Éléments de base → Les matériaux → Les métaux

LES ACIERS

Tableau des principales propriétés des aciers

Propriété Valeur typique Remarques
Masse volumique ~7,8 g/cm³ Élevée
Module d’élasticité (E) ~200–210 GPa Très élevé
Résistance à la traction 400 à 2000 MPa Selon traitement
Dureté (HV) 150 à 800 HV Très variable
Dureté (Mohs) ~4–8 Selon état et traitement
Conductivité thermique ~15–50 W/m·K Moyenne
Conductivité électrique ~1–10 MS/m Faible à moyenne
Coefficient de dilatation ~10–17 ×10⁻⁶ /K Variable
Magnétisme Oui (généralement)
Résistance à la corrosion Variable Très bonne pour inox
Usinabilité Bonne à moyenne

Les aciers constituent une famille d’alliages caractérisés par l’apport d’un taux variable de carbone et de fer. D’autres éléments peuvent compléter l’alliage pour donner à l’acier une palette de caractéristiques mécaniques et physiques très étendue.Le taux de carbone conditionne la dureté de l’alliage. On parle d’aciers doux ou extra-doux pour de faibles teneurs en carbone (- 0,20 – 0,40%) et d’aciers durs ou extra-durs pour de hautes teneurs en carbone (- 0,40 – 0,70%).  Bien que l’acier soit un alliage, on parle d’acier non allié lorsque celui-ci ne contient que du fer et du carbone.
Un grand nombre d’éléments peuvent s’ajouter au fer et au carbone. Le chrome, le nickel, le tungstène, le titane, l’aluminium, le vanadium, le phosphore ou le silicium en constituent les principaux. Certains, selon leur teneur, amélioreront la résistance à la corrosion, d’autres favoriseront l’usinabilité ou la trempabilité etc.  En horlogerie, ils occupent une place centrale en raison de leur excellent compromis entre résistance mécanique, élasticité, usinabilité et stabilité dimensionnelle.

Histoire

On peut considérer qu’il existe trois produits ferreux : le fer, la fonte et l’acier. Historiquement, l’âge de fer débute (selon les cultures) vers l’an -1200. Les chinois réalisent les premières coulées de fonte vers l’an -500. Ils réalisent du même coup les premiers aciers, le fer étant recarburé au contact du charbon de bois. A l’Antiquité, on ajoute les gaz de combustion au charbon de bois pour recarburer le fer et en améliorer la dureté (le tranchant des outils, des armes).

La théorisation des alliages débute au 18ème siècle, mais il faut attendre la moitié du 19ème siècle pour que la science permette de comprendre les alliages et de produire des aciers de qualité. En 1855, Henry Bessemer dépose le brevet d’un procédé de production d’acier à bas coût qui engendrera la révolution industrielle.  Dès le début du 20ème siècle, le convertisseur à air du procédé Bessemer est remplacé par des convertisseurs à gaz (oxygène) liquides beaucoup plus précis et performants et économes.

La science des matériaux n’a cessé d’évoluer depuis. La nature et la composition des alliages, les procédés de production de l’acier progressent continuellement pour produire des matériaux toujours plus adaptés et performants.

Propriétés principales

Les aciers utilisés en horlogerie se distinguent par plusieurs propriétés fondamentales :

  • Module d’élasticité élevé (~210 GPa) : assure une bonne rigidité
  • Résistance mécanique élevée : adaptée aux composants soumis à des contraintes (axes, ressorts)
  • Bonne aptitude au traitement thermique : trempe, revenu, nitruration
  • Usinabilité variable selon les alliages
  • Sensibilité à la corrosion (sauf aciers inoxydables)
  • Propriétés magnétiques (sauf aciers amagnétiques spécifiques)

    1. Aciers au carbone

    Ce sont les aciers traditionnels utilisés pour :

    Caractéristiques :

    • Très bonne dureté après trempe
    • Excellente finition possible (polissage miroir)
    • Sensibles à la corrosion

    2. Aciers inoxydables

    Les aciers inoxydables contiennent au moins 10,5 % de chrome, formant une couche protectrice contre la corrosion.

    Utilisation :

    Exemples :

    • 316L (standard horloger)
    • 904L (meilleure résistance à la corrosion, plus coûteux)

    3. Aciers pour ressorts

    Utilisés pour les spiraux (historiquement) et ressorts divers.

    Exemples :

    • Aciers au carbone améliorés
    • Alliages type Elinvar (faible coefficient thermique)

    4. Aciers alliés spéciaux

    Aciers enrichis en éléments d’alliage pour améliorer certaines propriétés :

    • Chrome, molybdène → résistance à l’usure
    • Nickel → ténacité
    • Silicium → élasticité

    Utilisés pour :

    • Rouages
    • Pignons
    • Composants soumis à fatigue

    5. Aciers amagnétiques

    Le magnétisme étant un facteur perturbateur majeur, certains aciers sont formulés pour être faiblement magnétiques.

    Cependant, ils sont souvent remplacés aujourd’hui par :

    Les aciers sont utilisés pour de nombreux composants :

    • Axes et pivots → résistance + précision
    • Vis → résistance mécanique
    • Ressorts → élasticité
    • Outils horlogers → dureté
    • Boites → résistance à la corrosion (inox)

    Les propriétés des aciers sont fortement dépendantes des traitements appliqués :

    • Trempe → augmentation de la dureté
    • Revenu → amélioration de la résilience
    • Nitruration → dureté superficielle élevée
    • Polissage → réduction des frottements

    Avantages

    • Excellente résistance mécanique
    • Grande rigidité (module élevé)
    • Très bonne résistance à l’usure après traitement
    • Bonne aptitude aux traitements thermiques
    • Usinabilité maîtrisée
    • Polyvalence (large gamme d’alliages)
    • Coût maîtrisé
    • Possibilité de finitions de très haute qualité (polissage miroir)

    Limites

    • Sensibilité au magnétisme
    • Risque de corrosion (hors inox)
    • Masse relativement élevée
    • Frottements supérieurs à certains matériaux modernes