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EP4123393A1 - Hairspring for clock movement - Google Patents

Hairspring for clock movement Download PDF

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Publication number
EP4123393A1
EP4123393A1 EP21187512.5A EP21187512A EP4123393A1 EP 4123393 A1 EP4123393 A1 EP 4123393A1 EP 21187512 A EP21187512 A EP 21187512A EP 4123393 A1 EP4123393 A1 EP 4123393A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spiral spring
spring according
alloy
content
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21187512.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lionel MICHELET
Christian Charbon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nivarox Far SA
Original Assignee
Nivarox Far SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nivarox Far SA filed Critical Nivarox Far SA
Priority to EP21187512.5A priority Critical patent/EP4123393A1/en
Priority to JP2022044945A priority patent/JP7438252B2/en
Priority to US17/657,664 priority patent/US11851737B2/en
Priority to KR1020220051605A priority patent/KR20230015833A/en
Priority to CN202210857448.XA priority patent/CN115685717A/en
Publication of EP4123393A1 publication Critical patent/EP4123393A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04BMECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used
    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04BMECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066Manufacture of the spiral spring
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21FWORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F3/00Coiling wire into particular forms
    • B21F3/02Coiling wire into particular forms helically
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C27/00Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/02Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
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    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a spiral spring intended to equip a balance wheel of a timepiece movement. It also relates to the manufacturing process of this spiral spring.
  • 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.
  • a CTE of +/- 10 ppm/°C must be achieved.
  • CT M 38 °C ⁇ M 8 °C 30 with a value which must be between - 0.6 and + 0.6 s/d°C.
  • 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%.
  • this spiral spring has a two-phase microstructure comprising a solid solution of Nb and Ti in the beta phase and Ti in the form of precipitates in the alpha phase.
  • the solid solution of hardened beta-phase Nb and Ti exhibits a strong positive CTE while the 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. .
  • Nb-Ti binary alloys for spiral springs.
  • the Nb-Ti binary alloy is particularly favorable for low CT as mentioned above.
  • the secondary error is +4.5 s/d whereas preferably it should be between -3 and +3 s/d.
  • the object of the invention is to propose a new manufacturing process and a new chemical composition for a spiral spring making it possible to reduce the secondary error while maintaining a thermal coefficient close to 0.
  • hydrogen is added to the Nb-Ti alloy by thermochemical treatment under a controlled atmosphere during the manufacturing process.
  • thermochemical treatment is carried out on a recrystallized structure.
  • the spiral spring thus produced comprises hydrogen mainly or exclusively in the form of interstitials.
  • the spiral spring produced with the method according to the invention has a breaking load Rm greater than or equal to 500 MPa and more precisely comprised between 800 and 1000 MPa.
  • Rm breaking load
  • the spiral spring produced with the method according to the invention has a modulus of elasticity greater than or equal to 80 GPa and preferably greater than or equal to 90 GPa.
  • the hydrogen content is between 0.2 and 1.5% by weight, more preferably between 0.5 and 1% by weight.
  • the titanium content is between 20 and 60%, preferably between 40 and 50% by weight.
  • the alloy used in the present invention does not include other elements than Ti, Nb and H with the exception of possible and unavoidable traces.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the silicon content is less than or equal to 0.01% by weight of the total.
  • 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.
  • 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.
  • the aluminum content is less than or equal to 0.01% by weight of the total.
  • the alloy is enriched in hydrogen via a thermochemical treatment under an atmosphere comprising a hydrogen carrier gas.
  • the thermochemical treatment can be carried out during the solution heat treatment of step b), during a heat treatment of step c), during the final fixing heat treatment of step e ) or between steps a) and b), b) and c), c) and d), d) and e) or after step e).
  • this treatment is carried out during step e) at the end of the manufacturing process. Carrying out the thermochemical treatment at the end of the manufacturing process makes it possible to avoid a possible release of hydrogen into the atmosphere during a subsequent step which would be carried out, for example, under vacuum. This also makes it possible to fix the geometry of the spring, the thermal coefficient and the secondary error during a single heat treatment.
  • thermochemical treatment is carried out at a holding temperature of between 100 and 900° C., preferably between 500 and 800° C., more preferably between 600 and 700° C. in an atmosphere comprising hydrogen.
  • the thermochemical treatment can be carried out in an atmosphere containing 100% H 2 with an absolute pressure of between 5 mbar and 10 bar, preferably between 0.5 and 7 bar, more preferably between 1 and 6 bar, even more preferably between 3.5 and 4.5 bar.
  • thermochemical treatment can also be carried out in an atmosphere containing a mixture of gases, for example Ar and H 2 , under a total pressure of between 5 mbar and 10 bar, preferably between 0.5 and 7 bar, more preferably between 1 and 6 bar, even more preferentially between 3.5 and 4.5 bar, with a volume percentage of H 2 comprised between 5 and 90%.
  • a mixture of gases for example Ar and H 2
  • the thermochemical treatment is carried out for a time of between 1 minute and 5 hours.
  • the solution treatment and quenching, called beta type, prior to the deformation sequences is a vacuum treatment at a temperature between 600°C and 1000°C with a duration of between 5 minutes and 2 hours, followed by cooling under gas. More particularly still, the treatment is carried out at 800° C. for 1 hour under vacuum and followed by cooling under gas.
  • each deformation sequence 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 hardening beta, and where d is the diameter of the work-hardened wire.
  • the global cumulation of the deformations on the whole of this succession of sequences brings a total rate of deformation included between 1 and 14.
  • the method includes between one and five deformation sequences.
  • the first sequence includes a first deformation with at least 30% section reduction.
  • each sequence other than the first, comprises a deformation with at least 25% reduction in section.
  • This heat treatment can have several purposes: to carry out a beta-type solution treatment and quenching treatment as before, to precipitate the alpha phase of titanium or else to restore/recrystallize the structure.
  • the beta-type solution treatment and quenching is carried out under vacuum at a temperature of between 600° C. and 1000° C. with a duration of between 5 minutes and 2 hours, followed by cooling under gas.
  • the precipitation of the alpha phase of the titanium is carried out at a temperature of between 300 and 500° C. for a time of between 1 hour and 200 hours.
  • the restoration/recrystallization is carried out at a temperature between 500 and 600°C for a time between 30 minutes and 20 hours.
  • step e) 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.
  • the method can also advantageously comprise an additional step taking place after step a) of producing or making available said alloy blank, and before the deformation sequences of step c), is added to the outlines 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 similar, to facilitate shaping into wire form when deforming. And, between the last deformation sequences, after the deformation sequences or after step d) of strapping, we rids the wire of its layer of ductile material, in particular by chemical attack.
  • the surface layer of ductile material is deposited so as to constitute a spiral spring whose pitch is not a multiple of the thickness of the blade.
  • the surface layer of ductile material is deposited so as to form a spring whose pitch is variable.
  • ductile material is thus added at a given moment to facilitate shaping in the form of a wire, in such a way that a thickness of 10 to 500 micrometers remains on the wire at the final diameter. from 0.3 to 1 millimetres.
  • the wire is stripped of its layer of ductile material in particular by chemical attack, then is rolled flat before the manufacture of the actual spring by strapping. Alternatively, the layer of ductile material is removed after flat rolling and before strapping.
  • ductile material can be galvanic, or mechanical, it is then a shirt or a tube of ductile material which is adjusted on an alloy bar with a large diameter, then which is thinned during the stages of deformation of the composite bar.
  • the layer can be removed in particular by chemical attack, with a solution based on cyanides or based on acids, for example nitric acid.
  • thermochemical treatment was carried out during the final fixing heat treatment in step e) under an atmosphere comprising 100% H 2 with the conditions given in Table 1 below.
  • the thermochemical treatment was carried out either on a recrystallized structure (R) having been subjected to sequences of deformation terminated by a heat treatment for recrystallization, or on a hardened structure (E) following sequences of deformation without subsequent heat treatment for recrystallization.
  • CT M 38 °C ⁇ M 8 °C 30 with the same apparatus.
  • Samples 01 to 04 have hydrogen contents between 0.3 and 1% by weight. All the samples have a secondary error between - 3 and + 3 s/d as desired with values close to 0 for the samples treated under a hydrogen pressure of 4 bar.
  • the CT is also contained in the range between -0.6 and +0.6 s/d°C as desired. The optimum is obtained for sample 01 for which the thermochemical treatment was carried out on a recrystallized structure, the thermal coefficient and the secondary error being close of 0 expressed respectively in s/d°C and s/d.
  • This sample has a hydrogen content of the order of 0.6% by weight.
  • thermochemical treatment makes it possible to introduce hydrogen in the form of interstitials without forming hydrides. Furthermore, no precipitation of titanium in the alpha phase is observed. The absence of titanium precipitates is attributed to the presence of hydrogen which stabilizes the beta phase of titanium.

