KR101394775B1 - 용량성 방전 및 자기장을 이용한 금속 유리의 전자기적 형성 - Google Patents

용량성 방전 및 자기장을 이용한 금속 유리의 전자기적 형성 Download PDF

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스캇 엔. 로버츠
콘라드 잠베르
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Abstract

급속 커패시터 방전 형성(RCDF) 도구를 인가된 전류와 횡단 자기장의 상호작용에 의해 발생되는 전자기력과 연합하여 이용하여, 금속 유리를 균일하게 가열하고, 유동학적으로 연화하여, 급속하게 그물 형상으로 열가소성 형성하는 장치 및 방법이 개시된다. RCDF 방법은 금속 유리 합금의 샘플 또는 투입물을 수 밀리초 이하의 기간 내에서 비정질 금속의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 미리 정해진 "공정 온도"로 균일하고 급속하게 가열하기 위해, 커패시터 내에 저장된 전기 에너지의 방전을 이용하는데, 그 포인트에서는 전기장과 자기장 사이의 상호작용이 1초 미만의 기간 내에서 예를 들어 인젝션 몰딩, 동적 단조, 스탬프 단조 및 블로우 몰딩을 포함하는 임의의 수의 기법들을 통해, 가열된 샘플을 고품질의 비정질 벌크 제품으로 성형할 수 있는 힘을 발생시킨다.

Description

용량성 방전 및 자기장을 이용한 금속 유리의 전자기적 형성{ELECTROMAGNETIC FORMING OF METALLIC GLASSES USING A CAPACITIVE DISCHARGE AND MAGNETIC FIELD}
본 발명은 일반적으로 금속 유리(metallic glass)를 형성하는 신규한 방법에 관한 것이고, 더 구체적으로는 전자기적 형성력(electromagnetic forming force)을 인가하기 위해 자기장 및 급속 커패시터 방전 가열을 이용하여 금속 유리를 형성하는 공정에 관한 것이다.
비정질 재료들은 높은 강도, 탄성, 내식성(corrosion resistance) 및 용융된 상태로부터의 가공성(processability)의 유일무이한 조합을 갖는 새로운 클래스의 공학 재료이다. 비정질 재료들은 그들의 원자 구조가 종래의 결정질 합금들의 원자 구조의 전형적인 원거리 서열 패턴들(long-range ordered patterns)을 갖지 않는다는 점에서 종래의 결정질 합금들과는 다르다. 비정질 재료들은 일반적으로, 용융된 합금을 "충분히 빠른" 냉각 레이트들에서 결정 상(crystalline phase)의 용융 온도(또는 열역학적 용융 온도) 위로부터 비정질 상의 "유리 전이 온도" 아래로 냉각시켜서, 합금 결정들의 핵형성 및 성장을 회피함으로써 가공 및 형성된다. 그러한 것으로서, 비정질 합금들을 위한 가공 방법들은 비정질 상의 형성을 보장하기 위해 "임계 냉각 레이트"라고도 지칭되는 "충분히 빠른 냉각 레이트"를 정량화하는 것에 항상 관심을 기울여왔다.
초기의 비정질 재료들을 위한 "임계 냉각 레이트들"은 106℃/sec 정도로 극단적으로 높았다. 그러한 것으로서, 종래의 캐스팅 공정들(casting processes)은 그러한 높은 냉각 레이트들에는 적합하지 않았고, 멜트 스피닝(melt spinning) 및 PFC(planar flow casting)와 같은 특별한 캐스팅 공정들이 개발되었다. 그러한 초기 합금들의 결정화 키네틱스(crystallization kinetics)가 상당히 빠른 것으로 인해, 결정화를 우회하기 위해서는, 용융된 합금으로부터의 열 추출을 위한 극단적으로 짧은 시간(약 10-3 초 미만)이 요구되었고, 따라서 초기 비정질 합금들은 또한 적어도 한 차원에서의 크기에 있어서 한계가 있었다. 예를 들어, 이러한 종래의 기법들을 이용해서는, 매우 얇은 포일 및 리본(약 25 미크론의 두께)만이 성공적으로 제조되었다. 이러한 비정질 합금들을 위한 임계 냉각 레이트 요구조건들이 비정질 합금들로 만들어지는 부품들의 크기를 심하게 제한하였기 때문에, 초기 비정질 합금들을 벌크(bulk)의 개체들(objects) 및 제품들(articles)로서 사용하는 것은 제한되었다.
