WO2003075621A2 - Elektrodenelement für plasmabrenner sowie verfahren zur herstellung - Google Patents

Elektrodenelement für plasmabrenner sowie verfahren zur herstellung Download PDF

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WO2003075621A2
WO2003075621A2 PCT/DE2003/000763 DE0300763W WO03075621A2 WO 2003075621 A2 WO2003075621 A2 WO 2003075621A2 DE 0300763 W DE0300763 W DE 0300763W WO 03075621 A2 WO03075621 A2 WO 03075621A2
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electrode element
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electrode
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Volker Krink
Frank Laurisch
Wolfram MÖHLER
Gerd Lotze
Helmut LÖBL
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Kjellberg Finsterwalde Elektroden & Maschinen Gmbh
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip

Definitions

  • the invention relates to an electrode element for plasma torches and a manufacturing method for such electrode elements.
  • Such an electrode element is particularly suitable for plasma cutting, in which oxygen is used as the plasma gas.
  • Such electrodes are subject to very high thermal and electrical loads when used in plasma torches, so that they only have a limited lifespan and an expensive replacement of the electrodes is required at more or less long intervals.
  • the high thermal stress caused by temperatures up to 50,000 Kelvin require a suitable construction and a suitable selection of the materials used for such an electrode.
  • electrodes which consist essentially of hafnium and have a melting temperature in the range of 2220 ° C. have been used for plasma cutting, using oxygen as the plasma gas.
  • hafnium has a low work function, making it particularly suitable for use.
  • pin-shaped hafnium electrodes with a copper socket are used, taking advantage of the high thermal and electrical conductivity of the copper.
  • Gases such as the oxygen already mentioned, are oxidized in copper, so that the thermal conductivity and the electrical contact resistance between copper and hafnium are negatively affected.
  • silver or a silver alloy is used according to the prior art.
  • Silver also has good thermal and electrical conductivities and a higher work function.
  • the formation of oxides in silver is lower than in copper at higher temperatures.
  • a corresponding solution is described in EP 0 980 197 A2.
  • a copper holder is to be used, into which a silver sleeve, which consists of a selected silver alloy and has a closed bottom pointing into the interior of the copper holder, is pressed into a receptacle designed as a blind hole.
  • a pin-shaped electrode made of hafnium is then pressed into this silver sleeve.
  • Such a structure has several disadvantages.
  • this relates to the complex production, in which the individual elements have to be manufactured separately and in some cases by machining. The three individual parts then have to be put together to form an element, whereby high requirements for joining and handling have to be met due to the relatively small-sized silver sleeve and the Hanfniu pen.
  • the mechanical pressing of the silver sleeve and the hafnium pin must be carried out very carefully.
  • this object is achieved with an electrode element which has the features of claim 1 and a method for producing it according to claim 13.
  • Advantageous refinements and developments of the invention can be achieved with the features specified in the subordinate claims.
  • the electrode element according to the invention for the plasma torches in question has at least one core made of a metal or a metal alloy with a smaller work function than a metal or a metal alloy, from which a jacket part enclosing the at least one core is formed, the one or also several core (s) form the actual electrode connected as a cathode.
  • the different materials that is to say the core surface and the jacket part, there is a boundary layer formed in a graded form, which is formed from mixed crystals of the respective metals or metal alloys.
  • an intermediate layer between the core surface and the cladding part material is made of a further metal or a metal alloy with a larger work function than that of the core material, the interlayer in the direction of the core and the cladding part each having a graded thickness - Transition forms in the form of appropriately trained boundary layers.
  • Hafnium or a hafnium alloy can be used as a particularly suitable material for the core, the proportion of alloy components should be kept relatively small.
  • tungsten, zirconium or tantalum or alloys of these elements can also be used as core materials.
  • a preferred material for the jacket part is copper or a copper alloy.
  • the intermediate layer can in turn be formed from silver or a silver alloy.
  • boundary layers present according to the invention in an electrode element which each form graded transitions of the different materials not available in the solutions known from the prior art, such as, for example, the one described in EP 0 980 197 A2, since this is not possible in terms of construction and production.