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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, H et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al,avec les pourcentages en poids suivants :- une teneur en Ti comprise entre 1 et 80%,- une teneur en H comprise entre 0.17 et 2%,- une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments inférieure ou égale à 0.3% en poids,- la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb.La présente invention concerne également son procédé de fabrication avec une étape de traitement thermochimique d'une ébauche réalisée dans un alliage de Nb et de Ti dans une atmosphère comprenant de l'hydrogène de façon à enrichir l'alliage de Nb et de Ti avec de l'hydrogène sous forme d'interstitiels.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, H and possible traces of other selected elements among O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al, with the following weight percentages:- a Ti content of between 1 and 80%,- an H content of between 0.17 and 2%,- a total content for all the other elements less than or equal to 0.3% by weight, - the balance to reach 100% being made up of Nb. The present invention also relates to its method of manufacture with a step of thermochemical treatment of a blank produced in an alloy of Nb and Ti in an atmosphere comprising hydrogen so as to enrich the alloy of Nb and Ti with hydrogen in the form of interstitials.

Description

Domaine de l'inventionField of the invention

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 timepiece movement. It also relates to the manufacturing process of this spiral spring.

Arrière-plan de l'inventionBackground of the invention

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.
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.

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.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.

La formule qui lie le CTE de l'alliage et les coefficients de dilatation du spiral (a) et du balancier (β) au coefficient thermique (CT) de l'oscillateur est la suivante : CT = dM dT = 1 2 E dE dT β + 3 2 α × 86400 s j°C

Figure imgb0001
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 formula that links the CTE of the alloy and the expansion coefficients of the hairspring (a) and the balance wheel (β) to the thermal coefficient (CT) of the oscillator is as follows: CT = dM dT = 1 2 E of dT β + 3 2 α × 86400 s j°C
Figure imgb0001
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.

Pratiquement, le CT est calculé comme suit : CT = M 38 °C M 8 °C 30

Figure imgb0002
avec une valeur qui doit être comprise entre - 0,6 et + 0,6 s/j°C.Practically, the CT is calculated as follows: CT = M 38 °C M 8 °C 30
Figure imgb0002
with a value which must be between - 0.6 and + 0.6 s/d°C.

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 une solution solide de Nb et Ti en phase bêta et du Ti sous forme de précipités en phase alpha. La solution solide de Nb et Ti 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.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 a solid solution of Nb and Ti in the beta phase and Ti in the form of precipitates in the alpha phase. The solid solution of hardened beta-phase Nb and Ti exhibits a strong positive CTE while the 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. .

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. Elle est calculée selon la formule suivante : ES 23 °C = M 23 °C M 8 °C + M 38 °C 2

Figure imgb0003
There are nevertheless certain disadvantages to the use of Nb-Ti binary alloys for 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. It is calculated according to the following formula: ES 23 °C = M 23 °C M 8 °C + M 38 °C 2
Figure imgb0003

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.Typically, for an NbTi47 alloy, the secondary error is +4.5 s/d whereas preferably it should be between -3 and +3 s/d.

