EP1523752A2 - Elektrode für hochdruckentladungslampe - Google Patents

Elektrode für hochdruckentladungslampe

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Publication number
EP1523752A2
EP1523752A2 EP03726994A EP03726994A EP1523752A2 EP 1523752 A2 EP1523752 A2 EP 1523752A2 EP 03726994 A EP03726994 A EP 03726994A EP 03726994 A EP03726994 A EP 03726994A EP 1523752 A2 EP1523752 A2 EP 1523752A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
volume percent
volume
heat treatment
electrode
tungsten
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03726994A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Leichtfried
Wolfgang Spielmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plansee SE
Original Assignee
Plansee SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plansee SE filed Critical Plansee SE
Publication of EP1523752A2 publication Critical patent/EP1523752A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to an electrode for high-pressure discharge lamps made of tungsten or a tungsten alloy and a method for their production.
  • Discharge lamps are light sources in which electrons emerging from electrodes excite atoms of the filling gas to emit electromagnetic radiation.
  • Discharge lamps are divided into low-pressure and high-pressure discharge lamps depending on the filling pressure. The latter are also referred to as "High Intensity Discharge” or HID lamps for short. Since most high-pressure discharge lamps only achieve a sufficient density of emitting electrons at high temperatures, the electrode material must have a high melting point, a low vapor pressure, adequate creep resistance and chemical resistance Tungsten and tungsten alloys meet these requirements best of all metallic and ceramic materials. With particularly high demands on the ignitability and arc stability, substances are added to the tungsten that reduce the electron work function. Examples of substances that promote emissions are rare earth metal oxides, BaO or Th0 2. A reduction in the electron work function is particularly necessary in the case of lamps in which no emission-promoting pastes can be applied to the electrode surface, since these contain the filling gas would react. This is the case, for example, with metal halide lamps.
  • Electrode designs there is a wide variety of electrode designs. There is also a difference between whether the lamp is operated with alternating current or direct current. In the case of AC lamps, both electrodes are usually of identical construction. In the case of direct current lamps, the anode and cathode have a different design. A rough distinction can be made between filament-like electrodes, pin electrodes, winding electrodes and formula electrodes. Filament-like electrodes, pin electrodes and winding electrodes are usually made from drawn wires, shaped electrodes made from rolled, hammered or forged rods. Filament electrodes are preferably used in fluorescent lamps.
  • Winding and pin electrodes are used in high pressure sodium lamps, high pressure mercury lamps and metal halide lamps. Embodiments of winding electrodes are shown, for example, in WO 97/16844 or in DE 297 22 612 U1. A typical one
  • Formula electrodes are manufactured using metal-cutting manufacturing techniques from formed primary material.
  • Powder-metallurgical process technologies which enable shaping to be free of final contours, such as, for example, die presses, isostatic pressing, powder extrusion, hot isostatic pressing or metal powder injection molding are known and are described, for example, in DE 44 42 161 or EP 0 917 179. These documents do not contain any further information on heat / sintering treatment and the carbon content.
  • Process techniques in which the shaping is carried out using plasticized powder materials, such as, for example, metal powder injection molding or powder extrusion have hitherto not been used for lamp electrodes, inter alia, because the carbon content of the parts produced in this way is too high.
  • Electrodes and the filling gas components changes in the light spectrum, insufficient arc stability, fluctuations in the burn-back behavior and blackening of the discharge vessel. This manifests itself, for example, in a decrease in the luminous flux during the period of use of the lamp.
  • Japanese application JP 19950324664 19951213 describes a
  • Tungsten electrode material for a discharge lamp with a content of Al, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, Sn, Na, K, Mo, U, and Th each of ⁇ 0.001%.
  • the low levels are reduced by an annealing treatment of the electrode Vacuum reached.
  • the high annealing temperatures required for this cause pronounced grain coarsening, which has a disadvantageous effect on the stability of the arc.
  • Japanese application 2001226735 20010821 describes a formed ingot made of tungsten or a tungsten alloy with a purity> 99.99%.
  • This formed ingot contains 500 ⁇ g / g or less of nitrogen, oxygen and carbon.
  • the average grain size is 20 - 600 ⁇ m, with a degree of deformation of at least 30% and a final annealing temperature of 2600 ° C.
  • the values given in this application correspond to the standard specification for tungsten that has been common for years and do not improve the behavior of the electrode.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrode with high arc stability for high-pressure discharge lamps, the use of which leads to no or the least possible contamination of the filling gas and to no or as little as possible blackening of the bulb.
