<B>Ressort moteur, notamment pour mouvement de montre.</B> La présente invention a. trait aux ressorts moteurs, dont un exemple typique est. le res sort. moteur des montres, cas particulier qui présente dans la pratique des problèmes parti culièrement difficiles à résoudre en ce sens que l'espace restreint et des considérations relatives à la durée de service probable font qu'un tel ressort doit être capable d'emmaga siner une grande quantité d'énergie sous un faible volume et que des opérations répétées de remontage et de déroulement qui inter viennent pendant. toute la durée de service de la montre doivent représenter l'accumulation et la mise en liberté de quantités d'énergie sensiblement identiques.
Une caractéristique des ressorts moteurs de ce genre réside dans le fait que, pendant leur utilisation, ils sont soumis à des condi tions de charge continues et que, par cons truction et en vue de l'économie, la charge à laquelle le ressort est soumis à la fin du re montage est voisine des limites de la. résis tance mécanique du métal, le facteur de sécu rité minimum possible étant. admis.
Antérieurement à l'invention, les ressorts moteurs de montres ont généralement été faits en acier à ressort de haute teneur en carbone, car on avait constaté que ce métal seul possé dait les combinaisons nécessaires de propriétés de résistance mécanique et de ténacité élevées qui sont nécessaires 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'al longement de l'ordre de 163 kg/mm2 et un module d'élasticité de 10,6 X 1011 dynes par centimètre carré.
Deux défauts ,des ressorts moteurs en acier pour montres sont depuis longtemps connus. L'un d'eux est sa tendance à la corrosion en présence d'humidité. Comme les ressorts de montres sont soumis en service à des efforts voisins de leur charge de rupture, la. plias légère corrosion est sujette à provoquer leur rupture. Un second défaut est da tendance de ces ressorts à se déformer d'une manière perma nente, 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 pro portionnelle dans un but de concision, est. de beaucoup inférieure à. sa limite d'élasticité.
La limite proportionnelle de l'acier à ressort de montre ordinaire n'est que .de 124 kg/mm2 environ, de sorte que toute fatigue excédant cette valeur occasionne une déformation per manente et, comme moindre inconvénient, di minue le temps pendant lequel la montre fonctionne à chaque remontage complet et mo difie l'exactitude en raison de la diminution du couple moyen transmis ai--t rouage pendant le déroulement et l'entraînement.
L'invention a pour but d'éviter l'un et l'autre de ces défauts et a pour objet un res sort moteur, notamment pour mouvement de montre, caractérisé par ce qu'il est fait d'un ruban métallique non magnétique, non magné- tisable;
résistant. à la corrosion sous condi tions atmosphériques, ayant. une dureté Vickers supérieure à 480, uné limite propor tionnelle d'au moins 134 kg/mm2, une limite d'élasticité pour un décalage de 0,02% d'au moins 158 kg/mm2 et un module d'élasticité d'au moins 20 X 1011 dynes/cm2, ce ruban étant en un alliage .contenant 20 à 501/o de cobalt, 20 à 371/o de chrome et de molybdène combinés, dont la quantité du chrome est de 15 à 30% et celle du molybdène -de 1 à 101/o,
20 à 50 % de nickel, fer et manganèse com- binés, dont la quantité du nickel est plus grande que celle du fer, et dont la.
quantité du manganèse est inférieure à 5%, 0,05 à 0,30 % de carbone, et au plus 1,2 % d'élé- ments présents à. titre d'impuretés.
Cet alliage peut contenir,du béryllium. De préférence, ladite dureté Vicker s du ruban métallique est d'au moins 575 et sa limite proportionnelle d'au moins 141 kg/mm2, 176 kg/mm2, l'alliage du ruban contenant 28 à 45 % de cobalt, 24 à 35 % de chrome et de molybdène -combinés,
dont 5 à 7% de molyb- dène, 25,5 à 40,3% de nickel, fer et manga- nèse, 0,08 à 0,22% de carbone et au plus 0,
51/o -d'éléments présents à, titre d'impuretés, la réduction d'épaisseur dit. alliage par lami nage à froid étant au moins 800/0.
La dureté Vickers du ruban métallique peut être de 600 ou même davantage et sa li mite proportionnelle d'au moins 162 kg/ mm2, sa limite d'élasticité d'au moins 190 kg/mm-2, l'alliage du ruban contenant 401/o de cobalt, 20% de chrome, 71/o de molybdène, 15,5% de nickel,
15% de fer, 2% de manganèse, la réduction d'épaisseur dudit alliage par lami nage à froid étant au moins 900/0.
L'alliage recuit contient des constituants précipitables qui, pendant le vieillissement, développent de la dureté et de la résistance mécanique dans le ressort.. Les traitements de l'allongement 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 résis tance mécanique inhérente à la matrice ou alliage ide base composé de cobalt et de chrome, combinée à l'accroissement de résis tance 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 habituel à ressort moteur de montre et d'une limite .proportionnelle nota blement supérieure à celle de cet acier.
Il en résulte que le ressort moteur ainsi obtenu peut recevoir la. même section trans versale, la même longueur et la. même cour bure spirale initiale qu'un ressort moteur de montre en acier habituel, de sorte qu'il le remplace exactement, qu'il se loge dans le même espace et qu'il fonctionne initialement au moins aussi bien que ce ressort d'acier à tous les points de vue essentiels, tout en pré sentant le grand avantage de ne pas être sujet à. se détériorer par corrosion ou défor mation permanente, ni être sensible aux champs magnétiques.
Ci-après est donnée, à titre d'exemple, une liste d'alliages utilisables pour les ressorts conformes à l'invention.
EMI0003.0001
<I>Tableau <SEP> I:</I>
<tb> Alliage <SEP> Or <SEP> + <SEP> Ni <SEP> +Fe
<tb> N <SEP> Co <SEP> Mo <SEP> Or <SEP> Mo <SEP> + <SEP> Mn* <SEP> Ni <SEP> Fe <SEP> Mn <SEP> C <SEP> Be
<tb> 1 <SEP> 45 <SEP> 29,5 <SEP> 22,5 <SEP> 7 <SEP> 25,5 <SEP> 15 <SEP> 8,5 <SEP> 2 <SEP> 0,09 <SEP> 2 <SEP> 40 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 28 <SEP> 15 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 0,16 <SEP> 0,04
<tb> 3 <SEP> 40 <SEP> <B>2</B>7 <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 15,5 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> 0,11
<tb> 3A <SEP> 40 <SEP> <B>2</B> <SEP> 7 <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 15,5 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0,02
<tb> 4 <SEP> 3 <SEP> 5 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 20 <SEP> 11,5 <SEP> 1,5 <SEP> 0,10 <SEP> 0,03
<tb> 4:
1 <SEP> 35 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 30 <SEP> 1,5 <SEP> 1,5 <SEP> 0,13 <SEP> 0,03
<tb> 5 <SEP> 34 <SEP> 31 <SEP> 25 <SEP> 6 <SEP> 35 <SEP> 32 <SEP> 2 <SEP> 0,1-1 <SEP> 0,08 <SEP> 6 <SEP> 30 <SEP> 32 <SEP> 26 <SEP> 6 <SEP> 38 <SEP> 31 <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> <B>0</B>,23 <SEP> 0,02
<tb> 7 <SEP> 31 <SEP> 29 <SEP> 23 <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> 35 <SEP> 4,5 <SEP> 0,8 <SEP> 0,09 <SEP> 8 <SEP> -10 <SEP> 3 <SEP> 7 <SEP> 30 <SEP> 7 <SEP> 23 <SEP> 16 <SEP> 5 <SEP> 2 <SEP> 0,13 <SEP> 20 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 48 <SEP> 35 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 0,06 <SEP> 0,03
<tb> 10 <SEP> 40 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 35 <SEP> 22 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 0,04 <SEP> 0,03 <B>'</B> Les chiffres donnés pour Ni + Fe + 11n sont indiqués pour l'emploi du diagramme ternaire.
