CN118213101A - 一种阴极导电材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种阴极导电材料及其制备方法和应用，属于合金技术领域，克服现有技术中燃煤机组点火器阴极材料强度低、耐电弧侵蚀能力差、服役寿命短的缺陷。本发明阴极导电材料，按质量百分比计，包括Al：4.0‑8.0％，Co：3.0‑5.0％，W：2.0‑3.5％，Mn：0.5‑1.0％，Y：0.1‑0.4％，余量为Ag。本发明的导电材料相比于现有的点火装置用材料，强度更高、耐电弧侵蚀能力更强、服役寿命更长、安全性更强。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种阴极导电材料及其制备方法和应用。
背景技术
我国燃煤锅炉煤粉点火的特点是所需能量高、点火时间长、燃烧不稳定等，其核心问题是煤粉气流的着火问题；为了防止锅炉灭火、提高煤粉燃烧效率和燃烧稳定性，目前在用的最具代表性的点火技术是等离子点火技术；该技术是保证煤粉高效率点火和稳定燃烧的关键，也是燃煤电厂锅炉应用最广泛的点火方式。
基于等离子点火技术制造的等离子点火装置主要由线圈、阴极和阳极组成，可以在不投油的情况下快速点燃煤粉，完成锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃，在节省用油方面效果显著；然而，等离子点火装置在起弧的一瞬间，会产生能量很高的等离子电弧，对阴极材料的烧蚀非常严重。常规的阴极材料都是由高电导率材料制成，在起弧过程中不仅要承担发射电子的任务，还要承受电弧等离子体中带电离子的高能冲击，因此，材料的优劣将直接影响整个点火器的性能及使用寿目前命。目前，等离子点火装置常用的阴极材料主要是纯银和碳棒，虽然碳棒的熔点很高，导电性能好，但是高温下易氧化；金属银的导电和导热性能非常好具有高温稳定性、抗化学腐蚀、抗氧化和低膨胀系数等优良性能，但是纯银质地较软，拉伸强度较低，耐电弧侵蚀能力差，服役寿命普遍较短。
因此，急需开发一种兼具高电导率和较高强度且耐电弧侵蚀性能的导电材料，以满足煤粉燃烧环境下等离子点火装置的安全稳定运行，有效解决现役点火装置阴极材料强度低、耐电弧侵蚀能力差、服役寿命短的难题，确保电厂节能环保、安全稳定运行。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中燃煤机组点火器阴极材料强度低、耐电弧侵蚀能力差、服役寿命短的缺陷，从而提供一种阴极导电材料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供了以下技术方案。
一种阴极导电材料，按质量百分比计，包括Al：4.0-8.0％，Co：3.0-5.0％，W：2.0-3.5％，Mn：0.5-1.0％，Y：0.1-0.4％，余量为Ag。
一种阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、称取原料；
步骤2、将原料进行熔炼，制备成金属锭；
步骤3、轧制；
步骤4、强化处理。
进一步的，所述步骤2中，在真空熔炼炉中进行熔炼，所述真空熔炼炉中的真空度量级不低于10-4Pa。
进一步的，所述步骤3包括将金属锭在气氛保护炉中进行热处理，水冷，然后在360～420℃下进行轧制，单道次变形量为10～20％。
进一步的，所述热处理温度为750～780℃，时间为10～12h。
进一步的，将金属锭放入气氛保护炉中随炉升温，升温速率10～15℃/min；
可选的，保护气为Ar。
进一步的，轧制方式为：每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮。
进一步的，所述步骤4包括：在710-750℃保温2～4h，水冷；再在480～520℃保温12～24h，缓冷；
可选的，缓冷速率为20～25℃/min；
可选的，所述强化处理在Ar保护气氛中进行；
进一步的，满足以下条件中的至少一项：
(1)原料各组分的纯度均不低于99.9％；
(2)W粉粒度为800～1000目；
(3)Y粉粒度为800～1000目；
(4)Al、Co、Mn、Ag尺寸为3-15mm。
阴极导电材料或根据上述方法制得的阴极导电材料在等离子点火器中的应用。
进一步的，称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001g。
所制备的导电材料中S、P、O等杂质元素总质量百分比≤0.05％。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明阴极导电材料，按质量百分比计，包括Al：4.0-8.0％，Co：3.0-5.0％，W：2.0-3.5％，Mn：0.5-1.0％，Y：0.1-0.4％，余量为Ag。
Al可有效提高抗拉强度和硬度；添加Co可细化晶粒，增加材料的耐热性，提高抗电弧侵蚀能力；添加高熔点、高硬度的W元素，使其弥散分布在晶界和晶内，可以提高材料的耐磨损性能和强度，同时分散电弧产生的能量，降低电弧对材料的烧蚀；少量Mn的添加可有效脱除材料中少量O、S等有害杂质，防止材料出现热脆性，避免材料在持续高热量冲击下出现开裂的风险，提高材料服役安全性能；稀土Y的活性大、原子半径大，适当添加可提高材料的再结晶温度和细化晶粒组织，改善了材料的综合力学性能，另外，+3价的Y加入到面心立方的银基材料中，降低了金属的堆垛层错能，使材料处于更加稳定的状态，保持了材料的理化性能；本发明获得的导电材料为多数点火装置阴极部件提供了可靠的材料选择，尤其对于具有高电压、高热冲击以及高能量需求的燃煤锅炉等离子点火器用阴极材料，适用性更强。
本发明导电材料电导率≥5.8×107S/m，室温拉伸强度≥250MPa。本发明的导电材料相比于现有的点火装置用材料，强度更高、耐电弧侵蚀能力更强、服役寿命更长、安全性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明阴极导电材料的制备工艺流程图；
图2为本发明阴极导电材料的拉伸强度性能柱状图；
