DE1963151C3 - Katode für Lichtbogenprozesse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Katoden auf Hafnium-Basis, die für Lichtbogenprozesse in aktiven Medien bestimmt sind.

Die Erfindung kann für Plasmabearbeitung von Werkstoffen, insbesondere für Schneiden von Metallen und Nichtmetallen, Schweißen, Schmelzen und Oberflächenschmelzen angewandt werden.

Möglich ist die Anwendung der Erfindung zum Erhitzen aktiver Gase und deren Gemische sowie zur 5 Oberflächenwärmebehandlung mit chemischen Vorgängen, z. B. zum Nitrieren, Zementieren und anderen ähnlichen Prozessen. Außerdem kann die Erfindung in Lichtbogen-Lichtquellen angewandt werden.

Vorgeschlagen wurde eine Einrichtung zur Plasmabearbeitung in aktiven Gasen, vorzugsweise zum Plasmaschneiden von Metallen, in der die Katode aus Hafnium ausgeführt ist. Die Beständigkeit einer solchen Katode erreicht 10 Stunden und mehr.

Bei steigender Stromdichte aber, z. B. bei der Verringerung des Durchmessers der stabilisierenden Düse oder bei bedeutender Zunahme des Verbrauchs von plasmabildendem Gas sinkt die Beständigkeit der Katode, während die Verbrennungsgeschwindigkeit nichtlinear wächst und unzulässig groß wird.

Die Beständigkeit der Katode, die auf Hafnium-Basis ausgeführt ist, sinkt auch unter wiederholt kurzzeitigen Betriebsbedingungen und bei Strömen von mehr als 400A.

Bei der Anwendung dieser Katode in Einrichtungen mit geringen Abmessungen, in denen die A Kühlung der Katode ungenügend wird, sinkt die Beständigkeit der Katode ebenfalls.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung der obengenannten Nachteile.

Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, eine solche Katode auf Hafnium-Basis zu entwickeln, die durch ihre chemische Zusammensetzung eine höhere Beständigkeit gegenüber den bekannten Katoden solchen Typus aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Katode für Lichtbogenprozesse in aktiven Medien, ausgeführt auf Hafnium-Basis, erfindungsgemäß Legierungszusätze aus Lanthanoiden, Alkali-, Erdalkalimetallen und Oxyden der genannten Metalle sowie aus den Übergangsmetallen der Gruppen IVa, Va, VIa und VIIa Gruppe des Periodensystems, die einzeln oder kombiniert genommen werden, enthält.

Zur Erhöhung der Beständigkeit der Katode bei erhöhter Stromdichte verwendet man zweckmäßig (in Masse %): 0,2-3 Lanthan; 0,1 -3 Lanthanoxid; 0,5-10 Seltenerdmetalle; 0,1-3,0 Seltenerden.

Zur Erhöhung der Beständigkeit der Katode bei ungenügender Kühlung nimmt man zweckmäßig (in Masse %): 0,05-0,5 Lithium; 0,1-1,0 Magnesium; 0,05-0,5 Barium; 0,5-3,0 Oxyde der Alkali- und Erdalkalimetalle.

Zur Erhöhung der Beständigkeit der Katode unter wiederholt-kurzzeitigen Betriebsbedingungen verwendet man zweckmäßig (in Masse %): 0,1 -3,0 Thorium; 1,0-10,0 Niob; 1,0-30 Tantal; 0,3-2,5 Molybdän; 0,5 -15,0 Wolfram; 0,5 - 20,0 Rhenium.

Die Verwendung von Hafnium als Basis für die Katode hängt damit zusammen, daß dieses Metall einen hohen Schmelzpunkt, eine geringe Austrittsarbeit der Thermoelektronenemission und die Fähigkeit besitzt, beim Betrieb in einem aktiven Medium auf der Arbeitsoberfläche der Katode einen Film zu bilden, der eine niedrige Permeabilität für aktive Komponenten des Mediums aufweist, wodurch die reaktive Diffusion der Komponenten des Mediums in das Innere der Katode verhindert und die Katode während des Betriebes nicht zerstört wird. Bei der Verwendung von sauerstoff-, stickstoffhaltigen Gemischen oder der Luft als aktives

Medium bildet sich auf der Arbeitsoberfläche der Katode ein dichter Film, der aus Hafniumoxiden und Hafniumnitriden besteht, deren Schutzeigenschaften bei hohen Temperaturen die Schutzeigenschaften anderer ähnlicher Verbindungen, z. B. der Zirkoniumnitride und Zirkoniumoxide, übersteigen.

