JP2016028834A - Formation of metallic glass by rapid capacitor discharge forging - Google Patents

Formation of metallic glass by rapid capacitor discharge forging Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means for shaping an amorphous material using rapid capacitor discharge heating (RCDF).SOLUTION: The present invention provides a forging apparatus and method for uniformly heating, rheologically softening, and thermoplastically rapidly forming into a net shape a metallic glass using a rapid capacitor discharge forming (RCDF) tool. The RCDF method utilizes the discharge of electrical energy stored in a capacitor to uniformly and rapidly heat a sample or charge of a metallic glass alloy to a predetermined "process temperature" between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point of the alloy in a time scale of several milliseconds or less. Once the sample is uniformly heated such that the entire sample block has a sufficiently low process viscosity, the sample may be shaped into high quality amorphous bulk articles via forging in a time frame of less than 1 second.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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。   The present invention relates generally to a novel method of forming metallic glass, and more particularly to a method of forming metallic glass using rapid capacitor discharge heating.

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。   Amorphous materials are a new class of engineering materials that have a unique combination of high strength, elasticity, corrosion resistance and workability from the molten state. Amorphous materials differ from conventional crystal alloys in that these atomic structures do not have the long-range order pattern typical of atomic structures in conventional crystal alloys. Amorphous materials generally cool the molten alloy at a “sufficiently rapid” cooling rate from a temperature above the melting temperature (or thermodynamic melting temperature) of the crystalline phase to a temperature below the “glass transition temperature” of the amorphous phase. As a result, nucleation and growth of alloy crystals are avoided. That is, amorphous alloy processing methods have always been interested in quantifying a “sufficiently rapid cooling rate”, also called “critical cooling rate”, to ensure the formation of an amorphous phase.

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。 The “critical cooling rate” for the initial amorphous material was very fast, approximately 10 6 ° C./sec. For this reason, conventional casting processes are not suitable for such high cooling rates, and special casting processes such as melt spinning and plane flow casting have been developed. Due to the substantially rapid crystallization kinetics of these early alloys, an extremely short time (approximately 10 -3 seconds or less) to remove heat from the molten alloy to avoid crystallization. Therefore, early amorphous alloys were also limited in the size of at least one dimension. For example, very thin foils and ribbons (thickness approximately 25 microns) have been successfully produced using these conventional techniques. The critical cooling rate requirements for these amorphous alloys severely limited the size of parts made from amorphous alloys, limiting the use of early amorphous alloys as bulk bodies and products.

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。   For many years, it was determined that the “critical cooling rate” was strongly dependent on the chemical composition of the amorphous alloy. Therefore, much research has focused on the development of new alloy compositions with much lower critical cooling rates. Examples of these alloys are shown in US Pat. No. 5,288,344, US Pat. No. 5,368,659, US Pat. No. 5,618,359, and US Pat. No. 5,735,975. And each of these patents is incorporated herein by reference. These amorphous alloy systems, also called bulk metallic glass or BMG, are characterized by a low critical cooling rate of a few degrees C / second, which processes bulk amorphous phase objects that are much larger than previously achievable And make it possible to form.

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。   While low “critical cooling rate” BMGs have become available, it has become possible to apply conventional casting processes to form bulk products having an amorphous phase. Over the past few years, LiquidMetal Technologies, Inc. Several companies, including, are working to develop commercial production technologies for the production of net-shaped metal parts made by BMG. For example, manufacturing methods such as permanent mold metal die casting and injection casting into heated molds are currently used in standard consumer electronic devices (eg, mobile phones and handheld wireless devices), hinges, fasteners, medical equipment, and other It is used to manufacture commercial hardware and components such as electronic component cases for value-added products. However, even if bulk solidified amorphous alloys provide some remedy for the fundamental drawbacks of solidification casting, especially for die casting and permanent casting processes, as described above, there are still problems to be addressed. . First of all, there is a need to make these bulk bodies from a wider range of alloy compositions. For example, currently available BMGs with large critical casting dimensions that can produce large bulk amorphous bodies include Zr-based alloys plus Ti, Ni, Cu, Al and Be and Ni, Cu, and P Limited to several groups of alloy compositions based on a very narrow selection of metals, including Pd-based alloys, which are not necessarily optimal from an engineering or cost standpoint.

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。   In addition, current processing techniques require fairly expensive machinery to ensure that appropriate processing conditions are generated. For example, most molding processes involve high vacuum or controlled inert gas environments, induction melting of materials into crucibles, casting metal into shot sleeves, and more sophisticated mold assembly games via shot sleeves. Require pneumatic injection into the cavity and cavity. These modified die casting machines can cost hundreds of thousands of dollars per machine. In addition, since BMG heating has been achieved by these conventional slow heat treatments, prior art processing and formation of bulk solidified amorphous alloys always reduces the glass transition temperature from above the thermodynamic melting temperature. Emphasis was placed on cooling the molten alloy to below temperatures. This cooling is achieved using either a single-step monotonous cooling operation or a multi-step process. For example, molds (made of copper, steel, tungsten, molybdenum, their composites, or other highly conductive materials) at ambient temperature can be used to easily and efficiently handle heat removal from molten alloys Is done. Because “critical casting dimensions” correlate with critical cooling rates, these conventional processes are not suitable for forming larger bulk bodies and products of a wider range of bulk solidified amorphous alloys. In addition, in many cases, the molten alloy is injected into the die at high speeds and pressures to ensure that sufficient alloy material is introduced into the die prior to alloy solidification, especially in the manufacture of complex and high precision parts. There is a need. Since metal is fed to the die at high speed under high pressure, such as in high pressure die casting, the molten metal flow tends to be Rayleigh Taylor instability. This flow instability is characterized by a high Weber number and is associated with flow head decomposition causing the formation of protruding seams and cells, which manifest as superficial and structural micro-defects in the cast part. Also, when non-vitrified liquid is trapped within a solid shell of vitrified metal, it tends to form shrinkage cavities or pores along the centerline of the die casting mold.

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。 Attempts to remedy the problems associated with rapidly cooling materials from temperatures above the equilibrium melting point to temperatures below the glass transition have largely affected the dynamic stability and viscous flow characteristics of supercooled liquids. Emphasis was placed on use. Several, including heating the glass raw material above the glass transition where the glass relaxes to a viscous supercooled liquid, pressurizing to form a supercooled liquid, and then cooling below the glass transition before crystallization A method has been proposed. These attractive methods are essentially similar to the methods used to process plastics. However, in contrast to plastics that remain stable to crystallization over the softening transition for a very long period of time, metal supercooled liquids crystallize fairly rapidly when relaxed at the glass transition. Therefore, when the metal glass is heated at a conventional heating rate (20 ° C./min), the temperature range stable against crystallization is considerably small (50 to 100 ° C. higher than the glass transition), The liquid viscosity within the range is quite high (10 9 -10 7 Pa s). As a result of these high viscosities, the pressures required to form these liquids into the desired shape are very high and can exceed the pressures achievable with conventional high strength tools (<1 GPa) in many metallic glass alloys There is sex. In recent years, metallic glass alloys have been developed that are stable to crystallization when heated at conventional heating rates to considerably higher temperatures (165 ° C. above the glass transition). Examples of these alloys are described in U.S. Patent Application No. 20080135138 and G.S. Duan et al. (Advanced Materials, 19 (2007) 4272) and A.M. Shown in a paper by Wiest (Acta Materialia, 56 (2008) 2525-2630), each of which is incorporated herein by reference. As a result of their high stability to crystallization, processing viscosities as low as 10 5 Pa-s become available, which means that these alloys are in a supercooled liquid state than conventional metallic glasses. It suggests that it is more suitable for processing. However, these viscosities are substantially higher than the processing viscosities of plastics, typically in the range of 10 to 1000 Pa-s. In order to achieve such low viscosities, metallic glass alloys can be heated to the typical values used for thermoplastic processing when heated by conventional heat treatment or by extending the temperature range of stability. In any case where it is heated at an unprecedented high heating rate that will reduce the processing viscosity, it should exhibit even greater stability to crystallization.