수년 간, "임계 냉각 레이트"가 비정질 합금들의 화학 조성에 크게 의존한다는 것이 확인되었다. 따라서, 많은 연구가 훨씬 더 낮은 임계 냉각 레이트를 갖는 신규한 합금 조성을 개발하는 데에 집중되었다. 이러한 합금들의 예는 미국 특허 제5,288,344호, 제5,368,659호, 제5,618,359호 및 제5,735,975호에 제공되어 있으며, 이들 각각은 참조에 의해 여기에 포함된다. BMG(bulk-metallic glasses)라고도 지칭되는 이들 비정질 합금 시스템들은 이전에 달성가능했던 것보다 훨씬 더 큰 벌크 비정질 상 개체의 가공 및 형성을 허용하는 수 ℃/초 정도의 낮은 임계 냉각 레이트를 특징으로 한다.
낮은 "임계 냉각 레이트" BMG를 이용할 수 있게 됨에 따라, 비정질 상을 갖는 벌크 제품들을 형성하는 데에 종래의 캐스팅 공정들을 적용하는 것이 가능해졌다. 지난 수년 간, LiquidMetal Technologies, Inc.를 비롯한 다수의 기업이 BMG로 만들어진 그물 형상(net shape)의 금속 부품들의 생성을 위한 상업적 제조 기술을 개발하고자 노력해왔다. 예를 들어, 표준 소비자용 전자 디바이스(예를 들어, 셀폰 및 핸드핼드형 무선 디바이스들)를 위한 전자 케이싱, 힌지(hinges), 파스너(fasteners), 의료 기구 및 다른 고 부가가치 제품과 같은 상업적 하드웨어 및 컴포넌트들을 제조하기 위해, 영구적인 몰드 금속 다이캐스팅 및 가열된 몰드 내로의 인젝션 캐스팅과 같은 제조 방법들이 현재 이용되고 있다. 그러나, 위에서 논의한 바와 같이, 벌크 응고 비정질 합금들(bulk-solidifying amorphous alloys)이 응고 캐스팅의 기본적인 결함들, 특히 다이캐스팅 및 영구적 몰드 캐스팅 공정들에 대한 소정의 해결책을 제공하긴 하지만, 해결되어야 할 쟁점들이 여전히 존재한다. 무엇보다도, 더 넓은 범위의 합금 조성들로부터 이러한 벌크 개체들을 만들 필요가 있다. 예를 들어, 큰 벌크 비정질 개체들을 만들 수 있는 큰 임계 캐스팅 치수들을 갖는 현재 이용가능한 BMG들은 Ti, Ni, Cu, Al 및 Be를 첨가한 Zr계 합금, 및 Ni, Cu 및 P를 첨가한 Pd계 합금들을 포함하는 매우 좁은 금속 선택집합에 기반을 두는 몇몇 그룹의 합금 조성들로 제한되며, 이들은 공학 또는 비용의 관점으로부터 볼 때 반드시 최적화되지는 않는다.
추가로, 현재의 가공 기술은 적절한 가공 조건들이 생성될 것을 보장하기 위해, 많은 고가의 기기를 필요로 한다. 예를 들어, 대부분의 성형 공정들은 고진공(high vacuum) 또는 제어된 비활성 기체 환경, 도가니(crucible) 내에서의 재료의 유도 용융(induction melting), 샷 슬리브(shot sleeve)에 대한 금속 주입(pouring), 및 다소 정교한 몰드 어셈블리의 캐비티들 및 게이팅으로의 샷 슬리브를 통한 공압 주입(pneumatic injection)을 필요로 한다. 이러한 수정된 다이캐스팅 기계들은 기계마다 수십만 달러의 비용이 들 수 있다. 더욱이, BMG를 가열하는 것은 지금까지 이러한 전통적인 느린 열 공정들을 통해 달성되었기 때문에, 벌크 응고 비정질 합금을 가공 및 형성하는 종래 기술은 용융된 합금을 열역학적 용융 온도 위로부터 유리 전이 온도 아래로 냉각시키는 데에 항상 집중되어 왔다. 이러한 냉각은 단일 단계의 단조 냉각 동작 또는 다단계 공정을 이용하여 실현되어 왔다. 예를 들어, 용융된 합금으로부터의 열 추출을 용이하게 하고 촉진하게 하기 위해, 주위 온도에서의 (구리, 강철, 텅스텐, 몰리브덴, 그들의 합성물 또는 다른 고전도성 재료로 만들어진) 금속 몰드들이 이용된다. "임계 캐스팅 치수(critical casting dimension)"는 임계 냉각 레이트와 상관관계를 가지므로, 이러한 종래의 공정들은 더 넓은 범위의 벌크 응고 비정질 합금의 큰 벌크 개체들 및 제품들을 형성하는 데에는 적합하지 않다. 