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钨丝

王朝百科·作者佚名  2010-02-15  
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钨丝

正文钨金属的丝状成品。主要用于电光源灯丝和支架,同时还广泛用于真空蒸发、电子电器、航天工业等。钨丝在冶制过程中会掺入少量的钾、硅和铝的氧化物,这种钨丝称为掺杂钨丝(Doped Tungsten Wire),也称作钨铝钨丝或抗下垂钨丝(Non-sag Tungsten Wire)。掺杂工艺主要目的是影响钨丝的内部晶粒结构,保证后期加工出来的钨丝的高温蠕变率,所以说掺杂和还原工序80%决定了钨丝的质量。

钨丝拉拔是通过涂上石墨润滑剂,加热到红热,然后通过碳化钨或金刚石拉丝模,按照一定范围的压缩比加工的。这个过程有时称为热冷加工,虽然钨丝加热了,但温度仍然低于再结晶范围。因此,正如截面积减少,强度和韧性的增加。加工至成品尺寸钨丝随后可能会被清除石墨,校直,或退火。

钨丝根据规格可以分为粗钨丝(直径0.6mm-1.3mm)、中钨丝(直径0.2mm-0.6mm)、细钨丝(1MG-120MG,MG=mg/200mm)、超细钨丝(1MG以下规格);根据状态可分为黑丝(表面有石墨保护层)、白丝(通过电解抛光处理)、校直钨丝(通过校直处理);各个钨丝生产企业根据自身生产状况和企业标准制定不同的钨丝牌号。以下是“品信”牌钨丝的牌号和相对应的用途,以供参考了解:

电光源钨丝:

牌号 应用

W31 普通灯、节能灯、白炽灯、荧光灯、真空管、电子管用丝和高温结构材料

W91 卤素灯、碘钨灯、舞台灯用丝

W71 汽车灯等耐震钨丝

真空蒸发(镀膜)钨丝:

牌号 应用

JT88 铝、铟、锡等熔点较低的材料蒸镀

JT99 镍、铬、镍铬合金等熔点较高的材料蒸镀

特种用途钨丝:

牌号 应用

WRe 电子管、阴极射线管灯丝、电子枪灯丝、热电偶、电子管器件

WTh 磁控线圈、HID电极、微波炉用钨丝

[1]

钨丝

制作钨丝的生产大都用仲钨酸铵(APT)作原料。一般的工艺过程是将仲钨酸铵在 500℃左右的空气中焙烧成三氧化钨,或继续在450℃左右的氢气中轻微还原成蓝色氧化钨。制作白炽灯灯丝的钨丝需要在三氧化钨或蓝色氧化钨在掺杂锅内掺入一定比例的氧化钾、氧化硅和氧化铝溶液,三者用量总和不超过0.05%,这就是巴兹在1922年发明的钨丝掺杂工艺。经过掺杂处理的钨的氧化物用氢气还原成金属钨粉。还原过程一般分两步进行:第一步在630℃左右还原成二氧化钨(棕色氧化钨),第二步在820℃左右还原成金属钨粉。两步还原的目的是使掺入的钾充分发挥作用和控制粉末粒度。这样取得的掺杂钨粉通过特殊的配比(粒度范围)再在一种特制的模子中压制成1.2-1.4mm的方条。把方条在氢气中通电,用自电阻加热(温度达3000℃左右)的方法进行烧结,烧结后钨条的密度可达到理论值的85%以上。这种钨条便可以用旋锻方法加工成直径为6mm左右的钨棒,再把钨棒对焊,这样大大增加了钨棒的长度和方便了后期的加工,然后进一步按照一定的压缩比例用模子拉拔的方法加工成各种不同粗细的钨丝。例如220V、15W的白炽灯用的钨丝直径约为15µm,而 10000W的溴钨灯用的钨丝直径约为1.25mm。更细的钨丝如 220V、10W的白炽灯钨丝直径约为12µm,则要采用电解腐蚀的方法来制作。

当钨丝的直径达到微米级时,用常规的卡尺很难精确地测定其直径。因此,国际上通常将直径在0.2mm以下的钨丝用其切长为200mm丝段的重量来表示丝的粗细,例如上述15W白炽灯钨丝的直径可以用0.679mg/200mm来表示。 mg/200mm也可以用MG表示。

