HK1224025B - 一体式电成型金属部件 - Google Patents

Description

一体式电成型金属部件

技术领域

本发明涉及一种一体式电成型的金属部件，特别是耐磨性提高的这种部件。

背景技术

已知借助于LIGA工艺，即组合了例如通过光刻法形成模具和借助于电成型来填充所述模具的工艺，来形成一体式金属部件。

但是，这些电成型部件通常太软，耐磨性不能令人满意。

发明内容

本发明的一个目的是通过提出如下的一体式电成型部件以及一种制造方法来克服上述缺陷的全部或一部分，该一体式电成型部件的耐磨性提高，同时保持小于10的相对导磁率和被紧配合或压配合的能力，该制造方法包括表面硬化步骤，其深度可被容易地控制。

为此，本发明涉及一种一体式部件，其包括包含被捕获的氢的电成型金属本体，其特征在于，所述本体的外表面仅在预定深度上耗散所捕获的氢，导致相对于本体的其余部分的硬化，以提高该一体式部件的耐磨性，同时保持小于10的相对导磁率和被紧配合或压配合的能力。

因此，令人惊讶的是，有利地根据本发明的电成型金属本体的这种表面硬化使得可以提高一体式部件的耐磨性，同时保持小于10的相对导磁率，并且保持被紧配合或压配合的能力。

根据本发明的其它有利变型：

-所述预定深度在该一体式部件的总厚度的0.1％到10％之间；

-金属以非晶态形式电成型，并且外表面包括该电成型金属的至少部分结晶相，或者包括比本体的其余部分的电成型金属更大的粒度；

-电成型金属包括镍、金或者铂，诸如镍磷合金、镍钨合金或者镍钴磷合金。

此外，本发明涉及一种钟表，其特征在于，所述钟表包括根据前述变型中的任一个的部件，所述部件形成钟表的外部的一部分或者钟表机芯的一部分。

最后，本发明涉及一种制造一体式部件的方法，包括以下步骤：

a)在导电基板上形成模具；

b)通过电成型填充该模具，以形成至少一个一体式金属部件；

c)从所述基板和从所述模具释放所述至少一个一体式金属部件；

其特征在于，该方法进一步包括：

d)实现在电成型期间在所述至少一个一体式金属部件中被捕获的氢的脱附，以便仅在本体的外表面的预定深度上通过导致相对于本体的其余部分的硬化来产生另一种形式的电成型金属。

令人惊讶的是，控制所获得的一体式金属部件中的氢脱附使得可以在容易控制的深度上硬化所获得的一体式金属部件的外表面。因此可理解，可以容易地实现和控制从部件的外表面朝向中心的硬化前沿(hardening front)。

这种令人惊讶的可能性克服了热处理总是均匀的这一技术偏见，即，尤其对于厚度很少超过200μm的钟表部件，在部件的外表面和芯部之间的硬化是有效的。

根据本发明的其它有利变型：

-所述预定深度在该一体式部件的总厚度的0.1％到10％之间；

-金属在步骤b)中以非晶态形式被电成型，并且外表面包括电成型金属的至少部分结晶相，或者具有比步骤b)中电成型的金属更大的粒度；

-在步骤b)中电成型的金属包括镍、金或者铂，诸如镍磷合金、镍钨合金或者镍钴磷合金；

-步骤d)在具有低的氢气分压的受控气氛中执行，该受控气氛由处于大气压力的95％的双氮和5％的二氢形成；

-步骤d)在真空中执行；

-步骤d)在250℃和450℃之间的温度下持续15到240分钟。

附图说明

本发明的其它特征和优点将在以下参照附图作为非限制性举例给出的描述中清楚地看到，在附图中：

图1到4是根据本发明的方法的步骤的简图；

图5是旨在解释根据本发明的方法的脱附步骤的因素变化的结果的曲线图；

图6是对于钟表的外部部件应用本发明的简图；

图7和8是对于钟表机芯应用本发明的简图。

具体实施方式

如上文所述，电成型部件就它们的尺寸而言非常令人满意，当它们通过LIGA工艺获得时尤其如此，但是它们通常太软，并且还具有不能令人满意的耐磨性。

根据下文进一步描述的最近的研发情况，已经发现令人惊讶的是，可以在容易控制的深度上或者直到容易控制的深度使电成型部件的外表面硬化。

此令人惊讶的可能性克服了热处理总是均匀的这一技术偏见，即，尤其对于厚度很少超过200μm的钟表部分，在部件的外表面和芯部之间硬化的有效的。

有利地根据本发明，由电成型本体构成的一体式部件包括如下的外表面：该外表面在电成型金属本体中包括仅在预定深度上或者直到预定深度的所捕获氢的耗散，使得相对于本体的其余部分发生硬化。

实际上，根据所使用的材料，可以电成型对于磁场不敏感的金属部件。但是，硬化使得最初以均匀方式被电成型的金属发生表面变换，具有不同的形式，其可能对于磁场敏感，但是也可能使得其塑性范围被过分限制而无法紧配合或压配合。

