EP2680090A1 - Ressort-moteur pour une pièce d'horlogerie - Google Patents

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EP2680090A1
EP2680090A1 EP13169865.6A EP13169865A EP2680090A1 EP 2680090 A1 EP2680090 A1 EP 2680090A1 EP 13169865 A EP13169865 A EP 13169865A EP 2680090 A1 EP2680090 A1 EP 2680090A1
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EP
European Patent Office
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blade
metal
predetermined depth
mainspring
motor spring
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Ceased
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EP13169865.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Christian Charbon
Maxime GOVAERTS
Cédric Von Grünigen
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Nivarox Far SA
Nivarox SA
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Nivarox Far SA
Nivarox SA
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    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G04B1/145—Composition and manufacture of the springs
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49609—Spring making

Definitions

  • the invention relates to a mainspring for a timepiece and in particular for a mainspring intended to be integrated into a cylinder.
  • Nivaflex 45/5 it is known to use the Nivaflex 45/5 to form a mainspring barrel. This material offers a high elastic limit typically of 3100 MPa and a high modulus typically of 220 GPa.
  • the object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks mentioned above by proposing an alternating monobloc motor-spring allowing both to limit the sensitivity to the magnetic fields, to obtain a lower elastic modulus while having in the zones main stress an improved elastic limit.
  • the invention relates to a motor spring comprising a metal blade characterized in that the metal is austenitic type steel to limit its sensitivity to magnetic fields and in that at least the surface outer blade is cured relative to the remainder of the blade to a predetermined depth to harden the blade at the main stress zones while keeping the elastic modulus of the austenitic steel.
  • the mainspring allows cumulative advantages such as low sensitivity to magnetic fields, low elastic modulus and, in the main stress zones, a high elastic limit, in addition to good resistance to corrosion and fatigue.
  • the invention relates to a cylinder for a timepiece characterized in that it comprises a mainspring according to one of the preceding variants
  • the invention relates to a mainspring as for a barrel of a timepiece.
  • a mainspring as for a barrel of a timepiece.
  • other applications requiring a mainspring are possible such as an automaton.
  • the motor spring 1 comprises a blade 3 of metal and preferably wound on itself.
  • a blade 3 of metal and preferably wound on itself.
  • stresses which are essentially applied to the outer surface of the blade 3, that is to say along the length l , the height h and l thickness e.
  • the stresses decrease from the outer surface to the center of the blade 3 where the stresses are zero.
  • the metal 5 is austenitic type steel and, preferably, stainless, in order to advantageously limit its sensitivity to magnetic fields.
  • at least the outer surface 7 of the blade is hardened with respect to the remainder of the blade to a predetermined depth so as to offer, advantageously according to the invention, a high elastic limit at said outer surface while keeping a low elastic modulus.
  • the elastic limit of the cured outer surface 7 comprises an elastic limit of between 3500 and 4500 MPa while the elastic modulus remains substantially equal to or less than 190 GPa for a surface curing greater than 1100 HV and advantageously between 1200 HV and 2000 HV
  • the above values were obtained from 316L stainless steel nickel chromium austenitic steel. Of course, other austenitic steels are possible.
  • a curing depth of between 5% and 40% of the total thickness e of the blade 3 is sufficient for application to a mainspring.
  • the depth of hardening is preferably around 15 microns all around the blade 3.
  • a different depth of hardening 7 between 5% and 80% of the total thickness e may be provided.
  • the hardened outer surface 7 comprises diffused atoms of at least one non-metal such as nitrogen and / or carbon.
  • a surface area 7 is cured without having to deposit a second material over the blade 3.
  • the curing 7 is carried out directly in the material 5 of the blade 3 which advantageously allows according to the invention to avoid any posterior delamination.
  • At least one surface area 7 is hardened, that is to say that the core of the blade 3 can remain little or no change without significant modification of the qualities of the mainspring.
  • the blade 3 is wound during step a) in order to directly diffuse the atoms according to the final shape of the mainspring 1.
  • the blade 3 can also be wound after step b) in order to diffuse the atoms according to an intermediate blank of the mainspring 1.
  • step b) may consist of a thermochemical treatment such as a carburizing or nitriding of several motor springs and / or several blanks of motor springs. It is understood that step b) may consist in interstitially diffusing into the steel 5, nonmetallic atoms such as nitrogen and / or carbon. Finally, advantageously, it has been found that the compressive stresses of the process improve the fatigue resistance.
  • Step b) could also consist of an ion implantation process and diffusion treatment.
  • This variant has the advantage of not limiting the type of diffused atoms and allowing an interstitial as well as a substitutional diffusion.
  • the present invention is not limited to the illustrated example but is susceptible of various variations and modifications that will occur to those skilled in the art.
  • it can be envisaged to totally or almost totally treat the blade 3, that is to say treat a percentage greater than 80% of the thickness e of the blade 3 even if it is not necessary for the application to a spiral spring.

