CN111105985B

CN111105985B - 钨电极及其制备方法，以及采用该钨电极的高压放电灯

Info

Publication number: CN111105985B
Application number: CN201911192784.1A
Authority: CN
Inventors: 皮天明; 李亚娜
Original assignee: Qingyuan Ouruikai Technology Co ltd
Current assignee: Yongzhou Villy Electronics Co ltd
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: CN111105985A

Abstract

本发明公开了一种钨电极的制备方法及利用该方法制备的钨电极，以及采用了该钨电极的高压放电灯，其中，制作方法包括：S1)形状上制备钨电极；S2)对钨电极进行酸蚀处理；S3)真空高温烧结使结晶粗大化；S4)对表面进行二次酸蚀处理，使其表面呈现近似多棱镜表面形状，且表面上具有峰谷凹凸，且凹凸高低差为5～25μm。实施本发明方法制备的钨电极(222)用于高压放电灯时，可抑制高压放电灯在制程过程中或点灭灯过程中发生的由于钨电极(222)和放电容器(1)的侧管部(11)石英玻璃之间的热胀冷缩系数之差所导致的石英玻璃裂纹(131)及高压放电灯破裂现象，提高了高压放电灯寿命。

Description

钨电极及其制备方法，以及采用该钨电极的高压放电灯

技术领域

本发明涉及光电领域，特别涉及一种钨电极或以钨为主要成份的钨电极的制备方法，采用这种制备方法制备的钨电极，本发明还涉及采用了上述钨电极的高压放电灯。

背景技术

在投影机、曝光机等光学设备上有广泛需求的高压放电灯，在一个石英放电容器内对向安置两个以钨为主要成分的钨电极，所述电极的一端埋入石英玻璃内，并通过具有与石英膨胀系数接近的金属箔片（例如钼箔片）与外部电源导线连接，金属箔片（例如钼箔片）与石英玻璃通过外热源加热融合密封，形成相对密封的石英放电容器。石英放电容器内充入0.21mg/ mm³以上的水银及不低于18Kpa压力的诱电气体以及1*10^-8mol/cm³至1*10^- ⁴mol/cm³的卤素。诱电气体在外部电压激励下发光，进一步激励水银发光。

上述高压放电灯，两个钨电极分别埋入石英玻璃中，相对位置由石英热熔固定，因所述钨电极与石英玻璃膨胀系数不同，热熔固定制程过程中或点灭灯时，与所述钨电极接触的石英玻璃部分容易出现裂纹，高压放电灯点灭灯过程中裂纹扩大，导致灯泡破裂。

目前，现有技术对于上述中提到的问题主要解决方式有如下几种：

1.在所述电极与石英玻璃之间安置耐高温中间介质（例如钨钼线圈或钼片），除去为了固定电极所必需的要与石英玻璃进行直接接触的部分外，在钨电极与石英玻璃之间均可加入中间介质（WO2009/011117专利），用以隔离钨电极与石英玻璃，从而减少电极热胀冷缩对石英玻璃造成的拉压应力，降低石英玻璃裂纹发生。

2.在所述电极的与石英玻璃接触的部分外表进行直轴向或螺旋轴向刻槽（如21010193399.1专利），减少所述电极与石英玻璃的接触面积，减少电极热胀冷缩时产生的对石英玻璃轴方向的拉压应力，从而抑制石英玻璃裂纹发生。

3.在与所述电极进行接触的石英玻璃管外表涂布保温膜或着装保温线圈，在灯泡灭灯过程中延缓石英玻璃温度下降速度，减少电极热胀冷缩对石英玻璃的压应力，抑制较大石英玻璃裂纹发生。

