邬治平，傅伟猛，钟飞，杨丽



金属玻璃的性质、制备及其在手表行业中的应用

邬治平，傅伟猛，钟飞，杨丽

（依波精品（深圳）有限公司，广东 深圳 518000）

简要概述了金属玻璃的性质、制备及其在手表行业中的应用，并对其发展进行了展望。

金属玻璃；非晶态合金；液体金属；金属元素

金属玻璃又称非晶态合金、液体金属，是指以金属元素为主要组成，具有热力学非平衡特征和亚稳特性、原子堆积结构为长程无序的金属材料。1960年，P.Duwez团队采用快速凝固方法首次获得了Au-Si非晶态合金[1]，之后陆续发现了Pd、Mg、Fe、Ti、Co、Zr、Re、Cu、Ca、Ni基等多组元非晶合金体系[2]。金属玻璃的原子键合性质以共价键性质为主，因而与普通金属相比，其物理性能、化学性能和机械性能等都发生了明显的变化。这些独特的性能，使金属玻璃在智能手机等消费电子品、汽车产品、医疗、军事和航空航天领域有巨大的应用前景，且部分产品已经开始规模化生产。

1 金属玻璃的性质

材料的性能取决于材料的微观结构，金属玻璃的微观结构特征可用“无序”概括，金属玻璃不存在晶态材料中所谓的“单元结构”，也不具备长程周期平移性，这种特性被称为金属玻璃的“结构不均匀性”，该特性对增强金属玻璃的塑性起到了重要作用。因此，金属玻璃兼具金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病，具有高强度、高硬度、高耐磨性、高耐划伤性和极强的耐腐蚀性。

1.1 力学性能

金属玻璃具有优异的力学性能，比如多数金属玻璃具有较高的断裂韧性、强度、硬度、大弹性模量和弹性应变极限等。He[3]等人研发的锆基金属玻璃断裂韧性可以达到106 MPa·m1/2；金属玻璃Cr55Co24Nb7B14的维氏硬度可高达1 605 HV。这是由于金属玻璃形成方式特殊，因此，不会产生位错、滑移、晶界以及成分偏析等微观缺陷。由于金属玻璃力学性能优异，其已被应用于军事、体育、通信、汽车、航天等领域，例如，高尔夫球杆击球头、手机SIM卡顶针、装甲车装甲夹层等。

1.2 磁学性能

金属玻璃的力学虽然优异，但是目前工艺成本较高，其作为工程结构材料的应用受到限制。目前金属玻璃大批量应用的领域主要是磁性材料领域。由于金属玻璃原子排列无序、组织均匀，没有晶界和磁晶各向异性，所以，磁性能良好。Fe基、Co基和Fe-Ni基金属玻璃是目前应用较多的金属玻璃软磁材料，在电力电子行业得到大批量应用，如用于扼流器、高频变压器、互感器和传感器等。

1.3 其他性能

金属玻璃除了具有优异的力学性能和磁学性能外，还具有其他特殊性能，如优异的耐腐蚀性能，这是由于金属玻璃不存在晶体缺陷和成分偏析，同时，其本身活性高，能在表面迅速形成防止腐蚀的钝化膜。另外，金属玻璃还可作为催化剂，王军强[4]等发现，镁基和铁基金属玻璃粉降解偶氮染料的效率很高，分别达到商业晶态铁粉的1 000倍和200倍以上。

2 金属玻璃的制备

2.1 金属玻璃形成能力

合金在熔融状态下冷却，当冷却速率较慢时，原子将从不规则排列的状态过渡到规则排列的状态，形成晶态金属。但当冷却速率足够快时，原子的不规则排列的状态将会被冻结，从而形成非晶态金属，即金属玻璃。经过长期的研究，人们总结出了一套金属玻璃形成能力经验判据，即通过约化玻璃转变温度rg=g/l、过冷液相区宽度△x=x－g和=[x/（g+l）]等参数评判合金的玻璃形成能力。

