JP2000505939A - 焼結電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高融点金属（例えばタングステン）から成る焼結電極が好都合に規定された粒度の球状金属粉末で製造される。その平均粒度は５〜７０μｍである。粒度分布は平均粒度についてたかだか２０％だけしか変動していない。

Description

【発明の詳細な説明】 焼結電極 本発明は並行特許出願第９７Ｐ５５６８号に密接に関係している。 技術分野 本発明は請求の範囲の請求項１の前文に記載の焼結電極から出発している。こ れは例えばメタルハライドランプあるいは高圧ナトリウムランプのような高圧放 電ランプ用の焼結電極である。 従来の技術 ドイツ特許出願公開第４２０６９０９号公報により、平均粒度が１μｍを下回 る球状粒子から製造されている真空電子管用の熱電子放出陰極要素が知られてい る。焼結電極の総容積の５〜９０％は周囲に向いて開き充填されていない小孔か ら成っている。隣接する粒子（粒）間の距離は１μｍより小さい。 米国特許第３２４４９２９号明細書により、タングステンのほかにアルミニウ ム、バリウム、カルシウムあるいはトリウムの酸化物のようなエミッタ材を含ん でいる焼結電極が知られている。この焼結電極は中実材料製の固い棒芯ピン上に 置かれている。 米国特許第５４１８０７０号明細書により、小孔の中にエミッタ材が入れられ ている多孔質のタングステン母体から成る陰極が知られている。その母体の半製 品が液状の銅で充填され、この銅が後で再び溶かし出されることによって、小孔 が形成される。この方式は、小孔が不規則に形成され、その特性が確定されない という欠点がある。またその製造は複雑で時間がかかる。 旧東ドイツ特許第２９２７６４号明細書により、製造の際に結合剤を規定して 利用することによって焼結体の有孔率が制御されるようなタングステンおよび酸 化トリウムないしアルカリ土類金属酸化物の混合物から成るサーメット焼結体が 知られている。そのサーメット粉末の粒度は８０〜５５０μｍである。 この公知の焼結電極の場合、電極が点灯中に高い温度負荷を受けることにより 焼結過程がもっと進行して、有孔率が寿命中にわたって一定しないという大きな 問題がある。従ってそのようなランプは寿命中に性能が良好に維持されない。 焼結電極はこの大きな欠点のために従来展開できていない。むしろ従来は、ト リウムを添加したタングステンから成る棒芯ピン付きコイル電極あるいはトリウ ムを添加したタングステンから成る棒電極を採用することに頼っていた。従来そ れらの製造はそれぞれ圧縮中実材料で行っていた。 発明の説明 本発明の課題は、トリウムを放棄し、長い寿命が得られ、僅かなアーク動揺を示 すような請求の範囲の請求項１の前文に記載の焼結電極を提供することにある。 この課題は請求の範囲の請求項１の特徴部分に記載の手段によって解決される 。特に有利な実施態様は各従属請求項に記載されている。 本発明に基づく高圧放電ランプ用焼結電極は、タングステン、タンタル、オス ミウム、イリジウム、モリブデンあるいはレニウムのような高融点金属の一つあ るいはこれらの金属の合金から成る焼結体から構成されている。その金属ないし 合金にそれ自体公知の酸化ドーパント例えばランタンあるいはイットリウムの酸 化物が（５重量％まで）添加することができる。 その焼結体は金属ないし合金の本質的に球状の粉末から製造され、その平均粒 度は２〜１００μｍであり、その粒度分布は平均値について最大２０％だけ変動 し、焼結電極の総容積の１０〜４０容積％は周囲に向けて開いている小孔から構 成される。 その小孔は充填されていないかエミッタ材を含んでいる。代表的なエミッタ材 はアルカリ土類金属、例えばバリウム、カルシウム、ストロンチウムおよびそれ らの混合物のの酸化物である。またアルミン酸塩、並びにハフニウムあるいはジ ルコニウムあるいは希土類金属（特にＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ 、 Ｙｂ）の酸化物が適している。 球状粉末の平均粒度は好適には５〜７０μｍである。 本発明の特に有利な実施態様において、粒度分布は平均値について最大１０％ 変動している。 