DE2918729C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen, lichtdurchlässigen Aluminiumoxids mit einer ausgezeichneten in-line-Durchlässigkeit.

Aus US-PS 30 26 210 ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem, lichtdurchlässigem Aluminiumoxid bekannt, bei dem man feinteiliges Aluminiumoxid hoher Reinheit mit einer geringen Menge MgO vermischt und die Mischung dann bei einer Temperatur von mehr als 1700°C, vorzugsweise 1800 bis 1950°C in einer Wasserstoffatmosphäre brennt. Gemäß US-PS 37 92 142 gibt man außer MgO noch La₂O₃ und Y₂O₃ zu der Mischung und brennt diese. Die Zugabe von MgO, La₂O₃ und Y₂O₃ zur Erniedrigung der Brenntemperatur ist somit bekannt. In allen Fällen sind jedoch die Kristallkörner in dem gesinterten Aluminiumoxidkörper verhältnismäßig fein, so daß die in-line-Durchlässigkeit niedrig ist und man daher bei der Verwendung eines solchen Aluminiumoxids als Umhüllung für eine Hochdruckdampfentladungslampe eine befriedigende Lampeneffizienz (Lumen/Watt, nachfolgend abgekürzt mit lm/W) nicht erzielt wird.

Zur Erhöhung der in-line-Durchlässigkeit wird gemäß US-PS 39 35 495 ein Verfahren gelehrt, bei dem die gebrannte Oberfläche eines polykristallinen lichtdurchlässigen Aluminiumoxids mit einem geschmolzenen Flußmittel chemisch poliert wird. Gemäß diesem Verfahren wird zur Entfernung von Oberflächenunebenheiten des gebrannten Aluminiumoxidkörpers die gebrannte Aluminiumoxidoberfläche mittels Alkalisalzen oder Borsäure zur Erhöhung der in-line-Durchlässigkeit erhöht, so daß die Lampeneffizienz der Hochdruckdampfentladungslampen verbessert werden kann, jedoch ist es bei diesem Verfahren erforderlich, die Oberfläche des gesinterten Aluminiumoxidkörpers chemisch mit einem geschmolzenen Salz, das hochkorrosiv ist, zu behandeln, z. B. mit Natriumborat, so daß diese Stufe kompliziert ist und die Produktionskosten hoch sind. Obwohl durch polykristallines lichtdurchlässiges Aluminiumoxid die in-line-Durchlässigkeit in dem Maße erhöht wird, wie die Korngröße größer wird, erhöht sich dabei auch die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers, so daß durch die große Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers eine Lichtstreuung eintritt, wenn man ein solches Aluminiumoxid als Umhüllung in einer Hochdruckdampfentladungslampe verwendet und die Lampeneffizienz erniedrigt wird. Daher wird bevorzugt, daß die Oberflächenrauheit so klein wie möglich ist. Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einem polykristallinen lichtdurchlässigen Aluminiumoxid mit einer ausgezeichneten Lampeneffizienz, bei dem die Korngröße in einem gewissen Maße vergrößert wird und die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers gering ist.

Die Herstellung eines lichtdurchlässigen Körpers aus Aluminiumoxid wird auch in der DE-PS 11 99 675 beschrieben. Bei dem dortigen Verfahren wird ein Preßling aus im wesentlichen reinem Aluminiumoxidpulver in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert, und zwar wird der Preßling zunächst in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1650 bis 1750°C 50 bis 300 Minuten vorgebrannt und anschließend in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1850 bis 1950°C länger als 15 Minuten ein zweites Mal gebrannt.

Aus der DE-PS 12 78 318 ist es weiterhin bekannt, bei der Herstellung eines polykristallinen Formkörpers aus Sinterkorund zweistufig zu brennen, und zwar zunächst auf eine Temperatur von mehr als 1000 und weniger als 1700°C in einer ersten Stufe, wobei das Vorbrennen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre stattfinden soll, und in einer zweiten Stufe erfolgt die Sinterung im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1700 bis 1950°C.

