Der spezifische Widerstand von Wolframdraht beträgt 5,3*10^-8. Wolfram hat einen hohen Schmelzpunkt, einen hohen spezifischen Widerstand, eine gute Festigkeit und einen niedrigen Dampfdruck. Es ist das beste Material unter allen reinen Metallen zur Herstellung von Glühfäden. Wolfram ist jedoch hart und spröde, was die Verarbeitung erschwert. Wenn der Strom durch den Wolframdraht fließt und auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, steigt auch der Widerstandswert des Wolframdrahts auf einen bestimmten Wert (im Allgemeinen steigt der Widerstandswert des Metalldrahts mit zunehmender Temperatur). 1909 erfand Coolidge die Wolframfilament-Verarbeitungstechnologie, die eine entscheidende Rolle bei der Herstellung und Förderung von Glühlampen spielte. Die Grundprinzipien werden noch heute verwendet.
Bei der Herstellung von Wolframdrähten wird hauptsächlich Ammoniumparawolframat (APT) als Rohstoff verwendet. Das allgemeine Verfahren besteht darin, Ammoniumparawolframat in Luft bei etwa 500 Grad zu Wolframtrioxid zu rösten oder es in Wasserstoff bei etwa 450 Grad leicht zu blauem Wolframoxid zu reduzieren. Um Wolframfilamente für Glühlampenfilamente herzustellen, muss eine kleine Menge Kaliumoxid, Siliziumoxid und Aluminiumoxid mit Wolframtrioxid oder blauem Wolframoxid gemischt werden. Die Gesamtmenge der drei Stoffe darf 1 % nicht überschreiten. Dies ist das von Baz 1922 erfundene Wolfram. Seidendotierungsverfahren. Das dotierte Wolframoxid wird mit Wasserstoffgas zu metallischem Wolframpulver reduziert. Der Reduktionsprozess wird im Allgemeinen in zwei Schritten durchgeführt: Der erste Schritt erfolgt bei etwa 630 Grad zur Reduzierung zu Wolframdioxid (braunes Wolframoxid), und der zweite Schritt erfolgt bei etwa 820 Grad zur Reduzierung zu metallischem Wolframpulver. Der Zweck der zweistufigen Reduktion besteht darin, dem eingearbeiteten Kalium zu ermöglichen, seine Wirkung voll zu entfalten und die Pulverpartikelgröße zu kontrollieren. Das auf diese Weise erhaltene dotierte Wolframpulver wird dann in einer speziellen Form zu länglichen Vierkantstäben gepresst. Der Vierkantstab wird mit Wasserstoff aktiviert und mittels Selbstwiderstandserhitzung gesintert (Temperatur erreicht ca. 3000 Grad). Nach dem Sintern kann die Dichte des Wolframstabs über 85 % des theoretischen Werts erreichen. Aus dieser Art von Wolframstreifen lassen sich durch Rotationsschmieden Wolframstäbe mit einem Durchmesser von ca. 3 mm herstellen und anschließend durch Gesenkziehen zu Wolframdrähten unterschiedlicher Dicke weiterverarbeiten. Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Wolframfadens einer 220 V, 15 W-Glühlampe ca. 15 µm, während der Durchmesser des Wolframfadens einer 10.000 W Brom-Wolfram-Lampe ca. 1,25 mm beträgt. Dünnere Wolframdrähte, wie etwa Wolframdrähte für 220 V, 10 W Glühlampen mit einem Durchmesser von etwa 12 µm, müssen durch elektrolytische Korrosion hergestellt werden.
Wenn der Durchmesser des Wolframdrahts den Mikrometerbereich erreicht, ist es schwierig, seinen Durchmesser mit herkömmlichen Messschiebern genau zu messen. Daher wird international das Gewicht des Wolframdrahtes mit einem Durchmesser von weniger als {{0}},2 mm üblicherweise durch das Gewicht des auf eine Länge von 200 mm geschnittenen Drahtsegments ausgedrückt. Beispielsweise kann der Durchmesser des oben erwähnten 15-W-Glühlampen-Wolframdrahts mit 0,679 mg/200 mm ausgedrückt werden.
