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B e s c h r e i b u n g
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Gegenstand der Erfindung ist ein lichtdurchlässiges oder durchscheinendes
Aluminiumoxidkeramikrohr und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Als Material für Hüllen oder Rohre für Hochdrucknatriumlampen wird
häufig eine lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik verwendet. Das Material ist chemisch
stabil, besitzt eine große mechanische Festigkeit und zeigt ausgezeichnete elektrische
und thermische Eigenschaften.
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Wegen dieser günstigen Eigenschaften findet die lichtdurchlässige
Aluminiumoxidkeramik vielfältige Anwendungszwecke. Zur weiteren Steigerung der Nutzbarkeit
dieses Materials müssen die Formen oder Formgestaltungen dieses Materials erweitert
werden.
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Bislang wird die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik durch isostatisches
Pressen, durch Strangpressen und durch trockenes Pressen geformt. Dies hat zur Folge,
daß die herstellbaren Formen auf einfache Formen, wie Röhren, Platten und Flanschplatten
beschränkt sind. Mit Hilfe der bislang angewandten Verformungsmethoden ist es schwierig,
Rohre mit über die Länge variierenden Durchmessern herzustellen.
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Beispielsweise ist es schwierig, Hochdrucknatriumlampen dicht zu verschließen.
Daher ist es erwünscht, daß sie an den dicht zu verschließenden Endbereichen einen
geringeren Durchmesser aufweisen als in dem mittleren Bereich. Dabei ist es schwierig,
in herkömmlicher Weise durch isostatisches Pressen, durch Strangpressen oder durch
trockenes Verpressen solche Rohre herzustellen.
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Auch die Hüllen oder Rohre für Metallhalogenidlampen werden vorzugsweise
eher aus einer lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik als aus dem üblicherweise
verwendeten Quarzglas hergestellt. Eine bevorzugte Form der Rohre für Metailhalogenidlampen
ist jedoch nicht ein gerades Rohr, sondern wegen des normalen Verhaltens des Lichtbogens
ein Rohr, welches in seinem Mittelbereich aufgewölbt ist. Erneut ist es mit Hilfe
der herkömmlichen Verfahren zum Formen von lichtdurchlässiger Aluminiumoxidkeramik
unmöglich, ein Produkt solcher Gestalt herzustellen.
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Das Schlickergießen ist ein beliebtes Verfahren für die Herstellung
von geformten Gegenständen aus lichtdurchlässiger Aluminiumoxidkeramik. Hierbei
ergeben sich jedoch die folgenden vielfältigen Probleme: (1) Das Ausgangsmaterial
für die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik ist ein Aluminiumoxidpulver mit Teilchen
mit extrem geringem Durchmesser, wobei sogar die größten Teilchen 1 pm nicht übersteigen.
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Beim Herstellen eines Schlickers oder einer Aufschlämmung aus einem
solchen ultrafeinen Pulver ist es schwierig, die Menge des flüssigen Mediums (normalerweise
Wasser) zu vermindern. Dies hat zur Folge, daß die Dichte der Gußstücke niedrig
ist, was das anschließende Brennen oder Sintern der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik
erschwert, so daß lediglich poröse Produkte erhalten werden.
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(2) Damit lichtdurchlässiges Alurnillitlmoxid eine ausreichende Lichtdurchlässigkeit
besitzt, muß das als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumoxidpulver eine Reinheit
von nicht weniger als 99,9 % aufweisen. Diese Anforderung begrenzt die Art und die
Men-
ge der für die I-Ierstellung'des- Gießschlickers oder der Gießaufschlämmung
zu verwendenden Additive erheblich.
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(3) Zu dem Schlicker oder der Aufschlämmung des Aluminiumoxidpulvers
muß ein Entflockungsmittel bzw. Dispergiermittel zugesetzt werden. Die theoretische
Erklärung der Wirkung des Entflockungsmittels beruht auf dem Vergießen herkömmlicher
Keramiken. Das Vergießen herkömmlicher Keramiken erfolgt im allgemeinen unter Anwendung
von tonhaltigen Systemen.
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Aufgrund dieser Tatsache sind die herkömmlichen Theorien bezüglich
der Wirkung der Entflockungsmittel nicht auf Systeme anwendbar, in denen ultrafeine
Pulver, wie Aluminiumoxidpulver, verwendet werden.
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Beim Vergießen von tonfreien Keramiken werden überwiegend Natrium
enthaltende Verbindungen als Entflockungsmittel verwendet, wie Wasserglas, Natriumhumat,
Natriumalginat und Polyvinylalkohol. Diese Entflockungsmittel können jedoch nicht
das Formen von lichtdurchlässiger Aluminiumoxidkeramik verwendet werden.
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Im allgemeinen wird die Zugabe des Entflockungsmittels in einer Menge
von 0,05 bis 0,3 Gew.-% bezogen auf das pulverförmige Entflockungsmittel, empfohlen.
Diese Additionsmenge wurde jedoch für Pulver mit normaler Teilchengröße cntwickelt
und nicht für ultrafeine Pulver mit einer drastisch gesteigerten spezifischen Oberfläche.