Dans cette liste, les alliages contenant du bériyllium sont utilisables pour des ressorts moteurs des montres si le pourcentage du béryllium est moindre que 0,020/0 ainsi que ceux dont cet élément est absent. Parmi ces alliages, les N " 1 à. 7 inclus ont été trouvés extrêmement satisfaisants pour la fabrication des ressorts moteurs pour montres, et les N 3 8 à 10 inclus sont suscep tibles de recevoir la même application. titre comparatif, on indiquera le comporte ment d'une autre série d'alliages ne conve nant Pas pour le but visé.
EMI0003.0011
<I>Tableau <SEP> IA:</I>
<tb> Alliage <SEP> Go <SEP> Gr+ <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Ni+Fe <SEP> Ni <SEP> Fe <SEP> Mn <SEP> C <SEP> Be
<tb> N <SEP> Mo <SEP> + <SEP> Mn
<tb> 11 <SEP> 50 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 18 <SEP> 16 <SEP> - <SEP> 2 <SEP> 0,09 <SEP> 12 <SEP> 20 <SEP> 46 <SEP> 40 <SEP> 6 <SEP> 34 <SEP> 20 <SEP> 12 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0,05
<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 26,3 <SEP> 22,6 <SEP> 3,7 <SEP> 52 <SEP> 26,3 <SEP> 25 <SEP> 0,72 <SEP> 0,06 <SEP> 14 <SEP> 40 <SEP> 16 <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 44 <SEP> 30 <SEP> 12 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0,04
<tb> 15 <SEP> 56 <SEP> 22 <SEP> 15 <SEP> 7 <SEP> 21,5 <SEP> 4,5 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0,01
<tb> 16 <SEP> 55 <SEP> 34,5 <SEP> 27,5 <SEP> 7 <SEP> 10,5 <SEP> 8,5 <SEP> - <SEP> 2 <SEP> - <SEP> - Dans les tableaux ci-.dessus et les suivants,
les quantités indiquées pour le cobalt, le chrome, le nickel, le molybdène, le fer et le manganèse sont les quantités calealées en poids (vérifiées précises par l'analyse), alors que le carbone est. la. valeur analytique.
Les alliages N 8 4 et 4A ont. la même com position ternaire ; dans le N 4, il y a 200/0 de Ni avec 11,51/o de Fe; dans le N 4A, il y a 30 0/0 de Ni avec 1,5 % de Fe. L'alliage N 8 est utilisable, mais inférieur aux alliages N e <B><I>1</I></B> à 7, en raison de sa teneur élevée en Cr + Mo et de sa faible teneur en.
plastifiant Ni + Fe + Mn. L'alliage N 9 possède le mi- nimum de Co et ne contient que 0,08 % de C. Il est en principe utilisable, mais une modifi cation consistant à élever sa teneur en car- bone à 0,
2% est désirable. L'alliage N 10 ne contient pas de Mo et sa charge de rupture est faible.
On connaît des alliages à base de cobalt et de chrome qu'on utilise .comme pièces fon dues pour la prothèse .dentaire, les outils de coupe inoxydables, les pièces devant conser- ver leur forme et leur résistance mécanique aux températures 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.
<B>Il</B> est en outre connu d'introduire d'autres éléments dans ces alliages fondamentaux; par exemple, on a introduit du molybdène dans ceux de ces alliages qui ont été utilisés pour des 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 soupapes ou de tiroirs, etc., en vue d'améliorer la dureté et la résistance à l'abrasion. Il est notoire que les alliages ainsi modifiés peuvent atteindre des résistances mécaniques et duretés presque aussi élevées que celles des aciers à haute teneur en carbone traités thërmiquement, mais, à la connaissance de l'inventeur, aucun d'eux n'avait été utilisé avec succès pour rem placer les ressorts en acier au carbone.
L'inventeur a découvert que, par des sé lections corrélatives convenables des condi tions afférentes à la composition, au travail mécanique et aux traitements thermiques, es 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 mécanique augmentent et deviennent égales, sinon supérieures, à celles qui .peuvent être dé veloppées avec d'excellents aciers habituels pour ressorts de montres, et qu'on peut, par ce moyen,
-fabriquer des ressorts moteurs d'horlogerie qui possèdent des propriétés ini tiales au moins égales à celles d'un ressort d'acier habituel de mêmes @dimeusions et qui sont, capables d'éviter la corrosion et la d6for- mation permanente, de sorte que leur durée probable est de beaucoup supérieure à celle du ressort 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'ajouter alors le chrome sous forme de ferroelirome et le molybdène sous forme de ferromolybdène. Le rnangarrèsP est de préférence ajouté sous forme d'un ferro-alliage contenant environ 801/o de man ganèse. Après que l'alliage a été fondu et amené à la température convenable, on ajoute un peu d'aluminium et un peu d'alliage de calcium-silicium en vue de la désoxydation.
On écume le laitier et fond le lingot; des lin gots de 2,5 à 45 kilogrammes ont été fabri qués dans la pratique.
Le lingot est alors forgé à chaud et con verti par laminage à, chaud en plaque oui barre d'épaisseur telle que le travail à chaud cesse d'être économique. La. plaque peut être ainsi réduite à une épaisseur de 1,27 mrr, mais une épaisseur de 6,25 à 5,08 mm est pré férable dans ,la pratique. Le travail à chaud est effectué à des températures supérieures au rouge, avec une préférence pour les tem pératures voisines de 1090 C. Ce traitement est suivi .d'un recuit d'homogénéisation â 1150 à 1200 C.
On indiquera ci-après la. dureté acquise par quelques-uns des allia-es précédemment énumérés à la suite du recuit d'homogénéisa tion (à partir de 1150 C) ayant fait suite au travail à chaud
EMI0004.0022
<I>Tableau <SEP> II:</I>
<tb> Alliage <SEP> N <SEP> Dureté <SEP> Vickers
<tb> 3 <SEP> 225
<tb> 5 <SEP> 227
<tb> 7 <SEP> 217
<tb> 8 <SEP> 274
<tb> 11 <SEP> 247
<tb> 16 <SEP> 285 La bande est alors laminée à, froid à la température ambiante jusqu'à. une épaisseur de 2,54 mm, cette réduction d'épaisseur étant. suivie d'un nouveau recuit d'homogénéisation, lui-même suivi d'une nouvelle réduction, par .laminage à froid, à 1,02 mm.
Un dernier re cuit d'homogénéisation a été 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 propriétés de ré sistance mécanique étaient celles indiquées dans le tableau III ci-après. <I>Tableau III:
</I> bans ce tableau et les tableaux et la des cription qui suivent, 13éd signifie la réduction d'épaisseur en /o, TS représente da charge de rupture, PL la limite proportionnelle, YS la limite d'élasticité, Mod le module d'élasticité et VIIN l'indice de dureté Viclcers. TS, PL et YS sont exprimés en kg/mm= et Mo,d en (1viles/em'X 1011.
