Doktori értekezés tézisei
Nagyintenzitású kisülőlámpák beforrasztásának és megbízhatóságának vizsgálata Tóth Zoltán Principal Engineer General Electric Hungary ZRt.
Témavezető: Dr. Juhász András Egyetemi Docens ELTE TTK Fizikai Doktori Iskola Vezető: Dr. Horváth Zalán Anyagtudomány és Szilárdtestfizika program Programvezető: Dr. Lendvai János Eötvös Lóránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Anyagfizikai Tanszék, Fizikai Intézet Budapest, 2008
A kutatási téma előzményei és célkitűzése A nagyintenzitású kisülőlámpák napjaink egyik legfontosabb fényforráscsaládját alkotják. A családba tartozó lámpák igen széles skálán felelnek meg a különböző követelményeknek. A nagynyomású nátriumlámpák például akár 150 lumen/watt értéket is elérnek fényhasznosításukkal, a kerámiafémhalogén lámpák használata pedig kiváló színvisszaadást (akár 90 fölötti) biztosít. A nagyintenzitású kisülőlámpák szinte mindegyikére jellemző a megbízhatóan hosszú élettartam, korai meghibásodásuk száma csekély. Ez utóbbi különösen a közvilágítás területén fontos, ahol egyre inkább igény, hogy a költségek csökkentése és az egyenletes megvilágítás érdekében a lámpákat a várható üzemidejük vége felé egyszerre, csoportosan cseréljék és ne az eseti meghibásodások szerint. A lámpák átlagos várható élettartamának növelése, illetve a korai kiesők számának további csökkentése a lámpafejlesztők kiemelt feladata. Érdemes azt is hangsúlyozni, hogy a fejlesztésben nem csupán a gazdaságossági szempontok számítanak, de egyre nagyobb szerepet kap a környezetvédelem is. A lámpák élettartamának meghosszabbítása kevesebb visszaforgatandó hulladékkal, így kisebb környezetterheléssel jár. A lámpák megbízhatóságának növeléséhez a meghibásodás okainak feltárása, az odavezető folyamatok megismerése, és ezek alapján a termékfejlesztés optimalizálása a kiemelt feladat. A lámpák meghibásodásának okai közt az egyik leggyakoribb a kerámia égőtest és a fém árambevezető közötti kötés lyukadása. Ez a kötés egy speciális összetételű fémoxid keverék megolvadása és megszilárdulása révén jön létre. A megszilárdulás folyamán különböző
fázisok
alakulnak
ki
az
ipari
gyakorlatban
“zománc”-nak
nevezett
kerámiaanyagban. A kilyukadás folyamatát közvetlenül megfigyelni lehetetlen, okaira a hiba bekövetkezése után végzett anyagvizsgálatból következtethetünk. A feladat nem egyszerű, mert szinte minden feltárt hiba más. Olyan egyedi, véletlenszerűen fellépő eseményt kell tehát vizsgálni, amit nagyon sok külső-belső körülmény együttes hatása befolyásolhat. Ezek közül kell megkeresni a dominánsakat. Jelenlegi ismereteink szerint feltételezzük, hogy a zománc kilyukadásában döntő szerepe lehet az anyagban lévő mikrorepedéseknek. E mikrorepedések akár már a zománc megszilárdulása során képződhetnek, vagy a lámpa üzemelése során keletkeznek. A repedések kialakulása és a már kialakult repedések kiterjedése az anyagban ébredő lokális húzófeszültségek eredménye. Ilyen feszültségek forrása a lámpában tipikusan a hőtágulás. A makroszkopikus hőtágulás a zománc inhomogén mikroszerkezete miatt igen
1