Résumé de l'inventionSummary of the invention

L'invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de fabrication et une nouvelle composition chimique pour ressort spiral permettant de réduire l'erreur secondaire tout en maintenant un coefficient thermique proche de 0.The object of the invention is to propose a new manufacturing process and a new chemical composition for a spiral spring making it possible to reduce the secondary error while maintaining a thermal coefficient close to 0.

A cet effet, l'invention concerne un ressort spiral d'horlogerie réalisé dans un alliage de niobium, de titane et d'hydrogène. Plus précisément, le ressort spiral est réalisé dans un alliage constitué :

  • de Nb, Ti, H et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al,
avec les pourcentages en poids suivants :
  • une teneur en Ti comprise entre 1 et 80%,
  • une teneur en H comprise entre 0.17 et 2%,
  • une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments inférieure ou égale à 0.3% en poids,
  • la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb.
To this end, the invention relates to a watch spiral spring made of an alloy of niobium, titanium and hydrogen. More specifically, the spiral spring is made of an alloy consisting of:
  • of Nb, Ti, H and possible traces of other elements chosen from O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al,
with the following weight percentages:
  • a Ti content of between 1 and 80%,
  • an H content of between 0.17 and 2%,
  • a total content for all other elements less than or equal to 0.3% by weight,
  • the balance to reach 100% being made up of Nb.

L'ajout d'hydrogène permet de réaliser un ressort spiral avec une erreur secondaire proche de 0 et simultanément avec un coefficient thermique proche de 0.The addition of hydrogen makes it possible to produce a spiral spring with a secondary error close to 0 and simultaneously with a thermal coefficient close to 0.

Selon l'invention, l'hydrogène est ajouté à l'alliage de Nb-Ti par traitement thermochimique sous atmosphère contrôlée lors du procédé de fabrication.According to the invention, hydrogen is added to the Nb-Ti alloy by thermochemical treatment under a controlled atmosphere during the manufacturing process.

Plus précisément, le procédé de fabrication comprend successivement :

  1. a) une étape d'élaboration ou de mise à disposition d'une ébauche réalisée dans un alliage constitué de Nb, Ti et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al, avec une teneur en Ti comprise entre 1 et 80% et une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments inférieure ou égale à 0.3% en poids, la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb,
  2. b) une étape de traitement de mise en solution et de trempe de type bêta de ladite ébauche, de façon à ce que le titane et le niobium dudit alliage soient essentiellement sous forme de solution solide en phase bêta,
  3. c) une étape d'application audit alliage d'une succession de séquences de déformation avec optionnellement au moins un traitement thermique entre deux séquences et/ou après la succession de séquences de déformation,
  4. d) une étape d'estrapadage pour former le ressort spiral,
  5. e) une étape de traitement thermique final, dite de fixage,
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de traitement thermochimique dans une atmosphère comprenant de l'hydrogène, ladite étape de traitement thermochimique étant réalisée lors du traitement de mise en solution de l'étape b), lors d'un traitement thermique de l'étape c), lors du traitement thermique final de l'étape e), avant l'étape b), entre les étapes b) et c), entre les étapes c) et d), entre les étapes d) et e) ou après l'étape e).More specifically, the manufacturing process successively comprises:
  1. a) a step of producing or making available a blank made of an alloy consisting of Nb, Ti and possible traces of other elements chosen from O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al , with a Ti content between 1 and 80% and a total content for all the other elements less than or equal to 0.3% by weight, the balance to reach 100% being made up of Nb,
  2. b) a beta-type solution treatment and quenching step of said blank, so that the titanium and niobium of said alloy are essentially in the form of a solid solution in the beta phase,
  3. c) a step of applying to said alloy a succession of deformation sequences with optionally at least one heat treatment between two sequences and/or after the succession of deformation sequences,
  4. d) a strapping step to form the spiral spring,
  5. e) a final heat treatment step, called fixing,
the method being characterized in that it comprises an additional thermochemical treatment step in an atmosphere comprising hydrogen, said thermochemical treatment step being carried out during the solution treatment of step b), during a heat treatment of step c), during the final heat treatment of step e), before step b), between steps b) and c), between steps c) and d), between steps d ) and e) or after step e).

Avantageusement, le traitement thermochimique est réalisé sur une structure recristallisée.Advantageously, the thermochemical treatment is carried out on a recrystallized structure.

Le ressort spiral ainsi élaboré comporte de l'hydrogène majoritairement ou exclusivement sous forme d'interstitiels. On entend par majoritairement, par opposition à exclusivement, que la présence très locale en faible proportion d'hydrures ne peut pas être exclue. Concernant sa microstructure, elle est formée d'une unique phase bêta de Nb et Ti en solution solide.The spiral spring thus produced comprises hydrogen mainly or exclusively in the form of interstitials. By predominantly, as opposed to exclusively, we mean that the very presence local in low proportion of hydrides cannot be excluded. Regarding its microstructure, it is formed of a single beta phase of Nb and Ti in solid solution.

Outre sa faible erreur secondaire et son faible coefficient thermique, le ressort spiral élaboré avec le procédé selon l'invention a une charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 500 MPa et plus précisément comprise entre 800 et 1000 MPa. De façon avantageuse, il a un module d'élasticité supérieur ou égal à 80 GPa et de préférence supérieur ou égal à 90 GPa.In addition to its low secondary error and its low thermal coefficient, the spiral spring produced with the method according to the invention has a breaking load Rm greater than or equal to 500 MPa and more precisely comprised between 800 and 1000 MPa. Advantageously, it has a modulus of elasticity greater than or equal to 80 GPa and preferably greater than or equal to 90 GPa.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below.

