(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
急速コンデンサ放電を用いて金属ガラスを急速に加熱及び鍛造する方法であって、
少なくとも２つの鍛造プレートの間に金属ガラス形成合金から形成された金属ガラスの均一な断面を有するサンプルを提供する段階と、
前記サンプル全体に均一に電気エネルギー量子を放電して、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との間の加工温度まで前記サンプルを均一に加熱する段階と、
前記少なくとも２つの鍛造プレートを介して変形力を加え、前記加熱されたサンプルが依然として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との間の温度にある間に前記加熱されたサンプルをアモルファス製品に成形する段階であって、前記変形力が、
ｔFi＞ｔRCかつｔF0＜ｔC
であるようなｔ時間ｔFiで始まって時間ｔF0で終わり、式中（ｔRC）は前記放電のＲＣ時定数であり、（ｔC）は前記金属ガラスが前記加工温度で結晶化する時間である、段階と、
前記金属ガラスのガラス転移温度を下回る温度まで前記製品を冷却する段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記サンプルの温度が、少なくとも５００Ｋ／秒の速度で上昇する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属ガラスが、１×１０-4℃-1よりも大きくない温度変化（Ｓ）の単位当たりの抵抗率の相対変化、及び８０から３００μΩｃｍの室温における抵抗率（ρ０）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電気エネルギー量子が、少なくとも１００ジュール及び１０μ秒から１０ｍｓの間の放電時定数である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加工温度が、前記加熱された金属ガラスの粘度が１から１０4Ｐａｓ−ｓｅｃであるようなものである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記サンプルには欠陥がない、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記金属ガラス形成合金が、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕから成るグループから選択された元素金属に基づく合金である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記電気エネルギー量子を放電するステップが、前記サンプルにおいて電場を発生させ、発生した前記動的電場の電磁スキン深さが、前記サンプルの半径、幅、厚み及び長さと比較して大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記電気エネルギー量子を放電する前記ステップが、前記サンプルの両端に接続された少なくとも２つの電極を介して行われ、前記電極が前記鍛造プレートと接触しない、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記サンプルの加熱及び成形が、１００μ秒から１秒の時間で終了する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
金属ガラスを急速に加熱及び鍛造するための急速コンデンサ放電装置であって、
（ａ）均一な断面を有する金属ガラスのサンプルと、
（ｂ）電気エネルギー源と、
（ｃ）前記電気エネルギー源を金属ガラスの前記サンプルに相互接続し、均一な接続が前記サンプルとの間に形成されるように前記サンプルに取り付けられる少なくとも２つの電極と、
（ｄ）前記サンプルとの形成可能な関係で配置された少なくとも２つの鍛造プレートを含む鍛造ツールと、
（ｅ）前記電気エネルギー源及び前記鍛造ツールと信号通信状態にあるタイミング回路と、
を備え、
（ｆ）前記電気エネルギー源が、前記サンプル全体を均一に加熱するのに十分な電気エネルギー量子を前記金属ガラスのガラス転移温度と金属ガラス形成合金の平衡融点との間の加工温度まで放電することが可能であり、前記鍛造ツールが、前記加熱されたサンプルをネットシェイプ製品に形成するのに十分な変形力を加えることが可能であり、前記変形力が、
ｔFi＞ｔRC及びｔF0＜ｔC
であるようなｔ時間ｔFiで始まって時間ｔF0で終わり、式中（ｔRC）は前記放電のＲＣ時定数であり、（ｔC）は前記金属ガラスが前記加工温度で結晶化する時間であり、
（ｇ）前記タイミング回路が、前記電気エネルギーの放電を検知して前記鍛造ツールを起動し、前記少なくとも２つの鍛造プレートを介して前記加熱されたサンプルに変形力を加える、ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記タイミング回路が、ロゴスキーコイル、マイクロコントローラチップ、ダーリントントランジスタ、及びソレノイドバルブを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記成形ツールが、好ましくは前記金属ガラスのガラス転移温度あたりの温度まで前記ツールを加熱するための温度制御加熱素子を更に含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記変形力を前記サンプルに加えるために、前記成形ツールとの作動可能な関係で空気式又は磁気式駆動システムの何れか１つを更に含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記サンプルの温度が、少なくとも５００Ｋ／秒の速度で上昇する、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記金属ガラスが、１×１０-4℃-1よりも大きくない温度変化（Ｓ）の単位当たりの抵抗率の相対変化、及び８０から３００μΩｃｍの室温における抵抗率（ρ０）を有する、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記電気エネルギー量子が、少なくとも１００ジュール及び１０μ秒から１０ｍｓの時定数である、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１８】
前記加工温度が、前記加熱された金属ガラスの前記粘度が１から１０4Ｐａｓ−ｓｅｃであるようなものである、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
前記サンプルには欠陥がない、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２０】
前記金属ガラスが、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＣｕから成るグループから選択された元素金属に基づく金属ガラス形成合金である、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２１】
前記装置が、１００μ秒から１秒の時間で前記室温の前記サンプルから前記製品を形成することが可能である、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２２】
前記電気エネルギー源が、前記サンプルにおいて電場を発生させ、発生した前記動的電場の電磁スキン深さが、前記チャージの半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きい、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２３】
前記少なくとも２つの鍛造プレートが伝導性である、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項２４】
前記電極が前記鍛造プレートと接触しない、ことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【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規の方法に関し、より詳細には、急速コンデンサ放電加熱を用いて金属ガラスを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス材料は、新しいクラスのエンジニアリング材料であり、高い強度、弾性、耐食性及び溶融状態からの加工性の固有の組み合わせを有する。アモルファス材料は、これらの原子構造が、従来の結晶合金における原子構造の典型的な長距離秩序パターンを持たない点で、従来の結晶合金とは異なっている。アモルファス材料は、一般に、結晶相の溶融温度（又は熱力学的溶融温度）を上回る温度からアモルファス相の「ガラス転移温度」を下回る温度まで「十分に迅速な」冷却速度で溶融合金を冷却することによって加工及び形成され、その結果、合金結晶の核生成及び核成長が回避されるようになる。すなわち、アモルファス合金の加工方法は常に、アモルファス相の形成を確実にするために、「臨界冷却速度」とも呼ばれる「十分に迅速な冷却速度」を定量化することに関心が持たれてきた。
【０００３】
初期のアモルファス材料に対する「臨界冷却速度」は極めて高速で、およそ１０6℃／秒であった。このため、従来の鋳造プロセスは、このような高い冷却速度には好適ではなく、溶融紡糸及び平面流鋳造法のような特殊な鋳造プロセスが開発された。これらの初期の合金の結晶化動力学が実質的に迅速であることに起因して、結晶化を回避するために溶融合金から熱を除去するのに極めて短い時間（およそ１０-3秒以下）が要求され、従って、初期のアモルファス合金はまた、少なくとも１つの寸法のサイズに制限があった。例えば、これらの従来の技術を用いて生成に成功したのは、極めて薄い箔及びリボン（厚みがおよそ２５ミクロン）であった。これらのアモルファス合金に対する臨界冷却速度の要件により、アモルファス合金から作られる部品のサイズが著しく制限されたため、バルク体及び製品としての初期のアモルファス合金の用途は限定されていた。
