非晶合金在手表外观零件上的应用研究.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：579585Materials Research and ApplicationEmail：http：/非晶合金在手表外观零件上的应用研究黄勇峰1,靳磊2*,梁梦媛2,翁建寅2（1.中国航空技术国际控股有限公司，广东 深圳 518000；2.飞亚达精密科技股份有限公司，广东 深圳 518057）摘要：大块非晶的制备技术使非晶合金的广泛应用成为可能。随着手表外观零件对材料性能需求的增加，对锆基非晶合金作为手表外观零件材料的适用性进行了研究，讨论了非晶合金在产品结构设计中的要点和创新设计案例，研究了非晶合金的机械加工工艺。结果表明：锆基非晶合金具有优异的耐腐蚀、耐划伤和弹性性能，其中镍释放可满足钟表行业的要求，是一种性能优异的手表外观零件材料；通过采用空心结构设计、合理的拔模斜度、直角圆角化，可以得到合格的非晶零件坯件；非晶优异的性能结合合理的结构设计，可以提升零件的性能；选用硬质合金刀具和不大于 400 m 的进给量，选用树脂磨盘并采用机械手湿法抛光，有利于在较高的加工效率下得到合格的非晶合金手表外观零件。关键词：非晶合金；性能；结构设计；加工；手表中图分类号：TG139文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0579-07引文格式：黄勇峰，靳磊，梁梦媛，等.非晶合金在手表外观零件上的应用研究 J.材料研究与应用，2023，17（3）：579-585.HUANG Yongfeng，JIN Lei，LIANG Mengyuan，et al.Research on the Application of Amorphous Alloy in Watch Appearance Parts J.Materials Research and Application，2023，17（3）：579-585.非晶合金内部结构具有类似玻璃的长程无序状态结构特征，故也被称为“金属玻璃”1。早期开发的非晶合金大多都是带状、丝状材料，与晶体材料相比，非晶合金是各向同性结构，因此非晶合金有望达到理论的高强度、超高耐蚀性、优异磁学性能，以及在一定温度下的超塑性2。20 世纪 30 年代首次制备出非晶态薄膜3，但受到制备过程中要求极高冷却速度的制约，只能生产带、丝、薄片及粉末形状，因此其应用范围受到限制。在 80 年代末期，非晶合金制备工艺有了突破性进展，使得三维尺寸在毫米量级的大块非晶合金制备和应用成为可能4。在手表行业，广泛应用的材料包括 316L 不锈钢、氧化锆陶瓷、硬质合金、碳化钛金属陶瓷、青铜合金、钛合金、碳纤维等，这些材料存在诸多的问题，例如：316L 不锈钢硬度偏低5、易磨损、抛光性能差、耐酸碱腐蚀不佳，以及易诱发镍过敏6；氧化锆陶瓷、硬质合金和碳化钛金属陶瓷，虽然硬度高但加工难7；青铜合金耐腐蚀能力差，易损伤8；钛合金和碳纤维，虽然力学性能优良9，但成本高及表面效果差10-11。非 晶 合 金 有 望 解 决 上 述 材 料 存 在 的 缺陷12，但针对手表外观零件应用的材料性能适用性、产品设计、加工性能尚缺乏充分的研究。本文依据手表外观零件的性能需求，对锆基非晶合金的性能进行了研究，评估了其在手表外观零件上的应用可行性，并针对非晶零件的性能和加工特点探讨了非晶零件的结构优化设计和结构创新，最后对非晶合金手表外观零件的机械加工工艺进行了探讨。1非晶合金的性能研究1.1手表外观零件的性能需求分析手表外观零件是指附加到手表机心上并对机心的外形、保护、固定、控制等起作用的所有零件，常用的手表外观零件包括表壳、表带、圈口、底盖等。手表外观零件对材料在结构、外观、健康、体验感等方面有多重要求。作为结构零件，其需具有足够的力学性能，以起到对机心的保护作用；作为外观零件，其应能满足消费者的审美需求，同时应具有较强的抗划伤能力，以防手表在佩戴过程中与外物接触被磨花，从而影响观感。此外，手表在佩戴时，表壳、底盖、表带等外观零件会与皮肤接触，应避免因接触 人 体 汗 液 而 被 腐 蚀，还 应 避 免 有 害 元 素 的 迁收稿日期：2023-04-24基金项目：深圳市技术攻关面上项目（20210726173510001）作者简介：黄勇峰，硕士，高工，研究方向为钟表技术和技术管理，E-mail：。通信作者：靳磊，硕士，高工，研究方向为材料及特殊加工工艺，E-mail：。DOI：10.20038/ki.mra.2023.000322材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期移13，以及对于长期佩戴的场景，还有轻便、舒适性的需求。