A wolframhuzal fajlagos ellenállása 5,3*10^-8. A volfrám magas olvadásponttal, nagy ellenállással, jó szilárdsággal és alacsony gőznyomással rendelkezik. Ez a legjobb anyag az összes tiszta fém közül az izzószálak készítéséhez. A wolfram azonban kemény és törékeny, ami megnehezíti a feldolgozását. Amikor az áram áthalad a volfrámhuzalon, és egy bizonyos hőmérsékletre felmelegszik, a volfrámhuzal ellenállási értéke is megnő egy bizonyos értékre (általában a fémhuzal ellenállásértéke a hőmérséklet emelkedésével nő). 1909-ben Coolidge feltalálta a wolframszálas feldolgozási technológiát, amely döntő szerepet játszott az izzólámpák gyártásában és népszerűsítésében. Alapelveit ma is alkalmazzák.
A wolframhuzalgyártás nagy része ammónium-paravolframátot (APT) használ nyersanyagként. Az általános eljárás az ammónium-paravolframát volfrám-trioxiddá pörkölése levegőn körülbelül 500 fokon, vagy hidrogénben körülbelül 450 fokon enyhén redukálva kék volfrám-oxiddá. Az izzólámpa izzószálaihoz való wolframszál készítéséhez kis mennyiségű kálium-oxidot, szilícium-oxidot és alumínium-oxidot kell összekeverni volfrám-trioxiddal vagy kék volfrám-oxiddal. A három együttes összege nem haladja meg az 1%-ot. Ezt a wolframot Baz találta fel 1922-ben. Selyemdopping eljárás. Az adalékolt volfrám-oxidot hidrogéngázzal fémes volfrámporrá redukálják. A redukciós eljárást általában két lépésben hajtják végre: az első lépésben körülbelül 630 fokon volfrám-dioxiddá (barna volfrám-oxiddá) redukálják, a második lépést pedig körülbelül 820 fokon fémes volfrámporrá redukálják. A kétlépcsős redukció célja, hogy a beépített kálium teljes mértékben kifejtse hatását és szabályozza a por szemcseméretét. Az így kapott adalékolt wolframport ezután speciális formában hosszúkás, négyzet alakú rudakká préselik. A négyzet alakú rudat hidrogénnel táplálják, és önellenállásos fűtéssel szinterelik (a hőmérséklet eléri a 3000 fokot). Szinterezés után a volfrámrúd sűrűsége elérheti az elméleti érték több mint 85%-át. Ezt a fajta volfrámszalagot rotációs kovácsolással körülbelül 3 mm átmérőjű volfrámrudakká lehet feldolgozni, majd sajtolóhúzással különböző vastagságú volfrámhuzalokká lehet feldolgozni. Például a 220 V-os, 15 W-os izzólámpákban használt wolframszál átmérője körülbelül 15 µm, míg az 10 000 W-os bróm wolfram lámpában használt wolfram izzószál átmérője körülbelül 1,25 mm. A vékonyabb volfrámhuzalokat, például a 220 V-os, 10 W-os izzólámpák körülbelül 12 µm átmérőjű volfrámhuzalait elektrolitikus korrózióval kell előállítani.
Amikor a volfrámhuzal átmérője eléri a mikron szintet, nehéz pontosan megmérni az átmérőjét hagyományos tolómérőkkel. Ezért nemzetközi viszonylatban a {{0}},2 mm-nél kisebb átmérőjű volfrámhuzal tömegét általában a 200 mm-es hosszra vágott huzalszakasz tömegével fejezik ki. Például a fent említett 15 W-os izzólámpa volfrámhuzalának átmérője 0,679 mg/200 mm-rel fejezhető ki.
Használati teljesítmény
① Magas hőmérsékletű teljesítmény. Az izzólámpákban használt wolframszálak üzemi hőmérséklete gyakran 2300 és 2800 fok között van. Általában minél nagyobb az izzó teljesítménye, annál magasabb az izzószál üzemi hőmérséklete. Látható, hogy az izzószál üzemi hőmérséklete messze meghaladja a wolframszál átkristályosodási hőmérsékletét. Ekkor, saját súlyának hatására, a két horog közötti izzószál szegmens leereszkedik. Súlyos esetekben az izzószál leereszkedhet, amíg össze nem ütközik az izzó üveghéjával. Azon adalékolt volfrámhuzalok esetében, amelyeket kis mennyiségű kálium-, szilícium- és alumínium-oxiddal kevernek össze a volfrám porkohászati eljárása során, bár a kész huzal szilícium- és alumíniumtartalma csak néhány milliomod rész, A kálium csak több tíz ppm, de az ebből az adalékolt wolframszálból készült izzószál lehajlása jelentősen javítható. Ennek az az oka, hogy az adalékolt volfrámhuzal és az adalékolatlan volfrámhuzal átkristályosodott kristályszerkezetében nagy különbség van. Az adalékolatlan volfrámhuzal átkristályosított kristálya alapvetően egyentengelyű kristály, míg az adalékolt volfrámhuzal átkristályosított kristályszerkezete egy hosszú, egymást átfedő durva szemcsék csíkja. A fémanyagok magas hőmérsékletű kúszáselmélete szempontjából ennek a vastag és hosszú átfedő szerkezetnek az átkristályosodott kristályszerkezete nagymértékben javíthatja a magas hőmérsékleten történő megereszkedés elleni képességét. Az 1970-es években végzett transzmissziós elektronmikroszkópos és Auger energiaspektrométeres kutatások és elemzések során kimutatták, hogy az adalékolt volfrámhuzalra jellemző vastag és hosszú átfedő szerkezet átkristályosodott kristályszerkezetének kialakulása szorosan összefügg a tartalommal. az adalékolt wolframhuzalból. A kálium szorosan összefügg. Az adalékolt volfrámcsíkokban visszamaradt nyomnyi kálium a feldolgozás során a huzal tengelyével párhuzamos káliumbuboréksorokat képez, ami az átkristályosítási folyamat során akadályozza a szemcsék oldalirányú növekedését, így vastag és hosszú átfedő szerkezet alakul ki.
