CH704233B1 - Pièce d'habillage en alliage de titane pour l'horlogerie et procédé de fabrication de cet alliage. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne une pièce extérieure d’habillage pour montre, formée au moins en partie dans un alliage de titane de type quasi-β qui présente une dureté Vickers supérieure à 450 HV. L’invention concerne aussi un procédé de fabrication de cet alliage de titane.

Description

[0001] La présente invention concerne un article à base de titane, notamment un article portable décoratif tel qu’une pièce d’habillage pour l’horlogerie, ayant une dureté élevée.

Etat de la technique

[0002] De manière générale, les pièces d’habillage pour l’horlogerie telles que les boîtes, les carrures, les maillons de bracelet, ou analogues, à dureté et à brillance élevées sont réalisées à partir d’aciers inoxydables austénitiques. Une des raisons principales de ce choix est que ce type d’acier peut être facilement embouti ou étampé.

[0003] Afin d’alléger les pièces d’habillage, les fabricants se sont intéressés au titane et ses alliages pour la fabrication des boîtes de montre, des bracelets etc. Ces articles à base de titane ne contiennent aucun élément allergène, et, une fois traités de façon appropriée, présentent une brillance esthétique. A cette fin, l’alliage de titane Ti6Al4V, aussi connu comme titane grade 5, est le plus souvent utilisé. En effet l’alliage de titane grade 5 est utilisé de façon extensive dans des applications dans les domaines de l’aéronautique, médicales, marines et du génie chimique. Ses propriétés mécaniques sont semblables aux propriétés des aciers inoxydables de type 316.

[0004] Cependant, le titane et ses alliages, y compris l’alliage de titane grade 5, sont susceptibles aux rayures à cause de leur dureté superficielle plutôt faible (la dureté du titane à l’état brut est environ deux fois plus élevée que celle de l’acier 316L non trempé) et l’aspect de surface des articles fabriqués dans ces matériaux ont tendance à se dégrader après une certaine période d’utilisation.

[0005] Un certain nombre de traitements de surface du titane ont été proposés par le passé afin d’améliorer sa dureté superficielle. Parmi ces traitements on compte le revêtement de la surface du titane ou d’un alliage de titane avec un revêtement dur, par exemple, par une méthode de déposition physique telle que le PVD ou autres. Cette approche se heurte cependant au problème de l’adhésion entre le revêtement et le substrat métallique.

[0006] Le document EP 672 489 divulgue un article à base de titane composé d’un mélange comprenant une matrice de titane et des éléments d’addition choisis parmi les nitrures, les carbures, les carbonitrures, les siliciures, et les borures. L’article présente une dureté Vickers élevée qui varie, en fonction du choix des éléments d’addition et de leur quantité dans le mélange, typiquement entre 300 HV et 1200 HV. La surface du l’article peut cependant perdre son éclat métallique et changer de couleur.

[0007] On sait également que le titane peut être durci en surface par des traitements consistant à le chauffer en présence d’oxygène ou d’azote. Le document CH 539 128 décrit un tel procédé pour la fabrication d’une pièce en titane dans lequel, après avoir été mise en forme, la pièce est exposée à haute température et sous faible pression à la diffusion d’oxygène, d’azote, d’hydrogène ou d’un mélange de ces gaz, puis refroidie rapidement.

[0008] Typiquement, ces procédés connus utilisent des températures relativement modérées inférieures à 1000 °C, et la durée du traitement atteint plusieurs heures ou même plusieurs centaines d’heures dans certains cas. L’aspect de la pièce ainsi traitée peut également être affecté par le fait que la surface du titane ou de l’alliage de titane devient grossière à cause de la croissance des grains à la surface lors du traitement.

Bref résumé de l’invention

[0009] Un but de la présente invention est de proposer l’utilisation d’un alliage de titane pour la fabrication de pièces d’habillage horloger exempt des limitations de l’état de la technique connu.

[0010] Selon l’invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d’une pièce extérieure d’habillage pour montre, formée au moins en partie dans un alliage de titane, caractérisée en ce que l’alliage de titane est de type quasi-β et présente une dureté Vickers supérieure à 450 HV.

[0011] Selon l’invention, ces buts sont également atteints notamment au moyen d’un procédé de fabrication de l’alliage de titane formant au moins en partie la pièce extérieure d’habillage, dans lequel ledit alliage de titane est soumis à un traitement de durcissement comprenant la mise en solution de l’alliage de titane à une température de 30 °C à 60 °C au-dessous de la température de transition β; une trempe; et un traitement de revenu à une température comprise entre 450 °C et 590 °C, pendant une période comprise entre 4 et 10 heures; de sorte à obtenir une dureté Vickers supérieure à 450 HV.

[0012] Dans un mode de réalisation privilégié, l’alliage de type quasi-β est un alliage Ti-10V-2Fe-3AI. L’étape de mise en solution peut être réalisée à une température de 760 °C +/–5 °C pendant un période d’au moins 30 min. De manière préférée, l’étape de revenu est réalisée à une température de 500 °C +/–5 °C, pendant une période d’environ 8 heures.

