JP2009291806A - ガウジング用カーボン電極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた電気特性を有し、かつ長寿命および高信頼性のガウジング用カーボン電極が容易かつ確実に得られるガウジング用カーボン電極の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のガウジング用カーボン電極の製造方法は、炭素質材料を、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する棒状に成形して炭素質成形体を得る第１工程と、炭素質成形体の中空部または切り欠き部に導電性材料を遊挿して複合体を得る第２工程と、前記複合体を熱処理して、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなる電極を得る第３工程と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気アークと高圧エアーにより金属に溶削、切断、溝入れ、斜切、孔あけ、キズ取り等の加工を施すカーボンアーク・ガウジング法に用いられるカーボン電極とその製造方法に関する。

従来のガウジング用カーボン電極を、図１０を参照しながら説明する。図１０（ａ）は、従来のガウジング用カーボン電極の縦断面図（軸方向と垂直な断面図）であり、図１０（ｂ）は、従来のガウジング用カーボン電極の半裁横断面図（軸方向と平行な半裁断面図）である。
図１０に示すように、ガウジング用カーボン電極は、導電性を有する円柱形の炭素棒６１および炭素棒６１の表面を覆う銅めっき層６２からなる。
以下、図１０のガウジング用カーボン電極の製造方法を説明する。黒鉛粉末を主原料に、ピッチ、タール等の結着剤を加えて混練した後、棒状に成形して、炭素質成形体を得る。次に、この成形体を非酸化性雰囲気中にて約１０００℃で焼成し、成形体を炭化させて炭素棒６１を得る。炭素棒６１の両端部を研磨によりテーパ加工した後、数百アンペア以上の大きなアーク電流に耐え得るように、炭素棒６１の表面に十数μｍから百μｍ弱の銅メッキ層６２を設ける。

また、従来の他のガウジング用カーボン電極を、図１１を参照しながら説明する（例えば、特許文献１）。図１１（ａ）は、従来の他のガウジング用カーボン電極の縦断面図（軸方向と垂直な断面図）であり、図１１（ｂ）は、従来の他のガウジング用カーボン電極の半裁横断面図（軸方向と平行な半裁断面図）である。図１１に示すように、ガウジング用カーボン電極は、中空円筒形の炭素棒７１および炭素棒７１の中空部に配された金属製の芯棒７２からなる。

以下、図１１のガウジング用カーボン電極の製造方法を説明する。押出しクロスヘッド装置を用いて、金属製の芯棒の表面に炭素被覆層を形成し、複合体を得る。その後、不活性雰囲気中にて、この複合体を熱処理して炭素被覆層を焼成し、中空円筒形の炭素棒７１および炭素棒７１の中空部に配された芯棒７２からなる電極を得る。
この製造方法では、銅メッキ層形成工程がないため、図１０のガウジング用カーボン電極の製造方法よりも製造コスト低減が可能である。また、焼成時に炭素被覆層が収縮するため、炭素棒は芯棒７２と強固に密着する。
特公昭５８−４７２８０号公報

しかしながら、熱処理時に炭素被覆層が収縮するのに対して、芯棒は急激に膨脹するため、両者の接触面における応力が著しく増大し、炭素棒７１は微小なクラック８１ａを発生しやすい。炭素被覆層の外周にまで到達するクラック８１ａが発生する場合もある。また、熱処理後に芯棒は急速に収縮するため、炭素棒７１の内部では芯棒７２に密着した部分とその外周部との間に円弧状の断層状態の亀裂８１ａを発生しやすい。

異種金属同士を当接させて熱処理する場合、互いの強度が高く、少なからず濡れ性や相溶性を有するため、微小なクラックを生じる可能性は低い。しかし、上記のように炭素被覆層と金属製芯材とを当接させて熱処理する場合、炭素被覆層は強度が低く、金属に対する濡れ性や相溶性を有しないため、上記のような微小なクラック８１ａが発生しやすい。

さらに、押出しクロスヘッド装置を用いた製造方法では、電極が連続的に得られるため、当該電極を所定の寸法に切断する必要があり、切断時の衝撃や振動によりクラックさらに大きくなる場合がある。

このようなクラックにより、電極の電気特性（導電性）が著しく低下して電極の信頼性が低下するだけでなく、アーク放電時に、電極の一部が欠損または破損し、電極が早期寿命となる場合がある。

そこで、本発明は、上記従来の問題を解決するため、優れた電気特性を有し、かつ長寿命および高信頼性のガウジング用カーボン電極およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のガウジング用カーボン電極は、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および前記炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなり、前記炭素棒の体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍであることを特徴とする。

また、本発明は、炭素質材料を、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する棒状に成形して炭素質成形体を得る第１工程と、前記炭素質成形体の中空部または切り欠き部に導電性材料を遊挿して複合体を得る第２工程と、前記複合体を熱処理して、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および前記炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなる電極を得る第３工程と、を含むことを特徴とするガウジング用カーボン電極の製造方法に関する。
前記炭素質材料は、人造黒鉛と、コークスおよびカーボンブラックのうちの少なくとも一方とを含むのが好ましい。

