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Verfahren zur Herstellung eines selbstkompensierenden Federelementes Ein federndes Schwingsystem weist mindesten ein Feder-Element auf. Dazu können weitere Federelemente sowie mitschwingende Massen kommen, die selbst keine Feder-Eigenschaften aufweisen. Ein thermokompensiertes Schwingsystem ist ein Schwingsystem, dessen Frequenz zumindest in einem begrenzten Temperaturbereich von Temperaturänderungen unabhängig ist.
Diese Temperatur-Kompensation wurde zum Beispiel früher bei den aus einer Unruhe und einer Spiralfeder bestehenden Schwingsystemen für Uhren dadurch erreicht, dass man die Unruhe aus einem aufgeschnittenen Bimetallring herstellte, der so ausgebildet war, dass der Einfluss der durch Temperaturänderungen bedingten Änderung des Trägheitsmomentes den Einfluss der durch Temperatur- änderungen bedingten Änderungen des Elastizitäts- moduls der Spiralfeder kompensierte.
Später wurden selbstkompensierende Schwingfedern erfunden, das heisst Schwingfedern, deren Eigenfrequenz mindestens in einem beschränkten Arbeitstemperaturbereich von Temperaturänderungen mehr oder weniger unabhängig ist, was zur Folge hat, dass auf die komplizierte Ausgestaltung der Unruhe verzichtet werden konnte. Diese selbstkompensierenden Schwingfedern wurden ausnahmslos aus Eisen-Nickel-Legierungen hergestellt mit Nickelgehalten von 20-50 /o. Sie haben alle den Nachteil, dass sie infolge ihrer komplexen Zusammensetzung sehr schwer reproduzierbar sind und in dieser Beziehung in ihrer Herstellung immer wieder Schwierigkeiten bereiten.
Auch bestand je nach dem Eisengehalt immer wieder Neigung zum Rosten oder zu starker Magnetempfindlichkeit, was besonders bei Schwingfedern für Uhren unerwünscht ist. Es ist nun gelungen, eisenfreie bzw. eisenarme Legierungen herzustellen mit der Lage des Curie-Punktes zwischen 0 und -f- 200 C. Unter einer eisenarmen Legierung wird in diesem Zusammenhang eine Legierung verstanden, bei welcher die Nicht-Eisen-Bestandteile mindestens 75 % aus- machen. Diese Legierungen haben den Vorteil, einfach in ihrer Zusammensetzung und leichter repro- duzierbar zu sein.
Bekannterweise müssen diese Legierungen leichten Ferromagnetismus aufweisen und der Relation genügen:
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<tb> wo <SEP> = <SEP> thermoelastischer <SEP> Koeffizient, <SEP> thermoelastischer <SEP> Koeffizient <SEP> bei <SEP> magnetischer <SEP> Sättigung,
<tb> c <SEP> = <SEP> Materialkonstante,
<tb> 6i <SEP> = <SEP> Summe <SEP> der <SEP> innern <SEP> Spannungen,
= Temperaturgradient der Magnetostriktion
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2"" das heisst der relativen Verlängerung bei magnetischer Sättigung ist.
kann null sein oder gewollte kleine positive oder negative Werte haben. E" liegt zwischen 15 000 und 22 000 kg/mm2,
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zwischen 1 X 10-s und 40 X 10-8 Grad-', ssi kann zwischen 1 und 30 kg/mm2 liegen und 17" von der Grössenordnung 4 -10-4 Grad-' sein. Bei richtiger Kombination dieser Werte wird der Absolutwert von q sehr klein, d. h. kleiner als bei Stahl (2. 10-4 Grad-') oder null, das Vorzeichen von n kann positiv oder negativ sein.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung eines selbstkompensierenden Federelementes für thermokompensierte Schwingsysteme, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine mindestens 75 % Nichteisenbestandteile
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enthaltende ferromagnetische Legierung, deren thermoelastischer Koeffizient der vorgenannten Relation
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genügt, wobei E" zwischen 15 000 kg/mm2 und 22000 kg/mm2 und
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zwischen 1 # 10-a Grad-' und 40 .
10-a Grad-' liegt, zum Federelement verarbeitet und ai so anpasst, dass der Absolutwert von 7l sehr klein wird.
