JP6040251B2 - Injection molding of amorphous alloys using an injection molding system - Google Patents

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Description

本開示は、全体としてアモルファス合金を含む溶融可能材料の溶融及び成形のためのシステム及び方法に関する。   The present disclosure relates to systems and methods for melting and forming meltable materials including amorphous alloys as a whole.

溶融金属材料の成形には、様々な方法が使用されている。例えば、ダイカストは一般に、高圧下で溶融金属を金型に注入することを含む。溶融金属を金型に注入するのに使用される典型的な方法には、コールドチャンバとホットチャンバの2つがある。ホットチャンバ方法では、低融点合金をグースネック供給システム内で使用し、注入機構は溶融金属槽に浸漬される。一方、コールドチャンバ方法では、高融点合金(例えばアルミニウム合金)を使用することができ、るつぼ中で溶融させてから、コールドチャンバに注入することができる。コールドチャンバの幾つかのバリエーションとしては、高圧鋳造法及び半溶融鋳造法が挙げられる。   Various methods are used for forming the molten metal material. For example, die casting generally involves injecting molten metal into a mold under high pressure. There are two typical methods used to inject molten metal into a mold: a cold chamber and a hot chamber. In the hot chamber method, a low melting point alloy is used in the gooseneck supply system and the injection mechanism is immersed in a molten metal bath. On the other hand, in the cold chamber method, a high melting point alloy (for example, an aluminum alloy) can be used, which can be melted in a crucible and then injected into the cold chamber. Some variations of the cold chamber include high pressure casting and semi-molten casting.

材料を形成及び鋳造する別の方法は、「金属射出成形」、すなわちMIMと呼ばれ、この方法では特定の金属の顆粒を結合剤と混合し、成形してから、結合剤を取り除き、焼結させる。   Another method of forming and casting the material is called “metal injection molding”, or MIM, in which specific metal granules are mixed with a binder and molded before the binder is removed and sintered. Let

本開示の一態様は、内部に受容した溶融可能材料を溶融させるように構成された溶融ゾーンと、溶融した材料をその溶融ゾーンから金型内に射出するように構成されたプランジャロッドと、を有する射出成形システムを提供し、このプランジャロッドと溶融ゾーンは、インラインかつ水平軸上に設けられ、これによりプランジャロッドは溶融ゾーンを通って水平方向に移動し、溶融した材料を金型内に移動させる。   One aspect of the present disclosure includes a melting zone configured to melt a meltable material received therein, and a plunger rod configured to inject the molten material from the melting zone into a mold. This plunger rod and melting zone is provided in-line and on a horizontal axis so that the plunger rod moves horizontally through the melting zone and moves the molten material into the mold Let

本開示の別の一態様は、溶融可能材料を受容し、かつ材料を内部で溶融するように構成された本体を有する容器と、溶融した材料を容器から、移送スリーブを通って金型内に移動させるように構成されたプランジャロッドと、を有する射出成形システムを提供し、このプランジャロッド、容器、及び移送スリーブは、インラインかつ水平軸上に設けられ、これによりプランジャロッドは容器を通って水平方向に移動し、溶融した材料を移送スリーブに移動させる。   Another aspect of the present disclosure includes a container having a body configured to receive a meltable material and to melt the material therein, and the molten material from the container through the transfer sleeve and into the mold. An injection molding system having a plunger rod configured to move, wherein the plunger rod, the container, and the transfer sleeve are provided in-line and on a horizontal axis, whereby the plunger rod is horizontal through the container. Move in the direction and move the molten material to the transfer sleeve.

本開示の更に別の一態様は、温度調節された容器、誘導源、真空金型、及びプランジャロッドを有する射出成形システムを提供する。この温度調節された容器は、内部でアモルファス合金材料を受容し、かつアモルファス合金材料を内部で溶融させるように構成された本体を有し、並びに、その容器の温度を調節するために、液体を内部で流すように構成された1本以上の温度調節管を有する。誘導源は、温度調節された容器に隣接して配置され、アモルファス合金材料を溶融するように構成される。真空金型は、入口を介して溶融アモルファス合金を受容するように構成され、かつ溶融アモルファス合金材料を減圧下で成形するように構成される。プランジャロッドは、温度調節された容器の本体から真空金型内に、溶融アモルファス合金材料を射出するように構成される。温度調節された容器、真空金型の入口、及びプランジャロッドは、インラインかつ水平軸上に設けられ、これによりプランジャロッドは、温度調節された容器の本体を通って水平方向に移動し、溶融した材料を、温度調節された容器から、入口を介して真空金型内に射出する。   Yet another aspect of the present disclosure provides an injection molding system having a temperature controlled container, an induction source, a vacuum mold, and a plunger rod. The temperature controlled container has a body configured to receive the amorphous alloy material therein and to melt the amorphous alloy material therein, and to adjust the temperature of the container. It has one or more temperature control tubes configured to flow inside. The induction source is disposed adjacent to the temperature controlled container and is configured to melt the amorphous alloy material. The vacuum mold is configured to receive the molten amorphous alloy through the inlet and is configured to mold the molten amorphous alloy material under reduced pressure. The plunger rod is configured to inject molten amorphous alloy material from a temperature-controlled container body into a vacuum mold. The temperature-controlled container, vacuum mold inlet, and plunger rod are provided in-line and on a horizontal axis so that the plunger rod moves horizontally through the body of the temperature-controlled container and melts. Material is injected from the temperature controlled container into the vacuum mold via the inlet.

本開示の他の特徴及び利点は、下記の「発明を実施するための形態」、それに伴う図面、及び添付の請求項から明らかとなろう。   Other features and advantages of the disclosure will be apparent from the following Detailed Description, the accompanying drawings, and the appended claims.

一実施形態による例示的射出成形システムの概略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary injection molding system according to one embodiment. FIG.

一実施形態による図1のシステムの溶融ゾーンに使用できる容器及び誘導源である。2 is a container and induction source that can be used in the melting zone of the system of FIG. 1 according to one embodiment.

一実施形態による図1のシステムと共に使用できる真空金型の平面図である。FIG. 2 is a plan view of a vacuum mold that can be used with the system of FIG. 1 according to one embodiment. 一実施形態による図1のシステムと共に使用できる真空金型の断面図(図3の線4−4に沿った断面)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (cross section taken along line 4-4 of FIG. 3) of a vacuum mold that can be used with the system of FIG. 1 according to one embodiment.

例示的なバルク凝固アモルファス合金の温度−粘度図である。FIG. 3 is a temperature-viscosity diagram of an exemplary bulk solidified amorphous alloy.

例示的なバルク凝固アモルファス合金に関する、時間−温度−変態(TTT)図の概略図である。1 is a schematic diagram of a time-temperature-transformation (TTT) diagram for an exemplary bulk solidified amorphous alloy. FIG.

本明細書に記述される方法、技法、及び装置は、記述されている実施形態を限定することを意図したものではない。本明細書に引用される全ての刊行物、特許、及び特許出願は、その全体が、参照により本明細書に組み込まれる。   The methods, techniques, and apparatus described herein are not intended to limit the described embodiments. All publications, patents, and patent applications cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.

冠詞「a」及び「an」は、本明細書では、1つ又は2つ以上(すなわち、少なくとも1つ)の、その冠詞の文法的対象語を指すために使用される。例として、「ポリマー樹脂(a polymer resin)」は、1つのポリマー樹脂又は2つ以上のポリマー樹脂を意味する。本明細書に記載されるいずれの範囲も、包括的である。本明細書の全体を通して使用される、用語「実質的に」及び「約」は、小規模な変動を記述及び説明するために使用される。例えば、それらの用語は、±2%以下など、±1%以下など、±0.5%以下など、±0.2%以下など、±0.1%以下など、±0.05%以下などの、±5%以下を指すことができる。   The articles “a” and “an” are used herein to refer to one or more (ie, at least one) grammatical objects of the article. By way of example, “a polymer resin” means one polymer resin or more than one polymer resin. Any ranges set forth herein are inclusive. As used throughout this specification, the terms “substantially” and “about” are used to describe and explain minor variations. For example, the terms are ± 2% or less, ± 1% or less, ± 0.5% or less, ± 0.2% or less, ± 0.1% or less, ± 0.05% or less, etc. Of ± 5% or less.

本明細書に開示されるように、システム(又は装置若しくは機械)は、材料(例えばアモルファス合金)の射出成形を実施するように構成される。このシステムは、高融解温度で溶融させてから、その溶融した材料を金型に注入してダイカストを行うことにより、そのような材料又は合金を加工するように構成される。下記で詳しく述べられるように、このシステムの部品は互いにインラインに配置される。幾つかの実施形態により、このシステムの部品(又はこのシステムへのアクセス)は、水平軸に沿っている。   As disclosed herein, a system (or apparatus or machine) is configured to perform injection molding of a material (eg, an amorphous alloy). The system is configured to process such materials or alloys by melting at a high melting temperature and then pouring the molten material into a mold and die casting. As will be described in detail below, the components of this system are placed in-line with each other. According to some embodiments, the components of the system (or access to the system) are along a horizontal axis.

図1は、そのような例示的システムの概略図を示す。より具体的には、図1は射出成形システム10を示す。一実施形態により、射出成形システム10は、内部に受容した溶融可能材料を溶融するように構成された溶融ゾーン12と、溶融した材料を溶融ゾーン12から金型16内に射出するように構成された少なくとも1本のプランジャロッド14と、を有する。少なくとも、プランジャロッド14及び溶融ゾーン12はインラインかつ水平軸(例えばX軸)上に設けられ、これによりプランジャロッド14は実質的に溶融ゾーン12を通って水平方向に(例えばX軸に沿って)移動し、溶融材料を金型16内に移動させる。この金型は、溶融ゾーンに隣接して配置され得る。   FIG. 1 shows a schematic diagram of such an exemplary system. More specifically, FIG. 1 shows an injection molding system 10. According to one embodiment, the injection molding system 10 is configured to inject a molten zone 12 configured to melt the meltable material received therein and the molten material from the melting zone 12 into the mold 16. And at least one plunger rod 14. At least the plunger rod 14 and the melting zone 12 are provided in-line and on a horizontal axis (eg, the X axis) so that the plunger rod 14 is substantially horizontally through the melting zone 12 (eg, along the X axis). The molten material is moved into the mold 16. The mold can be placed adjacent to the melting zone.

溶融可能材料は、任意の数の形態で溶融ゾーンに受容され得る。例えば、溶融可能材料は、インゴット(固体状態)、半溶融状態、予熱されたスラリー、粉末、ペレットなどの形態で溶融ゾーン12に供給されてもよい。幾つかの実施形態において、装入ポート(例えばインゴット装入ポート18の図示例)が、射出成形システム10の一部として設けられてもよい。装入ポート18は、任意の数の場所で装置内に設けられた別々の開口部又は領域であってもよい。一実施形態において、装入ポート18は、装置の1つ以上の部分を通過する経路であり得る。例えば、材料(例えばインゴット)は、プランジャ14によって容器20内に水平方向に挿入することができ、あるいは、射出システム10の金型側から水平方向に挿入することができる(例えば、金型16を通って、及び/又は移送スリーブ30を通って、容器20内へ)。他の実施形態において、溶融可能材料は、他の方法及び/又は他の装置を用いて(例えば射出システムの反対側を通して)溶融ゾーン12内に供給することができる。   The meltable material can be received in the melting zone in any number of forms. For example, the meltable material may be supplied to the melting zone 12 in the form of an ingot (solid state), semi-molten state, preheated slurry, powder, pellets, and the like. In some embodiments, a charging port (eg, the illustrated example of the ingot charging port 18) may be provided as part of the injection molding system 10. The charging port 18 may be a separate opening or region provided in the device at any number of locations. In one embodiment, the input port 18 may be a path through one or more parts of the device. For example, the material (eg, ingot) can be inserted horizontally into the container 20 by the plunger 14 or can be inserted horizontally from the mold side of the injection system 10 (eg, the mold 16 Through and / or through the transfer sleeve 30 into the container 20). In other embodiments, the meltable material can be fed into the melting zone 12 using other methods and / or other devices (eg, through the opposite side of the injection system).

溶融ゾーン12は、溶融可能材料を受容し、かつその材料が溶融状態に加熱された際にそれを保持するように構成された溶融機構を有する。溶融機構は、例えば容器20の形態であってよく、これは溶融可能材料を受容し、かつ材料を内部で溶融させるように構成された本体22を有し得る。図2は、溶融可能材料を内部で溶融させるための本体22(又はベース)を含む容器20の例示的概略図を示す。本開示全体で使用されている容器は、物質を高温に加熱するために採用された材料で製造された容器である。例えば、一実施形態において、この容器はるつぼであってよく、例えばボート形るつぼ、又はスカルるつぼであり得る。一実施形態において、容器20は、減圧下(例えば真空装置38又はポンプによってかけられる)で溶融可能材料用に利用できるように構成される低温炉床溶融装置である。一実施形態において、下記に詳しく述べられるように、この容器は温度調節された容器である。   Melting zone 12 has a melting mechanism configured to receive a meltable material and hold it as it is heated to a molten state. The melting mechanism may be, for example, in the form of a container 20, which may have a body 22 configured to receive a meltable material and to melt the material therein. FIG. 2 shows an exemplary schematic of a container 20 that includes a body 22 (or base) for melting meltable material therein. The containers used throughout this disclosure are containers made of materials that have been employed to heat substances to high temperatures. For example, in one embodiment, the container may be a crucible, such as a boat crucible or a skull crucible. In one embodiment, the vessel 20 is a cryogenic hearth melting device that is configured to be available for meltable material under reduced pressure (eg, applied by a vacuum device 38 or a pump). In one embodiment, as described in detail below, the container is a temperature controlled container.

容器20はまた、本体の受容部分又は溶融部分24内に材料(例えば原材料)を投入するための入口も有し得る。図2に示される実施形態において、容器20の本体22は、実質的にU字形の構造を含む。ただし、この図示されている形状は、限定を意味するものではない。容器20は、任意の数の形状又は構成を含み得る。容器の本体22は、ある長さを有し、長手かつ水平方向に延在していてよく、これにより溶融した材料がプランジャ14を用いてここから水平方向に移送される。例えば、この本体は、そこから垂直に延在する側壁を備えた底部を含み得る。加熱又は溶融のための材料は、容器の溶融部分24に受容することができる。溶融部分24は、溶融される溶融可能材料を内部に受容するように構成される。例えば、溶融部分24は材料を受容するための表面を有する。容器20は、送達のための射出システムの1つ以上の装置(例えば装入ポート及びプランジャ)を使用して溶融部分24内に材料(例えばインゴットの形態)を受容することができる。   The container 20 may also have an inlet for introducing material (eg, raw material) into the receiving or melting portion 24 of the body. In the embodiment shown in FIG. 2, the body 22 of the container 20 includes a substantially U-shaped structure. However, this illustrated shape is not meant to be limiting. The container 20 can include any number of shapes or configurations. The container body 22 may have a length and extend longitudinally and horizontally so that molten material is transported horizontally therefrom using the plunger 14. For example, the body can include a bottom with sidewalls extending vertically therefrom. The material for heating or melting can be received in the molten portion 24 of the container. The melted portion 24 is configured to receive meltable material to be melted therein. For example, the molten portion 24 has a surface for receiving material. The container 20 can receive material (eg, in the form of an ingot) within the melted portion 24 using one or more devices (eg, a loading port and a plunger) of the injection system for delivery.