上述现有技术方法1和2，主要都是以减少电极与石英玻璃接触面积方式，减少电极热胀冷缩对石英玻璃的拉压力，用以达到抑制石英玻璃裂纹的目的。但，采用此种方式的高压放电灯具有以下缺陷：

a) 采用现有技术方法1和2的高压放电灯，具有共同特征：为了固定整个钨电极或与金属箔片进行电连接，所述钨电极在金属箔片（比如钼箔片）一端，需保留一段长度来直接与石英玻璃接触。即至少与金属箔片连接部分现有技术方法1和2所述中间介质或刻槽。

b）采用现有技术方法1和2的高压放电灯，不可避免的出现中间介质端部/角部或是刻槽起止端部。且中介介质或刻槽的至少一端/角被埋入石英玻璃内。

c）采用现有技术1的灯泡，其中间介质通常被卷曲或点焊在所述电极上，中间介质与所述电极具有较小的接触面，采用现有技术2的灯泡，所述电极因胚料拉压制或车削过程中出现的圆周方向的加工缺陷（例如凹凸的车刀纹），在刻槽加工后，位于槽峰部位的加工缺陷继续残留，并与石英玻璃形成近似线接触。

采用现有技术方法1和2的高压放电灯，存在的第一个问题是：电极在制程或点灯过程中积聚的大量热能，因电极与石英玻璃接触面积减少，不能及时被传导释放，最终在上述a)b)c)所描述之较小接触面或端面/角容易发生应力急剧集中，导致灯泡破裂。随着对超高亮度高和高稳定性放电灯的追求，提高高压放电灯功率（比如300W以上）成为趋势，进而点灯时钨电极埋入石英玻璃部位温度愈发增高，从而更容易导致上述a)b)c)所描述之较小接触面或端面/角起点出现应力集中，发生破裂。

采用现有技术方法1和2制备的高压放电灯，存在的第二个问题是：被中间介质隔离后或是刻槽加工后，电极或电极刻槽之槽谷与石英玻璃之间容易形成电位差。该电位差在点灯瞬间高压（例如3KV）加载时，容易在放电容器根部急剧加大，形成电极向放电容器根部附近的石英玻璃放电现象，导致组成石英玻璃主要成分的SiO2分解成Si和O，并进入石英容器内与其他物质化合导致灯泡发黑、寿命短。

采用现有技术方法1和2的高压放电灯，其第三个问题是：从经济方面来看，采用现有技术方法1和2的高压放电灯的加工工艺明显要复杂，且价格成本高昂。

至于现有技术方法3的高压放电灯，缺陷一，通常在放电灯组立加工基本完成后才着装，对制程过程中（例如石英热熔固定电极）不能起到防止石英玻璃裂纹的作用；缺陷二，石英玻璃外层涂布保温膜或保温线圈仅对低温区（例如200℃以下）具有明显延缓降温效用，对于石英放电容器根部附近石英玻璃（石英玻璃内侧点灯温度600度以上）几乎不能发生可以影响石英玻璃裂纹生成的作用。换言之对防止裂损，并无实效。

发明内容

针对上述现有技术问题，本发明提出一种以钨为主要成份的钨电极（简称钨电极）的制作方法，和用该方法制备的钨电极，以及采用了该钨电极的高压放电灯。

按照本发明一个方面，提出的一种钨电极或以钨为主要成分的钨合金电极的制备方法，包括以下步骤：

S1）经由粉末成型、烧结、拉制获得的钨棒料或以钨为主要成分的钨合金棒料，经车削加工后与钨线圈组立，制成具有包括放电部、电离触发部、支撑部的钨电极；

S2）对S1制成的所述钨电极的全部或至少所述钨电极的支撑部进行酸蚀处理，以去除表面车削加工或拉制加工缺陷（比如切刀纹、毛刺披峰）；

S3）对S2产出的所述钨电极进行真空高温烧结，使所述钨电极的结晶粗大化，使得其外周表层钨结晶平均粒径在50～500μm；

S4）对步骤S3结晶粗大化后的钨电极全部或至少支撑部的表面进行二次酸蚀处理，使钨电极被酸蚀部分的表层晶体晶界清晰，呈现近似多棱镜表面形状，且表层可见各晶面之间、单个结晶不同晶面之间互有峰谷凹凸，且凹凸高低差为5～25μm。

按照本发明另一方面，本发明提供了一种按照本发明上述方法制备的钨电极，所述钨电极全部或至少支撑部的表层被蚀刻出清晰、呈现近似多棱镜表面形状，且表面具有峰谷凹凸，凹凸高低差为5～25μm。

