Filament pour lampes électriques à incandescence et autres applications analogues. Les filaments pour lampes à incandes cence et, autres applications analogues, telles que, par exemple, les tubes à décharge d'élec trons ou tubes à rayons X etc., qui durant leur fonctionnement normal sont maintenus à des températures élevées, se volatilisent graduellement et.
finissent par devenir inu- tilisables lorsque leur usure à atteint un de gré excessif ou lorsque le filament se rompt ensuite d'une perte de matière excessive. Dans les lampes à incandescence et en par ticulier, tant dans les lampes à incandes- cence à vide due clans les lampes à gaz, le tungstène est employé universellement pour former ces filaments.
L'objet de la présente invention est un filament en tungstène pour lampes électri ques à incandescence et autres applications analogues où il est destiné à fonctionner à haute température, dans lequel la tendance (lu tungstène à se désagréger et. à se vola tiliser par suite de la température élevée est réduite et dans lequel il ne se produit pas d'irrégularités d'épaisseur.
Ce filament de tungstène renferme une quaci'ité appréciable de fer, mais pas davan- tage que 1 () (le son poids total, ledit fer étant combiné de telle manière avec le tungs- lèiic, due la structure çristalline du filainetit e-t îc train fin mènie après avoir été soumis lon.;tenips à des températures élevées..
Des corps filamentaires établis, suivant l'invention po(irroiit conséquèminent avoir, clans leur emploi, soit une plus longue durée, si la température de marche reste la température liabiiuelle, soit un fonctionnement plus effi cace, c'est-à-dire à température plus élevée, sans raccourcir la durée du fonctionnement,, oii, si on le désire, ils pourront donner un effet tëiiant à la fois de l'un ou l'autre de ces deux avantages.
On sait, qu'il a. déjà été proposé d'ajouter nu tungstène quantités de matières telles que le fer. le nickel, l'uranium ete., mais ces additions ont pouf- diverses raisons manqué (le produire une amélioration clans la durée du fonctioimenient *oit clans l'efficacité (le la matière lors (le son emploi comme conclue- teu.r incandescent. Ainsi, par exemple,
il a été proposé d'ajouter 5 'et davantage (le fer au tungstène comme métal auxiliaire clans la fabrication (les filaments, le fer étant. éliminé après coup.
Il a été trouvé néanmoins, à la suite (le longues recherches, que clans le cas du fer, un filament considérablement amélioré peut être obtenu en produisant une combinaison ou peut-être une solution solide du fer et clic tungstène, de nature telle que le fer coristi- t.ue seulement une proportion extrêmement petite du tout.
Quand les filaments ;ont faits par le procédé de compression de la matière à l'état pâteux à travers une filière, il a été trouvé due les résultats les meilleurs sont obtenus avec des mélanges, contenant. primitivement environ '(, à 1 t en poids de fer. Après traitement des filaments obtenus avec ce mélange clans un récipient ac.l hoc pendant un temps considérable à environ ?9.00 C, les deux métaux se combinent, de manière à former un alliage ou une solution solide plus ou moins permanente.
Durant ce traitement et avant que la combinaison (lu fer avec le tungstène soit complète, une grande parue du fer primitivement introduit est volatilisée. Ainsi, après un traitement par la chaleur, qui clans certains cas a duré ,jus qu'à 15 heures, on aetrouvé que la terreur en fer avait baissé jusqu'à environ 0;? ,,. Le traitement par la chaleur produit par con séquent une réduction de la teneur primi tive en fer.
En fabriquant (les filaments par le pro cédé de la. compression d'un mélange, pâ teux à travers une filière. on peut em ployer une des méthodes bien connue, le procédé à. l'amalgame, par exemple, dans le quel les poudres métalliques mélangées sont amalgamées avec un alliage de mercure, de bismuth et, de cadmium,
ou l'ou peut eni- ployer le procédé à la filière clans lequel on se sert commei liant d'une solution de cellaïdine (préparation de nitro-celluloseï clans l'amylacétate et l'huile (le ricin. Dans le procédé à l'amalgame la cuisson du fila ment obtenue à la filière a lied flans le vide. (le la. manière usuelle, tandis que dans le procédé à la celloidine elle a lieu clans l'hy- firogène.
.-1u lieu d'employer le procédé à la filière pour former les corps. filamentaires, on peut. recotiril- à un procédé d'étirage par travail mécanique tel que celui (lu brevet suisse 1V" 5i036. 1-orsque cet, étirage est employé, on ajoute la poudre de fer à la poudre (le tungstène et on mélange les deux poudres (lan#4 un agiteur rotatif et le mélange en résull.ant est comprimé (le la manière usuelle =eus forme de tige et ensuite cuit.
et por'Lé après à incandescence élevée par le passage d'un: courant électrique à travers la tige dans une atmosphère d'hydrogène.
