Volframilangan ominaisvastus on 5,3*10^-8. Volframilla on korkea sulamispiste, korkea resistiivisyys, hyvä lujuus ja alhainen höyrynpaine. Se on kaikkien puhtaiden metallien joukossa paras materiaali hehkulankojen valmistukseen. Volframi on kuitenkin kovaa ja hauras, mikä vaikeuttaa sen käsittelyä. Kun virta kulkee volframilangan läpi ja kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan, myös volframilangan resistanssiarvo kasvaa tiettyyn arvoon (yleensä metallilangan resistanssiarvo kasvaa lämpötilan noustessa). Vuonna 1909 Coolidge keksi volframifilamenttien käsittelytekniikan, jolla oli ratkaiseva rooli hehkulamppujen tuotannossa ja edistämisessä. Sen perusperiaatteita käytetään edelleen.
Suurin osa volframilangan tuotannosta käyttää raaka-aineena ammoniumparatungstaattia (APT). Yleinen prosessi on paahtaa ammoniumparavolframi volframitrioksidiksi ilmassa noin 500 asteessa tai pelkistää se hieman siniseksi volframioksidiksi vedyssä noin 450 asteessa. Volframifilamentin valmistamiseksi hehkulamppujen filamenteille on sekoitettava pieni määrä kaliumoksidia, piioksidia ja alumiinioksidia volframitrioksidin tai sinisen volframioksidin kanssa. Näiden kolmen kokonaismäärä ei ylitä yhtä prosenttia. Tämä on Bazin vuonna 1922 keksimä volframi. Silkkidopingprosessi. Seostettu volframioksidi pelkistetään metalliksi volframijauheeksi vetykaasulla. Pelkistysprosessi suoritetaan yleensä kahdessa vaiheessa: ensimmäinen vaihe pelkistetään volframidioksidiksi (ruskea volframioksidi) noin 630 asteessa ja toinen vaihe pelkistetään metalliseksi volframijauheeksi noin 820 asteessa. Kaksivaiheisen pelkistyksen tarkoituksena on antaa lisätyn kaliumin täysi vaikutus ja kontrolloida jauheen hiukkaskokoa. Tällä tavalla saatu seostettu volframijauhe puristetaan sitten pitkänomaisiksi neliömäisiksi tankoiksi erityisessä muotissa. Neliönmuotoinen tanko on vedyllä jännitteellä ja sintrattu käyttämällä itsevastuslämmitystä (lämpötila saavuttaa noin 3000 astetta). Sintrauksen jälkeen volframitangon tiheys voi olla yli 85 % teoreettisesta arvosta. Tällainen volframinauha voidaan jalostaa halkaisijaltaan noin 3 mm:n volframitangoiksi pyörivällä takomalla ja sitten edelleen työstää eripaksuisiksi volframilangoiksi stanssaamalla. Esimerkiksi 220 V, 15 W hehkulampussa käytetyn volframilangan halkaisija on noin 15 µm, kun taas 10 000 W bromivolframilampussa käytetyn volframilangan halkaisija on noin 1,25 mm. Ohuemmat volframilangat, kuten 220 V, 10 W hehkulamppujen volframilangat, joiden halkaisija on noin 12 µm, on valmistettava elektrolyyttisellä korroosiolla.
Kun volframilangan halkaisija saavuttaa mikronitason, sen halkaisijaa on vaikea mitata tarkasti tavanomaisilla jarrusatulalla. Sen vuoksi kansainvälisesti halkaisijaltaan alle {0}},2 mm olevan volframilangan paino ilmaistaan yleensä 200 mm:n pituiseksi leikatun lankasegmentin painona. Esimerkiksi edellä mainitun 15 W hehkulampun volframilangan halkaisija voidaan ilmaista arvolla 0,679 mg/200 mm.
