KR101304049B1

KR101304049B1 - 급속 커패시터 방전에 의한 금속 유리의 성형

Info

Publication number: KR101304049B1
Application number: KR1020107021756A
Authority: KR
Inventors: 마리오스 디. 데미트리오; 윌리엄 엘. 존슨; 충 폴 김; 조셉 피. 슈람
Original assignee: 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2013-09-04
Also published as: US9745641B2; SG191693A1; CN101977855B; EP2271590A4; US20090236017A1; CN104313265A; EP2271590B1; WO2009117735A1; US20160298205A1; JP2011517623A; US9309580B2; KR20110000736A; CN101977855A; US8613813B2; US20140033787A1; JP5775447B2; EP2271590A1; CN104313265B

Abstract

균일 가열 장치 및 방법이 제공된다. 급속 커패시터 방전 성형(RCDF) 도구를 사용하여 금속 유리의 이론적 연화 및 성형을 통해 최종 형상의 제품으로 제조하는 장치와 방법이 제공된다. RCDF 방법은 커패시터에 축전된 전기 에너지의 방전을 이용하여 금속 유리 합금의 샘플 또는 장입물을 비정질 재료의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 사전 결정된 "공정 온도"에서 수 밀리초 이하의 시간 척도로 균일하고 급속하게 가열한다. 전체 샘플 블록이 충분히 낮은 공정 점도를 갖도록 샘플이 균일하게 가열되면, 예컨대 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 취입 성형 등을 포함하는 소정의 여러 방법을 통해 1초 미만의 시간 프레임으로 고품질 비정질 벌크 제품으로 성형될 수 있다.

Description

급속 커패시터 방전에 의한 금속 유리의 성형{FORMING OF METALLIC GLASS BY RAPID CAPACITOR DISCHARGE}

본 발명은 신규한 금속 유리 성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 급속 커패시터 방전 가열을 이용한 금속 유리 성형 방법에 관한 것이다.

비정질 재료는 용융 상태로부터 고강도, 고탄성, 고내식성 및 가공성의 특유의 조합을 갖는 새로운 종류의 엔지니어링 재료이다. 비정질 재료는 원자 구조가 통상의 결정질 합금의 원자 조직의 통상적인 장거리 규칙 패턴(long-range ordered patterns)을 갖지 않는다는 점에서 통상의 결정질 합금과 다르다. 비정질 재료는 합금 결정의 핵생성 및 성장이 이루어지지 않도록 통상 결정상의 융점(또는 열역학적 융점)보다 높은 온도에서 비정질상의 "유리 전이 온도" 아래로 "충분히 빠른" 냉각 속도로 냉각함으로써 가공 및 형성된다. 이와 같이, 비정질 합금의 처리 방법은 비정질상의 형성을 보장하기 위해 "임계 냉각 속도"로도 지칭되는 "충분히 빠른 냉각 속도"를 정량화하는 것에 줄곧 관련이 있었다.

초기 비정질 재료의 "임계 냉각 속도"는 10⁶℃/sec 정도로 극히 높았다. 이로써, 종래의 주조 공정은 이러한 높은 냉각 속도에 적절하지 않았고, 용융 스피닝 및 평면 유동 주조(planar flow casting: PFC)와 같은 특별한 주조 공정이 개발되었다. 이들 초기 합금의 결정화 생성 운동이 상당히 빠른데 기인하여, 결정화를 피하기 위해서는 용융 합금으로부터 열추출을 위한 시간이 극히 짧아야만(약 10^-3초 이하) 했고, 이에 따라 초기 비정질 합금도 역시 적어도 1차원의 크기로 제한되었다. 예컨대 초박형 포일과 리본(약 25 마이크론의 두께)만이 이들 종래의 방법을 사용하여 성공적으로 제조되었다. 이들 비정질 합금의 임계 냉각 속도 요건은 비정질 합금으로 제조되는 부품의 크기를 크게 제한하였기 때문에, 초기 비정질 합금을 벌크체와 제품으로서 사용하는 것에 제한이 있었다.

수년에 걸쳐 "임계 냉각 속도"는 비정질 합금의 화학적 조성에 크게 의존하는 것으로 판단되었다. 따라서 극히 낮은 임계 냉각 속도를 갖는 새로운 합금 조성의 개발에 상당한 연구가 집중되었다. 이들 합금의 예들이 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제5,288,344호, 제5,368,659호, 제5,618,359호 및 제5,735,975호에 제시된다. 벌크-금속 유리(bulk-metallic glass), 즉 BMG로도 지칭되는 이들 비정질 합금계는 임계 냉각 속도가 수 ℃/sec 정도로 낮은 것에 특징이 있으며, 이러한 낮은 임계 냉각 속도는 이전에 얻을 수 있었던 것보다 훨씬 큰 벌크형 비정질상 물체의 가공 및 성형을 가능케 한다.

낮은 "임계 냉각 속도"의 BMG의 유효성에 따라, 통상의 주조 공정을 적용하여 비정질상을 갖는 벌크 제품을 형성하는 것이 가능해졌다. 지난 수년에 걸쳐, 리퀴드메탈 테크놀로지사(LiquidMetal Technologies, Inc.)를 비롯한 많은 회사가 BMG로 제조된 최종 형상의 금속 부품의 생산을 위한 상업적 제조 기술의 개발에 노력을 경주해 왔다. 예컨대 오늘날 영구 주형 금속 다이 캐스팅과 가열된 주형 내로의 사출 성형과 같은 제조 방법이 표준 가전 기기(예, 휴대폰 및 휴대용 무선 기기)용의 전자 케이싱과 같은 상용 하드웨어 및 부품, 힌지, 체결구, 의료 기기 및 기타 고부가가치 제품의 제조에 이용되고 있다. 그러나, 벌크-응고 비정질 합금이 응고 주조의 본질적인 불완전과 특히 전술한 바와 같은 다이 캐스팅 및 영구 주형 주조 공정에 대한 해법을 일부 제공한다 하더라도, 여전히 검토가 필요한 문제가 존재한다. 무엇보다 첫 번째로, 이들 벌크 물체를 광범위한 합금 조성으로 제조할 필요가 있다. 예컨대 대형의 벌크 비정질 물체를 제조할 수 있는 큰 임계 주조 치수를 갖는 것으로 현재 사용 가능한 BMG는 TI, Ni, Cu, Al 및 Be을 첨가한 Zr-계 합금과 Ni, Cu 및 P을 첨가한 Pd-계 합금을 비롯한 매우 좁은 범위의 금속의 선택에 기초한 소수 군의 합금 성분으로 제한되며, 이들 합금 군은 공학적 또는 비용적 측면 어느 것으로도 반드시 최적화된 것은 아니다.

또한, 현재의 가공 기술은 적절한 가공 조건이 형성되는 것을 보장하기 위해 상당량의 고가의 기계류를 필요로 한다. 예컨대 대부분의 성형 공정은 고진공 또는 제어된 불활성 기체 분위기, 도가니 내의 재료의 유도 용해, 숏 슬리브(short sleeve)로의 금속 주탕 및 다소 정교한 주형 조립체의 입구 또는 공동으로 숏 슬리브를 통한 공압식 주입을 필요로 한다. 이들 변형된 다이 캐스팅 머신은 대당 수억원의 비용이 소요될 수 있다. 더욱이, BMG의 가열은 현재까지 이들 전통적인 저속 열 공정을 통해 이루어져 왔기 때문에, 벌크-응고 비정질 합금의 처리 및 성형을 위한 종래 기술은 항상 용융 합금을 열역학적 융점보다 높은 온도에서 유리 전이 온도 아래로 냉각시키는 데 초점을 맞춰 왔다. 이러한 냉각은 단일 단계의 단조로운 냉각 작업 또는 다단 공정을 이용하여 구현되었다. 예컨대 주위 온도의 금속 주형(구리, 강, 텅스텐, 몰리브덴, 이들의 복합재 또는 기타 고 도전성 재료로 제조)을 이용하여 용융 합금으로부터 열추출을 용이하게 하고 촉진시킨다. "임계 주조 치수"는 임계 냉각 속도와 상호 관련되므로, 이들 종래의 공정은 광범위한 벌크-응고 비정질 합금으로 된 대형의 벌크체 및 제품을 형성하는 데 적절하지 않다. 또한, 특히 복잡하고 높은 정밀도의 부품을 제조함에 있어, 합금의 응고 이전에 충분한 양의 합금 재료가 다이 내로 도입되는 것을 보장하기 위해 용융 합금을 다이 내로 고속 고압으로 주입하는 것이 필요하기도 하다. 예컨대 고압 다이 캐스팅 작업시 재료는 고압 고속으로 다이 내로 공급되므로, 용융 금속의 유동은 레일리-테일러 불안정성(Rayleigh-Tayler instability)의 경향을 나타내게 된다. 이러한 유동 불안정성은 높은 웨버 수(Weber number)가 특징이고 유동 선단의 파열(break-up)과 관련되는데, 이러한 유동 선단의 파열로 인해 주물 제품에 외양적 그리고 구조적 미세 결함으로서 나타나는 돌출층과 조직(protruded seams and cells)이 형성된다. 또한, 유리화되지 않은 액체(unvitrified liquid)가 유리화된 금속으로 된 고체 쉘 내부로 유입되면 다이 캐스팅 주형의 중심선을 따라 수축 공동 또는 기공을 형성하는 경향이 있다.

