DE102011001783B4 - Spring for a mechanical clockwork, mechanical clockwork, clock with a mechanical clockwork and method of manufacturing a spring - Google Patents
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Abstract
Feder für ein mechanisches Uhrwerk, wobei die Feder eine amorphe Legierung mit einer Zusammensetzung aufweist, die ausNiaCObFecCrdBeSifCgPhMoiNbkVlTamWn,mit0 Atom-% ≤ c ≤ 25,0 Atom-%,2,0 Atom-% ≤ d ≤ 21,0 Atom-%,1,0 Atom-% ≤ e ≤ 20,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ f ≤ 20,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ g ≤ 20,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ h ≤ 20,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,0 Atom-% S k ≤ 5,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ l ≤ 5,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ m ≤ 5,0 Atom-%,0 Atom-% ≤ n ≤ 5,0 Atom-%;beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni und/oder Co besteht, wobei 15,0 Atom-% < e + f + g + h < (0,033 · x2- 1,2 · x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist.Spring for a mechanical watch movement, the spring comprising an amorphous alloy having a composition consisting of NiaCObFecCrdBeSifCgPhMoiNbkVlTamWn,with0 at% ≤ c ≤ 25.0 at%, 2.0 at% ≤ d ≤ 21.0 at%, 1.0 at% ≤ e ≤ 20.0 at%, 0 at% ≤ f ≤ 20.0 at%, 0 at% ≤ g ≤ 20.0 at%, 0 at% ≤ h ≤ 20.0 atomic %, 0 atomic % ≤ i ≤ 5.0 atomic %, 0 atomic % S k ≤ 5.0 atomic %, 0 atomic % ≤ l ≤ 5.0 atomic %, 0 at% ≤ m ≤ 5.0 at%, 0 at% ≤ n ≤ 5.0 at%; incidental impurities ≤ 1.0 wt%; remainder Ni and/or Co, where 15.0 at.% < e + f + g + h < (0.033 x2- 1.2 x + 32) at.%, where x is the Cr content in at. % is.
Description
Die Erfindung betrifft Federn für ein mechanisches Uhrwerk, insbesondere Aufzugs- bzw. Triebfedern, ein mechanisches Uhrwerk mit einer Feder, eine Uhr mit einem mechanischen Uhrwerk, ein Verfahren zur Herstellung einer Feder und die Verwendung einer amorphen Legierung in einer Feder.The invention relates to springs for a mechanical clockwork, in particular winding or mainsprings, a mechanical clockwork with a spring, a clock with a mechanical clockwork, a method for producing a spring and the use of an amorphous alloy in a spring.
Aufzugs- oder Triebfedern fungieren als Energiespeicher und nutzen dafür die Möglichkeit jedes Werkstoffes aus, Energie in Form von elastischer Energie zu speichern. Beispielsweise weisen mechanische Uhren Zug-, Aufzugs- und Triebfedern auf, die als Energiespeicher verwendeten werden und ein Drehmoment erzeugen können.Elevator springs or mainsprings act as energy stores and use the possibility of every material to store energy in the form of elastic energy. For example, mechanical watches have mainsprings, winding springs and mainsprings that are used as energy stores and can generate torque.
Eingebracht wird diese Energie durch eine elastische, mechanische Beanspruchung des Federwerkstoffes, typischerweise durch das Aufziehen, das von Hand oder automatisch, beispielsweise durch Schwingbewegungen und/oder Schwerkrafteinfluss, erfolgen kann. Ein hohes Energiespeichervermögen stellt der Uhr bzw. dem Instrument einen hohen Gang einschließlich einer Gangreserve bereit. Dies wird werkstoffseitig zunächst durch eine hohe Elastizitätsgrenze bzw. hohe mechanische Festigkeit des eingesetzten Werkstoffes erreicht.This energy is introduced by an elastic, mechanical stress on the spring material, typically by being pulled up, which can be done manually or automatically, for example by oscillating movements and/or the influence of gravity. A high energy storage capacity provides the watch or the instrument with a high rate including a power reserve. On the material side, this is achieved first of all by a high elasticity limit or high mechanical strength of the material used.
Aus der nachfolgenden Formel der Federenergie W bzw. des Energiespeichervermögens einer Aufzugs- und Triebfeder wird erkennbar, dass sowohl die Elastizitätsgrenze als auch der Elastizitätsmodul des verwendeten Werkstoffes für das Energiespeichervermögen von Bedeutung sind:
Neben der Elastizitätsgrenze beeinflusst auch der Elastizitätsmodul die Federenergie und damit das Energiespeichervermögen. Im Gegensatz zur Elastizitätsgrenze ist für ein maximales Energiespeichervermögen der Triebfeder allerdings ein kleiner Elastizitätsmodul bei vergleichbarer Elastizitätsgrenze erforderlich.In addition to the elastic limit, the modulus of elasticity also influences the spring energy and thus the energy storage capacity. In contrast to the elastic limit, however, a lower modulus of elasticity is required for a maximum energy storage capacity of the mainspring with a comparable elastic limit.
Die Formel des Energiespeichervermögens einer Spiralfeder kann mittels der Gleichung σmax=E·εmax in die folgende Formel umgewandelt werden:
Unter der Annahme, dass jede Windung einer Aufzugs- und Triebfeder der Dicke d durch einen einfachen Kreis mit Radius R (Krümmungsradius) beschrieben werden kann, ergibt sich eine maximale Dehnung (Dehnungsgrenze) der äußersten Faser der Feder zu
Damit kann eine Maximierung des Energiespeichervermögens einer Aufzugs- und Triebfeder durch einen kleineren Krümmungsradius der Spirale erzielt werden. Dies bedeutet eine höhere Beanspruchung des Federwerkstoffes bis zu seiner Dehnungsgrenze, was oft zu einer verkürzten Lebensdauer des Federelementes führt.In this way, the energy storage capacity of a winding and mainspring can be maximized by a smaller radius of curvature of the hairspring. This means that the spring material is subject to greater stress up to its expansion limit, which often leads to a shorter service life for the spring element.
Eine weitere Möglichkeit neben der Elastizitätsgrenze, dem Elastizitätsmodul und der Dehnungsgrenze als Werkstoffkennwerte zur Beeinflussung des Energiespeichervermögens ist durch das Federvolumen V bzw. die Federgeometrie, d.h. Breite bzw. Dicke, möglich. Bei vielen Anwendungen steht der Aufzugs- und Triebfeder allerdings nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung, so dass die Möglichkeit, das Energiespeichervermögen über das Federvolumen zu erhöhen, oft eingeschränkt bzw. nicht vorhanden ist.A further possibility in addition to the elastic limit, the modulus of elasticity and the elongation limit as material parameters for influencing the energy storage capacity is the spring volume V or the spring geometry, i.e. width or thickness. In many applications, however, there is only limited space available for the winding and mainspring, so that the possibility of increasing the energy storage capacity via the spring volume is often limited or not available.
Damit zeichnet sich ein geeigneter Federwerkstoff für Aufzugs- und Triebfedern durch eine hohe Elastizitätsgrenze und einen kleinen Elastizitätsmodul aus. Bei bekannten kristallinen Werkstoffen können jedoch die Elastizitätsgrenze und der Elastizitätsmodul nicht unabhängig voneinander eingestellt werden. In der Regel geht eine Erhöhung der Elastizitätsgrenze mit einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls einher.A suitable spring material for winding and mainsprings is characterized by a high limit of elasticity and a low modulus of elasticity. With known crystalline materials however, the elastic limit and the elastic modulus cannot be adjusted independently. As a rule, an increase in the elastic limit is accompanied by an increase in the modulus of elasticity.
Neben den mechanischen Kennwerten Elastizitätsgrenze, Elastizitätsmodul und Dehnungsgrenze sind zudem eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie auch, bei typischen Einsatztemperaturen der Feder, unmagnetische, d.h. nichtferromagnetische Eigenschaften wichtige Kennzeichen von in Trieb-, Aufzugs- und Zugfedern verwendeten Werkstoffen.In addition to the mechanical characteristics of elastic limit, modulus of elasticity and elongation limit, good oxidation and corrosion resistance as well as non-magnetic, i.e. non-ferromagnetic properties at typical operating temperatures of the spring are important characteristics of the materials used in mainsprings, winding springs and mainsprings.
Für den Einsatz in Zug-, Aufzugs- und Triebfedern werden beispielsweise Stähle, z.B. martensitische und/oder kaltverformte Kohlenstoffstähle sowie aushärtbare Cr-Ni-Stähle, sowie insbesondere ausscheidungsgehärtete Co-Ni-Cr-Legierungen eingesetzt, die sich durch ihre geringe Dauerverformung und reduzierte Bruchgefahr auszeichnen. Federn aus Kohlenstoffstählen haben zwar eine hohe Elastizitätsgrenze und eine hohe plastische Dehnung, sind allerdings unter ungünstigen klimatischen Bedingungen nicht ausreichend korrosionsbeständig.Steels, e.g. martensitic and/or cold-formed carbon steels and hardenable Cr-Ni steels, and in particular precipitation-hardened Co-Ni-Cr alloys are used in mainsprings, winding springs and mainsprings, which are characterized by their low permanent deformation and reduced indicate risk of breakage. Although carbon steel springs have a high elastic limit and high plastic elongation, they are not sufficiently resistant to corrosion under unfavorable climatic conditions.
Federn stellen elastische Elemente bereit, die nach einem Ziehen, Drücken oder Biegen ihre ursprüngliche Lage wieder einnehmen. Durch diese elastischen Beanspruchungen wird Energie in den Werkstoff gespeichert bzw. vom Material wieder abgegeben. Typischerweise können somit gespeicherte Kräfte bzw. Drehmomente zeitverzögert und in einer kontrollierten Weise angewendet werden.Springs provide elastic elements that return to their original position after being pulled, pressed or bent. Due to these elastic stresses, energy is stored in the material or released again by the material. Typically, stored forces or torques can thus be applied with a time delay and in a controlled manner.
