JPH10263739A - 金属ガラスの成形方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱効率の向上並びにタクトタイムを短縮し得
る金属ガラスの成形方法及び装置の提供を目的とする。 【解決手段】 上下型３，４および金属ガラス素材７を
載置したホルダー６をコイルスプリング８を介してスリ
ーブ２内にセットするとともにこのスリーブ２を真空槽
１の中心部に配設し、かつ主軸１１により上型３を加圧
し、前記上下型３，４間の金属ガラス素材７を押圧成形
する成形装置において、前記スリーブ２の外周に円筒状
のヒーターユニット５を密着させて設置するともにこの
ヒーターユニット５を囲繞する円弧状に３分割した冷却
ユニット１０をそれぞれ駆動装置１２を介して移動自在
に支持することにより構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は精密な金属ガラス製
品を成形型により安価に製造する金属ガラスの成形方法
及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属ガラスを用いた製品を製造す
る際には特開平５−３０９４２７号公報に開示されてい
るように非晶質合金（金属ガラス）の板状バルク材をガ
ラス遷移温度Ｔｇと結晶化温度Ｔｘとの間（過冷却液体
領域）の温度に加熱した不活性ガス流で加熱、さらに気
体の圧力差で成形する成形方法が提案されている。しか
し、このような成形方法では非晶質合金の両面を同時に
精密成形することはできない。

【０００３】また、真空中では熱伝達の効率は距離の３
乗に比例して落ちる。従って、密着させることなしでス
リーブ等を加熱するには放射加熱によらなければ従来の
安価な電気ヒーター等で加熱することはできない。ヒー
ターの出力をあげて光らせることにより放射加熱を用い
ることはできるが、その場合オーバーシュートなどが大
きくなるために制御が難しくなる。

【０００４】これらの問題点を解決するために図６に示
されるような装置が開発された。すなわち、図６に示し
た成形装置３０は、金属ガラスの酸化を防ぐために高真
空に保った真空槽３１の内部に筒状のスリーブ３２を設
置するとともに、このスリーブ３２の中に金属ガラス素
材７を保持するホルダー３６、金属ガラス素材３７を成
形する上下型３３，３４およびホルダー３６を保持する
コイルスプリング３８が図のように組み合わせつつ内装
されている。

【０００５】また、前記スリーブ３２の外周にはコイル
ヒーター３５が巻装されるとともに、前記上下型３３，
３４の軸心線イに不図示の駆動手段にて駆動する押圧用
の主軸３９が上下動自在に設置されている。

【０００６】前記構成から成る成形装置３０のコイルヒ
ーター３５によりスリーブ３２を加熱すると熱伝導によ
り上下型３３，３４とホルダー３６とが加熱され、スリ
ーブ３２内においてホルダー３６に保持される金属ガラ
ス素材３７の温度が上がる。そして、この金属ガラス素
材３７がＴｇ点（ガラス遷移温度）以上Ｔｘ点（結晶化
温度）以下の所定の温度になったところで主軸３９が駆
動手段にて駆動され上型３３を下動し、前記金属ガラス
素材３７は上下型３３，３４にて押圧成形される。その
後、前記主軸３９による上型３３の所定の寸法の押し込
み量完了時点でコイルヒーター３５の電源を切って、ス
リーブ３２の加熱を停止し、かつその後スリーブ３２を
冷却して前記成形後の金属ガラス素材３７を冷却するこ
とにより成形を終了する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記成
形装置３０による成形方法では、次のような問題点が生
じる。すなわち、高真空中では熱の伝導による熱損失
（冷却）が上下型３３，３４やスリーブ３２と真空槽３
１との接触面でしか発生しないために上下型３３，３４
と金属ガラス素材３７の冷却に非常に時間がかかり、結
果としてサイクルタイムが延びるので成形コストが高く
なる。さらに、金属ガラス固有の特徴として、成形温度
がガラス遷移温度と結晶化温度の間の温度領域に保たれ
ていても、一定以上の時間がたつと結晶化が始まるとい
う現象がある。従って昇温と降温に時間がかかると、特
に金属ガラスの中心部で結晶化が始まってしまう恐れが
ある。

【０００８】また、スリーブ３２に直接コイルヒーター
３５を巻装しているためにコイルヒーター３２とスリー
ブ３２は線接触であり、従って、コイルヒーター３５か
らスリーブ３２に直接伝わる熱量が面接触に比べると少
なく、熱の伝わり方が不均等かつ熱効率が悪いという欠
点がある。