【０００４】
長年にわたり、「臨界冷却速度」は、アモルファス合金の化学組成に強く依存すると判断されていた。従って、多くの研究では、遙かに低い臨界冷却速度を有する新規の合金組成の開発に重点が置かれた。これらの合金の実施例は、米国特許第５，２８８，３４４号、米国特許第５，３６８，６５９号、米国特許第５，６１８，３５９号、及び米国特許第５，７３５，９７５号に示されており、これらの特許の各々は、引用により本明細書に組み入れられる。バルク金属ガラス又はＢＭＧとも呼ばれるこれらのアモルファス合金系は、数℃／秒という低い臨界冷却速度によって特徴付けられ、これは、従来達成可能であったものよりも遙かに大きなバルクアモルファス相物体を加工及び形成することを可能にする。
【０００５】
低い「臨界冷却速度」のＢＭＧが利用できるようになると共に、従来の鋳造プロセスを適用してアモルファス相を有するバルク製品を形成することが可能になった。過去数年にわたって、ＬｉｑｕｉｄＭｅｔａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ．を含む幾つかの企業は、ＢＭＧにより製作されたネットシェイプ金属部品の生産に向けた商用生産技術を開発する取り組みを行っている。例えば、加熱した鋳型への永久鋳型金属ダイカスト及び射出鋳造などの製造方法が、現在、標準の家庭用電子デバイス（例えば、携帯電話及びハンドヘルド無線デバイス）、ヒンジ、ファスナ、医療機器、及び他の高付加価値製品のための電子部品のケースのような商用ハードウェア及び構成要素を製造するのに用いられている。しかしながら、バルク凝固のアモルファス合金が、上述のように、凝固鋳造の基本的な欠点に対して、特にダイカスト及び永久鋳造プロセスに対して何らかの改善措置を提供したとしても、取り組むべき問題が依然として存在する。何よりも先ず、これらのバルク体をより広範囲の合金組成物から作製する必要性がある。例えば、大きなバルクのアモルファス体を製作することができる大きな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を加えたＺｒ基合金及びＮｉ、Ｃｕ、及びＰを加えたＰｄ基合金（これらは、工学的又はコストの観点から必ずしも最適ではない）を含む、金属の極めて狭い選択に基づいた合金組成物の幾つかのグループに限定される。
【０００６】
加えて、現在の加工技術は、確実に適切な加工条件が生成されるようにするためにかなり高価な機械装置を必要とする。例えば、ほとんどの成形プロセスは、高真空又は制御状態の不活性ガス環境、るつぼ内への材料の誘導溶融、ショットスリーブへの金属の鋳込み、及びショットスリーブを介してより精巧な鋳型組立体のゲーティング及びキャビティへの空気式インジェクションを必要とする。これらの修正したダイカスト機械は、機械一台当たりに数十万ドルものコストがかかる可能性がある。更に、ＢＭＧの加熱は、これまでこれらの従来の緩慢な熱処理によって達成されていたので、バルク凝固のアモルファス合金の従来技術の加工及び形成は常に、熱力学溶融温度を上回る温度からガラス転移温度を下回る温度まで溶融合金を冷却することに重点が置かれていた。この冷却は、単一工程の単調な冷却操作又は複数工程のプロセスの何れかを用いて実現されている。例えば、周囲温度で金型（銅、鋼、タングステン、モリブデン、これらの複合材、又は他の高伝導材料製の）は、溶融合金からの熱除去を容易に且つ効率的に処理するのに利用される。「臨界鋳造寸法」は、臨界冷却速度に相関しているので、これらの従来のプロセスは、より広範囲のバルク凝固アモルファス合金のより大きなバルク体及び製品を形成するのに好適ではない。加えて、多くの場合、溶融合金を高速且つ高圧下でダイに注入して、特に複雑で高精度の部品の製造において十分な合金材料が合金の凝固前にダイに導入されるのを保証する必要がある。金属は、高圧ダイカスト処理などにおいて高圧下で高速でダイに送給されるので、溶融金属の流れは、レイリーテイラー不安定性となる傾向がある。この流れの不安定性は、高ウェーバ数によって特徴付けられ、突出シーム及びセルの形成を引き起こす流頭部の分解に関連付けられ、これらは、鋳造部品の表面的な及び構造上の微小欠陥として現れる。また、ガラス化していない液体がガラス化金属の固体シェル内に閉じ込められたときに、ダイカスト鋳型の中心線に沿って収縮キャビティ又は気孔を形成する傾向がある。
【０００７】
平衡融点を上回る温度からガラス転移を下回る温度まで材料を急速に冷却することに関連する問題を改善しようとする試みは、そのほとんどが、過冷却液体の動力学的安定性及び粘性流の特性を利用することに重点が置かれた。ガラスが粘性過冷却液体まで弛緩するガラス転移を上回ってガラス原料を加熱し、加圧して過冷却液体を形成し、その後、結晶化する前にガラス転移を下回って冷却することを含む、幾つかの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加工するのに使用される方法に極めて類似している。しかしながら、極めて長い時間期間の間、軟化転移を上回って結晶化に対して安定状態を維持するプラスチックとは対照的に、金属過冷却液体は、ガラス転移で弛緩するとかなり急速に結晶化する。そのため、金属ガラスが従来の加熱速度（２０℃／分）で加熱された場合には、結晶化に対して安定している温度範囲がかなり小さく（ガラス転移よりも５０〜１００℃高い）、当該範囲内の液体粘度はかなり高い（１０9−１０7Ｐａ  ｓ）。これらの高粘度の結果として、これらの液体を望ましい形状に形成するのに必要な圧力は極めて高く、多くの金属ガラス合金において、従来の高強度工具（＜１ＧＰａ）によって達成可能な圧力を超える可能性がある。相当に高い温度（ガラス転移よりも１６５℃高い）まで従来の加熱速度で加熱したときに結晶化に対して安定している金属ガラス合金が近年開発されている。これらの合金の実施例は、米国特許出願第２００８０１３５１３８号並びにＧ．Ｄｕａｎ他（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９（２００７）４２７２）及びＡ．Ｗｉｅｓｔ（Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，５６（２００８）２５２５−２６３０）による論文において示され、これらの各々は、引用により本明細書に組み入れられる。結晶化に対するこれらの高い安定性の結果として、１０5Ｐａ−ｓと程の低い加工粘度が利用可能になり、このことは、これらの合金が従来の金属ガラスよりも過冷却された液体状態で加工するのにより好適であることを示唆する。しかしながら、これらの粘度は、典型的には１０〜１０００Ｐａ−ｓの範囲であるプラスチックの加工粘度よりも実質的に高い。このような低粘度を達成するために、金属ガラス合金は、従来の加熱処理によって加熱された場合、又は安定性の温度範囲を拡張して、熱可塑性プラスチックの加工に用いられる典型的な値まで加工粘度を下げることになる従来にない高い加熱速度で加熱された場合の何れにおいても結晶化に対して更に高い安定性を示すはずある。
【０００８】
成形に十分な温度までＢＭＧを瞬時に加熱し、これにより、上で議論した問題の多くを回避すると同時に、成形可能なアモルファス材料の種類を拡大する方法をもたらすための幾つかの試みがなされている。例えば、米国特許第４，１１５，６８２号及び米国特許第５，００５，４５６号、並びにＡ．Ｒ．Ｙａｖａｒｉ（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）であり、これらの各々の開示内容は、引用により本明細書に組み入れられ、これら全ては、アモルファス材料特有の伝導特性を利用して、ジュール加熱を用いて成形温度まで材料を瞬時に加熱する。しかしながら、これまでのところこれらの技術は、このような要素の接合（すなわち、スポット溶接）のような局所的形成又は表面特性の形成のみを可能にするために、ＢＭＧサンプルの局所的な加熱に重点が置かれてきた。これらの従来技術の方法は、広範囲の形成を実施できるようにするために、ＢＭＧ試料体積全体を均一に加熱する方法を教示しているものはない。その代わりに、全てのこれらの従来技術の方法は、加熱中に温度勾配を予測し、これらの勾配が局所形成にどのように影響を与えるかを考察している。例えば、Ｙａｖａｒｉ他（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，６４４（２００１）Ｌ１２−２０−１）は、次のように記述している。「電極と接触しているか又は成形チャンバにおいて周囲の（不活性）ガスと接触して成形されたＢＧＭ試料の外部表面は、電流によって生じた熱が伝導、対流又は放射によってサンプルから放散されるので、内側よりも僅かに低温になる。他方、伝導、対流又は放射によって加熱されたサンプルの外側表面は、内側よりも僅かに高温である。これは、金属ガラスの結晶化及び又は酸化が最初に外側表面及び界面上で始まるので、本発明の方法にとって重要な利点であり、これらがバルクの温度を僅かに下回る場合、このような望ましくない表面結晶形成をより容易に回避することができる。」
【０００９】
ガラス転移より上での結晶化に対するＢＧＭの限定的な安定性の別の欠点は、準安定性の過冷却液体の温度範囲全体にわたって熱容量及び粘度のような熱力学的特性及び輸送特性を測定することができないことである。示差走査熱量計、熱機械分析計、及びクエット粘度計などの典型的な測定機器は、電熱器及び誘導加熱器のような従来の加熱機器に依存し、従って、従来考慮されているサンプル加熱速度（典型的には、＜１００℃／分）を達成することが可能である。上で議論したように、金属過冷却液体は、従来の加熱速度で加熱された場合に限定された温度範囲にわたって結晶化に対して安定となることができ、従って、測定可能な熱力学特性及び輸送特性は、利用可能な温度範囲内に限定される。その結果、結晶化に対して極めて安定であり且つこれらの熱力学的特性及び輸送特性が準安定性の範囲全体にわたって測定可能であるポリマー及び有機液体とは異なり、金属過冷却液体の特性は、ガラス転移の直ぐ上と融点の直ぐ下の狭い温度範囲内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