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。」   Several attempts have been made to provide a method to instantaneously heat the BMG to a temperature sufficient for molding, thereby avoiding many of the problems discussed above, while at the same time expanding the types of formable amorphous materials. Yes. For example, U.S. Pat. No. 4,115,682 and U.S. Pat. No. 5,005,456; R. Yavarii (Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1, Materials Science & Engineering A, 375-377 (2004) 227-234, and Applied Physics 160 1602) Each of these disclosures is incorporated herein by reference, all of which utilize the inherent conductive properties of amorphous materials to instantaneously heat the material to the molding temperature using Joule heating. However, so far these techniques have only been applied to local heating of the BMG sample to allow only local formation such as joining of such elements (ie spot welding) or formation of surface properties. Emphasis has been placed. None of these prior art methods teach how to uniformly heat the entire BMG sample volume so that a wide range of formation can be performed. Instead, all these prior art methods predict temperature gradients during heating and consider how these gradients affect local formation. For example, Yavari et al. (Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1) describes: “The external surface of a BGM sample that is in contact with the electrode or in contact with the surrounding (inert) gas in the forming chamber allows the heat generated by the current to be dissipated from the sample by conduction, convection or radiation. On the other hand, the outer surface of the sample heated by conduction, convection or radiation is slightly hotter than the inside, because the crystallization and / or oxidation of the metallic glass is first Since it begins on the outer surface and interface, it is an important advantage for the method of the present invention, and if these are slightly below the bulk temperature, such undesirable surface crystal formation can be more easily avoided. "

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。   Another drawback of BGM's limited stability to crystallization above the glass transition is to measure thermodynamic and transport properties such as heat capacity and viscosity over the temperature range of a metastable supercooled liquid. It is not possible. Typical measuring instruments such as differential scanning calorimeters, thermomechanical analyzers, and Couette viscometers rely on conventional heating equipment such as electric and induction heaters, and thus the sample heating rate that has been considered conventionally (Typically <100 ° C./min) can be achieved. As discussed above, the metal supercooled liquid can be stable to crystallization over a limited temperature range when heated at conventional heating rates, and thus has measurable thermodynamic properties and Transport properties are limited to within the available temperature range. As a result, unlike polymers and organic liquids that are extremely stable to crystallization and whose thermodynamic and transport properties can be measured over the entire metastable range, the properties of metal supercooled liquids are: It can only be measured within a narrow temperature range just above the glass transition and just below the melting point.

米国特許第5,288,344号US Pat. No. 5,288,344 米国特許第5,368,659号US Pat. No. 5,368,659 米国特許第5,618,359号US Pat. No. 5,618,359 米国特許第5,735,975号US Pat. No. 5,735,975 米国特許出願第20080135138号US Patent Application No. 200801135138 米国特許第4,115,682号US Pat. No. 4,115,682 米国特許第5,005,456号US Pat. No. 5,005,456

Advanced Materials,19(2007)4272Advanced Materials, 19 (2007) 4272 Acta Materialia,56(2008)2525−2630Acta Materialia, 56 (2008) 2525-2630 Materials Research Society Symposium Proceedings,644(2001)L12−20−1Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1 Materials Science&Engineering A,375−377(2004)227−234Materials Science & Engineering A, 375-377 (2004) 227-234 Applied Physics Letters,81(9)(2002)1606−1608)Applied Physics Letters, 81 (9) (2002) 1606-1608)

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。   Therefore, there is a need to find a new technique that instantaneously and uniformly heats the entire BMG sample volume and enables a wide range of forming of amorphous metal. In addition, from a scientific point of view, there is also a need to find new ways to measure these using the thermodynamic and transport properties of metal supercooled liquids.

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。   In view of the foregoing, in accordance with the present invention, a method and apparatus for forming an amorphous material using rapid capacitor discharge heating (RCDF) is provided.

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。   In one embodiment, the present invention relates to a method for rapidly heating and shaping amorphous material using a rapid capacitor discharge, wherein the electrical energy quanta is uniform throughout a substantially defect-free sample having a substantially uniform cross-section. The entire sample is rapidly and uniformly heated up to a processing temperature between the glass transition temperature of the amorphous phase and the equilibrium melting temperature of the alloy, and the discharge is interrupted via at least two forging plates. And the heated sample is molded into an amorphous product while the heated sample is still at a temperature between the glass transition temperature and the equilibrium melting point of the amorphous material. In one such embodiment, the sample is heated to the processing temperature, preferably at a rate of at least 500 K / sec. In another such embodiment, the molding step uses conventional forming techniques such as, for example, injection molding, dynamic forging, stamp forging and blow molding.

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。 In another embodiment, an amorphous material having a relative change in resistivity per unit of temperature change (S) of about 1 × 10 −4 ° C. −1 is selected. In one such embodiment, the amorphous material is an alloy based on an elemental metal selected from the group consisting of Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni, and Cu.

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。   In yet another embodiment, electrical energy quanta are discharged into the sample through at least two electrodes connected to the ends of the sample so that electrical energy is uniformly introduced into the sample. In one such embodiment, the method uses an electrical energy quantum of at least 100 joules.

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。 In yet another embodiment, the processing temperature is approximately between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point of the alloy. In one such embodiment, the processing temperature is at least 200K above the glass transition temperature of the amorphous material. In one such embodiment, the processing temperature is such that the viscosity of the heated amorphous material is about 1 to 10 4 Pas-sec.

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。   In yet another embodiment, the forming pressure used to mold the sample is controlled to deform the sample at a sufficiently slow rate to avoid high Weber number flow.

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。   In yet another embodiment, the deformation rate used to mold the sample is controlled to deform the sample at a sufficiently slow rate to avoid high Weber number flow.

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。   In yet another embodiment, the initial amorphous metal sample (raw material) can be any shape having a uniform cross section, such as, for example, a cylinder, a sheet, a square and a rectangular solid.

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。   In yet another embodiment, the contact surface of the amorphous metal sample is cut parallel and polished flat to ensure good contact with the electrode contact surface.

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。   In yet another embodiment, the forged plate is either non-conductive or conductive.

更にまた別の実施形態において、成形力の印加は、
Fi>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。
In yet another embodiment, the application of molding force is
t Fi > τ RC and t F0C
And starts at time t Fi and ends at time t F0 , where (τ RC ) is the RC time constant of the discharge and (τ C ) is the time for the metallic glass to crystallize at the processing temperature.

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。   In yet another embodiment, the present invention relates to a rapid capacitor discharge apparatus 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 the electrical energy source to the sample of amorphous material. In such an embodiment, 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 charge radius, width, thickness and length. In yet another such embodiment, a forging tool is provided, the forging tool being in signal communication with at least two forging plates arranged in a formable relationship with the sample described above, an electrical energy source and the forging tool. The electrical energy source is sufficient to uniformly heat the entire sample to a processing temperature between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point of the alloy. The forging tool described above can apply sufficient deformation force to form the heated sample described above into a net shape product, and the timing circuit can Detect the discharge, activate the forging tool and apply the deformation force to the heated sample mentioned above via at least two forging plates Add.

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。   In yet another embodiment, the electrode material comprises low yield strength and high electrical conductivity and heat, such as, for example, copper, silver or nickel, or an alloy formed to contain at least 95% copper, silver or nickel. It is selected to be a conductive metal.

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、
Fi>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。
In yet another embodiment, the timing circuit is configured to apply force simultaneously with or after the discharge of electrical energy. In another such embodiment, the application of molding force is
t Fi > τ RC and t F0C
And starts at time t Fi and ends at time t F0 , where (τ RC ) is the RC time constant of the discharge and (τ C ) is the temperature at which the metallic glass crystallizes at the processing temperature.

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。   In yet another embodiment, the “sitting” pressure causes the electrode contact surface to plastically deform at the electrode / sample interface such that the contact surface conforms to the microscopic features of the sample contact surface. Between the electrode and the initial amorphous sample.

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。   In yet another embodiment, the low current “sitting” electrical pulse locally softens any non-contact areas of the amorphous sample at the electrode contact surface, thus making the contact surface a microscopic view of the electrode contact surface. Applied between the electrode and the initial amorphous sample to conform to the characteristic features.

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。   In yet another embodiment of the apparatus, the electrical energy source uniformly heats the entire sample to a processing temperature between the glass transition temperature of the amorphous phase and the equilibrium melting temperature of the alloy at a rate of at least 500 K / sec. It is possible to generate sufficient electric energy quanta. In such an embodiment of the apparatus, the electrical energy source is at a rate such that the sample is adiabatically heated to avoid heat transport and the generation of thermal gradients and thus facilitate uniform heating of the sample. Or in other words, discharged at a rate much higher than the thermal relaxation rate of the amorphous metal sample.

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。   In yet another embodiment of the apparatus, the forged plate is either conductive or non-conductive.

