專利名稱：用于制造鐘表用彈簧的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造鐘表彈簧的方法，所述鐘表彈簧包括具有至少一個曲率的金屬玻璃的至少一個單片帶狀物。
背景技術(shù)：
文獻EP 0 942 337已經(jīng)推薦了一種包括由非結(jié)晶金屬制成的主發(fā)條的鐘表。在實際情況下，在該文獻中僅描述了由與環(huán)氧樹脂裝配的非晶形金屬層狀結(jié)構(gòu)形成的帶。一種推薦的可替代形式是通過點焊彈簧的不受約束形狀的兩端和轉(zhuǎn)折點裝配的帶的組件。當它正在被定形并且進行彈簧承受的重復(fù)卷起和展開時，這種帶的主要問題是層狀結(jié)構(gòu)脫層的高風(fēng)險。因為樹脂沒有老化得很好并且失去它的特性，所以這個風(fēng)險變得更加著重。這個解決方案不保證彈簧的功能性和疲勞性能。并且，推薦給彈簧的理論形狀的模制沒有考慮層狀材料的性能。互相裝配的多個薄帶的使用是難以獲得厚金屬玻璃帶的結(jié)果，因為在20世紀70年代對于使用于它們的磁特性的非晶形帶狀物發(fā)展起來的已知方法利用快速淬火可以用來制造僅直到大約30微米的帶狀物。公開號為W02007/038882的國際申請描述一種由包含石墨顆粒的基本連續(xù)非晶形基體組成的復(fù)合材料。該復(fù)合材料被設(shè)想可以用來尤其是制造彈簧，雖然沒有給出關(guān)于制造該彈簧的方法的指示。此外，分布在復(fù)合物基體中的顆粒的尺寸處于與制表彈簧的典型厚度相同的幅度級別，并且這樣引起關(guān)于該復(fù)合物對于該應(yīng)用的可用性的懷疑。美國專利No. US 5 772 803涉及一種包括扭矩彈簧的物體，扭矩彈簧可以通過以低于500°C /s的速率冷卻液態(tài)金屬合金來獲得以便獲得較大非晶形金屬合金，并且然后定形該合金。在該文獻中提及的唯一定形是在模具中鑄造。恰巧地具有超級機械性能、顯著高彈性極限的合金的鑄造產(chǎn)生帶狀物，該帶狀物在產(chǎn)生主發(fā)條所需要的尺寸處彎曲的情況下易碎。法國專利No. FR I 553 876涉及一種制造制表游絲的設(shè)備和方法。使用來制造這些游絲的帶的屬性沒有在該文獻中示出。由于文獻的年代，我們可以很好地假設(shè)這是用于自補償Invar 類型的游絲的多晶態(tài)金屬合金，例如Nivarox 合金(其是基于鐵鎳合金)。美國專利No. US 3 624 883涉及一種制造卷繞為螺旋狀并且固定到金屬環(huán)的彈簧的方法，包括將帶狀物固定到金屬環(huán)然后旋轉(zhuǎn)后者，以及使整體承受熱處理，以便將帶狀物固定在它的卷繞位置中。帶狀物的屬性沒有在該文獻中示出。因為該文獻要求從1968年算起的優(yōu)先權(quán)，并且考慮到該說明書，因此該帶狀物可能是用于與在上面提及的法國專利No. FR I 553 876中描述的游絲相同類型的游絲的多晶態(tài)金屬合金。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知曉游絲的作用并且因此特性與主發(fā)條的作用和特性有很大的不同。前述技術(shù)到金屬玻璃的應(yīng)用因此不是簡單的，因為它們在晶態(tài)金屬合金與稱為“金屬玻璃”的非晶形金屬合金之間的較大差異。
如在前述國際申請W02007/038882中的“發(fā)明的背景”部分示出的，較大金屬玻璃是易碎的并且它們在環(huán)境溫度下的塑性變形因此是非常難考慮的。同樣，在作者J. Lu 等人他們于 Acta Materialia 第 51 期、第 3429-3443 (2003)頁的標題為 “Deformation behavior of the Zr41 2Ti13 8Cu12 5Ni10Be22 5bulk metallic glassover a wide range of strain-rates and temperatures”(Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5較大金屬玻璃在寬泛應(yīng)變率和溫度范圍上的變形性能)的文章中，陳述了 “in spite oftheir metallic bonding,all the metallic glasses discovered so far exhibitshear localization at room temperature, leading to catastrophic shear failureimmediately following yield”(盡管它們的金屬鍵合,但是到目前為止發(fā)現(xiàn)所有金屬玻璃在室溫下呈現(xiàn)出剪力局部化，導(dǎo)致緊接在生產(chǎn)之后產(chǎn)生嚴重的剪力斷裂)(參考第2段，第3430頁)。