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JP7576966B2 - Reinforced platinum alloy, method for producing the reinforced platinum alloy, and glass production apparatus - Google Patents
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Reinforced platinum alloy, method for producing the reinforced platinum alloy, and glass production apparatus Download PDF

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Description

本発明は、各種ガラス材料の製造装置の構成材料として好適な強化白金合金に関する。特に、Zrを必須の添加元素とし、添加元素の酸化物粒子が微細に分散した粒子分散型の強化白金合金に関する。 The present invention relates to a strengthened platinum alloy suitable as a component material for manufacturing equipment for various glass materials. In particular, the present invention relates to a strengthened platinum alloy of a particle dispersion type in which Zr is an essential additive element and oxide particles of the additive element are finely dispersed.

光学ガラス、ガラス繊維等の各種ガラス材料の製造装置の構成材料として、従来から酸化物粒子分散型の強化白金合金が使用されている。ガラス材料の製造では、1000℃以上の高温で溶解した溶融ガラスを清澄・攪拌した後に成形・紡糸等されて製造される。こうした高温の素材を取り扱う塔槽類(熔解槽等)、攪拌媒体(スターラー)、紡糸用ブッシング等においては、高温下での変形や割れ等の損傷を回避可能な良好な高温強度、耐高温クリープ性が要求される。強化白金合金は、白金又は白金合金(PtRh合金等)からなるマトリックスに、Zr、Y、Ce等の添加元素の酸化物を微細に分散させた合金材料である。マトリックスである白金及びその合金は、高融点金属であると共に化学的安定性にも優れる。そして、白金等に対して、酸化物粒子による粒子分散強化による強度アップが図られた強化白金合金は、より高い高温強度、耐高温クリープ性を備える。そのため、ガラス製造装置の稼動中における変形、損傷が抑制されると共に、溶融ガラスを汚染するおそれも低い。 Oxide particle-dispersed reinforced platinum alloys have been used as a component material for manufacturing equipment for various glass materials such as optical glass and glass fiber. In the manufacture of glass materials, molten glass melted at a high temperature of 1000°C or higher is refined and stirred, and then molded and spun. In towers and tanks (melting tanks, etc.), stirring media (stirrs), spinning bushings, etc. that handle such high-temperature materials, good high-temperature strength and high-temperature creep resistance are required to avoid damage such as deformation and cracking at high temperatures. Reinforced platinum alloys are alloy materials in which oxides of additive elements such as Zr, Y, and Ce are finely dispersed in a matrix made of platinum or platinum alloys (PtRh alloys, etc.). Platinum and its alloys, which are the matrix, are high-melting point metals and also have excellent chemical stability. Reinforced platinum alloys, which have increased strength due to particle dispersion strengthening with oxide particles, have higher high-temperature strength and high-temperature creep resistance than platinum, etc. This reduces deformation and damage during operation of the glass manufacturing equipment, and also reduces the risk of contaminating the molten glass.

強化白金合金の製造方法としては、酸化処理され、酸化物粒子が分散した白金合金粉末を前駆体とした粉末冶金法が知られている。粉末冶金法では、まず、熔解鋳造により白金と添加元素とからなる白金合金を製造し、これをアトマイズして白金合金粉末(アトマイズ粉末)を製造する。そして、白金合金粉末を酸化処理して添加元素を酸化物粒子とした後、白金合金粉末を圧縮成形し、適宜に鍛造加工や圧延加工することで強化白金合金が製造される。本願出願人は、強化白金合金について、添加元素の種類や組成範囲等の材料構成面と製造プロセスの双方でこれまで多くの検討を行っている(特許文献1~特許文献6)。そして、それらから得られた知見から、ガラス製造装置用の有効な強化白金合金の製品化することにも成功している(本願出願人による強化白金合金製品として、例えば、nanoplat(登録商標)シリーズがある)。 A known method for producing a strengthened platinum alloy is the powder metallurgy method, which uses a platinum alloy powder in which oxide particles are dispersed, as a precursor, which has been oxidized and cast. In the powder metallurgy method, a platinum alloy consisting of platinum and additive elements is first produced by melt casting, which is then atomized to produce a platinum alloy powder (atomized powder). The platinum alloy powder is then oxidized to turn the additive elements into oxide particles, and the platinum alloy powder is compressed and molded, and then appropriately forged or rolled to produce a strengthened platinum alloy. The applicant of the present application has conducted extensive research into strengthened platinum alloys, both in terms of the material composition, such as the type and composition range of additive elements, and the manufacturing process (Patent Documents 1 to 6). Based on the knowledge gained from these research, the applicant has also succeeded in commercializing an effective strengthened platinum alloy for glass manufacturing equipment (for example, the nanoplat (registered trademark) series is an example of a strengthened platinum alloy product by the applicant of the present application).

特開平06-336631号公報Japanese Patent Application Publication No. 06-336631 特開平08-134511号公報Japanese Patent Application Publication No. 08-134511 特開2000-160268号公報JP 2000-160268 A 特開2006-057164号公報JP 2006-057164 A WO2002/083961号国際公開パンフレットInternational Publication No. WO2002/083961

上記した従来技術においては、いずれも、強化白金合金の高温強度の上昇、耐高温クリープ性の改善を目的としつつ、材料組成の調整や製造プロセスの改善を行うものである。これらにより完成された従来の強化白金合金が、上述の各種のガラス製造装置に適用されている。 In all of the above-mentioned conventional technologies, the aim is to increase the high-temperature strength of the strengthened platinum alloy and improve its high-temperature creep resistance, while adjusting the material composition and improving the manufacturing process. The conventional strengthened platinum alloys completed in this way are applied to the various glass manufacturing devices mentioned above.

従来の強化白金合金の適用に関して上述したガラス製造装置は、ほとんどの場合において変形や割れ等の破損がなく安定的に稼働している。しかし、一部のガラス製造装置においては、予期せぬタイミングで割れが生じることがあることが確認されている。この特定のトラブルは、溶融ガラスの熔解槽の底部において発現する傾向があることも確認されている。熔解槽における割れ発生に対しては、補修対応での継続使用も可能であるが、一時的なものであって装置の交換が必要となり、その短寿命化が懸念されている。 The glass manufacturing equipment described above, which uses conventional reinforced platinum alloys, operates stably in most cases without deformation, cracks, or other damage. However, it has been confirmed that cracks occur at unexpected times in some glass manufacturing equipment. It has also been confirmed that this particular problem tends to occur at the bottom of the molten glass melting tank. When cracks occur in the melting tank, it is possible to continue using the equipment by repairing it, but this is only temporary and requires the equipment to be replaced, which raises concerns about its shortened lifespan.

このような一部のガラス製造装置でみられる強化白金合金の割れの要因は、必ずしも明らかではない。割れが発生した材料には、割れが発生しない他のガラス製造装置で使用される材料と構成上明確な相違が見られないからである。また、使用条件についても、ガラス製造装置の各種部材には使用温度や雰囲気等に大差はない。そして、各部材の形状や厚さ等の寸法は、各用途に対応した設計がなされていることからも使用条件が要因となるとは考え難い。 The cause of the cracking of the reinforced platinum alloys seen in some of these glass manufacturing equipment is not necessarily clear. This is because there is no clear difference in the composition of the materials in which the cracks occurred compared to the materials used in other glass manufacturing equipment in which cracks do not occur. In terms of operating conditions, there is also no significant difference in the operating temperature or atmosphere of the various components of the glass manufacturing equipment. Furthermore, the dimensions of each component, such as the shape and thickness, are designed to suit each application, so it is difficult to imagine that the operating conditions are a factor.

本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、酸化物分散強化型の強化白金合金について、ガラス製造装置に適用した際に発生し得る割れ等の損傷の要因を明らかにすると共に、これを有効に回避可能なものを提供することを目的とする。また、この強化白金合金を使用するガラス製造装置を提供することも目的とする。 The present invention was made against the background described above, and aims to clarify the causes of damage such as cracks that can occur when oxide dispersion strengthened platinum alloys are applied to glass manufacturing equipment, and to provide a method for effectively avoiding such damage. It also aims to provide a glass manufacturing equipment that uses this strengthened platinum alloy.

上記の課題を解決すべく本発明者等は、まず、一部のガラス製造装置で見られる破損の要因について検討した。その結果、従来の強化白金合金は、適用されるガラス製造装置によっては強度が高過ぎるために割れが生じ易い状態にあると考察した。本発明者等によれば、強化白金合金の割れの問題は、熔解槽の底部、特に底部外周に集中して発生することが確認されている。強化白金合金からなる熔解槽は、板材の絞り加工によって製造されることが多い。そして、熔解槽の底部外周は断面がR状になっており、この部分において特に加工度が高くなる。強化白金合金は、酸化物の分散効果によって、分散粒子のない熔解材よりも高い強度を獲得している。しかし、高強度である分、加工抵抗が大きく加工度の増大によって歪や転位等の格子欠陥が蓄積し易い状態にあるといえる。そのため、熔解槽の底部外周は割れの起点となり易い傾向があるといえる。 In order to solve the above problem, the inventors first studied the causes of breakage observed in some glass manufacturing equipment. As a result, they concluded that conventional reinforced platinum alloys are prone to cracking due to their excessive strength depending on the glass manufacturing equipment to which they are applied. According to the inventors, it has been confirmed that the cracking problem of reinforced platinum alloys occurs mainly at the bottom of the melting tank, especially at the bottom outer periphery. Melting tanks made of reinforced platinum alloys are often manufactured by drawing a plate material. The bottom outer periphery of the melting tank has an R-shaped cross section, and this part is particularly highly processed. Due to the dispersion effect of oxides, reinforced platinum alloys have higher strength than melting materials without dispersed particles. However, because of their high strength, they have high processing resistance, and it can be said that they are in a state where lattice defects such as distortion and dislocations are easily accumulated due to the increase in the degree of processing. Therefore, it can be said that the bottom outer periphery of the melting tank tends to be a starting point for cracks.

そして、ガラス製造プラントの操業時の温度変化に起因する負荷によって割れの発生及び進展が生じる。ガラス製造プラントの熔解槽は、ガラス原材料を熔解して溶融ガラスを製造し、次工程に送るための装置であり、熔解中の溶融ガラスに原材料が追加投入されることがある。原材料の投入の際には溶融ガラスの温度低下が生じる。また、ガラス製造プラントで製造されるガラス種は、常に同じとは限らず需要に応じて変更される。そのため、熔解槽が熔解するガラス種は変化するが、こうしたガラス種の変更も温度変化の要因となる。更に、装置の稼働と停止のサイクルも温度変化の要因となる。以上のような各種の要因によるガラス製造装置での温度変化は、熱応力を引き起こすこととなる。こうした熱応力の発生は、熔解槽に限定されることではない。しかし、上述のように割れの起点を含む熔解槽の底部外周においては、熱応力の影響を受けやすく、割れが生じ易いと考えられる。 The cracks occur and grow due to the load caused by the temperature change during the operation of the glass manufacturing plant. The melting tank of the glass manufacturing plant is a device for melting glass raw materials to produce molten glass and sending it to the next process, and raw materials may be added to the molten glass during melting. When raw materials are added, the temperature of the molten glass drops. In addition, the type of glass produced in the glass manufacturing plant is not always the same and is changed according to demand. Therefore, the type of glass melted in the melting tank changes, and such a change in the type of glass also causes a temperature change. Furthermore, the cycle of operation and stop of the equipment also causes a temperature change. The temperature change in the glass manufacturing equipment due to the above various factors causes thermal stress. The occurrence of such thermal stress is not limited to the melting tank. However, as described above, the bottom outer periphery of the melting tank, which includes the starting point of the crack, is easily affected by thermal stress and is thought to be prone to cracks.

以上のように、本発明者等はガラス製造装置(熔解槽)において発生する割れの要因として、その構成材料である強化白金合金の強度が過度に高い点にあると考察した。この点、従来の強化白金合金の開発における主題事項は、高温クリープ特性の向上に偏りがちな傾向にあったといえる。しかし、以上のような考察によれば、単純に高温強度を上昇させることが有効とは言い難い。割れ発生の抑制の手段としては、むしろ柔軟性の付与を優先すべきであり、過度の高温強度や耐高温クリープ性は抑制されるべきであると考察される。 As described above, the inventors have concluded that the cause of cracks occurring in glass manufacturing equipment (melting tanks) is the excessively high strength of the strengthened platinum alloy, which is the material from which they are made. In this regard, it can be said that the main focus in the development of strengthened platinum alloys in the past has tended to be on improving high-temperature creep properties. However, based on the above considerations, it is difficult to say that simply increasing high-temperature strength is effective. It is believed that, as a means of preventing cracks, priority should be given to imparting flexibility, and excessive high-temperature strength and high-temperature creep resistance should be suppressed.

強化白金合金の高温強度及び耐高温クリープ性を抑える方法としては、添加元素の含有量を減らして分散粒子の量を減少させることが挙げられる。もっとも、如何に高温強度や耐高温クリープ性の抑制が柔軟性付与のために必要であるからといって、それらを過度に低下させることが好ましいとは言い難い。特に、耐高温クリープ性が低過ぎる白金合金では、高温下における変形モードが単純な高温変形となり、荷重のみで装置の変形・破損を生じさせるおそれがある。上記した溶融ガラスの熔解槽の例においては、底部以外の部分での変形等を生じさせかねない。 One method of suppressing the high-temperature strength and high-temperature creep resistance of a strengthened platinum alloy is to reduce the content of added elements and the amount of dispersed particles. However, even if suppressing high-temperature strength and high-temperature creep resistance is necessary to impart flexibility, it is difficult to say that it is desirable to reduce them excessively. In particular, in platinum alloys with too low high-temperature creep resistance, the deformation mode at high temperatures becomes a simple high-temperature deformation, and there is a risk that the load alone will cause deformation or damage to the device. In the example of the molten glass melting tank mentioned above, this could cause deformation in parts other than the bottom.

そこで、本発明者等は、添加元素の含有量を最小限とすることで、必要十分といえる耐高温クリープ性を確保しつつ、上記した加工による歪等が蓄積し難い柔軟性を有する強化白金合金を開発すべく、その製造プロセスの再検討からアプローチした。そして、鋭意検討の結果、添加元素含有量の上限を制限すると共に、高温及び常温における所定の特性を有する強化白金合金において、上記課題を解決することができることを見出し本発明に想到した。 Therefore, the inventors of the present invention have started by reconsidering the manufacturing process in order to develop a strengthened platinum alloy that has flexibility that is less susceptible to the accumulation of distortion due to the above-mentioned processing while ensuring sufficient high-temperature creep resistance by minimizing the content of additive elements. As a result of extensive investigation, they have found that the above-mentioned problems can be solved by limiting the upper limit of the content of additive elements and by providing a strengthened platinum alloy that has the specified properties at high temperatures and room temperature, and have come up with the present invention.

上記課題を解決する本願発明は、Pt又はPtRh合金からなるマトリックス中に添加元素の酸化物からなる分散粒子が分散してなる強化白金合金において、前記強化白金合金は、前記添加元素として必須的に0.04質量%以上0.25質量%以下のZrを含み、残部が前記マトリックスの構成金属と酸素及び不可避不純物とからなり、1400℃で応力10MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間が100時間以上であり、且つ、常温引張試験における破断伸びが35%以上であることを特徴とする強化白金合金である。 The present invention, which solves the above problems, is a strengthened platinum alloy in which dispersed particles of oxides of additive elements are dispersed in a matrix of Pt or PtRh alloy, the strengthened platinum alloy essentially containing 0.04% by mass or more and 0.25% by mass or less of Zr as the additive element, with the remainder consisting of the constituent metals of the matrix, oxygen, and unavoidable impurities, and characterized in that the creep rupture time in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 10 MPa is 100 hours or more, and the rupture elongation in a room-temperature tensile test is 35% or more.

