JP2011014295A

JP2011014295A - プラズマ電極の製造方法及びプラズマ電極

Info

Publication number: JP2011014295A
Application number: JP2009155581A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Tanaka; 和士田中; Akihiro Takeuchi; 章浩竹内; Shuji Kobayashi; 修二小林; Daisuke Ihara; 大輔伊原; Masayuki Nagabori; 正幸長堀
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc; Nissan Tanaka Corp
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc; Nissan Tanaka Corp
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】
ＨｆＣ（炭化ハフニウム）からなる陰極チップの寿命の向上を図ることができるプラズマ電極の製造方法及びプラズマ電極を提供する。
【解決手段】
銅又は銅合金からなる電極ブランク材１０の先端面に設けられた嵌合凹部２０（被挿入部）内に炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップ３０を挿入して銀ろう付けする。この結果、低熱伝導率の陰極チップは、銀ろうを介して熱伝導率の高い銅又は銅合金からなる電極ブランク材１０に密接するため、寿命を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ電極の製造方法及びプラズマ電極に関する。

従来、プラズマ電極に使用される陰極の材質は、種々のものが提案されている。特許文献１では、炭化タンタル、又は炭化タンタルにタンタル、炭化ハフニウム等を添加した陰極が開示されている。特許文献２では、炭化ハフニウム及び／又は炭化ジルコニウムの陰極材料にＬａＢ_４を添加したものが開示されている。前記特許文献１、２では、炭化ハフニウムを単独で陰極として使用されてはいないが、特許文献３では、炭化ハフニウムを単独で使用する例も開示されている。

炭化ハフニウムは高温において耐酸化性がよく高融点であるため、炭化ハフニウムを活用した焼結材料はアークプラズマ用切断電極への適用が望まれている。しかしながら、炭化ハフニウムの融点は３８８７℃と非常に高く、炭化ハフニウム単体で緻密な焼結体を得ることは困難であった。しかし、特許文献４により、炭化ハフニウムを緻密な焼結体を得る製造方法が提案され、炭化ハフニウムをプラズマ電極として工業的に使用することが期待できるようになった。

特開平８−１４８２９４号公報特開平５−２５５７９号公報特開平３−２９４０８７号公報特開２００１−２６１４４０号公報

ところで、ＨｆＣ（炭化ハフニウム）の焼結体からなる陰極チップを電極ブランク材に組み込む方法は、カシメ方法、鋳込み方法等がある。しかし、いずれも、炭化ハフニウムを単独で陰極として使用する場合、電極ブランク材に対する陰極の取付の仕方により、陰極チップの消耗量が大きく、寿命が短い問題があった。

なお、特許文献３では、炭化ハフニウム単体を陰極として使用した場合、該陰極の寿命が延びることが開示されているが、どのようにして炭化ハフニウムを電極ブランク材に対して固定するかについては開示されておらず、炭化ハフニウムを電極ブランク材に対する固定する方法の影響については全く考慮されていない。

本発明の目的は、上記問題点を解消するためになされたものであり、ＨｆＣ（炭化ハフニウム）からなる陰極チップの寿命の向上を図ることができるプラズマ電極の製造方法及びプラズマ電極を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、銅又は銅合金からなる電極ブランク材の先端面に設けられた被挿入部内に炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップを挿入して銀ろう付けすることを特徴とするプラズマ電極の製造方法を要旨とするものである。

請求項２の発明は、炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップが、銅又は銅合金からなる電極ブランク材の先端面に設けられた被挿入部に対して挿入されて銀ろう付けされていることを特徴とするプラズマ電極を要旨とするものである。

請求項１の発明によれば、銅又は銅合金からなる電極ブランク材の先端面に設けられた被挿入部内に炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップを挿入して銀ろう付けすることにより、低熱伝導率の陰極チップが銀ろうを介して電極ブランク材と密接に接合されるため、陰極チップでの熱が良好に電極ブランク材に伝達されて陰極チップの寿命の向上を図ることができる。

請求項２の発明によれば、炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップが、銅又は銅合金からなる電極ブランク材の先端面に設けられた被挿入部に対して挿入されて銀ろう付けされていることにより、低熱伝導率の陰極チップが電極ブランク材と銀ろうを介して密接に接合されているため、陰極チップでの熱が良好に電極ブランク材に伝達されて陰極チップの寿命の向上を図ることができるプラズマ電極を提供できる。

プラズマ電極の構造を示す断面図。実施例と比較例の切断回数及び陰極チップの消耗深さを示すグラフ。

以下、本発明のプラズマ電極の製造方法、及びプラズマ電極を具体化した実施形態を図１を参照して説明する。図１に示すように電極ブランク材１０は、有底円筒状に形成されている。電極ブランク材１０の材質は、銅又は銅合金が好ましい。電極ブランク材１０の先端は底部となっており、その先端面には、被挿入部としての嵌合凹部２０が電極ブランク材１０の軸心方向に延びて形成されている。嵌合凹部２０内には陰極チップ３０が挿入されて銀ろう付けされている。

銀ろうには、Ａｇ−Ｃｕの二元素系とＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎの三元素系があり、さらに、添加元素としてＣｄ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｌｉが添加されているものもあるが、本実施形態において使用する銀ろうはその種類は問わない。一般に銀ろうはフラックスを必要とするが、ＺｎとＣｄが入っていない銀ろうは、真空中でフラックスを使用しないでろう付けが可能である。この真空で陰極チップ３０を銀ろう付けしてもよい。