1.2实验方法针对手表外观零件对材料性能方面的要求，选取锆基非晶合金（Zr57Al10Ni12.4Cu15.6Nb5）、TA2 钛合金和 316L 不锈钢零件进行了对比测试。耐腐蚀测试依据 QB/T 4775-2014 表壳体及其附件人工汗耐腐蚀性能试验方法，在人工汗和盐雾条件下考察材料的耐腐蚀性。耐划伤在 CH-4132 型三维混合机中进行，磨料为带尖角的玻璃粉。选取不同材料的圈口零件与不锈钢表壳反复组装、拆卸，根据反复组装、拆卸而不发生变形的次数，来评估实际工况中的弹性性能。依据 EN 1811：Reference test method for release of nickel from all post assemblies which are inserted into pierced parts of the human body and articles intended to come into direct and prolonged contact with the skin测试材料的镍释放量。1.3实验结果及分析对锆基非晶合金、TA2 钛合金和 316L 不锈钢的耐腐蚀、耐划伤、弹性性能和生物友好性进行了对比实验，其结果列于表 1。3种材料的耐腐蚀实验前后表面形貌对比如图 1所示。通过表 1 和图 1 发现：316L 不锈钢的耐腐蚀性在 3 种材料中最差，但也达到了手表行业最低的 24 h要求，在耐腐蚀实验进行到 28 h时出现锈蚀，这是因为人工汗和盐雾中含有大量氯离子，氯离子易吸附在 316L 不锈钢表面的钝化膜上并将氧原子排挤出去，然后与钝化膜中的阳离子相结合，形成可溶性表 1非晶、TA2、316L对比测试结果Table 1Comparative test results of amorphous alloy，TA2 and 316L材料316L不锈钢TA2钛合金锆基非晶合金耐腐蚀时长/h247272划伤程度严重较严重轻微组装、拆卸不变形的次数/次51530以上镍释放量/（gcm2week1）0.07NDTA2 钛合金（190 HV）316L 不锈钢（160 HV），这也与耐划伤能力的排序一致。锆 基 非 晶 合 金 具 有 远 优 于 316L 不 锈 钢 和TA2 钛合金的弹性性能。这主要是因为非晶合金 的结构无序性，不像晶态材料会通过位错的滑移 让材料达到屈服，非晶合金的高弹性应变和高弹 性极限结合，使非晶拥有极高的弹性比功16。锆基非晶的镍释放也满足 EN 1811 规定的不超过0.5 gcm2week1的要求。综合测试结果表明，锆基非晶合金是一种性能优异的材料，可以满足手表外观零件在材料性能方面的技术要求，同时在一些功能件上有着优异的表现。2非晶合金的产品的结构设计非晶合金需在超急冷的条件下形成，同时由于非晶合金具有高强度和高硬度，从节约原材料和降低成本的角度考虑，非晶合金的产品坯件一般采用压铸成形。以手表表壳为例，非晶在进行结构设计时应主要考虑以下影响因素。（1）坯件壁厚不可过厚，否则会影响压铸时的冷却速度。过慢的冷却速度无法得到非晶，通常极限厚度应在 3 mm 以下。如果产品的壁厚大于 3 mm，可以采取空心结构设计来减小实际壁厚（见图 2）。（2）模具设计时应考虑合理的拔模斜度。通常较大的拔模斜度有利于压铸坯件的脱膜，但过大的拔模斜度会影响产品直挺的外观，1 的拔模斜度一般可以满足脱膜的要求，而外观又无明显的感知。（3）直角结构难以压铸成型，强行压铸会导致坯件部分缺损。因此，产品的各种直角建议优化成 R=0.10.3 mm 的圆角（见图 3），既可以降低坯件报废率，又可以实现美观的效果。图 2减小表壳壁厚的结构示意图Figure 2Schematic diagram of the structure with reduced case wall thickness（a）优化前；（b）优化后。(a)before optimisation;(b)after optimization.图 3直角结构优化示意图Figure 3Schematic diagram of the optimization of right-angle structure581材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期在满足非晶成形的前提下，充分利用非晶合金的性能，进行产品结构的优化设计，不仅可以降低产品成本，还可以实现更好的使用效果。表扣为功弹性能件，需多次开合顺畅不变形。图 4 为传统的表扣结构。传统表扣一般采用 316L 不锈钢制作，由11 个拆分零件加工并组装，其开合生涩、费力。