CN109530704B - 一种等离子体火炬空心阴极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，包括以下步骤：1）将棒料加工成阴极模具和芯棒，阴极模具上设有填充区和与填充区贯通的进料槽；2）将芯棒插于阴极模具内；3）通过进料槽向填充区中填充铜和银的合金粉末或颗粒，即得充填有合金粉末或颗粒的阴极粗胚；4）将制备的阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉中，抽真空后升温至800℃‑950℃，保温5min‑60min，冷却后机加工为等离子体火炬空心阴极。该方法的制备工艺简单、加工成本低、适于工业化生产，采用该方法制备的空心电极具有较好的导电性能，减少了空心阴极的烧蚀面积，降低了空心阴极的烧蚀程度，延长了空心阴极的使用寿命。

Description

一种等离子体火炬空心阴极的制备方法
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，特别涉及一种等离子体火炬空心阴极的制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，等离子体技术得到了广泛的应用。其主要应用于等离子点火、等离子喷涂、金属冶炼、等离子加热制造纳米材料、切割、垃圾焚烧废物处理等领域。
阴极是发射电子的部件，在150KW以上大功率等离子火炬中常采用空心阴极，该空心阴极为空心圆柱形结构，其材料多为碳棒和纯铜，虽然碳棒有熔点高、导电导热性好的优点，但是它在高温下容易氧化，同样，金属铜导电导热性能优异，但其熔点低且成本高，氧化后导电率下降，烧蚀速度增加，且难以承载阴极的高温环境；由于承受电流的冲击和数万度的高温烧灼，再加上二者的电子逸出功都较大，阴极的内部很容易被烧蚀而致损坏，不仅使阴极寿命降低，而且增加使用和加工成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、可操作性强且成本低的等离子体火炬空心阴极的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，包括以下步骤：1）将棒料加工成阴极模具和芯棒，阴极模具上设有填充区和与填充区贯通的进料槽；2）将芯棒插于阴极模具内；3）通过进料槽向填充区中填充铜和银的合金粉末或颗粒，即得充填有合金粉末或颗粒的阴极粗胚；4）将制备的阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉中，抽真空后升温至800℃-950℃，保温5min-60min，冷却后机加工为等离子体火炬空心阴极。
进一步，所述步骤3）中铜的含量为18%-38%，银的含量为62%-82%。
进一步，所述棒料为无氧铜TU1或TU2棒料。
无氧铜TU1或TU2具有导电率高，加工性能和焊接性能、耐蚀性能好的特性，采用该材料的料棒加工成的阴极模具在高温下不易氧化腐蚀，具有较好的导电性能。
进一步，所述芯棒与阴极模具之间的间隙小于1mm。
间隙是指芯棒外径与阴极模具内径之间差值的二分之一。设置有间隙可便于芯棒插入阴极模具内，且便于合金粉末或颗粒熔融后将芯棒的外壁与阴极模具的内壁焊接于一体。当间隙大于1mm时，其间隙充填的熔融后的合金粉末或颗粒较多，使加工成本增大。
进一步，所述填充区的内径比阴极模具的内径大2mm以上。
当填充区的内径与阴极模具的内径的差值小于2mm时，填充区中填充的阴极材料（即铜和银的合金粉末或颗粒）较少，采用本发明制备的空心阴极的烧灼区中阴极材料的厚度小于2mm，导致空心阴极的使用寿命下降。
优选地，所述填充区的内径比阴极模具的内径大2mm-9mm。
进一步，所述芯棒的右端面伸出阴极模具，且其与阴极模具的右端面之间的距离大于3mm。便于将合金粉末或颗粒从进料槽灌入填充区，减少合金粉末或颗粒在灌入填充区时的损失，降低成本。
进一步，所述步骤4）中真空气氛炉抽真空后的真空度为10-5Pa-10Pa，在真空状态下加热可防止合金粉末或颗粒的氧化，降低制备的空心阴极的使用寿命。
进一步，所述步骤4）中升温的速度为2℃/min-10℃/min。
本发明一种等离子体火炬空心阴极的制备方法的有益效果：本发明的制备方法通过阴极模具的填充区中灌入合金粉末或颗粒熔融后，置于真空气氛炉中加热并冷却后进行机加工成空心阴极，使该空心阴极在实际使用过程中的电弧区（即烧蚀区）位于与阴极模具的填充区相对应的位置，与传统的空心阴极相比，减少了空心阴极烧蚀区的面积，从而降低了空心阴极的烧蚀程度，提高了空心阴极的使用寿命；且该方法采用铜和银的合金粉末或颗粒充填于填充区，即使制备的空心阴极的阴极材料采用铜银合金，与银作为阴极材料的成本节约了90%，降低了制备空心阴极的成本，与传统的铜作为阴极材料相比寿命提高2倍以上，但成本仅增加1倍；且该制备方法工艺简单、可操作性强、适于工业化生产。
附图说明
图1—为本发明一种等离子体火炬空心阴极的制备方法中阴极粗胚的结构示意图；
图2—为采用本发明的方法制备的空心阴极的结构示意图。
上述附图标记：1-阴极模具，11-填充区，12-进料槽，13-阴极模具的右端面，2-芯棒，21-芯棒的右端面，3-铜和银的合金粉末或颗粒，4-空心阴极，41-电弧区。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。
实施例1
参见图1-2，一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，包括以下步骤：
