EP3014362A2 - Ressort d'horlogerie en acier inoxydable austenitique - Google Patents

Ressort d'horlogerie en acier inoxydable austenitique

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Publication number
EP3014362A2
EP3014362A2 EP14711981.2A EP14711981A EP3014362A2 EP 3014362 A2 EP3014362 A2 EP 3014362A2 EP 14711981 A EP14711981 A EP 14711981A EP 3014362 A2 EP3014362 A2 EP 3014362A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spring
nitrogen
total
carbon
curvature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14711981.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christian Charbon
Guido Plankert
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Nivarox Far SA
Nivarox SA
Original Assignee
Nivarox Far SA
Nivarox SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Nivarox Far SA, Nivarox SA filed Critical Nivarox Far SA
Publication of EP3014362A2 publication Critical patent/EP3014362A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G04B1/145—Composition and manufacture of the springs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/005—Heat treatment of ferrous alloys containing Mn
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/38—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C5/00—Electric or magnetic means for converting oscillatory to rotary motion in time-pieces, i.e. electric or magnetic escapements
    • G04C5/005—Magnetic or electromagnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a clock spring made of a stainless steel alloy comprising a base made of iron and chromium, arranged in a cubic austenitic face-centered structure, and comprising manganese and nitrogen.
  • the invention also relates to a watch cylinder having at least one such spring.
  • the invention also relates to a timepiece, including a watch, incorporating at least one such watch cylinder and / or such a spring.
  • the invention relates to the field of watch movements, and in particular barrel, bell, or similar motor springs, and flat springs such as jumpers, shock absorbers, or the like.
  • clock springs including barrels
  • Manufacturers of clock springs are always looking for materials that can improve their life expectancy, especially with improved fatigue life, and a better power reserve for battery springs, cylinder springs or springs. ringing particular.
  • Some manufacturers have developed springs with different surface layers of core material, such as in WO 02/04836 in the name of Seiko, or the document CH 383 886 in the name of Sandvik, or the document CH 330 555 in the name of Fabrique Switzerland Watch Springs, or the document EP 2 511 229 in the name of GFD-Diamaze, or the document EP 1 422 436 in the name of CSEM.
  • Amorphous alloys are still known from the document WO2012 / 01941 in the name of Rolex, with a high proportion of boron, or EP 2 133 756 in the name of Rolex (metallic glass), or from DE 10 201 1 001 783 in the name of from Vacuumschmelze.
  • Document CH 703 796 in the name of i Ressorts discloses a nitrogenous stainless steel alloy comprising a base consisting of iron and chromium, arranged according to a cubic austenitic structure with centered faces.
  • the alloy described in this document has a high concentration of nitrogen in solution (0.75 to 1% nitrogen).
  • concentration of nitrogen in solution is difficult to control accurately.
  • a slight increase in the nitrogen content in solution in the alloy can lead to a loss of the ductility of the alloy, which goes against the desired effect for a material to serve as a spring.
  • the nitrogen content has a strong influence on the kinetics of precipitation of chromium nitrides, and, when the nitrogen content is of the order of 1%, the quenching speed of the alloy which makes it possible to avoid the appearance of nitrides is high, which makes the industrialization of the processes for treating these alloys delicate and expensive.
  • the conventional range of production consists in transforming an alloy cast billet by forging, rolling, prior to the drawing by drawing or drawing of a wire rod with a diameter of about 6 mm, which is then peeled and pickled, before a series of wire drawing and cold rolling: in particular the operation of peeling and drawing operations are particularly difficult or impossible when one seeks to obtain very small springs, including spiral springs of watch-barrel with a thickness of less than 0.200 mm, or coil springs of exhaust mechanism, which may have a thickness of about 0.050 mm.
  • Reduced wire drawing and rolling speeds can reduce but not eliminate these temperature rises; but these advances are then so low that the cost of the material becomes prohibitive for industrial use. Indeed, to go from a diameter of 6 mm to a diameter of the order of 0.6 mm (that is to say in a section ratio of 100 to 1), it is necessary to perform between 30 and 50 operations successive drawing (it is allowed to reduce the section of 9 to 15% each pass), and rather about 50 operations precisely to limit the heating points, not to mention that intermediate heat treatment operations are also necessary.
  • Nitrogen steels are difficult to produce, their use is delicate and costly, so they have met with little enthusiasm in the field of general mechanics or precision, the only fields of application known being the Orthodontics, prostheses, and electrical engineering (retaining rings of motors or alternators), so essentially macroscopic applications or heavy machinery. The theory attributing them particular qualities thus runs up against the practice of realization.
  • the problem of the manufacturer of watch springs is then to determine an alloy with suitable compositions of nitrogen and carbon to make possible the development, first of such a raw material wire type with a diameter of a few tenths of a mm then a profiled spring of substantially rectangular section and a thickness of a few hundredths of a millimeter.
  • KR 2009 0092144 on behalf of Korea Mach. & Materials Inst discloses a manganese-chromium-nickel-molybdenum alloy, with the total of carbon and nitrogen mass contents of between 0.60% and 0.90%, in particular with certain alloys of the family having a carbon content of less than 0.45% and a nitrogen content of less than 0, 45%.
  • JP H02 156047 in the name of Nippon Steel Corp. discloses an alloy with 5 to 25% manganese, 15 to 22% chromium, 0.10% to 0.30% carbon, and 0.3% to 0.6% nitrogen.
  • a barrel spring the driving element of a mechanical watch
  • Aurpreventing MAIRE in the Swiss Journal of Watchmaking, vol. 5/6, January 1, 1968, pages 213-219, XP001441388, discloses a theory of rapidly rotating barrels, describing the free-spiral spring shape of a spiral spring, and the optimization of geometry for available energy Max.
  • the special feature of the barrel spring is that the material works at its maximum stress all along the curvilinear abscissa due to the deformation imposed during the first winding. If the spring is out of the drum, a form of balance key ground resulting from this first winding.
  • the difficulty is the selection or development of an alloy to obtain the required performances, and the production of spiral springs comprising at least one zone of thickness less than 0.200 mm, and / or comprising at least one zone of radius of curvature less than 2.15 mm, and in particular less than 0.75 mm or even less than 0.60 mm.
  • the watch designer can not therefore choose an alloy catalog on its only theoretical physical characteristics, but he must experiment with particular finishing ranges, on the one hand for the wire used as raw material, and on the other hand for the finished spring , and determine parameters specific to the composition and treatment of the alloy, which can make possible the manufacture of such son-blanks, and such springs. Summary of the invention
  • the object of the invention is to provide a watch or jewelery spring, in particular a spiral-type spring such as a mainspring of a cylinder, or a striking ring, or the like, or a flat spring such as a jumper, a shock absorber. or the like, having improved ductility, less cost, and easier to produce industrially, than conventional alloys for making such springs.
  • the subject of the invention is a watch or jewelery spring made of a stainless steel alloy comprising a base made of iron and chromium, arranged according to a cubic austenitic structure with centered faces, and of super-type austenitic with manganese and nitrogen,
  • said spring has, at least in its zone of least thickness, a thickness of less than 0.20 mm,
  • the invention also relates to a watch cylinder having at least one such spring.
  • the invention also relates to a timepiece, including a watch, incorporating at least one such watch cylinder and / or such a spring. Thanks to a low nitrogen content, it is possible to maintain, by adding carbon, high mechanical properties while improving the industrial implementation of the alloy.
  • the low nitrogen content makes it possible in particular to improve the ductility of the alloy.
  • the presence of additional carbon may allow the formation of carbides improving the mechanical properties of the alloy.
  • FIG. 1 shows, schematically and in perspective, a mainspring according to the invention, the internal shell and external areas of possible flange fixing not being detailed;
  • FIG. 2 represents a mainspring according to the invention, in its free form as a ground key, with a substantially linear part in a concavity direction inversion zone;
  • FIG. 3 illustrates, schematically, a timepiece comprising a barrel equipped with a spring according to the invention.
