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Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Hochdruckentladungslampen aus Wolfram oder einer Wolframlegierung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Als Entladungslampen werden Lichtquellen bezeichnet, bei denen aus Elektroden austretende Elektronen Atome des Füllgases zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung anregen. Entladungslampen werden je nach Fülldruck in Niederdruck- und Hochdruckentladungslampen eingeteilt. Letztere werden auch als "High Intensity Discharge" oder abgekürzt HID Lampen bezeichnet. Da bei den meisten Hochdruckentladungslampen eine ausreichende Dichte emittierender Elektronen nur bei hohen Temperaturen erreicht wird, muss das Elektrodenmaterial einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Dampfdruck, eine ausreichende Kriechfestigkeit und chemische Beständigkeit gegenüber dem Füllgas aufweisen. Von allen metallischen und keramischen Werkstoffen erfüllen Wolfram und Wolframlegierungen diese Anforderungen am besten.
Bei besonders hohen Anforderungen an die Zündfähigkeit und Lichtbogenstabilität werden dem Wolfram Substanzen zugesetzt, die die Elektronenaustrittsarbeit senken. Beispiele für emissionsfördernde Substanzen sind Seltenerdmetall-Oxide, BaO oder Th02. Eine Senkung der Elektronenaustrittsarbeit ist besonders bei Lampen erforderlich, bei denen auf die Elektrodenoberfläche keine
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emissionsfördernden Pasten aufgebracht werden können, da diese mit dem Füllgas reagieren würden. Dies ist beispielsweise bei Metallhalogenid-Lampen der Fall.
In Abhängigkeit vom Lampentyp gibt es eine grosse Vielfalt an Elektroden-
Ausführungsformen. Des weiteren besteht ein Unterschied darin, ob die Lampe mit
Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben wird. Bei Wechselstrom-Lampen sind beide Elektroden üblicherweise baugleich ausgeführt. Bei Gleichstromlampen weisen Anode und Kathode ein unterschiedliches Design auf. Grob kann zwischen filamentartigen Elektroden, Stiftelektroden, Wickelelektroden und Formelektroden unterschieden werden. Filamentartige Elektroden, Stiftelektroden und Wickelelektroden werden üblicherweise aus gezogenen Drähten, Formelektroden aus gewalzten, gehämmerten oder geschmiedeten Stäben gefertigt.
Filamentelektroden werden vorzugsweise in Fluoreszenzlampen eingesetzt.
Wickel- und Stiftelektroden kommen in Natriumdampfhochdruck-Lampen, in Quecksilberdampfhochdruck-Lampen und Metallhalogenid-Lampen zum Einsatz.
Ausführungsformen von Wickelelektroden sind beispielsweise in der WO 97/16844 oder in der DE 297 22 612 U1 gezeigt. Ein typisches Einsatzgebiet von Formelektroden sind Kurzlichtbogenlampen. Formelektroden werden mittels spanabhebenden Fertigungstechniken aus umgeformtem Vormaterial hergestellt.
Auch pulvermetallurgische Verfahrenstechniken, die eine endkonturnahe Formgebung ermöglichen, wie beispielweise Matrizenpressen, isostatisches Pressen, Pulverstrangpressen, heissisostatisches Pressen oder Metallpulverspritzguss sind bekannt und beispielsweise in der DE 44 42 161 oder der EP 0 917 179 beschrieben. In diesen Dokumenten sind keine weiterführenden Angaben zur Wärme- / Sinterbehandlung und zum Kohlenstoffgehalt enthalten.
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Verfahrenstechniken, bei denen die Formgebung unter Verwendung von plastifizierten Pulvermassen erfolgt, wie beispielsweise der Metallpulverspritzguss oder das Pulverstrangpressen, wurden bis jetzt unter anderem auch deshalb nicht für
Lampenelektroden eingesetzt, weil der Kohlenstoffgehalt der so hergestellten Teile zu hoch liegt.
