Procédé de fabrication d'une boîte de montre et boîte de montre fabriquée selon ce procédé
On connaît déjà des pièces métalliques comme, par exemple des boîtes de montre, dont la surface ou au moins certains éléments de la surface des parties visibles présentent une dureté suffisante pour éviter ou tout au moins diminuer le rayage des pièces en cours d'utilisation. Ainsi, on a proposé de réaliser certaines pièces de boîtes de montre en un matériau dur tel que le carbure de tungstène ou diverses céramiques. Ces pièces doivent être mises en forme par frittage et subir ensuite des opérations de finition destinées à conférer à la surface de la pièce son aspect définitif. Or, ces opérations de finition sont très coûteuses surtout pour des pièces de formes complexes. Un autre inconvénient de ces pièces dont la masse est en un matériau très dur est leur fragilité.
On a également proposé d'obtenir des pièces de boîtes de montre inrayables en revêtant un matériau ductile comme l'acier ou un autre métal d'une couche dure par le procédé appelé flame platting ou par dépôt d'un revêtement en phase gazeuse ou encore par traitement électrolytique. Le garnissage d'une pièce en métal ductile d'une couche de revêtement déposée en fusion est coûteux et présente de grandes difficultés d'exécution sur des séries de pièces de petites dimensions. La finition est également très coûteuse et difficile à réaliser sans déchets.
Les procédés de durcissement par cémentation ou trempe ou par nitruration sur un métal de base ferreux présentent divers inconvénients: les pièces cémentées sont sujettes à la corrosion. Les pièces nitrurées peuvent être rendues inoxydables mais au prix d'un long traitement de passivation. En outre, les traitements thermiques nécessaires pour obtenir la dureté superficielle désirée entraînent des variations de formes et de dimensions, de sorte qu'il est nécessaire de rectifier les pièces après le durcissement.
On sait que le titane peut être durci en surface par des traitements consistant à le chauffer en présence d'oxygène ou d'azote. Ces procédés connus utilisent des températures relativement modérées, inférieures à 10000 C, et la durée de traitement atteint plusieurs heures ou même plusieurs centaines d'heures dans certains cas.
Au cours de ce traitement, L'aspect de la surface du titane se modifie: Le métal perd son éclat métallique et change de couleur. Du fait des exigences esthétiques auxquelles doivent satisfaire des pièces d'usage courant dont les surfaces sont visibles comme, par exemple, des boîtes de montre, des boutons de manchettes, etc., ces procédés connus ne pouvaient pas être appliqués pour obtenir des pièces ayant une surface dure et se prêtant à de telles utilisations.
Or, on a découvert qu'il était possible d'obtenir une dureté superficielle élevée dans une pièce en titane sans que l'éclat métallique de la pièce ne se perde, par un traitement relativement simple permettant d'atteindre une dureté superficielle égale, dans certains cas, à 1600HV 100 (désignation selon norme VSM 10 924).
Ainsi, la présente invention se propose de créer un procédé peu coûteux permettant de réaliser des pièces métalliques telles que des éléments de boîtes de montre ayant une surface inrayable, mais dont la matière soit ductile en profondeur et présente l'éclat métallique.
Dans ce but, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une boîte de montre, caractérisé en ce qu'au moins une pièce de cette boîte est constituée de titane et, après avoir été mise en forme, est exposée à haute température et sous faible pression à la diffusion d'oxygène, d'azote, d'hydrogène ou d'un mélange de ces gaz, puis refroidie rapidement.
L'invention a également pour objet une boîte de montre résultant de ce procédé, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une pièce en titane dont la surface forme une partie de la surface visible de la boîte et qui présente une dureté attcignant au moins 1000 HV 100 en surface, cette dureté allant en décroissant en profondeur.
On obtient ainsi des pièces qui présentent cn surface une couche dure de faible épaisseur dont la dureté décroît progressivement en profondeur jusqu'à atleindre celle du métal initial. De cc fait, la couche superficielle n'est pas fragile. D'autre part, la surface conserve l'éclat métallique du métal de base, de sorte que le procédé sc prête particulièremcnt bien à la réalisation de pièces qui doivent présenter une allure esthétique, et qui, par conséquent, étant exposées au contact de poussières ou d'objets durs, peuvent subir des dété- riorations par rayage.
