(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
急速コンデンサ放電射出成形装置であって、
電気エネルギ供給源と、
均一な断面を有して金属ガラス形成合金から形成された金属ガラスのサンプルに前記電気エネルギ供給源を相互接続する少なくとも２つの電極と、
前記サンプルとの関連で可動である少なくとも１つのプランジャと、
前記可動プランジャを通じて射出力を前記サンプルに印加することができるように、前記少なくとも１つの可動プランジャとの関連で配置された射出力発生器と、
２つの協働する半割り部分に形成される射出成形ダイであって、該協働する半割り部分が一緒にされた時にそれらが結合し、前記射出成形ダイが、
前記サンプルを受け入れて、密接な接続が前記電極と該サンプルの間に形成されるように該サンプルを前記少なくとも２つの電極と電気的に接続させ、かつ前記射出力が該サンプルに伝達されるように前記少なくとも１つのプランジャと機械的に接続させて置くように構成された電気絶縁原料チャンネル、
望ましい形状に前記サンプルを形成し、かつその後に該サンプルを冷却するための熱伝導モールド、及び
前記原料チャンネルと前記モールド間の流体相互接続を形成するための少なくとも１つの熱伝導ランナーチャンネル、
を含むような前記射出成形ダイと、
を含み、
前記電気エネルギ供給源は、前記金属ガラスのガラス転移温度と前記金属ガラス形成合金の平衡融点の間の処理温度まで前記サンプルを均一に加熱するのに十分な量の電気エネルギを生成かつ放出することができ、
電気エネルギの前記量の放電と前記少なくとも２つの電極の内の少なくとも一方の運動とが、同期され、前記射出力発生器は、前記加熱されたサンプルを前記ランナーチャンネルに通して前記モールドの中に押し入れてそこにネット形状物品を形成するのに十分な射出力を前記少なくとも１つの可動プランジャを通じて印加することができる、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記モールドを前記金属ガラスの前記ガラス転移温度まで加熱するための温度制御式加熱要素を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記金属ガラスは、温度と共に増加しない抵抗率を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記サンプルの前記温度は、少なくとも５００Ｋ／秒の速度で増加することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記金属ガラスは、１ｘ１０-4℃-1よりも高くない温度変化（Ｓ）の単位当たりの抵抗率の相対変化と、８０と３００μΩ−ｃｍの間の室温での抵抗率（ρ0）とを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
電気エネルギの前記量は、少なくとも１００Ｊであり、電流パルスの立上り時間が、１μｓと１００ｍｓの間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記処理温度は、前記金属ガラスの前記ガラス転移温度と前記金属ガラス形成合金の前記平衡融点の間の中間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記処理温度は、前記加熱されたサンプルの粘性が１から１０4Ｐａ−秒となる温度であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記サンプルは、欠陥がないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記電極材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、銅ベリリウム合金、又は少なくとも９５ａｔ％のＣｕ、Ａｇ、又はＮｉのうちの１つを含有する合金から構成された群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記プランジャは、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、銅ベリリウム合金、少なくとも９５ａｔ％のＣｕ、Ａｇ、又はＮｉのうちの１つを含有する合金、Ｎｉ合金、鋼、Ｍａｃｏｒ、イットリア安定化ジルコニア、及び細粒アルミナから構成された群から選択された材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記金属ガラスは、Ｚｒベース、Ｔｉベース、Ｃｕベース、Ｎｉベース、Ａｌベース、
Ｆｅベース、Ｃｏベース、Ｍｇベース、Ｃｅベース、Ｌａベース、Ｚｎベース、Ｃａベース、Ｐｄベース、Ｐｔベース、及びＡｕベースのものから構成される群から選択された合金で製造されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの電極が、前記少なくとも１つのプランジャとして作用することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記金属ガラスのサンプルは、円筒ロッドの形態にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記円筒ロッドの直径が、２ｍｍと１５ｍｍの間であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記円筒ロッドの長さが、前記ロッド径よりも少なくとも２倍大きいことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記電極も、円筒であり、
前記電極の直径が、前記円筒ロッドの前記直径と同じである、
ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記電気絶縁原料チャンネルは、少なくとも３ＭＰａｍ1/2の破壊靭性を示す材料で製造されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記電気絶縁原料チャンネルは、少なくとも３ＭＰａｍ1/2の破壊靭性を示すセラミックを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記絶縁原料チャンネルは、Ｍａｃｏｒ、イットリア安定化ジルコニア、又は細粒アルミナを含む材料で形成されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記電気絶縁原料チャンネルは、前記金属ガラス及び電極の形状と協働する形状を有し、かつ前記金属ガラスのサンプル及び電極が該チャンネルに嵌合するように寸法決めされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記モールドは、少なくとも１０Ｗ／ｍ2Ｋの熱伝導率を示す材料で製造されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記モールドは、銅、真鍮、工具鋼、アルミナ、イットリア安定化ジルコニア、又はその組合せから構成される群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つのランナーチャンネルと前記モールド間に配置された少なくとも１つのゲートを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記供給源は、シリコン制御式整流器と直列に接続されたコンデンサバンクを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
電気エネルギの前記量の前記放電後の前記金属ガラスのサンプルにおける温度変動が、前記加熱された金属ガラスのサンプルの平均温度の１０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記加熱された金属ガラスのサンプルに印加される力が、１００Ｎと１０００Ｎの間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記加熱された金属ガラスのサンプルに印加される圧力が、１０ＭＰａと１００ＭＰａの間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
射出力発生器が、空圧ドライブ、油圧ドライブ、磁気ドライブ、又はその組合せから構成された群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
前記射出力は、時間と共に変化することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの可動プランジャの運動が、時間と共に変化することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記射出力は、電気エネルギの前記量の前記放電後に印加されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３３】
前記射出力は、電気エネルギの前記量の前記放電が完了した後に印加されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３４】
少なくとも１００トンの締付力が、前記ダイの前記２つの半割り部分を一緒に維持するために印加されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
前記締付力は、油圧ドライブ又は磁気ドライブのうちの一方によって印加されることを特徴とする請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記ダイの前記２つの半割り部分は、ヒンジを通じて相互接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記モールドは、少なくとも１つの突き出しピンを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記ダイは、気密密封チャンバに封入されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３９】
前記チャンバは、０．０１Ｐａ又はそれより低い圧力に維持されることを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記チャンバは、アルゴン又はヘリウムを含むことを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４１】
両方のプランジャが前記金属ガラスのサンプルに前記射出力を印加するように前記原料チャンネルとの関連で移動可能である少なくとも２つのプランジャを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４２】
前記ランナーチャンネルは、前記原料チャンネルの中心に位置決めされ、
前記プランジャは、ほぼ同じ速度で同期して移動する、
ことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記２つの電極は、前記２つのプランジャとして作用することを特徴とする請求項４１に記載の装置。
【請求項４４】
急速コンデンサ放電射出成形する方法であって、
均一な断面を有して金属ガラス形成合金から形成された金属ガラスのサンプルに少なくとも２つの電極によって電気エネルギ供給源を相互接続する段階と、
前記金属ガラスのガラス転移温度と前記金属ガラス形成合金の平衡融点の間の処理温度まで前記サンプルを均一に加熱するのに十分な量の電気エネルギを放出する段階と、
