DE69115554T2 - Wolframwenteln mit niedriger Durchbiegung und ihre Anwendung bei Lampen - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Wolfram-Glühfaden, der beständig gegen Durchbiegen ist, und dessen Einsatz in Lampen. Mehr im besonderen bezieht sich diese Erfindung auf einen Wolfram-Glühfaden, der zu mindestens etwa 85% rekristallisiert ist und ein Gefüge aus einer Struktur großer, langgestreckter und ineinandergreifender Körner aufweist, auf ein Verfahren zu dessen Herstellung und seinen Einsatz in elektrischen Lampen.
Hintergrund der Offenbarung
• Der Einsatz von Wolfram-Glühfäden in elektrischen Lampen, wie Glühlampen, ist bekannt und für den Fachmann nichts Neues. Die Effizienz oder Wirksamkeit sowie die Lichtabgabe und die Farbwiedergabe einer Glühlampe hängt sehr von der Temperatur ab, bei der der Glühfaden betrieben wird. Die Glühfaden-Temperatur bestimmt auch die Qualität des emittierten Lichtes. Im allgemeinen benutzen die wirksameren Glühlampen, wie Wolfram-Halogen-Lampen, Glühfaden in Form von Wendeln oder Spiralen und besonders Doppelwendeln oder Doppelspiralen, wobei die Glühfäden bei Temperaturen von etwa 2.500ºC betrieben werden. In Bühnen- und Studio-Lampen werden die Glühläden bei Temperaturen von 2.900ºC betrieben. Höhere Glühfaden-Temperaturen gestatten den Einsatz kleinerer Glühfäden und gleichzeitig kleinerer Lampen für eine gegebene Lichtabgabe, was auf dem Markt sehr erwünscht ist. Gleichzeitig führt der Einsatz von Glühfäden bei Temperaturen oberhalb etwa 2.300ºC zu einem beträchtlichen Durchbiegen, was die Glühfadenwände verformt und zu einer Zunahme beim Strahlungswärmeverlust führt, wodurch die Lichtwirksamkeit vermindert wird. Das Durchbiegen kann auch zu Kurzschlüssen zwischen verschiedenen Teilen der Wendel führen. Wolframbarren, die zur Herstellung von Wolfram-Glühfäden vorgesehen sind, enthalten eine sehr geringe Menge von Zusätzen, wie Kalium, Aluminium und Silicium. Im allgemeinen bestehen Wolframbarren, die zum Herstellen von Draht benutzt werden, aus dem Glühfäden gemacht werden, im wesentlichen aus etwa 99,95 bis etwa 99,99 Gew.-% Wolfram, zusammen mit untergeordneten Mengen eines oder mehrerer Zusätze und Verunreinigungen.
• Bei einem früheren Vorschlag, GB-A-1053020, war der Glühfadendraht, der aus das Komwachstum fördernde Zusätze enthaltendem Wolfram hergestellt war, mit Rhenium legiert.
• Bei der Herstellung von feinem Wolframdraht, aus dem Glühfäden hergestellt werden, muß eine Anzahl von Walz-, Schmiede-, Drahtzieh- und Glühstufen benutzt werden. Bei der Herstellung von Glühfäden aus Draht, seien es Einzelwendel-Glühläden oder Doppelwendel-Glühfäden, bei denen es eine sekundäre Wendel gibt, ist es übliche Praxis, die resultierende Glühfaden-Struktur für eine Dauer von 1 bis 10 Minuten auf eine Temperatur zu erhitzen, die allgemein im Bereich von etwa 1.300-1.600ºC liegt, um den so geformten Glühfaden leicht zu glühen und zu entspannen. Dies führt zu einem Glühfaden mit einem im wesentlichen nicht rekristallisierten, faserförmigen Gefüge, wie es, zum Beispiel, von Smithells auf den Seiten 136-137 seines Buches "Tungsten", veröffentlicht 1952 durch Chapman and Hall, Ltd. (London), offenbart ist. Ein solches faserförmiges Gefüge führt zu einem relativ schwachen Glühfaden mit einer außerordentlich geringen oder keiner Beständigkeit gegen Durchbiegen bei den 2.000ºC und höheren Temperaturen, bei denen Glühfäden betrieben werden. Der Fachmann weiß, daß solche Glühfäden rekristallisiert werden müssen, wie, zum Beispiel, von Smithells auf den Seiten 136-145 und in den US-PSn 3,927,989 und 4,296,352 offenbart. Beide genannten PSn offenbaren, daß Wolframdraht-Glühfäden normalerweise bei einer Temperatur im allgemeinen Bereich von etwa 1.900-2.500ºC rekristallisieren. Der idealste Glühfaden wäre einer, der aus einem Wolfram-Einkristall hergestellt ist, oder der derart rekristallisiert wurde, daß er einen Wolfram-Einkristall bildet. Ein solcher Glühfaden würde die maximal mögliche Beständigkeit gegen Durchhängen und die maximal mögliche Zugfestigkeit aufweisen. Derzeit ist man jedoch noch nicht in der Lage, einen solchen Glühfaden herzustellen, und es besteht noch immer ein großer Bedarf im Stande der Technik an Glühfäden mit verbesserter Beständigkeit gegen Durchbiegen bei hoher Temperatur zum Einsatz in kompakteren und wirksameren Lampen.
• Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Wolfram-Leuchtdrahtwendel mit verbesserter Beständigkeit gegen Durchbiegen zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß der Erfindung wird eine Wolfram-Leuchtdrahtwendel mit einem langgestreckten und ineinandergreifenden Korngefüge geschaffen, das mindestens etwa 85% rekristallisiert ist und einen Komgestalt-Parameter (GSP) von mindestens etwa 10 hat, wobei der GSP als Kornlängen-Verhältnis (GAR), dividiert durch den Korngrenzen- Faktor(GBF)
