The Inside Dope на легирующих добавках и перекристаллизации проволоки

Почему важны высокие температуры рекристаллизации в вольфрамовой, молибденовой и других проволоках

В Metal Cutting нам часто задают вопросы о вольфрамовой проволоке и присадках. В частности, люди спрашивают, почему вольфрамовая проволока до сих пор легирована для других применений, кроме ламп накаливания. В конце концов, зачем приобретать продукт, содержащий то, что вам не нужно и, возможно, не нужно?

Почему сначала легировали вольфрамовую проволоку?

До появления светодиодов и компактных люминесцентных ламп примеси в вольфрамовой проволоке были нужны каждому — если не как производителю, то как потребителю или пользователю вольфрамовых ламп накаливания.

Это связано с тем, что примеси в нитях вольфрамовой проволоки ламп обеспечивают сопротивление деформации, что позволяет этим лампочкам работать должным образом. Без присадок лампы накаливания прогибались бы при высокой рабочей температуре, вызывая искрение и выход из строя нити накала.

Если бы легирующие примеси не позволяли производить непрогибающуюся вольфрамовую проволоку, у нас не было бы ламп накаливания со всеми их преимуществами — по крайней мере, до появления новых технологий, с помощью которых сейчас производятся эти вольфрамовые лампочки. устарело.

Как работают присадки?

Легирующие примеси повышают устойчивость к провисанию чистой (нелегированной) вольфрамовой проволоки для использования в лампах накаливания при высоких температурах. Этого эффекта можно добиться несколькими различными способами, но в основном вольфрамовая проволока легируется на этапе смешивания порошка, а калий и другие элементы — обычно оксид алюминия и кремний — добавляются к оксиду вольфрама.

Эти другие элементы выделяют газ, а калий остается, действуя как волшебные «шариковые подшипники», которые смазывают и служат своего рода буфером между удлиненными микроструктурами зерен чистого тянутого вольфрама.

Ключевым преимуществом является то, что добавка калия повышает температуру рекристаллизации вольфрамовой проволоки. Это придает проволоке свойства не прогибаться и эффективно устраняет склонность проволоки из чистого вольфрама к провисанию при нагреве до температуры накаливания.

По мере того, как материал сильно вытягивается в проволоку, переплетающиеся зерна становятся длиннее, а примесь калия растекается. При нагревании он испаряется в линейный массив крошечных (субмикронных) пузырьков. По мере того, как ряды пузырьков становятся тоньше и длиннее по мере увеличения деформации, температура рекристаллизации повышается, а взаимосвязанная структура становится более выраженной.

Эта структура предотвращает скольжение по границе зерен и придает легированной вольфрамовой проволоке ее свойства против провисания, что эффективно устраняет склонность чистого вольфрама к разрушению при намотке и нагреве до температуры накаливания.

Как добавки влияют на температуру рекристаллизации?

С технической точки зрения, технически чистая (нелегированная) вольфрамовая проволока имеет температуру рекристаллизации до 2201-2552°F (1205-1400°C). Однако вольфрамовая проволока, легированная оксидом алюминия, кремнием и калием, характеризуется температурами рекристаллизации выше 3272°F (> 1800°C) и выше с повышенным содержанием калия.

То же правило перекристаллизации справедливо и для других тугоплавких металлов, используемых для изготовления проволоки. Например, температура, при которой имеющийся в продаже молибден полностью рекристаллизуется за один час, составляет 2012ºF (1100°C). Молибден, легированный калием и кремнием, рекристаллизуется при температуре 1200–1800 °C (2192–3270 °F) в зависимости от способа восстановления материала.

Почему бы не добавить как можно больше легирующей примеси?

Если калий (и другие присадки) так хорош для предотвращения провисания и поломки, а высокая рекристаллизация — это хорошо (подробнее об этом позже), то почему этого не делают производители вольфрама — и осветительная промышленность, которая поддерживала их на протяжении стольких лет? — использовать максимальное количество калия в процессе легирования? В конце концов, калий как элемент широко распространен в природе и стоит недорого.

