影响手表游丝性能的因素分析及研究

姜晨

摘要：摆轮游丝系统是机械手表的核心部分，起到计时基准的作用。机械手表属于震动计时仪器，它的基本工作原理是利用周期恒定的、持续振动的振动系统，振动系统的振动周期乘以被测过程中的振动次数，就得到该过程经理的时间，时间=振动周期×振动次数，而振动系统在机械手表里就是我们常见到的摆轮游丝系统。而游丝又是机械手表中一个重要部件，游丝部件由游丝、内桩、外桩组成，它就好比钟表的心脏。游丝通过内桩装在摆轮轴上，外桩固定在摆夹板上。游丝部件与摆轮部件相配合，产生稳定的振荡周期，决定着手表的走时精度，因此，游丝的选材至关重要。

关键词：手表；游丝；走时精度

1、引言

游丝是机械钟表得以运作的核心，在游丝被发明之前，机械钟依靠钟摆作为振荡器实现能量分割和走时。正因为此，当机械钟表不断发展的今天，游丝依然是衡量各家表厂科技实力的至高门槛，全球能够自主研发生产游丝的表厂，寥寥无几。从早期的铁基合金游丝材料，到后来掺入镍的INVAR铁合金游丝，再到今天主流的Nivarox游丝，几百年来，游丝材料随着材料科学的发展，不断演变，钟表业也在不断探寻更加完美的游丝材料。怎样才算完美？由于一件钟表往往需要不间断运行数年甚至数十年，游丝的振荡次数达到一个非常惊人的次数（按照现在主流4HZ的振频，一年不间断运行则游丝需伸和缩共约2.52亿次），因此仅有极少数金属合金能用于制作游丝。此外，游丝还必须能够抵抗日常生活中一些外部环境对其的影响，早期的影响主要来自温差，之后防磁变得越来越重要。1931年，Straumann博士研发的镍铬钢合金Nivarox游丝问世，由七种元素组成，这种弱磁性金属合金具有很好的抗氧化抗变形特性，防断裂、自动补偿、无腐蚀，并具有不错的热变形系数，即具备良好的抗温差性能。正因为此，Nivarox在钟表业被广泛应用。

2、关于影响游丝质量的分析

目前游丝所使用的材料是恒弹合金Ni42CrTi，它具有较高强度和弹性模量，较低的弹性后效，好的耐蚀性，综合性能好。Ni42CrTi是比较典型的依靠金属间化合强化的恒弹合金，加工性能好，弹性模量和强度高。

与此同时，游丝材料质量的高低直接影响着机芯的走时精度，如何提高走时精度，影响游丝的质量又有哪些因素呢，以下进行简单的分析：

一、首先，从微观上说，环境温度对周期的影响，环境温度变化的结果使摆轮，游丝尺寸及游丝材料的弹性模数改变而影响周期。而通过计算可以发现，摆轮尺寸的变化用游丝尺寸及其弹性模数的变化来补偿。也就是游丝刚度的变化正好抵消摆轮轉动惯量变化对周期的影响。可见，弹性模量直接影响着游丝对环境的敏感性，而影响弹性模量的因素又有哪些呢，主要有：

1.原子结构：对同一元素讲不同的原子结合态就有不同的点阵类型，因而具有不同的弹性模量。1

2.温度：温度升高时，原子热运动加剧，原子间结合力降低导致弹性模量降低。

3.成分与组织：加入合金元素形成固溶体时，它导致原子间结合力的改变，所以溶质元素的加入可以使固溶体弹性模量增加也可使它降低。

二、其次，游丝制造工艺过程中各道工序对游丝的质量也有很大影响。主要是影响游丝的弹性模量温度系数。

1.添加成分的影响，如有微量的成分偏离都可能导致合金温度系数的显著变化。其中，Cr的主要作用是降低β对成分的敏感性，Ti，Al和Ni形成强化相Ni3（TiAl）提高弹性和强度。

2.热处理和冷变形对组织和性能的影响：

a.固溶处理：

固溶加热温度超过900℃呈单相γ固溶体，随固溶加热温度提高除沿晶界分布的析出相溶解外，还是固溶体中合金元素进一步均匀化，强度，硬度下降，加热温度>1000℃，晶粒过分长大。在较低温度（900～950℃）固溶后，固溶体中元素分布不均性，在时效过程中，促进了强化相的析出和分散，而导致合金有更大的强化效果。2由于Ni42CrTi含镍量过高，固溶后温度系数为负值。

b.冷塑性变形：

冷塑性变形是合金成材的重要工序，也是合金强化的重要手段。冷塑性变形后合金晶粒被拉长，而且产生了大量纵横交错的滑移带以及亚结构等强化了合金，此处由于滑移带区域点阵严重畸变使原子处于不稳定状态，促进了在时效过程中强化相Ni3（Ti，Al）均匀而又高度弥散的析出，使合金进一步强化。

c.时效处理：

处理工序一般是固溶处理→冷塑变形→时效处理。固溶后未经变形的合金在70℃-750℃时效可获得高的强度，固溶后经50%冷塑变形合金在650℃-700℃时效就可获得最大强度σb和硬度HV值，固溶处理经90%冷塑变形的合金时效后强度σb达到最大值塑性δ值反而下降。Ni42CrTi合金的温度系数随时效温度的提高，由负值移向正值，在650℃左右时效合金温度系数为0。可见在650℃左右时效既能使游丝获得很好的强度，又能使温度系数值趋近于零。

d.时效后防磁性能的变化：

化合物有较高硬度和脆性，它可以使合金硬度HV和强度σb提高，化合物在时效过程中析出，使材料矫顽力提高，所以析出物Ni3（TiAl）质点大小分散情况对Ni42CrTi时效后磁性能有一定影响。

e.Ni42CrTi合金晶粒度问题：

材料弹性模量几乎不随合金晶粒度大小，形状或多相合金中相得形状，分布和弥散度而变化。但晶粒度细小冷塑变形后点阵缺陷，滑移等密度增大，时效后析出物细小，弥散度大，而且容易析出。析出物细小，使材料矫顽力增加量小，对防磁性能的提高和对Ni3（TiAl）析出物增加，促使温度系数向正值方向变化，有较大影响并提高生产效率。

3、结论：

总之，影响手表走时精度的因素很多，而游丝又是直接影响着走时的精度，如何确定一个适合的生产工艺，包括固溶温度，冷塑变形量，实效温度与时间，使合金的温度系数和防磁性能得到很好的匹配，同时又能获得很高的强度和弹性模量是至关重要的。

参考文献：

[1]崔忠圻，刘北兴，金属学与热处理原理[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社；1998：1-3

[2]樊东黎，热处理技术手册[M]，北京：化学工业出版社；2007： 53-55