különböző lokális feszültségértékeket eredményezhet. A problémát tovább nehezíti, amennyiben a bonyolult összetételű többfázisú zománc mikroszerkezete a lámpa üzemelése során változik. Ez a változás a lokális feszültségeket is változtathatja. A zománc lyukadásához vezető hatások, mikrofolyamatok vizsgálata fontos feladat a lámpafejlesztés szempontjából, de általános anyagtudományi szempontból is érdekes. Doktori munkám során döntően ez utóbbi megközelítésre koncentráltam. A munka fontos része a problémához illeszkedő vizsgálati módszerek megtalálása és egyéni alkalmazása, továbbfejlesztése. A zománc lyukadásának bonyolult problémája ugyanis speciális módszereket kíván, mivel a vizsgálandó zománc vastagsága a kerámia égőtest és az árambevezető fém közt tipikusan 50-100 mikrométer. A minták speciális volta miatt a fizikai anyagvizsgálat klasszikus mérési módszerei (pl. röntgendiffrakció, kalorimetria, dilatomeria, a törésmechanikában használatos három-, vagy négypontos hajlító vizsgálatok) nem alkalmazhatóak. Új tudományos eredmények és tézisek I. Alapkutatás 1. Kis méretű, akár pár 10 μm –szer pár 10 μm területű minta törésmechanikai tulajdonságainak vizsgálatára és repedékenységének jellemzésére alkalmaztam a korábban fél-makro méretekben használt repedésstatisztikai módszert. Kimutattam, hogy az általunk vizsgált módosított felületű síküveg, illetve zománc-anyagok esetén a repedési valószínűség a terhelőerő függvényében a mikro-tartományban elfogadható pontossággal leírható Weibull eloszlással. Kimutattam ugyanakkor, hogy a módszer erősen inhomogén térben korlátozottan alkalmazható. Ilyenkor a lenyomat körüli deformációs feszültségtér és az inhomogén belső feszültségtér véletlenszerű szuperpozíciója nagymértékben megnöveli a mérés hibáját. A mikrokeménységmérővel
végzett
vizsgálati
technika
–
a
vizsgálni
kívánt
anyag
tulajdonságainak függvényében - adaptálható ipari termelésben történő gyors minősítésre. A módszer a Vickers lenyomat sarkain kialakuló repedések kialakulásának valószínűségét adja meg a Vickers keménységmérő terhelőerejének függvényében. Adott terhelő erőnél a repedési valószínűséget nagyszámú lenyomat által keltett repedések számának és a potenciális repedési helyek (a sarkok számának) hányadosaként értelmeztük. A terhelőerőt változtatva (statisztikai elemzés alapján) a repedéskeletkezésre vonatkozó 2
eloszlásfüggvényt nyerjük, amelyre jól illeszthető a Weibull eloszlás. A vizsgált mintákban történő repedéskeltéshez szükséges terhelésektől függően egyszerű Vickers keménységmérő, mikro, illetve ultramikro-keménységmérő is alkalmazható, és alkalmas kisméretű, akár pár 10 μm –szer pár 10 μm területű minta vizsgálatára is. II. Alkalmazott kutatás 2. Alkáli-szilikátüveg lemezek felületét diffúziós módszerrel végrehajtott ioncserével, ionimplantálással, illetve a két kezelés kombinálásával módosítottuk. Kimutattam, hogy: 2a) Az ionimplantáció önmagában nem okozott kimutatható szignifikáns változást a Vickers keménység értékében, az ioncsere azonban növelte a keménység értékét. Az ioncserét követő ionimplantáció hatása függ az ioncsere mértékétől: kisebb mértékű ioncsere a Vickers keménység nagyobb mértékű csökkenését eredményezte. A jelenséget azzal magyaráztam, hogy az implantált Ar+ ion és az ioncserével bejuttatott K+ ion között kevésbé effektív az üvegbeli alkáli-oxigén kötések felszakításával járó úgynevezett elektronikus kölcsönhatás, mint az Ar+ ion és az eredetileg üvegalkotó Na+ ion esetében. Az általunk alkalmazott körülmények között a kombinált kezeléssel nem sikerült a keménység