DE3441841A1

DE3441841A1 - Verfahren zur endbearbeitung einer mattierten metallischen oberflaeche

Info

Publication number: DE3441841A1
Application number: DE19843441841
Authority: DE
Inventors: Kenji Yokohama Kanagawa Irie; Hachiro Sayama Saitama Kushida; Toshio Higashikurume Tokio/Tokyo Murata
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1983-11-16
Filing date: 1984-11-15
Publication date: 1985-07-04
Also published as: GB8427041D0; GB2149694A; GB2149694B; JPH0579447B2; JPS60107000A; DE3441841C2; HK17688A; US4507184A

Description

JABGBR & PARTNER

PAI'BNIWNWALTB

15. November 1984

• 3-

Citizen Watch Co., Ltd. CZN-6

1-1, Nishi-Shinjuku 2-chome, Jae/zi

Shinjuku-ku
Tokyo

Verfahren zur Endbearbeitung einer mattierten metallischen Oberfläche

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Endbearbeitung einer mattierten metallischen Oberfläche der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Endbearbeitung einer mattierten Oberfläche eines aus Metall bestehenden persönlichen Schmuckstücks und betrifft speziell ein Verfahren zur Endbearbeitung einer mattierten Oberfläche eines am oder auf dem Körper getragenen Gegenstandes aus Titan, Zirconium oder einer Legierung dieser

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Metalle, die dem Zweck dient, die Oberfläche vor Korrosion und Verfleckung zu schützen.

Bekanntermaßen werden Titan und Zirconium und deren Legierungen umfangreich beim Bau von Weltraumraketen und im chemischen Anlagenbau verwendet, und zwar aufgrund ihrer ungewöhnlichen Materialkenndaten, beispielsweise ihrer überraschend geringen Dichte, ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und ihrer hohen spezifischen Festigkeit, das heißt aufgrund ihres hohen Wertes der dichtebezogenen Zugfestigkeit. Seit einigen Jahren dringt die Verwendung dieser Metalle und Legierungen auch in die Bereiche der aus Metallen gefertigten persönlichen Schmuckstücke und Ziergegenstände vor und werden beispielsweise zur Herstellung von Armbanduhrengehäusen, Uhrenarmbändern, Armbändern, Ringen, Broschen und Anhängern verwendet, die im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kurz als "Schmuckstücke" bezeichnet sind. Vom Käuferpublikum bevorzugt werden dabei für solche Schmuckstücke seit geraumer Zeit mattierte Oberflächen, die keine oder nur eine geringe Reflexion aufweisen und sandig aufgerauht wirken, zu welchem Zweck solche Oberflächen mit einer extrem feinen Oberflächenrauhigkeit ausgebildet sind. Solche extrem fein oberflächenrauhen mattierten Oberflächen weisen mikroskopisch feine VorSprünge und Rücksprünge auf, die die mattierte Oberfläche bilden, und durch Honen oder Trommelfinishing erzeugt werden.

Problematisch ist bei dieser Art mattierter Oberflächen im allgemeinen ihre Empfindlichkeit gegenüber einer Oberflächenverschmutzung durch Ablagerung von Schweiß oder anderen Absonderungen der menschlichen Haut, auch von Fingerabdrücken, und Verunreinigungen anderer Art in den Vertiefungen der

