б) Цветные металлы и сплавы. К основным цветным металлам, применяемым в электроламповом производстве, относят никель, медь и алюминий. Они имеют менее прочную кристаллическую решетку и хорошо обрабатываются как в горячем, так и в холодном состоянии. Нагартовка легко снимается отжигом в водороде или вакууме.
Таблица 1.2. Физические и механические свойства цветных металлов
Широкое использование этих металлов, их сплавов и композиций в производстве источников света определяется возможностью их получения в очень чистом виде, простотой механической обработки, коррозий-устойчивостью и сравнительно низкой стоимостью. Некоторые свойства этих металлов приведены в табл. 1.2.
Никель.
Благодаря сочетанию относительно высокой прочности и пластичности, химической стойкости и хороших вакуумных свойств, способности легко свариваться, паяться и обрабатываться в холодном состоянии никель является хорошим конструкционным материалом для источников света.
Однако относительно невысокая температура плавления, большая скорость испарения [1х10-8 кг/(м2-с)] и малая формоустойчивость при нагреве не дают возможности применять никель при рабочих температурах, превышающих 1000—1100 °C.
При комнатной температуре никель весьма устойчив на воздухе. Только при нагреве свыше 500 °C, а также во влажном воздухе никель окисляется. Окисная пленка на никеле получается тонкой и достаточно прочной, защищающей никель от глубокого окисления.
Против щелочей никель устойчив. Однако большинство минеральных кислот действует на никель. Особенно сильно он растворяется в азотной кислоте. Никель весьма чувствителен к загрязнению серой, взаимодействие с которой придает металлу хрупкость.
При механической обработке прочность никеля значительно возрастает. Снижение прочности происходит сравнительно медленно ввиду довольно высокой температуры рекристаллизации никеля (550—640°C). Температура отжига для рекристаллизации устанавливается около 800 °C, а температура для обезгаживания — примерно 900—950 °C.
В производстве источников света используются специальные марки никеля: НИВО — с присадкой вольфрама, НМц — с присадкой марганца, НК — с присадкой кремния, НМ — с присадкой магния, НИКА — с присадкой кальция. Широко используется также бесприсадочный никель различной степени чистоты: НО, Н1, НПО, НП1, НП2, НЭ, НкВ, НВ, Н000, Н0000, Н-экстра.
Из никеля изготавливаются вводы (электроды) ламп, подложки катодов некоторых газоразрядных ламп, крепежные детали. Из никеля и его сплавов делают припои для пайки деталей из вольфрама, молибдена и железа. Никель находит также широкое применение в качестве антикоррозийного покрытия цоколей и некоторых других деталей ламп.
Медь.
У меди сравнительно низкая температура плавления, высокое давление насыщенных паров и большая скорость испарения [1-10-4 кг/(см2-с) при 1280°С]. Это ограничивает допустимую рабочую температуру медных деталей значением 430—530 °C и не позволяет использовать медь для внутриламповых деталей большинства ламп.
В механическом отношении медь — очень ковкий металл, легко поддающийся обработке как в горячем, так и в холодном состоянии. Температура отжига меди не должна превышать 500—600 °C.
Химически медь малоактивна при обычных комнатных температурах. Однако при нагревании на воздухе, особенно в присутствии влаги, медь быстро окисляется и покрывается сначала рыхлыми слоями основной углекислой соли зеленоватого цвета, а затем также рыхлой пленкой окиси СuО черного цвета.
В некоторых случаях производят преднамеренное окисление меди нагревом ее до 700—710 °C с тем, чтобы она покрылась тонким и прочным слоем закиси меди Сu2О красного цвета. Окисленная таким образом медь хорошо смачивается размягченным стеклом. Это используется при осуществлении спаев меди со стеклом.
Кислород способен глубоко проникать в толщу меди с образованием в ней окиси и закиси. При нагреве такой меди в среде водорода последний также легко проникает в толщу меди и восстанавливает ее окислы. Водяной пар, получающийся при этом, разрывает медь с образованием трещин и пузырьков. Это явление, известное под названием «водородной болезни», не позволяет отжигать в водороде обычные сорта меди. Вакуумную медь, не имеющую внутри окислов, можно отжигать как в вакууме, так и в водороде.