Eine Legierung, die diese Bedingungen erfüllt, enthält in der Regel ein ferromagnetisches Grundmetall, z. B. Nickel, mit Zusätzen von nichtmagnetischen Metallen, wie Chrom, Molybdän, Mangan, Silizium, Vanadium, Kupfer usw., die mit dem Grundmetall Mischkristalle bilden. Es wird zweckmässig ein aushärtendes Element oder auch mehrere zulegiert, wie Beryllium, Titan, Niob usw.
Der Wert von 6i kann durch folgende Mittel einzeln oder kombiniert (vorwiegend nach dem Glühen) so dosiert werden, dass 17 = 0 wird oder jeden gewünschten kleinen Wert annimmt: 1. durch Überlagerung einer äussern Zu- oder Druckspannung; 2. durch Überlagerung eines Magnetfeldes; 3. durch Kaltverformung; 4. durch Ausscheidungshärtung, das heisst eine Wärmebehandlung zur Ausscheidung einer zule- gierten, aushärtenden Komponente aus übersättigten Mischkristallen; 5. durch Ordnungsvorgänge (Bildung einer Überstruktur als Folge einer Wärmebehandlung); 6. durch zweckmässige Abkühlungsgeschwindigkeit; 7. durch Umklappvorgänge im Gitter, z. B. Martensitbildung.
Die Erfindung betrifft des weitern ein nach diesem Verfahren hergestelltes Federelement, bei welchem es sich um eine Spiralfeder, z. B. für eine Uhr, oder um einen Rund- oder Flach-Draht für ein Torsionspendel oder um ein Federelement irgendeiner Form (z. B. einer Stimmgabel) für ein Frequenznormal oder ein Frequenzfilter handeln kann.
Eine Legierung, die den vorgenannten Bedingungen entspricht, ist z. B. eine Legierung, die, wie bereits erwähnt, als Grundmetall Ni enthält, dem dann bis zu 3 % Be und bis zu 12,1/o Cr zulegiert sind, also z. B. eine Legierung mit 95 % Nickel, 2,1 % Be und 2,
9 0/0 Cr. Wenn die Legierung in Drahtform vorliegt und der Draht bei einer Temperatur von etwa 1100 C homogenisiert und abgeschreckt ist, so können ausser c auch 27", E" und
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in erster Näherung als Materialkonstanten betrachtet werden, während sich ssi durch die vorgenannten Mittel stark beeinflussen und so gestalten lässt, dass #i sehr klein, positiv oder negativ wird, je nach dem für das Federelement gewünschten Wert. So lässt sich z.
B. durch eine Kaltverformung von über 90 0/0 und anschliessende Wärmebehandlung (Aushärtung) von 20 Minuten bei 500 C bei dieser eisenfreien Legierung der thermoelastische Koeffizient q im Tem- peraturbereich von 0 bis -E- 40" C auf den kleinen Wert von 15 . 10-0 Grad-' bringen.
Aus Messungen ergeben sich für das beschriebene Beispiel folgende Werte:
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Die Anpassung von 6i erfolgt hier also durch Kaltverformung, die innere Spannungen zur Folge hat, sowie durch Ausscheidungshärtung bei der nachträglichen Wärmebehandlung der zulegierten aushärtenden Komponente. Die Anpassung könnte aber auch durch Überlagerung äusserer Zug- oder Druckspannungen oder durch Ordnungsvorgänge (Überstrukturbildung) als Folge geeigneter Wärmebehandlung, oder durch Spannungsbildung infolge zweckmässiger Abkühlungsgeschwindigkeit, oder durch Spannungsbildung als Folge von Umklappvorgängen erfolgen.
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Method for producing a self-compensating spring element A resilient oscillating system has at least one spring element. In addition, there can be additional spring elements as well as oscillating masses which themselves do not have spring properties. A thermocompensated oscillation system is an oscillation system whose frequency is independent of temperature changes, at least in a limited temperature range.
This temperature compensation was previously achieved, for example, in the oscillation systems for clocks, which consisted of a balance and a spiral spring, by producing the balance from a cut bimetal ring, which was designed so that the influence of the change in the moment of inertia caused by temperature changes compensated for changes in the modulus of elasticity of the spiral spring caused by changes in temperature.
Self-compensating oscillating springs were later invented, i.e. oscillating springs whose natural frequency is more or less independent of temperature changes at least in a limited working temperature range, which means that the complicated configuration of the unrest could be dispensed with. These self-compensating oscillating springs were made without exception from iron-nickel alloys with a nickel content of 20-50 / o. They all have the disadvantage that, owing to their complex composition, they are very difficult to reproduce and in this respect repeatedly cause difficulties in their production.
