DE1758313C - Verwendung einer antiferromagnetischen Eisen Mangan Legierung - Google Patents

Description

In Schwingsystemen von Uhren, für mechanische bei den Legierungen mit /lEy-Effekt verschieben sich Schwinger, wie Stimmgabeln und elektromechanischen die Frequenzen eines Schwingers bis zu der Größen-Filtern, Instrumenten usw., finden sogenannte Korn- Ordnung von %oi und auch der Temperaturkoeffizient pensationslegierungen, auch Elinvare genannt, An- wird negativer. Diese M'agnetfeldeinflüsse sind zudem wendung, welche Temperatureinflüsse auf die Elasti- 5 meist nicht reversibel.

zität oder Schwingfrequenz aufheben sollen. Gewöhn- Dilatations- und Elastizitätsanomalien sind auch bei liehe Konstruktionsmaterialien, wie Aluminium, Kup- Antiferromagnetika bekannt. Analog zu den Ferrofer und deren Legierungen, Stähle usw., haben nega- magnetika tritt eine zusätzliche Dehnung wegen Antitive Temperaturkoeffizienten der Elastizität von etwa · feTomagnetostriktion, also ein Δ Ε-Effekt auf. Der 20 · 10-^b Grad"¹ und mehr; mit den Kompensations- to Effekt kann bis zur Ndel-Temperatur reichen, analog legierungen werden zumindest bereichsweise diese zur Curie-Temperatur des Ferromagnetikums, ober-Temperatureinflüsse auf kleinere Werte von 10· ΙΟ"⁵ halb welcher mit dem Übergang zum paramagnetischen Grad ' und mehr, eventuell auf Null oder sogar zu Zustand wieder normales Verhalten der Elastizität vorpositiven Werten hin verschoben. In den meisten liegt. Auch analog zum Ferromagnetikum liegt der Schwingsystemen ist eine Schwingungsfrequenz aber 15 Ursprung der Striktion in einer Kristallenergie, hier nicht allein durch den thermoelastischen Koeffizienten jedoch mit gegeneinandergerichteten verkoppelten des elastischen Gliedes, sondern auch 'lurch dessen Spins.

Wärmedehnung und die Wärmedehnung der Massen, Der Einfluß auf die Elastizität ist für die Oxyde

oder allgemein aller Bauteile des Schwingsystems, be- des Nickels und Kobalts eindeutig nachgewiesen

stimmt. So gibt z. B. ein Material, das als Stab für ao (R. Street und B. L e w i s , Nature, London, 168,

Biegeschwingungen einen verschwindend kleinen Tem- Sp. 1036, 1951), umJ eine Gestaltsantiferromagneto-

peraturkoeffizienten der Frequenz hat, einen negativen striktion ist offenbar auch für eine Verzerrung des

Frequenzverlauf, wenn es als Spiralfeder im Unruh- Gitters gegen niedrigere Symmetrie verantwortlich,

system eingesetzt ist, und es muß in diesem letzteren Unter den Metallen zeigt Chrom eine eng begrenzte

Falle durch Legierungsänderung oder unterschied- 25 Elastizitätsanomalie bei der Neel-Temperatur und

liehe Behandlung ein positiverer thermoelastischer hochmanganhaltige Legierungen Cu-Mn (R. S t r e e t

Koeffizient eingestellt werden Andererseits treten in und J. H. S m i t h , Le Journal de Physique et le Ra-

Schwingsystemen und Instrumenten unterschiedliche dium, 20, S. 82, 1959) zeigen diese auch. In diesem

Beanspruchungen auf, und unterschiedliche Moduln System tritt aber eine Phasenumwandlung auf, weiche

sind maßgebend, z. B. der Elastizitätsmodul in Spiral- 30 in ihrem unmittelbaren Effekt auf die Elastizität von

federn für Uhren und für Instrumente, Stimmgabeln, jenem der Antiferromagnetostriktion schwierig zu

elektromechanischen Filtern usw., der Schubmodul trennen ist und eine Formstabilirät bei wiederholter

bei Spannbändern für Instrumente, zylindrisch ge- Umwandlung durch Temperaturw,echsei in Frage

wickelten Zug- oder Druckfedern, Torsionsschwingern, stellt.

