CH716622A2 - Ressort spiral pour mouvement d'horlogerie en alliage de niobium et de titane et son procédé de fabrication. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un ressort spiral (1) destiné à équiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie, caractérisé en ce que le ressort spiral (1) est réalisé dans un alliage de niobium et de titane constitué en poids de: niobium : balance à 100% ; titane avec un pourcentage supérieur ou égal à 1% et inférieur à 40% ; des traces d'autres éléments choisis parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, chacun desdits éléments étant compris entre 0 et 1600 ppm du total en poids et la somme desdites traces étant inférieure ou égale à 0.3% en poids. La présente invention concerne également son procédé de fabrication.

Description

Description

Domaine de l'invention

[0001] L'invention concerne un ressort spiral destine ä equiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie. Elle se rapporte egalement au procede de fabrication de ce ressort spiral.

Arriere-plan de l'invention

[0002] La fabrication de ressorts spiraux pour l'horlogerie doit faire face ä des contraintes souvent ä premiere vue incompatibles :

- necessite d'obtention d'une limite elastique elevee,

- facilite d'elaboration, notamment de trefilage et de laminage,

- excellente tenue en fatigue,

- stabilite des performances dans le temps,

- faibles sections.

[0003] La realisation de ressorts spiraux est en outre centree sur le souci de la compensation thermique, de faqon ä garantir des performances chronometriques regulieres. II faut pour cela obtenir un coefficient thermoelastique proche de zero.

[0004] Toute amelioration sur au moins Tun des points, et en particulier sur la tenue mecanique de l'alliage utilise, represente donc une avancee significative.

Resume de l'invention

[0005] L'invention se propose de definir un nouveau type de ressort spiral d'horlogerie, base sur la selection d'un materiau particulier, et de mehre au point le procede de fabrication adequat.

[0006] A cet effet, l'invention concerne un ressort spiral d'horlogerie realise dans un alliage de niobium et de titane. Selon l'invention, la teneur en titane est comprise en poids entre 1% (borne comprise) et 40% (borne non comprise). Avantageusement, eile est comprise en poids entre 5 et 35% (bornes comprises), de preference entre 15 et 35% (bornes comprises) et plus preferentiellement entre 27 et 33% (bornes comprises). Le reste est constitue de niobium et d'impuretes dont des interstitiels tels que H, C, N et/ou O, le pourcentage d'impuretes etant inferieur ou egal ä 0.3% en poids.

[0007] L'invention concerne egalement le procede de fabrication de ce ressort spiral d'horlogerie tel que revendique en annexe.

Description sommaire des dessins

[0008] D'autres caracteristiques et avantages de l'invention apparaftront ä la lecture de la description detaillee qui va suivre, en reference aux dessins annexes, oü :

- la figure 1 represente, de faqon schematisee, un ressort spiral realise avec un alliage Nb-Ti selon l'invention ;

- la figure 2 represente les courbes d'evolution du module de Young en fonction de la temperature rapporte sur le modulede Young ä 20°C pour respectivement le Nb pur et un alliage Nb-Ti selon l'invention avec 30% en poids de Ti.

Description detaillee des modes de realisation preferes

[0009] L'invention concerne un ressort spiral d'horlogerie realise dans un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane.

[0010] Selon l'invention, cet alliage comporte en poids:

- du niobium : balance ä 100% ;

- du titane dans un pourcentage superieur ou egal ä 1% et inferieur ä 40%. Plus particulierement, cet alliage comporteune proportion en poids de titane comprise entre 5 et 35%, de preference entre 15 et 35% et plus preferentiellement entre 27 et 33% ;

- des traces d'autres elements choisis parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu et/ou AI, chacun desdits elements etantcompris entre 0 et 1600 ppm du total en poids, et la somme de ces traces etant inferieure ou egale ä 0.3%. En d'autres mots, le total des pourcentages en poids du titane et du niobium est compris entre 99.7% et 100% du total.

[0011] Le pourcentage en poids d'oxygene est inferieur ou egal ä 0.10% du total, voire encore inferieur ou egal ä 0.085% du total.

[0012] Le pourcentage en poids de tantale est inferieur ou egal ä 0.10% du total.

[0013] Le pourcentage en poids de carbone est inferieur ou egal ä 0.04% du total, notamment inferieur ou egal ä 0.020% du total, voire encore inferieur ou egal ä 0.0175% du total.