Demzufolge ist auch die Menge des zu dem Aluminiumoxidpulver zuzusetzenden Entflockungsmittels
nicht geklärt (4) Vor dem Formen der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik wird
ein das Kornwacnstum inhibierendes Mit-
tel zu dem Schlicker oder
der Aufschlämmung zugesetzt. Für diesen Zweck sind Magnesiumverbindungen verwendet
worden. Magnesiumverbindungen setzen jedoch beim Auflösen in Wasser Magnesiumionen
frei.
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Eine wesentliche Menge von Magnesiumionen bewirkt jedoch zusammen
mit dem Entflockungsmittel eine Steigerung der Viskosität des Schlickers oder der
Aufschlämmung. Wenn die Viskosität des Schlickers oder der Aufschlämmung zunimmt,
muß der Feststoffgehalt des Schlickers oder der Aufschlämmung vermindert werden.
Demzufolge muß zur Bildung eines Schlickers oder einer Aufschlämmung mit einem hohen
Feststoffgehalt eine größere Menge des Entflokkungsmittels verwendet werden, was
jedoch zur Rißbildung in dem geformten und gebrannten Produkt führen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes
lichtdurchlässiges Aluminiumoxidkeramikrohr und ein Verfahren zu seiner llerstellung
zu schaffen, mit dem es möglich wird, das Rohr in beliehiger Form auszubilden.
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Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des
Verfahrens gemäß ilauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte
Ausführungsformen dieses Verfahrens und die mit diesem Verfahren herstellbaren Lampenrohre.
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Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen crläutert. Ln den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen Lampenrohrs;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines
Rohrs, von dem ein Teil des Materials zur Verminderung der Wandstärkc abgetragen
worden ist; Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht eines Lampenrohrs, bei dem ein
Teil des Materials im Bereich mit großem Durchmesser zur Verminderung der Wandstärke
abgetragen worden ist; Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht eines Lampenrohrs, bei
dem ein Teil des Materials im Bereich mit geringem Durchmesser zur Verminderung
der Wandstärke abgetragen worden ist; Fig. 5 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
lichtdurchlässigen Aluminiumoxidlampenrohrs; und Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht
des in dem Kreis A der Fig. 5 dargestellten Bereichs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, durch Vermischen von
Aluminiumoxidpulver, Wasser, einem Entf lokkungsmittel bzw. Dispergiermittel und
einer Magnesiumverbindung einen Schlicker oder eine Aufschlämmung zu bilden, den
Schlicker oder die Aufschlämmung durch entwässerndes Gießen zu formen und anschließend
das geformte Material zu brennen oder zu sintern.
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Bei diesem Verfahren werden als Entflockungsmittel bzw.
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Dispergiermittel Verbindungen verwendet, die bislang als Koagulationsmittel
verwendet worden sind. Das Koagulationsmittel kann organisch oder anorganisch scin,
vorausgesetzt, daß es frei ist von Metallionen,die von Aluminium'ionen verschieden
sind, oder das auch keine Alumi-
niumionen enthält.
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Beispiele für geeignete organische Koagulationsmittel sind Polyacrylamid,
Ammoniumpolyacrylat, Ammoniumsalze von Carboxymethylcellulose, Polyethylenimin und
Polyvinylpyridin.
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Ein spezifisches Beispiel für ein anorganisches Koagulationsmittel
ist Polyaluminiumchlorid.
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Die geeignete Menge des Koagulationsmittels erstreckt sich von 0,05
bis 10 Gew.-% (wobei hier und im folgenden die Prozentsätze auf das Gewicht bezogen
sind), bezogen auf das Aluminiumoxidpulver. Wenn die zugesetzte Menge des Koagulationsmittels
unterhalb des oben angegebenen Bereichs liegt, ist die Entflockung des Pulvers unzureichend,
so daß der Feststoffgehalt des Schlickers bzw. der Aufschlämmung niedrig wird, so
daß die aus dem Schlicker hergestellte lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik keine
gesinterten oder gebrannten Gegenstände mit hoher Dichte liefert. Da die Pulverteilchen
eine große spezifische Oberfläche aufweisen, können sie selbst bei Anwendung einer
geringen Menge des Entf lokkungsmittels eine lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik
liefern, wenn ihre Sinteraktivität relativ groß ist.
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Teilchen mit einer geringen spezifischen Oberfläche ergeben nicht
die gewünschte lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik, es sei denn, daß sie in perfekter
Weise entflockt werden, um die Konzentration der festen Bestandteile in dem Schlicker
zu steigern.
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Wenn eine zu große Menge des Koagulationsmittels zugesetzt wird, neigen
die geformten Gegenstände zur Bildung von Rissen.
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Wenn ein organisches Koagulationsmittel als Entflockungsmittel verwendet
wird, müssen die aus der Form entnommenen Formgegenstände in einer oxidierenden
oder Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre gebrannt oder calciniert werden, um das
organische Koagulationsmittel abzubrennen. Die bevorzugte Calcinierungstemperatur
erstreckt sich von 800 bis 1500"C.