  • the invention relates to the field of watch movements, and in particular energy storage, return, or damping springs: spiral type spring such as a mainspring barrel, or ring, or the like, or a flat spring such as jumper, shock absorber, or the like.
  • the invention faces the problem of producing very long durability clock springs, small, and in particular spiral springs less than 0.200 mm thick. Only a very long test campaign can test theoretically suitable alloys, and determine the parameter or parameters allowing feasibility in the required performance and dimensions.
  • the problem is amplified when it comes to producing a spiral spring 1 with an internal turn 1 1 adapted, in the case of a barrel, a bung or a shaft 50 of very small diameter, less than 4.3 mm, and in particular less than 1, 5 mm, or even less than 1, 2 mm in barrels known as "reduced bung diameter", or in the case of a spiral spring escapement mechanism to a ferrule also of very small diameter especially less than 1, 5 mm.
  • the metallurgical tests are particularly concentrated in particular on the maximum values of elongation.
  • the experimental campaign shows that the ability to manufacture such a spiral spring is directly related to the C / N ratio, between the mass ratios in the alloy of carbon and nitrogen, which must be framed within a range the absolute and relative limits of carbon and nitrogen contents.
  • This manufacture conventionally comprises a range of blank comprising a transformation of a cast billet of alloy by forging, rolling, and possibly by drawing or drawing to obtain a wire rod with a diameter of about 6 mm, which is then peeled and pickled, before a series of other wire drawing separated by recrystallization heat treatments.
  • a finishing range ensues, which may comprise at least one other drawing, and at least one cold rolling, and then finishing operations specific to the setting of the spiral geometry, in particular according to a free profile of the so-called key type. ground.
  • the case of the manufacture of a spiral clock spring 1 comprises the difficulty inherent in the production of at least one zone of very small radius of curvature, in particular a radius of curvature of less than 2.15 mm.
  • a special case is that of a barrel known as a reduced plug, that is to say having a factor K less than 9: during the usual manufacture of a mainspring, by experience, the factor K (quotient of radius of the axis of the barrel by the thickness of the ribbon spring) is between 9 and 16 to ensure that the product is not fragile and to allow its realization.
  • the theory of watchmaking recommends having a factor K between 10 and 16, the value 1 1 being the most commonly used. Any reduction in the K factor can increase substantially the number of turns of the mainspring, with equal external volume, and therefore to increase the power reserve of the watch.
  • This reduction is related to the minimization of the diameter of the bung, well below the value of 2.15 mm, and in particular under the value of 1.5 mm, which requires that the alloy chosen, as well as its treatment , allow the realization of radii of curvature as small as 2.15 mm or less, without breakage or embrittlement at the end of the spring.
  • the problem is similar for an escapement spring spiral spring, whose inner turn is supported on a ferrule of dimensions comparable to those of the bung of a mainspring.
  • the invention makes it possible to define a steel alloy suitable for the manufacture of clock springs, in particular for barrel spiral springs or exhaust mechanism springs, having improved ductility compared with alloys of the prior art. easy to produce industrially than these.
  • the invention relates to a watch or jewelery spring made of a stainless steel alloy comprising a base consisting of iron and chromium, arranged in a cubic austenitic structure with centered faces, and comprising manganese and aluminum. nitrogen.
  • this spring 1 has, at least in its zone of smaller thickness, a thickness of less than 0.20 mm.
  • the mass composition of the alloy of this spring 1 is:
  • the total carbon and nitrogen is between 0.4% and 1.5%, and the ratio of carbon to nitrogen is between 0.125 and 0.5.
  • the mass content of the nitrogen is between 0.40% and 0.75%.
  • the mass content of the nitrogen is between 0.45% and 0.55%.
  • the carbon mass content is between 0.15% and 0.30%.
  • the carbon mass content is between 0.15% and 0.25%.
  • the total (C + N) of the mass contents of carbon and nitrogen as a proportion of the total is between 0.60% and 1.00%.
  • the total (C + N) of the mass contents of carbon and nitrogen as a proportion of the total is between 0.60% and 0.80%.
  • the ratio (C / N) of the mass content of carbon in proportion to the total relative to that of nitrogen is between 0.250 and 0.550.
  • the ratio (C / N) of the carbon content in proportion to the total relative to that of nitrogen is between 0.270 and 0.550.
  • the total carbon and nitrogen is between 0.4% and 1.5%, and the ratio of carbon to nitrogen is between 0.125 and 0.5.
  • the total (C + N) of the mass contents of carbon and nitrogen as a proportion of the total is between 0.60% and 0.80%, and
  • the total mass of carbon and nitrogen of the alloy is between 0.6% and 1%, and the ratio of carbon to nitrogen of the alloy is between 0.35 and 0.5.
  • the total carbon and nitrogen of the alloy is between 0.75% and 1%, and the ratio of carbon to nitrogen in the alloy is between 0.4 and 0, 5.
  • the mass content of chromium which is present to ensure the corrosion resistance (which is historically a major problem for the holding of clock springs, including barrels), is between 16.0% and 20.0%.
  • the mass content of chromium is between 16.0% and 17.0%.
  • the chromium content of the alloy is between 16% and 20% by weight of the total and the carbon content is between 0.15% and 0.3% by weight of the total.
  • the manganese content of the alloy is between 10% and 16% by weight of the total and preferably from 1 1% to 13% by weight of the total and preferably its niobium content. is less than 0.25% by mass of the total.
  • At least one of said filler metals is a carburigenic element selected from among a group comprising molybdenum, tungsten, vanadium, niobium, zirconium, and titanium, replacing an equivalent weight of iron in the alloy, with a mass content of between 0.5% and 10.0%. Impurities and other filler metals with the exception of iron are then limited to 3%, and especially 2%.
  • this at least one carburizing element is molybdenum, with a mass content of between 2.5% and 4.2%. Molybdenum improves the resistance to corrosion and pitting; it allows the precipitation of molybdenum carbides. In a more particular embodiment, the mass content of the molybdenum is between 2.6% and 2.8%.
  • the alloy further comprises, within the limit of 0.5% by mass of the total, at least one other carburigenic element than molybdenum, taken from a set comprising tungsten, vanadium, niobium, zirconium, and titanium, replacing an equivalent weight of iron in the alloy, and the alloy preferably comprises less than 0.5% by weight of nickel.
  • the total mass contents of impurities and filler metals with the exception of iron is between 0 and 6.0%.
  • the total mass contents of impurities and filler metals with the exception of iron is between 0 and 3.0%.
  • one of the filler metals is nickel.
  • Nickel promotes, like manganese, the constitution of an austenitic phase, and improves the solubility. For application to a spring locked in motion, without skin contact with the user, it is possible to include a few percent nickel in the alloy without any negative consequences for the user.
  • the mass content of the nickel is between 0 and 0.10%.
  • one of the filler metals is niobium, with a mass content of between 0 and 0.25%.
  • the austenitic structure of such an alloy is indeed necessary for a spring, because of the good cold deformability it allows. It has another advantage, which is far from negligible at the heart of a watch movement, related to the non-magnetic character of the austenite, unlike ferrite or martensite.
  • the invention allows a manufacture of clock springs which is more economical than that of springs known from the prior art, which have a high rate of nitrogen which makes their transformation difficult and expensive. Indeed, in this case, the production processes must be conducted under high pressure (several atmospheres) or / and with additives.
  • the brittle-ductile TT transition temperature of a stainless alloy as considered approximately follows a rule that the value of TT in Kelvin is proportional to the total of a first term equal to 300 times the nitrogen content and a second term equal to 100 times the carbon content.
  • any replacement of nitrogen with carbon therefore has a direct influence with a decrease in this brittle-ductile transition temperature.
  • the use of a low nitrogen content at the level of the lowest nitrogen content of the known alloys of the prior art makes it possible to maintain, by adding carbon, high mechanical properties, by the formation of carbides, while improving the industrial implementation of the alloy.
  • the low nitrogen content makes it possible in particular to improve the ductility of the alloy.
