本发明属于一种非自耗金属电极材料及其制备工艺和用途。

过去，用于惰性气体保护的电弧加工的钨电极材料含有少量（1～2%）的氧化钍，作为一种添加剂，以改进其粘污损失、引弧电压和起弧损失等方面的焊接性能，使之优于工业纯钨电极材料，延长电极寿命。其缺点是在焊接区域内伴随有钍和钍的氧化物存在，产生放射性污染，对人体健康有害。在1952年11月1日申请而在1956年5月1日获取美国专利与商标局批准的美国专利第2，744，183号“惰性气体保护电弧焊”提出一种惰性气体保护焊电极材料，它的主要成份是钨，並含有2～10%的几种（二种以上）的添加剂，即至少含有氧化钡、氧化钙、氧化铈和氧化钇等组合中选出来的二种氧化物，在1955年12月6日申请而在1958年3月4日获取美国专利与商标局批准的美国专利第2，825，703号“钨电弧电极”，提出一种非自耗惰性气体保护电弧电极，由钨组成，其中含有0.01～0.30%的氧化铈。还指出添加剂只要稍为多一点，这类电极就不能进行旋转锻造，因为材料太脆了。

1969年9月13日出版的AD699650“不同添加剂对钨性能的影响”，其资料来源是：苏联科学院冶金所的研究论文“钨、钼和铌的冶金”，发表于《科学》，莫斯科，1967，第142-149页。此文指出，在钨中含有1.0%的氧化铈，其热发射性不如钨钍材料。

本发明人曾提供意见，由中国代表在1980年向ISO提出，建议重量含量≤2%氧化铈的钨铈电极材料列入“惰性气体保护电弧焊和等离子焊接及切割用钨电极”的ISO/TC标准，已作草案通过（DP6848）。

在气体放电管及真空器件制造工艺中，以往用来与95料玻璃（3C11）封接的引出线材料是采用纯钨杆或钨钍杆，除了同样存在放射性危害外，还存在封接工艺质量可靠性及生产合格率低的问题。

本发明的目的在于提出一种钨铈电极材料及其制备工艺和用途，以解决上述现有技术中所存在的问题，即是：（1）消除钨钍电极在生产及应用中放射性环境污染;（2）提高钨电极的电子发射功能来满足在惰性气体保护电弧焊和等离子焊接、切割、喷涂、熔炼等工艺领域使用电极的技术性能;（3）提高激光光源和气体放电光源应用的钨电极技术性能;（4）提高真空电子束涂膜的阴极灯丝的技术性能;（5）提高采用95料玻璃（3C11）制作的气体放电管和电真空器件的技术性能;（6）解决含氧化铈＞1，0%的钨铈材料出现脆性的工艺问题。

本发明提出的一种非自耗金属电极材料是一种钨基的钨铈材料，其中含有重量百分比为＞2～4.5%的氧化铈。它不但不存在象钨钍材料的有害的放射性环境污染问题，而且热发射性能比同样比例的钨钍材料好，在氧化铈含量＞3.0～4.5%时，其优点更为突出。实验结果：含2%氧化钍的钨钍材料的α射线剂量为3，64×10

居里/公斤，而含2～4%氧化铈的钨铈材料的α射线剂量仅为24.2～7，4×10

居里/公斤;含2%氧化钍的钨钍材料的电子逸出功为4.4ev，而含2%氧化铈的钨铈材料的电子逸出功仅为3.1ev（在激活以后）。说明属非放射性的钨铈电极材料要比放射性钨钍电极材料电子发射功能好。

本发明提出一种用粉末冶金工艺来制备氧化铈重量含量为1.0～4.5%的钨铈材料，克服了以往存在的材料脆性问题。其具体工艺是：在三氧化钨中按所需二氧化铈成份计算出二氧化铈重量，来添加铈盐溶溶，经干燥后灼烧，在氢气管状还原炉内二阶段还原，将所获得的钨铈粉压制成坯条，经通氢钼丝炉预烧结后，再在氢气保护下在垂熔瓶中通电高温烧结，得金属钨铈坯条。然后进行热旋锻，其间还需增加退火，