YS a été indiqué avec un déca.lag'e de 0,02 /0 (allongement permanent dis la, limite de la proportionnalité). Les épreuves<B>(le</B> flexion, (lui donnent une indica tion (le la ténacité, ont consislé en une flexion de l80 autour d'arbres du diamètre spécifié.
EMI0005.0021
11N <SEP> ge <SEP> Réd. <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> <B><I>UN</I></B>
<tb> 1 <SEP> 89,2 <SEP> 206 <SEP> 86 <SEP> 117 <SEP> 17,8 <SEP> 530
<tb> 2 <SEP> 92 <SEP> 207 <SEP> 100 <SEP> 122 <SEP> 1.6,3 <SEP> 497
<tb> 3 <SEP> 92,7 <SEP> 202 <SEP> 91 <SEP> 110 <SEP> 17,1 <SEP> 551
<tb> 3A <SEP> 90 <SEP> 207 <SEP> 82 <SEP> 100 <SEP> 1.9 <SEP> 535
<tb> 4 <SEP> 92,7 <SEP> 191 <SEP> 10<B>9</B> <SEP> 125 <SEP> 15,<B>6</B> <SEP> 51<B>6</B>
<tb> 411. <SEP> 92,7 <SEP> 200 <SEP> 95 <SEP> 115 <SEP> 18 <SEP> 481
EMI0005.0022
Alliage <SEP> Réd.
<SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb> N
<tb> 5 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb> <B>6</B> <SEP> 89 <SEP> 182 <SEP> 105 <SEP> 129 <SEP> 15,1 <SEP> 485
<tb> 7 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb> 8 <SEP> 78,5 <SEP> 212 <SEP> 93 <SEP> 122 <SEP> 17,<B>6</B> <SEP> 53<B>6</B>
<tb> 9 <SEP> 92,7 <SEP> 17<B>6</B> <SEP> 99 <SEP> 124 <SEP> 1<B>6</B>,2 <SEP> 475
<tb> 10 <SEP> 92,7 <SEP> <B>185</B> <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 16,<B>6</B> <SEP> 466
<tb> 11 <SEP> 57 <SEP> 197 <SEP> 79 <SEP> 107 <SEP> 19,4 <SEP> 542
<tb> 12 <SEP> n'ont <SEP> pas <SEP> pu <SEP> être <SEP> laminés <SEP> à <SEP> chaud
<tb> 13 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb> 14 <SEP> 11'011t <SEP> pas <SEP> pu <SEP> être <SEP> laminés <SEP> à <SEP> chaud
<tb> 15 <SEP> 66,6 <SEP> 18<B>6</B> <SEP> 118 <SEP> 148 <SEP> 1<B>6</B>,
9 <SEP> 515
<tb> 1<B>6</B> <SEP> 57 <SEP> <B>187</B> <SEP> 83 <SEP> 108 <SEP> 19,<B>6</B> <SEP> . <SEP> 57<B>6</B> <I>(Nota:</I> Les alliages N y 11, 15 et 16 ont été difficiles à laminer à, froid en raison de la faible quantité de plastifiant, .et les réduc tions spécifiées sont des limites pratiquement admissibles.) lies rubans ont alors été soumis à un vieil lissement à 480 pendant 5 heures et les essais ont donné les résultats suivants:
EMI0005.0029
<I>Tableau <SEP> IV:</I>
<tb> Propriétés <SEP> de <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> Diamètre <SEP> des <SEP> éprouvettes <SEP> de <SEP> flexion
<tb> 1;S <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN <SEP> Flexion <SEP> Rupture <SEP> Rupture
<tb> totale <SEP> partielle <SEP> totale
<tb> 1 <SEP> 262 <SEP> 171 <SEP> 198 <SEP> 21 <SEP> <B>6</B>77 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 2 <SEP> 274 <SEP> 1<B>6</B>2 <SEP> 192 <SEP> 20,4 <SEP> 790 <SEP> 3,175 <SEP> - <SEP> 2,413
<tb> 3 <SEP> 255 <SEP> 175 <SEP> 194 <SEP> 20,1 <SEP> <B>6</B>95 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 3A <SEP> 262 <SEP> 187 <SEP> 204 <SEP> 19,8 <SEP> 690 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 4 <SEP> 244 <SEP> 142 <SEP> 188 <SEP> 20,7 <SEP> <B>6</B>23 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 411 <SEP> <B>252</B> <SEP> 1.45 <SEP> 189 <SEP> 21,
3 <SEP> 579 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 5 <SEP> 255 <SEP> 162 <SEP> 193 <SEP> 21,5 <SEP> <B>6</B>73 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905 <SEP> 1,524
<tb> 6 <SEP> 23<B>6</B> <SEP> 157 <SEP> 184 <SEP> 20,3 <SEP> 664 <SEP> 3,175 <SEP> - <SEP> 2,413
<tb> 7 <SEP> , <SEP> 222 <SEP> 159 <SEP> 183 <SEP> 21,1 <SEP> <B><I>6</I></B>60 <SEP> 1,01<B>6</B> <SEP> - <SEP> 0,813
<tb> 8 <SEP> 268 <SEP> 175 <SEP> 205 <SEP> 20,8 <SEP> 700 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905 <SEP> 1,524
<tb> 9 <SEP> 254 <SEP> 141 <SEP> 179 <SEP> 20,3 <SEP> <B>6</B>02 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905 <SEP> 1,524
<tb> 10 <SEP> 22<B>6</B> <SEP> 134 <SEP> 1<B>6</B>0 <SEP> 20,4 <SEP> 486 <SEP> 2,413 <SEP> - <SEP> 1,905
<tb> 11 <SEP> 234 <SEP> 1<B>6</B>0 <SEP> 189 <SEP> 22,3 <SEP> 713 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 13 <SEP> 201 <SEP> 137 <SEP> 1.62 <SEP> 19,8 <SEP> 570 <SEP> 0,813 <SEP> - <SEP> - <I>(Nota:
</I> L'alliaâe N 13 ne posede qu'une faible résistance et une faible .dureté. Les alliages N g 15 et 16 étaient trop fragiles pour les essais.) L'alliag-c contient environ 20 à<B>50%</B> de cobalt et environ 15 à. 301/0 de chrome, avec 20 à, 50 /o (1e constituants ramollissants on plastifiants, comprenant (au moins du nickel).
En général, ces constituants sont présents sous forme de 20 à 50% de cobalt,
de 20 à 37% de chrome et de .molybdène combinés (le molybdène constituant 1 â 10% cle l'alliage)
et 20 â 50% de nickel, de fer et de mailba- nèse combinés (le pourcentage de nickel étant supérieur â celui du fer,
dont la proportion peut varier de traces négligeables à un maxi- mùni de 15 %, et le pourcentage .de manga- nèse étant compris entre une fraction rési- duelle et 5%)
et une teneur en carbone d'en- viron 0,05 à 0,3 %. Le béryllium peut être présent en faibles quantités, des teneurs par- ticulières de 0,01 à 0,
09 % s'étant avérées comme avantageuses pour les ressorts moteurs de montres. Le reste est composé des impu retés qui accompagnent les métaux introduits ou qui résultent des opérations (le fusion. Elles ne doivent pas comprendre plus de 0,05% d'azote (celui,ci étant efficace à titre de substituant partiel pour le carbone).
Le silicium résiduel de la désoxydation qui inter vient pendant ,la fusion peut être toléré jus- qu'à 0,5 % et, clans le cas de quelques alliages,
jusqu'à 1% lorsque la teneur- en fer es' élevée. Le total de ces éléments concurrents et résiduels est ainsi inférieur à environ 1,2 01o.
