CH714494B1 - Ressort spiralé d'horlogerie, notamment un ressort de barillet ou un ressort-spiral. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un ressort spiralé d'horlogerie à structure bi-phasée, en alliage de niobium et titane comportant les étapes : - élaboration d'un alliage binaire comportant du niobium et du titane, avec : - niobium : balance à 100% ; - titane entre 45.0% et 48.0% en masse du total, - des traces de composants parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, entre 0 et 1600 ppm, avec cumul inférieur à 0.3% en masse; - application de déformations alternées à des traitements thermiques pour l'obtention d'une microstructure biphasée comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β et une solution solide de niobium avec du titane en phase α, la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume, de limite élastique supérieure à 1000 MPa, de module d'élasticité inférieur à 80 GPa ; - tréfilage pour obtenir du fil calandrable; - calandrage ou mise en bague pour former un ressort de barillet, en clé de sol avant son premier armage, ou estrapadage pour former un ressort-spiral de balancier. L'invention porte également sur un ressort spiralé d'horlogerie a structure bi-phasée, en alliage de niobium et titane, comportant entre 45% et 48% en masse total de titane.

Description

Domaine de l'invention

[0001] L'invention concerne un ressort spiralé d'horlogerie, notamment un ressort de barillet ou un ressort-spiral, à structure bi-phasée.

[0002] L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un ressort spiralé d'horlogerie.

[0003] L'invention concerne le domaine de la fabrication des ressorts d'horlogerie, en particulier des ressorts spiralés de stockage d'énergie, tels que ressorts de barillet ou spiraux moteur ou de sonnerie, ou des ressorts d'oscillateur, tels que des ressorts-spiraux.

Arrière-plan de l'invention

[0004] La fabrication de ressorts spiralés de stockage d'énergie pour l'horlogerie doit faire face à des contraintes souvent à première vue incompatibles: nécessité d'obtention d'une limite élastique très élevée, nécessité d'obtention d'un module d'élasticité bas, facilité d'élaboration, notamment de tréfilage, excellente tenue en fatigue, tenue dans le temps, faibles sections, agencement des extrémités: crochet de bonde et bride glissante, avec des fragilités locales et une difficulté d'élaboration.

[0005] La réalisation de ressorts-spiraux est quant à elle 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.

[0006] Toute amélioration sur au moins l'un des points, et en particulier sur la tenue mécanique de l'alliage utilisé, représente donc une avancée significative.

Résumé de l'invention

[0007] L'invention se propose de définir un nouveau type de ressort spiralé d'horlogerie, basé sur la sélection d'un matériau particulier, et de mettre au point le procédé de fabrication adéquat.

[0008] A cet effet, l'invention concerne un ressort spiralé d'horlogerie à structure bi-phasée, selon la revendication 1.

[0009] L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un tel ressort spiralé d'horlogerie, selon la revendication 6.

Description sommaire des dessins

[0010] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, où: la figure 1représente, de façon schématisée et en vue en plan avant son premier armage, un ressort de barillet qui est un ressort spiralé selon l'invention; la figure 2représente, de façon schématisée, un ressort-spiral qui est un ressort spiralé selon l'invention; la figure 3représente la séquence des opérations principales du procédé selon l'invention.

Description détaillée des modes de réalisation préférés

[0011] L'invention concerne un ressort spiralé d'horlogerie à structure bi-phasée.

[0012] Selon l'invention, le matériau de ce ressort spiralé est un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane.

[0013] Cet alliage comporte: niobium: balance à 100%; une proportion en masse de titane supérieure ou égale à 45.0% du total et inférieure ou égale à 48.0% du total, des traces d'autres composants parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits composants de traces étant compris entre 0et 1600ppm, et la somme de ces traces étant inférieure ou égale à 0.3% en masse.

[0014] De façon avantageuse, ce ressort spiralé a une microstructure bi-phasée comportant du niobium bêta cubique centré et du titane alpha hexagonal compact. Plus particulièrement, ce ressort spiralé a une microstructure biphasée comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β (structure cubique centrée) et une solution solide de niobium avec du titane en phase α (structure hexagonale compacte), la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume.

[0015] Pour obtenir une telle structure, et convenant à l'élaboration d'un ressort, il est nécessaire de précipiter une partie de la phase alpha par traitement thermique.

