WO1998027575A1 - Sinterelektrode - Google Patents

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WO1998027575A1
WO1998027575A1 PCT/DE1997/002640 DE9702640W WO9827575A1 WO 1998027575 A1 WO1998027575 A1 WO 1998027575A1 DE 9702640 W DE9702640 W DE 9702640W WO 9827575 A1 WO9827575 A1 WO 9827575A1
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WO
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powder
grain size
metal
sintered
sintered electrode
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Application number
PCT/DE1997/002640
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French (fr)
Inventor
Dietrich Fromm
Bernhard Altmann
Wolfram Graser
Peter Schade
Original Assignee
Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
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Priority to CA002246517A priority patent/CA2246517C/en
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Priority to HU9901361A priority patent/HU223302B1/hu
Priority to JP10527165A priority patent/JP2000505939A/ja
Priority to DE59711260T priority patent/DE59711260D1/de
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    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
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Definitions

  • the invention is based on a sintered electrode according to the preamble of claim 1. It is a sintered electrode for high-pressure discharge lamps such as, for example, metal halide lamps or sodium high-pressure discharge lamps.
  • a thermionically emitting cathode element for vacuum electron tubes is known, which is made of spherical particles with an average grain size below 1 ⁇ m. 5 to 90% of the total volume of the sintered electrode consists of unfilled pores that are open to the environment. The distances between neighboring particles (grains) are less than 1 ⁇ m.
  • a sintered electro which contains, in addition to tungsten, portions of emitter material such as oxides of aluminum, barium, calcium or thorium.
  • the sintered body sits on a solid core pin made of solid material.
  • a cathode which consists of a porous tungsten matrix, in the pores of which emitter material is incorporated. The pores are produced by filling the green body of the matrix with liquid copper, which is later removed again.
  • the disadvantage of this method is that the pores are irregular in shape and their properties are undefined. Manufacturing is complicated and time consuming.
  • DD-PS 292 764 discloses a cermet sintered body consisting of a mixture of tungsten and thorium oxide or alkaline earth oxide, in which the porosity of the sintered body is controlled by the defined use of a binder in the production.
  • the particle size of the cermet powder is 80 to 550 ⁇ m.
  • sintered electrodes have so far not been able to establish themselves widely. Rather, it was previously dependent on the use of spiral electrodes with a core pin made of thoriated tungsten or pin electrodes made of thoriated tungsten. So far, each has been produced from compact, solid material.
  • the sintered electrode for high-pressure discharge lamps according to the invention consists of a sintered body made of one of the refractory metals tungsten, tantalum, osmium, iridium, molybdenum or rhenium or an alloy of these metals.
  • a known oxidic doping (up to 5% by weight) can be added to the metal or alloy, for example an oxide of lanthanum or yttrium.
  • the sintered body is made of an essentially spherical powder of the metal or the alloy, the mean grain size of which is between 2 and 100 ⁇ m, the grain size distribution fluctuating by a maximum of 20% around the mean and between 10 and 40% by volume of the total volume the sintered electrode consists of pores open to the environment.
  • the pores can be unfilled or contain emitter additives.
  • Typical emitter additives are oxides of alkaline earth, for example barium, calcium, strontium and mixtures thereof. Also suitable are aluminates and oxides of hafnium or zirconium or of the rare earth metals (in particular Sc, Y, La, Ce, Nd, Gd, Dy and Yb).
  • the average grain size of the spherical powder is preferably between 5 and 70 ⁇ m.
  • the grain size distribution fluctuates by a maximum of 10% around the mean value.
  • the sintered body is fastened in a manner known per se to a core pin made of solid metal.
  • a particular advantage is that connection techniques such as soldering or welding are not used can.
  • the mechanical connection is only made by shrinking or sintering.
  • the material of the sintered body and of the core pin is preferably essentially the same, for example pure tungsten.
