JP2014513753A5 - - Google Patents
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Description
更に別の実施形態において、本発明は、非晶質材料を成形する急速コンデンサ放電装置に関する。1つのそのような実施形態において、非晶質材料のサンプルは、実質的に均一な断面を有する。別のそのような実施形態において、少なくとも2つの電極は、非晶質材料のサンプルに電気エネルギ供給源を接続する。そのような実施形態において、電極は、実質的に均一な接続が電極とサンプルの間に形成されるようにサンプルに取り付けられる。更に別のそのような実施形態において、動的電界の電磁表皮深さは、装填物の半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きい。 In yet another embodiment, the present invention relates to a rapid capacitor discharge device for molding an amorphous material. In one such embodiment, the sample of amorphous material has a substantially uniform cross section. In another such embodiment, the at least two electrodes connect an electrical energy source to the sample of amorphous material. In such embodiments, the electrode is attached to the sample such that a substantially uniform connection is formed between the electrode and the sample. In yet another such embodiment, the electromagnetic skin depth of the dynamic electric field is large compared to the load radius, width, thickness, and length.
更に別の実施形態において、本発明は、
・実質的に均一な断面を有する強磁性非晶質金属のサンプルを準備する段階と、
・電気エネルギの量子を生成及び放出することができる電気エネルギ供給源とサンプルを電気的に接触させる段階と、
・サンプルを通じて均一に電気エネルギの量子を放出し、ガラス転移温度と非晶質金属の平衡融点の間の処理温度までサンプルの全体を急速かつ均一に加熱し、電気エネルギの量子の放出が、サンプルにおいて電界を生成し、動的電界の電磁表皮深さが、サンプルの半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きいが、電流パルスの立上り時間が、冷却不足液体領域において最適形成温度で非晶質金属を結晶化させることに関連付けられた時間を超えない段階と、
・加熱されたサンプルが依然としてガラス転移温度と平衡融点の間の温度にある間に加熱されたサンプルを成形するために変形力を印加する段階と、
・非晶質材料のガラス転移温度未満の温度に物品を冷却する段階と、
を含む急速コンデンサ放電を使用して磁気非晶質金属を急速かつ均一に加熱する方法に関する。
In yet another embodiment, the present invention provides:
Providing a sample of a ferromagnetic amorphous metal having a substantially uniform cross-section;
Electrically contacting the sample with an electrical energy source capable of generating and emitting quantum of electrical energy;
Emission of electrical energy quanta uniformly throughout the sample, heating the entire sample rapidly and uniformly to a processing temperature between the glass transition temperature and the equilibrium melting point of the amorphous metal, and the emission of electrical energy quanta The electromagnetic skin depth of the dynamic electric field is large compared to the radius, width, thickness and length of the sample, but the rise time of the current pulse is not optimal at the optimal formation temperature in the undercooled liquid region. Not exceeding the time associated with crystallizing the crystalline metal;
Applying a deformation force to shape the heated sample while the heated sample is still at a temperature between the glass transition temperature and the equilibrium melting point;
Cooling the article to a temperature below the glass transition temperature of the amorphous material;
To rapidly and uniformly heat a magnetic amorphous metal using a rapid capacitor discharge comprising:
更に別の実施形態において、本発明は、
・実質的に均一な断面を有する強磁性非晶質金属のサンプルと、
・電気エネルギ供給源と、
・非晶質材料のサンプルに電気エネルギ供給源を接続し、実質的に密接な接続が電極とサンプルの間に形成されるようにサンプルに取り付けられた少なくとも2つの電極と、
・サンプルとの形成関係に配置された成形ツールと、
を含み、
・電気エネルギ供給源が、ガラス転移温度と非晶質金属の平衡融点の間の処理温度までサンプルの全体を均一に加熱するのに十分な電気エネルギの量子を生成及び放出することができ、電気エネルギの量子の放出が、サンプルにおいて電界を生成し、動的電界の電磁表皮深さが、サンプルの半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きいが、電流パルスの立上り時間が、冷却不足液体領域において最適形成温度で非晶質金属を結晶化させることに関連付けられた時間を超えず、
・成形ツールが、加熱されたサンプルをネット形状物品に形成するのに十分な変形力を印加することができる、
強磁性非晶質金属を急速に加熱する急速コンデンサ放電装置に関する。
In yet another embodiment, the present invention provides:
A sample of ferromagnetic amorphous metal having a substantially uniform cross-section;
An electrical energy source;
Connecting an electrical energy source to a sample of amorphous material and at least two electrodes attached to the sample such that a substantially intimate connection is formed between the electrode and the sample;
A molding tool arranged in a forming relationship with the sample;
Including
An electrical energy source can generate and emit quantum of electrical energy sufficient to uniformly heat the entire sample to a processing temperature between the glass transition temperature and the equilibrium melting point of the amorphous metal, The quantum emission of energy creates an electric field in the sample, and the electromagnetic skin depth of the dynamic electric field is large compared to the radius, width, thickness, and length of the sample, but the rise time of the current pulse is undercooled Not exceed the time associated with crystallizing the amorphous metal at the optimum formation temperature in the liquid region,
The molding tool can apply sufficient deformation force to form a heated sample into a net-shaped article;
The present invention relates to a rapid capacitor discharge device for rapidly heating a ferromagnetic amorphous metal.
容量放電中に円筒体内の電流が均一であるには、動的電界の電磁表皮深さΛがサンプルに関連付けられた寸法(半径、長さ、幅、又は厚み)の特性と比較して大きいことが必要である。円筒体の例では、関連の特徴的な寸法は、明らかに装填物の半径及び深さR及びLであると考えられる。この条件は、Λ=[ρ0τ/μ0]1/2≧R(L)の時に満たされる。ここで、τはコンデンサの「RC」時定数であり、サンプルシステムμ0=4π×10-7(ヘンリー/m)は空き領域の誘電率である。R及びL〜1cmに対して、これは、τ>10〜100μsを意味する。このような一般的な寸法及び非晶質合金の抵抗率の値を使用して、これには、適切にサイズ設定をされた典型的に約10,000μFのキャパシタンス又はそれよりも大きいコンデンサが必要である。 In order for the current in the cylinder to be uniform during capacitive discharge, the electromagnetic skin depth Λ of the dynamic electric field must be large compared to the dimensions (radius, length, width or thickness) characteristics associated with the sample. is necessary. In the cylinder example, the relevant characteristic dimensions are clearly considered to be the charge radius and depth R and L. This condition is satisfied when Λ = [ρ 0 τ / μ 0 ] 1/2 ≧ R (L). Here, τ is the “RC” time constant of the capacitor, and the sample system μ 0 = 4π × 10 −7 (Henry / m) is the permittivity of the empty area. For R and L˜1 cm, this means τ> 10-100 μs. Using these general dimensions and resistivity values for amorphous alloys, this requires a suitably sized capacitor of typically about 10,000 μF or larger. It is.
上述したように、加熱を通して均一な温度を維持するために、電流のエネルギ消散は、金属ガラス装填物を通して均一でなければならず、従って、印加された電界は、断面にわたって金属ガラス装填物に通過すべきである。電界の通過の尺度は、表皮深さΛであり、表皮深さΛは、外部的に印加された電界が材料内で1/eまで低下する距離として定義され、良導体に対して次式;
Λ=[ρ0τ/μrμ0]1/2 (式6)
のように与えられ、ここで、τは、電流パルスの増加に関連付けられた時定数であり、ρ0は金属ガラスの抵抗率であり、μ0は空き領域の透磁率であり、μrは金属ガラスの比透磁率である。上述したように、均一な加熱をもたらすために、金属ガラス装填物の寸法は、Λより遥かに小さいものであるべきである。RCDFに利用される一般的な放電時間τRCは、約1msである。非磁性金属ガラスに約200μΩ−cmの一般的な抵抗率及びμr≒1の比透磁率を使用すると、表皮深さは、約40mmである。このような表皮深さが入手可能な金属ガラスの実用的な寸法よりも遥かに大きいので、均一な加熱が保証されることになる。しかし、強磁性金属ガラスは、典型的には遥かに高い比透磁率(102〜104のμr)を有し、0.5〜5mmの範囲の表皮深さΛが発生する。これらの表皮深さは、従って、金属ガラス装填物の実用的なサイズに相当する。その結果、約1msの従来の時間尺度で機能するRCDFを使用して強磁性ガラスを処理した時に不均一な加熱が発生することになる。
As mentioned above, in order to maintain a uniform temperature throughout the heating, the energy dissipation of the current must be uniform through the metallic glass charge, so that the applied electric field passes through the metallic glass charge across the cross section. Should. Measure of the passage of the electric field is the skin depth lambda, the skin depth lambda is defined as the distance external to the applied electric field is reduced in the material to 1 / e, the following expression for a good conductor;
Λ = [ρ 0 τ / μ r μ 0 ] 1/2 (Formula 6)
Where τ is the time constant associated with the increase in current pulse, ρ 0 is the resistivity of the metallic glass, μ 0 is the permeability of the free space, and μ r is It is the relative permeability of metallic glass. As noted above, the size of the metallic glass charge should be much smaller than Λ to provide uniform heating. A typical discharge time τ RC used for RCDF is about 1 ms. Using a typical resistivity of about 200 μΩ-cm and a relative