新材料應(yīng)用探索之非晶態(tài)合金

剛剛落下帷幕的SIHH2019再一次向業(yè)界展示了瑞士高級(jí)制表技藝的精彩和嘆為觀止，而瑞士高級(jí)制表領(lǐng)域不斷跨界應(yīng)用新材料的創(chuàng)新舉措則持續(xù)推動(dòng)著其產(chǎn)品功能和質(zhì)量的與時(shí)俱進(jìn)，或者說為傳統(tǒng)手表技術(shù)發(fā)展開拓出更高遠(yuǎn)的自由空間。

創(chuàng)立于1860年的豪雅今年推出了號(hào)稱“開創(chuàng)全球制表業(yè)歷史”的碳復(fù)合材質(zhì)游絲，以克服和彌補(bǔ)傳統(tǒng)的恒彈性合金游絲和硬材料硅游絲的材料性缺陷。無獨(dú)有偶，始創(chuàng)于1791年的芝柏今年也推出了所謂世界首創(chuàng)的“高級(jí)制表領(lǐng)域的革命性新材質(zhì)——玻璃碳”。歷史悠久的瑞士傳統(tǒng)高級(jí)制表品牌不約而同地使用新材料來優(yōu)化產(chǎn)品性能，提升產(chǎn)品質(zhì)量，足見新材料應(yīng)用探索在高級(jí)制表領(lǐng)域中的重要作用。一如瑞士其他高級(jí)制表品牌的商業(yè)推廣慣例，豪雅和芝柏也為其搭載腳踏實(shí)地的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用新材料的產(chǎn)品冠以酷炫迷離的商品名。在品牌價(jià)值和技術(shù)創(chuàng)新的雙重支撐下玩點(diǎn)花式營(yíng)銷無可厚非，同時(shí)也足令一眾忠誠于品牌的消費(fèi)者甚至收藏家們?nèi)缱砣绨V地趨之若鶩。

筆者尚未見到所謂玻璃碳的實(shí)物，對(duì)新聞中提及的玻璃碳制造工藝及其材料硬度、密度等技術(shù)參數(shù)還需做進(jìn)一步分析驗(yàn)證后專文解讀，在此暫不對(duì)玻璃碳作技術(shù)點(diǎn)評(píng)。但不管玻璃碳到底歸屬何方神圣，業(yè)界開始探索非晶態(tài)合金在手表上的應(yīng)用亦是事實(shí)。

非晶態(tài)合金（Noncrystal Alloys/Amorphous Alloys）是一種新型的金屬合金材料。與傳統(tǒng)的金屬材料有所不同，非晶態(tài)合金內(nèi)部的原子排列呈現(xiàn)出類似于玻璃的混亂無序狀態(tài), 因此被稱為金屬玻璃（Metallic Glass）或大塊金屬玻璃（BMG，Bulk Metallic Glass）。鑒于非晶態(tài)合金是指對(duì)液態(tài)熔體施以極高的冷卻速度（＞105K/s），令其在無序原子組態(tài)下瞬間凍結(jié)快速凝固以避免結(jié)晶，所以亦有液態(tài)金屬（Liquid Metal）之稱。

自1960年美國(guó)科學(xué)家首次采用快速凝固工藝制備出AuSi系非晶態(tài)合金以來，非晶態(tài)合金一直是材料界和物理學(xué)界感興趣的研究對(duì)象。非晶態(tài)合金的形成機(jī)理始于凝固理論，非晶態(tài)合金亦屬兼具液體和固體、金屬和玻璃特征的金屬合金材料。因其具有優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和物理性能，譬如極高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性以及超導(dǎo)、低磁損耗和軟磁特性等，而被廣泛應(yīng)用于電子、化工、機(jī)械等行業(yè)或領(lǐng)域。

作為21世紀(jì)的新型功能材料，非晶態(tài)合金材料制備是其關(guān)鍵技術(shù)之一，也是提供產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提。目前世界上通用的非晶態(tài)合金材料制備方法有物理氣相沉積、固相燒結(jié)法、離子輻射法、連續(xù)鑄造法/甩帶法和機(jī)械合金化法等。隨著材料制備技術(shù)及設(shè)備條件的發(fā)展，非晶態(tài)合金材料的厚度和體積不斷增加，為大厚尺寸零件的應(yīng)用提供了更多的可能性。大塊非晶態(tài)材料直接納米晶化是目前即能達(dá)到非晶態(tài)合金基本技術(shù)要求，又符合市場(chǎng)及用戶預(yù)期的性價(jià)比并可形成批量制備產(chǎn)能的制備技術(shù)。而機(jī)械合金化法(MA，Mechanical Alloying)作為一種頗具發(fā)展?jié)摿Φ姆蔷B(tài)材料粉體制備方法，具有快速、經(jīng)濟(jì)、工藝重復(fù)性好、能形成均勻的單相非晶體以及擴(kuò)大合金系的非晶形成范圍等優(yōu)勢(shì)，所制備的非晶粉體可固結(jié)形成大塊非晶態(tài)合金材料，很有希望成為產(chǎn)業(yè)化制備非晶態(tài)合金粉體材料的主流方法。