前記人造黒鉛は、炭素純度が９８％以上であるのが好ましい。
前記人造黒鉛は、かさ比重が１１〜２４ｇ／３０ｃｃであるのが好ましい。
前記人造黒鉛は、かさ比重１８〜２４ｇ／３０ｃｃの第１人造黒鉛、およびかさ比重１６〜１１ｇ／３０ｃｃの第２人造黒鉛の混合物であるのが好ましい。

前記コークスは、かさ比重が２０〜３０ｇ／３０ｃｃであるのが好ましい。
前記カーボンブラックは、かさ比重が１０ｇ／３０ｃｃ以下であるのが好ましい。
前記炭素棒は体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍであるのが好ましい。
前記導電性材料は、金属または合金であるのが好ましい。
前記導電性材料は、金属または合金と、バインダーとの混合物であるのが好ましい。
前記導電性材料の融点が、前記工程（３）の熱処理温度よりも低いのが好ましい。

前記金属は、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種であるのが好ましい。
軽量で作業性がしやすく、作業負荷が軽減されるため、これらの中でもアルミニウムが特に好ましい。
前記合金は、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも２種を含むのが好ましい。
前記合金は、さらに、マグネシウム、クロム、インジウム、モリブデン、ロジウム、タングステン、およびイリジウムからなる群より選択される少なくとも１種を含むのが好ましい。

前記合金は、鉄と、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種と、を含むのが好ましい。
前記合金は、さらに、マグネシウム、クロム、インジウム、モリブデン、ロジウム、タングステン、およびイリジウムからなる群より選択される少なくとも１種を含むのが好ましい。
前記切り欠き部における軸方向に垂直な断面形状は、Ｃ字状、Ｉ字状、Ｕ字状 、Ｖ字状、または台形状であり、前記複合体において前記導電性材料の一部は外部に露出するのが好ましい。

本発明によれば、熱処理時の複合体の体積変化による発生する応力を大幅に低減することができるため、電極の炭素棒における微小なクラックの発生が抑制される。これにより、優れた電気特性を有する、長寿命および高信頼性の電極が得られる。

本発明は、ガウンジング用カーボン電極の製造方法に関し、炭素質材料を、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する棒状に成形して炭素質成形体を得る第１工程と、
前記炭素質成形体の中空部または切り欠き部に導電性材料を遊挿して複合体を得る第２工程と、
前記複合体を熱処理して、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および前記炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなる電極を得る第３工程と、
を含む点に特徴を有する。

これにより、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および前記炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなり、炭素棒の体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍの電気特性に優れた電極が得られる。アーク電流に対する耐性を確保するため、炭素棒の軸方向に沿って導電部が配される。好ましくは、炭素棒の体積固有抵抗値は、１〜２ｍΩ・ｃｍである。
なお、ここでいう、「遊挿」とは、導電性材料が炭素質成形体と対向する領域の少なくとも一部において空間が形成されるように、導電性材料を炭素質成形体の中空部または切り欠き部に挿入・充填することを意味する。したがって、導電性材料が炭素質成形体と対向する領域の一部において、導電性材料が炭素質成形体に当接してもよい。

本発明の電極の製造方法では、工程（３）において、炭素質成形体と導電性材料との間に空間が形成された複合体を熱処理する。複合体の熱処理は、炭素質成形体を焼成して炭化させることを目的として実施する。熱処理に伴い、炭素質成形体は収縮すると同時に、導電性材料は膨張する。このとき、上記空間が存在することにより、熱処理における炭素質成形体および導電性材料の体積変化が相互に干渉して発生する応力は分散・吸収される。このため、得られる電極の炭素棒に微小なクラックが発生しない。
熱処理時の炭素質成形体および導電性材料の体積変化により、熱処理後では、この空間はなくなる。熱処理により、炭素質成形体は焼成により炭化して、炭素棒となり、導電性材料は、炭素棒と密着する導電部となる。

熱処理温度は、導電性材料の融点よりも高いのが好ましい。熱処理工程で金属または合金を含む導電性材料が融解して、炭素質成形体の収縮による応力の影響を受けることがなく、炭素棒におけるクラックの発生が抑制される。また、導電部と炭素棒との密着性が向上する。
炭素質成形体と導電性材料との間の空間は、軸方向に沿って連続的に形成されているのが好ましい。この場合、熱処理時の炭素質成形体および導電性材料の体積変化により生じる応力を均一に分散・吸収できる。

以下、炭素質材料について説明する。
炭素質材料は、人造黒鉛と、コークスおよびカーボンブラックのうちの少なくとも一方とを含むのが好ましい。一般に、人造黒鉛は、土状、塊状、および鱗状に分類される天然黒鉛と比較して、結晶性が高く、電気抵抗が低い。人造黒鉛に、コークスやカーボンブラックのような異種炭素質材料を加えて、人造黒鉛粒子間に異種炭素質粒子が占めることにより、炭素質成形体の密度を高め、電気抵抗を低減し、アーク放電時間を延ばすことができる。炭素質材料の平均粒径は、例えば、４０〜５０μｍである。

