Verfahren zur Herstellung eines federnden Elementes Gegenstand des Patentes ist ein Verfahren zur Herstellung eines federnden Elementes, insbesondere einer Spiral- oder Plattenfeder, das dadurch gekenn zeichnet ist, dass ein Rohling aus einer Legierung, die innerhalb des Temperaturbereiches von 0 bis 501,C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von-0,3 .
10-5 bis + 1,5.10-5 und einen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls von +5 - 10-5 bis -5 - 10-5 auf- weist und die 2 bis 75 % Kobalt 0,
01 bis 50 % Nickel 8 bis 70 % Eisen und je 2 bis 50 % mindestens eines der Metalle Chrom, Vanadium, Wolfram oder Molybdän enthält, zum Element geformt und dieses dann einer Wärme behandlung unterworfen wird.
Nach diesem Verfahren können weiter auch die Unruhen von Uhren zurückführende Spiralfedern, Spiralfedern von Messgeräten, Oszillatoren, Aneroid- barometerkapseln usw. hergestellt werden.
Metalle oder Legierungen haben allgemein die Eigenschaft, dass bei zunehmender Temperatur ihre Länge infolge der Wärmeausdehnung zu- und ihr Elastizitätsmodul abnimmt. Elemente, die in der Prä zisionsindustrie oder bei Messgeräten verwendet wer den, sollten jedoch mindestens in einem bestimmten Temperaturbereich eine von der Temperatur annä hernd unabhängige Länge und einen ebensolchen Elastizitätsmodul aufweisen.
Um solche Elemente her zustellen, kann man also nur eine Legierung mit einem Ausdehnungskoeffizienten gleich Null und einen von der Temperatur unabhängigen, also kon stanten Elastizitätsmodul verwenden. Da es aber keine solchen Legierungen gibt, müssen Legierungen ver wendet werden, bei welchen die Wärmeausdehnung die Abweichungen des Elastizitätsmoduls kompensie ren kann.
Um den obengenannten Bedingungen zu genügen, sollte der Temperaturkoeffizient der Elastizität im Vergleich zu einer gewöhnlichen Legierung sehr klein sein. Eine solche Charakteristik kann - wie bereits theoretisch ermittelt war - nur mit einer ferromagne- tischen Legierung erzielt werden,
bei welcher der Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls +<B>5.10-5</B> bis -5.10-5 und der Koeffizient der Wärmeausdeh nung -0,3 -10-5 bis + 1,5 -10-5 beträgt.
Einige Beispiele von erfindungsgemäss hergestell ten Elementen bestehen beispielsweise aus den Legie rungen folgender Zusammensetzung: (1) 2 bis 600/a Kobalt 2,00 .bis 17 %i Chrom 8 bis 7011/o Eisen 0,01 bis 50% Nickel (2) 2 bis 650/9 Kobalt 2,0 bis 14% Vanadium 8 bis 701/o, Eisen 0,
01 bis 4511/o Nickel (3) 2 bis 75'% Kobalt 2,0 bis 50 % Wolfram 8 bis 7011/9 Eisen 0,01 bis 50 % Nickel (4) 2 bis 75 % Kobalt 2,
0 bis 5019/o, Molybdän 8 bis 6811/o Eisen 0,01 bis 50% Nickel (5) 2 bis 751)/o Kobalt 2,0 bis 1711/o Chrom 8 bis 70% Eisen 0,01 bis 501/o, Nickel 2,0 bis 14% Vanadium 2,
0 bis 50% Wolfram oder Molybdän Eine für das erfindungsgemässe Verfahren geeig nete Legierung kann wie folgt geschmolzen werden: Geeignete Mengen der obengenannten Bestand teile werden unter Vermeidung von Oxydation zu sammengeschmolzen, und zwar vorzugsweise im Va kuum oder unter dem Schutz eines geeigneten Gases, wie z. B. Wasserstoff. Es soll darauf geachtet werden, dass keine Verunreinigungen hinzukommen. Das ge schmolzene Metall wird dann in eine geeignete Form gegossen.
Der Rohling kann nun bei einer geeigneten Tem peratur zum Element geformt und bei einer Tempe ratur von 800-1100 C geglüht werden.
Der Rohling kann auch auf eine geeignete Tem peratur erhitzt und dann langsam auf Zimmertempe- ratur oder wenn notwendig rasch abgekühlt werden. Dann kann er zum Element gewalzt oder gezogen und schliesslich einer Wärmebehandlung bei 500-750 C, vorzugsweise .bei 600-700 C, unterzogen werden.
