CH714491A2 - Spiral spring for clockwork and its manufacturing process. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ressort spiral pour balancier en alliage de niobium et de titane à structure essentiellement monophasée, et son procédé de fabrication qui comprend: une étape d’élaboration d’une ébauche dans un alliage à base de niobium constitué de: niobium: balance à 100% en poids, titane: entre 40 et 49% en poids, traces d’éléments sélectionnés parmi le groupe constitué de 0, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, entre 0 et 1600 ppm en poids en individuel, avec cumul inférieur à 0.3% en poids, une étape de trempe de type β de ladite ébauche à un diamètre donné, de façon à ce que le titane de l’alliage à base de niobium soit essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β, la teneur en titane en phase α étant inférieure ou égale à 10% en volume, au moins une étape de déformation dudit alliage alternée avec au moins une étape de traitement thermique, le nombre d’étapes de traitement thermique et de déformation étant limité de sorte que l’alliage à base de niobium obtenu conserve une structure dans laquelle le titane de l’alliage à base de niobium est essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β, la teneur en titane en phase α étant inférieure ou égale à 10% en volume et présente une limite élastique supérieure ou égale à 600 MPa et un module d’élasticité inférieur ou égal à 100 GPa, une étape d’estrapadage pour former le ressort-spiral étant effectuée avant la dernière étape de traitement thermique.The present invention relates to a spiral spring for a balance of a niobium and titanium alloy with essentially single-phase structure, and its manufacturing method which comprises: a step of producing a blank in a niobium-based alloy consisting of: niobium: 100% by weight balance, titanium: between 40 and 49% by weight, traces of elements selected from the group consisting of 0, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, between 0 and 1600 ppm by weight individually, with a total of less than 0.3% by weight, a β type quenching step of said blank to a given diameter, so that the titanium of the niobium-based alloy is essentially in the form of of solid solution with niobium in the β phase, the α-phase titanium content being less than or equal to 10% by volume, at least one deformation step of said alternating alloy with at least one heat treatment stage, the number of stages heat treatment and d deformation being limited so that the resulting niobium-based alloy retains a structure in which the titanium of the niobium-based alloy is essentially in the form of a solid solution with niobium in the β-phase, the α-phase titanium content being less than or equal to 10% by volume and has a yield strength greater than or equal to 600 MPa and a modulus of elasticity of less than or equal to 100 GPa, a step of strapping to form the spiral spring being performed before the last step heat treatment.
Description
Description
Domaine de l’invention [0001] L’invention concerne un ressort spiral destiné à équiper un balancier d’un mouvement d’horlogerie, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel ressort spiral.
Arrière-plan de l’invention [0002] La fabrication de ressorts spiraux pour l’horlogerie doit faire face à des contraintes souvent à première vue incompatibles: - nécessité d’obtention d’une limite élastique élevée, - facilité d’élaboration, notamment de tréfilage et de laminage, - excellente tenue en fatigue, - stabilité des performances dans le temps, - faibles sections.
[0003] La réalisation de ressorts spiraux est en outre centrée sur le souci de la compensation thermique, de façon à garantir des performances chronométriques régulières. Il faut pour cela obtenir un coefficient thermoélastique proche de zéro. On recherche également à réaliser des ressorts spiraux présentant une sensibilité aux champs magnétiques limitée.
[0004] Toute amélioration sur au moins l’un de ces points, et en particulier sur la sensibilité aux champs magnétiques limitée et sur la compensation thermique, représente donc une avancée significative. Résumé de l’invention [0005] L’invention se propose de définir un nouveau type de ressort spiral destiné à équiper un balancier d’un mouvement d’horlogerie, basé sur la sélection d’un matériau particulier, et de mettre au point le procédé de fabrication adéquat.
[0006] A cet effet, l’invention concerne un ressort spiral destiné à équiper un balancier d’un mouvement d’horlogerie, le ressort spiral étant réalisé dans un alliage à base de niobium constitué de: - niobium: balance à 100% en poids, - titane: entre 40 et 49% en poids, - traces d’éléments sélectionnés parmi le groupe constitué de 0, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits éléments étant présent dans une quantité comprise entre 0 et 1600 ppm en poids, la quantité totale constituée par l’ensemble desdits éléments étant comprise entre 0% et 0.3% en poids, et dans lequel le titane est essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β (structure cubique centrée), la teneur en titane en phase a (structure hexagonale compacte) étant inférieure ou égale à 10% en volume, ledit alliage présentant une limite élastique supérieure ou égale à 600 MPa et un module d’élasticité inférieur à 100 GPa. [0007] La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel ressort spiral qui comprend: - une étape d’élaboration d’une ébauche dans un alliage à base de niobium constitué de: - niobium: balance à 100% en poids, - titane: entre 40 et 49% en poids, - traces d’éléments sélectionnés parmi le groupe constitué de O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits éléments étant présent dans une quantité comprise entre 0 et 1600 ppm en poids, la quantité totale constituée par l’ensemble desdits éléments étant comprise entre 0% et 0.3% en poids, - une étape de trempe de type β de ladite ébauche à un diamètre donné, de façon à ce que le titane de l’alliage à base de niobium soit essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β, la teneur en titane en phase a étant inférieure ou égale à 5% en volume, - au moins une étape de déformation dudit alliage alternée avec au moins une étape de traitement thermique, le nombre d’étapes de traitement thermique et de déformation étant limité de sorte que l’alliage à base de niobium obtenu conserve une structure dans laquelle le titane de l’alliage à base de niobium est essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β, la teneur en titane en phase a étant inférieure ou égale à 10% en volume et présente une limite élastique supérieure ou égale à 600 MPa et un module d’élasticité inférieur ou égal à 100 GPa, une étape d’estrapadage pour former le ressort-spiral étant effectuée avant la dernière étape de traitement thermique.
