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收藏词条   编辑词条 钨丝

创建时间:2008-08-02

钨丝

    将钨条锻打、拉拔后制成的细丝。主要用于白炽灯、卤钨灯等电光源中。用于灯泡中作各种发光体的钨丝,还需要在冶制过程中掺入少量的钾、硅和铝的氧化物,这种钨丝称为掺杂钨丝(Doped Tungsten Wire),也称作218钨丝或不下垂钨丝(Non-sag Tungsten Wire)。 现在的钨丝一般是各种拉丝模拉制的。
    有硬质合金拉丝模、精密陶瓷拉丝模等,金刚石只是其中一种拉丝模,激光钻孔只是制模的一种方法,并不一定需要用金刚石。 拉丝机由粗拉丝机,中拉丝机,细拉丝机及极细拉丝机组成完整的拉丝机生产线。
    钨的熔点高,电阻率大,强度好,蒸气压低,是所有纯金属中制作白炽灯丝的最佳材料。但钨的硬度大且脆,很难加工。
1909年,库利奇发明了钨丝的加工工艺,为白炽灯泡的生产和推广起了决定性的作用,其基本原理一直沿用到今天。
    我国的上海灯泡厂于1951年4月开始试制钨丝,用简单的碗、缸、烧杯等作化学反应用的试验工具,提炼出三氧化钨。并制造多种模具和设备,将钨粉压成钨条,随后用旋锤机和拉丝模将钨条锤成钨棒,1953年9月拉出第一根直径1毫米钨丝。但规格太粗,不能制成灯泡,后拉出了直径为0.18毫米的钨丝,制成第一只用国产钨丝的100伏500瓦灯泡。国产钨丝在耐高温性能、性脆易断、线径不圆度和不均匀性等方面与国际技术水平尚存在差距。1958年9月,又试制成功8微米特细钨丝,是小型电子管和小型灯泡的主要材料。1985年,上海灯泡厂又从日本引进钨丝生产技术和部分设备。主要有适应特种电光源要求的钨丝生产技术和从烧结到细丝拉制的关键设备,钨条焊接,高频退火,旋锤串打多模拉丝,蓝钨加料和氢气回收技术等设备合计86台(套),国内配套设备主要是全部动力系统和前段工序中的蒸发、球磨、酸洗、混粉、还原、压模、预烧等设备共63台(套)。其中13台(套)专用设备,由上海灯泡厂设计制造。钨丝流水生产线建成投产后,产品工艺由40年代水平达到国际上80年代初水平,产品完全符合出口标准,产量增长了25%,1990年出口创汇达20余万美元。现货供应99.98%以上高纯度军工用钨条、钨粉。

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中掺入少量的氧化钾、氧化硅和氧化铝,三者用量总和不超过1%,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再在一种特制的模子中压制成细长的方条。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3mm左右的钨杆,然后进一步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。

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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李哲

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