Amorphe Werkstoffe stellen besonders geeignete Materialien für Aufzugs- oder Triebfedern zur Energiespeicherung dar. Sie zeichnen sich allgemein durch eine sehr hohe Festigkeit aus, die aufgrund der fehlenden Versetzungen nahe der theoretisch möglichen Festigkeit liegt. Mit Elastizitätsgrenzen im Bereich von typischerweise 4000 MPa erreichen sie Festigkeiten, die von kristallinen Werkstoffen nicht realisiert werden können. Zudem weisen sie dank der geringeren Schmelzpunkte, die typischerweise 500°C-1100°C betragen, einen relativ geringen Elastizitätsmodul auf. Dies ist von besonderem Interesse bezüglich der Möglichkeit, elastische Energie bei geringer Dämpfung zu speichern. Dabei ist der Elastizitätsmodul in amorphen Legierungen typischerweise um 25-30 % niedriger als in vergleichbaren kristallinen Werkstoffen.Amorphous materials are particularly suitable materials for winding or mainsprings for energy storage. They are generally characterized by very high strength, which is close to the theoretically possible strength due to the lack of dislocations. With elasticity limits in the range of typically 4000 MPa, they achieve strengths that cannot be achieved by crystalline materials. In addition, thanks to the lower melting points, which are typically 500°C-1100°C, they have a relatively low modulus of elasticity. This is of particular interest with regard to the possibility of storing elastic energy with low damping. The modulus of elasticity in amorphous alloys is typically 25-30% lower than in comparable crystalline materials.
Rein elastische Be- und Entladungsvorgänge (Schwingungen) eines Werkstoffes sind zeitunabhängig. Dadurch liegen Spannung σ und Dehnung ε zeitlich in „Phase“ unabhängig von der Beanspruchungsgeschwindigkeit. Typische mechanische Beanspruchungen können jedoch üblicherweise nicht als elastisch betrachtet werden, da zusätzliche zeitabhängige anelastische Mechanismen hinzukommen. So tritt bei Schwingungen beispielsweise zwischen Spannung und Dehnung eine zeitliche Verzögerung ein, die durch einen Phasenwinkel δ dargestellt werden kann. Diese anelastischen Mechanismen sind mit Energieverlusten durch Energiedissipation in Wärme verbunden, wodurch die im Material elastisch gespeicherte Energie und damit das Energiespeichervermögen verringert werden.Purely elastic loading and unloading processes (vibrations) of a material are independent of time. As a result, stress σ and strain ε are in "phase" over time, independent of the stress rate. However, typical mechanical stresses cannot usually be considered elastic, since additional time-dependent anelastic mechanisms are involved. In the case of vibrations, for example, there is a time delay between stress and strain, which can be represented by a phase angle δ. These anelastic mechanisms are associated with energy losses through energy dissipation in heat, which reduces the elastic energy stored in the material and thus the energy storage capacity.
Die Spannung σ kann dabei zu einer verlustbehafteten Dehnung ε* durch eine komplexe Größe E* verknüpft werden, die aus einem Energie speichernden Anteil E' und einem Energie dissipierenden Anteil E'' besteht. Der mechanische Verlust wird durch den Faktor D (Dämpfung) dargestellt und analytisch als Tangens des Phasenwinkels δ berechnet:
D stellt ein Maß für die mechanische Dämpfung bei Schwingungen dar. Je kleiner der Elastizitätsmodul des Materials ist, desto geringer fallen die Dämpfung und die Verluste aus.D represents a measure of the mechanical damping during vibrations. The lower the modulus of elasticity of the material, the lower the damping and the losses.
Amorphe Werkstoffe mit ihrem relativ geringeren Elastizitätsmodul zeigen einen kleineren Verlustfaktor und zeichnen sich dadurch als besonders geeignete Federwerkstoffe aus, um elastische Energie zu speichern.Amorphous materials with their relatively low modulus of elasticity show a lower loss factor and are therefore characterized as particularly suitable spring materials for storing elastic energy.
Bekannte Verfahren verwenden zur Herstellung einer amorphen Aufzugs- und Triebfeder Laminierungs- und Klebeprozesse. Dabei werden einzelne amorphe Bänder in einer typischen Dicke von 20-50 µm verklebt, um die für Aufzugsfedern typischerweise benötigte Federdicke von 50-200µm zu erreichen. Die Feder enthält jedoch damit auch organische Komponenten oder kristalline Laminierungspartner, wodurch die Feder nicht in vollem Umfang die Vorteile der amorphen Werkstoffe für Triebfedern ausnützen kann. Derartige Verfahren zur Herstellung amorpher Triebfedern sind aus der
Weiterhin ist aus der
Der hohe Gehalt an Nb führt dabei jedoch zu gesteigerten Produktionskosten. Zudem enthält die genannte Legierungszusammensetzung für die bessere Glasbildung Zr und Ti, die eine sehr hohe Sauerstoff- bzw. Stickstoffaffinität besitzen und daher nur unter Vakuum oder Schutzgas hergestellt bzw. verarbeitet, d. h. wärmebehandelt, werden können. Die Herstellung nur unter Vakuum und/oder teilweise unter Schutzgas ist insbesondere in kommerziellen Mengen extrem aufwendig und teuer. Zudem ist die Oberflächenqualität derartiger unter Vakuum oder Schutzgas hergestellten Legierungen oftmals nicht ausreichend für den Einsatz als Federelement oder Aufzugsfeder.However, the high Nb content leads to increased production costs. In addition, the alloy composition mentioned contains Zr and Ti for better glass formation, which have a very high oxygen or nitrogen affinity and are therefore only produced or processed under vacuum or inert gas, i. H. heat treated, can be. The production only under vacuum and / or partially under protective gas is extremely complex and expensive, especially in commercial quantities. In addition, the surface quality of such alloys produced under vacuum or inert gas is often not sufficient for use as a spring element or mainspring.
Die Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, Federn für ein mechanisches Uhrwerk anzugeben, die eine hohe Festigkeit und einen niedrigen Elastizitätsmodul besitzen und dabei für die großtechnische Herstellung an Luft geeignet sind. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, entsprechende Verfahren zur Herstellung einer Feder anzugeben.The object of the invention is to specify springs for a mechanical clockwork which have a high strength and a low modulus of elasticity and are suitable for large-scale production in air. Furthermore, it is the object of the invention to specify corresponding methods for producing a spring.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are solved with the subjects of the independent claims. Advantageous developments of the invention result from the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird eine Feder für ein mechanisches Uhrwerk bereitgestellt, wobei die Feder eine amorphe Legierung mit einer Zusammensetzung aufweist, die aus
0 Atom-% ≤ c ≤ 25,0 Atom-%,
2,0 Atom-% ≤ d ≤ 21,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ k ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ 1 ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ m ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ n ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni und/oder Co besteht, wobei 15,0 Atom-% < e + f + g + h < (0,033 · x2 - 1,2 · x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist. Der Zahlenwert von x ist somit gleich dem Zahlenwert von d. Dabei gilt für das Verhältnis an Co zu Ni die Beziehung 0 ≤ b / (a + b) ≤ 1.According to the invention there is provided a spring for a mechanical timepiece, the spring comprising an amorphous alloy having a composition consisting of
0 at% ≤ c ≤ 25.0 at%,
2.0 at% ≤ d ≤ 21.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ g ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ h ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ i ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ k ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ 1 ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ m ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ n ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Balance Ni and/or Co, where 15.0 at% < e + f + g + h < (0.033 x 2 - 1.2 x + 32) at%, where x is the content of Cr in at -% is. The numerical value of x is therefore equal to the numerical value of d. The
Die vorliegende Erfindung stellt eine Feder aus amorphen Legierungen zur Verfügung, deren Zusammensetzung in vorteilhafter Weise eine großtechnische Herstellung und/oder Verarbeitung an Luft, d.h. insbesondere unter normalen atmosphärischen Bedingungen, ermöglicht. Im Vergleich zu der aus der
Weiterhin wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt, dass der oben genannte Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Cr und dem Gesamtmetalloidgehalt, d.h. dem Gehalt an Si + B + C + P, in vorteilhafter Weise eine Herstellung der Feder in hinreichen großen Dicken, typischerweise in einer Foliendicke von mindestens 50µm ermöglicht. Die genannten Elemente bzw. Elementgruppen könnten sich bei zu hohen Gehalten ansonsten nachteilig auf die maximal mögliche Herstelldicke auswirken. Der genannte Gehalt an Cr bewirkt dabei in vorteilhafter Weise eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Feder. Die Untergrenze für den Gesamtmetalloidgehalt ist geeignet, gute Glasbildungseigenschaften für die Herstellung der Feder zu gewährleisten.Furthermore, it was recognized within the scope of the present invention that the above-mentioned relationship between the content of Cr and the total metalloid content, ie the content of Si + B + C + P, advantageously a production of the spring in sufficiently large thicknesses, typically in a Foil thickness of at least 50 µm possible. The elements or element groups mentioned could otherwise have a negative effect on the maximum possible manufacturing thickness if the contents are too high. The mentioned content of Cr advantageously brings about an improved corrosion resistance of the spring. The lower limit for the total metalloid content is appropriate to ensure good glass forming properties for the manufacture of the spring.
Die erfindungsgemäße, den amorphen Werkstoff aufweisende Feder zeichnet sich zudem durch eine sehr hohe Festigkeit und einen niedrigen Elastizitätsmodul aus. Dadurch kann bei gleichem Volumen bzw. Größe der Feder deutlich mehr Energie gespeichert werden als bei bekannten kristallinen Legierungen.The spring according to the invention, which has the amorphous material, is also characterized by very high strength and a low modulus of elasticity. As a result, significantly more energy can be stored with the same volume or size of the spring than with known crystalline alloys.
