DE1119313B

DE1119313B - Material for objects with a low temperature dependence of the elasticity module

Info

Publication number: DE1119313B
Application number: DEW10780A
Authority: DE
Inventors: Morris Eugene Fine
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1952-07-19
Filing date: 1953-03-14
Publication date: 1961-12-14

Description

Werkstoff für Gegenstände mit geringer Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls Die Erfindung betrifft Metallegierungen und daraus hergestellte Gegenstände, deren Elastizitätsmodul in einem gewissen Temperaturbereich nur geringen Schwankungen unterliegen soll.Material for objects with low temperature dependence of the Modulus of Elasticity The invention relates to metal alloys and those made therefrom Objects whose modulus of elasticity is only low in a certain temperature range Should be subject to fluctuations.

Vorrichtungen, die auf Gund elastischer Verformung von Metallgliedern arbeiten, wie z. B. Spiral-Haarfedern für Taschen- und Wanduhren, Federn für Meßzwecke oder zum Ausüben einer Kraft bzw. mechanische Schwingungselemente, wie Zungenfedern oder Stimmgabeln., sind oftmals dazu bestimmt, unter wechselnden Temperaturbedingungen zu arbeiten. Ergibt sich dabei noch die Forderung, daß ihre Arbeitscharakteristik unter den wechselnden Bedingungen weitgehend konstant bleibt, so muß das Metallglied ein Körper sein, dessen Elastizitätsmodul sich innerhalb des Temperaturbereichs, dem die Vorrichtung ausgesetzt sein kann, nur sehr wenig ändert. Entsprechend dem Stand der Technik sind bereits Metallegierungen bekannt, deren Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur Nullwerte aufweist und in einem beachtlichen Temperaturbereich nur geringe Abweichungen zeigt. Diese Legierungen sind jedoch alle ferromagnetischer Natur und besitzen --verhältnismäßig hohe magnetische Sättigungswerte. Für viele Zwecke ist es demgegenüber gerade wünschenswert, daß der Ferromagnetismus von Bauteilen, deren Arbeitsweise auf ihrer elastischen Verformung beruht, möglichst klein gehalten wird, so daß die bekannten Legierungen nicht in allen Fällen voll befriedigen können. Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb das Ziel gesetzt, einen Werkstoff verfügbar zu machen, mit dem dieser Nachteil beseitigt werden kann.Devices based on elastic deformation of metal links work, such as B. spiral hairsprings for pocket and wall clocks, springs for measuring purposes or to exert a force or mechanical vibration elements such as tongue springs or tuning forks., are often designed to work under changing temperature conditions to work. There is also the requirement that their working characteristics remains largely constant under the changing conditions, the metal link must be a body whose modulus of elasticity is within the temperature range, to which the device may be exposed changes very little. According to that Metal alloys are already known from the prior art, their modulus of elasticity has zero values at room temperature and in a considerable temperature range shows only minor deviations. However, these alloys are all more ferromagnetic Nature and have - relatively high magnetic saturation values. For many Purposes, on the other hand, it is desirable that the ferromagnetism of components, whose mode of operation is based on their elastic deformation, kept as small as possible is, so that the known alloys can not fully satisfy in all cases. The present invention has therefore set itself the goal of making a material available to make, with which this disadvantage can be eliminated.

Bei der Lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß die beim Auftragen des Elastizitätsmoduls der obengenannten Legierungen in Abhängigkeit von der Temperatur entstehende Kurve ein Minimum zeigt, in dem sich der Modul nicht mit der Temperatur ändert. Eine Verbesserung läßt sich noch dadurch erzielen, daß die Kurve in der Nachbarschaft des Minimums so flach wie möglich gemacht wird, indem die Zusammensetzung genau kontrolliert und die Legierung einer Kaltverformung unterworfen wird. Je flacher die Kurve zu beiden Seiten des Minimums ist, desto breiter ist der Temperaturbereich, in dem der Koeffizient einen niedrigen Wert behält.In solving the problem, it is assumed that the when applying the modulus of elasticity of the above alloys as a function of temperature The resulting curve shows a minimum in which the module does not move with temperature changes. An improvement can still be achieved in that the curve in the Neighborhood of the minimum is made as flat as possible by adding the composition precisely controlled and the alloy is subjected to cold working. The flatter the curve is on both sides of the minimum, the wider the temperature range, in which the coefficient remains low.

