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EP1258786A1 - Spiral auto-compensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral - Google Patents

Spiral auto-compensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral Download PDF

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Publication number
EP1258786A1
EP1258786A1 EP01810497A EP01810497A EP1258786A1 EP 1258786 A1 EP1258786 A1 EP 1258786A1 EP 01810497 A EP01810497 A EP 01810497A EP 01810497 A EP01810497 A EP 01810497A EP 1258786 A1 EP1258786 A1 EP 1258786A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oscillator
cte
spring
coefficient
balance
Prior art date
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Granted
Application number
EP01810497A
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German (de)
English (en)
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Inventor
Jacques Baur
Francois Paschoud
Patrick Sol
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Rolex SA
Original Assignee
Montres Rolex SA
Rolex SA
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/02—Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum
    • 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
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
    • 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
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used

Definitions

  • the present invention relates to a self-compensating hairspring for mechanical balance-spring oscillator watch movement or other precision instrument, in Nb-Hf paramagnetic alloy with a thermal coefficient of the positive Young's module (CTE), able to compensate for thermal expansions of the balance spring and balance.
  • CTE positive Young's module
  • the coefficients of thermal expansion ⁇ b of the most widely used balance wheel materials are in the range of 10 to 20 ppm / ° C.
  • the spiral alloys must therefore have a corresponding self-compensation term.
  • the precision desired for watches requires the ability to adjust the self-compensation term in manufacturing, in a controlled manner, with a tolerance of a few ppm / ° C around the value sought.
  • Ferromagnetic alloys based on iron, nickel or cobalt currently used for the production of hairsprings have an abnormally positive CTE in a range of approximately 30 ° C around room temperature, due to proximity of their Curie temperature. In the vicinity of this temperature, the magnetostrictive effects which decrease the Young's modulus of these alloys disappear, causing an increase in the module. Besides the fact that this range of temperature is relatively narrow, these alloys are sensitive to the effects of magnetic fields. These modify the elastic properties of hairsprings irreversibly and thereby change the natural frequency of the oscillator mechanical. In addition, the elastic properties of ferromagnetic alloys vary with the rate of work hardening cold, which requires controlling this parameter exactly during the production of the hairspring.
  • the CTE values sought for the balance springs produced with this family of alloys are adjusted by treatment thermal precipitation which also fixes the shape final hairspring by relaxation.
  • Document D3 cites in particular as being susceptible to be suitable for the production of balance springs for oscillators watch movements, alloys in which Nb or Ta are combined with Zr, Ti or Hf which found in these alloys in such proportions that they are able to precipitate in two phases.
  • the adjustment of the CTE during the fixing operation is hard to handle. Indeed, the texture that controls the CTE is modified during fixing by recrystallization.
  • the triggering of the recrystallization and its course depend on the concentration oxygen, work hardening rate and temperature. It has been found that with these alloys, the range of temperature on which the recrystallization takes place is very narrow (around 50 ° C).
  • the variation of CTE induced is large, around 150 ppm / ° C between start and the end of recrystallization.
  • the narrow temperature range in which the recrystallization takes place and this strong variation in the CTE makes the adjustment of the CTE of Nb-Zr-O alloys difficult to reproduce.
  • the narrowness of this temperature range is due to the fact that this reaction is triggered by the precipitation of the phases rich in Zr from the solid solution.
  • the object of the present invention is an alloy which allows the disadvantages to be remedied, at least in part of the above-mentioned alloys.
  • the invention therefore relates to a self-compensating hairspring for mechanical balance-spring oscillator watch movement or other precision instrument, in Nb-Hf paramagnetic alloy with a thermal coefficient of the positive Young's module (CTE), able to compensate for thermal expansion of the balance spring and balance wheel, depending on the claim 1.
  • CTE positive Young's module
  • the alloy from which the hairspring object of the invention has several advantages.
  • Hf is in solid solution in Nb on a very wide concentration range (up to 30% at.).
  • the low concentration of Hf necessary for having the required CTE of 13 ppm / ° C improves the deformation capacity hairspring and facilitates wire drawing operations.
  • the Nb-Hf alloy hairspring may still contain a or several additional elements like Ti, Ta, Zr, V, Mo, W, Cr in concentrations such that no precipitation has place during the fixing operation of the hairspring shape.

