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BREVET D'INVENTION
EMI1.1
"Gù:1wD EHSSOET DE lJiOLTHEt1
La présente invention a trait aux ressorts moteurs, dont un exemple typique est le grand ressort des montres, cas particulier qui présente dans la pratique des problèmes particulièrement difficiles à résoudre en ce sens que l'espa- ce restreint et des considérations relatives à la durée de service probable font qu'un tel ressort doit être capable d'emmagasiner une grande quantité d'énergie sous un faible
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et de déroulement qui interviennent pendant toute la durée de ser- vice de la montre doivent représenter l'accumulation et la mise en liberté de quantités d'énergie sensiblement identi- -lues.
Une caractéristique des ressorts moteurs ''de ce genre réside dans le fait que, pendant leur utilisation, ils sont soumis à des conditions de charge continues et que, par construction et on vue de 1'économie., la charge à laquelle le ressort est soumis à la fin du remontage est voisine des limites de la résistance mécanique du métal, le facteur de sécurité minimum possible étant admis. antérieurement à l'invention, les grands ressorts ce montres ont généralement été faits en acier à ressort de haute teneur en carbone, car on avait constaté que ce métal seul possédait les combinaisons nécessaires de propriétés de résistance mécanique et de ténacité élevées qui sont né- cessaires pour emmagasiner les quantités requises d'énergie dans le faible espace dont on dispose.
L'acier à ressort cou- ramment utilisé pour les ressorts moteurs de montres possède une limite d'élasticité ou d'allongement de l'ordre de 163 kg/mm2 et un module d'élasticité de 10,6 x 10 il dynes par cen- timètre carré.
Deux défauts des ressorts moteurs en acier pour montres sont depuis longtemps connus. L'un d'eux est sa ten- dance à la corre sion en présence d'humidité. Comme les res- sorts de montres sont soumis eu service à des efforts voisins de-, lans change de rupture, la plus légère corrosion est su- jette à prevoquer leur rupture.
Un second défaut est la tendance de ces ressorts
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à se déformer d'une manière permanente, ce qui diminue leur longueur effective et la quantité d'énergie qu'ils sont capables d'emmagasiner. Ce défaut de l'acier à ressort est dû au fait que sa limite d'allongement proportionnel, appelée ci-après "limite proportionnelle" dans un but de concision, est de beaucoup inférieure à sa limite d'élasticité. La limite proportionnelle de l'acier à ressort de montre or- dinaire n'est que de 124 kg/mm2 environ, de sorte que toute fatigue excédant cette valeur occasionne une déformation permanente et, comme moindre inconvénient, diminue le temps pendant lequel la montre fonctionne à chaque remontage complet et modifie l'exactitude en raison de la diminution du couple moyen transmis au rouage pendant le déroulement et l'entraînement.
La Demanderesse a réussi à surmonter l'un et l'autre.de ces défauts en offrant un ressort moteur de montre fait d'une matière non corrosive dont la limite d'élasticité et le module d'élasticité sont aussi élevés que ceux de l'acier à ressort et dont la limite proportionnelle est bien supérieure à celle de l'acier à ressort. Le présent ressort moteur de montre est fait d'un alliage non corrosif qui est recuit en solution de manière à acquérir la douceur relative et d'autres propriétés nécessaires pour le travail à froid. Une limite d'élasticité et une élasticité égales à celles de l'acier à ressort et une limite proportionnelle remarquablement plus élevée que celle de l'acier à ressort sont développées dans cette matière par un tel mode d'al- longement résultant d' un travail à froid suivi d'un vieillisse- ment thermique .
La combinaison de cesdeux traitements a pour efïet d'augmenter la dureté et la résistance mécanique de la matière et, en même temps, d'accroitre dans une mesure
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aussi élevée que 75% sa limite proportionnelle.
L'alliage qu'on soumet à ce traitement pour ob- tenir un nouveau ressort est principalement fait de cobalt, qui dones de la résistance mécanique, de chrome, qui donne, enplus (le résistance mécanique, de la résistance à la corro- sion, et ci'un plastifiant, composé au moins de nickel, qui rend l'alliage, à l'état recuit en solution, suffisamment plastique qu'on puisse lui donner un pourcentage d'allonge- ment élevé en le travaillant à froid. L'alliage recuit en solution contient des constituants précipitables qui, pen- dant le vieillissement, développent de la dureté et de la résistance mécanique dans l'article.
Les traitements de l'al- longement à froid et du vieillissement à la température de précipitation qui lui fait suite non seulement durcissent l'alliage, mais augmentent aussi grandement la charge de rupture et la limite proportionnelle. La résistance mécanique inhérente à la matrice ou alliage de base composé de cobalt et de chrome, combinée à l'accroissement de résistance qui résulte de l'allongement à froid suivi du vieillissement, aboutit au développement d'une résistance à la traction au moins égale à celle d'un acier à ressort moteur de montre et d'une limite proportionnelle notablement supérieure à colle de cet acier.
Il en résulte que le nouveau ressort moteur de montre peut recevoir la même section transversale, la même longueur et la même courbure spirale initiale qu'un ressort moteur de montre en acier., de sorte qu'il le remplace exacte- ment, qu'il se loge dans le même espace, et qu'il fonctionne initialement au moins aussi bien que le ressort d'acier à tous les points de vue essentiels, tout en présentant le
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grand avantage de ne pas être sujet à se détériorer par corro- sion ou déformation permanente, ni être sensible aux champs magnétiques.
Ci-dessous est donnée à titre d'exemple une liste d'alliages utiles conformes à l'invention
Tableau I
EMI5.1
<tb> e! <SEP> ! <SEP> ! <SEP> ! <SEP> !
<tb>
EMI5.2
lAw1i-1 Co ! Or+! Or ! Mo !Ni+Fe! Ni Fe ! 1 lvln C ! Be ! age ! ! o ! ! +Nïn N 1 Iii 1 II! Il ! ! 45 29.5! 22-.5 7 i25.5 l !15- ! 8.5 !2 !0.09 ! !2 ! 40 ! 32 ! 25 ! 7 !28 115 110 12 :0.16 ! 1 0.04 !3 ! 40 ! 27 ! 20 ! 7 !33 !15.5 !15 12 !0.11 ! ¯ ! 3.à ! 40 ! 27 ! 20 ! 7 !33 !15.5 !15 12 ! 0.02 ! !4 ! 35 ! 32 ! 25 ! 7 !33 120 !11.5 !1.5 10.10 0.03 ! l4A ! 35 ! 32 ! 25 ! 7 !33 !30 ! 1.5 1-5 ! 11.13 o.Ô3 !5 ! 34 ! 31 ! 25 ! 6 !35 !32 ! 2 !0.14 l0:08 ! - ! !6 ! 30 ! 32 ! 26 ! 6 !38 !31 ! 6 il !0.23 ! 0.02 ! !7 ! 31 ! 29 ! 23 ! 6 140 135 ! 4.5 !0.8 !0.09 :
- ! 8 ! 40 ! 37 30 ! 7 !23 !16 1 5 !2 10.13 1 - !9 ! 20 ! 32 ! 25 ! 7 148 !35 !10 !2 10.06 0.03 .! !l0 1 40 ! 25 ! 25 135 132 !10 !2 !0.04 ! 0.03 !
Les chiffres donnés pour Ni+Fe+Mn sont indiqués pour l'emploi du diagramme ternaire.
Parmi ces alliages, les Nosil à 7 inclus ont donné des articles finals extrêmement satisfaisants pour la fabrication des ressorts moteurs pour montres; et les Nos 8 à 10 inclus sont susceptibles de recevoir la même application.
A titre comparatif, on indiquera le comportement d'une autre série d'alliages, ne convenant pas pour le but visé.
Tableau I-A
EMI5.3
,!Alli-1 Co ! Or+ ! Or ! Mo ! Ni+Fe! Ni ! Fa ! Mn ! C ! Be!
EMI5.4
<tb> !age <SEP> ! <SEP> Mo <SEP> ! <SEP> ! <SEP> +Mn <SEP> ! <SEP> ! <SEP> ! <SEP> !
<tb>
EMI5.5
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Dans les tableaux ci-dessus et d'autres, le cobalt, le chrome, le nickel, le molybdène, le fer et le manganèse
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sont les quantités calculées en poids (vérifiées précises par l'analyse), alors que le carbone est la valeur analytique.
Les alliages Nos 4 et 4A ont la même composition ternaire; dans le N 4, il y a 20% de Ni avec 11,5% de Fe; dans le N 4A, il y a 30% de Ni avec 1,5% de Fe. L'alliage N 8 est applicable, mais inférieur aux alliages Nos1 à 7, en raison deaa teneur élevée en Cr + Mo et de sa faible teneur en plastifiant Ni+Fe+Mn L'alliage ? 9 possède le minimum de Co et ne contient que 0,08% de C. Il est en principe appli- cable, mais une modification consistant à élever sa teneur en carbone à 0,2% est désirable. L'alliage M 10 ne contient pas de Mo et sa charge de rupture est faible.
