DE2108420A1

DE2108420A1 - Spannband für die Spannbandaufhängung eines drehbaren Messwerks

Info

Publication number: DE2108420A1
Application number: DE19712108420
Authority: DE
Inventors: Samuel Prof. Dr. Liestal Steinemann (Schweiz). P
Original assignee: Institut Straumann AG
Current assignee: Institut Straumann AG
Priority date: 1970-07-17
Filing date: 1971-02-22
Publication date: 1972-01-27
Also published as: US3777346A; GB1336227A; CH527412A; FR2101750A5

Description

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Institut Dr.Ing.Reinhard Straumann AG ₅ Waldenburg

Spannband für die Spannbandaufhängung eines drehbaren Messwerks

In Messinstrumenten mit drehbarem iiesswerk wird das a

Messwerk auf Spitzen oder mittels eines Spannbandes gelagert. Solche Messinstrumente sind zum Freispiel Geräte zur Messung elektrischer Grossen, aber auch Waagen,Kreiselinstrumente etc. Es ist bekannt, dass die Spannbandaufhängung eine hohe Präzision, eine gute Lageunabhängigkeit und eine Unempfindlichkeit gegen Schläge hat.

Zur Erreichung einer guten Spanbandaufhängung müssen folgende Anforderungen an die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien gestellt werden:

a) Kleines Schubmodul, damit das Messwerk mit kleinen Drehmomenten arbeiten kann;

b) hohe Festigkeit, damit die Aufhängung unter Zugspannung stehen kann, was eine Unempfindlichkeit gegen K Neigung und Erschütterung gewährleistet;

c) hohe Korrosionsbeständigkeit;

d) möglichst kleine elastische Nachwirkungen und Unabhängigkeit des Torsionsmomentes von Temperaturs chwankungeri;

e) n;ute Verformbarkeit des Materials zwecks preiswerter Herstellung der Bänder.

Die beiden wichtigsten Forderungen a) und b) lassen sich in der Form einer Güteziffer Q ausdrücken: Das für das Ver-

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drehen eines Stabes aufzuwendende Drehmoment ist proportional zum Schubmodul G und zu einem geometrischen Formfaktor; letzterer ist proportional zum Quadrat des Stabquerschnittes. Die lineare Beziehung zwischen Drehmoment M und Verdrillung α eines Stabes ist

M = G γ ' k ' F²,

wobei G = Schubmodul des Materials α = Drehwinkel

1 = Länge des Stabes

21 k = geometrischer Formfaktor, der zum Beispiel —^-

für runden Querschnitt beträgt.

Die Spannung im Band darf die Elastizitätsgrenze D Ξ des Metalls nicht überschreiten; es kann also im Längszug die maximale Kraft Pmax = F* (^_v angelegt v/erden. Wird für

Pmax
ρ = ___ i_n a_er obigen Formel eingesetzt und geschrieben

^J E

M_ _ α * k . 1 p2 " 1 Q

ο - -zn

so ist ersichtlich, wie die beiden Bedingungen a) und b) miteinander verknüpft sind und dass es nicht auf die absoluten Werte von 6*^ und G ankommt, sondern nur auf das Verhält-

^e2 *■
ms ^__ .

Für Spannbänder werden heute zum Beispiel Kupfer-Beryllium, Broncen-, Gold-, Platin-, Kobalt-Legierungen u.a.m. verwendet. Diese Metalle werden durch Kaltverformung und Vergüten auf höchste Festigkeit gebracht. Man erhält damit folgende Werte für Q:

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Tabelle 1	kg/mm	^G 2 kg/mm	kg/
Legierung	100	7OOO	1,4
Cu-2Be	110	10200	1,2
Pt-Ir 70/30	120	7850	1,8
Pt-Ni 90/10	170	9000	3,2
Kobalt-Legierung

Es viurde nun gefunden, dass wesentlich bessere Spannbandaufhängungen erhalten werden, wenn man für diese Aufhängungen ein Spannband nach der vorliegenden Erfindung verwendet, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus einer Legierung besteht, bei der das Verhältnis e/a der Anzahl von freien Elektronen zur Anzahl Atome zwischen 4,15 und 4,7 liegt.

