AT15459U1 - Anode - Google Patents

Abstract

Anode (1) für eine Hochdruck-Entladungslampe, aufweisend einen Grundkörper (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung und einen Einsatz (2) aus einer Wolfram-Basislegierung, die entlang mindestens einer Grenzfläche (23) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (2) aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 g/g und 120 g/g, bevorzugt 15 g/g und 85 g/g, weiter bevorzugt 25 g/g und 65 g/g besteht. Weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Anode und eine Hochdruck-Entladungslampe.

Description

Beschreibung

ANODE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung eine Hochdruck-Entladungslampe.

[0002] Hochdruck-Entladungslampen enthalten üblicherweise eine Anode und eine Kathode, die innerhalb eines mit Edelgas gefüllten Kolbens einander gegenüber angeordnet sind. Hochdruck-Entladungslampen für die Photolithographie weisen zudem meist Zugaben von Quecksilber zum Erzeugen von UV-Strahlung auf. Im Betrieb treten aus der Kathode Elektronen aus und werden zur Anode hin beschleunigt und treffen auf diese auf. Dabei führt der Elektronenbeschuss der Anode zu deren Aufheizung.

[0003] Beim Ein- bzw. dem Ausschalten oder bei zyklischem Betrieb, der für manche Anwendungen von Hochdruck-Entladungslampen von Vorteil sein kann, ist das Material der Anode hohen thermischen sowie mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Spannungen können zu Verformungen durch Kriechvorgänge oder plastischer Deformation führen, wodurch es zur lokalen Deformation des Anodenplateaus im Bereich des Lichtbogenansatzes kommen kann. An diesen lokal deformierten Stellen setzt der Lichtbogen bevorzugt an, was zu einer lokalen Temperaturerhöhung und somit zu einem verstärkten Abdampfen des Anodenmaterials (oft Wolfram) und somit zu frühzeitiger Kolbenschwärzung führt. Dadurch wird die Lebensdauer einer solchen Hochdruck-Entladungslampe drastisch reduziert.

[0004] Um die im Material auftretenden Temperaturen weitest möglich zu reduzieren, ist bekannt, den Durchmesser der Anode zu erhöhen, damit deren Oberfläche und damit die Ener-gieabstrahlung zu steigern.

[0005] Um die Kriechbeständigkeit des Anodenmaterials zu erhöhen ist es zum Beispiel aus der DE3036746C2 bekannt, diese aus dotiertem Material, beispielsweise aus Wolfram, dotiert mit Kalium herzustellen.

[0006] Die bereits oben erwähnte Abdampfung des Anodenmaterials stellt ein Problem im Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen dar. Eine Abdampfung tritt umso stärker auf, je geringer die relative Dichte des Anodenmaterials ist. Um die relative Dichte der Anode zu erhöhen sind aus dem Stand der Technik diverse Verfahren zur Umformung bekannt, beispielsweise aus der DE102006061375A1 oder der DE4229317A1.

[0007] Besonders die Herstellung von Anoden mit großen Durchmessern führt jedoch zu zusätzlichen Problemen. So ist eine über den gesamten Durchmesser, also auch im Kern der Anode, hohe Dichte mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder unter großem Kostenaufwand zu realisieren. Weiters ist bei Anoden mit großen Durchmessern ein Abdampfen von Verunreinigungen während der üblicherweise pulvermetallurgischen Fertigung solcher Anoden nicht mehr in ausreichendem Maße, vor allem nicht über den gesamten Durchmesser, insbesondere nicht im Kernbereich gegeben. Die Kombination dieser beiden Nachteile der geringen Kernverdichtung als auch der erhöhten Gehalte an Begleitelementen, insbesondere im Kernbereich, ist umso kritischer, da damit im Teil der Anode, welcher der höchsten thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt ist, Anodenmaterial mit weniger günstigen chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften vorliegt.

[0008] Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine zum Stand der Technik verbesserte Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe bereitzustellen, die die erwähnten Nachteile und Probleme vermeidet. Dabei soll die verbesserte Anode kostengünstig und in reproduzierbar hoher Qualität herstellbar sein.

[0009] Dafür soll ebenfalls ein Verfahren bereitgestellt werden.

[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, sowie eine erfindungsgemäße Anode enthaltende Hochdruckentladungslampe nach

Anspruch 16 und weiter durch ein Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.

[0011] Gemäß der Erfindung wird eine Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe bereitgestellt, die einen Grundkörper aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung und einen Einsatz aus einer Wolfram-Basislegierung aufweist. Grundkörper und Einsatz sind entlang mindestens einer Grenzfläche stoffschlüssig miteinander verbunden und der Einsatz besteht aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g.

[0012] Unter Refraktärmetall sind für den Zweck der vorliegenden Erfindung die Metalle Wolfram und Molybdän, zu verstehen. Unter Refraktärmetall-Basislegierung sind Legierungen auf Basis eines oder mehrerer der genannten Refraktärmetalle zu verstehen, wobei der Anteil an Refraktärmetall oder Refraktärmetallen größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at% weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Unter Wolfram-Basislegierung ist also eine Legierungen auf Basis von Wolfram zu verstehen, wobei der Anteil an Wolfram größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at% weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Damit sind darunter auch Wolfram-Basislegierungen zu verstehen, die mit Seltenerd-Oxiden dotiert sind, wie beispielsweise mit Lanthanoxid oder Ceroxid dotiertes Wolfram. Es versteht sich von selbst, dass eine Basislegierung auch übliche Verunreinigungen, die bereits in den Rohstoffen enthalten sind beziehungsweise über den Produktionsprozess eingebracht werden, enthalten kann.

[0013] Unter einer stoffschlüssigen Verbindung sind Verbindungen zu verstehen, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Es sind dies Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen, also nicht lösbare Verbindungen.

[0014] Der Kaliumgehalt in den genannten Metallen oder Legierungen wird mittels FAAS (Flamm-Atom-Absorptions-Spektroskopie mit einer Varian Spectra AA-200 bestimmt.

[0015] Durch einen Kaliumgehalt des Einsatzes von zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g ist die Kriechbeständigkeit im am höchsten beanspruchten Teil der Anode deutlich verbessert.

[0016] Bei Kalium-Gehalten von weniger als 5 pg/g kann die Formstabilität des Einsatzes bereits beeinträchtigt sein, bei Kalium-Gehalten von mehr als 120 pg/g kann es bereits zu einer Beeinträchtigung des Sinterverhaltens (geringere erzielbare Sinterdichten) beziehungsweise nachfolgend der Umformbarkeit kommen.

