CN117821831A - 一种高导电导热稀土钨电极材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高导电导热稀土钨电极材料及制备方法，涉及难熔金属材料技术领域。该材料的重量百分比为：氧化镧0.66％～0.8％，氧化铈0.66％～0.8％，氧化钇1.98％～2.4％，稀土氧化物总量为3.3％～4％，其余为钨；所述稀土氧化物氧化铈、氧化镧、氧化钇配比为La2O3∶C eO 2∶Y 2O3＝1∶1∶3。材料的制备方法为：固固掺杂、冷等静压压制、中频感应烧结、旋锻、拉丝、矫直、切割、抛光和磨光等工序。本发明制备的稀土钨电极材料致密度在98％以上，强度高，导电导热性能优异，能够实现电极在工作时内部电流和热量的快速传输，有效避免电极的烧蚀，且该电极材料制备工艺简单、易加工、具有较高成材率。
Description
技术领域
本发明涉及稀土难熔金属材料技术领域，具体涉及一种高导电导热稀土钨电极材料及其制备方法。
技术背景
钨及其相关制品作为热电子发射材料已有多年历史，在现代焊接工业、热喷涂、等离子体应用以及电真空等领域具有举足轻重的地位，其使用性能的好坏是关乎相关设备输出功率、增益、可靠性等关键性能指标的决定因素。电极的使用性能与电极材料的熔点、导电导热性能及力学性能密切相关。一方面，导电导热性能优异的电极材料能够使电极在启动和刚刚启动后实现电流及热量在材料内部的快速传输，升高电极表面温度，使部分电子迅速获得充足能量，实现电子发射。另一方面，电导率、热导率高的电极材料，稀土氧化物在材料内部的迁移速度较高，能够保证稀土氧化物及时从电极内部迁移至表面，实现稀土氧化物在电极表层内的补给速率与蒸发损失速率之间的动态平衡，避免电极在工作过程中，尤其是大电流工况下，因氧化物蒸发或局部电流过大而造成的电极的烧蚀，实现电极的长时间稳定工作。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种导电导热性能优异的钨电极材料及其制备方法，所制备的稀土钨电极材料在保证高致密度、高强度的同时，具有较高电导率和热导率。该电极材料内部第二相分布均匀，逸出功低，电子发射本领强，并且该稀土钨电极材料制备工艺简单、经济节能、无放射性污染、成材率高。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：一方面，
本发明公开了一种稀土钨电极材料，其组分含有La2O3、CeO2、Y2O3三种稀土氧化物的钨电极，重量百分比为：氧化镧0.66％～0.8％，氧化铈0.66％～0.8％，氧化钇1.98％～2.4％，稀土氧化物总量为3.3％～4％，其余为钨；且优选三种稀土氧化物质量比为La2O3∶CeO2∶Y2O3＝1∶1∶3。
另一方面，上述所述一种稀土钨电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)混粉：所用钨粉粉末粒度小于3μm，稀土氧化物(氧化铈、氧化镧、氧化钇)粉末粒度为50nm，按照重量百分比称取所需原料粉末，预混合后装入v型混料机中进行混粉，优选混料机转速为24r/min，混料时间为12h，每隔2h停歇15min。
(2)压制：经混料机充分混合均匀后，将单根重量为1800±100g的混合合金粉末装入弹性膜套内，充分振实后使用冷等静压机压制成型，最高压制力为227Mpa，并分别在192MPa和95MPa压力下保压，保压时长均为100s(即先升压到最高压力227Mpa，然后再降压到192MPa保压100s，接着再降压到95MPa压力下保压100s)，压制后得到尺寸为Ф21～22mm×长300mm的钨坯条；(3)烧结：将步骤(2)工序所得到的钨坯条装入中频感应炉的钨坩埚内，在流量为2.5m3/h的氢气保护下烧结，烧结过程中经过五段升温五段保温，第一段由常温升温至1100℃～1200℃，保温1h；第二段升温至1500℃～1600℃，保温2h；第三段升温至1800℃～1900℃，保温1h；第四段升温至2100℃～2200℃，保温1h；第五段升温至2330℃～2400℃，保温3h，最高烧结温度为2330℃，总烧结时长为15.5h
进一步优选，步骤(2)中，钨粉粉末粒度小于3μm，稀土氧化物(氧化铈、氧化镧、氧化钇)粉末粒度为50nm。
进一步优选，步骤(3)中,中频感应烧结在流量为2.5m3/h的氢气保护下进行。烧结过程中经过五段升温五段保温，最高烧结温度为2330℃，总烧结时长为15.5h。
本发明通过固固掺杂将三种稀土氧化物复合添加到钨基体当中，配比为La2O3∶CeO2∶Y2O3＝1∶1∶3。所制备出的稀土钨电极致密度在98％以上，强度高，导电导热性能优异，电子发射本领强，第二相颗粒均匀地分布在钨基体当中，并未出现稀土氧化物含量过高导致第二相大颗粒团聚现象，制备工艺简单，生产过程无污染，具有较高成材率。
附图说明：
为更清晰地描述本发明，此处结合附图对本发明进一步说明。其中：
图1为本发明实施例1中制备的稀土钨电极的SEM图片。
图2为本发明实施例2中制备的稀土钨电极的SEM图片。
具体实施方式：
下面对本发明进行详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
按比例称取10kg的粉末，其中氧化铈粉0.066kg，氧化镧粉0.066kg，氧化钇粉0.198kg，其余钨粉。将称量好的粉末混合后装入v型混料机进行混粉，混料机转速为24r/min，混料时间为12h，每隔2h停歇15min。
粉末充分混合均匀后，将单根重1.80kg的混合合金粉末装入弹性膜套内，使用冷等静压机压制成型，最高压制力为227Mpa，并分别在192MPa和95MPa压力下保压，保压时长均为100s，得到尺寸为Ф22.2mm×长300mm的钨坯条。
