DE1237328B

DE1237328B - Verwendung einer Eisen-Nickellegierung fuer Federn mit sehr kleinen Temperaturkoeffizienten

Info

Publication number: DE1237328B
Application number: DE1959J0016914
Authority: DE
Inventors: Dr H C Reinhard Straumann
Original assignee: Institut Straumann AG
Current assignee: Institut Straumann AG
Priority date: 1958-09-04
Filing date: 1959-08-31
Publication date: 1967-03-23
Also published as: DE1783139B1; DE1783139C2

Description

Verwendurt- einer Eisen-Nickellegierung für Federn mit sehr kleinen Temperatarkoeffizienten Es sind bereits eine Reihe von Legierungen bekanntgeworden, aus denen thermokompensierende Federn hergestellt werden können. Als»therinokompensierend« wird dabei eine Feder bezeichnet, deren Elastizitätsmodul über einen gewissen Temperaturbereich nicht oder nur weni.' von der Temperatur abhängt. Dies hat zur Folge, daß bei statischen Federn, wie sie z. B. für Federwaagen verwendet werden, die Federkonstante, und bei Schwingfedern, wie z. B. in Uhren, die Frequenz des Schwingsystems über einen gewissen Temperaturbereich konstant oder annähernd konstant ist. So werden z. B. in den schweizerischen Patentschriften 160 798, 166 535 und 196 408 aushärtbare Ni-Fe-Legierungen mit Be-Zusatz angegeben, aus denen sich Spiralfedern für Uhren herstellen lassen, welche einen fast beliebig kleinen thermoelastischen Koeffizienten aufweisen. Der thermoelastische Koeffizient ist dabei durch den Ausdruck definiert, wobei E, den Elastizitätsmodul bei der Temperatur T, und E, den Elastizitätsmodul bei der Temperatur T, bedeutet. Die Meßtemperaturen T, und T, sind bei Messungen in Uhren üblicherweise +4 und +36'C.
F i g. 1 zeigt den Gang G einer Uhr, die mit einer Spiralfeder aus bisher üblichem Material versehen ist, in Abhängigkeit von der Temperatur T über den erwähnten Temperaturbereich. Diese Uhr geht bei +4'C um 7 Sekunden pro Tag nach, bei 20'C um 4 Sekunden pro Tag vor und bei WC um 3 Sekunden pro Tag nach. Der mittlere thermoelastische Koeffizient beträgt also nur 1,4 - 10-1 Grad-'-, während der thermoelastische Koeffizient von Stahl etwa 200 - 10-' Grad-' beträgt. Der Sekundärfehler f je- doch, d. h. die Abweichung des Ganges bei der mittleren Temperatur 20'C von dem Wert, der sich ergeben würde, wenn sich der Gang zwischen +4 und +36'C linear ändern würde, beträgt 10 Sekunden pro Tag. Eine solche Spiralfeder galt bisher bei den Uhrenherstellem als gut, obwohl stets eine Feder mit kleinerem oder möglichst ohne Sekundärfehler gewünscht wurde. Zum weiteren Stand der Technik gehört nach der französischen Patentschrift 867 163 ein Verfahren zur Veränderung des Temperaturkoeffizienten. Dabei wird eine Nickel-Eisen-Legierung, bestehend aus 32 bis 5001, vorzugweise 32 bis 380/" insbesondere 360/() Nickel, 0,3 bis 30/, Beriffium, 0 bis 501, Titan, das ganz oder zum Teil durch Vanadium ersetzt sein kann, 0 bis 30/0, vorzugsweise 0 bis 2 0/, Mangan, 0 bis 10/, Silizium, 0 bis 5 ()/0 Aluminium, insgesamt höchstens 200/, an Chrom mit einem Einzelgehalt von 0 bis 15010, Molybdän mit 0 bis 15 ')/0, Wolfram mit 0 bis 15 0/" Uran mit 0 bis 1501, Tantal mit 0 bis 1501, und Kohlenstoffgehalt mit 0 bis 0,10/0, Rest Eisen, einer Wärmebehandlung unterworfen ' bei welcher der Temperaturkoeffizient sich ändert, ohne einen möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten anzustreben oder zu erzielen. In dieser Druckschrift wird noch folgendes Legierungsbeispiel erwähnt: 36 0/, Nickel, 10/, Berillium, 2 0/, Titan, 0, 8 0/, Mangan, 0,10/, Silizium und 60,10/, Eisen.
