JP2625234B2 - Plasma electrode material - Google Patents

Plasma electrode material

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JP2625234B2 JP9414990A JP9414990A JP2625234B2 JP 2625234 B2 JP2625234 B2 JP 2625234B2 JP 9414990 A JP9414990 A JP 9414990A JP 9414990 A JP9414990 A JP 9414990A JP 2625234 B2 JP2625234 B2 JP 2625234B2
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plasma
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rare earth
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隆之 河野
真助 大場
尚志 平山
茂也 坂口
彰 三島
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Nippon Tungsten Co Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、プラズマ切断トーチ用電極材料に関する。The present invention relates to an electrode material for a plasma cutting torch.

(従来の技術) 第6図及び第7図は従来のプラズマ切断トーチの概念
図であり、第6図はパイロットアーク発生時の、第7図
はプラズマアーク発生時の状態を夫々示す。
(Prior Art) FIGS. 6 and 7 are conceptual diagrams of a conventional plasma cutting torch. FIG. 6 shows a state when a pilot arc is generated, and FIG. 7 shows a state when a plasma arc is generated.

図中、1は先端部の漏斗状に絞り込んだノズルであ
る。ノズル1内には、絶縁体で作られた作動ガス旋回用
兼内筒固定環12を介して電極支持筒6が設けられ、ノズ
ル1の外周面にはノズル1と水密構造にして水冷外筒2
が連結されている。水冷外筒2には冷却水供給パイプ3
及び冷却水排出パイプ4が接続されている。電極支持筒
6は通電パイプ8の先端部に取り付けられ、該電極支持
筒6内には電極冷却水導管9の先端部が挿入され、該電
極支持筒6の先端部にはタングステン、ハフニウム、ジ
ルコニウム等からなる棒電極7が設置されている。ノズ
ル1と通電パイプ8との間には電気絶縁体で作られた連
結管13が設けられ、該連結管13と作動ガス旋回用兼内筒
固定環12との間のノズル1部分には作動ガス供給パイプ
5が接続されている。電極冷却水導管9には電極冷却水
供給パイプ10及び電極冷却水排出パイプ11が接続されて
いる。ノズル1は電線18b′を介してパイロットアーク
電源16に接続され、通電パイプ8は電線18aを介してプ
ラズマ電線17に接続され、電線18a,18a′を介してパイ
ロットアーク電源16に接続されている。また、プラズマ
電源17は電線18bを介して被切断材15に接続されてい
る。このようにして電極支持筒6と被切断材15との間
で、プラズマアーク14、(第7図参照)パイロットプラ
ズマ14a及びプラズマアーク(又はアーク)14bを発生す
るようになっている。なお、第6図及び第7図中斜線矢
印(−→)は、冷却水の流れ方向を示し、矢印(→)
は、作動ガスの流れ方向を示している。
In the figure, reference numeral 1 denotes a nozzle narrowed down in a funnel shape at the tip. An electrode support tube 6 is provided in the nozzle 1 via a working gas swirling / inner tube fixed ring 12 made of an insulator, and a water-cooled outer tube is provided on the outer peripheral surface of the nozzle 1 in a watertight structure with the nozzle 1. 2
Are connected. Cooling water supply pipe 3
And a cooling water discharge pipe 4. The electrode support tube 6 is attached to the tip of a current-carrying pipe 8, and the tip of an electrode cooling water conduit 9 is inserted into the electrode support tube 6. Tungsten, hafnium, zirconium A rod electrode 7 made of a material such as the above is provided. A connecting pipe 13 made of an electrical insulator is provided between the nozzle 1 and the power supply pipe 8, and the nozzle 1 between the connecting pipe 13 and the working gas swivel / inner cylinder fixed ring 12 is operated. The gas supply pipe 5 is connected. An electrode cooling water supply pipe 10 and an electrode cooling water discharge pipe 11 are connected to the electrode cooling water conduit 9. The nozzle 1 is connected to a pilot arc power supply 16 via an electric wire 18b ', the energizing pipe 8 is connected to a plasma electric wire 17 via an electric wire 18a, and connected to the pilot arc power supply 16 via electric wires 18a and 18a'. . The plasma power supply 17 is connected to the workpiece 15 via an electric wire 18b. In this way, a plasma arc 14, a pilot plasma 14a (see FIG. 7) and a plasma arc (or arc) 14b are generated between the electrode support cylinder 6 and the workpiece 15. 6 and 7, the hatched arrow (-→) indicates the flow direction of the cooling water, and the arrow (→)
Indicates the flow direction of the working gas.