추가로, 특히 복잡한 고정밀 부품들의 제조에서, 합금의 응고 전에 충분한 합금 재료가 다이 내에 도입될 것을 보장하기 위해, 용융된 합금을 고압 하에서 고속으로 다이에 인젝션할 필요가 있는 경우가 많다. 고압 다이캐스팅 동작에서와 같이, 금속이 고압 하에서 고속으로 다이 내에 공급되기 때문에, 용융된 금속의 흐름은 레일리-테일러 불안정성에 속하기 쉽게 된다. 이러한 흐름 불안정성은 높은 웨버수(Weber number)를 특징으로 하며, 캐스트 부품들 내에서 표면적이고 구조적인 미세결함들로서 나타나는 돌출된 이음매들(seams) 및 셀들의 형성을 유발하는 흐름 선단(flow front)의 붕괴에 연관된다. 또한, 유리화되지 않은 액체가 유리화된 금속의 고체 쉘 내부에 가두어질 때, 다이캐스팅 몰드의 중심선을 따라 수축 캐비티 또는 공극을 형성하는 경향이 있다.
재료를 평형 용융점 위로부터 유리 전이 아래로 급속하게 냉각하는 것에 연관된 문제들을 해결하려는 시도는 대부분 과냉된(supercooled) 액체의 동역학적 안정성 및 점성 유동 특성을 이용하는 것에 집중되어 왔다. 유리질의 공급원료(glassy feedstock)를 유리 전이(여기에서 유리는 점도질의 과냉된 액체로 이완됨) 위로 가열하고, 과냉 액체를 형성하기 위한 압력을 인가하고, 후속하여 결정화 전에 유리 전이 아래로 냉각하는 것을 수반하는 방법들이 제안되어 왔다. 이러한 매력적인 방법들은 본질적으로는 플라스틱을 가공하는 데에 이용되는 것들과 매우 유사하다. 그러나, 극단적으로 긴 기간 동안 연화 전이(softening transition) 위의 결정화에 대하여 안정하게 남아있는 플라스틱과는 대조적으로, 금속 과냉 액체는 유리 전이에서 이완되고 나면 다소 급속하게 결정화한다. 결과적으로, 금속 유리가 종래의 가열 레이트(20℃/분)에서 가열될 때에 결정화에 대해 안정하게 되는 온도 범위는 다소 작고(유리 전이 위의 50-100℃), 그 범위 내에서의 액체 점도는 다소 높다(109-107 Pa s). 이러한 높은 점도들로 인해, 이들 액체들을 바람직한 형상으로 형성하는 데에 요구되는 압력은 막대하고, 다수의 금속 유리 합금에 대해서는 종래의 고강도 도구에 의해 달성가능한 압력들(<1GPa)을 초과할 수 있다. 종래의 가열 레이트로 상당히 높은 온도(유리 전이보다 165℃ 초과)까지 가열될 때에 결정화에 대해 안정한 금속 유리 합금들이 최근 개발되었다. 이러한 합금들의 예는 미국 특허 출원 제20080135138호 및 G. Duan 등의 논문(Advanced Materials, 19 (2007) 4272) 및 A. Wiest의 논문(Act Materialia, 56 (2008) 2525-2630)에 제공되어 있으며, 이들 각각은 참조에 의해 여기에 포함된다. 결정화에 대한 높은 안정성으로 인해, 105 Pa-s 정도로 낮은 공정 점도가 접근가능하게 되는데, 이는 이들 합금들이 전통적인 금속 유리들보다 과냉 액체 상태에서의 가공에 더 적합함을 시사한다. 그러나, 이러한 점도들도 전형적으로 10 내지 1000 Pa-s 범위에 있는 플라스틱의 가공 점도보다는 여전히 상당히 높다. 그러한 낮은 점도를 달성하기 위해, 금속 유리 합금은 종래의 가열법에 의해 가열될 때 결정화에 대하여 훨씬 더 높은 안정성을 나타내거나, 열가소성 수지를 가공하는 데에 이용되는 것들에 전형적인 값들로까지 공정 점도를 낮추고 안정성의 온도 범위를 연장하는, 종래와 다른 높은 가열 레이트로 가열되어야 한다.
