一種優化的鉍錫銦汞合金的制作方法

專利名稱：一種優化的鉍錫銦汞合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種固態汞合金材料，具體是低氣壓汞放電燈用的鉍錫銦汞合金。
背景技術：
目前帶罩緊湊型熒光燈或高管壁負載緊湊型熒光燈主要用Bi-Pb-Sn-Hg、 Bi-In-Hg、 In-Pb-Sn-Hg三類可控制汞蒸汽壓型汞合金。Bi-Pb-Sn-Hg除了含少量汞外，還含較大比例 的鉛Pb，不符合環境保護的要求，將被限制使用。Bi-In-Hg第一峰值汞蒸汽壓偏低，工作 溫度區域中間存在汞蒸汽壓明顯下降的拐點，對直徑4X10mm的小管徑緊湊型熒光燈，△ T95遠小于30'C， 一般為10-15。C，工作溫度區域窄，AT95指燈的相對光輸出>95%所對應 汞合金連續的工作溫度范圍。使用Bi-In-Hg汞合金的燈離散性大，平均光通量低。鉍銦汞 合金熔融溫度一般為102°C，實際使用工作溫度一般均超過110°C，遠小于最高工作溫度， 當排氣管朝上燃點時，液態或熔融態的鉍銦汞合金易流入燈內，導致燈的光電參數劣化。 In-Pb-Hg、 In-Pb-Sn-Hg汞合金工作特性好，熔融溫度高于或接近最高工作溫度，但含較大 比例的鉛Pb，同樣將被限制使用。
在設計帶罩緊湊型熒光燈或高管壁負載緊湊型熒光燈用汞合金時，要求汞合金同時滿足 三個條件 一、工作溫度區域AT95越大越好， 一般要求AT95〉3(TC; 二、當汞合金失汞 后，AT95與初始范圍重疊的溫度區域越大越好，含汞比例降低50%后， 一般要求重疊的溫 度區域〉2(TC;三、汞合金的熔融溫度高于或接近AT95的最高工作溫度。
在2008年2月14日公開的歐洲專利W02008017654，公開了一種鉍錫銦汞合金，其權 利要求l、 2、 3、 5因專利200610037828. X而不具有新穎性。從權利要求3、 5、 6及其多 個實施方案看，鉍錫的質量比為鉍Bi/錫Sn"1.55，選擇在鉍錫二元共晶點鉍Bi/錫Sn=l. 33 附近，合金的熔融溫度低于AT95的最高工作溫度。如其方案中汞的質量取0.7%，即 Bi58Sn38In3Hg0. 7時，對T3、 T2燈管AT95的最高工作溫度均超過150°C ，合金的熔融溫 度低于130°C;榮的質量取1. 2%，即Bi57Sn37In5. 5Hgl. 2時，對T3、 T2燈管AT95的最 高工作溫度均超過14(TC，熔融溫度低于128'C，排氣管朝上燃點時，汞合金易流入燈內， 不符合條件三。該專利中由于銦的質量含量偏低，汞的質量含量偏低，加入燈內特定量的 汞所對應的汞合金量大，成本高，而且放置困難。
在2008年1月31日公開的歐洲專利W02008012729，公開了一種鉍錫銦汞合金，鉍的質量含量為30-70%，錫的質量含量為25-67%，銦的質量含量為3_5%，汞的質量含量為 0.5-2.5% 。優選方案是銦的質量含量為3-4%，汞的質量含量為0. 5_1. 0%。當汞的質
量含量取值大時，如2.0%或2.5%，由于含銦量低，汞合金工作溫度范圍AT95小，不符合 條件一。方案中鉍錫含量范圍大，要可實施，汞的質量含量只能取偏下限值，如其權利要求 5所述汞的質量含量為0.5-1.0%。當汞的質量含量取值小時，加入燈內特定量汞所對應
的汞合金量量大，成本高，放置困難。另其權利要求汞合金組份配比的大部分區域內，汞合
金的熔融溫度低于AT95的最高工作溫度，如汞的質量取1.0%時，Bi55Sn42In3Hg1.0時， 對T3、 T2燈管AT95的最高工作溫度均超過145'C，合金的熔融溫度卻低于130°C 。不符合 條件三。