Zur Erhöhung der Beständigkeit der Katode auf Hafnium-Basis werden in diese Legierungszusätze eingeführt, die auf der Arbeitsoberfläche der Katode bei deren Betrieb einen Film oder eine Schicht bilden, die Hafnium, mindestens eine der Komponenten der Legierungszusätze und mindestens eine der Komponenten des aktiven Mediums enthalten. Die Härte des Filmes oder der Schicht, die auf der Arbeitsoberfläche der Katode bei deren Betrieb gebildet wird, soll die Härte der Katode übersteigen, die Hafnium und Legierungszusätze enthält. Die Legierungszusätze können in der Katode sowohl einzeln als auch kombiniert enthalten sein.

Als genannte Legierungszusätze verwendet man erfindungsgemäß Legierungszusätze von Lanthan, Lanthanoxid, Seltenerdmetallen, Seltenerden, die die Raffinierung des Katodenmaterials begünstigen, d. h. die Korngrenzen von schädlichen Beimengungen reinigen, was wiederum die Grenzdiffusion der Komponenten des Mediums hemmt.

Dabei nimmt man Lanthan in einer Menge von 0,2 - 3 Messe %, Lanthanoxid in einer Menge von 0,1—3 Masse %, Seltenerdmetalle in einer Menge von 0,5-10 Masse %.

Dank der hohen chemischen Aktivität der obengenannten Legierungszusätze treten deren Umsetzungsprodukte mit den Komponenten des aktiven Mediums in den Film oder die Schicht über und erhöhen in diesen die inte~atomaren Bindungen, d. h. die chemische und 3s mechanische Festigkeit des Films. Die Einführung von Zusätzen geschieht durch die Herstellung beschränkter Mischkristalle, chemischer Verbindungen oder durch die Herstellung mechanischer Gemische oder anderer Kompositionen nach den Methoden der Sintermetallurgie. Die in dem Film enthaltenen Legierungszusätze von Alkali-, Erdalkalimetallen, Alkalimetall-, Erdalkalimetalloxiden sind durch niedrige Austrittsarbeit und hohe Affinität zu den Komponenten des aktiven Mediums, z. B. zum Sauerstoff, gekennzeichnet und vermindern dadurch den Wärmestrom in die Katode.

Dabei nimmt man Lithium in einer Menge von 0,05 — 0,5 Masse %, Magnesium in einer Menge von 0,1 -1,0 Masse %, Barium in einer Menge von 0,05-0,5 Masse %, Alkalimetall- und Erdalkalimetalloxide in einer Menge von 0,5 — 3,0 Masse %.

Das Vorliegen der genannten Zusätze der Alkali-, Erdalkalimetalle oder deren Oxide in dem Film erhöht bedeutend das Strahlungsvf:rmögen der Katode, was besonders wichtig bei der Verwendung der Katode in Lichtbogen-Lichtquellen ist.

Die obengenannten Zusätze werden in die Katode bei erhöhten Drücken eingeführt, wobei der Siedepunkt der Legierungszusätze nicht unterhalb 2200⁰C, d.h. nicht unterhalb des Schmelzpunktes des Hafniums liegen darf. Die Katode auf Hafnium-Basis mit Zusätzen von Alkali-, Erdalkalimetallen oder deren Oxiden kann ebenfalls nach Methoden der Sintermetallurgie hergestellt werden.

Die Legierungszusätze der Übergangsmetalle aus den Gruppen IV a, V a, VI a und VII a des Periodensystems verringern die Geschwindigkeit der Diffusion des Katodenmaterials (Hafnium mit Legierungszusätzen) durch den Film (oder die Schicht), der auf der Arbeitsoberfläche der Katode im Betrieb gebildet wird, und vermindern die mechanischen Spannungen an der Trennfläche des Katodenmaterials und des Films (oder der Schicht), indem dadurch ein stärkeres Haften des Films (der Schicht) an dem Katodenmaterial bewirkt wird. Dadurch gewinnt die Katode auf Hafnium-Basis mit den oben aufgezählten Legierungszusätzen eine erhöhte Beständigkeit gegen Wärmestoß unter wiederholt-kurzzeitigen Betriebsbedingungen.

Man nimmt dabei Thorium in einer Menge von 0,1 — 3 Masse %, Niob in einer Menge von 1,0-10,0 Masse %, Tantal in einer Menge von 1,0 — 30,0 Masse %, Molybdän in einer Menge von 0,3 — 2,5 Masse %, Wolfram in einer Menge von 0,5-15,0 Masse %, Rhenium in einer Menge von 0,5 — 20,0 Masse %.