BMG를 성형에 충분한 온도로까지 순간적으로 가열하여, 위에서 논의된 문제점들 중 다수를 회피하는 동시에, 성형될 수 있는 비정질 재료의 유형을 확장하는 방법을 만들어내기 위한 몇몇 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어, 각각의 개시 내용이 참조에 의해 여기에 포함되는 미국 특허 제4,115,682호 및 제5,005,456호와, A. R. Yavari의 논문(Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1, Materials Science & Engineering A, 375-377 (2004) 227-234, 및 Applied Physics Letters, 81(9) (2002) 1606-1608)은 모두, 줄 가열(Joule heating)을 이용하여 재료들을 성형 온도까지 순간적으로 가열하기 위하여, 비정질 재료들의 고유한 전도 속성들을 이용한다. 그러나, 지금까지는 이러한 기법들이 BMG 샘플들의 국부적인 가열에 집중되어 그러한 조각들의 접합(즉, 스폿 용접) 또는 표면 특징형상들(surface features)의 형성과 같은 국부적인 형성만을 허용하여 왔다. 이러한 종래 기술의 방법들 중 어느 것도, 전역적인 형성을 수행할 수 있도록 하기 위해 BMG 견본(specimen) 체적 전체를 균일하게 가열하는 방법에 대해서는 교시하지 않는다. 대신에, 이러한 종래 기술의 방법들 전부는 가열 동안의 온도 기울기들을 예상하고, 이러한 기울기들이 국부적인 형성에 어떻게 영향을 줄지를 논의한다. 예를 들어, Yavari 등(Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1)은 "성형되는 BMG 견본의 외부 표면들은 전극들과 접촉하든 성형 챔버 내의 주변(비활성) 기체와 접촉하든 간에 내부보다 약간 더 차가울 것인데, 왜냐하면 전류에 의해 발생되는 열이 전도, 대류 또는 복사에 의해 샘플 외부로 소산되기 때문이다. 한편, 전도, 대류 또는 복사에 의해 가열되는 샘플들의 외측 표면들은 내부보다 약간 더 뜨겁다. 이것은 본 방법에 대한 중요한 이점인데, 왜냐하면 금속 유리들의 결정화 및/또는 산화는 종종 외측 표면들 및 계면들에서 먼저 시작하고, 그들이 벌크의 온도보다 약간 더 낮은 경우, 그러한 바람직하지 않은 표면 결정 형성은 더 쉽게 회피될 수 있기 때문이다"라고 기재하고 있다.
유리 전이 위의 결정화에 대한 BMG들의 제한된 안정성의 다른 단점은 준안정 과냉 액체(metastable supercooled liquid)의 온도 범위 전체에 걸쳐서, 열 용량 및 점도와 같은 열역학적 및 이동(transport) 속성들을 측정할 수 없다는 것이다. 차동 스캐닝 열량계(Differential Scanning Calorimeters), 열-기계적 분석기(Thermo-Mechanical Analyzers), 및 코게트 점도계(Coquette Viscometers)와 같은 전형적인 측정 기구들은 전기 및 유도 히터와 같은 종래의 가열 계측에 의존하며, 따라서 통념적으로 고려되는 샘플 가열 레이트들(전형적으로 <100℃/분)을 얻을 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 금속 과냉 액체들은 종래의 가열 레이트로 가열될 때에는 제한된 온도 범위에 걸쳐서 결정화에 대하여 안정할 수 있고, 따라서 측정가능한 열역학적 및 이동 속성들은 접근가능한 온도 범위 내로 제한된다. 결과적으로, 결정화에 대하여 매우 안정하며 준안정성의 범위 전체에 걸쳐서 그들의 열역학적 및 이동 속성들을 측정할 수 있는 폴리머 및 유기 액체들과는 달리, 금속 과냉 액체들의 속성은 유리 전이 바로 위와 용융점 바로 아래의 좁은 온도 범위들 내에서만 측정가능하다.
