DE102009014442A1 - CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung - Google Patents

CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung Download PDF

Info

Publication number
DE102009014442A1
DE102009014442A1 DE102009014442A DE102009014442A DE102009014442A1 DE 102009014442 A1 DE102009014442 A1 DE 102009014442A1 DE 102009014442 A DE102009014442 A DE 102009014442A DE 102009014442 A DE102009014442 A DE 102009014442A DE 102009014442 A1 DE102009014442 A1 DE 102009014442A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
weight
spring
alloy
wire
content
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102009014442A
Other languages
English (en)
Inventor
Alberto Dr. Bracchi
Dieter Dr. Nützel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority to DE102009014442A priority Critical patent/DE102009014442A1/de
Publication of DE102009014442A1 publication Critical patent/DE102009014442A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C30/00Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/07Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04BMECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00Driving mechanisms
    • G04B1/10Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14Mainsprings; Bridles therefor
    • G04B1/145Composition and manufacture of the springs

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Springs (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine ausscheidungsgehärtete CoNiCr-Legierung, welche aus 30 Gew.-% ≰ Co ≰ 50 Gew.-%, 20 Gew.-% ≰ Ni ≰ 30 Gew.-%, 14 Gew.-% ≰ Cr ≰ 20 Gew.-%, 0 Gew.-% ≰ Fe ≰ 7 Gew.-%, 7 Gew.-% ≰ Mo + W ≰ 12 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≰ Be ≰ 0,3 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≰ Ti ≰ 0,9 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≰ Mn ≰ 0,9 Gew.-%, 0,05 Gew.-% ≰ Si ≰ 0,4 Gew.-%, Rest erschmelzungsbedingte und/oder zufällige Verunreinigungen besteht. Zudem gilt für den Gehalt an Mo die Beziehung 3,5 Gew.-% ≰ Mo ≰ 12 Gew.-% und für den Gehalt an Ti + Mn + Si gilt die Beziehung Ti + Mn + Si < 1,8 Gew.-%. Darüber hinaus gilt das Verhältnis an Ti + Mn + Si zu Be die Beziehung 5 ≰ (Ti + Mn + Si)/Be ≰ 8.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine CoNiCr-Legierung sowie eine Feder aus einer CoNiCr-Legierung und ein Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung.
  • Federn, insbesondere Aufzugs- oder Triebfedern, dienen in Geräten und Instrumenten aller Art, beispielsweise in mechanischen Uhren, als Energiespeicher und nutzen dafür die elastische Energie eines Federwerkstoffes aus. Dabei wird das Energiespeichervermögen der Feder auch als Arbeitsspeichervermögen A bezeichnet. Der Zusammenhang zwischen Energie- oder Arbeitsspeichervermögen der Feder und den Materialeigenschaften des Federwerkstoffes wird dabei durch die Formel A ∝ V·(σE 2/E) beschrieben, wobei V das Volumen der Feder, σE die Elastizitätsgrenze des Federwerkstoffes und E der Elastizitätsmodul des Federwerkstoffes sind.
  • Bei vielen Anwendungen steht der Feder nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung, sodass die Möglichkeit, das Energie- bzw. Arbeitsspeichervermögen über ein vergrößertes Federvolumen zu erhöhen, nur eingeschränkt oder überhaupt nicht gegeben ist. Dis ist beispielsweise der Fall für Aufzugs- bzw. Triebfedern von mechanischen Uhren. Ein gewünschtes hohes Energie- bzw. Arbeitsspeichervermögen, das eine möglichst hohe Gangreserve des Instrumentes, z. B. der Uhr, sicherstellt, kann somit im wesentlichen nur durch eine hohe Elastizitätsgrenze bzw. hohe mechanische Festigkeit des eingesetzten Werkstoffes erreicht werden. Damit sind höchstfeste Federwerkstoffe erforderlich, um bei möglichst kleinem bzw. be schränktem Volumen der Feder ein großes Energie- bzw. Arbeitsspeichervermögen zu realisieren.
  • Das Federmaterial muss zudem insbesondere bei Anwendungen für Aufzugs- und Triebfedern von mechanischen Uhren ausreichend bruchsicher sein, damit örtliche Spannungsspitzen, wie sie während der Verarbeitung oder bei einer unsensiblen Behandlung der Uhr im Alltagseinsatz auftreten können, nicht zum Bruch der Feder führen. Dies erfordert ein ausreichendes Maß an Duktilität des Werkstoffes.
  • Neben den erforderlichen mechanischen Eigenschaften müssen die für Federanwendungen eingesetzten Werkstoffe des weiteren unmagnetisch sein, da sonst die Ganggenauigkeit oder die generelle Funktion des Instrumentes, beispielsweise der Uhr, durch äußere Magnetfelder beeinflusst würde.
