Фізико-механічні властивості вольфрамовоїдроту - Промисловість, виробництво
2.6 Фізико-механічні властивості вольфрамового дроту
Як матеріал для тіла розжарювання у всіх лампах розжарювання застосовується вольфрамовий дріт.
У нашій країні та за кордоном розроблені марки вольфраму з різними легуючими присадками, у тому числі призначені спеціально для галогенних ламп. Залежно від призначення вони мають різні фізико-механічні властивості стосовно конкретних умов експлуатації ламп.
У вітчизняних галогенних лампах використовується лише одна марка вольфраму ВА. Ведуться роботи у напрямку як удосконалення технології виготовлення дроту з такого вольфраму, так і створення нових марок, зокрема з присадками цезію та кобальту, які більшою мірою, ніж ВА, повинні відповідати вимогам галогенних ламп. Це стосується, перш за все, збереження форми при високих робочих температурах і механічної міцності, оскільки в галогенних лампах як високоінтенсивних джерелах світла вольфрам працює при температурах, рівних 0,85 - 0,9 температури плавлення. Крім того, специфічне галогеновмісне газове середовище навколо вольфраму також висуває особливі вимоги до якості поверхні дроту.
Вольфрам має кубічну об'ємно-центровану кристалічну структуру грат; температура плавлення 3653 К. У вакуумних лампах його прийнято використовувати при температурах не вище 2600 - 2800 К, оскільки швидкість випаровування при вищих температурах сильно зростає. У галогенних лампах вольфрам застосовується при температурах до 3500 До, оскільки шкідливим явищам випаровування протидіють підвищена концентрація атомів газів у лампах і певною мірою галогенний цикл; обмежуючим фактором єяк випаровування вольфраму, а й його фізико-механічні властивості.
Щільність дротяного вольфраму дорівнює 19,3 г/см 2 ; коефіцієнт лінійного розширення 44*10С.
Вольфрамовий дріт після волочіння має волокнисту структуру. При її нагріванні відбуваються явища рекристалізації, які сильно змінюють механічні властивості дроту. У галогенних ламп ці зміни мають велике значення.
Відпал проводили в атмосфері осушеного водню протягом 15 хв.
2.7 Конструкція та виготовлення тіла розжарення
Тіло розжарення в галогенних лампах виготовляють з вольфрамового дроту як прямолінійного, так і спіралізованого, причому застосовують і моноспіраль, і біспіраль. Вона складається з операцій навивки, промивання в розчинниках та лугу, ряду процесів термообробки для видалення графітового мастила, закріплення форми та утворення належної структури, з операцій витравлення керна та контролю.
У галогенних лампах знайшли застосування багато конструктивних виконання тіл розжарення, геометричні розміри та форми яких визначаються конструкцією, параметрами, призначенням та умовами експлуатації ламп. Діаметри вольфрамового дроту 0,02-2 мм. Застосування дротів малих діаметрів, як правило, важко, оскільки вони не дозволяють навіть при малих розмірах колб отримувати температури на стінці оболонки, необхідні для нормального протікання галогенного циклу в лампах. Застосування дроту надмірно великих діаметрів обмежується струмом, який здатний витримувати струмові вводи. Підбір оптимальних діаметрів дроту вольфрамового дуже важливий при конструюванні ламп.
Більшість моно-і біспіралей навівають на спіральних машинах на безперервному дротяному молібденовому керні. Деякі типи спіралей, особливо з малимкількістю витків, великим кроком навивки, плоскі та конічні, виготовляють на ручних пристосуваннях із використанням постійного керна.
У процесі виготовлення спіралей молібденовий дріт, що використовується як керн, попередньо очищають від графітового мастила (аквадага) або електролітично (при малих діаметрах), або відпалом у водневих печах (при діаметрах більше 0,4 мм). Для отримання якісних спіралей велике значення має дотримання технологічних режимів усім операціях. Дуже важливо також правильне натяг вольфрамового дроту при спіралізації, надмірно велике натяг призводить до розтягування нагрітого дроту, врізання його в керн, обриву, а слабке натяг - до ковзання вольфраму по керну і порушення рівномірності навивки. Обов'язковим є нагрівання вольфраму при навивці. У нагрітому стані дріт стає пластичнішим, щільніше і рівномірніше лягає на керн, краще закріплюється форма витків. Нагріти вольфрам можна непрямим шляхом (загостреною ніхромовою дужкою, розташованої на виході керна з дюзи) або пропусканням струму через дріт. Непряме нагрівання застосовують в основному при діаметрах дроту менше 60 мкм. Температура дроту при навивці спіралі повинна бути близько 670 К. При навивці вольфрамового дроту на керн і утворенні витків на зовнішній шар дроту діють сили, що розтягують, а на внутрішній, що стосується керна, - стискаючі. Ці сили можуть спричинити розшарування дроту, особливо діаметром понад 80-100 мкм. При використанні якісного вольфрамового дроту, дотриманні режимів навивки та витримуванні належних співвідношень між діаметрами вольфраму та розшарування не спостерігається.