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。   In yet another embodiment of the device, a pneumatic or magnetic drive system is provided for applying a deformation force to the sample. In such a system, the deformation force or deformation rate can be controlled so that the heated amorphous material is deformed at a sufficiently slow rate to avoid high Weber number flow.

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。   In yet another embodiment of the apparatus, the forming tool further comprises a heating element for heating the tool to a temperature preferably around the glass transition temperature of the amorphous material. In such embodiments, the surface of the formed liquid is cooled more slowly, thus improving the surface finish of the formed product.

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。   The specification is more fully understood with reference to the following figures and data graphs, which are presented as exemplary embodiments of the invention and should not be construed as a full citation of the scope of the invention. Absent.

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。FIG. 3 shows a flow chart of an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 6 shows a schematic diagram of another exemplary embodiment of a rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 6 shows a schematic diagram of yet another exemplary embodiment of a rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 6 shows a schematic diagram of yet another exemplary embodiment of a rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 6 shows a schematic diagram of yet another exemplary embodiment of a rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a rapid capacitor discharge formation method in combination with a thermal imaging camera according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a photographic image of experimental results obtained using an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a photographic image of experimental results obtained using an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a photographic image of experimental results obtained using an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a photographic image of experimental results obtained using an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 4 shows a photographic image of experimental results obtained using an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 5 shows a data plot summarizing experimental results obtained using an exemplary rapid capacitor discharge formation method according to the present invention. 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。FIG. 2 shows a schematic diagram of an exemplary rapid capacitor discharge device according to the present invention. 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。FIG. 2 shows a schematic diagram of an exemplary rapid capacitor discharge device according to the present invention. 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。FIG. 2 shows a schematic diagram of an exemplary rapid capacitor discharge device according to the present invention. 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。FIG. 2 shows a schematic diagram of an exemplary rapid capacitor discharge device according to the present invention. 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。FIG. 2 shows a schematic diagram of an exemplary rapid capacitor discharge device according to the present invention. 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。FIG. 11b is a photographic image of a molded product made using the apparatus shown in FIGS. 11a to 11e. 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。FIG. 11b is a photographic image of a molded product made using the apparatus shown in FIGS. 11a to 11e. 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。Is a diagram illustrating a 5mm images of the rod of Zr 35 Ti 30 Cu 8.25 Be 26.75 amorphous used as the starting material for these experiments. 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。FIG. 15b shows an image of a plate forged between two MACOR dies from the rod of FIG. 15a to a thickness of 0.45 mm. 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。1 is a schematic diagram of an RCDF forging device according to an embodiment of the present invention. FIG. 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。FIG. 6 shows a schematic diagram of an RCDF forging device according to another embodiment of the present invention. 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。Diameter is a diagram showing an image of a raw material rod of 5mm of Zr 35 Ti 30 Cu 8.25 Be 26.75 of metallic glass. 鍛造が行われた後のロッドの画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the rod after forging was performed. 廃品材料を除去した鍛造ネジの画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the forge screw which removed the waste material. 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。It is a figure which shows the image of the screw | thread from which flashing was removed by grinding. 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。It is a figure which shows the 100 time expansion SEM image of the outline of a stainless steel forging die. 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。It is a figure which shows the 100 time expansion SEM image of the outline of the 10-32 screw | thread of commercial stainless steel. 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。Is a diagram showing a 100 times magnified SEM image of the contour of the metallic glass made with forging process (Zr 35 Ti 30 Cu 8.25 Be 26.75) of the present invention.

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。   The present invention uses a Joule heating extrusion or mold tool to rapidly and uniformly heat a metallic glass (typically with a processing time of less than 1 second), rheologically soften, and thermoplastically The present invention relates to a method for forming a net shape product. More specifically, the method utilizes a discharge of electrical energy stored in a capacitor (typically 100 Joules to 100 K Joules), and the glass transition temperature of the amorphous material on a time scale of a few milliseconds or less. The sample or charge (required amount) of the metallic glass alloy is uniformly and rapidly heated to a predetermined “processing temperature” approximately between the alloy and the equilibrium melting point of the alloy, which in the following is referred to as rapid capacitor discharge formation (RCDF). ). The RCDF process of the present invention has a relatively low electrical resistivity because the metallic glass is a frozen liquid, so that the material is heated at a rate such that the sample is adiabatically heated by appropriately applying an electrical discharge. Proceed from the observation that high dissipation can be achieved and efficient and uniform heating can be achieved.

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。   By rapidly and uniformly heating the BMG, the RCDF method extends the stability of the supercooled liquid to crystallization to a temperature substantially above the glass transition temperature, which makes the entire sample volume optimal for formation To a state associated with a high processing viscosity. The RCDF process can also take advantage of the entire viscosity range provided by the metastable supercooled liquid, which range is no longer limited by the formation of a stable crystalline phase. In summary, this process improves the quality of formed parts, increases the yield of usable parts, reduces materials and processing costs, expands the range of usable BMG materials, improves energy efficiency, and Enables reduction of capital costs. In addition, as a result of the instantaneous uniform heating that can be achieved with the RCDF method, thermodynamic and transport properties over the entire range of liquid metastability become available for measurement. Thus, by incorporating additional standard equipment such as temperature and strain measurement equipment into the rapid capacitor discharge device, properties such as viscosity, heat capacity and enthalpy can be measured over the entire temperature range between the glass transition and melting point. it can.

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。 A simple flow chart of the RCDF technique of the present invention is shown in FIG. As shown, the process begins with the discharge of electrical energy (typically 100 Joules to 100 K Joules) stored in a capacitor into a sample block or charge of a metallic glass alloy. According to the present invention, the application of electrical energy is used to reach a predetermined “working temperature” that exceeds the glass transition temperature of the alloy, more specifically, the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point (Tg of the alloy). The sample can be heated rapidly and uniformly on a time scale from a few microseconds to a few milliseconds or less, to a processing temperature of approximately between 200 and 300 K). It has sufficient processing viscosity (˜1 to 10 4 Pas-s or less) possible to facilitate.

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。 Once the sample is heated uniformly and the entire sample block has a sufficiently low processing viscosity, the sample is high quality by any number of techniques including, for example, injection molding, dynamic forging, stamp forging, blow molding, etc. Can be formed into amorphous bulk products. However, the ability to shape a metallic glass charge is entirely dependent on ensuring that heating of this charge is rapid and uniform throughout the sample block. If uniform heating is not achieved, the sample will instead undergo local heating, such as joining the elements together or spot welding together, or a specific area of the sample. Although it may be useful for some techniques, such as shaping, such local heating is neither used nor can it be used to perform bulk molding of the sample. Similarly, if the sample heating is not rapid enough (typically around 500 to 10 5 K / s), the material formed will lose its amorphous properties, or the molding technique will have excellent processability. Will be limited to those amorphous materials having the following characteristics (ie, high stability of the supercooled liquid to crystallization), which again reduces the usefulness of the process.

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。
The RCDF method of the present invention ensures rapid and uniform heating of the sample. However, to understand the criteria necessary to obtain rapid and uniform heating of metallic glass samples using RCDF, it is first necessary to understand how Joule heating of metallic materials occurs It is. The temperature dependence of the electrical resistivity of a metal can be quantified with respect to the relative change in resistivity per unit of temperature change coefficient S, where S is defined as:
S = (1 / ρ 0 ) [dρ (T) / dT] T0 (Formula 1)
Where S is the unit of (1 / ° C.), ρ 0 is the resistivity (ohm cm) of the metal at room temperature T 0 , and [dρ / dT] T0 is the room temperature taken to be a straight line. It is the temperature derivative of resistivity (ohm cm / C). A typical amorphous material has a large ρ 0 (80 μΩcm <ρ 0 <300 μΩcm), but is very small (and often negative) with S (−1 × 10 −4 <S <+ 1 × 10 −4 ). ) Value.