Käyttöteho
①Korkean lämpötilan suorituskyky. Hehkulampuissa käytettävän volframilangan käyttölämpötila on usein 2300-2800 astetta. Yleensä mitä suurempi polttimon teho, sitä korkeampi hehkulangan käyttölämpötila. Voidaan nähdä, että filamentin työlämpötila ylittää huomattavasti volframifilamentin uudelleenkiteytyslämpötilan. Tällä hetkellä kahden koukun välinen filamenttisegmentti putoaa oman painonsa vaikutuksesta. Vaikeissa tapauksissa hehkulanka voi roikkua, kunnes se törmää polttimon lasikuoreen. Seostetuille volframilangoille, jotka sekoitetaan pieneen määrään kalium-, pii- ja alumiinioksideja volframin jauhemetallurgiaprosessin aikana, vaikka pii- ja alumiinipitoisuus lopullisessa valmiissa langassa on vain muutama miljoonasosa, kalium on vain kymmeniä miljoonasosia, mutta tästä seostetusta volframifilamentista tehdyn filamentin taipumista voidaan parantaa huomattavasti. Syynä on se, että seostetun volframilangan ja seostamattoman volframilangan uudelleenkiteytetyssä kiderakenteessa on suuri ero. Seostamattoman volframilangan uudelleenkiteytetty kide on pohjimmiltaan tasaakselinen kide, kun taas seostetun volframilangan uudelleenkiteytetty kiderakenne on pitkä kaistale karkeista rakeista, jotka menevät päällekkäin. Metallimateriaalien korkean lämpötilan virumateorian näkökulmasta tämän paksun ja pitkän päällekkäisen rakenteen uudelleenkiteytetty kiderakenne voi parantaa huomattavasti sen kykyä vastustaa painumista korkeissa lämpötiloissa. 1970-luvulla tehdyn transmissioelektronimikroskoopin ja Auger-energiaspektrometrin tutkimus- ja analyysisarjan mukaan osoitettiin, että seostetun volframilangan ainutlaatuisen paksun ja pitkän limityksen rakenteen uudelleenkiteytetyn kiderakenteen muodostuminen liittyy läheisesti sisältöön. seostetusta volframilangasta. Kalium liittyy läheisesti toisiinsa. Seostetuissa volframinauhoissa jäljelle jääneet kaliummäärät muodostavat käsittelyn aikana langan akselin suuntaisia kaliumkuplarivejä, jotka estävät rakeiden sivuttaiskasvua uudelleenkiteytysprosessin aikana muodostaen näin paksun ja pitkän päällekkäisrakenteen.
Hehkulamppujen lankojen painuminen ei liity ainoastaan lisättyjen elementtien pitoisuuteen ja käsittelytekniikkaan seostettuun volframifilamenttiin, vaan myös käsittelytekniikkaan hehkulangan valmistusprosessin aikana. Volframilanka säilyttää suuren määrän sisäistä jännitystä vedettäessä se valmiiseen filamenttiin, ja kun se kierretään filamentiksi, syntyy uusia sisäisiä jännityksiä, jotka aiheuttavat epätasaista muodonmuutosta volframilangan poikkileikkaukseen. Nämä sisäiset jännitykset on poistettava kokonaan ennen kuin hehkulanka asennetaan polttimoon. Muuten hehkulanka vääntyy, vääntyy ja painuu, kun polttimo alkaa syttyä. Hehkulangan painuminen heikentää huomattavasti polttimon valotehokkuutta.
② Huonelämpötilan suorituskyky. Volframilangan suorituskyky huonelämpötilassa näkyy langan käämityksen suorituskyvyssä. Volframilangan pitkän prosessointivirtauksen vuoksi, jos prosessin hallinta ei ole hyvä, volframilangasta voi helposti muodostua monia pieniä halkeamia tai tulla paikallisesti hauraiksi, jolloin se on helppo rikkoutua käämityksen aikana. Halkeamien aiheuttama käämilangan murtuma näkyy viiksien muodossa, kun taas langan haurauden aiheuttama murtuma näkyy kidetasojen muodossa.
