專利名稱：三元復合稀土鎢電極材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含三種稀土元素的鎢電極材料及其制備方法。該電極可用作惰性氣體保護焊和等離子焊接、切割、噴涂、熔煉以及特殊電光源中。
鎢電極是惰性氣體保護焊和等離子焊接、切割、噴涂、熔煉以及特殊電光源中的關鍵材料，目前使用較多的是釷鎢電極(含ThO2)和鈰鎢電極(含CeO2)。釷鎢電極在其生產和使用過程中都將給環(huán)境和人體健康帶來放射性危害；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。
在國外，日本研制了一種分別含La2O3、Y2O3和CeO2的單元稀土鎢電極材料(JP62-93075，
公開日94年10月27日)。在國內，原冶金部包頭稀土研究院研制了一種添加有單元稀土氧化物(Y2O3、La2O3、Nd2O3、Gd2O3)和堿金屬化合物的單元稀土鎢電極材料(CN1041556A，
公開日90年4月25日)。
上述各種稀土鎢電極材料都有各自的優(yōu)點和缺點鈰鎢電極(含CeO2)的加工性能好，在小電流使用時具有較好的電弧穩(wěn)定性，但其反復引弧性能差、容易斷弧、電弧壓力和許用電流?。昏|鎢電極(含La2O3)在中小電流工作時電弧穩(wěn)定性和電極抗燒損性能好，但其加工性能差，在大電流使用時燒損嚴重；釔鎢電極(含Y2O3)使用時電弧壓力大，在大電流工作時電極的抗燒損性能好，但其加工困難，在小電流使用時電弧穩(wěn)定性差。此外，日本專利(JP62-93075)采用的稀土氧化物與鎢直接混合的固固摻雜方式具有摻雜均勻性差的缺點；中國專利(CN1041556A)在材料生產中采用了稀土硝酸鹽溶液與WO3混合的液固摻雜方式，但在還原前增加了稀土硝酸鹽在250～850℃下加熱分解得到稀土氧化物這道工序，從而增加了制備工藝的復雜性，使材料的生產成本增加。
本發(fā)明的目的在于提供一種無放射性污染、使用性能及加工性能好的三元復合稀土鎢電極材料，并提供一種工藝簡單且生產成本低的三元復合稀土鎢電極材料的制備方法。
本發(fā)明提供的三元復合稀土鎢電極材料，其組分含有La2O3、Y2O3和CeO2三種稀土氧化物，其余為W，每種稀土氧化物含量為0.4～1.4％(重量)，稀土氧化物的總含量為2～2.2％(重量)。
鎢中添加稀土氧化物是為了替代有放射性的釷，同時提高電極的電子發(fā)射能力。添加三種稀土氧化物是為了使電極材料具有比鈰鎢電極(含CeO2)、鑭鎢電極(含La2O3)、釔鎢電極(含Y2O3)和釷鎢電極(含ThO2)更優(yōu)越的使用性能的同時，也具有良好的加工性能。
本發(fā)明提出的三元復合稀土鎢電極材料的制備方法，由以下步驟組成(1)將稀土硝酸鹽配制成溶液，摻入到WO3粉末中，干燥后經500～540℃和640～920℃溫度下的兩次氫氣還原，制得鎢粉。(2)鎢粉經壓型、1200℃預燒結，在90％熔斷電流下垂熔燒結，后經旋鍛和鏈拉加工成各種規(guī)格的電極，其中旋鍛開坯溫度1500～1550℃，中間經一次高溫快速垂熔退火處理。
上述制備方法，避免了日本專利(JP62-93075)采用的固固摻雜方式中稀土氧化物與鎢粉混合的不均勻性；與中國專利(CN1041556A)相比，該制備方法減少了還原前稀土硝酸鹽加熱分解得到稀土氧化物這道工序，使制備工藝得到簡化，從而降低了生產成本；采用高溫快速垂熔退火可以避免退火時晶粒粗化，使得后續(xù)加工更為容易，提高了生產的成品率。
