CN102057336A - 用以成形由金属玻璃制成的发条盒发条的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于成形由金属玻璃的单一带制成的发条盒发条的方法，包括：计算被赋予由金属玻璃制成的所述单一带的理论形状，从而当发条被装配在发条盒中时，其每一段受最大弯矩的支配；成形所述带子，通过给予其弯曲，特征在于所述自由形理论状，从而考虑一旦该带被释放时弯曲的减小，松弛所述带子，以便通过对其加热并冷却而设置其形状。

Description

用以成形由金属玻璃制成的发条盒发条的方法

本发明涉及一种用于成形由金属玻璃(metallic glass)材料制成的主发条的方法，该主发条应用于通过驱动发条驱动的机构，特别是用于时钟。

在EP0942337中已经提出了一种手表，其包括由无定形金属制成的驱动发条。实际上，在上面的文献中仅描述了由层压板(laminate)形成的条带，该层压板具有由无定形金属环制成的、厚度达50μm的带子，这些带子通过环氧树脂结合在一起。作为变形，已经提出了一种条带组件，其通过点焊发条自由形状的两端和弯曲点而实现。

这种条带的主要问题在于，其成形过程中以及后续的这种发条所承受的反复的旋紧和展开操作中产生的层压板脱层的高风险。在树脂老化并且失去它的性能以后，该风险将更加严重。

该解决方法不能确保发条的功能性能和疲劳性能(fatigue behavior)。此外，提出的发条的理论形状的模型并未考虑层压板材料的性能。

因为获得较厚金属玻璃条带比较困难，因此选择采用几个被结合在一起的薄条带，尽管通过快速淬火来制造具有范围从大约10至大约30微米厚度的带子的方法是已知的，在1970年代，无定形带子基于它们的磁特性已经得到了发展。

明显地，这种解决方法不能满足主发条必须确保的扭矩，可靠性和自主性需要。

在特别是由合金Nivaflex制成的传统发条中，初始的合金条带通过两个步骤形成发条：

-条带旋紧于自身之上，以便形成紧密螺旋(弹性变形)，并且然后在炉中处理以便固定该形状。该热处理对于机械特性也是必要的，因为它能够通过调节条带的晶体结构(沉淀结构硬化)而增加的材料的屈服强度；以及

-使螺旋发条疲劳，因此塑性冷变形，从而获取它的确定形状。这使可用的应力水平增加。

合金的机械特性和最终形状由这两个步骤的共同决定。仅通过热处理，对于传统的合金，不可能获得期望的机械特性。

结晶金属合金的固化包括在非常高的温度下相对长的处理时间(几个小时)，以便促使晶体结构发生所期望的调节。

对于金属玻璃来说，由于它的无定形结构，它的材料机械特性是固有的，并且在凝固之后立即获得，因此不像由合金Nivaflex

制成的传统发条的机械特性，需要在其制备过程中通过在多个步骤中的一系列热处理而获得。因此，并且不像合金Nivaflex

中的，通过热处理随后的硬化不是必须的。

通常，只有疲劳步骤能够使发条采用最佳形状，该最佳形状在发条被经旋紧时允许条带在其整个长度上的最大应力。然而，对于由金属玻璃制成的发条，仅通过单独的热处理固化最后的最佳形状，所使用的高机械特性单独取决于无定形结构。热处理或塑性变形不能改变金属玻璃的机械特性，因为该机构完全不同于在结晶材料中遇到的那些。

本发明的目的是至少部分补救上面提到的缺陷。

为了该目的，本发明的主题是用于成形如权利要求1所述的主发条的方法。

通过制造由金属玻璃的单片带子制成的发条，可以受益于这类材料的全部优点，特别是存储高密度的弹性能量，以及利用非常恒定的扭矩恢复它的能力。这些材料的最大应力和杨氏模量值使之可能相对于比如Nivaflex

的传统合金，增大σ²/E比率。

附图进行了示意性的并且通过了例子描述了实施用于依据本发明成形发条的方法的一种方式。

-图1是在发条盒中的完全旋紧的主发条的平面图；

-图2是在发条盒中的完全展开的主发条的平面图；

-图3是在它的自由状态中主发条的平面图；以及

-图4是用于由金属玻璃制成的主发条的旋紧-展开曲线图。

在下面所述的例子中，通过在轮子上对材料进行淬火的技术(或者平面流铸)制备试图形成发条的带子，所述技术是一种用于通过快速冷却制备金属带的技术。一股熔化金属被投射于以高速旋转的冷轮之上。轮子的速度，注射沟槽的宽度以及注射压力是限定被制备的带子的宽度和厚度的一些参数。也可以使用其它带制备技术，比如双辊铸造。

