中国钨电极行业现状和未来发展趋势

钨是稀有高熔点金属，可提高钢的高温硬度，属于元素周期表中第六周期（第二长周期）的ⅥB族。钨是一种银白色金属，外形似钢。钨的熔点高，蒸气压很低，蒸发速度也较小。钨的化学性质极为稳定，是化学中惰性金属，因此广泛应用于航天航空、军工、钢铁、能源、汽车、机械制造、化工、电子等重要领域，是一种极为重要的战略金属元素。中国是世界上最大的钨储藏国。钨资源储量占世界总储量的 70%左右，全球每年消耗的钨资源80%以上来自我国。目前,我国钨工业从采矿、冶炼、加工一直到国际贸易，已形成完整的工业体系，在我国国民经济发展中发挥着十分重要的作用。

一、钨电极在工业生产和国民经济中的地位

钨具有熔点高、高温强度好、热电子发射能力强等特点，很早就被用作热电子发射材料。钨基热电子发射材料是一种关键工业材料，常用作电子设备阴极和氩弧焊接电极。钨电极广泛应用于惰性气体保护焊、等离子体焊接、切割、热喷涂及电真空等领域。其中，应用最广的要数惰性气体保护焊。惰性气体保护焊作为金属材料的重要连接方式已经成为制造业中不可缺少的基本制造技术之一，在国民经济中起着重要作用。在众多惰性气体保护焊中，氩弧焊是国内外发展最快、应用最广泛的一种焊接技术，已经成为各种金属结构焊接必不可少的手段。钨电极作为氩弧焊焊接用主要热源材料之一，其出现和发展带动了焊接技术的发展，摩天大楼、大跨度桥梁、压力管道容器、船舶等大型结构件的建设均离不开氩弧焊接技术。目前我国钨电极年消耗量约2000t。钨电极的主要产品有纯钨、钍钨、镧钨、钇钨、铈钨、锆钨和多元复合钨电极。

二、钨电极种类、特点及其主要应用领域

钨作为热电子发射材料在工业中得到了广泛应用，作为灯丝应用于照明行业中。但是纯钨作为电极材料，其发射效率低、逸出功高（4.52eV）、电流容量小，在大电流下烧损比较严重，在高温条件下长时间工作会发生再结晶现象，形成等轴状晶粒组织，使材料变脆而发生断裂。纯钨电极不添加任何稀土氧化物，电子发射能力最小，所以只适合于交流大负荷条件下的焊接，如铝和铝镁合金的焊接等。

钍钨电极材料的发明始于1913年，是在纯钨中掺杂了 2%左右的二氧化钍（ThO2）。钍钨电极具有起弧容易、电弧稳定、载流量高、抗焊缝污染等优点，其逸出功比纯钨降低一半即 2.62eV。钍钨电极是传统电极，有着优异的焊接性能，通常用于碳钢、不锈钢、镍合金和钛金属的直流焊接。但钍是天然放射性元素，在加工使用以及材料废品的回收再利用时极易对人体和环境造成放射性污染，从而对环境和人体带来危害。

目前国内外单用于氩弧焊的钨电极材料每年消耗量已达上千吨，处理不当很可能造成严重的环境污染。美国、欧盟的相关生产商由于政府限制，已经停止钍钨材料的生产或将生产转移到发展中国家。随着各国对环境保护和职业健康的日益关注，全球停止钍钨的生产和使用是必然趋势。

近20年以来，随着科技的不断发展，焊接技术、切割材料的品种、规格及形状日趋繁多，在现代TIG(钨 极 惰 性 气 体 保 护 焊)和PLASMA(等离子)等领域内正兴起自动焊、等离子喷焊、等离子切割和高精度焊接等一系列新技术、新工艺，对电极材料的可靠性和稳定性提出了更高的要求。同时，为了与人类社会文明发展相适应，关于钨电极材料在生产、使用过程中对环境造成的影响也有了更高、更为苛刻的要求。为此，各国材料研究人员正致力于研制各种新型钨电极材料。

至今为止，在替代放射性钍钨电极方面的进展，基本都集中在稀土(铈、镧、钇及其复合稀土氧化物)钨电极材料方面。目前，在不含放射元素钍的电极产品中，使用较多的电极是铈钨电极。自20世纪七八十年代，我国上海灯泡厂、北京钨钼材料厂等先后投入铈钨材料的开发和生产，铈钨电极己被国际标准化组织列入非熔化极国际标准中。铈钨电极具有起弧效果佳、耐烧损、寿命长等优点。由于铈钨电极是为了取代放射性钍钨材料而发展起来的，在国内外有较广的应用市场，尤其是在小规格焊接用钨电极方面成功地取代了钍钨电极，赢得了用户的广泛好评。但在交流氢弧焊电极、大功率超高压球形氛灯的阴极材料等方面尚不能完全取代钍钨电极，仍存在焊接电流不稳定的情况。同时，铈钨电极还存在引弧性能较差、使用寿命较短等不足。

20世纪 80年代，科研人员将稀土氧化物三氧化二钇（Y2O3）直接掺杂到氧化钨里，经过还原、烧结及加工制备成各种规格的钇钨电极。钇钨电极在工作状态下，电弧弧束细长、压缩程度大，尤其在中、大电流工作条件下熔深最大，目前主要用于军工和航空航天工业领域。通过对钇钨电极材料的引弧性能、电弧静特性、抗烧损能力以及焊接工艺试验，发现该类电极只能局限于小电流焊接，在大电流负荷下电极烧损严重，电子发射稳定性差。