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Abstract

L'invention se rapporte à un ressort-moteur (1) comportant une lame (3) en métal. Selon l'invention, le métal est de l'acier (5) du type austénitique afin de limiter sa sensibilité aux champs magnétiques et au moins la surface externe de la lame (3) est durcie par rapport au reste de la lame selon une profondeur prédéterminée (7) afin de durcir la lame (3) au niveau des zones de contrainte principales tout en gardant un bas module élastique L'invention concerne le domaine des barillets d'horlogerie.

Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention se rapporte à un ressort-moteur pour une pièce d'horlogerie et notamment pour un ressort-moteur destiné à être intégré à un barillet.
    • Arrière-plan de l'invention
  • Il est connu d'utiliser le Nivaflex 45/5 pour former un ressort-moteur de barillet. Ce matériau offre une limite élastique élevée typiquement de 3100 MPa et un module élevé typiquement de 220 GPa.
    • Résumé de l'invention
  • Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un ressort-moteur monobloc alternatif permettant à la fois de limiter la sensibilité aux champs magnétiques, d'obtenir un module élastique moins élevé tout en ayant dans les zones de contrainte principales une limite élastique améliorée.
  • A cet effet, l'invention se rapporte à un ressort-moteur comportant une lame en métal caractérisé en ce que le métal est de l'acier du type austénitique afin de limiter sa sensibilité aux champs magnétiques et en ce qu'au moins la surface externe de la lame est durcie par rapport au reste de la lame selon une profondeur prédéterminée afin de durcir la lame au niveau des zones de contrainte principales tout en gardant le module élastique de l'acier austénitique.
  • Par conséquent, une zone superficielle ou la totalité de la lame est durcie c'est-à-dire que le coeur de la lame peut rester peu ou pas modifié. Par ce durcissement sélectif de la lame, le ressort-moteur permet de cumuler les avantages comme la faible sensibilité aux champs magnétiques, un module élastique peu élevé et, dans les zones de contrainte principales, une haute limite élastique, en plus d'une bonne résistance à la corrosion et à la fatigue.
  • Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :
    • la profondeur prédéterminée représente entre 5% et 40% de l'épaisseur e totale de la lame ;
    • la surface externe durcie comporte des atomes diffusés d'au moins un non-métal comme de l'azote et/ou du carbone ;
    • la surface externe durcie comporte une dureté supérieure à 1100 HV ;
    • la surface externe durcie comporte une limite élastique supérieure à 3500 MPa.
  • De plus, l'invention se rapporte à un barillet pour une pièce d'horlogerie caractérisé en ce qu'il comprend un ressort-moteur selon l'une des variantes précédentes
  • Enfin, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un ressort-moteur comportant les étapes suivantes :
    1. a) former une lame à base d'acier du type austénitique pour limiter sa sensibilité aux champs magnétiques ;
    2. b) diffuser des atomes selon une profondeur prédéterminée à la surface externe de la lame afin de durcir la lame au niveau des zones de contrainte principales tout en gardant un bas module élastique.
  • Par conséquent, par diffusion d'atomes dans l'acier, une zone superficielle ou la totalité de la lame est durcie sans avoir à déposer un deuxième matériau par-dessus la lame. En effet, le durcissement est réalisé directement dans le matériau de la lame ce qui permet avantageusement selon l'invention d'éviter tout délaminage postérieur.
  • Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :
    • la profondeur prédéterminée représente entre 5% et 40% de l'épaisseur totale e de la lame ;
    • les atomes comportent au moins un non-métal comme de l'azote et/ou du carbone ;
    • l'étape b) effectue un traitement thermochimique de diffusion ;
    • l'étape b) effectue un processus d'implantation ionique et de traitement de diffusion ;
    • la lame est enroulée lors de l'étape a) ou après l'étape b).
    Description sommaire des dessins
  • D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une représentation d'un ressort-moteur selon l'invention ;
    • la figure 2 est une coupe schématique d'un ressort-moteur selon l'invention.
    Description détaillée des modes de réalisation préférés
  • L'invention se rapporte à un ressort-moteur comme pour un barillet d'une pièce d'horlogerie. Bien évidemment, d'autres applications nécessitant un ressort-moteur sont envisageables comme par exemple un automate.
  • Le ressort-moteur 1 selon l'invention comporte une lame 3 en métal et préférentiellement enroulée sur elle-même. Lors de développements et de simulations, il a été trouvé que de tels ressorts-moteur subissent des contraintes qui sont essentiellement appliquées sur la surface externe de la lame 3, c'est-à-dire selon la longueur l, la hauteur h et l'épaisseur e. Ainsi, les contraintes diminuent depuis la surface externe jusqu'au centre de la lame 3 où les contraintes sont nulles.