Le traitement par la clraletll' pour l'amal- ganta.tion convenable du fer et du tungstène est obtenu dans ce cas clans la bouteille de traitement pendant le traitement de la tige flans l'atmosphère d'hydrogène. Comme ce traitement. a nécessairement lieu à une tem- l:
éraiure très élevée pour consolider la ma tière (le la tige, il faut clans ce cas introduire primitivement davantage de fer pour com penser la plus. grande perte en fer par vola- tilisat.ion. Ainsi, au lieu de partir, par exem- plci (le '!2 % de fer, comme c'est indiqué clans le cas où est employé le procédé à la filière, il y a lieu d'ajouter au mélange avec lequel 1a tige est faite, environ 2 % de fer.
Après que la tige a été soumise au traite ment par la chaleur clans la bouteille de traitement. à atmosphère d'hydrogène, la te neur en fer se trouve réduite à environ U.1 ,ô. 1-,es tiges ainsi produites sont étirées en fils par un procédé d'étirage semblable à. celui employé pour l'étirage (les fils de tungstène.
Lorsque les corps filamentaire.s sont. faits comme décrit ci-dessus et contiennent les faibles tëneurs en fer stipulées, le fer y est probablement dans un état de combinaison particulièrement stable et ces corps sont ca pables de fournir des résultats bien siipè- rieurs à ceux obtenus avec les filament ordinaires en tungstène.
Ainsi, par exemple, lorsque ces filaments améliol é:s mil assez longtemps fonctionné à une efficacité égale à celle des lampes à incandescence générale- aient usitées actuellement pour présenter un pouvoir éclairant se trouvant réduit à 80 % de leur pouvoir éclairant initial, on constate une augmentation de la durée de fonctionneraient d'environ 30 /o,
tandis (lue la durée (lu fonctionnement du filament jus qu'à usure complète est à peu près le dou ble de celle des filaments (le tungstène or dinaires. Lorsque les filaments améliorés fonctionnent comme filaments de lampes remplies de gaz telles que celles inventées par le Dr. J. Langmuir, leur durée de fonc- lionnement jusqu'à usure complète est de plus de 60 ô plus longue que celle des fila ments (le tungstène ordinaires.
Si le filament renferme plus de 1 '% (le fer-, la durée (le son fonctionnement est abrégée et. au fur et à mesure que le pour centage en fer est augmenté, la durée du fonctionnenierit jusqu'à usure complète de viendra plus courte pour tomber même air- dessous (le celle des filaments de tungstène ordinaires, tandis qu'en augmentant encore davantage la teneur en fer, le point. de fu sion du filament peut arriver à être abaissé ,jusqu'au-dessous de celle correspondant au fonctionnement normal du filament. Quand la teneur en fer du filament est beaucoup inférieure à 0,1 %, il n'y a plus aucun effet utile appréciable à en attendre.
Il s'ensuit que. les effets de l'invention sont, obtenus avec. seulement de très faibles quantités de fer, le fer étant. clans ces conditions en com-. binaison stable avec le tungstène, ce qui ré duit considérablement la tension (le vapeur ou la tendance du filament. à s'user à tem pérature élevée comparativement, aux fila- ineiils (le tungstène ordinaires.
Le point de fusion (lu filament contenant du fer est lé gèrement abais.séi par rapport à celuii du tungstène, 'nais comme la température de fonctionnement du filament est, même dans une lampe remplie de gaz, bien au- dessous (lu point de fusion de l'alliage, cette réduction est sans conséquence.
f.orsque le filament est produit par éti- rage. il a été trouve que l'emploi du fer a un important, effet en empêchant ou rédui sant les irrégularités d'épaisseur du fila ruent.
Les dimensions (les cristaux clans les fila- nients de lampes, aprës un essai de dura- bilité de ces filaments, on été reconnue être les plus grandes dans les filaments ne renfermant point de fer et les plus pe tites clans les filaments renfermant une te neur en fer d'environ 0,1 %.
En augmentant la teneur en fer, la di mension du cristal ou du grain augment pi ogressivement jusqu'à ce que la terreur en fei- soit arrivée à environ 1 %, à laquelle le cristal en grain devient à peu près aussi gros due celui (lu tungstène ne renfermant point. de fer.
Cette même variation dans la grandeur (lu. cristal du filament renfermant clui fei- clans les limites indiquées se présente à l'origine clans. les filaments, immédiatement après leur préparation, et. pour n'importe duel pourcentage (le fer la grandeur du cristal ne varie que légèrement, du rant l'existence du filament, et il a été trouvé qu'elIe n'augmente que légère ment, par exemple clans.
des filaments en lisage durant 4000 heures dans l'argon à 2600 " C. Ce maintien de petits cristaux em pêche la formation de grands plans de cli vage intercristallins transversalement au filament et réduit conséquemment la ten- clarrce correspondante du filament à subir (les irrégularités d'épaisseur pendant le fonctionnement.
