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La présente invention concerne un axe horloger à base d'or, notamment un axe de balancier, un axe de roue d'échappement ou un axe de mobile de seconde.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
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Les montres mécaniques incluent un résonateur comprenant un balancier et un ressort spiral qui sont généralement montés sur le même arbre désigné « axe de balancier » (figure 1).
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L'optimisation des performances du mécanisme (précision, durabilité...) dépend fortement du balancier-spiral et de la qualité de son pivotement.
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De manière générale, un axe horloger, en particulier un axe de balancier, doit donc répondre à certaines contraintes, notamment en termes d'usinabilité ou de résistance (i) à la corrosion, (ii) aux chocs, (iii) à la rupture et (iv) à l'usure.
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Ainsi, de nombreux matériaux ont été utilisés pour fabriquer les axes horlogers, par exemple des alliages métalliques comme l'acier martensitique, ou encore des céramiques comme l'oxyde de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium... Des axes de balancier recouverts d'une couche de matériau spécifique ont également été développés.
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Quoi qu'il en soit, il existe toujours un besoin de matériaux alternatifs répondant aux contraintes établies, faciles à usiner et, avantageusement, amagnétiques. En effet, l'acier martensitique présente des propriétés de résistance adéquates, mais reste sensible au magnétisme et à la corrosion (ce qui est problématique notamment lors de la fabrication et du stockage) alors que la céramique reste fragile en cas de chocs répétés. En outre, certains matériaux nécessitent une multitude de traitements thermiques et mécaniques afin d'obtenir les propriétés de résistance requises.
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D'autre part, la présence croissante de dispositifs électroniques expose sans cesse les montres à des champs magnétiques, ce qui peut entraîner des problèmes de fonctionnement lorsque les mouvements horlogers sont en acier.
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Par conséquent, il existe toujours un besoin de développer des alternatives permettant de résoudre simultanément tous les problèmes techniques, à savoir l'usinabilité et la résistance à la corrosion, aux chocs, à la rupture et à l'usure et le comportement en présence de champs magnétiques, ou après exposition à un champ magnétique.
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La présente invention répond à ces problématiques grâce à l'utilisation d'un alliage d'or amagnétique, et à haute dureté.
EXPOSE DE L'INVENTION
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Un premier aspect de l'invention se rapporte à un axe horloger constitué d'un alliage d'or amagnétique, ledit alliage comprenant plus de 500‰ en masse d'or et ayant une dureté supérieure à 500 HV.
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En d'autres termes, l'alliage d'or amagnétique ne constitue pas simplement une couche superficielle ou uniquement le coeur de l'axe horloger.
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Cet axe horloger n'est pas composé exclusivement d'intermétalliques stoechiométriques. D'autre part, il ne comprend pas de matériau composite constitué d'une matrice métallique et de particules d'oxides, de carbures ou de nitrides (notamment WC, TiC, TaC, TiN, TiCN, Al2O3, ZrO2, Cr2O3, SiC, MoSi2 et AlN).
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L'axe horloger est avantageusement un axe de balancier.
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De manière avantageuse, l'axe horloger présente une longueur inférieure à 5mm, préférentiellement inférieure à 4mm, encore plus préférentiellement inférieure à 3mm. L'axe horloger présente une longueur avantageusement supérieure à 1mm, préférentiellement supérieure à 2mm. De manière avantageuse, l'axe horloger comprend deux pivots ayant un diamètre avantageusement compris entre 0,02mm et 0,30mm, préférentiellement compris entre 0,03mm et 0,20mm, encore plus préférentiellement compris entre 0,04mm et 0,10mm.
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Un axe de balancier permet notamment de supporter la serge de balancier et le ressort spiral d'un mouvement horloger d'une montre.
