中國鎢電極行業(yè)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

鎢的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)在所有金屬中是最高的，而蒸汽壓在金屬中則是最低的。鎢的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，是化學(xué)惰性金屬，廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工、鋼鐵、能源、汽車、機(jī)械制造、化工、電子等重要領(lǐng)域，是一種重要的戰(zhàn)略金屬元素。我國是鎢資源儲備和生產(chǎn)大國，鎢資源儲量占世界總儲量的 70%左右，全球每年消耗的鎢資源80%以上來自我國。目前,我國鎢工業(yè)從采礦、冶煉、加工一直到國際貿(mào)易，已形成完整的工業(yè)體系，在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。

一、鎢電極在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)中的地位

鎢具有熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度好、熱電子發(fā)射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，很早就被用作熱電子發(fā)射材料。鎢基熱電子發(fā)射材料是一種關(guān)鍵工業(yè)材料，常用作電子設(shè)備陰極和氬弧焊接電極。鎢電極廣泛應(yīng)用于惰性氣體保護(hù)焊、等離子體焊接、切割、熱噴涂及電真空等領(lǐng)域。其中，應(yīng)用最廣的要數(shù)惰性氣體保護(hù)焊。惰性氣體保護(hù)焊作為金屬材料的重要連接方式已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的基本制造技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用。在眾多惰性氣體保護(hù)焊中，氬弧焊是國內(nèi)外發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種焊接技術(shù)，已經(jīng)成為各種金屬結(jié)構(gòu)焊接必不可少的手段。鎢電極作為氬弧焊焊接用主要熱源材料之一，其出現(xiàn)和發(fā)展帶動了焊接技術(shù)的發(fā)展，摩天大樓、大跨度橋梁、壓力管道容器、船舶等大型結(jié)構(gòu)件的建設(shè)均離不開氬弧焊接技術(shù)。目前我國鎢電極年消耗量約2000t。鎢電極的主要產(chǎn)品有純鎢、釷鎢、鑭鎢、釔鎢、鈰鎢、鋯鎢和多元復(fù)合鎢電極。

二、鎢電極種類、特點(diǎn)及其主要應(yīng)用領(lǐng)域

鎢作為熱電子發(fā)射材料在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，作為燈絲應(yīng)用于照明行業(yè)中。但是純鎢作為電極材料，其發(fā)射效率低、逸出功高（4.52eV）、電流容量小，在大電流下燒損比較嚴(yán)重，在高溫條件下長時(shí)間工作會發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，形成等軸狀晶粒組織，使材料變脆而發(fā)生斷裂。純鎢電極不添加任何稀土氧化物，電子發(fā)射能力最小，所以只適合于交流大負(fù)荷條件下的焊接，如鋁和鋁鎂合金的焊接等。

釷鎢電極材料的發(fā)明始于1913年，是在純鎢中摻雜了 2%左右的二氧化釷（ThO2）。釷鎢電極具有起弧容易、電弧穩(wěn)定、載流量高、抗焊縫污染等優(yōu)點(diǎn)，其逸出功比純鎢降低一半即 2.62eV。釷鎢電極是傳統(tǒng)電極，有著優(yōu)異的焊接性能，通常用于碳鋼、不銹鋼、鎳合金和鈦金屬的直流焊接。但釷是天然放射性元素，在加工使用以及材料廢品的回收再利用時(shí)極易對人體和環(huán)境造成放射性污染，從而對環(huán)境和人體帶來危害。

目前國內(nèi)外單用于氬弧焊的鎢電極材料每年消耗量已達(dá)上千噸，處理不當(dāng)很可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。美國、歐盟的相關(guān)生產(chǎn)商由于政府限制，已經(jīng)停止釷鎢材料的生產(chǎn)或?qū)⑸�產(chǎn)轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國家。隨著各國對環(huán)境保護(hù)和職業(yè)健康的日益關(guān)注，全球停止釷鎢的生產(chǎn)和使用是必然趨勢。

近20年以來，隨著科技的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)、切割材料的品種、規(guī)格及形狀日趨繁多，在現(xiàn)代TIG(鎢 極 惰 性 氣 體 保 護(hù) 焊)和PLASMA(等離子)等領(lǐng)域內(nèi)正興起自動焊、等離子噴焊、等離子切割和高精度焊接等一系列新技術(shù)、新工藝，對電極材料的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。同時(shí)，為了與人類社會文明發(fā)展相適應(yīng)，關(guān)于鎢電極材料在生產(chǎn)、使用過程中對環(huán)境造成的影響也有了更高、更為苛刻的要求。為此，各國材料研究人員正致力于研制各種新型鎢電極材料。

