CN1308988C

CN1308988C - 透光性氧化铝陶瓷及其制造方法、高压放电灯用发光容器、造粒粉末和成形体

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Publication number: CN1308988C
Application number: CNB2004100079359A
Authority: CN
Inventors: 前田英男
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: JP2004269290A; CN1527343A

Abstract

本发明涉及透光性氧化铝陶瓷的制造方法、透光性氧化铝陶瓷、高压放电灯用发光容器、造粒粉末和成形体。本发明的目的在于使透光性氧化铝陶瓷的全部光线透过率和直线透过率保持在高水平上，减小其散射。本发明的技术方案是用喷雾干燥机将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到造粒粉末，通过成形该造粒粉末得到成形体，烧结该成形体制造透光性氧化铝陶瓷。该氧化铝原料粉末用硫酸铝制造，造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

Description

透光性氧化铝陶瓷及其制造方法、高压放电灯用发光容器、造粒粉末和成形体

技术领域

本发明涉及透光性氧化铝陶瓷的制造方法、透光性氧化铝陶瓷、高压放电灯用发光容器、造粒粉末和成形体。

背景技术

在专利文献1(特开平10-125230号公报)记载的高压放电灯用发光容器中，分别制作管状本体的成形体和环状端部密封部件的成形体，将这两种成形体组装制成组装体。而且，对这种组装体烧结制成封装发光物质用容器。此时，为了使单独烧结端部密封部件的成形体时的外形比单独烧结管状本体的成形体时的内径大，事先设计好了二者的烧结收缩率。因此，在烧结时，由于从管状本体向端部密封部件施加压合力，所以二者的接合良好，可以保持高度气密性。

这种材料必须对发光物质具有耐腐蚀性，鉴于这一点大多使用透光性氧化铝陶瓷。制造透光性氧化铝陶瓷时，将氧化铝原料粉末与粘结剂混合，用喷雾干燥机造粒得到造粒粉末，将造粒粉末形成为筒状，并烧结该成形体。

在本发明人进行研究的过程中，因制造条件不同，透光性氧化铝陶瓷的全部光线透过率和直线透过率降低，会产生散射。这成为制造成品率低的原因。

发明内容

本发明的目的在于使透光性氧化铝陶瓷的全部光线透过率和直线透过率保持在高水平上，从而能减小其散射。

本发明涉及一种透光性氧化铝陶瓷的制造方法，该方法通过使用喷雾干燥法将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到造粒粉末，通过成形该造粒粉末得到成形体，烧结该成形体制造透光性氧化铝陶瓷，其特征在于，上述氧化铝原料粉末是在合成硫酸铝后至少经过粉碎和烧成而得到，该造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

而且，本发明还涉及一种透光性氧化铝陶瓷，其特征在于是利用上述方法得到的。

此外，本发明涉及一种高压放电灯用陶瓷制作的发光容器，该发光容器具有形成放电空间的管状本体和密封该管状本体端部的端部密封部件，其特征在于，上述管状本体是用权利要求2所述的透光性氧化铝陶瓷形成的。

本发明还涉及一种造粒粉末，该造粒粉末是形成透光性氧化铝陶瓷使用的造粒粉末，其特征在于，上述造粒粉末是利用喷雾干燥机将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到的造粒粉末，上述氧化铝原料粉末是在合成硫酸铝后至少经过粉碎和烧成而得到，上述造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

本发明还涉及一种成形体，该成形体是制造透光性氧化铝陶瓷使用的成形体，其特征在于，上述成形体是利用喷雾干燥机将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到的造粒粉末的成形体，上述氧化铝原料粉末是在合成硫酸铝后至少经过粉碎和烧成而得到，该造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