前記加熱されたサンプルを少なくとも１つのランナーチャンネルに通して射出成形ダイのモールドの中に押し入れてそこにネット形状物品を形成するのに十分な射出力を印加する段階と、
を含み、
前記射出成形ダイは、２つの協働する半割り部分に形成され、該協働する半割り部分が一緒にされた時にそれらが結合し、前記射出成形ダイは、
前記サンプルを受け入れて、密接な接続が前記電極と該サンプルの間に形成されるように該サンプルを前記少なくとも２つの電極と電気的に接続させ、かつ前記射出力が該サンプルに伝達されるように少なくとも１つのプランジャと機械的に接続させて置くように構成された電気絶縁原料チャンネルと、
望ましい形状に前記サンプルを形成し、かつその後に該サンプルを冷却するための前記熱伝導モールドと、
前記原料チャンネルと前記モールド間の流体相互接続を形成するための前記少なくとも１つの熱伝導ランナーチャンネルと、
を含むようなものであり、電気エネルギの前記量の放電と前記少なくとも２つの電極の内の少なくとも一方の運動とが、同期されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、金属ガラスを形成する新しい方法、より具体的には、急速コンデンサ放電加熱を使用して強磁性金属ガラスを形成する処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
非晶質材料は、高い強度、弾性、耐食性、及び溶融状態からの処理可能性の独特な組合せを有する新しい部類の工業材料である。非晶質材料は、それらの原子構造が従来の結晶性合金の原子構造の典型的な長距離の秩序あるパターンを欠く点で従来の結晶性合金と異なっている。非晶質材料は、一般的に、合金結晶の核生成及び成長が回避されるように、結晶相の溶融温度（又は熱力学溶融温度）よりも上から非晶相の「ガラス転移温度」よりも下まで「十分に速い」冷却速度で溶融合金を冷却することによって処理及び形成される。従って、非晶質合金に対する処理方法は、非晶相の形成を保証するために「臨界冷却速度」とも呼ばれる「十分に速い冷却速度」を定量化することに常に関係がある。
【０００３】
初期の非晶質材料の「臨界冷却速度」は、極めて高く、１０6℃／秒程度であった。従って、従来の鋳造工程は、このような高い冷却速度には適切ではなく、溶融紡糸及び平面流延のような特別な鋳造工程が開発された。実質的に速い初期の合金の結晶化動力学のために、溶融した合金からの抜熱のための極めて短い時間（１０-3秒又はそれ未満の程度）が結晶化を迂回するのに必要とされ、従って、初期の非晶質合金は、少なくとも１つの方向におけるサイズにも限界があった。例えば、超薄箔及びリボン（厚み２５ミクロン程度）だけが、これらの従来の技術で生産に成功していた。これらの非晶質合金に対する臨界冷却速度要件が、非晶質合金から製造される部品のサイズを厳しく制限したので、バルク物体及び大量生産品としての初期の非晶質合金の使用には限界があった。
【０００４】
長年にわたって、「臨界冷却速度」は、非晶質合金の化学組成に強く依存すると判断されてきた。従って、多くの研究は、臨界冷却速度が遥かに低い新しい合金組成の開発に重点を置いていた。これらの合金の例は、米国特許第５，２８８，３４４号明細書、米国特許第５，３６８，６５９号明細書、米国特許第５，６１８，３５９号明細書、及び米国特許第５，７３５，９７５号明細書に示されており、これらの特許の各々は、引用により本明細書に組み込まれている。バルク金属ガラス又はＢＭＧとも呼ばれるこれらの非晶質合金システムは、数℃／秒ほども低い臨界冷却速度が特徴であり、それによって以前に達成可能であったものより非常に大きいバルク非晶相物体の処理及び形成が可能である。
【０００５】
「臨界冷却速度」の低いＢＭＧが利用可能であるために、非晶相を有する大量生産品を形成するために従来の鋳造工程を適用することが可能になった。過去数年にわたって、「ＬｉｑｕｉｄＭｅｔａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．」社を含む数社が、ＢＭＧから製造されるネット形状金属部品の生産に向けて商業製造技術を開発する努力をした。例えば、永久モールド金属ダイカスト及び加熱モールド内への射出成形のような製造方法は、現在、標準的な消費者電子デバイス（例えば、携帯電話及び手持ち式無線デバイス）のための電子ケーシング、ヒンジ、ファスナ、医療器械、及び他の高付加価値製品のような市販のハードウエア及び構成要素を製造するのに使用されている。しかし、たとえバルク固化非晶質合金が固化鋳造の根本的な欠陥に対して、特に、上述のようなダイカスト及び永久モールド鋳造工程に対して何らかの救済策をもたらすとしても、依然として対処する必要がある問題が存在する。第１にかつ最も大事なことに、これらのバルク物体をより広い範囲の合金組成から製造する必要性が存在する。例えば、大きいバルク非晶質物体を製造することができる大きい臨界鋳造寸法を有する現在利用可能なＢＭＧは、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、及びＢｅを添加したＺｒベースの合金、及びＮｉ、Ｃｕ、及びＰを添加したＰｄベースの合金を含む非常に狭い選択肢の金属に基づく合金組成の数群に限定され、これらは、工業又は費用の観点のいずれからも必ずしも最適化されていない。
【０００６】
更に、現在の処理技術は、適切な処理条件が生じることを保証するために多くの高価な機械を要求する。例えば、殆どの成形工程は、高真空又は制御された不活性ガス環境、るつぼ内の材料の誘導溶融、ショットスリーブへの金属の鋳込み、及びかなり精巧なモールドアセンブリのゲーティング及び型穴内へのショットスリーブを通じた空気注入を要求する。これらの修正ダイカスト機械は、機械当たり数十万ドルの費用が掛かる可能性がある。更に、ＢＭＧの加熱は、これらの従来の遅い熱過程を通じて今日まで達成されてきたので、バルク固化非晶質合金を処理及び形成する従来技術は、溶融合金を熱力学溶融温度よりも上からガラス転移温度よりも下まで冷却することに常に重点を置いてきた。この冷却は、単一ステップの単調な冷却作業又は多重ステップ工程を用いて実現されている。例えば、周囲温度での金属モールド（銅、鋼、タングステン、モリブデン、その合成物、又は他の導電率が高い材料で製造）は、溶融合金からの抜熱を容易にして迅速に処理するのに利用される。「臨界鋳造寸法」は、臨界冷却速度と相関するので、これらの従来の工程は、より広範囲のバルク固化非晶質合金のより大きいバルク物体及び大量生産品を形成するには適していない。更に、特に複雑かつ高精度の部品の製造において、十分な合金材料が合金の固化の前にダイ内に導入されることを保証するために、高速かつ高圧下でダイ内に溶融合金を注入することが必要であることが多い。高圧ダイカスト作業におけるように、金属が高圧下でかつ高速でダイ内に供給されるので、溶融金属の流れは、レイリー・テイラーの不安定が発生しやすくなる。この流れ不安定性は、高いウェーバー数により特徴付けられ、かつ鋳造部品の表面的かつ構造的微細欠陥として表出する突出したシーム及びセルの形成を引き起こす流頭の崩壊に関連付けられる。また、非ガラス化した液体がガラス化した金属の中実シェルの内側に捕捉される時に、ダイカストモールドの中心線に沿って収縮空洞又は孔隙を形成する傾向がある。
【０００７】
平衡融点よりも上からガラス転移よりも下まで材料を急冷することに関連付けられた問題を改善する試みは、殆どは、過冷却液体の動力学的安定性及び粘性流特性を利用することに重点を置いていた。ガラスが粘性過冷却液体に弛緩するガラス転移よりも上にガラス質の原料を加熱し、圧力を印加して過冷却液体を形成し、次に、結晶化前にガラス転移よりも下に冷却する段階を伴う方法が提案されている。これらの魅力的な方法は、本質的にプラスチックを処理するのに使用される方法と非常に似ている。しかし、極めて長い期間にわたって軟化転移よりも上で結晶化に対して安定したままであるプラスチックとは対照的に、金属性過冷却液体は、ガラス転移で弛緩した状態でかなり急速に結晶化する。その結果、従来の加熱速度（２０℃／分）で加熱された時に金属ガラスが結晶化に対して安定である温度範囲は、かなり小さく（ガラス転移を超えて５０から１００℃）、その範囲内の液体粘性は、かなり高い（１０9から１０7Ｐａ  ｓ）。これらの高い粘性のために、望ましい形状にこれらの液体を形成するのに必要とされる圧力は、非常に大きく、多くの金属ガラス合金に対して、従来の高強度ツールによって達成可能な圧力（＜１ＧＰａ）を超える可能性がある。かなり高い温度（ガラス転移を超えて１６５℃）まで従来の加熱速度で加熱された時に、結晶化に対して安定である金属ガラス合金が最近開発されている。これらの合金の例は、米国特許出願第２００８０１３５１３８号明細書、及びＧ．Ｄｕａｎ他（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９（２００７）４２７２の論文及びＷｉｅｓｔ（Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，５６（２００８）２５２５−２６３０）の論文に示されており、これらの各々は、引用により本明細書に組み込まれている。結晶化に対する高い安定性のために、１０5Ｐａ−ｓもの低い処理粘性がアクセス可能であり、これは、これらの合金が従来の金属ガラスよりも過冷却液体状態での処理に適することを示唆している。しかし、これらの粘性は、依然として、プラスチックの処理粘性よりも実質的に高く、プラスチックの処理粘性は、典型的には、１０Ｐａ−ｓと１０００Ｐａ−ｓ間の範囲である。このような低い粘性をもたらすために、金属ガラス合金は、従来の加熱により加熱された時に、結晶化に対する更に高い安定性を示すべきであり、又は安定性の温度範囲を拡張し、かつ熱可塑性材料を処理する際に使用される処理粘性の特徴を示す値まで処理粘性を低下させると考えられる従来とは異なる高い加熱速度で金属ガラス合金を加熱すべきである。
【０００８】
成形に十分な温度までＢＭＧを瞬時に加熱し、従って、上述の問題の多くを回避し、かつ成形することができる非晶質材料のタイプを同時に拡張する方法をもたらすいくつかの試みが行われてきた。例えば、開示内容全体が引用により本明細書に組み込まれている米国特許第４，１１５，６８２号明細書及び米国特許第５，００５，４５６号明細書、及びＡ．Ｒ．Ｙａｖａｒｉ著の論文（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，６４４（２００１）Ｌ１２−２０−１，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａ，３７５−３７７（２００４）２２７−２３４、及びＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８１（９）（２００２）１６０６−１６０８）では、全て、ジュール加熱を使用して成形温度に材料を瞬時に加熱するために非晶質材料の固有の導電特性を利用している。しかし、ここまで、これらの技術は、そのような部分の接合（すなわち、スポット溶接）又は表面特徴部の形成のような局所化された形成のみを可能にするためにＢＭＧサンプルの局所加熱に重点を置いていた。これらの従来技術方法のいずれも、全体的な形成を行うことができるための均一にＢＭＧ供試体容積全体を加熱する方法を教示していない。代わりに、全てのこれらの従来技術方法は、加熱中の温度勾配を予想して、これらの勾配がどのように局所形成に影響を与えることができるかを説明している。例えば、Ｙａｖａｒｉ他（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、６４４（２００１）Ｌ１２−２０−１）は、「成形中のＢＭＧ供試体の外面は、電極と接触しているか、成形チャンバ内の周囲（不活性）ガスと接触しているかに関わらず、電流によって生成された熱が伝導、対流、又は放熱によりサンプルから消散するので内側よりも僅かに温度が低くなる。それに反して、伝導、対流、又は放熱により加熱されたサンプルの外面は、内側よりも僅かに温度が高い。これは、金属ガラスの結晶化及び／又は酸化が外面及び界面上で最初に始まることが多いのでこの方法の重要な長所であり、バルクの温度よりも僅かに低い場合の方が、このような望ましくない表面の結晶形成を簡単に回避することができる」と書いている。
