WO2017177244A1 - Anode für eine hochdruck-entladungslampe - Google Patents

Anode für eine hochdruck-entladungslampe Download PDF

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WO2017177244A1
WO2017177244A1 PCT/AT2017/000018 AT2017000018W WO2017177244A1 WO 2017177244 A1 WO2017177244 A1 WO 2017177244A1 AT 2017000018 W AT2017000018 W AT 2017000018W WO 2017177244 A1 WO2017177244 A1 WO 2017177244A1
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insert
tungsten
base body
potassium
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PCT/AT2017/000018
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Ingmar Wesemann
Wolfram Knabl
Alexander Tautermann
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Plansee Se
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    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/04—Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes

Definitions

  • the invention relates to an anode for a high-pressure discharge lamp and to a method for the production thereof. Furthermore, the invention relates to a
  • High-pressure discharge lamps usually include an anode and a cathode, which are arranged opposite each other within a filled with inert gas piston.
  • high-pressure discharge lamps for photolithography usually have additions of mercury for generating
  • UV radiation on In operation, electrons emerge from the cathode and are accelerated toward the anode and impinge thereon. The electron bombardment of the anode leads to its heating.
  • Creep or plastic deformation which can lead to local deformation of the anode plateau in the arc approach.
  • the arc preferably starts at these locally deformed points, which leads to a local temperature increase and thus to an increased evaporation of the anode material (often tungsten) and thus to early bulb blackening. This will increase the life of such
  • the improved anode should be inexpensive and can be produced in reproducible high quality.
  • a procedure should also be provided.
  • anode for a high pressure discharge lamp comprising a refractory metal or refractory metal base body and an insert of a type
  • Tungsten base alloy has.
  • the base body and the insert are connected together in a material-locking manner along at least one boundary surface and the insert consists of a tungsten-based alloy with a potassium content between 5 pg / g and 120 pg / g, preferably 15 pg / g and 85 pg / g, more preferably 25 pg / g and 65 pg / g.
  • refractory metal for the purposes of the present invention, the metals tungsten and molybdenum are to be understood.
  • Refractory metal base alloy are alloys based on one or more of said refractory metals to understand, with the proportion of
  • tungsten base alloy is thus to be understood an alloy based on tungsten, wherein the proportion of tungsten is greater than 50 at%, preferably greater than 80 at%, more preferably greater than 95 at%.
  • tungsten base alloys which are doped with rare earth oxides, such as lanthanum oxide or cerium oxide doped tungsten. It goes without saying that a base alloy may also contain conventional impurities already contained in the raw materials or introduced via the production process.
  • a cohesive connection is to be understood as meaning compounds in which the connection partners are affected by atomic or molecular forces
  • the potassium content in said metals or alloys is determined by FAAS (Flame Atomic Absorption Spectroscopy with a Varian Spectra AA-200.
  • a potassium content of the insert of between 5 pg / g and 120 pg / g, preferably 15 pg / g and 85 pg / g, more preferably 25 pg / g and 65 pg / g, the creep resistance in the most highly stressed part of the anode is evident improved.
  • oxidic particles such as, for example, lanthanum oxide
  • More preferred ranges for the potassium content of the feed are between 15 g / g and 85 pg / g, and more preferably between 25 pg / g and 65 pg / g.
  • the base body consists of tungsten or a tungsten-based alloy.
  • the use of tungsten or a tungsten base alloy for the base body ensures that the evaporation of atoms of the anode is as low as possible due to the low vapor pressure of the tungsten.
  • Tungsten base alloy advantages in terms of connection technology. Furthermore, the coefficient of thermal expansion of the insert and the base body when using such a combination of materials is also essentially the same. Thus, no unfavorable stress states are formed in the two components insert and main body, which could lead to plastic deformations or cracks in the insert, base body or at the interface between the insert and the base body during operation of the high-pressure discharge lamp.
  • the main body consists of tungsten or a
  • Tungsten base alloy having a potassium content between 0.01 pg / g and 80 mg / g, preferably 0.1 g / g and 50 g / g.
  • the main body can also be made of molybdenum or a
  • Molybdenum-based alloy exist. This has the advantage that the body has a lower mass (lower density of molybdenum compared to tungsten) and thus the load on the holding rod supporting the anode is reduced. This is all the more advantageous if the holding rod recrystallized during operation of the lamp and thus embrittle.
  • molybdenum-based alloy is an alloy based on
  • molybdenum to understand, wherein the proportion of molybdenum is greater than 50 at%, preferably greater than 80 at%, more preferably greater than 95 at%.
  • molybdenum-based alloys which are doped, for example, with oxides or carbides, such as, for example, with lanthanum oxide.
  • Basic body is ensured by the high thermal conductivity rapid removal of heat generated at the top of the anode heat.
  • the base body has a relative density of more than 90%, preferably more than 95%. The higher the density, the lower the risk that the base body receives impurities during processing and releases them again during operation of the lamp.
  • the relative density can be known in a simple way on the
  • the insert preferably has a relative density of more than 98%.
  • Use K2 is higher than the potassium content of the K3 body.
  • Potassium is typically added to tungsten oxide in the form of KOH or K2O.
  • the potassium is not prematurely evaporated, it is additionally by additions of aluminum (AI) and / or silicon (Si) in the form of aluminum or
  • Tungsten rods are typically by direct sintering (by direct current passage).
  • the heating during direct sintering can be realized with very high heating rates. That allows a fast Outgassing the unwanted accompanying elements AI and / or Si, before the sintered rod is densely sintered.
  • direct sintering when direct sintering
  • so formed sintered rods and sintered rods can be used with a smaller sintering diameter.
  • the latter also have a better one
  • the main body of an anode according to the invention is not claimed directly by the temperature gradient caused by the arc.
  • the requirements in terms of mechanical stability of the body are significantly lower than the use.
  • potassium, aluminum, silicon from the body it is advantageous to use a material with a lower potassium content for the body.
  • For the production of such a material are also lower concentrations Aluminum and / or silicon required and also their evaporation thus lower.
  • the cost of the anode is further reduced.
  • a potassium doping of the body is not mandatory, but small amounts of potassium in the body have a positive effect on the grain stability in the manufacturing process and thus on a subsequent mechanical processing of the body and on the dimensional stability of the less thermally stressed portion of the anode during operation ,
  • the main body if this contains potassium or, as described above, preferably from tungsten or a tungsten-based alloy having a potassium content between 0.01 pg / g and 80 pg / g, preferably 0.1 pg / g and 50 pg / g.
  • the difference of the potassium content of the insert K2 minus the potassium content of the main body K3 is between 20 and 85 pg / g.
  • a difference of less than 20 pg / g is less preferred for reasons of economy, since rods with larger diameters can be produced more easily with lower potassium contents and lower requirements are placed on the basic body with regard to its dimensional stability.
  • a difference of more than 85 pg / g is less advantageous for reasons of manufacturability, as rods with smaller diameters are too high
  • Potassium levels can no longer be optimally densely sintered.
  • Sintered formats eg, larger diameter rods
  • Sintered formats may increase undesirable levels of accompanying elements
  • Grain growth effects for example, giant grain growth
  • Such materials can be worse forming and it can lead to poor mechanical workability (by Komausbrüche).
  • the insert has an aluminum content of between 0.01 pg / g and 30 pg / g.
  • an aluminum content of more than 30 pg / g can adversely affect the life of a high-pressure discharge lamp.
  • anode plateau At the most stressed area of the anode (anode plateau) at too high levels of aluminum to increased pore formation (thermal induced pore formation) and thus to a structural weakening of the material.
  • the aluminum itself is not in dissolved form after sintering but as a discrete particle. This can be done by
  • Auger electron spectroscopy (e.g., with a
  • Auger Electron Spectroscope PHI 680 Auger Nanoprobe It is believed that these are insoluble aluminum compounds (e.g., Al 2 O 3). Due to the high operating temperatures prevailing at the anode plateau, however, it is possible for these compounds to evaporate. Since tungsten at the usual operating temperatures of up to 3200 ° C already has a very low strength of several MPa, resulting from the evaporation of the aluminum compounds increasing vapor pressure leads to increasing pores and thus to an increased porosity. This will additionally the
  • the insert has a silicon content of between 0.01 pg / g and 30 pg / g.
  • both the aluminum content and the silicon content are each between 0.01 pg / g and 30 pg / g.
  • the anode is designed such that perpendicular to an interface between the base body and insert there is a discrete transition of at least one of the parameters of the group potassium content, aluminum content, silicon content, average particle size, relative density.
  • thermally most heavily loaded, and preferably high strength insert also the largest Amount to provide thermal expansion.
  • This thermal expansion should, if possible, be compensated for by the softer base body, since otherwise the thermal expansion takes place by deformation of the insert in the region of the arc projection. This can best be achieved by a discrete transition to that of lower strength
  • Interface between base body and insert can by means of GDMS
  • the insert and more preferably also the base body has a reshaped structure.
  • Material contained grains is stretched in a preferred direction.
  • this preferred direction can be aligned both in the direction of the axis of rotation of the anode and in a plane normal to it.
  • a reshaped structure is thus characterized in that the grain size in one direction (for example, the direction of the axis of rotation of the anode, axial direction) is greater than the grain size in another direction (for example, the radial direction of the anode).
  • a reshaped structure of the insert has the advantage that it can be used to produce a high density in a cost effective manner. Furthermore, a reshaped structure has a higher strength than an unconverted structure, at least up to the recrystallization temperature.
  • potassium-doped tungsten materials As is known for rare-earth-doped tungsten materials, it is also possible for potassium-doped tungsten materials to achieve a refining of the potassium-containing pores and thus a finer and more uniform distribution of the potassium. Due to the finer distribution of the pores filled with potassium, an additional strength-increasing effect can be achieved. In addition, a reshaped structure can be processed better. In the particularly preferred embodiments in which the base body also has a reshaped structure, the same advantages for the base body and, as a consequence, natural for the entire anode result.
  • an anode according to the invention offers a large
  • the mean grain size of the insert can be significantly smaller than the mean grain size of the base material. In both cases, there is preferably a discrete transition of the mean grain size perpendicular to an interface between the base body and the insert.
