DE69601767T2 - Legierung bestehend aus Wolfram-Lanthana in der Form eines Drahtes für vibrationsbeständigen Glühlampenfaden - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen vibrationsbeständigen Glühfaden und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den umfassenden Klauseln der Ansprüche 1 und 5.
• Die Patentschrift EP-A-0 573 195 offenbart bereits ein Verfahren zur Schaffung eines Glühfadens, der Lanthanoxid in einem Anteil zwischen 0,5 und 3 Prozent aufweist. Dieses Dokument offenbart eine achsengleiche feinkörnige Struktur.
• Aus der Patentschrift EP-A-0 456 054 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Wolfram-Glühfäden geringer Nachgiebigkeit bekannt, die kein Lanthanoxid aufweisen und außerdem bis auf über 2300ºC erhitzt werden.
• Ein Glühfaden für eine Glühlampe mit hoher Vibrationsbeständigkeit muß eine Mikrostruktur aufweisen, die so gestaltet ist, daß sie trotz Vibrationen der Lampe bruchresistent ist. Derartige vibrationsbeständige Mikrostrukturen weisen typischerweise einen hohen Anteil an länglichen, in Längs-(Axial-)richtung orientierten Körnern auf, wobei mehrere längliche Körner quer zum Durchmesser des Glühdrahtes und lange Segmente der Korngrenzen parallel zur Achse des Glühdrahtes verlaufen. Diese Art von Mikrostruktur unterscheidet sich deutlich von einer achsengleichen Mikrostruktur, die nur kurze Segmente der Korngrenzen parallel zur Drahtachse aufweist. Die große Zahl langer Korngrenzen in der stark vibrationsbeständigen Mikrostruktur führt zu einer effektiven Vibrationsdämpfung und verringert die Bruchneigung des Glühdrahtes.
• Die Mikrostruktur eines Glühfadens für eine stark vibrationsbeständige Lampe unterscheidet sich weiterhin von der des Glühfadens in einer herkömmlichen Glühlampe. Die herkömmliche Glühlampe funktioniert am besten, wenn der Glühfaden während des Betriebs eine nicht nachgebende Mikrostruktur aufweist. Eine typische, nicht nachgebende Mikrostruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß sie weitgehend frei von Korngrenzen ist, wobei gelegentlich Drahtsegmente mit einer langen, parallel zur Drahtachse verlaufenden Korngrenze auftreten. Diese Art einer nicht nachgebenden Mikrostruktur wird als verblockte Kornstruktur bezeichnet.
• Vor der vorliegenden Erfindung wurden drei Drahttypen als vibrationsbeständige Glühfäden eingesetzt: ein nicht nachgebender Draht mit einer wenig nachgebenden Mikrostruktur, ein Draht auf Wolframbasis mit einem Rheniumanteil von 3 Gewichtsprozent, und ein Wolfram-Thoriumoxid-Draht. Der nicht nachgebende Draht mit einer wenig nachgebenden Mikrostruktur stellt die am einfachsten herzustellende und billigste Alternative dar. Er wird jedoch nur für die am wenigsten beanspruchenden Anwendungen eingesetzt, da seine Funktionstüchtigkeit hinter der der anderen Alternativen zurückbleibt. Der Wolfram-Rhenium-Draht wird für Anwendungen mit der höchsten Glühfadentemperatur und für Wechselstromanwendungen eingesetzt, bei denen der Drahtdurchmesser geringer ist als im Falle typischer Gleichstromanwendungen. Für die meisten anderen Anwendungen wird Wolfram-Thoriumoxid-Draht eingesetzt, weil er eine gute Funktionstüchtigkeit aufweist und billiger ist als Wolfram- Rhenium-Draht. Allerdings handelt es sich bei dem Thorium im Wolfram- Thoriumoxid-Draht um ein radioaktives Material. Auf Grund der Radioaktivität des Thoriumoxids steigen die Herstellungskosten der Legierung. Bei jedem Fertigungsschritt ist darauf zu achten, die Strahlenbelastung der Arbeiter durch radioaktiven Staub möglichst gering zu halten. Außerdem muß der bei der Herstellung anfallende Schrott als schwach radioaktiver Abfall auf einer geeigneten Deponie entsorgt werden. Daher liegen die Entsorgungskosten weit höher als im Falle des nicht radioaktiven Wolframschrotts, der wiederverwertet werden kann.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen leicht herzustellenden, relativ preiswerten Lampenglühfaden aus nicht radioaktivem Material zu schaffen, der eine ausgezeichnete Vibrationsbeständigkeit bei hohen Betriebstemperaturen aufweist. Diese Aufgabe wird durch die charakteristischen Merkmale nach Anspruch 1 und 5 gelöst.