【０００９】
ガラス転移よりも上での結晶化に対するＢＭＧの安定性の限界の別の欠点は、準安定過冷却液体の温度の範囲にわたって熱容量及び粘性のような熱力学的特性及び輸送量を測定することができない点である。示差走査熱量計、熱機械解析器、及びクエット粘度計のような一般的な測定計器は、電気加熱器及び誘導加熱器のような従来の加熱計装に依存し、従って、従来的（典型的に＜１００℃／分）と見なされるサンプル加熱速度を得ることができる。上述したように、過冷却金属性液体は、従来の加熱速度で加熱された時に、限られた温度範囲にわたって結晶化に対して安定とすることができ、従って、測定可能な熱力学及び転送特性は、アクセス可能な温度範囲に限定される。その結果、結晶化に対して非常に安定で熱力学的特性及び輸送量が準安定の範囲全体を通して測定可能であるポリマー及び有機液体と異なり、過冷却金属性液体の特性は、ガラス転移のすぐ上及び融点のすぐ下の狭い温度範囲まで測定可能であるに過ぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，２８８，３４４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３６８，６５９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６１８，３５９号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７３５，９７５号明細書
【特許文献５】米国特許出願第２００８０１３５１３８号明細書
【特許文献６】米国特許第４，１１５，６８２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，００５，４５６号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｇ．Ｄｕａｎ他、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９（２００７）４２７２
【非特許文献２】Ｗｉｅｓｔ、Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，５６（２００８）２５２５−２６３０
【非特許文献３】Ａ．Ｒ．Ｙａｖａｒｉ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，６４４（２００１）Ｌ１２−２０−１
【非特許文献４】Ａ．Ｒ．Ｙａｖａｒｉ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａ，３７５−３７７（２００４）２２７−２３４
【非特許文献５】Ａ．Ｒ．Ｙａｖａｒｉ、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８１（９）（２００２）１６０６−１６０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、全てのＢＭＧ供試体容積を瞬時かつ均一に加熱し、従って、非晶質金属の全体的な成形を可能にする新しい手法を見つける必要性が存在する。更に、科学的な観点から、過冷却金属性液体のこれらの熱力学的特性及び輸送量にアクセス及び測定する新しい手法を見つける必要性も存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従って、本発明により、急速コンデンサ放電加熱（ＲＣＤＦ）を使用して非晶質材料を成形する方法及び装置を提供する。
【００１４】
一実施形態では、本発明は、急速コンデンサ放電を使用して非晶質材料を急速に加熱及び成形し、ある量の電気エネルギが、実質的に均一な断面を有する実質的に欠陥のないサンプルを通じて均一に放出され、非晶相のガラス転移温度と合金の平衡溶融温度の間の処理温度までサンプルの全体が急速かつ均一に加熱され、かつ同時にサンプルを非晶質物品に成形して次に冷却する方法に関する。１つのそのような実施形態において、少なくとも５００Ｋ／秒の速度でサンプルを処理温度まで加熱することが好ましい。別のそのような実施形態において、成形する段階は、例えば、射出成形、動的鍛造、スタンプ鍛造、及びブロー成形のような従来の形成技術を使用する。
【００１５】
別の実施形態において、約１ｘ１０-4℃-1の温度変化（Ｓ）の単位当たりの抵抗率の相対的な変化を有する非晶質材料が選択される。１つのそのような実施形態において、非晶質材料は、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、及びＣｕから構成された群から選択される元素金属に基づく合金である。
【００１６】
更に別の実施形態において、電気エネルギがサンプル内に均一に導入されるようにサンプルの両端に接続された少なくとも２つの電極を通じてある量の電気エネルギをサンプルに放出する。１つのそのような実施形態において、本方法は、少なくとも１００ジュールのある量の電気エネルギを使用する。
【００１７】
更に別の実施形態において、処理温度は、非晶質材料のガラス転移温度と合金の平衡融点の間のほぼ中間に存在する。１つのそのような実施形態において、処理温度は、非晶質材料のガラス転移温度よりも少なくとも２００Ｋ超える。１つのそのような実施形態において、処理温度は、加熱された非晶質金属の粘性が約１Ｐａ−ｓと１０4Ｐａ−ｓの間であるようなものである。
【００１８】
更に別の実施形態において、サンプルを成形するのに使用される形成圧力は、高いウェーバー数による流れを回避するほど十分に遅い速度でサンプルが変形されるように制御される。
【００１９】
更に別の実施形態において、サンプルを成形するのに使用される変形速度は、高いウェーバー数による流れを回避するほど十分に遅い速度でサンプルが変形されるように制御される。
【００２０】
更に別の実施形態において、初期非晶質金属サンプル（原料）は、例えば、円筒体、シート、方形、及び矩形中実のような均一な断面を有するあらゆる形状とすることができる。
【００２１】
更に別の実施形態において、非晶質金属サンプルの接触面は、電極接触面との良好な接触を保証するために平行に切断されかつ平坦に研磨される。
【００２２】
更に別の実施形態において、本発明は、非晶質材料を成形する急速コンデンサ放電装置に関する。１つのそのような実施形態において、非晶質材料のサンプルは、実質的に均一な断面を有する。別のそのような実施形態において、少なくとも２つの電極は、非晶質材料のサンプルに電気エネルギ供給源を接続する。そのような実施形態において、電極は、実質的に均一な接続が電極とサンプルの間に形成されるようにサンプルに取り付けられる。更に別のそのような実施形態において、動的電界の電磁スキン厚は、装填物の半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きい。
【００２３】
更に別の実施形態において、電極材料は、例えば、銅、銀、又はニッケルのような低い降伏強度及び高い電気及び熱伝導度を有する金属、又は少なくとも銅、銀、又はニッケルの９５ａｔ％で形成された合金であるように選択される。
【００２４】
更に別の実施形態において、「着座」圧力が、サンプルの接触面の微細な特徴に適合させるために電極／サンプル界面で電極の接触面を塑性変形するために電極と初期非晶質サンプルの間に印加される。
【００２５】
更に別の実施形態において、低電流「着座」電気パルスが、電極の接触面で非晶質サンプルのあらゆる非接触領域を局所的に軟化し、従って、電極の接触面の微細な特徴に適合させるために、電極と初期非晶質サンプルの間に印加される。
【００２６】
装置の更に別の実施形態において、電気エネルギ供給源は、５００Ｋ／秒の速度で非晶質相のガラス転移温度と少なくとも合金の平衡溶融温度の間の処理温度までサンプルの全体を均一に加熱するのに十分な量の電気エネルギを生成することができる。装置のそのような実施形態において、電気エネルギ供給源は、熱輸送及び熱勾配の発生を回避し、従って、サンプルの均一な加熱を容易にするために、サンプルが断熱的に加熱されるような速度で又は換言すると非晶質金属サンプルの熱緩和速度よりも遥かに高い速度で放電される。
【００２７】
装置の更に別の実施形態において、装置に使用される成形ツールは、射出成形モールド、動的鍛造、スタンプ鍛造、及びブロー成形モールドから構成された群から選択され、かつ加熱されたサンプルを形成するのに十分な変形歪みを課すことができる。１つのそのような実施形態において、成形ツールは、電極の少なくとも１つから少なくとも部分的に形成される。代替的なそのような実施形態において、成形ツールは、電極とは独立している。
【００２８】
装置の更に別の実施形態において、サンプルに変形力を印加する空圧又は磁気駆動システムを提供する。このようなシステムは、高いウェーバー数による流れを回避するほど十分に遅い速度で加熱された非晶質材料が変形されるように変形力又は変形速度を制御することができる。
【００２９】
装置の更に別の実施形態において、成形ツールは、非晶質材料の好ましくはガラス転移温度付近の温度までツールを加熱する加熱要素を更に含む。そのような実施形態において、形成された液体の表面は、よりゆっくり冷却され、従って、形成中の物品の表面仕上げが改善する。
【００３０】
更に別の実施形態において、引張変形力が、均一な断面のワイヤ又はファイバを引き抜き処理するためにエネルギ放電中に適切に把持されたサンプルに対して印加される。
【００３１】
更に別の実施形態において、引張変形力は、材料の流れがニュートン流れであり、かつネッキングによる不良が回避されるように制御される。
【００３２】
更に別の実施形態において、引張変形速度は、材料の流れがニュートン流れであり、かつネッキングによる不良が回避されるように制御される。
【００３３】
更に別の実施形態において、低温ヘリウムの流れが、ガラス転移よりも低い冷却を容易にするために引き上げられたワイヤ又はファイバの上へ吹き込まれる。
【００３４】
更に別の実施形態において、本発明は、準安定の範囲にわたって過冷却液体の熱力学的特性及び輸送量を測定する急速コンデンサ放電装置に関する。１つのそのような実施形態において、高解像度及び高速熱探知カメラが、非晶質金属のサンプルの均一な加熱及び均一な変形を同時に記録するのに使用される。時間的、熱的、及び変形的データは、時間、温度、及び歪みデータに変換することができ、一方、入力電力及び課せられた圧力は、内部エネルギ及び印加された応力に変換することができ、従って、サンプルの温度、温度依存粘性、熱容量、及びエンタルピーに関する情報が得られる。
【００３５】
