DE2359766C3 - Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten von kristallinem Material - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten von kristallinem Material mittels eines erwärmten, festen, am kristallinen Material anliegenden Werkzeuges unter Abführung des abgetragenen Materials im gasförmigen Zustand.

Insbesondere geht es dabei um das Formen und abschließende Oberflächenbehandeln von sublimierbaren Einkristallen, d. h. Einkristallen aus Stoffen, deren Siedepunkt bei normalem Druck unterhalb des Schmelzpunktes liegt, so daß sie beim Erhitzen ohne flüssiges Zwischenstadium unmittelbar in den gasförmigen Zustand übergehen.

Arbeitsvorgänge, bei denen durch Einwirkung äußerer Kräfte die Form oder die Oberflächenstruktur eines Gegenstandes geändert wird, ohne dabei dessen Integrität zu stören, nehmen in der Technik eine bedeutende Stelle ein. Es gehören dazu auch Arbeitsvorgänge, durch die ein Teil des Materials des bearbeiteten Gegenstandes entfernt wird, ohne dabei dessen chemische Zusammensetzung zu ändern.

Die Gesamtarbeit, die zum Abtrennen bzw. zum Entfernen eines gewissen Volumens des Materials vom bearbeiteten Gegenstand erforderlich ist, setzt sich üblich aus mehreren Teiloperationen zusammen, je nach dem, welcher Arbeitsvorgang angewendet wird und welche Bedingungen bei der Arbeit vorherrschen. Die Arbeit kann zum Beispiel aus der Überwindung plastischer Deformationen, aus der Arbeit zum Überwinden elastischer Deformationen, aus der Reibungsarbeit des abfallenden Materials gegen die Stirnwand des Werkzeuges und der Reibung der bearbeiteten Oberfläche gegen die Freifläche des Werkzeuges oder aus der Disptrsionsarbeit bestehen, die zum Bilden der neuen Oberfläche mit höherer Potentialenergie erforderlich ist.

Die erwähnte Arbeit wandelt sich meist in Wärme um, wobei zum Beispiel 50 bis 86% in das abfallende Material, 10 bis 40% in das Werkzeug, 3 bis 9% in den bearbeiteten Gegenstand und 1% in die Umgebung übergehen.

Ein weiterer Nachteil ist das Entstehen von Abfällen verschiedener Form und Größe, wobei der Volumenkoeffizient des Abfalles, das ist das Verhältnis des Volumens der entstandenen Späne, des Staubes, des Mehles und dergleichen zum Volumen des Materials zum Beispiel 1 :5 bis 1 :400 beträgt. Die in bezug auf eine Einheit des verarbeiteten Materials erwähnten Verluste sind sehr beträchtlich, vor allem falls es sich um teures Material wie Einkristalle und Poiykristalle handelt.

Andererseits zeigten sich früher bei vielen Einkristallen, die verarbeitet wurden und eine größere Härte, üblich etwa M = 7 aufwiesen, keine besonderen Schwierigkeiten beim Schneiden, Bohren. Schleifen und Polieren. Da sie eine hohe Festigkeit besaßen, wurde ihre Oberfläche bei der Bearbeitung nicht beschädigt, und die derzeit bekannten Arbeitsvorgänge entsprachen voll den gegebenen Umständen. In der letzten Zeit werden jedoch in vielen Fällen wesentlich weichere Einkristalle, zum Beispiel mit einer Härte M = 2 bis 3 verwendet, welche mittels bekannter materialabtragender Arbeitsvorgänge nur mit großen Schwierigkeiten bearbeitet werden können. Wegen ihrer wesentlich kleineren Festigkeit werden kleinere Teilchen dieser Einkristalle schon beim Schneiden und groben Schleifen herausgebrochen, und die Struktur der Einkristalle wird auch in ihrer Tiefe gestört Soweit ein derartiger Fehler behoben werden kann, kann dies nur durch langwieriges feines Schleifen und Polieren geschehen, was begreiflicherweise die Erzeugung verlangsamt und ihre Kosten erhöht

Aus den erwähnten Gründen wurden Versuche zum Verbessern dieser Umstände angestellt In Wasser lösbare Kristalle wurden mittels Fadensägen geschnitten, die Schnittflächen wurden jedoch durch Wirkung des Wassers gestört und mußten nachträglich durch Schleifen und Polieren behandelt werden. Diese Arbeitsweise konnte im übrigen nicht für in Wasser unlösliche Kristalle angewendet werden.

