趙均輝,鐘飛,鄔治平,江濤
游絲材料的發(fā)展現狀及趨勢
趙均輝,鐘飛,鄔治平,江濤
(依波精品(深圳)有限公司,廣東 深圳 518106)
游絲作為機芯的核心組件,游絲的材質直接影響游絲的性能,游絲的性能對手表的走時質量起著至關重要的作用。因此,游絲材質的研發(fā)成為各大手表廠家的重點方向。從最初的鋼游絲到Nivarox游絲,再到硅游絲,直到新型復合材質游絲,游絲的材質從合金到非金屬,性能不斷優(yōu)化提升,新型游絲具有更好的防磁、防震、抗溫變化、質輕、氣動彈性及抗腐蝕性能,可不斷提升手表的走時精度,為創(chuàng)新手表結構并賦予手表更多新功能提供更多支撐。
游絲材料;彈簧;溫度;磁場
游絲可謂是腕表的心臟,是一種很細的彈簧,可帶動擺輪來回擺動,所以游絲的性能直接影響手表的走時精準度。游絲通常以鋼作為材質,盤繞在擺輪周圍。游絲有效長度的變化決定了擺輪的慣性力矩與振幅周期。溫度、磁場、沖擊、振動等是影響游絲正常運行的主要因素。
自克里斯蒂安·惠更斯于1675年發(fā)明游絲以來,游絲就隨著制表技術的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。法國物理學家CHARLES分別于1896年發(fā)明了Invar(不膨脹鋼,64% Fe和36% Ni),1919年發(fā)明了Elinvar(鎳鋼合金恒定彈性鋼材,33%~35%鎳,53%~61%鐵,4%~5%鉻,1%~3%鎢,0.5%~2%錳,0.5%~2%硅,0.5%~2%碳)兩種特殊合金,并因此于1920年獲得了諾貝爾獎。Invar為受熱時膨脹極小的鐵合金,可作為擺輪的材料;Elinvar則具有極為穩(wěn)定的彈性系數,成為了取代傳統(tǒng)鐵基游絲的絕佳材料,并且從根本解決了老式鐵基合金游絲所產生的各項問題,但與鋼制游絲相比,Elinvar合金游絲缺乏硬度。1930年,理查朗格在德國注冊了鈹合金游絲專利,采用鈹合金制造的擺輪游絲比采用其他合金更加堅硬和有彈性,不會生銹且防磁,即今天Nivarox擺輪游絲的先驅。這種以鎳、鉻、鐵所制造的特殊合金,除了擁有較好的抗磁性(但并非防磁)外,更具有極佳的抗溫差能力。1985年以硅(Silicium)為基礎材質的游絲成為鐘表工藝的明日之星。2001年,雅典表通過子公司Sigatec率先開辟道路,之后越來越多的品牌開始使用硅游絲,并一直沿用至今,成為游絲的主流材質。隨著制表工藝的不斷進步,創(chuàng)新性材料也在不斷涌現。
現代制造游絲首先要結合高技術工業(yè)精密和手工作業(yè),憑借超精密金屬層壓技術生產出可鍛造的金屬片,再通過連續(xù)的拉伸和加工將金屬絲變成細游還需數天時間。容差通常低于0.1 μm,因為游絲輪廓的細微變化都會對手表整體的性能產生影響。
為了保證鐘表的精確度,游絲必須達到以下要求:①具有穩(wěn)定的彈性特性;②較少的彈性遲滯現象;③較小的溫度系數(熱彈性系數);④良好的防磁性能和抗蝕性能;⑤螺距相等;⑥游絲的重心應盡量與幾何中心一致。
Nivarox游絲于1933年出現,由STRAUMANN博士發(fā)明,由約45%鈷、20%鎳、20%鉻、5%鐵和較小百分比的鈦和鈹組成。Nivarox游絲具有溫度穩(wěn)定性(溫度系數0.5 s/℃,24 h內)、高彈性,優(yōu)于Elinvar合金的防磁性和防銹性能,如圖1所示。在這種材料的基礎上,STRAUMANN博士于1934年在St.Imier鎮(zhèn)創(chuàng)辦了Nivarox SA游絲工廠。
1950年起,Nivarox游絲開始取代以往的Invar、Elinvar合金游絲,作為天文臺機芯或是高級機芯的游絲材質。時至今日,90%以上的瑞士手表都采用Nivarox-FAR出品的Nivarox合金游絲,但依然有等級之分,Nivarox 的型號共分為Nivarox 1~Nivarox 5,而Nivarox 1自然是最優(yōu)等級,用于天文臺等級的表款。
硅游絲作為一種非金屬游絲,硅具有耐磨、輕便、耐用、抗磁性、熱穩(wěn)定性及優(yōu)異的彈性等,要優(yōu)于金屬游絲。21世紀以來,硅已經真正徹底改變了傳統(tǒng)制表業(yè),為制造游絲提供卓越的性能。雅典硅游絲如圖2所示。
硅游絲質地輕盈、完全免疫磁場干擾,并且可以加工成各種精確形狀,具備出色的等時性及熱補償性,非常適合制造擺輪游絲。但硅材質也有其天然的缺陷,比如脆、溫度效應等時效缺陷。
圖1 Nivarox游絲
圖2 雅典硅游絲