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。
F=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)/τRC (式4)
For this small S value found in amorphous alloys, a sample of uniform cross-section subjected to a uniform current density is resistively heated spatially and uniformly, and the sample is rapidly from ambient temperature T 0 to final temperature T F. Heated, this is the formula:
E = 1 / 2CV 2 (Formula 2)
And depending on the total energy of the capacitor as indicated by the total heat capacity C S (in joules / C) of the sample charge. TF will be given by:
T F = T 0 + E / C S (Formula 3)
Next, the heating time is determined by the time constant τ RC = RC of capacitive discharge. Here, R is the total resistance of the sample (plus output resistance of the capacity discharge circuit). Therefore, theoretically, the typical heating rate of metallic glass can be expressed by the following equation.
dT / dt = (T F −T 0 ) / τ RC (Formula 4)

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。 In contrast, common crystalline metals have much lower values of ρ 0 (1-30 μΩ-cm) and much higher S (˜0.01-0.1). This leads to large differences in behavior. For example, for common crystalline metals such as copper alloys, aluminum, or steel alloys, ρ 0 is much smaller (1-20 μΩcm), but S is much larger, typically S is 0.01 ~ 0.1. A smaller ρ 0 value in crystalline metal leads to a smaller dissipation in the sample (compared to the electrode), degrading the efficiency of capacitor energy coupling to the sample. Furthermore, when the crystalline metal melts, ρ (T) generally increases more than twice, and transitions from a solid metal to a molten metal. A large S value accompanying an increase in resistivity at the time of melting of a general crystalline metal leads to extremely nonuniform resistance heating at a uniform current density. The crystal sample will typically melt locally near the high voltage electrode or other interface within the sample. Second, the capacitor discharge of energy through the crystal rod leads to spatial locality and local melting of heating wherever the initial resistance was maximum (typically at the interface). In practice, this is based on capacitive discharge welding of crystalline metal (spot welding, bump welding, “stud welding”, etc.), where the local molten pool is to be welded to the electrode / sample interface or weld. Generated near other internal interfaces in the part.

「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。
As discussed in “Background”, prior art systems also recognize the inherent conductivity of amorphous materials, but have not been recognized to date to ensure uniform heating of the entire sample, It is also necessary to avoid the dynamic occurrence of spatial non-uniformity in energy dissipation within the heated sample. The RCDF method of the present invention describes two criteria that need to be adapted to prevent the occurrence of such non-uniformities and ensure uniform heating of the charge.
• Current uniformity within the sample. · Sample stability against the occurrence of power loss non-uniformity during dynamic heating.

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。 Although these criteria appear to be relatively simple, they are at the interface between the electrode used to introduce the charge, the material used for the sample, the material used for the sample, the shape of the sample, and the sample itself. It imposes some physical and technical constraints on it. For example, the following requirements exist for a cylindrical charge of length L and area A = πR 2 (R = sample radius).

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。 Current uniformity within the cylinder during capacitive discharge requires that the electromagnetic skin depth Λ of the dynamic electric field be large compared to the relevant dimensional characteristics (radius, length, width or thickness) of the sample. . In the cylindrical embodiment, the relevant characteristic dimensions are obviously the charge radius R and depth 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 sample system, and μ 0 = 4π × 10 −7 (Henry / m) is the permittivity of free space. If R and L are ˜1 cm, this represents τ> 10-100 μsec. Using the typical dimensions of the subject and the resistivity value of the amorphous alloy, this requires a suitably sized capacitor, typically a capacitance of 10,000 μF or more.

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/L220=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I2O〜〜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。
The stability of the sample against the occurrence of inhomogeneities in power loss during dynamic heating should be understood by performing a stability analysis that includes ohmic “joule” heating with current and heat flow controlled by the Fourier equation Can do. In samples with resistivity that increases with temperature (ie, positive S), local temperature changes along the axis of the sample cylinder can increase local heating and further increase local resistance and heat dissipation. become. At a sufficiently high power input, this leads to “localization” of the heating along the cylinder. In crystalline materials this results in local melting. This behavior is useful in welding when it is desired to create local melting along the interface between the components, but is highly undesirable when it is desired to heat the amorphous material uniformly. The present invention provides an important criterion for ensuring uniform heating. Using S as defined above, the inventors reveal that the heating is uniform in the following cases.
S <(2π) 2 DC S / L 2 I 2 R 0 = S crit (Formula 5)
Where D is the thermal diffusivity (m 2 / s) of the amorphous material, C S is the total heat capacity of the sample, and R 0 is the total resistance of the sample. Using the typical D and C S values for metallic glass, assuming length (L˜1 cm), and input power I 2 R o ˜10 6 watts normally required for the present invention, S crit ˜10 -4 to 10 -5 can be obtained. This criterion for uniform heating needs to be met for many metallic glasses (see S values above). In particular, many metallic glasses have S <0. Such materials (ie having S <0) will always meet this requirement for heating uniformity. Exemplary materials that meet this criteria are US Pat. No. 5,288,344, US Pat. No. 5,368,659, US Pat. No. 5,618,359, and US Pat. No. 5,735,975. The disclosures of these patents are incorporated herein by reference.

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。 Other than the basic physical criteria of the applied charge and the amorphous material used, there are also technical requirements to ensure that the charge is applied as evenly as possible to the sample. For example, it is important that the sample be formed with a substantially defect-free and uniform cross-section. If these conditions are not met, heat will not dissipate evenly across the sample and local heating will occur. Specifically, if there are discontinuities or defects in the sample block, the physical constants discussed above (ie, D and C S ) will differ in these respects, resulting in different heating rates. In addition, because the thermal properties of the sample are also dependent on the size of the article (ie, L), there will be local hot spots along the sample block when the article cross-section is changed. Furthermore, if the sample contact surface is not sufficiently flat and parallel, interface contact resistance will be present at the electrode / sample interface. Thus, in one embodiment, the sample block is formed to be substantially free of defects and have a substantially uniform cross section. It should be understood that the cross section of the sample block should be uniform, but as long as this requirement is met, there are no inherent constraints imposed on the shape of the block. For example, the block can take any suitable geometrically uniform shape such as a sheet, block, cylinder, etc. In another embodiment, the sample contact surface is cut in parallel and polished flat to ensure good contact with the electrodes.

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。   In addition, it is important that no interfacial contact resistance occurs between the electrode and the sample. To accomplish this, the electrode / sample interface needs to be designed to ensure that the charge is applied evenly, i.e., at a uniform density, so that "hot spots" do not occur at the interface. For example, if different parts of the electrode provide different conductive contacts to the sample, the spatial locality and local melting of the heating will occur anywhere where the initial resistance is maximum. This will result in a discharge weld where a local melt pool is created near the electrode / sample interface or other internal interface within the sample. In light of this requirement of uniform current density, in one embodiment of the present invention, the electrodes are polished flat and parallel to ensure good contact with the sample. In another embodiment of the invention, the electrode is made of a soft metal and a uniform “sitting” pressure is applied at the interface that exceeds the electrode material yield strength, but not the electrode buckling strength, so that the electrode is The entire interface is positively pressurized and does not buckle, and any non-contact area at the interface is plastically deformed. In yet another embodiment of the present invention, a uniform low energy “sitting” that is barely sufficient to raise the temperature of any non-contact region of the amorphous sample at the contact surface of the electrode to slightly above the glass transition temperature of the amorphous material. "Pulses are applied, thus allowing the amorphous sample to adapt to the microscopic features of the electrode contact surface. In addition, in yet another embodiment, the electrodes are positioned so that the positive and negative electrodes provide a symmetrical current path across the sample. Some suitable metals for the electrode material are Cu, Ag, and Ni, and alloys made substantially from Cu, Ag, and Ni (ie, containing at least 95% of these materials). .

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=cS2/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。
Finally, assuming that electrical energy is successfully and uniformly discharged into the sample, if heat transport toward the cold ambient and the electrodes is effectively avoided, i.e., adiabatic warming is achieved, Will be heated uniformly. In order to produce an adiabatic temperature rise condition, dT / dt needs to be high enough to ensure that a thermal gradient due to heat transport does not occur in the sample, or τ RC needs to be small enough. In order to quantify this criterion, the magnitude of τ RC should be much smaller than the thermal relaxation time τ th of the amorphous metal sample, which τ th is given by:
τ th = c S R 2 / k S (Formula 5)
Where k S and c S are the thermal conductivity and specific heat capacity of the amorphous metal, and R is a characteristic length measure of the amorphous metal sample (eg, the radius of the cylindrical sample). When k S ~10W / (mK) and c S ~5 × 10 6 J / (m 3 K) and R~1 × 10 -3 represents an approximation of the Zr-based glass, we tau th ~0 .5s is obtained. Therefore, uniform heating should be ensured using a capacitor with τ RC much smaller than 0.5 s.

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。 Turning to the molding method itself, a schematic diagram of an exemplary molding tool according to the RCDF method of the present invention is shown in FIG. As shown, the basic manual RCDF shaping tool includes an electrical energy source (10) and two electrodes (12). The electrode applies uniform electrical energy to a uniform cross-section sample block (14) made of an amorphous material having a sufficiently low S crit value and a sufficiently high ρ 0 value to ensure uniform heating. Used to do. Using uniform electrical energy, the sample is uniformly heated to a predetermined “working temperature” above the glass transition temperature of the alloy on a time scale of a few milliseconds or less. The viscous liquid thus formed is simultaneously molded according to preferred molding methods including, for example, injection molding, dynamic forging, stamp forging, blow molding, etc. to form a product on a time scale of less than 1 second.