特に焼結体はそれ自体公知の仕方で中実金属製の棒芯ピン上に固定される。そ の特別な利点は、例えばろう付けあるいは溶接のような結合技術が放棄されるこ とにある。機械的な結合は焼きばめないし焼結だけで行われる。 特に焼結体および棒芯ピンの材料は本質的に同じで例えば純粋なタングステン である。その場合、焼結体は充填されていないかエミッタ材（例えば酸化ランタ ン）を含んでいる。棒芯ピンにはカリウム添加の純粋なタングステンあるいはレ ニウム・タングステン合金も適している。 その電極は特にトリウムが放棄され非放射性である。 本発明に基づく電極は次の一連の利点を有している。 即ちその電極を装備した高圧放電ランプは寿命が長くなり、ランプ点灯電圧の 上昇が減少し、光束の維持が著しく改善される。更に放電管の壁の黒化が減少す る。更に、ランプ点灯中にはアーク動揺およびフリッカが減少する。また電極の 製造が非常に単純化される。通常の電極に比べて電極フィラメントが節約される 。 請求項１における焼結体の特に有利な製造方法は次の工程から成る。 ａ）タングステン、タンタル、モリブデン、イリジウム、オスミウムあるいはレ ニウムのような高融点金属の一つあるいはこれらの金属の合金から成る本質的 に球状の金属粉末を準備する。その粉末は次の特性を有する。 金属粉末の平均粒度は２〜１００μｍである。 粒度分布は平均値について最大２０％（典型的には１０％）だけ変動し、 特にそのために利用される金属粉末の球状粒子は単結晶である。 ｂ）粉末を圧縮成形する。その際に利用される圧力値は代表的には１００〜４０ ０ＭＰａである。 ｃ）利用される金属の溶融温度の約０．６〜０．８倍の温度（ケルビン温度）で 圧縮半製品を焼結する。 粉末は好ましくは単結晶である。工程ｂ）において粉末は特に棒芯ピンの周り に圧縮される。 工程ｃ）は例えばタングステンの場合に２５００〜２８００Ｋの温度で実行さ れる。合金の場合における融点は最低融点の成分の融点を意昧する。 金属粉末が球形をしていることから、圧縮成形型（母型）に充填する際に良好 な流動性が生ずる。これによって圧縮成形は有利に結合剤の添加なしに行える。 これは追加的な加工工程を節約し、不純物の混入を予防する。 別の有利な方法は金属射出成形法である。この技術は並行特許出願第９７Ｐ５ ５６８号明細書に詳細に記載されている。これは本発明に対しても異なった形で 利用できる。この製造方法の過程を簡単に説明する。即ち適当な金属粉末が、こ の粒状をしている母材がプラスチックの流動性を呈する程度にプラスチック（い わゆる結合剤）と混合され、そしてプラスチック射出成形と同じように将来の所 望の部品の輪郭を持つ射出成形型の中に注入されて加工される。それから金属部 品を得るために、成形型からいわゆる半製品が取り出され、続いて結合剤が熱に よってあるいは溶剤によってその半製品から除去される。この過程は脱ロウ（ｄ ｅｗａｘｉｎｇ）と呼ばれる。その後その部品は古典的な粉末冶金法で非常に高 い密度の部品に焼結される。 本質的に球状をした金属粉末の製造はそれ自体公知の方式で行われ、その場合 丸いかあるいはほぼ精確に球状をした粒子が生ずる。これは例えばカルボニルプ ロセスである（１９６３年、ニューヨーク市、ゴードン アンド ブリーチ サ イエンス パブリッシャ社出版、「メタラジカル ソサイアティ コンファレン ス」第２３巻におけるＥｄ．Ｈ．Ｈａｕｓｎｅｒ著、ニュー タイプス オブメ タル パウダー参照）。特に良好な結果は単結晶金属粉末で得られる。 均一なサイズの球状粉末粒子は焼結の際に多面体の形の平衡面を展開する。そ れは例えば〔１１０〕面あるいは〔１１１〕面である。この多面体面がそれ以上 焼結せず、その結果この新規の焼結体の有孔率が寿命中にわたって実質的に一定 していることが新たに分かった。それは開いた小孔を持ついわゆる多孔体である 。 次に焼結体の作用を、焼結体が純粋な（即ちＴｈＯ₂無し）タングステンから 製造されている例を参照して詳細に説明する。 母材はできるだけ一様な直径を有し即ち粒度の分布幅が小さな球状タングステ ン粉末である。この粉末の均質性は最終的に高温において焼結体の大きな安定を もたらし、ランプの寿命中にそれに応じた安定状態を生ずる。