專(zhuān)利名稱(chēng)：多元復(fù)合稀土－鎢電極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
多元復(fù)合稀土-鎢電極材料的制備方法，屬于稀土難熔金屬功能材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎢電極是惰性氣體保護(hù)焊和等離子焊接、切割、噴涂、熔煉以及特殊電光源中的關(guān)鍵材料，目前使用較多的是釷鎢電極(含ThO2)和鈰鎢電極(含CeO2)。釷鎢電極在其生產(chǎn)和使用過(guò)程中都將給環(huán)境和人體健康帶來(lái)放射性危害；鈰鎢電極僅在小規(guī)格焊接用鎢電極方面可取代釷鎢電極。
自二十世紀(jì)七十年代，世界各國(guó)相繼研制開(kāi)發(fā)多種單元、復(fù)合鎢電極材料，以替代釷鎢，新型研制出的稀土-鎢電極以鈰鎢電極、鑭鎢電極(含La2O3)、釔鎢電極(含Y2O3)、及多元復(fù)合稀土-鎢電極(含La2O3、Y2O3、CeO2)為主。上述各種稀土-鎢電極材料都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)鑭鎢電極在中小電流工作時(shí)電弧穩(wěn)定性和電極抗燒損性能好，但其加工性能差，在大電流使用時(shí)燒損嚴(yán)重；釔鎢電極使用時(shí)電弧壓力大，在大電流工作時(shí)電極的抗燒損性能好，但其加工困難，在小電流使用時(shí)電弧穩(wěn)定性差；多元復(fù)合稀土-鎢電極雖然綜合焊接性能可與釷鎢電極相媲美，能適應(yīng)各種工況以替代釷鎢電極，然而其加工性能差，在工業(yè)生產(chǎn)中成品率低，增加了生產(chǎn)成本。因而高額的生產(chǎn)成本使其很難大范圍替代釷鎢電極。
在原申請(qǐng)專(zhuān)利(CN1204696A、CN1203136A)中，鎢電極加工工藝為稀土硝酸鹽水溶液與WO3混合摻雜，經(jīng)經(jīng)一次氫氣還原(500-540℃)和二次氫氣還原(640-920℃)，制得鎢粉，然后經(jīng)壓制、燒結(jié)、旋鍛、鏈拉加工成各種規(guī)格的電極。本專(zhuān)利改進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中的工藝，通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵工序，從而使多元復(fù)合稀土-鎢電極的成品率和生產(chǎn)穩(wěn)定性得以改善，從而節(jié)約工時(shí)，降低能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)放射性污染、使用性能及加工性能好的多元復(fù)合稀土-鎢電極材料的制備方法。
多元復(fù)合稀土-鎢電極材料的制備方法，其特征由以下步驟組成1.按最終產(chǎn)物重量百分比計(jì)算，即La2O3、Y2O3和CeO2每種稀土氧化物含量為0.4-1.4％，三種稀土氧化物的總含量為2.0-2.2％.其余為鎢；按每種稀土氧化物重量含量稱(chēng)取對(duì)應(yīng)的硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰量配置成混合溶液，按鎢重量含量稱(chēng)取相應(yīng)的APT(仲鎢酸氨)，并加入去離子水?dāng)嚢璧玫骄鶆虻膽覞嵋?，然后加入上述稀土硝酸鹽溶液，攪拌、蒸發(fā)干燥；2)蒸發(fā)干燥后經(jīng)過(guò)一次氫氣還原，溫度為550℃-700℃；二次氫氣還原，溫度為850℃-1000℃制得多元復(fù)合稀土-鎢電極材料，平均粒度控制在1.2-1.4μm。
將還原所得的混合粉末按常規(guī)鎢鉬的制備加工方法，進(jìn)行燒結(jié)、塑性加工，最后加工成各種規(guī)格的電極。
鎢鉬常規(guī)制備加工工序?yàn)閴褐?、預(yù)燒、垂熔燒結(jié)、開(kāi)坯、203、202、201、鏈拉、絞直、切斷、磨光等，最后得到成品電極。
傳統(tǒng)電極的生產(chǎn)除部分廠家(科研單位)以WO3、WO2.9等為原料外，大多數(shù)直接以APT為生產(chǎn)原料，自己煅燒制備WO3、WO2.9等、然后與稀土硝酸鹽摻雜、蒸發(fā)干燥、兩次氫氣還原后經(jīng)傳統(tǒng)鎢鉬材料制備加工方法制備得到最終產(chǎn)品。本發(fā)明的制備工藝改變傳統(tǒng)的摻雜工藝，以APT直接作為產(chǎn)品摻雜原料，替代常規(guī)的WO3、WO2.9等，同稀土硝酸鹽摻雜，省去了APT煅燒的工序，簡(jiǎn)化了工藝，經(jīng)濟(jì)節(jié)能。
