DE3618600A1

DE3618600A1 - Elektrode fuer die plasmabogenbearbeitung

Info

Publication number: DE3618600A1
Application number: DE19863618600
Authority: DE
Inventors: Jan-Erik Lund Andersson; Lars Erik Stockholm Edshammar; Jan Olof Vinslöv Johansson; Tomasz Stockholm Niklewski
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1985-06-05
Filing date: 1986-06-03
Publication date: 1986-12-11
Also published as: FR2582973B1; SE8502765D0; DK161792B; GB2178279B; GB2178279A; DK161792C; IT8620668A1; DE3618600C2; IT8620668A0; SE452862B; SE8502765L; DK265286D0; JPS6218000A; US4766349A; GB8613468D0; DK265286A; IT1190121B; FR2582973A1

Description

KEIL& SCHAAFHAUSEN

- ³ - PATENTANWÄLTE

Frankfurt am Main

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bogenelektrode, bestehend aus einem Halter aus Kupfer oder einem anderen Metall mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit und einem in den Halter eingepaßten Einsatz. Die Elektrode dient für das Arbeiten in aktiven oder inaktiven Medien, vorzugsweise einem Plasmabogenbrenner.

Plasmabogenbrenner werden bekanntlich für verschiedene Arbeiten an Materialien eingesetzt z.B. das Schneiden von Metallen oder Nichtmetallen, das Schweißen, das Ausstemmen, die Oberflächenbehandlung, das Schmelzen, das Glühen, das Tempern und/oder das Vergüten von metallischen Materialien. Ein weiteres Beispiel ist die Beschichtung durch Plasmabesprühen oder -bespritzen.

Die Elektrode kann auch bei sogenannten Plasmareaktoren verwendet werden, in welchen Gase mit äußerst hoher Temperatur in den verschiedensten plasmachemischen Prozessen eingesetzt werden, z.B. den Reduktionsprozeß zur Herstellung von Eisenschwamm, das Kracken von höheren Kohlenwasserstoffen für die Azethylenproduktion oder die Zertrümmerung von Verunreinigungsprodukten .

W Für Plasmaelektroden, die unter Inertgasatmosphäre eingesetzt werden, benutzt man allgemein Wolfram, welches sich nicht verbraucht. In einer aktiven Atmosphäre, bspw. Luft, Sauerstoff, Kohlenoxid oder Methan, wird die Wolfram-Elektrode jedoch durch Oxidation schnell abgenutzt. Dieser Nachteil wird bekanntlich durch die Einführung von Elektrodenmaterialien

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I PATENTANWÄLTE

vermieden, die in reaktiven Medien stabiler sind als Wolfram. Zirkon und Thorium sind bspw. in der US-PS 3 198 932 angegeben. In dieser Patentschrift ist ein wassergekühlter Elektrodenhalter mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, bspw. aus Kupfer, beschrieben, in welchen ein Kathodeneinsatz aus Zirkon eingepaßt ist. Der Einsatz ist metallurgisch mit dem Halter verbunden, um den Wärmeübergang von dem Einsatz zu dem Halter zu verbessern. Die metallurgische Bindung wird dabei wie folgt hergestellt: Der Zirkoneinsatz wird durch Ätzen gereinigt und in geschmolzenes Zinkchlorid eingetaucht. Der in dieser Weise mit Zink platierte Einsatz wird dann in geschmolzenes Silber eingetaucht. Silber wird außerdem geschmolzen, um einen Überzug in der Aushöhlung des Halters zu bilden. Der silberbeschichtete Zirkoneinsatz wird in die Aushöhlung gesetzt; dann werden Einsatz und Halter durch Anwendung von Hitze verlötet. Nach einem dort dargestellten Beispiel arbeitete eine so verlötete Zirkonkathode etwa 2,5 Stunden, ohne metallurgische Bindung jedoch nur 17 Minuten.

Die US-PS 3 546 422 beschreibt sich nicht verbrauchende Elektroden für die Plasmabogenbearbeitung in aktiven Medien. Bei den Elektroden werden inerte Zwischenschichten der Übergangsmetalle V, Nb, Cr und Mo zwischen den Zirkoneinsatz und den Kupferhalter eingelegt.