按照本发明另一方面，本发明提供了一种按照本发明上述方法制备的钨电极的高压放电灯，包括石英玻璃制成的放电容器，所述钨电极在所述放电容器内两个相对安置，所述钨电极支撑部一端埋入所述放电容器的侧管部内并通过金属箔片与外部电源导线连接，所述金属箔片与所述放电容器的侧管部石英玻璃通过外热源加热融合密封，使得所述石英放电容器密封并充入至少0.21mg/ mm³的水银、不低于18Kpa压力的诱电气体及1*10^-8mol/cm³至1*10^-4mol/cm³的卤素，所述金属箔片具有与所述放电容器的侧管部石英玻璃相近的膨胀系数。

实施本发明的钨电极用于高压放电灯时，可抑制高压放电灯在制程过程中或点灭灯过程中发生的，因钨电极和石英玻璃之间的热胀冷缩系数之差所导致的石英玻璃裂纹及高压放电灯破裂现象，提高了高压放电灯寿命。本发明涉及的钨电极具有加工工艺实现方便，加工成本低的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动地前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中所述高压放电灯的结构示意图。

图2为所述钨电极结构示意图。

图3为本发明实施例中所述钨电极表面多棱镜表面凹凸痕示意图。

图4所述通用高压放电灯裂纹示意图。

图5为本发明实施例中述钨电极表面多棱镜表面凹凸痕剖面放大示意图。

图6为真空高温烧结处理后，再经二次酸蚀处理后钨电极的表面结构示意图。

图7是高压放电灯裂纹级别分类表。

图8和图9是外加工制程中裂纹发生对比结果的图。

图10和图11是点灭灯100回后裂纹发生对比结果的图。

图12和图13是点灭灯200回后裂纹发生对比结果的图。

图14和图15是点灭灯500回后裂纹发生对比结果的图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动地前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

在本发明钨电极的制备方法的实施例：

S1）选取直径为0.9到3.0mm的钨棒料或以钨为主要成分的钨合金棒料，比如直径为1.6mm的棒料，经车削加工成钨电极主体2后与钨线圈201组立，钨线圈201可以通过机械压入或焊接方式固定在车削加工后的钨电极主体2的上，制成具有包括放电部21、电离触发部22、支撑部23的钨电极222如图2；钨线圈201圈数可以选取4到10圈，比如4圈，两相邻线圈与电极之间构成空隙，用以在高压放电灯在超高压（2KV以上）加载启动瞬间，在空隙部位形成电位差，形成电离，进一步诱发两个对向安置的钨电极之间的电弧放电。另外也可以将钨线圈做成重叠两层、多圈的形式，增加形成电位差的空隙，使诱发放电效果更明显。钨电极主体2在车削加工时，可以做成双重圆弧形状（放电弧，维持弧），有利于对向安置两个钨电极的圆弧顶点之间的电弧放电及寿命维持。放电圆弧R限为：0.2mm到0.6mm之间，比如R为0.35mm；维持圆弧R限为：0.5*棒料直径≦维持圆弧R≦1.5*棒料直径，比如为选取棒料直径1.6mm的0.6倍，即R0.96mm。

S2）对S1制成的所述钨电极的全部或至少所述钨电极的支撑部进行酸蚀处理，以去除表面车削加工或拉制加工缺陷（比如切刀纹、毛刺披峰）。

为达到去除加工缺陷的效果，可以选取酸蚀条件为：a)调配浓度较低的酸溶液，比如浓度为10%到30%的氟酸药液；b)对药液温度进行加热到摄氏（下同）45度到80度，比如60度；c)酸蚀时间控制在10分钟到30分钟，比如25分钟；d）一次酸蚀处理的钨电极重量为50g到500g之间，比如100g。

S3）对S2产出的所述钨电极进行真空高温烧结，使所述钨电极的结晶粗大化，使得其至少外表层钨结晶平均粒径在50～500μm，如图3所示。

为获得50～500μm结晶粒径，可以设置真空高温烧结条件：a)真空度1*10^-1Pa以下，比如3*10^-3；b)最高温度1850度到2100度，比如1900度；c）最高温度保持时间30分钟到120分钟，比如60分钟。

