鹵素燈用摻雜鎢絲

摻雜鎢絲的再結晶特性、抗下垂性能、抗沖擊或抗震性等主要特性都是受摻雜劑中鉀的蒸發形成的摻雜孔的分布情況來控制的，其耐黑化性主要受絲材中鐵、鋁、鉬等雜質以及無效鉀的控制，因此，在鎢絲的生產工藝過程中，為了獲得穩定的性能，控制摻雜孔的分布及提高絲材的純度是至關重要的。

隨著我國汽車工業及其它工業的發展，對抗震燈和鹵素燈的要求越來越苛刻，隨之對用作燈泡心髒的燈絲也提出了更高的要求，有必要進一步開展特種鎢絲的生產與研究，建立一條專用的特種鎢絲生產線，把工藝改造、質量保證、專用測試儀器、檢測方法及科研有機地結合起來，使這條批量生產線既有效益，又有嚴格的質量保證體系。

鎢絲生產過程中的質量控制點

鎢絲生產過程中的質量控制點主要有藍色氧化鎢、酸洗鎢粉和拉絲過程的質量保證體系三類。

(1)藍色氧化鎢

藍色氧化鎢的氧含量及NH3含量必須每批測試，這對以後鎢絲的摻雜效果影響很大，應嚴格控制。

(2)酸洗鎢粉

酸洗鎢粉中的有效鉀含量、雜質含量以及酸洗鎢粉的平均粒度和粒度分布都應每批檢測，以保證隨後的高溫性能及加工性能。

(3)拉絲過程的質量保證體系

Φ0.68mm及Φ0.325mm(或Φ0.49mm)是整個鎢絲質量的保證點，這兩個點都應嚴格控制。Φ0.68mm進行裂紋探傷全檢，拉裂紋的多少分等級，A級絲材(裂紋0~1%)送往拉鹵素燈鎢絲，在中Φ0.325mm處再進行裂紋探傷和抗下垂性能全檢，如果裂紋探傷和下垂值均為A級(裂紋0~1%，下垂值0~0.5mm)此類鎢絲則可作為特種鎢絲。由於我國目前鎢絲生產過程不夠穩定，在Φ0.325至成品規格之間增設一些質量控制點，做為保證特殊用途鎢絲質量的權宜之計。

鎢絲拉絲過程中的退火點

鎢絲拉絲過程中退火點的選擇對絲材的性能，尤其是機械性能是非常重要的。退火點的選擇與使用的壓縮比有關。一定要保證在過飽和冷加工以及不可逆損傷發生之前進行退火，同時還要考慮到拉絲機(尤其是多模拉機)出絲尺寸的方便，要保證設備的最大利用率，又要考慮到退火點的適當與否。

退火要避免再結晶發生，退火的目的是消除應力，而不是完全退火。退火後抗拉強度應減少28%-30%。如果抗拉強度的減少超過30%,就會產生明顯的結構變化，並導致過度的脆性。退火後的下垂性能及再結晶結構組扣立即發生變化，抗下垂性能明顯下降，有必要再繼續拉制2~3個模子以恢複抗下垂性能到正常值，一定不能在退火後立即出成品。

鎢絲生產中的軋制開坯技術

鎢絲生產中的鎢條開坯一般有兩種工藝:旋鍛和軋制。近年來軋制開坯正日益廣泛地取代旋鍛法。軋制開坯後的杆料晶粒度較細，孔隙度低，物理和力學性能優良，可使摻雜孔均勻彌散在杆料中，使鉀在鎢絲中有效地發揮作用。

采用大壓縮比，變形均勻，使加工滲透到鎢絲的中心，如果采用小壓縮比，加工不能滲透至鎢絲的中心，在表面形成一層硬的加工層，表面易損壞並產生裂紋。在拉絲的初始階段避免裂紋的產生使用大壓縮比尤為重要。在拉絲過程中絕不允許大壓縮比小壓縮比交替使用，最好是連續地逐漸地減小。

鎢絲的酸洗工藝

在鎢絲的生產工藝中，采用藍色氧化鎢加鎢粉酸洗的工藝，不僅能獲得鉀含量高的鎢粉，而且所制取的鎢粉純度較高。利用酸洗，可使鎢粉中大部分有害的A1,  Si,  Fe等雜質除去，同時也洗去粉中大量的無效鉀，這對抗下垂性、抗震性以及耐黑化性都是必不可少的。

鎢粉中的鐵主要有兩種來源:一是從原料APT中引入，二是從還原過程中爐管、舟皿以及酸洗設備中帶入。很多鎢絲生產廠，對還原爐管和舟皿並不十分重視，不做定期更換(一般使用2~3年應進行更換)和清洗，這樣必然導致鎢粉中鐵含量增高，對於鹵素燈燈絲，這是不允許的。

