CN110007582B - 制造钟表机芯的游丝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造由铌和钛合金制成的摆轮游丝的方法,其包括:‑由铌和钛合金制坯的步骤,所述合金含有:‑铌:补足至100重量%,‑钛:40至60重量%,‑选自O、H、C、Fe、Ta、N、Ni、Si、Cu、Al的痕量元素,各自为0至1600重量ppm并且合计小于0.3重量%,‑β‑淬火具有给定直径的所述坯的步骤,以使所述合金的钛基本为与β相铌的固溶体的形式,α相钛含量小于或等于5体积%,‑与至少一个热处理步骤交替的所述合金的至少一个变形步骤以使所得铌和钛合金具有高于或等于600MPa的弹性极限和低于或等于100GPa的弹性模量,在最后一个热处理步骤之前进行以形成游丝的卷绕步骤,‑在变形步骤之前,在所述合金坯上沉积延性材料如铜的表面层以促进线材成型过程的步骤,选择沉积的延性材料层的厚度以使在线材的给定横截面积下延性材料面积与NbTi合金面积的比率小于1。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造要装配到钟表机芯的摆轮(balance)上的游丝(balancespring)的方法。
背景技术
用于钟表的游丝的制造受到乍一看通常似乎不相容的限制:
-需要获得高弹性极限,
-易于制造,特别是拉丝和轧制(rolling),
-优异的抗疲劳性,
-长时间下的性能稳定性,
-小横截面。
游丝的制造集中关注于温度补偿,以确保合格的计时性能。这要求获得接近0的热弹性系数。也力求制造对磁场的敏感度有限的游丝。
已经由铌和钛合金开发出新型游丝。但是,这些合金在拉拔或拉丝模(金刚石或硬金属)中和在轧辊(硬金属或钢)上造成粘着和卡咬(jamming)问题,以致几乎不可能通过例如用于钢的标准方法将它们转化成细丝。
对这些点的至少一个,特别是易制造性,特别是易拉丝和轧制的任何改进因此代表显著进步。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种制造要装配到钟表机芯的摆轮上的游丝的方法,其能够促进变形,更特别是获得容易的轧制方法。
为此,本发明涉及一种制造要装配到钟表机芯的摆轮上的游丝的方法,其包括:
-由铌和钛合金制坯的步骤,所述合金含有:
-铌:补足至100重量%,
-钛:40至60重量%,
-选自O、H、C、Fe、Ta、N、Ni、Si、Cu、Al的痕量元素,各所述元素以0至1600重量ppm的量存在,由所有所述元素构成的总量在0至0.3重量%之间,
-β-淬火具有给定直径的所述坯的步骤,以使所述合金的钛基本为与β相铌(中心立方结构)的固溶体的形式,α相钛(六方密堆积结构)的含量小于或等于5体积%,
-与至少一个热处理步骤交替的所述合金的至少一个变形步骤以使所得铌和钛合金具有高于或等于600MPa的弹性极限和低于或等于100GPa的弹性模量,在最后一个热处理步骤之前进行以形成游丝的卷绕步骤。
根据本发明,该方法包括,在变形步骤之前,在所述合金坯上沉积选自铜、镍、铜镍合金、铜锰合金(cupro manganese)、金、银、镍磷NiP和镍硼NiB的延性材料的表面层以促进线材成型过程的步骤,选择沉积的延性材料层的厚度以使在线材的给定横截面积下延性材料面积与NbTi合金面积的比率小于1,优选小于0.5,更优选在0.01至0.4之间。
这样的制造方法促进NbTi合金坯成型为线材,更尤其促进拉拔、拉丝和轧制过程。
具体实施方式
本发明涉及一种制造要装配到钟表机芯的摆轮上并由含铌和钛的二元合金制成的游丝的方法。
为了制造这种游丝,使用由铌和钛合金制成的坯,所述合金含有:
-铌:补足至100重量%,
-钛:40至60重量%,
-选自O、H、C、Fe、Ta、N、Ni、Si、Cu、Al的痕量元素,各所述元素以0至1600重量ppm的量存在,由所有所述元素构成的总量在0至0.3重量%之间,且其中钛基本为与β相铌的固溶体的形式,α相钛的含量小于或等于5体积%。
坯合金中的α相钛含量优选小于或等于2.5体积%,或接近或等于0。
