DE102011001784A1 - Preparing a spring e.g. lift spring and/or mainspring for a mechanical clockwork, comprises melting an alloy, forming an amorphous tape from the melted alloy by a rapid solidification method, and processing a surface of the amorphous tape - Google Patents
Preparing a spring e.g. lift spring and/or mainspring for a mechanical clockwork, comprises melting an alloy, forming an amorphous tape from the melted alloy by a rapid solidification method, and processing a surface of the amorphous tape Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feder für ein mechanisches Uhrwerk und eine Feder für ein mechanisches Uhrwerk, insbesondere eine Aufzugs- bzw. Triebfeder.The invention relates to a method for producing a spring for a mechanical movement and a spring for a mechanical movement, in particular an elevator or mainspring.
Aufzugs- oder Triebfedern fungieren als Energiespeicher und nutzen dafür die Möglichkeit jedes Werkstoffes aus, Energie in Form von elastischer Energie zu speichern. Beispielsweise weisen mechanische Uhren Zug-, Aufzugs- und Triebfedern auf, die als Energiespeicher verwendeten werden und ein Drehmoment erzeugen können.Elevator springs or power springs act as energy stores and use the possibility of each material to store energy in the form of elastic energy. For example, mechanical watches have train, elevator and power springs, which are used as energy storage and can generate torque.
Für den Einsatz in mechanischen Uhren als Zug-, Aufzugs- und Triebfedern werden beispielsweise Metalllegierungen mit kristallinem Gefüge wie Stähle, insbesondere martensitische und/oder kaltverformte Kohlenstoffstähle sowie aushärtbare Cr-Ni-Stähle, sowie ausscheidungsgehärtete Co-Ni-Cr-Legierungen eingesetzt, die sich durch ihr geringes Fließverhalten und reduzierte Bruchgefahr auszeichnen.For use in mechanical watches as tension, elevator and power springs, for example, metal alloys with crystalline structure such as steels, especially martensitic and / or cold-formed carbon steels and hardenable Cr-Ni steels, and precipitation hardened Co-Ni-Cr alloys are used characterized by their low flow and reduced risk of breakage.
Als Ausgangsmaterial werden diese bekannten kristallinen Materialien zunächst typischerweise als kaltverformter Runddraht hergestellt. Dieser Runddraht wird im Weiteren durch Flachwalzen in ein sogenanntes Federbändchen mit rechteckiger Querschnittsgeometrie umgeformt. Nach dem Ablängen wird aus diesem Federbändchen dann eine typischerweise S- oder spiralförmige Feder geformt. Die Festigkeit wird durch eine weitere Aushärtebehandlung des Federelementes eingestellt, bei welcher der Werkstoff seine maximale Festigkeit bzw. Elastizitätsgrenze erreicht.As a starting material, these known crystalline materials are first typically prepared as a cold-formed round wire. This round wire is further formed by flat rolling in a so-called spring band with rectangular cross-sectional geometry. After cutting, a typically S or spiral spring is then formed from this spring band. The strength is set by a further curing treatment of the spring element, in which the material reaches its maximum strength or elastic limit.
Neben kristallinen Materialien können auch amorphe Werkstoffe verwendet werden. Amorphe Werkstoffe stellen besonders geeignete Materialien für Triebfedern zur Energiespeicherung dar, da sie sich im Allgemeinen durch eine sehr hohe Festigkeit auszeichnen, die aufgrund der fehlenden Versetzungen nahe der theoretisch möglichen Festigkeit liegt.In addition to crystalline materials and amorphous materials can be used. Amorphous materials are particularly suitable materials for propulsion springs for energy storage because they are generally characterized by a very high strength, which is close to the theoretically possible strength due to the missing dislocations.
Zudem weisen sie dank der geringeren Schmelzpunkte, die typischerweise in einem Bereich von 500°C–1100°C liegen, einen relativ geringen Elastizitätsmodul auf. Dies ist von besonderer Relevanz für die Möglichkeit, elastische Energie bei geringer Dämpfung zu speichern. Rein elastische Be- und Entladungsvorgänge (Schwingungen) eines Werkstoffes sind zeitunabhängig. Dadurch liegen Spannung σ und Dehnung ε zeitlich in Phase, unabhängig von der Beanspruchungsgeschwindigkeit.In addition, they have a relatively low modulus of elasticity due to the lower melting points, which are typically in a range of 500 ° C-1100 ° C. This is of particular relevance to the ability to store elastic energy with little damping. Purely elastic loading and unloading processes (vibrations) of a material are time-independent. As a result, stress σ and strain ε are in phase with each other, regardless of the strain rate.
Mechanische Beanspruchungen können jedoch kaum als ideal elastisch betrachtet werden, da zusätzliche zeitabhängige anelastische Mechanismen hinzutreten. So tritt beispielsweise bei Schwingungen zwischen Spannung und Dehnung eine zeitliche Verzögerung ein, die durch einen Phasenwinkel dargestellt werden kann. Diese anelastischen Mechanismen sind mit Energieverlusten verbunden, bei denen durch Energiedissipation Wärme erzeugt wird und dadurch die im Material elastisch gespeicherte Energie bzw. das Energiespeichervermögen verringert wird. Je geringer der Elastizitätsmodul (E-Modul) des Materials ist, desto geringer fallen die Dämpfung und die Verluste aus. Amorphe Werkstoffe mit ihrem relativ geringeren Elastizitätsmodul zeigen einen kleineren Verlustfaktor und zeichnen sich dadurch allgemein als besonders geeignete Federwerkstoffe aus, um elastische Energie zu speichern.However, mechanical stresses can hardly be considered as ideally elastic as additional time-dependent anelastic mechanisms occur. For example, in oscillations between stress and strain, a time delay occurs, which can be represented by a phase angle. These anelastic mechanisms are associated with energy losses in which heat is generated by energy dissipation and thereby the energy stored elastically in the material or the energy storage capacity is reduced. The lower the modulus of elasticity (modulus of elasticity) of the material, the lower the attenuation and the losses are. Amorphous materials, with their relatively low modulus of elasticity, exhibit a smaller dissipation factor and are thus generally characterized as being particularly suitable spring materials for storing elastic energy.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Feder für ein mechanisches Uhrwerk anzugeben, welches eine Feder mit weiter verbesserten Eigenschaften, insbesondere einem verbesserten Energiespeichervermögen, ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Feder anzugeben.The object of the invention is to provide a method for producing a spring for a mechanical movement, which allows a spring with further improved properties, in particular an improved energy storage capacity. It is another object of the invention to provide a corresponding spring.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved with the subject matters of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Feder für ein mechanisches Uhrwerk weist folgende Schritte auf. Es erfolgt ein Erschmelzen einer Legierung. Weiterhin erfolgt ein Formen eines amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung mittels eines Rascherstarrungs-Verfahrens. Zudem erfolgt ein Bearbeiten zumindest einer Oberfläche des amorphen Bandes derart, dass eine Dicke des amorphen Bandes vergleichmäßigt wird. Die zumindest eine Oberfläche wird dabei durch den genannten Verfahrensschritt geglättet. Darüber hinaus erfolgt ein Formen einer Feder aus dem amorphen, oberflächenbearbeiteten Band.An inventive method for producing a spring for a mechanical movement has the following steps. There is a melting of an alloy. Further, an amorphous ribbon is formed from the molten alloy by a rapid solidification process. In addition, at least one surface of the amorphous ribbon is processed so as to uniformize a thickness of the amorphous ribbon. The at least one surface is smoothed by the mentioned process step. In addition, a spring is formed from the amorphous surface-processed tape.
