金属材料百科

钨丝

2023-07-01

英文

tungsten wire

简介

用粉末冶金和塑性加工方法制成的钨的丝材。钨丝分为纯钨丝和不下垂钨丝。纯钨丝由纯度达99.95%的钨粉制得;钨丝中绝大部分为不下垂钨丝。不下垂钨丝是在钨的氧化物原料中添加0.025%~0.05%Al2O3、0.3%~0.45%SiO2、0.25%~0.45%K2O而制成的钨丝,又称为掺杂钨丝或抗下垂钨丝。不下垂钨丝因其在再结晶温度以上使用时不像纯钨丝那样产生变形(下垂)而得名。纯钨丝主要用作电子管栅丝、边杆、引出线、支架,气体放电灯电极,发热元件等。不下垂钨丝主要用作白炽灯灯丝,电子管热丝、阴极、栅丝、气体放电灯电极、支杆、引出线等。

简史 1879年,爱迪生发明了电灯,使用的是碳丝。1906年,出现了粉浆挤压法制造的钨丝。1909年,美国人库利吉(W.D.Coolidge)采用钨粉压制成形—烧结—旋锻—拉丝技术奠定了钨丝生产的基础,使照明电灯开始走进千家万户。1918年,匈牙利人柏斯(Pac’z)在美国采用氧化物耐火材料坩埚焙烧WO3时,无意中发现用这种原料生产的钨丝,再结晶后具有良好的抗下垂特性。经过218次反复试验研究,发现是坩埚中混入的少量耐火氧化物在起作用,从而奠定了不下垂钨丝的生产基础。在美国,仍然称不下垂钨丝为218钨丝。1917年美商在中国上海创办了奇异公司,改拉进口钨丝。1938年后,桂林电子管厂也改拉过进口钨丝。1953年9月,在郑良永主持下,上海灯泡厂建立了从制粉到拉丝整套装备,生产了中国自制的第一盘钨丝。1956年,北京电子管厂配备了成套钨丝生产装备和技术,从事钨丝、钼丝、钨钼合金丝、钍钨丝生产。60年代,又有两家合金厂相继建成,生产钨钼丝,并开发出钨铼合金丝,投入工业化生产。70年代以来,又相继建立了十几家专业厂。钨丝年生产能力达50亿m。

掺杂机理 钨丝绝大部分被用作灯泡灯丝,其使用温度高达2000~3000℃。灯泡灯丝、电子管热丝、阴极都是采用不下垂钨丝而不是采用纯钨丝。

(1)纯钨丝再结晶温度低于1500℃。而且,再结晶后在室温下脆如玻璃,高温下产生严重变形。这是由于:其在再结晶后形成等轴状的结晶组织(图1),晶界平直,室温下弯曲时沿垂直丝轴方向的晶界极易产生脆断。高温下晶粒沿晶界滑移导致下垂变形。

图1 纯钨丝再结晶组织 ×100

(2)不下垂钨丝二次再结晶温度高达1900~2500℃,且再结晶时形成沿丝轴方向纵向长大的结晶(图2)。并常形成锯齿状连锁晶界,从而阻止了高温下晶粒的滑移,而具有很好的抗下垂变形能力。由于垂直于丝轴晶界的大大减少,室温下沿晶界脆断的几率也大大减少,从而具有一定的弯折塑性。这一效果,归因于掺杂剂——Al2O3、SiO2、K2O的作用。研究认为,主要是由于微量钾进入了钨的微观组织中,经高温烧结,在钨中形成细小的钾泡。在加工和热处理过程中,钾泡交替地被拉长和分裂成更细的泡列(图3),这些小到几微米甚至零点几微米直径的泡列,沿丝轴方向排列而起到钉扎作用,使钨丝再结晶时晶粒的长大不能超越钾泡列的界限,从而使晶粒沿丝轴方向长大。Al2O3的作用是促进有效的钾含量,SiO2被认为主要起调节钨粉粒度的作用。

图2 抗下垂钨丝再结晶组织 ×100

图3 钨丝中的钾泡

制取方法 用粉末冶金法制得钨坯条,然后进行锻造、拉丝。

钨粉制备 通常以钨精矿中提取的仲钨酸铵为原料,在空气中于500~600℃焙烧成WO3,或在氢气中进行轻度还原分解成蓝色氧化钨。经掺杂处理后,在管式炉中用氢气进行两次还原成为钨粉。第一次还原温度为600~700℃产物为WO2。第二次还原温度为800~900℃,产物为钨粉。其费氏粒度通常为3μm左右,氧含量为0.1%左右。钾含量(60~120)×10-6为宜。钨粉有时需经氢氟酸洗涤除去多余的掺杂剂以利烧结、加工。粉末粒度的调整可通过还原温度、速度、氢气流量和装舟量等方法来实现。

坯条制取 将钨粉装入钢压模中,采用机械压机压制成断面尺寸为12.5mm×12.5mm,长为400mm,重为 650g的长方条或尺寸为 15mm×15mm×600mm,重1.5kg的坯条。更重更大的坯条可采用等静压成形。坯条预先在氢气炉中于1200℃下预烧结0.5h左右,使其具有一定工艺强度和导电性;然后,用直接通电加热方法进行垂熔烧结,烧结温度达3000℃左右,使其成为可锻金属钨条。掺杂钨条的密度以17~17.8g/cm3为宜,纯钨条密度可达18g/cm3左右。

塑性加工 主要有旋转模锻和拉拔。

旋转模锻是普遍采用的钨条开坯加工方法。大、中、小三台旋锻机将坯条加工至φ3mm左右,每道次压缩率通常为10%~25%。坯条加热温度为1300~1600℃,并在φ5.6~9.5mm之间进行一或二次再结晶退火处理。在φ5.6mm以下采用几台旋锻机串连锻打,能提高生产效率。对于几公斤重的坯条,采用轧制开坯技术是必须的也是最先进的。

拉拔分为粗丝拉拔和细丝拉拔。(1)粗丝(φ3.0mm~φ0.26mm)拉拔。采用煤气和电加热,丝加工温度为700~1200℃。采用硬质合金拉丝模,以石墨乳为润滑剂,每道次压缩率为13%~28%。小坯条可用链式拉丝机减径到φ1.25mm左右,然后用卷绕式拉丝机拉拔。大坯条可用履带式和大转盘拉丝机拉拔。加工温度、模子质量、石墨乳质量及退火点和退火温度等的选择对于丝材质量都有影响。(2)细丝拉拔。采用温度稳定的电加热炉和金刚石模拉制。道次压缩率为8%~20%,拉丝温度为500~800℃。采用多模拉丝机可提高生产效率,减少设备占地面积。机械拉丝最细可达φ10μm,超细丝必须用电解腐蚀方法完成。除拉丝温度外,模子的孔型(开口角度、压缩压力、定径带的长度)、表面光洁度和石墨乳的质量(粒度,形状,附着力,密度等)都对拉丝质量有重要影响。常见的“缩丝”现象往往是由于模子、石墨乳质量不佳造成的。为了消除加工应力、恢复塑性和改善变形条件,需根据成品规格制定合理的中间退火点和退火制度。对半成品丝和成品丝需进行高温性能、塑性、强度、平直度、绕制性能和表面质量检验,以确定牌号和实际质量。