  • the reduction of the nitrogen content is, again, favorable with regard to the precipitation of nitrides.
  • composition which is particularly suitable for clock springs and more particularly for barrels, with production at an acceptable cost, implementation without any particular complication, of very good mechanical properties, good resistance to corrosion, low plastic deformation, and long service life.
  • This particular composition is, by mass:
  • the spring 1 thus produced is of austenitic structure with high mechanical strength, and has a high resistance to fatigue, a high resistance to corrosion, and is non-magnetic.
  • this spring 1 comprises at least one zone with a radius of curvature less than 2.15 mm.
  • the spring 1 according to the invention is a spiral spring, and in particular a spiral barrel spring or an escapement spring spiral mechanism.
  • this spring 1 comprises an inner turn 1 1 which has a radius of curvature less than 2.15 mm, especially less than 0.75 mm.
  • this spring 1 has, at least in its zone of smallest thickness, and particularly at this inner turn 1 1, a thickness less than 0.20 mm, especially less than 0.06 mm.
  • FIG. 1 represents the particular case where the spring 1 is a spiral spring 10 of a barrel.
  • FIG. 2 illustrates a clock spring 10 for winding in a spiral around a shaft 50, and comprising a blade with a first inner turn 1 1 forming a first shell, of a first length L1 between its inner end. and a point A visible in Figure 2, and which is adapted to such a shaft 50 theoretical radius RT given.
  • second turn 2 or second shell the part of the spring which comes directly downstream of this first turn, of the same concavity direction as this first turn 1, in an initial state of production output, and before any assembly on such a shaft and before any arming, in the free state and flat, of the mainspring according to the invention.
  • the upstream side of the spring will be called that of its inner turn 1 1 on the side of its attachment to the barrel shaft, and the downstream side that of its outer turn 4 clinging to the barrel drum.
  • this spring 10 comprises, from the inside to the outside , following the first inner turn 1 1, a second turn 2 of second length L2 (between the point A and a point B inflection visible in Figure 2), same direction of concavity as the first inner turn 1 1.
  • the shape of the spring 10 according to the invention comprises, at any point outside this inflection zone 3, a local radius of curvature RC which is between a minimum radius of curvature RCMIN local and a maximum radius of curvature RCMAX local.
  • This local radius of curvature RC is greater than the minimum radius of curvature RCMIN local to ensure that the leaf spring 10 is solicited at its maximum stress at any point of its curvilinear abscissa from its first arming.
  • this local radius of curvature RC is less than the maximum radius of curvature RCMAX local to ensure that this spring 10 does not break when it is drummed.
  • the second length L2 of said second turn 2 is calculated to obtain a predetermined ratio between the theoretical radius RT on the one hand, and the average thickness EM of spring 10 at the first inner turn 1 1 on the other hand, this predetermined ratio being less than 9.
  • the second developed length L2 of the second turn 2 corresponds to a spiral of at least at least one turn of the spring. 10, so as to reduce the bias of this spring 10 during its first commissioning arming to put it in a state said service, and so as to minimize the local difference in curvature at any point between said state initial state and said service state.
  • the invention makes it possible to go beyond the usual range of use for a spring made of a given material.
  • the invention makes it possible to implement a factor K even lower than the known factors for a given material.
  • this predetermined ratio K is less than 9, and preferably close to 5 or 6.
  • a very low K factor is very favorable because it makes it possible to increase the power reserve of the corresponding cylinder. Indeed, the volume gained results in an increase in the number of turns of development of the mainspring.
  • the second developed length L2 of the second turn 2 corresponds to at least two turns of the spring 10, so as to reduce the bias of the spring 10 during its first commissioning arming to put it in a so-called service, and so as to minimize the local difference in curvature at any point between the initial state and the state of service.
  • the invention also relates to a timepiece 100 having a shaft 50 of theoretical radius RT given, and at least one such spring 10.
  • the invention also relates to a timepiece 200 comprising at least one such cylinder 100, and / or at least one such spring 1 or such a spiral spring 10 according to the invention.

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Abstract

Ressort (1) d'horlogerie en alliage d'acier inoxydable austénitique comportant une base constituée de fer et de chrome. Son épaisseur est inférieure à 0,20 mm. Il comporte en masse: - chrome : valeur mini 15%, valeur maxi 25 %; - manganèse : valeur mini 5%, valeur maxi 25 %; - azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90%; - carbone : valeur mini 0.10%, valeur maxi 1,00 %; - le total des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1,50%; - le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote compris entre 0,125 et 0,550; - impuretés et métaux d'apport à l'exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0%; - fer : le complément à 100 %. Application à un ressort de barillet.

Description

Ressort d'horlogerie en acier inoxydable austénitigue Domaine de l'invention
La présente invention concerne un ressort d'horlogerie réalisé en un alliage d'acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et comportant du manganèse et de l'azote.
L'invention concerne encore un barillet d'horlogerie comportant au moins un tel ressort.
L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie, notamment une montre, incorporant au moins un tel barillet d'horlogerie et/ou un tel ressort.
L'invention concerne le domaine des mouvements d'horlogerie, et en particulier des ressorts-moteurs de barillet, de sonnerie, ou similaire, et des ressorts plats tels que sautoirs, amortisseurs de chocs, ou similaire.
Arrière-plan de l'invention
La tenue et la longévité des ressorts d'horlogerie, notamment de barillet, est un problème ancien. Les fabricants de ressorts d'horlogerie sont toujours à la recherche de matériaux permettant un gain en durée de vie, essentiellement avec une tenue en fatigue améliorée, et un gain en réserve de marche pour les ressorts d'accumulateurs, ressorts de barillet ou ressorts de sonnerie notamment.
L'utilisation d'aciers à haute teneur en carbone a permis, très tôt, d'obtenir les caractéristiques d'élasticité souhaitées, mais leur sensibilité à la corrosion, conjuguée à une utilisation permanente sous des efforts voisins de leur charge de rupture, a souvent conduit à une rupture dès les premiers points de corrosion. De plus, ces aciers tendent à prendre des déformations permanentes, qui altèrent la réserve de marche, car leur limite d'allongement proportionnel est très inférieure à leur limite d'élasticité.
De nombreux alliages ont été testés, dans les compositions les plus diverses, et avec des traitements différents. Les documents BE 475 783, CH 279 670, et US 647 783 et US 2 524 660 au nom de Elgin proposent des solutions avec l'emploi d'un alliage à base cobalt, d'une combinaison chrome- molybdène, et d'une combinaison de nickel, fer et manganèse, avec des procédés d'élaboration complexes, renchérissant le coût du produit.
Le document WO 2005/045532 au nom de Seiko propose un alliage à base de titane, additionné d'éléments du groupe vanadium.
Certains fabricants ont développé des ressorts avec des couches superficielles différentes du matériau à cœur, comme dans le document WO 02/04836 au nom de Seiko, ou le document CH 383 886 au nom de Sandvik, ou le document CH 330 555 au nom de Fabrique Suisse de Ressorts d'Horlogerie, ou le document EP 2 511 229 au nom de GFD-Diamaze, ou encore le document EP 1 422 436 au nom de CSEM.
Des alliages amorphes sont encore connus du document WO2012/01941 au nom de Rolex, avec une forte proportion de bore, ou encore EP 2 133 756 au nom de Rolex (verre métallique), ou encore du document DE 10 201 1 001 783 au nom de Vacuumschmelze.
Tous ces matériaux sont extrêmement coûteux, et aucun produit réellement plus efficace que d'autres pour l'application considérée n'est apparu sur le marché.
De nombreux alliages du négoce pourraient, en pure théorie, convenir pour la fabrication de ressorts horlogers, mais leur expérimentation dans des conditions réelles de production se heurte à de nombreuses limitations, ce qui explique la très faible évolution relative aux matériaux utilisés en horlogerie pour la fabrication de ressorts, surtout de type spiral.
