JUENGST STEFAN (DE)
PHAM GIA KHANH (DE)
WALTER STEFFEN (DE)
HUETTINGER ROLAND (DE)
JUENGST STEFAN (DE)
PHAM GIA KHANH (DE)
WALTER STEFFEN (DE)
| US4001625A | 1977-01-04 | |||
| EP0807957A2 | 1997-11-19 | |||
| US3926574A | 1975-12-16 | |||
| US6590342B1 | 2003-07-08 | |||
| DE10220735A1 | 2003-11-20 | |||
| EP0764970A2 | 1997-03-26 |
Ansprüche
1. Metallhalogenidlampe, die ein lichtdurchlässiges kerami ¬ sches Entladungsgefäß umfasst, wobei Durchführungen in das Entladungsgefäß durch öffnungen an seinen Enden hineinragen, wobei jede Durchführung zumindest teilweise aus Molybdän gefertigt ist, im folgenden als Mo-Teil bezeichnet, und eine Elektrode trägt, wobei die Durchführung in der öffnung abgedichtet ist mittels eines am Ende befind ¬ lichen Stopfens aus Cermet, das Mo und Al 2 O 3 enthält, da ¬ durch gekennzeichnet, dass das Mo-Teil der Durchführung über eine Haftschicht mit dem Stopfen verbunden ist, die gleichzeitig Al und Mo enthält.
2. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht zum Teil aus einer interme ¬ tallischen Schicht aufgebaut ist, die einen Gradienten aufweist, wobei quer zur Lampenachse gesehen eine zentra ¬ le Zone vorhandnen ist, die viel Al relativ zu Mo ent ¬ hält, und wobei sich jeweils nach außen eine Außenzone anschließt, die weniger Al relativ zu Mo enthält.
3. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zentrale Zone überwiegend eine A18Mo3-
Phase aufweist.
4. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Außenzone jeweils überwiegend eine AlMo3-Phase aufweist.
5. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mo-Teil ein Rohr ist.
6. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Haftschicht teilweise oder vollständig aus einem Cermet aufgebaut ist, das Mo und Al 2 O 3 enthält.
7. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Stopfen mittels Glaslot oder Schmelz ¬ keramik mit dem Ende des Entladungsgefäßes verbunden ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Metallhalogenidlampe gemäß Anspruch 1, wobei eine Verbindung zwischen dem Stopfen und dem Mo-Teil der Durchführung durch folgende Schritte erzielt wird: (a) mittels eines Alitierungspro- zesses wird Al in die Oberfläche des Mo-Teils eindiffun ¬ diert und reaktiv an Mo zu MoxAly gebunden; (b) das ali- tierte Mo-Teil wird in den Stopfen eingesetzt; (c) Zufuhr eines Schutzgases, insbesondere Ar und/oder N2, das ins- besondere einen geringen Anteil Sauerstoff von höchstens 200 ppm Partialdruck aufweist, (d) mittels Wärmebehand ¬ lung, insbesondere 1500 bis 2000 0 C in diesem Schutzgas, reagiert die dem Mo-Teil zugewandte Oberfläche des Stop ¬ fens, wobei sich zunächst ein intermetallsicher Grenzflä- chengradient ausbildet, der sich in Abhängigkeit von der Verfahrensführung der Wärmebehandlung teilweise oder vollständig in ein Cermet aus Mo und Al 2 O 3 umwandelt. |
Metallhalogenidlampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um Lampen mit keramischem Entladungsgefäß, die insbesondere Anwendung in der Allgemeinbeleuchtung finden.
Stand der Technik
Aus der US-B 6 590 342 ist bereits eine Metallhalogenidlampe bekannt. Die Durchführung ist mit ¬ tels Glaslot in einem Stopfen abgedichtet. Um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten besser anzupassen, wird dort eine Schicht aus Molybdänaluminid, Mo3Al, auf die Durchführung aufgebracht. Auch andere intermetallische Komponenten werden für die Schicht vorgeschlagen.