• definiert ist, worin λ der Kehrwert der Anzahl der Grenzwellen über den Durchmesser, h die Amplitude einer Welle mit Bezug auf eine Linie ist, die die Enden der Korngrenze verbindet, sowohl λ als auch h gemittelt und als Bruchteile des Durchmessers ausgedrückt sind und θ der Winkel zwischen der genannten Linie und dem Durchmesser ist, GAR als kNT/NB definiert ist, worin NT die Anzahl primärer Windungen der Wendel ist, NB die Anzahl der Korugrenzen des Leuchtdrahtes ist und k die Länge der primären Windungen, dividiert durch den Leuchtdrahtdurchmesser ist.
• Vorzugsweise hat der Glühfaden ein GAR von mindestens 50 und bevorzugter von mindestens etwa 100.
• Der Glühfaden hat einen Komgestalt-Parameter (GSP) mit einem Wert von mindestens etwa 10 und vorzugsweise mindestens etwa 15. Der Wert des Korngestalt-Parameters ist gleich dem Wert des Korulängen- bzw. Kornaspekt-Verhältnisses (GAR), dividiert durch den Wert des Korngrenzen-Faktors (GBF). Der GBF und ein Verfahren zu dessen Ermittlung ist weiter unten in der detaillierten Beschreibung angegeben, doch bezieht er sich im Grunde auf die ineinandergreifende Natur der Korngrenzen benachbarter Wolframkristalle oder -körner in einem Glühfaden, wobei relativ gerade Korngrenzen quer zur Längsachse des Drahtes am schlechtesten sind und zum größten Ausmaß des Durchbiegens führen (wie auch Smithells auf den Seiten 136 und 137 in seinem Buch zeigt). Der GAR oder das Kornlängen-Verhältnis ist das Verhältnis der mittleren Korn- oder Kristall-Lange zum Durchmesser. Der GSP oder Komgestalt-Parameter ist eine Güteziffer, die die Eigenschaften der beiden anderen Parameter kombiniert. In der vorliegenden Erfindung sind große, numerische Werte für GAR und GSP erwünscht, während Meinere Werte beim GBF bevorzugt sind. Im allgemeinen wird, wie ausgeführt, der GSP einen Wert von mindestens etwa 10 und vorzugsweise mindestens etwa 15 haben. Der GAR wird einen Wert von mindestens etwa 50 und vorzugsweise mindestens etwa 100 haben, und der GBF wird vorzugsweise einen Wert von weniger als etwa 15 und vorzugsweise weniger als etwa 8 haben. Der Glühfaden dieser Erfindung wird zu nündestens etwa 85% rekristallisiert sein und vorzugsweise zu mindestens etwa 95% rekristallisiert sein, und er kann bei Temperaturen oberhalb von 2.300ºC mit wenig oder keinem Durchbiegen eingesetzt werden. Die Glühfäden dieser Erfindung können ungewendelter Draht, Einzelwendel, Doppel- oder sogar Dreifach-Wendeln sein sowie Wolfram-Band. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Lampen, die Wolfram- Glühfäden enthalten, die das Gefüge der vorliegenden Erfindung aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
• Figuren 1 und 2 schematisch einen Teil eines Glühfadens gemäß der vorliegenden Erfindung, der die ineinandergreifenden Körner und die Stufen veranschaulicht, die zum Erhalten des GBF benutzt werden,
• Figur 3 eine graphische Darstellung von Zeit/Temperatur eines einzelnen Glühprozesses, der zum Glühen von Glühfäden und zum Erhalten der Kornstruktur gemaß der Erfindung benutzt wird,
• Figur 4 schematisch ein- und doppelendige Glühlampen, die jeweils einen Glühfaden gemaß der vorliegenden Erfindung aufweisen,
• Figur 5 schematisch eine Kombination aus doppelendiger Wolfram-Halogen- Lampe mit einem Glühfaden der vorliegenden Erfindung, IR-Filter und Parabolreflektor.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Wie ausgeführt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Wolfram-Glühfaden mit einem Gefüge, das eine Struktur aus großen, langgestreckten und ineinandergreifenden Körnern umfaßt, die durch einen Komgestalt-Parameter (GSP) mit einem Wert von mindestens etwa 10 definiert ist, wobei der GSP gleich dem Werzt des Kornlängen-Verhältnisses (GAR) dividiert durch den Wert des Korngrenzen-Faktors (GBF) ist. Der Fachmann weiß, daß Wolfram-Glühfäden aus feinem Wolframdraht mit einem Drahtdurchmesser von allgemein weniger als etwa 2,54 mm (10 mils) hergestellt werden. Ein Verfahren zum Bewerten und Bestimmen dieser drei Parameter ist weiter unten ausgeführt.