使用锆基非晶合金制作表扣（见图 5），由于非晶合金可一体压铸成型，表扣中相连的扣架与弹片可一次成型，省去了两者单独机加工和安装的步骤与成本，提高了生产效率，同时由于表扣的弹片与扣架相连，弹片的中间稳固段可去除，从而简化了结构、节约了原材料成本。非晶材料具有优异的弹性性能，相比316L不锈钢弹片厚度需做到 0.8 mm 以上才可通过表 扣 开 合 疲 劳 试 验，而 非 晶 表 扣 弹 片 只 需 做 到0.2 mm 厚度即可满足性能要求，解决了 316L 不锈钢弹片过厚导致的开合生涩、费力、易变形的问题。通过结构改进、优化和产品创新设计，可成功实现各种非晶合金手表外观坯件的制造（见图 6）。3非晶合金手表外观零件的机械加工工艺非晶合金的零件成型方式为近净成型，但其坯件仍留有余量，零件表面最终要求的光亮面或砂面效果也需要通过后期的研磨抛光工艺实现。涉及非晶合金坯件的加工包括车削、钻孔和研磨抛光。由于非晶合金具有不同于常规手表用材料的高硬度、低热导率19和成型方式等特点，机械加工工艺也不同于常用手表材料。3.1车削工艺非晶合金坯件车削后应具有较平整的表面，这不仅可以使产品具有较好的外观效果，而且可以提高零件之间配合的紧密程度，这对手表零件的密封防水尤为重要。表 2为不同材质的刀具加工非晶合金零件效果对比。由表 2 可知，硬质合金刀具加工后的非晶合金具有最平整的表面，切屑为带状。切屑一般分为带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑。产生带状切屑的切削过程平稳，切削力波动较小，已加工的表面粗糙度较小；而产生崩碎切屑的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也容易损坏机床，被加工的表面较粗糙。另外，带状的切屑有利于加工过程中的排屑，提高加工效率和刀具寿命20。因此，车削非晶合金零件优选硬质合金刀具。图 4一种传统表扣结构Figure 4A traditional buckle structure图 5采用非晶材料后优化的表扣结构Figure 5The optimized watch buckle structure after using the amorphous material图 6结构设计优化后的非晶合金表壳压铸坯件Figure 6The die casting billet of amorphous alloy watchcase after structural design optimization表 2不同材质刀具加工非晶合金的效果对比Table 2Comparison of the effect of machining amorphous alloy by tools of different materials刀具材质硬质合金高速钢陶瓷表面效果表面较为平整、粗糙度小表面粗糙度较大表面明显不平，粗糙度大切屑形状带状崩碎状崩碎状582黄勇峰等：非晶合金在手表外观零件上的应用研究表 3为加工进给量参数对车削性能的影响。由表 3 可知，车削非晶合金零件的轴向和径向进刀量均不宜超过 40 m。由于非晶合金硬度大，进刀量过大时刀具难以切削而导致其发生振动，造成切削表面不平整、声响大、刀具损耗大。3.2钻孔工艺手表外观零件钻孔的难点在于小直径螺纹孔的加工，小直径螺纹孔的加工过程为钻孔、扩孔和攻丝。表 4为不同材质刀具的使用寿命。由表 4可知：选用硬质合金钻刀和丝锥，加工非晶合金零件的小直径螺纹孔效果最优；选用高速钢刀具攻丝效果最差，攻丝刀具攻入小孔一半深度便难以继续，且孔内和刀具上都粘有一些切屑。由于非晶合金硬度高、导热性差，热导率仅为不锈钢的三分之一，使用普通高速钢钻刀和丝锥时加工和排屑困难、易产生粘刀，从而大大增加刀具的损耗；而硬质合金刀具由于硬度大，加工时更为顺畅、排屑更容易、不粘刀。3.3研磨抛光研磨抛光是去除零件微量残余材料，实现零件表面光亮的过程。在传统手表行业，研磨抛光方式是手工研磨干抛，但该方法不适合非晶合金的加工，主要表现是易出现砂眼、表层易产生水波纹。由于非晶合金的成形方式为压力铸造，组织内部存在缩孔（铸造工艺常见的缺陷），以及在坯件表面存在150200 m 的表面致密层。手工研磨时，研磨深度难以精确控制，一旦将表面致密层去掉，缩孔就会显现，使得零件报废。而对于水波纹，可能主要的原因是在干抛过程中，局部温升和内应力造成的非晶局部晶化21，局部晶化的表层组织与未晶化的表层组织在形态上存在差异，从而表现为水波纹。表 5为采用不同材质的磨盘利用机械手研磨抛光的效果对比。其中，机械手（见图 7）的作用是控制材料表面去除量限制在表面致密层的厚度内。由表 5可知：烧结金刚石具有最高的硬度，因此加工效率最高，但金刚石颗粒在零件表面的嵌入或切削会造成零件表面严重的坑点；采用电木研磨抛光虽然可以获得良好的表面效果，但加工效率低。