(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タンタルを主成分とし、５〜３０重量％の炭化ハフニウム及び／又は０．１〜３．０重量％の硼化ランタンを含有するプラズマ燒結体からなり、燒結前に５〜２０重量％の金属タンタルを添加してプラズマ燒結が行われていることを特徴とするプラズマア−ク電極材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマ熱源を用いて溶断、溶解、高温分解、廃棄物処理等の処理を行なうために使用するに適したプラズマア−ク放電用電極材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマア−クを熱源とする溶解等の処理を行なう場合は、タングステン、タングステン合金、カ−ボン等の高融点材料を電極として、不活性ガス雰囲気又は還元性雰囲気を作って処理を行なってきた。
【０００３】
しかしながら、上記タングステン等の電極材料は、反応性雰囲気中では使用できないか、または使用できたとしても消耗が激しくて、工業用としては不適である。特に、産業廃棄物や生活廃棄物の分解処理は、加熱による処理条件が難しいため、これらのプラズマア−クによる処理が行なえず、専ら単純な焼却や地中への埋め込みで処理しているのが現実である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、さまざまな産業廃棄物、有害廃棄物、生活廃棄物等が大量に発生するようになり、今後もさらに増大する傾向があるので、これらの安全で効率的な処理が求められている。さらに、有害廃棄物の中で、特に塩素系廃棄物の処理が急を要する問題として浮上しており、二次公害の発生のないプラズマア−クによる完全分解の可能性が検討されている。このプラズマア−クを熱源とする分解によると、化合物等が元素単位にまで分解されるので、有害な生成物が生じず、しかも夜間等の余剰電力を利用することができるので、経済的である。そこで、本発明は、安定した長時間運転ができる高寿命のプラズマア−ク用電極材料を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、請求項１に記載のプラズマア−ク電極材料は、炭化タンタルを主成分とし、５〜３０重量％の炭化ハフニウム及び／又は０．１〜３．０重量％の硼化ランタンを含有するプラズマ燒結体からなり、燒結前に５〜２０重量％の金属タンタルを添加してプラズマ燒結が行われていることを特徴としている。
【０００６】
以下、本発明のプラズマア−ク電極材料について、具体例を挙げつつ詳細に説明する。炭化タンタル、炭化ハフニウム等は、タングステンに比べて低仕事関数かつ高融点を有する材料であり、酸素や塩素を含むプラズマ雰囲気中での耐消耗性にすぐれているが、従来これらをプラズマア−ク用電極材として使用した例はない。
【０００７】
これは、これらの炭化物が非常に高融点であるため、通常の鋳造や、燒結による成形が困難なことが一つの理由であると考えられる。本発明者らは、プラズマ燒結によりこれらの電極材料を製作し、そのすぐれた性能を見出して、この発明を完成したのである。
【０００８】
本発明の電極材は、炭化タンタルを主成分とするもので、必要に応じて、これに炭化ハフニウム、硼化ランタン等を添加したものである。主成分である炭化タンタルには通常数％のフリ−カ−ボンが混入しているため、このカ−ボンの量によっては必要な密度が得られないおそれがある。このような場合には、少量の金属タンタルを添加して燒結することにより、燒結性、加工性の向上を図るのが好ましい。燒結前に添加する金属タンタルの量は、５〜２０重量％が好ましい。この添加量が、これよりも多すぎると、燒結性が悪く、燒結体にクラック等が発生することが多い。また、金属タンタルの添加量が少なすぎると、所期の効果が得られにくい。添加した金属タンタルは、炭素等と化合するが、金属タンタルのまま燒結体中に残留することもある。
【０００９】
上記炭化タンタルは、腐食性雰囲気中では耐久性にすぐれているが、耐酸化性が劣るため、耐酸化性にすぐれた炭化ハフニウムを５〜３０重量％添加しておくのが好ましい。この添加により、電極材の耐酸化性が向上する。