  • the sintered body can be unfilled or contain emitter additives (for example lanthanum oxide). Pure tungsten doped with potassium or a rhenium-tungsten alloy is also suitable for the core pin.
  • the electrode can do without thorium and is then radioactive.
  • the service life of the high-pressure discharge lamps equipped with them is extended, the rise in lamp lamp voltage is reduced and the maintenance of the luminous flux is significantly improved.
  • the blackening of the wall of the discharge vessel is reduced.
  • the operation of the lamps shows a reduction in the uneven arc and flicker.
  • the manufacture of the electrode is significantly simplified. The electrode coil can be saved compared to conventional electrodes.
  • a particularly advantageous method for producing a sintered body according to claim 1 consists of the following method steps:
  • the average grain size of the metal powder is between 2 and 100 ⁇ m; the grain size distribution fluctuates by a maximum of 20% (typically 10%) around the mean value; in particular, the spherical particles of the metal powder used for this are single-crystalline;
  • a typical value of the pressure used is 100 to 400 MPa;
  • the powder is preferably single crystal.
  • the powder can in particular be pressed around a core pin.
  • Process step c) can be carried out, for example, in the case of tungsten, preferably at temperatures of 2500 to 2800 K.
  • the melting temperature means that of the lowest melting component.
  • the pressing can advantageously be carried out without the addition of a binder. This saves an additional processing step and prevents possible contamination.
  • Another advantageous process is the metal injection molding process. This technique is described in more detail in parallel application 97P5568. It can also be used in a modified form for the present invention.
  • the sequence of the process can be briefly summarized as follows: A suitable metal powder is mixed with so much plastic (the so-called binder) that this starting material, which is in the form of granules, assumes the flow properties of the plastic and can be further processed analogously to plastic injection molding by placing it in an injection mold with the contour of the desired future component. Then to create a metallic to obtain the component, the green body is removed from the injection mold; the binder is then removed from the so-called green body by heat or by solvent. This process is called dewaxing. The component is then sintered into a component of very high density in accordance with classic powder metallurgy.
  • the essentially spherical metal powder is produced in a manner known per se, where rounded or almost exactly spherical particles can arise.
  • One example is the carbonyl process (New Types of Metal Powders, Ed. H. Hausner, Gordon and Breach Science Publishers, New York 1963, published in the series Metallurgical Society Conferences as Volume 23). Particularly good results are achieved with single-crystalline metal powder.
  • the spherical powder grains of homogeneous size develop equilibrium surfaces in the form of polyhedra during sintering. For example, there are [HO] or [111] faces. Surprisingly, it has been found that these polyhedron surfaces do not further unite, so that the porosity of this novel sintered body remains practically constant over the service life. It is a so-called sponge body with open porosity.
  • the starting material is spherical W powder with a diameter that is as uniform as possible, i.e. with a narrow distribution width of the grain size. This homogeneity of the powder ultimately results in great stability of the sintered body at high temperatures and leads to correspondingly stable conditions during the life of the lamp.
  • the powder can in particular be pressed directly around a Th ⁇ 2-free core pin. Sintering is then carried out at the relatively low temperature of around 2350 ( ⁇ 100) ° C. This low temperature, which corresponds approximately to 0.7 times the melting temperature of the tungsten, means considerable energy savings compared to the usual sintering temperatures of 2800-3000 ° C for compact tungsten material.
  • Additional emitter additives are not necessary in many applications, but can be introduced into the cavities or pores if necessary.
  • the residual porosity of the finished sintered sponge electrode can be set specifically via the ball size of the starting material. Ball sizes of 5 to 70 ⁇ m are preferably used for the sponge electrode. A residual porosity of about 15 to 30% by volume can thus be achieved.
  • the discharge begins on a large area.
  • the point-like approach known from conventional electrodes which there often leads to locally very high temperatures and migration of the focal spot, is avoided.
  • the temperature distribution over the entire sponge body is largely uniform.