  • the electrode elements according to the invention can be produced simply and inexpensively by a shaping and / or joining process using pressure forces (pressing forces), the corresponding ones
  • Boundary layers with the graded transitions can be formed without additional technological process steps. Extrusion or hot isostatic pressing are particularly suitable processes.
  • Corresponding rod-shaped, wire-shaped or sleeve-shaped elements made of the respective metals or metal alloys can be used as preliminary products for the one or more core (s), the jacket part and / or an intermediate layer
  • the respective metal or metal alloy in powder form for these elements.
  • the use of powdered, for example silver, is particularly favorable for the formation of the intermediate layer.
  • the space between a sleeve-shaped copper part and at least one rod-shaped or wire-like element forming the core can be filled with silver powder and the corresponding intermediate layer with a respective graded transition in the direction of the core surface and in the direction of the shell part as a result of the compressive forces acting during extrusion can train.
  • a mixing zone made of the respective two metals or metal alloys, which can be reached by the individual grains of the powder starting material is formed, which is homogeneous over the entire area available.
  • the starting powders used can then be produced by means of a pressing process, preferably by cold isostatic pressing, individually or successively one after the other, to produce precursors which ensure sufficient strength for the subsequent extrusion process, and an electrode element according to the invention can subsequently be formed by extrusion.
  • rod-shaped elements with a circular cross section can be used as the preliminary product.
  • elements with circular cross sections which are hollow on the inside and consequently of sleeve-shaped design.
  • This cavity can in turn be filled with a powder of a metal or a metal alloy, which has a higher work function than the core material, before the extrusion.
  • elements whose cross sections are star-shaped can also be used to form the cores forming the actual electrodes.
  • Such a star-shaped element can then have three or even more webs, each of which are aligned at the same angular spacing from one another, and an enlargement of the respective transition surfaces with the associated low electrical and thermal contact resistances between the core and the jacket part or intermediate layer can thereby be achieved ,
  • a core can also be formed from a plurality of wire-shaped elements twisted together, similar to strands frequently used in electrical lines.
  • a core formed in this way by twisting wire-shaped elements also increases the
  • an electrode element according to the invention it is advantageous to arrange them discretely and equidistantly from one another, each being embedded in the jacket part material, optionally with the interposition of an intermediate layer.
  • one should be used prior to extrusion Preheating to a temperature of at least 400 ° C are carried out, in particular to reduce the stress on the extrusion die. Such preheating also has a favorable effect on the formation of mixed crystals or diffusion processes, which can thus take place with great certainty with the relatively high compressive forces acting simultaneously during the extrusion.
  • An electrode element according to the invention has low thermal and electrical contact resistances due to the more intimate bond with the graded transitions of the various metals or metal alloys of the individual elements, so that the problem of current corrosion can be counteracted and the service life can be significantly increased. As a result, not only the manufacturing costs for the electrode elements themselves, but also the operating costs of an appropriately equipped plasma torch are significantly reduced for the end user.
  • the electrode elements produced by the method according to the invention in which intermediate layers made of silver or silver alloys are used, can also be produced more cost-effectively, since such intermediate layers can be formed with a significantly smaller layer thickness, so that the cost-intensive use of silver can be reduced accordingly.
  • a sleeve-shaped copper element can be used to form a jacket part.
  • At least one rod-shaped element made of hafnium, for example, can extend over the entire length of the copper sleeve and be inserted into the interior thereof.
  • Such a copper sleeve can have an outer diameter of, for example 12 mm and the free cross section inside such a copper sleeve have a diameter of 1.5 mm.
  • An electrode element obtained in this way then only has to be inserted into a corresponding plasma torch, such a plasma torch also being able to be designed such that a certain part of such an electrode element arranged in the interior of a plasma torch can be directly flowed around by a cooling medium for dissipating heat.
  • hafnium wires preferably twisted together, can also be introduced into such a copper sleeve, the inside diameter of the copper sleeve and the largest dimension of such a core pre-element being dimensioned such that an intermediate space remains which can be filled with a silver powder or a silver powder alloy.
  • Such a silver powder forming an intermediate layer should also be used if possible if a core with a non-rotationally symmetrical cross-sectional shape or a sleeve-shaped core are to be formed.
