(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
急速コンデンサ放電を利用して金属ガラスシートを急速且つ一様に加熱する方法であって、
実質的に一様な断面を備えた金属ガラス形成合金で作られた金属ガラスのサンプルをエンクロージャ内に用意するステップを含み、前記エンクロージャは、少なくともその一端に設けられた開口部及びキャビティの外部に且つ前記開口部に隣接して位置決めされた状態で互いに平行に配置された少なくとも１つの対をなすローラを有し、
所与の量の電気エネルギーを前記サンプル中に一様に放出して前記サンプル全体を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処理温度まで急速且つ一様に加熱するステップを含み、
圧縮力を前記加熱状態のサンプルに加えて前記材料を前記開口部中に押し込むと共に前記少なくとも１つのローラ対相互間に押し込むステップを含み、前記ローラ対は、前記加熱状態の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状態にある間、変形力を加えて前記加熱状態のサンプルをシートの状態に付形し、
前記物品を前記金属ガラスのガラス転移温度よりも低い温度まで冷却するステップを含む、方法。
【請求項２】
前記金属ガラスは、温度に対して一定又は減少する電気抵抗率を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
所与の量の電気エネルギーを前記サンプル中に一様に放出するステップにおいて、前記サンプルの温度を少なくとも５００Ｋ／秒の速度で増大させる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記金属ガラスは、温度変化単位（Ｓ）当たり１×１０-4°Ｃ-1以下の相対抵抗率変化及び室温（ρ0）において８０〜３００μΩ‐ｃｍの抵抗率を有する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記所与の量の電気エネルギーは、少なくとも１００Ｊであり、放電時定数が１０μｓ〜１００ｍｓである、請求項１記載の方法。
【請求項６】
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との真ん中の温度である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記処理温度は、前記加熱状態の金属ガラスの粘度が１Ｐａ‐ｓから１０4Ｐａ‐ｓまでであるようなものである、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記サンプルには、欠陥がない、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記金属ガラスは、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、ＡＬ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕから成る群から選択された金属元素を主成分とする合金である、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記所与の量の電気エネルギーを放出する前記ステップは、電界を前記サンプル中に発生させ、発生させた前記動的電界の電磁気の表皮深さは、前記サンプルの半径、幅、厚さ及び長さと比較して大きい、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記エンクロージャは、非導電性である、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記サンプルはプランジャにより付勢されており、前記プランジャは外面を有し、前記プランジャの少なくとも外面は、非導電性である、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１対のローラの少なくとも外面は、非導電性である、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記開口部から見て下流側に連続して配置された少なくとも２つの対をなすローラを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記開口部に隣接して位置決めされた前記対をなすローラの下流側の少なくとも前記１対のローラの外面は、熱伝導性である、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記熱伝導性ローラは、銅、銅‐ベリリウム合金、黄銅、アルミニウム又は鋼で作られている、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記所与の量の電気エネルギーを放出する前記ステップは、前記サンプルの互いに反対側の端に接続された少なくとも２つの電極を介して起こる、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記ローラは、
0005739549.tif 000011
であるように［ｒｐｍ］で表された速度ωで回転し、上式において、（ｒ）は、前記アモルファス材料のサンプルの直径（ｍ）であり、（Ｒ）は、前記少なくとも１つの対をなすローラの各々の直径（ｍ）であり、（ｂ）は、前記ローラ相互間の距離（ｍ）であり、（Ｄ）は、前記アモルファス材料の熱拡散率（ｍ2／ｓ）であり、（τ）は、前記アモルファス材料が前記処理温度で結晶化する時間（ｓ）である、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記ローラは、１０〜１０，０００ｒｐｍの速度で回転する、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１対のローラに属する個々のローラ相互間の距離は、０．１〜１ｍｍである、請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記サンプルを加熱して前記サンプルを前記開口部中に押し込むと共に前記少なくとも１対のローラ相互間中に押し込むステップは、１００μｓ〜１ｓの時間で完了する、請求項１記載の方法。
【請求項２２】
前記加熱状態の金属ガラスに対する前記圧縮力は、前記電気エネルギーの放出が完了した後に加えられる、請求項１記載の方法。
【請求項２３】
前記圧縮力の印加は、空気圧運動、油圧運動、磁気運動又は電気運動による電圧／電流検出を含む作動機構体によって制御される、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
金属ガラスシートを急速に加熱して成形する急速コンデンサ放電装置であって、
金属ガラス形成合金で作られた金属ガラスのサンプルを含み、前記サンプルは、実質的に一様な断面を有し、
電気エネルギー源を含み、
前記電気エネルギー源を前記金属ガラスのサンプルに相互接続する少なくとも２つの電極を含み、前記電極は、実質的に一様な接続部が前記電極と前記サンプルとの間に形成されるよう前記サンプルに取り付けられ、
エンクロージャを備えたシート形成ツールを含み、前記エンクロージャは、少なくとも１つの開口部及びキャビティの外部に且つ前記開口部に隣接して位置決めされた状態で互いに平行に配置された少なくとも１つの対をなすローラを有し、
前記電気エネルギー源は、前記サンプル全体を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処理温度まで一様に加熱するのに十分な量の電気エネルギーを放出することができ、前記シート形成ツールは、前記加熱状態のサンプルを前記開口部中に押し込むと共に前記少なくとも１対のローラ相互間に押し込むのに十分な圧縮力を加えることができ、前記ローラ対は、変形力を加えてシートを形成するよう構成されている、装置。
【請求項２５】
前記エンクロージャは、非導電性である、請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
前記プランジャの少なくとも外面は、非導電性である、請求項２４記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１対のローラの少なくとも外面は、非導電性である、請求項２４記載の装置。
【請求項２８】
前記開口部から見て下流側に連続して配置された少なくとも２つの対をなすローラを含む、請求項２４記載の装置。
【請求項２９】
前記開口部に隣接して位置決めされた前記対をなすローラの下流側の少なくとも前記１対のローラの外面は、熱伝導性である、請求項２４記載の装置。
【請求項３０】
前記熱伝導性ローラは、銅、銅‐ベリリウム合金、黄銅、アルミニウム又は鋼で作られている、請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
前記ローラは、
0005739549.tif 000012
であるように［ｒｐｍ］で表された速度ωで回転し、上式において、（ｒ）は、前記アモルファス材料のサンプルの直径（ｍ）であり、（Ｒ）は、前記少なくとも１つの対をなすローラの各々の直径（ｍ）であり、（ｂ）は、前記ローラ相互間の距離（ｍ）であり、（Ｄ）は、前記アモルファス材料の熱拡散率（ｍ2／ｓ）であり、（τ）は、前記アモルファス材料が前記処理温度で結晶化する時間（ｓ）である、請求項２４記載の装置。
【請求項３２】
前記ローラは、１０〜１０，０００ｒｐｍの速度で回転する、請求項２４記載の装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１対のローラに属する個々のローラ相互間の距離は、０．１〜１ｍｍである、請求項２４記載の装置。
【請求項３４】
前記シート形成ツールは、好ましくは前記アモルファス材料のガラス転移温度の付近の温度まで加熱する温度制御発熱体を更に有する、請求項２４記載の装置。
【請求項３５】
前記シート形成ツールに対して作動関係をなしていて、前記圧縮力を前記サンプルに加える空気圧駆動システムか磁気駆動システムかのいずれかを更に含む、請求項２４記載の装置。
【請求項３６】
前記金属ガラスは、温度に対して一定又は減少する電気抵抗率を有する、請求項２４記載の装置。
【請求項３７】
前記サンプルの温度を少なくとも５００Ｋ／秒の速度で増大させる、請求項２４記載の装置。
【請求項３８】
前記金属ガラスは、温度変化単位（Ｓ）当たり１×１０-4°Ｃ-1以下の相対抵抗率変化及び室温（ρ0）において８０〜３００μΩ‐ｃｍの抵抗率を有する、請求項２４記載の装置。
【請求項３９】
前記所与の量の電気エネルギーは、少なくとも１００Ｊであり、放電時定数が１０μｓ〜１００ｍｓである、請求項２４記載の装置。
【請求項４０】
前記処理温度は、前記アモルファス材料の前記ガラス転移温度と前記合金の前記平衡融点との真ん中の温度である、請求項２４記載の装置。
