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Goldlegierung und Verfahren zu ihrer Wärmebehandlung
Es sind verschiedene Goldlegierungen mit besonderen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise hohem Oxydationswiderstand, grosser Härte und bzw. oder Starrheit, z. B. für die Spitzen von Füllhalterfedern, für Schmuck, Uhrengehäuse oder Zahnersatz und Zahnftillungen vorgeschlagen worden. Beispielsweise wurden in der USA-Patentschrift Nr. 1, 577, 995 sogenannte "weisse"Goldlegierungen beschrieben, welche ausser Gold noch Kupfer, Nickel und Zink enthalten.
Gegenstand vorliegender Erfindung sind Goldlegierungen von bestimmter Zusammensetzung mit einem Gehalt von Kupfer, Zink, Nickel und gegebenenfalls sehr geringen Mengen Mangan, welche der Gruppe der sogenannten "rosa" Legierungen angehören und welche nach einer Wärmebehandlung, die ebenfalls Gegenstand vorliegender Erfindung ist, besonders vorteilhafte mechanische, physikalische (einschliesslich elektrischer) und bzw. oder chemische Eigenschaften erlangen können.
Die erfindungsgemässen Goldlegierungen besitzen bei den normalen Korrosionseinwirkungen einen hohen Oxydationswiderstand. Durch die erfindungsgemässe Wärmebehandlung werden sie, je nach ihrer Zusammensetzung, insbesondere ihrem Goldgehalt, entweder weicher (besser schmied-und streckbar) oder härter und elastischer als übliche Goldlegierungen oder sie sind, wieder entsprechend ihrer besonderen Zusammensetzung, gegen Wärmebehandlung im wesentlichen gänzlich unempfindlich. In einigen Fällen erlangen die Legierungen auch einen aussergewöhnlich hohen Grad von Glätte und Glanz.
Gemäss der Erfindung sind Kupfer, Nickel und Zink, ausgedrückt in Gewichtsprozenten des Gesamtgehaltes dieser Legierungszusätze, in folgenden Mengen neben dem Gold vorhanden :
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<tb>
<tb> Kupfer <SEP> 65 <SEP> - <SEP> 90"10 <SEP>
<tb> Nickel <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 250/0 <SEP>
<tb> Zink <SEP> 3-10%
<tb>
wobei der Goldgehalt 9 - 22 Karat, das sind 37, 5 - 920/0 des Gesamtgewichts der Legierung, ausmacht.
Der Gehalt an gegebenenfalls noch vorhandenem Mangan beträgt ungefähr bis zu 0, lao, bezogen auf den Gesamtgehalt an Legierungszusätzen, bzw. ungefähr 0, 025%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung.
Bei einem Goldgehalt von beispielsweise 50 Gew.-% würden demnach die Gewichtsanteile an Kupfer, Nickel und Zink. bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, innerhalb der Bereiche von :
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<tb>
<tb> Kupfer <SEP> 32, <SEP> 5-45%
<tb> Nickel <SEP> 2-12, <SEP> 5% <SEP>
<tb> Zink <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 50/0 <SEP>
<tb>
liegen, die sich für unterschiedliche Werte des normalerweise innerhalb des Bereiches von 9 bis 22 Karat, d. h. gewichtsmässig zwischen 37, 5-92% liegenden Goldgehaltes, entsprechend ändern.