在2006年7月19日公開的中國專利200610037828.X，公開了一種鉍錫銦汞合金，含 有質量含量如下的組分鉍Bi30-7(F石，錫Sn10-50%，銦In0_20%，汞Hg3-12% 。該方案中 汞Hg3-12%，含量過高，銦化合物分解及固液兩相共存兩種穩定蒸汽壓的作用不足以維持 蒸汽壓的穩定，工作溫度范圍AT95小，不符合條件一。當銦含量為0-5%，汞Hg6-12%， 汞合金幾乎失去控制汞蒸汽壓的功能；當汞的質量含量為3%時，不論怎樣選擇鉍錫銦的質 量含量，對T3、 T2燈管，AT95難以達到3CTC，當汞的質量含量為6%時，不論怎樣選擇 鉍錫銦的質量含量，對T3、 T2燈管，AT95<25°C。

發明內容
本發明的目的是為了克服已有技術的不足，提供一種同時滿足以下特性的低氣壓汞放 電燈用鉍錫銦滎合金1、熔融溫度高于或接近AT95的最高工作溫度。2、對于直徑*< 10腿的燈管，工作溫度區域為90-138°C， AT95>30°C。 3、不含鉛。4、汞的質量含量最 大化，使用成本低，容易放置。
低氣壓汞放電燈內汞原子被激發產生253. 7nm紫外輻射，253. 7nm紫外激發熒光粉， 轉換為可見光。當汞原子濃度較低時，隨汞原子濃度增加，253.7mn紫外輻射增加，發光 效率提高；汞原子輻射出的253.7nm紫外線照射在鄰近的基態汞原子上，產生共振吸收， 當汞原子濃度繼續升高時，隨汞原子濃度增加，產生共振吸收的汞原子可能和其他電子、 原子發生碰撞，不能重新輻射出253.7nm的紫外光子，從而導致253. 7nm紫外轉換效率降 低，發光效率降低。低氣壓汞放電燈發光效率與汞原子濃度有關，也即與汞蒸汽壓值有關， 燈內存在一最佳汞蒸汽壓值，最佳汞蒸汽壓值與管徑對應，管徑越小，最佳汞蒸汽壓值越 大；而且小管徑燈發光效率隨汞蒸汽壓值波動敏感度更大。 料介紹小38mm (T12)低壓 汞燈，最佳滎蒸汽壓值約0. 8 Pa，我們通過測試測得cbl2mm節能燈，最佳汞蒸汽壓值約 1.2 Pa; 4)8mm節能燈，最佳汞蒸汽壓值約1. 7 Pa。傳統上以AT90來衡量控制滎蒸汽壓型汞合金的工作溫度范圍，AT90指燈的相對光輸 出〉90%所對應汞合金連續的工作溫度范圍，相對光輸出指汞合金在特定溫度下燈的光通量 與最大光通量之比。隨著低氣壓汞放電燈的發展，對燈和汞合金的質量要求將更嚴格，△ T90作為衡量控制汞蒸汽壓型汞合金性能的指標已顯得過于粗糙。AT95指燈的相對光輸出 〉95%所對應汞合金連續的工作溫度范圍。AT95與汞合金控制汞蒸汽壓的性能有關，包括 相對穩定的汞蒸汽壓波動范圍及該范圍內的平均值；AT95也與管徑有關，同一汞合金在 不同管徑的低氣壓滎放電燈中，AT95的范圍不同； 一般而言，管徑越小，AT95越小。
汞合金的固相溫度指汞合金由固態向固溶體轉化的臨界溫度，汞合金的液相溫度指汞 合金完全為液體的起始溫度，汞合金在低氣壓汞放電燈的實際應用中，我們常測量汞合金 的熔融溫度，汞合金的熔融溫度指汞合金可以流動的起始溫度，介于固相溫度與液相溫度 之間，用Te表示。Tmax指AT95的最高溫度。汞合金的熔融溫度高于或接近最高工作溫度 是指Te^Tmax-5°C。當Te=Tmax-5°C時，假如汞合金實際工作溫度為Tmax，汞合金可能流 入燈內，但汞合金中仍存在一定比例的固體成分，流入燈內的機率小。鉍錫銦汞合金中由 于鉍錫合金二元共晶點鉍Bi/錫Sn=l. 33對應的二元合金液相溫度為139°C，加入一定量的 銦、汞后，鉍錫銦汞合金的熔融溫度一般低于13(TC，當選擇鉍Bi/錫Sn〈l遠離鉍Bi/錫 Sn二1.33附近，可提高熔融溫度至138°C，添加少量其它金屬組成的五元、六元合金，熔融 溫度可再提高，但提高幅度小。汞合金的熔融溫度遠低于實際工作溫度時，液態或熔融態 的鉍銦汞合金易流入燈內，出現難以預測的情況，破壞原設計，導致燈的光電參數劣化， 見附圖1。液態或熔融態的鉍銦汞合金2易通過排氣管1內壁與玻璃棒3之間的間隙4流 入燈內A、 B、 C、 D中的一處或多處，均破壞原設計，燈內汞蒸汽壓變化，導致燈的光電參 數變化。如汞合金流入燈內B處會導致蒸汽壓瞬時激劇上升，光通量大幅下降，同時汞合 金被加熱蒸散至管壁，導致管壁發黑。