上記の通り、本発明に係る強化白金合金は、Zrを必須添加元素としてその含有量の上限を0.25質量%に制限しながら、比較的高い高温強度(耐高温クリープ性)を具備する。その一方で、本発明の強化白金合金は、常温における引張伸び(破断歪)が大きく柔軟性を有する白金材料となっている。以下、本発明に係る強化白金合金の構成及び特徴について説明する。 As described above, the strengthened platinum alloy of the present invention has relatively high high-temperature strength (high-temperature creep resistance) while limiting the content of Zr, which is an essential additive element, to 0.25 mass%. On the other hand, the strengthened platinum alloy of the present invention is a platinum material with large tensile elongation (breaking strain) at room temperature and flexibility. The structure and characteristics of the strengthened platinum alloy of the present invention are described below.

(I)本発明に係る強化白金合金の構成
(I-1)本発明に係る強化白金合金の構成元素・組成
本発明に係る強化白金合金の構成元素は、Zrを必須添加元素とする添加元素と、マトリックスの構成元素であるPt又はPt及びRhと、酸素及び不可避不純物である。
(1)添加元素
添加元素は、強化白金合金中で酸化物の形態で存在し、分散粒子として合金の強化に寄与する。Zrを必須の添加元素とするのは、Zr酸化物(ZrO)は、熱膨張係数が比較的Ptに近いことによる。また、Zr酸化物は、溶融ガラスに対して着色等の悪影響を及ぼし難いからである。更に、ZrはPtよりも酸化物生成自由エネルギーが低いことから、分散粒子の形成が容易である。後述の通り、本発明においては、合金中に微量に含まれる添加元素を高度に酸化して超微細の酸化物を形成することが求められる。以上の特性及び要求に応じるため、Zrは必須の添加元素となる。
(I) Structure of the strengthened platinum alloy according to the present invention (I-1) Constituent elements and composition of the strengthened platinum alloy according to the present invention The constituent elements of the strengthened platinum alloy according to the present invention are additional elements with Zr being an essential additional element, Pt or Pt and Rh which are constituent elements of the matrix, oxygen, and unavoidable impurities.
(1) Additive elements The additive elements exist in the form of oxides in the strengthened platinum alloy and contribute to strengthening the alloy as dispersed particles. Zr is an essential additive element because Zr oxide (ZrO 2 ) has a thermal expansion coefficient relatively close to that of Pt. In addition, Zr oxide is less likely to have adverse effects such as coloring on molten glass. Furthermore, Zr has a lower oxide formation free energy than Pt, so it is easy to form dispersed particles. As described later, in the present invention, it is required to highly oxidize the additive elements contained in trace amounts in the alloy to form ultrafine oxides. In order to meet the above characteristics and requirements, Zr is an essential additive element.

Zrは、白金合金を強化するための元素であるが、柔軟性に関連する常温における引張伸び(破断歪)を確保する観点から見ても有用な添加元素である。本発明では、高温クリープ特性と常温引張伸びの双方を一定以上とするが、このようなバランスに優れた白金合金を得る上でZrは必須の添加元素である。この点、従来から強化白金の添加元素として知られるY等にはZrのような作用はない。Zrに替えてY等のみを添加しても高温クリープ特性の向上は見られても、常温引張伸びについての改善効果は乏しい。後述の通り、本発明では、Y等の添加は、Zrと共に補助的に添加されることのみが許容される。 Zr is an element for strengthening platinum alloys, but it is also a useful additive element from the viewpoint of ensuring tensile elongation (breaking strain) at room temperature, which is related to flexibility. In the present invention, both high-temperature creep properties and room-temperature tensile elongation are set to a certain level or higher, and Zr is an essential additive element for obtaining a platinum alloy with such an excellent balance. In this respect, Y and other additive elements, which have traditionally been known as additive elements for strengthening platinum, do not have the same effect as Zr. Even if only Y or other elements are added instead of Zr, improvements in high-temperature creep properties are observed, but the effect of improving room-temperature tensile elongation is poor. As described below, in the present invention, the addition of Y and other elements is permitted only as an auxiliary addition together with Zr.

必須添加元素であるZrの含有量は、強化白金合金全体の質量を基準として0.04質量%以上0.25質量%以下とする。添加元素の含有量が0.04質量%未満の場合、添加元素及びその酸化物による強化作用に乏しく、高温強度が低くなる。必要十分な高温強度の確保という本発明の課題を考慮すれば、Zr含有量は0.04質量%以上必要となる。 The content of Zr, which is an essential additive element, is 0.04 mass% or more and 0.25 mass% or less based on the mass of the entire strengthened platinum alloy. If the content of the additive element is less than 0.04 mass%, the strengthening effect of the additive element and its oxide is poor, and high-temperature strength is low. Considering the objective of the present invention, which is to ensure sufficient high-temperature strength, the Zr content must be 0.04 mass% or more.

そして、Zr含有量の増大に伴い、強化白金合金の高温強度は上昇するものの、一定以上のZrの添加により高温強度は低下することとなる。また、Zrや後述する他の添加元素の含有量が大きくなると、溶接性の悪化が懸念される。溶接性の悪化とは、溶接時の溶接金属(ビード)での酸化物によるスラグ(ノロ)の発生や、酸化物による溶湯の安定性低下や、酸化物の凝集発生等である。これまで述べたとおり、本発明では必要十分な高温強度の確保を課題とすることから、高温強度の低下傾向や溶接性の悪化等が生じるまでZrを添加する必要はないといえる。そこで、本発明ではZrの含有量の上限を0.25質量%とする。 Although the high-temperature strength of the strengthened platinum alloy increases with an increase in the Zr content, the addition of a certain amount of Zr reduces the high-temperature strength. In addition, as the content of Zr and other additive elements described below increases, there is concern that the weldability may deteriorate. Deterioration of weldability refers to the generation of slag (slag) due to oxides in the weld metal (bead) during welding, the decrease in stability of the molten metal due to oxides, and the generation of oxide aggregation. As described above, since the objective of the present invention is to ensure sufficient high-temperature strength, it can be said that there is no need to add Zr until a tendency for high-temperature strength to decrease or weldability to deteriorate occurs. Therefore, in the present invention, the upper limit of the Zr content is set to 0.25 mass%.

尚、本発明におけるZrの含有量は上記範囲の通りとするが、この範囲内におけるZrの含有量によって、本発明の強化白金合金は更に特徴付けられる。この点については、後述するクリープ歪速度に関する説明において詳述する。 The Zr content in the present invention is within the above range, but the strengthened platinum alloy of the present invention is further characterized by the Zr content within this range. This will be described in detail in the explanation of creep strain rate below.

また、本発明では、Zr以外の添加元素としては、Y、Ce、Sc、Hfの少なくともいずれかを添加することができる。本願出願人によるこれまでの知見から、これらの元素の酸化物粒子も強化白金合金の強化因子として高温クリープ特性の向上には作用し得るからである。これらの他の添加元素の添加量は、Zrとの合計含有量として0.04質量%以上0.25質量%以下とする。但し、これらの他の添加元素の添加は必須ではない。本発明においては、添加元素としてZrのみを添加した強化白金合金であっても良い。 In addition, in the present invention, at least one of Y, Ce, Sc, and Hf can be added as an additional element other than Zr. This is because, based on the applicant's previous findings, oxide particles of these elements can also act as a strengthening factor for strengthened platinum alloys and improve high-temperature creep properties. The amount of these other additional elements added, in total with Zr, is 0.04 mass% or more and 0.25 mass% or less. However, the addition of these other additional elements is not essential. In the present invention, the strengthened platinum alloy may be one to which only Zr is added as an additional element.

(2)マトリックス構成元素(Pt、Rh)
本発明に係る強化白金合金は、Pt又はPtRh合金をマトリックスとした分散強化型合金である。よって、Pt又はPt及びRhは、本発明において主要な構成元素である。マトリックスとしてPtに加えPtRh合金が適用されるのは、マトリックスの強度向上のためである。マトリックスをPtRh合金とする場合、Rhの含有量は、5質量%以上40質量%以下であるものが好ましく、5質量%以上20質量%以下がより好ましい。
(2) Matrix constituent elements (Pt, Rh)
The strengthened platinum alloy according to the present invention is a dispersion strengthened alloy with a matrix of Pt or a PtRh alloy. Therefore, Pt or Pt and Rh are the main constituent elements in the present invention. The PtRh alloy is used as the matrix in addition to Pt in order to improve the strength of the matrix. When the matrix is a PtRh alloy, the content of Rh is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less, more preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less.

(3)酸素
酸素は、強化白金合金中でZr等の添加元素と共に酸化物の形態で存在する。よって、酸素は必須的に含まれる元素といえる。強化白金合金の酸素の含有量は、添加元素の含有量、合金製造工程における酸化処理の条件、酸化処理前の白金合金中の不可避不純物の含有量等によって変化する。そして、本発明に係る強化白金合金の酸素含有量は、Zr等の添加元素の酸化物に起因する理論酸素含有量に対して1.0倍以上2.0倍以下であることが好ましい。理論酸素含有量とは、強化白金合金中の添加元素が全て酸化物を生成したと仮定したときの合金中の酸素原子濃度である。理論酸素含有量の算出は、各添加元素の酸化物が化学量論組成の酸化物(ZrO、Y、CeO等)であるとして、各添加元素の含有量に基づき計算される。
(3) Oxygen Oxygen exists in the form of oxide together with the additive elements such as Zr in the strengthened platinum alloy. Therefore, oxygen can be said to be an essential element. The oxygen content of the strengthened platinum alloy varies depending on the content of the additive elements, the conditions of the oxidation treatment in the alloy manufacturing process, the content of inevitable impurities in the platinum alloy before the oxidation treatment, etc. The oxygen content of the strengthened platinum alloy according to the present invention is preferably 1.0 to 2.0 times the theoretical oxygen content caused by the oxides of the additive elements such as Zr. The theoretical oxygen content is the oxygen atomic concentration in the alloy when it is assumed that all the additive elements in the strengthened platinum alloy have produced oxides. The theoretical oxygen content is calculated based on the content of each additive element, assuming that the oxide of each additive element is an oxide of stoichiometric composition (ZrO 2 , Y 2 O 3 , CeO 2 , etc.).

本発明においては、添加元素の含有量を制限して、必要にして十分な高温強度を確保し、強化白金合金の強度が過剰に高くなることを回避している。もっとも、強度が低くなり過ぎることも好ましいことではない。このため、制限量の添加元素をできるだけ酸化物とすることで適正な強度が確保する必要がある。本発明において、強化白金合金の酸素含有量が理論酸素含有量に対して1.0倍未満の場合は、未酸化の添加元素が存在する蓋然性が高くなる。一方、上記の理論酸素含有量の定義から、強化白金合金が含み得る酸素には限界がある。また、不可避不純物が酸化することによる酸素の存在も考慮すべきである。このことから、理論酸素含有量に対する比率の上限は2.0倍とする。 In the present invention, the content of the additive elements is limited to ensure the necessary and sufficient high-temperature strength and to prevent the strength of the strengthened platinum alloy from becoming excessively high. However, it is also undesirable for the strength to become too low. For this reason, it is necessary to ensure the appropriate strength by making the limited amount of additive elements as oxides as much as possible. In the present invention, if the oxygen content of the strengthened platinum alloy is less than 1.0 times the theoretical oxygen content, there is a high probability that unoxidized additive elements are present. On the other hand, based on the above definition of the theoretical oxygen content, there is a limit to the amount of oxygen that the strengthened platinum alloy can contain. In addition, the presence of oxygen due to the oxidation of unavoidable impurities should also be taken into consideration. For this reason, the upper limit of the ratio to the theoretical oxygen content is set to 2.0 times.

尚、不可避不純物の影響により、強化白金合金の酸素含有量と理論酸素含有量との差(乖離)は、Zr等の添加元素含有量が低くなればなる程、大きくなる傾向がある。原料や製法が同じであれば、不可避不純物の種類・含有量は、添加元素の量に左右されないと考えるべきだからである。例えば、Zr含有量が0.04質量%(400ppm)であり400ppmの不可避不純物を含む強化白金合金があったとする。この強化白金合金でZr及び不可避不純物の全てが酸化していたと仮定すると、その酸素含有量は理論酸素含有量の2.0倍となり得る。この強化白金合金と同じ原料・製造工程で、Zr含有量が0.08質量%(800ppm)の強化白金合金を製造したとき、不可避不純物の含有量は同じとなり、前記と同様にZr及び不可避不純物の全てが酸化したと仮定すると、酸素含有量は理論酸素含有量の1.5倍となり得る。この例示のように、強化白金合金の合計酸素含有量は、添加元素量が低い場合に不可避不純物の影響を受けることとなる。但し、上記の例示で示した理論酸素含有量に対する比率は、あくまでも一例である。実際には、不可避不純物の種類やZr以外の添加元素の有無や種類によって、理論酸素含有量に対する比率は、1.0倍以上2.0倍以下の範囲内で多様な値を示し得る。 Due to the influence of inevitable impurities, the difference (deviation) between the oxygen content of the strengthened platinum alloy and the theoretical oxygen content tends to increase as the content of added elements such as Zr decreases. This is because, if the raw materials and manufacturing method are the same, it should be considered that the type and content of the inevitable impurities are not affected by the amount of the added elements. For example, suppose there is a strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.04 mass% (400 ppm) and 400 ppm of inevitable impurities. If it is assumed that all of the Zr and inevitable impurities in this strengthened platinum alloy are oxidized, the oxygen content can be 2.0 times the theoretical oxygen content. When a strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.08 mass% (800 ppm) is manufactured using the same raw materials and manufacturing process as this strengthened platinum alloy, the content of inevitable impurities will be the same, and if it is assumed that all of the Zr and inevitable impurities are oxidized as described above, the oxygen content can be 1.5 times the theoretical oxygen content. As shown in this example, the total oxygen content of a strengthened platinum alloy is affected by inevitable impurities when the amount of added elements is low. However, the ratio to the theoretical oxygen content shown in the above example is merely an example. In reality, the ratio to the theoretical oxygen content can show various values within the range of 1.0 to 2.0 times, depending on the type of inevitable impurities and the presence or absence and type of added elements other than Zr.

強化白金合金の酸素含有量については、現在においては比較的正確な分析手段として酸素・窒素分析法が知られており、本発明でも適用可能である。尚、本発明に係る強化白金合金の酸素含有量は、合金の強度にある程度の影響を及ぼしているが、酸素含有量のみが本発明の特徴を説明するものではない。この点については、後に詳述する。 The oxygen and nitrogen analysis method is currently known as a relatively accurate analytical method for the oxygen content of strengthened platinum alloys, and can be applied to the present invention. Note that the oxygen content of the strengthened platinum alloy of the present invention has some effect on the strength of the alloy, but the oxygen content alone does not explain the characteristics of the present invention. This point will be described in detail later.

