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Hintergrund
der Erfindung und Beschreibung verwandter Gebiete
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein nahtloses Metallrohr und ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen Rohrs. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung ein nahtloses Metallrohr, das geringe
Verarbeitungsfähigkeit
aufweist, jedoch mit geringer Dicke und kleinem Innendurchmesser
hergestellt werden kann, das ausgezeichnete mechanische Festigkeiten
und Gasdichtheit aufweist und beispielsweise als Dichtungselement
für lichtdurchlässige Gefäße (z. B.
ein aus Keramik hergestelltes lichtdurchlässiges Gefäß) von beispielsweise Hochdruckentladungslampen
(z. B. einer Metallhalogenidlampe) geeignet eingesetzt werden kann,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen nahtlosen Metallrohrs.
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Wie
aus 5 hervorgeht, wird ein lichtdurchlässiges keramisches
Rohr 20 (ein lichtdurchlässiges Rohr) als lichtdurchlässiges Gefäß einer
Hochdruckentladungslampe 10 (z. B. einer Metallhalogenidlampe) eingesetzt,
da das lichtdurchlässige
Gefäß ein lichtemittierendes
Material (z. B. Dysprosiumiodid) von hoher Korrosivität enthält und demzufolge
Korrosionsbeständigkeit
benötigt.
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Um
das als lichtdurchlässiges
Gefäß verwendete
lichtdurchlässige
keramische Rohr 20 (ein lichtdurchlässige Rohr) abzudichten, wurde
ein Metallrohr 30 (z. B. ein Mo-Rohr) als Dichtungselement vorgeschlagen
(europäische
Patentveröffentlichung
EP 0982278A1).
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Das
in einem solchen Metallrohr eingesetzte Metall (z. B. Mo oder W)
weist im Allgemeinen geringe Verarbeitungsfähigkeit auf, und die Herstellung
des Rohrs in geringer Dicke und kleinem Innendurchmesser unterlag
bisher bestimmten Einschränkungen.
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Da
das Metall über
geringe Verarbeitungsfähigkeit
verfügt
und schwierig zu schneiden ist, erfolgte die Herstellung eines Metallrohrs
daraus herkömmlicherweise,
indem ein Metallbarren zum Erhalten eines rohrförmigen Materials gesintert
und anschließend
gewalzt, gezogen oder dergleichen unterzogen wurde.
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In
einem solchen Verfahren ist es sehr schwierig gewesen, ein Metallrohr
mit geringer Dicke und kleinem Durchmesser zu erhalten.
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Angesichts
der oben dargelegten Probleme ist das Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein nahtloses Metallrohr bereitzustellen, das geringe Verarbeitungsfähigkeit
aufweist, jedoch mit geringer Dicke und kleinem Innendurchmesser
hergestellt werden kann, das ausgezeichnete mechanische Festigkeiten
und Gasdichtheit aufweist und beispielsweise als Dichtungselement
für lichtdurchlässige Gefäße (z. B.
ein aus Keramik hergestelltes lichtdurchlässiges Gefäß) von beispielsweise Hochdruckentladungslampen
(z. B. einer Metallhalogenidlampe) geeignet eingesetzt werden kann,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen nahtlosen Metallrohrs.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein nahtloses Metallrohr, wie in
Anspruch 1 beschrieben, und ein Verfahren zur Herstellung desselben,
wie in Anspruch 4 beschrieben.
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Vorzugsweise
weisen die im Rohr enthaltenen Metalle jeweils einen Schmelzpunkt
von 2.600°C
oder mehr auf und sind aus Mo, W und Re ausgewählt.
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Vorzugsweise
weist das Rohr neben dem Metall außerdem eine Art von Oxid, das
aus der aus Al2O3, Y2O3, Dy2O3, Gd2O3,
Ho2O3 und Tm2O3 bestehenden Gruppe
ausgewählt
ist, in einer Menge von 0,02 bis 5 Vol.-%, bezogen auf 100% der
Gesamtmenge von Metall und Oxid, auf.
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Bei
der Herstellung des Gemischs im Verfahren wird vorzugsweise neben
den verwendeten Komponenten außerdem
zumindest eine Art von Oxid, das aus der aus Al2O3, Y2O3,
Dy2O3, Gd2O3, Ho2O3 und Tm2O3 bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
in einer Menge von 0,02 bis 5 Vol.-%, bezogen auf 100% der Gesamtmenge
von Metall und Oxid, zugesetzt.
