AT16085U1 - Kathode - Google Patents

Abstract

Kathode (1) für eine Lampe, insbesondere für eine Hochdruckentladungslampe, umfassend einen Kern (2), der sich zumindest teilweise entlang einer Längsachse (L) der Kathode (1) erstreckt, wobei der Kern (2) im Wesentlichen aus Wolfram mit Anteilen wenigstens eines Stoffes zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit besteht, einen den Kern (2) zumindest teilweise umgebenden Mantel (3), wobei der Mantel (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetalllegierung und Anteilen wenigstens einer Kohlenstoffquelle besteht, wobei entweder der Kern (2) oder der Mantel (3) aus unverformtem Material gebildet sind.

Description

Beschreibung

KATHODE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kathode für eine Lampe, insbesondere für eine Hochdruckentladungslampe, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kathode.

[0002] Kathoden von Hochdruckentladungslampen bestehen in der Regel aus einem hochschmelzenden Material, meist Wolfram, das mit einem die Elektronenaustrittsarbeit reduzierenden Material, einem so genannten Emitterstoff, dotiert ist. Meist wird als Dotierung Thoriumoxid (ThO2) verwendet, da dieser Zusatz die Elektronenaustrittsarbeit deutlich herabsetzt (von - in Abhängigkeit von der Kornorientierung - 4,6 bis 5,4 eV für reines Wolfram auf 2,4 bis 3,0 eV für W-ThO2). Da jedoch Thorium ein radioaktives Element ist, gibt es seit Jahrzehnten Bestrebungen, diesen Werkstoff zu substituieren. Alternative Emitterstoffe zu ThO2 haben den Nachteil, dass sie in der Regel einen geringeren Siedepunkt als ThO2 aufweisen und die Kathodenoberfläche rasch an dem die Elektronenaustrittsarbeit reduzierenden Emitterstoff verarmt. Aus dem Volumen der Elektrode kann das die Elektronenaustrittsarbeit reduzierende Oxid nicht ausreichend schnell nachdiffundieren. In Folge treten Bogenunruhe und verstärkter Abbrand auf. Die Kathode erreicht keine lange Lebensdauer.

[0003] Um den Defiziten der alternativen Emitterstoffe zu begegnen, gibt es Vorschläge aus dem Stand der Technik: [0004] Die DE 10209426A1 beschreibt eine Kathode für eine Hochdruckentladungslampe, wobei das Material der Kathodenspitze zusätzlich zu Wolfram Lanthanoxid (La2O3) als Emitterstoff und mindestens ein weiteres Oxid aus der Gruppe Hafniumoxid (HfO2) und Zirkonoxid (ZrO2) enthält. Die Zugabe dieser Oxide führt demnach zu einer Verbesserung der Eigenschaften hinsichtlich Abdampfung des Emitterstoffs.

[0005] Die DE102009057546A1 beschreibt eine Kathode für eine Hochdruckentladungslampe, wobei die Kathode aus einem Material gebildet ist, bei dem ein Grundstoff aus metallischem Wolfram Lanthanoxid und Zirconiumoxid enthält. Im Kathoden-Grundstoff aus metallischem Wolfram ist zudem Kohlenstoff in Form einer festen Lösung vorhanden.

Der gelöste Kohlenstoff reduziert demnach das Lanthanoxid zu elementarem Lanthan, welches entlang der Korngrenzen des Wolframs zu einem Spitzenbereich der Kathode diffundiert. So wird für einen kontinuierlichen Nachschub an Emitterstoff gesorgt.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kathode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kathode anzugeben.

[0007] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kathode mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 15.

[0008] Die erfindungsgemäße Kathode umfasst: einen Kern, der sich zumindest teilweise entlang einer Längsachse der Kathode erstreckt, wobei der Kern im Wesentlichen aus Wolfram mit Anteilen wenigstens eines Stoffes zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit besteht, einen den Kern zumindest teilweise umgebenden Mantel, wobei der Mantel aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetalllegierung und Anteilen wenigstens einer Kohlenstoffquelle besteht, wobei entweder der Kern oder der Mantel aus unverformtem Material gebildet sind. Die Formulierung „im Wesentlichen aus Wolfram“ bedeutet hier, dass der Kern zu wenigstens 95 gew. % aus Wolfram besteht. In der Regel sind lediglich maximal 0,5 gew. % weitere Stoffe vorhanden.

Bezüglich der Orientierung des Kerns „zumindest teilweise entlang einer Längsachse der Kathode“ sei erklärt, dass geringfügige Abweichungen (beispielsweise 10°) von der Ausrichtung der Längsachse vorstellbar sind; auch kann der Kern außermittig im Mantel verlaufen.

