CH680267A5

CH680267A5 -

Info

Publication number: CH680267A5
Application number: CH2225/89A
Authority: CH
Inventors: Walter Nicolai
Original assignee: Walter Nicolai
Priority date: 1988-06-14
Filing date: 1989-06-14
Publication date: 1992-07-31
Also published as: DE3820211C2; DE3820211A1

Description

Nr 6802/67

AUSLEGESCHRIFT

Nr 6802/67

Internationale Klassifikation: G 04 b 17/22

C22c 39/32

SCHWEIZERISCHE EIDGENOSSENSCHAFT Anmeldungsdatum: 13. Mai 1967, 12 Vi Uhr

EIDGENÖSSISCHES AMT FÜR GEISTIGES EIGENTUM

Gesuch bekanntgemacht: 14. November 1969

S

HAUPTPATENTGESUCH

Institut Dr. Ing. Reinhard Straumann AG, Waldenburg

Bauelement mit einem von Null nur wenig abweichenden Temperaturkoeffizienten für ein Zeitmeßgerät

Dr. sc. nat. Samuel Steinemann, Waldenburg, ist als Erfinder genannt worden

. 1

In Schwingsystemen von Uhren, beispielsweise für mechanische Schwinger, wie Stimmgabeln, finden sogenannte Kompensationslegierungen, auch Elinvare genannt, Anwendung, welche Temperatureinflüsse auf die Elastizität oder Schwingfrequenz aufheben sollen. Ge- 5 wohnliche Konstruktionsmaterialien, wie Aluminium, Kupfer und deren Legierungen, Stähle usw. haben negative Temperaturkoeffizienten der Elastizität von etwa 20 10 r> Grad 1 und mehr; mit den Kompensationslegierungen werden zumindest bereichsweise diese Tem- 10 peratureinflüsse auf kleinere Werte von 10- 10 5 Grad 1 und mehr, eventuell auf Null oder sogar zu positiven Werten hin verschoben. In den meisten Schwingsystemen ist eine Schwingungsfrequenz aber nicht alleine durch den thermoelastischen Koeffizienten 15 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 20 Temperaturkoeffizienten der Frequenz hat, einen negativen Frequenzverlauf, wenn es als Spiralfeder im Unruhsystem eingesetzt ist und es muß in diesem letzteren Falle durch Legierungsänderung oder unterschiedliche Behandlung ein positiverer thermoelastischer Koeffizient 25 eingestellt werden. Anderseits treten in Schwingsystemen und Instrumenten unterschiedliche Beanspruchungen auf und unterschiedliche Moduln sind maßgebend, zum Beispiel der Elastizitätsmodul in Spiralfedern oder Stimmgabeln für Uhren. Wegen der Temperaturabhän- 30 gigkeit 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, 35 hohe mechanische Festigkeit usw. zu genügen.

Die Wirkung der bekannten Kompensationslegierun-

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gen, auch Elinvare genannt, wie sie unter den eingetragenen Marken «Nivarox», «Ni-Span C», «Isovab usw. bekannt sind, beruhen auf ferromagnetischen Vorgängen: Neben der rein elastischen Hookeschen Dehnung unter Beanspruchung tritt eine zusätzliche magneto-striktive Dehnung auf und der globale Effekt entspricht einer Erniedrigung des Elastizitätsmoduls. Der Vorgang wird IE-Effekt oder zlEj'-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 zugrunde liegenden Vorgänge gegen äußere Magnetfelder empfindlich. Bei magnetischer Sättigung durch ein äußeres Feld verschwindet zum Beispiel im Nickel der .IE-Effekt und bei den Legierungen mit iE;'-Effekt verschieben sich die Frequenzen eines Schwingers bis zu der Größenordnung von "/mi und auch der Temperaturkoeffizient wird negativer. Diese Magnetfeldeinflüsse sind zudem meist nicht reversibel.

Dilatations- und Elastizitätsanomalien sind auch bei Antiferromagnetika bekannt. Analog zu den Ferro-magnetika tritt eine zusätzliche Dehnung wegen Anti-ferromagnetostriktion, also ein /IE-Effekt auf. Der Effekt kann bis zur Néel-Temperatur, das ist der Übergang: Antiferro im Paramagnet, reichen, analog zur Curie-Temperatur des Ferromagnetikums, oberhalb

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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 Nickels 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 Néel-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 Antiferro-magnetostriktion 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 für ein Zeitmeßgerät bestimmtes Bauelement mit einem von Null nur wenig abweichenden Temperaturkoeffizienten, also einem Koeffizienten etwa -10-10 5 und +10 - 10 r> Grad Es ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer antiferromagnetischen Eisen-Mangan-Legierung mit 40-85% Fe und 10-40% Mn besteht. Es kann dazu noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten:

Jhöchstens jedoch 50% Co + Ni bis zu 50% Co bis zu 30% Ni bis zu 15 % Cr + Mo + W + Si + V

bis zu 5% 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 21 % Mn d) 69 % Fe 26% Mil 5% Ni b) 74% Fe 26% Mn e) 71 % Fe 26% Mn 3% Cr c) 69% Fe 31 % Mn f)

59% Fe 26% Mn 10% Ni

5% Co

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

g)

61 % Fe h)

61 %

Fe i)

67% Fe

26% Mn

26%

Mn

26% Mn

10% Ni

10%

Co

5% Ni

3% Cr

3%

Mo

2% Ti k)

63,4% Fé

1)

63%

Fe m)

73,6% Fe

26 % Mn

26%

Mn

26% Mn

10% Co

10%

Co

0,4 %N

0,6 % Be

1 %

Mo

n)

54% Fe

26% Mn

20% Ni

Die einzige Figur der beiliegenden 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 etwa 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 Prüfstäbe 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 14 % Mn und 1 bis 1,4% 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 etwa 1050° C und schnelles Abkühlen erhält, verwendet und sind schwer zerspanbar, im Unterschied zu den /-Legierungen mit einem höheren Mn-Gehalt, die zäh sind und durch Kaltver-formumg 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 für ein Zeitmeßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer antiferro-

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magnetischen Eisen-Mangan-Legierung mit 40-85 % Fe und 10-40% Mn besteht.

UNTERANSPRUCH Bauelement nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es noch einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthält:

bis zu 30% Ni" {höchstens jedoch 50% Co + Ni bis zu 14% Cr + Mo + W + Si + V bis zu 5% AI + Be + Ti + Zr + Nb + Ta + Cu bis zu 1,5 % C + N + B.

Institut Dr. Ing. Reinhard Straumann AG Vertreter: Patentanwaltsbüro Eder & Cie., Basel

Entgegengehaltene Schrift- und Bildwerke

Schweizerische Patentschrift Nr. 342 594

Britische Patentschrift Nr. 464 596 Deutsche Auslegeschrift Nr. 1202 506 USA-Patentschriften Nrn. 2 382 649, 2 382 650, 3 081164

«Chemical Abstracts», Bd. 62 (1965), Spalte 2555 h «Journal of the Physical Society of Japan», Bd. 21, Nr. 10 (Oktober 1966), Seiten 1860-1865