CH710099A2 - Procédé de renforcement pour composant d'horlogerie. - Google Patents

Abstract

Procédé de renforcement d’un composant d’horloger, comprenant les étapes consistant à: fournir le composant à renforcer mécaniquement sur une zone donnée (3) et le mettre à disposition afin de servir de substrat (1); préparer une composition diélectrique composite (7) comprenant un milieu diélectrique; mettre le substrat (1), une pointe électriquement conductrice (4) et la composition diélectrique (7) en contact; produire une décharge électrique entre la pointe (4) et ledit substrat (1) afin d’obtenir un revêtement dur ayant une dureté supérieure à celle du substrat sur la zone donnée, de manière à obtenir le composant renforcé.

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne procédé de renforcement d’un composant horloger afin d’améliorer sa résistance mécanique et son comportement tribologique. Elle concerne plus particulièrement un composant horloger comportant une zone renforcée selon ce procédé.

Etat de la technique

[0002] Dans le domaine de l’horlogerie, en particulier pour les composants de montres mécaniques de gammes supérieures, différentes approches ont été mises au point au fil du temps afin d’optimiser les propriétés mécaniques des pièces sujettes à des frottements ou contacts fréquents. On connaît ainsi des procédés de placages de composants métalliques, des traitements chimiques permettant de recouvrir certaines zones de substances protectrices, différents types de traitements thermiques, et des procédés permettant d’appliquer des couches de protection à l’aide de fours et d’ambiances physico-chimiques spécifiquement prévues. Pour obtenir des pièces ou zones particulièrement résistantes, certains procédés permettent notamment l’application de microcouches de diamants. Ces procédés et les pièces résultantes sont toutefois très coûteux. Les procédés moins coûteux donnent des résultats très variables, souvent peu satisfaisants en regard des efforts mécaniques subits par les pièces. Les fabricants horlogers sont donc toujours à la recherche de procédés économiques permettant d’obtenir de meilleurs résultats, en particulier pour certains types de composants.

[0003] La demande de brevet WO 2008/010 044 (inclus dans le présent document par référence) décrit un procédé de marquage d’un objet à des fins d’identification. Selon ce document, on effectue une marque d’identification sur l’objet même en utilisant des décharges électriques entre une pointe métallique, tel que celle d’un microscope à sonde locale, et le substrat formé par l’objet. Les décharges sont produites à travers un milieu diélectrique composite et produisent une empreinte repérable par des moyens de lecture telle qu’une microsonde, et présentant une nature physique et/ou une composition chimique particulières. Grâce à ces caractéristiques, on obtient un marquage d’identification et d’authentification très sûr et applicable directement sur l’objet à identifier ou authentifier. Le procédé décrit permet l’application d’empreintes particulièrement variées, de très petites dimensions, difficiles à reproduire à l’aide de procédés simples et très bons marchés susceptibles d’être utilisés pour des pièces de qualités moyennes ou inférieures. Le procédé et les empreintes visuelles produites sont donc surtout destinés à produire des effets visuels.

[0004] Pour pallier ces différents inconvénients, l’invention prévoit différents moyens techniques.

Bref résumé de l’invention

[0005] Tout d’abord, un premier objet de l’invention consiste à prévoir un procédé permettant de produire des zones renforcées ciblées pour des composants horlogers sujets à d’importantes sollicitations mécaniques.

[0006] Un autre objet de l’invention consiste à prévoir un composant horloger pourvu d’une ou plusieurs zones renforcées permettant d’améliorer les propriétés tribologiques du composant, en particulier dans les zones renforcées.

[0007] Pour ce faire, l’invention prévoit un procédé de renforcement d’un composant horloger, comprenant les étapes consistant à: fournir le composant à renforcer mécaniquement sur une zone donnée et le mettre à disposition afin de servir de substrat; préparer un milieu d‘électrique; mettre le substrat, une pointe électriquement conductrice et la composition diélectrique en contact; produire une décharge électrique entre la pointe et ledit substrat afin d’obtenir un revêtement dur ayant une dureté supérieure à celle du substrat sur la zone donnée, de manière à obtenir le composant renforcé.

[0008] Le procédé selon l’invention permet d’obtenir des zones ou points de renforts particulièrement performants en regard des sollicitations mécaniques auxquelles certains composants sont soumis. Les zones ou points renforcés permettent d’améliorer le comportement mécanique, en particulier tribologique des composants concernés.

