高含量多元复合稀土钨电极材料及其制备方法.pdf

高含量多元复合稀土钨电极材料及其制备方法，属于稀土难熔金属阴极材料领域。针对现有的钨电极材料加工性能差，在工业生产中成品率低，增加了生产成本的问题，本发明提供的材料，La2O3、Y2O3和CeO2每种稀土氧化物含量为0.6－1.98％，总含量为3.0－3.3％，其余为钨的重量。其制备方法，由以下步骤组成：按每种稀土氧化物重量称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈并配成混合溶液，按钨的重量含量换算成APT(仲钨酸氨)重量，称取APT并加入去离子水搅拌得到均匀的悬浊液，加入上述稀土硝酸盐溶液，搅拌、蒸发干燥；干燥后经过一次氢气还原，温度为550℃－700℃；二次氢气还原，温度为850℃－1000℃，平均粒度1.2－1.4μm。省去了APT煅烧的工序，简化了工艺，经济节能，使成品率和生产稳定性得以改善。

1、  高含量多元复合稀土钨电极材料，其特征在于，由以下成分组成：
La₂O₃、Y₂O₃和CeO₂每种稀土氧化物含量为0.6-1.98％，该三种稀土氧化物的总含量为3.0-3.3％.其余为钨的重量。

2、  根据权利要求1所述的高含量多元复合稀土钨电极材料制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
1)按每种稀土氧化物重量称取对应的硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈并配成混合溶液，按钨的重量含量换算成相应的APT即仲钨酸氨重量，称取APT并加入去离子水搅拌得到均匀的悬浊液，加入上述稀土硝酸盐溶液，搅拌、蒸发干燥；
2)蒸发干燥后经过一次氢气还原，温度为550℃-700℃；二次氢气还原，温度为850℃-1000℃制得多元复合稀土-钨电极材料，平均粒度控制在1.2-1.4μm。