értékének növekedését elérni egyik önálló kezeléshez képest sem. 2b) Mind az ionimplantáció, mind pedig az ioncserés kezelés növelte a látszólagos törési szívósságot és a repedési ellenállás mértékét is a kezeletlen mintához képes, azaz csökkenttette a minta repedékenységre való hajlamát. Mindkét esetben a tapasztalt változásokért a minta belső feszültségeinek megváltozása, illetve a mikrorepedések eloszlásának változása a felelős. Mindkét önálló kezelés nyomófeszültséget kelt az anyagban. Az ionimplantáció esetében a keltett nyomófeszültség és a relaxációs mechanizmusok ellensúlyozzák a szerkezeti károsodás repedékenységre gyakorolt hatását. A relaxáció hatását a viszonylag magas hőmérsékleten végzett ioncserés eljárás esetében is figyelembe kell venni. Mindkét módszer ígéretes alkalmazási lehetőségeket kínál az üvegek repedékenységének csökkentésére. Az ioncserét követő implantáció csökkenti a látszólagos törési szívósságot, jelezvén, hogy utóbbi relaxálja az előbbi által bevitt nyomófeszültséget. 3. Transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálattal feltártuk, hogy a kisülőlámpák beforrasztásában a zománc anyagának - amit korábban üvegesnek (amorfnak) véltek jellegzetes fázisszerkezete van. Megállapítottuk, hogy a szerkezet mintegy 200 nm széles
3
lamellákból álló kristályos rétegekből áll. Ez összhangban van más, magas viszkozitású kerámiaolvadékok megszilárdulását az irodalomban leíró eredményekkel. 4. A kis térfogatú, néhányszor tíz-mikrométer vastagságú zománc-anyagok lokális mechanikai és törésmechanikai tulajdonságainak vizsgálatára a lámpákban sikeresen alkalmaztuk a mélységérzékeny Vickers ultramikro-keménység mérést és a repedésstatisztika módszerét. Megállapítottam, hogy: 4a) A párhuzamos lámpamintákon belül a mechanikai tulajdonságok (HV, E) eltéréseket mutatnak, egy mintában is megfigyelhetőek lokális különbségek. Az égetési idő függvényében vizsgálva a szerkezet tulajdonságait, megállapítottam, hogy a zománc mechanikai paraméterei az üzemidő növekedése során nem változnak számottevő mértékben. A zománc átlagos mechanikai tulajdonságai kis mértékben függnek a helytől, és ugyancsak kismértékben függnek az égetési időtől. Ezek az eltérések ugyanakkor nem valószínű, hogy befolyással vannak a lámpa megbízhatóságára. 4b) A beforrasztások feltárt csiszolataiban található, két jelentősen elkülöníthető fázis repedés statisztikával jellemzett repedékenysége eltérő. A minták repedésstatisztikával jellemzett repedékenysége a tartóségetés idejével változik. Ez a változás azonban függ a technológiai paraméterektől. 5. A Vickers fej okozta mikrorepedések számának, alakjának, hosszúságának elemzésével következtettünk a zománc belső feszültségállapotára. Megállapítottam, hogy: 5a) A henger-gyűrű alakú zománcrétegben jelentős belső feszültségek vannak, amik valószínűsíthetően a gyártási folyamat során kerültek az anyagba. Megfelelően orientált Vickers-nyomokból kiinduló anizotróp repedésekből arra következtettem, hogy a zománcban a henger sugarának irányában nyomófeszültség, a rá merőleges érintő irányában a hengepaláston pedig húzófeszültség hat. A vizsgált mintákban meghatároztam a két feszültség értékének arányát. 5b) A fent vázolt feszültségek relaxálódnak a lámpa tartóségetése során. A relaxáció mértéke függ a konstrukciótól és a gyártás körülményeitől. Feltételeztük, hogy a minta anizotróp belső feszültségállapota a gyártás beforrasztási folyamatában alakulhatott ki. A zománc megszilárdulása és a hűlése során jelentkező dilatációs különbségek belső feszültségeket keltenek. A feszültség tapasztalt anizotrópiáját végeselem modellezésünk is igazolta. A beforrasztás geometriájából következően az