[0017] Es hat sich also herausgestellt, dass sich ein Kalium-Gehalt in diesem Bereich besonders günstig auf die Formstabilität und Kriechbeständigkeit des im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe am meisten beanspruchten Bereichs der Anode (Anodenplateau) auswirkt. Auch kann durch die Wahl dieses geeigneten Kaliumgehalts die Neigung zur Grobkornbildung reduziert werden. Durch die Zugabe von Kalium wird weiter auch Versetzungskriechen reduziert, welches gerade bei zyklischer Belastung der Anode häufig zu einer Verringerung der Formstabilität bei erhöhten Temperaturen und hohen mechanischen Spannungen und damit zum Versagen führt und damit die Lebensdauer einer solchen Hochdruck-Entladungslampe verringern kann. Im Vergleich zu anderen Methoden der Festigkeitssteigerung hat sich die Zugabe von Kalium als viel effizienter und vor allem für Temperaturbereiche von größer 2000°C als geeigneter erwiesen. So ist eine Mischkristallverfestigung durch die Zugabe von Rhenium oder Tantal nur bis Temperaturen von bis zu 2000°C gegeben, über dieser Temperatur ist die festigkeitssteigernde Wirkung durch die bereits erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit der Legierungselemente in Wolfram bereits reduziert. Eine Festigkeitssteigerung durch Partikel Verfestigung über die Zugabe von oxydischen Teilchen, wie beispielsweise Lanthanoxid ist ebenfalls nur bis zu Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes dieser oxydischen Teilchen, bei etwa 2300 °C, möglich. Bei darüber liegenden Temperaturen neigen die schmelzflüssigen Oxidpartikel zu starkem Verdampfen, was zu zusätzlicher Kolbenschwärzung führen kann. Zudem wer den sehr hohe logarithmische Umformgrade benötigt, um einen festigkeitssteigenden Effekt durch ausreichende Partikelfeinung zu erzielen. Bei den für eine Anode einer Hochdruck-Entladungslampe üblichen hohen Einsatztemperaturen kommt es jedoch zusätzlich zu einer Oxidvergröberung und Oxidagglomeration und der festigkeitssteigernde Effekt geht somit verloren.

[0018] Weiter bevorzugte Bereiche für den Kaliumgehalt des Einsatzes sind zwischen 15 pg/g und 85 pg/g, und weiter bevorzugt zwischen 25 pg/g und 65 pg/g.

[0019] Diese K- Gehalte lassen sich reproduzierbar im Sinterstab einstellen und das Material sich ohne Schwierigkeiten beim anschließenden Umformen verarbeiten.

[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung.

[0021] Durch die Verwendung von Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung für den Grundkörper wird gewährleistet, dass durch den geringen Dampfdruck des Wolframs die Abdampfung von Atomen der Anode so gering wie möglich ist. Weiter ergeben sich durch die Verwendung eines Grundkörpers aus einer Wolfram oder Wolfram-Basislegierung mit einem Einsatz aus einer Wolfram-Basislegierung Vorteile in Bezug auf die Verbindungstechnik. Weiters ist auch der thermische Ausdehnungskoeffizient von Einsatz und Grundkörper bei Verwendung einer solchen Materialkombination jeweils im Wesentlichen gleich. Damit bilden sich keine unvorteilhaften Spannungszustände in den beiden Komponenten Einsatz und Grundkörper aus, die dazu führen könnten, dass im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe plastische Verformungen oder Risse in Einsatz, Grundkörper oder an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper entstehen.

[0022] Weiter bevorzugt besteht der Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 0,01 pg/g und 80 pg/g, bevorzugt 0,1 pg/g und 50 pg/g.

[0023] Alternativ kann der Grundkörper auch aus Molybdän oder einer Molybdän-Basislegierung bestehen. Dies hat den Vorteil, dass der Grundkörper eine geringere Masse aufweist (geringere Dichte von Molybdän im Vergleich zu Wolfram) und damit die Belastung auf den die Anode tragenden Haltestab reduziert wird. Dies ist umso vorteilhafter wenn der Haltestab während des Betriebes der Lampe rekristallisiert und damit versprödet.

[0024] Unter einer Molybdän-Basislegierung ist eine Legierungen auf Basis von Molybdän zu verstehen, wobei der Anteil an Molybdän größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at% weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Damit sind darunter auch Molybdän-Basislegierungen zu verstehen, die beispielsweise mit Oxiden oder Karbiden dotiert sind, wie beispielsweise mit Lanthanoxid, Yttriumoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Titankarbid oder Hafniumkarbid dotiertes Molybdän. Es versteht sich von selbst, dass eine Basislegierung auch übliche Verunreinigungen, die bereits in den Rohstoffen enthalten sind beziehungsweise über den Produktionsprozess eingebracht werden, enthalten kann.

[0025] Sowohl bei der Verwendung von Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung als auch von Molybdän oder einer Molybdän-Basislegierung für den Grundkörper wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit ein rascher Abtransport der an der Spitze der Anode entstehenden Wärme gewährleistet.

[0026] Weiter bevorzugt weist der Grundkörper eine relative Dichte von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95% auf. Je höher die Dichte, desto geringer ist die Gefahr, dass der Grundkörper bei der Verarbeitung Verunreinigungen aufnimmt und diese im Betrieb der Lampe wieder abgibt.

[0027] Die relative Dichte kann bekanntlich auf einfache Weise über das archimedische Prinzip bestimmt werden.

[0028] Durch relative Dichten in diesem Bereich ist außerdem eine optimale Wärmeabfuhr von der Anode durch den Grundkörper gewährleistet.

[0029] Der Einsatz weist bevorzugt eine relative Dichte von mehr als 98% auf.

[0030] Durch eine solch hohe relative Dichte ist sowohl eine optimale Wärmeabfuhr zum Grundkörper und weiter eine minimale Abdampfung und hohe Formstabilität gewährleistet.

[0031] In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Kaliumgehalt des Einsatzes K2 höher als der Kaliumgehalt des Grundkörpers K3 ist.

[0032] Bei herkömmlichen Anoden aus Wolfram oder Wolfram-Basislegierungen mit großen Durchmessern führt eine Kalium-Dotierung zu den im Folgenden beschriebenen Problemen.

[0033] Kalium wird typischerweise in Form von KOFI oder K20 dem Wolframoxid zugesetzt. Damit bei der anschließenden Reduktion des Wolframoxids zu Wolfram das Kalium nicht vorzeitig verdampft wird es zusätzlich durch Zugaben von Aluminium (AI) und/oder Silizium (Si) in Form von Aluminium- oder Silizium-haltigen Zugaben stabilisiert. Bei den Sinterprozessen zur Fertigung der Anode gelingt es, diese Begleitelemente durch Ausgasprozesse und Diffusionsvorgänge weitestgehend abzubauen, während die Menge an Kalium im Wolfram zum Großteil erhalten bleiben. Das Sintern von dünnen Wolframstäben erfolgt typischerweise durch Direktsintern (durch direkten Stromdurchgang). Das Aufheizen beim Direktsintern kann mit sehr hohen Aufheizgeschwindigkeiten realisiert werden. Das ermöglicht ein schnelles Ausgasen der unerwünschten Begleitelemente AI und/oder Si, bevor der Sinterstab dichtgesintert ist. Zudem werden beim Direktsintern Sintertemperaturen von 2700 bis 2900°C erreicht, so dass Diffusionsvorgänge ausreichend schnell ablaufen können. Das Sintern von Stäben mit großen Durchmessern kann jedoch nur durch indirektes Sintern erfolgen. Beim indirekten Sintern (über Heizleiter) kommt es durch langsamere Aufheizraten, sowie dem Wärmeeintrag von außen leicht zu einem „Vereintem“ der Stäbe von außen, das heißt einem Dichtsintern der äußeren Bereiche der Stäbe, bevor Aluminium und/oder Silizium ausreichend abgebaut sind.

[0034] Eine Schwierigkeit bei der Herstellung von dicken Sinterstäben besteht also darin, einen ausreichenden Abbau der Begleitelemente AI und/oder Si zu gewährleisten. Mit Kalium dotierte Sinterstäbe können also nicht mit beliebig großen Durchmessern hergestellt werden. Dies wiederum führt zu Einschränkungen im Umformgrad und damit der maximal möglichen Verdichtung der Stäbe.