Die Durchführung ist ein Stift, dessen innerer Teil aus Molybdän besteht. Dabei hat die Schicht auch den zusätz ¬ lichen Zweck, besonders resistent gegen Halogene der Fül- lung zu sein.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Abdichtung der Durchführung möglichst dauerhaft zu gestalten und ei ¬ ne verbesserte Haftung zwischen Durchführung und Umgebung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltun ¬ gen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Verschlusstechnik für Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß war bisher noch nicht zufrie ¬ denstellend gelöst.
Für den Verschluss werden jetzt Molybdän-Durchführungen als Rohr oder Stift in einem Stopfen aus einem Cermet, das insbesondere aus Anteilen Mo und Al 2 O 3 besteht, zent- risch verpresst. Bevorzugt wird ein Rohr verwendet, da es mehr elastische Eigenschaften besitzt als ein Stift. Das Cermet ist in etwa in einem Verhältnis 50:50 aus den bei ¬ den Komponenten aufgebaut, insbesondere in einem Bereich 30:70 bis 70:30. Anschließend wird dieses System in einem Entladungsgefäß aus transparentem Al 2 O 3 o.a. eingesetzt. Die Anbindung des Cermetstopfens an die Al 2 O 3 -Innenwand des Endes des Entladungsgefäßes erfolgt dann wie bekannt über die Zugabe von Glaslot, das bei etwa 1600 0 C schmilzt. Das Glaslot schafft eine feste Grenzflächenver- bindung.
Dagegen ist bei der bisherigen Technik die Qualität der Verbindung zwischen Stopfen und Durchführung unbefriedigend, weil die Verbindung zwischen einer metallischen Durchführung, insbesondere einem Molybdän Rohr, und einem Glaslot an dem inerten Molybdän scheitert, das keine Re ¬ aktion mit Glaslot eingeht. Somit besteht zwischen einer Molybdän-Durchführung und einem Glaslot lediglich eine rein physikalische Bindung mit schlechter Haftwirkung. Im ständigen Temperaturwechsel zwischen Betriebszustand und ausgeschalteter Lampe kommt es daher zur Bildung von Ris-
sen, die letztendlich zur Undichtigkeit und damit zum Lampenausfall führt.
Erfindungsgemäß wird an dieser Stelle jetzt auf Glaslot oder Schmelzkeramik verzichtet. Eine bessere Haftwirkung der Mo-Durchführung gegenüber einem Stopfen aus Cermet wird nun durch eine Aktivierung der Oberfläche der Durchführung erreicht. Mittels eines Alitierungsprozesses, auch Alumetierungsprozess genannt, wird Aluminium über die Gasphase reaktiv in die Oberfläche der Durchführung aus Molybdän eingebracht. Dabei bildet sich außen zu ¬ nächst eine Mo3A18-Schicht aus. Dies geschieht in einem Diffusionsprozess, der temperatur- und zeitabhängig ist. Dafür werden insbesondere Mo-Rohre in einer Al-haltigen Pulverbettmischung gelegt und bei Temperaturen zwischen 800 und 1200 0 C in Schutzgasatmosphäre geglüht. Es ent ¬ steht an der Oberfläche der Durchführung außen ein Gra- dientengefüge aus einer AI-reichen A18Mo3-Phase, an die sich weiter innen eine AI-ärmere Phase, vornehmlich Mo3Al, anschließt, die innen in das reine Mo-Gefüge des Röhrchens übergeht. Das Aluminium aus der oberflächenna ¬ hen äußeren Phase, überwiegend zunächst eine A18Mo3- Phase, ist imstande, eine Reaktion mit dem Mo des Stop ¬ fens, der aus Mo-Al 2 0 3 -Cermet besteht, einzugehen und da ¬ mit eine feste Verbindung zwischen Stopfen und Durchfüh- rung mittels einer Haftschicht zu schaffen, die gleich ¬ zeitig Al und Mo enthält. Je nach Verfahrensführung wird dabei ein Teil des Al und Mo in der Haftschicht in ein Cermet aus Mo und Al 2 O 3 umgewandelt.
Auf diese Weise wird die Haftfähigkeit der Grenzfläche zwischen Mo-Durchführung und Cermet-Stopfen entscheidend verbessert .