On connaît oes alliages à base de cobalt et de chrome qu'on utilise comme pièces fondues pour la prothèse dentaire, les outils de coupe inoxydables, les pièces devant conserver leur l'orme et leur résistance mécanique aux tempé- ratures élevées, comme les soupapes des moteurs à combustion interne, etc; les opérations de façonnage finales consistant en un forgeage à chaud ou en une rectification à la meule.
Il est en outre connu d'introduire d'autres éléments. à titre de constituants de ces alliages fondamentaux ; par exemple, on a introduit du molybdène dans ceux de ces allia- ges qui ont été utilisés pour ces pièces de prothèse dentaire, et le tungstène a été incorporé à ceux de ces alliages qui sont destinés à des outils de coupe, à des revêtements de sou- papes ou de tiroirs, etc.. en vue d'améliorer la dureté et la résistance à l'abrasion.
Il est notoire que les alliages fondamentaux modifiés de ce genre peuvent atteindre des ré- sistances mécaniques et duretés presque aussi élevées que celles des aciers à hautes teneur en carbone traités ther-
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miquement, mais, à la connaissance de la-Demanderesse, aucun d'eux n'avait été utilisé avec succès pour remplacer les res- sorts en acier au carbone.
La Demanderesse a découvert que, par des sélections corrélatives convenables des conditions afférentes à la com- position, au travail mécanique et aux traitements thermiques, des alliages qui contiennent le cobalt et le chrome dans des proportions propres à assurer une bonne résistance mécanique desdits alliages à l'origine peuvent être travaillés et traités de telle sorte que leurs propriétés de résistance mé- canique augmentent et deviennent égales, sinon supérieures, à celles qui peuvent être développées avec d'excellents aciers pour ressorts de montres ;
et qu'on peut, par ce moyen, fa- briquer des ressorts moteurs horologiques qui possèdentdes propriétés initiales au moins égales à celles d'un ressort d'acier de mêmes dimensions et qui sont capables d'éviter la corrosion et la déformation permanente, de sorte que leur durée probable est de beaucoup supérieure à celle du ressort d'acier auquel ils sont substitués.
Il est préférable de fondre le cobalt, le nickel et le fer dans un four à induction à haute fréquence et d'ajou- ter alors le chrome sous forme de ferrochrome et le molybdène sous forme de ferromolybdène. Le manganèse est de préférence ajoutésous forme d'un ferro-alliage contenant environ 80% environ de manganèse. Après que l'alliage a été fondu et amené à la température convenable, on ajoute un peu d'alu- minium et un peu d'alliage de calcium-silicium en vue de la désoxydation. On écume le laitier et fond le lingot ; des lingots de 2,5 à 45 kilogrammes ont été fabriqués dans la pratique.
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Le lingot .l; :: ;; alors i: :." r: r j .; é ii : 1.i .... i: et <; ;:n Ti ;1 T. u :..:#; #,r iaR!ii;-':o 1..'!";..J.uci ")l..',ii .z .. i,; " ; .ii:i ...:. o < 1 ' <] j: ;; j¯ .; s ; ; i i,i telle; .:ne c 1 :1 t i¯. ,,,x> :: . EL 1. ii ; : ? ;, -. i, cesse <i i : ' à .t i <1 ;J i : c: <: <> m 1 :, ; uz > ]1 ..: n ; ?La :'.'ra- .i=> 5< : ¯ ;,,,; , :.: ;:. !. a < j a ut .± .l : i: e .; ..i. , i : ; 1. z,< ." I l ;,; 5- .1; à un3 pisineura ', , là"/ 2 ;m , .L...is Luc -.in,ur {1G ,¯) 5,08mc.':.: ¯::1: ;" :fl :/: i'i:, " > 1, à 1 : 1< sE ]¯ =¯; ¯, j . ,>. 'G 1 : 1 ik #d Lu ;y '15 ±'11,V .=; ௠]¯ $1 S 1 ,..: Il.Il est offectu ' à <1 e 5 '1> <2 1#1 - il o ;: ; j ; . : :L. :, : .lJ ;.; n #1 voisines z " <c 1 é v L. C Ce >i "# #:' : . :i. v :i : n c < i .l; ,,: ;; .t saivi :l'un =r :1 a :.; ± .t eu c.l'-''''.n à 1150 -1200 0.
On indiquera ci-après la d m'été acquise par quelques-uns des alliages précécianiment énumérés à la suite du eri fi s j, 1 * .t5, o (à partir (Je Il'50 C;) ayant fait suite au brav-til à chauci : T a 1 Li Il
EMI8.2
<tb> Dureté <SEP> Vickcrs
<tb>
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11-1-c;-"3 e 1 . ô µ l li l> 5 ll Ïl ? 7 ' ) 1 0 11 :L''7 16 28J
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1:= bande eut :: À 1;, 1;; l.-min lu a ''?.'C1C Gi 1; 1- , ü?LC'¯2'-.:;-vLlï - ;;. , 1" 5 .. i :"i ;j:'¯: Lf;'i LIne; (,.:¯;¯:...:,j:'uLl.L .:.(3 ..',j4 l';rn, é #1 iJ lâ réduction ;J 15 .:. i; .t j !.¯V '¯0 f;'ut) nouveau recuit <: ; : ;:. ;¯ 1, ;:.<,; 5- <. i i , ¯!¯L¯ -t:lc;'10 .',!.-;-,! <.1 ' 1>, . : ; 1 \J..Lll: I<:!1.1C-.l.C.II ;.,1' ¯:;'7111..f' ;> ?,, , 'Y'(o¯.2 ii. l , 1<à 1ni1i .
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Le lingot est alors forgé à chud et converti par laminage à chaud en plaque ou barre d'épaisseur telle que le travail à chaud cesse d'être économique. Dans la pra- tique, la plaque peut être ainsi réduite à une épaisseur de 1,27 mm, mais une épaisseur de 6,25 à 5,08 mm est préférable dans la pratique. Le travail à chaud esteffectué à des tem- pétatures supérieures au rouge, avec une référence pour les températures voisines de 1090 C Ce traitement est suivi d'un
EMI9.1
recuit en sulutinn à 1150--1200'C.
On indiquera ci-après la dureté acquise par quel- ques-uns des alliages précédemment énumérés à la suite du recuit en solution (à partir de 1150 C) ayant fait suite au travail à chaud :
Tableau II
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<tb> Dureté <SEP> Vickers
<tb>
<tb> alliage <SEP> No <SEP> 3 <SEP> 225
<tb> 5 <SEP> 227
<tb> 7 <SEP> 217
<tb> 8 <SEP> 274
<tb> 11 <SEP> 247
<tb> 16 <SEP> 285
<tb>
La bande est alors laminée à froid à la température ambiante jusqu'à une épaisseur de 2,54 mm, cette réduction étant suivie d'un nouveau reçuit en solution, lui-même suivi d'une nouvelle réduction, par laminage à froid, à 1,02mm..:
Un )recuit en solution final a .té effectué à partir de 1150 c et le laminage à froid final a alors réduit la bande ou ruban à une épaisseur de 0,1118 mm. A ce stade, les pro- priétés de résistance mécanique étaient celles indiquées dans le tableau III ci-dessous.
Tableau III
Dans ce tableau et les tableaux et la description ,lui suivent, TS représente la charge de rupture, PL, la
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li:.ii"ie )rDc)o::...'tioIJtlel1e, Yi::1, la limite d'jlasticité. Ltod. le [,l[)cul,; .11é:L\sticit6 ::1= Vi-ii.-i l'indice de dureté Vickers. Ti3, :2L 2 t Y;J GOtrb '3Xpnni6s s c 'c4/rrra2 et 1.:0(1 en dynes/ctn2 x 1C jS ubc indiqm'- avec un décalage de C.Ù2%1. Les épreuves de flexion, qui donnent une indication de la ténacité, ont consisté en une flexion de 180 autour d'arbres du diamètre spécifié.