一実施形態において、本体22及び/又はその溶融部分24は、実質的に丸みのある及び/又は滑らかな表面を有し得る。例えば、溶融部分24の表面は、円弧形状に形成することができる。ただし、本体22の形状及び/又は表面は、限定を意味したものではない。本体22は、一体型構造であってよく、又は一緒に接合若しくは機械加工された別個の部品から形成されていてもよい。本体22は、任意の数の材料(例えば銅、銀)から形成されてもよく、これには1つ以上のコーティング、及び/又は構成若しくは設計が挙げられる。一実施形態において、容器20の本体22は、溶融可能材料/溶融した材料に混入物を放出又は移行させない材料で形成される。例えば、1つ以上の表面は、内部に凹部又は溝を有してもよい。   In one embodiment, the body 22 and / or its melted portion 24 can have a substantially rounded and / or smooth surface. For example, the surface of the melted portion 24 can be formed in an arc shape. However, the shape and / or surface of the main body 22 are not meant to be limiting. The body 22 may be a unitary structure or may be formed from separate parts that are joined or machined together. The body 22 may be formed from any number of materials (eg, copper, silver), including one or more coatings and / or configurations or designs. In one embodiment, the body 22 of the container 20 is formed of a meltable material / material that does not release or migrate contaminants into the molten material. For example, one or more surfaces may have a recess or groove therein.

容器20の本体22は、溶融した材料を移動させるために、プランジャロッドを、内部を通じて水平方向に受容するように構成され得る。すなわち、一実施形態において、溶融機構はプランジャロッドと同じ軸上にあり、本体は、このプランジャロッドの少なくとも一部分を受容するような構成及び/又は寸法にすることができる。よって、プランジャロッド14は、実質的に容器20内を通じて移動することにより、溶融した材料(加熱/溶融後)を容器から金型16内に移動させるように構成することができる。図1に図示されているシステム10の実施形態を参照し、例えば、プランジャロッド14は、容器20の本体22を通じて、右から左に向かって水平方向に動き、溶融した材料を金型16に向かって移動させ押し出す。   The body 22 of the container 20 may be configured to receive a plunger rod horizontally through the interior for moving the molten material. That is, in one embodiment, the melting mechanism is on the same axis as the plunger rod, and the body can be configured and / or dimensioned to receive at least a portion of the plunger rod. Thus, the plunger rod 14 can be configured to move the melted material (after heating / melting) from the container into the mold 16 by moving substantially through the container 20. Referring to the embodiment of the system 10 illustrated in FIG. 1, for example, the plunger rod 14 moves horizontally from right to left through the body 22 of the container 20 to move the molten material toward the mold 16. Move and push out.

溶融ゾーン12を加熱して、容器20に受容した溶融可能材料を溶融させるために、射出システム10には、その溶融可能材料を加熱し、溶融するのに使用する熱源も含まれる。本体22自体の実質的に全体ではなくとも、少なくとも容器の溶融部分24は、内部に受容した材料を溶融させるべく、加熱されるように構成される。加熱は、例えば、溶融可能材料を溶融するように構成された、溶融ゾーン12内に配置された誘導源26を使用して達成される。一実施形態において、誘導源26は容器20の本体22に隣接して配置される。例えば、図2に示されるように、誘導源26は、実質的に、本体22の一定の長さにわたってその周囲に、螺旋状に配置されたコイルの形状であり得る。したがって、容器20は、電源供給又は電源28を用いて、誘導源/コイル26に電力を供給することにより、溶融部分24内の溶融可能材料(例えば挿入されたインゴット)を電磁誘導により溶融させるように構成される。誘導コイル26は、容器20を溶融させて濡らすことなしに、容器20に収容されている任意の材料を加熱し、溶融させるように構成される。誘導コイル26は容器20に対して無線周波数(RF)波を放射する。図示されているように、本体22と、容器20を取り巻くコイル26は、水平軸(例えばX軸)に沿って水平方向に配置されるように構成され得る。   In order to heat the meltable zone 12 to melt the meltable material received in the container 20, the injection system 10 also includes a heat source that is used to heat and melt the meltable material. At least the molten portion 24 of the container, if not substantially the entire body 22 itself, is configured to be heated to melt the material received therein. Heating is accomplished, for example, using an induction source 26 disposed in the melting zone 12 that is configured to melt the meltable material. In one embodiment, the induction source 26 is disposed adjacent to the body 22 of the container 20. For example, as shown in FIG. 2, the induction source 26 may be substantially in the form of a coil disposed in a spiral around its length over a length of the body 22. Thus, the container 20 uses a power supply or power supply 28 to power the induction source / coil 26 to melt the meltable material (eg, the inserted ingot) in the melted portion 24 by electromagnetic induction. Configured. Induction coil 26 is configured to heat and melt any material contained in container 20 without melting and wetting container 20. The induction coil 26 radiates radio frequency (RF) waves to the container 20. As shown, the body 22 and the coil 26 surrounding the container 20 can be configured to be arranged horizontally along a horizontal axis (eg, the X axis).

一実施形態において、容器20は温度調節された容器である。そのような容器は、1本以上の温度調節管(例えば図2に示されている冷却管25)を含み得、これは、容器の温度を調節する(例えば容器を強制的に冷やす)ために、液体(例えば水又はその他の流体)を内部に流すように構成される。そのような強制冷却されたるつぼはまた、プランジャロッドと同じ軸上に設けられてもよい。冷却管25は、容器20の本体12自体が過剰に加熱して溶融するのを防ぐのに役立つ。冷却管25は、溶融している/溶融した材料(例えば溶融したアモルファス合金)の濡れを抑える温度に、この容器を維持するのに役立つ。冷却管は、容器内の液体の流れを誘導するように構成された冷却システムに接続することができる。冷却管25は、液体又は流体がその内部を通じて流れるための1つ以上の入口及び出口を含み得る。この冷却管の入口及び出口は、任意の数の方法で構成することができ、限定を意味したものではない。例えば、冷却管25は、中の材料が溶融して容器温度が調節されるように(すなわち、熱が吸収され、かつ容器が冷却されるように)、溶融部分24に対して配置されてもよい。例えば、図2に図示されている実施形態において、ある長さを有し、長手方向に延在するボート形又はるつぼ型の容器について、その溶融部分24もまた長手方向に延在し得る。一実施形態により、冷却管25は、溶融部分24に対して長手方向に配置され得る。例えば、冷却管25は、本体22の底部(例えば材料受容表面の下方)に配置することができる。別の一実施形態において、冷却管25は、水平方向又は横方向に配置され得る。冷却管25の数、配置及び/又は方向は限定されるべきではない。冷却液体又は冷却流体は、誘導源26が通電されているときに、溶融可能材料の溶融中に冷却管25を流れるように構成されてもよい。   In one embodiment, the container 20 is a temperature controlled container. Such a container may include one or more temperature control tubes (eg, the cooling tube 25 shown in FIG. 2), which is used to adjust the temperature of the container (eg, to force the container to cool). , Configured to flow a liquid (eg, water or other fluid) through the interior. Such a forced cooled crucible may also be provided on the same axis as the plunger rod. The cooling pipe 25 serves to prevent the body 12 itself of the container 20 from overheating and melting. The cooling tube 25 serves to maintain the container at a temperature that prevents wetting of the molten / molten material (eg, molten amorphous alloy). The cooling tube can be connected to a cooling system configured to direct the flow of liquid within the container. The cooling tube 25 may include one or more inlets and outlets for liquid or fluid to flow therethrough. The inlet and outlet of the cooling pipe can be configured in any number of ways and is not meant to be limiting. For example, the cooling tube 25 may be disposed relative to the melted portion 24 so that the material therein melts and the container temperature is adjusted (ie, heat is absorbed and the container is cooled). Good. For example, in the embodiment illustrated in FIG. 2, for a boat or crucible container having a length and extending in the longitudinal direction, the molten portion 24 may also extend in the longitudinal direction. According to one embodiment, the cooling tube 25 may be disposed longitudinally with respect to the melted portion 24. For example, the cooling tube 25 can be located at the bottom of the body 22 (eg, below the material receiving surface). In another embodiment, the cooling tubes 25 can be arranged in a horizontal or lateral direction. The number, arrangement and / or orientation of the cooling tubes 25 should not be limited. The cooling liquid or cooling fluid may be configured to flow through the cooling tube 25 during melting of the meltable material when the induction source 26 is energized.

材料が容器20内で溶融された、プランジャ14を使用して、その溶融した材料を、物体、部品又は構成片へと成形するために、容器20から金型16内に押し出すことができる。溶融可能材料が合金(例えばアモルファス合金)である場合において、金型16は、成形されたバルクアモルファス合金の物体、部品又は構成片を形成するように構成される。金型16は、それを通じて溶融した材料を受容するための入口を有する。容器20の出口と金型16の入口は、インラインかつ水平軸上に設けることができ、これによりプランジャロッド14は、容器の本体22を通って水平方向に移動し、溶融した材料を、金型16の入口を介して金型内に射出する。   The plunger 14 with the material melted in the container 20 can be extruded from the container 20 into the mold 16 to form the molten material into an object, part or component. In the case where the meltable material is an alloy (eg, an amorphous alloy), the mold 16 is configured to form a shaped bulk amorphous alloy object, part or component. Mold 16 has an inlet for receiving molten material therethrough. The outlet of the container 20 and the inlet of the mold 16 can be provided inline and on a horizontal axis so that the plunger rod 14 moves horizontally through the body 22 of the container and the molten material is transferred to the mold. Injection into the mold through 16 inlets.

前述のように、金属又は合金などの材料を成形するのに使用される射出成形システム10などのシステムは、金型又はダイキャビティ内に溶融した材料を押し出す際に、真空を利用することができる。射出成形システム10は、少なくとも溶融ゾーン12及び金型16を減圧するように構成される、少なくとも1つの真空源38又はポンプを更に含み得る。材料を内部で溶融し、移動又は移送し、かつ成形するのに使用される、射出成形システム10の少なくとも部分を減圧してもよい。例えば容器20、移送スリーブ30、及びプランジャロッド14は、すべて減圧下であってよく、及び/又は真空チャンバ内で密閉されていてもよい。   As mentioned above, systems such as the injection molding system 10 used to mold materials such as metals or alloys can utilize a vacuum when extruding molten material into a mold or die cavity. . The injection molding system 10 may further include at least one vacuum source 38 or pump configured to depressurize at least the melting zone 12 and the mold 16. At least a portion of the injection molding system 10 used to melt, move or transfer and mold the material therein may be depressurized. For example, the container 20, the transfer sleeve 30, and the plunger rod 14 may all be under reduced pressure and / or may be sealed in a vacuum chamber.

一実施形態において、金型16は、材料を成形する際に内部の減圧を(例えば弁33により)調節するように構成された密閉構造である真空金型である。図3及び4は、射出成形システム10と共に使用可能な真空金型16の一実施形態を示す。例えば、一実施形態において、真空金型16は、互いに隣接して(それぞれ)配置された、第1プレート32(「A」金型又は「A」プレートとも呼ばれる)、第2プレート34(「B」金型又は「B」プレートとも呼ばれる)、及び真空イジェクタボックス36を含む。第1プレート32及び第2プレート34はそれぞれ、それらの間で溶融した材料を成形するために、それぞれに伴う金型キャビティ42及び44を有する。図3の代表的な断面図に示されているように、金型キャビティ42及び44は、注入スリーブ30又は移送スリーブを介してその間に受容される溶融した材料を成形するように構成される。金型キャビティ42及び44には、内部で部品を形成及び鋳造するための部品金型キャビティが含まれ得る。   In one embodiment, the mold 16 is a vacuum mold that is a hermetically sealed structure configured to adjust the internal vacuum (eg, by the valve 33) as the material is molded. FIGS. 3 and 4 illustrate one embodiment of a vacuum mold 16 that can be used with the injection molding system 10. For example, in one embodiment, the vacuum mold 16 is a first plate 32 (also referred to as an “A” mold or an “A” plate), a second plate 34 (“B” "Also called a mold or" B "plate), and a vacuum ejector box 36. The first plate 32 and the second plate 34 each have associated mold cavities 42 and 44 for molding the molten material therebetween. As shown in the exemplary cross-sectional view of FIG. 3, mold cavities 42 and 44 are configured to mold the molten material received therebetween through injection sleeve 30 or transfer sleeve. Mold cavities 42 and 44 may include part mold cavities for forming and casting parts therein.

一般に、第1プレート32は、移送スリーブ30に接続することができる。一実施形態によると、プランジャロッド14は、溶融した材料を、容器20から、移送スリーブ20を介して、金型16内に移動させるように構成される。移送スリーブ30(当該技術分野においてコールドスリーブ又は注入スリーブと呼ばれる場合がある)が、溶融ゾーン12と金型16との間に設けられる。移送スリーブ30は開口部を有し、この開口部は、これを通じて溶融した材料を受容し、かつ(プランジャ14を用いて)金型16内に移送するように構成される。その開口部は、水平軸(例えばX軸)に沿って水平方向に設けられてもよい。移送スリーブは、コールドチャンバである必要はない。一実施形態において、少なくともプランジャロッド14、容器20(例えばその受容部分又は溶融部分)、及び移送スリーブ30の開口部は、インラインかつ水平軸上に設けられ、これによりプランジャロッド14は、溶融した材料を移送スリーブ30の開口部内に移動させる(及び、その後通過させる)ために、容器20を通って水平方向に移動できる。   In general, the first plate 32 can be connected to the transfer sleeve 30. According to one embodiment, the plunger rod 14 is configured to move the molten material from the container 20 through the transfer sleeve 20 into the mold 16. A transfer sleeve 30 (sometimes referred to in the art as a cold sleeve or an injection sleeve) is provided between the melting zone 12 and the mold 16. The transfer sleeve 30 has an opening that is configured to receive molten material therethrough and transfer (using the plunger 14) into the mold 16. The opening may be provided in the horizontal direction along the horizontal axis (for example, the X axis). The transfer sleeve need not be a cold chamber. In one embodiment, at least the plunger rod 14, the container 20 (eg, its receiving or melting portion), and the opening of the transfer sleeve 30 are provided on an inline and horizontal axis so that the plunger rod 14 is in a molten material. Can be moved horizontally through the container 20 to move (and subsequently pass) into the opening of the transfer sleeve 30.