1）采用无氧铜TU1棒料加工成阴极模具1和芯棒2，阴极模具1上设有填充区11和与填充区11贯通的进料槽12，填充区11的内径（见图1中L）比阴极模具1的内径（见图1中D）大6mm，芯棒2与阴极模具1之间的间隙为0.2mm；
2）将芯棒2插于阴极模具1内，使芯棒的右端面21伸出阴极模具1，且其与阴极模具的右端面13之间的距离为5mm；
3）通过进料槽12向填充区11中填充铜和银的合金粉末3，其中铜的含量为18%，银的含量为82%，即得充填有合金粉末的阴极粗胚；
4）将制备的阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉中，抽真空使真空气氛炉内的真空度为10-5Pa后升温至870℃，保温30min，升温的速度为8℃/min，冷却后机加工为等离子体火炬空心阴极4。机加工是将芯棒2和进料槽12采用机械加工将在真空气氛炉中加热后的阴极粗胚中的芯棒2和进料槽12去除后形成中间是空心的阴极，使该空心阴极4的电弧区41在空心阴极4中的位置与阴极模具1中填充区11所处的位置相对应（如图1和2所示），从而使该空心阴极4的烧蚀区集中于该电弧区，即该电弧区41为烧蚀区，降低了空心阴极4烧蚀的面积，提高其使用寿命。
实施例2
一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，包括以下步骤：
1）采用无氧铜TU2棒料加工成阴极模具1和芯棒2，阴极模具1上设有填充区11和与填充区11贯通的进料槽12，填充区11的内径（见图1中L）比阴极模具1的内径（见图1中D）大7mm，芯棒2与阴极模具1之间的间隙为0.5mm；
2）将芯棒2插于阴极模具1内，使芯棒的右端面21伸出阴极模具1，且其与阴极模具的右端面13之间的距离为4mm；
3）通过进料槽12向填充区11中填充铜和银的合金颗粒3，其中铜的含量为30%，银的含量为70%，即得充填有合金颗粒的阴极粗胚；
4）将制备的阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉中，抽真空使真空气氛炉内的真空度为1Pa后升温至860℃，保温50min，升温的速度为5℃/min，冷却后机加工为等离子体火炬空心阴极4。
本发明对实施例1、2以及采用纯银和纯铜制备的空心阴极实地点火后的灼烧程度（阴极重量损失）进行了测定，测定电流在500A，测定结果如下表所示：
表1 空心阴极重量损失测定结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由上表可知，与传统的纯铜电极相比，采用本发明制备的空心阴极阴极重量损失明显低于纯铜电极，基本与纯银电极相当。表明其提高了现有纯铜空心阴极的抗电弧烧蚀能力，降低了烧蚀速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的 限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示 的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发 明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将棒料加工成阴极模具和芯棒，阴极模具上设有填充区和与填充区贯通的进料槽；2）将芯棒插于阴极模具内；3）通过进料槽向填充区中填充铜和银的合金粉末或颗粒，即得充填有合金粉末或颗粒的阴极粗胚；4）将制备的阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉中，抽真空后升温至800℃-950℃，保温5min-60min，冷却后机加工为等离子体火炬空心阴极，机加工是将芯棒和进料槽采用机械加工将在真空气氛炉中加热后的阴极粗胚中的芯棒和进料槽去除后形成中间是空心的阴极，使该空心阴极的电弧区在空心阴极中的位置与阴极模具中填充区所处的位置相对应。
2.如权利要求1所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中铜的含量为18%-38%，银的含量为62%-82%。
3.如权利要求1所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述棒料为无氧铜TU1或TU2棒料。
4.如权利要求1所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述芯棒与阴极模具之间的间隙小于1mm。
5.如权利要求1所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述填充区的内径比阴极模具的内径大2mm以上。
6.如权利要求1所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述芯棒的右端面伸出阴极模具，且其与阴极模具的右端面之间的距离大于3mm。
7.如权利要求1-6任一项所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中真空气氛炉抽真空后的真空度为10-5Pa-10Pa。
8.如权利要求7所述一种等离子体火炬空心阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中升温的速度为2℃/min-10℃/min。
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