專利名稱：燒結電極的制作方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1總概念中的燒結電極。而且涉及高壓放電燈的燒結電極，例如金屬鹵化物燈或鈉高壓放電燈的燒結電極。
技術狀況從DE-OS 4206909獲知一種真空電子管用熱離子發射陰極元件，該元件由平均粒變為1μm以下的球形顆粒制成。燒結電極總體積的5-90％由未充填的開放孔組成。相鄰顆粒之間的距離小于1μm。
從US-A 3 244 929獲知一種燒結電極，其發射材料的成分除鎢以外還含有如鋁、鋇、鈣或釷的氧化物。該燒結體安置在由實心材料制成的固定棒上。
從US-A 5 418 070獲知一種陰極，該陰極由一種多孔鎢-基體組成，在其孔中嵌入發射材料。這些孔是通過用液態銅充滿基體的坯體，然后重新將銅溶出而形成的。此方法的缺點在于孔的形狀是不規則的，其特性亦不是確定的。制造過程既復雜又費時。
從DD-PS 292 764獲知一種由鎢和釷的氧化物或堿土金屬氧化物的混合物組成的金屬陶瓷燒結體。其中燒結體的孔隙率通過在制造過程中應用一種粘合劑調節。金屬陶瓷粉末的粒度為80-550μm。
已知的燒結電極存在的大問題是，其孔隙率在使用期內不能保持恒定，因為由于電極運行期間的高溫度負荷使燒結過程重新發生。因此，這類燈在使用期內不易維護。
由于這種嚴重的缺點，燒結電極迄今未得到廣泛的應用。相反地，迄今依賴于利用帶一個由敷釷的鎢制固定棒的螺旋絲電極或敷釷的鎢制棒形電極。現今總是由致密的實心材料進行制造。
發明描述本發明的任務在于根據權利要求1的總概念制造燒結電極，該電極不用釷，使用期長，并且電弧擾動小。
此任務將通過權利要求1的特征予以解決，特別有利的方案可從附屬權利要求中找到。
根據本發明的高壓放電燈的燒結電極由高熔點的金屬鎢、鉭、鋨、銥、鉬或錸或這些金屬的合金組成。此外，還可向該金屬或該合金添加氧化性摻雜物(至5％(重量))，例如鑭或釔的氧化物。
燒結體主要由金屬或合金的球狀粉末制造，其平均粒度為2-100μm，其中顆粒度分布圍繞平均值最大波動約為20％，并且燒結電極總體積中的10-40％由開放孔組成。
這些孔可不被充填或者含有發射體添加物。典型的發射體添加物為堿土金屬的氧化物，例如鋇，鈣，鍶的氧化物和這些氧化物的混合物。適宜的氧化物亦可被鋁酸鹽以及鉿或鋯或稀土金屬(特別是Sc,Y,La,Ce,Nb,Gd,Dy和Yb)的氧化物。
球狀粉末的平均粒度優選為5-70μm。
在一個特別優選的實施方案中，顆粒度分布圍繞平均值的最大波動約為10％。
特別之處在于燒結體按已知方式固定在實心材料的固定棒上。其特別的優點在于可不用焊接或釬焊一類連接技術。僅通過熱壓配合或燒結即可實現機械連接。
優選的燒結體材料和固定棒的材料基本相同，例如純鎢。其中燒結體可未充填或者含有發射體添加物(例如鑭的氧化物)。適宜作固定棒的有純鎢、鉀摻雜的鎢或錸-鎢合金。
特別是該電極不用釷，從而不帶放射性。
根據本發明的電極具有一系列優點裝備該電極的高壓放電燈的使用期延長，燈點火電壓的增加減少，光電流的穩定性明顯改善。此外，放電容器壁變黑亦將減少。此外，在燈的運行中電弧擾動和閃爍減小。電極的制造亦大大簡化。與普通電極相比可節省電極螺旋絲。
制造根據權利要求1的燒結體的一種特別有利的方法由下列步驟組成a)由高熔點金屬鎢、鉭、鉬、銥、鋨或錸或其合金制備基本呈球形的金屬粉末，其中該粉末具有下列性質金屬粉末的平均粒度為2-100μm；顆粒度分布圍繞平均值的最大波動為20％(典型的為10％)；尤其采用晶粒作球狀金屬粉末顆粒；b)將粉末壓制成型；其中所用壓力的典型值為100-400MPa；c)將壓塊燒結，其溫度約為所采用的金屬的熔點的0.6-0.8倍(以絕對溫度計)。
該粉末優選為單晶，在工序b)中該粉末尤適于圍繞固定棒壓制。
工序c)例如在鎢的情況下可優選在2500-2800K的溫度下進行。在合金的情況下其熔點意為最低熔點組分的熔點。
