CN1147606C

CN1147606C - 合金元素添加钨氧化物电极材料及其制备工艺

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Publication number: CN1147606C
Application number: CNB021394857A
Authority: CN
Inventors: 杨志懋; 张晖; 王亚平; 宋晓平; 丁秉钧
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-04-28
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: CN1410573A

Abstract

本发明公开了一种合金元素添加钨氧化物电极材料及其制备工艺，首先在钨粉中加入重量比为0.1～1%的碳和1～5%的强氧化物形成合金元素的一种或几种；然后再加入0.5%～4%的功函数低的氧化物粉末的一种或两种，混合均匀；经冷压成长条状的方坯，在1300-1500K的氢气环境中预烧结；最后在2800-3500K下进行最后烧结，再经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。由于在钨粉中加入了少量合金元素，平衡燃弧过程中添加的氧化物分解过程，控制氧化物的分解速度，稳定烧结和燃弧高温过程中钨晶粒的生长，减少电极中氧化物的损耗，提高电弧的稳定性，增大电弧区电极表面的液态钨的表面张力，减少钨的损失。

Description

合金元素添加钨氧化物电极材料及其制备工艺

一、技术领域

本发明属于新型电工材料领域，进一步涉及合金元素添加钨-氧化物电极材料及其制备工艺。

二、背景技术

随着科学技术的发展，材料的制备和加工手段取得了长足的发展。等离子体加工是近年发展起来的材料加工手段，利用等离子体的高温，可以快速熔化金属，达到金属材料的冶金、焊接、切割和表面喷涂等目的。电弧等离子体技术广泛应用于等离子体焊接、切割、喷涂、熔炼等材料的制备和加工等工业领域以及等发射电光源、微波功率管、真空管、离子体推进器等领域。钨电极是这些设备中最为关键的部件，起着承载电流和耐电弧烧蚀的作用，对电弧等离子体的起弧特性和电弧等离子体的稳定性起着决定性的作用。然而钨电极在使用过程中，由于电弧等离子体的高温和环境中存在的氧等因素，导致电极的表面发生烧蚀，电极表面的钨和氧化物发生不同程度的物质损失，最终导致性能不稳定甚至电极的报废。为了克服W-氧化物电极烧蚀和性能不稳定等问题，各国材料工作者正致力于新型阴极材料的研究，主要目标集中在改变氧化物种类方面，但收效不大。主要原因是没有区分电极烧蚀过程中钨的烧蚀和氧化物烧蚀的不同和联系。目前我国的等离子体加工设备大多依赖从日本、欧洲或美国进口，电极作为等离子体发生器的核心部件和消耗品也多由设备的生产制造厂家提供。尽管我国拥有十分丰富的钨资源和长期进行的钨氧化物电极材料的开发研究，但目前生产的钨电极在性能上难以满足国外进口设备对电极的使用要求。其中的主要原因是目前我国添加氧化物钨电极的制造采用氧化钨添加钍盐还原的方法，氧化物的尺寸大，分布不均匀，而且这种方法能源消耗大，污染严重。导致生产的电极产品的使用寿命较低和使用过程中的电弧不稳定，影响等离子体加工的精度和质量。

如电极消耗较为严重的等离子体喷涂，正常情况下国外电极的使用寿命约为40-50小时，而国产同类电极的使用寿命只有30小时以下。这是国外电极价格居高不下的原因。国内生产的钨电极的出口也仅是对电极性能要求不高的小电流焊接用电极，占世界范围内电极消费量中很小的比例，这与我国十分丰富的钨资源和原料钨大批量出口形成鲜明的对比。提高我国钨电极制品的技术水平和产品等级是钨产品制造行业面临的首要和迫切的难题。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够提高电弧的稳定性，增大电弧区电极表面的液态钨的表面张力，减少钨的损失的合金元素添加钨氧化物电极材料及其制备工艺。

为达到上述目的，本发明合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺为：首先在钨粉中加入重量比为0.1～1％的碳和1～5％的Nb，V，Zr，Cr，Al，Mo的强氧化物形成合金元素的一种或几种；然后再加入重量比为0.5％～4％的ThO2、CeO2、Y2O3或La2O3功函数低的氧化物粉末的一种或两种，混合均匀；经冷压成长条状的方坯，在1300-1500K的氢气环境中预烧结；最后在2800-3500K下进行最后烧结，再经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

根据本发明的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺制成的合金元素添加钨氧化物电极材料中含0.1％～1％的C、1％～5％的Nb，V，Zr，Cr，Al，Mo合金元素的一种或几种，0.5％～4％的ThO2、CeO2、Y2O3或La2O3功函数低的氧化物粉末的一种或两种。

由于本发明在钨粉中加入了少量合金元素，可以平衡燃弧过程中添加的氧化物分解过程，控制氧化物的分解速度，这些合金元素固溶与钨相或形成化合物，稳定烧结和燃弧高温过程中钨晶粒的生长。在燃弧过程中吸收材料内部和电弧周围的氧，形成高熔点的氧化物，减少电极中氧化物的损耗。同时参与电弧的燃烧过程，提高电弧的稳定性，增大电弧区电极表面的液态钨的表面张力，减少钨的损失。

