長晶爐提拉繩用鎢絲的材料和工藝研究

柴朝暉

摘要：長晶爐提拉繩使用環境特殊，使用條件復雜，失效后損失巨大。只有單根鎢絲的綜合性能達到較高的水平，由多股鎢絲絞合而成的提拉繩的質量才有保障。通過對長晶爐提拉繩用鎢絲在選材和工藝方面的優化，可以改進原有工藝，采用直徑更粗的鎢絲來進行提拉繩的制作，在滿足最終產品要求的同時起到降低生產成本的作用。

關鍵詞：長晶爐提拉繩;鎢絲;材料;加工工藝

長晶爐廣泛應用于單晶硅、藍寶石等行業，其中采用提拉法制備晶體的過程中，需要在晶體長大上升時，在已成形的晶體上方施加一定的拉力，確保晶體生長不偏移，使晶體尺寸受控。由于長晶爐內溫度高，磁場強，空間有限，需要提拉繩具有較好的高溫性能，在超過1000℃的情況下也不會發生因再結晶造成鎢絲繩斷裂，在使用過程中，鎢絲繩要進行卷曲、纏繞，需要提拉繩高溫下具有延伸率低，抗彎扭等性能。鎢絲繩由單股鎢絲絞合而成，在絞合的過程中也應減少斷裂的發生，以提高成品率和生產效率。綜合以上，要求制作提拉繩的鎢絲在機械性能和高溫性能兩個方面都具備一定的優勢，方能獲得性能優異的鎢絲繩。以下從選材和工藝兩個方面來說明此類鎢絲生產中需關注的要點。

1.提拉繩用鎢絲的選材

材料的性能是由原材料和加工工藝決定的。其中原材料又是其中最為重要的因素。提拉繩采用鎢絲繩而不是其他金屬繩，主要由于鎢絲具有1、熔點高、具有高溫抗下垂性能，能夠適應長晶爐內的高溫環境。2、蒸汽壓低，揮發物極少，不會對制備的晶體造成污染。

純鎢絲高溫抗下垂性能不佳，只有生產過程中添加Si、Al、K的氧化物才能使鎢絲獲得優良的抗下垂性能。這種鎢絲正是曾廣泛應用于電光源行業的摻雜鎢絲。因此，可以借鑒摻雜鎢絲的相關性能區分，選取合適的牌號用于提拉繩用鎢絲。

摻雜鎢絲通過粉末冶金的方法經過壓力加工制得。在粉末階段，雖然Si、Al、K氧化物的添加量不足1%，大部分添加物在后續的燒結過程中都會揮發掉，只有K會有微量的殘留。但就是這些量非常少的摻雜物使鎢絲的性能發生了很大的變化。摻雜鎢絲的牌號主要根據殘留K含量的不同加以區分。純鎢絲的K含量在0.001%左右，摻鉀鎢絲的K含量在0.003%-0.010%之間。按照《GBT 4181-2017 鎢絲》牌號的分類規則，根據K含量的不同區分為WK80、WK60、WK40、W1四個牌號。其牌號數字越大，所含的K含量越高，高溫性能也越好。

長晶爐內為真空環境，鎢絲繩在工作中最高溫度超過1000℃，雖遠低于其可承受的溫度，但考慮到鎢絲提拉繩繩單次提拉時間可能超過2個月，總使用壽命長達1年或更久。這需要鎢絲高溫性能表現為長期的穩定性，而非單次的可耐受程度。四個牌號中WK80的高溫性能最好，但因其摻雜量略大，其加工性能和成品的機械性能一般，且對加工工藝及過程控制要求高。WK40牌號可加工性及成品鎢絲的機械性能好，但其高溫性能較弱，制作的鎢絲繩在使用壽命方面存在風險。綜合提拉繩用鎢絲的性能指標，通常并不選擇WK80牌號，而是選擇比WK80高溫性能稍弱的WK60牌號。WK60牌號的K含量一般控制在0.005%～0.007%之間，高溫性能較好，成品的機械性能良好。既保證了鎢絲從單根繞制成多股的過程中的成品率和效率，也使繞制好的鎢絲繩具備較好的高溫穩定性。

2.提拉繩用鎢絲的工藝控制

為保證提拉繩的可靠性，國外早期多采用φ0.05mm-0.10mm的白鎢絲通過多次繞制，獲得直徑1-5mm的成品鎢絲繩。近些年，長晶爐制備晶體的尺寸逐步加大，也要求鎢絲提拉繩相應加粗。如果繼續用直徑較細的鎢絲繞制，將使生產成本大幅增加。

摻雜鎢絲的直徑越細，其塑性越好，更有利于鎢絲繩的繞制。如果想采用更粗的鎢絲來繞制，首先要保證其塑性達到要求，繞制過程不斷裂，成形后的鎢絲繩塑性良好。通過工藝的優化可使鎢絲的綜合性能獲得改善，使采用更大直徑的單根鎢絲來繞制鎢絲提拉繩成為可能。

目前選材和工藝優化后，采用φ0.175mm-0.20mm的單根鎢絲來繞制鎢絲繩已獲得鎢絲繩生產、使用廠家的認可，成為較成熟的產品。以下以φ0.20mm提拉繩用鎢絲的生產為例，介紹此類鎢絲生產中工藝要點。

2.1 原材料的高溫性能控制和裂紋控制

φ0.20mm的鎢絲通常以φ0.39mm的鎢絲為原料。在原料選用時，應注意其裂紋數量，通常裂紋數量控制在≤2個/100m。同時應注意其組織結構，WK60牌號φ0.39mm的鎢絲高溫處理后，組織結構應呈燕尾狀搭接，達到下圖要求。

2.2 加工工藝要點

2.2.1 為獲得機械性能優良的鎢絲，在旋鍛及拉伸的過程中應保證各工序的加工溫度，并適當提高退火溫度，避免造成嚴重的加工硬化，導致后續加工中鎢絲開裂。如果在φ0.39mm檢測到鎢絲強度較高，可以通過在φ0.39mm進行退火的辦法，消除加工硬化，同時還能增加成品鎢絲的柔韌性，便于鎢絲繩的絞合制作。

2.2.2 用于制作鎢絲繩的鎢絲必須是白鎢絲，以減少晶體雜質。生產好的黑鎢絲必須通過電解拋光的方式去除鎢絲表面的石墨乳和一部分鎢基體。如要生產φ0.2mm的鎢絲用于絞合制作提拉繩，需要生產φ0.205mm的黑鎢絲，再進行電解拋光。

2.2.3 電解拋光前需要對黑鎢絲的質量做確認。如裂紋、強度、直徑、直線性、表面等。以確保白鎢絲產品質量。

3.結語

根據長晶爐提拉繩用鎢絲的工作特點，選取合適牌號的摻雜鎢絲，采取合理的加工工藝和控制標準，可以獲得規格較粗，高溫性能與機械性能兼備的白鎢絲。這種鎢絲經過多股絞合，可制作出性能優異的長晶爐提拉繩，并起到減少加工工序，降低全環節生產成本的作用。

參考文獻

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