• Um die Natur, das Ausmaß und die Art der Korngrenzen in Glühfäden oder Drähten mit den Eigenschaften dieser Erfindung sicherzustellen, ist es zuerst erforderlich, diese thermisch durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre oder in situ in einer Lampe für eine genügende Zeit zu ätzen, um die Korngrenzen freizulegen. Ein solches thermisches Ätzen erzeugt ein thermisches Einschneiden oder Abrunden von Korngrenzen, das sie sichtbarer macht, und das allgemein in einem relativ weiten Temperaturbereich von etwa 2.400-2.700ºC für Zeitdauern ausgeführt werden kann, die von der Temperatur und der Atmosphäre abhängen und von etwa 2 bis 24 Stunden reichen. An Hand eines veranschaulichenden, aber nicht einschränkenden, Beispiels haben sich 4 Stunden bei einer Temperatur von 2.450ºC im Vakuum als in den meisten Fällen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als befriedigend erwiesen. Alternativ kann ein Glühfaden in situ in einer Lampe thermisch geätzt werden, indem man die Lampe für mindestens etwa 50 Stunden bei ihrer vorgesehenen Spannung mit Energie versieht. Nachdem die Glühläden oder Drähte geätzt wurden, wurden sie in ein Feldemissions-Raster-Elektronenmikroskop, wie ein Hitachi S-800 Feldemissions-Raster-Elektronenmikroskop (SEM) gelegt, das ein Auflösevermögen von etwa 2 x 10-11 m (20 Å) und eine Feldtiefe von 100 µm bei 1.000-facher Vergößerung aufwies.
• Figur 1 zeigt schematisch ein solches Bild, das als ein Schnitt eines schematisch 1 5 abgebildeten Wendelabschnittes eines Glühfadens aufgenommen wurde, der in Figur 2(a) gezeigt ist. Figur 1 veranschaulicht auch die stufenweisen Verfahren, die bei den Komgestalt-Analysen ausgeführt wurden. Die Messungen sind einfach, und sie können direkt auf dem Sichtschirm (CRT) eines SEM oder auf mittels des SEM gemachten Photographien ausgeführt werden. Wie in den Figuren 1(a) und 1(b) gezeigt, besteht die erste Stufe darin, ein Ende A einer Korngrenze und dann ein anderes Ende C der gleichen Korugrenze und eine Kante B des Drahtes zu finden. Es ist natürlich axiomatisch, daß der Durchmesser des Kornes oder Wolframkristalles im wesentlichen der gleiche ist wie der Durchmesser des Drahtes oder Glühfadens. Es wird eine Linie AB gezogen, die erne Kante des Drahtes defmiert, und es wird eine andere Linie senkrecht zu AB gezogen, wie in Figur 1(c) gezeigt, wobei D die Kante der anderen Seite des Drahtes ist, und die Linie AD den Durchmesser des Drahtes definiert. Dann wird die Linie AC in dem Teil der Korugrenze gezogen, der AC kreuzt, und die Maxima und Minima werden mit "x" markiert, wie in Figur 1(d) gezeigt. Beim kontinuierlichen Abtasten des Glühfadens wird jede folgende Korugrenze in der gleichen Weise analysiert. Wenn die gesamte Länge abgetastet wurde, kann ein Mittelwert f(ir den GBF bestimmt werden. Der Korngrenzen-Faktor, GBF, beruht auf der Beziehung:
• worin NB die gemessene Anzahl der Korngrenzen ist. Der Winkel θ einer Korngrenze wird, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, als der Winkel zwischen AC und AD bestimmt. Die Wellenlänge λ ist der Kehrwert der Wellenzahl (Grenzwellen) über den Durchmesser des Glühfadendrahtes. Die Höhe oder Amplitude h einer Welle wird, wie in Figur 2 gezeigt, unter Bezugnahme auf die Linie AC (Figur 1), die die Enden der Korngrenze verbindet, bestimmt. In einigen Fällen wurde es als geeignet festgestellt, die Peak zu Peak-Amplituden zu messen und durch 2 zu dividieren. Sowohl λ als auch h werden gemittelt und als Bruchteile des Drahtdurchmessers ausgedrückt.
• Das Kornlängen- bzw. Kornaspekt-Verhältnis GAR wird mittels der Gleichung bestimmt:
• worin NT die untersuchte Anzahl der Primärwindungen und NB die beobachtete Anzahl von Korngrenzen ist. Die Länge einer Primärwindung dividiert durch den Drahtdurchmesser ist k und eine Konstante fär ein gegebenes Glühfaden-Design.
• Wenn der mittlere GBF und das mittlere GAR bestimmt worden sind, wird der Korngestalt-Parameter GSP für einen Glühfaden oder eine Anzahl von Glühfäden bestimmt als:
• Diese Analysen und Berechnungen wurden auch mittels eines geeigneten Computerprogrammes mit einem Bildanalysator, wie einem Bildanalysator TN850O von Tracor Northem ausgeführt.
• Je gefalteter oder ineinandergreifender die Korngrenze ist, um so fester ist der Lampen-Glühfaden. Dieses Merkmal des Ineinandergreifens kann durch zwei Parameter oder Merkmale beschrieben werden. Eines ist die Amplitude h der Wellenförmigkeit der Korngrenze. Der andere ist die Wellenlänge λ. Ein anderes Merkmal der Korngrenze, das quantifiziert werden kann, ist der Winkel θ, den sie mit Bezug auf die Ebene des Querschnittes des Drahtes bildet. In gewendelten Glühfäden wird die maximale Spannung über den Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Drahtes ausgeübt. Ein größerer Winkel θ führt daher zu weniger Spannung auf die Korngrenze. Die Korngrenzenlänge erhöht sich auch mit zunehmendem Winkel θ. Der GBF kombiniert all diese Größen als GBF = (λ/h²)cos²θ.