Die Legierung kann beiläufige Verunreinigungen von bis zu 1 Gewichtsprozent aufweisen. Verunreinigungen werden in der Praxis in Gewichtsprozent gemessen und folglich wird hierbei diese Einheit für die Verunreinigungen verwendet. Als Verunreinigung kann im Prinzip jedes Element bezeichnet werden, das nicht in der oben genannten Zusammensetzung explizit genannt ist. Elemente, die als Verunreinigungen häufig gemessen werden, sind Al, Ti, Zr, Cd, Se und S.The alloy may contain incidental impurities up to 1% by weight. Impurities are in practice measured in weight percent and hence this is the unit used for impurities. In principle, any element that is not explicitly mentioned in the above-mentioned composition can be designated as an impurity. Elements commonly measured as impurities are Al, Ti, Zr, Cd, Se and S.
Bevorzugt ist die Legierung im Wesentlichen frei von reaktiven Elementen, insbesondere von Zirkon, Titan und Aluminium. Dabei wird unter „im Wesentlichen frei von“ ein Anteil von unter 0,1 Gewichtsprozent verstanden.The alloy is preferably essentially free of reactive elements, in particular zirconium, titanium and aluminum. “Essentially free from” is understood to mean less than 0.1 percent by weight.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Zusammensetzung im Wesentlichen aus
0 Atom-% ≤ c ≤ 5,0 Atom-%,
4,0 Atom-% ≤ d ≤ 12,0 Atom-%,
5,0 Atom-% ≤ e ≤ 18,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 10,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ k ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni. In dieser Ausführungsform sind somit b = g = h = l = m = n = 0 Atom-%.In a preferred embodiment, the composition consists essentially of
0 at% ≤ c ≤ 5.0 at%,
4.0 at% ≤ d ≤ 12.0 at%,
5.0 at% ≤ e ≤ 18.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 10.0 at%,
0 at% ≤ i ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ k ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni. Thus, in this embodiment, b=g=h=l=m=n=0 at%.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gilt:
- 2,0 Atom-% ≤ c ≤ 3,0 Atom-%,
- 6,0 Atom-% ≤ d ≤ 10,0 Atom-%,
- 7,0 Atom-% ≤ e ≤ 16,0 Atom-%,
- 2,0 Atom-% ≤ f ≤ 8,0 Atom-%,
- 2,0 Atom-% ≤ i ≤ 3,0 Atom-%,
- 2,0 Atom-% ≤ k ≤ 3,0 Atom-%.
- 2.0 at% ≤ c ≤ 3.0 at%,
- 6.0 at% ≤ d ≤ 10.0 at%,
- 7.0 at% ≤ e ≤ 16.0 at%,
- 2.0 at% ≤ f ≤ 8.0 at%,
- 2.0 at% ≤ i ≤ 3.0 at%,
- 2.0 at% ≤ k ≤ 3.0 at%.
Die amorphe Legierung kann insbesondere eine Zusammensetzung aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni67Cr6,5Fe2,5Si8B16, Ni71,1Cr6,6Si7,8B14,5, Ni70Cr8Si8B14 und Ni70CraSi7B14Mo1.In particular, the amorphous alloy may have a composition selected from the group consisting of Ni 67 Cr 6.5 Fe 2.5 Si 8 B 16 , Ni 71.1 Cr 6.6 Si 7.8 B 14.5 , Ni 70 Cr 8 Si 8 B 14 and Ni 70 Cr a Si 7 B 14 Mo 1 .
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Feder für ein mechanisches Uhrwerk, wobei die Feder eine amorphe Legierung mit einer Zusammensetzung aufweist, die im Wesentlichen aus
4,0 Atom-% ≤ b ≤ 21,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ c ≤ 10,0 Atom-%,
5,0 Atom-% ≤ d ≤ 18,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni besteht.Furthermore, the invention relates to a spring for a mechanical clockwork, the spring having an amorphous alloy with a composition consisting essentially of
4.0 at% ≤ b ≤ 21.0 at%,
0 at% ≤ c ≤ 10.0 at%,
5.0 at% ≤ d ≤ 18.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ g ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ h ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni exists.
Die genannte Feder weist ebenfalls eine amorphe Legierung auf, deren Zusammensetzung in vorteilhafter Weise eine Herstellung und/oder Verarbeitung an Luft ermöglicht.Said spring also comprises an amorphous alloy, the composition of which advantageously allows manufacture and/or processing in air.
Dabei gilt bevorzugt 15,0 Atom-% < c + d + e < (0,033 · x2 - 1,2 · x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist. Der Zahlenwert von x ist somit gleich dem Zahlenwert von b.It is preferably 15.0 atom %<c+d+e<(0.033×x 2 −1.2×x+32) atom %, where x is the Cr content in atom %. The numerical value of x is therefore equal to the numerical value of b.
Die Legierung kann ebenfalls beiläufige Verunreinigungen von bis zu 1 Gewichtsprozent aufweisen. Als Verunreinigung kann wiederum jedes Element bezeichnet werden, das nicht in der oben genannten Zusammensetzung explizit genannt ist.The alloy may also contain incidental impurities of up to 1% by weight. Any element that is not explicitly mentioned in the above-mentioned composition can in turn be designated as an impurity.
Bevorzugt ist die Legierung im Wesentlichen frei von reaktiven Elementen, insbesondere von Zirkon, Titan und Aluminium. Dabei wird unter „im Wesentlichen frei von“ ein Anteil von unter 0,1 Gewichtsprozent verstanden.The alloy is preferably essentially free of reactive elements, in particular zirconium, titanium and aluminum. “Essentially free from” is understood to mean less than 0.1 percent by weight.
In einer bevorzugten Ausführungsform gilt:
- 6,0 Atom-% ≤ b ≤ 20,0 Atom-%,
- 1,0 Atom-% ≤ c ≤ 8,0 Atom-%,
- 7,0 Atom-% ≤ d ≤ 16,0 Atom-%,
- 2,0 Atom-% ≤ e ≤ 4,0 Atom-%,
- 2,0 Atom-% ≤ f ≤ 3,0 Atom-%,
- 2,0 Atom-% ≤ g ≤ 3,0 Atom-% und
- 2,0 Atom-% ≤ h ≤ 3,0 Atom-%.
- 6.0 at% ≤ b ≤ 20.0 at%,
- 1.0 at% ≤ c ≤ 8.0 at%,
- 7.0 at% ≤ d ≤ 16.0 at%,
- 2.0 at% ≤ e ≤ 4.0 at%,
- 2.0 at% ≤ f ≤ 3.0 at%,
- 2.0 at% ≤ g ≤ 3.0 at% and
- 2.0 at% ≤ h ≤ 3.0 at%.
Die amorphe Legierung kann insbesondere eine Zusammensetzung aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni61Cr18Si4P13B4, Ni65Cr17Si6,5P9B2,5, Ni63Cr18Si2P13B4 und Ni62, 5Cr20Si1P14B2,5.In particular, the amorphous alloy may have a composition selected from the group consisting of Ni 61 Cr 18 Si 4 P 13 B 4 , Ni 65 Cr 17 Si 6.5 P 9 B 2.5 , Ni 63 Cr 18 Si 2 P 13 B 4 and Ni 62.5 Cr 20 Si 1 P 14 B 2.5 .
Bevorzugt weist die Feder eine Dicke d auf, wobei 50 µm ≤ d ≤ 200 µm. Dieser Bereich ist besonders für Aufzugsfedern bzw. Federbändchen geeignet. Die Feder weist dabei bevorzugt eine rechteckige Querschnittsgeometrie bzw. einen rechteckförmigen Querschnitt auf.The spring preferably has a thickness d, where 50 μm≦d≦200 μm. This area is particularly suitable for mainsprings or spring ribbons. In this case, the spring preferably has a rectangular cross-sectional geometry or a rectangular cross-section.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Feder im entspannten Zustand S-förmig und/oder spiralförmig.In a further embodiment, the spring is S-shaped and/or spiral-shaped in the relaxed state.
Die amorphe Legierung weist bevorzugt eine Kristallisationstemperatur Tx auf, wobei Tx > 400°C. Besonders bevorzugt gilt Tx > 450°C. Dadurch ist eine temperaturinduzierte Formgebung der Feder bzw. des Federbändchens, beispielsweise zur S- oder Spiralform, in besonders vorteilhafter Weise möglich, ohne dass unerwünschte Kristallisation und/oder Sprödigkeit des amorphen Materials auftritt.The amorphous alloy preferably has a crystallization temperature Tx, where Tx >400° C . T x >450°C is particularly preferred. As a result, a temperature-induced shaping of the spring or the spring ribbon, for example into an S or spiral shape, is possible in a particularly advantageous manner without undesired crystallization and/or brittleness of the amorphous material occurring.
Die amorphe Legierung weist bevorzugt eine Vickershärte HV 0,5 von 775 bis 990 auf. Die Grenzwerte sind dabei in dem genannten Intervall eingeschlossen.The amorphous alloy preferably has a Vickers hardness HV 0.5 of 775 to 990. The limit values are included in the specified interval.
Die Feder ist bevorzugt als Triebfeder, insbesondere als Aufzugsfeder, ausgebildet.The spring is preferably designed as a drive spring, in particular as a winding spring.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein mechanisches Uhrwerk, das eine Feder gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen aufweist, sowie eine Uhr mit einem derartigen mechanischen Uhrwerk. Das mechanische Uhrwerk und die Uhr gemäß der Erfindung weisen die bereits im Zusammenhang mit den Federn gemäß der Erfindung genannten Vorteil auf, welche an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals aufgeführt werden.The invention also relates to a mechanical clockwork that has a spring according to one of the preceding embodiments, and a clock with such a mechanical clockwork. The mechanical clockwork and the clock according to the invention have the advantages already mentioned in connection with the springs according to the invention, which are not repeated here to avoid repetition.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Feder gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist. Es erfolgt ein Erschmelzen der Legierung, wobei die Legierung eine der vorgenannten Zusammensetzungen aufweist. Weiterhin erfolgt ein Formen eines amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung. Zudem erfolgt ein Aufwickeln des amorphen Bandes auf einer ersten Halterung in einer ersten Wickelrichtung. Ferner erfolgt ein Wärmebehandeln des aufgewickelten Bandes.Furthermore, the invention relates to a method for producing a spring according to one of the preceding embodiments, the method having the following steps. There is a melting of the Alloy, wherein the alloy has one of the aforementioned compositions. Further, an amorphous ribbon is formed from the molten alloy. In addition, the amorphous strip is wound onto a first holder in a first winding direction. Further, the coiled tape is heat treated.
Für die Formgebung wird das amorphe Bandmaterial somit aufgewickelt und wärmebehandelt, wodurch beispielsweise die S- oder Spiralform der Feder eingetempert wird. Bei dem erfindungsgemäße Verfahren ist dabei durch den Einsatz einer Legierung mit einer Zusammensetzung gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen eine Herstellung und/oder eine Verarbeitung, insbesondere eine Wärmebehandlung, unter Vakuum oder Schutzgas nicht mehr erforderlich.For the shaping, the amorphous strip material is thus wound up and heat-treated, as a result of which the S- or spiral shape of the spring is tempered, for example. In the method according to the invention, production and/or processing, in particular heat treatment, under vacuum or inert gas is no longer necessary due to the use of an alloy with a composition according to one of the aforementioned embodiments.
Die Wärmebehandlung des aufgewickelten Bandes erfolgt damit bevorzugt an Luft. Weiterhin erfolgt das Erschmelzen der Legierung und/oder das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung bevorzugt an Luft.The heat treatment of the coiled strip is thus preferably carried out in air. Furthermore, the melting of the alloy and/or the forming of the amorphous ribbon from the melted alloy preferably takes place in air.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Warmverformen des aufgewickelten Bandes bei einer Temperatur T, wobei 0,3 · Tx ≤ T ≤ 0,7 · Tx, wobei Tx die Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung ist. Dieser Temperaturbereich gewährleistet eine ausreichende Diffusion für die für die Formgebung erforderliche Relaxation, welche für das Einprägen der entsprechenden Aufzugsfederform benötigt wird. In a further preferred embodiment, the coiled strip is hot-worked at a temperature T, where 0.3×T x ≦T≦0.7×T x , where T x is the crystallization temperature of the amorphous alloy. This temperature range ensures sufficient diffusion for the relaxation required for shaping, which is required for impressing the corresponding mainspring shape.
Weiterhin kann das Warmverformen des aufgewickelten Bandes bevorzugt bei einer Temperatur T erfolgen, wobei 150°C ≤ T ≤ 350°C. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass bei Temperaturen kleiner 150°C die Temperatur typischerweise nicht ausreicht, um die Diffusion zu aktivieren und damit beispielsweise eine Spiralform einzustellen. Bei Temperaturen größer 350°C beginnt typischerweise bereits die Kristallisation einzelner Oberflächenkristallite, wodurch das Band spröde werden kann.Furthermore, the hot working of the coiled strip can preferably be carried out at a temperature T, where 150°C≦T≦350°C. In the context of the present invention, it was recognized that at temperatures below 150° C., the temperature is typically not sufficient to activate the diffusion and thus set a spiral shape, for example. At temperatures above 350°C, individual surface crystallites typically begin to crystallize, which can make the strip brittle.
In einer weiteren Ausführungsform wird das amorphe Band zudem auf eine zweite Halterung in einer zweiten Wickelrichtung aufgewickelt, wobei die zweite Wickelrichtung entgegengesetzt zu der ersten Wickelrichtung ist. Bevorzugt wird das amorphe Band dabei auf einen Zwillingsdorn aufgewickelt. Diese Ausführungsform ermöglicht in einfacher Weise die Einprägung einer S-Form der Feder.In another embodiment, the amorphous ribbon is also wound onto a second fixture in a second winding direction, the second winding direction being opposite to the first winding direction. The amorphous strip is preferably wound onto a twin mandrel. This embodiment enables an S-shape to be imprinted on the spring in a simple manner.
Die erste Halterung und/oder die zweite Halterung können als Dorn ausgebildet sein. In Ausführungsformen mit erster und zweiter Halterung können diese dabei als Zwillingsdorn ausgebildet sein.The first holder and/or the second holder can be designed as a mandrel. In embodiments with a first and second holder, these can be designed as twin mandrels.
Das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung erfolgt in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mittels eines Rascherstarrungs-Verfahrens. Bevorzugt erfolgt das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung dabei mittels eines Meltspinning-Verfahrens, das auch als Schmelzspinnen bzw. Schmelzschleudern bezeichnet wird.In a further advantageous embodiment, the amorphous strip is formed from the molten alloy by means of a rapid solidification process. The amorphous strip is preferably formed from the molten alloy by means of a melt spinning process, which is also referred to as melt spinning or melt spinning.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung in ein amorphes Band mit einer Dicke d, wobei 50 µm ≤ d ≤ 200 µm. Dadurch entfällt in vorteilhafter Weise das bei dem aus der
Nach dem Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung kann eine Breite des Bandes verringert werden. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung eines Bandmaterials mit den insbesondere für Aufzugsfedern benötigten engen Breitentoleranzen.After forming the amorphous ribbon from the molten alloy, a width of the ribbon can be reduced. This enables a simple realization of a strip material with the narrow width tolerances required in particular for winding springs.
Das Verringern der Breite des amorphen Bandes erfolgt in einer Ausführungsform durch Schneiden mittels einer Zirkularschere. Weiterhin kann das Verringern der Breite des amorphen Bandes mittels Drahterodieren erfolgen.In one embodiment, the width of the amorphous ribbon is reduced by cutting using circular shears. Furthermore, reducing the width of the amorphous ribbon can be done by wire EDM.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung einer amorphen Legierung in einer Feder für ein mechanisches Uhrwerk mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus
0 Atom-% ≤ c ≤ 25,0 Atom-%,
2,0 Atom-% ≤ d ≤ 21,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ k ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ 1 ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ m ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ n ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni und/oder Co besteht, wobei 15,0 Atom-% < e + f + g + h < (0,033 · x2 - 1,2 · x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist.The invention also relates to the use of an amorphous alloy in a spring for a mechanical timepiece having a composition consisting essentially of
0 at% ≤ c ≤ 25.0 at%,
2.0 at% ≤ d ≤ 21.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ g ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ h ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ i ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ k ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ 1 ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ m ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ n ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Balance Ni and/or Co, where 15.0 at% < e + f + g + h < (0.033 x 2 - 1.2 x + 32) at%, where x is the content of Cr in at -% is.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer amorphen Legierung in einer Feder für ein mechanisches Uhrwerk mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus
4,0 Atom-% ≤ b ≤ 21,0 Atom-%,
0 Atom-% ^ c ≤ 10,0 Atom-%,
5,0 Atom-% ≤ d ≤ 18,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni besteht.The invention further relates to the use of an amorphous alloy in a spring for a mechanical clockwork having a composition consisting essentially of
4.0 at% ≤ b ≤ 21.0 at%,
0 at%^c ≤ 10.0 at%,
5.0 at% ≤ d ≤ 18.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ g ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ h ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni exists.
Die Feder ist dabei bevorzugt als Triebfeder, insbesondere als Aufzugsfeder, ausgebildet.The spring is preferably designed as a drive spring, in particular as a winding spring.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1A zeigt eine Aufzugsfeder gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; -
1B zeigt eine Aufzugsfeder gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; -
1C zeigt eine Aufzugsfeder gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; -
1D zeigt eine Aufzugsfeder gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; -
2 zeigt eine Kraftmomentkennlinie einer Spiralfeder; -
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Aufzugsfeder gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
4 zeigt eine DSC-Analyse eines amorphen Bandmaterials mit der Zusammensetzung Ni67Cr6,5Fe2,5Si8B16 (in Atom- %); -
5 zeigt eine DSC-Analyse eines amorphen Bandmaterials mit der Zusammensetzung Ni61Cr18Si4P13B4 (in Atom-%) .
-
1A shows a mainspring according to a first embodiment of the invention; -
1B shows a mainspring according to a second embodiment of the invention; -
1C shows a mainspring according to a third embodiment of the invention; -
1D shows a mainspring according to a fourth embodiment of the invention; -
2 shows a force torque characteristic of a spiral spring; -
3 shows a flow chart of a method for manufacturing a mainspring according to an embodiment of the invention; -
4 Figure 12 shows a DSC analysis of an amorphous ribbon material having the composition Ni 67 Cr 6 .5 Fe 2.5 Si 8 B 16 (in atomic %); -
5 shows a DSC analysis of an amorphous ribbon material with the composition Ni 61 Cr 18 Si 4 P 13 B 4 (in atomic %) .
Die Aufzugsfeder 1 weist dabei im entspannten Zustand eine S-Form auf bzw. ist im entspannten Zustand S-förmig. Die Aufzugsfeder 1 ist typischerweise in einem nicht näher dargestellten zylindrischen Gehäuse, dem sogenannten Federhaus, eingeschlossen und mit einem Ende an der Wand dieses Gehäuses und mit dem anderen Ende an dessen Achse, dem sogenannten Federkern, befestigt.The
Die Aufzugsfeder 2 weist dabei im entspannten Zustand eine Spiralform auf bzw. ist im entspannten Zustand spiralförmig.In this case, the mainspring 2 has a spiral shape in the relaxed state or is spiral-shaped in the relaxed state.
Auch Kombinationen der beiden Ausführungsformen sind möglich.Combinations of the two embodiments are also possible.
Dazu zeigt
Die Aufzugsfeder 3 weist im entspannten Zustand eine sogenannte halb umgekehrte Form auf.In the relaxed state, the mainspring 3 has a so-called semi-inverted shape.
Weiterhin zeigt
Die Aufzugsfeder 4 weist im entspannten Zustand eine sogenannte umgekehrte Form auf.In the relaxed state, the mainspring 4 has a so-called inverted shape.
Die Aufzugsfedern gemäß den in den
Wie bereits erläutert, sind für die eingesetzten Werkstoffe für Aufzugs- oder Triebfedern, wie sie in Geräten und Instrumenten aller Art, insbesondere für mechanische Uhren als Energiespeicher eingesetzt werden, verschiedene Eigenschaften gleichzeitig von besonderer Bedeutung. Diese Kriterien sind dabei sowohl für amorphe und als auch für kristalline Legierungen gegeben durch maximale mechanische Festigkeit bei ausreichender Duktilität, Bruchsicherheit sowie Knick- und Biegefestigkeit, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie unmagnetische Eigenschaften. Die einzelnen Kriterien werden im Folgenden näher erläutert.As already explained, various properties are simultaneously of particular importance for the materials used for winding or mainsprings, as they are used in devices and instruments of all kinds, in particular for mechanical watches as energy stores. These criteria are given for both amorphous and crystalline alloys by maximum mechanical strength with sufficient ductility, fracture resistance as well as buckling and bending strength, corrosion and oxidation resistance and non-magnetic properties. The individual criteria are explained in more detail below.
Die Festigkeit amorpher Legierungen nimmt typischerweise mit dem Gehalt an Metalloiden, welche durch ihr Glasbildungsvermögen auch für die Herstellung als amorphe Legierungen von Bedeutung sind, zu. Für maximale Festigkeiten ist dabei insbesondere der Einsatz des Metalloids Bor (B) und daneben in geringerem Maße auch Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) von Bedeutung. Diese glasbildenden Elemente sind insbesondere Phosphor (P), welches ebenfalls zur Glasbildung in amorphen Werkstoffen geeignet ist, vorzuziehen, da insbesondere B aber auch Si und C bei vergleichbaren Gehalten deutlich größere Festigkeiten des Amorphmaterials bewirken.The strength of amorphous alloys typically increases with the content of metalloids, which are also important for the production as amorphous alloys due to their glass-forming ability. For maximum strength, the use of the metalloid boron (B) and, to a lesser extent, silicon (Si) and carbon (C) are of particular importance. These glass-forming elements are particularly preferable to phosphorus (P), which is also suitable for glass formation in amorphous materials, since B in particular, but also Si and C, with comparable contents, bring about significantly greater strength in the amorphous material.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Erhöhung des Gesamtmetalloidgehaltes über einen die oben genannten Werte zu einer deutlichen Abnahme der maximal möglichen Banddicke führt, wenn die Legierung zunächst als amorphes Band mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellt wird. Dadurch kommt bei amorphen Werkstoffen für Aufzugs- bzw. Triebfedern der Wahl des Metalloidgehaltes und deren Zusammensetzung eine besondere Bedeutung zu.Within the scope of the invention, it was recognized that increasing the total metalloid content above one of the values mentioned above leads to a significant decrease in the maximum possible strip thickness if the alloy is initially produced as an amorphous strip using rapid solidification technology. As a result, the selection of the metalloid content and its composition is of particular importance in the case of amorphous materials for winding or mainsprings.
Für die Festigkeit sind zudem weitere Legierungselemente von Bedeutung. Zusätze an Cr, Mo, Nb können legiert werden, um die Festigkeit des amorphen Bandmaterials weiter anzuheben. Da diese jedoch auch mit einer Reduzierung der maximal möglichen Banddicke mit vollständig amorpher Mikrostruktur einhergehen, kommt auch dieser Gruppe an Legierungselementen eine besondere Bedeutung zu. Hier ist insbesondere der Chromgehalt von Bedeutung, da er neben der Steigerung der Festigkeit auch für den Korrosionsschutz sowie auch für die magnetischen Eigenschaften, d.h. für unmagnetische Aufzugsfedern, von besonderer Relevanz ist.Other alloying elements are also important for strength. Additions of Cr, Mo, Nb can be alloyed to further increase the strength of the amorphous strip material. However, since these are also associated with a reduction in the maximum possible strip thickness with a completely amorphous microstructure, this group of alloying elements is also of particular importance. The chromium content is particularly important here, as it not only increases strength but is also particularly relevant for corrosion protection and for the magnetic properties, i.e. for non-magnetic mainsprings.
Als Basismetall für amorphes Bandmaterial hergestellt mittels Rascherstarrungstechnologie sind insbesondere die Elemente Fe, Ni und Co von Bedeutung.The elements Fe, Ni and Co are of particular importance as the base metal for amorphous strip material produced using rapid solidification technology.
Innerhalb der amorphen Fe-, Co- und Ni-Basislegierungen weisen die Fe-Basis-Werkstoffe bei vergleichbarem Metalloidgehalt sowie Gehalt weiterer Legierungselemente die höchsten Festigkeitswerte auf, wodurch sie grundsätzlich für Federanwendungen in Betracht zu ziehen sind.Within the amorphous Fe, Co and Ni-based alloys, the Fe-based materials have the highest strength values with a comparable metalloid content and content of other alloying elements, which means that they should always be considered for spring applications.
Amorphe Werkstoffe weisen typischerweise elastische Eigenschaften auf, die für Federanwendungen in hohem Maße geeignet sind. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das Amorphmaterial bevorzugt mindestens einen Amorphitätsgrad von 80% aufweist, da der amorphe Zustand diese günstigen elastischen Eigenschaften ermöglicht. Weist das Amorphmaterial herstellungsbedingt ausgeprägte kristalline Bereiche oder ausgeprägte Oberflächenkristallite auf, sind diese amorphen Legierungen sehr spröde und bruchempfindlich und erfüllen somit typischerweise nicht die Anforderungen an einen Werkstoff für Triebfedern.Amorphous materials typically exhibit elastic properties that are highly suitable for spring applications. However, it must be taken into account that the amorphous material preferably has at least an 80% degree of amorphity, since the amorphous state enables these favorable elastic properties. If the amorphous material has pronounced crystalline areas or pronounced surface crystallites due to the manufacturing process, these amorphous alloys are very brittle and sensitive to fracture and therefore typically do not meet the requirements for a material for mainsprings.
Derartige kristalline Anteile können durch eine ungenügende Abkühlung während der Herstellung als amorphes Ausgangsmaterial oder Überschreiten der maximal herstellbaren Dicke, bei welcher eine vollständig amorpher Mikrostruktur sichergestellt ist, entstehen.Such crystalline fractions can arise as a result of insufficient cooling during production as an amorphous starting material or exceeding the maximum thickness that can be produced, at which a completely amorphous microstructure is ensured.
Des Weiteren wird die Auswahl der amorphen Legierungen, welche zur Herstellung einer amorphen Aufzugs- bzw. Triebfeder gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, durch die Kristallisationstemperatur bestimmt. Temperaturen oberhalb der Kristallisationstemperatur des Amorphmaterials sind zu vermeiden, da durch die dann einsetzende Kristallisation wiederum spröde Materialeigenschaften entstehen.Furthermore, the selection of the amorphous alloys, which is suitable for the production of an amorphous mainspring according to the present invention, is determined by the crystallization temperature. Temperatures above the crystallization temperature of the amorphous material are to be avoided, since the crystallization that then begins leads to brittle material properties.
Der Verfahrensschritt zur Einstellung beispielsweise der Spiralform der amorphen Triebfeder erfordert eine bestimmte Temperatur, um diese Spiralform einzutempern. Die Einstellung der Spiralform erfolgt dabei bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 150-350°C, so dass die verwendeten amorphen Legierungen bevorzugt eine Kristallisationstemperatur größer 400°C aufweisen.The process step for setting, for example, the spiral shape of the amorphous mainspring requires a certain temperature in order to temper this spiral shape. The spiral shape is preferably set in a temperature range between 150-350°C, so that the amorphous alloys used preferably have a crystallization temperature greater than 400°C.
Zur Einstellung der erforderlichen Korrosions- bzw. Oxidationsbeständigkeit des amorphen Federmaterials wird typischerweise das Element Cr verwendet. Die Korrosionsbeständigkeit von amorphen Legierungen ist typischerweise günstiger als bei vergleichbaren kristallinen Legierungen, da die für den Korrosionsangriff häufig verantwortlichen Korngrenzen der kristallinen Werkstoffe in amorphen Materialien nicht vorhanden sind. Eine weitere entscheidende Rolle für das Korrosionsverhalten glasartiger Metalle ist der Einfluss der in amorphen Legierungen vorhandenen Metalloiden sowie auch bei einer dichten und homogenen Oberfläche die passivierende Wirkung der Deckschichten, die sich während des Korrosionsangriffes bilden.The element Cr is typically used to set the required corrosion or oxidation resistance of the amorphous spring material. The corrosion resistance of amorphous alloys is typically better than that of comparable crystalline alloys, since the grain boundaries of crystalline materials, which are often responsible for corrosion attack, are not present in amorphous materials. Another decisive role for the corrosion behavior of vitreous metals is the influence of the metalloids present in amorphous alloys and, also in the case of a dense and homogeneous surface, the passivating effect of the surface layers that form during the corrosion attack.
Für einen ausreichenden Korrosionsschutz ist beispielsweise ein Chromgehalt größer 5 % geeignet. Fe-Basis amorphe Legierungen zeigen beispielsweise ab einem Cr-Gehalten von ca. 5 at.% bereits eine hohe Korrosionsbeständigkeit.For example, a chromium content greater than 5% is suitable for adequate corrosion protection. Fe-based amorphous alloys, for example, show a high corrosion resistance from a Cr content of approx. 5 at.%.
