粗鎢絲裂點影響因素研究

董新華，郭世貴，李 佳

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 成都 610100)

摻雜鎢絲具有熔點高、蒸汽壓低、再結晶溫度高、高溫抗下垂性能好等特點[1]，主要應用在高溫領域、傳統(tǒng)照明行業(yè)、真空鍍膜行業(yè)，例如復印機燈、鹵素燈、HID燈、金鹵燈等。鎢絲裂點數(shù)量是衡量燈絲質量非常重要指標，直接影響燈具質量。鎢絲裂點并不一定在拉絲過程中造成鎢絲斷裂，但是在繞制過程中會使鎢絲開裂、斷裂，這兩種情況燈絲都是不合格的，這種情況會造成很大的浪費[2]。裂點可以通過渦流探傷和金相顯微鏡觀測到，引起鎢絲裂點的因素較多，本文避開了鎢絲生產(chǎn)中重要的粉末階段，試驗是在原材料合格，旋鍛設備和模具狀態(tài)正常，其他工藝正常，拉絲石墨乳、模具、設備正常的前提下，通過調(diào)整加工溫度、退火溫度、退火點，分析鎢桿的晶粒組織結構、硬度、彎折性能、探傷水平的狀況，確定生產(chǎn)低裂點鎢絲最佳加工溫度、退火溫度和退火點。并得出結論，鎢絲裂點形成的主要原因是鎢絲表面殘余拉應力，當鎢絲表面殘余拉應力大于晶粒和晶粒之間的結合力時，就形成裂點，通過提高加工溫度、退火溫度和增加退火點可以有效減小鎢絲的表面殘余拉應力，減少裂點發(fā)生的概率。

1 試驗內(nèi)容

旋鍛階段，通過加工溫度、退火溫度、退火點的不同，設計出5種試驗方案，觀察不同方案中間某些規(guī)格的硬度和金相情況，最終把鎢絲加工到Ф2.9mm進行渦流探傷，并分析不同方案硬度、金相和渦流探傷關系。拉絲階段，通過調(diào)整拉絲溫度和退火工藝，設計出6種試驗方案，原料是旋鍛階段加工到Ф2.9mm的半成品，加工過程中對Ф0.93mm和Ф0.39mm的絲材進行渦流探傷。通過旋鍛和拉絲兩階段試驗結果，分析鎢桿中間某些規(guī)格硬度、金相和渦流探傷之間的關系，觀察鎢絲裂點形態(tài)，找出影響鎢絲裂點的主要因素。

2 旋鍛加工階段試驗方案

每個方案加工30kg鎢條，為了排除其他影響因素，加工過程中相同的崗位都是在同一時間段生產(chǎn)，具體方案如表1所示。

觀察不同方案中某些規(guī)格的硬度、金相、渦流探傷情況，并分析他們之間聯(lián)系，硬度測試采用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計，金相觀察通過金相顯微鏡，探傷采用渦流探傷設備。

2.1 硬度變化

硬度能很好的反應鎢桿在加工過程中的加工硬化程度和硬化速率，通過測量各方案不同道次的洛氏硬度(HRC)來表征鎢桿的硬化程度和變化速率，從各方案的數(shù)據(jù)可以看出，加工和退火溫度越高，退火道次越多，鎢桿的硬度就越小，如表2所示。

表1 旋鍛階段5種不同方案工藝參數(shù)

表2 不同方案各道次鎢桿的洛氏硬度(HRC)

2.2 組織結構變化

對Ф8.9 mm和Ф5.2mm兩個規(guī)格退火前后的橫截面做金相檢驗(100X)，觀察鎢桿在加工過程中的組織結構變化情況，如圖1所示。

方案一未退火，Ф8.9mm和Ф5.2mm晶粒組織不規(guī)整，呈現(xiàn)扭曲和擠壓狀態(tài)；方案二，Ф8.9mm退火后晶粒組織結構很規(guī)整，Ф5.2mm退火后晶粒組織較退火前有很大改善，但是從金相上來看還是呈現(xiàn)出交織狀態(tài)；方案三退火后Ф8.9mm和Ф5.2mm晶粒組織結構較規(guī)整；方案四退火后Ф8.9mm和Ф5.2mm晶粒組織結構沒有呈現(xiàn)出交織狀態(tài)，但是中心處的晶粒明顯比邊部晶粒大，晶粒不均勻；方案五退火后Ф8.9mm和Ф5.2mm晶粒組織結構很規(guī)整，晶粒均勻。

2.3 Ф2.9mm渦流探傷結果

在Ф2.9mm規(guī)格采用渦流探傷，我們規(guī)定缺陷深度>直徑5%為裂點，規(guī)定探傷點數(shù)<2點/kg為A料，反之為D料(排除兩個端頭的影響)，記錄下每根絲的裂點數(shù)，并給出記錄圖紙，如表3所示。

