DE69731101T2

DE69731101T2 - Dekorationsteil aus titanbasis und verfahren zum härten

Info

Publication number: DE69731101T2
Application number: DE69731101T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Iruma-shii SATO; Yoshitugu Omiya-shi SIBUYA; Junji Kawagoe-shi SATO
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2017-07-19
Also published as: US6451129B2; KR100494751B1; JP3225263B2; CN1229441A; EP0931848B1; EP0931848A1; DE69731101D1; HK1026926A1; EP0931848A4; BR9710379A; KR20000067920A; US20010053460A1; WO1998003693A1; AU3462997A; CN1333102C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein dekoratives Titanmaterial, das an der Oberfläche sowie im Inneren gehärtet ist, und auf ein Verfahren zum Härten eines solchen Titanmaterials.
Hintergrund der Erfindung
Seit wenigen Jahren werden Titan sowie Titanlegierungen auf verschiedenen Gebieten eingesetzt, da diese Materialien ein niedriges Gewicht aufweisen, rostfrei bleiben und keine allergischen Reaktionen hervorrufen.
Diese Merkmale sind besonders nützlich, wenn diese Materialien zur Herstellung von Armbanduhren eingesetzt werden und waren auch in Vergangenheit Gegenstand von Patentanmeldungen.
Titan und Titanlegierungen weisen jedoch einen Nachteil auf, sie sind nämlich von Natur aus für Oberflächenbeschädigungen anfällig. Fertigungsverfahren, um ein attraktives Erscheinungsbild zu erreichen, wie etwa das Polieren zu einer spiegelpolierten Oberfläche, würden in diesem Fall dazu führen, dass Oberflächenbeschädigungen ersichtlich werden, deshalb werden diese Materialien mit Sandstrahlen oder einem ähnlichen Verfahren behandelt, damit Beschädigungen nicht so schnell zum Vorschein treten.
Aus diesem Grund herrscht im Allgemeinen die Vorstellung von Titan und Titanlegierungen als Materialien vor, die in dekorativen Anwendungen eine matte Oberfläche aufweisen.
Die Anfälligkeit für Beschädigungen ist auf eine geringe Oberflächenhärte zurückzuführen, dementsprechend wurde Titan bisher in verschiedener Weise gehärtet.
Verfahren zur Oberflächenhärtung bei Titan können in zwei Gruppen eingeteilt werden, in jene, bei denen die Oberfläche des Titanmaterials mit einer harten Schicht versehen wird, und in jene, bei denen das Material selbst gehärtet wird.
Zu den bekannten Verfahren zur Hartbeschichtung der Titanoberfläche gehören Nassverfahren wie das Galvanisieren sowie Trockenverfahren wie Vakuumabscheidung, Ionenplattieren, Kathodenzerstäubung und Plasma-CVD. Bei all diesen Verfahren stellt jedoch die genügend starke Haftung der Schutzschicht immer noch ein Problem dar, und kein Verfahren wurde bisher so weit entwickelt, dass das Problem des Abblätterns der Schutzschicht gelöst wurde.
Zu den bekannten Verfahren zur Härtung des Titanmaterials selbst gehören Ionenimplantation, Ionennitrieren, Gasnitrieren, Gasaufkohlen und Nitrocarburieren. Die bei diesen Verfahren erforderlichen langen Verarbeitungszeiten machen die Produktivität zum Problem, darüber hinaus führen die hohen Verarbeitungstemperaturen zu einer Vergröberung der Kristallkörner und verursachen in der Folge eine höhere Oberflächenrauheit, einen Umstand, der eine Verschlechterung des äußeren Erscheinungsbildes bedeutet und daher die möglichen Einsatzgebiete einschränkt.
Folglich war es bei Anwendungen wie Armbanduhren, Brillenfassungen und Accessoires, bei denen ein attraktives Erscheinungsbild erforderlich ist, bisher nicht möglich, dass nach der Härtung das gleiche Ausmaß an Oberflächenrauheit erhalten blieb wie vor der Härtung.
Unter den vorerwähnten Verfahren führt das Verfahren zur Härtung des Titanmaterials selbst zu einer Diffusion des jeweiligen Elements gemäß einem Konzentrationsgefälle, das sich von der Oberfläche des Metalls bis in das Innere erstreckt, daher kann bei diesem Verfahren die Schutzschicht nicht abblättern und deshalb wird es für ein wirksames Verfahren zur Oberflächenhärtung von Titanmaterial gehalten.
Die Problematik der durch die Oberflächenrauheit verursachten Verschlechterung des Erscheinungsbildes bleibt jedoch bestehen.
Bei der Technik des Ionennitrierens wurde als Methode zur Verringerung der Oberflächenrauheit die Reduktion des Sputtereffekts eingesetzt. Dennoch konnte bisher keine grundsätzliche Verringerung der Oberflächenrauheit, die durch die Diffusion von Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff in das Material verursacht wird, erreicht werden.
Daher umfasst der Stand der Technik bezüglich solcher Verfahren wie Gasnitrieren, Aufkohlen und Oxidation, bei denen das Titanmaterial selbst gehärtet wird, bisher keine Ansätze zur Verringerung der Oberflächenrauheit, die zur Veränderung der Oberflächenrauheit des Materials selbst eine Vorbehandlung vor der Verarbeitung vorsehen, noch war dabei bisher vorgesehen, der Größe der Kristallkörner des metallischen Materials selbst bzw. der Größe der Kristallkörner, die in planarer Richtung auf der gehärteten Oberfläche wachsen, Aufmerksamkeit zu widmen.
Es wird davon ausgegangen, dass die Verschlechterung des Erscheinungsbildes insbesondere auf eine solche Oberflächenrauheit zurückzuführen ist, die durch Vorwölbungen verursacht wird, die sich in der ersten Phase an der Korngrenze bilden.
Es wird angenommen, dass die Vorwölbungen an der Korngrenze, die bei Gasnitrieren, Oxidation und Nitrieren auftreten, durch Spannungskonzentrationen an der Korngrenze verursacht werden, die entweder durch die Entstehung von Verbindungen an der Korngrenze oder durch die Verformung des Kristallgitters auf Grund einer festen Lösung aus Sauerstoff und Stickstoff entstehen.
Unter visueller Betrachtung erscheinen die Vorwölbungen an der Korngrenze als Oberflächenrauheit und insbesondere deshalb kann das Titanmaterial nicht als dekorativer Werkstoff mit einer spiegelpolierten Oberfläche verwendet werden.
Mit zunehmender Höhe der Vorwölbungen erhöhen sich die maximale Rautiefe Rmax sowie der Mittenrauwert Ra, und das Erscheinungsbild verschlechtert sich.
Es wurde festgestellt, dass die Höhe der Vorwölbungen an der Korngrenze auf die Größe der Kristallkörner im Titanmaterial vor der Verarbeitung zurückzuführen ist und dass zudem, je größer die Kristallkörner, die nach der Härtung des Titanmaterials in planarer Richtung wachsen, bzw. je größer die Kristallkörner vor der Härtung sind, desto höher die Vorwölbungen.
Nach der herkömmlicher Methode wird bei Gasnitrieren das Material bis nah an die Übergangstemperatur (850°C bis 870°C) erwärmt, infolgedessen tritt eine Vergröberung der Kristallkörner ein und somit vergrößern sich, aus den oben erklärten Gründen, die Vorwölbungen an der Korngrenze.
Insbesondere wenn ein dekoratives metallisches Material, bei dem entweder Titan oder eine Titanlegierung verwendet wird, bis nah an der Übergangstemperatur (800°C bis 870°C) erwärmt wird, wie das beim Gasnitrieren nach der herkömmlichen Methode der Fall ist, werden die Kristallkörner gröber und an der Korngrenze tritt eine Spannungskonzentration auf, welche durch die Entstehung von Verbindungen an der Korngrenze oder durch die Verformung des Kristallgitters auf Grund einer festen Lösung aus Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff verursacht wird und Vorwölbungen an der Korngrenze nach sich zieht.
Je größer die Kristallkörner des Titans bzw. der Titanlegierung vor der Verarbeitung, desto höher die Vorwölbungen. Unter visueller Betrachtung wird eine Oberflächenrauheit wahrgenommen, weshalb das Material insbesondere nicht als dekorativer Werkstoff mit einer spiegelpolierten Oberfläche verwendet werden kann.
D. h., unter Verwendung eines Verfahrens wie Gasnitrieren, Aufkohlen, Oxidation oder Nitrieren, bei dem das Titanmaterial selbst nach herkömmlicher Art gehärtet wird, konnte das Problem der Verschlechterung des Erscheinungsbildes bzw. das Problem der Oberflächenrauheit nach dem Härtungsverfahren nicht gelöst werden.
EP-A-0905271 beschreibt ein Verfahren zur Härtung von Titan bzw. Titanlegierungen, bei dem das Material in ein Vakuumgefäß untergebracht und unter Erwärmung in einer Atmosphäre bestehend aus einer stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gasmischung getempert wird. Die Erwärmung findet bei Temperaturen zwischen 700°C und 800°C statt. Als Ergebnis bildet sich eine harte Oberflächenschicht, welche eine erste harte Schicht, bei der sich Stickstoff und Sauerstoffatome in einer festen Lösung befinden, und eine zweite harte Schicht, bei der sich Sauerstoffatome in einer festen Lösung befinden, umfasst.
Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die mit dem oben beschriebenen Stand der Technik einhergehenden Probleme zu lösen, indem ein gehärtetes Titanmaterial zur Verfügung gestellt wird, dessen Erscheinungsbild auch nach der Härtung keine Verschlechterung aufweist und das nur wenig Oberflächenrauheit aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Um die oben beschriebene Aufgabe zu erfüllen, weisen ein gehärtetes Titanmaterial und ein Verfahren zur Härtung des Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung folgende technische Beschaffenheit auf.
Konkret ist die vorliegende Erfindung ein dekoratives Titanmaterial 2 mit einer gehärteten Schicht 20 auf einem Titanmaterial 21, wobei die gehärtete Oberflächenschicht 20 Stickstoff und Sauerstoff enthält, die Größe der Kristallkörner 24 auf Oberflächenebene des Titanmaterials 2 (deren Durchmesser in 1 mit 26 bezeichnet ist) im Bereich zwischen 0,1 und 60 μm liegt und die maximale Rautiefe Rmax der Oberfläche des dekorativen Titanmaterials 2 vorzugsweise weniger als 1000 nm beträgt. Das Material der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Härtung eines dekorativen Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung hergestellt, welches Verfahren einen ersten Arbeitsvorgang umfasst, bei welchem in einer Inertgasatmosphäre die Temperatur des Titanmaterials erhöht wird, einen ersten Härtungsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer ersten, Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C, aber weniger als der Übergangstemperatur von Alpha- zu Beta-Titan, erwärmt wird, einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und das Titanmaterial in einer aus Argon, Helium oder einem ähnlichen Gas bestehenden Inertgasatmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, und einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Ein weiterer Aspekt eines Verfahrens zur Härtung eines Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen Arbeitsvorgang, bei welchem auf der Oberfläche eines dekorativen Titanmaterials 2 eine Schutzschicht 10 gebildet wird, mit einer feinen Kristallkömergröße 24 zwischen 0,1 und 60 μm, einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur erwärmt wird, einen ersten Härtungsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Atmosphäre, welche, wie die erste, Stickstoff und Sauerstoff enthält, auf eine Temperatur von mindestens 700°C, aber weniger als der Übergangstemperatur von Alpha- zu Beta-Titan, erwärmt wird, einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre aus Argon, Helium oder einem ähnlichen Gas auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, und einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Bei einem gehärteten Titanmaterial, das nach dem Härtungsverfahren für dekoratives Titanmaterial nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann, indem sichergestellt wird, dass die Größe der Kristallkörner nach der Verarbeitung im Bereich von 0,1 bis 60 μm liegt, bzw. indem eine Schutzschicht mit mikrofeinen Kristallkörnern darauf gebildet wird, eine Verschlechterung des Erscheinungsbilds nach der Verarbeitung verhindert und eine Oberfläche mit geringer Rauheit erzielt werden.
Es ist klar, dass die Verschlechterung des Erscheinungsbildes im Hinblick auf die vorliegende Erfindung auf die Oberflächenrauheit zurückzuführen ist, die durch Vorwölbungen an der Korngrenze 22 in der ersten Phase verursacht wird.
Es wird angenommen, dass die Vorwölbungen an der Korngrenze 22, die während der Verarbeitung bei Gasnitrieren, Oxidation, Nitrieren oder ähnlichen Verfahren auftreten, durch Spannungskonzentrationen an der Korngrenze verursacht werden, die entweder durch die Entstehung von Verbindungen an der Korngrenze oder durch die Verformung des Kristallgitters auf Grund einer festen Lösung aus Sauerstoff und Stickstoff verursacht werden.
Unter visueller Betrachtung erscheinen die Vorwölbungen an der Korngrenze 22 als Oberflächenrauheit, und dies führt zum konkreten Problem, dass das Titanmaterial nicht als dekorativer Werkstoff mit einer spiegelpolierten Oberfläche verwendet werden kann.
Mit zunehmender Höhe der Vorwölbungen erhöhen sich maximale Rautiefe Rmax sowie der Mittenrauwert Ra und das Erscheinungsbild verschlechtert sich. Bei der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass die Höhe der Vorwölbungen an der Korngrenze auf die Größe der Kristallkörner im Titanmaterial selbst vor der Verarbeitung zurückzuführen ist und dass, je höher die Vorwölbungen sind, desto größer die Kristallkörner des Titanmaterials.
Bei der Verwendung von Titan oder einer Titanlegierung als dekorativem metallischem Werkstoff treten Vorwölbungen an der Korngrenze auf, welche durch Spannungskonzentrationen an der Korngrenze auf Grund der Entstehung von Verbindungen wie Titannitrid (TiN) oder Titanoxid (TiO₂) an der Korngrenze oder auf Grund von Kristallgitterverformungen, die von einer festen Lösung von Stickstoff und Sauerstoff herrühren, verursacht werden.
Je größer die Kristallkörner des Titans bzw. der Titanlegierung vor der Verarbeitung, desto größer die Höhe der vorgenannten Vorwölbungen.
Unter visueller Betrachtung wird eine Oberflächenrauheit wahrgenommen, die zu einer Verschlechterung des Erscheinungsbildes führt, weshalb das Material insbesondere nicht als dekorativer Werkstoff mit einer spiegelpolierten Oberfläche verwendet werden kann.
Zudem kann nach der Verarbeitung, mit der Entstehung von Verbindungen wie Titannitrid (TiN) an der Korngrenze sowie innerhalb der Körner, dieses Phänomen auf der makroskopischen Ebene als Oberflächenrauheit beobachtet werden, ein Umstand, der eine Verschlechterung des äußeren Erscheinungsbildes darstellt und das Material für die Verwendung als dekoratives Material mit einer spiegelpolierten Oberfläche ungeeignetmacht.
Indem ein Titanmaterial, welches eine Oberfläche mit Kristallkörnern mit einer Größe im Bereich zwischen 0,1 und 60 μm aufweist, verwendet wird und indem das Material unter Einhaltung bestimmter Temperatur- und Zeitbedingungen in einer Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erwärmt wird, ist es auf Grund der geringen Korngröße vor der Erwärmung sowie auf Grund der Wirkung von Stickstoff und Sauerstoff, welche in der Korngrenze fest gelöst sind und eine Vergröberung der Kristallkörner verhindern, möglich, dass die in planarer Richtung wachsenden Kristallkörner mit einer Größe von 0,1 bis 60 μm während der Verarbeitung erhalten bleiben.
Die oben dargestellte Verarbeitung verringert die Größe der Vorwölbungen an der Korngrenze. D. h. die Spannung an der Korngrenze aufgrund der Verformung des Kristallgitters, die durch die feste Lösung und Diffusion von Stickstoff und Sauerstoff verursacht wird, wird durch Wirkungen wie etwa die verhältnismäßige Vergrößerung des Oberflächenanteils der Korngrenzen besser verteilt.
Auf Grund dieses Phänomens verringert sich die Oberflächenrauheit, wodurch die bei visueller Betrachtung beobachtete Verschlechterung des Erscheinungsbildes des Materials verhindert wird.
Indem bei der vorliegenden Erfindung eine Schutzschicht mit einer Kristallkorngröße im Bereich zwischen 0.1 und 60 μm auf der Oberfläche des dekorativen Titanmaterials geformt und das Material in einer Atmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff erwärmt wird, wird erreicht, dass die Kristallkörner vor der Erwärmung eine mikrofeine Größe aufweisen, die dank Stickstoff und Sauerstoff nicht rauer wird, wodurch es möglich ist, dass die in planarer Richtung wachsenden Kristallkörner mit einer Größe von 0,1 bis 60 μm während der Verarbeitung erhalten bleiben.
Aus denselben oben erwähnten Gründen wird dabei die Höhe der Vorwölbungen an der Korngrenze verringert.
D. h., wie in 5 dargestellt, wenn ein Titanmaterial mit großen Kristallkörnern an der Oberfläche verwendet und gehärtet wird, vergrößern sich die Kristallkörner, wodurch Vorwölbungen an den Korngrenzen entstehen.
Wenn hingegen, wie in 4 dargestellt, ein Titanmaterial mit kleinen Kristallkörnern gehärtet wird, sind die Kristallkörner auch nach der Verarbeitung klein und, wie ersichtlich ist, die Vorwölbungen an den Korngrenzen sind ebenfalls kleiner.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche das gehärtete Titanmaterial zeigt, auf dem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine gehärtete Schicht geformt wurde.
2 ist die schematische Darstellung eines Geräteaufbaus zur Formung einer gehärteten Schicht auf einem Titanmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung der Prozessschritte zur Formung einer gehärteten Schicht auf einem Titanmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4(A) ist eine vergrößerte Ansicht der Kristallkörner, wenn auf einem Titanmaterial mit kleinen Kristallkörnern bei einer Verarbeitungstemperatur von 700°C eine gehärtete Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geformt wird, und 4(B) ist ein Diagramm mit den Messergebnissen für Oberflächenrauheit in diesem Fall.