permeability of μ r ≈1 for non-magnetic metallic glass, the skin depth is about 40 mm. Such skin depth is much larger than the practical dimensions of available metallic glass, so that uniform heating is guaranteed. However, ferromagnetic metallic glasses typically have a much higher relative permeability (10 2 to 10 4 of the mu r), the skin depth in the range of 0.5 to 5 mm lambda occurs. These skin depths therefore correspond to a practical size of the metallic glass charge. As a result, non-uniform heating occurs when the ferromagnetic glass is processed using RCDF that functions on a conventional time scale of about 1 ms.
従って、一実施形態において、本発明は、パルスの時間を長くし、従って、電流パルスτの増加に関連付けられた時定数を増加させ、その結果、表皮深さ(Λ)を増加させることにより、非磁性金属ガラスの処理において達成される電磁表皮深さに同等の比較的大きい電磁表皮深さをもたらすことに関する。それによって高い比透磁率を有する金属ガラス合金を容量放電で均一に加熱することができる。しかし、パルス立上り時間は、冷却不足液体領域での最適形成温度で金属ガラスを結晶化させるのに要する時間(典型的に強磁性ガラスに対して0.1〜1s間)に接近したり上回ったりすべきではない。好ましくは、電流パルスの立上り時間は、1msと100msの間である。 Thus, in one embodiment, the present invention increases the time of the pulse, thus increasing the time constant associated with the increase in current pulse τ, and consequently increasing the skin depth (Λ), It relates to providing a relatively large electromagnetic skin depth equivalent to the electromagnetic skin depth achieved in the processing of non-magnetic metallic glass. Thereby, a metallic glass alloy having a high relative magnetic permeability can be uniformly heated by capacitive discharge. However, the pulse rise time approaches or exceeds the time required to crystallize the metallic glass at the optimum forming temperature in the undercooled liquid region (typically between 0.1 and 1 s for ferromagnetic glass). should not do. Preferably, the rise time of the current pulse is between 1 ms and 100 ms.
このような磁気金属ガラスをオーム加熱する方法の一実施形態において、容量放電τのパルスの立上り時間は長くされ、従って、金属ガラス装填物に印加された周波数を低減し、表皮深さΛを増加させる。R、L、及びCが、それぞれ回路の抵抗、インダクタンス、及びキャパシタンスである直列RLC回路の減衰係数は、ζ=(R/2)√(C/L)により与えられる。以下のようにパルス立上り時間を伸張することによって表皮深さを増加させることができる。
・システム応答がネーパー周波数により支配された場合に、パルス立上り時間は、τ=2L/Rで判断される。従って、回路に付加的なインダクタンスを導入することによって表皮深さを増加させることができる。例えば、放電回路と直列にワイヤのループ又はコイルの形態でインダクタを追加することによってこれをもたらすことができる。
・システム応答が角度周波数により支配された場合に、パルス立上り時間は、τ=√(LC)により決まる。従って、回路に付加的なインダクタンス及び/又は付加的なキャパシタンスを導入することによって表皮深さを増加させることができる。例えば、放電回路と直列にワイヤのループ又はコイルの形態でインダクタを追加することにより、及び/又は放電回路と直列に付加的なコンデンサを追加することによってこれをもたらすことができる。
In one embodiment of the method for ohmic heating such a magnetic metallic glass, the rise time of the pulse of capacitive discharge τ is lengthened, thus reducing the frequency applied to the metallic glass charge and increasing the skin depth Λ. Let The attenuation coefficient of a series RLC circuit where R, L, and C are the circuit resistance, inductance, and capacitance, respectively, is given by ζ = (R / 2) √ (C / L). The skin depth can be increased by extending the pulse rise time as follows.
