摆轮和游丝的应用历史

（苏）B.H.∏ИПyЬIрOB著  张遐龄 译
游丝材料
公元1740年，英国钟表匠别詹敏•跟茨曼（Беджамен Гентман）发明了用坩埚法得到铸钢，对制造钟表游丝所需的钢的生产完成了技术改造。在舍费尔德市（Шеффильд）附近的亨斯霍尔德（Хенсворд）跟茨曼建立了铸钢工厂，他在坩锅里冶炼了焊接钢，直到焊接钢脱离熔渣和得到成分均匀的、适合于制造钟表游丝的铸钢。在此之前，只是用对铁渗碳的方法得到制造钟表游丝用的钢，这种方法不仅需要很长的时间，而且不能保证得到成分均匀的钢，即熔渣和硅的氧化物成分不能控制，用这样的钢来制造钟表游丝，不是过软，就是过硬。
虽然跟茨曼的发明预告了钢生产的本质进步，对发展钟表工业也有着很大的意义，但在英国没有提倡这个发明。在公元1770年前，坩埚法生产钢还处于原始状态。公元1787年，在舍费尔德市有11加工厂用根茨曼方法从事铸钢生产。在这些工厂中，“根茨曼和儿子”公司起着主导作用。
钢的缺点是易腐蚀，游丝生锈使质量变坏，甚至出现一个锈斑都能影响钟表的走时。防止使钟表受潮湿空气和其他致使游丝生锈因素的作用是非常困难的。曾经多次试图解决这一问题，例如，给钢涂上非氧化层（如黄金），保护游丝不生锈，但涂金所得的结果恰恰相反，黄金鱼钢的关系——负电极电位元素。镀金的游丝组成电解偶，由于电流的作用，钢化有单一空气作用要快的多。上世纪七十年代，在瑞士曾制造了大量螺旋形镀金游丝，但是这些游丝在很短时间内就损坏了，显然，这种方法是不适用的。
镀锌的效果也不是很好，因为需要覆盖很厚的一层，这样对于弹性产生了负作用，因此，也不能作为保护层来使用。用漆覆盖的游丝，圈与圈之间易粘在一起，同样破坏钟表的准确走时。
可以得出结论，任何保护层都不能达到目的，钟表匠们决定采取更彻底的办法，用新材料的游丝代替了钢游丝。铱金或者称为硬金完全不受腐蚀，它的线性膨胀系数也比钢小的多，但它不能代替钢，因为它的比重太大，比钢的比重大的多（21:8）
银是腐蚀很小的金属，与其他金属制成合金有足够弹性，如果他的线性膨胀系数不是很大的话，可以代替钢来制造钟表游丝。装有银游丝的钟比装有钢游丝的钟需要更大的温度补偿。根据这个原因，也不能使用铝青铜，虽然它的弹性好、比重小、腐蚀弱，几乎可以成为钟表游丝的材料。
镍的线性膨胀系数和密度与钢的非常近似，但和钢一样，也易受腐蚀，但粘性和可锻性都小。贴镍合金，就像我们下面叙述的那样，用于制造钟表游丝更为合适些。
公元1825年，根茨曼（公元1743年—1830年）用金和非常纯的铜和银的合金制成游丝，还公布了自己测定等时性的实验结果。甚至在非常高的温度下，这样的淬火游丝甚至和钢一样，仍能保持自己的弹性，但它的线性膨胀系数大于钢游丝的，因此，在使用时要求有可靠的补偿。根据政府的委托，著名的丹麦哥本哈根的钟表匠尤尔根松（Юргенсон）制造了金合金游丝的天文钟。在三十年的过程中，在各种不同船上都使用过这只钟，它的走时精度在全部时间里都是无可指责的，尽管它招到了很大的温度变化，以及其他不良影响。
尽管应用金合金游丝取得了显著的成绩，金合金仍然没有得到广泛的应用，钟表匠们很快又转向钢游丝。主要不是因为新材料有缺点，而是不会应用，例如，金游丝装入了没有补偿装置的钟里，这样钟的走时自然不能得到和好的结果，原因之一是，随着温度上升金子比钢膨胀得更厉害。