Et, de fait, de très nombreux alliages, qui conviendraient sur le papier, et qui conviennent peut-être en macro-mécanique, en électrotechnique, en machines lourdes, ou similaires, se révèlent absolument inexploitables, dès qu'on tente de les transformer dans des dimensions horlogères.
On connaît, du document CH 703 796 au nom de Générale Ressorts, un alliage d'acier inoxydable azoté comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées. L'alliage décrit dans ce document présente une forte concentration en azote en solution (0.75 à 1 % d'azote). Lors de la fabrication de l'alliage la concentration en azote en solution est difficile à contrôler de manière précise. Or une faible augmentation de la teneur en azote en solution dans l'alliage peut conduire à une perte de la ductilité de l'alliage, ce qui va à rencontre de l'effet recherché pour une matériau devant servir de ressort. Par ailleurs, la teneur en azote a une forte influence sur la cinétique de précipitation des nitrures de chrome, et, lorsque la teneur en azote est de l'ordre de 1 %, la vitesse de trempe de l'alliage qui permet d'éviter l'apparition des nitrures est élevée, ce qui rend l'industrialisation des procédés de traitement de ces alliages délicats et coûteux.
De plus, la fabrication de ressorts à partir de tels alliages est très problématique. La gamme classique d'élaboration consiste à transformer une billette coulée d'alliage par forgeage, laminage, avant l'élaboration par étirage ou tréfilage d'un fil machine d'un diamètre de l'ordre de 6 mm, qui est ensuite écroûté et décapé, avant une série de tréfilages et de laminage à froid : en particulier l'opération d'écroûtage et les opérations de tréfilage se révèlent particulièrement difficiles, voire impossibles quand on cherche à obtenir des ressorts de très petite dimension, notamment des ressorts spiraux de barillet d'horlogerie d'épaisseur inférieure à 0,200 mm, ou encore des ressorts-spiraux de mécanisme d'échappement, pouvant avoir une épaisseur de l'ordre de 0,050 mm.
En effet, ces opérations nécessairement effectuées sur le matériau se traduisent par des élévations de température importantes, de plusieurs dizaines ou centaines de degrés Celsius. Or les aciers à l'azote, avec un taux voisin de 1 % d'azote ou davantage, sont très sensibles à de telles élévations de température, puisque, dès 200 °C environ, peuvent se produire des précipitations de nitrures, ou d'autres composés fragilisants, ce qui interdit toute application horlogère à des alliages dont la composition théorique devrait être satisfaisante pour atteindre les caractéristiques d'élasticité recherchées. La fragilisation se traduit par des fissures dans le fil tréfilé, le rendant impropre au parachèvement.
Une réduction des vitesses d'avance de tréfilage et de laminage peut réduire ces élévations de température, sans toutefois les éliminer ; mais ces avances sont alors si faibles que le coût du matériau devient prohibitif pour une utilisation industrielle. En effet, pour passer d'un diamètre de 6 mm à un diamètre de l'ordre de 0,6mm (c'est-à-dire dans un rapport de section de 100 à 1 ), il faut effectuer entre 30 et 50 opérations successives de tréfilage (il est admis de réduire la section de 9 à 15% à chaque passe), et plutôt environ 50 opérations justement pour limiter les points de chauffe, sans oublier que des opérations de traitement thermique intermédiaires sont également nécessaires. Les aciers à l'azote sont difficiles à produire, leur mise en œuvre est délicate et coûteuse, de ce fait ils ont rencontré peu d'engouement dans le domaine de la mécanique générale ou de précision, les seuls domaines d'application connus étant l'orthodontie, les prothèses, et l'électrotechnique (retaining rings de moteurs ou d'alternateurs), donc essentiellement des applications macroscopiques ou de machines lourdes. La théorie leur attribuant des qualités particulières se heurte ainsi à la pratique de réalisation.
Il n'est donc pas possible d'utiliser n'importe quel alliage à l'azote, en raison de ces inconvénients, pour la fabrication de ressorts horlogers, et il importe de réaliser une sélection très particulière de façon à permettre la réalisation d'un matériau, utilisé comme matière première de type fil, typiquement d'un diamètre de l'ordre de 0,60 à 1 , 00 mm, qui est transformé ensuite notamment par laminage à froid pour obtenir un ressort de section sensiblement rectangulaire.
La problématique du fabricant de ressorts horlogers est alors de déterminer un alliage avec des compositions convenables en azote et en carbone pour rendre possible l'élaboration, d'abord d'une telle matière première de type fil d'un diamètre de quelques dixièmes de mm, ensuite d'un ressort profilé de section sensiblement rectangulaire et d'une épaisseur de quelques centièmes de mm.
Si une particularité évidente des ressorts horlogers est leur dimensionnement particulier, une autre caractéristique consiste dans leur emploi dans des conditions de fatigue métallurgique très particulières : ces ressorts sont en effet soumis en permanence à des efforts proches de leur limite à la rupture, ce qui correspond à une fatigue de type oligocyclique. Un matériau travaillant ainsi en fatique oligocyclique doit être particulièrement parfait, pour éviter toute rupture prématurée après un nombre de cycles réduit.
Si on examine les alliages qui, en théorie, pourraient convenir à la fabrication de ressorts horlogers, on s'intéresse logiquement aux alliages de type austénitique en structure cubique à faces centrées.
Le document US 6682 582 B1 au nom de Speidel BASF décrit différents alliages, avec une forte proportion de chrome (16 à 22%), de 0,08% à 0,30% en masse de carbone, et de 0,30% à 0,70% en masse d'azote, et moins de 9% de manganèse, et moins de 2% de molybdène.
Le document KR 2009 0092144 au nom de Korea Mach. & Materials INST divulgue un alliage manganèse-chrome-nickel-molybdène, avec le total des teneurs en masse du carbone et de l'azote compris entre 0,60% et 0,90%, avec notamment dans certains alliages de la famille une teneur en carbone inférieure à 0,45%, et une teneur en azote inférieure à 0,45%.
Le document JP H02 156047 au nom de Nippon Steel Corp décrit un alliage avec 5 à 25% de manganèse, de 15 à 22% de chrome, de 0,10% à 0,30% de carbone, et de 0,3% à 0,6% d'azote.
La sélection d'un alliage pouvant réellement être transformé pour fabriquer un ressort d'horlogerie est difficile, face à l'abondance de la littérature. De très nombreux documents décrivent en effet des alliages, qui, dans la théorie seulement, pourraient convenir, car étant des alliages austénitiques semblant présenter les particularités recherchées, tels le document JP 2004 137 600 A au nom de Nano Gijustu Kenkyusho, le document JP 2009 249 658 A au nom de Daido Steel Co Ltd, le document FR 2 776 306 A1 au nom de Ugine Savoie SA, ou encore le document DE 196 07 828 A1 au nom de VSG EN & Schmiedetechnik GmbH.
Or, on comprend bien que, si tous les alliages décrits dans ces documents pourraient en théorie convenir, très peu satisfont aux exigences de mise en forme de l'homme du métier, qui doit dès lors se livrer à une expérimentation poussée pour effectuer une sélection, et tester chaque alliage sélectionné en conditions réelles de fabrication, ce qui n'est pas à la portée du simple lecteur de ces documents.
Plus particulièrement, un ressort de barillet, élément moteur d'une montre mécanique, est fabriqué à partir d'un ruban métallique, et est enroulé autour d'un axe et logé dans un tambour de barillet. Le document signé Aurèle MAIRE, dans le Journal Suisse d'horlogerie, vol. 5/6, du 1 janvier 1968, pages 213-219, XP001441388, expose une théorie des barillets à rotation rapide, décrivant la forme libre en clé de sol d'un ressort spiral, et l'optimisation de la géométrie pour une énergie disponible maximale.
