タンタル
タンタルは耐食用途には最適な選択であり、その化学的耐性は貴金属に比肩します。また体心立方結晶構造でありながら、室温以下の温度でも容易に加工 できることが特徴です。タンタルはその耐食性の高さから、数多くの化学用途で有用な材料になっています。それ故に化学プラントの熱交換器、高温工業炉設備のチャージキャリア、医療用インプラント、エレクトロニクス部品のコンデンサーなどに使用されています。
| タンタルの特性 | |
|---|---|
| 原子番号 | 73 |
| CAS番号 | 7440-25-7 |
| 原子量 | 180.95 |
| 融点 | 2996 °C |
| 沸点 | 6100 °C |
| 原子容 | 0,0180 [nm3] |
| 20°Cの密度 | 16.60 [g/cm3] |
| 結晶構造 | 体心立方構造 |
| 格子定数 | 0.3303 [nm] |
| 地殻中の存在量 | 2.0 [g/t] |
純度
プランゼーにお任せください。粉末混合から製品加工に至るまで、プランゼーは自社で製造を行っています。高純度のタンタル粉末を原料として使用することで、お客様へ最高レベル高純度製品を提供しています。
プランゼーの 焼結タンタル は 純度99.95 %
（ニオブを含まない金属純度）。それ以外の元素は以下が含まれます。
| 元素 | 最大含有 典型値 [μg/g] | 最大含有 保証値 [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。）
プランゼーの 焼結タンタル は 純度99.95 %
（ニオブを含まない金属純度）。それ以外の元素は以下が含まれます。
| 元素 | 最大含有 保証値 [μg/g] | 最大含有 保証値 [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。）
ユニークな特性
タンタルはそのユニークな特性ゆえに多様な用途を誇りますが、そのうちの二つを紹介いたします。
電気・化学特性のコントロール
タンタルコンデンサーで使用される際には、極めて滑らかな表面を持ったリード線が必要ですが、その際にはプランゼー製ワイヤーが持つ微細な結晶構造と線引き技術が大きく品質に寄与します。プランゼーではワイヤーの電気・機械・化学特性を高い精度でコントロールし、お客様にお届けしております。
優れた耐食性と低温延性
耐食性と加工性そして溶接性にも優れたタンタルは、熱交換器の用途に理想的な材料であり、各種の腐食因子に対してひときわ高い安定性を発揮します。プランゼーでは長年の経験に基づき複雑な形状の製品にも対応します。
純タンタルとタンタル合金
プランゼーでは純タンタルのみならず合金をラインナップに加えることで様々な用途に細かく対応しています。合金化により以下の特性をコントロールします。
- 物理的特性（融点、蒸気圧、密度、導電性、熱伝導性、熱膨張率、熱容量など）
- 機械的特性（強度、破壊挙動、延性など）
- 化学的特性（耐食性、エッチング性など）
- 加工性（機械加工性、成形性、溶接性など）
- 構造・再結晶特性（再結晶温度、脆化特性、経時効果、粒度など）
その他の特性も、独自の製造工程によりコントロールを行いますが、大きくは焼結品と溶解品に分類されます。また合金製品は焼結によって製造されています。
| 材料名 | 化学組成（重量%） | |
|---|---|---|
| 焼結品S | 焼結グレードタンタル（TaS） コンデンサーグレードタンタル（TaK） ドープタンタル（TaKS） Ta2.5W Ta10W | >99.95 >99.95 >99.90 2.5 % W 10 % W |
| 溶解品M | 溶解グレードタンタル（TaM） | > 99,95 |
焼結グレードタンタル（TaS）
焼結品と溶解品に共通した特性は以下の通りです。
- 高融点（2996°C）
- 良好な低温延性
- 再結晶温度900～1450°C（加工履歴と純度で変化）
- 水溶液と溶融金属に対する高い耐食性
