CH708231A2

CH708231A2 - Ressort d'horlogerie en acier inoxydable austénitique.

Info

Publication number: CH708231A2
Application number: CH01182/13A
Authority: CH
Inventors: Christian Charbon; Guido Plankert
Original assignee: Nivarox Sa
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-12-31
Also published as: FR3007853B1; WO2014206582A3; JP2016528377A; JP2018204112A; RU2016102576A; WO2014206582A2; CN105392910B; US20160147195A1; EP3014362A2; DE202014005288U1; FR3007853A1; RU2635979C2; JP6951300B2; HK1222419A1; CH708232B1; US10048649B2; CH708231B1; CN105392910A; CN204848989U; CH708232A2

Abstract

L’invention en pour objet un ressort (1) d’horlogerie, en particulier un ressort de barillet, en alliage d’acier inoxydable austénitique comportant une base constituée de fer et de chrome. Sa composition en masse est: chrome: valeur mini 15%, valeur maxi 25%; manganèse: valeur mini 5%, valeur maxi 25%; azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90%; carbone: valeur mini 0.10%, valeur maxi 1,00%; le total des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1,50%; le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote compris entre 0,125 et 0,550; impuretés et autres métaux à l’exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0%; fer: le complément à 100%.

Description

Domaine de l’invention

[0001] La présente invention concerne un ressort d’horlogerie réalisé en un alliage d’acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et comportant du manganèse et de l’azote.

[0002] L’invention concerne le domaine des mouvements d’horlogerie, et en particulier des ressorts-moteurs de barillet, de sonnerie, ou similaire, et des ressorts plats tels que sautoirs, amortisseurs de chocs, ou similaire.

Arrière-plan de l’invention.

[0003] La tenue et la longévité des ressorts d’horlogerie, notamment de barillet, est un problème ancien.

[0004] L’utilisation d’aciers à haute teneur en carbone a permis, très tôt, d’obtenir les caractéristiques d’élasticité souhaitées, mais leur sensibilité à la corrosion, conjuguée à une utilisation permanente sous des efforts voisins de leur charge de rupture, a souvent conduit à une rupture dès les premiers points de corrosion. De plus, ces aciers tendent à prendre des déformations permanentes, qui altèrent la réserve de marche, car leur limite d’allongement proportionnel est très inférieure à leur limite d’élasticité.

[0005] De nombreux alliages ont été testés, dans les compositions les plus diverses, et avec des traitements différents. Les documents BE 475 783, CH 279 670, et US 647 783 et US 2 524 660 au nom de Elgin proposent des solutions avec l’emploi d’un alliage à base cobalt, d’une combinaison chrome-molybdène, et d’une combinaison de nickel, fer et manganèse, avec des procédés d’élaboration complexes, renchérissant le coût du produit.

[0006] Le document WO 2005/045 532 au nom de Seiko propose un alliage à base de titane, additionné d’éléments du groupe vanadium.

[0007] Certains fabricants ont développé des ressorts avec des couches superficielles différentes du matériau à cœur, comme dans le document WO 02/04 836 au nom de Seiko, ou le document CH 383 886 au nom de Sandvik, ou le document CH330 555 au nom de Fabrique Suisse de Ressorts d’Horlogerie, ou le document EP 2 511 229 au nom de GFD-Diamaze, ou encore le document EP 1 422 436 au nom de CSEM.

[0008] Des alliages amorphes sont encore connus du document WO 2012/01 941 au nom de Rolex, avec une forte proportion de bore, ou encore du document DE 10 2011 001 783 au nom de Vacuumschmelze.

[0009] Tous ces matériaux sont extrêmement coûteux, et aucun produit réellement plus efficace que d’autres pour l’application considérée n’est apparu sur le marché.

[0010] On connaît, du document CH 703 796 au nom de Générale Ressorts, un alliage d’acier inoxydable azoté comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées. L’alliage décrit dans ce document présente une forte concentration en azote en solution (0.75 à 1% d’azote). Lors de la fabrication de l’alliage la concentration en azote en solution est difficile à contrôler de manière précise. Or une faible augmentation de la teneur en azote en solution dans l’alliage peut conduire à une perte de la ductilité de l’alliage, ce qui va à rencontre de l’effet recherché pour une matériau devant servir de ressort.

[0011] Par ailleurs, la teneur en azote a une forte influence sur la cinétique de précipitation des nitrures de chrome et lorsque le teneur en azote est de l’ordre de 1%, la vitesse de trempe de l’alliage qui permet d’éviter l’apparition des nitrures est élevée, ce qui rend l’industrialisation des procédés de traitement de ces alliages délicats et coûteux.