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Vorzugsweise
wird das Trocknen des rohrförmigen
Materials in einer Atmosphäre
durchgeführt,
die den Dampf des Lösungsmittels
enthält.
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Kurzbeschreibung
der Abbildungen
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1 stellt
die Beziehung zwischen Porosität
und Gasdichtheit im nahtlosen Metallrohr dar.
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2 ist
eine Schnittansicht, die einen Schälversuch schematisch darstellt,
der das Schälen
einer dünnen
W-Platte, die an eine Aluminiumoxidplatte mittels einer keramischen
Zusammensetzung vom Al2O3-Y2O3-Dy2O3-La2O3-Typ
aufgebracht ist, von der Aluminiumoxidplatte bei vorgegebener Kraft
umfasst.
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3 stellt
die Gasdichtheit dar, wenn Mo, W, Re, Ti, Hf und Zr eingesetzt wurden,
wobei deren Porosität
auf 5% festgelegt wurde.
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4 stellt
die Beziehung zwischen Dicke, Innendurchmesser und Gasdichtheit
im nahtlosen Metallrohr dar.
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5 ist
eine Schnittansicht, die schematisch einen Zustand darstellt, worin
das nahtlose Metallrohr als Dichtungselement für ein lichtdurchlässiges keramisches
Gefäß einer
Hochdruckentladungslampe (z. B. einer Metallhalogenidlampe) eingesetzt
wird.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen nahtlosen
Metallrohrs sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
desselben sind nachstehend anhand der beigefügten Abbildungen spezifisch
beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße nahtlose
Metallrohr umfasst als Hauptkomponente zumindest eine Art von Metall,
das aus einer Gruppe von Metallen, die jeweils einen Schmelzpunkt
von 1.600°C
oder mehr aufweisen, ausgewählt
ist, und weist eine Porosität
von 0,3 bis 25% auf, wenn die Porosität als Flächenverhältnis zwischen den offenen
Poren an der Außenfläche des
Rohrs, die nicht in Dickerichtung des Rohrs perforieren, und der
Gesamtfläche
(100%) der Außenfläche des
Rohrs definiert ist.
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Das
erfindungsgemäße nahtlose
Metallrohr besitzt, da es nahtlos ist, eine höhere Verlässlichkeit hinsichtlich Leckfreiheit
(Brechen) als Rohre mit Nähten.
Wenn ein Metallrohr, das eine Naht aufweist, als Dichtungselement
für ein
lichtdurchlässiges
Gefäß einer
Hochdruckentladungslampe (z. B. einer Metallhalogenidlampe) eingesetzt
wird, kommt es dadurch zu Undichtheiten (Bruchstellen), da der Druck
im Inneren des lichtdurchlässigen
Gefäßes während des
Betreibens des Rohrs auf mehrere atm steigt, was zu einer geringeren Verlässlichkeit
als im Falle des nahtlosen Rohrs führt.
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Die
in der Erfindung verwendete Art von Metall, das einen Schmelzpunkt
von 1.600°C
oder mehr aufweist, unterliegt keinen besonderen Einschränkungen.
Als bevorzugtes Beispiel für
das Metall kommt zumindest eine Art von Metall, das aus Mo (Schmelzpunkt:
2.623°C),
W (Schmelzpunkt: 3.422°C),
Re (Schmelzpunkt: 3.186°C),
Ti (Schmelzpunkt: 1.668°C),
Hf (Schmelzpunkt: 2.233°C)
und Zr (Schmelzpunkt: 1.855°C) ausgewählt ist,
in Frage, wobei alle gegenüber
der Substanz, die im lichtdurchlässigen
Gefäß abgeschmolzen ist,
korrosionsbeständig
sind.
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Im Übrigen besitzen
Mo und W eine raumzentrierte kubische Kristallstruktur, einen, wie
bereits oben erwähnt,
hohen Schmelzpunkt und eine sehr hohe Vickers-Härte von 200 bis 450. Re, Ti,
Hf und Zr weisen eine dichtgepackte kubische Kristallstruk tur, einen
hohen Schmelzpunkt und geringes kristallographisches Gleiten auf.
