БАЛАНСНАЯ ПРУЖИНА ДЛЯ ЧАСОВОГО МЕХАНИЗМА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BALANCE SPRING FOR A CLOCKWORK AND THE METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления балансной пружины, предназначенной для установки на балансе часового механизма, и балансной пружине, получаемой указанным способом изготовления.
Уровень техники
При производстве балансных пружин для часовых механизмов возникают ограничения, которые, на первый взгляд, часто являются несовместимыми:
- необходимость получения высокого предела упругости;
- простота технологии обработки, в частности волочения и прокатки;
- необходимость получения отличной усталостной прочности;
- необходимость обеспечения стабильности характеристик по времени;
- малые размеры поперечного сечения.
При создании балансных пружин сталкиваются также с проблемой термокомпенсации, которую необходимо обеспечить таким образом, чтобы гарантировать стабильные хронометрические характеристики. Для этого необходимо получить коэффициент термоупругости, близкий к нулю. При этом стараются создавать балансные пружины с ограниченной чувствительностью к воздействию магнитного поля.
Были разработаны новые балансные пружины на основе сплавов ниобия и титана. Однако эти сплавы создают проблемы прилипания и заедания в волочильных досках и роликах, что делает их практически непригодными для создания из них тонкой проволоки с помощью стандартных методов, используемых, например, для стали.
Для решения этой проблемы было предложено на заготовку из Nb-Ti перед формообразованием в волочильных досках и прокатном стане наносить слой пластичного материала, в частности меди.
Этот слой меди на проволоке имеет недостаток, заключающийся в том, что он должен быть толстым (обычно порядка 10 мкм при диаметре Nb-Ti 0,1 мм), чтобы выполнять свою функцию уменьшающего прилипание агента во время операции обработки давлением. Он не позволяет точно контролировать геометрию проволоки во время калибровки и прокатки. Эти изменения размера выполненного из Nb-Ti сердечника проволоки приводят к значительным изменениям крутящего момента балансных пружин.
Раскрытие сущности изобретения
Для решения описанных выше проблем настоящим изобретением предлагается способ изготовления балансной пружины, позволяющий облегчить формообразование посредством обработки давлением, избегая при этом недостатков, связанных с нанесением слоя меди.
С этой целью настоящим изобретением предлагается способ изготовления балансной пружины, предназначенной для установки на балансе часового механизма, включающий:
a) этап обеспечения наличия заготовки с сердечником из Nb-Ti сплава, содержащего:
- ниобий: остаток до 100 вес.%;
- титан: от 5 до 95 вес.%;
-1
- следы одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu и Al, причем каждый из указанных элементов присутствует в количестве от 0 до 1600 млн по весу, при этом общее количество указанных элементов составляет от 0 до 0,3 вес.%;
b) этап формирования слоя первого материала первой толщины вокруг заготовки с сердечником из Nb-Ti;
c) этап формирования слоя второго материала второй толщины, превышающей толщину слоя первого материала, вокруг заготовки, полученной на этапе b), причем первый и второй материалы выбирают таким образом, что второй материал может быть избирательно удален физически или химически без оказания существенного воздействия на слой первого материала;
d) этап обработки заготовки давлением посредством последовательностей операций, включающий:
d1) последовательность операций обработки давлением для преобразования заготовки, полученной на этапе c), в круглую заготовку заданного диаметра, называемого калибровочным диаметром; и
d2) последовательность операций прокатки в плоском калибре круглой заготовки, полученной на этапе d1);
e) этап резки прокатанной проволоки на полосы заданной длины;
f) этап навивки для формирования балансной пружины;
g) этап окончательной термообработки балансной пружины;
при этом способ дополнительно включает этап h) удаления указанного слоя второго материала, сформированного на этапе c), когда указанная заготовка уже достигла такого диаметра, что ее все еще можно пропустить по меньшей мере через одну волочильную доску, предпочтительно через две волочильные доски, с получением степени удлинения заготовки приблизительно 10% на каждой волочильной доске, перед первой операцией прокатки этапа d2) или самое позднее перед последней операцией этапа d2).