藍色氧化鎢制備鎢絲

決定摻雜鎢絲質量的基礎(也是關鍵過程)是鎢條的粉末冶金過程。鎢條的性能一旦確定，鎢絲所固有的性能也就確定。對於制造普泡燈絲來說，間題在於如何根據藍鎢和三氧化鎢的還原動力學來合理地確定還原工藝。但生產高性能的特種鎢絲，采用三氧化鎢工藝是不可能的，必須采用藍鎢工藝。以藍色氧化鎢為原料時，β-W的含量較用三氧化鎢為原料的高，出現β-W最大值的溫度比三氧化鎢的低，表明藍鎢具有比三氧化鎢更高的活性，更易被還原。同時β-w是泥進鉀進入鎢晶體的最重要的中問產物。藍鎢疏松多孔，比表面積大，有利於氫氣滲入，反應生成水分一也容易逸出。且藍鎢中含有少量的NH3，在反應的初期，NH3揮發，使料層中形成許多氣孔，新鮮氫氣容易滲透到料層的底部，底部反應生成的水分也容易逸出，促進還原反應的進行。另外，藍鎢分解放出NH3後的氧化物處於新生態，表面活性大，因而更易吸收氫原子。

另一方面，采用藍鎢為原料生產的鎢粉疏松，而采用三氧化鎢為原料生產的鎢粉聚集團和二次顆粒多。在垂熔過程中，采用藍鎢工藝的鎢粉，雜質的揮發較三氧化鎢的容易，鉀在垂熔過程中也易揮發，在晶界上殘留的無效鉀也少，這一點對鎢絲的高溫性能和抗震性能以及耐黑化性都是特別重要的。

影響鹵素燈中的鎢絲質量的因素

近幾年來，許多單位對特種鎢絲進行過大量研究，出了不少研究成果，但都沒有達到工業化及穩定生產，目前鹵素燈所使用的鎢絲，普遍存在耐黑化性不良，抗震性能差，燈絲容易變形，壽命短以及質量穩定性和壽命穩定性差等現象。

產生這種現象的主要原因是工藝條件選擇不當，工藝過程控制不嚴，沒有專門的特種鎢絲生產線，僅靠從現有的WAL絲中挑選。這樣，不僅質量一致性差，更重要的是鹵素燈的多樣化引起的高效率化，長壽命化以及燈泡壽命的穩定化，現有WAL絲的性能是達不到的。必須從根本上改變鎢絲的性能提高鎢絲的質量，使鎢絲特性多樣化，才能適應鹵素燈等特種光源使用條件的苛刻化。

鎢絲的不變形性

高溫點燈時由於燈絲變形所引起的燈絲螺旋線節距錯亂，稱為變形性，它也是影響鎢絲燈泡壽命的一個重要原因。

因此，在制造壽命穩定的鎢絲燈泡時，希望燈泡自始至終不易變形。此外，裝飾燈泡或X射線管用燈絲等也嚴格要求燈絲形狀穩定，不發生早期變形。

早期變形發生在一次再結晶消除鎢絲與燈絲中的殘餘變形的過程中，二次再結晶完成後，燈絲幾乎不發生變形，所以，為了減少早期變形，在盡可能減少鎢絲殘餘變形的同時，必須使二次再結晶迅速進行。

鹵素燈用鎢絲的抗震性

用作鹵素燈以及其它特殊光源的特種鎢絲，其中還包括雙螺旋白熾燈所用的鎢絲，與普通燈泡的鎢絲相比，在性能上有所差異。它們所用鎢絲比普通的鎢絲應具有更高的抗高溫下垂性，耐黑化性以及抗震性。

一般說來，對鎢絲抗震性有兩種解釋，其一是汽車、飛機或複印機等所用燈泡在點燈時的抗震性;其二是在未點燈時的抗震性，如輸送、碰撞所造成的沖擊。在高溫點燈時的抗震性與鎢絲的抗下垂性和高溫強度基本上是共同的。在不點燈時的抗震性主要與室溫時的晶界強度有關。必須使鎢絲形成長/寬比值大的燕尾狀塔接的晶粒，以提高室溫時的晶界強度。

鹵素燈用鎢絲的耐黑化性

鹵素燈，由於在燈管內充入了微量的鹵化物從而防止了鎢在燈管壁上的粘附(玻殼黑化)，使燈泡小型化、效率高，壽命長。但是從燈絲中散發出來的鎢以外的雜質與充入的鹵素一發生反應，就減少了鹵素與鎢反應的有效分壓，削弱了鎢的循環，從而引起燈泡玻殼變黑。