재료를 평형 융점보다 높은 온도에서 유리 전이 아래로까지 급속 냉각시키는 것과 관련된 문제의 해소를 위한 시도는 대부분 과냉 액체의 운동 안정성과 점성 유동 특성을 활용하는 데 중점을 두었다. 제안된 여러 방법은 유리 공급재를 유리가 점성의 과냉 액체로 완화되는 유리 전이 온도 이상으로 가열하고, 압력을 가하여 과냉 액체를 형성하고, 후속하여 결정화 이전에 유리 전이 온도 아래로 냉각시키는 것을 포함한다. 이들 매력적인 방법은 필연적으로 플라스틱 처리에 이용되는 공정과 극히 유사하다. 그러나 극히 오랜 시간 동안 연화 전이 온도(softening transition)보다 높은 온도에서 결정화에 대해 안정된 상태를 유지하는 플라스틱에 비해, 금속 과냉 액체는 일단 유리 전이 온도에서 완화된 후 다소 빠르게 결정화된다. 따라서 통상의 가열 속도(20℃/분)로 가열시 금속 유리가 결정화에 대응하여 안정적인 온도 범위는 다소 작으며(유리 전이 온도보다 높은 50℃ 내지 100℃), 그 범위 내에서 액체 점도는 다소 높다(10⁹㎩-s(Pas-sec) 내지 10⁷㎩-s). 이들 높은 점도로 인해, 이들 액체를 원하는 형태로 성형하는 데 필요한 압력은 엄청나서, 많은 금속 유리 합금의 경우, 통상의 고강도 설비에 의해 얻을 수 있는 압력을 초과할 수 있다(<1 ㎬). 최근, 통상의 가열 속도로 상당히 높은 온도(유리 전이 온도 이상의 165℃)까지 가열시 결정화에 대응하여 안정적인 금속 유리 합금이 개발되었다. 이들 합금의 예가 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 출원 20080135138과 Duan 등의 논문(Advanced Materials, 19권 (2007년) 4272면)과 A. Weist의 논문(Acta Materialia, 59권(2008년) 2525-2630면)에 제시된다. 결정화에 대한 높은 안정성에 기인하여, 10⁵㎩-s 정도의 낮은 공정 점도로 접근할 수 있고, 이는 이들 합금이 전통적인 금속 유리에 비해 과냉 액체에서의 처리에 더 적절함을 시사하는 것이다. 그러나 이들 점도는 통상 10 내지 1000 ㎩-s 범위의 플라스틱의 공정 점도보다 여전히 상당히 높다. 이러한 낮은 점도를 이루기 위해서, 금속 유리 합금은 통상의 가열에 의한 가열시 결정화에 대해 상당히 높은 안정성을 나타내어야만 하거나 통상적이지 않은 높은 가열 속도로 가열되어야 하는데, 이런 높은 가열 속도는 안정성의 온도 범위를 확장시키고 가열 가소물의 처리에 이용되는 통상적인 값으로 공정 점도를 낮추게 된다.

전술한 문제 중 많은 문제를 피할 수 있고, 동시에 성형될 수 있는 비정질 재료의 종류를 확장하기 위한 일부의 시도로서, BMG를 성형에 충분한 온도까지 순간 가열하는 방법이 제안되었다. 예컨대 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제4,115,682호와 제5,005,456호 및 A.R. Yavari의 논문들(Material Research Society Symposium Proceedings, 644권(2001년), L12-20-1 섹션, Material Science & Engineering A, 375-377권(2004년) 227-234면, 및 Applied Physics Letters, 81(9)호2002년) 1606-1608면)은 모두 비정질 재료 고유의 도전성을 활용하여 재료를 주울(Joule) 가열을 이용하여 성형 온도로 순간 가열한다. 그러나 지금까지 이들 방법은 피스들의 결합(즉, 스폿 용접) 또는 표면 특징부의 형성과 같이 오직 국부화된 성형을 허용하도록 BMG 샘플을 국부적으로 가열하는 데 중점을 두고 있다. 이들 종래 기술의 방법 어떤 것도 전체적인 성형을 수행할 수 있도록 전체 BMG 시편 덩어리를 균일하게 가열하는 방법에 대해 교시하고 있지 않다. 대신, 모든 종래 기술의 방법은 가열 중의 온도 구배를 예상하고 이들 구배가 국부적 성형에 영향을 미칠 수 있는 방법을 논이한다. 예컨대 A.R. Yavari 등(Material Research Society Symposium Proceedings, 644권(2001년), L12-20-1 섹션)은, "성형 중인 BMG 시편의 외면은 전극과 접촉되거나 성형 챔버 내의 주변 가스(불활성 가스)와 접촉되던지 간에 전류에 의해 발생되는 열이 전도, 대류 또는 복사에 의해 샘플로부터 방열되므로 내부보다 다소 더 냉각될 것이다. 한편, 전도, 대류 또는 복사에 의해 가열되는 샘플의 외면은 내부보다 다소 더 뜨겁다. 이것은 금속 유리의 결정화 및/또는 산화가 처음에 외측면과 계면 상에서 시작되므로 본 발명의 방법을 위한 중요한 장점이며, 외측면과 계면의 온도가 나머지 전체 부분의 온도보다 다소 낮으면, 바람직하지 않은 표면 결정의 형성이 보다 쉽게 배제될 수 있다."고 개시하고 있다.

유리 전이 온도 이상에서 결정화에 대한 BMGs의 제한된 안정성에 대한 다른 결점은 준안정 과냉 액체의 온도의 전체 범위에 걸쳐 열용량과 점도와 같은 열역학적 특성 및 수송 특성을 측정할 수 없다는 것이다. 시차 주사 열량계, 열기계 분석기, 코에트(Couette) 점도계와 같은 전형적인 측정 기구는 전기 및 유도 히터와 같은 통상적인 가열 기구에 의존하므로 통상적인 것으로 간주되는 샘플 가열 속도(통상 <100℃/분)를 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 금속 과냉 액체는 통상의 가열 속도로 가열시 제한된 온도 범위에 걸쳐 결정화에 대해 안정할 수 있으며, 따라서 측정 가능한 열역학적 특성 및 수송 특성은 접근 가능한 온도 범위 내로 한정된다. 결국, 결정화에 대해 매우 안정적이고 준안정 상태의 전체 범위에 걸쳐 열역학적 특성 및 수송 특성을 측정할 수 있는 폴리머 및 유기 액체와 달리, 금속 과냉 액체의 특성은 유리 전이 온도 바로 위와 융점 바로 아래의 협소한 온도 범위 내에서만 측정 가능하다.

따라서, 전체 BMG 시편 용적을 순간적으로 균일하게 가열하여 전체적으로 비정질 금속을 성형할 수 있는 새로운 접근 방법을 찾고자 하는 요구가 존재한다. 또한, 과학적 측면에서, 금속 과냉 액체의 열역학적 특성 및 수송 특성에 접근하여 이를 측정할 수 있는 새로운 접근 방법을 찾고자 하는 요구가 존재한다.

따라서, 본 발명에 따라 급속 커패시터 방전 가열(RCDF: rapid capacitor discharge heating)을 이용하여 비정질 재료를 성형하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.

일 실시예에서, 본 발명은, 금속 커패시터 방전을 이용하여 비정질 재료를 급속 가열하고 성형하는 비정절 재료 성형 방법을 제공하며, 상기 방법은 실질적으로 균일한 단면을 갖는 실질적으로 무결점의 샘플을 통해 소정량의 에너지를 균일하게 방전시켜 샘플의 전체를 비정질상의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 공정 온도(processing temperature)에서 급속 및 균일하게 가열하고, 또한 동시에 성형한 후, 샘플을 비정질 제품으로 냉각시키는 것을 포함한다. 이런 일 실시예에서, 샘플은 상기 공정 온도로 적어도 500K/초의 속도로 가열되는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 성형 과정은 예컨대 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조 및 취입 성형과 같은 통상의 성형 방법을 사용한다.

다른 실시예에서, 비정질 재료는 약 1×10^-4℃^-1의 온도 변화(S)의 단위 당 저항률(resistivity)의 상대 변화로 선택된다. 이런 일 실시예에서, 비정질 재료는 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 금속 원소에 기초한 합금이다.

또 다른 실시예에서, 상기 소정량의 전기 에너지는 전기 에너지가 샘플 내로 균일하게 도입되도록 샘플의 양단부에 연결된 적어도 두 개의 전극을 통해 생플 내로 방전된다. 이런 일 실시예에서, 상기 방법은 약 100 J(주울)의 전기 에너지량을 이용한다.

또 다른 실시예에서, 상기 공정 온도는 비정질 재료의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 약 중간이다. 이런 일 실시예에서, 상기 공정 온도는 비정질 재료의 유리 전이 온도보다 높은 적어도 200K이다. 이런 일 실시예에서, 상기 공정 온도는 가열된 비정질 재료의 점도가 약 1 ㎩-s 내지 10⁴㎩-s가 되도록 선택된다.

또 다른 실시예에서, 샘플의 성형 압력은 샘플이 높은 웨버 수의 유동을 방지하기 위해 충분히 낮은 속도로 변형되도록 제어된다.

또 다른 실시예에서, 샘플의 성형에 이용되는 변형 속도는 샘플이 높은 웨버 수의 유동을 방지하기 위해 충분히 낮은 속도로 변형되도록 제어된다.