Az izzószálak megereszkedése nemcsak a hozzáadott elemek tartalmával és a feldolgozási technológiával az adalékolt wolframszálban, hanem az izzószál gyártási folyamata során alkalmazott feldolgozási technológiával is összefügg. A wolframhuzal nagy belső feszültséget tart meg, amikor egy kész szálba húzzák, szálba tekerve pedig a volfrámhuzal keresztmetszetén új, egyenetlen alakváltozású belső feszültségek keletkeznek. Ezeket a belső feszültségeket teljesen meg kell szüntetni, mielőtt az izzószálat az izzóba helyezik. Ellenkező esetben az izzószál megcsavarodik, deformálódik és megereszkedik, amikor az izzó elkezd kigyulladni. Az izzószál megereszkedése jelentősen csökkenti az izzó fényhatékonyságát.
② Szobahőmérsékletű teljesítmény. A wolframhuzal szobahőmérsékletű teljesítménye tükröződik a huzaltekercselési teljesítményben. A volfrámhuzal hosszú feldolgozási folyamata miatt, ha a folyamatkezelés nem megfelelő, könnyen előfordulhat, hogy a volfrámhuzal sok apró repedést okoz, vagy lokálisan törékennyé válik, így a tekercselés során könnyen eltörhet. A tekercshuzal repedések okozta törése bajusz alakban, míg a huzal ridegségéből adódó törés kristálysíkok alakjában jelenik meg.
③ A huzal átmérőjének konzisztenciája. A wolframhuzal átmérőjének gyenge konzisztenciája fontos oka az izzólámpák fotoelektromos paramétereinek túlzott eltérésének, és néhány az izzó élettartamát is befolyásolja.
Fejlődéstörténet
A wolframszálas ipar fejlődése kezdettől fogva szorosan összefügg a villanykörte-iparral. Közel 30 évnyi kutatás után Joseph Swan brit villamosmérnök 1878 decemberében készített egy vákuum izzót, amely szénszálak segítségével energiát ad és bocsát ki fényt. Ennek az izzófajtának azonban komoly hiányosságai vannak, elsősorban rövid élettartama. 1879 októberében Edison sikeresen előállított egy izzólámpát, szénszálat használva izzószálként. Közel 20 évvel később (1897) a szénhuzalt ozmiumhuzalra és tantálhuzalra cserélték. Az Os és Ta alacsonyabb olvadáspontja miatt azonban az üzemi hőmérséklet és a fényhatásfok alacsony volt.
1879-ben Edison szénszálakkal kísérletezett, és több száz órán keresztül használta. Bár a "szén" olvadáspontja nagyon magas (3550 fok), a "szublimációs" hőmérséklete alacsony. Alacsony hőmérsékleten közvetlenül szilárd halmazállapotúvá szublimál, így könnyen fogyasztható és rövid élettartamú. És teljesen el kell szigetelni a levegőtől (leég a levegőben). Jelenleg szinte minden volfrámhuzalt (3410 fokos) olvadáspontú használnak. Előnye, hogy "szublimációs" sebessége kisebb, ha alacsonyabb, mint az olvadáspont. Ezért magasabb hőmérsékletre hevíthető, mint a "szénszál". A wolfram izzószál a levegőben is megég, ezért az izzót ki kell üríteni.
Az izzószál szublimációjának elkerülése érdekében inert gázokat fecskendeznek az izzóba. Ezek a gázok főként argonból állnak, és nem tartalmaznak oxigént. A részben elpárolgott wolfram atomok ütközés útján visszatérhetnek az izzószálba. Bár az inert gáz megnöveli az izzószál élettartamát, ezt költségesen teszi. Az inert gáz jelenléte az eredeti vákuumkörtében fokozza a hővezetést és a konvekciót, energiát von el, és ezáltal csökkenti az egyensúlyi hőmérsékletet. A szublimált volfrámgáz gyenge részecskéket képez az inert gázban, és konvekció révén fekete foltokat képez az izzó belső felületén.
