近期，我司材料工程师严意宏以共同第一作者身份联合发表《基于Zr基块体金属玻璃的铸造温度对可铸性和玻璃形成能力的影响》，该研究团队使用了一种简单直观的方法来量化两种SIM卡槽的可铸性和在不同铸造温度下的可铸性，研究发现，Zr55Cu30Ni5Al10（Zr55）比Zr52.5Cu25Ni9.5Al7Ti6（Zr52.5）具有更宽的最佳铸造温度区域，但在最佳铸造温度区域，Zr52.5的可铸性明显优于Zr55，因为Zr52.5的熔点较低，对铜模具的润湿性较差和较高的最佳铸造温度。这些结果有助于指导Zr基块体金属玻璃组分的生产，尤其是消费电子产品的精密部件，如智能手机框架、耳机框架、可折叠屏幕铰链、SIM卡槽等。
该研究以(yi)题为(wei)“Influence of casting temperature on the castability and glass-forming ability of Zr-based bulk metallic glass”的研究文章(zhang)发(fa)表于《Journal of Non-Crystalline Solids》SCI期刊上(shang)。
图 1. 合(he)金熔体在(zai)铜基板上凝(ning)固(gu)的过程示意图以(yi)及铜制水冷装置照(zhao)片
本研究通(tong)过电(dian)弧熔化熔炼了重量为30 g的Zr55、Zr57和(he)Zr52.5母(mu)合(he)(he)金，并通(tong)过急速(su)(su)冷却系(xi)统(tong)将(jiang)母(mu)合(he)(he)金加热(re)熔化，并注(zhu)入铜模(mo)具中急速(su)(su)冷却。在不同(tong)的铸造温度下，制备了直径为1~5mm的圆柱形棒(bang)材(cai)、两种SIM卡槽和(he)标(biao)准片。并采用水(shui)冷式铜基板，模(mo)拟合(he)(he)金熔体(ti)(ti)在实际生产的水(shui)冷模(mo)具中的润湿(shi)情况，再用滴定(ding)法测量合(he)(he)金熔体(ti)(ti)与铜基板的接触角。
图(tu) 2 . 不同铸造温度下由Zr55和Zr57合金铸造的两个(ge)SIM卡槽和标准片的外观
如图(tu)2 所(suo)示，在模具的(de)(de)(de)(de)顶部(bu)，圆(yuan)柱状(zhuang)流道逐(zhu)渐(jian)过(guo)渡到(dao)(dao)肩部(bu)状(zhuang)流道，其宽(kuan)度(du)与下面的(de)(de)(de)(de)SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)腔(qiang)相匹配。SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)1的(de)(de)(de)(de)框架比(bi)(bi)SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)2更窄。 在920℃铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)下使(shi)(shi)用(yong)(yong)Zr55合(he)(he)金制(zhi)备SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)1，有明(ming)(ming)显的(de)(de)(de)(de)未填充的(de)(de)(de)(de)区域在空(kong)腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)最(zui)低处和侧面，如虚线(xian)椭圆(yuan)处所(suo)示。当(dang)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)提高(gao)到(dao)(dao)940℃时(shi)，侧面被填满，但最(zui)低的(de)(de)(de)(de)部(bu)分仍然没(mei)有完全填满。只有当(dang)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)达到(dao)(dao)950℃或(huo)950℃以(yi)(yi)上时(shi)，空(kong)腔(qiang)可以(yi)(yi)完全填充，表明(ming)(ming)在使(shi)(shi)用(yong)(yong)Zr55合(he)(he)金制(zhi)备SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)1的(de)(de)(de)(de)临界(jie)(jie)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)为(wei)950℃。使(shi)(shi)用(yong)(yong)相同合(he)(he)金时(shi)，SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)2也(ye)出现了类似的(de)(de)(de)(de)现象(xiang)，临界(jie)(jie)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)降低到(dao)(dao)910℃，是因为(wei)合(he)(he)金熔(rong)体在更宽(kuan)的(de)(de)(de)(de)框架腔(qiang)内更容易流动。