五、具体实施方式

实施例1，本发明的具体工艺过程是：烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，以达到优良综合使用性能的要求，首先在钨粉中加入重量比为0.1％的C和5％的Nb，以及0.5％的ThO2粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1500K的氢气环境中预烧结，之后在2800K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

实施例2，本发明在烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，首先在钨粉中加入重量比为1％的C、1％的V和Zr的混合物，以及1.2％的CeO2粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1300K的氢气环境中预烧结。之后在3500K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

实施例3，本发明在烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，首先在钨粉中加入重量比为0.5％的C、3％的Cr、Al和Mo的混合物，以及2.5％的Y2O3粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1400K的氢气环境中预烧结。之后在3300K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

实施例4，本发明在烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，首先在钨粉中加入重量比为0.8％的C、2％的Nb和Zr的混合物，以及3.0％的La2O3粉末。混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在132OK的氢气环境中预烧结。之后在3100K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

实施例5，本发明在烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，首先在钨粉中加入重量比为0.3％的C、4％的Al和Mo的混合物，以及3.5％的ThO2和CeO2粉末。混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1380K的氢气环境中预烧结。之后在2900K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

实施例6，本发明在烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，首先在钨粉中加入重量比为0.6％的C、2.5％的Zr、Cr和Al的混合物，以及4％的CeO2和Y2O3粉末。混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1450K的氢气环境中预烧结。之后在3000K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

实施例7，本发明在烧结前，根据电极的使用条件，进行电极成分设计，首先在钨粉中加入重量比为0.7％的C、3.2％的Nb、V、Zr、Cr、Al和Mo的混合物，以及2.0％的Y2O3和La2O3粉末。混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1430K的氢气环境中预烧结。之后在3200K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

本发明在烧结过程中，加入的C和上述合金元素与钨反应，形成碳化钨或钨的固溶体。由于在氢气环境中烧结，不会与加入的ThO2、CeO2、Y2O3或La2O3等功函数的氧化物发生反应。在燃弧过程中发生碳化钨的分解和添加合金元素的析出，C和合金元素可以吸收电极材料内部残余的氧和电弧周围混入保护气体中的氧，形成CO和高熔点的氧化物，减少电极中所添加的氧化物损耗。同时合金元素参与电弧的燃烧过程，改变等离子体电弧中的合金元素分布密度，提高电弧的稳定性，增大电弧区与等离子体电弧交互作用的电极表面的液态钨的表面张力，减少钨本身的损失。

本发明所描述工艺生产的W—氧化物电极的燃弧性能经试验表明，电极的抗电弧烧蚀性能大幅度提高，烧蚀速率提高一倍以上，抗超载电流能力和电弧的稳定性明显提高，起弧性能得到提高。同时本发明可按照使用要求，根据合金化设计理论，改变添加合金元素的种类和配比，进行电极的组织和成分设计，满足特殊性能要求。

Claims

1、一种合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：

1)首先在钨粉中加入重量比为0.1～1％的碳和1～5％的Nb，V，Zr，Cr，Al，Mo的强氧化物形成合金元素的一种或几种；

2)然后再加入重量比为0.5％～4％的ThO2、CeO2、Y2O3或La2O3功函数低的氧化物粉末的一种或两种，混合均匀；

3)经冷压成长条状的方坯，在1300-1500K的氢气环境中预烧结；

4)最后在2800-3500K下进行最后烧结，再经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

2、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为0.1％的C和5％的Nb，然后再加入0.5％的ThO2粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1500K的氢气环境中预烧结，之后在2800K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

3、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为1％的C、1％的V和Zr的混合物，然后再加入1.2％的CeO2粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1300K的氢气环境中预烧结，之后在3500K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

4、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为0.5％的C、3％的Cr、Al和Mo的混合物，然后再加入2.5％的Y2O3粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1400K的氢气环境中预烧结，之后在3300K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

5、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为0.8％的C、2％的Nb和Zr的混合物，然后再加入3.0％的La2O3粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1320K的氢气环境中预烧结，之后在3100K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

6、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为0.3％的C、4％的Al和Mo的混合物，然后再加入3.5％的ThO2、CeO2粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1380K的氢气环境中预烧结，之后在2900K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

7、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为0.6％的C、2.5％的Zr、Cr和Al的混合物，然后再加入4％的CeO2、Y2O3粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1450K的氢气环境中预烧结，之后在3000K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

8、根据权利要求1所述的合金元素添加钨氧化物电极材料的制备工艺，其特征在于：首先在钨粉中加入重量比为0.7％的C、3.2％的Nb、V、Zr、Cr、Al和Mo的混合物，然后再加入2.0％的Y2O3、La2O3粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1430K的氢气环境中预烧结，之后在3200K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。

9、一种基于权利要求1所述的制备方法制得的合金元素添加钨氧化物电极材料，其特征在于：电极材料中含0.1％～1％的C、1％～5％的Nb，V，Zr，Cr，Al，Mo合金元素的一种或几种，0.5％～4％的ThO2、CeO2、Y2O3或La2O3功函数低的氧化物粉末的一种或两种。