  • a rod-shaped element made of hafnium on its outer surface in the direction of the shell part material with a layer essentially formed from silver powder.
  • a powder can, for example, be applied in the form of a suspension and for example, solidified on the surface of the rod-shaped hafnium element or subjected to sintering.
  • the suspension containing the silver powder can also contain an organic binder which can be expelled thermally during sintering.
  • a rod-shaped element provided with such a silver layer can then be reinserted into a sleeve-shaped copper element and an electrode element according to the invention can be produced by extrusion.
  • the electrode element according to the invention can also be further developed by being able to connect it to a sleeve-shaped element by forming a corresponding contour, wherein an external thread can preferably be selected.
  • a sleeve-shaped element which preferably consists of
  • the electrode member is simply herein- or with the formed at 'its outer circumferential surface threaded, as a contour shape in a sleeve-shaped element unscrewed.
  • the element according to the invention can also be designed and manufactured in such a way that a cavity which is open on one side has been formed within the jacket part.
  • This cavity can be filled with a mabrenners be connected so that the cooling medium, preferably water for heat dissipation can get directly into this cavity.
  • Such a cavity can advantageously be formed by backward extrusion. Machining can also be avoided with this method.
  • Backward extrusion is a subsequent processing step on an electrode element, the manufacture of which has been described in advance. In this case, an electrode element is produced as a preliminary product, which is kept shorter in length than the finished electrode element with the cavity and is larger than its outer diameter.
  • a tool with a mandrel that defines the shape and size of the respective cavity is used and because of the significantly higher flowability, the copper jacket part is almost exclusively deformed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrodenelement für Plasmabrenner sowie ein Herstellungsverfahren für solche Elektrodenelemente. Gemäß der gestellten Auf­gabe soll es möglich sein, die Herstellungskosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu reduzie­ren. Das erfindungsgemäße Elektrodenelement für Plas­mabrenner, weist dabei mindestens einen die eigentliche als Kathode geschaltete Elektrode bildenden Kern aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit kleinerer Austrittsarbeit auf. Dieser Kern ist von einem Mantelteil aus einem Metall oder einer Metall­Legierung mit größerer Austrittsarbeit und Wärmeleit fähigkeit eingefasst. Zwischen der Kernoberfläche und dem Mantelteil ist eine Grenzschicht in gradierter Form, die aus Mischkristallen der beiden Metalle oder Metall-Legierung gebildet ist, oder eine aus einem weiteren Metall oder einer Metall-Legierung mit grö ßerer Austrittsarbeit, als der des Kernmaterials ge­bildete Zwischenschicht zur Kernoberfläche und zum Mantelteil vorhanden, wobei die Grenzschichten der Zwischenschicht einen gradierten Übergang ausbilden.

Description

Elektrodenelement für Plasmabrenner sowie Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Elektrodenelement für Plasmabrenner sowie ein Herstellungsverfahren für solche Elektrodenelemente. Ein solches Elektrodenelement ist besonders für das Plasmaschneiden, bei dem als Plasmagas Sauerstoff Verwendung findet, geeignet.
Solche Elektroden sind beim Einsatz in Plasmabrennern thermisch und elektrisch sehr hoch beansprucht, so dass sie nur begrenzte Lebensdauern erreichen und ein kostenaufwändiger Austausch der Elektroden in mehr oder weniger langen Zeitabständen erforderlich ist.
Insbesondere die hohe thermische Belastung durch Temperaturen bis zu 50000 Kelvin erfordern eine geeigne- te Konstruktion und eine geeignete Auswahl der für eine solche Elektrode verwendeten Materialien. So werden bisher für das Plasmaschneiden, unter Verwendung von Sauerstoff als Plasmagas, Elektroden, die im Wesentlichen aus Hafnium bestehen, mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 2220 °C eingesetzt. Hafnium weist eine im Gegensatz zu vielen anderen e- lektrisch leitenden Metallen niedrige Austrittsarbeit auf, so dass es für den Einsatz besonders geeignet ist .
In der Regel werden solche stiftförmigen Hafniumelektroden mit einer Kupferfassung eingesetzt und dabei die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit des Kupfers ausgenutzt.