5(A) ist eine vergrößerte Ansicht der Kristallkörner im Falle, dass auf einem Titanmaterial mit großen Kristallkörnern bei einer Verarbeitungstemperatur von 700°C eine gehärtete Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geformt wird, und 5(B) ist ein Diagramm mit den Messergebnissen für die Oberflächenrauheit in diesem Fall.
6(A) bis 6(C) sind Diagramme, die die Ergebnisse von Untersuchungen mit einem Röntgendiftraktometer mit Dünnfilmzusatz an einem dekorativen Titanmaterial nach der vorliegenden Erfindung und nach der herkömmlichen Art zeigen.
7(A) und 7(B) veranschaulichen ein Beispiel für die Formung einer Schutzschicht an einem dekorativen Titanmaterial nach der vorliegenden Erfindung und die nachfolgende Verarbeitung.
8 veranschaulicht ein Beispiel für den Zustand eines dekorativen Titanmaterials mit einer Schutzschicht, bei dem das Härtungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Wie oben erwähnt, ist die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein gehärtetes Titanmaterial mit einer gehärteten Schicht, welche die Oberfläche des Titanmaterials härtet, wobei die gehärtete Schicht Stickstoff und Sauerstoff enthält und Kristallkörner mit einer Größe im Bereich zwischen 0,1 und 60 μm aufweist, wie in Anspruch 1 definiert wird. Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist zusätzlich zur oben genannten Beschaffenheit das Merkmal auf, dass die Oberflächenrauheit einer maximalen Rautiefe Rmax von nicht mehr als 1000 nm entspricht.
Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Härtung eines Titanmaterials zur Herstellung eines dekorativen Titanmaterials mit verschiedenen Ausführungsformen, welches Verfahren einen Arbeitsvorgang umfasst, bei welchem in einer Inertgasatmosphäre die Temperatur des Titanmaterials erhöht wird, einen ersten Härtungsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer ersten, Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C, aber weniger als der Übergangstemperatur von Alpha- zu Beta-Titan, erwärmt wird, einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und das Titanmaterial in einer aus Argon, Helium oder einem ähnlichen Gas bestehenden Inertgasatmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, und einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Einschlägige Beispiele für ein dekoratives Titanmaterial und für ein Verfahren zur Härtung eines dekorativen Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung werden weiter unten eingehend erläutert, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
Konkret ist 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines gehärteten Titanmaterials, bei dem mittels eines Härtungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eine gehärtete Schicht geformt wird, und 2 eine konzeptionelle Ansicht eines Geräteaufbaus zur Oberflächenhärtung eines Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine schematische Darstellung der Prozessschritte zur Formung einer gehärteten Schicht auf einem Titanmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie 2 veranschaulicht, weist ein Geräteaufbau zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eine mit einem Gaseinlass 8 und einer Öffnung 18 zum Auswurf des Werkstücks ausgerüstete Vakuumkammer 6 auf, in der sich eine Heizvorrichtung 12 befindet, welche von einer Stromversorgung 14 mit Heizstrom versorgt wird, wobei die Heizvorrichtung die Oberfläche des auf dem Werkstückhalter 4 untergebrachten dekorativen Titanmaterials 2 erwärmt.
Eine Vakuumpumpe 16 und ein Gasauslass 10 sind vorgesehen, damit die Atmosphäre in der Vakuumkammer 6 abgesaugt und die Härtung in einer Niederdruckatmosphäre durchgeführt werden kann.
Ausführungsform 1
Im Folgenden wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1, 2 und 3 eingehend beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird als Titanmaterial reines Titan der JIS-Klasse 2 (entspricht ASTM-Grade 2) in den Dimensionen 25 × 25 mm verwendet. Nach Polierung weist die zu verarbeitende Oberfläche eine Oberflächenrauheit auf, bei welcher die maximale Rautiefe Rmax 50 nm oder weniger beträgt. Die Kristallstruktur weist nicht verarbeitete Kristallkörner mit einer Größe im Bereich zwischen 10 und 30 μm auf.
3 ist eine konzeptionelle Darstellung der Prozessschritte eines Härtungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
Zuerst wird im Absaugevorgang 28 die Atmosphäre im Inneren der Vakuumkammer 6 mit Hilfe der Vakuumpumpe 16 abgepumpt, um ein Vakuum in der Größenordnung von 1,33*10^–3 Pa (1,00*10^–5 Torr) oder weniger zu erreichen.
Eine bestimmte Menge eines Inertgases wie Argon oder Helium wird durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass in der Vakuumkammer 6 eine Inertgasatmosphäre mit einem Vakuumdruck von 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Danach wird, wie durch den Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 dargestellt, das dekorative Titanmaterial 2 mittels der Heizvorrichtung 12 erwärmt, damit die Temperatur des Materials die Verarbeitungstemperatur von 700°C erreicht.
Im ersten Härtungsvorgang 32 wird eine Gasmischung, welche reinen Stickstoff sowie Stickstoff mit einer winzigen Menge Wasserdampf enthält, durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass eine Atmosphäre aus Stickstoff und Wasserdampf mit einem Vakuumdruck von etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Das Verhältnis von Wasserdampf zum vorgenannten Stickstoff wird auf etwa 4000 ppm eingestellt. Danach werden unter Einhaltung einer konstanten Verarbeitungstemperatur die oben genannten Bedingungen für einen Zeitraum von etwa 3 Stunden beibehalten, wonach in der Vakuumkammer 6 eine Niederdruckinertgasatmosphäre wiederhergestellt, für einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden beibehalten und der zweite Vorgang zur Einstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre durchgeführt wird.
Die Abkühlung findet unter Beibehaltung der Inertgasatmosphäre statt, wonach, wenn das dekorative Titanmaterial einmal eine solche Temperatur erreicht hat, dass die Oberfläche nicht mehr oxidiert, die Verarbeitung zu Ende ist und das Werkstück entnommen wird.
Ausführungsform 2
Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben.
Konkret wird als das gehärtete Titanmaterial in dieser Ausführungsform ein Armbanduhrgehäuse aus einem Titanmaterial verwendet, welches eine hohe Festigkeit, feine Kristallkörner und eine ASTM-Grade 4 entsprechende Güte aufweist.
Die zu verarbeitende Oberfläche wird poliert und die Oberflächenrauheit weist eine maximale Rautiefe Rmax von 50 nm oder weniger auf. Die Kristallstruktur weist nicht verarbeitete Kristallkörner mit einer Größe von nicht mehr als 5 μm auf.
Beim in 3 veranschaulichten Härtungsvorgang wird im Absaugevorgang 28 die Atmosphäre im Inneren der Vakuumkammer 6 zuerst abgepumpt, um ein Vakuum in der Größenordnung von 1,33*10^–3 Pa (1,00*10^–5 Torr) oder weniger zu erreichen.
Eine bestimmte Menge eines Inertgases, wie Argon, Helium oder Ähnliches, wird durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass in der Vakuumkammer 6 einen Inertgasatmosphärendruck von 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Danach wird beim Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 das dekorative Titanmaterial 2 mittels Heizvorrichtung 12 erwärmt, damit die Temperatur des Materials die Verarbeitungstemperatur von 700°C erreicht.
Im ersten Härtungsvorgang 32 wird eine Gasmischung, welche reinen Stickstoff sowie Stickstoff mit einer winzigen Menge Wasserdampf enthält, durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass eine Atmosphäre aus Stickstoff und Stickstoff mit einer winzigen Menge Sauerstoff mit einem Vakuumdruck von etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Das Verhältnis von Sauerstoff zum vorerwähnten Stickstoff wird auf etwa 5000 ppm eingestellt. Danach werden unter Einhaltung einer konstanten Verarbeitungstemperatur die oben genannten Bedingungen für einen Zeitraum von etwa 3 Stunden beibehalten, wonach in der Vakuumkammer 6 eine Niederdruckinertgasatmosphäre wiederhergestellt, für einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden beibehalten und der zweite Vorgang zur Einstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre durchgeführt wird.
Die Abkühlung findet unter Beibehaltung der Inertgasatmosphäre statt, wonach, wenn das dekorative Titanmaterial einmal eine solche Temperatur erreicht hat, dass die Oberfläche nicht mehr oxidiert, die Verarbeitung zu Ende ist und das Werkstück entnommen wird.
Ausführungsform 3
Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 bis 3 die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Konkret wird als das Titanmaterial in dieser Ausführungsform eine Titanlegierung mit den Dimensionen 25 × 25 mm und mit einer Zusammensetzung aus 4,5 Gew.-% Al, 3 Gew.-% V, und 2 Gew.-% Mo, wobei der übrige Anteil aus Titan besteht, verwendet. Die zu verarbeitende Oberfläche wird poliert und die Oberflächenrauheit weist eine maximale Rautiefe Rmax von 50 nm oder weniger auf.
Die Kristallstruktur weist nicht verarbeitete Kristallkörner mit einer Größe von nicht mehr als 5 μm auf.