[0014] Le pourcentage en poids de fer est inferieur ou egal ä 0.03% du total, notamment Interieur ou egal ä 0.025% du total, voire encore inferieur ou egal ä 0.020% du total.

[0015] Le pourcentage en poids d'azote est inferieur ou egal ä 0.02% du total, notamment inferieur ou egal ä 0.015% du total, voire encore inferieur ou egal ä 0.0075% du total.

[0016] Le pourcentage en poids d'hydrogene est inferieur ou egal ä 0.01 % du total, notamment inferieur ou egal ä 0.0035% du total, voire encore inferieur ou egal ä 0.0005% du total.

[0017] Le pourcentage en poids de nickel est inferieur ou egal ä 0.01% du total.

[0018] Le pourcentage en poids de silicium est inferieur ou egal ä 0.01% du total.

[0019] Le pourcentage en poids de nickel est inferieur ou egal ä 0.01% du total, notamment inferieur ou egal ä 0.16% du total.

[0020] Le pourcentage en poids de cuivre est inferieur ou egal ä 0.01% du total, notamment inferieur ou egal ä 0.005% du total.

[0021] Le pourcentage en poids d'aluminium est inferieur ou egal ä 0.01% du total.

[0022] De fagon avantageuse, ce ressort spiral a une microstructure bi-phasee comportant du niobium en phase betacubique centre et du titane en phase alpha hexagonal compact.

[0023] Pour obtenir une teile microstructure, et convenant ä l'elaboration d'un ressort, il est necessaire de precipiter une partie de la phase alpha par traitement thermique.

[0024] Plus le taux de titane est eleve, plus la proportion maximale de phase alpha qui peut etre precipitee par traitement thermique est elevee, ce qui incite ä rechercher une forte proportion de titane. Mais a contrario, plus le taux de titane est eleve, plus il est difficile d'obtenir uniquement une precipitation de la phase alpha aux joints de grains. L'apparition de precipites de type Widmastätten alpha-Ti intragranulaire ou la phase co intragranulaire rend la deformation du materiaudifficile, voire impossible, ce qui ne convient alors pas ä la realisation d'un ressort spiral, et il convient alors de ne pas incorporer trop de titane dans l'alliage. En outre, l'application de cet alliage ä un ressort spiral necessite des proprietes aptes ä garantir le maintien des performances chronometriques malgre la Variation des temperatures d'utilisation d'une montre incorporant un tel ressort spiral. Le coefficient thermoelastique, dit aussi GTE de l'alliage, a alors une grande importance. Pour former un oscillateur chronometrique avec un balancier en CuBe ou en maillechort, un GTE de +/- 10 ppm/°C doitetre atteint. La formule qui lie le GTE de l'alliage et les coefficients de dilatation du spiral et du balancier est la suivante :

1 dE

H~dT

d.\[ dT

-ß + -a\' S6400—

2 EC

CT =

[0025] Les variables M et T sont respectivement la marche et la temperature. E est le module de Young du ressort spiral, et, dans cette formule, E, ß et a s'expriment en °C'1.

[0026] 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. L'alliage en phase beta ecroui presente un CTE fortement positif, et la precipitation de la phase alpha qui possede un CTE fortement negatif permet de ramener l'alliage biphase ä un CTE proche de zero, ce qui est particulierement favorable. Cependant, comme mentionne plus haut, un pourcentage trop eleve de titane mene ä la formation de phases fragiles. Un pourcentage de titane inferieur ä 40% en poids permet d'obtenir un bon compromis entre les differentes proprietes recherchees. II est par ailleurs suppose que l'interaction entre les dislocations et les interstitiels C, H, N, O presents dans l'alliage de meme que l'interaction entre les dislocations et les precipites de titane alpha jouent egalement un röle favorable sur le CTE. La mise en mouvement des dislocations en fonction de la temperature provoque une diminution du module de Young du ressort spiral qui contrecarre l'anomalie positive de la phase beta.

[0027] Le ressort spiral elabore avec cet alliage a une limite elastique superieure ou egale ä 500 MPa et plus precisement comprise entre 500 et 1000 MPa. De faqon avantageuse, il a un module d'elasticite inferieur ou egal ä 120 GPa et de preference inferieur ou egal ä 110 GPa.