При виготовленні ламп часто трапляються з явищами крихкості спіралей. Вона може бути результатом двох причин:порушення термообробки та забруднення вольфраму. Більшість типів спіралей надходить на монтаж після первинної термообробки. Якщо вихідний дріт якісний, то після відпалу спіраль не повинна бути крихкою. Мікроструктура такого приволоки повинна відповідати стадії початку первинної рекристалізації, коли тільки починається розпад волокнистої структури. Крихкість вольфрам з'являється при повному переході волокнистої структури в зернисту, тобто після закінчення первинної рекристалізації, що спостерігається при відпалі дроту при температурі вище 1970 К. Буває, що потрапляються окремі партії вольфраму, які внаслідок різних причин, що виникають на стадії виготовлення, заниженою температурою первинної рекристалізації. Такі спіралі виявляються крихкими вже на монтажі. Ряд типів спіралей (для автомобільних, кінопроекційних ламп) надходить на монтаж у відформованому вигляді після відпалу при 2570-2770 К. Якщо спіраль гарної якості і відбулася повністю вторинна, збиральна рекристалізація, вона не повинна бути крихкою. Крихкість свідчить про порушення режимів відпалу або про те, що температура вторинної рекристалізації даної партії вольфраму вища за норму і структура повністю ще не стабілізувалася.
Спіраль може бути крихкою через забруднення вуглецем, залізом, нікелем. Забруднення є результатом поганого очищення вольфраму від аквадага. Можливе також забруднення спіралі на різних технологічних операціях у процесі її виготовлення. При взаємодії вольфраму з вуглецем утворюється або твердий розчин вуглецю у вольфрамі, або хімічна сполука WC або W2C. Обидва випадки викликають крихкість спіралей.
У виробництві іноді з'являється крихкість спіралей при їх приварюванні до струмових вводів контактної точковоїзварювання. Це пояснюється порушенням режимів зварювання. При правильному зварюванні в точці дотику вольфраму з струмовим введенням температура не перевищує 1770 К і у вольфрамі не відбувається жодних структурних змін. Якщо струм зварювання або час витримки завищені, можлива поява крихкості дроту вольфрамового. Можливі випадки окислення вольфраму у місцях зварювання – такі ділянки мають підвищений електричний опір, що призводить до місцевого підвищення температури та руйнування контакту.
Для лінійних галогенних ламп софітного виконання тіла розжарення мають вигляд довгих моноспіралей (рис. 2.1) як із суцільною, так і з переривчастою навивкою. Тіла розжарювання з переривчастою навивкою застосовують у лампах для електрографічних та термокопіювальних апаратів та ін., де необхідний певний світлорозподіл по довжині лампи. Чергуванням навитих і прямолінійних ділянок тіла розжарення та варіюванням їх довжини вдається компенсувати охолодну дію струмових вводів і отримувати необхідний розподіл температури по довжині тіла розжарення, що в кінцевому рахунку забезпечує і задані параметри готових ламп.
Розрахунки геометричних параметрів спіралей проводять виходячи із заданих світлових та електричних параметрів ламп. Вони не відрізняються від аналогічних розрахунків для звичайних ламп розжарювання. Однак при розробці необхідно враховувати крім світлових та електричних параметрів ще ряд інших факторів: габаритні розміри та конструктивне виконання ламп, вимоги до віброміцності та удароміцності тіла розжарення, світлорозподіл у просторі, термін служби та надійність роботи лампи в експлуатації. Все це вимагає вибору оптимальних рішень і призводить до необхідності коригувати дані геометричних параметрів спіралей.