【０００９】以上のような従来の欠点に鑑みて本発明で
は熱効率がよく、従来より短いタクトタイムで金属ガラ
スを成形できる成形方法および装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成ために、
第１の発明に係る金属ガラスの成形方法は、スリーブ内
の金属ガラス素材を成形型によって押圧成形する金属ガ
ラスの成形方法において、前記スリーブの外周面に加熱
手段を密着させ、スリーブ内の金属ガラス素材を加熱す
る工程と、加熱された金属ガラス素材を前記成形型によ
って押圧成形する工程と、前記スリーブの外周面に移動
可能な冷却手段を密着させて、スリーブ内の押圧された
金属ガラス素材を冷却する工程と、を有する。

【００１１】また、第２の発明に係る金属ガラスの成形
装置は、スリーブ内の金属ガラス素材を成形型によって
押圧成形する金属ガラスの成形装置において、前記スリ
ーブの外周面に密着して、スリーブ内の金属ガラス素材
を加熱する加熱手段と、前記スリーブの外周面に密着し
て、スリーブ内の金属ガラス素材を冷却する冷却手段
と、前記加熱手段および前記冷却手段の少なくとも一方
を駆動させる駆動手段と、を具備する。

【００１２】すなわち、第１の発明に係る金属ガラスの
成形方法は、スリーブの外周面に加熱手段を密着させ、
スリーブ内の金属ガラス素材を加熱し、加熱された金属
ガラス素材を成形型によって押圧成形し、スリーブの外
周面に移動可能な冷却手段を密着させて、スリーブ内の
押圧された金属ガラス素材を冷却する。

【００１３】また、第２の発明に係る金属ガラスの成形
装置は、スリーブの外周面に加熱手段を密着させ、スリ
ーブ内の金属ガラス素材を加熱し、加熱された金属ガラ
ス素材を成形型によって押圧成形し、スリーブの外周面
に移動可能な冷却手段を密着させて、スリーブ内の押圧
された金属ガラス素材を冷却する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
とともに説明する。

【００１５】（第１の実施の形態） （構成）図１〜図３は本発明の第１の実施の形態を示す
もので、図１は成形装置の断面図、図２は同要部の平面
図、図３は型温度および成形圧力と成形時間との関係を
示す線図である。

【００１６】さて、図１に示される成形装置は以下の構
成から成る。まず、真空槽１の内部に円筒状のスリーブ
２が設置されている。このスリーブ２の中には上型３、
下型４からなる成形型が摺動可能に嵌装されており、上
型３と下型４との間には、スリーブ２に対して摺動可能
で金属ガラス素材７を載置したホルダー６がコイルスプ
リング８を介して下型４の段部４ａ上に設置されてい
る。

【００１７】また、上型３の上部には主軸１１が設置さ
れており、図示しない加圧ユニットにより任意の設定圧
力で上型３をＸ方向に加圧できるようになっている。さ
らに、前記スリーブ２の外周面には加熱手段としての円
筒状のヒーターユニット５がその内周面を密着して設置
されている。また、ヒーターユニット５の外周を取り囲
むように円弧状に３分割した冷却手段としての冷却ユニ
ット１０が駆動手段としての冷却ユニット用駆動装置１
２に支持されて設置されている。冷却ユニット１０は真
空空間での熱伝導率が落ちることを利用してヒーターユ
ニット５の加熱中はヒーターユニット５から離し、冷却
過程でのみ冷却効果を与える。各冷却ユニット１０のヒ
ーターユニット５との接触面には円弧状のアルミ製の反
射ミラーＡ９が取り付けられている。この反射ミラーＡ
９はヒーターユニット５の外周面に密着する様に内面の
曲率半径をヒーターユニット５に合わせて作られてい
る。

【００１８】前記、３つの冷却ユニット１０の作る隙間
から出る赤外線を反射するためにアルミ製の反射ミラー
Ｂ１３が各冷却ユニット１９の間に配設されている。前
記スリーブ２、上型３、下型４およびホルダー６はＳｉ
Ｃ（シリコンカーバイト、線膨張率４．２×１０^-6／
Ｋ）製であり、スリーブ２とその他の部材が隙間１０μ
ｍで嵌合するように制作されている。この隙間が小さす
ぎると上型３、下型４およびホルダー６がスリーブ２内
を摺動できなくなり、大きすぎると移動時にかんで成形
品の取り出し不能になったり、熱の伝導効率が著しく悪
くなるため、注意が必要である。また、コイルスプリン
グ８の素材はジルコニアを用いた。

