Рубиновые камни в часах: как советская трибология и лабораторный корунд защищали механику от износа

Когда мы смотрим на циферблат советских часов «Ракета», «Полет» или «Восток» и видим надписи «17 камней» или «23 камня», легко поддаться стереотипу, что это элемент декора или признак роскоши. На самом деле маркетинг здесь ни при чем. Использование искусственных рубинов в часовых калибрах диктовалось советскими ГОСТами и законами трибологии — науки, изучающей трение и износ деталей. Это техническое решение, без которого механические часы не смогли бы проработать долго без потери точности.

Почему пара «сталь по латуни» непригодна для точной механики

Проблема, с которой столкнулись инженеры Первого и Второго Московских часовых заводов при проектировании первых массовых калибров, заключалась в физике работы микроскопических узлов трения.

Цапфы (кончики осей) баланса, анкерной вилки и колесной системы изготавливали из жесткой углеродистой часовой стали марок А75 или У10А-Х. Их диаметр в наручных часах составлял от 0.1 до 0.07 мм. Если бы эти стальные оси вращались непосредственно в отверстиях, проделанных в латунных (чаще всего марки ЛС59-1) платинах и мостах, механизм быстро выходил бы из строя по трем причинам:

• Адгезионный износ. Под постоянным давлением заведенной заводной пружины микронеровности стальной цапфы и латунного отверстия цеплялись бы друг за друга на молекулярном уровне. При движении это приводило бы к постепенному вырыванию микрочастиц мягкой латуни.
• Абразивная паста. Оторвавшиеся частицы латуни и стальная пыль на воздухе окисляются, превращаясь в твердые оксиды (CuO, ZnO, Fe2O3). Смешиваясь с костным или вазелиновым часовым маслом, эта смесь превращается в абразивную пасту. Она начинает растачивать круглое отверстие в латуни, превращая его в эллипс.
• Нарушение зазоров (люфт). Как только геометрия отверстия нарушается, ось смещается и наклоняется. В результате зубья колес начинают зацепляться под неправильным углом, трение растет, передача энергии нарушается, и часы начинают сильно отставать или полностью останавливаются.

Как метод Вернейля помог советскому часпрому

Инженеры решили проблему, заменив латунные подшипники скольжения на искусственный рубин. С точки зрения химии это монокристалл оксида алюминия (Al2O3), то есть альфа-разновидность корунда. В СССР его производство развернули в промышленных масштабах. Основными поставщиками сырья стали Заводы точных технических камней: ТТК-1 в Петергофе (позже ставший Петродворцовым часовым заводом) и ТТК-2 в Кусе.

Синтетический корунд выращивали по методу Вернейля. Порошок чистого оксида алюминия смешивали с небольшим количеством оксида хрома Cr2O3 (около 1.5-2% для получения розового цвета) и просеивали через пламя водородно-кислородной горелки, где температура превышала 2050 градусов Цельсия. Расплавленные капли падали на подложку, постепенно остывая и образуя цилиндрический кристалл — булю.

Корунд имеет тригональную сингонию, что дает ему стабильную кристаллическую структуру. Его твердость по шкале Мооса равна 9 (выше только у алмаза). Стальная часовая ось не может оставить на нем выработку. Кроме того, искусственный рубин поддается алмазной полировке до 14-го класса чистоты поверхности (зеркальный блеск).

В паре «полированная сталь — полированный рубин» при наличии жидкой смазки коэффициент трения составляет всего 0.07-0.11 (при сухом трении — около 0.15). Это позволило свести к минимуму потери энергии в колесной системе (ангренаже).

Классификация часовых камней по функциям

Количество камней в часах строго регламентировалось техническими условиями. Каждый кристалл подбирался под конкретную задачу:

Удержание смазки и реальный ресурс

Помимо механической прочности, инженеры использовали еще одно свойство рубина — его поверхностную энергию. На торце сквозного камня делают небольшое углубление — масленку. Благодаря физико-химическим свойствам корунда и поверхностному натяжению специальных масел (например, советских МЗП-6 или МЦ-3), смазка не растекается по латунной плате. Она держится в виде устойчивой капли прямо вокруг вращающейся стальной цапфы.

Именно стабильность пары трения «сталь — рубин» позволила советским часовым калибрам — от ультратонкого «Полета 2209» до массового автоматического «Востока 2416Б» — работать десятилетиями. Камни не спасали от необходимости регулярно обновлять смазку, но они полностью решили проблему механического износа посадочных мест, сохранив точность хода часов на долгие годы.