elektromechanischen Filtern usw. und auch Kombi- 35 Die Eigenschaften der Antiferromagnetika sind nationen dieser zwei Moduln; es kann sogar der durch äußere Felder unbeeinflußt, zumindest bis zu Kompressionsmodul mitbestimmend sein. Wegen der den Feldern, welche in eisenlosen Spulen gewöhnlich Temperaturabhängigkeit der diese Moduln verknüp- erreicht werden. Bei einer antiferromagnetischen Komfenden I'oisson-Zahl ist das Material jeder Anwendung pensationslegierung tritt also die sehr nachteilige Veranzupassen. 40 Schiebung des Temperaturkoeffzienten der Elastizität

Neben Forderungen an die Elastizität haben diese und der Frequenz oder des Kraftmomentes im

Werkstoffe noch Ansprüchen an kleine mechanische Magnetfeld nicht auf.

Verluste, gute Verarbeitbarkeit, Korrosionsbeständig- Die vorliegende Erfindung besteht in der Verwendung

keil, hohe mechanische Festigkeit usw. zu genügen. einer antiferromagnetischen Kisen-Mangan-Legierung

Die Wirkung der bekannten Kompensationslegie- 45 mit

rungen, auch Elinvare genannt, beruhen auf ferro- 40 bis 85"/₀ Fe und

magnetischen Vorgängen: Neben der rein elastischen 10 bis40°/o Mn,

Hookeschcn Dehnung unter Beanspruchung tritt eine _{dje noch bis m 500/ Co und bis zu 3O}o_{/n Ni}, höchstens

^sät/hche magnetostrikt.ve Dehnung auf und der _{jedoch 5Ο}ο/ _{Co l· Ni sowie} bis zu

globale IJTekt entspricht einer Erniedrigung des Elasti- 50 |,₀, ^ ^_{0 f} yv h Si t-V

/itätsmoduls. Der Vorgang wird 1E-Effekt oder bis zu

/I Ey-Lffckt genannt, je nachdem, ob^die Gestalts- oder ' ₅„_{; A}, _{ße Tj Zr f Nb Ta f Cu}

Volumenmagnetostriktion überwiegt. Für die Tempe- _untj ^j_{8 2U}

raturkompcnsation ist dann der Abfall der Magneto* 150/ Γ 4- N 4- B

striktion gegen die Curie-Temperatur genutzt, und die 55

Legierungsbildung und Behandlung dieser Materi- enthalten kann, als Material für Bauelemente mit alien ist eigentlich ein Einstellen von magnetischen und einem Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls magnetomechanischen Eigenschaften. Die Effekte sind zwischen —10 · 10-· und +10 · 10- · Grad"¹, in Nickel, Kobalt, Eisen-Nickel-Chronv, Eisen-Ko- Aus der britischen Patentschrift 733 SlO (deutsche balt-Chrom-, Eisen-Koball-Nickel-Legierungen usw. 60 Patentschrift 1103 601) ist bereits eine Legierung, bebekannt, wo dann auch die Temperaturkompensation stehend aus 0 bis 68% Ni, 0 bis 75% Fe* 10 bis 30% der Elastizität über mehr oder weniger große Tempe« Cr, 0 bis 50% Co, 0 bis 30% Mo oder W oder Mo + W₁ raturbereiche bis zu mehreren KX)⁰C gelingt. 0 bis 3% Be, 0 bis 5% Ti₁O bis 0,6% C, 0 bis 20"/Mti.

