Thermokompensierende Feder Es sind bereits eine Reihe von Legierungen be kanntgeworden, aus denen thermokompensierende Federn hergestellt werden können. Als thermo- kompensieren & wird dabei eine Feder bezeichnet, deren Elastizitätsmodul über einen gewissen Tempe raturbereich nicht oder nur wenig von der Tempe ratur abhängt. Dies hat zur Folge, dass bei statischen Federn, wie sie z. B. für Federwaagen verwendet wer den, die Federkonstante, und bei Schwingfedern, wie z. B. in Uhren, die Frequenz des Schwingsystems über einen gewissen Temperaturbereich konstant oder annähernd konstant ist. So werden z.
B. in den schweizerischen Patentschriften Nrn. <B>160798, 166535</B> und<B>196408</B> aushärtbare Ni-Fe-Legierungen mit Be- Zusatz angegeben, aus denen sich Spiralfedern für Uhren herstellen lassen, welche einen fast beliebig kleinen thermoelastischen Koeffizienten aufweisen. Der thermoelastische Koeffizient ist dabei durch den Ausdruck
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definiert, wobei E, den Elastizitätmodul bei der Tem peratur T, und<B>E2</B> den Elastizitätsmodul bei der Temperatur T., bedeutet.
Die Messtemperaturen T, und T2 sind b'ei Messungen in Uhren üblicherweise +4 und +360C.
Fig. <B>1</B> zeigt den Gang<B>G</B> einer Uhr, die mit einer Spiralftder aus bisher üblichem Material versehen ist, in Abhängigkeit von der Temperatur T über den erwähnten Temperaturbereich. Diese Uhr geht bei <B>+</B> 411 <B>C</B> um<B>7</B> Sekunden pro Tag nach, bei 2011 <B>C</B> um 4 Sekunden pro Tag vor und bei<B>360 C</B> um<B>3</B> Sekun den pro Tag nach. Der mittlere thermoelastische Koeffizient beträgt also nur 1,4<B>-10-6</B> Grad-', wäh rend der thermoelastische Koeffizient von Stahl etwa 200<B>- 10-6</B> Grad-' beträgt.
Der Sekundärfehler<B>f</B> jedoch, das heisst die Abweichung des Ganges bei der mittleren Temperatur 200<B>C</B> von dem Wert, der sich ergeben würde, wenn sich der Gang zwischen <B>+</B> 411 und<B>+ 360</B> linear ändern würde, beträgt<B>10</B> Se kunden pro Tag. Eine solche Spiralfeder galt bisher bei den Uhrenherstellern als gut, obwohl stets eine Feder mit kleinerem oder möglichst ohne, Sekundär fehler gewünscht wurde.
Die vorliegende, Erfindung setzt sich nun zum Ziel, eine Legierung anzugeben, aus welcher ebenfalls Federn mit kleinem positiven oder negativen thermo- elastischen Koeffizienten hergestellt werden können, die jedoch einen wesentlich kleineren Sekundärfehler aufweisen, als die bisher bekannten Federn, wobei der Sekundärfehler höchstens<B>5</B> Sekunden pro Tag, vorzugsweise höchstens<B>3</B> Sekunden pro Tag in dem Temperaturbereich von<B>+</B> 40<B>C</B> bis<B>+</B> 3211 <B>C</B> betragen <B>soll.</B>
Der Elastizitätsmodul einer bisher bekannten Le gierung hat bei<B>+ 3</B> 20<B>C</B> einen Wert, der nur<B>0,</B> 10/00 höher liegt als bei<B>+</B> 4,1 <B>C,</B> bei 2011 <B>C</B> jedoch einen Wert, welcher nur<B>0,3 0/"</B> höher liegt als bei<B>+</B> 411 <B>C.</B> Für Federn für empfindliche Federwaagen oder Präzi sionsinstrumente sind jedoch Abweichungen er wünscht, die auch bei 200<B>C</B> nicht mehr als<B>0,<I>15</I></B> 0/00, vorzugsweise nicht mehr als 0,10/00 betragen.
Selbstverständlich muss eine solche Feder, um allen Anforderungen gerecht zu werden, aushärtbar sein, eine kleine Dämpfung besitzen und darf höch stens schwach magnetisch sein.
