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Verbundmaterial für Brillengestelle sowie Verfahren zur Her-
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stellung desselben Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial
für Brillengestelle sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bzw. Anspruch 7.
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Ti ist als Metall bekannt, das hervorragende Antikorrosionseigenschaften
und ein sehr leichtes spezifisches Gewicht hat.
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Ferner liefert Ti in seinen Legierungen eine hohe mechanische Festigkeit.
Aus diesen Gründen hält man die Verwendung von Ti als Material für Brillengestelle
für vorteilhaft. Andererseits hat Ti aber auch eine sehr gute Affinität zu Sauerstoff
, so daß die Tendenz besteht, daß Oxydschichten auf einem Produkt aus Ti entstehen.
Solch eine Oxydschicht auf dem Produkt macht jedoch das Hartlöten unmöglich, was
aber für die Herstellung von Brillengestellen absolut notwendig ist. Aus denselben
Gründen ist Ti ungeeignet für die Platierungsbeschichtung, die ebenfalls für die
Herstellung von Brillengestellen in hohem Maße erforderlich ist.
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Schließlich hätten Brillengestelle, die allein aus Ti hergestellt
sind nicht die erforderlichen Federeigenschaften und die erforderliche mechanische
Festigkeit. Folglich ist es trotz einer Reihe von Vorteilen, die Ti an sich hat,
praktisch unmöglich, reines Ti als Material für Brillengestelle zu verwenden. Es
ist denkbar, Legierungen auf Ti-Basis zu verwenden, die bessere Federeigenschaften
und eine bessere mechanische Festigkeit haben. Legierungen auf Ti-Basis sind jedoch
im allgemeinen nur schlecht bearbeitbar, und diese schlechte Bearbeitbarkeit macht
die leichte plastische Verformung,beispielsweise das Ziehen, praktisch unmöglich,
wobei diese Bearbeitung erforderlich ist, um dünne Drähte oder Stangen für Brillengestelle
herzustellen.
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Als Alternative wurde bereits angeregt, ein Verbundmaterial mit einem
Ti-Kern als Material für Brillengestelle zu verwenden. In diesem Fall wird der Ti-Kern
mit einem metallischen Mantel, der sich zum Hartlöten eignet, ummantelt.
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Der Mantel wird aus Metallen beispielsweise aus Ni und Au oder deren
Legierungen hergestellt.
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Die-Verwendung von Ni oder Legierungen auf Ni-Basis in dem Mantel
ermöglicht ein leichtes Hart löten und Platieren. Die'Verwendung von Au oder Legierungen
auf Au-Basis in dem Mantel ermöglicht ein leichtes Hartlöten und macht das Platieren
überflüssig. Die Verwendung eines solchen Verbundmaterials löst jedoch immer noch
nicht das Problem der schlechten Federeigenschaften und der unzureichenden mechanischen
Festigkeit.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbundmaterial
mit Ti-Kern für Brillengestelle zu schaffen, welches gute Federeigenschaften und
eine gute mechanische Festigkeit hat. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
anzugeben, mit dem solch ein Verbundmaterial mit Ti-Kern hergestellt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verbundmaterial in der in Anspruch
1 angegebenen Weise ausgebildet, während das Verfahren in der in Anspruch 7 angegebeben
Weise ausgestaltet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den restlichen Unteransprüchen.
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e Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Figuren 1A bis 1C Querschnitte durch ein Ausgangsmaterial,
Roh-Verbdndmaterial und ein Verbundmaterial, wobei diese Materialien in verschiedenen
Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens anfallen; Figur 2 ist eine grafische Vergleichsdarstellung,
durch die der Effekt der Erfindung an einem Beispiel erläu%rt wird;
Figur
3 ist eine grafische Vergleichsdarstellung, durch die der Effekt der Erfindung an
einem anderen Beispiel gezeigt wird.
