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Schmucklexikon von Prof. Leopold Rössler

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Verbundguss für Schmuckanwendungen

Das Verbundgießverfahren bietet gegenüber anderen Verbindungstechniken (z.B. Löten und Schweißen) einige Vorteile wie etwa:

  • Neue Designmöglichkeiten.
  • Unlösbare Verbindungen.
  • Anlauf- und korrosionsfreie Grenzflächen.
  • Freiheit von Farbunterschieden, die z.B. Lote verursachen würden.

Angesichts dieser Möglichkeiten erstaunt es, dass das Verbundgießen bei der Schmuckherstellung nicht häufiger angewendet wird.
Besonders reizvoll ist die Verbindung unterschiedlicher Metalle. Hierbei kommen verschiedenste Techniken zur Anwendung. Neben mechanischen Verbindungsmethoden wie Nieten etc. werden stoffschlüssige wie Löten, Schweißen und Sintern angewendet.

Eine "neue" Verbindungstechnik könnte der Verbundguss sein.
Was Verbundguss leisten kann, sieht man z.B. in der Dentaltechnik. Dort wird er seit vielen Jahren zur Herstellung von prothetischen Konstruktionselementen eingesetzt. Dabei steht der Verbundguss in direktem Wettbewerb mit der Löttechnik. Auch industrielle Bauteile mit besonderen Eigenschaften entstehen im Verbundguss. So lassen sich gute Verschleißbeständigkeit, gute Wärmeleitung und Korrosionsbeständigkeit des einen Werkstoffs mit besonders hoher Festigkeit, guter Bearbeitbarkeit und weiteren Eigenschaften des anderen Werkstoffs sinnvoll kombinieren.
 

Beim Verbundgießen haben wir es mit einer Reaktion zwischen einem festen, metallischen Einlegekörper und einer Metallschmelze zu tun. Trifft die Schmelze auf das feste Metall, so bildet sie nur unter bestimmten Voraussetzungen einen stoffschlüssigen Verbund.

  1. Grundvoraussetzung ist der direkte Kontakt zwischen den Metallen. Dafür muss sowohl der feste Körper als auch die flüssige Phase frei von nichtmetallischen, insbesondere von oxidischen Trennschichten sein.
  2. Die Legierungen müssen mischbar sein oder intermetallische Verbindungen bilden. Die thermischen Verhältnisse sollten so sein, dass eine gute Benetzung des Metallkörpers erfolgt und eine Legierungsbildung ablaufen kann.
  3. Um nicht nur punktuell zu verbinden, darf die flüssige Phase nicht sofort beim Auftreffen auf die Metalloberfläche erstarren, sondern sollte eine gewissen Zeitdauer im flüssigen Zustand verbleiben. Werden zusätzliche Kräfte durch Druckguss oder Schleuderguss aufgebracht, verringert sich die benötigte Zeit.

Die Sauberkeit der Kontaktflächen lässt sich durch gasförmige oder flüssige Schutzmedien gewährleisten. Hier ist insbesondere das Beschichten mit Flussmittel für bestimmte Arbeitstemperaturbereiche zu erwähnen. Bewährt haben sich pastenförmige Flussmittel auf Basis Borax-Borsäure mit Zusätzen von Fluoriden. Geeignet sind auch vorher aufgebrachte Galvanoschichten mit geringer Oxidationsneigung, die eine Mindeststärke von 20 µm haben sollten. Hilfreich zur Vermeidung bzw. Reduzierung der Oxidbildung ist auch das Vorwärmen der Gussküvette unter Schutzgasatmosphäre. Wird der Verbundguss in einer Vakuum/Druckgussmaschine durchgeführt, kann die Küvette mit einem reduzierenden Gas gespült werden.

Die wichtigste Aufgabe beim Verbundguss besteht darin, ein geeignetes örtliches und zeitliches Temperaturfeld im Gussteil einzustellen. Beim Gießen muss sich die Temperatur an der Kontaktfläche so weit erhöhen, dass ein Wert oberhalb der Solidustemperatur des festen Werkstoffpartners eingestellt wird. Erst wenn eine Flüssigschichte an der Kontaktfläche vorliegt, kann es zur Verbundbildung kommen. Eine Möglichkeit, die benötigte Grenzflächentemperatur herabzusetzen besteht darin, die Kontaktfläche mit einem niedrig schmelzenden Lot zu beschichten.