至今為止，在替代放射性釷鎢電極方面的進(jìn)展，基本都集中在稀土(鈰、鑭、釔及其復(fù)合稀土氧化物)鎢電極材料方面。

目前，在不含放射元素釷的電極產(chǎn)品中，使用較多的電極是鈰鎢電極。自20世紀(jì)七八十年代，我國上海燈泡廠、北京鎢鉬材料廠等先后投入鈰鎢材料的開發(fā)和生產(chǎn)，鈰鎢電極己被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織列入非熔化極國際標(biāo)準(zhǔn)中。鈰鎢電極具有起弧效果佳、耐燒損、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。由于鈰鎢電極是為了取代放射性釷鎢材料而發(fā)展起來的，在國內(nèi)外有較廣的應(yīng)用市場，尤其是在小規(guī)格焊接用鎢電極方面成功地取代了釷鎢電極，贏得了用戶的廣泛好評。但在交流氫弧焊電極、大功率超高壓球形氛燈的陰極材料等方面尚不能完全取代釷鎢電極，仍存在焊接電流不穩(wěn)定的情況。同時(shí)，鈰鎢電極還存在引弧性能較差、使用壽命較短等不足。

20世紀(jì) 80年代，科研人員將稀土氧化物三氧化二釔（Y2O3）直接摻雜到氧化鎢里，經(jīng)過還原、燒結(jié)及加工制備成各種規(guī)格的釔鎢電極。釔鎢電極在工作狀態(tài)下，電弧弧束細(xì)長、壓縮程度大，尤其在中、大電流工作條件下熔深最大，目前主要用于軍工和航空航天工業(yè)領(lǐng)域。通過對釔鎢電極材料的引弧性能、電弧靜特性、抗燒損能力以及焊接工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該類電極只能局限于小電流焊接，在大電流負(fù)荷下電極燒損嚴(yán)重，電子發(fā)射穩(wěn)定性差。

20世紀(jì) 90年代以來，北京礦冶研究總院和北京工業(yè)大學(xué)對鑭鎢電極也進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)添加氧化鑭的鎢絲比釷鎢絲具有更低的使用溫度及更高的電子發(fā)射能力，而比添加其他稀土氧化物的鎢絲具有更長的使用壽命，鑭鎢電極中氧化鑭的遷移速率和蒸發(fā)速率低，容易形成燕尾搭接金相組織，從而改善高溫抗蠕變性能。除此之外，鑭鎢電極耐用電流高、燒損率最小，但其加工性能和電弧穩(wěn)定性不夠。目前，鑭鎢電極主要用于直流焊接。由于鑭鎢電極的電性能最接近2%的釷鎢電極，氬弧焊操作人員不需要改變焊接操作程序就可以快捷地使用這種電極替代釷鎢電極而免受釷的放射性危害，這種轉(zhuǎn)變在交流條件和直流條件下均可行。目前，鑭鎢電極在歐洲和日本成為最受歡迎的釷鎢電極替代品。

鋯鎢電極中含少量的二氧化鋯(ZrO2)。鋯鎢電極的焊接特能位于純鎢電極和釷鎢電極之間，是為了改善純鎢電極在高負(fù)荷焊接條件下容易自身熔化進(jìn)而污染工件的弊端而研制的鎢電極產(chǎn)品。鋯鎢電極在交流電流條件下表現(xiàn)良好，焊接時(shí)電極尖端能保持圓球狀，而且電弧比純鎢電極穩(wěn)定。鋯鎢電極最大的特點(diǎn)是，在高負(fù)載電流的情況下焊接時(shí)，這種電極圓球狀結(jié)構(gòu)能夠減少滲鎢現(xiàn)象，并具有良好的抗腐蝕能力。鋯鎢電極適用于鎂鋁及其合金的交流焊接，目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要是北京礦冶研究總院下屬北礦新材。

