CN101638738B

CN101638738B - 一种优化的铋锡铟汞合金

Info

Publication number: CN101638738B
Application number: CN2009100419353A
Authority: CN
Inventors: 何志明
Original assignee: 何志明
Current assignee: Foshan Comwin Light & Electricity Co., Ltd.
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: CN101638738A

Abstract

本发明涉及一种固态汞合金材料，具体是低气压汞放电灯用一种优化的铋锡铟汞合金，同时满足以下特性：1、熔融温度高于或接近ΔT95的最高工作温度。2、对于直径φ＜10mm的灯管，工作温度区域为90-133℃，ΔT95＞30℃。3、不含铅。4、保证性能前提下汞的质量含量最大化，使用成本低，容易放置。铋锡铟汞合金中铋的质量含量为：38-46％，锡的质量含量为：47-55％，铟的质量含量为：5.3-9％，汞的质量含量为：1.3-2.6％，铋锡的质量比：铋Bi/锡Sn＜1。使用该汞合金的灯发光效率高，一致性好，成本相对较低，汞合金熔融流入灯内导致光电参数劣化的几率小。

Description

一种优化的铋锡铟汞合金

技术领域

本发明涉及一种固态汞合金材料，具体是低气压汞放电灯用的铋锡铟汞合金。

背景技术

目前带罩紧凑型荧光灯或高管壁负载紧凑型荧光灯主要用Bi-Pb-Sn-Hg、Bi-In-Hg、In-Pb-Sn-Hg三类可控制汞蒸汽压型汞合金。Bi-Pb-Sn-Hg除了含少量汞外，还含较大比例的铅Pb，不符合环境保护的要求，将被限制使用。Bi-In-Hg第一峰值汞蒸汽压偏低，工作温度区域中间存在汞蒸汽压明显下降的拐点，对直径φ＜10mm的小管径紧凑型荧光灯，ΔT95远小于30℃，一般为10-15℃，工作温度区域窄，ΔT95指灯的相对光输出＞95％所对应汞合金连续的工作温度范围。使用Bi-In-Hg汞合金的灯离散性大，平均光通量低。铋铟汞合金熔融温度一般为102℃，实际使用工作温度一般均超过110℃，远小于最高工作温度，当排气管朝上燃点时，液态或熔融态的铋铟汞合金易流入灯内，导致灯的光电参数劣化。In-Pb-Hg、In-Pb-Sn-Hg汞合金工作特性好，熔融温度高于或接近最高工作温度，但含较大比例的铅Pb，同样将被限制使用。

在设计带罩紧凑型荧光灯或高管壁负载紧凑型荧光灯用汞合金时，要求汞合金同时满足三个条件：一、工作温度区域ΔT95越大越好，一般要求ΔT95＞30℃；二、当汞合金失汞后，ΔT95与初始范围重叠的温度区域越大越好，含汞比例降低50％后，一般要求重叠的温度区域＞20℃；三、汞合金的熔融温度高于或接近ΔT95的最高工作温度。

在2008年2月14日公开的欧洲专利WO2008017654，公开了一种铋锡铟汞合金，其权利要求1、2、3、5因专利200610037828.X而不具有新颖性。从权利要求3、5、6及其多个实施方案看，铋锡的质量比为铋Bi/锡Sn≈1.55，选择在铋锡二元共晶点铋Bi/锡Sn＝1.33附近，合金的熔融温度低于ΔT95的最高工作温度。如其方案中汞的质量取0.7％，即Bi58Sn38In3Hg0.7时，对T3、T2灯管ΔT95的最高工作温度均超过150℃，合金的熔融温度低于130℃；汞的质量取1.2％，即Bi57Sn37In5.5Hg1.2时，对T3、T2灯管ΔT95的最高工作温度均超过140℃，熔融温度低于128℃，排气管朝上燃点时，汞合金易流入灯内，不符合条件三。该专利中由于铟的质量含量偏低，汞的质量含量偏低，加入灯内特定量的汞所对应的汞合金量大，成本高，而且放置困难。

在2008年1月31日公开的欧洲专利WO2008012729，公开了一种铋锡铟汞合金，铋的质量含量为：30-70％，锡的质量含量为：25-67％，铟的质量含量为：3-5％，汞的质量含量为：0.5-2.5％。优选方案是：铟的质量含量为：3-4％，汞的质量含量为：0.5-1.0％。当汞的质量含量取值大时，如2.0％或2.5％，由于含铟量低，汞合金工作温度范围ΔT95小，不符合条件一。方案中铋锡含量范围大，要可实施，汞的质量含量只能取偏下限值，如其权利要求5所述：汞的质量含量为：0.5-1.0％。当汞的质量含量取值小时，加入灯内特定量汞所对应的汞合金量量大，成本高，放置困难。另其权利要求汞合金组份配比的大部分区域内，汞合金的熔融温度低于ΔT95的最高工作温度，如汞的质量取1.0％时，Bi55Sn42In3Hg1.0时，对T3、T2灯管ΔT95的最高工作温度均超过145℃，合金的熔融温度却低于130℃。不符合条件三。