Brève description des figuresBrief description of figures

  • La figure 1 représente l'erreur secondaire en fonction du coefficient thermique pour des nuances ternaires Nb-Ti-H selon l'invention avec 47% de Ti.The figure 1 represents the secondary error as a function of the thermal coefficient for ternary Nb-Ti-H grades according to the invention with 47% Ti.
  • La figure 2 représente l'erreur secondaire en fonction du coefficient thermique pour des nuances binaires Nb-Ti selon l'art antérieur avec 47% de Ti.The figure 2 represents the secondary error as a function of the thermal coefficient for Nb-Ti binary shades according to the prior art with 47% Ti.
  • La figure 3 représente la variation du module de Young avec la température pour un alliage Nb-Ti-H selon l'invention ayant été soumis à un traitement thermochimique à 652°C pendant 15 minutes sous 4 bar d'hydrogène. Dans la représentation, le module de Young est normalisé par rapport au module de Young à 23°C.The picture 3 represents the variation of the Young's modulus with temperature for an Nb—Ti—H alloy according to the invention having been subjected to a thermochemical treatment at 652° C. for 15 minutes under 4 bar of hydrogen. In the representation, Young's modulus is normalized to Young's modulus at 23°C.
  • La figure 4 représente pour ce même alliage le spectre de diffraction des rayons X (spectre XRD).The figure 4 represents for this same alloy the X-ray diffraction spectrum (XRD spectrum).
  • La figure 5 représente pour le pic de gauche (Inv) un agrandissement de ce spectre XRD centré sur θ=39° avec à droite le pic de référence (Ref) en l'absence de traitement thermochimique.The figure 5 represents for the left peak (Inv) an enlargement of this XRD spectrum centered on θ=39° with on the right the reference peak (Ref) in the absence of thermochemical treatment.
Description détailléedetailed description

L'invention concerne un ressort spiral d'horlogerie réalisé dans un alliage de niobium (Nb), de titane (Ti) et d'hydrogène (H). Plus précisément, l'alliage est constitué :

  • de Nb, Ti, H et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al,
avec les pourcentages en poids suivants :
  • une teneur en Ti comprise entre 1 et 80%,
  • une teneur en H comprise entre 0.17 et 2%,
  • une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments présents sous forme de traces inférieure ou égale à 0.3% en poids,
  • la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb.
The invention relates to a watch spiral spring made of an alloy of niobium (Nb), titanium (Ti) and hydrogen (H). More specifically, the alloy consists of:
  • of Nb, Ti, H and possible traces of other elements chosen from O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al,
with the following weight percentages:
  • a Ti content of between 1 and 80%,
  • an H content of between 0.17 and 2%,
  • a total content for all the other elements present in the form of traces less than or equal to 0.3% by weight,
  • the balance to reach 100% being made up of Nb.

De préférence, la teneur en hydrogène est comprise entre 0.2 et 1.5% en poids, plus préférentiellement entre 0.5 et 1% en poids.Preferably, the hydrogen content is between 0.2 and 1.5% by weight, more preferably between 0.5 and 1% by weight.

De préférence, la teneur en titane est comprise entre 20 et 60%, de préférence entre 40 et 50% en poids.Preferably, the titanium content is between 20 and 60%, preferably between 40 and 50% by weight.

L'alliage utilisé dans la présente invention ne comprend pas d'autres éléments que le Ti, Nb et H à l'exception des éventuelles et inévitables traces.The alloy used in the present invention does not include other elements than Ti, Nb and H with the exception of possible and unavoidable traces.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Selon l'invention, l'alliage est enrichi en hydrogène via un traitement thermochimique sous une atmosphère comprenant un gaz porteur en hydrogène.According to the invention, the alloy is enriched in hydrogen via a thermochemical treatment under an atmosphere comprising a hydrogen carrier gas.

Ce traitement thermochimique peut être réalisé à différentes étapes du procédé de fabrication du ressort spiral, les étapes du procédé étant les suivantes :

  1. a) élaboration ou mise à disposition d'une ébauche réalisée dans un alliage constitué de Nb, Ti et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al, avec une teneur en Ti comprise entre 1 et 80% et une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments inférieure ou égale à 0.3% en poids, la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb,
  2. b) traitement de mise en solution et de trempe, dite de type bêta, de ladite ébauche, de façon à ce que le titane et le niobium soient essentiellement sous forme de solution solide en phase bêta,
  3. c) application audit alliage de séquences de déformation avec optionnellement un ou plusieurs traitements thermiques. 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 nécessaire. 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,
  4. d) estrapadage pour former un ressort spiral,
  5. e) traitement thermique final de fixage.
This thermochemical treatment can be carried out at different stages of the process for manufacturing the spiral spring, the stages of the process being as follows:
  1. a) production or provision of a blank made of an alloy consisting of Nb, Ti and possible traces of other elements chosen from O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al, with a content of Ti between 1 and 80% and a total content for all other elements less than or equal to 0.3% by weight, the balance to reach 100% being made up of Nb,
  2. b) solution treatment and quenching, called beta type, of said blank, so that the titanium and niobium are essentially in the form of a solid solution in the beta phase,
  3. c) application to said alloy of deformation sequences with optionally one or more heat treatments. By deformation is meant a deformation by drawing and/or rolling. 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,
  4. d) strapping to form a spiral spring,
  5. e) final fixing heat treatment.

Selon l'invention, le traitement thermochimique peut être réalisé lors du traitement de mise en solution de l'étape b), lors d'un traitement thermique de l'étape c), lors du traitement thermique final de fixage de l'étape e) ou entre les étapes a) et b), b) et c), c) et d), d) et e) ou après l'étape e). Avantageusement, ce traitement est réalisé lors de l'étape e) à la fin du procédé de fabrication. Réaliser le traitement thermochimique à la fin du procédé de fabrication permet d'éviter un éventuel relargage de l'hydrogène dans l'atmosphère lors d'une étape ultérieure qui serait effectuée, par exemple, sous vide. Cela permet également de fixer lors d'un seul traitement thermique la géométrie du ressort, le coefficient thermique et l'erreur secondaire.According to the invention, the thermochemical treatment can be carried out during the solution heat treatment of step b), during a heat treatment of step c), during the final fixing heat treatment of step e ) or between steps a) and b), b) and c), c) and d), d) and e) or after step e). Advantageously, this treatment is carried out during step e) at the end of the manufacturing process. Carrying out the thermochemical treatment at the end of the manufacturing process makes it possible to avoid a possible release of hydrogen into the atmosphere during a subsequent step which would be carried out, for example, under vacuum. This also makes it possible to fix the geometry of the spring, the thermal coefficient and the secondary error during a single heat treatment.

