DE3032679C2

DE3032679C2 - Chemisches Polierverfahren für Niob-Teile, insbesondere von Hohlraumresonatoren

Info

Publication number: DE3032679C2
Application number: DE19803032679
Authority: DE
Inventors: Yilmaz Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Uzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1982-12-02
Also published as: DE3032679A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein chemisches Polierverfahren für Niob-Teile, insbesondere von Hohlraumresonatoren, mittels eines Säuregemisches aus etwa 5,9 Gew.-0/0 HF. etwa 25,5 Gew.-% HNO₃, etwa 473 Gew.-% H2SO4 und den restlichen Gewichtsprozenten H2O. Ein solches Verfahren ist aus dem Buch von G. L Miller: »Tantalum and Niobium«, Verlag Butterworth Scientific Publications, London 1959, Seite 328 bekannt.

Niob wird unter anderem als Material für supraleitende Hohlraumresonatoren verwendet. Solche Hohlraumresonatoren können insbesondere für Teilchenbeschleuniger vorgesehen sein. In der supraleitenden Oberfläche dieser Hohlraumresonatoren findet bei deren Betrieb eine Hochfrequenzabsorption statt. Um diese Absorption und die damit verbundenen Verluste klein zu halten, sollen die Oberflächenschichten möglichst homogen zusammengesetzt, möglichst glatt und möglichst frei von Störungen aller Art sein.

Die bei einer mechanischen Bearbeitung der Nioboberflächen eines Resonators unvermeidlichen Oberflächenrauhigkeiten mit Rauhtiefen von beispielsweise bis zu 100 μπι und mehr müssen daher in besonderen yoüerverfahren beseitigt werden. Zugleich ist es im allgemeinen erforderlich, Oberflächenschichten von entsprechender Dicke abzutragen, soweit diese durch die vorhergehende mechanische Bearbeitung hervorgerufene Störungen im Kristallgitter aufweisen. Diese Störungen führen nämlich ebenfalls zu Verlusten.

Aus der DE-PS 20 27 156 ist beispielsweise ein Verfahren zum anodischen Polieren der Niobteile von Hohlraumresonatoren bekannt, bei dem ein HjSO₄, HF und H2O enthaltender Elektrolyt mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis dieser Anteile verwendet wird. Gemäß dem Verfahren wird bei einer (><; Temperatur zwischen 15 und 50°C gearbeitet und eine konstante Spannung zwischen 9 und 50 V derart eingestellt, daß dem Elektrolytstrom überlagerte gedämpfte Stromschwingungen auftreten und spätestens nach vollständigem Abklingen der Stromschwingungen die Spannung so lange abgeschaltet wird, bis die während der Stromschwingungen aufgebaute Oxidschicht aufgelöst ist. Diese Verfahrensschritte werden anschließend noch mehrmals durchlaufen. Das bekannte Verfahren ist zwar gut zum Polieren von Niob-Resonatorflächen geeignet; es ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Dagegen sind rein chemische Polierverfahren wesentlich einfacher durchzuführen. Ein solches Verfahren zum Polieren von Niob-Flächen istz. B. dem genannten Buch von G. L Miller zu entnehmen. Danach sollen die zu polierenden Flächen in ein Bad aus einem Säuregemisch eingebracht werden, das einen Volumenanteil 40%ige Flußsäure (HF), zwei Volumenanieile konzentrierte, d. h. 69%ige Salpetersäure (HNO3) und zwei Volumenanteile konzentrierte, d. h. 98°/oige Schwefelsäure (HzSO₄) enthält. Dies entspricht einer Zusammensetzung von etwa 53 Gew.-% HF, 25,5 Gew.-% HNO₃, 473Gew.-% H₂SO₄ und 213Gew.-% H₂O. Besondere Temperaturverhältnisse sind bei diesem bekannten Verfahren nicht zu beachten. Mit dieser Säuremischung lassen sich zwar Oberflächenschichten von Niob-Teilen abtragen. Dabei ist jedoch mehl- eine Ätzung als eine Politur der Niob-Flächen zu beobachten. Das bekannte Verfahren ist deshalb zum Polieren von für Hochfrequenzanwendungen vorgesehenen Niob-Teilen wie z. B. von supraleitenden Hohlraumresonatoren nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das eingangs genannte Verfahren zum Polieren von Niob-Teilen dahingehend zu verbessern, daß mit ihm die an eine Politur von Niob-Hohlraumresonatoren zu stellenden Anforderungen zu erfüllen sind, wobei insbesondere die Gefahr einer Anätzung der Resonatorflächen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches aufgeführten Maßnahmen gelöst. Dabei sollen, wie durch den Hinweis auf ungefähre Werte der einzelnen Anteile des Säuregemisches zum Ausdrtick gebracht ist, bei den genannten Werten Abweichungen von ±5% mit eingeschlossen sein.