本发明人在制造透光性氧化铝陶瓷时，由硫酸铝制造形成造粒粉末的氧化铝原料粉末，同时使造粒粉末的平均微孔孔径在0.5～2.0μm。以下说明由此产生的作用效果。

以往是将金属铝作为原料得到氧化铝粉末，用喷雾干燥机将该氧化铝原料粉末造粒。如图2所示，使金属铝反应得到烷基铝，再将烷基铝水解得到氢氧化铝。煅烧氢氧化铝得到煅烧物，粉碎煅烧物得到氧化铝原料粉末。然后，将氧化铝原料粉末与其他添加物混合，通过喷雾干燥造粒，使造粒物成形并烧结。

在此，在煅烧氢氧化铝制造氧化铝原料粉末的阶段中，原料粉末容易凝聚。因此，例如采用喷射式磨机将凝聚物充分粉碎，得到平均粒径小、松装密度高的造粒粉末。这种造粒粉末在干燥时水份排出后在中心部位容易残留空洞，冷却时空洞会塌陷。这种形态的造粒粉末在成形时很难崩解，因此，在成形体中容易含有气泡。而且，上述造粒粉末被充分粉碎，粉末活性高。因此，初期烧结进行得快，在烧结时容易在产生气泡的条件下进行烧结。结果查明，烧结体的直线透过率容易降低。此外，由于初期烧结进行得快，从造粒粉末表面脱碳容易变得不充分，容易使烧结体呈现若干黑色。因而，全部光线透过率降低。

鉴于此，本发明中氧化铝原料粉末由硫酸铝制造，造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

即，如图1所示，合成硫酸铝后，离心分离，再用喷雾干燥机干燥，然后将粉末粉碎，煅烧粉碎粉末。粉碎得到的烧结物，得到氧化铝原料粉末。在该氧化铝原料粉末中加入添加物混合，用喷雾干燥机造粒得到造粒粉末，再将造粒粉末成形、烧结。这样可以得到透光性氧化铝陶瓷粉末。

以上述方式得到的氧化铝原料粉末具有易烧结性。而且，可以使得到的造粒粉末的微孔孔径适当变大，这样，干燥时水份排出后很难在中心部位残留空洞。因此，冷却后空洞难于塌陷，可以将造粒粉末的形状维持在比较接近球形的形状。这种形状的造粒粉末成形时容易崩解，因此在成形体中很难包含气泡。而且，初期烧结的进行速度适中，烧结时气泡容易排出。结果容易使烧结体的直线透过率维持在高水平上，能够抑制散射。此外，由于初期烧结的进行速度适中，所以从造粒粉末表面脱碳充分，能够防止烧结体的全部光线透过率降低。

氧化铝原料粉末以硫酸铝作为原料。这种方法称作铵矾法。此时，干燥优选利用喷雾干燥法进行，粉碎优选用辊式碾碎机进行。烧结温度没有特别限制，例如可以设定在1100～1300℃。

对于与氧化铝原料粉末混合的粘结剂没有特别限制，例如可以列举出聚乙烯醇、聚乙烯缩醛、聚甘油、聚乙二醇等。

将氧化铝原料粉末量定为100重量份时，粘结剂的用量并没有限制，但是为了使成形体具有适当的粘度和强度，优选大于等于1.0重量份，更优选大于等于1.5重量份。而且，从脱模性和脱碳的观点来看，粘结剂用量优选小于等于4.0重量份。

本发明中用喷雾干燥机进行造粒。对于造粒条件并无特别限制，例如可以采用以下造粒条件：

喷雾器转数：20000rpm

热风温度：200℃

在氧化铝原料粉末中添加其他金属氧化物并混合的混合工序中，优选将水溶性金属化合物和水与氧化铝原料粉末混合。混合方法并没有限制，例如将氧化铝原料粉末与水溶性金属化合物和水加入滚筒中，边粉碎边混合。

作为这样的水溶性金属化合物可以列举如下：硝酸镁、硝酸钇、硝酸镧、氯氧化锆。

本发明的造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。通过使其大于等于0.5μm，能使造粒粉末具有适当的微孔，能够抑制造粒时空洞的形成和冷却时粉末表面的塌陷。从该观点来看，造粒粉末的平均微孔孔径更优选大于等于1.0μm。另外，要是超过2.0μm，就容易在成形体内导入气泡。

