本發(fā)明涉及一種電子槍燈絲的制作方法,屬于電真空技術領域。
背景技術:
電子槍是工業(yè)用電子輻照加速器核心部件之一,是加速器在工業(yè)生產(chǎn)中有效應用的關鍵;電子槍是加速器的電子源,要求電子槍能發(fā)射足夠的電子,被引出電極引出,與加速管匹配,從而獲得一定能量、足夠流強,聚焦性能良好的電子束;電子槍壽命主要取決于采用的燈絲材料,也稱熱陰極材料;在電子輻照加速器中可采用的熱陰極材料有鎢絲、釷鎢絲、硼化鑭、錸鎢絲、氧化物陰極等;普遍使用的是鎢絲作為熱陰極材料;盡管鎢絲陰極能經(jīng)受離子轟擊,但它的電子發(fā)射密度(0.2~0.3a/平方厘米),其發(fā)射效率不高;加熱功率高,工作溫度高達2100℃~2600℃,容易引起密封泄漏,以致加速器真空度下降,影響加速器正常工作;釷鎢絲陰極的工作溫度雖然比鎢絲陰極要低,發(fā)射密度也較高,但它不耐高氣壓及離子轟擊;硼化鑭陰極的發(fā)射性能很好,在1500℃~1700℃的發(fā)射密度達20a/平方厘米,但使用壽命較短,不利于加速器的長期連續(xù)運行;而氧化物陰極雖有工作溫度低,發(fā)射密度較高,但其不耐高氣壓及離子轟擊,壽命也不長,且現(xiàn)有的燈絲通常為v型,其發(fā)射面較小。
技術實現(xiàn)要素:
為解決上述問題,本發(fā)明提出了一種電子槍燈絲的制作方法,消除鎢絲表面的應力,減少鎢絲裂紋的產(chǎn)生;提高了鎢絲的耐高溫性能,改善鎢絲的高溫抗下垂性能,且降低了生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的電子槍燈絲,包括發(fā)射面及連接于所述發(fā)射面兩端的固定腳;所述發(fā)射面呈盤香狀結(jié)構(gòu);所述發(fā)射面和固定腳經(jīng)退火處理后一體制成。
本發(fā)明的電子槍燈絲的制作方法,所述方法包括以下步驟:首先制備摻雜鎢粉,通過還原仲鎢酸銨5(nh4)2o·12wo3·5h2o獲得藍色氧化鎢wo2.9,往藍色氧化鎢中加入適量si,al,k和co等微量摻雜劑,對摻雜后的氧化鎢進行還原獲得不同粒徑的摻雜鎢粉;然后燒結(jié)摻雜鎢坯條,對鎢粉進行酸洗,壓坯,燒結(jié)成具有金屬特性的耐高溫鎢坯條;最后塑性加工制備耐高溫摻雜鎢絲,通過旋鍛、拉伸和中間退火獲得耐高溫鎢絲,并通過壓力作用制得成品燈絲。
本發(fā)明的電子槍燈絲的制作方法,具體方法包括以下步驟:
步驟一,摻雜鎢粉的制備,
第一步,還原仲鎢酸銨,
仲鎢酸銨在還原性氣氛下,與氫氣發(fā)生化學反應生成藍色氧化鎢,選擇四帶九管還原爐作為還原仲鎢酸銨的設備,控制還原溫度為220℃~480℃,氫氣流量為0.3~0.6m3/h,進舟時間為15min/次,其化學反應方程如下:
5(nh4)2o·12wo3·5h2o+1.2h2=wo2.9+10nh3↑+11.2h2o↑;
第二步,加入摻雜劑,
取第一步還原得到的藍色氧化鎢50kg,并向藍色氧化鎢中加入0.43l濃度為42g/l的al(no3)3,2.2l濃度為110g/l的k2sio4,1.2l濃度為110g/l的co(no3)2;
第三步,還原摻雜后的藍色氧化鎢,
對摻雜后的藍色氧化鎢采用二階段還原工藝進行還原,控制一階段還原溫度為560℃~650℃,控制二階段還原溫度為620℃~820℃;控制氫氣露點-40℃以下,流量3.3~4.1l/h,裝舟量為130g~210g/舟;通過一階段還原,溫度控制在620℃~870℃,得到粗顆粒鎢粉;通過二階段還原得到細顆粒鎢粉;
步驟二,燒結(jié)摻雜鎢坯條,
第一步,酸洗,通過酸洗設備去除鎢粉中多余的摻雜劑;
第二步,壓坯,采用油壓機對第一步中經(jīng)酸洗操作后的鎢粉進行壓坯處理;
第三步,燒結(jié),采用二階段燒結(jié)方式,經(jīng)預燒結(jié)階段,鎢條在氫氣還原性氣氛中進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1180℃~1350℃,進舟速度為4cm/min;氫氣流量為2010l/h,以及高溫燒結(jié)階段,將鎢條置于真空垂熔爐中,在4350a電流下燒結(jié)42min,得到具有金屬特性的耐高溫鎢坯條;
步驟三,鎢絲的塑性加工,