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Abstract

Ce spiral autocompensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, en alliage paramagnétique Nb-Hf possédant un coefficient thermique du module de Young (CTE) tel, qu'il permet d'annuler substantiellement l'expression: 1 E dE dT +3α s -2α b avec:
  • E: module de Young du spiral de l'oscillateur
  • 1 / E dE / dT = CTE = coefficient thermique du module de Young du spiral de l'oscillateur
  • αs : coefficient de dilatation thermique du spiral de l'oscillateur
  • αb : coefficient de dilatation du balancier de l'oscillateur,
    •    contient entre 2% et 30% at. de Hf.
    Figure 00000001

    Description

    La présente invention se rapporte à un spiral auto-compensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, en alliage paramagnétique Nb-Hf possédant un coefficient thermique du module de Young (CTE) positif, apte à compenser les dilatations thermiques du spiral et du balancier.
    Toutes les méthodes proposées pour compenser ces variations de fréquence sont basées sur la considération que cette fréquence propre dépend exclusivement du rapport entre la constante du couple de rappel exercé par le spiral sur le balancier et le moment d'inertie de ce dernier, comme indiqué dans la relation suivante: F = 12π C I
  • F = fréquence propre de l'oscillateur avec
  • C = constante du couple de rappel exercé par le spiral de l'oscillateur
  • I = moment d'inertie du balancier de l'oscillateur
    • Depuis la découverte des alliages à base de Fe-Ni possédant un coefficient thermique du module de Young (ci-après CTE) positif, la compensation thermique de l'oscillateur mécanique est obtenue en ajustant le CTE du spiral en fonction des coefficients de dilatation thermique du spiral et du balancier. En effet, en exprimant le couple et l'inertie à partir des caractéristiques du spiral et du balancier, puis en dérivant l'équation (1) par rapport à la température, on obtient la variation thermique relative de la fréquence propre:
    Figure 00020001
    avec:
  • E: module de Young du spiral de l'oscillateur 1 / E dE / dT= CTE = coefficient thermique du module de Young du spiral de l'oscillateur
  • αs : coefficient de dilatation thermique du spiral de l'oscillateur
  • αb : coefficient de dilatation thermique du balancier de l'oscillateur
    • En ajustant le terme d'autocompensation A = ½(CTE+3αs ) à la valeur du coefficient de dilatation thermique du balancier, il est possible d'annuler l'équation (2). Ainsi, la variation thermique de la fréquence propre de l'oscillateur mécanique peut être éliminée.
    Les coefficients de dilatation thermique αb des matériaux pour balanciers les plus utilisés, comme les alliages de cuivre, d'argent, d'or, de platine ou d'acier se situent dans un domaine de l'ordre de 10 à 20 ppm/°C. Pour compenser les effets des variations de température sur la fréquence propre des oscillateurs dues à sa dilatation, les alliages pour spiraux doivent donc avoir un terme d'auto-compensation correspondant. La précision désirée pour les montres exige de pouvoir ajuster en fabrication, de manière contrôlée, le terme d'auto-compensation avec une tolérance de quelques ppm/°C autour de la valeur recherchée.
    Les alliages ferromagnétiques à base de fer, nickel ou cobalt utilisés actuellement pour la fabrication des spiraux possèdent un CTE anormalement positif dans une plage d'environ 30°C autour de la température ambiante, dû à la proximité de leur température de Curie. Au voisinage de cette température, les effets magnétostrictifs qui diminuent le module de Young de ces alliages disparaissent, entraínant une augmentation du module. Outre le fait que cette plage de température est relativement étroite, ces alliages sont sensibles aux effets des champs magnétiques. Ceux-ci modifient les propriétés élastiques des spiraux de manière irréversible et changent de ce fait la fréquence propre de l'oscillateur mécanique. En outre, les propriétés élastiques des alliages ferromagnétiques varient avec le taux d'écrouissage à froid, ce qui nécessite de contrôler exactement ce paramètre lors de la fabrication du spiral.
