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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.