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Verwendung einer Kobalt-Chrom-Nickel-Legierung für Uhrenaufzugsfedern
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Legierung auf Kobalt-Chrom-Nickel-Basis
als Werkstoff für Uhrenaufzugsfedern. Diese drei Metalle stellen den größten Anteil
in der Legierung dar; daneben enthält sie noch andere Metalle; so ist Beryllium
ein wichtiger Bestandteil und daneben Molybdän. Kohlenstoff und Eisen sind weiterhin
vorhanden. Mangan wird für wünschenswert gehalten, und es können auch noch Spuren
bis zu kleinen Beträgen noch anderer MetaIle vorhanden sein.
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Es ist gefunden worden, daß die vorliegende Legierung ungewöhnliche
Eigenschaften hat, und ausgedehnte Versuche haben ihre Eignung für den Gebrauch
bei Aufzugsfedern für chron ometrische Instrumente, wie z. B. für Taschenuhren,
mit ihren hohen Anforderungen gezeigt.
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Uhrfedern werden im allgemeinen aus reinem Kohlenstoffstahl mit Kohlenstoffgehalten
von etwa i,oo bis 1,301/a hergestellt. In der Praxis ist es dabei notwendig, das
Band von annähernd deir Breite und Stärke der Feder auf eine verhältnismäßig hohe
Temperatur zu erhitzen und es dann, gewöhnlich in Öl, abzuschrecken, um die gewünschte
Härte zu erzielen. Diese Erhitzung kann leicht die Oberflächenzusammensetzung des
Stahles verändern und macht im allgemeinen die Oberfläche rauh und gibt ihr außerdem
eine Oxydfärbung. Nach der Härtung muß das Band poliert werden, um ihm eine glatte
Oberfläche zu geben. Das gehärtete
Band ist zu spröde für den Gebrauch
als Uhrfeder und muß nochmals erwärmt oder angelassen werden, um eine ausreichende
Zähigkeit für die praktischen Verwendungen zu erzielen. Das ruft wieder eine Entfärbung
hervor.
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Außer den eben erwähnten Schwierigkeiten gibt es viele .andere, die
mit der Wärmebehandlung von Stahluhrfedern verbunden sind. Der Härtungsprozeß isst
sehr kritisch hinsichtlich der Höhe und der Zeitdauer der Härtungstemperatur. Wenn
die Temperatur zu niedrig oder die Zeit zu kurz ist, wird die Feder weich und kann
nicht gebraucht werden. Andererseits kann, wenn die Temperatur zu hoch oder die
Zeit zu lang ist, der Stahl leicht ein grobes Korn entwickeln und zu spröde werden,
um, selbst nach dem Anlassen, als Uhrfeder verwendet werden zu können.
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Auch wenn diese Kohlenstoffstahl-Uhrfedern Wärmebehandlungen unterworfen
wurden, fehlt es ihnen doch an bestimmten wünschenswerten Eigenschaften, wie an
Korrosionsbeständigkeit und hoher Streckfestigkeit, und sie sind magnetisch. Es
ist bekannt, daß viele, und wahrscheinlich die größte Anzahl von Brüchen in Uhrfedern
von, der Korrosion des Stahles herrühren. Selbst dünne Rostflecken reduzieren den
Querschnitt einer Uhrfeder merklich, und es ist in Fachkreisen bekannt, daß Korrosionsrisse
als Urheber von Überbeanspruchungen auftreten und so zu frühzeitigem Ausfall durch
Korrosion und Ermüdung führen.
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Der Ausfall einer Uhrfeder durch Bruch ist unangenehm, aber in normalen
Zeiten kann die Feder mit verhältnismäßig niedrigen Kosten ersetzt werden. Aber
Stahluhrfedern besitzen einen weiteren, schwerwiegenderen Mangel hinsichtlich der
Genauigkeit für den Zeitmesser. Dieser Mangel ist unter der Bezeichnung »Kriechen«
bekannt und äußert sich dadurch, daß die Feder nach wiederholten Aufziehen und Ablaufen
sich setzt, ihre Kraft verliert, die Uhr unter den festgelegten ursprünglichen Bedingungen
zu treiben, und infolgedessen hält die Uhr die genaue Zeit nicht länger ein. Unter
solchen Umständen ist es unmöglich, das Werk in der Fabrik genau zu adjustieren
und zu normalisieren, und es kann schließlich unmöglich werden, die Uhr so einzuregulieren,
daß sie die Zeit genau einhält. Diese Eigenart der Uhrfeder ist eine Folge des Werkstoffes,
der zu niedrige Werte solcher Eigenschaften wie der Proportionalitätsgrenze und
der Streckfestigkeit aufweist.