著名的德国钟表专家兰格（Ланге，公元1815~1875年）建议用铝合金来制造钟表游丝。第一种铝合金含有铝100份和银5份，第二种——铝5份，铜90份。兰格在美国得到了这种合金的专利。用他的合金制造的游丝，在同样尺寸时比钢的轻，不氧化，不受磁的影响，也不像钢那样脆，无论在硬度，还是弹性方面，都不亚于钢。
英国坚持在公元1833年做了应用玻璃制造游丝的著名实验。曾确立，这样的游丝对温度的敏感性很小，但是也存在一系列不方便，不得不拒绝使用。
公元1887年，皮拉尔德（Пиллард）判断，钟表用的合金，可以用钯和铜以及其他教书以化合的方法得到。用钯合金制造的游丝，不磁化，耐腐蚀性稳定，与开口摆轮配合使用。
钯合金的游丝，在俄国彼得堡埃里克松作坊和英国的一些公司制造的天文钟里应用过。
公元1910年，在寻求游丝材料方面取得了另一个方向，沙尔•爱杜阿尔德•吉利奥姆（公元1861年~1938年）发明了铁镍合金，称为爱林瓦尔（Элинвар），它是在铁和镍的基础上，又附加些铬的合金。爱林瓦尔与因瓦尔（Инвар）——铁和镍合金相比有一系列优点。爱林瓦尔比因瓦尔硬些，因此完全能代替它。爱林瓦尔对温度作用的敏感性小，不磁化，腐蚀作用也小。
但是，简单的单一金属摆轮与爱林瓦尔相匹配，没有给出足够满意的补偿。现代对钟表走时精度要求，温度变化1℃，走时温度误差为0.5秒~2.5秒钟，而且钟表要在温度变化范围内正常工作，就是这样的要求也不能认为是满意的。爱林瓦尔不仅在这方面不能给出满意的结果，而且它还具有和钢一样的硬度，因此，对用爱林瓦尔制造游丝，在实际上不得不给于更大的小心。在应用它与单一金属摆轮想配对时，要有温度补偿才行。
公元1920年德国施拉姆别尔格（Шрамберг）的查理•加兹（Карл Гааз）发明了填加有铍、钨和钼的铁镍合金，成功的消除了爱林瓦尔说具有的缺点。这个合金就是现在著名的泥瓦洛克斯（Ниварокс）。这个合金线性膨胀系数低，在比一般钟表工作温度还低的情况下，仍能保持较好的弹性。合金不磁化，耐腐蚀。用这样合金制成的游丝和用单一金属德国银制造的摆轮匹配，在没有任何附加补偿的情况下，可以给出很好的结果。
在瑞士，施特拉乌曼（Штрауман）发明了填加铬和钛的铁镍合金，具有和泥瓦洛克斯相近的性质。与泥瓦洛克斯相近的还有铁镍合金格留基丘尔（Глюдидюр）。
公元1941年，英国“Толкон”公司生产了赫洛诺瓦尔（Хроновар）合金，它的大体成分：碳——0.75%，镍——35.5%，钼——0.5%，铬——9%,锰——1.7%，其余——铁。赫洛诺瓦尔线材的特点是，弹性温度系数不大，抗腐蚀性强和有足够的抗磁性。麦达爱林瓦尔（Метазливар）合金同样也是很著名的，与一般爱林瓦尔相比，麦达爱林瓦尔渗有杂质钼和钒。
还必须提到丘林瓦尔(Дюлинвар)合金,它是属于渗有铝、钛和其他杂质的铁镍合金系列的。这个合金经过淬火和回火变得更坚实。还有许多可制造发条的新合金。在美国还出现了艾勒瑞洛（Элжилой）合金，用他可以制造抗腐蚀、抗磁和耐磨损的发条。
杰福谢（Дефоссе）在1950年10月份《Suisse d’Horlogerie》杂志上以新的数据和事实证明，中钟表制造中应用更为完美的合金，在很大程度上容易解决与钟表走时调整相联系的问题，同时还很重要的就是，促进消除摆轮的不平衡、温度变化、大气压力、磁性、离心力、摩擦，以及其他不利因素对走时的影响。
