背景・課題

放電灯などに使われる電極材料として、純タングステンの他に、トリウムタングステンがあります。これはタングステンに酸化トリウムを添加した材料で、仕事関数が低く電子放出性がよく安定した放電特性が得られます。また融点・昇華点などの観点からも、ハロゲン化物などに対する相性の問題からも放電灯での使用に最適な材料となっています。

しかし、酸化トリウムは放射性物質であり、材料の製造においても審査・認可が必要で、また、含有する完成品もＮＯＲＭガイドラインによる規制の対象となっています。その為、安全管理上の観点からも、トリウムタングステンに変わる材料を開発する必要性が出ています。

開発の概要

岳石電気では、国内外のランプ製造メーカー各社それぞれの要望事項や問題点を踏まえ、日本タングステンと共同で、ランプ使用に耐えられる材料の開発に取り組みました。
トリウムタングステン代替材料は、ＴＩＧ溶接電極棒としての使用を目的としてこれまでにも幾つかの開発が行われてきました。ただし、ＴＩＧ溶接棒と放電灯の中で使われる場合では、環境条件が著しく異なり、求められる性能も大きく異なる為、新たに開発を行う事になりました。

開発の詳細

仕事関数を低くする観点から、酸化ルテチウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化サマリウム、酸化ネオジウム、酸化イットリウム等の希土類酸化物が添加物候補として上げられます（図表１　添加物の物性（希土類酸化物））。それらの中から、入手性、取り扱い性、焼結条件、耐ハロ性、融点、脆化性などの観点から候補を絞り、開発対象を絞り込みました。その結果、酸化ネオジウム、酸化ハフニウムを中心に開発を行い、電極、及びランプ製造過程における結晶成長や強度と毒性（写真1　熱処理温度と結晶粒と折れ強度）及び、放電特性・黒化有無・寿命などのランプ点灯評価において、従前のトリウムタングステンと同程度の評価結果を得ることができました。

表１添加物の候補（希土類酸化物）

熱処理温度と結晶粒と折れ強度

写真１　Nd2O3とHfO2の熱処理温度毎の結晶粒の比較（SEM）

＜結果＞
　・1800℃から結晶粒が成長している
　・Nd2O3よりもHfO2の方が高温処理時の結晶粒が大きい

抗折試験の支点間距離：5mm、
試験速度：3mm/min　、　線径：Φ0.9
ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ数：各温度毎ｎ＝10
＜結果＞
　・Nd2O3よりもHfO2の方が高温処理時の折れ強度が若干弱い

今後の課題等

放電灯は、様々な種類が存在し、点灯条件等がすべて異なります。トリウムタングステンは非常に幅広い範囲のランプに適合しますが、現在のところ、他の酸化物では、トリウムタングステンほどの汎用性を発揮できていないのが現状です。

また、放電灯の使用目的・条件によっては、このような酸化物を添加した焼結タングステン材料のアプローチではなく、多孔質のタングステンにエミッション性を高める物質を別に開発し、含浸・焼結させるアプローチの方法もあり、岳石電気ではこのタイプの電極の開発・製造も独自で行っています。（ソリューション事例　エミッター含浸多孔質Ｗ電極の製造）