【特許文献２】米国特許第５，３６８，６５９号
【特許文献３】米国特許第５，６１８，３５９号
【特許文献４】米国特許第５，７３５，９７５号
【特許文献５】米国特許出願第２００８０１３５１３８号
【特許文献６】米国特許第４，１１５，６８２号
【特許文献７】米国特許第５，００５，４５６号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９（２００７）４２７２
【非特許文献２】Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，５６（２００８）２５２５−２６３０
【非特許文献３】Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，６４４（２００１）Ｌ１２−２０−１
【非特許文献４】Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａ，３７５−３７７（２００４）２２７−２３４
【非特許文献５】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、ＢＭＧ試料体積全体を瞬時に均一に加熱し、アモルファス金属の広範囲の成形を可能にする新規の手法を見出す必要性が存在する。加えて、科学的観点から、金属過冷却液体のこれらの熱力学的特性及び輸送特性を利用してこれらを測定する新しい手法を見出す必要性も存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上のことから、本発明に従って、急速コンデンサ放電加熱（ＲＣＤＦ）を用いてアモルファス材料を成形するための方法及び装置が提供される。
【００１４】
一実施形態において、本発明は、急速コンデンサ放電を用いてアモルファス材料を急速に加熱及び成形する方法に関し、電気エネルギー量子は、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全体に均一に放電されて、アモルファス相のガラス転移温度と合金の平衡溶融温度との間の加工温度までサンプルの全体を急速且つ均一に加熱し、少なくとも２つの鍛造プレートを介して放電を中断して変形力を加え、加熱されたサンプルが依然としてアモルファス材料のガラス転移温度と平衡融点との間の温度にある間に、加熱されたサンプルをアモルファス製品に成形する。１つのこのような実施形態において、サンプルは、好ましくは少なくとも５００Ｋ／秒の速度で加工温度まで加熱される。別のこのような実施形態において、成形ステップは、例えば、射出成形、動的鍛造、スタンプ鍛造及びブロー成形などの従来の形成技術を用いる。
【００１５】
別の実施形態において、約１×１０-4℃-1の温度変化（Ｓ）の単位当たりの抵抗率の相対変化を有するアモルファス材料が選択される。１つのこのような実施形態において、アモルファス材料は、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕから成るグループから選択された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、電気エネルギー量子は、電気エネルギーがサンプルに均一に導入されるように、このサンプルの両端に接続された少なくとも２つの電極を通ってサンプルに放電される。１つのこのような実施形態において、本方法は、少なくとも１００ジュールの電気エネルギー量子を使用する。
【００１７】
更に別の実施形態において、加工温度は、アモルファス材料のガラス転移温度と合金の平衡融点との間の略中間である。１つのこのような実施形態において、加工温度は、アモルファス材料のガラス転移温度よりも少なくとも２００Ｋ上回る。１つのこのような実施形態において、加工温度は、加熱されたアモルファス材料の粘度が約１から１０4Ｐａｓ−ｓｅｃであるようなものである。
【００１８】
更にまた別の実施形態において、サンプルを成形するのに用いる形成圧力は、サンプルを十分に遅い速度で変形して高ウェーバ数の流れを回避するように制御される。
【００１９】
更にまた別の実施形態において、サンプルを成形するのに用いる変形速度は、サンプルを十分に遅い速度で変形して高ウェーバ数の流れを回避するように制御される。
【００２０】
更にまた別の実施形態において、初期アモルファス金属サンプル（原料）は、例えば、円筒体、シート、正方形及び矩形の固体などの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】
更にまた別の実施形態において、アモルファス金属サンプルの接触面は、電極接触面と良好な接触を保証するために平行に切断され、平坦に研磨される。
【００２２】
更にまた別の実施形態において、鍛造プレートは、非伝導性又は伝導性の何れか一方である。
【００２３】
更にまた別の実施形態において、成形力の印加は、
ｔFi＞τRC及びｔF0＜τC
であるように時間ｔFiで始まって時間ｔF0で終わり、式中、（τRC）は放電のＲＣ時定数であり、（τC）は金属ガラスが加工温度で結晶化する時間である。
【００２４】
更にまた別の実施形態において、本発明は、アモルファス材料を成形するための急速コンデンサ放電装置に関する。１つのこのような実施形態において、アモルファス材料のサンプルは、実質的に均一な断面を有する。別のこのような実施形態において、少なくとも２つの電極は、電気エネルギー源をアモルファス材料のサンプルに接続する。こ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との間に形成されるように、サンプルに取り付けられる。更に別のこのような実施形態において、動的電場の電磁スキン深さは、チャージの半径、幅、厚み及び長さと比較して大きい。更にまた別のこのような実施形態において、鍛造ツールが提供され、該鍛造ツールは、上述のサンプルと形成可能な関係で配置された少なくとも２つの鍛造プレートと、電気エネルギー源及び鍛造ツールと信号通信状態にあるタイミング回路とを含み、上述の電気エネルギー源は、アモルファス材料のガラス転移温度と合金の平衡融点との間の加工温度まで上述のサンプル全体を均一に加熱するのに十分な電気エネルギー量子を放電することが可能であり、上述の鍛造ツールは、上述の加熱されたサンプルをネットシェイプ製品に形成するのに十分な変形力を印加することが可能であり、タイミング回路は、電気エネルギーの放電を検知して、鍛造ツールを起動し、少なくとも２つの鍛造プレートを介して上述の加熱されたサンプルに変形力を加える。
【００２５】
更にまた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、或いは銅、銀又はニッケルを少なくとも９５％含むように形成された合金のような、低降伏強度並びに高電気伝導及び熱伝導性を有する金属であるように選択される。
【００２６】
更にまた別の実施形態において、タイミング回路は、電気エネルギーの放電と同時に又はその後に力を加えるように構成される。別のこのような実施形態において、成形力の印加は、
ｔFi＞τRC及びｔF0＜τC
であるように時間ｔFiで始まって時間ｔF0で終わり、式中、（τRC）は放電のＲＣ時定数であり、（τC）は金属ガラスが加工温度で結晶化する温度である。
【００２７】
更にまた別の実施形態において、「着座」圧力は、電極／サンプル界面において電極の接触面を塑性的に変形して、該接触面をサンプルの接触面の微視的特徴に共形になるように電極と初期アモルファスサンプルとの間に印加される。
【００２８】
更にまた別の実施形態において、低電流「着座」電気パルスは、電極の接触面においてアモルファスサンプルのあらゆる非接触領域を局所的に軟化させ、このようにして接触面を電極の接触面の微視的特徴に共形なるよう、電極と初期アモルファスサンプルとの間に印加される。
【００２９】
装置の更にまた別の実施形態において、電気エネルギー源は、少なくとも５００Ｋ／秒の速度でアモルファス相のガラス転移温度と合金の平衡溶融温度との間の加工温度まで、サンプルの全体を均一に加熱するのに十分な電気エネルギー量子を生成することが可能である。装置のこのような実施形態において、電気エネルギー源は、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促進するために、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、アモルファス金属サンプルの熱的緩和速度よりも遙かに高い速度で放電される。
【００３０】
装置の更にまた別の実施形態において、鍛造プレートは、伝導性又は非伝導性の何れか一方である。
【００３１】
装置の更にまた別の実施形態において、変形力をサンプルに印加するために空圧又は磁気駆動システムが提供される。このようなシステムでは、変形力又は変形速度は、加熱されたアモルファス材料が、高ウェーバ数の流れを回避するのに十分に遅い速度で変形されるように制御することができる。
【００３２】
装置の更にまた別の実施形態において、成形ツールは、好ましくはアモルファス材料のガラス転移温度あたりの温度までツールを加熱するための加熱素子を更に含む。このような実施形態において、形成された液体の表面は、より緩慢に冷却され、従って形成される製品の表面仕上げが改善される。
【００３３】
本明細書は、以下の図及びデータグラフを参照することでより完全に理解され、これらは、本発明の例示的な実施形態として提示され、本発明の範囲の完全な引用として解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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フローチャートを示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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用いて得られた実験結果の写真画像を示す図である。