[0008] Le ressort spiral selon l’invention est réalisé dans un alliage à base de niobium présentant une structure essentiellement monophasée, est paramagnétique et présente les propriétés mécaniques et le coefficient thermoélastique requis pour son utilisation en tant que ressort spiral pour balancier. Il est obtenu selon un procédé de fabrication simple à mettre en oeuvre, permettant une mise en forme et un ajustement de la compensation thermique faciles, en peu d’étapes.
Description détaillée des modes de réalisation préférés [0009] L’invention concerne un ressort spiral destiné à équiper un balancier d’un mouvement d’horlogerie et réalisé dans un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane.
[0010] Conformément à l’invention, le ressort spiral est réalisé dans un alliage à base de niobium constitué de: - niobium: balance à 100% en poids, - titane: entre 40 et 49% en poids, - traces d’éléments sélectionnés parmi le groupe constitué de O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits éléments étant présent dans une quantité comprise entre 0 et 1600 ppm en poids, la quantité totale constituée par l’ensemble desdits éléments étant comprise entre 0% et 0.3% en poids, et dans lequel le titane est essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β, la teneur en titane en phase a étant inférieure ou égale à 10% en volume.
[0011] Ainsi, le ressort spiral selon l’invention est réalisé dans un alliage NbTi présentant une structure essentiellement monophasée sous forme de solution solide ß-Nb-Ti, la teneur en titane sous forme a étant inférieure ou égale à 10% en volume.
[0012] La teneur en titane sous forme a est de préférence inférieure ou égale à 5% en volume, et plus préférentiellement inférieure ou égale à 2.5% en volume.
[0013] D’une manière avantageuse, l’alliage utilisé dans la présente invention comprend entre 44% et 49% en poids de titane, de préférence entre 46% et 48% en poids de titane, et de préférence ledit alliage comprend plus de 46.5% en poids de titane et ledit alliage comprend moins de 47.5% en poids de titane.
[0014] Si le taux de titane est trop élevé, il apparaît une phase martensitique entraînant des problèmes de fragilité de l’alliage lors de sa mise en oeuvre. Si le taux de niobium est trop élevé, l’alliage sera trop mou. La mise au point de l’invention a permis de déterminer un compromis, avec un optimum entre ces deux caractéristiques voisin de 47% en poids de titane.
[0015] Aussi, plus particulièrement, la teneur en titane est supérieure ou égale à 46.5% en poids par rapport au total de la composition.
[0016] Plus particulièrement, la teneur en titane est inférieure ou égale à 47.5% en poids par rapport au total de la composition.
[0017] D’une manière particulièrement avantageuse, l’alliage NbTi utilisé dans la présente invention ne comprend pas d’autres éléments à l’exception d’éventuelles et inévitables traces. Cela permet d’éviter la formation de phases fragiles.
[0018] Plus particulièrement, la teneur en oxygène est inférieure ou égale à 0.10% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.085% en poids du total.
[0019] Plus particulièrement, la teneur en tantale est inférieure ou égale à 0.10% en poids du total.
[0020] Plus particulièrement, la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0.04% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.020% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0175% en poids du total.
[0021] Plus particulièrement, la teneur en fer est inférieure ou égale à 0.03% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.025% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.020% en poids du total.
[0022] Plus particulièrement, la teneur en azote est inférieure ou égale à 0.02% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.015% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0075% en poids du total.
[0023] Plus particulièrement, la teneur en hydrogène est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.0035% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0005% en poids du total.
[0024] Plus particulièrement, la teneur en silicium est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total.
[0025] Plus particulièrement, la teneur en nickel est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.16% en poids du total.
[0026] Plus particulièrement, la teneur en matériau ductile, tel que le cuivre, dans l’alliage, est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.005% en poids du total.
[0027] Plus particulièrement, la teneur en aluminium est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total.
[0028] Le ressort spiral de l’invention a une limite élastique supérieure ou égale à 600 MPa.
[0029] De manière avantageuse, ce ressort spiral a un module d’élasticité inférieur ou égal à 100 GPa, et de préférence compris entre 60 GPa et 805 GPa.
[0030] En outre le ressort spiral selon l’invention présente un coefficient thermoélastique, dit aussi CTE, lui permettant de garantir le maintien des performances chronométriques malgré la variation des températures d’utilisation d’une montre incorporant un tel ressort spiral.
[0031] Pour former un oscillateur chronométrique répondant aux conditions COSC, le CTE de l’alliage doit être proche de zéro (± 10 ppm/°C) pour obtenir un coefficient thermique de l’oscillateur égal à ± 0.6 s/j/°C.