[0012] Les alliages de type austénitique en structure cubique à faces centrées, conviennent bien à la fabrication de tels ressorts. Le document US 6 682 582 B1 au nom de Speidel BASF décrit différents alliages, avec une forte proportion de chrome (16 à 22%), de 0,08% à 0,30% en masse de carbone, et de 0,30% à 0,70% en masse d’azote, et moins de 9% de manganèse, et moins de 2% de molybdène.

[0013] Le document KR 2009 0 092 144 au nom de Korea Mach. & Materials INST divulgue un alliage manganèse-chrome-nickel-molybdène, avec le total des teneurs en masse du carbone et de l’azote compris entre 0,60% et 0,90%, avec notamment dans certains alliages de la famille une teneur en carbone inférieure à 0,45%, et une teneur en azote inférieure à 0,45%.

[0014] Le document JP H02 156 047 au nom de Nippon Steel Corp décrit un alliage avec 5 à 25% de manganèse, de 15 à 22% de chrome, de 0,10% à 0,30% de carbone, et de 0,3% à 0,6% d’azote.

Résumé de l’invention

[0015] L’invention a pour but de réaliser un ressort d’horlogerie ou de joaillerie, notamment un ressort de type spiral tel un ressort-moteur de barillet, ou de sonnerie, ou similaire, ou encore un ressort plat tel que sautoir, amortisseur de chocs, ou similaire, présentant une ductilité améliorée, moins coûteux, et plus facile à produire de manière industrielle, par rapport aux alliages usuels pour la fabrication de tels ressorts.

[0016] En effet, les alliages dits à haut taux d’azote connus amènent des propriétés mécaniques élevées, mais sont plus difficiles à transformer, car, à haut taux d’azote, l’alliage devient fragile, et la cinétique de précipitation des nitrures de chrome est très rapide, ce qui rend difficile la mise en œuvre de l’alliage.

[0017] A cet effet l’invention a pour objet un ressort d’horlogerie ou de joaillerie réalisé en un alliage d’acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et de type super-austénitique comportant du manganèse et de l’azote, caractérisé en ce que sa composition en masse est: chrome: valeur mini 15%, valeur maxi 25%; manganèse: valeur mini 5%, valeur maxi 25%; azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90%; carbone: valeur mini 0.10%, valeur maxi 1,00%; avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1,50%; avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote compris entre 0,125 et 0,550; impuretés et autres métaux à l’exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0%; fer: le complément à 100%.

[0018] Grâce à la plus faible teneur en azote que les alliages de l’art antérieur, on peut maintenir, en ajoutant du carbone, des propriétés mécaniques élevées tout en améliorant la mise en œuvre industrielle de l’alliage. La faible teneur en azote permet notamment d’améliorer la ductilité de l’alliage. De plus, la présence de carbone supplémentaire peut permettre la formation de carbures améliorant les propriétés mécaniques de l’alliage.

[0019] Lorsque cet alliage est utilisé pour la fabrication d’un barillet utilisé comme source d’énergie dans un mouvement horloger mécanique, sa ductilité améliorée permet de réduire le diamètre de coquillonage et par là même d’augmenter, pour une diamètre de tambour de barillet donné, la réserve de marche du mouvement.

Description sommaire des dessins

[0020] La fig. 1 représente, de façon schématisée et en perspective, un ressort de barillet selon l’invention, les zones interne de coquillonage et externe de fixation éventuelle de bride n’étant pas détaillées.

Description détaillée des modes de réalisation préférés

[0021] L’invention concerne le domaine des mouvements d’horlogerie, et en particulier des ressorts de stockage d’énergie, de rappel, ou d’amortissement: ressort de type spiral tel un ressort-moteur de barillet, ou de sonnerie, ou similaire, ou encore un ressort plat tel que sautoir, amortisseur de chocs, ou similaire.

[0022] L’invention concerne un ressort de 1 d’horlogerie ou de joaillerie réalisé en un alliage d’acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et comportant du manganèse et de l’azote.

[0023] Selon l’invention, la composition en masse de ce ressort 1 est: chrome: valeur mini 15%, valeur maxi 25%; manganèse: valeur mini 5%, valeur maxi 25%; azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90%; carbone: valeur mini 0.10%, valeur maxi 1,00%; avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1,50%; avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote compris entre 0,125 et 0,550; impuretés et autres métaux à l’exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0%; fer: le complément à 100%.

[0024] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse de l’azote est comprise entre 0,40% et 0,75%.

[0025] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse de l’azote est comprise entre 0,45% et 0,55%.

[0026] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,30%.

[0027] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,25%.

