В 1740 г. английский часовой мастер Беджамен Гентсман изобрел тигельный способ получения литейной стали, чем совершил технический переворот в производстве стали, необходимой для изготовления часовых пружин. В созданной им сталелитейной фабрике в Хенсворде близ Шеффильда Гентсман плавил сварочную сталь в тигле, пока она не отделялась от шлака, и получал однородную по составу литую сталь, пригодную для изготовления часовых спиралей. До того сталь для часовых пружин получалась только способом цементации железа, что занимало много времени и не обеспечивало получения стали, однородной по составу, т. е. свободной от включения в нее шлака или окиси кремния, делавшим пружины либо слишком мягкими, либо слишком хрупкими.
Хотя изобретение Гентсмана предвещало существенный прогресс в производстве стали и имело большое значение для развития часовой индустрии, оно не сразу было подхвачено в Англии, и до 1770 г. производство тигельной стали находилось в зачаточном состоянии. В 1787 г. в Шеффильдё имелось 11 фирм, занимавшихся производством литой стали по способу Гентсмана. Ведущую роль среди них играла фирма «Гентсман и сын».
У стали имеется недостаток — она подвержена коррозии, а качество ржа вой спиральной пружины ухудшается. Даже появление одного ржавого пятнышка может повлиять на точность хода часов. Между тем очень трудно предохранить часы от действия влажного воздуха и других факторов, способствующих ржавлению пружины. Было много попыток покрывать сталь неокисляющимся слоем (например, золотом) для защиты пружин от ржавчины. Однако золочение привело к результату как раз противоположному. Золото по отношению к стали — электроотрицательный элемент, поэтому позолоченная стальная пружина составляет гальваническую пару, от тока которой сталь окисляется гораздо быстрее, чем от действия одного воздуха. В 70-х годах прошлого века в Швейцарии было изготовлено большое количество спиральных золоченых пружин, но они через короткое время испортились, наглядно показав непригодность такого нововведения.
Могло бы помочь делу оцинкование, но пружины требовалось покрывать слоем значительной толщины, что отрицательно сказывалось на их упругости. На том же основании отказались от применения в качестве защитного покрытия лаков. Кроме того, покрытые лаком витки пружины слипаются, что тоже нарушает правильный ход часов.
Придя к убеждению, что никакое защитное покрытие не достигает цели, часовые мастера решили действовать более радикально —• заменить стальные пружины пружинами из другого металла.
Иридистая или так называемая твердая платина совершенно не подвержена коррозии, и коэффициент ее линейного расширения намного меньше коэффициента линейного расширения стали, однако она не может заменить сталь, поскольку имеет большой удельный вес, намного превышающий удельный вес стали (соотношение 21 : 8).
Серебро — мало подверженный коррозии металл и в виде сплавов с другими металлами имеет достаточную упругость. Этот металл мог бы заменить сталь для часовых пружин, если бы не имел столь значительного коэффициента линейного расширения. Часы с серебряными пружинами нуждаются в еще большей температурной компенсации, чем часы со стальными пружинами. По этой же причине не может быть использована алюминиевая бронза, хотя по упругости, малому удельному весу и слабой подверженности коррозии она и могла бы подойти в качестве материала для спирали.
Никель по коэффициенту линейного расширения и плотности очень близок к стали, но, как и сталь, подвержен коррозии. Он обладает малой вяз костью и ковкостью. Ферроникелевые сплавы, однако, оказались, как мы убедимся ниже, наиболее пригодными для спиральных пружин. Из всех металлов наиболее пригодным, для часовых пружин оказалось золото, и большая часть опытов была проведена именно с ним. Но в чистом виде золото — мягкий и плотный металл, поэтому оно может быть использовано только в сплавах.
В 1825 г. Ф. Гуриент (1743—1830) опубликовал результаты своих опытов по определению изохронности спиральных пружин, изготовленных из сплава золота е самой чистой медью и серебром. Такие пружины, закаливаемые, как и сталь, сохраняют свою упругость даже при очень высокой температуре, но их коэффициент линейного расширения больше, чем у стальных пружин, поэтому при их применении требуется надлежащая компенсация. Знаменитый копенгагенский часовщик Юргенсон по поручению правительства изготовил хронометр с пружиной из сплава золота. В течение тридцати лет этот хронометр использовался на разных кораблях и его ход все время оставался безупречным, хотя подвергался и большим колебаниям температуры и другим неблагоприятным влияниям.
Однако, несмотря на очевидные успехи применения пружин из сплава золота, последние все же не получили широкого распространения. Часовщики скоро вновь вернулись к стальным пружинам. Причина заключалась не столько в недостатках нового материала, сколько в неумелом его применении. Так, например, золотые пружины ставили в часы, не имеющие компенсационного устройства. Но такие часы не могли иметь хороший вид (одна из причин — золото с повышением температуры расширяется сильнее, чем сталь).