综合比较，树脂是较理想的研磨抛光介质。表 3不同进给量车削非晶的情况对比Table 3Comparison of turning amorphous alloy with different feed rates进刀量/m径向204070100轴向204070100车削情况表面平整，无特别声音表面平整，但刀具异响声略大表面状态可接受，但刀具异响声较大表面状态较差，刀具异响声大表 4不同材质的刀具对非晶钻孔的寿命对比Table 4Comparison of the life of tools of different materials for drilling amorphous alloy步骤钻孔扩孔攻丝刀具材质高速钢硬质合金高速钢硬质合金高速钢硬质合金刀具寿命/（孔或把）234337030表 5采用不同材质的磨盘研磨抛光非晶的效果对比Table 5Comparison of the effect of polishing amorphous alloy by grinding disks of different materials磨盘材质烧结金刚石树脂电木加工效率/（s（0.01 mm）1）31060零件表面效果表面坑点严重表面光亮表面光亮图 7非晶研磨抛光所用的机械手Figure 7Mechanical arm used in amorphous alloy grinding and polishing583材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期图 8为工艺优化后制备的非晶合金手表外观零件，其外观光亮，无砂眼和水波纹等缺陷，满足手表行业的外观质量要求。4结论（1）锆基非晶合金具有优异的性能，可以满足手表行业的外观零件使用要求。（2）在结构设计时，采用空心结构设计、合理的拔模斜度、直角圆角化，可以实现非晶合金手表外观零件的坯件制造。结合结构创新，手表外观零件的性能可以得到显著提升。（3）在非晶合金的机械加工过程中，硬质合金刀具比较适宜进行切削和钻孔的加工；在切削时，进给量不宜大于 40 m；采用机械手湿法抛光且选用树脂磨盘，有利于在较高的加工效率前提下得到合格的非晶合金手表外观零件。参考文献：1 汪卫华.非晶态物质的本质和特性 J.物理学进展，2013，33（5）：177-351.2 张海峰，丁炳哲，胡壮麒.块状金属玻璃研究与进展J.金属学报，2001（11）：1131-1141.3 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discussed，and the machining process of amorphous alloy is studied.The results show that：zirconium-based amorphous alloy has excellent corrosion resistance，scratch resistance and elasticity properties，nickel release meets the requirements of watch industry，and is a watch appearance parts material with excellent performance；qualified amorphous parts can be obtained by adopting hollow structure design，reasonable draft die slope and right angle rounding；the excellent performance of amorphous combined with reasonable structure design can improve the performance of parts；the use of hardmetal tools and feeds no higher than 400 m，the use of resin grinding discs and the use of robotic arm and wet polishing are conducive to obtaining qualified amorphous alloy watch appearance parts with high processing efficiency.Keywords：amorphous alloy；properties；structural design；processing；watch（学术编辑：褚欣）585