또 다른 실시예에서, 초기 비정질 금속 샘플(공급재)은 예컨대 실린더, 시트, 정사각형 및 직사각형 중실체와 같은 균일 단면을 갖는 임의의 형태일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 비정질 금속 샘플의 접촉면은 전극 접촉면과 양호한 접촉을 보장하기 위해 평행하게 절단되고 편평하게 연마된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 비정질 재료를 성형하기 위한 급속 커패시터 방전 장치를 제공한다. 이런 일 실시예에서, 비정질 재료의 샘플은 실질적으로 균일한 단면을 가진다. 다른 실시예에서, 적어도 두 개의 전극이 전기 에너지의 공급원을 비정질 재료의 샘플에 연결한다. 이런 일 실시예에서, 상기 전극은 전극과 샘플 사이에 실질적으로 균일한 접속이 이루어지도록 샘플에 부착된다. 다른 예에서, 동적 전기장의 전자기적 표면 깊이가 장입물(charge)의 반경, 폭, 두께 및 길이에 비해 크다.

또 다른 실시예에서, 전극 재료는 구리, 은 또는 니켈, 또는 적어도 95 원자%(원자%)의 구리, 은 또는 니켈로 형성된 합금과 같이, 낮은 항복 응력과 높은 전기 도전성 및 열 도전성을 갖는 금속이 되도록 선택된다.

또 다른 실시예에서, 샘플의 접촉면의 미시적 특성과 일치하도록 전극/샘플 계면에서 전극의 접촉면을 소성 변형시키기 위해 전극과 초기 비정질 샘플 사이에 "시팅(seating)" 압력이 인가된다.

또 다른 실시예에서, 전극의 접촉면에서 비정질 샘플의 소정의 비접촉 영역을 국부적으로 연화시켜 전극의 접촉면의 미시적 특성에 일치시키기 위해 전극과 초기 비정질 샘플 사이에 저전류의 "시팅" 전기 펄스가 인가된다.

장치의 또 다른 실시예에서, 전기 에너지 공급원은 샘플 전체를 비정질상의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 공정 온도로 적어도 500K/초의 속도로 균일하게 가열하기에 충분한 소정량의 전기 에너지를 생산할 수 있다. 상기 장치의 일 실시예에서, 전기 에너지 공급원은 열 구배에 따른 열 수송 및 전개를 방지하여 샘플의 균일한 가열을 촉진시키기 위해 샘플이 단열적으로 가열되도록 하는 속도, 즉 비정질 금속 샘플의 열 완화 속도보다 훨씬 큰 속도로 방전된다.

장치의 또 다른 실시예에서, 상기 장치에 사용되는 성형 도구는 사출 성형 주형, 동적 단조기, 스탬프 단조기 및 취입 성형 주형으로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 가열된 샘플을 형성하기에 충분한 변형률을 부여할 수 있다. 이런 일 실시예에서, 성형 도구는 적어도 부분적으로 상기 전극 중 적어도 하나의 전극으로 형성된다. 다른 예에서, 상기 성형 도구는 전극에 독립적이다.

장치의 또 다른 실시예에서, 샘플에 변형력을 인가하기 위해 공압 또는 자기 구동 시스템이 제공된다. 이러한 시스템에서, 변형력 또는 변형 속도는 가열된 비정질 재료가 높은 웨버 수의 유동을 방지하기 위해 충분히 낮은 속도로 변형되도록 제어될 수 있다.

장치의 또 다른 실시예에서, 상기 성형 도구는 성형 도구를 바람직하게는 비정질 재료의 유리 전이 온도 근처의 온도로 가열하는 가열 요소를 더 포함한다. 이런 일 실시예에서, 형성된 액체의 표면은 보다 더 서냉되어 성형 중인 제품의 표면 마무리를 향상시킨다.

또 다른 실시예에서, 균일한 단면의 와이어 또는 섬유를 인발하기 위해 에너지 방전 중에 적절하게 파지된 샘플 상에 인장 변형력이 인가된다.

또 다른 실시예에서, 상기 인장 변형력은 재료의 유동이 뉴턴 유동이고 네킹에 의한 파괴가 방지되도록 제어된다.

또 다른 실시예에서, 재료의 유동이 뉴턴 유동이고 네킹에 의한 파괴가 방지되도록 인장 변형 속도가 제어된다.

또 다른 실시예에서, 유리 전이 온도 아래의 냉각을 용이하게 하기 위해 인발 와이어 또는 섬유에 냉 헬륨 기류(stream of cold helium)가 취입된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 준안정 상태의 전체 범위에 걸쳐 과냉 액체의 열역학적 및 수송 특성의 측정을 위한 급속 커패시터 방전 장치를 제공한다. 이런 일 실시예에서, 고 분해능의 고속 열 영상 카메라를 사용하여 비정질 금속 샘플에 대한 균일한 가열과 균일한 변형을 동시에 기록한다. 열 및 변형의 순간 데이터가 시간, 온도 및 변형 데이터로 변환되는 한편으로 입력 전기력과 부여 압력이 내부 에너지와 인가 응력으로 변환될 수 있어서 샘플의 온도, 온도 의존적 점도, 열 용량 및 엔탈피에 관한 정보를 얻는다.

상세한 설명은 발명의 예시적인 실시예로서 제시되지만 발명의 범위를 완전하게 설명하는 것으로 해석되어서는 안되는 다음의 도면과 데이터 그래프를 참조로 보다 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법의 흐름도;
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법의 실시예의 개략도;
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법의 다른 실시예의 개략도;
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 실시예의 개략도;
도 5는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 실시예의 개략도;
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 실시예의 개략도;
도 7은 본 발명에 따른 열 영상 카메라와 조합된 예시적인 실시예의 급속 커패시터 방전 성형 방법의 개략도;
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법을 이용하여 획득된 실험 결과의 일련의 사진 화상;
도 9는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법을 이용하여 획득된 실험 결과의 사진 화상;
도 10은 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 성형 방법을 이용하여 획득된 실험 결과를 요약하는 데이터 도표;
도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 장치의 일련의 개략도;
도 12a 내지 도 12b는 도 11a 내지 도 11e에 도시된 장치를 사용하여 제조된 성형 제품의 사진 화상.

본 발명은 주울(Joule) 가열에 의한 압출 또는 주형 수단을 이용하여 금속 유리를 균일하게 가열하고, 유동학적으로 연화시켜서 최종 제품으로 급속하게(통상 1초 미만의 공정 시간으로) 열역학적으로 성형하는 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 커패시터에 축전된 전기 에너지(통상 100 J 내지 100 KJ)의 방전을 이용하여 비정질 재료의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 약 중간의 사전 결정된 "공정 온도"로 수 밀리초(㎳) 이하의 시간 척도로 금속 유리 합금의 샘플 또는 장입물을 균일하게 급속 가열하며, 이하 급속 커패시터 방전 성형(RCDF)으로 칭한다. 본 발명의 RCDF 공정은 금속 유리가 냉동 액체인 것에 의해 비교적 낮은 전기 저항을 가짐으로써 재료의 높은 방열을 가져오고 또한 전기 방전의 적절한 적용에 의해 샘플이 단열적으로 가열되도록 하는 소정 속도로 재료의 효율적이고 균일한 가열을 가져올 수 있는 지에 대한 관찰로부터 시작된다.

BMG의 급속하고 균일한 가열에 의해, RCDF 방법은 결정화에 대항하는 과냉 액체의 안정성을 유리 전이 온도보다 충분히 높은 온도로 확장함으로써 전체 샘플 용적을 성형에 적절한 공정 점도에 관한 상태로 유도할 수 있다. 또한, RCDF 공정은 안정한 결정상의 형성에 의해 그 범위가 더 이상 제한되지 않기 때문에 준안정 과냉 액체가 제공하는 전체 범위의 점도에 접근할 수 있도록 한다. 요약하면, 이 공정은 성형 제품의 품질 향상, 가용 부품의 수율 증가, 재료 및 공정 비용의 감소, 가용 BMG 재료의 범위 확대, 향상된 에너지 효율 및 제조 기계의 저렴한 설비 비용을 가져온다. 또한, RCDF 방법에서 얻을 수 있는 순간적이고 균일한 가열로 인해, 액체 준안정성의 전체 범위에 걸친 열역학적 특성 및 운반 특성이 측정 가능하게 된다. 따라서 온도 및 변형 측정 기구와 같은 급속 커패시터 방전 설비에 추가의 표준 기구를 결합함으로써 점도, 열용량 및 엔탈피와 같은 특성을 유리 전이 온도와 용융 온도 사이의 전체 온도 범위에서 측정할 수 있다.

본 발명의 BCDF 방법의 간단한 흐름도가 도 1에 제공된다. 도시된 바와 같이, 공정은 금속 유리 합금의 샘플 블록이나 장입물 내로 커패시터에 축전된 전기 에너지(통상 100 J 내지 100 KJ)를 방전하는 것으로 시작된다. 본 발명에 따르면, 전기 에너지의 적용은 비정질 재료가 용이한 성형을 이루기에 충분한 공정 점도(~1 내지 10⁴㎩-s 이하)를 갖도록, 수 마이크로초에서 수 밀리초 미만의 시간 척도로 합금의 유리 전이 온도보다 높은 사전 결정된 "공정 온도", 보다 구체적으로 비정질 재료의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 대략 절반의 공정 온도(Tg보다 높은 ~200~300K)로 샘플을 급속 균일하게 가열하는 데 사용될 수 있다.

