Kobalt-Chrom-Nickel-Legierung. Die Erfindung bezieht sieh auf eine Ko- balt-Chroni-Niekel-Legierung. Neben diesen drei -Metallen enthält die erfind-Lingsgemässe Legierung noch Eisen, Beryllitim und Kohlen stoff, wobei gewünsehtenfalls noch Molybdän zugegen sein kann. Es kann auch wünsehens- wert sein, Mangan einzuverleiben-, ferner kön nen Spuren von noch andern Metallen zugegen sein.
Es wurde festgestellt, dass die erfindungs gemässe Legierung ungewöhnliche Eigenschaf ten besitzt und ausgedehnte Versuche haben erwiesen, dass diese Legierung insbesondere zur Anwendung für Präzisionsfederwerke in ehronometrisehen Instrumenten, beispielsweise als 1-1.auptieder für Uhren, sehr geeignet ist.
Hauptfedern für Uhren sind im allge meinen aus Kohlenstoffstahl mit einem Koh lenstoffgehalt von etwa<B>1,00</B> bis<B>1,30</B> 1/o her gestellt. In der Praxis ist es nötig, das Feder band auf eine verhältnismässig hohe Tempera tur zu erhitzen und hierauf zur Entwicklung des gewünsehten Härtegrades dasselbe ge- wöhnlieh im<B>Öl</B> abzuschrecken.
Dieser Erhit- zungsvorgang kann die Oberfläehenzusammen- setzung des Stahls ändern und rauht im all,-,e- meinen die Oberfläche unter gleichzeitiger Erzeugung einer Oxydiärbung auf. Nach dem Härten muss das Stück zur Erzeugung einer glatten Oberfläche aufpoliert werden.
Das gehärtete Band ist zum Gebrauch als Uhr feder allzu brüehig und muss erneut erhitzt (angelassen) werden, um eine genügende Zähigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit zur praktischen Anwendung aufzuweisen. Da durch wird erneut eine Verfärbung hervorge rufen.
Neben den soeben erwähnten Schwierig keiten begegnet man bei der Hitzebehand lung von Uhrfedern aus Stahl noch andern Schwierigkeiten. So ist der Härteprozess be- züglieh Temperatur und Dauer des Härte vorganges bei der in Frage stehenden Tempe ratur empfindlich. Ist die Temperatur züi niedrig oder die Dauer zu kurz, so erhält man eine weiche Feder, die nicht verwendet wer den kann.
Bei zu hoher Temperatur oder bei züi langer Einwirkungsdauer bei der festge setzten Temperatur entwiekelt der Stahl mög- lieherweise ein grobes Korn und wird selbst nach dem Anlassen zur An-wendung als Hauptfeder in Uhrwerken zu brüchig.
Auch in jenen Fällen, wo solchen Kohlen- stoffstahlfedern die bestmögliche Hitzebehand lung, die man sieh nur denken kann-, zuteil wird, ermangeln sie gewisser wünsehenswerter Eigenschaften, wie Korrosionsbeständigkeit, hohe Widerstandsfähigkeit gegen Krieehen -, ausserdem sind sie magnetisch. Es ist im Han del eine bekannte Tatsache, dass als Ursache, beim Springen von Federn meistens die Korro sion des Stahls zu betrachten ist. Selbst win zige Roststellen beeinträchtigen die Wirkung einer Uhrieder in beträchtlichem Masse.
Es ist den Fachleuten bekannt, dass Korrosions- stellen Brüche verursachen -und so zu einer frühzeitigen Unbenützbarkeit führen.
Unbenützbarkeit einer Uhrfeder zufolge Bruch ist schwerwiegend, doch kann in nor malen Zeiten die Feder bei verhältnismässig niedrigen Kosten ersetzt werden. Uhrfedern aus Stahl weisen aber noch-einen. ernsthafteren Mangel vom Standpunkte einer gutgehenden Uhr auf. Dieser Mangel ist in der Industrie als Annahme einer bleibenden Dehnung be kannt und lässt sich auch als Kriechvorgang auffassen,
da sieh eine kontinuierliche Defor- welche ination beim beim Gebrauch Gebrauch bildet. zufolge Eine wiederholten Uhrfeder' Aufziehens und Ablaufens eine bleibende Deh nung erfährt, verliert ihre Kraft zum Antrei ben des Uhrwerkes unter den ursprünglich festgesetzten Bedingungen, worauf die Uhr nicht mehr die richtige Zeit angeben wird.
Unter solchen Umständen ist es -unmöglich, den Gang der Uhr in der Fabrik richtig einzu stellen und zu standardisieren und die Uhr derart einzustellen, dass sie die richtige Zeit angibt. Diese Eigenschaft bleibender Dehnung bzw. Krieeheigenschaft von Uhrfedern ist vom Material abhängig.
Es ist ferner sehr schwierig, hohe elasti sche Eigenschaften und gleichzeitig eine zu- friedenstellende Widerstandsfähigkeit gegen Bruch zu erreichen, obzwar in der Industrie seit Jahren dieses Problem studiert wird. Dieses Problem wurde mit der Forderung nach kleineren Uhren noch schwieriger. Wird eine Uhrfeder einem magnetischen Feld aus gesetzt, so wird der Stahl magnetisiert, worauf die Uhr die richtige Zeit nicht mehr einhält und schliesslich überhaupt nicht mehr funk tioniert.
Man hat bisher eine begrenzte Anzahl be stimmter Legierungen für Uhrledern verwen det. Eine solche Legierung besteht beispiels weise aus Nickel-Eisen-Chrom-Griindmaterial mit kleineren Mengen Molybdän, Mangan und Beryllium.
Die Analysenwerte lauten:<B>60</B> 1/o Nickel,<B>15</B> 1/9 Chrom,<B>15</B> 1/o Eisen,<B>7</B> % Molyb- dän 2 % Mangan und etwa<B>0,6</B> % Berylliuni. Eine derartige Legierung besitzt eine erhöhte Korrosionswiderstandsfähigkeit wegen ihres Chromgehaltes, verglichen mit Kohlenstoff- stahl; ein höherer Chromgehalt in der Legie rung, z.