[0035] Durch die Verwendung eines Einsatzes mit kleinerem Durchmesser (D2) als der Durchmesser des Grundkörpers der Anode (D3), kann ein Material mit einem deutlich höheren Umformgrad und einer höheren Kerndichte verwendet und damit auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine hohe Dichte auch im Zentrum der Anode gewährleistet werden.

[0036] Als mögliches Ausgangsmaterial für den Einsatz können also umgeformte Sinterstäbe und auch Sinterstäbe mit einem kleineren Sinterdurchmesser verwendet werden. Letztere weisen zusätzlich auch ein besseres Ausgasverhalten (Abbau von Begleitelementen wie oben beschrieben) beim Sintern auf.

[0037] Der Grundkörper einer erfindungsgemäßen Anode ist nicht direkt durch den vom Lichtbogen verursachten Temperaturgradienten beansprucht. Auch die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität des Grundkörpers sind deutlich geringer als an den Einsatz. Damit ein Ausgasen im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe der Begleitelemente Kalium, Aluminium, Silizium aus dem Grundkörper möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, für den Grundkörper ein Material mit niedrigerem Kalium-Gehalt zu verwenden. Für die Herstellung eines solchen Materials sind auch niedrigere Konzentrationen an Aluminium und/oder Silizium erforderlich und auch deren Ausdampfen somit geringer. Außerdem werden durch die Verwendung eines Materials mit niedrigem Kaliumgehalt für den Grundkörper die Kosten für die Anode zusätzlich weiter reduziert. Eine Kalium-Dotierung des Grundkörpers ist nicht zwingend erforderlich, kleine Mengen Kalium im Grundkörper wirken sich jedoch positiv auf die Kornstabilität beim Herstellprozess und damit auch auf eine anschließende mechanische Bearbeitung des Grundkörpers sowie auf die Formstabilität des weniger stark thermisch beanspruchten Bereiches der Anode im Betrieb aus. Somit kann es auch für den Grundkörper vorteilhaft sein, wenn dieser Kalium beinhaltet beziehungsweise, wie oben beschrieben bevorzugt aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 0,01 gg/g und 80 gg/g, bevorzugt 0,1 gg/g und 50 gg/g besteht.

[0038] Weiter bevorzugt ist es, wenn die Differenz des Kaliumgehalts des Einsatzes K2 minus den Kaliumgehalt des Grundkörpers K3 zwischen 20 und 85 gg/g beträgt.

[0039] Eine Differenz von weniger als 20 gg/g ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit weniger bevorzugt, da Stäbe mit größeren Durchmessern einfacher mit niedrigeren Kaliumgehalten hergestellt werden können und an den Grundkörper geringere Anforderungen in Bezug auf dessen Formstabilität gestellt werden. Eine Differenz von mehr als 85 gg/g ist aus Gründen der Herstellbarkeit weniger vorteilhaft, da auch Stäbe mit geringeren Durchmessern bei zu hohen Kaliumgehalten nicht mehr optimal dichtgesintert werden können.

[0040] Höhere Kalium-Gehalte gehen wie oben erwähnt üblicherweise mit höheren Gehalten an Begleitelementen wie AI und/oder Si einher. Bei größeren Sinterformaten (beispielsweise Stäbe mit größeren Durchmessern) können höhere Gehalte an Begleitelementen zu unerwünschten Kornwachstums-Effekten (zum Beispiel Riesenkornwachstum) führen. Derartige Materialien lassen sich schlechter Umformen und es kann zu einer schlechter mechanischen Bearbeitbarkeit (durch Kornausbrüche) kommen.

[0041] In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Einsatz einen Aluminiumgehalt von zwischen 0,01 gg/g und 30 gg/g auf.

[0042] Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich ein Aluminiumgehalt von mehr als 30 gg/g negativ auf die Lebensdauer einer Hochdruck- Entladungslampe auswirken kann. Im Betrieb einer solchen Lampe kommt es an am meisten beanspruchten Bereich der Anode (Anodenplateau) bei zu hohen Gehalten an Aluminium zu verstärkter Porenbildung (thermische induzierte Porenbildung) und damit zu einer strukturellen Schwächung des Materials. Das Aluminium selbst liegt nach dem Sintern nicht in gelöster Form, sondern als diskreter Partikel vor. Dies kann durch Augerelektronenspektroskopie belegt werden (z.B. mit einem Augerelektro-nenspektroskop PHI 680 Auger Nanoprobe). Es wird vermutet, dass es sich dabei um unlösliche Aluminiumverbindungen handelt (z.B. Äl203). Durch die am Anodenplateau herrschenden hohen Einsatztemperaturen kann es jedoch zum Verdampfen dieser Verbindungen kommen. Da Wolfram bei den üblichen Betriebstemperaturen von bis zu 3200°C eine bereits sehr niedrige Festigkeit von einigen MPa aufweist, führt der durch das Verdampfen der Aluminiumverbindungen steigende Dampfdruck zu sich vergrößernden Poren und damit zu einer erhöhten Porosität. Dadurch wird zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit des Materials verringert, was wiederum zu einer schlechteren Wärmeabfuhr durch die Anode führt. Damit steigt die Temperatur der Anode noch weiter an.

[0043] Bevorzugt weist der Einsatz einen Siliziumgehalt von zwischen 0,01 gg/g und 30 gg/g auf.

[0044] Auch für den Siliziumgehalt hat sich herausgestellt, dass dieser ab einem Gehalt von mehr als 30 gg/g zu verstärkter Porenbildung im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe und damit zu einer strukturellen Schwächung des Materials und den damit wie oben beschriebenen Folgen führt.

[0045] In einem besonders bevorzugten Fall sind sowohl der Aluminiumgehalt als auch der Siliziumgehalt jeweils zwischen 0,01 gg/g und 30 gg/g. Damit können die oben beschriebenen Nachteile besonders gut unterbunden werden.

[0046] Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Anode derart ausgebildet ist, dass senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen Grundkörper und Einsatz ein diskreter Übergang zumindest eines der Parameter der Gruppe Kaliumgehalt, Aluminiumgehalt, Siliziumgehalt, mittlere Korngröße, relative Dichte vorliegt.

[0047] Eine mögliche Erklärung kann dafür darin gesehen werden, dass der thermisch am höchsten belastete, und bevorzugt hochfeste Einsatz auch den größten Betrag zur Wärmeausdehnung zu erbringen hat. Diese Wärmeausdehnung sollte nach Möglichkeit durch den weiche ren Grundkörper kompensiert werden, da ansonsten die Wärmeausdehnung durch Deformation des Einsatzes im Bereich des Lichtbogenansatzes erfolgt. Dies kann am besten durch einen diskreten Übergang zu dem eine niedrigere Festigkeit aufweisenden Grundkörper realisiert werden.

[0048] Der Verlauf der Elementkonzentration und somit auch ein diskreter Übergang im Kaliumgehalt, Aluminiumgehalt oder Siliziumgehalt im Bereich der Grenzfläche zwischen Grundkörper und Einsatz kann mittels GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry = Glimmentladungs-Massenspektrometrie) Tiefenprofil senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper analysiert werden.

[0049] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Einsatz und weiter bevorzugt auch der Grundkörper ein umgeformtes Gefüge auf.

