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矽游絲防磁耐磨 打造腕表精準「心臟」

【明報專訊】〈科學版〉之前解釋過機械腕表的運作原理(bit.ly/3egylHx),其中擺輪和擒縱系統都是重要組件,負責控制表內能量釋放的速度,亦即指針走時的速度和精準度。擺輪游絲在機械腕表中不停運作,今期再跟大家深入認識腕表的「心臟」;近年很多品牌也以「矽游絲」為賣點,矽是什麼?用作游絲又有什麼好處?

腕表界公認,游絲是由荷蘭物理、天文及數學家Christiaan Huygens發明。他在1675年將游絲安裝在擺輪上,為計時工具開啟了新時代。直到今日,主流腕表機芯擒縱系統內的擺輪游絲結構,幾乎都仍沿用相同的形式。

鐵游絲熱脹冷縮 影響走時

游絲結構雖大同小異,但數百年來也經歷改革,最重要是製作物料。游絲最早主要用鐵製成,會熱脹冷縮和受磁,由於它幼細如髮絲,即使是些微變化也對擺輪擺動幅度帶來很大影響,隨時導致走時誤差。

在1896年,瑞士科學家Charles Édouard Guillaume研發出Invar合金,由約36%鎳和64%鐵組成,有效控制熱脹冷縮;之後他進一步加入鉻,研發出由52%鐵、36%鎳和12%鉻組成的Elinvar合金,膨脹系數非常低,彈性亦穩定。Guillaume於1920年獲得諾貝爾物理學獎,鐘表業亦紛紛開始以Elinvar用作游絲物料。1933年瑞士機械工程師Reinhard Straumann發現在鎳鐵鉻合金中再加入鈷、鈦、鈹等元素,可調配出膨脹系數更低、彈性更佳的游絲,即後來被Swatch集團收購,現時市場最常見的Nivarox游絲。

但Nivarox終歸有鐵的成分,並不防磁。東方表行腕表服務中心維修師劉師傅指出,一旦腕表進入磁場強大的環境,例如醫療儀器的附近,游絲會因為受磁而黏在一起,影響腕表的精準度。很多品牌也努力研究防磁物料,包括近年大熱的「矽游絲」。

矽輕巧抗氧化 不易拉扯變形

矽(化學符號Si)元素受公眾廣泛認知,可能是因為美國加州矽谷(Silicon Valley)。矽是電腦和半導體行業中非常重要的原材料,是一種外觀帶灰藍色金屬光澤、堅硬但易碎的晶體。但在大自然中,它更常以另一種我們常見的形態出現——二氧化矽(SiO2),即是沙的主要成分。「矽是地殼中含量第二多的元素,僅次於氧。化學結構跟碳相近,均為四價元素(即其原子結構外圍有4粒電子)。其結構堅硬而輕巧,有防磁、耐磨蝕、耐侵蝕等特質。在拋光後亦可以成為光滑、低摩擦系數的物料。」東方表行大中華區市場推廣部主管曾子禧解釋。

曾子禧提到,矽早在半導體行業中經常用到,不過對當年的腕表界來說卻是新事物,「但其輕巧、不受磁、抗氧化、不容易拉扯變形,不會出現金屬疲態,亦不太受溫度影響等天然特點,可以克服金屬的弱點」。於是在1990年代末,幾個腕表品牌包括Rolex、Patek Philippe、Ulysse Nardin,以及Swatch集團,委託專家研究將矽運用到腕表的可能。「當初開發時,他們已經想將矽應用到游絲、擒縱上面。而矽一開始在腕表中登場便是游絲,後來再到擒縱叉、擒縱輪、擺輪等核心擒縱部件上。」

製作矽擒縱和游絲的過程複雜,需運用深反應離子蝕刻(deep reactive ion etching)方法,在矽物料上刻出以微米(即千分之一毫米)計算的各種形狀,包括擒縱叉、擒縱輪,以及同心圓游絲的形狀。製成的矽零件一體成形,亦因為其低摩擦系數,毋須潤滑油已能順暢運作,「所以零件不會因為長期摩擦而損耗,亦不會像傳統機芯,因為潤滑油質變乾而受影響」。

缺點:強烈衝擊或斷裂

2005年,Patek Philippe推出搭載矽擒縱輪的Ref. 5250腕表,引起市場關注;2017年時品牌進一步改良Silinvar矽游絲,搭載於Aquanaut Ref. 5650G-001,在游絲內、外側做出凸起的曲線,確保游絲在收放過程中保持同心圓形狀,令腕表在不同角度時均能維持精準運作。後來Swatch集團亦製成矽擒縱與矽游絲,搭載在旗下Breguet腕表中。

然而矽游絲也有缺點,當受到強烈衝擊時有可能立即斷裂,這也是部分品牌不使用矽游絲的原因。不過,矽游絲始終愈來愈普及,隨着技術愈趨成熟,成本下降,漸漸從高端走入中價品牌。例如Swatch集團旗下的Omega,在2008年開始採用矽游絲至今。2014年,Rolex亦推出搭載矽游絲的Datejust Pearlmaster 34女裝腕表,但同時間沒有停止應用其獨家專利,以鈮、鋯與氧合金材料製成的藍色Parachrom游絲。

曾子禧認為:「很難說某一種物料製作游絲最好,另一種最差。但科技愈發展,不同品牌愈希望能研發一些更輕、更穩定的物料製作游絲,令腕表更精準。」

文:張曉冬

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