Поскольку заготовка подвергается большому количеству операций обработки давлением, чтобы обеспечить получение требуемых размеров и геометрии, она должна быть покрыта слоем, предотвращающим прилипание в последовательных волочильных досках, который должен быть достаточно толстым, чтобы не ухудшаться в ходе этих последовательных операций обработки давлением. Для этого, согласно настоящему изобретению, заготовку покрывают слоем пластичного материала, такого как медь. Толщина наносимого слоя меди для создания балансных пружин для часовых механизмов составляет приблизительно 10 мкм. Заявитель, тем не менее, отметил, что внешние размеры заготовки, покрытой слоем меди, хорошо контролировались в ходе последовательных операций обработки давлением, но, с другой стороны, размеры сердечника, выполненного из Nb-Ti, не контролировались. Таким образом, у заявителя возникла идея изобретения, заключающаяся в том, чтобы покрыть заготовку из Nb-Ti тонким слоем (обычно толщиной от 800 нм до 1,2 мкм, когда диаметр заготовки достиг величины от 15 до 50 мкм) первого уменьшающего прилипание материала, предпочтительно, совместимого с коэффициентом термоупругости (TEC) изготовленного из Nb-Ti сердечника заготовки, перед покрытием заготовки слоем второго пластичного материала толщиной, превышающей толщину слоя первого материала, с целью выполнения первых операций обработки давлением с последующим удалением "толстого" слоя второго материала перед заключительными операциями и с сохранением "тонкого" слоя первого материала. Этот "тонкий" слой позволяет выполнить заключительные операции обработки проволоки давлением без прилипания к волочильным доскам, обеспечивая при этом идеальный контроль размеров сердечника из Nb-Ti.
Предпочтительно, первый материал выбирают из группы, в состав которой входят ниобий, золото, тантал, ванадий, аустенитные нержавеющие стали, в частности сталь марки 316L, а второй материал выбирают из группы, включающей в себя медь, серебро, сплавы меди и никеля, однофазные α-сплавы меди и цинка (например, CuZn30).
Предпочтительно, в качестве первого материала выбирают ниобий, а в качестве второго материала – медь (например, марок ETP (вязкая электролитическая медь), OF (бескислородная медь) или OFE (бескислородная медь для электроники)).
Таким образом, предпочтительный вариант способа изготовления балансной пружины согласно настоящему изобретению включает этап, направленный на формирование тонкого слоя ниобия, покрывающего сердечник из Nb-Ti, затем на формирование толстого слоя меди, на частичное формирование сердечника с покрытием, на удаление оставшегося слоя меди, затем на завершение формирования сердечника из Nb-Ti, просто покрытого ниобием. Таким образом, этот слой ниобия образует внешний слой, который находится в контакте с волочильными досками и прижимными валками. Он химически инертен и облегчает волочение и прокатку проволоки для балансной пружины. Еще одним его преимуществом является облегчение разделения балансных пружин после операции фиксации, следующей за операцией навивки.
Слой ниобия остается на балансной пружине в конце процесса изготовления. Он достаточно тонкий: его толщина составляет от 50 нм до 5 мкм, предпочтительно от 200 нм до 1,5 мкм, более предпочтительно от 800 нм до 1,2 мкм, чтобы существенно не изменять коэффициент термоупругости (TEC) балансной пружины. Кроме того, ниобий имеет коэффициент термоупругости, аналогичный коэффициенту термоупругости Nb-Ti, что облегчает получение компенсационной балансной пружины.
Кроме того, он идеально прилипает к сердечнику из Nb-Ti. Указанные величины толщины слоя ниобия обычно применяют для диаметров сердечников из Nb-Ti от 15 до 100 мкм.
Предпочтительно, этап d1) указанного способа согласно настоящему изобретению включает в себя холодную обработку давлением заготовки, полученной на этапе c), посредством холодной ковки и/или холодного волочения.
В предпочтительном варианте осуществления способа изготовления согласно настоящему изобретению по меньшей мере перед этапом d1) и/или d2) проводят операцию закалки β-типа указанной заготовки, таким образом, что титан указанного сплава находится по существу в форме твердого раствора с ниобием в β-фазе, причем, предпочтительно, операция β-закалки представляет собой обработку на твердом растворе продолжительностью от 5 минут до 2 часов при температуре от 700 до 1000°C в вакууме с последующим охлаждением в газовой среде.
Предпочтительно, если в качестве второго материала используется медь, ‘nfg удаления слоя второго материала осуществляют посредством химического воздействия в растворе, содержащем цианиды или кислоты, например азотную кислоту.
Предпочтительно, окончательная термообработка на этапе g) представляет собой дисперсионную обработку титана в α-фазе продолжительностью от 1 до 80 часов при температуре от 350 до 700°C, предпочтительно от 5 до 30 часов при температуре от 400 до 600°C.
