TW201332881A - 用於微機械鐘錶零件的熱處理方法 - Google Patents

Abstract

一種用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，該組件由LIGA方法獲得且顯現非常低的熱慣性。該熱處理方法包含一步驟，該步驟在於局部加熱該微機械鐘錶組件的一區域，以藉由局部的相改變而增加硬度，該組件被加熱足夠短的時間，以致只有被局部加熱的該區域被熱處理影響，該組件之未被處理的部份的相保持不變。

Description

用於微機械鐘錶零件的熱處理方法

本發明關於一種用於微機械鐘錶零件的熱處理方法，特別是關於一種熱處理方法，其目標在於局部修飾微機械鐘錶零件(例如有齒的輪體)的某些物理性質。

有時候為了滿足特定的要求，會尋求局部修飾微機械鐘錶零件的物理性質，例如硬度、磁性、或延展性。特別是在光刻電鑄模造(LIGA)方法更是如此。在時計設計領域中，逐漸頻繁使用該方法。此方法允許以非常卓越之精密度大量生產微機械零件，且其整體成本仍可符合產業製造要求。然而，如同在下文的詳細說明中可見者，使用LIGA方法所獲得的微機械鐘錶零件有時候會有磨耗阻抗的問題待克服。

首字母縮略字“LIGA”來自德文，其為“Lithographie,Galvanoformung,Abformung”的縮寫，各個德文字代表方法的不同步驟。簡言之，使用在鐘錶學領域內的LIGA方法在於經由光微影遮罩將沉積在傳導性基板上的光敏樹脂暴露於於紫外光線。在將樹脂顯影之後，藉由電鍍來實施鍍鋅(galvanization)步驟。在該電鍍步驟期間，金屬被沉積在事先顯影在光敏樹脂層內的微結構中，且該等微結構的輪廓和所欲之零件的形狀相配。最後的步驟在於移除留下來的光敏樹脂層，並分離藉此所獲得的組件。

在鐘錶學的領域內，已多年對LIGA方法感興趣。但是如同從上文已瞭解者，LIGA方法所施加的限制之一是：所使用的材料必須能夠藉由電解來沉積。在鐘錶學的領域內，所使用的第一種材料是鎳。此材料具有能夠以LIGA方法實施的優點。然而，其具有在非晶質狀態中為磁性的缺點，此缺點使得鎳難以用於鐘錶應用。

申請人現在對於使用鎳和磷合金之LIGA方法所獲得的微機械鐘錶零件感興趣，該合金含有重量百分比12%的磷，且下文稱為「NiP12合金」。此NiP12合金具有在非晶質狀態中為非磁性的大優點。然而，由LIGA方法所製成之NiP12合金零件的硬度平均在580 HV等級上。和此相對低硬度直接關聯之磨耗問題顯現在這些微機械鐘錶零件的某些情況中。

面對此磨耗問題，申請人尋求增加藉由LIGA方法所獲得之齒輪的齒部的硬度。在製造實心機械零件領域中的一種已知技術(例如用於航空和機動車產業)，在於局部加熱齒輪的齒部。然而，已知雖然例如使用雷射束局部加熱實心零件有增加被加熱區域之硬度的功效，但是加熱會伴隨著弱化被處理的區域。但是在製造實心機械零件的領域中，零件的熱慣性使得只有被直接加熱的表面經歷相轉變，而零件之大部分的相保持其固有的特性。

但是，在零件通常具有數十至數百微米等級之厚度且罕有超過毫米之尺寸的鐘錶設計領域中，則和上述情況不一樣。

因此，本發明的目的在於藉由提供藉由提供一種用於微機械鐘錶零件的熱處理方法，來克服上述的缺點。該方法局部修飾該等零件的物理性質，而不會因此影響未處理部份的相。

因此本發明關於一種用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其由LIGA方法獲得且具有非常低的熱慣性。該熱處理方法包含一步驟，該步驟在於局部加熱該微機械鐘錶組件的一區域，以藉由局部的相改變而增加該區域的硬度。其中，該組件被加熱的時間足夠地短，以致只有被局部加熱的該區域被熱處理影響，且該組件之未被處理的部份的相保持不變。