根据杰夫谢的证明，对与怀表和手柄走时有关的问题，纽沙泰尔（Невшатель）和贝桑松（Безансон）的研究试验室非常成功的进行了研究。他知道日•加格（Ж•Гааг）和札凯罗（Жакеро），就像善于解决这些问题的学者一样。
摆轮——游丝系统的温度补偿
摆轮-游丝系统的温度补偿问题，相对来说不是很复杂的，但比解决摆的补偿问题要困难，这是由于在温度变化的作用下，摆轮-游丝系统不仅摆轮和游丝的集合尺寸发生变化，而且反作用力值，即游丝的弹性也发生变化。在温度升高时，它减弱；温度降低时，变得更有弹性。对于摆来说，温度补偿问题仅仅是在于保持摆的几何尺寸，因为反作用力g对于地球表面一定地点是一个常量。
在钟表引入游丝之后，直至最终了解游丝弹性性质变化的本质，是与温度变化相联系的，这时才认清了对于精密计时的真正意义。甚至象这样优秀的学者，如丹尼尔•别尔努利，都还怀疑温度变化对游丝的弹性，进而也就是对钟表走时的真正影响。
琼•阿尔诺里的证明，他建议的螺旋形游丝的性质和温度无关。他的证明是偶然的，也是没有根据的，很容易驳倒，但是，温度变化影响的准确性质和与此相联系的游丝弹性性质对钟表走时的影响，是不知道的。对于是否产生钟表走时快和慢，走时变化和游丝弹性性质的变化是遵循怎样的规律，对于这些问题当时也没有应用的答案。
为了解决这些问题进行过一系列实验。公元1840年艾•德•坚特对用玻璃制造的摆轮和经过淬火、回火的游丝组成的调速器，在没有温度补偿的天文钟上进行了一系列实验。他把钟放在不同的温度区间，从华氏32~100°，对钟进行的实验得出的结论是：游丝的弹性力矩的变化与温度变化成正比。
格奥尔格•爱拉公元1859年在格林威治天文台对两只钟进行了类似的实验，其中一只是Молине公司生产的，编号№1574；另一只是Фродшам公司生产的，编号№3148.天文钟装有淬火和回火钢制的螺旋形游丝和黄铜的非补偿摆轮。捷拉马尔施（Деламарш）和波鲁阿（Плуа）当时在法国对勃列格的天文钟也进行了类似实验。他们研究的结果，都阐述在专题的文章里。
虽然所有的三个实验都是独立进行的，可得到的结果是一样的：钟表日差的变化与温度的变化成正比。
公元1859年，爱拉以实验的方法指出，一般黄铜单金属摆轮（没有补偿）天文钟，在温度每提高一度时，走慢11秒钟；在温度降低时，钟相应走快。游丝弹性力矩变化对走时影响更大（11秒钟的8.92秒钟）

真是一篇好贴。

名怀表之佳家 发表于 2014-4-20 10:21
真是一篇好贴。

是呀,这篇译文我反反复复看了很多遍，实在不忍独享...

帝国乞丐 发表于 2014-4-20 12:11
是呀,这篇译文我反反复复看了很多遍，实在不忍独享...

人名和材料名要是通用译名就会更好，谢谢分享！

可用做游丝的合金关键是屈服度,　二战后至1994年各国开发的最大屈服度合金钢分别是:日本是１０００MPa，法国是９８０MPa，美国８９０MPa，俄国最高１１７５MPa达到120kgf/mm2级，俄罗斯最高！中国起步晚,但一直在拼命追赶，1994年就能生产出mpa785的合金钢

名怀表之佳家 发表于 2014-4-20 12:42
人名和材料名要是通用译名就会更好，谢谢分享！

人名和材料是带有俄罗斯口音的英语直译，

好资料，谢谢分享