Verfahren zur Herstellung eines aus einem einzigen Kristall bestehenden Gegenstandes aus Saphir und nach dem Verfahren hergestellter Gegenstand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem einzigen Kristall bestehenden Gegenstandes aus Saphir und einen nach dem Verfahren hergestellten Gegenstand.
Der Saphir ist eine Form einer Aluminiumverbindung nach der chemischen Formel Also, und tritt in mindestens vier verschiedenen Formen auf. Eine erste ist eine kolloidale oder amorphe Pulverform. Eine zweite Form geht aus dem Eloxieren von metallischem Aluminium hervor. Diese hat eine amorphe Struktur und hil- det sich ohne Lunker. Eine dritte Form ist keramisch, wobei das einzelne Korn ein los-Aluminium ist, was in einem einzigen Kristall dem Saphir äquivalent ist. Die keramische Form wird durch Brennen oder Sintern von Aluminiumpulver mit oder ohne einer kleinen Menge eines Binders gewonnen. MgO, SiO2 und Y2O3 sind geeignete Bindematerialien in Mengen von 1/2 bis 4% des Gewichtes.
Die keramische Form ist polykristallin und hat Lunker, in welchen Luft eingeschlossen ist. Die vierte Form, auf die hier Bezug genommen ist, ist ein Saphir in Form einer festen Aluminiumschmelze. Der Saphir besteht aus einem einzigen Kristall von a-Aluminium. Dem Saphir können kleine Mengen von Verunreinigungen von etwa 1% des Gewichtes oder weniger eingeschlossen sein.
Diese Verunreinigungen sind in Mengen von 0,1 bis 0,5% des Gewichtes zugesetzt, wodurch verschiedene Farben erzeugt werden. Chromoxyd ergibt die rote Farbe des Rubins, Kobaltoxyd ergibt eine blaue Farbe. Titan erzeugt die bekannten Stern-Strahlen, welche durch die Anlagerungen des Titans entlang der spitzwinkligen Korngrenzen entstehen.
Der Saphir hat viele wünschenswerte Eigenschaften, wie Festigkeit und Härte bei normalen und hohen Temperaturen, seine Reaktionsträgheit, einen hohen Schmelzpunkt, hohe Wärmeleitfähigkeit und ein weites optisches Fenster. Der Diamant ist eines der wenigen Materialien, welches härter als der Saphir ist. Durch diese Eigenschaften ist der Saphir jedoch schwer zu bearbeiten.
Es ist bekannt, den Saphir durch das Verneuil Flammenschmelzverfahren und das Czochralski-Streckt ziehverfahren herzustellen. Die so hergestellten Saphire weisen eine unregelmässige Form auf, wodurch eine nachträgliche Bearbeitung notwendig ist um das fertige Erzeugnis zu erhalten. Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem der aus einem einzigen Kristall aus gegossenem Saphir bestehende Gegenstand nicht mehr nachbearbeitet werden muss.
Das erfindungsgemässe Verfahren kennzeichnet sich durch das Herstellen einer Hohlform aus einem der Metalle Wolfram, Molybdän oder Iridium, das wenigstens teilweise Füllen der Form mit geschmolzenem Aluminiumoxyd, während die Form auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens der Schmelztemperatur des Aluminiumoxyds entspricht, das lansame Abkühlen der praktisch aufrecht stehenden Form und deren Inhalt von der Unterseite der Form her fortschreitend nach oben und das Entfernen der Form von dem aus der Schmelze entstandenen Gegenstand in der gewünschten Gestalt eines einzelnen kristallförmigen Saphirs.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Erstellen der Hülle gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren,
Fig. 2 eine Vorrichtung zum Giessen des herzustellenden Gegenstandes,
Fig. 3 eine isometrische Darstellung eines typischen, nach dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbaren Gegenstandes und
Fig. 4 eine anders aufgebaute Vorrichtung zum Giessen eines Gegenstandes.
