稀土钨电极材料的研究

杜海滨

（赣州虹飞钨钼材料有限公司，江西 赣州 341000）

一般而言在工业制作上，稀土钨电极主要是应用在一些惰性气体的保护焊接以及一些等离子体的焊接和切割，并且还广泛应用与真空领域中，是一种至关重要的工业性材料。但是在当前电极市场上，仍然沿用之前的钍钨电极，该电极具有一定的放射性，在其使用以及制造的过程中是极易对人体造成危害，还会给环境带来很大的污染。故而相关工作研究者正致力于找寻新型电极材料去代替钍钨电极材料，因为稀土氧化物特点是具有极高的熔点以及低逸出，所以稀土钨材料是最理想的替代材料。

1 单元稀土钨电极

一般来说，各种钨电极都是把稀土氧化物按照不同的顺序从而添加到氧化钨中去，然后通过各种工艺还原，就得到了相应规格的稀土钨电极。然后通过相关的试验，主要对钨电极的抗损烧性、电弧静特性以及焊接性能进行了相关试验，大致发现了三种相关规格的稀土钨电极性能高于一致规格的钍钨电极。但是该相关试验也有一定的局限性，仅仅限定在小的电流焊接当中，在一些电流比较大的焊接环境当中，电流比较大的焊接环境下对于单元稀土电极的损害是非常大的，以至于该情况下电极的稳定性比较差。

2 二元复合稀土电极

因而，针对于单元稀土电极的这种局限性，相关专家研制出了二元复合稀土电极，并根据抗损烧性、电弧静特性以及焊接性能等进行了反复的试验比较，得出了二元复合稀土电极焊接性能以及其它各项性能度明显优于单元稀土钨电极，二元稀土钨电极能够承受较大电流下的焊接工艺，而且该类电极的应用范围也是比单元稀土钨电极更加的广泛。可是由于二元稀土钨电极的加工性能比较的低后，导致该类产品的成品率比较低，这一情况也是严重限制了二元复合稀土钨电极的批量生产。

3 三元复合稀土钨电极

随着如今科学技术水平和工业制造水平的不断提高，一些工业上对于电极也有了更高的要求，因此二元复合稀土钨电极也渐渐不能满足各大工业上的需求了，因此相关的科研人员针对这一问题打算研制三元复合稀土钨电极，在实验过程中也发现了三元复合稀土钨电极的各项性能明显优于二元复合稀土钨电极以及同规格下的钍钨电极，进而通过对于各类稀土元素的不同配比进行了相关试验，得到了最佳比例状态下综合性能最佳的电极材料。

4 产业化生产技术研究

在工业生产当中，钨这种金属是属于熔点非常高的金属，而且其加工也是非常的困难。但是在该金属中添加一些稀土氧化物之后，能够明显改变钨内部的粒化结构，使其可塑可脆性改变，如果在工业制造上想要去实现稀土钨电极的相关产业化生产还是要去认真钻研稀土钨电极的相应加工行为。因此率先研究的就是各项性能最优的三元稀土钨电极，该电极的相关冶炼方法还是属于比较传统的粉末冶金方法，但是该冶炼工艺比较复杂。在这里主要采取的还是掺杂工艺、还原工艺以及垂熔烧相结合工艺去进行系统优化研究，这样做的目的也是为了提高稀土钨电极的成品率。

4.1 掺杂工艺

相对于传统的钍钨电极加工工艺而言，通常情况下是将氧化钍和氧化钨直接添加进去直接进行掺杂，但是在工艺生产钍钨电极这方面来讲，基本上是把氧化钨与一些稀土硝酸盐去进行互相掺杂。可是对于一些多元的稀土钨电极而言，却不是这样的，在钨电极当中，稀土元素的分布不仅仅影响钨电极的均匀性能而且其直接能够影响钨电极的电子发射性。所以说，要确保钨电极高效的均匀性以及电子发射性，均匀的掺杂是必不可少的前提，通过研究试验最后采取的是APT与稀土硝酸盐直接去进行掺杂的工艺，因为通过这种方式，可以在高效有序的掺杂基础上直接省去了APT去进行煅烧的工序，这样一来也是非常经济节能的。