[0009] Optional kann auch der Mantel Anteile wenigstens eines Stoffes zur Verringerung der Elektronenaustrittsarbeit enthalten.

[0010] Während bei einem umgeformtem Material der betreffende Werkstoff eine bildsame Formgebung erfahren hat und das Gefüge dementsprechend Merkmale einer mechanischen Umformung aufweist, zeigt das Gefüge eines unverformten Materials keine Merkmale einer mechanischen Umformung. Mit unverformtem Material ist insbesondere eine gepresstgesinterte Pulvermischung gemeint. Neben dem Merkmal des Ausbleibens eines Umformgefüges weist ein unverformtes Material in der Regel eine höhere Restporosität als ein umgeformter Werkstoff auf.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Kathode erlaubt gute Brenneigenschaften bei günstiger und einfacher Herstellung.

[0011] In der Variante, in der der Mantel aus unverformtem Material gebildet ist, besteht der Kern aus umgeformtem Material, bevorzugt aus Drahtmaterial. Bei dieser Variante besteht der unverformte Mantel beispielsweise aus einer gepresst-gesinterten Pulvermischung.

In einer Weiterbildung dieser Variante kann es vorgesehen sein, am Mantel eine dichte Schale auszubilden. So kann etwa der Mantel an seiner Außenkontur durch lokale Wärmeeinbringung weiter verdichtet sein. Andere Möglichkeiten zur Schaffung einer dichten Schale liegen in einer äußerlichen Beschichtung des Mantels, etwa über ein CVD- oder ein Slurry-Verfahren. Ziel der Ausbildung einer dichten Schale ist es, eine Abdampfung von gegebenenfalls in den Mantel diffundierten Emitterstoff zu reduzieren. Unter „dichter Schale“ wird hier verstanden, dass eine Schale mit einer gegenüber dem Mantelmaterial deutlich reduzierten Porosität besteht.

[0012] Besonders vorteilhaft an der Variante mit Mantel aus unverformtem Material ist, dass der Mantel - bedingt durch das Ausbleiben einer verdichtenden Umformung - eine höhere Restporosität als der Kern aufweist. Damit sind vorteilhafte Effekte verbunden: zum einen erfährt der Mantel einen geringeren Wärmeeintrag im Betrieb, da eine Stromleitfähigkeit mit zunehmender Porosität abnimmt. Zum anderen wird durch eine mit der Porosität verbundene Oberflächenrauigkeit eine Abstrahlung von Wärme begünstigt, wodurch insgesamt ein günstiger Wärmehaushalt erzielt wird. Günstig ist eine Restporosität des Mantels von wenigstens 3%, bevorzugt über 5%, welche über quantitative Gefügeanalyse bestimmt werden kann.

[0013] In der Variante, in der der Kern aus unverformtem Material gebildet ist, besteht der Mantel aus umgeformtem Material, beispielsweise aus Stabmaterial. In diesem Fall ist der Mantel ohnehin aus dichtem Material. Eine Ausbildung einer besonderen Schale ist hier nicht erforderlich.

[0014] Zusammengefasst werden zwei Varianten vorgeschlagen: - Kern aus umgeformtem Material und Mantel aus konsolidierter Pulvermischung oder - Mantel aus umgeformtem Material und Kern aus konsolidierter Pulvermischung.

[0015] Besonders bevorzugt ist die Variante, in welcher der Kern aus Drahtmaterial gebildet ist und der Mantel aus unverformtem Material besteht.

[0016] Kern und Mantel bilden zusammen einen Kathodenkörper. Der Kathodenkörper ist also ein Verbundbauteil umfassend eine Komponente aus einem umgeformtem Werkstoff und einer Komponente aus einem unverformtem Werkstoff, insbesondere aus einer gepresst-gesinterten Pulvermischung.

[0017] Dadurch können für den Kern - bei der Variante, dass der Mantel aus unverformtem Material gebildet ist - bzw. für den Mantel - bei der Variante, dass der Kern aus unverformtem Material gebildet ist - besonders günstig verfügbare Halbzeuge verwendet werden.

[0018] Unter Refraktärmetallen werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung die Metalle der 4. Gruppe (Titan, Zirconium und Hafnium), der 5. Gruppe (Vanadium, Niob, Tantal) und der 6. Gruppe (Chrom, Molybdän, Wolfram) des Periodensystems sowie Rhenium verstanden. Unter Refraktärmetalllegierungen sind Legierungen mit wenigstens 50 at. % Refraktärmetall oder Refraktärmetallen gemeint. Diese Werkstoffe weisen unter anderem eine ausgezeichnete Formbeständigkeit bei hohen Einsatztemperaturen auf.

