生坯陶瓷的联接 |
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| 申请号 | CN200880116893.9 | 申请日 | 2008-09-11 | 公开(公告)号 | CN101861240B | 公开(公告)日 | 2013-05-08 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | G·H·金茨勒; T·J·博伊尔; M·V·伊; B·丹尼森; | ||||
| 摘要 | 公开了生坯联接陶瓷构件的方法，尤其是用于形成用于陶瓷 金属卤化物灯 的放电体的方法。该工艺包括提供具有阳性联接表面的第一生坯陶瓷构件和提供具有在尺寸方面设定为匹配地接收第一构件的阴性联接表面的第二生坯陶瓷构件。第一和第二生坯陶瓷构件沿着联接表面组装，组装构件均匀加热以联接第一和第二构件。然后，联接构件在均匀冷却该联接构件的冷却浴液中冷却。此后，联接的生坯部件可插入到用于脱粘和 烧结 的炉子中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种生坯联接陶瓷构件的方法，其包括： |
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| 说明书全文 | 生坯陶瓷的联接技术领域[0001] 本公开涉及陶瓷构件的生坯联接(green joining)，更具体地涉及联接在高强度放电(HID)灯应用中使用的类型的生坯陶瓷构件的方法。然而，本应用不局限于上述特定的应用，并且可在有关环境和使用中获得应用和益处。 背景技术[0002] 存在对使陶瓷构件结合到一起的简单且廉价的方式的需求。通过其它公开已知机械地组装构件和部件，然后将组装构件放入用于去除蜡(典型粘合剂)的脱粘(debindering)炉中，以便超过预选时间和温度的曝露使该构件结合。这些构件的一部分经历大体平行于组装构件的轴线延伸的看似是环向应力裂纹的裂纹。这些裂纹看似发生在炉子中的脱粘循环期间，并且认为该裂纹至少部分地由干涉配合和从一个构件传递到另一个构件的合力导致。因此，尽管已知的工艺在机械地将构件结合在一起方面是成功的，但是任何裂纹在形成对于灯功能性非常重要的构件之间的密封结合方面是不期望的限制。因此，存在对在脱粘之前结合或固定构件以便不在成品中形成裂纹的需求。 [0003] 已提出其它方法以在脱粘之前联接生坯构件。例如，美国专利No.6,620,272描述用于通过局部加热联接生坯陶瓷构件的工艺。具体地，该‘272专利描述了用于由多晶氧化铝陶瓷构成的HID灯的陶瓷弧管。氧化铝粉末与诸如蜡或热塑性塑料的粘合剂材料混合，例如通过注射模塑形成期望形状，并且粘合剂材料帮助模制氧化铝构件在处于生坯状态的同时保持期望形状。众所周知，然后当构件烧制时粘合剂被移除。获得的弧管有利地经受与弧管环境相关的高应力、温度和腐蚀性化学药品。 [0004] 该‘272专利建议将热量施加至联接表面以便在该区域发生局部熔化。局部加热的实例性方法包括施加至联接表面的加热的气体或强加的热空气、红外激光器、白炽灯、或白炽电阻元件。此外，在加热后，该‘272专利使一个或两个构件承受压缩和拉伸，其中压缩推动构件彼此朝向并经过任何初始的接触点。该压缩导致在联接构件之间的可见接缝处形成径向向外延伸的凸出。该专利说明书指出凸出然后通过随后的拉伸减小。这种压缩和拉伸可发生多次，并且即使认为完成的弧管达到期望的性能特征，可见的接缝在烧结后仍然存在。 [0005] 结合的生坯构件的过多操作导致裂纹和/或使联接构件不合需要地遭受可导致最终部件中的裂纹的力和应力。