[0032] La formule qui lie le CTE de l’alliage et les coefficients de dilatation du spiral et du balancier est la suivante:
[0033] Les variables M et T sont respectivement la marche et la température. E est le module de Young du ressort-spiral, et, dans cette formule, E, ß et a s’expriment en °C_1.
[0034] CT est le coefficient thermique de l’oscillateur, (1/E. dE/dT) est le CTE de l’alliage spiral, ß est le coefficient de dilatation du balancier et a celui du spiral.
[0035] Un CTE et donc un CT adéquats sont facilement obtenus lors de la mise en oeuvre des différentes étapes du procédé de l’invention comme on le verra ci-dessous.
[0036] La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un ressort spiral en alliage de type binaire NbTi tel que défini ci-dessus, ledit procédé comprenant: - une étape d’élaboration d’une ébauche dans un alliage à base de niobium constitué de: - niobium: balance à 100% en poids, - titane: entre 40 et 49% en poids, - traces d’éléments sélectionnés parmi le groupe constitué de 0, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits éléments étant présent dans une quantité comprise entre 0 et 1600 ppm en poids, la quantité totale constituée par l’ensemble desdits éléments étant comprise entre 0% et 0.3% en poids, - une étape de trempe de type ß de ladite ébauche à un diamètre donné, de façon à ce que le titane de l’alliage à base de niobium soit essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase ß, la teneur en titane en phase a étant inférieure ou égale à 5% en volume, - au moins une étape de déformation dudit alliage alternée avec au moins une étape de traitement thermique, le nombre d’étapes de traitement thermique et de déformation étant limité de sorte que l’alliage à base de niobium obtenu conserve une structure essentiellement monophasée dans laquelle le titane de l’alliage à base de niobium est essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase ß, la teneur en titane en phase a étant inférieure ou égale à 10% en volume et présente une limite élastique supérieure ou égale à 600 MPa et un module d’élasticité inférieur ou égal à 100 GPa, une étape d’estrapadage pour former le ressort-spiral étant effectuée avant la dernière étape de traitement thermique, cette dernière étape permettant de fixer la forme du spiral et d’ajuster le coefficient thermoélastique.
[0037] Plus particulièrement, l’étape de trempe ß est un traitement de mise en solution, avec une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures à une température comprise entre 700 °C et 1000 °C, sous vide, suivie d’un refroidissement sous gaz.
[0038] Plus particulièrement encore, cette trempe bêta est un traitement de mise en solution, entre 5 minutes et 1 heure à 800 °C sous vide, suivie d’un refroidissement sous gaz.
[0039] De préférence, le traitement thermique est réalisé pendant une durée comprise entre 1 heure et 15 heures à une température comprise entre 350 °C et 700 °C. Plus préférentiellement, le traitement thermique est réalisé pendant une durée comprise entre 5 heures et 10 heures à une température comprise entre 350 °C et 600 °C. Encore plus préférentiellement, le traitement thermique est réalisé pendant une durée comprise entre 3 heures et 6 heures à une température comprise entre 400 °C et 500 °C.
[0040] Une étape de déformation désigne d’une manière globale un ou plusieurs traitements de déformation, qui peuvent comprendre le tréfilage et/ou le laminage. Le tréfilage peut nécessiter l’utilisation d’une ou plusieurs filières lors de la même étape de déformation ou lors de différentes étapes de déformation si nécessaire. Le tréfilage est réalisé jusqu’à l’obtention d’un fil de section ronde. Le laminage peut être effectué lors de la même étape de déformation que le tréfilage ou dans une autre étape de déformation ultérieure. Avantageusement, le dernier traitement de déformation appliqué à l’alliage est un laminage, de préférence à profil rectangulaire compatible avec la section d’entrée d’une broche d’estrapadage.
[0041] Avantageusement, le taux de déformation total est compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 5. Ce taux de déformation répond à la formule classique 2ln(d0/d), où dO est le diamètre de la dernière trempe bêta, et où d est le diamètre du fil écroui.
[0042] D’une manière particulièrement avantageuse, on utilise une ébauche dont les dimensions sont au plus proche des dimensions finales recherchées de manière à limiter le nombre d’étapes de traitement thermique et de déformation et conserver une structure essentiellement monophasée ß de l’alliage NbTi. La structure finale de l’alliage NbTi du ressort spiral peut être différente de la structure initiale de l’ébauche, par exemple la teneur en titane sous forme a peut avoir varié, l’essentiel étant que la structure finale de l’alliage NbTi du ressort spiral soit essentiellement monophasée, le titane de l’alliage à base de niobium étant essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase ß, la teneur en titane en phase a étant inférieure ou égale à 10% en volume, de préférence inférieure ou égale à 5% en volume, plus préférentiellement inférieure ou égale à 2.5% en volume. Dans l’alliage de l’ébauche après la trempe ß, la teneur en titane en phase a est de préférence inférieure ou égale à 5% en volume, plus préférentiellement inférieure ou égale à 2.5% en volume, voire voisine ou égale à 0.