[0019] Stoffe zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit - in der Regel handelt es sich um Seltenerd-Oxide - werden in weiterer Folge auch als „Emitterstoffe“ bezeichnet. Emitterstoffe werden üblicherweise als Oxid zugefügt. Im Betrieb bildet sich durch die hohen Temperaturen an einer Kathodenspitze eine Monolage des betreffenden Elements in elementarer Form aus. Der die Elektronenaustrittsarbeit reduzierende Effekt kann dieser Lage zugeordnet werden. Ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung das eigentliche chemische Element (z.B. Lanthan) gemeint, ist von „Emitterelement“ die Rede. „Emitterstoff“ bezeichnet hingegen die Darreichungsform. So ist zum Beispiel La2O3 ein Emitterstoff und Lanthan das entsprechende Emitterelement.

[0020] Bevorzugt ist der im Kern enthaltene Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit von Lanthanoxid (La2O3) gebildet.

Besonders bevorzugt ist der Kern aus Wolfram-Draht mit einem Gehalt an La2O3 zwischen 0,5 % gew.% und 2,5 gew.%, weiter bevorzugt mit einem Gehalt an La2O3 zwischen 1,0 % gew.% und 2,0 gew.% gebildet. Diese Drahtqualität ist als „WL“ Draht geläufig. Die im Gefüge fein verteilten Oxidpartikel verbessern die Kriechbeständigkeit und erhöhen die Rekristallisationstemperatur. Das La2O3 sorgt für eine geringe Elektronenaustrittsarbeit. Die Gewichtsangaben beziehen sich auf den Gehalt im Werkstoff des Kerns.

Eine weitere Alternative zu Thoriumoxid stellt das Ceroxid Ce2O3 dar.

Die Darstellung des Kerns aus einem günstig verfügbaren Halbzeug, bevorzugt Draht- oder Stabmaterial, erlaubt eine besonders wirtschaftliche Fertigung der Kathode.

[0021] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kohlenstoffquelle im Mantel zumindest teilweise von Wolframkarbid gebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Wolframkarbid um W2C.

Der Vorteil der Bereitstellung von Kohlstoff zumindest teilweise in Form von Wolframkarbid liegt unter anderem in der günstigen Verarbeitung zusammen mit metallischem Wolfram. Alternativ oder zusätzlich kann als Kohlenstoffquelle elementarer Kohlenstoff, etwa in Form von Flammruß vorhanden sein.

Der Kohlenstoff sorgt bei Temperaturen wie sie bei einem Betrieb der Kathode in einer Lampe auftreten können oder bei einer Glühbehandlung der Kathode eingestellt werden für eine Reduktion des als Oxid vorliegenden Emitterstoffes zu dem elementaren Emitterelement.

[0022] Liegt Kohlenstoff in der Form als Wolframkarbid W2C vor, kann die Reaktionsgleichung für die Reduktion des Emitterstoffes wie folgt aufgestellt werden:

La2O3(s) + 3W2C(s) -+ 2La(s) + 6W(s) + 3CO(g) [0023] Über den oben beschriebenen Reduktionsmechanismus wird elementares Emitterelement aus dem Volumen (bulk) des Kathodenwerkstoffs an die Oberfläche nachgeliefert, und eine mit einer solchen Kathode ausgestattete Lampe erreicht eine hohe Lebensdauer bei gleichmäßigem Abbrandverhalten.

[0024] Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält in der Regel lediglich der Mantel die Kohlenstoffquelle für den oben beschriebenen Mechanismus der Reduktion. Dies gilt für den Zustand vor der Verbindung von Mantel und Kern zum Anodenkörper. Insbesondere bei einer stoffschlüssigen Verbindung kann es zur Diffusion von Kohlenstoff zwischen Mantel und Kern kommen.

In der Variante, in welcher der Kern als konsolidierte Pulvermischung ausgeführt ist, kann auch der Kern Kohlenstoff enthalten.

[0025] Das jeweilige umgeformte Halbzeug ist in der Regel in seiner ursprünglichen Form annähernd frei von Kohlenstoff. Annähernd frei bedeutet, dass der Kohlenstoffgehalt typischerweise unter 30 pg/g liegt.