Bei der Herstellung von Spiralfedern, Schrauben federn usw. kann ein geschmiedeter Gegenstand zweckmässigerweise bei Zimmertemperatur zu einem Draht ausgezogen oder gewalzt werden, um 'hm die nötige Elastizität zu verleihen, damit die Feder eine genügende Steifheit aufweist. Der Draht kann dann entsprechend der gewünschten Form verwunden und zwischen 500 und 700 C geglüht werden, worauf man ihn langsam abkühlen lässt.
Bei der Kapsel eines Aneroidbarometers beispiels weise muss ein homogenes Material mit sehr geringen Abweichungen während Jahren erhalten bleiben. In diesem Falle kann ein geschmiedeter Rohling unter Druck zum Element gewalzt oder gepresst werden, worauf zwischen 800 und 1100 C geglüht und lang sam abgekühlt wird. Wenn eine besonders grosse Steifheit irgendeines Elementes benötigt wird, kann ein geschmiedetes Produkt nach dem Ausglühen bei der oben erwähnten Temperatur bei Raumtemperatur zum Element ge formt werden,
wonach auf eine Temperatur von 500 bis 750 C erhitzt und langsam abgekühlt wird. Die Legierungen innerhalb der angegebenen Zusammen setzung können nach Ausglühen bei hoher Tempera tur sehr leicht bearbeitet werden.
Die erfindungsgemässen Elemente können über dies noch insgesamt bis 3 a/a mindestens eines der Elemente Mangan, Silizium, Titan, Aluminium, Magnesium oder Bor und ferner bis<B>10/9</B> Beryllium enthalten. Dadurch erhält man eine Legierung, die sich leichter schmieden und verarbeiten lässt. Wenn Wert darauf gelegt wird, dass das erfindungsgemässe Element vorzügliche mechanische Eigenschaften auf weist, kann das Schmelzen im Vakuum vorgenom men werden.
Ein Vergleich zwischen einer nach dem erfin- dungsgemässen Verfahren hergestellten Spiralfeder für eine Uhr und einer üblichen Spiralfeder hat fol gendes ergeben: In einer Uhr mit einer Unruh ist die von der Temperatur verursachte Periodenvariation durch fol genden Ausdruck gegeben:
EMI0002.0028
<I>T</I> ist die Periode,<I>t</I> die Temperatur, a1 ist der lineare Ausdehnungskoeffizient der Unruhe, e2 ist der Tem peraturkoeffizient des Elastizitätsmoduls des Materials der Unruhspiralfeder und a2 ist der lineare Aus dehnungskoeffizient des Materials dieser Spiralfeder.
Es wurden sechs Ausführungen mit einer Messing unruh aus 55 % Kupfer und 45<B>%</B> Zink ausprobiert:
EMI0002.0037
1. <SEP> 2. <SEP> 3. <SEP> 4. <SEP> 5. <SEP> 6.
<tb> Kobalt <SEP> 43,5 <SEP> 26 <SEP> 45 <SEP> 35 <SEP> 45 <SEP> 28
<tb> Nickel <SEP> 0,05 <SEP> <B>1</B>6,5 <SEP> 9 <SEP> 16 <SEP> 10 <SEP> 15
<tb> Chrom <SEP> 9 <SEP> 10,5 <SEP> 2 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 7
<tb> Wolfram <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> Vanadium <SEP> - <SEP> - <SEP> 8 <SEP> - <SEP> - <SEP> Molybdän <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 9
<tb> Mangan <SEP> 0,50.
<SEP> 0,60 <SEP> 0,60 <SEP> 0,50 <SEP> 0,60 <SEP> 0,60
<tb> S'dizium <SEP> 0,55 <SEP> 0,60 <SEP> 0,50 <SEP> 0,55 <SEP> 0,50 <SEP> 0,55
<tb> Aluminium <SEP> 0,40 <SEP> 0,35 <SEP> 0,35 <SEP> 0,40 <SEP> 0,35 <SEP> 0,35
<tb> Eisen <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest Aus den oben genannten Legierungen wurden bei Zimmertemperatur Federn hergestellt und danach während einer halben Stunde einer Wärmebehandlung zwischen 550 und 700 C unterzogen. a1 wurde mit 1,9 - l0-5 ermittelt.
Die Messungen ergaben folgende Resultate:
EMI0002.0041
1. <SEP> 2. <SEP> 3. <SEP> 4. <SEP> 5. <SEP> 6.