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Ein Schlicker, der ausschließlich aus anorganischen Bestandteilen
besteht, muß nicht calciniert werden. In diesem Fall wird der getrocknete Formgegenstand
so, wie er ist, bei einer hohen Temperatur entweder in einer Wasserstoffatmosphäre
oder im Vakuum gebrannt oder gesintert. Die bevorzugte Sintertemperatur erstreckt
sich von. 1700 bis 19500C.
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Das als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumoxidpulver besitzt vorzugsweise
eine spezifische Oberfläche von 1,5 m2/g bis 100 m2/g. Wenn die spezifische Oberfläche
größer ist als 100 m2/g, läßt sich der Feststoffgehalt des Schlickers nicht rn ausreichendem
Maße steigern, so daß der gesinterte Gegenstand nicht lichtdurchlässig ist. Dies
beruht darauf, daß ein großer Anteil des Pulvers nicht vollständig in d-Aluminiumoxid
umgewandelt wird.
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Wenn die spezifische Oberfläche des Aluminiumoxidpulvers weniger als
1,5 m2/g beträgt, kann ein Schlicker mit einem hohen Feststoffgehalt gebildet werden,
ergibt jedoch Sintergegenstände mit Poren, die damit eine geringe Lichtdurchlässigkeit
aufweisen. Dies beruht darauf, daß die Aktivität des Pulvers nicht dazu ausreicht,
eine perfekte Dichte des gesinterten Körpers zu ergeben.
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Die Reinheit des Aluminiumoxidpulvers beträgt vorzugs-
weise
mehr als 99,9 %.
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Die bevorzugte Menge der zu dem Aluminiumoxidpulver zugesetzten Magnesiumverbindung
beträgt 0,01 bis 0,2 Gew.-%, als Magnesiumoxid gerechnet. Je geringer die zugesetzte
Menge der Magnesiumverbindung innerhalb des oben angegebenen Bereichs ist, um so
besser wird die Qualität des gesinterten Gegenstands.
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Wenn das Zugabeverhältnis der Magnesiumverbindung weniger als 0,01
Gew.-%, als Magnesiumoxid gerechnet, beträgt, kann ein lokales übermäßiges Kornwachstum
erfolgen, wodurch die Festigkeit des gebildeten lichtdurchlässigen Aluminiumoxids
vermindert wird.
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Wenn das Verhältnis 0,2 Gew.-% übersteigt, werden an den Rändern der
Korngrenzen der Keramik Spinellkristalle gebildet, wodurch die Lichtdurchlässigkeit
der gebildeten lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik beeinträchtigt wird.
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Die Magnesiumverbindung besitzt vorzugsweise die minimal mögliche
Löslichkeit, die vorzugsweise nicht mehr als 0,03 beträgt.
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Als Magnesiumverbindung kann man beispielsweisc Magnesiumphosphat,
Magnesiumaluminiumspinell, Magnesiumhydroxid und Magnesiumoxid mit Vorteil verwenden.
Man kann auch Magnesiumfluorid, Magnesiumcarbonat und Magnesiumhydroxycarbonat einsetzen.
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Wenn Magnesiumoxalat oder Ammoniummagnesiumphosphat verwendet wird,
muß eine große Menge des Entflockungsmittels eingesetzt werden, um eine Viskosität
des Schlikkers oder der Aufschlämmung zu erreichen, die derjeni-
gen
äquivalent ist, die mit anderen Magnesiumverbindungen erreicht werden kann. Der
letztlich erhaltene Formgegenstand ebenso wie der gesinterte Gegenstand neigt daher
zur Bildung von Rissen.
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Der Wassergehalt des Schlickers erstreckt sich vorzugsweise von 10
bis 50 Gew.-%.
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Wenn die Rauhigkeit der inneren Oberfläche einer lichtdurchlässigen
Aluminiumoxidkeramik in Rohrform geringer ist als auf der äußeren Oberfläche des
Rohrs, und zwar vor und nach dem chemischen Polieren, können ausgezeichnete Eigenschaften
des Lampenrohrs erzielt werden.
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Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die folgenden
Beispiele erläutert, in denen die Teile auf das Gewicht bezogen sind.
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Beispiel 1 (A) Man bildet in der nachfolgend angegebenen Weise unter
Anwendung variierender Mengen des Entflockungsmittels bei jedem Ansatz lichtdurchjässige
oder durchscheinende Aluminiumoxidporzellangegenstände.
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Als Magnesiumverbindung verwendet man, Magnesiumphosphat (Mg(PO4)2.8H2O).
Das Mischungsverhältnis von Aluminiumoxidpulver, entionisiertem Wasser und Magnesiumphosphat
ist im folgenden angegeben: Aluminiumoxidpulver 100 Gew.-Teile Entionisiertes Wasser
18 Gew.-Teile Magnesiumphosphat 0,3 Gew.-Teile Zu der obigen Mischung gibt man l'vlyacrylamid
als Entflockungsmittel
in einer Menge, die in jedem Ansatz variiert,und
0,1, 0,5, 2,5, 10 bzw. 50 Gew.-Teile beträgt. Das eingesetzte Aluminiumoxidpulver
besitzt eine Reinheit von 99,95 Gew.-% und eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g.