在该例子中，使用的合金是Ni₅₃Nb₂₀Zr₈Ti₁₀Co₆Cu₃：在被加热至1050至1150℃之间的输送喷嘴中布置10至20g的该合金。喷嘴沟槽的宽度在0.2和0.8mm之间。喷嘴和轮子之间的距离在0.1和0.3mm之间。在其上沉积熔化合金的轮子是由铜合金制成的轮子，并被以5至20m/s的速度驱动。用以通过喷嘴排出熔化金属而施加的压力在10和50kPa之间。

只有这些参数的恰当的组合允许带子具有大于50μm的厚度，典型地从＞50至150μm，并将形成大于一米的长度。

对于受纯挠曲支配的带子，通过下面的方程式给出最大弹性力矩：

$M_{\max }=\frac{e^{2}h}{6}{\mathrm{\σ}}_{\max }---\left(1\right)$

e：带子的厚度[mm]

h：带子的高度[mm]

σ_max：最大弯曲应力[N/mm²]

当发条从完全旋紧状态至完全展开状态时，其释放它的能量。目的在于发条必须在自由状态中，以使每一部分受在它的完全旋紧状态中最大弯矩的支配，从而计算其形状。图1至图3在下面分别描述了三个结构的发条，也就是完全旋紧，完全展开和自由结构。

对于该计算，在它的完全旋紧状态中的发条(见图1)被认为是具有彼此相对被紧密挤压的匝的发条。

在这种情况中，曲线横坐标上的任何点可被表述为：

r_n＝r_post+ne                                   (2)

r_n：在完全旋紧状态中nth匝的半径[mm]

r_post：发条盒立柱的半径[mm]

n：缠绕匝数

e：带子的厚度[mm]。

此外，通过下面的方程式给出每一匝的曲线横坐标的长度：

L_n＝r_nθ                                       (3)

L_n：nth匝的曲线横坐标的长度[mm]

r_n：在完全旋紧状态中nth匝的半径[mm]

θ：行程角度[rad]。在一匝的情况中，θ＝2π。

通过考虑各个曲率半径，以使发条在其整个长度上被张紧至σ_max，从而计算发条在其自由状态中的形状。

$\frac{1}{r_n}-\frac{1}{R_{\mathrm{free}}^n}=\frac{M_{\max }}{\mathrm{EI}}=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\max }}{\mathrm{eE}}---\left(4\right)$

R_free ⁿ在自由状态中nth匝的半径[mm]

M_max：最大力矩[N./mm]

E：杨氏模量[N/mm²]

I：惯性力矩[mm⁴]。

因此，为了计算在自由状态中发条的理论形状，仅需要计算下面的元素：

1、利用n＝1，2，等从方程(2)计算完全旋紧状态中nth匝的半径；

2、从方程(3)计算nth匝的曲线横坐标的长度；

3、从方程(4)计算自由状态中nth匝的半径；以及

4、最后，从方程(3)计算nth匝的分段的角度，但是利用被R_free ⁿ替代的r_n，并且通过保持在点2中计算的分段长度L_n。

利用这些参数，现在可以构建自由状态中的发条，以使发条的每一部分被张紧至σ_max(图3)。

通过在由铜或具有高热导率的合金制成的高速旋转的轮子上快速固化熔融金属以获得金属玻璃带。需要以最小临界冷却速率来使熔化金属玻璃化。如果冷却太慢，则金属因结晶化而凝固，并且失去它的机械特性。对于给定的厚度，确保最大冷却速率是重要的。该冷却速率越高，原子松弛(relax)的时间越少，并且自由体积密度将越高。因此改进带子的延性。

金属玻璃的塑性形变，低于大约0.7×玻璃化转变温度T_g[K]，经由初始化多相(heterogeneously)地发生，然后发生滑移带(slip band)的传播。自由体积作为成核滑移带的位置，并且其数量越大，被定位的变形越小，并且断裂之前应变(drain)越高。

因此，考虑到带子的机械和热动态特性，平面流铸步骤是极为重要的。

在T_g(玻璃化转变温度)-100K和T_g之间，粘度随温度急剧减小，大约温度每上升10K其下降一个数量级。T_g处的粘度通常等于10¹²Pa.s，无关于讨论中的合金。因此可以模型化粘性体，在这种情况中，使得带子给出它的期望形状，然后冷却它，以便最终冻结其形状。