鑒于在還原過(guò)程中多元復(fù)合稀土元素對(duì)粉末有重要的細(xì)化作用，通過(guò)進(jìn)行大量的摸索試驗(yàn)，確定了一次氫氣還原和二次氫氣還原的工藝參數(shù)，一次氫氣還原溫度為550-700℃；二次氫氣還原溫度為850-1000℃；這不同于原申請(qǐng)專(zhuān)利的還原參數(shù)(一次氫氣還原溫度500-540℃；二次氫氣還原溫度640-920℃)。在這種還原條件下，可以得到平均粒度為1.2-1.4μm的稀土氧化物-金屬鎢混合粉末，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)工序比較有利。而且用此方法，稀土氧化物在鎢粉中彌散程度高，分布更均勻。粉末在還原過(guò)程中受還原參數(shù)的影響較小，在一定時(shí)間內(nèi)粒度波動(dòng)較小，有利于工藝的控制。在后續(xù)加工過(guò)程中，可以提高產(chǎn)品的成品率。
利用本方法制備的多元復(fù)合稀土-鎢電極不僅具有較好的加工性能、較高的成品率，而且焊接性能優(yōu)良，綜合性能超過(guò)了釷鎢、鈰鎢電極。


圖1.多元復(fù)合稀土-鎢電極電弧靜特性曲線具體實(shí)施方式
對(duì)比例1將APT經(jīng)過(guò)煅燒制備成WO3，將WO3粉放入摻雜鍋內(nèi)，加入按最終產(chǎn)物重量百分比的0.44％La2O3、1.32％Y2O3、0.44％CeO2稱(chēng)取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據(jù)氧化物重量換算硝酸鹽量)配制的混合溶液，充分?jǐn)嚢枵舾珊透稍锖?，得到混合粉末，將混合粉末在還原爐內(nèi)進(jìn)行一次還原(溫度520℃；時(shí)間2h)、二次還原(溫度800℃；時(shí)間4h)后，制得稀土氧化物和鎢粉的混合粉末，平均粒度為1.7μm。將還原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、壓制(裝粉量680g；壓制壓強(qiáng)6.5MPa)、預(yù)燒(溫度1150℃)、垂熔燒結(jié)(在90％熔斷電流下保溫30min)后，進(jìn)行旋鍛加工、鏈拉、絞直、切斷和磨光后加工成各種規(guī)格鎢電極。其加工階段各工序下產(chǎn)品成品率如表1.所示表1.WO3與稀土硝酸鹽摻雜加工階段各工序下成品率

實(shí)例1每取APT粉1Kg，加入去離子水1000ml，攪拌均勻，放入摻雜鍋內(nèi)，加入按最終產(chǎn)物重量百分比的0.44％La2O3、1.32％Y2O3、0.44％CeO2稱(chēng)取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據(jù)氧化物重量換算硝酸鹽量)配制的混合溶液，充分?jǐn)嚢枵舾珊透稍锖螅玫交旌戏勰?，將混合粉末在還原爐內(nèi)進(jìn)行一次還原(溫度550℃)、二次還原(溫度850℃)后，制得稀土氧化物和鎢粉的混合粉末，平均粒度為1.2μm。將還原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、壓制(裝粉量680g；壓制壓強(qiáng)6.5MPa)、預(yù)燒(溫度1150℃)、垂熔燒結(jié)(在90％熔斷電流下保溫30min)后，進(jìn)行旋鍛加工、鏈拉、絞直、切斷和磨光后加工成各種規(guī)格鎢電極。其加工階段各工序下產(chǎn)品成品率如表2.所示表2.APT與稀土硝酸鹽摻雜加工階段各工序下成品率

可以看到，產(chǎn)品的成品率有了較大的提高，節(jié)約了工時(shí)、能耗，降低了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
