JPS6218000A - ア−ク電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高熱伝導率および導電率を有する銅または他の
金属のホルダーおよび上記ホルダー中に嵌合した挿入体
からなるアーク電極に関する。

この電極は好ましくはプラズマアークトーチとして、活
性または不活性媒体中で加工する装置に関する。

プラズマアークトーチは、材料の楕々の加工、例えば金
属または非金属の切削、金属材料の溶接、チョッピング
（ｃｈｉｓｅｌｌｎｇ　）　、表面処理、溶融および焼
なましに使用されることが知られている。別の例にプラ
ズマ溶射による被覆がある。

電極はまた楕々のプラズマ化学方法、例えば汚染物質の
分解、アセチレン製造のための高級炭化水素のクランキ
ング、および鉄スポンジの製造のための還元法において
極度に萬い温度のガスを使用するいわゆるプラズマリア
クターにも使用できる。

不活性ガス雰囲気下でのプラズマ電極は一般に消耗され
ないタングステンを利用している。

しかしながら１例えば空気、酸素、酸化炭素またはメタ
ンの活性雰囲気中では、タングステン電極は酸化によっ
て急速に劣化する。この欠点はタングステンよりも反応
性媒体中で安定である電極材料の導入によって部分的に
赴けられることが知られている。例えばジルコニウムお
よびトリウムの如き材料が米国特許第３１９８９３２号
に記載されている。この特許にはジルコニウムの陰極挿
入体を嵌合した例えば銅の如き高熱伝導率を有する水冷
電極ホルダーが記載されている。挿入体は、挿入体から
ホルダーへの熱伝達を増大させるため水冷ホルダーに金
属学的に結合されている。

金属学的結合は次の如く説明される： ジルコニウム挿入体をエツチングにより清浄にし、溶融
塩化亜鉛中に浸漬する。この方法で亜鉛めっきされた挿
入体を次いで溶融鉄中に浸漬する。銀はまた溶融してホ
ルダーのキャビティ中でライナーを形成する。銀被覆し
たジルコニウム挿入体をキャビティ中に入れ、次いで熱
を付与して挿入体およびホルダーをろう接する。

この例で、ろう接されたジルコニウム陰極は２，５時間
動作するが、金属学的結合がないと１７分しか動作しな
い。

米国特許第３５４６４２２号には活性媒体中でのプラズ
マアーク処理のための非消耗性電極が記載されている。

この電極においては遷移金属■、Ｎｂ１（ＣｒおよびＭ
ｏの不活性中間層がジルコニウム挿入体と銅ホルダーの
間に導入されている。

別の配置がスエーデン特許第７４０６９７７−４号に記
載されており、この非消耗性電極は、水性銅ホルダー中
に嵌合されたハフニウム基挿入体からなる。挿入体およ
びホルダーの間にはアルミニウムまたはアルミニウム合
金の中間層が配置されている。かかる中間層の導入は、
中間層のない電極に見られるよりは長い動作時間を有す
る電極を与える。この状態は、熱遮へいの如くに作用し
、過加熱および酸化から銅ホルダーを保護する酸化アル
ミニウム（融点２０４３℃）の形成によって説明されて
いる。

スエーデン特許第７９０３６２４−０号にはホルダー中
に嵌合したハフニウムの挿入体を有する水冷鏑ホルダー
が記載されている。外側ハフニウム面上には、グラファ
イトの層で被覆されたオキシハフニウムカーバイドの表
面層が形成されている。グラファイトは挿入体への熱の
流れを抑制し、より高い熱安定性および増大した放出を
電極に与えると考えられる。

スエーデン特許第７９０３６２４−０号および米国特許
第３１９８９３２号には、ジルコニウム挿入体はジルコ
ニウム化合物の表面層を形成するプラズマ発生ガスと反
応することを述べている。例えば酸化炭素雰囲気中では
、ジルコニウムオキシカーバイドの層が形成される。か
かる電極は３００Ａの下で満足に動作し、オキシカーバ
イドは、ジルコニウム金属自体よりも大なる放出を与え
、良好な熱安定性を有すると述べられている。挿入体お
よび表面層の厚さは与えられていない。本発明者の研究
では、上述した電極配置では、電極が活性媒体中で加工
するとき、満足できるものでないことを示した。