Медь хорошо растворяется в азотной кислоте и в ее смесях с серной, а также в кислом растворе хромового ангидрида, хромпике. Щелочи действуют на медь слабо. Со ртутью медь образует амальгамы, приобретая хрупкость. Положительными свойствами меди являются также ее высокая электропроводность и теплопроводность.
В производстве источников света медь находит применение для изготовления внешней части выводов ламп, а для вакуумных ламп и для внутренней части. Из меди приготавливаются также твердые припои.
Алюминий.
Важными свойствами алюминия являются его малая плотность, высокая коррозионная стойкость, пластичность. Высокая коррозионная стойкость алюминия объясняется тем, что на воздухе он быстро покрывается тонкой, но очень прочной и плотной пленкой окиси ΑΙ2Ο3, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. Выполняя защитные функции, окисная пленка на алюминии в то же время сильно затрудняет его пайку и сварку.
Хорошие пластические свойства дают возможность легко изготавливать из алюминия при помощи ковки, штамповки, протяжки детали различной формы, в том числе очень тонкую фольгу (0,005 мм).
Однако алюминий — недостаточно прочный материал. При нагреве прочность алюминия еще более снижается. Недостатком алюминия является также его сравнительно низкая температура плавления.
Азотная и серная кислоты действуют на алюминий слабо, но соляная кислота, а также едкий натр и едкое кали хорошо растворяют металл. Со ртутью алюминий образует амальгамы.
Алюминий отличают высокие электро- и теплопроводность, устойчивость при бомбардировке положительно заряженными ионами, высокая светоотражающая способность при соответствующей обработке.
Из алюминия изготавливают катоды некоторых типов неоновых ламп тлеющего разряда. Сплав алюминия с магнием применяется в виде тонких проволоке лампах-вспышках. Из алюминия делают многие внешние детали ламп— корпуса стартеров, цоколей люминесцентных ламп и т. д. Алюминиевая пудра используется для облегчения зажигания стартеров в темноте. Тонкий слой алюминия, нанесенной на держатели тела накала ламп накаливания, служит газопоглотителем. В производстве специальных ламп накаливания алюминий используется для получения отражающих покрытий на внутренней поверхности колб.
Сплавы цветных и черных металлов.
Для производства источников света представляют интерес сплавы: железо — никель, железо — никель — хром, железо — никель — кобальт, железо — хром, сплавы на основе меди.
Железоникелевые сплавы могут использоваться в спаях с различными марками стекол и керамикой. Необходимый температурный коэффициент линейного расширения получается за счет изменения содержания в сплаве никеля.
Никелевая сталь марки 43 применяется в качестве сердечника для платинита, а также в качестве плавкого предохранителя в газополных лампах накаливания.
Тройные сплавы никеля, кобальта и железа носят название «ковар». Их можно применять для изготовления деталей, спаиваемых с тугоплавкими стеклами, керамикой, а также в конструкциях, подвергающихся действию ртути. Различные марки ковара имеют температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в пределах (33—55) -10-7 К-1.
Из сплавов на основе меди наиболее часто используется латунь, представляющая собой сплав меди с цинком. Латунь хорошо обрабатывается штамповкой, имеет достаточную коррозионную стойкость. Латунь не пригодна для деталей внутренней арматуры ламп из-за высокой летучести цинка даже при невысоких рабочих температурах. Поэтому чаще латунь применяется для внешних деталей ламп, например цоколей.
Биметаллы.
Биметаллом называется изделие, состоящее из слоев двух разных металлов или сплавов, прочно соединенных друг с другом по всей поверхности соприкосновения.
Рис. 1.1. Поперечный разрез платинитовой проволоки:
1 — медная оболочка; 2 — стальной сердечник
Биметаллы не только сочетают свойства соединяемых металлов, но и приобретают новые выгодные свойства. Из применяемых в электроламповом производстве биметаллов наиболее известны платинит и термобиметаллы.
Платинит представляет собой холоднотянутую проволоку, сердечник которой состоит из никелевой стали, а оболочка — из меди (рис. 1.1). Толщина меди примерно 15— 20 мкм. Содержание меди в общей массе биметалла около 26%. Максимальная рабочая температура платинита на воздухе 150 °C, а в вакууме — 400 °C.