很(hen)明(ming)(ming)显，SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)1比(bi)(bi)SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)2更难填充。然而，如何量化(hua)(hua)填充两个(ge)槽(cao)(cao)腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)并不(bu)是一个(ge)简单的(de)(de)(de)(de)问(wen)题(ti)。可以(yi)(yi)说，当(dang)使(shi)(shi)用(yong)(yong)Zr55合(he)(he)金时(shi)，SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)1的(de)(de)(de)(de)临界(jie)(jie)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)比(bi)(bi)SIM卡(ka)(ka)(ka)遭(zao)2高(gao)40℃。然而，当(dang)使(shi)(shi)用(yong)(yong)Zr57合(he)(he)金时(shi)，SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)1和SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)(cao)2的(de)(de)(de)(de)临界(jie)(jie)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)增加到(dao)(dao)1030◦C和960◦C，相差(cha)(cha)70◦C， 如图(tu)2所(suo)示。这是因为(wei)Zr57具有比(bi)(bi)Zr55高(gao)的(de)(de)(de)(de)熔(rong)点T1，如图(tu)3所(suo)示。因此(ci)，使(shi)(shi)用(yong)(yong)临界(jie)(jie)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)度(du)或(huo)其差(cha)(cha)异来量化(hua)(hua)或(huo)比(bi)(bi)较填充不(bu)同型(xing)腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)是不(bu)方便的(de)(de)(de)(de)。
这里采用(yong)(yong)了一(yi)种(zhong)简单(dan)直观的(de)(de)方(fang)法(fa)来解决这个问题。用(yong)(yong)尺寸为(wei)0.5mm×10mm×70mm的(de)(de)细(xi)长(zhang)(zhang)型腔来制(zhi)备标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)片(pian)(pian)样品(pin)。如图2所示，分(fen)别在(zai)950℃临界铸造(zao)温(wen)度(du)(du)用(yong)(yong)Zr55制(zhi)备标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)片(pian)(pian)和(he)在(zai)1030℃临界铸造(zao)温(wen)度(du)(du)用(yong)(yong)Zr57制(zhi)备标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)片(pian)(pian)，其有(you)效长(zhang)(zhang)度(du)(du)分(fen)别是9.0mm和(he)9.1mm。因(yin)此，填(tian)充(chong)(chong)SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)1的(de)(de)要(yao)求(qiu)可(ke)(ke)以被(bei)认(ren)为(wei)等同于填(tian)充(chong)(chong)长(zhang)(zhang)度(du)(du)为(wei)9.0-9.1mm的(de)(de)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)片(pian)(pian)。同样，填(tian)充(chong)(chong)SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)2的(de)(de)要(yao)求(qiu)与填(tian)充(chong)(chong)长(zhang)(zhang)度(du)(du)为(wei)6.0-6.2mm的(de)(de)标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)片(pian)(pian)的(de)(de)要(yao)求(qiu)相同。因(yin)此，即(ji)使使用(yong)(yong)的(de)(de)合金(jin)(jin)具(ju)有(you)完全不(bu)(bu)同的(de)(de)熔点，填(tian)充(chong)(chong)两种(zhong)SIM卡(ka)(ka)(ka)槽(cao)的(de)(de)要(yao)求(qiu)也(ye)可(ke)(ke)以被(bei)量化(hua)，并且可(ke)(ke)以方(fang)便直观地(di)进行(xing)比较。另一(yi)方(fang)面，标(biao)(biao)准(zhun)(zhun)片(pian)(pian)也(ye)可(ke)(ke)用(yong)(yong)于量化(hua)合金(jin)(jin)在(zai)不(bu)(bu)同铸造(zao)温(wen)度(du)(du)下的(de)(de)可(ke)(ke)铸性。
