壓力加工過程對復印機鹵素燈用鎢絲二次再結晶性能的影響

胡旭

摘要：本文對壓力加工對復印機鹵素燈二次再結晶性能的影響進行了研究探討，并通過研究找出了能夠改善再結晶組織搭接的方法，最終能夠把再結晶之后的橫截面晶粒數控制在需要的范圍內，通過這種方法來提高鹵素燈的使用壽命。

關鍵詞：壓力加工；再結晶性能；鹵素燈

1.前言

在復印機上使用的鹵素燈時當前所有鹵素燈系列產品當中較為高端的產品，復印機鹵素燈常常用在高端的平板掃描儀上，比如膠片掃描儀，其亮度非常高，預熱需要的時間也比較短，而且對鹵素燈進行維護以及更換也都相對容易。鎢絲燈在使用時的溫度可以達到2800攝氏度。在使用鎢絲燈的過程中會一直讓鎢絲燈處于一種從閃到滅的互相交替的工作狀態，因此對鎢絲有著非常高的性能要求。國產的鎢絲和進口鎢絲相比，國產的鎢絲在點燈之后較為容易下垂，使用壽命不足等缺點。當前國內的高檔位鹵素燈的市場已經屬于了國外公司的專屬。為了能夠提高我國鎢絲產品的競爭能力，擴大國產鎢絲在市場中的份額，必須要對我國鎢絲會出現高溫性能變差的原因進行分析，通過這樣的方法來讓我國生產的鎢絲可以擁有更多的市場份額。在全世界的鎢絲產品之中沒有任何一種鎢絲可以適用于任意一種的燈泡，這就要對鎢絲的生產工藝以及加工參數進行更改，通過對這些因素進行改變從而讓我過生產的鎢絲在各方各面上使用。讓我國公司生產出來的鎢絲燈能夠滿足制作鹵素燈的需求。本文從加工工藝方面進行探討，用來找出符合要求的生產工藝。

2.實驗用材料和實驗用過程

使用在復印機的鹵素燈之中的燈絲有著非常多數量的規格，本文主要研究的是直徑為0.163mm規格的鎢絲，通過對這種規格的鎢絲進行加工實驗并作兩組來進行對比，從而分析處需要的參數。第一組實驗的原料主要為K含量40ppm，不均勻分布的鎢棒，鎢棒要在旋鍛之后達到直徑9.0mm之后進行高溫狀態下的退火，并將退火狀態的溫度設定在2100℃，在這之后再一次進行旋鍛，直徑5mm時再次進行高溫退火，退火溫度設定為2250℃。其他的部分則需要根據常規加工工藝將鎢絲加工到直徑0.4mm，并在進行熱處理回復退火之后讓鎢絲的直徑達到0.35mm，再經過6模序拉伸，最后對鎢絲進行電解工序和拋光工序，完成之后進行清洗，讓鎢絲的直徑達到0.164mm。

第二組實驗的因素選擇為控制好的K含量80ppm分布均勻的鎢棒，鎢棒在經過旋鍛之后要將直徑保持在9.0mm，然后在2100℃下進行高溫退火，之后繼續旋鍛，達到直徑5.0mm，繼續退火，退火溫度設定為2250℃。其他加工條件均按照標準進行，在完成之后進行電解和拋光，清洗之后讓其周長能夠達到0.164mm。

3.實驗結果分析

將這兩個樣品燒成燈絲之后進行檢測，最后發現第一組鎢絲在熔斷處發生了收縮變成了球形，出現了這樣的情況說明了此處的溫度已經超過了鎢的熔點，斷面上看到的巨大空洞說明在進行測試的時候有雜質從鎢絲中排出。除了揮發的雜質，還可以看到較為明顯的高溫滑移線，此時高溫滑移線的分布比較亂，但其余部分晶粒表面較為光滑，沒有出現滑移的現象。在能夠發現在光滑晶界處發現了因滑移而形成的裂痕，這上面形成了孔洞，導致交界處燈絲橫截面積減小，增加了電阻率并導致了熱池的形成，在高溫以及燈絲自重的共同作用下，導致非常明顯的晶界滑移，最后鎢絲發生了斷裂。