實(shí)例2每取APT粉1Kg，加入去離子水1000ml，攪拌均勻，放入摻雜鍋內(nèi)，加入按最終產(chǎn)物重量百分比的.55％La2O3、1.10％Y2O3、0.55％CeO2稱(chēng)取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據(jù)氧化物重量換算硝酸鹽量)配制的混合溶液，充分?jǐn)嚢枵舾珊透稍锖螅玫交旌戏勰?，將混合粉末在還原爐內(nèi)進(jìn)行一次還原(溫度600℃)、二次還原溫度900℃)后，制得稀土氧化物和鎢粉的混合粉末，平均粒度為1.3μm。。將還原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、壓制(裝粉量680g；壓制壓強(qiáng)6.5MPa)、預(yù)燒(溫度1150℃)、垂熔燒結(jié)(在90％熔斷電流下保溫30min)后，進(jìn)行旋鍛加工、鏈拉、絞直、切斷和磨光后加工成各種規(guī)格鎢電極。
表3.APT與稀土硝酸鹽摻雜加工階段各工序下成品率

實(shí)例3每取APT粉1Kg，加入去離子水1000ml，攪拌均勻，放入摻雜鍋內(nèi)，加入按最終產(chǎn)物重量百分比的0.73％La2O3、0.73％Y2O3、0.73％CeO2稱(chēng)取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據(jù)氧化物重量換算硝酸鹽量)配制的混合溶液，充分?jǐn)嚢枵舾珊透稍锖螅玫交旌戏勰?，將混合粉末在還原爐內(nèi)進(jìn)行一次還原(溫度700℃；)、二次還原溫度1000℃)后，制得稀土氧化物和鎢粉的混合粉末，平均粒度為1.4μm。。將還原后的粉末按一定比例加入甘油、酒精混合1h后，、壓制(裝粉量680g；壓制壓強(qiáng)6.5MPa)、預(yù)燒(溫度1150℃)、垂熔燒結(jié)(在90％熔斷電流下保溫30min)后，進(jìn)行旋鍛加工、鏈拉、絞直、切斷和磨光后加工成各種規(guī)格鎢電極。
表4.APT與稀土硝酸鹽摻雜加工階段各工序下成品率

下面對(duì)以上三個(gè)實(shí)例中電極焊接性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)相同規(guī)格的釷鎢電極進(jìn)行焊接性能測(cè)試以做對(duì)比，測(cè)試工作在國(guó)家焊接測(cè)試中心—哈爾濱焊接研究所進(jìn)行，其結(jié)果如下1.電極編號(hào)為電極編號(hào)1#含0.44％(重量)La2O3，1.32％(重量)Y2O3，0.44％(重量)CeO2，其余為W。
電極編號(hào)2#含0.55％(重量)La2O3，1.10％(重量)Y2O3，0.55％(重量)CeO2，其余為W。
電極編號(hào)3#含0.73％(重量)La2O3，0.73％(重量)Y2O3，0.73％(重量)CeO2，其余為W。
電極編號(hào)4#含2.2％(重量)ThO2的釷鎢電極(北京鎢鉬材料廠產(chǎn))，該電極作為對(duì)比電極。
2.引弧性能(1)實(shí)驗(yàn)條件鎢絲直徑為Φ2.4mm，尖部錐角45度，氬氣流量為8L/min，電極伸出長(zhǎng)度3mm，弧長(zhǎng)3mm。采用直流正接方式，鎢絲為陰極，陽(yáng)極為水冷紫銅。
(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備晶閘管控制直流TIG焊接電源，型號(hào)YC-300TSPVTA。數(shù)字萬(wàn)用表，型號(hào)Bestillingsnr，編號(hào)為1287。電子天平AEL-200。
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1#、2#、3#、4#電極的測(cè)試結(jié)果在30A、80A、150A焊接電流時(shí)，各重復(fù)引弧30次，引弧成功率達(dá)100％，引弧性能優(yōu)良。
3.抗燒損性能(1)實(shí)驗(yàn)條件電極直徑為Φ2.4mm，測(cè)試中所用陽(yáng)極為水冷紫銅，焊接電流180A，電弧持續(xù)時(shí)間20min，電極伸出長(zhǎng)度3mm，弧長(zhǎng)3mm，氬氣流量8L/min，電流類(lèi)型及極性為直流正接。
(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備晶閘管控制直流TIG焊接電源，型號(hào)YC-300TSPVTA。游標(biāo)卡尺，型號(hào)025，編號(hào)096583。電子天平AEL-200。
(3)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.