[0028] L'invention concerne egalement le procede de fabrication du ressort spiral d'horlogerie, caracterise en ce qu'on met en oeuvre successivement les etapes suivantes :

- elaboration d'une ebauche dans un alliage comportant du niobium et du titane et plus precisement:

- du niobium : balance ä 100% ;

- un pourcentage en poids de titane superieur ou egal ä 1% du total et inferieur ä 40% du total ;

- des traces d'autres elements choisis parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, AI, chacun desdits elements etant comprisentre 0 et 1600 ppm du total en poids, et la somme desdites traces etant inferieure ou egale ä 0.3% en poids;

- une trempe de type beta de ladite ebauche, de faqon ä ce que le titane dudit alliage soit essentiellement sous formede solution solide avec le niobium en phase beta ;

- application audit alliage de sequences de deformation suivie d'un traitement thermique. On entend par deformationune deformation par trefilage et/ou laminage. Le trefilage peut necessiter l'utilisation d'une ou plusieurs filieres lors

d'une meme sequence ou lors de differentes sequences si necessaire. Le tretilage est realise jusqu'ä l'obtention d'un fil de section ronde. Le laminage peut etre effectue lors de la meme sequence de deformation que le tretilage ou dans une autre sequence. Avantageusement, la derniere sequence appliquee ä l'alliage est un laminage de preference ä profil rectangulaire compatible avec la section d'entree d'une brache d'estrapadage. Ces sequences menent ä l'obtention d'une microstructure bi-phasee comportant du niobium beta et du titane alpha, avec une limite elastique superieureou egale ä 500 MPa et un module d'elasticite inferieur ou egal ä 120 GPa et de preference ä 110 GPa.

- estrapadage pour former un ressort spiral, suivi d'un traitement thermique final.

[0029] Dans ces sequences couplees de deformation-traitement thermique, chaque deformation est effectuee avec untaux de deformation donne compris entre 1 et 5, ce taux de deformation repondant ä la formule classique 2ln(d0/d), oü dO est le diametre de la derniere trempe beta, et oü d est le diametre du fil ecroui. Le cumul global des deformations sur l'ensemble de cette succession de sequences amene un taux total de deformation compris entre 1 et 14. Chaque sequence couplee de deformation-traitement thermique comporte, ä chaque fois, un traitement thermique de precipitationde la phase alpha Ti.

[0030] La trempe beta prealable aux sequences de deformation et de traitement thermique est un traitement de mise en solution, avec une duree comprise entre 5 minutes et 2 heures ä une temperature comprise entre 700°C et 1000°C, sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz.

[0031] Plus particulierement encore, cette trempe beta est un traitement de mise en solution, d'1 heure ä 800°C sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz.

[0032] Pour revenir aux sequences couplees de deformation-traitement thermique, le traitement thermique est un traitement de precipitation d'une duree comprise entre 1 heure et 200 heures ä une temperature comprise entre 300°C et 700°C. Plus particulierement, la duree est comprise entre 5 heures et 30 heures ä une temperature comprise entre 400°C et 600°C.

[0033] Plus particulierement, le procede comporte entre une et cinq sequences couplees de deformation-traitement thermique.

[0034] Plus particulierement, la premiere sequence couplee de deformation-traitement thermique comporte une premieredeformation avec au moins 30 % de reduction de section.

[0035] Plus particulierement, chaque sequence couplee de deformation-traitement thermique, autre que la premiere, comporte une deformation entre deux traitements thermiques avec au moins 25 % de reduction de section.

[0036] Plus particulierement, apres cette elaboration de ladite ebauche en alliage, et avant les sequences de deformationtraitement thermique, dans une etape supplementaire, on ajoute ä l'ebauche une couche superficielle de materiau ductile pris parmi le cuivre, le nickel, le cupro-nickel, le cupro-magnanese, l'or, l'argent, le nickel-phosphore Ni-P et le nickel-boreNi-B, ou similaire, pour faciliter la mise en forme sous forme de fil lors de la deformation. Et, apres les sequences dedeformation-traitement thermique ou apres l'etape d'estrapadage, on debarrasse le fil de sa couche du materiau ductile,notamment par attaque chimique.

[0037] Dans une Variante, on depose la couche superficielle de materiau ductile de fapon ä constituer un ressort spiral dont le pas n'est pas un multiple de l'epaisseur de la lame. Dans une autre Variante, on depose la couche superficielle de materiau ductile de fagon ä constituer un ressort dont le pas est variable.