Die Erfindung macht sich weiterhin die Tatsache zunutze, daß diese und ähnliche Legierungen in der Elastizitätsmodul-Temperatur-Kurve auch ein Maximum zeigen, das in unmittelbarer Nachbarschaft der Curie-Temperatur auftritt, und zwar bei einer wesentlich höheren Temperatur als das Minimum. Das Maximum ist also auch ein Bereich, in dem sich der Modul nicht mit der Temperatur ändert und bei welcher der Temperaturkoeffizient gleichermaßen Null ist. Die Nähe der Cune-Temperatur ergibt zudem die gewünschte niedrige magnetische Sättigung, während die ferromagnetischenEigenschaften erhalten bleiben.The invention further takes advantage of the fact that this and similar alloys also have a maximum in the elastic modulus-temperature curve show that occurs in the immediate vicinity of the Curie temperature, namely at a much higher temperature than the minimum. So the maximum is too a range in which the module does not change with temperature and at which the temperature coefficient is equally zero. The proximity of the cune temperature gives also the desired low magnetic saturation, while the ferromagnetic properties remain.

Im Hinblick auf den mit der Erfindung verfolgten Zweck kommt es nun darauf an, durch entsprechende Zusammensetzungen des Werkstoffs das Maximum so zu verschieben, daß es bei einer Temperatur in Nähe der Zimmertemperatur, wie z. E. zwischen 0 und 50° C bzw. zwischen 15 und 35° C, oder in der Nähe der Betriebstemperatur des Elementes oder der Einrichtung zu liegen kommt. Gleichzeitig mit dem Maximum verlagert sich auch die Curie-Temperatur in diesen unteren Bereich, weil diese beiden Größen immer in Abhängigkeit zueinander stehen. Wie oben für das Minimum beschrieben, kann die Kurve auch am Maximum flacher gestaltet werden, indem die Legierungen noch in bekannter Weise kalt verformt werden. Damit wird der niedrige Wert des Temperaturkoeffizienten über einen größeren Temperaturbereich verbreitert, und man erhält Legierungen geringer magnetischer Sättigung, deren Elastizitätsmodul in einem beachtlichen Temperaturbereich nur geringen Schwankungen unterliegt. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung bestehen aus Eisen, Nickel und einem oder mehreren der Metalle Molybdän, Chrom und Wolfram aus der Gruppe VIb des Periodischen Systems der Elemente, mit oder ohne Zusatz modifizierender Bestandteile, wie weiter unten ausgeführt wird. Diese Legierungen sind für die Zwecke vorliegender Erfindung geeignet, wenn ihre Anteile so bemessen _sind, daß ihre Zusammensetzung bei der Darstellung in einem dreiachsigen Koordinatensystem mit den drei Koordinaten Gewichtsprozente Nickel, Gewichtsprozente Eisen und Gewichtsprozente eines Metalls der Gruppe Molybdän, Chrom, Wolfram in. das Gebiet eines Sechsecks fällt, das durch gerade Verbindungslinien der Punkte nachfolgender Zusammensetzung in der aufgeführten Reihenfolge umgrenzt wird. Punkte Zusammensetzung in Prozenten Ni I Mo, Cr, W I Fe A 28 8 64 B 28 13 59 C 36 20 44 D 39 20 41 E 39 16 45 F 32 9 59 Vorzugsweise fallen die Legierungen in ein Fünfeck, das durch gerade Verbindungslinien der Punkte in der aufgeführten Reihenfolge umgrenzt wird, die die nachstehende Zusammensetzung wiedergeben: Punkte Zusammensetzung in Prozenten Ni Mo, Cr, W I Fe G 28 8 64 H 28 13 59 J 36 20 44 K 36 13 51 L 32 9 59 Noch zweckdienlicher ist es, die Legierungszusammensetzungen in das Viereck fallen zu lassen, das durch aufeinanderfolgende Verbindungslinien der Punkte nachstehender Zusammensetzung entsteht. Punkte Zusammensetzung in Prozenten Ni Mo, Cr, W Fe M 29 8,5 62,5 N 29 13 58 O 33 14 53 P 33 10 57 Bei Legierungen, die in die oben bezeichneten Bereiche fallen, sollte der Anteil an Molybdän oder Chrom 13 Gewichtsprozent nicht übersteigen, da größere Mengen Neigung zum Ausseigem und zur Bildung einer zweiten Phase haben. Größere Anteile von Kombinationen dieser Elemente, wie Molybdän und Chrom, Molybdän und Wolfram, Chrom und Wolfram oder Molybdän, Chrom und Wolfram, können innerhalb der Grenzen der obenerwähnten Zusammensetzungsgebiete verwendet werden.In view of the purpose pursued with the invention, it is now important to shift the maximum