Ein der Form des herzustellenden Gegenstandes entsprechendes Modell wird auf herkömmliche Weise, unter Berücksichtigung des Schrumpfmasses, z.B. durch Giessen in einem Werkzeug oder einer Form aus einem ge eigneten Material hergestellt. Auf das Modell wird dann eine Hülle aus einem relativ inerten Material aufgebracht, welches einen hohen Schmelzpunkt hat. Hierfür ist Wolfram besonders geeignet, da dieses einen Schmelzpunkt von 34000 C hat und sowohl bei hohen Temperaturen als auch bei Raumtemperatur inert ist. In einigen Fällen kann auch Molybdän mit einem Schmelzpunkt von 2600 C verwendet werden. Andere Materialien für die Hülle sind Iridium und Rhenium.
Die Hülle wird durch chemische Abscheidung herge stellt. Bei einem Verfahren geschieht dieses durch den Dampfniederschlag eines Metallhalogens oder einer metallorganischen Verbindung auf eine hasse Oberfläche.
Hierzu wird das Modeil auf etwa 6000C in einer Wasser stoffatmosphäre erhitzt. Wolframfluorid WlFss und las- serstoff darüber geführt wobei die Gase reagieren und sich metallisches Wolfram auf dem erhitzten Modell niederschlägt und das gelöste AIasserstofffluoridras abge- saugt wird. Die fertig Hülle hat vorteilhaft eine Dicke von
1 mm; kleinere Hüllen etwa 0,25 mm oder weni,oer.
Ein anderes Verfahren ist die elektrochemische Abscheidung. Das Modell dient hierbei als Elektrode in einer Galvanisieranlage, mit einem Salzbad aus Borax und Wolframoxyd. Die Wolframionen in dem geschmol- zonen Salz schlagen sich als metallisches ss/ogfram an dvr Modellelektrode ab wodurch die Hülle gebildet wird.
Iridium und Rhenium sind hervorragend geeignete Hüllenmaterialien, jedoch sehr teuer. Wenn eines dieser Metalle verwendet werden soll, wird die Hülle aus einer inneren dünnen Schicht aus diesen teuren Metallen und einer äusseren Schicht aus billigeren Metallen, wie z.B.
Wolfram oder Molybdän hergestellt. Dabei werden wie in Verbindung mit Wolfram beschriebenen chemischen Niederschlagverfahren angewendet.
Alternativ dazu wird zur Herstellung einer aus zwei Materialien bestehenden Hülle zuerst die Hülle aus einem ersten Material gefertigt und danach diese mit einem inneren Uberzug aus dem zweiten Material versehen. Beispielsweise wird die Hülle wie zuvor beschrieben aus Wolfram gefertigt und dann mit einer dünnen Schicht aus Iridium oder Thenium durch Galvanisieren oder mit einem Metalipulveranstrich versehen, welcher dann geschmolzen wird. Die innere Schicht ist etwa 0,02 mm und die äussere etwa 1 mm dick.
Vorteilhaft hat das Hüllenmaterial und das Modellmaterial einander entsprechende Wärmeausdehnungskoeffizienten um ein Reissen infolge Temperaturände- rung zu unterbinden. Einige der Eisen-Nickel-Kobaltle- gierungen, wie Kovar von Westinghouse, sind geeignete Materialien für das Modell, da sie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, welcher annähernd gleich dem des Wolframs und Molybdäns ist.
Es können auch andere Materialien verwendet werden, wenn die Herstellungsverfahren die dabei angewendet werden, eine ungleiche Wärmeausdehnung ausschliessen. Beispielsweise können Materialien mit hoher Wärmeausdehnung, wie korrosionsfester Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen als Materialien für das Modell verwendet werden. Bevor das Modell dem Gasstrom ausgesetzt wird, wird es auf die Niederschlagstemperatur der Hülle erhitzt. Während des Niederschlages der Hülle dehnt sich das Modell nicht mehr weiter aus und dehnt daher auch die Hülle nicht aus. Durch Abkühlung unter die Nieder schlagstemperatur löst sich das Modell durch Schwinden von der Hülle. Bei richtigem Verjüngungswinkel kann das Modell öfters entfernt und wieder benutzt werden.
