CH718455A2 - Spiral spring for a clock movement and process for manufacturing this spiral spring. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ressort spiral destiné à équiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie, caractérisé en ce que le ressort spiral est réalisé dans un alliage constitué : – de Nb, Ti et au moins un élément choisi parmi le V et le Ta, – optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le Zr et Hf, – optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le W et Mo, de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al, avec les pourcentages en poids suivants : o une teneur totale en Nb, V et Ta comprise entre 40 et 85%, o une teneur totale en Ti, Zr et Hf comprise entre 15 et 55%, o une teneur pour respectivement le W et le Mo comprise entre 0 et 2.5%, o une teneur pour chacun desdits éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al comprise entre 0 et 1600 ppm avec la somme desdites traces inférieure ou égale à 0.3% en poids. La présente invention concerne également son procédé de fabrication.The present invention relates to a spiral spring intended to equip a balance wheel of a watch movement, characterized in that the spiral spring is made of an alloy consisting of: - Nb, Ti and at least one element chosen from V and Ta, – optionally at least one element chosen from Zr and Hf, – optionally at least one element chosen from W and Mo, possible traces of other elements chosen from O, H, C, Fe, N , Ni, Si, Cu, Al, with the following percentages by weight: o a total content of Nb, V and Ta between 40 and 85%, o a total content of Ti, Zr and Hf between 15 and 55%, o a content for W and Mo respectively between 0 and 2.5%, o a content for each of said elements chosen from O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al between 0 and 1600 ppm with the sum of said traces less than or equal to 0.3% by weight. The present invention also relates to its method of manufacture.
Description
Domaine de l'inventionField of the invention
[0001] L'invention concerne un ressort spiral destiné à équiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie. Elle se rapporte également au procédé de fabrication de ce ressort spiral. The invention relates to a spiral spring intended to equip a balance wheel of a clock movement. It also relates to the manufacturing process of this spiral spring.
Arrière-plan de l'inventionBackground of the invention
[0002] La fabrication de ressorts spiraux pour l'horlogerie doit faire face à des contraintes souvent à première vue incompatibles : nécessité d'obtention d'une limite élastique élevée, facilité d'élaboration, notamment de tréfilage et de laminage, excellente tenue en fatigue, stabilité des performances dans le temps, faibles sections.[0002] The manufacture of spiral springs for watchmaking must face constraints that are often incompatible at first sight: need to obtain a high elastic limit, ease of production, in particular drawing and rolling, excellent fatigue resistance, stable performance over time, weak sections.
[0003] L'alliage choisi pour un ressort spiral doit en outre présenter des propriétés garantissant le maintien des performances chronométriques malgré la variation des températures d'utilisation d'une montre incorporant un tel ressort spiral. Le coefficient thermoélastique, dit aussi CTE, de l'alliage a alors une grande importance. Pour former un oscillateur chronométrique avec un balancier en CuBe ou en maillechort, un CTE de +/- 10 ppm/°C doit être atteint. [0003] The alloy chosen for a spiral spring must also have properties guaranteeing the maintenance of chronometric performance despite the variation in the temperatures of use of a watch incorporating such a spiral spring. The thermoelastic coefficient, also called CTE, of the alloy is then of great importance. To form a chronometric oscillator with a CuBe or nickel silver balance wheel, a CTE of +/- 10 ppm/°C must be achieved.
[0004] La formule qui lie le CTE de l'alliage et les coefficients de dilatation du spiral (α) et du balancier (β) au coefficient thermique (CT) de l'oscillateur est la suivante : The formula which links the CTE of the alloy and the expansion coefficients of the hairspring (α) and of the balance (β) to the thermal coefficient (CT) of the oscillator is as follows:
les variables M et T étant respectivement la marche en s/j et la température en °C, E étant le module de Young du ressort spiral avec (1/E. dE/dT) qui est le CTE de l'alliage spiral, les coefficients de dilatation étant exprimés en °C<-1>. the variables M and T being respectively the rate in s/d and the temperature in °C, E being the Young's modulus of the spiral spring with (1/E. dE/dT) which is the CTE of the spiral alloy, the expansion coefficients being expressed in °C<-1>.
[0005] Pratiquement, le CT est calculé comme suit : avec une valeur qui doit être comprise entre - 0,6 et + 0,6 s/j°C. [0005] In practice, the CT is calculated as follows: with a value which must be between -0.6 and +0.6 s/d°C.