Den Maßnahmen nach der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich mit dem an sich bekannten HF, HNO₃, H₂SO₄ und H₂O enthaltenden Säuregemisch dennoch ein Polieren der Niobteile eines Hohlraumresonators vornehmen läßt, falls ganz bestimmte Verfahrensparameter eingehalten werden. Der Grund, warum das bekannte Verfahren nicht zu dem für supraleitende Niob-Hohlraumresonatoren gewünschten Poliereffekt führt, ist nämlich darin zu sehen, daß die Reaktion stark exotherm verläuft und insbesondere von der Größe des Niobvolumens und der Temperatur abhängig ist. Ein kleiner Niobkörper wie z. B. ein kreisscheibenförmiges Plättchen aus 0,5 mm starkem Niob-Blech mit einem Durchmesser von 1 cm hat zwar eine entsprechend geringe Wärmemasse und heizt sich deshalb nach Einbringen in das bekannte Säuregemisch etwas auf. Diese Temperaturerhöhung reicht jedoch im allgemeinen nicht aus, um die für Hochfrequenzanwendungen geforderte Polierwirkung zu erreichen. Bei einem größeren Niobkörper wie z. B. einem Resonator wird aufgrund seiner großen Wärmemasse dem ihn umgebenden Gemisch sogar noch Wärme entzogen, so daß es zu einer unerwünschten Temperaturverminderung an seiner Oberfläche kommt.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen also darin, daß bei dem an sich bekannten Mischungsverhältnis aufgrund des vorbestimmten Volumenverhältnisses von Säure zu Niob-Material und der vorbestimmten Mindesttemperatur eine erhöhte Temperatur an den Oberflächen der Niob-Teile stets gewährleistet ist. Dabei werden zwar die Korngrenzen leicht angeätzt, d. h. sie werden sichtbar. Jedoch werden die Körner mit statistischen Orientierungen nicht unterschiedlich abgetragen; d. h. es ist vorteilhaft keine Stufenbildung am den Korngrenzen zu beobachten. Die Körner werden deshalb extrem glatt, falls das Niobgitter nicht durch eine zu starke Kaltverformung sehr stark gestört ist.

Sollen Niob-Körper mit verhältnismäßig kleinem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis poliert werden, so wird vorteilhaft ein noch größeres Verhältnis des Volumens des Säuregemisches zu dem Volumen der Niob-Teile vorgesehen. Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung sollen deshalb die Niob-Teile in eiu Säuregemisch eingebracht werden, dessen Volumen mindestens das SOfache des Volumens des Niob-Materials beträgt

Eine ausreichend hohe Temperatur an den zu polierenden Flächen der in das Säuregemisch eingebrachten Niob-Teile ist auf alle Fälle gewährleistet, wenn das Säuregemisch eine Mindesttemperatur von 70⁰C hat.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwiesen.