Un autre avantage du procédé est que la surface du métal conserve la possibilité de recevoir une couche d'oxyde au cours d'un traitement d'oxydation anodique, ce qui permet, comme on le verra plus loin, de lui conférer un aspect coloré tout en conservant encorc l'éclat métallique.
Le procédé peut s'appliquer à la fabrication de boîtes de montre dont la forme, les dimensions et l'aspect général peuvent être quelconques.
Pour que la boite de montre soit inrayable, il suffit que la ou les pièces dont les surfaces sont visibles soient constituées de titane ayant subi un des traitements qui seront décrits plus loin. Or, le titane peut être travaillé par toutes les méthodes d'usinage connues avec ou sans enlèvement de matière. On peut donc appliquer le procédé décrit ci-dessous à des lunettes découpées ct embouties dans de la tôle, à des carrures formées par découpage et étampage, puis usinage avec des outils de coupe, de même qu'avec des carrures décolletées directement dans des barres profilées.
Ces pièces seront donc usinées et terminées aux dimensions désirées, par une méthode connue, choisie en fonction du résultat désiré. Elles subiront un traitement de finition tel que polissage ou lapidage par exemple.
Comme on le verra par la suite, dans une au moins des formes de mise en oeuvre prévues, l'aspect de la surface de la pièce ne sera pas modifié par le traitement de durcissement.
La pièce, une fois usinée, sera soumise au traitement thermique de durcissement superficiel qui comporte un chauffage en présence d'une atmosphère contrônée puis un refroidissement rapide. Le chauffage peut être effectué par exemple par induction dans un four.
L'atmosphère en présence dc laquelle la pièce sera placée sera formée d'air, d'azote, d'hydrogène ou évcntuellement d'un mélange de ces gaz. Dans chaque cas, la température, la pression et la duréc du traitement devront être déterminées de façon à obtenir le meilleur résultat.
On a constaté cependant que, avec les condilions définies plus loin, on obtenait une dureté qui atteignait une valeur maximum en surface puis décroissait progressivement dans les zones situées sous la surface de manière que le noyau ductile de la pièce conserve la dureté initiale du titane dès une profondeur maximum de l'ordre de 1 à 2 mm. Après traitement, la pièce ne nécessite qu'un polissage à la brosse avec pâte à polir. La surface est pratiquement inrayable et, de plues, elle est inoxydable.
Exemple I:
Durcissement d'une pièce en atmosphère d'air:
I.a pièce est chauffée rapidement à une tempéra- ture de 1400 à 1500" C puis maintenue à cette température sous une pression d'air de 7.10 & torr. l.e refroi- dissement rapide a lieu ensuite dans le fou même.
Après ce traitement, la dureté est de l'ordre de l()00 HV 100 en surface, 720 HV 100 à 0,2 mm, 450 HV 1()0 à 2 nim, 1X()HV 100 à 3 moi de profondeur et plus.
Exemple 11
Durcissement en atmosphère d'azote
La pièce est chauffée sous vide jusqu'à une lempé- rature de 1400 à 1500 C. On introduit ensuite de l'azote jusqu'à une pression de I à 2 torr. Auprès maintien en présence de cette atmosphère et à cette tempéra- turc pcndant 5 minutes, on effcctuc un refriid;ssement rapide.
1-a dureté, après traitement. est de l'ordre de 1600 HV ln0 en surface. 5()0 H 100 t 0,2 mm, 180 HV 100 à 1 mm de profondeur et plus.
Allure de la surface:
Vu fait de la température élevée à laquelle s'effec- tuent les deux traitements décrits ci-desstis, il sc produit. si le métal de base est du titane pur, un phénomène de grossissement du grain qu'accompagne, du fait de la faible pression. un phénomène d'évaporation différentiel. de sorte que la pièce durcie présente cn stir- face des irrégularités conformées selon les dimensions et les alignemcnts des grains. On peut. dans une ccrtaine mesure, réduire ou varier cet effet de grossissement du grain en utilisant, au lieu de titane pur, différents alliages de titane.