[0050] Ein umgeformtes Gefüge ist dadurch charakterisiert, dass die Form der im Material enthaltenen Körner in einer Vorzugsrichtung gestreckt ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann diese Vorzugsrichtung sowohl in Richtung der Rotationsachse der Anode, als auch in einer Ebene normal dazu ausgerichtet sein. Ein umgeformtes Gefüge ist also dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße in einer Richtung (beispielsweise der Richtung der Rotationsachse der Anode, axiale Richtung) größer ist, als die Korngröße in einer anderen Richtung (beispielsweise der radialen Richtung der Anode).

[0051] Ein umgeformtes Gefüge des Einsatzes hat den Vorteil, dass damit eine hohe Dichte auf kostengünstige Art und Weise erzeugt werden kann. Weiter weist ein umgeformtes Gefüge zumindest bis zur Rekristallisationstemperatur eine höhere Festigkeit als ein nicht umgeformtes Gefüge auf.

[0052] Ähnlich wie für Seltenerd-dotierte Wolframwerkstoffe bekannt, kann auch für Kaliumdotierte Wolframwerkstoffe eine Feinung der Kalium-enthaltenden Poren und damit eine feinere und gleichmäßigere Verteilung des Kalium erreicht werden. Durch die feinere Verteilung der mit Kalium gefüllten Poren kann ein zusätzlicher festigkeitssteigernder Effekt erzielt werden. Zudem lässt sich ein umgeformtes Gefüge besser bearbeiten.

[0053] In den besonders bevorzugten Ausgestaltungen in denen auch der Grundkörper ein umgeformtes Gefüge aufweist, ergeben sich die gleichen Vorteile für den Grundkörper und in weiterer Folge natürliche für die gesamte Anode.

[0054] Da bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Anode zwei unterschiedliche Materialien verwendet werden können, muss die mittlere Korngröße des Einsatzes nicht zwingend der mittleren Korngröße des Grundkörpers entsprechen. Vielmehr bietet eine erfindungsgemäße Anode eine große Flexibilität in der Wahl der mittleren Korngröße des Einsatzes, unabhängig von der mittleren Korngröße des Grundkörpers.

[0055] Abhängig von der Betriebstemperatur, dem Betriebsmodus sowie der verwendeten Anodengeometrie können sich im Bereich des Anodenplateaus stark unterschiedliche Tempera-tur-Spannungs-Profile einstellen. Bei niedrigen Spannungen und Temperaturen von T > 0,4 * Ts (Ts = Schmelztemperatur) treten diffusionskontrollierte Verformungsmechanismen auf. Hier ist es vorteilhaft, ein Material für den Einsatz mit einer möglichst großen mittleren Korngröße zu verwenden, während die mittlere Korngröße des Grundkörpers für eine gute Bearbeitbarkeit nach Möglichkeit weniger als 100 pm beträgt. Für mechanisch hoch beanspruchte Anodenplateaus, welche speziell bei zyklisch betriebenen Anoden auftreten, sollte die mittlere Korngröße möglichst klein sein, um eine möglichst hohe Festigkeit und damit wenig plastische Deformation zu erzielen. Die mittlere Korngröße des Einsatzes kann dabei deutlich kleiner als die mittlere Korngröße des Grundmateriales sein. In beiden Fällen liegt bevorzugt ein diskreter Übergang der mittleren Korngröße senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen Grundkörper und Einsatz vor.

[0056] Besonders bevorzugt ist es wenn die mittlere Korngröße des Einsatzes größer als die mittlere Korngröße des Grundkörpers (3) ist. Beispielsweise kann der Grundkörper über Pressen und Sintern hergestellt sein und eine mittlere Korngröße von 10 bis 20 pm aufweisen wäh- rend der Einsatz ein rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 40 bis 400 gm aufweist.

[0057] Die Form des Einsatzes kann an die jeweiligen konstruktiven Anforderungen der Anode angepasst werden und beispielsweise einem Zylinder, einem Kegelstumpf, einem mit einem Zylinder verbundenen Kegelstumpf, zwei an Grund und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen oder einer Halbkugel entsprechen. Auch andere rotationssymmetrische Formen sind für die Ausgestaltung eines Einsatzes geeignet.

[0058] Ein Einsatz der der Form eines Zylinders entspricht, hat den Vorteil, dass damit fertigungsseitig sehr geringe Kosten durch mechanische Bearbeitung von Grundkörper und Einsatz entstehen.

[0059] Ein Einsatz der der Form eines Kegelstumpfes entspricht, ist zwar mit etwas höheren Fertigungskosten verbunden, hat aber Vorteile in Bezug auf die Verteilung der im Betrieb der Hochtemperatur-Entladungslampe entstehenden Temperatur-und Spannungsverteilung. Mittels Finite Elemente Methode (FEM) berechenbare Isothermen in der Nähe des Anodenplateaus sind halbkugelförmig beziehungsweise ellipsoid. Diesbezüglich wäre ein Einsatz in Form einer Halbkugel besonders vorteilhaft, ein solcher ist jedoch fertigungsseitig am schwierigsten und teuersten zu realisieren.

[0060] Die Form des Grundkörpers ist bevorzugt zylinderförmig oder entspricht alternativ bevorzugt zwei an Grund und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen.

[0061] Der Durchmesser des Einsatzes D2 und des Grundkörpers D3 können je nach den konstruktiven Anforderungen an die Anode angepasst werden. Es hat sich dabei herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist wenn das Verhältnis D2/D3 des Durchmessers des Einsatzes D2 zum Durchmesser des Grundkörpers D3 zwischen 0,1 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 liegt.

[0062] Diese besonders bevorzugten Verhältnisse sind unter anderem mit der Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Einsatz und Grundkörper zu begründen. So sind D2 und D3 beispielsweise auch von der Herstellbarkeit des Rohmaterials (zum Beispiel gesintertes Stabmaterial) für Einsatz und Grundkörper abhängig. Wie bereits oben beschrieben, können zu große Durchmesser zu Problemen in Bezug auf die Dichte (vor allem Kerndichte) und das Ausgasverhalten führen.

[0063] Als Durchmesser des Grundkörpers D3 ist der Anodendurchmesser selbst, also der maximale Durchmesser der Anode zu verstehen. Als Durchmesser des Einsatzes D2 ist der maximale Durchmesser des Einsatzes zu verstehen, zum Beispiel im Fall eines Einsatzes in Form eines Kegelstumpfes, der Durchmesser der Kegelbasisfläche.

[0064] Auch die Länge des Einsatzes L2 und die Länge L3 des Grundkörpers stehen bevorzugt in einem bestimmten Verhältnis zueinander. So ist dieses Verhältnis L2/L3 der Länge des Einsatzes L2 zur Länge des Grundkörpers L3 zwischen 0,05 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,4, noch weiter bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3.

[0065] Als Länge des Grundkörpers L3 ist die Länge (in axialer Richtung) der Anode selbst, also die maximale Länge der Anode zu verstehen. Als Länge des Einsatzes L2 ist die maximale Länge des Einsatzes zu verstehen.

[0066] Die Wahl dieses Verhältnisses L2/L3 ist unter anderem durch die Herstellkosten, sowie durch resultierende mechanische und thermische Eigenschaften beeinflusst. So ist eine Anode umso teurer, je größer das Verhältnis L2/L3. Weiters ist die Formstabilität des Einsatzes umso geringer, je kleiner das Verhältnis L2/L3 ist. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzes nimmt mit sinkendem L2/L3 ab.