by appropriate compositions of the material so that it is at a temperature close to room temperature, such as. E. between 0 and 50 ° C or between 15 and 35 ° C, or in the vicinity of the operating temperature of the element or the device comes to lie. Simultaneously with the maximum, the Curie temperature also shifts to this lower range, because these two quantities are always dependent on one another. As described above for the minimum, the curve can also be made flatter at the maximum by cold working the alloys in a known manner. In this way, the low value of the temperature coefficient is broadened over a larger temperature range, and alloys with low magnetic saturation are obtained, the modulus of elasticity of which is subject to only slight fluctuations in a considerable temperature range. The alloys of the present invention consist of iron, nickel and one or more of the metals molybdenum, chromium and tungsten from Group VIb of the Periodic Table of the Elements, with or without the addition of modifying constituents, as will be explained below. These alloys are suitable for the purposes of the present invention if their proportions are dimensioned such that their composition when represented in a three-axis coordinate system with the three coordinates weight percent nickel, weight percent iron and weight percent of a metal from the group molybdenum, chromium, tungsten in Area of a hexagon that is delimited by straight lines connecting the points of the following composition in the order listed. Points composition in percent Ni I Mo, Cr, WI Fe A 28 8 64 B 28 13 59 C 36 20 44 D 39 20 41 E 39 16 45 F 32 9 59 Preferably, the alloys fall into a pentagon, which is delimited by straight connecting lines of the points in the listed order, which reflect the following composition: Points composition in percent Ni Mo, Cr, WI Fe G 28 8 64 H 28 13 59 J 36 20 44 K 36 13 51 L 32 9 59 It is even more useful to let the alloy compositions fall into the square formed by successive lines connecting the points of the composition below. Points composition in percent Ni Mo, Cr, W Fe M 29 8.5 62.5 N 29 13 58 O 33 14 53 P 33 10 57 In the case of alloys that fall into the above-mentioned ranges, the proportion of molybdenum or chromium should not exceed 13 percent by weight, since larger amounts tend to separate and form a second phase. Greater proportions of combinations of these elements, such as molybdenum and chromium, molybdenum and tungsten, chromium and tungsten, or molybdenum, chromium and tungsten, can be used within the limits of the above-mentioned composition ranges.

Wenn die Legierungen ternäre Eisen-Nickel Molybdän-Legierungen sind, denen modifizierende Bestandteile, wie weiter unten ausgeführt, zugesetzt werden können, so liegen die relativen Anteile der drei Hauptbestandteile in den Grenzen 8,5 bis 1111/o Molybdän, 29 bis 31'% Nickel und Eisen als Rest.If the alloys are ternary iron-nickel molybdenum alloys, to which modifying ingredients, as set out below, are added can, the relative proportions of the three main components are within the limits 8.5 to 1111 / o molybdenum, 29 to 31% nickel and the remainder iron.

In den Legierungen der vorliegenden Erfindung werden Curiepunkt und das Maximum des Moduls (mit Nullwert des Temperaturkoeffizienten) mit abnehmendem Nickelgehalt und zunehmendem Gehalt an Molybdän, Chrom und Wolfram nach tieferen Temperaturen verschoben. Man kann daher durch Festlegung der relativen Anteile von Nickel zu Molybdän, Chrom oder Wolfram den Punkt des Nullwertes für den Temperaturkoeffizienten, das Maximum des Moduls, zwingen, bei der gewünschten Temperatur aufzutreten.In the alloys of the present invention, the Curie point and the maximum of the module (with zero value of the temperature coefficient) with decreasing Nickel content and increasing content of molybdenum, chromium and tungsten after deeper Temperatures shifted. One can therefore determine the relative proportions of Nickel to molybdenum, chromium or tungsten the point of zero value for the temperature coefficient, the maximum of the module, force it to occur at the desired temperature.

