專利名稱：鉭－硅合金,含該合金的產(chǎn)品以及制造該合金的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及金屬合金、制造該合金的方法以及用該合金制成的產(chǎn)品或含該合金的產(chǎn)品。本發(fā)明尤其涉及至少含鉭的合金。
鉭在工業(yè)上有很多用途，如用于作電容器級的絲，用于制造坩堝等物的深沖質(zhì)量級的帶材，薄的導(dǎo)管帶材或其它的常規(guī)用途。在制造用于工業(yè)的產(chǎn)品時(shí)，從含鉭礦石中取得鉭，再將其轉(zhuǎn)變成鹽，然后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(jīng)壓制和燒結(jié)而形成所需的產(chǎn)品。雖然目前市售等級的鉭可為產(chǎn)業(yè)界所接受，仍需要提高鉭的性能，因?yàn)橛梅勰┮苯鸱ㄖ圃斓你g棒從上到下的抗拉強(qiáng)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(shí)，如導(dǎo)線級的產(chǎn)品時(shí)則尤為如此。
因此，需要提高鉭的致密性以克服上述缺點(diǎn)。
發(fā)明簡述按照本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及至少含鉭和硅的金屬合金，其中鉭以最高的重量百分比存在于該金屬合金中。當(dāng)將該合金形成絲時(shí)，它優(yōu)選具有抗拉強(qiáng)度的均勻性，以使該絲的抗拉強(qiáng)度的最大集群標(biāo)準(zhǔn)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(fā)明還涉及由該合金制造的各種產(chǎn)品，如棒、管、板、線、電容器等。
本發(fā)明還涉及制造至少含鉭和硅的金屬合金的方法，其中鉭在該金屬合金中占最大的重量百分比。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硅、其一種氧化物，或含硅的化合物的第二粉末混合以形成一種混合物。然后借助，比如熔化使此混合物轉(zhuǎn)變至液態(tài)，再由液態(tài)形成固體合金。
本發(fā)明還涉及另一種制造該合金的方法，它包括轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，單獨(dú)地或一起地將含硅固體和含鉭固體轉(zhuǎn)變成含硅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，然后此液體混合物形成固體合金。
此外本發(fā)明還涉及提高鉭金屬的抗拉強(qiáng)度均勻性的方法，該方法將足量的硅摻雜或引入鉭金屬中，以提高鉭金屬的抗拉強(qiáng)度的均勻性。
本發(fā)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硅相摻，或?qū)⒆懔康墓枰脬g金屬中以降低鉭金屬的脆性。
本發(fā)明最后涉及使鉭金屬具有可控的機(jī)械抗拉強(qiáng)度的方法，該方法使鉭金屬與硅相混，或?qū)⒐枰脬g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(jī)械抗拉強(qiáng)度。
應(yīng)理解的是，上述的一般性描述及下文的詳細(xì)敘述僅僅是示例性和說明性的，因而按權(quán)利要求書對本發(fā)明提供進(jìn)一步的說明是本發(fā)明的目的。本發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明部分地涉及至少含鉭和硅的金屬合金錠。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，鉭占最大的重量百分比。在該合金中，鉭所占的重量百分比至少約50％，優(yōu)選至少約75％、更優(yōu)選至少約85％或至少95％，最優(yōu)選至少約97％，或約97％-約99.5％或更高。在較佳實(shí)施方案中，也可認(rèn)為該合金是用硅合金微合金化的鉭合金。硅以低的量存在。優(yōu)選該鉭硅合金含約50ppm(重量)-約5％(重量)的元素態(tài)硅，更優(yōu)選含約50ppm-約1000ppm的元素態(tài)硅，而最優(yōu)選含約50ppm-約300ppm的元素態(tài)硅(以合金重量為基準(zhǔn)計(jì))。該合金優(yōu)選含有1％(重量)以下的元素態(tài)硅。該合金中的硅含量是足以使所得合金的抗拉強(qiáng)度均勻性高于不含硅的鉭金屬的該均勻性的量。
本發(fā)明的合金可含其它的附加成分，如其它金屬或通常加于鉭金屬中的成分，比如，釔、鋯、鈦或它們的混合物。這些附加成分的類型和數(shù)量可以與常規(guī)鉭金屬所采用的類型和數(shù)量相同，而且是本領(lǐng)域的扶人員所公知的。在一個(gè)實(shí)施方案中，釔在該合金中的含量少于400ppm，或少于100ppm，或少于50ppm。還可存在除鉭之外的其它金屬，而它們在該合金中優(yōu)選少于4％，更優(yōu)選少于3％或少于2％(以該合金重量為基準(zhǔn)計(jì))。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，比如小于200ppm，優(yōu)選小于50ppm，更優(yōu)選是小于25ppm而最優(yōu)選小于10ppm的氮也是可取的。該合金還可含少量的氧，如小于150ppm，較好是小于100ppm，更好是小于約75ppm，而最好是小于約50ppm的氧。
本發(fā)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(xiàn)的晶粒尺寸。當(dāng)將該合金于1800℃加熱30秒時(shí)，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(dāng)在1530℃將此合金加熱2小時(shí)，其晶粒尺寸為約19-約27微米也是較佳的。