  • the mean grain size of the insert is greater than the mean grain size of the base body (3).
  • the main body can be made by pressing and sintering and a middle
  • Grain size of 10 to 20 ⁇ have during use
  • recrystallized microstructure having a mean particle size of 40 to 400 pm.
  • the shape of the insert can be adapted to the respective design requirements of the anode and, for example, a cylinder, a
  • Truncated cone, a truncated cone connected to a cylinder, two on Base and top surface of a cylinder related truncated cones or a hemisphere correspond.
  • Other rotationally symmetrical shapes are suitable for the design of an insert.
  • An insert which corresponds to the shape of a cylinder has the advantage that production costs are very low due to mechanical processing of the base body and insert.
  • the shape of the base body is preferably cylindrical or alternatively preferably corresponds to two at the base and top surface of a cylinder
  • the diameter of the insert D2 and the body D3 can be adjusted depending on the design requirements for the anode. It has been found that it is particularly advantageous if the ratio D2 / D3 of the diameter of the insert D2 to the diameter of the
  • Base D3 is between 0.1 and 0.75, preferably between 0.1 and 0.5.
  • D2 and D3 are also of the manufacturability of
  • Raw materials for example, sintered rod material
  • the diameter of the main body D3 is the anode diameter itself, ie the maximum diameter of the anode.
  • the diameter of the insert D2 is the maximum diameter of the insert to understand Example in the case of a use in the form of a truncated cone, the
  • the length of the insert L2 and the length L3 of the body are preferably in a certain ratio to each other.
  • this ratio L2 / L3 of the length of the insert L2 to the length of the main body L3 is between 0.05 and 0.75, preferably between 0.05 and 0.4, even more preferably between 0.1 and 0.3.
  • the length of the main body L3 is the length (in the axial direction) of the anode itself, ie the maximum length of the anode to understand.
  • the length of insert L2 is the maximum length of the insert.
  • this ratio L2 / L3 is influenced inter alia by the manufacturing costs, as well as by the resulting mechanical and thermal properties.
  • the thermal conductivity of the insert also decreases with decreasing L2 / L3.
  • the length L3 is preferably of the same order of magnitude as the
  • the present invention also provides a
  • High-pressure discharge lamp according to the invention has a longer
  • the present invention further provides a process for producing a
  • Anode preferably an anode according to the invention as described above, ready for a high pressure discharge lamp, comprising the following steps:
  • tungsten base alloy having a potassium content between 5 pg / g and 120 pg / g, preferably 15 pg / g and 85 pg / g, more preferably 25 pg / g and 65 pg / g, Cohesive bonding of the base body and insert along at least one interface,
  • the step of cohesive bonding in a method according to the invention thus takes place at a temperature below the melting temperature of tungsten of 3410 ° C.
  • the cohesive compound is adjusted via a diffusion zone. It comes alternately to the diffusion of the base element of the main body (tungsten or molybdenum) in the use, as well as the diffusion of tungsten in the body.
  • the base element of the main body tungsten or molybdenum
  • Tungsten base alloy is thus tungsten self-diffusion.
  • the doping and accompanying elements potassium, aluminum and / or silicon which are present as discrete particles or as a film or particle on a pore surface, do not participate in atomic mass transfer.
  • a molten phase occurs in the bonding step (e.g.
  • the joining acts as a step of
  • a method according to the invention also does not cause any deformation or additional shaping of the structure of insert and base body. This can be avoided that the material connection between use and body is no longer guaranteed by the formation of a bead.
  • a method according to the invention in particular its step of bonding, causes no or no additional recrystallization of the microstructure of the insert and the base body. This embrittlement of the structure of the anode (insert and / or body) is avoided.
  • the bonding takes place at a temperature of less than 1600 ° C., since thereby a recrystallization of the insert can be largely avoided.
  • the temperature during the connection should be reasonable and therefore preferably more than 1200 ° C to ensure economic process times.
  • the step of cohesive bonding is preferably realized by diffusion bonding or spark plasma sintering (SPS). Particularly preferred is a production by means of a PLC system, since so that the
  • rod material made of tungsten and tungsten alloys with different potassium contents was prepared by different doping of the powder.
  • the powders were cold isostatically pressed and then sintered by indirect sintering at 2300 to 2400 ° C for 6 hours under a dry hydrogen atmosphere.
  • the rods thus produced were compacted by radial forging to a density> 98% at a forming temperature of 1600 ° C.
  • Tungsten alloys with additions of 5% by weight of rhenium and tantalum were prepared in the same way. Rhenium or tantalum were admixed by adding elemental powders.
  • Electron beam was lowered continuously until no visible
  • E-Beam chamber was evacuated to a high vacuum of 5x10 "4 mbar. Subsequently, the current intensity of the electron beam was linearly increased in 60 seconds from 0 mA to 30 mA. The retention time was 300 sec. In order to distribute the temperature on a larger area, there was a
  • the frequency of the rotation was 100 Hz.
  • Tantalum and rhenium tungsten alloys show no strength advantage over pure tungsten at these temperatures.
  • a sintered rod with potassium contents as high as possible, suitable for large-sized anodes with an anode diameter of 30 to 45 mm was prepared.
  • a doped tungsten powder with 89 pg / g potassium, 30 pg / g aluminum and 259 pg / g silicon was pressed to a bar via cold isostatic pressing at 1800 bar. This was followed by indirect sintering at 2300-2400 ° C for 6 hours under dry hydrogen. The so produced
  • Sintered rod was determined in terms of the contents of potassium, aluminum, silicon and oxygen, as well as its sintering density as a function of the distance to the
  • Potassium-containing alloys with different potassium contents, and different aluminum and silicon contents were produced via different starting powders.
  • the starting powders were pressed analogously to Example 2, sintered and then compacted by forging to densities greater than 97.9% of the theoretical density of pure tungsten.
  • the achieved densities and the specific elemental contents of potassium, aluminum, silicon and oxygen are shown in Table 3. Table 3:
  • Example 2 The dimensional stability of these samples was evaluated analogously to Example 1.
  • the samples were also characterized with regard to changes in the microstructure inside the material.
  • longitudinal sections were made after the electron beam bombardment. Micrographs were taken directly adjacent to the bombardment area and at a distance of 3 mm.
  • FIG. 9 b) shows a typical structure for tungsten with a high core density in comparison to the structure directly adjacent to the bombardment surface (FIG. 9 a)), which has a greatly increased porosity.
  • thermally induced porosity This porosity is hereinafter referred to as thermally induced porosity and is caused by tungsten insoluble high vapor pressure components.
  • Electron beam treatment determined. Similarly, the porosity at the fracture surface just below the bombardment area was determined for all samples. As recrystallized tungsten breaks essentially transcrystalline, a fracture surface analysis represents the thermally induced porosity at the grain boundary, while an investigation of a cut describes the thermally induced porosity inside the grain.
  • the value correlation shows an almost ideal negative correlation between potassium content and dimensional stability. However, it also shows that the potassium insoluble in tungsten at high operating temperatures can lead to the formation of thermally induced pores. It is known that potassium has virtually no solubility in the tungsten matrix, but also a very high vapor pressure at the same time.
  • the correlation for the elements AI, Si and O is less pronounced but also evident and can probably be explained by the shape of how these elements are present in the tungsten matrix and are distributed. It is believed that these elements are not dissolved, but discretely present as oxide particles. By applying extremely high temperatures, these particles thermally decompose, forming suboxides with very high vapor pressure, which in turn leads to thermally induced pores.
  • Nanoprobe on a selected sample (sample 6 before the
  • Electron beam treatment which was broken in situ in a high vacuum.
  • the determined element mappings confirm the hypothesis that Al and Si are also present as discrete particles in the tungsten. That is to say, a considerable proportion of thermally induced porosity is presumably also caused by the accompanying elements Al and Si, which are not completely degraded during sintering. Preferably, these elements should be as possible during sintering be completely degraded, as their contribution to dimensional stability is less pronounced, but they contribute to the (undesirable, since the
  • FEM finite element method
  • the main body of an anode according to the invention was produced from a low-formed forging rod.
  • the material itself was prepared analogously to Examples 1 to 3 and then converted by means of radial forging (production parameters, density, chemical analysis of the base body and use, see Table 5).
  • the material recess for receiving the insert was made by drilling.
  • the feed material selected was a material with a high potassium content and as low as possible Al, Si and O contents. This is to ensure the highest possible dimensional stability with low tendency for thermally induced pore formation.
  • a directly sintered material is chosen for this purpose, preferred sintering temperature 2700-2900 ° C.
  • the feed was converted at 1600 ° C to a diameter of 13 mm, resulting in a coarse-grained microstructure with a mean particle size of 50 pm.
  • connection of the insert with the base body was carried out by means of
  • a pressing force of 40 kN and in the 800 ° C variant a pressing force of 17 kN was applied.
  • the anodes thus prepared were examined by means of a metallographic cut. The interfaces of the cylindrical insert in the axial direction and in the radial direction were investigated for both variants produced (see FIGS. 12 and 13). As can be seen from the micrographs, a cohesive connection could be produced without local melting. The different materials of use and body are clearly visible. Also, the higher density of the insert compared to
  • a GDMS depth profile was made.
  • a tungsten insert with 25 g / g potassium and 30 mg / g aluminum was pressed into a tungsten base without potassium doping.
  • the thus prepared anode was additionally subjected to annealing at 2700 ° C for 4h to simulate the conditions of use of the anode.
  • the depth profile in FIG. 14 shows a discrete transition of the potassium content at the interface between insert and main body. In a relatively short distance of 50 ⁇ the potassium content increases by more than 2 orders of magnitude. The measurement shows that there is no mass transfer between the two components even after applying a high-temperature annealing. The same is observed for the accompanying element aluminum.
  • Figure 1 shows a schematic drawing of an anode according to the invention a) in side view and in b) in plan view, and thus an inventive
  • Anode (1) which has a base body (3) and an insert (2), which are connected to one another in an adhesive-bonded manner along an interface (23).
  • Both the base body (3) and the insert (2) have the shape of a cylinder.
