DE19747354C1 - Erdalkalialuminoborosilicatglas für Lampenkolben und dessen Verwendung - Google Patents

Erdalkalialuminoborosilicatglas für Lampenkolben und dessen Verwendung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Erdalkalialuminoborosilicatglas für Molybdän-Kompo­ nenten aufweisende Lampenkolben mit Kolbentemperaturen von ca. 550-650 °C sowie dessen Verwendung.
Es ist bekannt, daß Gläser für den genannten Verwendungszweck praktisch al­ kalioxid-frei sein müssen, da Alkaliionen den regenerativen Halogenkreislauf der Lampe stören. Im Betrieb der Lampe bildet sich nämlich aus dem Wolframdampf von der Wendel und der Halogen-Inertgas-Mischung ein Gleichgewicht zwi­ schen Bildung und Zerfall von Wolfram-Halogeniden. Dabei findet die Zerfalls­ reaktion bei höheren Temperaturen als die Bildungsreaktion statt, so daß sich das Wolfram wieder auf der Wendel abscheidet. Wird dieser Kreislauf durch verunreinigende Komponenten wie beispielsweise Alkaliionen gestört, scheidet sich das Wolfram statt auf der Wendel auf der Glaskolbeninnenseite als schwarz glänzender störender Belag ab. Daher werden an solche Gläser hohe Anforderungen bezüglich Alkalioxidfreiheit gestellt.
Verunreinigungen, die den regenerativen Halogenkreislauf beeinträchtigen, werden nicht nur über das Glas eingebracht, sondern auch über das Ferti­ gungsverfahren der Lampenherstellung selbst. Daher ist auch die Reinheit des vewendeten Elektrodenmaterials von großer Bedeutung. Verfahren zur Reini­ gung, beispielsweise eine Vorbehandlung der Elektroden durch Ausglühen, sind zu aufwendig und teuer. Gleiches gilt auch für das Tempern alkalireicher Glas­ kolben.
Für die Verwendung als Lampenkolbenglas für Lampenkolben, die Molybdän- Komponenten als Zuleitungselektroden enthalten, muß das Glas über den ge­ samten Temperaturbereich der Lampe in seinem thermischen Ausdehnungsver­ halten an das von Molybdän angepaßt sein, um eine hermetisch dichte Verbin­ dung zwischen Glas und Zuleitung zu gewährleisten. Dabei muß das Glas bei dessen Erstarrungstemperatur (Einfriertemperatur oder Set-Point) im Vergleich zum Molybdän eine höhere Dehnung besitzen, d. h. die Dehnungsdifferenz zwi­ schen Mo und dem Glas muß positiv sein, um im Glas eine für die Abdichtung von Mo-Zuleitungen günstige radiale Druckspannung zu erzielen. Das Glas sollte daher einen Ausdehnungskoeffizienten α20/300 zwischen 4,4 . 10-6/K und 4,7 . 10-6/K besitzen.
Auch muß es eine ausreichende thermische Stabilität besitzen, um sich beim Betrieb der Lampe aufgrund der auftretenden Kolbentemperaturen nicht zu ver­ formen.
Eine weitere Anforderung an ein für die Verwendung als Kolbenglas für Lam­ penkolben geeignetes Glas ist seine Eignung für den Rohrzug. Dafür muß es ausreichend kristallisationsstabil sein.
In der Patentliteratur existieren bereits zahlreiche Schriften, die Gläser für sol­ che Glühlampen betreffen.
Wasser bzw. die Wasserstoffionen wirken sich, analog zu den Alkaliionen, ebenfalls störend auf den Halogenkreislauf aus.
Daher wird auch in US 4,163,171 eine Glühlampe beschrieben, deren Glas nicht nur "im wesentlichen alkalifrei" ist, sondern auch nur weniger als 0,03 Gew.-% Wasser enthalten darf.