控制汞蒸汽壓型汞合金應同時滿足三個條件 一、對特定管徑的低氣壓汞放電燈，工作 溫度區域AT95越大越好， 一般要求AT95〉3(TC。 二、當汞合金失汞后，AT95與初始范圍 重疊的溫度區域越大越好。含汞比例降低50%后，要求重疊的溫度區域〉20'C。這樣便于選 擇汞合金的工作溫度區域，既保證燈的發光效率和一致性，同時保證燈參數在長時間燃點后 不會因汞合金特性的變化而產生大的光衰。三、汞合金的熔融溫度高于或接近AT95的最高 工作溫度。熔融溫度如不能高于AT95的最高工作溫度，應確保汞合金的液相溫度高于AT95 的最高工作溫度，熔融溫度接近AT95的最高工作溫度，即Te^Tmax-5。C。在滿足這些使用 的必需條件時應提高汞的質量含量，減少加入燈內的汞合金量，既降低汞合金的使用成本， 又使汞合金容易放置在排氣管中。對于特定量的汞，汞質量含量高的其對應的汞合金量少，這對于做燈來說是十分必要的，因為隨著低氣壓汞放電燈進一步小型化，排氣管內徑減小， 大量或多粒汞合金放置在排氣管中將非常困難。當燈內需加入2mg汞,含汞1%的鉍錫銦汞合 金需加入200mg，含汞2. 5%的鉍錫銦汞合金只需加入80mg， 200mg的重量和體積均是80mg 的2.5倍。
本發明的目的是這樣實現的，鉍錫銦汞合金是含有鉍錫銦汞的合金，鉍的質量含量為 38-46%，錫的質量含量為47-55%，銦的質量含量為5.3_9%，汞的質量含量為1.3-2.6 %，鉍錫的質量比鉍Bi/錫SrK:i。
鉍的質量含量為38-46%,錫的質量含量為47-55%，鉍Bi/錫Sn<l是為了提高汞 合金的熔融溫度，保證Te^Tmax-5。C 。當鉍的質量含量為40_43%，錫的質量含量為49_53%， 鉍錫的質量比鉍Bi/錫Sn〈0.9，可以進一步提高熔融溫度，同時保持鉍錫銦汞合金控制、 穩定汞蒸汽壓的性能。本發明的鉍錫銦汞合金熔融溫度最高可至135°C。
銦的質量含量為5.3-9%，汞的質量含量為1.3-2.6%，保持AT95符合要求的前提 下，汞的質量含量最大化，是通過適當提高銦的質量含量來保證鉍錫銦汞合金控制、穩定 汞蒸汽壓的性能。具體可以是銦的質量含量為5.5-8.0%，汞的質量含量為1.6-2.5%。
汞的質量含量為1.3%時，選擇鉍錫銦的質量含量，對外徑為8 mm的低氣壓汞放電燈 而言，AT95約為40。C，對外徑為9鵬的低氣壓汞放電燈，AT95>40°C，而且AT98〉30 'C，即工作溫度區域汞蒸汽壓非常穩定，AT98指燈的相對光輸出>98%所對應汞合金連續 的工作溫度范圍。部分帶罩燈存在燈頭朝上和燈頭朝下兩種方式燃點，對汞合金AT95的 值要求大，這樣只好通過適當降低汞的質量含量來取得較大的AT95值。適當提高錫的質 量含量，可提高熔融溫度。當汞<1.3%時，AT95值變得更大，但無法滿足Te》Tmax-5"C， △T95的高溫區域沒有實際使用價值；如錫的質量含量>55%,可進一步提高熔融溫度，但 汞合金控制汞蒸汽壓性能變差，AT95又減小。汞的質量含量低時，加入燈內的汞合金量 大，成本高，放置困難。汞的質量含量為1.3呢是一種對直徑4)〈10ram的燈管AT95〉4(TC， 同時滿足Te》Tmax-5°C的方案。