4.2 还原工艺

通常在粉末冶炼金的工艺程序上，相关金属粉末的质量是直接决定了成品的质量，起着至关重要的作用，但是在多元的稀土钨粉末组成以及添加元素的顺序和均匀性都对成品有着极其重要的影响。所以说，在稀土钨电极的还原工艺当中，对于一次性还原的温度、二次还原的温度以及相关氢气的流量和装置储存量这些因素影响规律进行了多次的实验研究，最终在一定条件下去适当的提高一次性还原的粉末粒度以及加大二次还原中的相关温度梯度是最有效的方法，也是对提高最终金属粉末粒度最有效的方法。

4.3 烧结工艺

该方式也被称为垂熔烧结方式，在这种方式下去进行多元复合稀土钨电极的制备主要有以下几个因素的影响：温度和时间、加热的梯度和加热的速率、相关材料的纯度和密度、以及晶体粒度和稀土氧化物的分布，这些因素通通都会对稀土钨电极材料的好坏造成直接的影响。就比如说，当材料在进行烧结时，相应的温度过高，就会直接使得钨晶体的急剧拉大，从而会迅速降低稀土氧化物在材料中的扩散系数，也会使得电极材料的烧损率加大，在另一方面而言呢，烧结过程中的温度过于高的话，会使稀土氧化物低熔点情况下所形成的物质急剧增长，不仅如此，还会进而影响稀土氧化物的耗损。因而，通过有效的烧结工艺对于电极材料的性能以及相应电极后续的加工制作是具有非常大的意义，综合考虑到了相关粉末粒度对于烧结工艺中的影响，以及结合相应还原工艺参数的比较，最终也是确定了最佳的范围。

4.4 工艺稳定性检验

通过对于上述几个基础部分工艺的研究，也去进行了多元复合稀土钨电极的相关工业试验，再去对整个的工艺流程进行系统的规划操作，在最终也是确定多元复合稀土钨电极的整个的生产工艺规程，然后分不同批次的去进行投料生产，从而去检验整个工艺的稳定性。通过最终数据研究分析，可以发现该生产工艺技术还是非常稳定可靠的，也是能够实现不同批次下的投料生产，最重要的一点是该情况下的成品率是可以达到百分之七十以上的，也是在一定程度上超过了形同规格的钍钨电极成品率，就目前的国内外情况而言，该成品已经远销欧洲各大市场，已经小有成效了，以后也将会逐渐的代替钍钨电极成为最主要的电极材料。

5 多元复合稀土钨电极前景分析

因此，上述通过对多元复合稀土钨电极的相关研究可以充分了解，多元复合稀土钨电极的焊接性也是非常良好的，能够在多数情况下充分代替钍钨电极。不仅如此，该电极与相同规格的钍钨电极相比，各项性能也是更加优良，完全优于钍钨电极，最重要的一点就是该电极在生产制造过程中既不会对人们身体造成放射性危害也不会对环境造成污染，是一种新型的绿色新产品。虽然现阶段其还没有进行工业化的生产，但本次课题研究也是多次研究试验了该电极的制备工艺中的各种关键工序，也就是：掺杂工艺、还原工艺以及垂熔烧相结合工艺，并且对各工艺中的流程进行了系统性优化调试，在最后阶段也是确立了多元复合稀土钨电极的生产工艺，并且使得该电极的成品率在一定程度上超过了同规格的钍钨电极，有效的降低了生产成本。当前，该项技术还在实践过程中进行不断的完善改进，相关的企业也是已经生产了多批电极，并且成品率也是非常的稳定，也已经远销于国外的一些国家，在国内市场也已经实在推广使用了，其需求也在随着市场经济发展不断的增加，前景也是非常广阔的。

6 总结

此次文章最主要的研究目的就是为了找寻能够替代具有放射性以及污染性的钍钨电极，经过多次的研究试验，本课题主要对单元稀土钨电极、二元稀土钨电极以及三元稀土钨电极进行相关的电极性能机理研究。不仅如此，在这个基础之上，本次课题还对三元符合稀土钨电极进行了相关的产业化研究，并且最终确定了最佳的材料添加范围，使得三元复合稀土钨电极的成品率高达百分之七十，该成品率在一定程度上也是超过了同规格下的钍钨电极的工艺制造生产水平，而且这种生产模式也有效的降低了生产成本，其最重要的意义也是，通过比较低的成本优势使得稀土钨电极已经迈出了替代钍钨电极的第一大步，也为日后稀土钨电极的广泛使用奠定了夯实的基础。