由於這些特徵，所以本發明的方法以非常局部的方式，藉由被加熱區域之局部相修正，來改變微機械鐘錶組件的硬度，而不會改變物理性質，不會影響組件之未處理部份的相。

因此，例如本發明能夠以發常局部的方式增加微機械鐘錶組件的硬度，而不會藉此影響組件之未處理部份的相。此點非常重要，因為已知雖然熱處理有將組件之被加熱區域硬化的功效，但是處理的必然結果是被加熱部分變得更脆性。因此重要的是只加熱組件之需要被增加硬度的區域，以避免弱化組件整體。

既然已設定此目標，因此申請人使經由LIGA方法電 鑄或電鍍NiP12所製成之齒輪的齒部遭受局部化或點熱源，例如雷射。

讓申請人大為驚奇的是，觀察發現所提供之齒輪齒部被局部加熱達一段短的時間，可能實質地增加齒部的硬度，而不會因此影響齒輪之未處理部份的相。此結果更顯著，如果此類型之齒輪的熱慣性相對於其尺寸和藉由雷射束所達到的高溫是小的。

藉由齒輪之結晶學的分析來確認此結果，該分析能夠觀察藉由加熱所造成的相轉變。實際上，齒輪之被加熱區域開始時是在非晶質狀態，鎳和磷成份經歷相分離而以鎳和Ni₃P的形式析出。同樣地，齒輪之被加熱區域的硬度相對於NiP12合金的固有硬度增加約50%，而齒輪之未處理部份的硬度確實未改變。最後，觀察到齒輪之未被加熱區域有輕微的磁化，雖然此並無害於含有該齒輪之鐘錶機構的適當運作。

依據補充的特徵，本發明之方法應用至由LIGA方法所獲得且由選自下述群組之材料所製成的任何類型之微機械鐘錶零件，該群組是由鎳、和鎳及磷、鎢或鐵合金所形成，及該方法應用至由習知方法所獲得且由能經歷回火處理之材料所製成的微機械鐘錶零件，例如碳鋼或具有構造性硬化的合金，譬如銅/鈹合金。

依據本發明的另一特徵，使用下述者：雷射束、感應加熱系統、微吹管操作(例如依據水解和水之氫與氧成份再結合的原理)、或用於施加非常局部高密度能量以局部 硬化組件的任何其他系統。以範例的方式，也可能構思藉由小元件(例如已預熱的桿)和待處理的零件之間的接觸、或藉由輻射使已預熱的元件進入待處理區域的附近，而局部加熱組件。

本發明從總體的發明概念進行，該發明概念簡要地在於用非常局部的方式加熱微機械組件，以修飾被加熱區域的硬度。「微機械鐘錶組件」意指任何類型的零件，例如齒輪、有齒的輪體、或其他零件，其使用在時計機心中且藉由將能夠經歷回火處理的材料成型之習知方法或藉由LIGA方法所獲得。事實上，在某些老化試驗期間，實現了藉由LIGA所獲得之具有磷重量百分比12%的鎳/磷組件展現異乎尋常快速的磨耗。為了克服此問題，設想將這些組件(例如齒輪)接觸鄰接組件的區域加以硬化。然而用於增加機械組件之硬度的唯一已知技術在於局部加熱這些組件。雖然加熱這些組件可增加其硬度，但是也伴隨著弱化這些被加熱的區域。此技術被成功地用於所想要的實心零件，例如用於航空或機動車產業。如果考慮零件的尺寸，則這些實心零件確實顯現充份高的熱慣性，以致只有被加熱的區域被熱處理所影響，且零件之未被處理部份的相保持不變。但是在組件具有非常小之尺寸的鐘錶學領域中，則和上述情況不同，而且顯現非常低的熱慣性。儘管如此，申請人對抗這些偏見，藉由以非常局部的方式加熱 微機械鐘錶零件非常短的時間，而實現了可增加被加熱區域的硬度，而不會影響鐘錶組件之未處理部份的相和其機械磨耗。在由具有磷重量百分比12%之鎳磷合金所製成的有齒輪體之特殊情況中，申請人觀察到，局部加熱有齒輪體之齒部的末端伴隨著相轉變。剛開始呈非晶質狀態的合金確實經歷相分離，且鎳和磷成份析出成鎳和Ni₃P的形式。類似地，此種相轉變伴隨著被加熱區域以幾乎2之因子增加其硬度。從後者的現象也可了解，不能設想齒輪的硬度在零件的整體體積中以此比例增加，否則使用習知的驅動技術無法再安裝零件而無破裂的風險。最後，觀察到組件被局部加熱起作用之區域輕微地磁化，雖然該磁化未達到有害的值。

