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BREVET D'INVENTION "PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES DE GRANDE RESISTANCE MECANIQUE ELASTIQUE"
La présente invention a trait à un procédé de fa- brication de pièces de résistance mécanique élastique élevée, telles que : ressorts moteurs, récipients devant contenir des matières sous des pressions varialbes élevées, etc, dont un exemple typique est le grand ressort des montres,
cas particulier qui présente dans la pratique des problèmes parti- culièrement difficiles à résoudre en ce sens que l'espace
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restreint et ces considérations relatives à la durée de ser- vice probable font qu'un tel ressort doit être capable d'emmagasiner une grande quantité d'énergie sous un faible volume et que les opérations répétées de remontage et de dé- roulement qui interviennent 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 pièces de ce genre est que, au cours de leur utilisation, elles sont susceptibles d'être soumises à des conditions de charges continues et que, par construction et en vue de l'économie, l'effort maximum résul- tant de la charge est voisin des limites de la résistance mé- canique du métal' le facteur de sécurité admis étant le mini- mum possible.
intérieurement à l'invention, les grande ressorts de 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 néces- saires pour emmagasiner les quantités requises d'énergie dans le faible espace dont on dispose. L'acier ressort cou- manment utilisé pour les ressorts moteurs de montres possède une limite d'élasticité ou d'allongement de l'ordre de 163 kg/cm2 ,nodule d'élasticité de 19,6 x 10 il dynes par centimètre carré.
Deux défauts des ressorts moteurs en acier pour montrs 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 plus légère corrosion
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est sujette à provoquer leur rupture.
Un second défaut est la tendance de ces ressorts 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 inférieur/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 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'entrai - , nement.
La Demanderesse a réussi à surmonter l'un et l'au- tre 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'aci- er à ressort et dont la limite proportionnelle est bien supérieure à celle de l'acier à ressort Le procédé de fe- brication commence à partir d'un flan fait d'un alliage non corrosif qui a été recuit en solution de telle sorte qu'il possède la douceur relative et d'autres propriétés nécessai- res pour permettre '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'allongement résultant d'un travail
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à froid suivi d'un vieillissement thermique. La combinaison ce ces deux traitements a pour effet d'augmenter la dureté et la résistance mécanique de la matière et, en même temps, d'accroître dans une mesure aussi élevée que 75% sa limite proportionnelle.
Les alliages susceptibles d'être soumis à ce traitement en vue de la production des pièces envisagées sont principalement faits de cobalt, qui donne de la résistance mécanique, de chrome, qui donna en plus de résistance mécani- que, de la résistance à la corrosion, et d'un plastifiant, composé au moins de nickel, qui rend l'alliage, à l'état re- cuit en solution, suffisamment plastique qu'on puisse lui
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donner un pourcentage cJ'è),LloI1GGi-,ent élevé en le travaillant froid. L'alliage recuit cn solution contiunt des consti- tuants précipibables qux, ycld .!.t le ,riil7¯i.:!c:.eent, dévG 10 p- pant de le. rJLJ.C8';f. et de 1- ré.'3i;jt.nce mécanique dans l'arti- c.=c .
Les 1;-1.i.itc cn.t;s <='i# l'allouèrent il. ,.'7cïd :ce-t du vieillis- s; .. : r i . -"# à la :';0:...t-)r:tLlre de ..; i% <; 1 j; 1 1= .,> .t 1 o qui lui it suite l'rld ,iy3,¯',.¯, 'urci';'scnt J' ,Jl':L((1, ,,","1-;"-' ¯::ïEl7te!1t aussi ï-,..;I:'!,L'.Cl7 la charge ce rupture .1 la lir.Liti 'tJpc,rti 02nt:11¯lejt L'.'. ;= ,1..= :1 = -t lr' ... ,.,-; :7¯e inhérente à 1 .a ' màz4-.- i = = ou alliage C'J 1::.::e composé \;e cc':- ,lt "t de chrome; Cf):,1binée à l'"ccroi8- c' nL: 1; ... l':,=¯,.c:n(:3 qui 1 1? 1. :s i.i 1..t 18 lî,,11o!3c,;1e!t ?1 ..pTCr :.!:1'Ívi da v-i,:;ill:Ls8\;..Jsnt, aboutie au développement d'uneirésis- tance à la traction au moins égale à celle d'un acier à res- sert moteur de montre et d'une limite proportionnelle nota- b ement supérieure à celle de cet acier.