Die Einführung der obengenannten Zusätze kann durch die Herstellung beschränkter Mischkristalle erfolgen, was sich auf Thorium, Molybdän, Wolfram, Rhenium bezieht, oder bis zur Erzielung der vorgegebenen Eigenschaften bei Metallen, die mit Hafnium lückenlose Mischkristalle bilden, was sich auf Niob und Tantal bezieht.

Zum besseren Verstehen des Wesens der vorliegenden Erfindung werden nachstehend konkrete Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Typische Katoden auf Hafnium-Basis mit Legierungszusätzen von Lanthan, Lanthanoxid, Scltenerdmetallen oder deren Oxyden sind Katoden, die die folgende Zusammensetzung (in Masse %) aufweisen.

Zusammensetzung Nr. 1:

1% Lanthan, alles übrige Hafniumjodid.

Zusammensetzung Nr. 2:

1 % Lanthanoxid, alles übrige Hafniumjodid.

Zusammensetzung Nr. 3:

5% Lanthanoxid + 1% Lanthan, alles übrige Hafnium.

Zusammensetzung Nr. 4:

5°/oSeltenerdmetalle, alles übrige Hafniumjodid, wobei die Seltenerdmetalle ihrerseits zu 60% aus Zerium, zu 38% aus Lanthan und zu 2% aus Seltenerdmetallen von Praseodym bis Litetium einschließlich bestehen.

Bei der Prüfung der obengenannten Katoden wurde die Katodenstromdichte durch die Verringerung des Durchmessers der stabilisierenden Düse des Plasmabrenners von 5 auf 1 mm bei gleichbleibendem Strom und gleichbleibendem Verbrauch von plasmabildendem Gas oder durch die Erhöhung des Katodenstroms über 400 A bei gleichbleibendem Durchmesser der stabilisierenden Düse und gleichbleibendem Verbrauch von plasmabildendem Gas, oder bei steigendem Verbrauch von plasmabildendem Gas über 4000 l/St bei gleichbleibendem Katodenstrom und gleichbleibendem Durchmesser der Düse erhöht. In allen Fällen stieg die Beständigkeit der obengenannten Katoden um das l,5-2,0fache gegenüber der Beständigkeit der Katode, die aus reinem Hafniumjodid hergestellt wurde.

Beispiel 2

Typische Katoden auf Hafnium-Basis mit Legierungszusätzen von Alkali-, Erdalkalimetallen und deren Oxiden sind Katoden, die die folgende Zusammensetzung aufweisen (in Masse %):

Zusammensetzung Nr. 1:

0,15% Lithium, alles übrige Hafniumjodid.
Zusammensetzung Nr. 2:

0,5% Magnesium, alles übrige Hafniumjodid.

Die Prüfungen der Katoden der obengenannten Zusammensetzung wurden in Plasmabrennern mit einem Durchmesser der stabilisierenden Düsen von 1,2, 3,4 und 5 mm durchgeführt. Als aktives plasmabildendes Medium verwendete man eines der nachstehend angeführten Gasgemische, deren Komponenten in folgendem Volumverhältnis genommen sind:

20% Stickstoff, alles übrige Argon;

20% Sauerstoff, alles übrige Argon;

2% Sauerstoff, alles übrige Stickstoff;

0,2% Sauerstoff, 20% Stickstoff, alles übrige Argon.

Außerdem wurde als aktives plasmabildendes Medium technische Preßluft und reiner Sauerstoff verwendet.

Zusammensetzung Nr. 3:

0,5% Bariumoxid, alles übrige Hafniumjodid;
Zusammensetzung Nr. 4:

0,1 % Kalzium, alles übrige Hafniumjodid.

Die Prüfungen der genannten Katoden wurden in Plasma-Lichtbogenbrennern mit magnetischer Stabilisierung des Lichtbogens durchgeführt. Als aktive Medien verwendete man sauerstoffhaltige pbsmabildende Gemische der folgenden Zusammensetzung (die Komponenten sind in Vol.-% angegeben):

0,2% Sauerstoff, 20% Stickstoff, alles übrige Argon;

20% Sauerstoff, alles übrige Argon.