(4)不可避不純物
本発明に係る強化白金合金の不可避不純物としては、Al、Fe、Co、Ni、Si、W等が挙げられる。また、Pd、Au、Ag、Ir、Ru等の貴金属も不可避不純物となり得る。更に、マトリックスをPt(純Pt)とする場合には、上記に加えてRhも不可避不純物となり得る。これらの不可避不純物は、母合金を製造する際の各原料金属(Pt、Rh)に含まれる不純物に由来する他、圧縮成形や鍛造加工等の加工装置から混入することもある。もっとも、後述の通り、本発明に係る強化白金合金は、白金合金粉末の湿式粉砕処理や脱ガス処理を必須としない比較的シンプルな工程で製造可能であることから、製造過程での不純物混入は低減されている。これらの意図されずに含まれる不可避不純物の含有量は、合計で500ppm以下とすることが好ましい。
(4) Inevitable impurities Examples of the inevitable impurities in the strengthened platinum alloy according to the present invention include Al, Fe, Co, Ni, Si, W, etc. In addition, precious metals such as Pd, Au, Ag, Ir, and Ru can also be inevitable impurities. Furthermore, when the matrix is Pt (pure Pt), Rh can also be an inevitable impurity in addition to the above. These inevitable impurities originate from the impurities contained in each raw material metal (Pt, Rh) when manufacturing the master alloy, and may also be mixed in from processing equipment such as compression molding and forging. However, as described later, the strengthened platinum alloy according to the present invention can be manufactured by a relatively simple process that does not require wet grinding or degassing of platinum alloy powder, so that the inclusion of impurities during the manufacturing process is reduced. It is preferable that the content of these inevitable impurities unintentionally contained is 500 ppm or less in total.

(I-2)本発明に係る強化白金合金の材料組織
強化白金合金は、白金又は白金合金をマトリックス(母相)とし、ここに酸化物粒子が分散する材料組織を示す。本発明に係る強化白金合金も同様であり、Pt又はPtRh合金からなるマトリックス中にZrを必須とする添加元素の酸化物粒子が分散している。
(I-2) Material structure of the strengthened platinum alloy according to the present invention The strengthened platinum alloy has a material structure in which oxide particles are dispersed in a matrix (parent phase) of platinum or a platinum alloy. The strengthened platinum alloy according to the present invention is similar, and oxide particles of an additional element, Zr being an essential element, are dispersed in a matrix of a Pt or PtRh alloy.

本発明において、通常の観察方法で測定可能な酸化物粒子の平均粒径は、1μm以下であることが好ましい。酸化物粒子による分散強化は、微細な粒子を高度に分散することで作用する。また、酸化物粒子の平均粒径の下限値については、通常の観察方法で測定可能な酸化物粒子を対象とするのであれば、0.01μm以上とするのが好ましい。尚、通常の観察方法とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等の電子顕微鏡による観察方法である。粒径の測定法としては2軸平均や円相当径によることができる。強化白金合金における酸化物粒子は、球形に近い形状をしていることが多いため、粒径の測定方法は限定する必要はない。 In the present invention, the average particle size of oxide particles that can be measured by a normal observation method is preferably 1 μm or less. Dispersion strengthening by oxide particles works by highly dispersing fine particles. In addition, the lower limit of the average particle size of oxide particles is preferably 0.01 μm or more if oxide particles that can be measured by a normal observation method are the target. The normal observation method is an observation method using an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The particle size can be measured by a biaxial average or a circle equivalent diameter. Since the oxide particles in the strengthened platinum alloy often have a shape close to a sphere, there is no need to limit the method of measuring the particle size.

但し、本発明者等の推定によれば、本発明に係る強化白金合金においては、上記通常の観察方法では検知が困難な酸化物粒子が存在していると考えられる。本発明では、極微量の添加元素含有量が設定されており、酸化前の母合金中の添加元素は、原子レベルで微細な状態で固溶していると考えられる。このような添加元素も、適切な酸化処理により酸化物粒子を生成することができるが、これを明確に観察することは困難であり、その粒径の測定はし難い。そのような超微細の酸化物粒子が、通常の方法で観察可能な酸化物粒子に対して、どの程度存在しているかは不明である。但し、本発明者等は、この超微細の酸化物粒子が、強化白金合金の材料組織の改善や常温域における材料の柔軟性獲得に作用していると考察している。強化白金合金が高温強度に優れる理由としては、酸化物粒子による分散強化に加えて、マトリックスの材料組織にもある。強化白金合金のマトリックスは、アスペクト比の大きい木の葉形状の結晶粒が交互に積層した材料組織を呈する。本発明では、上記の超微細の酸化物粒子がマトリックスを、かかる好適な材料組織に効率的に改善していると推定する。このような超微細な酸化物粒子の効果は、通常の酸化物粒子の効果(分散強化)と同時に発揮されているか、又はそれとは別に発揮されていると考察する。そして、この超微細な酸化物粒子は、観察困難であることから、その構成を特定することはできない。 However, according to the inventors' estimation, the strengthened platinum alloy according to the present invention is believed to have oxide particles that are difficult to detect by the above-mentioned normal observation method. In the present invention, the content of the additive element is set to a very small amount, and it is believed that the additive element in the mother alloy before oxidation is in a solid solution in a fine state at the atomic level. Such additive elements can also generate oxide particles by appropriate oxidation treatment, but it is difficult to clearly observe them, and it is difficult to measure their particle size. It is unclear to what extent such ultrafine oxide particles exist compared to oxide particles that can be observed by normal methods. However, the inventors consider that these ultrafine oxide particles act to improve the material structure of the strengthened platinum alloy and to obtain the flexibility of the material in the room temperature range. The reason why the strengthened platinum alloy has excellent high-temperature strength is not only the dispersion strengthening by the oxide particles, but also the material structure of the matrix. The matrix of the strengthened platinum alloy exhibits a material structure in which leaf-shaped crystal grains with a large aspect ratio are alternately stacked. In the present invention, it is estimated that the above-mentioned ultrafine oxide particles efficiently improve the matrix to such a suitable material structure. It is believed that the effect of these ultrafine oxide particles is exerted simultaneously with the effect of normal oxide particles (dispersion strengthening), or is exerted separately. And because these ultrafine oxide particles are difficult to observe, their composition cannot be identified.

(II)本発明に係る強化白金合金の物性
上記のとおり、本発明に係る強化白金合金は、高温クリープ試験によるクリープ特性(クリープ破断時間)と、常温引張試験における引張特性(破断伸び)の双方を規定することで特定される。
(II) Physical Properties of the Strengthened Platinum Alloy of the Present Invention As described above, the strengthened platinum alloy of the present invention is specified by specifying both the creep properties (creep rupture time) in a high-temperature creep test and the tensile properties (rupture elongation) in a room-temperature tensile test.

(II-1)高温クリープ特性
本発明に係る強化白金合金は、1400℃で応力10MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間が100時間以上であることを要する。本発明に係る強化白金合金は、従来の強化白金合金で問題が生じていた要因として、高すぎる高温強度を見出したことからなされた発明である。但し、高温強度を過度に低下させることは好ましくない。本発明では、必要且つ最適な高温強度として、上記したクリープ試験によるクリープ破断時間を規定する。このクリープ試験の条件として、温度1400℃とし、応力10MPaとしたのは、熔解槽等の使用温度や負荷応力を想定しつつ、それよりも大きな負荷を課すためである。
(II-1) High-Temperature Creep Properties The strengthened platinum alloy according to the present invention is required to have a creep rupture time of 100 hours or more in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 10 MPa. The strengthened platinum alloy according to the present invention is an invention made from the discovery that excessively high high-temperature strength was a cause of problems in conventional strengthened platinum alloys. However, it is not preferable to reduce the high-temperature strength excessively. In the present invention, the creep rupture time in the creep test described above is specified as the necessary and optimal high-temperature strength. The creep test conditions of a temperature of 1400°C and a stress of 10 MPa are set in order to impose a load larger than the operating temperature and applied stress of a melting bath, etc.

上記した本発明に係る強化白金合金の高温クリープ特性は、従来の強化白金合金の高温クリープ特性を明瞭に超えることはないが、ほぼこれに匹敵する値を示し、その差はわずかとなっている。本発明では、必要十分な高温強度を確保は目的の一つであることから、従来技術に対して明確に高い高温クリープ特性を示すことを要しない。 The high-temperature creep properties of the strengthened platinum alloy according to the present invention described above do not clearly exceed those of conventional strengthened platinum alloys, but are almost comparable to them, with the difference being slight. Since one of the objectives of the present invention is to ensure sufficient high-temperature strength, it is not necessary for the alloy to exhibit high-temperature creep properties that are clearly superior to those of conventional techniques.

尚、上記のクリープ特性の測定・評価に関しては、一般的な高温クリープ試験が適用できる。高温クリープ試験は、例えば、日本工業規格JIS Z 2271「金属材料のクリープ及びクリープ破断試験方法」で規定される試験方法が適用できる。そして、高温クリープ試験により得られるクリープ曲線(応力-破断時間)から、所定応力における破断時間を測定することができる。上記した応力10MPaにおける破断時間も、作成されたクリープ曲線に基づき得ることができる。尚、応力10MPaにおける破断時間を特定する際には、当該応力における実測値を適用しても良いが、上記クリープ曲線に基づいて当該応力における破断時間を外挿又は内挿して求めても良い。 Regarding the measurement and evaluation of the above creep properties, a general high-temperature creep test can be applied. For example, the test method specified in the Japanese Industrial Standard JIS Z 2271 "Method of creep and creep rupture test for metallic materials" can be applied for the high-temperature creep test. The rupture time at a specified stress can be measured from the creep curve (stress-rupture time) obtained by the high-temperature creep test. The rupture time at the above-mentioned stress of 10 MPa can also be obtained based on the created creep curve. Note that when specifying the rupture time at a stress of 10 MPa, the actual measured value at that stress may be applied, but the rupture time at that stress may also be obtained by extrapolating or interpolating based on the above-mentioned creep curve.

(II-2)常温引張特性
本発明に係る強化白金合金は、上記高温クリープ特性に加えて、常温引張試験における破断伸びが35%以上であることを要する。この破断伸び特性は、常温における材料の柔軟性・柔らかさを示唆する特性である。本発明に係る強化白金合金は、常温での柔軟性を獲得することで、加工によって導入される歪や格子欠陥の蓄積を抑制することができる。熔解槽等のガラス製造装置は、通常、常温での加工で製造される。上記の通り、熔解槽は絞り加工で製造されることが多く、底面外周部の加工度が高くなる。本発明によれば、加工によるダメージの蓄積が少ない熔解槽等の製造が可能となり、それらの稼働中の割れ破損を抑制できる。
(II-2) Room temperature tensile properties In addition to the high temperature creep properties, the strengthened platinum alloy according to the present invention is required to have a breaking elongation of 35% or more in a room temperature tensile test. This breaking elongation property is a property that suggests the flexibility and softness of the material at room temperature. The strengthened platinum alloy according to the present invention can suppress the accumulation of strain and lattice defects introduced by processing by acquiring flexibility at room temperature. Glass manufacturing equipment such as melting tanks are usually manufactured by processing at room temperature. As described above, melting tanks are often manufactured by drawing, and the degree of processing of the bottom outer periphery is high. According to the present invention, it is possible to manufacture melting tanks and the like with less accumulation of damage due to processing, and cracking and breakage during their operation can be suppressed.

上記従来の酸化物粒子が分散した強化白金合金において、高温強度を高めつつ、常温引張試験における破断伸びを35%以上とすることは困難である。この破断伸びは、分散粒子のないPt(純Pt)の熔解材と同等以上の値である。本発明において、常温引張試験による破断伸びは、40%以上がより好ましい。尚、如何に柔軟性を有するとしても、破断伸びには限界があるといえるので、破断伸びの上限としては60%以下が想定される。 In the above conventional strengthened platinum alloys with dispersed oxide particles, it is difficult to achieve a breaking elongation of 35% or more in a room temperature tensile test while increasing the high temperature strength. This breaking elongation is equal to or greater than that of a molten Pt (pure Pt) material without dispersed particles. In the present invention, the breaking elongation in a room temperature tensile test is more preferably 40% or more. However flexible it is, there is a limit to the breaking elongation, so the upper limit of the breaking elongation is assumed to be 60% or less.

尚、高温クリープ特性と同様に、常温引張特性の測定・評価についても一般的な方法が適用される。例えば、日本工業規格ではJIS Z 2241「金属材料引張試験方法」が規定されている。そして、破断歪は、常温引張試験により得られる応力-歪曲線から測定可能である。 As with high-temperature creep properties, general methods are used to measure and evaluate room-temperature tensile properties. For example, the Japanese Industrial Standards stipulate JIS Z 2241 "Method of tensile testing of metallic materials." The fracture strain can be measured from the stress-strain curve obtained by room-temperature tensile testing.

(II-3)高温クリープ特性と常温引張特性とを両立させることの技術的意義
上述の通り、本発明に係る強化白金合金は、高温域では従来の分散粒子による強化白金合金としてのクリープ強度を有する一方、常温域では柔軟性を有する白金合金である。一般的には、強度と柔軟性とは相反する性質であり、本発明はそれら双方に関する物性値をバランス良く有する白金系材料である。
(II-3) Technical significance of achieving both high-temperature creep properties and room-temperature tensile properties As described above, the strengthened platinum alloy according to the present invention is a platinum alloy that has creep strength in the high-temperature range as a conventional platinum alloy strengthened by dispersed particles, while having flexibility in the room-temperature range. Generally, strength and flexibility are contradictory properties, and the present invention is a platinum-based material that has a good balance of physical property values relating to both.

このような特徴は、上記した極微細の酸化物の分散とこれによるアスペクト比の良化、後述する好適な酸化処理によって生成するアトマイズ粉末の状態等、複数の因子が有機的に関与して発現すると考察される。これらの因子には、特定が困難なものも含まれる可能性がある。本発明は、このような考察に基づき、本発明に係る強化白金合金の最適な特定方法として、高温クリープ特性及び常温引張特性の双方を適用する。 It is believed that these characteristics are the result of the organic interaction of multiple factors, including the dispersion of extremely fine oxides mentioned above, which improves the aspect ratio, and the state of the atomized powder produced by the suitable oxidation treatment described below. Some of these factors may be difficult to identify. Based on these considerations, the present invention applies both high-temperature creep properties and room-temperature tensile properties as the optimal method for identifying the strengthened platinum alloy of the present invention.

(II-4)Zr含有量に基づく物性変化
これまで述べた通り、本発明に係る強化白金合金は、Zr含有量を0.04質量%以上0.25質量%以下とする。本発明に係る強化白金合金は、この範囲内におけるZr含有量の調整により、上記した高温クリープ特性と常温引張伸びを維持しつつ、他の物性又は高温クリープ特性の更なる向上のいずれかの物性を獲得できる。
(II-4) Changes in physical properties based on Zr content As described above, the strengthened platinum alloy according to the present invention has a Zr content of 0.04% by mass or more and 0.25% by mass or less. By adjusting the Zr content within this range, the strengthened platinum alloy according to the present invention can obtain other physical properties or further improve the high-temperature creep properties while maintaining the above-mentioned high-temperature creep properties and room-temperature tensile elongation.