因此，借助于电成型金属本体的令人惊讶的表面硬化，可以有利地根据本发明提高该一体式部件的耐磨性，同时保持小于10的相对导磁率和被紧配合或压配合的能力。

根据本发明的制造方法包括用于在导电基板3上形成模具1的第一步骤a)，如图1所示。基板3可以本身是导电的，诸如钢或掺杂硅，或者被涂覆导电层，诸如涂覆金和/或铬的硅或者玻璃或者陶瓷。

在图1所示的示例中，模具1是由通过光刻形成中心部2和周边部4而获得的树脂形成的，该中心部2和周边部4之间的空隙将被用于精确地形成将来的一体式部件的底版造型(negative pattern)5。当然，这种模具的优点是它不局限于单个图案5。因此，若干图案5可有利地在同一基板上制成，并且所述若干图案可以相同或者不同。

该方法继续进行到第二步骤b)，即，通过电成型来填充模具1，以便形成至少一个一体式金属部件。通过连接基板3的形成底版造型5的底部的导电表面来执行电成型。优选地，在步骤b)中电成型的金属包括镍、金或铂。

甚至更优选地，发现镍磷合金、镍钨合金或者镍钴磷合金对于形成钟表部件，例如钟表的外部部分或者钟表机芯的一部分，是尤其有利的。在图1所示的示例中，底版造型5为轮的形状。

该方法包括第三步骤c)，用于从基板3和从模具1释放所述至少一个一体式金属部件7，如图2所示。在该图中，可以看到一体式金属部件7因此包括通孔6和齿圈8，由此形成轮。步骤c)取决于所使用的基板3的类型以及所使用的模具1的类型。通常利用选择性化学蚀刻以保留所获得的所述至少一个一体式金属部件7完好。

有利地，根据本发明，该方法进一步包括最后的步骤d)，用于实现在步骤b)的电成型期间在所述至少一个一体式金属部件中所捕获的氢的脱附。实际上，根据最近的研究成果，已经发现在电成型步骤期间氢被捕获。

因此，令人惊讶的是，控制所获得的所述至少一个一体式金属部件7中的氢的脱附使得所获得的所述至少一个一体式金属部件7的外表面可以在容易控制的深度上实现硬化。因此可以理解，可以容易地实现和控制从部件的外表面朝向部件的中心的硬化前沿。

如图4所示，因此清楚的是，获得了来自于部件7的复合部件17。因而，外表面19仅在预定深度E₁上包含另一形式的电成型金属，其实现了相对于步骤b)中最初电成型的本体20的其余部分的硬化。部件17有利地保持其原始形状，即齿圈18和通孔16。

因而，实验表明，在一体式部件17的总厚度E_T的0.1％到10％之间的预定深度E₁，即2·E₁＝0.1％-10％·E_T，令人惊讶地产生了如下部件：即，该部件的耐磨性增加了30％，同时仍保持小于10的相对导磁率μ_R以及被紧配合或压配合的能力。

根据所选择的材料，外表面可包括相对于本体的其余部分的粒度增加，或者相对于本体的其余部分的相位改变，例如从非晶相到至少部分结晶相的改变。

根据本发明，可以在具有低的氢气分压的受控气氛中或者在真空中执行步骤d)，以便被捕获的氢脱离部件7。作为非限制性示例，一种可能的受控气氛可由处于大气压力的95％的双氮和5％的二氢形成的流体组成。最后，根据所使用的材料，步骤d)可在250℃和450℃之间的温度下持续15到240分钟。

有利的是，根据本发明，可以容易地控制从部件的外表面朝向部件的中心的硬化前沿。实际上，图7示出本发明对于同轴的一体式轮27的示例性应用，该轮27由镍磷合金制成并且包括下部齿圈24、上部齿圈28和通孔26。

如图5所示，已经修改了步骤d)的参数以生成表明其对一体式部件27的影响的曲线图。横坐标表示步骤d)的以小时(H)计的持续期间，该步骤d)在由处于大气压力的95％的双氮和5％的二氢形成的受控气氛中在300℃执行。纵坐标在左侧表示维氏硬度(HV)，并且在右侧表示相对导磁率(μ_R)。

用三角(Δ)标记的线表示在10g负载下的维氏硬度(HV 0.01)，用圆圈(○)标记的线表示在500g负载下的维氏硬度(HV 0.5)，用方块(□)标记的线表示在10g负载下的实验与在500g负载下的实验之间的硬度差。用叉号(×)标记的线表示相对导磁率μ_R的演变。

观察用三角(Δ)标记的曲线可以看到，部件27的外部硬度在300℃下的第一小时的脱附期间迅速增加，然后趋向于接近1000HV的渐进线。作为比较，用圆圈(○)标记的曲线(其表示在约3μm的深度处的硬度)基本稳定，直到在300℃进行了一个小时的脱附之后。因此清楚的是，如用方块(□)标记的曲线所示，实现了非常平缓的变换前沿。从用方块(□)标记的曲线还可看到，表示接近300HV的差值的极值在加热75分钟时达到。