例えば上述した配置に従って三つの異なる電極ヲ作ッた
。これらの電極を、アークガスとして空気を用い、プラ
ズマアーク切削装置で試験した。安定動作時間を比較し
、電極を金属学的方法および相分析法で調査した。結果
を下記例に集約する。

１、米国特許第３３’Ｊ７６４９号に記載された如く銅
ホルダー中に嵌合したハフニウム挿入体を有する電極は
２０分しか満足に動作しなかった。金属学的調査では、
ハフニウム挿入体は部分的に溶融し、ホルダーの銅と反
応もしていることを示した。

形成されたハフニウム−銅相は低融点を有し、陰極の先
端で小滴の形成を生ぜしめ、小滴形成は電極の劣化を促
進させる。ジルコニウム挿入体を有する対応する電極も
試験した、そして満足できる動作時間が史に短くなこと
を除いて同様の結果を示した。ジルコニウムおよびハフ
ニウムの融点はそれぞれ１８６０℃および２２２２℃で
ある。ジルコニウム−銅状態図に見出される相の中、Ｚ
ｒｌＣｕはジルコニウムが最も多いものであり、融点１
０００℃を有する、一方ｚｒＩＣｕｓは最低の溶融温度
８９５℃を有する相である。

ハフニウム−銅系の融点は知られていないが、通常二元
ジルコニウム系は、対応するハフニウム系におけるより
少し高い液相線の相異で、対応するハフニウム系と非常
に類似している。

２、スエーデン特許第７４０６９７７−４号により挿入
体およびホルダーの間にアルミニウム箔の中間層を有し
、銅ホルダー中に嵌合したハフニウム挿入体を有する電
極は３０〜４０分安定アークを与えた。中間層を有し、
ジルコニウム挿入体を有する対応する陰極は少し短い動
作時間を示した。使用した電極の調査ではジルコニウム
アルミナイドが形成されたことを示した。ジルコニウム
アルミナイトハ非常な発熱反応（高−ΔＨ）で形成され
る。Ｚｒ−Ａｌ１状態図で最も安定な相はＺｒＡＡ　＊
であり、１６４７℃の融点を有する、図での最低の共融
温度は、ジルコニウム８９重１ｔ％で１３５２℃である
。

Ｚｒ　−ＡｆｉおよびＨｆ　−Ａｆｉ系は同形相を保持
し、Ｚｒ　−ＡＡ系について述べた温度はＨｆ　−Ａｎ
系におけるより約５０℃高い温度に相当する。銅ホルダ
ーとアルミニウム中間層の間の合金化は生じない、何故
ならば銅は水冷されており、銅アルミナイド形成の熱は
、ジルコニウムおよびハフニウムアルミナイドの形成熱
に比較してかなり低いからである。アルミニウム箔を銅
ホルダーとハフニウム挿入体の間で使用しく　９　） たとき、動作中合金化が生じ、ホルダーと挿入体の間の
帯域において、Ｈｆ　−Ａｎ系による約１３５０℃の最
低液相点がある。

アルミニウム箔を除いたとき、Ｈｆ　−Ｃｕ系に見出さ
れる如き約９００℃の最低液相温度を有する合金化帯域
が形成される。液相温度はアルミニウム箔中間層を有し
、また有しないハフニウム−銅電極についての動作時間
における差を説明する。この説明は既知の特許には与え
られていない。

３、米国特許第３５４６４２２号に記載された遷移金属
を含む中間層を有する他の既知の電極も、動作時間の効
果として合金化を示す。分析法でこの事実を説明したも
のは本発明以前にない。

