DE69915422T2

DE69915422T2 - Verfahren zur Herstellung von komplex geformten hohlen keramischen Körpern

Info

Publication number: DE69915422T2
Application number: DE69915422T
Authority: DE
Inventors: Karlene J. Zuk; Jeffrey T. Neil; Christopher A. Tarry
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP2000108116A; CN1101304C; EP0992327A1; ATE261347T1; DE69915422D1; US5993725A; EP0992327B1; CA2276763A1; CN1251330A; JP4555417B2; CA2276763C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Bogenentladungsröhre, wobei die Bogenentladungsröhre ein Hohlkörper aus Keramikmaterial ist, wobei das Keramikmaterial im Wesentlichen Tonerde ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden hochreiner, hohler Keramikkörper aus komplex geformten, polykristallinen Tonerdekörpern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bogenentladungsröhren aus polykristalliner Tonerde werden seit vielen Jahren in Natriumdampf-Hochdrucklampen eingesetzt. In letzter Zeit haben solche Bogenentladungsröhren maßgebliche Anwendung bei Metall-Halogen-Lampen gefunden, wobei nicht zylindrisch geformte Bogenentladungslampen Vorteile zur verbesserten Wirksamkeit aufgewiesen haben. Zu solchen nicht zylindrischen Formen gehören elliptische und bauchige Geometrien.
Verfahren des Stands der Technik zum Ausbilden dieser Bogenentladungsröhren haben kaltisostatisches Pressen, Schlickergießen, Foliengießen, Spritzgießen, Blasformen, Gelgießen oder Extrudieren eingesetzt. Während diese Verfahren bei einfachen zylindrischen Formen gut funktioniert haben, sind kompliziert geformte, einstückige und komplexe Teile oft durch die schwierige und manchmal unmögliche Entfernung des Baukernmaterials eingeschränkt, das zum Definieren der Innengeometrie verwendet ist. Ferner führt Verunreinigung, die durch Berührung mit Kernmaterialien bewirkt ist, häufig zu Problemen, insbesondere bei optischer Keramik, bei der hohe Reinheit eine Voraussetzung ist. Extrudieren und Blasformen von hohlen Keramikkörpern kann Verwölbung aufgrund des Kunststoffstroms der benetzten Extrusionsmischung aufweisen, wobei der Hohlraum verzerrt wird oder sogar zusammenfällt oder aufgrund der Durchmesserausdehnung oder Veränderung in der Materialsteifheit eine veränderliche Wandstärke ermöglicht ist. Gepresste oder gegossene einstückige Teile sind aufgrund des Unvermögens, den Dorn oder Kern zu entfernen, in ihrer Form eingeschränkt. Bei einem Gießen ohne Kern ist die Innengeometrie veränderlich, wobei häufig ein teures Diamantschleifen der gesinterten Teile erforderlich ist.
Es wäre ein Fortschritt in der Technik, ein produktionstaugliches Verfahren zum Herstellen von Bogenentladungsröhren mit komplexen Formen aus polykristalliner Tonerde bereitzustellen, die zum Gebrauch als Entladungsbehälter von Natriumdampf-Hochdrucklampen und Metall-Halogen-Lampen geeignet sind.
US-A 3 907 949 beschreibt einen einstückigen Körper aus kristalliner Tonerde mit offenem Ende für Entladungslampen, der durch isostatisches Pressen hergestellt ist. Er nutzt einen lösbaren Kern aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt wie Wismut. US-A 5 385 700 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines Halters aus festem Keramikmaterial durch Anordnen eines Kerns in einer Masse von Keramikmaterial, Verfestigen des Materials um den Kern und späterem Entfernen des Kerns, um ein Rohprodukt mit einem Hohlraum zurückzulassen, das gesintert werden muss. Dieses Verfahren richtet sich auf die Herstellung eines festen Elektrolytmaterials zum Gebrauch in einer Speicherzelle.
JP 102 32 290 offenbart ein Verfahren, das das Auffüllen von Keramikpulver zwischen einem Graphitkern mit wellenförmigem Bau beinhaltet, der in einer Gummi- oder Vinylhülle angeordnet ist. Dieses Verfahren ist zum Herstellen von Keramikbalgen für Reaktoren nützlich.
JP 613 47 13 offenbart die Herstellung eines hohlen Keramikteils, z. B. aus Al₂O₃, durch Flammspritzen von Keramik um die Außenfläche aus Graphit. Es wird zum Herstellen von Turbinenschaufeln angewendet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Herstellung kompliziert geformter Keramikkörper zu verbessern.