Dabei wird hier und im Folgenden unter einem Vergleichmäßigen der Dicke verstanden, dass eine Abweichung der Dicke von einem Mittelwert der Dicke und damit eine Dickentoleranz des Bandes verringert wird. Beispielsweise wird die Standardabweichung der Dicke des Bandes verringert.Here, and in the following, a comparison of the thickness is understood to mean that a deviation of the thickness from an average value of the thickness and thus a thickness tolerance of the strip is reduced. For example, the standard deviation of the thickness of the band is reduced.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass ein unbehandeltes amorphes Band für den Einsatz in mechanischen Uhrwerken aufgrund der schwankenden Geometrie bzw. der schwankenden Oberflächenqualität des amorphen Bandmaterials im so genannten ”as-cast” Zustand insbesondere im Hinblick auf ein möglichst konstantes Energiespeichervermögen unzureichend sein kann. Dabei können ohne eine Oberflächenbearbeitung sowohl Dickenschwankungen über die Breite und damit ein ungleichmäßiger, keilförmiger Querschnitt, als auch über die Länge auftreten. Des Weiteren können lokal auftretende Fehler und Oberflächen-Defekte zu einer höheren Reibung zwischen den einzelnen Lagen der Feder führen sowie auch Bruchstellen in Form von Kerben für die aufgewickelte und unter Spannung stehende Feder darstellen.In the context of the present invention, it has been recognized that an untreated amorphous strip for use in mechanical movements due to the fluctuating geometry or the fluctuating surface quality of the amorphous strip material in the so-called "as-cast" state, especially with regard to a constant energy storage capacity as possible can. It can occur without a surface treatment both thickness variations across the width and thus a non-uniform, wedge-shaped cross-section, as well as over the length. Furthermore, locally occurring defects and surface defects can lead to higher friction between the individual layers of the spring as well as fractures in the form of notches for the wound and stressed spring.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht hingegen die Herstellung insbesondere von Aufzugs- oder Triebfedern aus amorphen, rasch-erstarrten Materialien, die für den Einsatz in mechanischen Uhrwerken eine ausreichende Geometrie- bzw. Oberflächen-Qualität und damit ein verbessertes Energiespeichervermögen aufweisen.On the other hand, the method according to the present invention makes it possible, in particular, to produce elevator or power springs made of amorphous, rapidly solidified materials which have sufficient geometric or surface quality and thus improved energy storage capacity for use in mechanical movements.
Das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung erfolgt dabei bevorzugt mittels eines Meltspinning-Verfahrens, das auch als Schmelzspinnen bzw. Schmelzschleudern bezeichnet wird. Ein derartiges Verfahren ist für eine großtechnische Herstellung besonders geeignet.The forming of the amorphous strip from the molten alloy is preferably carried out by means of a Meltspinning process, which is also referred to as melt spinning or melt spinning. Such a method is particularly suitable for large-scale production.
In einer Ausführungsform erfolgt das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes mittels eines umformenden Verfahrens. In diesem Zusammenhang wird unter ”umformend” eine Umverteilung von Material verstanden. Das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes kann insbesondere ein Kaltwalzen des amorphen Bandes beinhalten.In one embodiment, the processing of the at least one surface of the amorphous strip is carried out by means of a forming process. In this context, "reshaping" is understood to mean a redistribution of material. The processing of the at least one surface of the amorphous ribbon may in particular include cold rolling of the amorphous ribbon.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes zusätzlich oder alternativ mittels eines abtragenden Verfahrens. Bei einem derartigen Verfahren erfolgt ein Entfernen von Material von der zumindest einen Oberfläche.In a further embodiment, the processing of the at least one surface of the amorphous strip is additionally or alternatively carried out by means of an erosive method. In such a method, removal of material from the at least one surface occurs.
Das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes kann dabei ein Schleifen zumindest eines Teils der zumindest einen Oberfläche beinhalten. Dies ermöglicht eine besonders gute Bearbeitbarkeit harter Werkstoffe, insbesondere in Form amorpher Materialen, welche typischerweise Härten zwischen 700 HV bis 1000 HV aufweisen. Zudem ermöglicht Schleifen eine hohe Formgenauigkeit und eine geringe Welligkeit und Rauheit der geschliffenen Oberflächen.The machining of the at least one surface of the amorphous band may involve a grinding of at least part of the at least one surface. This allows a particularly good workability of hard materials, in particular in the form of amorphous materials, which typically have hardnesses between 700 HV to 1000 HV. In addition, grinding allows high dimensional accuracy and low waviness and roughness of the ground surfaces.
Weiterhin kann das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes ein Polieren zumindest eines Teils der zumindest einen Oberfläche beinhalten. Insbesondere kann das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes ein Elektropolieren zumindest eines Teils der zumindest einen Oberfläche beinhalten.Further, machining the at least one surface of the amorphous ribbon may include polishing at least a portion of the at least one surface. In particular, machining the at least one surface of the amorphous ribbon may include electropolishing at least a portion of the at least one surface.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes ein Erodieren zumindest eines Teils der zumindest einen Oberfläche.In another embodiment, machining the at least one surface of the amorphous ribbon includes eroding at least a portion of the at least one surface.
Das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes beinhaltet in einer weiteren Ausführungsform ein Beizen zumindest eines Teils der zumindest einen Oberfläche. Das Bearbeiten der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes beinhaltet dabei zudem bevorzugt ein Bürsten zumindest eines Teils der zumindest einen Oberfläche.The processing of the at least one surface of the amorphous ribbon in a further embodiment includes pickling at least a portion of the at least one surface. In addition, the machining of the at least one surface of the amorphous strip preferably includes brushing at least part of the at least one surface.
Zudem kann ein Kühlen des amorphen Bandes während des Bearbeitens der zumindest einen Oberfläche des amorphen Bandes erfolgen. Dies ermöglicht in einfacher Weise zu verhindern, dass die Temperatur des amorphen Bandes, insbesondere der zu bearbeitenden Oberfläche, die Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung übersteigt und somit das Material kristallisieren würde.In addition, cooling of the amorphous ribbon may occur during processing of the at least one surface of the amorphous ribbon. This makes it possible to easily prevent the temperature of the amorphous ribbon, in particular the surface to be treated, from exceeding the crystallization temperature of the amorphous alloy and thus crystallizing the material.
Nach dem Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens eine Breite des Bandes verringert. Dies ermöglicht, wie im Folgenden weiter erläutert wird, eine einfache Realisierung eines Bandmaterials mit den insbesondere für Trieb- bzw. Aufzugsfedern benötigten engen Breitentoleranzen.After forming the amorphous strip from the molten alloy, a width of the strip is reduced in a preferred embodiment of the method. This allows, as will be explained further below, a simple realization of a strip material with the narrow width tolerances required in particular for drive or elevator springs.
Das Verringern der Breite des amorphen Bandes kann dabei ein Schneiden des amorphen Bandes beinhalten. Insbesondere kann das Verringern der Breite des amorphen Bandes ein Schneiden des amorphen Bandes mittels einer Zirkularschere beinhalten.Reducing the width of the amorphous ribbon may involve cutting the amorphous ribbon. In particular, reducing the width of the amorphous ribbon may include cutting the amorphous ribbon by means of a circular shear.
Weiterhin kann das Verringern der Breite des amorphen Bandes ein Schleifen zumindest einer Kante des amorphen Bandes beinhalten.Further, reducing the width of the amorphous ribbon may include grinding at least one edge of the amorphous ribbon.
Das Verringern der Breite des amorphen Bandes beinhaltet in einer weiteren Ausgestaltung ein Polieren zumindest einer Kante des amorphen Bandes. Das Verringern der Breite des amorphen Bandes beinhaltet dabei bevorzugt ein Elektropolieren der zumindest einen Kante des amorphen Bandes.Reducing the width of the amorphous ribbon in a further embodiment involves polishing at least one edge of the amorphous ribbon. Reducing the width of the amorphous ribbon preferably includes one Electropolishing the at least one edge of the amorphous ribbon.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verringern der Breite des amorphen Bandes ein Erodieren zumindest einer Kante des amorphen Bandes. Das Verringern der Breite des amorphen Bandes kann dabei ein Drahterodieren der zumindest einen Kante des amorphen Bandes beinhalten.In another embodiment, reducing the width of the amorphous ribbon includes eroding at least one edge of the amorphous ribbon. Reducing the width of the amorphous ribbon may include wire eroding the at least one edge of the amorphous ribbon.