Ausgedehnte Versuche zeigten nun, dass eine Ni- Fe-Mo-Legierung mit Be-Zusatz diese Bedingungen erfüllt, wenn sie die folgende, die Erfindung kenn zeichnende Zusammensetzung aufweist: 35-45% Ni 7-1211/o, Mo <B>0,1-</B> 111/o Be Rest Fe Diese Legierung kann noch bis zu<B>3</B> II/o Cr und/ oder bis zu<B>3</B> O/o, Mn<B>+</B> Si enthalten.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Legierung folgender Zusammensetzung erwiesen.
38-400/9 Ni 9-10%, Mo 0,5-0,8% Be 0-3%, Cr 0-3% Mn + Si Rest Fe <I>Beispiel I</I> Aus einer Legierung die Ci 40"/o Ni 9,00/0 Mo 0,5010 Be 0,870/9 Mn 0,
21% Si Rest Fe enthält, wurde ein Draht von<B>0,6</B> mm Durchmesser hergestellt. Dieser Draht wurde<B>10</B> min. bei<B>1<I>1501 C</I></B> geglüht, in Wasser abgeschreckt und ohne Zwischen- glühung auf einen Durchmesser von<B>0,33</B> mm her untergezogen. Aus diesem Material wurden schrau benförmige Federn gewickelt und<B>1</B> Stunde lang bei 50011 <B>C</B> wärmebehandelt. Die Federn wurden zu Eigenschwingungen angeregt und die Schwingungs zahl mit einer Normaluhr, die mit einem Quarz schwinger gesteuert war, verglichen. Die Tabelle<B>1</B> und die Fig. 2 der Zeichnung geben den Gang eines mit diesen Federn ausgerüsteten Schwingsystems in Funktion der Temperatur an.
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<I>Tabelle <SEP> <B>1</B></I>
<tb> <U>Temperatur</U> <SEP> <B>-30 <SEP> -13 <SEP> +7 <SEP> +28 <SEP> <I>+50</I> <SEP> +67 <SEP> c</B>
<tb> Gang <SEP> <B>-6 <SEP> -1 <SEP> + <SEP> 1 <SEP> + <SEP> 1 <SEP> -6 <SEP> -16</B> <SEP> s/Tag Man sieht, dass die Feder im Temperaturbereich von<B>+</B> 40 bis<B>+ 320 C</B> nicht nur einen niedrigen Sekun därfehler von etwa<B>0,5</B> s/Tag aufweist, sondern dass sie einen gegenüber den bekannten Legierungen be deutend erweiterten Kompensationsbereich besitzt.
<I>Beispiel</I> II Aus einer Legierung, die <B>C</B> <B>3 9</B> 'I/o Ni <B>90/0 Mo</B> 0,61/o Be 0,62% Mn 0,40/0 Si Rest Fe enthält, wurde ein Draht von<B>0,5</B> mm Durchmesser hergestellt, dieser Draht im Durchlaufofen bei 11201 geglüht und in Wasser abgeschreckt. Durch Kalt ziehen und nachfolgendes Kaltwalzen wurde ein Band von 0,2 mm Breite und 0,02 mm Dicke hergestellt, dieses zu Spiralfedern gewunden und die Federn bei <B>6500 C 30</B> Minuten lang geglüht.
Eine Uhr, die mit einer derartigen Spiralfeder ausgerüstet worden war, zeigte bei Messung unter verschiedenen Temperaturen den in Tabelle 2 ange gebenen und in Fig. <B>3</B> dargestellten Gang.
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<I>Tabelle <SEP> 2</I>
<tb> <U>Temperatur</U> <SEP> <B>0</B> <SEP> 20 <SEP> <B>30</B> <SEP> 40 <SEP> <B>70 <SEP> 80 <SEP> C</B>
<tb> Gang <SEP> <B>+8 <SEP> +3</B> <SEP> +2 <SEP> +2 <SEP> <B>+6 <SEP> +8</B> <SEP> s/Tag Auch dieser Versuch zeigt deutlich die überlegen- heit der Legierung, bei der bei einem kleinen Sekun- C därfehler noch ein erweiterter Kompensationsbereich in Erscheinung tritt.
<I>Beispiel</I> III Aus einer Legierung. die 40:"/o Ni 9,5% Mo 0,411/0' Be 0,50le Mn <B>0,3 04</B> si 2% Cr Rest Fe enthält, wurde wiederum ein Draht hergestellt, dieser bei<B>3</B> mm Durchmesser bei 115011 <B><I>C</I></B> geglüht, abge schreckt und auf<B>1,5</B> mm Durchmesser kalt herunter gezogen. Aus diesem Draht wurde eine Schrauben- feder gewickelt und diese bei<B><I>5500 C</I> 1</B> Stunde lang geglüht.
