METHOD FOR THE CHEMICAL POLISHING OF NIOBIUM PIECES, ESPECIALLY OF A CAVITY RESONATOR

Abstract: 1. A process for the chemical polishing of niobium components in an acid mixture containing HF, HNO3 , H2 SO4 and H2 O, characterised in that the niobium components are introduced into an acid mixture which has a minimum temperature of 40 degrees C, the volume of which is at least fifteen times the volume of the niobium material, and which contains about alpha % by weight of HF, about beta % by weight of HNO3 , about gamma % by weight of H2 SO4 and the remaining percentage by weight being H2 O, where alpha lies between 5 and 10, beta between 11 and 26 and gamma between 36 and 66.

Description: Verfahren zum chemischen Polieren von Niob-Teilen, insbesondere eines Hohlraumresonators Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum chemischen Polieren von Niob-Teilen, insbesondere eines Hohlraumresonators,.in einem HF, HNO3, H2S04 und H20 enthaltenden Säuregemi sch. Niob wird unter anderem als Material für supraleitende Mohlrallmresonatoren 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 Oberflächen- rauhigkeiten mit Rauhtiefen von beispielsweise bis zu 100 um und mehr müssen daher in besonderen Polierverfahren beseitigt werden. Zugleich ist es im allgemeinen erforderlich, Oberflächenschichten von entsprechender Dicke abzutragen, soweit diese durch die vorhergehende mechenische Bearbeitung hervorgerufene Störungen im Kristallgitter aufweisen. Diese Störungen führen nämlich ebenfalls zu Verlusten. Aus der DE-PS 2 027 156 ist beispielsweise ein Verfahren zum anodischen Polieren der Niobteile von Hohlraumresonatoren bekannt, bei dem ein H2504, HF und H20 enthaltender Elektrolyt mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis dieser Anteile verwendet ird. 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 Verlagerte gedämpfte Stromschwingungen auftreten und spätestens nach vollständigem Abklingen der Stromschwingungen die Spannung solange abgeschaltet wird, bis die während der Stromschwingungen aufgebaute Oxidschicht aufgelöst wird. Diese Verfahrensschritte werden anschliessend noch mehrmals durchlaufen. Das bekannte Verfahren ist zwar sehr gut zum Polieren von Niob-Resonatorflächen geeignet; es ist jedoch ver hältnismässig aufwendig. Dagegen sind rein chemische Polierverfahren wesentlich einfacher durchzuführen. Ein solches Verfahren zum Polieren von Niob-Flächen ist z.B. aus dem Buch von G. L. Milder: "Tantalum and Niobium, Verlag Butterworth Scientific Publications, London 1959, Seite 328, bekannt. Danach sollen die zu polierenden Flächen in ein Bad aus einem Säuregemisch eingebracht werden, das einen Volumenanteil 4obige FluBsäure (HF), zwei Volumenanteile konzentrierte, d.h. 69%ige Salpetersäure (HNO3) und zwei Volumenanteile konzentrierte, d.h. ziege Schwefelsäure (H2S04) enthält. Besondere Temperaturverhältnisse sind bei diesem bekannten Verfahren nicht zu beachten. Mit dieser Säuremischung lassen sich zwar Oberflächenschichten abtragen. Dabei ist jedoch mehr 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 Xennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Massnahmen gelöst. Dabei sollen, wie durch den Hinweis auf ungefähre Werte der einzelnen Anteile des Säuregemisches zum Ausdruck gebracht ist, bei den genannten Werten Abweichungen von + 5 % mit eingeschlossen sein. Den Massnahmen nach der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich mit einem HF, HIN03, H2S04 und 1120 enthaltenden Säuregemisoh dennoch ein Polieren der Niobteile eines Hohlraumresonators vornehmen lässt, falls ganz bestimmte Zusammensetzungen des Gemisches und bestimmte Verfahrensparameter eingehalten werden. Der Grund, warum das bekannte Verfahren nicht zu dem für supraleitende Niob-Hohlraumresonatoren gewünschten Poliereffekt fffhrt, 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 Ein bringen in das bekannte Säuregemisch etwas auf. Diese Temperaturerhöhung ist jedoch im allgemeinen nicht ausreichend, um die für Hochfrequenzanwendungen geforderte Polierwirkung zu erreichen. Bei einem grösseren Niobkörper wie z.B. einem Resonator wird dem ihn umgebenden Gemisch aufgrund seiner grossen Wärmemasse sogar noch Wärme entzogen, so dass es zu einer uner wünschen Temperaturverminderung an seiner Oberfläche kommt. Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen also darin, dass bei dem angegebenen Mischungsverhältnis aufgrund des vorbestimmten Volumenverhältniss es 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 an 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-ein Säuregemisch eingebracht werden, dessen Volumen mindestens das 5Ofache des Volumens des Niob-Materials beträgt. Eine besonders gute Polierwirkung wird erreicht, wenn man die Niob-Teile in ein Säuregemisch einbringt, das etwa 6,5 bis 8,5 Gew.-% KF, 12,5 bis 19,5 Gew.-% HN03, 46 bis 62 Gew.-% H2S04 und die restlichen Gewichtsprozente H20 enthält. Eine ausreichend hohe Temperatur an den zu polierenden Flächen der in das Säuregemisch eingebrachten Niobteile ist auf alle Fälle gewährleistet, wenn das Säuregemisch eine Mindesttemperatur von 700C hat. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die nachstehend: beschriebenen Ausführungsbeispiele - verwiesen. Bei den zu polierenden Niob-Teilen handelte es sich um einen Hohlraumresonator vom TMo10-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-Blech zusammengesetzt 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 Re sonatorhohlraum mit einem Innendurchmesser von 25 mm und einer axialen Ausdehnung von 15 mm angeordnet. Das Resonatorgewicht betrug etwa 195 g, so dass das Volumen etwa 23 cm3 betrug. Die gesamte Oberfläche der Niob-Teile des Resonators war etwa 175 cm2 gross. Dieser Resonator wurde in etwa 400 ml einer Säuremischung gemäss der Erfindung poliert. Die Säuremischung bestand aus 25 Volumenprozent 40 zeiger Flusssäure, 25 Volumenprozent 65 zeiger Salpetersäure und 50 Volumenprozent 96 %iger Schwefelsäure. Dies entspricht einer Zusammensetzung des Säuregemisches von etwa 7,3 Gew.-% HF, 14,7 Gew.-% HN03, 56,9 Gew.-% H2S04 und 21,1 Gew.-% 1120. Dieses Säuregemisch aus Säuren allgemein gebräuchlicher Konzentrationen 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 20 Sekunden etwa 70 um abgetragen, wobei die Innenseite des Resonators glänzend war. Während der Resonator vor dem Polierprozess bei einer kritischen Flussdichte Bcac von etwa 25 mT eine Güte Qo von etwa 7 # 108 hatte, wurde nach der Politur eine Güte Qo von etwa 4,5 # 109 bei einer kritischen Flussdichte Bcac von 73 mT gemessen. Gemäss einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel wurde ein weiterer Resonator des gleichen Typs mit denselben Abmessungen wie in dem vorstehenden Beispiel in etwa 400 ml einer Säuremischung gemäss der Erfindung poliert. Die Säuremischung bestand aus 80 ml 40 %iger Flusssäure, 160 ml 69 %iger Salpetersäure und 160 ml 98 %iger Schwefelsäure. Dieses Säuregemisch aus Säuren allgemein gebräuchlicher Konzentrationen 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 30 Sekunden nach 30 um abgetragen, wobei die Innenseite des Resonators glänzend war Während die Resonatorinnenflächen vor dem Polierprozess eine mittlere Rauhtiefe von etwa 2,5 1um hatten, wurde nach der Politur eine mittlere Rauhtiefe von weniger als 0,3 um 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 beliebiger anderer Niobteile verwendet werden. 6 Patentanspruche