Платинит имеет высокие электро- и теплопроводность, дуктильность, хорошо сваривается и спаивается с другими металлами и сплавами. Температурный коэффициент линейного расширения платинита различен в продольном и поперечном направлениях, и составляет соответственно (60— 70) ·10-7 и (80—100) -10~7 К"’. Поэтому спаи платинита со стеклами платинитовой группы нельзя считать полностью согласованными.
Платинит выпускается в виде проволок диаметром от 0,20 до 0,45 мм (через каждые 0,05 мм) и от 0,5 до 1,2 мм (через каждые 0,1 мм). Более тонкий платинит не обладает достаточной прочностью, а более толстый платинит вызывает из-за несогласования в спаях опасные напряжения в стекле.
Исходным материалом для получения платинита служат стальные прутки диаметром около 8 мм и длиной 1600 мм с тщательно отшлифованной поверхностью. Изготовленные прутки с целью снятия внутренних напряжений и очистки отжигают в водороде при 1180—1230°С в течение 1,5 ч, а затем подвергают электролитическому (анодному) травлению в 30%-ном растворе серной кислоты с последующей промывкой холодной проточной водой. Поверхность прутков становится чистой, матовой, что улучшает прочность сцепления медной оболочки с сердечником.
Последующее меднение прутков проводится электролитическим осаждением меди на прутках из электролита, составленного из медного купороса и серной кислоты. Меднение ведется 6—8 ч при интенсивном перемешивании электролита (или вращении в ванне самих прутков), что обеспечивает более равномерное отложение слоя меди.
Промытые водой и протертые насухо фильтровальной бумагой прутки отжигают в водороде при 830 °C в течение 1 ч и подвергают холодному волочению с целью получения платинитовой проволоки требуемого диаметра. Полученную проволоку очищают от смазки (мыльной эмульсии) перемоткой через ванну с 2%-ным раствором аммиака, отжигают в водородной печи и подвергают борированию, т. е. на поверхность платинитовой проволоки наносится тонкий слой буры Na2B4O7.
При борировании платинитовая проволока путем перемотки с катушки на катушку проходит последовательно первую газовую печь (температура 630—730°C], ванну с подогретым насыщенным раствором буры и вторую печь (температура 830—930°C]. В результате взаимодействия расплавленной буры с закисью меди на поверхности проволоки образуется сплошная пленка стекловидной массы— борной эмали красного цвета различных оттенков. Борирование платинита имеет три цели: защитить во время хранения платинита медную оболочку от воздействия атмосферы; образовать переходное стеклообразное вещество, улучшающее смачиваемость платинита; защитить платинит от переокисления при его спаивании со стеклом.
Для спаев со стеклом платинит используется очень широко (с 1913 г. взамен дорогостоящей платины), причем получение спаев высокого качества возможно только при определенных условиях: учете ограничений по толщине платинита; использовании стекол платинитовой группы; наличии в платините строго концентрической и равномерной по толщине медной оболочки, окисленной по поверхности до закиси меди; наличии на поверхности биметалла тонкого оплавленного слоя буры; точно проведенном процессе спаивания. Хранить платинит нужно в теплом сухом месте, в герметично закрытой таре.
Термобиметаллы
Термобиметаллы состоят из двух (или нескольких) слоев металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Слой металла с большим коэффициентом расширения называется активным слоем, а с меньшим — пассивным. Между ними может находиться промежуточный слой. При изменении температуры форма термобиметаллической детали изменяется из-за наличия указанных активного и пассивного cлоев с резко различными температурными коэффициентами линейного расширения.
Термобиметаллы выпускаются в виде холоднокатаных нагартованных лент и полос. Они применяются для изготовления скоб стартеров тлеющего разряда, используемых в схемах зажигания люминесцентных ламп.
В настоящее время для этих целей применяется термобиметалл марки ТБ1523, в котором пассивным слоем является сплав 36Н [(35—37)% никеля, а остальное — железо], а активным слоем —сплав 20НГ [(19—21)% никеля, (5,5—6,5)% марганца, остальное — железо]. Степень нагартованности материала должна быть в пределах 40— 60%. Рекомендуемый температурный интервал работы —70-:-+ 180 °C. Предельно допустимая температура нагрева 430 °C.