CN105308516A - 用于钟表机芯的构件 - Google Patents

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Abstract

一种用于钟表机芯(1)的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，该微机械构件包括使用单一材料形成的金属本体。所述单一材料属于包含至少一种非金属作为填隙原子的高填隙奥氏体钢类型，所述至少一种非金属相对所述材料的总质量而言介于0.15％到1.2％之间的比例。

Description

用于钟表机芯的构件
技术领域
本发明涉及一种用于钟表机芯的构件，尤其涉及对磁场不敏感或几乎不敏感的构件，例如齿轮系的全部或一部分、标示系统的全部或一部分或擒纵系统的全部或一部分。
背景技术
已知由通常为马氏体钢的自由切削钢形成用于钟表机芯的构件。已知的该类型钢例如为15P钢或20AP钢。
该类型的材料具有容易加工、特别是适合于棒料切削的优点并且在回火和淬火处理之后具有对形成用于钟表机芯的枢转构件而言非常有利的高机械性能。在热处理之后，这些钢呈现特别高的耐磨性和硬度(在回火状态下超过900HV并且根据所采用的淬火在550到850HV之间)。
尽管针对上述钟表制造应用提供了合意的机械性能，但该类型的材料具有对磁场和腐蚀敏感的缺点。
还存在加硫钢316L，其具有容易加工、对磁场几乎不敏感和对腐蚀几乎不敏感的优点。然而，它甚至在应变硬化/加工硬化(约350HV)之后仍具有非常有限的硬度，这意味着它不能用于运动构件(冲击和磨损)并且这使得它与精轧或抛光工序不相容。
发明内容
本发明的一个目的是通过提出一种替代材料来克服全部或一部分上述缺点，所述材料具有与15P钢和20AP钢相同的优点，即容易加工、硬度介于500HV到900HV之间，但对磁场或腐蚀不敏感。
为此，本发明涉及一种用于钟表机芯的微机械构件，该微机械构件包括使用包含至少一种非金属作为填隙原子的单一高填隙(高孔隙含量，hauteteneurinterstitielle)奥氏体钢类型的材料形成的金属本体，其特征在于，所述至少一种非金属以介于相对所述单一材料的总质量的0.15％到1.2％之间的比例存在。
因此，应理解的是，借助于所述奥氏体钢，该微机械构件甚至是在暴露于外部磁场或氧化气氛的情况下也能利用单一总体上均质的材料而出乎意料地化学地和物理地稳定。
根据本发明的其它有利特征：
-所述至少一种非金属为氮和/或碳；
-所述至少一种非金属包含氮和碳并且金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和介于0.6％到0.95％之间；
-所述至少一种非金属包含氮和碳并且金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比介于0.25到0.55之间；
-金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和基本上等于0.8％且金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比基本上等于0.45；
-高填隙奥氏体钢属于包含至少10％的铬以及至少5％的镍和/或锰的奥氏体不锈钢类型；
-高填隙奥氏体钢还包含0.5至5质量百分比的钼和/或铜以改善其耐腐蚀性；
-微机械构件形成齿轮系的、标示系统的或擒纵系统的全部或一部分；
-微机械构件形成枢转心轴、内桩、螺钉、擒纵叉轴、轮板、小齿轮板、标示器板、擒纵轮板、擒纵叉杆、主板、桥夹板、上条柄轴、条盒心轴、套管夹(bride)或摆锤。
此外，本发明涉及一种钟表，其特征在于，它包括至少一个根据前述变型中任一项所述的微机械构件。
因此，出乎意料地，显然，当使用所述高填隙奥氏体钢时，根据本发明有利地，甚至在暴露于外部磁场或氧化气氛的情况下，也不需要任何的材料硬化处理如渗碳或渗氮、材料的任何化学保护或磁屏蔽处理以便在钟表机芯中使用所述微机械构件。
最后，本发明涉及一种用于制造微机械构件的方法，其包括以下步骤：
a)取得包含至少一种非金属作为填隙原子的高填隙奥氏体钢类型的材料，所述至少一种非金属以介于相对所述材料的总质量的0.15％到1.2％之间的比例存在；
b)仅使用所述材料形成微机械构件；
根据本发明的其它有利特征：
-所述至少一种非金属为氮和/或碳；
-所述至少一种非金属包含氮和碳并且金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和介于0.6％到0.95％之间；
-所述至少一种非金属包含氮和碳并且金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比介于0.25到0.55之间；
-金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和基本上等于0.8％且金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比基本上等于0.45；
-高填隙奥氏体钢属于包含至少10％的铬以及至少5％的镍和/或锰的奥氏体不锈钢类型；
-高填隙奥氏体钢包含铋、铅、碲、硒、钙、硫或含硫的锰；
-根据第一实施例，步骤b)包括所述材料变形成条带形式的阶段；
-在变形阶段之后接着切削阶段以在条带的一部分中形成所述微机械构件；
-根据第二实施例，步骤b)包括所述材料变形成棒条或线丝形式的阶段；