[0013] L’invention concerne également une montre comportant la pièce d’habillage formée au moins en partie dans l’alliage de titane décrit ici.

[0014] Cette solution présente notamment l’avantage par rapport à l’art antérieur de fournir des pièces d’habillage qui sont moins sensibles aux rayures que les pièces conventionnelles fabriquées, par exemple, en titane grade 5.

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

[0015] Dans un mode de réalisation privilégié, une pièce d’habillage d’une montre est fabriquée dans un alliage de titane de type Ti-10V-2Fe-3AI. Ici, la pièce d’habillage peut comprendre une ou plusieurs des pièces formant le boîtier de montre, par exemple, une carrure, une couronne, une lunette et un fond, mais encore des maillons de bracelets, ou autres.

[0016] L’alliage de type Ti-10V-2Fe-3AI, également nommé Ti-10-2-3, est un alliage de titane de type quasi-β qui présente à température ambiante deux phases alpha (ci-après «α») et Beta (ci-après «β»), et qui présente une transition β («β-transus») entre un domaine où coexistent les phases α et β et le domaine de phase β pure. La température à laquelle est rencontrée la température de transition β est d’environ 800 °C et peut varier en fonction de la composition de l’alliage. L’alliage Ti-10-2-3 contient suffisamment d’élément stabilisateur β (ici le Fe) pour supprimer la transformation martensitique pendant une opération de trempe à la température ambiante.

[0017] L’alliage Ti-10-2-3 est un alliage possédant à la fois une faible densité et une haute résistance mécanique. C’est pourquoi il est très prisé dans les applications au domaine de l’aéronautique, pour réaliser par exemple des pièces de trains d’atterrissage et des pièces de structure. Cependant cet alliage est très sensible aux défauts microstructuraux. Les pièces en Ti-10-2-3 sont généralement obtenues après des étapes de transformations thermomécaniques suivies d’étapes de traitements thermiques. L’alliage Ti-10-2-3 a une dureté Vickers typiquement d’environ 310 HV à l’état brut, c’est-à-dire, en l’absence de traitement thermique. Par conséquent, il sera sensible aux rayures et l’aspect de surface des articles fabriqués dans cet alliage auront tendance à se dégrader après une certaine période d’utilisation.

[0018] Dans un mode de réalisation, une pièce d’habillage est fabriquée dans un alliage Ti-10-2-3 ayant une composition comprenant entre 9.0% et 11.0% en poids de vanadium, entre 1.6% et 2.2% en poids de fer, entre 2.6% et 3.4% en poids d’aluminium, jusqu’à 0.13% d’oxygène, jusqu’à 0.05% de carbone, jusqu’à 0.05% d’azote, jusqu’à 0.015 d’hydrogène, le pourcentage résiduel étant du titane et des impuretés résultant de l’élaboration.

[0019] Après avoir été mise en forme, la pièce d’habillage en Ti-10-2-3 est soumise à un traitement de durcissement comportant une étape de mise en solution, suivie d’une étape de trempe pour conserver la structure sursaturée à température ambiante. Le traitement de durcissement comporte également une étape de revenu permettant de répartir uniformément la phase précipitée durant la première étape. Le mécanisme de durcissement des alliages de titane est sensiblement différent de celui des aciers. On retrouve les étapes de trempe et de revenu mais pour le Ti 10-2-3 le gain en dureté s’acquiert principalement après une étape de revenu.

[0020] Plus particulièrement, un traitement de durcissement comporte les étapes de: traitement thermique de mise en solution de la pièce en alliage de titane à une température de 30 °C à 60 °C au-dessous de la température de transition β, pendant une période d’au moins 30 min; trempe, c’est-à-dire, refroidissement de la pièce, par exemple, jusqu’à la température ambiante; traitement thermique de revenu de la pièce à une température typiquement comprise entre 450 °C et 590 °C, pendant une période comprise entre 4 et 10 heures.

[0021] De façon préférée, l’étape de mise en solution est réalisée à une température de 760 °C +/–5 °C. L’étape de refroidissement est typiquement réalisée à l’air soufflé mais peut également l’être à l’aide d’une trempe à l’eau. Après l’étape de refroidissement, la dureté Vickers mesurée est d’environ 380 HV. L’étape de revenu est réalisée à une température de 500 °C +/–5 °C pendant une durée d’environ 8 heures. Le gain en dureté est alors réalisé. Après cette étape de revenu la dureté Vickers obtenue est supérieure à environ 450 HV, et préférablement d’environ 490 HV.

[0022] Les étapes de mise en solution et de revenu sont préférablement réalisées dans un four à atmosphère neutre de sorte à éviter l’oxydation des pièces.