  • the diameter of the insert (2) D2 and the diameter of the base body (3) D3 are marked.
  • FIG. 2 shows a schematic drawing of an anode (1) according to the invention, with the difference that the insert (2) has the shape of a cylinder and the base body (3) has the shape of a truncated cone connected to a top surface of a cylinder.
  • FIG. 3 shows a schematic drawing of an anode (1) according to the invention, in which case both the insert (2) and the base body (3) have the shape of a truncated cone connected to a top surface of a cylinder.
  • FIG. 4 shows a schematic drawing of an anode (1) likewise according to the invention, wherein here the insert (2) has the shape of two truncated cones connected to the base and top surfaces of a cylinder.
  • FIG. 5 shows further embodiments of anodes according to the invention.
  • FIG. 6 shows the topography determined by white light interferometer
  • FIG. 7 shows the topography determined by means of white light interferometer
  • FIG. 8 shows on the left the macroscopic fracture surface of a directly sintered sintered rod with a diameter of 90 mm.
  • the scale shown in the background at "0 mm” corresponds to the rod center and "45mm" to the edge of the
  • Sintered rod On the right are the associated SEM images in the secondary electron contrast at 1000x magnification.
  • FIG. 9 shows an etched longitudinal section (sample 8 from table 3) after the electron beam bombardment test, a) directly adjacent to the exposure surface (above: surface treated by means of an electron beam), b) at a distance of 3 mm from the surface of the damage
  • FIG. 10 shows an SEM image of the examined region (top), and an element mapping for Al (bottom left) and silicon (bottom right) of the sample 6, Table 3.
  • FIG. 11 shows a simulated temperature profile in the axial direction from the anode plateau (0) in the direction of the cold region of the anode (right). Scale on the X-axis in mm.
  • FIG. 12 shows a metallographic longitudinal section of the interfaces between an insert doped with 55 pg / g potassium and a base element doped with 15 pg / g along the boundary surface in the radial direction (left) and along the interface in the axial direction (right) after hot pressing 1400 ° C.
  • FIG. 12 shows a metallographic longitudinal section of the interfaces between an insert doped with 55 pg / g potassium and a base element doped with 15 pg / g along the boundary surface in the radial direction (left) and along the interface in the axial direction (right) after hot pressing 1400 ° C.
  • FIG. 13 shows a metallographic longitudinal section of the interfaces between an insert doped with 55 pg / g of potassium and a base element doped with 15 pg / g along the boundary surface in the radial direction (left) and along the boundary surface in the axial direction (right) hot pressing at 1800 ° C
  • Glow discharge mass spectrometry depth profile along a planar interface between a main body (left) and an insert with a K content of 25 pg / g (right).

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Abstract

Anode (1) für eine Hochdruck-Entladungslampe, aufweisend einen Grundkörper (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung und einen Einsatz (2) aus einer Wolfram-Basislegierung, die entlang mindestens einer Grenzfläche (23) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (2) aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 μg/g und 120 μg/g, bevorzugt 15 μg/g und 85 μg/g, weiter bevorzugt 25 μg/g und 65 μg/g besteht. Weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Anode und eine Hochdruck-Entladungslampe.

Description

ANODE FÜR EINE HOCHDRUCK-ENTLADUNGSLAMPE
Die Erfindung betrifft eine Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung eine
Hochdruck-Entladungslampe.
Hochdruck-Entladungslampen enthalten üblicherweise eine Anode und eine Kathode, die innerhalb eines mit Edelgas gefüllten Kolbens einander gegenüber angeordnet sind. Hochdruck-Entladungslampen für die Photolithographie weisen zudem meist Zugaben von Quecksilber zum Erzeugen von
UV-Strahlung auf. Im Betrieb treten aus der Kathode Elektronen aus und werden zur Anode hin beschleunigt und treffen auf diese auf. Dabei führt der Elektronenbeschuss der Anode zu deren Aufheizung.
Beim Ein- bzw. dem Ausschalten oder bei zyklischem Betrieb, der für manche Anwendungen von Hochdruck-Entladungslampen von Vorteil sein kann, ist das Material der Anode hohen thermischen sowie mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Spannungen können zu Verformungen durch
Kriechvorgänge oder plastischer Deformation führen, wodurch es zur lokalen Deformation des Anodenplateaus im Bereich des Lichtbogenansatzes kommen kann. An diesen lokal deformierten Stellen setzt der Lichtbogen bevorzugt an, was zu einer lokalen Temperaturerhöhung und somit zu einem verstärkten Abdampfen des Anodenmaterials (oft Wolfram) und somit zu frühzeitiger Kolbenschwärzung führt. Dadurch wird die Lebensdauer einer solchen
Hochdruck-Entladungslampe drastisch reduziert.
Um die im Material auftretenden Temperaturen weitest möglich zu reduzieren, ist bekannt, den Durchmesser der Anode zu erhöhen, damit deren Oberfläche und damit die Energieabstrahlung zu steigern.
Um die Kriechbeständigkeit des Anodenmaterials zu erhöhen ist es zum
Beispiel aus der DE3036746C2 bekannt, diese aus dotiertem Material, beispielsweise aus Wolfram, dotiert mit Kalium herzustellen.
Die bereits oben erwähnte Abdampfung des Anodenmaterials stellt ein Problem im Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen dar. Eine Abdampfung tritt umso stärker auf, je geringer die relative Dichte des Anodenmaterials ist. Um die relative Dichte der Anode zu erhöhen sind aus dem Stand der Technik diverse Verfahren zur Umformung bekannt, beispielsweise aus der
DE 102006061375A1 oder der DE4229317A1.
Besonders die Herstellung von Anoden mit großen Durchmessern führt jedoch zu zusätzlichen Problemen, So ist eine über den gesamten Durchmesser, also auch im Kern der Anode, hohe Dichte mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder unter großem Kostenaufwand zu realisieren. Weiters ist bei Anoden mit großen Durchmessern ein Abdampfen von Verunreinigungen während der üblicherweise pulvermetallurgischen Fertigung solcher Anoden nicht mehr in ausreichendem Maße, vor allem nicht über den gesamten Durchmesser, insbesondere nicht im Kembereich gegeben. Die Kombination dieser beiden Nachteile der geringen Kernverdichtung als auch der erhöhten Gehalte an Begleitelementen, insbesondere im Kernbereich, ist umso kritischer, da damit im Teil der Anode, welcher der höchsten thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt ist, Anodenmaterial mit weniger günstigen chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften vorliegt.
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine zum Stand der Technik verbesserte Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe bereitzustellen, die die erwähnten Nachteile und Probleme vermeidet. Dabei soll die verbesserte Anode kostengünstig und in reproduzierbar hoher Qualität herstellbar sein. Dafür soll ebenfalls ein Verfahren bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1 , sowie eine erfindungsgemäße Anode enthaltende
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 16 und weiter durch ein Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe nach
Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird eine Anode für eine Hochdruck-Entladungslampe bereitgestellt, die einen Grundkörper aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung und einen Einsatz aus einer
Wolfram-Basislegierung aufweist. Grundkörper und Einsatz sind entlang mindestens einer Grenzfläche stoffschlüssig miteinander verbunden und der Einsatz besteht aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g.
Unter Refraktärmetall sind für den Zweck der vorliegenden Erfindung die Metalle Wolfram und Molybdän, zu verstehen. Unter
Refraktärmetall-Basislegierung sind Legierungen auf Basis eines oder mehrerer der genannten Refraktärmetalle zu verstehen, wobei der Anteil an
Refraktärmetall oder Refraktärmetallen größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at% weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Unter Wolfram-Basislegierung ist also eine Legierungen auf Basis von Wolfram zu verstehen, wobei der Anteil an Wolfram größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at% weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Damit sind darunter auch Wolfram-Basislegierungen zu verstehen, die mit Seltenerd-Oxiden dotiert sind, wie beispielsweise mit Lanthanoxid oder Ceroxid dotiertes Wolfram. Es versteht sich von selbst, dass eine Basislegierung auch übliche Verunreinigungen, die bereits in den Rohstoffen enthalten sind beziehungsweise über den Produktionsprozess eingebracht werden, enthalten kann.
Unter einer stoffschlüssigen Verbindung sind Verbindungen zu verstehen, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte
zusammengehalten werden. Es sind dies Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen, also nicht lösbare
Verbindungen.
Der Kaliumgehalt in den genannten Metallen oder Legierungen wird mittels FAAS (Flamm-Atom-Absorptions-Spektroskopie mit einer Varian Spectra AA-200 bestimmt.
Durch einen Kaliumgehalt des Einsatzes von zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g ist die Kriechbeständigkeit im am höchsten beanspruchten Teil der Anode deutlich verbessert.
Bei Kalium-Gehalten von weniger als 5 pg/g kann die Formstabilität des
Einsatzes bereits beeinträchtigt sein, bei Kalium-Gehalten von mehr als
120 pg/g kann es bereits zu einer Beeinträchtigung des Sinterverhaltens
(geringere erzielbare Sinterdichten) beziehungsweise nachfolgend der
Umformbarkeit kommen. Es hat sich also herausgestellt, dass sich ein Kalium-Gehalt in diesem Bereich besonders günstig auf die Formstabilität und Kriechbeständigkeit des im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe am meisten beanspruchten Bereichs der Anode (Anodenplateau) auswirkt. Auch kann durch die Wahl dieses geeigneten Kaliumgehalts die Neigung zur Grobkornbildung reduziert werden. Durch die Zugabe von Kalium wird weiter auch Versetzungskriechen reduziert, welches gerade bei zyklischer Belastung der Anode häufig zu einer Verringerung der Formstabilität bei erhöhten Temperaturen und hohen mechanischen
Spannungen und damit zum Versagen führt und damit die Lebensdauer einer solchen Hochdruck-Entladungslampe verringern kann. Im Vergleich zu anderen Methoden der Festigkeitssteigerung hat sich die Zugabe von Kalium als viel effizienter und vor allem für Temperaturbereiche von größer 2000°C als geeigneter erwiesen. So ist eine Mischkristallverfestigung durch die Zugabe von Rhenium oder Tantal nur bis Temperaturen von bis zu 2000°C gegeben, über dieser Temperatur ist die festigkeitssteigernde Wirkung durch die bereits erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit der Legierungselemente in Wolfram bereits reduziert. Eine Festigkeitssteigerung durch Partikelverfestigung über die
Zugabe von oxydischen Teilchen, wie beispielsweise Lanthanoxid ist ebenfalls nur bis zu Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes dieser oxydischen Teilchen, bei etwa 2300 °C, möglich. Bei darüber liegenden Temperaturen neigen die schmelzflüssigen Oxidpartikel zu starkem Verdampfen, was zu zusätzlicher Kolbenschwärzung führen kann. Zudem werden sehr hohe logarithmische Umformgrade benötigt, um einen festigkeitssteigenden Effekt durch ausreichende Partikelfeinung zu erzielen. Bei den für eine Anode einer Hochdruck-Entladungslampe üblichen hohen Einsatztemperaturen kommt es jedoch zusätzlich zu einer Oxidvergröberung und Oxidagglomeration und der festigkeitssteigernde Effekt geht somit verloren.