[0006] De l'art antérieur, on connaît des ressorts spiraux pour l'horlogerie réalisés dans des alliages binaires de Nb-Ti avec des pourcentages en poids de Ti typiquement compris entre 40 et 60% et plus spécifiquement avec un pourcentage de 47%. Avec un schéma de déformation et de traitements thermiques adaptés, ce ressort spiral présente une microstructure biphasée comportant du niobium en phase bêta et du titane sous forme de précipités en phase alpha. Le Nb en phase bêta écroui présente un CTE fortement positif tandis que le Ti en phase alpha possède un CTE fortement négatif permettant de ramener l'alliage biphasé à un CTE proche de zéro, ce qui est particulièrement favorable pour le CT. [0006] From the prior art, there are known spiral springs for watchmaking made of binary Nb-Ti alloys with percentages by weight of Ti typically between 40 and 60% and more specifically with a percentage of 47% . With a suitable deformation and heat treatment scheme, this spiral spring has a two-phase microstructure comprising niobium in the beta phase and titanium in the form of precipitates in the alpha phase. Hardened beta-phase Nb exhibits a strongly positive CTE while alpha-phase Ti possesses a strongly negative CTE allowing the two-phase alloy to be reduced to a CTE close to zero, which is particularly favorable for the CT.
[0007] On observe néanmoins certains désavantages à l'utilisation d'alliages binaires Nb-Ti pour les ressorts spiraux. L'alliage binaire Nb-Ti est particulièrement favorable pour un faible CT comme susmentionné. Par contre, sa composition n'est pas optimisée pour l'erreur secondaire qui est une mesure de la courbure de la marche qui est approximée ci-dessus par une droite passant par deux points (8°C et 38°C). La marche peut s'écarter de ce comportement linéaire entre 8°C et 38°C et l'erreur secondaire à 23°C est une mesure de cet écart à la température de 23°C. Typiquement, pour un alliage NbTi47, l'erreur secondaire est de 4,5 s/j alors que préférablement elle devrait être comprise entre - 3 et + 3 s/j. [0007] There are nevertheless certain disadvantages to the use of Nb-Ti binary alloys for the spiral springs. The Nb-Ti binary alloy is particularly favorable for low CT as mentioned above. On the other hand, its composition is not optimized for the secondary error which is a measure of the curvature of the step which is approximated above by a straight line passing through two points (8°C and 38°C). The rate can deviate from this linear behavior between 8°C and 38°C and the secondary error at 23°C is a measure of this deviation at the temperature of 23°C. Typically, for an NbTi47 alloy, the secondary error is 4.5 s/d whereas preferably it should be between -3 and +3 s/d.
[0008] Un autre désavantage des alliages binaires Nb-Ti est lié à la précipitation du titane qui se déroule principalement après l'étape d'estrapadage lors de l'étape de fixage. Cette étape est cruciale car elle permet de fixer la forme du spiral et d'obtenir le CT proche de zéro suite à la précipitation du Ti. En pratique, les temps de précipitation sont très longs avec, pour un alliage NbTi47, des temps compris entre 8 et 30 heures et en moyenne de l'ordre de 20 heures, ce qui augmente significativement les temps de production. Hormis la problématique des temps de production élevés, un pourcentage trop élevé de titane peut mener à la formation de phases martensitiques fragiles qui rendent la déformation du matériau difficile, voire impossible pour la réalisation d'un ressort spiral. Il convient dès lors de ne pas incorporer trop de titane dans l'alliage. [0008] Another disadvantage of binary Nb-Ti alloys is related to the precipitation of titanium which takes place mainly after the strapping step during the fixing step. This step is crucial because it allows to fix the shape of the hairspring and to obtain the CT close to zero following the precipitation of the Ti. In practice, the precipitation times are very long with, for an NbTi47 alloy, times between 8 and 30 hours and on average around 20 hours, which significantly increases the production times. Apart from the problem of high production times, too high a percentage of titanium can lead to the formation of fragile martensitic phases which make it difficult, if not impossible, to deform the material for the production of a spiral spring. It is therefore advisable not to incorporate too much titanium into the alloy.
[0009] A ce jour, il y a toujours un besoin pour de nouvelles compositions chimiques remplissant les différents critères d'absence de phases fragiles, de réduction des temps de production et de réduction de l'erreur secondaire tout en maintenant un faible CT pour la réalisation de ressorts spiraux. [0009] To date, there is still a need for new chemical compositions fulfilling the various criteria of absence of fragile phases, reduction of production times and reduction of secondary error while maintaining a low CT for production of spiral springs.
Résumé de l'inventionSummary of the invention
[0010] L'invention a pour objet de proposer une nouvelle composition chimique pour ressort spiral permettant de pallier aux inconvénients précités. [0010] The object of the invention is to propose a new chemical composition for a spiral spring making it possible to overcome the aforementioned drawbacks.
