CN106513623B - 通过rf功率的同轴熔化控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及通过RF功率的同轴熔化控制。具体而言，各种实施例提供了用于熔化材料和用于在熔化期间将熔融材料牵制在熔化区内的装置和方法。示例性的装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制感应线圈。可通过在第一RF频率下操作负载感应线圈而加热容器中的材料以形成熔融材料。可在第二RF频率下操作牵制感应线圈以将熔融材料牵制在负载感应线圈内。一旦为熔融材料达到并保持在期望的温度，可停止牵制感应线圈的操作，并将熔融材料通过喷射路径从容器喷射到模具中。

Description

通过RF功率的同轴熔化控制
本申请是申请日为2013年10月15日、发明名称为“通过RF功率的同轴熔化控制”的中国专利申请201310481407.6的分案申请。
技术领域
本公开总体涉及用于熔化材料以及用于在熔化期间将熔融材料牵制(contain)在熔化区内的装置和方法。
背景技术
一些注模机在将材料注入到模具之前使用感应线圈来熔化材料。然而，在水平放置的机器中，其中在用于水平喷射而放置的容器中熔化材料，来自感应线圈的磁通趋向使得熔体不可预知地移动，例如流向和/或流出熔化区，这可能使得难于控制熔化的均匀性和温度。
在用于水平喷射而设计的容器中熔化的当前解决方案包括使用与熔体接触并物理地阻止熔体从熔化区中的感应线圈(水平地)流出的门。然而由于门的配置，问题出现了，其中门是与熔体的接触点，而杂质可能由门引入。此外，门的配置可能会减少用于熔化区的可用空间，因为门必须被开启或关闭，以便允许熔体流动。另外，由于熔体注入过程期间何时提高门的定时控制的挑战，熔体可能不合意地流向容器的水平喷射路径和/或从容器的水平喷射路径流出。此外，门可能是易耗部件，从而使用一定次数后需要更换。
理想的是，当熔体被加热或熔化时，在水平设计的系统的熔化区中以期望的高温牵制熔体，但不引入门来物理地阻止熔体。
发明内容
根据此处用于在容器中熔化材料(例如金属或金属合金)的实施例的建议解决方案是将熔体或熔融材料牵制在熔化区内。
根据各种实施例，提供了一种装置。该装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制(containment)感应线圈。牵制感应线圈被配置为在负载感应线圈内牵制熔体。
根据各种实施例，提供了一种使用装置的熔化方法。该装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制感应线圈。可通过在第一RF频率下操作负载感应线圈而加热容器中的材料，以形成熔融材料。当加热时，可在第二RF频率下操作牵制感应线圈，以将熔融材料牵制在负载感应线圈内。
根据各种实施例，提供了一种使用装置的熔化方法。该装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制感应线圈。可通过在第一RF频率下操作负载感应线圈而加热容器中的材料，以形成熔融材料。当加热时，可在第二RF频率下操作牵制感应线圈，以将熔融材料牵制在负载感应线圈内。一旦为熔融材料达到并保持在期望的温度，可停止牵制感应线圈的操作，并将熔融材料通过喷射路径从容器喷射到模具中。
此外，根据实施例，用于熔化的材料包括BMG原料，而可形成BMG部件。
此外，在实施例中，第一感应线圈和第二感应线圈是相同线圈的部分，其中它们彼此电连接，但在阵列中被配置，使得生成不均匀的磁场。在另一个实施例中，第一感应线圈和第二感应线圈是相同线圈的部分并与电抽头相关联，该电抽头允许一个或两个线圈的独立控制，即单个线圈的至少一部分或一侧的控制，以便可以改变磁场。
附图说明
图1A提供示例性的块体(bulk)凝固非晶态合金的温度-粘度图。
图1B提供用于示例性的块体凝固非晶态合金的时间-温度转变(TTT)图的图表。
图2A至2D显示用于材料熔化和牵制的第一感应线圈和第二感应的排列的各种示例性实施例。
图3显示根据本教导各种实施例的示例性的注模系统/装置的示意图。
图4描述被配置为具有感应线圈的注模系统。
图5描述根据本教导各种实施例的另一个示例性的注模系统/装置。
图6描述根据本教导各种实施例的用于熔化/模制材料的方法。
具体实施方式
此处通过对其整体引用而并入本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请。
此处使用“一”和“一个”来指代冠词的一个或一个以上(即至少一个)的语法对象。例如，“一聚合物树脂”是指一种聚合物树脂或一种以上的聚合物树脂。此处引用的任何范围是包含边界的。整个此说明书中使用的术语“基本上”和“大约”用于描述和解释小幅波动。例如，它们可以指小于或等于±5％，例如小于或等于±2％，例如小于或等于±1％，例如小于或等于±0.5％，例如小于或等于±0.2％，例如小于或等于±0.1％，例如小于或等于±0.05％。
块体凝固非晶态合金或块体金属玻璃(“BMG”)是最近开发的金属材料种类。这些合金可以相对缓慢的速度凝固或冷却，并且它们在室温下仍然保留了无定形的非结晶状态(即玻璃态)。非晶态合金具有比它们的结晶对应物优越的性能。然而，如果冷却速度不够高，冷却过程中晶体可能在合金内部形成，使得非晶状态的好处可能丧失。例如，由于缓慢冷却或天然合金材料中的杂质，制造块体非晶态合金部件的一个挑战是部件的部分结晶。因为希望在BMG部件中高度非晶化(相反地，低度的结晶度)，有必要开发用于铸造具有可控量的非晶化的BMG部件的方法。
图1A(获取自第7575040号美国专利)显示示例性的块体凝固非晶态合金的粘度-温度图，来自由Liquidmetal Technology制造的Zr--Ti--Ni--Cu--Be族的VIT-001系列。应当指出的是，在非晶态固体的形成期间，对于块体凝固非晶态金属来说没有明确的液体/固体转变。随着渐增的过度冷却，熔融的合金变得越来越粘稠，直到它接近玻璃转变温度附近的固体形式。因此，块体凝固非晶态合金的凝固前沿温度可以在玻璃转变温度周围，在此处，为了拉出淬火的非晶态片材产品，其中合金实际上起固体作用。
图1B(获取自第7575040号美国专利)显示示例性的块体凝固非晶态合金的时间-温度-转变(TTT)冷却曲线或TTT图。块体凝固非晶态金属在冷却时并没有经历液体/固体结晶转变，与传统的金属一样。取而代之的是，随着温度的降低(在玻璃转变温度Tg附近)，高温下(在“熔化温度”Tm附近)发现的金属高流动性的非结晶形式变得更粘稠，最终呈现传统固体的外表物理特性。
对于块体凝固非晶态金属即使没有液体/结晶转变，“熔化温度”Tm可被定义为相应结晶相的热力学液相线温度。在此制度下，在熔化温度处的块体凝固非晶态合金的粘度位于约0.1泊至约10000泊的范围内，有时甚至低于0.01泊。“熔化温度”处的较低粘度将为用于形成BMG部件的块体凝固非晶态金属提供更快和完整地填充壳体/模具的复杂部分。此外，形成BMG部件的熔化金属的冷却速度必须使得冷却过程中的时间-温度曲线图不横断图1B的TTT图中限定的结晶化区域的鼻状区域。在图1B中，Tnose是临界结晶温度Tx，其中结晶是最快的并且在最短时标上发生。
过度冷却的液体区域，Tg和Tx之间的温度区域是对块体凝固合金的结晶有非凡的稳定性的表现。在这种温度区域中，块体凝固合金作为高粘度液体存在。过度冷却的液体区域中块体凝固合金的粘度可在玻璃转变温度处的1012Pa下至结晶化温度处的105Pa之间变化，是过度冷却的液体区域的温度限制。在施加的压力下，具有这种粘度的液体可承受大量的塑性应变。此处的实施例利用过度冷却液体区域中大的塑性可成形性作为成形和分离方法。
需要澄清关于Tx的事项。从技术上讲，TTT图中所示的鼻形曲线将Tx描述为温度和时间的函数。因此，不管加热或冷却金属合金时采用的轨迹如何，当达到TTT曲线时就已经达到Tx。在图1B中，Tx被显示为虚线，因为Tx可以从接近Tm变到接近Tg。