Dadurch besitzen diese Metalle eine sehr geringe Verarbeitbarkeit.
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In
der vorliegenden Erfindung werden unter "anderen offenen Poren als Durchgangsporen" Poren an der Rohroberfläche verstanden,
die das Rohr in die Dickerichtung nicht perforieren (keine Undichtigkeiten
verursachen). Solche offenen Poren können bestätigt werden, indem ein He-Lecktest
und eine Bildanalyse hinsichtlich der Porosität der äußeren Oberfläche durchgeführt werden.
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Wenn,
wie in Tabelle 1 dargestellt, die Porosität des nahtlosen Metallrohrs
25% übersteigt,
ist die Gasdichtheit gering.
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Hierin
wird die "Gasdichtheit" gemessen, indem
ein Metallrohr mit 1 mm Außendurchmesser,
0,7 mm Innendurchmesser (demzufolge 0,3 mm Dicke) und 100 mm Länge in einen
He-Detektor platziert wird. Wenn die Rohrmusteranzahl 10 beträgt und alle
Muster gasdicht sind, wird die Gasdichtheit des Rohrs mit 100% angenommen.
Unter "gasdicht" wird verstanden,
dass die Leckrate im He-Lecktest 1,0 × 10–10 atm·cm3/s oder weniger beträgt.
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Die
Untergrenze der äußeren Oberflächen-Porosität wird durch
die Benetzbarkeit gegenüber
anderen Substanzen, insbesondere Zement, Keramik, Glas oder dergleichen,
bestimmt. Eine Untergrenze von weniger als 0,3% ist, wie aus den
Ergebnissen des nachstehenden Schälversuchs hervorgeht, nicht
erwünscht.
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Schälversuch
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Wie
in 2 dargestellt, wurde eine dünne W-Platte 3 auf
eine Aluminiumoxidplatte 1 mittels einer keramischen Zusammensetzung
vom Al2O3-Y2O3-Dy2O3-La2O3-Typ
aufgebracht; die Bruchstellen und Bewertungen sind in Tabelle 1
angeführt.
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Wie
aus der Tabelle 1 hervorgeht, deutet die Gegenwart von Keramik auf
der W-Platte (die
restliche Keramikzusammensetzung auf der Oberflächenseite der dünnen W-Platte,
die mit der keramischen Zusammensetzung in Kontakt stand, als die
dünne W-Platte
geschält
wurde) auf hohe Benetzbarkeit, d. h. es besteht eine hohe Haftfähigkeit
zwischen der dünnen
W-Platte und der keramischen Zusammensetzung. Deshalb wurde ein
großer
Anteil an Keramik auf der W-Platte mit 0 bewertet. Keine Keramik
auf der W-Platte wurde mit X bewertet und die dazwischen liegende
Stufe mit Δ.
Aus der Tabelle 1 geht hervor, dass eine Porosität von weniger als 0,3% geringe
Haftfähigkeit
verleiht.
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Wenn
ein Metall mit relativ niedrigem Schmelzpunkt eingesetzt wird, findet
das Sintern zu einem frühen
Zeitpunkt statt und erfolgt, bevor das Bindemittelgas freigesetzt
wird; im Inneren bilden sich viele Poren, die leicht zu Durchgangsporen
werden; daraus resultiert, dass die Gasdichtheit vor einer Porosität von 25% (die
Obergrenze des spezifizierten Bereichs) dazu neigt, gering zu sein.
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Bei
Verwendung von Mo, W, Re, Ti, Hf und Zr werden die Gasdichtheiten
verglichen, indem die Porosität
jeweils bei 5% festgesetzt wird. Wie in 3 dargestellt,
werden von diesen Metallen jene bevorzugt, die einen Schmelzpunkt
von 2.600°C
oder mehr aufweisen, nämlich
Mo (Schmelzpunkt: 2.623°C),
W (Schmelzpunkt: 3.422°C)
und Re (Schmelzpunkt: 3.186°C).
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Das
erfindungsgemäße nahtlose
Metallrohr weist vorzugsweise einen Innendurchmesser von 0,4 bis 3,0
mm und eine Dicke von 0,05 bis 1,0 mm auf.
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Wie
in 4 dargestellt, kommt es auf einer bestimmten Fläche, worin
der Innendurchmesser und die Dicke in obigen Bereichen liegen, zu
keinen Lecks (dadurch wird höchste
Gasdichtheit erhalten).
