2024年4月26日发(作者：尹蕤)
维普资讯
第２２卷第１期
２００７年２月
Ｃｈｉｎａ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
中圈钨毋
Ｖｏ１．２２，Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２ｏ０７
文章编号：１００９—０６２２（２００７）０１—００４２—０４
多元复合稀土钨电极研究
彭鹰，胡福成，李炳山，邓松林
（北京矿冶研究总院，北京１０００８３）
摘 要：多元复合稀土钨电极是用于取代有放射性危害的钍钨电极的新一代绿色环保产品，笔者介绍了在深入的
机理研究和性能测试基础上，设计筛选出了多元复合稀土钨电极的最佳成分，并对该成分的钨电极进行了产业化技
术研究和工业生产考察，取得了圆满的结果。
关键词：多元复合；稀土：钨电极
中图分类号：ＴＧ４２２ 文献标识码：Ａ
国内外技术发展情况
钨电极主要应用于惰性气体保护焊、等离子切
割、喷涂和熔炼等，是机械、造船、航空航天、建筑、核
电、冶金等领域不可或缺的功能材料。
钨电极在焊接过程中是作为热阴极来充当电子
３．５ ｅＶ），铈钨电极的逸出功比针钨电极低１０％左
右。实践证明，铈钨电极在小规格焊接用电极方面成
功取代了钍钨电极，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，而且铈钨电极还存在
引弧较差、使用寿命较短等不足之处。
２Ｏ世纪８Ｏ年代后期，日本大阪大学、横滨大学
发射源。作为电子发射电极材料，通常要求电子逸出
功小、熔点高、蒸发率小、高温蠕变小、强度高、抗烧
损、再结晶温度高等，钨熔点高（３５３０ｃＣ），电子发射
能力强，弹性模量高，蒸气压低，因此，很早就被用作
热电子发射材料。但纯钨电极发射效率低，且在高温
等在电极成分设计、性能比较和机理研究方面做了
大量工作，研究了一系列稀土钨电极材料，包括ｗ—
ＣｅＯ２、Ｗ－Ｌａ２０３、Ｗ—Ｙ２０３、Ｗ—ＺｒＯ２等。随后，东邦金
属株式会社推出了以上系列单元稀上钨电极产品
我国于９０年代也先后研制出了Ｗ—Ｌａ２０ 、Ｗ—Ｙ ０ 、
Ｗ～ＺｒＯ 等单元稀土钨电极产品，并实现了工业化
生产和市场应用。实践证明，ｗ—Ｌａ Ｏ 在单元稀』 钨
电极中使用性能最佳，ＷＬａ２０（含Ｌａ ０ ２％）的焊接
下容易再结晶，从而使钨电极产生脆裂。为了克服上
述缺点．在钨基中掺杂电子逸出功低的稀：ｌ二氧化物，
既能提高再结晶温度，又能激活电子发射。
１９１３年发现了Ｗ—ＴｈＯ 电极材料，是在纯钨中
掺入２％的ＴｈＯ ，其逸出功降低至２．６３ｅＶ（纯ｗ为
性能最接近钍钨电极ＷＴｈ￣０，但ＷＬａ￣０的加工难度
较大，成品率较低，而且由于Ｌａ ０ 的熔点较低，在
钨条的高温垂熔烧结过程中较易挥发，因而钨条中
Ｌａ ０，含量较难保持，易于降低牌号。ｗ—Ｙ ０ 、Ｗ—
ＺｒＯ：的应用范围较窄，使用性能也不能与钍钨电极
相匹美，而且加工性能一般。因此，单元稀土钨电极
不能完全取代有放射性污染的钍钨电极。
９０年代，日本和我国开始研究多元（■元、二
４．５５ ｅｖ），大大提高了电子发射效率，可达５０～
７０ｍＡ／ｗ（纯钨电极为２５～４０ ｍＡ／Ｗ），而且Ｗ—ＴｈＯ２
电极的引弧和稳定性能、抗烧损性能也比纯钨电极
大大提高。但钍属于天然放射性元素，在生产和使用
中产生放射性污染，而且Ｗ—ＴｈＯ 电极的电弧稳定
性和耐久性也满足不了日益发展的焊接技术要求，
因而人们一直在研究开发绿色环保且性能更优的取
代钍钨电极材料。
１９７３年我国开始研制Ｗ—ＣｅＯ 电极材料并已得
到应用。铈的逸出功比钍低（Ｃｅ为２．８ ｅＶ，Ｔｈ为
收稿日期：２００６—１１—２８