Um einen niedrigen Temperaturkoeffizienten über einen breiten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten, ist es wünschenswert, daß die Kurve des Moduls gegen die Temperatur in der Nachbarschaft des größten Moduls, wie oben dargelegt, so flach wie möglich verläuft. Je größer das Nickel-Eisen-Verhältnis in der Legierung ist, desto flacher ist die Kurve. Es ist daher wünschenswert, daß ein möglichst hoher Nickelgehalt verwendet wird, um den Punkt des Modulmaximums bei der gewünschten Temperatur zu erhalten.To have a low temperature coefficient over a wide temperature range To maintain, it is desirable that the curve of the modulus versus temperature in the vicinity of the largest module, as set out above, as flat as possible runs. The greater the nickel-iron ratio in the alloy, the shallower it is is the curve. It is therefore desirable that the nickel content be as high as possible is used to get the point of modulus maximum at the desired temperature obtain.

Wie oben angedeutet, wird die Kurve auch durch Kaltverformung der Legierung flacher gestaltet. Diese Behandlung wird durchgeführt, indem man sie zuerst einer Kaltverformung, wie Recken, Walzen, Ziehen od. dgl., unterwirft, das ihren Querschiff vermindert, und sie dann einer Anlaßbehandlung bei einer Temperatur unterwirft, die beträchtlich über jeder etwa zu erwartenden Temperatur liegt, der die Gegenstände während ihres normalen Gebrauchs unterworfen sind. Die Querschnittsverminderung durch Kaltverformung sollte wenigstens 30/9 und vorzugsweise wenigstens 5'% betragen, um die gewünschte Wirkung auf die Legierung zu erhalten. Die obere Grenze der Kaltverformung ist lediglich durch den Grad gegeben, den die Legierung ohne Rißbildung erträgt. Diese Kaltverformung ermöglicht die erforderliche Verbreiterung des niedrigen Temperaturkoeffizienten des Elastiztätsmoduls der obenerwähnten Legierungen über den obenerwähnten breiten Temperaturbereich.As indicated above, the curve is also formed by cold deformation of the Alloy designed flatter. This treatment is done by getting it first a cold deformation, such as stretching, rolling, drawing od Transept diminished, and then subjected to a tempering treatment at a temperature which is considerably above any expected temperature at which the objects are subject to during their normal use. The reduction in cross section by cold deformation should be at least 30/9 and preferably at least 5%, to get the desired effect on the alloy. The upper limit of cold deformation is given only by the degree to which the alloy can withstand without cracking. This cold deformation enables the required broadening of the low temperature coefficient of the modulus of elasticity of the above-mentioned alloys over the above-mentioned widths Temperature range.

