CH337788A

CH337788A - Verfahren zur Herstellung eines selbstkompensierenden Federelementes

Info

Publication number: CH337788A
Authority: CH
Inventors: Reinhard Dr Straumann
Original assignee: Reinhard Dr Straumann; Straumann Fritz; Krueger Gustav Dr
Priority date: 1954-02-26
Filing date: 1954-02-26
Publication date: 1959-04-15

Description

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Verfahren zur Herstellung eines selbstkompensierenden Federelementes Ein federndes Schwingsystem weist mindesten ein Feder-Element auf. Dazu können weitere Federelemente sowie mitschwingende Massen kommen, die selbst keine Feder-Eigenschaften aufweisen. Ein thermokompensiertes Schwingsystem ist ein Schwingsystem, dessen Frequenz zumindest in einem begrenzten Temperaturbereich von Temperaturänderungen unabhängig ist.

Diese Temperatur-Kompensation wurde zum Beispiel früher bei den aus einer Unruhe und einer Spiralfeder bestehenden Schwingsystemen für Uhren dadurch erreicht, dass man die Unruhe aus einem aufgeschnittenen Bimetallring herstellte, der so ausgebildet war, dass der Einfluss der durch Temperaturänderungen bedingten Änderung des Trägheitsmomentes den Einfluss der durch Temperatur- änderungen bedingten Änderungen des Elastizitäts- moduls der Spiralfeder kompensierte.

Später wurden selbstkompensierende Schwingfedern erfunden, das heisst Schwingfedern, deren Eigenfrequenz mindestens in einem beschränkten Arbeitstemperaturbereich von Temperaturänderungen mehr oder weniger unabhängig ist, was zur Folge hat, dass auf die komplizierte Ausgestaltung der Unruhe verzichtet werden konnte. Diese selbstkompensierenden Schwingfedern wurden ausnahmslos aus Eisen-Nickel-Legierungen hergestellt mit Nickelgehalten von 20-50 /o. Sie haben alle den Nachteil, dass sie infolge ihrer komplexen Zusammensetzung sehr schwer reproduzierbar sind und in dieser Beziehung in ihrer Herstellung immer wieder Schwierigkeiten bereiten.

Auch bestand je nach dem Eisengehalt immer wieder Neigung zum Rosten oder zu starker Magnetempfindlichkeit, was besonders bei Schwingfedern für Uhren unerwünscht ist. Es ist nun gelungen, eisenfreie bzw. eisenarme Legierungen herzustellen mit der Lage des Curie-Punktes zwischen 0 und -f- 200 C. Unter einer eisenarmen Legierung wird in diesem Zusammenhang eine Legierung verstanden, bei welcher die Nicht-Eisen-Bestandteile mindestens 75 % aus- machen. Diese Legierungen haben den Vorteil, einfach in ihrer Zusammensetzung und leichter repro- duzierbar zu sein.

Bekannterweise müssen diese Legierungen leichten Ferromagnetismus aufweisen und der Relation genügen:
EMI1.27

EMI1.28

<tb> wo <SEP> = <SEP> thermoelastischer <SEP> Koeffizient, <SEP> thermoelastischer <SEP> Koeffizient <SEP> bei <SEP> magnetischer <SEP> Sättigung,
<tb> c <SEP> = <SEP> Materialkonstante,
<tb> 6i <SEP> = <SEP> Summe <SEP> der <SEP> innern <SEP> Spannungen,
= Temperaturgradient der Magnetostriktion
EMI1.30
2"" das heisst der relativen Verlängerung bei magnetischer Sättigung ist.

kann null sein oder gewollte kleine positive oder negative Werte haben. E" liegt zwischen 15 000 und 22 000 kg/mm2,
EMI1.34
zwischen 1 X 10-s und 40 X 10-8 Grad-', ssi kann zwischen 1 und 30 kg/mm2 liegen und 17" von der Grössenordnung 4 -10-4 Grad-' sein. Bei richtiger Kombination dieser Werte wird der Absolutwert von q sehr klein, d. h. kleiner als bei Stahl (2. 10-4 Grad-') oder null, das Vorzeichen von n kann positiv oder negativ sein.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung eines selbstkompensierenden Federelementes für thermokompensierte Schwingsysteme, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine mindestens 75 % Nichteisenbestandteile

enthaltende ferromagnetische Legierung, deren thermoelastischer Koeffizient der vorgenannten Relation
EMI2.4
genügt, wobei E" zwischen 15 000 kg/mm2 und 22000 kg/mm2 und
EMI2.7
zwischen 1 # 10-a Grad-' und 40 .

10-a Grad-' liegt, zum Federelement verarbeitet und ai so anpasst, dass der Absolutwert von 7l sehr klein wird.

Eine Legierung, die diese Bedingungen erfüllt, enthält in der Regel ein ferromagnetisches Grundmetall, z. B. Nickel, mit Zusätzen von nichtmagnetischen Metallen, wie Chrom, Molybdän, Mangan, Silizium, Vanadium, Kupfer usw., die mit dem Grundmetall Mischkristalle bilden. Es wird zweckmässig ein aushärtendes Element oder auch mehrere zulegiert, wie Beryllium, Titan, Niob usw.