基金项目：国家８６３计划项目资助（２００２ＡＡ３２２０１０）
元）复合稀士钨电极材料，并取得了一定进展．但研
究只在小规模试验基础上进行，没有实现规模化］二
业生产，复合稀土钨电极产品也没有实现市场应用
而取代现有放射性钍钨电极
作者简介：彭鹰（１９７１一），男，湖北荆州人，高级工程师，从事钨铜材料研究；
胡福成（１９６５一），男，湖南平江人，教授级高级工程师，从事冶金材料的研究工作。
维普资讯
第１期 彭鹰，等：多元复合稀土钨电极研究４３
２研究内容及结果分析
２．１稀土作用机理
稀土作用及电极烧损机理研究的目的是为材料
酸盐或者氧化钨酸盐，这些盐类具有不同的物理化
学性质，在电极工作时向表面的扩散速率和在表面
的蒸发速率也不同，这些盐类合理的搭配能够得到
具有最佳焊接性能的多元复合稀土钨电极。
成分优化、工艺改进和焊接应用提供科学依据。
２．１．１稀土在粉末还原过程中的细化作用
钨基体中掺入稀土元素，在还原过程中。钨粉体
明显细化，说明稀土元素具有较强的细化作用。表１
为掺杂不同的元素在还原过程中对钨粉的细化程
度，从中可以看到不同稀土元素对钨粉的细化程度不
同，其中Ｙ ０，的细化作用最强，其次为Ｌａ ０，、ＣｅＯ 。
三种稀土元素复合掺杂，其细化作用明显优于单一
掺杂，这是由于不同稀土元素阻碍钨晶粒的不同晶面
长大，因而复合稀土的添加，使钨晶粒的多个晶面受
到阻碍，而难以长大，因而钨粉颗粒细化更加明显。
表ｌ不同稀土氧化物在相同还原条件下的细化作用
２．１．２稀土在钨电极中的存在形式
探讨稀土元素在电极中的作用前，首先应确定
稀士元素在钨电极中的存在形式，为此对多元复合
稀士钨电极的烧结成型后的坯条进行ＸＲＤ物相分
析，如图ｌ所示。
邑１５ｏ
ｑ
… ～ 一
２Ｏ．ｏｏ ３Ｏ．ｏｏ ４Ｏ．ｏｏ ５Ｏ
．
ｏｏ ６Ｏ．ｏｏ
２ｅ／（。）
图１多元复合稀土一钨电极中稀土元素的存在形式
从图１中可以看到，在钨电极中，稀土元素多以
稀：卜钨酸盐或氧化钨酸盐的形式存在，不同稀土钨
酸盐或氧化钨酸盐具有不同的性质，钨电极中常用
稀士金属氧化物的性质列于表２。从表２可以知道
Ｌａ：Ｏ，、ＣｅＯ：、Ｙ Ｏ，在高温下均与钨反应形成稀土钨
表２稀土金属氧化物的性质
２．１．３稀土在电极工作时的作用
为了表征稀土元素在电极工作时的变化．对多元
复合稀土钨电极工作区域一尖端表层在燃弧前后进行
俄歇电子能谱深度剖析，结果如图２所示。图２中（ａ）、
（ｂ）分别是Ｗ—Ｌａ Ｏ，一Ｙ Ｏ，燃弧前、后工作区域的表
层ＡＥＳ深度剖析图，燃弧前，电极表层富集Ｌａ元素．稀
土元素在表层的富集，可以保证电极在燃弧过程中较容
易地实现引弧。燃弧后，Ｌａ在表层的浓度明显增加．这
说明燃弧过程中，体内的Ｌａ向表面扩散迁移，从而使表
层ｗ（Ｌａ）增加，表层稀土元素的增加，能够使电极表面
具有较低的逸出功，从而促进电子发射，提高电极的焊
接质量。而 （Ｙ）在燃弧前后变化并不大，而且随燃弧时
间的延长，其变化也不大，说明该种电极的燃弧过程中，
Ｙ并没有表现出明显的向表面富集的趋势，能够长期稳
定向表面提供活性物质，正是由于稀土元素的共同作用
使得电弧能够长时间较稳定地燃烧。
４０Ｉ
ｎ …一…一｝＿＿＼Ｊ＿＝ ？＿一 ～ ＿ Ｙ・一：一 ～叠 一 一
４０ （ｂ）
ｏ ： ７Ｚ
－－－
－
－－
Ｉ一。 一。 一＿ ＿ 二
０
ｊ…
．
．
Ｉ
§４０；（ｃ） 一
：ｎＥ三二Ｌ＝ ＿＿一 ＿ 专 ？ １
Ｊ
………………．
ｆ
…．…一…．
４ｏ 一 …………… ……
：ｏ ≯ｉ ： ｏ 一’要 矿’‘＝．
：
＿要
二
：……
，
００１，５
０
２ ，００
图２电极然弧前后表层稀土元素的ＡＥＳ分析
（ａ）、（ｂ卜一ｗ—Ｌａ２ｏｒＹ 燃弧前、后的ＡＥＳ：
