Компонент для часового механизма
COMPONENT FOR CLOCKWORK MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к компоненту для часового механизма, в частности к немагнитной оси вращения для механического часового механизма, а более конкретно, к немагнитной оси баланса, оси анкера и анкерному трибу.
Уровень техники
Производство оси вращения для часов включает в себя выполнение операций токарной обработки со снятием стружки прутка из упрочняемой сортовой стали с целью формирования различных активных поверхностей (опорной поверхности, заплечика, цапф и т.д.) с последующим проведением по меньшей мере одной операции термической обработки подвергнутой токарной обработке оси вращения с целью повышения твердости оси и одной или нескольких операций отпуска для повышения ее вязкости. После операций термообработки проводится операция обкатки цапф оси вращения, которая заключается в полировке цапф до требуемого размера. Твердость и шероховатость цапф далее улучшаются в ходе операции обкатки.
Оси вращения, например оси баланса, обычно используемые в механических часовых механизмах, производятся из сортов стали для токарной обработки, как правило, из мартенситных углеродистых сталей, содержащих сульфиды свинца и марганца, способствующие улучшению их обрабатываемости. Для этих целей обычно используется сталь известной марки 20AP.
Преимущество этого материала заключается в его легкой обрабатываемости, в частности пригодности для токарной обработки, и в том, что после закалки и отпуска он приобретает отличные механические свойства, необходимые для производства осей вращения часовых механизмов. Эти стали, в частности, после термообработки демонстрируют высокую твердость, что позволяет получить очень высокую ударную прочность. Как правило, твердость осей вращения, выполненных из стали 20AP, после термообработки и обкатки может превышать 700 HV.
Но, хотя данный материал и обладает удовлетворительными механическими свойствами для изготовления вышеупомянутых деталей часовых механизмов, у него есть и недостаток, заключающийся в том, что он является магнитным, и, следовательно, может мешать работе наручных часов после воздействия магнитного поля, в частности, когда данный материал используется для изготовления оси баланса, взаимодействующей с балансной пружиной, выполненной из ферромагнитного материала. Это явление хорошо известно специалистам в данной области. Кроме того, следует отметить, что эти мартенситные стали чувствительны к коррозии.
Были предприняты попытки преодолеть эти недостатки путем применения аустенитных нержавеющих сталей, характерная особенность которых заключается в том, что они являются немагнитными, а именно, парамагнитными, диамагнитными или антиферромагнитными. Однако данные аустенитные стали имеют кристаллическую структуру, которая не позволяет производить их закалку и получать уровень твердости и, следовательно, ударной прочности, соответствующий требованиям, предъявляемым при производстве осей вращения часовых механизмов. В случае ударного воздействия полученные оси вращения получают серьезные повреждения, которые впоследствии оказывают отрицательный эффект на хронометрию часового механизма. Одним из способов повышения твердости этих сталей является холодная обработка, но такой способ повышения твердости не может обеспечить твердость выше 500 HV. Следовательно, для деталей, которым необходимы цапфы с высокой ударной прочностью, возможность применения сталей данного типа остается ограниченной.
Другой подход, направленный на то, чтобы попытаться преодолеть эти недостатки, описан в Европейской патентной заявке № 2757423. Согласно этому подходу оси вращения выполняются из аустенитного сплава кобальта или никеля с внешней поверхностью, закаленной на определенную глубину. Однако механическая обработка таких сплавов при производстве осей вращения может оказаться затруднительной. Кроме того, они являются относительно дорогими из-за высокой стоимости никеля и кобальта.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков с помощью оси вращения, обладающей как пониженной чувствительностью к воздействию магнитного поля, так и механическими характеристиками, отвечающими требованиям по ударной прочности, предъявляемым к деталям часовой промышленности.
Еще одна задача изобретения заключается в создании оси вращения из немагнитного материала, изготовление которой было бы простым и экономичным.
Для этого настоящее изобретение относится к оси вращения для часового механизма, содержащей по меньшей мере на одном из своих концов по меньшей мере одну цапфу, выполненную из первого немагнитного металлического материала для ограничения ее чувствительности к воздействию магнитного поля, причем по меньшей мере внешняя поверхность указанной цапфы покрыта первым слоем из второго материала, выбранного из группы, включающей в себя Ni, NiB и NiP.
