DE102007013990A1 - Material for electrodes or filament and electrode or filament - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Material zur Herstellung von Elektroden oder Leuchtkörpern, wobei das Material aus Wolfram oder einer Wolframlegierung besteht, das bzw. die Zusätze aufweist, wobei die Zusätze zumindest Kalium und wenigstens ein Oxid aus der Gruppe der Lanthanoide und vorzugsweise aus der Gruppe von Lanthan, Cer und Yttrium enthalten.The invention relates to a material for the production of electrodes or luminous bodies, wherein the material consists of tungsten or a tungsten alloy, which has or additives, wherein the additives at least potassium and at least one oxide from the group of lanthanides and preferably from the group of lanthanum , Cerium and yttrium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Material gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Elektroden oder Leuchtkörper aus diesem Material.The The invention relates to a material according to the preamble of claim 1 and electrodes or filaments from this material.

I. Stand der TechnikI. State of the art

Bekannt ist beispielsweise die Verwendung von Wolfram, das einen geringen Anteil von Thoriumoxid aufweist, zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen. Außerdem ist auch die Verwendung von sogenanntem BSD-Wolfram (Battersea doped tungsten) zur Herstellung von Glühfäden für Glühlampen oder Elektroden für Hochdruckentladungslampen bekannt. Das BSD-Wolfram besitzt Zusätze von Kalium, Aluminium und Silizium im ppm-Bereich. Eine Beschreibung der vorgenannten Wolframmaterialien findet man beispielsweise in dem Buch „Tungsten, a treatise on its metallurgy, properties and applications" von Colin J. Smithells, 3rd edition, Chapman & Hall Ltd., London 1952, auf der Seite 137 .For example, the use of tungsten, which has a small proportion of thorium oxide, is known for producing electrodes for high-pressure discharge lamps. In addition, the use of so-called BSD tungsten (Battersea doped tungsten) for the production of filaments for incandescent lamps or electrodes for high-pressure discharge lamps is also known. The BSD tungsten has additions of potassium, aluminum and silicon in the ppm range. A description of the aforementioned tungsten materials can be found, for example, in the book "Tungsten, a treatise on its metallurgy, properties and applications" by Colin J. Smithells, 3rd edition, Chapman & Hall Ltd., London 1952, at page 137 ,

II. Darstellung der ErfindungII. Presentation of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Material bereitzustellen, das sich besser zur Herstellung von Elektroden oder Leuchtkörper für Lichtquellen oder Plasmabrenner eignet als das Wolframmaterial gemäß dem Stand der Technik.It It is an object of the invention to provide a material that is better for the production of electrodes or luminous bodies for light sources or plasma torches is suitable as the tungsten material according to the prior art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.These The object is achieved by the features of claim 1. Particularly advantageous designs The invention are defined in the dependent claims described.

Das erfindungsgemäße Material besteht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, das bzw. die Zusätze aufweist, wobei die Zusätze erfindungsgemäß eine Kombination von Kalium und wenigstens einem Oxid aus der Gruppe der Lanthanoide enthalten. Durch den Kaliumgehalt kann eine Kristallstruktur mit einem verzahnten Gefüge und langkristalline Kristallkörner mit sehr großen Längen- zu Breitenverhältnis und einer damit verbundenen hohen Kriechresistenz bei Hochtemperaturanwendungen erreicht werden. Der Anteil des mindestens einen Oxids aus der Gruppe der Lanthanoide erniedrigt die Elektronenaustrittsarbeit des Wolframmaterials und gewährleistet in Verbindung mit dem Kaliumanteil, dass Elektroden aus dem erfindungsgemäßen Material eine erhöhte geometrische Formstabilität und einen reduzierten Elektrodenrückbrand aufweisen. Wird das erfindungsgemäße Material zur Herstellung von Glühfäden für Glühlampen, insbesondere für Halogenglühlampen verwendet, so werden durch den Kaliumanteil ein verzahntes, kriechfestes Kristallgefüge sowie eine hohe Formstabilität des Glühfadens gewährleistet und aufgrund des mindestens einen Oxids aus der Gruppe der Lanthanoide eine verbesserte, das heißt, erhöhte Duktilität des Glühfadendrahtes während seiner Verarbeitung erzielt.The material according to the invention consists of tungsten or a tungsten alloy containing additives, wherein the additives according to the invention a Combination of potassium and at least one oxide from the group containing lanthanides. Due to the potassium content can be a crystal structure with a toothed structure and long crystalline crystal grains with very long length to width ratio and associated high creep resistance in high temperature applications. The proportion of at least one oxide from the group of lanthanides lowers the electron work function of the tungsten material and ensures, in conjunction with the potassium content, that electrodes an increased from the material of the invention geometric shape stability and a reduced electrode burn-back exhibit. Will the material of the invention for the production of filaments for incandescent lamps, used in particular for halogen incandescent lamps, Thus, the potassium content of a toothed, creep-resistant crystal structure and ensures a high dimensional stability of the filament and due to the at least one oxide from the group of lanthanides an improved, that is, increased ductility of the filament wire during its processing achieved.

