退火。優選的退火溫度範圍(如，中間或最終退火溫度範圍)為約900℃-約1600℃，更好是約1000℃-約1400℃，而最好是約1050℃-約1300℃。這些退火溫度基於約1-3小時，更好是約2小時的退火。因此，若想得到較低的抗拉強度(如，144.3KSI)，則以約1200℃的溫度進行中間退火。若希望鉭金屬有較高的抗拉強度(如，162.2KSI)，則以約1100℃進行中間退火。
該合金一旦形成，可對該Ta-Si合金進行同於任意常規鉭金屬的任何進一步的處理。比如，可對該合金進行鍛壓、拉撥、軋制、模鍛、擠壓、管縮(tube reducing)，或上述工藝中的幾種或其它工藝步驟。如前所述，可對該合金進行一或多個退火步驟，尤其是根據該鉭合金的具體形狀或最終用途進行上述退火。用於處理Ta-Si合金的退火溫度和時間已陳述於上。
這樣可用本領域的技術人員公知的方法將該合金形成任意形狀，如管、棒、板、絲、杆或深衝部件。該合金可用於電容器和爐子中，以及用於需考慮金屬脆性的其它用途。
下面的實施例進一步說明本發明，這些實施例純粹是用於對本發明進行舉例。
表1極限抗拉強度(RSI)未退火的鉭Ta-Si合金直徑 平均ZSD範圍0.2mm132 122/142130.0124.3133.80.25mm 133 123/143120.6134.6130.4對該樣品還進行了彎折試驗，經過在1950℃的30分鐘的燒結本發明的合金絲成功地抗禦了脆化。
表2
該鉭金屬中含有的矽量是由放射光譜法確定的。已發現，與含1.0％(重量)矽的試樣相比，加入了0.5％(重量)的矽的合金導致了殘留矽量降低了約30-約60ppm，而且Briner Hardnes Number(BHN)下降了12個點。
含有1.0％的所加入的矽的試樣(第3份)在表面和中部都產生了均勻的Si殘留量(分別是138-160ppm和125-200ppm)。熔化速率低的樣品使表面和中間的殘留Si量稍有提高(分別是135-188ppm和125-275ppm)。在每種情況下，該合金的硬度非常均勻，它呈現範圍為103-127的平均114的BHN。
表3
從表3中的結果可知，該Ta-Si合金的抗拉強度的標準偏差非常低。還有，退火溫度的變化表明了控制抗拉強度範圍的能力。
對於考慮到公開於本文中的本發明的說明書及實施例的本領域的技術人員而言，本發明還有其它實施方案是很明確的。說明書和實施例被認為僅是示例性的，而本發明真實的範圍和精神被示於下面的權利要求中則是申請人的意願。
權利要求
1．含鉭和矽的鉭基合金，其中鉭是佔最高重量百分比的金屬，當將所述合金構成絲時，該合金具有抗拉強度的均勻性，從而使該絲的抗拉強度最大集群標準偏差，對最終直徑的未退火絲而言為約3KSI，而對最終直徑的退火絲而言為約2KSI。
2．權利要求1的合金，其中所述合金含基於合金重量的約50ppm-約5％的元素態矽。
3．權利要求2的合金，其中所述合金含基於合金重量的約50ppm-約1000ppm的元素態矽。
4．權利要求2的合金，其中所述合金含基於合金重量的約50ppm-約300ppm的元素態矽。
5．權利要求2的合金，其中所述合金含基於合金重量的小於1％(重量，以所述合金重量為基準計)的元素態矽。
6．權利要求1的合金，它還含釔、鋯、鈦或其混合物。
7．權利要求1的合金，其中所述合金於1800℃被加熱30分鐘時，其粒徑為約75μm-約210μm。
8．權利要求1的合金，其中所述合金在1530℃被加熱2小時時，其粒徑為約19-約27μm。
9．權利要求1的合金，對於未退火絲而言，所述的最大標準偏差為約2KSI。
10．權利要求1的合金，對於未退火絲而言，所述最大標準偏差為約1KSI。
11．權利要求1的合金，對於退火絲，該最大標準偏差為約1KSI。
12．含有權利要求1所述的合金的管。
13．含有權利要求1所述的合金的板或棒。
14．含有權利要求1所述的合金的絲。
15．含有權利要求1的合金的電容器部件。