Il s'ensuit que la pièce peut posséder des dimen- sions identiques à celles d'une excellente pièce en acier au carbone, de sorte qu'elle peut être logée dans le même espace
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pour la remplacer d'une manière précise et qu'elle se com- porte dès l'origine au moins aussi bien que la pièce en acier à tous les points de vue essentiels, tout en présentant le grand avantage de ne pas être sujette à se détériorer par corrosion ou déformation permanente et de ne pas être sensible' aux champs magnétiques.
Ci-dessous est donnée à titre d'exemple une liste d'alliages utiles conformes à l'inventi'on -Tableau I
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! ! 1:-11!! ¯¯¯ j ! !.11i-l Co ! !Or+ Or ! Mo !Ni+Fe ! Ni ! Fie 1 Mn ! C ! Be ! !age ! ! mu ! ! +1Vln! ! ! ! ! ¯¯! il! 445 129-5.1 22.5 7 125.5 15 8.5 2 ;0.09 - 12 40 ;32 i 25 ! ? ;28. i 15 i10 2 0.16 j. 0 04 .3 1 40' 127 20 j ? ,33 . 15.5,15 2 ;0,Il , ,3A j 40 t27 ; 20 , ? ;33 ; 15.5j15 j 2 g j 0.02j ï4t j 35 !32 j 25 1 ? ;33 ', 20 ill.5i 1.5 jO.19 0.03 ,4i-L ! 35 ,32 , 25 j g ,33 , 30 , 1.5, 1.5 ;1.13 ; 0.03! ;5 i 34 j31 j 25 t 6 i35 i 32 j 2 ; i 0.4iO.08 ;6 , 30 !32 , 26 , 6 i38 j 31 j 6 , 1 ,0.23 , 0.02, i7 1 31 j29 ; 23 , 6 ,40 j 35 4.5! 0.8 ;0.09 '; j 8 j 40 jµ? i 30 , ? ,2j i 16 ; 5 ; 2 ;0.13 ; 19 , 20 j32 j 25 i 7 j4-8 35 jl0 j 2 ;0..06 0.03 jl0 , 40 ;25 i 25 j 35 , 32 1 j 2 ;0.04 :
0.03 Les chiffres donnés pour Ni+Fe+Mn sont indiqués pour l'emploi du diagramme ternaire.
Parmi ces alliages, les Nos 1 à 7 inclus ont 'donné des-articles finals extrêmement satisfaisants pour la fabri- cation des ressorts moteurs pour montres ; 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.
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Tableau I-A
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iAlli- Cô ! Cr+ 1 Or ! 1 Mo iVi+Fe ! ni ! Fe ! Mo ! C ! Be !age ! Mo ! 1 +ààn ! ! ! l ! ! ! ! s, ! ! i 1 r ! ! ! t ! r r a r !11 ! 50 ! 32 25 !7 !18 !16 ! - ! 2 !0,09 ! !12 1 2C! 46 40 16 134 !20 ! 12 2 ! - 10,05 !13 1 20! 26,31 22,6 13,7 152 t26,3 ! 25 pÎ2!0,06 ! ¯ 114 40 ! 16 1 fuO !6 !44 30 ! 12 1 2 1 - 10,04 !15 ! 56 ! 22 15 !7 121,5 4,5 ' 1 15 1 2 ! 10,01 ! 16 ! 55 ! a495! 27,5 '7 ! 10,5 ! ! 85 ! . ! 2 1 - ! ¯
Dans les tableaux ci-dessus et d'autres, le cobalt, le chrome, le nickel, le molybdène, le fer et le manganèse 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;
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dans le n 4,..'.;" il y a 30,, de Ni avec 1,5% de Fe. L'alliage ? 8 est applicable, mais inférieur aux alliages Nos 1 à 7, en raison de sa teneur élevée en Cr + 1;la et de sa faible teneur en plastifiant NI+Fe+Mn L'alliage ? 9 possède la minimum de Co et ne contient que 0,08% de C. Il est en principe applicable, mais une modification consistant µ. élever sa teneur en carbone à 0,2% est désirable. L'alliage N 10 ne contient pas de Mo et sa charge de rupture est faible.