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Wenn
beispielsweise der Innendurchmesser 3 mm und die Dicke 0,05 mm betragen,
ist der Innendurchmesser zu groß,
womit es während
des Formens zu keiner ausreichenden Erhöhung der Dichte kommt. Folglich
kommt es zu Lecks, wenn die Dicke lediglich 0,05 mm beträgt.
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Wenn
der Innendurchmesser 0,4 mm und die Dicke 1,0 mm betragen, ist die
Dicke zu groß,
womit es nach dem Formen zu uneinheitlichen Trocknungsgeschwindigkeiten
kommt, wodurch Trocknungsrisse (Mikrorisse) sowie Lecks entstehen.
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Vorzugsweise
umfasst das erfindungsgemäße nahtlose
Metallrohr neben dem Metall außerdem
eine Art von Oxid, das aus der aus Al2O3, Y2O3,
Dy2O3, Gd2O3, Ho2O3 und Tm2O3 bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
in einer Menge von 0,02 bis 5 Vol.-%, bezogen auf 100% der Gesamtmenge
von Metall und Oxid, um die Festigkeit zu verbessern. Wenn die Oxidmenge
weniger als 0,02 Vol.-% beträgt,
kann es zu ungünstigen
Auswirkungen, wie etwa Verminderung der Gasdichtheit, Sprödigkeit
und dergleichen, kommen. Von den obigen Oxiden wird Al2O3 aufgrund der Korrosionsbeständigkeit
bevorzugt.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen nahtlosen Metallrohrs umfasst
die Herstellung eines Gemischs, das (1) 80 bis 98 Gew.-% eines Pulvers
aus zumindest einer Art von Metall, das aus einer Gruppe von Metallen,
die jeweils einen Schmelzpunkt von 1.600°C oder mehr aufweisen, ausgewählt ist, und
(2) ein Bindemittel in einem Lösungsmittel;
das 0- bis 3-stündige,
vorzugsweise 1- bis 2-stündige, Kneten des
Gemischs, gefolgt vom Extrudieren des gekneteten Materials, um ein
rohrförmiges
Material zu bilden; das Trocknen des rohrförmigen Metalls bei –5 bis 25°C (vorzugsweise –2 bis 15°C) für eine Dauer
von 10 Stunden (kürzeste
Dauer) bis 48 Stunden (vorzugsweise 24 Stunden) (längste Dauer)
nach Beendigung der Extrusion und anschließend 0 bis 8 Stunden lang,
vorzugsweise 0,5 bis 4 Stunden lang, bei 30 bis 120°C, vorzugsweise 80
bis 100°C;
gefolgt vom Brennen des getrockneten Materials bei einer niedrigeren
Temperatur, die aus einer Temperatur zwischen 1.000°C und 2.100°C und einer
Temperatur, die 300°C
unter dem Schmelzpunkt des Metalls liegt, ausgewählt ist.
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Folglich
wird im vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Metallrohrs
nach der Beendigung der Extrusion eine festgesetzte Zeit lang mildes
Trocknen durchgeführt.
Dieses milde Trocknen ist notwendig, um die Extrusionsspannung etc.,
die unmittelbar nach der Extrusion (zu Beginn des Trocknens) verbleibt,
entfernt wird. Beim Trocknen eines insbesondere rohrförmigen Materials
ist die Trocknungsgeschwindigkeit unweigerlich höher als die eines Feststoffmaterials
(nicht hohl), womit das Trocknen desselben unmittelbar nach der
Extrusion mild sein muss. Restliche Extrusionsspannungen werden
ein Hauptproblem für
Verformungen beim Brennen etc.
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Die
Herstellung des Gemischs unterliegt keinen besonderen Einschränkungen.
Bei diesem Schritt kann es zu Trocknungsrissen kommen, wenn der
Gehalt des Metallpulvers weniger als 80 Gew.-% beträgt; wenn
der Gehalt des Metallpulvers mehr als 98 Gew.-% beträgt, kann
die Dispersion der Metallteilchen unzureichend sein.
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Weder
das Knetverfahren noch die Extrusion im Extrusionsschritt unterliegen
besonderen Einschränkungen.
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Es
gibt ebenfalls keine besondere Einschränkung beim Trocknungsverfahren.