B. 20 1/o oder mehr, ergibt jedoch eine noch bessere Korrosionswiderstandsfähigkeit. Versuche mit einer solchen Legierung und mit <B>C</B> Federn aus einer.solehen Legierung haben ge zeigt, dass die elastischen Eigenschaften, bei spielsweise die Proportionalitätsgrenze, und die Lebensdauer für Uhrwerkiedern nicht ausreichen, und dass sie tatsächlich geringere elastische Eigenschaften besitzen als gewöhn- liehe Stahlfedern.
Ferner haben Versuche ge zeigt, dass der Berylliunigehalt sehr heikel ist und innerhalb enger Grenzen gehalten wer den muss, was beim Schmelzen und beim an derweitigen Bearbeiten der Legierung Sehwie- rigkeiten bereitet.
Es wurde auch versucht, gewisse rostfreie Stähle, z. B. eine Le#derung von etwa<B>18</B> % Chrom und 81/o Nickel, in kalt bearbeiteteni Zustande zu verwenden. Obgleich eine solche Legierung eine beträchtliche Korrosionsbestän digkeit zu verzeichnen hat, besitzt sie jedoch nur sehr geringe mechanische Eigenschaften und besitzt nicht die hohe Proportionalitäts- grenze und Haltbarkeit, wie dies für Uhrfedern verlangt wird.
Ihr Elastizitätsmodul in kalt bearbeitetem Zustande ist ebenfalls niedrig; ferner kann eine solche Stahllegierung durch Hitzebehandlungen, wie sie bei gewöhnlichen Kohlenstahlfedern zur Anwendung gelangen', nicht genügend gehärtet werden, sondern es ist erforderlich, diese Eigenschaften durch Kaltbearbeitung zu erreichen.
Wenn auch gewisse Stahllegierungen für die Verwendung als Federn für grössere Ma schinen sehr geeignet sind, erfordern sie den noch zum Härten eine hohe Temperatur, wo durch Oberflächenoxydation eintritt. Solche Stähle haben für Uhrwerkfedern keine zufrie- denstellende Resultate ergeben, da solche Fe dern einen dünnen Querschnitt von beispiels weise<B>0,1.</B> inm und selbst noch weniger er heischen.
Es haben sieh somit manche Nachteile in den Materialien, welche verwendet oder nur versuchsweise für die Erzeugung von Uhr- Zn federn untersucht wurden, gezeigt.
Die erfindungsgemässe Legierung ist da durch gekennzeichnet, dass sie 20 bis 601/9 Kobalt, <B>'</B> 15 bis 30% Chrom, höchstens 181/o Eisen, 0,01 bis 0,09%, Bei#yllium und 0,05 bis 0,
30% Kohlenstoff enthält, wobei der Totalgehalt an Nickel und Eisen 20 bis 40 % beträgt und der Nickelgehalt grösser als der Eisengehalt ist.
Die erfindungsgemässe Legierung hat sieh gegen Korrosion, beispielsweise bei ihrer An wendung als Uhrieder, als sehr widerstands fähig erwiesen und ist im wesentlichen nicht inagnetiseh, leicht zu Federn verschiedener Forin und Grösse zu gestalten, gegen Krie chen oder bleibende Dehnung während der Tätigkeit als Feder äusserst widerstandsfähig.
Es wurde ferner gefunden, dass durch Zu satz von Molybdän in gewissen Mengenver hältnissen eine Legierung erreicht werden kann, welche sieh für die Erzeugung von verbesserten Uhrfedern in höchstem Grade eignet. Neben den vorgenannten Metallen enthält diese Legierung zweckmässig noch <B>0,5</B> bis 2 % Mangan und geringe, unbedeu tende -Mengen anderer Elemente, wie Sili- eium. Die wünschenswerten Eigenschaften dieser Legierung wurden durch unzählige Versuche bestätigt.
Kobalt ist ein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemässen Legierung, dient es doch dazu, die Festigkeit der Legierung zu erhöhen und ihre Empfindlichkeit für die durch Altern bewirkte Härtung zu verbessern. Während Ko balt in einer Menge von 20 bis<B>60</B> % verwen det werden kann,
beträgt der bevorzugte Be- n reich<B>30</B> bis 40 1/o. Bei einem Gehalt von<B>50</B> bis 601/o neigen t' die Legierungen el zum Brüchig- Z, werden und lassen sieh nur schwierig kalt walzen.
Chrom stellt ebenfalls einen wesentlichen Bestandteil dar, insbesondere für die Korro sionsbeständigkeit. Es wurde festgestellt, dass mindestens<B>1.5</B> 1/o Chrom und zweekmässig inehr als 20 1/o Chrom zur<B>U,</B> rreiehung einer zufriedenstellenden Korrosionswiderstands fähigkeit vorhanden sein sollen.
Bei einem höheren Chronigehalt begegnet man beim Schmelzen und bei der übrigen Bearbeitung der Legierungen gewissen Sehwierigkeiten. Als bevorzugter Bereich gilt ein Chromgehalt von ')0 bis<B>26</B> II/o. Durch Erhöhen des Chromgehal tes über<B>30</B> 1/o würde die Korrosionsbeständig keit der Legierung nicht mehr wesentlich ge steigert.
Nickel ist ebenfalls ein wesentlicher Be standteil der Legierung. Der Niekelgehalt be trägt zweckmässig<B>15</B> bis<B>30</B> 1/9. Versuche wur4 den mit einem Niekelgehalt bis über<B>30</B> 1/o angestellt.
Nickel und Eisen ergänzen sieh gegenseitig bis zu einem gewissen Masse; die besten Resultate werden aber mit Legierun gen erzielt, welche mehr Nickel als Eisen ent halten.<B>Es</B> wurde gefunden, dass die Summe des Nickels plus Eisens im Bereiche von 20 bis 40 1/o liegen soll; bevorzugterweise beträgt die Menge an Nickel plus Eisen<B>25</B> bis<B>35</B> 1/ , wobei vorzugsweise weniger als<B>15</B> 1/o Eisen zugegen sind.