各國(guó)材料學(xué)家從合金成分、制備工藝和應(yīng)用性能等技術(shù)需求出發(fā)，開發(fā)出不同的非晶態(tài)合金體系。譬如磁性強(qiáng)，可替代硅鋼的鐵基非晶態(tài)合金；譬如磁導(dǎo)率高，可替代坡莫合金（Fe-Ni合金）的鐵鎳基非晶態(tài)合金；譬如磁導(dǎo)率極高，可替代坡莫合金和鐵氧體的鈷基非晶態(tài)合金；譬如兼?zhèn)滂F基非晶態(tài)合金高磁性、低成本和鈷基非晶態(tài)合金高磁導(dǎo)率、低損耗的鐵基納米超微晶合金等。顯然，當(dāng)下非晶態(tài)合金的應(yīng)用主體多為電子行業(yè)和軟磁類零部件。

由于非晶態(tài)合金內(nèi)部無序排列的原子，令其在具有高強(qiáng)度的同時(shí)也具有高塑性等優(yōu)異的力學(xué)性能，其硬度、強(qiáng)度與所添加元素種類、摩爾量等密切相關(guān)。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，現(xiàn)有非晶態(tài)合金的硬度在HV 550-1400之間，強(qiáng)度可達(dá)3000MPa以上。淬火態(tài)的非晶態(tài)合金薄板可反復(fù)彎曲，甚至將其折彎到180度也不會(huì)產(chǎn)生斷裂。因此非晶態(tài)合金可用來制造承受高強(qiáng)、抗拉及耐磨的元器件，譬如制作渦輪、彈性零部件和切削刀具等。

由于非晶態(tài)合金中不存在容易引起局部腐蝕的晶界、沉淀相相界和位錯(cuò)等部位，也不存在晶態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分偏析，使得非晶態(tài)合金在結(jié)構(gòu)和成分上都比晶態(tài)合金更加均勻，非晶態(tài)合金還能抑制在特殊情況下誘發(fā)的縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕的發(fā)展，因此它具有更好的耐腐蝕性。非晶態(tài)合金的耐酸腐蝕性優(yōu)于不銹鋼，在某些工況下可用其替代不銹鋼。由于非晶態(tài)合金的耐腐蝕特性，可用來制造電池電極、海底電纜屏蔽、耐腐蝕管道及磁分離介質(zhì)等。

非晶合金在常溫下具有高強(qiáng)度、高硬度等特征，屬于典型的難加工材料。在普通機(jī)械加工過程中，由于切削力波動(dòng)大并有高溫火花產(chǎn)生，故刀具磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，令加工質(zhì)量和加工成本受到嚴(yán)重影響，而先進(jìn)的振動(dòng)切削方式可以解決非晶態(tài)合金的切削加工難點(diǎn)。所謂振動(dòng)切削方法是指在切削過程中對(duì)刀具施加可控振動(dòng)，在其作用下形成刀具脈沖切削的一種新型切削加工方法。采用振動(dòng)切削可減少切削變形區(qū)的摩擦和塑性變形，脈沖切削時(shí)凈切削時(shí)間減少，縮短了刀具與工件的接觸時(shí)間，有利散熱并大大降低切削溫度，起到延長(zhǎng)刀具壽命和改善零件被加工表面質(zhì)量的作用。

盡管非晶態(tài)合金具有上述力學(xué)、化學(xué)和物理方面的性能優(yōu)勢(shì)，但是否適合在手表外觀件上使用還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。非晶態(tài)合金材料用于手表外觀件時(shí)應(yīng)思考并清晰一些問題，所謂三思而后行。譬如非晶態(tài)合金材料的性能優(yōu)勢(shì)與手表外觀件的技術(shù)需求是否具有符合性和必要性？其材料制備、固結(jié)成型和后序機(jī)械加工是否已經(jīng)具備或者經(jīng)過努力能夠形成合適的配套能力？其制造成本是否已經(jīng)具有或者經(jīng)過努力能夠達(dá)到市場(chǎng)和客戶所接受的性價(jià)比？需要特別說明的是，當(dāng)前市場(chǎng)所見的商品化非晶態(tài)合金材料還存在著材料本體顏色和表面拋光效果暫時(shí)無法滿足手表美觀要求的不適之虞。德國(guó)現(xiàn)代主義建筑大師路德維?！っ芩埂し驳铝_創(chuàng)立“少即是多”的設(shè)計(jì)哲學(xué)，與我國(guó)先秦時(shí)期的辭賦大家宋玉在《登徒子好色賦》中提出“增之一分則太長(zhǎng)，減之一分則太短”的古代審美標(biāo)準(zhǔn)異曲同工，流傳于世并被傳承至今。竊以為，從古今中外審美與哲學(xué)的角度考量“合適為好”的原則，不僅適用于美學(xué)范疇和設(shè)計(jì)領(lǐng)域，亦同樣適用于材料研究和制造行業(yè)。