近期，我司材料工程師嚴意宏以共同第一作者身份聯合發表《基于Zr基塊體金屬玻璃的鑄造溫度對可鑄性和玻璃形成能力的影響》，該研究團隊使用了一種簡單直觀的方法來量化兩種SIM卡槽的可鑄性和在不同鑄造溫度下的可鑄性，研究發現，Zr55Cu30Ni5Al10（Zr55）比Zr52.5Cu25Ni9.5Al7Ti6（Zr52.5）具有更寬的最佳鑄造溫度區域，但在最佳鑄造溫度區域，Zr52.5的可鑄性明顯優于Zr55，因為Zr52.5的熔點較低，對銅模具的潤濕性較差和較高的最佳鑄造溫度。這些結果有助于指導Zr基塊體金屬玻璃組分的生產，尤其是消費電子產品的精密部件，如智能手機框架、耳機框架、可折疊屏幕鉸鏈、SIM卡槽等。
該研究以題為“Influence of casting temperature on the castability and glass-forming ability of Zr-based bulk metallic glass”的研究文章發表于《Journal of Non-Crystalline Solids》SCI期刊上。
圖 1. 合金熔體在銅基板上凝固的過程示意圖以及銅制水冷裝置照片
本研究通過電弧熔化熔煉了重量為30 g的Zr55、Zr57和Zr52.5母合金，并通過急速冷卻系統將母合金加熱熔化，并注入銅模具中急速冷卻。在不同的鑄造溫度下，制備了直徑為1~5mm的圓柱形棒材、兩種SIM卡槽和標準片。并采用水冷式銅基板，模擬合金熔體在實際生產的水冷模具中的潤濕情況，再用滴定法測量合金熔體與銅基板的接觸角。
圖 2 . 不同鑄造溫度下由Zr55和Zr57合金鑄造的兩個SIM卡槽和標準片的外觀
如圖2 所示，在模具的頂部，圓柱狀流道逐漸過渡到肩部狀流道，其寬度與下面的SIM卡槽腔相匹配。SIM卡槽1的框架比SIM卡槽2更窄。 在920℃鑄造溫度下使用Zr55合金制備SIM卡槽1，有明顯的未填充的區域在空腔的最低處和側面，如虛線橢圓處所示。當鑄造溫度提高到940℃時，側面被填滿，但最低的部分仍然沒有完全填滿。只有當鑄造溫度達到950℃或950℃以上時，空腔可以完全填充，表明在使用Zr55合金制備SIM卡槽1的臨界鑄造溫度為950℃。使用相同合金時，SIM卡槽2也出現了類似的現象，臨界鑄造溫度降低到910℃，是因為合金熔體在更寬的框架腔內更容易流動。很明顯，SIM卡槽1比SIM卡槽2更難填充。然而，如何量化填充兩個槽腔的要求并不是一個簡單的問題?？梢哉f，當使用Zr55合金時，SIM卡槽1的臨界鑄造溫度比SIM卡遭2高40℃。然而，當使用Zr57合金時，SIM卡槽1和SIM卡槽2的臨界鑄造溫度增加到1030?C和960?C，相差70?C， 如圖2所示。這是因為Zr57具有比Zr55高的熔點T1，如圖3所示。因此，使用臨界鑄造溫度或其差異來量化或比較填充不同型腔的要求是不方便的。
這里采用了一種簡單直觀的方法來解決這個問題。用尺寸為0.5mm×10mm×70mm的細長型腔來制備標準片樣品。如圖2所示，分別在950℃臨界鑄造溫度用Zr55制備標準片和在1030℃臨界鑄造溫度用Zr57制備標準片，其有效長度分別是9.0mm和9.1mm。因此，填充SIM卡槽1的要求可以被認為等同于填充長度為9.0-9.1mm的標準片。同樣，填充SIM卡槽2的要求與填充長度為6.0-6.2mm的標準片的要求相同。因此，即使使用的合金具有完全不同的熔點，填充兩種SIM卡槽的要求也可以被量化，并且可以方便直觀地進行比較。另一方面，標準片也可用于量化合金在不同鑄造溫度下的可鑄性。
??
