DE2745124C2

DE2745124C2 - Elektrode für elektrochemische Bearbeitung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE2745124C2
Application number: DE2745124A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Eindhoven Verspui
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-10-20
Filing date: 1977-10-07
Publication date: 1985-01-10
Also published as: GB1540538A; DE2745124A1; JPS6154527B2; FR2368334A1; NL7611566A; FR2368334B1; JPS5351150A; US4136006A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke, die örtlich mit einer Isolierschicht aus polykristallinem Siliciumcarbid überzogen ist, und auf die Verwendung einer solchen Elektrode.

Die elektrochemische Zerspanung erfolgt in einer Elektrolytlösung, in der das Werkstück als Anode und das Werkzeug als Kathode angeordnet wird, wobei zwisehen diesen beiden Elektroden ein Strom geführt wird. Das als Anode geschaltete Werkstück wird z. B. in Form von Metallhydroxid gelöst, während an der Werkzeugoberfläche Wasserstoff entwickelt wird. Der Vorteil dieses Zerspanungsverfahrens ist, daß keine Abnutzung oder Angriff des Werkzeuges auftritt

Das Verfahren ist z. a. im Handbuch »Electrochemical Machining« von A. E. de Barr und D. A. Oliver, herausgegeben von MacDonald, London (1968), und in zwei Aufsätzen von Koa-Wen Mao: »CM study in a closedcell system« in J. Electrochem. Soc. 118, S. 7 und folgende (1971) beschrieben.

Die üblichen Elektrolyten bestehen aus Lösungen eines Salzes in Wasser und in der Regel aus NaCl- oder NaNOj-Lösungen.

Um bei diesem Verfahren eine genügende Genauigkeit zu erhalten, wird der Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück klein, z. B. gleich 0,01 bis 0,1 mm, gehalten. Um den Abstand etwa konstant zu halten, muß das Werkzeug mit einer gewissen Geschwindigkeit (»Ansatz«) zu dem Werkstück hin bewegt werden, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die gleich der Lösungsgeschwindigkeit des Werkstücks ist. Der Elektrolyt wird mit einer verhältnismäßig großen Geschwindigkeit durch den Elektrodenspalt gepumpt, um das gebildete Metallhydroxid, den entwickelten Wasserstoff und die entwickelte Wärme abzuführen. Die Wärmeentwicklung in der Elektrolytflüssigkeit ist nämlich groß, weil in der Praxis Elektrolyseslröme bis zu 500 A pro cm² bearbeiteter Oberfläche in Betracht kommen.

Die Genauigkeit dieses Bearbeitungsverfahrens, die an sich nicht besonders groß ist, wird dadurch erheblich verbessert, daß Isolierung an derjenigen Stelle auf der Elektrode angebracht wird, an der kein Stromdurchgang gewünscht wird. Die beiliegende Zeichnung zeigt beispielsweise eine Elektrode zur Bildung von Schlitzen. Dabei bezeichnet (1) das Werkstück, (2) eine bandförmige Elektrode in einem Querschnitt senkrecht zu der

Kleinstabmessung und (3) die Isolierung der Elektrode.

Wenn eine große Genauigkeit der Bearbeitung gewünscht wird, wie oben angegeben, ist es von Bedeutung, daß diese Schicht (3) möglichst dünn gewählt wird und eine Dicke von z. B. 0.01 mm oder weniger aufweist.

Aus der DE-OS 24 56 515 ist eine Elektrode bekannt, die örtlich mit einer Schicht aus einem polykristallinen Halbleitermaterial überzogen ist, die insbesondere aus zwei Teilschichten von Halbleitermaterialien verschiedener Art und/oder vom n- oder p-Leitungstyp aufgebaut ist In einer Ausführungsform besteht der Halbleiter aus Siliciumcarbid, das in zwei n- bzw. p-leitenden Teilschichten angebracht ist

Bei der Bildung dieser Teilschichten durch chemische Ablagerung über die Gasphase ist eine genaue Einstellung der unterschiedlichen Prozeßparameter erforderlich, um eine Isolierschicht mit geringem Lecksirom zu erhalten. Dies läßt sich vor allem im polykristallinen Siliciumcarbid verhäiinisrnäßig schwer verwirklichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine örtlich isolierte Elektrode zu schaffen, die auf einfache und reproduzierbare Weise hergestellt werden kann.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außerdem eine Zwischenschicht mit einer Dicke von höchstens, 0,5 um vorhanden ist, die aus einem anorganischen Isolator mit einen spezifischen Widerstand von mindestens 10* Ohm.cm besteht

Brauchbare Schichten aus diesem Isoliermaterial bestehen aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Bornitrid und Aluminiumoxid. Schichten aus diesen Materialien an sich sind aber für eine Isolierschicht für eine Elektrode für elektrochemische Bearbeitungen ungeeignet, weil die Bildung von Löchern und Rissen unvermeidlich ist. wodurch zu hohe Leckströme auftreten. Siliciumcarbidschichten können aber leicht in einer für Elektrolytflüssigkeiten undurchdringlichen Qualität erhalten werden.