【請求項４１】
前記処理温度は、前記加熱状態の金属ガラスの粘度が１Ｐａ‐ｓから１０4Ｐａ‐ｓまでであるようなものである、請求項２４記載の装置。
【請求項４２】
前記サンプルには、欠陥がない、請求項２４記載の装置。
【請求項４３】
前記金属ガラスは、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、ＡＬ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕから成る群から選択された元素金属を主成分とする合金である、請求項２４記載の装置。
【請求項４４】
前記電極材料は、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＮｉ又はＣｕ、Ａｇ若しくはＮｉのうちの１つを少なくとも９５％含む合金から成る群から選択される、請求項２４記載の装置。
【請求項４５】
前記装置は、前記サンプルを加熱して前記サンプルを１００μｓから１ｓの時間で前記開口部中に押し込むと共に前記少なくとも１対のローラ相互間に押し込むことができる、請求項２４記載の装置。
【請求項４６】
前記電気エネルギー源は、電界を前記サンプル中に発生させ、発生させた前記動的電界の電磁気の表皮深さは、前記サンプルの半径、幅、厚さ及び長さと比較して大きい、請求項２４記載の装置。
【請求項４７】
前記加熱状態の金属ガラスに対する前記圧縮力は、前記電気エネルギーの放出が完了した後に加えられる、請求項２４記載の装置。
【請求項４８】
前記圧縮力の印加は、空気圧運動、油圧運動、磁気運動又は電気運動による電圧／電流検出を含む作動機構体によって制御される、請求項４７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に金属ガラス（「ガラス状合金」と呼ばれることもある）を形成する新規な方法に関し、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プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファス材料は、新種の工業材料であり、高強度、弾性、耐食性及び溶融状態からの加工性の独特な組み合わせを呈する。アモルファス材料は、それらの原子構造が、従来の結晶質合金の原子構造の通常の長期の秩序だったパターンを欠くという点において従来の結晶質合金と異なる。アモルファス材料は一般に、溶融合金を結晶相の溶融温度（すなわち熱力学における溶融温度）よりも高い温度から「十分に急速な」冷却速度でアモルファス相の「ガラス転移温度」未満の温度まで冷却することによって加工及び形成され、その結果、結晶合金の核生成及び成長が回避される。このようにして、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「十分に速い冷却速度」を定量化することに関与する。
【０００３】
初期のアモルファス材料のこの「臨界冷却速度」は極端に高く、約１０6℃／秒であった。このように、従来の鋳造法はこのような高い冷却速度に対しては適切ではなく、溶融紡糸及びプレーナフローキャスティング（planar flow casting ）等の特別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急速であるので、溶融合金からの熱除去のための極端に短い時間（約１０-3秒以下）が結晶化を回避するために必要とされ、このようにして、初期のアモルファス合金は又、少なくとも１つの寸法におけるサイズに制限があった。例えば、非常に薄い箔及びリボン（厚さ約２５ミクロン）のみが、これらの従来の技術を用いて首尾良く生成された。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は、アモルファス合金からできた部分のサイズを大幅に制限したので、バルク体及びバルク品としての初期のアモルファス合金の使用は限られていた。
【０００４】
長年、「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決定されていた。従って、調査の大部分は、非常に低い臨界冷却速度を有する新規の合金組成を開発することに焦点が当てられていた。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号明細書において与えられており、これら特許文献の各々を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。これらのアモルファス合金系（バルク金属ガラス、すなわちＢＭＧとも呼ばれる）は、従来達成可能であったものよりもはるかに大きなバルクアモルファス相の対象物を加工及び形成することができる、数℃／秒程度の低さの臨界冷却速度によって特徴付けられる。
【０００５】
低い「臨界冷却速度」のＢＭＧの有効性を用いて、アモルファス相を有するバルク品を形成するために、従来の鋳造プロセスを適用することができるようになった。過去数年にわたり、リキッドメタル・テクノロジーズ・インコーポレイテッド（LiquidMetal Technologies, Inc ）等を含む多くの企業は、ＢＭＧより製造されるネットシェイプの金属コンポーネントの製造のための商用の製造技術を開発するための努力を払ってきた。例えば、加熱された金型への永久鋳型ダイカスト及び射出鋳造等の製造方法が現在、標準の消費家電製品（例えば、携帯電話及び手持ち型無線デバイス等）、ヒンジ、ファスナ、医用コンポーネント及び他の高付加価値の製品等のための電子部品のケースなどの商用の金属製品及び部品を製造するために用いられている。しかしながら、バルク凝固（bulk-solidifying）のアモルファス合金は、上述のように、鋳造凝固の基本的な欠点に対する、特に、ダイカスト及び永久鋳型鋳造プロセスに対するいくつかの改善法を提供しても、取り組むべき問題がいまだに存在する。何よりも先ず、より広い範囲の合金組成物から、これらのバルク体を作製する必要性が存在する。例えば、大きなバルクアモルファス体を作製することができる大きな臨界鋳造寸法（critical casting dimension）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を主成分とする合金並びにＮｉ、Ｃｕ及びＰを加えたＰｄを主成分とする合金（これらは工学的観点又はコストの観点のいずれかから観て、必ずしも最適であるわけではない）を含む、金属の非常に狭い選択に基づいた合金組成物のいくつかの群に限定される。
【０００６】
加えて、現在の加工技術では、適切な加工条件が生成されることを保証するために、かなり高価な機械装置を必要とする。例えば、殆どの成形プロセスでは、高真空又は制御下での不活性ガス環境、るつぼ内の物質の誘導溶解、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、より精巧な鋳型アセンブリのゲーティング（gating）及びキャビティへの空圧式インジェクション（pneumatic injection ）を必要とする。これらの改良されたダイカスト機械は、一台につき数百ドルから数千ドルも費用がかかる。さらに、これまで、ＢＭＧを加熱することはこれらの従来の緩慢な熱処理を介して達成される必要があったので、バルク凝固のアモルファス合金の従来技術の処理及び形成は常に、熱力学的な溶融温度より上からガラス転移温度以下まで溶融合金を冷却することに焦点を置いていた。この冷却は、単一ステップの単調な冷却操作又は複数ステップの加工のいずれかを用いて実現される。例えば、金型（銅、鋼鉄、タングステン、モリブデン、それらの複合材料又は他の高伝導材料から成る）は、周囲温度で、溶融合金からの熱除去を容易に且つ促進するために利用される。「臨界鋳造寸法」は臨界冷却速度に相関するので、これらの従来の加工は、より広い範囲のバルク凝固のアモルファス合金のより大きなバルク体及びバルク品を形成するのには適していない。さらに、十分な合金材料が、特に複雑で高精度の部品の製造において、合金が凝固する前に、ダイに導入されることを保証するために、溶融合金を、高速で、高圧力下でダイに注入する必要がしばしばある。金属は、例えば高圧鋳造法等において、高圧力下且つ高速でダイに供給されるので、溶融金属の流れは、レイリー・テイラーの不安定性となる傾向にある。この流れの不安定性は、高ウェーバー数によって特徴付けられ、フローフロント（flow front）の崩壊が付随し、これにより、鋳造部分における表面上及び構造中の微細な欠陥となって現れる、突き出た継ぎ目及び気泡の形成を生じさせてしまう。また、ガラス化していない液体が、ガラス化した金属の固体のシェル内に閉じ込められた場合、ダイカストの鋳型の中心線に沿って収縮孔又は多孔を形成する傾向がある。
【０００７】
平衡融点より上からガラス転移以下まで材料を急速に冷却することに付随する問題を改善するための試みは、その殆どが、過冷却液体の動力学的安定性及び粘性流の特徴を利用することに焦点を当ててきた。ガラスが粘性のある過冷却液体へと弛緩するガラス転移より上までガラス原料を加熱すること、加圧して過冷却液体を形成すること及びその後に、結晶化する前にガラス転移以下まで冷却することを含む複数の方法が提案されている。これらの魅力的な方法は、実質的には、プラスチックを加工するために用いられる方法に非常に類似する。しかしながら、極端に長期間の間、軟化転移より上にて、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、金属の過冷却液体は、ガラス転移においていったん弛緩すると、むしろ急速に結晶化する。その結果、金属ガラスが従来の加熱速度（２０℃／分）で加熱された場合、結晶化に対して安定している温度範囲がむしろ小さく（ガラス転移より５０℃から１００℃上）、その範囲内の液粘度はむしろ高い（１０９〜１０7Ｐａ‐ｓ（バスカル‐秒）。これらの高い粘性のおかげで、これらの液体を所望の形状に形成するために必要とされる圧力は膨大であり、多くの金属ガラス合金にとっては、従来の高強度の手段によって達成可能であった圧力を超えてしまい得る（＜１ＧＰａ）。金属ガラス合金は、近年、相当に高い温度（ガラス転移より１６５℃高い）まで従来の加熱速度で加熱した場合に結晶化に対して安定した金属ガラス合金が開発されている。これらの合金の例は、米国特許出願公開第２００８／０１３５１３８号明細書、ジー・デュアン等（G. Duan et al.），「アドバンスト・マテリアルズ（Advanced Materials）」，１９（２００７年），４２７２及びエー・ウィースト（A. Wiest），「アクタ・マテリアリア（Acta Materialia ）」，５６（２００８年）２５２５‐２６３０に与えられており、これら特許文献及び非特許文献を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。結晶化に対するこれらの高い安定性のおかげで、１０５Ｐａ‐ｓ程度の低い加工粘度が利用可能となり、これは、これらの合金が、従来の金属ガラスよりも過冷却された液体状態における加工に対してより適していることを示唆する。しかしながら、これらの粘性は、典型的には１０から１０００Ｐａ‐ｓの間の範囲であるプラスチックの加工粘度よりもまだ実質的に高い。このような低い粘度を達成するためには、金属ガラス合金は、従来の加熱により加熱された場合、あるいは、安定性の温度範囲を広げ、熱可塑性プラスチックを加工することにおいて用いられるものの典型的な値にまで加工粘度を下げる従来にない高加熱速度によって加熱された場合のいずれにおいても、結晶化に対してさらにより高い安定性を示すはずである。