Согласно настоящему изобретению по меньшей мере указанный первый слой из второго материала по меньшей мере частично покрыт вторым слоем из третьего материала, выбранного из группы, включающей в себя золото, серебро, медь, платину, родий, палладий и их сплавы.
Таким образом, ось вращения согласно настоящему изобретению дает возможность объединить преимущество низкой чувствительности к воздействию магнитного поля с отличной ударной прочностью, по меньшей мере в основных областях, подвергающихся высоким напряжениям. Таким образом, при ударном воздействии ось вращения согласно настоящему изобретению не получает серьезных повреждений, которые впоследствии могут привести к ухудшению хронометрии часового механизма.
Кроме того, оси вращения согласно настоящему изобретению обладают повышенной механической прочностью, улучшенными трибологическими характеристиками и повышенной химической стойкостью к воздействию смазочных материалов, используемых обычно для смазки осей вращения.
Согласно другим предпочтительным отличительным признакам настоящего изобретения:
- толщина первого слоя из второго материала составляет от 0,5 мкм до 10 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 5 мкм, и более предпочтительно от 1 мкм до 2 мкм;
- предпочтительно, твердость первого слоя из второго материала составляет больше 400 HV, более предпочтительно больше 500 HV;
- предпочтительно, первый слой из второго материала представляет собой слой из химического NiP, т.е. полученного путем химического осаждения;
- толщина второго слоя из третьего материала составляет от 0,1 мкм до 1 мкм, предпочтительно от 0,1 мкм до 0,5 мкм;
- второй слой из третьего материала предпочтительно представляет собой слой на основе золота, нанесенный методом электролитического осаждения.
Кроме того, объектом настоящего изобретения является часовой механизм, содержащий вышеуказанную ось вращения, в частности ось баланса, ось анкера и/или анкерный триб, содержащие вышеупомянутую ось.
И, наконец, объектом изобретения является также способ изготовления вышеуказанной оси вращения, включающий в себя следующие этапы:
- формирование оси вращения, содержащей по меньшей мере на одном из своих концов по меньшей мере одну цапфу, выполненную из первого немагнитного металлического материала для ограничения ее чувствительности к воздействию магнитного поля;
- нанесение первого слоя из второго материала по меньшей мере на внешнюю поверхность указанной цапфы, причем указанный второй материал выбран из группы, включающей в себя Ni, NiB и NiP; и
- по меньшей мере частичное нанесение на первый слой из второго материала второго слоя из третьего материала, выбранного из группы, включающей в себя золото, серебро, медь, платину, родий, палладий и их сплавы.
Согласно другим предпочтительным отличительным признакам настоящего изобретения:
- толщина первого слоя из второго материала, наносимого на этапе b), составляет от 0,5 мкм до 10 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 5 мкм, и более предпочтительно от 1 мкм до 2 мкм;
- в качестве второго материала используется NiP, а этап b) заключается в нанесении NiP посредством химического осаждения никеля из гипофосфита;
- толщина второго слоя из третьего материала, наносимого на этапе c), составляет от 0,1 мкм до 1 мкм, предпочтительно от 0,1 мкм до 0,5 мкм;
- в качестве третьего материала используется золото, и этап c) заключается в нанесении золота методом электролитического осаждения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже его подробным описанием, приводимым в качестве неограничивающего примера, со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показана ось вращения согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 2 – вид в разрезе части цапфы оси баланса согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
В настоящем описании термин "немагнитный" характеризует материал с парамагнитными, диамагнитными или антиферромагнитными свойствами, магнитная проницаемость которого меньше или равна 1,01.
Сплавом элемента является сплав, содержащий по меньшей мере 50 вес.% указанного элемента.
Объектом настоящего изобретения является компонент для часового механизма, в частности немагнитная ось вращения для механического часового механизма.