Bei der Auswahl der Legierungskombination sind folgende Kriterien zu beachten:

  • Die Legierungen müssen mischbar sein.
  • Schmucklegierungen mit geringem Kupfergehalt sowie einem niedrigen Anteil oxidierender Legierungsbestandteile bevorzugen.
  • Solidus des eingelegten Metallteils sollte mindestens 100 °C über Liquidus der Gusslegierung liegen.
  • Legierungen ohne komplexes Ausscheidungsverhalten benutzen.
  • Legierungen mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten benutzen.
  • Kalverformte Metallteile aus Blech, Draht oder Rohr zum Einlegen verwenden.
  • Legierungen mit hoher Gaslöslichkeit meiden.

Ein idealer Werkstoff für den Verbundguss sind Platinlegierungen. Sie oxidieren nicht oder nur sehr gering und sind dadurch in Kombination mit 750/000 Gelbgold die am häufigsten verwendeten Metalle.

Durchführung:
Für das Aufbaumen muss das Gussteil vorbereitet, d.h. Wachs- und Metallteil miteinander verbunden werden. Dies kann z.B. wie beim Eingießen von Schmucksteinen geschehen, indem Metallteile ins Wachsmodell eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Gummiform mit Platzhalter herzustellen. Das Metallteil wird in der Form platziert und flüssiges Wachs eingespritzt.
Bei der Präparation muss darauf geachtet werden, dass die Metallteile über das Wachs hinaus stehen, nur so sitzen sie nach dem Ausbrennen des Wachses in der Einbettmasse fest. Eine wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Guss ist eine äußerst saubere Modellation. Dabei darf kein Luftspalt zwischen Metall und Wachs vorhanden sein, da sich dieser sonst mit Einbettmasseflüssigkeit füllt und zur Oxidation der Grenzfläche führt.
Zum Einbetten können handelsübliche Gips-, phosphatgebundene oder Speed-Einbettmassen verwendet werden. Letztere haben den Vorteil, dass Güsse bereits nach 1-2 Stunden Ausbrennzeit durchführbar sind. Voraussetzungen zum Funktionieren des Verfahrens ist die richtige Küvettentemperatur. Diese sollte experimentell ermittelt werden. Der Gießprozess muss kontrolliert ablaufen, darum sollte die eingesetzte Gießmaschine über eine Temperaturmessvorrichtung verfügen. Bei zu niedriger Temperatur der Schmelze besteht die Gefahr, keinen stoffschlüssigen Verbund zu erzielen, bei zu hoher Temperatur kann es passieren, dass Schmelze das Metallteil anlöst, im ungünstigsten Fall auflöst. Ein großer Vorteil ist es, wenn der Kontakt zwischen Schmelze und festem Metall durch Druck- oder Zentrifugalkräfte verstärkt werden kann. Vorteilhaft ist auch das Fluten der Küvettenkammer mit reduzierendem Gas.
Die Abkühlphase der Gussküvette ist eine kritische Zeitspanne. Drei verschiedene Werkstoffe, die Einbettmasse sowie zwei verschiedene Legierungen kühlen gleichzeitig, aber mit unterschiedlichen Schrumpfungsraten ab. Dies kann zu starken Gussspannungen im Schmuckteil sowie zu einer Rissbildung (Erstarrungs- oder Schrumpfriss) an der Grenzfläche der beiden Legierungen führen. Aus diesem Grund sollte die Küvette möglichst langsam an Luft auf Raumtemperatur abkühlen. Abschrecken in Wasser kann zum Reißen an der Grenzfläche führen. Nach dem Auskühlen wird die Einbettmasse schonend entfernt, und die Gussteile auf Anrisse an der Grenzfläche untersucht. Sind keine Anrisse sichtbar, sollte das Gussteil einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei der sich Spannungen zwischen den verbundenen Metallteilen vermindern.
C. Hafner, Gold- und Silberscheideanstalt, Pforzheim


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