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Kompositmaterial
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kompositmaterialien, insbesondere
auf Kompositmaterialien auf Palladiumbasis.
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Die genannten Materialien finden Verwendung im Gerätebau, in der chemischen
Industrie, der Medizin (Stomatologie) und der Schmuckindustrie.
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An solche Materialien werden eine Reihe von Forderungen gestellt.
Sie sollen eine hohe Korrosionsbesuändigkeit und mechanische Festigkeit aufweisen.
Sie sollen auch eine hohe Oberflächenharte, Verschleissfestigkeit, hinreichende
elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was bei der Verwendung solcher Materialien
im Gerätebau von grosser Bedeutung ist. Bei der Verwendung dieser Materialien zur
Herstellung von Schmuckwaren sollen sie ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen.
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Bekannt ist ein Kompositmaterial, das ein Grundmetall aus Palladium
mit einer auf diesem aufgebrachten Plattierschicht aus Indium darstellt (siehe SU-PS
222 104).
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Die Plattierschicht wird durch galvanische Verfahren aus wässrig-organischen
Lösungen der Indiumsalze aufgebracht. Dieses Material weist ein hohes Reflexionsvermögen
und befriedigende mechanische Eigenschaften auf. Jedoch ist die Korrosionsbeständigkeit
der Plattierschicht aus diesem Material in saurem Medium nicht hoch und ausserdem
weist die Plattierschicht eine äusserst niedrige Härte und Verschleissfestigkeit,
bedingt durch die Eigenschaften des reinen Indiums, auf, was das Anwendungsgebiet
dieses Kompositmaterials einschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kompositmaterial zu
entwickeln, welches eine hohe Korrosionsbeständigkeit, befriedigende mechanische
Festigkeit, hohe Oberflächenhärte und Verschleissfestigkeit auf dem Niveau der Verschleissfestigkeit
des Stahls, sowie ein hohes Reflexionsvermögen und eine der Farbe der Goldlegierung
für Schmuckwaren nahekommende Farbe aufweist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Kompositmaterial vorgeschlagen
wird, das ein Grundmetall aus Palladium mit einer auf diesem aufgebrachten Plattierschicht,
die Indium enthält, darstellt, in dem erfindungsgemäss die Plattierschicht aus vier
Schichten besteht, die, von dem Grundmetall gerechnet, in folgender Reihenfolge
angeordnet sind: Mischkristall von
Indium in Palladium, Pd3In, Pd2In
und ß-PdIn, wobei die Dicke der Aussenschicht ß-PdIn 50 bis 90 9o t bezogen auf
die Gesamtdicke der Plattierschicht, und die Dicke der übrigen Schichten der Plattierschicht
summarisch 10 bis 50 %, bezogen auf die Gesamtdicke der Plattierschicht, bei einem
beliebigen Verhältnis ihrer Dicken in den genannten Grenzen beträgt.
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Wie oben angegeben, ist das Grundmetall des Kompositmaterials Palladium.
Infolgedessen weist das Kompositmaterial eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Plastizität
auf. Das Vorliegen eines plastischen Grundmetalls gestattet es, Halbzeuge beliebiger
Form nach weit verbreiteten Methoden, beispielsweise durch plastische Verformung,
Schneiden oder Schweissen, leicht herzustellen.
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Das Vorliegen der Schichten Mischkristall von Indium in Palladium,
Pd In und Pd2In (dünne übergangsschich-3 ten) zwischen dem Grundmetall und der Aussenschicht
B-PdIn in dem erfindungsgemässen Kompositmaterial, gewährleistet eine hohe Haftfestigkeit
der Plattierschicht an das Grundmetall des Erzeugnisses im Prozess des Betriebs
des Materials. Die Aussenschicht ß-PdIn verleiht der Oberfläche des Kompositmaterials
erhöhte Härte (HV=200 bis 260 kp/mm2), hinreichend hohe Verschleissfestigkeit und
ansprechende goldgelbe Farbe.
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Das genannte Verhältnis der Aussenschicht B-PdIn und der übrigen übergangsschichten
ist optimal. Bei einer Verringerung der Dicke der Aussen schicht ß-PdIn unter
50
%, bezogen auf die Gesamtdicke der Plattierschicht, sinkt die Lebensdauer des erfindungsgemässen
Kompositmaterials infolge des Oberflächenverschleisses und einer allmählichen Veränderung
der Farbe der Oberflächenschicht (-on goldgelb zu silberweiss).
