游丝材料的发展现状及趋势

2020-01-02赵均辉钟飞邬治平江涛

科技与创新 2019年24期

赵均辉，钟飞，邬治平，江涛

游丝材料的发展现状及趋势

赵均辉，钟飞，邬治平，江涛

（依波精品（深圳）有限公司，广东深圳 518106）

游丝作为机芯的核心组件，游丝的材质直接影响游丝的性能，游丝的性能对手表的走时质量起着至关重要的作用。因此，游丝材质的研发成为各大手表厂家的重点方向。从最初的钢游丝到Nivarox游丝，再到硅游丝，直到新型复合材质游丝，游丝的材质从合金到非金属，性能不断优化提升，新型游丝具有更好的防磁、防震、抗温变化、质轻、气动弹性及抗腐蚀性能，可不断提升手表的走时精度，为创新手表结构并赋予手表更多新功能提供更多支撑。

游丝材料；弹簧；温度；磁场

1 引言

游丝可谓是腕表的心脏，是一种很细的弹簧，可带动摆轮来回摆动，所以游丝的性能直接影响手表的走时精准度。游丝通常以钢作为材质，盘绕在摆轮周围。游丝有效长度的变化决定了摆轮的惯性力矩与振幅周期。温度、磁场、冲击、振动等是影响游丝正常运行的主要因素。

自克里斯蒂安·惠更斯于1675年发明游丝以来，游丝就随着制表技术的发展而不断创新。法国物理学家CHARLES分别于1896年发明了Invar（不膨胀钢，64% Fe和36% Ni），1919年发明了Elinvar（镍钢合金恒定弹性钢材，33%～35%镍，53%～61%铁，4%～5%铬，1%～3%钨，0.5%～2%锰，0.5%～2%硅，0.5%～2%碳）两种特殊合金，并因此于1920年获得了诺贝尔奖。Invar为受热时膨胀极小的铁合金，可作为摆轮的材料；Elinvar则具有极为稳定的弹性系数，成为了取代传统铁基游丝的绝佳材料，并且从根本解决了老式铁基合金游丝所产生的各项问题，但与钢制游丝相比，Elinvar合金游丝缺乏硬度。1930年，理查朗格在德国注册了铍合金游丝专利，采用铍合金制造的摆轮游丝比采用其他合金更加坚硬和有弹性，不会生锈且防磁，即今天Nivarox摆轮游丝的先驱。这种以镍、铬、铁所制造的特殊合金，除了拥有较好的抗磁性（但并非防磁）外，更具有极佳的抗温差能力。1985年以硅（Silicium）为基础材质的游丝成为钟表工艺的明日之星。2001年，雅典表通过子公司Sigatec率先开辟道路，之后越来越多的品牌开始使用硅游丝，并一直沿用至今，成为游丝的主流材质。随着制表工艺的不断进步，创新性材料也在不断涌现。

2 游丝工艺

现代制造游丝首先要结合高技术工业精密和手工作业，凭借超精密金属层压技术生产出可锻造的金属片，再通过连续的拉伸和加工将金属丝变成细游还需数天时间。容差通常低于0.1 μm，因为游丝轮廓的细微变化都会对手表整体的性能产生影响。

为了保证钟表的精确度，游丝必须达到以下要求：①具有稳定的弹性特性；②较少的弹性迟滞现象；③较小的温度系数（热弹性系数）；④良好的防磁性能和抗蚀性能；⑤螺距相等；⑥游丝的重心应尽量与几何中心一致。

3 游丝种类

3.1 Nivarox游丝

Nivarox游丝于1933年出现，由STRAUMANN博士发明，由约45%钴、20%镍、20%铬、5%铁和较小百分比的钛和铍组成。Nivarox游丝具有温度稳定性（温度系数0.5 s/℃，24 h内）、高弹性，优于Elinvar合金的防磁性和防锈性能，如图1所示。在这种材料的基础上，STRAUMANN博士于1934年在St.Imier镇创办了Nivarox SA游丝工厂。

1950年起，Nivarox游丝开始取代以往的Invar、Elinvar合金游丝，作为天文台机芯或是高级机芯的游丝材质。时至今日，90%以上的瑞士手表都采用Nivarox-FAR出品的Nivarox合金游丝，但依然有等级之分，Nivarox 的型号共分为Nivarox 1～Nivarox 5，而Nivarox 1自然是最优等级，用于天文台等级的表款。

3.2 硅游丝

硅游丝作为一种非金属游丝，硅具有耐磨、轻便、耐用、抗磁性、热稳定性及优异的弹性等，要优于金属游丝。21世纪以来，硅已经真正彻底改变了传统制表业，为制造游丝提供卓越的性能。雅典硅游丝如图2所示。

硅游丝质地轻盈、完全免疫磁场干扰，并且可以加工成各种精确形状，具备出色的等时性及热补偿性，非常适合制造摆轮游丝。但硅材质也有其天然的缺陷，比如脆、温度效应等时效缺陷。

图1 Nivarox游丝

图2 雅典硅游丝

3.3 Parachrom蓝铌游丝

为了确保卓越的精度，也为了摆脱受制于斯沃琪集团的零件控制，劳力士在2000年第一次推出Parachrom游丝，可以有效防御所有外来干扰。Parachrom游丝是由铌锆合金制成的（含有85%Nb、15％Zr，还有少量的V、Ta、Ti、Hf以及极其微量的O元素），由于铌锆合金游丝呈现出蓝色（阳极处理氧化层厚度可控，颜色可随厚度变化，鉴于传统钟表行业对所谓矢车菊蓝的迷恋，Rolex选择做成了蓝色），所以也俗称蓝铌游丝。

Parachrom游丝是铌锆合金游丝，Nivarox游丝是铁镍合金游丝，Parachrom游丝是不含铁的。Nivarox游丝虽然具备一定防磁能力，但Nivarox游丝中微量的铁，让游丝存在受磁的隐患。Parachrom游丝完全不含铁，消除了磁场影响。劳力士Parachrom游丝如图3所示。

Parachrom蓝铌游丝的防磁性、防温敏感性及抗震能力是常规游丝的10倍。2005年，劳力士推出了一项新的专利工艺，用于Parachrom游丝的表面处理工艺，从而进一步增强其长期稳定性。经过劳力士超级天文台认证，达到每天 ﹣2 s～+2 s的误差标准。

3.4 SPRON合金游丝

SPRON合金是精工SII与东北大学金属材料实验室共同开发的，SPRON是一种高弹性Co-Ni基特种金属，具有优异的材料特性和精密弹簧的精确加工精度。与东北大学材料研究所共同开发的机械手表弹簧材料SPRON迄今为止提供了高可靠性。SPRON合金游丝如图4所示。SPRON系列具有高机械强度、高耐用性、高耐热性和优异的耐腐蚀性。非磁性SPRON 510的特性被用于电子设备、医疗领域，包括小型精密弹簧、金属隔膜以及医疗材料等。

图3 劳力士Parachrom游丝

图4 SPRON合金游丝

3.5 Syloxi硅游丝

在2014年，劳力士推出了Syloxi硅游丝。Syloxi硅游丝完全改变了游丝的固定方式，Syloxi硅游丝不再使用任何卡子，也不再是一头固定在游丝内桩、一头固定在外桩上。Syloxi硅游丝是完全水平、对称的造型，在游丝两端有两个孔，游丝两端直接固定在摆轮夹板上。这样就保证了Syloxi硅游丝有最理想的水平、对称的造型（硅游丝是通过光电蚀刻一体成形制造的，所以可以做出理想的形状）。Syloxi硅游丝如图5所示。

Syloxi硅游丝不受磁场干扰，即使面对温度变化，依然极为稳定，其抗震力更比传统游丝高出10倍。其专利几何结构使机芯在任何位置都可保持规律运行是Parachrom蓝铌游丝不具备的。

3.6 碳复合材质游丝

2019年日内瓦钟表展期间，泰格豪雅（TAGHeuer）开创全球制表业历史的碳复合材质游丝。通过气体合成的碳复合材料所制造的游丝，这种材质的六边形结构通过图案形式呈现于Calibre Heuer02T陀飞轮NANOGRAPHY纳米腕表的设计之中，取代了众所周知的恒弹性合金游丝和硅游丝。碳复合材质游丝如图6所示。

图5 Syloxi硅游丝

图6 碳复合材质游丝

碳复合材质游丝的主要优点有：①轻巧、低密度的游丝几乎不受重力和震动的影响。在泰格豪雅实验室的测试中，腕表经过5 000 g强度的撞击及从1 m高度坠落至坚硬表面，金属游丝弯曲变形，硅质游丝破裂折断，而碳复合材质游丝完好无损。②碳复合材质的结构有利于促成同心振荡，提高了腕表的精确度。③碳复合材质游丝在生产时已装配内桩。通常情况下，金属游丝中这类固定在摆轮轴上的小部件需要经过后期复杂的组装，影响了精确性。④碳复合材质游丝完全抗磁，解决了腕表接触磁场时精确度降低的问题。⑤碳复合材质游丝与铝合金摆轮的组合，在适应温度变化和气动弹性方面的性能优异。