③ Langan halkaisijan johdonmukaisuus. Volframilangan halkaisijan huono konsistenssi on tärkeä syy hehkulamppujen valosähköisten parametrien liiallisille poikkeamia, ja jotkut vaikuttavat myös polttimon käyttöikään.
Kehityshistoria
Volframifilamenttiteollisuuden kehitys on ollut alusta asti kiinteästi sidoksissa lampputeollisuuteen. Lähes 30 vuoden tutkimuksen jälkeen brittiläinen sähköinsinööri Joseph Swan valmisti joulukuussa 1878 tyhjiölampun, joka käyttää hiilikuituja energianlähteenä ja valon lähettämiseen. Tällaisessa hehkulampussa on kuitenkin vakavia puutteita, lähinnä sen lyhyt käyttöikä. Lokakuussa 1879 Edison valmisti menestyksekkäästi hehkulamppua käyttämällä hiilikuitua hehkulangana. Lähes 20 vuotta myöhemmin (1897) hiililanka korvattiin osmiumlangalla ja tantaalilangalla. Kuitenkin Os:n ja Ta:n alemmista sulamispisteistä johtuen käyttölämpötila ja valotehokkuus olivat alhaisia.
Vuonna 1879 Edison kokeili hiilifilamenttia ja käytti sitä satoja tunteja. Vaikka "hiilellä" on erittäin korkea sulamispiste (3550 astetta), sillä on alhainen "sublimaatio" lämpötila. Se sublimoituu suoraan kiinteästä tilasta kaasumaiseen matalissa lämpötiloissa, joten se kuluu helposti ja sillä on lyhyt käyttöikä. Ja sen on oltava täysin eristetty ilmasta (se palaa ilmassa). Tällä hetkellä käytetään lähes kaikkia volframilankoja, joiden sulamispiste on (3410 astetta). Etuna on, että sen "sublimaationopeus" on alhaisempi, kun se on alhaisempi kuin sulamispiste. Siksi se voidaan lämmittää korkeampaan lämpötilaan kuin "hiilifilamentti". Volframifilamentti palaa myös ilmassa, joten lamppu on tyhjennettävä.
Hehkulangan sublimoitumisen välttämiseksi polttimoon ruiskutetaan inerttejä kaasuja. Nämä kaasut ovat pääasiassa argonia eivätkä sisällä happea. Osittain höyrystyneet volframiatomit voivat palata filamenttiin törmäyksen kautta. Vaikka inertti kaasu pidentää hehkulangan käyttöikää, se tekee sen kustannuksin. Inertin kaasun läsnäolo alkuperäisessä alipainelampussa lisää lämmönjohtavuutta ja konvektiota, vie energiaa ja alentaa siten tasapainolämpötilaa. Sublimoitu volframikaasu muodostaa heikkoja hiukkasia inertissä kaasussa ja muodostaa myös mustia pisteitä sipulin sisäpinnalle konvektion kautta.
Vuonna 1903 Unkari tuotti ensimmäisen kerran volframifilamentteja A. Justin ja F. Hannamanin patenttien perusteella. Se lämmittää vapaata vetyä sisältävän volframioksihalogenidihöyryn hiililangan korkeaan lämpötilaan sähkövirran avulla, jolloin hiili korvautuu kokonaan volframilla. Tällä tavalla valmistettu hehkulanka sisältää enemmän tai vähemmän hiiltä, joka ei ole vain melko hauras, vaan myös tiivistyy polttimoa käytettäessä, joten hehkulangan sähköiset parametrit muuttuvat.
Vuonna 1904 Jester ja Hannamen tunnistivat hiilen vaikutuksen haurauteen, sekoittivat hiilettömän sideaineen volframiyhdisteen kanssa, suulakepuristivat sen filamenteiksi ja kuumensivat sitten vedyssä sen pelkistämiseksi metalliksi. Tällä menetelmällä valmistettu volframilanka on erittäin hauras, mutta koska sen valoteho on paljon parempi, se on korvannut hiililangan, osmiumlangan ja tantaalilangan hehkulamppujen valmistuksessa.
