CN1060709C - 三元复合稀土钨电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含三种稀土元素的钨电极材料及其制备方法,材料中含有La2O3、Y2O3和CeO2三种稀土氧化物,其余为W,以钨粉重量的百分比计,每种稀土氧化物含量为0.4~1.4%,三种稀土氧化物的总含量为2~2.2%。其制备方法采用两次氢气还原制成钨粉,经压型、1200℃预烧结,在90%熔断电流下垂熔烧结,后经旋锻加工成各种规格的电极,其中旋锻开坯温度1500~1550℃,中间经一次高温快速垂熔退火处理。该电极引弧性能好,使用寿命高于钍钨和铈钨。
Description
本发明涉及一种含三种稀土元素的钨电极材料及其制备方法。该电极可用作惰性气体保护焊和等离子焊接、切割、喷涂、熔炼以及特殊电光源中。
钨电极是惰性气体保护焊和等离子焊接、切割、喷涂、熔炼以及特殊电光源中的关键材料,目前使用较多的是钍钨电极(含ThO2)和铈钨电极(含CeO2)。钍钨电极在其生产和使用过程中都将给环境和人体健康带来放射性危害;铈钨电极仅在小规格焊接用钨电极方面可取代钍钨电极。
在国外,日本研制了一种分别含La2O3、Y2O3和CeO2的单元稀土钨电极材料(JP62-93075,公开日:94年10月27日)。在国内,原冶金部包头稀土研究院研制了一种添加有单元稀土氧化物(Y2O3、La2O3、Nd2O3、Gd2O3)和碱金属化合物的单元稀土钨电极材料(CN1041556A,公开日:90年4月25日)。
上述各种稀土钨电极材料都有各自的优点和缺点:铈钨电极(含CeO2)的加工性能好,在小电流使用时具有较好的电弧稳定性,但其反复引弧性能差、容易断弧、电弧压力和许用电流小;镧钨电极(含La2O3)在中小电流工作时电弧稳定性和电极抗烧损性能好,但其加工性能差,在大电流使用时烧损严重;钇钨电极(含Y2O3)使用时电弧压力大,在大电流工作时电极的抗烧损性能好,但其加工困难,在小电流使用时电弧稳定性差。此外,日本专利(JP62-93075)采用的稀土氧化物与钨直接混合的固固掺杂方式具有掺杂均匀性差的缺点;中国专利(CN1041556A)在材料生产中采用了稀土硝酸盐溶液与WO3混合的液固掺杂方式,但在还原前增加了稀土硝酸盐在250~850℃下加热分解得到稀土氧化物这道工序,从而增加了制备工艺的复杂性,使材料的生产成本增加。
本发明的目的在于提供一种无放射性污染、使用性能及加工性能好的三元复合稀土钨电极材料,并提供一种工艺简单且生产成本低的三元复合稀土钨电极材料的制备方法。
本发明提供的三元复合稀土钨电极材料,其组分含有La2O3、Y2O3和CeO2三种稀土氧化物,其余为W,以钨粉重量的百分比计,每种稀土氧化物含量为0.4~1.4%,三种稀土氧化物的总含量为2~2.2%。
钨中添加稀土氧化物是为了替代有放射性的钍,同时提高电极的电子发射能力。添加三种稀土氧化物是为了使电极材料具有比铈钨电极(含CeO2)、镧钨电极(含La2O3)、钇钨电极(含Y2O3)和钍钨电极(含ThO2)更优越的使用性能的同时,也具有良好的加工性能。
本发明提出的三元复合稀土钨电极材料的制备方法,由以下步骤组成:(1)以钨粉重量的百分比计,按La2O3、Y2O3和CeO2每种稀土氧化物含量为0.4~1.4%,三种稀土氧化物的总含量为2~2.2%所对应的氧化物重量换算成对应的硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈量,然后称取这些硝酸盐并配置成混合溶液。(2)将上述硝酸盐混合溶液,掺入到WO3粉末中,干燥后经500~540℃和640~920℃温度下的两次氢气还原,制得钨粉。(3)钨粉经压型、1200℃预烧结,在90%熔断电流下垂熔烧结,后经旋锻和链拉加工成各种规格的电极,其中旋锻开坯温度1500~1550℃,中间经一次高温快速垂熔退火处理。