On connait des 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 forie et leur résistance mécanique' aux tempé- ratures élevées, comme les soupapes des moteurs à combustion interne, etc; lesopérations de façonnage finales consistant
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en un forUeu-,,e à chaud ou en une rectification à lu. meule.
Il eut en outre connu d'introduire d'autres élé- ments à titre de constituants de ces alliages fondamentaux par exemple, on a introduit du molybdène dans ceux de ces
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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 revê- tements de soupapes 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 attein- dre des résistances mécaniques et duretés presque aussi élevées que celles des aciers à haute teneur" en carbone traités thermiquement, mais à la connaissance de la Demande- resse, aucun d'eux n'avait été utilisé avec succès pour remplacer les ressorts 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 thermi- ques, 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 travail- lés'et traités de telle sorte que leurs propriétés de ré- sistance mécanique augmentent et deviennent égales, sinon supérieures, à celles qui peuvent être développées avec d'ex- cellents aciers pour ressorts de montres ;
qu'on peut, par ce moyen, fabriquer des ressorts moteurs horologiques qui possèdent/des 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 molyb-
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dène sous forme de ferromolybdène. Le manganèse est de pré- férence ajouté sous forme d'un ferro-alliage contenant en- viron 80% environ de manganèse. Après que l'alliage a été fondu et amené à la température convenable, on ajoute un peu ci'aluminium 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.
Le lingot est alors forgé à chaud et converti par laminage à chaud enplaque ou barre d'épaisseur telle que le travail à chaud cesse d'être économique. Le forgeage peut être réalisé avec succès au voisinage de 1150 -1200 c et le laminage effectué à chaud à une température similaire peut être continué jusqu'à des températures aussi basses que 980 c La température peut ainsi diminuer à mesure que le travail à chaud se poursuit, mais il est préférable de chauffer le métal jusqu'à une température de l'ordre-de 2100 -2200 c pour commencer l'opération. Les alliages peuvent, par exemple, être convertis par le travail à chaud enplaques ou bandes d'environ 6,25 à 5,08 mm d'épaisseur d'une manière pratique et économique, et l'on a pu effectuer des réductions à chaud jusqu'à une épaisseur de 1,27 mm.
Le travail à chaud est suivid'un recuit ensolu- tion à 1150 -1200 c pendant 20 à 30 minutes. On peut convena- blement immerger le métal dans de l'eau A l'état recuit en solution, les alliages sont relativement doux et leurs duretés selon l'échelle Vickers sont, par exemple, les suivantes :
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Tableau II
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<tb> Dureté <SEP> Vickers
<tb>
<tb> Alliage <SEP> ? <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>
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 appa- rente se produit, c'est-à-dire à laquelle les constituants de précipitation sont mis en solution ; et le refroidissement auquel la masse homogénéisée est soumise en vue de fixer cet état.
Ce refroidissement doit être assez/rapide pour empêcher la précipitation desdits constituants, ou le vieillissement prématuré, pouvant donner lieu à une dureté et à une résis- tance au travail à froid indésirables. Dans la pratique, l'alliage sera de préférence soumis à un traitement initial de recuit en solution à et à partir d'une température de 1090 - 1260 C (de préférence à 1150 -1175 c et les autres recuits en solution (intermédiaires et final) pourront être effectués à et à partir d'une température aussi basse que 980 C, avec une préférence pour environ 1040 C dans la pratique. Le re- froidissement par immersion est nécessaire ; des sections de plus de 5 mm d'épaisseur exigent la trempe à l'eau, alors que des sections plus minces peuvent, de manière efficace -et plus commode, être refroidies dans l'air.