[0016] Plus le taux de titane est élevé, plus la proportion maximale de phase alpha qui peut être précipitée par traitement thermique est élevée, ce qui incite à rechercher une forte proportion de titane. Mais a contrario, plus le taux de titane est élevé, plus il est difficile d'obtenir uniquement une précipitation de la phase alpha aux intersections des joints de grains. L'apparition de précipités de type Widmastatten alpha-Ti intragranulaire ou la phase ω intragranulaire rend la déformation du matériau difficile, voire impossible, ce qui ne convient alors pas à la réalisation d'un ressort spiralé, et il convient alors de ne pas incorporer trop de titane dans l'alliage. La mise au point de l'invention a permis de déterminer un compromis, avec un optimum entre ces deux caractéristiques voisin de 47% de titane en masse.

[0017] Aussi, plus particulièrement, la proportion en masse de titane est supérieure ou égale à 46.5% du total.

[0018] Plus particulièrement, la proportion en masse de titane est inférieure ou égale à 47.5% du total.

[0019] Dans une alternative, la balance à 100% du total en masse est faite par le titane, et la proportion en masse de niobium est supérieure ou égale à 51.7% du total et inférieure ou égale à 55.0% du total.

[0020] Dans une autre variante de composition, la proportion en masse de titane est supérieure ou égale à 46.0% du total et inférieure ou égale à 50.0% du total.

[0021] Dans une autre variante encore de composition, la proportion en masse de titane est supérieure ou égale à 53.5% du total et inférieure ou égale à 56.5% du total, et la proportion en masse de niobium est supérieure ou égale à 43.5% du total et inférieure ou égale à 46.5% du total.

[0022] Plus particulièrement, dans chaque variante, le total des proportions en masse du titane et du niobium est compris entre 99.7% et 100% du total.

[0023] Plus particulièrement, la proportion en masse d'oxygène est inférieure ou égale à 0.10% du total, voire encore inférieure ou égale à 0.085% du total.

[0024] Plus particulièrement, la proportion en masse de tantale est inférieure ou égale à 0.10% du total.

[0025] Plus particulièrement, la proportion en masse de carbone est inférieure ou égale à 0.04% du total, notamment inférieure ou égale à 0.020% du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0175% du total.

[0026] Plus particulièrement, la proportion en masse de fer est inférieure ou égale à 0.03% du total, notamment inférieure ou égale à 0.025% du total, voire encore inférieure ou égale à 0.020% du total.

[0027] Plus particulièrement, la proportion en masse d'azote est inférieure ou égale à 0.02% du total, notamment inférieure ou égale à 0.015% du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0075% du total.

[0028] Plus particulièrement, la proportion en masse d'hydrogène est inférieure ou égale à 0.01% du total, notamment inférieure ou égale à 0.0035% du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0005% du total.

[0029] Plus particulièrement, la proportion en masse de nickel est inférieure ou égale à 0.01% du total.

[0030] Plus particulièrement, la proportion en masse de silicium est inférieure ou égale à 0.01% du total.

[0031] Plus particulièrement, la proportion en masse de nickel est inférieure ou égale à 0.01% du total, notamment inférieure ou égale à 0.16% du total.

[0032] Plus particulièrement, la proportion en masse de matériau ductile ou cuivre est inférieure ou égale à 0.01% du total, notamment inférieure ou égale à 0.005% du total.

[0033] Plus particulièrement, la proportion en masse d'aluminium est inférieure ou égale à 0.01% du total.

[0034] Ce ressort spiralé a une limite élastique supérieure ou égale à 1000MPa.

[0035] Plus particulièrement, le ressort spiralé a une limite élastique supérieure ou égale à 1500MPa.

[0036] Plus particulièrement encore, le ressort spiralé a une limite élastique supérieure ou égale à 2000MPa.

[0037] De façon avantageuse, ce ressort spiralé a un module d'élasticité supérieur à 60GPa et inférieur ou égal à 80GPa.

[0038] L'alliage ainsi déterminé permet, selon le traitement appliqué en cours d'élaboration, la confection de ressorts spiralés qui sont des ressorts-spiraux avec une limite élastique supérieure ou égale à 1000MPa, ou des ressorts de barillet, notamment lorsque la limite élastique est supérieure ou égale à 1500MPa.