  • an electrode according to claim 1 The average carbon content includes both the carbon fractions dissolved or excreted in the matrix and the surface adsorbed or bound carbon fractions. It must be taken into account here that the state in which the samples are analyzed must correspond to the state of use of the electrodes in the lamp. The samples should therefore not be subjected to any etching or pickling treatment before chemical analysis, since otherwise the actual conditions in areas near the surface would not be taken into account.
  • the matrix carbon content of tungsten components currently used is 5 to 15 ⁇ g / g. However, this matrix carbon content does not include the carbon content of areas near the edges.
  • the mean carbon content is obtained by analyzing the sample in the non-etched state. The proportion of areas near the edge of the average carbon content depends on the sample diameter. The smaller the Sample diameter, the stronger the effect of the carbon enriched in areas near the edges.
  • High pressure mercury lamps are 0.2 mm to 3 mm.
  • the typical mean carbon content for electrodes in the electropolished state is 11 ⁇ g at 3 mm and 25 ⁇ g / g at 0.2 mm.
  • the significantly higher average carbon content compared to the matrix content can be explained by the fact that microscopic elevations occur during the forming process, which are then leveled out in the following forming step.
  • the C-containing lubricants or also C-containing impurities are enclosed in areas near the surface and can no longer be completely removed by the usual cleaning steps.
  • mechanical processing is disadvantageous, since this, too, can lead to an increased edge carbon content due to a reaction with cooling lubricant. Adequate purity of areas near the surface cannot be achieved even by annealing.
  • Discharge vessel as well as influenced by the electrode spacing. The latter in turn depends on the burn-back behavior of the electrode. If the electrode does not burn back, the electrode distance also remains constant. A blackening of the discharge vessel always leads to a reduction in the luminous flux. A high application is advantageous
  • Luminous flux constancy during the longest possible service life of the lamp.
  • the luminous flux constancy is usually given by the reduction of the luminous flux. This value reflects the percentage decrease in luminous flux in relation to the initial value.
  • an average reduction of the was achieved in metal halide lamps with a filling gas volume of 150 mm 3 and a power consumption of 150 W during nominal operation Luminous flux after 24 h test time of 24% determined.
  • electrodes according to the invention with an average carbon content of 3 ⁇ g / g and again a diameter of 0.8 mm, the average reduction in the luminous flux was 9%.
  • An average carbon content of ⁇ 5 ⁇ g / g is achieved by the process steps set out in claim 1.
  • Tungsten powder with the usual metallic purity of 99.95% can be used as a raw material, which ensures economical production. So-called UHP powders with a purity> 99.999% can also be used for particularly high requirements, the C, N, O, H and Mo contents not being taken into account in this value.
  • Tungsten powders with the usual powder grain sizes of 0.3 ⁇ m to 5 ⁇ m, each according to Fisher, can also be used. Effective carbon degradation during sintering takes place via open porosity, since the diffusion rate in the tungsten lattice is not sufficiently high. With increasing density, there is a transition from open to closed porosity during sintering.
  • This transition is shifted towards higher temperatures by a low density in the green state.
  • the correspondingly low green density is achieved by processing plasticized powder with a plasticizer content of 40 to 70 percent by volume.
  • the corresponding outgassing paths are sufficiently short to achieve the carbon content according to the invention.
  • the end-contour or end-contour shaping of the plasticized powder mass can be carried out by metal powder injection molding, by powder extrusion or similar process techniques.
  • the sintering atmosphere has a decisive effect on the setting of a carbon content ⁇ 5 ⁇ g / g.
  • the sintering treatment must include at least the following heat treatment steps, which can be carried out either in one process step or in separate process operations.
  • the molded body is first subjected to a heat treatment in a first atmosphere of the composition 10 volume percent ⁇ (H 2 + H 2 0) ⁇ 100 volume percent, 0 volume percent ⁇ (N 2 and / or noble gas) ⁇ 90 volume percent, wherein the water vapor to hydrogen volume ratio is 0.003 ⁇ H 2 O / H 2 ⁇ 0.15.
  • the temperature at which the electrode moldings are heat-treated in the first atmosphere ranges from at least 100 ° C. to 500 ° C., and at a heating rate from room temperature to at least 500 ° C. of less than 0.05 ° C./s.