Bei einer solchen Ausbildung muss jedoch die elektrische Stromkorrosion (Elektromigration) und Diffusion, die den Übergangswiderstand zwischen dem Hafnium und dem Kupfer dann vergrößert, klein gehalten werden.
Insbesondere beim Plasmaschneiden mit oxidierenden
Gasen, wie dies der bereits erwähnte Sauerstoff ist, tritt beim Kupfer eine Oxidation auf, so dass die thermische Leitfähigkeit und der elektrische Übergangswiderstand zwischen Kupfer und Hafnium negativ beeinflusst werden.
Infolge einer hohen Stromkorrosion und Oxidation ergibt sich eine erhöhte Leistungsumsetzung an den Grenzen zwischen dem Hafnium und dem Kupfer, so dass die Prozesse der Alterung beschleunigt fortschreiten.
Durch die verstärkte Bildung von Kupferoxid auf dem Kupfermantel bei höheren Temperaturen in unmittelbarer Nähe des Hafniumkerns wird zusätzlich die Aus- trittsarbeit des Kupfers verringert und es können demzufolge auch aus dem Kupferelektronen emittiert werden. Dadurch kommt es zu einem örtlichen Aufschmelzen des Kupfers und demzufolge zur Unbrauchbar- keit einer solchen Plasmaelektrode.
Um diesen Problemen entgegen zu wirken, wird nach dem Stand der Technik Silber oder eine Silberlegierung eingesetzt. Silber weist ebenfalls gute thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie eine höhere Austrittsarbeit auf. Insbesondere ist die Oxidbildung bei Silber gegenüber Kupfer bei höheren Temperaturen geringer .
Eine entsprechende Lösung ist in EP 0 980 197 A2 beschrieben. Dabei soll ein Kupferhalter Verwendung finden, in den in eine als Sackloch ausgebildete Aufnahme eine Silberhülse, die aus einer ausgewählten Silberlegierung besteht und einen in das Innere des Kupferhalters weisenden geschlossenen Boden aufweist, eingepresst werden.
In diese Silberhülse wird dann wieder eine stiftfδr- mige Elektrode aus Hafnium eingepresst .
Ein solcher Aufbau weist mehrere Nachteile auf. Dies betrifft zum einen die aufwendige Herstellung, bei der die einzelnen Elemente gesondert und teilweise durch zerspanende Bearbeitung gefertigt werden müssen. Die drei einzelnen Teile müssen dann zu einem Element zusammengefügt werden, wobei hohe Anforderun- gen beim Fügen und dem Handling wegen der relativ kleinformatigen Silberhülse und dem Hanfniu stift erfüllt werden müssen. Außerdem muss das mechanische Einpressen der Silberhülse und des Hafniumstiftes sehr sorgfältig durchgeführt werden.
Trotzdem kann lediglich ein lokal begrenzter Kontakt zwischen Kupfer, Silber und Hafnium erreicht werden, so dass sich insbesondere diese punktförmigen Berührungen negativ in Bezug auf die bereits erwähnte Stromkorrosion auswirken und selbstverständlich auch die Wärmeleitfähigkeit entsprechend negativ beein- flusst wird.
Dementsprechend werden mit einer solchen Lösung die gegenüber bis dahin bekannten für Plasmabrenner ge- nutzten Elektroden geringfügig erhöhte Lebensdauer durch deutlich höhere Herstellungskosten weitestge- hend kompensiert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Elektrodenelemen- te für Plasmabrenner sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren vorzuschlagen, bei dem die Herstellungskosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer reduziert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Elektrodenelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist und einem Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 13, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Elektrodenelement für die in Rede stehenden Plasmabrenner weist mindestens einen Kern aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit kleinerer Austrittsarbeit als ein Metall oder eine Metalllegierung, aus dem/der ein den mindestens einen Kern einfassendes Mantelteil gebildet ist, wobei der eine bzw. auch mehrere Kern(e) die eigentliche als Katode geschaltete Elektrode bilden. Zwischen den unterschiedlichen Materialien, also der Kernoberfläche und dem Mantelteil ist in einer erfinderischen Alternative eine in gradierter Form ausgebildete Grenzschicht vorhanden, die aus Mischkristal- len der jeweiligen Metalle bzw. Metall-Legierungen gebildet ist.