Beim in 3 veranschaulichten Härtungsvorgang wird im Absaugevorgang 28 die Atmosphäre im Inneren der Vakuumkammer 6 zuerst abgepumpt, um ein Vakuum in der Größenordnung von 1,33*10^–3 Pa (1,00*10^–5 Torr) oder weniger zu erreichen.
Eine bestimmte Menge eines Inertgases, wie Argon, Helium oder Ähnliches, wird durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass in der Vakuumkammer 6 eine Inertgasatmosphäre von 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Danach wird beim Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 das dekorative Titanmaterial 2 mittels Heizvorrichtung 12 erwärmt, damit die Temperatur des Materials die Verarbeitungstemperatur von 700°C erreicht.
Im ersten Härtungsvorgang 32 wird eine Gasmischung, welche reinen Stickstoff sowie Stickstoff mit einer winzigen Menge Wasserdampf enthält, durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass eine Atmosphäre aus Stickstoff und Stickstoff mit einer geringen Menge Wasserdampf mit einem Vakuumdruck von etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Das Verhältnis von Wasserdampf zum vorgenannten Stickstoff wird auf etwa 4000 ppm eingestellt.
Danach werden unter Einhaltung einer konstanten Verarbeitungstemperatur die oben genannten Bedingungen für einen Zeitraum von etwa 3 Stunden beibehalten, wonach in der Vakuumkammer 6 eine Niederdruckinertgasatmosphäre wiederhergestellt, für einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden beibehalten und der zweite Vorgang zur Einstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre durchgeführt wird.
Die Abkühlung findet unter Beibehaltung der Inertgasatmosphäre statt, wonach, wenn das dekorative Titanmaterial einmal eine solche Temperatur erreicht hat, dass die Oberfläche nicht mehr oxidiert, die Verarbeitung zu Ende ist und das Werkstück entnommen wird.
Das Verfahren zur Härtung eines dekorativen Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
Bei einem Härtungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung, wie in 3 dargestellt, wenn das Titanmaterial auf eine Temperatur von 700°C erwärmt wird, wird der Vorgang zur Temperaturerhöhung 30, bei dem das Titan in eine Inertatmosphäre gestellt wird, zum Zweck der Rekristallisierung der arbeitenden Verformungsschicht durchgeführt, die beim Polieren des Titanmaterials entsteht und diese selbst poliert.
D. h., die Spannung beim Poliervorgang verursacht in der arbeitenden Verformungsschicht eine Kristallgitterspannung, welche, wenn sie anhält, eine Struktur verursacht, die dem amorphen Zustand nahe kommt.
Wenn daher ein entweder Stickstoff oder Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet und die Härtung durchgeführt wird, während das Titanmaterial im selben Zustand wie nach dem Polieren verbleibt, wird, da eine große Reaktion zwischen der arbeitenden Verformungsschicht und Stickstoff oder Sauerstoff stattfindet, ein Nitrid oder Oxid geformt, welches auf der Oberfläche als verfärbte Materie erscheint.
Die Entstehung der vorerwähnten verfärbten Materie beeinträchtigt das Erscheinungsbild des Materials, wodurch es zur Verwendung als dekoratives Material ungeeignet wird. Daher ist es bei der vorliegenden Erfindung erforderlich, vor dem ersten Härtungsvorgang den Arbeitsvorgang der Temperaturerhöhung in einer Inertatmosphäre durchzuführen.
Ein Merkmal des ersten Härtungsvorgangs 32, der beim vorerwähnten Härtungsverfahren nach dem Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 durchgeführt wird, ist es, in die Vakuumkammer eine Gasmischung einzuleiten, welche neben Stickstoff eine winzige Menge Sauerstoff oder Wasserdampf enthält, sowie den Druck der Gasmischung bei der Verarbeitung so einzustellen, dass ein Druck im Bereich von 0,1333 bis 1,33*10³ Pa (0.001 bis 10 Torr) erreicht wird.
Zudem bezeichnet beim vorerwähnten Härtungsverfahren der zweite Vorgang zur Neueinstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre 34 einen Vorgang zum Zweck der Abpumpung der Gase, d. h. des Stickstoffs und des Sauerstoffs oder des Wasserdampfs, aus der Vakuumkammer, die zuvor in die Vakuumkammer eingeleitet worden waren.
D. h., wenn Stickstoff oder Sauerstoff vom ersten Härtungsvorgang während der Durchführung des nachfolgenden Abkühlungsvorgangs 36 in der Atmosphäre zurückbleibt, diffundiert das Element auf Grund der niedrigen Temperatur der Atmosphäre in das Innere des Titanmaterials nur schlecht, als unerwünschtes Ergebnis bildet sich somit ein Nitrid oder Oxid auf der Oberfläche des Titanmaterials.
Wie oben beschrieben, verursachen diese Verbindungen Probleme im Hinblick auf Oberflächenrauheit und die Beeinträchtigung des hoch qualitativen Erscheinungsbilds, die bei einem dekorativen Titanmaterial nicht erwünscht sind.
Der Abkühlungsvorgang 36 des Härtungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist ein Prozess zum Zweck der schnellen Abkühlung des Titanmaterials auf Zimmertemperatur und zur Entfernung des Titanmaterials aus der Vakuumkammer.
Auch bei diesem Abkühlungsvorgang, wenn die Atmosphäre gleich zusammengesetzt ist wie beim Härtungsvorgang und daher Stickstoff und Sauerstoff beim Abkühlen verfügbar sind, sind die Bedingungen für die Diffusion des Stickstoffs und des Sauerstoffs von der Oberfläche des Titanmaterials schlecht, als Ergebnis bildet sich dann ein verfärbtes Nitrid oder Oxid an der Oberfläche des Materials.
Um die Bildung einer solchen verfärbten Materie zu verhindern, ist es erforderlich, auch den Abkühlungsvorgang in einer Inertatmosphäre durchzuführen.
Es wird angenommen, dass ein Titanmaterial nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem verarbeiteten Metallmaterial der Vergangenheit die vielen, oben erwähnten überlegenen Merkmale deshalb aufweist, weil das Titanmaterial, aus dem das dekorative Titanmaterial besteht, in einer geeigneten festen Lösung erhalten bleibt.
Konkret zeigen 6(A), (B) und (C) jeweils die Ergebnisse einer Röntgenbeugungsuntersuchung bei einem Einfallswinkel von 0,5° an einem Titanmaterial vor Durchführung des Härtungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung bzw. an einem Titanmaterial nach Durchführung des Härtungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung bzw. an einem gehärteten Titanmaterial der Vergangenheit.
Wie aus diesen Ergebnissen klar hervorgeht, weist das in 6(C) dargestellte gehärtete Titanmaterial, das nach dem Stand der Technik hergestellt wurde, Spitzenwerte auf, die sich von denjenigen des in 6(A) dargestellten Titanmaterials vor der Härtung klar unterscheiden.
Dieses Phänomen ist auf Titannitrid, das eine Farbe hat, zurückzuführen. Alle Spitzenwerte, die für das nach der vorliegenden Erfindung gehärtete Titan erhalten wurden, decken sich fast vollständig mit denjenigen für das Titanmaterial, wobei das nach der vorliegenden Erfindung gehärtete Titan Spitzenwerte aufweist, die im Vergleich zum gehärteten Titanmaterial vor der Härtung in Richtung kleinerer Winkel leicht verschoben sind.
Es wird angenommen, dass dies auf eine feste Lösung von Sauerstoff im Titanmaterial zurückzuführen ist, welche eine Verzerrung des Kristallgitters verursacht. Da keine weiteren Spitzenwerte observiert wurden, wird angenommen, dass in diesem Fall keine Verbindungen geformt wurden.
Ausführungsform 4
Als Nächstes wird im Folgenden mit Bezug auf 1 bis 3 die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Als das Titanmaterial wird in dieser Ausführungsform eine Titanlegierung mit den Dimensionen 25 × 25 mm und mit einer Zusammensetzung aus 3 Gew.-% Al und 2,5 Gew.-% V, wobei der übrige Anteil aus Titan besteht, verwendet. die zu verarbeitende Oberfläche wird poliert und die Oberflächenrauheit weist eine maximale Rautiefe Rmax von 50 nm oder weniger auf.
Die Kristallstruktur weist nicht verarbeitete Kristallkörner mit einer Größe von nicht mehr als 5 μm auf.
Beim in 3 veranschaulichten Härtungsvorgang wird im Absaugevorgang 28 die Atmosphäre im Inneren der Vakuumkammer 6 zuerst abgepumpt, um ein Vakuum in der Größenordnung von 1,33*10^–3 Pa (1,00*10^–5 Torr) oder weniger zu erreichen.
Eine bestimmte Menge eines Inertgases, wie Argon, Helium oder Ähnliches, wird durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass in der Vakuumkammer 6 eine Inertgasatmosphäre von 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Danach wird beim Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 das dekorative Titanmaterial 2 mittels Heizvorrichtung 12 erwärmt, damit sich die Temperatur des Materials auf die Verarbeitungstemperatur von 700°C erhöht.