電気特性の観点から、炭素質材料中の人造黒鉛の配合比率は高いのが好ましい。しかし、炭素質材料中の人造黒鉛の配合比率が高すぎると、製造コストが高くなる。人造黒鉛、コークス、およびカーボンブラックの混合物（炭素質材料）中の人造黒鉛含有量は６０〜８０重量％が好ましい。上記混合物（炭素質材料）中のコークス含有量は１０〜３０重量％が好ましい。上記混合物（炭素質材料）中のカーボンブラック含有量は１０〜２０重量％が好ましい。
当該電極は、ガウジングトーチ等によって胴体側面を固定し、電極の胴体側面から給電される。したがって、中空円筒状の炭素棒を用いた電極では、アーク電流を供給する際の接点は炭素棒の部分に限られるため（電極側面に導電部が露出しないため）、ガウジング作業時のアーク電流の供給ロスが抑制され、本発明の効果がより顕著に得られる。

人造黒鉛は炭素の純度が９８％以上であるのが好ましい。熱処理後に得られる炭素棒の体積固有抵抗値を大幅に低減することができる。
人造黒鉛は、かさ比重が１１〜２４ｇ／３０ｃｃであるのが好ましい。この場合、熱処理後に得られる炭素棒の密度を高め、体積固有抵抗値をさらに低減できる。かさ比重は、例えば、ＪＩＳ−Ｋ５１０１に準拠した測定方法により得られる。

人造黒鉛は、かさ比重１８〜２４ｇ／３０ｃｃの第１人造黒鉛、およびかさ比重１６〜１１ｇ／３０ｃｃの第２人造黒鉛の混合物であるのが好ましい。かさ比重の小さな第２の人造黒鉛の粒子間に、かさ比重の大きな第１の人造黒鉛の粒子が入り込むため、充填性が向上するだけでなく、人造黒鉛粒子間の接触性が増加し、熱処理後の炭素棒の体積固有抵抗をさらに低減できる。このように、上記混合物を用いることにより、電気抵抗を下げる効果と密度を高める効果の両方が得られ、より優れた電気特性を有するガウジング用カーボン電極が得られる。第１人造黒鉛と第２人造黒鉛との混合重量比は、例えば、７０〜９５：３０〜５である。

コークスは、かさ比重が２０〜３０ｇ／３０ｃｃが好ましい。一般に、コークスは、粉砕方法により種々のかさ比重を有する粒子を容易に得ることができるが、熱処理後の炭素棒の密度を高める観点から、コークスのかさ比重は３０ｇ／３０ｃｃ以下が好ましい。また、かさ密度２０ｇ／３０ｃｃ未満の場合、実質的な効果の増大は得られにくい。他の炭素質材料で、かさ比重の大きい材料の入手が難しい場合、上記コークスを使用すればよく、より優れた電気特性を有するガウジング用カーボン電極が得られる。

カーボンブラックは、かさ比重が１０ｇ／３０ｃｃ以下であるのが好ましい。一般に、炭素質材料の中でもカーボンブラックは、かさ比重が低いという特性がある。かさ比重１０ｇ／３０ｃｃ以下である、かさ比重の低いカーボンブラックを使用することにより、炭素質材料間の小さな隙間にカーボンブラック粒子が入り込み、充填性が向上するだけでなく、人造黒鉛粒子間の接触性が向上するため、熱処理後の炭素棒の体積固有抵抗をさらに低減できる。より優れた電気特性を有するガウジング用カーボン電極が得られる。カーボンブラックは、例えば、かさ比重が５ｇ／３０ｃｃ以上である。

以下、導電性材料について説明する。
導電性材料は、金属もしくは合金、または金属もしくは合金と、バインダーとの混合物からなる。例えば、導電性材料には、棒状の金属または合金、または粒子径が数十μｍ〜数百μｍのフィラーとしての金属粉末または合金粉末と、バインダーとの混合物を所定形状に成形した成形体が用いられる。バインダーには、例えば、粉末状のキシレン樹脂やベークライトが用いられる。混合物中の金属粉末または合金粉末の割合は、充分な電気特性を確保するため、６５重量％以上が好ましい。
また、金属粉末または合金粉末に、バインダーとして液状のエポキシ系接着剤を加えて、高粘度のペースト状の組成物を得、炭素質成形体の中空部または切り欠き部に、直接充填してもよい。

金属または合金の融点は、熱処理温度よりも低いのが好ましい。熱処理工程で金属または合金が融解して、炭素質成形体の収縮による応力の影響を受けることなく、炭素棒におけるクラックの発生が抑制される。また、導電部と炭素棒との密着性が向上する。
金属は、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種であるのが好ましい。異種金属を組み合わせて用いる場合、金属粉末を混合して用いてもよく、合金化して用いてもよい。これらの中でも、低抵抗のアルミニウムが特に好ましい。

合金は、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも２種を含むのが好ましい。
また、合金は、鉄と、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種とを含むのが好ましい。安価な導電性材料が得られる。

