СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОСКА ДЛЯ ЧАСОВОГО МЕХАНИЗМА
METHOD OF MAKING A HAIR FOR A CLOCK MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления волоска, предназначенного для установки в балансе часового механизма.
Уровень техники
К изготовлению волосков для часового дела предъявляется ряд требований, которые, на первый взгляд, часто кажутся невыполнимыми:
- необходимость получения высокого предела упругости;
- простота изготовления, в частности этапа волочения и прокатки проволоки;
- необходимость получения отличной усталостной прочности;
- стабильность характеристик по времени;
- малые размеры поперечного сечения.
Изготовление волосков сконцентрировано на температурной компенсации с целью обеспечения постоянных хронометрических характеристик. Это требует получения температурного коэффициента упругости, близкого к нулю. При этом стараются получить волоски с ограниченной чувствительностью к воздействию магнитного поля.
Были разработаны новые волоски, изготовляемые из ниобиево-титановых сплавов. Однако использование этих сплавов приводит к возникновению проблем в связи с заеданием и забиванием фильер (алмазных или из твердых сплавов) для вытяжки или волочения проволоки, а также прокатных валков (из твердых сплавов или стали), что делает практически невозможным получение из этих сплавов тонкой проволоки с помощью обычных методов, применяемых, например, для стали.
Любое улучшение по меньшей мере одного из этих пунктов, в частности упрощение технологии изготовления, в частности волочения и прокатки проволоки, таким образом, является сложной задачей.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа изготовления волоска, предназначенного для установки в балансе часового механизма, который обеспечивал бы упрощение деформации заготовки, в частности упрощение процесса прокатки.
В связи с этим, настоящее изобретение предлагает способ изготовления волоска, предназначенного для установки в балансе часового механизма, включающий в себя:
- этап создания заготовки из ниобиево-титанового сплава, содержащего:
- ниобий: остаток до 100 вес.%;
- титан: от 40 до 60 вес.%;
-1
- следы элементов из группы, включающей в себя O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, причем каждый из указанных элементов присутствует в количестве от 0 до 1600 млн по весу, при этом общее количество всех указанных элементов составляет от 0 до 0,3 вес.%;
- этап β-закаливания указанной заготовки заданного диаметра, так чтобы титан указанного сплава находился в основном в форме твердого раствора с β-фазным ниобием (центрированная кубическая структура), а содержание α-фазного титана (гексагональная плотноупакованная структура) было меньше или равно 5% по объему;
- по меньшей мере один этап деформации указанного сплава, чередующийся с по меньшей мере одним этапом термообработки, так чтобы полученный ниобиево-титановый сплав имел предел упругости, больший или равный 600 МПа, и модуль упругости, меньший или равный 100 ГПа, причем этап навивки для формирования волоска выполняют до этапа окончательной термообработки.
Согласно настоящему изобретению, перед этапом деформации предлагаемый способ включает в себя этап нанесения на заготовку из сплава поверхностного слоя пластичного материала, выбираемого из группы, в состав которой входят медь, никель, мельхиор, медно-марганцевый сплав, золото, серебро, никель-фосфор NiP и никель-бор NiB, для облегчения формования проволоки, причем толщину наносимого слоя пластичного материала выбирают таким образом, чтобы отношение площади пластичного материала к площади ниобиево-титанового сплава для данного поперечного сечения проволоки составляло меньше 1, предпочтительно меньше 0,5, более предпочтительно от 0,01 до 0,4.
Такой способ изготовления упрощает процесс преобразования заготовки из ниобиево-титанового сплава в проволоку, а точнее, упрощает процессы вытяжки, волочения и прокатки проволоки.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к способу изготовления волоска, предназначенного для установки в балансе часового механизма и выполненного из бинарного сплава, содержащего ниобий и титан.