上述制备方法,避免了日本专利(JP62-93075)采用的固固掺杂方式中稀土氧化物与钨粉混合的不均匀性;与中国专利(CN1041556A)相比,该制备方法减少了还原前稀土硝酸盐加热分解得到稀土氧化物这道工序,使制备工艺得到简化,从而降低了生产成本;采用高温快速垂熔退火可以避免退火时晶粒粗化,使得后续加工更为容易,提高了生产的成品率。
本发明制成的三元复合稀土钨电极的加工性能优异,预烧结效果好,垂熔中导电良好,类似于单元铈钨电极;旋锻开坯易加工,无断条、劈裂现象发生。
下面对附图进行图面说明:
图1:电极静特性曲线图。
实施例:1.按钨粉重量的0.4%La2O3、1.4%Y2O3、0.4%CeO2称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈(根据氧化物重量换算硝酸盐量)配制成混合溶液,掺入到WO3粉末中,充分搅拌蒸干和干燥后,先后经500~540℃和640~920℃温度下的两次氢气还原,制得钨粉。将钨粉压制成重650克,体积为12×12×400mm3的方条,经1200℃预烧结40分钟后,在90%熔断电流下保温20min进行垂熔烧结。烧结坯条经旋锻和链拉制成φ6.5mm、φ3.2mm、φ2.4mm、φ2.0mm、φ1.6mm几种规格的电极,其中旋锻开坯温度1550℃,锻至φ9.5mm时经一次高温快速垂熔退火处理。2.按钨粉重量的0.7%La2O3、0.7%Y2O3、0.7%CeO2称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈(根据氧化物重量换算硝酸盐量)配制成混合溶液,掺入到WO3粉末中,充分搅拌蒸干和干燥后,先后经500~540℃和640~920℃温度下的两次氢气还原,制得钨粉。将钨粉压制成重650克,体积为12×12×400mm3的方条,经1200℃预烧结40分钟后,在90%熔断电流下保温20min进行垂熔烧结。烧结坯条经旋锻和链拉制成φ6.5mm、φ3.2mm、φ2.4mm、φ2.0mm、φ1.6mm几种规格的电极,其中旋锻开坯温度1550℃,锻至φ9.5mm时经一次高温快速垂熔退火处理。3.按钨粉重量的0.9%La2O3、0.9%Y2O3、0.4%CeO2称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈(根据氧化物重量换算硝酸盐量)配制成混合溶液,掺入到WO3粉末中,充分搅拌蒸干和干燥后,先后经500~540℃和640~920℃温度下的两次氢气还原,制得钨粉。将钨粉压制成重650克,体积为12×12×400mm3的方条,经1200℃预烧结40分钟后,在90%熔断电流下保温20min进行垂熔烧结。烧结坯条经旋锻和链拉制成φ6.5mm、φ3.2mm、φ2.4mm、φ2.0mm、φ1.6mm几种规格的电极,其中旋锻开坯温度1550℃,锻至φ9.5mm时经一次高温快速垂熔退火处理。
下面对电极使用性能进行测试。测试结果与目前国内外工业生产中广泛应用的铈钨电极和钍钨电极进行对比。
电极编号1:含0.4%(重量)La2O3,1.4%(重量)Y2O3,0.4%(重量)CeO2,其余为W。
电极编号2:含0.7%(重量)La2O3,0.7%(重量)Y2O3,0.7%(重量)CeO2,其余为W。
电极编号3:含0.9%(重量)La2O3,0.9%(重量)Y2O3,0.4%(重量)CeO2,其余为W。
电极编号4:含2.2%(重量)CeO2的铈钨电极(北京钨钼材料厂产),该电极作为对比电极。
电极编号5:含2.0%(重量)ThO2的钍钨电极(美国华昌公司产),该电极作为对比电极。