圖1是依據LIGA方法，藉由電鍍或電鑄NiP12所製成之鐘錶組件的零件的上視圖。在所例示的範例中，鐘錶組件是一輪體，藉由總體參考數字1來指示其整體。此輪體1包括轂部2。多個規則地間隔開的齒部4從輪體輻射地延伸。此輪體1包括頂表面6和下表面8。

下表摘要在圖1所例示之輪體1的不同點實施維氏(Vicker)硬度量測。這些硬度量測是在依據LIGA方法藉由電鍍NiP12所獲得之具有相同幾何形狀的兩個不同零件之頂表面6和底表面8上實施。

非晶質NiP12在LIGA方法之後但是在熱處理之前的硬度是590 HV +/- 30 HV。已觀察到：輪體1之轂部2在本發明的熱處理以後包含在605和613 HV之間，取決於所關心的零件和是否在零件的頂表面或底表面進行量測。鑑於上述結果，因此清楚地，輪體1之轂部2的硬度絕不會因為輪體1之齒部4遭受熱處理而受影響。然而，在齒部4的末端被雷射束熱處理以後，齒部的硬度在996和1020 HV之間，取決於所關心的零件和是否在齒部4的頂表面或底表面進行量測。相對於直接從LIGA方法所得到且未熱處理之非晶質材料的硬度，上述雷射束熱處理在齒部之末端的硬度增加約50%的硬度。

基於上述者，觀察到：相對於直接從LIGA法所獲得之非晶質相的NiP12材料，已熱處理區域的硬度以約50%的比例增加。應注意的是觀察到：從電沉積之後非晶質狀態的NiP12材料自200℃起經歷構造變化至相分離狀態，該相分離析出成鎳和磷成分而成鎳和Ni₃P的形式。

不用說也知道本發明不限於實施已描述者，而且熟悉該相技術者可構思各種簡單的變化和轉變，而不會脫離後附各請求項所界定之本發明的範圍。特別地，可構思藉由感應來加熱例如輪體的組件。在此情況中，使用了環，將環放在輪體上，且環的直徑和輪體的外徑相匹配，然後使交流電流入環內。

申請人之發明優點是已可能對抗習知技藝的偏見。確 實可知道，為了增加實心零件之起作用區域的硬度，可加熱這些區域。然而加熱伴隨著弱化和磁化被加熱的區域。但是在實心零件的情況中，此現象並非是問題，因為零件的整體體積不會受影響。小尺寸和低密度之微機械鐘錶組件則並非如此，其可能被認為會受熱處理的影響，甚至在其未被熱處理的部份也可能被認為會受熱處理的影響。剛好相反，申請人成功展示了不僅鐘錶組件(例如輪體)之起作用區域的局部加熱是可能的，而且此加熱只伴隨著被加熱區域的硬化，同時原來的相被保存在組件之未被處理的部份內。本發明的結果是鐘錶組件之起作用的區域被硬化和轂部具有更多的阻抗，其保持延展性和因此可被已習知技術驅動而組裝。