Im ersten Härtungsvorgang 32 wird eine Gasmischung, welche reinen Stickstoff sowie Stickstoff mit einer winzigen Menge Wasserdampf enthält, durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass eine Atmosphäre aus Stickstoff und Wasserdampf mit einem Vakuumdruck von etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Das Verhältnis von Wasserdampf zum vorgenannten Stickstoff wird auf etwa 4000 ppm eingestellt.
Danach werden unter Einhaltung einer konstanten Verarbeitungstemperatur die oben genannten Bedingungen für einen Zeitraum von etwa 3 Stunden beibehalten, wonach in der Vakuumkammer 6 eine Niederdruckinertgasatmosphäre wiederhergestellt, für einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden beibehalten, und der zweite Vorgang zur Einstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre durchgeführt wird.
Die Abkühlung findet unter Beibehaltung der Inertgasatmosphäre statt, wonach, wenn das dekorative Titanmaterial einmal eine solche Temperatur erreicht hat, dass die Oberfläche nicht mehr oxidiert, die Verarbeitung zu Ende ist und das Werkstück entnommen wird.
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen den Prüfergebnissen für diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und den Prüfergebnissen der Ausführungsform oder des Stands der Technik.
Bei der verwendeten Bewertungsmethode wurden der Verschleißwiderstand (durch Berieselung mit Sand), die Härte, die Größe der Kristallkörner und die Oberflächenrauheit geprüft, wobei das Titanmaterial als Ganzes und ohne Einbeziehung einer allenfalls darauf geformten Schutzschicht schließlich als „bestanden" bzw. „nicht bestanden" nach folgenden Kriterien bewertet wurde.
Bei der Verschleißwiderstandsprüfung wurden nach der Berieselung mit Sand die Oberflächenschädigungen mittels eines Lichtmikroskops unter 400-facher Vergrößerung untersucht, wobei die Prüfung als „bestanden" galt, wenn Oberflächenschädigungen mit einer Häufigkeit von 50% oder weniger zu verzeichnen waren.
In Bezug auf Härte wurde ein Prüfgerät für Vickers-Härte verwendet, wobei die Prüfung als „bestanden" galt, wenn bis zu einer Tiefe von 5 μm von der gehärteten Oberfläche eine Vickers-Härte HV von 600 oder mehr festgestellt wurde.
Im Hinblick auf die Größe der Kristallkörner wurde die Oberfläche unter einem Elektronen- und einem Lichtmikroskop betrachtet, wobei Kristallkörner mit einer Größe im Bereich von 1 bis 60 μm als „klein" und Kristallkörner mit einer Größe von 60 μm oder mehr als „groß" bewertet wurden.
Im Hinblick auf Oberflächenrauheit wurde eine Oberflächenprofilanalyse über einen Bereich von 500 μm durchgeführt, wobei in Fällen, für die bei der Oberfläche eine maximale Rautiefe Rmax von 1000 nm oder weniger nachgewiesen wurde, die Prüfung als „bestanden" galt.
Eine Gesamtbewertung von „bestanden" wurde vergeben, wenn die Verschleißwiderstands- und Härteprüfung „bestanden" wurde und die maximale Rautiefe Rmax 1000 nm oder weniger betrug.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den folgenden Tabellen 1 bis 4 die Symbole O, Δ und X „gut" bzw. „minderwertig" bzw. „schlecht" bezeichnen.
Im Fall von Tabelle 1 wurde reines Titan der JIS-Klasse 2 (entspricht ASTM-Grade 2) mit Kristallkörnern mit einer Durchschnittsgröße von ca. 15 μm und ca. 80 μm verwendet, wobei die Tabelle die Ergebnisse der Verschleißwiderstands-, der Oberflächenhärte- und der Oberflächenrauheitsprüfung sowie die mittleren Kristallkorngrößen jeweils für den Fall vor der Verarbeitung, die Fälle nach der Verarbeitung bei jeweils verschiedenen Temperaturen im Bereich von 650°C bis 900°C und für die Verarbeitung nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik wiedergibt.
In Tabelle 1 bezeichnen a und i die Prüfungsergebnisse für den Fall vor der Verarbeitung, b und j die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung bei 650°C, c und k die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung bei 700°C, d und I die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung bei 750°C, e und m die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung bei 800°C, f und n die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung bei 850°C, g und o die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung bei 900°C und h und p die Prüfungsergebnisse für den Fall der Verarbeitung nach dem Stand der Technik für 10 Stunden bei 850°C.
Anhand von a und g in Tabelle 1 kann festgestellt werden, dass sich bei reinem Titan der JIS-Klasse 2 (entspricht ASTM-Grade 2) mit einer maximalen Rautiefe Rmax von 50 nm oder weniger an der Oberfläche sich der Rmax-Wert auf 1500 nm erhöht, was eine Zunahme der Oberflächenrauheit darstellt. Anhand von a und d kann festgestellt werden, dass die Oberflächenrauheit nach der vorliegenden Erfindung einer maximalen Rautiefe von 1000 nm oder weniger entspricht, einem geringeren Wert als dem, der nach dem Stand der Technik erzielt wird. Im Vergleich zum Ergebnis nach dem Stand der Technik, mit raueren Kristallkörnern mit einer Größe zwischen 80 und 200 μm, bringt die vorliegende Erfindung Kristallkorngrößen zwischen 10 und 30 μm hervor, d. h. die Kristallkorngröße, die im Vergleich zu jener des reinen Titans vor der Verarbeitung in etwa gleich ist, bleibt erhalten.
Die durch h bis n bezeichneten Fälle zeigen eine Vergrößerung der ursprünglichen Kristallkorngröße, entsprechend zeigt sogar die Verarbeitung bei 650°C eine große maximale Rautiefe an der Oberfläche von 1000 nm.
Die maximale Rautiefe an der Oberfläche erhöht sich noch mehr bei Temperaturen von 700°C und mehr.
Wie oben beschrieben, besteht eine Korrelation zwischen der maximalen Rautiefe an der Oberfläche und den Vorwölbungen an den Korngrenzen; dass die maximale Rautiefe an der Oberfläche nach der vorliegenden Erfindung klein ist, wird daher auf die Tatsache zurückgeführt, dass bei der vorliegenden Erfindung die Kristallkorngröße klein ist.
Im Fall von Tabelle 2 wurden reines Titan der JIS-Klasse 4 (entspricht ASTM-Grade 4) mit Kristallkörnern mit einer Durchschnittsgröße von ca. 10 μm, eine Titanlegierung zusammengesetzt aus Ti, 4,5 Gew.-% Al, 3 Gew.-% V, 2 Gew.-% Mo und eine Titanlegierung zusammengesetzt aus Ti, 3 Gew.-% Al, 2,5 Gew.-% V verwendet, wobei die Tabelle die Ergebnisse der Verschleißwiderstands-, der Oberflächenhärte- und der Oberflächenrauheitsprüfung sowie die Kristallkorngrößen jeweils für den Fall vor der Verarbeitung, die Fälle nach der Verarbeitung bei jeweils verschiedenen Temperaturen im Bereich von 650°C bis 900°C, den Fall der Verarbeitung nach der vorliegenden Erfindung bei einer Verarbeitungszeit von 3 Stunden und für den Fall der Verarbeitung nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik wiedergibt.
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, weisen, wenn der erste Härtungsvorgang mit einer Haltezeit von 3 Stunden bei einer Verarbeitungstemperatur im Bereich von 700°C bis 850°C durchgeführt wird, sowohl das reine Titan der JIS-Klasse 4, die Titanlegierung zusammengesetzt aus Ti, 4,5 Gew.-% Al, 3 Gew.-% V, 2 Gew.-% Mo als auch die Titanlegierung zusammengesetzt aus Ti, 3 Gew.-% Al, 2,5 Gew.-% V keine Vergröberung der Kristallkorngröße, eine geringe Oberflächenrauheit, eine Zunahme an Härte sowie guten Verschleißwiderstand auf.
Die Oberfläche wurde jedoch bei einer Temperatur von 900°C rauer. Darüber hinaus gab es bei Gasnitrieren nach dem Stand der Technik eine Vergröberung der Kristallkorngröße sowie eine Zunahme an Oberflächenrauheit. Der Grund für die geringe Oberflächenrauheit bei diesen Titanmaterialen wird in der kleinen Kristallkorngröße vor der Verarbeitung gesehen.
Damit die Oberflächenrauheit nicht zunimmt, ist es daher wichtig, für eine kleine Kristallkorngröße in der ersten Phase zu sorgen, d. h. für eine kleine Kristallkorngröße vor der Verarbeitung zu sorgen, und die Verarbeitung innerhalb eines solchen Temperaturbereichs durchzuführen, dass keine Vergröberung der Kristallkorngröße an der Oberfläche eintritt, sowie den Zeitpunkt der Gasaufnahme zu steuern, indem, wie in der vorliegenden Erfindung, Temperatur und Zeit gesteuert werden.
D. h., wenn keine Vergröberung der Größe der auf der verarbeiteten Oberfläche in planarer Richtung wachsenden Kristallkömer verursacht wird, wird dazu beigetragen, dass keine übermäßige Zunahme der maximalen Rautiefe an der Oberfläche eintritt.