In einer zweiten Alternative für ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement ist eine Zwischenschicht zwi- sehen der Kernoberfläche und dem Mantelteilmaterial aus einem weiteren Metall oder einer Metall-Legierung mit größerer Austrittsarbeit, als der des Kernmaterials ausgebildet, wobei die Zwischenschicht in Richtung Kern und Mantelteil jeweils einen gradierten Ü- bergang in Form von entsprechend ausgebildeten Grenzschichten bildet.
Als besonders geeignetes Material für den Kern kann Hafnium bzw. eine Hafniumlegierung eingesetzt werden, wobei der Anteil von Legierungskomponenten relativ klein gehalten werden sollte.
Neben dem Hafnium bzw. dessen Legierungen können aber auch Wolfram, Zirkonium oder Tantal bzw. Legierungen dieser Elemente als Kernmaterialien eingesetzt werden.
Ein bevorzugtes Material für das Mantelteil ist Kupfer bzw. eine Kupferlegierung.
Die Zwischenschicht kann wiederum aus Silber oder einer Silberlegierung ausgebildet werden.
Die erfindungsgemäß bei einem Elektrodenelement vor- handenen Grenzschichten, die jeweils gradierte Übergänge der unterschiedlichen Materialien bilden, sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, wie z.B. bei der in EP 0 980 197 A2 beschriebenen nicht vorhanden, da dies konstruktiv und herstellungsbedingt nicht möglich ist.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäßen Elektrodenelemente einfach und kostengünstig durch ein Formgebungs- und/oder Fügeverfahren bei Ausnutzung von Druckkräften (Presskräften) hergestellt werden können, wobei die entsprechenden
Grenzschichten mit den gradierten Übergängen ohne zusätzliche technologische Verfahrensschritte ausgebildet werden können. Besonders geeignete Verfahren sind das Strang- oder das heißisostatische Pressen.
So ist die Ausbildung von Mischkristallen in einer Grenzschicht zwischen den bezeichneten Kern- und Mantelteilmaterialien (z.B. Cu und Hf) nicht ohne weiteres zu erwarten gewesen, da die Differenz zwischen den jeweiligen Schmelztemperaturen der beiden hierfür eingesetzten Metalle erheblich ist und bei ca. 1000 °K liegt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung können bei Verzicht einer Zwischenschicht gemäß einer Alternative eines erfindungsgemäßen Elektrodenelementes Misch- kristalle aus Kupfer und Hafnium gebildet werden, so dass ein gradierter Übergang, insbesondere für die elektrische- und die thermische Leitfähigkeit nicht nur punktuell, sondern über die gesamte zu verfügende Fläche erreicht werden kann.
Als Vorprodukte für den einen oder auch mehrere Kern(e), das Mantelteil und/oder eine Zwischenschicht können entsprechende stab- , draht- oder hülsenförmige Elemente aus den jeweiligen Metallen bzw. Metall- Legierungen eingesetzt werden, die dann mittels
Strangpressen zu einem erfindungsgemäßen Elektroden- element verformt werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, für diese Elemente das jeweilige Metall bzw. die Metall-Legierung in Pulverform einzusetzen. Insbesondere für die Ausbildung der Zwischenschicht ist die Verwendung von pulverförmigen, beispielsweise Silber besonders günstig. So kann der Zwischenraum zwischen einem hülsen- fόrmigen Kupferteil und mindestens einem den Kern bildenden stab- bzw. drahtförmigen Element mit einem Silberpulver befüllt werden und sich die entsprechende Zwischenschicht mit einem jeweiligen gradierten Übergang in Richtung Kernoberfläche und in Richtung Mantelteil infolge der beim Strangpressen wirkenden Druckkräfte ausbilden kann. In den Grenzschichten wird ein durch die einzelnen Körner des Pulverausgangsmaterials erreichbare Mischzone aus den jeweiligen beiden Metallen bzw. Metall-Legierungen ausgebildet, die über die gesamte zur Verfügung stehende Flä- ehe homogen ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, für Kern und Mantelteil ebenfalls entsprechende Pulver einzusetzen. Die verwendeten Ausgangspulver können dann mit- tels eines Pressverfahrens, bevorzugt durch kalti- sostatisches Pressen jeweils einzeln bzw. sukzessive nacheinander zu Vorprodukten, die für eine für das nachfolgende Strangpressverfahren eine ausreichende Festigkeit gewährleisten, hergestellt und nachfolgend durch Strangpressen ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement ausgebildet werden.