図3及び4を参照して、第1プレート32は、溶融した材料が内部に挿入され得るように、金型16の入口を有してもよい。溶融した材料は、移送スリーブ30を通って水平方向に押され、第1プレート32と第2プレート34との間の入口を介して金型キャビティ内に入る。材料の成形中、少なくとも第1プレート32及び第2プレート34は、その間にある材料(例えばアモルファス合金)が少なくとも酸素及び窒素に実質的に暴露しないように構成される。具体的には、プレート32及び34並びに金型キャビティ42及び44内から、大気空気が実質的に排除されるよう減圧される。真空ラインに接続された少なくとも1つの真空源32を使用して、真空金型16の内部を減圧する。例えば、システムの減圧又は減圧レベルは、溶融及びその後の成形サイクル中において、13.3〜0.013Pa(1×10-1〜1×10-4Torr)に維持され得る。別の一実施形態において、この減圧レベルは、溶融及び成形プロセス中において、1.33〜0.013Pa(1×10-2〜約1×10-4Torr)に維持される。当然、他の圧力レベル又は範囲、例えば、0.13μPa(1×10-9Torr)〜約0.13Pa(1×10-3Torr)、及び/又は0.13Pa(1×10-3Torr)〜約13.3Pa(0.1Torr)も使用することができる。 Referring to FIGS. 3 and 4, the first plate 32 may have an inlet for the mold 16 so that molten material can be inserted therein. The molten material is pushed horizontally through the transfer sleeve 30 and enters the mold cavity via an inlet between the first plate 32 and the second plate 34. During molding of the material, at least the first plate 32 and the second plate 34 are configured such that the material in between (eg, an amorphous alloy) is not substantially exposed to at least oxygen and nitrogen. Specifically, the pressure is reduced so that atmospheric air is substantially excluded from the plates 32 and 34 and the mold cavities 42 and 44. The inside of the vacuum mold 16 is depressurized using at least one vacuum source 32 connected to the vacuum line. For example, the vacuum or vacuum level of the system can be maintained at 13.3 to 0.013 Pa (1 × 10 −1 to 1 × 10 −4 Torr) during melting and subsequent molding cycles. In another embodiment, this reduced pressure level is maintained between 1.33 and 0.013 Pa (1 × 10 −2 to about 1 × 10 −4 Torr) during the melting and molding process. Of course, other pressure levels or ranges, for example, 0.13 μPa (1 × 10 −9 Torr) to about 0.13 Pa (1 × 10 −3 Torr), and / or 0.13 Pa (1 × 10 −3 Torr). ˜13.3 Pa (0.1 Torr) can also be used.

真空イジェクタボックス36は、少なくとも第1プレート32及び第2プレート34に隣接して配置される。一実施形態において、イジェクタボックスは密閉され、真空源38(ポンプ)からの減圧により真空シールされているように構成される。一実施形態において、密閉された真空イジェクタボックス36には、少なくとも第1プレート32及び第2プレート34の間の金型キャビティから、成形した(アモルファス合金)材料を外すように構成されたイジェクタ機構46が含まれる。イジェクタ機構46は、密閉された真空イジェクタボックス36、及びボックス36の開放面とシールされたいずれかの隣接するプレート又は境界面の内部で真空シールすることができる。イジェクタ機構46は、一実施形態により、イジェクタプレート66を含み得る。イジェクタプレートは、密閉されたイジェクタボックス内で動き、成形された材料を金型16から外すように構成される。より具体的には、イジェクタプレート66は、それ自体から直線方向に延びる1本以上(複数)のイジェクタピン(図示なし)を有してもよい。イジェクタプレート66が移動すると、イジェクタピンも相対的に移動し、成形された材料を金型16の金型キャビティから外す。このイジェクタ機構は、成形された材料又は部品を外すために作動するように構成される作動機構(図示なし)に関連付けられるか、又は接続される(例えば、プレート32と34との間の減圧が解除された後、第1部品32及び第2部品34が互いからに離れるよう水平方向に移動した後に)。イジェクタピンは、例えば、成形された材料を金型キャビティ44から押し出すように構成することができる。   The vacuum ejector box 36 is disposed adjacent to at least the first plate 32 and the second plate 34. In one embodiment, the ejector box is sealed and configured to be vacuum sealed by reduced pressure from a vacuum source 38 (pump). In one embodiment, the sealed vacuum ejector box 36 includes an ejector mechanism 46 configured to remove molded (amorphous alloy) material from at least the mold cavity between the first plate 32 and the second plate 34. Is included. The ejector mechanism 46 can vacuum seal within a sealed vacuum ejector box 36 and any adjacent plate or interface that is sealed to the open face of the box 36. The ejector mechanism 46 may include an ejector plate 66 according to one embodiment. The ejector plate is configured to move within the sealed ejector box and remove the molded material from the mold 16. More specifically, the ejector plate 66 may have one or more (a plurality of) ejector pins (not shown) extending in a linear direction from itself. As the ejector plate 66 moves, the ejector pins also move relative to remove the molded material from the mold cavity of the mold 16. This ejector mechanism is associated with or connected to an actuating mechanism (not shown) that is configured to actuate to remove molded material or parts (eg, the reduced pressure between plates 32 and 34). After being released, after the first part 32 and the second part 34 have moved horizontally away from each other). The ejector pin can be configured to extrude the molded material from the mold cavity 44, for example.

図3及び4に示されている金型16は、射出成形システム10と共に使用することができる金型16の一例である。別のタイプの金型も採用可能であることが理解されよう。例えば、任意の数の追加プレートを、第1プレートと第2プレートとの間及び/又はこれらに隣接するように設けて、金型を形成することができる。例えば「A」シリーズ、「B」シリーズ、及び/又は「X」シリーズの金型として知られる金型を、射出成形システム10に取り付けることができる。   The mold 16 shown in FIGS. 3 and 4 is an example of a mold 16 that can be used with the injection molding system 10. It will be appreciated that other types of molds may be employed. For example, any number of additional plates can be provided between and / or adjacent to the first plate and the second plate to form the mold. For example, molds known as “A” series, “B” series, and / or “X” series molds may be attached to the injection molding system 10.

一般に、射出成形システム10は、次の方法で操作することができる:射出成形システム10を減圧する。減圧を維持したまま、溶融可能材料(例えばアモルファス合金又はBMG)を供給機構(例えば装入ポート18)に装入し、単一のインゴット(原材料)を装入し、挿入し、容器20の溶融ゾーン12(これは誘導コイル26で取り囲まれている)に受容させる。射出成形装置の「ノズル」ストローク又はプランジャ14を使用して、この材料を、必要に応じて、容器20の溶融部分24内に移動させる。この材料を、誘導プロセスによって加熱する。一実施形態において、射出成形装置は、閉ループシステムを介して温度を制御し、これにより(例えば、温度センサとコントローラを使用して)材料を特定の温度で安定させる。別の一実施形態において、射出成形装置は、開ループシステムを介して温度を制御する。加熱/溶融中に、冷却システムを起動して、容器20の冷却管内に(冷却)液を流すことができる。溶融可能材料を溶融させるための温度に到達し、維持されると、装置は次に、溶融した材料を、容器20から移送スリーブ20を通って真空金型16内に、水平軸に沿って水平方向に(右から左へ)移動させることにより、注入を開始する。これは、プランジャ14を使用して制御可能であり、これはサーボ駆動ドライブ又は水圧駆動を用いて作動させることができる。金型16は、溶融した材料を入口を介して受容するように構成され、かつ、減圧下でその溶融した材料を成形するように構成される。すなわち、溶融した材料は、少なくとも第1プレートと第2プレートとの間の金型キャビティ内に注入されて、金型16で部品を成形する。金型キャビティが充填され始めたら、減圧(真空ライン及び真空源38を介して)を所定の圧力に保持して、溶融した材料を金型キャビティ内の残りの空洞領域に「詰め」、材料を成形することができる。成形プロセスの後(例えば約10〜15秒後)、金型16への減圧を解除する。例えば、この圧力は、真空破壊弁33及び/又は真空ポートを使用して解除することができる。次に金型16を開けて圧力を解除し、部品を大気に暴露する。イジェクタ機構46を作動させて、固化した成形物品を、金型16の少なくとも第1プレートと第2プレートとの間から外す(イジェクタプレート66が、作動装置を介して水平かつ直線方向に動かされ(例えば右に向かって)、金型キャビティから部品を外すのをイジェクタピンが支援する)。この後、プロセスを再び開始することができる。金型16は、少なくとも第1及び第2プレートを互いに近づくように移動させることによって閉じ、これによって第1及び第2プレートを互いに隣接させることができる。プランジャ14を装入位置に引き戻した後、より多くの材料を挿入及び溶融し、別の部品を成形するために、溶融ゾーン12及び金型16は、真空源を介して排気される。   In general, the injection molding system 10 can be operated in the following manner: The injection molding system 10 is depressurized. While maintaining the reduced pressure, a meltable material (eg, amorphous alloy or BMG) is charged into the supply mechanism (eg, charging port 18), a single ingot (raw material) is charged, inserted, and the container 20 is melted. The zone 12 (which is surrounded by an induction coil 26) is received. Using the “nozzle” stroke or plunger 14 of the injection molding apparatus, this material is moved into the molten portion 24 of the container 20 as needed. This material is heated by an induction process. In one embodiment, the injection molding apparatus controls the temperature via a closed loop system, thereby stabilizing the material at a particular temperature (eg, using a temperature sensor and controller). In another embodiment, the injection molding apparatus controls temperature via an open loop system. During heating / melting, the cooling system can be activated to allow (cooling) liquid to flow through the cooling tube of the container 20. Once the temperature for melting the meltable material is reached and maintained, the apparatus then moves the molten material from the container 20 through the transfer sleeve 20 into the vacuum mold 16 and horizontally along the horizontal axis. Infusion is started by moving in the direction (from right to left). This can be controlled using the plunger 14, which can be actuated using a servo driven drive or a hydraulic drive. The mold 16 is configured to receive the molten material through the inlet and is configured to mold the molten material under reduced pressure. That is, the molten material is injected into at least a mold cavity between the first plate and the second plate, and a part is molded by the mold 16. Once the mold cavity begins to fill, hold the vacuum (via the vacuum line and vacuum source 38) at a predetermined pressure to “fill” the molten material into the remaining cavity area within the mold cavity, Can be molded. After the molding process (for example, after about 10 to 15 seconds), the decompression to the mold 16 is released. For example, this pressure can be released using the vacuum break valve 33 and / or the vacuum port. The mold 16 is then opened to release the pressure and the parts are exposed to the atmosphere. The ejector mechanism 46 is operated to remove the solidified molded article from between at least the first plate and the second plate of the mold 16 (the ejector plate 66 is moved in a horizontal and linear direction via the actuator ( (For example, to the right), ejector pins assist in removing the part from the mold cavity). After this, the process can be started again. The mold 16 is closed by moving at least the first and second plates closer together, thereby allowing the first and second plates to be adjacent to each other. After pulling the plunger 14 back into the loading position, the melting zone 12 and the mold 16 are evacuated via a vacuum source to insert and melt more material and to mold another part.

したがって、本明細書に開示される実施形態は、水平軸に沿って少なくとも1本のプランジャロッドとインラインの溶融システムを有する例示的な射出システムを示す。このシステムは、既知のシステムのような、金属を溶融し、その溶融金属をプランジャ空洞/コールドスリーブに注入するための別のチャンバを使用する必要がない。このシステムは、溶融金属槽にプランジャシステムを浸漬する必要がなく、また還元が短縮されるか、又は焼結を必要としない。更に、原材料/挿入された材料及び最終成形部品の体積をより正確に制御し、熱損失を低減する。システム10は、低酸素及び低窒素(減圧による)で混じりけのない溶融物から形成されるため、実質的に混入物を含まない材料成形を可能にする。更に、一実施形態によると、溶融可能材料は、混入物を放出しない表面を含む容器内で溶融されるように構成されるため、この材料は実質的に混入物を含まない(例えば、既知の黒鉛るつぼは、カルビン粒子を溶融物にもたらし得る)。システム10は、その成形物のより効率的な送達方法を更に提供する。   Thus, the embodiments disclosed herein illustrate an exemplary injection system having at least one plunger rod and an in-line melting system along a horizontal axis. This system does not require the use of a separate chamber for melting the metal and injecting the molten metal into the plunger cavity / cold sleeve as in known systems. This system does not require immersion of the plunger system in a molten metal bath, and reduction is reduced or does not require sintering. Furthermore, the raw material / inserted material and the final molded part volume are more precisely controlled, reducing heat loss. The system 10 is formed from an unmixed melt with low oxygen and low nitrogen (due to reduced pressure), thus allowing material molding that is substantially free of contaminants. Further, according to one embodiment, the meltable material is configured to be melted in a container that includes a surface that does not release contaminants, such that the material is substantially free of contaminants (eg, known Graphite crucibles can bring calvin particles into the melt). System 10 further provides a more efficient method of delivering the molding.

開示されているシステムは、物品の射出成形を、プラスチック射出成形技法よりも速い体積流量で実施することを可能にする(ただし、従来のダイカスト機よりは遅い可能性がある)。例えば、本明細書に記述されるシステムを使用した鋳造の流量は、約0〜1,000cm3で実施することができる。 The disclosed system allows the injection molding of articles to be performed at a faster volume flow rate than plastic injection molding techniques (although it can be slower than conventional die casting machines). For example, casting flow rates using the systems described herein can be performed at about 0 to 1,000 cm 3 .

詳しくは記述されていないが、本開示の射出システムは、1つ以上のセンサ、流量計など(例えば温度、冷却水流量などをモニタするため)、及び/又は1つ以上のコントローラを含むがこれらに限定されない追加部品を含み得る。更に、減圧下にあるとき、顕著な空気曝露又は漏れを実質的に制限又は排除することにより、溶融した材料の一部の溶融及び形成を支援するため、任意の数の部品に、又はそれに隣接して、封止部が設けられてもよい。例えば、封止部はOリングの形態であり得る。封止部は、任意の材料で製造することができ、封止される部品間を物質(例えば空気)が移動するのを停止させる装置として定義される。射出システムは、内部に溶融可能材料を挿入し、減圧し、加熱し、注入し、材料を成形して部品を形成するための、自動又は半自動プロセスを実施し得る。   Although not described in detail, the injection system of the present disclosure includes one or more sensors, flow meters, etc. (eg, for monitoring temperature, coolant flow, etc.) and / or one or more controllers. Additional parts that are not limited to may be included. Further, when under reduced pressure, to any number of parts or adjacent to assist in melting and forming part of the molten material by substantially limiting or eliminating significant air exposure or leakage. And a sealing part may be provided. For example, the seal can be in the form of an O-ring. A seal can be made of any material and is defined as a device that stops a substance (eg, air) from moving between the parts to be sealed. The injection system may perform an automated or semi-automated process for inserting meltable material therein, depressurizing, heating, injecting, and molding the material to form a part.

本明細書に開示される射出システムの任意の実施形態を用いて成形される(及び/又は溶融される)材料には、任意の数の材料が含まれてもよく、限定されるべきではない。一実施形態において、本開示の射出成形システム10を用いて成形される材料はアモルファス合金であり、これは、プラスチックのような挙動を示し得る金属、あるいは液体原子構造を備えた合金である。   The material molded (and / or melted) using any embodiment of the injection system disclosed herein may include any number of materials and should not be limited. . In one embodiment, the material molded using the injection molding system 10 of the present disclosure is an amorphous alloy, which is a metal that can behave like a plastic, or an alloy with a liquid atomic structure.

