中國鎢電極行業現狀及未來發展趨勢

鎢的熔點和沸點在所有金屬中是最高的，而蒸汽壓在金屬中則是最低的。鎢的化學性質非常穩定，是化學惰性金屬，廣泛應用于航天航空、軍工、鋼鐵、能源、汽車、機械制造、化工、電子等重要領域，是一種重要的戰略金屬元素。我國是鎢資源儲備和生產大國，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,我國鎢工業從采礦、冶煉、加工一直到國際貿易，已形成完整的工業體系，在我國國民經濟發展中發揮著十分重要的作用。

一、鎢電極在工業生產和國民經濟中的地位

鎢具有熔點高、高溫強度好、熱電子發射能力強等特點，很早就被用作熱電子發射材料。鎢基熱電子發射材料是一種關鍵工業材料，常用作電子設備陰極和氬弧焊接電極。鎢電極廣泛應用于惰性氣體保護焊、等離子體焊接、切割、熱噴涂及電真空等領域。其中，應用最廣的要數惰性氣體保護焊。惰性氣體保護焊作為金屬材料的重要連接方式已經成為制造業中不可缺少的基本制造技術之一，在國民經濟中起著重要作用。在眾多惰性氣體保護焊中，氬弧焊是國內外發展最快、應用最廣泛的一種焊接技術，已經成為各種金屬結構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，其出現和發展帶動了焊接技術的發展，摩天大樓、大跨度橋梁、壓力管道容器、船舶等大型結構件的建設均離不開氬弧焊接技術。目前我國鎢電極年消耗量約2000t。鎢電極的主要產品有純鎢、釷鎢、鑭鎢、釔鎢、鈰鎢、鋯鎢和多元復合鎢電極。

二、鎢電極種類、特點及其主要應用領域

鎢作為熱電子發射材料在工業中得到了廣泛應用，作為燈絲應用于照明行業中。但是純鎢作為電極材料，其發射效率低、逸出功高（4.52eV）、電流容量小，在大電流下燒損比較嚴重，在高溫條件下長時間工作會發生再結晶現象，形成等軸狀晶粒組織，使材料變脆而發生斷裂。純鎢電極不添加任何稀土氧化物，電子發射能力最小，所以只適合于交流大負荷條件下的焊接，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、電弧穩定、載流量高、抗焊縫污染等優點，其逸出功比純鎢降低一半即 2.62eV。釷鎢電極是傳統電極，有著優異的焊接性能，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極易對人體和環境造成放射性污染，從而對環境和人體帶來危害。

目前國內外單用于氬弧焊的鎢電極材料每年消耗量已達上千噸，處理不當很可能造成嚴重的環境污染。美國、歐盟的相關生產商由于政府限制，已經停止釷鎢材料的生產或將生產轉移到發展中國家。隨著各國對環境保護和職業健康的日益關注，全球停止釷鎢的生產和使用是必然趨勢。

近20年以來，隨著科技的不斷發展，焊接技術、切割材料的品種、規格及形狀日趨繁多，在現代TIG(鎢 極 惰 性 氣 體 保 護 焊)和PLASMA(等離子)等領域內正興起自動焊、等離子噴焊、等離子切割和高精度焊接等一系列新技術、新工藝，對電極材料的可靠性和穩定性提出了更高的要求。同時，為了與人類社會文明發展相適應，關于鎢電極材料在生產、使用過程中對環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展，基本都集中在稀土(鈰、鑭、釔及其復合稀土氧化物)鎢電極材料方面。

目前，在不含放射元素釷的電極產品中，使用較多的電極是鈰鎢電極。自20世紀七八十年代，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和生產，鈰鎢電極己被國際標準化組織列入非熔化極國際標準中。鈰鎢電極具有起弧效果佳、耐燒損、壽命長等優點。由于鈰鎢電極是為了取代放射性釷鎢材料而發展起來的，在國內外有較廣的應用市場，尤其是在小規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定的情況。同時，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 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，經過還原、燒結及加工制備成各種規格的釔鎢電極。釔鎢電極在工作狀態下，電弧弧束細長、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領域。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，發現該類電極只能局限于小電流焊接，在大電流負荷下電極燒損嚴重，電子發射穩定性差。