根據國外學者Brian的看法，在鎢絲材料中加入一定量的鉀，那么它在增長到一定的尺寸之后就不會繼續增長。如果空泡當中有大量的鉀，那么鉀元素會因為壓力作用讓鉀泡膨脹到比臨界半徑更大，甚至會發生蠕變繼續變大，并在高溫條件下形成孔洞，最后溢出了材料的表面。所以燈絲在進行測試的時候出現了空洞，出現這樣的情況的主要原因應該是材料中的K和雜質分布不均勻。出現這樣的情況主要有兩種原因：產品在進行拉制之前的分布就不均勻以及在進行點燈和通電的過程當中經過了再結晶組織的轉變，晶界的拖拽和高溫擴散集中在某個地點，之后通過孔洞形式再揮發出去。在進行測試時分布不均勻的滑移線以及滑移出現的裂紋都說明了材料的再結晶之后的組織不均勻。由此可見，若想要能夠獲得性能較為良好的燈絲，必須要能夠保證成分和其他組織的分布都比較均勻，而且在點燈的過程當中無法形成熱池。所以材料的再結晶之后的組織是單晶和平頭搭接的外貌，在性能測試時過早地出現了斷裂，無法滿足質量的需求。

第二組樣品在進行正常的性能測試時發生的斷絲的情況，斷口相對較為平整，斷口也找不到熔球，也沒發現孔洞等缺陷的存在，而是相對正常的蠕變斷裂接口。材料表面的滑移線分布也較為均勻。晶界滑移時出現的空穴以及裂紋的位置也相對較為分散。

經過實驗對比，第一組的樣品在加工狀態時的電阻率要比第二組的樣品電阻率高出了7%左右，但是兩組樣品在結晶態的電阻率基本是相同的，材料的電阻率也可以作為材料內部缺陷多少的表現，材料的電阻率受到點線面三個方面的缺陷數量的影響。在加工狀態時，電阻率也可表現材料的加工硬化程度，這也說明了第一組樣品在進行加工的時候已經達到極限或者超越了極限，第一組樣品在內部積累了相當高的畸變能量，如果繼續加工，將會出現斷絲的情況。二次再結晶之后的強度要比第一組樣品低15%左右。這就說明了第一組樣品的組織結構確實比第二組樣品更差，在二次結晶之后，點線的缺陷數量大大的降低了，影響到電阻率的主要原因應該是面缺陷的數量，說明了第二組樣品的結晶態組織要比第一組樣品的結晶態組織更好。

根據上面的實驗，我們發現材料良好的高溫抗蠕變性能是防止出現晶粒不良搭接的最佳方法。材料進行摻雜的主要原因是為了能夠充分發揮K泡的強化作用，讓K泡能夠在一定程度上對晶界的橫向增長進行妨礙，這樣就可以形成一定長寬比的燕尾狀態搭接組織。在形成了燕尾搭接組織之后就可以讓晶界的滑移方式不能夠再用平面滑動進行，如果發生了沿晶斷裂，就必須要在搭接的晶粒間進行平滑的滑動，或者以這個軸為圓心進行偏轉，這就代表著發生晶界變形的阻力增加了，這就相當于提高了晶界的強度。當這個強度和晶粒強度相等時，變形就可能分散在晶粒之內，而并不僅僅出現在晶界處，這種情況下材料的抗蠕變性能就獲得了極大程度的強化。于是再結晶組織不會是單晶或者是簡單的搭接，而需要用多個結構良好由多個晶粒搭接形成的燕尾搭接。但是，晶粒數應該以怎樣的數量最為合適呢。隨著晶粒數量的增加，必定會導致晶粒的長寬比降低。根據相關文獻的研究，因高溫蠕變而出現的空穴數量會隨著晶界以及軸向角度的增大而增加。也就是說，晶界越多，抗蠕變性能也就越差，除此之外，根據K泡的自發擴散途徑方法的情況來看，橫向境界的數量越多，那么從晶內擴散到晶界，再從晶界擴散到表面的距離也就越短，K泡發生偏聚以及遺失的概率也就越大，這會降低抗蠕變性能。所以，在保證了晶粒有著良好搭接的同時，還要保證晶粒的數量必要太多，這就對晶粒的長寬比提出了更高的要求，第二組樣品在再結晶之后的外觀就很好的表現了這樣的平衡。國外的燈泡制作工廠特別關注直徑0.02mm鎢絲的特性，通常認為再結晶之后20mm長度之上的晶粒數量控制在兩個到九個是標準的，最佳狀態是三到六個，在這個基礎之上把晶粒的數量控制在需求范圍之內，在保證了良好的搭接的同時還不會因為晶粒數量過多而導致抗蠕變性能的顯著下降。

總結

提高用在復印機上的鹵素燈鎢絲的抗蠕變性能的最佳方法就是在加工上動手，也就是改善再結晶組織的晶粒搭接結構，并控制再結晶之后的橫截面晶粒數，最后在材料中形成結構合理的燕尾狀搭接。只要進行這樣的加工，就能夠很好的保證燈絲的使用壽命的需求。

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