• Zusätzlich zur mittleren Qualität der Korngrenzen eines Glühfadens ist es wichtig zu bestimmen, wie viele zum Kriechen des Glühfadens beitragen. Der zur Repräsentation dieses Merkmales gewählte Parameter ist das Kornaspekt-Verhältnis, das Verhältnis von mittlerer Länge zu Durchmesser. Dies ist ein vertrauter und bequemer Parameter, da er so häufig mit dem Kriechen bei hoher Temperatur verbunden ist. Im Falle eines Lampen-Glühfadendrahtes, wo der Durchmesser eines Kornes unveränderlich der Durchmesser des Drahtes ist, ist das Kornaspekt-Verhältnis im wesentlichen der Kehrwert der Anzahl der Korngrenzen multipliziert mit der ausgewerteten Länge und dividiert durch den Drahtdurchmesser. Je größer das Kornaspekt-Verhältnis, um so weniger gleitende Korngrenzen können zum Kriechen des Glühfadens beitragen, und um so fester ist der Glühfaden.
• All die oben beschriebenen Merkmale werden kombiniert, um eine Gütezahl für die Gefüge rekristallisierter Lampen-Glühfäden zu schaffen, die GSP genannt wird.
• Wolfram-Glühfäden, die die Eigenschaften dieser Erfindung aufweisen, wurden nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt. Ein Verfahren ist ein kontinuierliches Heizverfahren, während das andere Verfahren ein zweistufiges, nicht kontinuierliches Heizverfahren unter Kuhlen auf Raumtemperatur zwischen jeder Heizstufe ist. In jedem Falle beginnt das Verfahren mit einer Glühfaden-Wendel, die im wesentlichen zu 0% rekristallisiert ist. Während der Drahtherstellungs- und Glüh-Verfahren, die zum Herstellen von Wolfram-Glühfadendraht benutzt werden, entwickelt der Wolframdraht eine faserförmiges Gefäge, das während des nachfolgenden Bildens des Glühfadens im wesentlichen unverändert bleibt. Das faserförmige Gefüge führt zu einem sehr duktilen Wolfram, doch rekristallisiert diese faserförmige Struktur bei den hohen Temperaturen von 2.300ºC oder mehr, auf die Glühfäden in Lampen erhitzt werden, um Licht zu erzeugen, schnell, was zum Durchbiegen und Brechen des Glühfadens führt. Der Fachmann weiß, daß ein Wolfram-Glühfaden nach dem Herstellen erhitzt werden muß, um das Wolfram zumindest zu einem gewissen Grade zu rekristallisieren, um einen Glühfaden mit einem Gefüge mit befriedigenden Eigenschaften zum Einsatz als ein Glühfaden zu erhalten. Bei der Herstellung von Wolfram-Glühfäden wird der Wolfram-Glühfadendraht zuerst um einen Drahtdorn aus Molybdän, Stahl oder anderem Material gewikkelt, der primärer Dorn genannt wird, um eine gewendelte Struktur zu bilden. Ein einwendeliger Glühfaden wird in vielen Arten von Glühlampen eingesetzt. In den wirksameren, miniaturisierten und eine hohe Lichtabgabe aufweisenden Lampen befindet sich der Wolfram-Glühfaden jedoch in der Form einer Doppelwendel. Bei der Herstellung dieser Art von Glühfaden wird der Wolfram-Glühfaden zuerst um einen primären Dorn gewickelt, um die erste Wendel zu bilden, wobei die so gebildete Wendelstruktur dann um einen sekundären Dorn gewickelt wird, um die sekundäre Wendel zu bilden. Nachdem der Glübfaden vollständig hergestellt und geglüht worden ist, um ein elastisches Zurückspringen nach dem nachfolgenden Auflösen des Domes zu minimieren, wird er vom sekundären Dorn entfernt und in einem Säurebad angeordnet, das Säure, wie eine Mischung aus Salpeter- und Schwefelsäure und Wasser enthält, was dem Fachmann bekannt ist und, z.B., in der US-PS 4,440,729 offenbart ist. Dies erfolgt, um den primären (und sekundären) Dorn zu lösen und den fertigen Glühfaden zu ergeben.
• Beim kontinuierlichen Glühverfahren dieser Erfindung wird ein Doppelwendel- Glühfaden nach einem Zeit-Temperatur-Rekristallisations-Schema behandelt, das aus etwa 30 Sekunden bei der Maximaltemperatur von 2.650ºK, gefolgt vom schnellen Abkühlen auf Raumtemperatur, besteht. Ein typisches Rekristallisations-Schema für Glühfäden für 60W, 120V ist in Figur 3 gezeigt, und es wurde erfolgreich mit diesem Verfahren benutzt, um Doppelwendel-Glühläden herzudtellen, die für Miniaturlampen für 60W, 120V geeignet waren und die Eigenschaften dieser Erfindung aufwiesen. Die spezifische Zeit-Temperatur-Kurve in Figur 3 ist repräsentativ für typische Rekristallisations-Verfahren, die mindestens 85% Rekristallisation erzielen, doch schließt dies nicht andere Zeit-Temperatur-Behandlungen, wie kürzere Zeiten bei höheren Maximaltemperaturen oder längere Zeiten bei geringeren Maximaltemperaturen, aus.