[0043] Ainsi, de préférence, le procédé de l’invention comprend une seule étape de déformation avec un taux de déformation compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 5. Le taux de déformation répond à la formule classique 2ln(d0/d), où dO est le diamètre de la dernière trempe bêta ou de celui d’une étape de déformation, et d est le diamètre du fil écroui obtenu à l’étape de déformation suivante.
[0044] Ainsi, un procédé particulièrement préféré de l’invention comprend, après l’étape de trempe ß, une étape de déformation incluant un tréfilage au moyen de plusieurs filières puis un laminage, une étape d’estrapadage puis une dernière étape de traitement thermique (appelée fixage).
[0045] Le procédé de l’invention peut en outre comprendre au moins une étape de traitement thermique intermédiaire, de sorte que le procédé comprend par exemple après l’étape de trempe ß, une première étape de déformation, une étape de traitement thermique intermédiaire, une seconde étape de déformation, l’étape d’estrapadage puis une dernière étape de traitement thermique.
[0046] D’une manière particulièrement avantageuse, le taux de déformation total obtenu après plusieurs étapes de déformation, et de préférence par une seule étape de déformation, le nombre de traitement thermique ainsi que les paramètres des traitements thermiques sont choisis pour obtenir un ressort spiral présentant un coefficient thermoélastique le plus proche possible de 0.
[0047] Plus le taux de déformation après la trempe ß est élevé, plus le coefficient thermique CT est positif. Plus le matériau est recuit après la trempe ß, dans la gamme de température adéquate, par les différents traitements thermiques, plus le coefficient thermique CT devient négatif. Un choix approprié du taux de déformation et des paramètres des traitements thermiques permet de ramener l’alliage NbTi monophasé à un CTE proche de zéro, ce qui est particulièrement favorable.
[0048] D’une manière avantageuse, le procédé de l’invention comprend en outre, avant l’étape de déformation, et plus particulièrement avant le tréfilage, une étape de dépôt, sur l’ébauche en alliage, d’une couche superficielle d’un matériau ductile choisi parmi le groupe comprenant le cuivre, le nickel, le cupro-nickel, le cupro-manganèse, l’or, l’argent, le nickel-phosphore Ni-P et le nickel-bore Ni-B, pour faciliter la mise en forme sous forme de fil.
[0049] Le matériau ductile, de préférence du cuivre, est ainsi déposé à un moment donné pour faciliter la mise en forme du fil par étirage et tréfilage, de telle manière à ce qu’il en reste une épaisseur de préférence comprise entre 1 et 500 micromètres sur le fil au diamètre total de 0.2 à 1 millimètre.
[0050] L’apport de matériau ductile, notamment du cuivre, peut être galvanique, PVD ou CVD, ou bien mécanique, c’est alors une chemise ou un tube de matériau ductile tel que le cuivre qui est ajusté sur une barre d’alliage niobium-titane à un gros diamètre, puis qui est amincie au cours de la ou des étapes de déformation du barreau composite.
[0051] D’une manière avantageuse, l’épaisseur de la couche de matériau ductile déposée est choisie de sorte que le rapport surface de matériau ductile/surface de NbTi pour une section de fil donnée est inférieur à 1, de préférence inférieur à 0.5, et plus préférentiellement compris entre 0.01 et 0.4.
[0052] Une telle épaisseur de matériau ductile, et notamment de cuivre, permet de laminer aisément le matériau composite Cu/NbTi.
[0053] Selon une première variante, le procédé de l’invention peut comprendre, après l’étape de déformation, une étape d’élimination de ladite couche superficielle de matériau ductile. De préférence, le matériau ductile est éliminé une fois toutes les opérations de traitement de déformation effectuées, c’est-à-dire après le dernier laminage, avant l’estrapadage.
[0054] De préférence, le fil est débarrassé de sa couche de matériau ductile, tel que le cuivre, notamment par attaque chimique, avec une solution à base de cyanures ou à base d’acides, par exemple d’acide nitrique.
[0055] Selon une autre variante du procédé de l’invention, la couche superficielle de matériau ductile est conservée sur le ressort spiral, le coefficient thermoélastique de l’alliage à base de niobium étant adapté en conséquence de manière à compenser l’effet du matériau ductile. Comme on l’a vu ci-dessus, le coefficient thermoélastique de l’alliage à base de niobium peut être ajusté facilement en choisissant le taux de déformation et les traitements thermiques appropriés. La couche superficielle de matériau ductile conservée permet d’obtenir une section finale de fil parfaitement régulière. Le matériau ductile peut être ici du cuivre ou de l’or, déposé par voie galvanique, PVD ou CVD.
[0056] Le procédé de l’invention peut en outre comprendre une étape de dépôt, sur la couche superficielle de matériau ductile conservée, d’une couche finale d’un matériau choisi parmi le groupe comprenant AI2O3, TiO2, SiO2 et AIO, par PVD ou CVD. On peut également prévoir une couche finale d’or déposée par flash d’or galvanique si l’or n’a pas déjà été utilisé comme matériau ductile de la couche superficielle. On peut aussi utiliser le cuivre, le nickel, le cupro-nickel, le cupro-manganèse, l’argent, le nickel-phosphore Ni-P et le nickel-bore Ni-B pour la couche finale, pour autant que le matériau de la couche finale soit différent du matériau ductile de la couche superficielle.