Mit zunehmendem Cr-Gehalt nimmt zwar die Korrosionsbeständigkeit zu, dies führt jedoch zu einer Reduzierung der maximal möglichen Banddicken, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung der oben genannte Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Cr und dem Gesamtmetalloidgehalt, d.h. dem Gehalt an Si + B + C + P, erkannt wurde.Although the corrosion resistance increases with increasing Cr content, this leads to a reduction in the maximum possible strip thicknesses, so that within the scope of the present invention the above-mentioned relationship between the Cr content and the total metalloid content, i.e. the Si + B + content C + P, was recognized.
Des Weiteren sollen die typischerweise für Triebfedern in mechanischen Uhren eingesetzten Werkstoffe unmagnetisch sein, da sonst die Ganggenauigkeit oder die generelle Funktion der Uhr oder des Instrumentes durch äußere Magnetfelder bzw. magnetische Dämpfungseffekte beeinflusst wird.Furthermore, the materials typically used for mainsprings in mechanical watches should be non-magnetic, since otherwise the accuracy or the general function of the watch or the instrument would be influenced by external magnetic fields or magnetic damping effects.
Als Basismaterial für amorphe Legierungen sind, wie bereits erläutert, grundlegend die Elemente Fe, Co und Ni von Bedeutung. Diese Elemente sowie Legierungen davon sind bei Raumtemperatur ferromagnetisch, so dass durch die Wahl und den Gehalt der Legierungszusätze die Curietemperatur typischerweise in den Bereich von -20°C bis -50°C verschoben wird. Damit sind unmagnetische Eigenschaften des Federelementes in dem für Aufzugsfedern typischen Temperaturanwendungsbereich von 0°C bis +50°C sichergestellt.As already explained, the elements Fe, Co and Ni are fundamentally important as the base material for amorphous alloys. These elements and their alloys are ferromagnetic at room temperature, so that the choice and content of the alloying additions typically shifts the Curie temperature to the range from -20°C to -50°C. This ensures non-magnetic properties of the spring element in the typical temperature range of 0°C to +50°C for mainsprings.
Hier sind wiederum die erfindungsgemäßen Ni-Cr-Si-B-Legierungen besonders vorteilhaft, da das Chrom schon mit einem Gehalt von wenigen at.% effektiv die Curietemperatur absenkt.Here again the Ni-Cr-Si-B alloys according to the invention are particularly advantageous since the chromium effectively lowers the Curie temperature even with a content of a few at.%.
Für amorphe Legierungen, wie sie für die vorliegende Erfindung verwendet werden, kommen zusätzlich noch weitere Kriterien hinzu. Die Legierungen werden bevorzugt mit einem Schmelzspinverfahren in einer Dicke von 50-200µm als Band oder Folie hergestellt. Weiterhin weisen die Legierungen bevorzugt eine ausreichend hohe Kristallisationstemperatur auf, um eine temperaturinduzierte Formgebung in beispielsweise eine Spiralform durchführen zu können, ohne dass eine Kristallisation des amorphen Bandmaterials auftritt.For amorphous alloys, as used for the present invention, there are additional additional criteria. The alloys are preferably produced using a melt spinning process in a thickness of 50-200 µm as a strip or foil. Furthermore, the alloys preferably have a sufficiently high crystallization temperature in order to be able to carry out temperature-induced shaping, for example into a spiral shape, without crystallization of the amorphous strip material occurring.
Für die vorliegende Erfindung ist es daher besonders vorteilhaft, dass Legierungszusammensetzungen gewählt werden, deren Herstellbarkeit mittels Rascherstarrungstechnologie in einer Dicke von bevorzugt 50-200µm zuverlässig möglich ist.It is therefore particularly advantageous for the present invention that alloy compositions are selected which can be reliably produced using rapid solidification technology in a thickness of preferably 50-200 μm.
Zudem wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass die Oberflächenqualität von unter Vakuum oder Schutzgas hergestellten Legierungen, wie sie aus der
Ein weiteres Kennzeichen der erfindungsgemäßen amorphen Aufzugs- bzw. Triebfedern und deren Herstellung ist die temperaturinduzierte Einstellung der für Aufzugsfedern typischen S- und/oder Spiralform. Dieser Formgebungsschritt erfolgt typischerweise bei Temperaturen von 150-350°C. Die Temperatur dieses Formgebungsschrittes muss dabei ausreichend hoch sein, um die S- und/oder Spiralform einzustellen. Damit sind insbesondere amorphe Legierungen geeignet, welche eine Kristallisationstemperatur von größer 400°C, vorzugsweise größer 450°C aufweisen.A further characteristic of the amorphous winding or mainsprings according to the invention and their production is the temperature-induced setting of the S-shape and/or spiral shape typical of winding springs. This shaping step typically takes place at temperatures of 150-350°C. The temperature of this shaping step must be high enough to set the S and/or spiral shape. Amorphous alloys which have a crystallization temperature of greater than 400° C., preferably greater than 450° C., are therefore particularly suitable.
Neben den genannten Kriterien ist zudem aus Gründen der Umweltverträglichkeit in zunehmend verstärktem Maße darauf zu achten, dass keine giftigen oder für die Umwelt kritischen Legierungselemente verwendet werden. Dies betrifft im Bereich der amorphen Werkstoffe insbesondere das Element Beryllium (Be), welches als glasbildender Zusatz zum Einsatz kommen kann.In addition to the criteria mentioned, for reasons of environmental compatibility it is increasingly important to ensure that no toxic or environmentally critical alloying elements are used. In the field of amorphous materials, this applies in particular to the element beryllium (Be), which can be used as a glass-forming additive.
Unter Berücksichtigung der oben ausgeführten Eigenschaften und Eigenschaftszusammenhänge wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die vorgenannten Legierungszusammensetzungen bereitgestellt, da diese das für amorphe Aufzugsfedern gemäß der Erfindung angegebene Eigenschaftsprofil aufweisen.Taking into account the properties and property relationships set out above, the aforementioned alloy compositions were provided within the scope of the present invention, since they have the property profile specified for amorphous mainsprings according to the invention.
Um die für amorphe Federn und deren Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung angegebenen Eigenschaften zu erreichen, sind insbesondere Legierungen
mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus
0 Atom-% ≤ c ≤ 25,0 Atom-%,
2,0 Atom-% ≤ d ≤ 21,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ k ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ l ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ m ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ n ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni und/oder Co besteht, wobei 15,0 Atom-% < e + f + g + h < (0,033 · x2 - 1,2 · x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist, von Bedeutung.In order to achieve the properties specified for amorphous springs and their production according to the present invention, alloys are particularly important
with a composition consisting essentially of
0 at% ≤ c ≤ 25.0 at%,
2.0 at% ≤ d ≤ 21.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ g ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ h ≤ 20.0 at%,
0 at% ≤ i ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ k ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ l ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ m ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ n ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Balance Ni and/or Co, where 15.0 at% < e + f + g + h < (0.033 x 2 - 1.2 x + 32) at%, where x is the content of Cr in at -% is significant.
Weitere Legierungen, welche die für die erfindungsgemäße amorphe Aufzugsfeder angegebene Eigenschaftskombination aufweisen, sind Legierungen mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus
4,0 Atom-% ≤ b ≤ 21,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ c ≤ 10,0 Atom-%,
5,0 Atom-% ≤ d ≤ 18,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni besteht.Other alloys which have the combination of properties specified for the amorphous mainspring according to the invention are alloys with a composition which essentially consists of
4.0 at% ≤ b ≤ 21.0 at%,
0 at% ≤ c ≤ 10.0 at%,
5.0 at% ≤ d ≤ 18.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ f ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ g ≤ 5.0 at%,
0 at% ≤ h ≤ 5.0 at%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni exists.
Neben den Werkstoffeigenschaften können diese ebenfalls in einer Banddicke von 50-200µm als vollamorphes Band hergestellt werden und eine Kristallisationstemperatur größer 400°C aufweisen. Dabei erreichen die erstgenannten Legierungen typischerweise ein höheres Festigkeitsniveau als letztgenannte.In addition to the material properties, these can also be produced in a strip thickness of 50-200 µm as a fully amorphous strip and have a crystallization temperature greater than 400°C. The former alloys typically achieve a higher level of strength than the latter.
Die sogenannte Kraftmomentkennlinie stellt die Abhängigkeit des Kraftmomentes M einer Spiralfeder von der Windungszahl N dar und kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:
Werden Aufzugs- und Triebfedern in die in den
Dadurch erfüllen die erfindungsgemäßen amorphen Werkstoffe mit sehr hohen Festigkeiten und geringem Elastizitätsmodul die Anforderungen an einen Werkstoff für Aufzugsfedern bezüglich maximal speicherbarer Federenergie in besonders hohem Maße.As a result, the amorphous materials according to the invention, with very high strength and a low modulus of elasticity, meet the requirements for a material for winding springs with regard to maximum storable spring energy to a particularly high degree.
Für das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Herstellung der beispielsweise S- und/oder spiralförmigen Feder kommen dabei die bereits erläuterten Legierungszusammensetzungen gemäß der Erfindung zum Einsatz.The alloy compositions according to the invention that have already been explained are used for the method described below for producing the S-shaped and/or spiral spring, for example.