Die erfindungsgemässe Wärmebehandlung besteht in einer an sich für Goldlegierungen bereits bekannten Aufeinanderfolge einer Erwärmung auf eine erhöhte, aber unter dem Schmelzpunkt der Legierung liegende Temperatur, plötzlichem Abschrecken auf Umgebungstemperatur, Wiedererwärmen auf eine niedrigere Temperatur als die zuerst angewendete und Abkühlung an der Luft. Überraschenderweise wurde gefunden, dass bei Anwendung einer derartigen Behandlung auf Legierungen mit einer Zusammensetzung innerhalb der erfindungsgemässen Bereiche in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Goldgehalt ganz verschiedene Eigenschaften resultieren können :
Wenn der Goldgehalt (gewichtsmässig) weniger als 60% oder mehr als 80% beträgt, macht die Wärmebehandlung die Legierung weich ;
wenn aber der Goldgehalt zwischen den obigen Werten von 60% und
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80% liegt, härtet die Wärmebehandlung die Legierung und macht sie elastischer. Wenn jedoch der Goldgehalt gewichtsmässig etwa 60% oder 80% beträgt, ist die Legierung gegen die vorerwähnte oder gegen jede Wärmebehandlung im wesentlichen unempfindlich.
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(oder Warm-) bearbeitung, beispielsweise Walzen,Drahtziehen oder Stanzen, erfordern. Selbstverständlich werden diese Arbeitsgänge vor der der Legierung Härte und Elastizität verleihenden Wärmebehandlung durchgeführt.
Zu den industriellen Anwendungsgebieten, für die sich die in den Bereich der Erfindung fallenden Legierungen besonders eignen, gehören die Elektronik, die Schmuckherstellung und die Dentaltechnik.
Aus solchen Legierungen können Federn und Kontakte mit hoher mechanischer Festigkeit und Elastizität, Gegenstände mit hoher Stossfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleissfestigkeit sowie zusammengesetzte Gegenstände mit verschiedenen Teilen aus einer weichen bzw. einer harten Legierung, die besonders in der Dentaltechnik zweckmässig sind, hergestellt werden.
Das Wesen der Erfindung, ihre Ziele und die Art ihrer Anwendung in der Praxis werden an Hand der nachfolgenden beispielsweisen, jedoch den Erfindungsbereich nicht beschränkenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung stellen die Kurven I und II erfindungsgemässe, wie vorstehend definierte Legierungen dar, wobei sich die Kurve I auf den ursprünglichen "geschmiedeten (oder gehämmerten)"Zustand und die Kurve II auf den Zustand nach einer nachfolgenden Wärmebehandlung bezieht, die aus folgenden Stufen besteht : vorangehendem vierstündigem Glühen bei 300 C,
Erwärmen in einer reduzierenden Atmosphäre auf 700 C, einstündigem Nachglühen in derselben Atmosphäre bei derselben Temperatur, plötzlichem Abschrecken in Flüssigkeit, beispielsweise in Alkohol, auf Umgebungstemperatur,
Wiedererwärmen auf 250 C, einstUndigem Nachglühen bei der letztgenannten Temperatur und
Abkühlen in Luft bis auf Umgebungstemperatur.
Die Punkte I'und II'betreffen eine übliche, etwa rosafarbene Goldlegierung von 18 Karat, wobei sich der Punkt I'auf der*"geschmiedeten"Zustand und der Punkt II'auf den Zustand nach einer nachfolgenden, wie oben für Kurve II definierten Wärmebehandlung beziehen.
Die graphische Darstellung zeigt, dass, wenn der Goldgehalt einer erfindungsgemässen Legierung in der Nähe von 60% oder 801o liegt, die Wärmebehandlung sehr geringe Wirkung auf ihre Härte hat. Wenn der Goldgehalt jedoch wesentlich unter 60% oder wesentlich über 80% liegt, verursacht die Wärmebehandlung eine überraschende Härteminderung, während bei einem Goldgehalt innerhalb des Bereiches von 60% bis 80% die Wärmebehandlung die Härte steigert, wobei die Spitzenhärte bei einem Goldgehalt in der Nähe von 75% = 18 Karat auftritt. Die Legierung mit diesem Goldgehalt hat eine Elastizität, die
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und Mangan kolorimetrisch bestimmt wurden.