Для изготовления такого волоска используется заготовка из ниобиево-титанового сплава, содержащего:
- ниобий: остаток до 100 вес.%;
- титан: от 40 до 60 вес.%;
-1
- следы элементов из группы, включающей в себя O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, причем каждый из указанных элементов присутствует в количестве от 0 до 1600 млн по весу, при этом общее количество всех указанных элементов составляет от 0 до 0,3 вес.%;
причем титан находится в основном в форме твердого раствора с β-фазным ниобием, а содержание α-фазного титана меньше или равно 5% по объему.
Содержание α-фазного титана в сплаве заготовки меньше или равно 2,5% по объему, или близко к или равно 0.
Предпочтительно, сплав, используемый в настоящем изобретении, содержит от 40 до 49 вес.% титана, предпочтительно от 44 до 49 вес.% титана, более предпочтительно от 46 до 48 вес.% титана, при этом предпочтительно, чтобы указанный сплав содержал более 46,5 вес.% титана и менее 47,5 вес.% титана.
Если содержание титана слишком высоко, появляется мартенситная фаза, что приводит к проблемам хрупкости сплава при его использовании. Если содержание ниобия слишком высоко, сплав будет слишком мягким. Разработка настоящего изобретения позволила достичь компромисса между двумя вышеупомянутыми характеристиками при содержании титана, близком к 47 вес.%.
Кроме того, в частности, содержание титана в общем составе сплава больше или равно 46,5 вес.%.
В частности, содержание титана в общем составе сплава меньше или равно 47,5 вес.%.
Особенно выгодно то, что ниобиево-титановый сплав согласно настоящему изобретению не содержит каких-либо иных элементов, за исключением некоторых неизбежных следов. Это позволяет избежать образования хрупких фаз.
В частности, содержание кислорода меньше или равно 0,10 вес.% от общего количества или меньше или равно 0,085 вес.% от общего количества.
В частности, содержание тантала меньше или равно 0,10 вес.% от общего количества.
В частности, содержание углерода меньше или равно 0,04 вес.% от общего количества, в частности меньше или равно 0,020 вес.% от общего количества, или меньше или равно 0,0175 вес.% от общего количества.
В частности, содержание железа меньше или равно 0,03 вес.% от общего количества, в частности меньше или равно 0,025 вес.% от общего количества, или меньше или равно 0,020 вес.% от общего количества.
В частности, содержание азота меньше или равно 0,02 вес.% от общего количества, в частности меньше или равно 0,015 вес.% от общего количества, или меньше или равно 0,0075 вес.% от общего количества.
В частности, содержание водорода меньше или равно 0,01 вес.% от общего количества, в частности меньше или равно 0,0035 вес.% от общего количества, или меньше или равно 0,0005 вес.% от общего количества.
В частности, содержание кремния меньше или равно 0,01 вес.% от общего количества.
В частности, содержание никеля меньше или равно 0,01 вес.% от общего количества, в частности меньше или равно 0,16 вес.% от общего количества.
В частности, содержание пластичного материала, такого как медь, в сплаве меньше или равно 0,01 вес.% от общего количества, в частности меньше или равно 0,005 вес.% от общего количества.
В частности, содержание алюминия меньше или равно 0,01 вес.% от общего количества.
Предел упругости волоска согласно настоящему изобретению больше или равен 600 МПа.
Предпочтительно, модуль упругости этого волоска меньше или равен 100 ГПа, предпочтительно составляет от 60 ГПа до 80 ГПа.
Кроме того, волосок согласно настоящему изобретению имеет температурный коэффициент упругости (TEC), который обеспечивает сохранение хронометрических характеристик при изменении рабочей температуры часов, содержащих такой волосок.
-1
Для формирования хронометрического осциллятора, отвечающего требованиям, предъявляемым Швейцарским институтом официального тестирования хронометров (COSC), TEC сплава должен быть близок к нулю (± 10 млн/°C) для получения температурного коэффициента осциллятора, равного ± 0,6 с/сут/°C.