Далее настоящее изобретение будет рассмотрено на примере немагнитной оси 1 баланса. Разумеется, другие типы осей вращения для часов также охватываются настоящим изобретением, например оси зубчатых колес, анкерные трибы или анкерные оси. Компоненты данного типа, как правило, содержат тело диаметром предпочтительно менее 2 мм, и цапфы диаметром предпочтительно менее 0,2 мм, с точностью до нескольких микрон.
На фиг. 1 изображена ось 1 баланса согласно настоящему изобретению, содержащая несколько участков 2 различного диаметра, предпочтительно сформированных путем токарной обработки или любой другой механической обработки со снятием стружки, и образующая, обычным образом, опорные поверхности 2a и заплечики 2b, расположенные между двумя концевыми участками, образующими две цапфы 3. Каждая из этих цапф предназначена для вращения вокруг оси в опоре, как правило, в отверстии, выполненном в камне или рубине.
В условиях ежедневного воздействия магнитных полей важно ограничить чувствительность оси 1 баланса к их действию с целью избежания влияния на работу часового механизма, в который она встроена.
Таким образом, цапфа 3 выполнена из первого немагнитного металлического материала 4 с целью эффективного ограничения её чувствительности к воздействию магнитного поля.
Предпочтительно, первый немагнитный металлический материал 4 выбирается из группы, включающей в себя аустенитную, предпочтительно нержавеющую сталь, аустенитный кобальтовый сплав, аустенитный никелевый сплав, немагнитный титановый сплав, немагнитный алюминиевый сплав, латунь (Cu-Zn) или специальную латунь (Cu-Zn с Al и/или Si и/или Mn), медно-бериллиевый сплав, бронзу (Cu-Sn), алюминиевую бронзу, медно-алюминиевый сплав (при необходимости содержащий Ni и/или Fe), медно-никелевый сплав, нейзильбер (Cu-Ni-Zn), медно-никелево-оловянный сплав, медно-никелево-кремниевый сплав, медно-никелево-фосфорный сплав, медно-титановый сплав, пропорции различных компонентов в которых выбираются таким образом, чтобы придать сплаву как немагнитные свойства, так и хорошую обрабатываемость.
Примером аустенитной сталью может являться мелкозернистая нержавеющая аустенитная сталь, такая как хромо-марганцево-азотистая (Cr-Mn-N) сталь марки P2000, производимая компанией Energietechnik Essen GmbH.
Аустенитный кобальтовый сплав может содержать по меньшей мере 39% кобальта, например, сплав марки "Phynox" (обозначение K13C20N16Fe15D7 по классификации Немецкого промышленного стандарта DIN), как правило, содержит 39% Co, 19% Cr, 15% Ni и 6% Mo, 1.5% Mn, 18% Fe, остальное – добавки.
Аустенитный никелевый сплав может содержать по меньшей мере 33% никеля, например, сплав MP35N обычно содержит 35% Ni, 20% Cr, 10% Mo, 33% Co, остальное – добавки.
Титановый сплав предпочтительно содержит по меньшей мере 85% титана.
Латуни могут представлять собой сплавы CuZn39Pb3, CuZn37Pb2 или CuZn37.
Специальные латуни могут представлять собой сплавы CuZn37Mn3Al2PbSi, CuZn23Al3Co или CuZn23Al6Mn4Fe3Pb.
Нейзильберы могут представлять собой сплавы CuNi25Zn11Pb1Mn, CuNi7Zn39Pb3Mn2 или CuNi18Zn19Pb1.
Бронзы могут представлять собой сплавы CuSn9 или CuSn6.
Алюминиевые бронзы могут представлять собой сплавы CuAl9 или CuAl9Fe5Ni5.
Медно-никелевый сплав может представлять собой сплав CuNi30.
Медно-никелево-оловянные сплавы могут представлять собой сплавы CuNi15Sn8, CuNi9Sn6 или CuNi7.5Sn5 (продаваемые, например, под названием "Declafor").
Медно-титановый сплав может представлять собой сплав CuTi3Fe.
Медно-никелевые сплавы могут представлять собой сплав CuNi3Si.
Медно-никелево-фосфорный сплав может представлять собой сплав CuNi1P.
Медно-бериллиевые сплавы могут представлять собой сплавы CuBe2Pb или CuBe2.