• Ein bevorzugtes Verfahren zum Erhitzen des Glühfadens benutzt einen Wolfram- Dorn im Zentrum des erhitzten Glühfadens, durch den elektrischer Strom geleitet wird, wodurch der Glühfaden indirekt erhitzt wird. Ein Wolfram-Dorn wird im Zentrum des Glühfadens angeordnet und mit Elektroden verbunden, die dann zum Erhitzen des Dornes mit dem Glühfaden mit Energie versehen werden. Der Wolfram-Dorn ist etwas kleiner als der Sekundärdorn, der zum Herstellen der Doppelwendel benutzt wurde, typischerweise um 2,54 mm (1,0 mil) kleiner im Durchmesser als der Sekundärdorn. Das Erhitzen erfolgt in einer reduzierenden Atmosphäre, wie einem Formgas, das aus 90% Stickstoff und 10% Wasserstoff besteht. Die Glühfaden-Verformung, wie eine nicht gleichmäßige, sekundäre Ganghöhe oder der Abstand zwischen benachbarten Sekundärwindungen, wird minimiert, wenn der primäre Molybdän-Dorn in dem Doppelwendel- Glühfaden während der Heizbehandlung zur Rekristallisation vorhanden ist. Ein bevorzugtes Verfahren für das kontinuierliche Glühen zum Rekristallisieren beginnt mit einer konventionell behandelten Doppelwendel, die die erste Wendel auf einem primären Molybdändorn, Glühen, zweites Wendeln und Glühen einschließt, nicht aber das Aulflösen des Primärdornes in Säure. Nach dem Rekristallisieren des Glühfadens auf einem Wolframdorn, der mit elektrischem Strom erhitzt wurde, um die Zeit-Temperatur-Kurve der Figur 3 für den Glühfaden zu erzeugen, wird der primäre Molybdändorn mit dem Standard-Säureverfahren aufgelöst. Eine merkliche, gegenseitige Diffusion zwischen dem Wolfram-Glühfadendraht und dem primären Molybdändorn geschieht während der in Figur 3 gezeigten Zeit-Temperatur-Behandlung zur Rekristallisation, so daß die Wolfram-Glühfäden nach dem Auflösen des Molybdändornes in Säure typischerweise 500 bis 3.000 ppm an Gesamtmolybdän, bezogen auf das Gewicht, enthalten. Glühfäden für 60W, 120V enthalten typischerweise 1.000 bis 2.500 ppm Molybdän nach dem Rekristallisieren mit einer Zeit-Temperatur-Behandlung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, und nach dem Auflösen des primären Molybdändornes. Es ist zu bemerken, daß der Primärdorn während der Rekristallisation nicht im Glühfaden verbleiben muß.
• Alternativ könnte das Heizschema zur Rekristallisation, wie es in Figur 3 gezeigt ist, nach einem anderen Verfahren ausgeführt werden, um die spezifische Zeit-Temperatur-Behandlung zu erzielen, wie durch Anordnen des Glühfadens in einem kleinen Wolfram-Schiffchen und Benutzen eines schnell ansprechenden Ofens oder Anbringen von Zuleitungsdrähten am Glühfaden und direktes Erhitzen des Glühfadens mit einem angelegten, elektrischen Strom.
• Mittels eins beispielhaften, aber nicht einschränkenden, Beispiels des kontinuierliehen Glühverfahrens zum Rekristallisieren gemäß dieser Erfindung wurden Doppelwendel-Glühfäden für 60W, 120V mit einem Drahtdurchmesser von 5,334 mm (2,1 mil), einem Außendurchmesser von 152,4 mm (60 mil), einer Wendellänge von 9,6 mm und mit vorhandenem, primärem Molybdändorn auf einem Wolframdorn von 78,74 mm (31, mil) mit einer programmierbaren Quelle elektrischen Stromes verbunden und in 90% Stickstoff, 10% Wasserstoff erhitzt, um das in Figur 3 gezeigte Zeit-Temperatur-Schema zu erzielen, gefolgt vom schnellen Abkühlen auf Raumtemperatur. Die Glühfäden wurden dann in einem Säurebad angeordnet, um den primären Molybdändorn aufzulösen. Die behandelten Glühfäden waren zu 95% rekristailisiert, enthielten 1.700 Gew.-ppm Molybdän und die Gefügeanalyse der erzeugten 28 Glühfäden hatte das folgende, mittlere Ergebnis:
• GSP 56
• GAR 240
• GBF 4,3
• Das Ausmaß der Rekristallisation wurde mit einem Wendel-Recktest bestimmt, der den Unterschied in den Rückspring-Eigenschaften des Wolframs maß. Diese Eigenschaften werden durch Änderungen im elastisch-plastischen Spannungs-Dehnungs-Verhalten (wie der Streckgrenze und der Dehnungs-Härtungsrate) kontrolliert und in unterschiedlichen Eigenschaften zum Zurückspringen bzw. Zurücksehnellen reflektiert. Der Wendel-Recktest besteht im Grunde im Ziehen der Wendel axial bis zu einer festgelegten Recklänge des etwa 8-fachen der ursprünglichen Länge, Beseitigen des Zuges und Messen der entspannten Länge. Die Prozent Rekristallisation können aus der entspannton Länge, die sich nach dem Recken ergibt, und zwei entspannten Bezugslängen, eine für 0% Rekristallisation und eine für 100% Rekristallisation, errechnet werden. Diese Bezugs-Wendeln werden bis zu der gleichen, festgelegten Recklänge gereckt. Der zu 0% rekristallisierte Bezugs-Glühfaden wurde mittels standardgemäßen Wendel-Behandlungen (erstes Wendeln, Glühen, zweites Wendeln, Glühen und Auflösen des Dornes in Säure) behandelt, doch wurde er nicht in irgendwelchen nachfolgenden Rekristallisations- Behandlungen erhitzt. Der zu 100% rekristallisierte Bezugs-Glühfaden wurde einer bei hoher Temperatur ausgeführten Behandlung unterworfen, um 100% Rekristallisation sicherzustellen. Für eine festgelegte Behandlungszeit ist die Temperatur hoeh genug, um einen zu 100% rekristallisierten Bezug zu bilden, wenn Glühfäden, die bei später höheren Temperaturen behandelt werden, keine merkliche Vergrößerung der entspannten Länge nach dem Recktesten erzeugen. Recktests werden ausgeführt nach der Rekristallisation und dem nachfolgenden Auflösen des Domes. Typischerweise nimmt die entspannte Länge um weniger als 0,02%/K Zunahme in der Temperatur für Rekristallisations-Behandlungen, die als 100% rekristallisiert definiert sind, zu. Die Gleichung zum Berechnen der Prozent Rekristallisation ist:
• Prozent Rekristallisation = 100 (l-l&sub0;)/(l&sub1;-l&sub0;)
• worin l die entspannte Länge des Glühfadens nach dem Recken bis zu einer konstanten Recklänge ist, l&sub0; die entspannte Länge des zu 0% rekristallisierten Bezug-Glühfadens nach dem Recken bis zur gleichen konstanten Recklänge ist und l&sub1; die entspannte Länge des zu 100% rekristallisierten Bezug-Glühfadens nach dem Recken bis zur gleichen konstanten Recklänge ist. Die Beziehung zwischen dem Recktest und der konventionellen, mühsamen, metallographischen Prozedur, die viele polierte und geätzte Schnitte benutzt, ist gut. Dieses Wendel-Recktest-Verfahren wurde von Pugh und McWhorter als "An Elastic Recovery Test for Recrystallization", Metall. Trans., Band 20A, Seiten 1885-1887 (Sept.1989) veröffentlicht.
• Beim zweistufigen Erhitzen oder Glühbehandeln nach dieser Erfindung wurden die nicht rekristallisierten Glühfäden für die erste Stufe in einer Formgas-Atmosphäre 5 Minuten lang auf eine Temperatur erhitzt, die grob im Bereich zwischen 1.250-2.050ºC und vorzugsweise von 1.650-2.050ºC lag. Der primäre Molybdändorn wurde vor dem erststufigen Glühen weggeätzt, und das Erhitzen erfolgte durch Widerstandserhitzen mit Zuleitungsdrähten, die an den Glühfäden befestigt waren. Dieses erststufige Glühen fährte zu einer Rekristallisation von etwa 5 bis 73%, was von der Temperatur abhing, wobei die höheren Temperaturen bevorzugt wurden.
• Nach dem ersten Glühen wurden die teil-rekristallisierten Glühfäden kurz auf Raumtemperatur abgekühlt und dann wieder über eine Dauer von etwa 20 Sekunden unter Anwendung einer konventionellen, impulsförmigen Widerstandsheiz- oder Brenntechnik schnell erhitzt, wobei die Temperaturen bei 2.200ºK begannen und bis zu 3.200ºK gingen. Doppelwendel-Glühläden, die nach diesem Verfahren für Wolfram-Halogen-Lampen für 45 Watt (120V) hergestellt waren, wiesen im wesentlichen etwa 100% Rekristallisation und wirklich kein Durchbiegen auf, wenn das erste Glühen im Bereich von 1.650-2.050ºC erfolgt war. Diese Glühfäden waren Doppelwendel-Glühfäden von etwa 12 mm Länge aus Draht mit 0,06 mm Durchmesser, der mit Kalium dotiert war (GE 218 Qualität). Glühfläden, die auf diese Weise hergestellt waren, hatten ein GSP von 86, em GBF von 4,4 und ein GAR von 289. Glühfäden mit ähnlichen Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung wurden auch hergestellt durch Erhitzen in Wolfram-Schiffchen in einem konventionellen Ofen in einer Formgas-Atmosphäre.
• Im Gegensatz zu den Glühfäden dieser Erfindung wiesen Glühläden ähnlicher Konstruktion, die aus von einem anderen Hersteller stammenden Wolfram-Halogen- Lampen entnommen waren, ein GAR von etwa 12 bis 22 und ein GSP von etwa 0,5 bis 4,3 auf.
• Die meisten der gemäß dieser Erfindung hergestellten Glühläden wurden aus Standardqualität von Wolfram-Glühfadendraht hergestellt, der erhältlich ist von der GE Lighting, Tungsten Road, Cleveland, Ohio, der als GE Typ 218-Draht bezeichnet ist. Dieser Draht hat eine Reinheit von 99,95+% W, und er ist mit Kalium im Bereich von 65-80 ppm dotiert. Glillifäden, die Eigenschaften gemäß dieser Erfindung aufweisen, wurden auch aus Wolfram-Glühfadendraht hergestellt, der von im Wettbewerb stehenden Drahtherstellern, sowohl in den USA als auch in Japan, erhalten war.
• Figur 4 veranschaulicht schematisch verschiedene Lampenarten, die Glühfäden gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten. In Figur 4(a) hat eine Lampe 10 einen rohrförmigen Kolben aus einem geeigneten, lichtdurchlässigen, glasartigen Kolben 12, hergestellt aus einem für hohe Temperatur einsetzbaren Aluminosilicatglas, das von der Art sein kann, wie es in der US-PS 4,737,685 offenbart und beansprucht ist, die durch Bezugnahme hier aufgenommen wird. Ein Doppelwendel-Glühfaden 13 aus Wolfram mit Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung ist innerhalb des glasartigen Kolbens mittels Zuleitungsdrähten 14 und 16 aus Molybdän verbunden und abgestützt, die sich durch eine übliche Quetschdichtung 18 erstrecken. Wenn erwunscht, können die Molybdän-Zuleitungen 14 und 16 mittels Schweißen, Härtlöten oder in anderer, geeigneter Weise mit billigeren Metallen größeren oder des gleichen Durchmessers verbunden werden, um eine elektrische Verbindung für den Glühfaden und eine Abstützung für die Lampe zu schaffen. Der Kolben 12 kann auch eine Füllung enthalten, die eine Mischung von Stickstoff, Wasserstoff, Edelgas, Phosphor und einem Halogen, wie Chlor und Brom, umfaßt.