Zr含有量を0.04質量%以上0.12質量%以下とする強化白金合金は、常温域での柔軟性に加えて高温域での柔軟性を得ることができる。高温域での柔軟性とは、具体的にはクリープ歪速度の上昇が挙げられる。クリープ歪速度は、材料がクリープ変形するときの時間に対する変形(歪)の速さ(dε/dt)である。クリープ歪速度は、熱応力を吸収して変形に変換する能力に関連し、応力緩和速度ともいうべき指標である。クリープ歪速度が大きい、応力緩和しやすい材料とすることで、熱応力による割れ・破断を抑制することができる。 A strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.04% by mass or more and 0.12% by mass or less can obtain flexibility at high temperatures in addition to flexibility at room temperature. Specifically, flexibility at high temperatures refers to an increase in creep strain rate. Creep strain rate is the rate of deformation (strain) over time (dε/dt) when a material undergoes creep deformation. Creep strain rate is related to the ability to absorb thermal stress and convert it into deformation, and is an index that can also be called the stress relaxation rate. By using a material with a high creep strain rate and easy stress relaxation, cracking and breakage due to thermal stress can be suppressed.

本発明に係る強化白金合金においては、Zr含有量を0.04質量%以上0.12質量%以下とした場合、1400℃で応力20MPaの高温クリープ試験によるクリープ歪速度が1×10-5%/sec以上とすることが好ましい。より好ましくは、3×10-5%/sec以上とする。このように、クリープ歪速度を大きくすることで、高温域における熱応力に対して、割れ・破断がさらに抑制された強化白金合金とすることができる。特に、このクリープ歪速度の規定は、繰り返しの熱応力を受ける場合において有用であり、熱疲労に対する耐性の向上が期待できる。尚、このクリープ歪速度の上限については、1×10-3%/sec以下に設定するのが好ましい。クリープ歪速度が高すぎると、熱応力の吸収を超えて、通常のクリープ変形ではなく高温変形が生じるおそれがあるからである。 In the strengthened platinum alloy according to the present invention, when the Zr content is 0.04% by mass or more and 0.12% by mass or less, the creep strain rate in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 20 MPa is preferably 1×10 −5 %/sec or more. More preferably, it is 3×10 −5 %/sec or more. In this way, by increasing the creep strain rate, a strengthened platinum alloy can be obtained in which cracking and fracture are further suppressed against thermal stress in the high temperature range. In particular, this creep strain rate regulation is useful in cases where repeated thermal stress is applied, and it is expected to improve resistance to thermal fatigue. It is preferable to set the upper limit of this creep strain rate to 1×10 −3 %/sec or less. If the creep strain rate is too high, it may exceed the absorption of thermal stress, and high-temperature deformation may occur instead of normal creep deformation.

一方、本発明において、Zr含有量を0.12質量%超0.25質量%以下とする強化白金合金は、より高い高温クリープ強度とすることができる。本発明では、1400℃で応力10MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間が100時間以上であることを前提とするが、Zr含有量を0.12質量%超と高めることで、この前提条件よりもクリープ破断時間が増大する。具体的には、10MPaの荷重では500時間以上の破断時間を得ることができる。 On the other hand, in the present invention, a strengthened platinum alloy with a Zr content of more than 0.12 mass% and not more than 0.25 mass% can have higher high-temperature creep strength. In the present invention, it is assumed that the creep rupture time in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 10 MPa is 100 hours or more, but by increasing the Zr content to more than 0.12 mass%, the creep rupture time is increased beyond this prerequisite. Specifically, a rupture time of 500 hours or more can be obtained under a load of 10 MPa.

但し、Zr含有量を0.12質量%超0.25質量%以下とする本発明の強化白金合金に関しては、高温クリープ特性(クリープ破断時間)の判定基準となる荷重(応力)を20MPaとすることが好ましい。高温クリープ特性が高い強化白金合金の破断時間をクリープ曲線に基づき算出するとき、応力を10MPaとすると、値が大きくなり過ぎて正確に判定できない場合があるからである。そして、Zr含有量を0.12質量%超0.25質量%以下とする本発明の強化白金合金の高温クリープ特性は、1400℃で応力20MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間は20時間以上であることが好ましい。このように、本発明においてZr含有量を高めた強化白金合金は、柔軟性を有する上に、高温クリープ特性が特に優れる。この強化白金合金は、ガラス製造装置において加工による歪蓄積をさほど考慮しない装置・部材や高温クリープ強度が優先される装置・部材において有用といえる。 However, for the strengthened platinum alloy of the present invention having a Zr content of more than 0.12% by mass and not more than 0.25% by mass, it is preferable to set the load (stress) as the criterion for the high-temperature creep properties (creep rupture time) to 20 MPa. This is because when calculating the rupture time of a strengthened platinum alloy with high high-temperature creep properties based on a creep curve, if the stress is set to 10 MPa, the value may become too large and accurate judgment may not be possible. The high-temperature creep properties of the strengthened platinum alloy of the present invention having a Zr content of more than 0.12% by mass and not more than 0.25% by mass are preferably such that the creep rupture time in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 20 MPa is 20 hours or more. In this way, the strengthened platinum alloy with an increased Zr content in the present invention has flexibility and is particularly excellent in high-temperature creep properties. This strengthened platinum alloy is useful in glass manufacturing equipment and components in which strain accumulation due to processing is not considered very much and in equipment and components in which high-temperature creep strength is prioritized.

上記のように、本発明に係る強化白金合金ではZr含有量の区分による物性の差異はあるが、いずれにおいても前提となる高温クリープ特性と柔軟性は保持される。即ち、いずれの強化白金合金も1400℃で応力10MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間が100時間以上であり、且つ、常温引張試験における破断伸びが35%以上の条件を具備する。それぞれのZr含有量の領域におけるクリープ破断時間のより好適な値は、Zr含有量が0.04質量%以上0.12質量%以下の強化白金合金は、応力10MPaで200時間以上が好ましく、その上限としては2000時間以下が好ましい。また、Zr含有量を0.12質量%超0.25質量%以下の強化白金合金のクリープ破断時間は、応力20MPaで30時間以上が好ましく、その上限としては200時間以下が好ましい。 As described above, the physical properties of the strengthened platinum alloys according to the present invention differ depending on the Zr content, but all of them maintain the prerequisite high-temperature creep properties and flexibility. That is, all of the strengthened platinum alloys have a creep rupture time of 100 hours or more in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 10 MPa, and a rupture elongation of 35% or more in a room-temperature tensile test. The more suitable creep rupture time in each Zr content range is 200 hours or more at a stress of 10 MPa for strengthened platinum alloys with a Zr content of 0.04% by mass or more and 0.12% by mass or less, with an upper limit of 2000 hours or less. The creep rupture time of strengthened platinum alloys with a Zr content of more than 0.12% by mass and 0.25% by mass or less is preferably 30 hours or more at a stress of 20 MPa, with an upper limit of 200 hours or less.

(III)本発明に係る強化白金合金の製造方法
次に、本発明に係る強化白金合金の製造方法について説明する。本発明の強化白金合金の製造方法は、基本的に、従来技術である粉末冶金法に従う。粉末冶金法では、まず、母合金となる白金合金から白金合金粉末を製造する。そして、白金合金粉末を酸化処理して酸化物が分散した合金粉末を製造した後、成型及び適宜の加工工程を経た後にアニールすることで所望の形状と物性(高温クリープ特性、常温引張特性)の強化白金合金が製造される。従来の製造工程では、白金合金粉末の酸化処理前に、湿式粉砕(ボールミル粉砕)やその後の脱ガス処理等を付加する等の改良が加えられている(特許文献4、5)。
(III) Manufacturing method of strengthened platinum alloy according to the present invention Next, the manufacturing method of the strengthened platinum alloy according to the present invention will be described. The manufacturing method of the strengthened platinum alloy according to the present invention basically follows the powder metallurgy method, which is a conventional technology. In the powder metallurgy method, first, platinum alloy powder is manufactured from a platinum alloy that becomes a mother alloy. Then, the platinum alloy powder is oxidized to manufacture an alloy powder in which oxides are dispersed, and then, after undergoing molding and appropriate processing steps, annealing, a strengthened platinum alloy with the desired shape and physical properties (high temperature creep properties, room temperature tensile properties) is manufactured. In the conventional manufacturing process, improvements have been made, such as adding wet grinding (ball mill grinding) and subsequent degassing treatment before the oxidation treatment of the platinum alloy powder (Patent Documents 4 and 5).

上述の通り、本発明は、従来の強化白金合金は高温クリープ強度の向上が最優先課題であることに鑑み、強度向上よりも柔軟性付与を課題として検討されたものである。本発明は、この観点から強化白金合金の製造方法を見直し、酸化処理において改良がなされている。即ち、本発明に係る強化白金合金の製造方法は、添加元素として必須的に0.04質量%以上0.25質量%以下のZrを含み、残部がPt又はPt及びRhと不可避不純物とからなる白金合金の白金合金粉末を製造する工程と、前記白金合金粉末を800℃以上1400℃以下で加熱して酸化処理する工程と、前記酸化処理後の白金合金粉末を成型する工程と、成型後の白金合金インゴットをアニールする工程とを含み、前記酸化処理は、前記白金合金粉末を自然載置した状態で、酸素含有量が50%以上100%以下の処理雰囲気中で加熱する工程である強化白金合金の製造方法としている。 As described above, in the case of conventional reinforced platinum alloys, the improvement of high-temperature creep strength is the top priority, and in the present invention, the improvement of flexibility rather than strength is the issue. From this perspective, the method of manufacturing the reinforced platinum alloy has been reviewed, and the oxidation treatment has been improved. That is, the method of manufacturing the reinforced platinum alloy according to the present invention includes the steps of manufacturing a platinum alloy powder of a platinum alloy that essentially contains 0.04 mass% to 0.25 mass% Zr as an additive element, with the balance being Pt or Pt and Rh and unavoidable impurities, heating the platinum alloy powder at 800°C to 1400°C to perform an oxidation treatment, molding the platinum alloy powder after the oxidation treatment, and annealing the molded platinum alloy ingot, and the oxidation treatment is a process of heating the platinum alloy powder in a treatment atmosphere with an oxygen content of 50% to 100% in a naturally placed state.

(III-1)白金合金粉末の製造
本発明では、まず、母合金となる白金合金を得る。母合金は、添加元素として必須的に0.04質量%以上0.25質量%以下のZrを含み、残部がPt又はPt及びRhと不可避不純物とからなる白金合金である。強化白金合金がZr以外の他の添加元素(Y、Ce等)を含む場合は、これらの他の添加元素を含む母合金とする。この白金合金の製造については、一般的な貴金属の熔解鋳造法による。
(III-1) Production of platinum alloy powder In the present invention, first, a platinum alloy to be a master alloy is obtained. The master alloy is a platinum alloy that essentially contains 0.04 mass% to 0.25 mass% Zr as an additive element, with the balance being Pt or Pt and Rh and unavoidable impurities. When the strengthened platinum alloy contains additive elements other than Zr (Y, Ce, etc.), the master alloy contains these other additive elements. This platinum alloy is produced by a general melt casting method for precious metals.

母合金から白金合金粉末を製造する方法としては、アトマイズ法や回転電極法等の公知の金属粉末製造プロセスが適用できる。また、アトマイズ法による白金合金粉末の製造方法に関しても、特に制限はなく、ガスアトマイズ、水アトマイズ等の公知のアトマイズ法が適用される。そして、ここで製造する白金合金粉末の平均粒径は、20μm以上300μm以下が好ましい。後述の酸化処理において、合金中の添加元素の酸化を促進するためである。 The method for producing platinum alloy powder from the master alloy can be a known metal powder production process such as atomization or rotating electrode method. There are no particular limitations on the method for producing platinum alloy powder by atomization, and known atomization methods such as gas atomization and water atomization can be used. The average particle size of the platinum alloy powder produced here is preferably 20 μm or more and 300 μm or less. This is to promote the oxidation of the added elements in the alloy in the oxidation treatment described below.

(III-2)白金合金粉末の酸化処理
酸化処理は、白金合金からなる白金合金粉末中の添加元素(Zr等)を酸化して酸化物粒子を生成するための工程であり、必須の工程である。本発明においては、この酸化処理工程に関し、以下の点において留意する必要がある。
(III-2) Oxidation treatment of platinum alloy powder The oxidation treatment is a process for oxidizing the additive elements (Zr, etc.) in the platinum alloy powder made of platinum alloy to generate oxide particles, and is an essential process. In the present invention, the following points should be noted regarding this oxidation treatment process.

(1)白金合金粉末の処理状態
本発明では、酸化処理において、白金合金粉末を自然載置した状態で加熱酸化することを要する。本発明において自然載置状態とは、個々に独立した状態の白金合金粉末を無負荷で酸化処理雰囲気内に載置した状態である。例えば、上記従来技術で行われる酸化処理前の脱ガス処理(特許文献5)においては、白金合金粉末を型に充填して加熱焼成する処理がなされる。この脱ガス処理においては、白金合金粉末に吸着したガス成分が脱離するが、これと同時に白金合金粉末は緩やかに焼結して固まった状態となる。この焼結による白金合金粉末の粉末塊は、緻密度は低いものの、焼結による内部応力が残留した状態にある。また、白金合金粉末同士が結合した状態にある。
(1) Treatment state of platinum alloy powder In the present invention, the platinum alloy powder needs to be heated and oxidized in a naturally placed state in the oxidation treatment. In the present invention, the naturally placed state means a state in which platinum alloy powder in an individually independent state is placed in an oxidation treatment atmosphere without load. For example, in the degassing treatment (Patent Document 5) performed before the oxidation treatment in the above-mentioned conventional technology, the platinum alloy powder is filled into a mold and heated and sintered. In this degassing treatment, gas components adsorbed in the platinum alloy powder are desorbed, and at the same time, the platinum alloy powder is slowly sintered and solidified. The powder mass of the platinum alloy powder produced by this sintering has a low density, but the internal stress due to sintering remains. In addition, the platinum alloy powder is in a state of being bonded to each other.

本発明者等の検討では、本発明のように添加元素含有量が制限された白金合金粉末を酸化処理する際に、前記のような白金合金粉末塊を酸化処理しても好適な酸化状態が得られず、所定特性の物性値の強化白金合金を製造することができない。これは、白金合金粉末塊においては、個々の粉末に処理ガス(酸素)が行き渡り難いことが原因といえるが、これに加えて白金合金粉末における内部応力等による負荷も関係していると考察している。 The inventors' investigations have shown that when oxidizing platinum alloy powder with limited added element content as in the present invention, the above-mentioned platinum alloy powder lump cannot be oxidized to a suitable state, and a strengthened platinum alloy with the specified physical properties cannot be produced. This is because it is difficult for the processing gas (oxygen) to reach each individual powder in the platinum alloy powder lump, but it is also believed that the load due to internal stress in the platinum alloy powder is also a factor.

そこで、本発明では、白金合金粉末を自然載置した状態で酸化処理することとしている。尚、白金合金粉末の自然載置状態を阻害する操作としては、上記のような焼結を伴う焼成することの他、酸化処理の際に白金合金粉末を型に加圧しつつ充填することも挙げられる。但し、白金合金粉末の自重は、ここでいう負荷には該当しない。本発明における自然載置した状態での処理の具体的な方法としては、白金合金粉末を加圧することなく、トレイや容器にローディングして、そのまま加熱炉内に設置して熱処理を行うこととなる。 Therefore, in the present invention, the platinum alloy powder is oxidized in a naturally placed state. Operations that disturb the naturally placed state of the platinum alloy powder include firing accompanied by sintering as described above, and also packing the platinum alloy powder into a mold while applying pressure during the oxidation process. However, the weight of the platinum alloy powder itself does not fall under the load referred to here. A specific method of processing in a naturally placed state in the present invention involves loading the platinum alloy powder into a tray or container without applying pressure, and placing it in a heating furnace as is to perform the heat treatment.