Величины процентного содержания указаны в весовых процентах. Элементы, процентное содержание которых не указано, могут представлять собой либо остальное (основной элемент), либо элементы, процентное содержание которых в составе составляет менее 1 вес.%.
Немагнитный медный сплав может также представлять собой сплав, содержащий от 14,5 вес.% до 15,5 вес.% Ni, от 7,5 вес.% до 8,5 вес.% Sn, максимум 0,02 вес% Pb, остальное – Cu. Такой сплав продается под товарным знаком ToughMet Materion.
Разумеется, могут использоваться и другие немагнитные сплавы, при условии, что их массовый процентный состав обеспечивает как немагнитные свойства, так и хорошую обрабатываемость.
Твердость первого немагнитного металлического материала, как правило, составляет менее 600 HV.
Как показано на фиг. 2, по меньшей мере внешняя поверхность указанной цапфы 3 покрыта первым слоем 5 из второго материала, выбираемого из группы, включающей в себя Ni, NiB и NiP, с целью эффективного обеспечения, в частности, механических свойств указанной внешней поверхности, что дает возможность получения требуемой ударной прочности.
Предпочтительно, содержание фосфора во втором материале должно составлять от 0% (в этом случае, чистый Ni) до 15%. Уровень содержания фосфора во втором материале NiP может быть средним и составлять от 6% до 9%, или высоким и составлять от 9% до 12%. Ясно, однако, что содержание фосфора во втором материале NiP может быть низким.
Предпочтительно, содержание бора во втором материале должно составлять от 0% (в этом случае, чистый Ni) до 8%. Предпочтительно, уровень бора во втором материале NiB может быть средним и составлять от 4 до 5%.
Кроме того, между этапами b) и c) и/или после этапа c) может производиться термообработка. Например, когда вторым материалом является NiB или NiP со средним или высоким уровнем содержания фосфора, упрочнение первого слоя из второго материала NiB или NiP может эффективно осуществляться посредством термообработки.
Первый слой из второго материала предпочтительно имеет твердость выше 400 HV, более предпочтительно выше 500 HV.
Особенно выгодно, когда первый слой из второго, неупрочненного материала Ni или NiP имеет твердость выше 500 HV, но ниже 600 HV, т.е. предпочтительно от 500 HV до 550 HV. Удивительным и неожиданным образом оказалось, что ось вращения согласно настоящему изобретению обладает отличной ударной прочностью, хотя твердость (HV) слоя из второго материала может быть ниже твердости слоя из первого материала.
При упрочнении с помощью термообработки твердость первого слоя из второго материала NiP может составлять от 900 HV до 1000 HV.
Предпочтительно, первый слой из второго, неупрочненного материала NiB имеет твердость более 500 HV, и может иметь твердость более 1000 HV при упрочнении с помощью термообработки.
Предпочтительно, толщина первого слоя из второго материала может составлять от 0,5 мкм до 10 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 5 мкм, и более предпочтительно от 1 мкм до 2 мкм.
Предпочтительно, первый слой из второго материала представляет собой слой из NiP, более конкретно слой из химического NiP, т.е. полученный путем химического осаждения.
В другом варианте осуществления изобретения первый слой из второго материала представляет собой слой из NiB, более конкретно слой из химического NiB, т.е. полученный путем химического осаждения.
Согласно настоящему изобретению по меньшей мере указанный первый слой 5 из второго материала по меньшей мере частично покрыт вторым слоем 6 из третьего материала, выбираемого из группы, включающей в себя золото, серебро, медь, платину, родий, палладий, используемые в чистом виде или в виде сплавов. Толщина указанного второго слоя 6 меньше толщины первого слоя 5. Преимущественно, толщина второго слоя 6 из третьего материала может составлять от 0,1 мкм до 1 мкм, предпочтительно от 0,1 мкм до 0,5 мкм.
Предпочтительно, третий материал представляет собой 24-каратное золото, возможно, с некоторыми следами других элементов. Например, применяется 99,7-99,8%-ное золото с содержанием 0,02-0,03% Ni или Co.