非晶形金屬合金的塑性變形可以僅通過產(chǎn)生滑移帶來實現(xiàn)。這個變形機理完全不同于晶態(tài)金屬合金的變形。非晶形金屬合金的塑性變形總體上是不期望的，因為它導(dǎo)致正被加壓的部件的快速斷裂。因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員非常清楚，所述彈性極限是必須不超過以免破壞材料的極限。因此，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，要禁止較大金屬玻璃的塑性變形。在例如Nivaflex (用于高性能彈簧的基于鈷鎳鉻合金)的多相多晶態(tài)合金與非晶形金屬合金之間的另一個基本差異在于，為了能夠?qū)崿F(xiàn)它的最大機械性能，Nivaflex 合金在熱處理期間必須通過加工硬化和通過相態(tài)沉淀來變得堅韌。在非晶形金屬合金情況下，一旦固化時就獲得它的機械性能并且它的機械性能不能通過后續(xù)的塑性變形和/或后續(xù)的熱處理來增強。因此，必須對Nivaflex 主發(fā)條應(yīng)用熱處理以便獲得期望的機械性能，有時候其根本不是由金屬玻璃制造的彈簧的實例。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)能夠使金屬玻璃帶狀物承受塑性變形并且能夠顯著地以彈簧的形式通過它的塑性變形將它使用在工業(yè)規(guī)模上，彈簧被重復(fù)地機械加壓到機芯的發(fā)條盒內(nèi)部。他們?nèi)缓髮⒃摪l(fā)現(xiàn)很好地使用在制造如權(quán)利要求I所述的鐘表彈簧的方法中。該方法因此允許功能鐘表彈簧，尤其是主發(fā)條，在工業(yè)規(guī)模上由金屬玻璃制造。在下面由各個附圖示出的描述過程中，形成本發(fā)明主題的該方法的特征和優(yōu)點將變得清晰。


圖I為作為退火條件的函數(shù)的延展性/易碎性的圖表；圖2a為在各種溫度下固定的圖表；圖2b為在作為各種溫度下退火持續(xù)時間的函數(shù)的斷裂處的變形的圖表；圖3a, 3b為對于另一種合金分別與圖2a, 2b的圖表相應(yīng)的圖表；
圖4a, 4b為對于另一種合金分別與圖2a, 2b的圖表相應(yīng)的圖表；圖5a為彈簧的不受約束形狀的平面視圖5b為其曲率與理論不受約束形狀的60%相應(yīng)的該相同彈簧的不受約束形狀的平面視圖；以及圖6a，6b分別表示對于其已經(jīng)被熱成型的主發(fā)條零件和其已經(jīng)通過塑性變形定形的內(nèi)部零件、以及其定形已經(jīng)完全通過塑性變形(冷成型)完成的主發(fā)條的卷起/展開曲線，其中扭矩[in mNm]為展開轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。
具體實施例方式為了執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，使用能夠冷卻形成稱為“金屬玻璃”的非晶形或基本上非晶形金屬合金的金屬合金是有利的，因為由該合金的具體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的優(yōu)越機械特性。使用金屬玻璃是特別有利的，其機械特性比現(xiàn)有技術(shù)中使用的傳統(tǒng)多晶態(tài)合金，例如舉例而言Nivaflex 合金的那些機械特性優(yōu)越。結(jié)果，下文陳述的本發(fā)明更具體地涉及金屬玻璃，其彈性極限大于2400MPa。 借由這些非晶形金屬合金的實例，提及的可以由基于鎳、鈷和/或鐵的合金制成。