[0009] Dans un mode de réalisation, le substrat est un matériau oxydable et la décharge électrique est configurée pour produire un microplasma et une température dans la zone donnée permettant d’obtenir le revêtement dur par oxydation.

[0010] Dans un autre mode de réalisation, la composition diélectrique composite comprend un ou des matériaux destinés à être déposés sur le substrat (ce dernier n’étant pas forcément oxydable), et le revêtement dur comprend le ou les matériaux.

[0011] Encore dans un autre mode de réalisation, le milieu diélectrique la décharge électrique est configurée en outre pour modifier la stœchiométrie du réactif.

[0012] L’invention prévoit par ailleurs une pièce d’horlogerie, comme par exemple une ancre, ou un mobile, ou un palier, un élément d’habillement tel qu’une lunette, ou une lame de fermoir, ou une couronne, comportant une zone renforcée à l’aide du procédé préalablement décrit.

Brève description des figures

[0013] Des exemples de mise en œuvre de l’invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles: <tb>la Fig. 1<SEP>est une représentation schématique des éléments mis en œuvre lors du déroulement du procédé selon l’invention; <tb>la fig. 2<SEP>est une représentation schématique des éléments mis en œuvre lors du déroulement d’un procédé de type connu; <tb>les fig. 3 , 4 et 5<SEP>sont des exemples de composants horlogers susceptibles de comporter des zones de renforcement réalisées à l’aide du procédé selon l’invention; et <tb>la fig. 6<SEP>est un organigramme fonctionnel illustrant les principales étapes du procédé de l’invention.

Exemple(s) de mode de réalisation de l’invention

[0014] En se référant au schéma de la fig. 1 , le procédé de renforcement d’un composant horloger selon l’invention utilise des décharges électriques entre une électrode 4 et un substrat conducteur 1 du composant. L’électrode 4 peut avoir la forme d’une pointe métallique très fine, d’un fil, d’un barreau ou toute autre forme géométrique appropriée. La fig. 1 montre l’état de la décharge immédiatement après le claquage du milieu diélectrique. L’électrode 4 fait office de cathode et le substrat 1 d’anode. Les polarités pourront cependant être inversées. L’électrode 4 peut être constituée d’un métal quelconque, mais de préférence est constituée d’un métal réfractaire comme le tungstène, le molybdène, l’iridium ou tout autre métal ayant un point de fusion élevé ou encore des propriétés d’émission thermoïonique.

[0015] L’électrode 4 est séparée du substrat 1 par une distance prédéterminée ou gap 8 de quelques microns, de préférence entre 1 et 200 microns. Le gap 8 est occupé par un milieu diélectrique 7 dans lequel se produit la décharge entre l’électrode 4 et le substrat 1. Cette microdécharge est obtenue en approchant la pointe 4 à un des emplacements prédéterminés de la surface du substrat 1, le tout étant immergé dans le milieu diélectrique 7. Le milieu diélectrique est constitué par un liquide, un gel ou une pâte diélectrique.

[0016] Une tension comprise de préférence entre 1 et 400V est appliquée entre l’électrode 4 et le substrat 1 dans le milieu diélectrique 7 pour produire un claquage dans le milieu diélectrique 7. On assiste alors à la formation d’un canal de plasma ionisé conducteur 5 entre l’électrode 4 et le substrat 1. Un courant électrique provenant de la décharge du condensateur ou de toute autre source de courant peut traverser le plasma ionisé. L’énergie ainsi fournie contribue à la formation d’un micro-plasma confiné à des températures et des pressions très élevées. Le plasma rayonne de l’énergie vers la surface du substrat 1 provoquant la fonte du métal du substrat.

[0017] La masse du plasma, entourée par une enveloppe gazeuse ou bulle de gaz, grandit au cours de la décharge qui dure typiquement entre 1 et 800 microsecondes. Mais l’expansion radiale du plasma est fortement restreinte par la présence du milieu diélectrique 7, et l’énergie de la décharge se trouve concentrée dans un tout petit volume. Le plasma ultrachaud rayonne de l’énergie vers la surface du substrat 1 provoquant la fonte du métal. La masse du plasma est en effet constituée de molécules du milieu diélectrique composite, pulvérisées et dissociées par l’énergie de la décharge. La température élevée du plasma provoque la fonte d’une surface ayant la forme d’un disque de quelques dizaines de microns de diamètre typiquement de 0,5 à 200 microns. En contrôlant l’énergie de la décharge, sa durée, la distance de claquage et/ou le gap 8, et surtout la composition chimique et les additifs présents dans le milieu diélectrique, le plasma de la décharge peut être utilisé comme un micro-réacteur pour produire des zones de métal fondu avec des compositions chimiques autres que dans le substrat de base.

