DE19607356C2 - Verfahren zur Erzeugung eines vibrations- und durchhangarmen Wolframdrahtes, Wolframdraht und Glühlampe mit einem solchen Wolframdraht - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung eines vibrations- und durchhangarmen Wolframdrahtes, Wolframdraht und Glühlampe mit einem solchen WolframdrahtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines vibrationsarmen
und durchhangarmen Wolframdrahtes zur Verwendung in
Temperaturstrahlern gemäß Anspruch 1. Sie betrifft
auch einen solchen Wolframdraht an
sich und eine damit ausgerüstete Glühlampe.
Derartige Drähte und ihre Verwendung in Glühlampen sind beispielsweise
aus der EP 456 054 A2 bekannt.
Der als Wendelmaterial verwendete Wolframdraht unterliegt insbesondere
in Temperaturstahlern bei einer Betriebstemperatur von etwa 3000°C extrem
hohen mechanischen Belastungen. Die Herstellung von Wolframdraht
erfolgt im Prinzip in mehreren Stufen nach dem altbekannten Coolidge-
Verfahren, in dessen Verlauf ein sog. "Wolframblauoxid" hergestellt wird.
Gemäß der Monographie "The Metallurgy of Doped/Non-Sag Tungsten"
(Ed. E. Pink/L. Bartha, Elsevier, London, 1989, wobei ausdrücklich Bezug
genommen wird auf S. 4 bis 18, S. 31 bis 34 und S. 85 bis 99) kann aus dem
Wolfram-Erz zunächst Wolframsäure oder Ammoniumparawolframat
gewonnen werden, das anschließend durch Erhitzen (in Wasserstoff
und/oder auch Stickstoff) zu Wasserstoffbronze bzw. zu Ammoniumbronze
("Wolframblauoxid") zersetzt wird.
Reiner Wolframdraht ist bekanntlich zur Herstellung von Glühwendeln
ungeeignet, da bereits nach kurzer Brenndauer einzelne Wendelstücke
gegeneinander abgleiten ("offsetting"), so daß eine damit bestückte Lampe
bald ausfällt. Um das "offsetting" zu verhindern, wird bisher das
"Wolframblauoxid" mit Kalium-, Aluminium- und Silizium-haltigen
Lösungen, insbesondere Kaliumsilikat und Aluminiumnitrat oder -chlorid,
gedopt. Eine direkte Dotierung des Wolframs mit Kalium ist wegen der
geringen Löslichkeit des Kaliums in α-Wolfram nicht möglich.
Alternativ ist es gemäß obiger Monographie schon lange bekannt,
Wolframsäure (WO3.H2O) bereits dotiert aus einer Lösung von K-Na-Silikat
und K-Na-Wolframat mittels HCl auszufällen.
Diese dotierten Verbindungen werden dann mit Wasserstoff zu
Wolframpulver reduziert, das Wolframpulver wird dann durch Pressen,
Sintern, Schmieden und Ziehen kompaktifiziert. Insbesondere wird es in
Ziehprozessen zu Lampendraht mit Durchmessern bis herab zu 15 µm
heruntergearbeitet. Der Dotiergehalt beträgt laut obiger Monographie dann
100 bis 160 ppm Kalium, 120 bis 220 ppm Silizium und 50 bis 80 ppm
Aluminium.
Als wesentlicher Bestandteil des Blauoxids ist eine hexagonale
Ammoniumwolframbronze (abgekürzt AWB) bekannt (Bubbles, Dissertation
von A. Gahn, München, 1986, insbes. S. IX bis XII und S. 1 bis 24, auf deren
Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird) mit der Zusammensetzung
(NH4)xWO3-x mit x = 0.05 bis 0.1. Eine andere Darstellungsweise ist
bekanntlich xNH3.yH2O . WOn. Das Blauoxid kann neben AWB u. a. auch
Anteile an WO3, darüberhinaus auch an W20O58 und anderen Oxiden,
enthalten. Die Antränkmenge beträgt, bezogen auf den Wolframgehalt des
Blauoxids, für Kalium typisch ca. 2500 ppm/W, für Silizium ca. 1500 ppm/W
und für Aluminium ca. 500 ppm/W. Der Antränk- bzw.
