-
Verfahren zur Herstellung von doppelt oder mehrfach wendelförmigen,
völlig durchhängungsfreien, großkristallinen Wolframglühkörpern Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Glühkörpern aus Wolframdraht, die doppel- oder
mehrfach wendelförmig sind und ihre Gestalt im glühenden Zustand auch in stickstoffhaltiger
Atmosphäre bewahren, d. h. praktisch gar keine Durchbiegung und/oder Verziehung
(Verwerfung) erleiden.
-
Doppel- oder mehrfach wendelförmige Wolframdrahtglühkörper sind an
sich schon bekannt und werden gewöhnlich derart hergestellt, daß der Draht auf einen
entsprechenden Kern zunächst zu einer Wendel von kleinem Durchmesser und kleiner
Ganghöhe gewunden (Primärwendel), danach dieses Gebilde zusammen mit seinem Kern
auf einen zweiten Kern zu einer Wendel größeren Durchmessers und größerer Ganghöhe
gewunden wird (Sekundärwendel) und gegebenenfalls so weiter.
-
Die Glühkörper werden hauptsächlich in gasgefüllten elektrischen Glühlampen
zum Zwecke der Verminderung der Konvektionswärmeverluste des Glühkörpers- verwendet.
-
Damit die mit einem solchen Glühkörper versehene Lampe ihren anfänglichen
guten Wirkungsgrad während ihrer ganzen Lebensdauer beibehält, ist es u. a. notwendig,
daß der Glühkörper seine Gestalt während der ganzen Lebensdauer der Lampe nicht
ändert. Es ist die Schwerkraft, die'.in erster Linie die, Abänderung der anfänglichen
Gestalt des Glühkörpers hervorzurufen trachtet. Falls der Wolframdraht in irgendeinem
Abschnitt der Brenndauer der Lampe oder während dieser ganzen Dauer mechanisch nicht
genügend widerstandsfähig ist, wird der Glühkörper von der Schwerkraft ausgedehnt,
wodurch er durchgebogen wird. Die Formänderungen des Glühkörpers können sich außer
in der Durchbiegung auch in einer Verziehung (Verwerfung) derselben bemerkbar machen.
Infolge der Verziehung wird der Glühkörper ebenfalls gedehnt, und außerdem in Abhängigkeit
vom Maß der Verz.iehungkönnen zwischen den einzelnen Windungen evtl. an mehreren
Stellen auch Kurzschlüsse entstehen, wodurch die Lebensdauer der Lampe nachteilig
beeinflußt wird. Sowohl die aus der Durchbiegung wie auch die aus der Verziehung
herrührende Dehnung hat nicht nur die Verschlechterung des Wirkungsgrades der Lampe,
sondern auch eine Herabsetzung der Widerstandsfähigkeit des Glühkörpers gegenüber
äußeren mechanischen Einwirkungen, wie z. B. Stößen, Schwingungen usw., zur Folge.
-
Zum Zwecke der Vermeidung der Durchbiegung hat man bereits zahlreiche
Verfahren für die Herstellung solcher Glühkörper vorgeschlagen. Die vorgeschlagenen
Verfahren
trachten im allgemeinen das gewünschte Ziel in zwei verschiedenen
Richtungen zu erreichen. In die erste Gruppe gehören die Verfahren, in deren Verlauf
das Ausgangsmaterial, z. B. der Wolframdraht, mit Eigenschaften versehen wird, die
bewirken, daß das sich bei hoher Temperatur ausbildende Kristallgefüge des Glühkörpers
aus möglichst großen Kristallen besteht, weil erfahrungsgemäß die Festigkeitseigenschaften
der Glühkörper mit großkristalliner Strukfur viel günstiger sind und ihre . Durchbiegung
während der Brenndauer der Lampe somit auch viel kleiner ist als die der kleinkristallinen
Glühkörper. Zu diesem Zweck sind besondere Drähte aus hochschmelzenden Metallen
geeignet, die solche Zusätze enthalten, die während der Rekristallisation einen
entsprechenden Dampfdruck ausüben. Es' soll bemerkt werden, daß unter »großkristallinem«
Draht ein solcher gemeint wird, bei dem die Länge der einzelnen den Draht bildenden
Kristalle größer als die Länge einer Windung der Primärwendel ist und gewöhnlich
ein Mehrfaches, z. B. i o- bis 1 oofaches, dieser Länge beträgt.