采用稀土氧化物作為彌散強(qiáng)化的第2相加入鎢基體中，可以提高鎢電極的再結(jié)晶溫度、降低電子逸出功、延長使用壽命、提高材料綜合性能，特別是多種稀土復(fù)合添加，可使電極承載電流范圍更寬，焊接性能優(yōu)于釷鎢電極。應(yīng)用實(shí)踐證明，單元稀土鎢電極材料的焊接綜合特性尚不能與釷鎢電極相媲美，只能應(yīng)用在小電流焊接等場合，目前不可能完全取代釷鎢材料。北京礦冶研究總院與北京工業(yè)大學(xué)共同研發(fā)、生產(chǎn)的多元復(fù)合稀土鎢電極受到了國際、國內(nèi)市場的青睞，主要出口注重環(huán)保的歐盟和美國等地區(qū)。

三、鎢電極未來發(fā)展方向——綠色環(huán)保電極

北礦新材是國內(nèi)最早研究開發(fā)出稀土難熔合金材料體系并將其推向焊接應(yīng)用的單位，實(shí)現(xiàn)了稀土鎢鉬制品高效、低能耗制備，鎢電極產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)水平在同行中始終處于領(lǐng)先地位。自 20世紀(jì) 90年代開始，北礦新材就開始了單元和多元復(fù)合稀土鎢電極研究，分別開發(fā)了鈰鎢、鑭鎢、釔鎢等一系列產(chǎn)品，其中有 3項(xiàng)電極產(chǎn)品分別獲得中國有色工業(yè)總公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。特別是在21世紀(jì)初，北礦新材與北京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合系統(tǒng)探討各種稀土鎢焊接電弧機(jī)理與燒損機(jī)制，研究掌握復(fù)合效應(yīng)及其規(guī)律，開發(fā)出多元復(fù)合稀土鎢材料新技術(shù)，以及綜合焊接性能優(yōu)于現(xiàn)行釷鎢電極的多元復(fù)合稀土鎢電極 ；形成多元稀土鎢電極的APT直接摻雜、大溫度梯度還原、低電流垂熔燒結(jié)等工業(yè)新技術(shù)，形成并完善了稀土鎢電極的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程 ；研制出生產(chǎn)線關(guān)鍵裝備，實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)和關(guān)鍵過程質(zhì)量控制，工業(yè)生產(chǎn)成品率比現(xiàn)行釷鎢電極等產(chǎn)品高 5%以上，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會組織鑒定認(rèn)為“整體技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”，“多元復(fù)合稀土鎢電極及其制備技術(shù)”獲得 2008年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。北礦新材還建立了世界上首條多元復(fù)合稀土鎢電極工業(yè)生產(chǎn)線，系列綠色電極應(yīng)用于國內(nèi)外制造業(yè)，引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)金屬焊接切割材料的無放射性生產(chǎn)和使用，為我國運(yùn)載火箭、先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、“神舟五號”飛船發(fā)射作出了貢獻(xiàn)。2011年，在北京市科委股權(quán)投資支持下，北礦新材又重點(diǎn)開展了北京市科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目——無放射性稀土鎢電極規(guī)模制造。

北礦新材的多元復(fù)合稀土鎢電極產(chǎn)品具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢、市場競爭力強(qiáng)。多元復(fù)合稀土鎢電極總的化學(xué)成分添加量與單元鎢電極相同，目前3種稀土復(fù)合添加的原料成本是添加同量釷原料成本的一半，尤其是新工藝使成品率提高，生產(chǎn)成本明顯低于釷鎢，大體上與現(xiàn)有鈰鎢等單元稀土鎢電極相當(dāng)。多元復(fù)合稀土鎢電極綜合焊接性能極其優(yōu)異，能夠適應(yīng)不同電流焊接范圍和焊接母材的需要。從性價(jià)比看，多元復(fù)合稀土鎢電極具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，市場競爭力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、國防和民用商品領(lǐng)域，如飛機(jī)、“神州”系列、電站、各類金屬結(jié)構(gòu)、鍋爐、船艇、汽車和自行車等國家重點(diǎn)工程和社會生活領(lǐng)域，引領(lǐng)了相關(guān)領(lǐng)域綠色生產(chǎn)和使用，產(chǎn)品的使用性能逐步得到用戶認(rèn)可。目前，北礦新材的產(chǎn)品出口主要銷往對環(huán)境要求高的歐洲、日本等地區(qū)，替代了釷鎢及其它牌號的電極，是目前國際上唯一生產(chǎn)銷售的多元復(fù)合稀土鎢電極工業(yè)產(chǎn)品，獲得了全世界范圍認(rèn)可。

四、結(jié)語