La fabrication classique d'un ressort spiral, notamment de barillet, à partir d'une matière première de type fil d'un diamètre de quelques dixièmes de mm (qui est en fait déjà un produit transformé au cours d'un processus extrêmement complexe et long tel que décrit plus haut) est réalisée en plusieurs étapes :
- laminage d'un fil métallique pour obtenir un ruban, - découpe du ruban à une longueur définie, incluant de façon optionnelle la découpe d'une fenêtre à une des extrémités,
- réalisation d'un coquillon à l'extrémité du ruban contenant la fenêtre afin de permettre la fixation du ruban à l'arbre (soit par une fenêtre réalisée dans le ruban si l'arbre contient un crochet, ou bien par friction du ruban sur l'arbre). Cette étape se réalise en deux parties :
- réalisation du premier coquillon qui correspond à un cercle d'un tour ayant un diamètre inférieur à l'axe pour assurer le crochage du crochet dans la fenêtre, ou ce maintien par friction, selon le cas ;
- réalisation d'un deuxième coquillon qui correspond, en pratique, à une spirale de rayon croissant sur environ 0.75 tours afin d'assurer le centrage du coquillon dans le tambour lorsque le ressort est désarmé,
- calandrage du reste du ruban dans le sens inverse du coquillon,
- fixage de la bride,
- mise en tambour.
La particularité du ressort de barillet est que le matériau travaille à sa contrainte maximum tout le long de l'abscisse curviligne grâce à la déformation imposée lors du premier armage. Si le ressort est sorti du tambour, une forme d'équilibre en clé de sol résulte de ce premier armage.
Pour le concepteur horloger qui cherche à réaliser des ressorts avec une bonne tenue et une longévité satisfaisante, et qu'il puisse produire de façon fiable et surtout répétitive, La difficulté est la sélection ou la mise au point d'un alliage permettant d'obtenir les performances requises, et la fabrication de ressorts spiraux comportant au moins une zone d'épaisseur inférieure à 0,200 mm, et/ou comportant au moins une zone de rayon de courbure inférieur à 2,15 mm, et notamment inférieur à 0,75 mm, voire inférieur à 0,60 mm. Le concepteur horloger ne peut donc pas choisir sur catalogue un alliage sur ses seules caractéristiques physiques théoriques, mais il doit expérimenter des gammes de parachèvement particulières, d'une part pour le fil servant de matière première, et d'autre part pour le ressort fini, et déterminer des paramètres propres à la composition et au traitement de l'alliage, qui puissent rendre possible la fabrication de tels fils- ébauches, et de tels ressorts. Résumé de l'invention
L'invention a pour but de réaliser un ressort d'horlogerie ou de joaillerie, notamment un ressort de type spiral tel un ressort-moteur de barillet, ou de sonnerie, ou similaire, ou encore un ressort plat tel que sautoir, amortisseur de chocs, ou similaire, présentant une ductilité améliorée, moins coûteux, et plus facile à produire de manière industrielle, par rapport aux alliages usuels pour la fabrication de tels ressorts.
En effet, les alliages dits à haut taux d'azote (supérieur à 1 % en masse) connus amènent des propriétés mécaniques élevées, mais sont plus difficiles à transformer, car un alliage à haut taux d'azote est fragile, et la cinétique de précipitation des nitrures de chrome est très rapide, ce qui rend difficile la mise en œuvre d'un tel alliage.
A cet effet l'invention a pour objet un ressort d'horlogerie ou de joaillerie réalisé en un alliage d'acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et de type super-austénitique comportant du manganèse et de l'azote,
caractérisé en ce que ledit ressort présente, au moins dans sa zone d'épaisseur la plus faible, une épaisseur inférieure à 0,20 mm,
et encore caractérisé en ce que la composition en masse dudit alliage est :
- chrome : valeur mini 15%, valeur maxi 25 % ;
- manganèse : valeur mini 5%, valeur maxi 25 % ;
- azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90% ;
- carbone : valeur mini 0.10%, valeur maxi 1 ,00 % ;
- avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1 ,50% ;
- avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote compris entre 0,125 et 0,550 ;
- impuretés et métaux d'apport à l'exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0% ;
- fer : le complément à 100 %.
L'invention concerne encore un barillet d'horlogerie comportant au moins un tel ressort.
L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie, notamment une montre, incorporant au moins un tel barillet d'horlogerie et/ou un tel ressort. Grâce une faible teneur en azote, on peut maintenir, en ajoutant du carbone, des propriétés mécaniques élevées tout en améliorant la mise en œuvre industrielle de l'alliage. La faible teneur en azote permet notamment d'améliorer la ductilité de l'alliage. De plus, la présence de carbone supplémentaire peut permettre la formation de carbures améliorant les propriétés mécaniques de l'alliage.
Lorsque cet alliage est utilisé pour la fabrication d'un barillet utilisé comme source d'énergie dans un mouvement horloger mécanique, sa ductilité améliorée permet de réduire le diamètre de coquillonage et par là même d'augmenter, pour un diamètre de tambour de barillet donné, la réserve de marche du mouvement.
Description sommaire des dessins
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 1 représente, de façon schématisée et en perspective, un ressort de barillet selon l'invention, les zones interne de coquillonage et externe de fixation éventuelle de bride n'étant pas détaillées ;
- la figure 2 représente un ressort de barillet selon l'invention, dans sa forme libre en clé de sol, avec une partie sensiblement linéaire dans une zone d'inversion de sens de concavité ;
- la figure 3 illustre, de façon schématisée, une pièce d'horlogerie comportant un barillet équipé d'un ressort selon l'invention. Description détaillée des modes de réalisation préférés
L'invention concerne le domaine des mouvements d'horlogerie, et en particulier des ressorts de stockage d'énergie, de rappel, ou d'amortissement : ressort de type spiral tel un ressort-moteur de barillet, ou de sonnerie, ou similaire, ou encore un ressort plat tel que sautoir, amortisseur de chocs, ou similaire.
L'invention doit faire face au problème de la réalisation de ressorts d'horlogerie de très grande longévité, de petites dimensions, et notamment des ressorts spiraux d'épaisseur inférieure à 0,200 mm. Seule une très longue campagne d'essais permet de tester des alliages théoriquement convenables, et de déterminer le ou les paramètres autorisant la faisabilité dans les performances et dimensions requises.
Tout particulièrement le problème est amplifié quand il s'agit de réaliser un ressort 1 spiral avec une spire interne 1 1 adaptée, dans le cas d'un barillet, à une bonde ou un arbre 50 de très petit diamètre, inférieur à 4,3 mm, et notamment inférieur à 1 ,5 mm, voire inférieur à 1 ,2 mm dans les barillets dits « à diamètre de bonde réduit », ou dans le cas d'un ressort-spiral de mécanisme d'échappement à une virole également de très petit diamètre notamment inférieur à 1 ,5 mm. Les essais métallurgiques sont notamment concentrés en particulier sur les valeurs maximales d'allongement.
La campagne expérimentale montre que l'aptitude à la fabrication d'un tel ressort spiral est directement liée au rapport C/N, entre les taux en masse dans l'alliage du carbone et de l'azote, qui doit être encadrée dans une fourchette spécifique, ainsi qu'aux limites absolues et relatives des teneurs en carbone et en azote. Cette fabrication comporte classiquement une gamme d'ébauche comportant une transformation d'une billette coulée d'alliage par forgeage, laminage, et éventuellement par étirage ou tréfilage pour l'obtention d'un fil machine d'un diamètre de l'ordre de 6 mm, qui est ensuite écroûté et décapé, avant une série d'autres tréfilages séparés par des traitements thermiques de recristallisation. Une gamme de finition s'ensuit, qui peut comporter au moins un autre tréfilage, et au moins un laminage à froid, puis des opérations de finition propres à la mise en géométrie du spiral, notamment selon un profil libre de type dit en clé de sol.
Le cas de la fabrication d'un ressort 1 d'horlogerie spiral comporte la difficulté inhérente à la réalisation d'au moins une zone de très faible rayon de courbure, notamment un rayon de courbure inférieur à 2,15 mm.