-
Eine andere Gruppe der die Vermeidung der Durchbiegung von doppel-
oder mehrfachwendelförmigen Glühkörpern bezweckenden Vorschläge bilden die Verfahren,
die sich auf die Wärmebehandlung des für die oben erwähnte zwei- oder mehrfache
Windung bestimmten Drahtes beziehen. Das Wesen all dieser Verfahren besteht darin,
daß die Glühkörper vor ihrer Montierung in der Lampe einer vorangehenden Wärmebehandlung
bei hoher Temperatur unterworfen werden. Ein solches Verfahren besteht z. B. bei
der Verarbeitung von kleinkristallinen Wolframdrähten darin, daß die auf Molybdänkern
z. B. zweifach gewundenen Glühkörper vor ihrem Einbau in die Lampe in neutraler
Gasatmosphäre, wie z. B. in einem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch, auf ihre Rekristallisationstemperatur
oder auf noch höhere Temperatur erhitzt werden, wodurch die Durchbiegung des Glühkörpers,
wenn auch nicht vollkommen beseitigt, so doch wesentlich verringert werden kann.
Ein anderes bekanntes Verfahren für die Herstellung von nahezu durchbiegungsfreien
Glühkörpern aus kleinkristallinen Wolframdrähten besteht darin, daß die vor dem
Einbau in die Lampe erfolgende Erhitzung der Glühkörper nur bis zur Temperatur erfolgt,
bei der die während der Windung im .Glühlzörper entstehenden Spannungen verschwinden,
was z. B. schon durch eine einstündige, auf dem Molybdänkern erfolgende Erhitzung
bei 130o° C erreicht werden kann. Da dieses Verfahren nicht zu vollständig durchbiegungsfreien
Glühkörpern führt, hat man seine Kombination mit einem anderen Verfahren vorgeschlagen,
bei dem der Glühkörper z. B. während seiner Rekristallisation in der fertigen Lampe
derart bewegt wird, daß die auf die einzelnen Massenteilchen des Glühkörpers wirkende
Gravitationskraft gerade durch eine entgegengesetzt gerichtete gleich große Beschleunigungskraft
aufgehoben wird.
-
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von doppelwendelförmigeri
Glühkörpern besteht darin, daß die auf einen Eisen- oder Messingkern gewundene Primärwendel
nach der Entfernung des Kernes auf einem aus hitzebeständigem Material, z. B. aus
Wolfram, bestehenden Kern zu einer Sekundärwendel gewunden, zusammen mit diesem
Sekundärkern bis ztir Bildung der endgültigen Kristallstruktur erhitzt und, nachdem
dieses erfolgt ist, der aus wärmebeständigem Material bestehende Sekundärkern aus
dem fertigen doppelwendelförmigen Glühkörper entfernt wird. Bei diesem Verfahren
enthält der Glühkörper während der Wärmebehandlung nur noch den Sekundärkern, was
mit dem Nachteil verbunden ist, daß die kernlose Primärwendel bei der zweiten Windung,
hauptsächlich aber während der Wärmebehandlung schädlicheDeformationen erleidet,
d. h. der fertige Glühkörper kein geometrisch wohldefiniertes Gebilde ist.
-
Um die Formänderungen des Glühkörpers während der Wärmebehandlung
zu vermeiden, arbeitet man bei den .bekannten Verfahren meistens so, daß man die
Wärmebehandlung an den auf Kerne gewundenen Glühkörpern zusammen mit dem Kern ausführt,
d. h. vor der Wärmebehandlung keinen Kern aus dem Glühkörper entfernt.
-
Da sowohl die zum Aufheben der bei der Windung entstandenen Spannungen
wie auch die zur Herbeiführung des gewünschten Kristallgefüges dienende Wärmebehandlung
zweckmäßig über iooo°. C erfolgt, muß als Material des Kernes ein Material verwendet
werden, das bei der zur Wärmebehandlung verwendeten hohen Temperatur (130o bis 2000'
C) noch nicht schmilzt. Für diesen Zweck eignet sich am besten das Molybdän,
das auch am meisten verwendet wird, außerdem gegebenenfalls Tantal und Zyrkon. Nach
Beendigung der Wärmebehandlung muß der Kern aus dem Glühkörper entfernt werden,
was bei den bekannten Verfahren mittels solcher chemischen Lösungsmittel erfolgt,
die das Material des betreffenden Kernes auflösen, ohne aber den Wolframdralit auch
anzugreifen. Ein solches Mittel ist z. B. das Schwefelsäure-Salpeter-Gemisch, welches
zur Auflösung der Molybdänkerne verwendet wird.
Im Laufe von Versuchen
mit Lampen mit stickstoffhaltiger Gasfüllung wurde gefunden, daß die bisher vorgeschlagenen,
meistens mit Molybdänkernen durchgeführten Wärmebehandlungsverfahren in sehr vielen
Fällen, besonders im Falle der Verarbeitung von Drähten, die großkristallinisch
sind bzw. im Laufe der Verarbeitung großkristallinisch werden, nicht zu befriedigenden
Resultaten führen, weil die durch derartige Verfahren hergestellten doppel- oder
mehrfach wendelförmigen Glühkörper bis zu einem gewissen Grad noch immer Durchbiegungen
und/oder Verwerfungen erleiden. Dies konnte hauptsächlich im Falle der Wärmebehandlung
der Glühkörper auf hoher (über i5oo° C liegender) Tempexatur beobachtet werden,
obwohl nach den bisherigen Kenntnissen gerade bei Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur
eine erhöhte Formbeständigkeit der Glühkörper hätte erwartet werden müssen. Die
Behandlung bei hoher Temperatur ist aber besonders im Falle solcher Glühkörper nötig,
welche im Laufe ihrer Rekristallisation eine großkristalline Struktur erhalten.
Erfahrungsgemäß liegt nämlich die Rekristallisationstemperatur detartiger Materialien
sowie auch diejenige Temperatur, bei der die bei der vorangehenden Bearbeitung der
Wendel entstandenen inneren Spannungen verschwinden, wesentlich höher als bei den
Materialien mit kleinkristalliner Struktur.
-
Bei der Erforschung der Gründe dieser Erscheinungen, die zu den bisherigen
Kenntnissen in Widerspruch zu stehen schienen, wurde festgestellt, daß bei der Herstellung
der in stickstoffhaltigen, gasgefüllten Lampen zu verwendenden Glühkörper vollkommen
befriedigende Resultate nur dann erreicht werden können, wenn man die auf Kernen;
die aus Molybdän oder aus einem anderen hochschmelzenden Metall hergestellt sind,
erfolgende @,\'ärmebehandlung unter bestimmten, verhältnismäßig eng bemessenen Zeit-
und Temperaturgrenzen ausführt. Es wurde gefunden, daß, wenn diese Grenzen entweder
nach unten, oder nach oben hin überschritten werden, die vollkommene Formbeständigkeit
der Glühkörper schon nicht mehr gesichert werden kann. Es wurde beobachtet, daß
bei der flerschreitung der unteren Grenze der Glühkörper mehr zur Durchbiegung,
bei Überschreitung der oberen Grenze mehr zur Verzierung neigt.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zurHerstellungvon doppelt
oder mehrfach wendelförmigen, völlig durchhängungsfreien, großkristallinen Wolframglühkörpern,
die in stickstoffhaltigen Gasräumen, insbesondere gasgefüllten Glühlampen, verwendet
werden, bei dem ein auf mindestens zwei hochschmelzende, aus Metall bestehende Kerne
aufgewickelter Wolframdraht einer mindestens einmaligen Erhitzung unterworfen wird
und nachher die Kerne entfernt werden, und besteht darin, daß der Glühkörper auf
Temperaturen über i5oo bis etwa aooo° C (der Rekristallisationstemperatur des Wolframs)
während einer Zeit erhitzt wird, die ein Vielfaches der zur Beseitigung der inneren
Spannungen erforderlichen Zeit beträgt, jedoch nur so lange, daß der Molybdängehalt
des fertigen Glühkörpers nicht über 0,404 beträgt.
-
Die den Kernmaterialgehalt regelnde und einstellende Wärmebehandlung
kann verschieden durchgeführt werden, und zwar entweder so, daß die Kernmaterialaufnahme
von schädlichem Ausmaß verhindert wird oder so, daß die an der Oberfläche schon
aufgenommene Kernmaterialmenge durch eine weitere Wärmebehandlung teilweise wieder
vertrieben wird. Die Kernmaterialaufnahme von schädlichem Ausmaß kann ebenfalls
in verschiedener Weise verhindert werden. Am besten verwendet man eine solche Bemessung
der Dauer und der Temperatur der Wärmebehandlung, bei der der durch den Glühkörper
aufgenommene Kernmaterialgehalt unter dem schon schädlichen bleibt. Da durch die
Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur die aufgenommene Kernmetallmenge schnell
ansteigt, darf das Glühen bei niedrigerer Temperatur länger, bei höheren Temperaturen
dagegen nur kürzere Zeit dauern. Die Temperatur der Wärmebehandlung wird bei identischem
Wolframgrundmaterial in erster Linie durch den Durchmesser des Wolframdrahtes bestimmt,
da je dicker der Draht ist, um so höhere Temperatur für das Ausglühen der Wendel
zwecks Erreichung des günstigen Kristallgefüges angewendet werden muß. Nach obigem
kann man .die richtige Wärmebehandlung durch Vorversuche stets leicht ermitteln.
Gegebenenfalls kann man auch derart verfahren, daß man die Wärmebehandlung auf den
Kernen bei solchen Temperaturen und so lange fortsetzt, daß die Kernmetallaufnahme
kleiner als 0,40!o sein soll, und die weitere Wärmebehandlung nach Entfernung bzw.
Auflösung der Kerne noch weiter fortsetzt. Es können auch gute Erfolge mit solcher
Arbeitsweise erzielt werden, bei der man die Wärmebehandlung bei solchen Temperaturen
und so lange durchführt, daß die Kernmetallaufnahme das zulässige Maß überschreitet,
aber nach Auslösung der Kerne die Glühkörper noch bei Weißglut, d. h. über ungefähr
230o° C, in stickstofffreiem Raum, z. B. in einer Wasserstoffatmosphäre oder im
Vakuum, nachträglich ausgeglüht werden, wodurch ein
Teil des Kernmetalls
von der Oberfläche des Glühkörpers entfernt wird. Dieses Verfahren kann besonders
im Falle von Glühkörpern aus sehr dickem Draht mit Vorteil verwendet werden.
-
Ähnliche Verhältnisse entstehen, wenn der Wolframdraht nicht auf das
als Kern günstigste Molybdän, sondern anf ein anderes wärmebeständiges Metall, wie
z. B. auf Tantal oder Zirkonium, gewunden wird, das mit Stickstoff bei hoher Temperatur
ebenfalls in Reaktion tritt. Die Wärmebehandlung soll auch in diesen Fällen gemäß
dem oben Gesagten erfolgen. Kerne aus Tantal oder aus Zirkonium können aus dem fertigen
Glühkörper mit Fluorwasserstoffsäure ausgelöst werden.