Besonders gut eignen sich Legierungen auf der Basis von Titan, Zirkon und Hafnium (also der Ubergangselemente der Gruppe IV des periodischen Systems), wie die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Spannbandes nach der Erfindung zeigen. Die erfindungsgenässen Spannbänder sind korrosionsfest, weisen keine elastischen Nachv/irkungen auf und haben zudem eine geringe Temperaturabhängigkeit des Schubmoduls. Die für die erfindunpsferr.ässen Spannbänder verwendeten Legierungen können auch bis zu 15£ nicht-Übergangsmetalle, also etwa Al, Sn, In, Ga oder Cu enthalten.

Tabelle 2

Legierung

	Nb	.1JiCr,3SAl,Rest Ti	4,27	120	3500	4,1
302	ν,	, Rest Zr	4,3	120	2800	5,2
30?	ν,	Rest Ti	■ 4,3	100	3000	3,3
50S	Rest Ti	4,5	100	3200	3,1

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Bei den erfindungsgemässen Spannbiindern ist zwar die Bruchfestigkeit im wesentlichen ähnlich wie bei den bisher verwendeten Spannbändern jedoch ist der Schubmodul wesentlich kleiner, wodurch der Gütefaktor gegenüber den bisher bekannten, aus in der Tabelle 1 aufgeführten Materialien bestehenden Spannbänder stark erhöht wurde. Die bekannten Materialien haben kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur, die für die neuen Spannbänder verwendeten Materialien sind kubisch-raumzentriert und die Elektronenkonzentrationen sind vollständig verschieden.

Die in der vorliegenden Tabelle angegebenen Werte lassen sich wie folgt erreichen:

- Mit der handelsüblichen ß-Legierung aus 13%V, 11$ Cr₉ 3% Al, Rest Ti: Durch Lösungsglühen, Abschrecken, Kaltverformen und Anlassen bei 400°C, da bei dieser Behandlung die Verfestigung durch Kaltverformen und die Verfestigung durch partielle Phasenumwandlung (!Überfall von β in β + α oder Zwischenzustände) kombiniert werden.

- Mit der Legierung aus 30$ Nb, Rest Zr: Durch Kaltverformen des geglühten Metalles und Auslagern bei Temperaturen von 500-700 C. Das geglühte und schnell abgekühlte Metall ist einphasig, aber in instabilem Zustand, und die Auslagerung bewirkt einen Gefügezerfall. Die erreichbare Festigkeit hängt aber auch von gelösten Gasen (Op, N_, C etc.,sogenanten Zwischengitteratomen mit einer Ordnungszahl kleiner als 9) ab, welche eine Dispersionshärtung bewirken; der Gehalt an Zwischengitteratomen darf bis 1500 ppm ansteigen.

- Mit den Ti-V-Legierungen, die im ganzen ß-Bereich schmiedbar und für die Kaltverformung duktil sind. Die Legierung 70% Ti, 30% V wird bei etwa 900⁰C geglüht, abgeschreckt und dann kaltverformt. Durch Auslagern bei 350 C (wobei eine partielle Phasenumwandlung auftritt) kann die Elastizitätsgrenze von 80 kg/mm auf ca.

100 kg/mm erhöht werden; beim geglühten Metall ist ^„

2
ca. 40 kg/mm .

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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich um sogenannte ß-Legierungenj das geglühte Metall oder zumindest das abgeschreckte Metall liegt in der kublsch-raumzentrierten Pha'se vor und die Zusammensetzung der Legierung ist so, dass das Metall nahe an der Grenze der Stabilität dieser ß-Phase (gegen die hexagonale α-Phase) liegt.