自然載置した状態での酸化処理により、熱処理装置内のガス(酸素含有ガス)が白金合金粉末に均等に行き渡り、添加元素の酸化を促進することができる。これにより、白金合金の微量の添加元素も酸化され、上述した本発明の特異な物性を有する強化白金合金の前駆体となる合金粉末が生成する。また、無負荷の自然載置状態での熱処理により、白金合金粉末に包含された歪や格子欠陥の緩和も生じていると推定される。本発明者等は、この点も好適な強化白金合金を製造する上で機能していると考察している。 By performing the oxidation treatment in a natural state, the gas (oxygen-containing gas) in the heat treatment device is evenly distributed throughout the platinum alloy powder, promoting the oxidation of the added elements. This causes even trace amounts of added elements in the platinum alloy to be oxidized, producing alloy powder that serves as a precursor to the strengthened platinum alloy having the unique physical properties of the present invention described above. It is also presumed that the heat treatment in a natural, unloaded state also relaxes the distortion and lattice defects contained in the platinum alloy powder. The inventors believe that this also plays a role in producing a suitable strengthened platinum alloy.

(2)酸化処理雰囲気の調整
本発明に係る強化白金合金の製造では、酸化処理における雰囲気として酸素含有量(酸素分圧)が50%以上とすることを必須条件とする。従来の強化白金合金の製造では、熱処理雰囲気を大気雰囲気とする場合が多い。本発明においては、含有量が制限された添加元素を効果的に酸化する必要があることから酸化処理の雰囲気の酸素含有量を厳密に制御することとした。本発明者等の検討によれば、本発明の製造方法で酸化処理雰囲気を大気雰囲気とすると、酸化物粒子の粗大化が生じる傾向にある。酸化処理雰囲気の酸素含有量については、好ましくは80%以上であり、より好ましくは99%以上とする。
(2) Adjustment of the Oxidation Treatment Atmosphere In the production of the strengthened platinum alloy according to the present invention, it is essential that the atmosphere in the oxidation treatment has an oxygen content (oxygen partial pressure) of 50% or more. In the production of conventional strengthened platinum alloys, the heat treatment atmosphere is often an air atmosphere. In the present invention, since it is necessary to effectively oxidize the additive elements whose contents are limited, the oxygen content of the oxidation treatment atmosphere is strictly controlled. According to the investigations of the present inventors, when the oxidation treatment atmosphere is an air atmosphere in the production method of the present invention, there is a tendency for oxide particles to become coarse. The oxygen content of the oxidation treatment atmosphere is preferably 80% or more, more preferably 99% or more.

こうした酸化処理雰囲気の制御は、処理後の白金合金粉末における添加元素の酸化状態、ひいては強化白金合金の特性の安定化にも繋がる。特に、本発明に係る強化白金合金では、高温及び常温における物性値の双方において所定の値を要求している。物性値のバラつきを抑制し、安定して使用可能な強化白金合金を製造する上で、酸化処理雰囲気の制御が有効となる。 Such control of the oxidation treatment atmosphere leads to stabilization of the oxidation state of the added elements in the platinum alloy powder after treatment, and ultimately to stabilization of the properties of the strengthened platinum alloy. In particular, the strengthened platinum alloy of the present invention requires specific values for both physical properties at high temperatures and room temperature. Control of the oxidation treatment atmosphere is effective in suppressing variation in physical properties and producing a strengthened platinum alloy that can be used stably.

本発明では、以上の2つの特徴のもとで酸化処理を行う。酸化処理の温度については、800℃以上1400℃以下とする。800℃未満では、Zr等の酸化が進行し難い。また、処理温度を高温にすることで添加元素の酸化は促進されるが、1400℃を超える熱処理をしても酸化が促進されることはなく、酸化物やマトリックスである白金合金の結晶粒の粗大化が懸念されることから1400℃を上限とする。処理時間は、白金合金粉末の量にもよるが1時間以上24時間以下とすることが好ましい。 In the present invention, oxidation treatment is performed based on the above two characteristics. The temperature of the oxidation treatment is set to 800°C or higher and 1400°C or lower. If the temperature is lower than 800°C, oxidation of Zr and the like does not progress easily. In addition, while the oxidation of the added elements is promoted by increasing the treatment temperature, oxidation is not promoted even if the heat treatment is performed at a temperature higher than 1400°C, and there is a concern that the crystal grains of the oxide and the platinum alloy matrix will become coarse, so the upper limit is set to 1400°C. The treatment time is preferably set to 1 hour or higher and 24 hours or lower, depending on the amount of platinum alloy powder.

(3)従来の強化白金合金の製造方法との関係
ところで、上記した従来の強化白金合金の製造方法では、高温クリープ特性の上昇のため、白金合金粉末の酸化処理の前後において、いくつかの改善点が提案されている。例えば、白金合金粉末(酸化処理前後の白金合金粉末)を溶媒(水又は有機溶媒若しくは水と有機溶媒との混合溶媒)中でボールミル等によって湿式粉砕する工程(特許文献2、4)や、湿式粉砕後の白金合金粉末を真空中で加熱する脱ガス処理工程(特許文献5)といった付加的なプロセスが知られている。これらの付加的プロセスは、添加元素の酸化物の状態や使用過程における材料の膨れ・変形抑制に有効であるとされている。
(3) Relationship with conventional manufacturing methods of strengthened platinum alloys In the conventional manufacturing methods of strengthened platinum alloys, some improvements have been proposed before and after the oxidation treatment of platinum alloy powder in order to improve the high-temperature creep properties. For example, additional processes such as a process of wet-milling platinum alloy powder (platinum alloy powder before and after oxidation treatment) in a solvent (water, organic solvent, or a mixed solvent of water and organic solvent) using a ball mill or the like (Patent Documents 2 and 4) and a degassing process of heating the platinum alloy powder after wet milling in a vacuum (Patent Document 5) are known. These additional processes are considered to be effective in preventing the state of the oxides of the added elements and the swelling and deformation of the material during use.

本発明に係る強化白金合金の製造方法においては、これらの湿式粉砕工程や脱ガス工程を含めても良いが、必須ではない。また、場合によっては、これらの付加的プロセスを行わないほうが好ましい。つまり、母合金から白金合金粉末を製造し、これをそのまま自然載置状態で酸化処理した後、直ちに成型加工することが好ましい。このような簡略化された製造方法であっても、適切な酸化処理を行うことで、本発明に係る強化白金合金を製造可能である。工程数の削減は、工数削減によるコストダウンに寄与する他、製品の特性の安定化に繋がる。 The manufacturing method of the strengthened platinum alloy according to the present invention may include these wet grinding and degassing steps, but this is not essential. In some cases, it is preferable not to carry out these additional processes. In other words, it is preferable to manufacture platinum alloy powder from the master alloy, oxidize this as it is in the natural state, and then immediately mold it. Even with such a simplified manufacturing method, it is possible to manufacture the strengthened platinum alloy according to the present invention by carrying out an appropriate oxidation treatment. Reducing the number of steps not only contributes to cost reduction by reducing the number of man-hours, but also leads to stabilization of the product characteristics.

(III-3)酸化処理後の成型工程
そして、酸化処理がなされ酸化物粒子が分散した白金合金からなる白金合金粉末について成型加工を行い、緻密度の高い白金合金のインゴットを製造する。また、成型加工は、その後に圧延工程を行う場合、加工に適した形状とする。成型工程における具体的加工方法としては、熱間鍛造加工が適用できる。白金合金粉末は、上述の酸化処理による加熱による焼結によって粉末塊となることが多い。熱間加工においては、この白金合金粉末塊を、1000℃以上1400℃以下に加熱して加工するのが好ましい。熱間鍛造は、加熱と鍛造加工とを1セットとして複数回行うことが好ましい。
(III-3) Molding step after oxidation treatment Then, the platinum alloy powder made of platinum alloy having oxide particles dispersed therein that has been subjected to oxidation treatment is molded to produce a platinum alloy ingot with high density. In addition, the molding step is performed to obtain a shape suitable for processing when a rolling step is subsequently performed. As a specific processing method in the molding step, hot forging can be applied. The platinum alloy powder is often turned into a powder lump by sintering due to heating caused by the above-mentioned oxidation treatment. In the hot processing, it is preferable to heat the platinum alloy powder lump to 1000°C or more and 1400°C or less for processing. It is preferable to perform hot forging a plurality of times, with heating and forging being one set.

また、成型加工工程の具体的加工法としては、圧縮加工と焼結とを同時に進行させるホットプレス法も適用できる。ホットプレスの場合の条件は、1000℃以上1400℃以下、加圧力10MPa以上とするのが好ましい。 As a specific processing method for the molding process, a hot pressing method in which compression processing and sintering are carried out simultaneously can also be applied. The conditions for hot pressing are preferably 1000°C to 1400°C and a pressure of 10 MPa or more.

尚、成型加工工程前の白金合金粉末については、酸化処理後に予備的に加熱して仮焼結しても良い。但し、酸化処理によっても白金合金粉末が焼結することができるので、仮焼結は必須ではない。 The platinum alloy powder before the molding process may be preliminarily heated and pre-sintered after the oxidation treatment. However, pre-sintering is not essential because the platinum alloy powder can also be sintered by the oxidation treatment.

(III-4)後加工工程(圧延工程等)
成型加工後の強化白金合金については、必要に応じて圧延加工等の後加工工程を行って強化白金合金の板材等を製造することができる。また、用途(適用されるガラス製造装置)に応じた形状に成形加工するため、圧延加工、押出加工、引き抜き加工等の加工工程を更に付加することもできる。これらの後加工工程は、同じ加工プロセスを複数繰り返し行っても良いし、異なる加工プロセスを組み合わせて行っても良い。また、複数回の加工を行う場合、加工硬化を考慮した中間熱処理を行なっても良い。
(III-4) Post-processing process (rolling process, etc.)
The strengthened platinum alloy after the forming process can be subjected to post-processing such as rolling as necessary to produce a strengthened platinum alloy plate material, etc. Furthermore, in order to form the alloy into a shape according to the application (the glass manufacturing device to which it is applied), further processing steps such as rolling, extrusion, and drawing can be added. These post-processing steps may involve repeating the same processing process multiple times, or may involve a combination of different processing processes. Furthermore, when processing is carried out multiple times, intermediate heat treatment may be carried out taking into account work hardening.

(III-5)アニール工程
以上の成型加工工程の後及び適宜の後加工工程の後には、強化白金合金を熱処理(アニール処理)する。アニールによって再結晶組織を発現させて好適な材料組織を得るためである。アニール処理の条件は、加熱温度を1000℃以上1500℃以下とし、処理時間を0.5時間以上3時間以下とすることが好ましい。アニール処理は、大気中で行うことができるが、非酸化性雰囲気で行っても良い。
(III-5) Annealing process After the above forming process and after any appropriate post-processing process, the strengthened platinum alloy is heat-treated (annealed). This is to obtain a suitable material structure by developing a recrystallized structure by annealing. The conditions of the annealing process are preferably a heating temperature of 1000°C to 1500°C and a treatment time of 0.5 hours to 3 hours. The annealing process can be performed in the air, but may also be performed in a non-oxidizing atmosphere.

(IV)本発明に係る強化白金合金の用途
本発明に係る強化白金合金は、高温環境下で使用される各種装置の構成材料として好適である。特に、本発明は、各種のガラス材料を製造するガラス製造装置の構成部材として有用である。本発明に係るガラス製造装置としては、溶融ガラスを貯留可能な塔槽類として、溶解槽、清澄槽、撹拌槽等が挙げられる。また、撹拌槽で溶融ガラスを撹拌して均質化処理を行うスターラー(撹拌棒)も対象となる。更に、溶融ガラス成形するための装置や紡糸のためのブッシング(ノズル及びベースプレート)も対象となる。特に好ましくは、製造時に部分的に強加工を受け得る熔解槽等の塔槽類である。但し、製造時の加工の有無や加工の強弱によらず、本発明は、広く各種のガラス製造装置の構成材料とすることができる。よって、本発明は、溶融ガラスを流通させる樋形状の流路、スロート、接続パイプ等にも適用可能である。
また、ガラス製造装置以外の用途として、本発明に係る強化白金合金は、単結晶育成等で使用される坩堝の構成材料としても有用である。
(IV) Uses of the strengthened platinum alloy according to the present invention The strengthened platinum alloy according to the present invention is suitable as a constituent material of various devices used in high-temperature environments. In particular, the present invention is useful as a constituent member of a glass manufacturing device for manufacturing various glass materials. As the glass manufacturing device according to the present invention, as towers and tanks capable of storing molten glass, there are melting tanks, fining tanks, stirring tanks, etc. In addition, stirrers (stirring rods) that stir molten glass in a stirring tank to perform homogenization processing are also targets. Furthermore, devices for forming molten glass and bushings (nozzles and base plates) for spinning are also targets. Particularly preferred are towers and tanks such as melting tanks that may be partially subjected to strong processing during manufacturing. However, regardless of the presence or absence of processing during manufacturing and the strength of the processing, the present invention can be widely used as a constituent material of various glass manufacturing devices. Therefore, the present invention is also applicable to trough-shaped flow paths, throats, connecting pipes, etc. through which molten glass flows.
In addition to applications other than glass manufacturing equipment, the strengthened platinum alloy according to the present invention is also useful as a constituent material for crucibles used in single crystal growth and the like.

以上説明した本発明に係る強化白金合金は、高温域における高温クリープ特性と、常温域における常温引張特性の双方において良好な値を示す。そのため、適切な高温強度と柔軟性を有する。本発明によれば、従来の強化白金合金を適用したときに見られた割れの発生・進展を抑制することができる。そのため、本発明は、ガラス製造装置、特に溶融ガラスの熔解槽の安定した稼働に寄与することができる。 The strengthened platinum alloy according to the present invention described above exhibits good values for both high-temperature creep properties in the high-temperature range and room-temperature tensile properties in the room-temperature range. Therefore, it has appropriate high-temperature strength and flexibility. According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence and progression of cracks that were observed when conventional strengthened platinum alloys were used. Therefore, the present invention can contribute to the stable operation of glass manufacturing equipment, particularly molten glass melting tanks.