Für den einen oder auch mehrere Kern(e) können als Vorprodukt stabförmige einen kreisförmigen Quer- schnitt aufweisende Elemente eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, solche Elemente mit kreisförmigen Querschnitten einzusetzen, die im Inneren hohl und demzufolge hülsenförmig ausgebildet sind. Dieser Hohlraum kann dann wiederum mit einem Pulver eines Metalls bzw. einer Metall-Legierung, das/die eine höhere Austrittsarbeit als das Kernmaterial aufweist, vor dem Strangpressen befüllt werden.
Zur Ausbildung der die eigentlichen Elektroden bil- denden Kerne können aber auch Elemente, deren Querschnitte sternförmig sind, eingesetzt werden. Ein solches sternförmiges Element kann dann drei oder auch mehrere Stege, die jeweils in gleichen Winkelabständen zueinander ausgerichtet sind, aufweisen und es ist dadurch eine Vergrößerung der jeweiligen Übergangsflächen mit den damit verbundenen niedrigen e- lektrischen und thermischen Übergangswiderständen zwischen Kern und Mantelteil bzw. Zwischenschicht erreichbar.
Ein Kern kann aber auch aus mehreren drahtförmigen miteinander verdrillten Elementen gebildet sein, ähnlich wie bei elektrischen Leitungen häufig verwendete Litzen. Ein so durch Verdrillung von drahtförmigen Elementen gebildeter Kern vergrößert ebenfalls die
Berührungsfläche und gleichzeitig den vorteilhaften Gradierungseffekt .
Sollen bei einem erfindungsgemäßen Elektrodenelement mehrere Kerne vorhanden sein, so ist es vorteilhaft diese diskret und äquidistant zueinander anzuordnen, wobei sie jeweils in das Mantelteilmaterial, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Zwischenschicht eingebettet sind.
Vorteilhafterweise sollte vor dem Strangpressen eine Vorwärmung auf eine Temperatur von mindestens 400 °C durchgeführt werden, um insbesondere die Beanspruchung des Strangpresswerkzeuges zu reduzieren. Eine solche Vorwärmung wirkt sich aber auch günstig auf die Mischkristallbildung bzw. Diffusionsvorgänge aus, die so mit großer Sicherheit bei den gleichzeitig wirkenden relativ hohen Druckkräften während des Strangpressens erfolgen kann. Ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement weist durch den innigeren Verbund mit den gradierten Übergängen der verschiedenen Metalle bzw. Metall-Legierungen der einzelnen Elemente niedrige thermische und elektrische Übergangswiderstände auf, so dass dem Problem der Stromkorrosion entgegen gewirkt und die Lebensdauer deutlich erhöht werden kann. Demzufolge sind nicht nur die Herstellungskosten für die Elektrodenelemente an sich, sondern auch die Betriebskosten eines entsprechend ausgestatteten Plasmabrenners beim Endnutzer deutlich reduziert .
Auch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrodenelemente, bei denen Zwischenschichten aus Silber bzw. Silberlegierungen eingesetzt werden, können kostengünstiger hergestellt wer- den, da solche Zwischenschichten mit deutlich geringerer Schichtdicke ausgebildet werden können, so dass der kostenintensive Silbereinsatz entsprechend verringert werden kann.
