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TWI707985B - 單件式組件、具有此單件式組件的時計及製造單件式組件的方法 - Google Patents

單件式組件、具有此單件式組件的時計及製造單件式組件的方法 Download PDF

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TWI707985B
TWI707985B TW104130825A TW104130825A TWI707985B TW I707985 B TWI707985 B TW I707985B TW 104130825 A TW104130825 A TW 104130825A TW 104130825 A TW104130825 A TW 104130825A TW I707985 B TWI707985 B TW I707985B
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菲利浦 杜包斯
克里斯汀 夏邦
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瑞士商尼瓦克斯 法爾公司
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Abstract

本發明關於單件式金屬組件，其包括電鑄金屬本體，本體的外表面僅在預定深度或之上包括少於電鑄金屬本體之其餘者的捕陷氫，導致相對於本體之其餘者的硬化以便改善單件式組件的抗磨耗性，同時保留小於10的相對磁導率和被驅動或壓配的能力。

Description

單件式組件、具有此單件式組件的時計及製造單件式組件的方法
本發明關於單件式電鑄金屬組件，尤其是具有改善之抗磨耗性的此種組件。
已知在LIGA過程(亦即組合了舉例而言藉由光微影術來形成模具以及在電鑄的幫助下來填充該模具之過程)的幫助下，來形成單件式金屬組件。
然而，這些電鑄組件一般而言太軟，並且具有令人不滿意的抗磨耗性。
本發明的目的是要提出單件式電鑄組件，其抗磨耗性有所改善，同時保留小於10的相對磁導率和被驅動或壓配的能力，並且提出包括表面硬化步驟的製造方法，其可以容易控制硬化的深度，而克服前述所有或部分的缺點。
為此，本發明關於單件式組件，其包括電鑄 金屬本體而包括捕陷氫，其特徵在於本體的外表面僅到預定深度上包括捕陷氫的耗竭區，導致相對於本體之其餘者的硬化以便改善單件式組件的抗磨耗性，同時保留小於10的相對磁導率和被驅動或壓配的可能性。
因此，令人訝異而言，電鑄金屬本體的這表面硬化根據本發明有利而言則有可能改善單件式組件的抗磨耗性，同時保留小於10的相對磁導率而又維持被驅動或壓配的能力。
依據本發明之其他有利的變化例：預定深度代表在單件式組件之總厚度的0.1%和10%之間；金屬電鑄成非晶質形式，並且外表面包括電鑄金屬的至少部分結晶相或者大於本體的其餘者之電鑄金屬的晶粒尺寸；電鑄金屬包括鎳、金或鉑，例如鎳磷、鎳鎢或鎳鈷磷合金。
此外，本發明關於時計，其特徵在於它包括根據前面任何變化例的組件，該組件形成部分的時計外部或部分的時計移動件。
最後，本發明關於製造單件式組件的方法，其包括以下步驟：(a)在導電基板上形成模具；(b)藉由電鑄而填充模具以形成至少一單件式金屬組件； (c)從該基板和從該模具釋放該至少單件式金屬組件；其特徵在於方法進一步包括：(d)在電鑄期間實行該至少一單件式金屬組件中之捕陷氫的脫附，如此以藉由導致相對於本體之其餘者的硬化而僅在本體之外表面的預定深度上產生另一形式的電鑄金屬。
令人訝異而言，在獲得的單件式金屬組件中控制氫脫附則有可能在容易控制的深度上硬化獲得之單件式金屬組件的外表面。因此要了解乃容易達成和控制從組件之外表面朝向中心的硬化前緣。
這令人訝異的可能性與熱處理總是均質的技術偏見恰相反，後者亦即硬化在組件的外表面和核心之間是有效的，特別是對於厚度很少超過200微米的時計零件而言。
依據本發明之其他有利的變化例：預定深度代表在單件式組件之總厚度的0.1%和10%之間；金屬在步驟(b)電鑄成非晶質形式，並且外表面包括電鑄金屬的至少部分結晶相或大於步驟(b)所電鑄之金屬的晶粒尺寸；步驟(b)所電鑄的金屬包括鎳、金或鉑，例如鎳磷、鎳鎢或鎳鈷磷合金；步驟(d)是在具有低氫分壓而在大氣壓力下形成為 95%的氮氣和5%的氫氣的控制氣氛中進行；步驟(d)是在真空中進行；步驟(d)是在250℃和450℃之間所包括的溫度下持續15到240分鐘。