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Wenn man lediglich 0,1 Gew.-Teile Polyacrylamid zusetzt, so ist die
erhaltene Mischung nicht fließfähig. Bei Anwendung einer Polyacrylamidmenge von
0,5 Gew.-Teilen oder mehr erhält man eine Mischung in Form eines formbaren Schlickers
oder einer formbaren Aufschlämmung.
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Jeder Schlicker wird dann durch entwässerndes Gießen unter Verwendung
einer Gipsform geformt. In dieser Weise bildet man rohrförmige Gußstücke mit einem
Außendurchmesser von 30 mm, einer Länge von 30 mm und einer Wandstärke von 1 mm.
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Die Gußstücke werden aus der Form entnommen und bis zum vollständigen
Trocknen stchengelassen, wonach sie während 2 Stunden in einer Luftatmosphäre gebrannt
oder gesintert und dann während 3 Stunden bei 1900um im Vakuum gesintert werden.
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Als Ergebnis ist festzuhalten, daß der gebrannte Gegenstand, bei dessen
Herstellung 50 Gew.-Teile Polyacrylamid verwendet worden sind, eine starke Rißbildung
zeigt. Der unter Verwendung von 10 Gew.-Teilen Polyacrylamid gebildete Gegenstand
zeigt einen Riß, während die unter Zugabe von 0,5 Gew.-Teilen bzw. 2,5 Gcw.-Teilen
Polyacrylamid gebildeten Gegenstände ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen und
keinerlei Risse zeigen. Allc diese gebrannten Gegenstände sind halbtransparent und
bestehen aus einer
lichtdurchlässigen oder durchscheinenden Aluminiumoxidkeramik.
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(B) Es werden ähnliche Untersuchungen durchgeführt, bei denen anstelle
des Polyacrylamids Polyaluminiumchlorid als Entflockungsmittel verwendet wird, während
die übriqen Bedingungen denen der obigen Untersuchungen (A) entsprechen.
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Als Ergebnis davon kann man mit einer Mischung, die 0,1 Gew.-Teile
Polyaluminiumchlorid enthält, anders alsim Fall der Verwendung von Polyacrylamid
einen Schlicker oder eine Aufschlämmung bilden.
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Wenn man somit Polyaluminiumchlorid als Entflockungsmittel verwendet,
kann man seine Menge von 0,1 Gew.-Teile bis 10 Gew.-Teile variieren, ohne daß sich
irgendwelche Risse in den gesinterten Gegenständen bilden.
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Beispiel 2 (A) Man bildet lichtdurchlässige Aluminiumoxidgegenstände
ausgehend von Aluminiumoxidpulvern unterschiedlicher spezifischer Oberfläche.
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Zur Herstellung der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik verwendet
man Aluminumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von 150, 100, 50, 10, 3
bzw. 1,5 m2/g.
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Sämtliche Pulver besitzen eine Reinheit von 99,9 %. Zu jedem Aluminiumoxidpulver
gibt man Ammoniumpolyacrylat in einer Menge von 4 x 10 9/1112 .
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Jede der in dieser Weise erhaltenen Mischungen aus Aluminiumoxidpulver
und Ammoniumpolyncrylat wird durch Zu-
gabe von entionisiertem
Wasser zu einem Schlicker oder einer Aufschlämmung mit einer Viskosität von 0,5
Pas (5 Poise) verarbeitet. Die für jeden Fall notwendige Wassermenge ist in der
nachfolgenden Tabelle I angegeben. Die in der Tabelle 1 aufgeführten Ergebnisse
lassen erkennen, daß in dem Maße, da das Aluminiumoxidpulver feinteiliger wird,
eine größere Menge entionisierten Wassers zur Bildung eines Gießschlickers erforderlich
ist.
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TABELLE I Spezifische Ober- 150 100 50 10 3 l,5 fläche (m2/g) Aluminiumoxidpulver
100 100 100 100 100 100 (Gew. -Teile) Durch Ionenaustausch entionisiertes Wasser
120 9() 60 30 20 18 (Gew.-Teile) Dann gibt man zu jedem Schlicker 0,2 Gew.-Teile
Aluminiummagnesiumspinell. Anschließend wird jeder Schlikker unter Verwendung einer
Gips form mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 150 mm unter
Entwässerung vergossen. In dieser Weise erhält man ein Gußstück in Form eines 1<
Rohres mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einer Wandstärke von 1 mm und einer
Länge von 150 mm.
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Die Gegenstände werden aus der Form entnommen, vollständig getrocknet
und während 1 Stunde in einer Luftatmosphäre bei 1200°C calciniert. Anschließend
werden sie während 3 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1800"C gesintert.
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Anschließend mißt man die Gesamtlichtdurchlässigkeit und
die
mechanische Biegefestigkeit der gebildeten Rohre. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse
sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.
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TABELLE II Spezifische Oberfläche des Alumi- 150 100 50 10 3 1,5
niumoxidpulvers (m2/g) Durchlässigkeit für 88 92 94 94 93 89 diffuses Licht ($)
Biegefestigkeit 1600 1900 2300 2400 2200 1800 (kgf/cm2) Die Ergebnisse lassen erkennen,
daß dann, wenn das Aluminiumoxidpulver eine spezifische Oberfläche von 150 m2/g
aufweist, das Rohr undurchsichtig und nicht transparent und auch verformt ist. Andererseits
bestehen die aus dem Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich
von 100 m2/g bis 3 m2/g aus lichtdurchlässigem Aluminiumoxid und besitzen ausgezeichnete
Eigenschaften.
