DE19738574A1

DE19738574A1 - Elektrode und Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE19738574A1
Application number: DE19738574A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Altmann; Rudolf Richter; Klaus Stedele
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-03-11
Also published as: HUP9802006A3; EP0901150A3; EP0901150B1; HUP9802006A2; ATE277423T1; US6109995A; EP0901150A2; HU221580B; HU9802006D0; DE59811983D1; CN1210360A; CN1151537C; JPH11135011A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Elektrode gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Elektrode für Hoch druck-Entladungslampen wie Xenon- oder Quecksilberlampen.

Stand der Technik

Das Verfahren zur Herstellung von Elektroden aus Wolfram basiert, wie an sich bekannt, auf dem Pressen und anschließenden Sintern des Wolfram- Pulvers. Üblicherweise erfährt der so erzeugte Rohling dann zunächst Um form- und Verdichtungsprozesse, beispielsweise durch Hämmern und/oder Walzen. Es handelt sich dabei um ein radial gerichtetes Hämmern des zy lindrischen Rohlings. Diese Grundlagen sind beispielsweise in der DE-OS 25 19 014 und US-A 4 859 239 beschrieben.

Beim radial gerichteten Hämmern eines zylindrischen Rohlings wird das Material verformt, während es durch ebene Hämmerbacken hindurchläuft. Das Ziel dieses Verfahrens ist eine gleichmäßige Reduktion des Durchmes sers des Rohlings unter gleichzeitiger Längung des Materials. Ähnliches gilt auch für die Verfahrensschritte des Walzens und Ziehens. Typische Reduk tionen beim Hämmern liegen pro Verfahrensschritt bei 20% des ursprüngli chen Durchmessers.

Ab einem Durchmesser von etwa 4 mm kann das Material dann durch einen Ziehprozeß weiter verformt werden, falls ein noch kleinerer endgültiger Durchmesser gewünscht wird.

Aus der US-A 5 422 539 ist bereits eine Elektrode für Hochdruck- Entladungslampen und ein Herstellverfahren dafür bekannt. Die Herstel lung einer Spitze an einer Elektrode wird danach üblicherweise durch spanabhebende Formgebung, also durch Drehen oder Schleifen, erzielt. Dies kann gemäß der Lehre dieser Schrift durch zusätzliches axiales Hämmern (Stauchen) noch verbessert werden, da dabei eine zusätzliche Verdichtung der Spitze stattfindet.

Gemäß diesem Stand der Technik endete bisher die Beeinflußbarkeit der Stabilität des Gefüges beim Elektroden-Rohling. Die Korngrenzenstrukturen verlaufen parallel zur Drahtachse, und zwar nicht nur im Bereich des Schaf tes, sondern auch im Bereich der Spitze der Elektrode. Wenn die Geometrie der Elektrodenspitze durch die bekannte spanabhebende Formgebung, wie z. B. durch Drehen und Schleifen, erzeugt wird, mündet die Korngrenzen struktur also gleichmäßig verteilt an der schrägen Fläche der Spitze und bricht dort ab, wie in Fig. 1 dargestellt.

Ein Umlenken oder eine Zentrierung der Korngrenzenstruktur im Bereich der Spitze zur Achse hin oder in Richtung auf ein Plateau an der Elektroden spitze war somit bisher nicht möglich. Nachteilig an der bisherigen Technik ist außerdem die große Menge an Abfall, die mit der spanabhebenden Technik in Kauf genommen werden muß. Der Abfall ergibt sich aus der Dif ferenz zwischen der Form der fertigen Elektrodenspitze und dem entspre chenden zylindrischen Rohling.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die wenig Abfall bei der Her stellung produziert und ein verbessertes Brennverhalten im Betrieb zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängi gen Ansprüchen.

Die Technik des radialen Hämmerns zum Erzeugen einer Spitze wird bisher nur für sehr kleine Öffnungswinkel (unter 10° bei Nähnadeln) bei duktilen Metallen (Eisen) angewendet. Wolfram galt für die Anwendung dieser Technik bisher als zu spröde. Öffnungswinkel über 10° galten als nicht machbar.

Beim erfindungsgemäßen radialen Hämmern zum Erzeugen einer Spitze einer Elektrode werden statt ebener Backen, wie sie für das bekannte zylin drische Hämmern eines Sinter-Rohlings benötigt werden, entsprechend der gewünschten Spitze geformte profilierte Hämmerbacken verwendet. Der Verfahrensschritt findet erst statt, nachdem der Sinter-Rohling auf seinen endgültigen Durchmesser transformiert wurde und nachdem dann davon der einzelne Elektroden-Rohling abgelängt wurde.