汞的質量含量為2.6%時，選擇鉍錫銦的質量含量，對外徑為8mm的低氣壓汞放電燈 而言，AT95約為32。C (90°C-122°C)，對外徑為9 ran的低氣壓汞放電燈，AT95>32°C。 當銦In <5.0%時，AT95<30°C。汞的質量含量取2.8%時，調整鉍錫銦的質量含量，對外 徑為8 mm的低氣壓汞放電燈，AT95為25-30°C， AT95<3(TC。汞的質量含量取2.6%, 是一種對直徑(JX10mm的燈管AT95〉3(TC，成本低、容易放置于排氣管的方案。
本發明的鉍錫銦汞合金在工作溫度區域能穩定地控制燈內汞蒸汽壓在2.3Pa附近，對 直徑d) <10mm的低氣壓汞放電燈在工作溫度區域具有穩定的汞蒸汽壓，燈獲得接近最佳的性、 一致性好。汞合金含汞比例降低50%時，燈的相對光輸出〉95% 所對應的汞合金連續工作溫度范圍比初始AT95更寬，AT95與初始范圍重疊的溫度區域 〉25°C。本發明的鉍錫銦汞合金因銦的質量含量相對較高，改變銦的質量含量，調節工作溫 度區域汞蒸汽壓的平均值，可使多種管徑的燈獲得最佳發光效率。
本發明按以上所述的合金配比后，可以用常規的熔融滴制成球丸的方法制造，也可以 是用常規的模鑄成球丸或圓柱體的方法制造，也可以是用常規的壓制成球丸或圓柱體的方 法制造。


圖1是汞合金放置在燈中的放大示意圖。
附圖標記說明1-排氣管 2-汞合金 3-玻璃棒 4-排氣管內壁與玻璃棒之間 的間隙A-燈內壁彎管處 B-燈絲 C-內導絲 D-銦網
圖2是幾種配方鉍錫銦汞合金在外徑為8 mm的低氣壓汞放電燈相對光輸出隨汞合金溫 度變化特性曲線。
附圖標記說明t] (%)—指相對光輸出 rc一指汞合金的溫度
具體實施例方式
實施例1:鉍錫銦滎合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In:Hg = 40: 49: 8.4: 2.6經熔融滴制成球丸，應用在管徑ci)8 mm，功率5-llw帶外泡殼緊湊型熒光燈中，平均光 效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例2:鉍錫銦滎合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg 二 41: 47.5: 9.0: 2. 5經熔融滴制成球丸，應用在管徑4)9mrn或4>8 mm，功率7-13w帶外泡殼緊湊型熒光燈中， 平均光效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例3:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 39: 50.7: 8: 2.3經熔融滴制成球丸，應用在管徑d)8 mm,功率7-20w帶外泡殼緊湊型熒光燈中，平均光 效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例4:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 38: 52.4: 7.5: 2.1經熔融滴制成球丸，應用在管徑4)8 mm，功率7-20w帶外泡殼緊湊型熒光燈中，平均光 效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例5:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 42: 49: 7: 2經 熔融滴制成球丸，應用在管徑4)8 mm，功率5-llw帶外泡殼緊湊型熒光燈中，平均光效高， 燈的光輸出穩定性、 一致性好。