In der DE-PS 12 61 436 wird die Herstellung eines Sinterkörpers aus Aluminiumoxid gelehrt, wobei der Formling aus reinem Aluminiumoxid kurzzeitig bei Temperaturen oberhalb 1800°C im Vakuum gesintert werden soll. Ein zweistufiges Brennen ist dort nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Formkörpers aus Aluminiumoxid zur Verfügung zu stellen, bei dem man eine hohe in-line-Durchlässigkeit und eine sehr gute Lampeneffizienz erzielt und die Oberflächenrauhheit des gebrannten polykristallinen Formkörpers sehr fein gehalten wird, während man die Korngröße der Aluminiumoxidkristallkörner verhältnismäßig groß macht.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Es wurde gefunden, daß man ein polykristallines lichtdurchlässiges Aluminiumoxid mit einer besonders hervorragenden Lampeneffizienz erhalten kann, wenn man das kompoundierte Pulver, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid besteht, unter genau definierten Brennbedingungen brennt, so daß die Korngröße des Aluminiumoxids in einem gewissen Maße größer wird und die Oberflächenrauheit sehr fein wird und die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers nicht mehr als ¹/₁₀ der maximalen Korngröße der Aluminiumoxidkristallkörper ausmacht.

Zu α-Aluminiumoxidpulver mit einer Korngröße von nicht mehr als 1 µm, vorzugsweise etwa 0,1 bis 1 µm, und einer Reinheit von mehr als 99,5% werden die nachfolgend noch erläuterten Additive zugegeben, und die erhaltene Masse wird gründlich vermischt, und die Mischung wird dann zu einer gegebenen Form verformt und im Vakuum oder in einer Wasserstoffgasatmosphäre oder Atmosphäre von dissoziertem Ammoniakgas gebrannt.

Das Brennen wird wie folgt durchgeführt:
Der erste Brennvorgang wird bei einer Temperatur von 1300 bis 1500°C bei einer Haltezeit von 1 bis 3 Stunden durchgeführt. Dann wird ein zweites Brennen durchgeführt, bei dem man die Temperatur schnell erhöht, und zwar mit einem Erhöhungsgrad von nicht weniger als 200°C/h, vorzugsweise 300°C/h bis 1000°C/h, zumindest innerhalb des Temperaturbereiches von 1400 bis 1700°C, wobei die Haltezeit 1 bis 15 Stunden bei 1650 bis 1900°C beträgt.

Die wichtigste Tatsache zur Kontrolle der Oberflächenrauheit und der Korngröße des polykristallinen lichtdurchlässigen Aluminiumoxids beim erfindungsgemäßen Verfahren besteht in der Wahl der Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit zwischen 1400°C und 1700°C. Es ist besonders wichtig, zur Erzielung der feinen Oberflächenrauheit und zur Verbesserung der in-line-Durchlässigkeit, daß die Temperatursteigerungsgeschwindigkeit zumindest zwischen 1400°C und 1700°C nicht weniger als 200°C/h ausmacht.

Als Additive können Magnesiumoxid alleine, Magnesiumoxid und Yttriumoxid oder Magnesiumoxid und Calciumoxid vorzugsweise verwendet werden, aber es wird noch mehr bevorzugt, Lanthanoxid und Yttriumoxid zusammen mit Magnesiumoxid zuzugeben. Die Menge des in diesem Falle verwendeten Additives beträgt vorzugsweise 0,01 bis 0,2 Gew.-% von jeweils Magnesiumoxid, Lanthanoxid und Yttriumoxid, um die Durchlässigkeit zu verbessern. Das als Ausgangsprodukt verwendete Aluminiumoxidpulver kann ein α-Aluminiumoxid oder ein γ-Aluminiumoxid sein, wobei im Falle von γ-Aluminiumoxid es erforderlich ist, dieses Aluminiumoxid vorher bei einer Temperatur von 1150°C bis 1300°C an der Luft zu calcinieren, um die Korngröße auf etwa 0,1 bis 1 µm zu erhalten. Weiterhin wird es bevorzugt, um die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers im Makrobereich gleichförmig zu machen, daß nach dem Verformen des kompoundierten Pulvers zu einer gegebenen Form die Oberfläche des Formkörpers mechanisch geglättet wird.