在他們的研究期間，發(fā)明人也注意到，為了產(chǎn)生功能性彈簧，其意味著當使用在鐘表中時彈簧保證一定的返回扭矩和良好的可靠性，帶狀物優(yōu)選地必須由具有所需厚度的非晶形或基本上非晶形合金制成以實現(xiàn)功能特性以及在折彎情況下可初始延展。實際上，在某些厚度以上和超過某些厚度，帶狀物在折彎情況下可以證明易碎性能，并且這會削弱彈簧的可靠性。為了獲得良好性能的制表彈簧，例如主發(fā)條，帶狀物的厚度將有利地為至少50 iim，因為更小厚度不能提供足夠的返回扭矩。同樣，厚度將有利地為至多150 iim。根據(jù)本發(fā)明的一個有利實施例，通過超級淬火，即通過將能夠形成金屬玻璃的液態(tài)金屬合金噴射到冷的和移動的基板上，例如可能是水冷卻旋轉(zhuǎn)輥的旋轉(zhuǎn)輥，同時獲得較小厚度和非晶形屬性。這種噴射可以舉例而言利用例如平面流鑄、熔體紡絲、以及雙輥鑄造的方法來執(zhí)行。優(yōu)選地，以為了獲得液態(tài)金屬合金超過10000°C /s的冷卻速率這樣的方式選擇用于噴射和冷卻的參數(shù)。這樣是因為由超級淬火獲得的這種冷卻速率實際上通過在金屬玻璃的結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生“空隙”而促進延展性。對于我們知曉的高彈性極限金屬玻璃來說，利用鑄造技術(shù)，例如通過將液態(tài)金屬合金噴射到銅制模具中，獲得的冷卻速率是顯著較低的并且不能同時產(chǎn)生足夠高性能制表彈簧的校正操作的厚度和延展性。此外，可以期望噴射以為了獲得具有在50至150 iim之間、優(yōu)選地在50至120 iim之間、并且更優(yōu)選地在50至100 之間的厚度的單片帶狀物這樣的方式完成噴射。在這些條件下獲得的金屬玻璃于是非常不同于超過Imm厚度的較大金屬玻璃(BMG)。在主發(fā)條的情況中，彈簧不能在以筆直帶狀物的形狀鑄造之后直接使用，而是必須定形以便于能夠產(chǎn)生期望的扭矩，如在文獻W02010/000081A1中描述的。因此在將它卷繞和纏繞在發(fā)條盒中之前，需要能夠定形帶狀物以便它采用給定的不受約束形狀。只要涉及金屬玻璃的單片帶狀物的定形，塑性變形有利地在環(huán)境溫度下并且在環(huán)境條件下實施。該塑性變形必須不削弱帶狀物的機械性能，以便于允許它被重復(fù)地機械加壓，例如在發(fā)條盒內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的一個有利實施例，除了通過塑性變形實現(xiàn)的曲率，通過例如在支撐部中彈性地變形帶狀物，以及通過固定利用在一溫度下并且持續(xù)不導(dǎo)致彈簧任何弱化的一段時間的熱處理獲得的新形狀來實現(xiàn)附加曲率。該附加曲率尤其可以在帶狀物的不由塑性變形彎曲的部分上執(zhí)行。熱處理可以在塑性變形之前或之后，有利地在塑性變形之前，尤其是如果熱處理影響塑性變形的區(qū)域時實施。在其中折彎情況下所述金屬玻璃合金保持它的延展性性能的溫度和持續(xù)時間窗口內(nèi)選擇恰當?shù)奶幚?退火)溫度和持續(xù)時間。該窗口因而實際上與在斷裂處的大于2%的變形相應(yīng)。這些條件使得能夠?qū)崿F(xiàn)下面目標i )在發(fā)生弱化之前延長最大處理持續(xù)時間；ii)固定形狀；iii)保持在產(chǎn)生帶狀物之后獲得的機械特性(硬度和延展性)；以及iv)避免晶體化。實例INi53Nb20Zr8Ti10Co6Cu3 (彈性極限2600MPa)的帶狀物通過平面流鑄生產(chǎn)，其包括在冷卻輪上形成液體金屬流。從10至20g的合金放置在加熱到1050至1150°C之間的分布噴嘴中。噴嘴縫隙開口的寬度為在0.2至O. 8_之間。在噴嘴與輪之間的距離為在O. I至
O.3mm之間。熔化合金沉積在其上的輪是以5至20m/s的速度驅(qū)動的銅合金制的輪。施加以便通過噴嘴排出熔化合金的壓力為在10至50kPa之間。下面的表I給出獲得的三個帶狀物的特性。表I-使用的由Ni53Nb2tlZr8TiltlCo6Cu3合金制造的三個帶狀物的特性
權(quán)利要求
