Beta Titanium Brillen

Das ist bei den Titanen anders. Von unbrauchbarem Blech zu edlem Material für Brillengestelle

Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Waschull aus Rathenow ist ein solcher Experte und hat sich bei Messebesuchen und dem Studium von Fachzeitschriften über das spärlich verbreitete Wissen über Titan immer geärgert, ja geärgert. Schon bevor der Priester Johan H.A. Dünker, Regensburg, 1801 mit der industriellen Herstellung von Brillengläsern mittels seiner patentrechtlich geschützten Mehrfachschleifmaschine anfing, fand der an der Chemie interessierte Engländer Wilhelm Grigor 1790 in der Gemeinde Kornwall einen Magnetsand, der ein bisher nicht gekanntes Bauteil aufwies.

Im Jahre 1792 entdeckte er ein weiteres Mitglied im Rot des Schörls, zu dem er schrieb: "Ich leihe mir den Name von den Ur-Söhnen der Welt, den Titans, und nenne diese neue Metallfamilie Titanium. So waren Gregor's Menaccanit und Klap-roth's Titan ein und dasselbe. Beides sind die bedeutendsten Erze. Abb. 1 verdeutlicht, dass Titan nicht zu den wenigen Metallen gehört: Nach den Basismetallen Al, Eis und Magnesit, die jeweils eine eigene Materialgruppe darstellen, ist es das viertgrößte.

Es folgten immer wieder kuriose Naturwissenschaftler und später auch Technikern, die sich für das Thema" Titan" interessieren. Eisenerze oder Kupferze konnten mit Hilfe jahrhundertelang bekannter, einfacher Prozesse zu reinen Metallen geschmolzen werden, während sich der Werkstoff aus dem Werkstoff Aluminium - kurz gesagt aus dem Werkstoff Titan - stur und mit Erfolg von seinen Gefährten, vor allem vom Luftsauerstoff, befreien ließ.

In der ersten Hälfte des 20. Jh. dauerte es einen Kniff, bis das metallische Metall in industriellem Maßstab kostengünstig hergestellt werden konnte. Zu diesem Zweck wurde das präparierte und angelagerte Titaniumdioxid (TiO2) - das Vorprodukt der Titanproduktion - in Tetrachlorid (TiCl4) mit gasförmigen Chlorgas (Cl2) umgerechnet. Das hochreaktive metallische Magnesit entfernte dann in einem Thermoprozess das Chlorgas aus dem wieder in den Prozeß zurückgeführten Tetrachlorid.

So ist der so genannte Tierschwamm entstanden, ein grob krümeliges, noch kontaminiertes Vorprodukt, das noch gar nicht wie Ti aussieht. Die bisher im Labormassstab mit anderen Methoden gewonnenen metallischen Titanwerkstoffe enthielten je nach Ausgangsmaterial, Reduktionsmittel und Tiegelmaterial noch zu viele Unreinheiten und waren daher härter und spröder.

Aber auch andere hervorragende Materialeigenschaften machten die Materialforscher nicht müde, weiter an der Herstellung von Reintitan zu forschen. Abschließend konnte nachgewiesen werden, dass das Material auch verformbar und damit verformbar ist - eine unabdingbare Vorraussetzung für den praktischen Einsatz. Zunächst nahm die militärische Luftfahrtindustrie in den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion das neue Material in die Hand.

Der Werkstoff ist wesentlich teuerer als die gängigen Baustoffe auf der Basis von Stahl (Eisen), Bronze (Messing, Bronze) und Aluminium. Allerdings ist der Einsatz von Reintitan vergleichsweise kostspielig und zahlt sich aus, wenn die Ansprüche nur durch Reintitan zu erfüllen sind, wenn die Lebensdauer des Produkts eine hohe Anforderung an den Werkstoff stellt oder wenn die Verträglichkeit von Reintitan und Mensch in der Medizinprothetik gegeben ist.

Der Werkstoff wird vorläufig kein Massenmaterial werden, ist aber schon heute ein "edler Werkstoff". Zusätzlich zu vielen anderen Staaten gibt es in Japans Lagerstätten und in der Hochleistungsstahlindustrie, deren Ausrüstung (Vakuumschmelzöfen, Umformpressen, Walzwerke) den Beginn der Titanherstellung und die Herstellung von Halbzeugen wie Blechen, Bändern, Rohren, Drähten, Schmiedeteilen und Gussteilen ermöglichte.

Die weltweit erste Titanfassung wurde 1982 auf einer Optikerausstellung in Fu kai-Stadt enthüllt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass neben runden Drähten zum Reliefprägen von Brilleteilen auch Spezialprofile für Gelenke und Verschlussblöcke sowie Kantendrähte, Schutzgaswärmebehandlungssysteme, Beizen, Fügen, Schleifen, Polieren und Beschichten für die Rahmenfertigung vorgesehen bzw. entwickelt werden mussten. Bei den Brillenfassungen aus Metall nimmt die japanische Wirtschaft seit 1986 mit damals 30 bis 40 Mio. Brillenfassungen, davon etwa zehn bis zwölf Mio. aus Titan, weltweit den ersten Rang ein.