Bei den zu polierenden Niob-Teilen handelt es sich um einen Hohlraumresonator vom TMoio-Typ, wie er z. B. in der Veröffentlichung »Cryogenics«, Januar 1976, Seite 20, Fig. 6 veranschaulicht ist. Der Resonator war aus etwa 1 mm starkem Niob-BIech ^Jsammengesetzt und hatte eine axiale Ausdehnung von 50 mm. Die stirnseitigen, lochscheibenförmigen, etwa 5 mm starken Flanschteile des Resonators mit einem Außendurchmesser von 54 mm hatten eine zentrale Öffnung von 12 mm Durchmesser für axiale Koppelrohre. Zwischen den Koppelrohren war der eigentliche zylinderförmige Resonatorhohlraum mit einem Innendurchmesser von 25 mm und einer axialen Ausdehnung von 15 mm angeordnet. Das Resonatorgewicht betrug etwa 195 g, so daß das Volumen eiwa 23 cm³ betrug. Die gesamte Oberfläche der Niob-Teile des Resonators war etwa 175 cm³ groß. Dieser Resonator wurde gemäß der

'> Erfindung in etwa 400 ml der bekannten Säuremischung poliert. Die Säuremischung bestand aus 80 ml 40%iger Flußsüure, 160 ml 69%iger Salpetersäure und 160 ml 98%iger Schwefelsäure. Dieses Säuregemisch aus Säuren allgemein gebräuchlicher Konzentrationen

i" wurde frisch angesetzt, wobei dem Gemisch aus Fluorsäure und Salpetersäure die Schwefelsäure zugesetzt wurde. Dabei stellte sich vorteilhaft eine anfängliche Temperatur von über 75° C ein. Da der Polierprozeß sehr schnell abläuft, waren bereits nach

ι · 30 Sekunden etwa 30 μπι abgetragen, wobei die Innenseite des Resonators glänzend war. Während die Resonatorinnenflächen vor dem Polierprozeß eine mittlere Rauhtiefe von etwa 2,5 μΐη hatten, wurde nach der Politur eine mittlere Rauhtiefe von weniger als

-» 0,3 μίτι ermittelt.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich also vorzüglich zu einem schnellen und einfachen Polieren der Oberflächen von Hohlraumresonatoren aus Niob. Es kann selbstverständlich ebensogut auch zum Polieren

2Ί beliebiger anderer Niobteile verwendet werden.

Zusammenfassung

Chemisches Poiierverfahren für Niob-Teile,
_J() insbesondere von Hohlraumresonatoren

Niob-Teile können auf einfache Weise in einem Säuregemisch aus etwa 5,9Gew.-% HF, etwa 25,5 Gew.-% HNO₃, etwa 473 Gew.-% H₂SO₄ und den restlichen Gewichtsprozenten H2O chemisch poliert werden. Hierbei besieht jedoch die Gefahr einer Anätzung der Flächen, so daß dieses Verfahren nicht ohne weiteres zum Polieren von für Hochfrequenzanwendungen vorgesehenen Niob-Teilen wie z. B. von Hohlraumresonatoren verwendet werden kann. Die Erfindung sieht deshalb vor, daß die t:iob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 40°C hat und dessen Volumen mindestens das 15fache, vorzugsweise mindestens das 50fache des Volumens des Niob-Materials beträgt.

Claims

Patentansprüche:

1. Chemisches Polierverfahren für Niob-Teile, insbesondere von Hohlraumresonatoren, mittels eines Säuregemisches aus etwa 5,9Gew.-%HF, etwa 25.5 Gew.-% HNOj, etwa 473 Gew.-% H₂SO₄ und den restlichen Gewichtsprozenten HjO, dadurch geken ti zeichnet, daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 40⁰C hat und dessen Volumen mindestens das 15fache des Volumens des Niob-Materials beträgt.

2. Polierverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, dessen Volumen mindestens das 50fache des Volumens des Niob-Marerials beträgt.

3. Polierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 70⁰C hat.

4. Poüerverfahrer. nach einem der Anspräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Niob-Teile in eine frisch angesetzte Säuremischung eingebracht werden, dem als letzte Säure der vorbestimmte Anteil an H₂SO₄ zugesetzt wurde.

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