В частности, особенно предпочтительными являются следующие комбинации:
- медно-бериллиевый сплав, более конкретно CuBe3Pb, в качестве первого немагнитного металлического материала, покрытый слоем из химического NiP в качестве первого слоя 5 из второго материала, который, в свою очередь, покрыт слоем из золота в качестве второго слоя 6 из третьего материала;
- медно-никелево-оловянный сплав, более конкретно Declafor или ToughMet, в качестве первого немагнитного металлического материала, покрытый слоем из химического NiP в качестве первого слоя 5 из второго материала, который, в свою очередь, покрыт слоем из золота в качестве второго слоя 6 из третьего материала;
- нержавеющая сталь, более конкретно нержавеющая сталь с высоким содержанием междоузельных атомов, в качестве первого немагнитного металлического материала, покрытого слоем химического NiP в качестве первого слоя 5 из второго материала, который, в свою очередь, покрыт слоем из золота в качестве второго слоя 6 из третьего материала.
Таким образом, упрочнению подвергается по меньшей мере участок внешней поверхности цапфы, т.е. остальная часть оси может оставаться малоизмененной или неизмененной, без каких-либо значительных изменений механических свойств оси 1 баланса. Такое избирательное упрочнение цапф 3 оси 1 баланса дает возможность объединить преимущества, такие как низкая чувствительность к воздействию магнитного поля, с отличными механическими характеристиками, позволяющими получить очень высокую ударную прочность в основных областях высоких механических напряжений. Кроме того, второй слой из третьего материала меньшей толщины образует внешний слой цапфы согласно изобретению, выполняя функцию защитного слоя. Более конкретно, второй слой из третьего материала позволяет сделать поверхность цапфы согласно изобретению химически инертной и уменьшить разрушение первого слоя из второго материала в результате трения о камни и/или за счет химических реакций с используемыми смазочными материалами.
Для повышения стойкости первого слоя из второго материала ось вращения может содержать по меньшей мере один адгезионный подслой, нанесенный между первым материалом и первым слоем из второго материала. Например, особенно в случае оси вращения, выполненной из нержавеющей стали с высоким содержанием междоузельных атомов, под первым слоем из второго материала может быть нанесен подслой из золота и/или подслой из электролитического никеля.
Объектом изобретения является также вышеописанный способ изготовления оси баланса. Данный способ согласно настоящему изобретению предпочтительно включает в себя следующие этапы:
- формирование, предпочтительно посредством токарной обработки или любым другим способом механической обработки со снятием стружки, оси 1 баланса, содержащей на каждом из своих концов по меньшей мере одну цапфу 3, выполненную из первого немагнитного металлического материала для ограничения ее чувствительности к воздействию магнитного поля;
- нанесение по меньшей мере на внешнюю поверхность указанной цапфы 3 первого слоя 5 из второго материала, выбираемого из группы, включающей в себя Ni, NiB и NiP, с целью улучшения механических характеристик цапфы для получения требуемой ударной прочности по меньшей мере в основных областях высоких механических напряжений; и
- по меньшей мере частичное нанесение на первый слой 5 из второго материала второго слоя 6 из третьего материала, выбираемого из группы, включающей в себя золото, серебро, медь, платину, родий, палладий и их сплавы.
Предпочтительно, толщина первого слоя 5 из второго материала, наносимого на этапе b), составляет от 0,5 мкм до 10 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 5 мкм, и более предпочтительно от 1 мкм до 2 мкм.
Преимущественно, этап b) нанесения первого слоя 5 из второго материала может осуществляться с помощью метода, выбираемого из группы, включающей в себя осаждение из паровой фазы (PVD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), атомно-слоевое осаждение (ALD), электролитическое и химическое осаждение, и предпочтительно, химическое осаждение.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения вторым материалом является NiP, а этап нанесения слоя 5 из NiP осуществляется путем химического осаждения никеля из гипофосфита.
При химическом осаждении никеля из гипофосфита следует принимать во внимание различные параметры, известные специалистам в данной области, такие как уровень фосфора в осаждении, водородный показатель рН, температура состава электролита или содержание в нем никеля. В качестве примера можно привести публикацию Y. Ben Amor и др., Dépôt chimique de nickel, synthèse bibliographique, Matériaux & Techniques 102, 101 (2014). Однако следует отметить, что при промышленном применении в основном используются электролиты со средним (9-12%) или высоким (6-9%) содержанием фосфора. Совершенно ясно, однако, что могут применяться также электролиты с низким содержанием фосфора или чисто никелевые электролиты.
