EP4123393B1 - Spiralfeder für uhrwerk - Google Patents

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EP4123393B1
EP4123393B1 EP21187512.5A EP21187512A EP4123393B1 EP 4123393 B1 EP4123393 B1 EP 4123393B1 EP 21187512 A EP21187512 A EP 21187512A EP 4123393 B1 EP4123393 B1 EP 4123393B1
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EP
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balance spring
spring according
alloy
manufacturing
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Lionel MICHELET
Christian Charbon
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Nivarox Far SA
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Nivarox Far SA
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    • 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
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21F—WORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F3/00—Coiling wire into particular forms
    • B21F3/02—Coiling wire into particular forms helically
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/02—Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
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    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring

Definitions

  • the invention relates to a spiral spring intended to equip a balance wheel of a watch movement. It also relates to the method of manufacturing this spiral spring.
  • the alloy chosen for a balance spring must also have properties that guarantee the maintenance of chronometric performance despite the variation in operating temperatures of a watch incorporating such a balance spring.
  • the thermoelastic coefficient, also known as CTE, of the alloy is then of great importance.
  • a CTE of +/- 10 ppm/°C must be achieved.
  • M and T being respectively the rate in s/d and the temperature in °C
  • E being the Young's modulus of the spiral spring with (1/E. dE/dT) which is the CTE of the spiral alloy, the expansion coefficients being expressed in °C -1 .
  • spiral springs for watchmaking are known made from binary Nb-Ti alloys with weight percentages of Ti typically between 40 and 60% and more specifically with a percentage of 47%.
  • this spiral spring has a two-phase microstructure comprising a solid solution of Nb and Ti in beta phase and Ti in the form of precipitates in alpha phase.
  • the solid solution of Nb and Ti in the work-hardened beta phase has a strongly positive CTE while the Ti in alpha phase has a strongly negative CTE making it possible to bring the two-phase alloy to a CTE close to zero, which is particularly favorable for the CT.
  • the binary Nb-Ti alloy is particularly favorable for low CT as mentioned above.
  • the object of the invention is to propose a new manufacturing method and a new chemical composition for a spiral spring making it possible to reduce the secondary error while maintaining a thermal coefficient close to 0.

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Claims (15)