图1B的示意性TTT图显示压铸从处于或高于Tm到低于Tg而时间-温度轨迹(如(1)示为示例性的轨迹)没有达到TTT曲线的处理方法。在压铸期间，成形与快速冷却基本上同时发生，用以避免轨迹达到TTT曲线。超塑成形(SPF)处理方法从处于或低于Tg到低于Tm而时间-温度轨迹(如(2)、(3)、(4)示为示例性的轨迹)没有达到TTT曲线。在SPF中，非晶态BMG被重新加热到过度冷却液体区域，此处，可用的处理窗比压铸大得多，导致更好的处理可控性。SPF处理不需要快速冷却以避免冷却期间的结晶。此外，正如由示例轨迹(2)、(3)和(4)所示，在SPF期间的最高温度高于Tnose或低于Tnose到高达约Tm，可以实现SPF。如果加热一块非晶态合金但管理以避免达到TTT曲线，则已经加热到“Tg和Tm之间”，但是将不会达到Tx。
块体凝固非晶态合金在20C/min的加热速度时采用的典型差示扫描量热计(DSC)的加热曲线通常描述TTT数据上的特定轨迹，其中将可能在某一温度下看到Tg，DSC加热倾斜穿过TTT结晶开始时的Tx，以及当相同的轨迹穿过熔化温度范围时的最终熔化高峰。如果以图1B中轨迹(2)、(3)和(4)的向上倾斜部分所示的快速加热速率加热块体凝固非晶态合金，则能完全避免TTT曲线，而DSC数据将显示玻璃转变，但在加热时不显示Tx。考虑这一点的另一种方式是，轨迹(2)、(3)和(4)可落入TTT曲线(甚至在它上面)的鼻状和Tg线之间温度的任意位置，只要它不达到结晶曲线。这只是意味着，随着增加处理温度，轨迹中的水平稳定期可能变得短得多。
相
术语“相”在此处可以指热力学相图中找到的术语。相是空间的区域(例如热力学系统)，贯穿该空间区域中，材料的所有物理特性基本上均匀。物理特性的实例包括密度、折射率、化学成分和晶格周期性。相的简单描述是化学上均匀、物理上不同和/或机械可分离的材料区域。例如，在由玻璃罐子中的冰和水组成的系统中，冰块是一相，水是第二相，而水上的潮湿空气是第三相。罐子的玻璃是另一种单独的相。相可指代固溶液，它可以是二元、三元、四元或更多元的溶液或化合物，例如金属互化物。作为另一个实例，非晶相不同于结晶相。
金属、过渡金属和非金属
术语“金属”指的是正电性的化学元素。在本说明书中的术语“元素”一般是指可在周期表中找到的元素。物理上看，基态的金属原子包含部分填充的带，空态接近占有态。术语“过渡金属”是周期表中3至12族内的任意金属元素，过渡金属具有不完整的内电子层，并在一系列元素中充当最具正电性和最不具正电性之间的过渡连接。过渡金属特征在于多个化合价、有色化合物并且能够形成稳定的复合离子。术语“非金属”是指不具有失去电子并形成正离子的能力的化学元素。
可使用任何合适的非金属元素或它们的组合物，随应用而定。合金(或“合金组合物”)可包括多种非金属元素，例如至少两种、至少三种、至少四种或更多种非金属元素。非金属元素可以是周期表中13-17族中发现的任意元素。例如，非金属元素可以是F、Cl、Br、I、At、O、S、Se、Te、Po、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、Sn、Pb和B中的任意一个。偶尔，非金属元素也可以指13-17族中的某些准金属(例如B、Si、Ge、As、Sb、Te和Po)。在一个实施例中，非金属元素可包括B、Si、C、P或它们的组合。因此，例如，该合金可包括硼化物、碳化物或二者兼而有之。
过渡金属元素可以是钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、钅卢、钅杜、钅喜、钅波、钅黑、钅麦、钅达、钅仑和钅哥。在一个实施例中，含有过渡金属元素的BMG可具有Sc、Y、La、Ac、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd和Hg中的至少一个。可使用任何合适的过渡金属元素或它们的组合，随不同的应用而定。合金组合物可包括多种过渡金属元素，例如至少两种、至少三种、至少四种或更多种过渡金属元素。
当前所述的合金“样品”或“标本”合金可具有任意形状或大小。例如，该合金可以具有颗粒形状，其可具有诸如球形、椭球、线状、棒状、薄片状、鳞片状或不规则状的形状。该颗粒可具有任意尺寸。例如，它可具有约1微米到约100微米之间的平均直径，例如在约5微米到约80微米之间，例如在约10微米到约60微米之间，例如在约15微米到约50微米之间，例如在约15微米到约45微米之间，例如在约20微米到约40微米之间，例如在约25微米到约35微米之间。例如，在一个实施例中，微粒的平均直径在约25微米到约44微米之间。在一些实施例中，可使用更小的颗粒，例如纳米范围内的颗粒，或者更大的颗粒，例如大于100微米的颗粒。
合金样品或试样还可以有大得多的尺寸。例如，它可以是块体结构的部件(例如铸锭)，电子设备的外壳/壳体，甚至是具有毫米、厘米或米范围尺寸的结构部件的一部分。
固溶液
术语“固溶液”是指固体形式的溶液。术语“溶液”是指两种或多种物质的混合物，它可以是固体、液体、气体或这些物质的组合。该混合物可以是同质的或者异质的。术语“混合物”是彼此组合并且通常能够分离的两种或多种物质的组合物。通常，两种或多种物质化学上不会彼此组合。
合金
在一些实施例中，此处所述的合金组合物可被完全合金化。在一个实施例中，“合金”是指两种或多种金属的同质混合物或固溶液，一种金属的原子取代或占用另外的金属的原子之间的间隙位置，例如黄铜是锌和铜的合金。和复合物相比，合金可以指金属基质中一种或多种元素的部分或完整的固溶液(例如金属基质中的一种或多种化合物)。术语合金在此处可以指可给出单一固相微观结构的完整固溶液合金和可给两个或两个以上相的部分溶液。此处所述的合金组合物可以指包括合金的组合物或包括含有合金组合物的组合物。
因此，完全合金化的合金可具有组分的同质分布，无论它是固溶液相、化合物相或两者兼而有之。此处所用的术语“完全合金化”能够解释容差范围内的较小变化。例如，它可以指至少90％的合金化，例如至少95％的合金化，例如至少99％的合金化，例如至少99.5％的合金化，例如至少为99.9％的合金化。此处的百分比可以指体积百分比或重量百分比，这取决于上下文。可由杂质平衡这些百分比，杂质可以是并非合金的一部分的化合物或相的形式。
非晶或非结晶固体
“非晶态”或“非结晶固体”是缺少晶格周期性的固体，晶格周期性是晶体的特征。正如此处所使用，“非晶态固体”包括“玻璃”，玻璃是加热时通过玻璃转变而软化并转换成像液体状态的非晶态固体。通常，非晶态材料缺乏晶体的长程有序特征，虽然它们在原子长度尺度上由于化学键的特性而具有一些短程有序。可基于通过结构表征技术(例如x-射线衍射和透射电子显微镜)确定的晶格周期性来对非晶态固体和结晶固体加以区别。
术语“有序”和“无序”指定多粒子系统中某些对称或相关性的存在或不存在。术语“长程有序”和“短程有序”可基于长度尺度来区分材料中的有序。
固体中有序的最严格形式是晶格周期性：一再重复某一模式(单位单元中原子的排列)以形成平移不变的空间平铺。这是晶体的定义特性。可能的对称性已被分类为14种布拉维晶格和230种空间群。
晶格周期性意味着长程有序。如果只有一个单位单元是已知的，则凭借平移对称性，有可能精确地预测在任意距离处的所有原子位置。反过来通常是真的，除了(例如)在准晶体中，准晶体具有完全确定的平铺但并不具有晶格周期性。
长程有序以物理系统为特征，在该物理系统中相同样品的远程部分展示出相关的行为。这可表示为相关函数，即自旋-自旋相关函数：G(x，x')＝＜s(x)，s(x')＞。
在上面的函数中，s为自旋量子数，而x是特定系统内的距离函数。此函数在x＝x'时等于一，并随距离|x-x'|的增加而减少。典型地，在长距离处它呈指数衰减到零，并且该系统被认为是无序的。然而，如果相关函数在大的|x-x'|处衰减到恒定值，则可以说系统具有长程有序。如果以距离的幂衰减到零，则它可被称为准长程有序。注意的是，构成大的|x-x'|值的是相对的。
当定义系统行为的一些参数是不随时间演变的随机变量(即它们被淬火或凝固)时，可以说系统呈现淬火无序-例如，自旋玻璃。它与退火无序相反，其中允许随机变量自我演变。此处的实施例包括含有淬火无序的系统。