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Verarbeitung für das Verarbeitungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung verschiedener Gase im Vergleich zum Verfahren nach dem Stand der Technik. Wie daraus hervorgeht, können auch nitrierende Gase oder oxidierende Gase wie N₂O, NO, und NO₂ verwendet werden.
Wenn auch ein reines Titanmaterial entsprechend der JIS-Klasse 2 und der JIS-Klasse 4 als das dekorative Titanmaterial in der vorangegangenen Beschreibung verwendet wurde, kann das Verfahren auch bei einem Titanmaterial der JIS-Klasse 1 oder JIS-Klasse 3 angewandt werden.
Ferner, auch wenn Titanlegierungen zusammengesetzt aus Ti, 4,5 Gew.-% Al, 3 Gew.-% V, 2 Gew.-% Mo und Ti, 3 Gew.-% Al, 2,5 Gew.-% V in der vorangegangenen Beschreibung verwendet wurden, ist es auch möglich, eine andere Titanlegierung des Typs α, eine andere Titanlegierung des Typs α + β oder auch eine Legierung des Typs β zu verwenden, wichtig dabei ist, die Übergangstemperatur nicht zu überschreiten sowie Temperatur und Zeit so festzulegen, dass keine Vergröberung der Kristallkörner eintritt.
Während die vorangegangene Beschreibung den Fall einer spiegelpolierten Oberfläche betrifft, besteht keine Einschränkung in dieser Hinsicht, daher ist es auch möglich, die vorliegende Erfindung bei verhältnismäßig rauen Oberflächen anzuwenden, wie etwa einer polierten Oberfläche, einer gehonten Oberfläche, die unter dem Honen gelitten hat, einer kugelgestrahlten Oberfläche oder einer Oberfläche mit Hairline-Schliff.
Im oben beschriebenen Beispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Beschreibung der ersten, dritten und vierten Ausführungsform um ein blechförmiges, gehärtetes Titanmaterial, während es sich in der Beschreibung der zweiten Ausführungsform um ein Armbanduhrgehäuse handelt.
Bei den Materialien besteht jedoch keine Einschränkung, und die Beispiele bedeuten, dass das Verfahren bei dekorativen Artikeln aus Titan wie dem Armband oder der Lünette einer Uhr, Piercing- oder sonstigen Ohrringen, Ringen, Brillenfassungen und Ähnlichem angewandt werden kann.
Die Anwendung ist auch bei Produkten wie dem Kopf und dem Schaft eines Golfschlägers, einem Fahrradrahmen sowie irgendeiner anderen Produktanwendung eines Titanmaterials möglich.
Auch wenn es sich in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei der Beschreibung um den Fall handelt, bei dem die Atmosphäre beim Vorgang zur Temperaturerhöhung, beim zweiten Vorgang zur Neueinstellung der Atmosphäre und beim Abkühlungsvorgang aus einem Inertgas wie Argon oder Helium besteht, wird nur, wenn zwischen den oben angeführten Vorgängen Stickstoff oder ein stickstoffhaltiges Gas eingeleitet wird, auf der Oberfläche eine Verbindung gebildet, welche die Oberfläche rauer macht und verfärbt, daher kann die Atmosphäre aus einem Gas bestehen, das von diesen Gasen nicht beeinflusst wird, und auch eine Hochvakuumatmosphäre sein.
Auch wenn in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung es sich bei der Beschreibung um den Fall handelt, bei dem die Zeit für den ersten Verarbeitungsschritt jeweils 3 Stunden und die Verarbeitungstemperatur 700°C beträgt, besteht keine Notwendigkeit für eine Beschränkung auf diese Bedingungen, wichtig ist nur, dass die Verarbeitung bei einer solchen Temperatur und innerhalb eines solchen Zeitraums durchgeführt wird, dass keine Vergröberung der auf der verarbeiteten Oberfläche in planarer Richtung wachsenden Kristallkörner eintritt, und dass die Zeit- und Temperaturbedingungen so eingestellt werden, dass den Anforderungen bezüglich Härte und Verschleißwiderstand entsprochen wird.
Die Zeit kann daher innerhalb eines Zeitraums von 10 Stunden beliebig festgelegt werden, da eine Verarbeitung über einen längeren Zeitraum und die Anhebung der Verarbeitungstemperatur auf die Vergröberung der Kristallkörner einen Einfluss haben. In Bezug auf die Verarbeitungstemperatur kann, auch wenn eine Verarbeitung bei einer möglichst niedrigen Temperatur zu bevorzugen ist, damit die Oberflächenrauheit nicht zum Problem wird, eine beliebige Temperatur über 700°C gewählt werden, so lange die Temperatur unter der Übergangstemperatur von α auf β liegt.
Auch wenn es sich in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei der Beschreibung um den Fall handelt, in dem die Wasserdampf- und Sauerstoffkonzentration beim ersten Verarbeitungsschritt mit ca. 4000 ppm für die Wasserdampfkonzentration und ca. 5000 ppm für die Sauerstoffkonzentration angegeben wird, besteht kein besonderer Grund für eine solche Beschränkung, weshalb die erforderliche Wasserdampfkonzentration innerhalb des Bereichs von 300 bis 30000 ppm und die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 300 bis 20000 ppm beliebig festgelegt werden kann.
Wichtig ist, dass, wenn übermäßige Mengen dieser Gase zur Verfügung gestellt werden, die Oberfläche von einem Oxid verfärbt wird, und wenn eine zu geringe Menge an Gas vorhanden ist, zu wenig Oxidation stattfindet. Daher kann die Konzentration beliebig eingestellt werden, solange sie innerhalb dieser Grenzen bleibt.
Auch wenn es sich in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei der Beschreibung um den Fall handelt, in dem bei allen Vorgängen der Verarbeitungsdruck 13,33 Pa (0,1 Torr) beträgt, besteht kein besonderer Grund für eine Einschränkung in dieser Hinsicht, daher kann ein beliebiger Druck im Bereich von 0,133 Pa bis 1,33*10³ Pa (0,001 bis 10 Torr) verwendet werden.
Ähnlich wie bei der Verarbeitungskonzentration ist es hier wichtig, dass, wenn der Druck zu niedrig ist, die absolute Menge des diffundierten Elements zu wenig sein wird, und wenn der Druck zu hoch ist, sich eine Verbindung auf der Oberfläche bilden wird, weshalb die Einstellung innerhalb des genannten Bereichs gewählt werden soll.
Auch wenn es sich in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei der Beschreibung um den Fall handelt, in dem beim zweiten Vorgang zur Einstellung der Atmosphäre die Verarbeitungszeit 0,5 Stunden beträgt, besteht kein besonderer Grund für eine Einschränkung in dieser Hinsicht, damit kann die Zeit beliebig festgesetzt werden, solange vor Beginn des Abkühlungsvorgang eine Inertgasatmosphäre gegeben ist.
Als Nächstes wird als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen ein weiteres Beispiel für die Verarbeitung eines dekorativen Titanmaterials beschrieben.
Ausführungsform 5
Wie oben angedeutet, ist dieses zusätzliche Beispiel eines Verarbeitungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung konkret ein Verfahren zur Verarbeitung eines dekorativen Titanmaterials mit einer gehärteten Oberflächenschicht, welches Verfahren einen Arbeitsvorgang umfasst, bei welchem auf der Oberfläche des dekorativen Titanmaterials eine Schutzschicht gebildet wird, welche Kristallkörner mit einer Größe im Bereich von 0,1 bis 60 μm aufweist, einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur erwärmt wird, einen ersten Verarbeitungsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Atmosphäre, welche Sauerstoff und Stickstoff enthält, auf eine Temperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre aus Argon, Helium oder einem ähnlichen Gas auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, und einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Dieses Verfahren zur Verarbeitung eines dekorativen Titanmaterials nach der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen im Folgenden näher beschrieben. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines unverarbeiteten dekorativen Titanmaterials, wobei eine perspektivische Ansicht eines Titanmaterials nach der Verarbeitung, wie oben in 1 beschrieben, bereits vorgestellt wurde.
Ein Merkmal dieses Beispiels für die vorliegende Erfindung ist, dass, nachdem zuerst auf der Oberfläche des Titanmaterials eine Schutzschicht mit einer mikrofeinen Struktur gebildet wurde, eine gehärtete Schicht gebildet wird, wobei das Verfahren zur Verarbeitung in 7(A) und 7(B) allgemein dargestellt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird als dekoratives Titanmaterial reines Titan der JIS-Klasse 2 in den Dimensionen 25 × 25 mm verwendet. Die zu verarbeitende Oberfläche wird poliert und die Oberflächenrauheit wiest eine maximale Rautiefe Rmax von 50 nm oder weniger auf. Wie aus 8 hervorgeht, ist die Kristallstruktur einheitlich und die Größe der Kristallkörner vor der Verarbeitung liegt im Bereich von 50 bis 100 μm.
