Brevet FR3124750A1 — publié le 20230106

L’invention concerne un procédé de découpe d’un échantillon en alliage métallique amorphe, comprenant au moins deux étapes d’électroérosion par fil produisant des décharges électriques sur un échantillon pour enlever de la matière de l’échantillon de façon à obtenir un échantillon découpé selon une trajectoire de référence et maintenu à l’état amorphe, dans lequel l’alliage métallique amorphe (AMA) possède un diamètre critique Dc inférieur à 8 millimètres et/ou une différence ΔTx entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg inférieure à 80°C, et/ou un quotient ΔTx/(TI-Tg) de la différence ΔTx entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg et de la différence entre la température de liquidus TI et la température de transition vitreuse Tg inférieur à 0,16. Le procédé comprend au moins une étape d’électroérosion d’ébauche et au moins une étape d’électroérosion de finition. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un composant en AMA et un tel composant. Figure de l’abrégé : Figure 5 Procédé d’électroérosion d’un échantillon en alliage métallique amorphe La présente invention se rapporte au domaine des méthodes d’usinage de microcomposants métalliques, en particulier de pièces en alliage métallique amorphe (AMA). En effet, les alliages amorphes présentent des caractéristiques mécaniques particulièrement intéressantes pour les domaines techniques impliquant des pièces de très petite taille. Il est connu d’obtenir des préformes de métal amorphe par injection dans des moules de forme spécifique. En refroidissant suffisamment vite le métal injecté, la cristallisation de l’alliage peut être évitée et une structure de type amorphe peut être obtenue. Ce type de structure d’alliage amorphe est également appelé verre métallique. Afin d’obtenir une pièce mécanique prête à être intégrée par exemple dans un mécanisme d’horlogerie, il est parfois nécessaire d’usiner la préforme moulée. Dans le domaine général des alliages, en particulier des alliages cristallins, de nombreuses techniques d’usinage et/ou de mise en forme ont été développées (étampage, micro-fraisage, etc). Cependant, ces techniques ne peuvent pas être transposées aisément aux AMAs qui présentent des compositions chimiques particulières et des propriétés mécaniques généralement beaucoup plus élevées que les alliages cristallins. L’usinage est par conséquent plus complexe à maitriser (obtention des précisions et états de surface souhaités, perpendicularité des flancs, durée de vie des outils, vitesse de production compatible avec les contraintes industrielles, etc). D’autre part, nombre de ces techniques provoque des échauffements thermiques au niveau des zones usinées impliquant alors une recristallisation locale de l’alliage et la perte de la structure amorphe de l’AMA au niveau des zones usinées. Ceci est d’autant plus vrai pour des AMAs de faible stabilité thermique. En effet, parmi les AMAs, certains présentent une plus faible stabilité thermique que les autres. Cette faible stabilité thermique traduit la facilité/rapidité avec laquelle la structure de l’alliage peut être affectée par une variation de température (augmentation de température au-delà de la température de transition vitreuse Tg, refroidissement trop lent, …). Les AMAs de plus faible stabilité thermique présentent donc une capacité à évoluer vers un état cristallin plus rapide au-dessus de la température de transition vitreuse Tg. Les procédés d’électroérosion sont adaptés à la fabrication de composants, notamment de microcomposants en alliages métalliques cristallins. L’électroérosion permet de s’affranchir des caractéristiques mécaniques des matériaux, l’usinage de matériaux durs est en effet possible, et permet d’atteindre des précisons d’usinage de l’ordre de quelques micromètres. Néanmoins, son caractère thermique, les températures élevées mises en jeu et les longs temps d’usinage font a priori de l’électroérosion un mauvais candidat pour l’usinage des alliages métalliques amorphes. Comme indiqué précédemment, ces derniers et plus particulièrement encore ceux à faible stabilité thermique, sont en effet bien plus sensibles à la température que les alliages cristallins. Ainsi, la difficulté est de mener à bien ces opérations d’usinage d’AMAs tout en conservant leur structure