전체 샘플 블록이 충분히 낮은 공정 점도를 갖도록 샘플이 균일하게 가열되면, 예컨대 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 취입 성형 등을 포함하는 소정의 여러 방법을 통해 고품질의 비정질 벌크 제품으로 성형이 이루어질 수 있다. 그러나, 금속 유리 장입물의 성형 능력은 전적으로 장입물의 가열이 전체 샘플 블록에 대해 급속하고 균일하게 이루어지는 것이 보장되는 것에 의존한다. 균일한 가열이 달성되지 않으면, 샘플은 대신에 국부적 가열을 겪게 되고, 이러한 국부적 가열은 예컨대 피스 간의 결합 또는 스폿 용접이나 샘플의 특정 영역의 성형과 같은 일부의 기법에는 유용할지라도, 이러한 국부적 가열은 샘플의 벌크 성형의 수행에는 사용되지 않거나 사용될 수 없다. 마찬가지로, 샘플의 가열이 충분히 빠르지(통상 약 500-10⁵K/s) 않으면, 성형될 재료가 그 비정질 특성을 잃게 되거나 성형 방법이 우수한 가공성 특성(즉, 결정화에 대응하는 과냉 액체의 높은 안정성)을 갖는 비정질 재료에 제한될 것이다.

본 발명의 RCDF 방법은 샘플에 대한 급속 균일 가열을 보장한다. 그러나, RCDF를 이용한 금속 유리 샘플에 대한 급속 균일 가열을 얻기 위한 요건을 이해하기 위해서는 우선 금속 재료의 주울 가열이 어떻게 일어나는지에 대한 이해가 필요하다. 금속의 전기 저항의 온도 의존성은 온도 변화 계수 S의 단위 당 상대 저항률 변화의 항목으로 정량화될 수 있고, S는 다음과 같이 정의된다.

여기서, S는 (1/도-C)의 단위이고, ρo는 금속의 상온(T_o) 저항률(Ω-㎝ 단위)이고,

는 선형으로 취급되는 상온에서의 저항의 온도 도함수(temperature derivative)(Ω-㎝/C 단위)이다. 전형적인 비정질 재료는 큰 ρo(80 μΩ-㎝ < ρo < -300 μΩ-㎝)를 갖지만, 매우 작은 (때론 음의 값의) S값(-1×10^-4< S < +1×10^-4)을 갖는다.

비정질 재료에 발견되는 작은 S값의 경우, 균일한 전류 밀도에 노출되는 균일한 단면의 샘플은 공간에서 균일하게 오옴 가열될 것이고, 샘플은 주위 온도(T_o)로부터 최종 온도(T_F)로 급속 가열될 것이다. 최종 온도는 수학식 2로 주어지는 커패시터의 총 에너지와 샘플 장입물의 총 열용량(C_s)(J/C)에 의존한다.

최종 온도(T_F)는 수학식 3으로 주어진다.

다시, 가열 시간은 용량성 방전의 시간 상수(

)에 의해 결정될 것이다. 여기서 R은 샘플의 총 저항(+ 용량성 방전 회로의 출력 저항)이다. 따라서, 이론상 금속 유리의 전형적인 가열 속도는 수학식 4로 주어질 수 있다.

이에 비해, 통상의 결정 금속은 훨씬 낮은 ρo(1 내지 30 μΩ-㎝)과 훨씬 큰 ~0.01 내지 0.1의 S 값을 가진다. 이것은 거동에 상당한 차이를 가져온다. 예컨대 구리 합금, 알루미늄 또는 강 합금과 같은 통상의 결정 금속의 경우, ρo는 매우 작고(1 내지 20 μΩ-㎝) S는 통상 ~0.01 내지 0.1로 매우 크다. 결정 금속에서 ρo가 작을수록 샘플의 방열도가 (전극에 비해) 낮아지고, 샘플에 대한 커패시터의 에너지를 결합이 보다 비효율적으로 된다. 더욱이, 결정 금속이 용융될 때, ρ(T)는 일반적으로 고체 금속으로부터 용융 금속으로 이동 중 2배 정도로 증가된다. 일반 결정 금속의 용융시의 저항 증가에 따른 큰 S값은 균일한 전류 밀도에서 극히 불균일한 오옴 가열을 야기한다. 결정 샘플은 통상 고전압 전극 또는 기타 샘플 내의 계면 근처에서 국부적으로 항시 용융된다. 다시 말해, 결정 로드(rod)를 통한 에너지의 커패시터 방전은 초기 저항이 최대였을 때마다(통상 계면에서) 가열의 공간적 국부화 및 국부화된 용융을 유도한다. 실제로, 이것은 전극/샘플 계면 또는 용접 대항 부품 내의 다른 내부 계면 근처에 국부적 용융 풀이 형성되는 결정 금속의 용량성 방전 용접(스폿 용접, 프로젝션 용접(projection welding), "스터드(stud) 용접" 등)의 기초이다.

발명의 배경 부분에서 설명된 바와 같이, 종래 기술의 시스템도 비정질 재료의 고유한 도전성을 인식하고 있었지만, 현재까지 인식하고 있지 못한 것은 전체 샘플의 균일한 가열을 보장하기 위해 가열 샘플 내의 에너지 분산의 공간적 불균일성의 동적 전개를 방지하는 것이 또한 필요하다는 것이다. 본 발명의 RCDF 방법은 이러한 불균일성의 전개를 방지하고 또한 장입물의 균일한 가열을 보장하기 위해 만족하여야 할 두 가지 기준을 다음과 같이 제시한다:

-샘플 내의 전류의 균일성; 및

-동적 가열 중 전력 분산의 불균일성의 전개에 관한 샘플의 안정성.

이들 기준이 상대적으로 간단하게 보일지라도, 이들은 가열에 사용되는 전하, 샘플을 위해 사용되는 재료, 샘플의 형태 및 전하의 도입에 사용되는 전극과 샘플 자체 간의 계면에 대하여 다수의 물리적 기술적 제한을 두고 있다. 예컨대 길이 L과 면적 A=πR²(R은 샘플의 반경)의 실린더 장입물의 경우, 다음 요건이 존재한다.

용량성 방전 중에 실린더 내의 전류의 균일성은 동적 전기장의 전자기적 표면 깊이(Λ)가 샘플의 관련 치수 특성(반경, 길이, 폭 또는 두께)에 비해 클 것을 요구한다. 실린더의 예의 경우, 관련 특성 치수는 분명히 장입물의 반경(R) 및 깊이(L)일 것이다. 이 조건은

일 때 만족된다. 여기서, τ는 커패시터와 샘플의 "RC" 시간 상수이고, μ₀=4πx10^-7(Henry/m)는 자유 공간의 유전율이다. R과 L이 ~1 ㎝인 경우, 이것은 τ>10~100㎲임을 의미한다. 비정질 합금의 전형적인 관심 대상 치수와 저항률 값을 이용하면, 이것은 용량이 통상 ~10,000 ㎌ 이상인 적절한 크기의 커패시터를 필요로 한다.

동적 가열 중에 전력 분산의 불균일성의 전개와 관련된 샘플의 안정성은 퓨리에 방정식으로 규정되는 전류와 열 유동에 의한 오옴 "주울" 가열을 포함하는 안정성 분석을 행하는 것으로 이해될 수 있다. 온도에 따라 증가하는(즉, 양의 값의 S) 저항률을 가진 샘플의 경우, 샘플 실린더의 축을 따른 국부적 온도 변화가 국부적 가열을 증가시키고, 이는 다시 국부적 저항과 열 분산을 증가시킨다. 충분히 높은 전력이 입력되면, 이는 실린더를 따라 가열의 "국부화"를 야기한다. 결정 재료의 경우, 국부화된 용융을 야기한다. 이런 거동이 성분간 계면을 따르는 국부적 용융을 원하는 용접에는 유용한 반면, 이런 거동은 비정질 재료의 균일한 가열을 원하는 경우 극히 바람직하지 않다. 본 발명은 균일한 가열을 보장하는 임계 기준을 제공한다. 앞서 정의된 S를 이용하면, 수학식 5의 조건일 때 가열이 균일해져야 함을 알게 된다.

여기서, D는 비정질 재료의 열확산도(㎡/s)이고, C_s는 샘플의 총 열용량이고, R_o는 샘플의 총 저항이다. 금속 유리의 D와 C_s의 전형적인 값을 이용하고 길이(L~1㎝)와 본 발명에 통상 필요한 10⁶와트의 입력 전력(I²R_o)를 가정하면, ~10^-4-10^-5의 S_crit를 얻을 수 있다. 균일한 가열을 위한 이 기준은 많은 금속 유리에 대해 만족되어야 한다(전술한 S 값 참조). 특히, 많은 금속 유리는 S < 0를 만족한다. 이러한 재료(즉, S<0인 재료)는 가열 균일성을 위한 이런 요건을 항상 만족할 것이다. 이 기준을 만족하는 예시적 재료는 본 명세서에 참조로 그 내용이 포함되는 미국 특허 제5,288,344호, 제5,368,659호 및 제5,735,975호에 언급된다.