D'autre part. le relief de surface ainsi obtenu peut être utilisé dans un but décoratif, comme on le verra plus loin.
Exemple III:
Durcissement en atmosphère d'hydrogène
La pièce est chauffée rapidement jusqu'à environ 1100" C en présence d'une atmosphère d'hydrogène à une pression de 10 - torr, maintenue durant 5 minutes dans cette atmosphère, puis refroidie rapidement dans le four.
L,a dureté après traitement est de l'ordre de 1200 H' 100 en surface. 750HV 100 à 0,2mm. 260 HV 100 à 1 mm, 180 HV 100 à 2 mm de profondeur ct plus.
Etant donné quc. dans ce dernier cxemple, la tem- pèrature du traitement dc durcissement est moins élevée que dans les deux premiers, le phénomène de grossissement du grain ne se produit pas ou ne sc produit que dans une très faible mesure. 11 n'y a pas non plus d'évaporation différentielle, de sorte que la pièce retroux e après le traitement thermique l'aspect qui lui a été con féré par le traitement de finition de surface.
Cette possibilité d'obtenir une pièce durcie en surface sans alté- ration de l'allure de cette dernière résulte du fait que les atomes d'hydrogene. plus petits que les atomes d'azote, sont susceptibles de diffuser dans la structure du titane et de former des hydrures durs à une température beaucoup plus bassc. L'intérêt du procédé réside également dans le fait que la structure ainsi obtenue est inoxydable.
Les pièces durcies par l'un ou L'titre des traitements décrits ci-dessus peuvent être utilisées telles quelles ou subir un nouveau traitement destiné à leur conférer un aspect coloré. Ce traitement de coloration consistera es sentiellement en une oxydation anodique sous une len- sion soigneusement choisie. La tension détermine en effet l'épaisseur de la couche d'oxyde qui se forme sur la pièce. (tette couche d'oxyde étant transparente, si l'on choisit convenablement son épaisseur. elle donne lieu à des phénommes d'interférence qui la font apparaître colorée, la couleur variant légèrement suivant l'angle sous lequel on regarde la pièce.
Dans le cas où le ph5- nomène de grossissement du grain et d'évaporation du métal a donné à la surface de la pièce un relief confonne aux limites des grains, la couche d'oxyde qui se forme sur les différents grains après un temps donné présente une épaisseur variable suivant l'orientation des surfaces, de sorte que les différents grains apparaissent de couleurs différentes.
Ce procédé de coloration pourra être applique par exemple à des lunettes ou à des anneaux rapportés ail- tour du verre.
De tels anneaux peuvent également être colorés par un procédé en deux étapes dont la première s'effectue sous une tension relativenient élevée de nianière à former une couche d'oxyde relativement épaisse. et la seconde sous une tension inférieure, après que la première couche d'oxyde a été éliminés de certaines zones de la pièce. Dans ces zones se forment donc des couches d'oxyde plus minces qui les font apparaitre de couleurs différentes.
II peut être intéressant pour certaines pièces de conserver une partie de la surface à une dureté voisine de celle du métal non traité. En particulier ce sera le cas, par exemple, pour des parties filetées ou taraudées. On a constaté cependant que l'obtention de ce résultat était possible. En effet, même après durcissement superficiel dans les conditions décrites ci-dessus. les pièces en titane peuvent être attaquées par un outil en métal dur r qui enlève d'un coup la couche durcie. Les filetages peuvent donc être taillés après le durcissement.
Method of manufacturing a watch case and watch case produced according to this method
Metal parts such as, for example, watch cases are already known, the surface of which or at least certain elements of the surface of the visible parts have sufficient hardness to avoid or at least reduce the scratching of the parts during use. Thus, it has been proposed to produce certain parts of watch cases from a hard material such as tungsten carbide or various ceramics. These parts must be shaped by sintering and then undergo finishing operations intended to give the surface of the part its final appearance. However, these finishing operations are very expensive, especially for parts of complex shapes. Another drawback of these parts, the mass of which is made of a very hard material, is their fragility.