[0026] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Gesamt-Kohlenstoffgehalt zwischen 50 - 3000 pg/g, bevorzugt 150 - 1500 pg/g und besonders bevorzugt 350 pg/g und 800 pg/g liegt. Bei einem Kohlenstoffgehalt unter den angegebenen Grenzen ist keine genügende Reduktionswirkung gegeben; liegt der Kohlenstoffgehalt darüber, werden eine erhöhte Kathodenverformung und / oder eine verstärkte Kolbenschwärzung beobachtet. Der Kohlenstoffgehalt bezieht sich auf den

Anteil im jeweiligen unverformten Bauteil Mantel bzw. Kern.

[0027] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Mantel im Wesentlichen frei von Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit (Emitterstoff) ist.

Alternativ weist der Mantel eine dichte Schale auf, die im Wesentlichen frei von Emitterstoff ist. Ist also der Mantel nicht im Wesentlichen frei von Emitterstoff, so soll eine dichte Schale am Mantel ausgebildet sein, welche im Wesentlichen frei von Emitterstoff ist.

Dies ist deswegen besonders vorteilhaft, da auf diese Weise der Mantel bei einem Einsatz der Kathode nicht zu einer Abdampfung von Emitterstoff beiträgt und somit eine besonders geringe Kolbenschwärzung auftritt. Im Wesentlichen frei bedeutet, dass der Gehalt an Emitterstoff im Mantel bzw. in der dichten Schale unter 0,1 gew. %, bevorzugt weiter darunter liegt.

[0028] Bevorzugt sind der Kern und der Mantel stoffschlüssig und / oder formschlüssig miteinander verbunden. Stoffschlüssig bedeutet, dass eine metallurgische Verbindung zwischen Kern und Mantel besteht. Günstig ist darüber hinaus eine formschlüssige Verbindung: hier ist beispielsweise der Kern geometrisch so ausgebildet, dass eine mechanische Verhakung zwischen Kern und Mantel besteht. So kann eine besonders feste und sichere Verbindung geschaffen werden. Zum Erreichen eines Formschlusses kann beispielsweise der Kern teilweise angestaucht oder gequetscht sein. Es können auch Nuten oder Rillen am Kern bzw. am Mantel ausgebildet sein.

[0029] Günstig ist es, wenn teilweise, also lokal, keine Materialverbindung zwischen Kern und Mantel besteht, Kern und Mantel also stellenweise voneinander beabstandet sind. Dies kann durch lokale Aussparungen am Kern oder Mantel realisiert werden. Diese Aussparungen (etwa Nuten oder Einstiche), begünstigen eine Oberflächendiffusion von Emitterstoff an der Oberfläche des Kerns. Besonders bevorzugt verlaufen die Aussparungen entlang einer Schraubenkurve, die vorzugsweise durchgängig ist. So wird ein geschlossener Transportpfad für Emitterstoff entlang der freien Oberfläche geschaffen. Dadurch kann Emitterstoff besonders leicht vom Volumen (bulk) des Kerns in Richtung dem einem Entladungsraum zugewandten Ende der Kathode nachgefördert werden.

[0030] Besonders bevorzugt sind Kern und Mantel durch eine Sinterfügung miteinander verbunden. Mit Sinterfügung ist eine durch Diffusion entstandene stoffschlüssige Verbindung gemeint. Im vorliegenden Fall besteht eine Sinterfügung zwischen dem unverformten Teil (Mantel oder Kern) und dem umgeformten Teil (Kern bzw. Mantel). Zusätzlich kann noch ein Formschluss bestehen.

[0031] Bevorzugt ist auf dem einem Entladungsraum zugewandten Ende der Kathode eine Kathodenspitze ausgebildet. Dabei kann der Kern aus dem Mantel herausragen oder mit dem Mantel bündig abschließen.

Die Kathodenspitze kann abgeflacht ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die Kathodenspitze nicht geometrisch spitz ist, sondern zu einem Plateau abgeflacht ist. Die Kathode hat bevorzugt eine im Wesentlichen zylindrische Grundform und ist an der dem Entladungsraum zugewandten Seite zu einem Kegelstumpf geformt. Die dem Entladungsraum zugewandte abgeflachte Kathodenspitze hat bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt. Das Zentrum des kreisförmigen Querschnitts ist vom Kern gebildet. Der Kern ist umgeben vom Material des Mantels.

Bevorzugt weist der Kern an dem einem Entladungsraum zugewandten Ende der Kathode einen geringeren Durchmesser aufweist als in einem Bereich eines Schafts. In anderen Worten verjüngt sich Kern in Richtung Entladungsraum.