別の実施形態において、本発明は、急速コンデンサ放電射出成形装置に関し、これは、実質的に均一な断面を有する非晶質金属のサンプルと、電気エネルギ供給源と、非晶質金属のサンプルに電気エネルギ供給源を相互接続する少なくとも２つの電極と、サンプルとの関連で可動である少なくとも１つのプランジャと、射出力を可動プランジャを通じてサンプルに印加することができるように少なくとも１つの可動プランジャとの関連で配置された射出力発生器と、２つの協働する半割り部分として形成され、協働する半割り部分が一緒にされた時にそれらが結合されて、サンプルを受け入れて実質的に密接な接続が電極とサンプル間に形成されるようにサンプルを少なくとも２つの電極と電気的に接続させ、かつ射出力がサンプルに伝達されるように少なくとも１つのプランジャと機械的に接続させるように構成された電気絶縁原料チャンネル、望ましい形状にサンプルを形成し、かつその後にサンプルを冷却するための熱伝導モールド、及び原料チャンネルとモールド間の流体相互接続を形成する少なくとも１つの熱伝導ランナーチャンネルを含むような射出成形ダイとを含み、電気エネルギ供給源は、非晶質材料のガラス転移温度と平衡融点間の処理温度までサンプルの全体を均一に加熱するのに十分な量の電気エネルギを生成かつ放出することができ、射出力発生器は、加熱されたサンプルをランナーチャンネルに通してモールドの中に強く押し入れてそこにネット形状物品を形成するのに十分な射出力を少なくとも１つの可動プランジャを通じて印加することができる。
【００３６】
１つのそのような実施形態において、装置はまた、非晶質金属のガラス転移温度又はその付近の温度までモールドを加熱するための温度制御式加熱要素を含む。
【００３７】
別のそのような実施形態において、電極材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、銅ベリリウム合金、又は少なくとも９５ａｔ％のＣｕ、Ａｇ、又はＮｉのうちの１つを含有する合金から構成された群から選択される。
【００３８】
更に別のそのような実施形態において、ある量の電気エネルギの放電及び少なくとも１つのプランジャの運動は同期化される。一実施形態において、電極の少なくとも１つは、プランジャとして作用する。
【００３９】
更に別のそのような実施形態において、金属ガラス原料は、Ｚｒベース、Ｔｉベース、Ｃｕベース、Ｎｉベース、Ａｌベース、Ｆｅベース、Ｃｏベース、Ｍｇベース、Ｃｅベース、Ｌａベース、Ｚｎベース、Ｃａベース、Ｐｄベース、Ｐｔベース、及びＡｕベースのものから構成された群から選択された合金で製造される。
【００４０】
更に別のそのような実施形態において、プランジャ材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、銅ベリリウム合金、又は少なくとも９５ａｔ％のＣｕ、Ａｇ、又はＮｉのうちの１つを含有する合金、又はＮｉ合金、又は鋼、又はＭａｃｏｒ、又はイットリア安定化ジルコニア、又は細粒ミョウバンから構成された群から選択される。
【００４１】
更に別のそのような実施形態において、金属ガラス原料は、円筒ロッドの形態である。１つのそのような実施形態において、円筒形金属ガラス原料ロッドの直径は、２ｍｍと１５ｍｍの間である。別のそのような実施形態において、円筒形金属ガラス原料ロッドの長さは、ロッド径よりも少なくとも２倍大きい。更に別のそのような実施形態において、電極も円筒形であり、電極の直径は、円筒形金属ガラス原料ロッドの直径と同じである。
【００４２】
更に別のそのような実施形態において、電気絶縁原料チャンネルは、少なくとも３ＭＰａｍ1/2の破壊靭性を示す材料で製造される。１つのそのような実施形態において、電気絶縁原料チャンネルは、被削性セラミックで製造される。更に別のそのような実施形態において、そのようなインサートの材料は、Ｍａｃｏｒ、イットリア安定化ジルコニア、又は細粒アルミナを含む。
【００４３】
更に別のそのような実施形態において、電気絶縁原料チャンネルは、金属ガラス原料及び電極の形状と協働する形状を有し、かつ金属ガラス原料及び電極がチャンネルにきつく嵌合するように寸法決めされる。
【００４４】
更に別のそのような実施形態において、モールドは、少なくとも１０Ｗ／ｍ2Ｋの熱伝導率を示す材料で製造される。１つのそのような実施形態において、モールドは、銅、真鍮、工具鋼、アルミナ、イットリア安定化ジルコニア、又はその組合せから構成された群から選択された材料で製造される。
【００４５】
更に別のそのような実施形態において、装置はまた、少なくとも１つのランナーチャンネルとモールド間に配置された少なくとも１つのゲートを含む。
【００４６】
更に別のそのような実施形態において、供給源は、シリコン制御式整流器と直列に接続されたコンデンサバンクを含む。
【００４７】
更に別のそのような実施形態において、ある量の電気エネルギの放電後の金属ガラス原料における温度変動は、加熱された原料の平均温度の１０％以内である。
【００４８】
更に別のそのような実施形態において、加熱された金属ガラス原料に印加される力は、１００Ｎと１０００Ｎの間である。
【００４９】
更に別のそのような実施形態において、加熱された金属ガラス原料に印加される圧力は、１０ＭＰａと１００ＭＰａの間である。
【００５０】
更に別のそのような実施形態において、射出力発生器は、空圧ドライブ、油圧ドライブ、磁気ドライブ、又はその組合せから構成された群から選択される。
【００５１】
更に別のそのような実施形態において、射出力は、時間と共に変化する。
【００５２】
更に別のそのような実施形態において、少なくとも１つの可動プランジャの運動は、時間と共に変化する。
【００５３】
更に別のそのような実施形態において、射出力は、ある量の電気エネルギの放電後に印加される。
【００５４】
更に別のそのような実施形態において、少なくとも１００トンの締付力は、ダイの２つの半割り部分を互いにロックするために印加される。１つのそのような実施形態において、締付力は、油圧又は磁気ドライブの一方によって印加される。
【００５５】
更に別のそのような実施形態において、ダイの２つの半割り部分は、ヒンジを通じて相互接続される。
【００５６】
更に別のそのような実施形態において、モールドは、少なくとも１つの突き出しピンを更に含む。
【００５７】
更に別のそのような実施形態において、ダイは、気密密封チャンバに封入される。
【００５８】
更に別のそのような実施形態において、チャンバは、０．０１Ｐａ又はそれよりも低い圧力に維持される。
【００５９】
更に別のそのような実施形態において、チャンバは、アルゴン又はヘリウムの一方を含む。
【００６０】
更に別のそのような実施形態において、２つのプランジャは、両方の電極が原料に射出力を印加するように原料チャンネルとの関連で移動可能である。
【００６１】
更に別のそのような実施形態において、ランナーチャンネルは、原料チャンネルの中心に位置決めされ、電極は、ほぼ同じ速度で同期して移動する。
【００６２】
更に別の実施形態において、２つの電極は、２つのプランジャとして作用する。
【００６３】
この説明は、本発明の例示的な実施形態として示されて本発明の範囲の完全な説明と解釈すべきではない以下の図及びデータグラフを参照してより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による例示的な急速コンデンサ放電形成方法の流れ図である。
【図２】本発明による急速コンデンサ放電形成方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図３】本発明による急速コンデンサ放電形成方法の別の例示的な実施形態の概略図である。
【図４】本発明による急速コンデンサ放電形成方法の更に別の例示的な実施形態の概略図である。
【図５】本発明による急速コンデンサ放電形成方法の更に別の例示的な実施形態の概略図である。
【図６】本発明による急速コンデンサ放電形成方法の更に別の例示的な実施形態の概略図である。
【図７】本発明による熱探知カメラと組み合わせた急速コンデンサ放電形成方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図８ａ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電形成方法を使用して取得した実験結果の一連の写真画像である。
【図８ｂ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電形成方法を使用して取得した実験結果の一連の写真画像である。
【図８ｃ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電形成方法を使用して取得した実験結果の一連の写真画像である。
【図８ｄ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電形成方法を使用して取得した実験結果の一連の写真画像である。
【図９】本発明による例示的な急速コンデンサ放電形成方法を使用して取得した実験結果の写真画像である。
【図１０】例示的な急速コンデンサ放電形成方法を使用して取得した実験結果を要約するデータプロットである。
【図１１ａ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電装置の概略図である。
【図１１ｂ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電装置の概略図である。
【図１１ｃ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電装置の概略図である。
【図１１ｄ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電装置の概略図である。
【図１１ｅ】本発明による例示的な急速コンデンサ放電装置の概略図である。
【図１２ａ】図１１ａから図１１ｅに示す装置を使用して製造した成形物品の写真画像である。
【図１２ｂ】図１１ａから図１１ｅに示す装置を使用して製造した成形物品の写真画像である。
【図１３】未締着無負荷状態である射出成形装置の概略図である。
【図１４】未締着負荷状態である図１３の射出成形装置の概略図である。
【図１５】締着負荷状態である図１３の射出成形装置の概略図である。
【図１６】図１３の射出成形装置の電気絶縁インサートの詳細な図解図である。
【図１７】図１３の射出成形装置の熱伝導部分の詳細な図解図である。
【図１８】形成後の図１３の射出成形装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
本発明は、ジュール加熱により押し出し又は成形ツールを使用して金属ガラスを均一に加熱し、流動学的に軟化し、急速に（典型的には１秒未満の処理時間に）ネット形状物品に熱塑性的に形成する方法に関する。より具体的には、本方法は、コンデンサ内に貯蔵された電気エネルギ（典型的には１００ジュールから１００ジュール）の放出を利用して、数ミリ秒又はそれ未満の時間尺度で、非晶質材料のガラス転移温度と合金の平衡融点の間のほぼ中間の所定の「処理温度」まで金属ガラス合金のサンプル又は装填物を均一かつ急速に加熱するものであり、以下、急速コンデンサ放電成形（ＲＣＤＦ）と呼ぶ。本発明のＲＣＤＦ処理は、金属ガラスが凍結された液体であるという長所により比較的低い電気抵抗を有し、それによってサンプルが放電の適切な印加で断熱的に加熱されるような速度で高いエネルギ消散及び材料の効率的かつ均一な加熱を得ることができるという知見から出発した。
【００６６】
急速かつ均一にＢＭＧを加熱することにより、ＲＣＤＦ処理は、ガラス転移温度よりも実質的に高い温度までの結晶化に対する過冷却液体の安定性を拡張し、従って、サンプル容積全体が、形成に最適である処理粘性に関連付けられた状態になる。ＲＣＤＦ処理では、準安定過冷却液体によって得られる粘性の範囲全体を取得することができ、その理由は、この範囲は、もはや安定した結晶相の形成により限定されないからである。要約して言えば、この工程は、形成される部品の品質の改善、使用可能な部品の収率の増加、材料及び処理費用低減、使用可能なＢＭＧ材料の範囲の拡幅、エネルギ効率の改善、及び製造機械の資本費用低減を可能にする。更に、ＲＣＤＦ処理において達成することができる瞬間的で均一な加熱のために、液体準安定の範囲全体を通した熱力学的特性及び輸送量が、測定に向けてアクセス可能になる。従って、温度及び歪み測定計装のような付加的な標準的計装を急速コンデンサ放電設定に組み込むことにより、粘性、熱容量、及びエンタルピーのような特性をガラス転移と融点の間の全ての温度範囲において測定することができる。