為了確保卓越的精度,也為了擺脫受制于斯沃琪集團的零件控制,勞力士在2000年第一次推出Parachrom游絲,可以有效防御所有外來干擾。Parachrom游絲是由鈮鋯合金制成的(含有85%Nb、15%Zr,還有少量的V、Ta、Ti、Hf以及極其微量的O元素),由于鈮鋯合金游絲呈現出藍色(陽極處理氧化層厚度可控,顏色可隨厚度變化,鑒于傳統(tǒng)鐘表行業(yè)對所謂矢車菊藍的迷戀,Rolex選擇做成了藍色),所以也俗稱藍鈮游絲。
Parachrom游絲是鈮鋯合金游絲,Nivarox游絲是鐵鎳合金游絲,Parachrom游絲是不含鐵的。Nivarox游絲雖然具備一定防磁能力,但Nivarox游絲中微量的鐵,讓游絲存在受磁的隱患。Parachrom游絲完全不含鐵,消除了磁場影響。勞力士Parachrom游絲如圖3所示。
Parachrom藍鈮游絲的防磁性、防溫敏感性及抗震能力是常規(guī)游絲的10倍。2005年,勞力士推出了一項新的專利工藝,用于Parachrom游絲的表面處理工藝,從而進一步增強其長期穩(wěn)定性。經過勞力士超級天文臺認證,達到每天 ﹣2 s~+2 s的誤差標準。
SPRON合金是精工SII與東北大學金屬材料實驗室共同開發(fā)的,SPRON是一種高彈性Co-Ni基特種金屬,具有優(yōu)異的材料特性和精密彈簧的精確加工精度。與東北大學材料研究所共同開發(fā)的機械手表彈簧材料SPRON迄今為止提供了高可靠性。SPRON合金游絲如圖4所示。SPRON系列具有高機械強度、高耐用性、高耐熱性和優(yōu)異的耐腐蝕性。非磁性SPRON 510的特性被用于電子設備、醫(yī)療領域,包括小型精密彈簧、金屬隔膜以及醫(yī)療材料等。
圖3 勞力士Parachrom游絲
圖4 SPRON合金游絲
在2014年,勞力士推出了Syloxi硅游絲。Syloxi硅游絲完全改變了游絲的固定方式,Syloxi硅游絲不再使用任何卡子,也不再是一頭固定在游絲內樁、一頭固定在外樁上。Syloxi硅游絲是完全水平、對稱的造型,在游絲兩端有兩個孔,游絲兩端直接固定在擺輪夾板上。這樣就保證了Syloxi硅游絲有最理想的水平、對稱的造型(硅游絲是通過光電蝕刻一體成形制造的,所以可以做出理想的形狀)。Syloxi硅游絲如圖5所示。
Syloxi硅游絲不受磁場干擾,即使面對溫度變化,依然極為穩(wěn)定,其抗震力更比傳統(tǒng)游絲高出10倍。其專利幾何結構使機芯在任何位置都可保持規(guī)律運行是Parachrom藍鈮游絲不具備的。
2019年日內瓦鐘表展期間,泰格豪雅(TAGHeuer)開創(chuàng)全球制表業(yè)歷史的碳復合材質游絲。通過氣體合成的碳復合材料所制造的游絲,這種材質的六邊形結構通過圖案形式呈現于Calibre Heuer02T陀飛輪NANOGRAPHY納米腕表的設計之中,取代了眾所周知的恒彈性合金游絲和硅游絲。碳復合材質游絲如圖6所示。
圖5 Syloxi硅游絲
圖6 碳復合材質游絲
碳復合材質游絲的主要優(yōu)點有:①輕巧、低密度的游絲幾乎不受重力和震動的影響。在泰格豪雅實驗室的測試中,腕表經過5 000 g強度的撞擊及從1 m高度墜落至堅硬表面,金屬游絲彎曲變形,硅質游絲破裂折斷,而碳復合材質游絲完好無損。②碳復合材質的結構有利于促成同心振蕩,提高了腕表的精確度。③碳復合材質游絲在生產時已裝配內樁。通常情況下,金屬游絲中這類固定在擺輪軸上的小部件需要經過后期復雜的組裝,影響了精確性。④碳復合材質游絲完全抗磁,解決了腕表接觸磁場時精確度降低的問題。⑤碳復合材質游絲與鋁合金擺輪的組合,在適應溫度變化和氣動彈性方面的性能優(yōu)異。
Nivachron游絲是由斯沃琪集團和愛彼(Audemars Piguet)共同開發(fā)的全新鈦基合金材料(含有55%Nb,45.0%Ti,還有O、H、C、Fe、Ta、N、Ni、Si、Cu、Al等組分。)
制成的非磁補償合金Nivachron?游絲,具有卓越的順磁性。Nivachron?游絲能將殘余磁場效應的負面影響降低10倍以上。這款100% 由瑞士制造的游絲還可有效抵抗溫度變化,擁有卓越的防震性,且在走時性能上也有顯著改進,同時具有高性能和高耐久度。
Nivachron游絲如圖7所示。
圖7 Nivachron游絲
從鋼游絲的誕生到最新的碳復合材質游絲,游絲材質不斷演進。特別是以斯沃琪集團及勞力士為代表的廠家在游絲材料的創(chuàng)新研發(fā),一批性能更優(yōu)的新型合金及非金屬材質游絲將會不斷涌現,為手表的新結構、新功能增光添彩。
[1]王亞舟.手表游絲與發(fā)條制造工藝[M].北京:輕工業(yè)出版社,1987:46-53.
TH714.521
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.034
2095-6835(2019)24-0082-02
趙均輝(1989—),男,陜西蒲城人,碩士,主要從事金屬材料方向的研究。
〔編輯:張思楠〕