DE1154701B - Verfahren zum Verformen von Koerpern aus kristallinen, sproeden Werkstoffen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Verformen von Körpern aus kristallinen, spröden Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das gestattet, in sehr kurzer Zeit Stangen, Rohre, Leisten, Bänder oder ähnlich geformte Körper aus kristallinen, spröden Stoffen in einfacher Weise gezielt zu deformieren.
• Es wurde gefunden, daß sich Körper aus kristallinen, spröden Werkstoffen, z. B. Gußeisen oder Silicium, in sehr kurzer Zeit, z. B. in wenigen Sekunden, in erwärmtem Zustand des zu verformenden Bereiches mit einem anschließenden Abkühlen dadurch biegen, verdrillen, stauchen, dehnen und anderweitig bleibend verformen lassen, wenn der Körper im Verformungsbereich teilweise in seinem Querschnitt aufgeschmolzen wird.
• Das Verfahren ist anwendbar bei spröden Elementen, wie Germanium, Silicium, Bor, Antimon, Arsen, Wismut, Uran, bei allen spröden Verbindungen daltonidischer und nichtdaltonidischer Zusammensetzung, wie Siliciden, Nitriden, Boriden, Germaniden, Carbiden, Oxyden, keramischen Stoffen, organischen und anorganischen Halogeniden, Nitraten, festen Salzen allgemein, festen Stoffen, die keine eindeutige chemische Zusammensetzung besitzen, d. h. festen Konglomeraten und Mehrstoffsystemen, bei allen spröden Legierungen, vornehmlich bei Legierungen, die die Elemente Silicium, Kohlenstoff, Germanium, Indium, Aluminium, Arsen, Antimon, Wismut, Gallium, Thallium, Cer, Stickstoff, Phosphor und Uran enthalten, sowie bei Mineralien, wie z. B. Silikaten.
• Der im Innern der Schmelzzone verbleibende feste Kern richtet sich nach dem Querschnitt der zu deformierenden Stelle des Körpers sowie dessen Sprödigkeit. Bei großen Querschnitten und mittlerer Sprödigkeit läßt man einen festen Kern bzw. eine äußere feste Zone von etwa 10 bis 901% des ursprünglichen Querschnitts stehen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß nicht immer der feste Anteil von der Schmelzzone vollständig umhüllt sein muß. Beispielsweise bei Bändern erzeugt man nur auf einer Breitseite eine Schmelzzone und läßt auf .der anderen Seite einen dünnen Steg festen Materials stehen. Bei sehr kleinen Querschnitten und großer Oberflächenspannung des geschmolzenen Stoffes ist es nicht nötig, übertriebene Anforderungen an die Abmessungen des festen Kerns zu stellen, da das Verfahren auch dann durchführbar ist, wenn der gesamte Querschnitt aufgeschmolzen ist. So können 3 bis 6 mm dicke Siliciumstäbchen sehr rasch und ohne Abtropfen der Schmelzzone gebogen werden. Will man diese Arbeitsweise auch bei größeren Querschnitten anwenden, so ist es vorteilhaft, die Schmelzzone vor dem Abtropfen durch bekannte Vorrichtungen zu schützen. Dazu eignen sich elektromagnetische Stützfelder, betrieben mit Frequenzen von etwa 50 Hz bis etwa 100 Hz. Aber auch Halter, die unmittelbar die Schmelze berühren und diese in ihrer Stabilität bewahren, sind geeignet. Im einfachsten Falle lagert man das Werkstück beim Biegen so, daß die Schmelze nicht abtropfen kann. Die Stabilität der Schmelzzone wird erhöht, wenn man in Flüssigkeiten biegt, deren Dichte annähernd jener der Schmelze entspricht.
• Die in Celsiusgraden gemessene Temperatur des festen Kerns oder der .äußeren noch festen Zone liegt etwa 1 bis 20'11/a unterhalb des .Schmelzpunktes. Ist der Temperaturunterschied größer, so kann das Biegen nicht so rasch durchgeführt werden. Dies gilt auch für den Fall, daß beim Biegen keine schmelzflüssige Zone, sondern nur eine erhitzte erzeugt wird.