인가되는 전하와 거기에 사용되는 비정질 재료의 본질적인 물리적 기준 이외에, 전하가 가능한 한 균일하게 샘플에 인가되는 것을 보장하기 위한 기술적 요건도 존재한다. 예컨대 샘플이 실질적으로 무결점이고 균일한 단면으로 형성되는 것이 중요하다. 이들 조건을 만족하지 못하면, 열은 샘플을 통해 균일하게 분산되지 않을 것이고 따라서 국부화된 가열이 발생할 것이다. 구체적으로, 샘플 블록에 불연속 부분이나 결함이 존재하면, 전술한 물리적 상수(즉, D, C_s)가 그 위치에서 달라져서 차이가 있는 가열 속도를 야기할 것이다. 또한, 샘플의 열 특성도 물품의 치수(즉, L)에 의존하므로, 물품의 단면이 변하면, 샘플 블록을 따라 국부화된 과열점(hot spot)이 존재할 것이다. 더욱이, 샘플 접촉면이 적절하게 편평하지 않고 평행하지 않으면, 전극/샘플 계면에 계면 접촉 저항이 존재하게 된다. 따라서, 일 실시예에서 샘플 블록은 샘플 블록이 실질적으로 무결함이고 실질적으로 균일한 단면을 갖도록 형성된다. 샘플 블록의 단면이 균일하여야 할지라도, 이 요건을 만족하는 한, 블록의 형태에 대해 부가되는 고유의 제한 조건은 존재하지 않음은 물론이다. 예컨대 블록은 시트, 블록, 실린더 등의 소정의 적절한 기하학적으로 일정한 형태를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 샘플 접촉면은 전극과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 평행 절단되고 편평하게 연마된다.

또한, 전극과 샘플 사이에서 계면 접촉 저항의 전개가 없는 것이 중요하다. 이를 달성하기 위해, 전극/샘플 계면은 계면에 "과열점"의 전개가 없도록 전하를 균일하게, 즉 균일 밀도로 인가하는 것을 보장하도록 구성되어야 한다. 예컨대 전극의 다른 여러 부분이 샘플에 대한 도전성 접촉을 달리 제공하면, 초기 저항이 최대일 때마다 가열의 공간적 국부화 및 국부화된 용융이 일어날 것이다. 이것은 다시 전극/샘플 계면과 샘플 내의 다른 내부 계면 근처에 국부적인 용융 풀이 형성되는 방전 용접으로 이어질 것이다. 균일한 전류 밀도의 이러한 요건과 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극은 샘플과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 편평하고 평행하게 연마된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전극은 연성 금속으로 제조되고, 계면에서 전극 재료의 항복 강도(yield strength)를 초과하지만 전극의 좌굴 강도(buckling strength)를 초과하지 않는 균일한 "시팅" 압력이 인가됨으로써, 전극은 아직 좌굴되지 않은 전체 계면에 대해 실제적으로 가압되고, 계면에서의 소정의 비-접촉 영역은 소성 변형된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극의 접촉면에서 비정질 샘플의 임의의 비접촉 영역의 온도를 비정질 재료의 유리 전이 온도보다 약간 높게 상승시키기에 간신히 충분한 균일한 저에너지 "시팅" 펄스가 인가되어, 비정질 샘플이 전극의 접촉면의 미시적 특징에 부합하도록 한다. 또한, 또 다른 실시예에서, 전극은 양극과 음극이 샘플을 통해 대칭인 전류 경로를 제공하도록 배치된다. 전극 재료에 적절한 일부 금속은 Cu, Ag 및 Ni, 그리고 실질적으로 Cu, Ag 및 Ni로 이루어진(즉, 이들 재료를 적어도 95 원자%를 포함하는) 합금이다.

마지막으로, 전기 에너지가 샘플 내로 균일하게 연속 방전된다고 하면, 샘플은 냉각기 주변부와 전극 측을 향한 열 수송이 효과적으로 회피되면, 즉 단열 가열이 이루어지면, 샘플은 균일하게 가열될 것이다. 단열 가열 조건을 생성하기 위해서는 열 수송에 따른 열 구배가 샘플 내에서 전개되지 않는 것을 보장하도록 dT/dt를 충분히 높게 하거나 τ_RC를 충분히 작게 하여야 한다. 이런 기준의 정량화를 위해서 τ_RC의 크기가 수학식 6으로 제공되는 비정질 금속 샘플의 열 완화 시간(τ_th)보다 상당히 작아야 한다.

여기서, k_s와 C_s는 비정질 금속의 열 전도도와 비열용량이고, R은 비정질 금속 샘플의 특성적 길이 척도(예, 실리더형 샘플의 반경)이다. Zr-계 유리의 근사값을 나타내는 ~10 W/(m K)의 k_s 및 ~5×10⁶J/(m³ K)의 C_s와, ~1×10^-3m의 R을 취하면, ~0.5s의 τ_th가 얻어진다. 그러므로, 균일한 가열의 보장을 위해 0.5s보다 상당히 작은 τ_RC를 갖는 커패시터가 사용되어야 한다.

다시 성형 방법 자체로 돌아가서, 본 발명의 RCDF 방법에 따른 예시적인 성형 도구의 개략도가 도 2에 제공된다. 도시된 바와 같이, 기본적인 RCDF 성형 도구는 전기 에너지 공급원(10)과 두 개의 전극(12)을 포함한다. 전극은 균일한 가열을 보장하기 위해 충분히 낮은 S_crit 값과 충분히 높은 큰 ρo값을 갖는 비정질 재료로 된 균일한 단면의 샘플 블록(14)으로 균일한 전기 에너지를 인가하는 데 사용된다. 균일한 전기 에너지는 샘플을 수 밀리초 이하의 시간 척도로 합금의 유리 전이 온도보다 높은 사전 결정된 "공정 온도"로 균일하게 가열하는 데 사용된다. 이렇게 얻어진 점성 액체는 예컨대 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 취입 성형 등을 포함하는 바람직한 성형 방법에 따라 동시 성형되어 1초 미만의 시간 척도로 제품을 형성한다.

예컨대 10 마이크로초 내지 10 밀리초의 방전 시간 상수를 갖는 커패시터와 같이, 샘플 블록을 사전 결정된 공정 온도로 급속 균일하게 가열하기에 충분한 균일한 밀도의 에너지를 공급하기에 적절한 에너지 공급원이 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 전기 에너지의 전달을 위해, 샘플 블록을 가로질러 균일한 접촉을 제공하기에 적절한 임의의 전극이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 바람직한 일 실시예에서, 전극은 연질 재료, 예컨대 Ni, Ag 및 Cu 또는 적어도 95 원자%의 Ni, Ag 및 Cu를 사용하여 제조된 합금으로 형성되며, 샘플 블록의 접촉면의 미시적 특징에 부합하도록 전극/샘플 계면에서 전극의 접촉면을 소성 변형시키기에 충분한 압력으로 샘플 블록에 접촉 유지된다.

전술한 부분은 전반적으로 RCDF 방법에 중점을 두고 있지만, 본 발명은 비정질 재료의 샘플 블록의 성형 장치에 관한 것이기도 하다. 도 2에 개략 도시된 바람직한 일 실시예에 따르면, 사출 성형 장치가 RCDF 방법과 결합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 기계적으로 작업되는 플런저를 사용하여 주위 온도로 유지된 주형 공동(18) 내로 가열된 비정질 재료의 점성 액체가 주입되어 금속 유리로 된 최종 부품이 형성된다. 도 2에 도시된 예에 따르면, 장입물은 절연 "용기(barrel)" 또는 "숏 슬리브(shot sleeve)"에 놓여진 후, 높은 전기 전도도와 열 전도도를 갖는 도전성 재료(구리 또는 은 등)로 제조된 원통형 플런저에 의해 사출 압력(통상 1 내지 100 ㎫)으로 예비 하중을 받는다. 플런저는 시스템의 일 전극으로서 기능한다. 샘플 장입물은 전기적으로 접지된 베이스 전극 상에 안착된다. 전술한 소정의 기준이 만족되면 원통형의 금속 유리 샘플 장입물 내로 커패시터의 축전된 에너지가 균일하게 방전된다. 이후 하중을 받은 플런저는 가열된 점성 용융물을 최종 형상의 주형 공동 내로 주입시킨다.

사출 성형 방법이 위에 언급되고 있지만, 임의의 적절한 성형 방법이 이용될 수 있다. RCDF 방법에 따라 이용될 수 있는 다른 성형 방법에 대한 일부 대안적인 예시적인 실시예가 도 3 내지 도 5에 제공되며 하기에 설명된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예컨대 일 실시예에 따르면 동적 단조 성형 방법이 이용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전극(22)의 샘플 접촉 부분(22)은 자체가 금형 도구를 형성하게 된다. 이 실시예에서, 차가운 샘플 블록(24)은 전극 사이에서 압축 응력 하에 유지될 것이며, 전기 에너지의 방전시, 샘플 블록은 전극이 사전 결정된 응력 하에서 함께 압박하기에 충분한 점도가 됨으로써 샘플 블록의 비정질 재료를 금형(20)의 형태로 일치시킬 수 있다.

도 4에 개략 도시된 다른 실시예에서, 스탬프형 성형 기술이 제안된다. 이 실시예에서, 전극(30)은 양 단부에서 이들 전극 사이에 샘플 블록(32)을 클램프 고정하거나 다른 방식으로 유지한다. 도시된 개략도에서는 박판 시트의 비정질 재료가 사용되지만, 이 기술이 임의의 적절한 샘플 형태를 가지고 동작하도록 변형될 수 있음은 물론이다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전시, 도시된 바와 같이 대향하는 주형 또는 스탬프 면(36)을 포함하는 성형 툴 또는 스탬프(34)는 그들 사이에 유지된 샘플에서 사전 결정된 압축력을 받는 샘플의 부분과 서로 접촉하게 되어 샘플 블록을 원하는 최종 형태로 스탬핑하게 된다.