Das Erschmelzen der Legierung erfolgt in einer Ausführungsform an Luft. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Erschmelzen der Legierung unter Schutzgas oder unter Vakuum. Die Wahl der entsprechenden Umgebung erfolgt abhängig von der jeweiligen Legierungszusammensetzung.The melting of the alloy takes place in one embodiment in air. In an alternative embodiment, the melting of the alloy takes place under protective gas or under vacuum. The choice of the appropriate environment depends on the respective alloy composition.
Das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung kann ebenfalls an Luft erfolgt. Weiterhin kann das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung alternativ unter Schutzgas oder unter Vakuum erfolgen.The forming of the amorphous ribbon from the molten alloy can also be done in air. Furthermore, the forming of the amorphous band from the molten alloy may alternatively be carried out under inert gas or under vacuum.
Das Formen der Feder aus dem amorphen, oberflächenbehandelten Band weist in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Schritte auf. Es erfolgt ein Ablängen des amorphen, oberflächenbearbeiteten Bandes. Zudem erfolgt ein Aufwickeln des abgelängten Bandes auf einer ersten Halterung in einer ersten Wickelrichtung. Weiterhin erfolgt ein Wärmebehandeln des aufgewickelten Bandes. Für die Formgebung wird das amorphe Bandmaterial somit aufgewickelt und wärmebehandelt, wodurch beispielsweise die S- oder Spiralform der Feder eingetempert wird.The shaping of the spring from the amorphous, surface-treated strip has the following steps in a preferred embodiment. There is a cutting to length of the amorphous, surface-treated band. In addition, a winding of the cut-to-length strip takes place on a first holder in a first winding direction. Furthermore, a heat treatment of the wound tape takes place. For shaping, the amorphous strip material is thus wound up and heat treated, whereby, for example, the S or spiral shape of the spring is tempered.
Das Wärmebehandeln des aufgewickelten Bandes kann an Luft, unter Schutzgas oder unter Vakuum erfolgen. Weiterhin erfolgt das Wärmebehandeln des aufgewickelten Bandes bevorzugt bei einer Temperatur T, wobei 0,3·Tx ≤ T ≤ 0,7·Tx, wobei Tx die Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung ist. Dieser Temperaturbereich gewährleistet eine ausreichende Diffusion für die für die Formgebung erforderliche Relaxation, welche für das Einprägen der entsprechenden Aufzugsfederform benötigt wird.The heat treatment of the wound tape can be done in air, under inert gas or under vacuum. Further, the heat treating the coiled strip is preferably carried out at a temperature T, where 0.3 T · x ≤ T ≤ 0.7 x T x, where T x is the crystallization temperature of the amorphous alloy. This temperature range ensures sufficient diffusion for the relaxation required for shaping, which is required for impressing the corresponding form of the elevator spring.
Das abgelängte Band wird in einer weiteren Ausführungsform zudem auf einer zweiten Halterung in einer zweiten Wickelrichtung aufgewickelt, wobei die zweite Wickelrichtung entgegengesetzt zu der ersten Wickelrichtung ist. Bevorzugt wird das amorphe Band dabei auf einen Zwillingsdorn aufgewickelt. Diese Ausführungsform ermöglicht in einfacher Weise die Einprägung einer S-Form der Feder.In a further embodiment, the cut-to-length strip is also wound on a second holder in a second winding direction, the second winding direction being opposite to the first winding direction. Preferably, the amorphous ribbon is wound onto a twin mandrel. This embodiment enables in a simple way the impression of an S-shape of the spring.
Das Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung erfolgt bevorzugt in ein amorphes Band mit einer Dicke d, wobei 50 μm ≤ d ≤ 200 μm. Dieser Bereich ist besonders für Aufzugsfedern bzw. Federbändchen geeignet.The amorphous ribbon of the molten alloy is preferably formed into an amorphous ribbon having a thickness d, where 50 μm ≤ d ≤ 200 μm. This area is particularly suitable for elevator springs or spring bands.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Legierung eine Zusammensetzung auf, die im Wesentlichen aus
0 Atom-% ≤ c ≤ 25,0 Atom-%,
2,0 Atom-% ≤ d ≤ 21,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ k ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ l ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ m ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ n ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni und/oder Co besteht. Dabei gilt für das Verhältnis an Co zu Ni die Beziehung 0 ≤ b/(a + b) ≤ 1.In a further preferred embodiment, the alloy has a composition consisting essentially of
0 atom% ≦ c ≦ 25.0 atom%
2.0 at% ≤ d ≤ 21.0 at%
1.0 at% ≤ e ≤ 20.0 at%,
0 atom% ≦ f ≦ 20.0 atom%
0 atomic% ≦ g ≦ 20.0 atomic%,
0 atom% ≦ h ≦ 20.0 atom%,
0 atom% ≦ i ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ k ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ l ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≤ m ≤ 5.0 atom%
0 atom% ≤ n ≤ 5.0 atom%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni and / or Co exists. In this case, the relationship 0 ≦ b / (a + b) ≦ 1 applies to the ratio of Co to Ni.
Bevorzugt gilt dabei 15,0 Atom-% < e + f + g + h < (0,033·x2 – 1,2·x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist. Der genannte Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Cr und dem Gesamtmetalloidgehalt, d. h. dem Gehalt an Si + B + C + P, ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Herstellung der Feder in hinreichen großen Dicken, typischerweise in einer Foliendicke von mindestens 50 μm. Die genannten Elemente bzw. Elementgruppen könnten sich bei zu hohen Gehalten ansonsten nachteilig auf die maximal mögliche Herstelldicke auswirken. Der genannte Gehalt an Cr bewirkt in vorteilhafter Weise eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Feder. Die Untergrenze für den Gesamtmetalloidgehalt ist geeignet, gute Glasbildungseigenschaften für die Herstellung der Feder zu gewährleisten.In this case, 15.0 atomic% <e + f + g + h <(0.033 · x 2 - 1.2 · x + 32) atomic%, where x is the content of Cr in atomic%, is preferred. The said relationship between the content of Cr and the total metalloid content, ie the content of Si + B + C + P, advantageously makes it possible to produce the spring in sufficiently large thicknesses, typically in a film thickness of at least 50 μm. The above-mentioned elements or element groups could otherwise have a disadvantageous effect on the maximum possible production thickness if the contents are too high. The mentioned content of Cr advantageously results in an improved corrosion resistance of the spring. The lower limit for the total metalloid content is suitable to ensure good glass forming properties for the production of the spring.
Die Legierung kann beiläufige Verunreinigungen von bis zu 1 Gewichtsprozent aufweisen. Verunreinigungen werden in der Praxis in Gewichtsprozent gemessen und folglich wird hierbei diese Einheit für die Verunreinigungen verwendet. Als Verunreinigung kann im Prinzip jedes Element bezeichnet werden, das nicht in der oben genannten Zusammensetzung explizit genannt ist. Elemente, die als Verunreinigungen häufig gemessen werden, sind Al, Ti, Zr, Cd, Se und S.The alloy can have incidental impurities of up to 1 percent by weight. Impurities are in practice measured in percent by weight and thus this unit is used for the impurities. In principle, an impurity may be any element not explicitly mentioned in the above-mentioned composition. Elements that are frequently measured as impurities are Al, Ti, Zr, Cd, Se and S.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Legierung eine Zusammensetzung auf, die im Wesentlichen aus
4,0 Atom-% ≤ b ≤ 21,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ c ≤ 10,0 Atom-%,
5,0 Atom-% ≤ d ≤ 18,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni besteht.In a further preferred embodiment, the alloy has a composition consisting essentially of
4.0 at% ≦ b ≦ 21.0 at%,
0 atom% ≦ c ≦ 10.0 atom%
5.0 at% ≤ d ≤ 18.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 5.0 at%,
0 atom% ≦ f ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ g ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ h ≦ 5.0 atom%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni exists.
Die Legierung kann ebenfalls beiläufige Verunreinigungen von bis zu 1 Gewichtsprozent aufweisen. Als Verunreinigung kann wiederum jedes Element bezeichnet werden, das nicht in der oben genannten Zusammensetzung explizit genannt ist.The alloy may also have incidental impurities of up to 1 percent by weight. In turn, an impurity may be any element not explicitly mentioned in the above-mentioned composition.