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。   Any suitable source of uniform energy sufficient to rapidly and uniformly heat the sample block to a predetermined processing temperature, such as a capacitor having a discharge time constant of 10 μs to 10 milliseconds It should be understood that an electrical energy source can be used. In addition, any suitable electrode for providing uniform contact across the sample block can be used to transmit electrical energy. As discussed, in one preferred embodiment, the electrode is formed of a soft metal such as, for example, Ni, Ag, Cu, or an alloy made using at least 95% Ni, Ag and Cu, and the electrode / sample. It is held against the sample block under sufficient pressure to plastically deform the electrode contact surface at the interface to conform to the microscopic features of the sample block contact surface.

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。   While the above discussion is generally focused on the RCDF method, the present invention also relates to an apparatus for molding sample blocks of amorphous material. In one preferred embodiment shown schematically in FIG. 2, the injection molding apparatus can be incorporated with the RCDF method. In such an embodiment, the heated viscous liquid of amorphous material is formed into a mold cavity (18) that is held at ambient temperature using a mechanically loaded plunger to form a metallic glass net-shape component. Is injected into. In the embodiment of the method shown in FIG. 2, the charge is placed in an electrically isolated “barrel” or “shot sleeve” and has a conductive material having both high electrical and thermal conductivity ( A cylindrical plunger made of copper (such as copper or silver) is preloaded to the injection pressure (typically 1-100 MPa). The plunger functions as one electrode of the system. The sample charge rests on an electrically grounded base electrode. The stored energy of the capacitor is uniformly discharged into a cylindrical metallic glass sample charge if the above-mentioned certain criteria are met. The loaded plunger then moves the heated viscous melt to the net shape mold cavity.

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。   Although an injection molding technique has been discussed above, any suitable molding technique may be used. Some alternative exemplary embodiments of other molding methods that can be used in accordance with RCDF technology are shown in FIGS. 3-5 and discussed below. For example, as shown in FIG. 3, in one embodiment, a dynamic forging method may be used. In such an embodiment, the sample contact portion (20) of the electrode (22) will itself form a die tool. In this embodiment, the low temperature sample block (24) is held under compressive stress between the electrodes, and when the electrical energy is discharged, the sample block becomes sufficiently viscous that the electrodes can be pressed together under the predetermined stress. This causes the amorphous material of the sample block to conform to the shape of the die (20).

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。   In another embodiment, schematically illustrated in FIG. 4, a stamping method has been proposed. In this embodiment, the electrode (30) clamps or otherwise holds the sample block (32) between them at either end. In the illustrated schematic, a thin sheet of amorphous material is used, but it should be understood that this technique can be modified to work with any suitable sample shape. When electrical energy is discharged through the sample block, a molding tool or stamp (34) including opposing molds or stamp faces (36) as shown is pre-determined against a portion of the sample held therebetween. Together, thereby stamping the sample block into the final desired shape.

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。
In yet another exemplary embodiment schematically illustrated in FIG. 5, a blow molding technique can be used. Again, in this embodiment, the electrode (40) clamps or otherwise holds the sample block (42) between them at either end. In a preferred embodiment, the sample block comprises a thin sheet material, but any suitable shape can be used. Regardless of the initial shape, in the exemplary technique, the sample block is positioned in the frame (44) on the mold (45) to form a substantially hermetic seal;
As a result, the opposing side surfaces (46 and 48) of the block (ie, the side facing the mold and the side facing away from the mold) can be exposed to different pressures, ie, a positive or negative vacuum of gas. become. As electrical energy is discharged through the sample block, the sample becomes viscous and deforms under different pressure stresses and conforms to the contour of the mold, thereby forming the sample block into the desired final shape.

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。   In yet another exemplary embodiment shown schematically in FIG. 6, fiber drawing techniques can be used. Again, in this embodiment, in this embodiment, the electrode (49) is in good contact with the sample block (50) near either end of the sample and the tensile force is at either end of the sample. Will be applied. A flow of cold helium (51) is blown over the drawn wire or fiber, allowing cooling below the glass transition. In a preferred embodiment, the sample block comprises a cylindrical rod, but any suitable shape can be used. As electrical energy is discharged through the sample block, the sample becomes viscous and is uniformly stretched under tensile stress, thereby drawing the sample block into a wire or fiber of uniform cross section.

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。   In yet another embodiment, shown schematically in FIG. 7, the present invention relates to a rapid capacitor discharge apparatus for measuring the thermodynamic and transport properties of a supercooled liquid. In one such embodiment, the sample (52) is held under compressive stress between two paddle-shaped electrodes (53) and the thermal imaging camera (54) is focused on the sample. When electrical energy is discharged, the camera is activated and at the same time the sample block is charged. After the sample has become sufficiently viscous, the electrodes will be pressed together under a predetermined pressure to deform the sample. If the camera has the required resolution and speed, a series of thermal detections can capture the simultaneous heating and deformation process. With this data, time, heat, and deformation data can be converted to time, temperature, and strain data, input power and applied pressure can be converted to internal energy and load stress, This provides sample temperature, temperature dependent viscosity, heat capacity and enthalpy information.

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。   While the above discussion has focused on the basic features of some exemplary molding techniques, it should be understood that other molding techniques can be used with the RCDF method of the present invention, such as extrusion or die casting. . Furthermore, additional elements can be added to these techniques to improve the quality of the final product. For example, to improve the surface finish of a product formed according to any of the above molding methods, the mold or stamp is heated to around or just below the glass transition temperature of the amorphous material, thereby smoothing surface defects. be able to. In addition, in order to obtain a product with a better surface finish or net shape part, a high "Weber number" by controlling the compression force in the case of any of the above molding techniques and in the case of injection molding techniques. The instability of the melt front resulting from the flow of water can be avoided, i.e. atomization, spraying, streamlines, etc. can be prevented.

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。   The RCDF molding techniques and alternative embodiments discussed above are like casings for electronics, brackets, housings, fasteners, hinges, hardware, watch parts, medical parts, cameras and optical parts, jewelry, etc. It can be applied to the production of small, complex net-shaped high performance metal parts. The RCDF process can also be used to produce small sheets, tubes, panels, etc. that can be dynamically extruded through various types of extrusion dies used in conjunction with RCDF heating and injection systems.

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。   In summary, the RCDF technology of the present invention enables rapid and uniform heating of a wide range of amorphous materials and provides a relatively inexpensive and energy efficient method of forming amorphous alloys. The advantages of the RCDF system are described in more detail below.

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。
- rapid and uniform processability of the thermoplastic molding and formation of the reinforcing BMG thermoplastics by heating, severely limited by the tendency of the BMG to crystallize when it is heated above the these glass transition temperature T g Is done. Rate of crystal formation and growth of supercooled liquid over a T g is rapidly increased with temperature, the viscosity of the liquid decreases. In ~20C / min the conventional heating rates, crystallization occurs when the BMG is heated to a temperature above a T g only [Delta] T = 30 to 150 ° C.. This ΔT determines the highest temperature and the lowest viscosity at which the liquid can be processed thermoplastically. In practice, the viscosity is greater than 10 4 Pa-s, more typically limited to 10 5 to 10 7 Pa-s, which severely limits net shape formation. With RCDF, the amorphous material sample can be uniformly heated at the heating rate in the range of 10 4 to 10 7 C / s and formed simultaneously (total processing time of several milliseconds is required). The sample then has a much larger ΔT resulting in a thermoplastic net with a much lower processing viscosity in the range of 1 to 10 4 Pa-s (this is the range of viscosities used in plastic processing). It can be formed into a shape. This requires a much lower load load, shorter cycle times and results in a much better tool life.

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。
-Enables processing of a much wider range of BMG materials with RCDF A significant increase in ΔT and a significant reduction in processing time to a few milliseconds allows processing a very wide variety of glass forming alloys. Specifically, RCDF can be used to process an alloy with a small ΔT, or an alloy with very rapid crystallization kinetics and consequently very little glass-forming ability. For example, cheaper or other more desirable alloys based on Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Mg, Ni, and Cu and other inexpensive metals are likely to have a small ΔT and a strong tendency to crystallize. It is a bad glass-shaped organism. These “marginal glass forming” alloys cannot be thermoplastically processed using any of the currently practiced methods, but can be readily used with the RCDF method of the present invention.