【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用いて得られた実験結果の写真画像を示す図である。
【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用いて得られた実験結果の写真画像を示す図である。
【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用いて得られた実験結果の写真画像を示す図である。
【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用いて得られた実験結果の写真画像を示す図である。
【図１０】本発明による、例示的な急速コンデンサ放電形成方法を用いて得られた実験結果を要約したデータプロットを示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【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を示す図である。
【図１２ａ】図１１ａから図１１ｅに示す装置を用いて作られた成形製品の写真画像を示す図である。
【図１２ｂ】図１１ａから図１１ｅに示す装置を用いて作られた成形製品の写真画像を示す図である。
【図１３ａ】これらの実験の原料として用いたアモルファスのＺｒ35Ｔｉ30Ｃｕ8.25Ｂｅ26.75の５ｍｍのロッドの画像を示す図である。
【図１３ｂ】図１５ａのロッドから０．４５ｍｍの厚みまで２つのＭＡＣＯＲダイの間で鍛造されたプレートの画像を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、ＲＣＤＦ鍛造装置の概略図を示す図である。
【図１５】本発明の別の実施形態による、ＲＣＤＦ鍛造装置の概略図を示す図である。
【図１６ａ】直径が金属ガラスのＺｒ35Ｔｉ30Ｃｕ8.25Ｂｅ26.75の５ｍｍの原料ロッドの画像を示す図である。
【図１６ｂ】鍛造が行われた後のロッドの画像を示す図である。
【図１６ｃ】廃品材料を除去した鍛造ネジの画像を示す図である。
【図１６ｄ】研削によりフラッシングが除かれたネジの画像を示す図である。
【図１７ａ】ステンレス鋼鍛造ダイの輪郭の１００倍拡大ＳＥＭ画像を示す図である。
【図１７ｂ】商用ステンレス鋼の１０−３２ネジの輪郭の１００倍拡大ＳＥＭ画像を示す図である。
【図１７ｃ】本発明の鍛造プロセスを用いて作られた金属ガラス（Ｚｒ35Ｔｉ30Ｃｕ8.25Ｂｅ26.75）の輪郭の１００倍拡大ＳＥＭ画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、ジュール加熱による押し出し又は金型ツール用いて金属ガラスを急速に（典型的には、１秒未満の加工時間で）均一に加熱し、流動学的に軟化させて、熱可塑的にネットシェイプ製品に形成する方法に関する。より具体的には、本方法は、コンデンサに蓄えられた電気エネルギー（典型的には、１００ジュールから１００Ｋジュール）の放電を利用して、数ミリ秒以下の時間尺度でアモルファス材料のガラス転移温度と合金の平衡融点との間の略中間の所定の「加工温度」まで金属ガラス合金のサンプル又はチャージ（必要量）を均一且つ急速に加熱し、このことは、以下では急速コンデンサ放電形成（ＲＣＤＦ）と呼ばれる。本発明のＲＣＤＦプロセスは、金属ガラスが、冷凍液体であるため、比較的低い電気抵抗率を有し、その結果、サンプルが電気放電を適切に印加することによって断熱加熱されるような速度で材料の高い放散及び効率的で均一の加熱をもたらすことができるという観測から進む。
【００３６】
ＢＭＧを急速且つ均一に加熱することによって、ＲＣＤＦ法は、ガラス転移温度よりも実質的に高い温度まで結晶化に対する過冷却液体の安定性を拡大し、これにより、サンプル体積全体を、形成に最適な加工粘度に関連付けられた状態にする。ＲＣＤＦプロセスはまた、準安定過冷却液体によって与えられた粘度範囲全体を利用することができ、この範囲は、もはや安定結晶相の形成によって制限されない。要約すると、このプロセスは、形成された部品の品質の向上、使用可能部品の収率の増大、材料及び加工コストの削減、使用可能ＢＭＧ材料の範囲の拡大、エネルギー効率の改善、及び製造機械の資本コストの削減を可能にする。加えて、ＲＣＤＦ法で達成することができる瞬時の均一な加熱の結果として、液体の準安定性の範囲全体にわたる熱力学的特性及び輸送特性が測定に利用可能になる。従って、温度及び歪み測定機器のような追加の標準機器を急速コンデンサ放電装置に組み込むことによって、粘度、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との間の温度範囲全体で測定することができる。
【００３７】
本発明のＲＣＤＦ技術の簡単なフローチャートが図１に示される。図示のように、本プロセスは、コンデンサに蓄えられた電気エネルギー（典型的には、１００ジュールから１００Ｋジュール）の金属ガラス合金のサンプルブロック又はチャージへの放電から始まる。本発明によれば、電気エネルギーの印加を用いて、合金のガラス転移温度を上回る所定の「加工温度」まで、より具体的には、アモルファス材料のガラス転移温度と合金の平衡融点（Ｔｇを上回って２００〜３００Ｋまで）との間の略中間の加工温度まで、数マイクロ秒から数ミリ秒以下の時間尺度でサンプルを急速且つ均一に加熱することができ、その結果、アモルファス材料が、成形を容易にするのに可能な十分な加工粘度（〜１から１０4Ｐａｓ−ｓ以下）を有するようになる。
【００３８】
サンプルが均一に加熱されてサンプルブロック全体が十分に低い加工粘度を有するようになると、サンプルは、例えば、射出成形、動的鍛造、スタンプ鍛造、ブロー成形、その他を含むあらゆる数の技術によって高品質のアモルファスバルク製品に成形することができる。しかしながら、金属ガラスのチャージを成形する能力は、このチャージの加熱がサンプルブロック全体にわたって急速且つ均一であることを保証することに完全に依存している。均一な加熱が達成されない場合、サンプルは、その代わりに局所的な加熱を受けることになり、このような局所的加熱は、例えば、要素を共に接合又はスポット溶接すること、或いはサンプルの特定領域を成形するなどの一部の技術に有用とすることができるが、このような局所的加熱は、サンプルのバルク成形を行うのに用いられず、用いることもできない。同様に、サンプル加熱が十分に急速でない場合（典型的には、およそ５００〜１０5Ｋ／ｓ)、形成される材料はそのアモルファス特性を失うか、又はその成形技術が、優れた加工可能性の特性（すなわち、結晶化に対する過冷却液体の高安定性）を有するこれらのアモルファス材料に限定されることになり、この場合も同様にプロセスの有用性が低下する。
【００３９】
本発明のＲＣＤＦ法は、サンプルの急速で均一な加熱を保証する。しかしながら、ＲＣＤＦを用いて金属ガラスサンプルの急速で均一な加熱を得るのに必要な基準を理解するためには、最初に、金属材料のジュール加熱がどのようにして起こるかを理解することが必要である。金属の電気抵抗率の温度依存性は、温度変化係数Ｓの単位当たりの抵抗率の相対変化に関して定量化することができ、ここでＳは以下のように定義される。
Ｓ＝（１／ρ0）[ｄρ（Ｔ）／ｄＴ]T0        （式１）
式中Ｓは（１／℃）の単位であり、ρ0は室温Ｔ0における金属の抵抗率（オームｃｍ）であり、[ｄρ／ｄＴ]T0は、直線になるように取った室温での抵抗率の温度導関数（オームｃｍ／Ｃ）である。典型的なアモルファス材料は、大きなρ0（８０μΩｃｍ＜ρ0＜３００μΩｃｍ）を有するが、Ｓ（−１×１０-4＜Ｓ＜＋１×１０-4）の極めて小さな（及び負であることが多い）値を有する。
【００４０】
アモルファス合金において見られるこの小さな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、空間的に均一に抵抗加熱され、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、これは、式：
Ｅ＝１／２ＣＶ2      （式２）
及びサンプルチャージの総熱容量ＣS（ジュール／Ｃで）によって示されるコンデンサの総エネルギーに依存する。ＴFは、次式によって示されることになる。
ＴF＝Ｔ0＋Ｅ／ＣS      （式３）
次に、加熱時間は、容量放電の時定数τRC＝ＲＣによって決定されることになる。ここでＲは、サンプルの総抵抗（プラス容量放電回路の出力抵抗）である。従って、理論的には、金属ガラスの典型的な加熱速度は、次式で示すことができる。
ｄＴ／ｄｔ＝（ＴF−Ｔ0）／      （式４）
【００４１】
対照的に、一般的な結晶金属は、遙かに低いρ0（１〜３０μΩ−ｃｍ）及び遙かに大きいＳ（〜０．０１〜０．１）の値を有する。これは、挙動において大きな差違につながる。例えば、銅合金、アルミニウム、又は鋼合金のような一般的な結晶金属では、ρ0は遙かに小さい（１〜２０μΩｃｍ）が、Ｓは遙かに大きく、典型的にはＳは０．０１〜０．１である。結晶金属におけるより小さなρ0値は、サンプルにおけるより小さな放散（電極と比較して）につながり、サンプルへのコンデンサのエネルギー結合の効率を悪化させる。更に、結晶金属が溶融すると、ρ（Ｔ）は、一般に２倍以上増大し、固体金属から溶融金属に移行する。一般的な結晶金属の溶融時の抵抗率の増加に伴う大きなＳ値は、均一な電流密度において極めて不均一な抵抗加熱につながる。結晶サンプルは、典型的には高電圧電極又はサンプル内の他の界面近傍において必ず局所的に溶融することになる。次に、結晶ロッドを介したエネルギーのコンデンサ放電は、初期抵抗が最大であった場所であればどこでも（典型的には界面において）加熱の空間的局所性及び局所的溶融につながる。実際には、これは、結晶金属の容量放電溶接（スポット溶接、突起溶接、「スタッド溶接」、その他）に基づいており、ここでは局所的溶融プールが、電極／サンプル界面又は溶接されることになる部品内の他の内部界面付近に生成される。
【００４２】
