CN106834780B - 一种稀土钨合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种稀土钨合金及其制备方法。本发明将稀土氧化物原料分散于乙醇中，与粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉混合，经压制和烧结后得到稀土钨合金；得到的稀土钨合金包括质量含量为1.5～3％的稀土氧化物和余量的钨；所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化铈和氧化钇；所述氧化镧、氧化铈和氧化钇的质量含量独立地为0.3～1.5％。实验结果表明，本发明提供的稀土钨合金的制备方法简单，制备得到的稀土钨合金组织致密，起弧性能和稳定性好，使用寿命长，烧损率可低至16mg/h。

Description

一种稀土钨合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种稀土钨合金及其制备方法。
背景技术
钨极氩弧焊几乎适合于所有金属材料的焊接，特别是有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属等，由于钨电极材料具有较好的高温强度，在焊接电弧燃烧过程中，作为电极的钨棒或钨合金棒基本上不产生熔化和变形。在惰性气体的保护下，电弧区的热扩散也较小，能维持较为稳定的电弧形状和电弧长度，焊接过程十分稳定；同时焊接区的金属基本与空气隔离，从而可以保证高质量的焊缝。
钍钨电极具有起弧容易、耐用电流大、使用寿命长等优点，是当前钨极惰性气体保护焊中的主要电极材料。但钍钨电极中的钍是一种天然放射性元素，其α射线的半衰期极长，因此，钍钨电极材料在长期生产和使用过程中给人体和环境造成累积性的放射性危害。尽管钍具有累积性的放射性危害，但由于至今没有综合性能更优异的工业电极产品可完全取代钍钨电极，目前，国内钨钍电极的市场份额仍占70％以上，其余份额主要是铈钨电极等单元稀土钨电极。
单元稀土钨电极在不同方面体现出各自的特长，如镧钨电极具有优良的起弧性能，钇钨电极在大功率使用条件下稳定性好，铈钨电极的加工性能好，成本低，但是这些单元稀土钨电极的其他使用性能完全不能跟钨钍电极相媲美。
目前，越来越多的学者开始将研究重点转向多元复合稀土钨电极材料，并研究了多种不同配比的复合稀土钨电极的使用性能。但是现有技术中的多元复合稀土钨电极材料都是以稀土的硝酸盐溶液与蓝色氧化钨为原料，经还原、压制和多次烧结后制备，制备工艺复杂，且致密度低，不能充分发挥稀土元素的作用，得到焊接性能优异的稀土钨电极。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土钨合金的制备方法。本发明提供的制备方法简单，制备得到的稀土钨合金组织致密，焊接性能优异。
本发明提供了一种稀土钨合金的制备方法，所述稀土钨合金包括质量含量为1.5～3％的稀土氧化物和余量的钨；所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化铈和氧化钇；所述氧化镧、氧化铈和氧化钇的质量含量独立地为0.3～1.5％；
所述稀土钨合金的制备包括以下步骤：
(1)将稀土氧化物原料分散于乙醇中，得到稀土氧化物分散液；
(2)将所述步骤(1)得到的稀土氧化物分散液与粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉混合，得到混合物料；
(3)将所述步骤(2)得到的混合物料进行压制，得到坯料；
(4)将所述步骤(3)得到的坯料烧结，得到稀土钨合金。
优选的，所述步骤(1)中稀土氧化物原料的粒径为0.5～1μm。
优选的，所述步骤(1)的分散液中稀土氧化物与乙醇的质量比为1:3～8。
优选的，所述步骤(1)中的分散为超声分散。
优选的，所述步骤(2)中粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉的质量比为15～20:1。
优选的，所述步骤(3)中的压制为冷等静压。
优选的，所述步骤(4)中烧结的温度为1800～2100℃，烧结的时间为4～10h。
优选的，所述步骤(4)中烧结为真空烧结。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的稀土钨合金，微观组织为：稀土氧化物分布于钨晶界处。
优选的，所述稀土氧化物的粒径为0.5～1μm。
本发明提供了一种稀土钨合金的制备方法，将稀土氧化物分散于乙醇中，与粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉混合，经压制和一次烧结后得到稀土钨合金；得到的稀土钨合金包括质量含量为1.5～3％的稀土氧化物和余量的钨；所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化铈和氧化钇；所述氧化镧、氧化铈和氧化钇的质量含量独立地为0.3～1.5％。实验结果表明，本发明提供的稀土钨合金的制备方法简单，制备得到的稀土钨合金组织致密，致密度可达18.0g/cm3起弧性能和稳定性好，使用寿命长，烧损率可低至16mg/h。
附图说明
图1为实施例1中制备的稀土钨合金的显微组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种稀土钨合金的制备方法，所述稀土钨合金包括质量含量为1.5～3％的稀土氧化物和余量的钨；所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化铈和氧化钇；所述氧化镧、氧化铈和氧化钇的质量含量独立地为0.3～1.5％；
所述稀土钨合金的制备包括以下步骤：
(1)将稀土氧化物原料分散于乙醇中，得到稀土氧化物分散液；
(2)将所述步骤(1)得到的稀土氧化物分散液与粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉混合，得到混合物料；
(3)将所述步骤(2)得到的混合物料进行压制，得到坯料；
(4)将所述步骤(3)得到的坯料烧结，得到稀土钨合金。
在本发明中，所述稀土钨合金包括质量含量为1.5～3％的稀土氧化物和余量的钨，优选为2～2.5％的稀土氧化物和余量的钨。
在本发明中，所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化铈和氧化钇；所述氧化镧、氧化铈和氧化钇的质量含量独立地为0.3～1.5％，优选为0.5～1.1％，更优选为0.8～1％。
本发明将稀土氧化物原料分散于乙醇中，得到稀土氧化物分散液。在本发明中，所述稀土氧化物原料的粒径优选为0.5～1μm，更优选为0.6～0.9μm，最优选为0.7～0.8μm。在本发明中，所述分散液中的稀土氧化物原料与乙醇的质量比优选为1:3～8，更优选为1:5～7。在本发明中所述分散优选为超声分散。在本发明中，所述超声分散的功率密度优选为20～40W/L，更优选为25～35W/L；所述超声分散的时间优选为1～10min，更优选为3～8min。在本发明中，所述分散使稀土氧化物能够均匀分布。优选的，所述超声分散使稀土氧化物以一次颗粒的形式均匀分散，最终使得其在稀土钨合金中均匀分布。