  • Tungsten alloys have proven their worth, the alloy components of which do not interact chemically with carbon during sintering. This is guaranteed for tungsten alloys that contain one or more components with a free standard enthalpy of formation of ⁇ -1000 kJ / mol each. These include, for example, oxides and mixed oxides from the group Hf0 2) Zr0 2 , Y2 ⁇ 3 and rare earth metal oxides.
  • W-1% by weight HfO 2 -0.2% by weight Lu 2 O 3 electrodes with a C content of 12 ppm in the case of metal halide lamps with a filling gas volume of 150 mm 3 and a power consumption of 150 W during nominal operation lead to an average Luminous flux reduced by 29% after 4000 h of test time.
  • W-1 wt.% HfO 2 -0.2 wt.% Lu 2 O 3 electrodes with an average carbon content of 1.8 ⁇ g / g the mean reduction in luminous flux was 15%.
  • Electron emitting / absorbing area of the electrode This prevents temperature peaks caused by a localized arc, which can lead to evaporation. Local evaporation is also reduced to a minimum if the electron-emitting / absorbing area of the electrode has a roughness depth ⁇ 1.5 ⁇ m.
  • the average carbon content of the electrodes according to the invention which are usually used according to the prior art is compared.
  • Tungsten powder with a grain size according to Fisher of 2.1 ⁇ m was mixed with a wax-based binder using a shear mixer and homogenized, the binder content being 52 percent by volume and the mixing time being 5 hours. This mixture was compressed in a screw extruder to form a raw material for powder injection molding.
  • the average density for the electrodes with a diameter of 0.8 mm was 98.8% and the average grain number was 5700 K / mm 2 , for the electrodes with a diameter of 3.0 mm the average density was 98.2% and the average grain number 5900 K / mm 2 .
  • the average carbon content of these samples and comparative samples, produced by rolling, drawing, electropolishing and cutting, was determined by means of combustion analysis, the samples not being subjected to any pickling treatment before the analysis. The values determined are shown in the table below.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Hochdruckentladungslampen aus Wolfram oder einer Wolframlegierung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Erfindungsgemässe Elektroden weisen einen mittleren Kohlenstoffgehalt 10 < 5 pg/g auf, wodurch eine hohe Lichtstromkonstanz bei Hochdruckentladungslampen ermöglicht wird. Die Herstellung erfolgt über Formgebungstechniken unter Verwendung von plastifizierten Pulvermassen, die eine endkonturnahe bzw. eine Endkontur-Fertigung ermöglichen. Die Sinterbehandlung umfasst eine Wärmebehandlung in einer ersten Atmosphäre der Zusammensetzung 10 Volumenprozent <= (H2 + H2O) <= 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent <= (N2 und/oder Edelgas) <= 90 Volumenprozent, wobei das Wasserdampf zu Wasserstoff Volumenverhältnis 0,003 <= H2O/H2 <= 0,15 beträgt und in einer zweiten Atmosphäre der Zusammensetzung 10 Volumenprozent <= (H2 + H2O) <= 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent <= (N2 und/oder Edelgas) <= 90 Volumenprozent, mit H2O/H2 < 0,002 oder wahlweise Vakuum mit einem Druck < 0,0001 mbar.

Description

ELEKTRODE FÜR HOCHDRUCKENTLADUNGSLAMPE
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Hochdruckentladungslampen aus Wolfram oder einer Wolframlegierung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Als Entladungslampen werden Lichtquellen bezeichnet, bei denen aus Elektroden austretende Elektronen Atome des Füllgases zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung anregen. Entladungslampen werden je nach Fülldruck in Niederdruck- und Hochdruckentladungslampen eingeteilt. Letztere werden auch als „High Intensity Discharge" oder abgekürzt HID Lampen bezeichnet. Da bei den meisten Hochdruckentladungslampen eine ausreichende Dichte emittierender Elektronen nur bei hohen Temperaturen erreicht wird, muss das Elektrodenmaterial einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Dampfdruck, eine ausreichende Kriechfestigkeit und chemische Beständigkeit gegenüber dem Füllgas aufweisen. Von allen metallischen und keramischen Werkstoffen erfüllen Wolfram und Wolframlegierungen diese Anforderungen am besten. Bei besonders hohen Anforderungen an die Zündfähigkeit und Lichtbogenstabilität werden dem Wolfram Substanzen zugesetzt, die die Elektronenaustrittsarbeit senken. Beispiele für emissionsfördemde Substanzen sind Seltenerdmetall-Oxide, BaO oder Th02. Eine Senkung der Elektronenaustrittsarbeit ist besonders bei Lampen erforderlich, bei denen auf die Elektrodenoberfläche keine emissionsfördernden Pasten aufgebracht werden können, da diese mit dem Füllgas reagieren würden. Dies ist beispielsweise bei Metallhalogenid-Lampen der Fall.