プラズマアークを発生させる前にまず冷却水をノズル
冷却水供給パイプ3及び電極冷却水供給パイプ10からプ
ラズマトーチ内に入れ、ノズル1及び電極支持筒(チッ
プ)6と棒電極7の冷却を開始する。次に作動ガス供給
パイプ5からアルゴン、水素、酸素、空気及びそれ等の
混合ガス等の作動ガスを作動ガス供給パイプ5からトー
チ内に入れノズル1の先端から放出する。この時作動ガ
スは作動ガス旋回用兼内筒固定環12により旋回流となり
ノズル先端に供給される。次にパイロットアーク電源16
を作動させ、第6図に示すように、棒電極7とノズル1
との間に小電流のパイロットアーク14aを発生させる。
このパイロットアーク14aによって発生する熱によりノ
ズル1の先端に供給された作動ガスは旋回プラズマ流と
なり、パイロットプラズマ14bとしてノズル1口から下
方へ伸びて行く。このパイロットプラズマ14bが被切断
材15に接続した後、パイロットアーク電源16を切り、同
時にプラズマ電源17を作動させ、アーク14aを棒電極7
と被切断材15との間に移行させて大電流(100〜250A)
を流す。これによりプラズマアーク14が発生し、被切断
材15を切断する。
Before generating a plasma arc, cooling water is first introduced into the plasma torch from the nozzle cooling water supply pipe 3 and the electrode cooling water supply pipe 10, and cooling of the nozzle 1, the electrode support tube (tip) 6 and the rod electrode 7 is started. . Next, a working gas such as argon, hydrogen, oxygen, air, and a mixed gas thereof is introduced into the torch from the working gas supply pipe 5 and discharged from the tip of the nozzle 1. At this time, the working gas is swirled by the working gas swirling and inner cylinder fixed ring 12, and is supplied to the nozzle tip. Next, pilot arc power supply 16
Is operated, and as shown in FIG.
A pilot arc 14a having a small current is generated between the two.
The working gas supplied to the tip of the nozzle 1 by the heat generated by the pilot arc 14a becomes a swirling plasma flow, and extends downward from the nozzle 1 port as the pilot plasma 14b. After the pilot plasma 14b is connected to the material 15 to be cut, the pilot arc power supply 16 is turned off, and simultaneously the plasma power supply 17 is operated, so that the arc 14a is
High current (100-250A) by transferring between material and workpiece 15
Flow. As a result, a plasma arc 14 is generated, and the workpiece 15 is cut.