Es wurde gefunden, daß das Gebiet, in dem sich ein sehr kleiner Temperaturkoeffizient von praktisch Null erreichen läßt, sehr eng ist. Dabei wurde ein Bereich festgestellt, der nicht in dem bevorzugten Bereich der bekannten Legierung liegt und der sich auch aus dem sehr weiten bekannten Vorschlag nicht entnehmen läßt. Aus diesem bekannten Vorschlag geht hervor, daß Federn, deren Elastizitätsmodul sich im Gebiet von -20 bis +20'C nur um etwa 0,3 0/, ändert, sich herstellen lassen, jedoch liegt das Gebiet, in dem sich der Elastizitätsmodul so günstig verhält, für die Anwendung in gewöhnlichen Uhren um etwa 15'C zu tief, während nach der Erfindung Spiralfedern geschaffen werden können, deren Temperaturkoeffizient nahezu Null ist und deren Elastizitätsmodul in dem für Uhren üblichen Temperaturbereich konstant ist.
Die vorliegende Erfindung setzt sich nun zum Ziel, eine Legierung anzugeben, aus welcher ebenfalls Federn mit kleinem positivem oder negativem thermoelastischem Koeffizienten hergestellt werden können, die jedoch einen wesentlich kleineren Sekundärfehler aufweisen als die bisher bekannten Federn, wobei der Sekundärfehler höchstens 5 Sekunden pro Tag, vorzugsweise höchstens 3 Sekunden pro Tag in dem Temperaturbereich von +4 bis +32'C betragen soll.
Der Elastizitätsmodul einer bisher bekannten Legierung hat bei +32'C einen Wert, der nur 0,10/" -höher liegt als bei +4'C, bei 20'C jedoch einen Wert, welcher nur 0,3 0/" höher liegt als bei +4'C. Für Federn für empfindliche Federwaagen oder Präzisionsinstrumente sind jedoch Abweichungen erwünscht, die auch bei 20'C nicht mehr als 0,15 0/", vorzugsweise nicht mehr als 0,10/" betragen. Eine solche Feder muß, um allen Anforderungen gerecht zu werden, aushärtbar sein, eine kleine Dämpfung besitzen und darf höchstens schwach magnetisch sein.
Gegenstand der Erfindung ist nun die Verwendung einer Eisen-Nickel-Legierung, bestehend aus 35,0 bis 45,0 % Nickel, 7,0 bis 12,0 Molybdän, 0,1 bis 1,0 Berillium, 0 bis 3,0 % Mangan und Silizium, gegebenenfalls bis zu 2,5 11/0 Chrom, Rest Eisen, die nach einer Homogenisierungsglühung und Ab- schrecken in Wasser bei 500 bis 650'C angelassen ist, als Werkstoff für Federn von Federwaagen oder Präzisionsinstrumenten, sowie Unruhfedern von Uhren, bei denen der Elastizitätsmodul im Bereich von +4 bis +32'C um nicht mehr als 0,01501, von dem Wert, der bei 20'C gemessen wird, abweichen darf.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Legierung folgender Zusammensetzung erwiesen: 38 bis 400/,) Ni, 9 bis 100/, Mo, 0,5 bis 0,8 % Be, 0 bis 3 % Cr, 0 bis 3 % Mri + Si, Rest Fe. Beispiel 1 Aus einer Legierung, die 400/0 Ni, 9,00/, Mo, 0,5010 Be, 0,87 0/0 Mn, 0,210/0 si, Rest Fe enthält, wurde ein Draht von 0,6 mm Durchmesser hergestellt. Dieser Draht wurde 10 Minuten bei 1150'C geglüht, in Wasser abgeschreckt und ohne Zwischenglühung auf einen Durchmesser von 0,33 mm heruntergezogen. Aus diesem Material wurden schraubenförmige Federn gewickelt und 1 Stunde lang bei 500'C wärmebehandelt. Die Federn wurden zu Eigenschwingungen angeregt und die Schwingungszahl mit einer Normaluhr, die mit einem Quarzschwinger gesteuert war, verglichen. Die Tabelle 1 und die F i g. 2 der Zeichnung geben den Gang eines in diesen Federn ausgerüsteten Schwingsystems in Funktion der Temperatur an.