• Figur 4(b) veranschaulicht eine andere Lampenart, die bei der Ausführung dieser Erfindung brauchbar ist, bei der Molybdän-Folie benutzt wird, um eine hermetische Abdichtung im Bereich der Quetschdichtung zu bewirken, wie es bei solchen Lampen, die Quarzkolben aufweisen, üblich ist. Die Lampe 20 umfaßt somit einen Quarzkolben 22, der zwei durch Quetschdichtungen abgedichtete Zuleitungs-Konstruktionen enthält, die äußere Anschlußleitungen 32 und 32' und innere Ahschlußleitungen 26 und 26' umfassen, die mit gegenüberliegenden Enden von Zwischen-Dichtungsfolien 28 bzw. 28' aus Molybdän verbunden sind. Ein kompakter Doppelwendel-Glühfaden aus Wolfram, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, ist an einem Ende an der inneren Zuleitung 26 und am anderen Ende an der inneren Zuleitung 26' angebracht. Die Zuleitungen sind in geeigneter Weise mit den Dichtungsfolien aus Molybdän verbunden, wie durch Schweißen. Die Zuleitungen 26 und 26' sind aus Molybdän hergestellt. Der Kolben 22 enthält auch eine Füllung, umfassend eine Mischung aus Edelgas, Wasserstoff, einem Getter, wie Phosphor, und einem Halogen, wie Chlor, Brom, und, gegebenenfalls, Stickstoff.
• Figur 4(c) veranschaulicht eine doppelendige Miniaturlampe 50, umfassend einen lichtdurchlässigen Kolbenteil 40 aus geschmolzenem Siliciumdioxid (Quarz), der einen Doppelwendel-Glühfaden 60 aus Wolfram gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, der an jedem Ende an Anschlußteile 62 bzw. 62' geschweißt ist, wobei beide rohrförmige Endabschnitte 54 und 54' über Folienteilen 64 und 64' durch Zusammenschrumpfen abgedichtet wurden, um eine hermetische Abdichtung zu bilden, woraufhin man sie abgeschnitten hat, um ihre Länge auf däs gewünschte Maß zu verringern. Äußere Zuleitun gen 56 und 56' erstrecken sich über das Ende der Rohrteile 54 und 54' hinaus, die nach dem Zusammenbau der Lampe auf die gewünschte Länge geschnitten wurden. Schrumpfdichtungen sind bevorzugt, weil Deformation und Fehlausrichtung der Rohrabschnitte des Lampenkolbens minimal sind, verglichen mit entsprechenden Erscheinungen, die beim Quetschdichten auftreten können. Schrumpfdichtungen sind dem Fachmann bekannt und Beispiele, wie sie zu erhalten sind, finden sich, z.B., in den US- PS 4,389,201 und 4,810,932. Lampen dieser Konstruktion sind im Handel erhältlich und, z.B., in der EP-A-0 397 422 offenbart.
• Die Lampe 50 ist, in einen Parabofreflektor 61 eingebaut, in Figur 5 gezeigt. Die Kombination 100 der Figur 5 enthält die Lampe 50, die mittels leitender Montageschenkel 65 und 67, die durch (nicht gezeigte) Dichtungen am Bodenteil 72 des Glasreflektors 61 hindurch verlaufen, in den Bodenteil des parabolförmigen Glasreflektors 61 montiert ist. Der Lampensockel 80 ist durch nicht gezeigte Mittel am Halsabschnitt 82 auf den Bodenteil des Glasreflektors gewurgt. Der Schraubsockel 84 ist ein Standard-Schraubsockel zum Schrauben der fertigen Baueinheit 60 in eine geeignete Fassung. Eine Glasoder Kunststofflinse oder ein solcher Deckel 86 ist am anderen Ende des Reflektors 61 angebracht oder mittels Klebstoff oder anderer, geeigneter Mittel hermetisch abgedichtet, um die Lampen-Bauemheit zu vervollständigen. Die Lampe 50 weist auch einen Überzug 90 auf der äußeren Oberfläche des Lampenkolbens auf, um selektiv IR-Energie, die durch den Glühfaden emittiert wird, zurück zum Glühfaden zu reflektieren, wo mindestens ein Teil der IR-Strahlung in sichtbares Licht umgewandelt wird.
• Der Überzug 50 ist vorzugsweise aus abwechselnden Schichten eines Materials mit geringem Brechungsindex, wie Siliciumdioxid, und eines Materials mit hohem Brechungsindex, wie Tantaloxid, Titanoxid, Nioboxid und ähnlichem, hergestellt, um selektiv unterschiedliche Teile des elektromagnetischen Spektrums, die durch den Glühfaden emittiert werden, zu reflektieren bzw. durchzulassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfidung reflektiert der Filter IR-Strahlung zurück zum Glühfaden, und er läßt den sichtbaren Teil des Spektrums durch. Solche Filter und ihr Gebrauch als Überzüge für Lampen findet sich, z.B., in den US-PSn 4,229,066 und 4,587,923.