In einem Schritt 10 erfolgt ein Erschmelzen der Legierung, wobei die Legierung eine Zusammensetzung gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen aufweist.In a
Weiterhin erfolgt in einem Schritt 20 ein Urformen der erschmolzenen Legierung in ein amorphes Band bzw. in eine amorphe Folie. In der gezeigten Ausführungsform erfolgt das Urformen mittels Meltspin-Technologie, bei welcher die Metallschmelze auf ein rotierendes Kupferrad gespritzt wird. Dabei wird das amorphe Band bzw. die Folie in einer Dicke zwischen 50-200µm hergestellt. Um diese für amorphes Bandmaterial relativ hohen Banddicken zu erreichen, werden neben der erfindungsgemäßen Legierungsauswahl insbesondere die Herstellparameter Gießradgeschwindigkeit und Düsenschlitzdicke angepasst.Furthermore, in a
Um die besonders günstigen Eigenschaften des amorphen Werkstoff zustandes zu nutzen, ist darauf zu achten, dass das Material zumindest einen Amorphitätsgrad größer 80 % aufweist. Bevorzugt ist das Material vollständig amorph. Typische Breiten für mittels Meltspinnverfahren hergestelltem amorphem Bandmaterial liegen dabei im Bereich zwischen 20-100 mm. Das Bandmaterial wird typischerweise mit entsprechenden Wickelanlagen direkt an den Meltspinanlagen zu Rollen bzw. „Coils“ aufgewickelt.In order to use the particularly favorable properties of the amorphous state of the material, care must be taken to ensure that the material has at least a degree of amorphousness greater than 80%. The material is preferably completely amorphous. Typical widths for amorphous strip material produced using the melt spinning process are in the range between 20-100 mm. The strip material is typically wound into rolls or "coils" directly on the melt spin systems using appropriate winding systems.
Das amorphe Band wird in der gezeigten Ausführungsform in einem weiteren Schritt 30 auf die gewünschte Breite der Feder aufgeschnitten, aus welchem in weiteren Prozessschritten dann die beispielsweise spiralförmige Feder geformt wird. Das Schneiden ermöglicht eine einfache Realisierung eines Bandmaterials mit den für Aufzugsfedern benötigten engen Breitentoleranzen. Des Weiteren kann die Naturkante des amorphen Bandmaterials Defekte wie Kerben oder Riefen oder andere strukturellen Defekte aufweisen. Für höchstbelastete Spiralfedern wie sie mechanische Uhren erfordern ist zudem eine exakte Kantenqualität notwendig, da jegliche strukturellen Defekte - insbesondere an den Kanten des Federbändchens - beim späteren Einsatz der amorphen Feder zu einem Versagen durch Federbruch oder zu unzureichenden Federeigenschaften führen können. Die typischen Breiten für Federbändchen liegen dabei typischerweise zwischen 0,5-3,0 mm. Für das Schneiden von amorphem Bandmaterial sind insbesondere Zirkularscheren vorteilhaft.In the embodiment shown, the amorphous strip is cut open in a
In einem Schritt 40 wird das amorphe Bandmaterial auf eine Länge zwischen 200-1000 mm abgelängt.In a
Nach dem Ablängen wird das Federbändchen in einem Schritt 50 auf eine erste Halterung, beispielsweise auf einen Dorn, aufgewickelt und in einem Schritt 60 wärmebehandelt, um die für Aufzugsfedern typische, gegebenenfalls halb umgekehrte oder umgekehrte Spiralform einzuprägen. Für eine S-Form der Feder wird das amorphe Bandmaterial auf eine erste Halterung und eine zweite Halterung, bevorzugt auf einen Zwillingsdorn, aufgewickelt, wobei die Wickelrichtung auf den einzelnen Halterungen bzw. Dornen unterschiedlich ist.After cutting to length, the spring ribbon is wound onto a first holder, for example a mandrel, in a
Die Wärmebehandlung, welche vorzugsweise in Luft erfolgt, wird dabei bei einer Temperatur durchgeführt, welche auf der einen Seite hoch genug ist, damit die diffusionsgesteuerten Relaxationsprozesse ablaufen können und dadurch eine bleibende Einprägung der Spiral- oder S-Form einstellen zu können. Auf der anderen Seite ist darauf zu achten, dass diese Temperatur nicht zu hoch ist, um eine Kristallisation des metastabilen amorphen Zustandes zu vermeiden. Die Kristallisation beginnt dabei typischerweise auf der Oberfläche des amorphen Bandes, insbesondere an herstellungsbedingten Oberflächendefekten. Diese Kristallisation führt zu einer Versprödung des Federbändchens, wodurch es für den Einsatz als Spiralfeder ungeeignet ist.The heat treatment, which preferably takes place in air, is carried out at a temperature which is high enough on the one hand for the diffusion-controlled relaxation processes to take place and thus to be able to set a permanent impression of the spiral or S-shape. On the other hand care has to be taken that this temperature is not too high in order to avoid crystallization of the metastable amorphous state. The crystallization typically begins on the surface of the amorphous ribbon, in particular at surface defects caused by production. This crystallization causes the spring ribbon to become brittle, making it unsuitable for use as a spiral spring.
Die geeignete Temperatur dieser Wärmebehandlung wird dabei maßgeblich durch die Kristallisationstemperatur des amorphen Ausgangsmaterials bestimmt. Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, dass insbesondere der Temperaturbereich von 150-350°C für das Eintempern der S- oder Spiralform günstig ist. Damit sind insbesondere die genannten Legierungen vorteilhaft, da diese eine Kristallisationstemperatur größer 400°C, vorzugweise größer 450°C aufweisen können.The suitable temperature for this heat treatment is largely determined by the crystallization temperature of the amorphous starting material. It was found within the scope of the present invention that the temperature range of 150-350° C. is particularly favorable for tempering the S or spiral shape. The alloys mentioned are therefore particularly advantageous since they can have a crystallization temperature greater than 400.degree. C., preferably greater than 450.degree.
Weiterhin wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, dass bei amorphen Legierungen, welche eine Kristallisationstemperatur größer 400°C aufweisen, die formgebende Wärmebehandlung bevorzugt zwischen 0,3-0,7 Tx durchgeführt wird, wobei Tx die Kristallisationstemperatur darstellt. Dieser Temperaturbereich gewährleistet eine ausreichende Diffusion für die für die Formgebung erforderliche Relaxation, welche für das Einprägen der entsprechenden Aufzugsfederform benötigt wird. In diesem Temperaturbereich tritt noch keine Kristallisation des amorphen Materials auf, welche mit unerwünschter Sprödigkeit des Bandmaterials einhergeht.Furthermore, it was found within the scope of the present invention that in the case of amorphous alloys which have a crystallization temperature greater than 400° C., the shaping heat treatment is preferably carried out between 0.3-0.7 T x , where T x represents the crystallization temperature. This temperature range ensures sufficient diffusion for the relaxation required for shaping, which is required for impressing the corresponding mainspring shape. In this temperature range, there is still no crystallization of the amorphous material, which is associated with undesirable brittleness of the strip material.
Die Dauer der Wärmebehandlung beträgt in der gezeigten Ausführungsform, abhängig von der Temperatur der Wärmebehandlung, zwischen einer Minute und vier Stunden.In the embodiment shown, the duration of the heat treatment is between one minute and four hours, depending on the temperature of the heat treatment.
Im Gegensatz zu dem aus der
Im Folgenden werden Versuche und Versuchsergebnisse beschrieben, in denen Werkstoffeigenschaften von Beispiellegierungen mit Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung und mit nicht erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ermittelt und miteinander verglichen werden.Tests and test results are described below in which material properties of example alloys with compositions according to the present invention and with compositions not according to the invention are determined and compared with one another.
Beispiel 1example 1
Eine erfindungsgemäße Legierung der Zusammensetzung Ni67Cr6,5Fe2,5Si8B16 (in at.%) wird zunächst in einer Banddicke von 80 µm und einer Gießbreite von 25 mm mittels Meltspinverfahren als amorphes Bandmaterial hergestellt. Die Banddicke wird dabei insbesondere durch die Gießradgeschwindigkeit variiert und eingestellt. Ein Knicktest nach der Herstellung, in welchem das Bandmaterial vollständig geknickt werden kann, ohne zu brechen, belegt, dass das Band vollständig amorph bzw. einen Amorphitätsgrad von mindestens 80% aufweist. Dieses Band wird im Weiteren mittels Zircularscheren auf eine Bandbreite von 3,0 mm geschnitten.An alloy according to the invention with the composition Ni 67 Cr 6.5 Fe 2.5 Si 8 B 16 (in at.%) is first produced in a strip thickness of 80 μm and a casting width of 25 mm as an amorphous strip material by means of the melt spin process. The strip thickness is varied and adjusted in particular by the speed of the casting wheel. A buckling test after manufacture, in which the strip material can be completely kinked without breaking, proves that the strip is completely amorphous or has an amorphous degree of at least 80%. This strip is then cut to a strip width of 3.0 mm using circular shears.
Eine in
Somit weist dieses Material die für die weitere Verarbeitung zu einer Spiralfeder notwendige hohe Kristallisationstemperatur auf. Damit kann eine formgebende Wärmebehandlung bei 150-350 °C durchgeführt werden, ohne dass unerwünschte Kristallisation des Materials auftritt.This material therefore has the high crystallization temperature required for further processing into a spiral spring. This means that a shaping heat treatment can be carried out at 150-350 °C without undesired crystallization of the material occurring.
Beispiel 2example 2
Eine erfindungsgemäße Legierung der Zusammensetzung Ni61Cr18Si4P13B4 (in at.%) wird zunächst in einer Banddicke von 80 µm und einer Gießbreite von 25 mm mittels Meltspinverfahren als amorphes Bandmaterial hergestellt. Die Banddicke wird dabei insbesondere durch die Gießradgeschwindigkeit variiert und eingestellt. Ein Knicktest nach der Herstellung, in welchem das Bandmaterial vollständig geknickt werden kann ohne zu brechen, belegt, dass das Band vollständig amorph bzw. einen Amorphitätsgrad von mindestens 80% aufweist.An alloy according to the invention of the composition Ni 61 Cr 18 Si 4 P 13 B 4 (in at.%) is first produced in a strip thickness of 80 μm and a casting width of 25 mm as an amorphous strip material by means of the melt spin process. The strip thickness is varied and adjusted in particular by the speed of the casting wheel. A buckling test after production, in which the strip material can be completely kinked without breaking, proves that the strip is completely amorphous or has an amorphous degree of at least 80%.