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Wenn ein Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von
1,5 m2/g verwendet wird, wird das Rohr etwas trübe.
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(B) Man wiederholt die obigen Maßnahmen unter Anwendung der gleichen
Ausgangsmaterialien mit dem Unterschied, daß das als Entflockungsmittel verwendete
Ammoniumpolyacrylat durch Polyaluminiumchlorid ersetzt wird, welches in einer Menge
von 1 x 10 4 g/m2 zu jedem Aluminiumoxidpulver zugesetzt wird.
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Die Untersuchungen zeigen, daß unter Verwendung von Polyaluminiumchlorid
als Entflockungsmittel ähnliche Ergebnisse erhalten werden können, wie sie oben
unter
(A) angegeben sind.
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Beispiel 3 Man bereitet eine lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik.
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Dabei werden die Reinheit des Aluminiumoxidpulvers, die Art der Magnesiumverbindung
und die Sintertemperatur bei jedem Ansatz variiert.
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Die Aluminiumoxidpulver besitzen Reinheiten von 99,8 Gew.-%, 99,9
Gew.-% bzw. 99,99 Gew.-%. Sämtliche Aluminiumoxidpulver besitzen eine spezifische
Oberfläche von 25 m2/g.
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Als Magnesiumverbindung verwendet man Magnesiumphosphat, Magnesiumhydroxycarbonat
und Magnesiumoxalat.
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Man setzt Ammoniumpolyacrylat als Entflockungsmittel ein.
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Das Mischungsverhältnis eines jeden Aluminiumoxidpulvers mit dem entionisierten
Wasser, dem Ammoniumpolyacrylat und der Magnesiumverbindung ist dabei das folgende:
Aluminiumoxidpulver 100 Gew.-Teile Entionisiertes Wasser 50 Gew.-Teile Ammoniumpolyacrylat
1 Gew.-Teil (4 x 10-4 g/m2) Magnesiumverbindung 0,02 Gew.-Teile (als Magnesiumoxid
gerechnet) Man bestimmt die Viskositäten der gebildeten Schlicker.
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Die-hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III
zusammengestellt.
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TABELLE 111
| Magnesium- Reinheit des Alu- Viskosität des |
| verbindung miniumoxidpulvers Schlickers (Pas) |
| (Gew.-%) (Poise) |
| Magnesium- 99,8 0,5 (5) |
| phosphat 99,9 0,45 (4,5) |
| 99,99 0,42 (4,2) |
| Magnesium- 99,8 1,5 (15) |
| hydroxy- 99,9 1,3 (13) |
| carbonat 99,99 1,2 (12) |
| 99,8 nicht meßber |
| Magnesium- |
| 99,8 8 (80) |
| oxalat 99,8 8 (80) |
| 99,99 7,5 (75) |
Es ist nicht möglich, den Magnesiumoxalat enthaltenden Schlicker entwässernd zu
vergießen (drain casting), wenngleich er durch Festvergießen (solid casting) verformt
werden konnte.
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(A) Man läßt jeden Schlicker oder jede Aufschlämmung auf eine Gipsplatte
tropfen zur Bildung einer Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 50 mm und einer
Dicke von 5 mm, die gut getrocknet, in einer Luftatmosphäre bei 8000C gebrannt und
dann im Vakuum während 5 Stunden bei Temperaturen von 17000C, 18000C, 19000C bzw.
19500C gebrannt oder gesintert wurde Man bestimmt die scheinbare Dichte der in dieser
Weise erhaltenen gesinterten Scheiben und ihr Aussehen. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse
sind in der nachfolgenden Tabelle IV zusammengestellt.
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(B) Man gibt entionisiertes Wasser zu einem jeden Schlik-
ker,
um dessen Viskosität auf etwa 0,4 Pas (4 Poise) einzustellen. Dann gießt man den
Schlicker oder die Aufschlämmung in eine Gipsform und formt .das Material durch
entwässerndes Vergießen. Die Form besitzt einen Innendurchmesser von 10 mm und eine
Länge von 150 mm.
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Man erhält in dieser Weise ein Gußstück in Form eines Rohrs mit einer
Wandstärke von 1 mm. Die Rohre werden calciniert und bei den oben unter (A) angegebenen
Temperaturen gesintert.
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Man mißt die Gesamtlichtdurchlässigkeit der gesinterten Rohre. Die
hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in ebenfalls in der Tabelle IV zusammengestellt.