In Abhängigkeit vom Lampentyp gibt es eine große Vielfalt an Elektroden- Ausführungsformen. Des weiteren besteht ein Unterschied darin, ob die Lampe mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben wird. Bei Wechselstrom-Lampen sind beide Elektroden üblicherweise baugleich ausgeführt. Bei Gleichstromlampen weisen Anode und Kathode ein unterschiedliches Design auf. Grob kann zwischen filamentartigen Elektroden, Stiftelektroden, Wickelelektroden und Formelektroden unterschieden werden. Filamentartige Elektroden, Stiftelektroden und Wickelelektroden werden üblicherweise aus gezogenen Drähten, Formelektroden aus gewalzten, gehämmerten oder geschmiedeten Stäben gefertigt. Filamentelektroden werden vorzugsweise in Fluoreszenzlampen eingesetzt.
Wickel- und Stiftelektroden kommen in Natriumdampfhochdruck-Lampen, in Quecksilberdampfhochdruck-Lampen und Metallhalogenid-Lampen zum Einsatz. Ausführungsformen von Wickelelektroden sind beispielsweise in der WO 97/16844 oder in der DE 297 22 612 U1 gezeigt. Ein typisches
Einsatzgebiet von Formelektroden sind Kurzlichtbogenlampen. Formelektroden werden mittels spanabhebenden Fertigungstechniken aus umgeformtem Vormaterial hergestellt. Auch pulvermetallurgische Verfahrenstechniken, die eine endkontumahe Formgebung ermöglichen, wie beispielweise Matrizenpressen, isostatisches Pressen, Pulverstrangpressen, heißisostatisches Pressen oder Metallpulverspritzguss sind bekannt und beispielsweise in der DE 44 42 161 oder der EP 0 917 179 beschrieben. In diesen Dokumenten sind keine weiterführenden Angaben zur Wärme- / Sinterbehandlung und zum Kohlenstoffgehalt enthalten. Verfahrenstechniken, bei denen die Formgebung unter Verwendung von plastifizierten Pulvermassen erfolgt, wie beispielsweise der Metallpulverspritzguss oder das Pulverstrangpressen, wurden bis jetzt unter anderem auch deshalb nicht für Lampenelektroden eingesetzt, weil der Kohlenstoffgehalt der so hergestellten Teile zu hoch liegt. Die Entwicklungstrends bei Hochdruckentladungslampen, wie Miniaturisierung, Erhöhung der Lichtabgabe pro eingesetzter Leistungseinheit, Erhöhung der Lebensdauer und Verbesserung der Umweltverträglichkeit, führen zu gesteigerten Anforderungen an die Lampenkomponenten. Es zeigt sich, dass die derzeit verfügbaren Elektroden vielfach diesen Anforderungen nicht mehr genügen. Dabei speziell zu nennen sind Wechselwirkungen zwischen den
Elektroden und den Füllgaskomponenten, Änderungen im Lichtspektrum, nicht ausreichende Lichtbogenstabilität, Schwankungen im Rückbrandverhalten und Schwärzungen des Entladungsgefäßes. Dies manifestiert sich beispielsweise in einem Rückgang des Lichtstromes während der Einsatzzeit der Lampe. Die japanische Anmeldung JP 19950324664 19951213 beschreibt ein
Wolfram-Elektrodenmaterial für eine Entladungslampe mit einem Gehalt an AI, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, Sn, Na, K, Mo, U, und Th von jeweils < 0,001%. Die niedrigen Gehalte werden durch eine Glühbehandlung der Elektrode unter Vakuum erreicht. Die dafür erforderlichen hohen Glühtemperaturen bewirken jedoch eine ausgeprägte Kornvergröberung, was sich nachteilig auf die Lichtbogenstabilität auswirkt.