Von dieser Feder wurde bei den Tempera turen + 40<B>C, +</B> 20,<B>C</B> und<B>+ 32 C</B> die Federkonstante bestimmt, die bekanntlich dem Elastizitätsmodul pro portional ist. Die Abweichungen in 0/,), des Wertes der Federkonstante von dem Wert bei 201<B>C</B> sind in Tabelle<B>3</B> wiedergegeben.
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<I>Tabelle <SEP> <B>3</B></I>
<tb> <U>Temperatur</U> <SEP> <B>0 <SEP> <I>C</I></B> <SEP> +4 <SEP> +20 <SEP> <B>+32</B>
<tb> Abweichung <SEP> der <SEP> Feder konstante <SEP> in <SEP> <B>0/,() <SEP> <I>-0,15</I> <SEP> 0 <SEP> -0,1</B> Auch dieses Beispiel einer statischen Feder zeigt den Vorteil der Legierung, wobei als weiterer Vorteil einer solchen chromhaltigen Legierung hinzukommt, dass diese noch weniger magnetempfindlich ist als die bisher für Spiralfedern verwendeten Legierungen, während gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit ver bessert ist.
Thermo-compensating spring A number of alloys have already become known from which thermo-compensating springs can be made. A spring whose modulus of elasticity does not depend on the temperature or only slightly depends on the temperature over a certain temperature range is referred to as thermocompensating. This has the consequence that with static springs, as they are z. B. used for spring balances who the, the spring constant, and for oscillating springs, such. B. in clocks, the frequency of the oscillation system is constant or approximately constant over a certain temperature range. So z.
B. in Swiss Patent Nos. <B> 160798, 166535 </B> and <B> 196408 </B> age-hardenable Ni-Fe alloys with Be additive specified, from which coil springs for watches can be made have almost any small thermoelastic coefficient. The thermoelastic coefficient is given by the expression
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defined, where E, the modulus of elasticity at the temperature T, and <B> E2 </B> the modulus of elasticity at the temperature T.
The measurement temperatures T 1 and T2 are usually +4 and + 360C for measurements in clocks.
Fig. 1 shows the rate <B> G </B> of a watch, which is provided with a spiral spring made of conventional material, as a function of the temperature T over the mentioned temperature range. At <B> + </B> 411 <B> C </B> this clock slows down by <B> 7 </B> seconds per day, at 2011 <B> C </B> by 4 seconds per day before and <B> 360 C </B> by <B> 3 </B> seconds per day. The mean thermoelastic coefficient is therefore only 1.4 <B> -10-6 </B> degrees- ', while the thermoelastic coefficient of steel is around 200 <B> -10-6 </B> degrees-'.
However, the secondary error <B> f </B>, i.e. the deviation of the gear at the mean temperature of 200 <B> C </B> from the value that would result if the gear was between <B> + < / B> 411 and <B> + 360 </B> would change linearly is <B> 10 </B> seconds per day. Such a spiral spring was previously considered good by watch manufacturers, although a spring with a smaller or, if possible, no secondary error was always desired.
The aim of the present invention is to provide an alloy from which springs with a small positive or negative thermoelastic coefficient can also be produced, but which have a significantly smaller secondary error than the previously known springs, the secondary error at most < B> 5 </B> seconds per day, preferably at most <B> 3 </B> seconds per day in the temperature range from <B> + </B> 40 <B> C </B> to <B> + </B> 3211 <B> C </B> should be <B>. </B>
The modulus of elasticity of a previously known alloy has a value of <B> + 3 </B> 20 <B> C </B> that is only <B> 0, </B> 10/00 higher than <B > + </B> 4.1 <B> C, </B> at 2011 <B> C </B> but a value which is only <B> 0.3 0 / "</B> higher than with <B> + </B> 411 <B> C. </B> For springs for sensitive spring balances or precision instruments, however, deviations are desired, which even with 200 <B> C </B> do not exceed <B > 0, <I> 15 </I> </B> 0/00, preferably not more than 0.10 / 00.
Of course, in order to meet all requirements, such a spring must be curable, have a small amount of damping and must be extremely weakly magnetic.
Extensive tests have now shown that a Ni-Fe-Mo alloy with the addition of Be fulfills these conditions if it has the following composition, which characterizes the invention: 35-45% Ni 7-1211 / o, Mo <B> 0 , 1- </B> 111 / o Be remainder Fe This alloy can still contain up to <B> 3 </B> II / o Cr and / or up to <B> 3 </B> O / o, Mn < B> + </B> Si included.