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Bei einer Erhöhung der Dicke der Aussenschicht ß-PdIn auf über 90
%, bezogen auf die Gesamtdicke der Plattierschicht, bzw. einer Verringerung der
Dicke der Ubergangsschichten auf unter 10 %, bezogen auf die Gesamtdicke der Plattierschicht,
verschlechtert sich die Haftfestigkeit der Plattierschicht an dem Grundmetall, was
seinerseits bei mechanischen Schlagbeanspruchungen zum Abspalten der gefärbten Schicht
ß-PdIn führen kann.
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Das erfindungsgemässe Kompositmaterial weist folgende physikalische
Eigenschaften auf: Dichte bei 200C, g/cm? 12 Vickers-Härte des Grundmetalls, kp/mm2
40 + 5 Oberflächenhärte, kp/mm2 160 - 260 spezifischer Widerstand des Grundmetalls
bei 20"C, Ohm-cm-106 10 spezifischer Widerstand der Oberfläche bei 200C, Ohm-cm-106
10 - 15 Aus diesen Angaben ist zu ersehen, dass das erfindungsgemässe Kompositmaterial
eine Oberflächenhärte auf dem Niveau der niedriggekohlten Stähle (HV=200 bis 240
kp/mm2), der mit Chrom und Nickel legierten nichtrostenden Stähle (HV=180 bis 260
kp/mm2) und eine höhere
Oberflächenhärte als bei den für die Herstellung
von Schmuckwaren verwendeten Legierungen von Silber und Gold (HV=90 bis 170 kp/mm2)
aufweist.
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Es wurden Messungen des Kontaktwiderstandes (des übergangswiderstandes)
der Paare Kompositmaterial-Legierung PdAgNi (Gehalt an Pd 25 %, an Ag 70 %, an Nickel
5 %) und Kompositmaterial-Legierung AuCu (Gehalt an Cu 20 %, an Au 80 8) vorgenommen.
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Zum Vergleich wurden auch Messungen des Kontaktwiderstandes (des Ubergangswiderstandes)
der Paare Palladiumgenannte Legierungen vorgenommen. Die Messungen erfolgen unter
identischen Bedingungen.
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Die Messungen wurden an frisch polierten Proben, nach deren Aussetzung
in feuchter Atmosphäre (90 %-ige Feuchtigkeit, 250C, 15 Tage) und nach 50 Stunden
Betriebszeit an der Luft bei einer Temperatur von 250C mit beweglichen sphärischen
Kontakten aus den oben genannten Legierungen bei einer Belastung von 20 cN je Kontakt
und einer Geschwindigkeit von 78 Upm vorgenommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
1 angeführt.
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Tabelle 1
| Übergangswiderstand, Ohm # 10³ |
| Kontaktpaare frisch nach 50 h nach Aus- |
| poliert Betriebs- setzung in |
| zeit feuchter |
| Atmosphäre |
| Pd-PdAg(70)Ni(5) 12 40 100 |
| Pd-AuCu(20) 10,5 35 90 |
| ß-PdIn-PdAg(70)Ni(5) 30 50 180 |
| B-PdIn-AuCu(20) 28 40 60 |
Aus obigen Angaben ist zu ersehen, dass der Ubergangswiderstand unbedeutend zunimmt
und der Verschleiss der Oberfläche des Kompositmaterials bedeutend geringer als
bei reinem Palladium und beweglichem Kontakt zunimmt.
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Es wurden spektrofotometrische Messungen des Reflexionsvermögens der
frisch polierten Oberfläche des erfindungsgemässen Kompositmaterials vorgenommen.
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Das Reflexionsvermögen wird durch einen Spiegelreflexionsfaktor R
% gekennzeichnet, der sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes und der
Natur der Metalle verändert.
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Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 2
angeführt.
In derselben Tabelle sind zum Vergleich auch die Ergebnisse der Messungen wiedergegeben,
die an frisch polierten Oberflächen der reinen Metalle Palladium und Gold durchgeführt
wurden. Die Genauigkeit der angeführten Ergebnisse beträgt + 5 %.
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Tabelle 2 Spiegelreflexionsfaktor R, % der Schicht von ß-PdIn, Palladium
und Gold
| Indiumgehalt Wellenlänge des Lichtes, ßm |
| in der ß-PdIn- |
| Schicht, At-% UV 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 IR |
| 42 430 42 45 67 80 86 87 |
| 46 (30 39 37 62 78 88 90 |
| 50 <30 42 40 57 75 86 93 |
| Palladium <30 43 60 65 65 67 -- |
| Gold (30 40 35 83 98 99 99 |
Somit weist die Oberfläche des erfindungsgemässen Kompositmaterials hohes Reflexionsvermögen
und goldgelbe Farbe auf.
