弹性材料在手表中的应用

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  摘要:随着近年来手表行业的不断发展,人们不只是简单的把手表当做计时工具,机芯的结构越来越复杂,功能越来越丰富,快拨、跳历、飞返、势能等功能层出不穷,这就对零件使用的原材料的性能提出了更高的要求。而满足这些功能的零件都离不开弹性材料,以往所使用的普通碳钢材料已不能达到这些功能的要求;与此同时,欧洲的钟表行业率先在弹性材料领域进行了开发和研究,他们所发明的高级精密合金弹性材料已广泛的应用于高档机芯的弹性零件,为此我们需要开发适合我们现有生产条件的弹性材料。
  关键词:手表;弹性金属材料
  引言
  弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性,而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力,即在规定的范围之内,弹性变形的能力使其承受一定的载荷,在载荷去除之后不出现永久变形。为了满足上述性能要求,弹簧钢需具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。以往我们在生产杆簧零件时所采用的材料为15P,因其属于普通易切碳钢材料,是具有良好的机加工性,但因不能满足越来越高弹性要求,且瑞典山特维克公司已不再生产此种材料,所以我们必须寻找一种能够代替15P的弹性材料。
  一、弹性材料产品开发及试验
  1、首先我们选取弹簧钢65Mn,由于其在国内采购渠道丰富,热处理工艺简单,弹性好等优点可以广泛的应用在杆簧零件上。
  65Mn的材料成分(%):
  C:0.62~0.70 Mn:0.9~1.2 Si:0.17~0.37 S:0.045 P:0.040
  由于其加入了锰元素,细化了晶粒,使其具有很好的弹性。针对杆簧零件既要求有很高的弹性还要有很好的强度,经过几个月的反复试验,制定了适合的热处理工艺:淬火:840℃油淬,回火:340℃。目的是先高温淬硬使其有很高的强度,然后回火到HV600左右也保持了很好的弹性。1目前我们已经大批量生产,效果很好。而且也带来了经济效益,大大降低了生产成本。
  但是此材料也有缺点,1)由于其含碳量略低于15P,相对耐磨性就较差,杆簧在反复的疲劳工作过程中会有一定的磨损,容易影响走时精度;2)零件机加工后需要电镀,在反复的工作过程中会出现掉皮的现象,也会影响走时精度。
  2. 随后我们对时效硬化不锈钢17-7PH进行了试验,由于其属于不锈钢,不需要电镀,且热处理方式简单,属于时效硬化方式,不需要淬火,减少了杆簧零件的在热处理过程中产生的变形情况,并且时效硬化相的存在大大提高了零件的耐磨性。2
  17-7PH的材料成分(%):
  C:≤0.09 Cr:16~18 Ni:6.5~7.75 Al:0.75~1.5
  工艺参数:
  硬度:半硬态 ≥HV350——析出硬化后——≥HV380
  3/4硬態≥HV400——析出硬化后——≥HV450
  硬态 ≥HV450——析出硬化后——≥HV530
  硬化处理:475±10℃ 1小时
  从工艺参数可见,为了保证零件的使用要求,必须选择时效后HV530以上,即选择硬态材料,但是它的原始硬度就在HV430±30,由于我们现在的冲压模具和一些其他的设备不能生产原始硬度这么高的材料,经过我们反复试验都达不到理想的效果,可见这种材料虽然在性能和热处理方面都有很高的优势,但是并不适合我们现有的生产条件。
  3、措施及解决办法:
  为了寻找到更好的材料,我们决定分析进口机芯所用的杆簧材料。选取了进口双历定位簧杆和跨轮盖片作为样品,用电子扫描电镜进行成分分析,发现这两种进口杆簧成分相同,使用的是同一种材料,结果如下:
  经分析和检索资料,这是一种弹性精密合金材料,其英文名称:Durimphy18-9-5,目前我国使用的牌号是X2NiCoMo18-9-5,主要成分为:
  Ni:18% Co:9% Mo:5% Ti:0.5% Al:0.1%
  工艺参数:
  硬度:半硬态HV300-350——析出硬化后——HV500
  硬态 HV350-400——析出硬化后——HV600
  硬化处理:480℃ 3小时
  通过以上数据发现,该材料属于时效硬化机制,减少了普通碳钢在高温淬火过程中产生的变形情况,同时它也属于时效硬化机制,且时效过程中硬度提高较多,原始硬度适合我们机加工,时效后的硬度不仅能满足我们的使用要求还提高了耐磨性能,与此同时我们决定采用浸膜处理的方式处理零件表面,避免疲劳过程中的掉皮情况。
  经过试验发现,该材料的弹性性能要优于15P、65Mn等材料,快拨过历干净有劲,疲劳强度高,在工作过程中不易产生变形,且热处理方式十分简单,是生产杆簧的理想材料。
  此外,在手表中用于发条的2Cr19Ni9Mo也是一种不错的弹性材料,2Cr19Ni9Mo合金是在18-8型不锈钢基础上,提高含碳量和加入少量钼而成。含碳量为0.19~0.24%,提高含碳量是为了提高合金的强度和弹性,加钼是为了提高抗锈性能及强度。2Cr19Ni9Mo合金在高温固溶处理后,是奥氏体单相固溶体和少量未溶解的碳化物,在大压下量冷变形时,有少量的α相析出。经400~520℃回火后,形成所谓K状态,使合金的强度和弹性提高。由于它主要依靠形变强化提高强度和弹性,因此,在应用其制造弹性元件时,冷变形必须高于90%以上。2
  可见2Cr19Ni9Mo的弹性及强度都很高是非常理想的,但是由于来料硬度较高,机加工困难是个现实问题,所以目前我们还未开发使用的在杆簧上
  结论:
  经上述分析,65Mn是比较一般的弹性材料,可以用于对使用要求不高的普通的杆簧零件。对于那些结构复杂,打弯较多,杆臂较长,对强度及弹性要求较高的零件还是需要使用X2NiCoMo18-9-5。随着生产的不断发展,我相信还有许多性能优越的弹性材料等待我们去开发、实验进而投入生产,不断提高手表行业的技术水平。
  参考文献:
  [1]崔忠圻,刘北兴,金属学与热处理原理[M],哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社;1998:213-215
  [2]吴承建,金属材料学 第二版[M],北京:冶金工业出版社;2009:100-102,135-138
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