有利地,本发明中所用的合金包括40至49重量%的钛,优选44至49重量%的钛,更优选46至48重量%的钛,所述合金优选包括多于46.5重量%的钛且所述合金包括少于47.5重量%的钛。
如果钛含量太高,出现马丁体相,以造成该合金在使用过程中的脆性问题。如果铌含量太高,该合金太软。本发明的发展能够确定这样的折衷,在这两个特征之间的最佳点接近47重量%的钛。
此外,更特别地,钛含量高于或等于总组合物的46.5重量%。
更特别地,钛含量小于或等于总组合物的47.5重量%。
特别有利地,本发明中所用的NbTi合金不包括除任何不可避免的痕量元素外的任何其它元素。这使得有可能避免形成脆性相。
更特别地,氧含量小于或等于总量的0.10重量%,或小于或等于总量的0.085重量%。
更特别地,钽含量小于或等于总量的0.10重量%。
更特别地,碳含量小于或等于总量的0.04重量%,特别是小于或等于总量的0.020重量%,或小于或等于总量的0.0175重量%。
更特别地,铁含量小于或等于总量的0.03重量%,特别是小于或等于总量的0.025重量%,或小于或等于总量的0.020重量%。
更特别地,氮含量小于或等于总量的0.02重量%,特别是小于或等于总量的0.015重量%,或小于或等于总量的0.0075重量%。
更特别地,氢含量小于或等于总量的0.01重量%,特别是小于或等于总量的0.0035重量%,或小于或等于总量的0.0005重量%。
更特别地,硅含量小于或等于总量的0.01重量%。
更特别地,镍含量小于或等于总量的0.01重量%,特别是小于或等于总量的0.16重量%。
更特别地,该合金中的延性材料,如铜的含量小于或等于总量的0.01重量%,特别是小于或等于总量的0.005重量%。
更特别地,铝含量小于或等于总量的0.01重量%。
根据本发明制成的游丝具有高于或等于600MPa的弹性极限。
有利地,这种游丝具有低于或等于100GPa,优选60GPa至80GPa的弹性模量。
此外,根据本发明制成的游丝具有确保尽管包含此类游丝的手表的工作温度改变也保持计时性能的热弹性系数或‘TEC’。
为了形成满足Official Swiss Chronometer Testing Institute(COSC)的条件的计时振荡器,该合金的TEC必须接近0(±10ppm/℃)以获得等于±0.6s/d/℃的振荡器温度系数。
将合金的TEC与游丝和摆轮的膨胀系数联系在一起的公式如下:
变量M和T分别是速率和温度。E是游丝的杨氏模量,并且在这一公式中,E、β和α以℃-1表示。
TC是振荡器的温度系数,(1/E.dE/dT)是游丝合金的TEC,β是摆轮的膨胀系数,且α是游丝的膨胀系数。
如下所见,在实施本发明的各种步骤的过程中容易获得合适的TEC和因此TC。
根据本发明,制造由如上定义的二元NbTi合金制成的游丝的方法包括:
-由铌和钛合金制坯的步骤,所述合金含有:
-铌:补足至100重量%,
-钛:40至60重量%,
-选自O、H、C、Fe、Ta、N、Ni、Si、Cu、Al的痕量元素,各所述元素以0至1600重量ppm的量存在,由所有所述元素构成的总量在0至0.3重量%之间,
-β-淬火具有给定直径的所述坯的步骤,以使所述合金的钛基本为与β相铌的固溶体的形式,α相钛含量小于或等于5体积%,
-与至少一个热处理步骤交替的所述合金的至少一个变形步骤以使所得铌和钛合金具有高于或等于600MPa的弹性极限和低于或等于100GPa的弹性模量,在最后一个热处理步骤之前进行以形成游丝的卷绕步骤,这一最后步骤能够固定游丝的形状和调节热弹性系数,
-和在变形步骤之前,在所述合金坯上沉积选自铜、镍、铜镍合金、铜锰合金、金、银、镍磷NiP和镍硼NiB的延性材料的表面层以促进线材成型过程的步骤,选择沉积的延性材料层的厚度以使在线材的给定横截面积下延性材料面积与NbTi合金面积的比率小于1,优选小于0.5,更优选在0.01至0.4之间。
延性材料,尤其是铜的这一厚度使得容易拉拔、拉丝和轧制该复合Cu/NbTi材料。
因此在给定时刻沉积延性材料,优选铜以促进通过拉拔和拉丝的线材成型过程,以在具有0.2至1毫米最终直径的线材上保留优选1至500微米的厚度。