최근에, 급속 커패시터 방전 형성(RCDF: rapid capacitor discharge forming) 도구를 이용하여, 금속 유리를 균일하게 가열하고, 유동학적으로(rheologically) 연화(softening)하여, 급속하게 그물 형상으로 열가소성 형성하는 것에 의해, 이러한 종래의 방법들의 한계들 중 다수를 극복하는 방법이 개발되었다(예를 들어, 그 명세서가 참조에 의해 여기에 포함되는 미국 특허 공개 공보 US-2009-0236017-A1를 참조). RCDF 방법은 금속 유리 합금의 샘플 또는 투입물(charge)을 수 밀리초 이하의 기간 내에서 비정질 재료의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 미리 정해진 "공정 온도"로 균일하고 급속하게 가열하기 위해, 커패시터 내에 저장된 전기 에너지의 방전을 이용한다. 그러나, 이러한 방법에서는, 가열된 샘플을 고품질의 비정질 벌크 제품으로 성형하기 위한 힘의 인가가 최적이 아닌 종래의 기법들을 통해 행해진다.
따라서, 순간적인 RCDF 가열 방법에서 생성되는 전기장을 활용하는, 가열된 BMG 견본을 성형하기 위한 신규한 접근법을 찾을 필요가 있다.
금속 유리 투입물(metallic glass charge)을 본질적으로 균일한 단면의 시트, 튜브 또는 로드(rod)의 형태로 성형하기 위해 전자기적 형성력(electromagnetic forming force)을 이용하는, 금속 유리, 시트, 튜브 또는 로드를 형성하는 방법이 개시된다.
일 실시예에서, 본 발명은 급속 커패시터 방전(rapid capacitor discharge) 및 전자기력을 이용하여, 비정질 재료를 급속 가열 및 성형(shaping)하는 방법으로서,
● 실질적으로 균일한 단면을 갖는 적어도 하나의 비정질 금속 샘플을 제공하는 단계;
● 전기장 축을 따라 샘플들 각각을 통해 특정량의 전기 에너지(a quantum of electrical energy)를 균일하게 방전하여, 상기 샘플 전체를 비정질 재료의 점도가 약 1Pa-s과 약 105Pa-s 사이에 있도록 하는 가공 온도로까지 균일하게 가열하는 단계;
● 전기장 축을 가로지르는 고정 자기장을 인가하여 전자기 변형력(electromagnetic deformational force)을 발생시켜, 가열된 샘플을 비정질 제품(amorphous article)으로 성형하는 단계; 및
● 제품을 비정질 재료의 유리 전이 온도 아래의 온도로까지 냉각하는 단계
를 포함하는 방법에 관한 것이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 비정질 금속을 급속 가열 및 성형하기 위한 자기 형성(magnetic forming)을 위한 장치로서,
● 실질적으로 균일한 단면을 갖는 비정질 금속의 샘플;
● 전기 에너지의 소스;
● 전극들과 샘플 사이에 실질적으로 균일한 접속이 형성되도록 상기 샘플에 상호접속 부착된 적어도 2개의 전극 - 전기 에너지의 소스는 상기 샘플 전체를 비정질 재료의 점도가 약 1Pa-s와 약 105Pa-s 사이에 놓이도록 하는 가공 온도로까지 균일하게 가열하기에 충분하도록 전기장 축을 따라 특정량의 전기 에너지를 생성할 수 있음 - ;
● 전기장 축을 가로질러 정적인 자기장이 생성되도록 배치되는 정적 자기장 소스
를 포함하고,
● 정적 자기장은 특정량의 전기 에너지와 공동으로, 상기 가열된 샘플을 제품으로 형성 또는 성형하기에 충분한 전자기 변형력을 발생시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
또 다른 실시예에서, 특정량의 전기 에너지는 샘플의 세로 길이를 따라 전기장을 발생시키기 위해 전극들을 통해 방전된다.
또 다른 실시예에서, 특정량의 전기 에너지는 적어도 약 100J이고, 방전 시간 상수는 약 10㎲와 10㎳ 사이이다.
또 다른 실시예에서, 샘플의 가열 및 성형은 약 100㎲와 1s 사이의 시간에서 완료된다.
또 다른 실시예에서, 특정량의 전기 에너지의 강도는 가열하는 단계 및 성형하는 단계 중 적어도 하나 동안 변화된다. 이 실시예에서, 이러한 변화는 더 많은 에너지를 더 느린 레이트에서 방전하기 전에, 샘플에서 급속 프리펄스(pre-pulse)를 발생시키는 것을 포함하고, 상기 프리펄스의 에너지는 샘플의 온도를 비정질 재료의 유리 전이 위로 균일하게 상승시키기에 충분한 한편, 더 느린 레이트에서 방전되는 에너지는 가열된 샘플을 충분히 성형하기 위한 전자기력을 발생시키도록 자기장과 상호작용하기에 충분하다.