Zudem betrifft die Erfindung eine Feder für ein mechanisches Uhrwerk, wobei die Feder eine amorphe Legierung aufweist und wobei die Feder eine Dickentoleranz von weniger als ±1 μm aufweist.In addition, the invention relates to a spring for a mechanical movement, wherein the spring has an amorphous alloy and wherein the spring has a thickness tolerance of less than ± 1 microns.
Diese Feder kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, damit eine möglichst geringe Dickentoleranz erreicht werden kann. Bevorzugt besteht die Feder aus der amorphen Legierung.This spring can be produced by the method according to the invention, so that the smallest possible thickness tolerance can be achieved. Preferably, the spring is made of the amorphous alloy.
Zumindest eine Oberfläche der Feder weist zudem bevorzugt eine Oberflächenrauigkeit Ra von weniger als 0,2 μm auf. Weiterhin weist die Feder bevorzugt eine Breitentoleranz von weniger als ±0,1 mm auf.In addition, at least one surface of the spring preferably has a surface roughness R a of less than 0.2 μm. Furthermore, the spring preferably has a width tolerance of less than ± 0.1 mm.
Die Feder weist in einer weiteren Ausführungsform eine Dicke d auf, wobei 50 μm ≤ d ≤ 200 μm. Dieser Bereich ist besonders für Aufzugsfedern bzw. Federbändchen geeignet. Die Feder weist dabei bevorzugt eine rechteckige Querschnittsgeometrie bzw. einen rechteckförmigen Querschnitt auf.In a further embodiment, the spring has a thickness d, wherein 50 μm ≦ d ≦ 200 μm. This area is particularly suitable for elevator springs or spring bands. The spring preferably has a rectangular cross-sectional geometry or a rectangular cross-section.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Feder im entspannten Zustand S-förmig und/oder spiralförmig.In a further preferred embodiment, the spring in the relaxed state is S-shaped and / or spiral.
Die amorphe Legierung weist bevorzugt eine Kristallisationstemperatur Tx auf, wobei Tx > 400°C. Besonders bevorzugt gilt Tx > 450°C. Dadurch ist eine temperaturinduzierte Formgebung der Feder bzw. des Federbändchens, beispielsweise zur S- oder Spiralform, in besonders vorteilhafter Weise möglich, ohne dass unerwünschte Kristallisation und/oder Sprödigkeit des amorphen Materials auftritt.The amorphous alloy preferably has a crystallization temperature T x , where T x > 400 ° C. Particularly preferred T, x> 450 ° C. As a result, a temperature-induced shaping of the spring or the spring ribbon, for example, the S or spiral shape, in a particularly advantageous manner possible without undesirable crystallization and / or brittleness of the amorphous material occurs.
Die Feder ist bevorzugt als Triebfeder, insbesondere als Aufzugsfeder, ausgebildet.The spring is preferably designed as a mainspring, in particular as an elevator spring.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein mechanisches Uhrwerk, das eine Feder gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen aufweist, sowie eine Uhr mit einem derartigen mechanischen Uhrwerk. Das mechanische Uhrwerk und die Uhr gemäß der Erfindung weisen die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß der Erfindung genannten Vorteil auf, welche an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals aufgeführt werden.The invention further relates to a mechanical movement having a spring according to one of the preceding embodiments, and a clock with such a mechanical movement. The mechanical movement and the clock according to the invention have the already mentioned in connection with the method according to the invention advantage, which will not be listed again at this point to avoid repetition.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures.
Die Aufzugsfeder
Die Aufzugsfeder
Auch Kombinationen der beiden Ausführungsformen sind möglich.Combinations of the two embodiments are possible.
Dazu zeigt
Die Aufzugsfeder
Weiterhin zeigt
Die Aufzugsfeder
Die Aufzugsfedern gemäß den in den
Dazu zeigt
Die sogenannte Kraftmomentkennlinie stellt die Abhängigkeit des Kraft- bzw. Drehmomentes M einer Spiralfeder von der Windungszahl N dar und kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:
Werden Aufzugs- und Triebfedern in die in den
Somit ist auch ein höheres Energiespeichervermögen und damit eine größere Gangdauer möglich, wie durch folgende Formel gezeigt wird, in der die Federenergie bzw. das Energiespeichervermögen W als Integral des Drehmomentes über die Windungszahlen ausgedrückt wird: 
Dadurch erfüllen amorphe Werkstoffe mit sehr hohen Festigkeiten und geringem Elastizitätsmodul die Anforderungen an einen Werkstoff für Aufzugsfedern bezüglich maximal speicherbarer Federenergie in besonders hohem Maße.As a result, amorphous materials with very high strength and low modulus of elasticity meet the requirements of a material for elevator springs with respect to maximum storable spring energy in a particularly high degree.
Die oben genannte Formel für das Energiespeichervermögen einer Spiralfeder kann mittels der Dehnungs/Spannungs-Gleichung σmax = E·εmax in die folgende Formel umgewandelt werden 
Unter der Annahme, dass jede Windung einer Aufzugs- und Triebfeder der Dicke d durch einen einfachen Kreis mit Radius R (Krümmungsradius) beschrieben werden kann, ergibt sich eine maximale Dehnung (Dehnungsgrenze) der äußersten Faser der Feder zu 
Damit kann eine Maximierung des Energiespeichervermögens einer Aufzugs- und Triebfeder durch einen kleineren Krümmungsradius der Spirale erzielt werden. Dies bedeutet eine höhere Beanspruchung des Federwerkstoffes bis zu seiner Dehnungsgrenze, was oft zu einer verkürzten Lebensdauer des Federelementes führt.This can be achieved by a smaller radius of curvature of the spiral maximizing the energy storage capacity of a lift and drive spring. This means a higher stress of the spring material up to its elongation limit, which often leads to a shortened life of the spring element.
Eine weitere Möglichkeit neben der Elastizitätsgrenze, dem Elastizitätsmodul und der Dehnungsgrenze als Werkstoffkennwerte zur Beeinflussung des Energiespeichervermögens ist durch das Federvolumen V bzw. die Federgeometrie, d. h. Breite bzw. Dicke, möglich.Another possibility in addition to the elastic limit, the elastic modulus and the elongation limit as material parameters for influencing the energy storage capacity is the spring volume V or the spring geometry, d. H. Width or thickness, possible.
Amorphe Materialien werden bevorzugt mittels eines so genannten ”Single-Roll” Meltspinning-Verfahrens, das auch als ”Single-Roll”-Schmelzspinnverfahren bezeichnet wird, als kontinuierliches Band oder Folie hergestellt. Die Geometrie eines amorphen Bandes wird dabei durch seine Breite, Dicke und Länge bestimmt.Amorphous materials are preferably produced by means of a so-called "single-roll" meltspinning process, which is also referred to as a "single-roll" melt-spinning process, as a continuous strip or film. The geometry of an amorphous ribbon is determined by its width, thickness and length.
Für den Einsatz in mechanischen Uhren liegt eine typische Breite für Federbändchen zwischen 0,5 bis 3,0 mm, während ihre Dicke typischerweise im Bereich von 50 bis 200 μm liegt. Breite und Dicke unterliegen auf der gesamte Länge des Bandes engen Toleranzgrenzen, damit die Geometrie und somit das Volumen jedes Federbändchen gut definiert sind. Eine schwankende Geometrie würde das Energiespeichervermögen und das Drehmoment der Feder stark beeinflussen, wie die oben genannten Gleichungen zeigen.For use in mechanical watches, a typical width for spring bands is between 0.5 to 3.0 mm, while their thickness is typically in the range of 50 to 200 μm. Width and thickness are tightly constrained along the entire length of the belt, so that the geometry and thus the volume of each spring band is well defined. A fluctuating geometry would greatly affect the energy storage capacity and torque of the spring, as shown by the equations above.
Die Breite und Dicke eines rascherstarrten Bandes wird insbesondere durch die Herstellparameter des Schmelzspinnverfahrens, insbesondere Gießradgeschwindigkeit, Düsenschlitzdicke und Gießrad/Düsen-Abstand, eingestellt, während die Länge im Wesentlichen durch die Menge der zur Verfügung stehenden Schmelze bestimmt wird. The width and thickness of a rapidly solidified belt is adjusted in particular by the production parameters of the melt spinning process, in particular casting wheel speed, nozzle slot thickness and casting wheel / nozzle distance, while the length is determined essentially by the amount of available melt.