[0039] L'application à un ressort-spiral nécessite des propriétés aptes à garantir le maintien des performances chronométriques malgré la variation des températures d'utilisation d'une montre incorporant un tel ressort-spiral. Le coefficient thermoélastique, dit aussi CTE, de l'alliage a alors une grande importance. L'alliage en phase bêta écroui présente un CTE fortement positif, et la précipitation de la phase alpha qui possède un CTE fortement négatif, permet de ramener l'alliage biphasé à un CTE proche de zéro, ce qui est particulièrement favorable. Pour former un oscillateur chronométrique avec un balancier en CuBe ou en maillechort, un CTE de +/- 10.10<-6>/°C doit être atteint.

[0040] La formule qui lie le CTE de l'alliage et les coefficients de dilatation du spiral et du balancier est la suivante:

[0041] 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, β et α s'expriment en °C<-1>.

[0042] CT est le coefficient thermique de l'oscillateur, (1/E. dE/dT) est le CTE de l'alliage spiral, β est le coefficient de dilatation du balancier et α celui du spiral.

[0043] L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un ressort spiralé d'horlogerie, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre successivement les étapes suivantes: (10) élaboration d'une ébauche dans un alliage comportant du niobium et du titane, qui est un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane, et qui comporte: niobium: balance à 100%; une proportion en masse de titane supérieure ou égale à 45.0% du total et inférieure ou égale à 48.0% du total, des traces d'autres composants parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits composants de traces étant compris entre 0et 1600ppm, et la somme desdites traces étant inférieure ou égale à 0.3% en masse; (20) application audit alliage de séquences couplées de déformation-traitement thermique de précipitation, comportant l'application de déformations alternées à des traitements thermiques, jusqu'à l'obtention d'une microstructure biphasée comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β et une solution solide de niobium avec du titane en phase α, la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume, avec une limite élastique supérieure ou égale à 1000MPa, et un module d'élasticité supérieur à 60GPa et inférieur ou égal à 80GPa; (30) tréfilage jusqu'à l'obtention d'un fil de section ronde, et laminage à profil rectangulaire compatible avec la section d'entrée d'une calandre ou d'une broche d'estrapadage ou avec une mise en bague dans le cas d'un ressort de barillet; (40) calandrage en clé de sol des spires pour former un ressort de barillet avant son premier armage, ou estrapadage pour former un ressort-spiral, ou mise en bague et traitement thermique pour un ressort de barillet.

[0044] De façon particulière, on effectue l'application à cet alliage de séquences couplées 20de déformation-traitement thermique de précipitation, comportant l'application de déformations (21) alternées à des traitements thermiques (22), jusqu'à l'obtention d'une microstructure biphasée comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β et une solution solide de niobium avec du titane en phase α, la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume, avec une limite élastique supérieure ou égale à 2000MPa. Plus particulièrement, le cycle de traitement comporte alors préalablement une trempe bêta (15) à un diamètre donné, de façon à ce que toute la structure de l'alliage soit bêta, puis une succession de ces séquences couplées de déformation-traitement thermique de précipitation.

[0045] Dans ces séquences couplées de déformation-traitement thermique de précipitation, chaque déformation est effectuée avec un taux de déformation donné compris entre 1et 5, ce taux de déformation répondant à la formule classique 2ln(d0/d), où d0est le diamètre de la dernière trempe bêta, et où d est le diamètre du fil écroui. Le cumul global des déformations sur l'ensemble de cette succession de phases amène un taux total de déformation compris entre 1et 14. Chaque séquence couplée de déformation-traitement thermique de précipitation comporte, à chaque fois, un traitement thermique de précipitation de la phase alpha Ti (300-700°C, 1h-30h).

[0046] Cette variante de procédé comportant une trempe bêta est particulièrement adaptée à la fabrication de ressorts de barillet. Plus particulièrement, cette trempe bêta est un traitement de mise en solution, avec une durée comprise entre 5minutes et 2heures à une température comprise entre 700°C et 1000°C, sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz.

[0047] Plus particulièrement encore, cette trempe bêta est un traitement de mise en solution, avec 1heure à 800°C sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz.