「背景技術」において議論したように、従来技術のシステムはまた、アモルファス材料の固有の伝導性を認識しているが、サンプル全体の均一な加熱を保証することは現在まで認識されておらず、また加熱サンプル内のエネルギー散逸において空間的不均一性の動的発生を回避することが必要である。本発明のＲＣＤＦ法は、２つの基準を記載し、これらは、このような不均一性の発生を阻止し、チャージの均一な加熱を保証するために適合する必要がある。
・サンプル内の電流の均一性
・動的加熱中の電力損の不均一性の発生に対するサンプルの安定性。
【００４３】
これらの基準は、比較的単純であるように見えるが、これらは、加熱中に用いる電荷、サンプルに用いる材料、サンプルの形状、電荷を導入するのに用いる電極とサンプル自体との間の界面に対して幾つかの物理的及び技術的制約を課している。例えば、長さＬ及び面積Ａ＝πＲ2（Ｒ＝サンプル半径）の円筒形チャージに対して、以下の要件が存在する。
【００４４】
容量放電中の円筒体内の電流の均一性は、動的電場の電磁スキン深さΛが、サンプルの関連する寸法特性（半径、長さ、幅又は厚み）と比較して大きいことが必要である。円筒体の実施例では、関連する特徴的寸法は、明らかにチャージの半径Ｒ及び深さＬである。この条件は、Λ＝[ρ0τ／μ0]1/2＞Ｒ、Ｌである場合に満たされる。ここで、τは、コンデンサ及びサンプルシステムの「ＲＣ」時定数であり、μ0＝４π×１０-7（ヘンリー／ｍ）は、自由空間の誘電率である。Ｒ及びＬが〜１ｃｍの場合、これはτ＞１０〜１００μ秒を示す。対象の典型的な寸法及びアモルファス合金の抵抗率の値を用いると、これは、好適な大きさにされたコンデンサ、典型的には〜１０，０００μＦ以上のキャパシタンスを必要とする。
【００４５】
動的加熱中の電力損における不均一性の発生に対するサンプルの安定性は、フーリエの方程式によって制御される電流及び熱流量によるオーム「ジュール」加熱を含む安定性解析を実施することによって理解することができる。温度と共に増加する（すなわち、正のＳ）抵抗率を有するサンプルにおいて、サンプル円筒体の軸線に沿った局所的温度変化は、局所的加熱を増加させ、局所的抵抗及び熱放散を更に増加させることになる。十分な高電力入力において、これは、円筒体に沿った加熱の「局所化」につながる。結晶材料において、これは局所的溶融をもたらす。この挙動は、構成要素間の界面に沿って局所的溶融を生成したい場合に溶接において有用であるが、アモルファス材料を均一に加熱したい場合には極めて望ましくないものである。本発明は、均一な加熱を保証するために重要な基準を提供する。上記で定義されたようなＳを用いて、発明者らは、下記の場合に加熱が均一であることを明らかにする。
Ｓ＜（２π）2ＤＣS／Ｌ2Ｉ2Ｒ0＝Ｓcrit      （式５）
式中Ｄはアモルファス材料の熱拡散率（ｍ2／ｓ）であり、ＣSはサンプルの総熱容量であり、Ｒ0はサンプルの総抵抗である。金属ガラスに特有のＤ及びＣSの値を用い、長さ（Ｌ〜１ｃｍ）、及び本発明に通常必要とされる入力電力Ｉ2ＲO〜〜１０6ワットを仮定すると、Ｓcrit〜１０-4〜１０-5を得ることができる。均一な加熱に対するこの基準は、多くの金属ガラス（上述のＳ値を参照）に対して満たす必要がある。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を有する）は、常に加熱の均一性に対してこの要件を満たすことになる。この基準に適合する例示的な材料は、米国特許第５，２８８，３４４号、米国特許第５，３６８，６５９号、米国特許第５，６１８，３５９号、及び米国特許第５，７３５，９７５号に記載され、これらの特許の開示事項は、引用により本明細書に組み入れられる。
【００４６】
適用されるチャージ及び使用されるアモルファス材料の基本的な物理的基準以外では、チャージがサンプルにできるだけ均等に適用されることを保証する技術的要件も存在する。例えば、サンプルが、実質的に欠陥がなく且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い場合、熱は、サンプルにわたって均等に放散せず、局所的加熱が生じることになる。具体的には、サンプルブロックにおいて不連続性又は欠陥が存在する場合、上で議論した物理定数（すなわち、Ｄ及びＣS）は、これらの点において異なり、異なる加熱速度をもたらすことになる。加えて、サンプルの熱特性はまた、物品の寸法（すなわち、Ｌ）に依存しているので、物品の断面が変化した場合、サンプルブロックに沿って局所的ホットスポットが存在することになる。更に、サンプル接触面が十分に平坦で平行ではない場合、界面接触抵抗は、電極／サンプル界面に存在することになる。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、実質的に均一な断面を有するように形成される。サンプルブロックの断面は均一であるべきであるが、この要件を満たす限り、ブロックの形状に課せられる固有の制約がない点を理解されたい。例えば、ブロックは、シート、ブロック、円筒体、その他のようなあらゆる好適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、平行に切断され平坦に研磨される。
【００４７】
加えて、電極とサンプルとの間で界面接触抵抗が生じないことが重要である。これを達成するために、電極／サンプル界面は、「ホットスポット」が界面で発生しないように、電荷が均等に、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る必要がある。例えば、電極の異なる部分が、サンプルに異なる伝導性接触を提供する場合、加熱の空間局所性及び局所的溶融は、初期抵抗が最大である場所のどこにでも生じることになる。これは、局所的溶融プールが電極／サンプル界面又はサンプル内の他の内部界面の近くに生成される放電溶接をもたらすことになる。均一な電流密度のこの要件に照らして、本発明の一実施形態において、電極は、平坦且つ平行に研磨されて、サンプルとの良好な接触を保証する。本発明の別の実施形態において、電極は軟質金属で作られ、界面において電極材料降伏強度を超える均一な「着座」圧力が印加されるが、電極座屈強度ではなく、その結果、電極は、界面全体に対して正に加圧されて座屈せず、界面におけるあらゆる非接触領域が塑性変形されるようになる。本発明の更に別の実施形態において、電極の接触面におけるアモルファスサンプルのあらゆる非接触領域の温度をアモルファス材料のガラス転移温度を僅かに上回るまで上昇させるのにかろうじて十分である均一な低エネルギー「着座」パルスが印加され、従って、アモルファスサンプルが電極の接触面の微視的特徴に適合することが可能になる。加えて、更に別の実施形態において、電極は、正極及び負極がサンプルにわたって対称的な電流路を提供するように位置決めされる。電極材料のための一部の好適な金属は、Ｃｕ、Ａｇ、及びＮｉ、並びに実質的にＣｕ、Ａｇ、及びＮｉから作られた合金（すなわち、これらの材料を少なくとも９５％含有する）である。
【００４８】
最後に、電気エネルギーが首尾良く均一にサンプルに放電されるとすると、低温の周囲及び電極に向かう熱輸送が効果的に回避される場合、すなわち、断熱昇温が達成される場合には、サンプルは均一に加熱されることになる。断熱昇温状態を生じるために、ｄＴ／ｄｔは、熱輸送による熱勾配がサンプルにおいて確実に発生しないよう十分に高く、又はτRCが十分に小さい必要がある。この基準を定量化するために、τRCの大きさは、アモルファス金属サンプルの熱的緩和時間τthよりもかなり小さくあるべきであり、このτthは、以下の式で与えられる。
τth＝ｃSＲ2／ｋS      （式５）
式中、ｋS及びｃSはアモルファス金属の熱伝導率及び比熱容量であり、Ｒはアモルファス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基ガラスの近似値を表すｋS〜１０Ｗ／（ｍＫ）及びｃS〜５×１０6Ｊ／（ｍ3Ｋ）並びにＲ〜１×１０-3とすると、発明者らはτth〜０．５ｓを得る。従って、０．５ｓよりもかなり小さなτRCを有するコンデンサを用いて、均一な加熱を確保すべきである。
【００４９】
成形方法自体に移ると、本発明のＲＣＤＦ法に従った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、基本手的ＲＣＤＦ成形ツールは、電気エネルギー源（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値及び十分に高い大きなρ0値を有するアモルファス材料で作ら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ーを印加するのに使用される。均一な電気エネルギーを用いて、数ミリ秒以下の時間尺度で合金のガラス転移温度を上回る所定の「加工温度」までサンプルを均一に加熱する。このようにして形成された粘性液体は、例えば、射出成形、動的鍛造、スタンプ鍛造、ブロー成形、その他を含む好ましい成形方法に従って同時に成形されて、１秒未満の時間尺度で製品を形成する。
【００５０】
例えば、１０μ秒から１０ミリ秒の放電時定数を有するコンデンサのような、所定の加工温度までサンプルブロックを急速且つ均一に加熱するのに十分な均一な密度のエネルギーを供給するのに好適なあらゆる電気エネルギー源を用いることができる点を理解されたい。加えて、サンプルブロックにわたって均一な接触を提供するのに好適なあらゆる電極を用いて、電気エネルギーを伝送することができる。議論したように、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Ｎｉ、Ａｇ及びＣｕを少なくとも９５％用いて作られた合金などの軟質金属で形成され、電極／サンプル界面で電極の接触面を塑性的に変形させてサンプルブロックの接触面の微視的特徴に共形にするのに十分な圧力下でサンプルブロックに対して保持される。
【００５１】