Предпочтительно, этап g) представляет собой дисперсионную термообработку титана в α-фазе продолжительностью от 1 до 80 часов при температуре от 350 до 700°C, предпочтительно от 5 до 30 часов при температуре от 400 до 600°C. В качестве альтернативы после каждой или некоторых последовательностей операций обработки давлением этапа d1) и/или d2) может осуществляться промежуточная дисперсионная термообработка титана в α-фазе продолжительностью от 1 до 80 часов при температуре от 350 до 700°C, предпочтительно от 5 до 30 часов при температуре от 400 до 600°C.
Согласно одному из возможных вариантов осуществления способа, слой второго материала, обычно меди, сформированный на этапе c), имеет толщину от 1 до 100 мкм, когда диаметр выполненного из Nb-Ti сердечника проволоки составляет 100 мкм.
Предпочтительно, каждая последовательность операций этапов d1) и/или d2) выполняется со степенью деформации от 1 до 5, причем общий объем операций обработки давлением всех последовательностей операций приводит к общей степени деформации, составляющей от 1 до 14. Степень деформации для каждой последовательности операций вычисляется по обычной формуле 2ln(d0/d), где d0 – диаметр последней β-закалки, а d – диаметр холоднообработанной проволоки.
Предпочтительно, этап b) формирования слоя первого материала, как правило, слоя ниобия, осуществляется путем наматывания тонкой полоски из первого материала, например ниобия, на сердечник из Nb-Ti, а этап c) формирования слоя второго материала, как правило, меди, выполняется путем вставки заготовки, полученной на этапе b), в трубку из второго материала, например меди, с последующим волочением и/или ковкой узла, состоящего из трубки и заготовки, полученной в конце этапа b).
Объектом настоящего изобретения является также балансная пружина, предназначенная для установки на балансе часового механизма, содержащая сердечник, выполненный из Nb-Ti сплава, содержащего:
- ниобий: остаток до 100 вес.%;
- титан: от 5 до 95 вес.%;
-1
- следы одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из 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 указанных элементов составляет от 0 до 0,3 вес.%;
причем сердечник, выполненный из Nb-Ti, покрыт слоем первого материала, выбранного из группы, в состав которой входят ниобий, золото, тантал, ванадий, аустенитные нержавеющие стали (сталь марки 316L), при этом толщина указанного слоя первого материала составляет от 20 нм до 10 мкм.
Предпочтительно, толщина слоя первого материала составляет от 300 нм до 1,5 мкм, более предпочтительно от 400 до 800 нм.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, первым материалом является ниобий.
Предпочтительно, концентрация титана составляет от 40 до 65 вес.%, предпочтительно от 40 до 49 вес.%, более предпочтительно от 46 до 48 вес.%.
Предпочтительно, сердечник из Nb-Ti имеет двухфазную микроструктуру, включающую в себя ниобий в β-фазе и титан в α-фазе.
Предпочтительно, пружина имеет предел упругости, превышающий или равный 500 МПа, предпочтительно превышающий или равный 600 МПа, и модуль упругости, меньший или равный 120 ГПа, предпочтительно меньший или равный 100 ГПа.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к способу изготовления балансной пружины, предназначенной для установки на балансе часового механизма. Эта балансная пружина выполнена из двухкомпонентного сплава, содержащего ниобий и титан. Объектом изобретения является также балансная пружина, изготовленная вышеуказанным способом.
Указанный способ будет описан ниже для варианта с ниобием в качестве первого материала и медью в качестве второго материала.
Согласно настоящему изобретению, способ изготовления включает следующие этапы:
a) этап обеспечения наличия заготовки с сердечником из сплава Nb-Ti, содержащего:
- ниобий: остаток до 100 вес.%;
- титан: от 5 до 95 вес.%;
-1
- следы одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu и 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.%;
b) этап формирования слоя ниобия вокруг заготовки с сердечником из Nb-Ti;
c) этап формирования слоя меди вокруг заготовки, полученной на этапе b);
d) этап обработки заготовки давлением посредством нескольких последовательностей операций, включающий:
d1) последовательность операций обработки давлением для получения у заготовки, полученной на этапе c), заданного диаметра, называемого калибровочным диаметром; и
d2) последовательность операций прокатки в плоском калибре круглой заготовки, полученной на этапе d1);
e) этап резки прокатанной проволоки на полосы заданной длины;
f) этап навивки для формирования балансной пружины;
g) этап окончательной термообработки балансной пружины.
Способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает этап h) удаления указанного слоя меди, сформированного на этапе c), в тот момент этапа d), когда указанная заготовка уже достигла такого диаметра, что ее все еще можно пропустить по меньшей мере через одну волочильную доску, предпочтительно через две волочильные доски, с получением степени удлинения заготовки приблизительно 10% на каждой волочильной доске, перед первой операцией прокатки этапа d2) или самое позднее перед последней операцией этапа d2).
Ниже приведено более подробное описание способа согласно настоящему изобретению.
На этапе a) сердечник выполнен из сплава Nb-Ti, содержащего от 5 до 95 вес.% титана. Предпочтительно, используемый в настоящем изобретении сплав содержит от 40 до 60 вес.% титана. Предпочтительно, данный сплав содержит от 40 до 49 вес.% титана, более предпочтительно от 46 до 48 вес.% титана. Процентное содержание титана является достаточным для получения максимальной доли выделения титана в α-фазе, которая при этом снижается, чтобы избежать образования мартенситной фазы, приводящей к повышению хрупкости сплава при его применении.
Особенно выгодным является то, что сплав Nb-Ti 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 даже 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 даже 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 даже 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 даже 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 в сплаве меньше или равно 0,01 вес.% от общего количества.
На этапе b) на заготовку с сердечником из Nb-Ti наносится слой ниобия. Нанесение слоя ниобия на сердечник может производиться гальваническим способом, осаждением из паровой фазы, химическим осаждением из паровой фазы или механически. В последнем случае трубка из ниобия насаживается на стержень из сплава Nb-Ti. Узел обрабатывается давлением путем ковки и/или волочения для создания тонкого прутка и обработки давлением заготовки, наличие которой было обеспечено на этапе a). Толщина слоя ниобия выбирается такой, чтобы отношение площади поверхности ниобия к площади поверхности сердечника из Nb-Ti для данного поперечного сечения проволоки было меньше 1, предпочтительно меньше 0,5, более предпочтительно составляло от 0,01 до 0,4. Например, для проволоки диаметром от 0,2 до 1 мм толщина слоя ниобия, предпочтительно, составляет от 1 до 500 мкм.
В качестве альтернативы слой ниобия может быть создан путем наматывания ниобиевой полоски на сердечник из Nb-Ti, причем узел, состоящий из ниобиевой полоски и сердечника из Nb-Ti, обрабатывается давлением путем ковки или волочения для утонения и обработки давлением заготовки, наличие которой было обеспечено в конце этапа a).
Выполненный из Nb-Ti сердечник заготовки, полученной на этапе b), на этапе c) покрывается слоем меди. Нанесение слоя меди на сердечник может производиться гальваническим способом, осаждением из паровой фазы, химическим осаждением из паровой фазы или механически. В последнем случае трубка из меди насаживается на стержень из Nb-Ti. Узел обрабатывается давлением путем ковки и/или волочения для создания тонкого прутка и обработки давлением заготовки, имеющейся в распоряжении в конце этапа b). Толщина слоя меди выбирается такой, чтобы отношение площади поверхности меди к площади поверхности сердечника из Nb-Ti для данного поперечного сечения проволоки было меньше 1, предпочтительно меньше 0,5, более предпочтительно составляло от 0,01 до 0,4. Например, для проволоки диаметром от 0,2 до 1 мм толщина слоя меди, предпочтительно, составляет от 1 до 500 мкм.
В качестве альтернативы слой меди может быть создан путем наматывания медной полоски на сердечник из Nb-Ti, покрытый слоем ниобия, причем узел, состоящий из медной полоски и сердечника из Nb-Ti, обрабатывается давлением путем ковки или волочения для утонения и обработки давлением заготовки, имеющейся в распоряжении в конце этапа b).
Согласно еще одному альтернативному варианту, сердечник из Nb-Ti, покрытый ниобиевой полоской, может быть вставлен в трубку из меди, при этом полученный узел может быть подвержен горячему экструдированию при температуре приблизительно от 600 до 900°C с помощью волочильной доски.
Закалка β-типа путем обработки на твердом растворе выполняется по меньшей мере перед последней операцией обработки давлением. Эта обработка производится таким образом, чтобы титан сплава находился в основном в форме твердого раствора с ниобием в β-фазе. Предпочтительно, она выполняется от 5 минут до 2 часов при температуре от 700 до 1000°C в вакууме с последующим охлаждением в газовой среде. Более конкретно, такое β-закаливание представляет собой обработку на твердом растворе при температуре 800°C в вакууме продолжительностью от 5 минут до 1 часа с последующим охлаждением в газовой среде.