If the system response is dominated by the Naper frequency, the pulse rise time is determined by τ = 2L / R. Therefore, the skin depth can be increased by introducing additional inductance into the circuit. For example, this can be done by adding an inductor in the form of a wire loop or coil in series with the discharge circuit.
When the system response is dominated by angular frequency, the pulse rise time is determined by τ = √ (LC). Thus, the skin depth can be increased by introducing additional inductance and / or additional capacitance into the circuit. This can be achieved, for example, by adding an inductor in the form of a wire loop or coil in series with the discharge circuit and / or by adding an additional capacitor in series with the discharge circuit.
急速放電が行われる前に金属ガラス装填物の温度を上げることによって表皮深さを増加させることができる。強磁性金属ガラスの場合に、比透磁率は、温度の増加と共に下がり、キュリー温度よりも高い温度でほぼ1の値に到達する。強磁性ガラスのキュリー温度は、典型的には、あらゆる塑性成形又は結晶化が行われることなく低い透磁率値までの予熱を可能にするようにガラス転移よりも低い。従って、一実施形態において、強磁性金属ガラス装填物は、キュリー温度よりも高いがガラス転移温度よりも低い温度まで比較的遅い容量放電パルスにより加熱され、その後の加熱及び形成に向けて急速容量放電を受ける。 The skin depth can be increased by raising the temperature of the metallic glass charge before rapid discharge takes place. In the case of a ferromagnetic metallic glass, the relative permeability decreases with increasing temperature and reaches a value of approximately 1 at a temperature higher than the Curie temperature. The Curie temperature of ferromagnetic glasses is typically lower than the glass transition to allow preheating to low permeability values without any plastic forming or crystallization. Thus, in one embodiment, the ferromagnetic metallic glass charge is heated by a relatively slow capacity discharge pulse to a temperature above the Curie temperature but below the glass transition temperature, followed by a rapid capacity discharge for subsequent heating and formation. Receive.
サンプルA及びBの最終形状が、図14b及び14cに示されている。図14bで分るように、小さいインダクタンス及びキャパシタンスに関連付けられた高周波数(短い立上り時間τ)により、結果的に非常に不均一な形状(サンプルA)の一部が発生し、非常に不均一な加熱という結果は、装填物サイズと比較すると小さい表皮深さに帰するものであった。これとは対照的に、図14cで分るように、大きいインダクタンス及びキャパシタンスに関連付けられた低周波数(長い立上り時間τ)により、かなり均一なディスク状の部分(サンプルB)が得られ、かなり均一な加熱という結果は、より大きい表皮深さに関連するものであった。非晶質装填物に対する示差熱測定走査及び低周波急速容量放電(サンプルB)により製造された成形ディスクが図15に示されている。結晶化(曲線の下の区域)のエンタルピーの大きさから、サンプルBの成形ディスクは、本質的に完全に非晶質であると結論付けることができる。 The final shapes of samples A and B are shown in FIGS. 14b and 14c. As can be seen in FIG. 14b, the high frequency (short rise time τ) associated with small inductance and capacitance results in the generation of a part of a very non-uniform shape (sample A), which is very non-uniform. The result of proper heating was attributed to a small skin depth compared to the charge size. In contrast, as can be seen in FIG. 14c, the low frequency (long rise time τ) associated with large inductance and capacitance results in a fairly uniform disk-like part (sample B), which is fairly uniform. The result of proper heating was associated with a greater skin depth . A shaped disc produced by differential calorimetric scanning and low frequency rapid capacitive discharge (Sample B) for an amorphous charge is shown in FIG. From the magnitude of enthalpy of crystallization (the area under the curve), it can be concluded that the molded disk of Sample B is essentially completely amorphous.