DE 33 05 587 A1 beschreibt Glühlampen aus hoch BaO-haltigen (11-16 Gew.- %) Glaskolben. DE 29 30 249 C2 betrifft die Verwendung von ebenfalls hoch BaO-haltigen (10-23 Gew.-%) Glaszusammensetzungen als Kolbenmaterial, in denen außerdem das Gewichtsverhältnis BaO : CaO zwischen 2,3 und 3,5 be­ trägt. (CaO : BaO zwischen 0,28 und 0,43). Die Gläser der letztgenannten Schrift sollen eine verbesserte Beständigkeit gegen das sogenannte Nach­ schäumen ("reboil") besitzen. Beim Nachschäumen handelt es sich um die Ten­ denz des Glases, beim Wiederbearbeiten mit einer Flamme oder beim Wieder­ erhitzen viele kleine Blasen von eingeschlossenen Gasen zu bilden. Dadurch wird die Lichtdurchlässigkeit verschlechtert und werden die wiedererhitzten Be­ reiche geschwächt.
Nachteilig an den Gläsern mit sehr hohen BaO-Anteilen ist, daß sie, verglichen mit Gläsern mit hohen Anteilen an anderen Erdalkalioxiden, hohe Schmelz- und Verarbeitungstemperaturen aufweisen. Hohe Schmelztemperaturen bedeuten hohen Energieverbrauch, hohe Schmelzkosten und stärkere Korrosion des Wannenmaterials.
US 3,496,401 beschreibt Glühlampen aus einem Erdalkalialuminosilicatglas mit einem Höchstgehalt von 0,1 Gew.-% an Alkalioxiden, insbesondere aus Gläsern aus SiO2, Al2O3 und 10-25 Gew.-% Erdalkalioxiden, deren Einzelanteile nicht weiter spezifiziert sind. B2O3 ist nur fakultative Komponente.
US 3,310,413 beschreibt Erdalkalialuminoborosilicatgläser für Einschmelzungen mit Molybdän mit definierten Verhältnissen der Erdalkalioxide untereinander. So ist mit MgO als fakultativem Bestandteil sowohl das Verhältnis MgO zu BaO auf weniger als 0,75 als auch das Verhältnis von CaO zur Summe aus MgO und BaO auf 0,6 bis 2,0 begrenzt.
Die Glasmäntel für Wolfram-Halogenlampen aus US 4,394,453 enthalten viel Al2O3 (wenigstens 16 Gew.-%), was auch zu einem relativ niedrigen Verhältnis SiO2/Al2O3 führt.
Auch US 4,409,337 beschreibt Gläser für Glasmäntel von Wolfram-Halogen­ lampen, die relativ zum Al2O3-Anteil niedrige SiO2-Gehalte aufweisen, ausge­ drückt durch das Gewichtsverhältnis SiO2/Al2O3 von hier 3,1-3,7.
US 5,489,558 beschreibt Gläser, die insbesondere für die Verwendung in Flachglasdisplays geeignet sind. Diese Gläser enthalten entweder viel Al2O3 (≧ 18 Gew.-%) bei relativ geringen SiO2-Gehalten (≦ 55 Gew.-%) oder wenig Al2O3 (≦ 13 Gew.-%) bei höheren SiO2-Gehalten (≧ 55 Gew.-%), und das damit er­ reichte Viskositätsverhalten ist insbesondere auf die Ziehtechnologie von Flachglasscheiben und weniger auf die von Rohren für den Lampenbau abge­ stimmt. Diese Gläser sind speziell an a- und poly-Silicium und weniger an Mo angepaßte Gläser. Analoges gilt für die Gläser aus EP 0 672 629 A2 und US 5,508,237.
Ein kommerziell erhältliches Glas für die beschriebene Verwendung ist das Glas 8252 der Anmelderin mit der Zusammensetzung (Gew.-% gerundet) 60 SiO2; 4,5 B2O3; 14,5 Al2O3; 2 MgO; 10 CaO; 9 BaO. Es ist aufgrund seines Eigenschafts­ profils (z. B. α20/300 4,6 . 10-6/K, Tg 720°C) als Lampenkolbenglas für Temperatu­ ren von ca. 550-650°C sehr gut geeignet.