（ｃ）、（ｄ卜一ｗ—Ｃｅｏｒ－Ｙ２ｃ＇，燃弧前、后的ＡＥＳ
维普资讯
中圈钨毋
图２中（Ｃ）、（ｄ）分别是Ｗ—ＣｅＯ 一Ｙ ０，燃弧前、后
工作区域的表层ＡＥＳ深度剖析图。由图２（ｃ）可知燃
弧前电极表层明显地富集Ｃｅ元素．说明在燃弧前
电极制备过程中，Ｃｅ元素已经向表面进行了迁移，
第２２卷
及钍钨电极分别在３Ｏ、８０、１５０Ａ焊接电流时．各重
复引弧３Ｏ次，引弧成功率１００％，引弧性能优良。
（２）静特性曲线的测量及分析。从图３可以看
到，１ 、 、６ 电极在各种电流下的静特性均好于钍钨
电极，其中１ 和 性能最佳。而７ 、８ 、 、１０＃电极则
在低电流下优于钍钨，但在较高电流下不及钍钨，３
导致表层含量较高，Ｃｅ的这种分布有利于电极的引
弧。一方面Ｃｅ在表层中含量的增加可以保证引弧
时电极表面有较多的稀土元素：另一方面Ｙ的化合
电极在各种电流下均次于钍钨。因此，１ 、２ 电极作
物比较稳定．其存在可以避免在引弧时电极从冷阴 为优选电极。
极向热阴极转变的过程中由于稀土损失太快、供给
不足而导致断弧现象的产生。由图２（ｄ）可知，燃
弧后表层中Ｃｅ的浓度降低，而Ｙ的浓度增加，说明
Ｙ的补给速率已能够保证电极表面上稀土元素的供
给，这就为电极长时间工作的稳定性和耐久性提供
了充分的保障．从而使焊接电弧表现出很好的稳定
性。
之出
通过前面的分析可以知道稀土元素在钨电极工
Ｏ
＂
５ Ｏ ５ Ｏ ５
Ｈ Ｍ ｎ
Ｏ ５
¨
Ｏ
作时的作用机理主要依靠其钨酸盐或者氧化钨酸盐
２Ｏ ４Ｏ ６Ｏ ８Ｏ ｌＯＯ ｌ２Ｏ ｌ４Ｏ
在燃弧过程中的迁移．由于不同稀土钨酸盐或氧化
电湖ｍＡ
钨酸盐的迁移速率及蒸发速率各不同，所以，选择稀 图３电弧的伏安特性曲线
土元素的最佳优化配比，可以使电极表面各种稀土
（３）电极的抗烧损性能的测试。１ 、２ 、３ 、６ 、７ 、
元素相得益彰，焊接性能达到最佳。
８ 、９ 、１０＃及钍钨电极的测试结果如表３所示．从表
２．２电极烧损机理
３可知这几种多元复合稀土钨电极的烧损量均小于
根据不同稀土元素的作用机理．前期研究初步 钍钨电极。
设计了８种多元复合稀土钨电极，编号分别为１ 、
表３钨电极抗烧损性能ｍｇ
２ 、３ 、６ 、７ 、８ 、９ 、１０＃，以下对这８种电极进行焊接
样品编号 １ ２ ３ ６・ ７・８・ ９・ｌｌＹ ＷＴ
性能的详细研究和比较．研究不同稀土组合对电极
平均烧损量０．２５ ０．４５ ０．９５ ０．１５ ０．０５ ０．１５ ０．１５ ０．２５ １．６５
个主要性能的影响。
（４）逸出功的测量。发射性能测量得到的，＿ 曲
（１）引弧性能。１ 、２ 、３ 、６ 、７ 、８ 、９ 、１０＂电极以
线示于图４中，椐此计算出１ 、２ 、Ｔｈ—ｗ电极的有效
图４钨电极的热电子发射 Ｉ＇￣（１ｇＩ－、／ 曲线）
维普资讯
第１期 彭鹰，等：多元复合稀土钨电极研究 ４５
逸出功，计算结果列于表４中。
表４ ３种成分的钨电极在１３ＯＯ℃时的发射性能
电压比钍钨低３．９Ｖ，烧损量比钍钨低１．２５ｍｇ，综合
焊接性能优于钍钨。
（２）以多元复合稀土钨电极代替现用的具有放射
性危害的钍钨电极，从而实现了该类材料的清洁生产
和环境友好。
材料的逸出功直接反映了它的热电子发射能
参考文献：
力。测试的结果说明１ 、２ 电极的逸出功都比ＷＴ电
［１］ 印协世．钨丝生产原理、工艺及其性能［Ｍ］．北京：冶金工
极低，说明该种成分配比的多元复合稀土钨电极的
业出版社，１９９８：３２４．
热电子发射能力比ＷＴ电极强，其中１ 样品的逸出
［２］ Ｙａｎｇ Ｊｉａｎｃａｎ，Ｎｉｅ Ｚｕｏｒｅｎ，Ｘｉ Ｘｉａｏｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ
功最低，即它的热电子发射能力最优。
０ｆ Ｌａ＿ｓｃ—Ｍｏ ｃａｔｈｏｄｅｍ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，
２２９：５ １－５５．
综合比较以上各项性能，可以看出１ 电极的稀
土配方具有非常良好的综合性能，是替代ＷＴ电极
［３］Ｈａｏ Ｓｈｉｍｉｎｇ，Ｎｉｅ Ｚｕｏｒｅｎ，Ｙａｎｇ Ｊｉａｎｃａｎ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ
“ｉｎ ｓｉｔｕ”ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌａ ｃｏａｔｅｄ Ｍｏ ｃａｔｈｏｄｅｓ［ＣＦ ＩＶＥＳＣ
的理想品种。
２００４．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ，２００４：３７－３９．
３结论
［４］Ｘｉａｏｌｉ Ｘｉ，Ｚｕｏｒｅｎ Ｎｉｅ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｎａｄ Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｒａｒｅ—ｅａｒｔｈ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ
（１）研究了稀土元素在钨电极中的作用机理，设
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［ｃｊ／／ＩＶＥＳＣ２００４．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ，２００４：
计筛选出多元复合稀土钨电极的最佳成分，并经国
４０—４３．
家焊接材料质量监督检验中心检测该电极临界起弧
Ｏｎ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｔｕｎｇｓｔｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ
ＰＥＮＧ Ｙｉｎｇ，ＨＵ Ｆｕ—ｃｈｅｎｇ，ＬＩ Ｂｉｎｇ－ｓｈａｎ，ＤＥＮ Ｓｏｎｇ－ｌｉｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆ＭｅｔａＵｕｒｇｙ＇Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗｌｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｉｒｅｎｄｌｙ
ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｔｈｏｒｉａｔｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｈａｒｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｃｒｅｅｎｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ＯＨ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ａｎ ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ；ｒａｒｅ——ｅａｒｔｈ；ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
（编辑：刘忠洪）