[0011] A cet effet, l'invention concerne un ressort spiral d'horlogerie réalisé dans un alliage au moins ternaire avec une base de niobium et de titane. Selon l'invention, le Nb est en partie remplacé par du Ta et/ou du V de manière à réduire l'erreur secondaire. Avantageusement, le Ti est en partie remplacé par du Zr et/ou de l'Hf de manière à accélérer la précipitation, ou en d'autres mots à augmenter la force motrice de précipitation, lors du fixage tout en maintenant un même CT. En outre, la présence d'au moins trois éléments en proportion significative dans l'alliage permet d'améliorer les propriétés mécaniques et en particulier la limite élastique de l'alliage. To this end, the invention relates to a watch spiral spring made of an at least ternary alloy with a base of niobium and titanium. According to the invention, the Nb is partly replaced by Ta and/or V so as to reduce the secondary error. Advantageously, the Ti is partly replaced by Zr and/or Hf so as to accelerate the precipitation, or in other words to increase the driving force of precipitation, during fixing while maintaining the same CT. Furthermore, the presence of at least three elements in a significant proportion in the alloy makes it possible to improve the mechanical properties and in particular the elastic limit of the alloy.
[0012] Plus précisément, la présente invention se rapporte à un ressort spiral destiné à équiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie, ledit ressort spiral étant réalisé dans un alliage au moins ternaire constitué : de Nb, Ti et au moins un élément choisi parmi le V et le Ta, optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le Zr et Hf, optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le W et Mo, de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al,les pourcentages en poids des différents éléments étant les suivants : une teneur totale en Nb, V et Ta comprise entre 40 et 85%, une teneur totale en Ti, Zr et Hf comprise entre 15 et 55%, une teneur pour respectivement le W et le Mo comprise entre 0 et 2.5%, une teneur pour chacun desdits éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al comprise entre 0 et 1600 ppm avec la somme desdites traces inférieure ou égale à 0.3% en poids.More specifically, the present invention relates to a spiral spring intended to equip a balance wheel of a clockwork movement, said spiral spring being made of an at least ternary alloy consisting of: of Nb, Ti and at least one element chosen from V and Ta, optionally at least one element chosen from Zr and Hf, optionally at least one element chosen from W and Mo, possible traces of other elements chosen from O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al, the percentages by weight of the various elements being as follows: a total content of Nb, V and Ta of between 40 and 85%, a total Ti, Zr and Hf content of between 15 and 55%, a content for W and Mo respectively between 0 and 2.5%, a content for each of said elements chosen from O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al of between 0 and 1600 ppm with the sum of said traces less than or equal to 0.3% by weight.
[0013] De préférence, la teneur en poids de Nb est supérieure à 45% afin d'obtenir un pourcentage suffisant de phase bêta ayant un CTE fortement positif destiné à être compensé par le CTE négatif de la phase alpha de Ti,Zr,Hf. [0013] Preferably, the content by weight of Nb is greater than 45% in order to obtain a sufficient percentage of beta phase having a strongly positive CTE intended to be compensated by the negative CTE of the alpha phase of Ti, Zr, Hf .
[0014] De préférence, la teneur en poids de Ti est minimum de 15%. [0014] Preferably, the content by weight of Ti is at least 15%.
[0015] L'invention concerne également le procédé de fabrication de ce ressort spiral d'horlogerie. [0015] The invention also relates to the process for manufacturing this clockwork spiral spring.
[0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après. [0016] Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below.
Description détailléedetailed description
[0017] L'invention concerne un ressort spiral d'horlogerie réalisé dans un alliage au moins ternaire comportant du niobium et du titane et un ou plusieurs éléments additionnels. [0017] The invention relates to a watch spiral spring made of an at least ternary alloy comprising niobium and titanium and one or more additional elements.
[0018] Selon l'invention, cet alliage est constitué: de Nb, Ti et au moins un élément choisi parmi le V et le Ta, optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le Zr et Hf, optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le W et Mo, de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al, avec les pourcentages en poids suivants pour un total de 100% : une teneur totale en Nb, V et Ta comprise entre 40 et 85% avec de préférence une teneur en Nb supérieure à 45%, voire supérieure ou égale à 50%, une teneur totale en Ti, Zr et Hf comprise entre 15 et 55% avec de préférence une teneur en Ti minimum de 15%, une teneur pour respectivement le W et le Mo comprise entre 0 et 2.5%, une teneur pour chacun desdits éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al comprise entre 0 et 1600 ppm avec la somme desdites traces inférieure ou égale à 0.3% en poids.According to the invention, this alloy consists of: of Nb, Ti and at least one element chosen from V and Ta, optionally at least one element chosen from Zr and Hf, optionally at least one element chosen from W and Mo, possible traces of other elements chosen from O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al, with the following weight percentages for a total of 100%: a total Nb, V and Ta content of between 40 and 85% with preferably an Nb content greater than 45%, or even greater than or equal to 50%, a total Ti, Zr and Hf content of between 15 and 55% with preferably a minimum Ti content of 15%, a content for W and Mo respectively between 0 and 2.5%, a content for each of said elements chosen from O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al of between 0 and 1600 ppm with the sum of said traces less than or equal to 0.3% by weight.