amorphe, en garantissant une qualité de l’état de surface de la pièce usinée et en maintenant un temps de cycle élevé adapté à une production industrielle. En effet, une opération d’usinage qui mènerait un échauffement excessif de la matière provoquerait une cristallisation de la zone affectée thermiquement et ferait donc perdre les propriétés avantageuses conférées par la structure amorphe de la matière. Il existe donc un besoin de disposer d’un procédé d’usinage permettant de conserver une microstructure amorphe tout en autorisant une cadence de fabrication de niveau industriel. Une autre exigence est de pouvoir obtenir un état de surface avec une très faible rugosité et/ou une excellente perpendicularité des flancs dans la zone de découpe, afin d’exploiter pleinement les qualités intrinsèques de l’AMA. Résumé A cette fin, l’invention propose un procédé de découpe d’un échantillon 1 en alliage métallique amorphe, comprenant au moins deux étapes d’électroérosion par fil 2 produisant des décharges électriques sur un échantillon 1 pour enlever de la matière de l’échantillon 1 de façon à obtenir un échantillon 1 découpé selon une trajectoire de référence TRef et maintenu à l’état amorphe, dans lequel : l’alliage métallique amorphe possède : - un diamètre critique Dc inférieur à 8 millimètres, de préférence inférieur à 6 millimètres, et encore plus préférentiellement inférieur à 4mm, et/ou - une différence ΔTx entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg inférieure à 80°C, de préférence inférieure à 70°C, et encore plus préférentiellement inférieure à 60°C, et/ou - un quotient ΔTx/(TI-Tg) de la différence ΔTx entre la température de cristallisation Tx et la température de transition vitreuse Tg et de la différence entre la température de liquidus TI et la température de transition vitreuse Tg inférieur à 0,16, de préférence inférieur à 0,14 et encore plus préférentiellement inférieur à 0,12 ; et dans lequel les étapes d’électroérosion successives sont telles qu’elles comprennent : - au moins une étape d’électroérosion, dite « d’ébauche », de l’échantillon 1 le long d’une trajectoire de référence TRef+n pour réaliser une ébauche 5 ou 51 selon une trajectoire TRef+n, n étant le nombre total d’étapes d’électroérosion, dites « d’ébauche », l’énergie de décharge E par étape d’ébauche étant inférieure à 5000 µJ par millimètres d’épaisseur d’échantillon 1 à découper ; et - au moins une étape d’électroérosion, dite « de finition », de l’échantillon 1 le long d’une trajectoire de référence TRef pour enlever de la matière de l’échantillon 1 le long de la trajectoire de référence TRef, l’énergie de décharge E par étape de finition étant inférieur à 200 µJ par millimètres d’épaisseur d’échantillon 1 à découper ; et - la ou les trajectoires de référence TRef+n étant translatée d’une distance donnée gn de la trajectoire de référence TRef+(n-1) qui lui est directement adjacente et qui est la plus proche de la pièce finale 4, dans la direction opposée à celle de la pièce finale 4 découpée; et - les distances données gn entre deux trajectoires de référence directement adjacentes, identiques ou différentes, sont telles que les décharges électriques enlevant de la matière de l’échantillon 1 à découper sur la trajectoire de référence TRef+n, enlèvent également, au moins partiellement, de la matière de l’échantillon 1 à découper sur la trajectoire de référence TRef+(n-1) qui lui est directement adjacente. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d’une pièce 4 en alliage métallique amorphe, comprenant les étapes : - fondre un mélange de métaux pour obtenir un lopin d’alliage, et - injecter le lopin obtenu dans un moule et refroidir l’alliage moulé avec une vitesse de refroidissement supérieure à une vitesse critique de cristallisation de l’alliage, pour obtenir un échantillon 1 d’alliage amorphe, et - découper au moins une surface de l’échantillon 1 selon le procédé de découpe tel que décrit précédemment pour obtenir une pièce 4 en alliage amorphe selon une géométrie prédéterminée, et - optionnellement effectuer une étape de finition sur au moins la surface de l’échantillon 1 usinée, préférentiellement une étape de tribofinition ou un traitement chimique. Il est également proposé un composant en alliage métallique amorphe comportant au moins une surface découpée selon le procédé de découpe précédemment décrit ou fabriquée selon le procédé de fabrication ci-dessus. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres. Selon un mode de réalisation, le procédé de découpe comprend au moins deux étapes d’électroérosion dites « d’ébauche » dont les niveaux d’énergie E successifs sont décroissants, la ou les premières étapes d’ébauche étant réalisées avec des décharges électriques dont l’énergie de décharge E est compris entre 2000 µJ et 5000 µJ par millimètres d’échantillon 1 ; et la ou les dernières étapes d’ébauche étant réalisées avec des décharges électriques dont le niveau d’énergie (E) est compris entre 200 µJ et 2000 µJ par millimètres d’échantillon 1. Selon un mode de réalisation du procédé de découpe, le diamètre du fil 2 est inférieur à 200µm, préférablement inférieur à 100µm et encore plus préférablement inférieur à 75µm. Selon un mode de réalisation du procédé de découpe, l’échantillon 1 est un empilement d’échantillons. Avantageusement, le courant de chaque décharge électrique aux bornes du fil 2 est inférieur à 200 ampères. Préférentiellement, la tension aux bornes du fil 2 est inférieure à 200V. Avantageusement, la durée d’impulsion durant laquelle l’échantillon 1 est soumis à une décharge électrique est inférieure à 1000 µs, préférablement inférieure à 400 µs ou encore préférentiellement inférieure à 100 µs. Le flanc obtenu par électroérosion de l’échantillon 1 découpé présente avantageusement une surface dont la rugosité Ra est inférieure à 800 nm, préférentiellement inférieure à 600 nm, plus préférentiellement inférieure à 400 nm et encore plus préférentiellement inférieure à 300 nm. La découpe par électroérosion d’une première surface P1 de l’échantillon 1 résulte en l’obtention d’une deuxième surface P2 de l’échantillon (1) découpé et, en chaque point d’intersection entre la première surface P1 restante et la surface P2 créée, lesdites surfaces P1 et P2 forment avantageusement entre elles un angle Ad de 90° ± 1,5°, préférentiellement 90° ± 1° et encore plus préférentiellement 90° ± 0,5°. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : représente une analyse par diffraction X d’un alliage métallique amorphe. représente une analyse par diffraction X d’un alliage métallique partiellement amorphe. représente une analyse par diffraction X d’un alliage métallique cristallin. est une vue schématique de dessus illustrant un mode de réalisation de mise en œuvre du procédé de découpe, est une vue schématique, de côté, détaillant un procédé de découpe d’un empilement d’échantillons, est une vue schématique de dessus illustrant le procédé de découpe comprenant des étapes d’électroérosion d’ébauche et une étape d’électroérosion de finition, est une vue schématique de côté illustrant un procédé de découpe pour l’obtention de pièce présentant une excellente perpendicularité de flancs, est un diagramme représentant les résultats des essais de flexion de l’exemple 1. Procédé de découpe d’un échantillon (1) en alliage métallique amorphe, comprenant au moins deux étapes d’électroérosion par fil (2) produisant des décharges électriques sur un échantillon (1) pour enlever de la matière de l’échantillon (1) de façon à obtenir un échantillon (1) découpé selon une trajectoire de référence (TRef) et maintenu à l’état amorphe, dans lequel : l’alliage métallique amorphe possède : - un diamètre critique (Dc) inférieur à 8 millimètres, de préférence inférieur à 6 millimètres, et encore plus préférentiellement inférieur à 4mm, et/ou - une différence (ΔTx) entre la température de cristallisation (Tx) et la température de transition vitreuse (Tg) inférieure à 80°C, de préférence inférieure à 70°C, et encore plus préférentiellement inférieure à 60°C, et/ou - un quotient (ΔTx/(TI-Tg)) de la différence (ΔTx) entre la température de cristallisation (Tx) et la température de transition vitreuse (Tg) et de la différence entre la température de liquidus (TI) et la température de transition vitreuse (Tg) inférieur à 0,16, de préférence inférieur à 0,14 et encore plus préférentiellement inférieur à 0,12 ; et dans lequel les étapes d’électroérosion successives sont telles qu’elles comprennent : - au moins une étape d’électroérosion, dite « d’ébauche », de l’échantillon (1) le long d’une trajectoire de référence (TRef+n) pour réaliser une ébauche (5 ; 51) selon une trajectoire (TRef+n), n étant le nombre total d’étapes d’électroérosion, dites « d’ébauche », l’énergie de décharge (E) par étape d’ébauche étant inférieure à 5000 µJ par millimètres d’épaisseur d’échantillon (1) à découper ; et - au moins une étape d’électroérosion, dite « de finition », de l’échantillon (1) le long d’une trajectoire de référence (TRef) pour enlever de la matière de l’échantillon (1) le long de la trajectoire de référence (TRef), l’énergie de décharge (E) par étape de finition étant inférieure à 200 µJ par millimètres d’épaisseur d’échantillon (1) à découper ; et - la ou les trajectoires de référence (TRef+n) étant translatée d’une distance donnée (gn) de la trajectoire de référence (TRef+(n-1)) qui lui est directement adjacente et qui est la plus proche de la pièce finale (4), dans la direction opposée à celle de la pièce finale (4) découpée; et - les distances données (gn) entre deux trajectoires de référence directement adjacentes, identiques ou différentes, sont telles que les décharges électriques enlevant de la matière de l’échantillon (1) à découper sur la trajectoire de référence (TRef+n), enlèvent également, au moins partiellement, de la matière de l’échantillon (1) à découper sur la trajectoire de référence TRef+(n-1) qui lui est directement adjacente. Procédé selon la revendication 1 tel qu’il comprend au moins deux étapes d’électroérosion dites « d’ébauche » dont les niveaux d’énergie (E) successifs sont décroissants, la ou les premières étapes d’ébauche étant réalisées avec des décharges électriques dont l’énergie de décharge (E) est compris entre 2000 µJ et 5000 µJ par millimètres d’échantillon (1) ; et la ou les dernières étapes d’ébauche étant réalisées avec des décharges électriques dont le niveau d’énergie (E) est compris entre 200 µJ et 2000 µJ par millimètres d’échantillon (1). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du fil (2) est inférieur à 200µm, préférablement inférieur à 100µm et encore plus préférablement inférieur à 75µm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’échantillon (1) est un empilement d’échantillons. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant de chaque décharge électrique est inférieur à 200 ampères. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension est inférieure à 200V. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée d’impulsion durant laquelle l’échantillon (1) est soumis à une décharge électrique est inférieure à 1000 µs, préférablement inférieure à 400 µs ou encore préférentiellement inférieure à 100 µs. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que le flanc obtenu par électroérosion de l’échantillon (1) découpé présente une surface dont la rugosité Ra est inférieure à 800 nm, préférentiellement inférieure à 600 nm, plus préférentiellement inférieure à 400 nm et encore plus préférentiellement inférieure à 300 nm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que la découpe par électroérosion d’une première surface P1 de l’échantillon (1) résulte en l’obtention d’une deuxième surface P2 de l’échantillon (1) découpé et que, en chaque point d’intersection entre la première surface P1 restante et la surface P2 créée, lesdites surfaces P1 et P2 forment entre elles un angle Ad de 90° ± 1,5°, préférentiellement 90° ± 1° et encore plus préférentiellement 90° ± 0,5° entre elles. Procédé de fabrication d’une pièce (4) en alliage métallique amorphe, comprenant les étapes : - fondre un mélange de métaux pour obtenir un lopin d’alliage, et - injecter le lopin obtenu dans un moule et refroidir l’alliage moulé avec une vitesse de refroidissement supérieure à une vitesse critique de cristallisation de l’alliage, pour obtenir un échantillon (1) d’alliage amorphe, et - découper au moins une surface de l’échantillon (1) selon le procédé de découpe de l’une des revendications 1 à 11 pour obtenir une pièce (4) en alliage amorphe selon une géométrie prédéterminée, et - optionnellement effectuer une étape de finition sur au moins la surface de l’échantillon (1) usinée, préférentiellement une étape de tribofinition ou un traitement chimique. Composant en alliage métallique amorphe comportant au moins une surface découpée selon le procédé de découpe de l’une des revendications 1 à 11 ou selon le procédé de fabrication selon la revendication 12.