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タンタル

タンタル

タンタルは、高い耐食性が要求される場合には賢明な選択です。タンタルは貴金属の仲間ではありませんが、耐薬品性の面では貴金属に匹敵します。また、タンタルは体心立方の結晶構造を持つにもかかわらず、常温以下での加工が非常に容易です。多くの化学的用途で貴重な材料となっています。「不易流行」の材料を例えば、設備工事用の熱交換器、炉材用のリベットラック、医療用のインプラント、電子工業用のコンデンサー部品などに使われています。

原子番号 73
CAS番号 7440-25-7
原子質量 180.95 [g/mol]
融点 2996 °C
沸点 5458 °C
20℃における密度 16.65 [g/cm3]
結晶構造 体心立方体
20℃における線熱膨張係数
6.4 × 10-6 [m/(mK)]
20℃における熱伝導率
57.5 [W/(mK)]
20℃における比熱 0.14 [J/(gK)]
20℃における電気伝導率 8.0 × 106 [S/m]
20℃における比電気抵抗 0.125 [(Ωmm2)/m]
材料の種類

純タンタルなのか、それとも合金なのか。

品質面でも安心してお使いいただけます。タンタル製品は、金属粉から完成品まですべて製造しています。原料には純度の高いタンタルパウダーのみを使用しています。このようにして、非常に高い材料純度を保証することができるのです。

弊社の焼結品質タンタル(Nbを含まない金属純度)は99.95%の純度を保証しています。残りの部分は、化学分析により、主に以下の元素で構成されています:

要素 標準最大値
[μg/g]
保証された最大値
[μg/g]
Fe
17
50
Mo
10
50
Nb
10
100
Ni
5 50
Si
10
50
Ti
1 10
W 20
50
C 11
50
H 2
15
N 5 50
O 81
150
Cd 5
10
Hg -
1
Pb 5
10

クロム(VI)と有機不純物は製造過程において完全に取り除かれています。(1000度を超える水素雰囲気の中、多段熱処理をしています。)

溶解した品質タンタル(Nbを含まない金属純度)は、99.95%の純度を保証しています。残りの部分は、化学分析により、主に以下の元素で構成されています:

要素 標準最大値
[μg/g]
保証された最大値
[μg/g]
Fe
5
100
Mo
10
100
Nb
19
400
Ni
5 50
Si
10
50
Ti
1 50
W 20
100
C 10
30
H 4
15
N 5 50
O 13
100
Cd -
10
Hg -
1
Pb -
10

クロム(VI)と有機不純物は製造過程において完全に取り除かれています。(1000度を超える水素雰囲気の中、多段熱処理をしています。)

材料指定 化学組成
(重量パーセント)
焼結品質
S
焼結品質のタンタル
(TaS)
> 99.95
粒状安定化タンタル(TaKS) > 99.90
TaW2.5 2.5% W
TaW10 10% W
溶けた品質のM 溶解した品質のタンタル(TaM) > 99.95

タンタルは用途に応じて最適なものを用意しています。弊社は、様々な合金の添加による以下の特性を定義しています。

  • 物性(例:融点、密度、電気伝導率、熱伝導率、熱膨張率など)
  • 機械的性質(強度、延性など)
  • 化学的性質(耐腐食性、エッチング挙動など)
  • 加工性(被削性、成形性、溶接性など)
  • 構造および再結晶挙動(再結晶温度、粒の大きさなど)

また、それだけではありません。オーダーメイドの製造プロセスにより、他の領域でもタンタルの特性を変化させることができます。その結果、それぞれの用途に合わせてカスタマイズされた、異なる特性プロファイルを持つタンタル合金が生まれます。

 

純度の高い焼結品質のタンタルと純度の高い溶融品質のタンタルは、以下の特性を共有しています:

  • 2996℃の高融点
  • 優れた低温延性
  • 800℃~1200℃での再結晶(変形のレベルと純度による)
  • 水溶液や金属融液に対する優れた耐性
  • 超電導性
  • 高水準の生体適合性
  • 焼結品質のタンタル(TaS)

    弊社の焼結品質タンタルは、このような厄介な状況に使用されます。弊社の粉末冶金製造プロセスにより、焼結品質タンタル(TaS)は、特に細粒となっています。その結果、この材料は非常に加工しやすく、優れた表面品質と堅牢な機械的特性を備えています。