[0032] Schutz wird auch begehrt für ein Verfahren zur Herstellung einer Kathode, insbesondere einer Kathode für eine Hochdruckentladungslampe umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Kerns aus umgeformtem Material, - Bereitstellen einer ersten Pulvermischung umfassend Pulver von Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Legierung und wenigstens eine Kohlenstoffquelle, - Einbetten des Kerns in die optional vorgepresste erste Pulvermischung, - Konsolidieren der Pulvermischung zu einem den Kern zumindest teilweise umgebenden Mantel, - optional Nachbearbeiten der über die vorangegangenen Schritte erhaltenen Kathode oder umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Mantels aus umgeformtem Material, - zumindest teilweises Befüllen des Mantels mit einer zweiten Pulvermischung umfassend Pulver von Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Legierung und wenigstens einen Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit, - Konsolidieren der zweiten Pulvermischung zu einem vom Mantel umgebenen Kern, - optional Nachbearbeiten der über die vorangegangenen Schritte erhaltenen Kathode.

[0033] Die zwei Verfahrensvarianten beschreiben die zwei Fälle, dass entweder der Kern aus umgeformten Material besteht und der Mantel auf pulvermetallurgischem Weg angeformt wird (erste Variante) oder dass der Mantel aus umgeformten Material besteht und der Kern auf pulvermetallurgischem Weg in den Mantel eingebracht wird (zweite Variante).

[0034] Optional kann die Pulvermischung der ersten Variante umfassend Refraktärmetall oder eine Refraktärmetall-Legierung und wenigstens eine Kohlenstoffquelle auch zusätzlich einen Stoff zur Verringerung der Elektronenaustrittsarbeit enthalten.

Optional kann in der ersten Variante die erste Pulvermischung vor Einsetzen des Kerns zu einem Grünling verpresst werden. In anderen Worten kann also der Kern in ein loses Pulverbett oder in einen vorgepressten Grünling gesetzt werden.

[0035] Das Verfahren sei für die Variante mit einem Kern aus umgeformtem Material näher erläutert.

In der Regel ist das Refraktärmetall der ersten Pulvermischung Wolfram, daher ist in den Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel Wolfram genannt.

[0036] Der Grundkörper des Kerns kann zum Beispiel ein Drahtabschnitt sein. Bevorzugt ist der zylinderförmige Drahtabschnitt auf der als Kathodenspitze vorgesehenen Seite verjüngt ausgebildet.

In weiterer Folge wird der Kern in eine Pulvermischung umfassend Wolfram und wenigstens eine Kohlenstoffquelle eingebettet. Optional kann die Pulvermischung auch zusätzlich einen Stoff zur Verringerung der Elektronenaustrittsarbeit enthalten.

Vorzugsweise erfolgt die Einbettung in einem Gesenk bzw. einer Form, in welcher der Kern positioniert werden kann.

Optional kann die erste Pulvermischung vor Einsetzen des Kerns zu einem Grünling verpresst werden.

Anschließend wird die Pulvermischung an den Kern gepresst und konsolidiert. Die Konsolidierung erfolgt durch thermisch unterstützte mechanische Verdichtung. Ein geeignetes Verfahren ist zum Beispiel das Heißpressen.

Nach Entnahme aus dem Gesenk bzw. der Form kann der erhaltene Kathoden- Rohling nachbearbeitet werden. Etwa kann die Kathodenspitze zu einem Plateau auf einen Nenn-Durchmesser geschliffen werden.

[0037] Schutz wird auch begehrt für eine Hochdruckentladungslampe mit einer Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

[0038] Die Erfindung wird durch Figuren näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen: [0039] Fig. 1a und 1b Details einer Kathode in einem Ausführungsbeispiel [0040] Fig. 2 eine Hochdruckentladungslampe [0041] Fig. 3a, 3b Details einer Kathode [0042] Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens in einer ersten Variante [0043] Fig. 5 eine schematische Darstellung des Verfahrens in einer zweiten Variante [0044] Fig. 6 eine Kathode in einem weiteren Ausführungsbeispiel [0045] Fig. 7, 8 REM Aufnahmen von Längsschnitten der Kathode [0046] In Figur 1a ist schematisch eine Kathode 1 in einem Längsschnitt entlang einer Längsachse L gezeigt. Die Kathode 1 hat eine im Wesentlichen zylindrische Grundgestalt mit einer in Richtung eines Entladungsraums in diesem Ausführungsbeispiel kegelstumpfförmig ausgebildeter Kathodenspitze 4. Die Kathode 1 umfasst einen Kern 2, welcher in diesem Ausführungsbeispiel aus einem umgeformten Wolfram material ausgebildet ist, welches mit einem Emitterstoff, hier La2O3, dotiert ist. Bevorzugt wird für den Kern Drahtmaterial verwendet, das als Halbzeug günstig verfügbar ist.