Das Material der erfindungsgemäßen Elektrode besteht aus hochschmelzen dem Material, insbesondere Wolframmaterial. Prinzipiell ist beispielsweise auch Rhenium, Osmium, Tantal(-carbid) o. ä. geeignet. Ihm kann als Aktivie rungsmaterial ein Dotierstoff wie beispielsweise ThO₂ zugesetzt sein. Häufig werden auch Dotierstoffe wie Oxide des Aluminium, Kalium oder Silizium zugesetzt. Aber auch Legierungen, vor allem des Wolfram, kommen in Fra ge.

Erfindungsgemäß besteht die Elektrode aus einem zylindrischen Grundkör per, oft auch Schaft genannt, und einer konisch zulaufenden Spitze, wobei die Spitze im wesentlichen durch radiales Umformen hergestellt ist.

Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen:

a) Erhöhung der Stabilität des Gefüges im Spitzenbereich von Elektroden;
b) Orientierung der Korngrenzenstrukturen an der Spitze zur Achse der Elektrode hin, insbesondere zu einem Plateau an der Elektrodenspitze;
c) direkte gezielte Formgebung von Elektrodenspitzen;
d) Verringerung des Abfalls an Elektrodenmaterial;
e) gezielte Einstellung des Gefüges im Bereich der Elektrodenspitze;
f) Verringerung des Materialverschleißes bei den Werkzeugen für die Formgebung (z. B. bei Drehstählen, Schleifscheiben etc.).

Ein entscheidender Vorteil ist, daß durch das schonende radiale Umformen die als Kanäle für das Dotiermaterial wirkenden Korngrenzen eher zur Ach se hin ausgerichtet werden und praktisch ausschließlich in einem Bereich nahe an der Spitze enden, so daß das Brennverhalten sehr ruhig ist. Im Be reich der Korngrenzen kann die die Emission fördernde Dotierung bevor zugt diffundieren.

Vorteilhaft ist die Spitze ein Kegelstumpf mit einem Kegelmantel und einem Plateau, wobei die Korngrenzen in diesem Fall überwiegend im Bereich des Plateaus enden. In diesem Fall werden die Dotiersubstanzen überwiegend zum Plateaubereich transportiert. Umgekehrt werden Verluste durch Ab dampfen der Dotiersubstanzen vom Kegelmantel aus dadurch minimiert. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Lampe aus.

Durch radiales Umformen können Elektrodenspitzen mit einfachen Geome trien hergestellt werden. Das Umformen kann vorteilhaft entweder durch radiales Hämmern oder durch Querwalzen erfolgen. Durch diese Verfor mungsarbeit mit freier Wahl der Verformungsparameter (beispielsweise Temperatur, Öffnungswinkel, Verformungsgrad) wird eine gezielte zusätzli che Bearbeitungsmöglichkeit für das Gefüge geschaffen, die sich positiv auf das Brennverhalten und die Lebensdauer der Elektrode auswirkt.

Das allgemeine Prinzip des Querwalzens ist beispielsweise bereits aus VDI- Nachrichten Nr. 20, 17.5.96, S. 11, bekannt. Dort wird es allerdings für Bau teile (Schmiedewerkstücke aus Titanlegierungen) mit großen abrupten Sprüngen im Durchmesser verwendet. Des weiteren ist die Querwalze mit Rundbacken ausgestattet, die keilförmig profiliert sind. Das Profil ist sym metrisch. Für die erfindungsgemäße Anwendung werden Rundbacken ein gesetzt, deren Profil unsymmetrisch ist. Das Profil bildet die Spitze der Elektrode aus, ohne daß abrupte Sprünge auftreten.

Durch das radiale Hämmern entsteht u. U., abhängig vom Durchmesser der Elektrode und den Verformungsparametern, ein sehr feines Gefüge (deutliche Abnahme der Korngröße), das durch die zusätzliche Verfor mungsarbeit stärker verfestigt ist (deutliche Zunahme der Härte, u. U. auch der Dichte). Korngröße und Dichte an der Spitze können sich im Vergleich zum Schaft um typisch einen Faktor zwei oder mehr ändern, evtl. sogar um einen Faktor 3 bis 10.

Vorteilhaft ist die Elektrode zusätzlich dotiert, insbesondere mit Thorium oxid. Es hat sich nun gezeigt, daß auch diese zusätzlichen Dotierstoffe durch das radiale Umformen stärker zerkleinert werden. Somit erfolgt eine feinere und homogenere Dispersion der Dotiersubstanzen.