Wie bereits angedeutet, kann ein hülsenförmiges Kupferelement für die Ausbildung eines Mantelteiles Verwendung finden. Dabei kann mindestens ein stabfδrmi- ges Element aus beispielsweise Hafnium über die gesamte Länge der Kupferhülse reichend, in deren Inne- res eingeführt werden. Dabei kann eine solche Kupferhülse einen Außendurchmesser von beispielsweise 12 mm und der freie Querschnitt im Inneren einer solchen Kupferhülse einen Durchmesser von 1,5 mm aufweisen. Nach einer entsprechenden Vorwärmung wird dann durch Strangpressen ein Profil für erfindungsgemäße Elektrodenelemente hergestellt, das lediglich noch auf Länge geschnitten werden muss und weitere Füge- und Montageprozesse nicht mehr erforderlich sind. Ein so erhaltenes Elektrodenelement muss dann nur noch in einen entsprechenden Plasmabrenner eingesetzt werden, wobei ein solcher Plasmabrenner auch so ausgebildet werden kann, dass ein gewisser, im Inneren eines Plasmabrenners angeordneter Teil eines solchen Elektrodenelementes von einem Kühlmedium zum Abführen von Wärme unmittelbar umströmt werden kann.
Anstelle eines stabfδrmigen Hafniumelementes können aber auch mehrere, bevorzugt miteinander verdrillte Hafniumdrähte in eine solche Kupferhülse eingeführt werden, wobei Kupferhülseninnendurchmesser und die größte Ausdehnung eines solchen Kernvorelementes so dimensioniert sein sollten, dass ein mit einem Silberpulver bzw. einer Silberpulverlegierung befüllba- ren Zwischenraum verbleibt.
Ein solches eine Zwischenschicht bildendes Silberpulver sollte möglichst auch eingesetzt werden, wenn ein Kern mit einer nicht rotationssymmetrischen Querschnittsform oder ein hülsenförmiger Kern ausgebildet werden sollen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, beispielsweise ein stabförmiges Element aus Hafnium an seiner äußeren Oberfläche in Richtung zum Mantelteilmaterial mit einer im Wesentlichen aus Silberpulver gebildeten Schicht zu versehen. Ein solches Pulver kann beispielsweise in Form einer Suspension aufgebracht und beispielsweise durch ein Pressverfahren auf der Oberfläche des stabförmigen Hafniumelementes verfestigt oder einer Sinterung unterzogen werden. Im letztgenannten Fall kann dann in der das Silberpulver ent- haltenden Suspension auch ein organischer Binder enthalten sein, der thermisch beim Sintern ausgetrieben werden kann.
Ein mit einer solchen Silberschicht versehenes stab- förmiges Element kann dann wieder in ein hülsenförmi- ges Kupferelement eingeführt und ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement durch Strangpressen hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Elektrodenelement kann aber auch dahingehend weitergebildet werden, indem durch Ausbildung einer entsprechenden Kontur, wobei bevorzugt ein Außengewinde gewählt werden kann, dieses mit einem hülsenförmigen Element verbinden zu können. Ein solches hülsenförmiges Element, das bevorzugt aus
Kupfer besteht, kann dann mehrfach wieder verwendet werden und es ist so lediglich ein Austausch des entsprechend kleiner dimensionierten Elektrodenelementes in mehr oder weniger großen Abständen erforderlich. Dabei wird das Elektrodenelement mit dem an' seiner äußeren Mantelfläche ausgebildeten Gewinde, als eine Konturform einfach in ein hülsenförmiges Element herein- bzw. herausgeschraubt.
Da, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erwähnt, eine hohe thermische Belastung auftritt und eine intensive Kühlung erforderlich ist, kann das erfindungsgemäße Element auch so ausgebildet und hergestellt werden, dass innerhalb des Mantelteiles ein einseitig offener Hohlraum ausgebildet worden ist. Dieser Hohlraum kann mit dem Füllsystem eines Pias- mabrenners in Verbindung gesetzt werden, so dass das Kühlmedium, bevorzugt Wasser für die Wärmeabfuhr unmittelbar in diesen Hohlraum gelangen kann.