从直径3.0mm以下开始在煤气炉加热下拉制至所需的直径，必要时增加退火，再根据成品要求对杆材或丝材进行校直、切割、清洗或磨光。在制备过程中必须严格控制如下工艺参数：三氧化钨中添加二氧化铈的量以所需钨铈电极中二氧化铈含量的88%来计算，並据此准备硝酸铈水溶液（原料硝酸亚铈），操作在蒸发锅中加热搅拌三氧化钨的状态下将添加剂溶液加入，经干燥后灼烧300℃～800℃。在氢气管状炉内二阶段还原的温度，第一次750℃以下，第二次为900℃以下，所获钨铈粉的最大粒度＜8μ，並根据需要来配比。压坯的压制压力为1.5～3.5吨/厘米

，在通氢钼丝炉中预烧结最高温度为1250℃，烧结时坯条需加盖罩片，並严格控制烧结条件。在通氢垂熔瓶中通电高温烧结的电流不大于熔断电流的85%，可以一阶段二阶段来完成。然后进行旋锻，从开坯至φ6.0mm在氢气钼丝炉中加热后旋锻。φ6.0mm以下至旋锻结束在煤气炉加热，温度范围为1750～1200℃，随直径的缩小温度逐步降低。其间需增加垂溶退火。对开坯旋锻加热用钼丝炉的炉管需作内涂复处理，以避免影响加工困难。

至φ3.0mm以下在煤气炉加热下拉丝温度从1300℃～700℃，随丝径的缩小而下降。

本发明提出含1.0～4.5%氧化铈的钨铈材料的各种应用范围，均取得比钨钍材料更优越的技术性能。根据实验结果表明：钨铈材料应用于惰性气体保护电弧焊、氢原子焊、氩弧堆焊和脉冲氩弧焊等，对惰性气体的纯度要求比钨钍材料降低;应用于惰性气体保护电弧焊、等离子焊接，等离子切割、等离子喷涂、等离子熔炼以及各种应用等离子弧的领域。电极具有高的电弧压缩性，电弧稳定性，重复引弧可靠性和许用电流密度、引弧电流降低且断弧间距加大，电极使用寿命成倍提高，在等离子弧应用的电极端部还具有“自然削尖”的优异特性，加工件焊缝狭而光洁，溶池深，对金属箔材及大长度连续焊接尤为显著，切割的割

缝窄而垂直，后拖量小，等离子热喷涂件表面光洁度提高，连续熔炼时间提高，应用于激光光源用脉冲氙灯，大能量脉冲氙灯，大功率脉冲氙灯，高重复频率氙灯，低重复频率氙灯和短脉冲氪灯等，无漏闪现象，寿命成倍至数量级提高;应用于特种光源，如长弧氙灯，眼底萤光照相灯、照相排版灯、氙航标灯，机场电子下滑灯，机场跑道灯，高压毛细管汞灯，霓虹灯和汞氙灯，均可提高其使用寿命;用于真空电子束涂膜，如氧化锆涂膜等，可使其阴级灯丝具有发射电子束流大的优点。

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

图1.钨铈电极材料与钨钍电极材料的电极弧柱压缩性对比。

图2.钨铈电极与钨钍电极的焊缝剖面熔深对比。

图3.采用钨铈电极与钨钍电极焊接薄壁铝简的铝简熔化程度对比。

图4，在应用于等离子切割时，钨铈电极与钨钍电极使用前后的电极形状对比。

图5，使用钨铈电极与钨钍电极切割后割缝形状对比。

图6，不同灯丝材料的电子束流对比。

图1示出采用钨铈材料与钨钍材料作为焊接电极所形成的弧柱压缩性对比。右边图为采用钨铈电极的弧柱，左边图为采用钨钍电极的弧柱，图中1是电极，2是光亮带。从图中可看出钨铈电极的弧柱光亮带较狭。

按照“惰性气体保护电弧焊和等离子焊接及切割用钨电极”的日本工业标准JISE3233-1976中的试验条件和国际标准ISO/TC    44/SC3N222中的技术条件，对钨钍材料与钨铈材料所作许用电流及电极损耗值比较如下表：