在2006年7月19日公开的中国专利200610037828.X，公开了一种铋锡铟汞合金，含有质量含量如下的组分：铋Bi30-70％，锡Sn10-50％，铟In0-20％，汞Hg3-12％。该方案中汞Hg3-12％，含量过高，铟化合物分解及固液两相共存两种稳定蒸汽压的作用不足以维持蒸汽压的稳定，工作温度范围ΔT95小，不符合条件一。当铟含量为0-5％，汞Hg6-12％，汞合金几乎失去控制汞蒸汽压的功能；当汞的质量含量为3％时，不论怎样选择铋锡铟的质量含量，对T3、T2灯管，ΔT95难以达到30℃，当汞的质量含量为6％时，不论怎样选择铋锡铟的质量含量，对T3、T2灯管，ΔT95＜25℃。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提供一种同时满足以下特性的低气压汞放电灯用铋锡铟汞合金：1、熔融温度高于或接近ΔT95的最高工作温度。2、对于直径φ＜10mm的灯管，工作温度区域为90-138℃，ΔT95＞30℃。3、不含铅。4、汞的质量含量最大化，使用成本低，容易放置。

低气压汞放电灯内汞原子被激发产生253.7nm紫外辐射，253.7nm紫外激发荧光粉，转换为可见光。当汞原子浓度较低时，随汞原子浓度增加，253.7nm紫外辐射增加，发光效率提高；汞原子辐射出的253.7nm紫外线照射在邻近的基态汞原子上，产生共振吸收，当汞原子浓度继续升高时，随汞原子浓度增加，产生共振吸收的汞原子可能和其他电子、原子发生碰撞，不能重新辐射出253.7nm的紫外光子，从而导致253.7nm紫外转换效率降低，发光效率降低。低气压汞放电灯发光效率与汞原子浓度有关，也即与汞蒸汽压值有关，灯内存在一最佳汞蒸汽压值，最佳汞蒸汽压值与管径对应，管径越小，最佳汞蒸汽压值越大；而且小管径灯发光效率随汞蒸汽压值波动敏感度更大。资料介绍：φ38mm(T12)低压汞灯，最佳汞蒸汽压值约0.8Pa，我们通过测试测得：φ12mm节能灯，最佳汞蒸汽压值约1.2Pa；φ8mm节能灯，最佳汞蒸汽压值约1.7Pa。

传统上以ΔT90来衡量控制汞蒸汽压型汞合金的工作温度范围，ΔT90指灯的相对光输出＞90％所对应汞合金连续的工作温度范围，相对光输出指汞合金在特定温度下灯的光通量与最大光通量之比。随着低气压汞放电灯的发展，对灯和汞合金的质量要求将更严格，ΔT90作为衡量控制汞蒸汽压型汞合金性能的指标已显得过于粗糙。ΔT95指灯的相对光输出＞95％所对应汞合金连续的工作温度范围。ΔT95与汞合金控制汞蒸汽压的性能有关，包括相对稳定的汞蒸汽压波动范围及该范围内的平均值；ΔT95也与管径有关，同一汞合金在不同管径的低气压汞放电灯中，ΔT95的范围不同；一般而言，管径越小，ΔT95越小。

汞合金的固相温度指汞合金由固态向固溶体转化的临界温度，汞合金的液相温度指汞合金完全为液体的起始温度，汞合金在低气压汞放电灯的实际应用中，我们常测量汞合金的熔融温度，汞合金的熔融温度指汞合金可以流动的起始温度，介于固相温度与液相温度之间，用Te表示。Tmax指ΔT95的最高温度。汞合金的熔融温度高于或接近最高工作温度是指Te≥Tmax-5℃。当Te＝Tmax-5℃时，假如汞合金实际工作温度为Tmax，汞合金可能流入灯内，但汞合金中仍存在一定比例的固体成分，流入灯内的机率小。铋锡铟汞合金中由于铋锡合金二元共晶点铋Bi/锡Sn＝1.33对应的二元合金液相温度为139℃，加入一定量的铟、汞后，铋锡铟汞合金的熔融温度一般低于130℃，当选择铋Bi/锡Sn＜1远离铋Bi/锡Sn＝1.33附近，可提高熔融温度至138℃，添加少量其它金属组成的五元、六元合金，熔融温度可再提高，但提高幅度小。汞合金的熔融温度远低于实际工作温度时，液态或熔融态的铋铟汞合金易流入灯内，出现难以预测的情况，破坏原设计，导致灯的光电参数劣化，见附图1。液态或熔融态的铋铟汞合金2易通过排气管1内壁与玻璃棒3之间的间隙4流入灯内A、B、C、D中的一处或多处，均破坏原设计，灯内汞蒸汽压变化，导致灯的光电参数变化。如汞合金流入灯内B处会导致蒸汽压瞬时激剧上升，光通量大幅下降，同时汞合金被加热蒸散至管壁，导致管壁发黑。