  • Somit müssen die Werkstoffe insbesondere für Aufzugs- oder Triebfedern verschiedene Eigenschaften gleichzeitig erfüllen:
    Zum einen müssen sie eine maximale mechanische Festigkeit bei ausreichender Duktilität aufweisen. Zudem müssen die Werkstoffe bruchsicher, knick- und biegefest sowie unmagnetisch sein. Darüber hinaus ist in vielen Fällen eine hohe Korrosionsbeständigkeit erforderlich.
  • Für den Einsatz in Aufzugs- und Triebfedern, insbesondere bei mechanischen Uhren, werden dabei beispielsweise folgende Werkstoffe eingesetzt. Zum einen werden Stähle, typischerweise martensitische und/oder kaltverformte Kohlenstoffstähle sowie aushärtbare Cr-Ni-Stähle, verwendet. Federn aus Kohlenstoffstählen haben zwar eine hohe Elastizitätsgrenze und eine hohe plastische Dehnung, sind allerdings unter ungünstigen klimatischen Bedingungen nicht ausreichend korrosionsbestän dig. Zudem sind diese unter der wechselnden Spannungsbeanspruchung, wie sie im Bereich von Aufzugs- und Triebfedern für mechanische Uhren auftritt, besonders Spannungsrisskorrosionsanfällig und damit nicht ausreichend bruchsicher. Des weiteren sind viele Stähle in ihrer Festigkeit begrenzt, zudem sind sie oft grundlegend nicht ausreichend bruchsicher und korrosionsbeständig. Ein weiterer Nachteil der Stahlfedern liegt in der fehlenden Langzeitstabilität ihrer Eigenschaften. Stahlfedern büßen im Laufe ihrer Lebensdauer ihre Federkraft und damit Gangreserve ein, was einen gravierenden Nachteil darstellt. Einige Kohlenstoffstähle sind darüber hinaus nicht unmagnetisch, wodurch deren Einsatz in Uhrwerken nur eingeschränkt möglich ist.
  • Als weitere Werkstoffe dienen ausscheidungsgehärtete CoNiCr-Legierungen mit Zusätzen an Fe, W, Mo, Ti, Mn, Si, Be, welche gegenüber den Stahlfedern teilweise deutlich verbesserte Eigenschaften besitzen. Einerseits zeichnen sie sich durch hohe elastische Biegespannungen und erhöhte Bruchsicherheit aus, welche auch durch eine Texturausbildung des Materials während der Verformung bzw. Verarbeitung bedingt ist. CoNiCr-Werkstoffe zeichnen sich zudem durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus und sind vollständig unmagnetisch. Für höchstwertige Aufzugsfedern, wie sie für mechanische Uhren im gehobenen Bereich Verwendung finden, werden bevorzugt Behaltige CoNiCr-Legierungen eingesetzt, da sie bezüglich Festigkeit und damit Energiespeichervermögen, und unmagnetischen Eigenschaften allen anderen Alternativwerkstoffen überlegen sind.
  • Aus der GB 647 819 ist eine CoNiCr-Legierung für Uhrenfedern bekannt, welche 20% bis 50% Co, 5% bis 31% Ni, 15% bis 30% Cr, 0 bis 18% Fe, 0 bis 3% Mn, 0 bis 0,30% C und 0,01% bis 0,09% Be aufweist, wobei der Gesamtgehalt an Fe und Ni nicht weniger als 20% beträgt und der Gehalt an Fe vorzugsweise geringer als der Gehalt an Ni ist. Falls der Gehalt an Cr zwischen 20% und 26% liegt, weist die Legierung zusätzlich noch 3% bis 10% Mo auf. Jedoch erreichen die in der GB 647 819 offenbarten Beispiellegierungen ein Härteniveau von maximal 690 HV und damit nicht die für höchstwertige Uhrenfedern erforderlichen Festigkeiten.
  • Die bekannten Be-haltigen CoNiCr-Legierungen sind bedingt durch ihre Materialzusammensetzung anfällig für Sprödigkeit, insbesondere im ausgehärteten Zustand. Dadurch ergibt sich eine gewisse Unsicherheit bezüglich der Bruchsicherheit der Federn, wenn die Federn bis an ihre Grenzen beansprucht werden. So treten beim Einziehen des Federelements in das sogenannte Federhaus Brüche auf oder die Feder fällt vorzeitig durch Bruch aus. Untersuchungen der Bruchstellen dieser bekannten Be-haltigen CoNiCr-Legierungen zeigen oft grobe nichtmetallische Ausscheidungen von TiN, TiC, Mn und/oder Si, welche in vielen Fällen den wesentlichen Auslöser des vorzeitigen Bruches darstellen.
