掺杂钴对掺杂钨丝抗震性能的影响

武淑珍，王铁虎，2

（1.江西理工大学 工程研究院，江西 赣州 341000；2.赣州江钨新型材料有限公司，江西 赣州 341000）

0 前言

中国是钨资源大国。钨具有其他金属难以比拟的高熔点、高比重、热膨胀系数小等特殊性质，被广泛应用在尖端科学领域、国防工业和民用工业中［1］，如切削刀具、焊接电极、喷涂原料、电灯灯丝、电子管阴极等。自从1918年美国人佩斯发明掺杂钨丝以来，钨丝成了照明行业中不可替代的产品，被广泛应用于各种灯泡。根据国外学者和国内应用研究的结果可知［2］，普通掺杂钨丝制成的灯丝再结晶后在高温状态下使用性能良好，但在常温条件下受震动容易断裂［3］。汽车前灯和尾灯、飞机用灯、火车用灯等场合中大多由于灯丝被震断而缩短使用寿命。因此，在制备普通掺杂钨丝的基础上增加K元素含量或添加微量的其他元素（如Co等）来提高掺杂钨丝的再结晶温度，以改善钨丝的抗震性能。添加Co元素的抗震钨丝由于Co元素进入钨基体后能抑制钨晶粒的长大、能降低氧的渗入，增加了钨基体与掺杂剂的界面结合力，提高钨丝再结晶后高温强度和抗震性能，并使钨丝在常温下具有较好的延性（普通掺杂钨丝再结晶后在常温下大都呈现明显的冷脆性倾向）［4］，掺钴抗震钨丝的高温抗下垂性能和抗震性能较只加K元素的抗震钨丝好，有更广泛的应用前景。

国内虽然以前也有学者开展过在掺杂钨丝中添加Co的试验，但是掺杂Co后其对钨丝的性能影响及添加量却少有报道。本文就添加Co后掺杂钨丝性能的变化进行研究。

1 试验

1.1 抗震钨丝制备

在制备抗震钨丝的过程中，往蓝色氧化钨中添加不同含量Co的添加剂制备烧结钨条，具体添加量如表1所示。烧结条经过旋锻被加工到Ø3.4mm，Ø3.4mm的钨棒进入拉伸阶段后随着直径的减小，拉伸温度从1 500℃降低到700℃得到Ø0.39mm钨丝。

表1 样品种类

1.2 评价方法

用YG（B）026D-500型强力机以3×10-3m/s的速度检测高温退火后掺杂钨丝的抗拉强度和延伸率，对掺杂钨丝的再结晶性能进行评价。对再结晶后的掺钴钨丝金相组织进行分析，了解钨丝再结晶后显微组织与添加Co含量的关系。

把Ø0.39mm掺杂钨丝折成V字形，用自制高温下垂仪［5］在约90％的熔断电流下（3 150℃左右）保持5min，在试样的中部测定在电磁作用下试样的张开率，评价不同Co含量对掺杂钨丝高温抗蠕变性能的影响。

掺钴钨丝再结晶退火后在室温（21℃）下进行弯折试验，分析添加Co后掺杂钨丝冷脆性的变化。

2 试验结果与讨论

2.1 抗震钨丝再结晶性能与Co含量的关系

Ø0.39mm钨丝退火后的抗拉强度和延伸率关系如下图（图1、图2）所示。

图1 退火温度对抗拉强度的影响

图2 退火温度对延伸率的影响

图1表明：在1 000～1 200℃钨丝的抗拉强度出现下降的趋势，钨丝开始发生一次再结晶；1 700～2 000℃时钨丝的抗拉强度再次急剧下降，说明钨丝的晶粒急剧长大，二次再结晶开始发生。

从图2中可以知道钨丝随着Al2O3和Co的增加，加工硬化增加，抗拉强度增加，发生一次再结晶后，添加了0.01％～0.03％Co的钨丝的延伸率与抗拉强度相反，是随着再结晶的进行而升高，到1 600℃急剧降低。

2.2 掺钴钨丝再结晶组织

从图1还可以看出，伴随着二次再结晶的开始，钨丝中晶粒开始粗大，抗拉强度开始急剧降低。钨丝的抗拉强度从140kg/mm2时开始急剧降低，发生二次再结晶，含不同掺杂剂的钨丝发生再结晶的温度不同，没有添加Co的钨丝再结晶温度为1 700～1 800℃，添加了Co的钨丝再结晶温度为1 600～2 000℃，Co含量为0.01％的钨丝再结晶温度最高为2 000℃，随着Co含量的增加，钨丝的再结晶温度降低。图3～5分别为添加了Co的钨丝经过3000℃退火后的金相组织。

图3 样品C的金相

图4 样品D的金相

图5 样品E的金相

从表1和金相图中可以看出Co含量为0.01％的钨丝有良好的再结晶纤维组织，沿着钨丝的轴向上形成了非常长的再结晶晶粒。但是从图4、和图5也可以看出含0.03％～0.06％Co的钨丝没有细长的再结晶晶粒，晶粒组织散乱没有获得良好的掺杂效果。

2.3 掺Co钨丝的抗蠕变性及弯折性

掺Co钨丝在90％熔断电流下（3 150℃左右）抗高温蠕变结果如图6所示。

图6 退火后Co含量与晶粒长宽比和扩张率的关系

从图6中可知含Co为0.01％的钨丝具有大的抗高温变形力，同时也有大的晶粒长宽比（L/W）值，但是随着Co含量的增加，钨丝的抗高温变形能力下降，晶粒的长宽比（L/W）值也减小（L表示沿钨丝轴向晶粒的长度，W表示沿钨丝的直径方向晶粒的宽度）。

钨丝再结晶后在室温下的弯折性能如图7所示。

图7 退火后Co含量与弯折角度的关系

从图7可以看出，经过再结晶后的含Co 0.01％的掺Co钨丝具有良好的抗弯折性能，这说明掺Co钨丝发生再结晶后具有很小的冷脆性。

3 结论

（1）往掺杂钨丝中添加0.01％～0.06％的Co，在钨丝发生一次再结晶时能够显著提高钨丝的延伸率。Ø0.39mm的掺Co钨丝最大延伸率达到12％～26％，比普通掺杂钨丝明显提高。

（2）含0.01％Co的掺杂钨丝比普通掺杂钨丝具有高的再结晶温度、大的晶粒长宽比和再结晶后低的冷脆性。

（3）掺杂钨丝中的再结晶纤维组织随着Co的添加量增加发生变化。Co含量在0.03％～0.06％时，再结晶纤维组织变得杂乱无章。

（4）掺杂钨中添加了适量的Co后能提高钨丝的高温抗下垂温度、改善室温冷脆性并提高钨丝的抗震性能。

［1］张启修，赵秦生.钨钼冶金［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［2］杨宇锋.中国钨材钨丝加工业现状及发展趋势［J］.中国照明电器，2003，18（1）：30-34.

［3］付 洁，李中奎，郑 欣，等.钨及钨合金的研发及应用现状［J］.稀有金属快报，2005，24（7）：11-15.

［4］冯沛卿，朱宪忠，马晓蓉，等.耐震钨丝特性及应用［J］.中国钨业，2002，12（6）：34-36.