Durch Eintauchen der Hülle in ein geeignetes Lö sungs; el, welches das Modell auflöst oder durch Erhitzen auf eine über dem Schmelzpunkt des Modellmaterials und unter dem Schmelzpunkt des Hüllenmaterials liegende Temperatur kann das Modell erst aus der Hülle entfernt werden. Beispielsweise kann ein aus Kobalt bestehendes Modell aus einer Wolfram-Hülle durch Auflösen des Kobalts in Ch]orwasserstoffsäure oder ein Alu minininmodeil durch Erhitzen auf 6600 C entfernt werden.
Die leere Hülle dient jetzt als Form und wird ganz oder teilsweise mit geschmolzenem Saphir gefüllt. Bei dem bevorzugten Verfahren wird die Hülle auf eine über dem Schmelzpunkt des Saphirs liegende Temperatur erhitzt. wonach ein oder mehrere Stücke Saphir in die Form eingebracht werden.
Schon vor dem Erhitzen kann die Form eine kleine Menge von Saphirstücken enthalten, welche zusätzlich Saphirstücke während des Schmelzens bis zu einem bestimmten Mass beigegeben werden. Alternativ kann die Form noch vor dem Erhitzen mit Saphirstücken gefüllt werden, dies erfordert jedoch einen längeren Einfülltrichter im Modell und in der Hülle. Es können Saphirstücke wie beispielsweise Bruch- stücke des Verneuilmaterials verwendet werden. In einem anderen Verfahren wird geschmolzener Saphir in die Form eingefüllt.
Bei den letzgenannten Füllverfahren wird Alumi jul±'.culver zur Erzeugung der Saphirschmelze in einem Strnelztiad erhitzt. Für optische Teile ist eine hohe Reinheit des Pulvers erforderlich. Für mechanische Teile dann eine kleine Menge von andern Materialien zuge setzt werden. Beispielsweise können einige Zehntel Pro- zent von Cr@O@ zugesetzt werden. um die Dehnungs- festigkeit des Gusssaphirs zu verbessern.
Wenn der Saphir langsam von unten nach oben abgekühlt wird, weist er entweder ein einziges Kristall oder eine Gruppe von @angen vertikal ausgerichteten Kristallen auf. Wo das Vorhandensein der genannten zusätzlichen Materialien uneriäss:ch ist, werden wenige Zehntel Prozent davon zugesetzt. womit bestimmte Farben des Saphirs erzeugt rvrdPn. neisPielsvieis^ erzeugt Chromoxyd eine rote Farbe ulld Kobaltoxid eine blaue Farbe.
Nach Einfüllen des geschmolzenen Saphirs wird die Form und der Saphir abgekühlt. Vorzugsweise wird die Abkühlung in eine bestimmte Richtung gesteuert, für ge wöhnlicl1 vom Boden der Form nach oben. Dadurch werden Spannungen und Einschlüsse unterbunden, welche während der Abkühlung des Saphirs durch dessen Schwinden auftreten können, und ausserdem wird da durch die Bildung eines einzigen Kristalles gefördert.
Weil die Bildung eines einzigen Kristalles gewünscht wird, wird das Modell mit einem Kristallkernbildungspunkt an seinem unteren Ende versehen. Dazu wird am Boden der Form ein kleines Stück Saphir angeordnet, welches als Kristallkeim für den gewünschten einzigen Kristall dient.
Nachdem das Saphirmaterial abgekühlt ist, wird die Hülle entfernt, wonach ein Saphir erhalten wird, welcher die Form des ursprünglichen Modells aufweist. Die Hülle kann auf elektrolytischem Wege entfernt werden, wobei eine starke Grundlösung als Elektrolyt verwendet wird. Alternativ dazu kann die Hülle auch durch das .umgekehrte Verfahren des Dampfniederschlages entfernt werden. Beispielsweise kann eine Wolframhülle mit einem darin befindlichen gegossenen Saphir auf 6000 C erhitzt und einem Gasstrom von Halogenidgas wie z.B.
Chlorgas ausgesetzt werden. Hierbei reagiert das Wolfram mit dem Chlorgas, wodurch gasförmiges Wolframchlorid gebildet wird.