Amorphe Bänder zeigen im so genannten ”as-cast” Zustand Breiten- und Dicken-Schwankungen, die durch periodische sowie auch aperiodische mechanische Vibrationen und thermische Schwankungen während des Abgießprozesses verursacht werden. Diese Effekte können im Laufe des Schmelzspinn-Prozesses nur bedingt durch Parameterregulierung der Gießanlage kompensiert werden.Amorphous ribbons exhibit variations in width and thickness in the so-called "as-cast" state, which are caused by periodic as well as aperiodic mechanical vibrations and thermal fluctuations during the casting process. In the course of the melt spinning process, these effects can only be compensated to a limited extent by adjusting the parameters of the casting plant.
Zudem zeigen amorphe Bänder im as-cast Zustand eine charakteristische Oberflächenbeschaffenheit, die sich durch allgemeine Rauigkeit, Längsriefen und punktuelle Oberflächendefekte unterscheidet. Zusätzlich zeigen Bänder, die mittels ”Single-Roll”-Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, weitere Unterschiede und Besonderheiten zwischen der, der Gießradseite zugewandten Seite bzw. Oberfläche des Bandes und der von der Gießradseite abgewandten Seite bzw. Oberfläche des Bandes.In addition, as-cast amorphous ribbons show a characteristic surface texture that differs from general roughness, longitudinal scoring and punctual surface defects. In addition, tapes produced by "single-roll" melt spinning techniques exhibit further differences and peculiarities between the side or surface of the belt facing the casting wheel side and the side or surface of the belt away from the casting wheel side.
Die dem Gießrad zugewandte Seite bzw. Oberfläche des Bandes zeigt im Allgemeinen eine nicht konstante Rauigkeit, die typischerweise mit der Lauflänge des Bandes aufgrund der zunehmenden Abnutzung des Gießrades zunimmt. Zudem wird bei der Bandherstellung unter Atmosphäre Luft bzw. Schutzgas zwischen der erstarrenden Schmelze und dem Gießrad eingefangen und bildet so genannte ”Luft-Taschen” (”gas pockets”), die lokal langgestreckte Oberflächenfehler darstellen. Die Tiefe und Form der Luft-Taschen variiert stark mit der Gießatmosphäre sowie auch mit den Gießparametern.The side of the belt facing the casting wheel generally exhibits non-uniform roughness, which typically increases with the run length of the belt due to the increasing wear of the casting wheel. In addition, during strip production under air, air or inert gas is trapped between the solidifying melt and the casting wheel and forms so-called "gas pockets" which represent locally elongated surface defects. The depth and shape of the air pockets varies greatly with the casting atmosphere as well as the casting parameters.
Die Seite bzw. Oberfläche des Bandes, die an der Atmosphäre oder gegebenenfalls im Vakuum frei erstarrt, zeigt häufig längs verlaufende Oberflächendefekte (Riefen), welche auf Abnutzung der Gießdüse oder auf Ablagerungen an der Gießdüse zurückzuführen sind, die auf dem Band längs verlaufende Riefen verursachen. Obwohl Luft bzw. Schutzgas keine ”Luft-Taschen” auf der Oberseite bilden, sind auf der Bandoberfläche oftmals punktuelle Defekte vorhanden, die aufgrund der Präsenz von bevorzugten Nukleationszentren und/oder nicht-ausreichender Abkühlgeschwindigkeit zu einer lokalen Kristallisation des amorphen Materials führen können. Diese punktuellen Defekte sind oftmals oxidische Partikel, welche als Verunreinigung direkt aus der Schmelze stammen. Ferner können diese punktuellen Defekte teilweise auch auf das Losbrechen von oxidischen Ablagerungen an der Gießdüse während des Gießvorganges zurückgeführt werden.The side or surface of the belt which freely solidifies in the atmosphere or optionally in vacuum often exhibits longitudinal surface defects (scores) due to wear of the casting nozzle or deposits on the casting nozzle which cause longitudinal grooves on the belt , Although air or shielding gas does not form "air pockets" on top, there are often punctiform defects on the belt surface which, due to the presence of preferred nucleation centers and / or inadequate cooling rate, can lead to localized crystallization of the amorphous material. These punctual defects are often oxidic particles, which originate as an impurity directly from the melt. Furthermore, these punctiform defects can in part also be attributed to the breakaway of oxide deposits on the casting nozzle during the casting process.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde dabei erkannt, dass ein unbehandeltes amorphes Band für den Einsatz in mechanischen Uhren bzw. mechanischen Uhrwerken aufgrund der schwankenden Geometrie und der schwankenden Oberflächenqualität des amorphen Bandmaterials im as-cast Zustand in Hinblick auf ein möglichst konstantes Drehmoment sowie ein möglichst konstantes Energiespeichervermögen unzureichend sein kann. Zusätzlich können weitere Dickenschwankungen über die Breite und damit ein ungleichmäßiger, keilförmiger Querschnitt, sowie über die Länge auftreten. Des Weiteren können lokal auftretende Fehler und Oberflächen- bzw. Kanten-Defekte zu einer höheren Reibung zwischen den Lagen der Spiralfeder führen sowie auch bevorzugte Bruchstellen in Form von Kerben für die aufgewickelte und unter Spannung stehende Feder bilden.In the context of the present invention it was recognized that an untreated amorphous belt for use in mechanical watches or mechanical movements due to the fluctuating geometry and the fluctuating surface quality of the amorphous strip material in the as-cast state with respect to a constant torque as possible and as possible constant energy storage capacity may be insufficient. In addition, further thickness variations across the width and thus a non-uniform, wedge-shaped cross-section, as well as over the length occur. Furthermore, locally occurring defects and surface or edge defects can lead to higher friction between the layers of the coil spring as well as form preferential break points in the form of notches for the coiled and stressed spring.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht hingegen die Herstellung insbesondere von Aufzugs- oder Triebfedern, beispielsweise in S-Form, Spiralform bzw. in die so genannte halb-umgekehrte oder umgekehrte Spiralform, aus amorphen, rasch-erstarrten Materialien, die für den Einsatz in mechanischen Uhren eine ausreichende Geometrie- bzw. Oberflächen-Qualität aufweisen.The process according to the present invention, however, allows the production of particular elevator or power springs, for example in S-shape, spiral shape or in the so-called half-inverted or inverted spiral shape, of amorphous, rapidly-solidified materials suitable for use in mechanical watches have a sufficient geometry or surface quality.
Ausgangsbasis insbesondere für Zug-, Aufzugs- und Triebfedern ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein amorphes Bandmaterial, welches zunächst mit einem Schmelzspinnverfahren als kontinuierliches Band oder Folie in einer Dicke von beispielsweise ca. 40–200 μm hergestellt wird.The starting point, in particular for tension, elevator and power springs, according to the present invention is an amorphous strip material, which is first produced by a melt-spinning process as a continuous strip or film in a thickness of, for example, about 40-200 μm.
Als besonderes geeignetes Material für amorphe Zug-, Aufzugs- und Triebfedern gemäß der Erfindung kommen bevorzugt Ni-Cr-Si-B-Legierungen zum Einsatz, da diese eine hohe mechanische Festigkeit und einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul besitzen und damit ein hohes Energiespeichervermögen der Triebfeder ermöglichen. Zudem sind Ni-Cr-Si-B-Legierungen oxidations- und korrosionsbeständig sowie auch bei den typischen Einsatztemperaturen der Feder unmagnetisch, d. h. nicht-ferromagnetisch. Des Weiteren können sie an Luft sowie auch in einer Banddicke zwischen 40–200 μm als amorphes Bandmaterial mittels Schmelzspinnverfahren hergestellt werden.As a particularly suitable material for amorphous tensile, elevator and power springs according to the invention are preferably Ni-Cr-Si-B alloys are used, since they have a high mechanical strength and a relatively low elastic modulus and thus allow high energy storage capacity of the mainspring , In addition, Ni-Cr-Si-B alloys are resistant to oxidation and corrosion as well as non-magnetic at the typical operating temperatures of the spring, d. H. non-ferromagnetic. Furthermore, they can be produced in the air as well as in a strip thickness between 40-200 μm as an amorphous strip material by means of melt spinning.