Die Entwicklungstrends bei Hochdruckentladungslampen, wie Miniaturisierung,
Erhöhung der Lichtabgabe pro eingesetzter Leistungseinheit, Erhöhung der
Lebensdauer und Verbesserung der Umweltverträglichkeit, führen zu gesteigerten
Anforderungen an die Lampenkomponenten. Es zeigt sich, dass die derzeit verfügbaren Elektroden vielfach diesen Anforderungen nicht mehr genügen. Dabei speziell zu nennen sind Wechselwirkungen zwischen den Elektroden und den
Füllgaskomponenten, Änderungen im Lichtspektrum, nicht ausreichende
Lichtbogenstabilität, Schwankungen im Rückbrandverhalten und Schwärzungen des
Entladungsgefässes. Dies manifestiert sich beispielsweise in einem Rückgang des Lichtstromes während der Einsatzzeit der Lampe.
Die japanische Anmeldung JP 19950324664 19951213 beschreibt ein Wolfram- Elektrodenmaterial für eine Entladungslampe mit einem Gehalt an AI, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, Sn, Na, K, Mo, U, und Th von jeweils < 0,001%. Die niedrigen Gehalte werden durch eine Glühbehandlung der Elektrode unter Vakuum erreicht.
Die dafür erforderlichen hohen Glühtemperaturen bewirken jedoch eine ausgeprägte Kornvergröberung, was sich nachteilig auf die Lichtbogenstabilität auswirkt.
In der japanische Anmeldung 2001226735 20010821 ist ein umgeformter Ingot aus Wolfram oder einer Wolframlegierung mit einer Reinheit > 99,99 % beschrieben.
Dieser umgeformte Ingot enthält 500 g/g oder weniger an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Die mittlere Korngrösse beträgt 20 - 600 um, bei einem Umformgrad von zumindest 30 % und einer Endglühtemperatur von 2600 C. Die in dieser Anmeldung
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angegebenen Werte entsprechen der seit Jahren üblichen Standardspezifikation für
Wolfram und bewirken keine Verbesserung des Einsatzverhaltens der Elektrode.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Elektrode mit hoher Lichtbogenstabilität für Hochdruckentladungslampen, deren Einsatz zu keiner bzw. einer möglichst geringfügigen Verunreinigung des Füllgases und zu keiner bzw. einer möglichst geringfügigen Schwärzung des Kolbens führt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Elektrode gemäss Anspruch 1 gelöst. Der mittlere Kohlenstoffgehalt beinhaltet dabei sowohl den in der Matrix gelösten bzw. ausgeschiedenen, als auch die oberflächlich adsorbierten bzw. gebundenen Kohlenstoffanteile. Zu berücksichtigen dabei ist, dass der Zustand, in dem die Proben analysiert werden, dem Einsatzzustand der Elektroden in der Lampe entsprechen muss. Die Proben sind daher vor der chemischen Analyse keiner Ätzoder Beizbehandlung zu unterziehen, da ansonsten die tatsächlichen Gegebenheiten in oberflächennahen Bereichen nicht berücksichtigt würden.
Der Matrix-Kohlenstoffgehalt von Wolframbauteilen, wie sie derzeit Verwendung finden, beträgt 5 bis 15 g/g. Dieser Matrixkohlenstoffgehalt beinhaltet jedoch nicht die Kohlenstoffanteile randnaher Bereiche. Indem die Probe im nicht-geätzten Zustand analysiert wird, erhält man den mittleren Kohlenstoffgehalt. Der Anteil randnaher Bereiche am mittleren Kohlenstoffgehalt hängt vom Probendurchmesser ab. Je kleiner der Probendurchmesser, desto stärker wirkt sich der in randnahen Bereichen angereicherte Kohlenstoff aus. Die üblichen Elektrodendurchmesser für Metallhalogenid-, Natriumdampfhochdruck- und QuecksilberdampfhochdruckLampen betragen 0,2 mm bis 3 mm. Der typische mittlere Kohlenstoffgehalt für
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Elektroden im elektropolierten Zustand beträgt bei 3 mm 11 und bei 0,2 mm 25 g/g.