Формула, связывающая TEC сплава с коэффициентами расширения волоска и баланса, выглядит следующим образом:
,
где переменные M и T представляют собой соответственно скорость и температуру;
-1
E - это модуль Юнга волоска, при этом E, β и α в данной формуле выражены в °C;
TC - это температурный коэффициент осциллятора;
(1/E⋅dE/dT) - это TEC сплава волоска;
β - коэффициент расширения баланса;
α - коэффициент расширения волоска.
Как будет показано ниже, можно легко получить подходящий TEC и, следовательно, TC путем выполнения различных этапов способа согласно настоящему изобретению.
Согласно настоящему изобретению, способ изготовления волоска, выполненного из вышеописанного бинарного ниобиево-титанового сплава, включает в себя:
- этап создания заготовки из ниобиево-титанового сплава, содержащего:
- ниобий: остаток до 100 вес.%;
- титан: от 40 до 60 вес.%;
-1
- следы элементов из группы, включающей в себя O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, причем каждый из указанных элементов присутствует в количестве от 0 до 1600 млн по весу, при этом общее количество всех указанных элементов составляет от 0 до 0,3 вес.%;
- этап β-закаливания указанной заготовки заданного диаметра, так чтобы титан указанного сплава находился в основном в форме твердого раствора с β-фазным ниобием, а содержание α-фазного титана было меньше или равно 5% по объему;
- по меньшей мере один этап деформации указанного сплава, чередуемый с по меньшей мере одним этапом термообработки, так чтобы полученный ниобиево-титановый сплав имел предел упругости, больший или равный 600 МПа, и модуль упругости, меньший или равный 100 ГПа, причем этап навивки для формирования волоска выполняют до этапа окончательной термообработки; указанный этап окончательной термообработки дает возможность зафиксировать форму волоска и отрегулировать температурный коэффициент упругости;
- перед этапом деформации, этап нанесения на заготовку из сплава поверхностного слоя пластичного материала, выбираемого из группы, в состав которой входят медь, никель, мельхиор, медно-марганцевый сплав, золото, серебро, никель-фосфор NiP и никель-бор NiB, для облегчения формования проволоки, причем толщину наносимого слоя пластичного материала выбирают такой, чтобы отношение площади пластичного материала к площади ниобиево-титанового сплава для данного поперечного сечения проволоки составляло меньше 1, предпочтительно меньше 0,5, и более предпочтительно от 0,01 до 0,4.
Такая толщина пластичного материала, в частности меди, дает возможность легко осуществлять этапы вытяжки, волочения и прокатки композитного Cu/NbTi материала.
Таким образом, пластичный материал, предпочтительно медь, наносится в заданное время для облегчения процесса формования проволоки путем вытяжки и волочения, так что остаточная толщина пластичного материала на проволоке с окончательным диаметром от 0,2 мм до 1 мм, предпочтительно, составляет от 1 до 500 мкм.
Нанесение слоя пластичного материала, особенно меди, может производиться гальваническим методом, путем осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы, или с помощью механического метода; в последнем случае слой пластичного материала наносится на пруток из ниобиево-титанового сплава в виде рукава или трубки приблизительно соответствующего диаметра, который затем уменьшается в ходе этапа или этапов деформации этого композитного прутка.
Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, после этапа деформации предлагаемый способ может включать в себя этап удаления указанного поверхностного слоя пластичного материала. Предпочтительно, удаление пластичного материала производится после выполнения всех операций обработки и деформации, т. е. после последней этапа прокатки, перед операцией навивки пружины.
Предпочтительно, удаление с проволоки пластичного материала, такого как медь, осуществляется путем травления цианидным или кислотным раствором, например азотной кислотой.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, поверхностный слой пластичного материала сохраняется на балансной пружине, и температурный коэффициент упругости ниобиево-титанового сплава соответствующим образом регулируется с целью компенсации влияния пластичного материала. Как будет показано ниже, температурный коэффициент упругости ниобиево-титанового сплава легко можно отрегулировать путем выбора соответствующей скорости деформации и соответствующей термообработки. Сохраненный поверхностный слой из пластичного материала обеспечивает возможность получения проволоки идеально постоянной формы поперечного сечения. В качестве пластичного материала может использоваться медь или золото, наносимые гальваническим методом, посредством осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы.
