-
Verfahren zum Herstellen von festen Verbindungen. oder Legierungen
Es ist bekannt, extrem reine Stoffe, z. B. Silicium, durch chemische Reaktion dadurch
herzustellen, daß der zu gewinnende Stoff an einer sich mindestens an der Oberfläche
in flüssiger Phase befindlichen Stelle eines Körpers abgeschieden wird, der aus
demselben Stoff besteht.
-
Weiterhin ist bekannt, Kristalle, insbesondere Einkristalle, herzustellen,
indem man das pulverförmige Rohmaterial in inerter Atmosphäre fallen läßt, es dabei
auf den Schmelzpunkt erwärmt und auf einen Einkristall ablagert.
-
Es wurde nun ein Verfahren zum Herstellen. von festen Verbindungen
oder Legierungen durch Erschmelzen der Ausgangsprodukte unter Vakuum, Übertragen
eines geschmolzenen Teiles einer frei hängenden Schmelzzone auf eine einkristalline
oder polykristalline, geschmolzene Unterlage gefunden, wobei die beiden Schmelzen
längere Zeit flüssig gehalten werden. Das Verfahren ist dadurch' gekennzeichnet,
daß während 'des Schmelzens die Komponenten, die dann die Legierungen bzw. Verbindungen
bilden, in fester Form einer oder beiden Schmelzzonen seitlich zugeführt werden.
-
Durch das Vorhandensein zweier räumlich voneinander getrennter Schmelzzonen
wird eine zur Reinigung durch Ausdampfen der Verunreinigungen wirksame verhältnismäßig
große Verdampfungsoberfläche erreicht. Außerdem kann man aus dünnen verunreinigten
Stäben dicke gereinigte herstellen, und umZ, gekehrt.
-
Es gelingt z. B., Stäbe mit einem Durchmesser von 3 bis 30 mm und
mehr in kurzer Zeit herzustellen und extrem zu reinigen.
-
Bei einem Rohr kann die Schmelzzone ein Tropfen oder Schmelzring sein.
Im letzteren Fall ist es möglich, den Schmelzring auf einen erstarrenden Schmelzring
aufzusetzen. Auf diese Weise können gereinigte und umgeschmolzene Rohre hergestellt
werden, ohne daß das Schmelzgut mit einer Gefäßwandung in Berührung kommt: Das Verfahren
kann bei nahezu allen Verbindungen und Legierungen, sofern sie nicht unter den beschriebenen
Arbeitsbedingungen rasch verdampfen, angewandt werden. Es eignet sich ferner für
das Herstellen von stark polaren Salzen.
-
Das Verfahren gestattet auch einkristallin geformte Körper herzustellen,
wenn der Tropfen auf einen aasgeschmolzenen Einkristall aufgelegt wird und dort
langsam erstarrt.
-
Das Verfahren wird wirkungsvoll in einem Druckbereich von mehreren
Atmosphären bis 7
u 10-8 mm Quecksilbersäule und kleiner ausgeführt. Die Abbildung
soll das Verfahren näher erläutern.
-
Im Gefäß 1 aus Quarzglas befindet sich magnetisch aufgehängt und verstellbar
befestigt der Stab 2 aus der herzustellenden Legierung. oder Verbindung. Mittels
der Hochfrequenzheizung,3 wird am unteren Ende des Stabes oder Rohres ein Tropfen
4 artgeschmolzen und dem Hochvakuum, das über Stutzen 5. aufrechterhalten wird,
ausgesetzt. Dann werden über die Einfüllvorrichtung 9 körnchenweise die Ausgangsmaterialien,
aus denen die Legierung bzw. die Verbindung besteht, auf den oberen und/oder unteren
Schmelztropfen aufgetragen und eingeschmolzen. Nach etwa. 10 Sekunden bis 5 Minuten
legt man den Tropfen auf die Stirnfläche des unteren bzw. oberen Stabes. Dabei wird
durch eine Heizquelle 3 bzw. 3' dafür gesorgt, daß die Schmelzkuppe auf dem unteren
bzw. oberen Stab nicht sofort erstarrt, sondern 10 bis 30 Sekunden oder länger geschmolzen
darauf ruht, um weiter auszudampfen. Das Verstellen des unteren und oberen Stabes
erfolgt mit der Vorrichtung 6 und den Magneten 7 und g. Die Erhitzung kann z. B.
mit einer oder mehreren getrennten Hochfrequenzeinrichtungen erfolgen.