또 다른 실시예에서, 샘플은 로드, 시트, 실린더 및 큐브로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 전자기 변형력이 전기장의 축에 수직하게 형성되도록, 자기장이 전기장 축에 대하여 배치된다.
또 다른 실시예에서, 전기 에너지의 소스는 커패시터이다.
또 다른 실시예에서, 자기장은 예를 들어 헬름홀츠 코일 또는 고투자율 연성 자성 코어와 결합된 헬름홀츠 코일과 같은 전자석들, 및 영구 자석들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 자기 소스에 의해 형성된다. 그러한 실시예에서, 영구 자석들은 철-네오디뮴-붕소 자석들 및 사마륨-코발트 자석들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
또 다른 실시예에서, 자기장은 복수의 자기 소스의 결합된 영향으로부터 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, 복수의 자기 소스는 전기장 축에 대하여 상이한 각도들에서 배치된다. 다른 그러한 실시예에서, 상기 샘플에 근접하여 성형 도구가 배치되고, 성형 도구는 3차원 몰드 캐비티(mold cavity)를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 장치 및 방법은 변형력이 비정질 재료를 몰드들, 다이들, 압출 다이들(extrusion dies), 인젝션 몰드들(injection molds), 스탬프들 및 롤러들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성형 도구와 접촉하게 하도록, 샘플에 근접한 성형 도구를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 성형 도구는 바람직하게는 비정질 재료의 유리 전이 온도에 가까운 온도로 가열된다. 다른 그러한 실시예에서, 성형 도구는 적어도 부분적으로는 자성 재료로 형성된다.
또 다른 실시예에서, 성형 도구는 한 쌍의 평행 롤러이고, 상기 샘플이 상기 롤러들 사이로 넣어져서 비정질 시트 제품을 형성하게 하도록, 샘플에 수직하고 롤러들의 축들에 의해 정의되는 평면에 평행하게 자기장이 인가된다.
또 다른 실시예에서, 장치는 비도전성 격납 부재(non-conducting containment member)에 의해 형성되는 채널 내에서 적어도 2개의 축을 따라 샘플을 가두고, 특정량의 에너지를 샘플의 폭에 걸쳐 방전시켜, 가열된 샘플이 채널을 따라가고 성형 도구 내에 주입되도록 샘플 내에 압력 기울기를 생성하기 위해, 샘플의 길이를 따라 변형력이 인가되게 하는 것을 포함한다. 이러한 실시예에서, 성형 도구는 다이 또는 몰드 중 하나이다.
또 다른 실시예에서, 전극들과 샘플 사이의 샘플 접촉 표면들은 평평하고 평행하다.
이하의 도면들을 참조하면 설명이 더 완전하게 이해될 것이며, 그러한 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예들로서 제시된 것이고, 본 발명의 범위의 완전한 열거로서 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 전자기적 형성 방법의 실시예의 레이아웃 및 기하학적 구조의 개략도를 제공한다.
도 2의 (a) 내지 도 2d는 본 발명에 따른 전자기적 몰딩의 실례를 제공하는 것으로, 도 2의 (a)는 1인치 폭 리본, 구리 전극들 및 영구 자석을 보여주는, 방전 전의 초기 셋업의 이미지를 제공하고, 도 2의 (b)는 방전에 후속하는 장치의 이미지를 제공하고, 도 2c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 Macor 몰드 위에서 형성된 시트의 이미지를 제공하고, 도 2d는 본 발명에 따른 전자기 몰딩의 공정을 보여주는 일련의 스틸 이미지들을 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 시트를 형성하기 위한 가열된 금속 유리 플레이트의 자기 유도 압연을 위한 장치의 개략도를 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 가두어진 투입물을 몰드 도구 내로 인젝션 몰딩하는 것을 수행하기 위해 영구 자기장에 의해 생성되는 전자기력의 개략도를 제공한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 인접 시트들을 본딩하기 위한 방전 가열 전자기력에 적합한 장치의 기하학적 구조의 개략도를 제공한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상이한 강도 및 지속기간의 2개의 연속적인 펄스를 포함하는 조정된(tailored) 전류 프로파일의 개략적 데이터 플롯을 제공한다.
본 발명은 줄 가열과 함께 전자기적 형성력을 이용하여 금속 유리들을 균일하게 가열하고, 유동학적으로 연화하고, 그물 형상의 제품으로 급속하게(전형적으로 1초 미만의 가공 시간으로) 열가소성 형성하는 방법에 관한 것이다.