當(dāng)將該合金形成絲時(shí)，優(yōu)選具有下述的抗拉強(qiáng)度方面的均勻性對于最終直徑的未退火絲而言，該絲的抗拉強(qiáng)度的最大集群標(biāo)準(zhǔn)偏差為約3KSI，優(yōu)選是約2.5KSI，最優(yōu)選是2.0KSI，而最好是1.5或1.0KSI。對于最終直徑的退火絲而言，該絲的抗拉強(qiáng)度的最大集群標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)選是約2KSI、更優(yōu)選是約1.5KSI，甚好是約1.0KSI，而最優(yōu)選是約0.5KSI。
可用多種方法制造本發(fā)明的合金。在一優(yōu)選的方法，將含鉭或其氧化物的第一粉末(如含鉭的固體)與含硅或含硅化合物的第二粉末相混合。
就本發(fā)明的目的而言，含硅的固體可以是隨后被轉(zhuǎn)變至液態(tài)，從而將元素硅加于鉭金屬中的任何固體。含硅化合物的例子包括，但不限于，元素態(tài)的硅粉、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(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，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后，將此混合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，比如通過熔化轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。將此混合物，比如通過熔化轉(zhuǎn)變成液態(tài)的方式可用任何手段進(jìn)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(zhuǎn)變成液態(tài)，則此液態(tài)混合物形成，或再轉(zhuǎn)變成固態(tài)并形成固態(tài)合金，轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)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，一般可采用任意量的含硅化合物或元素硅，或?qū)⑵湟匀我饬考佑阢g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(tài)硅，優(yōu)選是約0.5％(重量)-約2.0％(重量)，最優(yōu)選是約0.80％(重量)-約1.2％(重量)(以該混合物總重為基準(zhǔn)計(jì))。
如前所述，該混合物還可含其它的成分、添加劑或摻雜劑，如通常用于常規(guī)鉭金屬中的那些物質(zhì)，比如釔、鋯、鈦或它們的混合物。
按照本發(fā)明的一個(gè)較優(yōu)選實(shí)施方案，用電子束熔化法(在真空中)將該混合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，其中可以任何速率，包括約200磅/小時(shí)-約700磅/小時(shí)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(jù)EB爐的類型及其冷卻能力可以制造任意尺寸的錠。
優(yōu)選將隨后形成的合金轉(zhuǎn)變成液態(tài)，或熔融多次，優(yōu)選2次或更多次。當(dāng)熔融至少2次時(shí)，第一次熔融以約400磅/小時(shí)的熔融速率進(jìn)行為佳，第2次熔融以約700磅/小時(shí)的熔融速率進(jìn)行為佳。因此，該合金一旦形成，可任意次地將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，以便產(chǎn)生更純的合金，及有助于將最終產(chǎn)品中的硅含量降至所需水平，這些硅或含硅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(tài)硅，而以該合金的重量為基準(zhǔn)計(jì)，該合金優(yōu)選是含約50ppm-約5％，更優(yōu)選小于約1％的元素態(tài)硅。
制造本發(fā)明的合金的其它方法包括將含硅固體和含鉭固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在該方法中，可以單獨(dú)地將含硅固體和含鉭固體轉(zhuǎn)變成液態(tài)。然后將此兩種液體混在一起?？晒┻x擇的是，含硅固體和含鉭固體可作為固體一并添加，接著再將其轉(zhuǎn)變成液態(tài)。
一旦將含硅固體和含鉭固體轉(zhuǎn)變成液體后，例如通過熔融，將此二種液體混在一起形成液體混合物，隨后形成了固態(tài)合金。用類似于前述工藝，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”的方式將硅或含硅化合物引入熔融槽或坩鍋中。
本發(fā)明還涉及提高含有鉭金屬的材料的抗拉強(qiáng)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(shí)，在其全長和/或整個(gè)寬度上，諸如抗拉強(qiáng)度之類的機(jī)械性能會(huì)有很大的不同。而采用本發(fā)明的合金，該鉭金屬的抗拉強(qiáng)度均勻性較之不含硅的鉭金屬有所提高。換言之，在本發(fā)明的合金中，抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的差別可有所下降。因此，通過將硅以形成一種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(qiáng)度的均勻性，所述的Ta-Si合金的抗拉強(qiáng)度均勻性較之不含硅的鉭金屬是有所提高或改進(jìn)的，而且當(dāng)該鉭被成形為絲或帶時(shí)則尤為如此。