Этап d) обработки заготовки давлением выполняется посредством нескольких последовательностей операций. Термин "обработка давлением" служит для обозначения волочения и/или прокатки.
Предпочтительно, этап обработки давлением включает по меньшей мере последовательно осуществляемые последовательности операций обработки давлением, предпочтительно холодной, путем ковки, и/или волочения, и/или калибровочного волочения, обозначаемых как этап d1). Этап d1) позволяет преобразовать заготовку, полученную на этапе c), в проволоку заданного диаметра, называемого калибровочным диаметром.
Согласно настоящему изобретению, способ дополнительно включает этап h) удаления слоя меди, сформированного на этапе c), когда во время этапа d1) указанная заготовка достигла такого диаметра, что ее все еще можно пропустить по меньшей мере через одну волочильную доску с получением степени удлинения заготовки приблизительно 10%, перед первой последующей операцией прокатки этапа d2). Эту операцию удаления слоя меди осуществляют посредством химического воздействия в растворе, содержащем цианиды или кислоты, например в ванне с водным раствором азотной кислоты в концентрации 53 вес.%.
Затем выполняется последовательность операций прокатки, предпочтительно, с прямоугольным профилем, соответствующим входному поперечному сечению намоточного шпинделя, и эта последовательность операций образует этап d2).
Каждая последовательность операций этапов d1) и d2) выполняется с заданной степенью формоизменения от 1 до 5, причем эта степень формоизменения вычисляется по обычной формуле 2ln(d0/d), где d0 – диаметр последней β-закалки, а d – диаметр холоднообработанной проволоки. Общий объем операций обработки давлением всех последовательностей операций приводит к общей степени формоизменения, составляющей от 1 до 14.
После этапа d2) толщина слоя ниобия, покрывающего сердечник из Nb-Ti, составляет от 20 нм до 10 мкм, предпочтительно от 300 нм до 1,5 мкм, более предпочтительно от 400 до 800 нм.
Проволока, раскатанная в полосу, полученную в конце этапа d2), затем разрезается на отрезки заданной длины на этапе e).
После этапа f) навивки с целью формирования балансной пружины выполняется этап g) окончательной термообработки балансной пружины. Этап g) заключается в дисперсионной обработке титана в α-фазе продолжительностью от 1 до 80 часов, предпочтительно от 5 до 30 часов, при температуре от 350 до 700°C, предпочтительно от 400 до 600°C.
Согласно предпочтительному альтернативному варианту осуществления изобретения, между каждой последовательностью или между некоторыми последовательностями операций обработки давлением этапов d1) и/или d2) предлагаемый способ может дополнительно включать промежуточную дисперсионную термообработку титана в α-фазе продолжительностью от 1 до 80 часов при температуре от 350 до 700°C, предпочтительно от 5 до 30 часов при температуре от 400 до 600°C. Предпочтительно, эта промежуточная термообработка выполняется на этапе d1) между первой последовательностью операций волочения и второй последовательностью операций калибровочного волочения.
Балансная пружина, изготовленная предлагаемым способом, имеет предел упругости, превышающий или равный 500 МПа, предпочтительно превышающий или равный 600 МПа, более предпочтительно от 500 до 1000 МПа. Предпочтительно, она имеет модуль упругости, меньший или равный 120 ГПа, предпочтительно меньший или равный 100 ГПа.
Балансная пружина содержит выполненный из Nb-Ti сердечник, покрытый слоем ниобия толщиной от 50 нм до 5 мкм, предпочтительно от 200 нм до 1,5 мкм, более предпочтительно от 800 нм до 1,2 мкм.
Сердечник балансной пружины имеет двухфазную микроструктуру, включающую в себя ниобий в β-фазе и титан в α-фазе.
Кроме того, балансная пружина согласно настоящему изобретению имеет коэффициент термоупругости (TEC), позволяющий гарантировать сохранение хронометрических характеристик, несмотря на изменение температуры при использовании часов, содержащих такую балансную пружину.
Способ согласно настоящему изобретению позволяет создавать балансную пружину, в частности придавать ей форму, из сплава ниобий-титан, как правило, с содержанием титана 47 вес.% (40–60 вес.%). Этот сплав обладает улучшенными механическими свойствами за счет сочетания очень высокого предела упругости (выше 600 МПа) с очень низким модулем упругости (приблизительно от 60 до 80 ГПа). Такое сочетание свойств идеально подходит для балансной пружины. Кроме того, предлагаемый сплав является парамагнитным.