도 5에 개력 도시된 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 취입 성형 기술이 사용될 수 있다. 다시, 본 실시예에서, 전극(40)은 어느 단부에서 그들 사이에 샘플 블록(42)을 클램프 고정하거나 다른 방식으로 유지하게 된다. 바람직한 실시예에서, 샘플 블록은 박판 시트의 재료로 이루어지지만 임의의 적절한 형태가 사용될 수 있다. 초기 형태에 무관하게, 예시적인 방법에 따르면, 샘플 블록은 블록의 양 측면(46, 48)(즉, 주형을 마주하는 측면과 주형을 멀리 마주하는 측면)이 서로 다른 압력, 즉 가스의 양압 또는 진공의 음압에 노출될 수 있도록 실질적으로 기밀한 밀봉부를 형성하도록 주형(45) 위의 프레임(44) 내에 배치될 수 있다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전시, 샘플은 점성 상태가 되고 차등적 압력의 응력을 받아 변형되어 주형의 형상과 일치하게 됨으로써 샘플 블록을 원하는 최종 형태로 성형할 수 있다.

도 6에 개략 도시된 또 다른 예시적 실시예에서, 섬유 인발 기술이 사용될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따르면, 전극(49)은 샘플의 양단 근처에서 샘플 블록(50)과 양호하게 접촉 상태에 있는 한편, 인장력이 샘플의 양단에 인가될 것이다. 냉 헬륨 기류(51)를 인발된 와이어 또는 섬유에 취입하여 유리 전이 온도 아래로의 냉각을 촉진한다. 바람직한 실시예에서, 샘플 블록은 원통형 로드를 포함하지만 임의의 적절한 형태를 이용할 수 있다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전시, 샘플은 점성 상태가 되고 인장력의 응력 하에서 균일하게 신장됨으로써 샘플 블록을 균일 단면의 와이어 또는 섬유로 인발할 수 있다.

도 7에 개략 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 과냉 액체의 열역학적 특성 및 수송 특성을 측정하기 위한 금속 커패시터 방전 장치를 제공한다. 이러한 실시예에서, 샘플(52)은 두 개의 패들형 전극(53) 사이에 압축 응력 하에 유지되는 한편, 열 영상 카메라(54)의 초점이 샘플에 맞춰진다. 전기 에너지의 방전시, 카메라가 작업되고 샘플 블록이 동시에 대전된다. 샘플이 충분히 점성 상태가 되면, 전극은 사전 결정된 압력 하에서 함께 가압하여 샘플을 변형시킬 것이다. 카메라가 필요 분해능과 속도를 가지고 있으면, 가열 및 변형의 동시 공정은 일련의 열 영상으로 촬영될 수 있다. 이 데이터를 사용하여, 열 및 변형의 순간 데이터가 시간, 온도 및 변형 데이터로 변환되는 한편, 입력 전기력 및 부여 압력이 내부 에너지 및 인가 응력으로 변환될 수 있어서, 샘플의 온도, 온도 의존적 점도, 열 용량 및 엔탈피의 정보를 획득할 수 있다.

전술한 설명이 여러 예시적인 성형 기술의 필수적 특성에 중점을 두고 있지만, 압출이나 다이 캐스팅과 같은 다른 성형 기술들이 본 발명의 RCDF 방법과 함께 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 더욱이, 최종 제품의 품질 향상을 위해 이들 기술에 부가적 요소를 추가할 수 있다. 예컨대 전술한 성형 방법 중 임의의 방법에 따라 성형된 제품의 표면 마무리를 향상시키기 위해, 주형 또는 스탬프를 비정질 재료의 유리 전이 온도 근처 또는 바로 아래로 가열함으로써 표면 결함을 제거할 수 있다. 또한, 표면 마무리가 양호한 제품 또는 최종 성형 제품을 얻기 위해서는 압축력과, 전술한 성형 기술 중 사출 성형 기술의 경우에는 압축 속도의 제어를 통해 높은 "웨버 수"의 유동에 의해 야기되는 용융물 선단의 불안정성을 회피하여 미립화, 분무화, 유동 라인 등을 방지할 수 있다.

전술한 RCDF 성형 기술과 대안적 실시예들은 전자 기기용 케이싱, 브라켓, 하우징, 체결구, 힌지, 하드웨어, 시계 부품, 의료 부품, 카메라 및 광학 부품, 보석 등과 같은 작고 복잡하며 최종 형상의 고성능 금속 성분의 제조에 적용될 수 있다. RCDF 방법은 RCDF 가열 및 사출 시스템과 관련되어 사용되는 다양한 종류의 압출 다이를 통해 동적으로 압출될 수 있는 작은 시트, 튜브, 패널 등의 제조에도 사용될 수 있다.

요약하면, 본 발명의 RCDF 기술은 광범위한 비정질 재료를 급속 균일하게 가열하고, 상대적으로 저렴하고 에너지 효율적인 비정질 합금의 성형 방법을 제공하는 것이다. RCDF 시스템의 장점은 아래에 상세히 설명된다.

급속 및 균일 가열은 열가소성 가공성을 향상시킨다.

BMGs의 열가소성 주조 및 성형은 BMGs가 유리 전이 온도 Tg 이상으로 가열시 결정화되려는 경향에 의해 크게 제약을 받는다. Tg 이상으로 냉각중인 액체에서 결정 형성 및 성장 속도는 온도에 따라 급속 증가하지만 액체의 점도는 떨어진다. ~20℃/분의 통상의 가열 속도에서, 결정화는 BMGs가 ΔT=30-150℃ 만큼 Tg를 초과하는 온도로 가열될 때 발생한다. ΔT는 액체가 열가소성적으로 처리되는 최대 온도와 최소 점도를 결정한다. 실제, 점도는 ~10⁴㎩-s보다 크게, 보다 전형적으로는 10⁵-10⁷㎩-s로 제한되는데, 이는 최종 형상의 성형을 극히 제한한다. RCDF를 이용하면, 비정질 재료 샘플은 균일하게 가열되고 10⁴-10⁷℃/sec의 가열 속도로 (밀리초의 총 필요한 공정 시간으로) 동시 성형될 수 있다. 다시 말해, 샘플은 매우 큰 ΔT와 그 결과로써 플라스틱의 처리에 사용되는 점도 범위인 1-10⁴㎩-s 범위의 매우 낮은 공정 점도로 최종 형상으로 열가소적으로 성형될 수 있다. 이것은 매우 작은 인가 하중과 짧은 사이클 시간을 필요로 하며, 도구 수명이 크게 향상될 것이다.

RCDF 는 훨씬 넓은 범위의 BMG 재료의 처리를 가능케 한다.

ΔT의 큰 확장과 공정 시간의 밀리초로의 큰 감소는 극히 다양한 유리 성형 합금의 처리를 가능케 한다. 구체적으로, 작은 ΔT의 합금 또는 매우 빠른 결정화운동과 다시 말해 매우 낮은 유리 성형 능력을 갖는 합금은 RCDF를 이용하여 처리될 수 있다. 예컨대 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu와 기타 저가의 금속에 기초한 저렴하고 보다 바람직한 합금은 작은 ΔT와 결정화 경향이 강한 다소 낮은 유리 성형성을 갖는다. 이들 "한계 유리 성형" 합금은 현재 실시되는 어떤 방법으로도 열가소적으로 처리될 수 없지만, 본 발명의 RCDF 방법으로 용이하게 사용될 수 있다.

RCDF 는 극히 재료 효율적이다.

벌크 비정질 제품의 성형에 현재 이용되고 있는 다이 캐스팅과 같은 통상의 공정은 주조될 제품의 용적을 크게 초과하는 공급재 용적의 사용을 필요로 한다. 이것은 주물 외에 다이로부터 배출된 전체 내용물이 다이 공동측으로 용융 금속의 통행에 필요한 게이트, 러너(runner), 스프루(sprue)(또는 비스킷(biscuit)), 플래시(flash)를 포함하기 때문이다. 이에 비해, 대부분의 경우 RCDF의 배출 내용물은 부품만을 포함할 것이고, 사출 성형 장치의 경우 다이 캐스팅에 비해 짧은 러너와 훨씬 얇은 비스킷을 포함할 것이다. 그러므로, RCDF 방법은 비정질 금속 보석의 처리와 같은 고비용의 비정질 재료의 처리를 포함하는 응용 분야에 특히 매력적이다.

RCDF 는 극히 에너지 효율적이다.

다이 캐스팅, 영구-주형 주조, 인베스트먼트 주조 및 금속 분말 주입 성형(PIM) 등의 경쟁하는 제조 기술은 본질적으로 에너지 효율이 아주 떨어진다. RCDF에서의 에너지 소비는 샘플을 원하는 공정 온도로 가열하는 데 필요한 경우보다 약간 높을 뿐이다. 고온의 도가니, RF 유도 용융 시스템 등이 필요하지 않다. 또한, 하나의 저장소로부터 다른 저장소로 용융 합금을 주탕할 필요가 없어서 필요한 처리 단계와 재료 오염 및 재료 손실의 가능성을 줄일 수 있다.

RCDF 는 상대적으로 작고 소형이며 쉽게 자동화되는 기술을 제공한다.

다른 제조 기술과 비교하면, RCDF 제조 장비는 작고, 소형이며, 깨끗하며, 최소한의 이동 부품으로 그리고 본질적으로 전체가 "온-라인(electronic)" 공정으로 쉽게 자동화될 수 있다.

주위 대기의 제어가 필요하지 않다.

RCDF에 의한 샘플의 처리에 필요한 밀리초의 시간 척도는 가열된 샘플을 주위 대기에 최소로 노출시킨다. 그에 따라 공정은 연장된 공기 노출로 인해 용융 금속과 최종 제품에 심각한 산화가 이루어지는 현재의 처리 방법과 달리 대기 환경에서 행해질 수 있다.