  • a conventional electrode has a high temperature gradient. In particular, it has a temperature that is typically 500 K higher at the tip than in the rear part of the electrode.
  • the transition from the glow to the arc discharge takes place faster when using the sintered electrode than with the conventional solid electrode, since the heat dissipation from the tip of the electrode towards the pinch is greatly reduced due to the small contact area between the sintered grains of the sintered body .
  • the sponge electrode in particular in the vertical operating position, better heating of the area of the discharge vessel close to the pinch is achieved.
  • the cause is the larger surface of the electrode, which emits more light. Therefore, any reflective coating on the bulb ends can be made smaller or omitted entirely, which means that a higher luminous flux is achieved.
  • Figure 2 shows a metal halide lamp with a sintered electrode
  • the sintered electrode 1 shown in FIG. 1 for a 150 W lamp consists of a cylindrical sintered body 2, in the half of which is averted from the discharge, a solid core pin 5 made of tungsten is pressed axially.
  • the sintered body 2 consists of tungsten, which is made of spherical metal powder with an average grain size of 10 ⁇ m. The grain size distribution fluctuates around 10% around the mean. The residual porosity is approximately 15% by volume.
  • the diameter of the core pin is approximately 0.5 mm, the outer diameter of the sintered body is approximately 1.5 mm.
  • a metal halide lamp 9 with a power of 150 W. It consists of a quartz glass vessel 10 which contains a metal halide fill. External power supply lines 11 and molybdenum foils 12 are embedded in squeezes 13 at their two ends. The core pins 5 of the electrodes 1 are attached to the molybdenum foils 12. Last tere protrude into the discharge vessel 10. The two ends of the discharge vessel are each provided with a heat-reflecting coating 14 made of zirconium oxide.
  • the electrode consists of a sintered body which is rounded on the discharge side or tapers to a point.
  • the sintered body is made of tungsten
  • the pressed-in core pin is made of rhenium, rhenium-plated tungsten or molybdenum.
  • a particularly advantageous method for producing a sintered electrode according to the invention is based on the metal injection molding method known per se.
  • the principle in the parallel registration Akz is:
  • an essentially spherical, in particular single-crystalline, metal powder made of refractory metal such as tungsten, tantalum, molybdenum, osmium, iridium or rhenium or an alloy of these metals, the powder having the following properties: the average grain size of the metal powder is between 2 and 100 ⁇ m; the grain size distribution fluctuates by a maximum of 20% around the mean value; - Making a mixture (so-called "feedstock") from powder and binder (often referred to as "wax”) and possibly polymer;
  • the mixture is injected around a core pin in the injection mold and connected to it during sintering.
  • Such electrodes show a much better life behavior.
  • Studies on metal halide lamps with a power of 150 W show that the maintenance of the luminous flux after 1000 hours when using metal powders with a grain size of 5 or 20 ⁇ m amounts to 95% of the initial luminous flux.
  • a drop in the luminous flux to values between 83 and 90% can be observed in the prior art (conventional stick electrode made of doped tungsten material) after 1000 hours.

Landscapes

  • Discharge Lamp (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Eine Sinterelektrode aus hochschmelzendem Metall (beispielsweise Wolfram) ist aus sphärischem Metallpulver mit wohldefinierter Korngröße hergestellt. Die mittlere Korngröße beträgt zwischen 5 und 70 νm. Die Korngrößenverteilung schwankt um höchstens 20 % um die mittlere Korngröße.

Description

Sinterelektrode
Querverweis: Die vorliegende Anmeldung steht in engem Zusammen- hangmit der Parallelanmeldung 97P5568.
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Sinterelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um eine Sinterelektrode für Hoch- druckentladungslampen wie beispielsweise Metallhalogenidlampen oder Natriumhochdruckentladungslampen.