20世紀 90年代以來，北京礦冶研究總院和北京工業大學對鑭鎢電極也進行了研究。研究發現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荷焊接條件下容易自身熔化進而污染工件的弊端而研制的鎢電極產品。鋯鎢電極在交流電流條件下表現良好，焊接時電極尖端能保持圓球狀，而且電弧比純鎢電極穩定。鋯鎢電極最大的特點是，在高負載電流的情況下焊接時，這種電極圓球狀結構能夠減少滲鎢現象，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，目前國內的生產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化的第2相加入鎢基體中，可以提高鎢電極的再結晶溫度、降低電子逸出功、延長使用壽命、提高材料綜合性能，特別是多種稀土復合添加，可使電極承載電流范圍更寬，焊接性能優于釷鎢電極。應用實踐證明，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大學共同研發、生產的多元復合稀土鎢電極受到了國際、國內市場的青睞，主要出口注重環保的歐盟和美國等地區。

三、鎢電極未來發展方向——綠色環保電極

北礦新材是國內最早研究開發出稀土難熔合金材料體系并將其推向焊接應用的單位，實現了稀土鎢鉬制品高效、低能耗制備，鎢電極產品研發和生產技術水平在同行中始終處于領先地位。自 20世紀 90年代開始，北礦新材就開始了單元和多元復合稀土鎢電極研究，分別開發了鈰鎢、鑭鎢、釔鎢等一系列產品，其中有 3項電極產品分別獲得中國有色工業總公司科技進步二等獎和三等獎。特別是在21世紀初，北礦新材與北京工業大學聯合系統探討各種稀土鎢焊接電弧機理與燒損機制，研究掌握復合效應及其規律，開發出多元復合稀土鎢材料新技術，以及綜合焊接性能優于現行釷鎢電極的多元復合稀土鎢電極 ；形成多元稀土鎢電極的APT直接摻雜、大溫度梯度還原、低電流垂熔燒結等工業新技術，形成并完善了稀土鎢電極的工業生產技術規程 ；研制出生產線關鍵裝備，實現了高效生產和關鍵過程質量控制，工業生產成品率比現行釷鎢電極等產品高 5%以上，中國有色金屬工業協會組織鑒定認為“整體技術達到了國際領先水平”，“多元復合稀土鎢電極及其制備技術”獲得 2008年國家技術發明二等獎。北礦新材還建立了世界上首條多元復合稀土鎢電極工業生產線，系列綠色電極應用于國內外制造業，引導實現金屬焊接切割材料的無放射性生產和使用，為我國運載火箭、先進戰機、“神舟五號”飛船發射作出了貢獻。2011年，在北京市科委股權投資支持下，北礦新材又重點開展了北京市科技成果轉化項目——無放射性稀土鎢電極規模制造。

北礦新材的多元復合稀土鎢電極產品具有技術經濟優勢、市場競爭力強。多元復合稀土鎢電極總的化學成分添加量與單元鎢電極相同，目前3種稀土復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，生產成本明顯低于釷鎢，大體上與現有鈰鎢等單元稀土鎢電極相當。多元復合稀土鎢電極綜合焊接性能極其優異，能夠適應不同電流焊接范圍和焊接母材的需要。從性價比看，多元復合稀土鎢電極具有明顯的技術經濟優勢，市場競爭力強，廣泛應用于工業制造、國防和民用商品領域，如飛機、“神州”系列、電站、各類金屬結構、鍋爐、船艇、汽車和自行車等國家重點工程和社會生活領域，引領了相關領域綠色生產和使用，產品的使用性能逐步得到用戶認可。目前，北礦新材的產品出口主要銷往對環境要求高的歐洲、日本等地區，替代了釷鎢及其它牌號的電極，是目前國際上唯一生產銷售的多元復合稀土鎢電極工業產品，獲得了全世界范圍認可。

四、結語