Legierungen mit einem Eisen gehalt von mehr als<B>18</B> % haben sieh als unbefriedigend erwiesen, da sie eine vermin derte Widerstandfähigkeit gegen Abblättern besitzen und geringe Kaltwalzeigenschaften aufweisen.
Beryllium ist ebenfalls ein massgebender Bestandteil der Legierung und soll weit gehend zur Verbesserung der Festigkeits eigenschaften bei der nach einer Abschreek- behandlung erfolgen-den Alterung, und zwar insbesondere dann, wenn die Alterung. nach einer Warm- und Kaltverformung erfolgt, dienen.
Es wurde beobachtet, dass in einer Legierung dieser Art verhältnismässig ge ringe Mengen Beryllium genügen, um er# wünschte Eigenschaften der Legierung zu er halten; Mengen selbst bis zu<B>0,01</B> % hinunter vermögen die Festigkeit der Legierung und namentlich ihre Härte und Festigkeit bei einer Alterung nach dem Abschrecken und Kalt walzen zu erhöhen. Äusserst zufriedenstellende Resultate wurden mit einem Berylliumgehalt von 0,02 bis<B>0,05</B> II/o erzielt. Bei einem niedri gen Kohlenstoffgehalt empfiehlt es sich, etwas mehr Beryllium, bis zu<B>0,09</B> 1/o" zu verwenden.
Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass der er- forderliehe Berylliumgehalt in der Legierung wesentlich geringer ist als der bis heute in andern Legierungen als nötig erachtete Ge halt. für Legierungen, welche als Uhrwerk- federn zur Anwendung gelangten.So beträgt beispielsweise in einer bekannten Legierung der Berylliumgehalt <B>0,5</B> bis<B>0,6</B> II/Q und darf bis auf <B>1,0</B> % ansteigen.
In der erfindungsgemässen Legierung jedoch genügt im allgemeinen ein Berylliamgehalt von 0,02 bis 0,05 %" wobei man stets -weniger als<B>0,09 %</B> Beryllium ver wendet, weil durch einen höheren Beryllium- gehalt die sehlussendlieh erreichten mechani- sehen Eigenschaften nicht verbessert werden,
die Legierung teurer zu stehen kommt und ausserdem ein gewisses Problem beim Heiss- und Kaltwalzen sowie in der geeigneten Lö sung des Überschusses an Beryllium sich stellt.
Kohlenstoff ist ein wichtiger Bestandteil, doch muss der Kohlenstoff innerhalb eines bestimmten Bereiches gehalten werden, weil bei züi hohem Kohlenstoffgehalt die Legierung leicht brüchig wird und ausserdem bei der Kaltreduktion übermässiger Bruch zu erwar ten ist. Der zweckdienliche Bereich liegt bei <B>0,10</B> bis 0,20<B>0/9;</B> äusserst zufriedenstellende Resultate wurden mit Legierungen erreicht, welche 0,13-bis <B>0,18</B> % Kohlenstoff enthielten. Der Kohlenstoff hat ebenfalls eine Verbesse rung der Festigkeit der Legierung zür Folge und fördert ausserdem die Ausscheidungshär tung.
Wird die erfindungsgemässe Legierung für chronometrische Federn verwendet, so enthält sie vorzugsweise noch Molybdän, wo bei man dasselbe zweckmässig in Mengen von <B>6</B> bis<B>-7</B> % zusetzt. Bei einem Molybdängehalt von nur 311/o, besitzt die Legierung eine etwas niedrigere Festigkeit als bei höheren Mengen., und überdies wird keine wesentliche Verbesse rung der Bearbeitbarkeit erreicht. Bei solchen Legierungen ist es empfehlenswert, den Be- rylliumgehalt in dem obern Bereich anzu wenden.
Der übliehe Molybdängehalt beträgt <B>3</B> bis<B>10</B> %.
Mangan wird gewöhnlich in Mengen bis züi <B>3</B> 0/ & , zweckmässig in Mengen von<B>1</B> bis 2 11/o, mitverwendet und stellt eines der zusätzlichen Elemente zur Verbesserung der Bearbeit- barkeit der Legierung beim Heiss- und Kalt walzen dar.
Eine spezielle Legierung mit einem Gehalt von<B>-10</B> 1/9 Kobalt, 20 % Chrom,<B>15,5</B> O/G Nickel, <B>15</B> "/ü Eisen,<B>0,003</B> 1/o Ber#Ilium, <B>7</B> % 111olyb- dän, 2 %. Mangan und etwa<B>0,15</B> % Kohlen stoff hat sieh als besonders geeignet erwiesen für die Erfordernisse von Uhrfedern und genügt in jeder Hinsicht den an sie ge stellten Anforderungen während den mechani- sehen und Wärmebehandlungen.
Legierungskompositionen nebst deren Ei- gensehaften sind in Tabelle<B>1.</B> aufgezählt, welche eine Komposition (Legierung Nr. <B>7)</B> einschliesst, welche ausserhalb des Erfindungs- bereiehes liegt, indem sie<B>26</B> % Eisen und <B>5</B> 1/o Nickel enthält; dieselbe ist für ein zu- friedenstellendes Kaltwalzen zu brüehig und neigt zum Abblättern während des Heisswal- zens.
Die übrigen Legierungen dienen bloss zu Erläuterungszweeken und sollen nicht als Grenzwerte für den Umfang des ganzen Be reiches erfindungsgemässer Legierungen aus gelegt werden. Es wurden auch Komposi tionen, die hier nicht aufgezählt sind, mit gutem Resultat verwendet.
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<tb> <B>Z <SEP> 95</B> Die in der Tabelle<B>1</B> angegebenen Werte sind approximativ gehalten;
lediglich die mit einem * bezeichneten Zahlen sind das Resul tat einer chemischen Analyse. Der Beryllium- gehalt wurde in allen Legierungen seiner Wiehtigkeit wegen und zur Feststellung, dass die gewünsehte Menge in der Legierung vor handen sei, analytisch bestimmt.. Ferner wur den auch andere Bestandteile analytisch be stimmt, wobei eine gute Übereinstimmung Avi- sehen den beabsichtigten Meugenwerten und den vorhandenen Mengen festgestellt wurde.