  • 溶解した品質のタンタル(TaM)

    高価なものが必ずしも良いものとは限りません。溶解タンタル(TaM)は、通常、焼結タンタルよりも経済的に製造することができ、多くの用途に十分な品質を提供します。しかし、焼結品質のタンタルほど微細ではなく、均質でもありません。ご連絡ください。喜んでアドバイスさせていただきます。

  • 粒状安定化タンタル(TaKS)

    焼結して結晶粒を安定させたタンタルにシリコンをドープすることで、高温でも結晶粒の成長を防ぎます。これにより、弊社のタンタルは最高使用温度でも使用可能です。微細な結晶構造は、約2000℃の高温での焼鈍後も安定しています。このプロセスにより、延性や強度などの優れた機械的特性が損なわれることはありません。

  • タンタル-タングステン(TaW)

    タンタル・タングステン(TaW)は、優れた機械的特性と優れた耐食性を持っています。純タンタルに2.5~10重量%のタングステンを添加しています。その結果、純タンタルの最大1.4倍の強度を持つ合金となりますが、1600℃の高温でも加工しやすいという特徴があります。そのため、弊社のTaW合金は、化学機器の製造、航空宇宙産業の部品に使用される熱交換器やホットゾーンに特に適しています。 

特性

優れたオールラウンダー:タンタルの材料特性

タンタルは、高融点金属(耐火性金属とも呼ばれる)に属します。耐火性金属は、プラチナ(1772℃)よりも高い融点を持っています。個々の原子間の結合エネルギーが特に高いからです。また、高融点でありながら、蒸気圧が低いことも特徴です。また、密度が高く、熱膨張率が低いことも特徴です。

周期表では、タンタルはタングステンと同じグループに位置します。タンタルの密度は16.65g/cm³で、タングステンと同様に高い密度を有しています。しかし、タンタルはタングステンと異なり、水素雰囲気では脆くなるため、高真空で焼結されます。

タンタルは、耐火性金属の中では間違いなく最も耐性が高く、すべての酸と塩基に対して耐性があります。

  • 物理的特性

    耐火物金属は、熱膨張率が低く、密度が比較的高いという特徴があります。タンタルも同様です。ただし、タンタルの熱伝導率は、タングステンやモリブデンに比べて低くなります。タンタルの熱物性は、温度によって変化します。以下の図は、最も重要な変数の曲線を示しています。

    • タンタルとニオブの線熱膨張係数
    • タンタルとニオブの比熱容量
    • タンタルとニオブの熱伝導率
  • 機械的特性

    タンタルは、酸素、窒素、水素、カーボンなどの元素が少量でも溶け込んでいると、機械的性質が変化します。また、製造工程や変形のレベル、熱処理の種類も機械的特性に影響を与えます。

    タンタルは、タングステンやモリブデンと同様、体心立方の結晶構造を持っています。脆性から延性への転移温度は室温よりも低い-200℃です。そのため、非常に加工しやすい金属です。成形性を高めると引張強さや硬さが増すが、同時に破断伸びも小さくなります。しかし、材料が脆くなることはありません。

    高温安定性は、タングステンに比べて低いが、純モリブデンに近い値です。弊社では、高温安定性を高めるために、タンタルにタングステンなどの高融点金属を合金化しています。

    タンタルの弾性率は、タングステンやモリブデンよりも低く、純鉄の弾性率に似ています。弾性率は温度の上昇とともに低下します。

    • タンタルの弾性率をタングステン、モリブデン、ニオブと比較したもの。

    その高い延性のおかげで、タンタルは曲げ、打ち抜き、プレス、深絞りなどのチップレス成形に適しています。タンタルの機械加工は非常に難しいです。チップがきれいに割れないからです。そのため、チップブレーカーの使用をお勧めします。タンタルは、タングステンやモリブデンに比べて溶接性に優れています。

    耐火物金属の機械的処理について、ご質問がありますか?弊社の長年の経験を生かして、喜んでお手伝いさせていただきます。

  • 化学反応

    タンタルはあらゆる化学物質に耐性があるため、しばしば貴金属と比較されます。しかし、熱力学的にはタンタルは卑金属であり、様々な元素と安定した化合物を形成することができます。タンタルは空気に触れると、非常に緻密な酸化膜(Ta2O5)を形成し、化学的な攻撃から母材を保護します。この酸化層がタンタルの耐腐食性を高めています。