[0019] Selon l'invention, le Nb est en partie remplacé par du Ta et/ou du V. Le remplacement partiel du Nb par le Ta et/ou le V a pour objet de réduire l'erreur secondaire. Des essais ont été réalisés sur des alliages binaires Nb-V et Nb-Ta pour montrer respectivement l'effet du V et du Ta sur l'erreur secondaire. L'erreur secondaire est mesurée à 23°C. Il s'agit de l'écart de marche à 23°C par rapport à la droite reliant la marche à 8°C à celle à 38°C. Par exemple, la marche à 8°C, 23°C et 38°C peut être mesurée à l'aide d'un appareil Witschi type chronoscope. According to the invention, the Nb is partly replaced by Ta and/or V. The partial replacement of Nb by Ta and/or V is intended to reduce the secondary error. Tests have been carried out on binary Nb-V and Nb-Ta alloys to show the effect of V and Ta respectively on the secondary error. The secondary error is measured at 23°C. This is the difference in rate at 23°C with respect to the straight line linking the rate at 8°C to that at 38°C. For example, the rate at 8° C., 23° C. and 38° C. can be measured using a Witschi chronoscope-type device.
[0020] Le tableau 1 ci-après reprend des données de référence pour le Nb pur, le V pur, le Ta pur et l'alliage NbTi47 et les valeurs obtenues en fonction du pourcentage en poids de V et de Ta dans un alliage binaire respectivement Nb-V et Nb-Ta. Le Nb pur a une erreur secondaire à 23°C de -6,6 s/j. La précipitation du Ti en phase alpha dans l'alliage NbTi47 compense l'effet négatif du Nb avec cependant une remontée trop importante avec une valeur atteignant 4,5 s/j, soit un delta de 11,1 s/j, suite à l'ajout du Ti. Le vanadium et le tantale purs ont une erreur secondaire nettement plus négative que le Nb pur avec des valeurs respectivement de -24,9 et -28,7 s/j. Le remplacement partiel du Nb par du V et/ou du Ta permet d'abaisser l'erreur secondaire à des valeurs négatives inférieures à -7 s/j. Ainsi, le remplacement croissant du Nb par du V ou du Ta allant de 5% à 25% abaisse l'erreur secondaire d'environ -7 s/j jusqu'à -12 s/j. Le Nb peut ainsi être remplacé par du V ou du Ta ou par une combinaison de V et de Ta pour atteindre cette gamme de valeurs. L'erreur secondaire est comprise entre -7 s/j et -12 s/j pour une teneur de Ta seul, de V seul ou une teneur totale de Ta et V comprise entre 5% et 25% en poids. De préférence, l'erreur secondaire est comprise entre -9 et -12 s/j pour une teneur de Ta seul, de V seul ou une teneur totale de Ta et V comprise entre 10 et 25% et plus préférentiellement entre 15 et 25% en poids. L'ajout dans l'alliage Nb-V/Ta d'un ou plusieurs éléments formant une phase alpha de précipités lors de l'étape de fixage permet de compenser cette valeur négative et d'atteindre une valeur proche de 0 s/j. De préférence, la teneur du ou des éléments formant une phase alpha de précipités est comprise pour l'ensemble de ces éléments entre 15 et 55% en poids. L'élément formant une phase alpha est au moins le Ti avec de préférence une teneur minimum de 15%. Il peut, en plus du Ti, s'agir de l'Hf et/ou du Zr qui forme avec le Ti une unique phase alpha de précipités lors de l'étape de fixage. Lorsque l'alliage comprend du Zr et/ou du Hf, la teneur totale de Zr et d'Hf est comprise entre 1 et 40%, de préférence entre 5 et 25%, plus préférentiellement entre 10 et 25%, encore plus préférentiellement entre 15 et 25% en poids. Niobium pur -6,6 s/j Vanadium pur -24,9 s/j Tantale pur -28,7 s/j NbTi47 4,5 s/j Nb100 0% -6,6 s/j Nb95V5 5% -7,2 s/j Nb90V10 10% -8,6 s/j Nb85V15 15% -9,0 s/j Nb80V20 20% -11,0 s/j Nb75V25 25% -11,5 s/j Nb100 0% -6,6 s/j Nb95Ta5 5% -8,0 s/j Nb90Ta10 10% -8,7 s/j Nb85Ta15 15% -10,5 s/j Nb80Ta20 20% -11,6 s/j Nb75Ta25 25% -12,0 s/jTable 1 below shows reference data for pure Nb, pure V, pure Ta and the NbTi47 alloy and the values obtained as a function of the percentage by weight of V and Ta in a binary alloy. respectively Nb-V and Nb-Ta. Pure Nb has a secondary error at 23°C of -6.6 s/d. The precipitation of Ti in the alpha phase in the NbTi47 alloy compensates for the negative effect of Nb with, however, an excessive rise with a value reaching 4.5 s/d, i.e. a delta of 11.1 s/d, following the addition of Ti. Pure vanadium and pure tantalum have a significantly more negative secondary error than pure Nb with values of -24.9 and -28.7 s/d respectively. The partial replacement of Nb by V and/or Ta makes it possible to lower the secondary error to negative values lower than −7 s/d. Thus, the increasing replacement of Nb by V or Ta ranging from 5% to 25% lowers the secondary error from about -7 s/d to -12 s/d. Nb can thus be replaced by V or Ta or by a combination of V and Ta to reach this range of values. The secondary error is between −7 s/d and −12 s/d for a content of Ta alone, of V alone or a total content of Ta and V comprised between 5% and 25% by weight. Preferably, the secondary error is between -9 and -12 s/d for a content of Ta alone, of V alone or a total content of Ta and V between 