第1実施形態及び比較例の酸化処理後の白金合金粉末表面のSEM写真。4 is a SEM photograph of the surface of platinum alloy powder after oxidation treatment in the first embodiment and the comparative example. 第1実施形態及び比較例の強化白金合金の断面組織の観察結果。1 shows the results of observation of the cross-sectional structure of the strengthened platinum alloy of the first embodiment and the comparative example. 第1実施形態(0.07%Zr)及び比較例(0.3%Zr)の強化白金合金の1400℃におけるクリープ破断曲線を示す図。FIG. 2 is a graph showing creep rupture curves at 1400° C. of the strengthened platinum alloy of the first embodiment (0.07% Zr) and the comparative example (0.3% Zr). 第1実施形態(0.07%Zr)及び比較例(0.3%Zr)の強化白金合金の1400℃におけるクリープ歪速度を示す図。FIG. 1 is a graph showing creep strain rates at 1400° C. of the strengthened platinum alloy of the first embodiment (0.07% Zr) and the comparative example (0.3% Zr). 1400℃でアニー後の第1実施形態(0.07%Zr)及び比較例(0.3%Zr)の強化白金合金の常温引張試験における応力-歪曲線を示す図。FIG. 1 shows stress-strain curves in room temperature tensile tests of the strengthened platinum alloys of the first embodiment (0.07% Zr) and the comparative example (0.3% Zr) after annealing at 1400° C. 第1実施形態における熱疲労試験後の本実施形態の強化白金合金と比較例の強化白金合金の断面写真。4 is a cross-sectional photograph of the strengthened platinum alloy of the first embodiment and the strengthened platinum alloy of the comparative example after a thermal fatigue test in the first embodiment. 第2実施形態の各種強化白金合金(Zr含有量0.01~0.3質量%)のクリープ曲線。5 shows creep curves of various strengthened platinum alloys (Zr content: 0.01 to 0.3 mass%) according to the second embodiment. 第2実施形態の強化白金合金(Zr含有量0.01%~0.3%)の酸素含有量の測定結果と理論酸素含有量を示す図。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of the oxygen content and the theoretical oxygen content of the strengthened platinum alloy (Zr content: 0.01% to 0.3%) according to the second embodiment. 第3実施形態の強化白金合金(Pt-Zr-Y及びPt-Y)のクリープ曲線Creep curves of the strengthened platinum alloys (Pt-Zr-Y and Pt-Y) of the third embodiment

第1実施形態:以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、添加元素としてZrを0.07質量%含有する強化白金合金を製造し、その高温クリープ特性及び常温引張特性を評価した。また、比較のため、従来の強化白金合金(Zr含有量0.3質量%)を製造して同様の評価を行った。 First embodiment : A preferred embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, a strengthened platinum alloy containing 0.07 mass% Zr as an additive element was manufactured, and its high temperature creep properties and room temperature tensile properties were evaluated. For comparison, a conventional strengthened platinum alloy (Zr content: 0.3 mass%) was manufactured and similar evaluations were performed.

[白金合金粉末(アトマイズ粉末)の製造]
まず、真空アーク溶解により、ボタン状のPt-12質量%Zr合金50.0gを母合金として作製した。この母合金と純Ptとを真空溶解で鋳造してPt-0.07質量%Zrの白金合金の棒材(寸法:φ44mm×260mm)を製造した。そして、この棒材を電極とした電極誘導溶解ガスアトマイズ装置により、白金合金(Pt-0.07質量%Zr合金)のアトマイズ粉末を製造した。このとき製造された白金合金のアトマイズ粉末は粒径300μm以下であり、製造したアトマイズ粉末の全てを回収して、その後の工程に供した。
[Production of platinum alloy powder (atomized powder)]
First, 50.0 g of a button-shaped Pt-12 mass% Zr alloy was prepared as a mother alloy by vacuum arc melting. This mother alloy and pure Pt were cast by vacuum melting to produce a platinum alloy rod (dimensions: φ44 mm × 260 mm) of Pt-0.07 mass% Zr. Then, an atomized powder of a platinum alloy (Pt-0.07 mass% Zr alloy) was produced by an electrode induction melting gas atomizing device using this rod as an electrode. The atomized powder of the platinum alloy produced at this time had a particle size of 300 μm or less, and all of the produced atomized powder was collected and used in the subsequent process.

[酸化処理]
製造したアトマイズ粉末を、特段の圧力を付与することなく、そのまま、アトマイズ装置の回収容器から熱処理用容器に投入した。そして、この自然載置状態のままで酸化処理のための熱処理に供した。酸化処理は、純酸素雰囲気中、1300℃で6時間加熱し、Zr酸化物粒子が分散したPt合金からなるアトマイズ粉末とした。尚、この酸化処理による加熱によって白金合金粉末は焼結し粉末塊となった。
[Oxidation treatment]
The produced atomized powder was put directly into a heat treatment vessel from the recovery vessel of the atomizing device without applying any particular pressure. Then, in this natural state, it was subjected to heat treatment for oxidation treatment. The oxidation treatment was performed by heating at 1300°C for 6 hours in a pure oxygen atmosphere to obtain an atomized powder made of Pt alloy with Zr oxide particles dispersed therein. The platinum alloy powder was sintered by the heating in this oxidation treatment to become a powder lump.

[成型加工工程と圧延工程]
上記の酸化処理で得られた白金合金粉末塊を熱処理用容器から取り出して熱間鍛造による成型加工を行った。熱間鍛造加工では、白金合金粉末塊を1300℃に加熱して鍛造加工した。鍛造加工は6セット行った。そして、成型加工工程の後、冷間圧延加工して1mm厚の白金合金板材を製造した。冷間圧延工程中には、中間熱処理(大気中で1250℃、30分間の焼鈍処理)を行い複数回の圧延をして前記板材とした。圧延加工後、白金合金板材を1400℃で1時間アニールして強化白金合金の板材を製造した。
[Forming and rolling processes]
The platinum alloy powder lump obtained by the above oxidation treatment was taken out of the heat treatment vessel and subjected to molding by hot forging. In the hot forging process, the platinum alloy powder lump was heated to 1300°C and forged. Six sets of forging were performed. After the molding process, cold rolling was performed to produce a platinum alloy plate material with a thickness of 1 mm. During the cold rolling process, intermediate heat treatment (annealing treatment at 1250°C for 30 minutes in air) was performed and the plate material was obtained by rolling multiple times. After rolling, the platinum alloy plate material was annealed at 1400°C for 1 hour to produce a reinforced platinum alloy plate material.

比較例:真空アーク溶解により、ボタン状のPt-15質量%Zr合金165gを母合金として作製した。この母合金と純Ptを用いて真空溶解によりPt-0.3質量%Zrの白金合金の棒材(寸法:φ44mm×260mm)に加工した。その後、第1実施形態と同様にしてPt-Zr合金のアトマイズ粉末を製造した。 Comparative Example : A button-shaped Pt-15 mass% Zr alloy (165 g) was prepared as a mother alloy by vacuum arc melting. This mother alloy and pure Pt were processed into a platinum alloy rod (dimensions: φ44 mm × 260 mm) of Pt-0.3 mass% Zr by vacuum melting. Then, atomized powder of the Pt-Zr alloy was produced in the same manner as in the first embodiment.

[湿式粉砕処理と脱ガス処理]
この比較例では、アトマイズ粉末を湿式粉砕及び脱ガス処理した後に酸化処理を行った。アトマイズ粉末と球径5mmのPt-ZrO2合金製ボールを、湿式粉碎機であるアトライタポット(Pt-ZrO2合金製)に投入した。ポット内を密閉した後、有機溶媒(ヘプタン)を導入した。その後、 回転速度215rpmで粉碎用羽根を回転し、 約5時間の湿式微粉砕処理を行った。粉砕後の白金合金微粉末は、120℃で7時間乾燥処理をして有機溶媒を除去した。
[Wet grinding and degassing]
In this comparative example, the atomized powder was subjected to wet pulverization and degassing treatment, followed by oxidation treatment. The atomized powder and Pt-ZrO2 alloy balls with a diameter of 5 mm were placed in an attritor pot (made of Pt-ZrO2 alloy), which is a wet pulverizer. After sealing the pot, an organic solvent (heptane) was introduced. Then, the pulverizer blade was rotated at a rotation speed of 215 rpm, and wet fine pulverization treatment was performed for about 5 hours. The platinum alloy fine powder after pulverization was dried at 120°C for 7 hours to remove the organic solvent.

湿式粉砕後の白金合金粉末を蓋のないカーボン製容器(120mm×120mm、深さ150mm)に充填し、ガス雰囲気炉に入れ大気圧のアルゴン雰囲気下、1300℃で3時間加熱保持して脱ガス処理を行った。脱ガス処理の結果、白金合金粉末は粉末塊となっており、容易に崩れない状態であった。 The platinum alloy powder after wet milling was packed into an open carbon container (120 mm x 120 mm, depth 150 mm) and placed in a gas atmosphere furnace where it was heated and held at 1300°C for 3 hours in an argon atmosphere at atmospheric pressure for degassing treatment. As a result of the degassing treatment, the platinum alloy powder was in the form of powder lumps that did not easily crumble.

[酸化処理及び成型・圧延加工]
脱ガス処理によってカーボン製容器内で固化した白金合金粉末塊を酸化処理した。この酸化処理では、白金合金粉末塊を大気雰囲気中1300℃で1時間加熱した。その後、第1実施形態と同様に熱間鍛造及び圧延加工し、更に、アニール処理を行って強化白金合金の板材を製造した。
[Oxidation treatment and molding/rolling processing]
The platinum alloy powder lump solidified in the carbon container by the degassing process was subjected to an oxidation process. In this oxidation process, the platinum alloy powder lump was heated in an air atmosphere at 1300°C for 1 hour. Thereafter, the platinum alloy powder lump was subjected to hot forging and rolling in the same manner as in the first embodiment, and further subjected to an annealing process to produce a reinforced platinum alloy plate material.

対比観察・対比試験
[酸化処理後の白金合金粉末及び強化白金合金のミクロ組織]
図1は、本実施形態及び比較例の強化白金合金の製造工程において、酸化処理後の白金合金粉末(白金合金粉末塊)の表面を観察したときのSEM写真(倍率10000倍)である。比較例の白金合金粉末では、丸みを帯びた酸化物粒子(ZrO)が連結しているのがわかる。本実施形態の白金合金粉末では、微細な酸化物粒子が孤立した状態で分散している。この酸化物粒子の粒径・分布状態の相違は、比較例のZr含有量(0.30質量%)が、本実施形態のZr含有量(0.07質量%)よりも多いことによるものと考えられる。但し、これらの白金合金粉末においては、白金マトリックスの表面形態において相違する。本実施形態の酸化処理後の白金合金粉末においては、すべり面の露出と推定される表面起伏による段差が見られる。一方、比較例の酸化処理後の白金合金粉末のマトリックスには、そのような形態変化がない。本発明者等は、比較例の製造工程における脱ガス処理や湿式粉砕の際に導入された歪や残留応力の影響によるものと推定している。このマトリックスの形態の相違が、成型・アニール後の強化白金合金の特性にどのような機構で影響を及ぼすかは明らかではない。しかし、後述する強化白金合金の断面組織や、高温クリープ特性・常温引張特性の結果を考慮すると、酸化処理後の白金合金粉末における上記相違点が何らかの作用を及ぼしていると考察される。
Comparative observation and test [Microstructures of platinum alloy powder and reinforced platinum alloy after oxidation treatment]
FIG. 1 is an SEM photograph (magnification 10,000 times) of the surface of the platinum alloy powder (platinum alloy powder lump) after oxidation treatment in the manufacturing process of the strengthened platinum alloy of this embodiment and the comparative example. In the platinum alloy powder of the comparative example, it can be seen that rounded oxide particles (ZrO 2 ) are connected. In the platinum alloy powder of this embodiment, fine oxide particles are dispersed in an isolated state. The difference in particle size and distribution state of the oxide particles is considered to be due to the fact that the Zr content (0.30 mass%) of the comparative example is higher than the Zr content (0.07 mass%) of this embodiment. However, these platinum alloy powders differ in the surface morphology of the platinum matrix. In the platinum alloy powder after oxidation treatment of this embodiment, steps due to surface undulations that are presumed to be the exposure of the sliding surface are seen. On the other hand, there is no such morphological change in the matrix of the platinum alloy powder after oxidation treatment of the comparative example. The inventors presume that this is due to the influence of strain and residual stress introduced during degassing treatment and wet grinding in the manufacturing process of the comparative example. It is not clear how this difference in matrix morphology affects the properties of the strengthened platinum alloy after molding and annealing. However, considering the cross-sectional structure of the strengthened platinum alloy and the results of high-temperature creep properties and room-temperature tensile properties described below, it is considered that the above differences in the platinum alloy powder after oxidation treatment have some effect.

図2は、本実施形態及び比較例の強化白金合金の断面組織を観察した結果である。いずれの強化白金合金においても、アスペクト比の大きい木の葉状の結晶粒が交互に積層した材料組織を呈している。断面組織においては、本実施形態及び比較例の強化白金合金に明瞭な相違はないと考えられる。本発明者等は、本実施形態の強化白金合金のこの断面組織が高温強度の確保に寄与していると考えている。 Figure 2 shows the results of observing the cross-sectional structure of the strengthened platinum alloy of this embodiment and the comparative example. In both strengthened platinum alloys, the material structure is made up of alternating layers of leaf-shaped crystal grains with a large aspect ratio. There is no clear difference in the cross-sectional structure between the strengthened platinum alloy of this embodiment and the comparative example. The inventors believe that this cross-sectional structure of the strengthened platinum alloy of this embodiment contributes to ensuring high-temperature strength.

[高温クリープ試験・常温引張試験]
上記で製造した第1実施形態、比較例の強化白金合金について、高温クリープ試験を行った。上記で製造した強化白金合金の板材から、クリープ試験及び常温引張試験用の試験片(JIS 13B引張試験片)を加工採取した。試験温度は1400℃とし、一定荷重での 応力破壊 (クリープ) 試験を行った。本実施形態では、複数の荷重(応力)を設定し、各設定荷重における高温クリープ試験をした。本実施形態の強化白金合金については、8、10、12、15、20、25MPaの各荷重における破断時間を測定した(n=2)。また、比較例の強化白金合金では、15、20、25MPaとしてクリープ試験を行って破断時間を測定した(n=2)。尚、比較例の強化白金合金のZr含有量が比較的大きいことを考慮し、比較例の荷重は高めとしている。そして、各荷重における破断時間をプロットし、表計算ソフトウエア(Microsoft社 Excel 2010)による累乗近似によりクリープ曲線を作成した。
[High temperature creep test/room temperature tensile test]
A high-temperature creep test was performed on the strengthened platinum alloy of the first embodiment and the comparative example manufactured above. Test pieces (JIS 13B tensile test pieces) for creep tests and room temperature tensile tests were processed and collected from the plate material of the strengthened platinum alloy manufactured above. The test temperature was 1400°C, and a stress fracture (creep) test was performed at a constant load. In this embodiment, a plurality of loads (stresses) were set, and a high-temperature creep test was performed at each set load. For the strengthened platinum alloy of this embodiment, the rupture time was measured at each load of 8, 10, 12, 15, 20, and 25 MPa (n = 2). In addition, for the strengthened platinum alloy of the comparative example, a creep test was performed at 15, 20, and 25 MPa to measure the rupture time (n = 2). In addition, considering that the Zr content of the strengthened platinum alloy of the comparative example is relatively large, the load of the comparative example is set to be higher. The time to fracture at each load was plotted, and a creep curve was created by power approximation using spreadsheet software (Microsoft Excel 2010).

また、第1実施形態、比較例の強化白金合金について、常温引張試験(n=2)を行った。常温引張試験では、応力-歪曲線を作成して破断伸びを測定した。 In addition, room temperature tensile tests (n=2) were conducted on the reinforced platinum alloys of the first embodiment and the comparative example. In the room temperature tensile tests, stress-strain curves were created and the fracture elongation was measured.

図3は、第1実施形態、比較例の強化白金合金の1400℃におけるクリープ破断曲線(応力-破断時間)を示す。応力10MPaにおけるクリープ破断時間は、第1実施形態で275時間(実測値の平均値)、比較例で250時間(実測値の平均値)であった。第1実施形態の強化白金合金は、高温クリープ特性(10MPa)については、比較例に対して少しではあるが破断時間が長いことから、必要十分な高温強度を有することが確認された。尚、応力20MPaで比較すると、比較例の方が高温クリープ強度は高い。 Figure 3 shows creep rupture curves (stress-rupture time) at 1400°C for the strengthened platinum alloys of the first embodiment and the comparative example. The creep rupture time at a stress of 10 MPa was 275 hours (average of actual measurements) for the first embodiment and 250 hours (average of actual measurements) for the comparative example. The strengthened platinum alloy of the first embodiment was confirmed to have sufficient high-temperature strength in terms of high-temperature creep properties (10 MPa), as the rupture time was slightly longer than that of the comparative example. Furthermore, when compared at a stress of 20 MPa, the comparative example had a higher high-temperature creep strength.