Alliage Réduction
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<tb> N <SEP> % <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod. <SEP> VHN
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<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 1 <SEP> 89,2 <SEP> 206 <SEP> 86 <SEP> 117 <SEP> 17,8 <SEP> 530
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 92 <SEP> 207 <SEP> 100 <SEP> 122 <SEP> 16,3 <SEP> 497
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 92,7 <SEP> 202 <SEP> 91 <SEP> 110 <SEP> 17,1 <SEP> 551
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3A <SEP> 90 <SEP> 207 <SEP> 82 <SEP> 100 <SEP> 19 <SEP> 535
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 92,7 <SEP> 191 <SEP> 109 <SEP> 125 <SEP> 15,6 <SEP> 516
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4A <SEP> 92,7 <SEP> 200 <SEP> 95 <SEP> 115 <SEP> 18 <SEP> 481
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 89 <SEP> 182 <SEP> 105 <SEP> 129 <SEP> 15,
1 <SEP> 485
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 78,5 <SEP> 212 <SEP> 93 <SEP> 122 <SEP> 17,6 <SEP> 536
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 92,7 <SEP> 176 <SEP> 99 <SEP> 124 <SEP> 16,2 <SEP> 475
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 92,7 <SEP> 185 <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 16,6 <SEP> 466
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> il <SEP> 57 <SEP> 197 <SEP> 79 <SEP> 107 <SEP> 19,4 <SEP> 542
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 12 <SEP> n'ont <SEP> pas <SEP> pu <SEP> être <SEP> laminés <SEP> à <SEP> chaud
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14 <SEP> n <SEP> ont <SEP> pas <SEP> pu <SEP> être <SEP> laminés <SEP> à <SEP> chaud
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 66,6 <SEP> 186 <SEP> 118 <SEP> 148 <SEP> 16,
9 <SEP> 515
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 16 <SEP> 57 <SEP> 187 <SEP> 83 <SEP> 108 <SEP> 19,6 <SEP> 576
<tb>
EMI10.3
(Nota: Les allia;',es Caos 11, 15 e 1G ont (-''té difficiles à laminer à froid en raison de la faible quantité de plastifiant, et les réductions spécifiées sont des limites pratiquement
EMI10.4
uc]mi :3Si'.ÜQS).
Les rubans ont alors 6té ooLunis à un vieillissement à 'i-&'., [J<...lJCLnt 5 heures .:t; 1-.8 s , s ;g :> 1, Lut dC;rJIH;, les résultats 01i.iv -""lit s :
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<tb> Propriétés <SEP> de <SEP> résis- <SEP> 1 <SEP> Diamètre <SEP> des <SEP> éprouvettes <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> tance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> flexion
<tb>
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<tb>
<tb> . <SEP> Flexion <SEP> Rupture <SEP> Rupture
<tb>
<tb>
<tb> Ts <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN <SEP> totale <SEP> partielle <SEP> totale
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 1 <SEP> 262 <SEP> 171 <SEP> 198 <SEP> 21 <SEP> 677 <SEP> 3;
175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 274 <SEP> 162 <SEP> 192 <SEP> 20,4 <SEP> 790 <SEP> 3,175 <SEP> - <SEP> 2,415
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 255 <SEP> 175 <SEP> 194 <SEP> 20,1 <SEP> 695 <SEP> 5,175 <SEP> 2,415 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3A <SEP> 262 <SEP> 187 <SEP> 204 <SEP> 19,8 <SEP> 690 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 244 <SEP> 142 <SEP> 188 <SEP> 20,7 <SEP> 623 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4A <SEP> 252 <SEP> 145 <SEP> 189 <SEP> 21,3 <SEP> 579 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905'
<tb>
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<tb>
<tb> 5 <SEP> 255. <SEP> 162 <SEP> 193 <SEP> 21,5 <SEP> 673 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905 <SEP> 1,524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 236 <SEP> 157 <SEP> 184 <SEP> 20,8 <SEP> 664 <SEP> 3175 <SEP> - <SEP> 2;
413
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 222 <SEP> 159. <SEP> 183 <SEP> 21,1 <SEP> 660 <SEP> 1,016 <SEP> 0,813
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 268 <SEP> 175. <SEP> 205 <SEP> 20.8 <SEP> 700 <SEP> 2,413 <SEP> 1.905 <SEP> 1;524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 254 <SEP> 141. <SEP> 179 <SEP> 20,3 <SEP> 602 <SEP> 2.,413 <SEP> 1,905 <SEP> 1,524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 226 <SEP> 134 <SEP> 160 <SEP> 20,4 <SEP> 486 <SEP> 2,413 <SEP> - <SEP> 1;905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 11 <SEP> 234 <SEP> 160 <SEP> 189 <SEP> 22,3 <SEP> 713 <SEP> . <SEP> 3;175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13- <SEP> 201 <SEP> 137 <SEP> 162 <SEP> 19,8 <SEP> 570 <SEP> 0.813 <SEP> @
<tb>
(Nota : L'alliage ? 13 ne possède qu'une faible résistance et une faible dureté.
Les alliages Nos 15 et 16 étaient trop fragiles pour les essais).
L'alliage fondamental contient environ 20 à 50% de cobalt et environ 15 à 30% de chrome,.avec 20 à 50% de cons- tituants ramollissants cu plastifiants; comprenant (au moins du nickel). En général, ces constituants sont présents sous l'arme de20 A 60% decobalt, de20 à 37% dechrome et de molybdène combinés (le molybdène constituant 1 à 10% de l'alliage) et 20 à 50% de nickel, de fer et de manganèse combinés (le pourcentage de nickel étant supérieur à celui du fer, dont la proportion peut varier de traces négligea- bles à un maximum de 15%, et le pourcentage de manganèse étant compris entre une fraction résiduelle et 5%) et une teneur en carbone d'environ 0,05 à 0,3%.
Le béryllium peut être présent en faibles quantités, des teneurs particulières de 0,01 à 0,09 % s'étant avérées comme avantageuses pour les TABLEAU IV
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EMI12.1
"r¯. 1]. t. -1¯' -' '. 'l' , ..,' j [:¯. j¯)f ;, t -'; .¯:.:" '- ..; ::-.....'!¯w ''...).'::(;-' qui accompagnent les métaux introduits ou qui résultent des opérations de fusion. Elles ne doivent pas comprendre plus de 0,05% d'azote (celui-ci étant efficace à titre de substitu- ant partiel pour le carbone). Le silicium résiduel de la déso- xydation qui intervient pendant la fusion peut être toléré
EMI12.2
jusqu'à 0,5% et, dans le cas ce quelques alliages, jusqu'௠1 /1 lorsque la teneur en fer est élevés.
Le total de ces éléments concurrents et résiduels est ainsi inférieur à environ 1,2%
EMI12.3
L'échelle actuellomentfpréférée pour les composi- tions, dans laquelle les rapports ont été choisis de manière à assurer les conditions de douceur les plus favorables à l'état recuit en solution, le développement de la résistance mécanique pendant le travail à froid et le vieillissement sub- séquent et des propriétés supérieures à l'acier à ressort moteur de montre pour l'article final, comprend 28 à 45% de cobalt, 24 à 35;
0 de chrome et de molybdène combinés (dont 5 à 75 de molybdène) et 15 à 32% de nickel, fer et manganèse combinés (le nickel prédominant sur le fer et le manganèse étant présent à raison de 0,5 à 2%) En ce qui concerne les autres constituants, l'alliage possède environ 0,08 à 0,22% de carbone ; 0 à 0,09 % de béryllium; de préférence moins d'environ 0,015 à 0,25% de silicium ; moins de 0,05% de chacun des éléments phosphore et soufre ;3 avec des traces insignifiantes d'autres éléments. Le total de ces éléments concurrents et résiduels est inférieur à 0,5%
Le cobalt est un des constituants de base destinés à conférer de la résistance mécanique.
En général, la résis- tance mécanique s'accroît avec la teneur en cobalt, mais des proportions excessives de cet élément élèvent la dureté au point que les caractéristiques de travail à froid cessent
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d'être satisfaisantes, étant donné que les propriétés de résistance finales ne peuvent plus être développées. De plus, il est généralement admis que le cobalt constitue avec le chrome un composé intermétallique qui fournit un constituant de durcissement et de renforcement pendant le vieillissement.
Le chrome contribue à un degré très important à la résistance à la corrosion, et coopère avec le molybdène en ce sens que l'accroissement de l'un quelconque ou de chacun de ces éléments, au-dessus des valeurs minima spécifiées, donne lieu à un accroissement de la résistance mécanique et de la dureté, de sorte que la somme des teneurs en chrome et en molybdène est déterminante lorsque ces éléments sont tous deux présents.
Le molybdène est un élément de renforcement très efficace tant pour son effet sur l'alliage de base que pour son effet sur le vieillissement.
Les plastifiants du groupe composé du nickel, du fer et du manganèse sont considérés comme des adoucissants de la composition à l'état recuit en solution. En d'autres termes, un alliage binaire qui serait composé seulement de cobalt et de chrome, même si les rapports entre ces deux élé- ments sont ceux qui conviennent pour le developpement de la résistance mécanique par travail à froid et vieillissement, conformément aux études de la Demanderesse, ne se laisse .pas suffisamment bien travailler à froid pour acquérir les propriétés supérieures de résistance mécanique qui peuvent ê- tre obtenues avec le présent alliage ;
mais l'addition de tels plastifiants a pour effet de diminuer la dureté de l'alliage recuit en solution, et. il devient ainsi possible de développer les résistances d'écrouissage avant que la dureté qui résulte
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du laminage à froid ait atteint des valeurs qui rendent tout travail à froid supplémentaire pratiquement impossible. En général, le nickel est par lui-même efficace et on peut l'utiliser sans l'adjonction de quantités appréciables de fer ou de manganèse.