(発明が解決しようとする課題) 従来のプラズマ切断トーチの棒電極7の材料はハフニ
ウム(Hf)あるいはジルコニウム(Zr)の純金属、ある
いは両金属の合金で構成されており、かつ、プラズマア
ーク発生側の後部を直接水で冷却し電極材の温度上昇を
抑える構造になっており、電極寿命を長くする対策が取
られている。しかしながら、プラズマアーク電流が大き
くなり、かつ、作動ガスに酸素を使うと、酸化反応がは
げしくなり、電極寿命が著しく短くなる。このため、実
機の切断作業では、電極交換頻度が高く、作業能率が悪
いばかりか、消耗品としての電極コストが非常に高いも
のになっていた。
(Problem to be Solved by the Invention) The material of the rod electrode 7 of the conventional plasma cutting torch is made of a pure metal of hafnium (Hf) or zirconium (Zr), or an alloy of both metals, and generates a plasma arc. The rear part of the side is directly cooled with water to suppress the temperature rise of the electrode material, and measures are taken to prolong the electrode life. However, when the plasma arc current increases and oxygen is used as the working gas, the oxidation reaction becomes vigorous, and the life of the electrode is significantly shortened. For this reason, in the cutting operation of the actual machine, the electrode replacement frequency is high, the work efficiency is low, and the cost of the electrode as a consumable is extremely high.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電
極材の寿命を長くして切断作業による消耗品コストを大
幅に低減させることができるプラズマ切断用電極材料を
提供するものである。
The present invention has been made in view of the above point, and an object of the present invention is to provide a plasma cutting electrode material that can prolong the life of an electrode material and significantly reduce the cost of consumables due to a cutting operation.

(課題を解決するための手段) 本発明は、 (1)炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化ハフニ
ウム及び窒化ジルコニウムよりなる群のうち1種以上の
化合物で構成したことを特徴とするプラズマ切断トーチ
用電極材料、 及び、 (2)請求項(1)記載の化合物に、 Y、Sr、B及び希土類元素よりなる群のうちの1種以
上の元素、 Y、Sr、B及び希土類元素の酸化物よりなる群のうち
の1種以上の酸化物、 Y、Sr及び希土類元素の硼酸塩よりなる群のうちの1
種以上の硼酸塩 のうちの1種もしくは2種以上を含有させたことを特徴
とするプラズマ切断トーチ用電極材料 である。
(Means for Solving the Problems) The present invention provides: (1) an electrode for a plasma cutting torch, comprising: at least one compound selected from the group consisting of hafnium carbide, zirconium carbide, hafnium nitride and zirconium nitride. And (2) the compound according to claim (1), comprising: an oxide of one or more elements selected from the group consisting of Y, Sr, B and a rare earth element, and an oxide of Y, Sr, B and a rare earth element. One or more oxides of the group, one of the group consisting of Y, Sr and borate of the rare earth element
An electrode material for a plasma cutting torch, characterized by containing one or more of at least one kind of borate.

(作用) 空気プラズマ切断及び酸素プラズマ切断の電極材料に
要求される性質は、高融点で酸化物の融点も高く、かつ
電気伝導性がよく、熱伝導率が大きく、さらにアーク発
生のための仕事関数が小さいことが要求される。一方、
空気プラズマ切断及び酵素プラズマ切断の電極材料は、
高温プラズマ環境で直ちに酸化され、アーク(すなわち
電子)は、酸化物表面から発生していると予想される。
従って電極材料は金属である必要はなく、酸化物の融点
が高く、電気伝導性がよく、熱伝導率が大きく、さらに
仕事関数が小さければよい。
(Action) The properties required for the electrode material for air plasma cutting and oxygen plasma cutting are high melting point, high melting point of oxide, good electrical conductivity, high thermal conductivity, and work for arc generation. The function must be small. on the other hand,
The electrode materials for air plasma cutting and enzyme plasma cutting are
It is immediately oxidized in a high temperature plasma environment, and the arc (ie, electrons) is expected to have originated from the oxide surface.
Therefore, the electrode material does not need to be a metal, and it is sufficient that the oxide has a high melting point, good electrical conductivity, high thermal conductivity, and a low work function.

以上のことを考慮し、本発明では、基本成分をHf又は
Zrの炭化物あるいは窒化物、もしくはそれらの混合物と
した。これらの材料は、空気及び酸素プラズマの高温酸
化雰囲気でHfO2又はZrO2に変化するが、これらの酸化物
は融点が高く安定である。
In consideration of the above, in the present invention, the basic component is Hf or
Zr carbide or nitride, or a mixture thereof. These materials change to HfO 2 or ZrO 2 in a high-temperature oxidizing atmosphere of air and oxygen plasma, but these oxides have high melting points and are stable.