Der Kern 2 erstreckt sich entlang der Längsachse L, wobei die Längsachse L auch eine Symmetrieachse des im Wesentlichen zylindrischen Kerns 2 bildet, und ist koaxial von einem Mantel 3 umgeben. Im Bereich der Kathodenspitze 4 ist der Durchmesser des Kerns 2 zu einem Durchmesser d2 geformt, welcher kleiner ist als ein Durchmesser d1 des Kerns 2 in dem Bereich eines Schafts 5.

[0047] Der Mantel 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus unverformtem Material gebildet und enthält wenigstens eine Kohlenstoffquelle. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Mantel 3 aus Wolfram mit Anteilen von Wolframkarbid W2C in Form einer heißgepressten Pulvermischung dargestellt. Der Kern 2 und der Mantel 3 sind durch eine Sinterfügung stoffschlüssig miteinander verbunden. Stoffschlüssig heißt, dass eine metallurgische Verbindung besteht.

[0048] In einem Einsatz der Kathode 1 in einer Hochdruckentladungslampe (nicht gezeigt) sorgt die Dotierung mit dem Emitterstoff La2O3 für eine geringe Elektronenaustrittsarbeit. Der Kohlenstoff aus der Kohlenstoffquelle im Mantel 3 reduziert den oxidisch vorliegenden Emitterstoff im Kern 2. Damit ist eine kontinuierliche Versorgung der Kathodenspitze 4 mit elementarem Emitterelement (hier Lanthan) gegeben.

[0049] Figur 1b zeigt einen Querschnitt der Kathodenspitze 4. Die Kathodenspitze 4 ist abgeflacht ausgeführt und weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Zentrum ist vom Kern 2 gebildet, der konzentrisch vom Mantel 3 umgeben ist. Der Kern 2 kann dabei aus dem Mantel 3 herausragen oder wie im vorliegenden Beispiel bündig mit diesem abschließen.

[0050] In Figur 2 ist schematisch eine Hochdruckentladungslampe 6 gezeigt. Zwischen der Kathode 1 und einer Anode 7 bildet sich im Betrieb ein Entladungsbogen. Eine Hochdruckentladungslampe 6 mit einer erfindungsgemäßen Kathode 1 ist frei von Thorium und weist eine wenigstens gleich lange Lebensdauer und eine ähnlich geringe oder geringere Bogenunruhe wie eine Lampe mit thorierter Kathode auf.

[0051] Figur 3a zeigt eine Kathode 1 im Schnitt bezüglich der Ausgestaltung der Kathodenspitze 4. Nach Figur 3a ist die Kathodenspitze 4 von Material des Kerns 2 und Mantel 3 gebildet. Der Mantel 3 ist mit dem Kern 2 stoffschlüssig verbunden. Zusätzlich kann über Querschnittsveränderungen am Kern 2 ein Formschluss zwischen Kern 2 und Mantel 3 erzeugt werden. Dies ist beispielhaft in Figur 3b gezeigt. Hier sorgen Nuten 12 am Kern 2 für zusätzlichen Formschluss zwischen Kern 2 und Mantel 3. In einer bevorzugten Variante besteht am Grund der Nut 12 keine Materialverbindung zwischen dem Kern 2 und dem Mantel 3. Dadurch wird eine Oberflächendiffusion von Emitterstoff an der Oberfläche des Kerns 2 in Richtung Kathodenspitze 4 begünstigt. Besonders bevorzugt verläuft die Nut 12 bzw. die Nuten 12 entlang einer Schraubenkurve, die vorzugsweise durchgängig ist. So wird ein geschlossener Transportpfad für Emitterstoff entlang der freien Oberfläche geschaffen. Dadurch kann Emitterstoff besonders leicht vom Volumen (bulk) des Kerns 3 in Richtung Kathodenspitze 4 nachgefördert werden.

[0052] Figur 4 zeigt schematisch das Verfahren zur Herstellung einer Kathode in einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist hier die Variante des Verfahrens, nach welcher ein Kern 2 aus umgeformten Material mit einem Mantel 3 aus einer Pulvermischung verbunden wird. In einem Presswerkzeug bestehend aus einem Unterstempel 9 und einem Oberstempel 10 wird der Kern 2 der späteren Kathode positioniert. Der Kern 2 wird in eine Pulvermischung 8 umfassend Wolfram und wenigstens eine Kohlenstoffquelle eingebettet.

