(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス遷移温度が80〜200℃の金属ガラスをステンレス鋼製の円管内で融点以上に加熱して溶融させ、該円管の下端に装着されたステンレス鋼製の噴射ノズルに設けた面積0.2〜2.5mm2の噴射口から前記溶融した金属ガラスを銅製の金型に設けた受湯孔に0.01〜0.5秒で噴射して、該受湯孔内で前記金属ガラスを凝固させることを特徴とする金属ガラスの射出成形方法。
【請求項２】
ガラス遷移温度が80〜200℃の金属ガラスの小片を装入するステンレス鋼製の円管と、該円管の下部に取付けられて前記金属ガラスの小片を融点以上に加熱しながらＰＩＤ制御を行なうヒーターと、前記円管の下端に装着されて溶融した金属ガラスを噴射する面積0.2〜2.5mm2の噴射口を有するステンレス鋼製の噴射ノズルと、該噴射ノズルの下方に配設されかつ前記噴射ノズルから噴射された金属ガラスを冷却して凝固させる受湯孔を設けた銅製の金型と、を有することを特徴とする金属ガラスの射出成形装置。
【請求項３】
前記噴射ノズルが前記円管の下端に嵌め込まれて固定されることを特徴とする請求項２に記載の金属ガラスの射出成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料となる金属ガラスを溶融させ、さらに型に噴射して冷却することによって所定形状の金属ガラスを確実に得ることができる射出成形方法および射出成形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス金属の製造プロセスにおいて、原料となる金属を高温（例えば900℃程度）に加熱して溶融させた後、鋳型に噴射することによってその熱を急速に奪い、不規則に乱れた原子配列を保持したままで固化させて、非晶質のアモルファス金属を得る製造技術が開発されている（特許文献１）。
そのようなアモルファス金属の製造においては、原料となる金属の融点が高いので高温（例えば900℃程度）に加熱する必要があり、高周波誘導加熱が採用される。また、溶融した金属を噴射するノズルに耐熱性の金属を使用した場合には、このノズルは繰り返し高温に曝され、かつ噴射のための高圧力を受けることによって、噴射口が変形するという問題が起る。そのため融点の高いアモルファス金属の製造においては、その噴射ノズルの素材として高温に耐える石英が広く使用されているのが現状である。
【０００３】
最近では、融点が1100Ｋを超えるCu−Zr−Ag−Al系金属ガラスをアルゴン雰囲気中の銅製鋳型に石英製ノズルで噴射して数十ｍｍの塊状試料を作製したという報告もなされている（特許文献２）。
ところが、石英は高価であるばかりでなく、金属に比べて脆いので破損し易く高温・高圧下で使用される噴射ノズルとして２〜３回使用すれば交換しなければならないために、試料を作る実験室レベルではともかくも、実用化という観点からは高コスト等の問題があった。
【０００４】
一方、近年、融点が400〜600℃位と低くＴgが80℃〜200℃位の金属ガラスが開発され、過冷却液体領域が（40〜80℃前後）のために加工がしやすく、かつ磁気特性，強度，靭性に優れ、しかも錆び難いという性質を持つ等の理由から、注目されている。
そこで、発明者等は、融点が400〜600℃位の金属ガラスの製造技術の実用化の観点から検討に着手し、当初は実験室等で知られている石英製ノズルと銅製鋳型とを使って行なったところ、この石英製ノズルと銅製鋳型の装置では、射出成形する形状によっては必ずしも安定して非晶質化することができないことが判明した。
【０００５】