图 3. 三种Zr基合(he)金的(de)熔化曲线 图 4. 在不(bu)同(tong)温度(du)下铸造的(de)标准(zhun)片(pian)长度(du)
图 5. 铜(tong)基板上(shang)三种合金熔体凝固的接触角(jiao)，以及熔体凝固后的底(di)部(bu)照片
Zr55的(de)(de)(de)(de)可铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)性(xing)(xing)比(bi)Zr57好，主(zhu)要是由于(yu)Zr55的(de)(de)(de)(de)T1比(bi)Zr57要低(di)(di)（图(tu)3所示），具有较低(di)(di)熔(rong)点的(de)(de)(de)(de)合金熔(rong)体(ti)在(zai)凝(ning)固前停留(liu)在(zai)液态的(de)(de)(de)(de)时间较长，因(yin)此(ci)(ci)(ci)能流入模腔内更深的(de)(de)(de)(de)位置。另一(yi)方面，Zr52.5的(de)(de)(de)(de)T1比(bi)Zr55的(de)(de)(de)(de)要更低(di)(di)，象征其可铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)性(xing)(xing)比(bi)Zr55好。在(zai)图(tu)4中，在(zai)相同铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)造温度下，Zr52.5的(de)(de)(de)(de)标准片总是比(bi)Zr55的(de)(de)(de)(de)标准片长，说明Zr52.5可铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)性(xing)(xing)比(bi)Zr55好，从而验证了这(zhei)一(yi)点。 此(ci)(ci)(ci)外，图(tu)5显示 Zr52.5的(de)(de)(de)(de)接触角明显大于(yu)Zr55，因(yin)此(ci)(ci)(ci)润湿性(xing)(xing)比(bi)Zr55差。润湿性(xing)(xing)较差的(de)(de)(de)(de)合金熔(rong)体(ti)不容易附在(zai)铜模具上，因(yin)此(ci)(ci)(ci)可以流动更顺利。这(zhei)是Zr52.5可铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)性(xing)(xing)优于(yu)Zr55的(de)(de)(de)(de)另一(yi)个重要原(yuan)因(yin)。
图(tu) 6. 不同温度(du)下铸造的(de)Zr55和Zr52.5棒(bang)材(cai)的(de)XRD图(tu)谱(pu) 图(tu). 7 Zr55和Zr52.5合金的(de)玻璃形(xing)成能(neng)力随铸造温度(du)的(de)变化
在(zai)每(mei)个(ge)温度下制(zhi)备(bei)两个(ge)棒，一(yi)个(ge)显示(shi)结(jie)晶峰，另一(yi)个(ge)具有非晶态结(jie)构，但直(zhi)径比前者(zhe)小1 mm，如(ru)图6所示(shi)。因(yin)此，较细棒材的(de)(de)直(zhi)径是(shi)在(zai)指定的(de)(de)铸造温度下可以获得的(de)(de)临界直(zhi)径。
图7表明，随着铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)(wen)度的(de)(de)(de)(de)升高，Zr55金属玻(bo)(bo)(bo)璃的(de)(de)(de)(de)直径(jing)从3 mm缓慢增加到(dao)5 mm，然(ran)后(hou)迅(xun)速减少(shao)到(dao)只有1 mm，在(zai)Zr52.5中也观察(cha)到(dao)类似的(de)(de)(de)(de)趋(qu)势。这些现象表明，过低和过高的(de)(de)(de)(de)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)(wen)度对(dui)玻(bo)(bo)(bo)璃形(xing)成能力(li)都(dou)是不(bu)利的(de)(de)(de)(de)。