Eine 18-karätige Probe dieser Zusammensetzung wurde in einem Hochfrequenzofen in Stickstoffatmosphäre geschmolzen. Die Temperaturen wurden nach Zeit mit Hilfe eines elektronischen Potentiometers aufgezeichnet, der mit einem Chromel-Alumel-Thermoelement verbunden war, dessen Wärmeanschluss in den Tiegel eingetaucht wurde. Die Schmelz- und Erstarrungsvorgänge werden dreimal aufeinanderfolgend wiederholt, und es werden im wesentlichen identische Temperatur-Zeitkurven erzielt, die jedesmal einen Erstarrungspunkt von etwa 8990C zeigen.
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Eine an einem Draht der spezifischen Legierung vorgenommene Röntgenuntersuchung zeigt, dass seine Kristallstruktur in kaltbearbeitetem Zustand einem flächenzentrierten Würfel gleichkommt, dessen Parameter a etwa 3, 86 X 10-8 cm beträgt. In dieser Hinsicht ist die spezifische Legierung mit Gold vergleichbar, dessen Kristall einen flächenzentrierten Würfel mit einem Parameter a von etwa 4, 07 X 10-8 cm darstellt.
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sind besonders bei elektronischen Anwendungsarten wertvoll.
Die Zerreissprobe wurde auf einer"Amsler"-Maschine durchgeführt mit einem Versuchsstück der spezifischen Legierung, das nach dem plötzlichen Abschrecken von etwa 7000C mit nachfolgendem Wiedererwärmen auf etwa 2000C und einstündigem Nachglühen bei derselben Temperatur die nachfolgenden Abmessungen aufweist :
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wurde, beträgt 26 mm.
Die Ergebnisse dieses Versuches sind folgende :
Elastizitätsgrenze = 77, 5 kg/mm2
Zerreissfestigkeit = 96 kg/mm2
Bruchdehnung (beim Zerreissen) = 50/0.
Härteprüfungen an Versuchsstücken von 1 und 2 mm Dicke derselben Legierung vor und nach der beschriebenen Wärmebehandlung auf einer "Vickers-Amsler"-Maschine mit 10 kg Belastung und gemessen nach dem Massstab 10 haben die in der nachstehenden, die Ergebnisse einer Anzahl von Versuchen aufzeigenden, Tabelle I aufgeführten Ergebnisse erbracht :
Tabelle 1
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<tb>
<tb> 2 <SEP> mm-Versuchsstücke <SEP> Vickers-Härte-Massstab <SEP> 10
<tb> Ursprünglicher <SEP> Zustand <SEP> 230,235, <SEP> 235,240, <SEP> 232
<tb> nach <SEP> Kaltbearbeitung <SEP> "Walzen" <SEP> 270 <SEP>
<tb> nach <SEP> darauffolgendem <SEP> Abschrecken
<tb> von <SEP> 7000C <SEP> 143,145, <SEP> 149,149, <SEP> 144
<tb> nach <SEP> darauffolgendem <SEP> Wiedererwärmen
<tb> auf <SEP> 200 C <SEP> und
<tb> einstündigem <SEP> Nachglühen <SEP> bei
<tb> dieser <SEP> Temperatur <SEP> 247,260, <SEP> 247,254
<tb> nach <SEP> weiterem <SEP> Wiedererwärmen
<tb> auf <SEP> 2600C <SEP> 220,220, <SEP> 229,208, <SEP> 211
<tb> 1 <SEP> mm-Versuchsstücke
<tb> nach <SEP> Abschrecken <SEP> von <SEP> 7000C <SEP> und
<tb> Wiedererwärmen <SEP> auf <SEP> 2000C <SEP> mit
<tb> einstündigem <SEP> Nachglühen <SEP> bei
<tb> dieser <SEP> Temperatur <SEP> 292,274, <SEP> 285,
285, <SEP> 283
<tb>
Vergleichsweise liegt die Härte einer üblichen 18-karätigen Goldlegierung, gemessen nach dem gleichen Massstab, zwischen 120 und 160 (Vickers) Einheiten und ist gegen Wärmebehandlung im wesentlichen unempfindlich.