  • Die verwendeten Werkstoffe für Federn erreichen typischerweise durch eine Aushärtebehandlung ihre maximalen Festigkeitseigenschaften. Dies geht in der Regel mit einer Verringerung der Duktilität einher, was das Risiko bzw. die Neigung zum Federbruch ebenfalls deutlich erhöht. Um das Risiko eines Federbruchs zu minimieren, besteht somit der Bedarf nach Federwerkstoffen mit verbesserter Restduktilität insbesondere für den ausgehärteten Zustand.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Werkstoffe mit einer erhöhten Restduktilität bei möglichst gleichbleibender Festigkeit an zugeben, die insbesondere für Anwendungen in Federn geeignet sind, und eine erhöhte Fertigungssicherheit bei der Herstellung der Federn bzw. eine günstigere Toleranz gegenüber Spannungsspitzen im Einsatz der Federn zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird eine ausscheidungsgehärtete CoNiCr-Legierung angegeben, welche aus
    30 Gew.-% ≤ Co ≤ 50 Gew.-%,
    20 Gew.-% ≤ Ni ≤ 30 Gew.-%,
    14 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%,
    0 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-%,
    7 Gew.-% ≤ Mo + W ≤ 12 Gew.-%,
    0,1 Gew.-% ≤ Be ≤ 0,3 Gew.-%,
    0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,9 Gew.-%,
    0,3 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,9 Gew.-%,
    0,05 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%,
    Rest erschmelzungsbedingte und/oder zufällige Verunreinigungen besteht. Zudem gilt für den Gehalt an Mo die Beziehung 3,5 Gew.-% ≤ Mo ≤ 12 Gew.-% und für den Gehalt an Ti + Mn + Si gilt die Beziehung Ti + Mn + Si < 1,8 Gew.-%. Darüber hinaus gilt für das Verhältnis an Ti + Mn + Si zu Be die Beziehung 5 ≤ (Ti + Mn + Si)/Be ≤ 8.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass insbesondere der Gehalt von Be in Relation zu den Zusätzen Ti, Mn und Si von entscheidender Bedeutung für eine möglichst hohe Duktilität der Legierung bei möglichst gleichbleibender, hoher Festigkeit ist.
  • Die Elemente Ti, Mn und Si werden in CoNiCr-Legierungen während des Schmelzprozesses zur Desoxidation und Entschwefelung sowie zum Abbinden von Stickstoff zugesetzt. Die Zusätze an Ti, Mn und Si reagieren mit Sauerstoff und Stickstoff zu Nitriden und Oxiden, welche sich meistens in der Schlacke absetzen oder fein verteilt im Gefüge, jedoch auch bevorzugt an den Korngrenzen niederschlagen. Eine zuverlässige Desoxidation und Entfernung von Stickstoff sind erforderlich, da der gelöste Sauerstoff und Stickstoff eine unerwünschte bzw. kritische Sprödigkeit der Legierung verursachen, die auch erhebliche Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der Legierung, insbesondere bei Warm- und Kaltumformschritten, mit sich bringt. Eine optimal durchgeführte Desoxidation und Entfernung von Stickstoff und Schwefel sind somit essentiell für die Verarbeitung und optimalen Werkstoffeigenschaften.
  • Werden diese Desoxidationselemente allerdings im Überschuss zugesetzt, ergeben sich ebenfalls außerordentlich spröde Werkstoffe, so dass deren Einsatz in höchstbelasteten Bereichen, wie sie bei Federn in mechanischen Uhrenwerken auftreten, ausgeschlossen ist. Daher ist es für CoNiCr-Legierungen entscheidend wichtig, die richtigen Desoxidationselemente sowie deren optimalen Gehalt einzusetzen.
  • Neben der Entfernung bzw. Abbindung von Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel sind die Zusätzen Ti, Mn und Si jedoch auch für das Erreichen von hohen Festigkeiten von Bedeutung. Diese Zusätze tragen dabei sowohl durch eine Mischkristallhärtung der Matrix als auch durch das Ausscheiden von feinen Partikeln während der Ausscheidungshärtung in hohem Maße zum Erreichen der Festigkeiten bei.
  • Zudem wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass für die oben genannten Gehaltsbereiche von Co, Ni und Cr sowie gegebenenfalls Fe eine optimale Löslichkeit von 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Be besteht. Ein optimaler Be-Gehalt ist insbesondere deswegen wichtig, da Be eine entscheidende Aufgabe bei der Aushärtung und damit bei der Erreichung der für Federanwendungen, insbesondere bei Aufzugs- oder Triebfedern, erforderlichen hohen Festigkeit zufällt.
  • In Be-haltigen CoNiCr-Legierungen mit Zusätzen an Ti, Mn und Si ergibt sich die Besonderheit, dass auch der Zusatz an Be, der hauptsächlich wegen der herausragenden Möglichkeiten einer Ausscheidungshärtung zugesetzt wird, eine außerordentlich starke Affinität zu Sauerstoff aufweist. Reagiert das zugesetzte Be vollständig oder zu großen Teilen mit Sauerstoff, steht kein frei gelöstes Be für die spätere Ausscheidungshärtung mehr zur Verfügung. Die gewünschten maximalen Festigkeitswerte werden daher nicht erreicht. Das Zusetzen von Be im Überschuss, typischerweise mehr als 0,35 Gew.-%, wodurch eine ausreichende Menge an frei gelöstem Be sichergestellt würde, ist jedoch ebenfalls kritisch, da dies die Duktilität und damit Bruchsicherheit der Legierung herabsetzt.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der Be-Gehalt auf der einen Seite und der Gehalt an Ti, Mn und Si auf der anderen Seite so aufeinander abgestimmt werden müssen, dass eine ausreichende Desoxidation der Legierung während des Schmelzprozesses stattfindet und dabei nur minimale Be-Anteile mit Sauerstoff reagieren. Dies kann nur erreicht werden, wenn die beschriebenen Zusätze in einer speziellen Mengenbeziehung zueinander zugesetzt werden. Nur dann können optimale Werkstoffeigenschaften sichergestellt werden, wie sie insbesondere für hochbeanspruchte Federanwendungen erforderlich sind.
  • Die erfindungsgemäße Legierung weist also bei gleichbleibenden, hohen Festigkeitswerten eine verbesserte Restduktilität und Bruchsicherheit auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die CoNiCr-Legierung für den Gehalt an Si die Beziehung 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-% auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Co-NiCr-Legierung für den Gehalt an Fe die Beziehung 1 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-% auf.
  • Die CoNiCr-Legierung gemäß den erfindungsgemäßen Elementzusammensetzungen eignet sich besonders für Federanwendungen, in denen die Feder als Energiespeicher in Geräten und Instrumenten aller Art eingesetzt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder daher als Aufzugsfeder oder Triebfeder ausgebildet. Dabei kann die Feder als Feder für eine mechanische Uhr ausgebildet sein.
  • Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich darüber hinaus generell für Anwendungen, in denen eine möglichst hohe Festigkeit des eingesetzten Werkstoffes bei gleichzeitig hoher Restduktilität erforderlich ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist. Zunächst wird eine Legierung erschmolzen, wobei die Legierung aus
    30 Gew.-% ≤ Co ≤ 50 Gew.-%,
    20 Gew.-% ≤ Ni ≤ 30 Gew.-%,
    14 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%,
    0 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-%,
    7 Gew.-% ≤ Mo + W ≤ 12 Gew.-%,
    0,1 Gew.-% ≤ Be ≤ 0,3 Gew.-%,
    0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,9 Gew.-%,
    0,3 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,9 Gew.-%,
    0,05 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%,
    Rest erschmelzungsbedingte und/oder zufällige Verunreinigungen besteht. Für den Gehalt an Mo gilt dabei die Beziehung 3,5 Gew.-% ≤ Mo ≤ 12 Gew.-% und für den Gehalt an Ti + Mn + Si gilt die Beziehung Ti + Mn + Si < 1,8 Gew.-%. Zudem gilt für das Verhältnis an Ti + Mn + Si zu Be die Beziehung 5 ≤ (Ti + Mn + Si)/Be ≤ 8. Nach dem Erschmelzen der Legierung wird die erschmolzenen Legierung in eine Bramme umgeformt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Bramme in einen Draht warmverformt. Danach erfolgt ein Kaltverformen des Drahtes sowie ein Auswalzen des Drahtes in ein Band. Aus dem Band wird in einem weiteren Schritt eine Feder geformt und die Feder ausgehärtet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist die CoNiCr-Legierung für den Gehalt an Si die Beziehung 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-% auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist die CoNiCr-Legierung für den Gehalt an Fe die Beziehung 1 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-% auf.
  • Das Erschmelzen wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Vakuum durchgeführt. Dadurch können der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff und damit die erforderliche Menge der Zusätze zu deren Entfernung minimiert werden.
  • Der Draht kann nach dem Umformen geschliffen, gebeizt und/ oder gestrahlt werden. Dadurch werden Oberflächenoxide sowie weitere Oberflächenverunreinigungen, welche aus der Warmverarbeitung stammen, entfernt.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Kaltverformen des Drahtes mehrere Kaltziehschritte auf. Der Draht kann dabei zwischen den einzelnen Kaltziehschritten zwischengeglüht werden.
  • Nach dem Kaltverformen kann der Draht geschliffen, gebeizt und/oder gestrahlt werden. Dadurch weist der Draht in vorteilhafter Weise eine blanke, defektfreie Oberfläche auf.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verfahrens wird das Warmverformen der Bramme bei einer Temperatur TW zwischen 1000°C ≤ TW ≤ 1250°C durchgeführt.
  • Das Aushärten der Feder wird vorzugsweise bei einer Temperatur TA zwischen 300°C ≤ TA ≤ 550°C durchgeführt.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figur näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm mit Herstellungsschritten für eine Feder mit erfindungsgemäßer Legierungszusammensetzung gemäß einer Ausführungsform.
  • Dazu wird eine Legierung unter Vakuum erschmolzen, wobei die Legierung aus
    30 Gew.-% ≤ Co ≤ 50 Gew.-%,
    20 Gew.-% ≤ Ni ≤ 30 Gew.-%,
    14 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%
    0 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-%,
    7 Gew.-% ≤ Mo + W ≤ 12 Gew.-%,
    0,1 Gew.-% ≤ Be ≤ 0,3 Gew.-%,
    0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,9 Gew.-%,
    0,3 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,9 Gew.-%,
    0,05 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%,
    Rest erschmelzungsbedingte und/oder zufällige Verunreinigungen besteht. Für den Gehalt an Mo gilt dabei die Beziehung 3,5 Gew.-% ≤ Mo ≤ 12 Gew.-% und für den Gehalt an Ti + Mn + Si gilt die Beziehung Ti + Mn + Si < 1,8 Gew.-%. Zudem gilt für das Verhältnis an Ti + Mn + Si zu Be die Beziehung 5 ≤ (Ti + Mn + Si)/Be ≤ 8. Dies ist in Fertigungsblock 1 gezeigt.
  • Nach dem Erschmelzen der Legierung wird die erschmolzenen Legierung in eine Bramme umgeformt, wie in Verfahrensblock 2 dargestellt. Durch Warmumformprozesse im Temperaturbereich von 1000°C bis 1250°C wird die Bramme wie in Fertigungsblock 3 gezeigt zu Warmwalzdraht mit einem Durchmesser von 3 bis 10 mm umgeformt. Danach schließen sich die Prozessschritte Strahlen, Schleifen und/oder Beizen an, um Oberflächenoxide sowie weitere Oberflächenverunreinigungen, welche aus der Warmverarbeitung stammen, zu entfernen. Dies ist in Fertigungsblock 4 gezeigt. Anschließend wird der Draht durch mehrere Kaltziehschritte auf Enddurchmesser gezogen. Zwischen den einzelnen Ziehschritten wird der Draht typischerweise zwischengeglüht. Dies ist in Herstellungsblock 5 gezeigt. Als nächster Arbeitsschritt wird ein weiteres Beizen, Strahlen und/oder Schleifen durchgeführt, damit der Draht eine blanke, defektfreie Oberfläche aufweist, wie in Verfahrensblock 6 dargestellt. Danach wird der Runddraht wie in Fertigungsblock 7 gezeigt zu einem Federbändchen mit rechteckiger Querschnittsgeometrie ausgewalzt und eine Feder, beispielsweise eine Aufzugs- oder Triebfeder, geformt. Dies ist in Herstel lungsblock 8 dargestellt. Die endgültige Festigkeit der Feder bzw. des Federwerkstoffes wird durch eine Aushärtebehandlung, welche typischerweise zwischen 300°C und 550°C durchgeführt wird, eingestellt, wie in Fertigungsblock 9 gezeigt.
  • In folgenden werden Vergleichsversuche beschrieben, in denen Werkstoffeigenschaften von Beispiellegierungen mit Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung und mit Zusammensetzungen gemäß der GB 647 819 ermittelt und miteinander verglichen werden.
  • Bei der Messung von Werkstoffkennwerten bei hochfesten Materialien mit dem Zugversuch stößt man jedoch oft auf schwerwiegende Probleme. Viele Zugversuch-Messeinrichtungen können Festigkeiten größer als 2500 MPa nicht oder nur mit einer sehr großen Ungenauigkeit messen. Bei sehr hohen Festigkeiten der zu prüfenden Werkstoffe versagen die Proben zudem oft vorzeitig und damit deutlich unterhalb ihrer materialinhärenten Festigkeit.
  • Bei sehr hohen Festigkeiten spielt der Oberflächenzustand der Probe eine entscheidende Bedeutung. Sind Kratzer und Riefen oder andere Oberflächenkerben vorhanden, wie sie bei standardmäßig bearbeiteten Werkstoffen immer auftreten können, versagen die Proben frühzeitig durch die Kerbwirkung dieser Oberflächendefekte. Nur wenn diese Defekte auf der Probenoberfläche mit sehr aufwendigen Schleif- oder Polierverfahren beseitigt wurden, können die Maximalfestigkeiten zuverlässig gemessen werden.
  • Um dieses Problem zu eliminieren, wird für höchstfeste Werkstoffe oft die Härtemessung zur Bestimmung der Festigkeit verwendet, da diese reproduzierbar und mit begrenztem Aufwand möglich ist. Die Härte ist dabei direkt proportional zur Elastizitätsgrenze.
  • Eine Bestimmung der Duktilität über den Zugversuch, z. B. als Bruchdehnung A, ist bei hochfesten Werkstoffen mit eingeschränkter Duktilität schwierig. In der Regel reißen die Proben vorzeitig durch Oberflächeneffekte wie oben beschrieben ab, ohne die materialinhärente Festigkeit und/oder Duktilität bzw. Bruchdehnung zu erreichen.
  • Um die Belastung insbesondere bei Federanwendungen praxisnäher zu simulieren, wurde die Duktilität der Legierungen mit folgendem Test bestimmt. Ein ausgehärteter Draht der Legierung wurde zwischen zwei Backen, welche als Probenaufnehmer dienen, eingespannt. Diese Backen wurden kontinuierlich zusammengeführt, womit sich der Draht zunehmend durchbiegt und bei einem bestimmten Backenabstand bricht. Beim Bruch des Drahtes wurde der Backenabstand aufgenommen. Je duktiler die Legierung dabei ist, desto enger können die Backen zusammengeführt werden.
  • Beispiel 1
  • Beispiellegierungen 1 und 2 wurden wie oben beschrieben jeweils zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0,35 mm verarbeitet und ausgehärtet. Die Festigkeit beträgt für beide Legierungen 800 HV, was einer Zugfestigkeit von 2900 MPa entspricht. Beispiellegierung 2 folgt dabei der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung insbesondere bezüglich der Gehalte an Ti, Mn und Si sowie deren Verhältnis zu dem Be-Gehalt. Die Folge ist eine deutlich erhöhte Duktilität gegenüber der Beispiellegierung 1, welche dem Stand der Technik entspricht.
    Co Ni Cr Fe Mo W Ti Mn Si Be
    Beispiellegierung 1 45 21,5 18 5 4 4 1,0 0,9 0,5 0,2
    Beispiellegierung 2 45 21,5 18 5 4 4 0,75 0,5 0,1 0,2
    Tabelle 1: Legierungszusammensetzung der Beispiellegierungen 1 und 2, jeweils in Gew.-%
    Summe Ti + Mn + Si (Gew.-%) Verhältnis (Ti + Mn + Si)/Be Backenabstand
    Beispiellegierung 1 2,4 12,0 24,5
    Beispiellegierung 2 1,35 6,75 18,0
    Tabelle 2: Vergleich der Beispiellegierungen 1 und 2 Beispiel 2
  • Beispiellegierungen 3 und 4 wurden ebenfalls wie oben beschrieben jeweils zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0,35 mm verarbeitet und ausgehärtet. Die Festigkeit beträgt für beide Legierungen wiederum 800 HV, was einer Zugfestigkeit von 2900 MPa entspricht. Beispiellegierung 4 folgt dabei der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung insbesondere bezüglich der Gehalte an Ti, Mn und Si sowie deren Verhältnis zu dem Be-Gehalt. Die Folge ist wiederum eine deutlich erhöhte Duktilität gegenüber der Beispiellegierung 3, welche dem Stand der Technik entspricht.
    Co Ni Cr Fe Mo W Ti Mn Si Be
    Beispiellegierung 3 35 30 18 5 10 0 1,0 1,0 0,5 0,2
    Beispiellegierung 4 35 30 18 5 10 0 0,7 0,4 0,2 0,2
    Tabelle 3: Legierungszusammensetzung der Beispiellegierungen 3 und 4, jeweils in Gew.-%
    Summe Ti + Mn + Si (Gew.-%) Verhältnis (Ti + Mn + Si)/Be Backenabstand
    Beispiellegierung 3 2,5 12,5 21,5
    Beispiellegierung 4 1,3 6,5 16,0
    Tabelle 4: Vergleich der Beispiellegierungen 3 und 4
  • 1
    Schmelzen
    2
    Brammenbildung
    3
    Warmwalzen
    4
    Strahlen, Schleifen und/oder Beizen
    5
    Kaltziehen
    6
    Strahlen, Schleifen und/oder Beizen
    7
    Walzen
    8
    Werkstückfertigung
    9
    Aushärten
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - GB 647819 [0009, 0009, 0041]

Claims (21)

  1. CoNiCr-Legierung, bestehend aus 30 Gew.-% ≤ Co ≤ 50 Gew.-%, 20 Gew.-% ≤ Ni ≤ 30 Gew.-%, 14 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-%, 7 Gew.-% ≤ Mo + W ≤ 12 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Be ≤ 0,3 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,9 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,9 Gew.-%, 0,05 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%, Rest erschmelzungsbedingte und/oder zufällige Verunreinigungen, wobei für den Gehalt an Mo die Beziehung 3,5 Gew.-% ≤ Mo ≤ 12 Gew.-% gilt, für den Gehalt an Ti + Mn + Si die Beziehung Ti + Mn + Si < 1,8 Gew.-% gilt und für das Verhältnis an Ti + Mn + Si zu Be die Beziehung 5 ≤ (Ti + Mn + Si)/Be ≤ 8 gilt.
  2. CoNiCr-Legierung nach Anspruch 1, wobei für den Gehalt an Si die Beziehung 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-% gilt.
  3. CoNiCr-Legierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei für den Gehalt an Fe die Beziehung 1 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-% gilt.
  4. Feder, aufweisend die CoNiCr-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  5. Feder nach Anspruch 4, wobei die Feder als Aufzugsfeder ausgebildet ist.
  6. Feder nach Anspruch 4, wobei die Feder als Triebfeder ausgebildet ist.
  7. Feder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Feder als Feder für eine mechanische Uhr ausgebildet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Erschmelzen einer Legierung, wobei die Legierung aus 30 Gew.-% ≤ Co ≤ 50 Gew.-%, 20 Gew.-% ≤ Ni ≤ 30 Gew.-%, 14 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-%, 7 Gew.-% ≤ Mo + W ≤ 12 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Be ≤ 0,3 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,9 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,9 Gew.-%, 0,05 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%, Rest erschmelzungsbedingte und/oder zufällige Verunreinigungen besteht, wobei für den Gehalt an Mo die Beziehung 3,5 Gew.-% ≤ Mo ≤ 12 Gew.-% gilt, für den Gehalt an Ti + Mn + Si die Beziehung Ti + Mn + Si < 1,8 Gew.-% gilt und für das Verhältnis an Ti + Mn + Si zu Be die Beziehung 5 ≤ (Ti + Mn + Si)/Be ≤ 8 gilt, – Umformen der erschmolzenen Legierung in eine Bramme, – Warmverformen der Bramme in einen Draht, – Kaltverformen des Drahtes, – Auswalzen des Drahtes in ein Band, – Formen einer Feder aus dem Band, – Aushärten der Feder.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei für den Gehalt an Si die Beziehung 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-% gilt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei für den Gehalt an Fe die Beziehung 1 Gew.-% ≤ Fe ≤ 7 Gew.-% gilt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Erschmelzen unter Vakuum durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Draht nach dem Umformen geschliffen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Draht nach dem Umformen gebeizt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Draht nach dem Umformen gestrahlt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Kaltverformen des Drahtes mehrere Kaltziehschritte aufweist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Draht zwischen den Kaltziehschritten zwischengeglüht wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei der Draht nach dem Kaltverformen geschliffen wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei der Draht nach dem Kaltverformen gebeizt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, wobei der Draht nach dem Kaltverformen gestrahlt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei das Warmverformen der Bramme bei einer Temperatur TW zwischen 1000°C ≤ TW ≤ 1250°C durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 20, wobei das Aushärten der Feder bei einer Temperatur TA zwischen 300°C ≤ TA ≤ 550°C durchgeführt wird.
DE102009014442A 2009-03-26 2009-03-26 CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung Pending DE102009014442A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009014442A DE102009014442A1 (de) 2009-03-26 2009-03-26 CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009014442A DE102009014442A1 (de) 2009-03-26 2009-03-26 CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009014442A1 true DE102009014442A1 (de) 2010-09-30

Family

ID=42663969

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009014442A Pending DE102009014442A1 (de) 2009-03-26 2009-03-26 CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102009014442A1 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013037870A1 (fr) * 2011-09-15 2013-03-21 Eta Sa Manufacture Horlogère Suisse Ensemble barillet d'horlogerie a diametre de bonde reduit
DE102012109522A1 (de) * 2012-10-08 2014-04-10 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCrMo-Legierung für ein mechanisches Uhrwerk und Feder für ein mechanisches Uhrwerk
DE102013104935A1 (de) 2013-05-14 2014-11-20 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg CoNiCrMo-Legierung und Verfahren zum Herstellen einer CoNiCrMo-Legierung
DE102015002430A1 (de) 2015-02-26 2016-09-01 Gernot Hausch CoNiCrMo-Legierung für Aufzugsfedern in einem mechanischen Uhrwerk
EP3557333A1 (de) 2018-04-16 2019-10-23 Patek Philippe SA Genève Herstellungsverfahren einer zugfeder für eine uhr

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB647819A (en) 1944-12-12 1950-12-20 Elgin Nat Watch Co Cobalt chromium nickel base alloy
DE824396C (de) * 1946-05-16 1951-12-10 Mond Nickel Co Ltd Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit von Nickellegierungen
CH306697A (de) * 1952-02-12 1955-04-30 Reinhard Dr Straumann Insbesondere für Uhrenfedern geeignete Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung.
DE1030999B (de) * 1947-05-03 1958-05-29 Elgin Nat Watch Company Verfahren zur Herstellung von Gegenstaenden, z. B. von Uhrfedern, aus einer Kobalt-Chrom-Legierung
WO2004074525A2 (de) * 2003-02-20 2004-09-02 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Elektrischer kontaktwerkstoff aus einer kobalt-nickel-eisenlegierung und verfahren zu deren herstellung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB647819A (en) 1944-12-12 1950-12-20 Elgin Nat Watch Co Cobalt chromium nickel base alloy
DE824396C (de) * 1946-05-16 1951-12-10 Mond Nickel Co Ltd Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit von Nickellegierungen
DE1030999B (de) * 1947-05-03 1958-05-29 Elgin Nat Watch Company Verfahren zur Herstellung von Gegenstaenden, z. B. von Uhrfedern, aus einer Kobalt-Chrom-Legierung
CH306697A (de) * 1952-02-12 1955-04-30 Reinhard Dr Straumann Insbesondere für Uhrenfedern geeignete Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung.