如上文所述，本发明的一个目的是增加耐磨性，同时保持小于10的相对导磁率μ_R，并且同时保留使部件紧配合或压配合的能力。图5示出了用虚线界定的表面，以代表在其中观察到这些条件的范围。可以看到，对于一体式镍磷合金部件27提供有利的折中的在300℃的步骤d)的持续期间的范围是从15到90分钟。但是很明显，根据应用和所使用的材料，该范围可以是从15到240分钟。

根据试验，对于一体式镍磷合金部件27在300℃的步骤d)的一小时持续期间看来是最优的，因为外表面的硬度为大约850HV，其是由随着氢逸出而朝部件内部逐渐传播的枝晶相变换前沿形成的，而在约3μm深度处的硬度保持由非晶相形成的约600HV不变。此外，相对导磁率保持限于1.5，这使得一体式部件对于磁场不敏感。最后，在试验之后清楚的是，一体式部件27仍可使用通常的方法紧配合或压配合到心轴上以形成钟表轮副。

根据本发明的步骤d)不同于常规的金属热处理，常规的金属热处理通常在约200℃执行以便释放内应力。作为示例，在镍磷合金的情况中，上文所述的现象仅在显著高于250℃的温度才发生。

当然，本发明并不局限于所示的示例，而是能够具有本领域技术人员可以想到的各种变型和修改。特别地，必须根据应用、温度、使用的材料和步骤d)的持续时间执行相同的试验，以便确定要制造的部件的最优参数。

在图8所示的示例中，诸如为主发条37的钟表发条不需要像轮副那样被紧配合或压配合，而是简单地通过其孔眼36接合到条轴(未示出)的芯部的钩子上。因而，它当然可以承受更长时间的步骤d)，即，例如在90到240分钟之间，以便为钟表提供更长的动力储存。此外，由于主发条37是电成型的，条带34可具有可变的横截面以用于在主发条37的松弛期间提供基本恒定的弹性扭矩，和/或包括与条带34成一体的限位器38(bridle)。

类似地如图6所示，本发明的应用并不局限于钟表机芯的一部分，而是还可有利地应用于钟表的外部部分。实际上，尽管钟表的后盖41和表圈43通常被紧配合或者压配合，但是表壳中间部件45、表带47、按钮42或表冠44并非如此。

因此，以非限制性的方式，表壳中间部件45或者表带47的链节46当然可以承受较长时间的步骤d)，即，例如在90到240分钟之间，以便提供改进的耐磨性，从而钟表在磨损期间形成的印记较少。

该方法还能够在不偏离本发明的范围的情况下进行调整。因此，可以设想在步骤d)之前在孔6中沉积一定的牺牲体积，使得可以在孔16、26的壁中限制硬化前沿的推进，由此使得随后可以更容易地紧配合或压配合一体式部件17、27。

Claims (17)

1.一种一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)，包括电成型的金属本体，该本体包含被捕获的氢，其特征在于，该本体的外表面(19)在仅至预定深度(E₁)上所捕获的氢发生耗散，导致相对于本体的其余部分产生硬化，以提高所述一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)的耐磨性，同时保持小于10的相对导磁率(μ_R)和被紧配合的能力。

2.根据权利要求1所述的一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)，其特征在于，所述预定深度(E₁)为所述一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)的总厚度(E_T)的0.1％到10％。

3.根据权利要求1所述的一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)，其特征在于，金属被以非晶态形式电成型，并且所述外表面(19)包括电成型金属的至少部分结晶相。

4.根据权利要求1所述的一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)，其特征在于，所述外表面(19)具有比本体的其余部分的电成型金属更大的粒度。

5.根据权利要求1所述的一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)，其特征在于，电成型的金属为镍磷合金、镍钨合金或者镍钴磷合金。

6.一种钟表，其特征在于，所述钟表包括根据权利要求1到5中任一项所述的一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)。

7.根据权利要求6所述的钟表，其特征在于，所述一体式部件形成所述钟表的外部部分的一部分。

8.根据权利要求6所述的钟表，其特征在于，所述一体式部件形成所述钟表的机芯的一部分。

9.一种制造一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)的方法，包括以下步骤：

a)在导电基板(3)上形成模具(1)；

b)通过电成型填充该模具(1)，以形成至少一个一体式金属部件；

c)从所述导电基板和从所述模具释放所述至少一个一体式金属部件；

其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

d)实现在电成型期间在所述至少一个一体式金属部件中的被捕获的氢的脱附，以便仅在本体的外表面(19)的预定深度(E₁)上形成相对于本体的其余部分的硬化。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预定深度(E₁)为所述至少一个一体式部件(17,27,37,41,42,43,44,45,47)的总厚度(E_T)的0.1％到10％。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，金属在步骤b)中被以非晶态形式电成型，并且所述外表面包括电成型金属的至少部分结晶相。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述外表面包括比在步骤b)中电成型的金属更大的粒度。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在步骤b)中电成型的金属为镍磷合金、镍钨合金或者镍钴磷合金。

14.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在具有低的氢气分压的受控气氛中执行步骤d)。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述受控气氛由处于大气压力的95％的双氮和5％的二氢形成。

16.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在真空中执行步骤d)。

17.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，步骤d)在250℃至450℃之间的温度下持续15至240分钟。