【０００８】
付形に十分な温度までＢＭＧを瞬時に加熱し、それにより、上述の問題の多くを回避し、同時に付形可能なアモルファス材料の種類を広げる方法を作り出すためのいくつかの試みがなされている。例えば、米国特許第４，１１５，６８２号明細書、米国特許第５，００５，４５６号明細書、エー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「マテリアルズ・リサーチ・ソサイヤティ・シンポジウム・プロシーディングス（Materials Research Society Symposium Proceedins ）」，６４４（２００１）Ｌ１２‐２０‐１、エー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「マテリアルズ・サイエンス・アンド・エンジニアリング・エー（Materials Science & Engineering A ）」，３７５‐３７７（２００４）２２７‐２３４及びエー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letetrs ）」，８１（９）（２００２）１６０６‐１６０８は全て、ジュール加熱を用いて付形温度まで材料を瞬時に加熱するために、アモルファス材料特有の伝導性を利用しており、これら特許文献及び非特許文献を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。しかしながら、今までのところ、これらの技術は、例えば局所的な形成のみ、例えばそのような部分の接合（例えばスポット溶接）又は表面特性の形成を可能にするために、ＢＭＧサンプルの局所的な加熱に焦点を当ててきた。これらの従来技術の方法のいずれも、広範囲の形成を行うことができるように、ＢＭＧのサンプル体積全体を均一に加熱する方法を教示していない。その代わりに、全てのそれらの従来技術の方法は、加熱時の温度勾配を予測するものであり、これらの温度勾配が局所的な形成にどのような影響を与え得るのかを検討している。例えばエー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「マテリアルズ・リサーチ・ソサイヤティ・シンポジウム・プロシーディングス（Materials Research Society Symposium Proceedins ）」，６４４（２００１）Ｌ１２‐２０‐１は、以下のように、即ち、「電極と接触するか又は付形チャンバ内の周囲（不活性）ガスと接触して付形されたＢＭＧサンプルの外部表面は、その流れによって生成された熱が伝導、伝達又は放射によってサンプルから消散するので、その内側よりも僅かに冷たい。他方では、伝導、伝達又は放射によって加熱されたサンプルの外側表面はその内側よりもわずかに熱い。これは、結晶化及び／又は金属ガラスの酸化がまず外側表面及び接触面で始まるので、本方法にとって重要な利点であり、それらがバルクの温度より僅かに下である場合、そのような所望されない表面結晶形成はさらに容易に回避され得る。」と記載している。
【０００９】
ガラス転移より上での、結晶化に対するＢＭＧの限定された安定性の別の弱点は、熱力学的特性及び輸送特性、例えば準安定状態の過冷却液体の温度範囲全体にわたる熱容量及び粘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等の通常の測定機器は、従来の加熱器具、例えば、電熱器及び誘導加熱器等に依存しており、従って、従来考慮されるサンプル加熱速度（通常＜１００℃／分）を達成することができる。上述のように、金属の過冷却液体は、従来の加熱速度にて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可能であり、従って、測定可能な熱力学的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、結晶化に対して非常に安定し、それらの熱力学的な特性及び輸送特性が準安定状態の範囲全体にわたって測定可能である重合体及び有機液体とは異なり、金属の過冷却液体の特性は、ガラス転移の少し上から融点の少し下の狭い温度範囲内でのみ測定可能である。
【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】米国特許出願公開第２００８／０１３５１３８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】ジー・デュアン等（G. Duan et al.），「アドバンスト・マテリアルズ（Advanced Materials）」，１９（２００７年），４２７２
【非特許文献２】エー・ウィースト（A. Wiest），「アクタ・マテリアリア（Acta Materialia ）」，５６（２００８年）２５２５‐２６３０
【非特許文献３】エー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「マテリアルズ・リサーチ・ソサイヤティ・シンポジウム・プロシーディングス（Materials Research Society Symposium Proceedins ）」，６４４（２００１）Ｌ１２‐２０‐１
【非特許文献４】エー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「マテリアルズ・サイエンス・アンド・エンジニアリング・エー（Materials Science & Engineering A ）」，３７５‐３７７（２００４）２２７‐２３４
【非特許文献５】エー・アール・ヤバリ（A. R. Yavari），「アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letetrs ）」，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サンプル体積全体を瞬時に且つ均一に加熱し、アモルファス金属の全体の付形を可能にする新規のアプローチを見出す必要性が存在する。さらに、科学的見地から、金属の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且つ測定する新規のアプローチを見出す必要性もまた存在する。
【００１３】
従って、本発明に従って急速コンデンサ放電加熱（ＲＣＤＦ：rapid capacitor discharge heating ）を用いて、アモルファス材料を付形するための方法及び装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【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且つ成形する方法に関し、ここで、アモルファス相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、サンプル全体を急速且つ均一に加熱するために、電気エネルギー量が、実質的に均一の断面を有する、実質的に欠陥がないサンプル全体に均一に放電され並びに同時に、そのサンプルをアモルファス物品に成形及び次いで冷却する方法に関する。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／秒の速度の加工温度で加熱される。別のこのような実施形態において、上述の成形するステップは、従来の形成技術、例えば、射出成形、動的鍛造、型鍛造、吹き込み成形等を使用する。
【００１５】
別の実施形態において、アモルファス材料は、約１×１０-4℃-1程度の温度変化（Ｓ）の単位当たりの抵抗率の相対的変化で選択される。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から成る群より選択される元素金属を主成分とする合金である。
【００１６】
さらに別の実施形態において、上述の電気エネルギー量は、その電気エネルギーがサンプルに均一に導入されるように、サンプルの対向する両端部に連結される少なくとも２つの電極を介して、そのサンプル中に放出される。１つのこのような実施形態において、この方法は、少なくとも１００ジュールの電気エネルギー量を用いる。
【００１７】
さら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約中間である。１つのこのような実施形態において、その加工温度は、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上である。１つの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度が、約１〜１０4℃Ｐａ‐ｓであるような加工温度である。
【００１８】
さらに別の実施形態において、サンプルを成形するために用いられる形成圧力は、そのサンプルが高ウェーバー数の流れを回避するのに十分に緩慢な速度で変形されるように制御される。
【００１９】
さらに別の実施形態において、サンプルを成形するために用いられる変形速度は、そのサンプルが高ウェーバー数の流れを回避するのに十分に緩慢な速度で変形されるように制御される。
【００２０】
さらに別の実施形態において、初期のアモルファス金属サンプル（原料）は、例えば、円筒形、薄片形、四角形及び長方形の固体等、均一な断面を有する任意の形状であっても良い。
【００２１】
さらに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表面は、電極接触表面と十分な接触を確実にするために、平行に切断され、平坦となるように磨かれる。
【００２２】
さらに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、実質的に均一の断面を有する。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連結する。このような実施形態において、実質的に均一な連結が電極とサンプルとの間で形成されるように、電極はサンプルに取り付けられる。さらに別のこのような実施形態において、動的電場の電磁気の表皮深さは、チャージの半径、幅、厚さ及び長さと比較して大きい。
【００２３】
さらに別の実施形態において、電極の材料は、低い降伏力及び高い熱伝導性及び電気導電性を有する金属、例えば、銅、銀又はニッケル、あるいは、銅、銀又はニッケルで少なくとも９５原子％が形成された合金が選択される。