因此，存在对用于联接生坯陶瓷构件的简单的、廉价的、快速动作的、可在商业上适用的以及非常高效的工艺的需求，尤其是对减少最终部件中的裂纹的工艺，优选地不具有可见的分型线或接缝的工艺的需求。发明内容 [0006] 公开了用于在其生坯状态下结合模制陶瓷构件而不在联接处导致不期望裂纹的方法。 [0007] 优选的方法包括提供具有阳性联接表面的第一生坯陶瓷构件，提供具有在尺寸方面设定为匹配地接收第一构件的阴性联接表面的第二生坯陶瓷构件。第一和第二构件沿着联接表面组装，该组装构件被均匀加热以联接第一和第二构件。 [0008] 均匀加热组装构件的优选方式包括将组装构件浸入到加热浴液(bath)中。 [0009] 在构件从加热浴液移除后，然后均匀冷却组装构件，均匀冷却的优选方式包括将构件浸入到冷却浴液中。 [0010] 优选地，水用作加热浴液。 [0011] 使构件彼此迅速结合并使该结合迅速冷却是重要的，以便单个构件在处于构件较软的升高温度时不改变形状。 [0012] 另一方面，构件优选地不非常迅速地冷却，也就是说，淬火，因为淬火可使材料温度突变而发生裂纹。 [0013] 用于热浴液浸入以达到粘合的优选范围是在大约75℃和90℃之间。冷却浴液优选为处于室温或以上，例如，冷却浴液具有在大约25℃和35℃之间的优选温度。 [0014] 优选地，构件具有匹配形状，也就是说，阳性和阴性构件，以便在第一和第二构件之间发生紧密接触。 [0015] 在优选布置中，陶瓷构件的形状是自对中的。 [0016] 构件可插入到相应的浴液中，或者可能期望在将浸入浴液引到部件的同时保持组装部件静止。 [0017] 通过这种方式将两个或更多个构件结合到一起的合成体或最终部件是目前已知的使合成产品不具有可见分型线的唯一方法。 [0018] 制造工艺大大简化。总时间和步骤数都减少。 [0019] 该工艺不局限于圆柱形状或空心管，因此有利于扩展用于不能作为单一件模制的各种设计和复杂几何形状的可能性。 [0020] 该工艺还具有吸引力，这是因为它是廉价的，使用相对安全的材料(水)，并可大量地实施。 [0021] 成品的尺寸精度和工艺的可重复性也看似优于其它方法。 [0024] 图2是分开模制的第一和第二构件或部件的纵向截面图。 [0025] 图3示出使其接触或邻接并组装到一起的第一和第二构件。 [0026] 图4是类似于图3并示出均匀加热组装构件以使第一和第二构件联接到一起的视图。 [0027] 图5示出在它们从图4的浴液中移开后的组装构件。 [0028] 图6示出将图5的组装构件插入到冷却浴液中。 [0029] 图7示出一旦从图6的浴液中移开的组装构件的正视图。 [0030] 图8示出设置在第一和第二构件上的联接表面的不对称布置。 [0031] 图9是当组装时形成椭圆形状的第一和第二构件的截面图。 [0032] 图10和图11示出第一和第二生坯陶瓷构件的联接表面的改进轮廓。 具体实施方式[0033] 用于陶瓷金属卤化物(CMH)灯的标准结构包括三件式陶瓷构件，其中挤压成形的主体管在任一端通过注射模塑件覆盖。所需的密封在模制的支腿部分和中心的管形部分之间获得，尤其是当脱粘和烧结已经完成时。例如，弧管优选地包括在烧结前具有大约2 99.98％的纯度和大约2-10m/g的表面积的氧化铝(Al2O3)。氧化铝粉末可掺有氧化镁以禁止晶粒成长，例如以等于大约0.03-0.2％的量，优选地大约0.05％的氧化铝的重量比。可使用的其它陶瓷材料包括非反应性耐高温氧化物和氧氮化物，诸如氧化钇、氧化镥和氧化铪，以及它们与铝的固溶体和化合物，诸如钇-铝-石榴石和氧化铝氧氮化物。