• In einer Ausführungsform schafft die Erfindung einen vibrationsbeständigen Glühfaden für eine Glühlampe. Der Glühfaden weist ca. 0,05 bis 1,00 Gewichtsprozent von Lanthanoxid auf, das in einer Wolframmatrix verteilt ist. Der Glühfaden wird aus einem Draht hergestellt, der dessen Mikrostruktur feine Partikelstränge aus Lanthanoxid enthält, die parallel zur Achse des Glühfadens verlaufen. Nach einer ersten Rekristallisierung schaffen die Stränge eine Mikrostruktur im Glühfaden, die eine solche Anzahl von längs zur Axialrichtung des Glühfadens verlaufenden Korngrenzensegmenten aufweist, daß dadurch der Glühfaden vibrationsbeständig wird.
• In einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines vibrationsbeständigen Glühfadens für eine Glühlampe. Dieses Verfahren umfaßt die Herstellung eines Pulvers auf Wolframbasis, das Partikel einer Lanthanverbindung enthält, die auf Lanthanoxid reduziert werden kann. Aus dem Pulver auf Wolframbasis wird ein gesinterter Barren hergestellt, wobei the Lanthanverbindungspartikel in Lanthanoxidpartikel umgewandelt werden und wobei die Menge der Lanthanverbindungspartikel in dem Pulver auf Wolframbasis so gewählt wird, daß etwa 0,05 bis 1,00 Gewichtsprozent Lanthanoxidpartikel im gesinterten Barren entstehen. Aus dem Barren wird ein Draht gezogen, wobei die Lanthanoxidpartikel während des Ziehens aufgebrochen werden, um Stränge kleinerer Lanthanoxidpartikel zu bilden, die Parallel zur Achse des Drahtes verlaufen. Aus diesem Draht wird ein Glühfaden geformt und bis zur ersten Rekristallisationstemperatur erhitzt, um in dem Glühfaden eine vibrationsbeständige Mikrostruktur zu erzeugen. In einer enger gefaßten Ausführungsform umfaßt die Vorbereitung des Pulvers auf Wolframbasis das homogene Mischen eines Wolframpulvers mit ca. 0,06 bis 1,17 Gewichtsprozent Lanthanhydroxidpulver, um das Pulver auf Wolframbasis herzustellen. In einer weiteren, ebenfalls enger gefaßten Ausführungsform besteht die Vorbereitung des Pulvers auf Wolframbasis darin, daß Wolframblauoxidpulver mit einer Lösung eines löslichen Lanthansalzes gemischt wird, um eine Suspension zu schaffen, in der das Wolframblauoxidpulver von der Lösung gründlich durchfeuchtet wird. Danach wird die Suspension getrocknet, so daß ein mit dem Lanthansalz dotiertes Wolframblauoxidpulver entsteht. Das Lanthanoxid enthaltende Wolframpulver kann dann hergestellt werden, indem das dotierte Wolframblauoxidpulver in einer Wasserstoffatmosphäre bis zu einer solchen Temperatur und über einen solchen Zeitraum erwärmt wird, daß das dotierte Wolframblauoxidpulver zu einem Pulver auf Wolframbasis reduziert wird, das Lanthanoxidpartikel enthält. Die Menge des Lanthansalzes in der Lanthansalzlösung ist so zu bemessen, daß ausreichend Lanthan zur Herstellung einer vorbestimmten Mindestmenge von ca. 0,05 bis 1,00 Gewichtsprozent der Lanthanoxidpartikel in dem Pulver auf Wolframbasis vorhanden ist. Falls erforderlich, wird die Menge der Lanthanoxidpartikel in dem Pulver auf Wolframbasis so weit reduziert, daß die vorbestimmte Menge der Lanthanoxidpartikel erreicht wird, indem das Pulver auf Wolframbasis mit einer ausreichenden Menge Wolframpulver gemischt wird. Danach wird aus dem Lanthanoxid enthaltenden Pulver auf Wolframbasis ein Barren gepreßt und gesintert, so daß ein gesinterter Barren entsteht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Ziele, Vorteile und Fähigkeiten wird auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche sowie die Zeichnungen Bezug genommen.
• Fig. 1A - 1D zeigen schematische Längsschnitte durch einen Glühfaden nach einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Bildung eines einzelnen typischen Stranges aus Lanthanoxidpartikeln in einer Wolframmatrix während der Verformung deutlich wird;
• Fig. 2A - 2D zeigen schematische Längsschnitte durch einen Glühfaden nach dem Stand der Technik, wobei die Bildung eines typischen Stranges aus Thoriumoxidpartikeln in einer Wolframmatrix während der Verformung deutlich wird;