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TABELLE IV M a g n e s i u m [) h o s p h a t
| Alumi- Sinter- Dichte Durchläs- Beobachtetes Aussehen |
| niumoxid- tempe (g/cm3) sigkeit f. |
| reinheit ratur diffuses |
| (Gew.-%) (°C) Licht (%) |
| 1700 3,96 85,0 grau nicht lichtdurchlässig |
| 99,8 1800 3,97 85,0 grau. lichtdurchlässig |
| 1900 3,97 87,0 grau lichtdurchlässig |
| 1950 3,96- 87,0 grau teilweise abnormes Teil- |
| chenwachstum |
| 1700 3,975 -92,0 schmutzig- |
| weiß |
| 1800 3.98 92,0 schmutzig lichtdurrchlässig |
| 99,9 weiß |
| 1900 3,98 93,0 schmutzig- |
| weiß |
| 1950 3,97 92,5 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 1700 3,98 96,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 1800 3,98 96,5 sehr gut lichtdurchlässig |
| 1900 3,98 96,5 sehr gut lichtdurchlässig |
| 1950 3.975 96,0 etwas grobe lichtdurchlässig |
| Textur |
TABELLE IV (Fortsetzung) M a g n e s i u m h y d r o x y c a r
b o n a t
| Alumi- Sinter- Dichte Gesamt- |
| niumoxid- tempe- (g/cm3) lichtdurch- Beobachtetes Aussehen |
| reinheit ratur - lässigkeit |
| (Gew.-%) (°C) (%) |
| 1700 3,95 80,5 grau nicht lichtdurchlässig |
| 99,8 1800 3,96 82,5 grau nicht lichtdurchlässig |
| 1900 3,96 83,0 grau nicht lichtdurchlässig |
| 1950 3,96 83,0 grau nicht lichtdurchlässig |
| 1700 3,'37 91,0 schmutzig- |
| weiß |
| 1800 3,975 92,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 99,9 1900 3,975 92,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 1950 3,97 9,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 1700 3,98 96,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 1800 3,98 96,5 ~ sehr gut lichtdurchlässig |
| 1900 ~ 3,98 96,5 schmutzig- sehr gut lichtdurch- |
| weiß lässig |
| 1950 3,975 95,0 etwas gro- lichtdurchlässig |
| be Textur |
TABELLE IV (Fortsetzung) Magnesiumoxalat
| Aluni- Sinter- Dichte Gesamt- |
| niumoxid- tempe- (g/cm3) licht- |
| reinheit ratur durchläs- Beobachtetes Aussehen |
| (Gew.-8) (°C) sigkeit (%) |
| 1700 3,88 70,0 grau nicht lichtdurchlässig |
| 99,8 1800 3,90 75,0 grau nicht lichtdurchlässig |
| 1900 3,90 75,0 grau nicht lichtdurchlässig |
| 1950 3,89 75,0 grau nicht lichtduchlässig |
| 1700 3,93 86,0 weiß nicht lichtdurchlässig |
| 1800 3,94 87,0 weiß nicht lichtdurchlässig |
| 1900 3,94 87,0 weiß nicht lichtdurchlässig |
| 1950 3,94 87,0 weiß nicht lichtdurchlässig |
| 1700 3,95 90,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| 1800 3,96 92,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| 99,99 weiß |
| 1900 3,96 92,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
| - 1950 3,96 92,0 schmutzig- lichtdurchlässig |
| weiß |
Das oben beschriebene Verfahren ist für die Herstellung von anderen
feinen Keramikmaterialien anwendbar, beispielsweise für die Herstellung von Zirkoniumdioxidkeramiken
mit hoher Dichte und für Spinellkeramiken.
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Mit Hilfe des oben angesprochenen Verfahrens können lichtdurchlässige
Aluminiumoxidkeramikröhren durch entwässerndes Vergießen hergestellt werden. Das
Verfahren ermöglicht die Herstellung einer solchen Keramik in vielfältiger geeigneter
Form, beispielsweise ungeformter Röhren. Insbesondere die lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramikröhren
haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen als Spezialröhren für Lampen.
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Beispiel 4 Man vermischt Aluminiumoxidpulver, entionisiertes Wasser
und Magnesiumphosphat in den im folgenden angegebenen Mengenverhältnssen: Aluminiumoxidpulver
100 Gew.-Teile Entionisiertes Wasser 18 Gew.-Teile Magnesiumphosphat 0,3 Gew.-Teile
Zu der obigen Mischung gibt man Polyacrylamid als Entflockungsmittel in einer Menge
von 0,5 Gew.-Teilen. Das eingesetzte Aluminiumoxidpulver besitzt eine Reinheit von
99,95 Gew.-% und eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g. Die Viskosität des Schlickers
beträgt 0,5 Pas (5 Poise).
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Wenn die Menge des Polyacrylamids Q,5 Gew.-Teile beträgt, ergibt die
Mischung einen formbaren Schlicker. Jeder Schlicker wird unter Verwendung einer
Gipsform durch entwässerndes Vergießen verformt.
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Durch entwässerndes Vergießen wird ein Keramikrohr für Lampen der
in der Fig. 1 dargestellten Form hergestellt.
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Der Bereich 10a mit großem Durchmesser im mittleren Abschnitt des
Rohrs besitzt einen Außendurchmesser von 13 mm. Die Bereiche 10b und 10c mit geringem
Durchmesser an den Endabschnitten besitzen äußere Durchmesser von 9 mm. Die Gesamtlänge
des Rohrs beträgt 157 mm.
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Der in dieser Weise erhaltene Formgegenstand wird während 2 Stunden
bei 9000C gebrannt. Anschließend wird der gebrannte Gegenstand zerschnitten und
es wird seine Wandstärke oder seine Dicke gemessen. Die Dicke bzw.