It has also been proposed to obtain parts of scratch-resistant watch cases by coating a ductile material such as steel or another metal with a hard layer by the process called flame platting or by depositing a coating in the gas phase or else. by electrolytic treatment. The lining of a ductile metal part with a molten coating layer is expensive and presents great difficulties of execution on series of parts of small dimensions. Finishing is also very expensive and difficult to achieve without waste.
The hardening processes by carburizing or quenching or by nitriding on a ferrous base metal have various drawbacks: the carburized parts are subject to corrosion. Nitrided parts can be made stainless but at the cost of a long passivation treatment. In addition, the heat treatments required to achieve the desired surface hardness cause variations in shape and size, so that it is necessary to grind the parts after hardening.
It is known that titanium can be hardened at the surface by treatments consisting of heating it in the presence of oxygen or nitrogen. These known processes use relatively moderate temperatures, below 10,000 ° C., and the treatment time reaches several hours or even several hundred hours in certain cases.
During this treatment, the appearance of the titanium surface changes: The metal loses its metallic luster and changes color. Due to the aesthetic requirements to be met by commonly used parts whose surfaces are visible such as, for example, watch cases, cufflinks, etc., these known methods could not be applied to obtain parts having hard surface and suitable for such uses.
However, it has been discovered that it is possible to obtain a high surface hardness in a titanium part without the metallic shine of the part being lost, by a relatively simple treatment making it possible to achieve an equal surface hardness, in some cases, at 1600HV 100 (designation according to VSM 10 924 standard).
Thus, the present invention proposes to create an inexpensive process making it possible to produce metal parts such as watch case elements having a scratch-resistant surface, but the material of which is ductile in depth and exhibits the metallic luster.
To this end, the present invention relates to a method of manufacturing a watch case, characterized in that at least one part of this case is made of titanium and, after having been shaped, is exposed to high temperature. temperature and under low pressure to the diffusion of oxygen, nitrogen, hydrogen or a mixture of these gases, then cooled rapidly.
The subject of the invention is also a watch case resulting from this method, characterized in that it comprises at least one part made of titanium, the surface of which forms part of the visible surface of the case and which has a hardness attaining at least 1000 HV 100 on the surface, this hardness decreasing in depth.
Parts are thus obtained which have on the surface a hard layer of small thickness, the hardness of which gradually decreases in depth until reaching that of the initial metal. Therefore, the surface layer is not fragile. On the other hand, the surface retains the metallic luster of the base metal, so that the process lends itself particularly well to the production of parts which must present an aesthetic appearance, and which, therefore, being exposed to contact with dust. or hard objects, can be damaged by scratching.
Another advantage of the process is that the surface of the metal retains the possibility of receiving an oxide layer during an anodic oxidation treatment, which makes it possible, as will be seen below, to give it a completely colored appearance. while still retaining the metallic shine.
The method can be applied to the manufacture of watch cases whose shape, dimensions and general appearance can be of any kind.
For the watch case to be scratch-resistant, it suffices for the part or parts whose surfaces are visible to be made of titanium which has undergone one of the treatments which will be described below. However, titanium can be worked by all known machining methods with or without removal of material. The method described below can therefore be applied to bezels cut and stamped in sheet metal, to middle parts formed by cutting and stamping, then machining with cutting tools, as well as to middle parts turned directly into bars. profiled.
These parts will therefore be machined and finished to the desired dimensions, by a known method, chosen according to the desired result. They will undergo a finishing treatment such as polishing or stoning for example.
As will be seen below, in at least one of the embodiments provided, the appearance of the surface of the part will not be modified by the hardening treatment.
The part, once machined, will be subjected to the heat treatment of surface hardening which comprises heating in the presence of a controlled atmosphere and then rapid cooling. The heating can be carried out, for example, by induction in an oven.
The atmosphere in which the room will be placed will be formed of air, nitrogen, hydrogen or possibly a mixture of these gases. In each case, the temperature, pressure and duration of the treatment should be determined so as to obtain the best result.