さらに、仕事関数を下げるためには、これらの基本成
分に対し、Y、Sr、B及び希土類元素よりなる群のうち
1種以上の元素、又はそれらの酸化物、又は硼酸塩、さ
らには、それら元素、酸化物、硼酸塩の混合物を微量添
加して電極材料とした。
Further, in order to lower the work function, one or more elements selected from the group consisting of Y, Sr, B and rare earth elements, or oxides or borates thereof, and A small amount of a mixture of elements, oxides and borates was added to form an electrode material.

本発明の電極材料は、上記基本成分を採用することに
より、該材料の融点を金属ZrもしくはHfに比べて約3800
℃と高くすることができ、高温で安定とすることができ
る。さらに、空気プラズマ及び酸素プラズマの高温酸化
雰囲気において、上記基本成分はZrO2及びHfO2を生成す
るが、これらの融点も高く安定であるため、金属ZrやHf
に比べて電極寿命を伸ばすことができる。
The electrode material of the present invention employs the above basic components, so that the melting point of the material is about 3800 compared to metal Zr or Hf.
° C and can be stable at high temperatures. Further, in a high-temperature oxidizing atmosphere of air plasma and oxygen plasma, the above basic components generate ZrO 2 and HfO 2 , and since their melting points are high and stable, metal Zr and Hf 2
The life of the electrode can be extended as compared with the case of (1).

また、上記微量添加成分は、本発明の基本成分の材料
のアーク発生部に凝集し、電極材料の仕事関数を低下さ
せ、アーク発生点の温度を低下させる。このため電極材
料の寿命をさらに伸ばすことができる。
Further, the above-mentioned trace added components are aggregated in the arc generating portion of the material of the basic component of the present invention, lowering the work function of the electrode material, and lowering the temperature at the arc generating point. Therefore, the life of the electrode material can be further extended.

(実施例) 第6図及び第7図の電極材料として、第1図〜第5図
に記載の物質を用いて直径1.5mmの棒電極を形成し、作
動ガスとして酸素雰囲気の下で、プラズマ電圧を150Vに
して、電極の寿命を調べた。
(Example) A rod electrode having a diameter of 1.5 mm was formed using the substances shown in FIGS. 1 to 5 as the electrode material of FIGS. 6 and 7, and a plasma was formed under an oxygen atmosphere as a working gas. At a voltage of 150 V, the life of the electrode was examined.

第1図及び第2図は、従来の電極材料であるHf及びZr
と、本発明に係るHfC、ZrC、HfN、ZrNもしくはこれらの
混合物の電極材料についての電極寿命を示したものであ
る。
1 and 2 show conventional electrode materials, Hf and Zr.
2 shows the electrode life of an electrode material of HfC, ZrC, HfN, ZrN or a mixture thereof according to the present invention.

第3図は、本発明に係るHfC、ZrC、HfN、ZrNもしくは
これらの混合物に、Y、Sr、B、希土類元素の1種以上
の元素、もしくはさらに、前記元素の酸化物を添加した
電極材料ついての電極寿命を示したものである。
FIG. 3 is an electrode material obtained by adding at least one element of Y, Sr, B, and rare earth elements to HfC, ZrC, HfN, ZrN or a mixture thereof according to the present invention, or further adding an oxide of the element. FIG. 4 shows the electrode life of the present invention.

第4図は、本発明に係るHfC、ZrC、HfN、ZrNもしくは
これらの混合物に、Y、Sr、B、希土類元素の1種以上
の酸化物、もしくはさらに、Y、Sr及び希土類元素の硼
酸塩を添加した電極材料についての電極寿命を示したも
のである。
FIG. 4 shows that HfC, ZrC, HfN, ZrN or a mixture thereof according to the present invention is mixed with one or more oxides of Y, Sr, B and rare earth elements, or borate of Y, Sr and rare earth elements. 3 shows the electrode life of an electrode material to which is added.