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Wandstärke des Rohrs ergibt an verschiedenen Stellen einen Wert von
1 mm + 0,05 mm.
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Andererseits wird der in der obigen Weise gebrannte oder gesinterte
Gegenstand, der nicht zerschnitten'wurde, derart bearbeitet, daß seine Wandstärke
oder Dicke vermindert wird und wird dann während weiterer 10 Stunden bei 18000C
in einer Wasserstoffatmosphäre gebrannt, so daß ein lichtdurchlässiges Aluminiumoxidkeramikrohr
gebildet wird. Als Ergebnis davon beträgt der Außendurchmesser des Bereichs mit
großem Durchmcsser des Rohrs 9,5 mm bei einem Innendurchmesser an dieser Stelle
von 8 mm, während der Außendurchmesser der Bereiche mit geringem Durchmesser 5,7
mm bei einem Innendurchmesser von 4,2 mm beträgt, während die Gesamtlänge des Rohrs
114 mm beträgt.
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Das Lampenrohr 10 besitzt einen geraden Bereich 10a mit großem Durchmesser
und an den Enden Bereiche lOb und 10c mit geringem Durchmesser. Das Lampenrohr 10
besitzt im wesentlichen die gleiche Dicke oder Wandstärke über die gesamte Länge.
Die Innenwandungen 10d und 10e an den Verbindungsabschnitten zwischen dem Bereich
10a mit großem Durchmesser und den Bereichen lOb und 10c mit gerin-
gem
Durchmesser sind graduell gekrümmt, beispielzweise mit einem Krüminungsradius R
von 0,5 mm odor mehr, Die Bezugaziffern 11 und 13 stehen fUr Elektroden. Die Elektrode
11 ist über den Haltestab 12 mit dem Bereich 10c mit geringem Durchmesser des Lampenrohrs
10 verbunden. Die Elektrode 13 ist in dem Niobabgasrohr 15 fixiert, welches seinerseits
mit dem Bereich lOb mit geringem Durchmesser des Leuchtrohrs 10 verbunden ist, Es
werden Natriumhochdrucklampen unter Verwendung des obigen Lampenrohrs 10 untersucht
im Hinblick auf die Lampenherstellung, den Wirkungsgrad der Lichtdurchlässigkeit
und die Lebensdauer. Die hierbei erhaltenen Untersuchungsergebnisse sind in der
Tabelle V angegebene In der Tabelle V steht das Symbol "o" dafür, daß eine Lampe
hergestellt werden kann, während das Symbol "x" bedeutet,daß keine Lampe hergestellt
werden kann,
TABELLE V
| Probe Abnahme d. Lampenherstell- Lampenwir- Lebensdauer |
| Nr. Wandstärke barkeit kungsgrad (kh) |
| (mm) (l/W) |
| 1 0,8 o 0 144 15 |
| 2 0,6 o 143 I2 |
| 3, 0,5 o- 144 - 6 |
| 4 0,4 o 143 3 |
| 5 0,8 o 146 - 18 |
| 6 0,6 0 145 12 |
| 7- 0,5 x (teilweise) 147 - 2 |
| -8 0,4 x - - |
| 9 0,8 o 140 18 |
| 10 0,6 o 1.35 20 |
| 11 0,5 o 130 ' 12 |
| 12 0,4 o 120 12 |
| 13 0,8 o 146 - 14 |
| 14 0,6 0 145 13 |
| 15 0,5 0 148 10 |
| 16 0,4 0 147 8 |
| Keine Bearbei- |
| 17 o 145 20 |
| tung |
Wie aus der Tabelle V bezüglich der Proben der Nr. 1 bis 4 abzulesen ist, ergibt
sich dann, wenn der Bereich 10a mit großem Durchmesser innerhalb eines Bereichs-von
60° in der Radiusrichtung durch Abtragen dünner gemacht wird, eine statistische
Verteilung der Wandstärke des Rohrs 10, so daß die Lebensdauer der Lampe nachläßt.
Auch wenn der Bereich 10b mit geringem Durchmesser in gleicher Weise abgetragen
wird, nimmt die Lebensdauer der Lampe ab,wie bezüglich der Proben der Nr. 5 bis
8 abgelesen werden kann.
-
Wenn der Bereich 10a mit großem Durchmesser zur Verdün-
nung
abgetragen wird, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, ergibt sich eine Verminderung
des Wirkungsgrads der Lichtdurchlässigkeit,was anhand der Proben der Nr.
-
9 bis 12 erkennbar ist.
-
Wenn andererseits der Bereich 10c mit geringem Durchmesser durch Abtragen
dünner gemacht wird, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, ergibt sich eine Verminderung
der Lebensdauer der Lampe, was aus den Ergebnissen der Proben der Nr. 13 bis 16
abzulesen ist. Insbesondere dann, wenn die Verminderung der Wandstärke mehr als
50 % beträgt, nimmt die Lebensdauer der Lampe in bemerkenswerter Weise ab.
-
Wenn'das Lampenrohr 10 in Form eines Stücks oder eines Körpers gebildet
wird und an beiden Enden Bereiche mit geringem Durchmesser aufweist, wie es in der
dargestellten Ausführungsform der Fall ist, ist nur eine geringe Menge Fritte notwendig,
so daß die Lebensdauer der Lampe gesteigert werden kann.