Der im Vergleich zum Matrixgehalt deutlich höhere mittlere Kohlenstoffgehalt kann damit erklärt werden, dass es beim Umformprozess zu mikroskopischen Erhebungen kommt, die beim folgenden Umformschritt wiederum eingeebnet werden. Dadurch werden die C-haltigen Schmiermittel bzw. auch C-haltige Verunreinigungen in oberflächennahen Bereichen eingeschlossen und sind durch die üblichen
Reinigungsschritte nicht mehr vollständig entfernbar. Des weiteren ist eine mechanische Bearbeitung nachteilig, da auch dies durch eine Reaktion mit
Kühlschmiermittel zu einem erhöhten Randkohlenstoffgehalt führen kann. Auch durch Glühungen kann eine ausreichende Reinheit von oberflächennahen Bereichen nicht erreicht werden.
Umfangreiche Versuche, zum Beispiel bei Metallhalogenidlampen mit geringem Füllgasvolumen, zeigten eine sprunghafte Verbesserung der Lichtstromkonstanz in Abhängigkeit der Brenndauer der Lampe, wenn die Elektroden einen mittleren Kohlenstoffgehalt < 5 g/g aufwiesen. Der Lichtstrom wird dabei im wesentlichen sowohl von der Schwärzung des Entladungsgefässes, als auch vom Elektrodenabstand beeinflusst. Letzterer hängt wiederum vom Rückbrandverhalten der Elektrode ab. Zeigt die Elektrode keinen Rückbrand, so bleibt auch der Elektrodenabstand konstant. Eine Schwärzung des Entladungsgefässes führt immer zu einer Reduzierung des Lichtstromes. Anwendungstechnisch vorteilhaft ist eine hohe Lichtstromkonstanz während einer möglichst langen Standzeit der Lampe. Die Lichtstromkonstanz wird üblicherweise durch die Reduktion des Lichtstromes angegeben.
Dieser Wert gibt den prozentuellen Rückgang des Lichtstromes bezogen auf den Ausgangswert wieder.
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Bei Verwendung von Stand-der-Technik Elektroden mit einem Durchmesser von
0,8 mm und einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 14 g/g wurde bei
Metallhalogenidlampen mit einem Füllgasvolumen von 150 mm 3 und einer im
Nennbetrieb aufgenommenen Leistung von 150 W eine mittlere Reduktion des
Lichtstroms nach 4000 h Testzeit von 24 % ermittelt. Mit erfindungsgemässen
Elektroden mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 3 g/g und wiederum einem
Durchmesser von 0,8 mm betrug die mittlere Reduktion des Lichtstroms 9 %.
Ein mittlerer Kohlenstoffgehalt < 5 g/g wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebenen Prozessschritte erreicht. Als Rohstoff kann Wolframpulver mit der üblichen metallischen Reinheit von 99,95 % eingesetzt werden, wodurch eine wirtschaftliche Fertigung gewährleistet ist. Für besonders hohe Anforderungen können auch sogenannte UHP-Pulver mit einer Reinheit > 99,999 % eingesetzt werden, wobei die C-, N-, O-, H- und Mo-Gehalte in diesem Wert nicht berücksichtigt sind. Weiters können Wolframpulver mit den üblichen Pulverkorngrössen von 0,3 um bis 5 m, jeweils nach Fisher, verwendet werden. Ein wirkungsvoller Kohlenstoffabbau während des Sinterns erfolgt über offene Porosität, da die Diffusionsgeschwindigkeit im Wolframgitter nicht ausreichend hoch ist. Mit zunehmender Dichte erfolgt während des Sinterns ein Übergang von offener zu geschlossener Porosität.