當然應瞭解，取決於特定的要求，可尋求修飾鐘錶組件的其他物理性質。例如可期望製造局部磁化的組件，或者藉由增加或減少延展性而修飾該組件的延展性。應瞭解，本發明的創造性貢獻不僅是局部增加微機械鐘錶組件的硬度，而且此貢獻也非常廣泛地關於藉由熱處理而局部且控制性地修飾該等組件的物理性質。

為了實施本發明的方法，可使用圖2所例示的配件10。配件10採取階梯是圓柱的形式，其具有第一部份12和第二部份14。該第一部份12的外徑大致匹配輪體1之轂部2的內徑。該第二部份14的外徑大於第一部分12的外徑，使得輪體1可被支撐。在申請人的意見中，此配件10扮演成功實施本發明之方法的零件。在圖2所例示之有 齒部的輪體1的情況中，相對於輪體1之轂部2的尺寸，齒部4的尺寸確實是小的，以致輪體1的轂部2當作是散熱器的零件，且熱被擴散在配件10內。因此輪體1之轂部2的溫度從未達到能夠造成相轉變的值，且伴隨增加硬度。

1‧‧‧輪體

2‧‧‧轂部

4‧‧‧齒部

6‧‧‧頂表面

8‧‧‧底表面

10‧‧‧配件

12‧‧‧第一部份

14‧‧‧第二部份

從上文實施本發明之方法的詳細描述，本發明的其他特徵和優點會顯得更清楚。所給的範例純粹是以非限制性例示的方式，並參考所附圖式。圖式包括：圖1是依據LIGA方法之電鑄NiP12所製成的鐘錶組件的透視圖；和圖2是圖1之鐘錶組件安裝在用於實施本發明之方法的配件上的透視圖。

1‧‧‧輪體

2‧‧‧轂部

4‧‧‧齒部

6‧‧‧頂表面

8‧‧‧底表面

Claims (9)

1. 一種用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其由LIGA方法獲得且顯現非常低的熱慣性，該熱處理方法包含一步驟，該步驟在於局部加熱該微機械鐘錶組件的一區域，以藉由局部的相改變而增加該區域的硬度，該組件被加熱的時間足夠地短，以致只有被局部加熱的該區域被熱處理影響，該組件之未被處理的部份的相保持不變。
2. 如申請專利範圍第1項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中為了局部硬化該組件，使用下述者：雷射束、感應加熱系統、微吹管、或已預熱的元件，其藉由直接接觸或輻射來局部地加熱該組件。
3. 如申請專利範圍第1項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中該方法應用至由LIGA方法所獲得且由選自下述群組之材料所製成的任何類型之微機械鐘錶零件，該群組是由鎳、和鎳及磷、鎢或鐵合金所形成，及該方法應用至由習知方法所獲得且由能經歷回火處理之材料所製成的微機械零件，例如碳鋼或具有構造性硬化的合金，譬如銅/鈹合金。
4. 如申請專利範圍第2項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中該方法應用至由LIGA方法所獲得且由選自下述群組之材料所製成的任何類型之微機械鐘錶零件，該群組是由鎳、和鎳及磷、鎢或鐵合金所形成，及該方法應用至由習知方法所獲得且由能經歷回火處理之材料所製成的微機械零件，例如碳鋼或具有構造性硬化的合金，譬 如銅/鈹合金。
5. 如申請專利範圍第1項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中必須被局部加熱之組件的區域被加熱到至少200℃的溫度。
6. 如申請專利範圍第2項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中該組件之必須被局部加熱的區域被加熱到至少200℃的溫度。
7. 如申請專利範圍第3項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中該組件之必須被局部加熱的區域被加熱到至少200℃的溫度。
8. 如申請專利範圍第4項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中該組件之必須被局部加熱的區域被加熱到至少200℃的溫度。
9. 如申請專利範圍第1項之用於微機械鐘錶組件的熱處理方法，其中為了實施該方法，該微機械鐘錶組件被放置在配件上，藉由加熱而感應的熱被擴散在該配件中。