発明者等は、さらに鋭意検討したところ、400〜600℃位の金属ガラスを石英製ノズルで銅製鋳型に噴霧して０℃程度まで冷却した場合では、金属ガラスを非晶質化するために必要な冷却速度が十分に得られないために、中には不完全な非晶質材料が発生してしまうのではと考え、そこで冷却速度を高めるための創意・工夫を行なった結果、従来の石英製ノズルの先端をさらに絞って噴霧される液滴を加速すれば相対的な冷却速度を高めることができるという知見を得た。さらに、金型の形状に応じて噴射ノズルの噴射口の形状を変化させることによって、適切な冷却を行なえるという知見を得た。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2002-1514号公報
【特許文献２】特開2009-256728号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記したような知見に基づいてなされたものであるが、そのためには従来の石英製噴射ノズルの噴射口の面積をさらに小さく絞らなければならないが、石英製噴射ノズルにそのような精密な加工を施すのが難しいし、また噴射口径を小さくした場合には、脆くて破損し易いという石英自体の問題もある。
本発明は、金属ガラスの射出成形を安価で耐久性がありかつ確実に非晶質の組織を得ることができる実用的な金属ガラスの射出成形方法および射出成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者等は、従来、高温では噴射口が変形する等の問題があるとされて敬遠されていた耐熱性の金属の中で、特にステンレス鋼に着目し、金属ガラスの融点が400〜600℃の温度域では、ステンレス鋼に上記問題が発生しないことを知見した。
また、噴射口が面積0.2〜2.5mm2であれば、溶融した金属ガラスを瞬時（0.01秒〜0.5秒）に噴射することができるために、冷却速度を高めることができるので、比較的低融点の金属ガラスでも確実に非晶質化することができることを確認できた。
【０００９】
また、ステンレス鋼製の噴射ノズルの場合、直径0.5〜1.5mmの円形や0.3×５mmのスリットの噴射口は、円錐形の素材に切削加工を施して精密にかつ容易に製作できるし、その噴射口を噴射ノズルの先端に圧延加工によって簡単に取り付けることができる。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
本発明は、ガラス遷移温度が80〜200℃の金属ガラスをステンレス鋼製の円管内で融点以上に加熱して溶融させ、該円管の下端に装着されたステンレス鋼製の噴射ノズルに設けた面積0.2〜2.5mm2の噴射口から前記溶融した金属ガラスを銅製の金型に設けた受湯孔に0.01〜0.5秒で噴射して、該受湯孔内で前記金属ガラスを凝固させることを特徴とする金属ガラスの射出成形方法である。
【００１０】
また本発明は、ガラス遷移温度が80〜200℃の金属ガラスの小片を装入するステンレス鋼製の円管と、該円管の下部に取付けられて前記金属ガラスの小片を融点以上に加熱しながらＰＩＤ制御を行なうヒーターと、前記円管の下端に装着されて溶融した金属ガラスを噴射する面積0.2〜2.5mm2の噴射口を有するステンレス鋼製の噴射ノズルと、該噴射ノズルの下方に配設されかつ前記噴射ノズルから噴射された金属ガラスを冷却して凝固させる受湯孔を設けた銅製の金型と、を有することを特徴とする金属ガラスの射出成形装置である。
【００１１】
本発明の金属ガラスの射出成形装置においては、前記噴射ノズルが前記円管の下端に嵌め込まれて固定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、金属ガラスの射出成形を安価で耐久性のある装置で、確実に非晶質の金属ガラスを得ることができる。また、高周波誘導加熱や噴射用ピストン等の大規模な設備を使用しないので、射出成形装置を小型化できるし、低コストで実用的な装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の射出成形装置の例を模式的に示す斜視図である。
【図２】噴射ノズルを受湯孔に接近させた状態を模式的に示す断面図である。
【図３】噴射ノズルの噴射口の形状の例を模式的に示す平面図である。