Les compositions actuellement préférées, assurant -les conditions de douceur les plus favorables à l'état recuit d'homogénéisation, le développement .de la résistance mécanique pendant le travail à froid et le vieillissement subséquent et .des propriétés supérieures à celles de .l'acier à ressort moteur de montre habituel, comprennent 28 à 45 % de cobalt,
24 à 35 % de chrome et de molybdène com- binés (dont 5 à 7 % de molybdène) et 15 à 32% de nickel,
fer et manganèse combinés (le nickel prédominant sur le fer et le manga nèse étant présent à raison (le 0,5 à 20/0). En ce qui concerne les autres constituants, l'al- lianle possède environ 0,08 à 0,22% de car- bone; 0 à 0,09% de béryllium;
de préférence moins d'environ 0,15 .à 0,25% de silicium; moins de 0,05% de chacun .des éléments phos phore et soufre; avec ,des traces insignifiantes d'autres éléments.
Le total de ces éléments concurrents et résiduels est inférieur à 0,51/o. Le cobalt est un des constituants de base destinés à conférer de la résistance inécani- que. En général, la résistance mécanique s'ae- croît avec la teneur en cobalt, mais des pro portions excessives de cet élément élèvent la dureté au point que les caractéristiques de travail â froid cessent 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 inter métallique qui fournit un constituant de dur cissement et (le renforcement pendant le vieil- lissemeilt.
Le chrome contribue à un degré très im portant à la résistance à la corrosion et co opère avec le molybdène en ce sens que l'accroissement de 1'111l quelconque ou de cha cun de ces éléments, au-dessus (les valelii-s minima spécifiées, .donne lieu à un accroisse ment de la résistance mécanique et de la du reté, de sorte que ils somme (les teneiii-s en chrome -et en molyb.dène est déterminante lorsque ces éléments sont tous dent présents.
Le molybd%ne .est un élément de renfor- cement 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, <B>(lu</B> fer et .c111 manganèse sont eonsi- clérés comme (les adoucissants de la coinposi- tion à L'état recuit.
En d'autres termes, un alliage binaire qui serait composé seulement de cobalt et ,de chrome, même si les rapports entre ces dent éléments sont ceux qui coil- viennent pour le développement (le la résis tance mécanique par travail à froid et vieil lissement, conformément aux études (le l'in venteur,
ne se laisse pas surfisaniiiient. bien travailler à froid pour acquérir les propriétés supérieures de résistance mécanique qui peu vent' être obtenues avec le présent alliage, mai,,;
l'addition de tels plastli'iants a pour effet de .diminuer la dureté de l'alliage recuit, et il devient ainsi possible de développer les résistances d'écrouissafvo avant que la (fureté qui résulte 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 quan tités appréciables de fer ou de manganèse.
Dans la pratique, le fer peut être appliqué à titre de remplacant mineur du nickel et avec le grand avantage économique que le chrome, le moh-bdène et. -le manganèse peuvent être introduits sous forme des ferro-alliages cor respondants, 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 for mation d'écailles ou pailles de fer aux hautes températures, et il convient, que sa. teneur soit tenue au-dessous de celle du nickel.
Le man- ganèse est un bon désoxydant pendant le brassage 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 désirés;
il peut y en avoir jusqu'à o % sans effet nuisi- ble, mais il ne semble pas qu'on ait aucun avantage particulier à ce que la teneur de l'alliage en cet élément, dépasse 21/o environ.
La préférence pour les teneurs en carbone de 0,08 à 0,22% a été indiquée par les com- positions optima ci-dessus.
L'effet du carbone est mis en évidence par des alliages autrement identiques provenant de deux masses fondues de l'alliage N 3, parmi lesquelles :l'alliage 3A, avait une teneur en carbone de 0,05% et l'alliage 3B une teneur en carbone de 0,091/o. L'état laminé à froid est celui donné par 1e_ recuit suivi d'un .laminage à froid, et l'état vieilli est. le même, mais après 5 heures de, vieillissement à 480 C.
EMI0007.0042
<I>Tableau <SEP> V:</I>
<tb> Alliage <SEP> Condition <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb> No
<tb> A <SEP> laminé <SEP> à <SEP> froid <SEP> 182 <SEP> 94 <SEP> 119 <SEP> 15,4 <SEP> 519
<tb> B <SEP> 184 <SEP> 95 <SEP> 116 <SEP> 16,1 <SEP> 531
<tb> A <SEP> vieilli <SEP> 229 <SEP> <B>1</B>36 <SEP> 171 <SEP> 20,3 <SEP> 635
<tb> B <SEP> 240 <SEP> 154 <SEP> 181 <SEP> 20,2 <SEP> 681
<tb> Effet <SEP> de <SEP> 0,04 <SEP> % <SEP> C <SEP> 11 <SEP> 18 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 46 On voit qtt'tme amélioration très nette est apportée à la limite proportionnelle, dont dé pendent la propriété du ressort d'être ou non sujet à des déformations permanentes en ser vice et l'amplitude de ces déformations.
Le terme recuit d'homogénéisation , tel qu'il est utilisé ici, définit l'opération consis tant à chauffer la masse à une température à laquelle une homogénéisation apparente se produit, c'est-à-dire à laquelle les consti tuants de précipitation sont mis en solu tion; ainsi que le refroidissement auquel la masse homogénéisée est. soumise en vue de fixer cet état. Le refroidissement doit être assez rapide pour empêcher la précipita tion desdits constituants, on le vieillissement. prématuré, pouvant donner lieu à une dureté et à une résistance an travail à froid indési rables.
Dans la pratique, l'alliage devra être soumis à un traitement. initial de recuit d'ho mogénéisation à et à partir d'une tempéra ture de 1090 à 1260 C, et de préférence de 1149 à. 1177 C, et les autres recuits d'honto- Éyénéisation (intermédiaires et final) peuvent ensuite être effectués à et à partir de tempé ratures aussi basses que 980 (1, quoique de préférence comprises entre 1090 et 1150 C.
Le refroidissement rapide de sections plus épaisses que 5 mm exige la trempe à. l'eau, alors que des sections plus minces peuvent efficacement et phis commodément être re froidies 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 favo riser la production d'une structure homogène ayant une disposition cubique à faces cen trées, ainsi que d'amener l'alliage à l'état où il se prête le mieux au durcissement par vieil lissement.
L'effet de la température au cours du recuit d'homogénéisation est mis en évidence par l'alliage N 3 qui possédait une dureté Vickers de 240 avant le laminage à, froid et a alors été réduit de 50 oio par laminage à froid, puis soumis au recuit-trempe.
EMI0008.0007
<I>Tableau <SEP> VI:
</I>
<tb> Temp. <SEP> <SEP> C <SEP> Temps <SEP> VHN
<tb> Témoin <SEP> laminé <SEP> à <SEP> froid <SEP> jusqu'à <SEP> 50 <SEP> %
<tb> de <SEP> réduction <SEP> d'épaisseur <SEP> 468
<tb> 650 <SEP> 30 <SEP> minutes <SEP> 550
<tb> 705 <SEP> <SEP> <SEP> 485
<tb> 760 <SEP> <B> <SEP> </B> <SEP> 455
<tb> 815 <SEP> <SEP> <SEP> 412
<tb> 870 <SEP> <SEP> <SEP> 343
<tb> 980 <SEP> <SEP> <SEP> 302
<tb> 1150 <SEP> <SEP> <SEP> 240 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 chauf fage. à 760 C l'adoucissait très peu.