Der Wert von 6i kann durch folgende Mittel einzeln oder kombiniert (vorwiegend nach dem Glühen) so dosiert werden, dass 17 = 0 wird oder jeden gewünschten kleinen Wert annimmt: 1. durch Überlagerung einer äussern Zu- oder Druckspannung; 2. durch Überlagerung eines Magnetfeldes; 3. durch Kaltverformung; 4. durch Ausscheidungshärtung, das heisst eine Wärmebehandlung zur Ausscheidung einer zule- gierten, aushärtenden Komponente aus übersättigten Mischkristallen; 5. durch Ordnungsvorgänge (Bildung einer Überstruktur als Folge einer Wärmebehandlung); 6. durch zweckmässige Abkühlungsgeschwindigkeit; 7. durch Umklappvorgänge im Gitter, z. B. Martensitbildung.

Die Erfindung betrifft des weitern ein nach diesem Verfahren hergestelltes Federelement, bei welchem es sich um eine Spiralfeder, z. B. für eine Uhr, oder um einen Rund- oder Flach-Draht für ein Torsionspendel oder um ein Federelement irgendeiner Form (z. B. einer Stimmgabel) für ein Frequenznormal oder ein Frequenzfilter handeln kann.

Eine Legierung, die den vorgenannten Bedingungen entspricht, ist z. B. eine Legierung, die, wie bereits erwähnt, als Grundmetall Ni enthält, dem dann bis zu 3 % Be und bis zu 12,1/o Cr zulegiert sind, also z. B. eine Legierung mit 95 % Nickel, 2,1 % Be und 2,

9 0/0 Cr. Wenn die Legierung in Drahtform vorliegt und der Draht bei einer Temperatur von etwa 1100 C homogenisiert und abgeschreckt ist, so können ausser c auch 27", E" und
EMI2.59
in erster Näherung als Materialkonstanten betrachtet werden, während sich ssi durch die vorgenannten Mittel stark beeinflussen und so gestalten lässt, dass #i sehr klein, positiv oder negativ wird, je nach dem für das Federelement gewünschten Wert. So lässt sich z.

B. durch eine Kaltverformung von über 90 0/0 und anschliessende Wärmebehandlung (Aushärtung) von 20 Minuten bei 500 C bei dieser eisenfreien Legierung der thermoelastische Koeffizient q im Tem- peraturbereich von 0 bis -E- 40" C auf den kleinen Wert von 15 . 10-0 Grad-' bringen.

Aus Messungen ergeben sich für das beschriebene Beispiel folgende Werte:
EMI2.65
Die Anpassung von 6i erfolgt hier also durch Kaltverformung, die innere Spannungen zur Folge hat, sowie durch Ausscheidungshärtung bei der nachträglichen Wärmebehandlung der zulegierten aushärtenden Komponente. Die Anpassung könnte aber auch durch Überlagerung äusserer Zug- oder Druckspannungen oder durch Ordnungsvorgänge (Überstrukturbildung) als Folge geeigneter Wärmebehandlung, oder durch Spannungsbildung infolge zweckmässiger Abkühlungsgeschwindigkeit, oder durch Spannungsbildung als Folge von Umklappvorgängen erfolgen.

Claims

PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Herstellung eines selbstkompensierenden Federelementes für thermokompensierte Schwingsysteme, dadurch gekennzeichnet, dass man eine mindestens 75 0/0 Nichteisenbestandteile enthaltende ferromagnetische Legierung, deren thermo- elastischer Koeffizient der Relation EMI2.75 genügt, wobei E" zwischen 15 000 kg/mm2 und 22 000 kg/mm2 und EMI2.78 zwischen 1 - 10-a Grad-' und 40. 10-a Grad-' liegt, zum Federelement verarbeitet und 6i so anpasst, dass der Absolutwert von r, sehr klein wird. UNTERANSPRÜCHE 1.

Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von ssi durch Überlagerung einer äussern Druck- oder Zugspannung auf den gewünschten Wert eingestellt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von 6i durch Anlegen eines Magnetfeldes eingestellt wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von ssi durch Kaltverformung angepasst wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von cii durch Ordnungsvorgänge angepasst wird. 5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von ss1 durch mittels Wärmebehandlung erzeugter Überstrukturbildung angepasst wird. 6.

Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von ai durch mittels <Desc/Clms Page number 3> definierter Abkühlungsgeschwindigkeit bewirkter Spannungserzeugung angeglichen wird. 7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von ssi durch eine mittels eines Abschreckverfahrens erzwungene Umwandlung angeglichen wird. B. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse von 6i durch Ausscheidungshärtung als Folge der Zulegierung einer aushärtenden Komponente und Wärmebehandlung angepasst wird.

PATENTANSPRUCH II Nach dem Verfahren nach Patentanspruch I hergestelltes Federelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert des thermoelastischen Koeffizienten n im Arbeitstemperaturbereich kleiner ist als 10-4 Grad-'. UNTERANSPRUCH 9. Federelement nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Legierung besteht, die als Grundmetall Ni enthält, dem bis 311/o Be und bis 12 % Cr zulegiert sind.