CN107737951B - 一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法 - Google Patents

一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法，属于粉末冶金粉末制备技术领域。具体制备方法为：使用溶液燃烧合成与氢还原相结合的方法制备稀土氧化物掺杂的纳米钨粉，将纳米钨粉与粘结剂混合制备成喂料，使用注射成形工艺将喂料制成坯体，通过溶剂脱脂与热脱脂相结合的工艺脱出生坯中的粘结剂，然后在1400～1650℃氢气气氛下烧结制成气体火花开关电极产品，其平均晶粒尺寸为0.2～1μm，耐烧蚀性能好。本方法使用湿化学方法制备纳米钨粉，稀土氧化物颗粒可以均匀细小地分散在钨基体中，且粉末的烧结活性高，注射成形工艺可以大批量、高精度地制备气体火花开关电极。

Description

一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，涉及制备超细晶钨基气体火花开关电极的方法。
背景技术
气体火花开关(Gas Spark Gap,GSG)具有工作电压高、开关电流大、导通电阻小、寿命长、结构坚固和使用方便等一系列优点，在高压脉冲发生器等许多领域得以广泛应用，在高压设备和元器件的防护等方面发展潜力巨大。在高功率气体火花开关放电过程中，放电电极会被加热而升温，若足够多的能量沉积到电极材料中，会使电极材料温度不断升高直至熔点或沸点，熔化或蒸发的电极材料会脱离电极表面，产生电极烧蚀，同时电极表面变差，从而影响开关性能，甚至导致开关失误或失控，限制开关工作寿命。钨是目前为止耐烧蚀性能最好的材料，其耐烧蚀性能显著优于Mo，W-Cu，不锈钢等材料。
气体火花开关电极一般尺寸较小，且零件的壁非常薄。钨是金属中熔点最高的，且其韧脆转变温度较高，使得钨合金的加工成形变得极为困难。制备气体火花开关电极的传统方法是先用粉末冶金法制备出W合金型材，再通过机械加工制备的规定形状的气体火花开关电极。这种制备方法工序复杂，材料利用率低，成本高，加工出来的零件的表面状态较差，且晶粒尺寸较大，很难满足气体火花开关电极对其寿命的要求。所以，寻找一种可以快速、低成本、高材料利用率且制备的电极的寿命足够长的制备方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术当中工序复杂、高成本、低材料利用率的缺点，开发出了一种快速、低成本、高材料利用率的气体火花开关电极的制备方法，且所制备的钨基气体火花开关电极具有超细的晶粒尺寸，平均尺寸小于1μm，零件的尺寸精度高，表面状态好，具有优良的力学性能。
本发明包括如下具体步骤：
(1)以偏钨酸铵、硝酸铵、甘氨酸和稀土氧化物源为原料，使用溶液燃烧合成法制备氧化钨/稀土氧化物复合前驱体，再通过氢气还原得到稀土氧化物掺杂的纳米钨粉；所用的稀土氧化物源为硝酸镧、硝酸钇和硝酸铈中的一种或几种，稀土氧化物的质量分数为0.5～3％。
(2)将纳米钨粉与粘结剂在150～170℃下混炼1～3h，粉末与粘结剂的体积比为40：60～50:50，制备出混合均匀、具有良好流变性能的喂料；
(3)将喂料在注射成形设备上采用采用注射成形技术制备出所需气体火花开关电极形状的坯体；
(4)将注射成形坯体先采用三氯乙烯进行溶剂脱脂，脱脂时间为1～8h，再将溶液脱脂的坯体放在氢气气氛中进行热脱脂；
(5)烧结得到气体火花开关电极产品，其平均晶粒尺寸为0.2～1μm。
进一步地，步骤(2)所述粘结剂由50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸组成。
进一步地，步骤(3)所述的注射成形技术为：注射温度为150～170℃，注射压力为50～100MPa。
进一步地，步骤(4)所述的热脱脂制度为缓慢加热至600℃，升温速率为1～5℃/min，600℃保温2h之后以10℃/min升温至1100℃保温2h预烧结。
进一步地，步骤(5)所述烧结是将脱脂坯在1400～1650℃的温度下烧结1～4h。
本发明的技术有以下的优势：
(1)采用湿化学方法制备稀土氧化物掺杂的纳米钨粉，稀土氧化物颗粒均匀地分散在钨粉基体中，可以在烧结过程中组织晶粒的长大，有效地起到了细化晶粒的作用。
(2)合成的粉末的烧结活性高，可以在较低的烧结温度下达到很高的烧结密度，同时晶粒尺寸细小，耐烧蚀性能好。
(3)采用注射成形工艺制备气体火花开关电极，原料利用率高，零件的尺寸精度好，表面状态优良。
附图说明
图1气体火花开关电极的断口形貌图
具体实施方式
实施例1
将偏钨酸铵、硝酸镧、硝酸铵和甘氨酸按100:14:2000:1000的摩尔比使用溶液燃烧合成法制备前驱体粉末，再在750℃通过氢气还原得到W-1wt％La2O3复合纳米粉末。将纳米粉末与成分为50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸的粘结剂按粉末的体积比45％在160℃的温度下混炼2h，制备出粘结剂与粉末混合均匀的喂料，喂料在注射成形机上成形，得到气体火花开关电极坯体。首先将成形坯在三氯乙烯中浸泡脱脂3h，将溶剂脱脂坯烘干之后，在室温～600℃的温度范围内氢气气氛中热脱脂，600℃保温后升温到1100℃预烧结，将脱脂坯在1450℃的温度下烧结3h，制备出气体火花开关电极零件。
实施例2
将偏钨酸铵、硝酸钇、硝酸铵和甘氨酸按100:20:2000:1000的摩尔比使用溶液燃烧合成法制备前驱体粉末，再在780℃通过氢气还原得到W-1wt％Y2O3复合纳米粉末。将纳米粉末与成分为50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸的粘结剂按粉末的体积比44％在160℃的温度下混炼2h，制备出粘结剂与粉末混合均匀的喂料，喂料在注射成形机上成形，得到气体火花开关电极坯体。首先将成形坯在三氯乙烯中浸泡脱脂3h，将溶剂脱脂坯烘干之后，在室温～600℃的温度范围内氢气气氛中热脱脂，600℃保温后升温到1100℃预烧结，将脱脂坯在1450℃的温度下烧结3h，制备出气体火花开关电极零件。
实施例3
将偏钨酸铵、硝酸镧、硝酸铵和甘氨酸按100:28:2000:1000的摩尔比使用溶液燃烧合成法制备前驱体粉末，再在750℃通过氢气还原得到W-2wt％La2O3复合纳米粉末。将纳米粉末与成分为50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸的粘结剂按粉末的体积比40％在150℃的温度下混炼2h，制备出粘结剂与粉末混合均匀的喂料，喂料在注射成形机上成形，得到气体火花开关电极坯体。首先将成形坯在三氯乙烯中浸泡脱脂4h，将溶剂脱脂坯烘干之后，在室温～600℃的温度范围内氢气气氛中热脱脂，600℃保温后升温到1100℃预烧结，将脱脂坯在1550℃的温度下烧结2h，制备出气体火花开关电极零件。
实施例4
将偏钨酸铵、硝酸铈、硝酸铵和甘氨酸按100:13:2000:1000的摩尔比使用溶液燃烧合成法制备前驱体粉末，再在750℃通过氢气还原得到W-1wt％CeO2复合纳米粉末。将纳米粉末与成分为50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸的粘结剂按粉末的体积比45％在160℃的温度下混炼2h，制备出粘结剂与粉末混合均匀的喂料，喂料在注射成形机上成形，得到气体火花开关电极坯体。首先将成形坯在三氯乙烯中浸泡脱脂4h，将溶剂脱脂坯烘干之后，在室温～600℃的温度范围内氢气气氛中热脱脂，600℃保温后升温到1100℃预烧结，将脱脂坯在1480℃的温度下烧结3h，制备出气体火花开关电极零件。
实施例5
将偏钨酸铵、硝酸镧、硝酸铵和甘氨酸按100:10:2000:1000的摩尔比使用溶液燃烧合成法制备前驱体粉末，再在750℃通过氢气还原得到W-0.5wt％La2O3复合纳米粉末。将纳米粉末与成分为50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸的粘结剂按粉末的体积比48％在160℃的温度下混炼2h，制备出粘结剂与粉末混合均匀的喂料，喂料在注射成形机上成形，得到气体火花开关电极坯体。首先将成形坯在三氯乙烯中浸泡脱脂5h，将溶剂脱脂坯烘干之后，在室温～600℃的温度范围内氢气气氛中热脱脂，600℃保温后升温到1100℃预烧结，将脱脂坯在1400℃的温度下烧结4h，制备出气体火花开关电极零件。