上記合金は、さらに、マグネシウム、クロム、インジウム、モリブデン、ロジウム、タングステン、およびイリジウムからなる群より選択される少なくとも１種を含むのが好ましい。貴金属に近い低い固有抵抗値を有し、導電部の抵抗がさらに低下し、導電性材料の使用量を低減でき、経済的である。

以下、本発明の電極およびその製造方法の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
本実施形態の電極を、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本実施形態の電極の縦断面図（軸方向に垂直な断面図）であり、図１（ｂ）は本実施形態の電極の半裁横断面図（軸方向に平行な半裁断面図）である。電極は、中空円筒状の炭素棒１および炭素棒１の中空部に配される導電部２からなる。

以下、本実施形態の電極の製造方法を示す。炭素質材料を、中空円筒状に成形して成形体１ａを得る（第１工程）。成形体１ａの中空部４に円柱状の導電性材料２ａを遊挿し、図２に示す複合体を得る（第２工程）。複合体を熱処理し、図１に示す、中空円筒状の炭素棒１および炭素棒１の中空部に配される導電部２からなる電極を得る（第３工程）。さらに、図１（ｂ）に示すように、電極の先端にテーパを設ける。

従来の電極の製造方法では、図３に示すように、金属製の芯棒７２ａを炭素質材料で覆い、これを成形することにより、金属製の芯棒７２ａが炭素質成形体７１ａで覆われた複合体が得られる。このため、複合体において炭素質成形体７１ａと芯棒７２ａとの間には空間は形成されない。したがって、熱処理時による炭素質成形体７１ａおよび芯棒７２ａの体積変化が相互に干渉して発生する応力により、図１１に示すように、炭素棒７１に微小なクラック８１ａが発生する。このように、従来の製造方法により得られる電極では、炭素棒に微小なクラックが存在するため、炭素棒の体積固有抵抗値は約４ｍΩ・ｃｍ程度である。

これに対して、本発明の電極の製造方法では、図２に示すように、導電性材料２ａは、炭素質成形体１ａの中空部４に遊挿されるため、炭素質成形体１ａと導電性材料２ａとの間に空間３が形成される。これにより、工程（３）において、炭素質成形体１ａおよび導電性材料２ａの熱処理による体積変化が相互に干渉して発生する応力を分散・吸収することができ、炭素質成形体１ａに微小なクラックが発生しない。このため、炭素棒の体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍである電気特性に優れた電極が得られる。また、長寿命および高信頼性の電極が得られる。

熱処理前では、炭素質成形体１ａと導電性材料２ａとの間に空間が存在するが、熱処理時に、炭素質成形体１ａおよび導電性材料２ａが体積変化を生じることにより、熱処理後において、この空間３はなくなり、炭素棒１は導電部２と密着する。
熱処理は非酸化性雰囲気下で実施する。熱処理温度および時間は、炭素質成形体１ａおよび導電性材料２ａに用いられる材料に応じて適宜決めればよい。
熱処理温度は、導電性材料２ａの融点よりも高いのが好ましい。熱処理工程で導電性材料が融解して、炭素質成形体の収縮による応力の影響を受けることがなく、炭素棒におけるクラックの発生が抑制される。また、導電部と炭素棒との密着性が向上する。
炭素質成形体１ａと導電性材料２ａとの間の空間３は、軸方向に沿って連続的に形成されているため、熱処理時の炭素質成形体１ａおよび導電性材料２ａの体積変化により生じる応力を均一に分散・吸収できる。

導電性材料２ａの径は、炭素質成形体１ａの内径よりも小さい。熱処理時の炭素質成形体１ａおよび導電性材料２ａの体積変化の観点および熱処理後の炭素棒１と導電部２との密着性の観点から、導電性材料２ａの径は、炭素質成形体１ａの内径よりも５〜８％だけ小さいのが好ましい。本実施形態では、円柱状の導電性材料を１つ遊挿するが、導電性材料の大きさに応じて、中空部に複数個の導電性材料を遊挿してもよい。

（実施形態２）
本実施形態の電極を、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は、本実施形態の電極の縦断面図（軸方向に垂直な断面図）であり、図４（ｂ）は、本実施形態の電極の半裁横断面図（軸方向に平行な半裁断面図）である。電極は、側面に切り欠き部を有する円柱状の炭素棒１１および炭素棒１１の切り欠き部に配される導電部１２からなる。切り欠き部は、軸方向に沿って設けられ、軸方向に垂直な断面の形状はＵ字状である。

以下、本実施形態の図４の電極の製造方法を説明する。炭素質材料を、側面に、軸方向に沿って、軸方向に垂直な断面がＵ字状の切り欠き部１４を有する炭素質成形体１１ａを得る（第１工程）。炭素質成形体１１ａの切り欠き部１４に円柱状の導電性材料１２ａを遊挿し、図５に示す複合体を得る（第２工程）。複合体を熱処理し、図４に示す、側面に切り欠き部を有する円柱状の炭素棒１１および炭素棒１１の切り欠き部に配される導電部１２からなる電極を得る（第３工程）。さらに、図４（ｂ）に示すように、電極の先端にテーパを設ける。