  1. Spiralfeder, die dazu bestimmt ist, eine Unruh eines Uhrwerks auszurüsten, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder aus einer Legierung hergestellt ist, bestehend aus:
    - Nb, Ti, H und eventuellen Spuren anderer Elemente, ausgewählt aus O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu und Al,
    mit den folgenden Gewichtsprozenten:
    - einen Ti-Gehalt, der zwischen 20 und 60 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 40 und 50 Gew.-% liegt,
    - einem H-Gehalt, der zwischen 0,17 und 2 Gew.-% liegt,
    - einem Gesamtgehalt für die Gesamtheit der anderen Elemente kleiner oder gleich 0,3 Gew.-%,
    - wobei der Rest zum Erreichen von 100 Gew.-% aus Nb besteht.
  2. Spiralfeder nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der H-Gehalt zwischen 0,2 und 1,5 Gew.-% liegt.
  3. Spiralfeder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der H-Gehalt zwischen 0,5 und 1 Gew.-% liegt.
  4. Spiralfeder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass H in der Legierung mehrheitlich oder ausschließlich in interstitieller Form vorhanden ist.
  5. Spiralfeder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrogefüge der Legierung durch eine einzige Beta-Phase aus Nb und Ti in fester Lösung gebildet ist.
  6. Spiralfeder nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Wärmeleitzahl, CT genannt, aufweist, die zwischen -0,6 und +0,6 s/d°C liegt, und einen Fehler, ES genannt, der zwischen -3 und +3 s/d liegt.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder, die dazu bestimmt ist, eine Unruh eines Uhrwerks auszurüsten, nacheinander umfassend:
    a) einen Schritt zum Ausarbeiten oder Bereitstellen eines Rohwerks, das aus einer Legierung gefertigt ist, die aus Nb, Ti und eventuellen Spuren anderer Elemente, ausgewählt aus O, C, Fe, N, Ni, Si, Cu und Al, besteht, mit einem Ti-Gehalt, der zwischen 20 und 60 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 40 und 50 Gew.-% liegt, und einem Gesamtgehalt für die Gesamtheit der anderen Elemente kleiner oder gleich 0,3 Gew.-%, wobei der Rest zum Erreichen von 100 Gew.-% aus Nb besteht,
    b) einen Schritt zum Lösungsglühen und Härten, Beta-Typ genannt, des Rohwerks, sodass das Titan und das Niob der Legierung im Wesentlichen in Form einer festen Lösung in Beta-Phase vorliegen,
    c) einen Schritt zum Anwenden auf das Rohwerk einer Folge von Verformungssequenzen, mit optional mindestens einer Wärmebehandlung zwischen zwei Verformungssequenzen und/oder am Ende der Gesamtheit der Verformungssequenzen,
    d) einen Federwindungsschritt zur Bildung der Spiralfeder,
    e) einen abschließenden Schritt zur Wärmebehandlung, Fixierungsschritt genannt,
    wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen zusätzlichen Schritt zur thermochemischen Behandlung in einer Atmosphäre umfasst, die Wasserstoff umfasst, wobei der Schritt zur thermochemischen Behandlung bei der Behandlung zum Lösungsglühen im Schritt b), bei einer Wärmebehandlung im Schritt c), bei der abschließenden Wärmebehandlung im Schritt e), vor dem Schritt b), zwischen den Schritten b) und c), zwischen den Schritten c) und d), zwischen den Schritten d) und e) oder nach dem Schritt e) durchgeführt wird.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur thermochemischen Behandlung in Schritt e) durchgeführt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur thermochemischen Behandlung an einer Struktur des Rohwerks oder der Spiralfeder im rekristallisierten Zustand durchgeführt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Behandlung bei einer Temperatur, die zwischen 100 und 900 °C liegt, in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 100 % Wasserstoff unter einem Wasserstoffdruck zwischen 5 mbar und 10 bar umfasst, oder in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die ein Gemisch aus Wasserstoff und einem anderen Gas mit einem Volumenprozentsatz an Wasserstoff, der zwischen 5 und 90 Vol.-% liegt, umfasst, wobei der Gesamtdruck des Gemisches zwischen 5 mbar und 10 bar liegt.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffdruck oder der Gesamtdruck des Gemisches zwischen 0,5 und 7 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 6 bar, besonders bevorzugt zwischen 3,5 und 4,5 bar liegt.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 500 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 600 und 700 °C, liegt.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffdruck oder der Gesamtdruck des Gemisches zwischen 3,5 und 4,5 bar liegt, und die Temperatur zwischen 600 und 700 °C liegt.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung zum Lösungsglühen unter Vakuum bei einer Temperatur, die zwischen 600 °C und 1 000 °C liegt, während einer Dauer, die zwischen 5 Minuten und 2 Stunden liegt, gefolgt von einer Abkühlung unter Gas durchgeführt wird.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt a) zum Ausarbeiten oder Bereitstellen des Rohwerks aus einer Legierung, und vor dem Schritt c) zum Anwenden einer Folge von Sequenzen eine Oberflächenschicht aus duktilem Werkstoff, der aus Kupfer, Nickel, Kupfer-Nickel, Kupfer-Mangan, Gold, Silber, Nickel-Phosphor Ni-P und Nickel-Bor Ni-B angenommen wird, auf dem Rohling hinzugefügt wird, um die Formgebung in Drahtform zu erleichtern, und dadurch, dass der Draht vor oder nach dem Federwindungsschritt d) von seiner Schicht aus dem duktilen Werkstoff durch chemisches Ätzen befreit wird.
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