Claims (14)

1. Wolfram-Leuchtdrahtwendel mit einem langgestreckten und ineinandergreifenden Korngefüge, das mindestens etwa 85% rekristallisiert ist und einen Korngestalt-Parameter (GSP) von mindestens etwa 10 hat, wobei der GSP als Kornlängen-Verhäitnis (GAR), dividiert durch den Korngrenzen-Faktor (GBF)

definiert ist, worin λ der Kehrwert der Anzahl der Grenzwellen über den Durchmesser, h die Amplitude einer Welle mit Bezug auf eine Linie ist, die die Enden der Korngrenze verbindet, sowohl λ als auch h gemittelt und als Bruchteile des Durchmessers ausgedrückt sind und θ der Winkel zwischen der genannten Linie und dem Durchmesser ist, GAR als kNT/NB definiert ist, worin NT die Anzahl primärer Windungen der Wendel ist, NB die Anzahl der Korngrenzen des Leuchtdrahtes ist und k die Länge der primären Windungen, dividiert durch den Leuchtdrahtdurchmesser ist.

2. Wolfram-Leuchtdrahtwendel nach Anspruch 1 mit einem GAR von nündestens 50.

3. Leuchtdraht nach Anspruch 1, worin das GAR mindestens etwa 100 beträgt.

4. Leuchtdraht nach Anspruch 3, der mindestens etwa 95% rekristallisiert ist.

5. Leuchtdraht nach Anspruch 4, worin das GAR mindestens etwa 200 beträgt.

6. Leuchtdraht nach Anspruch 5, enthaltend von etwa 500-3.000 ppm Molybdän, vorzugsweise von 1.000-2.500 ppm Molybdän.

7. Leuchtdraht nach einem der Ansprüche 2 bis 6 mit einem GBF von weniger als etwa 15.

8. Leuchüdraht nach Anspruch 7 mit einem GSP von mindestens etwa 15.

9. Leuchtdraht nach Anspruch 8 mit einem GBF von weniger als etwa 8.

10. Elektrische Glühlampe (10,20), umfassend einen hermetisch abgedichteten, lichtdurchlässigen Kolben (12,22), der den Leuchtdraht (13,24) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 einschließt.

11. Wolfram-Halogen-Lampe (50), umfassend einen hermetisch abgedichteten, lichtdurchlässigen Glaskolben (40), der ein oder mehrere Metallhalogenide und den Leuchtdraht (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 einschließt.

12. Lampe (50) nach Anspruch 10 oder 11, weiter enthaltend einen optischen Dünnflim-Interferenzüberzug (90) auf der äußeren Oberfläche, um verschiedene Teile des Lichtspektrums selektiv zu reflektieren und durchzulassen.

13. Lampe (50) nach Anspruch 12, worin der Überzug (90) IR-Strahlung zurück zum Leuchtdraht reflektiert, sichtbare Lichtstrahlung aber durchläßt.

14. Wolfram-Halogen-Lampe (100), die innerhalb eines parabolförmigen Reflektors (61) montiert ist, wobei das optische Zentrum der Lampe (100) nahe dem optischen Zentrum des Reflektors (61) liegt, die Lampe (100) einen hermetisch abgedichteten, lichtdurchlässigen Glaskolben aufweist, der ein oder mehrere Metallhalogenide und einen Wolfram-Leuchtdraht (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 enthält.