Im kaltverformten Zustand wird jedoch der Elastizitätsmodul durch einen Wechsel im Kristallgefüge der Legierung geändert, wenn die Temperatur über diejenige steigt, bei der die Kaltverformung erfolgte. Um die Legierung gegen einen solchen Wechsel des Moduls zu stabilisieren, ist es notwendig, sie einer Anlaßbehandlung bei einer Temperatur oberhalb derer zu unterwerfen, der die Legierung während ihres normalen Gebrauchs ausgesetzt ist, aber unterhalb der Temperatur der völligen Rekristallisation der Legierung. So ist es bei einem Arbeitsbereich bis 50° C notwendig, daß der kaltverformte Körper bei einer 50° C wesentlich übersteigenden Temperatur, wie etwa 100 oder 150° C, angelassen wird. Gewöhnlich wird dies Anlassen in dem Bereich 200 bis 750° C stattfinden oder vorzugsweise im Bereich 300 bis 600° C, um eine genügende Sicherheitsspanne für die meisten Arbeitsbereiche vorzusehen. Eine passende Anlaßtemperatur, die gute Ergebnisse zeitigt, ist 400° C. Die Anlaßzeit ist nicht kritisch, da es nur notwendig ist, daß alle Teile des Körpers die Anlaßtemperatur erreichen können. Eine passende Anlaßzeit liegt zwischen 1 und 5 Stunden.In the cold-deformed state, however, the modulus of elasticity is reduced a change in the crystal structure of the alloy changed when the temperature was above the one at which the cold deformation took place increases. To the alloy against one To stabilize such a change of module, it is necessary to give it a tempering treatment at a temperature above that to which the alloy will be subjected during its exposed to normal use but below the temperature of full recrystallization the alloy. For a working range up to 50 ° C it is necessary that the cold-formed Body at a temperature significantly higher than 50 ° C, such as 100 or 150 ° C, is started. Usually this will be tempering in the range of 200 to 750 ° C take place or preferably in the range 300 to 600 ° C, around a sufficient safety margin for to provide for most work areas. A suitable tempering temperature, the good one Producing results is 400 ° C. The tempering time is not critical as it is only necessary is that all parts of the body can reach tempering temperature. A fitting The tempering time is between 1 and 5 hours.

Die Legierungen sind oben als aus Eisen, Nickel und einem oder mehreren der Metalle Molybdän, Chrom und Wolfram bestehend beschrieben worden. Diesen Grundlegierungen können bestimmte modifizierende Bestandteile in einer Gesamtmenge bis zu 10'% oder mehr, vorzugsweise 50/a zugesetzt werden, die die übrigen Eigenschaften der Legierung ändern oder die als Streckungsmittel dienen, die aber keine besondere Wirkung auf den Wechsel des Elastizitätsmoduls mit der Temperatur haben. So können bis 2% Mangan zur Verbesserung der Verformungseigenschaften der Legierungen zugesetzt werden. Vorzugsweise sind zwischen 0,25 und 19/o Mangan für diesen Zweck vorhanden. Bis 0,25% Kohle, bis 6 9/o Aluminium und bis 5 9/o Silizium können in den Legierungen vorhanden sein und dienen zur Härtung wie auch zur Beeinflussung gewisser anderer Eigenschaften. Schließlich können zufällige Verunreinigungen, die keinen Einfluß auf den Elastizitätsmodul haben, zugegen sein, jedoch in einer Gesamtmenge von weniger als 2% und vorzugsweise weniger als 19/o.The alloys above are made up of iron, nickel and one or more the metals molybdenum, chromium and tungsten have been described. These base alloys can contain certain modifying ingredients in a total amount of up to 10 '% or more, preferably 50 / a, can be added to the remaining properties of the alloy change or which serve as an extender, but which have no special effect on have the change of the modulus of elasticity with the temperature. So can up to 2% manganese can be added to improve the deformation properties of the alloys. Preferably between 0.25 and 19% of manganese is present for this purpose. To 0.25% carbon, up to 6 9 / o aluminum and up to 5 9 / o silicon can be used in the alloys exist and serve to harden as well as to influence certain others Properties. Finally, there can be accidental impurities that have no effect on the modulus of elasticity have to be present, but in a total amount of less than 2% and preferably less than 19%.

Ein besonders geeigneter Legierungsansatz wurde mit einer Zusammensetzung von 10% Molybdän, 30 0/a Nickel, 0,75% Mangan, Eisen als Rest zusammen mit zufälligen Verunreinigungen hergestellt. Diese Legierung hatte nach dem Kaltwalzen mit 56'% Querschnittsminderung und Anlassen bei 400° C einen Curiepunkt von etwa 85° C und zeigte eine Änderung des Elastizitätsmoduls von weniger als 0,1% des Wertes bei 25° C für das Temperaturintervall von 0 bis 50° C. Bei 25° C betrug die magnetische Sättigung der Legierung 300 Gauß. Im Temperaturbereich von 0 bis 50° C variierte die magnetische Sättigung von 600 bis 200 Gauß.One particularly suitable alloy approach has been to use a composition of 10% molybdenum, 30 0 / a nickel, 0.75% manganese, iron as the remainder along with random Impurities produced. After cold rolling, this alloy had 56% Reduction of cross section and tempering at 400 ° C has a Curie point of about 85 ° C and showed a change in the modulus of elasticity of less than 0.1% of the value 25 ° C for the temperature range from 0 to 50 ° C. At 25 ° C the magnetic was Alloy saturation 300 Gauss. In the temperature range from 0 to 50 ° C varied the magnetic saturation from 600 to 200 Gauss.