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Weitere durchgeführte Wärmebehandlungsversuche mit unterschiedlichen Abschreck- und Wiederer- wärmungstemperaturen sowie unterschiedlichen Nachglühzeiten bei Wiedererwärmungstemperaturen an der gleichen (spezifischen) Legierung, sowohl in frischem Zustand ohne vorherige Behandlung als auch in umgeschmolzenem Zustand unter Einschluss von mehr oder weniger Schrott vorher bearbeiteter Gegen-
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<tb>
<tb> Versuch <SEP> Herkunft <SEP> der <SEP> Legierung <SEP> Abschreck-Wiedererwär-Nachglüh-VickersNr.
<SEP> temperatur <SEP> (OC) <SEP> mungstempe-zeit <SEP> (Stunden) <SEP> härte <SEP>
<tb> ratur <SEP> ( C)
<tb> 1 <SEP> frisch <SEP> 500 <SEP> keine <SEP> keine <SEP> 185
<tb> 2 <SEP> (erschmolzen <SEP> ohne <SEP> wei- <SEP> 500 <SEP> 100 <SEP> 4 <SEP> 180
<tb> tere <SEP> Vorbehandlung)
<tb> 3 <SEP> (erschmolzen <SEP> ohne <SEP> wei- <SEP> 700 <SEP> 300 <SEP> 1 <SEP> 296-300
<tb> tere <SEP> Vorbehandlung)
<tb> 4 <SEP> (erschmolzen <SEP> ohne <SEP> wei- <SEP> 700 <SEP> 300 <SEP> 1 <SEP> 285-292
<tb> tere <SEP> Vorbehandlung)
<tb> 5 <SEP> (erschmolzen <SEP> ohne <SEP> wei- <SEP> 700 <SEP> 350 <SEP> 11/2 <SEP> 180-190
<tb> tere <SEP> Vorbehandlung),
<tb> 6 <SEP> (erschmolzen <SEP> ohne <SEP> wei- <SEP> 700 <SEP> 350 <SEP> 1 <SEP> 300
<tb> tere <SEP> Vorbehandlung)
<tb> 7 <SEP> (erschmolzen <SEP> ohne <SEP> wei- <SEP> 880-890 <SEP> keine <SEP> keine <SEP> 160
<tb> tere <SEP> Vorbehandlung)
<tb> 8 <SEP> umgeschmolzen <SEP> 700 <SEP> 250 <SEP> 1 <SEP> 284
<tb> 9 <SEP> umgeschmolzen <SEP> 700 <SEP> 300 <SEP> 1 <SEP> 223
<tb> 10 <SEP> (mit <SEP> Schrottzusatz) <SEP> 700 <SEP> 300 <SEP> 1 <SEP> 220-240
<tb> 11 <SEP> (mit <SEP> Schrottzusatz) <SEP> 700 <SEP> 350 <SEP> 1 <SEP> 1/2 <SEP> 175
<tb> 12 <SEP> (mit <SEP> Schrottzusatz) <SEP> 700 <SEP> 350 <SEP> 1 <SEP> 155
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sonderem Nutzen sind, können erfolgreich aus erfindungsgemässen Legierungen hergestellt werden.
Teile einer 18-karätigen Legierung mit einer Zusammensetzung und einer Wärmebehandlung gemäss de. Erfindung nehmen einen grösseren Glanz an und sind nicht so leicht zu zerkratzen wie Teile aus übli- chem 18-karätigem Gold.
Die erfindungsgemässen Legierungen können ohne grosse Schwierigkeiten erzeugt werden. Es können
Tiegel aus feuerfestem Material oder üblichem Graphit verwendet werden, die in jeder beliebigen Weise, z. B. durch einen Gasniederdruckbrenner oder einen"Mecker"-Pressluftbrenner oder durch einen Induk- tionsofen erwärmt werden.