Es ist außerdem eine weitere Aufgabe. der Erfindung, die Ausbildungsvorgänge und das Herstellen von Keramikartikeln durch den Gebrauch eines flüchtigen Kernmaterials zu verbessern, das keinen Rückstand hinterlässt.
Es ist zudem eine weitere Aufgabe der Erfindung, die hochreinen und innewohnenden chemischen und physikalischen Eigenschaften der Keramik während des Ausbildungsverlaufs bis zum verdichteten Endartikel zu bewahren.
Diese Aufgaben werden durch das Bereitstellen eines Verfahrens zum Ausbilden einer Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampe gelöst, wobei die Bogenentladungsröhre ein Hohlkörper aus Keramikmaterial ist, wobei das Keramikmaterial im Wesentlichen Tonerde ist, folgende Schritte umfassend:
Ausbilden eines flüchtigen Kerns, wobei der flüchtige Kern hochreines Graphit ist, mit einer Gestaltung, die der Innengestaltung des Hohlkörpers entspricht; Ausbilden eines fließfähigen Pulvers aus dem Keramikmaterial durch Herstellen einer wässrigen Masse, die Bindemittel beinhaltet, und Sprühtrocknen derselben; Bedecken des flüchtigen Kerns mit dem Keramikmaterial; Verdichten des Keramikmaterials in einer Form um den Kern zum Ausbilden einer Unterbaugruppe; Entfernen der Unterbaugruppe aus der Form; Erhitzen der Unterbaugruppe auf einer Rate und über einen Zeitraum und in einer geeigneten Atmosphäre, wobei die geeignete Atmosphäre Sauerstoff enthält und der Graphitkern zum Verflüchtigen des flüchtigen Kerns in Kohlendioxid umgewandelt wird; und darauf folgendes Sintern der Unterbaugruppe zum Ausbilden des Hohlkörpers. Das Erhitzen der Unterbaugruppe erfolgt als ein Schritt vor dem Sintern in Luft auf eine Temperatur von 1325ºC mit einer Rate von 300ºC pro Stunde.
In einer besonderen Ausführungsform wird der Körper durch Zusammenbauen einer Form ausgebildet, die einen flüchtigen Kern, welcher die Innenkontur definiert, und ein flexibles Elastomermaterial umfasst, welches die Außenkontur definiert. Das fließbare Pulver, das das Keramikmaterial enthält, wird in den Raum zwischen der Elastomerform und dem Kern geschüttet, und dadurch wird das Keramikpulver, das darin enthalten ist, verdichtet, um die Unterbaugruppe auszubilden, die dann wie oben angegeben fertig gestellt wird.
Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Keramikformen, die zum Gebrauch als Entladungsbehälter in Natriumdampf-Hochdrucklampen und Metall-Halogen-Lampen geeignet sind, auf produktionstaugliche, rentable Art und Weise.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und anderer und weiterer ihrer Aufgaben, Vorteile und Fähigkeiten wird nun auf die folgende Offenbarung und die beiliegenden Ansprüche Bezug genommen.
Unter eingehenderer Bezugnahme auf die Erfindung werden komplex geformten Keramikkörper durch den Gebrauch eines flüchtigen Kerns hergestellt. In der Ausführungsform der Erfindung ist der Kern aus einem hochreinen Graphit ausgebildet, welches ein Material ist, das zumindest zu 99,99% aus Kohlenstoff besteht.
Zum Herstellen der Bogenentladungsröhre der Erfindung wird ein Kern mit einer gewünschten Form, z. B. elliptisch, aus hochreinem Graphit vorgefertigt, das beim Erhitzen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre reagieren wird, um CO₂ auszubilden. Zum Ausbilden der Kerne kommen herkömmliche Graphitbearbeitungsverfahren zur Anwendung.
Es wird ein Träger, d. h. eine wässrige Masse von Körpermaterial, die geeignete Bindemittel und Weichmacher enthält, hergestellt und sprühgetrocknet. Das sprühgetrocknete Material, das nun ein fließfähiges Pulver ist, wird in eine Nasshüllen-Polyurethanform geschüttet, die mit dem Graphitkern versehen ist, und auf 827,0 bar (12.000 psi) kaltisostatisch gepresst. Der intakte Keramikkörper, der den Graphitkern enthält, wird aus der Form entfernt und in Luft mit einer Rate von 300ºC pro Stunde auf 1325ºC erhitzt, und die Temperatur wird für eine Zeitdauer auf 1325ºC gehalten, die zum Umwandeln des gesamten Graphits in Kohlendioxid erforderlich ist. Für die meisten Anwendungen beträgt diese Zeitdauer ungefähr 24 Stunden. Der nun hohle Körper wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre, wie etwa 8% Wasserstoff und 92% Stickstoff, auf einer Temperatur von 1900ºC gesintert.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung auf nicht einschränkende Weise.