Nutzungsleistung
① Hohe Temperaturbeständigkeit. Die Betriebstemperatur des Wolframfadens, der in Glühlampen verwendet wird, liegt häufig zwischen 2300 und 2800 Grad. Generell gilt: Je höher die Leistung der Glühbirne, desto höher die Betriebstemperatur des Glühfadens. Es ist ersichtlich, dass die Betriebstemperatur des Glühfadens die Rekristallisationstemperatur des Wolframfadens bei weitem übersteigt. Zu diesem Zeitpunkt hängt das Glühfadensegment zwischen den beiden Haken unter der Einwirkung seines Eigengewichts herab. In schweren Fällen kann der Glühfaden herabhängen, bis er mit der Glashülle der Glühbirne kollidiert. Bei dotierten Wolframdrähten, die während des Pulvermetallurgieprozesses von Wolfram mit einer kleinen Menge Kalium-, Silizium- und Aluminiumoxiden vermischt werden, beträgt der Silizium- und Aluminiumgehalt im fertigen Draht zwar nur einige Teile pro Million, der Kaliumgehalt jedoch nur einige Dutzend Teile pro Million, aber das Herabhängen des Glühfadens aus diesem dotierten Wolframfaden kann erheblich verbessert werden. Der Grund dafür ist, dass es einen großen Unterschied zwischen der rekristallisierten Kristallstruktur von dotiertem Wolframdraht und undotiertem Wolframdraht gibt. Der rekristallisierte Kristall von undotiertem Wolframdraht ist im Wesentlichen ein gleichachsiger Kristall, während die rekristallisierte Kristallstruktur von dotiertem Wolframdraht ein langer Streifen grober Körner ist, die sich überlappen. Aus der Perspektive der Hochtemperatur-Kriechtheorie von Metallmaterialien kann die rekristallisierte Kristallstruktur dieser dicken und langen Überlappungsstruktur ihre Widerstandsfähigkeit gegen Durchhängen bei hohen Temperaturen erheblich verbessern. Laut einer Reihe von Untersuchungen und Analysen mit Transmissionselektronenmikroskopie und Auger-Energiespektrometer, die in den 1970er Jahren durchgeführt wurden, wurde gezeigt, dass die Bildung der rekristallisierten Kristallstruktur der dicken und langen Überlappungsstruktur, die für den dotierten Wolframdraht einzigartig ist, eng mit dem Gehalt des dotierten Wolframdrahts zusammenhängt. Kalium ist eng verwandt. Die in den dotierten Wolframstreifen verbleibenden Spuren von Kalium bilden bei der Verarbeitung parallel zur Drahtachse verlaufende Kaliumblasenreihen, die das seitliche Wachstum der Körner während des Rekristallisationsprozesses behindern und so eine dicke und lange Überlappungsstruktur bilden.
Das Durchhängen von Glühfäden hängt nicht nur mit dem Gehalt an zugesetzten Elementen und der Verarbeitungstechnologie im dotierten Wolframfaden zusammen, sondern auch mit der Verarbeitungstechnologie während des Glühfadenherstellungsprozesses. Der Wolframdraht behält eine große Menge an innerer Spannung, wenn er zu einem fertigen Glühfaden gezogen wird, und wenn er zu einem Glühfaden gewickelt wird, entstehen im Querschnitt des Wolframdrahts neue innere Spannungen durch ungleichmäßige Verformung. Diese inneren Spannungen müssen vollständig beseitigt werden, bevor der Glühfaden in die Glühbirne eingebaut wird. Andernfalls verdreht sich der Glühfaden, verformt sich und hängt durch, wenn die Glühbirne zu zünden beginnt. Das Durchhängen des Glühfadens verringert die Lichtausbeute der Glühbirne erheblich.
② Leistung bei Raumtemperatur. Die Raumtemperaturleistung von Wolframdraht spiegelt sich in der Drahtwickelleistung wider. Aufgrund des langen Verarbeitungsablaufs von Wolframdraht kann es bei schlechter Prozessführung leicht dazu kommen, dass der Wolframdraht viele kleine Risse erzeugt oder lokal spröde wird, so dass er beim Wickeln leicht bricht. Der durch Risse verursachte Bruch des Wickeldrahtes zeigt sich in Form von Whiskern, während der durch die Sprödigkeit des Drahtes verursachte Bruch in Form von Kristallebenen auftritt.