-
Beispiel 5 Nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise bildet
man durch entwässerndes Vergießen Aluminiumoxidröhren mit Bereichen geringen Durchmessers
an den Enden. Der Wassergehalt des Schlickers und der Gips form werden für jeden
Ansatz variiert, so daß die Aufbaugeschwindigkeit der vergossenen Schicht in der
Form variiert wird. Als Ergebnis davon bildet man verschieden gekrümmte innere Oberflächen,
wie es in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, wobei die Bezugsziffer R für den Krümmungsradius
steht.
-
Die Gußstücke werden provisorisch in einer Luftatmosphäre während
1 Stunde bei 10000C gebrannt und dann während 8 Stunden im Vakuum bei 18200c weiter
gebrannt oder gesintert
unter Bildung von lichtdurchlässigen Aluminiumoxidröhren.
Die Radien R der verschiedenen Röhren betragen 0,36 mm, 0,50 mm, 0,57 mm, 0,71 mm,
1,43 mm bzw.
-
2,14 mm.
-
Zur Verbesserung der wirksamen Lichtemittierung aus dem Rohr und zur
Steigerung der Lichtdurchlässigkeit undinsbesondere der Inline-Durchlässigkeit ist
ein chemisches Polieren des Rohrs bevorzugt. Hierzu ist insbesondere auf die japanische
Patentveröffentlichung Nr.
-
57-8069 bzw. die JP-PS 1116172 mit dem Titel "Verfahren zum chemischen
Polieren von Aluminiumoxidkeramik11 zu verweisen.
-
Es werden Natriumhochdrucklampen mit einem chemisch polierten Aluminiumoxidrohr
bezüglich ihres Lichtdurchlässigkeitswirkungsgrads und ihrer Lebensdauer untersucht.
-
Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle
VI zusammengestellt.
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TABELLE VI
| Pro- R Gesintertes Rohr Chemisch poliertes Rohr |
| be R |
| Nr. (mm) Lampen- Lebens- Lampenwir- Lebens- |
| wirkungs- dauer kungsgrad dauer (kh) |
| grad (lfl (kh) .(l/W) |
| 1 0,36 143 7 150 8 |
| 2 0,50 146 12 152 13 |
| 3 0,57 148 15 152 15 |
| 4 0,71 150 18 155 19 |
| 5 1,43 152 21 157 25 |
| 6 2,14 153 23 ~ 159 27 |
Wie aus der obigen Tabelle VI zu erkennen ist, ist dann, wenn der Radius R 0,36
nm beträgt, die Lebensdauer der Na-
triumhochdrucklampe nicht ausreichend.
Es ist weiterhin erkennbar, daß durch chemisches Polieren der Wirkungsgrad der Lichtdurchlässigkeit
und die Lebensdauer gesteigert werden können.
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Beispiel 6 Man bereitet nach der in Beispiel 4 beschriebenen Verfahrensweise
durch entwässerndes Vergießen Aluminiumoxidröhren und brennt sie dann zu lichtdurchlässigen
Aluminiumoxidkeramikröhren. Diese Röhren werden weiterhin chemisch poliert. Die
Rauhigkeit der Röhren vor und nach dem chemischen Polieren ist in der folgenden
Tabelle VII angegeben. Sowohl vor als auch nach den: chemischen Polieren ist die
innere Oberfläche der Röhren glatter als ihre äußere Oberfläche.
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In der Tabelle VII steht Ra für den Durchschnittswert von 8 bis 10
Messungen, während Rmax den Durchschnittswert von 10 Messungen multipliziert mit
0,8 pm beträgt.
-
Wenn die innere Oberfläche des Rohrs ausgezeichnet glatt ist, kann
das Licht einer Lichtquelle in der Lampenröhre in wirksamer Weise durch die Röhre
hindurchdringen, da nur eine geringe diffuse Streuung erfolgt.
-
TABELLE VII Nach dem Brennen
| Ra (µm) Rmax (µm) |
| Äußere Ober- Innere Ober- Äußere Ober- Innere Ober- |
| fläche fläche fläche fläche |
| 2,46 1,80 6,0 4,2 |
| 2,1-0 1,17 6,0 3,0 |
| 1,59 1,14 6,0 3,6 |
| 1,71 1,14 6,0 3,0 |
| 1,68 1,05 6,0 3,0 |
| 1,92 1,53 5,4 4,8 |
| 6,6 4,2 |
| 5,9 4,0 |
Chemisch poliert
| Ra (um) Rmax (µm) |
| -Äußere Ober- Innere Ober- Äußere Ober- Innere Ober- |
| fläche fläche fläche fläche |
| 1,50 1,14 4,8 4,2 |
| 2,25 1,20 4,8 3,0 |
| 2,04 0,96 3,0 1,8 |
| 2,31 1,35 3,0 1,8 |
| 1,80 0,60 3,0 2,4 |
| 1,65 0,66 3,0 2,4 |
| 1,65 1,14 3,0 2,4. |
| 1,80 1,20 3,1 2,5 |
L e e r s e i t e