S4）对步骤S3结晶粗大化后的钨电极全部或至少支撑部的表面，行二次酸蚀处理，使钨电极被蚀刻部分的表层晶体晶界清晰，呈现近似多棱镜表面形状，且表层可见各晶面之间、单个结晶不同晶面之间互有峰谷凹凸，且凹凸高低差为5～25μm。如图6所示。

二次酸蚀处理条件以获得钨电极表层晶体晶界清晰，呈现近似多棱镜表面形状为目的，可以选取酸蚀条件为：a)调配浓度较低的酸溶液，比如浓度为10%到30%的氟酸药液；b)对药液温度进行加热到50度到80度，比如60度；c)酸蚀时间控制在5分钟到15分钟，比如6分钟；d）一次酸蚀处理的钨电极重量为50g到500g之间，比如100g。

请注意，上述制备过程中的钨电极只是选取较佳实施例。钨电极并不限于车削加工钨电极，也可是熔融电极或细径相当的拉制钨棒料上卷绕钨线圈形成的钨电极。

在制备过程中使用的药液不限于氟酸药液，也可是硝基盐酸或其它弱酸、强酸等药液。一次酸蚀、真空高温烧结、二次酸蚀的条件也并不限于上述实施例中的条件，也可以使用其它的条件来获得本发明的目的。

下面将说明对使用了上述实施例所制备的钨电极的高压放电灯进行的检测及检测结果。

在图1示出了本发明实施例中的交流A400W高压放电灯的结构构造，包括石英玻璃制成的放电容器1，其特征在于，所述钨电极222在所述放电容器1内两个相对安置，所述钨电极222支撑部23一端埋入所述放电容器1的侧管部11内并通过金属箔片4与外部电源导线6连接，所述金属箔片4与所述放电容器1石英玻璃通过外热源加热融合密封，使得所述石英放电容器1密封并充入至少0.21mg/ mm³的水银5、不低于18Kpa压力的诱电气体及1*10^- ⁸mol/cm³至1*10^-4mol/cm³的卤素，所述金属箔片4具有与所述放电容器1的侧管部11石英玻璃相近的膨胀系数。

在钨电极支撑部23与侧管部11通过外源加热熔融密封时，因钨电极支撑部23与侧管部11的石英玻璃之间因材料材质不同而存在热胀冷缩系数之差，钨电极支撑部23与侧管部11的石英玻璃在外源加热熔融密封后在侧管部11的石英玻璃形成裂纹131。

而上述本发明步骤所制备的钨电极222的至少支撑部23的表层呈现近似多棱镜表面形状，且表层各晶面之间、单个结晶不同晶面之间互有峰谷凹凸，且凹凸高低差为5～10μm，钨电极支撑部23与侧管部11通过外源加热熔融密封时在侧管部11形成均匀的点接触8（图5所示）。该种点接触方式可以有效防止钨电极支撑部23与侧管部11在外热源熔融密封时热胀冷缩系数之差产生的裂纹。更加阻止了高压放电灯在点灭灯过程中钨电极支撑部23和侧管部11石英玻璃之间的热胀冷缩系数之差所导致的石英玻璃产生裂纹131。

为进行比较的目的，发明人按照同样的条件制作和检测使用了本发明实施例所制备的钨电极的高压放电灯和一般高压放电灯（未使用本发明实施例所制备的钨电极的高压放电灯），以下简称一般高压放电灯。

在检测过程中，所有检测高压放电灯的功率均为交流A400W,在高压放电灯灯管通过外热源加热融合密封时侧管部11石英玻璃发生的裂纹131根据其垂直电极轴的径向最长尺寸（L）我们制定4个级别，每个级别之间尺寸互有不同，如图7所示。

在图8中可以看出，通用一般高压放电灯的侧管部11石英玻璃与钨电极支撑部23在经过外热源熔融密封冷却后，石英玻璃马上出现了裂纹，其中2级和3级裂纹占比60%，未发生裂纹0级别的高压放电灯占比30%，1级裂纹占比60%。