第5図は、本発明に係るHfC、ZrC、HfN、ZrNもしくは
これらの混合物に、Y、Sr、希土類元素の1種以上の硼
酸塩、もしくはさらに、Y、Sr、希土類元素を添加した
電極材料 ついての電極寿命を示したものである。
FIG. 5 shows an electrode material obtained by adding one or more borates of Y, Sr, and rare earth elements to HfC, ZrC, HfN, ZrN or a mixture thereof according to the present invention, or Y, Sr, and rare earth elements. FIG. 4 shows the electrode life of the present invention.

第1図〜第5図から明らかなように、本発明の電極材
料は、従来のHfやZrの電極材料に比べて大幅に寿命が伸
びたことが分かる。
As is clear from FIGS. 1 to 5, it can be seen that the life of the electrode material of the present invention is greatly extended as compared with the conventional Hf and Zr electrode materials.

(発明の効果) 本発明は、上記の構成を採用することにより、プラズ
マ切断電極の寿命が伸び、切断効率を向上させるととも
に、電極の消耗品コストを低下させ、高能率切断を可能
とした。
(Effect of the Invention) In the present invention, by adopting the above configuration, the life of the plasma cutting electrode is extended, the cutting efficiency is improved, the cost of the electrode consumables is reduced, and high-efficiency cutting is enabled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図〜第5図は実施例の電極材料の寿命を示した図、
第6図はパイロットアーク発生時のプラズマ切断トーチ
の構造を示した概念図、第7図はプラズマアーク発生時
のプラズマ切断トーチの構造を示した概念図である。
1 to 5 are diagrams showing the life of the electrode material of the embodiment,
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a structure of a plasma cutting torch when a pilot arc is generated, and FIG. 7 is a conceptual diagram showing a structure of a plasma cutting torch when a plasma arc is generated.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 尚志 福岡県福岡市南区清水2丁目20番31号 日本タングステン株式会社内 (72)発明者 坂口 茂也 福岡県福岡市南区清水2丁目20番31号 日本タングステン株式会社内 (72)発明者 三島 彰 福岡県福岡市南区清水2丁目20番31号 日本タングステン株式会社内 (56)参考文献 特許2521307(JP,B2) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Takashi Hirayama 2--20-31 Shimizu, Minami-ku, Fukuoka City, Fukuoka Prefecture Inside Nippon Tungsten Co., Ltd. (72) Inventor Shigeya Sakaguchi 2--20, Shimizu, Minami-ku, Fukuoka City, Fukuoka Prefecture No. 31 Japan Tungsten Co., Ltd. (72) Inventor Akira Mishima 2-20-31 Shimizu, Minami-ku, Fukuoka City, Fukuoka Prefecture Japan Tungsten Co., Ltd. (56) References Patent 2521307 (JP, B2)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化
ハフニウム及び窒化ジルコニウムよりなる群のうち1種
以上の化合物で構成したことを特徴とするプラズマ切断
トーチ用電極材料。
1. An electrode material for a plasma cutting torch, comprising at least one compound selected from the group consisting of hafnium carbide, zirconium carbide, hafnium nitride and zirconium nitride.
【請求項2】請求項(1)記載の化合物に、 Y、Sr、B及び希土類元素よりなる群のうちの1種以
上の元素、 Y、Sr、B及び希土類元素の酸化物よりなる群のうち
の1種以上の酸化物、 Y、Sr及び希土類元素の硼酸塩よりなる群のうちの1
種以上の硼酸塩 のうちの1種もしくは2種以上組み合わせて含有させた
ことを特徴とするプラズマ切断トーチ用電極材料。
2. The compound according to claim 1, wherein said compound comprises one or more elements selected from the group consisting of Y, Sr, B and a rare earth element, and an oxide of Y, Sr, B and a rare earth element. One or more of the oxides, one of the group consisting of Y, Sr, and a borate of a rare earth element
An electrode material for a plasma cutting torch, wherein one or more of borate salts are contained in combination.
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