本發(fā)明制成的三元復合稀土鎢電極的加工性能優(yōu)異，預燒結效果好，垂熔中導電良好，類似于單元鈰鎢電極；旋鍛開坯易加工，無斷條、劈裂現象發(fā)生。
下面對附圖進行圖面說明

圖1電極靜特性曲線圖。
實施例1.按鎢粉重量的0.4％La2O3、1.4％Y2O3、0.4％CeO2稱取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據氧化物重量換算硝酸鹽量)配制成混合溶液，摻入到WO3粉末中，充分攪拌蒸干和干燥后，先后經500～540℃和640～920℃溫度下的兩次氫氣還原，制得鎢粉。將鎢粉壓制成重650克，體積為12×12×400mm3的方條，經1200℃預燒結40分鐘后，在90％熔斷電流下保溫20min進行垂熔燒結。燒結坯條經旋鍛和鏈拉制成φ6.5mm、φ3.2mm、φ2.4mm、φ2.0mm、φ1.6mm幾種規(guī)格的電極，其中旋鍛開坯溫度1550℃，鍛至φ9.5mm時經一次高溫快速垂熔退火處理。2.按鎢粉重量的0.7％La2O3、0.7％Y2O3、0.7％CeO2稱取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據氧化物重量換算硝酸鹽量)配制成混合溶液，摻入到WO3粉末中，充分攪拌蒸干和干燥后，先后經500～540℃和640～920℃溫度下的兩次氫氣還原，制得鎢粉。將鎢粉壓制成重650克，體積為12×12×400mm3的方條，經1200℃預燒結40分鐘后，在90％熔斷電流下保溫20min進行垂熔燒結。燒結坯條經旋鍛和鏈拉制成φ6.5mm、φ3.2mm、φ2.4mm、φ2.0mm、φ1.6mm幾種規(guī)格的電極，其中旋鍛開坯溫度1550℃，鍛至φ9.5mm時經一次高溫快速垂熔退火處理。3.按鎢粉重量的0.9％La2O3、0.9％Y2O3、0.4％CeO2稱取硝酸鑭、硝酸釔、硝酸鈰(根據氧化物重量換算硝酸鹽量)配制成混合溶液，摻入到WO3粉末中，充分攪拌蒸干和干燥后，先后經500～540℃和640～920℃溫度下的兩次氫氣還原，制得鎢粉。將鎢粉壓制成重650克，體積為12×12×400mm3的方條，經1200℃預燒結40分鐘后，在90％熔斷電流下保溫20min進行垂熔燒結。燒結坯條經旋鍛和鏈拉制成φ6.5mm、φ3.2mm、φ2.4mm、φ2.0mm、φ1.6mm幾種規(guī)格的電極，其中旋鍛開坯溫度1550℃，鍛至φ9.5mm時經一次高溫快速垂熔退火處理。
下面對電極使用性能進行測試。測試結果與目前國內外工業(yè)生產中廣泛應用的鈰鎢電極和釷鎢電極進行對比。
電極編號1含0.4％(重量)La2O3，1.4％(重量)Y2O3，0.4％(重量)CeO2，其余為W。
電極編號2含0.7％(重量)La2O3，0.7％(重量)Y2O3，0.7％(重量)CeO2，其余為W。
電極編號3含0.9％(重量)La2O3，0.9％(重量)Y2O3，0.4％(重量)CeO2，其余為W。
電極編號4含2.2％(重量)CeO2的鈰鎢電極(北京鎢鉬材料廠產)，該電極作為對比電極。
電極編號5含2.0％(重量)ThO2的釷鎢電極(美國華昌公司產)，該電極作為對比電極。