Die Pulvermischung 8 wird zu einem den Kern 2 zumindest teilweise umgebenden Mantel 3 konsolidiert. In diesem Fall erfolgt die Konsolidierung durch Einwirkung von Druck P und Wärme H. Ein Beispiel für eine solche kombinierte thermische und mechanische Verdichtung ist das

Heißpressen.

[0053] Die Verfahrensvariante über Heißpressen bietet sich insbesondere an, da der Kern 2 als umgeformtes Material ja bereits eine hohe relative Dichte aufweist, oder anders ausgedrückt nahezu porenfrei ist. Das bedeutet, dass der Kern 2 bei dem Konsolidierungsschritt im obigen Verfahren keinen Schwund mehr zeigt, während die Pulvermischung 8 naturgemäß durch das Pressen und Sintern schwindet. Beim Heißpressen wird durch Nachführen des Presswerkzeugs der Mantel 3 auf den Kern 2 aufgepresst und angesintert. Dadurch entsteht eine metallurgische Verbindung zwischen Kern 2 und Mantel 3. Nach der Konsolidierung kann der erhaltene Katho-den-Rohling ausgeformt werden. Gegebenenfalls wird der Kathoden-Rohling zu fertigen Kathode überarbeitet.

[0054] Figur 5 zeigt schematisch die Variante des Verfahrens zur Herstellung einer Kathode 1, nach welcher ein Mantel 3 aus umgeformten Material mit einem Kern 2 aus einer Pulvermischung verbunden wird. In einem Presswerkzeug bestehend aus einem Unterstempel 9 und einem Oberstempel 10 wird der der Mantel 3 der späteren Kathode positioniert. Der Mantel besteht in diesem Fall aus hohlzylinderartigen Hülse, die aus einem umgeformten Halbzeug hergestellt wurde. Als Ausgangsmaterial kann beispielsweise ein Stangenmaterial verwendet werden. Für den Kern 2 wird in eine zweite Pulvermischung 11 umfassend Pulver von Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Legierung und wenigstens einen Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit in den Mantel 3 gefüllt und durch Einwirkung von Druck P und Wärme H konsolidiert. Die Konsolidierung und die damit einhergehende Verbindung von Kern 2 und Mantel 3 kann in gleicher Weise wie in Figur 4 geschildert erfolgen. Die so erhaltene Kathode 1 kann, sofern erforderlich, noch auf Maß bearbeitet werden.

[0055] Figur 6 zeigt eine Kathode 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In diesem Fall liegt der Kern 2 als konsolidierte Pulvermischung vor, während der Mantel 3 aus einem umgeformten Werkstoff besteht.

Eine Kathode 1 dieser Art resultiert etwa aus dem zu Figur 5 beschriebenen Verfahren.

[0056] Figur 7 zeigt eine REM (Rasterelektronenmikroskop)-Aufnahme eines Details eines Längsschnittes durch eine Kathode 1. Zu sehen ist ein Ausschnitt der Kathode 1 am Übergang zur Kathodenspitze 4, wobei die Schnittebene nicht durch die Mitten- bzw. Längsachse L des Kerns 2 gelegt ist. Daher reicht in dieser Schnittdarstellung der Kern 2 nicht zur Kathodenspitze 4. Im Detail A ist eine Nut 12 am Kern 2 zu erkennen, wobei am Grund der Nut 12 keine Materialverbindung zwischen Kern 2 und Mantel 3 besteht. Diese freie Oberfläche am Kern 2 erleichtert die Diffusion von Emitterstoff in Richtung Kathodenspitze 4. In den übrigen Bereichen besteht Stoffschluss zwischen Kern 2 und Mantel 3. Weiters zu erkennen ist die Restporosität im Mantel 3, während der Kern 2 aus dichtem umgeformten Material besteht. Der Mantel 3 besteht aus einer konsolidierten Pulvermischung. Der Kern 2 ist von Drahtmaterial gebildet.