2
3
2
2
Способ согласно настоящему изобретению может также включать в себя этап нанесения на оставшийся поверхностный слой пластичного материала окончательного слоя, выбираемого из группы, включающей в себя AlO, TiO, SiO и AlO, причем нанесение осуществляется путем осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы. Кроме того, способ может также включать в себя нанесение окончательного слоя золота путем металлизации оплавлением, при условии, что золото не использовалось ранее в качестве пластичного материала поверхностного слоя. В качестве материала для окончательного слоя могут быть использованы также медь, никель, мельхиор, медно-марганцевый сплав, серебро, никель-фосфор NiP и никель-бор NiB, при условии, что материал окончательного слоя отличается от пластичного материала поверхностного слоя.
Толщина этого окончательного слоя составляет от 0,1 мкм до 1 мкм и дает возможность окрасить волосок или уменьшить влияние атмосферных условий (температуры и влажности).
Предпочтительно, β-закаливание представляет собой обработку на твердый раствор, продолжительность которой составляет от 5 минут до 2 часов при температуре от 700°C до 1000°C, в вакууме, с последующим охлаждением в газовой среде.
Более конкретно, β-закаливание представляет собой обработку на твердый раствор продолжительностью от 5 минут до 1 часа, выполняемую при температуре 800°C в вакууме, с последующим охлаждением в газовой среде.
Предпочтительно, продолжительность термообработки составляет от 1 часа до 80 часов, и более предпочтительно от 1 часа до 15 часов, при температуре от 350°C до 700°C. Более предпочтительно, продолжительность термообработки составляет от 5 часов до 10 часов при температуре от 350°C до 600°C. Еще более предпочтительно, продолжительность термообработки составляет от 3 часов до 6 часов при температуре от 400°C до 500°C.
Этап деформации, в целом, служит для обозначения одной или нескольких деформационных обработок, которые могут включать в себя волочение и/или прокатку проволоки. Волочение проволоки может требовать применения одной или нескольких фильер во время одного и того же этапа деформации или, при необходимости, в ходе нескольких различных этапов деформации. Волочение проволоки производится до тех пор, пока не будет получено круглое поперечное сечение проволоки. Прокатка может выполняться в процессе как того же самого этапа деформации, что и волочение проволоки, так и в ходе другого, последующего этапа деформации. Предпочтительно, в качестве последнего этапа деформационной обработки сплава выполняется прокатка с целью получения прямоугольного профиля, соответствующего поперечному сечению подающего намоточного шпинделя.
Особенно предпочтительно, чтобы общая скорость деформации, количество операций термообработки и параметры термообработки были выбраны таким образом, чтобы температурный коэффициент упругости получаемого волоска был как можно более близок к нулю. Кроме того, в зависимости от общей скорости деформации, количества операций термообработки и параметров термообработки, получают однофазный или двухфазный ниобиево-титановый сплав.
В частности, согласно первому варианту осуществления изобретения, количество этапов термообработки и деформации ограничено, так что ниобиево-титановый сплав получаемого волоска сохраняет структуру, в которой титан находится в основном в форме твердого раствора с β-фазным ниобием (центрированная кубическая структура), а содержание α-фазного титана меньше или равно 10% по объему, предпочтительно меньше или равно 5% по объему, и более предпочтительно меньше или равно 2,5% по объему.
Предпочтительно, общая скорость деформации составляет от 1 до 5, предпочтительно от 2 до 5.