[0018] Dans une forme d’exécution de l’invention, le composant est métallique (par exemple en acier) ou du moins, une zone donnée 3 du composant forme un substrat métallique. La décharge produite entre l’électrode 4 et le substrat 1 à l’aide du procédé selon l’invention permet de chauffer le substrat 1 localement et donc, d’effectuer une trempe locale sur une zone donnée du composant et d’obtenir dans la zone donnée un acier très dur, plus dur que le reste du substrat. Il est donc possible de modifier très localement la structure métallurgique du substrat et donc les propriétés physiques (dureté dans le cas de l’objet en acier) et chimiques (transformation austénite à martensite dans le cas de l’objet en acier) dans la zone donnée.

[0019] Dans une autre forme d’exécution, le milieu diélectrique 7 comprend un réactif 70 qui est amené dans la zone de la décharge afin d’être fondu dans le canal de plasma ionisé 5 formé suite au claquage et d’y être mélangé au substrat 1 fondu pour créer un dépôt dans la zone donnée 3 du substrat 1, plus dur que pour le reste du substrat 1. Le dépôt peut comprendre un nouveau composé ou un nouvel alliage formé d’éléments du réactif 70 et d’éléments du substrat 1. Le réactif 70 peut comprendre des poudres ou nano-poudres 70 de nature diverse et mélangée au milieu diélectrique 3. Ces poudres 70 fines à ultrafines ont un diamètre sensiblement inférieur à la distance d entre l’électrode 4 et le substrat 1, de préférence entre 1 et 10 000 nanomètres, de préférence 1 à 200 nanomètres, et de façon encore plus préférée entre 1 et 10 nanomètres. Ainsi, ces poudres 70 se trouvent emprisonnées dans le canal de plasma ionisé conducteur 5 créé par la décharge et sont fondues, voire ionisées par le rayonnement du plasma. Dans le canal de plasma ionisé 5 des réactions chimiques et métallurgiques entre les poudres 70 et le substrat 1 deviennent possibles, notamment grâce à la température et à la pression extrêmement importantes à l’intérieur dudit canal de plasma ionisé 5. Le mélange ainsi créé dans le canal de plasma ionisé 5 peut s’implanter dans le substrat 1 sous forme de la zone renforcée 3. La fig. 6 illustre des étappes de la méthode.

[0020] Le réactif 70 peut être constitué par l’électrode 4 qui est alors une électrode composite. L’électrode 4 peut comprendre plusieurs couches constituées par tout matériau approprié et notamment des métaux ou également être un mélange entre un métal et des poudres extrêmement fines diverses.

[0021] Le réactif 70 peut comprendre l’un des composés, ou une combinaison de ces composés comprenant: carbure, siliciure, borure, cermet, alumine, zircone ou carbone. De manière préférée, le réactif 70 comprend l’un des composés suivant: TIB2, TiC, W, WC, TiN, TiNC, TaC, Ta, ZrC, ZrB, BN, TiB2-WC, Hastelloy, nanodiamant, NbC, VC, MoC, MoS2, TaN. Le composant, ou du moins une zone donnée 3 du composant, comprend préférablement du nickel ou un acier. Le composant peut cependant également comprendre du cuivre de l’or ou d’autres métaux ou alliages.

[0022] Le canal de plasma ionisé conducteur 5 créé par la décharge est utilisé dans le procédé selon cette forme d’exécution comme un autoclave (ou un microréacteur) dans laquelle ont lieu des réactions physiques et chimiques permettant d’obtenir une zone renforcée 3 sur le substrat 1 qui est un alliage entre les éléments du réactif 70 et du substrat 1 et dont les propriétés physiques et chimiques diffèrent de celles du reste du substrat 1. En particulier, vu les températures et la pression extrêmes atteintes dans le canal de plasma ionisé 5, les réactions chimiques, métallurgiques et physiques qui s’y produisent sont inatteignables par d’autres moyens connus et permettent d’élaborer des composés ou des alliages inédits.