在图表9中可以看出，使用了本实施例产出的钨电极的高压放电灯，侧管部11石英玻璃与钨电极支撑部23在经过外热源熔融密封冷却后，石英玻璃未发生裂纹0级别的高压放电灯占比100%。

上述两种检测高压放电灯，我们使用相同的点灭灯条件：点灯10分钟，灭灯5分钟，分别在100回，200回和500回后检测其裂纹发生情况：

在图表10中可以看出，在经过100回点灭灯测试后一般高压放电灯石英玻璃裂纹发生比例发生变化，裂纹发生率占了100%，其中1级裂纹为30%，2级裂纹30%，3级裂纹40%。

在图表11中可以看出，在经过100回点灭灯测试后使用了本实施例产出的钨电极的高压放电灯1级裂纹发生率占了10%，剩余90%没有发生裂纹。

在图表12中可以看出，在经过200回点灭灯测试后一般高压放电灯侧管部11石英玻璃裂纹发生比例再次发生变化，其中1级裂纹只有10%，2级裂纹30%，而3级裂纹增加至40%。

在图表13中可以看出，在经过200回点灭灯测试后使用了本实施例产出的钨电极的高压放电灯1级裂纹发生率占了20%，剩余80%没有发生裂纹。

在图表14中可以看出，在经过500回点灭灯测试后一般高压放电灯侧管部11石英玻璃裂纹发生比例再一次发生变化，其中1级裂纹全部增长至3级裂纹，2级裂纹10%，而3级裂纹增加至80%，并且其中3级裂纹高压放电灯在500回点灭灯过程中发生破裂1本。

在图表15中可以看出，在经过500回点灭灯测试后使用了本实施例产出的钨电极的高压放电灯裂纹没有发生明显变化及未发生破裂，其中1级裂纹发生率仍保持20%，剩余80%没有发生裂纹。

经上述检测可以表明，以本发明制备方法对钨电极进行处理后，钨电极表面形成的近似多棱镜面状的凹凸可以非常有效地消除钨电极与石英玻璃之间的膨胀系数之差，阻止了石英玻璃裂纹的发生，从而有效地减少了高压放电灯在点灭过程中的破裂。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员依据本专栏所作的任何修改、等同替换、改进均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种钨电极制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2）对S1制成的所述钨电极的全部或至少所述钨电极的支撑部进行一次酸蚀处理，以去除表面车削加工或拉制加工缺陷；

S3）对S2产出的所述钨电极进行真空高温烧结，使所述钨电极的结晶粗大化，使得其至少外表层钨结晶平均粒径在50～500μm；

2.一种按照权利要求1所述方法制备的钨电极，其特征在于，所述钨电极全部或至少支撑部的表层被蚀刻出清晰晶界、呈现近似多棱镜表面形状，且表面具有峰谷凹凸，凹凸高低差为5～25μm。

3.一种采用如权利要求1所述方法制备的钨电极的高压放电灯（100），包括石英玻璃制成的放电容器（1），其特征在于，所述钨电极（222）在所述放电容器（1）内两个相对安置，所述钨电极支撑部（23）一端埋入所述放电容器（1）的侧管部（11）内并通过金属箔片（4）与外部电源导线（6）连接，所述金属箔片（4）与所述放电容器（1）的侧管部（11）石英玻璃通过外热源加热融合密封，使得所述石英放电容器（1）密封并充入至少0.21mg/ mm³的水银(5)、不低于18Kpa压力的诱电气体及1*10^-8mol/cm³至1*10^-4mol/cm³的卤素，所述金属箔片（4）具有与所述放电容器（1）的侧管部（11）石英玻璃相近的膨胀系数。

4.根据权利要求3所述高压放电灯，其特征在于，所述钨电极外周表层钨结晶平均粒径在50～500μm。

5.根据权利要求3所述高压放电灯，其特征在于，所述钨电极（222）全部或至少埋入到所述放电容器（1）的侧管部（11）内部分的表层被蚀刻出清晰晶界、呈现近似多棱镜表面形状，且表面具有峰谷凹凸，凹凸高低差为5～25μm。