[0067] Die Länge L3 ist bevorzugt in der gleichen Größenordnung wie der Durchmesser D3.

[0068] Durch die vorliegende Erfindung wird ebenfalls eine Hochdruck-Entladungslampe, die eine wie oben beschriebene erfindungsgemäße Anode enthält, bereitgestellt. Eine derart ebenfalls erfindungsgemäße Hochdruck-Entladungslampe weist eine längere Lebensdauer im Ver- gleich zu herkömmlichen Hochdruck-Entladungslampen auf.

[0069] Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Anode, bevorzugt einer erfindungsgemäßen Anode wie oben beschrieben, für eine Hochdruck-Entladungslampe bereit, das die folgenden Schritte enthält: [0070] - Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärme tall-Basislegierung [0071] - Bereitstellen eines Einsatzes aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kalium gehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g, [0072] - Stoffschlüssiges Verbinden von Grundkörper und Einsatz entlang mindestens einer

Grenzfläche, [0073] und das Verbinden als Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens ohne das Auftreten einer schmelzflüssigen Phase stattfindet.

[0074] Der Schritt des stoffschlüssigen Verbindens in einem erfindungsgemäßen Verfahren findet also bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur von Wolfram von 3410°C auf.

[0075] Bevorzugt wird die stoffschlüssige Verbindung über eine Diffusionszone eingestellt. Dabei kommt es wechselweise zur Diffusion des Basiselements des Grundkörpers (Wolfram oder Molybdän) in den Einsatz, sowie zur Diffusion von Wolfram in den Grundkörper. Bei einem Grundkörper aus einer Wolframbasislegierung handelt es sich also um Wolframselbstdiffusion. Die Dotierungs- und Begleitelemente Kalium, Aluminium und/oder Silizium hingegen, die als diskrete Partikel beziehungsweise als Film oder Partikel an einer Porenoberfläche vorliegen, nehmen nicht am atomaren Stofftransport teil. Im Gegensatz dazu besteht bei einem Verfahren bei welchem beim Schritt des Verbindens eine schmelzflüssige Phase auftritt (beispielsweise einem Lötprozess) die Gefahr, dass das Lotmaterial bei den hohen Einsatztemperaturen verdampft und sich als Kolbentrübung niederschlägt. Lokale Umschmelzverfahren zum stoffschlüssigen Verbinden sind für Kaliumdotierte Qualitäten ungeeignet, da das unlösliche Kalium durch den hohen Gasdruck im Schmelzbad große Poren erzeugen würden.

[0076] In bevorzugter Weise bewirkt das Verbinden als Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch keine oder keine lokale Anschmelzung wie z.B. durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Durch die Vermeidung eines Schmelzbades wird eine unerwünschte Porenbildung durch die Kalium, Aluminium, Silizium (wie oben beschrieben) vermieden. Dadurch ist die mechanische Bearbeitbarkeit der Anode weiterhin gut und es entsteht keine Zone verringerte Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper.

[0077] In bevorzugterWeise bewirkt ein erfindungsgemäßes Verfahren auch keine Umformung oder keine zusätzliche Umformung des Gefüges von Einsatz und Grundkörper bewirkt. Damit kann vermieden werden, dass der Stoffschluss zwischen Einsatz und Grundkörper durch die Bildung eines Wulstes nicht mehr gewährleistet ist.

[0078] In besonders bevorzugter Weise bewirkt ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere dessen Schritt des Verbindens keine oder keine zusätzliche Rekristallisation des Gefüges von Einsatz und Grundkörper. Dadurch wird eine Versprödung des Gefüges der Anode (Einsatz und/oder Grundkörper) vermieden.

[0079] Es ist daher ebenfalls bevorzugt, wenn das Verbinden bei einer Temperatur von kleiner 1600°C stattfindet da dadurch eine Rekristallisation des Einsatzes weitestgehend vermieden werden kann. Dadurch ist eine gute Bearbeitbarkeit des späteren Anodenplateaus gegeben. Je besser die Bearbeitbarkeit des Anodenplateaus, desto niedriger sind die einstellbaren Rauigkeiten nach dem Bearbeiten. Erhöhte Rauigkeiten resultieren in eine verstärkte Abdampfung durch ein lokalen Lichtbogenansatz an diesen Rauigkeiten. Die Temperatur beim Verbinden sollte sinnvollerweise und damit bevorzugt jedoch mehr als 1200°C betragen um wirtschaftliche Prozesszeiten zu gewährleisten.

[0080] Der Schritt des stoffschlüssigen Verbindens wird in bevorzugter Weise durch Diffusionsbonden oder Spark Plasma Sintern (SPS) realisiert. Besonders bevorzugt ist eine Herstellung mittels einer SPS-Anlage, da damit die Prozesszeiten besonders gering sind und die für das Erzielen einer stoffschlüssigen Verbindung notwendigen Drücke und Temperaturen niedrig sind.

[0081] Anhand der folgenden Beispiele und Figuren werden Vorteile und Einzelheiten sowie besonders vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung genauer erläutert.

[0082] Beispiel 1 [0083] Um den Einfluss des Kaliumgehaltes sowie der Mischkristallhärtung auf die Formstabilität von Anoden bei Temperaturen von >3000°C zu untersuchen wurde Stabmaterial aus Wolfram und Wolframlegierungen mit unterschiedlichen Kaliumgehalten durch unterschiedliche Dotierung des Pulvers hergestellt. Die Pulver wurden kaltisostatisch gepresst und anschließend durch indirektes Sintern bei 2300 bis 2400°C für 6h unter trockener Wasserstoffatmosphäre gesintert. Die so hergestellten Stäbe wurden mittels Radialschmieden auf eine Dichte >98% bei einer Umformtemperatur von 1600°C verdichtet.

[0084] Wolframlegierungen mit Zusätzen von 5 gew.-% Rhenium bzw. Tantal wurden auf gleiche Weise hergestellt. Rhenium bzw. Tantal wurden durch Zugabe elementarer Pulver zugemischt. Aus den so hergestellten Stäben wurden jeweils aus dem Zentrumsbereich quaderförmige Proben der Größe 8x8x7 mm geschnitten. Um die Bedingungen im Betrieb einer Anode zu simulieren, wurde die 8x8 mm Probenoberfläche senkrecht zur Stabachse mittels Elektronenstrahl behandelt, um eine Temperaturbehandlung knapp unterhalb des Schmelzpunktes von Wolfram (3410°C) zu simulieren, welche mit klassischen Hochtemperaturöfen nicht erreicht wird. Die Stromstärke des Elektronenstrahls wurde mithilfe von Vorversuchen eingestellt, wobei die Stromstärke des Elektronenstrahls kontinuierlich abgesenkt wurde, bis keine sichtbaren Aufschmelzungen auf der Oberfläche der Proben mehr auftraten. Bei einer Stromstärke des Elektronenstrahls von 32 mA wurden geringfügige Aufschmelzungen beobachtet. Bei einer Absenkung auf 30 mA, das entspricht einer Absenkung um 6%, konnten keine sichtbaren Aufschmelzungen mehr beobachtet werden. Unter der Annahme einer linearen Temperaturabnahme mit der Stromstärke des Elektronenstrahls, ist die Oberflächentemperatur bei einer Stromstärke von 30 mA bei 94% der Schmelztemperatur von Wolfram. Somit ergibt sich eine Oberflächentemperatur von 3216 °C. Aufgrund von Wärmeverlusten wird von einer effektiven Oberflächentemperatur von 3100 - 3200 °C ausgegangen.