Hingegen sind diese ferromagnetischen Kompen* 0 bis 4% Si, 0 bis 10% Nb, Rest Verunreinigungen,

sail«, nslcgierungen wegen der ihnen zugrundeliegenden 6j zur Verwendung für die Herstellung von Triebfeder·

Vorgange gegen äußere Magnetfelder empfindlich, Bei bändern für Uhren, Apparate u.dgl. bekannt. Bei

magnetischer Sättigung durch ein äußeres Feld ver* deren Herstellung werden die Legierungen in Draht·

schwindet zum Beispiel im Nickel der J £-Effekt und form nach einem Homogenisieren und Abschrecken

Claims (1)

1. hf,'¹ fi^hrTn"r ¹ITTu ^da"u H^{1 ßeWalzt md bei 20}° ^{Die e}'^nz'ß^{e F}'ß^{ur der} Zeichnung zeigt die Abhän-ϊ1, «noPh ? J ' Γ^{061 daS Verhaltnis der b}''^s gißkeit des Ε-Moduls von der Temperatur der ΗΐπΓ 7ilL ^{/o D}.^etraB^ende" Querschnittsverringerung beim Legierungen α bis e. Die Messungen wurden an Stäben «Sc^Zk f ?* i? ^/o _L ^{eS urs}P^rün8^lic"^en Q"er- ausgeführt, die auf folgende Art und Weise hergestellt scnnitts ^tragenden Querschnittsverminderung nach 5 worden sind. Zuerst wurden die Legierungen aus reinen dem Walzen so abgestimmt wird, daß eine Orientie- Metallen in Magnesiumoxydtigeln unter Argon bei ™*ίβ °er "ochstwerte des Elastizitätsmoduls im etwa 100 mm Hg-Druck erschmolzen. Aus dem Ma-Knstallgitter vorwiegend parallel zur Walzrichtung teria! wurden dann Stäbe bei etwa 1000⁰C warning !T "ι³ m Ä ^U,^{nd der Elast}'Z'tätsmodul gewalzt. Bei den Legierungen α und b wurden die AL S ! J "F,⁰⁰⁰^/¹™^{5 Iie}ßt- Derart hoch i. Stäbe geglüht und langsam abgekühlt, bei den Le-T mS α u- · Ü^des _u ^E.^las.^{tIzltätsmoduls sind d}«halb für gierungen c, d und e wurden die Stäbe durch KaIt-I nebf ederbander beispielsweise für Uhren erwünscht, walzen 50 % kaltverformt, bei der Legierung e nachher weil dann fur diese eine große Speichermöglichkeit für zusätzlich noch während einer Stunde bei 500° C andie Aufzugsenergie erhalten wird, deren Abgabe über gelassen.

   einen langen Zeitraum ohne nennenswerte Änderung 15 Dann wurden die Prüfs'-be durch spanabhebende

   des ^rattmoments möglich ist, so daß der Gang in Bearbeitung herausgearbeitet, wodurch gleichzeitig

   einem groUen Bereich vom Aufzurszustand unab- oberflächliche Oxyde und Verunreinigungen entfernt

   hangig ist Weder eine durch Temperaturänderungen wurden.

   bewirkte Änderung des Elastizitätsmoduls einer solchen Der Elastizitätsmodul ist aus Biegeschwingungen Aufzugfeder noch eine Variation in der vorstehend ao der Prüfstäbe bestimmt worden, vermerkten Zusammensetzung dieser Legierung hat Die thermoelastischen Koeffizienten der vierzehn aut den tiang der Uhr einer. Einfluß, letzteres ins- vorgenannten Legierungen und weiterer im angebesondere deshalb nicht, weil die Höhe des Elasti- gebenen Bereich liegender Legierungen lassen sich Zitatsmoduls durch den Verfahrensschritt der Kalt- durch eine entsprechende Wäimebehandlung und eine ^ver,l?™^unS beeinflußbar ist. _a5 angepaßte Warm- oder Kaltverformung im ge-

   völlig anders liegen demgegenüber die Verhältnisse wünschten Temperaturbereich, also beispielsweise im

   beispielsweise beim regulierenden Element einer Uhr, besonders interessanten Bereich zwischen -.10 und

   wie beispielsweise einer Spiralfeder. Hier wirkt sich +6O⁰C auf die gewünschte Werte einstellen.