此处所述的合金可以是结晶、部分结晶、非晶态或基本上非晶态。例如，合金样品/试样可包括至少一些结晶性，而微粒/晶体具有纳米和/或微米范围的尺寸。可替换地，合金可以是基本上非晶态，例如完全非晶。在一个实施例中，该合金组合物至少基本上不是非晶，例如基本上是结晶的，例如完全结晶的。
在一个实施例中，在另外非晶态合金中晶体或多个晶体的存在可被解释为其中的“结晶相”。合金的结晶度程度(或在一些实施例中简称“结晶度”)可以指存在于合金中的结晶相的量。程度例如可以指合金中存在的晶体的分数。分数可以指体积分数或重量分数，这取决于上下文。非晶态合金“非晶”到什么程度的度量可以是非晶度。可在结晶度程度方面测量非晶度。例如，在一个实施例中，可以说具有低结晶度程度的合金具有高的非晶度程度。在一个实施例中，例如具有60％(体积百分比)的结晶相的合金可具有40％(体积百分比)的非晶相。
非晶态合金或非晶态金属
“非晶态合金”是具有非晶成分超过50％(体积百分比)的合金，所述非晶成分优选是超过90％(体积百分比)的非晶成分，更优选大于95％(体积百分比)的非晶成分，并且最优选超过99％至几乎达到100％(体积百分比)的非晶成分。注意的是，如上所述，高非晶度的合金等效于低的结晶度程度。“非晶态金属”是具有无序的原子尺度结构的非晶态金属材料。和结晶的并因此具有高度有序的原子排列的大多数金属相比，非晶态合金为非结晶的。冷却期间在其中直接从液态产生这种无序结构的材料有时被称为“玻璃”。因此，非晶态金属通常被称为“金属玻璃”或“玻璃金属”。在一个实施例中，块体金属玻璃(BMG)可指其微观结构至少部分是非晶态的合金。然而，除了极其快速冷却外，还有几种方法生产非晶态金属，包括物理气相沉积、固态反应、离子辐照、熔化旋压(spinning)和机械合金化。非晶态合金可以是单一的材料类型，而不管如何准备它们。
可通过各种快速冷却方法生产非晶态金属。例如，可通过溅射熔融金属到旋转的金属盘上而生产非晶态金属。在一秒数百万度级别的快速冷却太快以至于不能形成晶体，因此材料被“锁定”在玻璃态。此外，可用足够低的临界冷却速率生产非晶态金属/合金，以允许在厚层中非晶结构(例如块体金属玻璃)的形成。
此处交替使用术语“块体金属玻璃”(BMG)、块体非晶态合金(“BAA”)以及块体凝固非晶态合金。它们是指具有至少在毫米范围的最小尺寸的非晶态合金。例如，尺寸可至少为约0.5mm，例如至少约1mm，例如至少约2mm，例如至少约4mm，例如至少约5mm，例如至少约6mm，例如至少约8mm，例如至少约10mm，例如至少约12mm。依赖于几何形状，尺寸可以指直径、半径、厚度、宽度、长度等。BMG还可以是金属玻璃，该金属玻璃具有在厘米范围的至少一个尺寸，例如至少约1.0cm，如至少约2.0cm，例如至少约5.0cm，例如至少约10.0cm。在一些实施例中，BMG可具有在米范围的至少一个尺寸。BMG可采取上述关于金属玻璃的任意形状或形式。因此，在一些实施例中，此处所述的BMG在一个重要方面不同于通过常规淀积技术制造的薄膜-前者可以有比后者大得多的尺寸。
非晶态金属可以是合金而不是纯金属。合金可能含有显著地不同大小的原子，导致在熔融态的低自由体积(并因此具有数量级高于其他金属和合金的粘度)。粘度阻止原子移动到足以形成有序的晶格。该材料结构可导致冷却期间的低收缩和抗塑性变形能力。晶界缺失，在一些情况下，结晶材料的弱点例如可能导致更好的耐磨损和耐腐蚀。在一个实施例中，非晶态金属同时是技术上的玻璃可能比氧化物玻璃和陶瓷更坚韧、更不脆。
非晶材料的热导率可能低于其结晶对等物的热导率。为了即使在较慢冷却期间获得非晶结构的形成，合金可由三种或三种以上的成分组成，导致具有较高势能和较低形成概率的复杂晶体单元。非晶态合金的形成可依赖于几个因素：合金成分的组成；成分的原子半径(优选是具有超过12％的显著差异以获得高组装密度和低自由体积)；混合成分组合的负热，抑制晶体成核并延长熔融金属保持在过度冷却状态的时间。然而，由于非晶态合金的形成是基于许多不同的变量，可能难于做出合金组合物是否将形成非晶态合金的事先确定。
例如，硼、硅、磷和具有磁性金属(铁、钴、镍)的其它玻璃形成物的非晶态合金可以是有磁性的，具有低的矫顽力和高电阻。当受到交变磁场时，高电阻导致低的涡流损失，例如作为变压器磁芯的有用特性。
非晶态合金可具有各种各样的潜在有用特性。特别是，它们往往强于相似化学成分的结晶合金，并且它们能够比结晶合金承受更强的可逆(“弹性”)变形。非晶态金属的它们的强度直接源自它们的非结晶结构，它不具有限制结晶合金强度的任何缺陷(例如位错)。例如，一种现代非晶态金属(被认为是为VitreloyTM)具有几乎二倍于高品位钛的拉伸强度。在一些实施例中，当在张力下负荷时，室温下的金属玻璃不是韧性的，往往突然失败，这限制了在可靠性关键应用中的材料适用性，因为即将发生的故障并不明显。因此，为了克服这个挑战，可使用具有金属玻璃基质的金属基质复合材料，所述金属玻璃基质含有韧性结晶金属的枝状颗粒或纤维。可替换地，可使用低含量的往往会导致脆化的元素(例如Ni)的BMG。例如，无Ni BMG可用于改善BMG的延展性。
块体非晶态合金的另一个有用特性是它们可以是真正的玻璃；换句话说，在加热时它们可以软化和流动。这可允许以和聚合物几乎一样方式的简易加工，例如通过注模。结果，非晶态合金可用于制造运动器材、医疗设备、电子部件及设备以及薄膜。通过高速氧燃料技术，非晶态金属的薄膜可被淀积为保护涂层。
材料可具有非晶相、结晶相或两者兼而有之。非晶和结晶相可具有相同的化学成分，不同之处仅在于微观结构——即一种是非晶而另外一个是结晶。在一个实施例中，微观结构是指由25X放大倍数或更高放大倍数的显微镜显示的材料结构。可替换地，这两个相可具有不同的化学成分和微观结构。例如，组合物可以是部分非晶、基本上非晶或完全非晶。
如上所述，非晶度程度(和结晶度程度相反)可由存在于合金中的晶体分数测量。该程度可以指存在于合金中的结晶相的体积分数或者重量分数。部分非晶组合物可以指至少约5％(体积百分比)非晶相的组合物，例如至少为10％(体积百分比)，例如至少约20％(体积百分比)，例如至少约40％(体积百分比)，例如至少约60％(体积百分比)，例如至少约80％(体积百分比)，例如至少约90％(体积百分比)。已在此申请中的其他地方定义术语“基本上”和“关于”。因此，至少基本上是非晶的组合物可以指至少约90％(体积百分比)是非晶的组合物，例如至少约95％(体积百分比)，例如至少约98％(体积百分比)，例如至少约99％(体积百分比)，例如至少约99.5％(体积百分比)，例如至少约99.8％(体积百分比)，例如至少约99.9％(体积百分比)。在一个实施例中，基本上非晶的组合物可具有存在于其中的一些附带的无关紧要数量的结晶相。
在一个实施例中，非晶态合金组合物关于非晶相可以是同质的。成分均匀的物质是同质的。这和异质的物质成对比。术语“成分”是指物质的化学成分和/或微观结构。当物质的体积被分为两半而这两半都具有基本上相同的成分时，物质是同质的。例如，当颗粒悬浮液被分为两半时而这两半都具有基本上相同的颗粒体积时，颗粒悬浮液是同质的。然而，在显微镜下可能看到各单个颗粒。同质物质的另一个实例是空气，其中不同的成分均匀悬浮，虽然可单独分析或从空气中分离地分析空气中颗粒、气体和液体。
关于非晶态合金是同质的组合物可以指具有在其整个微观结构中基本上均匀分布的非晶相的组合物。换句话说，该组合物宏观上包括在整个组合物中基本上均匀分布的非晶态合金。在可替换的实施例中，组合物可以是具有非晶相的复合物，所述非晶相在其中具有非-非晶相。非-非晶相可以是晶体或多个晶体。该晶体可以是任何形状的微粒形式，例如球形、椭球形、线状、棒状、薄片状、鳞片状或不规则形状。在一个实施例中，它可具有枝状形式。例如，至少部分非晶的复合组合物可具有在非晶相基质中分散的枝状的结晶相；分散可以是均匀或不均匀的，非晶相和结晶相可具有相同或不同的化学成分。在一个实施例中，它们具有基本上相同的化学成分。在另一个实施例中，结晶相可比BMG相更加韧性。