在T_g的区域中，热活化允许自由体积和材料中的原子扩散。局部地，原子将形成较为稠密的区域(denser domains)，接近晶体结构，从而损害将会被湮灭的自由体积，。该现象被称作弛豫作用(ralaxation)。自由体积的减小伴随杨氏模量的增加和随后延性的减小。

在较高温度(超过T_g)处，弛豫作用可被比作退火。通过热搅动，弛豫作用加速，并通过湮灭自由体积引起玻璃的激烈脆化。如果处理时间太长，无定形材料将结晶化，并因此失去它的优越特性。

热成形因此需要足以用于保持期望形状的弛豫作用和延性尽可能小的减小之间的平衡。

为实现上述内容，带子必须被尽可能快速地加热和冷却，并且必须在易于控制的时间内被保持在期望的温度中。

由于具有机械强度(3GPa)和玻璃化能力(3mm临界直径，并且ΔT(＝T_g-T_x)等于50℃，T_x表示结晶温度)的极好折中，因此选择Ni₅₃Nb₂₀Zr₈Ti₁₀Co₆Cu₃作为被使用的合金。它在张紧和弯曲状态下测量的弹性模量是130GPa。

机械特性：

最大强度σ_max＝3000MPa

弹性应变ε_max＝0.02

弹性模量E＝130GPa

热动特性：

玻璃化转变温度T_g＝593℃

结晶温度T_x＝624℃

熔点T_m＝992℃。

通过PFC(平面流铸)技术制备的带子具有几毫米的宽度和40至150μm之间的厚度。通过引线电火花腐蚀技术加工带子至典型主发条的宽度和长度。侧面接地，在这之后，根据如上面计算的理论形状，实施成形发条的操作。

成形步骤利用那些通常使用类型的装配工具，发条被旋紧在其上，从而使其获得通过如上面计算的理论形状所确定的自由形状，并考虑通过装配工具所施加的形状和实际获得的自由形状之间的变形。具体地，已经发现在成形操作之后在自由状态中发条的曲率(被定义为曲率半径的倒数)相对于装配工具的形状的曲率减小。装配工具的曲率因此必须相应增大，从而使所获得的自由形状对应于理论形状。进一步地，在成形的带子被弛豫作用加热至理论自由形状的曲率之前，其曲率的比率取决于加热参数，合金和它的初始弛豫作用状态，并且位于100％和140％之间，典型地在130％处，在下面使用的条件下。

然后，根据所使用的装配工具，将位于装配工具中的发条放置到被加热至大约T_g(590℃)的炉子中3至5分钟的时间。

可以使用其它加热方法，比如焦耳(阻抗)加热或者例如利用热惰性气体的喷射的加热。

一旦它以这种方式被成形，铆接于发条的外端之上的是用于由Nivaflex

合金制成的自旋紧手表主发条的滑动凸缘，从而实施旋紧/展开测试。滑动凸缘必须用于这种发条，以便实现它的功能。然而，接合所述凸缘至条带的方法和凸缘的材料可以改变。

图4示出了利用依据在该文献中所述的方法计算和成形的发条，从而获得的由匝数而确定的不同扭矩。该旋紧/展开曲线是主发条的动作的特征。此外，扭矩，展开匝的数量和总效率，考虑到带子的尺寸，是完全令人满意的。

Claims (6)

1.一种用于成形由单片带构成的主发条的方法，该单片带由金属玻璃制成，其特征在于：

-计算将要赋予由金属玻璃制成的该单片带的理论自由形状，从而当主发条被完全旋紧在发条盒中时，每一段即受最大弯矩；

-成形所述带，赋予其所述理论自由形状的曲率特征，从而考虑到所述带被释放时曲率的减小；

-所述带经受弛豫作用，从而固定其形状，以及

-冷却所述带。

2.如权利要求1所述的方法，其中：通过将所述单片带布置在合适的装配工具中，从而使所述单片带获得所述主发条的理论自由形状。

3.如权利要求1和2中任意一项所述的方法，其中：通过使所述单片带经受范围在玻璃化转变温度-50K至结晶温度+50K之间的加热，从而固定成形的所述单片带。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中：通过加热从而固定成形的所述带，然后在小于6分钟的时间间隔内将其冷却。

5.如权利要求1所述的方法，其中：在弛豫加热之前，成形的所述带的曲率与理论自由形状的曲率的比率位于100％和140％之间。

6.如权利要求5所述的方法，其中：在弛豫加热之前，成形的所述带的曲率与理论自由形状的曲率的比率典型是130％。

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