超高壓汞燈鎢電極質(zhì)量改進(jìn)研究

嚴(yán)劍剛 ，胡 欣 ，羅 俊

（1.上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，上海 201209；2.上海亞爾光源有限公司，上海 201801）

0 引言

近年來，幾乎所有的講座和報告都建議采用PPT的形式，故配投光系統(tǒng)的顯示儀使用率也大大提高。我國投影儀國際市場占有率位居世界第一，但質(zhì)量及附加價值遠(yuǎn)低于世界平均水平，質(zhì)量競爭力很弱[1]。而在投影儀光學(xué)系統(tǒng)核心中，投影燈是其中最昂貴的耗材，投影燈泡的好壞直接決定著投影圖像[2]。投影燈電極多半是選用超高壓汞燈鎢電極，為此對此電極的深入研究至關(guān)重要，是制造高光效、長壽命超高壓汞燈的關(guān)鍵。

目前我國對投影燈電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、制造成形技術(shù)已能達(dá)到國際先進(jìn)水平，但最終的使用質(zhì)量仍不佳。究其原因是由于超高壓汞燈電極工作在一個內(nèi)徑1.8～2 mm密閉的電弧管內(nèi)，燈的工作氣壓達(dá)5～20 MPa，極距為1.3 mm[3]。電極的組織結(jié)構(gòu)、材料雜質(zhì)含量都影響燈的光電參數(shù)及使用壽命[4]。從超高壓汞燈電極真空熱處理全過程的升溫與時間關(guān)系的探討分析，尋求最佳的處理工藝，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的一個有效途徑。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)對超高壓汞燈電極制造成形后進(jìn)行真空熱處理，摸索最佳的處理爐升溫與時間的關(guān)系，掌握超高壓汞燈電極最終真空熱處理的工藝。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)使用的是美國極特先進(jìn)科技公司真空熱處理爐（見圖1），爐溫可達(dá)2 600℃。熱處理爐的真空度、加熱溫度、保溫時間、爐膽清潔度等都是項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵。由于產(chǎn)品小，熱處理時還需控制產(chǎn)品的數(shù)量，防止由于產(chǎn)品堆積造成排氣不易。同時，熱處理時的盛具必須使用與產(chǎn)品材料一致的鎢桶，防止電極在高溫下受其他雜質(zhì)的污染，因此鎢桶的四周需進(jìn)行打孔處理，便于產(chǎn)品內(nèi)雜質(zhì)物質(zhì)、氣體在高溫下排除，提高產(chǎn)品的純度。

圖1 真空熱處理爐Fig.1 Vacuum heat treatment furnace

鎢是僅次于碳（熔點(diǎn)為4 100 K）的難熔元素，其熔點(diǎn)為3 680 K，又有低的蒸汽壓[5]，試驗(yàn)材料為直徑0.4 mm的高純鎢絲（99.999%）加工成形的電極。

1.2 輔助檢測設(shè)備

金相顯微組織分析，掃描電子顯微鏡材料含量分析是檢驗(yàn)最終真空熱處理效果的有效手段[6]。試驗(yàn)使用的是日本KEYENCE公司數(shù)碼顯微鏡，放大倍數(shù)可達(dá)1000倍，能清晰觀察電極截面金相顯微組織。

2 真空熱處理試驗(yàn)

超高壓汞燈電極材料是鎢，這種金屬既有非常高的熔點(diǎn)又有較低的蒸氣壓[7]。燈中的雜質(zhì)不僅會降低燈的光通維持率，而且負(fù)電性氣體的存在還會導(dǎo)致啟動電壓的升高和放電電弧的收縮，以致電弧不穩(wěn)定、易熄弧、電極蒸散嚴(yán)重、燈壽命縮短、光色一致性差等問題[8]。幾乎所有的電光源制造過程均必須有“排氣”這一重要工序。因此在燈制造工藝中，提高對電極的熱處理、儲存等工藝對保護(hù)電極尤其重要。而真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳、無變形以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[9]。為此避免電極在燈內(nèi)燃點(diǎn)時放出雜質(zhì)，試驗(yàn)需將電極內(nèi)所含有的雜質(zhì)氣體和表面臟物降低至100 μg/g以下；同時為改善電極在高溫熔化成形后的組織結(jié)構(gòu)，使鎢電極晶粒長度小于100 μm，需摸索最佳的真空熱處理工藝。