4
árambevezető és a zománc határfelületén, illetve a zománc belsejében lévő feszültség változása hozzájárulhat a lámpa meghibásodásához. 6. Ionporlasztásos mélységi profilírozással kombinált röntgen fotoelektronspektroszkópiai méréssel feltártam a zománcpárolgás mértékét a lámpa készítése és tartóségetése során. Zománcpárolgást csak a készítés során tudtunk detektálni. Kimutattam, hogy a zománcpárolgás nincs befolyással a lámpa megbízhatóságára és fénytartására. III. Termékfejlesztés 7. A kutatás során szerzett ismereteket sikeresen alkalmaztam konkrét nagyintenzitású kisülőlámpa termékek kifejlesztésében. Kifejlesztettem egy új, 400 V-os hálózati feszültségről üzemelő új, növényházi alkalmazásokra optimalizált PSL (Photosynthesis Light, Fotoszintézis Fény) monolit konstrukciójú HPS lámpacsaládot. Kifejlesztettem a lámpacsalád 230 V-os hálózati feszültségű tagjait is. Mind a 400V-os, mind a 23V-os termékek esetében a 750 W típus csak a GE termékpalettáján érhető el. Ezeket a fényforrásokat kiemelkedő fotoszintetikus fényhasznosítás (PAR, Photosintetically Active Radiation), stabil égésfeszültség és kiváló fénytartás jellemzi.
Növényházi alkalmazásra optimalizált nagynyomású nátriumlámpa, a PSL család egy tagja.
A tézisehez közvetenül kapcsolódó publikációk: •
Z. Tóth, H. Lovas: Chemistry of material science phenomena in high intensity discharge light sources, Pure and Applied Chemistry 79 (10), 1771-1778, (2007)
•
Z. Tóth, A. Nagy, G. Steibach and A. Juhász: Investigation of indentation-caused cracking in surface-modified silica glasses, Materials Sciene and Engineering A 387-389 (2004) 542-545
•
Z. Tóth, G. Steibach and A. Juhász : Mechanical Properties of seals in High Pressure Sodium Lamps, Material Science Forum Vols 473-747 (2004), 483-488 5
•
Z. Tóth, Z. Koltai, G. Steibach, A. Juhász and K. Varadi : Residual stress anisotropy in high pressure sodium lamp seals, J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) 3047-3056
•
Magas hatásfokú, hosszú élettartamú, környezetbarát nagyintenzitású kisülőlámpák kifejlesztése, NKFP 3/016/2001 Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Project Kutatási részjelentései (1.-6.) és Végjelentése. Összeállította: Tóth Zoltán Konzorciumvezető. Budapest, 2002-2005
Egyéb, a nagyintenzitású kisülőlápák kutatásához, fejlesztéséhez és alkalmazásához közvetenül kötődő publikációk: •
H. Lovas, M. Tóth, J. Madarász, J. K. Josepovits, Z. Tóth: Reactions causing sodium loss in HPS lamps, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 79, 471-474 (2007)
•
H. Lovas, K. Josepovits, Z. Tóth, M. Tóth: The sodium transport in polycrystalline alumina, Material Science Forum Vols 537-538 (2007), 405-411
•
H. Lovas, K. Josepovits, Z. Tóth, J. Madarász: The Sodium Loss and Transport through the Walls of the Ceramic Discharge Tube of High Pressure Sodium Lamps, Material Science Forum Vols 514-516 (2006), 1363-1368
•