급속 커패스터 방전 형성(RCDF)
본 발명의 방법은 금속 유리 합금의 샘플 또는 투입물을, 수 밀리초 이하의 기간 내에 비정질 재료의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 중간 정도의 미리 정해진 "공정 온도"로까지 균일하고 급속하게 가열하기 위해, 자기 형성력(magnetic forming force)과 함께 커패시터 내에 저장된 전기 에너지(전형적으로 100J 내지 100KJ)의 방전을 이용하며, 이하에서는 MERCDF(magnetically enabled rapid capacitor discharge forming)라고 지칭된다. 종래의 RCDF 공정은 미국 특허 공개 공보 US-2009-0236017-A1에 더 상세하게 기술되어 있으며, 그 명세서는 참조에 의해 여기에 포함된다.
종래의 RCDF 공정은 금속 유리가 동결 액체(frozen liquid)라는 그것의 속성으로 인해 비교적 높은 전기 저항을 가지며, 그로 인해 전기 방전의 적절한 인가로 매우 짧은 시간에 걸쳐 샘플이 균일하게 가열되게 하는 레이트에서의 재료의 효율적이고 균일한 가열과 높은 소산(dissipation)을 야기할 수 있다는 관측으로부터 비롯된다. BMG를 급속하고 균일하게 가열함으로써, RCDF 방법은 결정화에 대한 과냉 액체의 안정성을 유리 전이 온도보다 상당히 더 높은 온도들까지로 확장하고, 그에 의해 전체 샘플 체적을 형성에 최적인 가공 점도에 연관된 상태로 이끈다. RCDF 공정은 또한 준안정 과냉 액체에 의해 제공되는 점도들의 전체 범위에의 접근을 제공하는데, 왜냐하면 더 이상은 이 범위가 안정적인 결정 상의 형성에 의해 제한되지 않기 때문이다.
요컨대, RCDF 공정은 형성되는 부품들의 품질 증대, 이용가능한 부품들의 수율 증가, 재료 및 가공 비용의 감소, 이용가능한 BMG 재료의 범위 확장, 에너지 효율 개선, 및 제조 기기의 자본 비용 저하를 허용한다. 추가로, RCDF 방법으로 달성될 수 있는 순간적이고 균일한 가열로 인해, 액체 준안정성의 범위 전체에 걸쳐서 열역학적 및 이동 속성들이 측정을 위해 접근가능하게 된다.
자기장 형성
본 발명의 전자기적 형성은 종래의 전자기적 형성(EM 형성 또는 자기형성(magneforming))과 대조된다. 종래의 EM 형성은 전기 전도성 금속들, 가장 흔하게는 구리 및 알루미늄을 위한 일종의 고속 냉간 형성 공정(high velocity, cold forming process)이다. 이러한 공정에서, 피가공물(workpiece)은 그 피가공물 내에 전류를 유도하는 고강도 펄스 자기장, 및 피가공물의 부분들을 급속하게 밀어내는 대응하는 반발 자기장에 의해 재성형된다. 동작 동안, 급속하게 변화하는 자기장은 전자기 유도를 통해 근처의 도전체 내에 순환 전기 전류를 유도한다. 유도된 전류는 도전체 주위에 대응 자기장을 생성한다. 렌츠의 법칙으로 인해, 도전체와 작업 코일 내에 생성되는 자기장들은 서로 강하게 밀쳐낸다. 높은 작업 코일 전류(전형적으로 수만 또는 수십만 암페어)는 금속 피가공물의 실온 항복 강도(room-temperature yield strength)를 극복하는 초강력 자기장을 생성하여 영구적인 변형을 유발한다. 그러나, 이러한 공정은 금속이 냉각 상태에서 성형될 것을 요구한다.
논의된 바와 같이, 본 발명은 본질적으로 균일한 단면의 시트, 튜브 또는 로드의 형태로 된 금속 유리 투입물을 이용하는, 금속 유리, 시트, 튜브 또는 로드를 형성하는 방법을 제공한다. 공정 동안, 샘플을 과냉 액체 영역 내의 목표 온도까지 급속하고 균일하게 가열하기 위해, 커패시터 뱅크를 샘플의 길이를 통해 방전시키는 것에 의해 발생되는 큰 전류 펄스가 이용된다. 가열에 후속하여, 가열된 샘플은 인가된 전류와 전류 흐름의 방향에 수직하게 배향되는 자기장의 상호작용에 의해 발생되는 전자기력에 종속된다.