• Fig. 3A - 3C zeigen schematische Längsschnitte durch einen typischen Glühfaden mit Oxidfeinverteilung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Mikrostruktur deutlich wird, die sich aus Lanthanoxidpartikelsträngen in einem gezogenen Glühfaden im Anfangszustand (Fig. 3A) sowie nach der ersten (Fig. 3B) und zweiten (Fig. 3C) Rekristallisierung ergibt;
• Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer vibrationsbeständigen Glühlampe, die einen Glühfaden nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist; und
• Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Änderung der Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Glühtemperatur von Glühfäden nach drei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und von einem Glühfaden nach dem Stand der Technik.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Eine beispielhafte Ausführungsform des Lampenglühfadens nach der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. Der Lampenglühfaden ist aus einer Wolfram-Lanthanoxidlegierung gefertigt, d. h. aus einem Wolframmetall, in dessen gesamter Wolframbasis Lanthanoxid fein verteilt ist. Das Wolfram-Rohmaterial besitzt vorzugsweise eine Reinheit über 99,9, noch besser über 99,96 Gewichtsprozent Wolfram. Die Matrix besteht somit aus im wesentlichen reinem Wolfram, wobei alle unvermeidlichen Verunreinigungen in der Wolframmatrix gelöst sind. Ebenfalls vorzugsweise besitzt das Lanthanoxid-Rohmaterial eine Reinheit über ca. 99,9, noch besser über 99,95 Gewichtsprozent Lanthanoxid und eine Partikelgröße unter ca. 3 um. Der Lanthanoxidanteil im Wolfram kann 0,05 bis 1,00%, vorzugsweise 0,08 bis 0,70% und am besten 0,15 bis 0,45% betragen, wobei sich alle Prozentangaben auf das Gewicht beziehen.
• Das Lanthanoxid wird durch weiter unten ausführlicher beschriebene Prozesse homogen im gesamten Wolframmetall verteilt und dann konsolidiert, um einen Legierungsbarren zu erzeugen. Metallbearbeitende Verfahren zum Ziehen der Legierung zu einem Glühdraht bewirken, daß die Lanthanoxidpartikel so aufbrechen, daß der als Endprodukt entstehende Draht Stränge kleinerer Oxidpartikel aufweist, die längs der Verformungsrichtung des Drahtes während des metallbearbeitenden Prozesses, d. h. im allgemeinen parallel zur Drahtachse, verlaufen. Der Begriff "Stränge" bezeichnet im vorliegenden Dokument eine Reihe winziger Oxidpartikel, die in geringem Abstand zueinander in der Matrix angeordnet sind.
• Die nicht maßstabsgetreuen Fig. 1A bis 1D zeigen schematisch axiale Schnitte durch typische Abschnitte des Wolfram-Lanthanoxid-Glühfadens und verdeutlichen, wie durch die Verformung ein einzelner Strang gebildet wird. Fig. 1A zeigt einen geformten Wolfram-Lanthanoxid-Stab 10a vor der Verformung einschließlich der Matrix 12a und dem ungebrochenen Lanthanoxidkristall 14a. Fig. 1 B zeigt den leicht verformten Stab 10b nach einem oder mehreren Walz- oder Tiefziehdurchläufen, wobei ein verformter, länglicher Lanthanoxidkristall 14b in der Wolframmatrix 12b zu erkennen ist. Fig. 1C zeigt den Draht 10c als Produkt weiterer Ziehdurchläufe von Stab 10b; Fig. 1 C zeigt weiterhin den stärker verformten und verlängerten, doch noch immer nicht aufgebrochenen Lanthanoxidkristall. Fig. 1 D zeigt den Glühfaden 10c nach weiteren Ziehdurchläufen, wobei deutlich wird, daß der Lanthanoxidkristall 14c aufgebrochen ist und sich daraus kleine Lanthanoxidpartikel 14d gebildet haben. Die Partikel 14d sind durch Zwischenräume 16 voneinander getrennt und liegen im wesentlichen axial in der Matrix 12d, um den Strang 18 zu bilden. Da der Lanthanoxidkristall vor dem Aufbrechen verformt und verlängert wird, sind die winzigen Lanthanoxidpartikel klein und von einheitlicher Größe, durch relativ einheitliche kurze Zwischenräume voneinander getrennt und fast perfekt in Axialrichtung hintereinander ausgerichtet. Die Strangpartikel sind so klein, daß sie bei dünnen Drahtabmessungen nur schwierig unter dem Mikroskop zu erkennen sind. Vorzugsweise sollten alle Lanthanoxidpartikel im Glühfaden einen Durchmesser unter 1 um haben, wobei möglichst viele Partikel einen Durchmesser < 0,5 um aufweisen sollten.