Dopingeffekt besteht neben der Beeinflussung der Reduktions- und
Sinterkinetik hauptsächlich in der Steuerung der Rekristallisationsvorgänge
gedopter Wolframdrähte. Diese Vorgänge führen zur Ausbildung eines
Gefüges mit im Vergleich zum Drahtdurchmesser langgestreckten
Kristalliten (15 bis 25 mal so lang wie der Drahtdurchmesser), die sich
überlappen und an den Korngrenzen miteinander verzahnen. Dieses
"Stapel" gefüge zeichnet sich durch eine Hemmung der Bewegung entlang
den Korngrenzen senkrecht zur Drahtachse aus. Das Verzahnen der
Kristallite verhindert ihr gegenseitiges Abgleiten, sichert die
Formbeständigkeit bei Betriebstemperatur und besitzt die erforderliche
mechanische Festigkeit (non-sag-Qualität). Das Stapelgefüge ist eine echte
Mikrolegierung, die die technologisch wirksame Legierungskomponente,
das metallische Kalium, im Spurenkonzentrationsbereich von bis zu etwa
120 ppm enthält. Im Draht sind die Kalium-Bläschen ("bubbles") mit einem
Durchmesser von einigen nm bis µm perlschnurartig längs der Korngrenzen
aufgereiht und steuern das Rekristallisationsverhalten.
Das durch thermische Zersetzung von Ammoniumparawolframat-
Tetrahydrat (APW) in reduzierender Atmosphäre erzeugte Wolfram-
Blauoxid stellt keine einheitliche Phase, sondern ein Gemenge aus variieren
den Anteilen von hexagonaler Ammonium-Wolframbronze, Wolfram(VI)-
oxid, Wolframsuboxiden sowie erheblichen röntgenamorphen Bestandteilen
dar. Es hat sich herausgestellt, daß sich die einzelnen, für Versuchszwecke
isolierten WBO-Komponenten beträchtlich im Antränkverhalten unterschei
den. Daraus resultieren für unterschiedlich zusammengesetzte WBO unter
schiedliche Dotierergebnisse in der Kalium-Konzentration. Ein weiterer
Nachteil des bisherigen Verfahrens besteht in der inhomogenen Verteilung
der Dotierkomponenten Kalium, Aluminium und Silizium, die z. B. durch
lokale Krustenbildung, hervorgerufen durch die Antränkverbindungen,
verursacht wird.
Außerdem stellen die Begleitelemente Silizium und Aluminium eine hohe
Belastung der Wolfram-Matrix und des Sinterprozesses dar, wenn sie beim
Sintern bei Temperaturen um 2600°C verdampfen und somit die Wolfram
matrix nahezu vollständig verlassen. Nach dem Sintern verbleiben nur eini
ge Prozent der mit der Antränkung zugesetzten Menge im Wolfram.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Qualität von Wolfram-
Drähten, insbesondere für die Verwendung als Glühwendel, zu steigern.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1
gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteran
sprüchen.
Kernpunkt der Erfindung ist die Herstellung eines speziellen Ammonium-
Parawolframats, das als wäßrige ammoniumhaltige Monowolframatlösung
vorliegt, wobei bereits in diesem Stadium die Dotierung mit Kalium erfolgt,
und dessen Weiterverarbeitung zu Blauoxid. Dabei werden spezielle
hexagonale Ammonium-Kalium-Wolframbronzen als wesentlicher
Bestandteil des Wolframblauoxids gebildet. Besonders vorteilhaft ist
zusätzlich das Auftreten von Kaliumpolywolframat im Blauoxid bei
entsprechend hoher Zugabe von Kaliumhydroxid zur ammoniakalischen
Monowolframat-Lösung.
Diese Art der Dotierung gestattet, das Schlüsselelement Kalium alleine
einzubringen, also unter Vermeidung des Umwegs über die Dotierung mit
weiteren Komponenten. Die Antränkung des Blauoxids entfällt.
Das Wolfram-Pulver ist praktisch frei von Silizium und Aluminium (geringe
Restmengen dieser Stoffe in der Größenordnung von maximal etwa 30 ppm
als Verunreinigung oder als Beimengung ohne Bezug zu Kalium sind
möglich).
