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
钨丝
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。
钨丝
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。