在原料中掺入K和Al,不能获得抗震钨丝,但是其产品能获得极好的加工性能;掺入K和Si,能获得只有极少量的中等抗震钨丝;掺入K、Si和Al,其产品能获得极佳的抗震性能,这是为什么呢?

早在上个世纪70年代初,国外专家提出了抗震钨丝钾泡弥散强化学说,但是这种学说还是一种唯象的理论。比如,钾泡的本质是什么?钾泡如何分裂,又以什么机制形成?分裂的钾泡个数受什么因素控制?钾泡在材料高温蠕变中的作用是什么?粗、细掺杂钨丝再结晶行为有无本质的不同?等等。这些基本问题缺乏可靠的实验依据和深入的理论分析。

近年来,国内外有关专家对掺杂钨丝的烧结过程中钾泡的产生、热加工过程中钾泡的特征以及钾泡在抗震钨丝中的作用进行了深入的研究。

1、掺杂元素K、Si、Al的作用

(1)在原料中掺入Si,大部分Si以硅酸盐或钨酸盐的形式保留在氧化钨的表面上,它有利地保持了氧化层的疏松性和还原期间水分的渗透性,这样有利于掺杂均匀,同时也有利于获得所必需的钾。这些盐极容易被HF酸洗去;

(2)掺入Al,铝在还原过程中大幅度地提高钨粉中钾的含量,能获得优质的抗震钨丝;

(3)掺入K,是为了最终产品———抗震钨丝能获得钾泡,钾泡的弥散化可以明显地降低钨丝的低温脆性,减少钨丝劈裂,使其钨丝获得极佳的抗震性能。

2、掺杂压坯在烧结过程中的变化

掺杂钨粉经过压制成型后进行烧结,在烧结过程中主要发生以下3个阶段的变化:

第一阶段是使压坯致密化,以达到适于机械热加工的密度和晶粒结构。

第二阶段是调整压坯的化学性质,包括K、Si、Al以及填隙浓度等,使压坯更加适于机械加工。

第三阶段是由于压坯中含有铝硅酸钾(或硅酸铝钾),它能在烧结过程中产生钾泡。

钾泡的产生同烧结过程一样,也主要分为3个阶段:

第一阶段是压坯中的铝硅酸钾(或硅酸铝钾)迁移到烧结第一阶段形成的孔隙颈部。

第二阶段是铝硅酸钾(或硅酸铝钾)分解成低价氧化物,低价氧化物通过与表面连通的孔隙而挥发掉,在此阶段大多数铝和硅在进入固熔体之前就从与表面连通的孔隙中蒸发掉了。在第一和第二烧结阶段期间,钾仅位于亚微米球形孔隙中。

第三阶段是氧从小的球形孔隙中而钾从亚微米孔隙中扩散到不规则大孔隙中,钾保留在钨基体的小球形孔隙和不规则大孔隙中,当钾扩散到大孔隙中时,其蒸气压力会阻碍这些孔隙的进一步收缩,使其致密化受到限制。

3、烧结后压坯在热加工过程中钾的变化

掺杂钨压坯烧结后,经过一系列热加工时,含钾的孔隙会变长成椭圆形,椭圆直径随热加工的延续而变小,当含这些椭圆孔隙的掺杂钨制品退火时,这些椭圆孔隙将会破裂成一排排球形小气泡,或者它们收缩成单个气泡,这就形成了钾泡。当钾泡形成后,它们就会增大至平衡尺寸为止。钾泡中的钾在高温下呈蒸气态充满整个钾泡,而在低温下则以结晶态的薄层沉积在钾泡的内壁上。

总之,掺杂钨压坯烧结的主要特征是因含掺杂剂的还原钨粉中亚微米空隙,它使掺杂钨压坯产生钾泡。与钾泡的产生有关联的化学性质对掺杂钨压坯的性能、钾浓度、钾泡分布、晶粒结构与密度,以及形成最终产品的性能都产生十分重要的影响。除了钾泡的影响外,掺杂烧结钨坯压坯的密度和显微结构也是很重要的。因此,这些问题还有待进一步深入地探讨和研究。

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抗震钨丝以掺杂钨为基础,添加微量的稀有金属元素,以获更好的高温延展性和抗震性能。

抗震钨丝可分为3类:

一是纯粹掺杂Si、Al、K元素的抗震钨丝,该抗震钨丝的组织结构好,高温下垂性值小。

二是在掺杂Si、Al、K元素基础上再添加微量的Fe或Co元素,对抗震钨丝耐高温、抗下垂性能有所改良。

三是在掺杂Si、Al、K元素基础上再添加少量的Re元素而形成的钨铼合金丝等。含铼量低的钨铼合金抗震钨丝具有良好的组织结构、高的再结晶温度、高的电阻率、高的塑性和延伸率等优异特性。

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制取抗震钨丝所用原料有仲钨酸铵(APT)、偏钨酸铵(AMT)以及蓝钨(TBO)。

比较用这3种原料掺杂制得的抗震钨丝表明,由于蓝钨具有化学性高、掺杂效应好、比表面积大、还有速率快等优点,用蓝钨掺杂可以进一步地改善钨丝的抗下垂性能,因此,目前工业上普遍采用蓝钨进行掺杂制取抗震钨丝。

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抗震钨丝是根据其钨丝所具有的常温和高温抗震特性而命名的,它是在钨粉中掺入K、Si和Al等元素制备而成的。它是钨丝材料中具有特殊性能的一类产品,它不仅具有普通钨丝的高温抗下垂性能、良好的绕制性能,而且还具有极高的抗震和抗冲击的性能。

抗震钨丝主要应用于震动环境下的照明系统,比如,各种交通照明灯、军事用途的特种灯泡、航空航天发动机用加热丝等,其中用量最大的是汽车、摩托车、拖拉机、飞机的照明灯。据统计,按每辆汽车平均需要2米长的抗震钨丝计算,全世界每年新增汽车115亿辆,就需要3亿米。另外,全世界现有各种交通工具每年更换的车灯估计需要用10亿米以上的抗震钨丝,因此,仅汽车方面每年全世界用量至少在18亿米以上。抗震钨丝的另一个重要应用领域是各种显象管用阴极加热丝,每年消耗也至少在6亿米以上。随着世界汽车、电子工业等行业的发展,这些数字每年都在扩展。据统计,1999年国内市场需求量为214亿米,按每年8%的增长率计算,到2005年国内需求量将达到318亿米,其产值将由1999年的314亿元增长到2005年的514亿元左右

但是,随着社会的发展和科学技术的进步,对抗震钨丝的质量也提出了更为严格的要求。一般工艺生产的抗震钨丝,在高温工作时,其抗震性能不理想,钨丝的成形性较差,绕制双螺旋灯丝时易断丝,灯丝易变形且光度分布不均。因此,优化生产过程、改进生产工艺,以制取高温性能好、加工和绕丝性能优良的抗震钨丝具有重要的现实意义。

由此可见,抗震钨丝的开发和研究在国内外具有无限广阔的市场前景。

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