Le traitement thermochimique est réalisé à une température de maintien comprise entre 100 et 900°C, de préférence entre 500 et 800°C, plus préférentiellement entre 600 et 700°C dans une atmosphère comprenant de l'hydrogène. Le traitement thermochimique peut être réalisé dans une atmosphère contenant 100% d'H2 avec une pression absolue comprise entre 5 mbar et 10 bar, de préférence entre 0.5 et 7 bar, plus préférentiellement entre 1 et 6 bar, encore plus préférentiellement entre 3.5 et 4.5 bar. Le traitement thermochimique peut également être réalisé dans une atmosphère contenant un mélange de gaz, par exemple d'Ar et d'H2, sous une pression totale comprise entre 5 mbar et 10 bar, de préférence entre 0.5 et 7 bar, plus préférentiellement entre 1 et 6 bar, encore plus préférentiellement entre 3.5 et 4.5 bar, avec un pourcentage volumique d'H2 compris entre 5 et 90%. Avantageusement, le traitement thermochimique est réalisé pendant un temps compris entre 1 minute et 5 heures.The thermochemical treatment is carried out at a holding temperature of between 100 and 900° C., preferably between 500 and 800° C., more preferably between 600 and 700° C. in an atmosphere comprising hydrogen. The thermochemical treatment can be carried out in an atmosphere containing 100% H 2 with an absolute pressure of between 5 mbar and 10 bar, preferably between 0.5 and 7 bar, more preferably between 1 and 6 bar, even more preferably between 3.5 and 4.5 bar. The thermochemical treatment can also be carried out in an atmosphere containing a mixture of gases, for example Ar and H 2 , under a total pressure of between 5 mbar and 10 bar, preferably between 0.5 and 7 bar, more preferably between 1 and 6 bar, even more preferentially between 3.5 and 4.5 bar, with a volume percentage of H 2 comprised between 5 and 90%. Advantageously, the thermochemical treatment is carried out for a time of between 1 minute and 5 hours.

A l'étape b), le traitement de mise en solution et de trempe, dite type bêta, préalable aux séquences de déformation est un traitement sous vide à une température comprise entre 600°C et 1000°C avec une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures, suivi d'un refroidissement sous gaz. Plus particulièrement encore, le traitement est réalisé à 800°C pendant 1 heure sous vide et suivi d'un refroidissement sous gaz.In step b), the solution treatment and quenching, called beta type, prior to the deformation sequences is a vacuum treatment at a temperature between 600°C and 1000°C with a duration of between 5 minutes and 2 hours, followed by cooling under gas. More particularly still, the treatment is carried out at 800° C. for 1 hour under vacuum and followed by cooling under gas.

A l'étape c), chaque séquence de 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.In step c), each deformation sequence 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 hardening beta, and where d is the diameter of the work-hardened wire. The global cumulation of the deformations on the whole of this succession of sequences brings a total rate of deformation included between 1 and 14.

Plus particulièrement, le procédé comporte entre une et cinq séquences de déformation.More particularly, the method includes between one and five deformation sequences.

Plus particulièrement, la première séquence comporte une première déformation avec au moins 30 % de réduction de section.More particularly, the first sequence includes a first deformation with at least 30% section reduction.

Plus particulièrement, chaque séquence, autre que la première, comporte une déformation avec au moins 25 % de réduction de section.More particularly, each sequence, other than the first, comprises a deformation with at least 25% reduction in section.

Entre les séquences de déformation et/ou après l'ensemble des séquences de déformation, il est possible de réaliser un traitement thermique. Ce traitement thermique peut avoir plusieurs buts : réaliser un traitement de mise en solution et de trempe de type bêta comme précédemment, précipiter la phase alpha de titane ou encore restaurer/recristalliser la structure. Le traitement de mise en solution et de trempe de type bêta est réalisé sous vide à une température comprise entre 600°C et 1000°C avec une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures, suivi d'un refroidissement sous gaz. La précipitation de la phase alpha du titane est réalisée à une température comprise entre 300 et 500°C pendant un temps compris entre 1h et 200h. La restauration/recristallisation est réalisée à une température comprise entre 500 et 600°C pendant un temps compris entre 30 minutes et 20h.Between the deformation sequences and/or after all the deformation sequences, it is possible to carry out a heat treatment. This heat treatment can have several purposes: to carry out a beta-type solution treatment and quenching treatment as before, to precipitate the alpha phase of titanium or else to restore/recrystallize the structure. The beta-type solution treatment and quenching is carried out under vacuum at a temperature of between 600° C. and 1000° C. with a duration of between 5 minutes and 2 hours, followed by cooling under gas. The precipitation of the alpha phase of the titanium is carried out at a temperature of between 300 and 500° C. for a time of between 1 hour and 200 hours. The restoration/recrystallization is carried out at a temperature between 500 and 600°C for a time between 30 minutes and 20 hours.

A l'étape e), 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.In step e), 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.

Le procédé peut en outre avantageusement comporter une étape additionnelle se déroulant après l'étape a) d'élaboration ou de mise à disposition de ladite ébauche en alliage, et avant les séquences de déformation de l'étape c), 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, entre les dernières séquences de déformation, après les séquences de déformation ou après l'étape d) d'estrapadage, on débarrasse le fil de sa couche du matériau ductile, notamment par attaque chimique.The method can also advantageously comprise an additional step taking place after step a) of producing or making available said alloy blank, and before the deformation sequences of step c), is added to the outlines 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 similar, to facilitate shaping into wire form when deforming. And, between the last deformation sequences, after the deformation sequences or after step d) of strapping, we rids the wire of its layer of ductile material, in particular by chemical attack.

