工藝解碼／一「絲」不苟！鐘錶游絲350年簡史（下）

在「工藝解碼／一「絲」不苟！鐘錶游絲350年簡史（上）」中，我們看到了從1675年Christiaan Huygens發明游絲後，眾多製錶師及科學家在改良游絲材質上的努力不懈，並取得了一定的成果。而1920年由瑞士物理學家Charles Édouard Guillaume發明的Elinvar合金，在當時更被視為終極的游絲材質，鐘錶產業從此告別雙金屬溫差補償擺輪的笨重，並且不用再畏懼溫差對於游絲彈性係數的影響。

但人算不如天算。邁入20世紀後，先進國家的供電系統與家用電器開始普及，工業與城市亦全面邁入電氣化，衍生出新的游絲剋星--磁場。

Elinvar游絲確實優秀，至少Guillaume是如此認為的。但在使用層面越來越廣後，許多製錶師發現了Elinvar游絲的潛在缺陷。首先Elinvar是一種軟金屬，這代表了它在游絲的縮放過程中會吸收一部分的動能使擺幅不足，讓迴力給擺輪推動擒縱叉的力道變小，而且尺寸越小越嚴重；然後Elinvar雖然不會受磁，但會被磁場吸引，所以使用Elinvar游絲的計時器在高磁場環境（如發電廠等）中會走時不穩。而其中一位製錶師鼓起勇氣寫信給Guillaume，他就是Reinhard Straumann (1892-1967)。

Straumann出生於瑞士Basel州的Waldenburg，他從鐘錶學徒開始，出師後在Revue Thommen錶廠上班，之後更取得了機械工程博士學位。他在給Guillaume的信中詳述了所遇到的Elinvar游絲問題，但Guillaume顯然不太理會他（畢竟人家可是1920年諾貝爾物理獎得主！）。於是Straumann乾脆轉向另一個工業大國--德國的工程師求助。Waldenburg位於德瑞邊境，Basel州又位於德語區內，Straumann用母語跟德國人溝通可說是輕而易舉。在與德國工程師共同腦力激盪後，Straumann發現了添加微量的鈹（Beryllium）金屬可以有效提高Elinvar的屈服強度，之後又嘗試了加入鉻、鉬和鎢等金屬於Elinvar內，在反覆調整配方與測試後，於1932年申請了新型游絲的專利，並將其命名為Nivarox（有沒有很耳熟?），為德語Nicht Variabel Oxydfest （穩定且耐氧化）的縮寫。

Nivarox的合金成分為0.1~3.0%的鈹，5-30%的鉻、鉬和鎢的混合物，其餘則為鐵鎳合金。並經過軋製和回火處理，強度堪比硬化處理後的鋼，並且在-50°C~+50°C的溫度範圍內保有接近恆定的彈性係數。Nivarox雖然也會受到磁場影響，但相對Elinvar來說已屬輕微。

發達後的Straumann離開Revue Thommen自立門戶，並於1934年於Saint-Imier成立Nivarox公司專職生產Nivarox遊絲，並成為瑞士製錶業當時主要的游絲來源。1984年Nivarox與Les Fabriques d'Assortiments Réunies (FAR)合倂後，更名Nivarox-FAR，最後則是被SWATCH集團收購，但保留其原本的公司名稱。Nivarox-FAR至今仍是全球最大的游絲供應商，占比可能超過90%。

不過Nivarox-FAR並沒有滿足於Nivarox遊絲的成就，仍持續在金屬游絲領域鑽研，畢竟Nivarox遊絲在實務上還是建議遠離磁場。2018年時Nivarox-FAR宣布與AUDEMARS PIGUET合作，成功開發了一款名為「Nivachron」的全新游絲，其抗磁能力號稱比 Nivarox 高出 10~20 倍。而雖官方文件宣稱Nivachron為鈦基合金，但根據專利文件，其成分中還包含了相當比例的鈮（Niobium），這種高熔點（2,468 °C）金屬，可以相當程度的增加游絲的屈服強度，以及抗衝擊性，所以稱呼Nivachron為鈦鈮合金似乎更為恰當。Nivachron普遍使用在SWATCH集團旗下品牌，從SWATCH到BREGUET都可以見到其蹤跡。但原始共同開發者AUDEMARS PIGUET卻幾乎沒有提及過Nivachron的使用情況，原因不明。

而除了前文所提及的Nivarox與Nivachron外，ROLEX Parachrom與SEIKO Spronn 610也是近代頗具代表性的優質金屬游絲，但礙於版面因素，容筆者之後再另文敘述。

從1675年Christiaan Huygens發明游絲開始，金屬游絲經歷了超過300年的發展，先人們用盡洪荒智慧解決了包含溫差、強度、生鏽、磁場等種種問題，號稱最後一種金屬游絲的「Nivachron」亦看似完美無缺，尤其是它可以對抗高達1,000高斯以上的磁場，在「日常」使用中毫無敵手。不過我說的是「日常」，若暴露於極高磁場，如醫院裡的MRI（磁振造影，磁場高達15,000~30,000高斯） 或實驗室級強磁環境時仍會出現誤差，故Nivachron仍稱「抗磁」，而非「防磁」。

2001年，「矽（Silicon）」這個跟鐘錶工藝八竿子打不著的半導體材質，首次出現在機械錶上！ULYSSE NARDIN的技術首席Ludwig Oechslin博士、與CSEM（Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique SA，瑞士電子與微技術中心）共同開發了矽擒縱技術，並首次使用在ULYSSE NARDIN的Freak腕錶上，震驚錶壇！矽擒縱具備不導磁、無需潤滑、超輕量、耐腐蝕、高加工精度等金屬無法達到的先天優勢。而CSEM認為矽材質的潛力不僅於此，所以探詢了Oechslin博士以矽打造游絲的可能性，後者也對此表達出高度的興趣，於是跟CSEM打造出了一批矽遊絲原型，並裝在Unitas手上鍊機芯上測試，滿懷期待的結果......

