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。

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。

プランゼーの焼結グレードタンタルは純度99.95%（ニオブを含まない金属純度）であることを保証します。ある化学分析によると、それ以外の元素含有量は以下の通りです。

プランゼーの溶解グレードタンタルは純度99.95%（ニオブを含まない金属純度）であることを保証します。ある化学分析によると、それ以外の元素含有量は以下の通りです。

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。）

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。

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。

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。

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。

焼結品と溶解品に共通した特性は以下の通りです。

• 2996℃という高融点
• 良好な低温延性
• 再結晶温度900～1450℃（加工度と純度により異なる）
• 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

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。

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、その優れた機械的特性と耐食性があります。 純タンタルに2.5〜10重量パーセントのタングステンを添加します。 得られた合金は純タンタルの最大1.4倍の強度がありますが、最大1,600℃の温度でも加工が容易です。 そのため、当社のTaWは、化学機器製造分野で使用される熱交換器および発熱体に特に適しています。

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。

周期表では、タンタルはタングステンと同じ周期にあります。 タングステンのように、タンタルは16.6 g / cmの非常に高い密度を持っています。 しかしながら、タングステンとは異なり、タンタルは水素雰囲気を含む製造工程中に脆くなります。 それ故、材料は高真空中で製造されます。

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。

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。

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。

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。

タンタルはあらゆる種類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、熱力学の観点からは卑金属に当たり、耐性があってもさまざまな元素と安定化合物を形成することがあります。タンタルは空気に触れると、母材を腐食から保護する効果を持つきわめて密度の高い酸化被膜（Ta2O5）を形成します。つまり、この酸化被膜がタンタルに耐食性を持たせているのです。

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、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。

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。

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。

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。

1802年、スウェーデンの化学者アンデシュ・グスタフ・エーケベリ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、いつも水が引いてしまうので、永遠に渇きをいやすことができなかったといわれます。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年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスが提案したものです。ベルセリウスは、最初にタンタル元素を分離した人でもあります。しかし、彼が分離したタンタルは、実際には半分しかタンタルを含んでいないことをハインリヒ・ローゼが突き止めました。1844年、ローゼは、それまでタンタルと考えられていたものが実はタンタルとニオブの2元素に分かれることを証明することができました。その後、ヴェルナー・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、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で表されるタンタル鉱石として存在するのが最も一般的です。この鉱石は、タンタルの含有量のほうが多いときにタンタライトと呼ばれます。一方、ニオブの含有量のほうが多いときは、コロンバイト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あります。

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、その精鉱をフッ化水素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。この有機相を水相から分離します。次に、フッ化水素カリウムを用いてこの有機相からタンタルを分離します。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。

粉末タンタルを合金元素と混合し、型に入れます。次に、この混合物を最大圧力2000バールで圧縮します。この圧縮で得られたもの（「圧粉体」という）を特殊な高温炉に入れ、2000℃以上の温度で焼結します。この工程で、圧粉体には適切な密度とミクロ組織ができます。優れた熱安定性、硬度、フロー特性など、プランゼーの材料ならではのきわめて特殊な特性は、鍛造、圧延、引き抜きなどの成形法を適切に組み合わせることによって生まれます。これらのステップ間の完全な適合が実現して初めて、厳しい要求水準を満たす、純度も品質も抜群の製品を製造できるのです。