[0023] Encore dans une autre forme d’exécution, le réactif 70 comprend un carbure, siliciure, borure ou nitrure sous forme de poudre très fine en suspension. Cette poudre initiale possède une composition stœchiométrique initiale. En utilisant ce milieu diélectrique composite dans le procédé décrit plus haut, le carbure, siliciure, borure ou nitrure, sous forme de poudre est soumis dans le canal de plasma ionisé 5 à des températures et des pressions ultra-élevées, ce qui modifie sa structure et donne lieu à de nouvelles variantes stœchiométriques du composé, dont certaines ne peuvent être réalisées avec les moyens métallurgiques ou de synthèse connus de nos jours.

[0024] Pour obtenir une zone renforcée 3 plus profonde, des dopants adaptés sont spécifiquement prévus afin d’agir sur le micro-bain de fusion afin de concentrer la zone en fusion en suivant l’effet Heiple-Ropler. Sans de tels dopants, puisque la géométrie et la pénétration de l’empreinte de soudure sont contrôlées par la convection du métal en fusion, on obtiendrait un gradient de température à la surface du bain de métal fondu. Ce gradient s’étendrait du centre vers les bords de la zone en fusion. Pour les métaux purs, la tension de surface diminuant en fonction de la température, on obtiendrait un gradient de tension de surface qui provoquerait un transport de métal du centre vers les bords, et donc un élargissement de la zone d’application (flux convectif de Marangoni), tel qu’illustré à la fig. 2 .

[0025] L’ajout de dopants appropriés permet de concentrer la zone de fusion pour obtenir un renfort suffisamment épais pour être efficace et durable. Ainsi, le métal fondu contient des éléments dopants comme par exemple le soufre, le tellure ou le sélénium, créant une inversion du gradient de tension de surface. Le métal chauffé au centre du bain de fusion se dirige vers le fond de façon à produire une empreinte avec un rapport profondeur/largeur favorable, tel qu’illustré à la fig. 1 . Sur cette figure, les flèches 6 illustrent le flux convectif du bord vers le centre, qui favorise l’obtention d’un renfort d’une épaisseur avantageuse. Selon l’invention, d’une part l’effet Heiple-Roper est mis en œuvre à l’échelle microscopique, et d’autre part l’apport des dopants nécessaires est prévu non pas par le substrat, mais via le diélectrique composite.

[0026] La forme de la zone renforcée 3 dépend d’un éventuel déplacement de l’électrode 4 le long du substrat 1. En effet, une fois l’arc établi, l’électrode 4 peut être déplacée dans le plan pour former des renforts allongés, voire des lignes ou d’autres trajectoires plus complexes, sans éteindre le courant, à la façon d’un micro-chalumeau. Dans ce cas l’arc peut être maintenu pendant plusieurs secondes, voire davantage.

[0027] Ainsi, de manière avantageuse, une zone renforcée 3 est obtenue de la façon suivante avec le substrat 1 et l’électrode 4 immergés dans le milieu diélectrique composite 7. On place l’électrode 4 sur l’emplacement du substrat 1 où on veut effectuer le renfort. Le positionnement précis en X–Y peut se faire par des déplacements précis d’une table X–Y et/ou de l’électrode 4 elle-même.

[0028] En fait, il s’agit d’un mouvement relatif de l’électrode 4 par rapport au substrat 1. A l’aide d’un actionneur micrométrique, mécanique ou piézoélectrique (non représenté), on rentre en contact mécanique avec le substrat 1, en vérifiant par une mesure de résistance électrique par exemple. On retire ensuite l’électrode 4 à la distance voulue en fixant le gap 8 au nanomètre près. Ensuite on applique la tension sur l’électrode 4, et après le claquage ou l’amorçage, on décharge l’énergie stockée dans un condensateur ou une autre source de courant à travers le canal de plasma 5 jusqu’à l’extinction de la décharge, ce qui produit le renfort (zone renforcée) 3.

[0029] Ce mode d’exécution pourra bien entendu également recevoir toutes autres modifications désirables. Ainsi, l’électrode 4 pourrait former une anode et le substrat 1 une cathode. On pourrait prévoir le dépôt de matériaux de l’électrode 4 vers le substrat 1.

[0030] Le milieu diélectrique 7 pourrait également être un gaz, tel que l’air, ou un gaz avec des particules fines en suspension, par exemple de l’acétylène avec du silicium qui serait intégré dans l’empreinte, ou encore un gel ou une pâte.