上記の議論は、一般的にＲＣＤＦ法に重点が置かれているが、本発明はまた、アモルファス材料のサンプルブロックを成形するための装置に関する。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法と共に組み込むことができる。このような実施形態において、加熱されたアモルファス材料の粘性液体は、金属ガラスのネットシェイプ構成要素を形成するため機械的荷重が加わったプランジャを用いて、周囲温度で保持された成形キャビティ（１８）に射出される。図２に示す本方法の実施例において、チャージは、電気的に絶縁された「バレル」又は「ショットスリーブ」内に配置され、高い電気的伝導性及び熱伝導性の両方を有する伝導性材料（銅又は銀のような）で作られた円筒形プランジャによって射出圧力（典型的には１〜１００ＭＰａ）まで予め荷重が加えられる。プランジャは、システムの１つの電極として機能する。サンプルチャージは、電気的に接地されたベース電極の上に載っている。コンデンサの蓄えられたエネルギーは、上述の一定の基準が満たされる場合、円筒形の金属ガラスサンプルチャージに均一に放電される。次いで、荷重が加わったプランジャは、加熱した粘性溶融物をネットシェイプ成形キャビティに移動させる。
【００５２】
上記では射出成形技術を考察したが、あらゆる好適な成形技術を用いてもよい。ＲＣＤＦ技術に従って用いることができる他の成形方法の一部の代替の例示的な実施形態が、図３から図５に示され、以下で考察する。例えば、図３に示すように、一実施形態において、動的鍛造成形法を用いることもできる。こ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、それら自体がダイツールを形成することになる。この実施形態において、低温サンプルブロック（２４）は、電極間の圧縮応力下で保持され、電気エネルギーが放電されるときに、サンプルブロックは十分に粘性になり、電極が所定応力下で共に押圧でき、これによりサンプルブロックのアモルファス材料がダイ（２０）の形状に共形になる。
【００５３】
図４に概略的に示す別の実施形態において、スタンプ形成形法が提案されている。この実施形態において、電極（３０）は、何れかの端部においてこれらの間でサンプルブロック（３２）をクランプ又は他の方法で保持する。図示した概略図において、アモルファス材料の薄いシートが用いられるが、あらゆる好適なサンプル形状で作動するようこの技術を修正することができる点を理解されたい。サンプルブロックを介して電気エネルギーを放電すると、図示のように対向する鋳型又はスタンプ面（３６）を含む成形ツール又はスタンプ（３４）は、これらの間に保持されたサンプルの一部に対して所定の圧縮力により共に集められ、これによりサンプルブロックを最終的な所望の形状にスタンプする。
【００５４】
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、ブロー成形技術を用いることができる。この場合も同様に、この実施形態において、電極（４０）は、何れかの端部においてこれらの間でサンプルブロック（４２）をクランプ又は他の方法で保持する。好ましい実施形態において、サンプルブロックは、薄いシート材料を含むが、あらゆる好適な形状を用いることができる。初期形状に関係なく、例示的な技術において、サンプルブロックは、鋳型（４５）上にフレーム（４４）内に位置決めされて、実質的に気密シールを形成し、
その結果、ブロックの対向する側面（４６及び４８）（すなわち、鋳型に面する側面と鋳型から外方に面する側面）を異なる圧力、すなわちガスの正圧又は負の真空に曝すことができるようになる。サンプルブロックを介して電気エネルギーを放電すると、サンプルは、粘性になり、異なる圧力の応力下で変形して鋳型の輪郭に共形となり、これによりサンプルブロックを所望の最終形状に形成する。
【００５５】
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、繊維引き抜き技術を用いることができる。この場合も同様に、この実施形態において、電極（４９）は、サンプルの何れかの端部付近でサンプルブロック（５０）と良好な接触状態にあり、引張力がサンプルの何れかの端部に印加されることになる。低温ヘリウム（５１）の流れは、引き抜かれたワイヤ又は繊維上に吹き付けられ、ガラス転移を下回る冷却を可能にする。好ましい実施形態において、サンプルブロックは、円筒形ロッドを備えるが、あらゆる好適な形状を用いることができる。サンプルブロックを介して電気エネルギーを放電すると、サンプルは、粘性になり、引張力の応力下で均一に延伸されて、これによりサンプルブロックを均一な断面のワイヤ又は繊維中に引き込む。
【００５６】
図７に概略的に示す更にまた別の実施形態において、本発明は、過冷却液体の熱力学的特性及び輸送特性を測定するための急速コンデンサ放電装置に関する。１つのこのような実施形態において、サンプル（５２）は、２つのパドル形電極（５３）の間に圧縮応力下で保持され、熱探知カメラ（５４）は、サンプルに焦点を合わせている。電気エネルギーが放電されると、カメラが起動し、同時にサンプルブロックが充電されることになる。サンプルが十分に粘性になった後、電極は、所定の圧力下で共に押圧してサンプルを変形させることになる。カメラが所要の解像度及び速度を有する場合、一連の熱探知によって加熱及び変形の同時プロセスをキャプチャすることができる。このデータを用いると、時間、熱、及び変形データが、時間、温度、及び歪みデータに変換することができ、入力電力及び加えられた圧力は、内部エネルギー及び負荷応力に変換することができ、これによりサンプルの温度、温度依存の粘度、熱容量及びエンタルピーの情報が得られる。
【００５７】
上記の議論は、幾つかの例示的な成形技術の基本的特徴に焦点が当てられたが、他の成形技術を押し出し又はダイカストなどの本発明のＲＣＤＦ法と共に用いることができる点を理解されたい。更に、追加の要素をこれらの技術に加えて、最終製品の品質を改善することができる。例えば、上記の成形方法の何れかに従って形成された製品の表面仕上げを改善するために、鋳型又はスタンプをアモルファス材料のガラス転移温度前後又はその直ぐ下まで加熱し、これにより表面欠陥を平滑にすることができる。加えて、より良好な表面仕上げ又はネットシェイプ部品を有する製品を得るために、上記の成形技術の何れかの圧縮力及び射出成形技術の場合には圧縮速度を制御して、高い「ウェーバ数」の流れから生じる溶融前方部の不安定性を回避し、すなわち、霧化、スプレー、流線、その他を阻止することができる。
【００５８】
上で議論したＲＣＤＦ成形技術及び代替の実施形態は、電子機器、ブラケット、ハウジング、ファスナ、ヒンジ、ハードウェア、腕時計部品、医療用部品、カメラ及び光学部品、宝石類、その他のためのケーシングのような、小さく、複雑なネットシェイプの高性能金属部品の製造に適用することができる。ＲＣＤＦ法はまた、ＲＣＤＦ加熱及び射出システムと併せて用いる種々のタイプの押し出しダイを介して動的に押し出すことができる、小さなシート、管体、パネル、その他を製造するのに用いることができる。
【００５９】
要約すると、本発明のＲＣＤＦ技術は、広範囲のアモルファス材料の急速で均一な加熱を可能にし、比較的安価でエネルギー効率の良いアモルファス合金の成形方法を提供する。ＲＣＤＦシステムの利点を以下でより詳細に説明する。
【００６０】
・急速で均一な加熱による熱可塑性物質の加工可能性の強化
ＢＭＧの熱可塑性成形及び形成は、これらのガラス転移温度Ｔgを上回って加熱された場合に結晶化するＢＭＧの傾向によって大幅に制限される。Ｔgを上回る過冷却液体の結晶形成及び成長の速度は、温度と共に急速に増大するが、液体の粘度は低下する。〜２０Ｃ／分の従来の加熱速度では、ＢＭＧがＴgをΔＴ＝３０〜１５０℃だけ超える温度まで加熱された場合に結晶化が起こる。このΔＴは、液体を熱可塑的に加工することができる最高温度及び最低粘度を決定付ける。実際には、粘度は、〜１０4Ｐａ−ｓよりも大きく、より典型的には１０5〜１０7Ｐａ−ｓに制限され、これはネットシェイプ形成を大幅に制限する。ＲＣＤＦを用いると、アモルファス材料サンプルは、１０4〜１０7Ｃ／ｓの範囲の加熱速度で均一に加熱され且つ同時に形成することができる（全体で数ミリ秒の加工時間が必要）。次に、サンプルは、遙かに大きなΔＴで、結果として１〜１０4Ｐａ−ｓの範囲（これは、プラスチックの加工において用いる粘度の範囲）の遙かに低い加工粘度で熱可塑的にネットシェイプに形成することができる。これは、遙かに低い負荷荷重、より短いサイクル時間を必要とし、遙かに良好なツール寿命をもたらすことになる。
【００６１】
・ＲＣＤＦにより遙かに広範囲のＢＭＧ材料の加工を可能にすること
ΔＴの著しい拡大及び加工時間の数ミリ秒までの著しい短縮により、極めて多種多様のガラス形成合金を加工できるようになる。具体的には、ＲＣＤＦを用いて、小さなΔＴを有する合金、又は極めて急速な結晶化動力学、及びその結果として極めて少ないガラス形成能力を有する合金を加工することができる。例えば、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕ並びに他の安価な金属に基づくより安価で又はその他のより望ましい合金は、小さなΔＴ及び結晶化の傾向が強いかなり不良のガラス形生体である。これらの「マージナルガラス形成」合金は、現在実施されている方法の何れを用いても熱可塑的に加工することはできないが、本発明のＲＣＤＦ法により容易に使用することができる。
【００６２】
・ＲＣＤＦは極めて材料効率が良い
ダイカストのようなバルクアモルファス製品を形成するのに現在用いられている従来のプロセスは、鋳造される部品の体積を遙かに超える原材料体積の使用を必要とする。これは、鋳造物に加えてダイの放出内容物全体がゲート、ランナー、スプルー（又はビスケット）、及びフラッシュを含む（これら全てはダイキャビティに向かう溶融金属の通過に必要である）ことに起因する。対照的に、ほとんどの場合におけるＲＣＤＦの放出内容物は部品のみを含み、射出成形装置の場合には、ダイカストと比較してより短いランナー及び遙かに薄いビスケットのみを含むことになる。従って、ＲＣＤＦ法は、アモルファス金属宝石類の加工のような高価なアモルファス材料の加工を伴う用途において特に魅力的である。
【００６３】
・ＲＣＤＦは極めてエネルギー効率が良い：