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.In a variant, the surface layer of ductile material is deposited so as to constitute 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.

Dans une application horlogère particulière, du matériau ductile 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 notamment par attaque chimique, puis est laminé à plat avant la fabrication du ressort proprement dit par estrapadage. En variante, la couche de matériau ductile est retirée après le laminage à plat et avant l'estrapadage.In a particular horological application, ductile material is thus added at a given moment to facilitate shaping in the form of a wire, in such a way that a thickness of 10 to 500 micrometers remains on the wire at the final diameter. from 0.3 to 1 millimetres. The wire is stripped of its layer of ductile material in particular by chemical attack, then is rolled flat before the manufacture of the actual spring by strapping. Alternatively, the layer of ductile material is removed after flat rolling and before strapping.

L'apport de matériau ductile peut être galvanique, ou bien mécanique, c'est alors une chemise ou un tube de matériau ductile 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.The contribution of ductile material can be galvanic, or mechanical, it is then a shirt or a tube of ductile material which is adjusted on an alloy bar with a large diameter, then which is thinned during the stages of deformation of the composite bar.

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 layer can be removed in particular by chemical attack, with a solution based on cyanides or based on acids, for example nitric acid.

Revenant à l'étape additionnelle de traitement thermochimique, l'ajout d'hydrogène a pour objet de réduire l'erreur secondaire. Des essais ont été réalisés sur un alliage binaire Nb-Ti avec 47% en poids de Ti et 53% en poids de Nb. Le traitement thermochimique a été réalisé lors du traitement thermique final de fixage à l'étape e) sous une atmosphère comprenant 100% d'H2 avec les conditions données au tableau 1 ci-après. Le traitement thermochimique a été réalisé soit sur une structure recristallisée (R) ayant été soumise à des séquences de déformation terminée par un traitement thermique pour la recristallisation, soit sur une structure écrouie (E) à la suite de séquences de déformation sans traitement thermique ultérieur de recristallisation. L'erreur secondaire (ES) a été mesurée à 23°C selon la formule suivante : ES 23 °C = M 23 °C M 8 °C + M 38 °C 2

Figure imgb0004
Returning to the additional step of thermochemical treatment, the addition of hydrogen is intended to reduce the secondary error. Tests were carried out on a binary Nb-Ti alloy with 47% by weight of Ti and 53% by weight of Nb. The thermochemical treatment was carried out during the final fixing heat treatment in step e) under an atmosphere comprising 100% H 2 with the conditions given in Table 1 below. The thermochemical treatment was carried out either on a recrystallized structure (R) having been subjected to sequences of deformation terminated by a heat treatment for recrystallization, or on a hardened structure (E) following sequences of deformation without subsequent heat treatment for recrystallization. The secondary error (ES) was measured at 23°C according to the following formula: ES 23 °C = M 23 °C M 8 °C + M 38 °C 2
Figure imgb0004

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. Le coefficient thermique (CT) a été mesuré selon la formule suivante : CT = M 38 °C M 8 °C 30

Figure imgb0005
avec le même appareillage.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. The thermal coefficient (CT) was measured according to the following formula: CT = M 38 °C M 8 °C 30
Figure imgb0005
with the same apparatus.

Les résultats des mesures sont donnés dans le tableau 1. Tableau 1 Echantillon Etat Durée TT Température Pression H2 CTE ESE [min] [°C] [bar] [s/j/°C] [s/j] 01 R 10 668 4 0.01 0.0 02 E 15 652 4 -0.46 -0.8 03 E 8 668 4 -0.59 -0.8 04 E 15 652 1 0.56 1.7 R = recristallisé, E = écroui The results of the measurements are given in Table 1. <u>Table 1</u> Sample State TT Duration Temperature H2 pressure CT E ES E [min] [°C] [bar] [s/d/°C] [s/d] 01 R 10 668 4 0.01 0.0 02 E 15 652 4 -0.46 -0.8 03 E 8 668 4 -0.59 -0.8 04 E 15 652 1 0.56 1.7 R = recrystallized, E = hardened

Les échantillons 01 à 04 ont des teneurs en hydrogène comprises entre 0.3 et 1% en poids. Tous les échantillons ont une erreur secondaire comprise entre - 3 et + 3 s/j comme souhaité avec des valeurs proches de 0 pour les échantillons traités sous une pression en hydrogène de 4 bar. Le CT est également contenu dans la gamme entre -0.6 et + 0.6 s/j°C comme souhaité. L'optimum est obtenu pour l'échantillon 01 pour lequel le traitement thermochimique a été réalisé sur une structure recristallisée, le coefficient thermique et l'erreur secondaire étant proches de 0 exprimés respectivement en s/j°C et s/j. Cet échantillon a une teneur en hydrogène de l'ordre de 0.6% en poids.Samples 01 to 04 have hydrogen contents between 0.3 and 1% by weight. All the samples have a secondary error between - 3 and + 3 s/d as desired with values close to 0 for the samples treated under a hydrogen pressure of 4 bar. The CT is also contained in the range between -0.6 and +0.6 s/d°C as desired. The optimum is obtained for sample 01 for which the thermochemical treatment was carried out on a recrystallized structure, the thermal coefficient and the secondary error being close of 0 expressed respectively in s/d°C and s/d. This sample has a hydrogen content of the order of 0.6% by weight.