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Un deuxième aspect de l'invention se rapporte à un oscillateur horloger, comprenant un axe de balancier selon le premier aspect ainsi qu'au moins un organe supplémentaire tel qu'un balancier ou un organe de rappel élastique. Ledit au moins un organe supplémentaire est avantageusement amagnétique, par exemple un organe élastique de rappel réalisé en matière amagnétique. On peut ainsi prévoir l'organe élastique de rappel sous la forme d'un spiral en matière amagnétique, comme par exemple un spiral en silicium ou un spiral en alliage métallique amagnétique (base NbZr, NbTi, FeMn...) doté de sa virole, elle aussi avantageusement en alliage métallique amagnétique. Encore plus avantageusement, l'oscillateur horloger est constitué uniquement de pièces amagnétiques. Par exemple, on peut prévoir un balancier en laiton, un plateau en laiton ou maillechort (alliage de cuivre, de nickel et de zinc), une ellipse en corindon et un spiral en silicium. Également, l'homme du métier pourra choisir d'associer l'oscillateur doté d'un axe selon l'invention avec un échappement amagnétique. Par exemple, l'ancre et/ou la roue d'échappement peuvent être en alliage NiP amagnétique ou en silicium.
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A titre d'exemple, l'oscillateur horloger peut être testé au sein d'un mouvement horloger selon la séquence suivante :
- test de marche dans les 6 positions usuelles,
- exposition à un champ magnétique artificiel de 500 gauss, 1000 gauss ou 5000 gauss pendant un temps prédéterminé,
- test de marche dans les 6 positions usuelles, avec une déviation de 20s/j maximum, avantageusement 10s/j maximum, par rapport aux essais avant l'exposition aux champs magnétiques,
- mesure de la valeur d'arrêt sous champ magnétique, avec au minimum 100 gauss, de préférence au minimum 500 gauss, de préférence au minimum 1000 gauss.
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L'alliage d'or amagnétique constituant l'axe horloger comprend plus de 500‰ en masse d'or, par rapport à la masse de l'alliage. Il présente une dureté supérieure à 500 HV.
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Avantageusement, il s'agit d'alliage d'or 18 carats (750‰ en masse d'or). Préférentiellement, l'alliage d'or comprend entre 750‰ et 950‰ en masse d'or. Sauf indication contraire, les pourcentages sont exprimés en masse par rapport à la masse de l'alliage (c'est-à-dire de l'axe horloger).
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Avantageusement, l'alliage d'or amagnétique comprend (plus avantageusement, l'alliage d'or amagnétique est constitué de) :
- au moins 750 %o d'or,
- un premier élément d'alliage choisi dans le groupe constitué de : 30 à 220 %o de niobium, 10 à 180 %o de vanadium, et leurs mélanges,
- un deuxième élément d'alliage choisi dans le groupe constitué de : 30 à 70 %o de fer, 10 à 120 %o de palladium (avantageusement 20 à 120‰), 10 à 120 %o de chrome (avantageusement 30 à 120‰), 5 à 40 %o de titane, et leurs mélanges,
- 0 à 50 %o d'un troisième élément d'alliage choisi dans le groupe constitué de : nickel, manganèse, cuivre, argent et leurs mélanges,
la quantité totale des premier, deuxième et troisième éléments de l'alliage d'or étant comprise entre 150 %o et 250 %o.
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Lors de la préparation de l'alliage d'or amagnétique, un élément affineur de grains peut être incorporé. Cet élément affineur de grains représente avantageusement 0 à 2000 ppm, en masse par rapport à la masse totale d'or et des premier, deuxième et troisième éléments d'alliage.
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Ainsi, avantageusement, l'alliage d'or amagnétique est constitué « d'or, d'un premier élément d'alliage, d'un deuxième élément d'alliage, optionnellement d'un troisième élément d'alliage », et inclut 0 à 2000 ppm d'un élément affineur de grains.
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L'élément affineur de grains est avantageusement choisi dans le groupe constitué de :
- iridium,
- bore,
- vanadium, lorsque le premier élément d'alliage est le niobium,
- fer, lorsque le deuxième élément d'alliage est choisi dans le groupe constitué par : le palladium, le chrome, le titane, et un de leurs mélanges,
- cobalt,
- baryum,
yttrium, - zirconium,
- titane, lorsque le deuxième élément d'alliage est choisi dans le groupe constitué par : le fer, le palladium, le chrome, et un de leurs mélanges,
- et leurs mélanges.
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Selon un premier exemple, l'alliage d'or amagnétique comprend :
- au moins 750 ‰ d'or,
- 30 à 220 %o de niobium,
- 30 ‰ à 70 ‰ de chrome.