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。
RCDF is a very material efficient conventional process currently used to form bulk amorphous products such as die casting requires the use of raw material volumes that far exceed the volume of the part being cast. This is due to the fact that the entire die discharge content in addition to the casting includes gates, runners, sprues (or biscuits), and flushes (all of which are necessary for the passage of molten metal towards the die cavity). . In contrast, the RCDF release content in most cases will contain only parts, and in the case of injection molding equipment, it will contain only shorter runners and much thinner biscuits compared to die casting. Thus, the RCDF method is particularly attractive in applications involving the processing of expensive amorphous materials such as the processing of amorphous metal jewelry.

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。
RCDF is extremely energy efficient :
Competing manufacturing techniques such as die casting, permanent casting, investment casting and metal powder injection molding (PIM) are inherently very energy inefficient. In RCDF, the energy consumed is only slightly greater than that required to heat the sample to the desired processing temperature. High temperature crucibles, RF induction melting systems, etc. are not necessary. Furthermore, there is no need to pour molten alloy from one vessel to another, thereby reducing the required processing steps and the potential for material contamination and material loss.

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。
RCDF provides technology that is relatively small, small and easily automated :
Compared to other manufacturing technologies, RCDF manufacturing equipment is small, small, clean, easy to automate with minimal moving parts, and is suitable for essentially all “electronic” processes .

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。
-Does not require environmental atmosphere control :
The several millisecond time scale required to process a sample with RCDF minimizes the exposure of the heated sample to ambient air. Thus, the process can be performed in the ambient environment, as opposed to current processing methods where long atmospheric exposure results in severe oxidation of the molten metal and final parts.

(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。
Exemplary Embodiment
Additional embodiments in accordance with the present invention are intended to be within the scope of the above comprehensive disclosure and are not intended to be waived in any way by the above non-limiting examples. Those skilled in the art will recognize.

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。
Example 1: Resistance Heating Study In BMG, a simple experimental spot welding machine is demonstrated to demonstrate the basic principle that capacitive discharge by ohmic heat dissipation in a cylindrical sample results in uniform and rapid sample heating. Used as a molding tool. The machine Unitek 1048B spot welder stores up to 100 joules of energy in a 10 μF capacitor. The stored energy can be controlled accurately. The RC time constant is approximately 100 μsec. To confine the sample cylinder, the two paddle electrodes were provided with a flat parallel surface. The spot welding machine has a spring-loaded upper electrode that allows an axial load to be applied to the upper electrode with a force up to 80 Newtons. As a result, it can apply a constant compressive stress in the range of up to -20 MPa to the sample cylinder.

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。 Small right cylinders of several BMG materials with a diameter of 1-2 mm and a height of 2-3 mm were made. The sample mass ranged from ˜40 mg to about ˜170 mg and was selected to obtain a T F well above the glass transition temperature of a particular BMG. The BMG materials are Zr—Ti based BMG (Vitreloy 1, Br of Zr—Ti—Ni—Cu—Be), Pd based BMG (Pd—Ni) having a glass transition (T g ) at 340C, 300C, and ˜430C, respectively. -Cu-P alloy) and Fe-based BMG (Fe-Cr-Mo-PC). All of these metallic glasses have S to 1 × 10 −4 << S crit .

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。 Figures 8a to 8d show a series of test results for a Pd alloy cylinder with a radius of 2mm and a height of 2mm (Figure 8a). The resistivity of the alloy is ρ 0 = 190 μΩ-cm, and S is −1 × 10 −4 (C −1 ). Energy E = 50 (FIG. 8b), 75 (FIG. 8c), and 100 (FIG. 8d) joules were stored in the capacitor bank and discharged into a sample held under a compressive stress of ˜20 MPa. The degree of plastic flow in BMG was quantified by measuring the initial and final height of the processed sample. It is particularly important to note that the sample is observed not to be bonded to the copper electrode during processing. This may be due to the high electrical and thermal conductivity of copper compared to BMG. In short, copper does not reach a temperature high enough to be wetted by “melt” BMG during the processing time scale (˜several milliseconds). Furthermore, it should be noted that there is little or no damage to the electrode surface. The final processed sample is freely removed from the copper electrode after processing and is shown in FIG. 9 with a length scale criterion.

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。 The initial and final cylinder heights were used to determine the total compressive strain generated in the sample when deformed under load. The engineering “strain” is given by H 0 / H, where H 0 and H are the initial (final) height of the sample cylinder, respectively. The true distortion is given by ln (H 0 / H). This result is plotted against the discharge energy in FIG. These results indicated that the true strain appears to be a nearly linear increase function of the energy discharged by the capacitor.

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。
These test results show that the plastic deformation of the BMG sample blank is a well-defined function of the energy discharged by the capacitor. After many tests of this type, the plastic flow of the sample (for a given sample geometry) is a very well-defined function of energy input, as clearly shown in FIG. It can be judged that there is. In short, using RCDF technology, plastic processing can be accurately controlled by input energy. Furthermore, flow characteristics change qualitatively and quantitatively with increasing energy. Under a compressive load applied with ~ 80 Newtons, a clear development in flow behavior can be observed with increasing E. Specifically, in a Pd alloy, the flow of E = 50 Joules is limited to strains of ln (H 0 / H F ) ˜1. Although the flow is relatively stable, there is also evidence of some shear thinning (eg, non-Newtonian flow behavior). For E = 75 joules, a more expanded flow is obtained from ln (H 0 / H F ) ˜2.
In this region, the flow is “Newtonian” with a smooth and stable melt front moving through the “mold” and uniform. For E = 100 Joules, very large deformations are obtained with a final sample thickness of 0.12 cm and a true strain of ˜3. There is clear evidence of high “Weber number” flow rate collapse, streamlines, and liquid “spatter” characteristics. In short, a clear transition can be observed by the melt front from stable to unstable moving in the “mold”. Thus, using RCDF, the qualitative nature and range of plastic flow can be systematically and controllably changed by simple adjustment of applied load and energy discharged to the sample.

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。
Example 2 Injection Molding Apparatus In another example, an RCDF injection molding apparatus as a practical prototype was configured. A schematic of the device is shown in Figures 11a to 11e. Experiments conducted on the molding apparatus have demonstrated that a few grams of mold charge can be used to inject net shape products in less than a second.
The illustrated system can store ˜6 K joules of electrical energy and can be used to produce a small net shape BMG component with a controlled machining pressure of up to ˜100 MPa.

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。   The entire machine consists of several independent systems including an electrical energy charge generation system, a controlled processing pressure system, and a mold assembly. The electrical energy charge generation system comprises a capacitor bank, a voltage control panel and a voltage controller, all of which have a set of electrical leads (62) and electrodes (64) so that a discharge can be applied to the sample blank via the electrodes. And interconnected to the mold assembly (60). The controlled processing pressure system (66) includes an air supply, a piston regulator, and an air piston, all of which have a control circuit so that a controlled processing pressure of up to 100 MPa can be applied to the sample during molding. Are interconnected through. Finally, the molding apparatus also includes a mold assembly (60), which is described in more detail below, in which the electrode plunger (68) is in a fully retracted position. It is shown in

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。
The entire mold assembly is shown removed from the larger device in FIG.
As shown, the entire mold assembly includes upper and lower mold blocks (70a and 70b), upper and lower portions (72a and 72b) of the split mold, and leads for carrying current to the mold cartridge heater (76). It includes a line (74), an insulating spacer (78), and an electrode plunger assembly (68), shown in this figure in a “fully recessed” position.

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。   In operation, a sample block of amorphous material (80) is positioned within the insulating sleeve (78) above the split mold (82) from the gate, as shown in FIGS. 11c and 11d. This assembly is itself positioned in the upper block (72a) of the mold assembly (60). An electrode plunger (not shown) is then positioned in contact with the sample block (80) and a control pressure is applied through the air piston assembly.

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Pd43Ni10Cu2720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。 When the sample block is in place and is in positive contact with the electrode, the sample block is heated by the RCDF method. The heated sample becomes viscous and is controllably pushed into the mold (72) via the gate (84) under the pressure of the plunger. In this exemplary embodiment, the split mold (60) takes the form of a ring (86), as shown in FIG. 10e. A sample ring made of an amorphous material of Pd 43 Ni 10 Cu 27 P 20 formed using the exemplary RCDF apparatus of the present invention is shown in FIGS. 12a and 12b.