1‧‧‧模具
2‧‧‧中央部分
3‧‧‧導電基板
4‧‧‧周邊部分
5:負圖案
6:貫穿孔
7:單件式金屬組件
8:鋸齒
16:貫穿孔
17:複合組件
18:鋸齒
19:外表面
20:(電鑄金屬)本體
24:下鋸齒
26:貫穿孔
27:同軸單件式輪子
28:上鋸齒
34:條帶
36:眼孔
37:主彈簧
38:制動件
41:背蓋
42:按鈕
43:框座
44:齒冠
45:中殼
46:鏈節
47:錶帶
E1:預定深度
ET:總厚度
H:氫
從參考所附圖式而以非限制性示例所給出的以下敘述，其他特色和優點將清楚出現，其中：圖1到4是根據本發明之方法步驟的圖解；圖5的圖形打算解釋根據本發明方法的脫附步驟之因素變化的結果；圖6是本發明應用於時計外部零件的圖解；圖7和8是本發明應用於時計移動件的圖解。
如上所解釋，雖然電鑄組件就其尺寸而言是很令人滿意的，尤其是當它們經由LIGA過程而獲得時，但是它們一般而言太軟，順帶而言具有令人不滿意的抗磨耗性。
在以下進一步解釋的最近發展之後，發現到：令人訝異而言，有可能在或到容易控制的深度上來硬化電鑄組件的外表面。
這令人訝異的可能性與熱處理總是均質的技 術偏見恰相反，後者亦即硬化在組件的外表面和核心之間是有效的，特別是對於厚度很少超過200微米的時計零件而言。
由電鑄本體所形成的單件式組件根據本發明有利而言包括外表面，其僅在預定深度或之上包括電鑄金屬本體中之捕陷氫的耗竭區，導致相對於本體之其餘者的硬化。
的確，視所使用的材料而定，有可能電鑄出對磁場不敏感的金屬組件。然而，將起初以均質方式所電鑄之金屬加以表面上轉變的硬化具有不同的形式，其可以對磁場敏感，但也可以使其塑性範圍過度受限而不允許驅動或壓配。
因而，在令人訝異的電鑄金屬本體之表面硬化的幫助下，因此有可能根據本發明有利而言來改善單件式組件的抗磨耗性，同時保留小於10的相對磁導率和被驅動或壓配的能力。
根據本發明的製造方法包括第一步驟(a)，其打算在導電基板3上形成模具1，如圖1所示。基板2可以本質上是導電的，例如鋼或摻雜的矽；或者是披覆了導電層，例如披覆了玻璃、陶瓷或金和/或鉻的矽。
於圖1所示範的範例，模具1是由樹脂所形成，其藉由光微影術來形成中央部分2和周邊部分4而獲得，此二部分之間的空隙將用來精確形成未來單件式組件的負圖案5。當然，此種模具的優點在於它不限於單一圖 案5。因此，幾個圖案5可以有利而言做在相同的基板上，並且該等幾個圖案可以相同或可以不相同。
方法繼續於第二步驟(b)，其打算藉由電鑄而填充模具1以便形成至少一單件式金屬組件。電鑄將藉由把形成負圖案5底部之基板3的導電表面加以連接而進行。較佳而言，步驟(b)所電鑄的金屬包括鎳、金或鉑。
更佳而言，鎳磷、鎳鎢或鎳鈷磷合金顯得對於形成時計組件(例如時計的外部零件或部分的時計移動件)是特別有利的。於圖1所示範的範例，負圖案5是呈輪子的形狀。
方法包括第三步驟(c)，其打算從從基板3和從模具1釋放該至少一單件式金屬組件7，如圖2所示範。於此圖，看到單件式金屬組件7因此包括貫穿孔6和鋸齒8，藉此形成輪子。步驟(c)取決於所用的基板3之類型和所用的模具1之類型。一般而言使用選擇性化學蝕刻以便讓該至少一獲得的單件式金屬組件7完好如初。
根據本發明有利而言，方法進一步包括最後步驟(d)，其打算在步驟(b)的電鑄期間實行該至少一單件式金屬組件中之捕陷氫的脫附。的確，在最近的發展之後，發現氫在電鑄步驟期間被捕陷。
因此，令人訝異而言，控制在該至少一獲得之單件式金屬組件7中的氫脫附則有可能在容易控制的深度上來硬化該至少一獲得之單件式金屬組件7的外表面。因此要了解乃容易達成和控制從組件的外表面朝向中心的 硬化前緣。
如圖4所示，因此清楚的是獲得衍生自組件7的複合組件17。因此，外表面19僅在預定深度E1上包括另一形式的電鑄金屬，導致相對於步驟(b)所原本電鑄的本體20之其餘者的硬化。組件17有利而言保持其原本形狀，亦即鋸齒18和貫穿孔16。
因此，測試示範了包括在單件式組件17之總厚度ET的0.1%和10%之間的預定深度E1，亦即2‧E1=0.1%~10%‧ET，令人訝異而言產生了抗磨耗性增加了30%的組件，同時保留小於10的相對磁導率μR和被驅動或壓配的能力。