Реальность такова, что добавление слишком большого количества легирующей примеси может привести к чрезмерным поломкам при производстве вольфрамовой проволоки, что приведет к снижению выхода продукции.

Как это ни парадоксально, хотя калий предотвращает разрыв провода в течение срока его службы в качестве нити накала вольфрамовой лампочки, он создает возможности для обрыва в процессе волочения провода. А поломка прерывает производственный процесс, вызывая задержки и повышая затраты.

Для тех, кому все еще небезразлично — а нам в Metal Cutting это важно, потому что мы режем, шлифуем и продаем много вольфрама, как в виде проволоки, так и во многих других формах — управление уровнями легирующих примесей является важным опытом. Это навык, который имеет решающее значение для производства проволоки с самой высокой температурой рекристаллизации по разумной цене.

Каковы плюсы и минусы легирования при более высоких температурах рекристаллизации?

Обработанные для получения более высокой температуры рекристаллизации, чем в чистом состоянии, вольфрамовые, молибденовые и другие проволоки могут оставаться пластичными при комнатной температуре и при очень высоких рабочих температурах. Полученная в результате удлиненная многослойная микроструктура также придает легированной проволоке такие свойства, как хорошее сопротивление ползучести, стабильность размеров и более легкую механическую обработку по сравнению с чистым (нелегированным) продуктом.

Обратная сторона заключается в том, что при перекристаллизации вы делаете вольфрамовую (или другую металлическую) проволоку хрупкой, что требует ее последующего отжига, чтобы вернуть вольфрамовой проволоке желаемую прочность. Отжиг изменяет свойства материала, повышая его пластичность и делая его более пригодным для обработки. Он включает нагрев материала в печи для отжига до температуры выше температуры рекристаллизации материала, поддержание подходящей температуры и последующее охлаждение.

Если вы не отожжете проволоку, когда вы впоследствии доведете ее до температуры рекристаллизации или выше ее во время волочения, проволока сломается, что в конечном итоге приведет к выходу из строя продукта, в котором используется проволока.

Итак, почему в вольфрамовой проволоке до сих пор присутствуют примеси?

Если свойства рекристаллизации хорошо понимают те немногие, кто использует ее для изготовления вольфрамовых нитей накала для ламп (само по себе это отдельная тема), хорошо понимают свойства рекристаллизации, это возвращает нас к исходному вопросу:почему примеси до сих пор обычно используются в вольфрамовой проволоке?

Все еще есть производители продуктов, для которых повышенные температуры являются неотъемлемой частью их приложений и использования вольфрамовой проволоки, например, в трубках бегущей волны или печах для осаждения алмазов. Для этих предприятий температура рекристаллизации вольфрамовой проволоки остается критически важной, даже несмотря на то, что на их рабочих местах отсутствуют последние остатки ламп накаливания.

Некоторые производители используют вольфрамовую проволоку при повышенных температурах, но не приближающихся к рекристаллизации, для таких продуктов, как электроды, электроника и медицинские изделия. Для других производителей, которые используют вольфрамовую проволоку в механических приложениях, например, в датчиках, работающих при комнатной температуре, наличие примесей и свойства рекристаллизации не имеют значения.

Сколько легирующей примеси используется?

Фактическое количество легирующей примеси в вольфрамовой, молибденовой или другой проволоке является частью «секретного рецепта», специфичного для каждого производителя или поставщика. Как компания, которая десятилетиями поставляет специализированную продукцию из вольфрамовой и молибденовой проволоки, Metal Cutting имеет свои секреты.

Мы можем поделиться с вами тем, что рецепт присадки обычно содержит 50-90 частей на миллион калия. Тем не менее, это гораздо больше рецепта — и гораздо больше опыта, необходимого для управления уровнями легирующих примесей и температурами рекристаллизации.

Для получения дополнительной информации о вольфрамовой проволоке и ее свойствах загрузите наше бесплатное руководство Вольфрамовая проволока 101:обзор уникально полезного материала .