Dans la pratique, le fer peut être appliqué à titre de remplaçant mineur du nickel et avec le grand avan- tage économique que le chrome, le molybdène et le manganèse peuvent être introduits sous forme des ferro-alliages connes- pondants, dont le prix, rapporté au poids du chrome et du molybdène, est moindre, outre qu'ils possèdent des points de fusion plus faibles et facilitent ainsi la fusion. Le fer n'est toutefois pas admissible en tant que substituant total du nickel à cause de la formation d'écailles ou pailles de fer aux hautes températures, et il convient que sa teneur soit tenue au-dessous de celle du nickel.
Le manganèse.est un bon désoxydant pendant le malaxage et se comporte aussi comme un agent propre à surmonter tout effet nuisible du soufre ; dans l'alliage final, le manganèse résiduel coopère avec le nickel pour conférer la douceur ou le caractère ouvrable dé- sirés; il peut y en avoir jusqu'à 5% sans effet nuisible, mais il ne semble pas qu'on ait aucun avantage particulier à ce que la teneur de l'alliage en cet élément dépassa 2% euviron,
La préférence pour les teneurs en carbone de 0,08 à 0,22 a été indiquée par les compositions optima ci-dessus.
L'effet du carbone est mis en évidence par des alliages autre- ment entique provenant de deux masses fondues de l'alliage N 3 parmi lesquelles l'alliage 3/A avait une teneur en carbone de 0,05% et l'alliage 3/B une teneur encarbone de 0,09% L'état "laminé à froid" est celui donné par le recuit
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en sblution et le laminage à froid, et l'état "vieilli" est le même, mais après 5 heures de vieillissement à 480 C.
Tableau V
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<tb> Alliage <SEP> Condition <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb> N
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> laminé <SEP> à <SEP> froid <SEP> 182 <SEP> 94 <SEP> 119 <SEP> 15,4 <SEP> 519
<tb>
<tb> B <SEP> " <SEP> 184 <SEP> 95 <SEP> 116 <SEP> 16,1 <SEP> 531
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> vieilli <SEP> 229 <SEP> 136 <SEP> 171 <SEP> 20,3 <SEP> . <SEP> 635 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> " <SEP> 240 <SEP> 154 <SEP> 181 <SEP> 20',2 <SEP> 681
<tb>
<tb>
<tb> Effet <SEP> de <SEP> 0,04% <SEP> c <SEP> 11 <SEP> 18 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 46
<tb>
On voit qu'une amélioration très nette est apportée à la limite proportionnelle, dont dépendent le point de savoir si le ressort sera ou non sujet à des déformations permanentes en service et l'amplitude de ces déformations.
Le terme "recuit en solution", tel qu'il est utilisé ici, définit l'opération consistant à chauffer la masse à une température à laquelle une homogénéisation apparente se produit, c'est-à-dire à laquelle les constituants de préci- pitation sont mis en solution ; que le refroidissement auquel la masse homogénéisée est soumise en vue de fixer cet état. Le refroidissement doit être assez/rapide pour empê- cher la précipitation desdits constituants, ou le vieillisse- ment prématuré, pouvant donner lieu à une dureté et à une résistance au travail à froid indésirables.
Dans la pratique, l'alliage devra être soumis à un traitement initial de recuit en solution à et à partir d'une température de 1090 C - 1250 c et de préférence de 1149 -1177 c et les autres recuits en solution(intermédiaires et finale) peuvent ensuite être effectués à et à partir de températures aussi basses que 980 c quoique de préférence comprises entre 1090
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et 1150 c Le refroidissement rapide de sections plus épais- ses que 5 mm exige la trempe à l'eau, alors que des sections plus minces peuvent efficacement et plus commodément être refroidies dans l'air.
L'effet du chauffage est d'adoucir l'alliage et de l'amener à l'état voulu pour le travail à froid, de provoquer la mise en solution de certains constituants secondaires et de favoriser la production d'une structure homogène ayant une disposition cubique à faces centrées, ainsi que d'amener l'alliage à l'état où il se prête le mieux au durcissement par vieillissement.
L'effet de la température au cours du recuit en solution est mis en évidence par l'allige No3 qui possédait une dureté Vickers de 240 avant le laminage à froid et a alors été réduit de 50% par laminage à froid, puis soumis au recuit-trempe.
Tableau VI
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<tb> Temp <SEP> c <SEP> Temps <SEP> VHN <SEP> a
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Témoin <SEP> tel <SEP> que <SEP> laminé <SEP> à <SEP> froid <SEP> jusqu'à <SEP> 50% <SEP> do <SEP> réduction <SEP> 468
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 650 <SEP> 30 <SEP> minutes <SEP> 550
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 705 <SEP> " <SEP> " <SEP> 485
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 760 <SEP> " <SEP> " <SEP> 455
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 815 <SEP> " <SEP> " <SEP> 412
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 870 <SEP> " <SEP> " <SEP> 343
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 980 <SEP> " <SEP> " <SEP> 302
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1150 <SEP> " <SEP> " <SEP> 240
<tb>
Il ressort de ce tableau,
que le laminage à froid a élevé la dureté de 240 à 468 et que la dureté a subi un nouvel accroissement par le traitement à 650 et 705 c alors que le chauffage à 760 c ne l'adoucissait que très peu. Aux températures successivement croissantes, l'adoucissement in-
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tervient, un degré d'adoucissement satisfaisant étant obtenu à 1150 c et un adoucissement utilement applicable à 980 C.
Dans le cas d'alliages plus durs que l'alliage No3, il est recommandable d'appliquer une température supérieure à 1150 0. mais il est bon d'éviter des températures excessives afin de réduire au minimum la formation de pailles et des rugosités à la surface de la barre ou plaque.
La dureté Vickers au début du laminage à froid final devra être inférieure à 300 (voir tableau II), des alliages d'une dureté aussi basse que 200 ayant permis d'ob- tenir des valeurs de résistances finales satisfaisantes.
L'accroissement de la dureté et de la résistance est très rapide au début du laminage à froid et est ensuite plus lent.
Par exemple, l'alliage N 3 a accusé sous desréductions de 75, 80, 85 et 90 % des duretés respectives de 510, 570, 580 et 590. Pour les grands ressorts de montres il est préfé- rable que la réduction à froid soit poussée aussi loin que possible et que la dureté Vickers soit au moins 450 (voir tableau III). La réduction d'épaisseur du ruban destiné à ces ressorts doit être d'au moins 70 % et atteindra de préférence 80%, de bons résultats ayant été obtenus au-dessus de 90%
Le but principal du vieillissement est d'accroître la limite proportionnelle, la limite d'élasticité, la charge de rupture et le module d'élasticité.
L'effet obtenu dépend jusqu'à un certain point de la composition de l'alliage et est aussi fonction du degré de réduction à froid, de l'é- paisseur finale de l'article et de la durée et de la tempé- rature du vieillissement.
La température appliquée pour le présent vieillisse- ment varie de 260 à 650 0. La pratique actuelle est de chauf- fer de 3700 à 620 C pendant'des temps qui dépendent de la
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température. Un chauffage de 5 heures à 480 C a donné une combinaison désirable de propriétés de résistance mécanique et de ténacité. En général, la limite proportionnelle, la limite d'élasticité et la charge de rupture augmentent avec la température de vieillissement jusqu'à des températures de l'ordre de 480-540 c mais l'accroissement de ces propriétés s'accompagne jusqu'à un certain point d'une diminution de ténacité.
Il faut enparticulier éviter un vieillissement trop poussé car un chauffage de 5 heures au-dessus de 650 c par exemple, effectue une diminution marquée des propriétés de résistance sans que ceci soit compensé à un degré appréciable par une meilleure ductilité. Théoriquement, il semblerait qu'un état - produit par le recuit en solution - de solution solide sursaturée on constituants précipitables est modifié par le vieillissement en ce sens que les particules de pré- cipitation se présentent avec des dimensions inframicrosco-
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piques .;wb en iuututiû totale corrcspond'int à Id différence des solubilités aux températures ce solution et de vieillis- sement et tce, lorsque la sursatura bien art C,Jsenl:;iellenent cS:3sé par formation de ces particules ténues, 1;:s propriétés ci,.;
2','..';;,."4.=a7C;e '.lc.c'.,niç:u6 ont atteint leurs .,::lmd des tempé- r fur " ¯1"1± l .ô lr/1 [?i r'Tr,çV:1:lllj un''; . ¯¯,:11¯¯Î; i; f:7 )ll¯lt3 l':'i !^ ¯ :i une l0:lD:/:::\.,tion plus rapide. &5È 1 serrole rcpré- , :¯ . ':t-'#i'j'L''i 1 '1: '0 ,!,<,. ,-, 11:") ;;: 'w ; .-',¯., :;a, :.3.dmi'sïble ' et des tt3iD161J.!11".1'¯ 1\î:J "';:,r:: ;;:1'i'L .¯!\/\f1';'1-.1(:;: L, 't? r cttr! r-i'f'"' n 'L,",0, c7:,n ¯ . -...; 1 : - --. ,C:-!.-7-;Lir 3.in ' ' . : . critiqua.