可独立或联合地使用的粘合剂包括有机聚合物，诸如多元醇、聚乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、纤维素酯和聚酯。然而，将理解的是，这些仅仅是代表性材料，本公开不应局限于这些材料或取值范围。 [0034] 在图1中示出的是具有包括第一和第二电极104，106以及填充材料的放电室102的代表性放电灯100。电极联接到导体108，110以便跨过电极施加电势差。在操作时，在陶瓷金属卤化物(CMH)领域中熟知，电极104，106产生使填充材料电离以在放电室102中产生等离子体的弧。由等离子体产生的光的发射特性取决于例如填充材料的成分、跨过电极的电压、放电室中的温度分布、放电室中的压力以及放电室的几何形状。对于CMH灯，填充可典型地包括汞(Hg)、诸如氩或氙(Ar或Xe)的稀有气体以及诸如NaI，TiI，DyI3的金属卤化物的混合物。对于高压钠灯，填充材料典型地包括钠(Na)、稀有气体和汞(Hg)。其它填充材料在本领域也是熟知的，本发明被认为适用于与任何这些认识的可电离材料一起操作。 [0035] 放电室包括中心体部分120和本文示出为从中心体部分的轴向相对端延伸的第一和第二支腿部分122，124。各电极连接到在穿过各自支腿部分122，124形成的相应孔126，128内接收的导体的一个上。典型地，电极104，106是钨，并且导体包括铌和钼，其有利地具有接近于氧化铝的热膨胀系数的热膨胀系数以减小氧化铝支腿部分上的由于热导致的应力。放电室的主体部分120典型地是大体圆柱形。实例性尺寸陈述在共有的美国专利NO.6,346,495中，其公开通过引用结合到本文中，但是这些仅仅是实例，并且将理解的是，另外其它的灯布置(例如非圆柱形的)被设想属于本公开的范围和意图内。 [0036] 图2示出处于间隔关系的第一和第二构件，并表示构件可例如通过注射模塑或模压操作或在本领域中已知的适合的成形技术单独模制。第一构件140包括具有穿过其中的孔126的支腿部分122，该孔与处于一端的扩大的局部圆柱形部分142连通，尤其与从第一构件的终端146向内延伸的凹入部分144连通。将要理解的是，当烧制时，构件的支腿形成放电灯的支腿122，而圆柱形部分142形成放电光源100的中心体部分120的部分120a。第一构件140，其也将被称为第一生坯陶瓷构件，包括联接表面，尤其是阳性联接表面148。在该第一优选布置中，阳性联接表面148是被精确地设定尺寸的圆锥形区域或渐缩形，但是可使用其它阳性几何形状而未脱离本公开的范围和意图。优选地，几何形状是在整个联接表面上延伸的，即从内表面或内径到外表面或外径延伸的具有平滑轮廓的连续表面。 [0037] 第二生坯陶瓷构件150同样具有带有穿过其中的孔128的空心圆柱形部分或支腿124，该孔从第二构件的一端连通到另一端上的扩大的局部圆柱形部分152，尤其是连通到在局部圆柱形部分上从相对的终端156轴向向内延伸的凹坑154。第二生坯陶瓷构件具有联接表面，尤其是阴性联接表面158，其在本实施例中假定是用于匹配地接收第一构件140的阴性渐缩形或圆锥形表面。再次，阴性表面的几何形状优选为在整个联接表面上延伸的，即从内表面或内径到外表面或外径延伸的具有平滑轮廓的连续表面。模制构件140，150被精确地设定尺寸，以便构件在如图3所示地装配到一起时，第一构件部分地接收在第二构件内，即阳性和阴性联接表面彼此对齐和匹配。换言之，当如图3所示地组装时，第一和第二生坯陶瓷构件140，150沿着联接表面148，158匹配。 [0038] 阳性和阳性联接表面的圆锥形几何形状是期望的，因为它是自对中的。然而，将理解的是，可使用另外其它的几何表面，优选地使用协作的阳性和阴性联接表面，以提供组装的便利并且优选地还可结合对齐功能。 [0039] 将理解的是，第一和第二构件140，150各单独地形成或模制。也就是，多个构件(取决于模腔，阳性构件和阴性构件)可同时在同样的模具中形成，并因此可由同样的材料和在同样的成型条件或参数下模制。因此，第一和第二构件的几何形状可以是不同的，但是在其它方面构件大体由相同的材料形成并且在相似的条件下形成。如图3所示，然后使这些构件形成紧密接触或邻接关系。通过以竖直方式对第一和第二构件进行定向，协作的圆锥形联接表面148，158的自对中特征有利地用于自对中和对齐用于生坯粘合的构件。优选地，构件不被迫使到一起或者扭转成配合关系，并且同样地在构件之间不期望干涉配合而是第一构件简单地设置成与第二构件处于邻接关系。同样地，由于两个构件的阳性和阴性的匹配关系，哪个构件在上哪个构件在下是无关紧要的。 [0040] 如上所述，第一和第二构件各优选为混合有蜡的氧化铝粉末，其中蜡充当粘合剂。因此，当构件加热时，蜡熔化并通过毛细作用引出或蒸发。为了完全移除蜡，将构件放入缓慢升高温度的炉子中，蜡转化成液体并蒸发掉，因此使期望的粉末构件形成期望形状。然而，认为在该炉子工艺期间，构件的材料可遭受相当虚弱的状态，一部分在另一部分上的重量有时可导致可有助于最终组装主体中的裂纹的楔入作用。也就是说，第一和第二构件在生坯粘合发生前一个构件可在另一个构件上方滑动。因此，发现在组装构件置于炉子中之前使构件粘合到一起而没有楔形或一个构件在另一个构件上方的相对过多的滑动可消除裂纹。 [0041] 图3的组装构件受到均匀加热，优选地组装构件的整体的均匀加热，以在组装构件插入到用于脱粘和烧制的炉子中之前使第一和第二构件联接到一起。因此，如图4所示，均匀加热整个组装构件的优选方式是将组装构件浸入到加热浴液170中。这里，图4的加热浴液170优选为热水172，这是因为水是良好的传热介质，在商业环境中使用是廉价的，并且是还允许该工艺大量地进行的相对安全的材料。当然，将认识到的是，可使用其它液体，然而，其它液体可能为制造工艺增加不期望的复杂性。尤其，图3的组装的第一和第二构件优选地浸入或完全插入到加热浴液中(图4)。优选的温度范围是在大约75℃到90℃之间，并且组装构件浸入到热浴液中达短的时间段，例如十(10)到二十(20)秒的数量级。组装构件相对迅速地加热，更重要地，在构件有机会不利地移动之前(成楔形或从图3的接触关系彼此相对过多地滑动)，构件在其相对的组装位置结合到一起。 [0042] 其次，如图5所示，组装构件从热浴液中移除。将理解的是，构件在浸入到热浴液中的短时间段内在界面处结合。然而，同样重要的是，将组装的、结合的构件插入到冷却浴液180中(图6)。再次，优选地，组装构件的整体被均匀冷却。此外，水182是优选的冷却浴液，冷却浴液温度可从大约室温或稍微超过室温分布。也就是说，冷却浴液的优选温度范围是大约25℃到35℃，但是这个范围可根据所使用的特定的蜡配方而变化。同样地，在冷却浴液中的时间可变化，但可以是大约十秒或更多秒，对该范围没有实际的上限。冷却浴液使结合的构件硬化到一起，因此，部件在脱粘之前有利地结合。随后，组装构件被脱粘，然后结合的构件经过在本领域熟知的烧制工艺。图7的合成产品或部件示出在组装的第一和第二构件之间的界面处的分型线基本上消除(注意截面)。同样地，在最终部件中发生裂纹的问题也通过该生坯联接工艺有利地克服。 [0043] 初期试验也显示生坯构件的这种结合的强度并没有显著地不同于它们模制品的强度。也就是说，由于在将联接构件转换成成品的炉子中的烧制工艺，主体变得更硬并转换成陶瓷。尽管可能预期最终部件将预计在成品中的联接处破裂，但是初期试验表明情况不是这样的。相反，支腿实际上比结合区域更脆弱，并且将看似表明结合区域起作用好像组装构件是一个部件。