陰極チップ３０は、炭化ハフニウム焼結体から構成されている。炭化ハフニウム焼結体は、炭化ハフニウム粉末を焼成温度１８００〜２０００℃の範囲で、かつ、加圧力４０〜７０ＭＰａの範囲にすることにより、相対密度を８０％以上のものが得られる。なお、加圧力を４０ＭＰａ以下とすることは相対密度が低下して好ましくなく、７０ＭＰａを越えると、加圧時に前記炭化ハフニウム粉末を収納するダイの割れなど装置に対する負担が大きくなる。特に、炭化ハフニウム焼結体の相対密度が９８％以上のものは、陰極チップとして好ましい。

ここで、「相対密度％」は、次式のように物体の嵩比重を真比重に対する百分率で表したものである。
相対密度％＝（嵩比重／真比重）ｘ１００
なお、嵩比重＝重量／外形容積、真比重＝重量／真容積
である。

上記のように構成されたプラズマ電極は、嵌合凹部２０に対して炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップ３０を挿入して電極ブランク材１０対して銀ろう付けすることにより、得ることができる。

さて、本実施形態では下記の特徴がある。
（１）本実施形態のプラズマ電極の製造方法は、銅又は銅合金からなる電極ブランク材１０の先端面に設けられた嵌合凹部２０（被挿入部）内に炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップ３０を挿入して銀ろう付けする。この結果、低熱伝導率の陰極チップは、銀ろうを介して熱伝導率の高い銅又は銅合金からなる電極ブランク材１０に密接するため、陰極チップでの熱が良好に電極ブランク材に伝達されて寿命を向上することができる。

（２）本実施形態のプラズマ電極は、炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップ３０が、銅又は銅合金からなる電極ブランク材１０の先端面に設けられた嵌合凹部２０（被挿入部）に対して挿入されて銀ろう付けされている。この結果、低熱伝導率の陰極チップ３０は、銀ろうを介して熱伝導率の高い銅又は銅合金からなる電極ブランク材１０に密接するため、陰極チップでの熱が良好に電極ブランク材に伝達されて寿命を向上することができる。

次に、陰極チップ３０を銀ろう付けしたプラズマ電極の実施例を説明する。
実施例と比較例のプラズマ電極の構成は、直径５ｍｍの銅製の電極ブランク材１０の先端面に嵌合凹部２０（φ１．６ｍｍ×８ｍｍ）が形成され、該嵌合凹部２０内に、それぞれφ１．６ｍｍ×６ｍｍのＨｆＣの陰極チップが挿入された状態のものを形成した。比較例１，２、及び実施例の電極ブランク材１０に対する陰極チップの固定は、それぞれ下記の方法で行った。

比較例１は、陰極チップを被挿入部である凹部内に挿入した後、かしめした。比較例２は、電極ブランク材１０に陰極チップを鋳込み加工した。実施例は、電極ブランク材１０に陰極チップ３０を真空で銀ろう付けを行った。実施例では、銀ろうで均一に接合するため、陰極チップ３０と電極ブランク材１０とのクリアランスを０．１ｍｍに設定し、真空下で加熱しながら銀ろう付けで接合した。

上記のように構成した比較例１，２のプラズマ電極は、酸素プラズマ切断装置（田中製作所製、オリエント２５０）に装着して、板厚２５ｍｍの軟鋼材を出力電流２５０Ａにて約３０秒切断し、陰極チップの消耗深さが１．５ｍｍ以上になるまで切断を行い、そのとき迄の切断回数及び陰極チップの消耗深さを測定した。比較例では、酸素プラズマ切断装置の酸素流量は４５Ｌ／ｍｉｎ、酸素圧力は０．５ＭＰａ、冷却水圧力は０．５ＭＰａで行った。

又、実施例のプラズマ電極は、酸素プラズマ切断装置（田中製作所製、ペガサス５００）に装着して、板厚２５ｍｍの軟鋼材を出力電流３００Ａにて約３０秒切断し、陰極チップの消耗深さが１．６５ｍｍ以上になるまで切断を行い、そのとき迄の切断回数及び陰極チップの消耗深さを測定した。実施例では、酸素プラズマ切断装置の酸素流量は５０Ｌ／ｍｉｎ、酸素圧力は０．５ＭＰａ、冷却水圧力は０．５ＭＰａで行った。なお、比較例１，２及び実施例の軟鋼材の切断距離は４００ｍｍ、切断速度は８００ｍｍ／ｍｉｎとした。

比較例１，２及び実施例の切断回数及び陰極チップの消耗深さの結果は、図２に示す結果となった。
比較例１のプラズマ電極は、陰極チップと電極ブランク材の間に隙間が見られるため、寿命時間も短いものとなった。比較例２のプラズマ電極は鋳込み時に行ったＣｕ間の接合に問題があり、寿命時間が短いものとなった。それに対して実施例の陰極チップを銀ろう付けしたプラズマ電極では、銀ろうと電極ブランク材との密着性が良好に行われて寿命が向上した結果が得られた。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、前記実施形態の構成を下記のように変更してもよい。
○ 前記銅製の電極ブランク材に設けられた被挿入部を凹部の代わりに、電極ブランク材の内部の筒孔に貫通する貫通孔を底部に形成してもよく、該貫通孔内に前記陰極チップを銀ろう付けしてもよい。

１０…電極ブランク材、２０…嵌合凹部（被挿入部）、３０…陰極チップ。

Claims

銅又は銅合金からなる電極ブランク材の先端面に設けられた被挿入部内に炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップを挿入して銀ろう付けすることを特徴とするプラズマ電極の製造方法。
炭化ハフニウム焼結体からなる陰極チップが、銅又は銅合金からなる電極ブランク材の先端面に設けられた被挿入部に対して挿入されて銀ろう付けされていることを特徴とするプラズマ電極。