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(tǒng)是機(jī)械手表的核心部分，起到計時基準(zhǔn)的作用。機(jī)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(xù)振動的振動系統(tǒng)，振動系統(tǒng)的振動周期乘以被測過程中的振動次數(shù)，就得到該過程經(jīng)理的時間，時間=振動周期×振動次數(shù)，而振動系統(tǒng)在機(jī)械手表里就是我們常見到的擺輪游絲系統(tǒng)。而游絲又是機(jī)械手表中一個重要部件，游絲部件由游絲、內(nèi)樁、外樁組成，它就好比鐘表的心臟。游絲通過內(nèi)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(chǎn)生穩(wěn)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(guān)重要。

關(guān)鍵詞：手表；游絲；走時精度

1、引言

游絲是機(jī)械鐘表得以運作的核心，在游絲被發(fā)明之前，機(jī)械鐘依靠鐘擺作為振蕩器實現(xiàn)能量分割和走時。正因為此，當(dāng)機(jī)械鐘表不斷發(fā)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(fā)生產(chǎn)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(xué)的發(fā)展，不斷演變，鐘表業(yè)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(shù)年甚至數(shù)十年，游絲的振蕩次數(shù)達(dá)到一個非常驚人的次數(shù)（按照現(xiàn)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(shù)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(huán)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(fā)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(bǔ)償、無腐蝕，并具有不錯的熱變形系數(shù)，即具備良好的抗溫差性能。正因為此，Nivarox在鐘表業(yè)被廣泛應(yīng)用。

2、關(guān)于影響游絲質(zhì)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(qiáng)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(qiáng)化的恒彈合金，加工性能好，彈性模量和強(qiáng)度高。

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

一、首先，從微觀上說，環(huán)境溫度對周期的影響，環(huán)境溫度變化的結(jié)果使擺輪，游絲尺寸及游絲材料的彈性模數(shù)改變而影響周期。而通過計算可以發(fā)現(xiàn)，擺輪尺寸的變化用游絲尺寸及其彈性模數(shù)的變化來補(bǔ)償。也就是游絲剛度的變化正好抵消擺輪轉(zhuǎn)動慣量變化對周期的影響?？梢?，彈性模量直接影響著游絲對環(huán)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(jié)構(gòu)：對同一元素講不同的原子結(jié)合態(tài)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(jié)合力降低導(dǎo)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(dǎo)致原子間結(jié)合力的改變，所以溶質(zhì)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?qū)τ谓z的質(zhì)量也有很大影響。主要是影響游絲的彈性模量溫度系數(shù)。

1.添加成分的影響，如有微量的成分偏離都可能導(dǎo)致合金溫度系數(shù)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(qiáng)化相Ni3（TiAl）提高彈性和強(qiáng)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(jìn)一步均勻化，強(qiáng)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(jìn)了強(qiáng)化相的析出和分散，而導(dǎo)致合金有更大的強(qiáng)化效果。2由于Ni42CrTi含鎳量過高，固溶后溫度系數(shù)為負(fù)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(qiáng)化的重要手段。冷塑性變形后合金晶粒被拉長，而且產(chǎn)生了大量縱橫交錯的滑移帶以及亞結(jié)構(gòu)等強(qiáng)化了合金，此處由于滑移帶區(qū)域點陣嚴(yán)重畸變使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，促進(jìn)了在時效過程中強(qiáng)化相Ni3（Ti，Al）均勻而又高度彌散的析出，使合金進(jìn)一步強(qiáng)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(jīng)變形的合金在70℃-750℃時效可獲得高的強(qiáng)度，固溶后經(jīng)50%冷塑變形合金在650℃-700℃時效就可獲得最大強(qiáng)度σb和硬度HV值，固溶處理經(jīng)90%冷塑變形的合金時效后強(qiáng)度σb達(dá)到最大值塑性δ值反而下降。Ni42CrTi合金的溫度系數(shù)隨時效溫度的提高，由負(fù)值移向正值，在650℃左右時效合金溫度系數(shù)為0?？梢娫?50℃左右時效既能使游絲獲得很好的強(qiáng)度，又能使溫度系數(shù)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(qiáng)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(zhì)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(xì)小冷塑變形后點陣缺陷，滑移等密度增大，時效后析出物細(xì)小，彌散度大，而且容易析出。析出物細(xì)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(shù)向正值方向變化，有較大影響并提高生產(chǎn)效率。

3、結(jié)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(chǎn)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(shù)和防磁性能得到很好的匹配，同時又能獲得很高的強(qiáng)度和彈性模量是至關(guān)重要的。

參考文獻(xiàn)：

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

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