Un cas particulier est celui d'un barillet dit à bonde réduite, c'est-à-dire présentant un facteur K inférieur à 9 : lors de la fabrication usuelle d'un ressort de barillet, par expérience, le facteur K (quotient du rayon de l'axe du barillet par l'épaisseur du ruban du ressort) se situe entre 9 et 16 pour s'assurer que le produit ne soit pas fragile et pour permettre sa réalisation. La théorie de l'horlogerie préconise d'avoir un facteur K entre 10 et 16, la valeur 1 1 étant la plus couramment utilisée. Toute réduction du facteur K permet d'augmenter sensiblement le nombre de tours du ressort de barillet, à volume extérieur égal, et donc d'augmenter la réserve de marche de la montre. Cette réduction est liée à la minimisation du diamètre de la bonde, très en-dessous de la valeur de 2,15 mm, et notamment sous la valeur de 1 ,5 mm, ce qui impose que l'alliage choisi, ainsi que son traitement, autorisent la réalisation de rayons de courbure aussi faibles que 2,15 mm ou moins, sans casse ni fragilisation à terme du ressort. La problématique est similaire pour un ressort-spiral de mécanisme d'échappement, dont la spire interne prend appui sur une virole de dimensions comparables à celles de la bonde d'un ressort de barillet.
L'invention permet de définir un alliage d'acier convenant à la fabrication de ressorts d'horlogerie, notamment pour ressort spiral de barillet ou de mécanisme d'échappement, présentant une ductilité améliorée par rapport aux alliages de l'art antérieur.et plus facile à produire de manière industrielle que ces derniers.
L'invention concerne un ressort de 1 d'horlogerie ou de joaillerie réalisé en un alliage d'acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et comportant du manganèse et de l'azote.
Selon l'invention, ce ressort 1 présente, au moins dans sa zone d'épaisseur la plus faible, une épaisseur inférieure à 0,20 mm.
Selon l'invention, la composition en masse de l'alliage de ce ressort 1 est :
- chrome : valeur mini 15%, valeur maxi 25 % ;
- manganèse : valeur mini 5%, valeur maxi 25 % ;
- azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90% ;
- carbone : valeur mini 0.10%, valeur maxi 1 ,00 % ;
- avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1 ,50% ;
- avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote compris entre 0,125 et 0,550 ;
- impuretés et métaux d'apport à l'exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0% ;
- fer : le complément à 100 %.
Plus particulièrement, le total du carbone et de l'azote est compris entre 0,4% et 1 ,5%, et le rapport du carbone sur l'azote est compris entre 0,125 et 0.5. Dans une réalisation particulière, la teneur en masse de l'azote est comprise entre 0,40% et 0,75%.
Dans une réalisation plus particulière, la teneur en masse de l'azote est comprise entre 0,45% et 0,55%.
Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,30%.
Dans une réalisation plus particulière, la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,25%.
Dans une réalisation particulière, le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 1 ,00%.
Dans une réalisation plus particulière, le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 0,80%.
Dans une réalisation particulière, le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote est compris entre 0,250 et 0,550.
Dans une réalisation plus particulière, le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote est compris entre 0,270 et 0,550.
Plus particulièrement, le total du carbone et de l'azote est compris entre 0,4% et 1 ,5%, et le rapport du carbone sur l'azote est compris entre 0,125 et 0.5.
Le choix du domaine où, à la fois :
- le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 0,80%, et
- le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote est compris entre 0,270 et 0,550,
est particulièrement favorable en ce qui concerne la valeur de l'énergie de défaut d'empilement (stacking fault energy).
Selon une variante avantageuse, le total en masse du carbone et de l'azote de l'alliage est compris entre 0,6% et 1 %, et le rapport du carbone sur l'azote de l'alliage est compris entre 0,35 et 0,5.
Selon une variante préférée le total du carbone et de l'azote de l'alliage est compris entre 0,75% et 1 %, et le rapport du carbone sur l'azote de l'alliage est compris entre 0,4 et 0,5. Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du chrome, qui est présent pour assurer la résistance à la corrosion (qui est historiquement un problème majeur pour la tenue des ressorts d'horlogerie, notamment de barillet), est comprise entre 16,0% et 20,0%.
Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du chrome est comprise entre 16,0% et 17,0%.
Selon un mode de réalisation avantageux la teneur en chrome de l'alliage est comprise entre 16% et 20% en masse du total et la teneur en carbone est comprise entre 0.15% et 0.3% en masse du total.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, la teneur en manganèse de l'alliage est comprise entre 10% et 16% en masse du total et de préférence de 1 1% à 13% en masse du total et de préférence, sa teneur en niobium est inférieure à 0,25% en masse du total.
Selon une composition particulière, au moins un desdits métaux d'apport est un élément carburigène pris parmi un ensemble comportant le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane, en remplacement d'une masse équivalente de fer dans l'alliage, avec une teneur en masse comprise entre 0,5% et 10,0 %. Les impuretés et autres métaux d'apport à l'exception du fer sont alors limités à 3%, et notamment à 2%.
Dans une réalisation particulière, cet au moins un élément carburigène est du molybdène, avec une teneur en masse comprise entre 2,5% et 4,2 %. Le molybdène permet d'améliorer la résistance à la corrosion et à la piqûration; il permet la précipitation de carbures de molybdène. Dans une réalisation plus particulière, la teneur en masse du molybdène est comprise entre 2,6% et 2,8%.
Selon encore un autre mode de réalisation l'alliage comporte encore, dans la limite de 0,5% en masse du total, au moins un autre élément carburigène que le molybdène, pris parmi un ensemble comportant le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane, en remplacement d'une masse équivalente de fer dans l'alliage, et l'alliage comporte de préférence moins de 0,5% en masse de nickel.
Dans une réalisation particulière, le total des teneurs en masse des impuretés et des métaux d'apport à l'exception du fer est compris entre 0 et 6,0%.
Dans une réalisation particulière, le total des teneurs en masse des impuretés et des métaux d'apport à l'exception du fer est compris entre 0 et 3,0%. Dans une réalisation particulière, un des métaux d'apport est du nickel. Le nickel favorise, comme le manganèse, la constitution d'une phase austénitique, et améliore la solubilité. Pour une application à un ressort enfermé dans un mouvement, sans contact cutané avec l'utilisateur, il est possible d'inclure quelques pour cent de nickel dans l'alliage sans conséquence négative pour l'utilisateur. Dans une réalisation particulière, la teneur en masse du nickel est comprise entre 0 et 0,10%.
Dans une réalisation particulière, un des métaux d'apport est du niobium, avec une teneur en masse comprise entre 0 et 0,25 %.
La structure austénitique d'un tel alliage est en effet nécessaire pour un ressort, en raison de la bonne déformabilité à froid qu'elle autorise. Elle présente un autre avantage, qui est loin d'être négligeable au cœur d'un mouvement d'horlogerie, lié au caractère amagnétique de l'austénite, contrairement à la ferrite ou à la martensite.
Là encore, le choix d'un taux C/N relativement bas, notamment inférieur à
0,550, suffit à profiter des avantages liés à la présence du carbone, et montre, en comparaison d'un taux C/N supérieur, pour un même total C+N, une aptitude supérieure de l'alliage à prendre une structure austénitique, comme on peut le voir sur des diagrammes d'équilibre de la littérature. De la même façon, un taux d'azote pas trop bas permet de se maintenir éloigné du domaine ferritique.
L'invention permet une fabrication de ressorts d'horlogerie qui est plus économique que celle des ressorts connus de l'art antérieur, qui ont un taux élevé d'azote qui rend leur transformation difficile et coûteuse. En effet, dans ce cas, les procédés d'élaboration doivent être conduits sous une pression élevée (plusieurs atmosphères) ou/et avec des additifs.
C'est pourquoi il est avantageux de remplacer une partie de l'azote par du carbone. Il est connu que la température de transition TT fragile-ductile d'un alliage inoxydable tel que considéré suit approximativement une règle selon laquelle la valeur de TT en Kelvin est proportionnelle au total d'un premier terme égal à 300 fois la teneur en azote et d'un second terme égal à 100 fois la teneur en carbone.