1903-ban Magyarországon A. Just és F. Hannaman szabadalma alapján először gyártottak volfrámszálat. A szabad hidrogént tartalmazó volfrám-oxihalogenid gőzben lévő szénszálat elektromos áram segítségével magas hőmérsékletre melegíti fel, így a szenet teljesen kicseréli volfrám. Az így előállított izzószál több-kevesebb szenet tartalmaz, ami nemcsak eléggé rideg, de az izzó használat közben egyre sűrűbbé is válik, így az izzószál elektromos paraméterei megváltoznak.
1904-ben Jester és Hannamen felismerték a szén ridegségre gyakorolt hatását, szénmentes kötőanyagot kevertek össze volfrámvegyülettel, szálakká extrudálták, majd hidrogénben hevítették, hogy fémmé redukálják. Az ezzel a módszerrel előállított wolframhuzal nagyon törékeny, de mivel fényhatásfoka sokkal jobb, az izzók gyártásához széndrótot, ozmiumhuzalt és tantálhuzalt váltott ki.
A fenti módszerek egyikével sem lehet finom volfrámhuzalt készíteni. Ennek a problémának a megoldására 1907-ben alacsony nikkeltartalmú volfrámötvözetet fejlesztettek ki, amelyet mechanikai megmunkálással készítettek, de alkalmazását súlyos ridegsége akadályozta. Az amerikai General Electric Company cég WD Coolidge cége csak 1909-ben állított elő porkohászat segítségével volfrámtuskákat, majd mechanikai feldolgozást alkalmazva szobahőmérsékleten képlékeny volfrámhuzalokat állított elő, ezzel megalapozva a volfrámhuzal-feldolgozó ipart. Az alapítvány a porkohászatot is megalapozta.
Ez a "képlékeny" volfrámszál azonban jelentős ridegséget mutat az izzó meggyújtása után. 1913-ban Pintsch feltalálta a tóriumozott wolframszálat (ThO2-tartalom 1-2%), amely nagymértékben csökkentette az izzószálak ridegségét. Eleinte az izzószál megereszkedése (lásd a wolframszál megereszkedését gátló teljesítményét) nem okozott gondot, mert az izzószál ekkor egyenes szál volt, de 1913 után Langmuir az egyenes izzószálat spirálszálra cserélte, így hogy amikor az izzó Használat közben a magas üzemi hőmérséklet és a holtsúly miatt az izzószál megereszkedik, ami megnehezíti mind a tiszta volfrám, mind a toriált volfrám megfelelését a használati követelményeknek.
A volfrámhuzal megereszkedésének és rövid élettartamának problémáinak megoldására 1917-ben A. Pacz feltalált egy volfrámhuzalt, amely magas hőmérsékleten "nem deformálódik". Eleinte tűzálló tégelyt használt a WO3 pörkölésére, amikor tiszta volfrámot készített. Véletlenül fedezte fel, hogy a WO3 redukálásával nyert volfrámporból készült volfrámhuzal spirál rejtélyes módon már nem ereszkedik meg az újrakristályosítás után. Ezt követően 218 ismételt kísérleti ellenőrzés után végre felfedezte, hogy a volfrámsavhoz (WO3·H2O) kálium- és nátrium-szilikát hozzáadásával, redukcióval, préseléssel, szintereléssel, feldolgozással stb. készült volfrámhuzal jelentős mennyiségű volfrámhuzalt képez. átkristályosítás. A durva szemcseszerkezet se nem puha, se nem megereszkedett. Ez a legkorábbi nem megereszkedett volfrámhuzal. Perth felfedezése megalapozta a nem megereszkedett volfrámhuzal gyártását. Az Egyesült Államok a mai napig "218 volfrámdrótnak" nevezi a nem megereszkedett volfrámhuzalt, hogy megemlékezzen Perth e fontos felfedezéséről.
Azonban a legkorábban előállított, nem megereszkedett volfrámszálak törékenyebbek voltak, mint a tóriumos volfrámszálak, ezért egyes izzógyártók ragaszkodtak a tóriumos volfrámszálak izzószálként való használatához. A nem megereszkedett volfrámszál gyártási folyamatának folyamatos fejlesztésével és javításával azonban az emberek fokozatosan rájöttek, hogy a K, Si és Al vegyületeinek egyidejű hozzáadása a volfrám-oxidhoz a volfrámszál jó megereszkedés elleni teljesítményt nyújthat. magas hőmérsékleten, ugyanakkor ismételt Kristályosodás után kielégítő szobahőmérsékletű alakíthatósággal rendelkezik. Ez az, amit az emberek gyakran "AKS wolframhuzalnak", azaz "nem megereszkedett volfrámhuzalnak" vagy "adagolt volfrámhuzalnak" hívnak. T. Millner 1931-ben ezt a javított nem-sag hatást "GK hatásnak" nevezte.