WO2004074525A2 (de) * 2003-02-20 2004-09-02 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Elektrischer kontaktwerkstoff aus einer kobalt-nickel-eisenlegierung und verfahren zu deren herstellung

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013037870A1 (fr) * 2011-09-15 2013-03-21 Eta Sa Manufacture Horlogère Suisse Ensemble barillet d'horlogerie a diametre de bonde reduit
US9033573B2 (en) 2011-09-15 2015-05-19 Eta Sa Manufacture Horlogere Suisse Timepiece barrel assembly with reduced core diameter
DE102012109522A1 (de) * 2012-10-08 2014-04-10 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCrMo-Legierung für ein mechanisches Uhrwerk und Feder für ein mechanisches Uhrwerk
DE102012109522B4 (de) 2012-10-08 2019-07-04 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCrMo-Legierung für ein mechanisches Uhrwerk
DE102013104935A1 (de) 2013-05-14 2014-11-20 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg CoNiCrMo-Legierung und Verfahren zum Herstellen einer CoNiCrMo-Legierung
DE102013104935B4 (de) * 2013-05-14 2020-03-05 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg CoNiCrMo-Legierung und Verfahren zum Herstellen einer CoNiCrMo-Legierung
DE102015002430A1 (de) 2015-02-26 2016-09-01 Gernot Hausch CoNiCrMo-Legierung für Aufzugsfedern in einem mechanischen Uhrwerk
EP3557333A1 (de) 2018-04-16 2019-10-23 Patek Philippe SA Genève Herstellungsverfahren einer zugfeder für eine uhr
US11796966B2 (en) 2018-04-16 2023-10-24 Patek Philippe Sa Geneve Method for producing a silicon-based timepiece spring

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011001783B4 (de) Feder für ein mechanisches Uhrwerk, mechanisches Uhrwerk, Uhr mit einem mechanischen Uhrwerk und Verfahren zur Herstellung einer Feder
EP2963136B1 (de) Austenitisches edelstahlblech und verfahren zur herstellung eines nichtmagnetischen stahlmaterial mit hoher streckgrenze daraus
DE69410223T2 (de) Federstahl von hoher Festigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit
DE69811200T2 (de) Einsatzstahl mit hervorragender verhinderung der sekundärrekristallisation während der aufkohlung, verfahren zu dessen herstellung, halbzeug für aufzukohlende teile
DE60130755T2 (de) Warmgewalzter draht oder stahlblock, die wärmebandelbar und verwendbar im maschinenbau sind und herstellungsverfahren dafür
DE19644517A1 (de) Federstahl mit ausgezeichneter Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung und Ermüdung
EP2632628B1 (de) Ni-fe-cr-mo-legierung
WO2007087785A1 (de) Eisen-nickel-legierung
DE4233269A1 (de) Hochfester federstahl
DE102009003598A1 (de) Korrosionsbeständiger austenitischer Stahl
DE102009014442A1 (de) CoNiCr-Legierung, Feder aus einer CoNiCr-Legierung und Verfahren zur Herstellung einer Feder aus einer CoNiCr-Legierung
DE102014100589A1 (de) Weichmagnetische Legierung auf Eisen-Kobalt-Basis sowie Verfahren zu deren Herstellung
DE3628395C1 (de) Verwendung eines Stahls fuer Kunststofformen
DE2253148C3 (de) Verfahren zur Herstellung eines ferritischen, korrosionsbeständigen Stahls und dessen Verwendung
DE69106372T2 (de) Legierung mit niedrigem wärmeausdehnungskoeffizient und daraus hergestellter gegenstand.
DE10320350B3 (de) Hochfeste weichmagnetische Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierung
DE102016222805A1 (de) Halbzeug und Verfahren zum Herstellen einer CoFe-Legierung
DE69318274T2 (de) Martensitische rostfreie Stahllegierung für chirurgische Nadeln
DE102013104935B4 (de) CoNiCrMo-Legierung und Verfahren zum Herstellen einer CoNiCrMo-Legierung
DE4329305C2 (de) Hochfestes und hochzähes rostfreies Stahlblech und Verfahren zur Herstellung desselben
EP1352982A2 (de) Nichtrostender Stahl, Verfahren zum Herstellen von spannungsrissfreien Formteilen und Formteil
DE1558676C3 (de)
DE102018130946B4 (de) Verfahren zur herstellung von halbzeugen aus einer nickel-basislegierung
DE69207935T2 (de) Eisen-Chrom-Nickel-Silizium-Formgedächtnislegierungen mit ausgezeichneter Spannungsrisskorrosionsfestigkeit
DE102021121997A1 (de) Kaltgewalztes Stahlflachprodukt und Verfahren zu seiner Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R082 Change of representative

Representative=s name: WESTPHAL, MUSSGNUG & PARTNER PATENTANWAELTE MI, DE

R016 Response to examination communication