成品的后续检验显示分型线或分型面基本上消失。也就是说，在热/冷水处理之后，不存在单独的构件140和构件150，相反，存在生坯结合构件，即使在图7中示出了线，以例如显示最初存在两个构件。 [0044] 还将理解的是，不期望允许组装构件在从热水中移除后自己冷却。允许延长的时间段进行冷却不期望地提供在升高的温度处的足够时间，其中构件可允许变形(例如，成楔形或从图3的它们各自最初的接触位置彼此不利地滑过)。因此，冷却浴液有助于生坯联接构件的硬化。优点是组装构件在构件改变形状之前迅速结合。当在升高的温度时，构件是软的。然而，在室温时可处理联接的构件。 [0045] 联接的构件还可非常迅速地冷却。也就是说，如果淬火，热应力有助于烧制部分中的裂纹的产生。因此，优选的是，冷却生坯联接构件而不是使这部分淬火，因为淬火可能有助于材料的冲击。 [0046] 图8示出可使用其它的阳性和阴性构造，并且进一步，该构造不必必须是对称的。因此，不对称的阳性和阴性构件184，186以组装的关系在图8中示出。优选地，可使用允许构件形成靠近或紧密接触的任何阳性和阴性布置。 [0047] 图9还示出构件不局限于传统的圆柱形形状。也就是说，中心体部分可以是椭圆体190或另外其它的期望构造，并可包括容纳不同类型的陶瓷构件或灯构造的各种形状。本领域技术人员将理解的是，只要第一和第二构件可邻接在一起，在仍然允许在其生坯状态下的两个模制陶瓷构件之间的结合的同时，可实现更加复杂形状的商业制造。还将理解的是，这些附图表明联接陶瓷构件不必必须用于仅仅形成图1所示类型的放电灯，而可用于例如具有轴向向外延伸的第一支腿192和从放电空间轴向向外延伸的第二支腿194的各种灯。因此，设想需要有效地联接生坯陶瓷构件的另外其它的最终用途。 [0048] 图9，10和11示出可使用界面或联接表面的另外其它的设计。这里示出的是被称为由联接表面196，198构成的曲线或S形。这些联接表面的匹配构造提供构件的期望对齐。这些联接表面优选为连续的平滑轮廓，其在联接表面的整体上方延伸，以允许在其间的邻接，而没有任何间断性或干涉配合，该间断性或干涉配合可不利地引起可在最终联接构件中导致裂纹的力。 [0049] 总之，获得了一种用于在其生坯状态下结合两个模制陶瓷构件而不在联接处导致普遍遭遇的裂纹问题的可行方法。第一和第二构件组装在一起，并可具有带有在一度数量级上的锥体和大约0.0016”的干涉配合的联接区域，即基本上完全没有干涉配合，以便在邻接构件之间没有变形产生。优选地，使用诸如圆锥形匹配表面的优选几何形状。将组件小心地降低进入到加热的水浴液中(或者加热的水浴液可引到组件上方以限制组装构件的移动)。因为蜡粘合剂系统在大约80℃的温度时变软和变粘，以及因为浸入到加热浴液中使材料迅速达到这种状况，所以部件在有机会滑动和开裂之前结合在一起。并且，因为模制品非常精确并且上述结合方法动作迅速，所以尺寸精度和可重复性优于其它方法。 [0050] 在加热后，部件浸入到冷却浴液中以使材料再次硬化用于转移到脱粘步骤。获得的密封所必需的成功结合的部件在少于三十(30)秒内完成。该工艺是廉价的，使用相对安全的材料(热水和冷水)，并且可大量地实施。不需要在匹配部件中的干涉，而仅仅需要模制表面的紧密接触。 [0051] 该工艺也适合于高性能灯设计，尤其是CMH灯。本公开通过减少总时间和步骤数来简化制造工艺。该工艺使得原本不能作为单一件进行模制的更复杂的陶瓷构件的构造得以实现。该工艺还可用于仅仅超出照明行业中的陶瓷操作的各种陶瓷操作中。 |
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