Durch den Einsatz von Triebfedern aus amorphen Legierungen bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass die Federn bei gleichem Volumen bzw. Größe deutlich mehr Energie speichert und das Drehmoment deutlich geringer von der Windungszahl N abhängt als bei bekannten Federn aus kristallinen Legierungen. Weiterhin können Federbändchen direkt mittels Schmelzspinnverfahren kostengünstig hergestellt und in einfacher Weise zur Verfügung gestellt werden.By using drive springs made of amorphous alloys, the present invention has the advantage that the springs store significantly more energy with the same volume or size and the torque depends much less on the number of turns N than in known springs made of crystalline alloys. Furthermore, spring bands can be produced directly by means of melt spinning process inexpensively and made available in a simple manner.
Der erfindungsgemäße Herstellungsweg ermöglicht es, direkt gegossene amorphe Bänder durch nachgeschaltete Behandlungsschritte mit einer besseren und gleichmäßigeren Oberflächenstruktur zu versehen, insbesondere mit einer reduzierten Rauigkeit und einer geringeren Zahl an Oberflächen-Fehlern bzw. -defekten sowie mit einer gleichmäßigen, typischerweise rechteckigen Querschnittsstruktur auszustatten. The production path according to the invention makes it possible to provide directly cast amorphous ribbons with a better and more uniform surface structure by means of downstream treatment steps, in particular with reduced roughness and a lower number of surface defects and with a uniform, typically rectangular, cross-sectional structure.
Die vorliegende Erfindung besitzt den Vorteil, dass das Federband homogenere mechanische Eigenschaften aufweist, da die Querschnittsgeometrie, d. h. Breite und Dicke, besser und enger definierte werden kann. Weiterhin besitzen die Federbändchen eine bessere Bruchsicherheit, da Lufttaschen, Kristallite sowie auch Oxid-Partikeln von den Oberflächen entfernet werden können, sowie darüber hinaus eine niedrigere Oberflächenrauigkeit, welche eine reduzierte Reibung zwischen den Lagen der Feder und damit kleinere Verluste ermöglicht.The present invention has the advantage that the spring band has more homogeneous mechanical properties, since the cross-sectional geometry, i. H. Width and thickness, better and narrower can be defined. Furthermore, the spring bands have a better resistance to breakage, as air pockets, crystallites and oxide particles can be removed from the surfaces, as well as a lower surface roughness, which allows a reduced friction between the layers of the spring and thus smaller losses.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit Prozesse für die Herstellung der Federbändchen vor, welche die Entfernung von Gießdefekten von der Oberfläche bzw. den Oberflächen des ”wie gegossenen” (”as cast”) amorphen Bandes, beispielweise Lufttaschen, Kristallite und Oxid-Partikel, sowie zudem eine Reduzierung der Bandrauigkeit ermöglichen.The method according to the invention thus provides processes for the production of the spring bands, which include the removal of casting defects from the surface or the surfaces of the "as cast" amorphous band, for example air pockets, crystallites and oxide particles, and also allow a reduction of the tape roughness.
Dies kann beispielweise mittels Kaltwalzen und/oder mittels zumindest eines Material-abtragenden Verarbeitungsschrittes wie beispielweise Schleifen, Polieren, Erodieren, Elektropolieren und/oder Beizen, erfolgen.This can be done, for example, by means of cold rolling and / or by means of at least one material-removing processing step such as, for example, grinding, polishing, erosion, electropolishing and / or pickling.
Weiterhin ist die Verarbeitung des ”wie gegossenen” amorphen Bandes auf die gewünschte Breite beispielsweise mittels Schneiden, Schleifen, Erodieren und/oder Polieren bzw. Elektropolieren der so genannten ”Naturkanten” besonders vorteilhaft. Dieser Verarbeitungsschritt dient zum einen der Realisierung eines Bandmaterials mit den für Aufzugsfedern typischerweise benötigten engen Breitentoleranzen. Des Weiteren weist ”as-cast” Bandmaterial typischerweise zu große Breitentoleranzen, beispielsweise im Bereich von +/–2 bis +/–5 mm, auf. Die Naturkanten des amorphen Bandmaterials können zudem Defekte wie Kerben oder Riefen oder andere strukturellen Defekte aufweisen. Für höchstbelastete Spiralfedern, wie sie in mechanischen Uhren zum Einsatz kommen, ist eine exakte Kantenqualität erforderlich, da strukturelle Defekte, insbesondere an den Kanten des Federbändchens, beim späteren Einsatz der amorphen Feder zu einem Versagen durch Federbruch oder zu unzureichenden Federeigenschaften führen können.Furthermore, the processing of the "as cast" amorphous ribbon to the desired width, for example by means of cutting, grinding, eroding and / or polishing or electropolishing of the so-called "natural edges" is particularly advantageous. This processing step serves on the one hand to realize a strip material with the narrow width tolerances typically required for elevator springs. Furthermore, as-cast strip material typically has too wide width tolerances, for example in the range of +/- 2 to +/- 5 mm. The natural edges of the amorphous ribbon material may also have defects such as notches or grooves or other structural defects. For highly stressed coil springs, as used in mechanical watches, an exact edge quality is required because structural defects, especially at the edges of the spring strip, may result in subsequent use of the amorphous spring to failure by spring break or insufficient spring properties.
In einem Schritt
Um die besonders günstigen Eigenschaften des amorphen Werkstoffzustandes zu nutzen, ist darauf zu achten, dass das Material zumindest einen Amorphitätsgrad größer 80% aufweist. Bevorzugt ist das Material vollständig amorph. Typische Breiten für mittels Meltspinnverfahren hergestelltem amorphem Bandmaterial liegen dabei im Bereich zwischen 20–100 mm.In order to use the particularly favorable properties of the amorphous material state, it must be ensured that the material has at least a degree of amorphous greater than 80%. Preferably, the material is completely amorphous. Typical widths for amorphous strip material produced by meltspinning are in the range between 20-100 mm.
Nach dem Formen des amorphen Bandes aus der erschmolzenen Legierung wird in einem weiteren Schritt
Das Verringern der Breite des amorphen Bandes kann dabei ein Schneiden beinhaltet. Insbesondere kann das Verringern der Breite des amorphen Bandes ein Schneiden mittels einer Zirkularschere beinhalten. Weiterhin kann das Verringern der Breite des amorphen Bandes ein Schleifen zumindest einer Kante des amorphen Bandes beinhalten. Das Verringern der Breite des amorphen Bandes beinhaltet in einer weiteren Ausgestaltung ein Polieren zumindest einer Kante des amorphen Bandes. Das Verringern der Breite des amorphen Bandes beinhaltet dabei bevorzugt ein Elektropolieren der zumindest einen Kante des amorphen Bandes. In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Verringern der Breite des amorphen Bandes ein Erodieren zumindest einer Kante des amorphen Bandes. Das Verringern der Breite des amorphen Bandes kann dabei ein Drahterodieren der zumindest einen Kante des amorphen Bandes beinhalten.Reducing the width of the amorphous ribbon may involve cutting. In particular, reducing the width of the amorphous ribbon may include cutting by means of a circular shear. Further, reducing the width of the amorphous ribbon may include grinding at least one edge of the amorphous ribbon. Reducing the width of the amorphous ribbon in a further embodiment involves polishing at least one edge of the amorphous ribbon. Reducing the width of the amorphous band preferably involves electropolishing the at least one edge of the amorphous band. In a further embodiment, reducing the width of the amorphous ribbon includes eroding at least one edge of the amorphous ribbon. Reducing the width of the amorphous ribbon may include wire eroding the at least one edge of the amorphous ribbon.
