稀土鎢電極材料的研究

杜海濱

（贛州虹飛鎢鉬材料有限公司，江西 贛州 341000）

一般而言在工業制作上，稀土鎢電極主要是應用在一些惰性氣體的保護焊接以及一些等離子體的焊接和切割，并且還廣泛應用與真空領域中，是一種至關重要的工業性材料。但是在當前電極市場上，仍然沿用之前的釷鎢電極，該電極具有一定的放射性，在其使用以及制造的過程中是極易對人體造成危害，還會給環境帶來很大的污染。故而相關工作研究者正致力于找尋新型電極材料去代替釷鎢電極材料，因為稀土氧化物特點是具有極高的熔點以及低逸出，所以稀土鎢材料是最理想的替代材料。

1 單元稀土鎢電極

一般來說，各種鎢電極都是把稀土氧化物按照不同的順序從而添加到氧化鎢中去，然后通過各種工藝還原，就得到了相應規格的稀土鎢電極。然后通過相關的試驗，主要對鎢電極的抗損燒性、電弧靜特性以及焊接性能進行了相關試驗，大致發現了三種相關規格的稀土鎢電極性能高于一致規格的釷鎢電極。但是該相關試驗也有一定的局限性，僅僅限定在小的電流焊接當中，在一些電流比較大的焊接環境當中，電流比較大的焊接環境下對于單元稀土電極的損害是非常大的，以至于該情況下電極的穩定性比較差。

2 二元復合稀土電極

因而，針對于單元稀土電極的這種局限性，相關專家研制出了二元復合稀土電極，并根據抗損燒性、電弧靜特性以及焊接性能等進行了反復的試驗比較，得出了二元復合稀土電極焊接性能以及其它各項性能度明顯優于單元稀土鎢電極，二元稀土鎢電極能夠承受較大電流下的焊接工藝，而且該類電極的應用范圍也是比單元稀土鎢電極更加的廣泛。可是由于二元稀土鎢電極的加工性能比較的低后，導致該類產品的成品率比較低，這一情況也是嚴重限制了二元復合稀土鎢電極的批量生產。

3 三元復合稀土鎢電極

隨著如今科學技術水平和工業制造水平的不斷提高，一些工業上對于電極也有了更高的要求，因此二元復合稀土鎢電極也漸漸不能滿足各大工業上的需求了，因此相關的科研人員針對這一問題打算研制三元復合稀土鎢電極，在實驗過程中也發現了三元復合稀土鎢電極的各項性能明顯優于二元復合稀土鎢電極以及同規格下的釷鎢電極，進而通過對于各類稀土元素的不同配比進行了相關試驗，得到了最佳比例狀態下綜合性能最佳的電極材料。

4 產業化生產技術研究

在工業生產當中，鎢這種金屬是屬于熔點非常高的金屬，而且其加工也是非常的困難。但是在該金屬中添加一些稀土氧化物之后，能夠明顯改變鎢內部的粒化結構，使其可塑可脆性改變，如果在工業制造上想要去實現稀土鎢電極的相關產業化生產還是要去認真鉆研稀土鎢電極的相應加工行為。因此率先研究的就是各項性能最優的三元稀土鎢電極，該電極的相關冶煉方法還是屬于比較傳統的粉末冶金方法，但是該冶煉工藝比較復雜。在這里主要采取的還是摻雜工藝、還原工藝以及垂熔燒相結合工藝去進行系統優化研究，這樣做的目的也是為了提高稀土鎢電極的成品率。

4.1 摻雜工藝

相對于傳統的釷鎢電極加工工藝而言，通常情況下是將氧化釷和氧化鎢直接添加進去直接進行摻雜，但是在工藝生產釷鎢電極這方面來講，基本上是把氧化鎢與一些稀土硝酸鹽去進行互相摻雜。可是對于一些多元的稀土鎢電極而言，卻不是這樣的，在鎢電極當中，稀土元素的分布不僅僅影響鎢電極的均勻性能而且其直接能夠影響鎢電極的電子發射性。所以說，要確保鎢電極高效的均勻性以及電子發射性，均勻的摻雜是必不可少的前提，通過研究試驗最后采取的是APT與稀土硝酸鹽直接去進行摻雜的工藝，因為通過這種方式，可以在高效有序的摻雜基礎上直接省去了APT去進行煅燒的工序，這樣一來也是非常經濟節能的。