視所選擇的材料而定，外表面可以由相對於本體之其餘者而增加晶粒尺寸或者由相對於本體之其餘者而增加相改變(舉例而言例如從非晶相改變到至少部分結晶相)所構成。
根據本發明，步驟(d)可以在具有低氫分壓的控制氣氛或真空中進行，如此則捕陷的氫從組件7逃脫。以非限制性範例來說，一種可能的控制氣氛或可由在大氣壓力下之95%的氮氣和5%的氫氣所形成的流體而構成。最後，視所用的材料而定，步驟(d)可以在250℃和450℃之間所包括的溫度下持續15到240分鐘。
根據本發明有利而言，容易控制從組件的外表面朝向中心的硬化前緣。的確，圖7示範本發明範例性應用於同軸單件式輪子27，其由鎳磷所做成並且包括下 鋸齒24、上鋸齒28和貫穿孔26。
如圖5所見，已經修改步驟(d)的參數以做出顯示其對單件式組件27之影響的圖。橫座標顯示步驟(d)在300℃、大氣壓力下之95%的氮氣和5%的氫氣所形成之控制氣氛下進行的持續小時(H)。縱座標左邊顯示維氏硬度(HV)而右邊顯示相對磁導率(μR)。
標以三角形(Δ)的線代表負載10公克的維氏硬度(HV 0.01)，標以圓形(○)的線代表負載500公克的維氏硬度(HV 0.5)，而標以方形(□)的線代表負載10公克和負載500公克的測試之間的硬度差異。標以叉叉(╳)的線代表相對磁導率μR的演變。
觀察標以三角形(Δ)的曲線，看到組件27的外部硬度在300℃的第一小時脫附期間快速增加，然後傾向逐漸靠近1,000 HV。相較而言，標以圓形(○)的曲線(其代表深度3微米左右的硬度)實際上是穩定的，直到在300℃下脫附一小時為止。因此明顯的是如標以方形(□)的曲線所見，達成了極為漸進的轉變前緣。從標以方形(□)的曲線也看到在加熱了75分鐘時達到極值(其代表靠近300 HV的差異)。
如上所解釋，本發明的目的是要增加抗磨耗性，同時保留小於10的相對磁導率μR而又維持驅動或壓配組件的能力。虛線所侷限的表面顯示於圖5以代表觀察到這些條件的範圍。可以看到步驟(d)在300℃的持續範圍對於單件式鎳磷組件27而言所提供的有利妥協乃從15分 鐘延伸到90分鐘。顯然而言，視應用和所使用的材料而定，然而範圍可以從15分鐘延伸到240分鐘。
鑑於該等測試，步驟(d)在300℃下的1小時持續時間對於單件式鎳磷組件27而言似乎最理想，因為外表面的硬度大約850 HV，其由樹枝相轉變前緣所形成而隨著氫逃脫乃逐漸朝向組件內部傳播，同時深度大約3微米的硬度維持在600 HV左右而不改變，其由非晶相所形成。此外，相對磁導率維持限於1.5，這使單件式組件對於磁場不敏感。最後，在測試之後，變得明顯的是單件式組件27或可使用通常的方法而仍驅動或壓配到心軸上以形成時計輪組。
根據本發明的步驟(d)乃異於一般而言在200℃左右進行以便放鬆內部應力的一般金屬熱處理。舉例來說，在鎳磷的情形，上述現象僅發生在大致高於250℃的溫度。
當然，本發明不限於示範的範例，而是能夠有熟於此技術者所將想到的多樣變化和修改。尤其，相同的測試必須根據應用、溫度、所用的材料、步驟(d)的持續時間來進行，以便決定所要製造之組件的最佳化參數。
於圖8所示範的範例，例如主彈簧37的時計彈簧不須像輪組一樣被驅動或壓配，而是單純由其眼孔36接合到筒狀心軸(未顯示)的核心鉤件。如此，則它當然可以接受較久的步驟(d)，亦即舉例而言包括在90和240分鐘之間，以便提供時計有較長的動力保存。此外，由於 主彈簧37是電鑄的，故條帶34可以具有可變的截面，其打算在讓主彈簧37的釋放期間提供大致恆定的彈性力矩以及/或者以單件方式包括制動件38和條帶34。
類似而言和如圖6所示範，本發明的應用不限於部分的時計移動件，而也可以有利而言應用於時計的外部零件。的確，雖然時計的背蓋41和框座43一般而言被驅動或壓配，但這不是中殼45、錶帶47、按鈕42或齒冠44的情形。
因此，以非限制的方式，中殼45或錶帶47的鏈節46當然可以接受較久的步驟(d)，亦即舉例而言包括在90和240分鐘之間，以便提供改善的抗磨耗性，如此則時計在佩戴期間較不會產生痕跡。
也能夠調適本方法而不偏離本發明的範圍。因此，有可能設計成在步驟(d)之前先在孔6中沉積犧牲體積，而有可能限制硬化前緣在孔16、26之壁中的前進，藉此使後續驅動或壓配單件式組件17、27更加容易。
16:貫穿孔
17:複合組件
18:鋸齒
19:外表面
20:(電鑄金屬)本體
E1:預定深度
ET:總厚度

