AT216303B - Verfahren zum Biegen und Deformieren von kristallinen, spröden Stoffen - Google Patents

Description

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  Verfahren zum Biegen und Deformieren von kristallinen, spröden Stoffen 
Es wird ein Verfahren beschrieben, das gestattet, in sehr kurzer Zeit Rohre, Leisten, Bänder oder ähnlich geformte Körper aus kristallinen, spröden Stoffen in einfacher Weise gezielt zu deformieren. 



   Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wurde gefunden. dass sich Körper aus kristallinen, spröden Stoffen in sehr kurzer Zeit, z. B. in wenigen Sekunden, biegen, stauchen, dehnen, verdrillen und anderweitig bleibend verformen lassen, wenn das Material an einer begrenzten Strecke verflüssigt, jedoch nicht im ganzen Querschnitt aufgeschmolzen, deformiert und in der gewünschten Verformung erstarren gelassen wird. Nach der Deformation wird die erhitzte Stelle langsam abkühlen gelassen, um mechanische Spannungen an der Deformationsstelle zu vermeiden. 



   Für viele Zwecke ist es möglich, einfach durch Abschalten der Erhitzungsquelle erstarren und   abküh-   len zu lassen. Bei besonders spannungsfreiem Material ist es jedoch vorteilhaft, in einem programmgesteuerten Kühlofen die Abkühlung durchzuführen. 



   Das Verfahren ist anwendbar bei kristallinen, spröden Elementen wie Germanium, Silizium, Bor, Antimon, Arsen, Wismut, Uran ; bei allen kristallinen, spröden Verbindungen wie Siliziden, Nitriden, Boriden, Germaniden, Karbiden, Oxyden, keramischen Stoffen, organischen und anorganischen Haloge-   niden,   Nitraten, festen Salzen allgemein, bei allen krsitallinen, spröden Legierungen, vornehmlich bei Legierungen, die die Elemente Silizium, Kohlenstoff, Germanium, Indium Aluminium, Arsen, Antimon, Wismut, Gallium, Thallium, Cer, Stickstoff, Phosphor und Uran enthalten. 



   Als Erhitzungsquelle eignet sich für metallartige Stoffe und Metalle vorteilhaft die induktive Erwärmung mittels elektrischer Hoch- oder Mitteltrequenz, vornehmlich das Gebiet von 1 KHz aufwärts. Für Silizium, Germanium und Bor ist das Frequenzgebiet von 10 KHz bis zirka 100 KHz 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 ein bis mehreren tausend KHz. Welche Art der Erwärmung benützt wird, hängt vornehmlich von der Art des Stoffes ab, insbesondere davon, welchen Temperaturgang seine elektrischen Eigenschaften besitzen. So gibt es Stoffe, die bei   Zimmsrtemperatur   sich nicht induktiv erwärmen lassen, jedoch bei erhöhter Temperatur dies tun. In diesen Fällen wird der zu deformierende Körper an der vorgesehenen Stelle mit andern bekannten 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 benützt eine ringbrennerförmige Erhitzungsvorrichtung. 



   Das gilt auch für den Fall der Erhitzung mittels einer elektrischen Entladung,   z. B.   mittels eines Lichtbogens oder Glimmlichtbogens. 

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   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 durchzutühren 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 mittels   Gleich-oderWechselstrom. Wird die Deformationsstelle   ausreichend isoliert oder zu-   satzl1ch   mit den bekannten Erlutzungsquellen erhitzt oder warmeisoliert bzw. ihr Querschnitt kleiner als die anliegenden Querschnitte gewählt, so erhitzt sich die Deformationsstelle ausreichend hoch. 



   Das Deformieren kann je nach Stoff in Luft, Schutzgas, Vakuum oder in einer, die Deformation fördernden Flüssigkeit eriolgen. 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 zusammengesetzte Gemische der genannten Gase sowie bei der Erwärmung entstehende Dämpfe. Dieser Fall trifft bei Stoffen zu, die bei der Erwärmung eine oder mehrere Komponenten   abgeben können, 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. 



   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 zirka 10 bis 90 % des ursprünglichen Querschnittes 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 andern Seite einen dünnen Steg festen Materials stehen. 



   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   ErstarreI1lassen.   