Согласно еще одному возможному варианту осуществления изобретения вторым материалом является NiB, а этап нанесения слоя 5 из NiB осуществляется путем химического осаждения никеля из соединений бора.
Предпочтительно, толщина второго слоя 6 из третьего материала, осаждаемого на первом слое 5, должна составлять от 0,1 мкм до 1 мкм, предпочтительно от 0,1 мкм до 0,5 мкм.
Преимущественно, этап c) нанесения второго слоя 6 из третьего материала осуществляется с помощью метода, выбираемого из группы, включающей в себя осаждение из паровой фазы (PVD) (напыление, испарение или другие), химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и электролитическое осаждение. Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения в качестве третьего материала используется золото, а этап нанесения слоя 6 из золота осуществляется путем электролитического осаждения. Вышеупомянутые методы хорошо известны специалистам в данной области и не требуют подробного описания.
Когда в качестве второго материала используется NiB или NiP, предпочтительно со средним или высоким содержанием фосфора, способ согласно настоящему изобретению может также включать в себя выполнение этапа d) термообработки между этапами b) и c) и/или после этапа c) осаждения. Такая термообработка дает возможность получить первый слой 5 из второго материала, твердость которого составляет, преимущественно, от 900 HV до 1000 HV. Предпочтительно, этап d) термообработки выполняется после этапа c). Этап термообработки первого материала может также проводиться перед этапом a) или этапом b).
Метод химического осаждения никеля является особенно выгодным в том, что он дает возможность получить требуемое осаждение без пикового эффекта. Таким образом, после нанесения слоя из второго материала можно ожидать получения требуемого размера подвергнутой токарной обработке оси вращения.
Преимущество метода химического осаждения никеля заключается также в возможности его применения в массовом производстве.
Для повышения стойкости первого слоя из второго материала способ согласно настоящему изобретению может включать в себя выполнение этапа d) нанесения по меньшей мере одного адгезивного подслоя на первый материал перед выполнением этапа b) осаждения. Например, в частности, в случае оси вращения, выполненной из нержавеющей стали с высоким содержанием междоузельных атомов, перед химическим осаждением никеля может наноситься подслой из золота и/или подслой из электролитического никеля.
Ось вращения согласно настоящему изобретению может содержать цапфы, обработанные способом согласно настоящему изобретению путем выполнения этапов b) и c) только для цапф и содержащие второй слой 6 из третьего материала, частично или полностью закрывающий цапфу и нанесенный на этапе c) на часть поверхности или на всю поверхность цапфы.
Ось вращения согласно настоящему изобретению может также быть выполнена полностью из первого немагнитного металлического материала, при этом ее внешняя поверхность может быть полностью покрыта первым слоем из второго материала, нанесенного на этапе b) на все поверхности оси вращения, причем указанный первый слой из второго материала затем может частично или полностью закрываться вторым слоем из третьего материала, выбираемого из группы, включающей в себя золото, серебро, платину, родий, палладий и их сплавы, нанесенных на этапе c) на часть или на всю поверхность оси вращения.
Как известно, цапфы 3 могут быть подвергнуты обкатке или полировке до или после этапа b) осаждения с целью получения размеров и окончательного качества обработки поверхности, необходимого для цапф 3.
Ось вращения согласно настоящему изобретению объединяет преимущество низкой чувствительности к воздействию магнитного поля с отличной ударной прочностью, по меньшей мере в основных областях высоких механических напряжений. Таким образом, при ударном воздействии ось вращения согласно настоящему изобретению не получает серьезных повреждений, которые впоследствии могут привести к ухудшению хронометрии часового механизма.
Кроме того, оси вращения согласно настоящему изобретению обладают повышенной механической прочностью, улучшенными трибологическими характеристиками, а также повышенной химической стойкостью к воздействию смазочных материалов, используемых обычно для смазки осей вращения.