Ist die durchschnittliche Teilchengröße der Aluminiumoxidkristallkörner kleiner als 20 µm, wird die Lichtstreuung aufgrund der Teilchengrenzen in dem Sinterkörper größer, und die in-line-Durchlässigkeit wird erniedrigt, und deshalb soll die durchschnittliche Teilchengröße nicht kleiner als 20 µm betragen. Ist weiterhin die durchschnittliche Teilchenrauheit des gebrannten Körpers größer als ¹/₁₀ der maximalen Korngröße der Aluminiumoxidkristallkörner, erhöht sich die Lichtstreuung aufgrund der Oberfläche des gebrannten Körpers, und die in-line-Durchlässigkeit wird erniedrigt, und deshalb soll die durchschnittliche Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers nicht größer als ¹/₁₀ der maximalen Korngröße des Aluminiumoxidkristallkornes ausmachen.

Wenn die Temperatursteigerungsrate zumindest im Bereich zwischen 1400°C und 1700°C weniger als 200°C/h beträgt, erhöht sich die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers zusammen mit einem Kornwachstum der Aluminiumoxidkristallkörner, und dadurch nimmt auch die Lichtstreuung an der Oberfläche des gebrannten Körpers zu.

Der Grund, warum der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Temperatursteigerungsrate nicht weniger als 200°C betragen soll, wenigstens 1400 bis 1700°C umfaßt, ist der folgende: Das Kornwachstum der Aluminiumoxidkristallkörner ist in diesem Temperaturbereich am bemerkenswertesten und dadurch, daß man die Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereiches schnell erhöht, wird die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers klein trotz des Kornwachstums. Als Brennatmosphäre ist es erforderlich, ein Vakuum, Wasserstoffgas oder dissoziertes Ammoniakgas zu verwenden, um Hohlstellen in dem Sinterkörper zu vermeiden und die in-line-Durchlässigkeit zu verbessern. Bei der Temperatur von mehr als 1500°C bei dem ersten Brennen wachsen die Aluminiumkristallkörner in einem gewissen Maß, die Kontrolle des Kornwachstums während des nachfolgenden Brennens wird schwierig, und ein unnormales Kornwachstum findet statt, wodurch die in-line-Durchlässigkeit erniedrigt wird. Daher ist eine Temperatur von mehr als 1500°C bei dem ersten Brennvorgang nicht bevorzugt. Wird der zweite Brennvorgang bei einer Temperatur von weniger als 1650°C durchgeführt, so kann man kein ausreichend dichtes Produkt erhalten, während bei einer Temperatur von mehr als 1900°C ein merkliches Kristallwachstum stattfindet und ein Aufbrechen der Korngrenzen erfolgt, und eine solche Temperatur daher auch nicht günstig ist.

In der nachfolgenden Zeichnung bedeuten

Fig. 1 eine Kurve, welche die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers eines erfindungsgemäßen polykristallinen Aluminiumoxids zeigt, und

Fig. 2 eine Kurve, welche die Oberflächenrauheit eines gebrannten Körpers eines üblichen Produktes zeigt.

Beispiel

Ein röhrenförmiges polykristallines lichtdurchlässiges Aluminiumoxid mit einer Länge von 114 mm, einem äußeren Durchmesser von 9,50 mm und einer Dicke von 0,8 mm wurde unter den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Bedingungen hergestellt. Dabei wurde als Ausgangsmaterial α-Aluminiumoxid verwendet.

Die durchschnittliche Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers, die maximale Korngröße und die durchschnittliche Korngröße der Aluminiumoxidkristallkörner, die in-line-Durchlässigkeit, die Lampeneffizienz bei Verwendung in einer Hochdrucknatriumdampfentladungslampe von 400 Watt wurden gemessen, und die Ergebnisse sind in der Tabelle erhalten.