高含量多元复合稀土钨电极材料及其制备方法
技术领域：
高含量多元复合稀土钨电极材料及其制备方法，属于稀土难熔金属阴极材料技术领域。
背景技术：
钨电极作为惰性气体保护焊和等离子体喷涂、熔炼、切割等领域的关键部件，广泛应用在机械、造船、建筑、冶金、电力、航空航天等行业，目前应用的钨电极以钍钨电极为主，占整个电极产品的80％以上，由于钍具有天然放射性，其α射线的半衰期长达1.4×10¹³年，生产的钍钨丝含1.5％ThO₂时，其α射线剂量为1.35×10⁵Bq/Kg，因此，钍钨材料在长期生产和使用过程中给人体和环境造成累积性放射性危害，急需新型电极材料进行替换，稀土钨电极就是在这个迫切需要下研究开发出来的，这类稀土钨电极在不同工况下具有同钍钨电极相媲美的焊接性能，并开始在小范围内替代钍钨而得以应用，然而钍钨电极由于其具有起弧容易、耐用电流大、使用寿命长等优点，尽管其中的钍具有累积性的放射性危害，但至今没有综合性能更优异的工业电极产品可完全取代之，因此，钍钨电极在众多钨电极中一直占有主导地位。研究开发具有优良焊接性能的电极材料依然是目前电极材料研究的热点。
原申请专利(CN1204696A、CN1203136A)中稀土氧化物总含量为2.0-2.2％(重量百分比)，电极地制备工艺为：WO₃与稀土硝酸盐掺杂，经蒸发干燥、两次氢气还原、垂熔烧结后加工成各种规格的电极，本专利提高了稀土元素的含量，并通过改进关键工序解决了高含量多元复合稀土钨电极加工制备困难的问题，成功制备了高含量多元复合稀土钨电极。
发明内容：
本发明的目的是，鉴于稀土是降低电极逸出功的主要活性成分，从而提高稀土含量，改善电极的焊接性能，提供了一种高含量多元复合稀土钨电极材料及其制备方法。
一种高含量多元复合稀土钨电极材料，其特征在于：
La₂O₃、Y₂O₃和CeO₂每种稀土氧化物含量为0.6-1.98％，该三种稀土氧化物的总含量为3.0-3.3％。其余为钨的重量。
上述的一种高含量多元复合稀土钨电极材料制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
1、按每种稀土氧化物重量称取对应的硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈并配成混合溶液，按钨的重量含量换算成相应的APT(仲钨酸氨)重量，称取APT并加入去离子水搅拌得到均匀的悬浊液，后加入上述稀土硝酸盐溶液，搅拌、蒸发干燥；
2)蒸发干燥后经过一次氢气还原，温度为550℃-700℃；二次氢气还原，温度为850℃-1000℃制得多元复合稀土-钨电极材料，平均粒度控制在1.2-1.4μm。
将还原所得的混合粉末按常规钨钼的制备加工方法，进行烧结、塑性加工，最后加工成各种规格的电极。钨钼常规制备加工工序为压制、预烧、垂熔烧结、开坯、203、202、201、链拉、绞直、切断、磨光等，最后得到成品电极。
上述制备方法改变了传统电极制备过程中的掺杂原料，传统工艺掺杂是WO₃、WO_2.9等与稀土硝酸盐进行掺杂，而WO₃、WO_2.9等为APT煅烧所得，本制备方法直接以APT作为掺杂原料，省略了APT煅烧工艺，经济节能。
在还原过程中，改变原申请专利中的还原参数(一次氢气还原：500-540℃；二次氢气还原：640-920℃)，使还原后粉末粒度控制在1.2-1.4μm，同时稍加调整后续加工参数，使材料的加工性能得以改善，从而突破了电极产业多元稀土含量不能超过2.2％(重量百分比)的束缚。
稀土元素作为电极工作时的活性物质能够改善电极的焊接性能，本发明所制备的电极焊接性能优良，其抗烧损性能尤为突出，可加工性好。
附图说明
图1：电弧静特性曲线
具体实施方式。
实例1：
每取APT粉1Kg，加入去离子水1000ml，搅拌均匀，放入掺杂锅内，加入按最终产品重量的0.6％La₂O₃、1.8％Y₂O₃、0.6％CeO₂称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈(根据氧化物重量换算硝酸盐量)配制的混合溶液，充分搅拌蒸干和干燥后，得到混合粉末，将混合粉末在还原炉内进行一次还原(温度：550℃)、二次还原(温度：1000℃)后，制得稀土氧化物和钨粉的混合粉末，平均粒度为1.4μm。将还原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、压制(装粉量：680g；压制压强：6.5MPa)、预烧(温度：1150℃)、垂熔烧结(在90％熔断电流下保温30min)后，进行旋锻加工、链拉、绞直、切断和磨光后加工成各种规格钨电极。最后得到直径为Φ2.4成品电极。
实例2：
每取APT粉1Kg，加入去离子水1000ml，搅拌均匀，放入掺杂锅内，加入按最终产品重量的0.64％La₂O₃、1.92％Y₂O₃、0.64％CeO₂称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈(根据氧化物重量换算硝酸盐量)配制的混合溶液，充分搅拌蒸干和干燥后，得到混合粉末，将混合粉末在还原炉内进行一次还原(温度：650℃)、二次还原(温度：900℃)后，制得稀土氧化物和钨粉的混合粉末，平均粒度为1.3μm。将还原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、压制(装粉量：680g；压制压强：6.5MPa)、预烧(温度：1150℃)、垂熔烧结(在90％熔断电流下保温30min)后，进行旋锻加工、链拉、绞直、切断和磨光后加工成各种规格钨电极。最后得到直径为Φ2.4成品电极
实例3：
每取APT粉1Kg，加入去离子水1000ml，搅拌均匀，放入掺杂锅内，加入按最终产品重量的0.66％La₂O₃、1.98％Y₂O₃、0.66％CeO₂称取硝酸镧、硝酸钇、硝酸铈(根据氧化物重量换算硝酸盐量)配制的混合溶液，充分搅拌蒸干和干燥后，得到混合粉末，将混合粉末在还原炉内进行一次还原(温度：700℃)、二次还原(温度：850℃)后，制得稀土氧化物和钨粉的混合粉末，平均粒度为1.2μm。将还原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、压制(装粉量：680g；压制压强：6.5MPa)、预烧(温度：1150℃)、垂熔烧结(在90％熔断电流下保温30min)后，进行旋锻加工、链拉、绞直、切断和磨光后加工成各种规格钨电极。最后得到直径为Φ2.4成品电极
对上述实例中的样品进行了焊接性能测试，为了进行对比，同时也对相同规格的国内外常用的钍钨电极进行了测试；测试工作是在国家焊接检测检验监督中心-哈尔滨焊接研究所进行的，其结果如下：
1.电极编号为：
电极编号1#：含0.60％(重量)La₂O₃，1.80％(重量)Y₂O₃，0.60％(重量)CeO₂，其余为W。
电极编号2#：含0.64％(重量)La₂O₃，1.92％(重量)Y₂O₃，0.64％(重量)CeO₂，其余为W。
电极编号3#：含0.66％(重量)La₂O₃，1.98％(重量)Y₂O₃，0.66％(重量)CeO₂，其余为W。
电极编号4#：含2.2％(重量)ThO₂的钍钨电极(北京钨钼材料厂产)，该电极作为对比电极。
2.引弧性能：
(1)实验条件
钨丝直径为Φ2.41mm，尖部锥角45度，氩气流量为8L/min，电极伸出长度3mm，弧长3mm。采用直流正接方式，钨丝为阴极，阳极为水冷紫铜。
(2)实验设备
晶闸管控制直流TIG焊接电源，型号YC-300TSPVTA。数字万用表，型号Bestillingsnr，编号为1287。电子天平AEL-200。
(3)实验结果
1#、2#、3#、4#电极的测试结果：在30A、80A、150A焊接电流时，各重复引弧30次，引弧成功率达100％，引弧性能优良。
3.抗烧损性能：
(1)实验条件
电极直径为Φ2.4mm，测试中所用阳极为水冷紫铜，焊接电流180A，电弧持续时间20min，电极伸出长度3mm，弧长3mm，氩气流量8L/min，电流类型及极性为直流正接。
(2)实验设备
晶闸管控制直流TIG焊接电源，型号YC-300TSPVTA。游标卡尺，型号025，编号096583。电子天平AEL-200。
(3)试验结果
测试结果见表3.
                           表3.钨电极的抗烧损性能