Eine andere Anordnung ist aus der SE-PS 74 06 977-4 bekannt, nach welcher die sich nicht verbrauchende Elektrode aus einem wassergekühlten Kupferhalter besteht, in welchen ein auf der Basis von Hafnium hergestellter Einsatz eingepaßt ist. Zwischen Einsatz und Halter ist eine Zwischenschicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung angeordnet. Die Einführung einer solchen Zwischenschicht gibt den Elektroden eine längere Betriebszeit als solchen ohne eine derartige Zwischenschicht.

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Dieser Umstand wird durch die Bildung von Aluminiumoxid (Schmelzpunkt 2.043°C) erklärt, das wie ein Hitzeschild wirkt und den Kupferhalter vor Überhitzung und Oxidation schützt.

Die SE-PS 79 03 624-0 beschreibt einen wassergekühlten Kupferhalter mit einem in den Halter eingepaßten Einsatz aus Hafnium. Auf der äußeren Hafniumoberfläche ist eine Schicht aus Oxihafniumkarbid gebildet, die ihrerseits mit einer Schicht aus Graphit überdeckt ist. Man geht davon aus, daß das Graphit den Wärmefluß in den Einsatz behindert und die Emission verbessert .

In der SE-PS 79 03 624-0 und in der US-PS 3 198 932 ist ausgeführt, daß der Zirkoneinsatz mit den Plasma erzeugenden Gasen reagiert und dadurch Oberflächenschichten aus Zirkonverbindungen bildet. So entsteht in einer Kohlenoxidatmosphäre eine Schicht aus Zirkonoxikarbid. Eine solche Elektrode arbeitet zufriedenstellend bei 300 Ampere. Das Oxikarbid soll eine bessere Hitzestabilität haben und höhere Emission ergeben, als Zirkonmetall selbst. Die Dicke des Einsatzes und der Oberflächenschichten sind nicht angegeben.

Es hat sich herausgestellt, daß derartige Elektrodenanordnungen beim Einsatz in aktiven Medien unbefriedigend arbeiten. Bei Untersuchungen wurden drei unterschiedliche Elektroden der bekannten Art hergestellt. Die Elektroden wurden in einer Plasmabogenschneidvorrichtung mit Luft als Bogengas getestet. Die- Perioden stabiler Betriebsweise wurden miteinander verglichen und die Elektroden durch metallographische und phasenanalytische Methoden untersucht. Hierbei wurde folgendes gefunden:

1. Die Elektrode mit einem Hafniumeinsatz, die in einen Kupferhalter eingepaßt ist, gemäß US-PS 3 397 649 arbeitet nur 20 Minuten lang befriedigend. Die metallographi-

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sehen Untersuchungen zeigten, daß der Hafniumeinsatz teilweise geschmolzen war und mit dem Kupfer des Halters reagierte. Die gebildeten Hafnium-Kupfer-Phasen haben niedrige Schmelzpunkte, was zu der Bildung eines Tropfens an der Spitze der Kathode führte; die Tropfenbildung beschleunigte die Zerstörung der Elektrode. Eine entsprechende Elektrode mit einem Zirkoneinsatz zeigte ähnliche Ergebnisse; die befriedigende Betriebszeit war jedoch noch kürzer. Die Schmelzpunkte von Zirkon und Hafnium liegen bei 1.860°C bzw. 2.222°C. Unter den Phasen, die in dem Zirkon-Kupfer-Phasen-Diagramm gefunden wurden, ist das Zr₉Cu das zirkonreichste mit einem Schmelzpunkt von 1.000°C, während Zr»Cu- die Phase mit der niedrigsten Schmelztemperatur bei 895 C ist. Die Schmelzpunkte des Hafnium-Kupfer-Systems sind nicht bekannt. Binäre Zirkon-Systeme sind jedoch den entsprechenden Hafnium-Systemen sehr ähnlich mit dem Unterschied einer etwas höheren Liquidus-Kurve bei letzteren.

Elektroden mit einem Hafniumeinsatz, welcher in einen Kupferhalter unter Verwendung einer Zwischenschicht aus Aluminiumfolie zwischen dem Einsatz und dem Halter nach der SE-PS 74 06 977-4 hergestellt wurden, ergaben einen stabilen Bogen für etwa 30 bis 40 Minuten. Entsprechende Kathoden mit Zirkoneinsätzen und Zwischenschichten zeigten etwas kürzere Betriebsdauern. Die Untersuchungen benutzter Elektroden zeigten, daß sich Zirkon-Aluminide gebildet hatten. Zirkon-Aluminide bilden sich unter stark exothermen Reaktionen (hohes Δ H). Die stabilste Phase im Zr-Al-Phasendiagramm ist ZrAl_ mit einem Schmelzpunkt von 1.647⁰C und die niedrigste eutektische Temperatur des Diagramms ist 1.352 C bei 89 Gewichts-Prozent Zirkon. Die Zr-Al- und Hf-Al-Systeme enthalten isomorphe Phasen und

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die für das Zr-Al-System erwähnten Temperaturen entsprechen etwa 50⁰C höheren Temperaturen beim Hf-Al-System. Legierungen zwischen Kupferhalter und Aluminiumzwischenschicht treten nicht auf, da das Kupfer wassergekühlt ist und die Wärme der Bildung von Kupfer-Aluminiden verhältnismäßig gering ist zu derjenigen bei Zirkon- oder Hafnium-Aluminiden. Bei Verwendung einer Aluminiumfolie zwischen Kupferhalter und Hafniumeinsatz tritt während der Betriebsdauer eine Legierungsbildung auf und in einer Zone zwischen Halter und Einsatz befindet sich ein niedrigster Liquidus-Punkt von 1.350 C entsprechend dem Hf-Al-System. Bei Wegnahme der Aluminiumfolie entsteht eine Legierungszone mit einer niedrigsten Liquidus-Temperatur von etwa 900 C, wie man sie in dem Hf-Cu-System fand. Die erwähnten Liquidus-Temperaturen erklären die Unterschiede in der Betriebszeit von Hafnium-Kupfer-Elektroden mit und ohne Aluminiumfolien-Zwischenschicht. Eine Erklärung hierfür wurde im Stande der Technik bisher nicht gegeben.

Andere bekannte Elektroden mit Zwischenschichten aus Übergangsmetallen, wie sie in der US-PS 3 546 422 beschrieben sind, zeigen ebenfalls eine Legierungsbildung, die die Betriebszeit beeinträchtigt. Diese Tatsache wurde bisher jedoch nicht mit analytischen Methoden erklärt. So findet man bspw. eine eutektische Temperatur von 1.532 C in dem V-Zr-System bei 70,4 Gewichts-Prozent Zirkon. In dem Cu-V-System findet man eine eutektische Temperatur von 1.532 C bei 83,6 Gewichts-Prozent Vanadium. In diesem Fall findet man eine Legierungszone zwischen dem Halter und dem Einsatz mit Schmelztemperaturen im Bereich, wie sie oben für Elektroden für Zwischenschichten aus Aluminium gefunden wurden.

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_t O₄ PATENTANWÄLTE

- JjT —

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der geschilderten Probleme und Nachteile, d.h. die Schaffung einer Elektrode höherer und zuverlässigerer Betriebsdauer.

Die Lehre der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich im wesentlichen durch die Einführung hoher Schmelztemperaturen, insbesondere auf die Einsatzoberflächenzone der Hafnium- oder Zirkon-Einsätzen zwischen Halter und Einsatz. Die Oberflächenzone wird vorzugsweise durch Zirkon- oder Hafnium-Verbindungen erzeugt, welche Karbide, Nitride, Oxinitride, Karbonitride, Boride oder Suizide umfassen.

Die erfindungsgemäße Oberflächenzone wird vorzugsweise durch Diffusionsummantelung oder Einsatzhärten erzeugt, um eine Diffusionszone mit Schmelzpunkten im Bereich von 2.000⁰C bis 4.000⁰C zu bilden.