예시적 실시예

당업자는 본 발명에 따른 추가의 실시예가 전술한 포괄적인 설명의 범위 내에 있는 것으로 의도되고 전술한 비한정적인 예에 의해 어떤 부정도 어떤 방식으로든 의도되지 않음을 인식할 것이다.

실시예 1: 오옴 가열의 고찰

BMGs의 경우 실린더형 샘플에서 오옴 열 발산과 함께 용량성 방전은 샘플을 균일하고 급속하게 가열하는 효과를 제공할 것이라는 기본 원리의 증명을 위해, 증명을 위한 성형 도구로서 간단한 연구용 스폿 용접 기계를 사용하였다. Unitek 1048B 모델의 스폿 용접기는 ~10 ㎌의 커패시터에 100 J의 에너지를 축전할 것이다. 축전 에너지는 정확히 제어될 수 있다. RC 시간 상수는 대략 100㎲이다. 샘플 실린더를 구속하기 위해, 두 개의 패들형 전극은 편형하고 나란한 표면을 가지고 있다. 스폿 용접기는 ~80 뉴턴까지의 힘의 축방향 부하를 상부 전극에 인가하도록 허용하는 스프링 작업식 상부 전극을 구비한다. 이것은 다시 ~20 ㎫ 범위의 일정한 압축 응력이 샘플 실린더에 인가되는 것을 허용한다.

여러 BMG 재료의 작은 우측의 원형 실린더가 1-2 mm 직경과 2-3 mm 높이로 제작되었다. 샘플 덩어리는 질량이 ~40 mg 내지 ~170 mg 범위였고 특별한 BMG의 유리 전이 온도보다 훨씬 높은 T_F를 얻도록 선택되었다. BMG 재료는 각각 340℃, 300℃, ~430℃의 유리 전이 온도 Tg를 가지는 Zr-Ti-계 BMG(비트레로이(Vitreloy) 1, Zr-Ti-Ni-Cu-Be BMG), Pd-계 BMG(Pd-Ni-Cu-P 합금) 및 Fe-계 BMG(Fe-Cr-Mo-P-C)였다. 이들 금속 유리 모두는 ~-1×10^-4<<S_crit의 S를 갖는다.

도 8a 내지 도 8d는 2 mm 반경과 2 mm 높이의 Pd-합금 실린더(도 8a 참조)에 대한 일련의 테스트의 결과이다. 합금의 저항률은 ρo = 190 μΩ-㎝이고 S는 ~-1x10^-4(C^-1)이다. 커패시터 뱅크에는 50 J(도 8b), 75 J(도 8c) 및 100 J(도 8d)의 에너지가 축전되고 ~20 ㎫의 압축 응력 하에 유지되는 샘플 내로 방전된다. BMG에서 소성 유동의 정도는 처리된 샘플의 초기 및 최종 높이를 측정함으로써 정량화되었다. 샘플이 처리 중 구리 전극에 결합되는 것이 관찰되지 않음에 주목하는 것이 특히 중요하다. 이것은 BMG에 비해 구리의 전기 전도도 및 열 전도도가 높은 것에 기인할 수 있다. 요약하면, 구리는 공정의 시간 척도(~밀리초) 동안 "용융된" BMG에 의한 젖음(침윤, wetting)을 허용할 정도로 충분히 높은 온도에 결코 도달하지 않는다. 또한, 전극 표면에 대한 손상이 거의 없거나 전혀 없음에 주의해야 한다. 최종 처리된 샘플은 처리 후 구리 전극으로부터 자유롭게 제거되었고 길이 척도 기준과 함께 도 9에 도시되어 있다.

초기 및 최종 실린더 높이는 하중 하에 변형될 때 샘플에서 전개되는 총 압축 변형률을 결정하는 데 이용되었다. 공학적 "변형률"은 Ho/H로 주어지며, 이때 Ho와 H는 샘플 실린더의 초기(최종) 높이이다. 진 변형률(true strain)은 n(Ho/H)로 주어진다. 결과는 도 10에 방전 에너지에 대해 도식화된다. 이들 결과는 진 변형률이 커패시터에 의해 방전된 에너지의 대략 선형 증가 함수처럼 보이는 것을 나타냈다.

이들 결과는 BMG 샘플 블랭크의 소성 변형이 커패시터에 의해 방전된 에너지의 잘 정의된 함수임을 나타낸다. 이러한 종류의 테스트를 수십 번 하면, 샘플(주어진 샘플 형상에서)의 소성 유동이 도 10에 잘 도시된 바와 같이 에너지 입력값의 매우 잘 정의된 함수임을 결정할 수 있다. 요약하면, RCDF 기술을 이용하면, 입력 에너지로 소성 처리를 정확하게 제어할 수 있다. 더욱이, 유동 특성은 에너지 증가에 따라 정성적 및 정량적으로 변화한다. ~80 뉴턴으로 인가된 압축 하중 하에서, 에너지(E) 증가에 따른 유동 거동의 분명한 전개를 관찰할 수 있다. 구체적으로, Pd-계 합금의 경우, E = 50 J에서의 유동은 ~1의 변형률 ln(Ho/H_F))로 제한된다. 이 유동은 상대적으로 안정적이지만, 일부 전단 박화(shear thinning)의 증거이기도 하다(예, 비-뉴턴 유동 거동). E = 75 J의 경우, ~2의 변형률(ln(Ho/H_F))로 보다 확장된 유동이 얻어진다. 이런 상태에서 유동은 용융물 전단이 잔잔하고 안정적으로 "주형"을 통해 이동하는 뉴턴 유동이고 균일한 유동이다. E = 100 J의 경우, 0.12 ㎝의 두께와 ~3의 진 변형률을 갖는 최종 샘플에 매우 큰 변형이 얻어진다. 높은 "웨버 수"의 유동에 대한 유동 분열(flow break-up), 유동 라인(flow lines) 및 액체 "튀김 현상(splashing)"의 분명한 증거가 존재한다. 요약하면, "주형" 내를 이동하는 안정한 용융물 선단으로부터 불안정한 용융물 선단까지 분명한 전이가 관찰될 수 있다. 따라서, RCDF를 이용하여, 소성 유동의 정성적 특성과 범위가 샘플에 가해지는 인가된 하중과 방전 에너지의 간단한 조정에 의해 체계적으로 제어 가능하게 변화될 수 있다.

실시예 2: 사출 성형 장치

다른 예에서, 작업 시작품 RCDF 사출 성형 장치를 구성하였다. 장치의 개략도가 도 11a 내지 도 11e에 제공된다. 성형 장치로 수행된 실험은 수 그램의 주형 장입물을 1초 이내에 최종 형상의 제품으로 사출 성형하는 데 장치가 사용될 수 있음을 입증한다. 도시된 시스템은 ~6 KJ의 전기 에너지를 축전할 수 있고 제어된 이용 공정 압력을 ~100 ㎫까지 인가할 수 있어서 작은 최종 형상의 BMG 제품을 제조할 수 있다.

전체 머신은 전기 에너지 전하 발생 시스템, 제어된 공정 압력 시스템 및 주형 조립체를 포함하는 여러 개의 독립적 시스템을 포함한다. 전기 에너지 전하 발생 시스템은 커패시터 뱅크, 전압 제어 패널 및 전압 제어기를 포함하며, 이들 모두는 방전 전하가 전극을 통해 샘플 블록에 인가될 수 있도록 전기 리드(62) 세트와 전극(64)을 통해 주형 조립체(60)에 상호 연결된다. 제어된 공정 압력 시스템(66)은 공기 공급부, 피스톤 조절부 및 공압 피스톤을 포함하며, 이들 모두는 ~100 ㎫까지의 제어된 공정 압력이 성형 중 샘플에 인가될 수 있도록 제어 회로를 통해 상호 연결되어 있다. 마지막으로, 성형 장치는 또한 주형 조립체(60)를 포함하는데, 이 주형 조립체는 하기에 더 상세히 설명될 것이지만, 도면에서는 전극 플런저(68)가 완전 후퇴 위치에 있는 상태로 도시되어 있다.

전체 주형 조립체는 도 11b에서 큰 장치로부터 분리된 것으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 전체 주형 조립체는 상부 및 하부 주형 블록(70a, 70b), 분할 주형의 상부 및 하부(72a, 72b), 전류를 주형 카트리지 히터(76)로 운반하는 전기 리드(74), 절연 스페이서(78) 및 도 11b에서 "완전 하강" 위치에 있는 것으로 도시된 전극 플런저(68)를 포함한다.

도 11c 및 도 11d에 도시된 바와 같이, 작업 중 비정질 재료(80)는 분할 주형(82)에 대한 게이트 상부의 절연 슬리브(78) 내부에 위치된다. 이 조립체 자체는 주형 조립체(60)의 상부 블록(72a) 내에 위치된다. 이후, 전극 플런저(도시 생략)가 샘플 블록(80)과 접촉 상태로 배치되고 공압 피스톤 조립체를 통해 제어된 압력이 인가된다.

샘플 블록이 전극에 대해 제 위치에 전극과 견고하게 접촉되도록 자리하면, 샘플 블록은 RCDF 방법에 따라 가열된다. 가열된 샘플은 점성 상태가 되고 플런저의 압력 하에서 게이트(84)를 통해 주형(72) 내로 제어 가능하게 가압된다. 도 11e에 도시된 바와 같이, 이런 예시적인 실시예에서, 분할 주형(60)은 링(86)의 형태를 취한다. 본 발명의 예시적인 RCDF 장치를 사용하여 성형된 Pd₄₃N₁₀Cu₂₇P₂₀ 비정질 재료로 된 샘플 링이 도 12a 및 도 12b에 도시된다.

