De Inside Dope op doteerstoffen en draadherkristallisatie

Waarom hoge herkristallisatietemperaturen belangrijk zijn in wolfraam-, molybdeen- en andere draden

Bij Metal Cutting krijgen we vaak vragen over wolfraamdraad en doteerstoffen. Concreet vragen mensen zich af waarom wolfraamdraad nog steeds wordt gedoteerd voor andere toepassingen dan gloeilampen. Waarom zou je tenslotte een product kopen met iets dat je niet nodig hebt en misschien ook niet wilt?

Waarom werd wolfraamdraad voor het eerst gedoteerd?

In de dagen vóór LED's en CFL's waren doteermiddelen iets wat iedereen wilde in wolfraamdraad - zo niet als fabrikant, dan als consument of gebruiker van gloeilampen van wolfraam.

Dat komt omdat de doteermiddelen in de wolfraamdraadfilamenten van de gloeilampen vervormingsweerstand bieden waardoor deze gloeilampen goed kunnen werken. Zonder doteermiddelen zouden gloeilampen doorhangen bij hun gloeiend hete bedrijfstemperatuur, waardoor vonken en filamentstoringen ontstaan.

Als doteermiddelen de productie van niet-doorhangende wolfraamdraad niet mogelijk zouden maken, zouden we geen gloeilampen en alle voordelen hebben kunnen hebben - of in ieder geval niet tot de komst van de nieuwe technologieën die nu deze wolfraamlampen maken verouderd.

Hoe werken dopants?

Doteermiddelen verhogen de non-sag eigenschappen van pure (ongedopte) wolfraamdraad voor gebruik in lampfilamenten bij hoge temperaturen. Dit effect kan op een paar verschillende manieren worden bereikt, maar in feite wordt wolfraamdraad gedoteerd in de poedermengfase, met kalium en andere elementen - meestal aluminiumoxide en silicium - toegevoegd aan wolfraamoxide.

Deze andere elementen ontgassen en het kalium blijft achter en fungeert als magische "kogellagers" die smeren en dienen als een soort buffer tussen de langwerpige korrelmicrostructuren van puur getrokken wolfraam.

Het belangrijkste voordeel is dat de kaliumdoteringsstof de herkristallisatietemperatuur van de wolfraamdraad verhoogt. Dit geeft de draad niet-doorzakkende eigenschappen en elimineert effectief de neiging van zuivere wolfraamdraad om door te zakken bij verhitting tot gloeiende temperaturen.

Omdat het materiaal sterk in draad wordt getrokken, worden de in elkaar grijpende korrels langer en wordt het kaliumdoteringsmiddel verspreid. Bij verhitting vervluchtigt het tot een lineaire reeks kleine (submicron-grootte) bellen. Naarmate de rijen bellen fijner en langer worden met toenemende vervorming, stijgt de herkristallisatietemperatuur en wordt de in elkaar grijpende structuur meer uitgesproken.

Deze structuur voorkomt schuiven langs de korrelgrens en geeft gedoteerde wolfraamdraad zijn niet-doorzakkende eigenschappen - waardoor de neiging van puur wolfraam om te falen effectief wordt geëlimineerd wanneer het wordt opgerold en verwarmd tot gloeiende temperaturen.

Hoe beïnvloeden doteringen de herkristallisatietemperaturen?

In technische termen heeft commercieel zuivere (ongedopte) wolfraamdraad een herkristallisatietemperatuur van wel 2201-2552°F (1205-1400°C). Wolfraamdraad gedoteerd met aluminiumoxide, silicium en kalium wordt echter gekenmerkt door herkristallisatietemperaturen hoger dan 3272 ° F (> 1800 ° C) en hoger, met verhoogd kalium.

Dezelfde herkristallisatieregel geldt ook voor andere vuurvaste metalen die voor draad worden gebruikt. De temperatuur waarbij in de handel verkrijgbaar molybdeen in één uur volledig herkristalliseert, is bijvoorbeeld 1100 °C (2012ºF). Met kalium en silicium gedoteerd molybdeen herkristalliseert bij 2192-3270°F (1200-1800°C), afhankelijk van hoe het materiaal werd gereduceerd.

Waarom niet de meest doping mogelijk toevoegen?

Als kalium (en andere doteermiddelen) zo goed zijn om verzakking en breuk te voorkomen, en een hoge herkristallisatie een goede zaak is (daarover later meer), waarom dan geen wolfraamfabrikanten - en de verlichtingsindustrie die hen al zoveel jaren ondersteunt — de maximale hoeveelheid kalium gebruiken in het dopingproces? Kalium als element is immers zeer overvloedig in de natuur en niet duur.

