CN101167156A - 具有用含有3wt%以下铼的钨合金制成的电极的放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包含具有气体充填物的放电腔(4)和布置在该放电腔内的电极(5)的高压气体放电灯(1)。至少一个所述电极是钨合金电极，其中该合金由(a)超高纯钨和(b)数量为钨数量的0.01－3％重量的铼、锇、钽、铪、铱和锆中的至少一种制成。本发明的钨合金在铼或锇含量之间达到适当的平衡，该含量足够高以得到允许金属线加工的足够延展性，并且该含量足够低以减少灯工作期间造成放电腔内部变黑的铼蒸发量。本发明还涉及这种灯的制造方法。

Description

具有用含有3wt%以下铼的钨合金制成的电极的放电灯

发明领域

本发明涉及高压气体放电灯，该灯包含具有气体填充物(gasfilling)透光放电容器和布置在该放电容器中的电极。

背景技术

由于高压气体放电灯的良好照明性能，其应用日益广泛。这些放电灯一般包含具有引线(feedthroughs)的放电容器，电极通过引线延伸进入放电容器中，或进入由放电容器包围的放电腔中。当放电灯处于工作状态时，在电极自由端之间就激发电弧放电。

放电腔一般含有气体充填物(灯充填物(lamp filling))，该气体填充物包含起动气体(starter gas)(例如氩气)；放电气体(例如一种或几种金属卤化物，如碘化钠和/或碘化钪)，其形成实际上的发光材料；以及电压梯度产生体(voltage gradient generator)或缓冲气体(例如汞)，其主要作用是通过提高温度或压力来促进发光物质蒸发，并提高灯的效率和烧毁电压(burning voltage)。

由于放电灯电极在灯工作时暴露在苛刻条件下，所以对这些电极的材料和结构就有很高要求。

EP-A0343625公开了包含在灯泡一端形成的密封部分，以及在另一端形成以围绕放电空间的外壳部分的弧形管灯泡。一对金属箔埋在密封部分中。在放电空间中加入用于起动的稀有气体、汞和金属卤化物。一对电极包含连接到所述金属箔的一对电极棒和布置在所述棒尖端的线圈(coils)。这些线圈相互隔开并相互面对布置在放电区内。铼-钨合金可用作棒材料。对于这种合金，铼与钨的混合比应为0.05％重量或更高，以降低电极在工作期间断裂的危险。

现有技术的该钨-铼合金电极的缺点是在灯工作期间可能有相当数量的铼蒸发。对于高温，例如高于2800℃的温度尤其如此，而这正是现有放电灯电极的工作温度。铼的蒸发影响灯气氛并使放电腔变黑。

发明内容

本发明一个目的是提供具有在电极加工以及在灯工作时都具有相当的机械强度，且具有降低的黑化行为的电极的放电灯。

该目的通过高压气体放电灯实现，该灯包含具有气体充填物的放电腔和布置在放电腔内的电极，其中至少一个所述电极是钨合金电极，该钨合金电极基本上由(a)超高纯钨和(b)数量为钨数量的0.01-3％重量的铼、锇、钽、铪、铱和锆中的至少一种组成。

超高纯钨是脆而弱的材料，特别是在退火状态下，这妨碍了电极加工。用例如铼(Re)掺杂钨材料得到钨-铼合金，增加了所得合金的延展性，其有益于电极加工例如线拉伸和电极成形(例如磨削，焊接)，并且也有益于电极工作时的机械强度。低数量的铼降低了电极对放电腔的黑化影响。低数量的铼还降低了线拉伸期间加工硬化的影响，从而消除或减少了线拉伸期间额外退火步骤的必要性。预计锇也有类似的作用。总之，本发明的钨合金在例如获得允许电极加工并减少灯寿命期间电极断裂的足够延展性的足够高铼含量，与减少灯工作期间造成放电腔内部黑化的铼蒸发量的足够低铼含量之间，达到了适当的平衡。

注意超高纯钨粉含有至少99.99％的钨原子，优选至少99.999％或甚至99.9999％的钨(除氧、碳和氮以外)。用于制造所述合金的粉末含有至少0.01％重量(除氧、碳和氮以外)的选自铼、锇、钽、铪、铱和锆的组分(b)。组分(b)包含至少50％重量的铼或锇，或它们的混合物。最多50％重量的组分(b)可以是钽，最多10％重量的组分(b)可以是铪、铱和锆中的至少一种。

此外，应该注意，电极可含有少量例如随所述粉末引入的杂质或添加剂。在本发明一个实施方案中，杂质不超过10μg/g电极，优选不超过5μg/g电极，最优选不超过1μg/g电极。小数量的杂质或添加剂可使具有少量组分(b)的电极获得适当的机械性能。