2024年4月26日发(作者：尹蕤)
维普资讯
第２２卷第１期
２００７年２月
Ｃｈｉｎａ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
中圈钨毋
Ｖｏ１．２２，Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２ｏ０７
文章编号：１００９—０６２２（２００７）０１—００４２—０４
多元复合稀土钨电极研究
彭鹰，胡福成，李炳山，邓松林
（北京矿冶研究总院，北京１０００８３）
摘 要：多元复合稀土钨电极是用于取代有放射性危害的钍钨电极的新一代绿色环保产品，笔者介绍了在深入的
机理研究和性能测试基础上，设计筛选出了多元复合稀土钨电极的最佳成分，并对该成分的钨电极进行了产业化技
术研究和工业生产考察，取得了圆满的结果。
关键词：多元复合；稀土：钨电极
中图分类号：ＴＧ４２２ 文献标识码：Ａ
国内外技术发展情况
钨电极主要应用于惰性气体保护焊、等离子切
割、喷涂和熔炼等，是机械、造船、航空航天、建筑、核
电、冶金等领域不可或缺的功能材料。
钨电极在焊接过程中是作为热阴极来充当电子
３．５ ｅＶ），铈钨电极的逸出功比针钨电极低１０％左
右。实践证明，铈钨电极在小规格焊接用电极方面成
功取代了钍钨电极，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，而且铈钨电极还存在
引弧较差、使用寿命较短等不足之处。
２Ｏ世纪８Ｏ年代后期，日本大阪大学、横滨大学
发射源。作为电子发射电极材料，通常要求电子逸出
功小、熔点高、蒸发率小、高温蠕变小、强度高、抗烧
损、再结晶温度高等，钨熔点高（３５３０ｃＣ），电子发射
能力强，弹性模量高，蒸气压低，因此，很早就被用作
热电子发射材料。但纯钨电极发射效率低，且在高温
等在电极成分设计、性能比较和机理研究方面做了
大量工作，研究了一系列稀土钨电极材料，包括ｗ—
ＣｅＯ２、Ｗ－Ｌａ２０３、Ｗ—Ｙ２０３、Ｗ—ＺｒＯ２等。随后，东邦金
属株式会社推出了以上系列单元稀上钨电极产品
我国于９０年代也先后研制出了Ｗ—Ｌａ２０ 、Ｗ—Ｙ ０ 、
Ｗ～ＺｒＯ 等单元稀土钨电极产品，并实现了工业化
生产和市场应用。实践证明，ｗ—Ｌａ Ｏ 在单元稀』 钨
电极中使用性能最佳，ＷＬａ２０（含Ｌａ ０ ２％）的焊接
下容易再结晶，从而使钨电极产生脆裂。为了克服上
述缺点．在钨基中掺杂电子逸出功低的稀：ｌ二氧化物，
既能提高再结晶温度，又能激活电子发射。
１９１３年发现了Ｗ—ＴｈＯ 电极材料，是在纯钨中
掺入２％的ＴｈＯ ，其逸出功降低至２．６３ｅＶ（纯ｗ为
性能最接近钍钨电极ＷＴｈ￣０，但ＷＬａ￣０的加工难度
较大，成品率较低，而且由于Ｌａ ０ 的熔点较低，在
钨条的高温垂熔烧结过程中较易挥发，因而钨条中
Ｌａ ０，含量较难保持，易于降低牌号。ｗ—Ｙ ０ 、Ｗ—
ＺｒＯ：的应用范围较窄，使用性能也不能与钍钨电极
相匹美，而且加工性能一般。因此，单元稀土钨电极
不能完全取代有放射性污染的钍钨电极。
９０年代，日本和我国开始研究多元（■元、二
４．５５ ｅｖ），大大提高了电子发射效率，可达５０～
７０ｍＡ／ｗ（纯钨电极为２５～４０ ｍＡ／Ｗ），而且Ｗ—ＴｈＯ２
电极的引弧和稳定性能、抗烧损性能也比纯钨电极
大大提高。但钍属于天然放射性元素，在生产和使用
中产生放射性污染，而且Ｗ—ＴｈＯ 电极的电弧稳定
性和耐久性也满足不了日益发展的焊接技术要求，
因而人们一直在研究开发绿色环保且性能更优的取
代钍钨电极材料。
１９７３年我国开始研制Ｗ—ＣｅＯ 电极材料并已得
到应用。铈的逸出功比钍低（Ｃｅ为２．８ ｅＶ，Ｔｈ为
收稿日期：２００６—１１—２８