バルク凝固アモルファス合金、すなわちバルク金属ガラス(「BMG」)は、最近開発された部類の金属材料である。これらの合金は、比較的穏やかな速度で、凝固及び冷却させることができ、それらは、アモルファスの、非晶質(すなわち、ガラス質)状態を、室温で保持する。アモルファス合金は、それらの結晶性の対応物よりも、多くの優れた特性を有する。しかしながら、冷却速度が十分に高速ではない場合には、冷却の間に、その合金の内部で結晶が形成される恐れがあり、そのため、アモルファス状態の利益が失われる恐れがある。例えば、バルクアモルファス合金部品の製造に伴う1つの重要な課題は、徐冷又は合金原料中の不純物のいずれかによる、それらの部品の部分的な結晶化である。BMG部品内では、高い程度のアモルファス化度(また反対に、低い程度の結晶化度)が望ましいため、制御された量のアモルファス化度を有するBMG部品を鋳造するための方法を、開発する必要性がある。   Bulk solidified amorphous alloys, or bulk metallic glass (“BMG”), is a recently developed class of metallic materials. These alloys can be solidified and cooled at a relatively moderate rate, and they maintain an amorphous, amorphous (ie, vitreous) state at room temperature. Amorphous alloys have many superior properties than their crystalline counterparts. However, if the cooling rate is not sufficiently high, crystals may form within the alloy during cooling, and so the benefits of the amorphous state may be lost. For example, one important challenge associated with the manufacture of bulk amorphous alloy parts is the partial crystallization of those parts, either by slow cooling or by impurities in the alloy raw material. Within a BMG part, a high degree of amorphization (and conversely a low degree of crystallinity) is desirable, so a method for casting BMG parts with a controlled amount of amorphization needs to be developed. There is sex.

図5(米国特許第7,575,040号より入手)は、Liquidmetal Technologyによって製造されたZr−−Ti−−Ni−−Cu−−BeファミリーのVIT−001シリーズからの、例示的なバルク凝固アモルファス合金の粘度−温度グラフを示す。アモルファス固体の形成の間、バルク凝固アモルファス金属に関しては、明確な液体/固体変態が存在しないことに留意するべきである。この溶融合金は、ガラス転移温度近傍で固体形態に近づくまで、過冷却の増大と共に、ますます粘稠になる。したがって、バルク凝固アモルファス合金に関する凝固前面の温度は、ガラス転移温度近傍であり得、その温度近傍で、この合金は、急冷アモルファスシート製品を引き抜く目的のため、実際に固体として作用する。   FIG. 5 (obtained from US Pat. No. 7,575,040) shows exemplary bulk solidification from the VIT-001 series of the Zr--Ti--Ni--Cu--Be family manufactured by Liquidmetal Technology. The viscosity-temperature graph of an amorphous alloy is shown. It should be noted that there is no clear liquid / solid transformation for bulk solidifying amorphous metals during the formation of amorphous solids. This molten alloy becomes increasingly viscous with increasing supercooling until it approaches a solid form near the glass transition temperature. Thus, the temperature of the solidification front for a bulk solidified amorphous alloy can be near the glass transition temperature, where it actually acts as a solid for the purpose of drawing the quenched amorphous sheet product.

図6(米国特許第7,575,040号より入手)は、例示的なバルク凝固アモルファス合金の時間−温度−変態(TTT)冷却曲線、すなわちTTT図を示す。バルク凝固アモルファス金属は、従来型金属と同様に、冷却時に液体/固体の結晶化変態を起こさない。その代わりに、高温で(「融解温度」Tm近傍で)観察される、流動性の高い、非晶質形態の金属は、温度が低減されるにつれて(ガラス転移温度Tg近傍まで)、より粘稠になり、最終的に従来型の固体の外面的な物理的特性を呈する。   FIG. 6 (obtained from US Pat. No. 7,575,040) shows a time-temperature-transformation (TTT) cooling curve, or TTT diagram, of an exemplary bulk solidified amorphous alloy. Bulk solidified amorphous metals, like conventional metals, do not undergo liquid / solid crystallization transformations upon cooling. Instead, the more fluid, amorphous form of metal observed at high temperatures (near the “melting temperature” Tm) becomes more viscous as the temperature is reduced (to near the glass transition temperature Tg). Eventually exhibiting the external physical properties of conventional solids.

バルク凝固アモルファス金属に関しては、液体/結晶化変態は存在しないにも関わらず、対応する結晶相の熱力学的液相温度として、「融解温度」Tmを定義することができる。この体系の下では、バルク凝固アモルファス合金の融解温度での粘度は、約0.1ポアズ〜約10,000ポアズの範囲に、更に場合によっては、0.01ポアズ未満にあることが可能である。この「融解温度」でのより低い粘度は、BMG部品を成形するためのバルク凝固アモルファス金属による、シェル/金型の複雑な部分のより速く完全な充填をもたらす。更には、BMG部品を成形するための溶融金属の冷却速度は、冷却の間の時間−温度プロファイルが、図6のTTT図内の結晶化領域を境界付けるノーズ形状領域を横断しないようなものでなければならない。図6では、Tノーズは、結晶化が最も急速であり、かつ最短の時間スケールで生じる、臨界結晶化温度Txである。   For bulk solidified amorphous metals, the “melting temperature” Tm can be defined as the thermodynamic liquid phase temperature of the corresponding crystal phase, even though there is no liquid / crystallization transformation. Under this regime, the viscosity at the melting temperature of the bulk solidified amorphous alloy can range from about 0.1 poise to about 10,000 poise, and in some cases, less than 0.01 poise. . This lower viscosity at the “melting temperature” results in faster and complete filling of complex parts of the shell / mold with bulk solidified amorphous metal to form BMG parts. Further, the cooling rate of the molten metal to form the BMG part is such that the time-temperature profile during cooling does not cross the nose shaped region that bounds the crystallization region in the TTT diagram of FIG. There must be. In FIG. 6, T nose is the critical crystallization temperature Tx where crystallization is most rapid and occurs on the shortest time scale.

過冷却液体領域である、Tg〜Txの温度領域は、バルク凝固合金の結晶化に対する、極度の安定性を明示するものである。この温度領域内では、バルク凝固合金は、高粘度の液体として存在し得る。この過冷却液体領域内でのバルク凝固合金の粘度は、ガラス転移温度での1012Pa・sから、結晶化温度である過冷却液体領域の高温限界での105Pa・sに至るまでの間で、変化し得る。そのような粘度を有する液体は、加圧力の下で、実質的な塑性歪みを経験し得る。本明細書の実施形態は、成形及び分離方法として、この過冷却液体領域内での、大きい塑性成形性を利用する。 The supercooled liquid region, Tg-Tx temperature region, demonstrates extreme stability against crystallization of the bulk solidified alloy. Within this temperature range, the bulk solidified alloy can exist as a highly viscous liquid. The viscosity of the bulk solidified alloy in this supercooled liquid region ranges from 10 12 Pa · s at the glass transition temperature to 10 5 Pa · s at the high temperature limit of the supercooled liquid region, which is the crystallization temperature. Can vary between. A liquid having such a viscosity can experience substantial plastic strain under pressure. Embodiments herein utilize the large plastic formability within this supercooled liquid region as a forming and separating method.

Txについて明確にする必要がある。技術的には、TTT図に示されるノーズ形状の曲線は、Txを温度及び時間の関数として説明する。それゆえ、金属合金を加熱又は冷却する間に辿る軌跡とは関係なく、このTTT曲線に当る場合に、Txに到達している。図5(b)では、Txは破線として示されるが、これは、Tmの近位からTgの近位まで、Txが変化し得るためである。   It is necessary to clarify Tx. Technically, the nose shaped curve shown in the TTT diagram describes Tx as a function of temperature and time. Therefore, Tx is reached when it hits this TTT curve, regardless of the trajectory followed during heating or cooling of the metal alloy. In FIG. 5 (b), Tx is shown as a dashed line because Tx can vary from proximal Tm to proximal Tg.

図6の概略的なTTT図は、時間−温度の軌跡(例示的軌跡として、(1)として示す)がTTT曲線に当ることがない、Tm以上〜Tg未満のダイカストの加工処理方法を示す。ダイカストの間、この成形は、軌跡がTTT曲線に当ることを回避するために、実質的に急速冷却と同時に行われる。時間−温度の軌跡(例示的軌跡として、(2)、(3)及び(4)として示す)がTTT曲線に当ることがない、Tg以下からTm未満までの超塑性成形(SPF)に関する加工処理方法。SPFでは、アモルファスBMGは、過冷却液体領域内へと再加熱され、利用可能な加工処理ウインドウは、ダイカストよりも遙かに大きく、より良好なプロセスの可制御性をもたらすことが可能である。SPFプロセスは、冷却の間の結晶化を回避するために、急速冷却を必要としない。また、例示的軌跡(2)、(3)、及び(4)によって示されるように、SPFの間の最高温度が、Tノーズ超又はTノーズ未満、最大約Tmとなる状態で、SPFを実施することができる。一個のアモルファス合金を昇温させるが、TTT曲線に当ることを回避するように管理する場合には、「Tg〜Tm」に加熱しても、Txには到達していない。   The schematic TTT diagram of FIG. 6 shows a die casting processing method of Tm or more to less than Tg in which a time-temperature locus (shown as (1) as an exemplary locus) does not hit the TTT curve. During die casting, this shaping is performed at the same time as the rapid cooling to avoid the trajectory hitting the TTT curve. Time-temperature trajectory (shown as exemplary trajectories (2), (3) and (4)) does not hit the TTT curve, and processing related to superplastic forming (SPF) from Tg or less to less than Tm Method. In SPF, amorphous BMG is reheated into the supercooled liquid region and the available processing window can be much larger than die casting, resulting in better process controllability. The SPF process does not require rapid cooling to avoid crystallization during cooling. Also, as shown by exemplary trajectories (2), (3), and (4), SPF is performed with the highest temperature during SPF being above or below T nose and up to about Tm can do. Although the temperature of one amorphous alloy is raised, when it is managed so as to avoid hitting the TTT curve, Tx is not reached even when heated to “Tg to Tm”.

20℃/分の加熱速度で得られる、バルク凝固アモルファス合金の典型的な示差走査熱量計(DSC)加熱曲線は、大部分は、TTTデータを横切る具体的な軌跡を説明するものであり、特定温度でのTgと、DSC加熱傾斜がTTT結晶化開始と交差する場合のTxと、最終的に、同じ軌跡が融解に関する温度範囲と交差する場合の融解ピークとが認められるであろう。図6の軌跡(2)、(3)、及び(4)の上り傾斜部分によって示されるような急速な加熱速度で、バルク凝固アモルファス合金を加熱する場合には、TTT曲線を完全に回避することが可能であり、DSCデータは、加熱の際、ガラス転移を示すが、Txは示さない。このことについての別の考察方法は、軌跡(2)、(3)、及び(4)は、結晶化曲線に当らない限り、TTT曲線のノーズ(及び更にその上方)〜Tg線の温度内の、いずれの場所にも収まることができる点である。そのことは、加工処理温度が上昇するにつれて、軌跡内の水平な平坦部が遙かに短くなり得ることを単に意味する。   The typical differential scanning calorimeter (DSC) heating curve of bulk solidified amorphous alloys, obtained at a heating rate of 20 ° C./min, largely describes the specific trajectory across the TTT data. There will be a Tg at temperature, a Tx where the DSC heating ramp intersects the onset of TTT crystallization, and finally a melting peak where the same trajectory intersects the temperature range for melting. Avoid TTT curves completely when heating bulk solidified amorphous alloys at a rapid heating rate as shown by the upslopes of trajectories (2), (3), and (4) in FIG. And DSC data show a glass transition upon heating but no Tx. Another way of thinking about this is that the trajectories (2), (3), and (4) are within the TTT curve nose (and further above) to the temperature of the Tg line, as long as they do not hit the crystallization curve It can fit in any place. That simply means that as the processing temperature increases, the horizontal flats in the trajectory can become much shorter.


本明細書での用語「相」は、熱力学状態図内で見出すことができるものを指すことができる。相は、その全体にわたって、材料の全ての物理的特性が本質的に均一である、空間の領域(例えば、熱力学系)である。物理的特性の例としては、密度、屈折率、化学組成、及び格子周期性が挙げられる。相の単純な説明は、化学的に均一であり、物理的にまったく別であり、及び/又は機械的に分離可能な材料の領域である。例えば、ガラスジャー内の、氷及び水からなる系では、その角氷が1つの相であり、水が第2の相であり、その水の上の湿り空気が第3の相である。ジャーのガラスは、別の分離相である。相は、金属間化合物などの、2成分、3成分、4成分以上の溶体又は化合物とすることができる、固溶体を指すことができる。別の例としては、アモルファス相は、結晶相とはまったく別である。
Phase As used herein, the term “phase” can refer to what can be found in a thermodynamic phase diagram. A phase is a region of space (eg, a thermodynamic system) throughout which all physical properties of the material are essentially uniform. Examples of physical properties include density, refractive index, chemical composition, and lattice periodicity. A simple description of a phase is a region of material that is chemically uniform, physically distinct, and / or mechanically separable. For example, in a system consisting of ice and water in a glass jar, the ice cube is one phase, water is the second phase, and humid air above the water is the third phase. Jar glass is another separate phase. A phase can refer to a solid solution that can be a two-component, three-component, four-component or higher solution or compound, such as an intermetallic compound. As another example, the amorphous phase is completely different from the crystalline phase.

金属、遷移金属、及び非金属
用語「金属」は、電気陽性の化学元素を指す。本明細書での用語「元素」は、全般的には、周期表に見出すことができる元素を指す。物理的には、基底状態の金属原子は、占有状態に近い、空状態を有する部分的充満帯を含む。用語「遷移金属」とは、不完全な内部電子殻を有し、一連の元素内の、最も電気陽性のものと最も電気陽性ではないものとの間の遷移リンクとして役立つ、周期表の第3族〜第12族の範囲内の金属元素のうちのいずれかである。遷移金属は、複数の原子価、着色化合物、及び安定な錯イオンを形成する能力によって特徴付けられる。用語「非金属」は、電子を失って陽イオンを形成する能力を有さない化学元素を指す。
Metals, transition metals, and non-metals The term “metal” refers to an electropositive chemical element. As used herein, the term “element” generally refers to an element that can be found in the periodic table. Physically, a ground state metal atom includes a partially filled band with an empty state close to the occupied state. The term “transition metal” is the third in the periodic table that has an incomplete internal electron shell and serves as a transition link between the most electropositive and the least electropositive in a set of elements. It is one of the metal elements within the range of Group 12 to Group 12. Transition metals are characterized by multiple valences, colored compounds, and the ability to form stable complex ions. The term “nonmetal” refers to a chemical element that does not have the ability to lose electrons and form a cation.