[0085] Die Versuchsdurchführung war für alle Proben identisch. Die Elektronenstrahlkammer wurde auf ein Hochvakuum von 5x1ο-4 mbar evakuiert. Im Anschluss daran wurde die Stromstärke des Elektronenstrahls linear in 60 sec von 0 mA auf 30 mA erhöht. Die Haltedauer betrug 300 sec. Um die Temperatur auf einen größeren Bereich zu verteilen, erfolgte eine Strahlablenkung des Elektronenstrahls während der Wärmebehandlung auf der Probenoberfläche in einem Durchmesser von 3,5 mm um das Zentrum. Die Frequenz der Rotation betrug 100 Hz.

[0086] Nach der Behandlung mit dem Elektronenstrahl wurden die Proben mittels Weißlichtinterferometer der Firma FRT topographisch vermessen. Dazu wurde die maximale Verformung der Probenoberfläche wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt bestimmt. Die für die beschriebenen Legierungen bestimmten Formänderungen können Tabelle 1 entnommen werden. Es ist ersichtlich, dass mit steigendem Kalium-Gehalt die Formstabilität bei den untersuchten Temperaturen zunimmt. Die Wolframlegierungen mit Tantal und Rhenium zeigen gegenüber dem reinen Wolfram bei diesen Temperaturen keinen Festigkeitsvorteil. TABELLE 1:

[0087] (* Proben aus: A. Hoffmann, I. Wesemann, Potassium doped tungsten: Beyond incandescent lamp wires, International journal of powder metallurgy, Volume 47, Issue 5, S. 11-20,2011) [0088] Beispiel 2: [0089] Basierend auf den Erkenntnissen aus Beispiel 1 wurde ein Sinterstab mit möglichst hohem Kaliumgehalten, geeignet für großformatige Anoden mit einem Anodendurchmesser von 30 bis 45 mm hergestellt. Um eine ausreichend hohe Dichte eines solchen Stabes im Bereich des Zentrums zu erzielen, ist es erforderlich, Sinterstäbe mit einem ausreichend großen Sinterdurchmesser herzustellen. Hierzu wurde ein dotiertes Wolframpulver mit 89 pg/g Kalium, 30 pg/g Aluminium und 259 pg/g Silizium zu einem Stab über kaltisostatisches Pressen bei 1800 bar gepresst. Anschließend erfolgte ein indirektes Sintern bei 2300 - 2400°C für 6h unter trockenem Wasserstoff. Der so hergestellte Sinterstab wurde hinsichtlich der Gehalte an Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff, sowie seiner Sinterdichte in Abhängigkeit vom Abstand zum Zentrum (Proben: Zentrum, Rand und R/2 = Hälfte des Radius) charakterisiert. Daraus wird ersichtlich, dass die Begleitelemente Aluminium und Silizium, als auch der mit diesen Elementen verbundene Sauerstoff im Zentrum nur unzureichend abgebaut werden. Mit steigendem Durchmesser wird ein Abbau dieser Elemente durch Ausgasen oder Festkörperdiffusion weiter erschwert, abzubauen. Ein direkter Vergleich eines derart indirekt gesinterten Stabes mit großem Durchmesser zu einem direkt gesinterten Stab mit geringem Durchmesser ist in Tabelle 2 gegeben. TABELLE 2:

[0090] Eine weitere Herausforderung beim Sintern von Sinterstäben mit großen Durchmessern ist das Auftreten von Riesenkornwachstum, wie in Figur 8 dargestellt. Derartig inhomogene Gefüge sind kritisch, wenn eine Umformung des Materials erfolgen soll, da eine Rissinitiierung dadurch begünstigt wird. Derart grobkörnige Gefüge können bei den für die Herstellung von Anoden typischen Umformgraden auch über Schmieden nicht wieder in ein feinkörniges Gefüge umgewandelt werden, da die beim Schmieden aufgebrachten Umformgrade dafür zu gering sind. So hergestellte Schmiedestäbe mit grobkörnigem Gefüge sind also nur sehr schwer mechanisch zu bearbeiten und neigen zu Kornausbrüchen.

[0091] Beispiel 3 [0092] Es wurden Kaliumhaltige Legierungen mit unterschiedlichen Kaliumgehalten, und unterschiedlichen Aluminium- und Siliziumgehalten über unterschiedliche Ausgangspulver hergestellt. Die Ausgangspulver wurden analog zu Bespiel 2 gepresst, gesintert und anschließend durch Schmieden auf Dichten größer 97,9% der theoretischen Dichte von reinem Wolfram verdichtet. Die erzielten Dichten sowie die bestimmten Elementgehalte an Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff sind in Tabelle 3 dargestellt. TABELLE 3:

[0093] Die Formstabilität dieser Proben wurde analog zu Beispiel 1 bewertet. Neben der Ermittlung der maximalen Verformung wurden die Proben auch hinsichtlich Veränderungen des Gefüges im Materialinneren charakterisiert. Dazu wurden nach dem Elektronenstrahlbeschuss Längsschliffe angefertigt. Es wurden Gefügeaufnahmen direkt angrenzend an die Beschussfläche, als auch in 3 mm Abstand dazu angefertigt. In Figur 9 b) ist ein typisches Gefüge für Wolfram mit einer hohen Kerndichte im Vergleich zum Gefüge direkt angrenzend an die Beschussfläche (Figur 9 a)), welches eine stark erhöhte Porosität aufweist.

[0094] Diese Porosität wird im Folgenden als thermisch induzierte Porosität bezeichnet und wird durch in Wolfram unlösliche Bestandteile mit hohem Dampfdruck verursacht. Mittels quantitativer Metallografie wurde der Flächenanteil der thermisch induzierten Porosität für alle Proben nach der Elektronenstrahlbehandlung ermittelt. Analog dazu wurde auch die Porosität an der Bruchfläche unmittelbar unter der Beschussfläche für alle Proben bestimmt. Da rekristallisiertes Wolfram im Wesentlichen transkristallin bricht, repräsentiert eine Untersuchung der Bruchfläche die thermisch induzierte Porosität auf der Korngrenze, während eine Untersuchung eines Schliffes die thermisch induzierte Porosität im Korninneren beschreibt.

[0095] Die so ermittelten Werte für die Formänderung, die quantitative Porosität am Schliff als auch an der Bruchfläche wurden hinsichtlich möglicher Korrelationen mit den Gehalten an Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff untersucht.

[0096] Die Untersuchung der Korrelation erfolgte nach Pearson (A. Rubin, Statistics for evidence- based practice and evaluation, Third edition, Cengage brain, Chapter 17, S. 203-222, 2010). TABELLE 4

[0097] Die Wertekorrelation zeigt, eine beinahe ideale negative Korrelation zwischen Kaliumgehalt und Formstabilität. Sie zeigt aber auch, dass das in Wolfram unlösliche Kalium bei hohen Einsatztemperaturen zur Bildung von thermisch induzierten Poren führen kann. Es ist bekannt, dass Kalium so gut wie keine Löslichkeit in der Wolframmatrix, aber auch gleichzeitig einen sehr hohen Dampfdruck besitzt. Die Korrelation für die Elemente AI, Si und O ist weniger stark ausgeprägt aber ebenfalls ersichtlich und lässt sich vermutlich über die Form, wie diese Elemente in der Wolframmatrix vorliegen und verteilt sind erklären. Es wird vermutet, dass diese Elemente nicht gelöst, sondern diskret als oxidische Partikel vorliegen. Durch das Aufbringen von extrem hohen Temperaturen beginnen sich diese Partikel thermisch zu zersetzen und bilden dabei Suboxide mit sehr hohem Dampfdruck, der wiederum zu thermisch induzierten Poren führt.

[0098] Um das Vorliegen von Aluminium und Silizium als diskrete Partikel weiter zu untersuchen wurden Oberflächenanalysen und Analysen zur Bestimmung der Poreninhaltstoffe mittels Augerelektronenspektroskopie (PHI 680 Auger Nanoprobe) an einer ausgewählten Probe (Probe 6 vor der Elektronenstrahlbehandlung) durgeführt, die dafür in-situ im Hochvakuum gebrochen wurde.

[0099] Die ermittelten Elementmappings (Figur 10) bestätigen die Hypothese, dass auch AI und Si als diskrete Partikel im Wolfram vorliegen. Das heißt, ein nicht unerheblicher Anteil an thermisch induzierter Porosität wird vermutlich auch durch die beim Sintern nicht vollständig abgebauten Begleitelemente AI und Si verursacht. Bevorzugt sollten diese Elemente beim Sintern möglichst vollständig abgebaut werden, da ihr Beitrag zur Formstabilität weniger ausgeprägt ist, sie jedoch einen Beitrag zur (unerwünschten, da die Wärmeleitfähigkeit absenkenden) thermisch induzierten Porosität leisten.

[00100] Beispiel 4: [00101] Zur Auslegung der Geometrie einer erfindungsgemäßen Anode und im Besonderen deren Einsatz wurden Finite Elemente Methode (FEM) - Rechnungen zur Abschätzung der Temperaturentwicklung durchgeführt (siehe Figur 11). Als Material des Grundkörpers wurde ein gesintertes Material ohne zusätzliche Verdichtung durch einen Schmiedeprozess mit einer relativen Dichte von 92% und daher verringerter Wärmeleitfähigkeit verwendet. Der Durchmesser D3 der Anode betrug 35 mm und die Länge L3 des Grundkörpers betrug 70 mm. Ist die Länge des Einsatzes L2 (hohe relative Dichte von größer 98%) zu klein, kann es zu einer unerwünschten Erhöhung der Temperatur des Anodenplateaus kommen. Die FEM-Rechnung zeigt, dass ab einem Wert für L2 von 5 mm der Temperaturanstieg im Vergleich zu einem dichten Vollmaterial nur sehr gering ist. Für die folgenden Fertigungsbeispiele wurde daher ein zylindrischer Einsatz mit einer Länge L2 von 10 mm mit einem Grundkörper mit einer Länge L3 von 70 mm verwendet. D2 betrug 12 mm und D3 35 mm.

[00102] Der Grundkörper einer erfindungsgemäßen Anode wurde aus einem gering umgeformten Schmiedestab hergestellt. Das Material selbst wurde analog Beispiel 1 bis 3 hergestellt und danach mittels Radialschmieden umgeformt (Herstellparameter, Dichte, Chemische Analyse von Grundkörper und Einsatz siehe Tabelle 5). TABELLE 5:

[00103] Die Materialaussparung zur Aufnahme des Einsatzes wurde mittels Bohren hergestellt. Als Einsatzmaterial wurde ein Material mit hohem Kaliumgehalt und möglichst niedrigen AI, Si und O Gehalten gewählt. Dies soll eine möglichst hohe Formstabilität bei gleichzeitig geringer Neigung zur thermisch induzierten Porenbildung gewährleisten. Idealerweise wird hierzu ein direkt gesintertes Material gewählt, bevorzugte Sintertemperatur 2700-2900°C. Um eine möglichste hohe Kerndichte für den thermisch am höchsten beanspruchten Einsatz zu gewährleisten, wurde das Einsatzmaterial bei 1600°C auf einen Durchmesser von 13 mm umgeformt, was zu einem grobkörnigen Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 50 pm führt. Durch Anpassungen Temperaturführung unterhalb der Rekristallisationstemperatur ist es auch möglich ein sehr feinkörniges Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 10 pm zu erhalten. Die Wahl der Korngröße des Einsatzes hängt von den Betriebsbedingungen der Anode ab. Nach der Umformung wurde der Stab auf das Endmaß von 12 mm geschliffen, um die für das Einpressen erforderlichen Toleranzen zu erzielen.

[00104] Das Verbinden des Einsatzes mit dem Grundkörper erfolgte mittels Heißpressen bei Temperaturen von 1400°C in einem ersten bzw. bei 1800°C in einem zweiten Beispiel über eine Haltezeit von 5 Minuten. Längere Haltezeiten sind zwar für die Stabilität der Verbindung weiter förderlich, erhöhen jedoch die Kosten. Bei der 1400°C Variante wurde eine Presskraft von 40 kN und bei der 1800°C Variante eine Presskraft von 17 kN aufgebracht. Die so hergestellten Anoden wurden mittels eines metallografischen Schliffs untersucht. Die Grenzflächen des zylindrischen Einsatzes in axialer Richtung als auch in radialer Richtung wurden für beide hergestellten Varianten untersucht (siehe Figuren 12 und 13). Wie anhand der Schliffbilder zu erkennen ist, konnte eine stoffschlüssige Verbindung ohne lokale Aufschmelzungen hergestellt werden. Die unterschiedlichen Materialien von Einsatz und Grundkörper sind klar erkennbar. Auch die höhere Dichte des Einsatzes im Vergleich zum Grundkörper ist ersichtlich (Porosität). Ebenso zeigt sich ein diskreter Übergang der mittleren Korngröße zwischen Einsatz und Grundkörper senkrecht zur Grenzfläche. Im Fall der Variante bei 1800°C wurde bereits eine beginnende Rekristallisation des Materials des Grundkörpers während des Heißpressens (Verbindens) beobachtet (Figur 13).

[00105] Zur weiteren Charakterisierung der Grenzfläche in axialer Richtung zwischen Einsatz und Grundkörper wurde ein GDMS-Tiefenprofil angefertigt. Hierzu wurde ein Wolframeinsatz mit 25 pg/g Kalium und 30 pg/g Aluminium in einen Grundkörper aus Wolfram ohne Kalium-Dotierung gepresst. Vor der GDMS Messung wurde die so hergestellte Anode zusätzlich einer Glühung bei 2700°C für 4h ausgesetzt um die Einsatzbedingungen der Anode zu simulieren. Das Tiefenprofil in Figur 14 zeigt einen diskreten Übergang des Kaliumgehaltes an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper. In einer relativ kurzen Distanz von 50pm steigt der Kaliumgehalt um mehr als 2 Größenordnungen.

[00106] Die Messung zeigt, dass kein Stofftransport zwischen beiden Komponenten selbst nach Aufbringen einer Hochtemperaturglühung stattfindet. Gleiches wird auch für das Begleitelement Aluminium beobachtet.

[00107] Von den Figuren zeigen: [00108] Figur 1 zeigt eine Schemazeichung einer erfindungsgemäßen Anode a) in Seitenan sicht und in b) in Draufsicht, und somit eine erfindungsgemäße Anode (1), die einen Grundkörper (3) sowie einen Einsatz (2) aufweist, die entlang einer Grenzfläche (23) stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Sowohl der Grundkörper (3) als auch der Einsatz (2) weisen die Form eines Zylinders auf. Der Durchmesser des Einsatzes (2) D2 und der Durchmesser des Grundkörpers (3) D3 sind gekennzeichnet.

[00109] Figur 2 zeigt eine Schemazeichnung einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anode (1), mit dem Unterschied, dass der Einsatz (2) die Form eines Zylinders und der Grundkörper (3) die Form eines an einer Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstumpfes aufweist.

[00110] Figur 3 zeigt eine Schemazeichnung einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anode (1), wobei hier sowohl der Einsatz (2) als auch der Grundkörper (3) die Form eines an einer Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstumpfes aufweist.

[00111] Figur 4 zeigt eine Schemazeichnung einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anode (1), wobei hier der Einsatz (2) die Form zwei an Grund- und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen aufweist.

[00112] Figur 5 zeigt weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Anoden.

[00113] Figur 6 zeigt die mittels Weißlichtinterferometer bestimmte Topographie (Linienprofil) einer mit Elektronenstrahl behandelten Oberfläche einer Probe mit 30 pg/g K.

[00114] Figur 7 zeigt die mittels Weißlichtinterferometer bestimmte Topographie (Linienprofil) einer mit Elektronenstrahl behandelten Oberfläche der Standard W-Probe ohne Kaliumdotierung.

[00115] Figur8 zeigt links die makroskopische Bruchfläche eines direkt gesinterten Sinter stabes mit Durchmesser 90mm. Der im Hintergrund dargestellte Maßstab bei „0 mm“ entspricht dem Stabzentrum und „45mm“ dem Rand des Sinterstabs. Rechts zu sehen sind die dazugehörigen REM-Aufnahmen im Sekundärelektronenkontrast bei 1000facher Vergrößerung.

[00116] Figur 9 zeigt einen geätzten Längsschliff (Probe 8 aus Tabelle 3) nach dem Elektro nenstrahlbeschusstest, a) direkt angrenzend an die Beschussfläche (oben: mittels Elektronenstrahl behandelte Oberfläche), b) im Abstand von 3mm zur Beschussfläche [00117] Figur 10 zeigt eine REM-Aufnahme des untersuchten Bereiches (oben), sowie ein

Elementmapping für AI (links unten) und Silizium (rechts unten) der Probe 6, Tabelle 3.

[00118] Figur 11 zeigt einen simulierten Temperaturverlauf in axialer Richtung vom Anoden plateau (0) in Richtung des kalten Bereichs der Anode (rechts). Skala auf der X-Achse in mm.

[00119] Figur 12 zeigt einen metallografischen Längsschliff der Grenzflächen zwischen einem

mit 55 pg/g Kalium dotierten Einsatz und einem mit 15 pg/g dotierten Grundkörper entlang der Grenzfläche in radialer Richtung (links) und entlang der Grenzfläche in axialer Richtung (rechts) nach dem Heißpressen bei 1400°C

[00120] Figur 13 zeigt einen metallografischen Längsschliff der Grenzflächen zwischen einem

mit 55 pg/g Kalium dotierten Einsatz und einem mit 15 pg/g dotierten Grundkörper entlang der Grenzfläche in radialer Richtung (links) und entlang der Grenzfläche in axialer Richtung (rechts) nach dem Heißpressen bei 1800°C

[00121] Figur 14 zeigt ein GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry = Glimmentladungs-Massenspektrometrie) -Tiefenprofil entlang einer ebenen Grenzfläche zwischen einem Grundkörper (links) und einem Einsatz mit einem K-Gehalt von 25 pg/g (rechts). LISTE DER VERWENDETEN BEZUGSZEICHEN: 1 Anode 2 Einsatz 3 Grundkörper 23 Grenzfläche D2 Durchmesser Einsatz D3 Durchmesser Grundkörper L2 Länge Einsatz L3 Länge Grundkörper

Claims (20)

1. Ansprüche

   1. Anode (1) für eine Hochdruck-Entladungslampe, aufweisend einen Grundkörper (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung und einen Einsatz (2) aus einer Wolfram- Basislegierung, die entlang mindestens einer Grenzfläche (23) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (2) aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g besteht.
2. 2. Anode (1) nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (3) aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung besteht.
3. 3. Anode (1) nach Anspruch 2, wobei der Grundkörper (3) aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 0,01 pg/g und 80 pg/g, bevorzugt 0,1 pg/g und 50 pg/g, besteht.
4. 4. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine relative Dichte von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95% aufweist.
5. 5. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) eine relative Dichte von mehr als 98% aufweist.
6. 6. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kaliumgehalt des Einsatzes (2) K2 höher als der Kaliumgehalt des Grundkörpers (3) K3 ist.
7. 7. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Differenz des Kaliumgehalts des Einsatzes (2) K2 minus den Kaliumgehalt des Grundkörpers (3) K3 zwischen 20 und 85 pg/g beträgt.
8. 8. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) einen Aluminiumgehalt von zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g aufweist.
9. 9. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) einen Siliziumgehalt von zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g aufweist.
10. 10. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei senkrecht zu einer Grenzfläche (23) zwischen Grundkörper (3) und Einsatz (2) ein diskreter Übergang zumindest eines der Parameter der Gruppe Kaliumgehalt, Aluminiumgehalt, Siliziumgehalt, mittlere Korngröße, relative Dichte vorliegt.
11. 11. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) und bevorzugt auch der Grundkörper (3) ein umgeformtes Gefüge aufweisen.
12. 12. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mittlere Korngröße des Einsatzes (2) größer als die mittlere Korngröße des Grundkörpers (3) ist.
13. 13. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Form des Einsatzes (2) einem Zylinder, einem Kegelstumpf, einem mit einem Zylinder verbundenen Kegelstumpf, zwei an Grund und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen oder einer Halbkugel entspricht.
14. 14. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis D2/D3 des Durchmessers des Einsatzes(2) D2 zum Durchmesser des Grundkörpers (3) D3 zwischen 0,1 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 liegt.
15. 15. Anode (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis L2/L3 der Länge des Einsatzes (2) L2 zur Länge des Grundkörpers (3) L3 zwischen 0,05 und 0,75 liegt.
16. 16. Hochdruck-Entladungslampe, enthaltend eine Anode nach einem der vorangehenden Ansprüche.
17. 17. Verfahren zur Herstellung einer Anode (1) für eine Hochdruck-Entladungslampe, enthaltend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Grundkörpers (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung - Bereitstellen eines Einsatzes (2) aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g, - Stoffschlüssiges Verbinden von Grundkörper (3) und Einsatz (2) entlang mindestens einer Grenzfläche (23), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden ohne das Auftreten einer schmelzflüssigen Phase stattfindet.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei dieses keine Umformung oder keine zusätzliche Umformung des Gefüges von Einsatz (2) und Grundkörper (3) bewirkt.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Verbinden keine oder keine zusätzliche Rekristallisation des Gefüges von Einsatz (2) und Grundkörper (3) bewirkt.
20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden bei einer Temperatur von kleiner 1600°C stattfindet.