Das Siliciumcarbid stimmt, was dc:< linearen Ausdehnungskoeffizienten (36—49 · ΙΟ-⁷) anbelangt, sehr gut mit Wolfram (46 · 10~⁷) und in etwas geringerem Maße auch mit Molybdän (57 · 10~⁷) überein.

Der anorganische Isolator muß in einer Dicke von höchstens 04 μπι entweder als eine Schicht zwischen dem Basismetall der Elektrode und dem SiC oder zwischen zwei SiC-Schichten vorhanden sein. Die maximale Dicke hängt mit dem Ausdehnungskoeffizienten des S13N4 (abhängig von der Kristallform zwischen 15 und 30 · ΙΟ-⁷) zusammen, weil sonst der zu große Unterschied mit den anderen Materialien für die Haftung nachteilig wird. Die minimal erforderliche Dicke ist etwa 100 Ä.

Die Schichten können am zweckmäßigsten durch chemische Ablagerung aus der Gasphase hergestellt werden.

Die Elektroden nach der Erfindung weisen an der Stelle der Isolierschicht sehr kleine Leckströme, z. B. 0,04 bis 2 ■ 10-⁶ A/cm² bei 20V,cuf.

In Weiterbildung der Erfindung dient die Elektrode der elektrochemischen Bearbeitung von elektrisch leitenden Werkstücken, insbesondere wie Scherköpfe mit Schlitzen oder Löchern.

Nun folgen zwei Ausführungsbeispiele.

1. Ein aus Wolfram bestehendes Band mit einer Länge von 30 cm, einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 0,15 mm wird während 4 Minuten auf einer Temperatur von 800°C einem Gasstrom von 1370 cmVmin ausgesetzt, der aus 1320 cm³ NH] und 50 cm³ H₂ besteht, das 5% SiH₄ enthält. Durch Py-

rolyse bildet sich eine etwa 0,3 μπι dicke Si₃N₄-Schicht auf der Bandoberfläche. Nach diesem Versuch wird der Reaktor vakuumgepumpt und mit HrGas gespült Dann wird das Band während 20 Sekunden auf 1500⁰C in einem Gasstrom von 1700 cm³ H₂ erhitzt der 9 VoL-% (CH₃)₂ SiCl₂ enthält. Dadurch wird etwa 5 μπι SiC auf der mit SijN₄ überzogenen Wolframelektrode abgelagert. Si)N₄ weist einen spezifischen Widerstand von 10^l2Ohm.cmauf.

Eine Elektrode mit einer Länge von 1 cm wird aus dem so erhaltenen Band mit einer Doppelschicht aus Si₃N₄ und SiC (Gesamtdicke etwa 5 μπι). in der in der Figur gezeigten Ausführung hergestellt wobei die Schicht an der Endfläche fehlt und an der Einklemmstelle mechanisch entfernt ist um Stromdurchgang bzw. elektrischen Kontakt zu ermöglichen. Als Elektrolyt bei dem elektrochemischen Zerspanungsverfahren wird eine wäßrige NaNo3-Lösung mit einer Leitfähigkeit von 0,10 0hm-· cm-' verwendet die mit einer Geschwindigkeit von 20 m/sec herumgepunipt wird. An der Stelle der unüberzogenen Elektrodenoberfläche beträgt die Stromdichte etwa 100 A/cm² und an der Stelle der Doppelschicht aus SbN₄ und SiCl0~³A/cm^J bei einer Betriebsspannung von 10 V. Eine Elektrode, die nur mit einer 10 μπι dikken SiC-Schicht überzogen ist die aus zwei Teilschichten und zwar einer n- und einer p-leitenden Teilschicht, besteht, weist einen Leckstrom von -5 0,2 A/cm² bei derselben Betriebsspannung auf.
2. Entsprechend dem vorangehenden Beispiel wird eine Isolierschicht aus Bornitrid (BN) dadurch erhalten, daß das Wolframband nach Beispiel 1 während einer Minute auf 1600° C in einem HrNH₃-BCI₃-StTOm von 0,5 mm Quecksilbersäule erhitzt wird. Der Gasstrom weist eine Geschwindigkeit "on O^ I H₂/min auf und enthält 14% NH₃ und 10% BCI₃. Dieser Strom wird bei dem genannten Unterdruck durch den Reaktor geführt. Nach -to einer Minute ist eine 0,4 μητι dicke BN-Schicht auf dem Wolframband abgeschieden. Bornitrid weist einen spezifischen Widerstand von 10^uOhm.cm auf. Di>nn wird darauf auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise eine etwa 5 μηι dicke SiC-Schicht abgelagert.

Eine aus dem so erhaltenen Band hergestellte Elektrode, die in der Ausführung und auf die Weise nach Beispiel 1 verwendet wird, weist mit der letzleren Ausführung verg'eichbare Eigenschaften auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke, die örtlich mit einer Isolierschicht aus polykristallinem Siliciumcarbid überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Zwischenschicht mit einer Dicke von höchstens 0,5 μίτι vorhanden ist, die aus einem anorganischen Isolator mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10⁶ Ohmxm besteht

2. Elektrode nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem anorganischen Isolator sich zwischen zwei Siliciumcarbidschichten befindet

3. Verwendung einer Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, zur elektrochemischen Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke.