CH551492A

CH551492A - Bauelement mit einem von null nur wenig abweichenden temperaturkoeffizienten.

Info

Publication number: CH551492A
Application number: CH51968A
Authority: CH
Original assignee: Straumann Reinhard Inst Dr Ing
Priority date: 1967-05-13
Filing date: 1967-05-13
Publication date: 1974-07-15

Description

In Schwingsystemen von Uhren, für mechanische Schwinger wie Stimmgabeln und elektromechanischen Filtern, Instrumenten usw. finden sogenannte Kompensationslegierungen Anwendung, welche Temperatureinflüsse auf die Elastizität oder Schwingfrequenz aufheben sollen. Gewöhnliche Kon struktionsmaterialien, wie Aluminium, Kupfer und deren Legierungen, Stähle usw. haben negative Temperaturkoeffizienten der Elastizität von etwa 20 - 10-5 Grad-l und mehr; mit den Kompensationslegierungen werden zumindest bereichsweise diese Temperatureinflüsse auf kleinere Werte von 10 105 Grad-l und mehr, eventuell auf Null oder sogar zu positiven Werten hinverschoben.

In den meisten Schwingsystemen ist eine Schwingungsfrequenz aber nicht alleine durch den thermoelastischen Koeffizienten des elastischen Gliedes sondern auch durch dessen Wärmedehnung und die Wärmedehnung der Massen, oder allgemein aller Bauteile des Schwingsystems, bestimmt. So gibt zum Beispiel ein Material, das als Stab für Biegeschwingungen einen verschwindend kleinen Temperaturkoeffizienten der Frequenz hat, einen negativen Frequenzverlauf, wenn es als Spiralfeder im Unruhesystem eingesetzt ist und es muss in diesem letzteren Falle durch Legierungsänderung oder unterschiedliche Behandlung ein positiverer thermoelastischer Koeffizient eingestellt werden.

Andererseits treten in Schwingsystemen und Instrumenten unterschiedliche Beanspruchungen auf und unterschiedliche Moduln sind massgebend, zum Beispiel der Elastizitätsmodul in Spiralfedern für Instrumente, Stimmgabeln, elektromechanischen Filtern usw., der Schubmodul bei Spannbändern für Instrumente, zylindrisch gewickelten Zug- oder Druckfedern, Torsionsschwingern, elektromechanischen Filtern usw. und auch Kombinationen dieser zwei Moduln; es kann sogar der Kompressionsmodul mitbestimmend sein.

Wegen der Temperaturabhängigkeit der diese Moduln verknüpfenden Poisson-Zahl ist das Material jeder Anwendung anzupassen.

Neben Forderungen an die Elastizität haben diese Werkstoffe noch Ansprüche an kleine mechanische Verluste, gute Verarbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit usw. zu genügen.

Die Wirkung der bekannten Kompensationslegierungen, wie sie unter den Marken Nivarox , Ni-Span C , Isoval usw. bekannt sind, beruhen auf ferromagnetischen Vorgängen: Neben der rein elastischen Hooke'schen Dehnung unter Beanspruchung tritt eine zusätzliche magnetostriktive Dehnung auf und der globale Effekt entspricht einer Erniedrigung des Elastizitätsmoduls. Der Vorgang wird hE-Effekt oder AEy-Effekt genannt, je nachdem, ob die Gestalts- oder Volumenmagnetostriktion vorwiegt. Für die Temperaturkompensation ist dann der Abfall der Magnetostriktion gegen die Curie-Temperatur genutzt und die Legierungsbildung und Behandlung dieser Materialien ist eigentlich ein Einstellen von magnetischen und magnetomechanischen Eigenschaften. Die Effekte sind in Nickel, Kobalt, Eisen-Nickel-Chrom-, Eisen-Kobalt-Chrom-, Eisen-Kobalt-Nickel-Legierungen usw.

bekannt, wo dann auch die Temperaturkompensation der Elastizität über mehr oder weniger grosse Temperaturbereiche bis zu mehreren 100" gelingt.

Hingegen sind diese ferromagnetischen Kompensationslegierungen wegen der ihnen zugrundeliegenden Vorgänge gegen äussere Magnetfelder empfindlich. Bei magnetischer Sättigung durch ein äusseres Feld verschwindet zum Beispiel im Nickel der hE-Effekt und bei den Legierungen mit hEy-Effekt verschieben sich die Frequenzen eines Schwingers bis zu der Grössenordnung von 0/00 und auch der Temperaturkoeffizient wird negativer. Diese Magnetfeldeinflüsse sind zudem meist nicht reversibel.

Dilatations- und Elastizitätsanomalien sind auch bei Antiferromagnetika bekannt. Analog zu den Ferromagnetika tritt eine zusätzliche Dehnung wegen Antiferromagnetostriktion, also ein AE-Effekt auf. Der Effekt kann bis zur NEBEL Temperatur reichen, analog zur CURIE-Temperatur des Ferromagnetikums, oberhalb welcher mit'dem Übergang zum paramagnetischen Zustand wieder normales Verhalten der Elastizität vorliegt. Auch analog zum Ferromagnetikum liegt der Ursprung der Striktion in einer Kristallenergie, hier jedoch mit gegeneinandergerichteten verkoppelten Spins.

Der Einfluss auf die Elastizität ist für die Oxyde des Nikkels und Kobalts eindeutig nachgewiesen (R. STREET and B. LEWIS, Nature London 168, p. 1036, 1951) und eine Gestaltsantiferromagnetostriktion ist offenbar auch für eine Verzerrung des Gitters gegen niedrigere Symmetrie verantwortlich. Unter den Metallen zeigt Chrom eine eng begrenzte Elastizitätsanomalie bei der NEEL-Temperatur und hoch-manganhaltige Legierungen Cu-Mn (R. STREET and J. H.

SMITH, Le Journal de Physique et le Radium 20, p. 82, 1959) zeigen diese auch. In diesem System tritt aber eine Phasenumwandlung auf, welche in ihrem unmittelbaren Effekt auf die Elastizität von jenem der Antiferromagnetostriktion schwierig zu trennen ist und eine Formstabilität bei wiederholter Umwandlung durch Temperaturwechsel in Frage stellt.

Die Eigenschaften der Antiferromagnetika sind durch äussere Felder unbeeinflusst, zumindest bis zu den Feldern, welche in eisenlosen Spulen gewöhnlich erreicht werden. Bei einer antiferromagnetischen Kompensationslegierung tritt also die sehr nachteilige Verschiebung des Temperaturkoeffizienten der Elastizität und der Frequenz oder des Kraftmomentes im Magnetfeld nicht auf.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Bauelement mit einem von Null nur wenig abweichenden Temperaturkoeffizienten, beispielsweise einem Koeffizienten zwischen etwa -10 10-5 und +10 10-5 Grad". Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer antiferromagnetischen Eisen-Mangan Legierung mit 40-85% Fe und 10400/o Mn, besteht.

Diese Legierung kann dazu noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten: bis zu 500/0 Co höchstens jedoch 500/0 Co + Ni bis zu 30% Ni höchsfens 300/o 50% Co + Ni bis zu 150/o Cr + Mo + W + Si + V bis zu 50/0 Al + Be + Ti + Zr + Nb + Ta + Cu bis zu 1,5% C + N + B
Als solche Bauelemente kommen nicht nur Schwingelemente jeder Art, die eine von Temperatureinflüssen unabhängige Frequenz aufweisen müssen, sondern auch statisch beanspruchte Bauelemente, deren E-Modul auch bei sich ändernder Temperatur konstant bleiben muss, in Frage, aber auch mechanisch stark beanspruchte Bauelemente, die vor schädlichen Eigenresonanzen zu schützen sind, die dann auftreten könnten, wenn sich der E-Modul ändert.