Der Schubmodul eines kubischen Einkristalles ist richtungsabhangig und lässt sich mit den unabhängigen Scherungen CP = 1/2 (C₁₁-C₁?) und CS = C₁^ durch die Formel

1 .i , , ,J _1 s

G " CS ^ά ^CP " CS ^;

ausdrücken; (j) ist die Produktsumme der Richtungskosinusse

= l^d τα + d η + m^ ri

und gibt die Lage der Torsionsachse gegenüber den Achsen des Einkristalles an Bei vielkristallinen Stoffen kann mit guter Näherung für (j) der Wert isotroper Orientierung der Kristallite, nämlich 0,2, eingesetzt werden. Ist CP<-CS, so wird G< 1/CS. Es sind Messungen bekannt, die zeigen, dass bei Vanadium CP> CS ist, aber zum Beispiel in titanreichen TiCr-Legierungen ist CP-cCS. Das sind gerade die Bedingungen, welche G in vielkristallinem Metall klein machen können, vorausgesetzt natürlich, dass 1/CS nicht zu gross, was für Metalle zu Beginn der Übergangselemente des periodischen Systems der Fall ist. Die einzige Figur der vorliegenden Zeichnung enthält Beispiele aus den vielkristallinen TiV, TiCRr, TiIIb und ZrHb-Legierungenj alle haben einen ähnlichen Verlauf und für ein Verhältnis Elektronen/ Atom e/a von 4,15 - 4,5 besonders niedrige Schubnoduli. Das Verhältnis e/a ist gleich 1/100 £j v.c. und wird durch die Summe der Produkte aus Anzahl äusserer Elektronen (v.= Gruppe im periodischen System) mal Konzentration in Atomprozenten c. für jede Komponente i erhalten. Dieses Verhalten des Schubmoduls ist physikalisch als Beitrag der Oitterelektronen zu deuten, also aller Elektronen

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BAD OB)GlNAL

ausserhalb abgeschlossener Schalen, welche mit ihrer kinetischen und elektrostatischen Energie zur Bindung des metallischen Kristalles beitragen, und es vmrde überraschend gefunden, dass Metalle der 3· , 4. und 5, Periode und Legierungen aus ihnen ähnliche Eigenschaften haben, die sich streng durch das Verhältnis e/a bezeichnen lassen. Legierungen auf Basis von Titan mit V, Cr, Mn, Pe, Co, Ni oder Nb, Mo oder Ta,V/ (Elemente welche auch ß-Bildner genannt werden), gaben in Versuchen die niedrigen Schubmoduli, wenn ihre Konzentration entsprechend der Valenz eingestellt ist. Dies hängt offenbar mit der mechanischen Stabilität der kubisch raumzentrierten ß-Phase zusammen. Das ist der Grund, warum die Legierung für das Spannband nicht durch ihre Festigkeit oder ihr spezifisches Gewicht oder ihr Schubmodul, sondern durch ihr Verhältnis e/a definiert wird.

Eine hohe Elastizitätsgrenze, welche nach der Formol quadratisch in den Gütefaktor eingeht, kann durch Kaltverformen, ein für die Herstellung von Spannbändern praktisch immer verwendetes Verfahren, durch Auss ehe idungshärtune·, Dispersionshärtung (aus der Reaktion mit gelösten Gasen, sogenannten Zwischengitteratomen) und insbesondere durch Phasenumwandlung bei V/ärmebehandlungen erreicht werden. Letzterer Vorgang gilt für die zwei Beispiele der Til3V 11Cr 3Al und Zr 3OWb-Legierungen. Titan-Legierungen mit e/a = 4,15-4,4 sind nach Glühen und Abschrecken instabil und zerfallen beim Auslagern in (α +β), wobei die Kaltverformung den Zerfall beschleunigt. Für Zirkon-Legierungen ist die Mischbarkeit allgemein sehr begrenzt, aber schnelles Abkühlen verhindert die Umwandlung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Spannband für die Spannbandaufhängung eines drehbaren Hesswerks in einem Messinstrument, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannband-aus einer Legierung besteht, bei welcher das Verhältnis Anzahl freie Elektronen zu Anzahl Atome 4,15 bis 4,5 beträgt.

2. Spannband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkomponente der Legierung aus Titan, Zirkonium oder Hafnium besteht.

3. Spannband nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bis zu 15% Nicht-Übergangsmetalle enthält.

4. Spannband nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Zusätze bis zu IJi von Elementen erhält, deren Ordnungszahl kleiner ist als 9.

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