造粒粉末的平均微孔孔径测定如下：用扫描电子显微镜以2500倍对造粒粉末表面进行拍摄照片，测定在115×90mm照片视野内处于平均状态下的任意区域1cm²内的平均微孔孔径。同样在其他四处测定平均微孔孔径，求出其平均值，作为平均微孔孔径。

对于造粒粉末的成形方法虽然并无特别限制，但是优选加压成形法。成形压力优选800～2000kg/cm²。

成形体的强度优选大于等于700g。成形体强度高意味着成形工序中可以很好地促进造粒粉末的崩解。由该观点来看，成形体强度更优选大于等于850g。

这种成形体强度测定如下：在1500kg/cm²压力下成形，从径向对外径φ11×壁厚0.9×长度25mm的圆筒形成形体加压，测定直到成形体破坏时的最高压力。

另外，成形体的粘度优选大于等于0.8秒。成形体粘度高意味着成形工序中可以很好地促进造粒粉末的崩解。由该观点来看，成形体粘度更优选大于等于1.0秒。

成形体的粘度测定如下：在1500kg/cm²压力下成形，从径向对外径φ11×壁厚0.9×长度25mm的圆筒形成形体加压，测定达到最高压力的时间。

本发明的透光性氧化铝陶瓷中的气泡量，比已有的气泡量低得多。气泡量优选小于等于9个。其中气泡量测定如下，即拍摄光学显微镜照片(倍数为100倍)，然后，计数照片中视野尺寸90×65mm(59mm²)范围内气泡直径大于等于3μm的气泡数目。图3是与本发明一个实例有关的造粒粉末的显微镜相片，图4是比较例的造粒粉末的显微镜照片。各图中，颗粒边界的黑点是气泡。

下面就本发明用于高压放电灯用发光容器的实例进行说明。

图5是表示高压放电灯用发光容器1的截面图，图6表示将电极部件22固定在容器1上得到的高压放电灯10。

下面按照容器的制造过程进行说明。如图7所示，准备端部密封部件的待烧结体13和管状本体的待烧结体11。待烧结体可以是烧结前的成形体、脱脂体或煅烧体。待烧结体13具有大体呈圆筒状的本体部分13a和设置在本体部分13a端部的环状部分13b。在待烧结体13中形成贯通孔13c。13d是外侧面。在管状本体的待烧结体11内形成空间12。

将待烧结体13的本体部分13a插入管状本体的待烧结体11的端部11a的开口内，制成组装体20。将组装体20烧结，制成图5所示容器1。

在烧结工序中，应当使管状本体的成形体单独烧结时的内径，比端部密封部件的成形体单独烧结时的外径小。这样，在烧结时，由管状本体对端部密封部件施加压力，二者被牢固压接在一起，提高了气密性。由该观点来看，端部密封部件的成形体单独烧结时的外径RO，与管状本体的成形体单独烧结时的内径RI之比(RO/RI)，优选大于等于1.04，更优选大于等于1.06。但是若该比例(RO/RI)过大，由于接合部分容易产生裂纹，所以从抑制接合部分产生裂纹的观点来看，(RO/RI)优选小于等于0.08，更优选小于等于1.04。

烧结后，制成图5所示形状的容器1。容器1由管状本体2和端部密封部件4构成。在烧结过程中，图7所示的待烧结体11和13虽然共同沿着径向收缩，但是此时待烧结体11的收缩大。管状本体2中央部分2a的外径，与待烧结体11单独烧结情况下的烧结体外径大体相等。但是，在端部密封部件4与管状本体2的接触部分上，管状本体2的收缩受到抑制。其结果是，处于管状本体2端部的密封部分2c的外径，比中央部分2a的外径大。而且，在中央部分2a与密封部分2c之间将会产生外径平缓变化的中间部分2b。

