【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は管球用タングステン材料に係わり、特
にハロゲンランプのような点灯温度の高い管球の
フイラメントとして好適するタングステン線材に
関する。
従来から、管球用タングステン材料しては、純
タングステン或いはレニウム−タングステン合金
に、アルミニウム、ケイ素、カリウムなどのドー
プ剤を微量添加したもの（本明細書では、これら
のドープタングステンを含めてタングステンと総
称する。）が使用されているが、これらの耐垂下
性は充分なものではなく、これらをフイラメント
として用いた電球の寿命も必ずしも満足できるも
のではなかつた。
特にフイラメントの直径が100〜200μmと細く、
使用温度（点灯温度）が3000Kを越えるような、
複写機等のハロゲンランプ等に使用した場合に
は、点灯中のフイラメントの垂下、変形が大き
く、点灯効率が低くなるばかりでなく、早期断線
が起こりやすいという欠点があつた。
本発明はこのような欠点を解消し、フイラメン
トの耐垂下性および寿命の向上をもたらす管球用
タングステン材料を提供するものである。
すなわち、本発明は、3200℃で５分間加熱処理
を施こした場合に、結晶粒界に沿つて連続的に整
列した空孔を有し、この粒界の単位面積に対す
る、直径0.3μm以上の空孔の総面積比の平均が、
15％以下であることを特徴とする管球用タングス
テン線材である。
本発明のタングステン線材における耐垂下性の
向上は、ドープ剤、その中でも特にカリウムが焼
結時に高温に加熱され蒸発することによつて形成
される空孔（ドープ孔）によりもたらされるもの
であり、このような空孔が線引加工され、適切な
密度でタングステン線の軸方向に沿つて連続的に
整列することによつて二次再結晶時に、タングス
テン線の軸方向と直角方向への結晶粒子の成長を
抑制することによつて長大結晶粒子を形成し、こ
れにより耐垂下性、耐衝撃性等の向上が達せられ
る。
すなわち、空孔の存在は、一般金属における不
純物分散によるそれと同様の粒界移動の抑制効果
を有し、このことにより再結晶温度を上昇させる
ばかりでなく、分散強化型金属における分散粒子
と同じような働きをすることにより、強化作用を
もたらす。また、結晶軸方向（結晶粒界の方向）
に並んだ空孔により、軸に垂直な方向の再結晶粒
の成長が抑制され、結晶粒は軸方向に優先的に発
達することになるので、軸方向に長く伸びた長大
再結晶が形成され、これも再結晶温度を高くする
作用をしている。
このように空孔の存在は以上の作用により耐垂
下性の向上に著るしい働きをするが、そのために
は結晶粒界の面積に対するその総面積比の平均
は、15％以下の範囲にある必要がある。
すなわち、上記の面積比が15％より大きい場合
には、高温使用時に、結晶粒界の空孔が逆にスベ
リ発生の源となり、高温強度が低下しフイラメン
トの変形を生じ、フイラメントの早期断線を招く
ことになる。ここで、結晶粒界の単位面積に対す
る空孔の総面積比を求める方法の一例をあげる
と、例えば線材を液体窒素などで冷却した状態で
衝撃を加えることにより粒界破断を引き起こし、
結晶粒界の表面を測定可能とした試料を得る。そ
してこの破断面を観察し、この破断面の単位面積
当りの直径0.3μmの空孔（破断面においては略円
状の凹部となつている）の総面積を測定すること
により得られる。
また、3200℃で加熱処理した場合、結晶粒界の
面積に対する空孔の総断面積比は、所定の線径ま
で加工される各段階において殆んど変化しないか
ら、総断面積比15％以下という条件は、伸線加工
のいずれかの段階で満足していればよい。
すなわち、伸線加工のいずれかの段階で上記状
態であれば、以後の加工を経ても、軸に対して垂
直な方向への粒界の移動を抑制する空孔の効果は
変らず、フイラメントにした場合の耐垂下性が飛
躍的に向上する。
更に、総面積比を算定する空孔の直径を0.3μ以
上のものに限定したのは、次の理由による。
すなわち、高温強度向上に効果があるのは0.3μ
以下の空孔であり0.3μ以上の粗大空孔は、逆にス
ベリを引き起こす原因となり高温強度の低下を招
くことが発明者らの実験によつて確められてい
る。したがつて、0.3μ以上の粗大空孔が多ければ
多い程、ランプにした時、フイラメントの高温強
度が低下するが、実使用時における対応を検討し
た結果、再結晶粒界の面積における空孔の面積の
和が平均で15％以下であれば良好なフイラメント
が得られる。
尚、連続整列空孔の状態を特定する温度を3200
℃としたのは、管球用タングステン線材としての
適否を、短時間でかつ正確に判断するためであつ
て、これより低温では観察し得る空孔が出現する
のに長時間を要し、反対に余り高温では有効な空
孔でも孔径が大きくなりすぎ、過大な空孔との区
別が難しく、適切な判断ができないためである。
また、本発明における加熱処理は、真空或いは
水素（還元）雰囲気中で線材に直接通電するか、
或いはタングステンスリーブなどの発熱体中に挿
入して行なう。本発明のタングステン線材の製造
方法の一例としては、従来の製造方法に対し下記
の条件を満足させることにより得られる。すなわ
ちまずタングステン粉末を製造するまでの過程に
おいてドープ剤以外の不純物を十分に除去するこ
とが重要である。そしてさらに、ドープ剤の均一
化を図ることが重要となる。ドープ剤の均一化の
手段として、原料粉とドープ剤を混合する際に溶
液混合法を用い、その後の粉末の粒径を２〜4μm
と粒径を適正化し粉末中に含まれるドープ剤の量
をコントロールし、かつ焼結時の昇温速度を従来
の1/2以下とすることにより、焼結時のタングス
テン成型体中のドープ剤の飛散する量を均一化
し、焼結体の表面部および内部におけるドープ剤
の分散状態を均一化することにより本発明で規定
するタングステン線材を得ることが可能となる。
以下本発明のタングステン線材を管球フイラメ
ントに適用した場合の実施例について説明する。
実施例
次表に示される各粒径のタングステン粉末にド
ープ材を溶液混合法を用いて添加し、その後通常
の還元、成形工程を行い、得られた成形体を通常
の温度で焼結を行う際に同じく次表に示す各昇温
速度で加熱を行つた。その後、通常の熱処理なら
びに転打および伸線の各加工を施こして、3200℃
で５分間加熱処理したとき、連続整列空孔を有
し、結晶粒界の総面積に対する直径0.3μ以上の空
孔の総面積比が、次表に示される各値を有する、
直径0.39mmの線材を製造した。
これらをフイラメントとして使用して100V、
2kWのハロゲンランプを製作し、その寿命およ
びフイラメントの耐垂下性を測定した。測定結果
を同表に示す。ここで、寿命および耐垂下性は同
表における試料番号１を１としての相対比較とし
て示している。
尚、本実施例における評価および測定は次のよ
うにして行つた。
すなわち、空孔の直径と断面積、および結晶粒
界の面積の観察および算定は、SEM（走査形電子
顕微鏡）を用いて10000倍に拡大した線材断面の
一定の大きさの視野を観察し、算定することによ
つて行なつた。また、寿命は、ランプを点灯しフ
イラメントが焼断するまでの時間を測定すること
によつて求め、さらに耐垂下性は、100時間点灯
後のフイラメントの端部支持位置から垂下位置ま
での距離を測定することによつて求めた。