鉭合金中存在的硅含量可與前述的數(shù)量相同。用含硅的鉭金屬可使抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低好幾倍。比如，與不含硅的鉭金屬相比，其抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差可降低約10倍或更多。較好地是，該標(biāo)準(zhǔn)偏差下降至少10％，更優(yōu)選是下降至少25％，最優(yōu)選是下降至少50％(與不含硅的鉭金屬相比)。
與不含硅的熔融法生產(chǎn)的鉭相比，或與不含硅的粉末冶金的鉭相比，由于形成Ta-Si合金，鉭金屬的脆性也類似地下降。
除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還涉及使鉭金屬具有可控的機(jī)械抗拉強(qiáng)度的方法。詳而言之，根據(jù)Ta-Si合金中硅的含量及用于該合金的退火溫度，可使該合金具有可控范圍的抗拉強(qiáng)度。比如，較高的退火溫度將導(dǎo)致該合金有較低的抗拉強(qiáng)度，而該合金中含有較高量的硅則使該合金的抗拉強(qiáng)度較高。因此，本發(fā)明基于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(qiáng)度。
有助于確定鉭金屬中的可控機(jī)械抗拉強(qiáng)度水平的退火溫度是對該Ta-Si合金進(jìn)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(jī)械抗拉水平時(shí)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(yōu)選的退火溫度范圍(如，中間或最終退火溫度范圍)為約900℃-約1600℃，更好是約1000℃-約1400℃，而最好是約1050℃-約1300℃。這些退火溫度基于約1-3小時(shí)，更好是約2小時(shí)的退火。因此，若想得到較低的抗拉強(qiáng)度(如，144.3KSI)，則以約1200℃的溫度進(jìn)行中間退火。若希望鉭金屬有較高的抗拉強(qiáng)度(如，162.2KSI)，則以約1100℃進(jìn)行中間退火。
該合金一旦形成，可對該Ta-Si合金進(jìn)行同于任意常規(guī)鉭金屬的任何進(jìn)一步的處理。比如，可對該合金進(jìn)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(jìn)行一或多個(gè)退火步驟，尤其是根據(jù)該鉭合金的具體形狀或最終用途進(jìn)行上述退火。用于處理Ta-Si合金的退火溫度和時(shí)間已陳述于上。
這樣可用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的方法將該合金形成任意形狀，如管、棒、板、絲、桿或深沖部件。該合金可用于電容器和爐子中，以及用于需考慮金屬脆性的其它用途。
下面的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，這些實(shí)施例純粹是用于對本發(fā)明進(jìn)行舉例。
表1極限抗拉強(qiáng)度(RSI)未退火的鉭Ta-Si合金直徑 平均ZSD范圍0.2mm132 122/142130.0124.3133.80.25mm 133 123/143120.6134.6130.4對該樣品還進(jìn)行了彎折試驗(yàn)，經(jīng)過在1950℃的30分鐘的燒結(jié)本發(fā)明的合金絲成功地抗御了脆化。
表2

該鉭金屬中含有的硅量是由放射光譜法確定的。已發(fā)現(xiàn)，與含1.0％(重量)硅的試樣相比，加入了0.5％(重量)的硅的合金導(dǎo)致了殘留硅量降低了約30-約60ppm，而且Briner Hardnes Number(BHN)下降了12個(gè)點(diǎn)。
含有1.0％的所加入的硅的試樣(第3份)在表面和中部都產(chǎn)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(xiàn)范圍為103-127的平均114的BHN。
表3

從表3中的結(jié)果可知，該Ta-Si合金的抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差非常低。還有，退火溫度的變化表明了控制抗拉強(qiáng)度范圍的能力。
對于考慮到公開于本文中的本發(fā)明的說明書及實(shí)施例的本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，本發(fā)明還有其它實(shí)施方案是很明確的。說明書和實(shí)施例被認(rèn)為僅是示例性的，而本發(fā)明真實(shí)的范圍和精神被示于下面的權(quán)利要求中則是申請人的意愿。
權(quán)利要求
1．含鉭和硅的鉭基合金，其中鉭是占最高重量百分比的金屬，當(dāng)將所述合金構(gòu)成絲時(shí)，該合金具有抗拉強(qiáng)度的均勻性，從而使該絲的抗拉強(qiáng)度最大集群標(biāo)準(zhǔn)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(quán)利要求1的合金，其中所述合金含基于合金重量的約50ppm-約5％的元素態(tài)硅。
3．權(quán)利要求2的合金，其中所述合金含基于合金重量的約50ppm-約1000ppm的元素態(tài)硅。
4．權(quán)利要求2的合金，其中所述合金含基于合金重量的約50ppm-約300ppm的元素態(tài)硅。
5．權(quán)利要求2的合金，其中所述合金含基于合金重量的小于1％(重量，以所述合金重量為基準(zhǔn)計(jì))的元素態(tài)硅。
6．權(quán)利要求1的合金，它還含釔、鋯、鈦或其混合物。
7．權(quán)利要求1的合金，其中所述合金于1800℃被加熱30分鐘時(shí)，其粒徑為約75μm-約210μm。
8．權(quán)利要求1的合金，其中所述合金在1530℃被加熱2小時(shí)時(shí)，其粒徑為約19-約27μm。
9．權(quán)利要求1的合金，對于未退火絲而言，所述的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為約2KSI。