10 and 25% and more preferably between 15 and 25% in weight. The addition in the Nb-V/Ta alloy of one or more elements forming an alpha phase of precipitates during the fixing step makes it possible to compensate for this negative value and to reach a value close to 0 s/d. Preferably, the content of the element(s) forming an alpha phase of precipitates is comprised for all of these elements between 15 and 55% by weight. The element forming an alpha phase is at least Ti with preferably a minimum content of 15%. It may, in addition to Ti, be Hf and/or Zr which forms with Ti a single alpha phase of precipitates during the fixing step. When the alloy comprises Zr and/or Hf, the total content of Zr and Hf is between 1 and 40%, preferably between 5 and 25%, more preferably between 10 and 25%, even more preferably between 15 and 25% by weight. Pure niobium -6.6 s/d Pure vanadium -24.9 s/d Pure tantalum -28.7 s/d NbTi47 4.5 s/d Nb100 0% -6.6 s/d Nb95V5 5% -7, 2 s/d Nb90V10 10% -8.6 s/d Nb85V15 15% -9.0 s/d Nb80V20 20% -11.0 s/d Nb75V25 25% -11.5 s/d Nb100 0% -6, 6 s/d Nb95Ta5 5% -8.0 s/d Nb90Ta10 10% -8.7 s/d Nb85Ta15 15% -10.5 s/d Nb80Ta20 20% -11.6 s/d Nb75Ta25 25% -12, 0 s/d
Tableau 1Table 1
[0021] L'alliage peut en outre comporter du W et du Mo dans une teneur en poids pour chacun comprise entre 0 et 2.5% afin d'augmenter le module de Young de l'alliage, ce qui permet pour un couple donné du ressort de réduire l'épaisseur du spiral et par là-même d'alléger le spiral. [0021] The alloy may also comprise W and Mo in a content by weight for each of between 0 and 2.5% in order to increase the Young's modulus of the alloy, which allows for a given torque of the spring to reduce the thickness of the hairspring and thereby lighten the hairspring.
[0022] D'une manière particulièrement avantageuse, l'alliage utilisé dans la présente invention ne comprend pas d'autres éléments à l'exception d'éventuelles et inévitables traces. In a particularly advantageous manner, the alloy used in the present invention does not include other elements except for possible and inevitable traces.
[0023] Plus particulièrement, la teneur en oxygène est inférieure ou égale à 0.10% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.085% en poids du total. More particularly, the oxygen content is less than or equal to 0.10% by weight of the total, or even less than or equal to 0.085% by weight of the total.
[0024] Plus particulièrement, la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0.04% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.020% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0175% en poids du total. More particularly, the carbon content is less than or equal to 0.04% by weight of the total, in particular less than or equal to 0.020% by weight of the total, or even even less than or equal to 0.0175% by weight of the total.
[0025] Plus particulièrement, la teneur en fer est inférieure ou égale à 0.03% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.025% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.020% en poids du total. More particularly, the iron content is less than or equal to 0.03% by weight of the total, in particular less than or equal to 0.025% by weight of the total, or even even less than or equal to 0.020% by weight of the total.
[0026] Plus particulièrement, la teneur en azote est inférieure ou égale à 0.02% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.015% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0075% en poids du total. More particularly, the nitrogen content is less than or equal to 0.02% by weight of the total, in particular less than or equal to 0.015% by weight of the total, or even even less than or equal to 0.0075% by weight of the total.
[0027] Plus particulièrement, la teneur en hydrogène est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.0035% en poids du total, voire encore inférieure ou égale à 0.0005% en poids du total. More particularly, the hydrogen content is less than or equal to 0.01% by weight of the total, in particular less than or equal to 0.0035% by weight of the total, or even even less than or equal to 0.0005% by weight of the total.
[0028] Plus particulièrement, la teneur en silicium est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total. More particularly, the silicon content is less than or equal to 0.01% by weight of the total.
[0029] Plus particulièrement, la teneur en nickel est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.16% en poids du total. More particularly, the nickel content is less than or equal to 0.01% by weight of the total, in particular less than or equal to 0.16% by weight of the total.
[0030] Plus particulièrement, la teneur en cuivre est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total, notamment inférieure ou égale à 0.005% en poids du total. More particularly, the copper content is less than or equal to 0.01% by weight of the total, in particular less than or equal to 0.005% by weight of the total.