1 Ü.,t7,ïm.Ly on u:CV7¯'m l:W ¯i1 une :ty0:1-i ¯Ci1 Ce 1;),1 .JL. --< F .# 1:,:.ï:lft.1..\..J-t;J.'(..: ('"-J ...)jl.¯\.:---..t. 1. ' 1 II!,; \.¯C l'-' tiCil :='::'IJdl" :J::' fil ' .;,;\."r"'::1¯1-.; ,t 1-, 1" 1,.,flµ"' -+I-, JJ"-; ,-,."TL-i.::: r;r; (''-1J(.'..!-'Í-3 ,." -""r-.Il". ,l l\-:-;iClJ, ,Lno précipitation prématurée, accompagnée d'une ca.;;lomcrati on;
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s,d.Fr;t;ze de sorte que la r.23.tt.,'3 rlMr:'8!".t trop dure Pf)I]I' le travail à froid et incapable de développer les résistances qu'on peut obtenir par un écrouissage et un vieillissement appropriés ;
si, dans l'échelle ci-dessus, la température de la matière augmente lentement, une agglomération intervient suivie d'une remise en solution, mais l'homogénéisation ne s'accomplit pas jusqu'à la réduction de dureté qui est né- cessaire pour un travail à froid satisfaisant ou jusqu'à l'état qui convient pour assurer une précipitation effective au cours du vieillissement.
On obtient ainsi un ressort moteur capable de ré- sister à des conditions de service que ne supportera pas un ressort en acier à haute teneur en carbone de mêmes di- mensions. La charge de rupture et la limite proportionnelle du présent ressort sont supérieures à celles da ressort en acier.
Dans les conditions préférées (tableau IV), sa limite proportionnelle dépasse environ 141 kg/mm2 ; sa limite d'é- lasticité dépasse environ 176 kg/mm2 et son module d'élastici- ' té dépasse environ 20 x 10 il dynes/cm2, alors que les trois valeurs correspondantes des grands ressorts de montres' en acier au carbone de qualité supérieure sont respectivement environ 124 kg/mm2, 163 kg/mm et 19,6 x 10 il dynes/cm2. Il est, de plus, inoxydable dans les conditions atmosphériques, ainsi qu'au contact de la sueur ; résiste même aux solutions acides et alcalines concentrées. Il est essentiellement non magnétique et non magnétisable.
Les effets du procédé de fa- brication de l'alliage sont mis en évidence dans l'article en ce sens que si l'on chauffe un tel ressort à.1150 C et le refroidit alors rapidement, ce ressort subit une perte sévère de résistance et de dureté (la dureté Vickers tombant à moins de 300 et la charge de rupture à moins de 141 kg/mm2)
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et l'article devientinutilisable parcs qu'il n'existe aucune méthode qui permette de rétablir les valeurs sasindiquées sans appliquer une forte réduction à froid comme il est dit plus haut, c'est-à-dire sans réduire sa section et augmenter sa longueur, le ressort n'étant donc plus le même article.
A cet égard, l'article diffère nettement d'un ressort en acier au carbone qui peut être soumis à des trempes et revenus répétés si l'on a soin d'éviter la formation de poil- les et la décarbonisation.
La limite pratique du laminage ou travail à froid du présent alliage est fixée par le degré de travail à froid qui provoque un fendillement excessif des bords et surfaces; par celui au delà duquel tout travail à froid supplémentaire n'améliore plus ou guère les propriétés de résistance de la matière ou ne provoque plus un accroissement des dites pro- priétés lors du vieillissement; et jusqu'à un certain point par l'équipement d'usine dont on dispose, mais le travail à froid devra au moins assurer la réduction minimum spécifiée plus haut.
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PATENT
EMI1.1
"Gù: 1wD EHSSOET DE lJiOLTHEt1
The present invention relates to motor springs, a typical example of which is the large spring of watches, a particular case which in practice presents problems which are particularly difficult to solve in that the limited space and considerations relating to the duration. of probable service mean that such a spring must be able to store a large quantity of energy at a low
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and unwinding which occur throughout the service life of the watch must represent the accumulation and release of substantially identified quantities of energy.
A feature of mainsprings of this kind is that, during their use, they are subjected to continuous load conditions and that, by construction and from an economy view, the load at which the spring is submitted at the end of reassembly is close to the limits of the mechanical resistance of the metal, the minimum possible safety factor being accepted. Prior to the invention, the large springs in this watch were generally made of high carbon spring steel, as this metal alone had been found to possess the necessary combinations of high strength and toughness properties which are necessary. necessary to store the required quantities of energy in the small space available.
The spring steel commonly used for the mainsprings of watches has a limit of elasticity or elongation of the order of 163 kg / mm2 and a modulus of elasticity of 10.6 x 10 il dynes per cent. - square timeter.
Two shortcomings of steel mainsprings for watches have long been known. One of them is its tendency to corrode in the presence of moisture. As the watch springs are subjected in service to forces similar to that of the change of breakage, the slightest corrosion is liable to prevent their breakage.
A second fault is the tendency of these springs
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to deform permanently, which decreases their effective length and the amount of energy they are able to store. This defect of spring steel is due to the fact that its proportional limit of elongation, hereinafter referred to as "proportional limit" for the sake of brevity, is much lower than its yield strength. The proportional limit of ordinary watch spring steel is only about 124 kg / mm2, so any fatigue exceeding this value causes permanent deformation and, as a minor inconvenience, decreases the time during which the watch operates with each complete winding and changes accuracy due to the decrease in average torque transmitted to the gear train during unwinding and driving.
The Applicant has succeeded in overcoming both of these shortcomings by providing a watch mainspring made of a non-corrosive material whose elastic limit and modulus of elasticity are as high as those of the watch. spring steel and whose proportional limit is much higher than that of spring steel. This watch mainspring is made of a non-corrosive alloy which is annealed in solution so as to acquire the relative softness and other properties necessary for cold working. A yield strength and elasticity equal to that of spring steel and a remarkably higher proportional limit than that of spring steel are developed in this material by such a mode of elongation resulting from a cold work followed by thermal aging.
The combination of these two treatments has the effect of increasing the hardness and the mechanical resistance of the material and, at the same time, of increasing to an extent
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as high as 75% of its proportional limit.
The alloy which is subjected to this treatment to obtain a new spring is mainly made of cobalt, which gives mechanical resistance, chromium, which gives, in addition (mechanical resistance, resistance to corrosion , and a plasticizer, composed at least of nickel, which renders the alloy, in the annealed state in solution, sufficiently plastic that it can be given a high percentage of elongation by working it cold. The solution annealed alloy contains precipitable constituents which, during aging, develop hardness and strength in the article.
The treatments of cold elongation and subsequent precipitation temperature aging not only harden the alloy, but also greatly increase the breaking load and the proportional limit. The mechanical strength inherent in the matrix or base alloy composed of cobalt and chromium, combined with the increase in strength which results from cold elongation followed by aging, results in the development of at least equal tensile strength. than that of a steel with a driving spring for a watch and of a significantly higher proportional limit than the glue of this steel.
As a result, the new watch mainspring can be given the same cross-section, length and initial spiral curvature as a steel watch mainspring, so that it replaces it exactly, as it does. it fits in the same space, and that it initially functions at least as well as the steel spring in all essential points of view, while presenting the
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great advantage of not being subject to deterioration by corrosion or permanent deformation, nor being sensitive to magnetic fields.
Below is given by way of example a list of useful alloys in accordance with the invention
Table I
EMI5.1
<tb> e! <SEP>! <SEP>! <SEP>! <SEP>!
<tb>
EMI5.2
lAw1i-1 Co! Gold +! Gold ! Mo! Ni + Fe! Neither Fe! 1 lvln C! Be! age ! ! o! ! + Nïn N 1 Iii 1 II! He ! ! 45 29.5! 22-.5 7 i25.5 l! 15-! 8.5! 2! 0.09! ! 2! 40! 32! 25! 7! 28 115 110 12: 0.16! 1 0.04! 3! 40! 27! 20! 7! 33! 15.5! 15 12! 0.11! ¯! 3.to! 40! 27! 20! 7! 33! 15.5! 15 12! 0.02! ! 4! 35! 32! 25! 7! 33 120! 11.5! 1.5 10.10 0.03! l4A! 35! 32! 25! 7! 33! 30! 1.5 1-5! 11.13 o.Ô3! 5! 34! 31! 25! 6! 35! 32! 2! 0.14 l0:08! -! ! 6! 30 ! 32! 26! 6! 38! 31! 6 it! 0.23! 0.02! ! 7! 31! 29! 23! 6 140 135! 4.5! 0.8! 0.09:
-! 8! 40! 37 30! 7! 23! 16 1 5! 2 10.13 1 -! 9! 20! 32! 25! 7 148! 35! 10! 2 10.06 0.03.! ! l0 1 40! 25! 25 135 132! 10! 2! 0.04! 0.03!
The figures given for Ni + Fe + Mn are given for the use of the ternary diagram.