In der japanische Anmeldung 2001226735 20010821 ist ein umgeformter Ingot aus Wolfram oder einer Wolframlegierung mit einer Reinheit > 99,99 % beschrieben. Dieser umgeformte Ingot enthält 500 μg/g oder weniger an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Die mittlere Korngröße beträgt 20 - 600 μm, bei einem Umformgrad von zumindest 30 % und einer Endglühtemperatur von 2600°C. Die in dieser Anmeldung angegebenen Werte entsprechen der seit Jahren üblichen Standardspezifikation für Wolfram und bewirken keine Verbesserung des Einsatzverhaltens der Elektrode.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Elektrode mit hoher Lichtbogenstabilität für Hochdruckentladungslampen, deren Einsatz zu keiner bzw. einer möglichst geringfügigen Verunreinigung des Füllgases und zu keiner bzw. einer möglichst geringfügigen Schwärzung des Kolbens führt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Elektrode gemäß Anspruch 1 gelöst. Der mittlere Kohlenstoffgehalt beinhaltet dabei sowohl den in der Matrix gelösten bzw. ausgeschiedenen, als auch die oberflächlich adsorbierten bzw. gebundenen Kohlenstoffanteile. Zu berücksichtigen dabei ist, dass der Zustand, in dem die Proben analysiert werden, dem Einsatzzustand der Elektroden in der Lampe entsprechen muss. Die Proben sind daher vor der chemischen Analyse keiner Ätz- oder Beizbehandlung zu unterziehen, da ansonsten die tatsächlichen Gegebenheiten in oberflächennahen Bereichen nicht berücksichtigt würden.
Der Matrix-Kohlenstoffgehalt von Wolframbauteilen, wie sie derzeit Verwendung finden, beträgt 5 bis 15 μg/g. Dieser Matrixkohlenstoffgehalt beinhaltet jedoch nicht die Kohlenstoffanteile randnaher Bereiche. Indem die Probe im nicht-geätzten Zustand analysiert wird, erhält man den mittleren Kohlenstoffgehalt. Der Anteil randnaher Bereiche am mittleren Kohlenstoffgehalt hängt vom Probendurchmesser ab. Je kleiner der Probendurchmesser, desto stärker wirkt sich der in randnahen Bereichen angereicherte Kohlenstoff aus. Die üblichen Elektrodendurchmesser für Metallhalogenid-, Natriumdampfhochdruck- und
Quecksilberdampfhochdruck-Lampen betragen 0,2 mm bis 3 mm. Der typische mittlere Kohlenstoffgehalt für Elektroden im elektropolierten Zustand beträgt bei 3 mm 11 und bei 0,2 mm 25 μg/g. Der im Vergleich zum Matrixgehalt deutlich höhere mittlere Kohlenstoffgehalt kann damit erklärt werden, dass es beim Umformprozess zu mikroskopischen Erhebungen kommt, die beim folgenden Umformschritt wiederum eingeebnet werden. Dadurch werden die C-haltigen Schmiermittel bzw. auch C-haltige Verunreinigungen in oberflächennahen Bereichen eingeschlossen und sind durch die üblichen Reinigungsschritte nicht mehr vollständig entfernbar. Des weiteren ist eine mechanische Bearbeitung nachteilig, da auch dies durch eine Reaktion mit Kühlschmiermittel zu einem erhöhten Randkohlenstoffgehalt führen kann. Auch durch Glühungen kann eine ausreichende Reinheit von oberflächennahen Bereichen nicht erreicht werden.