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Die Korrosionseigenschaften des Kompositmaterials als Ganzes werden
durch die Korrosionsbeständigkeit der Aussenfläche der Plattierschicht, und zwar
der Schicht B-PdIn, bestimmt, da die an Palladium reicheren inneren
Übergangs
schichten und das Grundmetall aus Palladium eine bessere Korrosionsbeständigkeit
aufweisen als die Schicht ß-PdIn.
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Das Kompositmaterial reagiert langsam mit konzentrierter und verdünnter
Salpetersäure, mit dem Gemisch von Salpeter- und Salzsäure.
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Das Kompositmaterial reagiert mit der Salzsäure und Schwefelsäure,
mit dem Gemisch von HF-H2SO4-H2O (1:1:1) mit der Lösung von Alkali, beispielsweise
NaOH (25 g/l), nicht.
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Die Ergebnisse der Dauerkorrosionsprüfungen des Kompositmaterials
in verdünnten Lösungen von Alkalien und Säuren sind in Tabelle 3 angeführt.
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Tabelle 3
| 1 fd. Prüfdauer, Stunden Zustand der Oberflä- |
| Nr. che des Kompositma- |
| 2 %-ige 1,5 %-ige 1,5 %-ige 2 %-ige terials nach der Prü- |
| Lösung von Lösung von Lösung von Lösung von fung |
| CH3COOH HCl H2SO4 NaOH |
| 1 120 60 50 50 glänzend, ohne Korro- |
| siosspuren |
| 2 140 80 75 75 glänzend, ohne Korro- |
| siosspuren |
| 3 150 100 100 100 glänzend, ohne Korro- |
| siosspuren |
| 4 160 120 150 120 glänzend, ohne Korro- |
| siosspuren |
Die Dauerprüfungen des Kompositmaterials in der Feuchtigkeitskammer
(99 %) bei einer Temperatur von 500C innerhalb von 250 Stunden zeigten völliges
Fehlen von sichtbaren Korrosionsspuren der Plattierschicht und des Grundmetalls.
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Somit besitzt das erfindungsgemässe Kompositmaterial einen hinreichend
niedrigen elektrischen Widerstand, erhöhte Härte, Verschleissfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit,
sowie einen niedrigen Übergangswiderstand.
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Es stellt ein neues zukunftsreiches Elektrokontaktmaterial £ür die
Verwendung in funktionswichtigen Baugruppen moderner Geräte dar.
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Die günstige Kopplung solcher Eigenschaftem wie die hohe Korrosionsbeständigkeit,
erhöhte Oberflächenhärte und Verschleissfestigkeit, das hohe Reflexionsvermögen,
die ansprechende goldgelbe Farbe regelbarer Tönungen gestatten es, das Kompositmaterial
bei der herstellung verschiedenartiger Schmuckwaren, für Uhrengehäuse, sowie für
Zahnprothesen zu verwenden.
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Die Verwendung des neuen Kompositmaterials gestattet es, das Spektrum
der Erzeugnisse für Technik, Medizin, Haushalt, zu erweitern und in die genannten
Verwendungsgebiete das Edelmetall Palladium breiter einzubeziehen, das früher selbständig
nicht verwendet wurde. Dadurch wird teilweise noch eine wichtige Aufgabe gelöst,
und zwar die Einsparung solcher Engpassedelmetalle, wie Gold, Platin und in der
Perspektive auch Silber.
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Der ökonomische Effekt, der durch die Anwendung der Erfindung erzielt
wird, besteht in der Einsparung der Engpassedelmetalle Gold und Platin und wird
durch die Differenz der Preise für Gold (Platin) und Palladium nach Abzug eines
geringen Aufwandes für die Operationen des Aufbringens der Plattierschicht bestimmt.
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Das Verfahren zur Herstellung des Kompositmaterials ist einfach in
technologischer Gestaltung und wird wie folgt durchgeführt.
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Das Palladium-Halbzeug bereitet man nach weit verbreiteten Methoden
der plastischen Verformung, mechanischen Bearbeitung (Schneiden, Schweissen, Schleifen,
Polieren, etc.). Das Halbzeug bringt man in einen Reaktor mit geschmolzenem Salz
ein, wo auf dieses auf galvanischem Wege, eine Plattierschicht erforderlicher Dicke
aufgebracht wird. Danach wird die Probe aus dem Kompositmaterial aus dem Reaktor
ausgetragen, von den Salzresten durch Waschen mit Wasser befreit und bis zur Erzielung
des erforderlichen Reinheitsgrades poliert.