此处所述的方法可适用于任意类型的非晶态合金。同样地，此处被描述为组合物或物品成分的非晶态合金可以是任何类型。非晶态合金可包括元素Zr、Hf、Ti、Cu、Ni、Pt、Pd、Fe、Mg、Au、La、Ag、Al、Mo、Nb、Be或它们的组合。即，该合金可包括这些元素在其化学式或化学组合物中的任意组合。这些元素可以不同的重量或体积百分比存在。例如，铁“基”合金可以指其中具有非无足轻重的铁重量百分比的合金，重量百分比例如可以是至少约20％(重量百分比)，例如至少约40％(重量百分比)，例如至少约50％(重量百分比)，例如至少约60％(重量百分比)，例如至少约80％(重量百分比)。可替换地，在一个实施例中，上述百分比可以是体积百分比而不是重量百分比。因此，非晶态合金可以是锆基、钛基、铂基、钯基、金基、银基、铜基、铁基、镍基、铝基、钼基等。合金也可以无上述任意元素，以适应特定的目的。例如，在一些实施例中，合金或包括合金的组合物可以基本上不含镍、铝、钛、铍或其组合。在一个实施例中，合金或复合物完全没有镍、铝、钛、铍或其组合。
例如，非晶态合金具有分子式(Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)c，其中a、b和c分别表示重量或原子百分比。在一个实施例中，a在30～75的原子百分比范围内，b在5～60的原子百分比范围内，c在0～50的原子百分比范围内。可替换地，非晶态合金可具有分子式(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)c，其中a、b和c分别表示重量或原子百分比。在一个实施例中，a在40～75的原子百分比范围内，b在5～50的原子百分比范围内，c在5～50的原子百分比范围内。该合金还具有分子式(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)c，其中a、b和c分别表示重量或原子百分比。在一个实施例中，a在45～65的原子百分比范围内，b在7.5～35的原子百分比范围内，c在10～37.5的原子百分比范围内。可替换地，该合金还具有分子式(Zr)a(Nb,Ti)b(Ni,Cu)c(Al)d，其中a、b、c和d分别表示重量或原子百分比。在一个实施例中，a在45～65的原子百分比范围内，b在0～10的原子百分比范围内，c在20～40的原子百分比范围内，而d在7.5～15的原子百分比范围内。前述合金系统的一个示例性实施例是使用商品名VitreloyTM的Zr-Ti-Ni-Cu-Be基的非晶态合金，例如由美国加州Liquidmetal Technologies制造的Vitreloy-1和Vitreloy-101。表1和表2中提供了不同系统的非晶态合金的一些实例。
表1.示例性的非晶态合金组合物
表2.额外的示例性的非晶态合金组合物(原子百分比)
其他示例性的含铁金属基合金包括组合物，例如在公开号2007/0079907和2008/0305387的美国专利申请中公开的那些组合物。这些组合物包括Fe(Mn,Co,Ni,Cu)(C,Si,B,P,Al)系统，其中Fe含量为60～75的原子百分比，(Mn,Co,Ni,Cu)总共为5～25的原子百分比范围，(C,Si,B,P,Al)总共为8～20的原子百分比范围，以及示例性的组合物Fe48Cr15Mo14Y2C15B6。它们还包括由Fe-Cr-Mo-(Y,Ln)-C-B，Co-Cr-Mo-Ln-C-B，Fe-Mn-Cr-Mo-(Y,Ln)-C-B，(Fe,Cr,Co)-(Mo,Mn)-(C,B)-Y，Fe-(Co,Ni)-(Zr,Nb,Ta)-(Mo,W)-B，Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)，Fe-(Co,Cr,Mo,Ga,Sb)-P-B-C，(Fe,Co)-B-Si-Nb合金和Fe-(Cr-Mo)-(C,B)-Tm所述的合金系统，其中Ln表示镧系元素而Tm表示过渡金属元素。此外，非晶态合金还可以是公开号2010/0300148的美国专利申请中所述的示例性组合物Fe80P12.5C5B2.5，Fe80P11C5B2.5Si1.5，Fe74.5Mo5.5P12.5C5B2.5，Fe74.5Mo5.5P11C5B2.5Si1.5，Fe70Mo5Ni5P12.5C5B2.5，Fe70Mo5Ni5P11C5B2.5Si1.5，Fe68Mo5Ni5Cr2P12.5C5B2.5和Fe68Mo5Ni5Cr2P11C5B2.5Si1.5中的一种。
非晶态合金还可以是铁合金，例如(Fe,Ni,Co)基合金。在号码为6325868、5288344、5368659、5618359和5735975的美国专利中，Inoue等、Appl.Phys.Lett.、71卷、464页(1997)，Shenet等、Mater.Trans.、Jim、42卷、2136页(2001)，以及号码为200126277(公开号为2001303218A)的日本专利申请中公开了这种组合物的实例。一个示例性的组合物是Fe72Al5Ga2P11C6B4。另一个实例是Fe72Al7Zr10Mo5W2B15。公开号码为2010/0084052的美国专利申请中公开了可在此处用于涂层的另一种铁基合金系统，其中非晶态金属例如包含在括号中给出成分范围的锰(1～3％(原子百分比))、钇(0.1～10％(原子百分比))、硅(0.3～3.1％(原子百分比))；其包含在括号中给出指定成分范围的下列元素：铬(15～20％(原子百分比))、钼(2～15％(原子百分比))、钨(1～3％(原子百分比))、硼(5～16％(原子百分比))、碳(3～16％(原子百分比))，其余为铁。
非晶态合金还可以是由公开号为2008/0135136、2009/0162629和2010/0230012的美国专利申请中所述的Pt基合金或Pd基合金之一。示例性组合物包括Pd44.48Cu32.35Co4.05P19.11、Pd77.5Ag6Si9P7.5和Pt74.7Cu1.5Ag0.3P18B4Si1.5。
前述非晶态合金系统还可包括附加的元素，例如附加的过渡金属元素，包括Nd、Cr、V和Co。附加的元素可以小于或等于约30％(重量百分比)而存在，例如小于或等于约20％(重量百分比)，例如小于或等于约10％(重量百分比)，例如小于或等于约5％(重量百分比)。在一个实施例中，附加的可选元素是钴、锰、锆、钽、铌、钨、钇、钛、钒、铪中的至少一种，用以形成碳化物并进一步提高耐磨性和耐腐蚀性。另外的可选元素可包括磷、锗和砷，总共达到约2％，优选是小于1％，用以降低熔点。以其他方式附带的杂质应该小于约2％，优选是0.5％。
在一些实施例中，具有非晶态合金的组合物可包括少量的杂质。可以有意地添加杂质元素以更改组合物的性能，例如改善机械性能(例如硬度、强度、断裂机制等)和/或提高耐腐蚀性。可替换地，杂质可以作为不可避免的、附带的杂质存在，例如作为加工和制造副产物得到的那些杂质。杂质可小于或等于约10％(重量百分比)，例如约5％(重量百分比)，例如约2％(重量百分比)，例如约1％(重量百分比)，例如约0.5％(重量百分比)，例如约0.1％(重量百分比)。在一些实施例中，这些百分比可以是体积百分比，而不是重量百分比。在一个实施例中，该合金样品/组合物本质上由非晶态合金(只有少量附带的杂质)组成。在另一个实施例中，组合物包括非晶态合金(没有任何可观察到的杂质迹象)。
在一个实施例中，最终部件超出块体凝固非晶态合金的临界铸造厚度。
在本发明实施例中，过度冷却液体区域的存在允许超塑成形，在该区域中，块体凝固非晶态合金可作为高粘度液体存在。可获得大的塑性变形。在过度冷却液体区域中承受大的塑性变形的能力用于成形和/或切割工艺。相对于固体，液体块体凝固合金局部变形，这大大降低了切割和成形所需的能量。容易切割和成形取决于合金的温度、模具和切割工具。因为温度越高，粘度越低，因此更容易切割和成形。
例如，此处的实施例可利用热塑性成形工艺，而在Tx和Tg之间执行非晶态合金。以典型的加热速率(例如20℃/min)，从标准的DSC测量中确定Tx和Tg作为结晶温度的开始和玻璃转变温度的开始。