[0038] Dans une application horlogere particuliere, du materiau ductile ou du cuivre est ainsi ajoute ä un moment donne pour faciliter la mise en forme sous forme de fil, de teile maniere ä ce qu'il en reste une epaisseur de 10 ä 500 micrometres sur le fil au diametre final de 0.3 ä 1 millimetres. Le fil est debarrasse de sa couche de materiau ductile ou cuivre notamment par attaque chimique, puis est lamine ä plat avant la fabrication du ressort proprement dit par estrapadage.

[0039] L'apport de materiau ductile ou cuivre peut etre galvanique, ou bien mecanique, c'est alors une chemise ou un tube de materiau ductile ou cuivre qui est ajuste sur une barre d'alliage niobium-titane ä un gras diametre, puis qui estamincie au cours des etapes de deformation du barreau composite.

[0040] Une couche barriere de diffusion, par exemple du nb, peut etre ajoutee entre le nb-Ti et le Cu afin d'eviter laformation d'intermetalliques nefastes ä la deformabilite du materiau. L'epaisseur de cette couche est choisie de maniere ä correspondre ä une epaisseur de 100 nm ä 1 pm sur le fil ä diametre 0.1 mm.

[0041] L'enlevement de la couche est notamment realisable par attaque chimique, avec une solution ä base de cyanures ou ä base d'acides, par exemple d'acide nitrique.

[0042] Par une combinaison adäquate de sequences de deformation et de traitement thermique, il est possible d'obtenir une microstructure bi-phasee lamellaire tres fine, en particulier nanometrique, comportant ou composee de niobium betaet de titane alpha. Cet alliage combine une limite elastique tres elevee, superieure au moins ä 500 MPa et un module d'elasticite tres bas, de l'ordre de 80 GPa ä 120 GPa. Cette combinaison de proprietes convient bien pour un ressort spiral. L'alliage apres les sequences de deformation-traitement thermique presente une texture <110>. En outre, cet alliageniobium-titane selon l'invention se laisse facilement recouvrir de materiau ductile ou cuivre, ce qui facilite grandement sadeformation par tretilage.

Claims (18)

1. [0043] Un alliage de type binaire comportant du niobium et du titane, du type selectionne ci-dessus pour la mise en oeuvrede l'invention, presente egalement un effet similaire ä celui de I' „Elinvar", avec un coefficient thermo-elastique pratiquementnul dans la plage de temperatures d'utilisation usuelle de montres, et apte ä la fabrication de spiraux auto-compensateurs.

   [0044] Plus precisement, si on compare ä la figure 2, l'evolution du module de Young (E(T)/E2o-c) en fonction de la temperature pour du Nb pur et un alliage de Nb-Ti selon l'invention avec 30% en poids de Ti, on observe que les deux courbessont en S avec pour difference notable que la presence de Ti permet de reduire fortement l'ecart entre le minimum et le maximum de la courbe selon aussi bien Taxe des abscisses que Taxe des ordonnees. Plus precisement, la presence de Ti dans l'alliage et le procede de fabrication selon l'invention tentent ä lisser la courbe via la diminution du maximum de la courbe. Cet effet positif sur la reduction du maximum avec l'alliage selon l'invention est attribue ä un ensemble de facteurs qui sont:

   - la texture cristallographique de l'alliage qui est influencee par le taux de reduction depuis la trempe beta,

   - la densite de dislocations ajustee via les traitements thermiques qui induisent des phenomenes de restauration, voirede recristallisation,

   - la concentration en interstitiels qui vont interagir avec les dislocations,

   - le pourcentage de Ti en phase alpha

   - la densite de precipites dans l'alliage (nombre de precipites Ti en phase alpha par unite de volume) .

   Revendications

   1. Ressort spiral (1) destine ä equiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie, caracterise en ce que le ressort spiral (1) est realise dans un alliage de niobium et de titane constitue en poids de :

   - niobium : balance ä 100% ;