Tout remplacement d'azote par du carbone a donc une influence directe avec une diminution de cette température de transition fragile-ductile. En effet, l'utilisation d'une teneur en azote faible, au niveau de la plus faible teneur en azote des alliages connus de l'art antérieur, permet de maintenir, en ajoutant du carbone, des propriétés mécaniques élevées, par la formation de carbures, tout en améliorant la mise en œuvre industrielle de l'alliage. La faible teneur en azote permet notamment d'améliorer la ductilité de l'alliage. La réduction du taux d'azote est, encore, favorable en ce qui concerne la précipitation des nitrures.
Lorsque on utilise un alliage selon l'invention pour la fabrication d'un ressort de barillet utilisé comme source d'énergie dans un mouvement horloger mécanique, on bénéficie de sa ductilité améliorée, qui permet de réduire le diamètre de coquillonage, et par là-même, d'augmenter la réserve de marche du mouvement, pour un diamètre de tambour de barillet donné.
En ce qui concerne la réalisation industrielle, l'élaboration d'un alliage avec à la fois du carbone et de l'azote, dans ces quantités et proportions, peut être conduite à la pression atmosphérique, ce qui représente un avantage économique certain. Ces taux particuliers de carbone et d'azote, sélectionnés pour l'invention, représentent un bon compromis, où l'alliage comporte assez d'azote pour stabiliser la structure austénitique, et ces compositions particulières donnent les alliages les plus stables.
En sélectionnant des réalisations particulières de l'alliage, on obtient une composition particulière ci-après, convenant particulièrement bien aux ressorts d'horlogerie et plus particulièrement de barillet, avec une élaboration avec un coût acceptable, une mise en œuvre sans complication particulière, de très bonnes caractéristiques mécaniques, une bonne résistance à la corrosion, de faibles déformations plastiques, et une grande longévité. Cette composition particulière est, en masse :
- chrome : valeur mini 16,0%, valeur maxi 17,0 % ;
- manganèse : valeur mini 9,5%, valeur maxi 12,5 % ;
- azote: valeur mini 0,45%, valeur maxi 0.55% ;
- carbone: valeur mini 0.15%, valeur maxi 0,25 % ;
- avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total compris entre 0,60% et 0,80% ;
- avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote compris entre 0,27 et 0,55;
- molybdène: valeur mini 2,6%, valeur maxi 2,8% ;
- impuretés et métaux d'apport à l'exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 3,0% ; - fer : le complément à 100 %.
Le ressort 1 ainsi réalisé est de structure austénitique à haute résistance mécanique, et présente une haute résistance à la fatigue, une haute résistance à la corrosion, et est amagnétique.
Dans une application de type ressort spiral d'horlogerie, de barillet ou de mécanisme d'échappement, ce ressort 1 comporte au moins une zone avec un rayon de courbure inférieur à 2,15 mm.
Dans une application avantageuse, le ressort 1 selon l'invention est un ressort spiral, et notamment un ressort spiral de barillet ou un ressort-spiral de mécanisme d'échappement.
Plus particulièrement, ce ressort 1 comporte une spire interne 1 1 qui comporte un rayon de courbure inférieur à 2,15 mm, notamment inférieur à 0,75mm.
Plus particulièrement, ce ressort 1 présente, au moins dans sa zone d'épaisseur la plus faible, et notamment au niveau de cette spire interne 1 1 , une épaisseur inférieure à 0,20 mm, notamment inférieure à 0,06 mm.
La figure 1 représente le cas particulier où le ressort 1 est un ressort spiral 10 de barillet.
La figure 2 illustre un ressort 10 de barillet d'horlogerie pour l'enroulement en spirale autour d'un arbre 50, et comportant une lame avec une première spire interne 1 1 formant premier coquillon, d'une première longueur L1 entre son extrémité interne et un point A visible sur la figure 2, et qui est adaptée à un tel arbre 50 de rayon théorique RT donné.
On appellera indifféremment, dans la suite de l'exposé:
- première spire 1 ou premier coquillon, pour désigner la spire la plus interne du ressort de barillet, qui est destinée à enserrer l'arbre de barillet sur un tour, et
- deuxième spire 2 ou deuxième coquillon, la partie du ressort qui vient directement en aval de cette première spire, de même sens de concavité que cette première spire 1 , dans un état initial de sortie de fabrication, et avant tout montage sur un tel arbre et avant tout armage, à l'état libre et à plat, du ressort de barillet selon l'invention. On appellera côté amont du ressort celui de sa spire interne 1 1 du côté de sa fixation sur l'arbre de barillet, et côté aval celui de sa spire externe 4 s'accrochant au tambour de barillet.
Selon l'invention, dans un état initial de sortie de fabrication, et avant tout montage sur un tel arbre 50 et avant tout armage, à l'état libre et à plat, ce ressort 10 comporte, de l'intérieur vers l'extérieur, suite à la première spire interne 1 1 , une deuxième spire 2 de deuxième longueur L2 (entre le point A et un point B d'inflexion visible sur la figure 2), de même sens de concavité que la première spire interne 1 1 .
A cette deuxième spire 2 succède, au travers d'une zone d'inflexion 3, un enroulement 4 de sens de concavité opposé à celui de la spire interne 1 1 .
Et la forme du ressort 10 selon l'invention comporte, en tout point hors de cette zone d'inflexion 3, un rayon de courbure RC local qui est compris entre un rayon de courbure minimum RCMIN local et un rayon de courbure maximum RCMAX local.
Ce rayon de courbure RC local est supérieur au rayon de courbure minimum RCMIN local pour assurer que la lame du ressort 10 soit sollicitée à sa contrainte maximale en tout point de son abscisse curviligne dès son premier armage.
Et ce rayon de courbure RC local est inférieur au rayon de courbure maximum RCMAX local pour assurer que ce ressort 10 ne casse pas lors de sa mise en tambour.
Dans le cas préféré d'un facteur K inférieur à 9, la deuxième longueur L2 de ladite deuxième spire 2 est calculée pour l'obtention d'un rapport prédéterminé entre le rayon théorique RT d'une part, et l'épaisseur moyenne EM du ressort 10 au niveau de la première spire interne 1 1 d'autre part, ce rapport prédéterminé étant inférieur à 9.
Afin de pouvoir fabriquer un ressort de barillet à bonde réduite (facteur K très inférieur à 9), il faut réaliser un premier coquillon standard suivi d'un deuxième coquillon de plus de 0.75 tours afin de ne pas dépasser la limite à la rupture du matériau lors de la mise en tambour.
Notamment, dans une application particulière à un ressort 10 réalisé dans un tel alliage selon l'invention, la deuxième longueur développée L2 de la deuxième spire 2 correspond à une spirale d'au moins au moins un tour du ressort 10, de façon à réduire la sollicitation de ce ressort 10 lors de son premier armage de mise en service pour sa mise dans un état dit de service, et de façon à réduire le plus possible la différence locale de courbure en tout point entre ledit état initial et ledit état de service.
En variante, il est possible d'agir sur d'autres paramètres, notamment et non limitativement :
- l'amincissement de la lame près du coquillon ;
- l'application d'un traitement thermique particulier près du coquillon pour améliorer la ductilité du matériau ;
- la constitution de l'alliage constituant le ressort.
L'invention permet d'aller au-delà du domaine d'utilisation habituel, pour un ressort réalisé dans un matériau donné.
L'invention permet de mettre en œuvre un facteur K encore plus bas que les facteurs connus, pour un matériau donné.
Dans l'application particulière de l'invention à un barillet à bonde réduite, ce rapport prédéterminé K est inférieur à 9, et de préférence voisin de 5 ou 6.
Un facteur K très bas est très favorable car il permet d'augmenter la réserve de marche du barillet correspondant. En effet, le volume gagné se traduit par une augmentation du nombre de tours de développement du ressort de barillet.