• Es sind diese Stränge aus Lanthanoxidpartikeln, die die metallurgische Mikrostruktur des Glühfadens während des Betriebs der Glühlampe bestimmen. Die Oxidstränge bilden während der ersten Rekristallisierung Korngrenzen aus, wobei viele Korngrenzen parallel zur Drahtachse verlaufende Segmente behalten. Die erste Rekristallisations-Mikrostruktur ist daher die gewünschte Struktur für einen Lampenglühfaden mit ausgezeichneter Vibrationsbeständigkeit.
• Diese Strangbildung ähnelt der Strangbildung in der oben erwähnten Wolfram- Thoriumoxid-Legierung. Trotzdem bieten jedoch der hierin beschriebene Wolfram- Lanthanoxid-Glühfaden und seine Eigenschaften eine unerwartete Verbesserung gegenüber dem Wolfram-Thoriumoxid-Glühfaden. Wie Tabelle I zu entnehmen ist, unterscheiden sich die Eigenschaften des Lanthanoxids erheblich von denen des Thoriumoxids. Wie Tabelle II zu entnehmen ist, unterscheiden sich die Eigenschaften des Wolfram-Lanthanoxid-Drahtes erheblich von denen des Wolfram- Thoriumoxid-Drahtes. Der deutlich niedrigere Schmelzpunkt des Lanthanoxids im Vergleich zu dem des Thoriumoxids erschwert die Sinterung. Außerdem könnte man auf Grund des niedrigeren Schmelzpunktes zu der Erwartung gelangen, daß beim Wolfram-Lanthanoxid-Draht Anpassungen der Aufleuchtfolgen des Glühfadens auftreten könnten. Man würde auch zu der Erwartung neigen, daß die Ausfallquote beim Wolfram-Lanthanoxid-Draht auf Grund der niedrigeren Schmelztemperatur hoch ist. Weiterhin würde man auf Grund des niedrigeren Schmelzpunkt des Lanthanoxids annehmen, daß Schwierigkeiten bei dessen Einsatz in Glühfäden für vibrationsbeständige Lampen, die beispielsweise eine Betriebstemperatur von 2000ºC aufweisen, auftreten werden.
• Die unterschiedlichen Eigenschaften des Wolfram-Lanthanoxid-Glühfadens gegenüber dem Wolfram-Thoriumoxid-Draht sind vor allem Ergebnis ihrer unterschiedlichen Mikrostrukturen, die wiederum das Ergebnis der unterschiedlichen Eigenschaften von Lanthan- und Thoriumoxid sind. TABELLE I TABELLE II
• Fig. 2A bis 2D zeigen, ebenfalls nicht maßstabsgetreu, schematische Schnitte durch typische Abschnitte des Wolfram-Thoriumoxid-Glühfadens, wobei ähnlich wie in Fig. 1A bis 1D dargestellt wird, wie beim Verformen ein einzelner Strang gebildet wird.
• Fig. 2A zeigt einen geformten Wolfram-Thoriumoxid-Stab 20a vor der Verformung einschließlich der Matrix 22a und dem ungebrochenen Thoriumoxidkristall 24a. Fig. 2B zeigt den leicht verformten Stab 20b nach einem oder mehreren ersten Verlormungsdurchläufen, wobei zu sehen ist, daß der Thoriumkristall 24a an einem früheren Punkt des Verformungsprozesses als im Falle des in Fig. 1A bis 1 D dargestellten Lanthanoxidkristalls aufzubrechen beginnt. Der Thoriumoxidkristall 24a bildet in der Wolframmatrix 22b kleinere Thoriumoxidkristalle 24b. Fig. 2C zeigt den Draht 20c als Produkt weiterer Ziehdurchläufe von Stab 20b, wobei der Draht 20c noch weiter aufgebrochen wurde und sich noch kleinere Thoriumoxidkristalle 24c gebildet haben. Fig. 2D zeigt den Glühfaden 20c nach noch weiteren Ziehdurchläufen, wobei deutlich wird, daß die Thoriumoxidkristalle 24c noch weiter aufgebrochen sind und sich daraus winzige Thoriumoxidpartikel 24d gebildet haben. Die Partikel 24d sind von ungleichmäßiger Größe und sind durch ungleichmäßige Zwischenräume 26 voneinander getrennt, wobei sie den Strang 28 bilden. Weiterhin ist im Strang 28 die axiale Ausrichtung in der Matrix 22d weniger genau als im Falle des Lanthanoxids, weil der Thoriumkristall im Verformungsprozeß schon frühzeitig aufgebrochen wird.
• Die nicht maßstabsgetreuen Fig. 3A bis 3C zeigen die Wirkung eines weiteren Unterschiedes zwischen den mit Lanthanoxid und den mit Thoriumoxid dotierten Wolfram-Glühfäden. Fig. 3A zeigt einen Wolfram-Glühfaden im Zustand nach dem Zie hen, durch das sich viele Stränge aus Lanthanoxidpartikeln gebildet haben, die dem in Fig. 1D dargestellten Lanthanoxid-Partikelstrang ähneln. Nach der ersten Rekristallisierung bei 2000ºC ändert sich die Mikrostruktur in den in Fig. 3B dargestellten Zustand. Das heißt, während der ersten Rekristallisierung bilden die Lanthanoxidstränge Korngrenzen im Wolfram aus und veranlassen dieses, parallel zur Drahtachse liegende längliche Körner zu bilden, wobei viele Körner quer zum Drahtdurchmesser liegen. Die Vielzahl parallel zur Drahtachse verlaufender Korngrenzen wirkt als effektiver Vibrationsdämpfer und verringert die Bruchneigung des Glühfadens bei Vibrationsstößen. Dieser Glühfaden ist hochgradig vibrationsbeständig, d. h. im Falle von Stößen nicht spröde und nur wenig nachgebend. Um eine gute vibrationsbeständige Kornstruktur zu erreichen, wird es vorgezogen, mindestens vier längs verlaufende Korngrenzen quer zum Glühfadendurchmesser zu schaffen.