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Dias Problem der Schaffung hochelastischer Eigenschaften-und gleichzeitig
angemessener Bruchfestigkeit ist eines der schwierigsten und hat die Industrie viele
Jahre beschäftigt. Es ist noch ernsthafter geworden, seitdem die Nachfrage nach
kleineren Uhren gestiegen ist. Wenn eine Uhrfeder einem magnetischen Feld ausgesetzt
wird, wird der Stahl magnetisiert, und die Uhr geht nicht mehr genau, oder sie läuft
überhaupt nicht mehr.
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Es gibt eine beschränkte Zahl von Speziallegierungen, die für Uhrfedern
gebraucht worden sind. Eine solche Legierung ist auf Nickel-Eisen-Chrom-Basis aufgebaut
und enthält kleinere Mengen von Molybdän, Mangan und Beryllium. Die typische Zusammensetzung
ist: 6o'0/a Nickel, 15'0/9 Chrom, 15 % Eisen, 7 °/a Molybdän, 2 % Mangan und etwa
o,6"/@ Beryllium. Eine solche Legierung hat auf Grund des Chromgehaltes eine verbesserte
Korrosionsfestigkeit im Vergleich zum Kohlenstoffstahl; aber ein höherer Chromgehalt
in einer Legierung, z. B 2o')/o, und mehr, ergibt eine noch bessere Korrosionsfestigkeit.
Versuche mit einer Legierung dieser Art und mit handelsüblichen Uhrfedern aus einer
solchen Legierung haben gezeigt, daß die elastischen Eigenschaften, wie de P-roportionalitätsgrenze
und die Streckfestigkeit für Uhrfedern nicht genügend sind; tatsächlich wurde gefunden,
daß die elastischen Eigenschaften denen von Stahluhrfedern der handelsüblichen Herstellung
unterlegen sind. Ebenso haben Versuche gezeigt, daß der Berylliumgehalt kritisch
ist und innerhalb enger Grenzen gehalten werden muß, da sich sonst Schwierigkeiten
beim Schweißen und bei anderweitiger Behandlung der Legierung ergeben.
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Man hat der Verwendung von gewissen rostsicheren Stählen Beachtung
geschenkt, wie z. B. einer Legierung mit etwa 18% Chrom, 8°% Nickel in kaltbearbeitetem
Zustand. Wenn eine solche Legierung auch beträchtliche Korrosionsfestigkeit besitzt,
so hat sie doch niedrige mechanische Eigenschaften und nicht die für Uhrfedern erforderliche
hohe Proportionalitätsgrenze und Streckfestigkeit. .Ihr Elastizitätsmodu.l in kaltbearbeitetem
Zustand ist ebenfalls niedrig, und eine solche Stahllegierung kann nicht durch die
Wärmebehandlungen hinreichend gehärtet werden, die bei giewöhnlichen Kohlen.stoffstahlfedern
angewendet werden, sondern es ist notwendig, auf die Kaltbearbeitung zurückzugreifen,
um eine hohe Festigkeit zu erzielen.
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Es sind weiterhin Federstahllegierungen bekannt, die in den Normen
der »Society of Automotive Engineers« mit SAE 615o, SAE 925o und SAE 926o
bezeichnet sind. Diese Stahllegierungen sind zwar höchst brauchbar für gewisse größere
Maschinenfedern, sie erfordern aber eine hohe Härtungstemperatu:r, welche eine Oberflächenoxydation
zur Folge hat. Solche Stähle sind nicht als befriedigend für Uhrfedern befunden
worden, die dünne Querschnitte, z. B. o,1 cm in der Dicke und noch dünner, haben.