이 실험은 복잡한 최종 성형 제품이 본 발명의 RCDF 기술을 이용하여 성형될 수 있다는 증거를 제공한다. 주형은 본 실시예에서 링의 형상으로 형성되지만, 당업자는 이 기술이 전자 기기용 케이싱, 브라켓, 하우징, 체결구, 힌지, 하드웨어, 시계 부품, 의료 부품, 카메라 및 광학 부품, 보석 등과 같은 작고 복잡한 최종 형상의 고성능 금속 성분을 포함하는 다양한 제품에 동등하게 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

균등론

당업자들은 본 발명의 다양한 바람직한 실시예에 대한 전술한 예와 설명이 전체적으로 단지 본 발명을 예시하는 것이고, 본 발명의 취지 및 범위 내에서 본 발명의 단계와 여러 성분에 대한 변형이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 예컨대 추가의 처리 단계 또는 대안적 구성이 본 발명의 급속 커패시터 방전 성형 방법/장치의 개선된 특성에 영향을 미치지 않음은 물론, 상기 방법/장치를 의도된 목적에 부적절하게 하지도 않음은 당업자에게 분명할 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 설명된 특정 실시예에 한정되지 않고, 다만 첨부된 특허청구범위의 범위에 의해 한정된다.

Claims

급속 커패시터 방전을 이용하여 비정질 금속을 급속 가열하여 성형하는 방법으로서,
실질적으로 균일한 단면을 갖는 비정질 금속의 샘플을 제공하는 단계;
특정량의 전기 에너지를 상기 샘플을 통해 균일하게 방전시켜, 해당 샘플 전체를 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도와 평형 용융 온도 사이의 공정 온도(processing temperature)에서 균일하게 가열하고, 이와 동시에 변형력을 인가하여 상기 가열된 샘플을 비정질 제품으로 성형하는 단계; 및
상기 제품을 상기 비정질 금속의 상기 유리 전이 온도 아래의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 비정질 금속은 온도에 따라 증가하지 않는 저항률(resistivity)을 가지는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 샘플의 온도는 적어도 500K/초의 속도로 증가되는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 비정질 금속은 1×10^-4℃^-1 이하의 온도 변화(S)의 단위 당 상대 저항률 변화와 80 μΩ-㎝ 내지 300 μΩ-㎝의 상온 저항률(ρo)을 가지는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 특정량의 전기 에너지는 적어도 100 J(주울)이고, 방전 시간 상수가 10㎲ 내지 10㎳인 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 공정 온도는 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 중간인 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 공정 온도는 가열된 비정질 금속의 점도가 1 내지 10⁴㎩-s이 되도록 하는 온도인 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 샘플은 실질적으로 무결함인 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 비정질 금속은 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 금속 원소를 기초로 한 합금인 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 특정량의 전기 에너지의 방전은 상기 샘플의 대향 단부에 연결된 적어도 두 개의 전극을 통해 일어나 상기 샘플에 전기장을 발생시키며, 발생된 동적 전기장의 전자기적 표면 깊이는 장입물(charge)의 반경, 폭, 두께 및 길이에 비해 큰 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제10항에 있어서, 상기 샘플은 상기 전기 에너지의 방전 이전에 전극 재료의 항복 강도(yield strength) 이상인 압력을 전극/샘플 계면에 발생시키도록 상기 전극 사이에서 예비 하중을 받는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 성형하는 단계는 사출 성형 주형, 동적 단조기, 스탬프 단조기 및 취입 성형 주형으로 이루어진 군에서 선택되는 성형 도구를 사용하는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제12항에 있어서, 상기 성형 도구는 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도 또는 그 미만의 온도로 가열되는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 변형력은 상기 가열된 샘플이 레일리-테일러 불안정성을 갖는 유동(a flow with Rayleigh-Tayler instability)을 회피하기에 충분히 낮은 속도로 변형되도록 인가되는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 샘플의 가열 및 성형은 100㎲ 내지 1s의 시간 내에 완료되는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 전기 에너지의 방전 이전에 상기 샘플에 예비 펄스를 발생시키는 단계를 더 포함하되, 해당 예비 펄스의 에너지는 계면에서의 상기 샘플의 온도를 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도보다 높게 상승시키기에 충분한 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제1항에 있어서, 상기 변형력은 균일한 단면의 와이어 또는 섬유의 성형을 위해 에너지의 방전 중에 샘플에 인가되는 인장 변형력인 것인, 비정질 금속의 성형방법.
제17항에 있어서, 인발 성형된 상기 와이어 또는 섬유 위로 용이한 냉각을 위해 냉 헬륨 기류(stream of cold helium)가 취입되는 것인, 비정질 금속의 성형방법.
비정질 금속의 급속 가열 및 성형을 위한 급속 커패시터 방전 장치로서,
실질적으로 균일 단면을 갖는 비정질 금속의 샘플;
전기 에너지 공급원;
상기 전기 에너지 공급원을 상기 비정질 금속의 샘플에 상호 연결시키고 상기 샘플과의 사이에 실질적으로 균일한 접속이 이루어지도록 상기 샘플에 부착되는 적어도 두 개의 전극; 및
상기 샘플에 대한 성형을 위해 배치된 성형 도구를 포함하되,
상기 전기 에너지 공급원은 상기 샘플의 전체를 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 공정 온도에서 균일하게 가열하기에 충분한 특정량의 전기 에너지를 발생시킬 수 있고,
상기 성형 도구는 가열된 샘플을 최종 성형 제품으로 성형시키기에 충분한 변형력을 인가할 수 있는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 성형 도구는 사출 성형 주형, 동적 단조기, 스탬프 단조기 및 취입 성형 주형으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 성형 도구는 상기 전극 중 적어도 하나로부터 적어도 부분적으로 형성되는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 성형 도구는 해당 성형 도구를 상기 비정질 금속의 상기 유리 전이 온도 또는 그 미만의 온도로 가열하는 온도-제어식 가열 요소를 더 포함하는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 샘플에 변형력을 인가하기 위해 상기 성형 도구와 협동 관계에 있는 공압 또는 자기 구동 시스템 중 하나를 더 포함하는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 비정질 금속은 온도에 따라 증가하지 않는 저항률을 가지는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 샘플의 온도는 적어도 500 K/초의 속도로 증가되는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 비정질 금속은 1×10^-4℃^-1 이하의 온도 변화(S)의 단위 당 상대 저항률 변화와 80 μΩ-㎝ 내지 300 μΩ-㎝의 상온 저항률(ρo)을 가지는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 특정량의 전기 에너지는 적어도 100 J이고, 시간 상수는 10㎲ 내지 10㎳인 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 공정 온도는 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 중간인 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 공정 온도는 가열된 비정질 금속의 점도가 1 내지 10⁴㎩-s가 되도록 하는 온도인 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 샘플은 실질적으로 무결함인 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 샘플의 접촉면이 편평하고 평행한 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 비정질 금속은 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Al, Mg, Ti, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 금속 원소를 기초로 한 합금인 것인 급속 커패시터 방전 장치.
삭제
제19항에 있어서, 상기 전극 재료는 Cu, Ag 또는 Ni이나, Cu, Ag 또는 Ni 중 하나를 95 원자% 함유하는 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 샘플은 상기 전기 에너지의 방전 이전에 전극 재료의 항복 강도 이상인 압력을 전극/샘플 계면에 발생시키도록 상기 전극 사이에서 예비 하중을 받는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 전기 에너지의 방전 이전에 상기 샘플에 예비 펄스가 발생되며, 해당 예비 펄스의 에너지는 계면에서의 상기 샘플의 온도를 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도까지 상승시키기에 충분한 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 가열된 샘플이 레일리-테일러 불안정성을 갖는 유동을 회피하기에 충분히 낮은 속도로 변형되도록 변형력을 제한하는 제어기를 더 포함하는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 성형 도구는 전극과는 독립되어 있는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 가열된 샘플이 레일리-테일러 불안정성을 갖는 유동을 회피하기에 충분히 낮은 속도로 변형되도록 방전 중에 표면 장입물의 변형 속도(strain rate) 또는 변위 속도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상온의 상기 샘플로부터 100㎲ 내지 1s의 시간 내에 상기 제품으로 성형가능한 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제19항에 있어서, 상기 전기 에너지 공급원은 상기 샘플에 전기장을 발생시키며, 발생된 동적 전기장의 전자기적 표면 깊이는 장입물의 반경, 폭, 두께 및 길이에 비해 큰 것인 급속 커패시터 방전 장치.
실질적으로 균일 단면을 갖는 비정질 금속의 샘플;
전기 에너지 공급원;
상기 전기 에너지 공급원을 상기 비정질 금속의 샘플에 상호 연결시키고 상기 샘플과의 사이에 실질적으로 균일한 접속이 이루어지도록 상기 샘플에 부착되는 적어도 두 개의 전극;
상기 샘플과 결합되는 관계로 배치되어 변형 응력을 인가하는 도구; 및
변형 중 상기 샘플의 적어도 하나의 특성을 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함하되,
상기 전기 에너지 공급원은 상기 샘플의 전체를 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 균일한 공정 온도에서 균일하게 가열하기에 충분한 특정량의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 것인 급속 커패시터 방전 장치.
제42항에 있어서, 상기 적어도 하나의 특성은 온도, 점도, 열용량 및 엔탈피 함량으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 급속 커패시터 방전 장치.