Das Brillenteil wurde eingeprägt und verlötet. Titanrahmen haben ausgezeichnete Verschleißeigenschaften. Auf der anderen Seite hat der Werkstoff aber auch Probleme bei der Bearbeitung und Verarbeitung, die manche Brillenfabriken später verängstigt haben. Die verkauften Brillenfassungen zerbrachen plötzlich nach längerer Abnutzung der Gläser, vor allem im Bereich der Augenränder in der Nähe von Lötpunkten und sorgten für eine verständliche Belästigung der Brillenträgerinnen. In den beiden nachfolgenden Teilpublikationen werden die Eigenschaften des Titans, die Ursachen von Schäden und Abhilfemaßnahmen beschrieben.

Wird die Behauptung aufgestellt, "Titan ist nicht gleich Titan"[3], dann kann eine solche Behauptung irritierend sein. Und was ist eigentlich Reintitan und was nicht? Mit der Abkürzung Titandioxid ist es zunächst zum leichten Metall als chemischem Bestandteil und dank seiner hervorragenden Materialeigenschaften zum Grundmetall bzw. Grundmetall der eigenen Materialgruppe geworden.

Von Titanwerkstoffen sollte man daher reden. Reines und unerschwingliches Material ist reines Aluminium mit einem Anteil von 99,95 bis 99,99% Reinheit. Technisch reines, kommerziell reines Reintitan (kurz Titan) beinhaltet 0,4 bis 1 Promille "Verunreinigungen" oder nicht interferierende Begleitstoffe aus dem Schmelzvorgang (Eisen (Fe), Sauerstoffe (O), Kohlenstoffe (C), Wasserstoffe (H), Stickstoffe (N))] in verschiedenen Qualitäten.

Das US-Kennzeichnungsverfahren nach der amerikanischen Gesellschaft für Prüfung und Materialien (ASTM) mit Güten und laufenden Zahlen wurde in der ganzen Welt vorgestellt. Tab. 2 zeigt die chemischen Zusammensetzungen dieser "mikrolegierten" Titanqualitäten. Durch die Klassen 1 bis 4 steigt der Gehalt an Eisen und Eisen, was die Materialien zwar festigt und verhärtet, aber ihre Umformbarkeit nimmt deutlich ab.

Die Reintitanqualitäten T1 bis T2 sind in ihrer Zusammensetzung der Norm EN 17 850 ähnlich, ihre Obergrenzen liegen jedoch unter den ASTM-Werten. Der überwiegende Teil der Titanwerkstoffe sind Metalle mit unterschiedlichsten Anteilen. Wem ist klar, dass Ti-6-4, Grad 5, Typ 3, Typ 7164 und Typ 3 für das gleiche Material stehen?

Am bekanntesten und am häufigsten verwendete Legierungen sind 6 Gew.-% Alu (Al), 4 Gew.-% Vanadin (V), der restliche Teil mit der nachvollziehbaren Metallurgiebezeichnung TiAl6V4, eine (a + b) Aluminiumlegierung. Derzeit gibt es bereits weit über 100 Legierungen aus dem Bereich der Titanlegierung. Etwa 25 % davon werden in der Technik eingesetzt, viele befinden sich in der Entwicklungs- und Testphase. Zellenenden, Stegplatten, Gelenkschrauben und Einsätze), dürfen als "Reintitan" bezeichnet werden und tragen das eingetragene Qualitätssiegel Titan-100?.

Hinter diesen fragwürdigen Bestrebungen stehen wahrscheinlich "schwarze Schafe" in der Industrie, die Titan-Brillenteile mit anderen Materialien als Nickel vervollständigen wollen. Denn: Reintitanwerkstoffe mit 90 bis 99 Gewichtsprozent Titandioxid sind nicht bekannt. Der Anteil an titanhaltigem Material nach der Norm 4 beträgt 99% und ist nicht das beste Material für Brillen.

Diese " Regel " wird auch dahingehend interpretiert, dass Titanwerkstoffe bis zu 10 % andere Metallarten, d. h. Legierungsbestandteile, haben. Doch auch das ist fraglich und widersinnig, denn eine Titallegierung kann kein "reines Titan" sein. Zudem schliesst diese Ansicht den Gebrauch von qualitativ hochstehenden Beta-Titan-Legierungen, die alle mehr als 20-prozentig legierende Materialien beinhalten, von vornherein aus diesem "Gütesiegel-Sortiment" aus.

Die Ergänzung "pure" soll den Titanrahmen für den Auftraggeber noch hochwertiger und repräsentativer inszenieren. Dies ist trügerisch und unsicher, da 1. nicht alles in einem Titanrahmen aus reinem und 2. Ein ehrlicher und sorgsam gefertigter Titanrahmen, der alle besonderen Eigenschaften dieses Materials berücksichtigt, benötigt diesen Additiv "rein" nicht.