【００２４】
さらに別の実施形態において、「着座」圧力は、サンプルの接触表面の微細な特徴に適合するように、電極／サンプルの接触面において電極の接触表面を塑性的に変形させるために、電極と初期のアモルファスサンプルとの間に加えられる。
【００２５】
さらに別の実施形態において、低電流の「着座」電気的パルスは、電極の接触表面において、アモルファスサンプルの任意の非接触領域を局所的に柔軟にするために、電極と初期のアモルファスサンプルとの間に加えられ、このようにして、電極の接触表面の微細な特徴に適合する。
【００２６】
装置のさらに別の実施形態において、電気エネルギー源は、サンプルの全体を、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融点との間の加工温度まで、均一に加熱するのに十分な電気エネルギー量を生成することができる。この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、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、すなわち、アモルファス金属サンプルの熱的緩和速度よりもはるかに高い速度にて、断熱的に加熱されるような速度にて放電される。
【００２７】
この装置のさらに別の実施形態において、この装置において用いられる成形手段は、射出成形、動的鍛造、型鍛造及び吹き込み成形から成る群より選択され、この加熱されたサンプルを形成するのに十分な変形張力を与えることができる。１つのこのような実施形態において、成形手段は、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。代替的なこのような実施形態において、成形手段は電極から独立している。
【００２８】
この装置のさらに別の実施形態において、空圧駆動システム又は磁気駆動システムが、サンプルに変形力を付与するために提供される。このようなシステムにおいて、変形力又は変形速度は、加熱されたアモルファス材料が、高ウェーバー数の流れを回避するのに十分に緩慢な速度で変形されるように制御可能である。
【００２９】
この装置のさらに別の実施形態において、成形手段は、さらに、好ましくは、アモルファス材料のガラス転移温度付近の温度までその手段を加熱するための加熱素子を備える。このような実施形態において、形成された液体の表面は、さらに緩慢に冷却され、これにより、形成される物品の表面仕上げを改善する。
【００３０】
さらに別の実施形態において、張力による変形力は、均一の断面のワイヤ又はファイバを引くために、エネルギーの放出の間、十分に把持されたサンプル上に適用される。
【００３１】
さらに別の実施形態において、張力による変形力は、材料の流れがニュートン系であり、ネッキングによる欠陥が回避されるように制御される。
【００３２】
さらに別の実施形態において、張力による変形速度は、材料の流れがニュートン系であり、ネッキングによる欠陥が回避されるように制御される。
【００３３】
さらに別の実施形態において、低温ヘリウムのストリームは、ガラス転移以下に冷却するステップを容易にするために、引かれたワイヤ又はファイバに吹き付けられる。
【００３４】
さらに別の実施形態において、本発明は、過冷却液体を、その準安定性での範囲全体にわたって、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、高分解能及び高速熱探知カメラが、アモルファス金属のサンプルについて、同時に、均一の加熱及び均一の変形を記録するために用いられる。時間的データ、熱的データ及び変形のデータは、時間、温度及び張力のデータに変換可能であり、他方で、入力電力及び負荷圧力は、内部エネルギー及び負荷応力に変換可能であり、それにより、サンプルの温度、温度依存粘度、熱容量及びエンタルピーに関する情報が得られる。
【００３５】
さらに別の実施形態では、本発明は、アモルファス金属シートを急速且つ一様に加熱して成形する急速コンデンサ放電装置及び／又は方法であって、
・アモルファス金属のサンプルを含み、サンプルは、実質的に一様な断面を有し、
・電気エネルギー源を含み、
・電気エネルギー源をアモルファス金属のサンプルに相互接続する少なくとも２つの電極を含み、電極は、実質的に一様な接続部が電極とサンプルとの間に形成されるようサンプルに取り付けられ、
・エンクロージャを備えたシート形成ツールを含み、エンクロージャは、少なくとも１つの開口部及びキャビティの外部に且つ開口部に隣接して位置決めされた状態で互いに平行に配置された少なくとも１つの対をなすローラを有し、
・電気エネルギー源は、サンプル全体を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処理温度まで一様に加熱するのに十分な量の電気エネルギーを放出することができ、シート形成ツールは、加熱状態のサンプルを開口部中に押し込むと共に少なくとも１対のローラ相互間に押し込むのに十分な圧縮力を加えることができ、ローラ対は、変形力を加えてシートを形成するよう構成されていることを特徴とする装置に関する。
【００３６】
かかる一実施形態では、プランジャの少なくとも外面は、非導電性である。
【００３７】
別のかかる実施形態では、少なくとも、エンクロージャ及び少なくとも１つの対をなすローラの外面は、非導電性である。
【００３８】
さらに別のかかる実施形態では、少なくとも２つの対をなすローラが開口部から見て下流側に連続して配置されている。かかる実施形態では、開口部に隣接して位置決めされた対をなすローラの下流側の少なくとも１対のローラの外面は、熱伝導性である。さらに別のかかる実施形態では、熱伝導性ローラは、銅、銅‐ベリリウム合金、黄銅、アルミニウム又は鋼で作られている。
【００３９】
さらに別のかかる実施形態では、ローラは、
0005739549.tif 000002
であるように速度ωで回転し、上式において、（ｒ）は、アモルファス金属のサンプルの直径であり、（Ｒ）は、少なくとも１つの対をなすローラの各々の直径であり、（ｂ）は、ローラ相互間の距離であり、（Ｄ）は、アモルファス金属材料の熱拡散率であり、（τ）は、アモルファス金属材料が処理温度で結晶化する時間である。
【００４０】
さらに別のかかる実施形態ではローラは、１０〜１０，０００ｒｐｍの速度で回転する。
【００４１】
さらに別のかかる実施形態では、少なくとも１対のローラに属する個々のローラ相互間の距離は、０．１〜１ｍｍである。
【００４２】
さらに別のかかる実施形態では、電気エネルギーの放出の完了後に圧縮力を加熱状態のアモルファス金属に加える。かかる一実施形態では、圧縮力の印加は、空気圧運動、油圧運動、磁気運動又は電気運動による電圧／電流検出を含む作動機構体によって制御される。
【００４３】
本記載は、以下の図面及びデータグラフを参照してさらに完全に理解され、それらの図面及びデータグラフは、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されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の例示的な急速コンデンサ放電による形成方法のフローチャートである。
【図２】本発明の急速コンデンサ放電による形成方法の例示的な実施形態の略図である。
【図３】本発明の急速コンデンサ放電による形成方法の別の例示的な実施形態の略図である。
【図４】本発明の急速コンデンサ放電による形成方法のさらに別の例示的な実施形態の略図である。
【図５】本発明の急速コンデンサ放電による形成方法のさらに別の例示的な実施形態の略図である。
【図６】本発明の急速コンデンサ放電による形成方法のさらに別の例示的な実施形態の略図である。
【図７】本発明の熱探知カメラと組み合わせた急速コンデンサ放電による形成方法の例示的な実施形態の略図である。
【図８】本発明の例示的な急速コンデンサ放電による形成方法を用いて得られた実験結果の一連の写真画像図（ａ〜ｄ）である。
【図９】本発明の例示的な急速コンデンサ放電による形成方法を用いて得られた実験結果の一連の写真画像図である。
【図１０】図１０は、本発明の例示的な急速コンデンサ放電による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図である。
【図１１ａ】本発明の例示的な急速コンデンサ放電装置の一組の略図のうちの１つである。
【図１１ｂ】本発明の例示的な急速コンデンサ放電装置の一組の略図のうちの１つである。
【図１１ｃ】本発明の例示的な急速コンデンサ放電装置の一組の略図のうちの１つである。
【図１１ｄ】本発明の例示的な急速コンデンサ放電装置の一組の略図のうちの１つである。
【図１１ｅ】本発明の例示的な急速コンデンサ放電装置の一組の略図のうちの１つである。
【図１２】図１１ａ〜図１１ｅにおいて示された装置を用いて作られた付形品の写真画像図（１２ａ及び１２ｂ）である。
【図１３】急速オーム加熱に基づく金属ガラスをシート形成する例示の装置の端面図である。
【図１４】急速オーム加熱に基づく金属ガラスをシート形成する例示の装置の等角切除図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明は、急速に金属ガラスを、均一に加熱し、流動学的に柔軟にし及び熱可塑性的に形成（通常は、ジュール加熱により、押出ツール又は金型を利用して、１秒未満の加工時間で、ネットシェイプ物品に）する方法に関する。より詳細には、本方法は、金属ガラス合金のサンプル又はチャージ（装入物）を、数ミリ秒以下の時間スケールにて、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約中間の所定の「加工温度」まで、均一に且つ急速に加熱するために、コンデンサに蓄えられた電気エネルギー（通常、１００ジュールから１００Ｋジュール）の放出又は放電を利用する。これを以下において急速コンデンサ放電形成（ＲＣＤＦ：rapid capacitor discharge forming ）と称する。本発明のＲＣＤＦプロセスは、金属ガラスが、凍結された液体の状態であるため、相対的に低い電気抵抗率を有し、その結果、サンプルが放電の適切な適用を用いて断熱的に加熱されるような速度にて、高散逸且つ効果的で、均一に材料を加熱することができるという観測から生じる。
【００４６】
ＢＭＧを急速に且つ均一に加熱することによって、このＲＣＤＦ法は、ガラス転移温度よりも実質的に高い温度にまで、結晶化に対する過冷却液体の安定性を広げ、それにより、サンプル体積全体を、形成に最適である加工粘度に利用される状態にする。ＲＣＤＦプロセスは又、準安定性の過冷却液体によって与えられる粘度範囲全体への利用を提供し、この範囲は、安定した結晶相の形成によって、もはや制限されない。要するに、このプロセスは、形成される部品の質の強化、利用可能な部品の収率の増加、材料及び加工のコストの削減、利用可能なＢＭＧ材料の範囲の拡大、改善されたエネルギー効率及びより低い資本コストでの製造機械を可能にする。さらに、このＲＣＤＦ法において達成可能である瞬時且つ均一の加熱のおかげで、液体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、測定可能となる。それゆえ、別の標準の器具（例えば、温度及び歪み測定器具など）を、急速コンデンサ放電のセットに組み込むことによって、粘性、加熱性能及びエンタルピー等の特性が、ガラス転移と融点との間の温度範囲全体において測定可能である。