La bande.est alors laminée à froid à la température ambiante' jusqu'à 2,54 mm d'épaisseur et est ensuite soumise à un nouveau recuit en solution, suivi d'un nouveau laminage à froid jusqu'à 1,53 1,02 mm. Un.recuit en solution final a été effectué à partir de 1150 c; le laminage à froid final
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a alors réduit le ruban à 0,112 mm Le laminage à froid le plus désirable a donné des réductions de section d'environ 85% à 93% soit un allongement de huit fois la longueur initiale ou davantage. A ce stade, les propriétés de résis- tance mécaniques étaient les suivantes :
Tableau III
Dans ce tableau et les tableaux et la description qui suivent, TS représente la charge de rupture, PL, la limite proportionnelle, YS, la limite d'élasticité, Mod,le module d'élasticité et VHN l'indice de dureté Vickers. TS, PL et YS sont exprimés en kg/mm2 et mod en dynes/cm2 x 10 il YS a été indiqué avec un décalage de 0,02 % Les épreuves de flexion, qui donnent une indication de la ténacité, ont consisté en une flexion de 180 autour d'arbres du diamètre spécifié.
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<tb>
Alliage <SEP> Rédaction
<tb>
EMI10.2
N TS PL YS IL"iod VRN
EMI10.3
<tb> 1 <SEP> 89,2 <SEP> 206 <SEP> 86 <SEP> 117 <SEP> 17,8 <SEP> 530
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 92 <SEP> 207 <SEP> 100 <SEP> 122 <SEP> 16,3 <SEP> 497
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> ' <SEP> 92,7 <SEP> 202 <SEP> 91 <SEP> 110 <SEP> 17,1 <SEP> 551
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3A <SEP> 90 <SEP> 207 <SEP> 82 <SEP> 100 <SEP> 19 <SEP> 535
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 92,7 <SEP> 191 <SEP> 109 <SEP> 125 <SEP> 15,6 <SEP> 516
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4A <SEP> 92,7 <SEP> 200 <SEP> 95 <SEP> 115 <SEP> 18 <SEP> 481
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 89 <SEP> 182 <SEP> 105 <SEP> 129 <SEP> 15,1 <SEP> 485
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 89 <SEP> non.déterminés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 78,5 <SEP> 212 <SEP> 93 <SEP> 122 <SEP> 17,6 <SEP> 536
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 92,
7 <SEP> 176 <SEP> 99 <SEP> 124 <SEP> 16,2 <SEP> 475
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 92,7 <SEP> 185 <SEP> 100 <SEP> 123 <SEP> 16,6 <SEP> 466
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 11 <SEP> 57 <SEP> 197 <SEP> 79 <SEP> 107 <SEP> 19,4 <SEP> 542
<tb>
<tb>
<tb> 12 <SEP> n'on(-, <SEP> pas <SEP> pu <SEP> être <SEP> laminés <SEP> à <SEP> chaud
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 89 <SEP> non <SEP> déterminés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14 <SEP> n'ont <SEP> pas <SEP> pu <SEP> être <SEP> laminés <SEP> à <SEP> chaud
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 66,6 <SEP> 186 <SEP> 118 <SEP> 148 <SEP> 16,9 <SEP> 515
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 16 <SEP> 57 <SEP> 187 <SEP> 83 <SEP> 108 <SEP> 19,6 <SEP> 576
<tb>
(Nota:
Les alliages Nos 11, 15 et 16 ont été difficiles à laminer à froid en raison de la faible quantité de plasti- fiant, et les réductions spécifiées sont des limites prati- quement admissibles).
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Les rubans ont alors été soumis à un vieillissement - à 480 pendant 5 heures et les essais ont donné les résultats suivants : .
Tableau IV
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<tb> Propriétés <SEP> de <SEP> résistance <SEP> 1 <SEP> Diamètre <SEP> des <SEP> éprouvettes
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> ! <SEP> de <SEP> flexion
<tb>
<tb>
<tb> !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>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 262 <SEP> 171 <SEP> 198 <SEP> 21 <SEP> 677 <SEP> 3;
175 <SEP> 2,413 <SEP> . <SEP> 1,905,.'
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 274 <SEP> 162 <SEP> 192 <SEP> 20,4 <SEP> 790 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 255 <SEP> 175 <SEP> 194 <SEP> 20,1 <SEP> 695 <SEP> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<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 <SEP> ' <SEP>
<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>
<tb> 4A <SEP> 252 <SEP> 145 <SEP> 189 <SEP> 21,3 <SEP> 579 <SEP> 3,175 <SEP> ' <SEP> 2,413 <SEP> 1,905-.. <SEP> ;
<SEP>
<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>
<tb> 6 <SEP> 236 <SEP> 157 <SEP> 184 <SEP> 20,8 <SEP> 664 <SEP> 3,175. <SEP> - <SEP> 2,413:. <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 222 <SEP> 159 <SEP> 183 <SEP> 21,1 <SEP> 660 <SEP> 1,016 <SEP> - <SEP> 0,813".
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
8 <SEP> 268 <SEP> 175 <SEP> 205 <SEP> 20,8 <SEP> 700 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<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>
<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> 3,175 <SEP> 2,413 <SEP> 1,905
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 201 <SEP> 137 <SEP> 162 <SEP> 19.,8 <SEP> 570 <SEP> 0,813 <SEP> -
<tb>
(Nota: I/alliage No 13 ne possède qu'une faible résistance et .une faible dureté.
Les alliages Nos 15 et 16 étaient trop fragiles pour les essais).
Les compositions d'alliage susindiquées font partie d'un groupe dont les éléments contiennent essentielle- ment environ 20 à 50% de cobalt et environ 15 à 30% de chrome, avec 20 à 50% de constituants ramollissants ou plastifiants, comprenant (au moins) du nickel. En général, ces constituants sont présents sous forme de 20 à 60% de cobalt, de 20 à 37% de chrome et de molybdène combunés (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 supé-
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rieur à celui du fer, dont lu proportion peut varier de traces négligeables 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%la Le bé-- ryllium peut être présent en faibles quantités, des teneurs particulières de 0,01 à 0,09 % s'étant avérées comme avantageuses pour les grands ressorts de montres. Le reste est composé des impuretés qui accompagnent les métaux intro- duits ou qui résultent des opérations de fusion. Elles ne doi- vent 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 intervient pendant la fusion peut être toléré jusqu'à 0,5% et, dans le cas de quelques alliages, jusqu'à 1% lorsque la teneur enfer est élevée.
Le total de ces éléments concurrents et résiduels est ainsi inférieur à environ 1,2 )la
L'échelle actuellement préférée 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 ec 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 % de chrome et de molybdène combinés (dont 5 à 7% de molybdène) et 15 à 32% de nickel,
fer et manganèsecombinés (le nickel prédominant sur le fer et le manganèse ('tant 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 pré- férence moins d'environ 0,15 à 0,25% de silicium; moins de
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0,05% de chacun des éléments phosphore et soufre; 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 d'être satisfaisantes, étant donné que les propriétés de résistance finale's 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 cha- cun de ces éléments., au-dessus des valeurs minima spécifiées, donnelieu 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 d'eux 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
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éléments sont ceux qui conviennent pour le développement de la résistance mécanique par travail à froid et vieillisse- ment, conformément aux études de la Demanderesse, ne se laLsse pas suffisamment bien travailler à froid pour acquérir les propriétés supérieures de résistance mécanique qui peu- vent être obtenues avec le présent alliage ;
mais l'addi- tion de tels plastifiants a pour effet de diminuer la dureté de l'alliage recuit en solution, et :il devient ainsi possi- ble de développer les résistances d'écrouissage avant que la dureté qui résulte du laminage à froid ait atteint des valeurs qui rendent tout travail à froid supplémentaire pratiquement impossible. En général, le nickel lest par lui- même afficace et on peut l'utiliser sans l'adjonction de quantités appréciables de èn ou de manganèse.
Dans la pratique, le fer peutêtre appliqué à titre de remplaçant mineur du nickel et avec legrand avantage économique que 1,: chrome, le molybdène et le manganèse peuvent être intro- cuits sous forme des ferro-alliages correspondants, dont le prix, rapporté au poids du chrome et du molybdène, .est moinore, outre qu'ils possèdent des points de fusion plus faibles et facilitent ainsi la fusion. Le fer n'est toute- fois pas admissible en tant quesubstituant total du nickel à cause de la formation d'écaillés ou pailles de fer aux hau- tes températures, et il convient que sa teneur soit tenue au-dessous de celle du nickel.
Le manganèse est un bon dé- soxydant 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 désirés ; il peut y en avoir jusqu'à 5% sans effet nuisible, mais il ne semble pas qu'on ait aucun avantage particulier
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à ce que la teneur de l'alliage en cet élément dépasse 2% environ.
La préférence' pour les teneurs en carbone de 0,Q8 à 0,22% a été indiquée par les compositions 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 3/A avait une teneur en carbone de 0,05% et l'alliage 3/B une teneur en carbone de 0,095 L'état "laminé à froid" est celui donné par le recuit en solution et le laminage à froid, et l'état "vieilli" est le même, mais après 5 heures de vieillissement à 480 C.
Tableau. V
EMI15.1
<tb> Alliage <SEP> Condition <SEP> TS <SEP> PL <SEP> YS. <SEP> Mod <SEP> VHN
<tb>
<tb> N
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> laminé-à <SEP> froid <SEP> 182 <SEP> 94 <SEP> 119 <SEP> 15,4 <SEP> 519
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> " <SEP> 184 <SEP> 95 <SEP> 116 <SEP> 16,1 <SEP> 531 <SEP> , <SEP>
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<tb>
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<tb> A <SEP> vieilli <SEP> 229 <SEP> 136 <SEP> 171 <SEP> 20,3 <SEP> 635
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> " <SEP> 240 <SEP> 154 <SEP> 181 <SEP> 20,2 <SEP> 681 <SEP> , <SEP>
<tb>
EMI15.2
Effet de 0,04%C 11 18 10 - 46
Oh voit qu'une amélioration très nette est apportée à la limite proportionnelle, dont dépendent le point de sa- voir si le ressort sera ou non sujet à des déformations per- manentes en service et l'amplitude de ces déformations.
Les recuits en solution intermédiaires et finals peuvent être effectués à des températures inférieures à 1150 -- 1310 et pouvant même descendre jusqu'à 980 0; mais il est préférable d'appliquer des températures d'au moins 1090 c 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
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de favoriser la production d'une structure homogène ayant une disposition cubique à faces centrées, ainsi que d'amener l'al- liage à l'état où il se prête le mieux à son durcissement par vieillissement. Le refroidissement brusque peut être ef- fectué par immersion dans de l'eau, quoique des sections minces puissent être refroidies dans l'air avec succès.
L'effet de la température au cours du recuit en solution est mis en évidence par l'alliage No 3 qui possédait une dureté Vicers 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
EMI16.1
<tb> Temp <SEP> C. <SEP> Temps <SEP> VHN
<tb>
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<tb> Témoin <SEP> tel <SEP> que <SEP> laminé <SEP> à <SEP> froid <SEP> jusqu'à <SEP> 50% <SEP> de <SEP> ré-
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<tb> duction <SEP> 468
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<tb> 650 <SEP> 30 <SEP> minutes <SEP> 550
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<tb> 705 <SEP> " <SEP> " <SEP> 485
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<tb> 760 <SEP> " <SEP> " <SEP> 455
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<tb> 815 <SEP> " <SEP> " <SEP> 412
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<tb> 870 <SEP> " <SEP> " <SEP> 343
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<tb> 980 <SEP> " <SEP> " <SEP> 302
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<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 accrois- sement par le traitement à 650 et 705 c
alors que le chauffage à 760 c ne l'adoucissait que très peu. Aux tempé- ratures successivement croissantes, l'adoucissement inter- vient, 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 recom-
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mandable d'appliquer une température supérieure à 1150 C., 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 alli- ages d'une dureté aussi basse que 200 ayant permis d'obtenir des valeurs de résistances finales satisfaisantes. L'accrois- sement 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 des réductions de 75, 80, 85 et 90 % des duretés respectives-de 510, 570, 580 et 590.
