Resistiviteten för volframtråd är 5,3*10^-8. Volfram har en hög smältpunkt, hög resistivitet, god hållfasthet och lågt ångtryck. Det är det bästa materialet bland alla rena metaller för att göra glödtrådar. Volfram är dock hårt och sprött, vilket gör det svårt att bearbeta. När strömmen passerar genom volframtråden och värms upp till en viss temperatur, ökar även volframtrådens resistansvärde till ett visst värde (vanligtvis ökar motståndsvärdet för metalltråden när temperaturen ökar). 1909 uppfann Coolidge bearbetningstekniken för volframtrådar, som spelade en avgörande roll i produktionen och marknadsföringen av glödlampor. Dess grundläggande principer används än idag.
Större delen av produktionen av volframtråd använder ammoniumparawolframat (APT) som råmaterial. Den allmänna processen är att rosta ammoniumparavolframat till volframtrioxid i luft vid cirka 500 grader, eller att något reducera det till blå volframoxid i väte vid cirka 450 grader. För att göra volframtråd för glödlampsglödtrådar måste en liten mängd kaliumoxid, kiseloxid och aluminiumoxid blandas med volframtrioxid eller blå volframoxid. Det totala beloppet av de tre överstiger inte 1 %. Detta är volframet som uppfanns av Baz 1922. Silkesdopingprocess. Den dopade volframoxiden reduceras till metalliskt volframpulver med vätgas. Reduktionsprocessen utförs vanligtvis i två steg: det första steget reduceras till volframdioxid (brun volframoxid) vid cirka 630 grader och det andra steget reduceras till metalliskt volframpulver vid cirka 820 grader. Syftet med tvåstegsreduktionen är att tillåta det inkorporerade kaliumet att utöva sin effekt fullt ut och att kontrollera pulverpartikelstorleken. Det dopade volframpulvret som erhålls på detta sätt pressas sedan till långsträckta fyrkantiga stänger i en speciell form. Den fyrkantiga stången drivs med väte och sintras med självbeständig uppvärmning (temperaturen når ca 3000 grader). Efter sintring kan volframstångens densitet nå mer än 85% av det teoretiska värdet. Denna typ av volframremsa kan bearbetas till volframstavar med en diameter på cirka 3 mm genom roterande smide och sedan vidarebearbetas till volframtrådar av olika tjocklekar genom formdragning. Till exempel är diametern på volframglödtråden som används i en 220V, 15W glödlampa cirka 15 µm, medan diametern på volframglödtråden som används i en 10000W bromvolframlampa är cirka 1,25 mm. Tunnare volframtrådar, såsom 220V, 10W glödlampsvolframtrådar med en diameter på cirka 12µm, måste tillverkas genom elektrolytisk korrosion.
När diametern på volframtråden når mikronnivån är det svårt att noggrant mäta dess diameter med hjälp av konventionella bromsok. Därför, internationellt sett, uttrycks vikten av volframtråden med en diameter på mindre än {{0}}.2 mm vanligtvis av vikten av trådsegmentet klippt i en längd av 200 mm. Till exempel kan diametern på den ovan nämnda 15W glödlampstråden uttryckas med 0,679 mg/200 mm.
Användningsprestanda
①Hög temperaturprestanda. Arbetstemperaturen för volframglödtrådar som används i glödlampor är ofta mellan 2300 och 2800 grader. Generellt gäller att ju större kraft glödlampan har, desto högre arbetstemperatur för glödtråden. Det kan ses att arbetstemperaturen för filamentet vida överstiger rekristallisationstemperaturen för volframfilamentet. Vid denna tidpunkt, under inverkan av sin egen vikt, kommer filamentsegmentet mellan de två krokarna att sjunka. I svåra fall kan glödtråden sjunka tills den kolliderar med glödlampans glasskal. För dopade volframtrådar som blandas med en liten mängd kalium-, kisel- och aluminiumoxider under den pulvermetallurgiska processen för volfram, även om innehållet av kisel och aluminium i den slutliga färdiga tråden endast är några miljondelar, kalium är bara tiotals delar per miljon, men släppningen av glödtråden gjord av denna dopade volframfilament kan förbättras avsevärt. Anledningen är att det är stor skillnad i den omkristalliserade kristallstrukturen hos dopad volframtråd och odopad volframtråd. Den omkristalliserade kristallen av odopad volframtråd är i grunden en likaxlig kristall, medan den omkristalliserade kristallstrukturen av dopad volframtråd är en lång remsa av grova korn som överlappar varandra. Ur perspektivet av högtemperaturkrypteori för metallmaterial kan den omkristalliserade kristallstrukturen i denna tjocka och långa överlappande struktur avsevärt förbättra dess förmåga att motstå sjunkning vid höga temperaturer. Enligt en serie av transmissionselektronmikroskopi och Auger energispektrometerforskning och analys utförd på 1970-talet visades det att bildandet av den omkristalliserade kristallstrukturen av den tjocka och långa överlappsstrukturen unik för den dopade volframtråden är nära relaterad till innehållet av den dopade volframtråden. Kalium är nära besläktat. De spårmängder av kalium som finns kvar i de dopade volframremsorna bildar kaliumbubbelrader parallellt med trådaxeln under bearbetningen, vilket hindrar den laterala tillväxten av kornen under omkristallisationsprocessen, vilket bildar en tjock och lång överlappande struktur.