Als Beispiel für solche Legierungen können die folgenden gelten: a) 79% Fe b) 740/0 Fe c) 690/0 Fe
21% Mn 26% Mn 31% Mn d) 69% Fe e) 71% Fe f) 59% Fe 26% Mn 26% Mn 26% Mn
5% Ni 3% Cr 100/0 Ni 5% Co g) 61% Fe h) 61% Fe i) 67% Fe
26% Mn 26% Mn 260/0 Mn 10% Ni 10% Co 5% Ni
3% Cr 3% Mo 2% Ti k) 63,4% Fe 1) 63% Fe m) 73,60/0 Fe 260/0 Mn 26% Mn 260/0 Mn 10% Co 10% Co 0,40/o N 0,6% Be l /0 Mo n) 540/0 Fe 260/0 Mn
20% Ni
Die einzige Figur der beiligenden Zeichnung zeigt die Abhängigkeit des E-Moduls von der

Temperatur der 5 Legierungen a bis e. Die Messungen wurden an Stäben ausgeführt, die auf folgende Art und Weise hergestellt worden sind.

Zuerst wurden die Legierungen aus reinen Metallen in Magnesiumoxydtiegeln unter Argon bei etwa 100 mm Hg-Druck erschmolzen. Aus dem Material wurden dann Stäbe bei ca. 1000 "C warmgewalzt. Bei den Legierungen a und b wurden die Stäbe geglüht und langsam abgekühlt, bei den Legierungen c, d und e wurden die Stäbe durch Kaltwalzen 50% kaltverformt, bei der Legierung e nachher zusätzlich noch während einer Stunde bei 500 "C angelassen.

Dann wurden die Prüfstäbe durch spanabhebende Bearbeitung herausgearbeitet, wodurch gleichzeitig oberflächliche Oxyde und Verunreinigungen entfernt wurden.

Der Elastizitätsmodul ist aus Biegeschwingungen der Prüf stäbe bestimmt worden.

Die thermoelastischen Koeffizienten der 14 vorgenannten Legierungen und weiterer im angegebenen Bereich liegender Legierungen lassen sich durch eine entsprechende Wärmebehandlung und eine angepasste Warm- oder Kaltverformung im gewünschten Temperaturbereich, also beispielsweise im besonders interessanten Bereich zwischen -30 und +60 "C auf die gewünschten Werte einstellen.

Bei den Stählen mit 11 bis 140/0 Mn und 1 bis 1,40/0 C, Rest Fe, handelt es sich um die sogenannten Hadfield-Stähle, die zur Herstellung von Werkzeugen verwendet werden, da sie sich durch eine hohe Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Abnützungsbeständigkeit auszeichnen. Sie werden im austenitischen Zustand, den man durch Glühen bei ca. 1050 "C und schnelles Abkühlen erhält, verwendet und sind schwer zerspanbar, im Unterschied zu den y-Legierungen mit einem höheren Mn-Gehalt, die zäh sind und durch Kaltverformung eine günstige Verfestigung erhalten, ohne dass aber besondere Schwierigkeiten bei spanender oder spanloser Verformung zu Drähten, Bändern, Spiralfedern oder andern Bauteilen auftreten.

Die Zusätze von Al, Be, Ti, Zr, Nb, Ta und Cu ermöglichen eine Ausscheidungshärtung, während die Zusätze von C und N die austenitische Modifikation stabilisieren und zudem bei Kaltverformung auch eine höhere Festigkeit erzeugen.

Claims

PATENTANSPRUCH

Bauelement mit einem von Null nur wenig abweichenden Temperaturkoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer antiferromagnetischen Eisen-Mangan-Legierung mit 40-85% Fe und 10400/o Mn besteht.

UNTERANSPRUCH Bauelement nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es noch einen oder mehrere der folgenden Bestand teile Pnthnlt EMI2.1 <tb> bis <SEP> zu <SEP> 500/0 <SEP> Co <SEP> höchstens <SEP> jedoch <SEP> 500/0 <SEP> Co <SEP> + <SEP> Ni <tb> bis <SEP> zu <SEP> 300/0 <SEP> Ni <tb> bis zu 140/0 Cr + Mo + W + Si + V bis zu 50/0 Al + Be + Ti + Zr + Nb + Ta + Cu bis zu 1,5% C + N + B.