The present invention relates to a tungsten material for tubes, and particularly to a tungsten wire suitable as a filament for tubes such as halogen lamps, which have a high lighting temperature. Traditionally, tungsten materials for tubes have been pure tungsten or rhenium-tungsten alloys with trace amounts of dopants such as aluminum, silicon, and potassium added (herein, tungsten and doped tungsten are referred to as pure tungsten or rhenium-tungsten alloys). ) have been used, but their droop resistance is not sufficient, and the lifespan of light bulbs using them as filaments has not always been satisfactory. In particular, the diameter of the filament is as thin as 100 to 200 μm,
Where the operating temperature (lighting temperature) exceeds 3000K,
When used in halogen lamps such as copying machines, the filament sags and deforms significantly during lighting, which not only reduces lighting efficiency but also tends to cause premature disconnection. The present invention eliminates these drawbacks and provides a tungsten material for tubes that improves the sag resistance and the lifespan of the filament. That is, the present invention has pores that are continuously aligned along the grain boundaries and has a diameter of 0.3 μm or more per unit area of the grain boundaries when heat treated at 3200°C for 5 minutes. The average of the total area ratio of pores is
This is a tungsten wire material for tubes, which is characterized by a tungsten wire material having a content of 15% or less. The improvement in sag resistance in the tungsten wire of the present invention is brought about by the pores (dope pores) formed when the dopant, especially potassium, is heated to high temperature and evaporated during sintering. These pores are drawn and continuously aligned along the axial direction of the tungsten wire with an appropriate density, so that during secondary recrystallization, crystal grains are formed in the direction perpendicular to the axial direction of the tungsten wire. By suppressing the growth of , long crystal grains are formed, thereby improving droop resistance, impact resistance, etc. In other words, the presence of vacancies has the same effect of suppressing grain boundary movement as that caused by impurity dispersion in general metals, and this not only increases the recrystallization temperature but also increases the It has a reinforcing effect by acting as a stimulant. Also, crystal axis direction (crystal grain boundary direction)
The vacancies arranged in the axial direction suppress the growth of recrystallized grains in the direction perpendicular to the axis, and the crystal grains develop preferentially in the axial direction, resulting in the formation of long recrystallized grains extending in the axial direction. , which also has the effect of increasing the recrystallization temperature. In this way, the presence of pores has a significant effect on improving sagging resistance due to the above-mentioned effects, but in order to do so, the average ratio of the total area to the area of grain boundaries must be within a range of 15% or less. There is a need. In other words, if the above area ratio is greater than 15%, the pores in the grain boundaries will become a source of slippage during high-temperature use, lowering the high-temperature strength and deforming the filament, which may lead to early breakage of the filament. I will invite you. Here, an example of a method for determining the ratio of the total area of pores to the unit area of grain boundaries is as follows: For example, by applying an impact to a wire cooled with liquid nitrogen, grain boundary rupture is caused.