[0031] Plus particulièrement, la teneur en aluminium est inférieure ou égale à 0.01% en poids du total. More particularly, the aluminum content is less than or equal to 0.01% by weight of the total.
[0032] De façon avantageuse, ce ressort spiral a une microstructure multi-phasée comportant une unique phase bêta de niobium, de vanadium et/ou de tantale et une unique phase alpha de titane, et d'hafnium et/ou de zirconium lorsque l'alliage comporte de l'hafnium et/ou du zirconium. En présence de tantale et de vanadium, la microstructure pourrait également comporter un intermétallique de type TaV2Pour obtenir une telle microstructure, il est nécessaire de précipiter la phase alpha (Ti, Hf, Zr) par traitement thermique comme décrit ci-après. Advantageously, this spiral spring has a multi-phase microstructure comprising a single beta phase of niobium, vanadium and/or tantalum and a single alpha phase of titanium, and hafnium and/or zirconium when the The alloy comprises hafnium and/or zirconium. In the presence of tantalum and vanadium, the microstructure could also comprise an intermetallic of the TaV2 type. To obtain such a microstructure, it is necessary to precipitate the alpha phase (Ti, Hf, Zr) by heat treatment as described below.
[0033] Le ressort spiral élaboré avec cet alliage a une limite élastique supérieure ou égale à 500 MPa et plus précisément comprise entre 500 et 1000 MPa. De façon avantageuse, il a un module d'élasticité supérieur ou égal à 100 GPa et de préférence supérieur ou égal à 110 GPa. The spiral spring produced with this alloy has an elastic limit greater than or equal to 500 MPa and more precisely between 500 and 1000 MPa. Advantageously, it has a modulus of elasticity greater than or equal to 100 GPa and preferably greater than or equal to 110 GPa.
[0034] L'invention concerne également le procédé de fabrication du ressort spiral d'horlogerie, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre successivement les étapes suivantes : a) élaboration ou mise à disposition d'une ébauche dans un alliage constitué : – de Nb, Ti et au moins un élément choisi parmi le V et le Ta, – optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le Zr et Hf, – optionnellement d'au moins un élément choisi parmi le W et Mo, – de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al, avec les pourcentages en poids suivants pour un total de 100% : o une teneur totale en Nb, V et Ta comprise entre 40 et 85% avec de préférence une teneur en Nb supérieure à 45%, o une teneur totale en Ti, Zr et Hf comprise entre 15 et 55% avec de préférence une teneur en Ti minimum de 15% (borne comprise), o une teneur pour respectivement le W et le Mo comprise entre 0 et 2.5%, o une teneur pour chacun desdits éléments choisis parmi O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al comprise entre 0 et 1600 ppm avec la somme desdites traces inférieure ou égale à 0.3% en poids, b) trempe de type bêta de ladite ébauche, de façon à ce que le titane, et le zirconium et l'hafnium lorsqu'ils sont présents, dudit alliage soit essentiellement sous forme de solution solide avec le niobium ainsi que le tantale et/ou le vanadium en phase bêta ; c) application audit alliage de séquences de déformation suivie d'un traitement thermique. On entend par déformation une déformation par tréfilage et/ou laminage. Le tréfilage peut nécessiter l'utilisation d'une ou plusieurs filières lors d'une même séquence ou lors de différentes séquences si nécessaires. Le tréfilage est réalisé jusqu'à l'obtention d'un fil de section ronde. Le laminage peut être effectué lors de la même séquence de déformation que le tréfilage ou dans une autre séquence. Avantageusement, la dernière séquence appliquée à l'alliage est un laminage de préférence à profil rectangulaire compatible avec la section d'entrée d'une broche d'estrapadage. d) estrapadage pour former un ressort spiral, suivi d'un traitement thermique final de fixage.[0034] The invention also relates to the process for manufacturing the watch spiral spring, characterized in that the following steps are implemented successively: a) production or provision of a blank in an alloy consisting of: - Nb, Ti and at least one element chosen from V and Ta, – optionally at least one element chosen from Zr and Hf, – optionally at least one element chosen from W and Mo, – traces any other elements chosen from O, H, C, Fe, N, Ni, Si, Cu, Al, with the following percentages by weight for a total of 100%: o a total content of Nb, V and Ta of between 40 and 85% with preferably an Nb content greater than 45%, o a total Ti, Zr and Hf content of between 15 and 55% with preferably a minimum Ti content of 15% (limit included), o a content for W and Mo respectively between 0 and 2.5%, o a content for each of said elements chosen from O, H, C, Fe , N, Ni, Si, Cu, Al between 0 and 1600 ppm with the sum of said traces less than or equal to 0.3% by weight, b) beta-type quenching of said blank, so that the titanium, and the zirconium and hafnium when they are present, said alloy is essentially in the form of a solid solution with the niobium as well as the tantalum and/or the vanadium in the beta phase; c) application to said alloy of deformation sequences followed by heat treatment. By deformation is meant a deformation by drawing and/or rolling. The drawing may require the use of one or more dies during the same sequence or during different sequences if necessary. The drawing is carried out until a wire with a round section is obtained. Rolling can be done in the same deformation sequence as wire drawing or in another sequence. Advantageously, the last sequence applied to the alloy is a rolling preferably with a rectangular profile compatible with the entry section of a strapping pin. d) strapping to form a spiral spring, followed by a final fixing heat treatment.