為提高電極真空處理后清潔度及細(xì)化組織，試驗(yàn)關(guān)鍵是保證真空爐內(nèi)的真空度及溫度與時間的控制[10]。將成形后的超高壓汞燈電極清洗處理后放入特制的鎢桶盛器內(nèi)，加熱前先將真空爐加熱室真空壓強(qiáng)抽到8×10-3Pa，然后開始加熱升溫。由于真空爐加熱室在升溫的過程中電極會有雜質(zhì)氣體的溢出，因此必須摸索不同的升溫速度及保溫時間，保證達(dá)到一定的真空度，不斷排除雜質(zhì)氣體。

根據(jù)以往氣體放電燈電極真空熱處理的經(jīng)驗(yàn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素有溫度、保溫時間和升溫曲線。為此選用正交表（如表1所示）設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究溫度、保溫時間和升溫曲線對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。制定不同的真空熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)，摸索滿足超高壓汞燈電極的真空熱處理工藝。經(jīng)多次試驗(yàn)確定最終真空熱處理工藝的溫度曲線（見圖2）。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

圖2 真空熱處理工藝曲線Fig.2 Process curve of vacuum heat treatment

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 真空熱處理對電極顯微組織的影響

真空熱處理就是工件在真空狀態(tài)下進(jìn)行熱處理。圖3為超高壓汞燈電極2600℃保溫30min真空熱處理前后橫截面的顯微組織。真空處理前，圖3（a）鎢電極晶粒長度達(dá)300～600 μm，晶粒分布很不均勻，而經(jīng)真空熱處理試驗(yàn)后，圖3（b）的鎢晶粒晶粒度明顯改善且晶粒分布相對均勻，鎢電極晶粒長度為50～100 μm，這表明真空熱處理可以有效改善超高壓汞燈電極高溫成形后的顯微組織，達(dá)到了試驗(yàn)的目的。

圖3 真空熱處理前后顯微組織Fig.3 Microstructure of vacuum heat treatment before and after heat treatment

3.2 真空熱處理對電極去除雜質(zhì)的作用

圖4為超高壓汞燈電極2 600℃保溫30 min真空熱處理前后雜質(zhì)含量檢測分析。兩者對比可以發(fā)現(xiàn)處理后電極含碳、氧等其他雜質(zhì)含量顯著降低，達(dá)到了電極降低雜質(zhì)含量的目的。

圖4 真空熱處理前后元素含量Fig.4 Element content of vacuum heat treatment before and after heat treatment

經(jīng)過大量試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，對比試驗(yàn)金相結(jié)構(gòu)分析及材料含量檢測分析，達(dá)到了處理的目的，確定了最終的真空熱處理工藝。有效改善了超高壓汞燈的光譜（圖5），電極的使用壽命從試驗(yàn)前的1 000～2 000 h提高到目前的5 000～6 000 h。并經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)及客戶的使用情況反饋，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了歐美發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)，獲得了歐司朗、通用、松下、亞明等知名照明公司的一致認(rèn)可，推動了國內(nèi)投影儀的發(fā)展。

圖5 真空熱處理前后光譜Fig.5 Spectrum of vacuum heat treatment before and after

4 結(jié)論

試驗(yàn)對超高壓汞燈電極制造成形后進(jìn)行真空熱處理，摸索最佳的處理爐升溫與時間的關(guān)系，掌握了超高壓汞燈電極最終真空熱處理的工藝。通過試驗(yàn)、檢測及使用反饋，得到了如下結(jié)論：

（1）真空熱處理有效解決了超高壓汞燈電極高溫成形組織粗大、分布不均勻的情況，有效改善了顯微組織。

（2）真空熱處理能有效清除電極內(nèi)所含有的雜質(zhì)氣體和表面臟物，有效提高了燈壽命和光色一致性。

因此，通過摸索超高壓汞燈真空熱處理工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，為制造高光效、長壽命超高壓汞燈提供了保障。

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