Wesentlich an diesem Verfahren ist die letztlich damit erzielte homogene
Verteilung des Kalium im Wolframsinterstab und die verringerte Belastung
der Wolfram-Matrix durch die Fremdelemente Si und Al beim Sintern,
Walzen, Hämmern und Ziehen. Die Erfindung verbessert die
Materialeigenschaften des Wolframdrahtes außerordentlich und verleiht
dem Draht eine ausreichende Hochtemperaturstabilität, die zu einer langen
Nutzungsdauer führt.
Eine homogene Verteilung von Kalium im Wolfram-Pulver wird dadurch
erzielt, daß schon im Prozeß der APW-Kristallisation der wäßrigen,
ammoniakalischen Monowolframat-Lösung eine im Verhältnis zum
Ammonium etwa 0,1- bis 10-fache Menge an Kalium als kaliumhaltige
Lösung, bevorzugt in Form von KOH-Lösung, zugegeben wird. Als
Kristallisationsprodukte werden dementsprechend Ammonium-Kalium-
Parawolframat-Mischkristalle (AKPW) vom Typ
(NH4)10-xKx[H2W12O42].nH2O (0 < x < 10; 4 ≦ n ≦ 10)
erhalten. Der Koeffizient x wird im folgenden "Anteilsfaktor" genannt. Die
Reduktion dieser Kristalle in reinem Wasserstoff führt in Abhängigkeit vom
Anteilsfaktor x, entsprechend dem zwischen Ammonium und Kalium
gewählten Verhältnis, zur Bildung eines Wolfram-Blauoxids, das ein
Phasengemenge folgender Zusammensetzung aufweist:
Bereich I entsprechend Anteilsfaktor 0 ≦ x ≦ 0,6:
85 bis 95% kristalline Anteile: 50 bis 80% hexagonale Ammonium-Kalium- Wolframbronze MyWO3 (wobei M = NH4/K und y ≦ 0,22 ist);
5 bis 15% röntgenamorphe Anteile;
Bereich II entsprechend Anteilsfaktor 0,6 < x < 1,6:
Gemenge von hexagonaler Ammonium-Kalium-Wolframbronze, Wolframoxid und hexagonalem Kaliumpolywolframat; geringe röntgenamorphe Anteile;
Bereich III entsprechend Anteilsfaktor 1,6 ≦ x ≦ 3,2:
100% kristalliner Anteil: als Gemenge von hexagonaler Ammonium-Kalium- Wolframbronze und hexagonalem Kaliumpolywolframat;
Bereich IV entsprechend Anteilsfaktor 3,2 < x < 10:
80% kristalliner Anteil: ebenfalls als Gemenge von hexagonaler Wolframbronze und hexagonalem Kaliumpolywolframat;
20% röntgenamorphe Anteile.
Bereich I entsprechend Anteilsfaktor 0 ≦ x ≦ 0,6:
85 bis 95% kristalline Anteile: 50 bis 80% hexagonale Ammonium-Kalium- Wolframbronze MyWO3 (wobei M = NH4/K und y ≦ 0,22 ist);
5 bis 15% röntgenamorphe Anteile;
Bereich II entsprechend Anteilsfaktor 0,6 < x < 1,6:
Gemenge von hexagonaler Ammonium-Kalium-Wolframbronze, Wolframoxid und hexagonalem Kaliumpolywolframat; geringe röntgenamorphe Anteile;
Bereich III entsprechend Anteilsfaktor 1,6 ≦ x ≦ 3,2:
100% kristalliner Anteil: als Gemenge von hexagonaler Ammonium-Kalium- Wolframbronze und hexagonalem Kaliumpolywolframat;
Bereich IV entsprechend Anteilsfaktor 3,2 < x < 10:
80% kristalliner Anteil: ebenfalls als Gemenge von hexagonaler Wolframbronze und hexagonalem Kaliumpolywolframat;
20% röntgenamorphe Anteile.
Die Bildung von Ammonium-Kalium-Wolframbronze und als besonders
vorteilhafte Ausführung die Bildung von Kaliumpolywolframat statt
Wolframoxid, jeweils mit hexagonaler Struktur, liefert die Voraussetzung für
die homogene Kalium-Verteilung in der Wolfram-Oxid-Matrix.