-
Es ist auch vorteilhaft, die Wärmebehandlung von auf Kerne, z. B.
auf Molybdänkerne, gewundenen Glühkörpern, insbesondere wenn sie bei hoher Temperatur
über i5oo° C erfolgt, in einer stickstofffreien Atmosphäre, also z. B. in Wasserstoff
oder in Edelgas, durchzuführen, da sonst schon während der Wärmebehandlung Molybdännitrid
entstehen und in den Wolframdraht diffundieren kann. Außerdem kann bei der Erhitzung
in stickstoffhaltiger Atmosphäre der Umstand Schwierigkeiten verursachen, daß das
nachträgliche Herauslösen des nitridhaltigen Kernmaterials aus der Wolframwendel
mit den bekannten Lösungsmitteln nur unter großen Schwierigkeiten bzw. sehr langsam
durchgeführt werden kann. Es wurde aber gefunden, daß in solchen Fällen das Herauslösen
des Kernes durch einen den Lösungsmitteln einverleibten Ouecksilberzusatz bzw. Ouecksilberverbindungszusatz
sehr wesentlich beschleunigt werden kann, indem diese Zusätze den Anlösungsprozeß
insbesondere von Molybdän günstig beeinflussen, wahrscheinlich katalysieren, ohne
aber auch das Wolfram anzugreifen. Die Erhitzung in stickstoffhaltiger Atmosphäre,
z. B. in einer Mischung von 75 °/o Stickstoff und 25 % Wasserstoff, kann
vom Betriebsstandpunkt aus deshalb von Wichtigkeit sein, weil ein derartiges Gasgemisch
billig und nicht explosiv ist.
-
Wenn Wolframdrähte aus einem zu großkristallinem Gefüge führenden
Grundmaterial, die z. B. Zusätze enthalten, die anläßlich der Rekristallisation
einen entsprechendenDampfdruck entwickeln, verwendet worden sind, muß die Wärmebehandlung
der Wendel auf den Kernen, um gute Ergebnisse zu erhalten, erfahrungsgemäß bei einer
sehr hohen Temperatur (16oo bis 2ooo° C) erfolgen, ohne aber im Laufe der Rekristallisation
ihre Rekristallisationstemperatur erreichen oder überschreiten zu müssen. Bei so
hohen Temperaturen geht die Diffusion des Kernmaterials, z. B. des Molybdäns, in
dem Wolfram schon ziemlich schnell vor sich, so daß die Glühdauer in Abhängigkeit
von der Drahtstärke 15 Minuten gewöhnlich nicht überschreiten darf. Es wurde aber
gefunden, daß diese Zeit zum Zwecke der während der Wärmebehandlung im Draht vor
sich gehenden günstigen Gefügeänderungen vollkommen ausreicht.
-
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig derart verfahren,
daß der auf Kerne gewundene Glühkörper zunächst zusammen mit allen zurWindungverwendeten
Kernen, zum Zwecke des Aufhebens der Spannungen, verhältnismäßig kurz geglüht, dann
zur Entwicklung des nötigen Kristallgefüges bei höherer Temperatur und längere Zeit
lang geglüht wird und nachher die Kerne, z. B. durch Auslösen aus ihnen, entfernt
werden. Im Falle von Glühkörpern aus starkem Draht kann die Entfernung der Kerne
auch vor der zweiten Glühung erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in den
untenstehenden Beispielen ausführlich beschrieben Beispiel i Zum Zwecke der Herstellung
von doppelwendelförmigen Glühkörpern für gasgefüllte Glühlampen von 220 Volt und
q.o Dekalumen wird o,o2¢6 mm starker Wolframdraht verwendet, der während der Wärmebehandlung
ein großkristallines Gefüge annimmt. Ein derartiger Draht wiegt 1,84 mg pro Zoo
mm Länge. Dieser Draht wird nach sorgfältiger Reinigung auf einen o ,o6 mm starken,
vorher ebenfalls sorgfältig gereinigten, als Primärkern verwendeten Molybdändraht
gewunden, und die so erhaltene Primärwendel wird zusammen mit ihrem Kern auf einen
0,17o mm starken, ebenfalls gut gereinigten, als Sekundärkern verwendeten Molybdändraht
gewunden. Die so erhaltene lange Sekundärwendel wird dann einige Sekunden lang durch
einen mit Wasserstoff gespülten Ofen von i5oo° C gezogen. Danach wird die Sekundärwendel
in Stücke von der nötigen Länge geschnitten, und die so .erhaltenen Körper werden
im Wolframrohrofen, der mit einer Gasmischung aus 25 % Wasserstoff und 75 % Stickstoff
gespült wird, eine Minute lang bei 16oo° C geglüht. Nach dem Glühen werden aus den
Wendeln dieKerne miteiner Schwefelsäure-Salpetersüure-Mischung, der vorher einige
Tropfen Quecksilber zugesetzt wurden, ausgelöst, hiernach die Wendel gereinigt,
die so erhaltenen fertigen Glühkörper an Lampenfüßen befestigt, in üblicher Weise
in Lampenkolben eingeschmolzen und diese dann mit Stickstoff-Argon-Gasmischung gefüllt.