Darüber hinaus wurden Prüfungen bei Verwendung von technischer Preßluft und reinem Sauerstoff als aktives Medium angestellt. Das Kolorimetrieren des Wärmestromes in die genannten Katoden ergab, daß in allen Fällen der in die obengenannte Katode fließende Wärmestrom 50% der Größe des Wärmestromes in die Katode aus reinem Hafniumjodiü, geprüft unter den gleichen Bedingungen, betrug.

Die Senkung des Wärmestromes um 50% machte es möglich, die Lebensdauer der Katode um das l,5fachc zu verlängern.

Beispiel 3

Typische Katoden auf Hafnium-Basis mit Legierungszusätzen aus den Übergangsmetallen der Gruppen IV a, ίο V a, Vl a und VII a des Periodensystems sind Katoden, die die folgenden Zusammensetzungen aufweisen (in Masse %):

Zusammensetzung Nr. 1:

1,5% Thorium, alles übrige Hafniumjodid.
"^s Zusammensetzung Nr. 2:

3% Niob, 0,5% Molybdän, alles übrige Hafniumjodid.
Zusammensetzung Nr. 3:

15% Tantal, alles übrige Hafniumjodid.
Zusammensetzung Nr. 4:

1 % Molybdän, alles übrige Hafniumjodid.
Zusammensetzung Nr. 5:

0,9% Wolfram, alles übrige Hafniumjodid.
Zusammensetzung Nr. 6:
3% Rhenium, alles übrige Hafniumjodid.

Die Prüfungen der obengenannten Katoden wurden in Plasrr.a-L'ichtbogenbrennern zum Plasma-Schneiden von Metallen durchgeführt. Die Prüfungen wurden unter den Schnittbedingungen von niedriggekohltem Stahl durchgeführt. Eine Schnittfolge dauerte 60 Sekunden, die Pause zwischen den Schnittfolgen 15 Sekunden, die Länge eines Schnittes von 1000 bis 3000 mm.

Als aktives plasmabildendes Medium verwendet man technische Preßluft.

Die Prüfungen ergaben, daß alle obengenannten Katoden es möglich machten, 900-1100 Schnitte durchzuführen, während ähnliche Katoden aus reinem Hafniumjodid 500-600 Schnitte aushielten, d.h., die Beständigkeit der obengenannten Katoden stieg um 50-70% gegenüber den Katoden aus reinem Hafniumjodid.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Katode für Lichtbogenprozesse in aktiven Medien, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus 70 bis 99,95 Gewichtsprozent Hafnium und im übrigen Zusätze aus der Gruppe Lanthan, Lanthanoxid, Seltenerdmetallen und Seltenerden, Lithium, Magnesium, Barium, Oxyde der Alkali- und Erdalkalimetalle, Thorium, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram und Rhenium, welche Legierungszusätze im Betrieb der Katode auf deren Arbeitsoberfläche einen Film bilden, der Hafnium, wenigstens einen der Zusätze und wenigstens eine der chemisch aktiven Komponenten des Mediums enthält.

2. Katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Lanthan in einer Menge von 0,2 — 3,0 Masse % nimmt, f

3. Katode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Lanthanoxid in einer Menge von 0,1 —3,0 Masse % nimmt.

4. Katode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Seltenerdmetalle in einer Menge von 0,5-10,0 Masse % nimmt.

5. Katode nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Seltenerden in einer Menge von 0,1 -3,0 Masse % nimmt.

6. Katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Lithium in einer Menge von 0,05-0,5 Masse % nimmt.

7. Katode nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Magnesium in einer Menge von 0,1 — 1,0 Masse % nimmt.

8. Katode nach Anspruch 1, 6 jnd 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Barium in einer Menge von 0,05-0,5 Masse % nimmt.

9. Katode nach Anspruch 1, 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxide der Alkali- oder Erdalkalimetalle in einer Menge von 0,5 — 3,0 Masse % nimmt.

10. Katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Thorium in einer Menge von 0,1 -3,0 Masse % nimmt.

11. Katode nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Niob in einer Menge von 1,0 — 10 Masse % nimmt.

12. Katode nach Anspruch 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß man das Tantal in einer Menge von 1,0 — 30,0 Manse % nimmt.

13. Katode nach Anspruch 1, 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man das Molybdän in einer Menge von 0,3 — 2,5 Masse % nimmt.

14. Katode nach Anspruch 1, 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wolfram in einer Menge von 0,5 — 15,0 Masse % nimmt.

15. Katode nach Anspruch 1, 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rhenium in einer Menge von 0,5 — 20,0 Masse % nimmt.