1~5号电极均选用φ3.2mm磨光电极,电极尖部锥角为45°,所有实验均采用直流正接(钨极接负极)、高频引弧,电源设备采用ZS500型硅整流焊机、GNP-300型焊机控制箱和100KVA行调压器。1.引弧试验:阳极为水冷黄铜。经初步引弧,确定从电压30V开始进行引弧试验,按1V电压间隔升高空载电压,每个电压下进行引弧试验30次,每次打高频1秒内起弧为引弧成功,1~10秒内起弧为引弧滞后,超过10秒则为引弧失败。表1为本实验条件下得到的各电极临界起弧电压值。
表1引弧试验结果
电极编号 | 临界起弧电压(V) |
1 | 32 |
2 | 33 |
3 | 32 |
4 | 34 |
5 | 36 |
钨电极在引弧时和刚起弧后,电极表面还没有能够被加热到足够高的温度,因此它还不能作为热阴极而工作。高频引弧就是通过高频电压的作用使电极与母材之间产生火花放电,引起空间电离,使回路电流逐渐增大至电弧放电范围。在这个过程中,电极受到正负离子的碰撞,获得能量,电极表面温度升高。由此可见,电极表面的功函数对电极引弧性能的好坏起着决定性的作用,如果电极表面功函数越低,电极产生热电子发射所需的温度就越低,回路电流过渡到电弧放电所需时间也就越少,即引弧越容易成功。
从表1中可以看出:1号和3号组的三元复合稀土钨电极的引弧性能最好,临界起弧电压为32V,比5号组的钍钨电极的临界起弧电压降低了10%以上。2.寿命试验:直流正接(钨极接负极),电流250A,燃弧时间30min。用DP-100光学分析天平测量实验前后电极质量的变化,试验结果如表2所示。
表2寿命试验结果
电极编号 | 燃弧前质量(g) | 燃弧后质量(g) | 质量减少(mg) |
1 | 10.3802 | 10.3763 | 3.9 |
2 | 10.4300 | 10.4250 | 5.0 |
3 | 8.7902 | 8.7817 | 8.5 |
4 | 10.2498 | 10.2313 | 18.5 |
5 | 12.0872 | 12.0680 | 19.2 |
从表2可以看出,复合稀土钨电极燃弧前后质量减少最小,其抗烧损性能优于单元稀土铈钨电极。3.电弧静特性试验:阳极为水冷铜,氩气流量6L/min,焊机空载电压为70V,弧长3mm,电极伸出导气嘴长度6mm。燃弧后。迅速将回路电流调至40A,分别在电流为40A、60A、80A、100A、120A、140A、160A、180A和200A时,待电弧稳定燃烧,测出所对应的稳态电压值,作出伏安特性曲线,即静特性曲线,试验数据如表3所示。
从图1可以看出,在相同的工作电流下,1、2、3号三元复合稀土钨电极的开路电压明显低于5号钍钨电极,表明复合稀土钨电极的热电子发射性能优于钍钨电极,电弧稳定性好。
以上的试验结果表明:复合稀土钨电极材料具有比单元稀土钨电极和钍钨电极更好的热电子发射性能和电极长时间工作的稳定性,且加工和使用性能均优于目前已得到广泛应用的铈钨电极和钍钨电极。
Claims (2)
1.一种三元复合稀土钨电极材料,其特征在于:其组分含有La2O3、Y2O3和CeO2三种稀土氧化物,其余为W,以钨粉重量的百分比计,每种稀土氧化物含量为0.4~1.4%,三种稀土氧化物的总含量为2~2.2%。
2.根据权利要求1所述的三元复合稀土钨电极材料的制备方法,其特征在于:由以下步骤组成:(1)以钨粉重量的百分比计,按La2O3、Y2O3和CeO2每种稀土氧化物含量为0.4~1.4%,三种稀土氧化物的总含量为2~2.2%所对应的氧化物重量换算成对应的硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈量,然后称取这些硝酸盐并配置成混合溶液。(2)将上述硝酸盐混合溶液,掺入到WO3粉末中,干燥后经500~540℃和640~920℃温度下的两次氢气还原,制得钨粉。(3)钨粉经压型、1200℃预烧结,在90%熔断电流下垂熔烧结,后经旋锻和链拉加工成各种规格的电极,其中旋锻开坯温度1500~1550℃,中间经一次高温快速垂熔退火处理。
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