【００４７】
本発明のＲＣＤＦ技術のシンプルなフローチャートを図１に提供する。図に示すように、本プロセスは、金属ガラス合金のサンプルブロック又はチャージへの、コンデンサに蓄えられた電気エネルギー（通常、１００ジュールから１００キロジュール）の放出により開始する。本発明によれば、電気エネルギーの適用は、合金のガラス転移温度より上の所定の「加工温度」まで、より詳細には、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より、約２００から３００Ｋ上）との間の約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スケールにて、サンプルを急速に且つ均一に加熱するために用いられてもよく、その結果、そのアモルファス材料は、付形を容易にするのに十分な加工粘度を有する（約１から１０4Ｐａ‐ｓ以下）。
【００４８】
いったんサンプルが均一に加熱され、サンプルブロック全体が十分に低い加工粘度を有すると、例えば、射出成形、動的鍛造（dynamic forging ）、型鍛造、吹き込み成形等の任意の数の技術を介して、高品質のアモルファスバルク物品に成形され得る。しかしながら、金属ガラスのチャージを形成するための能力は、そ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する。均一な加熱が達成されない場合、サンプルは代わりに局所的な加熱を被り、このような局所的な加熱は一部の技術、例えば、部分を共に接合又はスポット溶接、あるいはサンプルの特定の領域を成形するのに役立ち得るが、このような局所的な加熱は、サンプルのバルク成形を行うために用いられず、また用いることもできない。同様に、サンプルの加熱が十分に急速でない場合（通常、約５００〜１０5Ｋ／ｓ）、形成された材料は、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徴（すなわち、結晶化に対する過冷却液体の高安定性）を有するそれらのアモルファス材料に限られるかのいずれかであり、再びそのプロセスの有用性を低減させる。
【００４９】
本発明のこのＲＣＤＦ法は、サンプルの急速で均一の加熱を保証するものである。しかしながら、ＲＣＤＦを使用して金属ガラスサンプルの急速で均一な加熱を得るために必要な基準を理解するために、まず、どのようにして金属材料のジュール加熱が生じるのかを理解する必要がある。金属の電気抵抗率の温度依存は、温度変化係数Ｓの単位ごとの抵抗率の相対的な変化に関して定量化でき、ここでＳは以下のように規定される。
0005739549.tif 000003
上式において、Ｓは、（１／℃）の単位であり、ρ0は、室温Ｔｏでの金属の抵抗率（Ω‐ｃｍ）であり、［ｄρ／ｄＴ］Toは、線形に取られた室温における抵抗率（Ω‐ｃｍ／Ｃ）の温度の微分係数である。通常のアモルファス材料は、大きなρ0（８０μΩ‐ｃｍ＜ρ0＜３００μΩ‐ｃｍ）であるが、Ｓ（−１×１０-4＜Ｓ＜＋１×１０-4）の非常に小さい（及びしばしば負の）値を有する。
【００５０】
アモルファス合金において見出されるこの小さなＳの値について、均一な電流密度を被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Ｔｏから最終的な温度ＴＦまで急速に加熱されるが、これはコンデンサの総エネルギーに依存しており、下記の式
0005739549.tif 000004
及びサンプルのチャージの全熱容量Ｃｓ（単位：ジュール／Ｃ）によって与えられる。ＴFは、以下の式によって与えられる。
0005739549.tif 000005
次に、加熱時間が、容量放電の時定数τRC＝ＲＣによって決定される。ここでＲは、サンプル（及び容量放電回路の出力抵抗）の総抵抗である。従って、理論上、金属ガラスの通常の加熱速度は以下の式によって与えられ得る。
0005739549.tif 000006
【００５１】
これとは対照的に、通常の結晶性金属は、より低いρ0（１〜３０μΩ‐ｃｍ）及びより高いＳ、約０．０１から０．１の値を有する。これは、挙動において著しい違いをもたらす。例えば、銅合金、アルミニウム又は合金鋼等の通常の結晶性金属に対しては、ρ0は、より小さく（１〜２０μΩ‐ｃｍ）、他方でＳはより大きい（通常、Ｓは約０．０１から０．１）。結晶性金属におけるより小さいρ0の値は、（電極と比較して）サンプルにおいてより小さい放散をもたらし、且つコンデンサのエネルギーのサンプルへの結合の効率を悪くする。さらに、結晶性金属が溶解すると、ρ（Ｔ）は一般に、２倍以上増加し、固体金属から溶解金属へと移行する。通常の結晶性金属の溶解に対する抵抗率の増加に伴う大きなＳの値は、均一の電流密度において極端な均一でないオーム加熱をもたらす。結晶性サンプルは、常に局所的に、典型的には、高電圧電極付近又はサンプル内の他の接触面付近にて溶解する。次に、結晶性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る場所はどこでも（通常は接触面において）、加熱の空間的局所性及び局所的な溶融をもたらす。実際には、これは、結晶性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、「スタッド溶接」等）の基本であり、ここで局所的な溶融プールが、電極／サンプルの接触面又は溶接される部品内の他の内部接触面付近に作製される。
【００５２】
背景技術の項で検討したように、従来技術のシステムは又、アモルファス材料の固有の伝導特性を認識するが、しかしながら、サンプル全体の均一した加熱を確実にすることは、これまで認識されておらず、加熱サンプル内でのエネルギー散逸において空間的な不均一性の動的な進行を回避する必要がある。本発明のＲＣＤＦ法は、このような不均一性の進行を回避し、チャージの均一な加熱を確実にするために、満たされなければならない２つの基準を説明する。
・サンプル内での電流の均一性及び
・動的加熱の間の電力消失における不均一性の進行に対してのサンプルの安定性。
【００５３】
これらの基準は比較的単純のようにみえるが、それらは、複数の物理的及び技術的制約を、加熱時に使用される電荷、サンプルに使用される材料、サンプルの形状及び、その電荷を導入するために用いられる電極とサンプルとの間の接触面に、課している。例えば、円筒形のチャージの長さＬ及び面積Ａ＝πＲ２（Ｒ＝サンプルの半径）に対して、以下の要件が存在する。
【００５４】
コンデンサ放電中におけるシリンダ内の電流の均一性は、動的電場の電磁気の表皮深さ、Λが、サンプルの関連する寸法的特徴（半径、長さ、幅又は厚さ）と比較して大きいことを必要とする。シリンダの例において、関連する特徴的な寸法は、明らかにチャージの半径及び深さ、Ｒ及びＬである。この条件は、Λ＝［ρ0τ／μ0］1/2＞Ｒ、Ｌの場合に満たされる。ここで、τは、コンデンサ及びサンプル系の「ＲＣ」時定数であり、μ0＝４π×１０7（ヘンリー／メートル）は自由空間の誘電率である。Ｒ及びＬが約１ｃｍの場合、これは、τ＞１０〜１００μｓを示す。目的の通常の寸法及びアモルファス合金の抵抗率の値を使用すると、これは、適切に大きさが調節されたコンデンサ（通常は、約１０，０００μＦ以上の容量）を必要とする。
【００５５】
動的加熱の間の電力散逸における不均一性の進行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、オームの法則に従った「ジュール」加熱を含む安定性解析法を実行することによって理解可能である。温度（すなわち正のＳ）とともに上昇する抵抗率を有するサンプルのために、サンプルのシリンダの軸に沿った局所的温度変化が局所的な加熱を上昇させ、これはさらに、局所的な抵抗及び熱放散を上昇させる。十分に高い電力のために、これはシリンダに沿った熱の「局所化」をもたらす。結晶性材料にとっては、これは局所的な溶解となる。部品間の接触面に沿って局所的な溶解を生成したい場合、この挙動は溶接において有用である一方、この挙動は、アモルファス材料を均一に加熱したい場合、極めて望まれないものである。本発明は、均一の加熱を確実にするための重要な基準を提供する。上述のＳを用いて、発明者らは下記の場合に加熱が均一であろうことを見出す。
0005739549.tif 000007
ここで、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はサンプルの全抵抗である。金属ガラスに特有のＤ及びＣｓの値を用い、長さ（Ｌは約１ｃｍ）及び本発明に通常必要とされる入力電力Ｉ2Ｒ0約１０６ワットを想定すると、Ｓcrit約１０-4〜１０5を得ることができる。均一な加熱のためのこの基準は、多くの金属ガラスに対して満たされるはずである（上述のＳの値を参照）。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で）は、常に、加熱における均一性に対するこの要件を満たす。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号明細書に記載されており、これら特許文献を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。
【００５６】
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に、チャージがサンプルに対してできる限り均一に適用されることを確実にするための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、均一な断面で形成されていることが重要である。これらの条件が満たされていない場合、熱はサンプル全体にわたって均一に消散せず、局所的な加熱が生じる。特に、サンプルブロックに不連続又は欠陥が存在する場合、上述の物理定数（すなわちＤ及びＣｓ）は、それらの点において異なり、異なる加熱速度をもたらす。さらに、サンプルの熱特性は又、物品（すなわちＬ）の寸法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に熱いスポットが存在する。さらに、サンプルの接触面が適度に平坦で且つ互いに平行ではない場合、接触面の接触抵抗は電極／サンプル接触面に存在する。従って、一実施形態において、サンプルブロックは、それが実質的に欠陥がなく、実質的に均一の断面を有しているように形成される。サンプルブロックの断面が均一であるべきだが、この要件が満たされる限り、そのブロックの形状に設けられる固有の制約はないことは理解されるべきである。例えば、このブロックは、例えばシート、ブロック、シリンダ等の任意の適切な形状的に均一の形状をなしていても良い。別の実施形態においては、サンプル接触面は、電極と十分な接触を確実にするために、平行に切断され、平坦なように磨かれている。