-A-
Die gute Haftung wird durch die vorübergehende Bildung eines intermetallischen Gefüges, welches sich als Gra ¬ dientenstruktur vom Mo-Grundmaterial der Durchführung bis in das Cermet des Stopfens hinein bildet, erreicht. Die Bildung von Rissen, die ihren Ursprung bisher an der Grenzfläche Durchführung/Cermet-Stopfen hatten, wird dadurch deutlich reduziert.
Die Rohrabmessungen können konventionell sein, wie beispielsweise in EP-A 528 428 dargelegt. Bevorzugt ist ins- besondere für die Mo-Durchführung ein Rohr mit einem Durchmesser von 0,5 bis 3 mm. Die Wandstärke ist bei ¬ spielsweise 100 bis 300 μm. Das alitierte Rohr wird in den Stopfen aus Cermet eingesetzt und mit wärme behan ¬ delt, insbesondere bei 1500 bis 2000 0 C. bevorzugt wird dabei ein Schutzgas, nämlich ein Inertgas wie Argon oder Stickstoff, verwendet.
Die außen an der Durchführung aus Mo befindliche Mo3A18- Schicht bzw. das sich dort überwiegend befindende Mo3A18 reagiert bei hoher Temperatur mit dem Sauerstoff an der Oberfläche des Cermets, so dass in dieser Schicht das Al in AI2O3 umgewandelt wird, wobei aus dem ursprünglichen Mo3A18 eine an Al ärmere Phase entsteht. Letztendlich entsteht also auf der Oberfläche der ursprünglichen Mo3A18-Schicht eine Mo3Al-Schicht , die in tieferen Schichten AI-reicher wird, dieses Mo3Al bildet bei seiner Reaktion eine verzahnte Schicht, die besonders gute Haf ¬ tung gewährleistet. Das Mo3A18 wächst bei seiner Bildung in die tieferen Schichten des Mo-Rohrs hinein und bildet auch hier eine Verzahnung unter Bildung einer Mo3Al- reichen Schicht. Die Reaktion im Cermet-Stopfen läuft vor
allem an der Oberfläche größerer Körner aus Al 2 O 3 ab, wo das Al sehr reaktiv ist.
Bevorzugt wird zur Erzeugung ausreichender Mengen des reaktiven Sauerstoffs ein Inertgas-Sauerstoffgemisch einge- setzt. Das Inertgas ist ein Schutzgas aus Ar und/oder N2. Besonders effektiv ist eine Verfahrensführung bei der geringe Mengen an Sauerstoff dem Schutzgas zugegeben wer ¬ den. Der Sauerstoffpartialdruck soll in der Größenordnung von 20 bis 200 ppm liegen, insbesondere höchstens 100 ppm. Gibt man mehr Sauerstoff zu, oxidiert das Molybdän an der Oberfläche zu Mo02 oder Mo03. Diese Substanzen sind leicht flüchtig und eignen sich nicht zur Verbesse ¬ rung der Haftung.
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Metallhalogenidlampe, im Schnitt, schema ¬ tisch;
Figur 2 eine Darstellung des Verbindungsmechanismus, schematisch; Figur 3 ein Detail aus Figur 1, schematisch.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In Figur 1 ist schematisch eine Metallhalogenidlampe ge ¬ zeigt mit einem Außenkolben 1 aus Hartglas oder Quarzglas, der eine Längsachse besitzt und einseitig durch ei ¬ ne Tellereinschmelzung 2 verschlossen ist. An der Teller- einschmelzung 2 sind zwei Stromzuführungen nach außen (nicht sichtbar) geführt. Sie enden in einem Sockel 5. Im
Außenkolben ist ein zweiseitig abgedichtetes keramisches Entladungsgefäß 10 aus AI2O3 mit einer Füllung aus Me- tallhalogeniden axial eingesetzt.
Das Entladungsgefäß 10 kann zylindrisch oder innen kugel- förmig oder elliptisch sein. In das Entladungsgefäß ragen Elektroden 3, die an Durchführungen aus Molybdän befestigt sind. Die Durchführung ist bevorzugt ein Rohr, kann aber auch ein Stift sein. Insbesondere kann die Durchführung auch zweigeteilt sein und nur das vordere Ende der Durchführung aus Molybdän bestehen.