Aux tem pératures successivement croissantes, l'adou cissement intervient, un degré d'adoucisse ment satisfaisant étant obtenu à 1150 C et un adoucissement utilement applicable à 980 C. Dans le cas d'alliages plus durs que l'alliage N 3, il est recommandable d'appli quer une température supérieure à 1150 C, mais il est bon d'éviter des températures excessives afin de réduire au minimum la for mation 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'obtenir des va- leurs de résistances finales satisfaisantes. L'accroissement de la dureté et de la résis tance est très rapide au début du .laminage à froid et est ensuite plus lent.
Par exemple, l'alliage N 3 a accusé sous des réductions d'épaisseur de 75, 80, 85 et 90% des duretés respectives de 510, 570, 580 et 590. Pour les ressorts moteurs de montres, il est préférable 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 701/o et atteindra. de pré férence 8011/o, de bons résultats ayant. été obtenus au-dessus de 901/o.
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'épaisseur finale du ruban et de la durée et de la température du vieillissement.
La température appliquée pour le présent vieillissement varie de 260 à. 6:50 C. La pra tique actuelle est de chauffer de 370 à 620 C pendant des temps qui dépendent. de la température. Un chauffage de 5 heures à 480 C a donné une combinaison désirable de propriétés de résistance mécanique et. de té nacité. En général, la limite proportionnelle, la limite d'élasticité et la charge de rupture augmentent avec la température de vieillisse ment jusqu'à des températures de .l'ordre de 480 à 540 C, mais l'accroissement de ces pro priétés s'accompagne jusqu'à un certain point d'une diminution de ténacité.
Il faut en par ticulier éviter un vieillissement trop poussé, car un chauffage clé 5 heures au-dessus de 650 C, par exemple, effectue une diminution marquée clés propriétés de résistance sans que ceci soit compensé à un ,degré appréciable par une meilleure ductilité. Théoriquement, il semblerait qu'un état de solution solide sur saturée en constituants précipitables- pro duit par le recuit d'homogénéisation - est modifié par le vieillissement en ce sens que les particules de précipitation se présentent.
d'aii moins 20 X 1011 dytieS/cïn2, ce ruban étant en un alliage contenant 20 à 50% de cobalt, 20 à 37% de chrome et de molybdène combinés, dont la quantité du chrome est de 15 à 30% et celle du molybdène de 1 à 10%, 20 à 50% de nickel,
fer et manganèse com- binés, dont. la. quantité du nickel est. phis grande que celle du fer, et dont. la quantité du manganèse est inférieure à 50/0, 0,05 à 0,30% de carbone et au plus 1,2% d'éléments présents à titre d'impuretés.
<B> Motor spring, in particular for watch movement. </B> The present invention a. relates to mainsprings, a typical example of which is. the spring. watch engine, a particular case which in practice presents problems which are particularly difficult to solve in that the limited space and considerations relating to the probable service life mean that such a spring must be capable of storing a large amount of energy in a small volume and that repeated winding and unwinding operations that occur during. the entire service life of the watch must represent the accumulation and release of substantially identical amounts of energy.
A characteristic of mainsprings of this kind is that, during their use, they are subjected to continuous load conditions and that, by construction and with a view to economy, the load to which the spring is subjected at the end of the re-assembly is close to the limits of the. mechanical resistance of the metal, the minimum possible safety factor being. admitted.
Prior to the invention, mainsprings for watches were generally made of high carbon spring steel, as this metal alone had been found to have the necessary combinations of high strength and toughness properties which are required. to store the required amounts of energy in the limited space available. The spring steel commonly used for the mainsprings of watches has an elastic limit or elongation of the order of 163 kg / mm2 and a modulus of elasticity of 10.6 X 1011 dynes per centimeter. square.
Two flaws in steel mainsprings for watches have long been known. One of them is its tendency to corrosion in the presence of moisture. As the watch springs are subjected in service to forces close to their breaking load, the. Slight corrosion plias is prone to cause them to break. A second defect is the tendency of these springs to deform in a permanent manner, which decreases their effective length and the quantity of energy which they are able to store. This defect of spring steel is due to the fact that its limit of proportional elongation, hereinafter referred to as the proportional limit for the sake of brevity, is. much less than. its elastic limit.
The proportional limit of ordinary watch spring steel is only about 124 kg / mm2, so that any fatigue exceeding this value causes permanent deformation and, as a minor inconvenience, decreases the time during which the The watch operates with each complete winding and changes the accuracy due to the decrease in the average torque transmitted to the cogwheel during unwinding and driving.
The object of the invention is to avoid both of these defects and its object is a motor resort, in particular for a watch movement, characterized in that it is made of a non-magnetic metal strip, non-magnetizable;
resistant. to corrosion under atmospheric conditions, having. a Vickers hardness greater than 480, a proportional limit of at least 134 kg / mm2, a yield strength for an offset of 0.02% of at least 158 kg / mm2 and a modulus of elasticity of at least less 20 X 1011 dynes / cm2, this ribbon being in an alloy containing 20 to 501 / o of cobalt, 20 to 371 / o of combined chromium and molybdenum, of which the amount of chromium is 15 to 30% and that of molybdenum -from 1 to 101 / o,
20 to 50% of combined nickel, iron and manganese, in which the quantity of nickel is greater than that of iron, and of which the.
amount of manganese is less than 5%, 0.05 to 0.30% carbon, and not more than 1.2% of the elements present at. title of impurities.
This alloy may contain beryllium. Preferably, said Vicker s hardness of the metal tape is at least 575 and its proportional limit at least 141 kg / mm2, 176 kg / mm2, the alloy of the tape containing 28 to 45% cobalt, 24 to 35. % of chromium and molybdenum - combined,
including 5 to 7% of molybdenum, 25.5 to 40.3% of nickel, iron and manganese, 0.08 to 0.22% of carbon and not more than 0,
51 / o -elements present as impurities, said thickness reduction. cold swam alloy being at least 800/0.
The Vickers hardness of the metal tape can be 600 or even more and its proportional limit at least 162 kg / mm2, its yield strength at least 190 kg / mm-2, the alloy of the tape containing 401 / o cobalt, 20% chromium, 71 / o molybdenum, 15.5% nickel,
15% iron, 2% manganese, the reduction in thickness of said alloy by cold rolling being at least 900/0.
The annealed alloy contains precipitable constituents which, during aging, develop hardness and mechanical strength in the spring. The treatments of cold elongation and aging at the precipitation temperature which follows it 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 tensile strength at less equal to that of a usual steel with a mainspring for watches and of a proportional limit appreciably higher than that of this steel.
It follows that the motor spring thus obtained can receive the. same cross section, same length and. same initial spiral curvature as a regular steel watch mainspring, so it replaces it exactly, fits in the same space and initially performs at least as well as this steel spring from all essential points of view, while having the great advantage of not being subject to. deteriorate by corrosion or permanent deformation, nor be sensitive to magnetic fields.
Below is given, by way of example, a list of alloys which can be used for the springs in accordance with the invention.