[0048] Pour revenir aux séquences couplées de déformation-traitement thermique de précipitation, plus particulièrement chaque séquence couplée de déformation-traitement thermique de précipitation comporte un traitement de précipitation d'une durée un traitement de précipitation d'une durée comprise entre 1heure et 80heures à une température comprise entre 350°C et 700°C. Plus particulièrement, la durée est comprise entre 1heure et 10heures à une température comprise entre 380°C et 650°C. Plus particulièrement encore, la durée est de 1heure à 12heures, à une température de 380°C. De préférence, on applique des traitements thermiques longs, par exemple des traitements thermiques réalisés pendant une durée comprise entre 15heures et 75heures à une température comprise entre 350°C et 500°C. Par exemple on applique des traitements thermiques de 75h à 400h à 350°C, de 25h à 400°C ou de 18h à 480°C.

[0049] Plus particulièrement, le procédé comporte entre une et cinq, de préférence de trois à cinq, séquences couplées de déformation-traitement thermique de précipitation.

[0050] Plus particulièrement, la première séquence couplée de déformation-traitement thermique de précipitation comporte une première déformation avec au moins 30% de réduction de section.

[0051] Plus particulièrement, chaque séquence couplée de déformation-traitement thermique de précipitation, autre que la première, comporte une déformation entre deux traitements thermiques de précipitation avec au moins 25% de réduction de section.

[0052] Plus particulièrement, après cette élaboration de ladite ébauche en alliage, et avant le tréfilage, dans une étape supplémentaire 25, on ajoute à l'ébauche une couche superficielle de matériau ductile pris parmi 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, ou similaire, pour faciliter la mise en forme de fil par étirage et tréfilage et laminage. Et, après le tréfilage, ou après le laminage, ou après une opération ultérieure de calandrage ou estrapadage, ou encore de mise en bague et traitement thermique dans le cas d'un ressort de barillet, on débarrasse le fil de sa couche du matériau ductile, notamment par attaque chimique, dans une étape 50.

[0053] Pour le ressort de barillet, il est en effet possible d'effectuer la fabrication par mise en bague et traitement thermique, où la mise en bague remplace le calandrage. Le ressort de barillet est encore généralement traité thermiquement après mise en bague ou après calandrage.

[0054] Un ressort spiral est, quant à lui, généralement, encore traité thermiquement après estrapadage.

[0055] Plus particulièrement, on effectue la dernière phase de déformation sous la forme d'un laminage à plat, et on pratique le dernier traitement thermique sur le ressort calandré ou mis en bague ou estrapadé. Plus particulièrement, après le tréfilage, on lamine le fil à plat, avant la fabrication du ressort proprement dit par calandrage ou estrapadage ou mise en bague.

[0056] Dans une variante, on dépose la couche superficielle de matériau ductile de façon à constituer un ressort spiral dont le pas n'est pas un multiple de l'épaisseur de la lame. Dans une autre variante, on dépose la couche superficielle de matériau ductile de façon à constituer un ressort dont le pas est variable.

[0057] Dans une application horlogère particulière, du matériau ductile ou cuivre est ainsi ajouté 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 10à 500micromètres sur le fil au diamètre final de 0.3à 1millimètres. Le fil est débarrassé de sa couche de matériau ductile ou cuivre notamment par attaque chimique, puis est laminé à plat avant la fabrication du ressort proprement dit.

[0058] L'apport de matériau ductile ou cuivre peut être galvanique, ou bien mécanique, c'est alors une chemise ou un tube de matériau ductile ou cuivre qui est ajusté sur une barre d'alliage niobium-titane à un gros diamètre, puis qui est amincie au cours des étapes de déformation du barreau composite.

[0059] L'enlèvement de la couche est notamment réalisable par attaque chimique, avec une solution à base de cyanures ou à base d'acides, par exemple d'acide nitrique.

[0060] L'invention permet, ainsi, notamment la réalisation d'un ressort spiralé de barillet en alliage de type niobium-titane, typiquement à 47% en masse de titane (46-50%). Par une combinaison adéquate d'étapes de déformation et de traitement thermique, il est possible d'obtenir une microstructure bi-phasée lamellaire très fine, en particulier nanométrique, comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β et une solution solide de niobium avec du titane en phase α, la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume. Cet alliage combine une limite élastique très élevée, supérieure au moins à 1000MPa, ou supérieure à 1500MPa, voire à 2000MPa sur du fil, et un module d'élasticité très bas, de l'ordre de 60Gpa à 80GPa. Cette combinaison de propriétés convient bien pour un ressort de barillet ou ressort-spiral. Cet alliage de type niobium-titane se laisse facilement recouvrir de matériau ductile ou cuivre, ce qui facilite grandement sa déformation par tréfilage.