Jedoch gilt sowohl für aus diesem Glas als auch aus den vorher genannten Glä­ sern hergestellte Lampen, daß die Funktion der Lampen sehr leicht durch Ver­ unreinigungen, seien sie aus dem Glas oder aus dem Elektrodenmaterial des Lampengestells, beeinträchtigt wird, was sich in der oben beschriebenen Schwarzfärbung der Glaskolbeninnenseite aufgrund einer Störung des Halo­ genkreislaufes bemerkbar macht. Es müssen also sehr hohe Anforderungen an die Reinheit, insbesondere an die Alkalifreiheit, gestellt werden.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Glas zu finden, bei dessen Verwendung als Kolbenglas besagte Schwarzfärbung mit geringerem Aufwand verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch beschriebene ceroxid-haltige Erdalkalialuminoborosilicatglas gelöst.
Das Glas enthält 59 bis 61 Gew.-% SiO2. Bei höheren Gehalten wäre die ther­ mische Dehnung zu gering, bei niedrigeren Gehalten nähme der thermische Ausdehnungskoeffizient zu hohe Werte an und würde die Transformationstem­ peratur herabgesetzt.
Das Glas enthält 13,5 bis 15,5 Gew.-% Al2O3. Auch Abweichungen von diesem Bereich würden zu Abweichungen von der gewünschten thermischen Dehnung und damit zu Dehnungsfehlanpassungen führen. Auch würden die Viskosi­ tätsparameter nachteilhaft verändert.
Durch den Mindestgehalt an SiO2 und den Höchstgehalt an Al2O3 ist ein relativ hohes Gewichtsverhältnis SiO2/Al2O3, das sich positiv auf die Glasbildungsei­ genschaften und die Bindungsfestigkeit des Glases auswirkt, bereits gewährlei­ stet. Ein hoher SiO2-Gehalt, speziell in Relation zum Al2O3-Gehalt, kann das Nachschäumen des Glases reduzieren und sich vorteilhaft auf die Verschmel­ zung auswirken. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung soll dieses Verhältnis mindestens 4,00 betragen.
Sowohl durch SiO2 als auch durch Al2O3 werden Transformationstemperatur Tg und Verarbeitungstemperatur VA angehoben, während B2O3 und die Erdalkali­ oxide viskositätssenkend wirken.
Das Glas enthält B2O3 in Anteilen von 3 bis 5,5 Gew.-%. Bevorzugt sind 3,1 bis 5 Gew.-%. Boroxid wirkt vorteilhaft schmelzerleichternd. In höheren Anteilen würde es die Transformationstemperatur Tg des Glases und damit auch die thermische Belastbarkeit des Lampenkolbens zu sehr herabzusetzen.
Der Beitrag der einzelnen Erdalkalioxide zur Viskositätsabsenkung und zur Er­ höhung der thermischen Dehnung ist unterschiedlich: BaO wirkt stärker viskosi­ tätserhöhend als MgO. CaO liegt in seiner Wirksamkeit zwischen den beiden. Dagegen zeigt CaO bezgl. Erhöhung der thermischen Dehnung eine stärkere Wirkung als MgO und BaO.
Daher enthält das Glas die Erdalkalioxide in bestimmten Mengen und in einem bestimmten Verhältnis zueinander:
BaO liegt mit 8,5 bis 9,5 Gew.-% und CaO mit 8,2 bis 10,5 Gew.-% im Glas vor. Weiter enthält das Glas 2,3 bis 5 Gew.-% MgO.
Das Gewichtsverhältnis zwischen der Summe aus CaO und MgO auf der einen Seite und BaO auf der anderen Seite ((CaO + MgO)/BaO) soll weniger als 1,60 betragen.
Auch das Gewichtsverhältnis von CaO zu MgO ist von Bedeutung: Es soll weni­ ger als 4,20 betragen.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß ein Ceroxid-Zusatz zu Gläsern des genannten Zusammensetzungsbereichs die Schwarzfärbung von Lampen aus diesen Gläsern verringert.