• Bei einer Reihe von Stoffen ist es nicht notwendig, eine Schmelzzone neben einem festen Kern zu erhalten. In diesem Falle ist es jedoch für eine schnelle Deformation notwendig, das Material bis knapp unterhalb des Schmelzpunktes zu erhitzen. Dabei rnuß darauf geachtet werden, daß der gesamte Querschnittdes Materials diese Temperatur vor .dem Biegen erreicht.
• Das Deformieren kann je nach Stoff in Luft, Schutzgas, Vakuum oder in einer die Deformation fördernden Flüssigkeit erfolgen. Bei Stoffen, die leicht verdampfen, ist es meist nötig, bei erhöhtem Druck zu arbeiten.
• Als umhüllende Gase, die als Schutzgase dienen können, eignen sich Wasserstoff, Stickstoff, Kohlensäure, Kohlenoxyd, Wasserdampf, Sauerstoff, Edelgase sowie geeignet zusammengesetzteGemische der genannten Gase sowie bei der Erwärmung entstehende Dämpfe. Dieser Fall trifft bei Stoffen zu, die 'bei der Erwärmung eine oder mehrere Komponenten abgeben, z. B. Antimon, Schwefel, Phosphor.
• Als Flüssigkeiten eignen sich Öle, Salzschmelzen und oxydische Schmelzen, wie niedrig schmelzende Gläser.
• Der Gasdruck in der Biegevorrichtung muß je nach Stoff oft eine bis mehrere Atmosphären betragen. Arbeitet man bei Unterdruck, so ist je nach Flüchtigkeit des zu biegenden Stoffes meist der Bereich von 10-1 bis 10-3 Torr ausreichend.
• Mit dem Biegevorgang kann gleichzeitig :das Eindiffundieren oder Zusetzen anderer Stoffe erfolgen und so eine Deformationsstelle erzeugt werden, die andere Eigenschaften als das Ausgangsmaterial besitzt. Das Zusetzen fremder Stoffe bzw. das Vergüten der Deformationsstelle kann mittels Gasen, Dämpfen oder festen Stoffen erfolgen. Oxydische Schutzschichten werden vorteilhafterweise mit Sauerstoff, der Zusatz von Phosphor mit Phosphorwasserstoff oder Phosphorchloriden, der Zusatz von Stickstoff mit Ammoniak oder Stickstoffgas, der Zusatz von Bor mit Bortrichlorid oder Borwasserstoff, der Zusatz von Schwefel durch Schwefelwasserstoff, Schwefeldampf oder schwefelhaltige Gase erreicht. Silizierungen führt man vorteilhafterweise mit Siliciumwasserstoffen, Siliciumhalogeniden, wie z. B. Siliciumchloroform, Siliciumtetrachlorid und Homologen, durch.
• Bei Halbleitern können allgemein Hydride oder Halogenide der genannten Stoffe bzw. dotierend wirkende Stoffe zum Verändern der Deformationsstelle in p- oder n -Leiter benutzt werden.
• Die Erhitzungsszone kann auch durch Zugabe fester Stoffe in ihren chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften verändert werden. Das Aufkohlen der Deformationsstelle oder Verwandeln in Carbide geschieht vorteilhafterweise mit Kohlenwasserstoffen, Öldämpfen oderelementarem Kohlenstoff.
• Die Änderungen der Eigenschaften der Deformationsstelle können auch durch flüssige, die Erhitzungsstelle berührende Stoffe geschehen. Arbeitet man bei vermindertem Druck, so können flüchtige Stoffe die Deformationsstelle verlassen. Dadurch erreicht man eine Reinigung und/oder eine Veränderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Deformationsstelle.
• Der Zusatz von Schutzgas hat nicht nur die Aufgabe, das Material vor Oxydation oder Zerstörung zu schützen. Es kann bei geeigneter Zusammensetzung reinigend wirken und aus der Deformationsstelle ausgedampfte, Stoffe abführen.
• Als Erhitzungsquelle eignet sich für metallartige Stoffe und Metalle vorteilhaft die induktive Erwärmung mittels elektrischer Hoch- oder Mittelfrequenz, vornehmlich das Gebiet von 1 kH aufwärts. Für Silicium, Germanium und Bor ist das Frequenzgebiet von 10 bis etwa 100 kH vorteilhaft anzuwenden. Es wurde gefunden, daß bei höherer Frequenz die Schmelzzone genauer in ihren Ausmaßen, insbesondere in ihrer Tiefe, eingestellt werden kann als bei tieferer.