10．權(quán)利要求1的合金，對于未退火絲而言，所述最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為約1KSI。
11．權(quán)利要求1的合金，對于退火絲，該最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為約1KSI。
12．含有權(quán)利要求1所述的合金的管。
13．含有權(quán)利要求1所述的合金的板或棒。
14．含有權(quán)利要求1所述的合金的絲。
15．含有權(quán)利要求1的合金的電容器部件。
16．權(quán)利要求1的合金，其中所述合金還含小于10重量％除鉭之外的金屬。
17．制造含鉭和硅的合金的方法，它包括將含鉭或其氧化物的第一粉末與含有硅或含硅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(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；從所述液態(tài)形成固體合金。
18．權(quán)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(tài)硅。
19．權(quán)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(tài)硅。
20．權(quán)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(tài)硅。
21．權(quán)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(quán)利要求17的方法，其中所述的將所述混合物轉(zhuǎn)變成液態(tài)包括熔融所述混合物。
23．權(quán)利要求17的方法，其中所述的熔融是電子束熔融。
24．權(quán)利要求17的方法，其中所述的熔融是等離子熔融。
25．權(quán)利要求17的方法，其中的熔融是真空電弧重熔。
26．權(quán)利要求17的方法，它還包括將所述固體合金轉(zhuǎn)變成液態(tài)，再重新形成所述固體合金。
27．權(quán)利要求17的方法，它還包括使所述合金經(jīng)受鍛造、拉拔、軋制、模鍛、擠壓、管縮或它們的組合。
28．權(quán)利要求17的方法，它還包括使所述固體合金退火。
29．權(quán)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(tài)硅。
30．制造含鉭和硅的合金的方法，它包括單獨(dú)或一起地將含硅固體和含鉭固體轉(zhuǎn)變成液態(tài)，形成含硅的和含鉭的液體；將該含硅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(quán)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(tài)硅。
32．權(quán)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(tài)硅。
33．權(quán)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(tài)硅。
34．權(quán)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(quán)利要求30的方法，其中將混合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)包括熔融所述混合物。
36．權(quán)利要求35的方法，其中所述熔融是電子束熔融。
37．權(quán)利要求35的方法，其中所述熔融是等離子熔融。
38．權(quán)利要求35的方法，其中所述熔融是真空電弧重熔。
39．權(quán)利要求30的方法，它還包括將所述固體合金轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，再將其形成所述固體合金。
40．權(quán)利要求30的方法，它還包括使所述固體合金經(jīng)受鍛造、拉拔、軋制、模鍛、擠壓、管縮或它們的組合。
41．權(quán)利要求30的方法，它還包括使所述固體合金退火。
42．權(quán)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(tài)硅。
43．提高鉭合金的抗拉強(qiáng)度均勻性的方法，它包括將硅以可提高所述抗拉強(qiáng)度均勻性的量加入所述鉭中。
44．降低鉭合金脆性的方法，它包括將硅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(jī)械抗拉強(qiáng)度的方法，它包括將硅加入所述鉭金屬中，然后以提供所述可控機(jī)械抗拉強(qiáng)度的溫度使該鉭合金退火。
全文摘要
公開了一種含鉭和硅的合金。鉭是主要金屬。當(dāng)將該合金形成絲時(shí),它有抗拉強(qiáng)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(qiáng)度的最大集群標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為約3KSI和約2KSI。還公開了制造Ta－Si合金的方法,該法包括將含Si固體和含鉭固體轉(zhuǎn)變成液體。再將它們混成液態(tài)混合物,再用該液態(tài)混合物形成固體合金。還公開了另一種制造Ta－Si合金的方法,它包括將含鉭或其氧化物的粉末與含硅的粉末或含硅化合物的粉末形成混合物,再將該混合物轉(zhuǎn)變成液態(tài),再用此液態(tài)形成固體合金。還公開了提高鉭合金抗拉強(qiáng)度均勻性、降低鉭合金脆性及使鉭合金具有受控的機(jī)械抗拉強(qiáng)度的方法,上述各法包括向鉭金屬中加硅以形成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(yōu)先權(quán)日1998年5月22日
發(fā)明者小路易斯·E·休伯特, 克里斯托弗·A·米凱盧克 申請人:卡伯特公司