また、図4は、第1実施形態、比較例の強化白金合金の1400℃におけるクリープ歪速度を示す図である。図4から、応力20MPaにおける第1実施形態の強化白金合金のクリープ歪速度は、6.83×10-5%/sec(平均値)であるのに対し、比較例の強化白金合金のクリープ歪速度は、5.94×10-6%/sec(平均値)であった。第1実施形態の強化白金合金は、比較例に対して明確にクリープ歪速度が大きいことがわかる。 4 is a diagram showing the creep strain rate at 1400°C of the strengthened platinum alloys of the first embodiment and the comparative example. From Fig. 4, it can be seen that the creep strain rate of the strengthened platinum alloy of the first embodiment at a stress of 20 MPa was 6.83 x 10-5 %/sec (average value), whereas the creep strain rate of the strengthened platinum alloy of the comparative example was 5.94 x 10-6 %/sec (average value). It can be seen that the creep strain rate of the strengthened platinum alloy of the first embodiment is clearly higher than that of the comparative example.

そして、図5は、第1実施形態、比較例の強化白金合金の常温引張試験の結果(応力-歪曲線)である。図5には、参考例として熔解鋳造による純白金(99.9%Pt)の同条件による常温引張特性(n=2)を記載している。図5から、材料破断したときの破断伸びは、本実施形態の強化白金合金は37.2%(平均値)である一方、比較例の強化白金合金は29.4%(平均値)であり、純白金(99.9%Pt)の熔解材では37.8%(平均値)であった。本実施形態の強化白金合金は、参考例の熔解材と同等の破断伸びを示す。よって、本発明に係る強化白金合金は、合金(酸化物分散型合金)でありながら、純白金の熔解材と同等の柔軟性を有することが確認された。 Figure 5 shows the results (stress-strain curves) of room temperature tensile tests of the strengthened platinum alloys of the first embodiment and the comparative example. Figure 5 also shows the room temperature tensile properties (n=2) of pure platinum (99.9% Pt) melt-cast as a reference example under the same conditions. From Figure 5, the fracture elongation at the time of material fracture is 37.2% (average value) for the strengthened platinum alloy of this embodiment, 29.4% (average value) for the strengthened platinum alloy of the comparative example, and 37.8% (average value) for the pure platinum (99.9% Pt) melt material. The strengthened platinum alloy of this embodiment shows a fracture elongation equivalent to that of the melt material of the reference example. Therefore, it was confirmed that the strengthened platinum alloy of the present invention has the same flexibility as the pure platinum melt material, even though it is an alloy (oxide-dispersed alloy).

以上の高温クリープ試験と常温引張試験の結果から、本実施形態の強化白金合金は、従来の強化白金合金(比較例)に匹敵する必要十分な高温クリープ強度を有すると共に、常温における伸び(柔軟性)にも優れることが確認された。そして、本実施形態の強化白金(Zr含有量0.07質量%)は、1400℃における応力20MPaのクリープ歪速度が高いことも確認された。 The results of the high-temperature creep test and room-temperature tensile test above confirmed that the reinforced platinum alloy of this embodiment has sufficient high-temperature creep strength comparable to that of the conventional reinforced platinum alloy (comparative example), and also has excellent elongation (flexibility) at room temperature. It was also confirmed that the reinforced platinum of this embodiment (Zr content 0.07% by mass) has a high creep strain rate at 1400°C under a stress of 20 MPa.

[熱疲労試験]
本実施形態及び比較例の強化白金合金について、ガラス製造装置である熔解槽の使用状態を模擬した熱疲労試験を行った。上記で製造した板材から、300mm(L)×100mm(W)の板材を切り出して試験材とした。熱疲労試験では、まず、試験材の両端に通電加熱用電極を取付けて所定の試験温度に加熱する。この加熱状態の試験材の中央部分に一定時間エアーを吹付けて局所的に冷却する。これにより加熱で膨張した試験材の中央部分のみが収縮して熱応力が発生する。そして、エアー吹付け後、所定時間経過後に再度エアー吹付けを行なう。この加熱-冷却サイクルを繰り返し、割れの有無を確認することで熱疲労に対する耐性を評価できる。本実施形態の熱疲労試験では、詳細には、下記の条件にて実施した。
・試験温度:1400℃
・通電条件:5V/1350A
・エアー吹付け条件:6L/3秒間
・サイクル条件:20秒間/1サイクル
[Thermal fatigue test]
A thermal fatigue test was conducted on the strengthened platinum alloys of the present embodiment and the comparative example, simulating the use of a melting tank, which is a glass manufacturing apparatus. A plate material of 300 mm (L) x 100 mm (W) was cut out from the plate material produced above to prepare a test material. In the thermal fatigue test, first, electrodes for electrical heating are attached to both ends of the test material, and the test material is heated to a predetermined test temperature. Air is blown onto the center of the heated test material for a certain period of time to locally cool it. As a result, only the center portion of the test material that has expanded due to heating shrinks, generating thermal stress. Then, after the air blowing, air is blown again after a certain period of time has elapsed. This heating-cooling cycle is repeated, and the presence or absence of cracks is confirmed to evaluate the resistance to thermal fatigue. In the thermal fatigue test of the present embodiment, the test material was specifically conducted under the following conditions.
Test temperature: 1400°C
・Electricity conditions: 5V/1350A
Air blowing conditions: 6L/3 seconds Cycle conditions: 20 seconds/1 cycle

熱疲労試験では、上記条件でサイクル数2000回又は5000回の段階で、試験材の表面(エアー吹付け面)について浸透探傷試験(PT試験)を行い、表裏両面を観察して貫通割れの有無を確認した。 In the thermal fatigue test, under the above conditions, at the stage of 2000 or 5000 cycles, a penetrant test (PT test) was performed on the surface (air-blasted surface) of the test material, and both sides were observed to check for the presence or absence of through cracks.

上記熱疲労試験の結果、比較例の強化白金合金では、サイクル数2000回の段階で貫通割れが発生していた。一方、本実施形態の強化白金では、サイクル数5000回でも貫通割れは発生していなかった。本実施形態の試験材について試験を延長し、8000回のサイクル数としても割れは発生しなかった。図6は、熱疲労試験後の本実施形態の強化白金合金(2000サイクル後)と比較例の強化白金合金(2000サイクル後)の断面の写真である。 As a result of the above thermal fatigue test, the strengthened platinum alloy of the comparative example had a through crack at the stage of 2000 cycles. On the other hand, the strengthened platinum of this embodiment had no through crack even at 5000 cycles. The test of the test material of this embodiment was extended to 8000 cycles, and no cracks were generated. Figure 6 shows cross-sectional photographs of the strengthened platinum alloy of this embodiment (after 2000 cycles) and the strengthened platinum alloy of the comparative example (after 2000 cycles) after the thermal fatigue test.

この熱疲労試験の結果から、本実施形態の強化白金合金は、比較例に対して、サイクル数で4倍以上熱疲労に対する耐性があることが確認された。このような評価結果は、常温引張特性で確認された柔軟性によるものと考えられる。 The results of this thermal fatigue test confirmed that the strengthened platinum alloy of this embodiment has four times more resistance to thermal fatigue in terms of number of cycles than the comparative example. This evaluation result is believed to be due to the flexibility confirmed by the room temperature tensile properties.

第2実施形態:本実施形態では、Zr含有量を、0.01質量%、0.04質量%、0.10質量%、0.14質量%、0.21質量%、0.30質量%に調整した強化白金合金を製造した。本実施形態における強化白金合金の製造工程は、第1実施形態と同様である。即ち、所定量の添加元素を含む白金合金の棒材を製造してアトマイズ粉末を製造した後、そのまま自然載置状態のもと純酸素雰囲気中で酸化処理した。その後、熱間鍛造・圧延加工・アニール処理して強化白金合金の板材を製造した。 Second embodiment : In this embodiment, strengthened platinum alloys were manufactured with the Zr content adjusted to 0.01 mass%, 0.04 mass%, 0.10 mass%, 0.14 mass%, 0.21 mass%, and 0.30 mass%. The manufacturing process of the strengthened platinum alloy in this embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, a platinum alloy bar containing a predetermined amount of additive elements was manufactured to produce atomized powder, and then the rod was oxidized in a pure oxygen atmosphere in a natural state. Then, the rod was hot forged, rolled, and annealed to produce a strengthened platinum alloy plate.

そして、各強化白金合金について高温クリープ試験及び常温引張試験を行い、それぞれにおける物性確認を行った。高温クリープでは、第1実施形態と同様、荷重(応力)を複数設定した。ここでも強化白金合金のZr含有量を考慮して荷重を設定した。Zr含有量が0.01質量%の強化白金合金については、7、10、15MPaで試験を行い、
Zr含有量が0.04質量%の強化白金合金については、10、12、15MPaで試験を行った。また、Zr含有量が0.1質量%以上の強化白金合金については、15、20、25MPaで試験を行った。そして、常温引張試験の方法も第1実施形態と同様とした。更に、本実施形態でも第1実施形態と同様の熱疲労試験(サイクル数5000回)を行った。
Then, a high-temperature creep test and a room-temperature tensile test were performed on each strengthened platinum alloy, and the physical properties were confirmed. In the high-temperature creep test, similar to the first embodiment, multiple loads (stresses) were set. Here, too, the load was set in consideration of the Zr content of the strengthened platinum alloy. For the strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.01% by mass, tests were performed at 7, 10, and 15 MPa.
For the strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.04 mass%, tests were performed at 10, 12, and 15 MPa. For the strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.1 mass% or more, tests were performed at 15, 20, and 25 MPa. The room temperature tensile test method was the same as in the first embodiment. Furthermore, in this embodiment, the same thermal fatigue test (5000 cycles) as in the first embodiment was performed.

図7は、本実施形態で製造した強化白金合金(Zr含有量:0.01質量%、0.04質量%、0.10質量%、0.14質量%、0.21質量%、0.30質量%のクリープ曲線である。このクリープ曲線に基づき応力10MPa及び20MPaにおけるクリープ破断時間を求めた。その結果と、常温破断伸び、クリープ歪速度(応力20MPa)と、熱疲労試験における結果(貫通割れの有無)を表1に示す。表1において、各強化白金合金のクリープ破断時間(10MPa、20MPa)は、実測値(平均値)を優先して記載し、実測値がない場合にはクリープ曲線(図7)から算出した。 Figure 7 shows creep curves for the reinforced platinum alloys (Zr content: 0.01 mass%, 0.04 mass%, 0.10 mass%, 0.14 mass%, 0.21 mass%, 0.30 mass%) manufactured in this embodiment. The creep rupture times at stresses of 10 MPa and 20 MPa were determined based on these creep curves. The results, room temperature rupture elongation, creep strain rate (stress of 20 MPa), and results of thermal fatigue tests (presence or absence of through cracks) are shown in Table 1. In Table 1, the creep rupture times (10 MPa, 20 MPa) of each reinforced platinum alloy are given priority as actual measured values (average values), and when actual measured values were not available, they were calculated from the creep curves (Figure 7).

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表1を参照すると、Zr含有量を0.04質量%以上とした強化白金合金は、高温クリープ試験(1400℃)における破断時間(10MPa)は、100時間を超えている。これらの強化白金合金の高温強度は、従来の強化白金合金(No.8:比較例)よりは低いものの、十分な高温強度を示すといえる。但し、Zr含有量が0.01質量%の強化白金合金(No.1)においては、クリープ破断時間が20時間と短く高温強度に劣っていた。また、このNo.1の強化白金合金は、高温変形の挙動を示し、クリープ歪速度としての変形速度を算出することはできなかった。よって、Zr量を制限するとしても、0.04質量%以下にすることは好ましくないことが確認された。 Referring to Table 1, the strengthened platinum alloys with a Zr content of 0.04% by mass or more have a rupture time (10 MPa) of over 100 hours in a high-temperature creep test (1400°C). Although the high-temperature strength of these strengthened platinum alloys is lower than that of the conventional strengthened platinum alloy (No. 8: Comparative Example), it can be said that they exhibit sufficient high-temperature strength. However, the strengthened platinum alloy (No. 1) with a Zr content of 0.01% by mass had a short creep rupture time of 20 hours and was inferior in high-temperature strength. In addition, this strengthened platinum alloy No. 1 exhibited high-temperature deformation behavior, and it was not possible to calculate the deformation rate as a creep strain rate. Therefore, it was confirmed that even if the Zr content is limited to 0.04% by mass or less, it is not preferable to limit it.

一方、常温引張試験における破断伸びをみると、Zr含有量が0.01質量%の強化白金合金が最も破断伸びが大きいが、Zr含有量が0.04質量%以上の強化白金合金でも全て35%以上を示していた。常温の破断伸びに関しては、Zr含有量による差は少ない。そして、これらの強化白金合金は、比較例よりも常温での破断伸びよりも明確に大きくなっている。 On the other hand, looking at the breaking elongation in room temperature tensile tests, the strengthened platinum alloy with a Zr content of 0.01% by mass had the largest breaking elongation, but even the strengthened platinum alloys with a Zr content of 0.04% by mass or more all showed a breaking elongation of 35% or more. There is little difference in the breaking elongation at room temperature due to the Zr content. Furthermore, these strengthened platinum alloys have a clearly larger breaking elongation at room temperature than the comparative examples.

そして、クリープ破断時間(10MPa)は、Zr含有量の増大と共に大きくなる。但し、Zr含有量が0.3質量%(No.7)では、この傾向に対してクリープ破断時間が大幅に低下することとなる。このときのクリープ破断時間も100時間を超え、高温強度が劣るとは言えないが、このような強度低下の傾向が見られたことに加え、上述した添加元素量を高くしたときの溶接性悪化のおそれを考慮すると、Zr含有量の上限としては0.25質量%を想定するのが適切と言える。 The creep rupture time (10 MPa) increases with increasing Zr content. However, when the Zr content is 0.3 mass% (No. 7), the creep rupture time drops significantly in contrast to this trend. The creep rupture time in this case also exceeds 100 hours, and it cannot be said that the high-temperature strength is inferior. However, considering the tendency for strength to decrease and the risk of weldability deterioration when the amount of added elements is increased as described above, it is appropriate to assume an upper limit of Zr content of 0.25 mass%.

また、Zr含有量0.04質量%~0.21質量%の強化白金合金(No.2~No.6)のクリープ破断時間と高温クリープ歪速度の双方を参照すると、低Zr含有量側(0.04質量%~0.1質量%)の強化白金合金(No.2~No.4)では、高温クリープ歪速度が特に高くなっている。一方、高Zr含有量側(0.14質量%~0.21質量%)では、高温クリープ強度の更なる向上が見られ、応力20MPにおけるクリープ破断時間が20時間以上となっている。この高Zr含有量の強化白金合金は、高温クリープ歪速度については、さほど高くはないといえる(但し、比較例よりは高い)。これらの結果から、本発明の強化白金合金はZr含有量により物性に変化があることによる。尚、本実施形態における破断時間(10MPa)及びクリープ歪速度の双方の傾向から推察するに、本発明の強化白金合金を前記物性の相違のより区分するときには0.12質量%を境界とすべきである。 In addition, looking at both the creep rupture time and high-temperature creep strain rate of the strengthened platinum alloys (No. 2 to No. 6) with Zr contents of 0.04% to 0.21% by mass, the high-temperature creep strain rate is particularly high in the strengthened platinum alloys (No. 2 to No. 4) with low Zr contents (0.04% to 0.1% by mass). On the other hand, in the high Zr contents (0.14% to 0.21% by mass), further improvement in high-temperature creep strength is observed, and the creep rupture time at a stress of 20 MP is 20 hours or more. It can be said that the high-temperature creep strain rate of the strengthened platinum alloys with high Zr contents is not particularly high (although it is higher than the comparative example). From these results, it can be said that the physical properties of the strengthened platinum alloys of the present invention change depending on the Zr content. Furthermore, based on the trends in both the rupture time (10 MPa) and creep strain rate in this embodiment, when classifying the strengthened platinum alloy of the present invention based on the differences in the physical properties, the boundary should be 0.12 mass%.