Durch das beschriebene Verfahren können Teile wie Turbinenschaufeln, Phonographnadeln. Lager, Fadenführer, Linsen in verschiedenen Formen und Füh- rungsschrauben hergestellt werden. In der Zeichnung sind Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Saphir Führungsschraube dargestellt, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.
In Fig. 1 ist ein Modell 10 in der Form des herzustellenden Gegenstandes auf einem Wolframstift 13 in einer Kammer 12 angeordnet. Das Modell hat einen Aufsatz 11 zur Bildung eines Einfülltrichters. Über einen Durch flussmesser 15 und ein Regelventil 16 wird Wasserstoffgas geleitet, welches sich mit einem über einen Durch- flussmesser 17 und ein Regelventil 18 strömenden Wolframfluorgas in der Leitung 19 mischt. Die gemischten Gase strömen in die Kammer 12 ein und beaufschlagen das erhitzte Modell. Das Modell wird mit einer her kömmlichen Heizung auf 6000 C erhitzt. Von einer Stromquelle 22 fliesst ein Strom zu einer Induktionsspule 21.
Die Wärme kann auch durch eine Induttionswider- stand-Heizung, mittels eines im Modell angeordneten Patronenerhitzers oder durch eine Strahlungsheizung erzeugt werden. Auf dem erhitzten Modell schlägt sich metallisches Wolfram ab, wobei das dabei entstehende Wasserstofffluoridgas durch die leitung 24 abströmt.
Nachdem die Hülle mit der erforderlichen Dicke gebildet ist, wird sie vom Modell entfernt und kann nun mit dem zu giessenden Material gefüllt werden.
Fig. 2 stellt eine Vorrichtung zur Durchführung des¯ Giessvorganges dar, wobei die Hülle 30 mit Stiften in einem Gestell 31 in der Kammer 32 angeordnet ist. Das Rohmaterial wird in einen Wolframschmelztiegel 34 eingebracht, welcher mit einem inneren Überzug aus Iridium versehen ist. Der Schmelztiegel 34 samt Inhalt wird auf etwa 21000 C erhitzt, bis das Pulver eine geschmolzene Masse bildet. Die Heizung kann auf mehrere Arten erfolgen, wie beispielsweise durch eine Mehrzahl von Widerstandsheizungen 35, welche in der Kammer 32 um den Schmelztiegel 45 herum angeordnet sind. Die Wider standsheizungen 35 sind über wassergekühlte Kontakte 36 an eine Stromquelle anschliessbar.
Das Heizen und Schmelzen wird vorzugsweise in einer nichtoxydierenden Atmosphäre in der Kammer 32 durchgeführt.
Mit den Heizungen 35 wird die Kammer 32 in einer ersten Zone oberhalb der gestrichelten Linie 37 erhitzt.
Der Schmelztiegel 34 endet in einem Ablassrohr 38, welches sich über die Linie 37 aus der ersten Heizzone heraus erstreckt. Mittels eines Pfropfens ist das Abflussrohr 38 verstopft, womit der geschmolzene Saphir im Schmelztiegel eingeschlossen ist.
Nachdem das Material in dem Schmelztiegel vollkommen geschmolzen ist, wird die Temperatur in der zweiten Heizzone unterhalb der¯Linie 37 mit einem zweiten Satz von Widerstandsheizungen 40 auf etwa 21000 C erhitzt. Die Temperaturzunahme in der unteren Heizzone schmilzt den Pfropfen in dem Ahlassrohr 38, wodurch der geschmolzene Saphir in die Form'30 einfliessen kann. Danach wird die Heizung in der oberen Zone abgestellt.
Die Heizung in der unteren Zone kann auch abgestellt werden, jedoch wird diese vorzugsweise aufrecht erhalten, um eine richtungsgesteuerte Abkühlung der Form und des Gussstückes zu erreichen, um die Spannung infolge der Abkühlung zu verringern und das Wachstum eines einzigen Kristalles zu fördem. Zu diesem Zweck ist ein rohrförmiger Heizungsschirm 40 zwisehen der Form 30 und den Heizkörpern 40 angeordnet, wobei der Heizungsschirm die Funktion einer Wärmeschleuse hat und aus seiner unteren Lage unterhalb der Form 30 zu einer oberen Lage bewegt wird, bei welcher die Form vollkommen eingeschlossen ist. Hiernach wird die Heizung ausgeschaltet. Die Widerstandsheizkörper sind aus Wolfram und der Heizungsschirm 42 aus Mo- lybdän.
