游絲材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

趙均輝，鐘飛，鄔治平，江濤

游絲材料的發(fā)展現(xiàn)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(jī)芯的核心組件，游絲的材質(zhì)直接影響游絲的性能，游絲的性能對手表的走時質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此，游絲材質(zhì)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(fù)合材質(zhì)游絲，游絲的材質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)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

1 引言

游絲可謂是腕表的心臟，是一種很細(xì)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(zhǔn)度。游絲通常以鋼作為材質(zhì)，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(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。法國物理學(xué)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(shù)，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(chǎn)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(qū)。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(chǔ)材質(zhì)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(zhì)。隨著制表工藝的不斷進(jìn)步，創(chuàng)新性材料也在不斷涌現(xiàn)。

2 游絲工藝

現(xiàn)代制造游絲首先要結(jié)合高技術(shù)工業(yè)精密和手工作業(yè)，憑借超精密金屬層壓技術(shù)生產(chǎn)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(xì)游還需數(shù)天時間。容差通常低于0.1 μm，因為游絲輪廓的細(xì)微變化都會對手表整體的性能產(chǎn)生影響。

為了保證鐘表的精確度，游絲必須達(dá)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(xiàn)象；③較小的溫度系數(shù)（熱彈性系數(shù)）；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(yīng)盡量與幾何中心一致。

3 游絲種類

3.1 Nivarox游絲

Nivarox游絲于1933年出現(xiàn)，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(shù)0.5 s/℃，24 h內(nèi)）、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(chǔ)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(jī)芯或是高級機(jī)芯的游絲材質(zhì)。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。

3.2 硅游絲

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(jì)以來，硅已經(jīng)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(zhì)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(zhì)也有其天然的缺陷，比如脆、溫度效應(yīng)等時效缺陷。

圖1 Nivarox游絲

圖2 雅典硅游絲

3.3 Parachrom藍(lán)鈮游絲

為了確保卓越的精度，也為了擺脫受制于斯沃琪集團(tuán)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(xiàn)出藍(lán)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(lán)的迷戀，Rolex選擇做成了藍(lán)色），所以也俗稱藍(lán)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(lán)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(jìn)一步增強其長期穩(wěn)定性。經(jīng)過勞力士超級天文臺認(rèn)證，達(dá)到每天 ﹣2 s～+2 s的誤差標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 SPRON合金游絲

SPRON合金是精工SII與東北大學(xué)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(xué)材料研究所共同開發(fā)的機(jī)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(jī)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(shè)備、醫(yī)療領(lǐng)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

3.5 Syloxi硅游絲

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(nèi)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(jié)構(gòu)使機(jī)芯在任何位置都可保持規(guī)律運行是Parachrom藍(lán)鈮游絲不具備的。

3.6 碳復(fù)合材質(zhì)游絲

2019年日內(nèi)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(fù)合材質(zhì)游絲。通過氣體合成的碳復(fù)合材料所制造的游絲，這種材質(zhì)的六邊形結(jié)構(gòu)通過圖案形式呈現(xiàn)于Calibre Heuer02T陀飛輪NANOGRAPHY納米腕表的設(shè)計之中，取代了眾所周知的恒彈性合金游絲和硅游絲。碳復(fù)合材質(zhì)游絲如圖6所示。

圖5 Syloxi硅游絲

圖6 碳復(fù)合材質(zhì)游絲

碳復(fù)合材質(zhì)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(jīng)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(zhì)游絲破裂折斷，而碳復(fù)合材質(zhì)游絲完好無損。②碳復(fù)合材質(zhì)的結(jié)構(gòu)有利于促成同心振蕩，提高了腕表的精確度。③碳復(fù)合材質(zhì)游絲在生產(chǎn)時已裝配內(nèi)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(jīng)過后期復(fù)雜的組裝，影響了精確性。④碳復(fù)合材質(zhì)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(fù)合材質(zhì)游絲與鋁合金擺輪的組合，在適應(yīng)溫度變化和氣動彈性方面的性能優(yōu)異。

3.7 Nivachron游絲

Nivachron游絲是由斯沃琪集團(tuán)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(yīng)的負(fù)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(jìn)，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

4 展望

從鋼游絲的誕生到最新的碳復(fù)合材質(zhì)游絲，游絲材質(zhì)不斷演進(jìn)。特別是以斯沃琪集團(tuán)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(zhì)游絲將會不斷涌現(xiàn)，為手表的新結(jié)構(gòu)、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〕