<tb> a2 <SEP> <B>0,5.10-5 <SEP> 0,7-10-5 <SEP> 0,8.10-5 <SEP> 0,9.10-5 <SEP> 0,8.10-5 <SEP> 0,9.10-5</B>
<tb> e2 <SEP> <B>0,1.10-5 <SEP> +1,6.10-5</B> <SEP> -1,4-10-5 <SEP> <B><I>+0,5.10-5</I> <SEP> +2,0.10-5 <SEP> +0,9.10-5</B>
<tb> <I>dT</I> <SEP> + <SEP> 3,5 <SEP> sec. <SEP> + <SEP> 1,5 <SEP> sec. <SEP> + <SEP> 4,2 <SEP> sec. <SEP> + <SEP> 9 <SEP> sec <SEP> -9 <SEP> sec. <SEP> + <SEP> 3 <SEP> sec. dT entspricht der Abweichung nach 24 Stunden, wenn die bei<B>50C</B> richtig laufende Uhr auf 401>C erwärmt wird und dasselbe gilt auch für den Fall, dass die Uhr auf 5 C gekühlt wird.
Eine zweite Spiralfeder wurde aus Phosphor bronze hergestellt (etwa 6 /o Zinn, etwa 0,2 /a Phos phor und der Rest Kupfer) und mit der gleichen Uhr verwendet. Es ergaben sich folgende Daten: a2 = 1,9 - 10-5 e2 = 29,5<B>-10-5</B> dT <I>=</I> + 7 Min. Erfindungsgemäss hergestellte Stimmgabeln wur den mit üblichen Stimmgabeln verglichen. Die Ab weichung bzw. Änderung der Schwingungszahl bei Stimmgabeln in Funktion der Temperatur ist durch die Formel
EMI0003.0016
gegeben.
f ist die Vibrationszahl, t die Temperatur, a der lineare Ausdehnungskoeffizient und e der Tempera- turkoeffizient des Elastizitätsmoduls.
Es wurden folgende verschiedene Stimmgabeln hergestellt:
EMI0003.0023
1. <SEP> 2. <SEP> 3. <SEP> 4. <SEP> 5. <SEP> 6. <SEP> 7. <SEP> <B>8</B>. <SEP> 9. <SEP> 10.
<tb> Kobalt <SEP> 60 <SEP> 22 <SEP> 2 <SEP> 37,5 <SEP> 45 <SEP> 30 <SEP> 37 <SEP> 40 <SEP> 20 <SEP> 33
<tb> Nickel <SEP> 0,5 <SEP> 29 <SEP> 30 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 16 <SEP> 10 <SEP> 15 <SEP> 20 <SEP> 10
<tb> Chrom <SEP> 10 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 7,5 <SEP> 5 <SEP> - <SEP> Wolfram <SEP> - <SEP> - <SEP> 35 <SEP> - <SEP> - <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 19
<tb> Vanadium <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Molybdän <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 8 <SEP> - <SEP> 20 <SEP> Magnesium <SEP> 0,52 <SEP> 0,6 <SEP> 0,55 <SEP> 0,50 <SEP> 0,60 <SEP> 0,70 <SEP> 0,52 <SEP> 0,
60 <SEP> 2,45 <SEP> 0,48
<tb> Silizium <SEP> 0,50 <SEP> 0,55 <SEP> 0,52 <SEP> 0,52 <SEP> 0,55 <SEP> 0,55 <SEP> 0,50 <SEP> 0,50 <SEP> 0,50 <SEP> 0,55
<tb> Aluminium <SEP> 0,45 <SEP> 0,50 <SEP> 0,35 <SEP> 0,40 <SEP> 0,40 <SEP> 0,50 <SEP> 0,35 <SEP> 0,35 <SEP> 0,36 <SEP> 0,40
<tb> Eisen <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest Diese Stimmgabeln wurden während zwei Stunden bei 1000 C geglüht und langsam abgekühlt. Es wurden folizende Resultate erzielt.
EMI0003.0028
Eine Stimmgabel aus Kohlenstoffstahl (0,89 Koh lenstoff, 0,36 0/m Mangan, 0,16 fl/o Silizium, 0,01 % Phosphor und 0,02 oh, Schwefel) ergab: a = -11-10-5 e = -26,2.10-5
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Es ist somit möglich, Uhren mit solchen Spiral federn herzustellen, die dann innerhalb den normalen Temperaturschwankungen keine Gangunregelmässig keiten aufweisen. Dasselbe gilt für die Stimmgabel, die Kapsel des Aneroidbarometers usw.
Es soll festgehalten werden, dass nicht alle erfin- dungsgemässen Elemente die oben erwähnten vorteil- haften Eigenschaften aufweisen, jedoch weisen sie alle innerhalb von 0 bis 50 einen Temperaturkoeffi zienten des Elastizitätsmoduls auf von +<B>5.10-5</B> bis -5.10-5 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von -0,3<B>-10-5</B> bis + 1,5.10-5 auf.
Die erfindungs- gemässen Elemente sind ferromagnetische Legierungen und gänzlich verschieden von den hochelastischen Legierungen, wie sie für Uhrenfedern verwendet wer den.