Beim Abkühlen des Saphirs weist das Material die übliche Schrumpfung in dem Einfülltrichter 43 auf.
Wenn die Strukturbildung in einem einzigen Kristall erwünscht ist, wird ein Kristallkembildungspunkt 44 am unteren Ende der Form angeordnet.
Am Ende des Einfüllvorganges verfestigt sich eine kleine Menge Saphir in dem Ablassrohr 38, welche den Pfropfen für den nächsten Giessvorgang darstellt.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung dargestellt, bei welcher feste Saphirstücke 50 mit einem Schneckenförderer 51 und durch ein Einfüllrohr 52 in die Form 30 eingebracht werden. Bei dem bevorzugten Verfahren werden wenige Stücke von festen Saphiren auf den Boden der Form 30 eingebracht und die Form auf eine über dem Schmelzpunkt des Saphirs liegende Temperatur erhitzt. Nachdem die ersten Stücke geschmolzen sind, werden weitere Stücke zugesetzt und geschmolzen, welcher Vorgang so lange fortgeführt wird, bis die Form bis zu dem erforderiichen Mass angefüllt ist.
In einer anderen Verfahrensalternative wird die leere Hülle 30 erhitzt und die Saphirstücke eingefüllt nachdem die Hülle bis oberhalb des Schmelzpunktes des Saphirs erhitzt ist. In einer weiteren Verfahrens alternative wird die Hülle mit Saphirstücken gefüllt noch bevor diese erhitzt wird, wobei die Speiseeinrichtung 51, 52 fortfällt.
Diese Verfahrensaltemative wird im allgemeinen jedoch nicht bevorzugt, da die Saphirstücke einen beträchtlich grösseren Raum als geschmolzenes Saphirmaterial beanspruchen. Dazu wäre erforderlich, dass der Einfülltrichter 43 und alle sonstigen Teile der Einrichtung wesentlich grösser sein müssten, wenn bei Beginn des Schmelzvorganges alle Saphirstücke in der Form bereits darin sind, als wenn der grösste Teil der Stücke zugesetzt werden, nachdem die Form die Schmelztemperatur erreicht hat.
Am Boden der Form wird ein kleines Stück 55 eines Saphirs angeordnet, welches als Kristallkeim dient zur Bildung eines einzigen Kristalles beim Abkühlen des geschmolzenen Saphirs. Dieser Kristallkeim hat eine Grösse von etwa 3,2 mm im Durchmesser und 9,5 mm Länge.
Hierzu wird die Temperatur in der Kammer 32 so geregelt, dass alle Saphirstücke in der Form 30 schmelzen, ausser einem Teil des Kristallkernes 55, wobei das obere Ende des Schirmes 42 wenig über dem unteren Ende der Form 30 gehalten ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Eine andere Möglichkeit ist die, dass die Form in einer genauen Lage zu den Heizkörpern in der Vorrichtung angeordnet wird. Eine weitere Möglichkeit zur Bildung eines einzigen Kristallstückes ist die Verwendung eines langen Kristallkeimes. Die Schmelzmasse des Saphirs kann in der gleichen Art und Weise abgekühlt werden, wie sie in Verbindung mit Fig. 2 bereits beschrieben wurde. Nach Abkühlung der Form und des Gussstückes wird das Foimmaterial entfernt.
Das Gussmaterial in dem Einfülltrichter 43 wird ebenfalls entfernt, wonach der fertige Gegenstand wie er in Fig. 3 gezeigt ist, erhalten wird.
Dieser Gegenstand stellt eine Trag- oder Führungsschraube mit einer Tragfläche 45 dar, welche in eine Gewindebohrung eingeschraubt werden kann.