So wurden beispielsweise durch Analyse fol gende Werte gefunden- Legierung Metall beabsichtigt vorhanden .Nr.
<B>8</B> Kobalt 40,0<B>39,8</B> <B>8</B> Mangan 2,0 1,89 <B>9</B> )Jangan <B>0,5 0,55</B> <B>9</B> Beryllium 0,02-0,03 0,02 <B>10</B> Beryllium 0,02-0,03 <B>0,03</B> In der Tabelle<B>1</B> werden die Festigkeits- und Härteeigensehaften für jede Legierung unter zwei Bedingungen wiedergegeben:
<B>5</B> a) kaltgewalzt , was für die angegebenen W erkstüeke einer Reduktion von<B>15: 1</B> bis <B>10 : 1</B> -unter Verwendung einer heissgewalzten Stange von etwa<B>0,15</B> bis 0,1.25 mm als Aus gangsstoff, welche zuerst ausgeglüht und ab <B>)</B> geschreckt und hierauf einem Kaltwalzvor- gang unterworfen wurde, gleichkommt,; <B>b)</B> gealtert , indem die genannten Stan gen in der vorgenannten Weise bearbeitet und anschliessend während<B>5</B> Stunden bei etwa <B>5</B> 4820 C erhitzt werden.
Ein Vergleich der Eigenschaften -unter diesen beiden Bedingungen zeigt die wün- sehenswerten Eigenschaften des kaltgewalzten Stückes und überdies die wirksamen Verbesse- 3 rungen der Zugfestigkeit, insbesondere auch der Proportionalitätsgrenze sowie der Streck- oder Fliessgrenze, welehe bei der Alterungs- behandlung resultieren.
Die Härte wird eben falls durch Altern erhöht, doeh trifft dies <B>;</B> nieht für alle Fälle züi.' Die Legierung<B>6</B> ohne Molybdänzusatz be sitzt eine etwas geringere Festigkeit als Le gierungen gleichwertiger ähnlicher Komposi tionen, welche<B>6</B> bis<B>7</B> % Molybdän enthalten. Die Legierung<B>6</B> eignet sich für mechanische Federn, für elektrische Heizelemente, für Federn in elektrischen Kontaktelementen, wo hohe Temperaturen zur Anwendung ge langen, usw.
Die Legierung<B>8</B> mit nur<B>0,05</B> 1/o Kohlen stoff besitzt eine etwas sehleehtere Zugfestig keit sowohl in kaltgewalztem als auch in ge altertem Zustande als sonst, ähnliche Legie rungen mit einem höheren Kohlenstoffgehalt, z. B. die Legierung<B>1.</B> Die Legierung<B>8</B> besitzt eine, etwas höhere Duktilität als die Legie rung<B>1</B> und lässt sieh etwas leichter kaltwal zen. Sie eignet sieh zur Herstellung von Ge genständen -und Sehneidwerkzeugen, welche hohe Temperaturen aushalten müssen und zu bestimmten Formen, einschliesslich verhältnis mässig scharfer Krümmungen, geformt werden müssen.
Die in Tabelle<B>1</B> angegebenen Werte zei gen, dass die gealterten Legierungen ohne Ausnahme eine Streck- bzw. Fliessgrenze von über 14000<B>kg</B> pro en122, eine Zugfestigkeit von mehr als 21<B>000 kg</B> pro eM2, eine Pro- portionalitätsgrenze von mehr als<B>1-3 350 kg</B> pro em2, einen Elastizitätsmod-ul von über 2010000<B>kg</B> pro em22 und eine Härte (Viekers) von über 480 -aufweisen, was darauf schliessen lässt,
dass sie sieh für ehronometrisehe Federn besonders eignen.
Die erfindungsgemässe Legierung lässt sieh nach üblichen Methoden sehmelzenund giessen, doch wird sie vorzugsweise in einem Hoch- frequenz-Induktionsofeil erzeugt, in Platten oder Blöcken gegossen, welche zuerst gesehmie- det und hierauf in die gewünschte Dicke heiss gewalzt werden, worauf der Streifen ab geschreckt -Lmd durch Erhitzen auf Tempera turen von<B>1093</B> bis 1-20011 <B>C</B> ausgeglüht wird, um eine Lösung der sekundären Phase bzw. Phasen unter Abnahme der Härte zu bewir ken.
Die so behandelte Legierung besitzt eine Härte von beispielsweise<B>250</B> Brinell. Dureh die Kaltbearbeifting wird die Festigkeit der Legierung wesentlich erhöht und die Korn- strukturverfeinert. Die kalt bearbeiteteLegie- rung besitzt indessen nicht die für Uhrfedern erforderlichen hohen Eigenschaften.
Beim <B>5</B> Kaltbearbeiten wird beispielsweise eine Pro- portionalitätsgrenze im Bereich von<B>9843</B> bis <B>11591 kg</B> pro em2, eine Streckgrenze im Bereiche von 11491 bis<B>12655 kg</B> pro em2 und ein Elastizitätsmodul von<B>1546750</B> bis <B>a 1898290 kg</B> pro em2 erreicht.
Wird anderseits die Legierung ausgeglüht, abgeschreckt, kalt gewalzt und hierauf durch eine Alterungs- behandlun,g- gehärtet, beispielsweise durch Er hitzen während<B>5</B> Stunden bei 4820 C, so kön- s nen die Proportionalitätsgrenzen 14061<B>-</B> bis <B>16</B> 874<B>kg</B> pro em2, die Zugfestigkeit<B>23</B> 904 bis<B>26717 kg</B> pro em2 und die Streekgrenze <B>17577</B> bis<B>20389 kg</B> pro eM2 betragen.