Umfangreiche Versuche, zum Beispiel bei Metallhalogenidlampen mit geringem Füllgasvolumen, zeigten eine sprunghafte Verbesserung der Lichtstromkonstanz in Abhängigkeit der Brenndauer der Lampe, wenn die Elektroden einen mittleren Kohlenstoffgehalt < 5 μg/g aufwiesen. Der Lichtstrom wird dabei im wesentlichen sowohl von der Schwärzung des
Entladungsgefäßes, als auch vom Elektrodenabstand beeinflusst. Letzterer hängt wiederum vom Rückbrandverhalten der Elektrode ab. Zeigt die Elektrode keinen Rückbrand, so bleibt auch der Elektrodenabstand konstant. Eine Schwärzung des Entladungsgefäßes führt immer zu einer Reduzierung des Lichtstromes. Anwendungstechnisch vorteilhaft ist eine hohe
Lichtstromkonstanz während einer möglichst langen Standzeit der Lampe. Die Lichtstromkonstanz wird üblicherweise durch die Reduktion des Lichtstromes angegeben. Dieser Wert gibt den prozentuellen Rückgang des Lichtstromes bezogen auf den Ausgangswert wieder. Bei Verwendung von Stand-der-Technik Elektroden mit einem Durchmesser von 0,8 mm und einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 14 μg/g wurde bei Metallhalogenidlampen mit einem Füllgasvolumen von 150 mm3 und einer im Nennbetrieb aufgenommenen Leistung von 150 W eine mittlere Reduktion des Lichtstroms nach 4000 h Testzeit von 24 % ermittelt. Mit erfindungsgemäßen Elektroden mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 3 μg/g und wiederum einem Durchmesser von 0,8 mm betrug die mittlere Reduktion des Lichtstroms 9 %. Ein mittlerer Kohlenstoffgehalt < 5 μg/g wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebenen Prozessschritte erreicht. Als Rohstoff kann Wolframpulver mit der üblichen metallischen Reinheit von 99,95 % eingesetzt werden, wodurch eine wirtschaftliche Fertigung gewährleistet ist. Für besonders hohe Anforderungen können auch sogenannte UHP-Pulver mit einer Reinheit > 99,999 % eingesetzt werden, wobei die C-, N-, O-, H- und Mo-Gehalte in diesem Wert nicht berücksichtigt sind. Weiters können Wolframpulver mit den üblichen Pulverkorngrößen von 0,3 μm bis 5 μm, jeweils nach Fisher, verwendet werden. Ein wirkungsvoller Kohlenstoffabbau während des Sinterns erfolgt über offene Porosität, da die Diffusionsgeschwindigkeit im Wolframgitter nicht ausreichend hoch ist. Mit zunehmender Dichte erfolgt während des Sinterns ein Übergang von offener zu geschlossener Porosität. Dieser Übergang wird durch eine geringe Dichte im grünen Zustand zu höheren Temperaturen hin verschoben. Die entsprechend geringe Gründichte wird durch die Verarbeitung von plastifizierten Pulvermassen mit einem Anteil an Plastifizierungsmittel von 40 bis 70 Volumsprozent erreicht. Bei Elektroden mit einer maximalen Querschnittsfläche senkrecht zur Elektrodenachse von 30 mm2 sind die entsprechende Ausgaswege ausreichend kurz, um den erfindungsgemäßen Kohlenstoffgehalt zu erzielen. Die endkontumahe bzw. Endkontur-Formgebung der plastifizierten Pulvermasse kann durch Metallpulverspritzguss, durch Pulverstrangpressen oder ähnlichen Verfahrenstechniken erfolgen. Entscheidend für die Einstellung eines Kohlenstoffgehalts < 5 μg/g wirkt sich die Sinteratmosphäre aus. Die Sinterbehandlung muss dabei zumindest die folgenden Wärmebehandlungsschritte umfassen, die wahlweise in einem Prozessschritt oder in separaten Prozessvorgängen durchgeführt werden können. Der Formkörper wird im grünen Zustand zunächst einer Wärmebehandlung in einer ersten Atmosphäre der Zusammensetzung 10 Volumenprozent < (H2 + H20) < 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent unterzogen, wobei das Wasserdampf zu Wasserstoff Volumenverhältnis 0,003 < H2O/H2 < 0,15 beträgt. Die Temperatur, bei der die Elektrodenformkörper an der ersten Atmosphäre wärmebehandelt werden, reicht zumindest von 100°C bis 500°C, bei einer Aufheizgeschwindigkeit von Raumtemperatur zumindest bis 500°C von kleiner 0,05 °C/s. Danach folgt eine Wärmebehandlung in einer zweiten Atmosphäre der Zusammensetzung 10 Volumenprozent < (H2 + H2O) < 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent, mit H20/H2 < 0,002. Wahlweise kann als zweite Atmosphäre auch Vakuum mit einem Druck < 0,0001 mbar zur Anwendung kommen. Die Temperatur, bei der die Elektrodenformkörper an der zweiten Atmosphäre wärmebehandelt werden, beträgt in Abhängigkeit von der verwendeten Pulverkorngröße 1700°C bis 2800°C. Da keine weitere umformende Verarbeitung erforderlich ist, erfolgt auch keine Verunreinigung durch C-haltige Schmierstoffe. Gemäß dieser Verfahrensroute hergestellte Elektroden weisen dabei einen deutlich niedrigeren mittleren Kohlenstoffgehalt auf, als Vergleichselektroden, die durch Walzen / Hämmern, Ziehen, Elektropolieren und Schneiden hergestellt werden, wie dies im Beispiel dokumentiert ist.
