タングステン板の製造工程とは

タングステン板の製造工程は、冶金学の中でも非常に興味深く、高度に専門化された分野です。鋼やアルミニウムといった溶解・鋳造可能な一般的な金属とは異なり、タングステンは融点が非常に高い（3422℃または6192℉）ため、従来の溶解処理は不可能です。

そのため、工程全体は粉末冶金法に基づいています。

タングステン板の製造工程

タングステン板の製造工程を、段階的に詳しく説明します。

プロセス概要：鉱石から板まで

製造工程は大きく分けて3つの段階に分けられます。

粉末製造：原鉱石から高純度のタングステン金属粉末を製造します。

固化・焼結：粉末を高密度で固いインゴットにします。

機械加工：圧延と熱処理によりインゴットを板状に成形します。

ステップ1：原材料の準備と粉末製造

これはプロセスの化学工程であり、鉱石を純粋な金属粉末に精製することに重点が置かれます。

採掘と精製：タングステン鉱石（通常は鉄マンガン重石または灰重石）が採掘されます。その後、一連の化学工程を経て、パラタングステン酸アンモニウム（APT）と呼ばれる中間化合物が生成されます。この工程でタングステンが精製され、鉱石から他の元素が除去されます。

焼成による酸化物の生成：APTは焼成と呼ばれる工程で加熱され、高純度の三酸化タングステン（WO₃）という黄色の微細粉末が生成されます。

(NH₄)₁₀(H₂W₁₂O₄₂)·4H₂O (APT) → 12WO₃ + 10NH₃ + 10H₂O

水素還元：三酸化タングステンは、制御された水素ガス雰囲気下の多段式炉に入れられます。段階的に加熱され、最高1200℃まで加熱されます。水素は酸化物を「還元」し、酸素原子を剥離して純粋なタングステン金属粉末を残します。

WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

タングステン板の最終的な特性は、この最初の粉末の特性、特に粒子サイズと純度に大きく左右されます。

ステップ2：固化と焼結（固体インゴットの作成）

この工程では、粉末を溶かすことなく、金属の塊へと変形させます。

加圧（固化）：純粋なタングステン粉末を金型に充填し、極めて高い圧力をかけます。最も一般的な方法は冷間等方圧加圧（CIP）です。

粉末は、ゴム袋のような柔軟な密閉金型に入れられます。

この金型は、液体を満たした圧力容器に浸されます。

液体は数千PSIまで加圧され、粉末にあらゆる方向から均一な圧力がかかります。

これにより、粉末は「グリーンコンパクト」または「グリーンバー」と呼ばれる、密度が高く脆い塊へと圧縮されます。この塊は十分な強度を備えているため、慎重に取り扱うことができます。

焼結：これは最も重要な工程です。グリーンコンパクトは、通常、融点の約90%に相当する2000℃から3000℃という極めて高温に加熱されます。

雰囲気：加熱は酸化を防ぐため、通常は純粋で乾燥した水素などの保護雰囲気下で行われます。

メカニズム：この高温では、個々のタングステン粒子は溶融せず、固体拡散によって結合・融合します。原子は粒子の境界を越えて移動し、粒子間の空隙が収縮して閉じます。

結果：棒のサイズは大幅に縮小し、密度は劇的に増加します（タングステンの理論密度の約92～96%）。そして、固体で強固ですが脆いタングステンインゴットまたは焼結棒へと変化します。

ステップ3：機械加工（プレートの成形）

焼結インゴットは室温では硬くて脆いため、板状に成形し、機械的特性を向上させるには、非常に高温で加工する必要があります。

熱間圧延：

加熱：タングステンインゴットは炉内で1200℃から1600℃の加工温度まで加熱されます。この温度でタングステンは延性が向上し、割れることなく成形できるようになります。

圧延：高温のインゴットは、強力なローラー群に繰り返し通されます。ローラーを1回通すごとに、インゴットの厚さは減少し、伸びていきます。これは段階的なプロセスであり、多くのパスを必要とします。

微細組織の微細化：この熱間加工プロセスは非常に重要です。焼結インゴットの粗い結晶粒構造を分解し、より微細で伸びた（「鍛造」された）組織に再配列させます。これにより、板の延性と強度が大幅に向上します。

焼鈍（応力除去）：

圧延工程と圧延工程の間に、鋼板は加工硬化を起こし、硬く脆くなります。

これを防ぐため、鋼板は定期的に焼鈍処理（水素または真空雰囲気下で所定の温度まで再加熱）されます。

焼鈍処理により内部応力が緩和され、結晶粒組織が再結晶化して延性が回復するため、鋼板は破損することなくさらに圧延加工することができます。

仕上げ工程：

温間圧延／冷間圧延：薄い鋼板や特定の表面仕上げが必要な場合、最終圧延工程の一部を低温で行うことがあります（「温間圧延」）。

矯正／ひずみ取り：圧延された鋼板は、完全に平坦になるように矯正ローラーに通されます。

表面処理：表面を研磨、サンドブラスト、または化学洗浄することで、酸化層を除去し、所望の表面仕上げを実現します。

切断とせん断: 大きなロールシートは、タングステン板の最終的な必要な寸法に合わせて切断されます。

ステップ4：品質管理

プロセス全体を通して、厳格な品質管理が不可欠です。最終検査には以下の項目が含まれます。

寸法検査：厚さ、幅、長さ、平坦度が仕様を満たしているか確認します。

表面検査：ひび割れ、傷、その他の欠陥がないか確認します。

内部品質検査：超音波探傷検査を用いて、内部の空洞や欠陥を検出します。

特性検査：密度、硬度、場合によっては引張強度を測定し、鋼板が性能要件を満たしていることを確認します。

概要フローチャート

タングステン鉱石 → 化学処理 → パラタングステン酸アンモニウム（APT） → 焼成 → 酸化タングステン（WO₃） → 水素還元 → 純タングステン粉末 → 冷間静水圧成形 → 圧粉体 → 高温焼結 → 固体タングステンインゴット → 熱間圧延 → タングステン板 → 焼鈍・仕上げ → 最終製品。