基金项目：国家８６３计划项目资助（２００２ＡＡ３２２０１０）
元）复合稀士钨电极材料，并取得了一定进展．但研
究只在小规模试验基础上进行，没有实现规模化］二
业生产，复合稀土钨电极产品也没有实现市场应用
而取代现有放射性钍钨电极
作者简介：彭鹰（１９７１一），男，湖北荆州人，高级工程师，从事钨铜材料研究；
胡福成（１９６５一），男，湖南平江人，教授级高级工程师，从事冶金材料的研究工作。
维普资讯
第１期 彭鹰，等：多元复合稀土钨电极研究４３
２研究内容及结果分析
２．１稀土作用机理
稀土作用及电极烧损机理研究的目的是为材料
酸盐或者氧化钨酸盐，这些盐类具有不同的物理化
学性质，在电极工作时向表面的扩散速率和在表面
的蒸发速率也不同，这些盐类合理的搭配能够得到
具有最佳焊接性能的多元复合稀土钨电极。
成分优化、工艺改进和焊接应用提供科学依据。
２．１．１稀土在粉末还原过程中的细化作用
钨基体中掺入稀土元素，在还原过程中。钨粉体
明显细化，说明稀土元素具有较强的细化作用。表１
为掺杂不同的元素在还原过程中对钨粉的细化程
度，从中可以看到不同稀土元素对钨粉的细化程度不
同，其中Ｙ ０，的细化作用最强，其次为Ｌａ ０，、ＣｅＯ 。
三种稀土元素复合掺杂，其细化作用明显优于单一
掺杂，这是由于不同稀土元素阻碍钨晶粒的不同晶面
长大，因而复合稀土的添加，使钨晶粒的多个晶面受
到阻碍，而难以长大，因而钨粉颗粒细化更加明显。
表ｌ不同稀土氧化物在相同还原条件下的细化作用
２．１．２稀土在钨电极中的存在形式
探讨稀土元素在电极中的作用前，首先应确定
稀士元素在钨电极中的存在形式，为此对多元复合
稀士钨电极的烧结成型后的坯条进行ＸＲＤ物相分
析，如图ｌ所示。
邑１５ｏ
ｑ
… ～ 一
２Ｏ．ｏｏ ３Ｏ．ｏｏ ４Ｏ．ｏｏ ５Ｏ
．
ｏｏ ６Ｏ．ｏｏ
２ｅ／（。）
图１多元复合稀土一钨电极中稀土元素的存在形式
从图１中可以看到，在钨电极中，稀土元素多以
稀：卜钨酸盐或氧化钨酸盐的形式存在，不同稀土钨
酸盐或氧化钨酸盐具有不同的性质，钨电极中常用
稀士金属氧化物的性质列于表２。从表２可以知道
Ｌａ：Ｏ，、ＣｅＯ：、Ｙ Ｏ，在高温下均与钨反应形成稀土钨
表２稀土金属氧化物的性质
２．１．３稀土在电极工作时的作用
为了表征稀土元素在电极工作时的变化．对多元
复合稀土钨电极工作区域一尖端表层在燃弧前后进行
俄歇电子能谱深度剖析，结果如图２所示。图２中（ａ）、
（ｂ）分别是Ｗ—Ｌａ Ｏ，一Ｙ Ｏ，燃弧前、后工作区域的表
层ＡＥＳ深度剖析图，燃弧前，电极表层富集Ｌａ元素．稀
土元素在表层的富集，可以保证电极在燃弧过程中较容
易地实现引弧。燃弧后，Ｌａ在表层的浓度明显增加．这
说明燃弧过程中，体内的Ｌａ向表面扩散迁移，从而使表
层ｗ（Ｌａ）增加，表层稀土元素的增加，能够使电极表面
具有较低的逸出功，从而促进电子发射，提高电极的焊
接质量。而 （Ｙ）在燃弧前后变化并不大，而且随燃弧时
间的延长，其变化也不大，说明该种电极的燃弧过程中，
Ｙ并没有表现出明显的向表面富集的趋势，能够长期稳
定向表面提供活性物质，正是由于稀土元素的共同作用
使得电弧能够长时间较稳定地燃烧。
４０Ｉ
ｎ …一…一｝＿＿＼Ｊ＿＝ ？＿一 ～ ＿ Ｙ・一：一 ～叠 一 一
４０ （ｂ）
ｏ ： ７Ｚ
－－－
－
－－
Ｉ一。 一。 一＿ ＿ 二
０
ｊ…
．
．
Ｉ
§４０；（ｃ） 一
：ｎＥ三二Ｌ＝ ＿＿一 ＿ 专 ？ １
Ｊ
………………．
ｆ
…．…一…．
４ｏ 一 …………… ……
：ｏ ≯ｉ ： ｏ 一’要 矿’‘＝．
：
＿要
二
：……
，
００１，５
０
２ ，００
图２电极然弧前后表层稀土元素的ＡＥＳ分析
（ａ）、（ｂ卜一ｗ—Ｌａ２ｏｒＹ 燃弧前、后的ＡＥＳ：