However, it has been observed that, with the conditions defined below, a hardness was obtained which reached a maximum value at the surface and then gradually decreased in the areas located below the surface so that the ductile core of the part retains the initial hardness of the titanium from a maximum depth of the order of 1 to 2 mm. After treatment, the part only needs brush polishing with polishing paste. The surface is virtually scratch-proof and, moreover, it is stainless.
Example I:
Curing of a part in an air atmosphere:
The room is heated rapidly to a temperature of 1400 to 1500 ° C. and then maintained at this temperature under an air pressure of 7.10 ± torr. The rapid cooling then takes place in the same oven.
After this treatment, the hardness is of the order of l () 00 HV 100 on the surface, 720 HV 100 at 0.2 mm, 450 HV 1 () 0 at 2 nim, 1X () HV 100 at 3 min deep and more.
Example 11
Curing in nitrogen atmosphere
The part is heated under vacuum to a temperature of 1400 to 1500 C. Nitrogen is then introduced to a pressure of 1 to 2 torr. After keeping in the presence of this atmosphere and at this temperature for 5 minutes, a rapid cooling is effected.
1-hardness, after treatment. is of the order of 1600 HV ln0 at the surface. 5 () 0 H 100 t 0.2 mm, 180 HV 100 at 1 mm deep and more.
Surface appearance:
In view of the high temperature at which the two treatments described above are carried out, it is produced. if the base metal is pure titanium, a phenomenon of grain enlargement that accompanies, due to the low pressure. a differential evaporation phenomenon. so that the hardened part presents on the face irregularities shaped according to the dimensions and the alignemcnts of the grains. We can. to a certain extent, reduce or vary this grain enlargement effect by using, instead of pure titanium, different titanium alloys.
On the other hand. the surface relief thus obtained can be used for decorative purposes, as will be seen below.
Example III:
Curing in hydrogen atmosphere
The workpiece is heated rapidly to about 1100 ° C in the presence of an atmosphere of hydrogen at a pressure of 10 - torr, held for 5 minutes in this atmosphere, then cooled rapidly in the oven.
The hardness after treatment is of the order of 1200 H '100 at the surface. 750HV 100 at 0.2mm. 260 HV 100 at 1 mm, 180 HV 100 at 2 mm deep ct more.
Since quc. in the latter example, the temperature of the hardening treatment is lower than in the first two, the phenomenon of grain enlargement does not occur or occurs only to a very small extent. There is also no differential evaporation, so that the part rolls up after the heat treatment the appearance which was given to it by the surface finishing treatment.
This possibility of obtaining a hardened part on the surface without altering the appearance of the latter results from the fact that the hydrogen atoms. smaller than nitrogen atoms, are likely to diffuse into the structure of titanium and form hard hydrides at a much lower temperature. The advantage of the process also resides in the fact that the structure thus obtained is stainless.
The parts hardened by one or the title of the treatments described above can be used as such or undergo a new treatment intended to give them a colored appearance. This coloring treatment will consist essentially of anodic oxidation under a carefully chosen lens. The voltage in fact determines the thickness of the oxide layer which forms on the part. (This oxide layer being transparent, if its thickness is suitably chosen. It gives rise to interference phenomena which make it appear colored, the color varying slightly according to the angle at which the part is viewed.
In the case where the phenomenon of grain enlargement and metal evaporation has given the surface of the part a relief conforms to the grain boundaries, the oxide layer which forms on the various grains after a given time has a variable thickness depending on the orientation of the surfaces, so that the different grains appear different colors.
This coloring process can be applied, for example, to spectacles or to rings attached around the lens.
Such rings can also be colored by a two-step process the first of which is carried out under a relatively high voltage so as to form a relatively thick oxide layer. and the second under a lower voltage, after the first oxide layer has been removed from certain areas of the room. In these areas, therefore, thinner oxide layers are formed which make them appear in different colors.
It may be advantageous for certain parts to keep part of the surface at a hardness close to that of the untreated metal. In particular this will be the case, for example, for threaded or tapped parts. However, it was found that obtaining this result was possible. Indeed, even after surface hardening under the conditions described above. titanium parts can be attacked by a hard metal tool r which suddenly removes the hardened layer. The threads can therefore be cut after hardening.