   - titane avec un pourcentage superieur ou egal ä 1% et inferieur ä 40%,

   - des traces d'autres elements choisis parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu et/ou AI, chacun desdits elements etantcompris entre 0 et 1600 ppm du total en poids et la somme desdites traces etant inferieure ou egale ä 0.3% en poids.
2. 2. Ressort spiral (1) selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit alliage comporte un pourcentage en poids de titane compris entre 5 et 35%.
3. 3. Ressort spiral (1) selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit alliage comporte un pourcentage en poids de titane compris entre 15 et 35%.
4. 4. Ressort spiral (1) selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit alliage comporte un pourcentage en poids de titane compris entre 27 et 33%.
5. 5. Ressort spiral (1) selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il a une microstructure bi-phaseecomportant du niobium en phase beta et du titane en phase alpha.
6. 6. Ressort spiral (1) selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il a une limite elastique superieure ou egale ä 500 MPa, et un module d'elasticite inferieur ou egal ä 120 GPa, de preference inferieur ou egal ä 110 GPa.
7. 7. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) destine ä equiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie, caracterise en ce qu'il comprend successivement:

   - une etape d'elaboration d'une ebauche dans un alliage de niobium et de titane constitue en poids de :

   - niobium : balance ä 100% ;

   - titane avec un pourcentage superieur ou egal ä 1% et inferieur ä 40%,

   - des traces d'autres elements choisis parmi O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu et/ou AI, chacun desdits elements etantcompris entre 0 et 1600 ppm du total en poids et la somme desdites traces etant inferieure ou egale ä 0.3% en poids ;

   - une etape de trempe de type beta de ladite ebauche, de faqon ä ce que le titane dudit alliage soit essentiellementsous forme de solution solide avec le niobium en phase beta,

   - une etape d'application audit alliage d'une succession de sequences de deformation suivie d'un traitement thermiqueintermediaire,

   - une etape estrapadage pour former le ressort spiral (1),

   - une etape de traitement thermique final.
8. 8. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon la revendication 7, caracterise en ce que la deformation durant chaque sequence est realisee par trefilage et/ou laminage.
9. 9. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon la revendication 8, caracterise en ce qu'on effectue la deformation de la derniere sequence par laminage ä plat.
10. 10. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon l'une des revendications 7 ä 9, caracterise en ce que la deformation de chaque sequence est effectuee avec un taux de deformation donne compris entre 1 et 5, le cumul global des deformations sur l'ensemble de ladite succession de sequences amenant un taux total de deformation compris entre 1 et 14.
11. 11. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) seien l'une des revendications 7 ä 10, caracterise en ce que la trempe de type beta est un traitement de mise en solution, avec une duree comprise entre 5 minutes et 2 heures ä une temperature comprise entre 700°C et 1000°C, sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz.
12. 12. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) seien l'une des revendications 7 ä 11, caracterise en ce que la trempe de type beta est un traitement de mise en solution d'1 heure ä 800°C sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz.
13. 13. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon l'une des revendications 7 ä 12, caracterise en ce que le traitement thermique final ainsi que le traitement thermique intermediaire de chaque sequence est un traitement de precipitation du Ti en phase alpha d'une duree comprise entre 1 heure et 200 heures ä une temperature comprise entre 300°C et 700°C.
14. 14. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon l'une des revendications 7 ä 13, caracterise en ce que le traitement thermique final ainsi que le traitement thermique intermediaire de chaque sequence est un traitement de precipitation du Ti en phase alpha d'une duree comprise entre 5 heures et 30 heures ä une temperature comprise entre 400°C et 600°C.
15. 15. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon l'une des revendications 7 ä 14, caracterise en ce que ledit procede comporte entre une et cinq dites sequences de deformation suivie d'un traitement thermique intermediaire.
16. 16. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon l'une des revendications 7 ä 15, caracterise en ce que la premiere dite sequence de deformation suivie d'un traitement thermique intermediaire comporte une premiere deformation avec au moins 30 % de reduction de section.
17. 17. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon la revendication 16, caracterise en ce que chaque dite sequence de deformation suivie d'un traitement thermique intermediaire, autre que la premiere, comporte une deformation entre deux traitements thermiques intermediaires avec au moins 25 % de reduction de section.
18. 18. Procede de fabrication d'un ressort spiral (1) selon l'une des revendications 7 ä 17, caracterise en ce que, apres l'etape d'elaboration de l'ebauche en alliage, et avant l'etape d'application d'une succession de sequences, on ajoute ä ladite ebauche une couche superficielle de materiau ductile pris parmi le cuivre, le nickel, le cupro-nickel, le cupromagnanese, l'or, l'argent, le nickel-phosphore Ni-P et le nickel-bore Ni-B, pour faciliter la mise en forme sous formede fil et en ce que, avant ou apres l'etape d'estrapadage, on debarrasse ledit fil de sa couche dudit materiau ductile par attaque chimique.