「日誤差±106秒！（溫差範圍31°C）」

這樣的數據當然不OK，Oechslin博士發現矽游絲雖然完全防磁且不會金屬疲勞（因為它不是金屬），但其負熱彈性係數使它在高溫時會變軟、低溫時會變硬，跟300多年前的鐵游絲沒有兩樣。不過解方很快就被研發出來，就是在純矽打造的矽游絲上面加上二氧化矽（SiO 2）塗層，利用它的正熱彈性係數（高溫變硬、低溫變軟）特性來補償矽的負熱彈性係數。

二氧化矽塗層的厚度約為游絲本體的6%，在經過精密的計算與設計下，還可以在游絲變形量較大的部分增加塗層厚度，以有效抑制負熱彈性係數，最終可以達到近乎零溫差影響、且彈性係數恆定的夢幻游絲。這種以二氧化矽塗層修正矽游絲彈性係數的技術於2002年提出專利申請，其重點在於具備自動溫差補償特性，且游絲形狀亦無特殊限制。

矽擒縱與矽游絲的開發背後除了CSEM與ULYSSE NARDIN外，ROLEX、PATEK PHILIPPE、SWATCH集團亦積極參與，但僅限於材質共用，游絲的幾何形狀設計仍是兄弟爬山、各自努力。2006 年 PATEK PHILIPPE發表了全球首款量產的矽游絲腕錶Ref. 5350，搭載以Silinvar材質製成的擒縱系統，與同樣以Silinvar材質製成的 Spiromax矽游絲，矽游絲時代終於來臨！

而前述的聯合開發品牌也陸續發表了自家的矽游絲產品，如ROLEX的Syloxi、OMEGA的Si14等。而另一個值得觀察的，則是上述關於矽擒縱與矽游絲的專利已經於2022年到期，是否會有更多瑞士錶廠、甚至是非瑞士錶廠也跳下來加入矽游絲俱樂部的行列，也頗令人期待。

好了，經歷了漫長的350年，都已經發展到超級抗溫差抗磁場的矽材質了，游絲應該已經不是製錶業或消費者的「煩惱絲」了吧?但實情可能不是這麼完美。矽材質的高強度僅限於徑向（就是縮放的那個方向），在遇到徑向以外的衝擊或拉伸時會特別脆弱。某日系鐘錶品牌的技術人員，就曾經在我面前示範矽片是如何簡單的一坳即斷。這代表了矽游絲在日常使用上的侷限，以及組裝與維修時的困難度。

奈米碳管（Carbon Nanotube, CNT）是近年很常聽到的科技材質，這種中空的圓筒狀碳材由石墨烯片捲成，直徑約 0.4~100 奈米。其強度超越鋼材，但重量遠輕於前者。TAG HEUER曾於2019年發表了史上首個碳材質游絲，擁有矽游絲的全部優點，但比矽游絲更輕、更韌，而且可以承受各個方向的拉伸與壓縮，更號稱可以承受高達 5,000g 的衝擊加速度。其製程是在實驗室環境中，以化學氣相沉積（CVD）的方式，慢慢「長」出一根根直徑約 3~ 7 奈米的極細奈米碳管柱，像在晶圓基板上種出一片森林。接著再用特殊碳質材料把整體包覆起來，讓游絲既輕盈又具有彈性，還能承受極高的張力與變形應力。

不過TAG HEUER後來發現碳游絲在走時精度上有些不穩定，並查出是因為碳的多孔結構會吸收機芯內的水氣與潤滑油，導致物理性質改變，進而影響精度。而這也反映出錶廠開發一個全新游絲材質，所需面對的各種風險。

2025年的Geneva Watch Days上，TAG HEUER的碳游絲卷土重來，並重新命名為「TH-Carbonspring 前衛碳游絲」，並以特殊表面塗層的方式「堵住」碳結構的孔洞，讓碳游絲變得疏水又防油。在經歷了6年的韜光養晦後，再出發的兩只使用前衛碳游絲的錶款皆通過了 COSC 認證，精度上沒有問題，接下來就看能否通過消費者端的壓力測試，不過從各角度來看，TAG HEUER這次對於前衛碳游絲的再上場，可說是充滿了信心。

350年後，游絲除了外觀仍然是渦卷狀外，材質與性能早已不可同日而語。不過在更科技、更激進，連擺輪都不用的單一高頻振盪器模組，如ZENITH「Defy Lab」的面前，擺輪與游絲這對哥倆好是否還能持續制罷機械錶壇，延續這350年來的經典設計?可能還需時間來驗證。

※參考資料：

Watches by SJX，《Insight: Hairspring Materials and Evolution Part II》

MONOCHROME，《A Technical Perspective A Guide To The Hairspring, A Crucial Part Of The Movement (Technology, Manufacturing Process, Future Developments)》

MONOCHROME，《In-Depth The Future Of Silicon Hairsprings, Now That The Patent Has Expired?》

Quill & Pad，《Is Silicon Here To Stay In (Rolex) Watch Movements?》

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