延性材料,尤其是铜的添加可以是电镀、PVD或CVD或机械法,其随后成为位于粗直径(rough diameter)的铌-钛合金棒材上的延性材料如铜的套筒或管,然后在该复合棒材的变形步骤的过程中变细。
根据第一个变体,本发明的方法可包括,在变形步骤之后,除去延性材料的所述表面层的步骤。优选地,一旦已进行所有处理和变形操作,即在最终轧制操作之后,在卷绕操作之前,除去该延性材料。
优选地,特别通过用氰化物基或酸基溶液,例如硝酸蚀刻而从线材上除去延性材料,如铜。
根据本发明的方法的另一变体,在游丝上保留延性材料的表面层,相应地调整铌和钛合金的热弹性系数以补偿延性材料的影响。如上所见,容易通过选择合适的变形率(deformation rate)和合适的热处理来调节铌和钛合金的热弹性系数。保留的延性材料表面层使得有可能获得完美的规则的最终线材横截面。延性材料在此可以是通过电镀手段、PVD或CVD沉积的铜或金。
本发明的方法还可包括通过PVD或CVD在保留的延性材料表面层上沉积选自Al2O3、TiO2、SiO2和AlO的材料的最终层的步骤。如果尚未使用金作为表面层的延性材料,也可提供通过金薄镀层(flash plating)沉积的最终金层。也有可能对最终层使用铜、镍、铜镍合金、铜锰合金、银、镍磷NiP和镍硼NiB,只要最终层的材料不同于表面层的延性材料。
这一最终层具有0.1μm至1μm的厚度并使得有可能将该游丝染色或获得对风化(温度和湿度)的耐受性。
优选地,该β淬火是在真空下在700℃至1000℃的温度下持续5分钟至2小时的溶液处理,接着气体冷却。
再更特别地,该β淬火是在真空下在800℃下溶液处理5分钟至1小时,接着气体冷却。
优选地,该热处理在350℃至700℃的温度下进行1小时至80小时或更久,优选1小时至15小时的持续时间。更优选地,该热处理在350℃至600℃的温度下进行5小时至10小时的持续时间。再更优选地,该热处理在400℃至500℃的温度下进行3小时至6小时的持续时间。
变形步骤通常是指一个或多个变形处理,其可包括拉丝和/或轧制。如果必要,拉丝可能要求在同一变形步骤的过程中或在各种变形步骤的过程中使用一个或多个模具。进行拉丝直至获得圆形横截面的线材。可以在与拉丝相同的变形步骤中或在另一后续变形步骤中进行轧制。有利地,对该合金施加的最终变形处理是轧制过程,优选具有与绕线机心轴(winder spindle)的进料横截面相容的矩形轮廓。
以特别有利的方式,选择总变形率、热处理数和热处理参数以获得具有尽可能接近0的热弹性系数的游丝。此外,根据总变形率、热处理数和热处理参数,获得单相或两相NbTi合金。
更特别地,根据第一个变体,限制热处理和变形步骤数,以使所得游丝的铌和钛合金保持这样的结构:其中所述合金的钛基本为与β相铌(立方中心结构)的固溶体的形式,α相钛含量小于或等于10体积%,优选小于或等于5体积%,更优选小于或等于2.5体积%。
优选地,总变形率为1至5,优选2至5。
以特别有利的方式,使用尺寸尽可能接近所需最终尺寸的坯以限制热处理和变形步骤数并保持NbTi合金的基本单β相结构。游丝的NbTi合金的最终结构可能不同于坯的初始结构,例如α相钛含量可能不同,要点在于游丝的NbTi合金的最终结构基本为单相,所述合金的钛基本为与β相铌的固溶体的形式,α相钛含量小于或等于10体积%,优选小于或等于5体积%,更优选小于或等于2.5体积%。在β淬火后的坯合金中,α相钛含量优选小于或等于5体积%,更优选小于或等于2.5体积%,或甚至接近或等于0。
因此,根据这一变体,获得由具有β-Nb-Ti固溶体的形式的基本单相结构、α相钛含量小于或等于10体积%的NbTi合金制成的游丝。
该方法优选包含具有1至5,优选2至5的变形率的单个变形步骤。
因此,本发明的一个特别优选的方法包括,在β淬火步骤之后,在合金坯上沉积延性材料的表面层的步骤、变形步骤(包括经过几个模具拉丝,然后轧制过程)、卷绕步骤和然后最后热处理步骤(被称作定型)。
本发明的方法可进一步包含至少一个中间热处理步骤,以使该方法包含,例如,在β淬火步骤之后,在合金坯上沉积延性材料的表面层的步骤、第一变形步骤、中间热处理步骤、第二变形步骤、卷绕步骤和然后最后热处理步骤。