Claims (33)
均一な断面を有する金属ガラス形成合金で形成された強磁性金属ガラスのサンプルを準備する段階と、
電気エネルギを生成及び放出することができる電気エネルギ供給源に前記サンプルを電気的に接触させる段階と、
前記サンプルを通して均一に電気エネルギを放出し、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該サンプルを均一に加熱し、該電気エネルギの放出が、該サンプルに電界を生成し、生成された該動的電界の電磁表皮深さが、該サンプルの半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きいが、電気エネルギの放出による電流パルスの立上り時間が、冷却不足液体領域における最適形成温度での該サンプルの結晶化に要する時間を超えない段階と、
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前記ガラス転移温度と前記金属ガラス形成合金の前記平衡融点の間の温度にある間に、該加熱されたサンプルを成形するために変形力を印加する段階と、
前記金属ガラスの前記ガラス転移温度よりも低い温度まで前記サンプルを冷却する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 A method of rapidly and uniformly heating magnetic metallic glass using rapid capacitor discharge,
Preparing a sample of ferromagnetic metallic glass formed by metallic glass forming alloy having a uniform in a flat cross section,
Electrically contacting the sample with an electrical energy source capable of generating and releasing electrical energy;
Uniformly emit electrical energy through said sample, the uniformly heating the sample to a processing temperature between the glass transition temperature of the metallic glass and the equilibrium melting point of the metallic glass forming alloy, the release of the electrical energy, the An electric field is generated in the sample, and the electromagnetic skin depth of the generated dynamic electric field is large compared to the radius, width, thickness, and length of the sample, but the rise time of the current pulse due to the discharge of electric energy Not exceeding the time required for crystallization of the sample at the optimal formation temperature in the undercooled liquid region;
Applying a deformation force to form the heated sample while the heated sample is still at a temperature between the glass transition temperature of the metallic glass and the equilibrium melting point of the metallic glass-forming alloy. When,
Cooling the sample to a temperature below the glass transition temperature of the metallic glass;
A method comprising the steps of:
金属ガラス形成合金で形成された金属ガラスの均一な断面を有するサンプルと、
電気エネルギ供給源と、
前記金属ガラスのサンプルに前記電気エネルギ供給源を相互接続し、電極と該サンプルの間に接続が形成されるように該サンプルに取り付けられた少なくとも2つの電極と、
前記サンプルとの形成関係に配置された成形ツールと、
を含み、
前記電気エネルギ供給源は、前記金属ガラスのガラス転移温度と前記金属ガラス形成合金の平衡融点との間の処理温度まで前記サンプルを均一に加熱するのに十分な電気エネルギを生成及び放出することができ、該電気エネルギの放出が、該サンプルに電界を生成し、生成された該動的電界の電磁表皮深さが、該サンプルの半径、幅、厚み、及び長さと比較して大きいが、電気エネルギの放出による電流パルスの立上り時間が、冷却不足液体領域における最適形成温度での金属ガラスの結晶化に要する時間を超えず、
前記成形ツールは、前記加熱されたサンプルをネット形状物品に形成するのに十分な変形力を印加することができる、
ことを特徴とする装置。 A rapid capacitor discharge device for rapidly heating a ferromagnetic metal glass,
A sample having a uniform in a flat section of metallic glass formed of metallic glass forming alloy,
An electrical energy source;
At least two electrodes attached to the sample such that the metallic glass of the electrical energy source to the sample interconnected, contact between the electrode and the sample connection is formed,
A molding tool arranged in a forming relationship with the sample;
Including
The electrical energy source may generate and emit sufficient electrical energy to uniformly heat the sample to a processing temperature between the glass transition temperature of the metallic glass and the equilibrium melting point of the metallic glass forming alloy. can, release of the electrical energy to generate an electric field in the sample, the electromagnetic skin depth of the generated the dynamic field, the sample radius, width, but larger than the thickness, and length, electrical The rise time of the current pulse due to the release of energy does not exceed the time required for crystallization of the metallic glass at the optimum formation temperature in the undercooled liquid region,
The molding tool can apply a deformation force sufficient to form the heated sample into a net-shaped article,
A device characterized by that.
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