Der l#',la-,tizitätsmodul kann nahe bei<B>2109200</B> und o manchmal sogar über diesem Wert liegen. -Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass es nicht nötig ist, die Legie rung durch Abschrecken zu härten, da die Legierung zur Entwicklung von verhält- s nismässig hohen Werten kalt bearbeitet und hierauf einer Alterungsbehandlung <B>C</B> bei<B>260</B> bis<B>5380 C</B> unterworfen werden kann, wodurch die Eigenschaften, insbeson- dereProportionaliUtsgrenzeundStreekgrenze, <B>9</B> verbessert werden;
so vermag beispielsweise eine Alterungsbehandlung während<B>5</B> Stunden bei 4820<B>C</B> den Proportionalitätswert um<B>50</B> 11/9 zu erhöhen, wobei ebenfalls eine Verbesserung der Zugfestigkeit erzielt wird.
<B>5</B> Das Widerstandsvermögen der erfindungs gemässen. Legierung gegen Korrosion wurde da durch erprobt, dass Uhrwerke, welche Federn aus dieser Legierung enthielten, in einen Be hälter, welcher Wasser enthielt, hineingelegt <B>o</B> wurden, wodurch diese Uhrfedern einer mit Feuchtigkeit gesättigten Atmosphäre ausge setzt wurden. Zu Vergleiehszweeken wurden Stahlfedern enthaltende Uhrwerke der zur Zeit allgemein verwendeten Art dein gleichen <B>5</B> Versuche unterworfen.
Diese Versuche erga ben, dass sämtliche Stahliedern durch Korro sionserscheinung innerhalb 48 Stunden un- tauglieh wurden, während anderseits die aus der erfind-Lingsgemässen Legierung bestehen den Federn während drei bis sechs Monaten ohne Beschädigung oder irgendwelche Korro sionserscheinung standhielten.
Das Vermögen der erfindungsgemässen Le- gierung"dem Kriechen zu widerstehen, wurde dadurch bestimmt" dass Federn in Uhren in stalliert wurden, diese Uhren während langer Zeit in Gang gesetzt wurden und hierauf die Federn herausgenommen und geprüft wur den, ob sie ihre ursprüngliche Form wieder einnahmen. Im Handel befindliche Stahl federn wurden unter den gleichen Bedingun gen geprüft.
Erfahrungsgemäss zeigen Stahl federn eine gewisse bleibende Dehnung selbst bei einer nur mehrtägigen Tätigkeit. Tatsäch- lieh müssen Uhrwerke, welche mit Stahlfedern versehen sind, oft bereits vor dem Verlassen der Fabrik mit neuen Federn versehen wer den, da sieh eine derartige bleibende Dehnung zeigt, dass die Uhr nicht auf genaue Zeit ein gestellt werden kann. Im Gegensatz zu diesem Verhalten zeigten Federn aus der erfindungs gemässen Legierung keine bleibende Dehnung nach einer Tätigkeit von drei bis sechs Mona ten.
Dank den Eigenschaften der erfindungs gemässen Legierung, nämlich hohen meehani- sehen Eigenschaften und Korrosionbeständig- keit, können überlegene Uhrwerkfedern erhal ten werden<B>.</B>
Bei der Entwicklung dieser Legierung wurde insbesondere darauf Gewicht gelegt, eine Legierung für Hauptfedern von Uhrwer ken mit besseren Eigenschaften zu erzeugen; es wurde jedoch festgestellt, dass die erfin- d-ungsgemässe Legierung noch andere nütz- liehe Anwendiangsgebiete findet. So kann sie in solchen Fällen verwendet werden, in denen eine grosse Festigkeit und lange Lebensdauer bei hohen Arbeitstemperaturen gefordert wer den, so z.
B. als elektrische Widerstands-Heiz- elemente, Federn für den mechanischen Ge brauch, diverse Instrumente usw. Proben von drei der oben erwähnten Legierungen ergaben spezifische elektrische Widerstände von 104,1, <B>110,7</B> und 11,4 Mikroohm-Zentimeter bei Zim- i mertemperatur. Einige dieser Leitungswider- stände sind höher als jene, welche zurzeit für 11eizeleinente verwendeten Legierzingen eigen sind.
So besitzt beispielsweise unter den glei- ehen Bedingungen eine etwa 20 % Chrom und etwa<B>80 04</B> Nickel enthaltende Legierung einen Leitungswiderstand von<B>108</B> Mikroohm-Zenti- ineter. Proben mit den Legierungen als elek- trisehe Widerstands-Heizelemente ergaben eine verhältnismässig lange Lebensdauer bei Tem peraturen bis zu 9801) <B>C.</B>
Weitere Anwendungsmögliehkeiten einer Legierung dieser Art sind bereits angedeutet worden, so z. B. die Verwendung derselben für Federn, welche bei erhöhten Temperatu ren zu arbeiten haben. Da diese Legierung bei beispielsweise 4820<B>C</B> durch Altern sieh härten lässt und beim Aussetzen dieser Temperatur während<B>5</B> Stunden dieser Härtegrad noch zunimmt, ist es klar, dass die Legierung ihr Vermögen, als Federmaterial bis hinauf züm Bereiche dieser Temperaturen zu wirken, nicht verliert, dies ist eine höhere Temperatur als jene, bei welcher gewöhnliche Federmateria lien zu funktionieren vermögen.
Oxewöhnliehe Stahlfedern würden ihre Elastizität bei dieser Temperatur verlieren. A-Lieh die Beryllium- Bronzen sind auf eine wesentlich tiefere Tem peratur begrenzt.
Weiterhin lässt sich dieerfindungsgemässe Legierung für Instrumente und Gegenstände, welche scharfe, schneidende Kanten erfordern, z. B. Rasie rklingen und chirurgische Instru mente, verwenden. Zufolge ihrer hohen Härte und Festigkeit ist es möglich, scharfe, schnei dende Kanten zu erzeugen und dieselben<B>im</B> Gebrauche beizubehalten. Ausserdem weist die erfindungsgemässe Legierung den Vorteil auf, dass sie selbst bei erhöhten Temperaturen korrosionsbeständig ist und bei Berührung mit der Atmosphäre oder mit andern Medien, wel che auf Stahl eine Rostbildung erzeugen wür den, nicht korrodiert Lind nicht anläuft.