【００６７】
本発明のＲＣＤＦ技術の簡単な流れ図が図１に示されている。図示のように、この工程は、金属ガラス合金のサンプルブロック又は装填物へのコンデンサ内に貯蔵された電気エネルギ（典型的には１００ジュールから１００Ｋジュール）の放出で始まる。本発明により、電気エネルギの印加を使用して、非晶質材料が安易な成形が可能にするのに十分な処理粘性（〜１から１０4Ｐａｓ−ｓ又はそれ未満）を有するように数マイクロ秒から数ミリ秒又はそれ未満の時間尺度で、合金のガラス転移温度よりも高い所定の「処理温度」まで、より具体的には非晶質材料のガラス転移温度と合金の平衡融点の間のほぼ中間の処理温度（Ｔgを〜２００から３００Ｋ超える）までサンプルを急速かつ均一に加熱することができる。電流エネルギの放出に係る電流パルスの立上り時間は、具体的には、１μｓと１００ｍｓの間である。
【００６８】
サンプルブロック全体が十分に低い処理粘性を有するようにサンプルが均一に加熱された状態で、それは、例えば、射出成形、動的鍛造、スタンプ鍛造、ブロー成形などを含むあらゆる数の技術を通じて高品質非晶質バルク物品に成形することができる。しかし、金属ガラスの装填物を成形することができるか否かは、装填物の加熱が急速であり、かつ全てのサンプルブロックにわたって均一であることを保証することに完全に依存する。均一な加熱がもたらされなかった場合に、サンプルは、代わりに局所加熱が発生することになり、このような局所加熱は、例えば、互いに部分を接合又はスポット溶接するなどの一部の技術又はサンプルの独特の領域の成形に有用であることはあるが、このような局所加熱は、サンプルのバルク成形を行うために使用されておらず、かつ使用することができない。同様に、サンプル加熱が十分に急速（典型的には約５００から１０5Ｋ／ｓ）でなかった場合に、形成中の材料は、非晶質性を失うことになり、又はこの成形技術は、優れた処理性特性（すなわち、結晶化に対する過冷却液体の高い安定性）を有する非晶質材料に限定されることになり、ここでもまた、この工程の有用性が低減される。
【００６９】
本発明のＲＣＤＦ方法は、サンプルの急速かつ均一な加熱を保証する。しかし、ＲＣＤＦを使用する金属ガラスサンプルの急速かつ均一な加熱を取得するための必要な判断基準を理解するために、最初に、金属材料のジュール加熱がどのように行われるかを理解することが必要である。金属の電気抵抗の温度依存性は、温度変化係数Ｓの単位当たりの抵抗率の相対的な変化の観点から定量化することができ、ここで、Ｓは、以下として定義される。
Ｓ＝（１／ρ0）［ｄρ（Ｔ）／ｄＴ］T0      （式１）
ここで、Ｓは、（１／℃）の単位であり、ρ0は、室温Ｔ0での金属の抵抗率（Ｏｈｍ−ｃｍ単位）であり、［ｄρ／ｄＴ］T0は、線形であると考えられる室温での抵抗率（Ｏｈｍ−ｃｍ／Ｃ単位）の温度導関数である。一般的な非晶質材料は、大きいρ0（８０μΩ−ｃｍ＜ρ0＜３００μΩ−ｃｍ）であるが、Ｓ（−１ｘ１０-4＜Ｓ＜＋１ｘ１０-4）の非常に小さい（かつ多くの場合負の）値を有する。
【００７０】
非晶質合金に見られる小さいＳ値に対して、均一な電流密度を受ける均一な断面のサンプルは、空間において均一にオーム加熱されることになり、すなわち、サンプルは、周囲温度Ｔ0から最終温度ＴFまで急速に加熱されることになり、最終温度ＴFは、次式：
Ｅ＝１／２ＣＶ2      （式２）
により与えられるコンデンサの総エネルギ、及びサンプル装填物の全熱容量ＣS（ジュール／Ｃ単位）に依存する。ＴFは、次式：
ＴF＝Ｔ0＋Ｅ／ＣS      （式３）
により与えられる。加熱時間は、容量放電の時定数τRC＝ＲＣにより決まる。ここでは、Ｒは、サンプルの全抵抗＋容量放電回路の出力抵抗である。従って、理論上では、金属ガラスの一般的な加熱速度は、次式：
ｄＴ／ｄｔ＝（ＴF−Ｔ0）／τRC      （式４）
により与えることができる。
【００７１】
これとは対照的に、一般的な結晶質の金属の方がρ0は遥かに低く（１から３０μΩ−ｃｍ）、Ｓの値は約０．０１から０．１で遥かに大きい。それによって挙動の有意差が発生する。例えば、銅合金、アルミニウム、又は合金鋼のような一般的な結晶質の金属に対して、ρ0は、遥かに小さく（１から２０μΩ−ｃｍ）、一方、Ｓは、遥かに大きく、典型的にはＳ約０．０１から０．１である。結晶質金属内のρ0値は、小さいほどサンプル内のエネルギ消散が小さくなり（電極と比較して）、かつサンプルとのコンデンサのエネルギの結合は効率が劣る。更に、結晶質金属が溶融する時に、ρ（Ｔ）は、固体金属から溶融金属になる時に２倍又はそれよりも多く増加する。一般的な結晶質金属の溶融時の抵抗率の増加と共に、大きいＳ値により、均一な電流密度での極端な不均一なオーム加熱が発生する。結晶質サンプルは、常に、典型的にはサンプル内の高電圧電極又は他の界面の近くにおいて局所的に溶融する。結晶質のロッドを通るエネルギのコンデンサ放電により、初期抵抗が最大であった場合は（典型的には界面で）、常に加熱空間的局所化及び局所的溶融が発生する。実際には、これが、結晶質金属の容量放電溶接（スポット溶接、プロジェクション溶接、「突合せ溶接」など）の基盤であり、その場合に、局所的溶融プールが、溶接される部品内の電極／サンプル界面又は他の内部界面の近くで作成される。
【００７２】
「背景技術」で上述したように、従来技術のシステムは、非晶質材料の固有の導電特性も認識していたが、今日まで認められなかったことは、サンプル全体の均一な加熱を保証するためには、加熱サンプル内のエネルギ散逸の空間的不均質性の動的発生を回避することも必要であることである。本発明のＲＣＤＦ方法では、２つの基準を定めており、これらの基準は、このような不均質性の発生を防止し、かつ装填物の均一な加熱を保証するために満たすべきである。
・サンプル内の電流の均一性、及び
・動的加熱中の電力損失における不均質性の発生に対するサンプルの安定性。
【００７３】
これらの基準は、比較的簡単なように見えるが、加熱中に使用される電荷、サンプルに使用される材料、サンプルの形状、及び装填物及びサンプル自体を導入するのに使用される電極間の界面にいくつかの物理的及び技術的な制約が課せられる。例えば、長さＬ及び面積Ａ＝πＲ2（Ｒ＝サンプル半径）の円筒形装填物に対して以下の要件が存在する。
【００７４】
容量放電中に円筒体内の電流が均一であるには、動的電界の電磁スキン厚Λがサンプルに関連付けられた寸法（半径、長さ、幅、又は厚み）の特性と比較して大きいことが必要である。円筒体の例では、関連の特徴的な寸法は、明らかに装填物の半径及び深さＲ及びＬであると考えられる。この条件は、Λ＝［ρ0τ／μ0］1/2≧Ｒ（Ｌ）の時に満たされる。ここで、τはコンデンサの「ＲＣ」時定数であり、サンプルシステムμ0＝４π×１０-7（ヘンリー／ｍ）は空き領域の誘電率である。Ｒ及びＬ〜１ｃｍに対して、これは、τ＞１０から１００μｓを意味する。このような一般的な寸法及び非晶質合金の抵抗率の値を使用して、これには、適切にサイズ設定をされた典型的に約１０，０００μＦのキャパシタンス又はそれよりも大きいコンデンサが必要である。
【００７５】
動的加熱中の電力損失における不均質性の発生に対するサンプルの安定性は、フーリエの式により支配される電流及び熱流によるオーム「ジュール」加熱を含む安定性解析を実行することによって理解することができる。温度（すなわち、正のＳ）と共に増加する抵抗率によるサンプルに対して、サンプル円筒体の軸線に沿った局所的温度変化により、局所加熱が増大し、それによって更に局所抵抗及び放熱が増大する。十分に高い電力入力に対して、それによって円筒体に沿った加熱の「局所化」が発生する。結晶性材料に対して、結果的に局所的溶融が発生する。この挙動は、構成要素間の界面に沿って局所的溶融の生成を望む溶接において有用であるが、この挙動は、均一に非晶質材料を加熱することが望ましい場合は極めて望ましくない。本発明は、均一な加熱を保証する臨界基準を提供する。先に定義したようにＳを使用して、以下である時に加熱が均一であるべきであると考えている。
0005939545.tif 000002
ここで、Ｄは非晶質材料の温度伝導率（ｍ2／ｓ）であり、ＣSはサンプルの全熱容量であり、Ｒ0はサンプルの全抵抗である。Ｄの値及び金属ガラスの特徴を示すＣSを使用し、かつ典型的に本発明に必要とされる長さ（Ｌ約１ｃｍ）及び入力電力Ｉ2Ｒ0約１０6ワットと仮定すると、Ｓcrit約１０-4から１０-5を取得することができる。均一な加熱のこの基準は、多くの金属ガラスに対して満たすべきである（上述のＳ値を参照されたい）。特に、多くの金属ガラスは、Ｓ＜０を有する。このような材料（すなわち、Ｓ＜０）は、加熱均一性に向けてこの要件を常に満たすことになる。この基準を満たす例示的な材料は、米国特許第５，２８８，３４４号明細書、米国特許第５，３６８，６５９号明細書、米国特許第５，６１８，３５９号明細書、及び米国特許第５，７３５，９７５号に定められており、これらの特許の開示内容は、引用により本明細書に組み込まれている。
【００７６】
適用される装填物及び使用される非晶質材料の根本的な物理的基準を超えて更に、装填物がサンプルにできるだけ均一に適用されることを保証するための技術的要件もある。例えば、サンプルが実質的に欠陥がなく、かつ均一な断面で形成されることが重要である。これらの条件が満たされなかった場合に、熱は、サンプルにわたって均一に消散しないことになり、局所加熱が発生することになる。具体的には、サンプルブロックに不連続部又は欠陥があった場合に、上述の物理定数（すなわち、Ｄ及びＣS）は、異なる加熱速度になる点で異なることになる。更に、品目の断面が変わる場合はサンプルの熱特性も品目の寸法（すなわち、Ｌ）に依存するので、サンプルブロックに沿って局所化された温点があることになる。更に、サンプル接触面が適切に平坦かつ平行ではなかった場合に、界面接触抵抗が電極／サンプル界面で存在する。従って、一実施形態において、サンプルブロックは、実質的に欠陥がなく、かつ実質的に均一な断面を有するように構成される。サンプルブロックの断面は均一であるべきであるが、この要件が満たされる限り、ブロックの形状に課せられる固有の制約はないことを理解すべきである。例えば、ブロックはシート、ブロック、円筒体のようなあらゆる適切な幾何学的に均一な形状を取ることができる。別の実施形態において、サンプル接触面は、電極との良好な接触を保証するために平行に切断されかつ平坦に研磨される。
【００７７】
更に、界面接触抵抗が電極とサンプルの間に発生しないことが重要である。これをもたらすために、電極／サンプル界面は、「温点」が界面で発生しないように、電荷が均一に、すなわち、均一な密度で印加されることを保証するように設計すべきである。例えば、電極の異なる部分でサンプルとの異なる導電接触ができた場合に、初期抵抗が最大である場合は常に加熱の空間的局所化及び局所化された溶融が発生する。それによって局所的溶融プールがサンプル内の電極／サンプル界面又は他の内部界面の近くで作成される放電溶接が行われることになる。均一な電流密度というこの要件を考慮して、本発明の一実施形態において、電極は、サンプルとの良好な接触を保証するために平坦に研磨されかつ平行である。本発明の別の実施形態において、電極は、軟金属で製造され、界面で電極材料降伏強度よりも大きいが電極座屈強度を超えない均一な「着座」圧力が、電極が依然として座屈していない界面全体に確実に圧接されて界面での全ての非接触領域が塑性変形されるように印加される。本発明の更に別の実施形態において、非晶質材料のガラス転移温度よりも僅かに上まで電極の接触面での非晶質サンプルのあらゆる非接触領域の温度を上げるのにかろうじて十分である均一な低エネルギ「着座」パルスが印加され、従って、非晶質サンプルは、電極の接触面の微細な特徴に適合することができる。更に、更に別の実施形態において、電極は、正及び負の電極によりサンプルを通る対称的電流路ができるように位置決めされる。電極材料の一部の適切な金属は、Ｃｕ、Ａｇ、及びＮｉ、及びＣｕ、Ａｇ、及びＮｉで実質的に製造された（すなわち、少なくとも９５ａｔ％のこれらの材料を含有する）合金である。