用途に応じて、任意の好適な非金属元素、又はそれらの組み合わせを使用することができる。合金(又は「合金組成物」)は、少なくとも2つ、少なくとも3つ、少なくとも4つ以上の非金属元素などの、複数の非金属元素を含み得る。非金属元素は、周期表内の第13族〜第17族内に見出される、いずれかの元素とすることができる。例えば、非金属元素は、F、Cl、Br、I、At、O、S、Se、Te、Po、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、Sn、Pb、及びBのうちのいずれか1つとすることができる。場合により、非金属元素は、第13族〜第17族内の特定の半金属(例えば、B、Si、Ge、As、Sb、Te、及びPo)を指すことできる。一実施形態では、非金属元素としては、B、Si、C、P、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。したがって、例えば、その合金は、ホウ化物若しくは炭化物、又は双方を含み得る。   Depending on the application, any suitable non-metallic elements, or combinations thereof, can be used. An alloy (or “alloy composition”) may include a plurality of non-metallic elements, such as at least two, at least three, at least four or more non-metallic elements. The nonmetallic element can be any element found within Groups 13-17 in the periodic table. For example, the nonmetallic elements are F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, Po, N, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, Pb, and B. It can be any one of them. In some cases, the non-metallic element can refer to a specific metalloid within Group 13 to Group 17 (eg, B, Si, Ge, As, Sb, Te, and Po). In one embodiment, the non-metallic element can include B, Si, C, P, or a combination thereof. Thus, for example, the alloy can include borides or carbides, or both.

遷移金属元素は、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、ラザホージウム、ドブニウム、シーボーギウム、ボーリウム、ハッシウム、マイトネリウム、ウンウンニリウム、ウンウンウニウム、及びウンウンビウムのうちのいずれかとすることができる。一実施形態では、遷移金属元素含有BMGは、Sc、Y、La、Ac、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、及びHgのうちの少なくとも1つを有し得る。用途に応じて、任意の好適な遷移金属元素、又はそれらの組み合わせを使用することができる。合金組成物は、少なくとも2つ、少なくとも3つ、少なくとも4つ以上の遷移金属元素などの、複数の遷移金属元素を含み得る。   Transition metal elements are scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, hafnium, tantalum, tungsten , Rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, mercury, rutherfordium, dobnium, seaborgium, bolium, hassium, mitonium, ununnilium, ununnium, and ununbium. In one embodiment, the transition metal element-containing BMG is Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, It may have at least one of Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, and Hg. Depending on the application, any suitable transition metal element, or combinations thereof, can be used. The alloy composition may include a plurality of transition metal elements, such as at least 2, at least 3, at least 4 or more transition metal elements.

本明細書で説明される、合金又は合金「サンプル」又は「試料」合金は、任意の形状又はサイズを有し得る。例えば、合金は、球形、楕円、ワイヤ状、ロッド状、シート状、フレーク状、又は不規則形状などの形状を有し得る、微粒子の形状を有し得る。この微粒子は、任意のサイズを有し得る。例えば、その微粒子は、約5マイクロメートル〜約80マイクロメートルなど、約10マイクロメートル〜約60マイクロメートルなど、約15マイクロメートル〜約50マイクロメートルなど、約15マイクロメートル〜約45マイクロメートルなど、約20マイクロメートル〜約40マイクロメートルなど、約25マイクロメートル〜約35マイクロメートルなどの、約1マイクロメートル〜約100マイクロメートルの平均直径を有し得る。例えば、一実施形態では、微粒子の平均直径は、約25マイクロメートル〜約44マイクロメートルである。一部の実施形態では、ナノメートルの範囲のものなどの、より小さい微粒子、又は100マイクロメートルよりも大きいものなどの、より大型の微粒子を使用することができる。   An alloy or alloy “sample” or “specimen” alloy described herein may have any shape or size. For example, the alloy can have a particulate shape, which can have a shape such as a sphere, ellipse, wire, rod, sheet, flake, or irregular shape. The microparticles can have any size. For example, the microparticles can be about 5 micrometers to about 80 micrometers, such as about 10 micrometers to about 60 micrometers, such as about 15 micrometers to about 50 micrometers, such as about 15 micrometers to about 45 micrometers, etc. It may have an average diameter of about 1 micrometer to about 100 micrometers, such as about 25 micrometers to about 35 micrometers, such as about 20 micrometers to about 40 micrometers. For example, in one embodiment, the average diameter of the microparticles is from about 25 micrometers to about 44 micrometers. In some embodiments, smaller particles, such as those in the nanometer range, or larger particles, such as those larger than 100 micrometers, can be used.

合金のサンプル又は試料はまた、遙かに大きい寸法のものにすることもできる。例えば、インゴットなどのバルク構造構成要素、電子機器の筺体/ケーシング、又は更にミリメートル、センチメートル、又はメートルの範囲の寸法を有する構造的構成要素の一部分とすることができる。   The alloy sample or specimen can also be of much larger dimensions. For example, it can be a bulk structural component such as an ingot, an electronics enclosure / casing, or even a portion of a structural component having dimensions in the millimeter, centimeter, or meter range.

固溶体
用語「固溶体」は、溶体の固体形態を指す。用語「溶体」は、固体、液体、気体、又はこれらの組み合わせとすることができる、2種以上の物質の混合物を指す。この混合物は、均質又は不均質とすることができる。用語「混合物」とは、互いに組み合わされ、一般的には分離することが可能である、2種以上の物質の組成物である。一般的には、それらの2種以上の物質は、互いに化合されない。
Solid solution The term “solid solution” refers to a solid form of a solution. The term “solution” refers to a mixture of two or more substances that can be a solid, liquid, gas, or a combination thereof. This mixture can be homogeneous or heterogeneous. The term “mixture” is a composition of two or more substances that can be combined with each other and generally separated. In general, the two or more substances are not combined with each other.

合金
一部の実施形態では、本明細書で説明される合金組成物は、完全に合金化することができる。一実施形態では、「合金」とは、一方の原子が他方の原子に置き換わるか、又は原子間の格子間位置を占有する、2種以上の金属の均質な混合物又は固溶体を指すものであり、例えば、黄銅は、亜鉛及び銅の合金である合金とは、複合材料とは対照的に、金属マトリックス中の1種以上の化合物などの、金属マトリックス中の1種以上の元素の部分的又は完全な固溶体を指すことができる。本明細書での合金という用語は、単一の固相の微細構造を呈し得る全率固溶合金、及び2つ以上の相を呈し得る部分的溶体の双方を指すことができる。本明細書で説明される合金組成物は、合金を含むもの、又は合金含有複合材料を含むものを指すことができる。
Alloys In some embodiments, the alloy compositions described herein can be fully alloyed. In one embodiment, an “alloy” refers to a homogenous mixture or solid solution of two or more metals in which one atom replaces another atom or occupies an interstitial position between atoms. For example, brass is an alloy that is an alloy of zinc and copper, as opposed to a composite material, which is partially or completely of one or more elements in a metal matrix, such as one or more compounds in the metal matrix. A solid solution. The term alloy herein may refer to both a fully solid solution alloy that may exhibit a single solid phase microstructure and a partial solution that may exhibit two or more phases. The alloy compositions described herein can refer to those comprising an alloy or those comprising an alloy-containing composite material.

それゆえ、完全に合金化した合金は、固溶体相であれ、化合物相であれ、又は双方であれ、その構成成分の均質な分布を有し得る。本明細書で使用される用語「完全に合金化した」は、許容誤差範囲内の僅かな変異を説明することができる。例えば、その用語は、少なくとも95%の合金化など、少なくとも99%の合金化など、少なくとも99.5%の合金化など、少なくとも99.9%の合金化などの、少なくとも90%の合金化を指すことができる。本明細書での百分率は、文脈に応じて、体積百分率又は重量百分率のいずれかを指すことができる。これらの百分率は、合金の部分ではない組成又は相の観点によるものとすることができる、不純物によって均衡させることができる。   Thus, a fully alloyed alloy can have a homogeneous distribution of its constituents, whether in solid solution phase, compound phase, or both. As used herein, the term “fully alloyed” can describe slight variations within tolerances. For example, the term includes at least 90% alloying, such as at least 95% alloying, such as at least 99% alloying, such as at least 99.5% alloying, such as at least 99.9% alloying. Can point. Percentages herein can refer to either volume percentages or weight percentages, depending on the context. These percentages can be balanced by impurities, which can be in terms of compositions or phases that are not part of the alloy.

アモルファス又は非晶質固体
「アモルファス」又は「非晶質固体」は、結晶に特徴的な格子周期性を欠く固体である。本明細書で使用するとき、「アモルファス固体」は、ガラス転移を通じて、加熱されると液体状の状態へと軟化及び変態するアモルファス固体である、「ガラス」を含む。一般的には、アモルファス材料は、結晶に特徴的な長距離秩序を欠くが、それらのアモルファス材料は、化学結合の性質による、原子の長さスケールでの何らかの短距離秩序を保有し得る。アモルファス固体と結晶性固体との区別は、X線回折及び透過型電子顕微鏡検査などの構造特性評価技術によって判定される、格子周期性に基づいて行なうことができる。
Amorphous or Amorphous Solid An “amorphous” or “amorphous solid” is a solid that lacks the lattice periodicity characteristic of crystals. As used herein, “amorphous solid” includes “glass”, which is an amorphous solid that softens and transforms into a liquid state upon heating through the glass transition. In general, amorphous materials lack the long-range order characteristic of crystals, but these amorphous materials can possess some short-range order on the atomic length scale due to the nature of chemical bonds. A distinction between an amorphous solid and a crystalline solid can be made based on lattice periodicity determined by structural property evaluation techniques such as X-ray diffraction and transmission electron microscopy.

用語「秩序」及び「無秩序」とは、多粒子系内での何らかの対称性又は相関性の有無を指示する。用語「長距離秩序」及び「短距離秩序」は、長さスケールに基づいて、材料内の秩序を区別する。   The terms “order” and “disorder” indicate the presence or absence of any symmetry or correlation within a multiparticulate system. The terms “long-range order” and “short-range order” distinguish order within a material based on a length scale.

固体内の秩序の、最も厳密な形態は、格子周期性である。特定のパターン(単位格子内の原子の配置構成)が何度も繰り返され、並進的に不変の、空間の充填を形成する。この格子周期性は、結晶の定義特性である。可能な対称性は、14種のブラベー格子及び230種の空間群に分類されている。   The most exact form of order in a solid is lattice periodicity. A specific pattern (the arrangement of atoms in the unit cell) is repeated many times to form a translationally invariant, space filling. This lattice periodicity is a defining characteristic of crystals. The possible symmetries are grouped into 14 Bravey lattices and 230 space groups.

格子周期性は、長距離秩序を示唆するものである。1つの単位格子のみが知られる場合には、その並進対称性によって、任意の距離での、全ての原子配置を正確に予測することが可能である。一般に逆も真であるが、ただし、例えば、完全に確定的な充填を有するが、格子周期性を保有しない、準結晶の場合は例外である。   Lattice periodicity suggests long-range order. If only one unit cell is known, its translational symmetry makes it possible to accurately predict all atomic arrangements at an arbitrary distance. The converse is generally true, except in the case of, for example, quasicrystals that have a completely deterministic filling but do not possess lattice periodicity.

長距離秩序は、同じサンプルの遠隔の部分が、相関する挙動を呈する、物理系を特徴付ける。この長距離秩序は、相関関数、すなわち次のスピン−スピン相関関数として表現することができる。

Figure 0006040251
Long-range order characterizes a physical system in which remote parts of the same sample exhibit correlated behavior. This long-range order can be expressed as a correlation function, that is, the next spin-spin correlation function.
Figure 0006040251

上記の関数では、sはスピン量子数であり、xは特定の系内の距離関数である。この関数は、x=x’である場合、単位元に等しく、距離|x−x’|が増大するにつれて減少する。典型的には、この関数は、長距離で、指数関数的にゼロまで減衰し、その系は無秩序であると見なされる。しかしながら、この相関関数が、大きい|x−x’|で一定値へと減衰する場合には、その系は長距離秩序を保有すると述べることができる。この関数が、距離の累乗でゼロまで減衰する場合には、準長距離秩序と呼ぶことができる。大きい値の|x−x’|を構成するものは、相対的であることに留意されたい。   In the above function, s is a spin quantum number and x is a distance function in a specific system. This function is equal to the identity element when x = x ′ and decreases as the distance | x−x ′ | Typically, this function decays exponentially to zero over long distances and the system is considered disordered. However, if this correlation function decays to a constant value with a large | x−x ′ |, it can be stated that the system possesses long-range order. If this function decays to zero as a power of distance, it can be called quasi-long-range order. Note that what constitutes a large value of | x-x '| is relative.

系は、その挙動を定義する一部のパラメータが、経時的に進展しないランダム変数である(すなわち、それらが急冷又は凍結される)場合、急冷無秩序、例えば、スピングラスを提示すると延べることができる。この急冷無秩序は、ランダム変数自体が進展することが可能な、焼鈍無秩序とは反対である。本明細書の実施形態は、急冷無秩序を含む系を包含する。   A system can be extended by presenting a quenching disorder, eg, spin glass, if some of the parameters that define its behavior are random variables that do not evolve over time (ie, they are quenched or frozen). it can. This quenching disorder is the opposite of the annealing disorder in which the random variable itself can develop. Embodiments herein include systems that include a quenching disorder.

本明細書で説明される合金は、結晶性、部分結晶性、アモルファス、又は実質的アモルファスとすることができる。例えば、合金サンプル/試料は、少なくともある程度の結晶化度を含み得るものであり、結晶粒/結晶は、ナノメートル及び/又はマイクロメートルの範囲のサイズを有する。あるいは、合金は、十分にアモルファスであるなどの、実質的アモルファスとすることができる。一実施形態では、合金組成物は、完全に結晶性であるなど、実質的に結晶性であり、少なくとも実質的にアモルファスではない。   The alloys described herein can be crystalline, partially crystalline, amorphous, or substantially amorphous. For example, an alloy sample / specimen can include at least some degree of crystallinity, and the grains / crystals have a size in the nanometer and / or micrometer range. Alternatively, the alloy can be substantially amorphous, such as sufficiently amorphous. In one embodiment, the alloy composition is substantially crystalline, such as fully crystalline, and at least not substantially amorphous.

一実施形態では、他のアモルファス合金中の、1種の結晶又は複数種の結晶の存在は、その合金中の「結晶相」として解釈することができる。合金の結晶化度の程度(又は一部の実施形態では、略して「結晶化度」)とは、その合金中に存在する結晶相の量を指すことができる。その程度とは、例えば、合金中に存在する結晶の分率を指すことができる。この分率は、文脈に応じて、体積分率又は重量分率を指すことができる。アモルファス合金がどの程度「アモルファス」であるかの尺度を、アモルファス化度とすることができる。アモルファス化度は、結晶化度の程度の観点により測定することができる。例えば、一実施形態では、低い程度の結晶化度を有する合金は、高い程度のアモルファス化度を有すると述べることができる。一実施形態では、例えば、60体積%の結晶相を有する合金は、40体積%のアモルファス相を有し得る。   In one embodiment, the presence of one or more crystals in another amorphous alloy can be interpreted as a “crystalline phase” in that alloy. The degree of crystallinity of an alloy (or in some embodiments, “crystallinity” for short) can refer to the amount of crystalline phase present in the alloy. The degree can refer, for example, to the fraction of crystals present in the alloy. This fraction can refer to a volume fraction or a weight fraction, depending on the context. A measure of how “amorphous” an amorphous alloy can be is the degree of amorphization. The degree of amorphization can be measured from the viewpoint of the degree of crystallinity. For example, in one embodiment, an alloy having a low degree of crystallinity can be described as having a high degree of amorphousness. In one embodiment, for example, an alloy having 60% by volume crystalline phase may have 40% by volume amorphous phase.