   So lassen sich aus einfachen Stäben z. B. stimmgabelähnliche Körper herstellen. Aber auch komplizierter aufgebaute Körper können so geformt werden. 



   Mit dem Biegevorgang kann gleichzeitig das Eindiffundieren oder Zusetzen anderer Stoffe erfolgen und so eine Deformation 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 Siliziumwasserstoffen, Siliziumhalogeniden wie z. B. Siliziumchloroform, Siliziumtetrachlorid 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-Leitern benützt werden. 



   Die Erhitzungszone kann auch durch Zugabe fester Stoffe in ihren chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften verändert werden. Das Aufkohlen der Deformationsstelle oder Verwandeln in Karbide geschieht vorteilhafterweise mit Kohlenwasserstoffen, Öldämpfen oder elementarem 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. 

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     Dr   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. 



   Beispiel : Ein runder, 1 m langer und 10 mm dicker Siliziumstab hoher Reinheit (100 Ohmcm) wird   U-förmig   in einer Biegevorrichtung gebogen (Fig. l). Der Siliziumstab 1 liegt in einem Quarzrohr 2 und ruht mit seinem rechten Ende im Halter 3 aus Molybdän, der sich gegebenenfalls auf dem Stab 1 verschieben lässt. Durch das Quarzrohr 2 kann Schutzgas, z. B. Argon, in Pfeilrichtung B nachströmen und die Deformationsstelle vor Oxydation schützen. Das Quarzrohr 2 besitzt auf der rechten Seite einen nach unten gekehrten Schlitz 4, den Fig. 2 aus der Blickrichtung A gemäss Fig. 1 zeigt und der etwa 11-11, 5 mm breit ist.

   Mittels eines nicht gekennzeichneten energiereichen Lichtbündels wird der Siliziumstab an der zu biegenden Stelle vorgewärmt und sobald er elektrische Hochfrequenzenergie aus der wassergekühlten HF-Spule 5 aufnimmt, allein weiter auf Schmelztemperatur erhitzt, jedoch in seinem Querschnitt nicht ganz durchgeschmolzen. Die Schmelzzone ist zirka 10 mm breit und der nicht geschmolzene Kern liegt in den meisten Fällen bei   1 - 4   mm. Ist die Schmelzzone in ihrer Länge und Breite eingestellt, so lässt man den Halter 3 in der kreisförmigen Nut mit dem Radius   rl   mit zirka 1 - 300 pro Sekunde um 900 wan- 
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 wieder um 900. abgewinkelt und erstarren gelassen. 



   Der so hergestellte U-förmig gebogene Siliziumstab besitzt im Bogen noch ein gerades Stück, das gegebenenfalls vermieden werden kann, wenn das Abwinkeln des einen Schenkels im Nachführen des andern Schenkels in die HF-Spule kontinuierlich erfolgt. Diese Arbeitsweise benützt 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 Silizium, Germanium und Bor sowie Rohrbögen herzustellen. Zum Biegen von Rohren eignet sich vorteilhaft eine Spulenanordnung, die Fig. 4 zeigt. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass das Material an einer begrenzten Strecke verflüssigt, jedoch nicht im ganzen Querschnitt aufgeschmolzen, deformiert und in der gewünschten Verformung erstarren gelassen wird. 



   2. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen nach Anspruch   1,   dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Kern oder eine   äussere   feste   Zone mit & t\ ; a 10-90 %   des ursprünglichen Querschnittes bei der Erwärmung aufrechterhalten wird. 



   3. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des festen Kerns oder der äusseren festen Zone etwa   1 - 20 0J0   unterhalb des Schmelzpunktes des zu deformierenden Materials liegt. 



   4. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegevorgang in Flüssigkeiten erfolgt. 



   5. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erstarrungsvorgang langsam durchgeführt wird. 



   6. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Biegevorgang Stoffe zugesetzt oder abgeführt werden. 

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Claims (1)

1. 7. Verfahren zum Biegen und Deformieren von Körpern aus kristallinen, spröden Stoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungszone durch Zugabe oder Abführen von Stoffen in ihren chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften verändert wird. **WARNUNG** Ende CLMS Feld Kannt Anfang DESC uberlappen**.