影響手表游絲性能的因素分析及研究

姜晨

摘要：擺輪游絲系統是機械手表的核心部分，起到計時基準的作用。機械手表屬于震動計時儀器，它的基本工作原理是利用周期恒定的、持續振動的振動系統，振動系統的振動周期乘以被測過程中的振動次數，就得到該過程經理的時間，時間=振動周期×振動次數，而振動系統在機械手表里就是我們常見到的擺輪游絲系統。而游絲又是機械手表中一個重要部件，游絲部件由游絲、內樁、外樁組成，它就好比鐘表的心臟。游絲通過內樁裝在擺輪軸上，外樁固定在擺夾板上。游絲部件與擺輪部件相配合，產生穩定的振蕩周期，決定著手表的走時精度，因此，游絲的選材至關重要。

關鍵詞：手表；游絲；走時精度

1、引言

游絲是機械鐘表得以運作的核心，在游絲被發明之前，機械鐘依靠鐘擺作為振蕩器實現能量分割和走時。正因為此，當機械鐘表不斷發展的今天，游絲依然是衡量各家表廠科技實力的至高門檻，全球能夠自主研發生產游絲的表廠，寥寥無幾。從早期的鐵基合金游絲材料，到后來摻入鎳的INVAR鐵合金游絲，再到今天主流的Nivarox游絲，幾百年來，游絲材料隨著材料科學的發展，不斷演變，鐘表業也在不斷探尋更加完美的游絲材料。怎樣才算完美？由于一件鐘表往往需要不間斷運行數年甚至數十年，游絲的振蕩次數達到一個非常驚人的次數（按照現在主流4HZ的振頻，一年不間斷運行則游絲需伸和縮共約2.52億次），因此僅有極少數金屬合金能用于制作游絲。此外，游絲還必須能夠抵抗日常生活中一些外部環境對其的影響，早期的影響主要來自溫差，之后防磁變得越來越重要。1931年，Straumann博士研發的鎳鉻鋼合金Nivarox游絲問世，由七種元素組成，這種弱磁性金屬合金具有很好的抗氧化抗變形特性，防斷裂、自動補償、無腐蝕，并具有不錯的熱變形系數，即具備良好的抗溫差性能。正因為此，Nivarox在鐘表業被廣泛應用。

2、關于影響游絲質量的分析

目前游絲所使用的材料是恒彈合金Ni42CrTi，它具有較高強度和彈性模量，較低的彈性后效，好的耐蝕性，綜合性能好。Ni42CrTi是比較典型的依靠金屬間化合強化的恒彈合金，加工性能好，彈性模量和強度高。

與此同時，游絲材料質量的高低直接影響著機芯的走時精度，如何提高走時精度，影響游絲的質量又有哪些因素呢，以下進行簡單的分析：

一、首先，從微觀上說，環境溫度對周期的影響，環境溫度變化的結果使擺輪，游絲尺寸及游絲材料的彈性模數改變而影響周期。而通過計算可以發現，擺輪尺寸的變化用游絲尺寸及其彈性模數的變化來補償。也就是游絲剛度的變化正好抵消擺輪轉動慣量變化對周期的影響。可見，彈性模量直接影響著游絲對環境的敏感性，而影響彈性模量的因素又有哪些呢，主要有：

1.原子結構：對同一元素講不同的原子結合態就有不同的點陣類型，因而具有不同的彈性模量。1

2.溫度：溫度升高時，原子熱運動加劇，原子間結合力降低導致彈性模量降低。

3.成分與組織：加入合金元素形成固溶體時，它導致原子間結合力的改變，所以溶質元素的加入可以使固溶體彈性模量增加也可使它降低。

二、其次，游絲制造工藝過程中各道工序對游絲的質量也有很大影響。主要是影響游絲的彈性模量溫度系數。

1.添加成分的影響，如有微量的成分偏離都可能導致合金溫度系數的顯著變化。其中，Cr的主要作用是降低β對成分的敏感性，Ti，Al和Ni形成強化相Ni3（TiAl）提高彈性和強度。

2.熱處理和冷變形對組織和性能的影響：

a.固溶處理：

固溶加熱溫度超過900℃呈單相γ固溶體，隨固溶加熱溫度提高除沿晶界分布的析出相溶解外，還是固溶體中合金元素進一步均勻化，強度，硬度下降，加熱溫度>1000℃，晶粒過分長大。在較低溫度（900～950℃）固溶后，固溶體中元素分布不均性，在時效過程中，促進了強化相的析出和分散，而導致合金有更大的強化效果。2由于Ni42CrTi含鎳量過高，固溶后溫度系數為負值。

b.冷塑性變形：

冷塑性變形是合金成材的重要工序，也是合金強化的重要手段。冷塑性變形后合金晶粒被拉長，而且產生了大量縱橫交錯的滑移帶以及亞結構等強化了合金，此處由于滑移帶區域點陣嚴重畸變使原子處于不穩定狀態，促進了在時效過程中強化相Ni3（Ti，Al）均勻而又高度彌散的析出，使合金進一步強化。

c.時效處理：

處理工序一般是固溶處理→冷塑變形→時效處理。固溶后未經變形的合金在70℃-750℃時效可獲得高的強度，固溶后經50%冷塑變形合金在650℃-700℃時效就可獲得最大強度σb和硬度HV值，固溶處理經90%冷塑變形的合金時效后強度σb達到最大值塑性δ值反而下降。Ni42CrTi合金的溫度系數隨時效溫度的提高，由負值移向正值，在650℃左右時效合金溫度系數為0。可見在650℃左右時效既能使游絲獲得很好的強度，又能使溫度系數值趨近于零。

d.時效后防磁性能的變化：

化合物有較高硬度和脆性，它可以使合金硬度HV和強度σb提高，化合物在時效過程中析出，使材料矯頑力提高，所以析出物Ni3（TiAl）質點大小分散情況對Ni42CrTi時效后磁性能有一定影響。

e.Ni42CrTi合金晶粒度問題：

材料彈性模量幾乎不隨合金晶粒度大小，形狀或多相合金中相得形狀，分布和彌散度而變化。但晶粒度細小冷塑變形后點陣缺陷，滑移等密度增大，時效后析出物細小，彌散度大，而且容易析出。析出物細小，使材料矯頑力增加量小，對防磁性能的提高和對Ni3（TiAl）析出物增加，促使溫度系數向正值方向變化，有較大影響并提高生產效率。

3、結論：

總之，影響手表走時精度的因素很多，而游絲又是直接影響著走時的精度，如何確定一個適合的生產工藝，包括固溶溫度，冷塑變形量，實效溫度與時間，使合金的溫度系數和防磁性能得到很好的匹配，同時又能獲得很高的強度和彈性模量是至關重要的。

參考文獻：

[1]崔忠圻，劉北興，金屬學與熱處理原理[M]，哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社；1998：1-3

[2]樊東黎，熱處理技術手冊[M]，北京：化學工業出版社；2007： 53-55