Nedsjunkningen av glödlampsglödtrådar är inte bara relaterad till innehållet av tillsatta element och bearbetningsteknik i den dopade volframglödtråden, utan också till bearbetningstekniken under glödtrådsproduktionsprocessen. Volframtråden behåller en stor mängd inre spänningar när den dras in i en färdig filament, och när den lindas till en filament genereras nya inre spänningar av ojämn deformation på volframtrådens tvärsnitt. Dessa inre spänningar måste helt elimineras innan glödtråden installeras i glödlampan. Annars kommer glödtråden att vrida sig, deformeras och sjunka ner när glödlampan börjar antändas. Sagning av glödtråden kommer allvarligt att minska glödlampans ljuseffektivitet.
② Rumstemperaturprestanda. Rumstemperaturprestandan hos volframtråd återspeglas i trådlindningsprestandan. På grund av det långa bearbetningsflödet av volframtråd, om processhanteringen inte är bra, är det lätt för volframtråden att producera många små sprickor eller bli lokalt spröd, så att den är lätt att bryta under lindningen. Sprickan på lindningstråden som orsakas av sprickor uppträder i form av morrhår, medan brottet som orsakas av trådens sprödhet uppträder i form av kristallplan.
③ Konsistens av tråddiameter. Den dåliga konsistensen av volframtråddiametern är en viktig orsak till den överdrivna avvikelsen av fotoelektriska parametrar för glödlampor, och vissa kommer också att påverka glödlampans livslängd.
Utvecklingshistoria
Utvecklingen av volframfilamentindustrin har varit nära kopplad till glödlampsindustrin från början. Efter nästan 30 års forskning tillverkade den brittiske elektroingenjören Joseph Swan en vakuumglödlampa som använder koltrådar för att energisätta och avge ljus i december 1878. Men denna typ av glödlampa har allvarliga brister, främst dess korta livslängd. I oktober 1879 producerade Edison framgångsrikt en glödlampa med kolfiber som glödtråd. Nästan 20 år senare (1897) ersattes koltråd med osmiumtråd och tantaltråd. På grund av de lägre smältpunkterna för Os och Ta var emellertid driftstemperaturen och ljuseffektiviteten låg.
1879 experimenterade Edison med kolfilament och använde det i hundratals timmar. Även om "kol" har en mycket hög smältpunkt (3550 grader), har det en låg "sublimerings" temperatur. Det sublimeras direkt från fast till gasformigt tillstånd vid låga temperaturer, så det är lätt att förbruka och har en kort livslängd. Och det måste vara helt isolerat från luften (det kommer att brinna i luften). För närvarande används nästan alla volframtrådar med en smältpunkt på (3410 grader). Fördelen är att dess "sublimeringshastighet" är lägre när den är lägre än smältpunkten. Därför kan den värmas till en högre temperatur än "kolfilament". Volframtråden kommer också att brinna i luften, så glödlampan måste evakueras.
För att undvika sublimering av glödtråden sprutas inerta gaser in i glödlampan. Dessa gaser är huvudsakligen argon och innehåller inte syre. De delvis förångade volframatomerna kan återvända till glödtråden genom kollision. Även om inert gas ökar livslängden på glödtråden, gör den det till en kostnad. Närvaron av inert gas i den ursprungliga vakuumlampan ökar värmeledning och konvektion, tar bort energi och därmed sänker jämviktstemperaturen. Den sublimerade volframgasen bildar svaga partiklar i den inerta gasen och bildar även svarta fläckar på glödlampans inre yta genom konvektion.