Stand der Technik
Aus der DE-OS 42 06 909 ist ein thermionisch emittierendes Kathodenelement für Vakuumelektronenröhren bekannt, das aus sphärischen Partikeln mit einer mittleren Korngröße unter 1 μm hergestellt ist. 5 bis 90 % des Ge- samtvolumens der Sinterelektrode bestehen aus ungefüllten, zur Umgebung hin offenen Poren. Die Abstände zwischen benachbarten Partikeln (Körnern) sind kleiner als 1 μm.
Aus der US-A 3 244 929 ist eine Sinter elektro de bekannt, die neben Wolfram Anteile an Emittermaterial wie Oxide des Aluminium, Barium, Calcium oder Thorium enthält. Der Sinterkörper sitzt auf einem festen Kernstift aus massivem Material. Aus der US-A 5 418 070 ist eine Kathode bekannt, die aus einer porösen Wolfram-Matrix besteht, in deren Poren Emittermaterial eingebaut ist. Die Herstellung der Poren erfolgt, indem der Grünkörper der Matrix mit flüssigem Kupfer gefüllt wird, das später wieder herausgelöst wird. Der Nachteil dieser Methode ist, daß die Poren unregelmäßig geformt sind und ihre Eigenschaften Undefiniert sind. Die Herstellung ist kompliziert und zeitaufwendig.
Aus der DD-PS 292 764 ist ein Cermet-Sinterkörper bestehend aus einer Mischung aus Wolfram und Thoriumoxid bzw. Erdalkalioxid bekannt, bei dem die Porosität des Sinterkörpers durch die definierte Verwendung eines Bindemittels bei der Herstellung gesteuert wird. Die Teilchengröße des Cermet- pulvers liegt bei 80 bis 550 μm.
Ein großes Problem bei bekannten Sinterelektroden ist, daß deren Porosität nicht über die Lebensdauer konstant bleibt, da der Sinterprozeß aufgrund der hohen Temperaturbelastung während des Betriebs der Elektrode weiter voranschreitet. Deshalb haben derartige Lampen eine schlechte Maintenance während der Lebensdauer.
Wegen dieses gravierenden Nachteils haben sich Sinter elektr öden bisher nicht auf breiter Front durchsetzen können. Vielmehr war man bisher darauf angewiesen, Wendelelektroden mit einem Kernstift aus thoriertem Wolfram oder Stiftelektroden aus thoriertem Wolfram einzusetzen. Die Herstellung erfolgte bisher jeweils aus kompaktem massivem Material.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sinterelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die auf Thorium verzichtet und die eine längere Lebensdauer erreicht sowie eine geringere Bogenunruhe zeigt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Sinterelektrode für Hochdruckentladungslampen besteht aus einem Sinterkörper aus einem der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Tantal, Osmium, Iridium, Molybdän oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle. Zusätzlich kann dem Metall bzw. der Legierung eine an sich bekannte oxidische Dotierung (bis zu 5 Gew.-%) zugesetzt werden, zum Beispiel ein Oxid des Lanthan oder Yttrium.
Der Sinterkörper ist aus einem im wesentlichen sphärischen Pulver des Metalls bzw. der Legierung hergestellt, deren mittlere Korngröße zwischen 2 und 100 μm beträgt, wobei die Korngrößenverteilung um maximal 20 % um den Mittelwert schwankt und wobei zwischen 10 und 40 Vol.-% des Gesamtvolumens der Sinterelektrode aus zur Umgebung offenen Poren besteht.
Die Poren können ungefüllt sein oder Emitterzusätze enthalten. Typische Emitterzusätze sind Oxide der Erdalkalien, beispielsweise des Barium, Calcium, Strontium und Mischungen davon. Geeignet sind auch Aluminate sowie Oxide des Hafnium oder Zirkon oder der Seltenerd-Metalle (insbesondere Sc, Y, La, Ce, Nd, Gd, Dy und Yb).
Die mittlere Korngröße des sphärischen Pulvers beträgt bevorzugt zwischen 5 und 70 μm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schwankt die Korngrößenverteilung maximal um 10 % um den Mittelwert.