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 3.? 三種Zr基合金的熔化曲線? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 4. 在不同溫度下鑄造的標準片長度
圖 5. 銅基板上三種合金熔體凝固的接觸角，以及熔體凝固后的底部照片
Zr55的可鑄性比Zr57好，主要是由于Zr55的T1比Zr57要低（圖3所示），具有較低熔點的合金熔體在凝固前停留在液態的時間較長，因此能流入模腔內更深的位置。另一方面，Zr52.5的T1比Zr55的要更低，象征其可鑄性比Zr55好。在圖4中，在相同鑄造溫度下，Zr52.5的標準片總是比Zr55的標準片長，說明Zr52.5可鑄性比Zr55好，從而驗證了這一點。 此外，圖5顯示 Zr52.5的接觸角明顯大于Zr55，因此潤濕性比Zr55差。潤濕性較差的合金熔體不容易附在銅模具上，因此可以流動更順利。這是Zr52.5可鑄性優于Zr55的另一個重要原因。
? ??
? ? ? ? ?圖 6. 不同溫度下鑄造的Zr55和Zr52.5棒材的XRD圖譜? ? ? ? ? ? ? ? 圖. 7 Zr55和Zr52.5合金的玻璃形成能力隨鑄造溫度的變化
在每個溫度下制備兩個棒，一個顯示結晶峰，另一個具有非晶態結構，但直徑比前者小1 mm，如圖6所示。因此，較細棒材的直徑是在指定的鑄造溫度下可以獲得的臨界直徑。
圖7表明，隨著鑄造溫度的升高，Zr55金屬玻璃的直徑從3 mm緩慢增加到5 mm，然后迅速減少到只有1 mm，在Zr52.5中也觀察到類似的趨勢。這些現象表明，過低和過高的鑄造溫度對玻璃形成能力都是不利的。因此，提出了對于Zr基塊體金屬玻璃的最佳玻璃形成能力存在一個最佳的鑄造溫度區域。在960-1000℃的最佳鑄造溫度范圍內，區間40℃的Zr55可以形成直徑至少為5mm的玻璃棒材。在1030-1050℃的最佳鑄造溫度范圍內，區間20℃的Zr52.5可以形成直徑至少為5mm的玻璃棒材。Zr55最佳鑄造溫度范圍的區間較大。
Zr52.5的最適鑄造溫度明顯高于Zr55。Zr52.5的熔點較低且與銅的潤濕性較差，在其最佳鑄件溫度區域的可鑄性比Zr55好?；趫D7和圖4，在最佳鑄件溫度區域，Zr52.5的標準片長度為13.2-13.7mm，Zr55的標準片長度僅為9.0-10.5 mm。從生產的角度來看，重要的不是哪種合金具有更好的玻璃形成能力，而是哪種合金可以充分填充模腔，同時具有足夠的玻璃形成能力。對于小的組件，如圖2中所示的兩種SIM卡槽，生產要求合金的玻璃形成能力至少為2 mm，并且可以鑄造成長度至少為9.0 mm的標準片。Zr55和Zr52.5在其最佳鑄件溫度區域都能滿足這些要求。然而，對于智能手表和智能手機的框架等大型部件，合金熔體在凝固前需要填充一個更長的空腔。在這種情況下，雖然Zr55和Zr52.5都有足夠的玻璃形成能力，但在可鑄性方面的優勢使Zr52.5更適合生產。
該研究團隊成員如下：
（D.L. Ouyang），南昌航空大學金屬材料微觀結構控制重點實驗室
（Y.H. Yan），深圳市飛榮達科技股份有限公司
（S.S. Chen），安徽工業大學材料科學與工程學院
（D. Huang），華盛頓大學西雅圖分校工程學院
（Z.R. Wang），江西科學院應用物理研究所
（X. Cui），南昌航空大學金屬材料微觀結構控制重點實驗室
（Q. Hu），江西科學院應用物理研究所
（S. Guo），查爾默斯理工大學工業與材料科學