Je nach Schutzschichtart wird die Schutzschicht anhand eines Verfahrens gebildet, das aus der Gruppe der Verfahren bestehend aus Gasphasenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Plasma-CVD und DC-Kathodenzerstäubung ausgewählt wird. Zur Bildung einer Ti-Schutzschicht mittels HF-Kathodenzerstäubung wird Reinst-Titan als das Targetmaterial verwendet, und als Gas wird Reinst-Argon eingeleitet.
Ein Werkstück aus reinem Titan wird im Apparat zur HF-Kathodenzerstäubung gegenüber vom HF-Target untergebracht. Eine Vakuumpumpe wird verwendet, um die Atmosphäre abzupumpen und ein Vakuum im Bereich von 1,33*10^–3 Pa bis 1,33*10^–4 Pa (1 × 10^–5 bis 1 × 10^–6 Torr) oder weniger zu erreichen, wonach eine bestimmte Menge an Reinst-Argon mittels eines Durchflussmessers eingeleitet wird, damit der Druck innerhalb der Vakuumkammer im Bereich von 0,133 Pa bis 13,33 Pa (0,001 bis 0,1 Torr) liegt.
Danach wird die HF-Leistung bei 13,56 MHz auf das Target aus reinem Titan angewandt, und eine Ti-Schicht mit mikrofeiner Struktur wird bei einer vorausberechneten Geschwindigkeit zu einer Schichtdicke von 1,0 μm ausgebildet. Um eine Titanschicht mit feiner Struktur im Bereich von 0,1 bis 60 μm zu bilden, ist es dabei wichtig, die Oberflächentemperatur des reinen Titans zu steuern.
Bei dieser Ausführungsform wird zu diesem Zweck eine Wasserkühlung aktiv eingesetzt, um sicherzustellen, dass bei der Schichtbildung die Oberflächentemperatur des reinen Titans im Bereich von 0 bis 50°C bleibt.
Überschreitet die Oberflächentemperatur 50°C, hat das eine Wirkung auf die Kristallkörner des reinen Titans, d. h. des Grundmetalls selbst. D. h., Kristallkörner mit einer feinen Struktur von 1 bis 60 μm werden nicht erzeugt, sondern die Kristallkorngröße wird mehr als 60 μm betragen.
Zuerst wird im Absaugevorgang 28 bei der Verarbeitung des in 3 dargestellten Verarbeitungsverfahrens die Atmosphäre im Inneren der Vakuumkammer 6 mit Hilfe der Vakuumpumpe 16 abgepumpt, um ein Vakuum in der Größenordnung von 1,33*10^–3 Pa (1,00*10^–5 Torr) oder weniger herzustellen.
Eine bestimmte Menge eines Inertgases wie Argon oder Helium wird durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass in der Vakuumkammer 6 eine Inertgasatmosphäre mit einem Vakuumdruck von 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Danach wird gemäß dem Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 das dekorative Titanmaterial 2 mit Hilfe der Heizvorrichtung 12 erwärmt, damit die Temperatur des Materials die Verarbeitungstemperatur von 700°C erreicht.
Im ersten Verarbeitungsvorgang 32 wird eine Gasmischung, welche reinen Stickstoff sowie Sauerstoff enthält, durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass eine Atmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff mit einem Vakuumdruck von etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff wird auf etwa 5000 ppm eingestellt.
Danach werden unter Einhaltung einer konstanten Verarbeitungstemperatur die oben genannten Bedingungen für einen Zeitraum von etwa 3 Stunden beibehalten, wonach in der Vakuumkammer 6 eine Niederdruckinertgasatmosphäre wiederhergestellt, für einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden beibehalten und der zweite Vorgang zur Einstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre durchgeführt wird.
Die Abkühlung findet unter Beibehaltung der Inertgasatmosphäre statt, wonach, wenn das dekorative Titanmaterial einmal eine solche Temperatur erreicht hat, dass die Oberfläche nicht mehr oxidiert, die Verarbeitung zu Ende ist und das Werkstück entnommen wird.
D. h., in dieser Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, mittels des Kathodenzerstäubungsverfahrens eine Schutzschicht mit einer Kristallkorngröße von 0,1 bis 60 μm auf der Oberfläche des Werkstücks aus reinem Titan der JIS-Klasse 2 ausgebildet und eine Wärmebehandlung in einem Vakuum-Wärmebehandlungsofen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, damit eine gehärtete Schicht gebildet wird.
Tabelle 4 zeigt im Vergleich die Prüfungsergebnisse, die beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sowie nach dem Stand der Technik erzielt wurden, wobei Oberflächenhärte, Vickers-Härte und Kristallkorngröße geprüft wurden. Die maximale Rautiefe der Oberflächenrauheit wurde mit einem Rauheitsmessgerät, die Vickers-Härte mit einem Mikrohärte-Messgerät und die Kristallkorngröße durch Betrachtung der Oberfläche unter einem Elektronenmikroskop ermittelt.
Das Werkstück, auf dem eine Schutzschicht gebildet wurde, galt als die Prüfung „bestanden" zu haben, wenn das Ergebnis für die maximale Rautiefe der Oberflächenrauheit 300 nm oder weniger und jenes für Oberflächenhärte 1200 oder mehr betrug.
In Tabelle 4 werden unter A die Prüfungsergebnisse für ein unverarbeitetes Werkstück aus reinem Titan der JIS-Klasse 2, unter B die Prüfungsergebnisse bei Verarbeitung gemäß dem Verfahren nach dem Stand der Technik und unter C die Prüfungsergebnisse bei Verarbeitung nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem nach der Bildung einer Schutzschicht eine gehärtete Schicht gebildet wird, aufgeführt.
Aus A und B in Tabelle 4 ist ersichtlich, dass die Verarbeitung nach dem Stand der Technik eine maximale Rautiefe der Oberflächenrauheit von 600 nm ergibt, während die maximale Rautiefe der Oberflächenrauheit eines unverarbeiteten Werkstücks aus reinem Titan 100 nm beträgt. Demgegenüber zeigen A und C in Tabelle 4, dass die Oberflächenrauheit bei der Verarbeitung nach der vorliegenden Erfindung 200 nm beträgt, ein Wert, der geringer ist als jener des Standes der Technik.
Darüber hinaus weist die Verarbeitung nach dem Stand der Technik eine Kristallkorngröße zwischen 80 und 200 nm auf, wohingegen die Verarbeitung nach der vorliegenden Erfindung eine kleinere Kristallkorngröße aufweist, nämlich zwischen 20 und 50 μm.
Wie oben besprochen, entspricht die maximale Rautiefe an der Oberfläche und den Vorwölbungen an der Korngrenze; dass die maximale Rautiefe an der Oberfläche nach der vorliegenden Erfindung klein ist, wird daher auf die Tatsache zurückgeführt, dass die Kristallkorngröße bei der vorliegenden Erfindung klein ist.
Auch wenn in der Beschreibung dieser Ausführungsform reines Titan der JIS-Klasse 2 verwendet wird, ist die Anwendung auf ein reines Titanmaterial der JIS-Klasse 1 oder auf ein Titanmaterial der JIS-Klasse 3 sowie auf eine Titanlegierung mit Titan als Grundmetall auch möglich.
Es besteht keine besondere Einschränkung in Bezug auf die verarbeitete Oberfläche, d. h. die vorliegende Erfindung kann auf eine relativ raue Oberfläche, wie etwa eine gehonte Oberfläche, eine kugelgestrahlte Oberfläche oder eine Oberfläche mit Hairline-Schliff, angewandt werden.
Auch wenn die Beschreibung der Ausführungsform die Verwendung einer Ti-Schicht als Schutzschicht betrifft, kann je nach Art der Schutzschicht das Verfahren zur Bildung der Schutzschicht aus der Gruppe Gasphasenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Plasma-CVD und DC-Zerstäubung gewählt und auch auf eine Schutzschicht aus TiO₂ oder TiN angewandt werden.
Darüber hinaus, auch wenn die Beschreibung der Ausführungsform das Beispiel der Verwendung von Stickstoffgas zur Bildung der gehärteten Schicht betrifft, ist es auch möglich, dieses Verfahren unter Verwendung eines oxidierenden oder nitrierenden Gases wie NO₂, NO, N₂, N₂O oder eines ähnlichen anzuwenden.
Im Folgenden wird als sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein weiteres Beispiel für ein Verarbeitungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ausführungsform 6
Diese Ausführungsform ist ein Verfahren zur Verarbeitung eines Titanmaterials, welches Verfahren einen Arbeitsvorgang umfasst, bei welchem auf der Oberfläche des dekorativen Titanmaterials eine Schutzschicht gebildet wird, welche Kristallkörner mit einer Größe im Bereich von 0,1 bis 60 μm aufweist, einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur erwärmt wird, einen ersten Verarbeitungsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Atmosphäre, welche Stickstoff und Wasserdampf enthält, auf eine Temperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre aus Argon, Helium oder einem ähnlichen Gas auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, und einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird als dekoratives Titanmaterial reines Titan der JIS-Klasse 2 in den Dimensionen 25 × 25 mm verwendet. Die zu verarbeitende Oberfläche wird poliert und die Oberflächenrauheit weist eine maximale Rautiefe Rmax von 50 nm oder weniger auf.