鐵、鋁等雜質在燈泡點燃1~2小時內就迅速揮發，鋁的揮發速度相對慢一些，如果鐵、鋁等雜質的含量增加，為了提高燈泡的耐黑性，則燈泡裏封入的鹵素量(如CH2Br2)相應地也要增加，隨之而封入的氧含量也增加，這些過量的氧對燈絲起著副作用，使鎢絲出現腐蝕，從而導致燈絲斷裂。因此，作鹵素燈燈絲用的鎢絲要求雜質揮發盡可能地少。鎢絲中鐵和鋁的總和不能超過30ppm，同時在雜質揮發中，即使是在摻雜效果中起主要作用的鉀，高溫時的揮發也對玻殼黑化有較大的影響。

鉀的揮發與絲中鉀含量及其彌散狀態有關，如果鉀的揮發特性不良，除了在晶面上排列以外，還在晶界上出現一些不規則的粗大空孔，這樣的絲結晶晶界就成為鉀的通道，使鉀容易從絲的表面揮發出來。因此，為了在絲中獲得分布良好的摻雜孔，燒結過程中鉀具有良好的揮發性是十分重要的，這樣可以穩定耐黑化性能，在燈泡中有可能減少鹵素的封入量，因而有利於克服鹵素燈的一大缺點，即因充鹵化物而引起的低溫腐蝕，更易設計出效率高壽命長的燈泡。

鎢絲的抗高溫下垂性

高溫點燈時燈絲不下垂這一技術要求，是白熾燈使用鎢絲以來最主要和必需的技術特性之一。由於鹵素燈效率高，使用的場合很多，並且，與普通燈相比，燈泡形狀變化大，容易設計的種類特別多，因此，用作鹵素的特種鎢絲要求在更高的溫度下(20003200K)比普通燈用的鎢絲具有更高的抗下垂性。

燕尾狀二次再結晶組織的形成，能防止晶界滑移，同時摻雜孔本身，由於具有彌散強化效果，因而有提高晶粒內部強度的作用，這對抗下垂是一個重要的因素。如果摻雜孔非常粗大，即使形成相當好的再結晶組織，也失去了彌散強化效果，並由於晶界強度削弱而降低了抗下垂性能。

汽車用鎢絲

隨著現代科技的發展，對電光源用燈泡的要求越來越高，燈絲作為燈泡的心髒，對燈泡的質量起著至關重要的作用，而決定燈絲性能的好壞，除了外形設計外，更重要的是鎢絲的質量。高壓小功率鹵鎢燈因其光效高、色溫好、壽命長、使用方便等優點，具有十分良好的前景，它同時對鎢絲提出更苛刻的要求。

目前被稱為“世界第一商品”的汽車工業是全球性工業，是我國“八五”規劃中重要發展的產業，在1988年汽車驗收全年不良率中，汽車燈質量不合格占70%。這裏有燈具問題，但主要是燈絲質量問題。在過去的幾年裏，曾有許多單位進行過這方面的研究，取得了不少研究成果，但都沒有達到工業化生產。為了配合我國汽車工業及其它現代科學技術的發展，有必要也必須進一步開展汽車用抗震燈、鹵素燈等所用特種鎢絲的生產與研究，建立一條專用的特種鎢絲生產線。

什麼是特種鎢絲

特種鎢絲是一種用於汽車、火箭、飛機、坦克、投光機、電影放映機、攝影照明、複印機燈等具有特殊性能的鎢絲。同時還包括裝飾燈泡和X射線管用燈絲。這些燈泡都是在十分苛刻的條件下工作，所以特種鎢絲必須具有優良的耐高溫抗下垂性、耐震性、不變形性、以及高效率、長壽命和壽命穩定性等特點。

例如，耐震燈泡，除了裝燈技術有一定要求外，絲材必須在芯線比1.4~2.0，轉速2000~7500轉/分下具有良好的繞絲性能;在2000~3200K溫度下，抗下垂性能好，蒸發率低，光通量大，光效高和壽命長；在重力加速度1~12X9.8m/s2，振動頻率30~300赫茲，振幅±0.6毫米條件下，在燈絲斷電和通電情況下振動7~56小時。這些要求用普通的鎢絲是很難達到的。

旋錘加工工藝對鎢絲質量的影響

粉末冶金燒結的鎢絲，經過旋錘鍛打變形，使粗細晶粒分布不均勻的多孔的燒結組織變成了細密的破碎的晶粒，並順著加工方向，晶粒被拉長成變形的條狀組織。在旋錘加工的第一階段，鎢絲密度增加很快，當總壓縮率達70%時，密度幾乎可達到19.3g/cm3。但在旋錘終了階段，由於晶粒的顯著破碎，又會在變形組織之間形成空隙，使密度有所下降。