Als Beispiel kann die nachfolgende Verfahrensweise gelten : Eine"Primär"-Legierung, die ausser dem Gold alle Bestandteile der endgültigen Legierung in den angegebenen Anteilen enthält, wird zunächst wie folgt hergestellt :
Eine Prise Borax (die die nachfolgenden Arbeitsgänge erleichtert) wird in einen Graphittiegel geeig- neter Grösse gegeben. Dann wird das Nickel eingeführt und der Tiegel bis auf den Schmelzpunkt des
Nickels erwärmt. Als nächstes wird unter Beibehaltung der Erwärmung das Kupfer zugesetzt, indem der
Inhalt mit einem Graphit-Rtihrstab umgerührt wird, bis das Kupfer völlig aufgelöst ist. Dann wird das
Zink und (gegebenenfalls) das Mangan zugesetzt.
Wenn alle diese Metalle vollständig geschmolzen und grlindlich vermischt sind, wird die so gebildete"Primär"-Legierung durch Abschrecken in Wasser auf
Umgebungstemperatur granuliert.
Es sei hier erwähnt, dass statt des getrennten Einführens von Kupfer und Zink ein Messing der geeig- neten Zusammensetzung verwendet werden kann, was das Schmelzen beschleunigt und gleichmässiger macht.
Der nächste Arbeitsgang ist das Einbringen einer geeigneten Menge der granulierten"Primär"-Le- gierung zusammen mit einer Prise Borax in einen Tiegel aus feuerfestem Material und das Überdecken der Legierung mit einer geeigneten (sich auf den erforderlichen Endgoldgehalt beziehenden) Menge Fein- gold. Der Tiegel wird dann erwärmt, während sein Inhalt bis zu seinem Schmelzen mit einem Graphit- RUhrstab umgerührt wird. Wenn der Inhalt völlig homogenisiert worden ist, wird die gewonnene homoge- nisierte Legierung in Barrenformen gegossen, und die in dieser Weise erzeugten Barren werden in üblicher
Weise kalt (oder warm) bearbeitet.
Darauf wird die oben geschilderte Wärmebehandlung auf das Erzeugnis angewendet.
Die vorhergehende Erzeugung einer "Primär"-Legierung aus andern Metallen als Gold ermöglicht die genauere Steuerung der "Dosierung" des Goldes zur Vervollständigung der Endlegierung. Die vorstehend beschriebene Verfahrensweise ist auch insofern zweckmässig, als das oben auf die"Primär"-Legierung in den Tiegel gegebene Gold in gewissem Umfang die Metalle der"Primär"-Legierung bei Beginn des
Schmelzens vor Oxydation schützt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Erzeugung einer erfindungsgemässen 18-karätigen Goldlegierung ist mutatis mutandis auf die. Erzeugung ähnlicher Legierungen mit unterschiedlichen Goldgehal- ten anwendbar.
Es können aber auch alle Bestandteile der Endlegierung einschliesslich Gold in einer einzigen
Schmelze vermischt werden.
Erfindungsgemässe Legierungen mit einem Goldgehalt zwischen etwa 60 und 80'%'haben Eigenschaf- ten, die in gewissem Umfang denen von Berylliumbronzen vergleichbar sind, die durch die Eigentüm- lichkeit gekennzeichnet sind, dass sie in abgeschrecktem oder getempertem Zustand weicher sind als im "geschmiedeten" Zustand, während bei den meisten üblichen Industriemetallen und ihren Legierungen das Gegenteil der Fall ist.
Die erfindungsgemässen Legierungen können auch andere Bestandteile als die spezifisch erwähnten, allerdings in etwas kleineren Anteilen, enthalten ; und während der Herstellung können im Hinblick auf die Erleichterung der Homogenisation, des Schmelzens oder bzw. und des Legierens auch weitere, letztlich zu entfernende Bestandteile eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang kann in gewissen Fällen die Einführung von zumindest teilweise aus dem Endprodukt zu entfernendem Kadmium zweckmässig sein.
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