Die beschriebene inerte, hochschmelzende Oberflächenzone beseitigt die Notwendigkeit der nach dem Stande der Technik zwischen Einsatz und Halter der Elektrode vorgesehenen Zwischenlagen und die Bildung von Legierungen mit Schmelzpunkten unter 2.000⁰C ist vermieden.

Die Diffusionsummantelung oder Einsatzhärtung der Zirkon- oder Hafniumeinsätze wird vorzugsweise durch Karburierung, Nitrierung, Oxinitrierung, Nitrokarburierung, Borierung oder SiIizierung, Gasprozesse, Erhitzen in kohlenstoffhaltigen oder/und stickstoffhaltigen Salzbädern, durch Einsatzaufkohlung oder durch Fluidbettechnik ausgeführt.

Bei der vorliegenden Erfindung wird dem Halter mit oberflächengehärtetem Einsatz vorzugsweise ein korrosionsbeständiger und hitzeabweisender Überzug aus Nickel, Chrom, Nickel-Chrom oder Platin gegeben, der durch Elektroplatierung, PVD(physical vapour deposition = physikalische Dampfabscheidung)-,

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- Sf-

CVD(chemical vapour deposition = chemische Dampfabscheidung)- und/oder elektroloses Piatieren aufgebracht ist.

j\ Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsmusters anhand der Zeichnung sowie den nachfolgend angegebenen Beispielen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die einzige Figur zeigt eine die Erfindung aufweisende Elektrode im Endbereich als Längsschnitt schematisch. Die dargestellten und in den nachfolgenden Beispielen näher erläuterten Elektroden sind insbesondere für das Schneiden von Stahl in Luft als Bogengas bestimmt.

Die dargestellte Elektrode besteht aus einem Halter 1 aus Kupfer mit einem Einsatz 4. Der Halter 1 ist mit einer Kühlkammer 2 ausgestattet, durch welche während des Be'triebes Wasser zirkuliert. Der Einsatz 4 besitzt nach der Erfindung eine hochschmelzende inerte Diffusionszone 5 auf seiner Oberfläche. Eine thermisch reflektierende Schicht 6 ist auf dem Halter 1 vorgesehen.

Beispiel 1:

Zirkondrähte einer Länge von 10 mm und einem Durchmesser von 1,7 mm wurden drei Tage lang bei 900 C hitzebehandelt. Die Hitzebehandlung wurde in verschlossenen evakuierten Kieselerderöhren, die mit Kohlenstoffpulver gefüllt waren, ausgeführt. Durch diese Behandlung wurden die Drähte bis zu einer Tiefe von etwa 50 Mikrometer einsatzgehärtet. Die Oberfläche

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des behandelten Drahtes ist äußerst hart und besteht aus -ZrC mit einem Schmelzpunkt von etwa 3.400 C. Ein 2 mm langer Einsatz des einsatzgehärteten (karburierten) Zirkondrahtes wurde in einen wasserkühlbaren Halter mit einem Durchmesser von 3 mm eingesetzt. Die in dieser Weise hergestellte Elektrode wurde geprüft. Sie arbeitete wesentlich langer als eine Elektrode mit nichtkarburiertem Einsatz.

Beispiel 2:

Eine Elektrode wurde nach dem Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch der Einsatz aus karburiertem Hafnium bestand. Die Untersuchung erfolgte unter ähnlichen Bedingungen wie beim Beispiel 1 . Die Elektrode zeigte eine größere Betriebsdauer als Elektroden mit einem unbehandelten Hafniumeinsatz. Der karburierte Einsatz ergab einen stabilen Bogen für eine Betriebszeit von 50 Minuten. Der Kupferhalter begann jedoch zu erodieren und Teilchen wurden mit dem Gas wegtransportiert und gelangten um die Elektrode herum zur Düse, welche sich allmählich zusetzte, so daß der Betrieb schließlich beendet wurde.

Beispiel 3:

Eine Elektrode wurde entsprechend dem Beispiel 2 hergestellt und getestet, jedoch mit dem Unterschied, daß eine 10 Mikrometer starke Nickelschicht auf dem Kupferhalter mit dem karburierten Einsatz aufgebracht wurde. Nach einer Stunde Betriebsdauer war der Kupferhalter immer noch in Ordnung; lediglich eine geringfügige Vertiefung war an dem Hafniumeinsatz festzustellen.