[0028] Dans une réalisation particulière, le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 1,00%.

[0029] Dans une réalisation particulière, le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 0,80%.

[0030] Dans une réalisation particulière, le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote est compris entre 0,250 et 0,550.

[0031] Dans une réalisation particulière, le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote est compris entre 0,270 et 0,550.

[0032] Le choix du domaine où à la fois le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 0,80% et le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote est compris entre 0,270 et 0,550 est particulièrement favorable en ce qui concerne la valeur de l’énergie de défaut d’empilement (stacking fault energy).

[0033] Les ressorts connus ont un taux élevé d’azote qui rend leur transformation difficile et coûteuse. En effet, dans ce cas, les procédés d’élaboration doivent être conduits sous une pression élevée (plusieurs atmosphères) ou/et avec des additifs.

[0034] C’est pourquoi il est avantageux de remplacer une partie de l’azote par du carbone. Il est connu que la température de transition TT fragile-ductile d’un alliage inoxydable tel que considéré suit approximativement la règle selon laquelle la valeur de TT en Kelvin est proportionnelle au total d’un premier terme égal à 300 fois la teneur en azote et d’un second terme égal à 100 fois la teneur en carbone. Tout remplacement d’azote par du carbone a donc une influence directe avec une diminution de cette température de transition fragile-ductile.

[0035] La réduction du taux d’azote est, encore, favorable en ce qui concerne la précipitation des nitrures.

[0036] L’élaboration d’un alliage avec à la fois du carbone et de l’azote, dans ces quantités et proportions, peut être conduite à la pression atmosphérique, ce qui représente un avantage économique certain.

[0037] Ces taux représentent un bon compromis, où l’alliage comporte assez d’azote pour stabiliser la structure austénitique, ces compositions particulières donnent les alliages les plus stables.

[0038] Dans une réalisation particulière de l’invention, la teneur en masse du manganèse est comprise entre 9,5% et 12,5%. Le manganèse est utile pour la constitution d’une structure cubique faces centrées de type austénitique, et pour améliorer la solubilité de l’azote dans l’alliage.

[0039] La structure austénitique est en effet nécessaire pour un ressort, en raison de la bonne déformabilité à froid qu’elle autorise. Elle présente un autre avantage qui est loin d’être négligeable au cœur d’un mouvement d’horlogerie, lié au caractère amagnétique de l’austénite, contrairement à la ferrite ou à la martensite. Là encore, le choix d’un taux C/N relativement bas, notamment inférieur à 0,550, suffit à profiter des avantages liés à la présence du carbone, et montre, en comparaison d’un taux C+N supérieur, pour un même total C+N, une aptitude supérieure de l’alliage à prendre une structure austénitique, comme on peut le voir sur des diagrammes d’équilibre de la littérature. De la même façon, un taux d’azote pas trop bas permet de se maintenir éloigné du domaine ferritique, et doit être assez distant du taux de 0,35% qui n’est pas favorable. Le taux de carbone découle alors assez logiquement de la fourchette raisonnable pour l’azote: assez supérieur à 0,35%, notamment supérieur à 0,45%, et assez nettement inférieur au seuil de 1%, notamment inférieur à 0,80%, et en respectant une teneur comprise environ entre le quart et la moitié de la teneur en azote.

[0040] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du chrome, qui est présent pour assurer la résistance à la corrosion (qui est historiquement un problème majeur pour la tenue des ressorts d’horlogerie, notamment de barillet), est comprise entre 16,0% et 20,0%.

[0041] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du chrome est comprise entre 16,0% et 17,0%.

[0042] Dans une réalisation particulière, au moins un des autres métaux est un élément carburigène pris parmi un ensemble comportant le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane, avec une teneur en masse comprise entre 0,5% et 10,0%.

[0043] Dans une réalisation particulière, un de ces autres métaux est du molybdène, avec une teneur en masse comprise entre 2,5% et 4,2%. Le molybdène permet d’améliorer la résistance à la corrosion et à la piqûration; il permet la précipitation de carbures de molybdène.

[0044] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du molybdène est comprise entre 2,6% et 2,8%.

[0045] Dans une réalisation particulière, l’alliage comporte encore, dans la limite de 0,5% en masse du total de l’alliage, au moins un autre élément carburigène que le molybdène, pris parmi un ensemble comportant le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane.

[0046] Dans une réalisation particulière, le total des teneurs en masse des impuretés et des autres métaux à l’exception du fer est compris entre 0 et 6,0%.

[0047] Dans une réalisation particulière, le total des teneurs en masse des impuretés et des autres métaux à l’exception du fer est compris entre 0 et 3,0%.