【００１０】
電極材中に含有される炭化ハフニウムの量が重量比で３０％以上では燒結性が悪く、耐腐食性が低下する。また、５％よりも少ない場合は、耐酸化性向上の効果が乏しい。
【００１１】
また、硼化ランタンは、仕事関数が低く、したがって電子放出性にすぐれている。耐熱、耐食、耐酸化性等の条件を具備した材料に硼化ランタンを０．１〜３．０重量％加えることにより、安定したプラズマア−クの放出を図ることができる。
【００１２】
なお、上記成分の他に、電極の性能を大きく低下させない範囲で、他の成分を添加してもよく、不可避的に混入する微量の不純物等が存在してもよい。
【００１３】
この電極材料は、プラズマ燒結法により製造することができる。この製法について例示すれば、まず、炭化タンタルその他の原料粉末（平均粒度数ミクロン）を混合し、金型を用いて所定形状に加圧成形する。これを、取り扱いに便利な強度が得られる条件、例えば１５００〜１８００Ｋの温度で常圧下で予備燒結する。この予備燒結体を、アルゴンを作動ガスとする高周波プラズマ中で燒結し、得られた燒結体を所望の形状に加工して、目的とする電極とする。プラズマ燒結の時間は、通常数分乃至十数分程度である。
【００１４】
【実施例】
表１に示す配合比で原料粉末を配合し、均一な組成となるように乾式混合した。粉末の粒度は、いずれも１〜３ミクロンであった。なお、原料粉末の好ましい粒度は１〜１０ミクロンであり、より好ましくは１〜３ミクロンである。この粉末を粉末冶金法における常法にしたがってプレス成形し、１５００〜１８００Ｋで常圧予備燒結した。この燒結時間はいずれも１０分とした。なお、比較例として、公知のトリア２％入りタングステン電極材を従来法で製作した。
【００１５】
【表１】
0003700010.tif 000002
【００１６】
得られた予備燒結体は、表１に示す出力と処理温度でプラズマ燒結した。出力、処理温度以外の条件はいずれも各試料で同じであり、周波数は１３．５６ＭＨｚ、雰囲気圧は４０〜５０ＫＰｓ、作動ガスはアルゴンガス（Ａｒ）、Ａｒ流量は１〜４リットル／ｍｉｎ、処理時間は３．６ｋｓであった。
【００１７】
得られた燒結体の寸法はф２．４Ｘ２０Ｌ（ｍｍ）であり、密度はいずれも理論密度の９２〜９４％であった。また、燒結体の硬度（Ｈｖ）はＮｏ．１，３，４，６が１７００〜１８００、Ｎｏ．２，５が１１００〜１３００であった。
【００１８】
つぎに、得られた燒結体を成形加工して電極とし、直流ア−ク放電用の陰極に用いて、消耗特性とプラズマ安定性を調べた。作動ガスとしては、アルゴンガスに塩素ガス１０％を添加したものを用いた。ア−ク電流は５０〜３００Ａ、使用時間は１０分であった。その結果は図１及び表２に示す通りであった。
【００１９】
【表２】
0003700010.tif 000003
【００２０】
従来のトリア２％（重量比）入りタングステン電極と比較した結果、炭化タンタルを主成分とする本発明の電極材料は、消耗特性及びア−ク安定性のいずれも充分使用に耐える状態であったのに対し、従来のトリア２％入りタングステン電極は、同一条件において５０Ａレベルで表面にタングステンと塩素の反応生成物が樹脂状に形成され、ア−クの不安定性が顕著となり、ア−ク電流の増加は不可能であった。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願発明のプラズマア−ク電極材料は、耐食性にすぐれた炭化タンタルを主成分とするもので、長寿命であり、プラズマ熱源を用いる溶断、溶解、高温分解等の電極として使用するに適したものとなった。このプラズマアーク電極材料は、５〜３０重量％の炭化ハフニウムを含有することにより、耐酸化性が向上し、０．１〜３．０重量％の硼化ランタンを含有することにより、安定したプラズマアークが得られるものである。本発明の電極材料は、成分上、従来広く採用されてきた燒結法では高密度化が困難であるが、プラズマ燒結を採用することによってはじめて実用性を具備するものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】消耗量テスト結果を表すグラフである。
【図１】
0003700010.tif 000004