變形後的加工組織抗拉強度提高，原來鎢絲的抗拉強度等於8-15kg/mm2，當加工到Ф2.Omm時，抗拉強度可達到100kg/mm2 ,硬度也由鎢絲坯條的HB-200提高到HB-4ookg/mm2。

鎢絲的旋錘加工工藝

旋錘鍛打是鎢絲壓力加工方法中的一種較為先進的加工方法、它是利用一副或兩副錘模圍繞制件旋轉鍛打。即旋轉模鍛，一方面環繞主軸進行高速旋轉，同時對鎢坯條沿徑向以頻率為X000-12000次/分的高速進行脈沖式的鍛打;每次的變形量極小，從而摩擦阻力或變形抗力均很小，這樣就便於對低塑性的鎢絲進行加工變形。

多晶體的鎢絲無論是燒結的或熔煉的，在室溫下，即使微小的變形也會脆斷。鎢絲的變形則是沿晶體間結晶邊界破裂。這是由於室溫僅為鎢絲熔化絕對溫度的8%左右，以致在變形時是沿方向錯亂的原子團較脆弱的區域沿晶界斷裂。只有在1300℃以上的溫度，用粉末冶金方法制造出的鎢坯(晶粒均勻而細小)，才可以經受住旋錘鍛造加工成材。目前世界上應用最普遍的、最廣泛的還是旋轉鍛造的加工方法。

雙層鎢絲陣軟X射線輻射參數

雙層鎢絲陣X射線輻射波形為單峰結構，實現了理想的內爆模式，X射線輻射功率達到5.6TW，為Angara-5-1曆史最高水平。與單層鎢絲陣相比，鎢絲直徑4.2um、鎢絲數量128、鎢絲陣直徑18mm的單層鎢絲陣X射線輻射功率為5.2TW，顯示雙層鎢絲陣X射線輻射功率己經略高於單層鎢絲陣，但尚未實現聖地亞實驗室獲得的40%提高量。

可能的原因是:單一層鎢絲陣絲間隙為0.44mm,雙層鎢絲陣絲間隙為0.66mm,按鎢絲間隙與X射線輻射功率定標律評估，在鎢絲間隙0.40-0.66mm區間，鎢絲間隙對X射線輻射參數影響十分明顯，鎢絲間隙小，有利於改善等離子體“成簾”特性，提高內爆等離子體時空分布均勻性，反之，則降低內爆等離子體時空分布均勻性。

采用4.2um鎢絲己經使單層鎢絲陣鎢絲間隙達到了理想的水平，但受Angara-5-1驅動能力的限制，雙層鎢絲陣絲間隙仍然偏大，在一定程度上限制了X射線輻射功率的提高。

雙層鎢絲陣的軟X射線與Z箍縮

在雙層鎢絲陣的Z箍縮研究中，到目前為止，雙層絲陣普遍認為是Z箍縮內爆的一種有效的負載結構之一。1998年，人在20MA的Z裝置上進行鎢絲陣Z箍縮實驗，用240根7.5um直徑的鎢絲做成高2cm直徑4cm、總質量4.1mg的絲陣負載，獲得X射線功率約200TW,X射線能量接近1.7MJ。在Z裝置上進行鎢絲陣實驗，但他們采用的是嵌套絲陣，外層直徑為4cm的240根鎢絲，內層直徑為2cm的120根鎢絲，獲得X射線功率(280±40)TW,X射線能量達到1.75MJ,X射線功率比單層鎢絲陣增加了40%。

實驗證明雙層絲陣在抑制不穩定方面更具優勢，可以有效提高內爆等離子體時空分布均勻性，並提高X射線輻射功率。根據北京應用物理與計算數學研究所提出的4種雙層絲陣內爆動力學模式，在俄羅斯新能源研究所的Angara-5-1裝置上進行了一系列的雙層鎢絲陣Z箍縮實驗研究。

塗鈦鎢絲

采用高頻發生器作為加熱源，石墨做坩堝，可對小20~100微米的鎢絲進行熱吐，塗層厚度2~20微米。

塗層厚度受線材直徑大小，拉塗速度和熔池溫度影響。隨著線材直徑增加塗層加厚。拉塗速度快則鈦塗層厚，反之則薄。拉塗速度保持在20-30米/分範圍。熔池溫度高則塗層薄、反之則塗層厚。但加塗必須在1700℃以上才能進行。

拉塗前、鎢絲需經800℃-1100 0C氫氣保護退火，並經21,6%堿的水溶液清洗，去除線材表面石墨。保持表面清潔。

這種工藝方法生產塗鈦鎢絲、效率高、成本低，但每一根絲不宜太長，一般可達數百米。

由於石墨可被欽浸蝕、所以增渦重複使用的次數最多不超過5次。