Durch die Verformung an der Spitze kann die Gefügeausbildung gezielt be einflußt werden, so daß die Stabilität des Gefüges im thermisch hochbelaste ten Spitzenbereich der Elektrode verbessert werden kann. So kann gegen über dem Schaft durch die zusätzliche Verformung das gewünschte Gefüge eingestellt werden.

Durch die endformnahe Formgebung entfallen spanabhebende Verarbei tungsschritte, abgesehen von etwaigen geringfügigen Endkorrekturen. Somit wird auch der Materialmehrverbrauch deutlich (um 5 bis 25%) reduziert. Die Reduzierung, die vom Öffnungswinkel abhängt, wirkt sich vor allem auch bei thorierten Werkstoffen günstig aus, weil der als radioaktiver Son dermüll zu behandelnde Abfall reduziert wird.

Gleichzeitig wird der Bedarf und Verschleiß von Diamant-Schleifscheiben, die sehr teuer sind, drastisch reduziert.

Je kleiner der Durchmesser der Elektrode, desto leichter kann der radiale Umformprozeß, insbesondere der Hämmerprozeß, durchgeführt werden. Prinzipiell ist jedoch diese Methode auch noch bei relativ großen Durchmes sern bis etwa 50 mm anwendbar. Besonders gute Ergebnisse lassen sich bei der Anwendung auf gleichstrombetriebene Kathoden erzielen. Aber auch Kathoden und Anoden für wechselstrombetriebene Lampen lassen sich damit herstellen.

Das radiale Umformen (Hämmern) beinhaltet immer eine tangentiale Kom ponente. Deshalb lassen sich damit Spitzen mit einem gesamten Öffnungs winkel α von maximal 90° herstellen, bevorzugt ist α unter 60°. Bei einem größeren Öffnungswinkel wirken die Verformungskräfte nur noch in der Nähe der Oberfläche. Der Kernbereich bleibt davon unberührt. Dabei kommt es zu einem Abgleiten der oberflächennahen Schichten am tieferlie genden Kernbereich. Bei diesem Vorgang können sich unerwünschte Hohl räume bilden.

Bevorzugt ist die Spitze kegelförmig oder kegelstumpfförmig. Letzteres ist besonders bevorzugt, weil hier die Korngrenzen, an denen entlang das Do tiermaterial transportiert wird, an einem entladungsseitigen Plateau enden können.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Elektrode aus Wolfram, im Schnitt, deren Spitze geschliffen ist (Stand der Technik);

Fig. 2 eine Elektrode aus Wolfram, im Schnitt, deren Spitze radial ge hämmert ist;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung (Fig. 3a) einer Elektrode gemäß Fig. 2, wobei jeweils ein Bereiche an der Spitze (Fig. 3b) und am Schaft (Fig. 3c) vergrößert dargestellt ist;

Fig. 4 ein Hämmerbackenpaar für das radiale Hämmern in Seitenansicht (Fig. 4a), Frontalansicht (Fig. 4b) und Perspektive (Fig. 4c);

Fig. 5 eine Hochdruckentladungslampe mit einer radial umgeformten Kathode gemäß Fig. 2;

Fig. 6 die Kathode aus Fig. 5, vergrößert dargestellt.

Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist eine Elektrode aus Wolframmaterial, mit einem Zusatz von Kalium, Silizium und Aluminium, mit einem Durchmesser von 1,5 mm im Detail gezeigt, deren Spitze geschliffen wurde. Sie ist in konventioneller Weise mit einer Diamant-Schleifscheibe geformt worden.

Im Vergleich dazu ist in Fig. 2 eine Elektrode aus dem gleichen dotierten Wolframmaterial mit einem Durchmesser von 1,5 mm im Detail gezeigt, de ren Spitze rundgehämmert ist. Sie ist in erfindungsgemäßer Weise durch Radialhämmern umgeformt worden.

Am Beispiel von thoriertem Wolframmaterial zeigt Fig. 3 eine Möglichkeit der gezielten Gefügebeeinflussung durch das radiale Hämmern im Bereich der konischen Spitze. Die Elektrode 4 hat einen Durchmesser von 3 mm und einen Öffnungswinkel an der Spitze von 40°. Fig. 3a zeigt die Lage zweier Bildausschnitte im Bereich der Spitze 9 (Verformungszone) und des Schaftes 5. An der Spitze (Fig. 3b) bildet sich durch das Umformen ein Rundknetge füge, das im Betrieb rekristallisiert ist. Dieses Gefüge ist wesentlich feiner als das im Bereich des Schafts (Fig. 3c), das das übliche vorbekannte Ziehge füge ausbildet. Dies gilt auch noch nach einer rekristallisierenden Glühbe handlung.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode erfolgt, indem das Wolf rampulver wie üblich zunächst gepreßt und dann gesintert wird. Anschlie ßend wird der Sinterstab-Rohling gewalzt, gehämmert und ggf. gezogen, bis der gewünschte Enddurchmesser erreicht ist. An dem dadurch erzeugten Elektroden-Rohling wird nun durch radiales Hämmern die Spitze der Elek trode erzeugt, wobei in den Hämmerbacken die gewünschte Geometrie der Spitze als Profil eingearbeitet ist.