アモルファス合金又はアモルファス金属
「アモルファス合金」とは、50体積%超のアモルファス含有量、好ましくは90体積%超のアモルファス含有量、より好ましくは95体積%超のアモルファス含有量、最も好ましくは99体積%超〜ほぼ100体積%のアモルファス含有量を有する合金である。上述のように、アモルファス化度が高い合金は、結晶化度の程度が同等に低いことに留意されたい。「アモルファス金属」とは、無秩序な原子スケール構造を有するアモルファス金属材料である。結晶性であることにより、高度に秩序化した原子配置を有する、殆どの金属とは対照的に、アモルファス合金は非晶質である。そのような無秩序構造が、冷却の間に液体状態から直接作り出される材料は、「ガラス」と称される場合がある。したがって、アモルファス金属は、一般に「金属ガラス」又は「ガラス金属」と称される。一実施形態では、バルク金属ガラス(「BMG」)とは、その微細構造が少なくとも部分的にアモルファスである合金を指すことができる。しかしながら、アモルファス金属を作り出すためには、極度な急速冷却の他にも、物理蒸着、固相反応、イオン照射、メルトスピニング、及び機械的合金化を含めた、幾つかの方法が存在する。アモルファス合金は、それらが調製される方法とは関係なく、単一の部類の材料とすることができる。
Amorphous alloy or amorphous metal "Amorphous alloy" means an amorphous content of more than 50% by volume, preferably more than 90% by volume, more preferably more than 95% by volume, most preferably 99% by volume. An alloy having an amorphous content of from super to almost 100% by volume. As noted above, it should be noted that alloys with a high degree of amorphization have an equally low degree of crystallinity. An “amorphous metal” is an amorphous metal material having a disordered atomic scale structure. By being crystalline, amorphous alloys are amorphous, as opposed to most metals, which have a highly ordered atomic arrangement. The material in which such a disordered structure is created directly from the liquid state during cooling may be referred to as “glass”. Thus, amorphous metals are commonly referred to as “metallic glass” or “glass metal”. In one embodiment, bulk metallic glass (“BMG”) can refer to an alloy whose microstructure is at least partially amorphous. However, in addition to extreme rapid cooling, there are several ways to create amorphous metals, including physical vapor deposition, solid phase reaction, ion irradiation, melt spinning, and mechanical alloying. Amorphous alloys can be a single class of materials regardless of how they are prepared.

アモルファス金属は、様々な急冷法を通じて作り出すことができる。例えば、アモルファス金属は、回転する金属ディスク上に溶融金属をスパッタリングすることによって、作り出すことができる。1秒当り約数百万度の急冷は、結晶が形成するには過度に高速である得るため、その金属は、ガラス状態で「固定」される。また、アモルファス金属/合金は、厚い層のアモルファス構造、例えば、バルク金属ガラスの形成を可能にするための、十分に低速な臨界冷却速度で作り出すこともできる。   Amorphous metal can be produced through various quenching methods. For example, amorphous metal can be created by sputtering molten metal onto a rotating metal disk. A quench of about several million degrees per second can be too fast for crystals to form, so that the metal is “fixed” in the glassy state. Amorphous metals / alloys can also be created with critical cooling rates that are slow enough to allow the formation of thick layer amorphous structures, such as bulk metallic glass.

用語「バルク金属ガラス」(「BMG」)、バルクアモルファス合金(「BAA」)、及びバルク凝固アモルファス合金は、本明細書で互換的に使用される。それらの用語は、少なくともミリメートルの範囲の最小寸法を有する、アモルファス合金を指す。例えば、その寸法は、少なくとも約1mmなど、少なくとも約2mmなど、少なくとも約4mmなど、少なくとも約5mmなど、少なくとも約6mmなど、少なくとも約8mmなど、少なくとも約10mmなど、少なくとも約12mmなどの、少なくとも約0.5mmとすることができる。幾何学形状に応じて、その寸法は、直径、半径、厚さ、幅、長さなどを指すことができる。BMGはまた、少なくとも約1.0cmなど、少なくとも約2.0cmなど、少なくとも約5.0cmなど、少なくとも約10.0cmなどの、センチメートルの範囲の少なくとも1つの寸法を有する、金属ガラスとすることもできる。一部の実施形態では、BMGは、少なくともメートルの範囲の、少なくとも1つの寸法を有し得る。BMGは、金属ガラスに関して、上述の形状又は形態のうちの、いずれかを呈することができる。したがって、本明細書で説明されるBMGは、一部の実施形態では、重要な一態様での従来の堆積技術によって作製される薄膜とは異なるものとすることができ、前者のBMGは、後者の薄膜よりも遙かに大きい寸法のものとすることができる。   The terms “bulk metallic glass” (“BMG”), bulk amorphous alloy (“BAA”), and bulk solidified amorphous alloy are used interchangeably herein. These terms refer to an amorphous alloy having a minimum dimension in the range of at least millimeters. For example, the dimension is at least about 0, such as at least about 1 mm, at least about 2 mm, at least about 4 mm, at least about 5 mm, at least about 6 mm, at least about 8 mm, at least about 10 mm, at least about 12 mm, etc. .5 mm. Depending on the geometry, the dimensions can refer to diameter, radius, thickness, width, length, etc. The BMG may also be a metallic glass having at least one dimension in the centimeter range, such as at least about 1.0 cm, such as at least about 2.0 cm, such as at least about 5.0 cm, such as at least about 10.0 cm. You can also. In some embodiments, the BMG may have at least one dimension in the range of at least meters. BMG can exhibit any of the shapes or forms described above with respect to metallic glass. Accordingly, the BMG described herein may differ from thin films made by conventional deposition techniques in one important aspect in some embodiments, the former BMG being the latter The size can be much larger than that of the thin film.

アモルファス金属は、純金属ではなく、合金とすることができる。この合金は、著しく異なるサイズの原子を含有し得ることにより、溶融状態で、低い自由体積がもたらされる(またそれゆえ、他の金属及び合金よりも、桁違いとなるまでの高い粘度を有する)。この粘度は、原子が、規則格子を形成するために十分に移動することを防ぐ。この材料構造は、冷却の間の低収縮性、及び塑性変形に対する抵抗性をもたらし得る。一部の場合には結晶性材料の弱点である、この結晶粒界の非存在は、例えば、磨耗及び腐食に対する、より良好な抵抗性をもたらし得る。一実施形態では、技術的にはガラスであるが、アモルファス金属はまた、酸化物ガラス及びセラミックよりも遙かに強靭であり、脆性ではないものにすることもできる。   The amorphous metal can be an alloy rather than a pure metal. This alloy can contain atoms of significantly different sizes, resulting in a low free volume in the molten state (and therefore has a viscosity that is orders of magnitude higher than other metals and alloys). . This viscosity prevents atoms from moving sufficiently to form an ordered lattice. This material structure can provide low shrinkage during cooling and resistance to plastic deformation. This absence of grain boundaries, which in some cases is a weakness of crystalline materials, can result in better resistance to wear and corrosion, for example. In one embodiment, although technically glass, amorphous metals can also be much stronger and less brittle than oxide glasses and ceramics.

アモルファス材料の熱伝導率は、それらの結晶性対応物の熱伝導率よりも低いものにすることができる。より緩徐な冷却の間でも、アモルファス構造の形成を達成するために、3種以上の構成成分で合金を作製して、より高いポテンシャルエネルギー、及びより低い形成の確率を有する、複合結晶単位をもたらすことができる。アモルファス合金の形成は、以下の幾つかの因子:合金の構成成分の組成と、構成成分の原子半径(好ましくは、高い充填密度及び低い自由体積を達成するために、12%超の有意差を有する)と、結晶核生成を阻止し、溶融金属が過冷却状態に留まる時間を延長する、構成成分の組み合わせの負の混合熱と、に応じて変化し得る。しかしながら、アモルファス合金の形成は、多種多様な変数に基づくものであるため、合金組成物がアモルファス合金を形成するか否かを事前に判定することは、困難な場合がある。   The thermal conductivity of amorphous materials can be lower than the thermal conductivity of their crystalline counterparts. In order to achieve the formation of an amorphous structure even during slower cooling, an alloy is made with three or more components, resulting in a composite crystal unit with higher potential energy and lower probability of formation. be able to. The formation of an amorphous alloy depends on several factors: the composition of the alloy components and the atomic radii of the components (preferably greater than 12% in order to achieve high packing density and low free volume). And the negative heat of mixing of the combination of components that prevents crystal nucleation and extends the time that the molten metal remains supercooled. However, since the formation of an amorphous alloy is based on a wide variety of variables, it may be difficult to determine in advance whether the alloy composition forms an amorphous alloy.

例えば、ホウ素、ケイ素、リン、及び他のガラス形成剤と、磁性金属(鉄、コバルト、ニッケル)とのアモルファス合金は、低い保磁力及び高い電気抵抗を有する、磁性のものとすることができる。この高い抵抗は、例えば、トランス用磁心として有用な特性である、交番磁界に晒された場合の渦電流による低損失をもたらす。   For example, amorphous alloys of boron, silicon, phosphorus, and other glass formers with magnetic metals (iron, cobalt, nickel) can be magnetic with low coercivity and high electrical resistance. This high resistance results in a low loss due to eddy currents when exposed to an alternating magnetic field, which is a characteristic useful as, for example, a transformer core.

アモルファス合金は、潜在的に有用な、様々な特性を有し得る。具体的には、アモルファス合金は、同様の化学組成の結晶性合金よりも強固である傾向にあり、それらは、結晶性合金よりも大きい可逆性(「弾性」)変形に耐え得る。アモルファス金属は、それらの強度を、それらの非晶質構造から直接導き出すものであり、この非晶質構造は、結晶性合金の強度を制限する欠陥(転位などの)を全く有し得ない。例えば、Vitreloy(商標)として知られる、1つの最新のアモルファス金属は、高級チタンのほぼ2倍の引張り強さを有する。一部の実施形態では、室温での金属ガラスは延性ではなく、張力が負荷されると突然破損するが、このことは、差し迫った破壊が明白ではないため、信頼性が重要な用途での、その材料の適用性を制限する。それゆえ、この課題を克服するために、延性の結晶性金属の樹枝状の粒子又は繊維を含有する、金属ガラスマトリックスを有する、金属マトリックス複合材料を使用することができる。あるいは、深刻化を引き起こす傾向がある元素(例えば、Ni)が少ないBMGを使用することができる。例えば、Niを含まないBMGを使用することにより、そのBMGの延性を改善することができる。   Amorphous alloys can have a variety of properties that are potentially useful. Specifically, amorphous alloys tend to be stronger than crystalline alloys of similar chemical composition, and they can withstand greater reversible ("elastic") deformation than crystalline alloys. Amorphous metals derive their strength directly from their amorphous structure, which can have no defects (such as dislocations) that limit the strength of the crystalline alloy. For example, one state-of-the-art amorphous metal, known as Vitreloy ™, has a tensile strength approximately twice that of high-grade titanium. In some embodiments, the metallic glass at room temperature is not ductile and breaks suddenly when tension is applied, which is not evident in imminent failure, so in applications where reliability is important, Limit applicability of the material. Therefore, to overcome this challenge, metal matrix composites with a metallic glass matrix containing ductile crystalline metal dendritic particles or fibers can be used. Alternatively, BMG with less elements (eg, Ni) that tend to cause seriousness can be used. For example, by using BMG that does not contain Ni, the ductility of the BMG can be improved.

バルクアモルファス合金の別の有用な特性は、それらを真性のガラスとすることができる点であり、換言すれば、バルクアモルファス合金は、加熱されると、軟化して流動することができる。このことは、ポリマーと殆ど同じ方法での、射出成形などによる、容易な加工処理を可能にする。結果として、アモルファス合金は、スポーツ用品、医療用装置、電子部品及び電子装備、並びに薄膜を作製するために使用することができる。アモルファス金属の薄膜は、高速酸素燃料技術を介して、保護コーティングとして堆積させることができる。   Another useful property of bulk amorphous alloys is that they can be intrinsic glasses, in other words, bulk amorphous alloys can soften and flow when heated. This allows easy processing, such as by injection molding, in much the same way as a polymer. As a result, amorphous alloys can be used to make sports equipment, medical devices, electronic components and equipment, and thin films. Amorphous metal thin films can be deposited as protective coatings via high speed oxygen fuel technology.

材料は、アモルファス相、結晶相、又は双方を有し得る。これらのアモルファス相及び結晶相は、同じ化学組成を有し、微細構造のみが異なる(すなわち、一方はアモルファスであり、他方は結晶質である)ものとすることができる。一実施形態での微細構造は、25X以上の倍率の顕微鏡によって明らかとなるような材料の構造を指す。あるいは、これらの2つの相は、異なる化学組成及び微細構造を有し得る。例えば、組成物は、部分的アモルファス、実質的アモルファス、又は完全アモルファスとすることができる。   The material can have an amorphous phase, a crystalline phase, or both. These amorphous and crystalline phases can have the same chemical composition and differ only in microstructure (ie, one is amorphous and the other is crystalline). Microstructure in one embodiment refers to the structure of the material as revealed by a microscope with a magnification of 25X or higher. Alternatively, these two phases can have different chemical compositions and microstructures. For example, the composition can be partially amorphous, substantially amorphous, or fully amorphous.

上述のように、アモルファス化度の程度(また反対に結晶化度の程度)は、合金中に存在する結晶の分率によって測定することができる。その程度とは、合金中に存在する結晶相の体積分率又は重量分率を指すことができる。部分的アモルファス組成物とは、少なくとも約10体積%など、少なくとも約20体積%など、少なくとも約40体積%など、少なくとも約60体積%など、少なくとも約80体積%など、少なくとも約90体積%などの、少なくともその約5体積%がアモルファス相である組成物を指すことができる。用語「実質的に」及び「約」は、本明細書中の他の場所で定義されている。したがって、少なくとも実質的にアモルファスである組成物とは、少なくとも約95体積%など、少なくとも約98体積%など、少なくとも約99体積%など、少なくとも約99.5体積%など、少なくとも約99.8体積%など、少なくとも約99.9体積%などの、少なくともその約90体積%がアモルファスであるものを指すことができる。一実施形態では、実質的アモルファス組成物は、その中に存在する何らかの付随的な少量の結晶相を有し得る。   As described above, the degree of amorphization (and conversely, the degree of crystallinity) can be measured by the fraction of crystals present in the alloy. The degree can refer to the volume fraction or weight fraction of the crystalline phase present in the alloy. A partially amorphous composition includes at least about 10%, such as at least about 20%, such as at least about 40%, such as at least about 60%, such as at least about 80%, such as at least about 90%. , Which can refer to a composition at least about 5% by volume of which is in an amorphous phase. The terms “substantially” and “about” are defined elsewhere in this specification. Thus, a composition that is at least substantially amorphous includes at least about 99.8 vol%, such as at least about 95 vol%, such as at least about 98 vol%, such as at least about 99 vol%, such as at least about 99.5 vol%. %, Such as at least about 99.9% by volume, at least about 90% by volume of which is amorphous. In one embodiment, the substantially amorphous composition can have any attendant minor crystalline phase present therein.