Among these alloys, Nosil 7 included have given extremely satisfactory final articles for the manufacture of mainsprings for watches; and Nos. 8 to 10 inclusive are likely to receive the same application.
By way of comparison, the behavior of another series of alloys, not suitable for the intended purpose, will be indicated.
Table I-A
EMI5.3
,! Alli-1 Co! Gold +! Gold ! Mo! Ni + Fe! Neither! Fa! Mn! VS ! Be!
EMI5.4
<tb>! age <SEP>! <SEP> Mo <SEP>! <SEP>! <SEP> + Mn <SEP>! <SEP>! <SEP>! <SEP>!
<tb>
EMI5.5
! NOT ! ! ! ! 1! ! 5:32! 25. 7.! 18! 16. 1 - 1 2 0.09! ¯! 12 1 aO! 46. ! 40! 6! 34! 20! 1 12 2! -! 0.05! ! 13! 20! 26.3: 22.6! J,? 1 52.! 26.3! 25 0.72! 0.06! - ,! ! 14! 40! 16. 10! 6! 44 '30! 12! 2! -! 0.04! 1 15 i 56! 22! 15! '7 21.5! 4.5! 15! 2! -! 0.01! 1 16! 55! 34.5! 27e5! ? ! 10.5! 8.5! -! 2! ¯! -!
In the tables above and others, cobalt, chromium, nickel, molybdenum, iron and manganese
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are the quantities calculated by weight (verified accurate by analysis), while carbon is the analytical value.
Alloys Nos 4 and 4A have the same ternary composition; in N 4, there is 20% Ni with 11.5% Fe; in N 4A there is 30% Ni with 1.5% Fe. Alloy N 8 is applicable, but inferior to alloys Nos1 to 7, due to its high Cr + Mo content and low content by plasticizer Ni + Fe + Mn The alloy? 9 has the minimum Co and contains only 0.08% C. It is in principle applicable, but a modification of raising its carbon content to 0.2% is desirable. Alloy M 10 does not contain Mo and its breaking load is low.
Alloys based on cobalt and chromium are known which are used as molten parts for dental prostheses, stainless cutting tools, parts which must retain their elm and their mechanical resistance at high temperatures, such as valves. internal combustion engines, etc; the final shaping operations consisting of hot forging or grinding with a grinding wheel.
It is also known to introduce other elements. as constituents of these basic alloys; for example, molybdenum has been introduced into those of these alloys which have been used for these dental prosthesis parts, and tungsten has been incorporated into those of these alloys which are intended for cutting tools, coating materials. valves or drawers, etc., to improve hardness and abrasion resistance.
It is well known that such modified basic alloys can achieve mechanical strengths and hardnesses almost as high as those of heat-treated high carbon steels.
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mically, but, to the knowledge of the Applicant, none of them had been used successfully to replace the carbon steel springs.
The Applicant has discovered that, by suitable correlative selections of the conditions relating to the composition, to the mechanical work and to the heat treatments, alloys which contain cobalt and chromium in proportions suitable for ensuring good mechanical resistance of said alloys to the origin can be worked and treated in such a way that their mechanical resistance properties increase and become equal, if not superior, to those which can be developed with excellent steels for watch springs;
and that by this means it is possible to manufacture horological motor springs which have initial properties at least equal to those of a steel spring of the same dimensions and which are capable of avoiding corrosion and permanent deformation, so that their probable life is much greater than that of the steel spring for which they are substituted.
It is preferable to melt the cobalt, nickel and iron in a high frequency induction furnace and then add the chromium as ferrochrome and the molybdenum as ferromolybdenum. The manganese is preferably added in the form of a ferroalloy containing about 80% manganese. After the alloy has been melted and brought to the correct temperature, a little aluminum and a little calcium-silicon alloy are added for deoxidation. We skim the slag and melt the ingot; bars of 2.5 to 45 kilograms have been produced in practice.
<Desc / Clms Page number 8>
EMI8.1
The ingot .l; :: ;; then i::. "r: rj.; é ii: 1.i .... i: and <;;: n Ti; 1 T. u: ..: #; #, r iaR! ii; - ' : o 1 .. '! "; .. J.uci") l ..', ii .z .. i ,; "; .ii: i ...:. o <1 '<] j: ;; j¯.; s; ; i i, i such; .: ne c 1: 1 t ī. ,,, x> ::. EL 1. ii; :? ;, -. i, stop <i i: 'at .t i <1; J i: c: <: <> m 1:,; uz>] 1 ..: n; ? La: '.' Ra- .i => 5 <: ¯; ,,,; ,:.:;:. !. a <j a ut. ± .l: i: e.; ..i. , i:; 1. z, <. "I l;,; 5- .1; à un3 pisineura ',, there" / 2; m, .L ... is Luc -.in, ur {1G, ¯) 5.08mc . ':.: ¯ :: 1:; ": fl: /: i'i :,"> 1, at 1: 1 <sE] ¯ = ¯; ¯, j. ,>. 'G 1: 1 ik #d Lu; y '15 ± '11, V. =; à¯] ¯ $ 1 S 1, ..: Il.It is offectu 'at <1 e 5' 1> <2 1 # 1 - il o;:; j; . :: L. :,: .lJ;.; n # 1 neighbors z "<c 1 é v L. C Ce> i" # #: ':. : i. v: i: n c <i .l; ,,: ;; .t saivi: un = r: 1 a:.; ± .t had c.l '-' ''. N at 1150 -1200 0.
We will indicate hereafter the d me acquired by some of the alloys previously listed following the eri fi sj, 1 * .t5, o (from (I Il'50 C;) following the brav- til à chauci: T a 1 Li Il
EMI8.2
<tb> Hardness <SEP> Vickcrs
<tb>
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11-1-c; - "3 e 1. Ô µ l li l> 5 ll Ïl? 7 ') 1 0 11: L''7 16 28J
EMI8.4
1: = band had :: At 1 ;, 1 ;; 1-min read a ''?. 'C1C Gi 1; 1-, ü? LC'¯2 '-.:;- vLlï - ;;. , 1 "5 .. i:" i; j: '¯: Lf;' i LIne; (,.: ¯; ¯: ...:, j: 'uLl.L.:. (3 ..', j4 l '; rn, é # 1 iJ lâ reduction; J 15.:. I; .tj ! .¯V '¯0 f;' ut) new annealing <:;:;:.; ¯ 1,;:. <,; 5- <. Ii, ¯! ¯L¯ -t: lc; '10. ',! .-; - ,! <.1' 1>,.:; 1 \ J..Lll: I <:! 1.1C-.lCII;., 1 '¯:;' 7111..f ' ;>? ,,, 'Y' (ō.2 ii. L, 1 <to 1ni1i.
A 1 -. [¯D cclltl; icn '' - :: - J. , I :: f GC \ -; \ j i>, j:, ir, .l = 1 e 1,?. J i 1 '# 1-. , L .....: it.:...:i frilu a 'i. , ¯. 4 .... '' A .1 O: C'i = rôdjit la banda c'd 1'1.1): .. Jt) à Ulla <: i.LJi, j111l 'd e é, À ï 1 B; :; lO L) 'ce: 31juCe, l's project i. , -¯, -'- 3 ', J' '3 -' '"> 8.:3:1..8-0 wLlC at. # A <], e: 1.; 5,.:: I, ';.: "' L 11 t CG 1J.r3 ri .tJ ': iCi Llé 6 s to at; 1 1.: .1'" J .. '. I.) Î ..:. -: 1.11 C ? ¯-f7c, C-1FOL1S.
'râbles a III L - ii ce i "vi:>,' .i 1:,:: .. u and 1" ,, - l ,, 1 1, ¯,: .U} and 1¯idc: J cr 1 d., .Tio.,; L; 1;: 1 a i v> # n t, 7 'r ;.) represents the breaking load pu, the
<Desc / Clms Page number 9>
The ingot is then chud-forged and converted by hot rolling into a thick plate or bar such that hot working ceases to be economical. In practice, the plate can thus be reduced to a thickness of 1.27 mm, but a thickness of 6.25 to 5.08 mm is preferable in practice. Hot work is carried out at temperatures above red, with a reference for temperatures in the region of 1090 C. This treatment is followed by
EMI9.1
annealed in sulutinn at 1150--1200'C.
The hardness acquired by some of the alloys listed above following solution annealing (from 1150 C) following hot working will be indicated below:
Table II
EMI9.2
<tb> Hardness <SEP> Vickers
<tb>
<tb> alloy <SEP> No <SEP> 3 <SEP> 225
<tb> 5 <SEP> 227
<tb> 7 <SEP> 217
<tb> 8 <SEP> 274
<tb> 11 <SEP> 247
<tb> 16 <SEP> 285
<tb>
The strip is then cold rolled at room temperature to a thickness of 2.54 mm, this reduction being followed by a new one received in solution, itself followed by a further reduction, by cold rolling, at 1.02mm ..:
A) final solution annealing was carried out from 1150 c and the final cold rolling then reduced the strip or ribbon to a thickness of 0.1118 mm. At this stage, the mechanical strength properties were those shown in Table III below.