Weiter bevorzugte Bereiche für den Kaliumgehalt des Einsatzes sind zwischen 15 g/g und 85 pg/g, und weiter bevorzugt zwischen 25 pg/g und 65 pg/g.
Diese K- Gehalte lassen sich reproduzierbar im Sinterstab einstellen und das Material sich ohne Schwierigkeiten beim anschließenden Umformen
verarbeiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Grundkörper aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung. Durch die Verwendung von Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung für den Grundkörper wird gewährleistet, dass durch den geringen Dampfdruck des Wolframs die Abdampfung von Atomen der Anode so gering wie möglich ist. Weiter ergeben sich durch die Verwendung eines Grundkörpers aus einer Wolfram oder Wolfram-Basislegierung mit einem Einsatz aus einer
Wolfram-Basislegierung Vorteile in Bezug auf die Verbindungstechnik. Weiters ist auch der thermische Ausdehnungskoeffizient von Einsatz und Grundkörper bei Verwendung einer solchen Materialkombination jeweils im Wesentlichen gleich. Damit bilden sich keine unvorteilhaften Spannungszustände in den beiden Komponenten Einsatz und Grundkörper aus, die dazu führen könnten, dass im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe plastische Verformungen oder Risse in Einsatz, Grundkörper oder an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper entstehen.
Weiter bevorzugt besteht der Grundkörper aus Wolfram oder einer
Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 0,01 pg/g und 80 Mg/g, bevorzugt 0,1 g/g und 50 g/g.
Alternativ kann der Grundkörper auch aus Molybdän oder einer
Molybdän-Basislegierung bestehen. Dies hat den Vorteil, dass der Grundkörper eine geringere Masse aufweist (geringere Dichte von Molybdän im Vergleich zu Wolfram) und damit die Belastung auf den die Anode tragenden Haltestab reduziert wird. Dies ist umso vorteilhafter wenn der Haltestab während des Betriebes der Lampe rekristallisiert und damit versprödet.
Unter einer Molybdän-Basislegierung ist eine Legierungen auf Basis von
Molybdän zu verstehen, wobei der Anteil an Molybdän größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at% weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Damit sind darunter auch Molybdän-Basislegierungen zu verstehen, die beispielsweise mit Oxiden oder Karbiden dotiert sind, wie beispielsweise mit Lanthanoxid,
Yttriumoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Titankarbid oder Hafniumkarbid dotiertes Molybdän. Es versteht sich von selbst, dass eine Basislegierung auch übliche Verunreinigungen, die bereits in den Rohstoffen enthalten sind
beziehungsweise über den Produktionsprozess eingebracht werden, enthalten kann. Sowohl bei der Verwendung von Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung als auch von Molybdän oder einer Molybdän-Basislegierung für den
Grundkörper wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit ein rascher Abtransport der an der Spitze der Anode entstehenden Wärme gewährleistet.
Weiter bevorzugt weist der Grundkörper eine relative Dichte von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95% auf. Je höher die Dichte, desto geringer ist die Gefahr, dass der Grundkörper bei der Verarbeitung Verunreinigungen aufnimmt und diese im Betrieb der Lampe wieder abgibt.
Die relative Dichte kann bekanntlich auf einfache Weise über das
archimedische Prinzip bestimmt werden.
Durch relative Dichten in diesem Bereich ist außerdem eine optimale
Wärmeabfuhr von der Anode durch den Grundkörper gewährleistet.
Der Einsatz weist bevorzugt eine relative Dichte von mehr als 98% auf.
Durch eine solch hohe relative Dichte ist sowohl eine optimale Wärmeabfuhr zum Grundkörper und weiter eine minimale Abdampfung und hohe
Formstabilität gewährleistet.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Kaliumgehalt des
Einsatzes K2 höher als der Kaliumgehalt des Grundkörpers K3 ist.
Bei herkömmlichen Anoden aus Wolfram oder Wolfram-Basislegierungen mit großen Durchmessern führt eine Kalium-Dotierung zu den im Folgenden beschriebenen Problemen.
Kalium wird typischerweise in Form von KOH oder K2O dem Wolframoxid zugesetzt. Damit bei der anschließenden Reduktion des Wolframoxids zu Wolfram das Kalium nicht vorzeitig verdampft wird es zusätzlich durch Zugaben von Aluminium (AI) und/oder Silizium (Si) in Form von Aluminium- oder
Silizium-haltigen Zugaben stabilisiert. Bei den Sinterprozessen zur Fertigung der Anode gelingt es, diese Begleitelemente durch Ausgasprozesse und
Diffusionsvorgänge weitestgehend abzubauen, während die Menge an Kalium im Wolfram zum Großteil erhalten bleiben. Das Sintern von dünnen
Wolframstäben erfolgt typischerweise durch Direktsintern (durch direkten Stromdurchgang). Das Aufheizen beim Direktsintern kann mit sehr hohen Aufheizgeschwindigkeiten realisiert werden. Das ermöglicht ein schnelles Ausgasen der unerwünschten Begleitelemente AI und/oder Si, bevor der Sinterstab dichtgesintert ist. Zudem werden beim Direktsintern
Sintertemperaturen von 2700 bis 2900X erreicht, so dass Diffusionsvorgänge ausreichend schnell ablaufen können. Das Sintern von Stäben mit großen Durchmessern kann jedoch nur durch indirektes Sintern erfolgen. Beim indirekten Sintern (über Heizleiter) kommt es durch langsamere Aufheizraten, sowie dem Wärmeeintrag von außen leicht zu einem„Versintern" der Stäbe von außen, das heißt einem Dichtsintern der äußeren Bereiche der Stäbe, bevor Aluminium und/oder Silizium ausreichend abgebaut sind.
Eine Schwierigkeit bei der Herstellung von dicken Sinterstäben besteht also darin, einen ausreichenden Abbau der Begleitelemente AI und/oder Si zu gewährleisten. Mit Kalium dotierte Sinterstäbe können also nicht mit beliebig großen Durchmessern hergestellt werden. Dies wiederum führt zu
Einschränkungen im Umformgrad und damit der maximal möglichen
Verdichtung der Stäbe.
Durch die Verwendung eines Einsatzes mit kleinerem Durchmesser (D2) als der Durchmesser des Grundkörpers der Anode (Ü3), kann ein Material mit einem deutlich höheren Umformgrad und einer höheren Kerndichte verwendet und damit auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine hohe Dichte auch im Zentrum der Anode gewährleistet werden.
Als mögliches Ausgangsmaterial für den Einsatz können also umgeformte Sinterstäbe und auch Sinterstäbe mit einem kleineren Sinterdurchmesser verwendet werden. Letztere weisen zusätzlich auch ein besseres
Ausgasverhalten (Abbau von Begleitelementen wie oben beschrieben) beim Sintern auf.
Der Grundkörper einer erfindungsgemäßen Anode ist nicht direkt durch den vom Lichtbogen verursachten Temperaturgradienten beansprucht. Auch die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität des Grundkörpers sind deutlich geringer als an den Einsatz. Damit ein Ausgasen im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe der Begleitelemente Kalium, Aluminium, Silizium aus dem Grundkörper möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, für den Grundkörper ein Material mit niedrigerem Kalium-Gehalt zu verwenden. Für die Herstellung eines solchen Materials sind auch niedrigere Konzentrationen an Aluminium und/oder Silizium erforderlich und auch deren Ausdampfen somit geringer. Außerdem werden durch die Verwendung eines Materials mit niedrigem Kaliumgehalt für den Grundkörper die Kosten für die Anode zusätzlich weiter reduziert. Eine Kalium-Dotierung des Grundkörpers ist nicht zwingend erforderlich, kleine Mengen Kalium im Grundkörper wirken sich jedoch positiv auf die Kornstabilität beim Herstellprozess und damit auch auf eine anschließende mechanische Bearbeitung des Grundkörpers sowie auf die Formstabilität des weniger stark thermisch beanspruchten Bereiches der Anode im Betrieb aus. Somit kann es auch für den Grundkörper vorteilhaft sein, wenn dieser Kalium beinhaltet beziehungsweise, wie oben beschrieben bevorzugt aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 0,01 pg/g und 80 pg/g, bevorzugt 0,1 pg/g und 50 pg/g besteht.
Weiter bevorzugt ist es, wenn die Differenz des Kaliumgehalts des Einsatzes K2 minus den Kaliumgehalt des Grundkörpers K3 zwischen 20 und 85 pg/g beträgt. Eine Differenz von weniger als 20 pg/g ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit weniger bevorzugt, da Stäbe mit größeren Durchmessern einfacher mit niedrigeren Kaliumgehalten hergestellt werden können und an den Grundkörper geringere Anforderungen in Bezug auf dessen Formstabilität gestellt werden. Eine Differenz von mehr als 85 pg/g ist aus Gründen der Herstellbarkeit weniger vorteilhaft, da auch Stäbe mit geringeren Durchmessern bei zu hohen
Kaliumgehalten nicht mehr optimal dichtgesintert werden können.