Dieser Übergang wird durch eine geringe Dichte im grünen Zustand zu höheren Temperaturen hin verschoben. Die entsprechend geringe Gründichte wird durch die Verarbeitung von plastifizierten Pulvermassen mit einem Anteil an Plastifizierungsmittel von 40 bis 70 Volumsprozent erreicht. Bei Elektroden mit einer maximalen Querschnittsfläche senkrecht zur Elektrodenachse von 30 mm 2 sind die entsprechende Ausgaswege ausreichend kurz, um den erfindungsgemässen Kohlenstoffgehalt zu erzielen.
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Die endkonturnahe bzw. Endkontur-Formgebung der plastifizierten Pulvermasse kann durch Metallpulverspritzguss, durch Pulverstrangpressen oder ähnlichen Verfahrenstechniken erfolgen. Entscheidend für die Einstellung eines Kohlenstoffgehalts < 5 g/g wirkt sich die Sinteratmosphäre aus. Die Sinterbehandlung muss dabei zumindest die folgenden Wärmebehandlungsschritte umfassen, die wahlweise in einem Prozessschritt oder in separaten Prozessvorgängen durchgeführt werden können. Der Formkörper wird im grünen Zustand zunächst einer Wärmebehandlung in einer ersten Atmosphäre der
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0 Volumenprozent ¹ (N2 und/oder Edelgas) ¹ 90 Volumenprozent unterzogen, wobei das Wasserdampf zu Wasserstoff Volumenverhältnis 0,003 H2O/H2 ¹ 0,15 beträgt.
Die Temperatur, bei der die Elektrodenformkörper an der ersten Atmosphäre wärmebehandelt werden, reicht zumindest von 100 C bis 500 C, bei einer Aufheizgeschwindigkeit von Raumtemperatur zumindest bis 500 C von kleiner 0,05 C/s. Danach folgt eine Wärmebehandlung in einer zweiten Atmosphäre der Zusammensetzung 10 Volumenprozent :5 (H2 + H2O) ¹ 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent, mit H20/H2 < 0,002. Wahlweise kann als zweite Atmosphäre auch Vakuum mit einem Druck < 0,0001 mbar zur Anwendung kommen. Die Temperatur, bei der die Elektrodenformkörper an der zweiten Atmosphäre wärmebehandelt werden, beträgt in Abhängigkeit von der verwendeten Pulverkorngrösse 1700 C bis 2800 C.
Da keine weitere umformende Verarbeitung erforderlich ist, erfolgt auch keine Verunreinigung durch C-haltige Schmierstoffe. Gemäss dieser Verfahrensroute hergestellte Elektroden weisen dabei einen deutlich niedrigeren mittleren Kohlenstoffgehalt auf, als Vergleichselektroden, die durch Walzen / Hämmern, Ziehen, Elektropolieren und Schneiden hergestellt werden, wie dies im Beispiel dokumentiert ist.
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Als Wolframlegierungen haben sich solche bewährt, deren Legierungsbestandteile nicht mit Kohlenstoff während des Sinterns in eine chemische Wechselwirkung treten. Dies ist bei Wolframlegierungen gewährleistet, die eine oder mehrere Komponenten mit einer freien Standard - Bildungsenthalpie von jeweils < -1000 kJ/mol enthalten. Dazu zählen beispielsweise Oxide und Mischoxide aus der Gruppe HfO2, Zr02, Y203 und Seltenerdmetall-Oxide. So führen
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Metallhalogenidlampen mit einem Füllgasvolumen von 150 mm3 und einer im
Nennbetrieb aufgenommenen Leistung von 150 W zu einer mittleren Reduktion des Lichtstroms nach 4000 h Testzeit von 29 %. Bei W-1Gew.%Hf02-0,2Gew.%Lu203 Elektroden mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 1,8 g/g betrug die mittlere Reduktion des Lichtstroms 15 %.