得到的钨坯条装入中频感应炉的钨坩埚内，在流量为2.5m3/h的氢气保护下烧结。烧结过程中经过五段升温五段保温，第一段由常温升温至1167℃，保温1h；第二段升温至1505℃，保温2h；第三段升温至1810℃，保温1h；第四段升温至2104℃，保温1h；第五段升温至2330℃，保温3h，最高烧结温度为2330℃，总烧结时长为15.5h。烧结后再经过旋锻、拉丝、矫直等工序得到稀土钨电极，完成制备。本案例电极材料的致密度为98.7％，硬度为408.4HV，电导率、热导率的测试数据分别为24.9％IACS、155W/(m*k)，对该成分的电极材料进行电子发射性能测试，测得电极逸出功为2.71eV。图1所示该电极材料的SEM图表明，第二相颗粒均匀分布在钨基体当中，未发生大颗粒团聚现象。
实施例2
按比例称取10kg的粉末，其中氧化铈粉0.08kg，氧化镧粉0.08kg，氧化钇粉0.32kg，其余钨粉。将称量好的粉末混合后装入v型混料机进行混粉，混料机转速为24r/min，混料时间为12h，每隔2h停歇15min。
粉末充分混合均匀后，将单根重1.81kg的混合合金粉末装入弹性膜套内，使用冷等静压机压制成型，最高压制力为227Mpa，并分别在192MPa和95MPa压力下保压，保压时长均为100s，得到尺寸为Ф21.8mm×长300mm的钨坯条。
得到的钨坯条装入中频感应炉的钨坩埚内，在流量为2.5m3/h的氢气保护下烧结。烧结过程中经过五段升温五段保温，第一段由常温升温至1167℃，保温1h；第二段升温至1505℃，保温2h；第三段升温至1810℃，保温1h；第四段升温至2104℃，保温1h；第五段升温至2330℃，保温3h，最高烧结温度为2330℃，总烧结时长为15.5h。烧结后再经过旋锻、拉丝、矫直等工序得到稀土钨电极，完成制备。本案例电极材料的致密度为99.2％，硬度为419.4HV，电导率、热导率的测试数据分别为25.7％IACS、138W/(m*k)对该成分的电极材料进行电子发射性能测试，测得电极逸出功为2.60eV。图2所示该电极材料的SEM图表明，第二相颗粒均匀分布在钨基体当中，未发生大颗粒团聚现象。
各实施案例电极材料成分表如表1所示：
| 案例 | W(wt％) | La2O3(wt％) | CeO2(wt％) | Y2O3(wt％) |
| 实施例1 | 96.7 | 0.66 | 0.66 | 1.98 |
| 实施例2 | 96 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
各实施案例电极材料室温下的致密度、硬度、电导率、热导率以及逸出功数据如表2所示：
| 实施例1 | 实施例2 | |
| 致密度(％) | 98.7 | 99.2 |
| 硬度(HV) | 408.4 | 419.4 |
| 电导率(％IACS) | 24.9 | 25.7 |
| 热导率(W/(m*k)) | 155 | 138 |
| 逸出功(eV) | 2.71 | 2.60 |
Claims (3)
1.一种稀土钨电极材料，其特征在于：其组分含有La2O3、CeO2、Y2O3三种稀土氧化物的钨电极，重量百分比为：氧化镧0.66％～0.8％，氧化铈0.66％～0.8％，氧化钇1.98％～2.4％，稀土氧化物总量为3.3％～4％，其余为钨；三种稀土氧化物质量配比为La2O3∶C eO 2∶Y 2O3＝1∶1∶3。
2.根据权利要求1所述的一种稀土钨电极材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
(1)混粉：所用钨粉粉末粒度小于3μm，稀土氧化物(氧化铈、氧化镧、氧化钇)粉末粒度为50nm，按照一定重量百分比称取所需原料粉末，预混合后装入v型混料机中进行混粉，混料机转速为24r/min，混料时间为12h，每隔2h停歇15min；
(2)压制：经混料机充分混合均匀后，将单根重量为1800±100g的混合合金粉末装入弹性膜套内，充分振实后使用冷等静压机压制成型，最高压制力为227Mpa，并分别在192MPa和95MPa压力下保压，保压时长均为100s，压制后得到尺寸为Ф21～22mm×长300mm的钨坯条；
(3)烧结：将步骤(2)工序所得到的钨坯条装入中频感应炉的钨坩埚内，在流量为2.5m3/h的氢气保护下烧结。烧结过程中经过五段升温五段保温，第一段由常温升温至1100℃～1200℃，保温1h；第二段升温至1500℃～1600℃，保温2h；第三段升温至1800℃～1900℃，保温1h；第四段升温至2100℃～2200℃，保温1h；第五段升温至2330℃～2400℃，保温3h，最高烧结温度为2330℃，总烧结时长为15.5h；
(4)烧结后再经过旋锻、拉丝、矫直等工序得到稀土钨电极，完成制备。
3.根据权利要求2所述的一种稀土钨电极材料及其制备方法，其特征在于，配比为La2O3∶C eO 2∶Y 2O3＝1∶1∶3，所制备出的稀土钨电极致密度在98％以上。
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| CN202410037344.3A CN117821831A (zh) | 2024-01-10 | 2024-01-10 | 一种高导电导热稀土钨电极材料及制备方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118064779A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-05-24 | 赣州市光华有色金属有限公司 | 一种钨镧棒及其制备方法 |
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2024
- 2024-01-10 CN CN202410037344.3A patent/CN117821831A/zh active Pending
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