Für andere Verwendungszwecke, bei denen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit,
Elastizität und Zugfestigkeit ebenfalls hohe Anforderungen gestellt werden, wurden
auch bereits Legierungen genannt, die als mögliche Bestandtleile die enthielten,
wie die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung. So wurden z. B. in der französischen
Patentschrift 789 986 Chrom- und Kobaltlegnerungen beschrieben, die daneben noch
etwas Wolfram, Molybdän und Kohlenstoff enthalten können. Rein beispielsweise ohne
einen. besonderen Grund für ihre Zufügung sind dann, noch eine Reihe von unwesentlichen
Metallen angegeben, unter denen sich auch Beryllium befindet. Diese Berylliumlegierungen
werden als Befestigungsmittel von Zahnprothesen vorgeschlagen. Sie weisen
nicht
die Vorteile auf, die die erfindungsgemäßen Legierungen insbesondere wegen ihres
genau definierten Beryllium- und Chromgehaltes zur Verwendung für Uhrenaufzugsfedern
geeignet macht. Dies betrifft vor allem die Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen
Legierungen. Das gleiche gilt auch gegenüber anderen bereits bekannten Chrom-Kobalt-Legierungen,
die hauptsächlich infolge ihres höheren Berylliumgehaltes für Uhrenaufzugsfedern
in Hinsicht auf die Biegefestigkeit nicht geeignet sind, obwohl sie einerseits zur
Be. festigung für Zahnersatzmittel und andererseits für andere technische Federn
brauchbar sein mögen. Es ist aber für den speziellen Verwendungszweck, nämlich für
Uhrenaufzugsfedern, keine Legierung mit der für die Erfindung typischen Zusammensetzung
beschrieben worden, die allein der Legierung die für den gewünschten Zweck die überragenden
Eigenschaften verleiht.
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Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber die Verwendung einer verbesserten
Legierung für Aufzugsfedern für chronometrische Instrumente, wie z. B. Taschenuhren,
folgender Zusammensetzung: 2o bis 50% Kobalt, 15 bis 30% Chrom, 2o bis 3511/o Nickel
und Eisen (Ni mindestens 51/o, Fe höchstens 25'%), o,oi bis o,og% Beryllium, bis
0,3% Kohlenstoff und 3 bis io% Molybdän.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung gemäß der Erfindung zeichnet
sich gegenüber bekannten Legierungen durch hohe elastische Eigens.chaften, wie Proportionalitätsgrenze,
Streckfestigkeit und Elastiz,itätsmodul, aus. Sie isst außerdem nichtmagnetisch,
ist leicht zu Uhrenaufzugsfedern zu verarbeiten und besitzt hohe Ermüdungs- bzw.
Kriechfestigkeit.
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Die Legierung vereinigt also in sich in bestmöglicher Weise die wünschenswerten
wichtigen Eigenschaften einer Uhrenaufzugsfeder.
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Ein weiterer Vorteil der Legierung ist der, daß hohe elastische Eigenschaften,
wie sie bei Uhrenaufzugsfedern gewünscht werden, zu erreichen sind, ohne daß Hochtemperaturbehandlungen
wie bei Stahlfedern notwendig sind.
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Zusätzlich zu den obenerwähnten Metallen enthält die Legierung vorzugsweise
noch o,5 bis 2% Mangan. Die wünschenswerten charakteristischen Merkmale der Legierung
sind durch ausgedehnte Versuche mit Uhren bestätigt worden.
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Kobalt ist ein wichtiger Bestandteil der erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierung; es wirkt zur Erhöhung der Festigkeit der Legierung und zier Verbesserung
ihrer Aushärtbarkeit. Es kann in dem Bereich von 2o bis 500/a angewendet werden,
der vorzuziehende Anteil liegt bei 30 bis 400/0. Mit Beträgen über 50% neigt
die Legierung dazu, zu spröde zu werden und sich schwer kaltwalzen zu lassen; mit
2o0/0 oder weniger Kobalt wird sie eine zu geringe Festigkeit für viele Anwendungen
besitzen.
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Chrom ist begründend für die Korrosionsfestigkeit. Es ist als wesentlich
gefunden worden, wenigstens 15 % und vorzugsweise über 2o % Chrom zu verwenden,
um eine angemessene Korrosionsfestigkeit zu erzielen. Andererseits stellen sieh
Schwierigkeiten beim Schmelzen und sonstiger Behandlung der Legierung ein, wenn
der Chromgehalt über 30% beträgt. Der vorzugsweise Anteil liegt bei 2o bis 260/0.
Eine Steigerung des Chromgehalts über 30% hinaus verbessert die Korrosionsfestigkeit
der Legierung nicht mehr merklich.