例えば、ジルコニウム７０．４重量％で１５３２℃の共
融温度がＶ　−Ｚｒ系に見出される。０ｕ−Ｖ系中には
、バナジウム８３．６３１ｆ％で１５３２℃の共融温度
が見出される。この場合、アルミニウムの中間層を含有
する電極についてより上に見出される範囲で溶融温度を
有するホルダーと挿入体の間の合金化帯域が見出される
。

本発明の目的は上述した問題および欠点を除くことにあ
る。本発明はハフニウムまたはジルコニウム挿入体上の
ホルダー不活性面に高融点を導入することによって主と
して区別される。

表面帯域は、炭化物、窒化物、オキシ窒化物、炭窒化物
、硼化物およびケイ化物によって表わされるジルコニウ
ムおよびハフニウム化合物によって形成される。本発明
において、六回帯域は、２０００〜４０００℃の範囲に
融点を有する拡散帯域を作るため、ジルコニウムおよび
ハフニウム挿入体のケース硬化または拡散被接によって
形成される。

上述した不活性高融点表面帯域は、電極のホルダーおよ
び挿入体の間の上述した中間ｌ−の必要を除き、２００
０℃より低い融点を有する合金の形成が除去される。

ジルコニウム＄よびハフニウム挿入体のケ−ス硬化また
は拡散被覆は、炭素質および窒素質塩浴中で加熱するガ
ス法、パック焼結化または流動法により炭化、窒化、オ
キシ窒化、ニトロ炭化、硼化またはケイ化によって行な
われる。

本発明における表面硬化された挿入体を有するホルダー
は、電気めっき、ＰＶＤ、　ＣＶＤまたは無電解めっき
によって付与したニッケル、クロム、ニッケル−クロム
または白金金屑の腐蝕安定性、熱反射性仕上を与える。

本発明を、アークガスとして空気を用い、鋼を切削する
ため電極を使用する下記実施例で更に説明する。図面を
参照して、電極は挿入体４を有する銅ホルダー１からな
る。ホルダー１には冷却室２設け、この中に動作中水を
循環させる。挿入体４は本発明に従って高融点不活性拡
散帯域５を有する。また図においてホルダー上に熱反射
性層３も示しである。

実施例　１ 長さ１０−１直径１．７　ｍｓのジルコニウムワイヤー
を９００℃で３日間熱処理した。熱処理は炭素粉末を充
填した密封脱気シリカチューブ中で行なった。この処理
によってワイヤーは約５０μｍの深さまでケース硬化さ
れた。処理されたワイヤーの面は極度に硬化され、約３
４００℃の融点を有するγ−ＺｒＯからなっている。

ケース硬化（炭化）シたジルコニウムワイヤーの長さ２
ｗａの挿入体を直径３闘の水冷銅ホルダー中に嵌合した
。この方法で構成した電極を試験し、非炭化挿入体を有
する電極について見出された間よりも非常に長い間満足
できる動作をした。　　一 実施例　２ 炭化したハフニウムの挿入体を用いた以外は実施例１に
おける如く構成した電極を実施例１と同じ条件下で試験
した。この電極は非処理ハフニウム挿入体を有する電極
よりも長い動作時間を示した。炭化された挿入体は５０
分の動作時間、安定アークを与えた。しかしながら銅ホ
ルダーは潰蝕が始まり、陰極の周囲を通るガスで粒子が
ノズルに運ばれ、徐々に詰まり、最後に動作を停止した
。

実施例　３ 炭化した挿入体を有する銅ホルダー上に１０μｍの仕上
げを設けた相異以外は実施例２に従って電極を構成し、
試験した。１時間動作後、銅ホルダーは無傷であり、ハ
フニウム挿入体に小さいキャビティが見られただけであ
った。

実施例　４ 直径１ｍのハフニウムワイヤーを１４００℃で４時間熱
処理した。熱処理は３０　ｂａｒの圧力で窒素雰囲気中
で行なった。ハフニウムワイヤーの表面は融点３４００
℃を有する黄色窒化ハフニウムからなっていた。窒化ハ
フニウムはハフニウム金属より小さい電気抵抗率を有し
ていた。かく窒化したハフニウム挿入体２閣を水冷ニッ
ケル被覆鋼ホルダー中に嵌合した。この方法で構成した
電極は１時間動作させた後完全に無傷であった。