Höhere Kalium-Gehalte gehen wie oben erwähnt üblicherweise mit höheren Gehalten an Begleitelementen wie AI und/oder Si einher. Bei größeren
Sinterformaten (beispielsweise Stäbe mit größeren Durchmessern) können höhere Gehalte an Begleitelementen zu unerwünschten
Kornwachstums-Effekten (zum Beispiel Riesenkornwachstum) führen. Derartige Materialien lassen sich schlechter Umformen und es kann zu einer schlechter mechanischen Bearbeitbarkeit (durch Komausbrüche) kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Einsatz einen Aluminiumgehalt von zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g auf.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich ein Aluminiumgehalt von mehr als 30 pg/g negativ auf die Lebensdauer einer Hochdruck- Entladungslampe auswirken kann. Im Betrieb einer solchen Lampe kommt es an am meisten beanspruchten Bereich der Anode (Anodenplateau) bei zu hohen Gehalten an Aluminium zu verstärkter Porenbildung (thermische induzierte Porenbildung) und damit zu einer strukturellen Schwächung des Materials. Das Aluminium selbst liegt nach dem Sintern nicht in gelöster Form, sondern als diskreter Partikel vor. Dies kann durch
Augerelektronenspektroskopie belegt werden (z.B. mit einem
Augerelektronenspektroskop PHI 680 Auger Nanoprobe). Es wird vermutet, dass es sich dabei um unlösliche Aluminiumverbindungen handelt (z.B. AI2O3). Durch die am Anodenplateau herrschenden hohen Einsatztemperaturen kann es jedoch zum Verdampfen dieser Verbindungen kommen. Da Wolfram bei den üblichen Betriebstemperaturen von bis zu 3200°C eine bereits sehr niedrige Festigkeit von einigen MPa aufweist, führt der durch das Verdampfen der Aluminiumverbindungen steigende Dampfdruck zu sich vergrößernden Poren und damit zu einer erhöhten Porosität. Dadurch wird zusätzlich die
Wärmeleitfähigkeit des Materials verringert, was wiederum zu einer
schlechteren Wärmeabfuhr durch die Anode führt. Damit steigt die Temperatur der Anode noch weiter an.
Bevorzugt weist der Einsatz einen Siliziumgehalt von zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g auf.
Auch für den Siliziumgehalt hat sich herausgestellt, dass dieser ab einem Gehalt von mehr als 30 pg/g zu verstärkter Porenbildung im Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe und damit zu einer strukturellen Schwächung des Materials und den damit wie oben beschriebenen Folgen führt.
In einem besonders bevorzugten Fall sind sowohl der Aluminiumgehalt als auch der Siliziumgehalt jeweils zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g. Damit können die oben beschriebenen Nachteile besonders gut unterbunden werden.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Anode derart ausgebildet ist, dass senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen Grundkörper und Einsatz ein diskreter Übergang zumindest eines der Parameter der Gruppe Kaliumgehalt, Aluminiumgehalt, Siliziumgehalt, mittlere Korngröße, relative Dichte vorliegt.
Eine mögliche Erklärung kann dafür darin gesehen werden, dass der thermisch am höchsten belastete, und bevorzugt hochfeste Einsatz auch den größten Betrag zur Wärmeausdehnung zu erbringen hat. Diese Wärmeausdehnung sollte nach Möglichkeit durch den weicheren Grundkörper kompensiert werden, da ansonsten die Wärmeausdehnung durch Deformation des Einsatzes im Bereich des Lichtbogenansatzes erfolgt. Dies kann am besten durch einen diskreten Übergang zu dem eine niedrigere Festigkeit aufweisenden
Grundkörper realisiert werden.
Der Verlauf der Elementkonzentration und somit auch ein diskreter Übergang im Kaliumgehalt, Aluminiumgehalt oder Siliziumgehalt im Bereich der
Grenzfläche zwischen Grundkörper und Einsatz kann mittels GDMS
(Glow Discharge Mass Spectrometry = Glimmentladungs-Massenspektrometrie) Tiefenprofil senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper analysiert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Einsatz und weiter bevorzugt auch der Grundkörper ein umgeformtes Gefüge auf.
Ein umgeformtes Gefüge ist dadurch charakterisiert, dass die Form der im
Material enthaltenen Körner in einer Vorzugsrichtung gestreckt ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann diese Vorzugsrichtung sowohl in Richtung der Rotationsachse der Anode, als auch in einer Ebene normal dazu ausgerichtet sein. Ein umgeformtes Gefüge ist also dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße in einer Richtung (beispielsweise der Richtung der Rotationsachse der Anode, axiale Richtung) größer ist, als die Korngröße in einer anderen Richtung (beispielsweise der radialen Richtung der Anode).
Ein umgeformtes Gefüge des Einsatzes hat den Vorteil, dass damit eine hohe Dichte auf kostengünstige Art und Weise erzeugt werden kann. Weiter weist ein umgeformtes Gefüge zumindest bis zur Rekristallisationstemperatur eine höhere Festigkeit als ein nicht umgeformtes Gefüge auf.
Ähnlich wie für Seltenerd-dotierte Wolframwerkstoffe bekannt, kann auch für Kalium-dotierte Wolframwerkstoffe eine Feinung der Kalium-enthaltenden Poren und damit eine feinere und gleichmäßigere Verteilung des Kalium erreicht werden. Durch die feinere Verteilung der mit Kalium gefüllten Poren kann ein zusätzlicher festigkeitssteigernder Effekt erzielt werden. Zudem lässt sich ein umgeformtes Gefüge besser bearbeiten. In den besonders bevorzugten Ausgestaltungen in denen auch der Grundkörper ein umgeformtes Gefüge aufweist, ergeben sich die gleichen Vorteile für den Grundkörper und in weiterer Folge natürliche für die gesamte Anode.
Da bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Anode zwei unterschiedliche Materialien verwendet werden können, muss die mittlere Korngröße des
Einsatzes nicht zwingend der mittleren Korngröße des Grundkörpers
entsprechen. Vielmehr bietet eine erfindungsgemäße Anode eine große
Flexibilität in der Wahl der mittleren Korngröße des Einsatzes, unabhängig von der mittleren Korngröße des Grundkörpers.
Abhängig von der Betriebstemperatur, dem Betriebsmodus sowie der
verwendeten Anodengeometrie können sich im Bereich des Anodenplateaus stark unterschiedliche Temperatur-Spannungs-Profile einstellen. Bei niedrigen Spannungen und Temperaturen von T > 0,4 * Ts (Ts = Schmelztemperatur) treten diffusionskontrollierte Verformungsmechanismen auf. Hier ist es vorteilhaft, ein Material für den Einsatz mit einer möglichst großen mittleren Korngröße zu verwenden, während die mittlere Korngröße des Grundkörpers für eine gute Bearbeitbarkeit nach Möglichkeit weniger als 100 pm beträgt. Für mechanisch hoch beanspruchte Anodenplateaus, welche speziell bei zyklisch betriebenen Anoden auftreten, sollte die mittlere Korngröße möglichst klein sein, um eine möglichst hohe Festigkeit und damit wenig plastische
Deformation zu erzielen. Die mittlere Korngröße des Einsatzes kann dabei deutlich kleiner als die mittlere Korngröße des Grundmateriales sein. In beiden Fällen liegt bevorzugt ein diskreter Übergang der mittleren Korngröße senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen Grundkörper und Einsatz vor.
Besonders bevorzugt ist es wenn die mittlere Korngröße des Einsatzes größer als die mittlere Korngröße des Grundkörpers (3) ist. Beispielsweise kann der Grundkörper über Pressen und Sintern hergestellt sein und eine mittlere
Korngröße von 10 bis 20 μηη aufweisen während der Einsatz ein
rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 40 bis 400 pm aufweist.
Die Form des Einsatzes kann an die jeweiligen konstruktiven Anforderungen der Anode angepasst werden und beispielsweise einem Zylinder, einem
Kegelstumpf, einem mit einem Zylinder verbundenen Kegelstumpf, zwei an Grund und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen oder einer Halbkugel entsprechen. Auch andere rotationssymmetrische Formen sind für die Ausgestaltung eines Einsatzes geeignet.
Ein Einsatz der der Form eines Zylinders entspricht, hat den Vorteil, dass damit fertigungsseitig sehr geringe Kosten durch mechanische Bearbeitung von Grundkörper und Einsatz entstehen.
Ein Einsatz der der Form eines Kegelstumpfes entspricht, ist zwar mit etwas höheren Fertigungskosten verbunden, hat aber Vorteile in Bezug auf die Verteilung der im Betrieb der Hochtemperatur-Entladungslampe entstehenden Temperatur-und Spannungsverteilung. Mittels Finite Elemente Methode (FEM) berechenbare Isothermen in der Nähe des Anodenplateaus sind
halbkugelförmig beziehungsweise ellipsoid. Diesbezüglich wäre ein Einsatz in Form einer Halbkugel besonders vorteilhaft, ein solcher ist jedoch
fertigungsseitig am schwierigsten und teuersten zu realisieren.
Die Form des Grundkörpers ist bevorzugt zylinderförmig oder entspricht alternativ bevorzugt zwei an Grund und Deckfläche eines Zylinders
verbundenen Kegelstümpfen.
Der Durchmesser des Einsatzes D2 und des Grundkörpers D3 können je nach den konstruktiven Anforderungen an die Anode angepasst werden. Es hat sich dabei herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist wenn das Verhältnis D2/D3 des Durchmessers des Einsatzes D2 zum Durchmesser des
Grundkörpers D3 zwischen 0,1 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 liegt.
Diese besonders bevorzugten Verhältnisse sind unter anderem mit der
Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Einsatz und Grundkörper zu begründen. So sind D2 und D3 beispielsweise auch von der Herstellbarkeit des
Rohmaterials (zum Beispiel gesintertes Stabmaterial) für Einsatz und
Grundkörper abhängig. Wie bereits oben beschrieben, können zu große
Durchmesser zu Problemen in Bezug auf die Dichte (vor allem Kerndichte) und das Ausgasverhalten führen.