De plus, comme une petite dimension des cristaux ou un grain fin est généralement associé à. une plus grande ré sistance à la tension, et à une plus faible fragilité, ces filaments établis suivant l'in- venlion et renfermant moins de 0,? % de fer montrent une résistance= et une rigidité extraordinaires.
Les petits cristaux signalés se présentent tant: clans les filaments formés à la filière due clans les filaments étirés mécanique ment et il est. possible que ce fait est, de quelque manière connexe avec la tension de vapeur réduite de la matière, lorsqu'elle est employée comme filament pour lampes à incandescence ou clans les autres applica- tions où la matière doit fonctionner à tem pérature élevée. La dimension plus petite des cristaux est une preuve de la moindre tension superficielle et cela est un phéno mène qui, comme dans le cas de mélanges liquides, est en connexion avec la décrois sance de la tension de vapeur.
La volatili sation d'un métal suit l'équation de Nernst et. dépend par suite de la constante chimi que du métal et de sa chaleur de vaporisa tion. Cette dernière dépend des forces molé culaires clans le métal et la tension intérieure qui tend à empêcher la séparation des molé cules.
Puisque l'addition d'un autre métal au tungstène peut, si le métal est convenable- ment choisi, avoir pour effet de changer les constantes chimiques et la chaleur de vola- . tilisa,tion du tout, cette hypothèse peut être considérée comme montrant, sous leur vrai joui, les résultats obtenus par l'addition d fer au tungstène.
Filament for electric incandescent lamps and other similar applications. Filaments for incandescent lamps and other similar applications, such as, for example, electron discharge tubes or X-ray tubes etc., which during their normal operation are maintained at high temperatures, gradually volatilize. and.
eventually become unusable when their wear has reached an excessive degree of willingness or when the filament subsequently breaks from excessive loss of material. In incandescent lamps, and in particular both in vacuum incandescent lamps due to gas lamps, tungsten is universally used to form these filaments.
The object of the present invention is a tungsten filament for electric incandescent lamps and other similar applications where it is intended to operate at high temperature, in which the tendency (tungsten to disintegrate and consequently to fly) high temperature is reduced and in which there are no irregularities in thickness.
This tungsten filament contains an appreciable amount of iron, but not more than 1 () (its total weight, said iron being combined in such a way with the tungsten, due to the crystalline structure of the thread and its train. end after being subjected to high temperatures for lon.; tenips.
Filamentary bodies established, according to the invention po (it is therefore important to have, in their use, either a longer duration, if the operating temperature remains the usual temperature, or a more efficient operation, that is to say at higher temperature without shortening the operating time, where, if desired, they may give a mitigating effect of both of these two advantages.
We know he has. already been proposed to add bare tungsten amounts of materials such as iron. nickel, uranium were., but these additions have for various reasons failed (to produce an improvement in the duration of the operation * or in the efficiency (the material during (its use as concluded- teu.r incandescent So, for example,
it has been proposed to add 5 'and more (iron to tungsten as an auxiliary metal in the manufacture (filaments, iron being removed afterwards.
It has been found, however, as a result of extensive research, that in the case of iron, a considerably improved filament can be obtained by producing a combination or perhaps a solid solution of iron and tungsten click, of such nature as iron coristit.ue only an extremely small proportion at all.
When the filaments have been made by the process of compressing the material in a pasty state through a die, it has been found due the best results are obtained with mixtures, containing. originally about '(, to 1 t by weight of iron. After treating the filaments obtained with this mixture in an ac.l hoc container for a considerable time at about? 9.00 C, the two metals combine, so as to form an alloy or a more or less permanent solid solution.
During this treatment and before the combination (iron with tungsten is complete, a large part of the iron originally introduced is volatilized. Thus, after heat treatment, which in some cases lasted up to 15 hours, The iron terror was found to have dropped to about 0 ° C. Heat treatment consequently produced a reduction in the original iron content.
In making (the filaments by the process of compressing a pasty mixture through a die, one can employ one of the well known methods, the amalgam process, for example, in which the. Mixed metal powders are amalgamated with an alloy of mercury, bismuth and, cadmium,
or or can employ the die process in which a cellaidin solution is used as a binder (preparation of nitro-cellulose in amylacetate and oil (castor oil). amalgamates the baking of the filament obtained in the die in a vacuum (the usual way, while in the celloidine process it takes place in the hy- firogen.