一実施形態では、アモルファス合金組成物は、アモルファス相に関して均質とすることができる。組成が均一である物質は均質である。このことは、不均質である物質とは対照的である。用語「組成」とは、物質中の化学組成及び/又は微細構造を指す。物質は、その物質の体積を半分に分割して、両半分が実質的に同じ組成を有する場合に、均質である。例えば、微粒子懸濁液は、その微粒子懸濁液の体積を半分に分割して、両半分が実質的に同じ体積の粒子を有する場合に、均質である。しかしながら、顕微鏡下で個々の粒子を視認することが可能な場合もある。均質な物質の別の例は、空気であり、その空気中の種々の成分は等しく浮遊するが、空気中の粒子、気体、及び液体は、個別に分析することができ、又は空気から分離することもできる。   In one embodiment, the amorphous alloy composition can be homogeneous with respect to the amorphous phase. A substance with a uniform composition is homogeneous. This is in contrast to materials that are heterogeneous. The term “composition” refers to the chemical composition and / or microstructure in a substance. A substance is homogeneous when the volume of the substance is divided in half and both halves have substantially the same composition. For example, a particulate suspension is homogeneous when the volume of the particulate suspension is divided in half and both halves have substantially the same volume of particles. However, it may be possible to see individual particles under a microscope. Another example of a homogeneous material is air, where the various components in the air are equally floating, but the particles, gases, and liquids in the air can be analyzed separately or separated from the air. You can also.

アモルファス合金に関して均質である組成とは、その微細構造の全体にわたって実質的に均一に分布するアモルファス相を有するものを指すことができる。換言すれば、その組成物は、組成物の全体にわたって実質的に均一に分布するアモルファス合金を巨視的に含む。代替の実施形態では、この組成は、非アモルファス相を内部に有する、アモルファス相を有する複合材料のものとすることができる。この非アモルファス相は、1つの結晶又は複数の結晶とすることができる。それらの結晶は、球形、楕円、ワイヤ状、ロッド状、シート状、フレーク状、又は不規則形状などの、任意の形状の微粒子の形態とすることができる。一実施形態では、結晶は、樹枝状形態を有し得る。例えば、少なくとも部分的にアモルファスの複合組成物は、アモルファス相マトリックス中に分散する樹枝状結晶の形状の結晶相を有し得るものであり、この分散は、均一又は不均一なものとすることができ、アモルファス相と結晶相とは、同じ化学組成又は異なる化学組成を有し得る一実施形態では、それらの相は実質的に同じ化学組成を有し得る。別の実施形態では、結晶相は、BMG相よりも延性とすることができる。   A composition that is homogeneous with respect to an amorphous alloy can refer to one having an amorphous phase that is distributed substantially uniformly throughout its microstructure. In other words, the composition macroscopically comprises an amorphous alloy that is distributed substantially uniformly throughout the composition. In an alternative embodiment, the composition can be of a composite material having an amorphous phase with a non-amorphous phase therein. This non-amorphous phase can be a single crystal or multiple crystals. The crystals can be in the form of particulates of any shape, such as spherical, oval, wire, rod, sheet, flake, or irregular shape. In one embodiment, the crystals can have a dendritic morphology. For example, an at least partially amorphous composite composition may have a crystalline phase in the form of dendrites dispersed in an amorphous phase matrix, and this dispersion may be uniform or non-uniform. In one embodiment, the amorphous phase and the crystalline phase can have the same chemical composition or different chemical compositions, and the phases can have substantially the same chemical composition. In another embodiment, the crystalline phase can be more ductile than the BMG phase.

本明細書で説明される方法は、任意のタイプのアモルファス合金に適用可能とすることができる。同様に、組成物又は物品の成分として、本明細書で説明されるアモルファス合金は、任意のタイプのものとすることができる。このアモルファス合金は、Zr、Hf、Ti、Cu、Ni、Pt、Pd、Fe、Mg、Au、La、Ag、Al、Mo、Nb、Beの元素、又はこれらの組み合わせを含み得る。すなわち、この合金は、その化学式又は化学組成中に、これらの元素のいずれかの組み合わせを含み得る。それらの元素は、種々の重量百分率又は体積百分率で存在し得る。例えば、鉄「ベース」合金とは、その中に存在する無視することができない重量百分率の鉄を有する、合金を指すことができ、その重量百分率は、例えば、少なくとも約40重量%など、少なくとも約50重量%など、少なくとも約60重量%など、少なくとも約80重量%などの、少なくとも約20重量%などとすることができる。あるいは、一実施形態では、上述の百分率は、重量百分率の代わりに、体積百分率とすることができる。したがって、アモルファス合金は、ジルコニウムベース、チタンベース、白金ベース、パラジウムベース、金ベース、銀ベース、銅ベース、鉄ベース、ニッケルベース、アルミニウムベース、モリブデンベースなどとすることができる。この合金はまた、特定の目的に適合するように、上述の元素のうちのいずれかを含まない場合もある。例えば、一部の実施形態では、この合金、又はこの合金を含む組成物は、ニッケル、アルミニウム、チタン、ベリリウム、又はこれらの組み合わせを実質的に含まないものであり得る。一実施形態では、この合金又は複合材料は、ニッケル、アルミニウム、チタン、ベリリウム、又はこれらの組み合わせを、全く含まない。   The methods described herein may be applicable to any type of amorphous alloy. Similarly, the amorphous alloy described herein as a component of the composition or article can be of any type. The amorphous alloy may include elements of Zr, Hf, Ti, Cu, Ni, Pt, Pd, Fe, Mg, Au, La, Ag, Al, Mo, Nb, Be, or combinations thereof. That is, the alloy may include any combination of these elements in its chemical formula or chemical composition. These elements can be present in various weight or volume percentages. For example, an iron “base” alloy can refer to an alloy having a non-negligible weight percentage of iron present therein, the weight percentage being at least about 40% by weight, for example, at least about 40% by weight. It may be at least about 20%, such as 50%, such as at least about 60%, such as at least about 80%. Alternatively, in one embodiment, the percentages described above can be volume percentages instead of weight percentages. Thus, the amorphous alloy can be a zirconium base, a titanium base, a platinum base, a palladium base, a gold base, a silver base, a copper base, an iron base, a nickel base, an aluminum base, a molybdenum base, and the like. The alloy may also not include any of the above-described elements to suit a particular purpose. For example, in some embodiments, the alloy, or a composition comprising the alloy, can be substantially free of nickel, aluminum, titanium, beryllium, or combinations thereof. In one embodiment, the alloy or composite material does not include any nickel, aluminum, titanium, beryllium, or combinations thereof.

例えば、このアモルファス合金は、式(Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,A1,Si,B)cを有し得るものであり、式中、a、b、及びcはそれぞれ、重量百分率又は原子百分率を表す。一実施形態では、原子百分率で、aは30〜75の範囲であり、bは5〜60の範囲であり、cは0〜50の範囲である。あるいは、このアモルファス合金は、式(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)cを有し得るものであり、式中、a、b、及びcはそれぞれ、重量百分率又は原子百分率を表す。一実施形態では、原子百分率で、aは40〜75の範囲であり、bは5〜50の範囲であり、cは5〜50の範囲である。この合金はまた、式(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)cを有し得るものでもあり、式中、a、b、及びcはそれぞれ、重量百分率又は原子百分率を表す。一実施形態では、原子百分率で、aは45〜65の範囲であり、bは7.5〜35の範囲であり、cは10〜37.5の範囲である。あるいは、この合金は、式(Zr)a(Nb,Ti)b(Ni,Cu)c(A1)dを有し得るものでもあり、式中、a、b、c、及びdはそれぞれ、重量百分率又は原子百分率を表す。一実施形態では、原子百分率で、aは45〜65の範囲であり、bは0〜10の範囲であり、cは20〜40の範囲であり、dは7.5〜15の範囲である。上述の合金系の例示的一実施形態は、Liquidmetal Technologies(CA,USA)によって製作されるような、Vitreloy−1及びVitreloy−101などの、商品名Vitreloy(商標)の、Zr−Ti−Ni−Cu−Beベースのアモルファス合金である。種々の系のアモルファス合金の一部の実施例が、表1に記載される。 For example, the amorphous alloy may have the formula (Zr, Ti) a (Ni, Cu, Fe) b (Be, A1, Si, B) c , where a, b, and c are Each represents a weight percentage or an atomic percentage. In one embodiment, in atomic percent, a is in the range of 30-75, b is in the range of 5-60, and c is in the range of 0-50. Alternatively, the amorphous alloy can have the formula (Zr, Ti) a (Ni, Cu) b (Be) c , where a, b, and c are weight percentages or atomic percentages, respectively. Represent. In one embodiment, in atomic percent, a is in the range of 40-75, b is in the range of 5-50, and c is in the range of 5-50. The alloy may also have the formula (Zr, Ti) a (Ni, Cu) b (Be) c , where a, b, and c represent weight percentage or atomic percentage, respectively. In one embodiment, in atomic percent, a is in the range of 45-65, b is in the range of 7.5-35, and c is in the range of 10-37.5. Alternatively, the alloy can also have the formula (Zr) a (Nb, Ti) b (Ni, Cu) c (A1) d , where a, b, c, and d are each weight Represents a percentage or atomic percentage. In one embodiment, in atomic percent, a is in the range of 45-65, b is in the range of 0-10, c is in the range of 20-40, and d is in the range of 7.5-15. . One exemplary embodiment of the above alloy system is Zr-Ti-Ni- of the trade name Vitreloy (TM), such as Vitreloy-1 and Vitreloy-101, as manufactured by Liquidmetal Technologies (CA, USA). It is a Cu-Be based amorphous alloy. Some examples of various systems of amorphous alloys are listed in Table 1.

これらのアモルファス合金はまた、(Fe,Ni,Co)ベース合金などの、鉄合金とすることもできる。そのような組成物の例は、米国特許第6,325,868号、同第5,288,344号、同第5,368,659号、同第5,618,359号、及び同第5,735,975号(Inoue et al.)、Appl.Phys.Lett.,Volume 71,p 464(1997)(Shen et al.)、Mater.Trans.,JIM,Volume 42,p 2136(2001)、及び日本特許出願第200126277号(公開番号第2001303218A号)に開示されている。1つの例示的な組成物は、Fe72A15Ga2ll64である。別の実施例は、Fe72A17Zr10Mo5215である。本明細書でのコーティングに使用することができる、別の鉄ベース合金系が、米国特許出願公開第2010/0084052号で開示されており、そのアモルファス金属は、例えば、括弧内に記される組成の範囲で、マンガン(1〜3原子%)、イットリウム(0.1〜10原子%)、及びケイ素(0.3〜3.1原子%)を含有し、また括弧内に記される組成の指定範囲で以下の元素:クロム(15〜20原子%)、モリブデン(2〜15原子%)タングステン(1〜3原子%)、ホウ素(5〜16原子%)、炭素(3〜16原子%)、及び残部の鉄を含有する。 These amorphous alloys can also be iron alloys, such as (Fe, Ni, Co) based alloys. Examples of such compositions are US Pat. Nos. 6,325,868, 5,288,344, 5,368,659, 5,618,359, and , 735, 975 (Inoue et al.), Appl. Phys. Lett. , Volume 71, p 464 (1997) (Shen et al.), Mater. Trans. , JIM, Volume 42, p 2136 (2001), and Japanese Patent Application No. 200126277 (publication number 2001303218A). One exemplary composition is Fe 72 A1 5 Ga 2 P ll C 6 B 4 . Another example is Fe 72 A1 7 Zr 10 Mo 5 W 2 B 15 . Another iron-based alloy system that can be used for coating herein is disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2010/0084052, the amorphous metal having a composition described in parentheses, for example. Of manganese (1 to 3 atomic%), yttrium (0.1 to 10 atomic%), and silicon (0.3 to 3.1 atomic%), and the composition described in parentheses The following elements in the specified range: Chromium (15-20 atom%), Molybdenum (2-15 atom%) Tungsten (1-3 atom%), Boron (5-16 atom%), Carbon (3-16 atom%) And the balance iron.

上述のアモルファス合金系は、Nb、Cr、V、及びCoを含めた添加遷移金属元素などの、添加元素を更に含み得る。これらの添加元素は、約20重量%以下など、約10重量%以下など、約5重量%など、約30重量%以下で存在し得る。一実施形態では、この任意選択の添加元素は、コバルト、マンガン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、イットリウム、チタン、バナジウム、及びハフニウムのうちの少なくとも1つであり、炭化物を形成して、耐摩耗性及び耐食性を更に改善する。更なる任意選択の元素としては、融点を低下させるための、合計で最大約2%の、好ましくは1%未満の、リン、ゲルマニウム、及びヒ素を挙げることができる。他の少量の不純物は、約2%未満、好ましくは0.5%未満とするべきである。

Figure 0006040251
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The amorphous alloy system described above may further include additional elements, such as additional transition metal elements including Nb, Cr, V, and Co. These additive elements may be present at about 30 wt% or less, such as about 20 wt% or less, such as about 10 wt% or less, such as about 5 wt%. In one embodiment, the optional additive element is at least one of cobalt, manganese, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, yttrium, titanium, vanadium, and hafnium, forming carbides and wear resistant. Further improve the properties and corrosion resistance. Further optional elements may include phosphorus, germanium, and arsenic, up to a total of about 2%, preferably less than 1%, to lower the melting point. Other minor impurities should be less than about 2%, preferably less than 0.5%.
Figure 0006040251
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一部の実施形態では、アモルファス合金を有する組成物は少量の不純物を含み得る。不純物元素を意図的に添加することにより、機械的特性(例えば、硬度、強度、破壊機構など)の改善、及び/又は耐食性の改善などの、その組成物の特性を修正することができる。あるいは、それらの不純物は、加工処理及び製造の副生成物として得られるもののような、不可避の付随的な不純物として存在し得る。この不純物は、約5重量%以下など、約2重量%以下など、約1重量%以下など、約0.5重量%以下など、約0.1重量%以下などの、約10重量%以下とすることができる。一部の実施形態では、これらの百分率は、重量百分率の代わりに、体積百分率とすることができる。一実施形態では、この合金サンプル/組成物は、アモルファス合金から本質的になる(少量の付随的不純物のみを有する)。別の実施形態では、この組成物はアモルファス合金を含む(観察可能な微量の不純物を全く有さない)。   In some embodiments, a composition having an amorphous alloy can include a small amount of impurities. By intentionally adding impurity elements, the properties of the composition, such as improved mechanical properties (eg, hardness, strength, fracture mechanism, etc.) and / or improved corrosion resistance can be modified. Alternatively, the impurities may be present as inevitable incidental impurities, such as those obtained as processing and manufacturing by-products. This impurity is about 10% or less, such as about 5% or less, such as about 2% or less, such as about 1% or less, such as about 0.5% or less, such as about 0.1% or less. can do. In some embodiments, these percentages can be volume percentages instead of weight percentages. In one embodiment, the alloy sample / composition consists essentially of an amorphous alloy (having only a small amount of incidental impurities). In another embodiment, the composition comprises an amorphous alloy (having no observable trace impurities).

一実施形態では、最終部品は、バルク凝固アモルファス合金の臨界鋳造厚さを超過するものであった。   In one embodiment, the final part exceeded the critical cast thickness of the bulk solidified amorphous alloy.

