新材料应用探索之非晶态合金

刚刚落下帷幕的SIHH2019再一次向业界展示了瑞士高级制表技艺的精彩和叹为观止，而瑞士高级制表领域不断跨界应用新材料的创新举措则持续推动着其产品功能和质量的与时俱进，或者说为传统手表技术发展开拓出更高远的自由空间。

创立于1860年的豪雅今年推出了号称“开创全球制表业历史”的碳复合材质游丝，以克服和弥补传统的恒弹性合金游丝和硬材料硅游丝的材料性缺陷。无独有偶，始创于1791年的芝柏今年也推出了所谓世界首创的“高级制表领域的革命性新材质——玻璃碳”。历史悠久的瑞士传统高级制表品牌不约而同地使用新材料来优化产品性能，提升产品质量，足见新材料应用探索在高级制表领域中的重要作用。一如瑞士其他高级制表品牌的商业推广惯例，豪雅和芝柏也为其搭载脚踏实地的创新技术和应用新材料的产品冠以酷炫迷离的商品名。在品牌价值和技术创新的双重支撑下玩点花式营销无可厚非，同时也足令一众忠诚于品牌的消费者甚至收藏家们如醉如痴地趋之若鹜。

笔者尚未见到所谓玻璃碳的实物，对新闻中提及的玻璃碳制造工艺及其材料硬度、密度等技术参数还需做进一步分析验证后专文解读，在此暂不对玻璃碳作技术点评。但不管玻璃碳到底归属何方神圣，业界开始探索非晶态合金在手表上的应用亦是事实。

非晶态合金（Noncrystal Alloys/Amorphous Alloys）是一种新型的金属合金材料。与传统的金属材料有所不同，非晶态合金内部的原子排列呈现出类似于玻璃的混乱无序状态, 因此被称为金属玻璃（Metallic Glass）或大块金属玻璃（BMG，Bulk Metallic Glass）。鉴于非晶态合金是指对液态熔体施以极高的冷却速度（＞105K/s），令其在无序原子组态下瞬间冻结快速凝固以避免结晶，所以亦有液态金属（Liquid Metal）之称。

自1960年美国科学家首次采用快速凝固工艺制备出AuSi系非晶态合金以来，非晶态合金一直是材料界和物理学界感兴趣的研究对象。非晶态合金的形成机理始于凝固理论，非晶态合金亦属兼具液体和固体、金属和玻璃特征的金属合金材料。因其具有优异的力学、化学和物理性能，譬如极高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性以及超导、低磁损耗和软磁特性等，而被广泛应用于电子、化工、机械等行业或领域。

作为21世纪的新型功能材料，非晶态合金材料制备是其关键技术之一，也是提供产业化应用的前提。目前世界上通用的非晶态合金材料制备方法有物理气相沉积、固相烧结法、离子辐射法、连续铸造法/甩带法和机械合金化法等。随着材料制备技术及设备条件的发展，非晶态合金材料的厚度和体积不断增加，为大厚尺寸零件的应用提供了更多的可能性。大块非晶态材料直接纳米晶化是目前即能达到非晶态合金基本技术要求，又符合市场及用户预期的性价比并可形成批量制备产能的制备技术。而机械合金化法(MA，Mechanical Alloying)作为一种颇具发展潜力的非晶态材料粉体制备方法，具有快速、经济、工艺重复性好、能形成均匀的单相非晶体以及扩大合金系的非晶形成范围等优势，所制备的非晶粉体可固结形成大块非晶态合金材料，很有希望成为产业化制备非晶态合金粉体材料的主流方法。

各国材料学家从合金成分、制备工艺和应用性能等技术需求出发，开发出不同的非晶态合金体系。譬如磁性强，可替代硅钢的铁基非晶态合金；譬如磁导率高，可替代坡莫合金（Fe-Ni合金）的铁镍基非晶态合金；譬如磁导率极高，可替代坡莫合金和铁氧体的钴基非晶态合金；譬如兼备铁基非晶态合金高磁性、低成本和钴基非晶态合金高磁导率、低损耗的铁基纳米超微晶合金等。显然，当下非晶态合金的应用主体多为电子行业和软磁类零部件。

由于非晶态合金内部无序排列的原子，令其在具有高强度的同时也具有高塑性等优异的力学性能，其硬度、强度与所添加元素种类、摩尔量等密切相关。根据国内相关文献的数据，现有非晶态合金的硬度在HV 550-1400之间，强度可达3000MPa以上。淬火态的非晶态合金薄板可反复弯曲，甚至将其折弯到180度也不会产生断裂。因此非晶态合金可用来制造承受高强、抗拉及耐磨的元器件，譬如制作涡轮、弹性零部件和切削刀具等。

由于非晶态合金中不存在容易引起局部腐蚀的晶界、沉淀相相界和位错等部位，也不存在晶态合金容易出现的成分偏析，使得非晶态合金在结构和成分上都比晶态合金更加均匀，非晶态合金还能抑制在特殊情况下诱发的缝隙腐蚀和点蚀的发展，因此它具有更好的耐腐蚀性。非晶态合金的耐酸腐蚀性优于不锈钢，在某些工况下可用其替代不锈钢。由于非晶态合金的耐腐蚀特性，可用来制造电池电极、海底电缆屏蔽、耐腐蚀管道及磁分离介质等。

非晶合金在常温下具有高强度、高硬度等特征，属于典型的难加工材料。在普通机械加工过程中，由于切削力波动大并有高温火花产生，故刀具磨损现象严重，令加工质量和加工成本受到严重影响，而先进的振动切削方式可以解决非晶态合金的切削加工难点。所谓振动切削方法是指在切削过程中对刀具施加可控振动，在其作用下形成刀具脉冲切削的一种新型切削加工方法。采用振动切削可减少切削变形区的摩擦和塑性变形，脉冲切削时净切削时间减少，缩短了刀具与工件的接触时间，有利散热并大大降低切削温度，起到延长刀具寿命和改善零件被加工表面质量的作用。

尽管非晶态合金具有上述力学、化学和物理方面的性能优势，但是否适合在手表外观件上使用还有待于进一步的试验验证。非晶态合金材料用于手表外观件时应思考并清晰一些问题，所谓三思而后行。譬如非晶态合金材料的性能优势与手表外观件的技术需求是否具有符合性和必要性？其材料制备、固结成型和后序机械加工是否已经具备或者经过努力能够形成合适的配套能力？其制造成本是否已经具有或者经过努力能够达到市场和客户所接受的性价比？需要特别说明的是，当前市场所见的商品化非晶态合金材料还存在着材料本体颜色和表面抛光效果暂时无法满足手表美观要求的不适之虞。德国现代主义建筑大师路德维希·密斯·凡德罗创立“少即是多”的设计哲学，与我国先秦时期的辞赋大家宋玉在《登徒子好色赋》中提出“增之一分则太长，减之一分则太短”的古代审美标准异曲同工，流传于世并被传承至今。窃以为，从古今中外审美与哲学的角度考量“合适为好”的原则，不仅适用于美学范畴和设计领域，亦同样适用于材料研究和制造行业。