1～5號電極均選用φ3.2mm磨光電極，電極尖部錐角為45°，所有實驗均采用直流正接(鎢極接負極)、高頻引弧，電源設備采用ZS500型硅整流焊機、GNP-300型焊機控制箱和100KVA行調壓器。1.引弧試驗陽極為水冷黃銅。經初步引弧，確定從電壓30V開始進行引弧試驗，按1V電壓間隔升高空載電壓，每個電壓下進行引弧試驗30次，每次打高頻1秒內起弧為引弧成功，1～10秒內起弧為引弧滯后，超過10秒則為引弧失敗。表1為本實驗條件下得到的各電極臨界起弧電壓值。表1引弧試驗結果
鎢電極在引弧時和剛起弧后，電極表面還沒有能夠被加熱到足夠高的溫度，因此它還不能作為熱陰極而工作。高頻引弧就是通過高頻電壓的作用使電極與母材之間產生火花放電，引起空間電離，使回路電流逐漸增大至電弧放電范圍。在這個過程中，電極受到正負離子的碰撞，獲得能量，電極表面溫度升高。由此可見，電極表面的功函數對電極引弧性能的好壞起著決定性的作用，如果電極表面功函數越低，電極產生熱電子發(fā)射所需的溫度就越低，回路電流過渡到電弧放電所需時間也就越少，即引弧越容易成功。
從表1中可以看出1號和3號組的三元復合稀土鎢電極的引弧性能最好，臨界起弧電壓為32V，比5號組的釷鎢電極的臨界起弧電壓降低了10％以上。2.壽命試驗直流正接(鎢極接負極)，電流250A，燃弧時間30min。用DP-100光學分析天平測量實驗前后電極質量的變化，試驗結果如表2所示。
表2壽命試驗結果
從表2可以看出，復合稀土鎢電極燃弧前后質量減少最小，其抗燒損性能優(yōu)于單元稀土鈰鎢電極。3.電弧靜特性試驗陽極為水冷銅，氬氣流量6L/min，焊機空載電壓為70V，弧長3mm，電極伸出導氣嘴長度6mm。燃弧后。迅速將回路電流調至40A，分別在電流為40A、60A、80A、100A、120A、140A、160A、180A和200A時，待電弧穩(wěn)定燃燒，測出所對應的穩(wěn)態(tài)電壓值，作出伏安特性曲線，即靜特性曲線，試驗數據如表3所示。
表3靜特性曲線試驗數據
從圖1可以看出，在相同的工作電流下，1、2、3號三元復合稀土鎢電極的開路電壓明顯低于5號釷鎢電極，表明復合稀土鎢電極的熱電子發(fā)射性能優(yōu)于釷鎢電極，電弧穩(wěn)定性好。
以上的試驗結果表明復合稀土鎢電極材料具有比單元稀土鎢電極和釷鎢電極更好的熱電子發(fā)射性能和電極長時間工作的穩(wěn)定性，且加工和使用性能均優(yōu)于目前已得到廣泛應用的鈰鎢電極和釷鎢電極。
權利要求
1.一種三元復合稀土鎢電極材料，其特征在于其組分含有La2O3、Y2O3和CeO2三種稀土氧化物，其余為W，以重量百分比計，每種稀土氧化物含量為0.4～1.4％，稀土氧化物的總含量為2～2.2％。
2.根據權利要求1所述的三元復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)將稀土硝酸鹽配制成溶液，摻入到WO3粉末中，干燥后經500～540℃和640～920℃溫度下的兩次氫氣還原，制得鎢粉。(2)鎢粉經壓型、1200℃預燒結，在90％熔斷電流下垂熔燒結，后經旋鍛和鏈拉加工成各種規(guī)格的電極，其中旋鍛開坯溫度1500～1550℃，中間經一次高溫快速垂熔退火處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含三種稀土元素的鎢電極材料及其制備方法,材料中含有La
文檔編號B23K35/24GK1203136SQ98102539
公開日1998年12月30日 申請日期1998年6月25日 優(yōu)先權日1998年6月25日
發(fā)明者聶祚仁, 周美玲, 張久興, 陳穎 申請人:北京工業(yè)大學