Daher enthält das erfindungsgemäße Glas 0,03 bis 0,3 Gew.-% CeO2. In diesem Konzentrationsbereich ist Ceroxid ohne jede nachteilige Wirkung auf die für Lampengläser notwendigen physikalischen Eigenschaften. Bei höheren Gehal­ ten käme es zu einer störenden Gelbfärbung des Glases, da mit CeO2 die UV- Kante des Glases zu längeren Wellenlängen verschoben wird. Weiter ist CeO2 auch ein gutes Läutermittel, weswegen auf weitere Läutermittel verzichtet wer­ den kann und dennoch eine gute blasenfreie Glasqualität erzielt wird. Aufgrund der guten Läuterwirkung des Ceroxids steigt auch die Reboiltemperatur des Glases an. Hierbei handelt es sich um die Temperatur, bei der eine bei Raum­ temperatur visuell blasenfreie Glasprobe bei Temperaturerhöhung an der Grenzfläche zu einem Metall (Probenhalter, Mo) plötzlich Blasenbildung zeigt. Das erfindungsgemäße Glas neigt also bei der Verschmelzung mit Mo weniger zum Nachschäumen ("reboil") als schlecht ausgeläuterte Gläser.
Die Anforderungen an einen möglichst niedrigen Gehalt an Alkalioxiden und an­ deren Verunreinigungen sowohl im Glas als auch im Elektrodenmaterial sind im allgemeinen um so höher, je höher die Betriebstemperaturen der Lampe sind.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei den erfindungsgemäßen Gläsern, die aufgrund ihrer thermischen Belastbarkeit für die Verwendung als Kolbenmaterial für Lam­ penkolben mit Kolbentemperaturen von maximal ca. 650°C geeignet sind, über­ raschenderweise Alkalioxidgehalte von bis zu < 0,08 Gew.-% zulässig sind.
Zur Verdeutlichung des Effektes, daß größere Mengen an Verunreinigungen toleriert werden, ohne daß das empfindliche System gestört wird und eine Schwarzfärbung des Kolbens auftritt, sei auf die unten angeführten Beispiele verwiesen.
Die Tatsache, daß beim erfindungsgemäßen Glas Alkalioxidgehalte von 0,03 Gew.-% und mehr, nämlich bis zu < 0,08 Gew.-%, tolerierbar sind, bedeutet eine Vereinfachung und Verbilligung der Herstellung des Glases und der Lampe, da dieser höhere Grenzwert nicht die Verwendung von extrem alkaliarmen Rohstof­ fen aller oxidischen Komponenten verlangt.
Wie schon oben erwähnt, ist auch der Gehalt an Wasser im Glas von Bedeu­ tung. Er soll auf höchstens 0,02 Gew.-% beschränkt bleiben. Auch der Wasser­ gehalt kann durch die gezielte Auswahl der Rohstoffe und die Schmelzbedin­ gungen entsprechend niedrig gehalten werden. Beispielsweise kann er durch die Verwendung von Aluminiumoxid statt Aluminiumhydroxid gesenkt werden.
Die erfindungsgemäßen Gläser mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten α20/300 zwischen 4,4 . 10-6/K und 4,7 . 10-6/K und Transformationstemperaturen Tg von mehr als 710°C zeigen auch im Lampentest (s. u.) eine ausreichende ther­ mische Belastbarkeit und ihre Eignung für die Verwendung als Kolbenmaterial für Lampenkolben mit Kolbentemperaturen von maximal ca. 650°C. Ihre Be­ ständigkeit gegen das Nachschäumen wird durch Reboiltemperaturen von we­ nigsten 1430°C dokumentiert.
Beispiele:
Zur Herstellung der Beispielgläser wurden als Rohstoffe für die jeweiligen oxidi­ schen Komponenten Quarzsand, Borsäure, Aluminiumoxid, Dolomit, Calcium- Bariumcarbonat und Ceroxid eingesetzt, wobei ein alkaliarmes Bariumcarbonat verwendet wurde, während die anderen Rohstoffe die für technische Gläser üb­ liche Reinheit aufwiesen. Für das Beispiel V2 (s. Tabelle 1) wurden durchweg alkaliarme Rohstoffe verwendet. Das gut homogenisierte Gemenge wurde bei 1550-1600°C geschmolzen, geläutert und homogenisiert. Anschließend wur­ den Rohre gezogen. Die Rohre wiesen eine sehr gute Glasqualität und eine ho­ he Maßhaltigkeit auf und waren frei von störenden Kriställchen.