[0031] Encore dans un autre mode de réalisation, d’autres procédés peuvent être utilisés pour la déposition de la zone renforcée 3 dans le cas où le composant, ou du moins une zone donnée 3 du composant, est un matériau oxydable (par exemple, un alliage d’aluminium). Dans ce cas, la décharge électrique est configurée pour produire un micro-plasma et une température dans la zone donnée permettant d’oxyder le substrat 1 dans la zone donnée 3. Un tel traitement s’apparente à un procédé d’oxydation par micro-arc plasma (aussi connu sou le nom anglais de «micro-arc oxydation» et l’acronyme «MAO»).

[0032] Tel qu’illustré aux fig. 3 à 5 , le procédé de l’invention peut être avantageusement utilisé pour renforcer un composant horloger tel qu’une ancre (fig. 2 ), un mobile ou un palier (fig. 4 ). Dans le cas de l’ancre, la zone renforcée 3 peut correspondre aux levées. Dans le cas d’un mobile de roue dentée, la zone renforcée 3 peut correspondre aux dents ou à une portion des dents. La fig. 5 montre un pont d’un mouvement horloger sur lequel la zone renforcée 3 correspond à des paliers. D’autres exemples d’applications sur des composants horlogers sont également possibles, incluant un élément d’habillement tel qu’une lunette, ou une lame de fermoir, ou une couronne.

[0033] La dureté des composants revêtus selon l’invention peut être très élevée, par exemple supérieure à 1000 HV.

Numéros de référence employés sur les figures

[0034] <tb>1<SEP>substrat <tb>2<SEP>composant horloger <tb>3<SEP>zone donnée, zone renforcée <tb>4<SEP>élément métallique, pointe <tb>5<SEP>canal de plasma ionisé <tb>6<SEP>flux convectif <tb>7<SEP>milieu d’électrique <tb>70<SEP>réactif <tb>8<SEP>gap

Claims (15)

1. Procédé de renforcement d’un composant horloger, comprenant les étapes consistant à: fournir (10) le composant à renforcer mécaniquement sur une zone donnée (3) et le mettre à disposition afin de servir de substrat (1); préparer (11) un milieu diélectrique (7); mettre (12) le substrat (1), une électrode (4) et le milieu diélectrique (7) en contact; produire une décharge électrique entre l’électrode (4) et ledit substrat (1) afin d’obtenir un revêtement dur ayant une dureté supérieure à celle du substrat sur la zone donnée, de manière à obtenir le composant renforcé.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’électrode (4) comprend une pointe électriquement conductrice.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le substrat (1) est un matériau oxydable; et dans lequel la décharge électrique est configurée pour produire un micro-plasma et une température dans la zone donnée permettant d’obtenir le revêtement dur par oxydation.

4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le matériau oxydable est un alliage d’aluminium et le revêtement dur est un oxyde d’aluminium.

5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la décharge électrique est configurée pour effectuer une trempe sur la zone donnée de sorte que le substrat (1) dans la zone donnée (3) est plus dur que pour le reste du substrat (1).

6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le milieu diélectrique (7) comprend un réactif (70); et dans lequel la décharge électrique est configurée pour mélanger le réactif (70) au substrat (1) de manière à créer un dépôt dans la zone donnée (3) plus dur que pour le reste du substrat (1).

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le réactif (70) comprend un composés comprenant l’un de: carbure, siliciure, borure, cermet, alumine, zircone ou carbone.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le réactif (70) comprend l’un des composés suivant: TiB2, TiC, W, WC, TiN, TiNC, TaC, Ta, ZrC, ZrB, BN, TiB2-WC, Hastelloy, nanodiamant, NbC, VC, MoC, MoS2, TaN.

9. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel le réactif (70) est sous la forme d’une poudre à granulométrie plus fine que le gap (8).

10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la décharge électrique est configurée en outre pour modifier la stœchiométrie du réactif (70).

11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le réactif (70) comprend l’un de ou une combinaison de: carbure, siliciure, borure ou nitrure.

12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le milieu diélectrique (7) comprend un liquide, un gel ou une pâte diélectrique.

13. Composant horloger (2) comportant une zone renforcée (3) réalisée à l’aide du procédé selon l’une des revendications 1 à 12.

14. Composant horloger (2) selon la revendication 13, consistant en une ancre, ou un mobile, ou un palier.

15. Composant horloger (2) selon la revendication 13, consistant en un élément d’habillement tel qu’une lunette, ou une lame de fermoir, ou une couronne.