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Selon un deuxième exemple, l'alliage d'or amagnétique comprend :
- au moins 750 ‰ d'or,
- 120 ‰ à 180 ‰ de vanadium,
- 30 ‰ à 70 ‰ de fer,
- 20 ‰ à 60 ‰ de palladium.
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Selon un troisième exemple, l'alliage d'or amagnétique comprend :
- au moins 750 %o d'or,
- 80 %o à 120 %o de palladium,
- 80 %o à 120 %o de chrome,
- 10 %o à 50 %o de vanadium,
- 5 %o à 40 %o de titane.
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Préférentiellement, l'alliage d'or amagnétique est choisi parmi (en masse) : Au650-670Ti330-350, Au744-764Nb187-207Cr39-59, Au750Ag100Cr100Fe50, Au750Nb200Cr50, Au750V160Fe50Pd40, Au750V140Pd60Fe50, Au750Pd100Cr100V30Ti20, Au750V150Fe50Nb50, et Au800Nb160Cr40.
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L'alliage d'or amagnétique est avantageusement choisi dans le groupe constitué de : Au660Ti340, Au754Nb197Cr49, et Au800Nb160Cr40.
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La dureté de l'alliage d'or amagnétique est supérieure à 500 HV, avantageusement supérieure à 600 HV, plus avantageusement supérieure à 700 HV.
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Selon un mode de réalisation particulier, l'alliage d'or amagnétique peut comprendre des précipités d'alliage d'or amagnétique, par exemple des précipités AuTi3 lorsque l'alliage comprend du titane (deuxième élément d'alliage) ou des précipités d'intermétallique.
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La présente invention concerne également un procédé de fabrication de l'axe horloger, à partir de l'alliage d'or amagnétique tel que décrit ci-dessus et ci-après.
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Ce procédé comprend les étapes suivantes :
- préparation d'une barre par mélange et chauffage des métaux constituant un alliage d'or amagnétique ayant une dureté supérieure à 500 HV et comprenant plus de 500‰ en masse d'or,
- usinage par enlèvement de matière de la barre en alliage d'or amagnétique afin de former un axe horloger, l'usinage étant avantageusement réalisée selon une technique choisie dans le groupe constitué de : usinage à l'outil coupant, laser, meulage et électroérosion.
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De manière avantageuse, le procédé comprend une étape de durcissement réalisé par écrouissage (avantageusement par étirage et/ou martelage) et/ou par traitement thermique. De manière avantageuse, avant l'étape d'usinage, la barre subit un écrouissage de 30 % à 90 %, plus avantageusement de 50 % à 80 %. L'écrouissage est avantageusement réalisé à la température ambiante, par exemple à une température comprise entre 18 et 25°C.
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De manière avantageuse, le procédé comprend au moins un traitement thermique.
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De manière avantageuse, le traitement thermique est réalisé à une température de 200 à 1100°C, plus avantageusement de 250 à 1000°C, et encore plus avantageusement de 600 à 850 °C.
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De manière avantageuse, le traitement thermique est réalisé pendant une durée de 5 minutes à 40 heures, plus avantageusement de 10 minutes à 240 minutes, encore plus avantageusement de 30 minutes à 240 minutes.
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L'écrouissage et le traitement thermique peuvent être répétés. En d'autres termes, le procédé peut comprendre plusieurs écrouissages et/ou plusieurs traitements thermiques.
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Avantageusement, le procédé comprend une des séquences suivantes :
- [a] premier traitement thermique/écrouissage/usinage/deuxième traitement thermique, les premier (avantageusement de 200 à 1100°C, plus avantageusement de 650 à 1100°C) et deuxième (avantageusement de 200 à 1100°C, plus avantageusement de 200 à 900°C) traitements thermiques étant identiques ou différents,
- [b] premier traitement thermique/écrouissage/deuxième traitement thermique/usinage, les premier (avantageusement de 200 à 1100°C, plus avantageusement de 650 à 1100°C) et deuxième (avantageusement de 200 à 1100°C, plus avantageusement de 200 à 900°C) traitements thermiques étant identiques ou différents,
- [c] écrouissage/traitement thermique/usinage.
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L'usinage est avantageusement réalisé selon une technique choisie dans le groupe constitué de : usinage à l'outil coupant, laser, meulage et électroérosion.
