LES ACIERS
Alliage de base et éléments d’ajout
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.
Familles d’aciers
En variant la teneur en carbone d’un acier ainsi que les éventuels éléments ajoutés et leur teneur, on obtient une gamme extraordinaire d’alliages aux spécificités aussi variées que multiples. On classifie donc les aciers en quatre grandes familles : Les aciers au carbone (aciers non alliés), les aciers faiblement alliés, les aciers fortement alliés (inoxydables) et les aciers rapides (outillage).
Les aciers non alliés sont essentiellement utilisés dans la construction et ne trouvent, de nos jours, aucune application horlogère.
Les aciers faiblement alliés sont présents dans de nombreux composants du mouvement. On peut ici, et selon la nature de l’alliage, favoriser la trempabilité, la dureté, l’élasticité etc. en travaillant la composition et les teneurs de l’alliage.
Les horlogers utilisent les aciers pour les composants ayant de grandes contraintes mécaniques (bascules, axes, ressorts, pignons, visserie, etc.) telles que, fonctions mécaniques, élasticité, frottements.
En horlogerie, les aciers fortement alliés se retrouvent essentiellement dans l’habillage de la montre (boîte, bracelet, etc.). Pour être classifié dans cette catégorie, un acier doit comporter un élément d’ajout à une teneur supérieure à 5%. C’est le chrome et le nickel qui sont le plus souvent présents à de tels taux. Ces deux éléments permettent d’obtenir des aciers inoxydables. Pour l’habillage (boites, bracelets), les horlogers apprécient particulièrement l’acier inoxydable désigné 316L. Cet acier comporte une faible teneur en carbone (0,03%) pour 16-19% de chrome et 10-13% de nickel on y trouve encore six éléments (Si, Mn, P, S, Mo et N) qui lui confèrent, notamment, sa remarquable résistance à la corrosion.
Deux autres aciers fortement alliés sont d’une importance primordiale pour les horlogers : l’Invar et l’Elinvar. Il s’agit de deux alliages, brevetés en 1920 par Charles-Edouard Guillaume, avec une teneur en nickel de 36% pour 0.4% de carbone. Ces alliages, comme leurs noms le suggèrent, ont été mis au point pour obtenir le plus faible coefficient de dilatation thermique possible (invar-invariable) et aussi élastique que possible (Elinvar – élastique et invariable). Des propriétés idéales et requises dans la fabrication des spiraux afin d’obtenir une chronométrie idéale.
Traitements thermiques
La structure cristalline des aciers évolue lorsque la température augmente et diminue. L’ampleur de ces modifications dépend de la teneur en carbone. On peut ainsi modifier la structure cristalline de certains aciers par traitements thermiques (trempe, revenu, recuit) ou par méthode thermodynamique (laminage, forgeage) afin de durcir, ou détendre la matière.
Diversité des spécificités et des applications
Ainsi en adaptant, la teneur en carbone, le choix et la teneur d’éléments d’ajout et les éventuels traitements thermiques ou thermodynamiques, on obtient la famille d’alliages la plus vaste aux spectres de spécificités et d’applications les plus nombreux.
Les aciers sont généralement magnétiques et conducteurs électriques. En plus de l’usinage et de l’étampage ils sont éligibles à l’électroérosion ainsi qu’à de nombreux traitements de surfaces.
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.
D’une manière générale, les aciers sont présents dans tous les domaines d’application. En ce qui concerne l’horlogerie nous pouvons distinguer deux grands domaines d’application : Le mouvement et l’habillage (boites, bracelets).
Le Mouvement
Dans le mouvement, les aciers sont appréciés pour leur dureté, leur élasticité ou encore leur tribologie. Ils sont très présents dans toutes les fonctions mécaniques (mécanisme de remontoir, de mise à l’heure, complications, etc.). Ce sont souvent des bascules, des ressorts ou des éléments de visserie. Les axes, les pignons, certains renvois ou la planche de la roue d’échappement ou d’une ancre sont généralement en acier. Traditionnellement, les spiraux sont réalisés en Elinvar, un alliage apprécié pour son élasticité et son très faible coefficient de dilatation thermique, en horlogerie comme en métrologie.
L’habillage
L’habillage fait quant à lui appel à des aciers inoxydables. On recherche alors, la résistance à la corrosion, la bio-compatibilité et la qualité des finitions possibles (polissage, satinage, microbillage, etc.).
Méthodes de fabrication
Les aciers sont éligibles à la majeure partie des méthodes de fabrication : Usinage, étampage, électroérosion, laser)