De façon particulière, la deuxième longueur développée L2 de la deuxième spire 2 correspond à au moins deux tours du ressort 10, de façon à réduire la sollicitation du ressort 10 lors de son premier armage de mise en service pour sa mise dans un état dit de service, et de façon à réduire le plus possible la différence locale de courbure en tout point entre l'état initial et l'état de service.
L'invention concerne encore un barillet 100 d'horlogerie comportant un arbre 50 de rayon théorique RT donné, et au moins un tel ressort 10.
L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie 200 comportant au moins un tel barillet 100, et/ou au moins un tel ressort 1 ou un tel ressort spiral 10 selon l'invention.

Claims

R EVE N D I CATI ON S
1 . Ressort (1 ) d'horlogerie ou de joaillerie réalisé en un alliage d'acier inoxydable comportant une base constituée de fer et de chrome, arrangé selon une structure austénitique cubique à faces centrées, et comportant du manganèse et de l'azote,
caractérisé en ce que ledit ressort (1 ) présente, au moins dans sa zone d'épaisseur la plus faible, une épaisseur inférieure à 0,20 mm,
2,15 mm
et encore caractérisé en ce que la composition en masse dudit alliage est :
- chrome : valeur mini 15%, valeur maxi 25 % ;
- manganèse : valeur mini 5%, valeur maxi 25 % ;
- azote: valeur mini 0,10%, valeur maxi 0.90% ;
- carbone : valeur mini 0.10%, valeur maxi 1 ,00 % ;
- avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total compris entre 0,40% et 1 ,50% ;
- avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote compris entre 0,125 et 0,550 ;
- impuretés et métaux d'apport à l'exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 12,0% ;
fer : le complément à 100 %.
2. Ressort (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la teneur en masse de l'azote est comprise entre 0,40% et 0,75%.
3. Ressort (1 ) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en masse de l'azote est comprise entre 0,45% et 0,55%.
4. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,30%.
5. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du carbone est comprise entre 0,15% et 0,25%.
6. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 1 ,00%.
7. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total est compris entre 0,60% et 0,80%.
8. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote est compris entre 0,250 et 0,550.
9. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote est compris entre 0,270 et 0,550.
10. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en masse du manganèse est comprise entre 9,5% et 12,5%.
11 . Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en masse du chrome est comprise entre 16,0% et 20,0%.
12. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du chrome est comprise entre 16,0% et 17,0%.
13. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un desdits métaux d'apport est un élément carburigène pris parmi un ensemble comportant le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane, avec une teneur en masse comprise entre 0,5% et 10,0 %.
14. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un desdits métaux d'apport est du molybdène, avec une teneur en masse comprise entre 2,5% et 4,2 %.
15. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du molybdène est comprise entre 2,6% et 2,8%.
16. Ressort (1 ) selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que ledit alliage comporte encore, dans la limite de 0,5% en masse du total de l'alliage, au moins un autre élément carburigène que le molybdène, pris parmi un ensemble comportant le tungstène, le vanadium, le niobium, le zirconium, et le titane.
17. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le total des teneurs en masse desdites impuretés et desdits métaux d'apport à l'exception du fer est compris entre 0 et 6,0%.
18. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le total des teneurs en masse desdites impuretés et desdits métaux d'apport à l'exception du fer est compris entre 0 et 3,0%.
19. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un desdits métaux d'apport est du nickel.
20. Ressort (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en masse du nickel est comprise entre 0 et 0,10%.
21 . Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un desdits métaux d'apport est du niobium, avec une teneur en masse comprise entre 0 et 0,25 %.
22. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce sa composition en masse est :
- chrome : valeur mini 16,0%, valeur maxi 17,0 % ;
- manganèse : valeur mini 9,5%, valeur maxi 12,5 % ;
- azote: valeur mini 0,45%, valeur maxi 0.55% ;
- carbone : valeur mini 0.15%, valeur maxi 0,25 % ;
- avec le total (C+N) des teneurs en masse du carbone et de l'azote en proportion du total compris entre 0,60% et 0,80% ;
- avec le rapport (C/N) de la teneur en masse du carbone en proportion du total par rapport à celle de l'azote compris entre 0,27 et 0,55;
- molybdène : valeur mini 2,6%, valeur maxi 2,8% ;
- impuretés et métaux d'apport à l'exception du fer: valeur mini 0%, valeur maxi 3,0% ;
- fer : le complément à 100 %.
23. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ressort (1 ) comporte au moins une zone avec un rayon de courbure inférieur à 2,15 mm.
24. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ressort (1 ) est un ressort spiral qui comporte une spire interne (1 1 ) comportant un rayon de courbure inférieur à 2,15 mm.
25. Ressort (1 ) selon l'une des revendications 23 ou 24, caractérisé en ce que ledit ressort (1 ) comporte au moins une zone avec un rayon de courbure inférieur à 0,75 mm.
26. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un ressort spiral qui présente, au moins dans sa zone d'épaisseur la plus faible au niveau de sa spire interne (1 1 ), une épaisseur inférieure à 0,20 mm.
27. Ressort (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un ressort de barillet (10).
28. Ressort (10) de barillet d'horlogerie selon la revendication 27, pour l'enroulement en spirale autour d'un arbre (50) et comportant une lame avec une première spire interne (1 1 ) formant premier coquillon, d'une première longueur (L1 ), et adaptée à un dit arbre (50) de rayon théorique (RT) donné, caractérisé en ce que, dans un état initial de sortie de fabrication, et avant tout montage sur un tel arbre (50) et avant tout armage, à l'état libre et à plat, ledit ressort (10) comporte, de l'intérieur vers l'extérieur, suite à ladite première spire interne (1 1 ), une deuxième spire (2) de deuxième longueur (L2) de même sens de concavité que ladite première spire interne (1 1 ), à laquelle succède, au travers d'une zone d'inflexion (3), un enroulement (4) de sens de concavité opposé à celui de ladite spire interne (1 1 ), et en ce que la forme dudit ressort (10) comporte en tout point hors de ladite zone d'inflexion un rayon de courbure (RC) local qui est compris entre un rayon de courbure minimum (RCMIN) local et un rayon de courbure maximum (RCMAX) local, ledit rayon de courbure (RC) local étant supérieur audit rayon de courbure minimum (RCMIN) local pour assurer que ladite lame dudit ressort (10) soit sollicitée à sa contrainte maximale en tout point de son abscisse curviligne dès son premier armage, et ledit rayon de courbure (RC) local étant inférieur audit rayon de courbure maximum (RCMAX) local pour assurer que ledit ressort (10) ne casse pas lors de sa mise en tambour.
29. Ressort (10) selon la revendication 28, caractérisé en ce que ladite deuxième longueur développée (L2) de ladite deuxième spire (2) correspond à une spirale d'au moins au moins un tour dudit ressort (10) de façon à réduire la sollicitation dudit ressort (10) lors de son premier armage de mise en service pour sa mise dans un état dit de service, et de façon à réduire le plus possible la différence locale de courbure en tout point entre ledit état initial et ledit état de service.
30. Ressort (10) selon l'une des revendications 28 ou 29, caractérisé en ce que ledit rayon de courbure (RC) local est supérieur audit rayon de courbure minimum (RCMIN) local pour assurer que ladite lame dudit ressort (10) soit sollicitée à sa contrainte maximale en tout point de son abscisse curviligne dès son premier armage.
31 . Ressort (10) selon l'une des revendications 28 à 30, caractérisé en ce que ledit rayon de courbure (RC) local est inférieur audit rayon de courbure maximum (RCMAX) local pour assurer que ledit ressort (10) ne casse pas lors de sa mise en tambour.
32. Barillet (100) d'horlogerie comportant un arbre (50) de rayon théorique (RT) donné, et au moins un ressort (10) selon l'une des revendications 28 à 31.
33. Pièce d'horlogerie (200), notamment une montre, comportant au moins un barillet (100) selon la revendication précédente et/ou un ressort (1 , 10) selon l'une des revendications 1 à 31 .
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