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Les séquences [a], [b] et [c] ci-dessus sont particulièrement adaptés à tout type d'usinage alors que la séquence [c] est particulièrement adaptée à l'usinage laser.
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L'usinage est avantageusement réalisé selon les connaissances générales de l'homme du métier qui pourra notamment consulter le document
CH715613 pour l'usinage par laser.
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L'usinage par électroérosion est possible car l'alliage d'or amagnétique présente une conductivité électrique supérieure à 1 S.m-1, avantageusement supérieure à 100 S.m-1.
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L'usinage par électroérosion peut notamment être réalisé au moyen d'une machine comprenant un organe de préhension rotatif et un système d'usinage par électroérosion à fil monté sur un actuateur à commande numérique, selon les étapes suivantes :
- a. se doter d'une barre d'alliage d'or amagnétique s'étendant sur un axe longitudinal,
- b. agencer la barre selon son axe longitudinal sur l'organe de préhension rotatif,
- c. mettre la barre en forme par usinage électroérosion à fil pour obtenir un axe horloger comprenant un pivot à chaque extrémité,
l'étape c. comprenant la mise en rotation continue de la barre autour de son axe longitudinal pour la mise en forme desdits pivots, - d. optionnellement, finition tribologique.
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L'étape c. de l'usinage par électroérosion peut comporter les étapes suivantes :
- une mise en forme d'une première extrémité de l'axe tandis que l'axe est tenu par la machine du côté d'une deuxième extrémité de l'axe,
- la prise par la machine de l'axe du côté de la première extrémité précédemment mise en forme, et
- une mise en forme de la deuxième extrémité tandis que l'axe est tenu par la machine du côté de sa première extrémité.
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L'étape c. de l'usinage par électroérosion peut comprendre une ou plusieurs étapes d'usinage par électroérosion à fil, par rotation incrémentale de la barre, pour réaliser un ou plusieurs méplats ou une forme polygonale.
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De manière avantageuse, l'axe horloger peut être utilisé pour un oscillateur amagnétique, en combinaison avec d'autres composants amagnétiques.
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Ces composants amagnétiques incluent notamment un ressort spiral en silicium, diamant, oxyde de silicium ou similaire ; un ressort spiral métallique amagnétique ; un plateau en laiton ou autre matériau amagnétique ; un balancier en laiton ou autre matériau amagnétique.
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La présente invention concerne également un oscillateur horloger comprenant l'axe horloger et un ressort spiral amagnétique (de préférence en silicium ou en alliage métallique amagnétique par exemple en FeMn, NbZr ou NbTi).
FIGURES
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La figure 1 représente un axe horloger, plus précisément un axe de balancier.
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Il s'agit d'une représentation d'un axe de balancier conventionnel comprenant des pivots (1), un tigeron (2), une tige (3) et une assise (4) sur laquelle supportant la serge de balancier et le ressort spiral. L'assise (4) est également appelée assiette.
EXEMPLES
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Plusieurs axes horlogers ont été préparés à partir des alliages d'or du tableau 1, selon les étapes suivantes :
- préparation d'une barre par mélange et chauffage des métaux constituant l'alliage d'or amagnétique,
- optionnellement, durcissement par écrouissage et traitement thermique,
- usinage à l'outil coupant de la barre en alliage d'or amagnétique afin de former un axe horloger.
Tableau 1 : dureté des alliages d'or utilisés pour préparer des axes horlogers. | Exemple | Alliage d'or | Durcissement | Dureté (Hv) |
| INV-1 | Au660Ti340 | Aucun - brut de coulée | 700 |
| INV-2 | Au754Nb197Cr49 | Ecrouissage 60% | 680 |
| Traitement thermique 20 heures à 650°C |
| INV-3 | Au754Nb197Cr49 | Ecrouissage 80% | 730 |
| Traitement thermique 10 heures 650°C |
| INV-4 | Au754Nb197Cr49 | Ecrouissage 60% | 650 |
| Traitement thermique 3 heures à 700°C |
| INV-5 | Au754Nb197Cr49 | Ecrouissage 80% | 680 |
| Traitement thermique 1 heure à 700°C |
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En fonction des propriétés de l'alliage à l'état brut de coulée, un post-traitement (écrouissage et/ou traitement thermique) peut être réalisé sur l'alliage.