止揚の実施例は、ハフニウムおよびジルコニウムを炭化
し、窒化したとき、陰極を周囲を通つた空気で上述した
各プラズマ電極はより耐久性であることを示している。

この耐久性は拡散によって挿入体のシリンダー状面に導
入された極度に高い融点の不活性化合物の形成によって
いる。拡散帯域を形成するこれらの化合物は挿入体の芯
とホルダーの間で生ずる反応を防止する。

図面における拡散帯域５は厚さ１０〜１００／１ｍであ
るとよく、全ての固体の中で最高の既知の融点（３５０
０〜４０００℃）を有する化合物である）Ｉｆ（３、Ｈ
ｆＮ　％１（ｆＯＮおよびＨｆ０Ｎからなる。

更にハフニウムの炭化は、銅ホルダーおよび挿入体の芯
の間に低電気抵抗率および高熱伝導率の帯域を与える。

ジルコニウムの電気抵抗率は７０・１０−１Ωｍであり
、一方炭化ジルコニウムの抵抗率は６．３４・１０−８
Ωｍである。ジルコニウムの熱伝導率は１７　Ｗ／ｍＫ
であり、炭化ジルコニウムの熱伝導率は２０．５ｗ／ｍ
Ｋである。

ケース硬化および拡散被覆は鋼の表面処理のための工業
的方法であり、炭化、窒化、炭窒化、硼化およびケイ化
によって行なわれる。炭化するとき、炭素は５００〜１
０００℃の温度で固体または気体炭素または炭素化合物
と接触状感で加熱することによって加工片の表面中に導
入される。窒化するときには、アンモニアまたは他の窒
累含有材料中で加工片を加熱することによって窒素を表
面に導入する。炭窒化は塩中で加熱することによって行
ない、硼化およびケイ化は、所望に深さおよび基体材料
によって決る温度および時間の広い範囲でパック焼結に
よって通常行なう。

例えば八ツニウムワイヤーを硼化するときには、３３０
０℃の融点を有する安定化合物ＨｆＢが表面で形成され
、２３００℃の融点を有するケイ化ジルコニウムはジル
コニウムをケイ化するとき形成される。ジルコニウムお
よびハフニウム挿人体のケース硬化および拡散被覆はプ
ラズマ電極のホルタ゛−および挿入体間の反応を防止す
ることを示した。

しかしながら水冷鋼ホルダー中へ拡散被覆した挿入体の
導入は、動作中劣化を防ぐためホルダーの面にニッケル
、クロムまたは白金金属の保護被覆を伴わなければなら
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は電極の断面図である。 １−一一銅ホルダー、２−ｍ−冷却室、３−ｍ−熱反射
層、４−ｍ−挿入体、５−ｍ−不活性拡散帯域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、拡散被覆またはケース硬化されたジルコニウムまた
   はハフニウム挿入体を嵌合した高熱伝導率および高導電
   率のホルダーからなる活性または不活性媒体中で加工す
   るプラズマアーク用電極。 ２、表面に２０００〜４０００℃の範囲で溶融温度を有
   する拡散帯域を導入するためジルコニウムまたはハフニ
   ウム挿入体のケース硬化または拡散被覆によつて上記挿
   入体を作つた特許請求の範囲第１項記載の電極。 ３、上記挿入体が、気体、液体塩浴または粉末中で加熱
   することによつて炭化、窒化、オキシ窒化、炭窒化、ニ
   トロ炭化、硼化またはケイ化することによつてケース硬
   化または拡散被覆されている特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の電極。 ４、拡散被覆された挿入体を有するホルダーを、電気め
   つき、ＰＶＤ、ＣＶＤおよび無電解めつきによつてニッ
   ケル、クロム、ニッケル−クロムまたは白金金属の耐蝕
   性および熱反射性層で被覆する特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の電極。