由于金屬粉末呈球狀，其流動性質最適宜填充壓模，從而有利于在不添加粘接劑的條件進行壓制。這就節省了準備工序并排隊了可能帶入的雜質。
另一具有很多優點的方法是金屬壓力鑄造法。此種技術在平行申請97P 5568中有詳細的敘述。經稍加改變即可在本發明中應用。該方法之流程可簡述如下將一種合適的金屬粉末與同樣多的塑料(亦稱粘接劑)混合，致使這種呈粒狀的原料，獲得塑料的流動性，并可用類似于塑料的壓力鑄造法繼續進行處理，即使其進入呈預期部件輪廓的壓鑄模中。為了得到金屬部件，將發坯從壓鑄模中取出；接著用加熱或溶劑將粘接劑從所謂的生坯中去除。這個過程稱為脫蠟(dewaxing)。然后將此部件按照經典的粉末冶金技術燒結成很高密度的部件。
基本呈球狀的金屬粉末的制造按已知的方式進行，其中能形成圓的或者近于精確球狀的顆粒。碳酰工藝(新型金屬粉，Ed.H.Hausner,Gordonand Breach Science Publishers,New York 1963，金屬協會系列會議論文集，23卷)是一個例子。采用單晶金屬粉末可獲得特好的結果。
粒度均勻的類球狀粉末顆粒在燒結過程中形成多面體形狀的平衡面。例如涉及〔110〕-或〔111〕-面。意外地發現，這種多面體面不繼續燒結，致使這種新型燒結體的孔隙率在使用期內實際上保持恒定。這涉及一種所謂具有開孔的海綿體。
該燒結體的工作方式將在下面用例子詳細說明，其中燒結體由純鎢(不含ThO2)制成。
原料為直徑盡可能一致的W-粉，其粒度分布寬度較小。粉末的這種均勻度最后導致燒結體在高溫下的優良穩定性，并在燈的使用期內導致其相應的穩定性。特別是該粉末可直接圍繞不含ThO2的固定棒壓制。然后在約2350(±100)℃的較低溫度下燒結。這種較低的溫度約相當于鎢熔點的0.7倍，與通常實心鎢材的燒結溫度2800-3000℃相比，意味著能顯著節能。
另外一些發射體添加物在多種應用中不是必需的，但需要時可添加到空腔或孔中。
燒結完成的海綿電極的剩余孔隙率可有目的地經過原料的小球粒度來調節。在海綿電極的情況下，小球粒度優選采用5-70μm，從而可使剩余孔隙率達到15-30％(體積)。
下面列舉海綿電極在燈中的具體優點根據本發明的電極，放電在大面積上進行。這可避免傳統電極經常產生的點狀沉積物，后者經常在沉積地點引起局部高溫和燃燒點移動。在整個海綿體上的溫度分布相當均勻。相反，傳統的電極具有高的溫度梯度。這種電極特別之處是在尖端的溫度比電極后面部分一般高500K。
燈點火之后，從輝光放電到電弧放電的過渡在應用燒結電極的情況下進行得比傳統的實心電極塊，因為從電極尖端向壓縮變形方向的導熱由于在燒結體的燒結顆粒之間的接觸面小而急劇下降。
在海綿電極的情況下，特別是垂直使用狀況，可使放電管的壓縮變形區附近的預熱得到改善，其原因在于具有較大的發射光的電極表面。因此，燈泡端頭上可能的反射層的尺寸可以縮小或者完全去掉，從而達到較大的光流。
示意圖本發明將在下面用一種實施例子詳細說明
圖1表示燒結電極的剖面。
圖2表示具有燒結電極的金屬鹵化物燈。
圖的描述圖1所示的150W燈用的燒結電極1由圓柱形燒結體2組成，在與放電相對的另一半燒結體中按軸向壓入實心的鎢固定棒5。燒結體2由鎢組成，后者由平均粒度為10μm的球狀金屬粉制成。粒度分布圍繞平均值有10％的波動，剩余孔隙率約為15％(體積)。
固定棒的直徑約為0.5mm，燒結體的外徑約為1.5mm。
圖2表示功率為150W的金屬鹵化物燈9的應用實例。它由石英泡10組成，其內充金屬鹵化物。在其兩端13置入外接電流導線11和鉬箔12。在鉬箔12上固定電極1的固定棒5。后者伸入放電泡10。在放電泡的兩端各裝一氧化鋯熱反射層14。
在另一實施例子中，電極由燒結體組成，其放電面作成圓形或逐漸變成尖狀。該燒結體由鎢組成，而壓入的固定棒則由錸，鍍錸的鎢或鉬組成。