An alloy of the following composition has proven to be particularly advantageous.
38-400 / 9 Ni 9-10%, Mo 0.5-0.8% Be 0-3%, Cr 0-3% Mn + Si remainder Fe <I> Example I </I> From an alloy the Ci 40 "/ o Ni 9.00 / 0 Mo 0.5010 Be 0.870 / 9 Mn 0,
Containing 21% Si, the remainder Fe, a wire with a diameter of 0.6 mm was produced. This wire was <B> 10 </B> min. Annealed at <B> 1 <I> 1501 C </I> </B>, quenched in water and subjected to a diameter of <B> 0.33 </B> mm without intermediate annealing. Helical springs were wound from this material and heat-treated for <B> 1 </B> hour at 50011 <B> C </B>. The springs were excited to vibrate naturally and the number of vibrations compared with a normal clock controlled by a quartz vibrator. Table <B> 1 </B> and FIG. 2 of the drawing indicate the rate of an oscillating system equipped with these springs as a function of temperature.
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<I> Table <SEP> <B>1</B> </I>
<tb> <U> Temperature </U> <SEP> <B> -30 <SEP> -13 <SEP> +7 <SEP> +28 <SEP> <I> +50 </I> <SEP> + 67 <SEP> c </B>
<tb> Corridor <SEP> <B> -6 <SEP> -1 <SEP> + <SEP> 1 <SEP> + <SEP> 1 <SEP> -6 <SEP> -16 </B> <SEP> s / day You can see that the spring in the temperature range from <B> + </B> 40 to <B> + 320 C </B> not only has a low secondary error of around <B> 0.5 </B> s / day, but that it has a significantly expanded compensation range compared to the known alloys.
<I> Example </I> II Made of an alloy that <B> C </B> <B> 3 9 </B> 'I / o Ni <B> 90/0 Mo </B> 0.61 / o Be contains 0.62% Mn 0.40 / 0 Si remainder Fe, a wire of <B> 0.5 </B> mm diameter was produced, this wire was annealed in a continuous furnace at 11201 and quenched in water. A strip 0.2 mm wide and 0.02 mm thick was produced by cold drawing and subsequent cold rolling, this was wound into spiral springs and the springs were annealed at 6500 C for 30 minutes.
A watch that had been equipped with such a spiral spring showed the rate given in Table 2 and shown in FIG. 3 when measured at different temperatures.
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<I> Table <SEP> 2 </I>
<tb> <U> Temperature </U> <SEP> <B> 0 </B> <SEP> 20 <SEP> <B> 30 </B> <SEP> 40 <SEP> <B> 70 <SEP > 80 <SEP> C </B>
<tb> Aisle <SEP> <B> +8 <SEP> +3 </B> <SEP> +2 <SEP> +2 <SEP> <B> +6 <SEP> +8 </B> <SEP > s / day This test also clearly shows the superiority of the alloy, in which an extended compensation range appears in the event of a small secondary error.
<I> Example </I> III Made of an alloy. which contains 40: "/ o Ni 9.5% Mo 0.411 / 0 'Be 0.50le Mn 0.3 04 si 2% Cr remainder Fe, a wire was again produced, this one at <B > 3 </B> mm diameter at 115011 <B><I>C</I> </B> annealed, quenched and cold drawn down to <B> 1.5 </B> mm diameter. From this wire a helical spring was wound and it was annealed at <B> <I> 5500 C </I> 1 </B> hour.
This spring was used to determine the spring constant at temperatures + 40 <B> C, + </B> 20, <B> C </B> and <B> + 32 C </B>, which is known to be associated with the modulus of elasticity is portional. The deviations in 0 /,), of the value of the spring constant from the value at 201 <B> C </B> are shown in table <B> 3 </B>.
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<I> Table <SEP> <B>3</B> </I>
<tb> <U> Temperature </U> <SEP> <B> 0 <SEP> <I>C</I> </B> <SEP> +4 <SEP> +20 <SEP> <B> + 32 </B>
<tb> Deviation <SEP> of the <SEP> spring constant <SEP> in <SEP> <B> 0 /, () <SEP> <I> -0.15 </I> <SEP> 0 <SEP> - 0.1 </B> This example of a static spring also shows the advantage of the alloy, with a further advantage of such a chromium-containing alloy that it is even less sensitive to magnetism than the alloys previously used for spiral springs, while at the same time the corrosion resistance is improved .