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Zur Kontrolle der Qualität der Plattierschicht und ihrer Dicke wird
die metallografische Analyse angewandt.
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Zumbesseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden folgende
konkrete Beispiele angeführt.
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Beispiel 1 Das Salz NaF-NaCl (1:1) mit einem Zusatz von Indiumhalogenid
bringt man in einen Graf ittiegel ein, der seinerseits in einen Reaktor eingebracht
wird. Der Reaktor wird auf eine Temperatur von 850"C erhitzt, wobei es zum Schmelzen
des Salzes kommt. In die erhaltene Schmelze bringt man eine Palladiumscheibe von
20 mm Durchmesser und 1 mm Dicke ein. Die Scheibe dient als Kathode, der Grafittiegel
als Anode. Die Plattierschicht wird auf eine Scheibe auf galvanischem Wege innerhalb
von 8 Stunden aufgebracht. Danach wird die erhaltene Probe des Kompositmaterials
aus dem Reaktor herausgetragen und von dem Salz durch Waschen mit Wasser befreit.
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Die Gesamtdicke der Plattierschicht beträgt 100 + 3ßm, die Dicke der
Schicht des Mischkristalls von Indium in Palladium 25 ßm, die Dicke der Schicht
Pd3In 10 ßm, die Dicke der Schicht Pd2In 15 µm und die Dicke der gefärbten Aussenschicht
B-PdIn 50 ßm.
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Die physikalischen, die Elektrokontakt- und die Korrosionseigenschaften
des erhaltenen Materials sind in den Tabellen angeführt.
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Beispiel 2 Das Salz KCl-NaCl (1:1) mit einem Zusatz von Indiumhalogenid
bringt man in einen Graf ittiegel ein, der
seinerseits in einen
Reaktor eingebracht wird. Der Reaktor wird auf eine Temperatur von 8000C erhitzt,
wobei es zum Schmelzen des Salzes kommt. In die erhaltene Schmelze bringt man eine
zylindrische Probe aus Palladium mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Höhe von
10 mm ein. Die Probe aus Palladium dient als Kathode, der Grafittiegel als Anode.
Die Plattierschicht wird auf die Probe auf galvanischem Wege innerhalb von 4 Stunden
aufgebracht. Danach wird die erhaltene Probe des Kompositmaterials aus dem Reaktor
herausgetragen und von dem Salz durch Waschen mit Wasser befreit.
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Die Gesamtdicke der Plattierschicht beträgt 50 + 2 ijm, die Dicke
der Schicht des Mischkristalls von Indium in Palladium 6 ijm, die Dicke der Schicht
Pd3In 3 m, die Dicke der Schicht Pd2In 4 iim und die Dicke der Aussenschicht ß-PdIn
37 Rm (74 % der Gesamtdicke der Plattierschicht).
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Die physikalischen, die Elektrokontakt- und die Korrosionseigenschaften
des erhaltenen Materials sind in den Tabellen angeführt.
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Beispiel 3 Das Salz KCl NaCl (1:1) mit einem Zusatz von Indiumhalogenid
bringt man in einen Grafittiegel ein, der seinerseits in einen Reaktor eingebracht
wird. Der
Reaktor wird auf eine Temperatur von 7000C erhitzt, wobei
es zum Schmelzen des Salzes kommt. In die erhaltene Schmelze bringt man eine Palladiumprobe,
einen Ring von 50 mm Aussendurchmesser, 45 mm Innendurchmesser und 40 mm Höhe, ein.
Der Palladiumring dient als Kathode, der Graf ittiegel als Anode. Die Plattierschicht
wird auf einen Palladiumring auf galvanischem Wege innerhalb von 4 Stunden aufgebracht.
Danach wird die erhaltene Probe des Kompositmaterials aus dem Reaktor ausgetragen
und von dem Salz durch Waschen mit Wasser befreit.
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Die Gesamtdicke der Plattierschicht beträgt 30 + 2 Rm, die Dicke der
Schicht des Mischkristalls von Indium in Palladium 2 ßm, die Dicke der Schicht Pd3In
1 m, die Dicke der Schicht Pd2In 1 ßm und die Dicke der gefärbten Aussenschicht
ß-PdIn 27 ßm (90 % der Gesamtdicke der Plattierschicht).
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Die physikalischen, die Elektrokontakt-und die Korrosionseigenschaften
des erhaltenen Materials sind in den Tabellen angeführt.