得到稀土氧化物分散液后，本发明将所述稀土氧化物分散液与粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉混合，得到混合物料。在本发明中，所述粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉的质量比优选为15～20:1，更优选为16～19:1，最优选为17～18:1。在本发明中，所述不同粒度的两种钨粉配合使用，能够有效提高稀土钨合金的致密度。
在本发明中，所述分散液与钨粉的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的转速优选为100～200r/min，更优选为140～170r/min；所述搅拌的时间优选为10～30min，更优选为15～25min。在本发明中，所述分散液与钨粉的混合优选在真空条件下进行；所述真空条件的真空度优选为0.1Pa以下，更优选为0.02～0.08Pa。本发明对所述分散液与钨粉的混合的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混料设备即可。在本发明中，所述分散液与钨粉的混合的装置优选为真空混料机。
混合完成后，本发明优选将所述混合的产物进行干燥，得到混合物料。在本发明中，所述干燥优选为真空干燥。在本发明中，所述真空干燥的真空度优选为0.1Pa以下，更优选为0.02～0.08Pa；所述真空干燥的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃；所述真空干燥的时间优选为1～4h，更优选为2～3h。
得到混合物料后，本发明将所述混合物料进行压制，得到坯料。在本发明中，所述压制优选为冷等静压。在本发明中，所述压制的装置优选为冷等静压机。在本发明中，所述压制的压力优选为150～300MPa，更优选为180～260MPa，最优选为200～220MPa；所述压力下的保压时间优选为5～30min，更优选为10～25min，最优选为15～20min。在本发明中，所述压制能够提高稀土钨合金致密度和均匀性。优选的，所述冷等静压能够改善液压机压制坯料的密度不均匀性，得到密度均匀的坯料。
得到坯料后，本发明将所述坯料烧结，得到稀土钨合金。在本发明中，所述烧结的温度优选为1800～2100℃，更优选为1850～2050℃，最优选为1900～2000℃；所述烧结的时间优选为4～10h，更优选为5～9h，最优选为7～8h。在本发明中，所述烧结优选为真空烧结；所述真空烧结的真空度优选为6×10-3Pa以下，更优选为1～5×10-3Pa，最优选为2～4×10- 3Pa。在本发明中，所述烧结能够使稀土钨合金组织更加致密。
所述烧结后，本发明优选将得到的烧结产物冷却，得到稀土钨合金。本发明对所述烧结后的冷却方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的烧结冷却方式即可。在本发明中，所述冷却优选为随炉冷却至室温。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的稀土钨合金，微观组织为：稀土氧化物分布于钨晶界处。在本发明中，所述稀土氧化物的粒径优选为0.5～1μm，更优选为0.6～0.9μm，最优选为0.7～0.8μm。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的稀土钨合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
称取氧化铈10g，氧化钇5g，氧化镧5g，置于100g酒精中用20W/L的超声波超声分散3min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为5μm的钨粉920g，粒度2.5μm的钨粉60g与稀土氧化物分散液共同置于真空度为0.1Pa的真空混料机中，150r/min速率混料15min，然后0.1Pa，70℃真空干燥3h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力200MPa，保压时间5min，得到坯料；
将坯料置于6×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度2000℃，保温时间5小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的显微组织图如图1所示，从图1中可以看出，稀土氧化物均匀分布于钨晶界处。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为17.9g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为20mg/h。
实施例2:
称取氧化铈6.67g，氧化钇6.67g，氧化镧6.67g，置于酒精中用30W/L的超声波超声分散6min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为6μm的钨粉930g，粒度为3μm的钨粉50g与稀土氧化物分散液共同置于0.05Pa真空混料机中，120r/min速率混料20min，然后0.05Pa，80℃真空干燥1h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力250MPa，保压时间10min，得到坯料；
将坯料置于5×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1900℃，保温时间7小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为17.8g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为17mg/h。
实施例3:
称取氧化铈6.67g，氧化钇6.67g，氧化镧6.67g，置于酒精中用30W/L的超声波超声分散6min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为6μm的钨粉930g，粒度为3μm的钨粉50g与稀土氧化物分散液共同置于0.08Pa真空混料机中，100r/min混料30min，然后0.05Pa，60℃真空干燥4h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力150MPa，保压时间30min，得到坯料；
将坯料置于4×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度2100℃，保温时间6小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为18.0g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为18mg/h。
实施例4:
称取氧化铈4g，氧化钇10g，氧化镧6g，置于酒精中用20W/L的超声波超声分散10min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为4μm的钨粉925g，粒度为3μm的钨粉55g与稀土氧化物分散液共同置于0.08Pa真空混料机中，180r/min混料20min，然后0.08Pa，75℃真空干燥2h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力300MPa，保压时间10min，得到坯料；
将坯料置于5.5×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度2050℃，保温时间8小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为17.9g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为21mg/h。
实施例5:
称取氧化铈5g，氧化钇5g，氧化镧10g，置于酒精中用25W/L的超声波超声分散8min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为5μm的钨粉930g，粒度为2.5μm的钨粉50g与稀土氧化物分散液共同置于0.1Pa真空混料机中，140r/min混料10min，然后0.1Pa，65℃真空干燥3h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力200MPa，保压时间25min，得到坯料；
将坯料置于5×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1900℃，保温时间8小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为17.9g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为24mg/h。
实施例6:
称取氧化铈5g，氧化钇12g，氧化镧3g，置于酒精中用20W/L的超声波超声分散3min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为4μm的钨粉930g，粒度为3μm的钨粉50g与稀土氧化物分散液共同置于0.1Pa真空混料机中，120r/min混料20min，然后0.1Pa，75℃真空干燥2h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制成坯条，压制压力250MPa，保压时间10min，得到坯料；
将坯料置于4×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度2050℃，保温时间5小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为18.0g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为16mg/h。
实施例7:
称取氧化铈12g，氧化钇4g，氧化镧4g，置于酒精中用20W/L的超声波超声分散10min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为6μm的钨粉925g，粒度为2μm的钨粉55g与稀土氧化物分散液共同置于0.1Pa真空混料机中，200r/min混料10min，然后0.1Pa，70℃真空干燥2h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力250MPa，保压时间20min，得到坯料；
将坯料置于6×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度2100℃，保温时间10小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为18.0g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为20mg/h。
实施例8:
称取氧化铈3g，氧化钇3g，氧化镧16g，置于酒精中用30W/L的超声波超声分散15min，得到稀土氧化物分散液；
称取粒度为6μm的钨粉930g，粒度为1μm的钨粉50g与稀土氧化物分散液共同置于0.1Pa真空混料机中，200r/min混料15min，然后0.1Pa，70℃真空干燥2h，得到混合物料；
将混合物料放入软包套中，放入等静压机压制，压制压力280MPa，保压时间20min，得到坯料；
将坯料置于6×10-3Pa真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1900℃，保温时间4小时，随炉降温得到稀土钨合金。
本实施例制备的稀土钨合金的致密度为17.8g/cm3；将其用于电极焊接不锈钢或碳钢，起弧性能和稳定性好，烧损率为26mg/h。
由以上实施例可以看出，本发明提供的制备方法简单，制备的稀土钨合金具有良好的起弧性能和稳定性，烧损率低，使用寿命由于钍钨合金。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种稀土钨合金的制备方法，其特征在于，所述稀土钨合金包括质量含量为1.5～3％的稀土氧化物和余量的钨；所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化铈和氧化钇；所述氧化镧、氧化铈和氧化钇的质量含量独立地为0.3～1.5％；
所述稀土钨合金的制备包括以下步骤：
(1)将稀土氧化物原料分散于乙醇中，得到稀土氧化物分散液；
(2)将所述步骤(1)得到的稀土氧化物分散液与粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉混合，得到混合物料；所述粒度为4～6μm的钨粉和粒度为1～3μm的钨粉的质量比为15～20:1；
(3)将所述步骤(2)得到的混合物料进行压制，得到坯料；
(4)将所述步骤(3)得到的坯料烧结，得到稀土钨合金；所述烧结的温度为1800～2100℃，烧结的时间为4～10h；所述烧结为真空烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中稀土氧化物原料的粒径为0.5～1μm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的分散液中稀土氧化物与乙醇的质量比为1:3～8。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分散为超声分散。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的压制为冷等静压。
6.权利要求1～5任意一项所述制备方法制备的稀土钨合金，其特征在于，微观组织为：稀土氧化物分布于钨晶界处。
7.根据权利要求6所述的稀土钨合金，其特征在于，所述稀土氧化物的粒径为0.5～1μm。
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