【００５７】
さらに、電極とサンプルとの間に接触面の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／サンプル接触面は、電荷が均一に適用され、すなわち均一な密度で適用され、「熱い部分」が接触面に生じないことを確実にするように設計される必要がある。例えば、電極の異なる部分がサンプルとの異なる伝導接触を提供する場合、加熱の空間的な局所性及び局所的な溶融が、初期抵抗が最も大きい場所に生じる。これは、次いで放電溶接をもたらし、局所的な溶融プールが、電極／サンプルの接触面又はサンプル内の他の内部接触面付近に生成される。均一の電流密度のこの要件を考慮すると、本発明の一実施形態において、電極は、サンプルとの十分な接触を確実にするために平坦且つ平行に磨かれる。本発明の別の実施形態において、電極は軟質金属でできており、その接触面において電極材料の降伏強度を上回る均一な「着座（seating ）」圧力が加えられるが、しかし電極の座屈強度ではないので、電極は、接触面全体に対して、座屈せずに、正に加圧され、その接触面における任意の非接触領域は塑性的に変形される。本発明のさらに別の実施形態において、電極の接触表面におけるアモルファスのサンプルの任意の非接触領域の温度を、そのアモルファス材料のガラス転移温度の僅かに上まで上昇させるのにわずかに十分である、均一の低エネルギーの「着座」パルスが付与され、このようにして、アモルファスのサンプルが、電極の接触表面の微細な特徴に合致することができる。加えて、さらに別の実施形態において、電極は、正及び負の電極がサンプル全体にわたって対称的な電流経路を提供するように配置される。電極の材料のための一部の適切な金属は、Ｃｕ、Ａｇ及びＮｉ並びにＣｕ、Ａｇ及びＮｉから実質的になる合金（すなわち、少なくとも９５％がこれらの材料を含む）である。
【００５８】
最後に、電気エネルギーが首尾良くサンプルに均一に放出されるならば、より温度の低い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、断熱加熱が達成される場合、サンプルは均一に加熱する。断熱加熱状態を生じるために、熱輸送による熱勾配がサンプル内で生じないことを確実にするために、ｄＴ／ｄｔは、十分に高い必要があり又は、τRCは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、アモルファス金属のサンプルの熱緩和時間よりも相当に小さくあるべきであり、τｔｈは、以下の等式により与えられる。
0005739549.tif 000008
ｋs及びＣsはアモルファス金属の熱伝導率及び特定の熱容量であり、Ｒはアモルファス金属サンプルの特徴的な長さ尺度（例えば円筒形のサンプルの半径）である。Ｚｒを主成分とするガラスのための概略値を表すｋs約１０Ｗ／（ｍＫ）及びＣs約５×１０6Ｊ／（ｍ３Ｋ）並びにＲ約１×１０-3ｍを取ると、発明者らはτth約０．５ｓを得る。それゆえ、０．５ｓより相当に小さいτRCを有するコンデンサが、均一な加熱を確実にするために用いられるべきである。
【００５９】
成形方法自体に目を向けると、本発明のＲＣＤＦ法に従った例示的な成形手段の略図が図２に示されている。図に示されるように、基本的なＲＣＤＦ成形手段は、電気エネルギー源（１０）及び２つの電極（１２）を備える。電極は、均一な加熱を確実にするために、均一な電気エネルギーを、十分に低いＳcritの値及び十分に高いρ0の値を有するアモルファス材料でできた均一な断面のサンプルブロック（１４）に適用するために用いられる。均一な電気エネルギーは、数ミリ秒以下の時間スケールにおいて、合金のガラス転移温度より上の所定の「加工温度」まで、サンプルを均一に加熱するために用いられる。このようにして形成された粘性の液体は、一秒未満の時間スケールにて物品を形成するために、例えば、射出成形、動的鍛造（dynamic forging ）、型鍛造、吹き込み成形等を含む好ましい成形方法に従って同時に成形される。
【００６０】
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ために、均一な密度の十分なエネルギーを供給するのに適した電気エネルギーの任意の源、例えば、１０μ秒から１０ミリ秒の放電の時定数を有するコンデンサが用いられても良いことは理解されるべきである。さらに、サンプルブロック全体にわたる均一な接触を提供するのに適した任意の電極は、電気エネルギーを伝送するために用いられても良い。上述のように、１つの好ましい実施形態において、電極は、軟性金属、例えば、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ又は少なくとも９５原子％がＮｉ、Ａｇ及びＣｕを用いてできた合金で形成され、サンプルブロックの接触表面の微細な特徴に適合するように、電極／サンプルの接触面において電極の接触表面を塑性的に変形させ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。
【００６１】
上記説明は、ＲＣＤＦ方法一般に焦点を当てているが、本発明は又、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。１つの好ましい実施形態において、図２に概略的に示されるように、射出成形装置がＲＣＤＦ法と共に、組み込まれていても良い。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の液体は、金属ガラスのネットシェイプ部品を形成するために、機械的負荷がかけられたプランジャを用いて、周囲温度にて保持された金型（１８）に射出される。図２に示される方法の例において、チャージは、電気絶縁性の「バレル」又は「ショットスリーブ」内に配置され、高電気伝導性及び熱伝導性の両方を有する導電材料（例えば、銅又は銀など）でできた円筒形のプランジャにより、射出圧力（通常は、１〜１００ＭＰａ）で事前に負荷を加えてある。このプランジャはシステムの１つの電極の役割を果たす。サンプルのチャージは、電気的に接地されたベース電極の上にある。コンデンサの蓄えられたエネルギーは、上述の特定の基準が満たされる場合、円筒形の金属ガラスのサンプルのチャージに、均一に放出される。負荷がかけられたプランジャは次いで加熱された粘性のメルトをネットシェイプ金型に移動させる。
【００６２】
射出成形技術を上述したが、任意の適切な成形技術を用いることができる。ＲＣＤＦ技術に従って用いられても良い他の成形方法の一部の代替的な例示的実施形態を図３〜図５に提供し、以下で検討する。図３に示されるように、例えば、一実施形態において、動的鍛造による成形方法が用いられても良い。このような実施形態において、電極（２２）の、サンプルとの接触部分（２０）は、それ自体が、ダイツール（die tool）を形成する。本実施形態において、冷たいサンプルブロック（２４）は、電極間の圧縮応力下に保持され、電気エネルギーが放出されると、サンプルブロックは十分に粘性となり、電極同士を所定の圧力下で押圧でき、それにより、サンプルブロックのアモルファス材料をダイ（２０）の形に適合させる。
【００６３】
別の実施形態において、図４に概略的に示されるように、型鍛造による成形方法が提案される。本実施形態において、電極（３０）は、いずれかの端部において電極間でサンプルブロック（３２）を固定（クランプ）し、あるいはサンプルブロック（３２）を保持する。この概略図において、薄板状のアモルファス材料が用いられているが、この技術は、任意の適切なサンプルの形状を用いて稼動するように変更されても良いことは理解されるべきである。サンプルブロックを介して電気エネルギーを放出すると、図に示されるように、対向するモールド又は型（スタンプ）の表面又はフェース（３６）を備える、成形手段又はスタンプ（３４）が、それらの間に保持されたサンプルの一部に対する所定の圧縮力と共に集められて、それにより、最終的な所望の形状にサンプルブロックをスタンピングする。
【００６４】
図５に概略的に示されるさらに別の例示的な実施形態において、吹き込み成形による成形技術が利用可能である。再び、本実施形態において、電極（４０）は、いずれかの端部において、電極の間にサンプルブロック（４２）を固定（クランプ）するか又は保持する。好ましい実施形態において、サンプルブロックは薄板状の材料を備えるが、任意の適切な形状が用いられても良い。その初期の形状にかかわらず、例示的な技術において、サンプルブロックは、実質的に気密のシールを形成するために、モールド（４５）全体にわたるフレーム（４４）内に配置され、その結果、サンプルブロック（すなわち、モールドに面する側及びモールドから離れた側に面する側）の対向する側面（４６及び４８）は、異なる圧力に対して、すなわち、ガスの正圧又は負の真空に露出できる。サンプルブロックにわたって電気エネルギーを放出すると、サンプルは粘性となり、異なる圧力の応力下で変形されてモールドの輪郭に適合し、それにより、最終的な所望の形状にサンプルブロックを形成する。
【００６５】
図６に概略的に示される、さらに別の例示的な実施形態において、線引き技術（fiber-drawing technique ）が利用可能である。再び、本実施形態において、電極（４９）は、サンプルブロック（５０）のいずれかの端部付近で、サンプルブロック５０と十分な接触状態にあり、他方で張力がサンプルのいずれかの端部に加えられる。ガラス転移以下まで冷却することを容易にするために、低温ヘリウム（５１）のストリームが、引かれたワイヤ又はファイバ上に吹き付けられる。好ましい実施形態において、サンプルブロックは円筒形状のロッドを備えるが、任意の適切な形状が用いられても良い。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、サンプルは粘性となり、張力の応力下で均一に延ばされて、それによりサンプルブロックを均一な断面のワイヤ又はファイバ上に引く。
【００６６】
図７に概略的に示されているさらに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つのパドル状の電極（５３）の間に、圧縮応力下で保持され、他方で熱探知カメラ（５４）がサンプルに焦点を合わせている。電気エネルギーが放出されると、カメラが起動し、サンプルブロックが同時に充電される。サンプルが十分に粘性となった後、電極は、サンプルを変形するために、所定の圧力下で共に押圧する。カメラが必要とされる分解能及び速度を有する場合、同時の加熱及び変形のステップが、一連の熱探知によってキャプチャされても良い。このデータを用い、一時的な熱及び変形のデータが、時間、温度及び張力のデータに変換可能であり、他方で、入力電力及びかけられた圧力は、内部エネルギー及び印加応力に変換可能であり、それにより、サンプルの温度、温度に依存した粘度、熱容量及びエンタルピーの情報を生成する。
