稀土鎢電極材料的研究

杜海濱

（贛州虹飛鎢鉬材料有限公司，江西 贛州 341000）

一般而言在工業(yè)制作上，稀土鎢電極主要是應(yīng)用在一些惰性氣體的保護(hù)焊接以及一些等離子體的焊接和切割，并且還廣泛應(yīng)用與真空領(lǐng)域中，是一種至關(guān)重要的工業(yè)性材料。但是在當(dāng)前電極市場上，仍然沿用之前的釷鎢電極，該電極具有一定的放射性，在其使用以及制造的過程中是極易對人體造成危害，還會給環(huán)境帶來很大的污染。故而相關(guān)工作研究者正致力于找尋新型電極材料去代替釷鎢電極材料，因為稀土氧化物特點(diǎn)是具有極高的熔點(diǎn)以及低逸出，所以稀土鎢材料是最理想的替代材料。

1 單元稀土鎢電極

一般來說，各種鎢電極都是把稀土氧化物按照不同的順序從而添加到氧化鎢中去，然后通過各種工藝還原，就得到了相應(yīng)規(guī)格的稀土鎢電極。然后通過相關(guān)的試驗，主要對鎢電極的抗損燒性、電弧靜特性以及焊接性能進(jìn)行了相關(guān)試驗，大致發(fā)現(xiàn)了三種相關(guān)規(guī)格的稀土鎢電極性能高于一致規(guī)格的釷鎢電極。但是該相關(guān)試驗也有一定的局限性，僅僅限定在小的電流焊接當(dāng)中，在一些電流比較大的焊接環(huán)境當(dāng)中，電流比較大的焊接環(huán)境下對于單元稀土電極的損害是非常大的，以至于該情況下電極的穩(wěn)定性比較差。

2 二元復(fù)合稀土電極

因而，針對于單元稀土電極的這種局限性，相關(guān)專家研制出了二元復(fù)合稀土電極，并根據(jù)抗損燒性、電弧靜特性以及焊接性能等進(jìn)行了反復(fù)的試驗比較，得出了二元復(fù)合稀土電極焊接性能以及其它各項性能度明顯優(yōu)于單元稀土鎢電極，二元稀土鎢電極能夠承受較大電流下的焊接工藝，而且該類電極的應(yīng)用范圍也是比單元稀土鎢電極更加的廣泛。可是由于二元稀土鎢電極的加工性能比較的低后，導(dǎo)致該類產(chǎn)品的成品率比較低，這一情況也是嚴(yán)重限制了二元復(fù)合稀土鎢電極的批量生產(chǎn)。

3 三元復(fù)合稀土鎢電極

隨著如今科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)制造水平的不斷提高，一些工業(yè)上對于電極也有了更高的要求，因此二元復(fù)合稀土鎢電極也漸漸不能滿足各大工業(yè)上的需求了，因此相關(guān)的科研人員針對這一問題打算研制三元復(fù)合稀土鎢電極，在實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了三元復(fù)合稀土鎢電極的各項性能明顯優(yōu)于二元復(fù)合稀土鎢電極以及同規(guī)格下的釷鎢電極，進(jìn)而通過對于各類稀土元素的不同配比進(jìn)行了相關(guān)試驗，得到了最佳比例狀態(tài)下綜合性能最佳的電極材料。

4 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究

在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，鎢這種金屬是屬于熔點(diǎn)非常高的金屬，而且其加工也是非常的困難。但是在該金屬中添加一些稀土氧化物之后，能夠明顯改變鎢內(nèi)部的?；Y(jié)構(gòu)，使其可塑可脆性改變，如果在工業(yè)制造上想要去實現(xiàn)稀土鎢電極的相關(guān)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還是要去認(rèn)真鉆研稀土鎢電極的相應(yīng)加工行為。因此率先研究的就是各項性能最優(yōu)的三元稀土鎢電極，該電極的相關(guān)冶煉方法還是屬于比較傳統(tǒng)的粉末冶金方法，但是該冶煉工藝比較復(fù)雜。在這里主要采取的還是摻雜工藝、還原工藝以及垂熔燒相結(jié)合工藝去進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化研究，這樣做的目的也是為了提高稀土鎢電極的成品率。

4.1 摻雜工藝

相對于傳統(tǒng)的釷鎢電極加工工藝而言，通常情況下是將氧化釷和氧化鎢直接添加進(jìn)去直接進(jìn)行摻雜，但是在工藝生產(chǎn)釷鎢電極這方面來講，基本上是把氧化鎢與一些稀土硝酸鹽去進(jìn)行互相摻雜?？墒菍τ谝恍┒嘣南⊥伶u電極而言，卻不是這樣的，在鎢電極當(dāng)中，稀土元素的分布不僅僅影響鎢電極的均勻性能而且其直接能夠影響鎢電極的電子發(fā)射性。所以說，要確保鎢電極高效的均勻性以及電子發(fā)射性，均勻的摻雜是必不可少的前提，通過研究試驗最后采取的是APT與稀土硝酸鹽直接去進(jìn)行摻雜的工藝，因為通過這種方式，可以在高效有序的摻雜基礎(chǔ)上直接省去了APT去進(jìn)行煅燒的工序，這樣一來也是非常經(jīng)濟(jì)節(jié)能的。