本発明の電極の製造方法では、図５に示すように、導電性材料１２ａは、炭素質成形体１１ａの切り欠き部１４に遊挿される。このため、炭素質成形体１１ａと導電性材料１２ａとの間に空間１３が形成されるとともに、導電性材料１２ａの一部が外部に露出する。これにより、工程（３）において、炭素質成形体１１ａおよび導電性材料１２ａの熱処理による体積変化が相互に干渉して発生する応力を分散・吸収することができ、炭素棒１１に微小なクラックが発生しない。このため、炭素棒の体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍである電気特性に優れた電極が得られる。また、長寿命および高信頼性の電極が得られる。

熱処理前では、炭素質成形体１１ａと導電性材料１２ａとの間に空間１３が存在するが、熱処理時に、炭素質成形体１１ａおよび導電性材料１２ａが体積変化を生じることにより、熱処理後において、この空間１３はなくなり、炭素棒１１は導電部１２と密着する。
熱処理は非酸化性雰囲気下で実施する。熱処理温度および時間は、炭素質成形体および導電性材料に用いられる材料に応じて適宜決めればよい。
熱処理温度は、導電性材料１２ａの融点よりも高いのが好ましい。熱処理工程で導電性材料が融解して、炭素質成形体の収縮による応力の影響を受けることがなく、炭素棒におけるクラックの発生が抑制される。また、導電部と炭素棒との密着性が向上する。
導電性材料の大きさは、成形体の切り欠き部の大きさに応じて適宜決めればよい。
本実施形態では、円柱状の導電性材料を１つ遊挿するが、導電性材料の大きさに応じて、切り欠き部に複数個の導電性材料を遊挿してもよい。

本実施形態では、切り欠き部の軸方向に垂直な断面形状がＵ字状である炭素質成形体を用いているが、切り欠き部の断面形状は、これ以外でもよい。例えば、図６〜９に示す、断面形状がＶ字状の切り欠き部２４を有する成形体２１ａ、断面形状がＣ字状の切り欠き部３４を有する成形体３１ａ、断面形状がＩ字状の切り欠き部４４を有する成形体４１ａ、または断面形状が台形状の切り欠き部５４を有する成形体５１ａを用いてもよい。台形状の切り欠き部５４は、底部から上部（開口側）に向かうにつれて、幅方向の寸法が小さくなるような形状を有する。したがって、導電性材料を切り欠き部内に安定して保持しやすい。また、炭素質成形体において、上記切り欠き部を複数個設けてもよく、これらの切り欠き部は互いに同形状でもよく、異形状でもよい。

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
《実施例１〜３》
以下の手順で、図１に示す炭素棒の中空部に導電部が配された電極を作製した。
（１）炭素質成形体の作製
人造黒鉛（（株）小林商事製、かさ比重１８〜２４ｇ／３０ｃｃ、炭素の純度９９％）と、カーボンブラック（中国合成樹脂（有）製、Ｎ７７４、かさ比重６〜１０ｇ／３０ｃｃ）と、コークス（中国炭素（有）製、ＣＤＱ、かさ比重２２〜２６ｇ／３０ｃｃ）とを、表１に示す比率で混合した。炭素質材料の混合物７１重量部に、ピッチＡ（中国炭素（有）製、ＩＰ６２）１６重量部と、ピッチＢ（中国炭素（有）製、ＢＰ９０）１３重量部とを加え、Ｚ式攪拌機にて１時間混練し、成形用混練物を得た。

所定形状の口金を備えたスクリュープレスにより、成形用混練物を中空円筒形に成形して、図２に示す中空円筒形の炭素質成形体１ａ（外径９．８ｍｍ、内径３．１ｍｍ、長さ３１０ｍｍ）を得た。

炭素質成形体１ａの中空部に、導電性材料２ａとして、径３．０ｍｍ、長さ３０５ｍｍの円柱状Ａｌ棒（Alco Tec社製、融点６６０℃、体積固有抵抗値２．６μΩ・ｃｍ）の１本を遊挿し、図２に示す複合体を得た。
トレー内に複数の複合体を同軸方向に並べた。このとき、中空部の開口を塞ぐように複合体間毎に黒鉛板を配置した。トレー内にコークス片を充填し、非酸化性雰囲気中にて９８０℃で７２時間熱処理した。熱処理により、炭素質成形体１ａは炭化し、導電材料２ａは融解した。これに伴い空間が消滅し、中空円筒形の炭素棒１の中空部に導電部２が密着して配された電極を作製した。電極を自然冷却した後、両端をテーパ状に研磨した。このようにして、図１に示す電極を得た。

《実施例４》
第１の人造黒鉛（（株）小林商事製、かさ比重１８〜２４ｇ／３０ｃｃ、炭素の純度９９％）４３重量部と、第２の人造黒鉛（（株）小林商事製、かさ比重１１〜１６ｇ／３０ｃｃ、炭素の純度９９％）１４重量部と、カーボンブラック（中国合成樹脂（有）製、Ｎ７７４、かさ比重６〜１０ｇ／３０ｃｃ）７重量部と、コークス（中国炭素（有）製、ＣＤＱ、かさ比重２２〜２６）７重量部と、ピッチＡ（中国炭素（有）製、ＩＰ６２）１６重量部と、ピッチＢ（中国炭素（有）製、ＢＰ９０）１３重量部とを混合し、成形用混練物を得た。この成形用混練物を用いた以外、実施例１と同様の方法により電極を得た。