【００１９】ヒーターユニット５は内部にヒーター線５
ａを内蔵しており、スリーブ２の外周面と密着するため
に内側面部は弾性を持ったアスペスト製の耐熱素材で作
られている。冷却ユニット１０は内部に冷却水の循環パ
イプ１０ａが設けられている。また、冷却ユニット１０
の背面にはヒーターユニット５の外周面に冷却ユニット
１０の内面を押しつけるための駆動装置１２が取り付け
られている。駆動装置１２はエアシリンダーを採用し
た。

【００２０】成形する金属ガラス素材７としてはφ１
０、厚さ３ｍｍの両端面を研磨した両平面円板形状のＣ
ｏ_68.8Ｆｅ_4.2 Ｓｉ₁₅Ｂ₁₂（数値は原子パーセント、ガ
ラス遷移温度Ｔｇ以下の温度領域で線膨張係数１２．５
×１０^-6）を用いた。なお、上型３の機能面は放射面、
下型４の機能面は平面形状としたが、これらは何ら制限
されるものではない。

【００２１】さて、以下には前記成形装置による金属ガ
ラス素材７の成形方法について説明する。まず、真空槽
１内のスリーブ２に下型４、コイルスプリング８、金属
ガラス素材７を載置したホルダー６、上型３を図１の構
成でセットする。次に真空槽１の図示しない蓋を閉じ、
主軸１１を図示しない駆動装置で上型３の上部の所定の
場所に移動する。このとき、主軸１１には加圧力をかけ
ていない。

【００２２】次に真空槽１の空気を図示しない真空ポン
プで排出し、圧力を１０^-4Ｔｏｒｒ程度まで低下させ
る。圧力が下がったことを確認してヒーターユニット５
に電流を流し上下型３，４をヒーターユニット５からの
熱伝導によりガラス遷移温度Ｔｇ以上結晶化温度Ｔｘ以
下の設定温度までオーバーシュートしないように加熱す
る。そして、成形される金属ガラス素材７の温度が均等
になるまでの間、設定温度を一定に保持する。その後、
主軸１１により上型３をＸ方向に加圧して金属ガラス素
材７を成形する。所定の時間が経過した、すなわち金属
ガラス素材７を所望の形状に成形した後にヒーターユニ
ット５の電源を切り、冷却ユニット用駆動装置１２を駆
動して３つの冷却ユニット１０をそれぞれＹ方向に移動
させてヒーターユニット５の外周面に密着させ、ヒータ
ーユニット５からの熱伝導によりスリーブ２、上型３、
下型４、ホルダー６を冷却することで金属ガラス素材７
を成形した金属ガラス部品を冷却する。冷却を開始して
からしばらくした後に主軸の圧力を解放し、上下型３，
４の温度が十分下がった後に各冷却ユニット用駆動装置
１２を駆動して各冷却ユニット１０をＹ方向と逆方向に
移動させてヒーターユニット５の外周面から離す。尚、
参考までに図３に型温度と成形圧力の成形時間に対する
関係を図示した。

【００２３】（効果）以上のような動作により成形した
ところ、金属ガラス素材７の両面を、内部まで非晶質構
造を保ったまま成形することができた。また、従来は同
じ規模のヒーターを用いて１０分程度かかった昇温時間
が５分以内になった。冷却時間は１０分程度であり、３
０分以上タクトタイムが短くなった。

【００２４】なお、本実施の形態では型、スリーブ２な
どの基材にＳｉＣを用いたが、このほかにもＷＣ，Ａｌ
Ｎ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの耐熱性が高い材料を用いることが
できることは言うまでもない。さらに、金属ガラス素材
として用いられる材料も、Ｃｏ₇₅Ｆｅ₅ Ｓｉ₄ Ｂ₁₆（数
字は原子パーセント）、Ｚｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅ （数
字は原子パーセント）など、ガラス遷移点温度と過冷却
液体領域を持つ非晶質合金材料が成形素材として利用が
可能である。