Pour les grands ressorts 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 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'épais- seur finale de l'article et de la durée et de la température du vieillissement.
Ce traitement de vieillissement est particulière- ment avantageux pour une matière ayant été travaillée à froid jusqu'aux réductions spécif iées. Par exemple, le tableau VI indique que l'alliage No 3 ayant une dureté Vickers de recuit en solution de 240 a subi un accroissement de dureté jusqu'à
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468 à l'échelle Vickers et a alors été réduit et ramené à sa dureté initiale à la suite d'un recuit en solution subsé- quent effectué à 1150 c Cet alliage No 3, soumis à un recuit en solution jusqu'à une dureté Vickers de 216-233, et soumis alors à un/vieillissment à 480 C pendant 5 heures, sans laminage à froid intermédiaire, n'a subi un accroissement de dureté Vickers que jusqu'à 260-270,
soit d'environ 10 à 15% Par comparaison, comme il ressort du tableau IV ci-dessus, un laminage à froid jusqu'à une réduction de 92,7% (dureté Vic- kors 530-550), suivi d'un vieillissement identique, a donné une dureté Vickers de 690-695, soit de l'ordre de 30%. En d'autres termes, l'accroissement qui résulte du laminage à froid et du vieillissement par stades successifs est remar- quable non seulement par les valeurs de dureté absolues, mais aussi par les pourcentages relatifs. La charge de rupture s' accroit similairement ; un résultat encore plus frappant rési- dant dans le gain réalisé dans la limite proportionnelle et la limite d'élasticité.
La temporaire et la durée du vieillissement sont en rapport étroit.Une température plus basse entrains un temps plus long, tout en se prêtant à une latitude de réglage plus grande.Les effets maxima obtenus pour la résistance mé- canique et la ductilité peuvent se produire sous différentes conditions de température et de temps.
L'échelle utile des températures de vieillissement va généralement de 260 à 650 C, et pratiquement de 315 à 540 C, l'échelle actuellement préfé- rée étant de 400 à 480 c A titre d'exemple, on indiquera qu'un alliage traité dans les conditions spécifiées pour le recuit et le laminage à froid peut acquérir une pointe ou maximum, dans ses valeurs de résistance mécanique, par un vieillissement de 5 heures à 480 c mais que sa ductilité
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est alors susceptible d'avoir subi une réduction au-dessous de la valeur qui convient pour la formation.d'un ressort spiral de petit rayon minimum ; dans ce cas, il est préfé- rable d'effectuer le vieillissement à 425 ou même 370 c pen- dant le même temps ou un temps plus long.
Un vieillissement de 5 heures à 480 c a donné une combinaison désirable de valeurs de résistance accrues pour les alliages Nos 1 à 7.
Le tableau VII donne ci-dessous les effets del'é- paisseur de la feuille ou bande lors du.recuit en solution final et des pourcentages de la réduction à froid, sur des éprouvettes de l'alliage No 3 et de .différentes températures de vieillissement sur la dureté.
Tableau VII
EMI19.1
<tb> Vieillis-! <SEP> Epaisseur <SEP> des <SEP> feuilles <SEP> ou <SEP> bandes <SEP> en <SEP> mm
<tb>
EMI19.2
sèment de 0,079 l, 0,108 '! 0,180" 5 heures ! Rédaction à,froid,%! Réduction à froid,%! Rédaction àfrdd ¯¯¯¯¯¯¯! 80 85 90 1 80 - '85 90 I 80 85 90 ! 370 l 571 1 581 591 1 564 j 606 ' 628 1566i 571 ! 584 ! 425 J 613 ! z6 ! 6l!<3 } 636 1644 6" to z 6P ! 618 480 ! 654 ! 660 ! 672 1 652 1660 660 Í636! 648 684 540 ! ! 673 ! i ?00 700 / 660 1 686 1, 700 .J60! '1 673 ! ! 686
En ce' qui concerne la comparaison-des propriétés obtenues avant et après le vieillissement du métal.qui a été refroidi.en solution et laminé à froid de la manière spécifiés, l'accroissement de la charge de rupture et de la dureté peut être de l'ordre de 25 à 30% et, en général,
ces propriétés augmentent similairement entre elles. L'accroissement de la limite proportionnelle. peut être de 70% et au-dessus ; l'alliage No 2 ayant accusé uh accroissement de 135% et l'alliage No 3 un accroissement de 91%. La limite d'élastici- té augmente de 60% et au-dessus.