G. Dobos, Gy. Vida, Z. Tóth, K. Josepovits: AES investigation of inhomogenoues metalinsulator samples, Microscopy and Microanalysis 11 (2005), 567-571
•
I. Beck, V. K. Josepovits, J. Sneider, Z. Tóth: Investigation of electron emission properties of Ba-activated tungsten cathodes, J. Phys. D: Appl. Phys 38 (2005), 3865-3869
•
G. Dobos, K. Josepovits, Z. Tóth, I. Csányi, L. Kocsányi: Surface Analytical study of the Ceramic-Metal Bond in the Electrical Feedthrough of High Pressure Sodium Lamps, Light Sources - 11, Proc. of the 11th Intenational Symposium on the Science and Technology of Light Sources, Shanghai, China, 2007
•
H. Lovas, Z. Tóth, K. Josepovits, M. Tóth: Sodium Loss Processes in the Ceramic Wall of High Intensity Discharge Lamp Arc Tubes, Light Sources - 11, Proc. of the 11th Intenational Symposium on the Science and Technology of Light Sources, Shanghai, China, 2007
•
Tóth Zoltán: Nagyintenzitású kisülőlámpák alkalmazási ciklusa az alapkutatástól az üzemeltetésig, Világítástechnikai Évkönyv, 2006
•
Tóth Zoltán: Magas hatásfokú, hosszú élettartamú, környezetbarát, nagyintenzitású kisülőlámpák fejlesztése, Elektrotechnika, 99. évf. 4. szám (2006), 13 6
•
Tóth Zoltán: Fény az éjszakában : Nagyobb fényerő, jobb színvisszaadás, a gyártás során kevesebb
környezetszennyezés,
MTV
Delta
riportfilm,
2004/12/08,
http://www.mtv.hu/cikk.php?id=13230 Szabadalmak •
David O. Wharmby, Z. Tóth, I. Nagy: Electrodeless Fluorescent lamp having reduced runup time, Unites State Patent, Patent Number 5 767 617
•
Graham M. Forsdyke, Joseph D. Michael, Steve J. Everest, Joseph C. Borowiec, Z. Tóth : Amalgam positioning in an electrodeless fluorescent lamp, United States Patent, Patent Number 5 789 855
•
J. Sneider, J. Strok, I. Csányi and Z. Tóth, Sodium-Xenon lamp with improved characteristics at end-of-life, United States Patent, Patent Number 6 498 429 Tudományos intézetekben és konferenciákon tartott szakmai elõadások Meghívott előadások
• • •
Z. Tóth: Development of the High Intensity Discharge Lamps from the basic research to the operation, Balkan Light 4th Balkan Conference on Lighting, Ljubljana, Slovenia, 2008 Z. Tóth: Chemistry of material science phenomena in high intensity discharge light sources, High Temperature Material Chemistry XII, Vienna, 2006 Z. Tóth: High Temperature Materials in Novel Light Sources, Gordon Research Conference on High Temperature Materials, Waterville, Maine, 2004 Szóbeli és poszter előadások
• • • • • •
Z. Tóth: Future of the materials science researches in the High Intensity Discharge light sources, COST-529 Strategic Conference, Heraclion, 2006 Z. Tóth: Material Science Research in the High Intensity Discharge Lamps, Lumen V4, Balatonfüred, 2006 Z. Tóth: Fundamental data & processes related to the materials in light sources, COST529 Workgroup meeting, Mierlo, 2006 Z. Tóth, Z. Koltai, G. Steibach, A. Juhász and K. Váradi: Residual stress determination in High Intensity Discharge Lamp Seals, EUROMAT 2005, Prague, 2005 H. Lovas, V. K. Josepovits, Z. Tóth, J. Madarász: The sodium diffusion through the wall of the ceramic discharge tube of High Pressure Sodium lamps, EUROMAT 2005, Prague Tóth Zoltán: Feszültségi anizotrópiák és kötésállapot változások nagynyomású nátriumlámpák beforrasztásában, MTA Metallurgiai Bizottságának Kémiai Metallurgiai Albizottsága ülés, GE Hungary Rt., Budapest, 2005
7