【００７８】
最後に、電気エネルギが均一にサンプルに問題なく放出されることを条件として、冷却器周辺及び電極に向けた熱輸送が実質的に避けられた場合に、すなわち、断熱昇温がもたらされた場合に、サンプルは、均一に加熱することになる。断熱昇温条件を生成するためには、熱輸送による熱勾配がサンプルにおいて発生しないことを保証するために、ｄＴ／ｄｔが十分に大きくなければならず、又はτRCが十分に小さくなければならない。この基準を定量化するために、τRCの大きさは、以下の式により与えられる非晶質金属サンプルの熱緩和時間τthよりもかなり小さいとすべきである。
τth＝ｃsＲ2／ｋs      （式５）
ここで、ｋs及びｃsは、非晶質金属の熱伝導率及び比熱容量であり、Ｒは、非晶質金属サンプルの特徴的な長さ尺度（例えば、円筒形サンプルの半径）である。Ｚｒベースのガラスの大体の値を表すｋs約１０Ｗ／（ｍＫ）及びｃs約５ｘ１０6Ｊ／（ｍ3Ｋ）及びＲ約１ｘ１０-3ｍを考慮して、τth約０．５ｓを取得する。従って、τRCが０．５ｓよりもかなり小さいコンデンサを使用して均一な加熱を保証すべきである。
【００７９】
成形方法それ自体に移ると、本発明のＲＣＤＦ方法による例示的な成形ツールの概略図が図２に示されている。図示のように、基本的なＲＣＤＦ成形ツールは、電気エネルギ供給源（１０）及び２つの電極（１２）を含む。電極は、均一な加熱を保証するために十分に低いＳcrit値を有して十分に高い大きいρ0値を有する非晶質材料で製造された均一な断面のサンプルブロック（１４）に均一な電気エネルギを印加するのに使用される。均一な電気エネルギが、数ミリ秒又はそれ未満の時間尺度において合金のガラス転移温度よりも高い所定の「処理温度」までサンプルを均一に加熱するのに使用される。このようにして形成された粘性液体は、１秒未満の時間尺度で物品を形成するために同時に例えば射出成形、動的鍛造、スタンプ鍛造、ブロー成形などを含む好ましい成形方法によって成形される。
【００８０】
例えば、１０μｓから１０ミリ秒の放電時定数を有するコンデンサのような所定の処理温度までサンプルブロックを急速かつ均一に加熱するために均一な密度の十分なエネルギを供給することに適するあらゆる電気エネルギ供給源を使用することができることを理解すべきである。更に、サンプルブロックにわたって均一な接触をもたらすことに適するあらゆる電極を使用して、電気エネルギを伝達することができる。上述したように、１つの好ましい実施形態において、電極は、例えば、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、又は少なくとも９５ａｔ％のＮｉ、Ａｇ、及びＣｕを使用して製造される合金のような軟金属で形成され、かつサンプルブロックの接触面の微細な特徴に適合させるために電極／サンプル界面で電極の接触面を塑性変形するのに十分な圧力でサンプルブロックに当接して保持される。
【００８１】
上述の内容では全体的にＲＣＤＦ方法に重点を置いていたが、本発明は、非晶質材料のサンプルブロックを成形する装置も対象とする。図２に概略的に示す１つの好ましい実施形態において、射出成形装置は、ＲＣＤＦ方法と共に組み込むことができる。そのような実施形態において、加熱された非晶質材料の粘性液体は、金属ガラスのネット形状構成要素を形成するために、機械的に負荷が掛けられたプランジャを使用して周囲温度に保持された型穴（１８）に注入される。図２に示す本方法の例では、装填物は、電気絶縁「バレル」又は「ショットスリーブ」に位置して、高い導電率及び熱伝導率を有する伝導材料（銅又は銀のような）で製造された円筒形プランジャにより射出圧力（典型的には１から１００ＭＰａ）に予め負荷が加えられる。プランジャは、システムの１つの電極として作用する。サンプル装填物は、電気的に接地されたベース電極に置かれる。コンデンサの貯蔵されたエネルギは、上述の特定の基準が満たされることを条件として均一に円筒形金属ガラスサンプル装填物に放出される。負荷が掛けられたプランジャは、次に、ネット形状型穴に加熱された粘性の溶融物を押し込む。
【００８２】
射出成形技術を先に説明したが、あらゆる適切な成形技術を使用することができる。ＲＣＤＦ技術に従って使用することができる他の成形方法の一部の例示的な代替的実施形態が図３から５に示されており、以下に説明する。図３に示すように、例えば、一実施形態において、動的鍛造による成形方法を使用することができる。そのような実施形態において、電極（２２）のサンプル接触部分（２０）は、それ自体ダイツールを形成すると考えられる。この実施形態において、低温サンプルブロック（２４）は、電極の間に圧縮応力で保持され、電気エネルギが放出された時に、サンプルブロックは、電極が所定の応力で互いに押し出すのを可能にするのに十分に粘性になり、従って、サンプルブロックの非晶質材料が、ダイ（２０）の形状に適合する。
【００８３】
図４に概略的に示す別の実施形態において、スタンプフォーム成形方法が提案される。この実施形態において、電極（３０）は、両側で電極の間にサンプルブロック（３２）を締着するか又は他の方法で保持される。図示の概略図では、非晶質材料のシートが使用されているが、この技術は、あらゆる適切なサンプル形状で作動するように変更することができることを理解すべきである。サンプルブロックを通る電気エネルギが放出された状態で、図示のように、対向するモールド又はスタンプ面（３６）を含む形成ツール又はスタンプ（３４）は、間に保持されたサンプルの部分と当接するように所定の圧縮力で合わせられ、従って、サンプルブロックは、最終の望ましい形状に型押される。
【００８４】
図５に概略的に示す更に別の例示的な実施形態において、ブロー成形モールドによる成形技術を使用することができる。ここでもまた、この実施形態において、電極（４０）は、両側で電極の間にサンプルブロック（４２）を締着するか又は他の方法で保持される。好ましい実施形態において、サンプルブロックは、材料のシートを含むが、適切なあらゆる形状を使用することができる。初期形状と無関係に、例示的な技術では、サンプルブロックは、ブロックの対向する側（４６及び４８）（すなわち、モールドに対向する側及びモールドから離れる方向に対向する側）をガスの差圧、すなわち、ガスの正圧又は負の真空状態に露出することができるように実質的に気密シールを形成するためにモールド（４５）の上にフレーム（４４）に位置決めされる。サンプルブロックを通って電気エネルギが放出された状態で、サンプルは粘性になり、モールドの輪郭に適合するように差圧の応力で変形し、従って、サンプルブロックは、最終の望ましい形状に形成される。
【００８５】
図６に概略的に示す更に別の例示的な実施形態において、ファイバ引き上げ技術を使用することができる。ここでもまた、この実施形態において、電極（４９）は、サンプルの両端の近くでサンプルブロック（５０）と良好に接触し、一方、引張力が、サンプルの両端で印加される。低温ヘリウム（５１）の流れが、ガラス転移よりも低い冷却を容易にするために引き上げられたワイヤ又はファイバの上へ吹き込まれる。好ましい実施形態では、サンプルブロックは、円筒ロッドを含むが、適切なあらゆる形状を使用することができる。サンプルブロックを通って電気エネルギが放出された状態で、サンプルは粘性になり、引張力の応力で均一に伸び、従って、サンプルブロックが、均一な断面のワイヤ又はファイバに引き上げられる。
【００８６】
図７に概略的に示す更に別の例示的な実施形態において、本発明は、過冷却液体の熱力学的特性及び輸送量を測定する急速コンデンサ放電装置に関する。１つのそのような実施形態において、サンプル（５２）は、２つのラケット形の電極（５３）間に圧縮応力で保持され、一方、熱探知カメラ（５４）は、サンプルにピントが合っている。電気エネルギが放出された時に、カメラが作動し、サンプルブロックが同時に帯電される。サンプルが十分に粘性になった後に、電極は、サンプルを変形させるために所定の圧力で共に付勢される。カメラが必要とされた解像度及び速度を有することを条件として、同時の加熱及び変形工程を一連の熱映像により捕捉することができる。このデータを使用して、時間的、熱的、及び変形的データは、時間、温度、及び歪みデータに変換することができ、一方、入力電力及び課せられた圧力を内部エネルギ及び印加された応力に変換することができ、従って、サンプルの温度、温度依存粘性、熱容量、及びエンタルピーに関する情報が得られる。
【００８７】
上述の内容ではいくつかの例示的な成形技術の本質的な特徴に重点を置いていたが、他の成形技術を押し出し又はダイ鋳造のような本発明のＲＣＤＦ方法と共に使用することができることを理解すべきである。更に、付加的な要素をこれらの技術に追加して最終物品の品質を改善することができる。例えば、上述の成形方法のいずれかに従って形成される物品の表面仕上げを改善するために、モールド又はスタンプを非晶質材料のガラス転移温度付近又はそのすぐ下まで加熱することができ、従って、表面欠陥が補正される。更に、より良好な表面仕上げを有する物品又はネット形状部品をもたらすために、上述の成形技術のあらゆる圧縮力、及び射出成形技術の場合は圧縮の速度は、高い「ウェーバー数」流れから生じるメルトフロント不安定性を回避するように、すなわち、微粒化、噴霧、流線などを防止するように制御することができる。
【００８８】
ＲＣＤＦ成形技術及び上述の代替的な実施形態は、電子機器のためのケーシング、ブラケット、ハウジング、ファスナ、ヒンジ、ハードウエア、腕時計構成要素、医療のための部品、カメラ及び光学要素、宝石などである小さく複雑でネット形状である高性能金属部品の生産に適用することができる。ＲＣＤＦ方法を使用して、ＲＣＤＦ加熱及び射出方式に合わせて使用される様々なタイプの押出ダイを通じて動的に押し出することができる小さいシート、チューブ、パネルなどを生産することができる。
【００８９】
要約すると、本発明のＲＣＤＦ技術は、広範囲にわたる非晶質材料の急速かつ均一な加熱を可能にし、かつ比較的安くてエネルギ効率が高い非晶質合金を成形する方法を提供する。ＲＣＤＦシステムの長所を以下でより詳細に説明する。
【００９０】
・急速で均一な加熱は、熱可塑性処理性を強化する
ＢＭＧの熱塑性的成形及び形成は、ガラス転移温度Ｔgを超えて加熱された時に結晶化するＢＭＧの傾向により大きく制限される。Ｔgよりも高い冷却不足液体内の結晶形成及び成長の速度は、急速に温度と共に増加し、一方、液体の粘性は落ちる。約２０Ｃ／分の従来の加熱速度では、結晶化は、ＢＭＧがＴgをΔＴ＝３０から１５０℃超える温度に加熱された時に発生する。このΔＴにより、液体を熱可塑処理することができる最高温度及び最低粘性が決まる。実際には、粘性は、約１０4Ｐａ−ｓ、より一般的には１０5から１０7Ｐａ−ｓよりも大きいように抑制され、それによってネット形状形成が厳しく制限される。ＲＣＤＦを使用して、非晶質材料サンプルは、均一に加熱し、同時に１０4から１０7Ｃ／ｓの範囲の加熱速度で形成することができる（ミリ秒単位の総所要処理時間に）。サンプルは、熱可塑性成形して遥かに大きいΔＴでネット形状処理することができ、その結果、１から１０4Ｐａ−ｓの範囲の遥かに低い粘性が得られ、この粘性は、プラスチックの処理に使用される粘性の範囲であり、これには遥かに低い印加負荷、より短いサイクルタイムが必要であり、従って、遥かに良好なツール寿命が得られる。
【００９１】
・ＲＣＤＦは、遥かに広範囲のＢＭＧ材料の処理を可能にする