• Wenn der Draht weiter bis zu seiner zweiten Rekristallisationstemperatur von 2300ºC erwärmt wird, wandelt sich seine Mikrostruktur zu dem in Fig. 3C dargestellten Zustand. Das Kornwachstum hat die kleineren länglichen Körner aufgesogen und eine grobkörnige Mikrostruktur erzeugt, bei der nur wenige axiale, quer zum Drahtdurchmesser verlaufende Korngrenzen vorhanden sind. Diese Mikrostruktur besitzt eine geringe Nachgiebigkeit, doch ist sie zu spröde gegenüber Vibrationsstößen. Die Umwandlung des Wolfram-Thoriumoxid-Glühfadens während der ersten und zweiten Rekristallisierung findet bei niedrigeren Temperaturen statt, nämlich 1800ºC und 2100ºC, wie in Tabelle II dargestellt.
• Es wurde also festgestellt, daß der Wolfram-Lanthanoxid-Glühfaden nach der ersten Rekristallisierung eine Mikrostruktur aufweist, die gegenüber einem größeren Temperaturbereich stabil ist, so daß er in vibrationsbeständigen Lampen mit einer Betriebstemperatur bis ca. 2000ºC eingesetzt werden kann. Außerdem läßt sich der Wolfram-Lanthanoxid-Glühfaden leichter für den Einsatz in Lampen wendeln als einige andere Glühfadenmaterialien.
• Im bevorzugten Verfahren für die Herstellung der Wolfram-Lanthanoxidlegierung wird eine Trockendotierung vorgenommen. Wolframpulver wird mit einer geeigneten Menge von Lanthanhydroxid-(La(OH)&sub3;)Pulver in einem Mischer hoher Intensität (z. B. einem hochintensiven Mischer der Fa. Littleton/Day aus Florence, Kentucky, Modell FMK-300-D) zu einem homogenen Gemisch beider Komponenten gemischt. Ein derartiges Hochintensitätsmischen ist wichtig, da es die Klopfdichte des Pulvers erhöht, wodurch das nachfolgende Einfüllen in die Formen für das Pressen der Roh barren erleichtert wird. Typischerweise weisen sowohl das Wolfram- als auch das hinzugemischte Pulver Partikelgrößen von ca. 1,50 um nach dem Fisher-Feinsiebverfahren (FSSS) auf.
• Da sich das Lanthanhydroxid beim Erwärmen zu Lanthanoxid reduziert, ist die Menge des zuzugebenden Lanthanhydroxids so zu wählen, daß der gewünschte Dotierungsgrad im gesinterten Wolframmetall erreicht wird. Für jedes Gewichtsprozent des im dotierten Wolframmetall gewünschten Lanthanoxids sind 1,17 Gewichtsprozent Lanthanhydroxid zu dem Wolframpulver hinzuzugeben. Die bevorzugte Zusammensetzung für das dotierte Wolframmetall, auch Wolfram-Lanthanoxidlegierung genannt, liegt bei etwa
• 0,05-1,00 Gewichtsprozent, besser bei
• 0,08 - 0,70 Gewichtsprozent, am besten bei
• 0,15 - 0,45 Gewichtsprozent Lanthanoxid in der Wolfram-Lanthanoxidlegierung. Dem Wolframpulver sind demnach etwa 0,06-1,17 Gewichtsprozent, besser ca. 0,09 - 0,82 Gewichtsprozent und am besten ca. 0,18 - 0,53 Gewichtsprozent Lanthanhydroxid zuzugeben.
• Alternativ läßt sich die Wolfram-Lanthanoxidlegierung auch mit einem Feuchtdotierungsverfahren herstellen. Wolframblauoxid (WO2,8) wird mit einer Lösung aus löslichem Lanthansalz gemischt, bis das Wolframblauoxid völlig durchfeuchtet ist und sich eine Suspension gebildet hat. Das bevorzugte Lanthansalz ist Lanthannitrat (La(NO&sub3;)&sub3; · 6H&sub2;O). Die Wolframblauoxid-Suspension wird dann umgerührt und erwärmt, bis die gesamte Flüssigkeit verdampft und damit ein dotiertes Wolframblauoxid entstanden ist. Die Menge an Lanthansalz für die Dotierung des Wolframblauoxids ist etwas größer als die im Endprodukt gewünschte Menge, um die Menge des Lanthansalzes auszugleichen, das an den Oberflächen des Mischgefäßes haftet. Aus dem unten beschriebenen Grunde ist die Menge dieses überschüssigen Salzes nicht von entscheidender Bedeutung und kann empirisch bestimmt werden. Das dotierte Wolframblauoxid wird dann in einer Wasserstoffatmosphäre zum Beispiel in einem üblichen Rohr- oder Kalzinierofen reduziert, um ein Wolframmetallpulver zu erhalten, das Lanthanoxid enthält. Während des Reduktionsprozesses zersetzt sich das Lanthansalz, zum Beispiel Lanthannitrat, wobei Lanthanoxid entsteht. Eine typische Temperatur für diesen Reduktionsprozeß beträgt ca. 900ºC.