A sample is obtained in which the surface of grain boundaries can be measured. This can be obtained by observing this fracture surface and measuring the total area of pores with a diameter of 0.3 μm per unit area of the fracture surface (which is a substantially circular concave portion on the fracture surface). In addition, when heat-treated at 3200℃, the ratio of the total cross-sectional area of pores to the area of grain boundaries hardly changes at each stage of processing to a predetermined wire diameter, so the total cross-sectional area ratio is less than 15%. This condition only needs to be satisfied at any stage of the wire drawing process. In other words, if the above condition exists at any stage of wire drawing, the effect of the pores that suppress the movement of grain boundaries in the direction perpendicular to the axis will not change even after subsequent processing, and the filament will remain The sagging resistance will be dramatically improved. Furthermore, the reason why the diameter of the pores for calculating the total area ratio was limited to 0.3 μ or more is as follows. In other words, 0.3μ is effective in improving high temperature strength.
It has been confirmed through experiments by the inventors that the following types of pores, coarse pores of 0.3μ or more, cause slippage and result in a decrease in high-temperature strength. Therefore, the more coarse pores of 0.3μ or more, the lower the high-temperature strength of the filament will be when used in a lamp.However, as a result of considering countermeasures during actual use, we found that the number of pores in the area of recrystallized grain boundaries A good filament can be obtained if the sum of the areas of is 15% or less on average. In addition, the temperature to identify the state of continuously aligned holes was set to 3200.
The temperature was set at ℃ in order to quickly and accurately judge the suitability of the tungsten wire for tubes. This is because at too high a temperature, even effective pores become too large in diameter, making it difficult to distinguish them from excessive pores and making it impossible to make appropriate judgments. In addition, the heat treatment in the present invention involves directly applying electricity to the wire in a vacuum or hydrogen (reducing) atmosphere, or
Alternatively, it can be inserted into a heating element such as a tungsten sleeve. As an example of the method for manufacturing the tungsten wire of the present invention, it can be obtained by satisfying the following conditions compared to the conventional manufacturing method. That is, it is important to sufficiently remove impurities other than the dopant during the process up to the production of tungsten powder. Furthermore, it is important to make the dopant uniform. As a means of homogenizing the dopant, a solution mixing method is used when mixing the raw material powder and the dopant, and the particle size of the subsequent powder is adjusted to 2 to 4 μm.
By optimizing the particle size and controlling the amount of dopant contained in the powder, and by reducing the temperature increase rate during sintering to less than half of the conventional rate, the dopant in the tungsten molded body during sintering can be reduced. The tungsten wire defined by the present invention can be obtained by uniformizing the amount of dopant scattered and by uniformizing the dispersion state of the dopant on the surface and inside of the sintered body. Examples in which the tungsten wire of the present invention is applied to a tube filament will be described below. Example A doping material is added to tungsten powder of each particle size shown in the following table using a solution mixing method, followed by normal reduction and molding steps, and the resulting compact is sintered at a normal temperature. At the same time, heating was carried out at various temperature increase rates shown in the following table. After that, it is subjected to the usual heat treatment, rolling and wire drawing processes to a temperature of 3200℃.
When heat treated for 5 minutes at
A wire rod with a diameter of 0.39 mm was manufactured. 100V using these as filaments,
A 2kW halogen lamp was manufactured, and its lifespan and filament droop resistance were measured. The measurement results are shown in the same table. Here, the life span and sagging resistance are shown as a relative comparison with sample number 1 in the same table as 1. Note that the evaluation and measurements in this example were performed as follows. In other words, the diameter and cross-sectional area of pores and the area of grain boundaries can be observed and calculated by observing a fixed-sized field of view of the wire cross section magnified 10,000 times using a SEM (scanning electron microscope). This was done by calculating. In addition, lifespan is determined by lighting the lamp and measuring the time until the filament burns out, and drooping resistance is determined by measuring the distance from the end support position of the filament to the drooping position after 100 hours of lighting. It was determined by measurement.
【表】
以上の実施例からも明らかなように、本発明の
タングステン線材は、高温における耐垂下性に優
れているので、特に点灯温度の高いハロゲンラン
プや、集魚灯、映写機用等のランプとして好適し
ている。[Table] As is clear from the above examples, the tungsten wire of the present invention has excellent sagging resistance at high temperatures, so it can be used particularly as a halogen lamp with a high lighting temperature, a fishing lamp, a lamp for a movie projector, etc. Suitable.