图3为本发明阴极导电材料的电导率性能柱状图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：4.0％，Co：3.0％，W：2.0％，Mn：0.5％，Y：0.1％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：4.0％，Co：3.0％，W：2.0％，Mn：0.5％，Y：0.1％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行750℃的高温热处理，时间为10h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量为10％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在710℃进行4h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在480℃进行12h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
实施例2
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：5.0％，Co：3.5％，W：2.0％，Mn：0.6％，Y：0.1％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：5.0％，Co：3.5％，W：2.0％，Mn：0.6％，Y：0.1％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行750℃的高温热处理，时间为12h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量为15％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在710℃进行3h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在500℃进行14h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
实施例3
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：5.0％，Co：4.0％，W：2.5％，Mn：0.7％，Y：0.2％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：5.0％，Co：4.0％，W：2.5％，Mn：0.7％，Y：0.2％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行760℃的高温热处理，时间为10h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量20％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在730℃进行3h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在520℃进行16h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
实施例4
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：6.0％，Co：4.0％，W：3.0％，Mn：0.8％，Y：0.2％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：6.0％，Co：4.0％，W：3.0％，Mn：0.8％，Y：0.2％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行760℃的高温热处理，时间为11h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量15％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在730℃进行2h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在500℃进行18h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
实施例5
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：7.0％，Co：4.5％，W：2.5％，Mn：0.8％，Y：0.3％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：7.0％，Co：4.5％，W：2.5％，Mn：0.8％，Y：0.3％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行770℃的高温热处理，时间为12h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量10％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在740℃进行3h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在480℃进行20h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
实施例6
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：7.0％，Co：5.0％，W：3.0％，Mn：0.9％，Y：0.3％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：7.0％，Co：5.0％，W：3.0％，Mn：0.9％，Y：0.3％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行770℃的高温热处理，时间为11h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量15％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在750℃进行2h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在520℃进行22h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