mikrorauhen mattierten Oberfläche. Solche in die Vertiefungen eingelagerten Schmutzstoffe können kaum vollständig entfernt werden, so daß auf der mattierten Oberfläche meist unsaubere Flecken oder Bereiche zurückbleiben, die das ästhetisch ansprechende Aussehen mattierter Oberflächen nicht selten empfindlich beeinträchtigen. Wenig wirksam ist auch der Schutz einer solchen mattierten Oberfläche durch Aufbringen eines schmutzabweisenden Überzugs, beispielsweise durch Auftragen eines flüssigen Silicons, da solche Beschichtungen unter der Einwirkung von Detergenzien oder alkoholischen Lösungsmitteln leicht wieder entfernbar sind, schmutzabweisende Siliconüberzüge mattierte Oberflächen also nicht dauerhaft zu schützen vermögen.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Endbearbeitung mattierter Oberflächen auf Schmuckstücken, insbesondere auf dem Körper getragenen Schmuckstücken, zu schaffen, die speziell aus Titan, Zirconium oder deren Legierungen bestehen, wobei die Endbearbeitung die mattierte Oberfläche vor Verfleckung und Verschmutzung so schützen soll, daß deren ästhetisch ansprechender Eindruck und damit auch der ästhetisch ansprechende Eindruck des Schmuckstücks auch langfristig erhalten bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmals aufweist.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren zur Endbearbeitung mattierter Oberflächen auf metallischen Gegenständen, speziell metallischen Schmuckstückoberflächen, das die folgenden Verfahrensstufen umfasst:

(a) Ausbilden einer ersten mattierten Oberfläche mit feinen Vorsprüngen und Vertiefungen auf einem Gegenstand durch Honen oder Trommelfinishing;

(b) Ausbilden einer gehärteten Schicht auf der mattierten Oberfläche durch Nitrieren , Carbonisieren, Borieren oder Oxidieren;

(c) Partielles Entfernen der gehärteten Schicht, die die Vorsprünge auf der mattierten Oberfläche bedeckt, mittels eines ersten elektrolytischen oder chemischen Polierens;

(d) Ausbilden einer zweiten mattierten Oberfläche auf dem Werkstück durch Honen oder Trommelfinishing; und

(e) Partielles Entfernen der Oberflächenschicht auf den Vorsprüngen durch ein zweites elektrolytisches oder chemisches Polieren zum Zwecke des Glättens der Oberfläche, bis diese das angestrebte sandige Erscheinungsbild aufweist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la bis 1e in schematischer Darstellung, vergrößert und im Querschnitt jeweils nach den vorstehend aufgeführten Verfahrensstufen, wobei die Indizierung mit den Buchstaben a bis e in der vorstehenden Verfahrensbeschreibung und in der Fig. 1 übereinstimmen; und

Fig. 2 in grafischer Darstellung die Härte der

Schicht auf der mattierten Oberfläche des Werkstücks nach dem Härten durch Nitrieren als Funktion des Tiefenabstandes von der Oberfläche.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist mit seinen Verfahrensstufen (a) bis (e) im folgenden unter Bezug auf die zugeordneten Figuren 1a bis 1e, die vergrößerte Querschnitte des Oberflächenbereichs eines Werkstücks, des Schmuckstücks, beispielsweise eines aus Titan, Zirconium oder deren Legierungen bestehenden Uhrengehäuses, in den verschiedenen Verfahrensstufen der Endbearbeitung gemäß der Erfindung zeigen, näher beschrieben.

In der Fig. 1a ist in schematischer Darstellung ein vergrößerter Querschnitt durch den Oberflächenbereich eines aus Titan gefertigten Uhrengehäuses nach dem Verfahrensschritt (a) gezeigt, also nach dem Honen oder dem Trommeln des Werkstücks in Gegenwart eines körnigen Schleifmittels oder Glaspulvers. Die Oberfläche zeigt zahllose mikroskopisch feine Vorsprünge 2a und Vertiefungen 2b, die auf dem Werkstück 1 ausgebildet sind und dessen Oberfläche eine Mattierung verleihen. Die Rauhheit dieser Oberfläche liegt dabei üblicherweise im Mittel bei ungefähr 100 μπι. Mattierte Oberflächen dieser Rauhheit neigen erfahrungsgemäß stark dazu, Schmutz in den Vertiefungen 2b anzusammeln, der durch übliche Reinigungsverfahren kaum vollständig entfernt werden kann.