【図４】丸棒状の受湯孔の中心部に芯を配設した例を示す断面図である。
【図５】金属ガラスの溶融状態から凝固までの状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の射出成形装置の例を模式的に示す斜視図である。ステンレス鋼製の円管１の上端には、高圧の不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置２が着脱可能に装着される。成分を予め調整した金属ガラスの小片を円管１内に装入する際には、不活性ガス供給装置２を円管１から取外して、円管１の上端から金属ガラスの小片を装入する。この円管１は、後述するように金属ガラスの小片を加熱するための容器としての役割を担うものであり、安価なステンレス鋼を用いることによって、射出成形装置のコストの削減に寄与する。
【００１５】
なお、本発明が対象とする金属ガラス（融点Ｔm：400〜600℃，ガラス遷移温度Ｔg：80〜200℃）は、Au−Cu−Si系，Au−Cu−Ag−Si系，Ca−Li−Mg−Zn系，Ce−Cu−Al系，Yb−Zn−Mg−Cu系，Au−Cu−Ag−Pd−Si系，Pt−Ni−Cu−Ｐ系，Mg−Cu−Ag−Ga系金属ガラスである。
円管１に金属ガラスの小片を装入した後、円管１の上端に不活性ガス供給装置２を取付ける。
【００１６】
円管１の下部には、ヒーター３が取付けられる。このヒーター３は、円管１内に装入された金属ガラスの小片を融点以上に加熱して溶融させるものであり、高周波誘導加熱装置を用いる必要はなく、通常の通電に伴う電気抵抗によって発熱するもの（たとえばカートリッジヒーター等）を使用する。そのようなヒーターは安価であるから、射出成形装置のコストの削減に寄与し、ひいては金属ガラスの製造コストを低減できる。
【００１７】
さらに、ヒーター３によって加熱する部位の円管１の外表面には温度計４が取付けられる。そして円管１の外表面の温度が上昇していき、目標温度に到達すると円管１内の金属ガラスが溶融したと判定し、射出成形が終了するまでその温度に保持する。この温度計４で得られた測定値とヒーター３による加熱の目標温度とに基づいてＰＩＤ制御を行なうことによって、溶融した金属ガラスの温度をその目標温度±0.5℃の範囲に維持することが可能となる。なお温度計４は、熱電対等の従来から知られているものを使用する。
【００１８】
円管１の内径が15mmを超えると、円管１の中心部とヒーター３の距離が遠くなるので、ヒーター３の加熱能力も相まって、溶融した金属ガラスの温度を均一に保つことが困難になる。一方、５mm未満では、金属ガラスの小片を装入し難くなる。したがって、円管１の内径は５〜15mmの範囲内が好ましい。この円管１内で溶解する金属ガラスの容量は１〜25ccである。
【００１９】
円管１の下端にはステンレス鋼製の噴射ノズル５が嵌めこまれて固定される。噴射ノズル５は円錐形のステンレス鋼に機械加工を施して製作するので、後述するような小径の噴射口を精度良く加工することができる。
ステンレス鋼製の噴射ノズル５は、安価であるばかりでなく、噴射口を様々な形状に精度良く加工することができる。しかも破損し難いので、連続して多数回の射出成形が可能となる。また、噴射口に異物が詰まった場合には、噴射ノズル５を破損，変形することなく異物を除去できる。
【００２０】
そして円管１内の金属ガラスが溶融した後、円管１，不活性ガス供給装置２，ヒーター３，温度計４ならびに噴射ノズル５を一体的に下降させて、図２に示すように噴射ノズル５を銅製の金型７の受湯孔８に接近させた後、円管１の上端の不活性ガス供給装置２から高圧の不活性ガスを円管１内に供給して、溶融した金属ガラスを噴射ノズル５から受湯孔８に、不活性ガスの圧力で噴射する。使用する不活性ガスは、Ｎ2またはArが好ましい。
【００２１】
噴射時間が0.01秒未満では、十分な量の金属ガラスを噴射できない。一方、0.5秒を超えると、非晶質の金属ガラスを得るのに十分な冷却速度が得られない。したがって、噴射時間は0.01〜0.5秒の範囲内が好ましい。