その粉末は特にＴ ｈＯ₂無し棒芯ピンの周りに直接圧縮成形される。続いて約２３５０（±１００ ℃）の比較的低い温度で焼結される。タングステンの融点の約０．７倍に相応す るこの低い温度は圧縮タングステン材料に対する２８００〜３０００℃の通常の 焼結温度に比べてかなりのエネルギの節約を意味する。 別のエミッター材は大部分の用途では必要ではないが、必要な場合に中空室あ るいは小孔の中に入れられる。 焼結され仕上がった多孔性電極の残留有孔率は母材の粒度によって的確に調整 される。多孔性電極の場合好ましくは５〜７０μｍの粒度が利用される。これに よって約１５〜３０容積％の残留有孔率が得られる。 ランプにおける多孔性電極の特別な利点について以下説明する。 本発明に基づく電極の場合、放電は大きな面積で生ずる。通常の電極で知られ ている点状先端が避けられる。そのような点状先端はそこでしばしば局所的に非 常に高い温度を生じ燃焼点が変動する。多孔体全体における温度は非常に一様に 分布している。これに対して通常の電極は大きな温度勾配を有している。通常の 電極は特に電極の尖端が電極の後部におけるよりも５００Ｋだけ高い温度を有す る。 焼結電極を利用する場合、焼結体の焼結された粒子間における接触面が小さい ために、電極の尖端からピンチの方向への放熱が大きく減少するので、ランプの 点灯後にグロー放電からアーク放電への移行は通常の中実電極の場合よりも急速 に行われる。 更に多孔性電極の場合、特に垂直の点灯姿勢では放電管のピンチ側部位が良好 に加熱される。その理由は電極が大きな表面を有し、多くの光を放射することに ある。従ってガラス球端に場合によっては生じ得る反射被覆は小さく寸法づけら れるか全く省かれ、これによって高い光束が得られる。 図面 以下において実施例を参照して本発明を詳細に説明する。 図１は焼結電極の断面図、 図２は焼結電極を備えたメタルハライドランプの断面図である。 図面の説明 図１に示されている１５０Ｗランプ用の焼結電極１は円筒状焼結体２から成っ ている。この焼結体２の反放電側半部にタングステン製の中実棒芯ピン５が軸方 向に圧入されている。焼結体２は平均粒度１０μｍの球状金属粉末から製造され たタングステンから成っている。その粒度分布は平均値について約１０％変動し ている。残留有孔率は約１５容積％である。 棒芯ピンの直径は約０．５ｍｍであり、焼結体の外形は約１．５ｍｍである。 図２は用途例として電力１５０Ｗのメタルハライドランプ９を示している。こ れは金属ハロゲン化物を含む石英ガラス製放電管１０から成っている。その両端 において外側リード１１およびモリブデン箔１２がピンチ１３内に埋設されてい る。モリブデン箔１２に電極１の棒芯ピン５が固定されている。電極１は放電管 １０の中に突入している。放電管の両端はそれぞれ酸化ジルコニウム製の熱反射 被覆１４を備えている。 他の実施例において、電極は放電側が丸められているか又は尖っている焼結体 から成っている。その焼結体はタングステンから成り、圧入された棒芯ピンはレ ニウム、レニウム被覆タングステンあるいはモリブデンから成っている。 本発明に基づく焼結電極の特に有利な製造方法はそれ自体公知の金属射出成形 法に基づいている。この原理は並行特許出願（特許出願第９７Ｐ５５６８号）明 細書に詳細に説明されている。この並行特許出願を厳として引用する。文献「ア ドバンスド パーフォーマンス マテリアルス ３」（１９９６年）の第１２１ 〜１５１頁に掲載のＰ．Ｊ．Ｖｅｒｖｏｏｒｔ等著の論説「オーバービュー オ ブ パウダー インジェクション モールディング」を参照されたい。 本発明に基づく焼結電極のために詳細には次の製造工程が利用される。 − タングステン、タンタル、モリブデン、オスミウム、イリジウムあるいはレ ニウムのような高融点金属あるいはこれらの金属の合金から成る本質的に球状 の特に単結晶の金属粉末を準備する。その粉末は次の特性を有している。 金属粉末の平均粒度は２〜１００μｍである。 粒度分布は平均値について最大２０％変動している。 − 粉末と結合剤（しばしば「ワックス」とも呼ばれる）と場合によってはポリ マーとから成る混合物（いわゆる「フィードストック」）を製造する。 − 混合物を射出成形型の中に注入する。 − 結合剤を化学的および熱的に除去する（「脱ロウ」いわゆる「ｄｅｗａｘｉ ｎｇ」）。 − 利用される金属の溶融温度の約０．６〜０．８倍の温度で焼結する。 特に有利な実施例において、混合物は射出成形型内において棒芯ピンの周りに 注入され、焼結の際にこれに結合される。 このような電極は非常に良好な寿命特性を示す。電力１５０Ｗのメタルハライ ドランプにおける試験の結果、粒度５μｍないし２０μｍの金属粉末を利用した 場合に１０００時間後の光束の維持は初期の光束のそれぞれ９５％であることが 分かった。これに対して従来の（ドープされたタングステン材料から成る通常の 棒電極）の場合、光束は１０００時間後に８３〜９０％の値に低下することが観 察された。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルトマン、ベルンハルト ドイツ連邦共和国 デー―86853 ランガ ーリンゲン フルラッヒャーシュトラーセ ５ (72)発明者 グラーザー、ウォルフラム ドイツ連邦共和国 デー―80337 ミュン ヘン タールキルヒナーシュトラーセ 47 アー (72)発明者 シャーデ、ペーター ドイツ連邦共和国 デー―86830 シュワ ープミュンヘン テーゲルベルクシュトラ ーセ 10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．タングステン、タンタル、オスミウム、イリジウム、モリブデンあるいはレ ニウムのような高融点金属の一つあるいはこれらの金属の合金から成る焼結体（ ２）から構成される高圧放電ランプ用焼結電極（１）において、焼結体（２）が 本質的に球状の特に単結晶の金属ないしその合金の粉末から製造され、その平均 粒度が２〜１００μｍであり、その粒度分布が平均値について最大２０％だけ変 動し、焼結電極の総容積の１０〜４０容積％が周囲に向けて開いている小孔から 構成されていることを特徴とする焼結電極。 ２．小孔が充填されていないかエミッタ材を含んでいることを特徴とする請求項 １記載の焼結電極。 ３．平均粒度が５〜７０μｍであることを特徴とする請求項１記載の焼結電極。 ４．粒度分布が平均値について最大１０％だけ変動していることを特徴とする請 求項１ないし３のいずれか１つに記載の焼結電極。 ５．焼結体（２）が中実金属製の棒芯ピン（５）上に固定されていることを特徴 とする請求項１記載の焼結電極。 ６．焼結体（２）および棒芯ピン（５）の材料が本質的に同じであることを特徴 とする請求項５記載の焼結電極。 ７．金属が５重量％までドーパントを含んでいることを特徴とする請求項１記載 の焼結電極。 ８．− タングステン、タンタル、モリブデン、オスミウム、イリジウムあるい はレニウムのような高融点金属あるいはこれらの金属の合金から成る本質的に球 状の特に単結晶の金属粉末を準備する工程、その粉末が次の特性を有する、 金属粉末の平均粒度が２〜１００μｍである、 粒度分布が平均値について最大２０％変動している、 − 粉末を圧縮成形する工程、 − 利用される金属の溶融温度の約０．６〜０．８倍の温度で焼結する工程、 から成る請求項１に記載の焼結電極の製造方法。 ９．粉末が棒芯ピン（５）の周りに圧縮され、焼結の際にこれに結合されること を特徴とする請求項８記載の方法。 １０．圧縮成形が結合剤の添加なしに行われることを特徴とする請求項８記載の 方法。 １１．− タングステン、タンタル、モリブデン、オスミウム、イリジウムある いはレニウムのような高融点金属あるいはこれらの金属の合金から成る本質的に 球状の特に単結晶の金属粉末を準備する工程、その粉末が次の特性を有する、 金属粉末の平均粒度が２〜１００μｍである、 粒度分布が平均値について最大２０％変動している、 − 粉末と結合剤（しばしば「ワックス」とも呼ばれる）とから成る混合物（い わゆる「フィードストック」）を製造する工程、 − 混合物を射出成形型の中に注入する工程、 − 利用される金属の溶融温度の約０．６〜０．８倍の温度で焼結する工程、 から成る請求項１に記載の焼結電極の製造方法。 １２．混合物が射出成形型内において棒芯ピンの周りに注入され、焼結の際にこ れに結合されることを特徴とする請求項１１記載の方法。