もっとも、いずれの強化白金合金も必要十分な高温クリープ強度と常温引張伸び(柔軟性)を有する。これにより本発明で規定される強化白金合金は、熱疲労試験において割れを発生させることはなかった。従って、Zr含有量に関しては、用途等による必要特性を考慮して設定することができる。 However, all of the strengthened platinum alloys have sufficient high-temperature creep strength and room-temperature tensile elongation (flexibility). As a result, the strengthened platinum alloys specified in this invention did not crack in thermal fatigue tests. Therefore, the Zr content can be set taking into account the required characteristics depending on the application, etc.

[酸素含有量の測定]
ここで、第2実施形態で製造した強化白金合金について、添加元素としてZrのみを含む強化白金合金(Zr濃度;0.01質量%、0.04質量%、0.07質量%、0.10質量%、0.14質量%、0.21質量%、0.30質量%)について酸素含有量を測定した。酸素含油量の測定は、酸素・窒素分析装置(EMGA-920 株式会社堀場製作所製)を使用した。そして、実際の酸素含有量の測定と共に、各合金の理論酸素含有量を算出した。理論酸素含有量の算出には、合金中のZrが全てZrOを生成したと仮定した。
[Oxygen content measurement]
Here, for the strengthened platinum alloys manufactured in the second embodiment, the oxygen content was measured for strengthened platinum alloys containing only Zr as an additive element (Zr concentration: 0.01 mass%, 0.04 mass%, 0.07 mass%, 0.10 mass%, 0.14 mass%, 0.21 mass%, 0.30 mass%). The oxygen oil content was measured using an oxygen/nitrogen analyzer (EMGA-920 manufactured by Horiba, Ltd.). Then, along with the measurement of the actual oxygen content, the theoretical oxygen content of each alloy was calculated. In calculating the theoretical oxygen content, it was assumed that all of the Zr in the alloy produced ZrO 2 .

図8は、各強化白金合金の酸素含有量の測定結果と理論酸素含有量を示す図である。図8から、いずれの強化白金合金においても理論酸素含有量を超えた酸素含有量であることが分かる。各強化白金合金の実際の酸素含有量は、理論酸素含有量に対して1.0倍~1.5倍になっている。この理論酸素含有量より多い酸素含有量には、不可避不純物の酸化による増加分もあると考えられるが、それを考慮しても本実施形態で製造した強化白金合金は、添加元素(Zr)が高度に酸化した状態にあるといえる。 Figure 8 shows the measurement results of the oxygen content and the theoretical oxygen content of each strengthened platinum alloy. From Figure 8, it can be seen that the oxygen content of each strengthened platinum alloy exceeds the theoretical oxygen content. The actual oxygen content of each strengthened platinum alloy is 1.0 to 1.5 times the theoretical oxygen content. This oxygen content that is greater than the theoretical oxygen content is thought to be due in part to the increase due to the oxidation of unavoidable impurities, but even taking this into account, it can be said that the strengthened platinum alloy produced in this embodiment is in a state in which the added element (Zr) is highly oxidized.

ここで、第1実施形態の比較例(Zr濃度:0.3質量%)について、同様に酸素含有量の測定を行ったところ、1090~1140ppmであった。この比較例の強化白金合金も、理論酸素含有量以上の1.03~1.08倍の酸素を含有している。酸素含有量の比率は、本実施形態の強化白金合金の方が高いといえるが、歴然とした差というほどではない。にもかかわらず、本実施形態において、常温引張における物性値(破断伸び)や熱疲労試験の結果のような明瞭な差異が生じている。これは、本実施形態の強化白金合金では、従来の酸化物の量や粒径に関する考察とは相違する要因による特性改善がなされたと考察される。本発明においては、その特定のため、高温クリープ特性と常温引張特性との双方を適用している。 Here, the oxygen content was measured in the same manner for the comparative example of the first embodiment (Zr concentration: 0.3 mass%), and was found to be 1090 to 1140 ppm. The strengthened platinum alloy of this comparative example also contains 1.03 to 1.08 times the theoretical oxygen content. The strengthened platinum alloy of this embodiment has a higher oxygen content ratio, but the difference is not so clear. Nevertheless, in this embodiment, there are clear differences in the physical properties (elongation at break) in room temperature tensile tests and the results of thermal fatigue tests. This is thought to be because the strengthened platinum alloy of this embodiment has improved characteristics due to factors different from those of the conventional oxide amount and particle size considerations. In the present invention, both high temperature creep properties and room temperature tensile properties are applied to identify this.

第3実施形態:本実施形態では、Zr以外の添加元素の添加による影響を検討した。具体的には、また、Zrと共にYを添加元素とした強化白金合金(添加元素の合計含有量0.07質量%)と、Zrに替えてYのみを添加元素とした強化白金合金(Y含有量0.07質量%)の2種の強化白金合金を製造した。これらの強化白金合金の製造も第1、第2実施形態と同様とした。 Third embodiment : In this embodiment, the influence of the addition of an additive element other than Zr was examined. Specifically, two types of strengthened platinum alloys were manufactured: a strengthened platinum alloy containing Y as an additive element together with Zr (total content of additive elements: 0.07% by mass), and a strengthened platinum alloy containing only Y instead of Zr as an additive element (Y content: 0.07% by mass). The manufacture of these strengthened platinum alloys was also similar to the first and second embodiments.

そして、各強化白金合金について高温クリープ試験及び常温引張試験を行い、それぞれにおける物性確認を行った。高温クリープ試験、常温引張試験の方法も第1実施形態と同様とした。 Then, high-temperature creep tests and room-temperature tensile tests were performed on each of the strengthened platinum alloys to confirm their physical properties. The methods for the high-temperature creep tests and room-temperature tensile tests were the same as those in the first embodiment.

図9は、本実施形態で製造した0.06質量%Zr+0.01質量%Y添加の強化白金合金(No.9)と0.07質量%Y添加の強化白金合金(No.10)のクリープ曲線である。このクリープ曲線に基づき応力10MPaにおけるクリープ破断時間を求めた。その結果と、常温破断伸び、クリープ歪速度(応力20MPa)を表2に示す。 Figure 9 shows the creep curves of the strengthened platinum alloy (No. 9) with 0.06 mass% Zr + 0.01 mass% Y added and the strengthened platinum alloy (No. 10) with 0.07 mass% Y added, both produced in this embodiment. The creep rupture time at a stress of 10 MPa was calculated based on this creep curve. The results, as well as the room temperature rupture elongation and creep strain rate (stress of 20 MPa), are shown in Table 2.

Figure 0007576966000002
Figure 0007576966000002

表2から、Zrを含まずYのみを添加元素とする強化白金合金(No.10)は、クリープ破断時間は100時間を超えるので高温強度は満足できるものであったが、常温破断伸びは第1実施形態(No.3)に対して15%低下していた。この合金では、常温加工時の歪蓄積が懸念されるところである。一方、Yを添加する場合でも、Zrと共に添加した強化白金合金(No.9)は、高温クリープ特性も第1実施形態(No.3)と同等となる上、常温伸びは35%以上と十分高い値となる。この結果から、高温強度と柔軟性の双方を確保する上で、Zrは必須添加元素というべきであり、Y等の単独添加は好ましくないと考えられる。 From Table 2, the strengthened platinum alloy (No. 10) containing only Y as an additive element without Zr had a creep rupture time of over 100 hours, so that the high-temperature strength was satisfactory, but the room-temperature rupture elongation was 15% lower than that of the first embodiment (No. 3). With this alloy, there is concern about the accumulation of strain during room-temperature processing. On the other hand, even when Y is added, the strengthened platinum alloy (No. 9) added together with Zr has high-temperature creep properties equivalent to those of the first embodiment (No. 3), and the room-temperature elongation is a sufficiently high value of 35% or more. From these results, Zr should be said to be an essential additive element in order to ensure both high-temperature strength and flexibility, and it is considered that the addition of Y alone is not preferable.

そこで、上記の試験で高温強度及び常温伸びが本発明の基準をクリアした、Zr及びYを添加元素とするNo.9の強化白金合金について、第1実施形態と同様の熱疲労試験を行ったところ、この強化白金でも、サイクル数5000回で貫通割れは発生していなかった。この結果から、本発明の強化白金合金では、Zrの添加と共に他の元素も添加可能であることが確認された。 Then, a thermal fatigue test similar to that of the first embodiment was carried out on No. 9 strengthened platinum alloy containing Zr and Y as additive elements, which cleared the standards of the present invention in terms of high temperature strength and room temperature elongation in the above tests. Even with this strengthened platinum, no through cracks occurred even after 5,000 cycles. From this result, it was confirmed that other elements can be added in addition to Zr to the strengthened platinum alloy of the present invention.

尚、Zrを含まずYのみを添加元素とする強化白金合金(No.10)は、1200℃におけるクリープ歪速度が比較例よりも高かった。これは、本実施形態における製造プロセスにより、添加元素の酸化状態が好適となったためであると推察される。 The strengthened platinum alloy (No. 10) containing only Y as an additive element, without Zr, had a higher creep strain rate at 1200°C than the comparative example. This is presumably because the manufacturing process in this embodiment favorably oxidized the additive elements.

本発明は、高温域における高温クリープ特性を確保しつつ、常温域での引張特性・柔軟性を有する強化白金合金である。本発明によれば、強加工を受けて製造される溶融ガラス熔解槽等のガラス装置で生じていた底部の貫通割れを有効に抑制して、装置の稼働寿命の長期化を図ることができる。本発明によれば、光学ガラス、ガラス繊維等の各種ガラス材料の製造に際し、安定的なガラス材料の製造・供給を達成することができる。 The present invention is a strengthened platinum alloy that has tensile properties and flexibility at room temperature while maintaining high-temperature creep properties at high temperatures. According to the present invention, it is possible to effectively suppress through cracks at the bottom of glass equipment such as molten glass melting tanks that are manufactured by intensive processing, thereby extending the operating life of the equipment. According to the present invention, it is possible to achieve stable production and supply of glass materials when manufacturing various glass materials such as optical glass and glass fiber.

Claims (7)

Pt又はRh含有量が5質量%以上40質量%以下のPtRh合金からなるマトリックス中に添加元素の酸化物からなる分散粒子が分散してなり、前記酸化物が分散した白金合金粉末が成型されてなる強化白金合金において、
前記強化白金合金は、前記添加元素として必須的に0.04質量%以上0.25質量%以下のZrを含み、残部が前記マトリックスの構成金属と酸素及び不可避不純物とからなり、
1400℃で応力10MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間が100時間以上であり、
且つ、常温引張試験における破断伸びが35%以上であることを特徴とする強化白金合金。
A strengthened platinum alloy comprising a matrix of a PtRh alloy having a Pt or Rh content of 5% by mass or more and 40% by mass or less , in which dispersed particles of an oxide of an additive element are dispersed , and the platinum alloy powder in which the oxide is dispersed is molded ,
The strengthened platinum alloy essentially contains 0.04 mass% or more and 0.25 mass% or less of Zr as the additive element, with the balance being composed of the constituent metals of the matrix, oxygen, and unavoidable impurities;
The creep rupture time in a high-temperature creep test at 1400°C and a stress of 10 MPa is 100 hours or more;
The strengthened platinum alloy is characterized in that the breaking elongation in a room temperature tensile test is 35% or more.
添加元素として0.04質量%以上0.12質量%以下のZrを含み、
1400℃で応力20MPaの高温クリープ試験によるクリープ歪速度が3×10-5%/sec以上3×10-4%/sec以下である請求項1記載の強化白金合金。
Contains 0.04 mass% or more and 0.12 mass% or less of Zr as an additive element,
2. The strengthened platinum alloy according to claim 1, which has a creep strain rate of 3×10 −5 %/sec to 3×10 −4 %/sec in a high temperature creep test at 1400° C. and a stress of 20 MPa.
添加元素として0.12質量%超0.25質量%以下のZrを含み、
1400℃で応力20MPaの高温クリープ試験によるクリープ破断時間が20時間以上である請求項1記載の強化白金合金。
Contains Zr in an amount of more than 0.12 mass% and not more than 0.25 mass% as an additional element,
2. The strengthened platinum alloy according to claim 1, which has a creep rupture time of 20 hours or more in a high temperature creep test at 1400° C. and a stress of 20 MPa.
添加元素として、更に、Y、Ce、Sc、Hfの少なくともいずれかを含み、添加元素の合計含有量が0.04質量%以上0.25質量%以下である請求項1~請求項3のいずれかに記載の強化白金合金。 A strengthened platinum alloy according to any one of claims 1 to 3, further comprising at least one of Y, Ce, Sc, and Hf as an additive element, and the total content of the additive elements is 0.04 mass% or more and 0.25 mass% or less. 強化白金合金の酸素含有量は、前記添加元素の酸化物に起因する理論酸素含有量に対して1.0倍以上2.0倍以下である請求項1~請求項4のいずれかに記載の強化白金合金。 The strengthened platinum alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen content of the strengthened platinum alloy is 1.0 to 2.0 times the theoretical oxygen content resulting from the oxides of the added elements. 請求項1~請求項5のいずれかに記載の強化白金合金の製造方法であって、
添加元素として必須的に0.04質量%以上0.25質量%以下のZrを含み、残部がPt又はPt及びRhと不可避不純物とからなる白金合金粉末を製造する工程と、
前記白金合金粉末を800℃以上1400℃以下で加熱して酸化処理する工程と、
前記酸化処理後の白金合金粉末を成型する工程と、
成型後の白金合金インゴットをアニールする工程と、を含み、
前記酸化処理は、前記の白金合金粉末を製造する工程で製造された前記白金合金粉末を、粉砕処理することなくそのまま無負荷の自然載置した状態で、酸素含有量が50%以上100%以下の処理雰囲気中で加熱する工程である強化白金合金の製造方法。
A method for producing a strengthened platinum alloy according to any one of claims 1 to 5,
A step of producing a platinum alloy powder essentially containing 0.04 mass% or more and 0.25 mass% or less of Zr as an additive element, with the balance being Pt or Pt and Rh, and unavoidable impurities;
A step of heating the platinum alloy powder at 800° C. or more and 1400° C. or less to perform an oxidation treatment;
A step of molding the platinum alloy powder after the oxidation treatment;
Annealing the formed platinum alloy ingot;
The oxidation treatment is a process for producing a strengthened platinum alloy, in which the platinum alloy powder produced in the process for producing the platinum alloy powder is heated in a treatment atmosphere having an oxygen content of 50% or more and 100% or less in a natural, unloaded state without being subjected to a crushing treatment .
請求項1~請求項5のいずれかに記載の強化白金合金からなるガラス製造装置。
A glass manufacturing apparatus comprising the strengthened platinum alloy according to any one of claims 1 to 5.
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