Claims (17)

  1. 一種單件式組件，其包括電鑄金屬本體(20)而包括捕陷氫，其特徵在於該本體(20)的外表面(19)僅在預定深度(E1)上包括捕陷氫的耗竭區，導致相對於該本體(20)之其餘者的硬化以改善該單件式組件的抗磨耗性，同時保留小於10的相對磁導率(μR)和被驅動的能力。
  2. 根據申請專利範圍第1項的單件式組件，其中該預定深度(E1)代表在該單件式組件之總厚度(ET)的0.1%和10%之間。
  3. 根據申請專利範圍第1項的單件式組件，其中該金屬電鑄成非晶質形式，並且該外表面(19)具有該電鑄金屬的至少部分結晶相。
  4. 根據申請專利範圍第1項的單件式組件，其中該外表面(19)具有大於該本體(20)的該其餘者之該電鑄金屬的晶粒尺寸。
  5. 根據申請專利範圍第1項的單件式組件，其中該電鑄金屬是鎳磷、鎳鎢或鎳鈷磷合金。
  6. 一種時計，其特徵在於該時計包括根據申請專利範圍第1到5項中任一項的單件式組件。
  7. 根據申請專利範圍第6項的時計，其中該單件式組件形成該時計的部分外部。
  8. 根據申請專利範圍第6項的時計，其中該單件式組件形成該時計的部分移動件。
  9. 一種製造單件式組件的方法，其包括以下步驟： (a)在導電基板(3)上形成模具(1)；(b)藉由電鑄而填充該模具(1)以形成至少一單件式金屬組件(6)；(c)從該導電基板和從該模具釋放該至少一單件式金屬組件；該方法的特徵在於進一步包括以下步驟：(d)在電鑄期間實行該至少一單件式金屬組件中之該捕陷氫的脫附，如此以僅在該本體(20)之該外表面(19)的預定深度(E1)上形成相對於該本體(20)之該其餘者的硬化。
  10. 根據申請專利範圍第9項的方法，其中該預定深度(E1)代表在該至少一單件式組件之該總厚度(ET)的0.1%和10%之間。
  11. 根據申請專利範圍第9或10項的方法，其中該金屬在步驟(b)電鑄成非晶質形式，並且該外表面包括該電鑄金屬的至少部分結晶相。
  12. 根據申請專利範圍第9或10項的方法，其中該外表面包括大於步驟(b)所電鑄之該金屬的晶粒尺寸。
  13. 根據申請專利範圍第9或10項的方法，其中步驟(b)所電鑄的該金屬是鎳磷、鎳鎢或鎳鈷磷合金。
  14. 根據申請專利範圍第9或10項的方法，其中步驟(d)是在具有低氫分壓的控制氣氛中進行。
  15. 根據申請專利範圍第14項的方法，其中該控制氣氛是由在大氣壓力下之95%的氮氣和5%的氫氣所形 成。
  16. 根據申請專利範圍第9或10項的方法，其中步驟(d)是在真空中進行。
  17. 根據申請專利範圍第9或10項的方法，其中步驟(d)是在250℃和450℃之間所包括的溫度下持續15到240分鐘。
TW104130825A 2014-10-17 2015-09-17 單件式組件、具有此單件式組件的時計及製造單件式組件的方法 TWI707985B (zh)

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