實施例6:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 44: 48: 6.2: 1.8經熔融滴制成球丸，應用在管徑4)8 mm，功率7-20w帶外泡殼緊湊型熒光燈中，平均光 效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例7:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sm In: Hg = 46: 47: 5.3: 1. 7經熔融滴制成球丸，應用在管徑d>9mm或4>8 mm，功率7-15w帶外泡殼緊湊型熒光燈中， 平均光效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例8:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 40: 53: 5.4: 1. 6經熔融滴制成球丸，應用在管徑4)9mm或cb8 mm,功率5-llw帶反射罩的緊湊型熒光燈 中，平均光效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例9:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 39: 54: 5.5: 1. 5經熔融滴制成球丸，應用在管徑4) 9mm或cb 8 mm,功率7-15w帶反射罩的緊湊型熒光燈 中，平均光效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
實施例10:鉍錫銦汞合金按質量比(m/m)配比Bi: Sn: In: Hg = 38.4: 55: 5.3: 1. 3經熔融滴制成球丸,應用在管徑4)9mm或4)8mm，功率13-30w帶外泡殼緊湊型熒光燈中， 平均光效高，燈的光輸出穩定性、 一致性好。
權利要求
1、一種優化的鉍錫銦汞合金，其特征在于鉍錫銦汞合金的熔融溫度高于或接近ΔT95的最高工作溫度，鉍錫銦汞合金是含有鉍錫銦汞的合金，鉍的質量含量為38-46％，錫的質量含量為47-55％，銦的質量含量為5.3-9％，汞的質量含量為1.3-2.6％，鉍錫的質量比鉍Bi/錫Sn＜1。
2、 根據權利要求1所述的一種優化的鉍錫銦汞合金，其特征在于鉍錫銦汞合金的熔融溫度高于或接近AT95的最高工作溫度，具體是Te》Tmax-5'C 。
3、 根據權利要求1所述的一種優化的鉍錫銦汞合金，其特征在于所述的鉍錫銦汞合 金對直徑4x:i0mm的燈管，工作溫度區域為90-138。C， AT95>30°C。
4、 根據權利要求1所述的一種優化的鉍錫銦汞合金，其特征在于所述的鉍錫銦汞合 金中鉍的質量含量為40-43%，錫的質量含量為49-53%，鉍錫的質量比鉍Bi/錫Sn〈 0.9。
5、 根據權利要求1所述的一種優化的鉍錫銦汞合金，其特征在于所述的鉍錫銦汞合 金中銦的質量含量為5.5-8.0%，汞的質量含量為1.6-2.5%。
全文摘要
本發明涉及一種固態汞合金材料，具體是低氣壓汞放電燈用一種優化的鉍錫銦汞合金，同時滿足以下特性1.熔融溫度高于或接近ΔT95的最高工作溫度。2.對于直徑φ＜10mm的燈管，工作溫度區域為90-133℃，ΔT95＞30℃。3.不含鉛。4.保證性能前提下汞的質量含量最大化，使用成本低，容易放置。鉍錫銦汞合金中鉍的質量含量為38-46％，錫的質量含量為47-55％，銦的質量含量為5.3-9％，汞的質量含量為1.3-2.6％，鉍錫的質量比鉍Bi/錫Sn＜1。使用該汞合金的燈發光效率高，一致性好，成本相對較低，汞合金熔融流入燈內導致光電參數劣化的機率小。
文檔編號C22C13/00GK101638738SQ20091004193
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月17日 優先權日2009年8月17日
發明者何志明 申請人:何志明