Vorzugsweise wird als Oxid aus der Gruppe der Lanthanoiden Lanthanoxid, Ceroxid oder Yttriumoxid verwendet.Preferably is called oxide from the group of lanthanoids lanthanum oxide, cerium oxide or yttria.

Vorteilhafterweise liegt der Gewichtsanteil des Kaliums in dem erfindungsgemäßen Material im Bereich von 15 ppm (gart per million) bis 120 ppm. Ein geringerer Anteil an Kalium hätte keinen nennenswerten Einfluss auf die Eigenschaften des Materials und ein höherer Anteil würde zur Blasenbildung im Material führen.advantageously, is the proportion by weight of potassium in the inventive Material in the range of 15 ppm (garden per million) to 120 ppm. One less potassium would have no appreciable value Influence on the properties of the material and a higher Proportion would lead to blistering in the material.

Der Anteil des mindestens einen Oxids aus der Gruppe der Lanthanoxide, vorzugsweise aus der Gruppe von Lanthan, Cer und Yttrium, in dem erfindungsgemäßen Material liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0,5 Gewichtsprozent bis 5,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt im Bereich von 0,6 Gewichtsprozent bis 3,5 Gewichtsprozent. Bei einem geringeren Anteil hat das mindestens eine Oxid die oben beschriebene Wirkung nur in einem geringen Ausmaß und ein höherer Anteil würde zur Blasenbildung und zu Hohlräumen in dem Material führen.Of the Proportion of the at least one oxide from the group of lanthanum oxides, preferably from the group of lanthanum, cerium and yttrium, in which material according to the invention is advantageously in the range of 0.5% to 5.0% by weight and especially preferably in the range of 0.6% to 3.5% by weight. At a lower level, the at least one oxide has the above described effect only to a small extent and a higher proportion would cause blistering and Lead cavities in the material.

Das erfindungsgemäße Material ist vorzugsweise kristallin und besitzt eine langkristalline Gefügestruktur, um daraus hochwertige Glühfäden oder Elektroden herstellen zu können.The material according to the invention is preferably crystalline and has a long crystalline microstructure to make it produce high quality filaments or electrodes to be able to.

Vorzugsweise liegt das erfindungsgemäße Material als Draht oder Stift vor, weil sich daraus mit einfachen Umformungsprozessen Elektroden oder Glühfäden fertigen lassen.Preferably is the material of the invention as a wire or pen before, because of this with simple forming processes Make electrodes or filaments.

Das erfindungsgemäße Material wird vorzugsweise zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen oder Plasmabrenner oder zur Herstellung von Glühfäden für Glühlampen, Halogenglühlampen oder Heizstrahler verwendet.The material according to the invention is preferably for Production of electrodes for high pressure discharge lamps or plasma torches or for the production of filaments for incandescent, halogen or incandescent Radiant heater used.

III. Beschreibung des bevorzugten AusführungsbeispielsIII. Description of the Preferred Embodiment

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.below the invention is based on a preferred embodiment explained in more detail.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um einen Wolframstab, der beispielsweise auf pulvermetallurgischem Weg aus Ammoniumparawolframat oder aus Wolframoxidpulver hergestellt wird. Die Kalium-, Silizium- und Aluminiumverbindungen sowie die Lanthanverbindung werden dem Wolfram-Vorprodukt in wässriger Lösung zugesetzt. Die Mischung wird anschließend getrocknet und in einer Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen im Bereich von 700°C bis 800°C reduziert. Bei diesem Schritt erfolgt eine Umwandlung der wasserlöslichen Lanthanverbindung in Lanthanoxid La2O3. Das Pulver wird nach der Reduktion gepresst, um einen Stab mit einem quadratischen Querschnitt von zum Beispiel 15 mm Kantenlänge und einer Dichte von 10 g/mm3 zu erhalten. Der Stab wird anschließend unter Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen von 1200°C bis 1300°C für ca. 15 Minuten gesintert. Daran schließen sich weitere Sinterprozesse mit verschiedenen Heizintervallen und Temperaturen, die bis 95% des Schmelzpunktes von reinem Wolfram betragen, an. Anschließend kann der Wolframstab mittels thermomechanischer Umformung wie beispielsweise Walz-, Hämmer- und Ziehstufen weiter verarbeitet werden. Zwischen den einzelnen Umformprozessen werden weitere Glühungen durchgeführt, die der Rekristallisation des Wolframmaterials dienen. Im Fall von Drahtziehstufen werden bis zum Erreichen des gewünschten End durchmessers des Wolframdrahtes an notwendigen Zwischenstufen weitere Glühprozesse, vorzugsweise im Temperaturbereich von 1000°C bis 1300°C, durchgeführt.The preferred embodiment of the invention is a tungsten rod made, for example, by powder metallurgy from ammonium paratungstate or tungsten oxide powder. The potassium, silicon and aluminum compounds and the lanthanum compound are added to the tungsten precursor in aqueous solution. The mixture is then dried and in a hydrogen atmosphere at Temperatures in the range of 700 ° C to 800 ° C reduced. At this step, the water-soluble lanthanum compound is converted to lanthanum oxide La 2 O 3 . The powder is pressed after the reduction to obtain a rod having a square cross section of, for example, 15 mm edge length and a density of 10 g / mm 3 . The rod is then sintered under hydrogen atmosphere at temperatures of 1200 ° C to 1300 ° C for about 15 minutes. This is followed by further sintering processes with different heating intervals and temperatures of up to 95% of the melting point of pure tungsten. Subsequently, the tungsten rod can be further processed by means of thermo-mechanical forming, such as, for example, rolling, hammering and drawing stages. Between the individual forming processes further annealing are performed, which serve to recrystallize the tungsten material. In the case of wire drawing stages until the desired end diameter of the tungsten wire at necessary intermediate stages further annealing processes, preferably in the temperature range of 1000 ° C to 1300 ° C, carried out.

