BULK METALLIC GLASS

Bulk Metallic Glass, BMG, il più innovativo tra gli Advanced Materials

La forza del nostro tempo. Bulk Metallic Glass, chiamato comunemente anche BMG, rappresenta la rivoluzione in atto dei materiali solidi non cristallini.

La sua elevata resistenza e la sua durezza, combinate ad una sorprendente elasticità lo rendono protagonista dell’innovazione industriale.
Oggi, il BMG è alla portata di tutti con le sue uniche caratteristiche fisiche e meccaniche.
L’innovazione e i materiali più avanzati possono entrare nella tua azienda, portandola verso nuove frontiere di crescita e sviluppo.

Cos’è il Bulk Metallic Glass

Con il termine Bulk Metallic Glass, tradotto talvolta in italiano anche come “vetro metallico”, si definisce una nuova classe di materiali solidi non-cristallini, comprendente i metalli amorfi.
Le leghe BMG a base di Zirconio e Rame (sono in fase di sviluppo anche a base di Titanio, Ferro e Platino) presentano la caratteristica unica di una struttura irregolare non cristallina, durissima ed elastica.

Le leghe BMG sono scientificamente definite come leghe amorfe che presentano una transizione vetrosa, da cui derivano le loro proprietà uniche di resistenza estrema a bassa temperatura e forte flessibilità ad alta temperatura.

Applicazioni

Lo studio e l’utilizzo del BMG ha già trovato largo impiego nel settore militare e nella ricerca spaziale, ma è molto probabile che arrivi a sostituire molto presto i materiali convenzionali di ingegneria in molte applicazioni.

Inoltre la sua applicazione è già stata certificata nel campo medico, elettronico, nel campo sportivo e persino nel settore dei gioielli.

Ad esempio è in fase di studio, presso la Lehigh University, come biomateriale per l'impianto nelle ossa di viti, perni o placche in caso di fratture.

A differenza dell'acciaio tradizionale o del titanio, questo materiale si dissolve negli organismi a una velocità di circa 1 millimetro al mese e viene sostituito con tessuto osseo.

In campo sportivo il BMG è stato già testato nella produzione di mazze da golf, nella cornice delle racchette da tennis, mentre in campo tecnologico lo troviamo nell’involucro di alcuni smartphone, negli ingranaggi di alcuni motori (e soprattutto è già stato testato nei robot Nasa, per progettare l’operatività di sonde in pianeti molto freddi, come la Luna di Giove, Europa), nei recipienti per saldatura senza piombo e in moltissime altre aree.
Il BMG può rappresentare la chiave di volta e la soluzione di numerose problematiche per molte tipologie di aziende, arrivando ad innovarne la produzione.

Proprietà

Questo materiale può offrire contemporaneamente:
• Alta resistenza allo snervamento
• L’elasticità della plastica
• Resistenza alla corrosione come i metalli preziosi - Biocompatibilità secondo la ISO 10993-5
• La durezza di un acciaio temprato
• Una densità di 6.0

In qualità di materiale garantisce la possibilità di:
• essere iniettato in uno stampo come pezzo finito, con un tempo produttivo ridotto del 70% rispetto alla metallurgia MIM (Metal Injection Molding),
• essere stampato a caldo adattandosi perfettamente alla figura voluta

La struttura del BMG

Essendo un materiale amorfo, non presenta i tipici difetti di una struttura cristallina, come ad esempio le dislocazioni.

Rispetto alle leghe cristalline di riferimento il BMG si propone con una resistenza maggiore di quattro volte, diminuendo la rigidezza e dimostrando una elevata resilienza, cioè una buona capacità di immagazzinare energia di deformazione elastica e rilasciarla.

Una prova che può descrivere tale capacità è sicuramente quella di lasciare cadere sfere di elevate durezza su un pezzo di metallo inossidabile e su un vetro metallico: quelle cadute sul secondo rimbalzeranno in maniera più armonica e per una durata nettamente superiore.
Questo perché il metallo inossidabile, al contrario del BMG, presenta una più bassa resistenza, viene deformato plasticamente e di conseguenza smorza rapidamente l'energia cinetica della sfera.

Altra caratteristica del BMG è la presenza della temperatura di transizione vetrosa proprio come i vetri tradizionali, infatti come è possibile controllare la viscosità del vetro lo è anche per il BMG, questo rende possibile la lavorazione o modellazione del materiale tra i 280°C. e i 320°C.

- Finitura completa in un solo “Step”
- Proprietà elastiche costanti nel tempo
- Alta resistenza allo snervamento (1500 MPa)
- In stampaggio tolleranze strette come da CNC (vedi sotto)

- Altissima lucidabilità ad elevata riflettività
- Alta durezza (HRc 53)
- Resistenza alla corrosione
- Bio Compatibilità
- Lavorabile di macchina utensile