③Konsistenz des Drahtdurchmessers. Die mangelnde Konsistenz des Wolframdrahtdurchmessers ist ein wichtiger Grund für die übermäßige Abweichung der photoelektrischen Parameter von Glühlampen und beeinträchtigt in einigen Fällen auch die Lebensdauer der Lampe.
Entwicklungsgeschichte
Die Entwicklung der Wolfram-Glühfadenindustrie war von Anfang an eng mit der Glühbirnenindustrie verbunden. Nach fast 30 Jahren Forschung entwickelte der britische Elektroingenieur Joseph Swan im Dezember 1878 eine Vakuumglühbirne, die Kohlefäden nutzt, um Energie zu erzeugen und Licht auszusenden. Diese Art von Glühbirne weist jedoch schwerwiegende Mängel auf, vor allem ihre kurze Lebensdauer. Im Oktober 1879 stellte Edison erfolgreich eine Glühbirne her, die Kohlefasern als Glühfaden verwendete. Fast 20 Jahre später (1897) wurde der Kohlenstoffdraht durch Osmiumdraht und Tantaldraht ersetzt. Aufgrund der niedrigeren Schmelzpunkte von Os und Ta waren jedoch die Betriebstemperatur und die Lichtausbeute niedrig.
Im Jahr 1879 experimentierte Edison mit Kohlefäden und benutzte sie Hunderte von Stunden lang. Obwohl „Kohlenstoff“ einen sehr hohen Schmelzpunkt (3550 Grad) hat, hat er eine niedrige „Sublimationstemperatur“. Er sublimiert bei niedrigen Temperaturen direkt vom festen in den gasförmigen Zustand, sodass er leicht verbraucht wird und eine kurze Lebensdauer hat. Und er muss vollständig von der Luft isoliert werden (er verbrennt in der Luft). Gegenwärtig werden fast ausschließlich Wolframdrähte mit einem Schmelzpunkt von (3410 Grad) verwendet. Der Vorteil besteht darin, dass seine „Sublimationsrate“ niedriger ist, wenn er niedriger als der Schmelzpunkt ist. Daher kann er auf eine höhere Temperatur erhitzt werden als „Kohlenstofffäden“. Wolframfäden verbrennen auch in der Luft, daher muss die Glühbirne evakuiert werden.
Um eine Sublimation des Glühfadens zu vermeiden, werden Inertgase in die Glühbirne eingespritzt. Diese Gase bestehen hauptsächlich aus Argon und enthalten keinen Sauerstoff. Die teilweise verdampften Wolframatome können durch Kollision zum Glühfaden zurückkehren. Obwohl Inertgas die Lebensdauer des Glühfadens erhöht, hat dies seinen Preis. Das Vorhandensein von Inertgas in der ursprünglichen Vakuumbirne erhöht die Wärmeleitung und Konvektion, entzieht Energie und senkt so die Gleichgewichtstemperatur. Das sublimierte Wolframgas bildet schwache Partikel im Inertgas und bildet durch Konvektion auch schwarze Flecken auf der Innenfläche der Glühbirne.
Im Jahr 1903 wurden in Ungarn auf Grundlage der Patente von A. Just und F. Hannaman erstmals Wolframfilamente hergestellt. Dabei wird der Kohlenstoffdraht im Wolframoxyhalogeniddampf, der freien Wasserstoff enthält, durch elektrischen Strom auf eine hohe Temperatur erhitzt, so dass der Kohlenstoff vollständig durch Wolfram ersetzt wird. Der auf diese Weise hergestellte Glühfaden enthält mehr oder weniger Kohlenstoff, der nicht nur ziemlich spröde ist, sondern auch im Betrieb der Glühbirne immer dichter wird, sodass sich die elektrischen Parameter des Glühfadens ändern.
Im Jahr 1904 erkannten Jester und Hannamen die Auswirkung von Kohlenstoff auf die Sprödigkeit. Sie mischten ein kohlenstofffreies Bindemittel mit einer Wolframverbindung, extrudierten es zu Filamenten und erhitzten es dann in Wasserstoff, um es zu Metall zu reduzieren. Der mit dieser Methode hergestellte Wolframdraht ist sehr spröde, aber da seine Lichtausbeute viel besser ist, hat er Kohlenstoffdraht, Osmiumdraht und Tantaldraht bei der Herstellung von Glühbirnen ersetzt.