Особенно предпочтительно, чтобы использовалась заготовка, размеры которой были бы как можно ближе к размерам окончательной детали, с целью ограничения количества этапов термообработки и деформации и сохранения в основном единой β-фазной структуры ниобиево-титанового сплава. Окончательная структура ниобиево-титанового сплава волоска может отличаться от исходной структуры заготовки, например содержание α-фазного титана может измениться; важным является то, что окончательная структура ниобиево-титанового сплава волоска в основном однофазная, и титан в указанном сплаве содержится в основном в форме твердого раствора с β-фазным ниобием, причем содержание α-фазного титана меньше или равно 10% по объему, предпочтительно меньше или равно 5% по объему, более предпочтительно меньше или равно 2,5% по объему. Предпочтительно, в сплаве заготовки после β-закаливания содержание α-фазного титана меньше или равно 5% по объему, более предпочтительно меньше или равно 2,5% по объему, или даже близко к или равно 0.
Таким образом, согласно данному варианту, получают волосок из ниобиево-титанового сплава с практически однофазной структурой в форме твердого раствора β-Nb-Ti, содержание α-фазного титана в котором меньше или равно 10% по объему.
Предпочтительно, предлагаемый способ включает в себя единственный этап деформации со скоростью деформации от 1 до 5, предпочтительно от 2 до 5.
Таким образом, особо предпочтительный способ согласно настоящему изобретению, после этапа β-закаливания, включает в себя этап нанесения на заготовку сплава поверхностного слоя пластичного материала, этап деформации, включающий волочение проволоки через несколько фильер, затем процесс прокатки, этап навивки, и, наконец, последний этап термообработки (так называемый этап фиксирующей термообработки).
Способ изготовления согласно настоящему изобретению может также включать в себя по меньшей мере один этап промежуточной термообработки, так что предлагаемый способ, после этапа β-закаливания, включает в себя, например, этап нанесения на заготовку сплава поверхностного слоя пластичного материала, первый этап деформации, этап промежуточной термообработки, второй этап деформации, этап навивки, а затем этап окончательной термообработки.
Чем выше скорость деформации после этапа β-закаливания, тем более положительным будет температурный коэффициент TC. Чем больший отжиг материала в подходящем температурном интервале будет произведен после β-закаливания, с помощью различных термообработок, тем более отрицательным будет температурный коэффициент TC. Правильный выбор скорости деформации и параметров термообработки дает возможность получить TEC однофазного ниобиево-титанового сплава, близкий к нулю, что является особенно выгодным.
Согласно второму варианту, ряд последовательностей из этапа деформации, чередуемого с этапом термообработки, производится до тех пор, пока не будет получен ниобиево-титановый сплав с двухфазной структурой, включающей в себя твердый раствор ниобия с β-фазным титаном (объемно-центрированная кубическая структура) и твердый раствор ниобия с α-фазным титаном (гексагональная плотноупакованная структура), содержание α-фазного титана в котором больше 10% по объему.
Для получения такой двухфазной структуры необходимо осадить часть α-фазы посредством операций термообработки с вышеуказанными параметрами, с высокой степенью деформации между операциями термообработки. Однако предпочтительна более длительная термообработка, чем используемая для получения однофазного пружинного сплава, например термообработка в течение от 15 часов до 75 часов при температуре от 350°C до 500°C. Например, можно использовать термообработку от 75 часов до 400 часов при температуре 350°C, термообработку в течение 25 часов при температуре 400°C или в течение 18 часов при температуре 480°C.
Во втором, "двухфазном" варианте используется заготовка, которая после β-закаливания имеет намного больший диаметр, чем диаметр заготовки, приготовленной для первого, “однофазного” варианта. Таким образом, во втором варианте используется, например, заготовка, имеющая диаметр 30 мм после β-закаливания, в то время как во втором варианте диаметр заготовки после β-закаливания составляет от 0,2 мм до 2,0 мм.
Предпочтительно, в этих парах последовательностей деформация/термообработка каждая деформация выполняется со скоростью от 1 до 5, а суммарная общая скорость деформации для всех из указанного ряда последовательностей стремится к общей скорости деформации, составляющей от 1 до 14.
Скорость деформации определяется по повсеместно принятой формуле 2ln(d0/d), где d0 - диаметр заготовки после последнего β-закаливания или во время этапа деформации, а d - диаметр закаленной проволоки, полученной в ходе последующего этапа деформации.