Table III
In this table and the tables and the description, TS represents the breaking load, PL, the
<Desc / Clms Page number 10>
EMI10.1
li: .ii "ie) rDc) o :: ... 'tioIJtlel1e, Yi :: 1, the elastic limit. Ltod. le [, l [) ass ,; .11é: L \ sticit6 :: 1 = Vi-ii.-i the Vickers hardness index. Ti3,: 2L 2 t Y; J GOtrb '3Xpnni6s sc' c4 / rrra2 and 1.:0(1 in dynes / ctn2 x 1C jS ubc indiqm'- with a C.Ù2% offset 1. Bending tests, which give an indication of toughness, consisted of bending 180 degrees around shafts of the specified diameter.
Alloy Reduction
EMI10.2
<tb> N <SEP>% <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod. <SEP> VHN
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 89.2 <SEP> 206 <SEP> 86 <SEP> 117 <SEP> 17.8 <SEP> 530
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 92 <SEP> 207 <SEP> 100 <SEP> 122 <SEP> 16.3 <SEP> 497
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 92.7 <SEP> 202 <SEP> 91 <SEP> 110 <SEP> 17.1 <SEP> 551
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3A <SEP> 90 <SEP> 207 <SEP> 82 <SEP> 100 <SEP> 19 <SEP> 535
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 92.7 <SEP> 191 <SEP> 109 <SEP> 125 <SEP> 15.6 <SEP> 516
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4A <SEP> 92.7 <SEP> 200 <SEP> 95 <SEP> 115 <SEP> 18 <SEP> 481
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 89 <SEP> not <SEP> determined
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 89 <SEP> 182 <SEP> 105 <SEP> 129 <SEP> 15,
1 <SEP> 485
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 89 <SEP> not <SEP> determined
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 78.5 <SEP> 212 <SEP> 93 <SEP> 122 <SEP> 17.6 <SEP> 536
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 92.7 <SEP> 176 <SEP> 99 <SEP> 124 <SEP> 16.2 <SEP> 475
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 92.7 <SEP> 185 <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 16.6 <SEP> 466
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> il <SEP> 57 <SEP> 197 <SEP> 79 <SEP> 107 <SEP> 19.4 <SEP> 542
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 12 <SEP> have <SEP> not <SEP> could <SEP> be <SEP> rolled <SEP> to <SEP> hot
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 89 <SEP> not <SEP> determined
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14 <SEP> n <SEP> have <SEP> not <SEP> pu <SEP> be <SEP> rolled <SEP> to <SEP> hot
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 66.6 <SEP> 186 <SEP> 118 <SEP> 148 <SEP> 16,
9 <SEP> 515
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 16 <SEP> 57 <SEP> 187 <SEP> 83 <SEP> 108 <SEP> 19.6 <SEP> 576
<tb>
EMI10.3
(Note: Allia; ', es Caos 11, 15 e 1G have (-' 'been difficult to cold roll due to the small amount of plasticizer, and the specified reductions are practically limits
EMI10.4
uc] mi: 3Si'.ÜQS).
The ribbons were then combined with aging at 'i-'. [J <... lJCLnt 5 hours.: T; 1-.8 s, s; g:> 1, Lut dC; rJIH ;, results 01i.iv - "" reads s:
<Desc / Clms Page number 11>
EMI11.1
<tb> Properties <SEP> of <SEP> resistance <SEP> 1 <SEP> Diameter <SEP> of the <SEP> specimens <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> tance <SEP> to <SEP> the <SEP> traction <SEP> bending
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>. <SEP> Bending <SEP> Breaking <SEP> Breaking
<tb>
<tb>
<tb> Ts <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN <SEP> total <SEP> partial <SEP> total
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 262 <SEP> 171 <SEP> 198 <SEP> 21 <SEP> 677 <SEP> 3;
175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 274 <SEP> 162 <SEP> 192 <SEP> 20.4 <SEP> 790 <SEP> 3.175 <SEP> - <SEP> 2.415
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 255 <SEP> 175 <SEP> 194 <SEP> 20.1 <SEP> 695 <SEP> 5.175 <SEP> 2.415 <SEP> 1.905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3A <SEP> 262 <SEP> 187 <SEP> 204 <SEP> 19.8 <SEP> 690 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 244 <SEP> 142 <SEP> 188 <SEP> 20.7 <SEP> 623 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4A <SEP> 252 <SEP> 145 <SEP> 189 <SEP> 21.3 <SEP> 579 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905 '
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 255. <SEP> 162 <SEP> 193 <SEP> 21.5 <SEP> 673 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905 <SEP> 1.524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 236 <SEP> 157 <SEP> 184 <SEP> 20.8 <SEP> 664 <SEP> 3175 <SEP> - <SEP> 2;
413
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 222 <SEP> 159. <SEP> 183 <SEP> 21.1 <SEP> 660 <SEP> 1.016 <SEP> 0.813
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 268 <SEP> 175. <SEP> 205 <SEP> 20.8 <SEP> 700 <SEP> 2,413 <SEP> 1.905 <SEP> 1; 524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 254 <SEP> 141. <SEP> 179 <SEP> 20.3 <SEP> 602 <SEP> 2., 413 <SEP> 1.905 <SEP> 1.524
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 226 <SEP> 134 <SEP> 160 <SEP> 20.4 <SEP> 486 <SEP> 2.413 <SEP> - <SEP> 1; 905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 11 <SEP> 234 <SEP> 160 <SEP> 189 <SEP> 22.3 <SEP> 713 <SEP>. <SEP> 3; 175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13- <SEP> 201 <SEP> 137 <SEP> 162 <SEP> 19.8 <SEP> 570 <SEP> 0.813 <SEP> @
<tb>
(Note: Alloy? 13 has low strength and low hardness.
Alloys Nos. 15 and 16 were too brittle for testing).
The basic alloy contains about 20-50% cobalt and about 15-30% chromium, with 20-50% softening or plasticizing constituents; comprising (at least nickel). In general, these constituents are present under the weapon of 20 to 60% decobalt, from 20 to 37% of chromium and molybdenum combined (molybdenum constituting 1 to 10% of the alloy) and 20 to 50% of nickel, iron and of combined manganese (the percentage of nickel being greater than that of iron, the proportion of which may vary from negligible traces to a maximum of 15%, and the percentage of manganese being between a residual fraction and 5%) and a content carbon of about 0.05 to 0.3%.
Beryllium can be present in small quantities, particular contents of 0.01 to 0.09% having proved to be advantageous for TABLE IV
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
"r¯. 1]. t. -1¯ '-' '.' l ', ..,' j [: ¯. j¯) f;, t - '; .¯:.:"' - .. ; :: -..... '! ¯w' '...).' :: (; - 'which accompany the metals introduced or which result from the smelting operations. They must not include more than 0.05% nitrogen (this being effective as a partial substituent for carbon). Residual silicon from deoxidation which occurs during melting can be tolerated
EMI12.2
up to 0.5% and, in the case of some alloys, up to ¯ 1/1 when the iron content is high.
The total of these competing and residual elements is therefore less than approximately 1.2%
EMI12.3
The currently preferred scale for compositions, in which the ratios have been chosen so as to ensure the most favorable conditions of smoothness in the solution annealed condition, the development of mechanical strength during cold working and aging subsequent and superior to watch power spring steel for the final article, comprises 28-45% cobalt, 24-35;
0 of combined chromium and molybdenum (including 5 to 75 of molybdenum) and 15 to 32% of combined nickel, iron and manganese (the predominant nickel on iron and manganese being present at a rate of 0.5 to 2%) As for the other constituents, the alloy has about 0.08 to 0.22% carbon; 0 to 0.09% beryllium; preferably less than about 0.015 to 0.25% silicon; less than 0.05% of each of the elements phosphorus and sulfur; 3 with insignificant traces of other elements. The total of these competing and residual items is less than 0.5%
Cobalt is one of the basic constituents intended to confer mechanical resistance.
In general, mechanical strength increases with increasing cobalt content, but excessive amounts of this element increase hardness to such an extent that the cold working characteristics cease.
<Desc / Clms Page number 13>
to be satisfactory, since the final strength properties can no longer be developed. In addition, it is generally accepted that cobalt, together with chromium, constitutes an intermetallic compound which provides a hardening and strengthening component during aging.
Chromium is a very important contributor to corrosion resistance, and co-operates with molybdenum in that increasing any or all of these elements above the specified minimum values results in an increase in mechanical strength and hardness, so that the sum of the chromium and molybdenum contents is decisive when these elements are both present.
Molybdenum is a very effective reinforcing element both for its effect on the base alloy and for its effect on aging.