.-1instead of employing the die process to form the bodies. filamentary, we can. recotiril- to a stretching process by mechanical work such as that (see Swiss patent 1V "5i036. 1-When this, stretching is used, the iron powder is added to the powder (tungsten and the two powders are mixed ( In # 4 a rotary stirrer and the resulting mixture is compressed (in the usual way = rod-shaped and then cooked.
and carried afterwards to high incandescent by the passage of an electric current through the rod in an atmosphere of hydrogen.
The crystalline treatment for the proper amalgamation of iron and tungsten is in this case obtained in the treatment bottle during the treatment of the rod in the hydrogen atmosphere. Like this treatment. necessarily takes place at one time:
very high erosion to consolidate the material (the stem, in this case it is necessary in this case to initially introduce more iron to compensate for the greater loss of iron by volatilization. Thus, instead of leaving, for example, plci (the! 2% iron, as indicated in the case where the die process is employed, it is necessary to add to the mixture with which the rod is made, about 2% iron.
After the rod has been subjected to the heat treatment in the treatment bottle. in a hydrogen atmosphere, the iron content is reduced to about U.1, ô. 1-, The rods thus produced are drawn into threads by a drawing process similar to. the one used for drawing (the tungsten wires.
When filamentary bodies are. made as described above and contain the stipulated low iron contents, the iron therein is probably in a particularly stable state of combination and these bodies are able to give results much different from those obtained with ordinary tungsten filaments. .
Thus, for example, when these améliolé filaments: s mil long enough operated at an efficiency equal to that of general incandescent lamps - were used at present to present a lighting power being reduced to 80% of their initial lighting power, we find an increase in the duration of would work of about 30 / o,
while the duration of the operation of the filament until complete wear is about twice that of the ordinary tungsten filaments. When the improved filaments function as filaments of gas-filled lamps such as those invented by Dr. J. Langmuir, their service life to complete wear is more than 60% longer than that of ordinary tungsten (tungsten.
If the filament contains more than 1% (the iron, the duration (its operation is shortened and. As the percentage of iron is increased, the duration of operation until complete wear will come more). short to fall even air below (the that of ordinary tungsten filaments, while by further increasing the iron content, the melting point of the filament may get to be lowered, to below that corresponding during normal operation of the filament When the iron content of the filament is much less than 0.1%, there is no longer any appreciable useful effect to be expected.
It follows that. the effects of the invention are obtained with. only very small amounts of iron, being iron. under these conditions in com-. Stable binination with tungsten, which drastically reduces the tension (vapor or tendency of the filament to wear out at high temperature compared to ordinary tungsten filaments (tungsten.
The melting point (the iron-containing filament is slightly lower than that of tungsten, but since the operating temperature of the filament is, even in a gas-filled lamp, well below (the point of fusion of the alloy, this reduction is of no consequence.
f. when the filament is produced by stretching. it has been found that the use of iron has an important effect in preventing or reducing irregularities in the thickness of the filament.
The dimensions (the crystals in the filaments of lamps, after a test of durability of these filaments, have been recognized to be the largest in the filaments not containing iron and the smallest in the filaments containing a te iron neur about 0.1%.
As the iron content increases, the size of the crystal or grain increases gradually until the terror has reached about 1%, at which the grain crystal becomes about as large due to the one ( tungsten not containing iron.
This same variation in the size (the crystal of the filament enclosing it within the limits indicated) occurs originally in the filaments, immediately after their preparation, and for any two percent (iron the size of the crystal varies only slightly, depending on the existence of the filament, and it has been found that it increases only slightly, for example in clans.
smoothing filaments for 4000 hours in argon at 2600 "C. This maintenance of small crystals prevents the formation of large intercrystalline cleavage planes transversely to the filament and consequently reduces the corresponding tension of the filament to be subjected (the irregularities thick during operation.
In addition, as a small dimension of the crystals or a fine grain is usually associated with. greater resistance to tension, and lower brittleness, these filaments established according to invention and containing less than 0 ,? % iron show extraordinary strength and stiffness.
The small crystals reported occur both in the filaments formed in the spinneret due to the mechanically drawn filaments and is. possible that this fact is, in some way related with the reduced vapor pressure of the material, when it is employed as a filament for incandescent lamps or in other applications where the material is to be operated at elevated temperature. The smaller dimension of the crystals is evidence of the lower surface tension and this is a phenomenon which, as in the case of liquid mixtures, is related to the decrease in vapor pressure.
The volatilization of a metal follows the equation of Nernst et. therefore depends on the chemical constant of the metal and its heat of vaporization. The latter depends on the molecular forces in the metal and the internal tension which tends to prevent separation of the molecules.
Since the addition of another metal to tungsten can, if the metal is properly chosen, have the effect of changing the chemical constants and the heat of volatility. Using anything at all, this hypothesis can be considered as showing, in its true sense, the results obtained by the addition of iron to tungsten.