-在变形阶段之后接着切削阶段以在棒条或线丝的一部分中形成所述微机械构件；
-根据第二实施例，步骤b)包括最终精轧或抛光阶段；
-在步骤b)之后，该方法包括最终抛光和/或热处理步骤。
附图说明
根据以下参考附图通过非限制性说明的方式给出的描述，其它特征和优点将清楚地显现，在附图中：
-图1是根据本发明的钟表机芯的分解图；
-图2是根据本发明的齿轮系的局部视图；
-图3是根据本发明的擒纵叉的视图；
-图4是根据本发明的上条柄轴的视图；
-图5是根据本发明的摆锤的视图。
具体实施方式
图1示出意在安装在钟表中的根据本发明的钟表机芯1的局部视图。优选地，机芯1包括谐振器3，谐振器3包括用于调节机芯1的摆轮5和游丝7。优选地，谐振器3安装成尤其借助安装在心轴上的游丝7的内桩26在桥夹板2与主板4之间枢转并且包括安装在桥夹板2上的标示系统21，该标示系统主要包括标示器17。从图1中可见，桥夹板2尤其借助螺钉28固定到主板4。
图1还示出机芯1优选地包括擒纵系统9，擒纵系统9包括用于分配谐振器的运动至齿轮系15并且还维持所述运动的瑞士杠杆11和擒纵轮13。优选地，擒纵系统9安装在两个条夹板6、8与主板4之间。
最后，齿轮系19用于将能量从发条盒(未示出)传输至谐振器并且还例如借助上条柄轴19、条盒心轴、套管夹或摆锤23给发条盒上条。
目前，这些微机械构件的全部或一部分由15P钢和20AP钢形成且因而对磁场和腐蚀敏感。尽管这种敏感性在运动构件中可能直接带来不便，但它还可能通过影响另一相邻构件而间接地带来不便。
因此，本发明涉及一种用于钟表机芯的微机械构件，该微机械构件包括由单一高填隙奥氏体钢类型的材料形成的金属本体。在本说明书中，“奥氏体钢”指主要包含基本上呈奥氏体形式的铁的合金。实际上，在任何生产系统中，难以确保整个结构是奥氏体。
因而，根据本发明有利地，通过研发，出乎意料地，已经可以使用单一材料制造对外部磁场和氧化气氛不敏感或几乎不敏感的奥氏体不锈钢零部件。
这种高填隙奥氏体钢包含介于相对所述金属本体的总质量的0.15％到1.2％之间的至少一种非金属如氮和/或碳以作为均匀地分布在材料中(即遍布金属本体)的填隙原子。因此应理解的是，根据本发明的奥氏体钢可仅包含填隙碳原子、仅包含填隙氮原子或包含碳原子和氮原子两者。
还已论证，在填隙原子由碳和由氮形成的情况下，性能对于制造如下所述的钟表构件而言是最佳的，在该钟表构件中，金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和介于0.6％到0.95％之间和/或金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比介于0.25到0.55之间。
此外，优选地，高填隙奥氏体钢属于包括至少10％的铬和至少5％的镍和/或锰(其余为铁)的奥氏体不锈钢类型。因而显然的是，根据本发明的奥氏体钢可包含相对所述金属本体的总质量的仅至少5％的镍、相对所述金属本体的总质量的仅至少5％的锰、或相对所述本体的总质量的至少5％的镍和相对所述金属本体的总重量的至少5％的锰。
通过非限制性的示例的方式，研发了完全合意的铬-锰型奥氏体钢，其中碳与氮之和(即C+N)基本上等于按质量计相对金属本体的总质量的0.8％且碳-氮比(即C/N)基本上等于0.45。下表1中的合金1呈现了这些比例。
更一般地，任意γ系元素——即促进钢的γ相的元素——可替代全部或一部分锰以便促进奥氏体相，例如像钴或铜。可利用以下模型来确定钴和/或铜的置换比例：
镍当量＝(％Ni)+(％Co)+0.5(％Mn)+30(％C)+0.3(％Cu)+25(％N)
其中百分比代表该材料相对于金属本体的总质量的质量比例。
根据一个特定替代方案，根据本发明的钢还可包含铋、铅、碲、硒、钙、硫和/或含锰的硫(当钢不包含锰时)作为添加剂以改善所述微机械构件的加工性。事实上，已论证单独或相结合地使用这些成分作为添加剂允许在材料中形成材料的不连续，其能够限制碎片的长度并进而有利于所述材料的加工。铋、铅、碲、硒、钙、硫和/或含锰的硫(当钢不包含锰时)的比例相对金属本体的总质量而言按质量计优选地介于0.05％到3％之间。
因此，鉴于上述优点，已论证的是，优选地，根据本发明的微机械构件在它形成齿轮系15的全部或一部分如轮板14、小齿轮板18或枢转心轴16、标示系统21的全部或一部分如标示器17的板20或擒纵系统9的全部或一部分如擒纵轮13的板22、枢转心轴24、擒纵叉11的杆10或擒纵叉11的轴12时在钟表中是特别有利的。
当然，尽管不是优选的，但可设想其它微机械构件，即使它们通常不是由15P钢或20AP钢制成。因而，以非限制性的方式，特别是可以设想使用根据本发明的高填隙奥氏体钢形成主板4和/或桥夹板2、6、8和/或上条柄轴19和/或摆锤23和/或内桩26和/或螺钉28。
下表1中给出了可用于形成根据本发明的微机械构件的示例性合金：
C N Cr Mn Mo Si Cu Ni Nb Fe
1 0.15-0.25 0.45-0.55 16.50-18.00 9.50-12.50 2.70-3.70 0.20-0.60 0.25 余量
2 0.11 0.25 18.5 6 0.8 7 余量
3 0.08 0.90 19.00-23.00 21.00-24.00 0.50-1.50 0.75 0.25 0.10 余量
4 0.08 0.95 21 23 0.7 0.30 余量
5 0.04 0.4 21.3 3.6 2.4 0.25 9.5 0.35 余量