Als Wolframlegierungen haben sich solche bewährt, deren Legierungsbestandteile nicht mit Kohlenstoff während des Sinterns in eine chemische Wechselwirkung treten. Dies ist bei Wolframlegierungen gewährleistet, die eine oder mehrere Komponenten mit einer freien Standard - Bildungsenthalpie von jeweils < -1000 kJ/mol enthalten. Dazu zählen beispielsweise Oxide und Mischoxide aus der Gruppe Hf02) Zr02, Y2θ3 und Seltenerdmetall-Oxide. So führen W-1 Gew.%HfO2-0,2Gew.%Lu2O3 Elektroden mit einem C-Gehalt von 12 ppm bei Metallhalogenidlampen mit einem Füllgasvolumen von 150 mm3 und einer im Nennbetrieb aufgenommenen Leistung von 150 W zu einer mittleren Reduktion des Lichtstroms nach 4000 h Testzeit von 29 %. Bei W-1Gew.%HfO2-0,2Gew.%Lu2O3 Elektroden mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 1 ,8 μg/g betrug die mittlere Reduktion des Lichtstroms 15 %. Besonders vorteilhaft ist auch eine halbkugelförmige Ausführung des
Elektronen emittierenden / absorbierenden Bereiches der Elektrode. Dadurch werden Temperaturspitzen durch einen örtlich ansetzenden Lichtbogen, die zu Abdampfungen führen können, verhindert. Örtliche Abdampfungen werden zudem auf ein Minimum reduziert, wenn der Elektronen emittierende / absorbierende Bereich der Elektrode eine Rautiefe < 1 ,5 μm aufweist.
Im folgenden Ausführungsbeispiel ist der mittlere Kohlenstoffgehalt der nach dem Stand der Technik üblicherweise verwendeten Elektroden erfindungsgemäßen Elektroden gegenübergestellt.
Beispiel:
Wolframpulver mit einer Korngröße nach Fisher von 2,1 μm wurde mit einem Binder auf Wachsbasis mittels eines Schermischers vermengt und homogenisiert, wobei der Bindergehalt 52 Volumenprozent und die Mischzeit 5 h betrugen. Dieses Gemenge wurde in einem Schneckenextruder zu einem Ausgangsmaterial für den Pulverspritzguss verdichtet. Dieses
Ausgangsmaterial wurde auf eine Temperatur von 160°C erwärmt und mit einem Druck von 500 bar in ein Formwerkzeug eingespritzt, wobei die Werkzeugtemperatur 70°C betrug. Das Formwerkzeug war so ausgestaltet, dass die entformten Proben einen Durchmesser von 0,33 mm und eine Länge von 7 mm aufwiesen. Diese zylindrischen Proben wurden in einem widerstandsbeheizten Kaltwandofen in einer H2/N2/H20 Atmosphäre mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 0,009°C/s auf eine Temperatur von 800°C aufgeheizt. Das H2/N2 Volumenverhältnis betrug dabei 5,7 und das H20/H2 Volumenverhältnis 0,01. Bei T= 800°C wurde die Ofenatmosphäre auf H2 mit einem H20 Volumengehalt von 0,05% (H20/H2 = 0,0005) umgestellt und die Proben wurden mit einer Aufheizgeschwind igkeit von 0,1°C/s auf eine Sintertemperatur von 2250°C erhitzt. Die Haltezeit bei T= 2250°C betrug 2 h. Danach erfolgte eine Ofenabkühlung. Der Elektrodendurchmesser betrug 0,25 mm, die mittlere Dichte 98,9 % und die mittlere Kornzahl 5625 K/mm2. In analoger Weise wurden Elektroden mit einem Durchmesser von 0,8 mm und 3 mm gefertigt. Bei den Elektroden mit einem Durchmesser von 0,8 mm betrug die mittlere Dichte 98,8 % und die mittlere Kornzahl 5700 K/mm2, bei den Elektroden mit einem Durchmesser von 3,0 mm betrug die mittlere Dichte 98,2 % und die mittlere Kornzahl 5900 K/mm2. Der mittlere Kohlenstoffgehalt von diesen Proben und Vergleichsproben, gefertigt mittels Walzen, Ziehen, Elektropolieren und Schneiden, wurde mittels Verbrennungsanalyse bestimmt, wobei die Proben vor der Analyse keiner Beizbehandlung unterzogen wurden. Die ermittelten Werte sind in nachstehender Tabelle wiedergegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrode mit einer maximalen Querschnittsfläche senkrecht zur Elektrodenachse von 30 mm2 für Hochdruckentladungslampen, bestehend aus Wolfram oder einer Wolframlegierung mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt < 5 μg/g, deren Herstellung zumindest folgende