Wie aus 8 hervorgeht, ist die Kristallstruktur einheitlich, und die Größe der Kristallkörner vor der Verarbeitung liegt im Bereich von 60 bis 100 μm.
Ein Apparat zur HF-Kathodenzerstäubung wurde verwendet, um als Schutzschicht eine Ti-Schicht zu bilden. Als HF-Target bzw. Target der Kathodenzerstäubung wurde reines Titan und als das eingeleitete Gas Reinst-Argon verwendet.
Das Werkstück wurde im Apparat zur HF-Kathodenzerstäubung gegenüber vom HF-Target untergebracht.
Eine Vakuumpumpe wird verwendet, um die Atmosphäre abzupumpen und ein Vakuum von 1,33*10^–3 Pa (1*10^–5 Torr) oder weniger zu erreichen, wonach eine bestimmte Menge an Reinst-Argon mittels eines Durchflussmessers eingeleitet wird, damit der Druck innerhalb der Vakuumkammer auf ca. 0,133 Pa (0,001 Torr) festgelegt wird.
Danach wird die HF-Leistung bei 13,56 MHz auf das Target aus reinem Titan angewandt, und eine Ti-Schicht mit mikrofeiner Struktur wird bei einer vorausberechneten Geschwindigkeit zu einer Schichtdicke von 3,0 μm ausgebildet.
Um eine Titanschicht mit feiner Struktur im Bereich von 1 bis 50 μm zu bilden, ist es dabei wichtig, die Oberflächentemperatur des reinen Titans zu steuern.
Bei dieser Ausführungsform wird zu diesem Zweck eine Wasserkühlung aktiv eingesetzt, um sicherzustellen, dass bei der Schichtbildung die Oberflächentemperatur des reinen Titans im Bereich von 0 bis 50°C bleibt.
Überschreitet die Oberflächentemperatur 50°C, hat das eine Wirkung auf die Kristallkörner des reinen Titans, d. h. des Grundmetalls selbst. D. h., es werden keine Kristallkörner mit einer feinen Struktur von 1 bis 60 μm erzeugt, sondern die Kristallkorngröße wird mehr als 60 μm betragen.
Der konzeptionellen Darstellung des Verarbeitungsverfahrens in 3 folgend wird zuerst im Absaugevorgang 28 die Atmosphäre im Inneren der Vakuumkammer 6 mit Hilfe der Vakuumpumpe 16 abgepumpt, um ein Vakuum in der Größenordnung von 1,33*10^–3 Pa (1,00*10^–5 Torr) oder weniger herzustellen.
Eine bestimmte Menge eines Inertgases wie Argon oder Helium wird durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass in der Vakuumkammer 6 eine Inertgasatmosphäre mit einem Vakuumdruck von 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Danach wird, wie durch den Vorgang zur Temperaturerhöhung 30 dargestellt, das Titanmaterial 2 mittels der Heizvorrichtung 12 erwärmt, damit die Temperatur des Materials die Verarbeitungstemperatur von 700°C erreicht.
Im ersten Verarbeitungsvorgang 32 wird eine Gasmischung, welche reinen Stickstoff mit einer winzigen Menge Wasserdampf enthält, durch den Gaseinlass 8 eingeleitet, wobei die Menge des eingeleiteten und des abgelassenen Gases so eingestellt wird, dass eine Atmosphäre aus Stickstoff sowie der winzigen Menge Wasserdampf mit einem Vakuumdruck von etwa 13,33 Pa (0,1 Torr) erreicht wird.
Das Verhältnis von Wasserdampf zu Stickstoff wird auf etwa 4000 ppm eingestellt. Danach werden unter Einhaltung einer konstanten Verarbeitungstemperatur die oben genannten Bedingungen für einen Zeitraum von etwa 3 Stunden beibehalten, wonach in der Vakuumkammer 6 eine Niederdruckinertgasatmosphäre wiederhergestellt, für einen Zeitraum von etwa 0,5 Stunden beibehalten, und der zweite Vorgang zur Einstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre durchgeführt wird.
Die Abkühlung findet unter Beibehaltung der Inertgasatmosphäre statt, wonach, wenn das dekorative Titanmaterial einmal eine solche Temperatur erreicht hat, dass die Oberfläche nicht mehr oxidiert, die Verarbeitung zu Ende ist und das Werkstück entnommen wird.
Wie oben im Einzelnen beschrieben, ist das nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Material ein gehärtetes, dekoratives Titanmaterial mit einer gehärteten Schicht auf der Oberfläche, wobei die gehärtete Oberflächenschicht Stickstoff oder Sauerstoff enthält und die Kristallkorngröße an der Oberfläche im Bereich von 1 bis 60 μm liegt und das dekorative Titanmaterial eine Oberfläche mit einer maximalen Rautiefe Rmax von 1000 nm oder weniger hat.
Das Verarbeitungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur auf erwärmt wird, einen ersten Verarbeitungsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und das Titanmaterial in einer aus Argon, Helium oder einem ähnlichen Gas bestehenden Inertgasatmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, und einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird, wobei diese Verarbeitung ein gehärtetes Titanmaterial mit geringer Oberflächenrauheit und ein Oberflächenerscheinungsbild, das sich nicht verschlechtert hat, ergibt.
Konkreter, in Bezug auf ein dekoratives Titanmaterial mit einer gehärteten Schicht auf der Oberfläche ist es durch einen Vorgang, bei welchem eine Schutzschicht mit einem feinen Kristallkorn von 0,1 bis 60 μm auf der Oberfläche des dekorativen Titanmaterials gebildet wird, und einen Verarbeitungsvorgang, bei welchem eine gehärtete Schicht durch Erwärmung des dekorativen Titanmaterials in einer Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre bei verringertem Druck gebildet wird, möglich, eine geringe Oberflächenrauheit zu erzielen, welche durch die Verarbeitung hindurch erhalten bleibt.
Dadurch tritt auch nach der Verarbeitung des Titans selbst keine Verschlechterung des Erscheinungsbilds ein, und dadurch ist dieses Material zur Verwendung als dekoratives Material besonders geeignet.

Claims

Dekoratives, gehärtetes Titanmaterial, dessen Oberfläche eine gehärtete Schicht aufweist, welche die Elemente Stickstoff und Sauerstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallkörner der Oberfläche eine Größe zwischen 0,1 und 60 Mikrometern aufweisen, und dass vorgenanntes dekoratives, gehärtetes Titanmaterial durch ein Verfahren hergestellt wird, welches folgende Arbeitsvorgänge umfasst: – einen ersten Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur erwärmt wird; – einen ersten Härtungsvorgang, bei welchem vorgenanntes Material in einer ersten, Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, welche jedoch niedriger als die Übergangstemperatur von Alpha- zu Beta-Titan in dieser Atmosphäre ist; – einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und vorgenanntes Material in einer beispielsweise aus Argon oder Helium bestehenden Inertgasatmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird; und – einen Arbeitsvorgang, bei welchem vorgenanntes Material in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Dekoratives Titanmaterial nach Anspruch 1, bei welchem die Oberflächenrauheit einer maximalen Rautiefe Rmax von 1000 nm oder weniger entspricht.
Verfahren zur Verarbeitung von Titanmaterial, wobei das Verfahren folgende Arbeitsschritte umfasst: – einen ersten Vorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur erwärmt wird; – einen ersten Härtungsvorgang, bei welchem vorgenanntes Material in einer ersten, Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, welche jedoch niedriger als die Übergangstemperatur von Alpha- zu Beta-Titan in dieser Atmosphäre ist; – einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und vorgenanntes Material in einer beispielsweise aus Argon oder Helium bestehenden Inertgasatmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird; und – einen Arbeitsvorgang, bei welchem vorgenanntes Material in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Verfahren zur Verarbeitung eines dekorativen Titanmaterials, wobei das Verfahren folgende Arbeitsschritte umfasst: – einen Arbeitsvorgang, bei welchem auf der Oberfläche des vorgenannten dekorativen Titanmaterials eine Schutzschicht gebildet wird, welche Kristallkörner mit einer Größe zwischen 0,1 und 60 Mikrometern aufweist; – einen Arbeitsvorgang, bei welchem das Titanmaterial in einer Inertgasatmosphäre bei steigender Temperatur erwärmt wird; – einen ersten Verarbeitungsvorgang, bei welchem vorgenanntes Material in einer ersten, Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, welche jedoch niedriger als die Übergangstemperatur von Alpha- zu Beta-Titan in dieser Atmosphäre ist; – einen zweiten Arbeitsvorgang, bei welchem die Zusammensetzung der Atmosphäre neu eingestellt und vorgenanntes Material in einer beispielsweise aus Argon oder Helium bestehenden Inertgasatmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur von mindestens 700°C erwärmt wird; und – einen Arbeitsvorgang, bei welchem vorgenanntes Material in einer Inertgasatmosphäre abgekühlt wird.
Verfahren zur Verarbeitung von Titanmaterial gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei vorgenannte erste Atmosphäre aus entweder Stickstoff und Sauerstoff oder Stickstoff und Wasserdampf besteht.