La resistividad del alambre de tungsteno es 5,3*10^-8. El tungsteno tiene un alto punto de fusión, alta resistividad, buena resistencia y baja presión de vapor. Es el mejor material entre todos los metales puros para fabricar filamentos incandescentes. Sin embargo, el tungsteno es duro y quebradizo, lo que dificulta su procesamiento. Cuando la corriente pasa a través del alambre de tungsteno y se calienta a una cierta temperatura, el valor de resistencia del alambre de tungsteno también aumenta a un cierto valor (generalmente, el valor de resistencia del alambre de metal aumenta a medida que aumenta la temperatura). En 1909, Coolidge inventó la tecnología de procesamiento de filamentos de tungsteno, que jugó un papel decisivo en la producción y promoción de las bombillas incandescentes. Sus principios básicos todavía se utilizan hoy en día.
La mayor parte de la producción de alambre de tungsteno utiliza paratungstato de amonio (APT) como materia prima. El proceso general consiste en tostar paratungstato de amonio hasta obtener trióxido de tungsteno en aire a unos 500 grados, o reducirlo ligeramente a óxido de tungsteno azul en hidrógeno a unos 450 grados. Para fabricar filamento de tungsteno para filamentos de lámparas incandescentes, se debe mezclar una pequeña cantidad de óxido de potasio, óxido de silicio y óxido de aluminio con trióxido de tungsteno u óxido de tungsteno azul. El importe total de los tres no supera el 1%. Este es el tungsteno inventado por Baz en 1922. Proceso de dopaje con seda. El óxido de tungsteno dopado se reduce a polvo de tungsteno metálico con gas hidrógeno. El proceso de reducción generalmente se lleva a cabo en dos pasos: el primer paso se reduce a dióxido de tungsteno (óxido de tungsteno marrón) a aproximadamente 630 grados, y el segundo paso se reduce a polvo de tungsteno metálico a aproximadamente 820 grados. El objetivo de la reducción en dos pasos es permitir que el potasio incorporado ejerza plenamente su efecto y controlar el tamaño de las partículas del polvo. El polvo de tungsteno dopado obtenido de esta manera se prensa luego en barras cuadradas alargadas en un molde especial. La barra cuadrada se energiza en hidrógeno y se sinteriza mediante calentamiento por resistencia propia (la temperatura alcanza aproximadamente 3000 grados). Después de la sinterización, la densidad de la barra de tungsteno puede alcanzar más del 85% del valor teórico. Este tipo de tira de tungsteno se puede procesar en varillas de tungsteno con un diámetro de aproximadamente 3 mm mediante forjado rotatorio y luego procesarse en alambres de tungsteno de varios espesores mediante embutición. Por ejemplo, el diámetro del filamento de tungsteno utilizado en una lámpara incandescente de 220 V y 15 W es de aproximadamente 15 µm, mientras que el diámetro del filamento de tungsteno utilizado en una lámpara de tungsteno de bromo de 10000 W es de aproximadamente 1,25 mm. Los alambres de tungsteno más delgados, como los alambres de tungsteno de lámparas incandescentes de 220 V y 10 W con un diámetro de aproximadamente 12 µm, deben fabricarse mediante corrosión electrolítica.
Cuando el diámetro del alambre de tungsteno alcanza el nivel de micras, es difícil medir con precisión su diámetro utilizando calibres convencionales. Por lo tanto, a nivel internacional, el peso del alambre de tungsteno con un diámetro inferior a {{0}}.2 mm generalmente se expresa por el peso del segmento de alambre cortado en una longitud de 200 mm. Por ejemplo, el diámetro del cable de tungsteno de lámpara incandescente de 15 W mencionado anteriormente se puede expresar en 0,679 mg/200 mm.