Insbesondere ist der Sinterkörper in an sich bekannter Weise auf einem Kernstift aus massivem Metall befestigt. Ein besonderer Vorteil dabei ist, daß auf Verbindungstechniken wie z.B. Löten oder Schweißen verzichtet werden kann. Die mechanische Verbindung wird lediglich durch Aufschrumpfen bzw. Aufsintern hergestellt.
Bevorzugt ist das Material des Sinterkörpers und des Kernstifts im wesentlichen das gleiche, beispielsweise reines Wolfram. Der Sinterkörper kann da- bei ungefüllt sein oder Emitterzusätze (beispielsweise Lanthanoxid) enthalten. Für den Kernstift eignet sich auch reines, mit Kalium dotiertes Wolfram oder eine Rhenium-Wolfram-Legierung.
Die Elektrode kann insbesondere auf Thorium verzichten und ist dann radioaktivitätsfrei.
Die erfindungsgemäße Elektrode hat eine Reihe von Vorteilen:
Die Lebensdauer der damit bestückten Hochdruckentladungslampen wird verlängert, der Anstieg der Lampenbrennspannung wird verringert und die Maintenance des Lichtstroms deutlich verbessert. Außerdem ist die Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes verringert. Des weiteren zeigt sich im Betrieb der Lampen eine Verringerung der Bogenunruhe und des Flickerns. Zudem wird die Herstellung der Elektrode wesentlich vereinfacht. Gegenüber konventionellen Elektroden kann die Elektrodenwendel eingespart werden.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers gemäß Anspruch 1 besteht aus folgenden Verfahrensschritten:
a) Bereitstellen eines im wesentlichen sphärischen Metallpulvers aus einem der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Tantal, Molybdän, Iridium, Osmium oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, wobei das Pulver folgende Eigenschaften besitzt:
die mittlere Korngröße des Metallpulvers beträgt zwischen 2 und 100 μm; die Korngrößenverteilung schwankt um maximal 20 % (typisch 10 %) um den Mittelwert; insbesondere sind die dafür verwendeten sphärischen Partikel des Metallpulvers einkristallin;
b) Pressen des Pulvers; ein typischer Wert des dabei angewendeten Drucks ist 100 bis 400 MPa;
c) Sintern des Preßlings bei einer Temperatur von etwa dem 0,6 bis 0,8- fachen der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls (angegeben in Kelvin).
Das Pulver ist bevorzugt einkristallin. Beim Verfahrensschritt b) kann das Pulver insbesondere um einen Kernstift gepreßt werden.
Der Verfahrensschritt c) kann beispielsweise im Falle des Wolfram bevorzugt bei Temperaturen von 2500 bis 2800 K durchgeführt werden. Im Falle einer Legierung ist mit Schmelztemperatur diejenige der am niedrigsten schmelzenden Komponente gemeint.
Aufgrund der Kugelform des Metallpulvers ergeben sich beim Füllen der Preßform (Matrize) günstige Fließeigenschaften. Dadurch kann das Pressen vorteilhaft ohne Zugabe eines Binders erfolgen. Dies erspart einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt und beugt möglichen Verunreinigungen vor.
Ein anderes vorteilhaftes Verfahren ist das Metallspritzgußverfahren. Diese Technik ist in der Parallelanmeldung 97P5568 näher beschrieben. Sie kann in abgewandelter Form auch für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Der Ablauf des Verfahrens läßt sich in Kürze so zusammenfassen: Ein geeignetes Metallpulver wird mit soviel Kunststoff (dem sog. Binder) vermischt, daß dieses Ausgangsmaterial, das als Granulat vorliegt, die Fließeigenschaf- ten des Kunststoffs annimmt und analog zum Kunststoffspritzguß weiter bearbeitet werden kann, indem es in eine Spritzgußform mit der Kontur des gewünschten zukünftigen Bauteils eingebracht wird. Um dann ein metalli- sches Bauteil zu erhalten, wird der Grünkörper aus der Spritzgußform entnommen; der Binder wird anschließend durch Wärme oder durch Lösungsmittel aus dem sog. Grünkörper entfernt. Dieser Vorgang wird als Entwachsen (dewaxing) bezeichnet. Danach wird das Bauteil entsprechend der klassischen Pulvermetallurgie zu einem Bauteil sehr hoher Dichte gesintert.