Andere gewünschte Legierungen mit vergleichbaren Eigenschaften nach ähnlicher Behandlung sind eine Legierung von 11% Wolfram, 35% Nickel, 0,759/o Mangan und Eisen als Rest mit zufälligen Verunreinigungen, eine Legierung von 129/o Chrom, 34% Nickel, 0,75!% Mangan und Eisen als Rest zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und eine Legierung mit 89/o Molybdän, 4,% Chrom, 33% Nickel, 0,75% Mangan und Rest Eisen zusammen mit zufälligen Verunreinigungen.Other desired alloys with comparable properties after Similar treatment is an alloy of 11% tungsten, 35% nickel, 0.759% manganese and iron as the remainder with incidental impurities, an alloy of 129 / o chromium, 34% nickel, 0.75% manganese and iron as the remainder along with incidental impurities and an alloy with 89 / o molybdenum, 4.1% chromium, 33% nickel, 0.75% manganese and the remainder Iron along with incidental impurities.

Die Behandlung von Legierungen, die in dem beschriebenen Bereich liegen, innerhalb des oben auseinandergesetzten Behandlungsbereichs ergibt einen Elastizitätsmodul, der um nicht weniger als 0,5% schwankt oder nicht mehr als 0,25% für Legierungen innerhalb des obigen Vierecks im Temperaturbereich 0 bis 50°C. Bei der Auswahl der Legierungszusammensetzungen und Behandlungsbedingungen in diesem Bereich können noch beträchtlich kleinere Änderungen des Moduls erreicht werden.The treatment of alloys that are in the range described, within the treatment area set out above results in a modulus of elasticity, which varies by not less than 0.5% or not more than 0.25% for alloys within the above square in the temperature range 0 to 50 ° C. When choosing the Alloy compositions and treatment conditions in this range can considerably smaller changes to the module can still be achieved.

Nachdem nun die Erfindung in ihrer besonderen Ausführungsform beschrieben ist und Abänderungen oder gleichartige Maßnahmen dem Fachmann bekannt sind, sollen die Ausführungsbeispiele lediglich die Erfindung erläutern und keine Begrenzung des Erfindungsumfangs darstellen.Now that the invention has been described in its particular embodiment and modifications or similar measures are known to the person skilled in the art the exemplary embodiments merely explain the invention and not a limitation represent the scope of the invention.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Material for objects whose temperature is dependent of the modulus of elasticity in the range from 0 to 50 ° C should not be greater than 0.259 / o may and must have a maximum within this range, consisting of one Chromium-nickel-iron, molybdenum, nickel-iron or tungsten-nickel-iron alloy with up to 0.25% carbon, up to 2% manganese, up to 5% silicon and up to 6% aluminum, which are cold-formed with at least 3% reduction in cross-section and then is annealed at around 400 ° C, characterized in that the contents of nickel, Iron and chromium, molybdenum or tungsten in a field of the relevant three-component system which is determined by the following four cornerstones: (1) 290 / a nickel, 62.5% Iron and 8.5% molybdenum, chromium or tungsten, (2) 29% nickel, 58% iron and 13% molybdenum, chromium or tungsten, (3) 33% nickel, 53% iron and 14% molybdenum, Chromium or tungsten, (4) 339 / o nickel, 57% iron and 10% molybdenum, chromium or tungsten.

2. Material according to claim 1, characterized in that it is made of an alloy with 29 to 32% nickel, 8.5 to 11% molybdenum, up to 29% manganese and the remainder iron with the usual impurities.

3. Material according to claim 1, characterized characterized in that it is made of an alloy with 309 / o nickel, 10% molybdenum "än, up to 2% manganese and the remainder iron with the usual impurities. In. Consideration Drawn pamphlets: French patent specification no: 563 419.