实施例7
本实施例的阴极导电材料，各组分按质量百分比计，包括Al：8.0％，Co：5.0％，W：3.5％，Mn：1.0％，Y：0.4％，余量为Ag；其中各组分原料纯度均不低于99.9％，除W粉和Y粉粒度为1000目外，其余各原料尺寸为3-15mm。
本实施例的阴极导电材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：配料：按质量百分比精确称量Al：8.0％，Co：5.0％，W：3.5％，Mn：1.0％，Y：0.4％，余量为Ag，各组分质量百分比和为100％；称量前将各组分原料表面的污渍和杂质清理干净、烘干，称量各组分原料的控制精度为±0.001；
S2：熔炼：将上述组分在真空度量级不低于10-4Pa的真空熔炼炉中进行冶炼、搅拌，然后吸铸成金属锭；
S3：轧制：首先将金属锭在气氛保护炉中进行780℃的高温热处理，时间为10h，随炉升温速率10℃/min，保护气为Ar，冷却方式水冷；然后在360-420℃下进行轧制，每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮；单道次轧制变形量10％；
S4：金属锭强化处理：首先，将轧制后的金属锭在750℃进行4h的强化热处理、Ar气氛保护、水冷，然后在500℃进行24h的去应力退火处理、Ar气氛保护、缓冷速率20℃/min。
对比例1
本对比例材料为现役煤粉燃烧器用纯银(99.9％)。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例未添加Al。
试验例
(1)抗电弧侵蚀性能工艺为：测试电压60V，测试电流40A，实验次数1万次。测试结果见表1。
抗拉强度测试结果如图2和表1所示，电导率测试结果如图3和表1所示。
表1实施例和对比例的材料性能
| 烧蚀质量损失比(％) | 抗拉强度(Mpa) | 电导率(S/m) | |
| 实施例1 | 12.68 | 254 | 6.047×107 |
| 实施例2 | 12.04 | 260 | 6.022×107 |
| 实施例3 | 11.43 | 269 | 5.996×107 |
| 实施例4 | 10.68 | 276 | 5.946×107 |
| 实施例5 | 10.79 | 282 | 5.921×107 |
| 实施例6 | 10.13 | 280 | 5.895×107 |
| 实施例7 | 9.73 | 286 | 5.845×107 |
| 对比例1 | 21.35 | 176 | 6.289×107 |
| 对比例2 | 10.12 | 185 | 6.177×107 |
由表1可知，本发明材料电弧烧蚀质量损失比不高于12.68％，相较于对比例明显降低，强度相较于对比例明显提高。本发明在保证电导率的情况下显著提高了材料的抗电弧侵蚀性能和强度。
采用本发明实施例制备的导电材料强度高，导电率良好、耐电弧侵蚀能更强、起弧效率高、使用更安全，所制备的导电材料中S、P、O等元素质量百分比≤0.05％；相同测试条件下，材料的电导率不低于5.8×107S/m，室温拉伸强度不低于250MPa。在高电压及高能冲击服役环境中具有更强的适用性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种阴极导电材料，其特征在于，按质量百分比计，包括Al：4.0-8.0％，Co：3.0-5.0％，W：2.0-3.5％，Mn：0.5-1.0％，Y：0.1-0.4％，余量为Ag。
2.一种权利要求1所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、称取原料；
步骤2、将原料进行熔炼，制备成金属锭；
步骤3、轧制；
步骤4、强化处理。
3.根据权利要求2所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在真空熔炼炉中进行熔炼，所述真空熔炼炉中的真空度量级不低于10-4Pa。
4.根据权利要求2所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3包括将金属锭在气氛保护炉中进行热处理，水冷，然后在360～420℃下进行轧制，单道次变形量为10～20％。
5.根据权利要求4所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，所述热处理温度为750～780℃，时间为10～12h。
6.根据权利要求4所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，将金属锭放入气氛保护炉中随炉升温，升温速率10～15℃/min；
可选的，保护气为Ar。
7.根据权利要求4所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，轧制方式为：每轧制一次，金属锭旋转90°，轧制4次为一轮，共轧制3轮。
8.根据权利要求2-7任一项所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4包括：在710-750℃保温2～4h，水冷；再在480～520℃保温12～24h，缓冷；
可选的，缓冷速率为20～25℃/min；
可选的，所述强化处理在Ar保护气氛中进行。
9.根据权利要求2-7任一项所述的阴极导电材料的制备方法，其特征在于，满足以下条件中的至少一项：
(1)原料各组分的纯度均不低于99.9％；
(2)W粉粒度为800～1000目；
(3)Y粉粒度为800～1000目；
(4)Al、Co、Mn、Ag尺寸为3-15mm。
10.权利要求1所述的阴极导电材料或根据权利要求2-9任一项所述方法制得的阴极导电材料在等离子点火器中的应用。
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