使用性能包括高温使用性能、室温使用性能和丝径的一致性。

①高温使用性能。白炽灯用钨丝的工作温度常在2300~2800℃之间,一般灯泡功率越大,灯丝的工作温度也越高,由此可见,灯丝的工作温度远超过钨丝的再结晶温度,此时,灯丝在其自重的作用下,在两挂钩之间的丝段将产生下垂现象,严重时,灯丝可下垂到与灯泡的玻壳相碰。对于在钨的粉末冶金过程中掺入了少量的钾硅铝的氧化物的掺杂钨丝,虽然其最终的成品丝中的硅和铝的含量只有百万分之几,钾的含量也不过百万分之几十,但用这种掺杂钨丝作的灯丝其下垂程度却可以有极大的改善。其原因是由于掺杂钨丝与未掺杂钨丝再结晶的晶体结构有很大的差别。未掺杂钨丝的再结晶晶体基本上是等轴晶体,而掺杂钨丝的再结晶晶体结构是呈长条状互相搭接的粗大晶粒。从金属材料的高温蠕变理论来看,这种粗长搭接结构的再结晶晶体结构能大大地提高其高温抗下垂的能力。根据70年代进行的一系列的透射电镜和俄歇能谱仪的研究分析表明,这种掺杂钨丝所特有的粗长搭接结构的再结晶晶体结构的生成与掺杂钨丝中所含有的钾有密切的关系。残存在掺杂钨条中的微量钾在加工中形成与丝轴平行的钾泡列,它阻碍再结晶过程中晶粒的横向长大,因而生成粗长的搭接结构。

白炽灯灯丝的下垂既与掺杂钨丝中的添加元素含量及加工工艺有关,也与灯丝制作过程中的处理工艺有关。钨丝在拉制成成品丝时保留了大量的内应力,在绕制成灯丝时又在钨丝的截面上产生新的不均匀变形的内应力。这些内应力必须在灯丝装架进入泡壳前加以完善的消除,否则灯泡在燃点开始的时候就会使灯丝扭曲、变形和下垂。灯丝的下垂会严重地降低灯泡的发光效率。

②室温使用性能。钨丝的室温使用性能表现在绕丝性能上。钨丝由于其加工流程长,如果工艺管理不善,则很容易使钨丝产生很多细小裂纹或局部变脆,以致绕丝时很容易断裂。由于裂纹所造成的绕丝断裂断口呈须毛状,而由于丝材变脆所造成的断口则呈现晶面闪光状。

③丝径的一致性。钨丝丝径一致性差是使白炽灯泡光电参数超差的一个重要原因,有的还会影响到灯泡的使用寿命。

应用钨丝除少量用作高温炉的发热材料、电子管的热子和复合材料的加强筋等外,绝大部分都用于制作各种白炽灯和卤钨灯的灯丝以及气体放电灯的电极。对用作气体放电灯阴极的钨丝或钨杆,为降低其电子逸出功,须加入0.5~3%的钍,称为钨钍丝。由于钍是一种放射性元素,污染环境,故有用铈来代替钍作成钨铈丝或钨铈杆的。但铈的蒸发率高,所以钨铈丝或钨铈杆只能用于小功率的气体放电灯。

钨丝一旦经高温使用发生再结晶以后就变得很脆,在受冲击或震动的情况下极易断裂。在一些要求高可靠性的电光源产品中,为防止灯丝的断裂,常在掺杂钨丝中加入3~5%的铼,称为钨铼丝,它可以使钨的延脆转变温度下降到室温或室温以下。这是一种很奇特的铼效应,至今还未发现一种元素能代替铼,在钨中产生同样效应。

钨在常温下有较好的耐酸、碱能力,但在潮湿的空气中易被氧化,所以细钨丝不能在潮湿环境中贮存过久。另外钨在1200℃上下就开始与碳起反应生成钨的碳化物,所以对灯丝的烧氢处理要注意这个问题,否则钨与其表面的石墨润滑剂起反应,则灯丝就要变脆断裂。

 
 
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