[0035] Dans ces séquences couplées de déformation-traitement thermique, chaque déformation est effectuée avec un taux de déformation donné compris entre 1 et 5, ce taux de déformation répondant à la formule classique 2ln(d0/d), où d0 est le diamètre de la dernière trempe bêta, et où d est le diamètre du fil écroui. Le cumul global des déformations sur l'ensemble de cette succession de séquences amène un taux total de déformation compris entre 1 et 14. Chaque séquence couplée de déformation-traitement thermique comporte, à chaque fois, un traitement thermique de précipitation de la phase alpha (Ti, Zr et/ou Hf). In these coupled deformation-heat treatment sequences, each deformation is carried out with a given deformation rate between 1 and 5, this deformation rate corresponding to the classic formula 2ln(d0/d), where d0 is the diameter of the last beta temper, and where d is the diameter of the work-hardened wire. The global accumulation of the deformations on the whole of this succession of sequences brings a total rate of deformation comprised between 1 and 14. Each sequence coupled with deformation-thermal treatment comprises, each time, a thermal treatment of precipitation of the alpha phase ( Ti, Zr and/or Hf).
[0036] La trempe bêta préalable aux séquences de déformation et de traitement thermique est un traitement de mise en solution, avec une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures à une température comprise entre 700°C et 1000°C, sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz. Plus particulièrement encore, cette trempe bêta est un traitement de mise en solution, d'1 heure à 800°C sous vide, suivie d'un refroidissement sous gaz. The beta quenching prior to the deformation and heat treatment sequences is a solution treatment, with a duration of between 5 minutes and 2 hours at a temperature between 700° C. and 1000° C., under vacuum, followed gas cooling. More particularly still, this beta quenching is a solution treatment, for 1 hour at 800° C. under vacuum, followed by cooling under gas.
[0037] Pour revenir aux séquences couplées de déformation-traitement thermique, le traitement thermique est un traitement de précipitation d'une durée comprise entre 1 heure et 200 heures à une température comprise entre 300°C et 700°C. Plus particulièrement, la durée est comprise entre 5 heures et 30 heures avec une température de maintien comprise entre 400°C et 600°C. To return to the coupled deformation-heat treatment sequences, the heat treatment is a precipitation treatment lasting between 1 hour and 200 hours at a temperature between 300° C. and 700° C. More particularly, the duration is between 5 hours and 30 hours with a holding temperature between 400°C and 600°C.
[0038] Plus particulièrement, le procédé comporte entre une et cinq séquences couplées de déformation-traitement thermique. More particularly, the method comprises between one and five coupled deformation-heat treatment sequences.
[0039] Plus particulièrement, la première séquence couplée de déformation-traitement thermique comporte une première déformation avec au moins 30 % de réduction de section. More particularly, the first coupled deformation-heat treatment sequence includes a first deformation with at least 30% reduction in section.
[0040] Plus particulièrement, chaque séquence couplée de déformation-traitement thermique, autre que la première, comporte une déformation entre deux traitements thermiques avec au moins 25 % de réduction de section. [0040] More particularly, each coupled deformation-heat treatment sequence, other than the first, comprises a deformation between two heat treatments with at least 25% reduction in section.
[0041] Plus particulièrement, après cette élaboration de ladite ébauche en alliage, et avant les séquences de déformation-traitement thermique, dans une étape supplémentaire, on ajoute à l'ébauche une couche superficielle de matériau ductile pris parmi le cuivre, le nickel, le cupro-nickel, le cupro-magnanèse, l'or, l'argent, le nickel-phosphore Ni-P et le nickel-bore Ni-B, ou similaire, pour faciliter la mise en forme sous forme de fil lors de la déformation. Et, après les séquences de déformation-traitement thermique ou après l'étape d'estrapadage, on débarrasse le fil de sa couche du matériau ductile, notamment par attaque chimique. More particularly, after this preparation of said alloy blank, and before the deformation-heat treatment sequences, in an additional step, a surface layer of ductile material taken from copper, nickel, cupro-nickel, cupro-magnanese, gold, silver, nickel-phosphorus Ni-P and nickel-boron Ni-B, or the like, to facilitate shaping into wire form when deformation. And, after the deformation-heat treatment sequences or after the strapping step, the wire is stripped of its layer of ductile material, in particular by chemical attack.