Der zweite Schritt der Reduktion von WBO führt unter Wasserstoff-
Atmosphäre zur Bildung von pulverförmigem α-Wolfram, das mit
zunehmendem Kalium-Gehalt der Ausgangs-AKPW-Mischkristalle
zunehmende Anteile an Kaliummonowolframat, K2WO4, enthält. Durch die
Behandlung mit Wasser wird dieses vollständig entfernt. Die Gehalte an
Kalium in den ausreduzierten, zusätzlich mit verdünnter HCl bzw.
verdünnter HF behandelten Wolfram-Pulvern, betragen etwa 40 bis 120 ppm,
bevorzugt sind Bereiche um 90 ppm.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert
werden.
Einer wässrigen, ammoniakalischen Monowolframat-Lösung wird eine
Kaliumhydroxid-Lösung zugegeben, wobei das Molverhältnis Kalium zu
Ammonium 1 : 3 beträgt. Dementsprechend ist der Anteilsfaktor x = 2.5.
Die Reduktion in reinem Wasserstoff erfolgt in einem horizontalen
Reduktionsofen unter folgenden Bedingungen:
Einwaage: ca. 15 g AKPW;
Schütthöhe: ca. 8 mm;
H2-Durchflußrate: 0,8 l/min;
Aufheizgeschwindigkeit: 3 K/min;
Endtemperatur: 410°C
Einwaage: ca. 15 g AKPW;
Schütthöhe: ca. 8 mm;
H2-Durchflußrate: 0,8 l/min;
Aufheizgeschwindigkeit: 3 K/min;
Endtemperatur: 410°C
Es entsteht ein Blauoxid aus 100% kristallinem Gemenge von hexagonaler
Ammonium-Kalium-Wolframbronze und hexagonalem Kaliumpolywolfra
mat. Die Reduktion des Wolfram-Blauoxids erfolgt unter folgenden
experimentellen Bedingungen:
Einwaage: ca. 7,5 g WBO;
Schütthöhe: ca. 4 mm;
H2-Durchflußrate: 0,8 l/min;
Aufheizgeschwindigkeit: 5 K/min;
Endtemperatur: 850°C.
Einwaage: ca. 7,5 g WBO;
Schütthöhe: ca. 4 mm;
H2-Durchflußrate: 0,8 l/min;
Aufheizgeschwindigkeit: 5 K/min;
Endtemperatur: 850°C.
Es entsteht pulverförmiges Wolfram, das zunächst noch
Kaliummonowolframat enthält. Weitere Nachbehandlung eines derartigen
Wolframpulvers führt zu einem Wolframdraht, der etwa 90 ppm Kalium
enthält. Restverunreinigungen an Silizium und Aluminium liegen jeweils
unter 10 ppm.
Eine mit einem derartigen Draht betriebene Glühlampe weist eine um mehr
als 10% längere Lebensdauer auf, verglichen mit einem konventionellen
Draht der eingangs beschriebenen Art.
Weitere Ausführungsbeispiele werden in ganz ähnlicher Weise hergestellt.
Das Ausgangsmaterial ist wieder wäßrige ammoniumhaltige Mono-
Wolframatlösung und eine Kaliumhydroxidlösung (oder auch eine
Kaliumchlorid- oder nitratlösung) wird hinzugefügt. Dementsprechend kann
ein Molverhältnis zwischen Kalium und Ammonium definiert werden.
In einem spezifischen Ausführungsbeispiel (i) ist das Molverhältnis zwischen
Kalium und Ammonium etwa 1 : 19. Dementsprechend ist x = 0.5.
In einem spezifischen Ausführungsbeispiel (ii) ist das Molverhältnis
zwischen Kalium und Ammonium etwa 1 : 6.5. Dementsprechend ist x = 1.4.
In einem spezifischen Ausführungsbeispiel (iii) ist das Mol-Verhältnis
zwischen Kalium und Ammonium etwa 1 : 1.2. Dementsprechend ist x = 4.5.
Die Reduktion zum Wolframblauoxid und anschließend zum
Wolframpulver wird unter ganz ähnlichen Bedingungen ausgeführt wie
oben bereits erläutert.
Dabei wird die Reduktion des AKPW zum WBO unter den folgenden
Bedingungen ausgeführt:
Endtemperatur zwischen 390 und 420°C, bevorzugt 405 bis 415°C. Die Temperaturanstiegsrate liegt zwischen 1 und 5 K pro Minute. Die Wasserstoffdurchflußrate liegt insbesondere zwischen 30 und 70 l/h.