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。   This experiment provides evidence that a composite net shape part can be formed using the RCDF technique of the present invention. The mold is formed in the shape of a ring in this embodiment, but this technology is applied to electronic equipment, brackets, housings, fasteners, hinges, hardware, wristwatch parts, medical parts, cameras and optical parts, jewelry, and others. Those skilled in the art will recognize that the present invention is equally applicable to a wide range of products, including small, complex, net-shaped high performance metal parts such as casings.

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。
Example 3: Forging Method and Apparatus As described schematically with respect to FIG. 3, dynamic forging can be performed using the RCDF method of the present invention. Forging is a general method of heating and pressing a metal part into a desired shape. Forging of metallic glass is accomplished by first heating the metallic glass charge above the glass transition and applying force with a forging plate to push the softened metallic glass into a two-dimensional or three-dimensional object after the charge has softened. be able to. As shown in FIG. 3, the forging plate thus serves as both a plunger and a mold, and thus has a high degree of thermal conductivity, and necessarily high electrical conductivity. However, the presence of the engraved cavity in the forged plate surface prevents the efficient application of electrical energy to the metallic glass charge, and thus in most cases prevents the forged plate from functioning as an electrode. Thus, in one embodiment, a forging method is described in which the electrodes are physically separated from the forging plate. Specifically, in this embodiment, the method and apparatus allow electrical energy to be efficiently dissipated through a less electrically conductive metallic glass charge rather than flowing through a more electrically conductive plate. Secured.

(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。
(Non-conductive forging)
In simple geometric parts such as plates made of alloys that are robust glass formers such as Vitreloy-1, the forging die can be made from high temperature ceramics such as MACOR. Since the ceramics are insulated, they can be in contact with the sample while the current is discharged. Thus, pressure can be applied by the forging die while capacitive discharge heating is performed, eliminating the need for additional control circuitry. In addition, the low thermal diffusivity of ceramics allows the metallic glass to be maintained at high temperatures for longer time periods. This allows the material to be forged into fairly thin parts at lower pressures if the metallic glass is sufficiently robust and does not crystallize for a longer time. Thus, in one embodiment of the present invention, a nonconductive die is used to forge a metallic glass part.

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。   In one exemplary embodiment, the non-conductive forging tool was formed using a pneumatic piston drive with a 3-1 / 4 inch bore in conjunction with a 0.792F capacitor bank. The MACOR plate was attached to a pneumatic drive that used a guide rod to hold the MACOR plate in parallel.

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。 In one embodiment, such a non-conductive forming device is used to forge a thin plate from a 5 mm diameter amorphous rod made of the Vitreloy-1 variant (Zr 35 Ti 30 Cu 8.25 Be 26.75 ), and two MACOR The plate was attached to a forging setup. The rod was clamped between two copper electrodes at its two ends. Prior to capacitive discharge, 20 psi pressure was applied by a MACOR plate to the rod section between the electrodes. The capacitor bank discharges 93 volts and delivers an energy density of 2100 J / cc to rapidly heat the sample to between Tg and Tm. The rod was formed to soften instantaneously between the MACOR plates by the applied pressure and then cooled by conduction to the plates. The resulting plate shown in FIG. 13 is completely amorphous and has a thickness of 0.45 mm.

(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。
(Conductive forging)
Metal dies are due to their high thermal conductivity and the relative ease with which they can be machined into complex geometries for marginal glass forming alloys or to make parts with complex geometries. Need to be used. However, due to their low electrical resistivity, they are preferably not in contact with the metal glass during capacitive discharge, and current will flow primarily through the die, which will prevent metal glass from being formed, Causes non-uniform heating of the metallic glass at the die interface that will promote partial welding and damage to the die. Therefore, in order to successfully forge with a metal die using RDHF, it is necessary to effectively uncouple the heating phase from the forming phase.

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、
Fi>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。
This is because, in this embodiment, the conductive forged plate is electrically insulated from the capacitive discharge circuit during the discharge process, and after the discharge is completed, the conductive plate rapidly applies a force so that the softened metallic glass is substantially netted. This is accomplished by allowing it to be deformed into a shape. Specifically, according to one embodiment of the present invention, the application of force is
t Fi > τ RC and t FOC
Should start at time t Fi and end at time t FO, where (τ RC ) is the RC time constant of the discharge circuit and (τ C ) crystallizes the metallic glass at the operating temperature. It's time. Typical τ RC values range from 0.1 ms to 10 ms, depending on the capacitor and resistance of the discharge circuit, and typical τ C values depend on the stability of the metallic glass forming liquid to crystallization, The range is from 10 ms to 1000 ms.

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。   An exemplary setup of the present invention is presented in FIG. In this setup, the forged plate (100) cannot contact the metallic glass charge (102) during the discharge process, and the current path from the highly conductive electrode (103) to the metallic glass charge is in place. (104) and is insulated via an insulator (105) or the like. After the discharge process is complete, the forged plate is then activated by an electric / pneumatic mechanism or other suitable high speed drive mechanism (not shown) to rapidly apply force to form the softened metallic glass.

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。 An exemplary setup for a high speed drive mechanism based on electro / pneumatic actuation is shown in FIG. In this exemplary device, the sensor / timer circuit (106) detects the onset and decay of capacitive discharge by measuring the voltage and current in a portion of the discharge circuit (108). The timer is started upon detection of discharge by the sensor of the sensor / timer circuit. After a delay time of τ RC as described in the above inequality, the air valve (110) applies pressure to the softened metallic glass (112) through the forged plate (113) via the air piston (114). Operates on. Again, as discussed above with respect to the forging inequality, the entire process should be completed in a period of less than τ C. It should be understood that this control circuit can be used to control both discharge and pressure application, or pressure can be applied after a discharge is detected. The former takes into account any mechanical time delay of die movement, so it can provide better control as the circuit timing can be selected to allow the force to be applied before or simultaneously with the discharge. . The latter is limited to pressure application after discharge, so any mechanical time delay will add to the total machining time.

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。   Although any suitable material can be used for the components of the RCDF forging device of the present invention, in one exemplary embodiment, the forging plate is not limited to copper, brass, and steel. Highly conductive electrodes can include, but are not limited to, copper and copper / beryllium. Similarly, although any detection and rapid actuation mechanism can be used, some exemplary methods of activating and applying force include, but are not limited to, air, hydraulic, or electrically sensed voltages. / Current and temperature detected by air, hydraulic pressure or electric power.

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。   In one embodiment of the invention, a stainless steel forging die is used to forge metal glass screws. The force is applied by a pneumatic piston with a 3/4 "diameter bore and equipped with a solenoid valve. The control circuit allows the circuit to be programmed with a coil such as a Rogowski coil as a current sensor. Consists of a microcontroller chip and a transistor, such as a Darlington transistor, that drives a solenoid.Before discharge, the die remains separated from the metallic glass.When discharge begins, a voltage is developed across the coil. Is amplified through an operational amplifier and fed to the microcontroller, which is programmed to hold the voltage for a period of time (a few milliseconds) before sending the voltage to the transistor. Open and urge the piston to move the forging die against the heated metal glass Make it.

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。 To forge 10-32 screws from a 5 mm diameter rod of metallic glass (Zr 35 Ti 30 Cu 8.25 Be 26.75 ), two stainless steel dies were configured and aligned in the forging tool as described above. A 3.8 cm long BMG rod was clamped between two copper electrodes and heated with a current pulse generated using a capacitor bank with a 0.792 F capacitor. The capacitor bank was charged to 94 volts and delivered an energy density of 2100 J / cc. The tank connected to the solenoid valve was pressurized to 80 psi. The control circuit was programmed to start as soon as any current was detected. The resulting screw is shown in FIGS. 16a to 16c.

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。 The screw is formed with extremely high accuracy. Inspection of the tread in a scanning electron microscope reveals that the material has preferably replicated a mold around the thread. The threading of the forged metallic glass appeared to be at least as accurate as stainless steel 10-32 screws, which were machined rather than forged as shown in FIGS. 17a to 17c. Small flashings can be formed during forging when some material inevitably flows out of the cavities between the closure plates. The flushing can be removed by polishing or cut using a saw. The removal of the flushing along with a small amount of threading does not change the operation of the screw.