金属ガラスを噴射するときは、図２に示すように、噴射ノズル５を受湯孔８に接近させるので、溶融した金属ガラスを確実に受湯孔８内に噴射することができる。その際、噴射ノズル５の外面と受湯孔８の開口部を接触させず、隙間を設けることが好ましい。隙間を設けることにより、溶融した金属ガラスの噴射に伴って受湯孔８内の空気を容易に排出することができる。
【００２２】
銅製の金型７は、水平方向に移動可能な移動テーブル６上に載置され、銅製の金型固定具９によって固定される。金型７には受湯孔８が設けられており、噴射ノズル５から受湯孔８に噴射した金属ガラスを冷却して凝固させる。本発明では、後述するように、面積0.2〜2.5mm2の噴射口から噴射するので、上記した本発明の対象となる金属ガラスでは、図５に示すように、溶融状態から結晶化させずに冷却して、非晶質の金属ガラスを得るのに十分な冷却速度が得られる。
【００２３】
冷却速度をさらに高めるためには、金型固定具９内に冷却水を流通させて、金型固定具９を水冷することが好ましい。
なお、金型７には受湯孔８を１列に複数個設けることが好ましい。その場合、噴射ノズル５から受湯孔８に溶融した金属ガラスを噴射した後、不活性ガスの供給を停止し、さらに円管１，不活性ガス供給装置２，ヒーター３，温度計４ならびに噴射ノズル５を一体的に上昇させた後、移動テーブル６を矢印Ａの方向へ移動させて２番目の受湯孔８を噴射ノズル５の垂直下方に配置して移動テーブル６を停止する。次いで、２番目の受湯孔８に噴射ノズル５を接近させて、溶融した金属ガラスを噴射する。この手順を繰り返すことによって、複数回の射出成形を連続して行なうことができる。つまり、金属ガラスの射出成形の効率向上を達成できる。なお、図１には金型７に受湯孔８を１列に５個設ける例を示したが、本発明はこれに限るものではない。
【００２４】
次に、金型固定具９から金型７を取外して、凝固した金属ガラスを受湯孔８から取出す。金型７を受湯孔８の列に沿って２分割できる構成にすれば、金属ガラスを容易に取出せるので好ましい。
受湯孔８の形状を変化させれば、種々の形状（たとえば丸棒状，角棒状，板状等）の金属ガラスを得ることができる。その際、受湯孔８の形状に応じて、噴射ノズル５の噴射口の形状も変化させることが好ましい。図３は、噴射ノズル５の噴射口の形状の例を模式的に示す平面図である。
【００２５】
丸棒状の金属ガラスを射出成形する場合は、受湯孔８の形状を丸棒状として、図３(a)に示す円形の噴射口を有する噴射ノズル５を用いることが好ましい。その場合、受湯孔８の内径が２mm未満では、溶融した金属ガラスが受湯孔８内に充満し難くなる。一方、５mmを超えると、中心部の冷却が遅れるので、均質な金属ガラスが得られない。したがって、丸棒状の受湯孔８の内径は２〜５mmの範囲内が好ましい。
【００２６】
また、噴射ノズル５の噴射口の面積が0.2mm2未満では、溶融した金属ガラスを噴射し難くなり、瞬時に噴射できないために金属ガラスが非晶質化しない可能性がある。一方、2.5mm2を超えると、溶融した金属ガラスの滴が自重で噴射口から落下する。したがって、円形の噴射口の面積は0.2〜2.5mm2の範囲内とする。
また図４に示すように、丸棒状の受湯孔８の中心部に芯10を配設して射出成形を行なうことによって、管状の金属ガラスを得ることができる。
【００２７】
なお、噴射口の形状は、既に説明した通り、円形の他に図３に示すような正方形，長方形や楕円形のものも使用できる。正方形，長方形や楕円形の噴射口を採用する場合も、溶融した金属ガラスを0.01〜0.5秒の噴射で受湯孔に充満させることが可能な開口面積（0.2〜2.5mm2）とする。
【実施例】
【００２８】
本発明の射出成形方法は、溶融した金属ガラスを直径0.5〜１mmの噴射口から0.01〜0.5秒で噴射するものである。以下に、その例を具体的に説明する。