Endtemperatur zwischen 390 und 420°C, bevorzugt 405 bis 415°C. Die Temperaturanstiegsrate liegt zwischen 1 und 5 K pro Minute. Die Wasserstoffdurchflußrate liegt insbesondere zwischen 30 und 70 l/h.
In ähnlicher Weise erfolgt die Reduktion des WBO zum Wolfram-Pulver
unter folgenden Bedingungen:
Endtemperatur zwischen 800 und 950°C, bevorzugt 830 bis 870°C. Die Temperaturanstiegsrate liegt zwischen 2 und 7 K pro Minute. Die Wasserstoffdurchflußrate liegt insbesondere zwischen 30 und 70 l/h.
Endtemperatur zwischen 800 und 950°C, bevorzugt 830 bis 870°C. Die Temperaturanstiegsrate liegt zwischen 2 und 7 K pro Minute. Die Wasserstoffdurchflußrate liegt insbesondere zwischen 30 und 70 l/h.
Der Gehalt an Kalium wird so gewählt, daß er dem beabsichtigten
Anwendungszweck optimal entspricht.
Eine Dotierung entsprechend Bereich I ist für viele Anwendungszwecke
nicht optimal, da die Kornstruktur nicht genügend geändert werden kann.
Andererseits kann eine sehr hohe Dotierung (Bereich IV) Kalium vergeuden,
da Kaliumwolframat (K2WO4) erzeugt wird, das nur unzureichend in die
Wolframgitter struktur eingebaut werden kann. Es wird daher in den
weiteren Verarbeitungsschritten zumindest teilweise wieder ausgewaschen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von Wolframdraht, das folgende Verfahrens
schritte umfaßt:
- 1. Bereitstellen einer wäßrigen Lösung von APW, die als Monowolframat vorliegt;
- 2. Zugabe von Kalium als Dotiermittel zu dieser Lösung in Form einer wäßrigen kaliumhaltigen Lösung, wobei das molare Mischungsverhältnis Kalium zu Ammonium zwischen 0,1 und 10 liegt, wobei ein Ammonium- Kalium-Parawolframat (AKPW) gebildet wird;
- 3. Überführen des AKPW in Wolfram-Blauoxid (WBO);
- 4. Reduzieren des WBO zu Wolframpulver und
- 5. Weiterverarbeitung des Wolframpulvers zu Wolframdraht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
kaliumhaltige Lösung Kaliumhydroxid ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein AKPW des
folgenden Typs hergestellt wird, wobei x als "Anteilsfaktor" bezeichnet
wird:
(NH4)10-xKx[H2W12O42].nH2O (0 < x < 10, 4 ≦ n ≦ 10)
(NH4)10-xKx[H2W12O42].nH2O (0 < x < 10, 4 ≦ n ≦ 10)
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das AKPW
einen Anteilsfaktor von weniger als 10 aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das AKPW in
reinem Wasserstoff zu WBO zersetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zersetzungsbedingungen so gewählt werden, daß das WBO Ammonium-
Kalium-Wolframbronze des fogenden Typs enthält:
MyWO3, wobei M = NH4/K und y ≦ 0,22 ist.
MyWO3, wobei M = NH4/K und y ≦ 0,22 ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das WBO
zusätzlich Kaliumpolywolframat enthält.
8. Wolframdraht, der nach dem Verfahren gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
9. Wolframdraht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er 40 bis
120 ppm Kalium enthält, wobei höchstens unwesentliche, unter 30 ppm
liegende Mengen an Silizium und Aluminium vorhanden sind.
10. Glühlampe mit einem Wolframdraht gemäß
Anspruch 8 oder 9.
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DE19607356A DE19607356C2 (de) | 1995-03-03 | 1996-02-27 | Verfahren zur Erzeugung eines vibrations- und durchhangarmen Wolframdrahtes, Wolframdraht und Glühlampe mit einem solchen Wolframdraht |
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- 1996-02-27 DE DE19607356A patent/DE19607356C2/de not_active Expired - Fee Related
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GAHNI, A.: "Bubber", Dissertation, München 1986, S. IX-XII u. S. 1-24 * |
PINK, E., BARTHA, L.: "The Metallurgy of Doped/Non-Sag Tungsten" Elsevier, London 1989, S. 4-18, 31-34 u. 85-99 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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US5785731A (en) | 1998-07-28 |
DE19607356A1 (de) | 1996-09-05 |
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