Wie bereits erläutert, ermöglicht das Verringern der Breite, die Qualität und die Eigenschaften der ”Naturkanten” des gegossenen amorphen Bandes zu verbessern. Auch eine Kombination dieser Prozesse ist möglich, um die Qualität der Kanten noch weiter zu verbessern.As already explained, reducing the width makes it possible to improve the quality and properties of the "natural edges" of the cast amorphous ribbon. A combination of these processes is also possible to further improve the quality of the edges.
In einem Schritt
Für die Bearbeitung der zumindest einen Oberfläche werden bevorzugt Kaltwalzen, Schleifen, Polieren, Erodieren, Elektropolieren und/oder Beizen angewendet.For the processing of the at least one surface, it is preferable to use cold rolling, grinding, polishing, eroding, electropolishing and / or pickling.
Bei einem Kaltwalzen wird das as-cast amorphe Band, welches in der gezeigten Ausführungsform bereits auf die gewünschte Breite oder ein Vielfaches davon geschnitten (besäumt) ist oder nach dem Prozess auf die Endbreite besäumt wird, durch massive plastische Umformung unterhalb der Kristallisationstemperatur Tx, bevorzugt bei Raumtemperatur, auf die gewünschte Enddicke gebracht. Es erfolgt somit neben der Vergleichmäßigung der Dicke eine Dickenreduktion des Bandes. Das Kaltwalzen ist dabei dadurch charakterisiert, dass kein Materialabtrag beim Walzen stattfindet.In the case of cold rolling, the as-cast amorphous strip, which in the embodiment shown has already been cut (trimmed) to the desired width or a multiple thereof or is trimmed to the final width after the process, is subjected to massive plastic deformation below the crystallization temperature T x . preferably at room temperature, brought to the desired final thickness. There is thus in addition to the equalization of the thickness, a reduction in thickness of the band. The cold rolling is characterized by the fact that no material removal takes place during rolling.
Das Band wird dazu beispielsweise auf einen so genannte Abspul-Haspel bzw. Rückzug-Haspel gespannt und in das Walzgerüst eingeführt und zudem, hinter dem Walzgerüst, von einer Aufwickel-Haspel bzw. Zug-Haspel aufgenommen. Typischerweise erfolgt das Kaltwalzen in einem Reversierbetrieb. Die gewünschte Enddicke wird durch die Dickenreduktion im Walzspalt zwischen zwei Arbeitswalzen erhalten. Das Walzgut wird homogen plastisch kaltverformt. Um zu vermeiden, dass Abweichungen von Ebenheit und Geradheit auftreten, beispielsweise Krümmungen, Welligkeit und Säbelform, werden die Walzparameter, beispielweise Haspelzüge, Walzgeschwindigkeit, Walzkraft, Arbeitswalzen, Walzspaltgeometrie, Reduktionsgrade, an die Querschnittgeometrie, d. h. das Einlaufprofil des Bandes, angepasst.For this purpose, for example, the strip is tensioned onto a so-called unwinding reel or retraction reel and introduced into the rolling stand and, in addition, taken up behind the rolling stand by a take-up reel or tension reel. Typically, the cold rolling takes place in a reversing operation. The desired final thickness is obtained by the thickness reduction in the nip between two work rolls. The rolling stock is homogenously plastically cold-worked. To avoid deviations from flatness and straightness, such as curvatures, waviness and saber shape, the rolling parameters, such as reel draws, rolling speed, rolling force, work rolls, roll gap geometry, reduction degrees, are reduced to the cross-sectional geometry, i. H. the inlet profile of the band, adapted.
Während des Walzvorganges wird ein Teil der Kaltverformungsenergie in Wärme umgewandelt. Um zu vermeiden, dass die Temperatur des Walzgutes die Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung übersteigt und somit das Material kristallisiert, kann das Walzgut beispielsweise mittels Kühlschmierstoff kontinuierlich abgekühlt werden.During the rolling process, part of the cold working energy is converted into heat. In order to avoid that the temperature of the rolling stock exceeds the crystallization temperature of the amorphous alloy and thus crystallizes the material, the rolling stock can be cooled continuously, for example by means of cooling lubricant.
Bei einem Schleifen kann das aufgewickelte Band ebenfalls in eine Abspul-Haspel eingelegt und in die Schleifeinheit eingeführt sowie zudem von einer Aufwickel-Haspel aufgenommen werden. Die gewünschte Enddicke und Oberflächenbeschaffenheit werden durch den Einsatz von Schleifmitteln erreicht, indem Material in Form von Spänen (Zerspanung) abgetragen wird. Das Schleifen der Oberflächen, d. h. der Unter- und/oder Ober-Seite des ”as-cast” amorphen Bandes, kann manuell oder maschinell erfolgen.When grinding, the wound tape can also be placed in a unwinding reel and inserted into the grinding unit and also be taken up by a take-up reel. The desired final thickness and surface finish are achieved through the use of abrasives by removing material in the form of chips (chipping). The grinding of the surfaces, d. H. the lower and / or upper side of the "as-cast" amorphous band, can be done manually or by machine.
Gegenüber anderen Arten der Zerspanung ermöglicht Schleifen eine besonders gute Bearbeitbarkeit harter Werkstoffe wie amorpher Materialen, welche typischerweise Härten zwischen 700 HV bis 1000 HV aufweisen. Zudem ermöglicht Schleifen eine hohe Formgenauigkeit und eine geringe Welligkeit und Rauheit der geschliffenen Oberflächen.In comparison with other types of machining, grinding enables a particularly good machinability of hard materials, such as amorphous materials, which typically have hardnesses of between 700 HV and 1000 HV. In addition, grinding allows high dimensional accuracy and low waviness and roughness of the ground surfaces.
Während des Schleifvorganges wird ein Teil der angewendeten Energie in Wärme umgewandelt. Um zu vermeiden, dass die Temperatur des Schleifgutes wie im Fall des Kaltwalzens die Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung übersteigt, wird das amorphe Band mit Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder einem Wasser/Öl-Gemisch, bevorzugt kontinuierlich abgekühlt.During the grinding process part of the applied energy is converted into heat. To avoid that the temperature of the abrasive material as in the case of cold rolling exceeds the crystallization temperature of the amorphous alloy, the amorphous ribbon with coolant, for example water or a water / oil mixture, preferably continuously cooled.
Unter- und Oberseite des Bandes können gleichzeitig sowie auch getrennt voneinander geschliffen werden, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen oder die Wärme vom Schleifgut besser abführen zu können. In diesem Fall kann das amorphe Band auf einer gut wärmeleitenden metallischen Platte laufen, die die entstehende Wärme ableitet, während die andere Seite, welche nicht in direktem Kontakt mit der Platte steht, geschliffen wird.The top and bottom of the belt can be ground simultaneously as well as separately to achieve greater accuracy or better dissipate heat from the sanding material. In this case, the amorphous ribbon can run on a highly thermally conductive metallic plate, which dissipates the heat generated, while the other side, which is not in direct contact with the plate, is ground.
Bei einem Polieren wird das amorphe Material durch ein Feinbearbeitungsverfahren geglättet. Die glättende Wirkung wird in der Regel mit zwei Mechanismen erreicht: Zum einen werden Rauhigkeitsspitzen der Oberflächenstruktur plastisch und teilplastisch verformt. Zum anderen wird ein kleiner Materialabtrag erzielt. Die bearbeitet Oberfläche ist aufgrund der damit erreichte Glätte typischerweise glänzend.When polishing, the amorphous material is smoothed by a finishing process. The smoothing effect is usually achieved with two mechanisms: On the one hand, roughness peaks of the surface structure are plastically and partially plastically deformed. On the other hand, a small material removal is achieved. The machined surface is typically shiny due to the smoothness achieved thereby.
Bei einem Elektropolieren wird das Band durch ein abtragendes Fertigungsverfahren auf die erforderliche Dicke und Oberflächeneigenschaften gebracht. Dazu wird das Material in einem speziell auf die amorphe Legierung abgestimmten Elektrolyten Metall anodisch abgetragen, welches die Anode in einer elektrochemischen Zelle bildet. Auch hier werden bevorzugt Spitzen abgetragen, da sich an diesen Spitzen Felderhöhungen des elektrostatischen Feldes ausbilden und dort ein verstärkter Angriff des Lösemittels erfolgt.In electropolishing, the strip is made to the required thickness and surface properties by an abrasive manufacturing process. For this purpose, the material is anodically removed in an electrolyte specially adapted to the amorphous alloy, which forms the anode in an electrochemical cell. Here, too, tips are preferably removed, since at these peaks form field increases in the electrostatic field and there is an increased attack of the solvent.