• Wie oben dargelegt, ist die Menge des überschüssigen Lanthansalzes, das zu der Wolframblauoxid-Suspension hinzugegeben wird, nicht von entscheidender Bedeu tung, da das Metallpulver nach dem Dotieren analysiert wird, um den Lanthangehalt zu bestimmen. Danach wird gegebenenfalls das dotierte Pulver mit einer geeigneten Menge undotierten Wolframmetallpulvers vermischt, um die gewünschte Lanthanoxidkonzentration zu erreichen. Typischerweise beträgt die nach dem FSSS- Verfahren ermittelte Partikelgröße des gemischten Wolframpulvers ca. 1,50 um.
• Das gemischte Lanthan-Wolframpulver wird mittels herkömmlicher Verfahren, z. B. den bei der Herstellung von Wolfram-Thoriumlegierungen angewandten Verfahren, gepreßt, vorgesintert und gesintert, um einen Barren zu formen. Aus dem gesinterten Wolfram-Lanthanoxid-Barren wird mittels herkömmlicher Verfahren wie Walz-, Tiefzieh- und Drahtziehverfahren, die beispielsweise auch bei der Herstellung von Wolfram-Thorium-Glühfäden zum Einsatz gelangen, ein Glühfaden hergestellt. Dieser Glühfaden wird geglüht, um die Legierung an kritischen Punkten im metallverarbeitenden Prozeß zu rekristallisieren und zu entspannen.
• Diese metallverarbeitenden Prozeßschritte brechen die Oxidpartikel auf, wodurch eine Mikrostruktur entsteht, die durch die weiter oben beschriebenen "Stränge" aus kleineren Oxidpartikeln parallel zur Drahtachse gekennzeichnet ist. Es ist die sich aus dem Vorhandensein dieser Lanthanoxidstränge in der Mikrostruktur des Glühfadens ergebende Kornstruktur, die dem Glühfaden ein unerwartet hohes Maß an Vibrationsbeständigkeit verleiht.
• Die unten folgende Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten illustrativen Ausführungsform ist nicht dahingehend zu verstehen, daß sie den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkt, sondern sie dient lediglich deren repräsentativer Erläuterung.
• Bezugnehmend auf Fig. 4 weist die vibrationsbeständige Glühlampe 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Lampenfassung 32, einen durchsichtigen Lampenkolben 34 und eine Wendel 36 auf. Die Wendel 36 ist aus dem oben beschriebenen, mit Lanthanoxid dotierten Wolfram-Glühfaden geformt. Nach der ersten Rekristallisierung erzeugen die Oxidstränge in dem gezogenen Draht eine Mikrostruktur, die eine Vielzahl parallel zur Drahtachse verlaufender langer Korngrenzen aufweist, wie in Fig. 3B dargestellt. Dieser Glühfaden macht die Lampe 30 in hohem Maße vibrationsbeständig.
• Die folgenden Beispiele werden vorgelegt, um es dem Fachmann zu möglichen, die vorliegende Erfindung noch klarer zu verstehen und umzusetzen. Diese Beispiele sind nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu betrachten, sondern lediglich als illustrativ und repräsentativ für sie.
BEISPIEL 1
• Reines Lanthanoxid-(La&sub2;O&sub3;)Pulver wird durch Erwärmen in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre bei 60ºC über 12 Stunden in Lanthanhydroxid- (La(OH)&sub3;)Pulver umgewandelt. Das Lanthanoxidpulver wird dem Wasserdampf ausgesetzt, bis mindestens 95 Gewichtsprozent des Lanthanoxids in das Hydroxid umgewandelt sind. Während der Umwandlung vergrößert sich das Volumen des Pulvers. Die Umwandlung erfolgt, um die verklumpten Lanthanoxidpartikel aufzubrechen und das Auftreten von Volumenänderungen im Pulver nach dem Pressen zu verhindern, die zum Brechen der gepreßten und/oder teilweise gesinterten dotierten Wolframbarren führen könnten.
• Reines Wolframpulver (Spezifikation unten angegeben) wird mit einer geeigneten Menge Lanthanhydroxidpulver vermischt, um eine Wolfram-0,4-Gewichtsprozent- Lanthan-Legierung zu erzeugen. Die Pulver wurden 1 Stunde lang in einem Hochintensitätsmischer von Littleford (Anm. d. Übers.: weiter oben: Littleton) in einer Füllmenge von ca. 300 kg gemischt.