本明細書の実施形態では、バルク凝固アモルファス合金が高粘度の液体として存在することができる、過冷却液体領域の存在により、超塑性成形が可能となる。大きな塑性変形を得ることができる。過冷却液体領域内で大きく塑性変形する能力は、成形プロセス及び/又は切断プロセスに使用される可能性がある。固体とは対照的に、この液体のバルク凝固合金は、局所的に変形し、このことが、切断及び成形のために必要とされるエネルギーを、大幅に低下させる。切断及び成形の容易性は、合金、金型、及び切断工具の温度に応じて変化する。温度が高くなるにつれて、粘度が低下し、その結果として、切断及び成形が容易になる。   In embodiments herein, superplastic forming is possible due to the presence of a supercooled liquid region in which the bulk solidified amorphous alloy can exist as a high viscosity liquid. Large plastic deformation can be obtained. The ability to undergo significant plastic deformation within the supercooled liquid region may be used for the molding and / or cutting process. In contrast to solids, this liquid bulk solidified alloy deforms locally, which greatly reduces the energy required for cutting and forming. The ease of cutting and forming varies with the temperature of the alloy, mold and cutting tool. As the temperature increases, the viscosity decreases, resulting in easier cutting and molding.

本明細書の実施形態は、例えば、Tg〜Txで実施される、アモルファス合金を使用する熱可塑性成形プロセスを、利用することができる。本明細書では、Tx及びTgは、結晶化の開始の温度、及びガラス転移の開始の温度として、典型的な加熱速度(例えば、20℃/分)での標準的なDSC測定から決定される。   Embodiments herein can utilize a thermoplastic molding process using amorphous alloys, for example, performed at Tg-Tx. As used herein, Tx and Tg are determined from standard DSC measurements at typical heating rates (eg, 20 ° C./min) as the temperature of onset of crystallization and the temperature of onset of glass transition. .

アモルファス合金構成要素は、臨界鋳造厚さを有し得るものであり、最終部品は、その臨界鋳造厚さよりも厚い厚さを有し得る。更には、加熱及び整形操作の時間並びに温度は、アモルファス合金の弾性歪み限界が、1.0%以上、好ましくは1.5%以上に、実質的に維持し得るように選択される。本明細書の実施形態との関連では、ガラス転移近傍の温度とは、成形温度がガラス転移温度未満、ガラス転移温度若しくはガラス転位温度近傍、及びガラス転移温度超とすることができることを意味するが、結晶化温度Txより低い温度であることが好ましい。冷却工程は、加熱工程での加熱速度と同様の速度で、好ましくは、加熱工程での加熱速度を超える速度で実施される。冷却工程はまた、好ましくは、成形荷重及び整形荷重が依然として維持されている間にも、達成される。   The amorphous alloy component can have a critical casting thickness, and the final part can have a thickness greater than its critical casting thickness. Furthermore, the time and temperature of the heating and shaping operations are selected so that the elastic strain limit of the amorphous alloy can be substantially maintained above 1.0%, preferably above 1.5%. In the context of embodiments herein, the temperature near the glass transition means that the molding temperature can be below the glass transition temperature, near the glass transition temperature or glass transition temperature, and above the glass transition temperature. The temperature is preferably lower than the crystallization temperature Tx. The cooling step is performed at a rate similar to the heating rate in the heating step, preferably at a rate exceeding the heating rate in the heating step. The cooling step is also preferably accomplished while the forming and shaping loads are still maintained.

上述の射出成形システム10の実施形態は、BMG(又はアモルファス合金)の使用を含む製造装置及び/又はプロセスに使用することができる。BMGの優れた特性から、BMGは、様々な物品、装置及び部品におけるバルクアモルファス合金の構成部品を製造することができる。1つのそのようなタイプの装置が、電子機器である。   Embodiments of the injection molding system 10 described above can be used in manufacturing equipment and / or processes that include the use of BMG (or amorphous alloy). Because of the superior properties of BMG, BMG can produce bulk amorphous alloy components in a variety of articles, devices and parts. One such type of device is an electronic device.

電子機器
本明細書に記載の実施形態は、BMGを用いた電子機器の作成で、価値のあるものとすることができる。本明細書での電子機器とは、当該技術分野において既知の任意の電子機器を指すことができる。例えば、この電子機器は、携帯電話及び固定電話などの電話、あるいは、例えばiPhone(商標)を含めたスマートフォン、及び電子eメール送信/受信機器などの、任意の通信機器とすることができる。この電子機器は、デジタルディスプレイ、TVモニタ、電子ブックリーダ、携帯ウェブブラウザ(例えば、iPad(商標))、及びコンピュータモニタなどの、ディスプレイの一部とすることができる。この電子機器はまた、携帯DVDプレーヤ、従来型DVDプレーヤ、ブルーレイディスクプレーヤ、ビデオゲームコンソール、携帯音楽プレーヤ(例えば、iPod(商標))などの音楽プレーヤなどを含めた、娯楽用機器とすることもできる。この電子機器はまた、画像、ビデオ、音声のストリーミングを制御することなどの、制御を提供する機器(例えば、Apple TV(商標))の一部とすることもでき、又は電子機器用の遠隔制御装置とすることができる。この電子機器は、コンピュータ、あるいはハードディスクドライブのタワーの筺体若しくはケーシング、ラップトップ筺体、ラップトップキーボード、ラップトップトラックパッド、デスクトップキーボード、マウス、及びスピーカなどの、コンピュータ付属品の一部とすることができる。この物品はまた、腕時計又は時計などの機器にも適用することができる。
Electronic Device The embodiments described herein can be valuable in creating an electronic device using BMG. As used herein, an electronic device can refer to any electronic device known in the art. For example, the electronic device can be any communication device such as a phone such as a mobile phone and a landline phone, or a smartphone including, for example, iPhone ™, and an e-mail sending / receiving device. The electronic device can be part of a display, such as a digital display, TV monitor, electronic book reader, portable web browser (eg, iPad ™), and computer monitor. The electronic device may also be an entertainment device, including music players such as portable DVD players, conventional DVD players, Blu-ray disc players, video game consoles, portable music players (eg, iPod ™), and the like. it can. The electronic device can also be part of a device that provides control (eg, Apple TV ™), such as controlling image, video, audio streaming, or remote control for the electronic device It can be a device. This electronic device may be part of a computer accessory such as a computer or hard disk drive tower enclosure or casing, laptop enclosure, laptop keyboard, laptop trackpad, desktop keyboard, mouse, and speakers. it can. This article can also be applied to devices such as watches or watches.

本開示の原理は、上述の例示的実施形態において明確にされているが、本開示の実施に使用される構造、配置、割合、要素、材料、及び構成部品に対して様々な改変が行われ得ることが、当業者には明らかであろう。   Although the principles of the present disclosure are clarified in the exemplary embodiments described above, various modifications may be made to the structures, arrangements, proportions, elements, materials, and components used to implement the present disclosure. It will be apparent to those skilled in the art to obtain.

上述並びにその他の様々な特徴及び機能、又はそれらの代替物は、数多くの他の異なるシステム/装置又は用途に好適に組み合わせ得ることが理解されよう。これらにおける現在予想できない又は予測されない様々な代替物、変更、バリエーション、又は改善が、続いて当業者によりなされる可能性があり、これも下記の請求項の範囲に包含されることが意図される。   It will be appreciated that the above-described and various other features and functions, or alternatives thereof, may be suitably combined with many other different systems / devices or applications. Various alternatives, changes, variations, or improvements in these that are not currently anticipated or anticipated may subsequently be made by those skilled in the art and are intended to be included within the scope of the following claims .

Claims (8)

射出成形システムであって、
前記システムに、溶融されていない材料を装入するための材料投入装置と、
内部に受容した前記溶融されていない材料を溶融して溶融した材料にし、且つ前記溶融した材料を内部に保持するように構成された溶融ゾーンと、
前記溶融されていない材料を溶融するように構成され、前記溶融ゾーン内に配置された誘導源と、
前記溶融した材料を前記溶融ゾーンから金型内に射出するように構成されたプランジャロッドと、
少なくとも前記溶融ゾーン及び前記金型を減圧するように構成される、少なくとも1つの真空源と、を備え、
前記金型は、前記溶融ゾーンの下流に前記誘導源から離間して配置されており、
前記プランジャロッド、前記溶融ゾーン及び前記金型は、インラインかつ水平軸上に設けられ、これにより前記プランジャロッドは前記溶融ゾーンを通って水平方向に沿ってインラインに移動し、前記溶融した材料を前記誘導源から離間した位置にある前記金型内に水平方向に移動させ、バルクアモルファス合金を含む成形物品を形成する、射出成形システム。
An injection molding system,
A material input device for charging the system with unmelted material;
A melting zone configured to melt the unmelted material received therein into a molten material and to hold the molten material therein ;
An induction source configured to melt the unmelted material and disposed in the melting zone;
A plunger rod configured to emit the molten material into the mold from the melt zone,
And at least one vacuum source configured to depressurize at least the melting zone and the mold,
The mold is disposed downstream from the induction source downstream of the melting zone;
The plunger rod, the melting zone, and the mold are provided inline and on a horizontal axis, whereby the plunger rod moves inline along the horizontal direction through the melting zone, and the molten material is An injection molding system that moves horizontally into the mold at a location spaced from the induction source to form a molded article comprising a bulk amorphous alloy.
前記溶融ゾーンが、前記溶融されていない材料を受容するための本体を有する容器を含み、前記本体が、前記溶融した材料を移動させるために、内部を通じて水平方向に前記プランジャロッドを受容するように構成される、請求項1に記載のシステム。   The melting zone includes a container having a body for receiving the unmelted material such that the body receives the plunger rod horizontally through the interior for moving the molten material. The system of claim 1, configured. 前記容器が、該容器の温度を調節するために、液体を内部で流すように構成された1本以上の温度調節管を含む、請求項2に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the container includes one or more temperature control tubes configured to flow liquid therein to adjust the temperature of the container. 内部を通じて前記溶融した材料を受容するように構成され、前記溶融ゾーンと前記金型との間の移送スリーブを更に備える、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, further comprising a transfer sleeve configured to receive the molten material through an interior between the melting zone and the mold. 射出成形システムであって、
溶融される材料を受容し、前記材料を内部で溶融し、かつ前記溶融された材料を内部に保持するように構成された本体を含む容器と、
前記溶融される材料を溶融するように構成され、前記容器に隣接して配置された誘導源と、
前記溶融した材料を前記容器から移動させるように構成されたプランジャロッドと、
前記容器と通じている移送スリーブと、
バルクアモルファス合金を含む成形物品を形成するための金型と、
少なくとも前記容器及び前記金型を減圧するように構成される、少なくとも1つの真空源と、を備え
前記金型は、前記移送スリーブの下流に前記誘導源から離間して配置されており、
前記プランジャロッド、前記容器、前記移送スリーブ及び前記金型は、インライン上かつ水平軸上に設けられ、これにより前記プランジャロッドは前記容器を通って水平方向に移動し、前記溶融した材料を前記水平方向に沿ってインラインに前記移送スリーブ内に及びインラインに前記金型内に移動させる、射出成形システム。
An injection molding system,
A container containing a configured body so as to hold the material to be melted receptor, melting the pre-SL material internally, and the molten material therein,
An induction source configured to melt the material to be melted and disposed adjacent to the container;
A plunger rod configured to move the molten material from the container,
A transfer sleeve in communication with the container;
A mold for forming a molded article comprising a bulk amorphous alloy;
And at least one vacuum source configured to depressurize at least the container and the mold, the mold being disposed downstream of the transfer sleeve and spaced from the induction source,
The plunger rod, the container, the transfer sleeve, and the mold are provided on an in-line and horizontal axis so that the plunger rod moves horizontally through the container and removes the molten material from the horizontal. An injection molding system that moves inline along the direction into the transfer sleeve and inline into the mold.
前記容器が、前記容器の温度を調節するために、液体を内部で流すように構成された1本以上の温度調節管を含む、請求項5に記載のシステム。   The system of claim 5, wherein the container includes one or more temperature control tubes configured to flow liquid therein to adjust the temperature of the container. 射出成形システムであって、
溶融されるアモルファス合金材料を提供するための装入ポートと、
前記アモルファス合金材料を内部で保持するための本体を含む、温度調節された容器であって、前記容器は、該容器の温度を調節するために、液体を内部で流すように構成された1本以上の温度調節管を含む、温度調節された容器と、
前記容器を加熱し及び前記内部に保持された前記アモルファス合金材料を溶融するために、前記温度調節された容器に隣接して配置された誘導源と、
前記溶融ゾーンの下流に前記誘導源から離間して配置されており、前記溶融したアモルファス合金を、入口を介して受容するように構成され、かつ前記溶融したアモルファス合金材料を減圧下で成形するように構成された、真空金型と、
バルクアモルファス合金を含む成形物品を形成するために、前記温度調節された容器の前記本体から前記真空金型内に、前記溶融したアモルファス合金材料を射出するためのプランジャロッドと、
少なくとも前記温度調節された容器及び前記金型を減圧するように構成される、少なくとも1つの真空源と、を備え、
前記温度調節された容器、前記真空金型の前記入口、及び前記プランジャロッドは、インラインかつ水平軸上に設けられ、これにより前記プランジャロッドは、前記温度調節された容器の前記本体を通って水平方向に沿ってインラインに移動し、前記溶融した材料を、前記温度調節された容器から、前記入口を介して前記誘導源から離間した位置にある前記真空金型内に前記水平方向で射出し
前記容器は、前記溶融したアモルファス合金材料が前記本体から前記真空金型内に射出されるまで、前記溶融したアモルファス合金材料を前記容器の内部に保持する、射出成形システム。
An injection molding system,
A charging port for providing an amorphous alloy material to be melted;
A temperature controlled container including a body for holding the amorphous alloy material therein, wherein the container is configured to flow a liquid therein to adjust the temperature of the container A temperature-controlled container including the above-mentioned temperature control tube;
An induction source disposed adjacent to the temperature controlled container to heat the container and melt the amorphous alloy material held therein;
Located downstream of the melting zone and spaced from the induction source, configured to receive the molten amorphous alloy through an inlet, and to form the molten amorphous alloy material under reduced pressure A vacuum mold composed of
A plunger rod for injecting the molten amorphous alloy material from the body of the temperature controlled container into the vacuum mold to form a molded article comprising a bulk amorphous alloy;
At least one vacuum source configured to depressurize at least the temperature-controlled container and the mold;
The temperature-controlled container, the inlet of the vacuum mold, and the plunger rod are provided on an in-line and horizontal axis so that the plunger rod is horizontal through the body of the temperature-controlled container. Moving inline along the direction, and injecting the molten material from the temperature-controlled container in the horizontal direction into the vacuum mold at a position spaced from the induction source via the inlet ;
The container holds the molten amorphous alloy material inside the container until the molten amorphous alloy material is injected from the main body into the vacuum mold.
内部を通じて前記溶融した材料を受容するように構成され、前記温度調節された容器と前記金型との間の移送スリーブを更に備える、請求項7に記載のシステム。   The system of claim 7, further comprising a transfer sleeve configured to receive the molten material through an interior and between the temperature controlled container and the mold.
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