BEISPIEL I
Sprühgetrocknetes Tonerdepulver, das 0,5 Gew.-% eines organischen Bindemittels wie Polyvinylalkohol und 2,0 Gew.-% eines Weichmachers wie Polyethylenglykol enthielt, wurde in eine Nasshüllen-Polyurethanform mit einem ellipsenförmigen Hohlraum, die mit einem ellip senförmigen Kern aus hochreinem Graphit mit kleinerem Durchmesser (z. B. Bay Carbon, Inc. grade SPK) versehen war, geladen, die auf einem Wolframkarbiddorn aufgesteckt war. Die mit Tonerde gefüllte Nasshülle wurde versiegelt und auf 861,5 bar (12.500 psi) isostatisch gepresst, um einen Rohkörper auszubilden. Nach dem Pressen wurde der Tonerderohkörper mit großteils eingekapseltem Graphitkern aus der Nasshülle und von dem Dorn entfernt und der Rohkörper auf 1325 ºC in Luft gebrannt, bis sich das Graphit und das Bindemittel völlig verflüchtigt hatten. Der vorgesinterte, nun hohle Keramikkörper wurde dann durch Brennen in einer Atmosphäre von 8% Wasserstoff und 92% Stickstoff auf 1900ºC für 2 Stunden gebrannt, was einen hohlen, bauchig geformten, einstückigen, durchscheinenden Körper ergab, der zum Gebrauch als Entladungsbehälter einer Hochintensitätsentladungslampe geeignet ist. Zu Hochintensitätsentladungslampen gehören Metall-Halogen-Lampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen, sie sind aber nicht darauf beschränkt.
BEISPIEL II
Es wurde das identische Verfahren nach Beispiel 2 befolgt, außer dass die Menge von Bindemittel auf 1,0 Gew.-% erhöht und kein Weichmacher verwendet wurde. Der sich daraus ergebende Keramikkörper war ebenfalls zum Gebrauch als Entladungsbehälter in Hochintensitätslampen geeignet, was zeigt, dass das Verfahren robust genug ist, um Veränderungen in Bindemittel-/ Weichmachergraden und -verhältnissen standzuhalten.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampe, wobei die Bogenentladungsröhre ein Hohlkörper aus Keramikmaterial ist, wobei das Keramikmaterial im Wesentlichen Tonerde ist, folgende Schritte umfassend: Ausbilden eines flüchtigen Kerns mit einer Gestaltung, die der Innengestaltung des Hohlkörpers entspricht; Ausbilden eines fließfähigen Pulvers aus dem Keramikmaterial durch Herstellen einer wässrigen Masse, die Bindemittel beinhaltet, und Sprühtrocknen derselben; Bedecken des flüchtigen Kerns mit dem Keramikmaterial; Verdichten des Keramikmaterials in einer Form um den Kern zum Ausbilden einer Unterbaugruppe; Entfernen der Unterbaugruppe aus der Form; Erhitzen der Unterbaugruppe auf einer Rate und über einen Zeitraum und in einer geeigneten Atmosphäre, wobei die geeignete Atmosphäre Sauerstoff enthält und der Graphitkern zum Verflüchtigen des flüchtigen Kerns in Kohlendioxid umgewandelt wird; und darauf folgendes Sintern der Unterbaugruppe zum Ausbilden des Hohlkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der flüchtige Kern hochreines Graphit ist, und wobei das Erhitzen der Unterbaugruppe als ein Schritt vor dem Sintern in Luft auf eine Temperatur von 1325ºC mit einer Rate von 300ºC pro Stunde erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bedeckens folgendes umfasst: Zusammenbauen einer Form, die den flüchtigen Kern, welcher die Innenkontur definiert, und ein flexibles Elastomermaterial umfasst, welches die Außenkontur des Körpers definiert; und Schütten des fließbaren Pulvers, das das Keramikmaterial enthält, in den Raum zwischen der Elastomerform und dem Kern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verdichtens folgendermaßen durchgeführt wird: die Masse, die das Keramikmaterial enthält, wird bei einen Druck zwischen 827,0 bar (12.000 psi) und 861,5 bar (12.500 psi) isostatisch verdichtet, um die Unterbaugruppe auszubilden.