Fig. 4 zeigt ein Paar von Hämmerbacken 15 in drei Ansichten. Sie bestehen aus quaderförmigen Werkzeugkörpern, deren zum Elektrodenschaft ge wandte Frontseite 16 mit einer halbkreisförmigen Höhlung 17, die entlang der Schmalseite 14 läuft, ausgestattet ist. Die Höhlung 17 verengt sich nach innen, und zwar im Prinzip konisch. Die Höhlung 17 besteht aus drei Ab schnitten, einer Eingangsöffnung 18, die stark konisch zuläuft, einem Füh rungsschaft 19 (für den Elektrodenschaft), dessen Durchmesser konstant ge halten ist, und einem Spitzenformteil 20, das konisch mit dem gewünschten Öffnungswinkel der Spitze der Elektrode zuläuft. Der zylindrische Elektro den-Rohling ragt zur Bearbeitung zwischen die beiden noch beabstandeten Schmalseiten 14 der Backen 15 hinein. Vor dem radialen Hämmern muß der Elektroden-Rohling noch wie üblich auf eine zur Bearbeitung geeignete Temperatur gebracht werden. Dann wird mittels der Backen 15 die Spitze gehämmert.

In Fig. 5 ist schematisch eine mit Gleichstrom betriebene Xenonkurzbogen lampe 1 mit 150 W Leistung für fotooptische Zwecke gezeigt. Das elliptische Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas enthält eine Anode 3 und eine Kathode 4. Jede Elektrode besitzt einen Schaft 5, der mit einer Molybdänfolie 6 verbun den ist. Diese ist in die Enden des Entladungsgefäßes 2 vakuumdicht einge schmolzen.

Die Kathode 4 ist in Fig. 6 nochmals vergrößert gezeigt. Sie besteht aus Wolfram, das mit 0,4 Gew.-% ThO₂ dotiert ist. Um eine hohe Bogenstabilität zu sichern, verjüngt sich der den Schaft 5 bildende zylindrische Grundkör per der Kathode nach Art eines Kegelstumpfs zu einer Spitze 9, deren Ke gelmantel 11 entladungsseitig in einem Plateau 10 mündet. Die Spitze 9 ist durch radiales Hämmern hergestellt und besitzt die in Fig. 3 angegebene Struktur. Der Öffnungswinkel α beträgt hier 20°. Nur das Plateau 10 ist ab schließend durch Schleifen nachbehandelt.

Claims

1. Elektrode (4) aus hochschmelzendem Material, insbesondere Wolf rammaterial, für eine Hochdruckentladungslampe, mit einem zylindri schen Schaft (5) und einer konisch zulaufenden Spitze (9), dadurch ge kennzeichnet, daß die Spitze (9) im wesentlichen durch radiales Um formen hergestellt ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolf rammaterial dotiert ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umfor men durch radiales Hämmern oder durch Querwalzen erfolgt ist.

4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte und evtl. auch die Dichte im Bereich der Spitze (9) gegenüber der im Schaft (5) erhöht ist.

5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (9) in einem Plateau (10) mündet.

6. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße im Bereich der Spitze kleiner als im Bereich des Schafts ist.

7. Hochdruckentladungslampe mit einer Elektrode nach einem der vor hergehenden Ansprüche.

8. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus Wolfram für Hoch druck-Entladungslampen, wobei die Elektrode einen Schaft (5) und ei ne konische Spitze (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spit ze (9) im wesentlichen durch radiales Umformen erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Umformen durch Hämmern oder Querwalzen erfolgt.

10. Vorrichtung zum radialen Hämmern einer Elektrode gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem Paar von quaderförmigen Hämmerbacken (15), mit einer Frontseite (16) und einer der Elektrode zugewandten Schmal seite (14), wobei sich eine halbkreisähnliche Höhlung (17), die sich nach innen verengt, zur Aufnahme eines Teils der Elektrode von der Front seite (16) aus entlang der Schmalseite (14) erstreckt.