第一步,旋鍛,使用旋煅機進行串鍛加工,旋鍛溫度控制1300℃~1650℃,道次加工率控制10%~15%,得到φ10.0mm的粗鎢棒;
第二步,預退火,取旋煅后的φ10.0mm粗鎢棒在高頻退火爐內(nèi)進行退火操作,以消除開坯應力,控制退火溫度為1300℃~1400℃,一次退火后加工率達到70%;
第三步,拉伸,經(jīng)大轉(zhuǎn)拉絲機的粗拉絲得到粗鎢棒,單模拉絲機和多模拉絲機的中拉絲得到φ5.8mm粗鎢桿;
第四步,中間退火,取拉伸后的粗鎢桿在氫氣電退火爐內(nèi)進行再結(jié)晶退火,控制退火溫度為1900℃~2000℃;
第五步,細拉絲,細絲多模拉絲機的細拉絲得到0.06~0.5mm細鎢絲;
第六步,將細鎢絲通過壓力加工制得盤香狀結(jié)構(gòu)的成品燈絲。
作為優(yōu)選的實施方案,制備耐高溫鎢絲所需所述摻雜劑為k=520~105ppm,a1=130~190ppm,si=900~1960ppm,co:0.01~0.013%,fe<14.5ppm。
進一步地,所述粗顆粒鎢粉其粒度為3.0um~5.0um;所述細顆粒鎢粉其粒度為2.0um~3.0um。
作為優(yōu)選的實施方案,開坯所述旋鍛溫度設為1400℃~1600℃,開坯道次加工率設為10%~13%;中間所述旋鍛溫度隨鎢棒加工的深入逐漸降低,當鎢棒被旋鍛成直徑為φ3.7mm的鎢桿后,其加工組織沿軸向趨于一致,具有更高強度,利于進入拉伸工序。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較,本發(fā)明的電子槍燈絲的制作方法,采用藍色氧化鎢制備鎢絲,有利于摻雜溶液的滲入;添加鉀元素,在鎢絲中形成鉀泡,改善鎢絲的高溫抗下垂性能;在鎢粉的還原過程中采用二段還原方式,能夠較好的控制鎢粉粒度,細顆粒鎢粉粒度控制為2.0um~3.0um;粗顆粒鎢粉粒度控制為3.0um~5.0um;采用兩次垂熔燒結(jié),既能保證鎢條結(jié)晶等性能又能降低生產(chǎn)成本;通過合理設定加工工藝,減少應力集中,改善鎢絲繞絲性能;鎢絲的制備過程中,合理設立退火點,及時消除鎢絲表面的應力,減少鎢絲裂紋的產(chǎn)生。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的電子槍燈絲結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示,本發(fā)明的電子槍燈絲,包括發(fā)射面1及連接于所述發(fā)射面1兩端的固定腳2;所述發(fā)射面1呈盤香狀結(jié)構(gòu);所述發(fā)射面1和固定腳2經(jīng)退火處理后一體制成。
本發(fā)明的電子槍燈絲的制作方法,所述方法包括以下步驟:首先制備摻雜鎢粉,通過還原仲鎢酸銨5(nh4)2o·12wo3·5h2o獲得藍色氧化鎢wo2.9,往藍色氧化鎢中加入適量si,al,k和co等微量摻雜劑,對摻雜后的氧化鎢進行還原獲得不同粒徑的摻雜鎢粉;然后燒結(jié)摻雜鎢坯條,對鎢粉進行酸洗,壓坯,燒結(jié)成具有金屬特性的耐高溫鎢坯條;最后塑性加工制備耐高溫摻雜鎢絲,通過旋鍛、拉伸和中間退火獲得耐高溫鎢絲,并通過壓力作用制得成品燈絲。
本發(fā)明的電子槍燈絲的制作方法,具體方法包括以下步驟:
步驟一,摻雜鎢粉的制備,
第一步,還原仲鎢酸銨,
仲鎢酸銨在還原性氣氛下,與氫氣發(fā)生化學反應生成藍色氧化鎢,選擇四帶九管還原爐作為還原仲鎢酸銨的設備,控制還原溫度為220℃~480℃,氫氣流量為0.3~0.6m3/h,進舟時間為15min/次,其化學反應方程如下:
5(nh4)2o·12wo3·5h2o+1.2h2=wo2.9+10nh3↑+11.2h2o↑;
第二步,加入摻雜劑,
取第一步還原得到的藍色氧化鎢50kg,并向藍色氧化鎢中加入0.43l濃度為42g/l的al(no3)3,2.2l濃度為110g/l的k2sio4,1.2l濃度為110g/l的co(no3)2;
第三步,還原摻雜后的藍色氧化鎢,
對摻雜后的藍色氧化鎢采用二階段還原工藝進行還原,控制一階段還原溫度為560℃~650℃,控制二階段還原溫度為620℃~820℃;控制氫氣露點-40℃以下,流量3.3~4.1l/h,裝舟量為130g~210g/舟;通過一階段還原,溫度控制在620℃~870℃,得到粗顆粒鎢粉,其粒度為3.0um~5.0um;通過二階段還原得到細顆粒鎢粉,其粒度為2.0um~3.0um;