控制汞蒸汽压型汞合金应同时满足三个条件：一、对特定管径的低气压汞放电灯，工作温度区域ΔT95越大越好，一般要求ΔT95＞30℃。二、当汞合金失汞后，ΔT95与初始范围重叠的温度区域越大越好。含汞比例降低50％后，要求重叠的温度区域＞20℃。这样便于选择汞合金的工作温度区域，既保证灯的发光效率和一致性，同时保证灯参数在长时间燃点后不会因汞合金特性的变化而产生大的光衰。三、汞合金的熔融温度高于或接近ΔT95的最高工作温度。熔融温度如不能高于ΔT95的最高工作温度，应确保汞合金的液相温度高于ΔT95的最高工作温度，熔融温度接近ΔT95的最高工作温度，即Te≥Tmax-5℃。在满足这些使用的必需条件时应提高汞的质量含量，减少加入灯内的汞合金量，既降低汞合金的使用成本，又使汞合金容易放置在排气管中。对于特定量的汞，汞质量含量高的其对应的汞合金量少，这对于做灯来说是十分必要的，因为随着低气压汞放电灯进一步小型化，排气管内径减小，大量或多粒汞合金放置在排气管中将非常困难。当灯内需加入2mg汞，含汞1％的铋锡铟汞合金需加入200mg，含汞2.5％的铋锡铟汞合金只需加入80mg，200mg的重量和体积均是80mg的2.5倍。

本发明的目的是这样实现的，铋锡铟汞合金是含有铋锡铟汞的合金，铋的质量含量为：38-46％，锡的质量含量为：47-55％，铟的质量含量为：5.3-9％，汞的质量含量为：1.3-2.6％，铋锡的质量比：铋Bi/锡Sn＜1。

铋的质量含量为：38-46％，锡的质量含量为：47-55％，铋Bi/锡Sn＜1是为了提高汞合金的熔融温度，保证Te≥Tmax-5℃。当铋的质量含量为：40-43％，锡的质量含量为：49-53％，铋锡的质量比：铋Bi/锡Sn＜0.9，可以进一步提高熔融温度，同时保持铋锡铟汞合金控制、稳定汞蒸汽压的性能。本发明的铋锡铟汞合金熔融温度最高可至135℃。

铟的质量含量为：5.3-9％，汞的质量含量为：1.3-2.6％，保持ΔT95符合要求的前提下，汞的质量含量最大化，是通过适当提高铟的质量含量来保证铋锡铟汞合金控制、稳定汞蒸汽压的性能。具体可以是铟的质量含量为：5.5-8.0％，汞的质量含量为：1.6-2.5％。

汞的质量含量为1.3％时，选择铋锡铟的质量含量，对外径为8mm的低气压汞放电灯而言，ΔT95约为40℃，对外径为9mm的低气压汞放电灯，ΔT95＞40℃，而且ΔT98＞30℃，即工作温度区域汞蒸汽压非常稳定，ΔT98指灯的相对光输出＞98％所对应汞合金连续的工作温度范围。部分带罩灯存在灯头朝上和灯头朝下两种方式燃点，对汞合金ΔT95的值要求大，这样只好通过适当降低汞的质量含量来取得较大的ΔT95值。适当提高锡的质量含量，可提高熔融温度。当汞＜1.3％时，ΔT95值变得更大，但无法满足Te≥Tmax-5℃，ΔT95的高温区域没有实际使用价值；如锡的质量含量＞55％，可进一步提高熔融温度，但汞合金控制汞蒸汽压性能变差，ΔT95又减小。汞的质量含量低时，加入灯内的汞合金量大，成本高，放置困难。汞的质量含量为1.3％是一种对直径φ＜10mm的灯管ΔT95＞40℃，同时满足Te≥Tmax-5℃的方案。

汞的质量含量为：2.6％时，选择铋锡铟的质量含量，对外径为8mm的低气压汞放电灯而言，ΔT95约为32℃(90℃-122℃)，对外径为9mm的低气压汞放电灯，ΔT95＞32℃。当铟In＜5.0％时，ΔT95＜30℃。汞的质量含量取2.8％时，调整铋锡铟的质量含量，对外径为8mm的低气压汞放电灯，ΔT95为25-30℃，ΔT95＜30℃。汞的质量含量取2.6％，是一种对直径φ＜10mm的灯管ΔT95＞30℃，成本低、容易放置于排气管的方案。