[0057] Cette couche finale présente une épaisseur de 0.1 pm à 1 pm et permet de colorer le spiral ou d’obtenir une insensibilité au vieillissement climatique (température et humidité).
[0058] L’invention permet ainsi la réalisation d’un ressort spiral pour balancier en alliage de type niobium-titane, typiquement à 47% en poids de titane (40-49%). Par un nombre limité d’étapes de déformation et de traitement thermique, il est possible d’obtenir une microstructure essentiellement monophasée de ß-Nb-Ti dans laquelle le titane est sous forme p. Cet alliage présente des propriétés mécaniques élevées, en combinant une limite élastique très élevée, supérieure à 600 MPa, et un module d’élasticité très bas, de l’ordre de 60 Gpa à 80 GPa. Cette combinaison de propriétés convient bien pour un ressort spiral.
[0059] Un tel alliage est connu et utilisé pour la fabrication de supraconducteurs, tels qu’appareils d’imagerie par résonance magnétique, ou accélérateurs de particules, mais n’est pas utilisé en horlogerie.
[0060] Un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane, du type sélectionné ci-dessus pour la mise en oeuvre de l’invention, présente également un effet similaire à celui de l’«Elinvar», avec un coefficient thermo-élastique pratiquement nul dans la plage de températures d’utilisation usuelle de montres, et apte à la fabrication de spiraux autocompensateurs.
[0061] De plus, un tel alliage est paramagnétique.
[0062] En outre, un tel alliage permet de fabriquer un ressort spiral selon un procédé de fabrication simple, comprenant peu d’étapes, permettant une mise en forme aisée et un ajustement de la compensation thermique. En effet, cet alliage de type niobium-titane se laisse facilement recouvrir de matériau ductile, tel que le cuivre, ce qui facilite grandement sa déformation par tréfilage. De plus, un choix approprié du taux de déformation et des traitements thermiques simples et en nombre limité permet d’ajuster facilement le coefficient thermoélastique de l’alliage.
[0063] La présente invention sera maintenant illustrée plus en détails par l’exemple non limitatif qui suit.
[0064] Un spiral a été fabriqué selon le procédé de l’invention à partir d’un fil de diamètre donné en alliage à base de niobium constitué de 53% en poids de niobium et de 47% en poids de titane et ayant subi une étape de trempe de type β de façon à ce que le titane soit essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium en phase β.
[0065] Selon le procédé de l’invention, le fil subit une première étape de déformation (tréfilage), une étape de traitement thermique intermédiaire, une seconde étape de déformation (tréfilage et laminage), l’étape d’estrapadage puis la dernière étape de traitement thermique correspondant au fixage du spiral.
[0066] Le spiral est associé à un balancier en cupro-béryllium et on mesure le un coefficient thermique CT de l’oscillateur ainsi obtenu.
[0067] Les résultats sont indiqués dans le tableau ci-dessous:
[0068] Cet exemple démontre qu’un choix approprié du taux de déformation et des traitements thermiques simples et en nombre limité permet d’ajuster facilement le coefficient thermoélastique de l’alliage.
Description
Field of the Invention [0001] The invention relates to a spiral spring for equipping a balance wheel with a clockwork movement, as well as a method of manufacturing such a spiral spring.
BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] The manufacture of spiral springs for the watch industry has to cope with constraints that are often at first incompatible: - the need to obtain a high elastic limit, - the ease of production, in particular drawing and rolling, - excellent fatigue resistance, - stability of performance over time, - small sections.
The production of spiral springs is further centered on the concern of thermal compensation, so as to ensure regular chronometric performance. This requires a thermoelastic coefficient close to zero. Spiral springs with limited sensitivity to magnetic fields are also desired.
[0004] Any improvement on at least one of these points, and in particular on the limited sensitivity to magnetic fields and on the thermal compensation, represents a significant advance. SUMMARY OF THE INVENTION [0005] The invention proposes to define a new type of spiral spring intended to equip a pendulum with a watch movement, based on the selection of a particular material, and to develop the proper manufacturing process.
For this purpose, the invention relates to a spiral spring for equipping a balance of a watch movement, the spiral spring being made of a niobium-based alloy consisting of: - niobium: 100% balance in weight, - titanium: between 40 and 49% by weight, - traces of elements selected from the group consisting of 0, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, each of said elements being present in an amount of between 0 and 1600 ppm by weight, the total amount consisting of all of said elements being between 0% and 0.3% by weight, and in which the titanium is essentially in the form of a solid solution with niobium in β phase (centered cubic structure), the a phase titanium content (compact hexagonal structure) being less than or equal to 10% by volume, said alloy having an elastic limit greater than or equal to 600 MPa and a modulus of elasticity of less than 100 GPa . The present invention also relates to a method of manufacturing such a spiral spring which comprises: - a step of producing a blank in a niobium-based alloy consisting of: - niobium: balance at 100% by weight titanium: between 40 and 49% by weight, - traces of elements selected from the group consisting of O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, each of said elements being present in a a quantity of between 0 and 1600 ppm by weight, the total amount consisting of all of said elements being between 0% and 0.3% by weight, - a type of β quenching step of said blank to a given diameter, so as to the titanium of the niobium-based alloy is essentially in the form of a solid solution with niobium in the β-phase, the titanium content in the α-phase being less than or equal to 5% by volume, at least one deformation step said alternating alloy with at least one heat treatment step the number of heat treatment and deformation steps being limited so that the resulting niobium-based alloy retains a structure in which the titanium of the niobium-based alloy is substantially in the form of a solid solution with niobium in the β phase, the content of titanium in a phase being less than or equal to 10% by volume and has an elastic limit greater than or equal to 600 MPa and a modulus of elasticity less than or equal to 100 GPa, a step of strapping for forming the spiral spring being performed before the last heat treatment step.