应理解，氧、碳或氮的含量主要取决于表面吸收。优选这些成分不超过30μg/g电极。氧、碳和/或氮的数量在电极用合金成分数量的定义中不计算在内。

在优选实施方案中，钨合金电极包含棒和缠绕所述棒的线圈。这种电极结构在电极上提供了充分的热分布。所述棒可由本发明的合金构成，并在干燥氢气中在高温例如2000℃以上退火，以除去杂质。用于线圈的金属线优选没有退火，因为退火的金属丝太脆而不能形成线圈。在所述棒和线圈组装后，组装的电极可在高温例如2000℃以上退火。

在本发明实施方案中，在灯工作期间至少一部分所述电极具有2800-3400℃的温度。在该温度范围内电极导致的黑化的减少是特别显著的。

在本发明实施方案中，放电灯是高压金属卤化物灯。在工作中，这种灯中的电极或电极的一部分被加热到特别高的温度。因此，采用本发明的钨合金有利于电极加工，同时铼蒸发量，即使是在高温下，得到降低。

本发明还涉及制造高压气体放电灯或用于这种高压气体放电灯的电极或部分电极的方法，该方法包括应用和/或制备钨合金电极的步骤，该钨合金电极基本上由(a)超高纯钨和(b)数量为钨数量的0.01-3％重量的铼、锇、钽、铪、铱和锆中的至少一种组成。在本发明实施方案中，杂质不超过10μg/g电极，优选不超过5μg/g电极，最优选不超过1μg/g电极。小数量的杂质或添加剂可使具有少量组分(b)的电极获得适当的机械特性。优选地，该方法包括从所述钨合金拉出金属线并在2000-2500℃温度下将所述金属线退火以降低杂质含量的步骤。

本发明的钨合金在例如获得允许电极加工并提供工作期间足够机械稳定性的足够延展性的足够高铼含量，与减少灯工作期间造成放电腔内部黑化的铼蒸发量的足够低铼含量之间，达到了适当的平衡。

应注意，JP-A-09231939公开了具有铼钨部分的高熔点金属电极，该铼钨部分由铼元素加入量为0.1-25％重量的钨制成。然而，只有阳极末端而非整个电极由该合金制成。此外，对铼数量所限定的绝大部分范围极大地导致不能允许的灯内部黑化。

钨-铼合金公知可用于白炽灯。US4413205公开了具有基本上由至少含0.1％重量铼的钨制成的电流导体的卤素白炽灯。然而，白炽灯的工作温度低于放电灯，从而黑化作用和杂质释放发生的程度低得多。低铼含量的选择仅出于成本原因，如US4413205中清楚说明的那样。而且普通白炽灯的钨材料含有比用于本发明放电灯的超高纯钨大得多的杂质数量。因此，所要求保护的铼数量将会太低，以至不能显著改善这种不太纯的钨电极的机械性能。

本发明将参考附图进行进一步说明，附图示意性地示出本发明的优选实施方案。当然本发明并不以任何方式限于这些特定和优选的实施方案。

附图简述

在附图中：

图1是根据本发明实施方案的金属卤化物高强度放电灯的剖面图；

图2A和2B示出钨-铼合金在不同温度下退火后极限拉伸强度试验测量结果，和

图3A至3C图示形变状态(as deformed)(图3A)和退火状态(图3B和3C)下铼对钨-铼合金微观结构的影响。

具体实施方式

图1是根据本发明实施方案的金属卤化物高强度放电灯1的剖面图。灯1具有石英玻璃，即SiO₂含量至少为95％重量的玻璃(但可选的，可以是单晶或多晶陶瓷材料)的密封的透光放电容器2，其具有相对的密封3并包围放电腔4。陶瓷容器一般不是紧压密封的，但包含陶瓷插头(plug)。图1所示的灯是AC灯，但DC灯也在本发明范围内。放电腔3具有包含稀有气体和金属卤化物的气体充填物。作为实例，放电腔4可充填有0.87mg NaI、0.45mg SnI₂、0.76mg NaBr、0.21mg TlBr、0.17mgHgI₂、2666Pa O₂、44mg Hg和10000Pa Ar。当灯打开时，氧就反应形成卤氧化物。

电极5相对布置在放电腔4中。电流引入导体位于放电容器2的各个密封3中，并从放电容器2引出。在本实施例中，每个电流引入导体包含完全处于各个密封3内的例如钼的金属箔6，和从放电容器1伸出的例如钼的金属棒7。拉伸金属线电极棒8通过焊接到这些金属箔6而与所述金属箔6之一连接，并进入放电腔4，和承载有所述电极5之一。电极棒8在位于放电腔4内的棒8末端部分载有缠绕线圈9。

根据本发明一个方面，电极5由包含超高纯钨和0.01-3％重量，优选0.1-1％重量铼的钨-铼合金形成。有利的实例包括0.2％重量或0.5％重量的铼。超高纯钨含有99.999％的钨。