Bei einem Erodieren (Funkenerosion) erfolgt der Materialabtrag von dem amorphen Band kontinuierlich durch eine Funkenentladung zwischen Band und zwei parallel eingeordneten Platten.In the case of erosion (spark erosion), the removal of material from the amorphous strip takes place continuously by a spark discharge between the strip and two plates arranged in parallel.
Bei Beizen handelt sich um ein chemisches Verfahren, um die Querschnittgeometrie einzustellen sowie auch die Oberflächen zu verändern. Das Beizen geschieht typischerweise durch ein Anätzen mittels aggressiver, auf die Zusammensetzung des Materials des Bandes abgestimmter Chemikalien, sowohl Säuren als auch Laugen, das zudem durch elektrischen Strom (Elektrolyse) unterstützt werden kann. Ein zusätzliches Bürsten des Bandes während des Beizens kann die genannten Eigenschaften des Bandes weiter verbessern. Pickling is a chemical process used to adjust the cross-sectional geometry as well as to modify the surfaces. The pickling is typically done by etching by means of aggressive chemicals adapted to the composition of the strip material, both acids and alkalis, which can also be assisted by electric current (electrolysis). Additional brushing of the tape during pickling can further enhance the aforementioned properties of the tape.
In einem Schritt
Nach dem Ablängen wird das Federbändchen in einem Schritt
Die Wärmebehandlung, welche vorzugsweise in Luft erfolgt, wird dabei bei einer Temperatur durchgeführt, welche auf der einen Seite hoch genug ist, damit die diffusionsgesteuerten Relaxationsprozesse ablaufen können und dadurch eine bleibende Einprägung der Spiral- oder S-Form einstellen zu können. Auf der anderen Seite ist darauf zu achten, dass diese Temperatur nicht zu hoch ist, um eine Kristallisation des metastabilen amorphen Zustandes zu vermeiden. Diese Kristallisation würde zu einer Versprödung des Federbändchens führen, wodurch es für den Einsatz als Spiralfeder ungeeignet wäre.The heat treatment, which is preferably carried out in air, is carried out at a temperature which is high enough on the one side so that the diffusion-controlled relaxation processes can proceed and thereby be able to set a lasting impression of the spiral or S-shape. On the other hand, care should be taken that this temperature is not too high to avoid crystallization of the metastable amorphous state. This crystallization would lead to embrittlement of the spring strip, making it unsuitable for use as a coil spring.
Die geeignete Temperatur dieser Wärmebehandlung wird dabei maßgeblich durch die Kristallisationstemperatur des amorphen Ausgangsmaterials bestimmt. Insbesondere der Temperaturbereich von 150–350°C ist dabei für das Eintempern der S- oder Spiralform günstig. Damit sind insbesondere die im Folgenden noch genannten Legierungen vorteilhaft, da diese eine Kristallisationstemperatur größer 400°C, vorzugweise größer 450°C aufweisen können.The suitable temperature of this heat treatment is determined significantly by the crystallization temperature of the amorphous starting material. In particular, the temperature range of 150-350 ° C is favorable for the tempering of the S or spiral shape. Thus, in particular, the alloys mentioned below are advantageous, since they may have a crystallization temperature greater than 400 ° C, preferably greater than 450 ° C.
Weiterhin wird bei amorphen Legierungen, welche eine Kristallisationstemperatur größer 400°C aufweisen, die formgebende Wärmebehandlung bevorzugt zwischen 0,3–0,7 Tx durchgeführt, wobei Tx die Kristallisationstemperatur darstellt. Dieser Temperaturbereich gewährleistet eine ausreichende Diffusion für die für die Formgebung erforderliche Relaxation, welche für das Einprägen der entsprechenden Aufzugsfederform benötigt wird. In diesem Temperaturbereich tritt noch keine Kristallisation des amorphen Materials auf, welche mit unerwünschter Sprödigkeit des Bandmaterials einhergehen würde.Furthermore, in amorphous alloys having a crystallization temperature greater than 400 ° C, the shaping heat treatment is preferably carried out between 0.3-0.7 T x , where T x represents the crystallization temperature. This temperature range ensures sufficient diffusion for the relaxation required for shaping, which is required for impressing the corresponding form of the elevator spring. In this temperature range, no crystallization of the amorphous material occurs, which would be accompanied by undesirable brittleness of the strip material.
Die Dauer der Wärmebehandlung beträgt in der gezeigten Ausführungsform, abhängig von der Temperatur der Wärmebehandlung, zwischen einer Minute und vier Stunden.The duration of the heat treatment is in the embodiment shown, depending on the temperature of the heat treatment, between one minute and four hours.
Für amorphe Federn und deren Herstellung gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind dabei insbesondere Legierungen mit einer Zusammensetzung geeignet, die im Wesentlichen aus
0 Atom-% ≤ c ≤ 25,0 Atom-%,
2,0 Atom-% ≤ d ≤ 21,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 20,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ i ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ k ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ l ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ m ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ n ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni und/oder Co besteht. Bevorzugt gilt dabei 15,0 Atom-% < e + f + g + h < (0,033·x2 – 1,2·x + 32) Atom-%, wobei x der Gehalt an Cr in Atom-% ist.For amorphous springs and their production according to the illustrated embodiment of the invention, in particular alloys with a composition are essentially suitable
0 atom% ≦ c ≦ 25.0 atom%
2.0 at% ≤ d ≤ 21.0 at%
1.0 at% ≤ e ≤ 20.0 at%,
0 atom% ≦ f ≦ 20.0 atom%
0 atomic% ≦ g ≦ 20.0 atomic%,
0 atom% ≦ h ≦ 20.0 atom%,
0 atom% ≦ i ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ k ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ l ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≤ m ≤ 5.0 atom%
0 atom% ≤ n ≤ 5.0 atom%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni and / or Co exists. In this case, 15.0 atomic% <e + f + g + h <(0.033 · x 2 - 1.2 · x + 32) atomic%, where x is the content of Cr in atomic%, is preferred.
Weitere geeignete Legierungen sind Legierungen mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus
4,0 Atom-% ≤ b ≤ 21,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ c ≤ 10,0 Atom-%,
5,0 Atom-% ≤ d ≤ 18,0 Atom-%,
1,0 Atom-% ≤ e ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ f ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ g ≤ 5,0 Atom-%,
0 Atom-% ≤ h ≤ 5,0 Atom-%;
beiläufigen Verunreinigungen ≤ 1,0 Gewichtsprozent; Rest Ni besteht.Other suitable alloys are alloys having a composition consisting essentially of
4.0 at% ≦ b ≦ 21.0 at%,
0 atom% ≦ c ≦ 10.0 atom%
5.0 at% ≤ d ≤ 18.0 at%,
1.0 at% ≤ e ≤ 5.0 at%,
0 atom% ≦ f ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ g ≦ 5.0 atom%
0 atom% ≦ h ≦ 5.0 atom%;
incidental impurities ≤ 1.0% by weight; Rest Ni exists.
Diese können ebenfalls in einer Banddicke von 50–200 μm als vollamorphes Band hergestellt werden und eine Kristallisationstemperatur größer 400°C aufweisen. Dabei erreichen die erstgenannten Legierungen typischerweise ein höheres Festigkeitsniveau als letztgenannte.These can likewise be produced in a strip thickness of 50-200 μm as a fully amorphous strip and have a crystallization temperature greater than 400 ° C. The first-mentioned alloys typically reach a higher strength level than the latter.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Aufzugsfedermainspring
- 22
- Aufzugsfedermainspring
- 33
- Aufzugsfedermainspring
- 44
- Aufzugsfedermainspring
- 1010
- Schrittstep
- 2020
- Schrittstep
- 3030
- Schrittstep
- 4040
- Schrittstep
- 5050
- Schrittstep
- 6060
- Schrittstep
- 7070
- Schrittstep
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