    常温でタンタルが耐性を持たない無機物は、濃硫酸、フッ素、フッ化水素、フッ化水素酸、フッ化物イオンを含む酸溶液などです。また、アルカリ溶液、溶融水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどもタンタルを侵します。一方、アンモニアの水溶液には耐性があります。タンタルが化学的な攻撃を受けると、金属の格子に水素が入り込み、材料がもろくなります。タンタルの耐食性は、温度の上昇とともに徐々に低下します。

    タンタルは多くの溶液と接触しても不活性です。しかし、タンタルが混合溶液にさらされた場合、個々の成分に対して耐性があっても、耐食性が損なわれることがあります。複雑な腐食関連のトピックについて質問がありますか?弊社の経験を用いて社内の腐食研究所が喜んでお手伝いさせていただきます。

    耐性 (+)、非耐性(-) 注意
       
    お湯< 150 °Cd>+  
    酸類    
    フッ化水素酸、HF -  
    塩酸、HCI + < 30%, < 190 °Cd>
    リン酸、H3PO4 + < 85%, < 150 °Cd>
    硫酸、H2SO4 + < 98%, < 190 °Cd>
    硝酸、HNO3 + < 65%, < 190 °Cd>
    有機酸  
    ライズ    
    アンモニア溶液、NH4OH + < 17%, < 50 °Cd>
    水酸化カリウム、KOH + < 5%, < 100 °Cd>
    炭酸ナトリウム、Na₂CO₃ + < 20%, < 100 °Cd>
    水酸化ナトリウム、NaOH + < 5%, < 100 °Cd>
    ハロゲン    
    フッ素、F2 -  
    塩素、Cl2 + < 150 °Cd>
    臭素、Br2 + < 150 °Cd>
    ヨウ素、I2 + < 150 °Cd>
    非金属    
    ボリン、B + < 1000 °Cd>
    リン酸塩、P + < 150 °Cd>
    硫黄、S + < 150 °Cd>
    ガス    
    タンタルは貴ガスと反応しません。そのため、高純度の貴ガスを保護ガスとして使用することができます。しかし、タンタルは温度が上がると、酸素や空気と強く反応し、水素や窒素を大量に吸収することがあります。タンタルは温度が上がると酸素や空気との反応が強くなり、水素や窒素を大量に吸収して脆くなります。タンタルを高真空中でアニールすると、これらの不純物が取り除かれます。水素は800℃で、窒素は1700℃で除去されます。
    アンモニア、 NH3 + < 700 °Cd>
    一酸化炭素、CO + < 1100 °Cd>
    二酸化炭素、CO2 + < 500 °Cd>
    炭化水素 + < 800 °Cd>
    空気と酸素、O2 + < 300 °Cd>
    貴ガス(He、Ar、N2 +  
    水素、H2 + < 340 °Cd>
    水蒸気 + < 200 °Cd>
    融液    
    タンタルのような基材がプラチナのような貴金属と接触すると、非常に早く化学反応が起こります。そのため、システム内に存在する他の材料と接触した際のタンタルの挙動、特に高い動作温度での挙動を十分に考慮する必要があります。
    アルミニウム、Al -  
    ベリリウム、Be -  
    鉛、Pb + < 1000 °Cd>
    セシウム、Cs + < 980 °Cd>
    銅、Cu + < 1300 °Cd>
    ガリウム、Ga + < 450 °Cd>
    鉄、Fe -  
    リチウム、Li + < 1000 °Cd>
    マグネシウム、Mg + < 1150 °Cd>
    水銀、Hg + < 600 °Cd>
    ニッケル、Ni -  
    カリウム、K + < 1000 °Cd>
    銀、Ag + < 1200 °Cd>
    ナトリウム、Na + < 1000 °Cd>
    錫、Sn + < 260 °Cd>
    亜鉛、Zn + < 500 °Cd>
    炉の構造材料    
    高温の炉の中では、タンタルが耐火性の酸化物や黒鉛でできた構造部品と反応することがあります。アルミニウム、マグネシウム、酸化ジルコニウムのような非常に安定した酸化物であっても、タンタルと接触すると高温で還元されることがあります。グラファイトとの接触は、タンタルカーバイドの形成を引き起こし、タンタルの脆化につながる可能性があります。タンタルは通常、モリブデンやタングステンなどの他の耐火性金属と問題なく組み合わせることができますが、六方晶窒化ホウ素や窒化ケイ素と反応する可能性があります。下記の限界温度は、真空中での適用です。保護ガスが使用されている場合、これらの温度は約100~200℃低くなります。
    アルミナ、Al2O3 + < 1900 °Cd>
    酸化ベリリウム、BeO + < 1600 °Cd>
    六方晶窒化ホウ素、BN + < 700 °Cd>
    グラファイト、C + < 1000 °Cd>
    酸化マグネシウム、MgO + < 1800 °Cd>
    モリブデン、Mo +  
    窒化ケイ素、Si3N4 + < 700 °Cd>
    トリウム酸化物、ThO2 + < 1900 °Cd>
    タングステン、W +  
    酸化ジルコニウム、ZrO2 + < 1600 °Cd>