【００２５】（第２の実施の形態） （構成）図４および図５（ａ），図５（ｂ）は本発明の
第２の実施の形態を示し、図４は成形装置の要部の平面
図、図５（ａ）は加熱時、図５（ｂ）は冷却時の平面図
である。図４において、１４はスリーブで、かかるスリ
ーブ１４は、第１の実施の形態における図１の真空槽１
内に設置したスリーブ２と同様の構成からなるもので、
当該スリーブ２内にセットされる上下型３，４、ホルダ
ー６，コイルスプリング８および上下型３，４の主軸１
１の構成については、図示とその説明を省略する。

【００２６】さて、前記上下型３，４や金属ガラス素材
７を載置したホルダー６をコイルスプリング８を介して
保持せしめつつセットしたスリーブ１４を真空槽１の中
心に配設するとともにこのスリーブ１４を中心に一対の
円弧状のヒーターユニット１５と一対の円弧状の冷却ユ
ニット１８がそれぞれ対向配置されている。

【００２７】また、各ユニット１５，１８は、駆動シリ
ンダー１７，１９により、図４の図示の状態並びに図５
（ａ），（ｂ）の待機位置２０からスリーブ１４の外周
に当接してセットされる機能位置２１まで前後動自在に
保持されている。ここで、対向している一対の円弧状の
ヒーターユニット１５同士または冷却ユニット１８同士
が当接すると図５（ａ）および（ｂ）に示す如く、スリ
ーブ１４の外周に当接した機能位置２１において、円筒
を形成するようになっている。

【００２８】なお、前記ヒーターユニット１５には第１
の実施の形態と同様にヒーターが、冷却ユニット１８に
は冷却水パイプがそれぞれ内蔵されている。また、前記
ヒーターユニット１５を駆動する駆動シリンダー１７の
主軸１７ａには冷却水を通した冷却パイプ１６が設置さ
れている。その他の構成については、前記第１の実施の
形態と同様の構成により構成してあり、その説明は省略
する。

【００２９】さて、以上の構成から成る成形装置による
金属ガラス素材の成形方法について以下に説明する。ま
ず、真空槽１内のスリーブ１４に下型４、コイルスプリ
ング８、金属ガラス素材７を載置したホルダー６、上型
３を第１の実施の形態の構成と同様にセットする。次に
真空槽１の蓋を閉じ、主軸１１を図示しない駆動装置で
上型３上部の所定の位置に下動する。このとき、主軸１
１には加圧力をかけていない。

【００３０】次に真空槽１の空気を図示しない真空ポン
プで排出し、圧力を１０^-4Ｔｏｒｒ程度まで低下させ
る。圧力が下がったことを確認して駆動シリンダ１７に
より一対のヒーターユニット１５をＺ方向に移動させて
スリーブ１４外周面に当てつく機能位置２１に移動し、
ヒーターユニット１５に電流を流し上下型３，４をガラ
ス遷移温度Ｔｇ以上結晶化温度Ｔｘ以下の設定温度まで
オーバーシュートしないように加熱する（図５（ａ）参
照）。そして、成形される金属ガラス素材７の温度が均
等になるまでの間、設定温度を一定に保持する。その
後、主軸１１により上型３をＸ方向に加圧して金属ガラ
ス素材７を成形する。所定の時間が経過した後にヒータ
ーユニット１５の電源を切り、駆動シリンダー１７によ
りヒーターユニット１５をＺ方向と逆方向に移動させて
待機位置２０に後退させる。そして、駆動シリンダー１
９を駆動して冷却ユニット１８をＹ方向に移動させてス
リーブ１４の外周に密着させ、スリーブ１４、上型３、
下型４、ホルダー６を冷却することで前記金属ガラス素
材７を成形した金属ガラス部品を冷却する（図５（ｂ）
参照）。冷却を開始してからしばらくした後に主軸１１
の圧力を解放し、上下型３，４の温度が十分下がった後
に駆動シリンダー１９を駆動して冷却ユニット１８をＹ
方向と逆方向に移動させてスリーブ１４の外周面から離
す。その後、真空槽１の弁を解放して圧力を大気圧に戻
し、ホルダー６から金属ガラス部品を取り出して成形を
終了する。

【００３１】（効果）以上のような動作により金属ガラ
ス素材７を成形したところ、金属ガラス材料７の両面を
その内部まで非晶質構造を保ったまま成形することがで
きた。また、従来は、同じ規模のヒーターを用いて１０
分程度かかった昇温時間が５分以内になった。冷却時間
は５分程度であり、３０分以上タクトタイムが短くなっ
た。