Предпочтительно, способ согласно настоящему изобретению во втором варианте включает в себя от трех до пяти пар последовательностей деформация/термообработка.
В частности, первая пара последовательностей деформация/термообработка включает в себя первую деформацию с уменьшением площади поперечного сечения заготовки по меньшей мере на 30%.
Более конкретно, каждая пара последовательностей деформация/термообработка, кроме первой, включает в себя одну деформацию между двумя термообработками с уменьшением площади поперечного сечения заготовки по меньшей мере на 25%.
В указанном втором варианте холоднодеформированный β-фазный сплав имеет чисто положительный температурный коэффициент TC, и осаждение α-фазы, которое способствует образованию сильно отрицательного TC, позволяет получить двухфазный сплав с TEC, близким к нулю, что является особенно выгодным.
Таким образом, способ согласно настоящему изобретению дает возможность производить, а точнее формировать, волосок для баланса, выполненный из ниобиево-титанового сплава, содержащего обычно 47 вес.% титана (40-60%), имеющего в основном однофазную β-Nb-Ti микроструктуру, титан в котором находится в форме твердого раствора с β-фазным ниобием, или очень тонкую слоистую двухфазную микроструктуру, включающую в себя твердый раствор ниобия с β-фазным титаном и твердый раствор ниобия с α-фазным титаном. Этот сплав обладает высокими механическими свойствами в сочетании с очень высоким пределом упругости (выше 600 МПа) и очень низким модулем упругости (приблизительно от 60 до 80 ГПа). Такое сочетание свойств идеально подходит для волоска.
Такой сплав известен и используется для изготовления сверхпроводников, таких как магнитно-резонансные устройства формирования изображений или ускорители элементарных частиц, но до сих пор не использовался в часовом деле.
Содержащий ниобий и титан бинарный сплав вышеописанного типа согласно настоящему изобретению оказывает также аналогичное влияние на сплав "Элинвар", с практически нулевым температурным коэффициентом упругости в нормальном температурном рабочем диапазоне наручных или карманных часов, и пригоден для изготовления волосков с самокомпенсацией.
Кроме того, предлагаемый сплав является парамагнитным.
Настоящее изобретение будет более подробно проиллюстрировано с помощью приведенного ниже неограничивающего примера.
Различные волоски были изготовлены с помощью способа согласно настоящему изобретению из различных проволок заданного диаметра, изготовленных из однофазного (примеры 1-3) и двухфазного (пример 4) ниобиевого сплава, содержащего 53 вес.% ниобия и 47 вес.% титана и покрытого поверхностным слоем меди различной толщины перед операцией волочения проволоки.
Затем была выполнена плоская прокатка указанных проволок.
Полученные результаты представлены ниже в таблице:
Пример
Общий диаметр проволоки (мм)
Диаметр поперечного сечения проволоки из ниобиево-титанового сплава (мм)
Толщина поверхностного слоя меди (мкм)
Площадь ниобиево-титанового сплава (мм²)
Площадь меди (мм²)
Отношение площади меди к площади ниобиево-титанового сплава
Прокатка
1
0,1
0,086
7
0,0058
0,0020
0,35
Возможна
2
0,232
0,2
16
0,0314
0,0108
0,34
Возможна
3
0,312
0,2
56
0,0314
0,0450
1,4
Невозможна
4
0,212
0,2
6
0,0314
0,0039
0,12
Возможна
Приведенные примеры показывают, что прокатка композиционного материала из меди и ниобиево-титанового сплава возможна только тогда, когда отношение площади меди к площади ниобиево-титанового сплава для данной площади поперечного сечения составляет меньше 1, предпочтительно меньше 0,5, и более предпочтительно от 0,01 до 0,4. Толщина слоя меди оптимизируется таким образом, чтобы законцовка проволоки (создаваемая путем шлифовки или горячего волочения), необходимая для вставки проволоки в фильеру при протяжке или волочении проволоки, была покрыта медью.