EMI0003.0001
<I> Table <SEP> I: </I>
<tb> Alloy <SEP> Gold <SEP> + <SEP> Ni <SEP> + Fe
<tb> N <SEP> Co <SEP> Mo <SEP> Or <SEP> Mo <SEP> + <SEP> Mn * <SEP> Ni <SEP> Fe <SEP> Mn <SEP> C <SEP> Be
<tb> 1 <SEP> 45 <SEP> 29.5 <SEP> 22.5 <SEP> 7 <SEP> 25.5 <SEP> 15 <SEP> 8.5 <SEP> 2 <SEP> 0.09 <SEP> 2 <SEP> 40 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 28 <SEP> 15 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 0.16 <SEP> 0.04
<tb> 3 <SEP> 40 <SEP> <B> 2 </B> 7 <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 15.5 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> 0 , 11
<tb> 3A <SEP> 40 <SEP> <B> 2 </B> <SEP> 7 <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 15.5 <SEP> 15 <SEP> 2 < SEP> - <SEP> 0.02
<tb> 4 <SEP> 3 <SEP> 5 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 20 <SEP> 11.5 <SEP> 1.5 <SEP> 0.10 <SEP> 0.03
<tb> 4:
1 <SEP> 35 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 33 <SEP> 30 <SEP> 1.5 <SEP> 1.5 <SEP> 0.13 <SEP> 0.03
<tb> 5 <SEP> 34 <SEP> 31 <SEP> 25 <SEP> 6 <SEP> 35 <SEP> 32 <SEP> 2 <SEP> 0.1-1 <SEP> 0.08 <SEP> 6 <SEP> 30 <SEP> 32 <SEP> 26 <SEP> 6 <SEP> 38 <SEP> 31 <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> <B> 0 </B>, 23 <SEP> 0, 02
<tb> 7 <SEP> 31 <SEP> 29 <SEP> 23 <SEP> 6 <SEP> 40 <SEP> 35 <SEP> 4.5 <SEP> 0.8 <SEP> 0.09 <SEP> 8 <SEP> -10 <SEP> 3 <SEP> 7 <SEP> 30 <SEP> 7 <SEP> 23 <SEP> 16 <SEP> 5 <SEP> 2 <SEP> 0.13 <SEP> 20 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 48 <SEP> 35 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 0.06 <SEP> 0.03
<tb> 10 <SEP> 40 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 35 <SEP> 22 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 0.04 <SEP> 0.03 <B > '</B> The figures given for Ni + Fe + 11n are given when using the ternary diagram.
In this list, the alloys containing beryllium can be used for motor springs of watches if the percentage of beryllium is less than 0.020 / 0 as well as those in which this element is absent. Among these alloys, Nos. 1 to. 7 inclusive have been found to be extremely satisfactory for the manufacture of mainsprings for watches, and Nos. 38 to 10 inclusive are liable to receive the same application. of another series of alloys not suitable for the intended purpose.
EMI0003.0011
<I> Table <SEP> IA: </I>
<tb> Alloy <SEP> Go <SEP> Gr + <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Ni + Fe <SEP> Ni <SEP> Fe <SEP> Mn <SEP> C <SEP> Be
<tb> N <SEP> Mo <SEP> + <SEP> Mn
<tb> 11 <SEP> 50 <SEP> 32 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 18 <SEP> 16 <SEP> - <SEP> 2 <SEP> 0.09 <SEP> 12 <SEP> 20 <SEP> 46 <SEP> 40 <SEP> 6 <SEP> 34 <SEP> 20 <SEP> 12 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0.05
<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 26.3 <SEP> 22.6 <SEP> 3.7 <SEP> 52 <SEP> 26.3 <SEP> 25 <SEP> 0.72 <SEP> 0 , 06 <SEP> 14 <SEP> 40 <SEP> 16 <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 44 <SEP> 30 <SEP> 12 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0.04
<tb> 15 <SEP> 56 <SEP> 22 <SEP> 15 <SEP> 7 <SEP> 21.5 <SEP> 4.5 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0.01
<tb> 16 <SEP> 55 <SEP> 34.5 <SEP> 27.5 <SEP> 7 <SEP> 10.5 <SEP> 8.5 <SEP> - <SEP> 2 <SEP> - <SEP > - In the tables above and the following,
the amounts indicated for cobalt, chromium, nickel, molybdenum, iron and manganese are the amounts calibrated by weight (verified precisely by analysis), while carbon is. the. analytical value.
The N 8 4 and 4A alloys have. the same ternary com position; in N 4, there is 200/0 of Ni with 11.51 / o of Fe; in N 4A, there is 30 0/0 of Ni with 1.5% of Fe. Alloy N 8 can be used, but inferior to N e <B> <I> 1 </I> </ B alloys > to 7, due to its high Cr + Mo content and its low content.
plasticizer Ni + Fe + Mn. Alloy N 9 has the minimum of Co and contains only 0.08% of C. It can be used in principle, but a modification consisting in raising its carbon content to 0,
2% is desirable. Alloy N 10 does not contain Mo and its breaking load is low.
Alloys based on cobalt and chromium are known which are used as cast parts for dental prosthesis, stainless cutting tools, parts which must retain their shape and their mechanical resistance at high temperatures, such as valves of internal combustion engines, etc., the final shaping operations consisting of hot forging or grinding. the grindstone.
<B> It </B> is also known to introduce other elements into these basic alloys; for example, molybdenum has been introduced into those of these alloys which have been used for dental prosthesis parts, and tungsten has been incorporated into those of these alloys which are intended for cutting tools, valve coatings or of drawers, etc., to improve hardness and abrasion resistance. It is well known that the alloys thus modified can achieve mechanical strengths and hardnesses almost as high as those of heat-treated high carbon steels, but, to the knowledge of the inventor, none of them had been used with success in replacing the carbon steel springs.
The inventor has discovered that, by suitable correlative selections of the conditions relating to the composition, to the mechanical work and to the heat treatments, the alloys which contain cobalt and chromium in proportions suitable for ensuring good mechanical resistance of said alloys originally, 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 the usual excellent steels for watch springs, and that we may, by this means,
- manufacture clockwork mainsprings which have initial properties at least equal to those of a usual steel spring of the same size and which are capable of avoiding corrosion and permanent deformation, so that their probable duration is much greater than that of the 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 in the form of ferroelirome and the molybdenum in the form of ferromolybdenum. The rnangarrèsP is preferably added in the form of a ferroalloy containing about 801% 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 the purpose of deoxidation.
We skim the slag and melt the ingot; flaxes of 2.5 to 45 kilograms have been produced in practice.
The ingot is then hot forged and converted by hot rolling into a plate or bar of thickness such that hot working ceases to be economical. 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 preference for temperatures in the region of 1090 C. This treatment is followed by a homogenization annealing at 1150 to 1200 C.
Hereinafter, the. hardness acquired by some of the alloys listed above as a result of homogenization annealing (from 1150 C) following hot work
EMI0004.0022
<I> Table <SEP> II: </I>
<tb> Alloy <SEP> N <SEP> Hardness <SEP> Vickers
<tb> 3 <SEP> 225
<tb> 5 <SEP> 227
<tb> 7 <SEP> 217
<tb> 8 <SEP> 274
<tb> 11 <SEP> 247
<tb> 16 <SEP> 285 The strip is then rolled at, cold at room temperature to. a thickness of 2.54 mm, this reduction in thickness being. followed by a further homogenization annealing, itself followed by a further reduction, by cold rolling, to 1.02 mm.
A final reheating of homogenization 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 resistance properties were those indicated in Table III below. <I> Table III:
</I> In this table and the tables and description that follow, 13ed means the reduction in thickness in / o, TS represents da breaking load, PL the proportional limit, YS the elastic limit, Mod the modulus elasticity and VIIN the Viclcers hardness index. TS, PL and YS are expressed in kg / mm = and Mo, d in (1viles / em'X 1011.