   jede Änderung des Elastizitätsmoduls als Änderung Bei den Stählen mit 11 bis 147„ Mn und 1 bis 1,47„

   des Ganges aus, so daß Materialien mit einem von 30 C, Rest Fe, handelt es sich um die sogenannten Had-

   NuIII nur wenig abweichenden Temperaturkoeffizienten field-Stähle, die zur Herstellung von Werkzeugen ver-

   des Elastizitätsmoduls verwendet werden müssen, wo- wendet werden, da sie sich durch eine hohe Zähigkeit,

   bei andererseits die absolute Höhe dieses Elastizitäts- Schlagfestigkeit und Abnutzungsbeständigkeit aus-

   moduls eine untergeordnete Rolle spielt. zeichnen. Sie werden im austenitischen Zustand, den

   Als erfindungsgemäße Bauelemente kommen nicht 15 man durch Glühen bei etwa 1050 C und schnelles

   nur Schwingelemente jeder Art, die eine von Tempe- Abkühlen erhält, verwendet und sind schwer zerspan-

   ratureinnussen unabhängige Frequenz aufweisen müs- bar, im Unterschied zu den y-Legierungen mit einem

   sen, sondern auch statisch beanspruchte Bauelemente, höheren Mn-Gehalt, die zäh sind und durch KaIt-

   deren Elastizitätsmodul auch bei sich ändernder Tem- verformung eine günstige Verfestigung erhalten, ohne

   peratur kons.ant bleiben muß, wie beispielsweise 40 daß aber besondere Schwierigkeiten bei spanender

   Federn von Federwaagen, in Frage, aber auch me- oder spanloser Verformung zu Drähten, Bändern,

   chanisch stark beanspruchte Bauelemente, die vor Spiralfedern oder anderen Bauteilen auftreten,

   schädlichen Eigenresonanzen zu schützen sind, die Die Zusätze von Al, Be, Ti, Zr, Nb, Ta und Cu er-

   dann auftreten köi.nten, wenn sich der Elastizitäts- möglichen eine Ausscheidungshärtung, während die

   modul ändert. 45 Zusätze von C und N die austenitische Modifikation

   Als Beispiel für solche Legierungen können die fol- stabilisieren und zudem bei Kaltverformung auch eine

   Senden gelten: höhere Festigkeit erzeugen.

   a)79%Fe b) 74% Fe c) 69% Fe Patentansoruch-

   21% Mn 26% Mn 31% Mn _{w A} ^FatentansP^rucn·

   d) 697 Fe e)71°/Fe U 59»/ Fe ⁵° Verwendung einer antiferromagnetischen Eisen-

   ^} 260/: Mn ^C) lit Mn ° £·£ Mn Mangan-Legierung mit

   5 7o Ni 37o Cr 10°/₀ Ni ⁴O bis 857„ Fe und

   57„Co 10 bis 40 7„ Mn,

   g) 61% Fe h) 617₀Fe i) 677₀ Fe die noch bis zu 507₀Co und bis zu 307„Ni,

   267„Mn 267„Mn 267„ Mn ^Da höchstens jedoch 507» Co-^-Ni, sowie bis zu

   10·/. Ni 107oCo 57, Ni 157₀Cr+Mo + W + Si + V,

   3·/· Cr 37.Mo 27oTi bis zu

   k) 63,4 7₀ Fe 1) 63 ·/. Fe m) 73,6 ·/* Fe 5 % Al + Be + Ti ~ Zr + Nb + Ta + Cu,

   267₀Fe 267₀Mn 26 7„ Mn _6o und bis zu

   10·/. Co 10% Co 0,4% N 1,3% C + N + B

   0,67„Be 17oMo enthalten kann, als Material für Bauelemente mit

   n) 54 7d Fe einem Temperaturkoeffizienten des Elastizitäts-

   267oMn moduls zwischen —10 · 10 ⁶ und +10· 10^s

   20 7o Ni 63 Grad-¹.

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