(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。
(Equivalence)
The foregoing examples and description of various preferred embodiments of the present invention are merely illustrative of the present invention as a whole, and steps of the present invention and variations of various components are within the spirit and scope of the present invention. Those skilled in the art will understand that this can be done within. For example, additional processing steps or alternative configurations do not affect the improved characteristics of the rapid capacitor discharge forming method / apparatus of the present invention and do not result in a method / apparatus that is not suitable for its intended purpose. Will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the invention is not limited to the specific embodiments described herein, but rather is defined by the scope of the appended claims.

Claims (36)

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実質的に均一な断面を有するアモルファス材料の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加工温度まで前記サンプルの全体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放電を中断して変形力を加え、前記加熱されたサンプルが依然として前記アモルファス材料のガラス転移温度と前記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と、
前記アモルファス材料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。
A method of rapidly heating and forging amorphous material using rapid capacitor discharge,
Providing a sample of amorphous material having a substantially uniform cross section between at least two forged plates;
Uniformly discharging electrical energy quanta across the sample to uniformly heat the entire sample to a processing temperature between the glass transition temperature and the equilibrium melting point of the amorphous material;
Discharge is interrupted through the at least two forging plates to apply a deformation force and the heated sample is still heated while it is at a temperature between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point. Forming a sample into an amorphous product,
Cooling the product to a temperature below the glass transition temperature of the amorphous material.
前記アモルファス材料が、温度と共に増加しない抵抗率を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the amorphous material has a resistivity that does not increase with temperature. 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。   The method of claim 1, wherein the temperature of the sample is increased at a rate of at least 500 K / sec. 前記アモルファス材料が、約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、及び約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。 The amorphous material has a relative change in resistivity per unit of temperature change (S) not greater than about 1 × 10 −4 ° C. −1 and a resistivity (ρ 0 ) at room temperature of about 80 to 300 μΩcm; The method according to claim 1. 前記電気エネルギー量子が、少なくとも約100ジュール及び約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。   The method of claim 1, wherein the electrical energy quantum is a discharge time constant of at least about 100 Joules and between about 10 μsec to 10 ms. 前記加工温度が、前記アモルファス材料のガラス転移温度と前記合金の平衡融点との間の略中間である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the processing temperature is approximately between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point of the alloy. 前記加工温度が、前記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、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the processing temperature is such that the viscosity of the heated amorphous material is about 1 to 10 4 Pas-sec. 前記サンプルには実質的に欠陥がない、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the sample is substantially free of defects. 前記アモルファス材料が、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。   The amorphous material is an alloy based on an elemental metal selected from the group consisting of Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni, and Cu. The method described. 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、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1に記載の方法。   Discharging the electrical energy quanta generates an electric field 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 charge, The method of claim 1. 前記鍛造プレートが非伝導性である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the forged plate is non-conductive. 前記鍛造プレートが伝導性である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the forged plate is conductive. 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12に記載の方法。   13. The step of discharging the electrical energy quanta is performed through at least two electrodes connected to both ends of the sample, and the electrodes do not contact the forging plate. Method. 成形力の印加が、
Fi>τRC及びtF0<τC
であるような時間tFiで始まって時間tF0で終わり、式中(τRC)は前記放電のRC時定数であり、(τC)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、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
Applying molding force
t Fi > τ RC and t F0C
Starting at time t Fi and ending at time t F0, where (τ RC ) is the RC time constant of the discharge and (τ C ) is the time for the metallic glass to crystallize at the processing temperature. The method of claim 12, wherein:
前記変形力が、前記加熱された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印加される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the deforming force is applied to deform the heated sample at a sufficiently slow rate to avoid high Weber number flow. 前記サンプルの加熱及び成形が、約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。   The method of claim 1, wherein the heating and shaping of the sample is completed in a time of about 100 μs to 1 second. アモルファス材料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、 実質的に均一な断面を有するアモルファス材料のサンプルと、
電気エネルギー源と、
前記電気エネルギー源をアモルファス材料の前記サンプルに相互接続し、実質的に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、
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、
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、
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アモルファス材料のガラス転移温度と前記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。
A rapid capacitor discharge device for rapidly heating and forging an amorphous material comprising a sample of an amorphous material having a substantially uniform cross section;
An electrical energy source;
Interconnecting the electrical energy source to the sample of amorphous material, and at least two electrodes attached to the sample such that a substantially uniform connection is formed between the sample;
A forging tool comprising at least two forging plates arranged in a formable relationship with the sample;
A timing circuit in signal communication with the electrical energy source and the forging tool;
With
The electrical energy source can discharge electrical energy quanta sufficient to uniformly heat the entire sample to a processing temperature between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point of the alloy; The forging tool can apply sufficient deformation force to form the heated sample into a net shape product, and the timing circuit detects the discharge of the electrical energy and activates the forging tool And applying a deformation force to the heated sample through the at least two forging plates.
前記タイミング回路が、前記電気エネルギーの放電と同時に前記力を加えるように構成される、ことを特徴とする請求項17に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the timing circuit is configured to apply the force simultaneously with the discharging of the electrical energy. 前記タイミング回路が、前記電気エネルギーの放電後に前記力を加えるように構成される、ことを特徴とする請求項17に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the timing circuit is configured to apply the force after the electrical energy is discharged. 前記タイミング回路が、前記成形力を加えるように構成され、該成形力の印加は、
Fi>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)は前記放電のRC時定数であり、(τC)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、ことを特徴とする請求項17に記載の装置。
The timing circuit is configured to apply the molding force, and the application of the molding force is:
t Fi > τ RC and t F0C
And starts at time t Fi and ends at time t F0 , where (τ RC ) is the RC time constant of the discharge and (τ C ) crystallizes the metallic glass at the processing temperature. The apparatus of claim 17, wherein the apparatus is time.
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17に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the timing circuit includes a Rogowski coil, a microcontroller chip, a Darlington transistor, and a solenoid valve. 前記成形ツールが、好ましくは前記アモルファス材料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17に記載の装置。   18. The apparatus of claim 17, wherein the forming tool further comprises a temperature controlled heating element for heating the tool, preferably to a temperature around the glass transition temperature of the amorphous material. 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17に記載の装置。   18. The apparatus of claim 17, further comprising either one of a pneumatic or magnetic drive system in operable relationship with the forming tool to apply the deformation force to the sample. 前記アモルファス材料が、温度と共に増加しない抵抗率を有する、ことを特徴とする請求項17に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the amorphous material has a resistivity that does not increase with temperature. 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17に記載の装置。   The apparatus of claim 17, wherein the temperature of the sample increases at a rate of at least 500 K / sec. 前記アモルファス材料が、約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、及び約80から300μΩcmの間の室温での抵抗率(ρ0)を有する、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。 The amorphous material has a relative change in resistivity per unit of temperature change (S) not greater than about 1 × 10 −4 ° C. −1 and a resistivity at room temperature (ρ 0 ) between about 80 and 300 μΩcm. The method of claim 17, comprising: 前記電気エネルギー量子が、少なくとも約100ジュール及び約10μ秒から10msの時定数である、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the electrical energy quantum has a time constant of at least about 100 Joules and about 10 μs to 10 ms. 前記加工温度が、前記アモルファス材料のガラス転移温度と前記合金の平衡融点との間の略中間である、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the processing temperature is approximately between the glass transition temperature of the amorphous material and the equilibrium melting point of the alloy. 前記加工温度が、前記加熱されたアモルファス材料の前記粘度が約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17に記載の装置。 18. The apparatus of claim 17, wherein the processing temperature is such that the viscosity of the heated amorphous material is about 1 to 10 < 4 > Pas-sec. 前記サンプルには実質的に欠陥がない、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the sample is substantially free of defects. 前記アモルファス材料が、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合金である、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。   18. The amorphous material is an alloy based on an elemental metal selected from the group consisting of Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Al, Mg, Ti, Ni, and Cu. The method described. 前記加熱されたサンプルが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、放電中に表面電荷の歪み速度又は変位速度を制御するコントローラを更に備える、ことを特徴とする請求項17に記載の方法。   A controller for controlling a surface charge strain rate or displacement rate during discharge so that the heated sample deforms at a sufficiently slow rate to avoid high Weber number flow. Item 18. The method according to Item 17. 前記装置が、約100μ秒から約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17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the device is capable of forming the product from the sample at the room temperature in a time of about 100 μs to about 1 second. 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、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17に記載の方法。   The electrical energy source generates an electric field in the sample, and an electromagnetic skin depth of the generated dynamic electric field is large compared to a charge radius, width, thickness, and length. 18. The method according to 17. 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17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the at least two forged plates are conductive. 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35に記載の方法。   36. The method of claim 35, wherein the electrode does not contact the forging plate.
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