《実施例５》
導電性材料に、円柱状Ａｌ−Ｃｕ合金棒（（株）日鉱マテリアルズ製、Ａｌ７０重量％、Ｃｕ３０重量％、融点１０９０℃、体積固有抵抗値２．４μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例６》
導電性材料に、円柱状Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｕ合金棒（大和金属粉工業（株）製、Ｆｅ６０重量％、Ａｌ３０重量％、Ｃｕ１０重量％、融点１５５０℃、体積固有抵抗値７．０μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例７》
導電性材料に、円柱状Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金棒（大和金属粉工業（株）製、Ａｌ７０重量％、Ｚｎ１５重量％、Ｍｇ１５重量％、融点７００℃、体積固有抵抗値３．５μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例８》
導電性材料に、円柱状Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金棒（大和金属粉工業（株）製、Ｆｅ５９重量％、Ａｌ３０重量％、Ｃｕ１０重量％、Ｍｇ１重量％、融点１５５０℃、体積固有抵抗値６．４μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例９》
導電性材料に、平均粒径２０μｍのＡｌ粉末（大和金属粉工業（株）製）８５重量部およびキシレン樹脂（フドー（株）製）１５重量部の混合物を、径３．０ｍｍおよび長さ３０５ｍｍの円柱状に成形した材料（融点６６０℃、体積固有抵抗値０．７５ｍΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例１０》
導電性材料に、平均粒径２０μｍのＡｌ粉末（大和金属粉工業（株）製）６５重量部およびキシレン樹脂（フドー（株）製）３５重量部の混合物（融点６６０℃、体積固有抵抗値１．８ｍΩ・ｃｍ）を用い、これを炭素質成形体の中空部にディスペンサーを用いて充填した以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。このとき、中空部における混合物の充填率は約９５％であり、炭素質成形体と充填物との間に空間が形成された。

《実施例１１》
導電性材料に、平均粒径３５μｍの合金粉末（大和金属粉工業（株）製、Ｆｅ６０重量％、Ａｌ３０重量％、Ｃｕ１０重量％、融点１５５０℃、体積固有抵抗値０．７５ｍΩ・ｃｍ）８５重量部およびキシレン樹脂（フドー（株）製）１５重量部の混合物を、径３．０ｍｍおよび長さ３０５ｍｍの円柱状に成形した材料を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例１２》
導電性材料に、平均粒径５０μｍのＡｌ粉末５６重量部、平均粒径５０μｍのＺｎ粉末１２重量部、平均粒径５０μｍのＭｇ粉末１２重量部、およびキシレン樹脂（フドー（株）製）２０重量部の混合物を、径３．０ｍｍおよび長さ３０５ｍｍの円柱状に成形した材料（融点６６０℃（Ａｌ）、体積固有抵抗値１．０ｍΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１と同様の方法により、電極を作製した。原料には、大和金属粉工業（株）製の材料を用いた。

《実施例１３》
以下の手順で、図４に示す炭素棒側面の切り欠き部に導電部が配された電極を作製した。
（１）炭素質成形体の作製
所定形状の口金を備えたスクリュープレスにより、実施例４と同じ成形用混練物を、軸方向に沿って、軸方向に垂直な断面が矩形状の切り欠き部（幅２．２ｍｍ、深さ４．５ｍｍ）を有する径９．８ｍｍ、長さ３１０ｍｍの円柱状に成形し、図５に示す炭素質成形体１１ａを得た。

（２）電極の作製
炭素質成形体１１ａの切り欠き部１４に、導電性材料１２ａとして円柱状Ａｌ棒（Alco Tec社製）（径２．０ｍｍ、長さ３０５ｍｍ、融点６６０℃、体積固有抵抗値２．６μΩ・ｃｍ）の２本を並列に遊挿し、複合体を得た。
複合体の両端を塞ぐ壁としての機能を備えた黒鉛板からなるトレー内に複合体を整列させて、トレー内にコークス片を充填し、非酸化性雰囲気中にて９８０℃で７２時間熱処理し、炭素棒１１の切り欠き部に導電部１２が密着して配された電極を作製した。電極を自然冷却した後、両端をテーパ状に研磨した。このようにして、図４に示す電極を作製した。

《実施例１４》
実施例１３と同じ炭素質成形体の切り欠き部に、導電性材料として円柱状Ａｌ棒（Alco Tec社製）（径３．０ｍｍ、長さ３０５ｍｍ、融点６６０℃、体積固有抵抗値２．６μΩ・ｃｍ）の１本を遊挿し、複合体を得た。この複合体を用いた以外、実施例１３と同様の方法により電極を作製した。