Verfahrensschritte umfasst:
Herstellen einer plastifizierten Pulvermasse, bestehend aus Wolframpulver oder Pulver einer Wolframlegierung mit einer mittleren Korngröße KG nach Fisher von 0,3 μm < KG < 5μm und einem Plastifizierungsmittel, wobei der Anteil an Plastifizierungsmittel PM bezogen auf die plastifizierte Pulvermasse bei 40 Volumenprozent < PM ≤ 70 Volumenprozent beträgt; - Formgebungsprozess unter Verwendung der plastifizierten Pulvermasse; - Durchführung zumindest folgender Wärmebehandlungsschritte, wahlweise in einem Prozessschritt oder in separaten Prozessvorgängen:
Wärmebehandlung zumindest im Temperaturbereich 100°C bis 500°C in einer Atmosphäre folgender Zusammensetzung: 10 Volumenprozent < (H2 + H20) < 100 Volumenprozent,
0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent, mit einem Volumenverhältnis H20/H2 von 0,003 < H20/H2 < 0,15, wobei die Aufheizgeschwindigkeit zumindest von Umgebungstemperatur bis 500°C kleiner 0,05 °C/s beträgt; Wärmebehandlung in einer Atmosphäre folgender
Zusammensetzung:
10 Volumenprozent < (H2 + H20) < 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent, mit einem Volumenverhältnis H20/H2 < 0,002 oder wahlweise Vakuum mit einem Druck < 0,0001 mbar, bei einer
Wärmebehandlungstemperatur T von 1600°C < T < 2800°C.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass deren
Reinheit, exklusive den Mo-, C-, N-, O- und H-Gehalten, besser als 99,999 % beträgt.
3. Elektrode einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wolframlegierung 0,001 bis 10
Gewichtsprozent einer oder mehrerer Verbindung(en) mit einer freien Standard - Bildungsenthalpie < -1000 kJ/mol enthält.
4. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronen emittierende/ absorbierende
Bereich halbkugelförmig ausgebildet ist.
5. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronen emittierende / absorbierende Bereich eine Rautiefe < 1 ,5 μm aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - Herstellen einer plastifizierten Pulvermasse, bestehend aus
Wolframpulver oder Pulver einer Wolframlegierung mit einer mittleren Korngröße KG nach Fisher von 0,3 μm < KG < 5μm und einem Plastifizierungsmittel, wobei der Anteil an Plastifizierungsmittel PM bezogen auf die plastifizierte Pulvermasse bei 40 Volumenprozent < PM < 70 Volumenprozent beträgt;
- Formgebungsprozess unter Verwendung der plastifizierten Pulvermasse;
- Durchführung zumindest folgender Wärmebehandlungsschritte, wahlweise in einem Prozessschritt oder in separaten Prozessvorgängen:
Wärmebehandlung zumindest im Temperaturbereich 100°C bis 500°C in einer Atmosphäre folgender Zusammensetzung: 10 Volumenprozent < (H2 + H20) < 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent, mit einem Volumenverhältnis H20/H2 von 0,003 < H20/H2 < 0,15, wobei die Aufheizgeschwind igkeit zumindest von Umgebungstemperatur bis 500°C kleiner 0,05 °C/s beträgt; - Wärmebehandlung in einer Atmosphäre folgender Zusammensetzung:
10 Volumenprozent < (H2 + H20) < 100 Volumenprozent, 0 Volumenprozent < (N2 und/oder Edelgas) < 90 Volumenprozent, mit einem Volumenverhältnis H20/H2 < 0,002 oder wahlweise Vakuum mit einem Druck < 0,0001 mbar, bei einer Wärmebehandlungstemperatur T von 1600°C < T < 2800°C.
7. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgebungsprozess unter Verwendung einer plastifizierten Pulvermasse durch Metallpulverspritzguss erfolgt.
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