Als Durchmesser des Grundkörpers D3 ist der Anodendurchmesser selbst, also der maximale Durchmesser der Anode zu verstehen. Als Durchmesser des Einsatzes D2 ist der maximale Durchmesser des Einsatzes zu verstehen, zum Beispiel im Fall eines Einsatzes in Form eines Kegelstumpfes, der
Durchmesser der Kegelbasisfläche.
Auch die Länge des Einsatzes L2 und die Länge L3 des Grundkörpers stehen bevorzugt in einem bestimmten Verhältnis zueinander. So ist dieses Verhältnis L2/L3 der Länge des Einsatzes L2 zur Länge des Grundkörpers L3 zwischen 0,05 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,4, noch weiter bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3.
Als Länge des Grundkörpers L3 ist die Länge (in axialer Richtung) der Anode selbst, also die maximale Länge der Anode zu verstehen. Als Länge des Einsatzes L2 ist die maximale Länge des Einsatzes zu verstehen.
Die Wahl dieses Verhältnisses L2/L3 ist unter anderem durch die Herstellkosten, sowie durch resultierende mechanische und thermische Eigenschaften beeinflusst. So ist eine Anode umso teurer, je größer das Verhältnis L2/L3.
Weiters ist die Formstabilität des Einsatzes umso geringer, je kleiner das Verhältnis L2/L3 ist. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzes nimmt mit sinkendem L2/L3 ab.
Die Länge L3 ist bevorzugt in der gleichen Größenordnung wie der
Durchmesser D3.
Durch die vorliegende Erfindung wird ebenfalls eine
Hochdruck-Entladungslampe, die eine wie oben beschriebene
erfindungsgemäße Anode enthält, bereitgestellt. Eine derart ebenfalls
erfindungsgemäße Hochdruck-Entladungslampe weist eine längere
Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Hochdruck-Entladungslampen auf.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein Verfahren zur Herstellung einer
Anode, bevorzugt einer erfindungsgemäßen Anode wie oben beschrieben, für eine Hochdruck-Entladungslampe bereit, das die folgenden Schritte enthält:
- Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung
- Bereitstellen eines Einsatzes aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g, - Stoffschlüssiges Verbinden von Grundkörper und Einsatz entlang mindestens einer Grenzfläche,
und das Verbinden als Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens ohne das Auftreten einer schmelzflüssigen Phase stattfindet.
Der Schritt des stoffschlüssigen Verbindens in einem erfindungsgemäßen Verfahren findet also bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur von Wolfram von 3410°C auf.
Bevorzugt wird die stoffschlüssige Verbindung über eine Diffusionszone eingestellt. Dabei kommt es wechselweise zur Diffusion des Basiselements des Grundkörpers (Wolfram oder Molybdän) in den Einsatz, sowie zur Diffusion von Wolfram in den Grundkörper. Bei einem Grundkörper aus einer
Wolframbasislegierung handelt es sich also um Wolframselbstdiffusion. Die Dotierungs- und Begleitelemente Kalium, Aluminium und/oder Silizium hingegen, die als diskrete Partikel beziehungsweise als Film oder Partikel an einer Porenoberfläche vorliegen, nehmen nicht am atomaren Stofftransport teil. Im Gegensatz dazu besteht bei einem Verfahren bei welchem beim Schritt des Verbindens eine schmelzflüssige Phase auftritt (beispielsweise einem
Lötprozess) die Gefahr, dass das Lotmaterial bei den hohen
Einsatztemperaturen verdampft und sich als Kolbentrübung niederschlägt. Lokale Umschmelzverfahren zum stoffschlüssigen Verbinden sind für
Kaliumdotierte Qualitäten ungeeignet, da das unlösliche Kalium durch den hohen Gasdruck im Schmelzbad große Poren erzeugen würden.
In bevorzugter Weise bewirkt das Verbinden als Schritt eines
erfindungsgemäßen Verfahrens auch keine oder keine lokale Anschmelzung wie z.B. durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Durch die Vermeidung eines Schmelzbades wird eine unerwünschte Porenbildung durch die Kalium, Aluminium, Silizium (wie oben beschrieben) vermieden. Dadurch ist die mechanische Bearbeitbarkeit der Anode weiterhin gut und es entsteht keine Zone verringerte Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper.
In bevorzugter Weise bewirkt ein erfindungsgemäßes Verfahren auch keine Umformung oder keine zusätzliche Umformung des Gefüges von Einsatz und Grundkörper bewirkt. Damit kann vermieden werden, dass der Stoffschluss zwischen Einsatz und Grundkörper durch die Bildung eines Wulstes nicht mehr gewährleistet ist.
In besonders bevorzugter Weise bewirkt ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere dessen Schritt des Verbindens keine oder keine zusätzliche Rekristallisation des Gefüges von Einsatz und Grundkörper. Dadurch wird eine Versprödung des Gefüges der Anode (Einsatz und/oder Grundkörper) vermieden.
Es ist daher ebenfalls bevorzugt, wenn das Verbinden bei einer Temperatur von kleiner 1600°C stattfindet da dadurch eine Rekristallisation des Einsatzes weitestgehend vermieden werden kann. Dadurch ist eine gute Bearbeitbarkeit des späteren Anodenplateaus gegeben. Je besser die Bearbeitbarkeit des Anodenplateaus, desto niedriger sind die einstellbaren Rauigkeiten nach dem Bearbeiten. Erhöhte Rauigkeiten resultieren in eine verstärkte Abdampfung durch ein lokalen Lichtbogenansatz an diesen Rauigkeiten. Die Temperatur beim Verbinden sollte sinnvollerweise und damit bevorzugt jedoch mehr als 1200°C betragen um wirtschaftliche Prozesszeiten zu gewährleisten.
Der Schritt des stoffschlüssigen Verbindens wird in bevorzugter Weise durch Diffusionsbonden oder Spark Plasma Sintern (SPS) realisiert. Besonders bevorzugt ist eine Herstellung mittels einer SPS-Anlage, da damit die
Prozesszeiten besonders gering sind und die für das Erzielen einer
stoffschlüssigen Verbindung notwendigen Drücke und Temperaturen niedrig sind.
Anhand der folgenden Beispiele und Figuren werden Vorteile und Einzelheiten sowie besonders vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung genauer erläutert. Beispiel 1
Um den Einfluss des Kaliumgehaltes sowie der Mischkristallhärtung auf die Formstabilität von Anoden bei Temperaturen von >3000°C zu untersuchen wurde Stabmaterial aus Wolfram und Wolframlegierungen mit unterschiedlichen Kaliumgehalten durch unterschiedliche Dotierung des Pulvers hergestellt. Die Pulver wurden kaltisostatisch gepresst und anschließend durch indirektes Sintern bei 2300 bis 2400°C für 6h unter trockener Wasserstoffatmosphäre gesintert. Die so hergestellten Stäbe wurden mittels Radialschmieden auf eine Dichte >98% bei einer Umformtemperatur von 1600°C verdichtet. Wolframlegierungen mit Zusätzen von 5 gew.-% Rhenium bzw. Tantal wurden auf gleiche Weise hergestellt. Rhenium bzw. Tantal wurden durch Zugabe elementarer Pulver zugemischt. Aus den so hergestellten Stäben wurden jeweils aus dem Zentrumsbereich quaderförmige Proben der Größe 8x8x7 mm geschnitten. Um die Bedingungen im Betrieb einer Anode zu simulieren, wurde die 8x8 mm Probenoberfläche senkrecht zur Stabachse mittels Elektronenstrahl behandelt, um eine Temperaturbehandlung knapp unterhalb des
Schmelzpunktes von Wolfram (3410°C) zu simulieren, welche mit klassischen Hochtemperaturöfen nicht erreicht wird. Die Stromstärke des Elektronenstrahls wurde mithilfe von Vorversuchen eingestellt, wobei die Stromstärke des
Elektronenstrahls kontinuierlich abgesenkt wurde, bis keine sichtbaren
Aufschmelzungen auf der Oberfläche der Proben mehr auftraten. Bei einer Stromstärke des Elektronenstrahls von 32 mA wurden geringfügige
Aufschmelzungen beobachtet. Bei einer Absenkung auf 30 mA, das entspricht einer Absenkung um 6%, konnten keine sichtbaren Aufschmelzungen mehr beobachtet werden. Unter der Annahme einer linearen Temperaturabnahme mit der Stromstärke des Elektronenstrahls, ist die Oberflächentemperatur bei einer Stromstärke von 30 mA bei 94% der Schmelztemperatur von Wolfram. Somit ergibt sich eine Oberflächentemperatur von 3216 °C. Aufgrund von
Wärmeverlusten wird von einer effektiven Oberflächentemperatur von
3100 - 3200 °C ausgegangen.
Die Versuchsdurchführung war für alle Proben identisch. Die
Elektronenstrahlkammer wurde auf ein Hochvakuum von 5x10"4 mbar evakuiert. Im Anschluss daran wurde die Stromstärke des Elektronenstrahls linear in 60 sec von 0 mA auf 30 mA erhöht. Die Haltedauer betrug 300 sec. Um die Temperatur auf einen größeren Bereich zu verteilen, erfolgte eine
Strahlablenkung des Elektronenstrahls während der Wärmebehandlung auf der Probenoberfläche in einem Durchmesser von 3,5 mm um das Zentrum. Die Frequenz der Rotation betrug 100 Hz.
Nach der Behandlung mit dem Elektronenstrahl wurden die Proben mittels
Weißlichtinterferometer der Firma FRT topographisch vermessen. Dazu wurde die maximale Verformung der Probenoberfläche wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt bestimmt. Die für die beschriebenen Legierungen bestimmten
Formänderungen können Tabelle 1 entnommen werden. Es ist ersichtlich, dass mit steigendem Kalium-Gehalt die Formstabilität bei den untersuchten
Temperaturen zunimmt. Die Wolframlegierungen mit Tantal und Rhenium zeigen gegenüber dem reinen Wolfram bei diesen Temperaturen keinen Festigkeitsvorteil.