[0057] Figur 8 zeigt ebenfalls eine REM (Rasterelektronenmikroskop)-Aufnahme eines Ausschnittes eines Längsschnittes durch die Kathode 1 von Figur 7. Deutlich zu erkennen sind Poren im Gefüge des Mantels 3. Die Restporosität des Mantels 3 (d.h. in der linken Bildhälfte) beträgt in diesem Beispiel 5,5%, mit quantitativer Gefügeanalyse ausgewertet als Flächenanteil der Poren. LISTE DER VERWENDETEN BEZUGSZEICHEN: 1 Kathode 2 Kern 3 Mantel 4 Kathodenspitze 5 Schaft 6 Hochdruckentladungslampe 7 Anode 8 erste Pulvermischung 9 Unterstempel 10 Oberstempel 11 zweite Pulvermischung 12 Nut

Claims (15)

1. Ansprüche

   1. Kathode (1) für eine Lampe, insbesondere für eine Hochdruckentladungslampe, umfassend: einen sich zumindest teilweise entlang einer Längsachse (L) der Kathode (1) erstreckenden Kern (2), wobei der Kern (2) im Wesentlichen aus Wolfram mit Anteilen wenigstens eines Stoffes zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit besteht, einen den Kern (2) zumindest teilweise umgebenden Mantel (3), wobei der Mantel (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetalllegierung und Anteilen wenigstens einer Kohlenstoffquelle besteht, wobei entweder der Kern (2) oder der Mantel (3) aus unverformtem Material gebildet sind.
2. 2. Kathode (1) nach Anspruch 1, wobei der Kern (2) aus umgeformtem Material, insbesondere aus Drahtmaterial gebildet ist und der Mantel (3) aus unverformtem Material, insbesondere aus einer gepresst-gesinterten Pulvermischung gebildet ist.
3. 3. Kathode (1) nach Anspruch 1, wobei der Mantel (3) aus umgeformtem Material, insbesondere aus Stabmaterial gebildet ist und der Kern (2) aus unverformtem Material, insbesondere aus einer gepresst-gesinterten Pulvermischung gebildet ist.
4. 4. Kathode (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der im Kern (2) enthaltene Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit von Lanthanoxid gebildet ist.
5. 5. Kathode nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kohlenstoffquelle im Mantel (3) zumindest teilweise von Wolframkarbid gebildet ist.
6. 6. Kathode (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Mantel (3) im Wesentlichen frei von Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit ist.
7. 7. Kathode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Mantel (3) von einer dichten Schale umgeben ist, die im Wesentlichen frei von Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit ist.
8. 8. Kathode (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kern (2) und der Mantel (3) stoffschlüssig und / oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
9. 9. Kathode (1) nach Anspruch 8, wobei der Kern (2) und der Mantel (3) durch eine Sinterfügung miteinander verbunden sind.
10. 10. Kathode (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei teilweise Bereiche ohne Materialverbindung zwischen Kern (2) und der Mantel (3) bestehen.
11. 11. Kathode (1) nach Anspruch 10, wobei sich die Bereiche ohne Materialverbindung entlang einer Schraubenlinie erstrecken.
12. 12. Kathode (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Mantel (3) oder der Kern (2), wenn aus unverformtem Material gebildet, eine Restporosität von wenigstens 3% aufweisen.
13. 13. Kathode (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an dem einem Entladungsraum zugewandten Ende der Kathode (1) eine Kathodenspitze (4) ausgebildet ist.
14. 14. Hochdruckentladungslampe (6) mit einer Kathode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. 15. Verfahren zur Herstellung einer Kathode, insbesondere einer Kathode für eine Hochdruckentladungslampe, das Verfahren umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Kerns (2) aus umgeformtem Material, welches im Wesentlichen aus Wolfram mit Anteilen wenigstens eines Stoffes zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit besteht, - Bereitstellen einer ersten Pulvermischung (8) umfassend Pulver von Refraktärmetall o-der einer Refraktärmetall-Legierung und wenigstens eine Kohlenstoffquelle, - Einbetten des Kerns (2) in die optional vorgepresste erste Pulvermischung (8), - Konsolidieren der Pulvermischung (8) zu einem den Kern (2) zumindest teilweise umge benden Mantel (3), - optional Nachbearbeiten der über die vorangegangenen Schritte erhaltenen Kathode oder umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Mantels (3) aus umgeformtem Material bestehend aus Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Legierung und Anteilen wenigstens einer Kohlenstoffquelle, - zumindest teilweises Befüllen des Mantels (3) mit einer zweiten Pulvermischung (11) umfassend Pulver von Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Legierung und wenigstens einen Stoff zur Verringerung einer Elektronenaustrittsarbeit, - Konsolidieren der zweiten Pulvermischung (11) zu einem vom Mantel (3) umgebenen Kern (2), - optional Nachbearbeiten der über die vorangegangenen Schritte erhaltenen Kathode Hierzu 4 Blatt Zeichnungen