YS was indicated with an offset of 0.02 / 0 (permanent elongation say the limit of proportionality). The tests <B> (the </B> bending, (give it an indication (the toughness, consisted of a bending of l80 around trees of the specified diameter.
EMI0005.0021
11N <SEP> ge <SEP> Red. <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> <B><I>UN</I> </B>
<tb> 1 <SEP> 89.2 <SEP> 206 <SEP> 86 <SEP> 117 <SEP> 17.8 <SEP> 530
<tb> 2 <SEP> 92 <SEP> 207 <SEP> 100 <SEP> 122 <SEP> 1.6.3 <SEP> 497
<tb> 3 <SEP> 92.7 <SEP> 202 <SEP> 91 <SEP> 110 <SEP> 17.1 <SEP> 551
<tb> 3A <SEP> 90 <SEP> 207 <SEP> 82 <SEP> 100 <SEP> 1.9 <SEP> 535
<tb> 4 <SEP> 92,7 <SEP> 191 <SEP> 10 <B> 9 </B> <SEP> 125 <SEP> 15, <B> 6 </B> <SEP> 51 <B> 6 </B>
<tb> 411. <SEP> 92.7 <SEP> 200 <SEP> 95 <SEP> 115 <SEP> 18 <SEP> 481
EMI0005.0022
Alloy <SEP> Red.
<SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb> N
<tb> 5 <SEP> 89 <SEP> not <SEP> determined
<tb> <B> 6 </B> <SEP> 89 <SEP> 182 <SEP> 105 <SEP> 129 <SEP> 15.1 <SEP> 485
<tb> 7 <SEP> 89 <SEP> not <SEP> determined
<tb> 8 <SEP> 78.5 <SEP> 212 <SEP> 93 <SEP> 122 <SEP> 17, <B> 6 </B> <SEP> 53 <B> 6 </B>
<tb> 9 <SEP> 92,7 <SEP> 17 <B> 6 </B> <SEP> 99 <SEP> 124 <SEP> 1 <B> 6 </B>, 2 <SEP> 475
<tb> 10 <SEP> 92.7 <SEP> <B> 185 </B> <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 16, <B> 6 </B> <SEP> 466
<tb> 11 <SEP> 57 <SEP> 197 <SEP> 79 <SEP> 107 <SEP> 19.4 <SEP> 542
<tb> 12 <SEP> have <SEP> not <SEP> could <SEP> be <SEP> rolled <SEP> to <SEP> hot
<tb> 13 <SEP> 89 <SEP> not <SEP> determined
<tb> 14 <SEP> 11'011t <SEP> not <SEP> pu <SEP> be <SEP> rolled <SEP> to <SEP> hot
<tb> 15 <SEP> 66,6 <SEP> 18 <B> 6 </B> <SEP> 118 <SEP> 148 <SEP> 1 <B> 6 </B>,
9 <SEP> 515
<tb> 1 <B> 6 </B> <SEP> 57 <SEP> <B> 187 </B> <SEP> 83 <SEP> 108 <SEP> 19, <B> 6 </B> <SEP >. <SEP> 57 <B> 6 </B> <I> (Note: </I> Alloys N y 11, 15 and 16 were difficult to cold roll due to the low amount of plasticizer,. And the reductions specified are practically permissible limits.) The ribbons were then aged at 480 for 5 hours and the tests gave the following results:
EMI0005.0029
<I> Table <SEP> IV: </I>
<tb> Properties <SEP> of <SEP> resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> traction <SEP> Diameter <SEP> of the <SEP> test specimens <SEP> of <SEP> bending
<tb> 1; S <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN <SEP> Bending <SEP> Breaking <SEP> Breaking
<tb> total <SEP> partial <SEP> total
<tb> 1 <SEP> 262 <SEP> 171 <SEP> 198 <SEP> 21 <SEP> <B> 6 </B> 77 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 2 <SEP> 274 <SEP> 1 <B> 6 </B> 2 <SEP> 192 <SEP> 20.4 <SEP> 790 <SEP> 3.175 <SEP> - <SEP> 2.413
<tb> 3 <SEP> 255 <SEP> 175 <SEP> 194 <SEP> 20.1 <SEP> <B> 6 </B> 95 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905
<tb> 3A <SEP> 262 <SEP> 187 <SEP> 204 <SEP> 19.8 <SEP> 690 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905
<tb> 4 <SEP> 244 <SEP> 142 <SEP> 188 <SEP> 20.7 <SEP> <B> 6 </B> 23 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905
<tb> 411 <SEP> <B> 252 </B> <SEP> 1.45 <SEP> 189 <SEP> 21,
3 <SEP> 579 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb> 5 <SEP> 255 <SEP> 162 <SEP> 193 <SEP> 21.5 <SEP> <B> 6 </B> 73 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905 <SEP> 1.524
<tb> 6 <SEP> 23 <B> 6 </B> <SEP> 157 <SEP> 184 <SEP> 20.3 <SEP> 664 <SEP> 3.175 <SEP> - <SEP> 2.413
<tb> 7 <SEP>, <SEP> 222 <SEP> 159 <SEP> 183 <SEP> 21,1 <SEP> <B><I>6</I> </B> 60 <SEP> 1, 01 <B> 6 </B> <SEP> - <SEP> 0.813
<tb> 8 <SEP> 268 <SEP> 175 <SEP> 205 <SEP> 20.8 <SEP> 700 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905 <SEP> 1.524
<tb> 9 <SEP> 254 <SEP> 141 <SEP> 179 <SEP> 20.3 <SEP> <B> 6 </B> 02 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905 <SEP> 1.524
<tb> 10 <SEP> 22 <B> 6 </B> <SEP> 134 <SEP> 1 <B> 6 </B> 0 <SEP> 20.4 <SEP> 486 <SEP> 2,413 <SEP> - <SEP> 1,905
<tb> 11 <SEP> 234 <SEP> 1 <B> 6 </B> 0 <SEP> 189 <SEP> 22.3 <SEP> 713 <SEP> 3.175 <SEP> 2.413 <SEP> 1.905
<tb> 13 <SEP> 201 <SEP> 137 <SEP> 1.62 <SEP> 19.8 <SEP> 570 <SEP> 0.813 <SEP> - <SEP> - <I> (Note:
</I> Alliaâe N 13 has only low resistance and low hardness. Alloys N g 15 and 16 were too brittle for testing.) Alliag-c contains about 20 to <B> 50% </B> cobalt and about 15 to. 301/0 of chromium, with 20 to 50 / o (the softening or plasticizing constituents, comprising (at least nickel).
In general, these constituents are present in the form of 20 to 50% cobalt,
from 20 to 37% of combined chromium and molybdenum (molybdenum constituting 1 to 10% of the alloy)
and 20 to 50% of combined nickel, iron and mailbones (the percentage of nickel being higher 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 carbon content of about 0.05 to 0.3%. Beryllium can be present in small quantities, in particular levels of 0.01 to 0,
09% proved to be advantageous for the mainsprings of watches. The remainder is composed of impurities which accompany the metals introduced or which result from the operations (the smelting. They must not include more than 0.05% nitrogen (the latter being effective as a partial substituent for carbon). .
The residual silicon of the deoxidation which takes place during the melting can be tolerated up to 0.5% and, in the case of some alloys,
up to 1% when the iron content is high. The total of these competing and residual elements is thus less than approximately 1.2 01o.