ダイカスト、永久鋳造、インベストメント鋳造及び金属粉末射出成形（ＰＩＭ）などの競合する製造技術は、本質的にエネルギー効率が極めて悪い。ＲＣＤＦにおいては、消費されるエネルギーは、所望の加工温度までサンプルを加熱するのに必要なエネルギーよりも僅かに大きいだけである。高温るつぼ、ＲＦ誘導溶融システム、その他は必要ではない。更に、一方の容器から別の容器に溶融合金を注ぐ必要がなく、これにより必要な加工ステップ並びに材料の汚染及び材料損失の可能性が低減される。
【００６４】
・ＲＣＤＦは比較的小さく小型で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、小型で、清浄であり、最小限の可動部品を用いて自動化が容易であり、本質的に全ての「電子」プロセスに好適となる。
【００６５】
・環境雰囲気制御を必要としない：
ＲＣＤＦによってサンプルを加工するのに必要な数ミリ秒の時間尺度は、周囲空気への加熱サンプルの露出を最小限にする。従って、本プロセスは、長い大気暴露が溶融金属及び最終部品の過酷な酸化を生じる現在の加工方法とは対照的に、周囲環境において実施することができる。
【００６６】
（例示的な実施形態）
本発明による追加の実施形態は上述の包括的な開示の範囲内にあることが企図され、上述の非限定的な実施例によってどのような意味においても権利の放棄を意図するものではない点を、当業者であれば認識するであろう。
【００６７】
実施例１：抵抗加熱の研究
ＢＭＧにおいて、円筒形サンプルでのオーム熱放散による容量放電が均一で急速なサンプル加熱をもたらすという基本的原理を立証するために、簡単な実験用スポット溶接機械を立証成形ツールとして用いた。機械Ｕｎｉｔｅｋ１０４８Ｂスポット溶接機は、〜１０μＦのコンデンサにおいて最大１００ジュールのエネルギーを蓄える。蓄えたエネルギーは、正確に制御することができる。ＲＣ時定数は、およそ１００μ秒である。サンプル円筒体を閉じ込めるために、２つのパドル形電極に平坦で平行な表面を設けた。スポット溶接機械は、上側電極に最大〜８０ニュートンまでの力の軸方向荷重荷の印加を許容するバネ荷重の上側電極を有する。その結果、これは、〜２０ＭＰａまで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。
【００６８】
１〜２ｍｍの直径及び２〜３ｍｍの高さを有する幾つかのＢＭＧ材料の小さな直円柱を製作した。サンプル質量は〜４０ｍｇから約〜１７０ｍｇの範囲であり、特定のＢＭＧのガラス転移温度を遙かに上回るＴFを得るように選択された。ＢＭＧ材料は、それぞれ３４０Ｃ、３００Ｃ、及び〜４３０Ｃでガラス転移（Ｔg）を有する、Ｚｒ−Ｔｉ基ＢＭＧ（Ｖｉｔｒｅｌｏｙ１、Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ−ＢｅのＢＭＧ）、Ｐｄ基ＢＭＧ（Ｐｄ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ合金）、及びＦｅ基ＢＭＧ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｐ−Ｃ）であった。これらの金属ガラスの全ては、Ｓ〜１×１０-4＜＜Ｓcritを有する。
【００６９】
図８ａから図８ｄは、半径２ｍｍ及び高さ２ｍｍのＰｄ合金円筒体に関する一連の試験結果を示す（図８ａ）。合金の抵抗率は、ρ0＝１９０μΩ−ｃｍであり、Ｓが〜−１×１０-4（Ｃ-1）である。エネルギーＥ＝５０（図８ｂ）、７５（図８ｃ）、及び１００（図８ｄ）ジュールがコンデンサバンクに蓄えられ、〜２０ＭＰａの圧縮応力下で保持されるサンプルに放電した。ＢＭＧにおける塑性流動の程度は、加工されたサンプルの初期及び最終の高さを測定することによって定量化した。サンプルは、加工中に銅電極に結合されないことが観察される点に留意することが特に重要である。これは、ＢＭＧと比較して銅の高い電気伝導性及び熱伝導性に起因する可能性がある。要するに、銅は、加工の時間尺度（〜数ミリ秒）の間に「溶融」ＢＭＧによって湿潤できるだけ十分に高い温度に到達することがない。更に、電極表面にほとんど又は全く損傷がない点に留意されたい。最終加工サンプルは、加工後に銅電極から自由に除去され、図９に長さ尺度基準と共に示されている。
【００７０】
初期及び最終の円筒体の高さは、荷重下で変形されたときにサンプルにおいて発生した総圧縮歪みを決定するのに用いた。工学的な「歪み」はＨ0／Ｈによって与えられ、Ｈ0及びＨはそれぞれ、サンプル円筒体の初期（最終）の高さである。真の歪みはｌｎ（Ｈ0／Ｈ）によって与えられる。この結果は、図１０における放電エネルギーに対してプロットされている。これらの結果は、真の歪みが、コンデンサによって放電されたエネルギーのほぼ直線増加関数であるように見えることを示した。
【００７１】
これらの試験結果は、ＢＭＧサンプルブランクの塑性変形が、コンデンサによって放電されたエネルギーの明確に定義された関数であることを示す。このタイプの多数の試験の後、サンプルの塑性流動（所与のサンプル幾何学形状に対して）は、図１０に明らかに示されているように、エネルギー入力の極めて明確に定義された関数であると判断することができる。要するに、ＲＣＤＦ技術を用いると、プラスチック加工を入力エネルギーによって正確に制御することができる。更に、流れの特徴は、エネルギーの増加と共に定性的及び定量的に変化する。〜８０ニュートンが印加された圧縮荷重下で、Ｅの増加と共に流動挙動における明らかな展開を観察することができる。具体的には、Ｐｄ合金において、Ｅ＝５０ジュールの流れは、ｌｎ（Ｈ0／ＨF）〜１の歪みに限定される。流れは、比較的安定しているが、何らかの剪断薄化（例えば、非ニュートン流動挙動）の証拠も存在する。Ｅ＝７５ジュールに対して、より拡大した流れが、ｌｎ（Ｈ0／ＨF）〜２で得られる。この領域では、流れは「鋳型」全体を移動する平滑で安定した溶融物前部を有する「ニュートン系」及び均一である。Ｅ＝１００ジュールに対しては、極めて大きな変形が、０．１２ｃｍの最終サンプル厚み及び〜３の真の歪みで得られる。高い「ウェーバ数」流量の流れ崩壊、流線、及び液体「飛散」特性の明らかな証拠が存在する。要するに、「鋳型」において移動する安定から不安定への溶融物前部により明らかな遷移を観察することができる。従って、ＲＣＤＦを用いて、塑性流動の定性的性質及び範囲は、加えられた荷重及びサンプルへ放電されたエネルギーの簡単な調節によって系統的且つ制御可能に変えることができる。
【００７２】
実施例２：射出成形装置
別の実施例では、実用試作機のＲＣＤＦ射出成形装置を構成した。デバイスの概略図が図１１ａから図１１ｅに示される。成形装置で行った実験では、数グラムの鋳型チャージを１秒未満でネットシェイプ製品に射出するのに用いることができることが証明された。図示のシステムは、〜６Ｋジュールの電気エネルギーを蓄えることができ、及び最大〜１００ＭＰａの制御加工圧力を加えて、小さなネットシェイプＢＭＧ部品を生成するのに用いることができる。
【００７３】
機械全体は、電気エネルギー電荷生成システム、制御加工圧力システム、及び鋳型組立体を含む幾つかの独立システムから構成される。電気エネルギー電荷生成システムは、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備え、これら全ては、放電を電極を介してサンプルブランクに印加できるように電気リード線（６２）及び電極（６４）のセットを介して鋳型組立体（６０）に相互接続されている。制御加工圧力システム（６６）は、空気供給装置、ピストン調整器、及び空気ピストンを備え、これら全ては、最大〜１００ＭＰａの制御加工圧力を成形中にサンプルに印加できるように、全てが制御回路を介して相互接続されている。最後に、成形装置はまた、鋳型組立体（６０）を含み、鋳型組立体（６０）は、以下で更に詳細に説明されるが、この図では電極プランジャー（６８）が完全に後退した位置で示されている。
【００７４】
鋳型組立体全体は、図１１ｂにおいてより大きな装置から取り外されて示されている。図示のように、鋳型組立体全体は、上部及び下部鋳型ブロック（７０ａ及び７０ｂ）、分割鋳型の上部及び下部部分（７２ａ及び７２ｂ）、電流を鋳型カートリッジ加熱器（７６）に搬送するためのリード線（７４）、絶縁スペーサ（７８）、及び本図では「完全に陥凹の」位置で示す電極プランジャ組立体（６８）を含む。
【００７５】
図１１ｃ及び図１１ｄに示すように、作動中、アモルファス材料（８０）のサンプルブロックは、ゲートから分割鋳型（８２）の上の絶縁スリーブ（７８）内部に位置決めされる。この組立体は、それ自体が鋳型組立体（６０）の上部ブロック（７２ａ）内に位置決めされる。電極プランジャ（図示せず）は、次いで、サンプルブロック（８０）と接触状態で位置決めされ、制御圧力が空気ピストン組立体を介して印加される。
【００７６】
サンプルブロックが所定位置にあり、電極と正の接触状態になると、サンプルブロックは、ＲＣＤＦ法により加熱される。加熱されたサンプルは粘性になり、プランジャの圧力下でゲート（８４）を介して鋳型（７２）に制御可能に押し込まれる。図１０ｅに示すように、この例示的な実施形態において、分割鋳型（６０）は、リング（８６）の形態を取る。本発明の例示的なＲＣＤＦ装置を用いて形成されたＰｄ43Ｎｉ10Ｃｕ27Ｐ20のアモルファス材料で作られたサンプルリングが、図１２ａ及び図１２ｂに示されている。
【００７７】
この実験は、複合ネットシェイプ部品を本発明のＲＣＤＦ技術を用いて形成できることの証拠を提供する。鋳型は本実施形態ではリングの形状に形成されるが、この技術は、電子機器、ブラケット、ハウジング、ファスナ、ヒンジ、ハードウェア、腕時計部品、医療用部品、カメラ及び光学部品、宝石類、その他のためのケーシングなどの小さく、複雑な、ネットシェイプ高性能金属部品を含む、広範な製品に等しく適用できることを当業者であれば認識するであろう。
【００７８】
実施例３：鍛造法及び装置