Vorteilhaft kann die Ausbildung eines solchen Hohlraumes durch ein Rückwärtsfließpressen ausgebildet werden. Mit diesem Verfahren kann ebenfalls eine zerspanende Bearbeitung vermieden werden. Das Rückwärtsfließpressen ist ein nachfolgender Verarbei- tungsschritt an einem Elektrodenelement, dessen Herstellung vorab beschrieben worden ist. Dabei wird ein Elektrodenelement, als Vorprodukt hergestellt, das in seiner Länge kürzer als das fertige Elektrodenelement mit dem Hohlraum und in seinem äußeren Durchmesser größer als dieses gehalten ist. Beim Rückwärtsfließpressen wird ein Werkzeug mit einem die Form und Größe des jeweiligen Hohlraumes vorgebenden Dornes verwendet und wegen der deutlich höheren Fließfähigkeit nahezu ausschließlich das Kupfermantelteil verformt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrodenelement für Plasmabrenner, bei dem mindestens ein die eigentliche als Katode geschaltete Elektrode bildender Kern aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit kleinerer Austrittsarbeit von einem Mantelteil aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit größerer Austrittsarbeit und Wärmeleitfähigkeit eingefasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzschicht zwischen Kernoberfläche und Mantelteil in gradierter Form aus Mischkristallen der beiden Me- talle oder Metalllegierungen gebildet ist oder
eine aus einem weiteren Metall oder einer Metalllegierung mit größerer Austrittsarbeit, als der des Kernmaterials gebildete Zwischenschicht zur Kernoberfläche und zum Mantelteil jeweils mit ihren Grenzschichten einen gradierten Übergang bildet.
2. Elektrodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Hafni- um oder einer Hafniumlegierung gebildet ist.
3. Elektrodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Wolfram, Zirkonium oder Tantal oder einer Legierung dieser Elemente gebildet ist.
4. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelteil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist.
5. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Silber oder einer Silberlegierung gebildet ist.
6. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern stabförmig mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
7. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus mehreren drahtförmigen, miteinander verdrillten Elementen gebildet ist.
8. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen sternförmigen, kreisringförmigen Querschnitt aufweist oder der Querschnitt in Kreuzform ausgebildet ist .
9. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere separat angeordnete Kerne die Elektrode bilden.
10. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem Pulver gebildet ist.
11. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Mantelteiles ein einseitig offener Hohlraum, der mit einer Kühlung verbunden ist, ausgebildet ist.
12. Elektrodenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das E- lektrodenelement mit einem hülsenförmigen Teil aus Kupfer austauschbar verbunden ist .
13. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenelementes für Plasmabrenner, dadurch gekennzeich- net, dass das Elektrodenelement unter Druckkraftausübung mit einem Formgebungs- und/oder Fügeverfahren in Form eines ein Mantelteil bildenden hülsenförmigen Teiles aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit höherer Aus- trittsarbeit und höherer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, in das mindestens ein die eigentliche als Katode geschaltete Elektrode bildendes Kernelement aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit niedrigerer Austrittsar- beit eingeführt worden ist, hergestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenelement durch Strang- oder heißisostatisches Pressen hergestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmung auf mindestens 400 °C vor dem Strangpressen durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strangpressen der Hohlraum zwischen hülsenförmigen Teil und Kernelement zur Ausbildung einer Zwischenschicht mit einem weiteren pulverförmigen Metall oder einer Metalllegierung, das/die eine höhere Austrittsarbeit, thermische und elektrische
Leitfähigkeit als das Kernmaterial aufweist, befüllt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines Kernes mehrere drahtförmige Elemente miteinander verdrillt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum eines in Hülsenform ausgebildeten Kernelementes vor dem Strangpressen mit einem Pulver eines Metalls oder einer Metalllegierung, die eine höhere Aus- trittsarbeit als das Kernmaterial aufweist, befüllt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Mantelteil, Kern und/oder Zwischenschicht aus einem Pulver mit- tels eines Pressverfahrens jeweils ein oder ein gemeinsames Vorprodukt bilden und aus einem oder mehreren Vorprodukt (en) durch Strangpressen das Elektrodenelement hergestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich- net, dass das/die Vorprodukt (e) durch kalti- sostatisches Pressen hergestellt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der äußeren Mantelfläche des Mantelteils für eine form- schlüssige Verbindung mit einem hülsenförmigen
Kupferteil eine Kontur ausgebildet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Mantelteiles durch Rückwärtsfließpressen ein ein- seitig offener Hohlraum ausgebildet wird.
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