- 超伝導性
- 高い生体適合性
最高品質のタンタルをお求めの際には焼結グレードをお薦めします。パウダーメタラジーで製造された焼結品（TaS）は微細な結晶構造を持つと共に純度が高いため、加工が容易で表面品質に優れ、さらには堅牢な機械的特性を持っています。
コンデンサー用途には、ひときわ表面品質に優れたコンデンサーグレード（TaK）をお勧めします。この製品はタンタルコンデンサーのリード線として使用されるため、ワイヤー形状となっています。コンデンサーにおけるキャパシタンスの確保や漏れ電流の抑制にプランゼーのワイヤーが一役買って
溶解品（TaM）
より経済性を求める場合には溶解品（TaM）をお薦めします。炉材等、多くの用途に十分に対応するものの、焼結品に比べて結晶の微細さで劣るため、ミクロな範囲で均質性を求める際には焼結品を推奨します。
ドープ品（TaKS）
タンタル粉末にシリコンをドープし焼結することで、高温下における結晶成長を抑制し、結晶構造を安定化させることができます。結果、ドープ品は凡そ2000°Cまでの高温使用下で安定したクリープ強度を保ちます。この製品はコンデンサ用ワイヤーや炉材として使用されます。
タンタルタングステン（TaW）は強度と耐食性に優れており、純タンタルに2.5～10%のタングステンを添加することで純タンタルに比べ強度が1.4倍程度まで向上します。その一方で1600℃付近まで一定の加工性も有します。このため、化学工場で使用される熱交換器やヒーターに適しています。
バランスの取れた材料特性
タンタルは高融点金属に属します。高融点金属は融点がプラチナ（1772°C）より高い金属を意味し、原子同士が強いエネルギーで結合しています。それゆえに融点が高く、蒸気圧が低いことを特徴としています。また、密度が高く、熱膨張率が低いのも特徴です。
タンタルは周期表でタングステンと同じ周期に位置しており、16.6g/cm3と高い密度を持っています。しかし、タングステンとは異なり、水素雰囲気中で脆くなる性質があるため、高真空中で生産されます。
タンタルは高融点金属の中で最も耐食性が高く、各種の酸や塩基に対して耐性があり、ユニークな特性分布を示します。
| 特性 | |||
|---|---|---|---|
| 原子番号 | 73 | ||
| 原子量 | 180.95 | ||
| 融点 | 2996 °C / 3269 K | ||
| 沸点 | 6100 °C / 6373 K | ||
| 原子容 | 1,80 · 10-29[m3] | ||
| 蒸気圧 | 1800 °C 2200 °C | 5 · 10-8 [Pa] 7 · 10-5 [Pa] | |
| 20°C（293K）の密度 | 16.60 [g/cm3] | ||
| 結晶構造 | 体心立方構造 | ||
| 格子定数 | 3.303 · 10-10[m] | ||
| 20°C（293K）の硬度 | 加工後 再結晶後 | 120 - 220 [HV10] 80 - 125 [HV10] | |
| 20°C（293K）の弾性率 | 186 [GPa] | ||
| ポアソン比 | 0.35 | ||
| 20°C（293K）の線熱膨張係数 | 6.4 · 10-6[m/(m·K)] | ||
| 20°C（293K）の熱伝導率 | 54 [W/(m·K)] | ||
| 20°C（293K）の比熱 | 0.14 [J/(g·K)] | ||
| 20°C（293K）の電気伝導度 | 8 · 106[1/(Ω·m)] | ||
| 20°C（293K）の比電気抵抗 | 0.13 [(Ω·mm2)/m] | ||
| 20°C（293K）の音響速度 | 縦波 横波 | 4 100 [m/s] 2 900 [m/s] | |
| 電子仕事関数 | 4.3 [eV] | ||
| 熱中性子断面積 | 2.13 · 10-27[m2] | ||
| 再結晶温度（焼鈍時間: 1時間） | 900 - 1 450 °C | ||