Die Herstellung des im wesentlichen sphärischen Metallpulvers erfolgt in an sich bekannter Weise, wobei verrundete oder nahezu exakt kugelförmige Partikel entstehen können. Ein Beispiel ist der Carbonyl-Prozeß (New Types of Metal Powders, Ed. H. Hausner, Gordon and Breach Science Publishers, New York 1963, erschienen in der Reihe Metallurgical Society Conferences als Volume 23). Besonders gute Ergebnisse werden mit einkristallinem Metallpulver erzielt.
Die kugelähnlichen Pulverkörner homogener Größe entwickeln beim Sintern Gleichgewichtsflächen in Gestalt von Polyedern. Beispielsweise handelt es sich um [ HO ] - oder [ 111 ] -Flächen. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß diese Polyederflächen nicht weiter vereintem, so daß die Porosität dieses neuartigen Sinterkörpers über die Lebensdauer praktisch konstant bleibt. Es handelt sich dabei um einen sog. Schwammkörper mit offener Porosität.
Die Wirkungsweise des Sinterkörpers wird im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert, bei dem der Sinterkörper aus reinem (also Thθ2- freiem) Wolfram hergestellt wird.
Ausgangsmaterial ist sphärisches W-Pulver mit möglichst einheitlichem Durchmesser, also mit geringer Verteilungsbreite der Korngröße. Diese Homogenität des Pulvers hat letztlich eine große Stabilität des Sinterkörpers bei hohen Temperaturen zur Folge und führt zu entsprechend stabilen Verhältnissen während der Lebensdauer der Lampe. Das Pulver kann insbesondere direkt um einen Thθ2-freien Kernstift gepreßt werden. Anschließend wird bei der relativ niedrigen Temperatur von etwa 2350 (± 100) °C gesintert. Diese niedrige Temperatur, die in etwa dem 0,7-fachen der Schmelztemperatur des Wolfram entspricht, bedeutet eine erhebliche Energieersparnis gegen- über den üblichen Sintertemperaturen von 2800-3000 °C für kompaktes Wolfram-Material.
Weitere Emitter-Zusätze sind in vielen Anwendungen nicht notwendig, können aber bei Bedarf in die Hohlräume oder Poren eingebracht werden.
Die Restporosität der fertig gesinterten Schwamm-Elektrode kann gezielt über die Kugelgröße des Ausgangsmaterials eingestellt werden. Vorzugsweise werden bei der Schwamm-Elektrode Kugelgrößen von 5 bis 70 μm verwendet. Damit läßt sich eine Restporosität von etwa 15 bis 30 Vol.-% erzielen.
Die besonderen Vorteile der Schwamm-Elektrode in der Lampe werden im folgenden aufgeführt:
Die Entladung setzt bei einer erfindungsgemäßen Elektrode an einer großen Fläche an. Der von herkömmlichen Elektroden bekannte punktförmige Ansatz, der dort häufig zu lokal sehr hohen Temperaturen und zum Wandern des Brennflecks führt, wird vermieden. Die Temperaturverteilung auf dem ganzen Schwammkörper ist weitgehend gleichmäßig. Dagegen weist eine herkömmliche Elektrode einen hohen Temperaturgradienten auf. Sie hat insbesondere an der Spitze eine um typisch 500 K höhere Temperatur als im hinteren Teil der Elektrode.