Eine in
Neben den günstigen Herstelleigenschaften, welche Banddicken von 50-200µm ermöglichen, weist diese Legierung die für weitere Verarbeitung zu einer Spiralfeder notwendige hohe Kristallisationstemperatur auf. Damit kann eine formgebende Wärmebehandlung bei 150-350°C durchgeführt werden, ohne dass unerwünschte Kristallisation des Materials auftritt.In addition to the favorable manufacturing properties, which enable strip thicknesses of 50-200 µm, this alloy has the high crystallization temperature required for further processing into a spiral spring. This means that a shaping heat treatment can be carried out at 150-350°C without undesired crystallization of the material occurring.
Beispiel 3Example 3
Verschiedene erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße Legierungen werden in einer Gießbreite von 25 mm mittels Meltspinverfahren als amorphes Bandmaterial hergestellt. Anschließend werden die mechanischen Eigenschaften mittels Härtemessung bestimmt. Da die Messung der mechanischen Eigenschaften von amorphem Bandmaterial sehr sensibel auf Scherkräfte reagiert und diese das Messergebnis signifikant beeinflussen können, wird neben dem Zugversuch auch die Härtemessung als einfaches und reproduzierbares Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von amorphem Bandmaterial eingesetzt.Various alloys according to the invention and not according to the invention are produced as amorphous strip material in a casting width of 25 mm by means of melt spinning processes. The mechanical properties are then determined by hardness measurement. Since the measurement of the mechanical properties of amorphous strip material is very sensitive to shear forces and these can significantly influence the measurement result, hardness measurement is used in addition to the tensile test as a simple and reproducible method for determining the mechanical properties of amorphous strip material.
In Tabelle 1 sind neben der chemischen Zusammensetzung die mechanische Festigkeit (HV0,5) sowie Angaben, ob die Legierung in der für Aufzugsfedern relevanten Dicke größer 50 µm hergestellt werden können, zusammengefasst.
Aus Tabelle 1 wird erkennbar, dass insbesondere die erfindungsgemäßen amorphen Beispiellegierungen 1 bis 3 eine sehr hohe Härte und somit mechanische Festigkeit aufweisen, wie sie für Werkstoff, welche in Aufzugsfedern zum Einsatz kommen, gefordert wird. Außerdem erfüllen diese Legierungen mit möglichen Banddicken von größer 50 µm auch das gewünschte Herstellungskriterium. Die erfindungsgemäßen Beispiellegierungen 5 bis 7 können ebenfalls in diesen Dicken hergestellt werden, erreichen dabei jedoch nicht das Festigkeitsniveau der Beispiellegierungen 1 bis 3. Die Beispiellegierungen 8 und 9 zeichnen sich zwar durch die höchsten Festigkeiten aus, deren Herstellung in einer Banddicke größer 50 µm ist jedoch nicht möglich.It can be seen from Table 1 that the
Beispiel 4example 4
Verschiedene Legierungen, welche sich als besonders geeignet für die vorliegende Erfindung erwiesen haben, werden in einer Gießbreite von 25 mm mittels Meltspinverfahren als amorphes Bandmaterial hergestellt. Insbesondere durch Variation der Gießradgeschwindigkeit wird die Banddicke variiert. Durch einen Knicktest nach der Herstellung wird die maximale mögliche Banddicke mit vollständig amorpher Struktur ermittelt. Die aufgeführten Legierungen können in dem besonders vorteilhaften Dickenbereich von 50-200µm mit weitestgehend amorpher Mikrostruktur hergestellt werden. Tabelle 2: Maximal mögliche Banddicken von verschiedenen amorphen Legierungen, welche sich als besonders geeignet für die vorliegende Erfindung erwiesen haben
Beispiel 5Example 5
Eine erfindungsgemäße Legierung der Zusammensetzung Ni67Cr6,5Fe2,5Si8B16 (in at.%), welche eine Kristallisationstemperatur von 500°C aufweist, wird zunächst in einer Banddicke von 100 µm als amorphes Bandmaterial hergestellt. Dieses Bandmaterial wird durch Zircularscheren auf eine Breite von 3,0 mm aufgeschnitten. Nach dem Ablängen des amorphen Bandes auf 25 cm wird das Bandmaterial auf einen Edelstahldorn mit einem Durchmesser von 15 mm aufgewickelt und bei verschiedenen Temperaturen an Luft für eine Stunde wärmebehandelt.An alloy according to the invention with the composition Ni 67 Cr 6.5 Fe 2.5 Si 8 B 16 (in at.%), which has a crystallization temperature of 500° C., is first produced in a strip thickness of 100 μm as an amorphous strip material. This strip material is cut open to a width of 3.0 mm using circular shears. After cutting the amorphous ribbon to 25 cm, the ribbon material is wound onto a stainless steel mandrel with a diameter of 15 mm and heat-treated in air at various temperatures for one hour.
Nach dem Wärmebehandeln wird der durch Relaxation des Bandmaterials eingetemperte Durchmesser des Federmaterials gemessen und durch einen Knicktest die vollständige Amorphizität überprüft. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse dargestellt.After the heat treatment, the diameter of the spring material tempered by relaxation of the strip material is measured and the complete amorphousness is checked by a buckling test. Table 3 shows the results.
Es wird erkennbar, dass insbesondere Temperaturen im Bereich von 150-350°C geeignet sind, um eine Spiralform in das Federbändchen mittels temperaturinduzierter Relaxationsprozesse einzuprägen. Bei Temperaturen kleiner 150°C reicht die Temperatur nicht aus, um die Diffusion zu aktivieren und damit eine Spiralform einzustellen. Bei Temperaturen größer 350°C beginnt bereits die Kristallisation einzelner Oberflächenkristallite, wodurch das Band im Knicktest bereits spröde bricht.
Die vorliegende Erfindung stellt somit Aufzugsfedern aus einer amorphen Metalllegierung sowie ein entsprechendes Verfahren zu deren Herstellung bereit.The present invention thus provides winding springs made from an amorphous metal alloy and a corresponding method for their production.
Ausgangsbasis für Aufzugsfedern gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein amorphes Bandmaterial, welches zunächst bevorzugt mit einem Schmelzspinnverfahren als kontinuierliches Band oder Folie in einer Dicke von typischerweise 50-200µm hergestellt wird.The starting point for winding springs according to the present invention is an amorphous strip material, which is initially preferably produced using a melt spinning process as a continuous strip or film with a thickness of typically 50-200 μm.
Nach dem bevorzugt erfolgenden Schneiden des amorphen Breitbandes auf die gewünschte Breite des Federelementes oder dem Kantenschleifen wird das Bandmaterial durch Wickeln beispielsweise auf einen Dorn fixiert und bei einer Temperatur unterhalb der Kristallisationstemperatur des amorphen Ausgangsmaterials zwischen 150-400°C wärmebehandelt, um die für Triebfedern erforderliche Form (Spiral-, halb umgekehrte Spiral-, umgekehrte Spiral- oder S-Form) einzutempern.After the amorphous wide strip has been preferably cut to the desired width of the spring element or edge-ground, the strip material is fixed by winding, for example onto a mandrel, and heat-treated at a temperature below the crystallization temperature of the amorphous starting material between 150-400°C to achieve the temperature required for mainsprings shape (spiral, half-inverted spiral, inverted spiral or S-shape).
Als Material für amorphe Aufzugsfedern gemäß der Erfindung kommen die oben genannten Legierungszusammensetzungen zum Einsatz, da sie eine hohe mechanische Festigkeit und einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul besitzen und damit ein hohes Energiespeichervermögen der Aufzugsfeder ermöglichen. Zudem sind die genannten Legierungen oxidations- und korrosionsbeständig sowie auch bei den typischen Einsatztemperaturen der Aufzugsfeder unmagnetisch, d.h. nicht-ferromagnetisch.The above-mentioned alloy compositions are used as the material for amorphous mainsprings according to the invention, since they have high mechanical strength and a relatively low modulus of elasticity and thus enable the mainspring to have a high energy storage capacity. In addition, the alloys mentioned are resistant to oxidation and corrosion and also non-magnetic, ie non-ferromagnetic, at the typical operating temperatures of the mainspring.
Des Weiteren können sie in einer Banddicke zwischen 50-200µm beispielsweise mittels Schmelzspinnverfahren als amorphes Bandmaterial hergestellt werden, was ebenfalls von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist. Diese amorphen Legierungen weisen zudem eine ausreichend hohe Kristallisationstemperatur Tx im Bereich von 400-600°C auf, wodurch die erfindungsgemäße Formgebung der amorphen Federn bei eine Temperatur zwischen bevorzugt 150°C und weniger als 400°C möglich ist, ohne dass für die mechanischen Eigenschaften des amorphen Bandmaterials unerwünschte Kristallisation auftritt. Furthermore, they can be produced in a strip thickness between 50-200 μm as an amorphous strip material, for example by means of melt spinning processes, which is also of particular importance for the present invention. These amorphous alloys also have a sufficiently high crystallization temperature T x in the range of 400-600 ° C, whereby the inventive shaping of the amorphous springs at a temperature between preferably 150 ° C and less than 400 ° C is possible without the mechanical Properties of the amorphous strip material undesired crystallization occurs.
Die Aufzugsfeder weist dabei eine amorphe Legierung auf, deren Zusammensetzung in vorteilhafter Weise eine großtechnische Herstellung und/oder Verarbeitung an Luft, d.h. insbesondere unter normalen atmosphärischen Bedingungen, ermöglicht.The mainspring has an amorphous alloy whose composition advantageously enables large-scale production and/or processing in air, i.e. in particular under normal atmospheric conditions.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Aufzugsfedermainspring
- 22
- Aufzugsfedermainspring
- 33
- Aufzugsfedermainspring
- 44
- Aufzugsfedermainspring
- 1010
- SchrittStep
- 2020
- SchrittStep
- 3030
- SchrittStep
- 4040
- SchrittStep
- 5050
- SchrittStep
- 6060
- SchrittStep
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