《実施例１５》
導電性材料に、円柱状Ａｌ−Ｃｕ合金棒（（株）日鉱マテリアルズ製、Ａｌ７０重量％、Ｃｕ３０重量％、融点１０９０℃、体積固有抵抗値２．４μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１３と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例１６》
導電性材料に、円柱状Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｕ合金棒（大和金属粉工業（株）製、Ｆｅ６０重量％、Ａｌ３０重量％、Ｃｕ１０重量％、融点１５５０℃、体積固有抵抗値７．０μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１３と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例１７》
導電性材料に、円柱状Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金棒（大和金属粉工業（株）製、Ａｌ７０重量％、Ｚｎ１５重量％、Ｍｇ１５重量％、融点７００℃、体積固有抵抗値３．５μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１３と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例１８》
導電性材料に、円柱状Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金棒（大和金属粉工業（株）製、Ｆｅ５９重量％、Ａｌ３０重量％、Ｃｕ１０重量％、Ｍｇ１重量％、融点１５５０℃、体積固有抵抗値６．４μΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１３と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例１９》
導電性材料に、平均粒径２０μｍのＡｌ粉末（大和金属粉工業（株）製）８５重量部およびキシレン樹脂（フドー（株）製）１５重量部の混合物を、径３．０ｍｍおよび長さ３０５ｍｍの円柱状に成形した材料（融点６６０℃、体積固有抵抗値０．７５ｍΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１４と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例２０》
導電性材料に、平均粒径２０μｍのＡｌ粉末（大和金属粉工業（株）製）６５重量部およびキシレン樹脂（フドー（株）製）３５重量部の混合物（融点６６０℃、体積固有抵抗値１．８ｍΩ・ｃｍ）を用い、これを炭素質成形体の切り欠き部にディスペンサーを用いて充填した以外、実施例１４と同様の方法により、電極を作製した。このとき、切り欠き部内の混合物の充填率は約９５％であり、切り欠き部と混合物との間に空間部が形成された。

《実施例２１》
導電性材料に、平均粒径３５μｍの合金粉末（大和金属粉工業（株）製、Ｆｅ６０重量％、Ａｌ３０重量％、Ｃｕ１０重量％、融点１５５０℃、体積固有抵抗値０．７５ｍΩ・ｃｍ、）８５重量部およびキシレン樹脂（フドー（株）製）１５重量部の混合物を、径３．０ｍｍおよび長さ３０５ｍｍの円柱状に成形した材料を用いた以外、実施例１４と同様の方法により、電極を作製した。

《実施例２２》
導電性材料に、平均粒径５０μｍのＡｌ粉末５６重量部、平均粒径５０μｍのＺｎ粉末１２重量部、平均粒径５０μｍのＭｇ粉末１２重量部、およびキシレン樹脂（フドー（株）製）２０重量部の混合物を、径３．０ｍｍおよび長さ３０５ｍｍの円柱状に成形した材料（融点６６０℃（Ａｌ）、体積固有抵抗値１．０ｍΩ・ｃｍ）を用いた以外、実施例１４と同様の方法により、電極を作製した。金属粉末には、大和金属粉工業（株）製の材料を用いた。

《比較例１》
実施例４と同じ炭素質混練物を用いて、従来の方法により電極を作製した。具体的には、円柱状Ａｌ棒（径３．０ｍｍ、長さ３０５ｍｍ）の側面に、実施例４と同じ炭素質混練物を密着させて巻きつけながら成形し、図３に示す円柱状Ａｌ棒（芯棒７２ａ）およびＡｌ棒を覆う中空円筒形の炭素質成形体７１ａ（外径９．８ｍｍ、内径３．１、長さ３１０ｍｍ）からなる複合体を得た。この複合体を用いて、実施例１と同様の方法により電極を作製した。

本発明の実施例１〜２２の電極を用いて、鋼板の溶削作業を試みた。その結果、いずれ井の電極を用いた場合でも、アーク放電中に電極が欠損することなく、充分な実用性（信頼性）を有することが確認された。

また、本発明の実施例１〜２２の方法により得られた電極、および従来の比較例１の方法により得られた電極における炭素棒の一部を一定の大きさ（断面積×長さ）に切り出し、その両端に所定の電流を一定に流し、電流を流した際にその両端に生じる電位差から炭素棒の体積固有抵抗値を測定した。その結果を表２に示す。

実施例１〜２２の電極では、炭素棒の体積固有抵抗値は２．４ｍΩ・ｃｍ以下の優れた電気特性（導電性）が得られた。特に、実施例４〜２２では、炭素棒の体積固有抵抗値が１．６ｍΩ・ｃｍである、より優れた電気特性を有する電極が得られた。これは、実施例１〜２２の電極作製時の複合体では、炭素質成形体と導電性材料との間に隙間が存在するため、複合体熱処理時において炭素質成形体および導電性材料の体積変化により発生する応力が大幅に低減され、得られる電極において炭素棒のクラックの発生が抑制され、炭素棒の導電性が向上したためであると考えられる。

