Wenn es stimmt, dass ein Glücksfall mehr wiegt als hundert Unglücksfälle, dann kann die Entdeckung der Wolframfaden-Ziehtechnik als eindrucksvolle Bestätigung dafür dienen. Das Verfahren zur Herstellung von Wolframdraht, das so viele Fehlschläge erlitt, war ein Wendepunkt in der Entwicklung der Pulvermetallurgie-Technologie.

Geschichte

Die Glühbirne, wie wir sie kennen, kam 1904 auf. Mehr als ein Vierteljahrhundert lang war man auf der Suche nach einem geeigneten Material, seit Swan 1878 in Newcastle seine Erfindung der acht- und sechzehnflammigen Kohlenlampen vorstellte. Ende des neunzehnten Jahrhunderts stellte von Welsbach einen metallischen Glühfaden aus Osmium (t°pl = 2700° C) her. Osmium-Lampen waren sechsmal effizienter und heller als Kohlenstofflampen, aber der Preis von Osmium, einem Element der Platingruppe, machte solche Lampen extrem teuer.

1903 schlug von Bolton von der Firma Siemens & Halske Tantal mit einer Temperatur von 2996 °C für Glühfäden vor. Tantal-Glühlampen waren 15 % effizienter als Osmium-Glühlampen und wurden sogar produziert, konnten aber nicht mit dem Wolfram-Glühfaden konkurrieren, der ein Jahr später aufkam. Bis 1911 hatte die Wolframdrahtlampe alle anderen Lampen vom Markt verdrängt. Die Lichtausbeute von Wolfram war 2-mal höher als die von Osmium und unter Hochspannung fast 4-mal höher. Moderne Leuchtstofflampen mit Wolframkathode sind fast 9-mal effizienter und heller als die Osmiumlampen des späten neunzehnten Jahrhunderts.

Entwicklung der Wolfram-Glühfaden-Technologie

Lange Zeit war es wegen der erheblichen Sprödigkeit von Wolfram bei normaler Temperatur nicht möglich, einen ausreichend dünnen Glühfaden zu ziehen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts versuchte Siemens-Halske, das für Tantal entwickelte Ziehverfahren anzuwenden. Wolfram war dafür jedoch nicht dehnbar genug. Später wurde ein originelles Verfahren patentiert, bei dem in einer Wasserstoffatmosphäre ein elektrischer Lichtbogen zwischen Wolframelektroden gezündet wurde, um den Wolframknüppel in einem Graphittiegel zu schmelzen, der innen mit Wolframpulver bedeckt war. Es entstanden Tropfen aus geschmolzenem Wolfram mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von bis zu 30 mm, die nach dem Abkühlen weiterverarbeitet wurden. In einem anderen Patent wurde Wolframpulver mit einer organischen Paste vermischt, das Gemisch durch Düsen gepresst und in einer inerten Atmosphäre geglüht. Das Ergebnis war ein recht dünner Wolframdraht. Eine der vielversprechenden Entwicklungen war die folgende. Man erhitzte den Kohlenstofffaden in einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Dämpfen von _WCl4. Auf der Oberfläche des Fadens lagerte sich Wolfram ab, das mit dem Kohlenstoff in Form von Karbid WC-weiß versinterte. Der Faden wurde erneut in einem Wasserstoffstrom gebrannt, der den Kohlenstoff "auswusch", so dass ein Faden aus reinem Wolfram zurückblieb, der dem durch Extrusion erhaltenen Faden ähnelte. Bei allen oben genannten Techniken wurde versucht, das Wolfram beim Erhitzen so weit wie möglich vor Oxidation zu schützen, da die körnige Struktur des Fadens ihn sonst sehr spröde machte. Im Jahr 1909 gelang es dem Amerikaner Coolidge, die ideale Art der Temperatur- und mechanischen Behandlung von Wolfram ohne Füllstoff zu finden.

Moderne Produktion

Hochreines Wolframpulver ist das Ausgangsmaterial. Spezielle Mühlen mahlen das Ausgangsmaterial unter Stickstoffatmosphäre zu einem feinen Pulver, um eine Oberflächenoxidation der reibungserhitzten Partikel zu vermeiden. Die Rohlinge werden dann in Stahlformen mit einem Druck von 5-25 ^kg/mm2 gepresst. Ist das Rohmaterial von schlechter Qualität, wird das Werkstück spröde. Um dies zu vermeiden, wird dem Rohmaterial ein leicht oxidierbarer organischer Bestandteil zugesetzt. Der nächste Schritt ist das Sintern. Die gepressten Knüppel, die auch als Stapel bezeichnet werden, haben ein spezifisches Gewicht von etwa 2/3 der Dichte von Wolframmetall und werden daher bei einer sehr hohen Temperatur gesintert. Sie werden zwischen wassergekühlte Kontakte gelegt und in einer trockenen _{H2-Atmosphäre} mit einer elektrischen Ladung durchströmt, die sie fast bis zum Schmelzpunkt erhitzt. Dadurch vergrößert sich die Größe der kristallinen Körner und der Knüppel erreicht eine Gussdichte von 95 %. Der Knüppel wird bei 1200-1500°C geschmiedet. In einer speziellen Mühle werden die gesinterten Stapel mit einem Hammer zerkleinert, wodurch sie jedes Mal um 12 % dünner werden. Die Wolframkörner werden gedehnt, so dass eine fibrilläre Struktur entsteht. Nach dem Schmieden wird der Faden durch Diamantsiebe gezogen. Der Durchmesser des Fadens beträgt ~13 Mikrometer.

Prozentuale Zusammensetzung

Vorteile von Wolframdraht

Wolfram ist das hitzebeständigste aller Metalle mit einem Schmelzpunkt von +3422°C. Wolframdraht ist hitzebeständig, hat einen minimalen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen sehr hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Lichtdurchlässigkeit, eine hohe Beständigkeit gegen thermisches Kriechen und eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Nachteile

Wolfram ist eines der seltenen Elemente in der Erdkruste. Die Schwierigkeit, es in seiner reinen Form zu erhalten, und die Unbeständigkeit von Wolfram bei der Verarbeitung wirken sich auf die Kosten von Wolframdraht aus.

Anwendungen

Wolframglühfäden sind in der Elektrotechnik und Radioelektronik wegen der geringen Elastizität des Wolframdampfes bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 2500°C sehr gefragt. Ihre Lichtbrechung und außergewöhnliche Lichtleistung machen sie in Glühlampen, Kineskopen und anderen Vakuumröhren unverzichtbar. Wolframglühfaden (GOST 19 671-91) in den Qualitäten VA, VCh, VRN ist nicht nur für Glühwendel und Glühkörper bestimmt. Aus ihm werden Spiral- und Nichtspiralkathoden von elektronischen Geräten und Teile von Halbleitergeräten, Schleifenheizungen, Gitter, Targets von Röntgenröhren hergestellt. Aus der Sorte BPH werden Eingänge, Traversen und Teile hergestellt, die keine Wolframlegierungen benötigen.

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