在得到的容器1中，管状本体2的内侧面2e面向放电空间3。端部密封部件4具有本体部分4a和环状部分4b。将端部密封部件4的本体部分4a插入管状本体2的端部开口内，使其接合在一起。如图6所示，电极部件22插入并固定在端部密封部件4的电极部件插入孔4c中。电极被容纳在放电空间3内。端部密封部件4的内侧面与电极部件22的外侧面之间利用接合材料，例如玻璃料8密封。

对于电极材料的材质和形状并无特别限制。电极部件的材质优选高熔点金属和导电陶瓷。作为高熔点金属优选从钼、钨、铼、铪、铌和钽中选出的一种或一种以上的金属，或含有该金属的合金。

对于接合材料的种类并无特别限制，但是优选所谓的烧结玻璃(フリツトガラス)，特别优选Al₂O₃-CaO-Y₂O₃-SrO系组成体系的玻璃。

附图说明

图1是表示本发明的透光性氧化铝陶瓷制造工艺的优选实例的图；

图2是表示参考例的透光性氧化铝陶瓷制造工艺的图；

图3是本发明实施例的透光性氧化铝陶瓷的显微镜照片；

图4是参考例的透光性氧化铝陶瓷的显微镜照片；

图5是表示高压放电灯用发光容器1的要部的截面图；

图6是表示将电极部件22固定在图5的容器上得到的高压放电灯10的截面图；

图7是表示管状本体的成形体11与端部密封部件的成形体13的组装体20的截面图。

符号说明

1、容器 2、管状本体 3、放电空间 4、端部密封部件8、接合剂 10、高压放电灯 22、电极部件。

具体实施方式

实施例1

参照附图1，按照其说明的顺序，制造由透光性氧化铝陶瓷组成的圆筒。首先用硫酸铝合成硫酸铵，然后离心分离，再用喷雾干燥机将粉末干燥。用辊式碾碎机将干燥粉末粉碎，在1100～1300℃温度下烧结粉碎粉末，得到了α-氧化铝粉末。用辊式碾碎机将其粉碎，得到氧化铝原料粉末。

接着，向氧化铝原料粉末(纯度大于等于99.9％)中加入150ppm氧化镁、400ppm氧化锆、30ppm氧化钇、2重量％聚乙烯醇、0.5重量％聚乙二醇和50重量份水，用球磨机粉碎15小时，混合。用喷雾干燥机在200℃左右将混合物干燥和造粒，得到了平均粒径约80μm、松装密度为0.75g/cm³的造粒粉末。制成五组样品，微孔孔径的平均值为1.0μm。

将该造粒粉末在2000kg/cm²压力下加压成形，制成圆筒状成形体。该成形体的强度平均为950g，粘度平均为1.7秒。

在最高1800℃下烧结该成形体，制成由透光性氧化铝陶瓷组成的圆筒状样品。该样品的外径为9mm，内径为7.5mm。用光学显微镜在倍数100倍下观察该烧结体。结果显示在图3中。在颗粒内和颗粒边界可以看到的黑点是气泡。气泡的个数，在每59mm²视野范围内平均为5个。

该样品的直线透过率为4.5％，全部光线透过率为98.3％。

实施例2

形成与实施例1同样的造粒粉末，得到了管状成形体和端部密封部件的成形体。端部密封部件4的成形体单独烧结时的外径RO，与管状成形体2的成形体单独烧结时的内径RI之比(RO/RI)定为1.04。

进而在1200℃温度下煅烧端部密封部件用的成形体，使其尺寸收缩。如图7所示将煅烧体13插入成形体11的端部，得到组装体20。在1200℃温度下煅烧组装体20，使管状本体用成形体11收缩，从成形体11向端部密封部件用煅烧体加压。然后，在1800℃温度下烧结，使端部密封部件与管状本体牢固地接合。