比較例１の電極では、実施例１〜２２の電極と比べて、炭素棒の体積固有抵抗値は３．９ｍΩ・ｃｍと大幅に上昇した。これは、比較例１の電極作製時の複合体では、炭素質成形体と導電性材料との間に隙間が設けられていないため、複合体熱処理時において炭素質成形体および導電性材料の体積変化により発生する応力により、炭素棒にクラックが発生し、炭素棒の導電性が低下したためであると考えられる。

上記実施例では、切り欠き部の断面形状がＵ字状の炭素成形体を用いたが、図６〜９に示す、切り欠き部の断面形状が、Ｖ字状、Ｃ字状、Ｉ字状、および台形状の炭素成形体を用いた場合でも、上記と同様の結果が得られる。切り欠き部を複数個設けてもよく、これらの切り欠き部は互いに同形状でもよく、異形状でもよい。

本発明のガウジング用カーボン電極は、優れた経済性および高い信頼性を有し、鉄骨や橋梁、船舶等の広幅、長尺製品を得るためのカーボンアーク・ガウジング法による鋼板の加工に好適に用いられる。

本発明の実施形態１のガウジング用カーボン電極の縦断面図および半裁横断面図である。 本発明の実施形態１の製造方法における第２工程で得られる複合体の縦断面図である。 従来の電極の製造方法で用いられる複合体の縦断面図である。 本発明の実施形態２のガウジング用カーボン電極の縦断面図および半裁横断面図である。 本発明の実施形態２の製造方法における第２工程で得られる複合体の縦断面図である。 本発明の実施形態２の製造方法で用いられる切り欠き部の断面がＶ字状である炭素質成形体の縦断面図である。 本発明の実施形態２の製造方法で用いられる切り欠き部の断面がＣ字状である炭素質成形体の縦断面図である。 本発明の実施形態２の製造方法で用いられる切り欠き部の断面がＩ字状である炭素質成形体の縦断面図である。 本発明の実施形態２の製造方法で用いられる切り欠き部の断面が台形状である炭素質成形体の縦断面図である。 従来のガウジング用カーボン電極の縦断面図および半裁横断面図である。 従来の他のガウジング用カーボン電極の縦断面図および半裁横断面図である。

符号の説明

１、１１ 炭素棒
１ａ、１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ 炭素質成形体
２、１２ 導電部
２ａ、１２ａ 導電性材料
３、１３ 空間
４ 中空部
１４、２４、３４、４４、５４ 切り欠き部

Claims (18)

1. 軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および前記炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなり、
   前記炭素棒の体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍであることを特徴とするガウジング用カーボン電極。
2. 炭素質材料を、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する棒状に成形して炭素質成形体を得る第１工程と、
   前記炭素質成形体の中空部または切り欠き部に導電性材料を遊挿して複合体を得る第２工程と、
   前記複合体を熱処理して、軸方向に沿って中空部または切り欠き部を有する炭素棒、および前記炭素棒の中空部または切り欠き部に密着して配された導電部からなる電極を得る第３工程と、
   を含むことを特徴とするガウジング用カーボン電極の製造方法。
3. 前記炭素質材料は、人造黒鉛と、コークスおよびカーボンブラックのうちの少なくとも一方とを含む請求項２記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
4. 前記人造黒鉛は、炭素純度が９８％以上である請求項３記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
5. 前記人造黒鉛は、かさ比重が１１〜２４ｇ／３０ｃｃである請求項３記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
6. 前記人造黒鉛は、かさ比重１８〜２４ｇ／３０ｃｃの第１人造黒鉛、およびかさ比重１６〜１１ｇ／３０ｃｃの第２人造黒鉛の混合物である請求項３記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
7. 前記コークスは、かさ比重が２０〜３０ｇ／３０ｃｃである請求項３記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
8. 前記カーボンブラックは、かさ比重が１０ｇ／３０ｃｃ以下である請求項３記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
9. 前記炭素棒は体積固有抵抗値が１〜３ｍΩ・ｃｍである請求項２記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
10. 前記導電性材料は、金属または合金である請求項２記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
11. 前記導電性材料は、金属または合金と、バインダーとの混合物である請求項２記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
12. 前記導電性材料の融点は、前記工程（３）の熱処理温度よりも低い請求項１０または１１記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
13. 前記金属は、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種である請求項１０または１１記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
14. 前記合金は、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも２種を含む請求項１０または１１記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
15. 前記合金は、さらに、マグネシウム、クロム、インジウム、モリブデン、ロジウム、タングステン、およびイリジウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む請求項１４記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
16. 前記合金は、鉄と、亜鉛、鉛、スズ、およびアルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種と、を含む請求項１０または１１記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
17. 前記合金は、さらに、マグネシウム、クロム、インジウム、モリブデン、ロジウム、タングステン、およびイリジウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む請求項１６記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。
18. 前記炭素質成形体の切り欠き部の軸方向に垂直な断面形状は、Ｃ字状、Ｉ字状、Ｕ字状、Ｖ字状、または台形状であり、
    前記複合体において前記導電性材料の一部は外部に露出する請求項２記載のガウジング用カーボン電極の製造方法。

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