Tabelle 1

Temperatur, 'C

1-301 -131 +7 1 +281 +501 +67

Gang, Sek./Tag 1 -6 # -1 1 +l 1 +1 1 -6 # -16

Man sieht, daß die Feder im Temperaturbereich von +4 bis +32'C nicht nur -einen erfindungsgemäßen niedrigen Sekundärfehler von etwa 0,5 Sek./Tag aufweist, sondern daß sie einen gegenüber den bekannten Legierungen bedeutend erweiterten Kompensationsbereich besitzt. Beispiel 11 Aus einer Legierung, die 39()/o Ni, 90/0 Mo, 0,60/, Be, 0,620/0 Mn, 0,4 0/0 Si, Rest Fe enthält, wurde ein Draht von 0,5 mm Durchmesser hergestellt, dieser Draht im Durchlaufofen bei 1120'C geglübt und in Wasser abgeschreckt. Durch Kaltziehen und nachfolgendes Kaltwalzen wurde ein Band von 0,2 mm Breite und 0,02 mm Dicke hergestellt, dieses zu Spiralfedern gewunden und die Federn bei 650'C 30 Minuten lang geglüht.
Eine Uhr, die mit einer derartigen Spitalfeder ausgerüstet worden war, zeigte bei Messung unter verschiedenen Temperaturen den in Tabelle 2 angegebenen und in F i g. 3 dargestellten Gang. Tabelle 2 Temperatur, 'C 0 20 30 40 70 80 Gang, Sek./Tag +S +3 +2 +2 +6 +8 Auch dieser Versuch zeigt deutlich die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung, bei der bei einem kleinen Sekundärfehler noch ein erweiterter Kompensationsbereich in Erscheinung tritt. Beispiel Ill Aus einer Legierung, die 40 ')/0 Ni, 9,50/,Mo, 0,4 % Be, 0,5 % Mn, 0,3 % Si, 2 % Cr, Rest Fe enthält, wurde wiederum ein Draht hergestellt, dieser bei 3 mm Durchmesser bei 1150'C geglüht, abgeschreckt und auf 1,5 mm Durchmesser kalt heruntergezogen. Aus diesem Draht wurde eine Schraubenfeder gewickelt und diese bei 550'C 1 Stunde lang geglüht. Von dieser Feder wurde bei den Temperaturen +4, +20 und +32'C die Federkonstante bestimmt, die bekanntlich dem Elastizitätsmodul proportional ist. Die Abweichungen in "/" des Wertes der Federkonstante von dem Wert bei 20'C sind in Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle 3

Temperatur, 'C

+4 1 +20 +32

Abweichung der - Federkonstante in 0/" _O,15

0 -0,1

Auch dieses Beispiel einer statischen Feder zeigt den Fortschritt der erfindungsgemäßen Legierung, wobei als weiterer Vorteil einer solchen chromhaltigen Legierung hinzu kommt, daß diese noch weniger magnetempfindlich ist als die bisher für Spiralfedern verwendeten Legierungen, während gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit verbessert ist.

Claims

Patentanspruch: Verwendung einer Eisen-Nickel-Legierung, bestehend aus 35,0 bis 45,0 0/, Nickel, 7,0 bis 12,0 0/, Molybdän, 0,1 bis 1,0 0/, Beryllium, 0 bis 3,00/,ManganundSilizium, gegebenenfalls bis zu 2,50/, Chrom, Rest Eisen, die nach einer Homogenisierungsglühung und Abschrecken in Wasser bei 500 bis 650'C angelassen ist, als Werkstoff für Federn von Federwaagen oder Präzisionsinstrumenten sowie Unruhfedern von Uhren, bei denen der Elastizitätsmodul im Bereich von +4 bis +32'C um nicht mehr als 0,01501, von dem Wert, der bei 20'C gemessen wird, abweichen darf. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 867 163.