[0042] Dans une variante, on dépose la couche superficielle de matériau ductile de façon à constituer un ressort spiral dont le pas n'est pas un multiple de l'épaisseur de la lame. Dans une autre variante, on dépose la couche superficielle de matériau ductile de façon à constituer un ressort dont le pas est variable. Alternatively, the surface layer of ductile material is deposited so as to form a spiral spring whose pitch is not a multiple of the thickness of the blade. In another variant, the surface layer of ductile material is deposited so as to form a spring whose pitch is variable.
[0043] Dans une application horlogère particulière, du matériau ductile ou du cuivre est ainsi ajouté à un moment donné pour faciliter la mise en forme sous forme de fil, de telle manière à ce qu'il en reste une épaisseur de 10 à 500 micromètres sur le fil au diamètre final de 0.3 à 1 millimètres. Le fil est débarrassé de sa couche de matériau ductile ou cuivre notamment par attaque chimique, puis est laminé à plat avant la fabrication du ressort proprement dit par estrapadage. [0043] In a particular horological application, ductile material or copper is thus added at a given moment to facilitate shaping in the form of a wire, so that a thickness of 10 to 500 micrometers remains. on the wire to the final diameter of 0.3 to 1 mm. The wire is stripped of its layer of ductile material or copper in particular by chemical attack, then is rolled flat before the manufacture of the actual spring by strapping.
[0044] L'apport de matériau ductile ou cuivre peut être galvanique, ou bien mécanique, c'est alors une chemise ou un tube de matériau ductile ou cuivre qui est ajusté sur une barre d'alliage à un gros diamètre, puis qui est amincie au cours des étapes de déformation du barreau composite. [0044] The supply of ductile material or copper can be galvanic, or else mechanical, it is then a jacket or a tube of ductile material or copper which is adjusted on an alloy bar with a large diameter, then which is thinned during the stages of deformation of the composite bar.
[0045] L'enlèvement de la couche est notamment réalisable par attaque chimique, avec une solution à base de cyanures ou à base d'acides, par exemple d'acide nitrique. The removal of the layer is possible in particular by chemical attack, with a solution based on cyanides or based on acids, for example nitric acid.
[0046] Le traitement thermique final est réalisé pendant une durée comprise entre 1 heure et 200 heures à une température comprise entre 300°C et 700°C. Plus particulièrement, la durée est comprise entre 5 heures et 30 heures à une température de maintien comprise entre 400°C et 600°C. Durant ce traitement thermique final, la précipitation de la phase alpha est finalisée. En présence d'hafnium et/ou de zirconium, le temps de traitement final peut être réduit de quelques heures avec typiquement un temps de précipitation compris entre 4 et 8 heures à une température de maintien comprise entre 400°C et 600°C. The final heat treatment is carried out for a period of between 1 hour and 200 hours at a temperature of between 300° C. and 700° C. More particularly, the duration is between 5 hours and 30 hours at a holding temperature between 400°C and 600°C. During this final heat treatment, the precipitation of the alpha phase is finalized. In the presence of hafnium and/or zirconium, the final treatment time can be reduced by a few hours with typically a precipitation time between 4 and 8 hours at a holding temperature between 400°C and 600°C.
[0047] Par une combinaison adéquate de séquences de déformation et de traitement thermique, il est possible d'obtenir une microstructure très fine, en particulier nanométrique, composée de la phase bêta de niobium, tantale et/ou vanadium et de la phase alpha de titane, et de zirconium et/ou d'hafnium si l'alliage comporte un ou deux de ces deux derniers éléments. Cet alliage combine une limite élastique très élevée, supérieure au moins à 500 MPa et un module d'élasticité supérieur ou égal à 100 GPa. Cette combinaison de propriétés convient bien pour un ressort spiral. En outre, cet alliage selon l'invention se laisse facilement recouvrir de matériau ductile ou cuivre, ce qui facilite grandement sa déformation par tréfilage. By a suitable combination of sequences of deformation and heat treatment, it is possible to obtain a very fine microstructure, in particular nanometric, composed of the beta phase of niobium, tantalum and/or vanadium and of the alpha phase of titanium, and zirconium and/or hafnium if the alloy contains one or two of these last two elements. This alloy combines a very high elastic limit, greater than at least 500 MPa and a modulus of elasticity greater than or equal to 100 GPa. This combination of properties is well suited for a spiral spring. In addition, this alloy according to the invention can easily be covered with ductile material or copper, which greatly facilitates its deformation by drawing.
[0048] Un alliage de type au moins ternaire comportant du niobium, du titane, du tantale et/ou du vanadium du type sélectionné ci-dessus pour la mise en oeuvre de l'invention, présente également un effet similaire à celui de l'„Elinvar“, avec un coefficient thermo-élastique pratiquement nul dans la plage de températures d'utilisation usuelle de montres, et apte à la fabrication de spiraux auto-compensateurs. An alloy of at least ternary type comprising niobium, titanium, tantalum and/or vanadium of the type selected above for implementing the invention also has an effect similar to that of „Elinvar“, with a thermo-elastic coefficient practically zero in the temperature range of usual use of watches, and suitable for the manufacture of self-compensating hairsprings.
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