中頻燒結(jié)釷鎢坯條技術(shù)研究

劉山宇 侯玉柏 丁 舜 張宇晴 李曹兵 陳 釗

(1.北礦新材科技有限公司，北京 102206) (2.江蘇北鎢新材料科技有限公司，江蘇 泰州 225500)

釷鎢電極具有起弧容易、耐用電流大、使用壽命長等優(yōu)點，盡管其中的釷具有累積性的放射性危害，并且國內(nèi)對釷鎢電極的替代一直進行研究[1-5]，但目前在市場上，部分用戶依然對釷鎢電極認可并繼續(xù)使用，市場上使用的釷鎢電極占比約60%，全球年消耗約960 t，產(chǎn)值3億元。

釷鎢電極生產(chǎn)在坯條階段采用垂熔方式進行，垂熔設(shè)備高溫?zé)Y(jié)時，耗電量非常大，而且電能的90%左右被循環(huán)水帶走，造成電能大量浪費，被稱為電老虎。中頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)根據(jù)電磁感應(yīng)的基本原理，把三相工頻交流電變成直流電，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并利用切割感應(yīng)線圈里盛放的金屬材料來產(chǎn)生熱量，從而達到燒結(jié)的目的[6]。中頻燒結(jié)技術(shù)同垂熔燒結(jié)技術(shù)相比，可降低氫、水、電成本約70%，具有很大的成本優(yōu)勢，在中頻燒結(jié)鈰鎢、鑭鎢、釔鎢、鋯鎢、多元、純鎢坯條技術(shù)行業(yè)內(nèi)已經(jīng)獲得成功并批量生產(chǎn)[7]。該技術(shù)取代垂熔技術(shù)，可降低成本，產(chǎn)品價格在市場有優(yōu)勢，但采用中頻燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)釷鎢電極尚未能實現(xiàn)，原因主要是釷的熔點高，經(jīng)過同樣的燒結(jié)工藝燒結(jié)后，其密度遠低于18.0 g/cm3，達不到要求。本文通過對中頻爐燒結(jié)釷鎢的工藝進行探索，通過提高燒結(jié)溫度、增加保溫平臺、延長燒結(jié)時間等方式來提高釷鎢坯條的燒結(jié)密度，最終研究出中頻爐燒結(jié)釷鎢的技術(shù)方法。

1 試驗

1.1 坯條制備

將50 kg仲鎢酸銨(APT)按氧化釷2.2%的比例(質(zhì)量百分比)進行摻雜，摻雜出的前驅(qū)體用氫氣還原法經(jīng)一次還原(還原溫度650 ℃)、二次還原(還原溫度980 ℃)，制備出粒度1.80～ 2.2 μm的摻雜釷鎢粉末，然后進行等靜壓壓制。最高壓力220 MPa，保壓時間30 s，壓制后坯條直徑16.0～ 16.5 μm，長度480 cm，單坯條質(zhì)量1.25 kg，之后使用中頻爐進行燒結(jié)。

1.2 中頻燒結(jié)

為制定合理的燒結(jié)工藝，采用三種不同的燒結(jié)工藝路線，每種工藝路線又采用不同的具體工藝，其中，工藝A為燒結(jié)鈰鎢、鑭鎢、釔鎢坯條的燒結(jié)工藝，最高燒結(jié)溫度2 300 ℃，保溫平臺5個，2 300 ℃時保溫時間分別為4、6、8、10 h；工藝B與工藝C最高燒結(jié)溫度均是2 800 ℃，工藝B保溫平臺7個，工藝C保溫平臺9個，2 800 ℃時保溫時間分別為4、6、8、10 h，具體工藝條件見表1。

表1 燒結(jié)工藝條件

將燒結(jié)工藝制度進行對比，如圖1所示，A1、A2、A3、A4對應(yīng)工藝A最高溫度保溫時間分別

圖1 燒結(jié)工藝條件Fig.1 Different conditions of sintering processes

為4、6、8、10 h，B、C工藝同理。為了更直觀顯示，其中B工藝與C工藝橫坐標均進行了平移。

2 結(jié)果及分析

在燒結(jié)過程中用紅外測溫儀測量坯條表面的溫度，記錄為燒結(jié)過程中坯條的實際溫度，燒結(jié)結(jié)束后測量坯條的密度及吸水性，結(jié)果見表2。

表2 不同燒結(jié)工藝所得實驗結(jié)果

中頻爐燒結(jié)鈰鎢、鑭鎢、釔鎢最高燒結(jié)溫度2 300 ℃時，燒結(jié)后密度可達18.0 g/cm3，達到了后續(xù)加工的要求，但由表2工藝A的試驗數(shù)據(jù)可知，燒結(jié)釷鎢同樣在2 300 ℃下進行，燒結(jié)密度只有16.35～16.94 g/cm3，不達標，無法加工。

表3為幾種氧化物的物理性質(zhì)。由表3可知，氧化鈰、氧化鑭的熔點均在2 300 ℃左右，氧化釔的熔點稍高，但也非常接近燒結(jié)溫度，因此燒結(jié)密度可以達到18.0 g/cm3以上，而氧化釷的熔點在3 220 ℃，中頻燒結(jié)鈰鎢溫度與氧化釷的熔點差距約1 000 ℃，氧化釷沒有熔化，因此釷鎢坯條的密度低，達不到技術(shù)要求。

表3 稀土氧化物的物理性質(zhì)

由圖1，結(jié)合表2可以看出，B、C工藝的最高燒結(jié)溫度均高于A工藝的，并且總燒結(jié)時間也比工藝A的長。采用A工藝所得燒結(jié)樣品的密度在16.35～16.94 g/cm3，坯條密度較低，無法加工，而工藝B、C燒結(jié)溫度達到2 800 ℃以后所得的坯條密度較工藝A的有明顯提升，在18.30～18.70 g/cm3，均已達到了后續(xù)加工要求。這是因為，在燒結(jié)階段，增加保溫平臺和延長保溫時間不但可使坯條內(nèi)的氣體有充分的時間排出，如果此時保溫時間過短，氣體來不及排出，當燒結(jié)后期坯條的致密化程度升高時，尤其是表面致密化的出現(xiàn)會將剩余氣體封閉于坯條內(nèi)部，造成坯條內(nèi)孔隙較多而導(dǎo)致坯條密度下降[10]，而且孔隙有充分的時間收縮、消失，增加坯條的致密度。通過密度分析得知工藝C較工藝B多增加了保溫平臺，但燒結(jié)密度變化不大。工藝B的幾個方案相比較，延長最高燒結(jié)溫度的保溫時間，燒結(jié)密度略有提高，但變化不明顯，說明在低、中溫?zé)Y(jié)階段，氣體揮發(fā)已基本完全，坯條內(nèi)部空隙收縮完畢，過長的保溫時間和增加保溫平臺的方式對坯條的燒結(jié)密度影響不大。

3 結(jié)論

1)改進燒結(jié)工藝可達到隔熱的目的，最高燒結(jié)溫度可由2 300 ℃提高到2 800 ℃，解決中頻燒結(jié)釷鎢坯條密度低的問題。

2)同等高溫條件下，延長保溫時間和增加保溫平臺方式對釷鎢坯條的燒結(jié)密度影響不大，提高最高燒結(jié)溫度對釷鎢坯條燒結(jié)密度影響較大，可從16.35～16.94 g/cm3提高到18.70 g/cm3。