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Das
Brennen findet in einer nichtoxidierenden Atmosphäre oder
in Vakuum statt. Wenn die Brenntemperatur während des Brennens niedriger
als die niedrigere Temperatur, die von 1.000°C bis zu einer Temperatur, die
300°C unter
dem Schmelzpunkt des Metalls liegt, ausgewählt ist, kann das Sintern unzureichend
ausfallen; wenn die Brenntemperatur höher als eine niedrigere Temperatur
ist, die von 2.100°C
bis zu einer Temperatur, die 300°C
unter dem Schmelzpunkt des Metalls liegt, ausgewählt ist, kann es je nach verwendetem Metall
zu Brenndeformationen kommen.
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Durch
Verwenden eines solchen Herstellungsverfahrens ist es möglich, auf
einfache Art und Weise ein dünnes
nahtloses Metallrohr mit kleinem Durchmesser zu erhalten, das mit
herkömmlichen
Verfahren schwierig zu erhalten war. Somit können verbesserte Produktivität und daraus
resultierend Kostensenkung erzielt werden.
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Das
Trocknen des rohrförmigen
Materials wird vorzugsweise in einer Atmosphäre durchgeführt, die den Dampf des im Gemisch
verwendeten Lösungsmittels
enthält.
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Durch
Verwenden eines solchen Herstellungsverfahrens wird ein mildes Trocknen
sowie eine Reduktion der während
der Extrusion eingebrachten Spannung ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung ist nachstehend spezifisch anhand von Beispielen
beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in keinster Weise
auf diese Beispiele beschränkt.
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Beispiel 1
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Zu
1.000 g W-Pulver (Schmelzpunkt = 3.422°C) wurden 12 g Ethylcellulose
(Bindemittel), 30 g Butylcarbitolacetat (Lösungsmittel) und 10 g Additive
einschließlich
Al2O3 zugesetzt.
Das Gemisch wurde 10-mal durch eine Dreiwalzenmühle laufen gelassen.
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Das
Gemisch wurde mittels Extruder geformt, woraufhin das Extrudat bei
80°C 2 Stunden
lang luftgetrocknet wurde.
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Das
getrocknete Material wurde bei 1.900°C 3 Stunden lang in Wasserstoff
gebrannt. Um das Bindemittel bei gleichzeitiger Verhinderung der
Oxidation von Mo zu entfernen, wurde ein Anfeuchtungsverfahren angewandt,
um einen Taupunkt von 0°C
zu erhalten.
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Mittels
obiger Behandlung wurde ein Mo-Rohr mit einer Porosität von 8%
und einer im He-Lecktest ermittelten Leckrate von 1,0 × 10–10 atm·cm3/s oder weniger hergestellt.
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Wie
oben beschrieben kann die vorliegende Erfindung ein nahtloses Metallrohr
bereitstellen, das geringe Verarbeitungsfähigkeit aufweist, jedoch mit
geringer Dicke und kleinem Innendurchmesser hergestellt werden kann,
das ausgezeichnete mechanische Festigkeiten und Gasdichtheit aufweist
und beispielsweise als Dichtungselement für lichtdurchlässige Gefäße (z. B.
ein aus Keramik hergestelltes lichtdurchlässiges Gefäß) von Hochdruckentladungslampen
(z. B. einer Metallhalogenidlampe) geeignet eingesetzt werden kann,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen nahtlosen Metallrohrs.
Das erfindungsgemäße nahtlose
Metallrohr kann vorzugsweise insbesondere als Dichtungselement für ein lichtdurchlässiges Rohr
beispielsweise einer Hochdruckentladungslampe (z. B. einer aus Keramik
hergestellten Metallhalogenidlampe) verwendet werden. Das vorliegende
nahtlose Metallrohr kann auch geeigneterweise als Metallrohr eingesetzt
werden, das aus einem Metall besteht, welches geringe Verarbeitungsfähigkeit,
geringe Dicke sowie einen kleinen Innendurchmesser, hohe Hitzebeständigkeit,
hohe mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Gasdichtheit aufweist;
z. B. ein dünnes
Rohr für
beispielsweise Wärmetauscher,
die in extremen Anwendungen wie etwa in der Weltraumtechnik, in
der Luftfahrt, im Militärwesen
und dergleichen zum Einsatz kommen.