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| 焊接用钨电极的研究应用及市场分析 |
| http://www.weld21.com 2012-08-24 15:09 来源：淄博迈科焊接器材有限公司 |
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荆楚秋 张丽娜
（淄博迈科焊接器材有限公司 山东淄博）
摘要
钨电极在焊接领域有广泛的应用前景。本文阐述了钨电极发展的各个时期，对各类钨电极进行了分类，并对不同稀土钨电极的使用性能进行了简单介绍，同时对几种典型稀土钨电极的制备及研究进展进行了详细综述，并简单分析当下钨电极在全球范围内的市场行情。
1、引言
纯钨的熔点高（3650K）、电子发射能力强、弹性模量高、蒸汽压低，最早被用作电子发射材料，但纯钨的发射效率很低，并且在高温下再结晶形成等轴状晶粒组织会变脆，易断裂。为了克服上述缺点，各国材料工作者致力于研究和开发各种新型电极材料，以钨为基，掺杂一些高熔点、电子逸出功率低的稀土金属氧化物，即可提高再结晶温度，又能激活电子发射。但是，在以稀土钨电极为研究方向的基础上，尽管已经取得了一些成就，但从目前的全球市场来看，钨电极的替换使用仍然任重而道远。
2、钨电极的起源与发展
1913年平奇(Pintsch)发现了W- ThO2电极材料，在纯钨中添加2%（质量分数）左右的ThO2，其逸出功率降低近一半而减小至2.63eV（纯钨为4.55eV），大大提高了发射效率，可达50mA/W~70mA/W（经碳化的纯钨电极只有25mA/W~40mA/W）.而且W- ThO2的引弧和稳定性能也比纯钨大大提高。但是钍属于天然放射性元素，其α射线的半衰期长达1.4×1014年，在生产和使用中的放射性污染对环境和人体健康造成危害；日益高涨的环保意识限制了它的发展，而且W- ThO2电极的电弧稳定性和耐久性也不能满足日益发展的焊接技术的需求，因此各国材料工作者都一直在进行研究和开发新的代钍钨电极材料。
铈钨是为了取代具有放射性污染的钍钨材料而发展起来的新型钨电极材料，前苏联在上世纪60年代已有研制新型电极材料的报道，我国上海灯泡厂在1973年开始研究W- CeO2电极，首先试制成功并应用，并已被国际标准化组织列入非熔化极标准中。目前国外大多采用纯钨粉与铈化合物直接混合的方法制取铈钨粉末。国内则通过采用蓝钨湿法掺杂二氧化铈，一次性还原、酸洗、等静压成型、轧制开坯等工艺所研制的铈钨电极，经检测和使用表明，所研制的铈钨粉末纯度高，压制性能和烧结性能好；铈钨坯的铈含量均匀，加工性能良好。电极一致性好，起弧性能佳，赢得了用户的广泛好评。实践证明，铈钨电极在小规格焊接用钨电极方面成功取代了钍钨，但在交流氩弧焊电极、气体放电光源等方面尚不能完全取代钍钨，而且铈钨电极还存在引弧较差，使用寿命较短等不足之处。
在我国90年代，为了制取性能优良且无污染的钨电极，在三氧化钨粉末中添加氧化镧，经过还原、压制、垂熔、旋锻、拉伸制得了镧钨电极。经分析，镧钨电极的电性能明显优于铈钨和钍钨电极，镧钨中的氧化镧的迁移速率和蒸发速率低，能形成较好的燕尾搭接金相组织，具有良好的高温抗蠕变性能。采用高能球磨和真空热压烧结工艺制备出块体纳米晶w-La2O3电极材料，研究了不同La2O3含量对纳米晶钨电极材料电性能的影响，同时用扫描电镜和能谱仪测定了燃弧后电极尖端La的分布及显微组织。结果表明：纳米晶W-La2O3电极的电性能优于传统的粉末冶金粗晶钨电极。当La2O3。含量在6％～8％时，其热电子发射能力和稳定性最好，但是随着稀土La2O3含量的增大，镧钨电极的成型性和加工性更加困难。
东芝公司Y．Ishiwata和Y．Itoh采用粉末冶金的方法制出弥散氧化钇与钨的复合材料，并对Y2O3／W 的烧结性能，抗熔融金属腐蚀性能和其他独特性能进行了研究，他们认为氧化钇的加入对于钨材的烧结致密性有明显的改善作用，且烧结时出现液态的Y2(WO4)3，可抑制熔融金属渗浸到钨晶界中，从而提高钨对熔融金属的抗腐蚀性。低逸出功的Y2O3化合物覆盖了电极表面，从而电极烧损很小。
随着焊接工业的不断进步与发展，对电极材料的可靠性和稳定性提出了更为苛刻的要求。多元稀土氧化物以其高熔点，低电子逸出功，优良的热电子发射性能，成为代替钍钨的主要材料，并在小规格焊接用钨电极方面成功地取代了钍钨；但在交流氩弧焊时仍存在引弧较差、使用寿命短等不足之处。一般来说，复合稀土钨电极的燃弧特性均优于单元稀土钨电极，而复合稀土钨电极中，三元复合又好于二元复合。
上世纪80年代后期，一批日本学者在研制新型钨电极材料方面取得了一些进展，特别是研究了一系列复合稀土钨电极材料。在电极成分设计、性能比较和机理探讨方面做了大量工作，发现二元复合稀土能改善钨电极的性能。大阪大学的学者们对复合(二元、三元)的稀土钨电极也进行了研究，初步研究表明：对二元稀土钨电极而言，CeO2：Y2O3=1：3(W -CeO2=0．5％，W- Y2O3=1．5％)；CeO2：La2O3=1：1；La2O3：Y2O3=1：3，这三种成份的钨电极性能较为突出，尤其是耐久性，其中1：3的(La2O3+ Y2O3)钨电极燃弧4h(180A)仍具良好的性能，燃弧10h的性能耐久性也可接受，这比单元稀土钨电极的耐久性要强得多。对于三元稀土钨电极来说，****的稀土氧化物比例是CeO2：La2O3：Y2O3=1：1：3，这种电极的良好操作性能可持续10 h(180A)，较其它二元电极和单元w- La2O3电极(10 h熔化严重)的端部形状保持得更好。在复合稀土氧化物钨电极中，此类电极的工作温度最低，发射效率最高：电子逸出功最低，即发射本领最高，综合性能较为突出。北京工业大学和北京钨钼材料厂合作研究二元复合稀土钨电极，以及三元复合稀土钨电极，认为复合钨电极的焊接电弧和工艺均优于单稀土钨电极和钍钨电极。
稀土氧化物 | 晶系 | 密度 g/cm2 | 熔点 ℃ | 分解热 KJ | CeO2 | 立方 | 7.132 | 2397 | 523.4 | CeO2 | 立方 | 6.86 | 2142 | | La2O3 | 立方 | 6.51 | 2217 | 1244.7 | Y2O3 | 单斜、立方 | 5.01 | 2410 | 1271.1 | ThO2 | 萤石型 结晶 | 10.001 | 3390 | 1227.6 |
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