步驟二,燒結(jié)摻雜鎢坯條,
第一步,酸洗,通過酸洗設備去除鎢粉中多余的摻雜劑;
第二步,壓坯,采用油壓機對第一步中經(jīng)酸洗操作后的鎢粉進行壓坯處理;
第三步,燒結(jié),采用二階段燒結(jié)方式,經(jīng)預燒結(jié)階段,鎢條在氫氣還原性氣氛中進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1180℃~1350℃,進舟速度為4cm/min;氫氣流量為2010l/h,以及高溫燒結(jié)階段,將鎢條置于真空垂熔爐中,在4350a電流下燒結(jié)42min,得到具有金屬特性的耐高溫鎢坯條;
步驟三,鎢絲的塑性加工,
第一步,旋鍛,使用旋煅機進行串鍛加工,開坯所述旋鍛溫度設為1400℃~1600℃,開坯道次加工率設為10%~13%,得到φ10.0mm的粗鎢棒;
第二步,預退火,取旋煅后的φ10.0mm粗鎢棒在高頻退火爐內(nèi)進行退火操作,以消除開坯應力,控制退火溫度為1300℃~1400℃,一次退火后加工率達到70%;
第三步,拉伸,經(jīng)大轉(zhuǎn)拉絲機的粗拉絲得到粗鎢棒,單模拉絲機和多模拉絲機的中拉絲得到φ5.8mm粗鎢桿;
第四步,中間退火,取拉伸后的粗鎢桿在氫氣電退火爐內(nèi)進行再結(jié)晶退火,控制退火溫度為1900℃~2000℃;
第五步,細拉絲,細絲多模拉絲機的細拉絲得到0.06~0.5mm細鎢絲;
第六步,將細鎢絲通過壓力加工制得盤香狀結(jié)構(gòu)的成品燈絲。
其中,制備耐高溫鎢絲所需所述摻雜劑為k=520~105ppm,a1=130~190ppm,si=900~1960ppm,co:0.01~0.013%,fe<14.5ppm。
本發(fā)明的電子槍燈絲的制作方法,采用藍色氧化鎢制備鎢絲,其表面存在很多臺階和裂紋,有利于摻雜溶液的滲入,在水溶液中具有快速離子交換能力,能獲得很好摻雜效果,是制備耐高溫鎢絲的良好摻雜原料;采用臥式摻雜機,摻雜劑嚴格按順序添加能改善摻雜效果,使摻雜劑均勻彌散分布;
由于添加鉀元素,在鎢絲中形成鉀泡,改善鎢絲的高溫抗下垂性能;添加鉆能夠?qū)︽u晶粒起到細化作用,降低氧含量,使鎢基體吸附更多的鉀,很好地提高鎢絲耐高溫性能;
制備耐高溫鎢絲所需摻雜劑為k=520~105ppm,a1=130~190ppm,si=900~1960ppm,co:0.01~0.013%,fe<14.5ppm,鎢絲的高溫抗下垂性能隨添加鉀元素的增加而優(yōu)異,當鉀含量超過90ppm時,鎢絲的高溫抗下垂性能惡化;耐高溫摻鉆鎢絲是采用1.5倍芯線,進行推拉檢驗,繞絲性能合格,10~20mm震幅,頻率為5~10次/s的條件下,摻鉆鎢絲的耐高溫性能良好;
仲鎢酸按粒度控制在30um~5oum,各種微量元素的含量都控制在20ppm以下,形貌以方形單斜晶為最佳;
在鎢粉的還原過程中采用二段還原方式,能夠較好的控制鎢粉粒度,細顆粒鎢粉粒度控制為2.0um~3.0um;粗顆粒鎢粉粒度控制為3.0um~5.0um;
燒結(jié)方式采用兩次高溫垂熔燒結(jié),通過酸洗去除多余摻雜劑后,在4350a電流下燒結(jié)42min的工藝既能保證鎢條結(jié)晶等性能又能降低生產(chǎn)成本;經(jīng)過燒結(jié)含有一定的鉀元素的鎢條密度越高、晶粒度越均勻,獲得的鎢絲高溫性能越好;
在旋鍛加工過程中,溫度與道次加工率分別:旋鍛溫度控制1300℃~1650℃,道次加工率控制10%~15%;通過合理設定加工工藝,減少應力集中,改善鎢絲繞絲性能;
鎢絲的制備過程中,合理設立退火點,及時消除鎢絲表面的應力,減少鎢絲裂紋的產(chǎn)生;耐高溫鎢絲的制備過程中在φ10.0mm退火,退火溫度是1300℃~1400℃。
上述實施例,僅是本發(fā)明的較佳實施方式,故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾,均包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。