◆钨丝在使用过程中的缺陷分析

　　钨在所有金属材料中具有最高的熔点和低的蒸发率，所以被广泛应用作为照明灯丝。钨丝在室温下属脆性材料，具有最高的强度和硬度，但塑性和韧性较差，在加工过程中很容易发生劈裂或脆断。钨丝也是一种表面缺陷敏感材料，表面划痕、损伤或被杂质元素污染都将大大降低钨丝的强度和韧性。因此，高质量的钨丝是制造高质量灯丝的前提，但是在灯丝制造过程中，如果没有严格的工艺规范，不能有效地注意每一个生产环节将很难制造出高质量的灯丝。下面将灯丝制造过程中常见的主要缺陷问题进行讨论。

1、绕制灯丝过程中断丝

　　绕制灯丝时，钨丝与绕丝设备的丝嘴、抛丝筒等部件发生机械摩擦，受工装夹具的冲击，这样钨丝很容易受到机械损伤：如压扁、压劈裂及擦伤（如图1）。灯丝切断时，刀具不锋利，切口处留有裂纹，裂纹扩展引起丝脚断裂。另外，绕丝设备的精度，芯线配置，反拉力调节都将影响绕丝过程的正常进行。

　　
图1：灯丝受机械损伤

2、灯丝定型后脆断

　　灯丝在未进行定型处理前，具有很高的强度，可经受拉伸、弯曲、扭折等变形。但经过定型处理后，如果发生了再结晶变化，或被杂质元素污染，形成表面扩散层，钨丝强度大大降低，脆性显著提高，出现诸如间隙性拉伸断丝或整批灯丝粉碎性脆断现象。

A、钨丝发生再结晶脆断。定型温度偏高，灯丝局部或大部分已发生再结晶变化（图2）。钨丝发生再结晶变化后，抗拉强度下降50%以上，在常温下性能极脆，不宜进行拉伸、弯曲等冷变形。

图2a：局部再结晶灯丝 图2b：完全再结晶灯丝

B、灯丝表面被杂质元素污染而引起脆断。灯丝在加热定型过程中，由于表面碳、铁、钼等杂质元素存在，容易造成表面污染，形成表面合金扩散层（图3），造成灯丝脆断。同时，由于杂质元素的存在，降低了钨丝的再结晶温度，使钨丝在较低温度下容易发生再结晶变化。

图3：钨丝表面受杂质污染的组织

　　钨与碳850℃开始反应，1000℃以上钨与碳、CO气体发生激烈的化学反应，生成极硬极脆的碳化钨WC和W₂C，钨丝中即使含少量碳化钨也能引起脆断，并显著降低钨丝的导电性。碳的来源主要有二，一是钨丝在拉制过程中必须使用石墨作为润滑剂和保护层，黑钨丝的表面均涂覆着一层石墨。二是绕制灯丝时，钨丝表面沾有油污或其它含碳有机物。因此，湿氢退火处理时，氢气的湿度显得尤为重要。氢气中含有足够的水分，碳在高温下可生成CO₂，CO₂不与钨发生反应。若氢气中水分不足，则生成CO，CO在高温下继续与钨作用生成碳化钨。

C + 2H₂O CO₂↑+2H₂↑ (1)

C + H₂O CO↑+H₂↑ (2)

CO + W WC (3)

　　从灯丝制造工艺过程来看，杂质元素铁的来源主要有三个途径：一是钨丝在绕制灯丝过程中接触的钢铁设备和工具器具；二是清洗时使用自来水，自来水中可能存在Fe^2＋、Fe^3＋离子；三是使用钢芯线，这种危害最大。Fe的存在，当温度超过1100℃时，钨丝表面粘附的Fe将很快扩散到钨晶格内，表面形成FeW合金层，降低钨丝的再结晶温度降低，使钨丝发生局部再结晶而发脆。Fe^2＋、Fe^3＋容易发生水解反应生成〔Fe(OH)₃、Fe(OH)₂〕絮状沉淀物被吸附在灯丝表面，二次定型时被还原为Fe，高温下Fe扩散进入钨晶格内形成脆点。

　　采用钼芯线时，在1600℃温度下钼与钨反应生成异常的结晶组织。高温下钼扩散进入钨表面，造成局部性能和再结晶温度降低，引起应力集中而发生脆断。同时，由于钼的扩散，降低了钨丝的耐高温性能，降低钨丝的发光效率。铝、硅、镍、铜、硫、磷及残留的碱酸盐等其它杂质存在，在高温下都很容易扩散进入钨表面或对钨丝有强烈的腐蚀作用，影响钨丝的性能，在生产过程中必须加以高度重视。

3、使用过程中灯丝变形

　　钨丝经过拉拔变形加工后，呈纤维状显微组织，晶格点阵严重畸变，残余应力较大，内能较高。在绕制灯丝时，由于钨丝经受弯曲、扭折、拉伸等复杂变形，进一步增大了钨丝内部的残余应力，因此，灯丝在装灯使用前需进行定型处理，即通过加热使钨丝发生回复，消除钨丝本身存在的残余应力，使灯丝在退除芯线后外形能保持设计所需的形状。定型处理是灯丝制造的关键工序，定型炉温度的均匀性、稳定性和准确性是关键的技术参数，定型结果的好坏直接影响到灯丝的质量。但在实际生产过程中，经常出现定型后灯丝变形的现象。其原因通常是因为定型温度偏低或温度不均匀造成。温度偏低，灯丝残余内应力未得到有效消除，点灯后，由于温度的升高，残余应力再一次释放，使螺旋松动引起灯丝变形。温度不均，往往是因为连续定型时走丝速度不稳定或炉内温度不均，其结果造成灯丝的残余应力分布不均，最后导致灯丝螺距蔬密不均，降低灯丝的使用寿命。另外，灯丝表面粘附有杂质或灯泡内填充气体不纯，高温下杂质元素与钨发生反应形成异常的再结晶组织，造成灯丝局部强度下降，最后导致螺距间隔混乱而发生灯丝变形或下垂。