ΔＴの大きな拡大及びミリ秒への処理時間の大きな短縮により、遥かに多種類のガラス形成合金を処理することができる。具体的には、小さいΔＴを有する合金又は遥かに速い結晶化速度及び遥かに劣等のガラス形成機能を有する合金をＲＣＤＦを使用して処理することができる。例えば、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、及びＣｕ、及び他の廉価な金属ベースのより廉価及びそうでなければより望ましい合金は、小さいΔＴ及び結晶化する強い傾向を有するかなり劣等なガラス形成合金である。これらの「限界ガラス形成」合金は、現在実施される方法のいずれを使用しても熱可塑処理することができないが、本発明のＲＣＤＦ方法と共に簡単に使用することができる。
【００９２】
・ＲＣＤＦは、極めて材料効率が高い
ダイカストのようなバルク非晶質物品を形成するために現在使用される従来の工程では、鋳造される部分の容積を遥かに超える原料材料容積の使用が必要である。これは、鋳造物に加えてダイの放出された内容物全体が、全てがダイ穴の方向に溶融金属通過に必要であるゲート、ランナー、湯口（又はビスケット）、及び鋳バリを含むからである。これとは対照的に、ＲＣＤＦ方法で放出される内容物は、殆どの場合に、部品のみを含み、射出成形装置の場合に、ダイカストと比較するとランナーはより短く、ビスケットは遥かに薄くされる。ＲＣＤＦ方法は、従って、特に、非晶質金属の宝石貴金属宝石類の処理のような高コストの非晶質材料の処理を伴う用途に魅力的なものになる。
【００９３】
・ＲＣＤＦは、極めてエネルギ効率が高い
ダイカスト、永久モールド鋳造、焼流し精密鋳造、及び金属粉末射出成形（ＰＩＭ）のような競合する製造技術は、本質的に遥かにエネルギ効率が低い。ＲＣＤＦでは、消費エネルギは、望ましい処理温度までサンプルを加熱するのに必要とされるエネルギを僅かに超えるだけである。高温るつぼ、ＲＦ誘導溶融システムなどは不要である。更に、１つの容器から別の容器に溶融合金を鋳込む必要性がなく、従って、必要とされる処理段階及び材料汚損及び材料損失の可能性が低減される。
【００９４】
・ＲＣＤＦは、比較的小さく、コンパクト、かつ容易に自動化される技術を提供する
他の製造技術と比較して、ＲＣＤＦ製造機器は、小さく、コンパクト、清潔、最小限の可動部品、かつ本質的に全ての「電子」工程での自動化に容易に供される。
【００９５】
・環境大気管理が不要である
ＲＣＤＦによりサンプルを処理するのに必要とされるミリ秒時間尺度のために、周囲空気への加熱されたサンプルの露出が最小になることになる。従って、この工程は、空気露出が延長される時に溶融金属及び最終部分の厳しい酸化が発生する現在の処理方法とは対照的に、周囲環境内で実施することができる。
【００９６】
例示的な実施形態
当業者は、本発明による付加的な実施形態が上述の一般的な本発明の開示の範囲であると考えられ、かつ上述の非限定的な例によりいずれの免責事項も決して意図していないことを認識するであろう。
【実施例１】
【００９７】
実施例１：オーム加熱の研究
ＢＭＧに対して、円筒形サンプル内のオーム放熱による容量放電により均一かつ急速なサンプル加熱が得られるという基本原則を明らかにするために、単一の実験室用スポット溶接機を実証のための成形ツールとして使用した。「Ｕｎｉｔｅｋ  １０４８  Ｂ」スポット溶接機であるこの機械は、１００ジュールまでのエネルギを約１０μＦのコンデンサ内に貯蔵する。貯蔵されたエネルギは、正確に制御することができる。ＲＣ時定数は、約１００μｓである。サンプル円筒体を閉じ込めるために、２つのラケット形電極には平坦な平行面が設けられていた。スポット溶接機は、上部電極への約８０ニュートンまでの力の軸線方向の負荷の印加を可能にするバネ付勢型上部電極を有する。それによって約２０ＭＰａの範囲の一定の圧縮応力をサンプル円筒体に印加することができる。
【００９８】
いくつかのＢＭＧ材料の小さい直円筒を１から２ｍｍの直径及び２から３ｍｍの高さで製造した。サンプル質量は、約４０ｍｇから約１７０ｍｇの範囲であり、かつ特定のＢＭＧのガラス転移温度をかなり超えるＴＦを取得するように選択した。ＢＭＧ材料は、それぞれ３４０Ｃ、３００Ｃ、及び約４３０Ｃのガラス転移（Ｔg）を有するＺｒ−ＴｉベースのＢＭＧ（Ｖｉｔｒｅｌｏｙ  １、Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｂｅ  ＢＭＧ）、ＰｄベースのＢＭＧ（Ｐｄ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ合金）、及びＦｅベースのＢＭＧ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｐ−Ｃ）であった。これらの金属ガラスの全ては、Ｓ約−１ｘ１０-4＜＜Ｓcritを有する。
【００９９】
図８ａから図８ｄは、半径２ｍｍ及び高さ２ｍｍ（８ａ）のＰｄ合金円筒体に対する一連の試験の結果を示している。合金の抵抗率は、ρ0＝１９０μΩ−ｃｍであり、一方、Ｓ約−１ｘ１０-4（Ｃ-1）。Ｅ＝５０（８ｂ）、７５（８ｃ）、及び１００（８ｄ）ジュールのエネルギがコンデンサバンク内に貯蔵され、約２０ＭＰａの圧縮応力下で保持されたサンプルに放出される。処理されたサンプルの初期高さ及び最終高さを測定することによってＢＭＧ内の塑性流れの程度を定量化した。サンプルが処理中に銅製電極に接合するのが観測されないことに注意することが特に重要である。これは、ＢＭＧと比較すると銅の高い導電率及び熱伝導率のためであると考えることができる。すなわち、銅は、処理時間尺度（約ミリ秒）中に「溶融」ＢＭＧによる湿潤化を可能にするほど十分に高い温度に決して到達しない。更に、電極表面に殆ど損傷がないことに注意すべきである。最終処理サンプルを処理後に銅製電極から自由に取り除いたが、長さスケール基準で図９に示している。
【０１００】
初期高さ及び最終円筒体高さを用いて、負荷を受けて変形した時に全圧縮歪みがサンプルにおいて発生したと判断した。工業設計「歪み」は、Ｈ0／Ｈにより与えられ、ここで、Ｈ0及びＨは、それぞれサンプル円筒体の初期高さ及び最終高さである。真歪みは、ｌｎ（Ｈ0／Ｈ）により与えられる。結果は、図１０の放電エネルギに対してプロットされている。これらの結果により、真の歪みがコンデンサにより放出されたエネルギのほぼ線形の増加関数であるように見えることが分かる。
【０１０１】
これらの試験結果により、ＢＭＧサンプルブランクの塑性変形は、コンデンサにより放出されたエネルギの明確な関数であることを見ることができる。このタイプの何十もの試験の後に、図１０に明確に示すように、サンプルの塑性流れ（所定のサンプル形状に対する）がエネルギ入力の非常に明確な関数であると判断することができる。すなわち、ＲＣＤＦ技術を使用して、プラスチック処理を入力エネルギにより正確に制御することができる。更に、流れの特性は、エネルギの増加と共に定性的かつ定量的に変化する。約８０ニュートンの印加された圧縮荷重を用いて、Ｅの増大に伴う流れ挙動の明瞭な進行を観測することができる。具体的には、Ｐｄ合金に対して、Ｅ＝５０ジュールの流れは、ｌｎ（Ｈ0／ＨF）約１の歪みに限定される。流れは、比較的安定であるが、何らかのずり減粘（例えば、非ニュートン流れ挙動）の証拠もある。Ｅ＝７５ジュールに対して、より広範囲な流れがｌｎ（Ｈ0／ＨF）約２で得られる。この領域では、流れは、ニュートン流れであり、かつ均質であり、滑らかで安定したメルトフロントが「モールド」を通過する。Ｅ＝１００ジュールに対して、非常に大きい変形が、０．１２ｃｍの最終サンプル厚み及び約３の真の歪みで得られる。高い「ウェーバー数」流れ独特の流れ崩壊、流線、及び液体「跳ね返り」の明瞭な証拠がある。すなわち、「モールド」内で移動する安定したメルトフロントから不安定なメルトフロントへの明瞭な遷移を観測することができる。従って、ＲＣＤＦを使用して、印加される負荷及びサンプルに放出されるエネルギの簡単な調節により、塑性流れの定性的性質及び程度を系統的かつ制御可能に変えることができる。
【実施例２】
【０１０２】
実施例２：射出成形装置
別の実施例では、ＲＣＤＦ射出成形装置の作業プロトタイプを構成した。デバイスの概略図を図１１ａから１１ｅに示している。成形装置で行われた実験により、この装置を使用して、１秒未満でネット形状物品に数グラムの装填物を射出成形することができることが分かる。図示のようなシステムは、約６Ｋジュールの電気エネルギを貯蔵し、小さいネット形状ＢＭＧ部品を生産するのに使用すべき約１００ＭＰａまでの制御処理圧力を印加することができる。
【０１０３】
機械全体は、電気エネルギ電荷生成システム、制御式処理圧力システム、及びモールドアセンブリを含むいくつかの独立したシステムで構成される。電気エネルギ電荷生成システムは、放電を電極を通じてサンプルブランクに印加することができるように１組の電気リード（６２）及び電極（６４）を通じてモールドアセンブリ（６０）に全て相互接続されたコンデンサバンク、電圧制御パネル、及び電圧コントローラを含む。制御式処理圧力システム（６６）は、約１００ＭＰａまでの制御処理圧力を成形中にサンプルに印加することができるように、制御回路を通じて全てが相互接続した空気源、ピストンレギュレータ、及び空圧ピストンを含む。最後に、成形装置も、モールドアセンブリ（６０）を含み、モールドアセンブリ（６０）は、以下でより詳細に説明するが、この図に示されており、電極プランジャ（６８）は、完全に収縮調節された位置にある。
【０１０４】
全体モールドアセンブリが、図１１ｂのより大きい装置から取り外された状態で示されている。図示のように、全体モールドアセンブリは、上部及び底部モールドブロック（７０ａ及び７０ｂ）、分割モールド（７２ａ及び７２ｂ）の上部及び底部部品、モールドカートリッジ加熱器（７６）に電流を伝える電気リード（７４）、絶縁スペーサ（７８）、及びこの図では「完全に押し下げられた」位置にあるように示された電極プランジャアセンブリ（６８）を含む。
【０１０５】
図１１ｃ及び図１１ｄに示すように、作業中に、非晶質材料（８０）のサンプルブロックは、分割モールド（８２）においてゲートの頂上に絶縁スリーブ（７８）の内側に位置決めされる。このアセンブリ自体は、モールドアセンブリ（６０）の上部ブロック（７２ａ）に位置決めされる。電極プランジャ（図示せず）は、次に、サンプルブロック（８０）に接触して位置決めされ、制御圧力が、空圧ピストンアセンブリを通じて印加される。
【０１０６】
サンプルブロックが所定の位置となって電極と確実に接触すると、サンプルブロックは、ＲＣＤＦ方法を通じて加熱される。加熱されたサンプルは、粘性になって、プランジャの圧力で、制御可能に押圧されてゲート（８４）を通ってモールド（７２）に入る。図１０ｅに示すように、この例示的な実施形態において、分割モールド（６０）は、リング（８６）の形態を取る。本発明の例示的なＲＣＤＦ装置を使用して形成されたＰｄ43Ｎｉ10Ｃｕ27Ｐ20非晶質材料で製造されたサンプルリングが、図１２ａ及び図１２ｂに示されている。
【０１０７】
この実験は、複雑なネット形状部品を本発明のＲＣＤＦ技術を使用して形成することができることを証明している。モールドは、この実施形態ではリングの形状に形成されているが、当業者は、この技術が、電子機器のケーシング、ブラケット、ハウジング、ファスナ、ヒンジ、ハードウエア、腕時計構成要素、医療のための部品、カメラ及び光学要素、宝石類のような小さく複雑でネット形状の高性能金属部品を含め広範な物品に等しく適用可能であることを認識するであろう。
【実施例３】
【０１０８】
実施例３：金属ガラス射出成形のための装置