| 超伝導性（遷移温度） | < -268.65 °C / < 4.5 K | ||
熱物理特性
高融点金属は通常、熱膨張係数が低く、比重が高いのが特徴です。タンタルも同様ですが、タングステンやモリブデンと比べると、熱伝導率は低く、熱膨張係数が高くなっています。
下のグラフの通り、タンタルの熱、物理特性は温度とともに変化します。
機械的特性
タンタルの機械的特性は、酸素、窒素、水素、炭素などの元素が微量に格子間に吸収されただけでも変化します。また、金属粉末の純度、製造方法（焼結、溶解）、冷間加工率、熱処理の種類などによっても影響されます。
タンタルの結晶構造はタングステン、モリブデンと同様に体心立方構造ですが、脆性から延性への遷移温度はマイナス200°Cで、室温よりもはるかに低いレベルのため、とても加工しやすい材料です。冷間加工を行うと引張強度と硬度が増しますが、破断伸びは低下します。延性が失われるものの、脆くなることはありません。
耐熱性はタングステンより低く、純モリブデンと同等レベルです。プランゼーでは、耐熱性を高めるためタングステンなどと合金化しています。
弾性率はタングステンやモリブデンより低く、純鉄と近いレベルです。弾性率は温度が上昇すると低下します。
機械的特性
タンタルは延性が高いので、曲げ、打ち抜き、プレス、深絞りといった成形加工に適していますが、切りくずがきれいに剥がれないため切削加工には困難が伴います。このため、切削加工時にはチップフォーマの使用を推奨します。また一定の溶接性も有します。
高融点金属の機械加工について、ご不明な点がある場合は長年の経験をもとに喜んで皆様のお力になります。
化学的特性
タンタルは多くの化学物質に対して耐性があるので、よく貴金属と比較されます。しかし、熱力学の観点からいうと卑金属に当たり、さまざまな元素と安定化合物を形成することで耐性を確保しています。例えば、空気に接触することで高密度な酸化被膜（Ta2O5）を形成し、結果、耐食性を有し、母材を腐食から保護することとなります。
室温下でタンタルが耐性を発揮しない無機物質は、濃硫酸、フッ素、フッ化水素、フッ酸、それにフッ化物イオンを含む酸性溶液です。またアルカリ性溶液、溶融水酸化ナトリウム、溶融水酸化カリウムにも腐食します。その一方、水性アンモニウム溶液に対しては耐性があります。タンタルが化学的腐食を受けるパターンは、水素が結晶格子間に入り込み、脆化を引き起こすといったものです。また耐食性は温度の上昇に併せて少しずつ低下します。
タンタルは多くの溶液と接触しても反応しませんが、混合溶液と接触すると、個々の成分に対しては耐性があっても、耐食性が崩れることがあります。
| 水、水溶液、非金属に対する耐食性 | ||
|---|---|---|
| 水 | 温水 < 150 °C | 耐食性あり |
| 無機酸 | 塩酸 <30%、～190°C 硫酸 <98%、～190°C 硝酸 <65%、～190°C フッ酸 <60% リン酸 <85%、～150°C塩酸 <30%、～190°C 硫酸 <98%、～190°C 硝酸 <65%、～190°C フッ酸 <60% リン酸 <85%、～150°C | 耐食性あり 耐食性あり 耐食性あり 耐食性なし 耐食性あり |
| 有機酸 | 酢酸 <100%、～150°C シュウ酸 <10%、～100°C 乳酸 <85%、～150°C 酒石酸 <20%、～150°C | 耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり |
| アルカリ溶液 | 水酸化ナトリウム <5%、～100°C 水酸化ナトリウム <5%、～100°C アンモニア溶液 <17%、～50°C 炭酸ナトリウム <20%、～100°C | 耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり |
| 融解塩 | 塩化アンモニウム <150°C 塩化カルシウム <150°C 塩化鉄 <150°C 塩素酸カリウム <150°C 体液 <150°C 硫酸マグネシウム <150°C 硝酸ナトリウム <150°C 塩化スズ <150°C | 耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり耐食性あり |
| 非金属 | フッ素 塩素 <150°C 臭素 <150°C ヨウ素 <150°C 硫黄 <150°C リン <150°C ホウ素 <1000°C | 耐食性なし 耐食性あり 耐食性あり 耐食性あり 耐食性あり 耐食性あり 耐食性あり |
タンタルは、Ag、Bi、Cd、Cs、Cu、Ga、Hg、K、Li、Mg、Na、Pbなどの、酸素をほとんど含まない溶融金属に対しては耐性があります。しかし、Al、Fe、Be、Ni、Coとは反応します。
| 溶融金属に対する耐食性 | |||
|---|---|---|---|
| アルミ | 耐食性なし | リチウム | <1000°Cで耐食性 |
| ベリリウム | 耐食性なし | マグネシウム | <1150°Cで耐食性 |
| 鉛 | <1000°Cで耐食性 | ナトリウム | <1000°Cで耐食性 |
| カドミウム | <500°Cで耐食性 | ニッケル | 耐食性なし |
| セシウム | <980°Cで耐食性 | 水銀 | <600°Cで耐食性 |
| 鉄 | 耐食性なし | 銀 | <1200°Cで耐食性 |
| ガリウム | <450°Cで耐食性 | ビスマス | <900°Cで耐食性 |
| カリウム | <1000°Cで耐食性 | 亜鉛 | <500°Cで耐食性 |
| 銅 | <1300°Cで耐食性 | スズ | <260°Cで耐食性 |
| コバルト | 耐食性なし | ||
タンタルのような卑金属がプラチナのような貴金属と接触すると、直ちに化学反応が起こります。このため、他の物質と接触させて作業を行う際には、接触する材料や温度に十分に留意する必要があります。
タンタルは希ガスとは反応しません。このため高純度の希ガスは保護雰囲気として使用することができます。ただし、高温下では酸素や空気と激しく反応し、大量の水素や窒素を吸蔵し脆化する性質があるので、これらの不純物は高真空中で焼鈍を行い除去される必要があります。水素は800°C、窒素は1700°Cで除去されます。
| ガスに対する耐食性 | |||
|---|---|---|---|
| 酸素および空気 | <300°Cで耐食性 | 水蒸気 | <200°Cで耐食性 |
| 水素 | <340°Cで耐食性 | 一酸化炭素 | <1100°Cで耐食性 |
| 窒素 | <700°Cで耐食性 | 二酸化炭素 | <500°Cで耐食性 |
| 炭化水素 | <800°Cで耐食性 | 希ガス | 耐食性あり |
| アンモニア | <700°Cで耐食性 | ||
高温炉では、タンタルは難融酸化物やグラファイトでできた炉材と反応を起こすことがあります。非常に安定したアルミ、マグネシウム、ジルコニウムなどの酸化物でも、高温でタンタルと接触すると還元されることがあります。グラファイトと接触すると、炭化タンタルが形成され、タンタルが脆化する可能性があります。通常、タンタルはモリブデンやタングステンなどの高融点金属と併せて使用できますが、六方晶窒化ホウ素や窒化ケイ素とは反応する可能性があります。
下表にタンタルの耐熱炉材に対する耐食性を示します。限界温度は真空中でのものです。保護雰囲気を使用すると、値はこれより100～200°Cほど低下します。
| 耐熱炉材に対する耐食性 | |||
|---|---|---|---|
| 酸化アルミ | <1900°Cで耐食性 | モリブデン | 耐食性あり |
| 酸化ベリリウム | <1600°Cで耐食性 | 窒化ケイ素 | <700°Cで耐食性 |
| 六方晶窒化ホウ素 | <700°Cで耐食性 | 酸化ナトリウム | <1900°Cで耐食性 |
| グラファイト | <1000°Cで耐食性 | タングステン | 耐食性あり |