Ein Verarbeiten auf der Drehbank konnte mit Rücksicht auf die unterschiedliche Festigkeit in Richtung der Hauptachsen der Kristalle und deren Spaltbarkeit nicht in Betracht kommen. Bei Quarz und bei Edelsteinen wurden deshalb Rotationsformen durch Schleifen erzeugt

Andererseits ist ein Verfahren der eingangs genannten Art für die Bearbeitung bestimmter kristalliner Materialien bekannt geworden (DT-AS 10 13 450), nach dem ein kristalliner Körper, beispielsweise Diamant, dadurch materialabtragend bearbeitet wird, daß er durch Berühren mit einem erhitzten Werkzeug örtlich verbrennt und das Verbrennungsprodukt gasförmig abgeführt wird. Dieses Verfahren eignet sich für die meisten Stoffe nicht und selbst bei Anwendung auf dafür geeignete Stoffe ist es gewöhnlich nicht auszuschließen, daß in dem an die Verbrennungszone angrenzenden Bereich des bearbeiteten Körpers ein Anschmelzen auftritt was bei gewissen Einkristallen, auf deren Bearbeitung sich die Erfindung richtet, unerwünscht ist und ein nachträgliches Polieren bis zur Beseitigung der Anschmelzzone erforderlich macht

Ähnliche Erscheinungen sind auch bei dem bekannten, auf dem Verdampfen des Materials mittels energiereicher Laserstrahlen beruhenden Verfahren zum Bohren von Löchern oder zum Schneiden von Diamanten, Metallen oder keramischen Stoffen (»Elektroanzeiger« 1970, S. 441) oder auch bei dem ähnlich mittels Elektronenstrahlen materialabtragenden Verfahren (DT-PS 8 96 827) zu erwarten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren eine materialabtragende Bearbeitungsmethode speziell für sublimierbare Einkristalle zu entwickeln, die bei geringem Zeitaufwand das Auftreten einer flüssigen Grenzzone an der Bearbeitungsfläche vermeidet, die in Wärme überführte Energie im Vergleich mit spanabhebenden Bearbeitungsverfahren wesentlich verringert und eine unerwünschte Veränderung der Oberfläche oder Störung des Kristallgitters der Einkristalle vollkommen

vermeidet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß subliraierbare Einkristalle mittels des auf oder über der Sublimationstemperatur der Einkristalle gehaltenen Werkzeuges derart behandelt werden, daß die Materialabtragung durch Sublimation erfolgt

Da die erfindungsgemäß bearbeiteten Einkristalle sublimierbar sind, wird das abzutragende Material nicht als gasförmiges Verbrennungsprodukt, sondern direkt in den gasförmigen Zustand gebracht und abgeführt, wenn das am Einkristallkörper anliegende Werkzeug auf oder über der Sublimationstemperatur des Einkristallmaterials gehalten wird, wobei eine störende flüssige Grenzzone nicht auftreten kann und das Oberflächengefüge des bearbeiteten Einkristallkörpers ungestört erhalten wird.

Im übrigen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren praktisch für beliebige Bearbeitungsvorgänge, wie Schneiden, Drehen, Bohren und Polieren, auch wenn es vor allem für das Schleifen, Polieren und Schneiden vorteilhaft ist

Die dabei angewendeten Werkzeuge variieren je nach dem Arbeitsvorgang. Zum Schneiden, d.h. zum Teilen des Einkristalls in zwei oder mehr Teile oder zum Trennen eines gewissen Teiles vom Einkristall wird ein dünner, elektrisch beheizter Widerstandsdraht verwendet, der in Richtung der erwünschten Trennfläche langsam vorgeschoben wird.

