S'il est vrai qu'une bonne fortune l'emporte sur cent mauvaises, la découverte de la technologie d'étirage des filaments de tungstène peut en être la confirmation éclatante. La méthode de production de filaments de tungstène, qui a connu tant d'échecs, a marqué un tournant dans le développement de la technologie de la métallurgie des poudres.

L'histoire

L'ampoule à incandescence telle que nous la connaissons est apparue en 1904. Pendant plus d'un quart de siècle, on a cherché un matériau approprié, depuis que Swan a présenté pour la première fois à Newcastle, en 1878, son invention de lampes à charbon de huit et seize bougies. À la fin du XIXe siècle, von Welsbach a produit un filament métallique en osmium (t°pl = 2700° C). Les lampes à l'osmium étaient six fois plus efficaces et plus lumineuses que les lampes au carbone, mais le prix de l'osmium, un élément du groupe du platine, rendait ces lampes extrêmement chères.

En 1903, von Bolton, de la société Siemens & Halske, a proposé le tantale, dont le t°p est de 2996 °C, pour les filaments. Les lampes à filament de tantale étaient 15 % plus efficaces que les lampes à filament d'osmium et commencèrent même à être produites, mais ne purent concurrencer le filament de tungstène qui apparut un an plus tard. En 1911, les lampes à filament de tungstène avaient évincé toutes les autres lampes du marché. L'efficacité lumineuse du tungstène était deux fois supérieure à celle de l'osmium et, à haute tension, presque quatre fois supérieure. Les lampes fluorescentes modernes à cathode de tungstène sont presque 9 fois plus efficaces et plus lumineuses que les lampes à osmium de la fin du XIXe siècle.

Développement de la technologie du filament de tungstène

Pendant longtemps, en raison de la fragilité importante du tungstène à température normale, il n'a pas été possible d'obtenir un filament suffisamment fin. Au début du 20e siècle, Siemens-Halske a tenté d'appliquer le procédé d'étirage mis au point pour le tantale. Cependant, le tungstène n'était pas assez ductile pour cela. Plus tard, une méthode originale a été brevetée : dans une atmosphère d'hydrogène, un arc électrique a été amorcé entre des électrodes de tungstène pour faire fondre la billette de tungstène dans un creuset en graphite, recouvert à l'intérieur de poudre de tungstène. On obtient des gouttes de tungstène fondu de 10 mm de diamètre et jusqu'à 30 mm de long, qui sont ensuite traitées après refroidissement. Un autre brevet a mélangé de la poudre de tungstène avec une pâte organique, pressé le mélange à travers des buses et recuit dans une atmosphère inerte. Le résultat était un filament de tungstène assez fin. L'un des développements prometteurs était le suivant. Le filament de carbone est chauffé dans une atmosphère d'hydrogène et de vapeurs de _WCl4. Sur la surface du fil, du tungstène s'est déposé et s'est fritté avec le carbone sous forme de carbure WC blanc. Le filament était recuit dans un courant d'hydrogène, qui "lavait" le carbone, laissant un filament de tungstène pur, semblable au filament obtenu par extrusion. Toutes les techniques susmentionnées visaient à protéger autant que possible le tungstène de l'oxydation lorsqu'il était chauffé, faute de quoi la structure granulaire du filament le rendait très cassant. En 1909, l'Américain Coolidge a réussi à trouver le mode idéal de température et de traitement mécanique du tungstène sans aucune charge.

La production moderne

La poudre de tungstène de haute pureté est le matériau de départ. Des broyeurs spéciaux réduisent la matière première en poudre fine sous atmosphère d'azote afin d'éviter l'oxydation superficielle des particules chauffées par friction. Les ébauches sont ensuite pressées dans des moules en acier à une pression de 5-25 ^kg/mm2. Si la matière première est de mauvaise qualité, la pièce devient cassante. Pour éviter cela, un composant organique facilement oxydable est ajouté à la matière première. L'étape suivante est le frittage. Les billettes pressées, également appelées piles, ont un poids spécifique d'environ 2/3 de la densité du tungstène métal et sont donc frittées à très haute température. Elles sont placées entre des contacts refroidis à l'eau et traversées par une charge électrique dans une atmosphère de _H2 sec, ce qui les chauffe presque jusqu'à leur point de fusion. La taille des grains cristallins augmente et la billette atteint une densité de coulée de 95 %. La billette est forgée à 1200-1500°C. Dans un broyeur spécial, les piles frittées sont écrasées par un marteau, ce qui les amincit de 12 % à chaque fois. Les grains de tungstène sont allongés pour donner une structure fibrillaire. Après le forgeage, le filament est tiré à travers des tamis en diamant. Le diamètre du filament est de ~13 microns.

Composition en pourcentage

Avantages du filament de tungstène

Le tungstène est le plus réfractaire des métaux avec un point de fusion de +3422°C. Le filament de tungstène est résistant à la chaleur, a un coefficient de dilatation thermique minimal, une résistance électrique et une transmission de la lumière très élevées, une grande résistance au fluage thermique et une bonne conductivité thermique.

Inconvénients

Le tungstène est l'un des éléments rares de la croûte terrestre. La difficulté de l'obtenir sous sa forme pure et le caractère capricieux du tungstène lors de sa transformation ont une incidence sur le coût du filament de tungstène.

Applications

Le filament de tungstène est très demandé en électrotechnique et en radioélectronique en raison de la faible élasticité de la vapeur de tungstène à des températures de fonctionnement élevées allant jusqu'à 2500°C. Sa réfractarité et son rendement lumineux exceptionnel le rendent indispensable dans les lampes à incandescence, les kinéscopes et autres tubes à vide. Le filament de tungstène (GOST 19 671-91) de qualité VA, VCh, VRN n'est pas seulement destiné aux spirales de filament et aux corps incandescents. Les cathodes spiralées et non spiralées des appareils électroniques et des pièces des appareils à semi-conducteurs, les réchauffeurs de boucle, les grilles, les cibles des tubes à rayons X sont fabriqués à partir de ce filament. La qualité BPH permet de fabriquer des entrées, des traverses et des pièces qui ne nécessitent pas d'alliages de tungstène.

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