Die Tabelle 1 zeigt zwei Beispiele erfindungsgemäßer Gläser (A) sowie drei Vergleichsbeispiele (V) mit ihren Zusammensetzungen (in Gew.-% auf Oxidba­ sis) und ihren wesentlichen Eigenschaften:
Neben dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α20,300, der Transformati­ onstemperatur (Tg), der Temperatur bei einer Viskosität von 1013 dPas (OKP), der Temperatur bei einer Viskosität von 107,6 dPas (Ew) und der Temperatur bei einer Viskosität von 104 dPas (VA) ist auch die Reboiltemperatur angegeben. Je höher diese Reboiltemperatur ist, desto weniger neigt das Glas bei der Ver­ schmelzung mit Mo zur Blasenbildung.
Für einen Lampentest wurden auf übliche Art aus den Rohren Halogenlampen (bis zu 45 Exemplare pro Beispiel) hergestellt. Es wurde Elektrodenmaterial unterschiedlichen Reinheitsgrades verwendet (in Tabelle 1 ausgedrückt als "rein" bzw. "verunreinigt"). Die Lampen wurden bei einer Kolbentemperatur von ca. 640°C betrieben. Im Fall von Beispiel V2 und V3 (s. Tabelle 1) wurde zum einen das verunreinigte Elektrodenmaterial (1)) ausgeglüht (s. 2a)). Zum ande­ ren wurde stattdessen der Glaskolben getempert (s. 2b)). Diese beiden auf­ wendigen Verfahrensschritte kommen für eine wirtschaftliche Produktion nicht in Frage. Für Beispiele, bei denen im Lampentest eine Schwärzung auf der Glas­ kolbeninnenseite auftrat, sind in der Tabelle 1 qualitative, visuell bestimmte "Schwärzungsgrade" und die Anteile (in %) der Lampen, die die jeweilige Schwärzung aufwiesen, angegeben. Dabei bedeuten 0 keine Schwärzung, 1 ei­ ne leichte, 2 eine mittlere und 3 eine starke Schwärzung.
Für das Beispiel A1 wurden die maximale Kristallwachstumsgeschwindigkeit KGmax und die Obere Entglasungsgrenze OEG (Liquidustemperatur) bestimmt. Die Ergebnisse KGmax = 0,11 µm/min und OEG = 1180°C (58 K unter VA) doku­ mentieren die gute Kristallisationsstabilität der erfindungsgemäßen Gläser.
Die Beispiele verdeutlichen, daß durch den Cer-Zusatz im Glas die Lampe grö­ ßere Mengen an Verunreinigungen, sowohl im Glas (Alkalioxide) als auch im Elektrodenmaterial, toleriert, d. h. dennoch gute Ergebnisse im Lampentest zeigt, als die Lampen mit ceroxidfreien Gläsern.
Durch diese Herabsetzung der Anforderungen an die Reinheit der Glasrohstoffe und des Elektrodenmaterials sowie der Herstellungsbedingungen wird die Her­ stellung von Lampen mit dem erfindungsgemäßen Glas einfacher und preiswer­ ter.
Tabelle 1:
Ausführungsbeispiele (A) und Vergleichsbeispiele (V):
Zusammensetzungen der Gläser (in Gew.-%) und ihre wesentlichen Eigenschaf­ ten

Claims (5)

1. Erdalkalialuminoborosilicatglas für Molybdän-Komponenten aufweisende Lampenkolben mit Kolbentemperaturen von maximal 650°C, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):
und einem Alkalioxidgehalt von < 0,08 Gew.-%
und einem Wassergehalt von ≦ 0,02 Gew.-%.
2. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen 3,1 und 5 Gew.-% B2O3 enthält.
3. Glas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis SiO2/Al2O3 ≧ 4,00 beträgt.
4. Glas nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α20/300 zwischen 4,4 . 10-6/K und 4,7 . 10-6/K, einer Transformationstemperatur Tg von mehr als 710°C und einer Reboiltemperatur von wenigstens 1430°C.
5. Verwendung eines Glases nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 als Kolbenmaterial für Lampenkolben mit Kolbentemperaturen von 550-­ 650°C.
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