先に簡潔に説明したように、本発明のＲＣＤＦ方法を使用して、結晶化に関連付けられた一般的な時間よりも遥かに短い時間尺度で均一に金属ガラス装填物を加熱するために電流のエネルギ消散を利用して広範な金属ガラスを加熱及び成形することができ、この技術は、射出成形を含むいくつかの処理に使用することができる。ポリマー材料の射出成形は、１００から１００００Ｐａ−ｓの範囲の粘性に到達する軟化（ガラス転移）点よりも高い温度までの通常はペレットの形態のポリマー原料の均一な加熱を伴い、次に、例えば、油圧駆動プランジャで送出される力の印加によって望ましい形状を有するダイ穴に溶融物を押し入れ、そこでそれは成形されて同時に軟化点よりも下に冷却される。ポリマーと同様に、金属ガラスも、ガラス転移よりも高いと軟化するが、従来の加熱によって均一に加熱された時に、例えば、加熱要素又は誘導コイルを使用して達成することができるのと異なり、１００から１００００Ｐａ−ｓの範囲の粘性に到達することができず、その理由は、上述の手段を用いて均一に加熱することができる速度になると、上述の粘性に関連付けられた上述の温度に到達する前に結晶化する傾向があるからである。その結果、金属ガラスは、従来の射出成形条件下では、例えば、プラスチックの射出成形工程に使用される粘性、圧力、及び歪み速度で処理することができない。本発明により、プラスチックの射出成形に使用されるものと類似の条件下で金属ガラス部品を処理する改良型の射出成形装置を提供する。
【０１０９】
具体的には、一部の実施形態において、本発明による射出成形装置は、均一な断面の金属ガラス原料がその上に置かれて２つの導電電極と接触させられた電気絶縁インサートを有する第１のダイ部分と、少なくとも１つの型穴及び第１のダイにおいて金属ガラス原料に型穴を接続するランナーを含む熱伝導モールドを有する第２のダイ部分とを含む２つの異なる部分から構成された分割ダイアセンブリを含む。
【０１１０】
このような射出成形デバイスの作動中に、金属ガラス原料と接触している２つの電極は、一定期間にわたって金属ガラス原料にある量の電気エネルギを送出する電気回路デバイスに接続される。２つの電極のうちの少なくとも一方は、その運動が駆動システムによって案内される移動プランジャとして作用することが好ましい。有効に機能するために、軟化された金属ガラスが型穴に案内されるように電荷の送出及び電極の運動が同期する。このようなデバイスを使用して、ＲＣＤＦ射出成形工程からより大きな信頼性及び再現性を有する遥かに改良された部品を取得することができるはずである。
【０１１１】
本発明による例示的な出射成形装置を示す概略図が図１３から図１７に示されている。
図１３は、ヒンジ式ダイユニットの半割り部分の各々内の第１（Ａ）及び第２（Ｂ）のダイセグメントが示された未締着無負荷状態の射出成形装置（１００）を示している。図示のように、電気絶縁インサート（１０２）は、第１ダイ部分又はセグメント（Ａ）内に配置され、原料チャンネル（１０４）がその中に配置される。熱伝導モールド（１０６）が、同様に、第２のダイセグメント（Ｂ）内に配置され、熱伝導ランナーチャンネル（１０８）を通じて原料チャンネルと相互接続される。図１４は、未締着負荷状態の装置を示している。図示のように、この状態では、金属ガラス原料（１１０）が、原料チャンネル（１０４）内に挿入され、次に、１対の電極（１１２）と接触させられる。上述したように、これらの電極の一方又は両方は、以下でより詳細に説明するように、加熱された原料を流体的に相互接続したランナーチャンネル（１０８）の下方に押し出してモールド（１０６）に入れるプランジャの役目も果たすことになる。
【０１１２】
図１５は、締着負荷状態の装置を示している。この実施形態において、図示のように、ダイの２つの半割り部分は、ヒンジを通じて相互接続される。互いに締着された時に、様々なチャンネル（１０４と１０８）及びモールド（１０６）の半割り部分は、封入流体含有リザーバを生成するために互いに結合される。成形作動が実行されると考えられるのは、この締着された状態である。矢印によって示すように、電流は、加熱された金属ガラスを押し出し、図１６に示すように原料チャンネル（１０４）から出てランナーチャンネル（１０８）を通り、モールド（１０６）に入り、図１７に示すように、少なくとも１つの型穴への進入が得られる少なくとも１つのゲート（１１４）を通るように、機械的な力と共に電極を通じて原料に印加される。最後に、図１８は、最終的な成形された金属ガラス部品（１１６）への金属ガラス原料の加熱及び成形後の未締着状態の装置を示している。
【０１１３】
上述の射出成形装置を形成するのにあらゆる適切な材料を使用することができるが、好ましい実施形態において、電気絶縁インサートは、例えば、Ｍａｃｏｒのような被削性セラミック又はイットリア安定化ジルコニア又は細粒アルミナのような高靭性セラミックのような少なくとも３ＭＰａｍ1/2又はそれよりも大きく、好ましくは少なくとも１０ＭＰａｍ1/2の破壊靭性を示す材料で製造される。更に、エネルギ及び力の印加ができるだけ制御されかつ再現可能であることを保証するために、金属ガラス原料及び電極がそれらのチャンネルにきつく嵌合するように、それぞれ、原料チャンネルは、金属ガラス原料及び電極と協働する形状及び金属ガラス原料及び電極の寸法と実質的に同一寸法を有することが更に好ましい。
【０１１４】
ここで射出成形装置の熱伝導部分の構成に移ると、あらゆる適切な熱伝導材料を使用することができるが、好ましい実施形態において、例えば、銅、真鍮、工具鋼、アルミナ、イットリア安定化ジルコニア、又はその組合せのような材料は、少なくとも１０Ｗ／ｍ2Ｋの熱伝導率を示すことが理解されるであろう。
【０１１５】
最後に、原料及び電極の構成はいずれかの適切な設計を有する可能性が高いが、最良の処理を保証するために、金属ガラス原料は、射出成形装置の原料チャンネル内に緊密に嵌合するように寸法決めされた円筒ロッドの形態である。一部の例示的な実施形態では特定の金属ガラスに適するあらゆる寸法を有するこのような原料材料を使用することができるが、円筒形金属ガラス原料ロッドの直径は、２ｍｍと１５ｍｍの間であり、円筒形金属ガラス原料ロッドの長さは、ロッド径の少なくとも２倍の大きさである。電極は、銅又は銅ベリリウム合金で形成されることが好ましい。電極が導電体及びプランジャとして作用することができることを保証するために、電極は、好ましくは円筒形であり、移動可能に原料チャンネル内に挿入することができるように、電極の直径は、円筒形金属ガラス原料ロッドの直径と同じであるように寸法決めされる。
【０１１６】
本発明の他の実施形態を参照して上述したように、電源は、好ましくは、少なくともシリコン制御式整流器と直列に接続されたコンデンサバンクを含み、かつ合金のガラス転移温度と固相線温度間の温度及びより好ましくは合金のガラス転移温度と固相線温度間のほぼ中間の温度まで急速に（典型的には、１０4Ｋ／ｓから１０8Ｋ／ｓの範囲である速度で）かつ均一に（典型的には、電気エネルギ放電後の金属ガラス原料の温度変化が、平均温度の１０％以内である）０．１ｍｓと１００ｍｓ間の範囲である期間にわたって金属ガラス原料を加熱するために、金属ガラス原料にある量の電気エネルギを送出することができる。これらの温度では、金属ガラス原料は、１０Ｐａ−ｓから１００００Ｐａ−ｓの範囲の粘性を得ることになることが一般的である。
【０１１７】
上述したように、例えば、機械、空圧、油圧、磁気ドライブ、又はその組合せのようなあらゆる適切な手段により力の印加を行うことができる。加熱された金属ガラス原料上にプランジャによって印加される力は、１００Ｎと１０００Ｎの間であるか又は１０ＭＰａと１００ＭＰａの間の圧力であることが好ましい。加熱された原料にプランジャによって印加される運動及び力を制御することができるように、コントローラ（図示せず）が置かれる。このようなコントローラを使用して、上述の力のタイミング、持続時間、及び性質を変えることができる。例えば、一部の例示的な実施形態において、加熱された材料の望ましい流れの変化に対処するために、時間と共にプランジャ力又はプランジャ運動を変えることができる。同様に、電気エネルギの放出の開始後又は電気エネルギの放出の完了後にプランジャ運動又は力が始まるように力の印加を時間調節することができる。図１３から１７に示す装置は、原料が押圧されて原料チャンネルの中心でランナーチャンネルに入るように両方の電極がプランジャとして作用して同時かつ同期して移動する射出モールド幾何学形状を示すが、単一の電極のみがプランジャとして作用するように又は力の非同期の印加が可能にされるように原料チャンネル及びランナーチャンネルを形成することができることを理解すべきである。
【０１１８】
図１３から図１７に示すように、この実施形態の射出成形装置は、分割ダイ設計である。ダイの２つの半割り部分をあらゆる適切な手段を使用して互いに締着することができることを理解すべきである。例えば、一部の例示的な実施形態において、少なくとも１００トンの油圧ドライブ又は磁気ドライブなどを通じた締付力が、放電及び成形段階中に共に２つのダイユニットを締着するのに使用される。ダイアセンブリの締着及び締着解除を容易にするために、２つのダイユニット間の界面にヒンジを組み込むことができる（図に示すように）。図示していないが、ダイアセンブリの締着解除時の成形物品の排出を容易にするために、突き出しピンをダイのモールドセグメントに組み込むことができる。
【０１１９】
最後に、高品質部品の生産を容易にするために、例えば、０．０１Ｐａ又はそれよりも低いなどのような低圧下に維持された気密密封チャンバにダイアセンブリ全体を封入することができる。代替的に又は追加的に、チャンバは、不活性ガスで満たすことができる。例えば、一部の実施形態において、チャンバは、アルゴン又はヘリウムの１００，０００Ｐａの圧力に維持することができる。
【０１２０】
均等論
当業者は、本発明の様々な好ましい実施形態の上述の実施例及び説明が、全体として本発明を単に例示するものであり、しかも、本発明の段階及び様々な構成要素の変更を本発明の精神及び範囲で行うことができることを認めるであろう。例えば、付加的な処理段階又は代替構成は、本発明の急速コンデンサ放電形成方法／装置の改良された特性に影響を与えず、同じく本方法／装置を使用目的に対して不適切にしないことは当業者には明らかであろう。従って、本発明は、本明細書に説明する特定の実施形態に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【符号の説明】
【０１２１】
Ｓ  温度変化係数
Ｔg  ガラス転移温度
【図１】
0005939545.tif 000003
【図２】
0005939545.tif 000004
【図３】
0005939545.tif 000005
【図４】
0005939545.tif 000006
【図５】
0005939545.tif 000007
【図６】
0005939545.tif 000008
【図７】
0005939545.tif 000009
【図８】
0005939545.tif 000010
【図９】
0005939545.tif 000011
【図１１ａ】
0005939545.tif 000012
【図１１ｂ】
0005939545.tif 000013
【図１１ｃ】
0005939545.tif 000014
【図１１ｄ】
0005939545.tif 000015
【図１１ｅ】
0005939545.tif 000016
【図１２ａ】
0005939545.tif 000017
【図１２ｂ】
0005939545.tif 000018
【図１４】
0005939545.tif 000019
【図１６】
0005939545.tif 000020
【図１７】
0005939545.tif 000021
【図１８】
0005939545.tif 000022
【図１０】
0005939545.tif 000023
【図１３】
0005939545.tif 000024
【図１５】
0005939545.tif 000025