Cobalt-chromium-nickel alloy. The invention relates to a Cobalt-Chroni-Niekel alloy. In addition to these three metals, the alloy according to the invention also contains iron, beryllite and carbon, with molybdenum possibly also being present. It can also be worth seeing to incorporate manganese, and traces of other metals can also be present.
It was found that the alloy according to the invention has unusual properties and extensive tests have shown that this alloy is very suitable, in particular, for use in precision spring mechanisms in Ehronometrisehen instruments, for example as a 1-1 main boom for watches.
Main springs for watches are generally made of carbon steel with a carbon content of about <B> 1.00 </B> to <B> 1.30 </B> 1 / o. In practice, it is necessary to heat the spring strip to a relatively high temperature and then to quench it in the oil to develop the desired degree of hardness.
This heating process can change the surface composition of the steel and in general roughen the surface while at the same time producing an oxide color. After hardening, the piece must be polished to create a smooth surface.
The hardened band is too brittle for use as a watch spring and must be reheated (tempered) in order to have sufficient toughness or resistance for practical use. As a result, another discoloration is caused.
In addition to the difficulties just mentioned, there are other difficulties encountered in the heat treatment of steel watch springs. The hardening process is sensitive in terms of temperature and duration of the hardening process at the temperature in question. If the temperature is too low or the duration is too short, the result is a soft spring that cannot be used.
If the temperature is too high or if it is exposed to the set temperature for too long, the steel may develop a coarse grain and become too brittle even after being tempered for use as the main spring in clockworks.
Even in those cases where such carbon steel springs are given the best possible heat treatment that one can only imagine, they lack certain desirable properties, such as resistance to corrosion, high resistance to creeping - and they are magnetic. It is a well-known fact in the trade that the most common cause of spring jumping is corrosion of the steel. Even tiny rust spots have a considerable negative impact on the effectiveness of a watch.
It is known to those skilled in the art that points of corrosion cause cracks and thus lead to premature unusability.
Inability to use a clock spring means that breakage is serious, but the spring can be replaced in normal times at relatively low cost. But steel watch springs have one more thing. more serious defect from the standpoint of a prosperous watch. This deficiency is known in industry as the assumption of permanent elongation and can also be understood as a creep process,
there is a continuous deformation which forms in use with use. According to a repeated clock spring 'winding up and running down, a permanent stretch is experienced, loses its power to drive the clockwork under the originally set conditions, whereupon the clock will no longer indicate the correct time.
Under such circumstances, it is impossible to set and standardize the rate of the clock in the factory and to set the clock to give the correct time. This property of permanent elongation or creep property of watch springs depends on the material.
It is also very difficult to achieve high elastic properties and at the same time a satisfactory resistance to breakage, although this problem has been studied in the industry for years. This problem became even more difficult with the demand for smaller watches. If a clock spring is exposed to a magnetic field, the steel is magnetized, whereupon the watch no longer keeps the correct time and ultimately no longer works at all.
So far, a limited number of certain alloys have been used for watch leather. Such an alloy consists, for example, of nickel-iron-chromium base material with smaller amounts of molybdenum, manganese and beryllium.
The analysis values are: <B> 60 </B> 1 / o nickel, <B> 15 </B> 1/9 chromium, <B> 15 </B> 1 / o iron, <B> 7 </ B >% Molybdenum 2% manganese and about <B> 0.6 </B>% beryllium. Such an alloy has an increased corrosion resistance because of its chromium content compared to carbon steel; a higher chromium content in the alloy, e.g.
B. 20 1 / o or more, but gives an even better corrosion resistance. Tests with such an alloy and with <B> C </B> springs made from such an alloy have shown that the elastic properties, for example the proportional limit, and the service life are not sufficient for watch movements, and that they actually have lower elastic properties have steel springs than usual.
In addition, tests have shown that the beryllium content is very delicate and must be kept within narrow limits, which causes problems during melting and other processing of the alloy.
Attempts have also been made to use certain stainless steels, e.g. B. a leather of about <B> 18 </B>% chromium and 81 / o nickel, in cold machined condition. Although such an alloy has considerable corrosion resistance, it has only very poor mechanical properties and does not have the high proportionality limit and durability that is required for watch springs.
Their modulus of elasticity in the cold worked condition is also low; furthermore, such a steel alloy cannot be sufficiently hardened by heat treatments such as those used in ordinary carbon steel springs, but it is necessary to achieve these properties by cold working.
Even if certain steel alloys are very suitable for use as springs for larger machines, they still require a high temperature for hardening, where surface oxidation occurs. Such steels have not given satisfactory results for clockwork springs, since such springs require a thin cross-section of, for example, <B> 0.1. </B> inm and even less.
It has thus shown some disadvantages in the materials which have been used or only experimentally investigated for the production of watch Zn springs.
The alloy according to the invention is characterized in that it contains 20 to 601/9 cobalt, 15 to 30% chromium, at most 181% iron, 0.01 to 0.09%, yllium and 0.05 to 0,
Contains 30% carbon, the total content of nickel and iron being 20 to 40% and the nickel content being greater than the iron content.
The alloy according to the invention has shown itself to be very resistant to corrosion, for example when it is used as a watch, and is essentially non-magnetic, easy to make into springs of various shapes and sizes, extremely against creeping or permanent elongation during activity as a spring resilient.
It has also been found that by adding molybdenum in certain quantitative proportions, an alloy can be achieved which is extremely suitable for the production of improved watch springs. In addition to the aforementioned metals, this alloy expediently also contains <B> 0.5 </B> to 2% manganese and small, insignificant amounts of other elements, such as silicon. The desirable properties of this alloy have been confirmed by countless tests.
Cobalt is an essential component of the alloy according to the invention, since it serves to increase the strength of the alloy and to improve its sensitivity to the hardening caused by aging. While cobalt can be used in an amount of 20 to <B> 60 </B>%,
the preferred range is <B> 30 </B> to 40 1 / o. With a content of <B> 50 </B> to 601 / o, the alloys tend to become brittle and are difficult to cold-roll.
Chromium is also an essential component, especially for corrosion resistance. It was found that at least 1.5 1 / o chromium and two times more than 20 1 / o chromium should be present to achieve a satisfactory corrosion resistance.