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Nickel ist ein wesentlicher Bestandteil, vorzugsweise in einem Anteil
von i .q bis 300/0; es wird in Anteilen von 5 bis über 300/a verwendet. Nickel und
Eisen ergänzen in gewissem Umfang einander; die am meisten befriedigenden Erfolge
werden mit Legierungen erzielt, welche mehr Nickel als Eisen enthalten. Es ist gefunden
worden, daß die Summe der Gehalte an Nickel und Eisen 20, bis 35%, beträgt und vorzugsweise
bei 25 bis 350/0 liegt. Der Betrag an Eisen liegt unter 25%. Legierungen.mit
höherem Gehalt an Eisen, z. B. über 25 0/0, sind als unbefriedigend befunden worden,
weil dabei dei Widerstand gegen Abblättern und die Eignung zum Kaltwalzen herabgesetzt
werden.
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Beryllium ist ein wesentlicher Bestandteil der Legierung und wird
als zum größten Teil verantwortlich für die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften
gehalten, wenn die Legierung nach einem Abkühlungsvorgang, besonders aber nach einem
Abschrecken und Kaltwalzen nachbehandelt wird. Es wurde gefunden, daß in einer Legierung
dieserArt verhältnismäßig kleineBeträge von Beryllium ausreichend sind, um der Legierung
wichtige Eigenschaften zu erteilen, und schon Werte von o,oi%, sind als ausreichend
befunden worden, die Festigkeit der Legierung merklich zu erhöhen und besonders
seine Empfänglichkeit für die Härtung und Festigung durch eine Nachbehandlung nach
dem Abkühlen und dem Kaltwalzen zu steigern. Sehr befriedigende Erfolge wurden mit
Berylliumgehalten von 0,o2 bis 0,o5 0/a erzielt. Jedoch ist es bei niedrigen Kohlenstoffgehalten
vorteilhaft, mehr Beryllium, bis etwa o,o9%, zu verwenden. Es ist eines der charakteristischen
Merkmale der Erfindung, daß der erforderliche Beryllium@gehalt in der Legierung
niedriger ist, als er in anderen Legierungen, die für Uhrfedern gebraucht worden
sind, für notwendig befunden wurde. In einer früher verwendeten Legierung z. B.
lag der Beryl,liumgehalt in der Größenordnung von o,5 bis 0,6% und konnte sogar
bei i,o% liegen. In der vorliegenden Legierung indessen ist ein Berylliumanteil
von 0,o2 bis 0,o5 % im allgemeinen ausreichend, und es ist vorzuziehen, Gehalte
unter o,o9% zu verwenden, weil keine Verbesserung in den endgültigen mechanischen
Eigenschaften als Folge der Anwendung höherer Berylliumgehalte gefunden worden ist.
Außerdem erhöht ein höherer Berylhumgehalt die Kosten der Legierung und erzeugt
Probleme beim Heiß- und Kaltwalzen und in einer hinreichenden Auflösung des Überschusses
des Beryl.liumanteiles bei dem Wärmebehand'lungsvorgang.
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Kohlenstoff wird, als wichtig in der für Aufzugsfedern von Uhren zu
verwendenden Legierung erachtet, aber er muß innerhalb bestimmter Grenzen
gehalten
werden, weil, wenn er zu hoch ist, die Legierung leicht zu spröde wird und dem gewöhnlichen
Ausmaß der Querschnittsverminderung auf kaltem Wege nicht, ohne übermäßiges Zerbrechen
zu zeigen, standhalten wird. Der gebräuchliche Gehalt an Kohlenstoff liegt bei 0,o5
bis 0,30%" aber vorzugsweise bei o,io bis o,200/&, und die besten Erfolge werden
mit Legierungen mit 0,r3 bis o,i8°/o erzielt. Der Kohlenstoff bewirkt die Verfestigung
der Legierung und unterstützt ihre Aushärtbarkeit.
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Molybdän ist ein wichtiges Element der Legierung bei deren Verwendung
für Aufzugsfedern für Uhren und wird vorzugsweise in Beträgen von 6 bis 7'/o verwendet.
Wenn nur 3 % Molybdän verwendet werden, ist die Legierung etwas schwächer in der
Festigkeit als bei Verwendung größeneir Mengen, und die Dehnbarkeit wird nicht wesentlich
verbessert; bei Legierungen mit so niedirigem Molybdängehalt ist es ratsam, den
Berylliumgehalt zu steigern. Der übliche Bereich für Molybdän liegt bei 3 bis 10o/0.