20世纪 90年代以来，北京矿冶研究总院和北京工业大学对镧钨电极也进行了研究。研究发现添加氧化镧的钨丝比钍钨丝具有更低的使用温度及更高的电子发射能力，而比添加其他稀土氧化物的钨丝具有更长的使用寿命，镧钨电极中氧化镧的迁移速率和蒸发速率低，容易形成燕尾搭接金相组织，从而改善高温抗蠕变性能。除此之外，镧钨电极耐用电流高、烧损率最小，但其加工性能和电弧稳定性不够。目前，镧钨电极主要用于直流焊接。由于镧钨电极的电性能最接近2%的钍钨电极，氩弧焊操作人员不需要改变焊接操作程序就可以快捷地使用这种电极替代钍钨电极而免受钍的放射性危害，这种转变在交流条件和直流条件下均可行。目前，镧钨电极在欧洲和日本成为最受欢迎的钍钨电极替代品。

锆钨电极中含少量的二氧化锆(ZrO2)。锆钨电极的焊接特能位于纯钨电极和钍钨电极之间，是为了改善纯钨电极在高负荷焊接条件下容易自身熔化进而污染工件的弊端而研制的钨电极产品。锆钨电极在交流电流条件下表现良好，焊接时电极尖端能保持圆球状，而且电弧比纯钨电极稳定。锆钨电极最大的特点是，在高负载电流的情况下焊接时，这种电极圆球状结构能够减少渗钨现象，并具有良好的抗腐蚀能力。锆钨电极适用于镁铝及其合金的交流焊接，目前国内的生产厂家主要是北京矿冶研究总院下属北矿新材。

采用稀土氧化物作为弥散强化的第2相加入钨基体中，可以提高钨电极的再结晶温度、降低电子逸出功、延长使用寿命、提高材料综合性能，特别是多种稀土复合添加，可使电极承载电流范围更宽，焊接性能优于钍钨电极。应用实践证明，单元稀土钨电极材料的焊接综合特性尚不能与钍钨电极相媲美，只能应用在小电流焊接等场合，目前不可能完全取代钍钨材料。北京矿冶研究总院与北京工业大学共同研发、生产的多元复合稀土钨电极受到了国际、国内市场的青睐，主要出口注重环保的欧盟和美国等地区。

三、钨电极未来发展方向——绿色环保电极

北矿新材是国内最早研究开发出稀土难熔合金材料体系并将其推向焊接应用的单位，实现了稀土钨钼制品高效、低能耗制备，钨电极产品研发和生产技术水平在同行中始终处于领先地位。自 20世纪 90年代开始，北矿新材就开始了单元和多元复合稀土钨电极研究，分别开发了铈钨、镧钨、钇钨等一系列产品，其中有 3项电极产品分别获得中国有色工业总公司科技进步二等奖和三等奖。特别是在21世纪初，北矿新材与北京工业大学联合系统探讨各种稀土钨焊接电弧机理与烧损机制，研究掌握复合效应及其规律，开发出多元复合稀土钨材料新技术，以及综合焊接性能优于现行钍钨电极的多元复合稀土钨电极 ；形成多元稀土钨电极的APT直接掺杂、大温度梯度还原、低电流垂熔烧结等工业新技术，形成并完善了稀土钨电极的工业生产技术规程 ；研制出生产线关键装备，实现了高效生产和关键过程质量控制，工业生产成品率比现行钍钨电极等产品高 5%以上，中国有色金属工业协会组织鉴定认为“整体技术达到了国际领先水平”，“多元复合稀土钨电极及其制备技术”获得 2008年国家技术发明二等奖。北矿新材还建立了世界上首条多元复合稀土钨电极工业生产线，系列绿色电极应用于国内外制造业，引导实现金属焊接切割材料的无放射性生产和使用，为我国运载火箭、先进战机、“神舟五号”飞船发射作出了贡献。2011年，在北京市科委股权投资支持下，北矿新材又重点开展了北京市科技成果转化项目——无放射性稀土钨电极规模制造。

北矿新材的多元复合稀土钨电极产品具有技术经济优势、市场竞争力强。多元复合稀土钨电极总的化学成分添加量与单元钨电极相同，目前3种稀土复合添加的原料成本是添加同量钍原料成本的一半，尤其是新工艺使成品率提高，生产成本明显低于钍钨，大体上与现有铈钨等单元稀土钨电极相当。多元复合稀土钨电极综合焊接性能极其优异，能够适应不同电流焊接范围和焊接母材的需要。从性价比看，多元复合稀土钨电极具有明显的技术经济优势，市场竞争力强，广泛应用于工业制造、国防和民用商品领域，如飞机、“神州”系列、电站、各类金属结构、锅炉、船艇、汽车和自行车等国家重点工程和社会生活领域，引领了相关领域绿色生产和使用，产品的使用性能逐步得到用户认可。目前，北矿新材的产品出口主要销往对环境要求高的欧洲、日本等地区，替代了钍钨及其它牌号的电极，是目前国际上唯一生产销售的多元复合稀土钨电极工业产品，获得了全世界范围认可。


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