表3.多元復(fù)合稀土-鎢電極的抗燒損性能

其中1#鎢電極的平均燒損量最小，具有最佳的抗燒損性能，1#、2#、3#三種多元復(fù)合稀土-鎢電極的抗燒損性能均優(yōu)于4#釷鎢電極。
4.電弧靜特性曲線(1)實(shí)驗(yàn)條件鎢絲直徑為Φ2.4mm，尖部錐角45度，氬氣流量為8L/min，電極伸出長(zhǎng)度3mm，弧長(zhǎng)3mm。采用直流正接方式，鎢絲為陰極，陽(yáng)極為水冷紫銅。
(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備晶閘管控制直流TIG焊接電源，型號(hào)YC-300TSPVTA。數(shù)字萬(wàn)用表，型號(hào)Bestillingsnr，編號(hào)為1287。電子天平AEL-200。
(3)實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果燃弧后，迅速將回路電流調(diào)至20A，按從小到大的順序依次在電流為20A，30A，40A，50A，60A，80A，100A，140A時(shí)，待電弧燃燒穩(wěn)定后，測(cè)出所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流、電壓值，根據(jù)測(cè)得的電壓、電流值分別做出1#、2#、3#、4#電極的電弧靜特性曲線(伏安特性曲線)，如圖1所示。
從圖1中可以看到，多1#、2#電極其電弧靜特性曲線均優(yōu)于釷鎢電極，3#電極電弧靜特性曲線與釷鎢電極相當(dāng)。
通過(guò)上面的焊接性能測(cè)試結(jié)果，可以知道多元復(fù)合稀土-鎢電極的綜合焊接性能均已達(dá)到并超過(guò)釷鎢電極，能夠在各種工況下替代釷鎢電極。
權(quán)利要求
1.多元復(fù)合稀土-鎢電極材料的制備方法，其特征在于，由以下步驟組成1)按最終產(chǎn)物重量百分比計(jì)算，即La2O3、Y2O3和CeO2每種稀土氧化物含量為0.4-1.4％，該三種稀土氧化物的總含量為2.0-2.2％。其余為鎢；按每種稀土氧化物重量含量稱(chēng)取對(duì)應(yīng)的硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰量配置成混合溶液，按鎢重量含量稱(chēng)取相應(yīng)的APT即仲鎢酸氨，并加入去離子水?dāng)嚢璧玫骄鶆虻膽覞嵋?，然后加入上述稀土硝酸鹽溶液，攪拌、蒸發(fā)干燥；2)蒸發(fā)干燥后經(jīng)過(guò)一次氫氣還原，溫度為550℃-700℃；二次氫氣還原，溫度為850℃-1000℃制得多元復(fù)合稀土-鎢電極材料，平均粒度控制在1.2-1.4μm。
全文摘要
多元復(fù)合稀土－鎢電極材料的制備方法，屬于稀土難熔金屬功能材料領(lǐng)域。針對(duì)現(xiàn)有的多元復(fù)合稀土－鎢電極加工性能差，在工業(yè)生產(chǎn)中成品率低，增加了生產(chǎn)成本。按最終產(chǎn)物重量百分比計(jì)算，即La
文檔編號(hào)B23K35/24GK1586797SQ20041008029
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者胡福成, 聶祚仁, 李炳山, 楊建參, 彭鷹, 孫寶成, 趙廣利 申請(qǐng)人:北京礦冶研究總院, 北京工業(yè)大學(xué)