2.2 金属玻璃的制备

金属玻璃制备的关键是合金熔体在冷却过程中阻止其结晶，从而将合金熔体原子的无序状态在一定温度范围内保存下来。当冷却速率大于临界冷却速率时，金属即可制备成金属玻璃。合金的临界冷却速率与其成分息息相关，因此，可以从以下2方面着手研制大尺寸金属玻璃：①寻找新的合金体系，以降低临界冷却速度；②加快设备的冷却速度。临界冷却速度越大、冷却速度越快，越容易得到大尺寸金属玻璃。早期采用气相急冷法制备金属玻璃，气相急冷法又分为真空蒸发沉积、电解和化学沉积、溅射法等；1960年初发展出熔体急冷法，冷却速率达106K/s；时至今日，又发展出一系列新的金属玻璃制备方法，包括机械合金化法、反熔化法、多层膜界面互扩散反应非晶法、离子混合法、氢致非晶化法、压致非晶化法等[5]。

3 金属玻璃在手表行业中的应用

手表在佩戴过程中，人体产生的汗液会对手表的外观件产生腐蚀，导致手表外观件生锈，不仅影响产品的美观，而且腐蚀产物会对佩戴者的健康产生危害。因此，手表外观件材料的耐腐蚀性要求较高。目前，常用的手表外观件材料为304和316奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性。但是304和316奥氏体不锈钢的强度、硬度较低（维氏硬度150～ 200 HV）、耐划伤性较差，使用其制备的手表外观件在佩戴过程中，容易磨损、划伤以及因磕碰导致结构失效，进而影响产品的美观及功能（比如防水密闭性能等）。因此，需要寻找一种耐腐性好、硬度高、耐划伤性好的手表外观件材料。目前，已经得到较多应用的其他手表外观件材料有陶瓷、碳纤维、钛合金等，但是都存在一定的缺点，比如陶瓷显脆性，很容易因磕碰而破碎；碳纤维和钛合金加工成型工艺较复杂，成本较高。

金属玻璃在凝固过程中基本不会形成微观结构缺陷，因而原子之间的键合要比晶态合金强很多。此外，均匀而紧密地排列在一起的原子又使金属玻璃在受力时不容易产生滑移。这些因素使金属玻璃具有独特的力学和机械性能，强度和硬度高，韧性、耐腐蚀性、耐划伤性和耐磨性好，是手表外观件的理想材料。另外，其成型工艺上接近“净成形”，所需要的后期加工较少，可以有效降低后加工成本。目前，采用液态金属的手表偶有报道，例如2009年，欧米茄推出的世界上第一款由陶瓷和液态金属打造的限量版手表——海马Seamaster Planet Ocean Liquidmetal，其表圈采用金属玻璃材料制造；2017年沛纳海推出Luminor 1950系列BMG-TECHTM金属玻璃腕表，首次完全以金属玻璃材料制造表壳。

4 结束语

目前，金属玻璃已经开始走向高端市场，除了手表外，在3C电子产品、机器人、医疗器械、精密仪表、汽车、高铁等行业均开始出现金属玻璃结构件与功能件。金属玻璃难以推广的主要原因是工艺和成本等问题，现在来看，这些问题已逐步得到解决，相信在不久的将来，金属玻璃材料将在更多领域得到更为广泛和深入的应用。

［1］吴念初，王勇.金属玻璃成分设计的理论研究进展［J］.辽宁石油化工大学学报，2018，38（03）：1-6.

［2］汪卫华.非晶态物质的本质和特性［J］.物理学进展，2013，33（05）：177-351.

［3］He Q，Xu J.Locating Malleable Bulk Metallic Glasses in Zr-Ti-Cu-Al Alloys with Calorimetric Glass Transition Temperature as an Indicator［J］.Journal of Materials Science & Technology，2012，28（12）：1109-1122.

［4］王军强.金属玻璃的功能性应用及相关基础研究［J］.中国材料进展，2014，31（05）：270-281.

［5］鲁文豪.金属玻璃的性质、制备和应用［J］.建材世界，2017，38（05）：1-3.

2095－6835（2018）23－0148－02

TG139.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.148

邬治平（1989—），男，主要从事手表用材料方面的研究。

〔编辑：张思楠〕