柴朝晖

摘要：长晶炉提拉绳使用环境特殊，使用条件复杂，失效后损失巨大。只有单根钨丝的综合性能达到较高的水平，由多股钨丝绞合而成的提拉绳的质量才有保障。通过对长晶炉提拉绳用钨丝在选材和工艺方面的优化，可以改进原有工艺，采用直径更粗的钨丝来进行提拉绳的制作，在满足最终产品要求的同时起到降低生产成本的作用。

关键词：长晶炉提拉绳;钨丝;材料;加工工艺

长晶炉广泛应用于单晶硅、蓝宝石等行业，其中采用提拉法制备晶体的过程中，需要在晶体长大上升时，在已成形的晶体上方施加一定的拉力，确保晶体生长不偏移，使晶体尺寸受控。由于长晶炉内温度高，磁场强，空间有限，需要提拉绳具有较好的高温性能，在超过1000℃的情况下也不会发生因再结晶造成钨丝绳断裂，在使用过程中，钨丝绳要进行卷曲、缠绕，需要提拉绳高温下具有延伸率低，抗弯扭等性能。钨丝绳由单股钨丝绞合而成，在绞合的过程中也应减少断裂的发生，以提高成品率和生产效率。综合以上，要求制作提拉绳的钨丝在机械性能和高温性能两个方面都具备一定的优势，方能获得性能优异的钨丝绳。以下从选材和工艺两个方面来说明此类钨丝生产中需关注的要点。

1.提拉绳用钨丝的选材

材料的性能是由原材料和加工工艺决定的。其中原材料又是其中最为重要的因素。提拉绳采用钨丝绳而不是其他金属绳，主要由于钨丝具有1、熔点高、具有高温抗下垂性能，能够适应长晶炉内的高温环境。2、蒸汽压低，挥发物极少，不会对制备的晶体造成污染。

纯钨丝高温抗下垂性能不佳，只有生产过程中添加Si、Al、K的氧化物才能使钨丝获得优良的抗下垂性能。这种钨丝正是曾广泛应用于电光源行业的掺杂钨丝。因此，可以借鉴掺杂钨丝的相关性能区分，选取合适的牌号用于提拉绳用钨丝。

掺杂钨丝通过粉末冶金的方法经过压力加工制得。在粉末阶段，虽然Si、Al、K氧化物的添加量不足1%，大部分添加物在后续的烧结过程中都会挥发掉，只有K会有微量的残留。但就是这些量非常少的掺杂物使钨丝的性能发生了很大的变化。掺杂钨丝的牌号主要根据残留K含量的不同加以区分。纯钨丝的K含量在0.001%左右，掺钾钨丝的K含量在0.003%-0.010%之间。按照《GBT 4181-2017 钨丝》牌号的分类规则，根据K含量的不同区分为WK80、WK60、WK40、W1四个牌号。其牌号数字越大，所含的K含量越高，高温性能也越好。

长晶炉内为真空环境，钨丝绳在工作中最高温度超过1000℃，虽远低于其可承受的温度，但考虑到钨丝提拉绳绳单次提拉时间可能超过2个月，总使用寿命长达1年或更久。这需要钨丝高温性能表現为长期的稳定性，而非单次的可耐受程度。四个牌号中WK80的高温性能最好，但因其掺杂量略大，其加工性能和成品的机械性能一般，且对加工工艺及过程控制要求高。WK40牌号可加工性及成品钨丝的机械性能好，但其高温性能较弱，制作的钨丝绳在使用寿命方面存在风险。综合提拉绳用钨丝的性能指标，通常并不选择WK80牌号，而是选择比WK80高温性能稍弱的WK60牌号。WK60牌号的K含量一般控制在0.005%～0.007%之间，高温性能较好，成品的机械性能良好。既保证了钨丝从单根绕制成多股的过程中的成品率和效率，也使绕制好的钨丝绳具备较好的高温稳定性。

2.提拉绳用钨丝的工艺控制

为保证提拉绳的可靠性，国外早期多采用φ0.05mm-0.10mm的白钨丝通过多次绕制，获得直径1-5mm的成品钨丝绳。近些年，长晶炉制备晶体的尺寸逐步加大，也要求钨丝提拉绳相应加粗。如果继续用直径较细的钨丝绕制，将使生产成本大幅增加。

掺杂钨丝的直径越细，其塑性越好，更有利于钨丝绳的绕制。如果想采用更粗的钨丝来绕制，首先要保证其塑性达到要求，绕制过程不断裂，成形后的钨丝绳塑性良好。通过工艺的优化可使钨丝的综合性能获得改善，使采用更大直径的单根钨丝来绕制钨丝提拉绳成为可能。

目前选材和工艺优化后，采用φ0.175mm-0.20mm的单根钨丝来绕制钨丝绳已获得钨丝绳生产、使用厂家的认可，成为较成熟的产品。以下以φ0.20mm提拉绳用钨丝的生产为例，介绍此类钨丝生产中工艺要点。

2.1 原材料的高温性能控制和裂纹控制

φ0.20mm的钨丝通常以φ0.39mm的钨丝为原料。在原料选用时，应注意其裂纹数量，通常裂纹数量控制在≤2个/100m。同时应注意其组织结构，WK60牌号φ0.39mm的钨丝高温处理后，组织结构应呈燕尾状搭接，达到下图要求。

2.2 加工工艺要点

2.2.1 为获得机械性能优良的钨丝，在旋锻及拉伸的过程中应保证各工序的加工温度，并适当提高退火温度，避免造成严重的加工硬化，导致后续加工中钨丝开裂。如果在φ0.39mm检测到钨丝强度较高，可以通过在φ0.39mm进行退火的办法，消除加工硬化，同时还能增加成品钨丝的柔韧性，便于钨丝绳的绞合制作。

2.2.2 用于制作钨丝绳的钨丝必须是白钨丝，以减少晶体杂质。生产好的黑钨丝必须通过电解抛光的方式去除钨丝表面的石墨乳和一部分钨基体。如要生产φ0.2mm的钨丝用于绞合制作提拉绳，需要生产φ0.205mm的黑钨丝，再进行电解抛光。

2.2.3 电解抛光前需要对黑钨丝的质量做确认。如裂纹、强度、直径、直线性、表面等。以确保白钨丝产品质量。

3.结语

根据长晶炉提拉绳用钨丝的工作特点，选取合适牌号的掺杂钨丝，采取合理的加工工艺和控制标准，可以获得规格较粗，高温性能与机械性能兼备的白钨丝。这种钨丝经过多股绞合，可制作出性能优异的长晶炉提拉绳，并起到减少加工工序，降低全环节生产成本的作用。

参考文献

[1]印协世.钨丝生产原理、工艺及其性能，冶金工业出版社，1998年.

[2]张启修，赵秦生，赵慕华，赵宝华.钨钼冶金，冶金工业出版社，2005年.

[3]白淑文等.钨钼丝压力加工原理，轻工业出版社，1983年.