[0048] Dans une réalisation particulière, un des autres métaux est du nickel. Le nickel favorise comme le manganèse, la constitution d’une phase austénitique, et la solubilité; pour une application à un ressort enfermé dans un mouvement, sans contact cutané avec l’utilisateur, il est possible d’inclure quelques pour cent de nickel dans l’alliage sans conséquence négative pour l’utilisateur.

[0049] Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du nickel est comprise entre 0 et 0,10%.

[0050] Dans une réalisation particulière, un des autres métaux est du niobium, avec une teneur en masse comprise entre 0 et 0,25%.

[0051] En sélectionnant des réalisations particulières de l’alliage, on obtient une composition particulière ci-après, convenant particulièrement bien aux ressorts d’horlogerie et plus particulièrement de barillet, avec une élaboration avec un coût acceptable, une mise en œuvre sans complication particulière, de très bonnes caractéristiques mécaniques, une bonne résistance à la corrosion, de faibles déformations plastiques, et une grande longévité. Cette composition particulière est, en masse: chrome: valeur mini 16,0%, valeur maxi 17,0%; manganèse: valeur mini 9,5%, valeur maxi 12,5%; azote: valeur mini 0,45%, valeur maxi 0.55%; carbone: valeur mini 0.15%, valeur maxi 0,25%; avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total compris entre 0,60% et 0,80%; avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote compris entre 0,27 et 0,55; molybdène: valeur mini 2,6%, valeur maxi 2,8%; impuretés et autres métaux à l’exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 3,0%; fer: le complément à 100%.

[0052] Le ressort 1 ainsi réalisé est de structure austénitique à haute résistance mécanique, et présente une haute résistance à la fatigue, une haute résistance à la corrosion, et est amagnétique.

[0053] La fig. 1 représente le cas particulier où le ressort 1 est un ressort de barillet.

Claims

1. Ressort (1) d’horlogerie ou de joaillerie réalisé en un alliage d’acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et comportant du manganèse et de l’azote, caractérisé en ce que sa composition en masse est: – chrome: valeur mini 15%, valeur maxi 25%; – manganèse: valeur mini 5%, valeur maxi 25%; – azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90%; – avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1,50%; – avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote compris entre 0,125 et 0,550; – impuretés et autres métaux à l’exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0%; – fer: le complément à 100%.

2. Ressort (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en masse de l’azote est comprise entre 0,40% et 0,75%.

3. Ressort (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en masse de l’azote est comprise entre 0,45% et 0,55%.

4. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,30%.

5. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,25%.

6. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 1,00%.

7. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 0,80%.

8. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote est compris entre 0,250 et 0,550.

9. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote est compris entre 0,270 et 0,550.

10. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en masse du manganèse est comprise entre 9,5% et 12,5%.

11. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en masse du chrome est comprise entre 16,0% et 20,0%.

12. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du chrome est comprise entre 16,0% et 17,0%.

13. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins un desdits autres métaux est un élément carburigène pris parmi un ensemble comportant le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane, avec une teneur en masse comprise entre 0,5% et 10,0%.

14. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’un desdits autres métaux est du molybdène, avec une teneur en masse comprise entre 2,5% et 4,2%.

15. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du molybdène est comprise entre 2,6% et 2,8%.

16. Ressort (1) selon l’une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que ledit alliage comporte encore, dans la limite de 0,5% en masse du total de l’alliage, au moins un autre élément carburigène que le molybdène, pris parmi un ensemble comportant le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane.

17. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le total des teneurs en masse desdites impuretés et desdits autres métaux à l’exception du fer est compris entre 0 et 6,0%.

18. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le total des teneurs en masse desdites impuretés et desdits autres métaux à l’exception du fer est compris entre 0 et 3,0%.

19. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un desdits autres métaux est du nickel.

20. Ressort (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du nickel est comprise entre 0 et 0,10%.

21. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un desdits autres métaux est du niobium, avec une teneur en masse comprise entre 0 et 0,25%.

22. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce sa composition en masse est: – chrome: valeur mini 16,0%, valeur maxi 17,0%; – manganèse: valeur mini 9,5%, valeur maxi 12,5%; – azote: valeur mini 0,45%, valeur maxi 0.55%; – carbone: valeur mini 0.15%, valeur maxi 0,25%; – avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l’azote en proportion du total compris entre 0,60% et 0,80%; – avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l’azote compris entre 0,27 et 0,55; – molybdène: valeur mini 2,6%, valeur maxi 2,8%; – impuretés et autres métaux à l’exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 3,0%; – fer: le complément à 100%.

23. Ressort (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est un ressort de barillet.