Besonders vorteilhaft ist auch eine halbkugelförmige Ausführung des Elektronen emittierenden / absorbierenden Bereiches der Elektrode. Dadurch werden Temperaturspitzen durch einen örtlich ansetzenden Lichtbogen, die zu Abdampfungen führen können, verhindert. Örtliche Abdampfungen werden zudem auf ein Minimum reduziert, wenn der Elektronen emittierende / absorbierende Bereich der Elektrode eine Rautiefe < 1,5 um aufweist.
Im folgenden Ausführungsbeispiel ist der mittlere Kohlenstoffgehalt der nach dem Stand der Technik üblicherweise verwendeten Elektroden erfindungsgemässen Elektroden gegenübergestellt.
Beispiel : Wolframpulver mit einer Korngrösse nach Fisher von 2,1 um wurde mit einem Binder auf Wachsbasis mittels eines Schermischers vermengt und homogenisiert, wobei der
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Bindergehalt 52 Volumenprozent und die Mischzeit 5 h betrugen. Dieses Gemenge wurde in einem Schneckenextruder zu einem Ausgangsmaterial für den
Pulverspritzguss verdichtet. Dieses Ausgangsmaterial wurde auf eine Temperatur von 160 C erwärmt und mit einem Druck von 500 bar in ein Formwerkzeug eingespritzt, wobei die Werkzeugtemperatur 70 C betrug. Das Formwerkzeug war so ausgestaltet, dass die entformten Proben einen Durchmesser von 0,33 mm und eine Länge von 7 mm aufwiesen.
Diese zylindrischen Proben wurden in einem widerstandsbeheizten Kaltwandofen in einer H2/N2/H20 Atmosphäre mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 0,009 C/s auf eine Temperatur von 800 C aufgeheizt.
Das H2/N2 Volumenverhältnis betrug dabei 5,7 und das H20/H2 Volumenverhältnis 0,01. Bei T= 800 C wurde die Ofenatmosphäre auf H2 mit einem H20 Volumengehalt von 0,05% (H20/H2 = 0,0005) umgestellt und die Proben wurden mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 0,1 C/s auf eine Sintertemperatur von 2250 C erhitzt.
Die Haltezeit bei T= 2250 C betrug 2 h. Danach erfolgte eine Ofenabkühlung. Der Elektrodendurchmesser betrug 0,25 mm, die mittlere Dichte 98,9 % und die mittlere Kornzahl 5625 K/mm2. In analoger Weise wurden Elektroden mit einem Durchmesser von 0,8 mm und 3 mm gefertigt. Bei den Elektroden mit einem Durchmesser von 0,8 mm betrug die mittlere Dichte 98,8 % und die mittlere Kornzahl 5700 K/mm2, bei den Elektroden mit einem Durchmesser von 3,0 mm betrug die mittlere Dichte 98,2 % und die mittlere Kornzahl 5900 K/mm2. Der mittlere Kohlenstoffgehalt von diesen Proben und Vergleichsproben, gefertigt mittels Walzen, Ziehen, Elektropolieren und Schneiden, wurde mittels Verbrennungsanalyse bestimmt, wobei die Proben vor der Analyse keiner Beizbehandlung unterzogen wurden.
Die ermittelten Werte sind in nachstehender Tabelle wiedergegeben.
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Kohlenstoffgehalt <SEP> Kohlenstoffgehalt
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<tb> herkömmlich <SEP> gefertigter <SEP> erfindungsgemäss <SEP> gefertigter
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<tb> Elektroden <SEP> Elektroden
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<tb> [ g/g] <SEP> [ g/g] <SEP> ¯¯¯¯
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<tb> Elektrodendurchmesser <SEP> 21 <SEP> 1,3
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<tb> 0,25 <SEP> mm <SEP>
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<tb> Elektrodendurchmesser <SEP> 14 <SEP> 3
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<tb> 0,8 <SEP> mm <SEP>
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<tb> Elektrodendurchmesser <SEP> 11 <SEP> 3,5
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<tb> 3,0 <SEP> mm <SEP>
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