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        影響手表游絲性能的因素分析及研究

        2018-10-19 16:09:08姜晨
        科學(xué)與財富 2018年27期

        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(jì)時基準(zhǔn)的作用。機(jī)械手表屬于震動計(jì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)能量分割和走時。正因?yàn)榇?,?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(shí)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(yùn)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(yùn)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?yàn)榇?,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(jì)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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

        [2]樊東黎,熱處理技術(shù)手冊[M],北京:化學(xué)工業(yè)出版社;2007: 53-55

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