In der Fig. 1b ist derselbe Oberflächenbereich nach der Verfahrensstufe (b) gezeigt, bei dem die in der Verfahrensstufe (a) erhaltene mattierte Oberfläche einer Behandlung zur Bildung einer gehärteten Oberflächenschicht 3 auf dieser mattierten

Oberfläche unterzogen wird. Die durchgeführte Härtung ist in diesem Fall eine an sich gebräuchliche Nitrierung. Zur Durchführung dieser Nitrierung wird das Werkstück unter Stickstoff ungefähr 20 h auf ungefähr 850 ⁰C erwärmt. In der Fig. 2 ist in grafischer Darstellung die Verteilung der Härte in der Oberflächenschicht, die durch die Nitrierung gehärtet worden ist, als Funktion der Tiefe von der Oberfläche dargestellt. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die Härte der Schicht unmittelbar auf der Oberfläche am größten und nimmt in der Tiefe, das heißt mit zunehmendem Abstand von der äußeren Oberfläche, rasch ab, um bei einer Tiefe von ungefähr 100 μΐη einen zumindest im wesentlichen konstanten Grenz- oder Endwert zu erreichen. Da andererseits für Uhrengehäuse üblicherweise eine Oberflächenhärte von ungefähr 900 bis 1100 HV (Vickershärte) gefordert wird, wird diese Härte bereits von einer nur 10 um dicken gehärteten Schicht auf der aufgerauhten Oberfläche erreicht.

Selbst wenn das vorstehend beschriebene Verfahren der Nitrierung der Oberfläche im Hinblick auf eine industrielle Fertigung die festen Voraussetzungen liefert, ist die Oberflächenhärtung im Rahmen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Vielmehr kann die Oberfläche zum Zwecke der Härtung auch carbonisiert, boriert oder oxidiert werden. Diese Verfahren führen selbstverständlich zu unterschiedlichen Ergebnissen im Hinblick auf die Oberflächenhärte, die spezifische Dichte der gehärteten Oberflächenschicht und das Aussehen des nach einem solchen Härteverfahren gehärteten Werkstücks aus Titan im Hinblick auf den Oberflächenfarbton. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle so zusammengestellt, daß sich der Fachmann für die spezielle Aufgabe das jeweils geeignete Verfahren heraussuchen kann:

■ ί

8441841

Oberflächenschicht	Härte (HV)	Dichte (g/cm³)	Farbton
TiN	1770	5,44	goldgelb
TiB₂	2710	4,52	weiß
TiC	2470	4,92	weiß
TiO₂	1000	4,26	hellgelb

In der Fig. 1c ist der Zustand der Oberfläche nach dem Verfahrensschritt (c) dargestellt, in dem die Bereiche 4 auf der unter der durch durchbrochen dargestellten Linie liegenden Höhe der gehärteten Oberflächenschicht 3 partiell von den Spitzen der Vorsprünge 2a durch elektrolytisches oder chemisches Polieren abgetragen sind. Beim elektrolytischen Polieren ist die elektrische Stromdichte an den Spitzen der Vorsprünge am größten, so daß dort die elektrolytische Erosion zuerst eintritt und dadurch die Rauhheit der mattierten Oberfläche verringert wird. Ein ähnlicher Vorgang tritt auch beim chemischen Polieren ein, bei dem die mattierte Oberfläche mit einem Ätzmittel behandelt wird. Als typisches Ätzmittel wird vorzugsweise ein Gemisch aus Flußsäure und Salpetersäure verwendet. Welches Verfahren auch immer zum Abätzen der Spitzen der gehärteten Schicht angewendet wird, Sorgfalt muß in jedem Fall darauf gelegt werden, daß das Abtragen der gehärteten Schicht 3 lediglich auf die spitzen oder obersten Kappen 4 auf den Vorsprüngen 2a der rauhen Oberfläche beschränkt ist.