Tabelle 1 :
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(* Proben aus: A. Hoffmann, I. Wesemann, Potassium doped tungsten: Beyond incandescent lamp wires, International journal of powder metallurgy, Volume 47, Issue 5, S. 1 1-20, 201 1)
Beispiel 2:
Basierend auf den Erkenntnissen aus Beispiel 1 wurde ein Sinterstab mit möglichst hohem Kaliumgehalten, geeignet für großformatige Anoden mit einem Anodendurchmesser von 30 bis 45 mm hergestellt. Um eine ausreichend hohe Dichte eines solchen Stabes im Bereich des Zentrums zu erzielen, ist es erforderlich, Sinterstäbe mit einem ausreichend großen Sinterdurchmesser herzustellen. Hierzu wurde ein dotiertes Wolframpulver mit 89 pg/g Kalium, 30 pg/g Aluminium und 259 pg/g Silizium zu einem Stab über kaltisostatisches Pressen bei 1800 bar gepresst. Anschließend erfolgte ein indirektes Sintern bei 2300 - 2400°C für 6h unter trockenem Wasserstoff. Der so hergestellte
Sinterstab wurde hinsichtlich der Gehalte an Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff, sowie seiner Sinterdichte in Abhängigkeit vom Abstand zum
Zentrum (Proben: Zentrum, Rand und R/2 = Hälfte des Radius) charakterisiert. Daraus wird ersichtlich, dass die Begleitelemente Aluminium und Silizium, als auch der mit diesen Elementen verbundene Sauerstoff im Zentrum nur unzureichend abgebaut werden. Mit steigendem Durchmesser wird ein Abbau dieser Elemente durch Ausgasen oder Festkörperdiffusion weiter erschwert. abzubauen. Ein direkter Vergleich eines derart indirekt gesinterten Stabes mit großem Durchmesser zu einem direkt gesinterten Stab mit geringem
Durchmesser ist in Tabelle 2 gegeben. Tabelle 2
Figure imgf000020_0001
Eine weitere Herausforderung beim Sintern von Sinterstäben mit großen Durchmessern ist das Auftreten von Riesenkornwachstum, wie in Figur 8 dargestellt. Derartig inhomogene Gefüge sind kritisch, wenn eine Umformung des Materials erfolgen soll, da eine Rissinitiierung dadurch begünstigt wird. Derart grobkörnige Gefüge können bei den für die Herstellung von Anoden typischen Umformgraden auch über Schmieden nicht wieder in ein feinkörniges Gefüge umgewandelt werden, da die beim Schmieden aufgebrachten
Umformgrade dafür zu gering sind. So hergestellte Schmiedestäbe mit grobkörnigem Gefüge sind also nur sehr schwer mechanisch zu bearbeiten und neigen zu Kornausbrüchen.
Beispiel 3
Es wurden Kaliumhaltige Legierungen mit unterschiedlichen Kaliumgehalten, und unterschiedlichen Aluminium- und Siliziumgehalten über unterschiedliche Ausgangspulver hergestellt. Die Ausgangspulver wurden analog zu Bespiel 2 gepresst, gesintert und anschließend durch Schmieden auf Dichten größer 97,9% der theoretischen Dichte von reinem Wolfram verdichtet. Die erzielten Dichten sowie die bestimmten Elementgehalte an Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3:
Figure imgf000021_0001
Die Formstabilität dieser Proben wurde analog zu Beispiel 1 bewertet. Neben der Ermittlung der maximalen Verformung wurden die Proben auch hinsichtlich Veränderungen des Gefüges im Materialinneren charakterisiert. Dazu wurden nach dem Elektronenstrahlbeschuss Längsschliffe angefertigt. Es wurden Gefügeaufnahmen direkt angrenzend an die Beschussfläche, als auch in 3 mm Abstand dazu angefertigt. In Figur 9 b) ist ein typisches Gefüge für Wolfram mit einer hohen Kerndichte im Vergleich zum Gefüge direkt angrenzend an die Beschußfläche (Figur 9 a)), welches eine stark erhöhte Porosität aufweist.
Diese Porosität wird im Folgenden als thermisch induzierte Porosität bezeichnet und wird durch in Wolfram unlösliche Bestandteile mit hohem Dampfdruck verursacht. Mittels quantitativer Metallografie wurde der Flächenanteil der thermisch induzierten Porosität für alle Proben nach der
Elektronenstrahlbehandlung ermittelt. Analog dazu wurde auch die Porosität an der Bruchfläche unmittelbar unter der Beschussfläche für alle Proben bestimmt. Da rekristallisiertes Wolfram im Wesentlichen transkristallin bricht, repräsentiert eine Untersuchung der Bruchfläche die thermisch induzierte Porosität auf der Korngrenze, während eine Untersuchung eines Schliffes die thermisch induzierte Porosität im Korninneren beschreibt.
Die so ermittelten Werte für die Formänderung, die quantitative Porosität am Schliff als auch an der Bruchfläche wurden hinsichtlich möglicher Korrelationen mit den Gehalten an Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff untersucht. Die Untersuchung der Korrelation erfolgte nach Pearson (A. Rubin, Statistics for evidence- based practice and evaluation, Third edition, Cengage brain,
Chapter 17, S. 20Z-222, 2010). Tabelle 4
Figure imgf000022_0001
Die Wertekorrelation zeigt, eine beinahe ideale negative Korrelation zwischen Kaliumgehalt und Formstabilität. Sie zeigt aber auch, dass das in Wolfram unlösliche Kalium bei hohen Einsatztemperaturen zur Bildung von thermisch induzierten Poren führen kann. Es ist bekannt, dass Kalium so gut wie keine Löslichkeit in der Wolframmatrix, aber auch gleichzeitig einen sehr hohen Dampfdruck besitzt. Die Korrelation für die Elemente AI, Si und O ist weniger stark ausgeprägt aber ebenfalls ersichtlich und lässt sich vermutlich über die Form, wie diese Elemente in der Wolframmatrix vorliegen und verteilt sind erklären. Es wird vermutet, dass diese Elemente nicht gelöst, sondern diskret als oxidische Partikel vorliegen. Durch das Aufbringen von extrem hohen Temperaturen beginnen sich diese Partikel thermisch zu zersetzen und bilden dabei Suboxide mit sehr hohem Dampfdruck, der wiederum zu thermisch induzierten Poren führt. Um das Vorliegen von Aluminium und Silizium als diskrete Partikel weiter zu untersuchen wurden Oberflächenanalysen und Analysen zur Bestimmung der Poreninhaltstoffe mittels Augerelektronenspektroskopie (PHI 680 Auger
Nanoprobe) an einer ausgewählten Probe (Probe 6 vor der
Elektronenstrahlbehandlung) durgeführt, die dafür in-situ im Hochvakuum gebrochen wurde.
Die ermittelten Elementmappings (Figur 10) bestätigen die Hypothese, dass auch AI und Si als diskrete Partikel im Wolfram vorliegen. Das heißt, ein nicht unerheblicher Anteil an thermisch induzierter Porosität wird vermutlich auch durch die beim Sintern nicht vollständig abgebauten Begleitelemente AI und Si verursacht. Bevorzugt sollten diese Elemente beim Sintern möglichst vollständig abgebaut werden, da ihr Beitrag zur Formstabilität weniger ausgeprägt ist, sie jedoch einen Beitrag zur (unerwünschten, da die
Wärmeleitfähigkeit absenkenden) thermisch induzierten Porosität leisten.
Beispiel 4:
Zur Auslegung der Geometrie einer erfindungsgemäßen Anode und im
Besonderen deren Einsatz wurden Finite Elemente Methode (FEM) - Rechnungen zur Abschätzung der Temperaturentwicklung durchgeführt (siehe Figur 11). Als Material des Grundkörpers wurde ein gesintertes Material ohne zusätzliche Verdichtung durch einen Schmiedeprozess mit einer relativen Dichte von 92% und daher verringerter Wärmeleitfähigkeit verwendet. Der Durchmesser D3 der Anode betrug 35 mm und die Länge L3 des Grundkörpers betrug 70 mm. Ist die Länge des Einsatzes L2 (hohe relative Dichte von größer 98%) zu klein, kann es zu einer unerwünschten Erhöhung der
Temperatur des Anodenplateaus kommen. Die FEM-Rechnung zeigt, dass ab einem Wert für L2 von 5 mm der Temperaturanstieg im Vergleich zu einem dichten Vollmaterial nur sehr gering ist. Für die folgenden Fertigungsbeispiele wurde daher ein zylindrischer Einsatz mit einer Länge L2 von 10 mm mit einem Grundkörper mit einer Länge L3 von 70 mm verwendet. D2 betrug 12 mm und D3 35 mm.
Der Grundkörper einer erfindungsgemäßen Anode wurde aus einem gering umgeformten Schmiedestab hergestellt. Das Material selbst wurde analog Beispiel 1 bis 3 hergestellt und danach mittels Radialschmieden umgeformt (Herstellparameter, Dichte, Chemische Analyse von Grundkörper und Einsatz siehe Tabelle 5).
Tabelle 5:
Figure imgf000024_0001
Die Materialaussparung zur Aufnahme des Einsatzes wurde mittels Bohren hergestellt. Als Einsatzmaterial wurde ein Material mit hohem Kaliumgehalt und möglichst niedrigen AI, Si und O Gehalten gewählt. Dies soll eine möglichst hohe Formstabilität bei gleichzeitig geringer Neigung zur thermisch induzierten Porenbildung gewährleisten. Idealerweise wird hierzu ein direkt gesintertes Material gewählt, bevorzugte Sintertemperatur 2700-2900°C. Um eine möglichste hohe Kerndichte für den thermisch am höchsten beanspruchten Einsatz zu gewährleisten, wurde das Einsatzmaterial bei 1600°C auf einen Durchmesser von 13 mm umgeformt, was zu einem grobkörnigen Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 50 pm führt. Durch Anpassungen
Temperaturführung unterhalb der Rekristallisationstemperatur ist es auch möglich ein sehr feinkörniges Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 10 pm zu erhalten. Die Wahl der Korngröße des Einsatzes hängt von den
Betriebsbedingungen der Anode ab. Nach der Umformung wurde der Stab auf das Endmaß von 12 mm geschliffen, um die für das Einpressen erforderlichen Toleranzen zu erzielen.