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Mangan kann in Mengen bis zu 30/0- verwendet werden, vorzugsweise
von i bis 2 0/0, und kann der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung zugesetzt
werden, um deren Bildsamkeit beim Heiß-und Kaltwalzen zu verbessern.
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Eine Speziallegierung mit 40% Kobalt, 20% Chrom, 15,5% Nickel, 15°/o
Eisen, 0,03% Beryllium, 7'/o Molybdän, 2 % Mangan und etwa o,15 0/0 Kohlenstoff
ist als besonders geeignet für die Erfordernisse von Uhrenaufzugsfedern gefunden
worden und reagiert ausgezeichnet auf die mechanischen und Wärmebehandlungen.
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Eis ist bekannt, daß es zur Herstellung der Uhrenaufzugsfedern nicht
notwendig ist, die endgültige Feder durch Abschrecken zu härten, wie es der Fall
bei Stahlfedern ist, sondern die Legierung wird nach der Abschreckhärtung kaltbearbeitet,
um verhältnismäßig hohe Festigkeitswerte zu erzielen, und dann bei 26o bis 538°
C angelassen, was weiter die Festigkeitswerte erhöht, besonders die Proportionalitätsgrenze
und die Streckfestigkeit, z. B. kann ein Anlassen von 5 Stunden bei .4.82° C die
Proportionalitätsgrenze um 50% erhöhen, wobei ein etwa gleiches Anwachsen der Streckfestigkeit
erzielt wird. Dies sind die Eigenschaften, welche für eine Uhrenaufzugsfeder als
wesentlich erachtet werden, welche über eine lange Zeitdauer standhalten soll, ohne
daß sie sich absetzt oder ein »Kriechen« zeigt. Diese Eigenschaften einer Uhrfeder
machen es möglich, die Uhr in der Fabrik einzuregulieren, so daß sie die Zeit genau
einhält und dann in dem einregulierten Zustand für eine unbegrenzte Betriebsperiode
bleibt.
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Die Korrosionsfestigkeit der Legierung nach der Erfindung ist dadurch
nachgewiesen worden, daß Uhrwerke mit Federn aus dieser Legierung in eine Trockenschale
mit Wasser eingelegt wurden, so daß die Federn einer mit Feuchtigkeit gesättigten
Atmosphäre ausgesetzt waren. Für Vergleichszwecke wurden Uhrwerke mit Stahlfedern
der Art, wie sie allgemein in Uhren gebraucht werden, demselben Versuch unterworfen.
Alle Stahlfedern fielen infolge von Korrosionsangriffen innerhalb 24 Stunden aus.
Dagegen wurden Uhrfedern aus der Legierung gemäß der Erfindung 3 bis 6 Monate lang
diesen Versuchen unterworfen; keine der Federn fiel aus, und es waren keine Anzeichen.
von Korrosion vorhanden.
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Die Kriechfestigkeit der Legierungen gemäß der Erfindung wurde in
der Weise festgestellt, daß Federn in Uhren eingesetzt, darin über ausgedehnte Zeitperioden
in Gang gehalten wurden, dann wurde die Feder entfernt und festgestellt, ob sie
in ihre ursprüngliche freie Windungslage zurückging. Handelsübliche Stahlfedern
wurden unter gleichen Bedingungen geprüft. Es ist eine Erfahrung in der Uhrenindustrie,
daß bei solchen Versuchen Stahlfedern immer ein gewisses Kriechen zeigen, selbst
wenn die Gangdauer nur wenige Tage beträgt. Tatsächlich müssen auch in Uhren mit
Stahlfedern diese häufig ersetzt werden, bevor die Uhren die Fabrik verlassen, weil
das Kriechen so stark ist, daß die Uhr nicht auf einen genauen Gang einreguliert
werden kann. Im Gegensatz zu diesem Verhalten zeigen Uhrfedern aus der Legierung
nach der Erfindung kein Kriechen, nachdem sie über Versuchsdauern von 3 bis 6 Monaten
in Gang gewesen waren. So wird durch den Gebrauch einer Legierung mit hochelastischen
Eigenschaften ein Kriechern. vermieden; wenn die Uhr einmal eingestellt war, hält
sie fortgesetzt die Zeit genau ein.
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So wird durch die in der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung
erzielten Eigenschaften, nämlich hohe mechanische Eigenschaften und Korrosionsfestigkeit,
eine überlegene Legierung für Uhrenaufzugsfedern erzeugt.