6 0.06 0.81 16.55 12.93 3.1 0.98 0.29 余量
7 0.06 0.89 18.03 18.8 0.31 0.37 余量
8 0.04 1.01 20.92 23.32 0.69 0.22 余量
9 0.041 0.81 17.81 18.64 1.88 0.06 0.07 余量
10 0.03 0.8 20.69 9.82 2.41 0.2 0.10 余量
11 0.03 0.5 25.0 6.0 5.0 17.0 0.45 余量
12 0.03 0.2 17.5 1.0 4.0 13.5 余量
表1：根据本发明的示例性合金
在研发期间，显然合金1和2对于钟表制造应用而言是最合意的。如上所述，合金1在对磁场或腐蚀不敏感的情况下在加工性和硬度(在600HV到900HV之间，也就是基本上相当于20AP钢)方面是完全合意的。合金2不如合金1硬(在500HV到700HV之间)，但依然保持高于316L钢的硬度且因此与运动部件的制造并且还与精轧或抛光工序相容。
本发明还涉及一种用于制造微机械构件的方法，该方法包括以下步骤：
a)取得包含至少一种非金属作为填隙原子的高填隙奥氏体钢类型的材料，所述至少一种非金属以介于相对所述材料的总质量的0.15％到1.2％之间的比例存在；
b)仅使用所述材料形成微机械构件；
本发明的优点之一将被立即理解。事实上，高填隙奥氏体钢不需要任何复杂的实施工序，特别是对材料的一定厚度的任何硬化处理、材料的任何化学保护或任何磁屏蔽处理。
事实上，出乎意料地，高填隙奥氏体钢与手表工业的高要求一致，而不具有针对磁场和腐蚀的特定专用防护处理。
如上所述，步骤a)主要在于铸造包含至少一种非金属作为填隙原子的高填隙奥氏体钢，该填隙原子例如氮和/或碳，其均匀地分布在材料中，即遍布金属本体，并且介于相对所述金属本体的总质量的0.15％到1.2％之间。
根据一个优选替代方案，金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和基本上等于0.60％和0.95％和/或金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比介于0.25到0.55之间。
此外，优选地，根据本发明的高填隙奥氏体钢属于包含至少10％的铬和至少5％的镍和/或至少5％的锰(余量为铁)的奥氏体不锈钢类型。
通过非限制性的示例的方式，铬-锰型奥氏体钢——其中，碳与氮之和(即C+N)基本上等于按质量计相对金属本体的总质量的0.8％且碳-氮比(即C/N)基本上等于0.45——是完全合意的。上表1中的合金1呈现了这些比例。
根据一个特定替代方案，根据本发明的高填隙奥氏体钢还可包含按质量计占金属本体的总质量的0.05％到3％之间的铋、铅、碲、硒、钙、硫和/或含锰的硫(当钢不包含锰时)以改善所述微机械构件的加工性。
因而，根据第一实施例，步骤b)包括所述材料变形成条带形式的阶段。在变形阶段之后接着切削阶段以在条带的一个部分中形成所述微机械构件。在第一实施例中，切削阶段优选地包括冲压构件的坯料且然后加工功能性表面，并接着进行磨削。
通过示例的方式，第一实施例使得可以形成轮板14、小齿轮板18、标示器17的板20、擒纵轮13的板22、内桩26或擒纵叉11的杆10。
根据第二实施例，步骤b)包括所述材料变形成棒条或线丝形式的阶段。在变形阶段之后接着切削阶段以在棒条或线丝的一部分中形成所述微机械构件。在第二实施例中，可视为车削阶段的切削阶段优选地包括功能性表面的轮廓车削，并可能接着进行磨削。最后，在根据第二实施例的方法中，步骤b)包括最后的精轧或抛光阶段。例如，第二实施例可形成枢转心轴16、24、内桩26、螺钉28或擒纵叉11的轴12。
当然，本发明并不限于所说明的示例，而是能作出对本领域的技术人员而言将显而易见的各种变型和改型。特别地，该方法在步骤b)之后可包括用于对微机械构件进行精加工的最终抛光和/或热处理步骤。
此外，为了改善耐腐蚀性，高填隙奥氏体钢还可包含相对金属本体的总质量而言比例介于按质量计0.5％到5％之间的钼和/或相对金属本体的总质量而言比例介于按质量计0.5％到5％之间的铜。
最后，为了提供脱氧作用，即为了限制熔融材料中的氧，在铸造工序期间，高填隙奥氏体钢还可包含相对金属本体的总质量而言比例大大低于或等于按质量计0.6％的硅和/或相对金属本体的总质量而言比例大大低于或等于0.6％的锰。

Claims (23)

1.一种用于钟表机芯(1)的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，所述微机械构件包括使用包含至少一种非金属作为填隙原子的单一高填隙奥氏体钢类型的材料形成的金属本体，其特征在于，所述至少一种非金属相对所述单一材料的总质量而言以介于按质量计0.15％到1.2％之间的比例存在。
2.根据前一项权利要求所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，其特征在于，所述至少一种非金属为氮和/或碳。
3.根据权利要求2所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，其特征在于，所述至少一种非金属包括氮和碳并且所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和介于0.6％到0.95％之间。