【００３２】なお、本実施の形態では型、スリーブ２な
どの基材にＳｉＣを用いたが、このほかにもＷＣ，Ａｌ
Ｎ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの耐熱性が高い材料を用いることが
できることは言うまでもない。さらに、金属ガラス素材
として用いられる材料も、Ｃｏ₇₅Ｆｅ₅ Ｓｉ₄ Ｂ₁₆（数
字は原子パーセント）、Ｚｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅ （数
字は原子パーセント）など、ガラス遷移点温度と過冷却
液体領域を持つ非晶質合金材料として利用が可能であ
る。

【００３３】また、第１の実施の形態と比較するとヒー
ターユニット１５を介在させずに直接スリーブ１４を冷
却ユニット１８で冷却できるため、より効率よく成形済
みの金属ガラス部品を冷却できるために冷却速度を早く
できる利点がある。

【００３４】なお、上記した具体的実施の形態から次の
ような構成の技術的思想が導き出される。 （１） 筒状のスリーブ内の金属ガラス素材を成形型に
よって押圧成形する金属ガラスの成形装置おいて、前記
スリーブの外周面に内周面が密着する筒状であり、スリ
ーブ内の金属ガラス素材を加熱する加熱手段と、前記加
熱手段の外周面に密着して、スリーブ内の金属ガラス素
材を冷却する冷却手段と、前記冷却手段を駆動させる駆
動手段と、を具備することを特徴とする金属ガラスの成
形装置。

【００３５】（２） 筒状のスリーブ内の金属ガラス素
材を成形型によって押圧成形する金属ガラスの成形装置
において、前記スリーブの外周面に密着して、スリーブ
内の金属ガラス素材を加熱する加熱手段と、前記加熱手
段を駆動させる第１の駆動手段と、前記スリーブの外周
面に密着して、スリーブ内の金属ガラス素材を冷却する
冷却手段と、前記冷却手段を駆動させる駆動手段と、を
具備することを特徴とする金属ガラスの成形装置。

【００３６】

【発明の効果】本発明の請求項１の発明によれば、スリ
ーブ内の金属ガラス素材を成形型によって押圧成形する
金属ガラスの成形方法において、前記スリーブの外周面
に加熱手段を密着させて、スリーブ内の金属ガラス素材
を加熱するとともに、前記スリーブの外周面に移動可能
な冷却手段を密着させて、スリーブ内の押圧された金属
ガラスを冷却することにより金属ガラス素材の対向する
２面を同時に金属ガラス素材内部が結晶化することな
く、かつ従来より短いタクトタイムで金属ガラスの成形
を行うことができる。また、本発明の請求項２の発明に
よれば、請求項１の発明の実施を簡単な構成により実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】成形装置の断面図。

【図２】同要部の平面図。

【図３】型温度および成形圧力と成形時間との関係を示
す線図。

【図４】成形装置の要部の平面図。

【図５】（ａ）は加熱時の要部の平面図、（ｂ）は冷却
時の要部の平面図。

【図６】従来の成形装置の断面図。

【符号の説明】

１ 真空槽 ２，１４ スリーブ ３ 上型 ４ 下型 ５，１５ ヒーターユニット ６ ホルダー ７ 金属ガラス素材 ８ コイルスプリング ９ 反射ミラーＡ １０，１８ 冷却ユニット １１ 主軸 １２ 冷却ユニット用駆動装置 １３ 反射ミラーＢ １６ 冷却パイプ １７，１９ 駆動シリンダー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スリーブ内の金属ガラス素材を成形型に
   よって押圧成形する金属ガラスの成形方法において、 前記スリーブの外周面に加熱手段を密着させ、スリーブ
   内の金属ガラス素材を加熱する工程と、 加熱された金属ガラス素材を前記成形型によって押圧成
   形する工程と、 前記スリーブの外周面に移動可能な冷却手段を密着させ
   て、スリーブ内の押圧された金属ガラス素材を冷却する
   工程と、を有することを特徴とする金属ガラスの成形方
   法。
2. 【請求項２】 スリーブ内の金属ガラス素材を成形型に
   よって押圧成形する金属ガラスの成形装置において、 前記スリーブの外周面に密着して、スリーブ内の金属ガ
   ラス素材を加熱する加熱手段と、 前記スリーブの外周面に密着して、スリーブ内の金属ガ
   ラス素材を冷却する冷却手段と、 前記加熱手段および前記冷却手段の少なくとも一方を駆
   動させる駆動手段と、を具備することを特徴とする金属
   ガラスの成形装置。