非晶态合金成分可具有临界铸造厚度，而最终部件可具有比临界铸造厚度厚的厚度。此外，选择加热和定形操作的时间和温度，使得非晶态合金的弹性应变限制可基本上被保留到不小于1.0％，优选是不小于1.5％。在此处实施例的上下文中，玻璃转变附近的温度是指：成形温度可低于玻璃转变，处于或在玻璃转变附近，以及大于玻璃转变温度，但优选是在低于结晶温度Tx的温度。以和加热步骤中加热速率类似的速率执行冷却步骤，优选是以大于加热步骤中加热速率的速率。优选在仍然保持成形和定形载荷时还实现冷却步骤。
电子设备
在使用BMG的电子设备制造中，此处的实施例可能是有价值的。此处的电子设备可以指本领域中已知的任何电子设备。例如它可以是电话(例如手机和/或陆线电话)，或者任意通信设备(例如智能电话，例如包括iPhoneTM)，以及电子邮件发送/接收设备。它可以是显示器的一部分，例如数字显示器、TV监视器、电子图书阅读器、便携式Web浏览器(例如iPadTM)和计算机监视器。它还可以是娱乐设备，包括便携式DVD播放器、传统的DVD播放器、蓝光光盘播放器、视频游戏控制台、诸如便携式音乐播放器(例如iPodTM)的音乐播放器等。它还可以是提供控制的设备的一部分，例如控制图像、视频、声音(例如Apple TVTM)流，或者它可以是电子设备的遥控器。它可以是计算机或其附件的一部分，例如硬盘驱动器塔外壳或壳、笔记本电脑外壳、笔记本电脑键盘、笔记本电脑轨迹板、台式机键盘、鼠标和扬声器。此物品还可应用到诸如手表或时钟的设备。
根据此处用于在容器中熔化材料(例如金属或金属合金)的实施例的建议解决方案是将熔体或熔融材料牵制在熔化区内。
实施例涉及控制同轴熔化装置内熔融原料的位置和形状的装置和方法，工作在比主螺旋熔化线圈低的频率并且放置在熔化线圈端部附近的线圈用于对后者内部包含的熔融合金施加力。由“牵制”线圈生成的拉普拉斯力对抗由熔化线圈生成的拉普拉斯力(往往将合金推出)，而不会大幅降低合金的感应加热。这允许合金熔化并被可控地引入到另一个系统，例如用于随后成形的冷室压铸机。装置和方法的优点将允许电磁地牵制合金而不使用物理障碍来牵制合金。
图2A至2D显示装置的各种实施例。该装置可包括容器，该容器被配置为接收材料，例如用于在其中熔化的图2A至图2D中所示的铸锭。实施例中所示的是第一感应线圈，被配置为在其中熔化材料；以及第二感应线圈，与第一感应线圈同轴地放置，其中第二感应线圈或第一感应线圈和第二感应线圈的组合被配置为起门或阀的作用，用于将熔融材料的移动牵制在容器内的水平方向上。在一个实施例中，第一感应线圈是负载或加热线圈，而第二感应线圈是牵制线圈。可替换地，在另一个实施例中，第一感应线圈是牵制线圈，而第二感应线圈是加热线圈。加热感应线圈可用于调整频率，以最大化可熔材料(例如以铸锭形式)上的热能生成。牵制感应线圈可用于调整频率，以最大化施加到熔体的力。
仅仅为了说明的目的，应该理解的是，图2A-2D涉及熔融材料从容器出来从右至左在水平方向上注入到模具中。因此，在这些说明性实施例中，第一感应线圈是加热线圈，而第二感应线圈是牵制线圈。然而，移动方向和加热/牵制线圈分配不意味着限制。
在任意的这些实施例中，用于熔化的材料可包括BMG原料，并且该装置被配置为将材料模制为BMG部件。
在两个示例性实施例中，第一感应线圈和第二感应线圈是单个感应线圈的一部分(如图2B所示)或两个不同的感应线圈(如图2A所示)。线圈用于通过RF功率控制熔体。例如，可能在左边提供第二线圈(例如牵制线圈)，而在右边提供第一线圈(例如加热线圈)。它们可连接并被配置为在相同的频率下操作。因此，图2B显示执行加热和牵制功能两者的线圈的配置。在操作中，熔体温度和搅拌在第一和第二线圈之间的区域保持相对均匀。
第一感应线圈和第二感应线圈的频率可能不同。如果使用单个线圈执行两种功能，即加热和牵制，则只有一个频率可以运行。这导致选定的频率是在用于加热材料的频率和用于优化施加到熔体的力的频率之间的折衷。根据实施例，第一感应线圈和第二感应线圈是其中具有电抽头(图2C所示)的单个感应线圈的一部分，该电抽头被配置为独立控制第一感应线圈和第二感应线圈。电抽头允许独立控制一个或两个线圈，以便可以快速改变磁场。在其中第一感应线圈和第二感应线圈是单个线圈的一部分的实施例中，电抽头可以允许控制单个线圈的至少一部分或一侧。
可选地，第一感应线圈和第二感应线圈中的一个或两个可包括图2A-2D中的锥形形状或圆筒形状。
如图2D所示，第二感应线圈可被缠绕在第一感应线圈周围，或反之亦然。根据实施例，图2D中显示去耦第一(例如加热)和第二(例如牵制)感应线圈的一个实例，其中第二线圈使用如上所述的类似原则。第一感应线圈和第二感应线圈可以具有不同的频率。例如，第二感应线圈一般具有比第一感应线圈低的RF频率。
此外，在可熔材料的熔化期间，还可以想象的是，系统的柱塞(例如系统300的柱塞杆330)可被配置为协助牵制容器内的可熔材料。例如，在其中柱塞被配置为在水平方向上从右至左移动以将材料注入到模具中(因此从容器中喷射熔融材料)的实施例中，可放置柱塞以从右侧(邻近第一感应线圈)牵制熔体，用以阻止熔融物质从错误侧喷射。可设计线圈配置以在导致模制的相对侧(左侧)上牵制熔体。在实施例中，柱塞可与和/或除了图2A、2B、2C或2D中所示的任意线圈配置一起使用。
在实施例中，可由水冷式船形器皿、容器或容纳器在其底上包含可熔材料，其可能包括或可能不包括具有基本上为U形的通道。
可沿着第一感应线圈或第二感应的水平轴放置容器(图2A至图2D中未示出，而是显示容器内的铸锭)，使得容器中材料的移动是在沿着容器喷射路径的水平方向。例如可在容器喷射端的附近放置第二感应线圈，如图2B中所示。
装置还可包括位于容器喷射端或容器喷射端相反侧的额外感应线圈。图2A至图2D中未示出额外感应线圈。容器还可包括一个或多个温度调节通道(图2A至图2D中未示出)，该通道被配置为在其中流动流体，用于在材料熔化期间调节容器的温度。该装置还包括被配置为从容器接收熔体并将熔体模制成BMG部件的模具(在图2A至图2D中未示出)。在图2A至图2D中，第二感应线圈或第一感应线圈和第二感应线圈的组合被配置为起阀的作用，用以控制从容器通过注入路径向模具(图2A至2D中未示出)的熔体移动。
根据各种实施例，提供了一种装置。该装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制感应线圈。牵制感应线圈被配置为将熔体牵制在负载感应线圈内。
根据各种实施例，提供了一种使用装置的熔化方法。该装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制感应线圈。可通过在第一RF频率下操作负载感应线圈而加热容器中的材料以形成熔融材料。当熔体被加热和/或维持在期望的温度时，可在第二RF频率下操作牵制感应线圈以将熔融材料牵制在负载感应线圈内。
根据各种实施例，提供了一种使用装置的熔化方法。该装置可包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料的容器；邻近该容器放置以在其中熔化材料的负载感应线圈；以及和负载感应线圈同轴地放置的牵制感应线圈。可通过在第一RF频率下操作负载感应线圈而加热容器中的材料以形成熔融材料。当加热时，可在第二RF频率下操作牵制感应线圈以将熔融材料牵制在负载感应线圈内。一旦为熔融材料达到并保持在期望的温度，可停止牵制感应线圈的操作，并将熔融材料通过喷射路径从容器喷射到模具中。
此处示出的方法、技术和设备并不旨在限于示出的实施例。正如此处所公开，装置或系统(或设备或机器)被配置为执行材料(例如非晶态合金)的熔化和注模。该装置被配置为：在将熔融材料注入到模具中用于模制之前，通过以较高熔化温度熔化而处理这种材料或合金。如下进一步所述，彼此同轴地放置装置的部件。根据一些实施例，在水平轴上对准该装置的部件(或向那里的通道)。下列实施例仅作说明用途，并不意味着限制。