År 1903, baserat på patenten från A. Just och F. Hannaman, producerade Ungern volframfilament för första gången. Den värmer upp koltråden i volframoxihalogenidångan som innehåller fritt väte till en hög temperatur genom elektrisk ström, så att kolet helt ersätts av volfram. Glödtråden som produceras på detta sätt innehåller mer eller mindre kol, som inte bara är ganska skör, utan också blir allt tätare när glödlampan används, så glödtrådens elektriska parametrar kommer att förändras.
År 1904 insåg Jester och Hannamen effekten av kol på sprödhet, blandade ett kolfritt bindemedel med en volframförening, extruderade det till filament och värmde det sedan i väte för att reducera det till metall. Volframtråden som produceras med denna metod är mycket skör, men eftersom dess ljuseffektivitet är mycket bättre har den ersatt koltråd, osmiumtråd och tantaltråd för att tillverka glödlampor.
Ingen av ovanstående metoder kan förbereda fin volframtråd. För att lösa detta problem utvecklades en volframlegering med låg nickelhalt 1907. Den framställdes genom mekanisk bearbetning, men dess svåra sprödhet hindrade dess tillämpning. Det var inte förrän 1909 som WD Coolidge från General Electric Company i USA producerade volframämnen genom pulvermetallurgi, och använde sedan mekanisk bearbetning för att tillverka volframtrådar som var formbara vid rumstemperatur, vilket lade grunden för bearbetningsindustrin för volframtråd. Stiftelsen lade också grunden för pulvermetallurgi.
Emellertid uppvisar detta "duktila" volframtråd betydande sprödhet efter att glödlampan har antänts. År 1913 uppfann Pintsch torierade volframfilament (ThO2-halt på 1% till 2%), vilket kraftigt minskade sprödheten hos glödtrådar. Till en början var hängningen av glödtråden (se volframfilamentets anti-sagprestanda) inget problem, eftersom glödtråden vid denna tidpunkt var en rak glödtråd, men efter 1913 bytte Langmuir den raka glödtråden till en spiralfilament, så att när glödlampan Under användning gör den höga driftstemperaturen och dödvikten att glödtråden sjunker, vilket gör det svårt för både ren volfram och torierad volfram att uppfylla användningskraven.
För att lösa problemen med hängande volframtråd och kort livslängd uppfann A. Pacz 1917 en volframtråd som "inte deformeras" under höga temperaturer. Till en början använde han en eldfast degel för att rosta WO3 när han beredde ren volfram. Han upptäckte av misstag att volframtrådsspiralen gjord av volframpulver erhållen genom att reducera WO3 mystiskt inte längre sjunker efter omkristallisering. Därefter, efter 218 upprepade experimentella verifikationer, upptäckte han till slut att volframtråden som tillverkades genom att tillsätta kalium och natriumsilikater till volframsyra (WO3·H2O), reduktion, pressning, sintring, bearbetning, etc., bildade en ansenlig mängd volframtråd efter omkristallisation. Den grova kornstrukturen är varken mjuk eller hängig. Detta är den tidigaste volframtråd som inte sjunker. Perths upptäckt lade grunden för produktionen av icke-sag volframtråd. Än idag kallar USA fortfarande icke-sag volframtråd "218 volframtråd" för att fira denna viktiga upptäckt av Perth.
Emellertid var de tidigaste non-sag volframtrådar som producerades mer spröda än torierade volframfilament, så vissa glödlampstillverkare insisterade på att använda torierade volframtrådar som filament. Men med den kontinuerliga utvecklingen och förbättringen av produktionsprocessen för icke-sag volframfilament, insåg människor gradvis att tillsats av föreningar av K, Si och Al till volframoxid samtidigt kan göra att volframfilamentet har bra anti-sagprestanda vid höga temperaturer, och samtidigt, efter upprepad Efter kristallisation, har den tillfredsställande duktilitet vid rumstemperatur. Detta är vad folk ofta kallar "AKS volframtråd", det vill säga "icke-sag volframtråd" eller "dopad volframtråd". T. Millner kallade denna förbättrade icke-sageffekt 1931 "GK-effekt".