Plasticizers from the group consisting of nickel, iron and manganese are considered to be softeners of the composition in the solution annealed state. In other words, a binary alloy which would be composed only of cobalt and chromium, even if the ratios between these two elements are those which are suitable for the development of mechanical resistance by cold working and aging, in accordance with studies of the Applicant, does not allow itself to be cold worked well enough to acquire the superior properties of mechanical strength which can be obtained with the present alloy;
but the addition of such plasticizers has the effect of reducing the hardness of the alloy annealed in solution, and. it thus becomes possible to develop the work hardening resistances before the resulting hardness
<Desc / Clms Page number 14>
cold rolling has reached values which make any further cold working practically impossible. In general, nickel is itself effective and can be used without the addition of appreciable amounts of iron or manganese.
In practice, iron can be applied as a minor replacement for nickel and with the great economic advantage that chromium, molybdenum and manganese can be introduced in the form of the related ferroalloys, the price of which, based on the weight of chromium and molybdenum, is less, in addition to having lower melting points and thus facilitate melting. However, iron is not admissible as a total substituent for nickel because of the formation of iron scales or flakes at high temperatures, and its content should be kept below that of nickel.
Manganese. Is a good deoxidizer during mixing and also behaves as a suitable agent to overcome any harmful effects of sulfur; in the final alloy, the residual manganese cooperates with the nickel to impart the desired smoothness or workability; there may be up to 5% without deleterious effect, but there does not appear to be any particular advantage in the alloy's content of this element exceeding about 2%,
The preference for carbon contents of 0.08 to 0.22 has been indicated by the optimum compositions above.
The effect of carbon is evidenced by otherwise natural alloys from two melts of alloy N 3, of which alloy 3 / A had a carbon content of 0.05% and alloy 3. / B a carbon content of 0.09% The "cold rolled" state is that given by annealing
<Desc / Clms Page number 15>
in sblution and cold rolling, and the "aged" state is the same, but after 5 hours of aging at 480 C.
Table V
EMI15.1
<tb> Alloy <SEP> Condition <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb> N
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> laminated <SEP> to <SEP> cold <SEP> 182 <SEP> 94 <SEP> 119 <SEP> 15.4 <SEP> 519
<tb>
<tb> B <SEP> "<SEP> 184 <SEP> 95 <SEP> 116 <SEP> 16.1 <SEP> 531
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> aged <SEP> 229 <SEP> 136 <SEP> 171 <SEP> 20.3 <SEP>. <SEP> 635 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> "<SEP> 240 <SEP> 154 <SEP> 181 <SEP> 20 ', 2 <SEP> 681
<tb>
<tb>
<tb> Effect <SEP> of <SEP> 0.04% <SEP> c <SEP> 11 <SEP> 18 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 46
<tb>
It can be seen that a very clear improvement is made to the proportional limit, on which the point of knowing whether or not the spring will be subject to permanent deformations in service and the amplitude of these deformations depend.
The term "solution annealing," as used herein, defines the operation of heating the mass to a temperature at which apparent homogenization occurs, i.e. at which the constituents of precision occur. pitation are put into solution; than the cooling to which the homogenized mass is subjected in order to fix this state. The cooling must be fast enough to prevent precipitation of said components, or premature aging, which can give rise to undesirable hardness and cold work resistance.
In practice, the alloy will have to be subjected to an initial solution annealing treatment at and from a temperature of 1090 C - 1250 C and preferably 1149 -1177 C and the other annealing in solution (intermediate and final ) can then be carried out at and from temperatures as low as 980 c although preferably between 1090
<Desc / Clms Page number 16>
and 1150 c Rapid cooling of sections thicker than 5 mm requires quenching in water, while thinner sections can efficiently and more conveniently be cooled in air.
The effect of heating is to soften the alloy and bring it to the desired state for cold working, to cause the dissolution of certain secondary constituents and to promote the production of a homogeneous structure having a face-centered cubic arrangement, as well as bringing the alloy to the state where it lends itself best to aging hardening.
The effect of temperature during solution annealing is evidenced by Allige No3 which had a Vickers hardness of 240 before cold rolling and was then reduced by 50% by cold rolling, then subjected to annealing - hardening.
Table VI
EMI16.1
<tb> Temp <SEP> c <SEP> Time <SEP> VHN <SEP> a
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Witness <SEP> such <SEP> that <SEP> rolled <SEP> to <SEP> cold <SEP> up to <SEP> 50% <SEP> do <SEP> reduction <SEP> 468
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 650 <SEP> 30 <SEP> minutes <SEP> 550
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 705 <SEP> "<SEP>" <SEP> 485
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 760 <SEP> "<SEP>" <SEP> 455
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 815 <SEP> "<SEP>" <SEP> 412
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 870 <SEP> "<SEP>" <SEP> 343
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 980 <SEP> "<SEP>" <SEP> 302
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1150 <SEP> "<SEP>" <SEP> 240
<tb>
It emerges from this table,
that cold rolling raised the hardness from 240 to 468 and that the hardness was further increased by the treatment at 650 and 705 c while heating at 760 c softened it very little. At successively increasing temperatures, the softening induces
<Desc / Clms Page number 17>
tervient, a satisfactory degree of softening being obtained at 1150 ° C. and a usefully applicable softening at 980 ° C.
In the case of alloys harder than alloy No3, it is advisable to apply a temperature above 1150 ° C. but it is good to avoid excessive temperatures in order to minimize the formation of fluff and roughness at the surface of the bar or plate.
The Vickers hardness at the start of the final cold rolling should be less than 300 (see Table II), alloys with a hardness as low as 200 having made it possible to obtain satisfactory final strength values.
The increase in hardness and strength is very rapid at the start of cold rolling and is slower thereafter.
For example, the N 3 alloy showed under reductions of 75, 80, 85 and 90% the respective hardnesses of 510, 570, 580 and 590. For large watch springs it is preferable that the cold reduction is pushed as far as possible and the Vickers hardness is at least 450 (see Table III). The reduction in thickness of the tape intended for these springs should be at least 70% and preferably reach 80%, good results having been obtained above 90%
The main purpose of aging is to increase the proportional limit, yield strength, breaking load and modulus of elasticity.
The effect obtained depends to a certain extent on the composition of the alloy and is also a function of the degree of cold reduction, the final thickness of the article and the time and temperature. of aging.
The temperature applied for the present aging varies from 260 to 650 0. The current practice is to heat from 3700 to 620 C for times which depend on the temperature.
<Desc / Clms Page number 18>
temperature. Heating for 5 hours at 480 ° C gave a desirable combination of strength and toughness properties. In general, the proportional limit, the yield strength and the breaking load increase with the aging temperature up to temperatures of the order of 480-540 ° C, but the increase in these properties is accompanied up to a certain point of decrease in toughness.
In particular, excessive aging must be avoided since heating for 5 hours above 650 ° C., for example, results in a marked reduction in the strength properties without this being compensated to an appreciable degree by better ductility. Theoretically, it would seem that a state - produced by annealing in solution - of supersaturated solid solution or precipitable constituents is modified by aging in the sense that the precipitation particles appear with inframicrosco- dimensions.
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piques.; wb in total iuutiû corcspond'int to Id difference of solubilities at temperatures this solution and aging and tce, when the supersatura well art C, Jsenl:; iellenent cS: 3sé by formation of these fine particles, 1; : s properties ci,.;
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if, in the above scale, the temperature of the material increases slowly, agglomeration takes place followed by redissolution, but homogenization does not take place until the reduction in hardness which is necessary for satisfactory cold working or to a condition suitable for ensuring effective precipitation during aging.
The result is a mainspring capable of withstanding service conditions that a high carbon steel spring of the same dimensions will not withstand. The breaking load and the proportional limit of this spring are greater than those of the steel spring.
Under preferred conditions (Table IV), its proportional limit exceeds about 141 kg / mm2; its elasticity limit exceeds about 176 kg / mm2 and its modulus of elasticity exceeds about 20 x 10 il dynes / cm2, while the three corresponding values of large watch springs' made of quality carbon steel upper are respectively about 124 kg / mm2, 163 kg / mm and 19.6 x 10 11 dynes / cm2. It is, moreover, stainless in atmospheric conditions, as well as in contact with sweat; even resists concentrated acid and alkaline solutions. It is essentially non-magnetic and non-magnetizable.
The effects of the alloy manufacturing process are evidenced in the article in that if such a spring is heated to 1150 C and then cooled rapidly, this spring suffers a severe loss of strength. and hardness (Vickers hardness dropping to less than 300 and breaking load to less than 141 kg / mm2)
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and the article becomes unusable because there is no method which makes it possible to restore the values indicated without applying a strong cold reduction as said above, that is to say without reducing its section and increasing its length , the spring therefore no longer being the same article.
In this regard, the article differs markedly from a carbon steel spring which can be subjected to repeated quenching and tempering if care is taken to avoid hair formation and decarbonization.
The practical limit of rolling or cold working the present alloy is set by the degree of cold working which causes excessive cracking of edges and surfaces; by that beyond which any additional cold work no longer or hardly improves the resistance properties of the material or no longer causes an increase in said properties during aging; and to some extent by available factory equipment, but cold working should at least provide the minimum reduction specified above.