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum chemischen Polieren von Niob-Teilen, insbesondere eines Hohlraumresonators, in einem HF, HNO3, H2SO4 und H2O enthaltenden Säuregemisch, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t, dass die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 400C hat, dessen Volumen mindestens das 15fache des Volumens des Niob-Materials beträgt und das etwa &alpha; Gew.-% HF, etwa ss Gew.-% HNO3, etwa # Gew.-% H2SO4 und die restlichen Gewichtsprozente H2O enthält, wobei &alpha; zwischen 5 und 10, ss zwischen 11 und 26 sowie &gamma; zwischen 36 und 66 liegen. 2. Polierverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e 4 c h n e t , dass die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, dessen Volumen mindestens das 50fache des Volumens des Niob-Materials beträgt. 3. Polierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e fl c h n e t , dass die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das etwa 6,5 bis 8,5 Gew.-% HF, 12,5 bis 19,5 Gew.-% HNO3, 46 bis 62 Gew.-% H2SO4 und die restlichen Gewichtsprozente H20 enthält. 4. Polierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c b n e t , dass ein Säuregemisch verwendet wird, das etwa 7,3 Gew.-% HF, 14,7 Gew.-% HNO3, 56,9 Gew.-% H2SO4 und 21,1 Gew.-% 1120 enthält. 5. Polierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 7900 hat. 6. Polierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Niob-Teile in eine frisch angesetzte Säuremischung eingebracht werden, der als letzte Säure der vorbestimmte Anteil an H2S04 zugesetzt wurde.

Inventors: UZEL, YILMAZ, DIPL.-PHYS.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: C23F3
IPC codes: C23F3