Nach der Zündung der Lampe erfolgt der Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung bei Verwendung der Sinterelektrode schneller als bei der herkömmlichen massiven Elektrode, da die Wärmeableitung von der Spitze der Elektrode in Richtung Quetschung infolge der geringen Kontaktfläche zwischen den versinterten Körnern des Sinterkörpers stark herabgesetzt ist. Bei der Schwamm-Elektrode wird zudem, insbesondere bei senkrechter Betriebslage, ein besseres Aufheizen des quetschungsnahen Bereichs des Entladungsgefäßes erreicht. Die Ursache ist die größere Oberfläche der Elektrode, die mehr Licht abstrahlt. Daher kann eine etwaige Reflexionsbeschichtung an den Kolbenenden kleiner dimensioniert oder ganz weggelassen werden, wodurch ein höherer Lichtstrom erzielt wird.
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Sinterelektrode, im Schnitt
Figur 2 eine Metallhalogenidlampe mit Sinterelektrode
Beschreibung der Zeichnungen
Die in Fig. 1 gezeigte Sinterelektrode 1 für eine 150 W-Lampe besteht aus einem zylindrischen Sinterkörper 2, in dessen entladungsabgewandter Hälfte ein massiver Kernstift 5 aus Wolfram axial eingepreßt ist. Der Sinterkörper 2 besteht aus Wolfram, das aus sphärischem Metallpulver mit einer mittleren Korngröße von 10 μm hergestellt ist. Die Korngrößenverteilung schwankt um 10 % um den Mittelwert. Die Restporosität ist etwa 15 Vol.-%.
Der Durchmesser des Kernstifts beträgt etwa 0,5 mm, der Außendurchmesser des Sinterkörpers ist ca. 1,5 mm.
Fig. 2 zeigt als Anwendungsbeispiel eine Metallhalogenidlampe 9 mit einer Leistung von 150 W. Sie besteht aus einem Quarzglasgefäß 10, das eine Me- tallhalogenidfüllung enthält. An ihren beiden Enden sind äußere Stromzuführungen 11 und Molybdänfolien 12 in Quetschungen 13 eingebettet. An den Molybdänfolien 12 sind die Kernstifte 5 der Elektroden 1 befestigt. Letz- tere ragen in das Entladungsgefäß 10 hinein. Die beiden Enden des Entladungsgefäßes sind jeweils mit einer wärmereflektierenden Beschichtung 14 aus Zirkonoxid versehen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel besteht die Elektrode aus einem Sin- terkörper, der entladungsseitig abgerundet ist oder spitz zuläuft. Der Sinterkörper besteht aus Wolfram, während der eingepreßte Kernstift aus Rhenium, rheniumplattiertem Wolfram oder Molybdän besteht.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sinterelektrode beruht auf dem an sich bekannten Metallspritzguß- verfahren. Das Prinzip ist in der Parallelanmeldung Akz:
(internes Aktenzeichen 97P5568) ausführlich erläutert. Auf diese Parallelanmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen. Einen Überblick findet man in dem Artikel „Overview of Powder Injection Molding" von P.J. Vervoort et al, in: Advanced Perfomance Materials 3, S. 121-151 (1996). Für die erfindungsgemäße Sinterelektrode werden im einzelnen die folgenden Verfahrensschritte verwendet:
- Bereitstellen eines im wesentlichen sphärischen, insbesondere einkristallinem, Metallpulvers aus hochschmelzendem Metall wie Wolfram, Tantal, Molybdän, Osmium, Iridium oder Rhenium oder einer Legierung dieser Me- falle, wobei das Pulver folgende Eigenschaften besitzt: die mittlere Korngröße des Metallpulvers beträgt zwischen 2 und 100 μm; die Korngrößenverteilung schwankt um maximal 20 % um den Mittelwert; - Herstellen einer Mischung (sog. „feedstock") aus Pulver und Binder (oft auch als „Wachs" bezeichnet) und evtl. Polymer;
- Spritzen der Mischung in eine Spritzgußform; - chemisches und thermisches Entfernen des Binders („Entwachsen", sog. „dewaxing")
- Sintern bei einer Temperatur von etwa. dem 0,6 bis 0,8-fachen der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Mischung in der Spritzgußform um einen Kernstift gespritzt und mit diesem beim Sintern verbunden.
Derartige Elektroden zeigen ein wesentlich besserer Lebensdauerverhalten. Untersuchungen an Metallhalogenidlampen mit 150 W Leistung zeigen, daß sich die Maintenance des Lichtstroms nach 1000 Stunden bei Verwendung von Metallpulvern mit einer Korngröße von 5 bzw. 20 μm auf jeweils 95% des anfänglichen Lichtstroms beläuft. Im Vergleich dazu ist beim Stand der Technik (konventionelle Stabelektrode aus dotiertem Wolframmaterial) ein Abfall des Lichtstroms nach 1000 Stunden auf Werte zwischen 83 und 90% zu beobachten.

Claims

Patentansprüche
1. Sinterelektrode (1) für Hochdruckentladungslampen, bestehend aus einem Sinterkörper (2) aus einem der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Tantal, Osmium, Iridium, Molybdän oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkör- per (2) aus einem im wesentlichen sphärischen, insbesondere einem einkristallinem, Pulver des Metalls bzw. der Legierung hergestellt ist, dessen mittlere Korngröße zwischen 2 und 100 μm beträgt, wobei die Korngrößenverteilung um maximal 20 % um den Mittelwert schwankt und wobei zwischen 10 und 40 Vol.-% des Gesamtvolumens der Sinte- relektrode aus zur Umgebung hin offenen Poren besteht.
2. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren ungefüllt sind oder Emitterzusätze enthalten.
3. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße zwischen 5 und 70 μm beträgt.
4. Sinterelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößenverteilung um maximal 10 % um den Mittelwert schwankt.
5. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (2) auf einem Kernstift (5) aus massivem Metall befestigt ist.
6. Sinterelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Sinterkörpers (2) und des Kernstifts (5) im wesentlichen das gleiche ist.
7. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall bis zu 5 Gew.-% Dotierstoffe enthält.
8. Verfahren zur Herstellung einer Sinterelektrode gemäß Anspruch 1, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines im wesentlichen sphärischen, insbesondere einkristallinem, Metallpulvers aus hochschmelzendem Metall wie Wolfram, Tantal, Molybdän, Osmium, Iridium oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, wobei das Pulver folgende Eigenschaften besitzt:
die mittlere Korngröße des Metallpulvers beträgt zwischen 2 und 100 μm;
die Korngrößenverteilung schwankt um maximal 20 % um den Mittelwert;
- Pressen des Pulvers;
- Sintern bei einer Temperatur von etwa dem 0,6 bis 0,8-fachen der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver um einen Kernstift (5) gepreßt wird und mit diesem beim Sintern verbunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen ohne Zugabe eines Binders erfolgt.
11. Verfahren zur Herstellung einer Sinterelektrode gemäß Anspruch 1, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines im wesentlichen sphärischen, insbesondere einkristallinem, Metallpulvers aus hochschmelzendem Metall wie Wolfram, Tantal, Molybdän, Osmium, Iridium oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, wobei das Pulver folgende Eigenschaften besitzt: die mittlere Korngröße des Metallpulvers beträgt zwischen 2 und 100 μm;
die Korngrößenverteilung schwankt um maximal 20 % um den Mittelwert;
- Herstellen einer Mischung („feedstock") aus Pulver und Binder (oft auch als Wachs bezeichnet);
- Spritzen der Mischung in eine Spritzgußform;
- chemisches und thermisches Entfernen des Binders;
- Sintern bei einer Temperatur von etwa dem 0,6 bis 0,8-fachen der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung in der Spritzgußform um einen Kernstift gespritzt wird und mit diesem beim Sintern verbunden wird.
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