因此，提出(chu)了对(dui)于Zr基块(kuai)体金属玻(bo)(bo)(bo)璃的(de)(de)(de)(de)最佳(jia)玻(bo)(bo)(bo)璃形(xing)成能力(li)存在(zai)一个最佳(jia)的(de)(de)(de)(de)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)(wen)度区(qu)域。在(zai)960-1000℃的(de)(de)(de)(de)最佳(jia)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)(wen)度范(fan)围(wei)内，区(qu)间40℃的(de)(de)(de)(de)Zr55可以形(xing)成直径(jing)至少(shao)为(wei)5mm的(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)(bo)璃棒(bang)材。在(zai)1030-1050℃的(de)(de)(de)(de)最佳(jia)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)(wen)度范(fan)围(wei)内，区(qu)间20℃的(de)(de)(de)(de)Zr52.5可以形(xing)成直径(jing)至少(shao)为(wei)5mm的(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)(bo)璃棒(bang)材。Zr55最佳(jia)铸(zhu)造(zao)(zao)温(wen)(wen)度范(fan)围(wei)的(de)(de)(de)(de)区(qu)间较大(da)。
Zr52.5的(de)(de)最(zui)适铸(zhu)(zhu)造温(wen)度(du)明显高于Zr55。Zr52.5的(de)(de)熔(rong)点较(jiao)低(di)且与(yu)铜的(de)(de)润(run)湿性较(jiao)差，在(zai)其最(zui)佳铸(zhu)(zhu)件(jian)温(wen)度(du)区域(yu)的(de)(de)可(ke)(ke)铸(zhu)(zhu)性比Zr55好。基于图(tu)7和(he)图(tu)4，在(zai)最(zui)佳铸(zhu)(zhu)件(jian)温(wen)度(du)区域(yu)，Zr52.5的(de)(de)标(biao)(biao)准片(pian)长度(du)为(wei)13.2-13.7mm，Zr55的(de)(de)标(biao)(biao)准片(pian)长度(du)仅为(wei)9.0-10.5 mm。从生(sheng)产(chan)的(de)(de)角度(du)来看，重要的(de)(de)不是(shi)哪(na)种(zhong)合(he)(he)金(jin)具有(you)更(geng)好的(de)(de)玻璃形成(cheng)能力，而(er)是(shi)哪(na)种(zhong)合(he)(he)金(jin)可(ke)(ke)以充(chong)分填充(chong)模腔(qiang)，同时具有(you)足(zu)(zu)够(gou)的(de)(de)玻璃形成(cheng)能力。对于小的(de)(de)组件(jian)，如图(tu)2中(zhong)所(suo)示的(de)(de)两种(zhong)SIM卡(ka)槽，生(sheng)产(chan)要求合(he)(he)金(jin)的(de)(de)玻璃形成(cheng)能力至少为(wei)2 mm，并且可(ke)(ke)以铸(zhu)(zhu)造成(cheng)长度(du)至少为(wei)9.0 mm的(de)(de)标(biao)(biao)准片(pian)。Zr55和(he)Zr52.5在(zai)其最(zui)佳铸(zhu)(zhu)件(jian)温(wen)度(du)区域(yu)都(dou)能满足(zu)(zu)这些(xie)要求。然而(er)，对于智能手表和(he)智能手机的(de)(de)框架(jia)等大型部件(jian)，合(he)(he)金(jin)熔(rong)体在(zai)凝固前需要填充(chong)一个更(geng)长的(de)(de)空腔(qiang)。在(zai)这种(zhong)情况(kuang)下，虽然Zr55和(he)Zr52.5都(dou)有(you)足(zu)(zu)够(gou)的(de)(de)玻璃形成(cheng)能力，但在(zai)可(ke)(ke)铸(zhu)(zhu)性方面的(de)(de)优势(shi)使Zr52.5更(geng)适合(he)(he)生(sheng)产(chan)。
该(gai)研究(jiu)团队成员如下：
（D.L. Ouyang），南昌航空大学金(jin)属材料(liao)微(wei)观(guan)结构控制重点(dian)实验(yan)室
（Y.H. Yan），深(shen)圳市飞荣达(da)科技股(gu)份有限公司
（S.S. Chen），安(an)徽工业大学(xue)材料科学(xue)与工程学(xue)院
（D. Huang），华盛顿大学西雅图分校工程学院(yuan)
（Z.R. Wang），江(jiang)西科学院应(ying)用物理研究所
（X. Cui），南(nan)昌航空大学金属材料(liao)微观(guan)结构控制重点实验室(shi)
（Q. Hu），江西科(ke)学(xue)院应用物理研究所
（S. Guo），查(cha)尔默斯(si)理工(gong)大学(xue)工(gong)业与材(cai)料科学(xue)