Le module d'élasticité augmente d'environ 16 à 35%, l'accroissement étant générale-
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ment inférieur à celui de la charge de rapture,
Il faut en particulier éviter un vieillissement trop poussé car un chauf qge (le 5 heures du-des,:
Ils de 650 c par exemple effectur une diminution marquée des propriétés de foret des sans que ceci sait compensé à un degré appré- cialbe per une Meilleure doctilité Théoriquement,d il semble- rait qu'un état - produit par le recuit en solution - de olution solide sursaturée en constituants précipitables est modifié par le vieillissement en ce sens que les particu- les de précipitation se présentent avec des'dimensions infra- microscopiques et en quantité totale correspondant à la différence des solubilités aux températures de solution et de vieillissement et que, lorsque la sursaturation a essen- tiellement cessé par formation de ces particules ténues,
les propriétés de résistance mécanique ont atteint leurs: maxima;des températures plus élevées provoquant une préci- pitation plus rapide, mais aussi une agglomération plus ra- pida 650 c semble représenter le maximum de température pratiquement admissible, et des températures plus basses sont préférables pour cette raison que, dans ce cas, le facteur temps n'est pas critique.
En général, on devra éviter une exposition de logue durée à des températures de 650-980 c après le recuit ensolution final. Si on lais se la températures'abaisser lentement à partirdes conditions de recuit en solution, une précipitation prématurée, accompagnée d'une agglomération, s'effectue, de sorts que la matière devient trop dure pour le travail à froid et incapable de développer les résis- tances qu'on peut obtenir par un écrouisage et un vieillis- sement appropriés ;
si, dans l'échelle ci-bessus, la tempé- rature de la matière augmente lentement, une agglomération
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intervient, suivie d'une remise en solution, mais l'homogénéi-
EMI21.1
sation né's'accomplit.pas jusqu'à la¯ réduction de'duretéqui. , est nécessaire pour un travail à froid satisfaisant ou jus- qu'à l'état qui convient pour assurer une précipitation affec- tive au cours du vieillissement.
La pièce ainsi fabriquée est un ressort moteur capable de résister à des conditions de service que ne supportera, pas un ressort en acier à haute teneur en carbone de mêmes dimensions. La charge de rupture et la limite pro- portionnelle du présent ressort sont supérieures à celles du ressort en acier. Dans les conditions'préférées (tableau IV), sa limite proportionnelle dépasse environ 141 kg/mm ; sa limite d'élasticité dépasse environ 176 kg/mm2 et son module d'élasticité dépasse environ 20 x 1011 dynes/cm2, alors que les trois valeurs correspondantes des grands ressorts de montres en acier au carbone de qualité supérieures/ont res- pectivement environ 124 kg/mm2, 163 kg/mm2 et 19,6 x 10 il dynes/cm2.
Il est, de plus, inoxydable dans les conditions atmosphériques, ainsi qu'au contact de la sueur; et résiste même aux solutions acides et alcalines concentrées. Il est essentiellement non magnétique et non magnétisable. Les effets du procédé de fabrication 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) et l'article devient inuti- lisable parcequ'il n'existe aucune méthode qui ,permette de rétablir les valeurs susindiquées 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
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D'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 pailles 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 desdites 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.
On a décrit à titre d'exemple le procédé présent
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en se référal1tja son/application à la fabrication d'un grand ressort de montre,mais il est évident que ce procédé est applicable à la fabrication d'autres articles ou organes pour lesquels la totalité ou une partie des combinais.ons de propriétés spécifiées sont désirables.