• Das Pulvergemisch wurde mit 35-45 ksi gepreßt, um 6,0 kg schwere, zylindrische Barren aus mit Lanthanoxid dotiertem Wolfram mit einer Länge von je 914 mm und einem Durchmesser von 27 mm zu formen. Die Komprimierung erfolgte, indem der Druck unterbrechungsfrei bis zum Höchstwert verstärkt wurde. Bei Erreichen des Maximaldrucks wurde das Pressen sofort beendet, so daß ein sehr schneller Rückgang bis zum atmosphärischen Druck erfolgte. Spezifikation des Wolframpulvers
• * Auf der Grundlage des La(OH)&sub3;-Gehalts
• ** GVR = Gewichtsverlust durch Reduktion
• Vor dem Sintern wurden die gepreßten Barren jeweils paarweise 20 Minuten lang bei 1200ºC in einem Durchschub-Muffelofen vorgesintert, um die Barren handhabungssicherer zu machen. Dann wurden die Barren entweder in einem Durchschub- Muffelofen oder einem Gemenge-Induktionsofen gesintert. Der Sintervorgang der im Durchschubofen gesinterten Proben umfaßte eine langsame Temperaturerhöhung über einen Zeitraum von 15-20 Stunden bis auf 1800ºC, ein Halten der Temperatur von 1800ºC über 8 Stunden und ein nachfolgendes Abkühlen. Ein typischer Sintervorgang für die Proben im Induktionsofen umfaßte langsames Erwärmen über einen Zeitraum von ca. 11 Stunden bis auf 1200ºC, das Halten dieser Temperatur über 2 Stunden, das weitere langsame Erhöhen der Temperatur über 7 Stunden bis auf 1800ºC, das Halten bei dieser Temperatur über 6 Stunden und das Abkühlen. Die Sinterdichte aller Proben betrug 17,60-18,00 g/cm³. Die gesinterten Probebarren bestanden aus einer reinen Wolfram-Lanthanoxidlegierung mit einem Lanthanoxidanteil von 0,4 Gewichtsprozent.
• Die gesinterten Barren wurden mittels herkömmlicher Metallbearbeitungsverfahren weiter bearbeitet, um einen mit Lanthanoxid dotierten Wolfram-Glühfaden zum Einsatz in vibrationsbeständigen Lampen zu erzeugen.
BEISPIEL 2
• Glühfadenproben aus drei in ähnlicher Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellten Wolfram-Lanthanoxidlegierungen, nämlich W-0,66%-Lanthanoxid, W-0,40 %-Lanthanoxid und W-0,25%-Lanthanoxid, wurden 30 Sekunden lang bei verschiedenen Temperaturen geglüht. Daraufhin wurde die Zugfestigkeit der Proben bei 20ºC gemessen. Zum Vergleich wurden ähnliche Glühfadenproben aus einer Wolfram-1,00%-Thoriumoxidlegierung ebenfalls 30 Sekunden lang bei verschiedenen Temperaturen geglüht und deren Zugfestigkeit bei 20ºC gemessen. Alle Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsanteile. Wolfram-1%-Thoriumoxid weist die gleiche Volumenprozentmenge auf wie Wolfram-0,66%-Lanthanoxid.
• Die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt, aus der hervorgeht, daß die Wolfram- Thoriumoxidlegierung, Zeile 40, die geringste Zugfestigkeit aufweist. Die Wolfram- Thoriumoxidlegierung besitzt auch die niedrigsten Primär- und Sekundärkristallisationstemperaturen, dargestellt an den Pfeilen 42 bzw. 44. Die Legierungen aus W- 0,25%-Lanthanoxid, Zeile 46, W-0,40%-Lanthanoxid, Zeile 48, und W-0,66%- Lanthanoxid, Zeile 50, zeigen eine mit zunehmendem Lanthanoxidanteil höhere Zugfestigkeit, wobei die Zugfestigkeit aller drei Wolfram-Lanthanoxidlegierungen bei allen Glühtemperaturen höher ist als die der Wolfram-Thoriumoxidlegierung. Weiterhin sind die Primär- und Sekundärkristallisationstemperaturen bei allen drei Wolfram- Lanthanoxidlegierungen deutlich höher als die der W-1,00%-Thoriumoxidlegierung. Als Beispiel wird auf die Temperaturangaben an den Pfeilen 52 bzw. 54 verwiesen, die sich auf die W-0,66%-Lanthanoxidlegierung beziehen.
• Die hierin beschriebene Erfindung bietet dem Fachmann einen neuartigen Lampenglühfaden aus Wolfram-Lanthanoxid, der eine ausgezeichnete Vibrationsbeständigkeit ohne die mit radioaktiven Materialien verbundenen Probleme aufweist. Der Glühfaden aus einer Wolfram-Lanthanoxidlegierung kann leichter als die Wolfram- Thoriumoxid-Glühfäden des Standes der Technik gewendelt werden. Außerdem weist der neuartige Lampenglühfaden aus Wolfram-Lanthanoxid eine deutlich verbesserte Mikrostruktur und bessere Eigenschaften auf als Glühfäden des Standes der Technik.
• Während hier die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist für den Fachmann offensichtlich, daß hierbei Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den durch die beigefügten Ansprüche gesteckten Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