对含不同重量百分比的钨铈电极材料以及同钨钍电极材料的其它性能对比还作了以下一些对比试验：

1.持续电弧下电极烧损试验：即一次起弧后电极在较长时间的电弧作用下的烧损试验。试验结果：

2.最低起弧电流对比试验，从0.5A开始，以后每次增加0.5A直至能一次触发建立电弧为最低起弧电流，试验时空载电压为6v，维弧电压14v，试验结果：

3.较小电流下的最大断弧间距对比试验：试验条件是：最大断弧间距系指在能稳定电弧的最小电流下逐步将电弧拉长，直至熄弧（此时冷却一分钟后，能仍在该间距下重复起弧，並能维弧数秒之后，才自动熄弧）。试验结果：

4.重复引弧可靠性对比试验：

试验条件是：采用直流正极性电源，电极端面为平面，喷嘴内径为φ14mm，电极伸出喷嘴长度为7mm，阳极采用水冷铜阳极，极间距离为3.5mm，氩气流量为10立升/小时，空载电压为65v，高频触发引弧，焊枪与阳极之间垂直固定，试验以每维弧2分钟，熄弧2分钟为一次引弧试验（每次4分钟），熄弧时氩气不断，然后连续不断地重复进行50次（共50×4＝200分钟），再测定各电极的损耗值。试验结果：

5.焊接电弧熔深对比试验：

试验条件是：在同一块不锈钢平板上作正极性电弧试验，试验时不用焊丝、每当一种电极材料试验结束后，试样板用冷水冷却，然后再以另一种电极材料进行试验。喷嘴内径为φ14mm，极间距离为2mm，不锈钢试验厚度为8mm，试验电流为255安，试验电压为19.5伏，焊接速度为310毫米/分，焊接长度为1.95米。试验结果：

6.对金属箔材和大长度薄材氩弧焊的试验：

（1）焊φ8mm壁厚0.8mm铝筒，电极φ1，0mm，焊接结果见图3。左图为2%钨钍电极在20A稳弧后焊熔，右图为2%钨铈电极在15A稳弧后焊成。

（2）对φ5mm壁厚0.25mm铂金管封口焊接：电极φ1.0mm，结果：

（3）对0.3mm厚的铜带大长度焊接;电极φ2，0mm，焊接电流82～84A，电压19v，速度5.6米/分，氩气流量4.8毫升/分，结果2%钨铈电极焊长288米后电极端部明显收缩，焊缝宽1.0mm，呈深棕色。2%钨铈电极焊长436米后端部收缩不明显，缝宽1.3mm，呈金黄色。当焊缝质量相同时，2%钨铈电极可降低10%电流。

7.等离子切割对比实验：试验电极直径为5.2mm，工件为16mm厚的1Cr    18Ni    9Ti板，空载电压为250v，切割电流为250A。试验结果：2%钨钍：切割长度3米，电极损耗0.6克;3%钨铈：切割长度18米，电极损耗0，31克。

电极使用前后的形状见图4，其中（a）图为切割前形状，（b）图为钨钍电极切割后的形状。（c）图为3%钨铈电极在切割16mm厚的1Cr    18Ni    9Ti板42米，又切割8mm厚铝板20米后的形状。电极端部仍具有“自然削尖”的特性，可继续使用。

钨铈电极的切割缝较钨钍电极的小，边缘的垂直度也好些，见图5其中（a）图为采用钨钍电极的割缝，（b）图为采用钨铈电极的割缝。

8.等离子切割出现“双弧”的电流试验：

试验条件：采用φ5mm电极，电极端部尖头锥角约35°，端面φ1.0mm，喷嘴直径为3.5mm，电极伸出轧头长度45mm，喷嘴与工件距离7mm，氮气流量2，9m

/h，试件为30mm厚的低炭钢板，试验电流上升速度及切割速度为

9.等离子切割的切割厚度、缝宽及后拖量试验（其中切割厚度以切割不透为准）。

10.等离子喷涂试验：

试验条件：气体规格：氩气成份Ar为85.3%，N

为14.6%，O

为2PPM，氮气纯度为99.9%，氢气纯度为＞98%：喷管φ8×32mm;电极φ7.8mm，电极伸出长度21mm，极间距离2mm;高频引弧氩气流量500立升/时;电弧试验不喷粉，电流400A，功率28Kw，气体流量为氮气2500立升/时，氢气600格/时（氢气流量表未标定），试验时间20分，进水温度18℃。