Mikään yllä olevista menetelmistä ei voi valmistaa hienoa volframilankaa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin vuonna 1907 volframiseos, jossa oli alhainen nikkelipitoisuus. Se valmistettiin mekaanisesti, mutta sen voimakas hauraus esti sen käyttöä. Vasta vuonna 1909 yhdysvaltalainen General Electric Companyn WD Coolidge valmisti jauhemetallurgian avulla volframiaihioita ja käytti sitten mekaanista käsittelyä huoneenlämpötilassa sitkeiden volframilankojen tuottamiseen, mikä loi perustan volframilangan jalostusteollisuudelle. Perustus loi pohjan myös jauhemetallurgialle.
Tämä "muovattava" volframifilamentti osoittaa kuitenkin merkittävää haurautta sen jälkeen, kun polttimo on sytytetty. Vuonna 1913 Pintsch keksi toriaattisen volframifilamentin (ThO2-pitoisuus 1–2 %), mikä vähensi huomattavasti hehkulankojen haurautta. Aluksi hehkulangan painuminen (katso volframifilamentin painumisenestokyky) ei ollut ongelma, koska filamentti oli tällä hetkellä suora filamentti, mutta vuoden 1913 jälkeen Langmuir muutti suoran filamentin spiraalilangaksi, joten että kun hehkulamppu Käytön aikana korkea käyttölämpötila ja kuollut paino aiheuttavat hehkulangan painumisen, mikä vaikeuttaa sekä puhtaan volframin että toraattivolframin täyttämistä käyttövaatimuksiin.
Ratkaistakseen volframilangan painumisen ja lyhyen käyttöiän ongelmat A. Pacz keksi vuonna 1917 volframilangan, joka "ei muodonmuu" korkeissa lämpötiloissa. Aluksi hän käytti tulenkestävää upokasta WO3:n paahtamiseen valmistaessaan puhdasta volframia. Hän huomasi vahingossa, että WO3:a pelkistämällä saatu volframijauheesta valmistettu volframilankaspiraali ei enää salaperäisesti painu uudelleenkiteytymisen jälkeen. Myöhemmin 218 toistuvan kokeellisen tarkastuksen jälkeen hän lopulta huomasi, että volframilanka, joka oli valmistettu lisäämällä kalium- ja natriumsilikaatteja volframihappoon (WO3·H2O), pelkistämällä, puristamalla, sintraamalla, prosessoimalla jne., muodosti huomattavan määrän volframilankaa sen jälkeen, kun uudelleenkiteytys. Karkea jyvärakenne ei ole pehmeä eikä notkea. Tämä on aikaisin painumaton volframilanka. Perthin löytö loi pohjan painumattoman volframilangan tuotannolle. Tähän päivään asti Yhdysvallat kutsuu edelleen painumatonta volframilankaa "218 volframilangaksi" tämän tärkeän Perthin löydön muistoksi.
Varhaisimmat valmistetut volframilangat, jotka eivät painuneet, olivat kuitenkin hauraampia kuin torioituneet volframifilamentit, joten jotkin hehkulamppujen valmistajat vaativat torioitujen volframifilamenttien käyttöä filamentteina. Kuitenkin jatkuvasti kehitetyn ja parantavan notkahtamattomien volframifilamenttien valmistusprosessia, ihmiset vähitellen ymmärsivät, että K-, Si- ja Al-yhdisteiden lisääminen volframioksidiin samanaikaisesti voi saada volframifilamentille hyvän painumisenestokyvyn korkeissa lämpötiloissa, ja samaan aikaan, toistuvan kiteytymisen jälkeen, sillä on tyydyttävä huoneenlämpötilan sitkeys. Tätä ihmiset kutsuvat usein "AKS-volframilangaksi", toisin sanoen "jokamattomaksi volframilangaksi" tai "seostetuksi volframilangaksi". T. Millner kutsui tätä parannettua notko-ilmiötä vuonna 1931 "GK-efektiksi".