Les résultats des échantillons 01 à 04 sont reportés dans la figure 1 avec l'erreur secondaire (ES) en fonction du coefficient thermique (CT). De manière générale, il a été observé qu'il y a un lien direct entre le CT et l'ES lorsque l'alliage du ressort spiral comporte de l'hydrogène et ce contrairement à ce qui a été observé sur des essais réalisés dans le passé sur un alliage binaire avec 47% en poids de titane et 53% en poids de niobium. Dans ce dernier cas, tel qu'illustré à la figure 2, il n'y a pas de relation entre le CT et l'ES. La représentation sur un même graphique de ces deux quantités donne un nuage de points, quels que soient les paramètres du procédé de fabrication des échantillons. De plus, on n'obtient jamais de points où CT=ES=0 alors que c'est le cas pour les nuances ternaires Nb-Ti-H. Ainsi, il a été découvert que l'ajout d'hydrogène permet de piloter l'erreur secondaire tout en gardant un faible CT.The results of samples 01 to 04 are reported in the figure 1 with the secondary error (ES) as a function of the thermal coefficient (CT). In general, it has been observed that there is a direct link between CT and ES when the alloy of the spiral spring contains hydrogen, contrary to what has been observed in tests carried out in the passed on a binary alloy with 47% by weight of titanium and 53% by weight of niobium. In the latter case, as illustrated in figure 2 , there is no relationship between CT and ES. The representation on the same graph of these two quantities gives a cloud of points, whatever the parameters of the manufacturing process of the samples. Moreover, one never obtains points where CT=ES=0 whereas it is the case for the ternary nuances Nb-Ti-H. Thus, it was discovered that the addition of hydrogen makes it possible to control the secondary error while keeping a low CT.

L'influence de la température sur le module de Young de l'échantillon 02 a également été mesurée en continu à l'aide d'un spectromètre mécanique mesurant la fréquence propre d'une poutre en vibration libre, sur une plage allant de -20°C à +60°C (fig.3). On observe peu d'influence de la température sur le module de Young.The influence of temperature on the Young's modulus of sample 02 was also measured continuously using a mechanical spectrometer measuring the natural frequency of a beam in free vibration, over a range from -20 °C to +60°C ( fig.3 ). Little influence of temperature on Young's modulus is observed.

Sur ce même échantillon, une analyse par diffraction des rayons X (configuration Bragg-Brentano) a été effectuée. Le diffractogramme est représenté à la figure 4. Le spectre XRD entre 30° et 80° n'indique pas la présence de phases hydrures TiH2 ou NbH. En faisant à la figure 5 un zoom centré sur θ=39°, qui correspond à la zone du pic de NbTi [110], on observe que celui-ci est déplacé vers la gauche (pic Inv) suite au traitement thermochimique par rapport au pic de référence (pic Ref) sans traitement thermochimique, ce qui est le signe d'une augmentation du paramètre de maille. On peut en conclure que le traitement thermochimique permet d'introduire l'hydrogène sous forme d'interstitiels sans former des hydrures. Par ailleurs, aucune précipitation du titane en phase alpha n'est observée. L'absence de précipités de titane est attribuée à la présence d'hydrogène qui stabilise la phase bêta du titane.On this same sample, an X-ray diffraction analysis (Bragg-Brentano configuration) was carried out. The diffractogram is shown at figure 4 . The XRD spectrum between 30° and 80° does not indicate the presence of TiH 2 or NbH hydride phases. By doing the figure 5 a zoom centered on θ=39°, which corresponds to the area of the NbTi peak [110], we observe that it is moved to the left (peak Inv) following the thermochemical treatment compared to the reference peak (peak Ref ) without thermochemical treatment, which is the sign of an increase in the lattice parameter. It can be concluded that the thermochemical treatment makes it possible to introduce hydrogen in the form of interstitials without forming hydrides. Furthermore, no precipitation of titanium in the alpha phase is observed. The absence of titanium precipitates is attributed to the presence of hydrogen which stabilizes the beta phase of titanium.

Claims (16)