1. Vibrationsbeständiger Glühfaden für eine Glühlampe, der 0,05 bis 1,00 Gewichtsprozent Lanthanoxid, fein verteilt in einer Wolframmatrix (12), aufweist, wobei

der Glühfaden aus einem Draht gefertigt wird, der eine Mikrostruktur aufweist, in der Stränge (18) aus feinen Lanthanoxidpartikeln parallel zur Achse des Glühfadens verlaufen,

und der Glühfaden eine nach der ersten Rekristallisierung durch die Stränge erzeugte Mikrostruktur besitzt, in der mindestens vier Korngrenzensegmente im allgemeinen längs zur Achse des Glühfadens verlaufen, um ihn vibrationsbeständig werden zu lassen.

2. Vibrationsbeständiger Glühfaden nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der feinen Lanthanoxidpartikel weniger als etwa 1 um beträgt.

3. Vibrationsbeständiger Glühfaden nach Anspruch 1, bestehend aus 0,08 bis 0,70 Gewichtsprozent Lanthanoxid und als restlichem Material Wolfram.

4. Vibrationsbeständiger Glühfaden nach Anspruch 3, bestehend aus 0,15 bis 0,45 Gewichtsprozent Lanthanoxid und als restlichem Material Wolfram.

5. Verfahren zur Herstellung eines vibrationsbeständigen Glühfadens für eine Glühlampe, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Herstellen eines Pulvers auf Wolframbasis, das Partikel einer Lanthanverbindung enthält, die zu Lanthanoxid reduzierbar ist;

Herstellen eines gesinterten Barrens aus dem Pulver auf Wolframbasis derart, daß die Lanthanverbindungspartikel in Lanthanoxidpartikel umgewandelt werden, wobei die Menge der Lanthanverbindungspartikel in dem Pulver auf Wolframbasis so gewählt ist, daß 0,05 bis 1,00 Gewichtsprozent Lanthanoxidpartikel in dem gesinterten Barren vorhanden sind;

Ziehen eines Drahtes aus dem Barren, wobei

die Lanthanoxidpartikel während des Ziehvorgangs aufgebrochen werden, um Stränge aus kleineren Partikeln Lanthanoxid zu bilden, die parallel zur Drahtachse verlaufen; und

aus dem Draht ein Glühfaden gebildet wird und der Glühfaden bis auf die erste Rekristallisationstemperatur des Drahtes erwärmt wird, um in dem besagten Glühfaden eine vibrationsbeständige Mikrostruktur zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Arbeitsschritt der Herstellung des Pulvers auf Wolframbasis das homogene Mischen eines Wolframpulvers mit etwa 0,06 bis 1, 17 Gewichtsprozent Lanthanhydroxidpulver umfaßt, um das Pulver auf Wolframbasis herzustellen.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Herstellen des Pulvers auf Wolframbasis die folgenden Teilschritte umfaßt:

Einmischen von Wolframblauoxidpulver in eine Lösung eines löslichen Lanthansalzes, um eine Suspension zu erzeugen, in der das Wolframblauoxidpulver gründlich mit dieser Lösung durchfeuchtet wird; und

Trocknen der Suspension, um ein mit dem Lanthansalz dotiertes Wolframblauoxidpulver zu erhalten; und

wobei der Arbeitsschritt zur Herstellung des gesinterten Barrens die folgenden Teilschritte umfaßt:

Erwärmen des dotierten Wolframblauoxidpulvers in einer Wasserstoffatmosphäre bis zu einer solchen Temperatur und über einen solchen Zeitraum, daß das dotierte Wolframblauoxidpulver zu einem Pulver auf Wolframbasis reduziert wird, das Lanthanoxidpartikel enthält, wobei die Menge des Lanthansalzes in der Lanthansalzlösung so zu bemessen ist, daß ausreichend Lanthan zur Herstellung einer vorbestimmten Mindestmenge von ca. 0,05 bis 1,00 Gewichtsprozent der Lanthanoxidpartikel in dem Pulver auf Wolframbasis vorhanden ist,

gegebenenfalls das Verringern der Menge der Lanthanoxidpartikel in dem Pulver auf Wolframbasis, bis die vorbestimmte Menge der Lanthanoxidpartikel erreicht ist, indem das Pulver auf Wolframbasis mit einer ausreichenden Menge Wolframpulver gemischt wird,

Pressen eines Barrens aus dem Lanthanoxid enthaltenden Pulver auf Wolframbasis; und

Sintern des Barrens, um den gesinterten Barren zu formen.