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Bei der Herstellung des Verbundmaterials wird als Ausgangsmaterial
für den Kern Ti und als Ausgangsmaterial für den metallischen Mantel Ni oder eine
Legierung auf Ni-Basis verwendet. Bei Legierungen auf Ni-Basis wird Ni mit wenigstens
einem Metall aus der Gruppe Cr, Cu, Al und Mo kombiniert. Der metallische Mantel
kann auch aus Au oder einer Legierung auf Au-Basis bestehen. Bei den Legierungen
auf Au-Basis wird Au mit wenigstens einem Metall aus der Gruppe Ni, Zn, Cu und Ag
kombiniert.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun
anhand der Figuren 1A bis 1C näher erläutert, wobei Ni für den metallischen Mantel
verwendet wird Ein Ausgangsmaterial 3 (Fig. 1A) weist einen Ti-Kern 1 auf, der vollständig
mit einem Ni-Mantel 2 ummantelt ist. Dieses Ausgangsmaterial 3 wird einer plastischen
Deformation, beispielsweise durch Ziehen, unterworfen, um seine Dicke soweit zu
reduzieren, daß sie in der Größenordnung der Dicke des Endproduktes liegt. Ein Roh-Verbundmaterial
3', das auf diese Weise erhalten wird, ist in Figur 1B gezeigt. In diesem Stadium-des
Herstellungsverfahrens hat sowohl der Ti-Kern als auch der Ni-Mantel eine gute Bearbeitbarkeit.
Die Bearbeitbarkeit ist etwas vermindert, wenn eine Legierung auf Ni-Basis für den
Mantel verwendet wird, die Bearbeitbarkeit ist jedoch immer noch besser als die
von Legierungen auf Ti-Basis. Folglich besitzt das Roh-Verbundinaterial 3' insgesamt
eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
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Als nächstes wird eine Wärmebehandlung an dem RDh-VerbufmateriAl bei
einer Temperatur durchgeführt, die bewirkt, daß Nickel aus dem metallischen Mantel
2' in das Gefüge des Ti-Kerns 1 in fester Lösung eindiffundiert. Die Temperatur
bei der Wärmebehandlung ist unterschiedlich und hängt von der Zusammensetzung
des
Metallmantels ab. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt die Temperatur in einem Bereich von 450 bis 1000°C. Im allgemeinen wird die-
Warmebehandlung während 0,5 bis 10 Stunden durchgeführt.
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Es ist zu beachten, daß die Wärmebehandlung bis zu einem solchen Maße
durchgeführt werden sollte, daß das resultierende Verbundmaterial die grundlegende
Kern-Mantel-Struktur beibehält. Das bedeutet insbesondere, daß das Ni, welches an
der Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Mantel liegt, in fester Lösung in das
Gefüge des Ti-Kerns während der Wärmebehandlung eindiffundiert. Andererseits soll
das Ni, welches an der von der Grenzfläche entfernt liegenden Umfangszone des Mantels
liegt, in der Umfangs zone des resultierenden Verbundmaterials verbleiben. Mit anderen
Worten sollte eine Art von Legierung auf Ti-Basis in dem Kern, jedoch nicht in dem
Mantel, gebildet werden, da die Bildung einer Legierung auf Ti-Basis in dem Mantel
das resultierende Verbundmaterial weniger geeignet zum Löten und Platieren machen
würde. Um solch eine solche kontrollierte Diffusion des Ni in fester Lösung mit
Erfolg sicherzustellen, müssen die Behandlungstemperaturen und die Zeit für die
Temperaturbehandlung innerhalb der oben angegebenen Grenzen geeignet gewählt werden.
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Ein Beispiel des Verbundmaterials ist in Figur 1C gezeigt.
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Die Kernzone 1A wird von einer Legierung auf Ti-Basis eingenommen,
in der Ni in das Gefüge von Ti in fester Lösung eindiffundiert ist. Wenn der anfängliche
Mantel 2 aus der oben genannten Legierung auf Ni-Basis besteht, enthält die Kernzone
1A zusätzlich zu Ni wenigstens eines der Metalle Cr, Cu, Al und Mo. Die Umfangs
zone 4 wird von Ni eingenommen. Auch die Umfangszone 4 kann zusätzlich zu Nickel
eines oder mehrere der oben genannten Metalle enthalten.