Die auf die eine oder andere Weise, insbesondere elektrolytisch oder chemisch polierte Oberfläche wird dann einem zweiten

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Honen oder Trommeln mit körnigem Schleifmittel oder Glaspulver unterzogen. Diese mechanische Oberflächenaufrauhung erfolgt dabei so vorsichtig, daß die gehärtete Schicht 3 nur an ihrer äußersten Oberfläche unter Ausformung einer Feinrauhheit- 5 aufgerauht wird. Ein Vergleich der Fig. 1a und 1d läßt deutlich den Unterschied in der Rauhheit erkennen, die im ersten mechanischen Mattierungsprozeß und in der hier in der Verfahrensstufe (d) erzeugten Mattierung der gehärteten Oberflächenschicht 3 mit den gekappten Spitzen erzeugt wird. Im Verfahrensschritt (d) liegt die mittlere Rauhheit nur bei ungefähr 10 um. Dabei ist auch bei dieser mechanischen Feinaufrauhung der gehärteten Schicht 3 darauf zu achten, daß die gehärtete Schicht 3 durch die Aufrauhung nicht vollständig zerstört und die Oberfläche des Substrats 1 nicht freigelegt wird.

Schließlich wird in der Verfahrensstufe (e) die feinmattierte Oberfläche einem zweiten elektrolytischen oder chemischen Polieren unterworfen, das seiner Art nach dem in der Verfahrensstufe (c) durchgeführten Polieren entspricht und zu einer Entfernung der Kappen und Spitzen der feinrauhen Oberfläche führt, die feinrauhe Oberfläche also in der in Fig. 1e schematisch dargestellten Weise insgesamt geglättet wird. Die maximale Oberflächenrauhheit H_max wird auf diese Weise auf der so endbearbeiteten mattierten Oberfläche auf einen Wert von ungefähr 5 μπι erniedrigt. Dieser Wert liegt wesentlich unter der Rauhheit H von 150 μπι, den die

max

mattierte Oberfläche nach der Verfahrensstufe (a) aufweist. Wenn Verunreinigungen auf die geglättete mattierte Oberfläche nach der Endbearbeitung gemäß der Erfindung gelangen,können diese problemlos und vollständig durch Abwischen der Oberfläche entfernt werden, so daß die mattierte metallische

Oberfläche des Schmuckstücks ihr ästhetisch ansprechendes Aussehen auch nach starker Verschmutzung makellos wiedererhält. Dieser durch das Verfahren der Erfindung für die
mattierte metallische Oberfläche erzeugte Schutz zeichnet sich durch eine besondere Dauerhaftigkeit aus.

Claims

JAEGER & PARTNER _β/ΗΟΗ

PAIBNIANWALIB

15. November 1984

Citizen Watch Co., Ltd. CZN-6

1-1, Nishi-Shinjuku 2-chome, Jae/zi

Shinjuku-ku
Tokyo

Verfahren zur Endbearbeitung einer mattierten metallischen Oberfläche

Patentanspruch

Verfahren zur Endbearbeitungeiner mattierten metallischen Oberfläche, insbesondere eines Schmuckstücks, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

(a) Herstellen einer ersten mattierten Oberfläche mit feinen Vorsprüngen und Vertiefungen auf dem Werkstück durch Honen oder Trommeln;

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(b) Ausbilden einer gehärteten Schicht auf der mattierten Oberfläche durch Nitrieren, Carbonisieren, Borieren oder Oxidieren;

(c) Partielles Entfernen der gehärteten Schicht auf den Vorsprüngen der mattierten Oberfläche durch ein erstes elektrolytisches oder chemisches Polieren;

(d) Herstellen einer zweiten mattierten Oberfläche auf dem Werkstück durch Honen oder Trommeln; und

(e) Partielles Entfernen der Oberflächenschicht auf den Vorsprüngen der Rauhheit durch zweites elektrolytisches oder chemisches Polieren zum Glätten der mattiertsandig erscheinenden Oberfläche des Werkstücks.