• Bei nichtmetallischen Stoffen kann ebenfalls mit elektrischer Hochfrequenz erhitzt werden, wenn die Energie dem Werkstück kapazitiv zugeführt wird. In diesem Falle arbeitet man vorteilhafterweise im Gebiet von einem bis mehreren tausend Megahertz.
• Welche Art der Erwärmung benutzt wird, hängt vornehmlich von der Art des Stoffes ab, insbesondere davon, welchen Temperaturgang seine elektrischen Eigenschaften besitzen. So gibt es Stoffe, die bei Zimmertemperatur sich nicht induktiv erwärmen lassen, jedoch -bei erhöhter Temperatur dies tun. In diesen Fällen wird der zu deformierende Körper an der vorgesehenen .Stelle mit anderen bekanntn Mitteln bis zur Aufnahme der induktiven Leistung erhitzt.
• Es eignen sich ferner heiße, scharf gebündelte Gasstrahlen, so z. B. hocherhitzte Edelgase, Wasserstoff, Stickstoff sowie Gasstrahlen aus atomaren Gasen, wie z. B. atomarer Wasserstoff. Aber auch gewöhnliche, ausreichend heiße Flammen sind geeignet, wenn das Material durch die Gase der Flamme nicht verunreinigt oder verändert wird. Während der Erhitzung ist es günstig, das Werkstück zu bewegen, um die Oberfläche gleichmäßig zu erwärmen.
• Bei Stäben, Rohren, Bändern und ähnlichen Körpern läßt man das Werkstück beispielsweise um die Längsachse rotieren und benutzt eine ringbrennerförmige Erhitzungsvorrichtung.
• Das gilt auch für den Fall der Erhitzung mittels einer elektrischen Entladung, z. B. mittels eines Lichtbogens oder Glimmlichtbogens.
• Für eine Reihe von Stoffen eignet sich ferner die Erhitzung mittels Elektronenbombardement, Lichtenergie in scharf gebündelter Form oder gewöhnlicher Strahlungswärme.
• Die Erhitzung mittels Strahlungswärme ist einfach durchzuführen und eignet sich für alle genannten Stoffe. In allen Fällen kann die Erwärmung von einer oder mehreren Richtungen aus auf das bewegte oder ruhende Werkstück einwirken.
• Ein Weg, die Deformationsstelle ausreichend hoch zu erhitzen, ist die Erwärmung mittels direktem Stromdurchgang von Gleich- .oder Wechselstrom. Wird die Deformationsstelle ausreichend isoliert oder zusätzlich mit den bekannten Erhitzungsquellen erhitzt oder wärmeisoliert bzw. ihr Querschnitt kleiner als die anliegenden Querschnitte gewählt, so erhitzt sich die Deformationsstelle ausreichend hoch.
• Für viele Zwecke ist es möglich, einfach durch Abschalten der Erhitaungsquelle erstarren und abkühlen zu lassen. Bei besonders spannungsfreiem Material ist es jedoch vorteilhaft, m einem programmgesteuerten Kühlofen die Abkühlung durchzuführen.
• Der Erstarrungsvorgang kann so durchgeführt werden, daß :an der Deformationsstelle das Material nach dem Deformieren in einkristalliner oder polykristalliner Form vorliegt. Einkristallines Wachstum wird in bekannter Weise dadurch erreicht, daß man langsam erstarren läßt. Es wird weiterhin durch einen festen Kern oder einen außenliegenden festen Anteil begünstigt. Arbeitet man mit einem flüssigen Anteil, so kann der Deformationsvorgang gekoppelt werden mit einem Ansetzen eines neuen Werkstückes, z. B. Einführen eines Stabes in die erhitzte Zone und nachfolgendes Erstarrenlassen.
• So lassen sich aus einfachen Stäben z. B. stimmgabelähnliche Körper herstellen. Aber auch komplizierter aufgebaute Körper können so geformt werden.
• Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt Abb. 1 eine Biegevorrichtung unter Verwendung eines in einem Quarzrohr zugeführten Schutzgases, Abb. 2 das Quarzrohr, gesehen in Richtung A der Abb. 1, Abb. 3 den Biegevorgang eines Stabes mittels der Vorrichtung nach Abb. 1 in drei Stufen, Abb. 4 eine Hochfrequenzspule zum Biegen von Rohren.
• Die Biegevorrichtung nach Abb. 1 dient zum U förxnigen Biegen eines runden, 1 m langen und 10 mm dicken Siliciumstabes 1 hoher Reinheit (100 Ohmzentimeter). Der Siliciumstab 1 liegt in einem Quarzrohr 2 und ruht mit seinem rechten Ende im Halter 3 aus Molybdän. Durch das Quarzrohr 2 kann Schutzgas, z. B. Argon, nachströmen und die Deformationsstelle vor Oxydation schützen. Das Quarzrohr 2 besitzt auf der rechten Seite einen nach unten gekehrten Schlitz 4 (Abb. 2), der etwa 11 bis 11,5 nun breit ist. Mittels eines nicht gekennzeichneten energiereichen Lichtbündels wird der Siliciumstab an der zu biegenden Stelle vorgewärmt und sobald er elektrische Hochfrequenzenergie aus der wassergekühlten Hochfrequenzspule 5 ,aufnimmt, allein weiter auf Schmelztemperatur erhitzt, jedoch in seinem Querschnitt nicht ganz durchgeschmolzen. Die Schmelzzone ist etwa 10 mm breit, und der nicht geschmolzene Kern liegt in den meisten Fällen bei 1 bis 4 mm.
• Ist die Schmelzzone in ihrer Länge und Breite eingestellt, so läßt man den Halter 3 in der kreisförmigen Nut mit dem Radius r1 mit etwa 1 bis 30° pro Sekunde um 90° wandern, drosselt dann in wenigen Sekunden die Hochfrequenzleitung und läßt die Schmelzstelle erstarren. Der noch warme Stab wird um die Strecke b (Abb. 3) bei unveränderter räumlicher Stellung der Hochfrequenzspule nach rechts geschoben, vorsichtig, wie beschrieben, aufgeschmolzen, auf einer zweiten Kreisbahn r2 = a2 + bz wieder um 90° .abgewinkelt und erstarren gelassen.
• Der so hergestellte U-förmig gebogene Siliciumstab besitzt im Bogen noch ein gerades Stück, das gegebenenfalls vermieden werden kann, wenn das Abwinkeln des einen Schenkels, im Nachführen des anderen Schenkels in die Hochfrequenzspule kontinuierlich erfolgt. Diese Arbeitsweise benutzt man auch bei der Herstellung von Spiralen und Ringen. Die hier geschilderte Manipulation kann in Fällen, wo keine besonders genauen Endmaße erwünscht sind, .auch mit freier Hand ausgeführt werden.
• Es ist ferner gelungen, kegelförmige und zylindrische Spiralen aus Silicium, Germanium und Bor sowie Rohrbögen herzustellen. Zum Erhitzen von Rohren für das Biegen eignet sich vorteilhaft eine Spulenanordnung, die Abb. 4 zeigt.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Verformen, beispielsweise Biegen, von Körpern aus kristallinen, spröden Werkstoffen, z. B. Gußeisen oder Silicium, in erwärmtem Zustand des zu verformenden Bereiches mit einem anschließenden Abkühlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) im Verformungsbereich teilweise in seinem Querschnitt aufgeschmolzen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Kern oder eine äußere feste Zone mit etwa 10 :bis 90% des urspüngliehen Querschnitts bei dem Aufschmelzen aufrechterhalten wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Celsiusgraden -.gemessene Temperatur des festen Kerns oder der äußeren festen Zone etwa 1 bis 20% unterhalb des Schmelzpunktes des zu verformenden Werkstoffes liegt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegevorgang bei Normaldruck, erhöhtem Druck, unter Vakuum oder in Flüssigkeiten erfolgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß hei .dem Biegevorgang im Erwärmungsbereich Stoffe zugesetzt oder abgeführt werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwärmungsbereich durch die Zugabe oder das Abführen von Stoffen in seinen chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften verändert wird.