16．權利要求1的合金，其中所述合金還含小於10重量％除鉭之外的金屬。
17．製造含鉭和矽的合金的方法，它包括將含鉭或其氧化物的第一粉末與含有矽或含矽化合物的第二粉末混合形成混合物；通過熔融將所述混合物轉變為液態；從所述液態形成固體合金。
18．權利要求17的方法，其中所述混合物含約0.01％-約25重量％的元素態矽。
19．權利要求17的方法，其中所述混合物含約0.5％-約2.0重量％的元素態矽。
20．權利要求17的方法，其中所述混合物含約0.80％-約1.2重量％的元素態矽。
21．權利要求17的方法，其中所述混合物還含釔、鋯、鈦或它們的混合物。
22．權利要求17的方法，其中所述的將所述混合物轉變成液態包括熔融所述混合物。
23．權利要求17的方法，其中所述的熔融是電子束熔融。
24．權利要求17的方法，其中所述的熔融是等離子熔融。
25．權利要求17的方法，其中的熔融是真空電弧重熔。
26．權利要求17的方法，它還包括將所述固體合金轉變成液態，再重新形成所述固體合金。
27．權利要求17的方法，它還包括使所述合金經受鍛造、拉拔、軋制、模鍛、擠壓、管縮或它們的組合。
28．權利要求17的方法，它還包括使所述固體合金退火。
29．權利要求17的方法，其中所述固體合金包含約50ppm-約5重量％的元素態矽。
30．製造含鉭和矽的合金的方法，它包括單獨或一起地將含矽固體和含鉭固體轉變成液態，形成含矽的和含鉭的液體；將該含矽的和含鉭的液體混合形成液體混合物；用此液體混合物形成固體合金。
31．權利要求30的方法，其中所述混合物含約0.01％-約2.5重量％的元素態矽。
32．權利要求30的方法，其中所述混合物含約0.5％-約2.0重量％的元素態矽。
33．權利要求30的方法，其中所述混合物含約0.8％-約1.2重量％的元素態矽。
34．權利要求30的方法，其中所述混合物還含釔、鋯、鈦或它們的混合物。
35．權利要求30的方法，其中將混合物轉變為液態包括熔融所述混合物。
36．權利要求35的方法，其中所述熔融是電子束熔融。
37．權利要求35的方法，其中所述熔融是等離子熔融。
38．權利要求35的方法，其中所述熔融是真空電弧重熔。
39．權利要求30的方法，它還包括將所述固體合金轉變為液態，再將其形成所述固體合金。
40．權利要求30的方法，它還包括使所述固體合金經受鍛造、拉拔、軋制、模鍛、擠壓、管縮或它們的組合。
41．權利要求30的方法，它還包括使所述固體合金退火。
42．權利要求30的方法，其中所述固體合金含約50ppm-約5重量％的元素態矽。
43．提高鉭合金的抗拉強度均勻性的方法，它包括將矽以可提高所述抗拉強度均勻性的量加入所述鉭中。
44．降低鉭合金脆性的方法，它包括將矽以可降低所述脆性的量加入所述鉭金屬中。
45．使鉭合金具有可控的機械抗拉強度的方法，它包括將矽加入所述鉭金屬中，然後以提供所述可控機械抗拉強度的溫度使該鉭合金退火。
全文摘要
公開了一種含鉭和矽的合金。鉭是主要金屬。當將該合金形成絲時,它有抗拉強度的均勻性,從而使最終直徑的未退火絲和最終直徑的退火絲的抗拉強度的最大集群標準偏差分別為約3KSI和約2KSI。還公開了製造Ta－Si合金的方法,該法包括將含Si固體和含鉭固體轉變成液體。再將它們混成液態混合物,再用該液態混合物形成固體合金。還公開了另一種製造Ta－Si合金的方法,它包括將含鉭或其氧化物的粉末與含矽的粉末或含矽化合物的粉末形成混合物,再將該混合物轉變成液態,再用此液態形成固體合金。還公開了提高鉭合金抗拉強度均勻性、降低鉭合金脆性及使鉭合金具有受控的機械抗拉強度的方法,上述各法包括向鉭金屬中加矽以形成Ta－Si合金。
文檔編號C22B5/04GK1306585SQ99807719
公開日2001年8月1日 申請日期1999年5月20日 優先權日1998年5月22日
發明者小路易斯·E·休伯特, 克里斯多福·A·米凱盧克 申請人:卡伯特公司