図３に関して概略的に説明したように、本発明のＲＣＤＦ法を用いて、動的鍛造を実施することができる。鍛造は、金属部品を所望の形状に加熱して押圧する一般的な方法である。金属ガラスの鍛造は、最初にガラス転移を上回って金属ガラスチャージを加熱し、チャージが軟化した後に、軟化金属ガラスを２次元又は３次元物体に押し込むように鍛造プレートによって力を加えることによって達成することができる。図３に示すように、従って、鍛造プレートは、プランジャ及び鋳型の両方としての機能を果たし、従って、高度な熱伝導性、があり、及び必然的に高い電気伝導性がある。しかしながら、鍛造プレートの面に彫り込みキャビティが存在ことにより、金属ガラスチャージへの電気エネルギーの効率的印加が阻止され、従って、ほとんどの場合において、鍛造プレートが電極としても機能するのが阻止される。従って、一実施形態において、電極が鍛造プレートから物理的に分離された鍛造法が記載される。詳細には、この実施形態において、本方法及び装置により、電気エネルギーは、より電気伝導性の高いプレートを流れるのではなく、電気伝導性が小さい金属ガラスチャージを通って効率的に放散するのが確保される。
【００７９】
（非伝導性鍛造）
Ｖｉｔｒｅｌｏｙ−１のような堅牢なガラス形成体である合金で作られたプレートのような単純な幾何学形状部品において、鍛造ダイは、ＭＡＣＯＲのような高温セラミックスから作ることができる。セラミックスは絶縁しているので、電流は放電される間、これらはサンプルと接触状態とすることができる。従って、容量放電加熱が行われる間に鍛造ダイによって圧力を加えることができ、制御回路を追加する必要性が排除される。加えて、セラミックスの低い熱拡散率により、金属ガラスがより長い時間期間の間高温に維持することが可能となる。これは、金属ガラスが十分堅牢で、より長い時間結晶化しない場合、材料をより低い圧力でかなり薄い部品に鍛造することを可能にする。従って、本発明の一実施形態において、非伝導ダイは、金属ガラス部品を鍛造するのに使用される。
【００８０】
１つの例示的な実施形態において、非伝導性鍛造具は、０．７９２Ｆコンデンサバンクと併せて３−１／４インチボアを有する空気式ピストンドライブを用いて形成された。ＭＡＣＯＲプレートは、ＭＡＣＯＲプレートを平行に保持するために案内ロッドを用いた空気式ドライブに取り付けた。
【００８１】
一実施例では、このような非伝導成形装置を用いて、Ｖｉｔｒｅｌｏｙ−１変形形態（Ｚｒ35Ｔｉ30Ｃｕ8.25Ｂｅ26.75）で作られた５ｍｍ直径のアモルファスロッドから薄いプレートを鍛造し、２つのＭＡＣＯＲプレートは、鍛造セットアップに取り付けられた。ロッドは、その２つの端部で２つの銅電極間にクランプされた。容量放電の前に、２０ｐｓｉの圧力を電極間のロッドセクションに対してＭＡＣＯＲプレートによって印加した。コンデンサバンクは、９３ボルト放電して、２１００Ｊ／ｃｃのエネルギー密度を送給し、ＴｇとＴｍの間までサンプルを急速加熱する。ロッドは、印加圧力によってＭＡＣＯＲプレート間で瞬時に軟化して形成され、その後、プレートへの伝導によって冷却された。図１３に示す結果として得られたプレートは、完全にアモルファスであり、０．４５ｍｍの厚みを有する。
【００８２】
（伝導性鍛造）
マージナルガラス形成合金のため又は複雑な幾何学形状を有する部品を作るために、金属ダイは、これらの高い熱伝導性、及びこれらを複雑な幾何学形状に機械加工できる相対的容易性に起因して使用する必要がある。しかしながら、これらの低い電気抵抗率に起因して、これらが容量放電中に金属ガラスと接触しないのが好ましく、電流が主としてダイを流れることになるので、金属ガラスの成形を阻止することになり、部分溶接及びダイへの損傷を促進することになるダイ界面での金属ガラスの不均一な加熱を引き起こす。従って、ＲＤＨＦを用いて金属ダイにより首尾良く鍛造するために、加熱相を成形相と効果的に結合解除する必要がある。
【００８３】
これは、本実施形態において、放電プロセス中に容量放電回路から伝導性鍛造プレートを電気的に絶縁し、単に放電が終了した後に伝導性プレートが急速に力を印加して軟化金属ガラスを略ネットシェイプに変形させることを可能にすることによって達成される。具体的には、本発明の一実施形態によれば、力の印加は、
ｔFi＞τRC及びｔFO＜τC
であるように時間ｔFiで始まって時間ｔFOで終了すべきであり、式中（τRC）は放電回路のＲＣ時定数であり、（τC）は金属ガラスが作動温度で結晶化する時間である。典型的なτRC値は、放電回路のコンデンサ及び抵抗に応じて、０．１ｍｓから１０ｍｓの範囲であり、典型的なτC値は、結晶化に対する金属ガラス形成液体の安定性に応じて、１０ｍｓから１０００ｍｓの範囲である。
【００８４】
本発明の例示的なセットアップは、図１４に提示されている。このセットアップでは、鍛造プレート（１００）は、放電プロセスの期間の間金属ガラスチャージ（１０２）と接触することができず、高伝導性電極（１０３）から金属ガラスチャージまでの電流経路が、所定位置（１０４）に保持されて、絶縁体（１０５）などを介して絶縁されるようにする。放電プロセスが終了した後、鍛造プレートは、次いで、電気／空気圧機構又は他の好適な高速駆動機構（図示せず）によって起動されて、急速に力を印加して軟化した金属ガラスを成形する。
【００８５】
電気／空気圧作動に基づく高速駆動機構の例示的なセットアップは、図１５に示されている。この例示的なデバイスでは、センサ／タイマ回路（１０６）は、放電回路（１０８）の一部における電圧及び電流を測定することによって容量放電の開始及び減衰を検知する。センサ／タイマ回路のセンサによる放電の検出により、タイマが起動される。上記の不等式に記載したようなτRCの遅延時間の後、空気弁（１１０）が、空気ピストン（１１４）を介して鍛造プレート（１１３）を通って軟化金属ガラス（１１２）に圧力を加えるために作動する。この場合も同様に、鍛造不等式に関して上で議論したように、プロセス全体は、τC未満の期間で終了すべきである。この制御回路を用いて、放電及び圧力印加の両方を制御するか、或いは放電を検知した後圧力を加えることができる点を理解されたい。前者は、ダイの移動のあらゆる機械的時間遅れを考慮するため、放電の前又は放電と同時に力を印加できるようにするよう回路のタイミングの選択ができるので、より優れた制御をもたらすことができる。後者は、放電後の圧力印加に限定されるので、あらゆる機械的時間遅れが総加工時間に加わることになる。
【００８６】
本発明のＲＣＤＦ鍛造装置の構成要素にあらゆる好適な材料を用いることができるが、１つの例示的な実施形態において、鍛造プレートは、以下に限定されるものではないが、銅、真鍮、及び鋼鉄を含むことができ、高伝導性電極は、以下に限定されるものではないが、銅及び銅／ベリリウムを含むことができる。同様に、あらゆる検出及び急速作動機構を用いることができるが、起動して力を加える一部の例示的な方法は、以下に限定されるものではないが、空気、油圧又は電動で検知する電圧／電流、及び空気、油圧又は電動で検知する温度を含む。
【００８７】
本発明の一実施形態において、ステンレス鋼鍛造ダイは、金属ガラスネジを鍛造するのに使用される。３−１／４”の直径のボアを有しソレノイドバルブを備え付けた空気ピストンによって力が印加される。制御回路は、電流センサとしてロゴスキーコイルのようなコイルと、回路のプログラミングを可能にするマイクロコントローラチップと、ソレノイドを駆動するダーリントントランジスタのようなトランジスタとから成る。放電前に、ダイは金属ガラスから分離されたままである。放電が始まると、電圧がコイルの両端に発生する。この電圧は、演算増幅器を介して増幅され、マイクロコントローラに送給される。マイクロコントローラは、一定の時間の間（数ミリ秒)保持した後に電圧をトランジスタに送るようプログラムされる。これによりソレノイドバルブが開き、ピストンを促して加熱された金属ガラスに対して鍛造ダイを移動させる。
【００８８】
金属ガラス（Ｚｒ35Ｔｉ30Ｃｕ8.25Ｂｅ26.75）の５ｍｍ直径ロッドから１０〜３２ネジを鍛造するために、２つのステンレス鋼のダイが上述のように鍛造具において構成されて整列された。長さ３．８ｃｍのＢＭＧロッドは、２つの銅電極間でクランプされ、０．７９２Ｆコンデンサを有するコンデンサバンクを用いて生成される電流パルスを用いて加熱した。コンデンサバンクは、９４ボルトまで充電され、２１００Ｊ／ｃｃのエネルギー密度を送達した。ソレノイドバルブに接続されたタンクは、８０ｐｓｉまで加圧された。制御回路は、何らかの電流を検知するとすぐに始動するようプログラムされていた。結果として得られたネジが、図１６ａから図１６ｃに示されている。
【００８９】
ネジは極めて高精度に成形される。走査電子顕微鏡におけるトレッドの検査は、材料が好ましくはネジ山の周りの鋳型を複製したこと明らかにする。鍛造金属ガラスのネジ切りは、少なくともステンレス鋼製１０〜３２のネジと同程度に正確であると思われ、これは、図１７ａから図１７ｃに示すように鍛造ではなく機械加工された。小さなフラッシングは、何らかの材料が必然的に閉鎖プレート間のキャビティから流出するときに、鍛造中に形成することができる。フラッシングは、研磨によって取り除き、又は鋸を用いて切断することができる。微量のネジ切りと共にフラッシングの除去により、ネジの作動が変わることはない。
【００９０】
（均等論）
本発明の種々の好ましい実施形態に関する前述の実施例及び説明は、全体として単に本発明の例証であって、本発明のステップ及び種々の構成要素の変形形態は、本発明の技術的思想及び範囲内で行うことができる点は、当業者には理解されるであろう。例えば、追加の加工ステップ又は代替の構成は、本発明の急速コンデンサ放電形成方法／装置の特性の改良に影響を与えることなく、その意図する目的に好適でない方法／装置をもたらすことがない点は、当業者には明らかであろう。従って、本発明は、本明細書に記載された具体的な実施形態に限定されることなく、むしろ添付の請求項の範囲によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１１ｅ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１５】
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