β淬火步骤后的变形率越高,温度系数TC越正。该材料在β淬火步骤后在合适温度范围内通过各种热处理退火越多,温度系数TC变得越负。变形率和热处理参数的合适选择能使单相NbTi合金达到接近0的TEC,这特别有利。
根据第二个变体,施加与热处理步骤交替的变形步骤的一系列序列,直至获得具有包含铌与β相钛(体心立方结构)的固溶体和铌与α相钛(六方密堆积结构)的固溶体、其中α相钛含量大于10体积%的两相结构的铌和钛合金。
为了获得这样的两相结构,必须通过根据上述参数的热处理沉淀一部分α相,在热处理之间高变形。但是,优选施加比用于获得单相弹簧合金的那些如在350℃至500℃的温度下进行15小时至75小时的持续时间的热处理更久的热处理。例如,施加在350℃下75小时至400小时、在400℃下25小时或在480℃下18小时的热处理。
在这种第二“两相”变体中,使用在β淬火后的直径比为第一“单相”变体制备的坯大得多的坯。因此,在第二变体中,使用例如在β淬火后30毫米直径的坯,而对于第一变体,使用在β淬火后0.2至2.0毫米直径的坯。
优选地,在变形/热处理序列的这些对中,每次变形以1至5的变形率进行,经过所有所述序列的累积总变形得出1至14的总变形率。
变形率满足传统公式2ln(d0/d),其中d0是最终β淬火的直径或变形步骤的直径,且d是在下一变形步骤中获得的硬化线材的直径。
有利地,该方法在这种第二变体中包括3至5对变形/热处理序列。
更特别地,第一对变形/热处理序列包括具有至少30%横截面缩小的第一次变形。
更特别地,除第一对外的每对变形/热处理序列包括在两次热处理之间的具有至少25%横截面缩小的一次变形。
在这种第二变体中,冷加工的β相合金具有极正的TC,具有极负TC的α相的沉淀能使该两相合金达到接近0的TEC,这特别有利。
本发明的方法因此能够制造,更尤其是成型由通常含47重量%钛(40-60%)的铌-钛合金制成的摆轮游丝,该合金具有基本单相β-Nb-Ti微结构(其中钛为与β相铌的固溶体的形式)或包括铌与β相钛的固溶体和铌与α相钛的固溶体的极薄两相层片微结构。这种合金具有高机械性质,兼具高于600MPa的极高弹性极限和大约60GPa至80GPa级的极低弹性模量。这种性质组合非常适合游丝。
这样的合金是已知的并用于制造超导体,如磁共振成像设备,或粒子加速器,但没有用于钟表制造。
用于实施本发明的上述类型的含铌和钛的二元合金也具有类似于'Elinvar'的效果,在手表的正常工作温度范围内具有几乎为0的热弹性系数并适用于制造自补偿游丝。
此外,这种合金是顺磁性的。
现在借助下列非限制性实施例更详细例示本发明。
根据本发明的方法由给定直径的各种线材制造各种游丝,该线材由用53重量%铌和47重量%钛形成的单相(实施例1至3)和两相(实施例4)铌基合金制成并在拉丝操作之前涂覆各种厚度的铜表面层。
然后平辊轧制(flat rolling)该线材。
结果列在下表中:
这些实施例证实,只有在给定线材横截面积下小于1,优选小于0.5,更优选在0.01至0.4之间的铜面积/NbTi合金面积比才能使该Cu/NbTi复合材料容易轧制。优化铜厚度以使在拉拔或拉丝过程中将线材插入模具所需的尖端(通过锉削(filing)或热拉制造)被铜涂覆。
Claims (21)
1.要装配到钟表机芯的摆轮上的游丝的制造方法,其包括:
-由铌和钛合金制坯的步骤,所述合金含有:
-钛,其量为总量的40至60重量%,
-选自O、H、C、Fe、Ta、N、Ni、Si、Cu、Al的痕量元素,各所述元素以0至1600重量ppm的量存在,由所有所述元素构成的总量在0至0.3重量%之间,
-铌,其量补足总量至100重量%,
-β-淬火具有给定直径的所述坯的步骤,以使所述合金的钛基本为与β相铌的固溶体的形式,α相钛含量小于或等于5体积%,
-与至少一个热处理步骤交替的所述合金的至少一个变形步骤以使所得铌和钛合金具有高于或等于600MPa的弹性极限和低于或等于100GPa的弹性模量,在最后一个热处理步骤之前进行以形成游丝的卷绕步骤,其特征在于,在变形步骤之前,所述方法包括在所述坯上沉积选自铜、镍、铜镍合金、铜锰合金、金、银、镍磷NiP和镍硼NiB的延性材料的表面层以促进线材成型过程的步骤,选择沉积的延性材料层的厚度以使在线材的给定横截面积下延性材料面积与NbTi合金面积的比率小于1。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于延性材料面积与NbTi合金面积的比率小于0.5。