    Les valeurs de CTE recherchées pour les spiraux réalisés avec cette famille d'alliages sont ajustées par un traitement thermique de précipitation qui fixe également la forme définitive du spiral par relaxation.
    On a déjà proposé dans le CH-551 032 (D1), dans le CH-557 557 (D2) et dans le DE-C3-15 58 816 (D3) des alliages paramagnétiques à forte susceptibilité magnétique et coefficient thermique de la susceptibilité négatif, comme alternative aux alliages ferromagnétiques pour la fabrication de spiraux autocompensateurs et de ressorts de précision. Ces alliages possèdent un CTE anormalement positif et ont l'avantage d'avoir des propriétés élastiques insensibles aux champs magnétiques. Leurs propriétés élastiques dépendent de la texture créée lors du tréfilage du spiral, mais peu du taux d'écrouissage, au contraire des alliages ferromagnétiques. De plus, comme mentionné dans le document D3, ces alliages offrent un domaine de compensation thermique des oscillateurs mécaniques qui s'étend sur plus de 100°C autour de la température ambiante.
    Les causes physiques qui créent le CTE anormalement positif de ces alliages paramagnétiques sont expliquées dans les documents susmentionnés. Selon eux, ces alliages possèdent une forte densité d'états électronique au niveau de Fermi, ainsi qu'un fort couplage électron-phonon, ce qui engendre ce comportement anormal du CTE.
    Le document D3 cite en particulier comme étant susceptibles de convenir à la fabrication de spiraux pour oscillateurs de mouvements d'horlogerie, des alliages dans lesquels le Nb ou le Ta sont alliés au Zr, au Ti ou à l'Hf qui se trouvent dans ces alliages dans des proportions telles qu'ils sont capables de précipiter en deux phases.
    On a encore proposé dans le EP 0 886 195 (D4) un alliage Nb-Zr contenant entre 5% et 25% en poids de Zr et au moins 500 ppm en poids d'un agent dopant formé au moins en partie d'oxygène. Avec cet alliage, le CTE est contrôlé par la texture. La précipitation qui se produit au cours du processus de fixage induit une recristallisation qui modifie la texture et permet d'ajuster le CTE. L'oxygène influence la précipitation et la recristallisation et donc le CTE.
    L'ajustement du CTE lors de l'opération de fixage est difficile à maítriser. En effet, la texture qui contrôle le CTE est modifiée au cours du fixage par la recristallisation. Or, dans les alliages de Nb-Zr-O, le déclenchement de la recristallisation et son déroulement dépendent de la concentration d'oxygène, du taux d'écrouissage et de la température. On a constaté qu'avec ces alliages, la plage de température sur laquelle se déroule la recristallisation est très étroite (environ 50°C). De plus, la variation de CTE induite est grande, de l'ordre de 150 ppm/°C entre le début et la fin de recristallisation. L'étroit intervalle de température dans lequel se déroule la recristallisation et cette forte variation du CTE rendent l'ajustement du CTE des alliages Nb-Zr-O difficilement reproductible. L'étroitesse de cet intervalle de température est due au fait que cette réaction est déclenchée par la précipitation des phases riches en Zr à partir de la solution solide.
    Alors que le document D3 se fonde sur la capacité des composants de l'alliage de précipiter en deux phases. Le ressort avec CTE anormalement positif est fabriqué à partir de l'alliage recuit à haute température puis refroidi rapidement de manière à obtenir une solution solide sursaturée. Dans cet état, l'alliage est ensuite déformé à froid à plus de 85%. Cette forte déformation induit une texture favorable à un CTE positif. Pour ajuster le CTE à la valeur désirée, l'alliage est finalement traité thermiquement dans un intervalle de température qui permet la précipitation de la solution solide sursaturée. Les phases qui précipitent à partir de la solution solide ont des CTE plus faibles, ce qui entraíne une diminution du CTE global et permet son ajustement à la valeur désirée. La recristallisation après la précipitation en deux phases est relativement difficile à maítriser. En outre, dans le cas du Hf, la proportion de Hf doit être supérieure à 30% at., puisque jusqu'à cette concentration, cet élément est en solution solide dans le Nb. La capacité de déformation en est donc réduite.
