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Zr_52.5Cu₂₅Ni_9.5Al₇Ti₆（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。

该研究以题为“Influence of casting temperature on the castability and glass-forming ability of Zr-based bulk metallic glass”的研究文章发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》SCI期刊上。

图 1. 合金熔体在铜基板上凝固的过程示意图以及铜制水冷装置照片

本研究通过电弧熔化熔炼了重量为30 g的Zr55、Zr57和Zr52.5母合金，并通过急速冷却系统将母合金加热熔化，并注入铜模具中急速冷却。在不同的铸造温度下，制备了直径为1~5mm的圆柱形棒材、两种SIM卡槽和标准片。并采用水冷式铜基板，模拟合金熔体在实际生产的水冷模具中的润湿情况，再用滴定法测量合金熔体与铜基板的接触角。

图 2 . 不同铸造温度下由Zr55和Zr57合金铸造的两个SIM卡槽和标准片的外观

如图2 所示，在模具的顶部，圆柱状流道逐渐过渡到肩部状流道，其宽度与下面的SIM卡槽腔相匹配。SIM卡槽1的框架比SIM卡槽2更窄。 在920℃铸造温度下使用Zr55合金制备SIM卡槽1，有明显的未填充的区域在空腔的最低处和侧面，如虚线椭圆处所示。当铸造温度提高到940℃时，侧面被填满，但最低的部分仍然没有完全填满。只有当铸造温度达到950℃或950℃以上时，空腔可以完全填充，表明在使用Zr55合金制备SIM卡槽1的临界铸造温度为950℃。使用相同合金时，SIM卡槽2也出现了类似的现象，临界铸造温度降低到910℃，是因为合金熔体在更宽的框架腔内更容易流动。很明显，SIM卡槽1比SIM卡槽2更难填充。然而，如何量化填充两个槽腔的要求并不是一个简单的问题。可以说，当使用Zr55合金时，SIM卡槽1的临界铸造温度比SIM卡遭2高40℃。然而，当使用Zr57合金时，SIM卡槽1和SIM卡槽2的临界铸造温度增加到1030◦C和960◦C，相差70◦C， 如图2所示。这是因为Zr57具有比Zr55高的熔点T1，如图3所示。因此，使用临界铸造温度或其差异来量化或比较填充不同型腔的要求是不方便的。

这里采用了一种简单直观的方法来解决这个问题。用尺寸为0.5mm×10mm×70mm的细长型腔来制备标准片样品。如图2所示，分别在950℃临界铸造温度用Zr55制备标准片和在1030℃临界铸造温度用Zr57制备标准片，其有效长度分别是9.0mm和9.1mm。因此，填充SIM卡槽1的要求可以被认为等同于填充长度为9.0-9.1mm的标准片。同样，填充SIM卡槽2的要求与填充长度为6.0-6.2mm的标准片的要求相同。因此，即使使用的合金具有完全不同的熔点，填充两种SIM卡槽的要求也可以被量化，并且可以方便直观地进行比较。另一方面，标准片也可用于量化合金在不同铸造温度下的可铸性。

                                              图 3.  三种Zr基合金的熔化曲线                                              图 4. 在不同温度下铸造的标准片长度

图 5. 铜基板上三种合金熔体凝固的接触角，以及熔体凝固后的底部照片

Zr55的可铸性比Zr57好，主要是由于Zr55的T1比Zr57要低（图3所示），具有较低熔点的合金熔体在凝固前停留在液态的时间较长，因此能流入模腔内更深的位置。另一方面，Zr52.5的T1比Zr55的要更低，象征其可铸性比Zr55好。在图4中，在相同铸造温度下，Zr52.5的标准片总是比Zr55的标准片长，说明Zr52.5可铸性比Zr55好，从而验证了这一点。 此外，图5显示 Zr52.5的接触角明显大于Zr55，因此润湿性比Zr55差。润湿性较差的合金熔体不容易附在铜模具上，因此可以流动更顺利。这是Zr52.5可铸性优于Zr55的另一个重要原因。

         图 6. 不同温度下铸造的Zr55和Zr52.5棒材的XRD图谱                图. 7 Zr55和Zr52.5合金的玻璃形成能力随铸造温度的变化

在每个温度下制备两个棒，一个显示结晶峰，另一个具有非晶态结构，但直径比前者小1 mm，如图6所示。因此，较细棒材的直径是在指定的铸造温度下可以获得的临界直径。

图7表明，随着铸造温度的升高，Zr55金属玻璃的直径从3 mm缓慢增加到5 mm，然后迅速减少到只有1 mm，在Zr52.5中也观察到类似的趋势。这些现象表明，过低和过高的铸造温度对玻璃形成能力都是不利的。因此，提出了对于Zr基块体金属玻璃的最佳玻璃形成能力存在一个最佳的铸造温度区域。在960-1000℃的最佳铸造温度范围内，区间40℃的Zr55可以形成直径至少为5mm的玻璃棒材。在1030-1050℃的最佳铸造温度范围内，区间20℃的Zr52.5可以形成直径至少为5mm的玻璃棒材。Zr55最佳铸造温度范围的区间较大。

Zr52.5的最适铸造温度明显高于Zr55。Zr52.5的熔点较低且与铜的润湿性较差，在其最佳铸件温度区域的可铸性比Zr55好。基于图7和图4，在最佳铸件温度区域，Zr52.5的标准片长度为13.2-13.7mm，Zr55的标准片长度仅为9.0-10.5 mm。从生产的角度来看，重要的不是哪种合金具有更好的玻璃形成能力，而是哪种合金可以充分填充模腔，同时具有足够的玻璃形成能力。对于小的组件，如图2中所示的两种SIM卡槽，生产要求合金的玻璃形成能力至少为2 mm，并且可以铸造成长度至少为9.0 mm的标准片。Zr55和Zr52.5在其最佳铸件温度区域都能满足这些要求。然而，对于智能手表和智能手机的框架等大型部件，合金熔体在凝固前需要填充一个更长的空腔。在这种情况下，虽然Zr55和Zr52.5都有足够的玻璃形成能力，但在可铸性方面的优势使Zr52.5更适合生产。

该研究团队成员如下：

（D.L. Ouyang），南昌航空大学金属材料微观结构控制重点实验室

（Y.H. Yan），威尼斯wns·8885556

（S.S. Chen），安徽工业大学材料科学与工程学院

（D. Huang），华盛顿大学西雅图分校工程学院

（Z.R. Wang），江西科学院应用物理研究所

（X. Cui），南昌航空大学金属材料微观结构控制重点实验室

（Q. Hu），江西科学院应用物理研究所

（S. Guo），查尔默斯理工大学工业与材料科学