Rendimiento de uso
①Rendimiento a alta temperatura. La temperatura de trabajo del filamento de tungsteno utilizado en las lámparas incandescentes suele estar entre 2300 y 2800 grados. Generalmente, cuanto mayor sea la potencia de la bombilla, mayor será la temperatura de trabajo del filamento. Se puede observar que la temperatura de trabajo del filamento supera con creces la temperatura de recristalización del filamento de tungsteno. En este momento, bajo la acción de su propio peso, el segmento de filamento entre los dos ganchos caerá. En casos severos, el filamento puede caer hasta chocar con la carcasa de vidrio de la bombilla. Para alambres de tungsteno dopados que se mezclan con una pequeña cantidad de óxidos de potasio, silicio y aluminio durante el proceso de pulvimetalurgia del tungsteno, aunque el contenido de silicio y aluminio en el alambre acabado final es sólo unas pocas partes por millón, el contenido de El potasio es sólo de decenas de partes por millón, pero la caída del filamento fabricado con este filamento de tungsteno dopado se puede mejorar considerablemente. La razón es que existe una gran diferencia en la estructura cristalina recristalizada del alambre de tungsteno dopado y del alambre de tungsteno no dopado. El cristal recristalizado de alambre de tungsteno sin dopar es básicamente un cristal equiaxial, mientras que la estructura cristalina recristalizada del alambre de tungsteno dopado es una larga tira de granos gruesos que se superponen entre sí. Desde la perspectiva de la teoría de la fluencia a alta temperatura de los materiales metálicos, la estructura cristalina recristalizada de esta estructura de superposición larga y gruesa puede mejorar en gran medida su capacidad para resistir la flacidez a altas temperaturas. Según una serie de investigaciones y análisis con microscopía electrónica de transmisión y espectrómetro de energía Auger realizados en la década de 1970, se demostró que la formación de la estructura cristalina recristalizada de la estructura de superposición gruesa y larga exclusiva del alambre de tungsteno dopado está estrechamente relacionada con el contenido. del alambre de tungsteno dopado. El potasio está estrechamente relacionado. Las trazas de potasio que quedan en las tiras de tungsteno dopadas forman filas de burbujas de potasio paralelas al eje del alambre durante el procesamiento, lo que dificulta el crecimiento lateral de los granos durante el proceso de recristalización, formando así una estructura de superposición gruesa y larga.
El combado de los filamentos de las lámparas incandescentes no sólo está relacionado con el contenido de elementos añadidos y la tecnología de procesamiento en el filamento de tungsteno dopado, sino también con la tecnología de procesamiento durante el proceso de producción del filamento. El alambre de tungsteno retiene una gran cantidad de tensión interna cuando se estira hasta formar un filamento acabado, y cuando se enrolla formando un filamento, se generan nuevas tensiones internas de deformación desigual en la sección transversal del alambre de tungsteno. Estas tensiones internas deben eliminarse por completo antes de instalar el filamento en la bombilla. De lo contrario, el filamento se torcerá, deformará y se combará cuando la bombilla comience a encenderse. La flacidez del filamento reducirá seriamente la eficiencia luminosa de la bombilla.
② Rendimiento a temperatura ambiente. El rendimiento a temperatura ambiente del alambre de tungsteno se refleja en el rendimiento del bobinado del alambre. Debido al largo flujo de procesamiento del alambre de tungsteno, si la gestión del proceso no es buena, es fácil que el alambre de tungsteno produzca muchas grietas pequeñas o se vuelva localmente quebradizo, por lo que es fácil de romper durante el bobinado. La fractura del alambre de bobinado provocada por grietas aparece en forma de bigotes, mientras que la fractura provocada por la fragilidad del alambre aparece en forma de planos de cristal.
③Consistencia del diámetro del alambre. La mala consistencia del diámetro del alambre de tungsteno es una razón importante para la desviación excesiva de los parámetros fotoeléctricos de las bombillas incandescentes, y algunos también afectarán la vida útil de la bombilla.
Historia del desarrollo
El desarrollo de la industria de los filamentos de tungsteno ha estado estrechamente vinculado a la industria de las bombillas desde el principio. Después de casi 30 años de investigación, el ingeniero eléctrico británico Joseph Swan fabricó una bombilla de vacío que utiliza filamentos de carbono para energizarse y emitir luz en diciembre de 1878. Sin embargo, este tipo de bombilla tiene graves deficiencias, principalmente su corta vida. En octubre de 1879, Edison produjo con éxito una bombilla incandescente utilizando fibra de carbono como filamento. Casi 20 años después (1897), el alambre de carbono fue reemplazado por alambre de osmio y alambre de tantalio. Sin embargo, debido a los puntos de fusión más bajos de Os y Ta, la temperatura de funcionamiento y la eficiencia lumínica fueron bajas.
En 1879, Edison experimentó con filamentos de carbono y los utilizó durante cientos de horas. Aunque el "carbono" tiene un punto de fusión muy alto (3550 grados), tiene una temperatura de "sublimación" baja. Se sublima directamente del estado sólido al gaseoso a bajas temperaturas, por lo que se consume fácilmente y tiene una vida útil corta. Y debe estar completamente aislado del aire (se quemará en el aire). En la actualidad, casi todos los alambres de tungsteno se utilizan con un punto de fusión de (3410 grados). La ventaja es que su tasa de "sublimación" es menor cuando es inferior al punto de fusión. Por lo tanto, se puede calentar a una temperatura más alta que el "filamento de carbono". El filamento de tungsteno también se quemará en el aire, por lo que es necesario evacuar la bombilla.
Para evitar la sublimación del filamento, se inyectan gases inertes en la bombilla. Estos gases son principalmente argón y no contienen oxígeno. Los átomos de tungsteno parcialmente vaporizados pueden regresar al filamento mediante colisión. Aunque el gas inerte aumenta la vida útil del filamento, lo hace con un coste. La presencia de gas inerte en el bulbo de vacío original aumenta la conducción y convección del calor, quitando energía y reduciendo así la temperatura de equilibrio. El gas tungsteno sublimado forma partículas débiles en el gas inerte y también forma puntos negros en la superficie interna del bulbo por convección.