在钨材料中掺杂铼获得的钨-铼合金提高了所得合金的延展性，其有利于电极加工，例如线拉伸、电极成形和组装，还有利于电极5在工作中的机械强度。低铼数量降低了电极5对放电腔4的黑化影响。

制备棒8和线圈9的加工操作基本上相同。首先进行粉末加工，得到超高纯钨和所需数量的铼的混合物。接着压制新鲜产物并在2700-3200℃温度下烧结。轧制和锻造后拉伸金属线。为了制造棒8，将所述金属线在干燥氢气中在高温例如2000℃以上退火以去除杂质。用于线圈9的金属线优选不退火。

图2A和2B以及3A至3C显示钨-铼合金退火后的测试试验结果。图2A纵轴的单位是力(以g表示)除以200mm长的一截金属线的重量。

图2A表示直径175μm并掺杂0-3％重量不同数量铼并在1100℃-1500℃的不同温度下退火的超高纯钨棒的极限拉伸强度(UTS)。25℃温度对应的点代表形变状态，即金属线拉伸后的UTS值。显然，UTS随着铼含量增加而连续提高，与退火温度无关。总之，将超高纯钨与铼制成合金使金属线显著增强。在0.05％重量铼数量下这种效果就已经变得很明显。图2B表示金属线的延展性E的结果，其可从UTS试验通过以下公式得出：

E[GJ·m^-3]＝UTS·ε_max

其中ε_max是金属线的均匀伸长率。延展性随着铼的数量而得到改进，这有益于金属线加工。金属线的拉伸一般在1600℃以下的温度进行。

图3A至3C表示掺杂0％、0.05％、0.2％、1％和3％重量铼的直径1310μm的超高纯钨线的微观结构图像。

图3A表示形变(as-deformed)微观结构。由于金属线拉伸的强变形作用，导致看不见铼的作用。

图3B表示在干燥氢气气氛下试样于2000℃退火10分钟后的微观结构。显然仅添加0.2％重量铼就足以获得精细的微观结构，即减小晶粒尺度。晶粒尺度越精细表示延展性越高。

图3C示出试样在2500℃退火后的试样的微观结构图片。在含有0.2％重量以上铼的试样中保持了添加铼的作用。

因此，可以得出结论，在运行中，通过低数量的铼，本发明的钨-铼电极5的延展性得到明显改进。

虽然添加铼可持续改善金属线的机械性能，这在电极5的加工中有益，但在本发明的一个方面中，铼的数量限于3％重量，优选1％重量，以减少导致灯1内部黑化的铼的蒸发量。此外，具有高数量铼，例如1％重量以上铼的金属线在金属线拉伸期间表现出显著的加工硬化，因而需要额外的退火步骤。低数量的铼避免或降低了对这种额外步骤的需求。

在权利要求中，置于括弧间的任何附图标记都不应理解成是对权利要求的限定。动词“包含”及其变化形式的使用并不排除权利要求提及以外的要素或步骤的存在。要素前的不定冠词“一”的使用并不排除存在多个这种要素。仅在相互不同的从属权利要求中列举某些方案并不表示不能有利地采用这些方案的结合。

Claims (10)

1.高压气体放电灯(1)，该灯包含具有气体充填物的放电腔(4)和布置在该放电腔内的电极(5)，其中至少一个所述电极是钨合金电极，该钨合金电极基本上由(a)超高纯钨和(b)数量为钨数量的0.01-3％重量的铼、锇、钽、铪、铱和锆中的至少一种组成。

2.权利要求1的放电灯(1)，其中所述钨合金电极除氧、碳和氮之外含有低于10μg/g所述合金的杂质。

3.权利要求1的放电灯(1)，其中所述钨合金电极(5)含有0.1-1％重量的组分(b)。

4.权利要求1的放电灯(1)，其中组分(b)由50-100％重量的铼和/或锇、0-50％重量的钽和0-10％重量的铪、铱和锆中的至少一种组成，总共为100％重量。

5.权利要求1的放电灯(1)，其中所述钨合金电极(5)包含棒(8)和缠绕在所述棒上的线圈(9)。

6.权利要求1的放电灯(1)，其中在工作期间所述电极(5)的至少一部分具有2800-3400℃的温度。

7.权利要求1的放电灯(1)，其中所述放电灯是高压金属卤化物灯。

8.制造高压气体放电灯(1)或用于这种高压气体放电灯的电极(5)或部分电极的方法，该方法包括应用和/或制备钨合金电极的步骤，该钨合金电极基本上由(a)超高纯钨和(b)数量为钨数量的0.01-3％重量的铼、锇、钽、铪、铱和锆中的至少一种组成。

9.权利要求8的方法，其中所述钨合金电极除氧、碳和氮之外含有低于10μg/g所述合金的杂质。

10.权利要求8的方法，包括从所述钨合金拉出金属线并在2000-2500℃温度下将所述金属线退火的步骤。

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