Der Molybdängehalt von derart hergestellten Glühkörpern ist gewöhnlich o,o4 %.
Beispiel
2 Ebenfalls doppelwendelförmige Glühkörper für 11o Volt 15o-Delcalumen-Lampen werden
aus o,07'19 mm starkem Wolframdraht hergestellt, der während der Wärmebehandlung
ein großkristallines Gefüge annimmt und 15,63 mg pro Zoo mm Länge wiegt. Dieser
Draht wird auf einen 0,16o mm starken Primärkern und auf einen 0,510 mm starken
Sekundärkern aufgewickelt, die beide aus Molvl)dän bestehen. Die derart erhaltenen
Wendel werden während einiger Sekunden ebenfalls durch einen Ofen von 1500° C ge-_
führt, der aber mit reinem Wasserstoff gespült wird. Nach Zerstückelung der langen
Wendel werden die einzelnen Teile ebenfalls im wasserstoffgespülten Wolframrohrofen
bei 1700° C 3 Minuten lang geglüht. Demnach wird ebenso verfahren wie beim Beispiel
i, aber der für die Auslösung der Kerne verwendeten Säuremischung wird vorher kein
Quecksilber zugesetzt. Der Molybdängehalt solcher Glühkörper beträgt ungefähr 0,o8
%. Beispiel 3 Zur Herstellung von doppelwendelförmigen Glühkörpern für 12
Volt ioo-Watt-Scheinwerferlampen verwendet man 0,272 mm starken Wolframdraht,
der während der Wärmebehandlung ein großkristallines Gefüge annimmt und der 226,o
mg pro Zoo mm Länge wiegt. Dieser Draht wird nach Reinigung auf einen o,520 mm starken,
vorher sorgfältig gereinigten Molybdändraht als Primärkern aufgewickelt, und die
so erhaltene Primärwendel wird zusammen mit ihrem Kern auf einen ebenfalls sorgfältig
gereinigten, 1,3o mm starken Molybdändraht aufgewunden. Die so erhaltene Sekundärwendel
wird zusammen mit ihrem Kern auf Teile zerschnitten, die etwa 5 bis 6 Glühkörper
ergeben, und diese im wasserstoffgespülten Wolframrohrofen 5 Minuten lang bei 2ooo°
C geglüht. Nach dem Glühen werden die Wendel auf Teile zerschnitten, deren Länge
den einzelnen Glühkörpern entspricht, und aus diesen werden vor oder nach der Zerstückelung
die Kerne in bekannter Weise in Schwefelsäure-Salpetersäure-Mischung ausgelöst.
Danach werden die Glühkörper, nunmehr ohne Kerne, in Wasserstoffatmosphäre oder
Vakuum während To Minuten bei 240o° C geglüht. Nach Ab-
kühlen werden die
Wendel auf die Lampengestelle montiert, diese in Kolben eingeschmolzen und mit einer
Stickstoff-Edelgas-Mischung gefüllt. Der Molybdängehalt der derart hergestellten
Glühkörper beträgt etwa 0,18,/,.
-
Die nach allen drei Beispielen hergestellten Glühkörper sind in gasgefüllten
Glühlampen vollkommen formbeständig und natürlich in nur mit Edelgasen gefüllten
Lampen ebenfalls vollkommen formbeständig.