接着将铌制电极部件22插入电极部件插入孔4c内，用接合材料8接合。作为接合材料8，使用Al-Ca-Y-Sr系烧结玻璃。其组成定为：45重量％Al₂O₃，40重量％CaO，5重量％Y₂O₃，10重量％SrO。玻璃熔点为1370℃±10℃。最高温度为1440℃，在最高温度保持时间2分钟条件下接合。

比较例1

参照图2，按照其说明的顺序，制造由透过型氧化铝陶瓷组成的圆筒。用薄片状金属铝合成烷基铝，水解后得到氢氧化铝。在1100～1300℃下煅烧该粉末，得到α-氧化铝。用喷射式磨机将其粉碎，得到了氧化铝原料粉末。利用粉碎机(ダイノミル)将该氧化铝原料粉末(纯度大于等于99.9％)混合，然后混合添加剂。此时，使用经氧化钇稳定化的氧化锆组成的卵石，经过磨损，向浆料中添加15～17ppm氧化钇和260ppm氧化锆。并且，通过进一步添加氯化锆，使氧化锆换算添加量达到400ppm，另外添加氧化镁200ppm。向其中加入2重量％聚乙烯醇、0.5重量％聚乙二醇和50重量份水，混合物经喷雾干燥机干燥和造粒，得到平均粒径约95μm、松装密度为0.83g/cm³的造粒粉末。造粒粉末的微孔孔径平均值为0.2μm。

将该造粒粉末在2000kg/cm²压力下加压成形，制成圆筒状成形体。该成形体的强度平均为800g，粘度平均为1.3秒。

在最高1800℃温度下烧结该成形体，制成由透光性氧化铝陶瓷组成的圆筒状样品。该样品的外径为9mm，内径为7.5mm。用光学显微镜在倍数100倍下观察该烧结体。结果显示在图4中。在颗粒内和颗粒边界看到的黑点是气泡。气泡的个数，在每59mm²视野范围内平均为14个。

该样品的直线透过率为3.4％，全部光线透过率为97.2％。

实施例3

与实施例1同样得到透光性氧化铝陶瓷。但是，造粒粉末的微孔孔径平均值为0.5μm。而且气泡的个数，在每59mm²视野范围内平均为9个。透光性氧化铝陶瓷样品的直线透过率为4.1％，全部光线透过率为98.0％。

综上所述，按照本发明，透光性氧化铝陶瓷的全部光线透过率和直线透过率均保持在高水平上，能够减小其散射。

Claims

1.一种透光性氧化铝陶瓷的制造方法，该方法通过使用喷雾干燥法将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到造粒粉末，通过成形该造粒粉末得到成形体，烧结该成形体制造透光性氧化铝陶瓷，其特征在于，上述氧化铝原料粉末是在合成硫酸铝后至少经过粉碎和烧成而得到，该造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

2.一种透光性氧化铝陶瓷，其特征在于，该氧化铝陶瓷利用权利要求1所述的方法制得。

3.一种高压放电灯用陶瓷制发光容器，该发光容器具有形成放电空间的管状本体和密封该管状本体端部的端部密封部件，其特征在于，上述管状本体是用权利要求2所述的透光性氧化铝陶瓷形成的。

4.一种造粒粉末，该造粒粉末是形成透光性氧化铝陶瓷使用的造粒粉末，其特征在于，上述造粒粉末是利用喷雾干燥机将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到的造粒粉末，上述氧化铝原料粉末是在合成硫酸铝后至少经过粉碎和烧成而得到，上述造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。

5.一种成形体，该成形体是制造透光性氧化铝陶瓷使用的成形体，其特征在于，上述成形体是利用喷雾干燥机将氧化铝原料粉末和粘结剂造粒得到的造粒粉末的成形体，上述氧化铝原料粉末是在合成硫酸铝后至少经过粉碎和烧成而得到，该造粒粉末的平均微孔孔径为0.5～2.0μm。