The spiral spring according to the invention is made of a niobium-based alloy having a substantially single-phase structure, is paramagnetic and has the mechanical properties and the thermoelastic coefficient required for its use as a balance spring balance. It is obtained according to a manufacturing process that is simple to implement, making it easy to shape and adjust the thermal compensation in a few steps.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0009] The invention relates to a spiral spring intended to equip a balance wheel with a clockwork movement and made of a binary type alloy comprising niobium and titanium.
According to the invention, the spiral spring is made of an alloy based on niobium consisting of: - niobium: balance to 100% by weight, - titanium: between 40 and 49% by weight, - traces of elements selected from the group consisting of O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, each of said elements being present in an amount of from 0 to 1600 ppm by weight, the total amount consisting of all of said elements being between 0% and 0.3% by weight, and in which the titanium is essentially in the form of a solid solution with niobium in the β phase, the titanium content in the α phase being less than or equal to 10% by volume.
Thus, the spiral spring according to the invention is made of an NbTi alloy having a substantially single-phase structure in the form of solid solution β-Nb-Ti, the content of titanium in form a being less than or equal to 10% by volume .
The titanium content in form a is preferably less than or equal to 5% by volume, and more preferably less than or equal to 2.5% by volume.
[0013] Advantageously, the alloy used in the present invention comprises between 44% and 49% by weight of titanium, preferably between 46% and 48% by weight of titanium, and preferably said alloy comprises more than 46.5% by weight of titanium and said alloy comprises less than 47.5% by weight of titanium.
If the titanium content is too high, it appears a martensitic phase resulting in problems of fragility of the alloy during its implementation. If the level of niobium is too high, the alloy will be too soft. The development of the invention has made it possible to determine a compromise, with an optimum between these two characteristics close to 47% by weight of titanium.
Also, more particularly, the titanium content is greater than or equal to 46.5% by weight relative to the total of the composition.
More particularly, the titanium content is less than or equal to 47.5% by weight relative to the total of the composition.
In a particularly advantageous manner, the NbTi alloy used in the present invention does not include other elements with the exception of possible and inevitable traces. This avoids the formation of fragile phases.
More particularly, the oxygen content is less than or equal to 0.10% by weight of the total, or even less than or equal to 0.085% by weight of the total.
More particularly, the tantalum content is less than or equal to 0.10% by weight of the total.
More particularly, the carbon content is less than or equal to 0.04% by weight of the total, especially less than or equal to 0.020% by weight of the total, or even less than or equal to 0.0175% by weight of the total.
More particularly, the iron content is less than or equal to 0.03% by weight of the total, especially less than or equal to 0.025% by weight of the total, or even less than or equal to 0.020% by weight of the total.
More particularly, the nitrogen content is less than or equal to 0.02% by weight of the total, especially less than or equal to 0.015% by weight of the total, or even less than or equal to 0.0075% by weight of the total.
More particularly, the hydrogen content is less than or equal to 0.01% by weight of the total, especially less than or equal to 0.0035% by weight of the total, or even less than or equal to 0.0005% by weight of the total.
More particularly, the silicon content is less than or equal to 0.01% by weight of the total.
More particularly, the nickel content is less than or equal to 0.01% by weight of the total, especially less than or equal to 0.16% by weight of the total.
More particularly, the content of ductile material, such as copper, in the alloy is less than or equal to 0.01% by weight of the total, especially less than or equal to 0.005% by weight of the total.
More particularly, the aluminum content is less than or equal to 0.01% by weight of the total.
The spiral spring of the invention has a yield strength greater than or equal to 600 MPa.
Advantageously, this spiral spring has a modulus of elasticity less than or equal to 100 GPa, and preferably between 60 GPa and 805 GPa.
In addition the spiral spring according to the invention has a thermoelastic coefficient, also called CTE, allowing it to ensure the maintenance of chronometric performance despite the variation of the operating temperature of a watch incorporating such a spiral spring.
To form a chronometric oscillator meeting the COSC conditions, the CTE of the alloy must be close to zero (± 10 ppm / ° C) to obtain a thermal coefficient of the oscillator equal to ± 0.6 s / d / ° C.
The formula that binds the ETC of the alloy and the coefficients of expansion of the balance spring and the balance is as follows:
The variables M and T are the step and the temperature respectively. E is the Young's modulus of the spiral spring, and in this formula E, β and a are expressed in ° C_1.
CT is the thermal coefficient of the oscillator, (1 / E, dE / dT) is the CTE of the spiral alloy, ß is the coefficient of expansion of the balance and that of the spiral.