图3示出了这种示例性装置的示意图。更具体地，图3示出注模装置300。根据实施例，注模系统300可包括：被配置为熔化在其中接收的可熔材料305的熔化区310，和被配置为将熔融材料305从熔化区310喷射到模具340的至少一个柱塞杆330。在实施例中，同轴地并在水平轴(例如X轴)上至少提供柱塞杆330和熔化区310，使得柱塞杆330在水平方向上(例如沿X轴)实质上通过熔化区310移动，用以将熔融材料305移动到模具340。该模具可被放置在邻近熔化区。
可在熔化区以任意数量的形式接收可熔材料。例如，可以铸锭(固态)、半固态、预热的浆料、粉末、球粒等形式将可熔材料提供到熔化区310。在一些实施例中，装载端口(例如铸锭装载端口318的图解实例)可被提供为注模装置300的一部分。装载端口318可以是机器内在任意数量的地方提供的单独开口或区域。在实施例中，装载端口318可以是通过一个或多个机器部件的路径。例如，可由柱塞330在水平方向上将材料(例如铸锭)插入到容器312中，或者可在水平方向上从注入装置300的模具侧(例如通过模具340和/或通过传递套筒350到容器312中)插入。在其它实施例中，可以其他方式和/或使用其它设备(例如通过注入装置的相对端)提供可熔材料到熔化区310。
熔化区310包括熔化机制，该熔化机制被配置为接收可熔材料并随着加热材料到熔融状态而保持材料。熔化机制例如可以是容器312的形式，容器312具有用于接收可熔材料并被配置为在其中熔化材料的主体。整个本公开中所用的容器是由用于加热物质到高温的材料制成的容纳器。例如，在实施例中，容器可能是熔炉，例如船式熔炉或凝壳炉。在实施例中，容器312是被配置为在真空条件下(例如在真空端口332处由真空设备或泵施加)用于可熔材料的冷炉床熔炼设备。在下面进一步描述的一个实施例中，容器是温度调节的容器。
容器312还可具有用于输入材料(例如原料)到其主体的接收或熔化部分314的入口。在图中所示的实施例中，容器312的主体可包括基本上U形的结构。然而，该所示的形状并不意在限制。容器312可包括任何数量的形状或配置。容器的主体具有长度并且可在纵向和横向方向上延伸，使得使用柱塞330从中去除熔融材料。例如，主体可包括具有从其上垂直延伸的侧壁的基座。可在容器的熔化部分314接收用于加热或熔化的材料。熔化部分314被配置为接收在其中熔化的可熔材料。例如，熔化部分314具有用于接收材料的表面。容器312可在它的熔化部分314中使用用于递送的注入装置(例如装载端口和柱塞)的一个或多个设备而接收材料(例如以铸锭的形式)。
在实施例中，主体和/或其熔化部分314可包括基本上圆形的和/或平滑的表面。例如，可以将熔化部分314的表面形成为圆弧状。然而，主体的形状和/或表面并不意味着限制。主体可以是一体结构，或由结合或机加工在一起的分离部件形成。容器312的主体可以由任意数量的材料(例如铜、银)形成，包括一个或多个涂层和/或配置或设计。例如，一个或多个表面可在其中具有凹部或槽。
容器312的主体可被配置为在水平方向上由此接收柱塞杆，用以移动熔融材料。也就是说，在实施例中，熔化机制和柱塞杆在相同的轴上，而主体可被配置和/或测定大小以接收柱塞杆的至少一部分。因此，柱塞杆330可被配置为：通过基本上通过容器312移动，将熔融材料(在加热/熔化后)从容器中移动到模具340。例如引用图3的装置300的所示实施例，柱塞杆330将在水平方向上从右向左移动，通过容器312，朝着模具340移动和推动熔融材料并进入模具340。
为了加热熔化区310并熔化容器312中接收的可熔材料，注入装置300还包括用于加热和熔化可熔材料的热源。
如果基本上不是整个主体本身，至少容器的熔化部分314被配置为被加热，使得在其中接收的材料被熔化。例如使用位于熔化区310内的感应源320L来完成加热，所述熔化区310被配置为熔化可熔材料。在实施例中，感应源320L和容器312相邻地放置。例如，感应源320L可能以线圈的形式，以螺旋状的形式基本上围绕容器本体的长度而放置所述线圈。因此，容器312可被配置为：通过使用电源或源325供电到感应源/线圈320L，感应地熔化在熔化部分314内的可熔材料(例如插入的铸锭)。因此，熔化区310可包括感应区。感应线圈320L被配置为加热和熔化可由容器312包含的任何材料而不熔化和弄湿容器312。感应线圈320L朝容器312发射射频(RF)波。正如所示，围绕容器312的线圈320L和主体可被配置为在水平方向上沿水平轴(例如X轴)放置。
在一个实施例中，容器312是温度调节的容器。这种容器可包括一个或多个温度调节通道，该通道被配置为：在容器中所接收的材料熔化期间，在其中流动气体或液体(例如水、油或其它流体)，用于调节容器312的主体的温度(例如强制冷却容器)。也可在和柱塞杆相同的轴线上提供这种强制冷却的熔炉。冷却通道可以协助阻止过度加热和熔化容器312的主体本身。冷却通道可连接到冷却系统，该冷却系统被配置为在容器中引起气体或液体的流动。冷却通道可包括一个或多个入口和出口，用于流体通过其流动。可以任意数量的方式配置冷却通道的入口和出口，并且不意味着限制。例如可相对于熔化部分314放置冷却通道，使得熔化其上的材料并调节容器温度(即，热量被吸收，而容器被冷却)。冷却通道的数量、位置和/或方向不应被限制。当感应源320L被供电时，冷却液体或流体可被配置为在熔化可熔材料期间通过冷却通道流动。
在容器312中熔化了材料后，柱塞330可用于将熔融材料从容器312塞进模具340中，用于模制成物体、部件或块。在可熔材料是合金(例如非晶态合金)的情况下，模具340被配置以形成模制的块体非晶态合金物体、部件或块。模具340具有通过其接收熔融材料的入口。可以同轴地并在水平轴上提供容器312的输出和模具340的入口，使得通过容器的主体22在水平方向上移动柱塞杆330，用以喷射熔融材料并通过其入口进入模具340。
如前所指出，当将熔融材料塞进模具或模腔时，诸如用于模制例如金属或合金的材料的注模系统300的系统可实现真空。注模系统300还可包括至少一个真空源或泵，该真空源或泵被配置为在真空端口312处将真空压力至少施加到熔化区310和模具340。真空压力可被施加到用于在其中熔化、移动或转移以及模制材料的注模系统300的至少部分中。例如，容器312、传递套筒350和柱塞杆330都可能在真空压力下和/或封闭在真空腔中。
在实施例中，模具340是真空模具，该真空模具是被配置为在模制材料时在其中调节真空压力的封闭结构。例如，在实施例中，真空模具340包括第一平板(还被称为“A”模具或“A”平板)、相对于彼此邻近放置(分别)的第二平板(还被称为“B”模具或“B”平板)。第一平板和第二平板一般都具有与其相关联的用于在其间模制熔化材料的模具腔。腔被配置为：通过注入套筒或传送套筒350，模制其间接收的熔融材料。模具腔可包括用于在其中成形和模制部件的部件腔。
通常，第一平板可连接到传递套筒350。根据实施例，柱塞杆330被配置为：将熔融材料从容器312通过传递套筒350移动到模具340中。可在熔化区310和模具340之间提供套筒350(本领域和此处有时也被称为发射套筒、冷套筒或注入套筒)。传递套筒350具有开口，该开口被配置为接收并允许通过其中传递熔融材料并进入模具340(使用柱塞330)中。可在水平方向上沿水平轴(例如X轴)提供其开口。传递套筒不必是冷腔。在实施例中，同轴地和在水平轴上至少提供柱塞杆330、容器312(例如它的接收或熔化部分)、传递套筒350的开口，使得可在水平方向上通过容器312移动柱塞杆330，以便将熔融材料移动到(并且随后通过)传递套筒350的开口。
在水平方向上通过传递套筒350推动熔融材料，并且通过入口(例如在第一平板中)并在第一平板和第二平板之间推动到模具腔中。在材料模制期间，至少第一平板和第二平板被配置为基本上消除其间材料(例如非晶态合金)的暴露，例如暴露给氧气和氮气。具体而言，施加真空，使得基本上从平板和其腔内消除大气。使用通过真空线332连接的至少一个真空源，将真空压力施加到真空模具340的内部。例如，在熔化和随后的模制周期期间，系统上的真空压力或真空度可以保持在1×10-1到1×10-4Torr之间。在另一个实施例中，在熔化和模制过程中，真空度保持在1×10-2和大约1×10-4Torr之间。当然，可使用其他压力水平或范围，例如1×10-9Torr至大约1×10-3Torr，和/或1×10-3Torr至大约0.1Torr。喷射器机制(未示出)被配置为从模具340的第一平板和第二平板之间的模具腔中喷射模制的(非晶态合金)材料(或模制部件)。喷射机制与致动机制(未示出)相关联或相连，所述致动机制被配置为致动，以便喷射模制的材料或部件(例如，在第一和第二部件后，被水平移动和彼此相对远离，至少在平板之间的真空压力被释放后)。