With a higher chronic content one encounters certain difficulties during the melting and the rest of the processing of the alloys. The preferred range is a chromium content of ') 0 to <B> 26 </B> II / o. By increasing the chromium content above <B> 30 </B> 1 / o, the corrosion resistance of the alloy would no longer be significantly increased.
Nickel is also an essential part of the alloy. The Niekel content is expediently <B> 15 </B> to <B> 30 </B> 1/9. Tests were carried out with a low content of over <B> 30 </B> 1 / o.
Nickel and iron complement each other to a certain extent; However, the best results are achieved with alloys which contain more nickel than iron. It was found that the sum of nickel plus iron should be in the range from 20 to 40 1 / o; The amount of nickel plus iron is preferably from 25 to 35 1 /, with preferably less than 15 1 / o iron being present.
Alloys with an iron content of more than <B> 18 </B>% have proven to be unsatisfactory because they have a reduced resistance to peeling and have poor cold rolling properties.
Beryllium is also a key component of the alloy and is intended to improve the strength properties during aging after a chipping treatment, and in particular when the aging occurs. after hot and cold deformation, serve.
It has been observed that in an alloy of this type, relatively small amounts of beryllium are sufficient to obtain the desired properties of the alloy; Quantities even down to <B> 0.01 </B>% are able to increase the strength of the alloy, and in particular its hardness and strength, upon aging after quenching and cold rolling. Extremely satisfactory results were achieved with a beryllium content of 0.02 to 0.05 II / o. If the carbon content is low, it is advisable to use a little more beryllium, up to <B> 0.09 </B> 1 / o ".
It is a feature of the invention that the beryllium content required in the alloy is significantly lower than the content considered necessary in other alloys up to now. for alloys that were used as clockwork springs. For example, in a known alloy the beryllium content is <B> 0.5 </B> to <B> 0.6 </B> II / Q and can be up to < B> 1.0% increase.
In the alloy according to the invention, however, a beryllium content of 0.02 to 0.05% is generally sufficient, with beryllium always being used less than 0.09% because a higher beryllium content means that the beryllium is negligible mechanical properties achieved cannot be improved,
the alloy is more expensive and there is also a certain problem in hot and cold rolling and in the appropriate solution of the excess beryllium.
Carbon is an important component, but the carbon must be kept within a certain range, because if the carbon content is too high, the alloy becomes easily brittle and, in addition, excessive breakage is to be expected during the cold reduction. The appropriate range is <B> 0.10 </B> to 0.20 <B> 0/9; </B> Extremely satisfactory results have been achieved with alloys which have 0.13 to <B> 0.18 Contained% carbon. The carbon also improves the strength of the alloy and also promotes precipitation hardening.
If the alloy according to the invention is used for chronometric springs, it preferably also contains molybdenum, where it is expediently added in amounts of 6 to -7%. With a molybdenum content of only 311 / o, the alloy has a somewhat lower strength than with higher amounts. Furthermore, no significant improvement in machinability is achieved. With such alloys, it is recommended to use the beryllium content in the upper range.
The usual molybdenum content is <B> 3 </B> to <B> 10 </B>%.
Manganese is usually used in amounts of up to 3 0 / &, expediently in amounts of 1 to 2 11 / o, and represents one of the additional elements for improving the machinability of the alloy in hot and cold rolling.
A special alloy with a content of <B> -10 </B> 1/9 cobalt, 20% chromium, <B> 15.5 </B> O / G nickel, <B> 15 </B> "/ ü Iron, <B> 0.003 </B> 1 / o Ber # ilium, <B> 7 </B>% 111olybdenum, 2%. Manganese and about <B> 0.15 </B>% carbon has proven to be particularly suitable for the requirements of clock springs and meets the requirements placed on them in every respect during mechanical and heat treatments.
Alloy compositions and their properties are listed in table <B> 1. </B>, which includes a composition (alloy no. <B> 7) </B> which is outside the scope of the invention in that it <B Contains> 26% iron and <B> 5 </B> 1 / o nickel; it is too brothy for satisfactory cold rolling and tends to flake off during hot rolling.
The other alloys are only used for explanatory purposes and should not be interpreted as limit values for the scope of the entire range of alloys according to the invention. Compositions that are not listed here have also been used with good results.
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<tb> <B> Z <SEP> 95 </B> The values given in table <B> 1 </B> are approximate;
only the numbers marked with an * are the result of a chemical analysis. The beryllium content was analytically determined in all alloys because of its weight and to establish that the desired amount was present in the alloy. Furthermore, other components were also determined analytically, with a good agreement with the intended measurement values and the quantities present was determined.
For example, the following values were found through analysis - alloy metal intended present.
<B> 8 </B> Cobalt 40.0 <B> 39.8 </B> <B> 8 </B> Manganese 2.0 1.89 <B> 9 </B>) Jangan <B> 0.5 0.55 </B> <B> 9 </B> Beryllium 0.02-0.03 0.02 <B> 10 </B> Beryllium 0.02-0.03 <B> 0, 03 </B> Table <B> 1 </B> shows the strength and hardness properties for each alloy under two conditions:
<B> 5 </B> a) cold-rolled, resulting in a reduction of <B> 15: 1 </B> to <B> 10: 1 </B> using a hot-rolled bar of about <B> 0.15 </B> to 0.1.25 mm as the starting material, which was first annealed and from <B>) </B> quenched and then subjected to a cold rolling process; <B> b) </B> aged by processing the stems mentioned in the aforementioned manner and then heating them at about <B> 5 </B> 4820 C for <B> 5 </B> hours.
A comparison of the properties - under these two conditions shows the desirable properties of the cold-rolled piece and, moreover, the effective improvements in tensile strength, in particular also the proportional limit and the yield point or yield point, which result from the aging treatment.
The hardness is also increased by aging, so this <B>; </B> does not apply to all cases. ' The alloy <B> 6 </B> without the addition of molybdenum has a somewhat lower strength than alloys of equivalent similar compositions, which contain <B> 6 </B> to <B> 7 </B>% molybdenum. The alloy <B> 6 </B> is suitable for mechanical springs, for electrical heating elements, for springs in electrical contact elements where high temperatures are used, etc.