1.一種制造鐘表彈簧的方法，所述鐘表彈簧包括具有至少一個曲率的金屬玻璃的至少一個單片帶狀物，其特征在于，它包括通過塑性變形定形所述單片帶狀物以便獲得至少一部分所述曲率的步驟。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中在通過塑性變形定形所述單片帶狀物的步驟之前是獲得該帶狀物的步驟，其包括將能夠形成金屬玻璃的液態(tài)金屬合金噴射到冷卻和移動的基板上。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中金屬玻璃的單片帶狀物通過在稱為平面流鑄、熔體紡絲、和雙輥鑄造的方法中的一個之后超級淬火來獲得。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中所述噴射以獲得液態(tài)金屬合金的高于10000°C/s的冷卻速率這樣的方式來執(zhí)行。
5.如權(quán)利要求I至4中的一項所述的方法，其中所述噴射以獲得具有厚度在50到150 u m之間的單片帶狀物這樣的方式來執(zhí)行。
6.如權(quán)利要求I至5中的一項所述的方法，其中在通過塑性變形定形的步驟之前或之后是固定至少部分所述單片帶狀物的步驟。
7.如權(quán)利要求I至5中的一項所述的方法，其中在通過塑性變形定形的步驟之前或之后是通過熱處理至少該部分曲率而固定所述部分曲率的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述固定步驟通過所述帶狀物在支撐部中的塑性變形之后利用所述熱處理固定所述形狀來執(zhí)行。
9.如權(quán)利要求7和8中的一項所述的方法，其中所述熱處理在一定溫度下執(zhí)行并且持續(xù)與在金屬玻璃折斷處超過2%的變形相應(yīng)的時間。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述熱處理溫度比所述金屬玻璃的玻璃躍遷溫度Tg小50°C，或者小于不具有Tg或者Tg > Tx的合金的晶態(tài)化溫度Tx。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述熱處理溫度比所述金屬玻璃的玻璃躍遷溫度Tg小100°C，或者小于不具有玻璃躍遷溫度或者Tg > Tx的合金的晶態(tài)化溫度Tx。
12.如權(quán)利要求8或者當權(quán)利要求9至11從屬于權(quán)利要求8時權(quán)利要求9-11中的一項所述的方法，其中用于定形所述彈簧的支撐部具有所述彈簧的輪廓，所述輪廓與期望用于具有曲率半徑的彈簧的不受約束的形狀基本上相對應(yīng)，所述曲率半徑限定為依賴于厚度和依賴于所述帶狀物的合金和依賴于為所述固定選擇的溫度和持續(xù)時間的固定系數(shù)的函數(shù)，所述輪廓的段的長度對應(yīng)于所述不受約束的形狀的實際長度。
13.如權(quán)利要求6至12中所述的方法，其中固定系數(shù)在60%至90%之間，優(yōu)選地在85至90%之間。
14.如前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中所述塑性變形在環(huán)境溫度下實施。
15.如前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中使用具有大于2400MPa的彈性極限的金屬玻璃。
16.如前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中所述彈簧是主發(fā)條并且所述塑性變形至少施加到它的內(nèi)部零件。
17.如權(quán)利要求I至16中的一項所述的方法，其中整個彈簧由塑性變形定形。
18.如前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中所述彈簧是在轉(zhuǎn)折點的任一側(cè)上相應(yīng)地具有正和負曲率的主發(fā)條。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造鐘表彈簧的方法，所述鐘表彈簧包括具有至少一個曲率的金屬玻璃的至少一個單片帶狀物。該方法的特征在于，所述方法包括通過塑性變形所述單片帶狀物以便獲得至少一部分所述曲率的定形步驟。
文檔編號G04B17/06GK102713770SQ201080056265
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者托馬斯·居格, 文森特·馮尼德豪瑟恩 申請人:勞力士有限公司