铈钨电极生产

用粉末冶金和金属塑性加工的方法生产钨中含有一定量氧化铈(≤4％)的电极材料。铈钨电极材料是一种非放射性电极材料，它是20世纪50年代以来为了取代放射性钍钨电极材料而逐步发展起来的。这种电极材料在惰性气体保护电弧焊和等离子焊接、切割等方面得到了广泛应用。

生产工艺

钍钨电极始用于20世纪50年代初期，它是在钨中加入≤3％的氧化钍。这种材料具有高的电子发射能力，耐烧损性和起弧性能良好；但是，由于钍是放射性元素，在生产、贮藏和使用过程中容易产生放射性污染，危害人体健康，因而从50年代中期开始，人们就开展了代钍材料的研究工作。1956年，美国路易斯(A．Louis)进行了在金属钨粉中直接加入0．5％～3．0％氧化铈粉末的试验，然后通过压坯、垂熔、旋转锻造制出焊接用电极。两年后，他将氧化铈含量减少到0．01％～0．30％，使加工性能得到改善。1965年美国赫尔曼(J．Hermann)采用极细的纯钨粉压制成生坯，将此生坯或经过预烧的坯条浸泡在稀土金属盐类的溶液中，通过渗吸来实现掺杂，随后烧结，并按常规方法旋锻至所需直径。1967年，罗蒙诺夫(V．N．Romonov)研制了含氧化铈1％的铈钨材料，其制备工艺是：在800～850℃下将仲钨酸铵煅烧成三氧化钨，然后将铈的硝酸盐或氧化物水溶液掺入三氧化钨悬浮液中，再把掺杂好的三氧化钨用氢气一次还原成钨粉。加乙醇和甘油混合剂后，在600MPa压力下压成9mm×9mm×400mm的坯条，经过预烧和垂熔后，坯条中CeO2含量为0．87％，旋锻加工时，其加热温度为1475～1500℃。

中国20世纪70年代开始研制铈钨电极材料，经过近10年的生产实践，生产工艺趋于稳定和成熟，80年代初期，在国内和国际上申请了铈钨电极材料生产的专利。在生产过程中，如何使掺杂的氧化铈在钨基体内分布均匀和弥散，是提高电极电子发射能力、改善电弧性能、延长使用寿命的重要因素之一。因此，在原料选择上，通常是采用蓝色氧化钨或三氧化钨掺杂，并且掺杂剂不是直接采用氧化铈，而是采用其可溶的盐类，如硝酸铈或氯化铈。以此水溶液作母液，往里添加三氧化钨或蓝钨，在加料过程中，不断加热搅拌，蒸发浓缩，从而形成包覆粉末。掺杂时也可将硝酸铈或氯化铈水溶液喷洒在盛有三氧化钨或蓝钨粉的特别容器内(边转动边加热)。掺杂后的粉末必须加热至一定温度，使盐类分解，形成氧化铈质点，分布在三氧化钨或蓝钨粉末颗粒的表面上，再经过氢气还原，得到W-CeO2粉末。CeO2的含量为1％～4％，根据使用要求选定。掺杂粉末经过压制成形、预烧、垂熔，得到铈钨坯条，其加工工艺见掺杂钨丝生产，但其旋锻开坯温度稍高，为1500～1600℃。

电极性能

作为电极材料，电子逸出功的高低是筏量材料电子发射性能好坏的一个重要指标。只有具有低的电子逸出功，才能满足电弧稳定、集中、承载电流密度大的工艺性能要求。实验证明，铈钨电极具有比钍钨电极更低的电子逸出功(纯钨的电子逸出功为4．55eV，W-2％ThO2为2．7eV，W-2％CeO2为2．4eV)，这种电极材料比钍钨电极具有更大的优越性。首先，铈钨电极的电子发射能力强，容易得到细长的电弧，使热量更为集中，其许用电流密度比钍钨电极提高5％～8％。其次，铈钨电极的烧损率低，寿命长，引弧和稳弧都易保证。再次，铈钨电极放射性剂量极低，仅及钍钨材料的千分之一左右，相当于大地泥土中的放射剂量。因此采用铈钨电极代替钍钨电极，不仅可以消除生产和使用过程中对人体累积性的内照射危害，并免除对环境的放射性污染，而且在技术性能和使用效果上也能取代钍钨电极，某些性能甚至比钍钨材料更优越。

应用 铈钨电极材料除了在氩弧焊、等离子弧焊方面取代钍钨电极外，在等离子切割、等离子喷涂、等离子熔炼中的应用效果也是令人满意的。此外，作为激光光泵光源，以铈钨电极取代钍钨电极后，使光源的光效提高12％左右，寿命提高5～10倍。在电光源中，对于中小功率氙灯已使用铈钨电极，在电真空中，铈钨材料作为封接件，具有较好的使用效果。

存在的问题及发展趋势 铈钨电极材料虽然在小规格焊接用钨电极方面成功地取代了钍钨，但作为交流氩弧焊电极以及大功率氙灯等气体放电光源方面的阴极材料，铈钨电极的使用性能和寿命与钍钨相比，仍存在忽高忽低的不稳定情况。此外，由于铈具有较高的蒸汽压，因而作为电子管阴极材料，尚存在衰减快、稳定性差等问题。因而在这些领域仍在使用钍钨电极材料。

随着现代工业的进步和发展，焊接、切割的母材的品种、规格及形状日趋繁多，而且焊接领域里正兴起自收shou动焊接、高精密焊接等一系列新技术，对电极材料及电弧特性提出了更高更苛刻的要求。钍钨、铈钨电极材料不论是在起弧、稳弧还是在耐烧损性能方面都满足不了日益发展的焊接技术要求。为此，各国科技工作者正致力于研究新型的电子发射材料。研究表明，在钨基体中加入镧或钇等稀土氧化物，可以大大提高钨的电子发射能力，尤其是镧钨电极材料，从小电流到大电流范围，均具有优良的引弧、稳弧和耐烧损性能。日本在80年代后期已能批量生产稀土钨电极材料，此后不久，中国也研制成功。可以预料，这种新型的电子发射材料将涉足许多工业领域，用途越来越广，很有发展前途。


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