A CTE and therefore a suitable CT are easily obtained during the implementation of the various steps of the method of the invention as will be seen below.
The present invention also relates to a method for manufacturing a binary type NbTi alloy spiral spring as defined above, said method comprising: a step of producing a blank in an alloy based on niobium consisting of: - niobium: balance at 100% by weight, - titanium: between 40 and 49% by weight, - traces of elements selected from the group consisting of 0, H, C, Fe, Ta, N, Ni, If, Cu, Al, each of said elements being present in an amount of between 0 and 1600 ppm by weight, the total amount consisting of all of said elements being between 0% and 0.3% by weight, - a quenching step of type β of said blank at a given diameter, so that the titanium of the niobium-based alloy is substantially in the form of a solid solution with niobium in the β-phase, the a-phase titanium content being less than or equal to at 5% by volume, - at least one deformation step dud it alternates with at least one heat treatment step, the number of heat treatment and deformation steps being limited so that the obtained niobium-based alloy retains a substantially single-phase structure in which the titanium of the alloy to The niobium base is essentially in the form of a solid solution with niobium in the β-phase, the a-phase titanium content being less than or equal to 10% by volume and has an elastic limit greater than or equal to 600 MPa and a modulus of elasticity. less than or equal to 100 GPa, a step of strapping to form the spiral spring being performed before the last heat treatment step, this last step for fixing the shape of the spiral and adjust the thermoelastic coefficient.
More particularly, the β quenching step is a solution treatment, with a duration of between 5 minutes and 2 hours at a temperature of between 700 ° C. and 1000 ° C., under vacuum, followed by cooling under gas.
More particularly, this beta quench is a solution treatment, between 5 minutes and 1 hour at 800 ° C under vacuum, followed by cooling under gas.
Preferably, the heat treatment is carried out for a period of between 1 hour and 15 hours at a temperature between 350 ° C and 700 ° C. More preferably, the heat treatment is carried out for a period of between 5 hours and 10 hours at a temperature between 350 ° C and 600 ° C. Even more preferentially, the heat treatment is carried out for a period of between 3 hours and 6 hours at a temperature of between 400 ° C. and 500 ° C.
A deformation step generally designates one or more deformation treatments, which may include drawing and / or rolling. The drawing may require the use of one or more dies during the same deformation step or during different deformation steps if necessary. The drawing is carried out until a wire of round section is obtained. The rolling can be carried out during the same deformation step as drawing or in another subsequent deformation step. Advantageously, the last deformation treatment applied to the alloy is a rolling, preferably rectangular profile compatible with the input section of a pinning pin.
Advantageously, the total deformation rate is between 1 and 5, preferably between 2 and 5. This deformation rate corresponds to the conventional formula 2ln (d0 / d), where dO is the diameter of the last beta quenching. , and where d is the diameter of the hardened wire.
In a particularly advantageous manner, using a blank whose dimensions are closer to the desired final dimensions so as to limit the number of heat treatment steps and deformation and maintain a substantially single phase structure β of the NbTi alloy. The final structure of the NbTi alloy of the spiral spring may be different from the initial structure of the blank, for example the titanium content in the form a may have varied, the essential being that the final structure of the alloy NbTi of the spiral spring is essentially single-phase, the titanium of the niobium-based alloy being essentially in the form of a solid solution with niobium in the β-phase, the titanium content in the α-phase being less than or equal to 10% by volume, preferably less than or equal to 5% by volume, more preferably less than or equal to 2.5% by volume. In the alloy of the blank after the β quench, the content of titanium in phase a is preferably less than or equal to 5% by volume, more preferably less than or equal to 2.5% by volume, or even close to or equal to 0.
Thus, preferably, the method of the invention comprises a single deformation step with a deformation rate of between 1 and 5, preferably between 2 and 5. The deformation rate corresponds to the conventional formula 2ln (d0 / d), where dO is the diameter of the last beta quench or that of a deformation step, and d is the diameter of the hardened wire obtained in the next deformation step.
Thus, a particularly preferred method of the invention comprises, after the quenching step β, a deformation step including a drawing by means of several dies and a rolling, a step of strapping and a final step of treatment thermal (called fixing).
The method of the invention may further comprise at least one intermediate heat treatment step, so that the method comprises for example after the β quenching step, a first deformation step, an intermediate heat treatment step , a second deformation step, the step of strapping and then a final heat treatment step.
In a particularly advantageous manner, the total deformation rate obtained after several deformation steps, and preferably by a single deformation step, the number of heat treatment and the parameters of the heat treatments are chosen to obtain a spring spiral having a thermoelastic coefficient as close as possible to 0.
The higher the degree of deformation after the β quench, the higher the thermal coefficient CT is positive. The more the material is annealed after the β quench, in the appropriate temperature range, by the different heat treatments, the more the thermal coefficient CT becomes negative. An appropriate choice of the strain rate and the parameters of the heat treatments makes it possible to reduce the single-phase NbTi alloy to a CTE close to zero, which is particularly favorable.
Advantageously, the method of the invention further comprises, before the deformation step, and more particularly before drawing, a step of depositing, on the alloy blank, a superficial layer. a ductile material selected from the group consisting of copper, nickel, cupro-nickel, cupro-manganese, gold, silver, nickel-phosphorus Ni-P and nickel-boron Ni-B, to facilitate formatting in wire form.