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, H et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al, avec les pourcentages en poids suivants : - une teneur en Ti comprise entre 1 et 80%, - une teneur en H comprise entre 0.17 et 2%, - une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments inférieure ou égale à 0.3% en poids, - la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb. Spiral spring intended to equip a balance wheel of a clock movement, characterized in that the spiral spring is made of an alloy consisting of: - Nb, Ti, H and possible traces of other elements chosen from O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al, with the following weight percentages: - a Ti content of between 1 and 80%, - an H content of between 0.17 and 2%, - a total content for all the other elements less than or equal to 0.3% by weight, - the balance to reach 100% being made up of Nb. Ressort spiral selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la teneur en H est comprise entre 0.2 et 1.5% en poids.Spiral spring according to the preceding claim, characterized in that the H content is between 0.2 and 1.5% by weight. Ressort spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en H est comprise entre 0.5 et 1% en poids.Spiral spring according to one of the preceding claims, characterized in that the H content is between 0.5 and 1% by weight. Ressort spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en Ti est comprise entre 20 et 60%, de préférence entre 40 et 50% en poids.Spiral spring according to one of the preceding claims, characterized in that the Ti content is between 20 and 60%, preferably between 40 and 50% by weight. Ressort spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'H est présent majoritairement ou exclusivement sous forme d'interstitiels dans l'alliage.Spiral spring according to one of the preceding claims, characterized in that the H is present mainly or exclusively in the form of interstitials in the alloy. Ressort spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la microstructure de l'alliage est formée d'une unique phase bêta de Nb et Ti en solution solide.Spiral spring according to one of the preceding claims, characterized in that the microstructure of the alloy is formed of a single beta phase of Nb and Ti in solid solution. Ressort spiral selon l'une des revendications précédentes, ayant un coefficient thermique, dit CT, compris entre -0.6 et +0.6 s/j°C et une erreur secondaire, dite ES, comprise entre - 3 et + 3 s/j.Spiral spring according to one of the preceding claims, having a thermal coefficient, called CT, of between -0.6 and +0.6 s/d°C and a secondary error, called ES, of between - 3 and + 3 s/d. Procédé de fabrication d'un ressort spiral destiné à équiper un balancier d'un mouvement d'horlogerie, comprenant successivement : a) une étape d'élaboration ou de mise à disposition d'une ébauche réalisée dans un alliage constitué de Nb, Ti et de traces éventuelles d'autres éléments choisis parmi O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu et Al, avec une teneur en Ti comprise entre 1 et 80% et une teneur totale pour l'ensemble des autres éléments inférieure ou égale à 0.3% en poids, la balance pour atteindre 100% étant constituée du Nb, b) une étape de traitement de mise en solution et de trempe, dite de type bêta, de ladite ébauche, de façon à ce que le titane et le niobium dudit alliage soient essentiellement sous forme de solution solide en phase bêta, c) une étape d'application audit alliage d'une succession de séquences de déformation avec optionnellement au moins un traitement thermique réalisé entre deux séquences de déformation et/ou à la fin de l'ensemble des séquences de déformation, d) une étape d'estrapadage pour former le ressort spiral, e) une étape de traitement thermique final, dite de fixage, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de traitement thermochimique dans une atmosphère comprenant de l'hydrogène, ladite étape de traitement thermochimique étant réalisée lors du traitement de mise en solution de l'étape b), lors d'un traitement thermique de l'étape c), lors du traitement thermique final de l'étape e), avant l'étape b), entre les étapes b) et c), entre les étapes c) et d), entre les étapes d) et e) ou après l'étape e).Process for manufacturing a spiral spring intended to equip a balance wheel of a clockwork movement, successively comprising: a) a step of producing or making available a blank made of an alloy consisting of Nb, Ti and possible traces of other elements chosen from O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu and Al , with a Ti content between 1 and 80% and a total content for all the other elements less than or equal to 0.3% by weight, the balance to reach 100% being made up of Nb, b) a so-called beta-type solution treatment and quenching step of said blank, so that the titanium and niobium of said alloy are essentially in the form of a solid solution in the beta phase, c) a step of applying to said alloy a succession of deformation sequences with optionally at least one heat treatment carried out between two deformation sequences and/or at the end of all the deformation sequences, d) a strapping step to form the spiral spring, e) a final heat treatment step, called fixing, the method being characterized in that it comprises an additional thermochemical treatment step in an atmosphere comprising hydrogen, said thermochemical treatment step being carried out during the solution treatment of step b), during a heat treatment of step c), during the final heat treatment of step e), before step b), between steps b) and c), between steps c) and d), between steps d ) and e) or after step e). Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de traitement thermochimique est réalisée à l'étape e).Method of manufacturing a spiral spring according to the preceding claim, characterized in that the thermochemical treatment step is carried out in step e). Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'étape de traitement thermochimique est réalisée sur une structure de l'ébauche ou du ressort spiral à l'état recristallisé.Method of manufacturing a spiral spring according to claim 8 or 9, characterized in that the thermochemical treatment step is carried out on a structure of the blank or of the spiral spring in the recrystallized state. Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'étape de traitement thermochimique est réalisée à une température comprise entre 100 et 900°C dans une atmosphère comprenant 100% d'hydrogène sous une pression d'hydrogène comprise entre 5 mbar et 10 bar, ou est réalisée dans une atmosphère comprenant un mélange d'hydrogène et d'un autre gaz avec un pourcentage volumique d'hydrogène compris entre 5 et 90%, la pression totale du mélange étant comprise entre 5 mbar et 10 bar.Process for manufacturing a spiral spring according to one of Claims 8 to 10, characterized in that the thermochemical treatment step is carried out at a temperature of between 100 and 900°C in an atmosphere comprising 100% hydrogen under a hydrogen pressure of between 5 mbar and 10 bar, or is carried out in an atmosphere comprising a mixture of hydrogen and another gas with a volume percentage of hydrogen of between 5 and 90%, the total pressure of the mixture being between 5 mbar and 10 bar. Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la pression d'hydrogène ou la pression totale du mélange est comprise entre 0.5 et 7 bar, de préférence entre 1 et 6 bar, plus préférentiellement entre 3.5 et 4.5 bar.Method of manufacturing a spiral spring according to one of Claims 8 to 11, characterized in that the hydrogen pressure or the total pressure of the mixture is between 0.5 and 7 bar, preferably between 1 and 6 bar, plus preferably between 3.5 and 4.5 bar. Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que la température est comprise entre 500 et 800°C, de préférence entre 600 et 700°C.Method of manufacturing a spiral spring according to one of Claims 8 to 12, characterized in that the temperature is between 500 and 800°C, preferably between 600 and 700°C. Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que la pression d'hydrogène ou la pression totale du mélange est comprise entre 3.5 et 4.5 bar et la température est comprise entre 600 et 700°C.Process for manufacturing a spiral spring according to one of Claims 8 to 13, characterized in that the hydrogen pressure or the total pressure of the mixture is between 3.5 and 4.5 bar and the temperature is between 600 and 700° vs. Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que le traitement de mise en solution est réalisé, sous vide, à une température comprise entre 600°C et 1000°C pendant une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures, suivi d'un refroidissement sous gaz.Process for manufacturing a spiral spring according to one of Claims 8 to 14, characterized in that the solution treatment is carried out, under vacuum, at a temperature of between 600°C and 1000°C for a period of between 5 minutes and 2 hours, followed by cooling under gas. Procédé de fabrication d'un ressort spiral selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que, après l'étape a) d'élaboration ou de mise à disposition de l'ébauche en alliage, et avant l'étape c) d'application d'une succession de séquences, on ajoute à ladite 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, pour faciliter la mise en forme sous forme de fil et en ce que, avant ou après l'étape d'estrapadage d), on débarrasse ledit fil de sa couche dudit matériau ductile par attaque chimique.Method of manufacturing a spiral spring according to one of Claims 8 to 15, characterized in that , after step a) of producing or providing the alloy blank, and before step c ) application of a succession of sequences, a surface layer of ductile material chosen from among copper, nickel, cupro-nickel, cupro-magnanese, gold, silver, nickel is added to said blank -phosphorus Ni-P and nickel-boron Ni-B, to facilitate shaping in the form of a wire and in that , before or after the strapping step d), said wire is stripped of its layer of said material ductile by chemical attack.
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