Das Verbinden des Einsatzes mit dem Grundkörper erfolgte mittels
Heißpressen bei Temperaturen von 1400°C in einem ersten bzw. bei 1800°C in einem zweiten Beispiel über eine Haltezeit von 5 Minuten. Längere Haltezeiten sind zwar für die Stabilität der Verbindung weiter förderlich, erhöhen jedoch die Kosten. Bei der 1400°C Variante wurde eine Presskraft von 40 kN und bei der 800°C Variante eine Presskraft von 17 kN aufgebracht. Die so hergestellten Anoden wurden mittels eines metallografischen Schliffs untersucht. Die Grenzflächen des zylindrischen Einsatzes in axialer Richtung als auch in radialer Richtung wurden für beide hergestellten Varianten untersucht (siehe Figuren 12 und 13). Wie anhand der Schliffbilder zu erkennen ist, konnte eine stoffschlüssige Verbindung ohne lokale Aufschmelzungen hergestellt werden. Die unterschiedlichen Materialien von Einsatz und Grundkörper sind klar erkennbar. Auch die höhere Dichte des Einsatzes im Vergleich zum
Grundkörper ist ersichtlich (Porosität). Ebenso zeigt sich ein diskreter Übergang der mittleren Korngröße zwischen Einsatz und Grundkörper senkrecht zur Grenzfläche. Im Fall der Variante bei 800°C wurde bereits eine beginnende Rekristallisation des Materials des Grundkörpers während des Heißpressens (Verbindens) beobachtet (Figur 13).
Zur weiteren Charakterisierung der Grenzfläche in axialer Richtung zwischen Einsatz und Grundkörper wurde ein GDMS-Tiefenprofil angefertigt. Hierzu wurde ein Wolframeinsatz mit 25 g/g Kalium und 30 Mg/g Aluminium in einen Grundkörper aus Wolfram ohne Kalium-Dotierung gepresst. Vor der GDMS
Messung wurde die so hergestellte Anode zusätzlich einer Glühung bei 2700°C für 4h ausgesetzt um die Einsatzbedingungen der Anode zu simulieren. Das Tiefenprofil in Figur 14 zeigt einen diskreten Übergang des Kaliumgehaltes an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Grundkörper. In einer relativ kurzen Distanz von 50μιη steigt der Kaliumgehalt um mehr als 2 Größenordnungen. Die Messung zeigt, dass kein Stofftransport zwischen beiden Komponenten selbst nach Aufbringen einer Hochtemperaturglühung stattfindet. Gleiches wird auch für das Begleitelement Aluminium beobachtet.
Von den Figuren zeigen:
Figur 1 zeigt eine Schemazeichung einer erfindungsgemäßen Anode a) in Seitenansicht und in b) in Draufsicht, und somit eine erfindungsgemäße
Anode (1), die einen Grundkörper (3) sowie einen Einsatz (2) aufweist, die entlang einer Grenzfläche (23) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Sowohl der Grundkörper (3) als auch der Einsatz (2) weisen die Form eines Zylinders auf. Der Durchmesser des Einsatzes (2) D2 und der Durchmesser des Grundkörpers (3) D3 sind gekennzeichnet.
Figur 2 zeigt eine Schemazeichnung einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anode (1), mit dem Unterschied, dass der Einsatz (2) die Form eines Zylinders und der Grundkörper (3) die Form eines an einer Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstumpfes aufweist.
Figur 3 zeigt eine Schemazeichnung einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anode (1), wobei hier sowohl der Einsatz (2) als auch der Grundkörper (3) die Form eines an einer Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstumpfes aufweist.
Figur 4 zeigt eine Schemazeichnung einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anode (1), wobei hier der Einsatz (2) die Form zwei an Grund- und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen aufweist.
Figur 5 zeigt weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Anoden.
Figur 6 zeigt die mittels Weißlichtinterferometer bestimmte Topographie
(Linienprofil) einer mit Elektronenstrahl behandelten Oberfläche einer Probe mit 30 pg/g K.
Figur 7 zeigt die mittels Weißlichtinterferometer bestimmte Topographie
(Linienprofil) einer mit Elektronenstrahl behandelten Oberfläche der Standard W-Probe ohne Kaliumdotierung.
Figur 8 zeigt links die makroskopische Bruchfläche eines direkt gesinterten Sinterstabes mit Durchmesser 90mm. Der im Hintergrund dargestellte Maßstab bei„0 mm" entspricht dem Stabzentrum und„45mm" dem Rand des
Sinterstabs. Rechts zu sehen sind die dazugehörigen REM-Aufnahmen im Sekundärelektronenkontrast bei 1000facher Vergrößerung.
Figur 9 zeigt einen geätzten Längsschliff (Probe 8 aus Tabelle 3) nach dem Elektronenstrahlbeschusstest, a) direkt angrenzend an die Besch ussf lache (oben: mittels Elektronenstrahl behandelte Oberfläche), b) im Abstand von 3mm zur Besch ussf läche
Figur 10 zeigt eine REM-Aufnahme des untersuchten Bereiches (oben), sowie ein Elementmapping für AI (links unten) und Silizium (rechts unten) der Probe 6, Tabelle 3.
Figur 11 zeigt einen simulierten Temperaturverlauf in axialer Richtung vom Anodenplateau (0) in Richtung des kalten Bereichs der Anode (rechts). Skala auf der X-Achse in mm. Figur 12 zeigt einen metallografischen Längsschliff der Grenzflächen zwischen einem mit 55 pg/g Kalium dotierten Einsatz und einem mit 15 pg/g dotierten Grundkörper entlang der Grenzfläche in radialer Richtung (links) und entlang der Grenzfläche in axialer Richtung (rechts) nach dem Heißpressen bei 1400°C Figur 13 zeigt einen metallografischen Längsschliff der Grenzflächen zwischen einem mit 55 pg/g Kalium dotierten Einsatz und einem mit 15 pg/g dotierten Grundkörper entlang der Grenzfläche in radialer Richtung (links) und entlang der Grenzfläche in axialer Richtung (rechts) nach dem Heißpressen bei 1800°C
Figur 14 zeigt ein GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry =
Glimmentladungs-Massenspektrometrie) -Tiefenprofil entlang einer ebenen Grenzfläche zwischen einem Grundkörper (links) und einem Einsatz mit einem K-Gehalt von 25 pg/g (rechts).
Liste der verwendeten Bezugszeichen:
1 Anode
2 Einsatz
3 Grundkörper
23 Grenzfläche
D2 Durchmesser Einsatz
D3 Durchmesser Grundkörper
L2 Länge Einsatz
Ls Länge Grundkörper

Claims

Ansprüche
Anode (1) für eine Hochdruck-Entladungslampe, aufweisend einen Grundkörper (3) aus einem Refraktärmetall oder einer
Refraktärmetall-Basislegierung und einen Einsatz (2) aus einer Wolfram Basislegierung, die entlang mindestens einer Grenzfläche (23) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (2) aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g besteht.
Anode (1) nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper (3) aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung besteht.
Anode (1) nach Anspruch 2, wobei der Grundkörper (3) aus Wolfram oder einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 0,01 pg/g und 80 pg/g, bevorzugt 0,1 pg/g und 50 pg/g, besteht.
Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine relative Dichte von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95% aufweist.
Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) eine relative Dichte von mehr als 98% aufweist.
Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kaliumgehalt des Einsatzes (2) K2 höher als der Kaliumgehalt des Grundkörpers (3) K3 ist.
Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Differenz des Kaliumgehalts des Einsatzes (2) K2 minus den
Kaliumgehalt des Grundkörpers (3) K3 zwischen 20 und 85 pg/g beträgt.
Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) einen Aluminiumgehalt von zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g aufweist.
9. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (2) einen Siliziumgehalt von zwischen 0,01 pg/g und 30 pg/g aufweist.
10. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei senkrecht zu einer Grenzfläche (23) zwischen Grundkörper (3) und Einsatz (2) ein diskreter Übergang zumindest eines der Parameter der Gruppe
Kaliumgehalt, Aluminiumgehalt, Siliziumgehalt, mittlere Korngröße, relative Dichte vorliegt.
11.Anode (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der
Einsatz (2) und bevorzugt auch der Grundkörper (3) ein umgeformtes
Gefüge aufweisen.
12. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mittlere Korngröße des Einsatzes (2) größer als die mittlere Korngröße des Grundkörpers (3) ist.
13. Anode (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Form des Einsatzes (2) einem Zylinder, einem Kegelstumpf, einem mit einem Zylinder verbundenen Kegelstumpf, zwei an Grund und Deckfläche eines Zylinders verbundenen Kegelstümpfen oder einer Halbkugel entspricht.
14. Anode (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Verhältnis D2/D3 des Durchmessers des Einsatzes(2) D2 zum
Durchmesser des Grundkörpers(3) Da zwischen 0,1 und 0,75, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 liegt.
15. Anode (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Verhältnis L2/L3 der Länge des Einsatzes(2) L2 zur Länge des
Grundkörpers (3) L3 zwischen 0,05 und 0,75 liegt.
16. Hochdruck-Entladungslampe, enthaltend eine Anode nach einem der vorangehenden Ansprüche.
17. Verfahren zur Herstellung einer Anode (1) für eine
Hochdruck-Entladungslampe, enthaltend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Grundkörpers (3) aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung
- Bereitstellen eines Einsatzes (2) aus einer Wolfram-Basislegierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 5 pg/g und 120 pg/g, bevorzugt 15 pg/g und 85 pg/g, weiter bevorzugt 25 pg/g und 65 pg/g,
- Stoffschlüssiges Verbinden von Grundkörper (3) und Einsatz (2) entlang mindestens einer Grenzfläche (23),
dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden ohne das Auftreten einer schmelzflüssigen Phase stattfindet.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei dieses keine Umformung oder keine zusätzliche Umformung des Gefüges von Einsatz (2) und
Grundkörper (3) bewirkt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Verbinden keine oder keine zusätzliche Rekristallisation des Gefüges von Einsatz (2) und Grundkörper (3) bewirkt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verbinden bei einer Temperatur von kleiner 1600°C stattfindet.
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