図１に示す射出成形装置のステンレス鋼製の円管１内でAu−Cu−Ag−Pd−Si系の金属ガラスを550℃に加熱して溶融させ、その円管１の下端に装着されたステンレス鋼製の噴射ノズル５（噴射口の直径0.8mm）から、銅製の金型７に設けた受湯孔８に噴射した。噴射時間は、0.18秒，0.24秒，0.30秒とした。このようにして受湯孔８内で凝固させた金属ガラス棒を取り出して、その寸法と組織を調査した。金属ガラス棒の寸法は表１に示す通りである。また、組織は結晶化しておらず、非晶質の金属ガラスであった。
【００２９】
【表１】
0005632730.tif 000002
【００３０】
なお、噴射ノズル５の噴射口の損傷や変形は認められず、射出成形をさらに連続して行なえる状態であった。
また、本発明の射出成形装置については、その操作の例を以下に説明する。この例は、図１に示す射出成形装置を用いて金属ガラスの射出成形を、噴射時間0.18秒，0.24秒，0.30秒として３回行なった例である。
【００３１】
成分を予め調整したAu−Cu−Ag−Pd−Si系の金属ガラスを砕いた小片をステンレス鋼製の円管１（内径９mm，外径10mm，長さ300mm）の上端から装入した。次いで、円管１の上端に不活性ガス供給装置２を取付けた。
次に、ヒーター３としてカートリッジヒーターを用いて円管１の下部を加熱した。目標温度は融点を超える450℃とした。その加熱される部位の円管１の外表面の温度を温度計４で測定し、測定値が目標温度に到達すると、円管１内の金属ガラスが溶融したと判定し、さらに、ＰＩＤ制御を行なうことによって金属ガラスの温度をその目標温度±0.5℃の範囲に維持した。なお温度計４は熱電対を使用した。
【００３２】
円管１内の金属ガラスが溶融した後、円管１，不活性ガス供給装置２，ヒーター３，温度計４ならびに噴射ノズル５を一体的に下降させて、図２に示すように、ステンレス鋼製の噴射ノズル５を受湯孔８に接近させた。さらに、円管１の上端の不活性ガス供給装置２から高圧の不活性ガスを円管１内に供給して、溶融した金属ガラスを噴射ノズル５から金型７の受湯孔８に噴射した。不活性ガスはArを使用し、その圧力は0.12MPaとした。また、受湯孔８の形状は丸棒状（内径４mm，深さ50mm）とし、噴射ノズル５の噴射口は円形（直径0.8mm）とした。
【００３３】
このようにして、噴射ノズル５から金型７（銅製）の受湯孔８に溶融した金属ガラスを噴射（噴射時間0.18秒）した後、不活性ガスの供給を停止し、さらに円管１，不活性ガス供給装置２，ヒーター３，温度計４ならびに噴射ノズル５を一体的に上昇させた後、移動テーブル６を矢印Ａの方向へ移動させて２番目の受湯孔８を噴射ノズル５の垂直下方に配置した。次いで、噴射ノズル５を２番目の受湯孔８に接近させて、溶融した金属ガラスを噴射（噴射時間0.24秒）した。この手順を繰り返して、さらに３番目の受湯孔８に金属ガラスを噴射（噴射時間0.30秒）した。
【００３４】
その後、金型固定具９（銅製，水冷式）から金型７を取外して、凝固した金属ガラス棒を取出し、その寸法，組織、および噴射ノズル５の噴射口の状態を調べた。その結果は既に説明した通りである。なお金型７は受湯孔８の列に沿って２分割できる構成にしたので、金属ガラス棒を容易に取出すことができた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
金属ガラスの射出成形を安価で効率良く行なうことができるので、産業上格段の効果を奏する。
【符号の説明】
【００３６】
１  円管
２  不活性ガス供給装置
３  ヒーター
４  温度計
５  噴射ノズル
６  移動テーブル
７  金型
８  受湯孔
９  金型固定具
10  芯
【図１】
0005632730.tif 000003
【図２】
0005632730.tif 000004
【図３】
0005632730.tif 000005
【図４】
0005632730.tif 000006
【図５】
0005632730.tif 000007