Presently preferred compositions, ensuring the most favorable conditions of softness in the annealed homogenization state, the development of mechanical strength during cold working and subsequent aging and properties superior to those of .l ' usual watch motor spring steel, include 28-45% cobalt,
24 to 35% of combined chromium and molybdenum (including 5 to 7% of molybdenum) and 15 to 32% of nickel,
combined iron and manganese (nickel predominantly over iron and manganese being present at a rate (0.5 to 20/0). Regarding the other constituents, allianl has about 0.08 to 0 , 22% carbon, 0 to 0.09% beryllium;
preferably less than about 0.15 to 0.25% silicon; less than 0.05% of each of the elements phosphorus and sulfur; with, insignificant traces of other elements.
The total of these competing and residual elements is less than 0.51 / o. Cobalt is one of the basic constituents intended to impart mechanical strength. In general, mechanical strength increases with increasing cobalt content, but excessive amounts of this element increase the hardness to such an extent that the cold working characteristics cease to be satisfactory, since the properties of the cobalt are ceased to be satisfactory. final strengths 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 contributes a very important degree to corrosion resistance and co-operates with molybdenum in that the increase of any 1'111l or of each of these elements, above (the minimum values specified,. gives rise to an increase in mechanical strength and strength, so that they sum (the chromium and molyb.dene teneiii-s is decisive when these elements are all present.
Molybd% is not 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, <B> (lu </B> iron and .c111 manganese are referred to as (softeners in the annealed condition).
In other words, a binary alloy which would be composed only of cobalt and chromium, even if the ratios between these tooth elements are those which coalesce for development (the mechanical resistance by cold working and aging , in accordance with studies (the inventor,
does not allow itself to be overworked. work well in the cold to acquire the superior strength properties which can be obtained with the present alloy, may ,,;
the addition of such plasticizers has the effect of decreasing the hardness of the annealed alloy, and thus it becomes possible to develop the work hardening resistances before the frenzy which results from the cold rolling has reached values. which make any further cold work practically impossible.In general, nickel is by 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 than chromium, moh-bdene and. manganese can be introduced in the form of the corresponding ferroalloys, the price of which is related to 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: nickel because of the formation of iron scales or flakes at high temperatures, and it should be that its. content is kept below that of nickel.
Manganese is a good deoxidizer during brewing and also acts as an agent. suitable for overcoming 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 0% without deleterious effect, but there does not appear to be any particular advantage in the alloy's content of this element exceeding about 21%.
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 identical alloys from two melts of alloy N 3, among which: alloy 3A, had a carbon content of 0.05% and alloy 3B a carbon content of 0.091 / o. The cold rolled condition is that given by annealing followed by cold rolling, and the aged condition is. the same, but after 5 hours of, aging at 480 C.
EMI0007.0042
<I> Table <SEP> V: </I>
<tb> Alloy <SEP> Condition <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb> No
<tb> A <SEP> laminated <SEP> to <SEP> cold <SEP> 182 <SEP> 94 <SEP> 119 <SEP> 15.4 <SEP> 519
<tb> B <SEP> 184 <SEP> 95 <SEP> 116 <SEP> 16.1 <SEP> 531
<tb> A <SEP> aged <SEP> 229 <SEP> <B> 1 </B> 36 <SEP> 171 <SEP> 20.3 <SEP> 635
<tb> B <SEP> 240 <SEP> 154 <SEP> 181 <SEP> 20.2 <SEP> 681
<tb> Effect <SEP> of <SEP> 0.04 <SEP>% <SEP> C <SEP> 11 <SEP> 18 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 46 We can see that my very clear improvement is brought to the proportional limit, on which depends the property of the spring whether or not it is subject to permanent deformations in service and the amplitude of these deformations.
The term homogenization annealing, as used herein, defines the operation of heating the mass to a temperature at which apparent homogenization occurs, i.e. at which the precipitation constituents are put into solution; as well as the cooling to which the homogenized mass is. submitted in order to fix this state. The cooling must be fast enough to prevent precipitation of said constituents or aging. premature, which may give rise to undesirable hardness and cold work resistance.
In practice, the alloy will have to be subjected to treatment. initial homogenization annealing at and from a temperature of 1090 to 1260 C, and preferably 1149 to. 1177 C, and other hybridization anneals (intermediate and final) can then be carried out at and from temperatures as low as 980 (1, although preferably between 1090 and 1150 C.
Rapid cooling of sections thicker than 5 mm requires quenching at. water, while thinner sections can efficiently and conveniently be cooled in the 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 favor 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 hardening by aging.
The effect of temperature during homogenization annealing is evidenced by the N 3 alloy which had a Vickers hardness of 240 before cold rolling and was then reduced by 50% by cold rolling, then subjected to annealing-quenching.
EMI0008.0007
<I> Table <SEP> VI:
</I>
<tb> Temp. <SEP> <SEP> C <SEP> Time <SEP> VHN
<tb> Indicator <SEP> laminated <SEP> to <SEP> cold <SEP> up to <SEP> 50 <SEP>%
<tb> of <SEP> reduction <SEP> of thickness <SEP> 468
<tb> 650 <SEP> 30 <SEP> minutes <SEP> 550
<tb> 705 <SEP> <SEP> <SEP> 485
<tb> 760 <SEP> <B> <SEP> </B> <SEP> 455
<tb> 815 <SEP> <SEP> <SEP> 412
<tb> 870 <SEP> <SEP> <SEP> 343
<tb> 980 <SEP> <SEP> <SEP> 302
<tb> 1150 <SEP> <SEP> <SEP> 240 It can be seen from this table that the cold rolling raised the hardness from 240 to 468 and that the hardness a. further increased by the treatment at 650 and 705 C, while heating. at 760 C softened it very little.
At successively increasing temperatures, softening occurs, a satisfactory degree of softening being obtained at 1150 C and a softening usefully applicable at 980 C. In the case of alloys harder than alloy N 3, it is 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 straws and roughness on 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 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 alloy N 3 has shown under reductions in thickness of 75, 80, 85 and 90% of the respective hardnesses of 510, 570, 580 and 590. For the mainsprings of watches, it is preferable that the reduction cold is pushed as far as possible and the Vickers hardness is at least 450 (see Table III).
The reduction in thickness of the tape for these springs must be at least 701% and will reach. preferably 8011 / o, with good results. been obtained above 901 / o.
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, of the final thickness of the strip and of the time and temperature of aging.
The temperature applied for the present aging ranges from 260 to. 6:50 C. The current practice is to heat from 370 to 620 C for dependent times. of the temperature. Heating for 5 hours at 480 ° C provided a desirable combination of strength and strength properties. of tenacity. In general, the proportional limit, yield strength and breaking load increase with aging temperature up to temperatures of the order of 480 to 540 ° C, but the increase in these properties is. accompanies to a certain point a decrease in tenacity.
In particular, too much aging should be avoided, since a key heating for 5 hours above 650 ° C., for example, effects a marked decrease in the strength properties without this being compensated to an appreciable degree by better ductility. Theoretically, it would seem that a state of solid solution saturated with precipitable constituents - produced by the homogenization annealing - is modified by aging in that the precipitation particles are present.
ia minus 20 X 1011 dytieS / cïn2, this ribbon being made of an alloy containing 20 to 50% of cobalt, 20 to 37% of combined chromium and molybdenum, of which the quantity of chromium is 15 to 30% and that of molybdenum from 1 to 10%, 20 to 50% nickel,
combined iron and manganese, of which. the. amount of nickel is. phis greater than that of iron, and of which. the amount of manganese is less than 50/0, 0.05 to 0.30% carbon and at most 1.2% of elements present as impurities.