压力加工过程对复印机卤素灯用钨丝二次再结晶性能的影响

胡旭

摘要：本文对压力加工对复印机卤素灯二次再结晶性能的影响进行了研究探讨，并通过研究找出了能够改善再结晶组织搭接的方法，最终能够把再结晶之后的横截面晶粒数控制在需要的范围内，通过这种方法来提高卤素灯的使用寿命。

关键词：压力加工；再结晶性能；卤素灯

1.前言

在复印机上使用的卤素灯时当前所有卤素灯系列产品当中较为高端的产品，复印机卤素灯常常用在高端的平板扫描仪上，比如胶片扫描仪，其亮度非常高，预热需要的时间也比较短，而且对卤素灯进行维护以及更换也都相对容易。钨丝灯在使用时的温度可以达到2800摄氏度。在使用钨丝灯的过程中会一直让钨丝灯处于一种从闪到灭的互相交替的工作状态，因此对钨丝有着非常高的性能要求。国产的钨丝和进口钨丝相比，国产的钨丝在点灯之后较为容易下垂，使用寿命不足等缺点。当前国内的高档位卤素灯的市场已经属于了国外公司的专属。为了能够提高我国钨丝产品的竞争能力，扩大国产钨丝在市场中的份额，必须要对我国钨丝会出现高温性能变差的原因进行分析，通过这样的方法来让我国生产的钨丝可以拥有更多的市场份额。在全世界的钨丝产品之中没有任何一种钨丝可以适用于任意一种的灯泡，这就要对钨丝的生产工艺以及加工参数进行更改，通过对这些因素进行改变从而让我过生产的钨丝在各方各面上使用。让我国公司生产出来的钨丝灯能够满足制作卤素灯的需求。本文从加工工艺方面进行探讨，用来找出符合要求的生产工艺。

2.实验用材料和实验用过程

使用在复印机的卤素灯之中的灯丝有着非常多数量的规格，本文主要研究的是直径为0.163mm规格的钨丝，通过对这种规格的钨丝进行加工实验并作两组来进行对比，从而分析处需要的参数。第一组实验的原料主要为K含量40ppm，不均匀分布的钨棒，钨棒要在旋锻之后达到直径9.0mm之后进行高温状态下的退火，并将退火状态的温度设定在2100℃，在这之后再一次进行旋锻，直径5mm时再次进行高温退火，退火温度设定为2250℃。其他的部分则需要根据常规加工工艺将钨丝加工到直径0.4mm，并在进行热处理回复退火之后让钨丝的直径达到0.35mm，再经过6模序拉伸，最后对钨丝进行电解工序和抛光工序，完成之后进行清洗，让钨丝的直径达到0.164mm。

第二组实验的因素选择为控制好的K含量80ppm分布均匀的钨棒，钨棒在经过旋锻之后要将直径保持在9.0mm，然后在2100℃下进行高温退火，之后继续旋锻，达到直径5.0mm，继续退火，退火温度设定为2250℃。其他加工条件均按照标准进行，在完成之后进行电解和抛光，清洗之后让其周长能够达到0.164mm。

3.实验结果分析

将这两个样品烧成灯丝之后进行检测，最后发现第一组钨丝在熔断处发生了收缩变成了球形，出现了这样的情况说明了此处的温度已经超过了钨的熔点，断面上看到的巨大空洞说明在进行测试的时候有杂质从钨丝中排出。除了挥发的杂质，还可以看到较为明显的高温滑移线，此时高温滑移线的分布比较乱，但其余部分晶粒表面较为光滑，没有出现滑移的现象。在能够发现在光滑晶界处发现了因滑移而形成的裂痕，这上面形成了孔洞，导致交界处灯丝横截面积减小，增加了电阻率并导致了热池的形成，在高温以及灯丝自重的共同作用下，导致非常明显的晶界滑移，最后钨丝发生了断裂。