[0023] La microstructure de l’alliage Ti-10-2-3 après des transformations thermomécaniques pendant une étape de mise en forme (forgeage ou laminage, par exemple) est hétérogène. L’étape de mise en solution permet d’homogénéiser la microstructure de l’alliage qui a été marquée par les transformations thermomécaniques qui ont précédé. La température de mise en solution permet de mettre en solution un maximum de phase α sans pour autant supprimer cette phase qui reste nécessaire pour éviter une augmentation excessive de la taille du grain. De préférence, la température et la durée de l’étape de mise en solution sont déterminées pour obtenir à l’issue du premier palier une quantité de phase α comprise entre 2 et 5%. Une teneur minimale de 2% permet d’éviter que les grains de phase β ne grossissent de manière incontrôlée, ce qui aurait pour conséquence de réduire considérablement les caractéristiques mécaniques de l’alliage notamment les propriétés mécaniques en traction. Et une teneur de phase α inférieure à 5% est préférable pour permettre une bonne homogénéisation de la microstructure de l’alliage, et notamment pour rompre les liserés de phase α qui se sont formés suite aux traitements thermomécaniques.

[0024] L’étape de refroidissement est réalisée jusqu’à la température ambiante à une vitesse comprise de préférence entre 5 °C et 150 °C par minute. Il s’agit par exemple d’un refroidissement à l’air réalisé après avoir sorti la pièce du four de traitement de mise en solution. Il est préférable que la vitesse de refroidissement soit inférieure à 150 °C par minute pour éviter un durcissement trop hétérogène entre la surface et le cœur de la pièce et éviter les risques de tapures (fissures superficielles) lors du refroidissement. Une vitesse d’au moins 5 °C par minute est préférable pour anticiper une réponse homogène au traitement de revenu postérieur pendant lequel intervient la précipitation durcissante.

[0025] La fabrication de la pièce d’habillage n’est pas limitée à l’alliage Ti-10-2-3, mais peut également comprendre d’autres alliages de type quasi-β, tel que Ti-13V-11Cr-3AI (également Ti-13-11-3), Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (également Ti-15-3), et Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (également Ti-5-5-5-3). Les alliages de titane de type quasi-β contiennent une petite quantité de stabilisateurs β, tels que le Mo, V, Fe, Cr, Nb, etc., qui permettent la rétention d’une certaine quantité de la phase β dans l’alliage. Les alliages de titane de type quasi-β sont définis dans la référence: P. Bania: Beta Titanium Alloys and Their Role in the Titanium Industry, in: Beta Titanium Alloys in the 1990 ́s, D. Eylon et al. (eds.), TMS, Warrendale, PA, USA (1993) 6.

[0026] Dans ce cas, les températures auxquelles sont réalisées les étapes de mise en solution et de revenu pendant le traitement de durcissement peuvent être différentes par rapport à celles utilisées dans le cas de l’alliage Ti-10-2-3. Par exemple, dans le cas de l’alliage Ti-5-5-5-3, l’étape de mise en solution est avantageusement réalisée à une température comprise entre 790 °C+/–5 °C, c’est-à-dire à une température environ 50 °C au-dessous de la température de transition β (qui est d’environ 840 °C pour cet alliage). L’étape de revenu étant réalisée préférablement à une température de 600 °C ± 5 °C.

[0027] Une pièce d’habillage d’une montre fabriquée dans l’alliage de titane Ti-10-2-3, ou d’un autre alliage de titane de type quasi-β, et soumis au traitement de durcissement tel que décrit ci-dessus, permet de produire des boîtes de montre moins sensibles aux rayures que des boîtes conventionnelles fabriquées, par exemple, en titane grade 5.

Claims (9)

1. Pièce extérieure d’habillage pour montre, formée au moins en partie dans un alliage de titane, caractérisée en ce que l’alliage de titane est de type quasi-β et présente une dureté Vickers supérieure à 450 HV.

2. Pièce d’habillage selon la revendication 1, dans laquelle l’alliage de type quasi-β est un alliage Ti-10V-2Fe-3Al.

3. Pièce d’habillage selon la revendication 2, dans laquelle l’alliage Ti-10V-2Fe-3AI comprend entre 9.0% et 11.0% en poids de V, entre 1.6% et 2.2% en poids de Fe, et entre 2.6% et 3.4% en poids d’AI.

4. Pièce d’habillage selon l’une des revendications 2 et 3, dans laquelle l’alliage présente une dureté Vickers d’environ 490 HV.

5. Montre comportant une pièce d’habillage selon l’une des revendications 1 à 4.

6. Procédé de fabrication d’un alliage de titane formant au moins en partie la pièce extérieure d’habillage selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit alliage de titane est soumis à; – un traitement de durcissement comprenant la mise en solution de l’alliage de titane à une température de 30 °C à 60 °C au-dessous de la température de transition β; – une trempe; et – un traitement de revenu à une température comprise entre 450 °C et 590 °C, pendant une période comprise entre 4 et 10 heures.

7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel ledit alliage de titane de type quasi-β est un alliage Ti-10V-2Fe-3Al.

8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l’étape de mise en solution est réalisée à une température de 760 °C +/–5 °C pendant un période d’au moins 30 min.

9. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l’étape de revenu est réalisée à une température de 500 °C +/–5 °C, pendant une période d’environ 8 heures.