The ductile material, preferably copper, is thus deposited at a given moment to facilitate the shaping of the wire by drawing and drawing, so that there remains a thickness preferably between 1 and 500 micrometers on the wire with a total diameter of 0.2 to 1 millimeter.
The contribution of ductile material, especially copper, may be galvanic, PVD or CVD, or mechanical, it is then a jacket or ductile material tube such as copper which is adjusted on a bar of niobium-titanium alloy to a large diameter, and which is thinned during the step or steps of deformation of the composite bar.
Advantageously, the thickness of the deposited layer of ductile material is chosen so that the ratio of ductile material surface / NbTi surface for a given wire section is less than 1, preferably less than 0.5. and more preferably between 0.01 and 0.4.
Such a thickness of ductile material, and in particular copper, can easily laminate the composite material Cu / NbTi.
According to a first variant, the method of the invention may comprise, after the deformation step, a step of removing said surface layer of ductile material. Preferably, the ductile material is removed once all deformation processing operations have been performed, i.e. after the last rolling, prior to strapping.
Preferably, the wire is stripped of its layer of ductile material, such as copper, in particular by etching, with a solution based on cyanides or based on acids, for example nitric acid.
According to another variant of the process of the invention, the surface layer of ductile material is preserved on the spiral spring, the thermoelastic coefficient of the niobium-based alloy being adapted accordingly to compensate for the effect of ductile material. As seen above, the thermoelastic coefficient of the niobium-based alloy can be easily adjusted by choosing the rate of deformation and the appropriate heat treatments. The surface layer of preserved ductile material makes it possible to obtain a final section of perfectly regular thread. The ductile material may be here copper or gold, deposited by galvanic, PVD or CVD.
The method of the invention may further comprise a deposition step, on the surface layer of preserved ductile material, of a final layer of a material selected from the group comprising Al 2 O 3, TiO 2, SiO 2 and AlO, by PVD or CVD. It is also possible to provide a final layer of gold deposited by flash of galvanic gold if gold has not already been used as a ductile material of the superficial layer. Copper, nickel, cupro-nickel, cupro-manganese, silver, nickel-phosphorus Ni-P and nickel-boron Ni-B may also be used for the final layer, provided that the the final layer is different from the ductile material of the surface layer.
This final layer has a thickness of 0.1 .mu.m to 1 .mu.m and makes it possible to color the hairspring or to obtain an insensitivity to climatic aging (temperature and humidity).
The invention thus allows the realization of a spiral spring balance of niobium-titanium type alloy, typically 47% by weight of titanium (40-49%). By a limited number of deformation and heat treatment steps, it is possible to obtain an essentially single-phase microstructure of β-Nb-Ti in which the titanium is in p-form. This alloy has high mechanical properties, combining a very high elastic limit, greater than 600 MPa, and a very low modulus of elasticity, of the order of 60 Gpa to 80 GPa. This combination of properties is well suited for a spiral spring.
Such an alloy is known and used for the manufacture of superconductors, such as magnetic resonance imaging apparatus, or particle accelerators, but is not used in watchmaking.
A binary type alloy comprising niobium and titanium, of the type selected above for the implementation of the invention, also has an effect similar to that of the "Elinvar", with a thermal coefficient of virtually zero elastic in the temperature range of usual use of watches, and suitable for the manufacture of self-compensating spirals.
In addition, such an alloy is paramagnetic.
In addition, such an alloy makes it possible to manufacture a spiral spring according to a simple manufacturing method, comprising few steps, allowing easy formatting and adjustment of the thermal compensation. Indeed, this niobium-titanium type alloy is easily coated with ductile material, such as copper, which greatly facilitates its deformation by drawing. In addition, an appropriate choice of deformation rate and simple thermal treatments and limited number makes it easy to adjust the thermoelastic coefficient of the alloy.
The present invention will now be illustrated in more detail by the following non-limiting example.
A hairspring was manufactured according to the method of the invention from a given diameter wire of niobium-based alloy consisting of 53% by weight of niobium and 47% by weight of titanium and having undergone a reaction. β-type quenching step so that the titanium is essentially in the form of a solid solution with niobium in the β-phase.
According to the method of the invention, the wire undergoes a first deformation step (wire drawing), an intermediate heat treatment step, a second deformation step (wire drawing and rolling), the step of strapping then the last heat treatment step corresponding to the fixing of the spiral.
The hairspring is associated with a copper-beryllium balance and the thermal coefficient CT of the oscillator thus obtained is measured.
The results are shown in the table below:
This example demonstrates that a suitable choice of deformation rate and simple thermal treatments and limited number makes it easy to adjust the thermoelastic coefficient of the alloy.
Claims (20)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CH01590/17A CH714491A2 (en) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | Spiral spring for clockwork and its manufacturing process. |
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| CH01590/17A CH714491A2 (en) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | Spiral spring for clockwork and its manufacturing process. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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ID=66998542
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| CH01590/17A CH714491A2 (en) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | Spiral spring for clockwork and its manufacturing process. |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CH (1) | CH714491A2 (en) |
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| AZW | Rejection (application) |