| 酸化マグネシウム | <1800°Cで耐食性 | 酸化ジルコニウム | <1600°Cで耐食性 |
| 水素による脆化 | |
|---|---|
| 硫酸98%、250°C | 水素原子 >25°C |
| 塩酸30%、190°C | 水素 350°C |
| フッ酸 | 比較的反応性の高い金属との溶液中での接触により陰極化 |
水素脆化を防ぐ方法
- 電気絶縁化
- 陽極化（約＋15V）
- 溶液への酸化剤の添加
- 表面コーティング
- 貴金属（Pt、Au、Pd、Rh、Ruなど）との電気的接触
脆化したタンタルは、800°Cでの高真空焼鈍によって再生することができます。
発見から精製まで
1802年、スウェーデンの化学者Anders Gustav Ekebergが初めてコルンブ石から五酸化タンタル（Ta2O5）を分離しました。この酸化物の名前は、ギリシア神話に出てくるタンタロス王の名前にちなんでつけられたものです。タンタロス王は、自分のまわりに満ちてきた水を飲もうとすると、いつもそれが引いて、永遠に喉の渇きをいやせなかった人です。同じように、五酸化タンタルもどの酸とも反応することができません。化学記号Taは、1814年にJöns Jakob Berzeliusが提案したものです。Berzeliusは最初にタンタルを精製しましたが、Heinrich RoseはBerzeliusが精製したタンタルは、実際には半分しかタンタルを含んでいないことに気づき、1844年にタンタルとニオブが異なる物質であることを証明することとなります。その後、Werner von Bolton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、純粋なタンタルを取り出すことに成功するまでには、100年かかりました。
タンタルは、自然界では化学式(Fe,Mn)[(Nb,Ta)O3]2で表される形で存在しており、タンタルの含有量のほうが多いときにタンタル石と呼ばれます。ニオブの含有量のほうが多いときは、コルンブ石またはニオバイトと呼ばれます。世界最大級のタンタル鉱床は、オーストラリア、ブラジル、それにアフリカの多くの国に見られます。
この鉱石はさまざまな精製方法を用いて(Ta,Nb)2O5約70%の精鉱にします。そして、その精鉱をフッ酸と硫酸の混合液に溶かします。その結果得られるフッ化物錯体[TaF7]を、次に液体抽出工程で有機相に転換します。この有機相は、水相から分離したものです。タンタルはそこで、フッ化水素カリウムを用いてこの有機相から分離されます。この工程で、ヘプタフルオロタンタル酸カリウム(K2TaF7)が得られます。こうして得られたタンタル化合物を次の化学式のようにナトリウムで還元して、純粋な金属タンタルを取り出すのです。
粉末冶金法
粉末冶金法とはどういうものでしょう？ 今日では、鉄鋼、アルミ、銅など、工業用金属、合金の多くが、溶解して、鋳型に入れて作られていることはよく知られています。これに対して、粉末冶金法では、溶解を行わず、金属粉末を成形し、その材料の融点より低い温度で熱処理（焼結）して製品を製造します。粉末冶金法では、金属粉末それ自体に加えて、この成形と焼結の工程が何より重要な要素になります。プランゼーはこれらの要素を自社で制御し、最適化しています。
粉末冶金法では、融点が2000°Cをはるかに上回る材料を製造できるメリットがあり、少量生産にも経済的に対応します。そして、各種の粉末技術を駆使して、均質かつ様々な特性を持った材料を製造することができます。
粉末タンタルは合金元素と混合して型に入れます。この混合物を最大圧力2000barで圧縮します。次に、その圧粉体を特殊な高温炉に入れ、2000°C以上で焼結します。この工程により圧粉体の密度が上がると共に微細構造がつくられます。またプランゼーの材料製品の優れた諸特性は、鍛造、圧延、引き抜きといった成形法を適切に選択しながら、製造工程一つ一つを確実に調和させることで実現されています。そのことにより高純度かつ優れた品質の製品が製造されています。