【００６７】
上述は複数の例示的な成形技術の基本的な特徴に焦点を当ててきたが、他の成形技術、例えば押出又はダイカストを本発明のＲＣＤＦ法に利用できることは理解されるべきである。さらに、追加の要素が、最終物品の品質を改善するためにこれらの技術に追加されても良い。例えば、上述の成形方法のいずれかに従って形成された物品の表面の仕上げを改善するために、モールド又はスタンプが、アモルファス材料のガラス転移温度付近まで又はその温度のすぐ下まで加熱されてよく、それにより表面の欠陥を平滑化する。さらに、より良い表面仕上げ又はネットシェイプ部品を有する物品を達成するために、上述の成形技術のいずれかの圧縮力及び射出成形技術の場合には、圧縮スピードが、高い「ウェーバー数」の流れから生じるメルトフロントの不安定性を回避するために、すなわち、噴霧化、吹き付け、流線等を回避するために、制御されても良い。
【００６８】
上述のＲＣＤＦ成形技術及び代替の実施形態は、小型で且つ複雑なネットシェイプの高性能金属コンポーネント、例えばエレクトロニクス用ケーシング、ブラケット、ハウジング、ファスナ、ヒンジ、ハードウェア、時計部品、医用コンポーネント、カメラ部品、光学部品、宝石等の製造に適用可能である。ＲＣＤＦ法は又、ＲＣＤＦ加熱及び射出システムと併せて用いられる様々なタイプの押出ダイを介して動的に押し出し成形可能な小型シート、管、パネル等を製造するために利用可能である。
【００６９】
要するに、本発明のＲＣＤＦ技術は、広範なアモルファス材料の急速且つ均一な加熱を可能にし、相対的に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システムの利点は以下において詳細に記載される。
【００７０】
・急速且つ均一な加熱が熱可塑性物質の加工性を向上させる
【００７１】
ＢＭＧの熱可塑性の鋳造及び形成は、ＢＭＧのガラス転移温度Ｔｇより上まで加熱された場合に結晶化するＢＭＧの傾向によって多大に制限される。Ｔｇより上の過冷却液体中の結晶形成及び結晶成長の速度は、温度と共に急速に上昇するが、他方でその液体の粘度は下がる。約２０Ｃ／ｍｉｎの従来の加熱速度において、ＢＭＧが、ΔＴ＝３０〜１５０℃で、Ｔgを超える温度まで加熱された場合、結晶化が生じる。このΔＴは、液体が熱可塑的に加工可能である最高温度及び最低粘度を決定する。実際には、粘性は、約１０4Ｐａ‐ｓよりも大きく、より典型的には、１０5〜１０7Ｐａ‐ｓに制限され、これらの温度は、ネットシェイプ形成を多大に限定する。ＲＣＤＦを用いると、アモルファス材料のサンプルは、１０4〜１０7Ｃ／ｓの範囲の加熱速度で、均一に加熱され同時に形成できる（数ミリ秒の必要とされる総加工時間）。次に、サンプルは、より大きなΔＴを用いて、且つその結果、１〜１０4Ｐａ‐ｓの範囲（これはプラスチックの加工において用いられる粘度の範囲である）のはるかに低い加工粘度を用いて、ネットシェイプで熱可塑的に形成できる。これは、非常に低い適用負荷、より短いサイクル時間を必要とし、その結果、はるかに良いツール寿命となる。
【００７２】
・ＲＣＤＦは、はるかに広い範囲のＢＭＧ材料の加工を可能にする
【００７３】
ΔＴの著しい拡大及び数ミリ秒への加工時間の著しい低減により、非常に広範の加工されるガラス形成合金が可能となる。特に、小さなΔＴを有する合金又は非常に急速な結晶化動力学的特徴を有するが今度は非常に乏しいガラス形成能力を有する合金が、ＲＣＤＦを用いることによって加工可能である。例えば、より安価で、さもなければより所望される、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕ並びに他の安価な金属を主成分とする合金は、小さいΔＴだとより乏しいガラス形成物であり、強い結晶化傾向を有する。これらの「マージナルなガラス形成」合金は、現在実施されている方法のいずれを用いても熱可塑的に加工できないが、本発明のＲＣＤＦ法に容易に使用できる。
【００７４】
・ＲＣＤＦは、材料効率が極めて高い
【００７５】
ダイカスト等のバルクアモルファス物品を形成するために現在用いられている従来のプロセスは、鋳造される部分の体積をはるかに超えた原料の材料体積の使用を必要とする。これは、湯口（ゲート）、湯道（ランナー）、湯口（sprue ）（又はビスケット）及びフラッシュ（flash ）（これら全ては金型に対して溶解した金属が通過するために必要である）を含む鋳造に加えて、ダイの放出される含有量全体のためである。対照的に、ＲＣＤＦでの放出された含有量は、殆どの場合、部分のみを含み、射出成形装置の場合、ダイカストと比較して、より短い湯道及びより薄いビスケット部である。ＲＣＤＦ法は、それゆえ、アモルファス金属宝石の加工等、高コストのアモルファス材料の加工を含む応用に対して特に魅力的である。
【００７６】
・ＲＣＤＦは、エネルギー効率が極めて高い
【００７７】
ダイカスト、永久モールド鋳造、インベストメント鋳造及び金属粉末射出成形（ＰＩＭ）等の競合する製造技術は、本質的に、はるかにエネルギー効率が悪い。ＲＣＤＦにおいて、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とされるエネルギーよりも僅かに多いだけである。熱いるつぼ、ＲＦ誘導溶融系等は必要とされない。さらに、１つの容器から別の容器へと溶融合金を注ぐ必要がなく、それにより、必要とされる加工ステップを減らし及び材料の汚染及び材料のロスの可能性を低減する。
【００７８】
・ＲＣＤＦは相対的に小さく、コンパクトで、容易に自動化される技術を提供する
【００７９】
他の製造技術と比較すると、ＲＣＤＦ製造装置は、小さく、コンパクト且つ汚染されておらず、最小限の可動部を用いて容易に自動化するのに役立ち、且つ実質的に全ての「電子」処理に役に立つ。
【００８０】
・周囲の気圧制御を必要としない
【００８１】
ＲＣＤＦによりサンプルを処理するのに必要とされるミリ秒の時間スケールは、加熱されたサンプルの周囲空気への露出を最小限にする。このようにして、この処理は、延長した空気の露出が、溶融金属及び最終の部分に深刻な酸化を生じる現在の処理方法とは対照的に、周囲環境において実行可能である。
【００８２】
例示の実施形態
【００８３】
本発明の別の実施形態が、前述の包括的な開示の範囲内であるとみなされ、いかなる意味においても、前述の非限定的な例によって権利の放棄は意図されていないことを当業者は理解する。
【００８４】
実施例１：オーム加熱の研究
【００８５】
ＢＭＧにとって、円筒形のサンプルにおけるオーム熱放散での容量放電が均一且つ急速なサンプル加熱を与えるという基本原理を証明するために、シンプルな研究施設にあるスポット溶接機械を、実証用成形手段として用いた。この機械、Unitek 1048 B 型スポットウェルダは、約１０μＦのコンデンサにおいて、１００ジュールのエネルギーまで保存する。保存されたエネルギーは、正確に制御可能である。ＲＣ時定数は、ほぼ１００μｓ程度である。サンプルシリンダを制限するために、２つのパドル形状の電極を、平坦で平行な表面に提供する。スポット溶接機械は、上部電極への約８０ニュートンの力までの軸荷重の付与を可能にする、バネ仕掛けの上部電極を有する。これは、約２０ＭＰａまでの範囲の一定の圧縮応力を、サンプルのシリンダに適用することができる。
【００８６】
いくつかのＢＭＧ材料の小さい直円柱（シリンダ）を、１〜２ｍｍの直径及び２〜３ｍｍの高さで製造した。サンプルブロックは約４０ｍｇから約１７０ｍｇの範囲であり、特定のＢＭＧのガラス転移温度を優に上回ってＴＦを得るように選択された。ＢＭＧ材料は、Ｚｒ‐Ｔｉを主成分とするＢＭＧ（Ｖｉｔｒｅｌｏｙ１、Ｚｒ‐Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｃｕ‐ＢｅのＢＭＧ）、Ｐｄを主成分とするＢＭＧ（Ｐｄ‐Ｎｉ‐Ｃｕ‐Ｐ合金）及びＦｅを主成分とするＢＭＧ（Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｐ‐Ｃ）であり、各々がそれぞれ３４０℃、３００℃、４３０℃にてガラス転移（Ｔg）を有する。これらの金属ガラスの全ては、Ｓ約−１×１０-4＜＜Ｓcritを有する。
【００８７】
図８ａ〜図８ｄは、２ｍｍの半径及び２ｍｍの高さのＰｄ合金のシリンダへの一連のテストの結果を示す。この合金の抵抗率は、ρ0＝１９０μΩ‐ｃｍであり、他方でＳ約−１×１０-4（Ｃ-1）である。エネルギーＥ＝５０（８ｂ）、７５（８ｃ）及び１００（８ｄ）ジュールがコンデンサのバンクに蓄えられ、約２０ＭＰａの圧縮応力下で保持されるサンプルに放出される。ＢＭＧにおける塑性流動の程度は、加工されたサンプルの最初及び最後の高さを測定することによって定量化される。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ことに留意することが特に重要である。これは、ＢＭＧに比べた場合の銅の高い導電性及び熱伝導性に起因し得る。要するに、銅は、加工の時間スケールの間（約数ミリ秒）、「溶融した」ＢＭＧによって湿潤することを可能にする十分に高い温度に到達しない。さらに、電極表面には殆ど又は全く損傷がないことに留意されたい。最終加工サンプルは、加工の後、銅電極から自由に除去され、図９において、長さ尺度基準を用いて示される。
【００８８】
初期及び最終のシリンダの高さは、それが負荷下で変形されるときに、サンプル中において生じた総圧縮歪みを決定するために用いた。工学的な「歪み」は、Ｈ0／Ｈによって与えられ、Ｈ0及びＨは各々サンプルのシリンダの初期（最終）の高さである。実際の歪みはｌｎ（Ｈ0／Ｈ）によって与えられる。この結果は、図１０において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、実際の歪みが、コンデンサによって放電されたエネルギーのぼぼ線型の増加関数として表れる。
【００８９】
これらのテストの結果は、ＢＭＧの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な関数であることを示す。このタイプの多数のテストを受けて、（所定のサンプル形状のために）サンプルの塑性流動が、図１０に明らかに示されているように、エネルギー入力の非常に明確な関数であることを決定することができる。要するに、ＲＣＤＦ技術を使用して、プラスチック加工は入力エネルギーによって正確に制御可能である。さらに、その流れの特徴は、質量的及び定量的に、増加するエネルギーと共に変化する。約８０ニュートンの付与された圧縮荷重下では、増加するＥと共に、流動作用における明らかな展開が観察可能である。特に、ＰＤ合金については、Ｅ＝５０ジュールの流れは、ｌｎ（Ｈ0／ＨF）約１の歪みに限定される。この流れは、比較的安定しているが、一部のシヤスィニング（shear thinning）（例えば非ニュートン流体挙動）の証拠が存在する。Ｅ＝７５ジュールに対しては、さらに拡大した流れが、ｌｎ（Ｈ0／ＨＦ）約２を用いて得られる。このレジームにおいて、流れは「モールド」全体を移動する平滑且つ安定した溶解物の前方部を有して、ニュートン系且つ均質である。Ｅ＝１００ジュールに対しては、非常に大きな変形が、０．１２ｃｍの厚さ及び実際の歪み約３の最終サンプルで得られた。高い「ウェーバー数」の流れを特徴とした流れの崩壊、流線及び液体の跳ね返り（splashing ）の明らかな証拠が存在する。要するに、「モールド」内で移動する、溶解物の前方部分の安定状態から不安定状態へかけて、明らかな転移が観察可能である。従って、ＲＣＤＦを用いて、塑性流動の質量的な特徴及び範囲は、付与された荷重及びサンプルへ放電されたエネルギーのシンプルな調節によって、体系的に且つ制御可能に変更可能である。