Als Vergleichsproben wurden zwei polykristalline lichtdurchlässige Aluminiumoxidrohre hergestellt, bei denen die durchschnittliche Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers größer als ¹/₁₀ der Aluminiumoxidkristallkörner betrug, und die Ergebnisse mit diesen Röhren werden auch in der folgenden Tabelle gezeigt. Weiterhin werden die Eigenschaften eines üblichen Produktes in der Tabelle gezeigt.

Die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers wurde mittels einer Meßvorrichtung zum Messen der Oberflächenform im Anschluß an ein Verfahren zum Messen der Oberflächenrauheit gemäß JIS BO601 (1970) gemessen, wobei man einen Durchschnittswert von 10 Punkten der bei Standardlänge 1 mm längs der Axialrichtung des Rohres bestimmt.

Die maximale Teilchengröße und die durchschnittliche Teilchengröße der Aluminiumoxidkristallkörner wurde durch mikroskopische Untersuchung der gebrannten Körperoberfläche bestimmt.

Die in-line-Durchlässigkeit wurde wie folgt gemessen:
Die Röhre wurde in zwei Teile in axialer Richtung aufgeteilt, und das Verhältnis der Intensität des einfallenden Lichtes und des übertragenen Lichtes beim Eintritt von Licht einer Wellenlänge von 600 nm (Nonameter) von einer konkaven Oberfläche der Röhre unter Verwendung eines Spektrophotometers wurde bestimmt. In diesem Spektrophotometer wurde eine Wolframlampe als Lichtquelle verwendet, und als lichtaufnehmender Teil wurde ein Photovervielfältiger verwendet.

Der Wert für die Lampeneffizienz wurde bestimmt, indem man den gesamten Lichtfluß der unter Verwendung dieser Röhren verwendeten Hochdrucknatriumlampe von 400 Watt durch 400 teilte.

Aus den Ergebnissen der Tabelle geht hervor, daß in allen Fällen die durchschnittliche Korngröße des Aluminiumoxids erfindungsgemäß größer als 20 µm beträgt und somit verhältnismäßig groß ist, daß jedoch die Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers nicht mehr als ¹/₁₀ der maximalen Korngröße der Aluminiumoxidkristallkörner ausmacht, so daß die in-line-Durchlässigkeit und damit auch die Lampeneffizienz groß sind. Bei den Vergleichsproben und der Probe des Standes der Technik ist die durchschnittliche Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers größer als ¹/₁₀ der maximalen Korngröße der Aluminiumoxidkristallkörner, und dadurch ist die in-line-Durchlässigkeit unbefriedigend und damit auch die Lampeneffizienz niedrig.

Das Ergebnis der Prüfung der Oberflächenrauheit des gebrannten Körpers von Probe Nr. 5 gemäß der Erfindung wird in Fig. 1 gezeigt, und die Oberflächenrauheit der Probe Nr. 9 des Standes der Technik wird in Fig. 2 gezeigt.

Aus den Messungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 wird ersichtlich, daß das erfindungsgemäß erhaltene Produkt eine sehr feine Oberflächenrauheit hat und glatt ist.

Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Formkörpers in einer Hochdruckdampfentladungslampe wird die Lampeneffizienz verbessert.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Formkörpers aus Aluminiumoxid, bei dem man ein hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehendes Pulver kompoundiert und zu einem Formkörper verformt, und dann zweistufig brennt, wobei die Temperatur in der ersten Stufe 1300 bis 1500°C bei einer Haltezeit von 1 bis 3 Stunden und in der zweiten Stufe 1650 bis 1900°C bei einer Haltezeit von 1 bis 15 Stunden beträgt und das Brennen in der zweiten Stufe im Vakuum oder einer Wasserstoffatmosphäre oder in einer Atmosphäre von dissoziiertem Ammoniakgas durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Brennen in der ersten Stufe im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre oder in einer Atmosphäre von dissoziiertem Ammoniakgas vornimmt, und daß die Temperatursteigerungsrate im Bereich von wenigstens 1400 bis 1700°C nicht weniger als 200°C/h beträgt.