    タンタルの腐食挙動

    水素ぜい化
    硫酸98%、250°C 原子状水素 > 25°C
    塩酸30%、190°C 350℃の水素
    塩酸 貴族度の低い
    溶解性物質によるカソード分極

    水素脆化への対策は以下の通りです:

    • 金属の電気絶縁
    • 金属の正極性化(約+15V)
    • 溶液への酸化剤の添加
    • 形成された金属表面の使用
    • より高貴な金属(Pt,Au,Pd,Rh,Ruなど)との電気的接触

    脆くなったタンタルは、800℃の高真空アニールによって再生することができます。

特徴と用途

品質特性

弊社のタンタルは、そのユニークな特性を活かして様々な産業分野で使用されています。ここでは、そのうちの1つを簡単にご紹介します。

  • 卓越した耐性と優れた低温延性

    タンタルは、その優れた抵抗性と、優れた成形性・溶接性により、熱交換器に最適な材料です。弊社のタンタル製熱交換器は、非常に安定した耐性を持っています。また、長年にわたるタンタルの加工経験から、お客様のご要望に応じた複雑な寸法のものも製造することができます。

デポジット

自然発生と準備

1802年、スウェーデンの化学者アンダース・グスタフ・エーケベルグは、コロンバイト鉱石から五酸化タンタル (Ta2O5)を初めて分離しました。この酸化物の名前は、ギリシャ神話に登場する人物、タンタロスにちなんで付けられました。タンタロス(ラテン語)は、自分の周りの水がいつも手に届く前に引いてしまうので、喉の渇きを満たすことができませんでした。同じように、酸化タンタルはどんな酸とも反応しません。化学記号Taは、1814年にJöns Jakob Berzeliusによって提案されました。ベルゼリウスは、タンタルの原石を初めて製造した人物です。しかし、ハインリッヒ・ローズは、この方法で作られたタンタルが実際には50%のタンタルしか含まれていないことを認識していました。1844年、ローズはタンタルとニオブが別個の元素であることを証明することに成功しました。その後、ウェルナー・フォン・ボルトンがヘプタフルオロタンタル酸カリウムをナトリウムで還元して純粋なタンタルを製造したのは、それから100年後のことです。

タンタルは天然ではタンタライト鉱石の形で最も多く産出され、式(Fe,Mn)[(Nb,Ta) O3]2で表されます。タンタルが多く含まれている場合はタンタライトと呼ばれます。タンタルよりもニオブが多く含まれている場合はコロンバイトまたはニオバイトと呼ばれています。世界最大のタンタル鉱床は、オーストラリア、ブラジル、アフリカの国々にあります。

鉱石は様々な方法で精錬され、約70%(Ta、Nb) 2O5 の精鉱が得られます。この濃縮物をフッ化水素酸と硫酸の混合液に溶かします。次に、得られたフッ化物錯体(TaF7)を、液体抽出プロセスによって有機相に変換します。この有機相を水相から分離します。その後、フッ化水素カリウムを用いて有機相からタンタルを分離します。その際、ヘプタフルオロタンタル酸カリウム(K2TaF7)が生成されます。このようにして得られたタンタル化合物をナトリウムで還元すると、純粋な金属タンタルが得られます。