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- yr -

Beispiel 4:

Hafniumdrähte mit einem Durchmesser von 1 mm wurden 4 Stunden lang bei 1.400 C wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung wurde in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 30 bar ausgeführt. Die Oberfläche des Hafniumdrahtes bestand aus gelbem Hafniumnitrid mit einem Schmelzpunkt von 3.400 C. Das Hafniumnitrid hat einen niedrigeren elektrischen Widerstand als Hafniummetall. Ein so hergestellter nitrierter Hafniumeinsatz von 2 mm Länge wurde in einen wasserkühlbaren nickelbeschichteten Kupferhalter eingepaßt. Die in dieser Weise hergestellte Elektrode war nach einer Stunde Betriebsdauer noch vollständig in Ordnung.

Die Beispiele zeigen, daß die beschriebenen Plasmaelektroden bei Führung von Luft um die Kathode stabiler sind, wenn die Hafnium- oder Zirkon-Einsätze karburisiert oder nitriert sind. Die Dauerhaftigkeit hängt von der Bildung sehr hochschmelzender und inerter Verbindungen ab, die in der zylindrischen Oberfläche des Einsatzes durch Diffusion entstehen. Diese Verbindungen, die eine Diffusionszone bilden, verhindern Reaktionen zwischen dem Kern des Einsatzes und dem Halter.

Die Diffusionszone 5 in der Zeichnung kann etwa 10 bis 100 Mikrometer dick sein und aus HfC, HfN, HfON und/oder HfCN bestehen. Dies sind Verbindungen mit den höchsten bekannten Schmelzpunkten unter allen Feststoffen (3.500 bis 4.000⁰C).

Wenn bspw. ein Hafniumdraht boriert wird, entsteht eine stabile HfB^-Verbindung mit einem Schmelzpunkt von 3.300⁰C an der Oberfläche. Beim Silizieren von Zirkon entsteht Zirkonsilizid mit einem Schmelzpunkt von 2.300 C.

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/f ^, - PATENTANWÄLTE

Oben wurde gezeigt, daß eine Diffusionsummantelung und Einsatzhärtung von Zirkon- und Hafniumeinsätzen Reaktionen zwischen dem Einsatz und dem Halter einer Plasmaelektrode verhindern .

Die Einführung von diffusionsummantelten oder einsatzgehärteten Einsätzen in wassergekühlte Kupferhalter sollte jedoch von einer Schutzschicht aus Nickel, Chrom oder Platin auf der Oberfläche des Halters begleitet werden, um einen Verschleiß während des Betriebes zu verringern oder zu verhindern.

Claims

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Frankfurt am Main

02.06.1986

A 7 PG 122

AGA Aktiebolag
S-18181 Lidingö

Elektrode für die Plasmabogenbearbextung

Ansprüche:

fy. Elektrode für die Plasmabogenbearbeitung in aktiven oder inerten Medien, gekennzeichnet durch einen Halter (1) hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, in welchen ein diffusionsummantelter oder einsatzgehärteter Einsatz (4) aus Zirkon oder Hafnium eingepaßt ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4) durch Diffusionsummantelung oder Einsatzhärtung eines Einsatzes aus Zirkon oder Hafnium derart hergestellt ist, daß im Oberflächenbereich eine Diffusionszone (5) mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 2.000 bis 4.000 C vorgesehen ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4) durch Karburierung, Oxinitrierung, Karbonitrierung, Nitrokarburierung, Borierung und/oder Silizierung durch Erhitzen in einem Gas, einem flüssigen Salzbad oder -pulver diffusionsummantelt oder einsatzgehärtet ist.

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4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (1) mit dem Einsatz (4) mit einer korrosionsresistenten und hitzereflektierenden Schicht (6) aus Nickel, Chrom, Nickel-Chrom oder Platin durch Elektroplatierung, PVD-, CVD- und/oder elektroloses Piatieren versehen ist.