4.2 還原工藝

通常在粉末冶煉金的工藝程序上，相關金屬粉末的質量是直接決定了成品的質量，起著至關重要的作用，但是在多元的稀土鎢粉末組成以及添加元素的順序和均勻性都對成品有著極其重要的影響。所以說，在稀土鎢電極的還原工藝當中，對于一次性還原的溫度、二次還原的溫度以及相關氫氣的流量和裝置儲存量這些因素影響規律進行了多次的實驗研究，最終在一定條件下去適當的提高一次性還原的粉末粒度以及加大二次還原中的相關溫度梯度是最有效的方法，也是對提高最終金屬粉末粒度最有效的方法。

4.3 燒結工藝

該方式也被稱為垂熔燒結方式，在這種方式下去進行多元復合稀土鎢電極的制備主要有以下幾個因素的影響：溫度和時間、加熱的梯度和加熱的速率、相關材料的純度和密度、以及晶體粒度和稀土氧化物的分布，這些因素通通都會對稀土鎢電極材料的好壞造成直接的影響。就比如說，當材料在進行燒結時，相應的溫度過高，就會直接使得鎢晶體的急劇拉大，從而會迅速降低稀土氧化物在材料中的擴散系數，也會使得電極材料的燒損率加大，在另一方面而言呢，燒結過程中的溫度過于高的話，會使稀土氧化物低熔點情況下所形成的物質急劇增長，不僅如此，還會進而影響稀土氧化物的耗損。因而，通過有效的燒結工藝對于電極材料的性能以及相應電極后續的加工制作是具有非常大的意義，綜合考慮到了相關粉末粒度對于燒結工藝中的影響，以及結合相應還原工藝參數的比較，最終也是確定了最佳的范圍。

4.4 工藝穩定性檢驗

通過對于上述幾個基礎部分工藝的研究，也去進行了多元復合稀土鎢電極的相關工業試驗，再去對整個的工藝流程進行系統的規劃操作，在最終也是確定多元復合稀土鎢電極的整個的生產工藝規程，然后分不同批次的去進行投料生產，從而去檢驗整個工藝的穩定性。通過最終數據研究分析，可以發現該生產工藝技術還是非常穩定可靠的，也是能夠實現不同批次下的投料生產，最重要的一點是該情況下的成品率是可以達到百分之七十以上的，也是在一定程度上超過了形同規格的釷鎢電極成品率，就目前的國內外情況而言，該成品已經遠銷歐洲各大市場，已經小有成效了，以后也將會逐漸的代替釷鎢電極成為最主要的電極材料。

5 多元復合稀土鎢電極前景分析

因此，上述通過對多元復合稀土鎢電極的相關研究可以充分了解，多元復合稀土鎢電極的焊接性也是非常良好的，能夠在多數情況下充分代替釷鎢電極。不僅如此，該電極與相同規格的釷鎢電極相比，各項性能也是更加優良，完全優于釷鎢電極，最重要的一點就是該電極在生產制造過程中既不會對人們身體造成放射性危害也不會對環境造成污染，是一種新型的綠色新產品。雖然現階段其還沒有進行工業化的生產，但本次課題研究也是多次研究試驗了該電極的制備工藝中的各種關鍵工序，也就是：摻雜工藝、還原工藝以及垂熔燒相結合工藝，并且對各工藝中的流程進行了系統性優化調試，在最后階段也是確立了多元復合稀土鎢電極的生產工藝，并且使得該電極的成品率在一定程度上超過了同規格的釷鎢電極，有效的降低了生產成本。當前，該項技術還在實踐過程中進行不斷的完善改進，相關的企業也是已經生產了多批電極，并且成品率也是非常的穩定，也已經遠銷于國外的一些國家，在國內市場也已經實在推廣使用了，其需求也在隨著市場經濟發展不斷的增加，前景也是非常廣闊的。

6 總結

此次文章最主要的研究目的就是為了找尋能夠替代具有放射性以及污染性的釷鎢電極，經過多次的研究試驗，本課題主要對單元稀土鎢電極、二元稀土鎢電極以及三元稀土鎢電極進行相關的電極性能機理研究。不僅如此，在這個基礎之上，本次課題還對三元符合稀土鎢電極進行了相關的產業化研究，并且最終確定了最佳的材料添加范圍，使得三元復合稀土鎢電極的成品率高達百分之七十，該成品率在一定程度上也是超過了同規格下的釷鎢電極的工藝制造生產水平，而且這種生產模式也有效的降低了生產成本，其最重要的意義也是，通過比較低的成本優勢使得稀土鎢電極已經邁出了替代釷鎢電極的第一大步，也為日后稀土鎢電極的廣泛使用奠定了夯實的基礎。