  • Par conséquent, il a été trouvé que s'il était important que la lame 3 possède une haute limite élastique, il n'est pas nécessaire que cette valeur soit homogène et pouvait être limitée selon une profondeur prédéterminée de la surface externe.
  • De plus, avec le magnétisme induit par les objets rencontrés au quotidien, il est important de limiter la sensibilité des ressorts-moteur 1 sous peine d'influencer la marche de la pièce d'horlogerie dans lequel il est incorporé. Toutefois, un matériau à haute limite élastique est généralement très sensible aux champs magnétiques.
  • De manière surprenante, l'invention permet de résoudre les deux problèmes en même temps sans compromis et en apportant d'autres avantages. Ainsi, le métal 5 est de l'acier du type austénitique et, préférentiellement, inoxydable, afin de limiter de manière avantageuse sa sensibilité aux champs magnétiques. De plus, au moins la surface externe 7 de la lame est durcie par rapport au reste de la lame selon une profondeur prédéterminée afin d'offrir, avantageusement selon l'invention, une haute limite élastique au niveau de ladite surface externe tout en gardant un bas module élastique.
  • En effet, selon l'invention, la limite élastique de la surface externe durcie 7 comporte une limite élastique comprise entre 3500 et 4500 MPa alors que le module élastique reste sensiblement égale ou inférieur à 190 GPa pour un durcissement en surface supérieur à 1100 HV et avantageusement compris entre 1200 HV et 2000 HV Les valeurs ci-dessus ont été obtenues à partir de l'acier austénitique inox nickel chrome du type 316L. Bien évidemment, d'autres aciers austénitiques sont envisageables.
  • Il a été montré empiriquement qu'une profondeur de durcissement 7 comprise entre 5% et 40% de l'épaisseur e totale de la lame 3 suffit pour l'application à un ressort-moteur. A titre d'exemple, si la demi-épaisseur e/2 est de 50 µm, la profondeur de durcissement est préférentiellement autour de 15 µm tout autour de la lame 3. Bien évidemment, suivant les applications, une profondeur différente de durcissement 7 comprise entre 5% et 80% de l'épaisseur e totale peut être prévue.
  • Préférentiellement selon l'invention, la surface externe durcie 7 comporte des atomes diffusés d'au moins un non-métal comme de l'azote et/ou du carbone. En effet, comme expliqué ci-dessous, par sursaturation interstitielle d'atomes dans l'acier 5, une zone superficielle 7 est durcie sans avoir à déposer un deuxième matériau par-dessus la lame 3. En effet, le durcissement 7 est réalisé directement dans le matériau 5 de la lame 3 ce qui permet avantageusement selon l'invention d'éviter tout délaminage postérieur.
  • Par conséquent, au moins une zone superficielle 7 est durcie c'est-à-dire que le coeur de la lame 3 peut rester peu ou pas modifié sans modification notable des qualités du ressort-moteur. Par ce durcissement sélectif de la lame 3, le ressort-moteur 1 permet de cumuler les avantages comme la faible sensibilité aux champs magnétiques, un module élastique peu élevé et, dans les zones de contrainte principales, une haute limite élastique tout en ayant une bonne résistance à la corrosion et à la fatigue.
  • L'invention se rapporte également au procédé de fabrication d'un ressort-moteur comme expliqué ci-dessus. Le procédé comporte avantageusement selon l'invention les étapes suivantes :
    1. a) former une lame 3 à base d'un acier du type austénitique pour limiter sa sensibilité aux champs magnétiques ;
    2. b) diffuser des atomes selon une profondeur prédéterminée 7 à la surface externe de la lame 3 afin de la durcir au niveau des zones de contrainte principales.
  • Selon un premier mode préférentiel de réalisation, la lame 3 est enroulée lors de l'étape a) afin de diffuser directement les atomes selon la forme finale du ressort-moteur 1.
  • Toutefois, selon un deuxième mode préférentiel de réalisation, la lame 3 peut également être enroulée après l'étape b) afin de diffuser les atomes selon une ébauche intermédiaire du ressort-moteur 1.
  • Avantageusement selon l'invention, quel que soit le mode de réalisation, le procédé peut être appliqué en vrac. Ainsi, l'étape b) peut consister en un traitement thermochimique comme une cémentation ou une nitruration de plusieurs ressorts-moteur et/ou de plusieurs ébauches de ressorts-moteur. On comprend que l'étape b) peut consister à diffuser interstitiellement dans l'acier 5, des atomes de non-métaux comme de l'azote et/ou du carbone. Enfin, avantageusement, il a été trouvé que les contraintes compressives du procédé améliorent la résistance à la fatigue.
  • L'étape b) pourrait également consister en un processus d'implantation ionique et de traitement de diffusion. Cette variante possède l'avantage de ne pas limiter le type d'atomes diffusés et permettre une diffusion aussi bien interstitielle que substitutionnelle.
  • Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, il peut être envisagé de totalement ou quasi-totalement traiter la lame 3, c'est-à-dire traiter un pourcentage supérieur à 80% de l'épaisseur e de la lame 3 même si cela n'est pas nécessaire pour l'application à un ressort-spiral.