The alloy <B> 8 </B> with only <B> 0.05 </B> 1 / o carbon has a somewhat less severe tensile strength in both cold-rolled and aged conditions than usual, similar alloys with one higher carbon content, e.g. B. the alloy <B> 1. </B> The alloy <B> 8 </B> has a somewhat higher ductility than the alloy <B> 1 </B> and is somewhat easier to cold-roll. It is suitable for the production of objects and cutting tools that have to withstand high temperatures and have to be shaped into certain shapes, including relatively moderately sharp curvatures.
The values given in table <B> 1 </B> show that the aged alloys, without exception, have a yield strength or flow limit of over 14000 <B> kg </B> per en122, a tensile strength of more than 21 <B > 000 kg </B> per eM2, a proportionality limit of more than <B> 1-3 350 kg </B> per em2, a modulus of elasticity of over 2010000 <B> kg </B> per em22 and have a hardness (Viekers) of over 480, which suggests that
that they are particularly suitable for Ehronometric feathers.
The alloy according to the invention can be melted and cast using customary methods, but it is preferably produced in a high-frequency induction file, cast in plates or blocks, which are first viewed and then hot-rolled to the desired thickness, whereupon the strip is quenched -Lmd is annealed by heating to temperatures of <B> 1093 </B> to 1-20011 <B> C </B> in order to bring about a solution of the secondary phase or phases with a decrease in hardness.
The alloy treated in this way has a hardness of, for example, <B> 250 </B> Brinell. The cold machining increases the strength of the alloy considerably and refines the grain structure. However, the cold-worked alloy does not have the high properties required for watch springs.
With <B> 5 </B> cold working, for example, a proportionality limit in the range from <B> 9843 </B> to <B> 11591 kg </B> per em2, a yield point in the range from 11491 to <B> 12655 kg </B> per em2 and a modulus of elasticity of <B> 1546750 </B> to <B> a 1898290 kg </B> per em2 is achieved.
If, on the other hand, the alloy is annealed, quenched, cold-rolled and then hardened by an aging treatment, for example by heating for <B> 5 </B> hours at 4820 C, then the proportionality limits 14061 B > - </B> to <B> 16 </B> 874 <B> kg </B> per em2, the tensile strength <B> 23 </B> 904 to <B> 26717 kg </B> per em2 and the stretch limit <B> 17577 </B> to <B> 20389 kg </B> per eM2.
The modulus of elasticity can be close to <B> 2109200 </B> and sometimes even above this value. From the above description it emerges that it is not necessary to harden the alloy by quenching, since the alloy is cold worked to develop relatively high values and then subjected to an aging treatment <B> C </B> at < B> 260 </B> to <B> 5380 C </B>, as a result of which the properties, in particular proportionality limit and stretch limit, <B> 9 </B> are improved;
For example, an aging treatment for <B> 5 </B> hours at 4820 <B> C </B> can increase the proportionality value by <B> 50 </B> 11/9, an improvement in tensile strength also being achieved .
<B> 5 </B> The resistance according to the invention. Alloy against corrosion was tested by the fact that watch movements which contained springs made of this alloy were placed in a container which contained water, whereby these watch springs were exposed to an atmosphere saturated with moisture. For comparison purposes, clockworks containing steel springs of the type generally used at the time were subjected to the same <B> 5 </B> tests.
These tests showed that all steel members became unsuitable due to corrosion within 48 hours, while on the other hand those made from the alloy according to the invention withstood the springs for three to six months without damage or any signs of corrosion.
The ability of the alloy according to the invention "to withstand creeping" was determined by installing springs in clocks, starting these clocks for a long time and then removing the springs and checking whether they were restored to their original shape revenue. Commercially available steel springs were tested under the same conditions.
Experience has shown that steel springs show a certain permanent elongation even if they are only used for several days. In fact, clockworks that are provided with steel springs often have to be fitted with new springs before leaving the factory, since they show such a permanent stretch that the clock cannot be set to the exact time. In contrast to this behavior, springs made from the alloy according to the invention showed no permanent elongation after an activity of three to six months.
Thanks to the properties of the alloy according to the invention, namely high mechanical properties and corrosion resistance, superior clockwork springs can be obtained <B>. </B>
In the development of this alloy, particular emphasis was placed on producing an alloy for main springs of clockworks with better properties; However, it has been found that the alloy according to the invention has other useful fields of application. So it can be used in those cases in which a great strength and long life at high working temperatures are required who the, such.
B. as electrical resistance heating elements, springs for mechanical use, various instruments, etc. Samples of three of the alloys mentioned above gave specific electrical resistances of 104.1, 110.7 and 11, 4 micro-ohm centimeters at room temperature. Some of these line resistances are higher than those currently used for alloy tongs.
For example, under the same conditions, an alloy containing about 20% chromium and about <B> 80 04 </B> nickel has a line resistance of <B> 108 </B> micro-ohm centimeters. Samples with the alloys as electrical resistance heating elements showed a comparatively long service life at temperatures up to 9801) <B> C. </B>
Further application possibilities of an alloy of this type have already been indicated, such. B. the use of the same for springs that have to work at elevated temperatures ren. Since this alloy can be hardened by aging at, for example, 4820 C and this degree of hardness increases when exposed to this temperature for 5 hours, it is clear that the alloy has its properties as Spring material does not lose its effect up to the range of these temperatures, this is a higher temperature than that at which ordinary spring materials are able to function.
Unusual steel springs would lose their elasticity at this temperature. A-Lieh the beryllium bronzes are limited to a much lower temperature.
Furthermore, the alloy according to the invention can be used for instruments and objects which require sharp, cutting edges, e.g. B. Use razor blades and surgical instruments. As a result of their high hardness and strength, it is possible to produce sharp, cutting edges and to keep the same in use. In addition, the alloy according to the invention has the advantage that it is corrosion-resistant even at elevated temperatures and does not corrode and does not start when it comes into contact with the atmosphere or with other media which would generate rust on steel.