Mit keiner der oben genannten Methoden kann feiner Wolframdraht hergestellt werden. Um dieses Problem zu lösen, wurde 1907 eine Wolframlegierung mit niedrigem Nickelgehalt entwickelt. Sie wurde durch mechanische Bearbeitung hergestellt, ihre starke Sprödigkeit behinderte jedoch ihre Anwendung. Erst 1909 stellte WD Coolidge von der General Electric Company in den Vereinigten Staaten Wolframbarren durch Pulvermetallurgie her und nutzte dann die mechanische Bearbeitung, um bei Raumtemperatur duktile Wolframdrähte herzustellen, und legte damit den Grundstein für die Wolframdrahtverarbeitungsindustrie. Der Grundstein wurde auch für die Pulvermetallurgie gelegt.
Dieser „duktile“ Wolframfaden weist jedoch nach dem Zünden der Glühbirne eine erhebliche Sprödigkeit auf. 1913 erfand Pintsch den thorierten Wolframfaden (ThO2-Gehalt von 1 % bis 2 %), der die Sprödigkeit von Glühfäden stark reduzierte. Zunächst war das Durchhängen des Fadens (siehe die Anti-Durchhang-Eigenschaften des Wolframfadens) kein Problem, da der Faden zu dieser Zeit ein gerader Faden war, aber nach 1913 änderte Langmuir den geraden Faden in einen spiralförmigen Faden, sodass beim Gebrauch der Glühbirne die hohe Betriebstemperatur und das Eigengewicht dazu führten, dass der Faden durchhängt, was es sowohl für reines Wolfram als auch für thoriertes Wolfram schwierig machte, die Nutzungsanforderungen zu erfüllen.
Um die Probleme des Durchhängens und der kurzen Lebensdauer von Wolframdrähten zu lösen, erfand A. Pacz 1917 einen Wolframdraht, der sich bei hohen Temperaturen „nicht verformt“. Bei der Herstellung von reinem Wolfram nutzte er zunächst einen feuerfesten Tiegel zum Rösten von WO3. Er entdeckte zufällig, dass die Wolframdrahtspirale aus durch Reduktion von WO3 gewonnenem Wolframpulver nach der Rekristallisation auf mysteriöse Weise nicht mehr durchhängt. Anschließend, nach 218 wiederholten experimentellen Überprüfungen, entdeckte er schließlich, dass der Wolframdraht, der durch Zugabe von Kalium- und Natriumsilikaten zu Wolframsäure (WO3·H2O), Reduktion, Pressen, Sintern, Bearbeiten usw. hergestellt wurde, danach eine beträchtliche Menge Wolframdraht bildete Rekristallisation. Die grobe Kornstruktur ist weder weich noch durchhängend. Dies ist der erste nicht durchhängende Wolframdraht. Perths Entdeckung legte den Grundstein für die Herstellung von standfestem Wolframdraht. Bis heute bezeichnen die Vereinigten Staaten den nicht durchhängenden Wolframdraht als „218-Wolframdraht“, um an diese wichtige Entdeckung von Perth zu erinnern.
Die ersten hergestellten nicht durchhängenden Wolframfilamente waren jedoch spröder als thorierte Wolframfilamente, weshalb einige Glühbirnenhersteller darauf bestanden, thorierte Wolframfilamente als Filamente zu verwenden. Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Verbesserung des Herstellungsprozesses für nicht durchhängende Wolframfilamente erkannten die Menschen jedoch allmählich, dass das gleichzeitige Hinzufügen von Verbindungen aus K, Si und Al zu Wolframoxid dazu führen kann, dass das Wolframfilament bei hohen Temperaturen eine gute Anti-Durchhang-Leistung aufweist und gleichzeitig nach wiederholter Kristallisation eine zufriedenstellende Duktilität bei Raumtemperatur aufweist. Dies wird oft als „AKS-Wolframdraht“ bezeichnet, d. h. als „nicht durchhängender Wolframdraht“ oder „dotierter Wolframdraht“. T. Millner nannte diesen verbesserten Nicht-Durchhang-Effekt 1931 „GK-Effekt“.
