ГЛАВА ПЕРВАЯ
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
1.1. МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
Металлы — это химические вещества, характеризующиеся способностью отдавать внешние (валентные) электроны, слабо связанные с атомом.
В свободном состоянии металлы обладают высокой электропроводностью, 'хорошей теплопроводностью, непрозрачностью и характерным металлическим блеском. Эти свойства металлов обусловлены их внутренним строением. По современным представлениям структура металла — это жесткая кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный электронный газ.
Высокая электропроводность обусловлена свободой перемещения валентных электронов по всему металлу, поскольку они не закреплены каждый за своим атомом.
Хорошая теплопроводность металлов также объясняется легкостью перемещения электронов, переносящих энергию из одного места металла в другое. Между величинами электропроводности и теплопроводности существует прямая пропорциональность. Причиной электрического сопротивления металлов являются различные нарушения кристаллической решетки, вызванные тепловыми колебаниями ионов в узлах решетки, наличием химических примесей, отсутствием некоторых ионов в узлах решетки (вакансиями), линейными искажениями (дислокациями).
Оптические свойства металлов также связаны с наличием в них свободных электронов; поскольку их плотность очень велика (порядка 1019 мм-8), то даже очень тонкие металлические слои (0,1 мкм) отражают большую часть падающего на них света и практически непрозрачны. Поэтому даже небольшое напыление металла на колбу лампы существенно снижает ее прозрачность. .
При обычных условиях свободные электроны не могут покинуть металл, так как их энергия недостаточна для преодоления сил притяжения. Однако если металл нагревать, то энергия электронов возрастает и они могут покидать металл — наблюдается явление, называемое термоэлектронной эмиссией.
Для нагретых металлов характерно излучение энергии в окружающее пространство: при 300—600 °C — тепловое, инфракрасное; а при
температурах свыше 600 °C к нему добавляется видимое излучение, т. е. металлы начинают светиться.
Полученные из расплавленного состояния твердые металлы имеют зернистое строение. Размер, форма и расположение зерен (микроструктура) существенно влияют на механические и физические свойства металлов. Металлы с крупнозернистой структурой имеют худшие механические свойства, чем с мелкозернистой структурой. В практике однородную мелкозернистую структуру часто создают искусственно, для чего металлы подвергают механической обработке давлением, а затем нагревают.
При механической обработке металлов давлением (ковка, штамповка, прокатка, волочение) происходит деформация металлов (изменение первоначальной формы и размеров), одновременно происходит изменение микроструктуры. Металл приобретает волокнистое строение, при этом повышается предел прочности при растяжении и твердость, одновременно понижаются относительное удлинение металла и способность к дальнейшему деформированию. Такое изменение механических свойств металла называется наклепом или нагартованностью. Зернистая структура металла может быть восстановлена нагревом металла до температуры рекристаллизации.
Рекристаллизацией называется изменение внутренней структуры металла при нагреве, связанное с образованием и ростом новых зерен с неискаженной кристаллической решеткой вместо деформированных.
Последовательность процессов в металле при его нагреве с целью рекристаллизации следующая: распад деформированных зерен — образование новых мелких зерен — укрупнение мелких зерен за счет их слияния друг с другом вплоть до образования крупнозернистой структуры, свойственной данному металлу.
Температура рекристаллизации определяется химическим составом металла и степенью его нагартованности. Чем большей деформации был подвергнут металл при обработке давлением, тем больше в нем запас энергии и тем быстрее при меньших температурах начинается процесс рекристаллизации. Скорость рекристаллизации, а также форму и размеры новых зерен в металле можно регулировать введением в него специальных присадок.
Нагрев металла с целью его рекристаллизации называют отжигом. Для предотвращения окисления металлических деталей их отжигают в вакууме, водороде или среде защитного газа. В производстве источников света отжиг деталей производится не только для снятия наклепа, но и для очистки деталей от поверхностных загрязнений, обезгаживания и т. д. При установлении режимов отжига всегда важно знать температуры первичной и вторичной рекристаллизации.
Большое значение для металлов, применяемых в электроламповом производстве, имеют диффузионные процессы. Эти процессы определяют такие свойства металлов, как вакуумная плотность, газопоглошение, обезгаживаемость и др.
Таблица 1.1. Параметры тугоплавких металлов
Металлические сплавы — это соединения двух или более металлов, образующие новые однородные вещества. В электроламповом производстве используются металлы и сплавы: тугоплавкие, цветные, специального назначения.