Claims (14)

  1. Ressort-moteur (1) comportant une lame (3) en métal caractérisé en ce que le métal est de l'acier (5) du type austénitique afin de limiter sa sensibilité aux champs magnétiques et en ce qu'au moins la surface externe de la lame (3) est durcie par rapport au reste de la lame selon une profondeur prédéterminée (7) afin de durcir la lame (3) au niveau des zones de contrainte principales tout en gardant le module élastique de l'acier du type austénitique.
  2. Ressort-moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la profondeur prédéterminée (7) représente entre 5% et 40% de l'épaisseur (e) totale de la lame (3).
  3. Ressort-moteur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface externe durcie (7) comporte des atomes diffusés d'au moins un non-métal.
  4. Ressort-moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit au moins un non-métal est de l'azote et/ou du carbone.
  5. Ressort-moteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe durcie (7) comporte une dureté supérieure à 1100 HV.
  6. Ressort-moteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe durcie (7) comporte une limite élastique supérieure à 3500 MPa.
  7. Barillet pour une pièce d'horlogerie caractérisé en ce qu'il comprend un ressort-moteur (1) selon l'une des revendications précédentes.
  8. Procédé de fabrication d'un ressort-moteur (1) comportant les étapes suivantes :
    a) former une lame (3) à base d'acier (5) du type austénitique pour limiter sa sensibilité aux champs magnétiques ;
    b) diffuser des atomes selon une profondeur prédéterminée (7) à la surface externe de la lame (3) afin de durcir la lame (3) au niveau des zones de contrainte principales tout en gardant un bas module élastique.
  9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la profondeur prédéterminée (7) représente entre 5% et 40% de l'épaisseur totale (e) de la lame (3).
  10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les atomes comportent au moins un non-métal.
  11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit au moins un non-métal est de l'azote et/ou du carbone.
  12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'étape b) effectue un traitement thermochimique de diffusion.
  13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'étape b) effectue un processus d'implantation ionique et de traitement de diffusion.
  14. Procédé selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que la lame (3) est enroulée lors de l'étape a) ou après l'étape b).
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