本发明的铋锡铟汞合金在工作温度区域能稳定地控制灯内汞蒸汽压在2.3Pa附近，对直径φ＜10mm的低气压汞放电灯在工作温度区域具有稳定的汞蒸汽压，灯获得接近最佳的发光效率，产品的稳定性、一致性好。汞合金含汞比例降低50％时，灯的相对光输出＞95％所对应的汞合金连续工作温度范围比初始ΔT95更宽，ΔT95与初始范围重叠的温度区域＞25℃。本发明的铋锡铟汞合金因铟的质量含量相对较高，改变铟的质量含量，调节工作温度区域汞蒸汽压的平均值，可使多种管径的灯获得最佳发光效率。

本发明按以上所述的合金配比后，可以用常规的熔融滴制成球丸的方法制造，也可以是用常规的模铸成球丸或圆柱体的方法制造，也可以是用常规的压制成球丸或圆柱体的方法制造。

附图说明：

图1是汞合金放置在灯中的放大示意图。

附图标记说明：1-排气管 2-汞合金 3-玻璃棒 4-排气管内壁与玻璃棒之间的间隙 A-灯内壁弯管处 B-灯丝 C-内导丝 D-铟网

图2是几种配方铋锡铟汞合金在外径为8mm的低气压汞放电灯相对光输出随汞合金温度变化特性曲线。

附图标记说明：η(％)-指相对光输出 T℃-指汞合金的温度

具体实施方式

实施例1：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝40∶49∶8.4∶2.6经熔融滴制成球丸，应用在管径φ8mm，功率5-11w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例2：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝41∶47.5∶9.0∶2.5经熔融滴制成球丸，应用在管径φ9mm或φ8mm，功率7-13w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例3：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝39∶50.7∶8∶2.3经熔融滴制成球丸，应用在管径φ8mm，功率7-20w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例4：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝38∶52.4∶7.5∶2.1经熔融滴制成球丸，应用在管径φ8mm，功率7-20w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例5：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝42∶49∶7∶2经熔融滴制成球丸，应用在管径φ8mm，功率5-11w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例6：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝44∶48∶6.2∶1.8经熔融滴制成球丸，应用在管径φ8mm，功率7-20w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例7：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝46∶47∶5.3∶1.7经熔融滴制成球丸，应用在管径φ9mm或φ8mm，功率7-15w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例8：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝40∶53∶5.4∶1.6经熔融滴制成球丸，应用在管径φ9mm或φ8mm，功率5-11w带反射罩的紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例9：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝39∶54∶5.5∶1.5经熔融滴制成球丸，应用在管径φ9mm或φ8mm，功率7-15w带反射罩的紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

实施例10：铋锡铟汞合金按质量比(m/m)配比：Bi∶Sn∶In∶Hg＝38.4∶55∶5.3∶1.3经熔融滴制成球丸，应用在管径φ9mm或φ8mm，功率13-30w带外泡壳紧凑型荧光灯中，平均光效高，灯的光输出稳定性、一致性好。

Claims

1.一种优化的铋锡铟汞合金，其特征在于：铋锡铟汞合金的熔融温度高于或接近ΔT95的最高工作温度，铋锡铟汞合金是含有铋锡铟汞的合金，铋的质量含量为：38-46％，锡的质量含量为：47-55％，铟的质量含量为：5.3-9％，汞的质量含量为：1.3-2.6％，铋锡的质量比：铋Bi/锡Sn＜1；铋锡铟汞合金的熔融温度高于或接近ΔT95的最高工作温度，具体是Te≥Tmax-5℃，Te表示汞合金的熔融温度，指汞合金可以流动的起始温度，介于固相温度与液相温度之间；Tmax指ΔT95的最高温度。

2.根据权利要求1所述的一种优化的铋锡铟汞合金，其特征在于：所述的铋锡铟汞合金对直径φ＜10mm的灯管，工作温度区域为90-138℃，ΔT95＞30℃。

3.根据权利要求1所述的一种优化的铋锡铟汞合金，其特征在于：所述的铋锡铟汞合金中铋的质量含量为：40-43％，锡的质量含量为：49-53％，铋锡的质量比：铋Bi/锡Sn＜0.9。

4.根据权利要求1所述的一种优化的铋锡铟汞合金，其特征在于：所述的铋锡铟汞合金中铟的质量含量为：5.5-8.0％，汞的质量含量为：1.6-2.5％。