4.根据权利要求2或3所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，其特征在于，所述至少一种非金属包括氮和碳并且所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比介于0.25到0.55之间。
5.根据权利要求3和4所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，其特征在于，所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和基本上等于0.8％，并且所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比基本上等于0.45。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，其特征在于，所述高填隙奥氏体钢属于包含至少10％的铬和至少5％的镍和/或锰的奥氏体不锈钢类型。
7.根据前一项权利要求所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)，其特征在于，所述高填隙奥氏体钢还包含按质量计0.5％到5％的钼和/或铜以改善耐腐蚀性。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微机械构件，其特征在于，所述构件形成齿轮系(15)的全部或一部分、标示系统(21)的全部或一部分或擒纵系统(9)的全部或一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微机械构件，其特征在于，所述构件形成枢转心轴(16，24)、内桩(26)、螺钉(28)、擒纵叉(11)的轴(12)、轮板(14)、小齿轮板(18)、标示器(17)的板(20)、擒纵轮(13)的板(22)、擒纵叉(11)的杆(10)、主板(4)、桥夹板(2，6，8)、上条柄轴(19)、条盒柄轴、套管夹或摆锤(23)。
10.一种钟表，其特征在于，所述钟表包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)。
11.一种用于制造微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)的方法，包括以下步骤：
a)取得包含至少一种非金属作为填隙原子的高填隙奥氏体钢类型的材料，所述至少一种非金属相对所述材料的总质量而言以介于0.15％到1.2％之间的比例存在；
b)仅使用所述材料形成微机械构件(2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23，24，26，28)。
12.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述至少一种非金属为氮和/或碳。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述至少一种非金属包含氮和碳，并且所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和介于0.6％到0.95％之间。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述至少一种非金属包含氮和碳，并且所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比介于0.25到0.55之间。
15.根据权利要求13和14所述的方法，其特征在于，所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之和基本上等于0.8％且所述金属本体中的碳和氮的质量百分比组成之比基本上等于0.45。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述高填隙奥氏体钢属于包含至少10％的铬和至少5％的镍和/或锰的奥氏体不锈钢类型。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述高填隙奥氏体钢包含铋、铅、碲、硒、钙、硫或含锰的硫作为添加剂以改善所述微机械构件的加工性。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)包括所述材料变形成条带形式的阶段。
19.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述变形阶段之后是切削阶段以在所述条带的一个部分中形成所述微机械构件。
20.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)包括所述材料变形成棒条或线丝形式的阶段。
21.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述变形阶段之后是切削阶段以在所述棒条或线丝的一个部分中形成所述微机械构件。
22.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，步骤b)包括最终抛光阶段。
23.根据权利要求11至22中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)之后，所述方法包括最终抛光和/或热处理步骤。
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