Известный немецкий часовой мастер Ланге (1815—1875) предложил для изготовления часовых спиральных пружин использовать сплавы алюминия. Первый сплав содержал 100 частей алюминия и 5 частей серебра, второй —
5 частей алюминия и 90 частей меди. На эти сплавы Ланге получил патент в США. Пружины из его сплавов были легче стальных при тех же размерах, не окислялись, не были подвержены магнитным влияниям и, не будучи столь хрупкими, как стальные, не уступали последним ни в твердости, ни в упру гости.
Известны также опыты, произведенные англичанином Дентом в 1833 г., по применению для спирали стекла. Было установлено, что такие спирали малочувствительны к изменению температуры. Однако от применения стекла пришлось отказаться ввиду ряда неудобств.
В 1877 г. Пиллард установил, что ценные сплавы для часов можно по лучить путем соединения палладия с медью и другими металлами. Спирали, изготовленные из сплава палладия, не магнитны и коррозийно стойки; их, однако, применяли в паре с разрезным балансом.
Спирали из сплава палладия применялись в хронометрах, изготовлявшихся в Петербурге в мастерских А. Эриксона и в Англии рядом часовых фирм.
В 1910 г. поиски материала для спиралей получили другое направление, когда Шарлем Эдуардом Гильомом (1861—1938) был изобретен ферроникелевый сплав, который он назвал «элинваром»; последний представлял собой сплав никеля и стали с добавлением хрома. Элинвар имел ряд преимуществ по сравнению с инваром — сплавом никеля и стали. Элинвар тверже инвара и в этом отношении вполне заменяет его; он малочувствителен к воздействию температуры, является немагнитным и мало подвержен действию коррозии.
Однако простой монометаллический баланс в паре с элинварной спиралью не дает достаточно удовлетворительной компенсации. Температурная ошибка хода в 0,5—2,5 с на 1o С при современных требованиях к точности хода часов, работающих в большом интервале температур, не может быть признана удовлетворительной. Элинвар недостаточно удовлетворителен не только в этом отношении, но и не обладает такой твердостью, как сталь. Поэтому на практике приходится проявлять большую осторожность в обращении со спиралью, изготовленной из элинвара. При применении его в паре с монометаллическим балансом требуется дополнительная температурная компенсация.
Недостатки, свойственные элинвару, удалось устранить благодаря изобретению в 1920 г. Карлом Гаазом из Шрамберга (Германия) ферроникелевого сплава с добавкой бериллия, вольфрама и молибдена, известного теперь под маркой «ниварокс». Этот сплав имеет низкий коэффициент линейного расширения и сохраняет упругость при температурах выше тех, в которых обычно работают часы. Сплав немагнитный и коррозионно-стойкий. Спираль из него с монометаллическим нейзильберовым ободом баланса дает хорошие результаты без какой-либо дополнительной компенсации.
В Швейцарии Р. Штрауман предложил ферроникелевый сплав с присадкой хрома и титана, обладающей свойствами, близкими к нивароксу. Близок к нивароксу также ферроникелевый сплав глюдидюр (название от старого наименования бериллия — глюциний).
В 1941 г. английская фирма «Телкон» изготовила сплав хроновар. Примедный состав его: углерод — 0,75%, никель —35,5%, молибден —0,5%, хром —9% , марганец—1,7%, остальное — железо. Особенностью хроноварной проволоки является небольшой температурный коэффициент упругости, большая сопротивляемость коррозии и достаточная антимагнитность. Известен также сплав метаэлинвар. По сравнению с обычным элинваром метаэлинвар имеет дополнительные примеси — молибден и ванадий.
Необходимо упомянуть еще о существовании сплава дюринвала, который относится к числу ферроникелевых сплавов с добавкой алюминия, титана и других присадок. Он поддается упрочению посредством закалки и отпуска. Имеются также и более новые сплавы для изготовления заводных пружин. В США появился сплав элжилой, из которого можно изготовлять антикоррозийные, антимагнитные и износостойкие заводные пружины.
Л. Дефоссе в декабрьском номере журнала . «Suisse d’Horlogerie» за 1950 г. в свете новейших данных и фактов доказывает, что применение более совершенных сплавов в часостроении во многом облегчает решение задач, связанных с регулированием хода часов, и, что не менее важно, способствует значительному устранению отрицательного влияния на их ход неуравновешенности баланса, изменений температуры, барометрического давления, магнетизма, центробежных сил, трения н других отрицательно действующих фак торов.
По свидетельству Дефоссе, разработкой проблем, имеющих отношение к регулированию хода карманных и наручных часов, весьма успешно занимаются исследовательские лаборатории в Невшателе и Безансоне. Он указывает на Гаага и Жакеро как на ученых, сумевших приблизиться к решению этих проблем.