根据国外学者Brian的看法，在钨丝材料中加入一定量的钾，那么它在增长到一定的尺寸之后就不会继续增长。如果空泡当中有大量的钾，那么钾元素会因为压力作用让钾泡膨胀到比临界半径更大，甚至会发生蠕变继续变大，并在高温条件下形成孔洞，最后溢出了材料的表面。所以灯丝在进行测试的时候出现了空洞，出现这样的情况的主要原因应该是材料中的K和杂质分布不均匀。出现这样的情况主要有两种原因：产品在进行拉制之前的分布就不均匀以及在进行点灯和通电的过程当中经过了再结晶组织的转变，晶界的拖拽和高温扩散集中在某个地点，之后通过孔洞形式再挥发出去。在进行测试时分布不均匀的滑移线以及滑移出现的裂纹都说明了材料的再结晶之后的组织不均匀。由此可见，若想要能够获得性能较为良好的灯丝，必须要能够保证成分和其他组织的分布都比较均匀，而且在点灯的过程当中无法形成热池。所以材料的再结晶之后的组织是单晶和平头搭接的外貌，在性能测试时过早地出现了断裂，无法满足质量的需求。

第二组样品在进行正常的性能测试时发生的断丝的情况，断口相对较为平整，断口也找不到熔球，也没发现孔洞等缺陷的存在，而是相对正常的蠕变断裂接口。材料表面的滑移线分布也较为均匀。晶界滑移时出现的空穴以及裂纹的位置也相对较为分散。

经过实验对比，第一组的样品在加工状态时的电阻率要比第二组的样品电阻率高出了7%左右，但是两组样品在结晶态的电阻率基本是相同的，材料的电阻率也可以作为材料内部缺陷多少的表现，材料的电阻率受到点线面三个方面的缺陷数量的影响。在加工状态时，电阻率也可表现材料的加工硬化程度，这也说明了第一组样品在进行加工的时候已经达到极限或者超越了极限，第一组样品在内部积累了相当高的畸变能量，如果继续加工，将会出现断丝的情况。二次再結晶之后的强度要比第一组样品低15%左右。这就说明了第一组样品的组织结构确实比第二组样品更差，在二次结晶之后，点线的缺陷数量大大的降低了，影响到电阻率的主要原因应该是面缺陷的数量，说明了第二组样品的结晶态组织要比第一组样品的结晶态组织更好。

根据上面的实验，我们发现材料良好的高温抗蠕变性能是防止出现晶粒不良搭接的最佳方法。材料进行掺杂的主要原因是为了能够充分发挥K泡的强化作用，让K泡能够在一定程度上对晶界的横向增长进行妨碍，这样就可以形成一定长宽比的燕尾状态搭接组织。在形成了燕尾搭接组织之后就可以让晶界的滑移方式不能够再用平面滑动进行，如果发生了沿晶断裂，就必须要在搭接的晶粒间进行平滑的滑动，或者以这个轴为圆心进行偏转，这就代表着发生晶界变形的阻力增加了，这就相当于提高了晶界的强度。当这个强度和晶粒强度相等时，变形就可能分散在晶粒之内，而并不仅仅出现在晶界处，这种情况下材料的抗蠕变性能就获得了极大程度的强化。于是再结晶组织不会是单晶或者是简单的搭接，而需要用多个结构良好由多个晶粒搭接形成的燕尾搭接。但是，晶粒数应该以怎样的数量最为合适呢。随着晶粒数量的增加，必定会导致晶粒的长宽比降低。根据相关文献的研究，因高温蠕变而出现的空穴数量会随着晶界以及轴向角度的增大而增加。也就是说，晶界越多，抗蠕变性能也就越差，除此之外，根据K泡的自发扩散途径方法的情况来看，横向境界的数量越多，那么从晶内扩散到晶界，再从晶界扩散到表面的距离也就越短，K泡发生偏聚以及遗失的概率也就越大，这会降低抗蠕变性能。所以，在保证了晶粒有着良好搭接的同时，还要保证晶粒的数量必要太多，这就对晶粒的长宽比提出了更高的要求，第二组样品在再结晶之后的外观就很好的表现了这样的平衡。国外的灯泡制作工厂特别关注直径0.02mm钨丝的特性，通常认为再结晶之后20mm长度之上的晶粒数量控制在两个到九个是标准的，最佳状态是三到六个，在这个基础之上把晶粒的数量控制在需求范围之内，在保证了良好的搭接的同时还不会因为晶粒数量过多而导致抗蠕变性能的显著下降。

总结

提高用在复印机上的卤素灯钨丝的抗蠕变性能的最佳方法就是在加工上动手，也就是改善再结晶组织的晶粒搭接结构，并控制再结晶之后的横截面晶粒数，最后在材料中形成结构合理的燕尾状搭接。只要进行这样的加工，就能够很好的保证灯丝的使用寿命的需求。

参考文献：

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