[0061] 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. Sa microstructure fine et bi-phasée est recherchée dans le cas des supraconducteurs pour des raisons physiques et a comme effet collatéral bienvenu une amélioration des propriétés mécaniques de l'alliage.

[0062] Un alliage de type NbTi47convient particulièrement bien pour la réalisation d'un ressort de barillet, et aussi pour la réalisation de ressorts-spiraux.

[0063] Un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane, du type sélectionné ci-dessus pour la mise en oeuvre de l'invention, est également susceptible d'être utilisé comme fil spiral, il présente 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 auto-compensateurs, en particulier pour des alliages niobium-titane avec une proportion en masse de titane de 40%, 50%, ou 65%.

[0064] La sélection de composition selon l'invention s'est imposée aussi par ailleurs pour l'application supraconducteur, et est favorable en raison de la teneur en titane, qui évite les inconvénients: des alliages trop chargés en titane, où apparaît une phase martensitique, et où l'on se heurte à des difficultés de mise en forme; des alliages trop faibles en titane, qui se traduisent par moins de phase alpha lors du ou des traitements thermiques de précipitation.

[0065] La mise en forme du lacet d'un ressort-spiral implique d'éviter les alliages à fort titane, et la nécessité de l'atteinte de la compensation thermique spiral implique d'éviter les alliages à bas titane.

Claims (6)

1. Ressort spiralé d'horlogerie à structure bi-phasée, caractérisé en ce que le matériau dudit ressort spiralé est un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane, et qui comporte: - niobium: balance à 100%, - une proportion en masse de titane supérieure ou égale à 45.0% du total et inférieure ou égale à 48.0% du total, - des traces d'autres composants parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits composants de traces étant compris entre 0et 1600ppm, et la somme desdites traces étant inférieure ou égale à 0.3% en masse; ledit ressort spiralé étant en outre caractérisé en ce qu'il a une microstructure biphasée comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β et une solution solide de niobium avec du titane en phase α, la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume.

2. Ressort spiralé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion en masse de titane est supérieure ou égale à 46.5% du total.

3. Ressort spiralé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion en masse de titane est inférieure ou égale à 47.5% du total.

4. Ressort spiralé selon l'une des revendications 1à 3, caractérisé en ce que ledit ressort spiralé est un ressort de barillet.

5. Ressort spiralé selon l'une des revendications 1à 3, caractérisé en ce que ledit ressort spiralé est un ressort-spiral.

6. Procédé de fabrication d'un ressort spiralé d'horlogerie, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre successivement les étapes suivantes: - élaboration d'une ébauche dans un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane, et qui comporte: - niobium: balance à 100%, - une proportion en masse de titane supérieure ou égale à 45.0% du total et inférieure ou égale à 48.0% du total, - des traces d'autres composants parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits composants de traces étant compris entre 0et 1600ppm, et la somme desdites traces étant inférieure ou égale à 0.3% en masse; - exécution d'un cycle de traitement comportant préalablement une trempe bêta à un diamètre donné, de façon à ce que toute la structure de l'alliage soit bêta, puis application audit alliage d'une succession de séquences couplées de déformation-traitement thermique de précipitation, comportant l'application de déformations alternées à des traitements thermiques, jusqu'à l'obtention d'une microstructure biphasée comprenant une solution solide de niobium avec du titane en phase β et une solution solide de niobium avec du titane en phase α, la teneur en titane en phase α étant supérieure à 10% en volume, avec une limite élastique supérieure ou égale à 1000MPa, et un module d'élasticité supérieur à 60GPa et inférieur ou égal à 80GPa; - tréfilage jusqu'à l'obtention d'un fil de section ronde, et laminage à profil rectangulaire compatible avec la section d'entrée d'une calandre ou d'une broche d'estrapadage ou avec une mise en bague; - calandrage en clé de sol des spires pour former un ressort de barillet avant son premier armage, ou estrapadage pour former un ressort-spiral, ou mise en bague et traitement thermique pour un ressort de barillet.