3.根据权利要求2所述的制造方法,其特征在于延性材料面积与NbTi合金面积的比率在0.01至0.4之间。
4.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于所述方法包括,在变形步骤之后,除去延性材料的所述表面层的步骤。
5.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于保留延性材料的表面层,相应地调整所述铌和钛合金的热弹性系数。
6.根据权利要求5所述的制造方法,其特征在于所述方法包括在保留的延性材料表面层上沉积最终层的步骤,所述最终层的材料选自选择为不同于表面层的延性材料的铜、镍、铜镍合金、铜锰合金、银、镍磷NiP、镍-硼NiB、金,以及Al2O3、TiO2、SiO2和AlO。
7.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于所述变形步骤包括拉丝和/或轧制过程。
8.根据权利要求7所述的制造方法,其特征在于对所述合金施加的最终变形处理是轧制过程。
9.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于选择总变形率、热处理步骤的次数和热处理参数以获得具有尽可能接近0的热弹性系数的游丝。
10.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于所述β-淬火步骤是在真空下在700℃至1000℃的温度下持续5分钟至2小时的溶液处理,接着气体冷却。
11.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于所述热处理在350℃至700℃的温度下进行1小时至80小时的持续时间。
12.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于限制热处理和变形步骤数以使所得游丝的铌和钛合金保持这样的结构:其中所述合金的钛基本为与β相铌的固溶体的形式,α相钛含量小于或等于10体积%。
13.根据权利要求12所述的制造方法,其特征在于所述方法包括具有1至5的变形率的单个变形步骤。
14.根据权利要求13所述的制造方法,其特征在于所述方法包括具有2至5的变形率的单个变形步骤。
15.根据权利要求12所述的制造方法,其特征在于在β-淬火步骤之后,所述方法包括变形步骤、卷绕步骤和热处理步骤。
16.根据权利要求15所述的制造方法,其特征在于所述方法包括中间热处理步骤。
17.根据权利要求12所述的制造方法,其特征在于所述热处理在350℃至600℃的温度下进行5小时至10小时的持续时间。
18.根据权利要求17所述的制造方法,其特征在于所述热处理在400℃至500℃的温度下进行3小时至6小时的持续时间。
19.根据权利要求12所述的制造方法,其特征在于施加与热处理步骤交替的变形步骤的一系列变形/热处理序列,直至获得包含铌与β相钛的固溶体和铌与α相钛的固溶体、α相钛含量大于10体积%的两相微结构的铌和钛合金。
20.根据权利要求19所述的制造方法,其特征在于每次变形以1至5的变形率进行,经过所有所述序列的累积总变形得出1至14的总变形率。
21.根据权利要求19所述的制造方法,其特征在于所述热处理在350℃至500℃的温度下进行15小时至75小时的持续时间。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 40010821 Country of ref document: HK |
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GR01 | Patent grant | ||
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