试验结果：

根据此试验可得出如下结论：4%钨铈电极质量最佳，其电弧电流波动率比2%钨铈电极下降了四倍，比2%钨钍低10倍，电极溅散和烧损状况均有明显改善，从而提高等离子喷涂的均匀性，避免夹钨，延长连续喷涂时间均起到积极作用，能有效地促进等离子喷涂技术水平的提高;2%钨钍电极质量最差，其电弧电流波动率比2%钨铈电极要大3～5倍，电极溅散亦最严重，这对喷粉使用中将容易引起喷口被粉末堵塞、涂层质量不均匀和增加夹钨的可能性，此外电极烧损值比2%钨铈电极高3.5倍。

11.钨铈电极和钨钍电极用于激光光源作高重复频率氙灯，进行了试验比较：

试验条件：灯管φ8×80mm（用过渡玻璃封接），电极φ7×50mm（空心通水冷却），输入能量90焦尔（电压1350v，电容100μ

），工作频率40次/秒，峰值电流2150A，预燃电流100～150Mμ，在激光器件内连续点燃，用激光总体光效判断氙灯光效下降速度。

试验结果：2%钨钍电极用30万次后，器件的激光输出能量成倍下降（由电极溅射造成）。2%钨铈电极灯在1000万次后光效只下降4～12%，极限寿命远高于钨钍电极灯，且光效提高10～15%。

12.用于重复频率氙灯的启动电压对比试验：

试验条件：灯管φ3.2×27×51mm，电极φ2.0mm，输出能量1.2焦耳，重复频率使用。结果4%钨铈电极灯更为优越。

13.用于真空电子束涂膜的对比试验：

用φ0.5mm灯丝供作真空电子束涂膜阴极，在灯丝电流30A下的电子束流对比结果以钨铈最大，如附图6所示。

制备工艺实施例：制备1%钨铈电极材料（1）三氧化钨中添加二氧化铈：按二级试剂硝酸亚铈中二氧化铈含量来配制添加剂，硝酸铈水溶液在经过滤后分析得溶液中二氧化铈含量为5.55%重量浓度。计算50公斤三氧化钨中需添加的溶液重量为：

(50×88%×2%)/(5.55%) ＝15.856公斤

将50公斤三氧化钨置入蒸发锅中，在加热搅拌下加入秤取的硝酸铈水溶液15.865公斤，经搅拌干燥后灼烧350℃，分析三氧化钨中二氧化铈含量为1.72%。

（2）还原：在通氢还原炉中分二阶段来完成。还原时用镍舟装料逆氢气方向进炉还原，第一阶段还原最高温度为630℃，出料后需要过筛，第二阶段最高炉温为880℃，钨粉需过筛混粉，所获钨粉中二氧化铈含量为2.12%。

（3）压坯：先在钨铈粉中加入溶有石腊的四氯化碳溶液，然后在搅拌下蒸去四氯化碳，钨粉中石腊添加量为1%，坯条用双向油压机压制，压制压力2.1吨/厘米

，把压制的坯条移置在铺有氧化铝粉填料的镍舟上，加盖罩片，然后送通氢钼丝炉中预烧结，最高温度1200℃，保温30分。

（4）垂熔：坯条在通氢保护及有水冷夹套的垂溶炉中进行，最高保温电流2700A，完成单根坯条烧结时间为48分，分析金属坯条的二氧化铈含量为2.05%。

（5）旋锻：从方坯开坯至φ6.0mm的旋锻用1700℃钼丝炉加热，其炉管经内涂复处理，以防止脆性，其间在垂熔炉煤气炉加热，旋锻共计24道次，炉温从1700℃开始随丝径的缩小而逐步下降至结束旋锻时温度为1300℃。

（6）拉丝：从φ2.75mm以下在煤气炉上加热后拉制，温度从1300℃开始逐步随丝径的减缩而下降，至φ1.0mm时温度为1100℃，试验可拉制到φ0.4mm以下。