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Wenn der ursprüngliche Mantel 2-aus Au oder einer Legierung auf Au-Basis
besteht, wird die Kernzone 1A von einer Legieauf Ti-Basis eingenommen, in der Au
in das Gefüge von Ti in fester Lösung eindiffundiert ist. Die Kernzone 1A kann
wiederum
zusätzlich zu Au wenigstens eines der Metalle Ni,Zn, Cu und Ag enthalten. Die Umfangs
zone 4 kann in diesem Fall wiederum zusätzlich zu Au eines oder mehrere der oben
genannten Metalle enthalten.
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Da, wie oben beschrieben wurde, in der Kernzone 1A eine Legierung
auf Ti-Basis vorhanden ist, werden die Federeigenschaften und die mechanische Festigkeit
des Verbundmaterials erheblich erhöht, wenn man das Verbundmaterial mit einem herkömmlichen
Material, bei dem der Kern nur aus Ti besteht, vergleicht. Die Anwesenheit von Ni,
einer Legierung auf Ni-Basis, Au oder einer Legierung auf Au-Basis in der Umfangszone
4 machen das Verbundmaterial für das Löten und Platieren gut geeignet.
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Die oben erwähnte Diffusion in fester Lösung sollte vorzugsweise eine
Tiefe von 1/100 oder mehr der Dicke der Oberflächenzone 4 in dem Verbundmaterial
überspannen.
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Beispiel 1 Eine Ti-Stange mit 30mm Außendurchmesser und 1000mm Länge
als Kern wurde mit einem Ni-Rohr von 36mm-Außendurchmesser, 3mm Wandstärke und 1000mm
Länge ummantelt. Das auf diese Weise hergestellte Ausgangsmaterial wurde einer Glühbehandlung
und einer Drahtziehbehandlung unterworfen, um ein Roh-Verbundmaterial mit einem
Außendurchmesser von 2,6mm zu erhalten. Außer an den Enden betrug der Flächenanteil
des Nikkel in dem Querschnitt des Roh-Verbundmaterials 18 %. Nachdem das Roh-Verbundmaterial
in Stücke von 80mm Länge geschnitten war, wurde dieses Material bei 500°C während
1 Stunde in einer Argongasatmosphäre geglüht. An einem Punkt 40mm von dem einen
Ende wurde ein Stück des Roh-Verbundmaterials mit einem Gesenk mit einer kegelförmigen
Verjüngung versehen. Als nächstes wurde das Roh-Verbundmaterial auf eine Dicke von
0,8mm in dem Bereich von dem einen Ende bis zu einem Punkt 45mm von dem anderen
Ende pressgeformt. Dann wurde der pressgeformte Abschnitt einer Wärinebehandlung
bei 900°C
während 5 Stunden in einer Argongasatmosphäre zum Zwecke
der Diffusion unterworfen. Nach der Wärmebehandlung wurde das Material zum Zwecke
der plötzlichen Abkühlung in Wasser getaucht, um das Verbundmaterial als Endprodukt
nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erhalten. Dieses Produkt ist als
Muster C in Tabelle 1 und Figur 2 enthalten.
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Zu Vergleichszwecken wurde die abschließende Wärmebehandlung bei 900
C während 10 Stunden an einem Muster durchgeführt.
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Dieses Produkt ist das Muster D . Das Roh-Verbundmaterial ohne die
abschließende Wärmebehandlung ist das Muster B.
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Schließlich ist reines Ti-Material ohne Kombination mit Ni das Muster
A. Die Muster sind in Tabelle 1 und Figur 2 enthalten.
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Tabelle 1
| Muster Material Wärmebehandlung |
| Temperatur [°C] Zeit [h] |
| A Ti - - |
| B Ni - Ti |
| C -£I- 900 5 |
| D -il- 900 10 |
Jedes der Muster wurde einer Zugfestigkeits- und einer Streckgrenzen-Prüfung unterworfen,
und die Resultate dieser Tests sind grafisch in Figur 2 dargestellt. Aus der grafischen
Darstellung ist ersichtlich, daß die Anwendung der abschließenden Wärmebehandlung
eine erhebliche Verbesserung in den Federeigenschaften und in der mechanischen Festigkeit
des Materials zur Folge hat. Außerdem konnte nachgewiesen werden, daß solange die
Wärmebehandlung in dem genannten
Temperaturbereich und mit den
genannten Behandlungsdauern durchgeführt wurde, eine längere Temperaturbehandlung
zu einer größeren Verbesserung bei den Federeigenschaften und der mechanischen Festigkeit
führte.
