텅스텐의 열처리에 관하서
텅스텐의 융점은 3422℃이며 금속에서 가장 융점이 높은 물질입니다. 가공 관점에서의 특성은 연성-취성 전이 온도가 높고 실온에서 저온 취성이 보입니다. 결정 입계의 결합 강도가 약하고 결정 입계에서 깨지기 쉽기 때문에 가공이 어려운 금속입니다.
텅스텐의 저온에서의 연성 개선으로서 레늄(Re)의 첨가가 알려져 있지만, 금속에서는 가장 비싼 물질로 실용적이지 않다.
대안은 분말 야금 및 열가공 공정에 의한 결정립 조직의 미세분화로 개선할 수 있다. 광산에서 적출되고 분말화된 텅스텐은 분말 야금에 의해 성형됩니다. 이 성형된 텅스텐은 압연이나 선인도와 같은 소성 가공에 의해 소결시의 분말의 크기나 형상(등축입자 형상)이 밀려 늘어져 다량의 전위가 발생함과 동시에 결정립의 크기가 작다. 곡물 모양도 특정 방향으로 늘어납니다.
이 결과, 열기 결정립 조직의 미세화 추진함으로써 연성 취성 전이 온도를 실온 가까이까지 낮출 수 있게 되었습니다. 소성가공은 가공시의 온도에 따라 종류가 나뉘어져 있습니다. 실온에 가까운 온도이면 「냉간 가공」, 융점의 절반 이상이면 「열간 가공」, 절반 이하이면 「온간 가공」입니다.
열간 가공에서는 가공 중의 온도 저하에 의해 얇은 것이나 얇은 것은 균일한 가공은 어렵기 때문에, 필라멘트의 가공에서는 냉간 가공으로 제조됩니다. 냉간 가공에서는 조직 내에 변형이 남은 채이므로 응력 제거 어닐링이 필요합니다. 냉간 가공은 탄성 변형이 많이 발생하기 때문에 재결정이 발생하기 쉽고, 일시적으로도 고온에 노출되면 재결정이 일어나, 저온 영역에서의 입계 취화가 촉진됩니다. 재결정은 필라멘트의 크리프 변형으로 인한 처짐을 유발합니다.
재결정에 관하서
가공에 의해 발생한 결정립과는 전혀 다른, 내부에 전위 등의 결함을 포함하지 않는 새로운 결정립이 생성되어 성장하여 가공 조직과는 전혀 다른 결정립 조직을 형성하는 것을 「재결정」 라고 말합니다.
재결정은 회복과는 다른 프로세스로, 내부에 셀벽이나 전위 등의 결함을 포함하지 않는 대경각 입계에 둘러싸인 새로운 결정립이 발생해, 그것이 인접하는 결정립을 잠식하여 성장 합니다. 이 때의 결정립의 성장과 입계의 이동에 따라 기존의 결정립 내의 셀벽이나 전위 등의 결함이 소멸하기 때문에 전위의 미끄럼 운동의 저항이 없어져 매트릭스는 크게 연화합니다.
이 새로운 결정의 발생 부분은 기존의 결정립 조직 내의 탄성 변형의 집중하고 있는 곳(입내 혹은 입계)에서 일어난다고 되어 있습니다. 특히 탄성 변형이 많이 발생하는 가공도가 높은 냉간 가공재일수록 재결정핵이 발생하기 쉽고, 900~1000℃부터 재결정이 시작됩니다. 재결정핵이 많이 발생하면 할수록, 성장한 후의 재결정립이 많아지므로, 재결정입경이 작아지는 경향이 있다. 따라서 냉간 가공에 의한 결정립의 미세화로 저온에서의 인성을 개선한 경우에는 재결정이 일어나기 쉬워지므로, 일시적으로도 고온에 노출되면 재결정이 일어나 저온 영역에서의 입계 취화가 촉진되어 하는 것에 주의해야 합니다. 순 텅스텐선으로 만들어진 필라멘트 코일은, 고온 사용에 있어서, 필라멘트의 반경 방향으로 연장되는 결정립계에 있어서의 슬립 현상 때문에, 자중 등, 약간의 외력에 의해 변형(크리프 변형)합니다. 변형된 필라멘트는 국부적인 과열을 일으키고 단선하기 쉬워집니다.
도프 텅스텐에 관하서
이 대책으로서 분말 야금시에 칼륨(K), 규소(Si), 알루미늄(Al)을 첨가하는 칼륨 도핑법이 있다. 열처리 시에 규소와 알루미늄은 증발하고, 칼륨은 텅스텐 내에 기화해 이 기포는 미세 조직의 안정화로 이어지고 재결정을 일으키지 않습니다. 할로겐 램프에 사용되는 필라멘트는이 도핑 텅스텐입니다.
첨가물의 칼륨의 양에 따라 특성이 달라집니다. 양이 많으면 재결정 온도가 높아지지만, 저온시의 연성이 나빠져 가공이 어려워집니다. 이와 같이 성능, 품질을 안정시키기 위해서는 질과 양이 중요합니다.
그러나 이 도프에 의한 기포는 장시간 경과하면 점차 집합하여 큰 기포를 필라멘트 내부에 형성하게 됩니다. 이것은 램프 수명을 제한하는 요소가 되지만, 할로겐 램프의 봉입 가스는 고압이므로 이 기포(도프 구멍)의 성장 확대를 억제합니다. 이 점에서도 고압의 봉입 가스는 램프의 장수명화에 공헌하고 있다고 생각되고 있습니다. 또한, 이 기포 중의 불순물은 그 중 램프 봉입 가스 중에 분출되기 때문에, 봉입 가스의 할로겐 밸런스가 무너져, 흑화 등의 원인이 될 수 있습니다(칼륨 등의 알칼리 금속은 할로겐과 견고하게 결합해 , 할로겐 사이클을 억제). 불이 켜지고 수백 시간이 지나면 흑화가 원인 중 하나로 올라갑니다.
텅스텐 코일의 표면 처리에 관하서서
필라멘트 코일은 표면 처리하지 않고 이대로 사용하는 경우도 있습니다만, 램프에 조립하기 전에 세정 처리하여 불순물을 제외하고 산화를 방지합니다. 최종적으로는 수소를 사용하여 분위기 열처리를 실시합니다.
세정 처리는 텅스텐 코일을 10% 수산화나트륨 수용액(NaOH)으로 10분 정도 정도 끓는 것이 일반적입니다. 표면의 에칭이 필요한 경우 등은 5%의 불화수소산(HF) 처리를 실시해, 알칼리성 페리시안화칼륨 수용액으로 표면의 부식 처리를 실시합니다. 마지막으로 순수한 물로 충분히 씻어냅니다.
그 후, 코일 필라멘트에 지지구(앵커라든가 서포터라고 부른다)를 붙이고, 몰리브덴박이나 외부 리드봉을 용접합니다. 그 후, 다시 수산화나트륨 수용액(NaOH)으로 표면 처리를 하는 경우도 있습니다.
마지막으로 수소를 사용하여 분위기 열처리를 실시합니다. 수소는 드라이 수소와 습식 수소를 사용하여 연소하는 방법이 있습니다.