Der Draht kann dabei entweder langsam in einer Richtung vorgeschoben werden, oder er kann in der gewählten Richtung eine Schwingungsbewegung ausführen. Das verarbeitete Material wird gegen das Werkzeug nur mit geringem Druck angedrückt der einen guten gegenseitigen Kontakt verbürgt An der Kontaktstelle des Einkristalles mit dem erwähnten Werkzeug geht das feste Material in Gas über, welches durch die Schnittfuge entweicht. Der Arbeitsvorgang ist dabei für das verarbeitete Material sehr schonend, so daß keinesfalls ein unerwünschtes Beschädigen oder Aufreißen der Oberfläche oder ein Beschädigen der Struktur des Materials in die Tiefe entsteht. Im Vergleich mit bekannten Bearbeitungsverfahren ist der Materialverlust bei diesem Vorgang verhältnismäßig gering.

Die Seitenflächen des abgetrennten Materials sind so glatt, daß in manchen Fällen kein Schleifen der entstandenen Flächen mehr nötig ist, die dann lediglich poliert werden können.

Das Schleifen und Polieren wird erfindungsgemäß vorzugsweise mittels einer sich drehenden Scheibe vorgenommen, die zum Beispiel elektrisch beheizt wird, die vorteilhaft auf Hochglanz poliert ist und gegen welche der verarbeitete Einkristall angedrückt wird. Das Material der herausredenden Unebenheiten, das auf die Sublimationstemperatur erhitzt wurde, sublimiert in Form von Gas, welches entweicht oder gegebenenfalls an benachbarten Vertiefungen der Oberfläche kondensiert Dadurch werden Vertiefungen der geschliffenen Oberfläche ausgefüllt und so ein

ίο schnellerer Ausgleich erzielt

Durchgehende oder blinde öffnungen werden erfindungsgemäß in den Einkristallen mittels eines harten Drahtes, einer Stange oder eine Röhre ausgeführt, der bzw. die nach Erwärmen auf geeignete Temperatur unter sanftem Druck in das Material in Richtung der Achse der gewünschten öffnung eingedrückt wird.

Auf die erfiudungsgemäße Weise können aus Einkristallen auch Rotationskörper, zum Beispiel in Form von Zylindern, Kegeln, Linsen und dergleichen,

zo durch Drehen mittels eines Messers oder, besser gesagt Formgerätes aus gut leitendem Material erhalten werden, das vorher auf eine geeignete Temperatur erwärmt wurde.

Die Vorteile dieser Lösung können anhand des folgenden Ausführungsbeispiels gewürdigt werden, welches das Wesen der Erfindung darlegt ohne jedoch deren Schutzbereich zu begrenzen.

Ein Einkristall aus Quecksilberchlorid Hg₂Cb mit einer Sublimationstemperatur von 4CX)⁰C wird auf einer Holzunterlage senkrecht zu dessen optischer Achse ausgerichtet und in einen Winkelmeßtisch eines Schneidearmes bzw. Hebels eingelegt Der zweite Teil des Schneidearmes bzw. Hebels wird durch ein Gegengewicht von etwa 36 g belastet Als Schneideelement wird ein »Kanthai«-Widerstandsdraht mit einer Länge von 150 mm und einem Durchmesser von 0,15 mm verwendet, dessen verdoppelte Enden an den Klemmen eines Kreuzkopfes befestigt werden, der 58 Schwingungen in einer Minute ausführt Der Schneidedraht wird mittels eines Regeltransformators auf eine Temperatur von 520⁰C erwärmt, auf welcher er während des ganzen Arbeitsganges gehalten wird. Dabei wird er in eine in Richtung des erwünschten Schnittes fortschreitende Schwingungsbewegung versetzt, wodurch vom Einkristall ein Teil abgeschnitten wird, welcher eine ebene und feinglatte Fläche einer Abmessung von 220 mm² beläßt Die Endbearbeitung der Fläche des Einkristalles wird durch Nachpolieren erzielt.

Claims (1)

1. irerarbeil

   Patentanspruch:

   Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten von kristallinem Material mittels eines erwärmten, festen, am kristallinen Material anliegenden Werkzeuges unter Abführung des abgetragenen Materials im gasförmigen Zustand, dadurch gekennzeichnet, daß sublimierbare Einkristalle mittels des auf oder über der Sublimationstemperatur der Einkristalle gehaltenen Werkzeuges derart behandelt werden, daß die Materialabtragung durch Sublimation erfolgt