Also, depending on the iron content, there was always a tendency to rust or to be too sensitive to magnets, which is particularly undesirable in the case of oscillating springs for watches. It has now been possible to produce iron-free or low-iron alloys with the Curie point between 0 and -f- 200 C. In this context, a low-iron alloy is understood to be an alloy in which the non-iron components are at least 75% turn off. These alloys have the advantage of being simple in their composition and easier to reproduce.
As is well known, these alloys must have slight ferromagnetism and satisfy the relationship:
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<tb> where <SEP> = <SEP> thermoelastic <SEP> coefficient, <SEP> thermoelastic <SEP> coefficient <SEP> at <SEP> magnetic <SEP> saturation,
<tb> c <SEP> = <SEP> material constant,
<tb> 6i <SEP> = <SEP> Sum <SEP> of the <SEP> within <SEP> voltages,
= Temperature gradient of magnetostriction
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2 "" means the relative elongation at magnetic saturation.
can be zero or have deliberate small positive or negative values. E "is between 15,000 and 22,000 kg / mm2,
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between 1 X 10-s and 40 X 10-8 degrees- ', ssi can be between 1 and 30 kg / mm2 and 17 "of the order of magnitude of 4 -10-4 degrees-'. If these values are correctly combined, the absolute value becomes of q very small, ie smaller than with steel (2.10-4 degree- ') or zero, the sign of n can be positive or negative.
The present invention now relates to a method for the production of a self-compensating spring element for thermocompensated oscillating systems, which is characterized in that at least 75% non-ferrous components are used
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containing ferromagnetic alloy, the thermoelastic coefficient of which has the aforementioned relation
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is sufficient, where E "is between 15,000 kg / mm2 and 22,000 kg / mm2 and
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between 1 # 10-a degree- 'and 40.
10-a degree- ', processed into a spring element and ai adjusted so that the absolute value of 7l is very small.
An alloy that meets these conditions usually contains a ferromagnetic base metal, e.g. B. nickel, with additions of non-magnetic metals such as chromium, molybdenum, manganese, silicon, vanadium, copper, etc., which form mixed crystals with the base metal. It is advisable to add one or more hardening elements, such as beryllium, titanium, niobium, etc.
The value of 6i can be dosed individually or in combination (mainly after annealing) by the following means so that 17 = 0 or assumes any desired small value: 1. by superimposing an external tension or compressive stress; 2. by superimposing a magnetic field; 3. by cold working; 4. by precipitation hardening, ie a heat treatment for the precipitation of an added, hardening component from supersaturated mixed crystals; 5. through processes of order (formation of a superstructure as a result of heat treatment); 6. by an appropriate cooling rate; 7. by folding processes in the grid, e.g. B. Martensite formation.
The invention also relates to a spring element produced by this method, which is a spiral spring, e.g. B. for a clock, or a round or flat wire for a torsion pendulum or a spring element of any shape (z. B. a tuning fork) for a frequency standard or a frequency filter.
An alloy that meets the aforementioned conditions is, for. B. an alloy which, as already mentioned, contains Ni as the base metal, to which up to 3% Be and up to 12.1 / o Cr are then added, so z. B. an alloy with 95% nickel, 2.1% Be and 2,
9 0/0 Cr. If the alloy is in the form of a wire and the wire is homogenized and quenched at a temperature of about 1100 ° C., 27 ″, E ″ and
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can be regarded as material constants in a first approximation, while ssi can be strongly influenced by the aforementioned means and designed so that #i is very small, positive or negative, depending on the value desired for the spring element. So z.
B. by cold deformation of over 90 0/0 and subsequent heat treatment (hardening) of 20 minutes at 500 C in this iron-free alloy, the thermoelastic coefficient q in the temperature range from 0 to -E- 40 "C to the small value of 15 . 10-0 degrees- 'bring.
The following values result from measurements for the example described:
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The adaptation of 6i takes place here by cold deformation, which results in internal stresses, and by precipitation hardening during the subsequent heat treatment of the added hardening component. The adaptation could, however, also take place by superimposing external tensile or compressive stresses or by order processes (super structure formation) as a result of suitable heat treatment, or by stress formation as a result of an appropriate cooling rate, or through stress formation as a result of flipping processes.