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Beispiel 2 Eine Ti-Stange mit einem Außendurchmesser von 30mm und
einer Länge von 1000mm wurde als Kern mit einem Au-Rohr mit einem Außendurchmesser
von 36mm, einer Dicke von 3mm und einer Längevon iOOnm ummantelt. Das auf diese
Weise hergestellte Ausgangssignal wurde geglüht und einer Drahtziehbearbeitung unterworfen,
um ein Roh-Verbundmaterial mit einem Außendurchmesser von 2,6mm zu erhalten. Außer
an den Enden war der Flächenanteil des Au in dem Querschnitt des Roh-Verbundmaterials
etwa 20 %. Nachdem das Roh-Verbundmaterial in Stücke von 80mm geschnitten war, wurde
das Roh-Verbundmaterial bei 500 C während 1 Stunde in einer Argongasatmosphäre geglüht.
An einem Punkt 40mm von dem einen Ende wurde ein Stück des Roh-Verbundmaterials
mit einem Gesenk mit einer kegelförmigen Verjüngung versehen. Als nächstes wurde
das Stück auf eine Dicke von O,8mm in dem Bereich von dem einen Ende zu einem Punkt
45mm von dem anderen Ende pressgeformt Dann wurde der gepresste Abschnitt einer
Wärmebehandlung bei 900°C während 5 Stunden in einer Argonatmosphäre unterworfen.
Nach der abschließenden Wärmebehandlung wurde das Material zur plötzlichen Abkühlung
in Wasser getaucht, um ein Muster für das Verbundmaterial nach diesem Beispiel der
Erfindung zu erhalten. Es wurde auch durch mikroskopische Untersuchungen festgestellt,
daß die Struktur des auf diese Weise erhaltenen Verbundmaterials in der Kernzone
die Form einer Ti-Au-Legierung annahm und,daß die Umfangszone eine Au-Schicht aufwies.
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Zu Vergleichszwecken wurde die abschließende Wärmebehandlung bei 9150C
während 3 Stunden durchgeführt. Dieses Produkt ist als Muster C' bezeichnet. Weitere
abschließende Wärmebehandlungen wurden durchgeführt bei 9200C während 5 Stunden,
bei
400°C während 5 Stunden, bei 980°C während 2 Stunden und bei 1010°C während 2 Stunden.
Diese Produkte sind als Muster D', E', F' und G' bezeichnet. Das oben beschriebene
Zwischenprodukt (Roh-Verbundmaterial) ohne die Anwendung der abschließenden Wärmebehandlung
wurde als Muster B' benutzt.
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Schließlich wurde das Muster A aus Beispiel 1 ebenfalls in dem Beispiel
2 aufgeführt. Die Eigenschaften der Muster sind in Tabelle 2 und Figur 3 zusammengefasst.
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Die Muster von Beispiel 2 wurden einer Zugfestigkeits- und Streckgrenzenprüfung
unterworfen und die Resultate sind grafisch in Figur 3 gezeigt. Aus der grafischen
Darstellung ist ersichtlich, daß gut aufeinander abgestimmte Verhältnisse von Temperatur
und Zeitdauer bei der Wärmebehandlung wichtig für die erhebliche Verbesserung in
den Federeigenschaften und der mechanischen Festigkeit der Produkte ist. Wenn diese
Faktoren gut aufeinander abgestimmt sind, wie es bei den Mustern C' und D' der Fall
ist, stellt die vorliegende Erfindung eine erhebliche Verbesserung in den genannten
mechanischen Eigenschaften dar.
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Tabelle 2
| Muster Material Wärmebehandlung |
| Temperatur [°C] Zeit [h] |
| A Ti - - |
| B' Au-Ti - - |
| C' -@/- 915 3 |
| D' -@- 920 5 |
| E' -@- 400 5 |
| F' 98C 2 |
| C' f,010 2 |