Tolleranze in produzione Injection Molding
BMG ±8 μm CNC ±8 μm MIM ±75 - 125 μm

BMG - Liste - Alloys

Vit 1b

Zr67,0%

Cu10,6%

Ni9,80%

Ti8,80%

Be3,80%

Vit 601

Zr62,5%

Cu31,0%

Ni3,20%

Al3,30%

Be0,10%

Vit 105

Zr65,7%

Cu15,6%

Ni11,8%

Al3,70%

Ti3,30%

Vit 106a

Zr70,1%

Cu13,0%

Ni9,80%

Al3,60%

Nb3,40%

GMT

Ni76,0%

Cr8,50%

Nb5,20%

Pb9,40%

Si0,30% B0,60%

Pt850

Pt85,24%

Cu7,10%

Ni2,36%

P5,30%

JPL

Zr41,0%

Cu7,00%

Al3,00%

Ti43,0%

Be6,00%

Properties - Alloys

Parameter

Units

Vit 1b

Vit 601

Vit 105

Vit 106a

Yield strenght

MPa ( ksi )

1800 (261)

1795 (260)

1850 (268)

1800 (261)

Elastic modulus

GPa (106 psi)

95 (13.8)

91 (13.3)

95 (13.8)

Fracture Toughness

MPa √m (ksi √in)

55 (50.0)

70 (63.7)

75 (68.3)

30 (27.3)

Density

g/cc (lbs./in3)

6.0 (0.217)

6.9 (0.249)

6.6 (0.238)

6.7 (242)

Glass transition ( Tg )

C (F)

352 (665)

420 (788)

403 (757)

395 (743)

Crystallization ( Tx )

C (F)

466 (871)

495 (923)

469 (876)

499 (930)

Mel temp ( Tm )

C (F)

644 (1191)

753 (1387)

805 (1481)

837 (1539)

La storia del Bulk Metallic Glass

Il primo Bulk Metallic Glass che è possibile riscontrare nella storia era una lega prodotta a Caltech da W. Klement (Jr.), Willens e Duwez nel 1960.

L’elevata velocità di raffreddamento del processo, tuttavia, comportava il difetto di ridotta gamma di forme in cui i BMG potevano essere prodotti e spessore molto limitato (i campioni avevano spessori inferiori a cento micrometri).


Le ricerche andarono avanti e nel 1976 H. Liebermann e C. Graham svilupparono un nuovo metodo per fabbricare nastri sottili di metallo amorfo con una lega di ferro, nichel, fosforo e boro, il cui nome era Metglas.

All'inizio degli anni '80 venivano prodotti lingotti vetrosi con un diametro di 5 mm dalla lega di 55% di palladio, 22,5% di piombo e 22,5% di antimonio.


Tra il 1988 e il 1992, altri studi hanno scoperto più leghe di vetro con transizione vetrosa e una regione liquida super raffreddata.

Da questi studi sono state realizzate leghe di vetro sfuso di La, Mg e Zr e queste leghe hanno dimostrato plasticità anche quando il loro spessore del nastro è stato aumentato da 20 μm a 50 μm. La plasticità era una netta differenza rispetto ai metalli amorfi del passato che diventavano fragili a quegli spessori.


Negli anni '90 del secolo scorso sono state sviluppate nuove leghe capaci di formare vetri a velocità di raffreddamento pari a un kelvin al secondo.

Queste leghe amorfe "sfuse" possono essere fuse in parti di spessore fino a diversi centimetri (lo spessore massimo può variare a seconda della lega) mantenendo una struttura amorfa. Le migliori leghe per la formazione del vetro sono a base di zirconio e palladio.


Molte leghe amorfe si formano sfruttando un fenomeno chiamato effetto “confusione”: dopo il raffreddamento a velocità sufficientemente elevate, gli atomi non possono coordinarsi nello stato cristallino di equilibrio prima che la loro mobilità venga interrotta.

In questo modo si interviene per bloccare lo stato disordinato casuale degli atomi, ottenendo proprietà differenti.


Nel 1992, la lega commerciale amorfa, Vitreloy 1 è stata sviluppata presso Caltech, come parte del Dipartimento per l'energia e la ricerca della NASA di nuovi materiali aerospaziali.


Nel 2018 un team del SLAC National Accelerator Laboratory, del National Institute of Standards and Technology (NIST) e della Northwestern University hanno riferito l'uso dell'intelligenza artificiale per prevedere e valutare campioni di 20.000 diverse leghe di vetro metallico in un anno.

I loro metodi promettono di accelerare la ricerca e il time to market per nuove leghe di metalli amorfi.

Chi siamo

bulkmetallicglass.it è un progetto di RS Alloys, azienda nata nel Febbraio 1997, da un’idea di Antonio Bandelli, esperto e imprenditore nella vendita di acciaio e nella divulgazione di soluzioni definitive per problematiche di usura, tenacità, incollaggio e conducibilità termica.
Proprio grazie all’esperienza, alla ricerca, alla passione e alla volontà di reperire sempre nuove soluzioni, Rs Alloys è riuscita nel tempo a rispondere positivamente anche a problematiche molto complesse.

La nostra vocazione è quella di dialogare con le officine e con un numero sempre maggiore di aziende ed industrie per risolvere i problemi quotidiani di produzione, sostenendo con il progetto di BMG l’innovazione e l’avanguardia.

Il bulk metallica glass è per noi una nuova sfida da perseguire e percorrere, che porta tutta la squadra aziendale verso nuovi traguardi, a contatto con realtà differenti, pronti a sopperire a diverse esigenze e trovare risposte a interrogativi contemporanei.