（ｃ）、（ｄ卜一ｗ—Ｃｅｏｒ－Ｙ２ｃ＇，燃弧前、后的ＡＥＳ
维普资讯
中圈钨毋
图２中（Ｃ）、（ｄ）分别是Ｗ—ＣｅＯ 一Ｙ ０，燃弧前、后
工作区域的表层ＡＥＳ深度剖析图。由图２（ｃ）可知燃
弧前电极表层明显地富集Ｃｅ元素．说明在燃弧前
电极制备过程中，Ｃｅ元素已经向表面进行了迁移，
第２２卷
及钍钨电极分别在３Ｏ、８０、１５０Ａ焊接电流时．各重
复引弧３Ｏ次，引弧成功率１００％，引弧性能优良。
（２）静特性曲线的测量及分析。从图３可以看
到，１ 、 、６ 电极在各种电流下的静特性均好于钍钨
电极，其中１ 和 性能最佳。而７ 、８ 、 、１０＃电极则
在低电流下优于钍钨，但在较高电流下不及钍钨，３
导致表层含量较高，Ｃｅ的这种分布有利于电极的引
弧。一方面Ｃｅ在表层中含量的增加可以保证引弧
时电极表面有较多的稀土元素：另一方面Ｙ的化合
电极在各种电流下均次于钍钨。因此，１ 、２ 电极作
物比较稳定．其存在可以避免在引弧时电极从冷阴 为优选电极。
极向热阴极转变的过程中由于稀土损失太快、供给
不足而导致断弧现象的产生。由图２（ｄ）可知，燃
弧后表层中Ｃｅ的浓度降低，而Ｙ的浓度增加，说明
Ｙ的补给速率已能够保证电极表面上稀土元素的供
给，这就为电极长时间工作的稳定性和耐久性提供
了充分的保障．从而使焊接电弧表现出很好的稳定
性。
之出
通过前面的分析可以知道稀土元素在钨电极工
Ｏ
＂
５ Ｏ ５ Ｏ ５
Ｈ Ｍ ｎ
Ｏ ５
¨
Ｏ
作时的作用机理主要依靠其钨酸盐或者氧化钨酸盐
２Ｏ ４Ｏ ６Ｏ ８Ｏ ｌＯＯ ｌ２Ｏ ｌ４Ｏ
在燃弧过程中的迁移．由于不同稀土钨酸盐或氧化
电湖ｍＡ
钨酸盐的迁移速率及蒸发速率各不同，所以，选择稀 图３电弧的伏安特性曲线
土元素的最佳优化配比，可以使电极表面各种稀土
（３）电极的抗烧损性能的测试。１ 、２ 、３ 、６ 、７ 、
元素相得益彰，焊接性能达到最佳。
８ 、９ 、１０＃及钍钨电极的测试结果如表３所示．从表
２．２电极烧损机理
３可知这几种多元复合稀土钨电极的烧损量均小于
根据不同稀土元素的作用机理．前期研究初步 钍钨电极。
设计了８种多元复合稀土钨电极，编号分别为１ 、
表３钨电极抗烧损性能ｍｇ
２ 、３ 、６ 、７ 、８ 、９ 、１０＃，以下对这８种电极进行焊接
样品编号 １ ２ ３ ６・ ７・８・ ９・ｌｌＹ ＷＴ
性能的详细研究和比较．研究不同稀土组合对电极
平均烧损量０．２５ ０．４５ ０．９５ ０．１５ ０．０５ ０．１５ ０．１５ ０．２５ １．６５
个主要性能的影响。
（４）逸出功的测量。发射性能测量得到的，＿ 曲
（１）引弧性能。１ 、２ 、３ 、６ 、７ 、８ 、９ 、１０＂电极以
线示于图４中，椐此计算出１ 、２ 、Ｔｈ—ｗ电极的有效
图４钨电极的热电子发射 Ｉ＇￣（１ｇＩ－、／ 曲线）
维普资讯
第１期 彭鹰，等：多元复合稀土钨电极研究 ４５
逸出功，计算结果列于表４中。
表４ ３种成分的钨电极在１３ＯＯ℃时的发射性能
电压比钍钨低３．９Ｖ，烧损量比钍钨低１．２５ｍｇ，综合
焊接性能优于钍钨。
（２）以多元复合稀土钨电极代替现用的具有放射
性危害的钍钨电极，从而实现了该类材料的清洁生产
和环境友好。
材料的逸出功直接反映了它的热电子发射能
参考文献：
力。测试的结果说明１ 、２ 电极的逸出功都比ＷＴ电
［１］ 印协世．钨丝生产原理、工艺及其性能［Ｍ］．北京：冶金工
极低，说明该种成分配比的多元复合稀土钨电极的
业出版社，１９９８：３２４．
热电子发射能力比ＷＴ电极强，其中１ 样品的逸出
［２］ Ｙａｎｇ Ｊｉａｎｃａｎ，Ｎｉｅ Ｚｕｏｒｅｎ，Ｘｉ Ｘｉａｏｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ
功最低，即它的热电子发射能力最优。
０ｆ Ｌａ＿ｓｃ—Ｍｏ ｃａｔｈｏｄｅｍ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，
２２９：５ １－５５．
综合比较以上各项性能，可以看出１ 电极的稀
土配方具有非常良好的综合性能，是替代ＷＴ电极
［３］Ｈａｏ Ｓｈｉｍｉｎｇ，Ｎｉｅ Ｚｕｏｒｅｎ，Ｙａｎｇ Ｊｉａｎｃａｎ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ
“ｉｎ ｓｉｔｕ”ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌａ ｃｏａｔｅｄ Ｍｏ ｃａｔｈｏｄｅｓ［ＣＦ ＩＶＥＳＣ
的理想品种。
２００４．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ，２００４：３７－３９．
３结论
［４］Ｘｉａｏｌｉ Ｘｉ，Ｚｕｏｒｅｎ Ｎｉｅ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｎａｄ Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｒａｒｅ—ｅａｒｔｈ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ
（１）研究了稀土元素在钨电极中的作用机理，设
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［ｃｊ／／ＩＶＥＳＣ２００４．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ，２００４：
计筛选出多元复合稀土钨电极的最佳成分，并经国
４０—４３．
家焊接材料质量监督检验中心检测该电极临界起弧
Ｏｎ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｔｕｎｇｓｔｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ
ＰＥＮＧ Ｙｉｎｇ，ＨＵ Ｆｕ—ｃｈｅｎｇ，ＬＩ Ｂｉｎｇ－ｓｈａｎ，ＤＥＮ Ｓｏｎｇ－ｌｉｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆ＭｅｔａＵｕｒｇｙ＇Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗｌｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｉｒｅｎｄｌｙ
ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｔｈｏｒｉａｔｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｈａｒｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｃｒｅｅｎｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ＯＨ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ａｎ ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｌｉｃｉｔｙ；ｒａｒｅ——ｅａｒｔｈ；ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
（编辑：刘忠洪）