Es befindet sich ein zündfähiges Gas aus der Gruppe der Edelgase im Entladungsgefäß. Des weitern befindet sich in dem Entladungsgefäß eine Mischung von Metallhalogeniden wie an sich bekannt, beispielsweise Jodide des Na, Tl und Dy sowie ggf. Quecksilber. Auch Ca kann als Halogenid verwendet werden. Das Glaslot kann beispielsweise Al 2 O 3 , SiO2, Dy2O3 und/oder MgO enthalten.
In Figur 2 ist schematisch die Verbindung zwischen Molybdän-Rohr und Cermet-Stopfen im Detail gezeigt. Dabei ist die Durchführung 6 aus Molybdän als ein Grundmaterial 11 gezeigt, wobei in der Oberfläche eine dünne Schicht 12 A18Mo3 ausgebildet ist. Diese Schicht wird durch einen Alitierungsprozess gebildet. Unter geeignet gewählten Re ¬ aktionsbedingungen diffundiert das Aluminium in tiefere Schichten der Durchführung ein, so dass eine dünne Schicht 13 aus AlMo3 entsteht, die zwischen der Schicht 16 aus A18Mo3 und dem Grundkörper 11 aus Mo ausgebildet ist. Diese Schichtenfolge wird durch die reaktive Diffu ¬ sion des Aluminiums in die Oberfläche des Molybdän-Rohrs erzielt. Die an der Oberfläche der Durchführung befindli-
che Schicht aus A18Mo3 reagiert nach dem Einsetzen in den Stopfen unter Wärmebehandlung ihrerseits mit dem Mo- Anteil des Cermet-Stopfens 14, der bevorzugt bei etwa 50 % liegt, so dass sich nun an der Oberfläche des Stopfens 14 über dem Cermet-Grundkörper 15 zunächst eine AlMo3- Phase als dünne Schicht 16 ausbildet. Diese bindet sich chemisch an die A18Mo3-Phase 12 an der Oberfläche des Mo ¬ lybdän-Rohrs 6 und schafft so eine chemische, dauerhafte Verbindung. Die drei Schichten 12, 13 und 16 aus den in- termetallischen Phasen bilden zusammen den neuen intermetallischen Grenzflächengradienten 20, der als Haftschicht wirkt .
Real bildet sich dabei keine glatte Grenzfläche, sondern ein allmählicher Gradient, wobei diese Schichten fließend ineinander übergehen. Insbesondere ist die Grenzfläche gleicher Konzentration sprunghaft schwankend, so dass ei ¬ ne enge Verzahnung entsteht, wie in Figur 3 schematisch dargestellt. Die Haftschicht wird nun unter Wärmebehand ¬ lung mit einem sauerstoffhaltigen Schutzgas behandelt, wobei sich die Haftschicht im Idealfall vollständig in ein Cermet aus Mo und AI2O3 umwandelt. In der Regel ver ¬ bleibt jedoch wegen unvollständiger Umwandlung ein Rest der ursprünglichen Schichtenfolge in der Haftschicht, al ¬ so ein teil der A18Mo3 Phase und/oder der AlMo3-Phase, bestehen.
Anschließend wird dieses System in das Ende 21 des Entla ¬ dungsgefäßes aus Al 2 O 3 (PCA) eingesetzt und dort mittels Glaslot eine Abdichtung zwischen Ende 21 und Stopfen 15 erreicht. Dabei ist die Durchführung als Mo-Rohr 11, dar- gestellt, an den nach außen der Stopfen 15 über die neu-
artige Haftschicht 20 angebunden ist. Die Verzahnung ist dabei nicht maßstäblich eingezeichnet.
Die Durchführung muss dabei nicht vollständig aus Molyb ¬ dän bestehen. Es genügt, wenn sie teilweise, im abzudich- tenden Teil bzw. der Oberfläche dieses Teils, aus Molyb ¬ dän besteht. Beispielsweise kann ein hinteres Teil der Durchführung aus Niob bestehen, wie an sich bekannt oder die Durchführung einen Kern aus einem andern Material besitzen wie ebenfalls an sich bekannt.