RMAP準拠の調達

タンタルは、一部がコンゴ民主共和国(DRC)周辺の紛争地域で採掘されているため、「コンフリクトミネラル」に分類されています。その責任を自覚する企業として、特に、弊社が調達する原材料が責任を持って調達され、このような紛争の原因とならないように配慮しています。このため、弊社はタンタルの「コンフリクトフリー」原産地を独自の証明書で確認しています。これは、プランゼーが倫理的に反証のない供給源からのタンタル原料を使用していることを、Responsible Minerals Initiative(RMI:責任ある鉱物調達)が証明するものです。この監査は、監査期間内に調達されたすべてのタンタル、および監査期間内に製造されたタンタルを含むすべての製品を対象としています。 

この監査は、Responsible Business Alliance(RBA、旧EICC:責任ある企業同盟)とGlobal e-Sustainability Initiative(GeSI)の共同事業であるResponsible Minerals Assurance Process(RMAP:責任ある鉱物保証プロセス)ダウンストリーム監査プログラムの一環として行われたもので、プランゼーが自主的に採用している義務です。これは、弊社、お客様、サプライヤーにとって、弊社がResponsible Minerals Assurance Process(RMAP:責任ある鉱物保証プロセス)に準拠していることを独立して確認するものです。

持続可能性というテーマについての詳細
生産工程

どうすればいいのか?粉末冶金で!

粉末冶金とは何か?現在、鉄鋼、アルミニウム、銅などの工業用金属・合金のほとんどは、鋳型で溶解・鋳造して製造されていることはよく知られています。一方、粉末冶金では、溶融工程がなく、金属粉を圧縮して、材料の溶融温度以下で熱処理(焼結)することで製品を製造します。粉末冶金の分野では、金属粉そのものと、成形・焼結プロセスの3つが最も重要な要素となります。これらの要素を自社でコントロールし、最適化することができます。

なぜ粉末冶金を使うのか?粉末冶金では、2000℃をはるかに超える融点の材料を製造することができます。この方法は、少量の生産であれば特に経済的です。また、オーダーメイドの混合粉を使用することで、様々な特性を持った均質な材料を作り出すことができます。

このタンタル粉末を合金元素と混合し、金型に充填します。その後、混合物を最大2000バールの圧力で圧縮します。その後、プレスされたブランク(グリーンコンパクトとも呼ばれる)は、特殊な炉で2000℃以上の温度で焼結されます。この過程で、密度が高まり、微細構造が形成されます。優れた高温安定性や硬度、流動特性などの特殊な特性は、鍛造、圧延、絞りなどの適切な成形方法を用いているためです。これらのステップが完璧に噛み合ってこそ、厳しい品質要求を達成し、純度と品質の高い製品を製造することができるのです。

    酸化
    還元
    合金の混合
    プレス加工
    焼結
    成形
    熱処理
    機械加工
    品質保証
    リサイクル
酸化モリメット社(チリ)は、世界最大のモリブデン鉱石精鉱の加工業者であり、三酸化モリブデンの主な供給元でもあります。プランゼーグループはモリーメット社の21.15%の株式を保有しています。Global Tungsten & Powders社(米国)はプランゼーグループの一部門で、タングステン金属粉の主要サプライヤーです。

タンタルおよびタンタル合金の半製品の一覧です。

 

材料 シート
[厚さ]
リボン
[厚さ]
ロッド
[直径]
        OD
[直径]
壁の厚さ
TaS 0.025 – 2 mm ご要望に応じて ご要望に応じて 2 – 52 mm 0.25 – 4 mm
TaK     ご要望に応じて    
TaKS     ご要望に応じて    
TaM 0.10 – 40 mm 0.050 – 0.400 mm 3.0 – 120 mm 2 – 52 mm 0.25 – 4 mm

 

ご要望に応じて、その他の寸法、お客様の仕様に合わせた成形品、機械加工品、完成品をご用意いたします。

製品ラインナップ

プランゼーオンラインショップの製品をご覧ください。

オンラインショップ

オンラインショップでは、シート、ロッド、リボン、ワイヤーなど、寸法を自由に設定できる製品を迅速かつ簡単に注文できます。

ダウンロード

タンタルとその合金について、もっと知りたいと思いませんか?安全データシートはこちらでご覧いただけます。

安全データシート:タンタル
その他の資料
4295.94
Mo
モリブデン
74183.84
W
タングステン
W-MMC
Metal Matrix Composites