    Le but de la présente invention est un alliage qui permette de remédier, au moins en partie, aux inconvénients des alliages susmentionnés.
    On a découvert, de façon surprenante, que des alliages Nb-Hf avec de très faibles proportions de Hf, c'est-à-dire, des proportions qui se situent bien au-dessous de la limite à partir de laquelle le Hf précipite, permettait d'obtenir un CTE positif, cette limite s'abaissant jusqu'à 2% at.
    L'invention a par conséquent pour objet un spiral autocompensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, en alliage paramagnétique Nb-Hf possédant un coefficient thermique du module de Young (CTE) positif, apte à compenser les dilatations thermiques du spiral et du balancier, selon la revendication 1.
    L'alliage à partir duquel le spiral objet de l'invention est réalisé présente plusieurs avantages.
    Le Hf est en solution solide dans le Nb sur une très large gamme de concentration (jusqu'à 30% at.).
    La contribution du Hf au CTE positif est très forte, de sorte que de faibles proportions de Hf sont nécessaires. C'est ainsi qu'environ 2% at. de Hf suffisent à rendre le CTE positif. Il s'est avéré, après essais, qu'un alliage Nb-Hf 4% at. possède un CTE de 13 ppm/°C après recristallisation partielle, ce qui correspond tout à fait aux valeurs requises dans le cas d'un système balancier-spiral.
    Avec cet alliage Nb-Hf 4% at., l'ajustement du CTE plus facile à maítriser parce que:
  • 1. La variation de CTE au cours de la recristallisation n'est que de 50 ppm/°C, soit trois fois moins que pour un alliage Nb-Zr.
  • 2. La recristallisation n'étant pas déclenchée par une précipitation, elle est plus lente et a lieu sur une très large plage de température (env. 400°C) comme le montre la figure annexée.
    • Enfin, la faible concentration de Hf nécessaire pour avoir le CTE requis de 13 ppm/°C améliore la capacité de déformation du spiral et facilite les opérations de tréfilage.
    Le spiral en alliage de Nb-Hf peut encore contenir un ou plusieurs éléments additionnels comme Ti, Ta, Zr, V, Mo, W, Cr en concentrations telles qu'aucune précipitation n'ait lieu durant l'opération de fixage de la forme du spiral.
    L'effet de l'oxygène sur le spiral Nb-Hf s'est révélé faible, voire nul.

    Claims (3)

    1. Spiral autocompensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, en alliage paramagnétique Nb-Hf possédant un coefficient thermique du module de Young (CTE) tel, qu'il permet d'annuler substantiellement l'expression: 1 E dE dT +3α s - 2α b avec:
      E: module de Young du spiral de l'oscillateur
      1 / E dE / dT= CTE = coefficient thermique du module de Young du spiral de l'oscillateur
      αs : coefficient de dilatation thermique du spiral de l'oscillateur
      αb : coefficient de dilatation du balancier de l'oscillateur,
         caractérisé en ce qu'il contient entre 2% et 30% at. de Hf.
    2. Spiral selon la revendication 1, dans lequel l'alliage comporte au moins un des éléments additionnels suivants : Ti, Ta, Zr, V, Mo, W, Cr en concentrations telles qu'aucune précipitation n'ait lieu au cours de l'opération de fixage de sa forme.
    3. Spiral selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'alliage contient moins de 10% at. de Hf.
    EP01810497A 2001-05-18 2001-05-18 Spiral auto-compensateur pour oscillateur mécanique balancier-spiral Expired - Lifetime EP1258786B1 (fr)

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