【００９０】
実施例２：射出成形装置
【００９１】
別の例において、実用試作機のＲＣＤＦ射出装置が構成される。デバイスの概略が図１１ａ〜図１１ｅに提供されている。成形装置を用いて行った実験は、数グラムのチャージを、１秒未満で、ネットシェイプ物品に射出成形するために用いることができることが証明された。図に示すこのシステムは、約６Ｋジュールの電気エネルギーを蓄えることができ、より小さいネットシェイプのＢＭＧ部分を生成するよう用いられるために、約１００ＭＰａまでの制御下の加工圧力を適用することができる。
【００９２】
機械全体は、電気エネルギー電荷生成システム、制御された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、コンデンサのバンク、電圧制御パネル及び電圧制御器を備え、これら全ては、一連の導線（６２）及び電極（６４）を介してモールドアセンブリ（６０）に相互連結されているので、放電は、電極を介してサンプルブランクに適用されても良い。制御された処理圧力システム（６６）は、空気供給部、ピストンレギュレータ及び空圧式ピストンを備え、これら全ては制御回路を介して相互連結されているので、約１００ＭＰａまでの制御された処理圧力は、成形の間、サンプルに適用されても良い。最後に、この成形装置は又、モールドアセンブリ（６０）を含んでおり、このモールドアセンブリ（６０）は、以下でさらに記載されるが、これは、この図において、電極プランジャ（６８）が十分に奥寄りに配置されて示されている。
【００９３】
モールドアセンブリ全体は、図１１ｂにおいて、より大きい装置から取り外されて示されている。図に示されるように、モールドアセンブリ全体は、上下のモールドブロック（７０ａ及び７０ｂ）、割型上下部分（７２ａ及び７２ｂ）、電流をモールドカートリッジ加熱器（７６）に搬送するための導線（７４）、絶縁スペーサ（７８）並びにこの図において、「全体がくぼんだ」位置において示されている電極プランジャアセンブリ（６８）を備える。
【００９４】
図１１ｃ及び図１１ｄに示されるように、動作の間、アモルファス材料（８０）のサンプルブロックは、ゲートから割型（８２）の上で、絶縁スリーブ（７８）の内側に配置される。このアセンブリは、それ自体、モールドアセンブリ（６０）の上側のブロック（７２ａ）内に配置される。電極プランジャ（図示されず）は、次いで、サンプルブロック（８０）と接触して配置され、制御された圧力は空圧式ピストンアセンブリを介して適用される。
【００９５】
サンプルブロックがいったん適切な位置に置かれ、電極と正の接触をすると、サンプルブロックはＲＣＤＦ法を介して加熱される。この加熱されたサンプルは粘性となり、プランジャの圧力下では、ゲート（８４）を介してモールド（７２）に制御可能に促される。図１０ｅに示されるように、この例示的な実施形態において、割型（６０）は、リング（８６）の形を取る。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から成るサンプルリングは、図１２ａ及び図１２ｂにおいて示される。
【００９６】
この実験は、複合のネットシェイプ部品が、本発明のＲＣＤＦ技術を用いて形成され得ることの証拠を提供する。このモールドは、本実施形態においてリングの形に形成されるが、当業者であれば理解されるように、この技術は、多種多様な物品に等しく利用でき、かかる物品としては、小型で且つ複雑なネットシェイプの高性能金属コンポーネント、例えばエレクトロニクス用ケーシング、ブラケット、ハウジング、ファスナ、ヒンジ、ハードウェア、時計部品、医用コンポーネント、カメラ部品、光学部品、宝石等が挙げられる。
【００９７】
実施例３：シート形成装置
【００９８】
上記において大まかに説明したように、本発明のＲＣＤＦ方法は、金属ガラスシートを形成するために使用できる。ポリマー材料のシート形成、即ち、「カレンダリング（calendering）」と呼ばれるプロセスでは、ポリマーを軟化させて１００〜１００００Ｐａ‐ｓの粘度に達し、次にメルトを１対の（又は一連の対をなす）回転ローラ（ツインローラ）中に押し込んでメルトがシートの形状に形成され、それと同時に冷却されると共に再ガラス化されるようにする。カレンダリングプロセスは、ポリマー材料が従来の加熱により、カレンダリングプロセスの時間スケールで結晶化することなく１００〜１００００Ｐａ‐ｓの範囲の粘度を呈することを特徴とする過冷却液体状態を達成することができる能力を利用している。他方、金属ガラスは、従来の加熱によってはかかる粘度範囲の過冷却液体状態を達成することができない。と言うのは、金属ガラスにおけるかかる状態は、極めて不安定であり、結晶化しないからである。その結果、金属ガラスは、従来の加熱によって加熱されても、標準のカレンダリング条件下においては、例えば、プラスチックのカレンダリングプロセスで用いられる粘度、圧力及び歪速度では処理できない。
【００９９】
米国特許出願第１２／４０９，２５３号明細書は、例えば金属ガラス原料前後でコンデンサを放電させることにより送り出された所与の量の電気エネルギーを用いてかかる金属ガラス原料を急速に且つ一様に加熱することによって金属ガラス原料がかかる粘度範囲で過冷却液体状態を達成することができるようにする方法を開示している。本発明の一実施形態では、急速放電加熱方法を利用したシート形成装置が開示される。この例示の実施形態により、金属ガラスシートの形成をプラスチックのカレンダリングで用いられている条件下において実施することができる。
【０１００】
例示のシート形成組立体の概略が図１３及び図１４に与えられている。組立体（１００）は、好ましくは絶縁材料、例えば機械加工可能なセラミックで作られたダイエンクロージャ（１０２）を含み、かかるダイエンクロージャ内において、金属ガラス原料（１０４）は、所望のシート断面、例えば、長方形断面の開口部（１０６）の縁のところに保持される。理解されるべきこととして、長方形の窓が１つしか示されていないが、任意所望の断面を有する任意の数の開口部を用いることができる。
【０１０１】
金属ガラス原料の２つの端部は、好ましくは銅で作られた導電性電極（１０８）に取り付けられており、これら電極は、所与の量の電気エネルギーを所与の期間にわたって金属ガラス原料に送り出す電気回路装置（図示せず）に接続されている。上述したように、電気回路装置は、好ましくは、少なくとも、シリコン制御整流器と直列に接続されたコンデンサバンクを有し、かかる電気回路装置は、所与の量の電気エネルギーをミリ秒の時間スケールで金属ガラス原料に送り出すことができる。ダイエンクロージャ内において、この場合も又好ましくは、絶縁材料、例えば機械加工可能なセラミックで作られたプランジャ（１１０）が数百ニュートンのオーダーの圧縮力を金属ガラス原料に加える。エンクロージャの外側に且つエンクロージャ開口部のそばにおいて、一連のツインローラ組（１１２及び１１４）が所与の速度で回転している。ツインローラの第１の組（１１２）は、好ましくは、絶縁材料、例えば機械加工可能なセラミックで作られ、これに対し、次の全ての組（１１４）は、好ましくは、高い熱伝導性の材料、例えば青銅で作られている。ツインローラ組中の２つのローラ相互間の距離は、代表的には数百マイクロメートルのオーダーのシートの所望の厚さに従って設定される。
【０１０２】
以下に詳細に説明するように、ローラの回転速度は、形成されたシートがガラス転移温度よりも低く冷え、完全にアモルファス状態のままであるようにする上で重要である。熱拡散率Ｄを備えた金属ガラスをガラス転移温度と融点との間の処理温度Ｔまで加熱すると共にＴで結晶化が或る固有の時刻τで起きたと仮定すると、［ｒｐｍ］で表されるローラの回転速度ωは、次式によって制約を受けるはずである。
0005739549.tif 000009
上式において、ｒは、金属ガラスの初期ロッド原料の直径であり、Ｒは、ローラの直径であり、ｂは、ローラ相互間の距離である（すなわち、シートの距離）である。例示の一実施形態では、Ｄ＝５×１０5ｍ2／ｓ、τ＝０．１ｓ、ｂ＝５×１０-4ｍ、ｒ＝０．００５ｍ、Ｒ＝０．１ｍである。この場合、ローラ回転速度は、次式の制約を受ける。
0005739549.tif 000010
【０１０３】
本発明のＲＣＤＦシート形成装置のコンポーネントに任意適当な材料を用いることができるが、例示の一実施形態では、導電性ローラは、銅、青銅及び鋼を含むが、これらには限定されず、高い熱伝導率の電極は、銅及び銅／ベリリウムを含むが、これらには限定されない。同様に、任意の作動機構体を用いることができるが、作動させて力を加える幾つかの例示の方法は、空気圧運動、油圧運動、磁気運動又は電気運動による電圧／電流検出を含むが、これらには限定されない。
【０１０４】
均等論
【０１０５】
当業者であれば理解されるように、本発明の上記実施例及び種々の好ましい実施形態の説明は、全体として本発明の例示に過ぎず、本発明のステップ及び種々のコンポーネントの変形は、本発明の精神及び範囲内で実施できる。例えば、追加の処理ステップ又は変形形態は、本発明の急速コンデンサ放電による形成方法／装置の向上した特性に影響を及ぼすことはなく、しかもかかる方法／装置をその意図した目的に不向きにすることはないということは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本明細書において説明した特定の実施形態には限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲によって定められる。
【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】
0005739549.tif 000022
【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
0005739549.tif 000026
【図１１ｅ】
0005739549.tif 000027
【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
0005739549.tif 000029
【図１３】
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【図１４】
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