Dieser Draht kann zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen oder zur Herstellung von Glühwendeln für Glühlampen verwendet werden.This Wire can be used to make electrodes for high pressure discharge lamps or for the production of incandescent filaments for incandescent lamps be used.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt das erfindungsgemäße Wolframmaterial einen Gewichtsanteil von 55 ppm Kalium, 10 ppm Aluminium und 8 ppm Silizium sowie 1 Gewichtsprozent Lanthanoxid La2O3.According to the preferred embodiment of the invention, the tungsten material according to the invention has a weight fraction of 55 ppm potassium, 10 ppm aluminum and 8 ppm silicon and 1 weight percent lanthanum oxide La 2 O 3 .

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann anstelle von Lanthanoxid auch Ceroxid, Yttriumoxid, Zirkonoxid oder Hafniumoxid oder ein Mischoxid aus zweien oder mehreren der vorgenannten Oxide verwendet werden.The The invention is not limited to the above explained embodiment. For example For example, cerium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide can also be used instead of lanthanum oxide or hafnium oxide or a mixed oxide of two or more of the aforementioned oxides are used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - „Tungsten, a treatise on its metallurgy, properties and applications" von Colin J. Smithells, 3rd edition, Chapman & Hall Ltd., London 1952, auf der Seite 137 [0002] - "Tungsten, a treatise on its metallurgy, properties and applications" by Colin J. Smithells, 3rd edition, Chapman & Hall Ltd., London 1952, at page 137 [0002]

Claims (9)

Material zur Herstellung von Elektroden oder Leuchtkörper, wobei das Material aus Wolfram oder einer Wolframlegierung besteht, das bzw. die Zusätze aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze zumindest Kalium und wenigstens ein Oxid aus der Gruppe der Lanthanoide enthalten.Material for the production of electrodes or luminous bodies, wherein the material consists of tungsten or a tungsten alloy, which has or additives, characterized in that the additives contain at least potassium and at least one oxide from the group of lanthanides. Material nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an Kalium im Bereich von 15 ppm bis 120 ppm bezogen auf das Gewicht liegt.Material according to claim 1, wherein the content of potassium is in the range of 15 ppm to 120 ppm by weight. Material nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gehalt des wenigstens einen Oxids aus der Gruppe der Lanthanoide im Bereich von 0,5 Gewichtsprozent bis 5,0 Gewichtsprozent liegt.Material according to claim 1 or 2, wherein the content of the at least one oxide from the group of lanthanides in the range from 0.5% to 5.0% by weight. Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei das wenigstens eine Oxid aus der Gruppe der Lanthanoide Lanthanoxid, Ceroxid oder Yttriumoxid ist.Material according to one or more of the claims 1 to 3, wherein the at least one oxide from the group of lanthanides Lanthan oxide, ceria or yttria is. Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei als weitere Zusätze Aluminium und bzw. oder Silizium im Material vorhanden sind.Material according to one or more of the claims 1 to 4, wherein as further additives aluminum and or or Silicon are present in the material. Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Material kristallin ist und eine langkristalline Gefügestruktur besitzt.Material according to one or more of the claims 1 to 5, wherein the material is crystalline and a long-crystalline Has microstructure. Material nach Anspruch 6, wobei das Material als Draht oder Stift vorliegt.Material according to claim 6, wherein the material is as Wire or pin is present. Elektrode für eine Entladungslampe oder einen Plasmabrenner bestehend aus dem Material oder hergestellt unter Verwendung des Materials gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.Electrode for a discharge lamp or a plasma torch made of the material or manufactured using the material according to one or several of claims 1 to 7. Glühfaden bestehend aus dem Material oder hergestellt unter Verwendung des Materials gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.Filament consisting of the material or manufactured using the material according to one or several of claims 1 to 7.
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