-
Die Kühlung kann mit Preßluft oder mit Wasser erfolgen.
-
Bei manchen Stoffen ist es von Vorteil, in einer reinigenden Gasatmosphäre
zu arbeiten, die den Reinigungsbehälter durchströmt und die Verunreinigungen abführt.
Bei Stoffen, die sich leicht zersetzen oder verdampfen, kann es notwendig sein,
einen dem Dampfdruck entsprechenden Überdruck anzuwenden.
-
Die Reinigung kann mehrere Male wiederholt werden. Dazu wird der bei
der ersten Reinigung untenstehende Stab in die obere Stellung gebracht
und,
wie beschrieben, wiederum nach unten aufgeschmolzen. Es ist auch möglich, den unteren
Stab als zu reinigenden einzusetzen und nach oben hin tropfenweise wegzuziehen.
Für das Verfahren ist es wesentlich, daß die Verunreinigungen an den gekühlten Behälterwänden
niedergeschlagen oder aus dem Behälter ausgeschleust oder abgepumpt werden. Andernfalls
verdampfen sie erneut und werden in den unteren oder oberen Stab wieder eingebaut.
-
Für eine rasche und einwandfreie Durchführung des Verfahrens ist es
wesentlich, daß die Verstellung des oberen und unteren Stabes bzw. des oberen und
unteren Körpers automatisch über eine Regeleinrichtung erfolgt.
-
Als weitere Heizquellen eignen sich Ionen- oder Elektronenbombardement
sowie eine oder mehrere Elektrop.enfackeln.
-
Das Abtropfen kann durch Veränderung der Oberflächenspannung des Tropfens
unterstützt werden, so z. B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Auch Schwingungen
und Erschütterungen in wohldosierter Intensität eignen sich hierfür. Umgekehrt ist
es möglich, den Tropfen durch elektromagnetische Felder in seiner Festigkeit zu
stabilisieren, um ein vorzeitiges Abreißen zu verhindern. Beispiel Jeweils hundert
2 mm starke und 500 mm lange Stäbe aus hochreinem Eisen werden elektrolytisch mit
einer sehr dünnen Kupferhaut überzogen, die pro Zentimeter Stablänge 0,9 bis 1,2
mg wiegt. Ein derartig präparierter Eisenstab wird senkrecht hängend (vgl. Abbildung)
an seinem unteren Ende zu einem Tropfen mittels Hochfrequenz (0,6 kHz) aufgeschmolzen.
Von unten her wird ebenfalls ein hochreiner Stab mit einem Durchmesser von 6 mm
bis knapp an die hängende obere Schmelzzone herangeführt. An der oberen Stirnseite
des unteren Stabes wird mit einer getrennten Hochfrequenzspule ebenfalls eine Schmelzkuppe
erzeugt.
-
Die Herstellung einer Eisen-Kupfer-Kobalt-Legierung erfolgt nun so,
daß von der Seite her der oberen hängenden Schmelzzone ein 3 mm starker Kobaltdraht
zugeführt wird. Wenn die obere Schmelzzone ihre kritische Größe erreicht hat, wird
sie auf die untere Schmelzzone abgelegt und an dem oberen Stabende sofort wieder
eine neue Schmelzzone erzeugt, wobei eine entsprechende Menge Kobaltdraht von der
Seite her zugeführt wird.
-
Während des Aufschmelzens der oberen Schmelzzone läßt man die untere
Schmelzzone um etwa zwei Drittel erstarren. Während des gesamten Umschmelzprozesses
bleibt die untere Schmelzzone somit bestehen. Dadurch erreicht man, daß flüchtige
Verbindungen aus der oberen und unteren Schmelzzone ausdampfen können, da während
des ganzen Schmelzprozesses ein Druck von 10-3 bis 10-4 Torr aufrechterhalten wird.
-
Der so gewonnene etwa 6 mm starke untere Stab kann zur Homogenisierung
dem bekannten tiegellosen Zonenschmelzverfahren unterworfen werden, wobei man die
erste Zone von oben nach unten und die folgenden Zonen von unten nach oben durch
den Stab führt. Ein derartig hergestelltes Material eignet sich bevorzugt als magnetischer
Werkstoff.