4.2 還原工藝

通常在粉末冶煉金的工藝程序上，相關(guān)金屬粉末的質(zhì)量是直接決定了成品的質(zhì)量，起著至關(guān)重要的作用，但是在多元的稀土鎢粉末組成以及添加元素的順序和均勻性都對成品有著極其重要的影響。所以說，在稀土鎢電極的還原工藝當(dāng)中，對于一次性還原的溫度、二次還原的溫度以及相關(guān)氫氣的流量和裝置儲存量這些因素影響規(guī)律進(jìn)行了多次的實驗研究，最終在一定條件下去適當(dāng)?shù)奶岣咭淮涡赃€原的粉末粒度以及加大二次還原中的相關(guān)溫度梯度是最有效的方法，也是對提高最終金屬粉末粒度最有效的方法。

4.3 燒結(jié)工藝

該方式也被稱為垂熔燒結(jié)方式，在這種方式下去進(jìn)行多元復(fù)合稀土鎢電極的制備主要有以下幾個因素的影響：溫度和時間、加熱的梯度和加熱的速率、相關(guān)材料的純度和密度、以及晶體粒度和稀土氧化物的分布，這些因素通通都會對稀土鎢電極材料的好壞造成直接的影響。就比如說，當(dāng)材料在進(jìn)行燒結(jié)時，相應(yīng)的溫度過高，就會直接使得鎢晶體的急劇拉大，從而會迅速降低稀土氧化物在材料中的擴(kuò)散系數(shù)，也會使得電極材料的燒損率加大，在另一方面而言呢，燒結(jié)過程中的溫度過于高的話，會使稀土氧化物低熔點(diǎn)情況下所形成的物質(zhì)急劇增長，不僅如此，還會進(jìn)而影響稀土氧化物的耗損。因而，通過有效的燒結(jié)工藝對于電極材料的性能以及相應(yīng)電極后續(xù)的加工制作是具有非常大的意義，綜合考慮到了相關(guān)粉末粒度對于燒結(jié)工藝中的影響，以及結(jié)合相應(yīng)還原工藝參數(shù)的比較，最終也是確定了最佳的范圍。

4.4 工藝穩(wěn)定性檢驗

通過對于上述幾個基礎(chǔ)部分工藝的研究，也去進(jìn)行了多元復(fù)合稀土鎢電極的相關(guān)工業(yè)試驗，再去對整個的工藝流程進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃操作，在最終也是確定多元復(fù)合稀土鎢電極的整個的生產(chǎn)工藝規(guī)程，然后分不同批次的去進(jìn)行投料生產(chǎn)，從而去檢驗整個工藝的穩(wěn)定性。通過最終數(shù)據(jù)研究分析，可以發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)工藝技術(shù)還是非常穩(wěn)定可靠的，也是能夠?qū)崿F(xiàn)不同批次下的投料生產(chǎn)，最重要的一點(diǎn)是該情況下的成品率是可以達(dá)到百分之七十以上的，也是在一定程度上超過了形同規(guī)格的釷鎢電極成品率，就目前的國內(nèi)外情況而言，該成品已經(jīng)遠(yuǎn)銷歐洲各大市場，已經(jīng)小有成效了，以后也將會逐漸的代替釷鎢電極成為最主要的電極材料。

5 多元復(fù)合稀土鎢電極前景分析

因此，上述通過對多元復(fù)合稀土鎢電極的相關(guān)研究可以充分了解，多元復(fù)合稀土鎢電極的焊接性也是非常良好的，能夠在多數(shù)情況下充分代替釷鎢電極。不僅如此，該電極與相同規(guī)格的釷鎢電極相比，各項性能也是更加優(yōu)良，完全優(yōu)于釷鎢電極，最重要的一點(diǎn)就是該電極在生產(chǎn)制造過程中既不會對人們身體造成放射性危害也不會對環(huán)境造成污染，是一種新型的綠色新產(chǎn)品。雖然現(xiàn)階段其還沒有進(jìn)行工業(yè)化的生產(chǎn)，但本次課題研究也是多次研究試驗了該電極的制備工藝中的各種關(guān)鍵工序，也就是：摻雜工藝、還原工藝以及垂熔燒相結(jié)合工藝，并且對各工藝中的流程進(jìn)行了系統(tǒng)性優(yōu)化調(diào)試，在最后階段也是確立了多元復(fù)合稀土鎢電極的生產(chǎn)工藝，并且使得該電極的成品率在一定程度上超過了同規(guī)格的釷鎢電極，有效的降低了生產(chǎn)成本。當(dāng)前，該項技術(shù)還在實踐過程中進(jìn)行不斷的完善改進(jìn)，相關(guān)的企業(yè)也是已經(jīng)生產(chǎn)了多批電極，并且成品率也是非常的穩(wěn)定，也已經(jīng)遠(yuǎn)銷于國外的一些國家，在國內(nèi)市場也已經(jīng)實在推廣使用了，其需求也在隨著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷的增加，前景也是非常廣闊的。

6 總結(jié)

此次文章最主要的研究目的就是為了找尋能夠替代具有放射性以及污染性的釷鎢電極，經(jīng)過多次的研究試驗，本課題主要對單元稀土鎢電極、二元稀土鎢電極以及三元稀土鎢電極進(jìn)行相關(guān)的電極性能機(jī)理研究。不僅如此，在這個基礎(chǔ)之上，本次課題還對三元符合稀土鎢電極進(jìn)行了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化研究，并且最終確定了最佳的材料添加范圍，使得三元復(fù)合稀土鎢電極的成品率高達(dá)百分之七十，該成品率在一定程度上也是超過了同規(guī)格下的釷鎢電極的工藝制造生產(chǎn)水平，而且這種生產(chǎn)模式也有效的降低了生產(chǎn)成本，其最重要的意義也是，通過比較低的成本優(yōu)勢使得稀土鎢電極已經(jīng)邁出了替代釷鎢電極的第一大步，也為日后稀土鎢電極的廣泛使用奠定了夯實的基礎(chǔ)。