可在装置300中使用任意数量或类型的模具。例如，可在第一平板和第二平板之间和/或邻近第一平板和第二平板提供任何数量的平板以形成模具。例如，可在注模系统/设备300中实现本领域中已知的“A”系列、“B”系列和/或“X”系列模具的模具。
在这种注模装置300中待熔化材料的均匀加热和熔融材料的温度保持协助形成均匀的模制部件。仅仅是为了说明起见，在整个此公开中，待熔化的材料被描述和示为铸锭305的形式，所述铸锭305是固体原料的形式；然而，应该指出的是，可在注模系统或装置300中以固态、半固态、预热的浆料、粉末、颗粒等接收待熔化的材料，材料的形式不受限制。此外，仅仅为了说明起见，示出的容器312的视图是沿U形船/容器的X轴方向的剖视图。
在同轴地和在水平方向放置以获得最大功率输入到熔化材料的注模装置中，将材料牵制在邻近感应线圈的熔化区中对于连贯的熔化周期是有效的，而不是(例如)使得熔融材料流向容器的喷射路径和/或从容器的喷射路径流出。
图4描述了被配置为具有一个感应线圈420的当前注模系统。线圈420可在放置在容器410内部用于熔化的材料405(例如金属/金属合金)上施加力，并且最终当材料405熔融时，感应线圈420在线圈420内的熔融材料405上施加力。这些力可能用以向内挤压熔融材料到容器的中心，正如所示。同时，当由感应线圈加热期间平滑化熔融材料时，这些力可能将熔融材料405从感应线圈420中推出，例如在感应线圈420的端部。
正如此处所公开，图3中示例性的注模装置/系统300包括多个分离的感应线圈，例如负载感应线圈320L和牵制感应线圈302C。
在实施例中，感应线圈320L和302C可朝容器312发射射频(RF)波。线圈320L和302C可能是或可能不是锥形。线圈320L和302C例如可包括球形线圈。在实施例中，线圈可以具有相同或不同的形状，使得能够调整生成的RF场，例如根据希望而更加定向。例如，牵制感应线圈320C可以是锥形或圆锥形的线圈，具有从负载感应线圈320L隔开并面对负载感应线圈320L的宽敞区域。通过使用调整的RF信息，可由牵制感应线圈320C生成更强的力并朝着负载感应线圈320L施加更强的力到熔体中。熔体/熔融材料可被牵制在负载感应线圈320L内。
牵制感应线圈302C可被隔开，但与负载感应线圈320L同轴地被配置。牵制感应线圈302C可被配置为在熔化区310的喷射端附近。负载感应线圈320L可被配置用于加热/熔化被放置在容器310的熔化部分314中用于熔化的材料305。牵制感应线圈320C可被配置用于放置和/或牵制加热/熔化过程期间在负载感应线圈320L内的熔体或熔融材料。牵制感应线圈302C可以阻止熔体或熔融材料从负载感应线圈320L流出，而容器312中的材料305可保持被加热和熔融。同样，熔体/熔融材料可被牵制在装置/系统300的熔化区310内，而它被平滑化并最小化热损失。
在实施例中，可在不同频率下操作牵制感应线圈302C和负载感应线圈320L，以便放置/牵制该熔体，例如在熔化温度。例如，用于加热/熔化可熔材料的负载感应线圈320L可操作在频率fmelting，而用于牵制熔体/熔融材料的牵制感应线圈302C可操作在不同频率fcontainment。在实施例中，fmelting可能大于fcontainment。在较低频率下操作的牵制感应线圈302C可生成熔体/熔融材料上更强的净力。牵制感应线圈302C可施加这种力，例如熔体上的拉普拉斯力，用以对抗由负载感应线圈生成的那些力(这往往将熔体推出)并推回熔体而被牵制在负载感应线圈320L中。
牵制感应线圈320C和负载感应线圈320L被隔开并且频率不同步地操作。由线圈320C和320L生成的磁场不一定彼此抵消(虽然它们可能以其他方式交互)。通常，当两个线圈具有反转方向或相反方向的线圈匝时，例如螺旋匝，生成的磁场可能会彼此相反并彼此抵消。在相反匝有效的这种区域中，不可以加热待熔化的材料，并由于磁场的抵消而可能趋向于冻结到容器上。
正如此处所公开，通过控制负载感应线圈320C和牵制感应线圈320中的一个或两个的频率、功率、磁场之间的交互作用，容器312中的材料305可被加热/熔化并进一步牵制在负载感应线圈320C内。
在实施例中，牵制感应线圈320c可随需要而被通电或断电，用以起从容器312到模具340的熔化喷射路径中门或阀的作用，和/或控制熔体在喷射路径中移动到模具340。例如，当通过操作负载感应线圈320L而加热/熔化材料305时，通过打开牵制感应线圈320C，加热的材料/熔体可被牵制在负载感应线圈320L内；通过关闭牵制感应线圈320C，可从负载感应线圈320L中喷射或压出熔体；和/或通过再次打开牵制感应线圈320C，例如作为通过“门区”或容器312喷射端的一部分熔体，这部分熔体可通过模具340的传递套筒(例如冷套筒或发射套筒)保持移动，同时负载感应线圈320L内的熔化部分可被牵制。
以这种方式，沿水平轴(X轴)放置容器312，使得被引导通过喷射路径(例如使用柱塞330)时熔融材料/熔体的移动可在水平方向上。至少部分的容器312周围是负载感应线圈320L，容器312的喷射端附近的至少部分的容器312周围是牵制感应线圈320C，使得材料由负载感应线圈320L加热/熔化并被牵制在负载感应线圈320L内。
在实施例中，如图5所示，第二牵制感应线圈320C2可被配置为在牵制感应线圈320C1的相对端(即在注入路径的相对侧)与负载感应线圈320L一致。第一和第二牵制感应线圈320C1-C2可以相同或不同，并且可以被控制为具有相同的或不同的功能。以这种方式，容器312中的熔体305可从其两端被牵制在负载感应线圈320L内。
在实施例中，当利用BMG作为注模装置300/500中的材料时，可形成具有高弹性极限、耐腐蚀和低密度的物品/部件。
根据使用装置如图3和图5所示的300和/或500的此公开的实施例，图6示出用于熔化材料和/或模制部件的方法600，然而此处公开的装置和方法并不以任何方式彼此限制。
在图6的块610中，设计一种装置，用以(例如)包括：被配置为在其中接收用于熔化的材料305的容器312，邻近容器放置以在其中熔化材料305的负载感应线圈320L；以及与负载感应线圈线同轴地放置的牵制感应线圈320C。通常，可以下列方式操作注模装置300/500：用于熔化的材料305(例如以单个铸锭形式的非晶态合金或BMG)可被装载到上料机制(例如装载端口318)，插入并接收到熔化区310，进入容器312(由负载感应线圈320L包围)。正如所需，注塑机的“管嘴”行程(stroke)或柱塞330可用于移动材料进入容器312的熔化部分314。
在块620中，可通过感应过程(例如通过经由电源325L向负载感应线圈320L提供电源)加热用于熔化的材料305。在加热/熔化期间，可激活冷却系统，用以在容器312的任意冷却通道316中流动(冷却)流体。注塑机通过闭环或开环系统控制温度，这将材料305稳定在具体温度(例如使用温度传感器和控制器)。
在块630中，可在低于负载感应线圈320L的RF频率下操作牵制感应线圈320C，用以控制同轴熔化装置中熔融材料或熔融原料的位置和形状。牵制感应线圈320C可在熔融材料上施加力，例如拉普拉斯力，以对抗由负载感应线圈生成的那些力(其趋向将熔融材料推出)，而基本上不降低熔融材料305的感应加热。