En 1903, basándose en las patentes de A. Just y F. Hannaman, Hungría produjo por primera vez filamentos de tungsteno. Calienta el alambre de carbono en el vapor de oxihaluro de tungsteno que contiene hidrógeno libre a una temperatura alta mediante corriente eléctrica, de modo que el carbono sea reemplazado completamente por tungsteno. El filamento incandescente producido de esta manera contiene más o menos carbono, que no sólo es bastante frágil, sino que también se vuelve cada vez más denso cuando se utiliza la bombilla, por lo que los parámetros eléctricos del filamento cambiarán.
En 1904, Jester y Hannamen reconocieron el efecto del carbono sobre la fragilidad, mezclaron un aglutinante libre de carbono con un compuesto de tungsteno, lo extruyeron en filamentos y luego lo calentaron en hidrógeno para reducirlo a metal. El alambre de tungsteno producido con este método es muy frágil, pero debido a que su eficiencia lumínica es mucho mejor, ha reemplazado al alambre de carbono, al alambre de osmio y al alambre de tantalio para fabricar bombillas.
Ninguno de los métodos anteriores puede preparar alambre de tungsteno fino. Para resolver este problema, en 1907 se desarrolló una aleación de tungsteno con bajo contenido de níquel. Se preparó mediante procesamiento mecánico, pero su extrema fragilidad dificultó su aplicación. No fue hasta 1909 que WD Coolidge de General Electric Company en los Estados Unidos produjo palanquillas de tungsteno mediante pulvimetalurgia y luego utilizó procesamiento mecánico para producir alambres de tungsteno que eran dúctiles a temperatura ambiente, sentando así las bases para la industria de procesamiento de alambre de tungsteno. La fundación también sentó las bases para la pulvimetalurgia.
Sin embargo, este filamento de tungsteno "dúctil" presenta una fragilidad significativa después de encender la bombilla. En 1913, Pintsch inventó el filamento de tungsteno toriado (contenido de ThO2 del 1% al 2%), que redujo en gran medida la fragilidad de los filamentos incandescentes. Al principio, el hundimiento del filamento (consulte el rendimiento anti-hundimiento del filamento de tungsteno) no era un problema, porque el filamento en ese momento era un filamento recto, pero después de 1913, Langmuir cambió el filamento recto por un filamento en espiral, por lo que que cuando la bombilla Durante el uso, la alta temperatura de funcionamiento y el peso muerto hacen que el filamento se hunda, lo que dificulta que tanto el tungsteno puro como el tungsteno toriado cumplan con los requisitos de uso.
Para resolver los problemas de flacidez y corta vida del alambre de tungsteno, en 1917, A. Pacz inventó un alambre de tungsteno que "no se deforma" a altas temperaturas. Al principio, utilizó un crisol refractario para tostar WO3 cuando preparaba tungsteno puro. Accidentalmente descubrió que la espiral de alambre de tungsteno hecha de polvo de tungsteno obtenida reduciendo WO3 misteriosamente ya no se hunde después de la recristalización. Posteriormente, después de 218 repetidas verificaciones experimentales, finalmente descubrió que el alambre de tungsteno obtenido añadiendo silicatos de potasio y sodio al ácido tungstico (WO3·H2O), reducción, prensado, sinterización, procesamiento, etc., formaba una cantidad considerable de alambre de tungsteno después de recristalización. La estructura de grano grueso no es ni blanda ni flácida. Este es el primer alambre de tungsteno que no se hunde. El descubrimiento de Perth sentó las bases para la producción de alambre de tungsteno que no se comba. Hasta el día de hoy, Estados Unidos todavía llama al alambre de tungsteno que no se comba "alambre de tungsteno 218" para conmemorar este importante descubrimiento de Perth.
Sin embargo, los primeros filamentos de tungsteno que no se combaban eran más frágiles que los filamentos de tungsteno toriados, por lo que algunos fabricantes de bombillas insistieron en utilizar filamentos de tungsteno toriados como filamentos. Sin embargo, con el desarrollo y la mejora continuos del proceso de producción de filamentos de tungsteno que no se hunden, la gente se dio cuenta gradualmente de que agregar compuestos de K, Si y Al al óxido de tungsteno al mismo tiempo puede hacer que el filamento de tungsteno tenga un buen rendimiento anti-hundimiento en Altas temperaturas y, al mismo tiempo, después de repetidas cristalizaciones, tiene una ductilidad satisfactoria a temperatura ambiente. Esto es lo que la gente suele llamar "alambre de tungsteno AKS", es decir, "alambre de tungsteno que no se comba" o "alambre de tungsteno dopado". T. Millner llamó a este efecto mejorado de no hundimiento en 1931 "efecto GK".