De realiteit is dat het toevoegen van te veel doteringsmiddel overmatige breuk kan veroorzaken bij de productie van wolfraamdraad, wat resulteert in slechte opbrengsten.

Paradoxaal genoeg, hoewel kalium ervoor zorgt dat de draad niet breekt tijdens zijn levensduur als gloeidraad van een wolfraamgloeilamp, creëert het kansen voor breuk tijdens het proces van het trekken van de draad. En breuk onderbreekt het productieproces, waardoor vertragingen ontstaan ​​en de kosten stijgen.

Voor degenen die er nog steeds om geven - en wij bij Metal Cutting doen dat, omdat we veel wolfraam snijden, slijpen en verkopen, zowel als draad als in vele andere vormen - het beheren van doteerstofniveaus is een belangrijke expertise om te hebben. Het is een vaardigheid die cruciaal is voor het produceren van draad met de hoogste herkristallisatietemperatuur tegen een redelijke prijs.

Wat zijn de voor- en nadelen van doping voor hogere herkristallisatietemperaturen?

Verwerkt om een ​​hogere herkristallisatietemperatuur te hebben dan in zuivere toestand, kunnen wolfraam-, molybdeen- en andere draden taai blijven bij kamertemperatuur en bij zeer hoge bedrijfstemperaturen. De resulterende langwerpige, gestapelde microstructuur geeft de gedoteerde draad ook eigenschappen zoals goede kruipweerstand, maatvastheid en eenvoudigere bewerking dan het pure (ongedoteerde) product.

De keerzijde is dat wanneer u herkristalliseert, u de wolfraamdraad (of een ander metaal) bros maakt, waardoor deze vervolgens moet worden uitgegloeid om de wolfraamdraad weer op de gewenste sterkte te brengen. Gloeien verandert de eigenschappen van een materiaal om de taaiheid te vergroten en het beter verwerkbaar te maken. Het omvat het verwarmen van het materiaal in een gloeioven tot boven de herkristallisatietemperatuur van het materiaal, het handhaven van een geschikte temperatuur en vervolgens afkoelen.

Als u de draad niet uitgloeit en deze vervolgens tijdens het trekken op of boven de herkristallisatietemperatuur brengt, zal de draad breken, wat uiteindelijk leidt tot het falen van het product waarin de draad wordt gebruikt.

Dus, waarom zitten er nog doteringen in wolfraamdraad?

Als herkristallisatie-eigenschappen goed worden begrepen door de slinkende weinigen die het gebruiken om gloeilampen van wolfraam te maken (op zich een ander onderwerp), brengt dit ons terug naar de oorspronkelijke vraag:waarom worden doteermiddelen nog steeds algemeen gebruikt in wolfraamdraad?

Er zijn nog steeds productfabrikanten voor wie verhoogde temperaturen een integraal onderdeel zijn van hun toepassingen en hun gebruik van wolfraamdraad, zoals in lopende golfbuizen of diamantafzettingsovens. Voor deze bedrijven blijft de herkristallisatietemperatuur van wolfraamdraad van cruciaal belang, ook al elimineren hun werkplekken de laatste overblijfselen van gloeilampen.

Sommige fabrikanten gebruiken wolfraamdraad bij temperaturen die hoog zijn maar de herkristallisatie niet benaderen, voor producten zoals elektroden, elektronica en medische toepassingen. Voor nog andere fabrikanten die wolfraamdraad gebruiken in mechanische toepassingen, zoals in sondes die bij kamertemperatuur werken, zijn de aanwezigheid van doteermiddelen en herkristallisatie-eigenschappen niet relevant.

Hoeveel doping wordt gebruikt?

De werkelijke hoeveelheid doteerstof in wolfraam, molybdeen of andere draad maakt deel uit van het "geheime recept" dat specifiek is voor elke fabrikant of leverancier. Als bedrijf dat al tientallen jaren gespecialiseerde wolfraam- en molybdeendraadproducten levert, heeft Metal Cutting zijn eigen geheimen.

We kunnen met u delen dat een doteringsrecept meestal 50-90 ppm kalium bevat. Er zit echter veel meer in het recept - en nog veel meer in de expertise die nodig is om doteerstofniveaus en herkristallisatietemperaturen te beheersen.

Download voor meer informatie over wolfraamdraad en zijn eigenschappen onze gratis gids Tungsten Wire 101:overzicht van een uniek bruikbaar materiaal .