在块640处，一旦为容器312中的熔体达到和保持在期望的温度，可通过关闭牵制感应线圈320C而“打开”容器312的喷射路径，使得随后可通过喷射路径(例如传递套筒350)从容器到模具340喷射熔体/熔融材料，正如在图6的块650中所见。模具340可以是铸造机(例如冷室压铸机)中的任何模具。可沿着水平轴(X轴)在水平方向(例如图3和图5所示的从右到左)执行喷射。这可使用柱塞330控制，所述柱塞可被激活，例如使用伺服驱动的驱动或液压驱动。例如，模具340被配置为通过入口接收熔融材料，并被配置为在真空下模制熔融材料。也就是说，熔融材料被注入到至少第一平板和第二平板之间的真空腔以在模具340中模制部件。正如之前所指出，在一些实施例中，材料可以是用于模制锭体非晶态合金部件的非晶态合金材料。一旦模具腔已经开始填充，压力(通过柱塞)可被保持在给定水平以将熔融材料“塞”进模具腔内的其它空区域并模制材料。模制过程之后(例如大约10至15秒)，可释放至少施加到模具340的真空(如果不是整个装置300/500)。然后打开模具340，而固化的部件暴露在大气中。在实施例中，致动喷射器机制，用以通过致动设备(未示出)从模具340的至少第一和第二平板之间喷射固化的模制物体。此后，该过程可重新开始。然后可关闭模具340，通过相对于彼此和彼此相向地至少移动至少第一平板和第二平板，使得第一平板和第二平板彼此邻近。一旦柱塞330已经移动到装载位置，通过真空源将熔化区310和模具340抽真空，以便插入和熔化更多的材料并模制另一个部件。
虽然没有非常详细地描述，公开的注入系统可包括额外的部件，包括但不限于一个或多个传感器、流量计等(例如用以监测温度、冷却水流等)和/或一个或多个控制器。使用此处公开的注入系统的任意实施例模制(和/或熔化)的材料可包括任意数量的材料，并且不应该被限制。在一个实施例中，待模制的材料是如上所述的非晶态合金。
实施例的应用
目前所述的装置和方法可用于形成各种部件或物品，例如可用于Yankee烘缸辊；汽车和柴油机活塞环；泵部件，例如轴、套筒、密封件、叶轮、浇注面、柱塞；Wankel发动机部件，例如壳体、端板；以及机械元件，例如缸套、活塞、阀杆和液压油缸。在实施例中，装置和方法可用于形成电子设备的外壳或其他部件，例如设备的外壳或壳的一部分或其电互连器。装置和方法还可用于制造任意消费电子设备的部分，例如蜂窝电话、台式计算机、笔记本电脑和/或便携式音乐播放器。正如此处所用，“电子设备”可以指任意电子设备，例如消费电子设备。例如它可以是电话(例如手机和/或陆线电话)，或者任意通信设备(例如智能电话，例如包括iPhoneTM)，以及电子邮件发送/接收设备。它可以是显示器的一部分，例如数字显示器、TV监视器、电子图书阅读器、便携式Web浏览器(例如iPadTM)和计算机监视器。它还可以是娱乐设备，包括便携式DVD播放器、DVD播放器、蓝光光盘播放器、视频游戏控制台、诸如便携式音乐播放器(例如iPodTM)的音乐播放器等。它还可以是提供控制的设备的一部分，例如控制图像、视频、声音(例如Apple TVTM)流，或者它可以是电子设备的遥控器。它可以是计算机或其附件的一部分，例如硬盘驱动器塔外壳或壳、笔记本电脑外壳、笔记本电脑键盘、笔记本电脑轨迹板、台式机键盘、鼠标和扬声器。该涂层还可应用到诸如手表或时钟的设备。
虽然此处在有限数量的实施例的上下文中描述和示出该发明，但是可以许多形式体现该发明而不脱离发明的本质特征的精神。包括此公开摘要所述内容的所示和所述实施例因此在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。由所附权利要求而不是由前面的描述指示发明的范围，在权利要求书的等同物的含义和范围内的所有改变旨在包含在其中。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
容器，沿着水平轴定位并且被配置为在其中接收用于熔化的材料；
单个感应线圈结构，被配置为熔化所述材料并且将熔化的材料牵制在所述容器中，所述单个感应线圈结构包括：
包围所述容器的第一感应线圈；以及
包围所述容器并且通过间隙与所述第一感应线圈分开设置的第二感应线圈；以及
跨所述间隙并且将所述第一感应线圈连接至所述第二感应线圈的接合线圈。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一感应线圈、所述第二感应线圈和所述接合线圈是单片线圈结构。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述接合线圈限定小于围绕所述容器的完全匝。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一感应线圈在第一方向上在所述材料上施加第一力；以及
所述第二感应线圈在与所述第一方向相对的第二方向上在所述材料上施加第二力。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一感应线圈和第二感应线圈中的一个或者这二者包括锥形形状。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括：
耦合到所述容器的模具；以及
被配置为将熔化的材料推出所述容器并且推入所述模具的柱塞。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二感应线圈用作牵制熔化的材料沿着所述水平轴的移动的门。
8.一种装置，包括：
容器，被配置为在其中接收用于熔化的材料；以及
感应线圈结构，至少部分包围所述容器，所述感应线圈结构包括：
具有第一线圈间隔的第一部分；
具有所述第一线圈间隔的第二部分；以及
在所述第一部分和所述第二部分之间的具有与所述第一线圈间隔不同的第二线圈间隔的第三部分。
9.根据权利要求8所述的装置，其中：
所述第一部分包括多个线圈匝；
所述第二部分包括多个线圈匝；以及
所述第三部分包括少于一个完全线圈匝。
10.根据权利要求8所述的装置，其中：
所述第一部分被配置为熔化所述材料；以及
所述第二部分被配置为在所述材料上施加将所述材料保持在由所述第一部分产生的感应场中的力。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一部分、第二部分和第三部分是连续导电线圈的部分。
12.根据权利要求11所述的装置，还包括：
耦合到所述容器的模具；
被配置为将熔化的材料推出所述容器并且推入所述模具的水平取向的柱塞；以及
被配置为向所述连续导电线圈提供电力的电源。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述柱塞能够完全通过所述容器。
14.根据权利要求8所述的装置，其中所述第二部分在熔化期间在没有物理物体接触所述材料的情况下将所述材料牵制在所述容器内以阻止所述材料的水平移动。
15.一种熔化材料的方法，包括：
将材料插入到水平取向的容器的熔化区中；
操作第一感应线圈以熔化所述材料；以及
在操作所述第一感应线圈的同时，操作第二感应线圈以将所述材料牵制在所述熔化区中。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在熔化了所述材料之后：
停止操作所述第一感应线圈与所述第二感应线圈；以及
利用水平取向的柱塞，推动所述材料水平地通过所述容器并且推入模具中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中：
操作第一感应线圈包括在第一水平方向上在所述材料上施加第一力；以及
操作第二感应线圈包括在第二水平方向上在所述材料上施加第二力。
18.根据权利要求15所述的方法，其中将所述材料插入到容器中包括通过模具中的开口将铸锭装载到所述容器中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
通过模具中的开口将铸锭装载到所述容器中包括在第一水平方向上推动所述材料；以及
所述方法还包括在熔化了所述材料之后，在与所述第一水平方向相对的第二水平方向上将所述材料推入所述模具中。
20.根据权利要求15所述的方法，其中操作第一感应线圈和操作第二感应线圈包括以射频频率操作包括所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的单片线圈结构。
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