Claims (3)

1.一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法，其特征在于制备步骤如下:
(1)以偏钨酸铵、硝酸铵、甘氨酸和稀土氧化物源为原料，使用溶液燃烧合成法制备氧化钨/稀土氧化物复合前驱体，再通过氢气还原得到稀土氧化物掺杂的纳米钨粉；所用的稀土氧化物源为硝酸镧、硝酸钇和硝酸铈中的一种或几种，稀土氧化物的质量分数为0.5～3％；
(2)将纳米钨粉与粘结剂在150～170℃下混炼1～3h，粉末与粘结剂的体积比为40：60～50：50，制备出混合均匀、具有良好流变性能的喂料；
(3)将喂料在注射成形设备上采用 注射成形技术制备出所需气体火花开关电极形状的坯体，
(4)将注射成形坯体先采用三氯乙烯进行溶剂脱脂，脱脂时间为1～8h，再将溶液脱脂的坯体放在氢气气氛中进行热脱脂，
(5)烧结得到气体火花开关电极产品，其平均晶粒尺寸为0.2～1μm；
步骤(2)所述粘结剂由50％石蜡、20％高密度聚乙烯、15％聚丙烯和15％硬脂酸组成；
步骤(4)所述的热脱脂制度为缓慢加热至600℃，升温速率为1～5℃/min，600℃保温2h之后以10℃/min升温至1100℃保温2h预烧结。
2.如权利要求1所述一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法，其特征在于步骤(3)所述的注射成形技术为：注射温度为150～170℃，注射压力为50～100MPa。
3.如权利要求1所述一种超细晶钨基气体火花开关电极的制备方法，其特征在于步骤(5)所述烧结制度是将脱脂坯在1400～1650℃的温度下烧结1～4h。
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