從表3格探傷數(shù)據(jù)來看，方案一的探傷結果較差，鎢絲表面有許多不同深度缺陷，不利于后續(xù)加工，所以方案一的工藝不可行；方案二的探傷結果處于中間水平，探傷點數(shù)在可控范圍內(nèi)；方案三、四、五的Φ2.9mm探傷點數(shù)較少，處于較好水平。

圖1 不同方案金相圖片(100X)Fig.1 Metallographic pictures of different schemes (100X)

方案根數(shù)重量/kg總缺陷/個平均缺陷/個/kg判定方案一方案二方案三方案四方案五110.38333.2D210.32636.1D310.41565.4D110.42101.0A210.46252.4D310.41121.2A110.3540.4A210.2830.3A310.4690.9A110.2620.2A210.1400A33.7561.6A46.3220.3A110.2500A210.1950.5A310.3630.3A

3 拉絲加工階段試驗方案

拉絲階段的試驗是在旋鍛階段試驗基礎上設計的，旋鍛階段方案一的探傷較差，剔除方案一的產(chǎn)品。拉絲階段設計方案編號為：2-1、2-2、3-1、4-1、5-1、5-2，每個方案的第一個數(shù)字代表旋鍛方案的用料，2-1代表旋鍛方案二加工Φ2.9mm的原料，4-1代表旋鍛方案4加工出Φ2.9mm的原料，以此類推。工藝參數(shù)如表4所示。

表4 拉絲階段不同方案的加工溫度和退火溫度

3.1 渦流探傷檢測情況

方案2-1點數(shù)增加的很快，方案2-2點數(shù)基本可控；方案3-1點數(shù)增加屬于可控范圍；方案4-1和5-1探傷點數(shù)增加的很少，能生產(chǎn)出裂點數(shù)較少的鎢絲，從探傷數(shù)據(jù)來看,方案5-1是生產(chǎn)低裂點鎢絲的最佳工藝；方案5-2在Ф0.93mm探傷時裂點數(shù)目很少，但是后續(xù)通過低溫拉絲后探傷點數(shù)明顯增加，已經(jīng)不可控了。探傷數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 各試驗方案不同規(guī)格探傷情況

3.2 鎢絲缺陷形貌分析

鎢絲裂點在生產(chǎn)過程中是通過渦流探傷設備檢測出來，為了更能直接的表達缺陷形態(tài)，把渦流探傷有缺陷的鎢絲制備成金相，通過金相顯微鏡觀察缺陷形貌(圖2)，我們發(fā)現(xiàn)缺陷都是由鎢絲的表面向中心延伸。

圖2 部分鎢絲缺陷宏觀形態(tài)Fig.2 Macroscopic morphology of some tungsten filament defects

4 試驗結果分析

從以上試驗方案分析得出，加工溫度、退火溫度高，退火道次多，鎢桿在中間工序硬度低，退火后晶粒組織結構規(guī)整，無明顯扭曲和交織狀態(tài)，鎢桿內(nèi)部殘余應力少，加工到絲材部分裂點少，能獲得低裂點的粗鎢絲。本文提到的鎢絲表面殘余應力可以通過殘余應力分析儀得出，也可以根據(jù)有限元模擬得出，本文主要通過試驗方式證明殘余應力的影響，并沒有給出殘余應力的大小值和表現(xiàn)形式。MR.Ripol等人通過有限元模擬出粗鎢絲階段的應力分布(圖3)，圖中紅顏色代表的為拉應力，正數(shù)值；藍顏色表示為壓應力，負數(shù)值。正數(shù)值越大，拉應力越大，負數(shù)值越小表示壓應力越大[3]。

圖3 有限元模擬粗鎢絲殘余應布Fig.3 Finite element simulation of residual distribution of thick tungsten filament

從圖3可看出，鎢絲的表面拉應力最大，越往中心，拉應力逐漸減小，鎢絲中心部分為壓應力。我們金相照片上觀測到鎢絲的裂點也是從表面開始形成，逐漸向中心擴展，這和我們的試驗結果是一致的。

5 結論

(1)旋鍛加工溫度、退火溫度、退火點直接影響鎢桿的硬度和金相組織結構；加工溫度、退火溫度越高，硬度越小，晶粒組織結構越規(guī)整，后續(xù)鎢絲形成裂點的概率越小；

(2)造成鎢絲裂點形成的主要原因是鎢絲表面殘余應力，當鎢絲表面殘余應力大于晶粒和晶粒之間的結合力時，裂點就形成了，通過提高加工溫度、退火溫度和增加退火點可以有效減小鎢絲的表面殘余應力，減少裂點發(fā)生的幾率；

(3) 旋鍛階段方案四和拉絲階段方案4-1以及旋鍛階段方案五和拉絲階段方案5-1組合，可以生產(chǎn)出低裂點的鎢絲。