根據本發明制造燒結電極的特別有利的方法基于已知的金屬壓力鑄造方法。其原理在平行申請(內部文件登號碼97 P5568)已有詳細敘述。本發明明確地涉及此平行申請。在P.J Vervoort等發表于“新性能材料”(Advanced Performance Materials)第3卷P121-151頁(1996)的文章“粉末注入成型概論”(Overview of Power Injection Molding)中可找到簡要的說明。
本發明的燒結電極將分別采用下列步驟-由高熔點金屬，如鎢、鉭、鉬、鋨、銥或錸或這些金屬的合金制備基本呈球狀，特別是單晶的金屬粉末，該粉末具有下列物質金屬粉末的平均粒度為2-100μm；粒度分布圍繞平均值的最大波動為20％；-由粉末和粘接劑(通常亦稱為“蠟”)和可能還有聚合物制備混合物(亦稱“原料”)；-將混合物注入壓鑄模中；-用化學法或熱法去除粘接劑(亦稱脫蠟)；-在溫度約為所用金屬熔點的0.6-0.8倍的溫度下燒結。
在特別優選的實施方案中將該混合物圍繞固定棒注入壓鑄模中，并在燒結過程中與固定棒結合。
這類電極具有較長的使用期。對功率為150W的金屬鹵化物燈的研究表明，采用粒度為5-20μm的金屬粉末，1000小時之后的光流保持為起始光流的95％。與現有技術(傳統的由摻雜過的鎢材料作成的棒形電極)相比，在1000小時之后其光流降低到83-90％。
權利要求
1．一種用于高壓放電燈的燒結電極(1)，由高熔點金屬鎢，鉭，鋨，銥，鉬或錸或這些金屬的合金的燒結體(2)組成，其特征在于，該燒結體(2)主要由球狀，特別是單晶的金屬或合金粉末制成，其平均顆粒度為2-100μm，而且其粒度分布圍繞平均值的最大波動為20％，燒結電極總體積的10-40％由開放孔組成。
2．根據權利要求1的燒結電極，其特征在于，其孔是未充填的或者含有發射體添加物。
3．根據權利要求1的燒結電極，其特征在于，平均粒度為5-70μm。
4．根據上述權利要求之一的燒結電極，其特征在于，其粒度分布圍繞平均值的最大波動為10％。
5．根據權利要求1的燒結電極，其特征在于，燒結體(2)固定在實心的金屬固定棒(5)上。
6．根據權利要求5的燒結電極，其特征在于，燒結體(2)和固定棒(5)的材料基本相同。
7．根據權利要求1的燒結電極，其特征在于，該金屬含摻雜物質可達5％(重量)。
8．根據權利要求1的燒結電極的制造方法，該方法由下列步驟組成-由高熔點金屬如鎢，鉭，鉬，鋨，銥或錸或這些金屬的合金制備基本呈球狀的，特別是單晶的金屬粉末，該粉末具有下列性質金屬粉末的平均粒度為2-100μm；粒度分布圍繞平均值的最大波動為20％；-將該粉末壓制成型；-在溫度約為所用金屬熔點的0.6-0.8倍的溫度下燒結。
9．根據權利要求8的方法，其特征在于，該粉末圍繞固定棒(5)壓制成型，并在燒結過程中與固定棒結合。
10．根據權利要求8的方法，其特征在于，壓制是在未加添加粘接劑下進行。
11．根據權利要求1的燒結電極的制造方法，該方法由下列步驟組成-由高熔點金屬如鎢，鉭，鉬，鋨，銥或錸或這些金屬的合金制備基本呈球狀的，特別是單晶的金屬粉末，該粉末具有下列性質；金屬粉末的平均粒度為2-100μm；粒度分布圍繞平均值的最大波動為20％；-由粉末和粘結劑(通常亦稱為蠟)制備混合物(“原料”)；-將該混合物注入壓鑄模中；-用化學方法或熱方法去除粘結劑；-在溫度約為所用金屬熔點的0.6-0.8倍的溫度下燒結。
12．根據權利要求11的方法，其特征在于，將該混合物圍繞固定棒注入壓鑄模中，并在燒結過程中與固定棒結合。
全文摘要
本文涉及由高熔點金屬(例如鎢)形成的燒結電極,該電極由一定顆粒度的球狀金屬粉末制成。其平均粒度為5—70μm。其粒度分布圍繞平均值的最大波動為20%。
文檔編號H01J9/04GK1211341SQ97192363
公開日1999年3月17日 申請日期1997年11月11日 優先權日1996年12月18日
發明者D·弗羅姆, B·阿爾特曼, W·格拉瑟爾, P·沙德 申請人:電燈專利信托有限公司