이하의 도 1은 본 발명을 구현하는 데에 이용되는 예시적인 기하학적 구조의 개략도를 도시한다. 설명을 위해 이용되는 예시적인 기하학적 구조에서, 몰드, 인젝션 몰딩 포트, 롤러 시트 등과 같은 성형 요소(12)에 인접한 위치에 배치된 샘플(10)은 샘플을 가로질러 인가 전기 전류(I)를 인가하는 것에 의해 가열된다. 다음으로, 가열된 샘플은 본 예에서는 전류에 수직인 횡단 자기장(B), 및 유도 가열의 인가된 전류(I)에 의해 형성되는 전자기력(F)에 종속된다. 샘플은 결과적인 전자기력에 의해 몰딩되는데, 왜냐하면 가열된 샘플은 전자기력의 영향 하에서 변형되어 성형 요소(도 1의 예에서는 몰드)에 의해 정의되는 형상을 복제하는 점성질 액체이기 때문이다.
대부분의 금속 유리들이 특히 그들의 유리 전이 위에서는 비자성이며, 따라서 전자기적 형성 공정이 그들에 대해 작동하는 것이 확실하지 않다는 것이 관찰되었다. 그러나, 전자기적 형성은 이들 비정질 시스템들에서 제대로 작용하는데, 그 이유는 금속 유리가 횡단 자기장의 존재 하에서 그것을 가로질러 전기장을 발생시키는 것에 의해 동시에 가열되기 때문이다.
이하는 금속 유리 재료들의 가공 및 그물 형상 형성을 수행하기 위해 용량성 방전 및 자기장을 결합하여 이용하는 것을 허용하는 기본 요소들의 목록이다. 본 기술분야의 숙련된 자에게는, 기본적인 발명 내에서 다수의 변형이 가능하다는 것이 명백할 것이지만, 개시의 목적을 위하여 이하의 기본 요소들에 의해 본 발명이 정의되고 특징지어진다.
(1) 샘플
본질적으로 균일한 단면을 갖는 금속 유리 투입물. 균일한 단면이 요구되긴 하지만, 예를 들어 로드, 시트, 실린더, 큐브 등과 같이 균일한 단면을 갖는 어떠한 형상이라도 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 마찬가지로, 예를 들어 미국 특허 제5,288,344호, 제5,368,659호, 제5,618,359호 및 제5,735,975호에 개시된 금속 유리들과 같이, 접근가능한 비정질 상을 갖는 어떠한 금속 유리라도 이용될 수 있으며, 그 특허들 각각의 명세서는 참조에 의해 여기에 포함된다.
(2) 전기 회로
샘플의 길이를 따른 전기 전류로의 균일한 저항 소산(Ohmic dissipation)에 의해 전기 에너지를 저장 및 방전하고, 그에 의해 그 명세서가 참조에 의해 여기에 포함되는 미국 특허 공개 공보 US-2009-0236017-A1에 따라, 샘플을 금속 유리의 유리 전이 온도 위의 액체 가공 온도까지 균일하게 가열하기 위해 이용되는 전기 커패시터.
(3) 가공 온도
유리 형성 액체의 점도가 약 1 Pas-s와 약 105 Pas-s 사이에 놓이도록 하는 범위 내에 있도록 선택된 가공 온도. 임의의 금속 유리를 이러한 점도 범위 내로 오게 하는 데에 필요한 온도를 결정하는 방법들은 본 기술분야의 숙련된 자들에게 잘 알려져 있음이 이해될 것이다.
(4) 자기장의 성질
샘플에 작용하여 액체 샘플을 원하는 형상으로 성형 및 형성하는 전자기력을 만들어내기 위해, 샘플 내에 흐르는 시간 및 공간 의존 전류에 반작용(react)하는, 샘플 주위의 영역 내에 인가되는 정적 자기장. 성형 및 형성은 예를 들어 몰드, 다이, 시트 압연기(sheet roller), 사출기(extruder) 등과 같은 보조 성형 도구를 이용하거나 이용하지 않고서 수행될 수 있다. (본 발명의 자기장 성형 공정에 통합되는 상이한 성형 도구들의 몇몇 예가 이하의 예시 1 내지 6에 보여진다.)
(5) 자기장의 기하학적 구조
자기장이 정적이긴 하지만, 일반적으로는 그물 형상의 최적 형성을 만들어내도록 샘플에 걸친 전자기적 성형력의 분포를 제어하는 것과 같은 방식으로 공간에 있어서 달라질 수 있다. 구체적으로 위의 도 1에서 제공된 기본적인 예에서는, 인가되는 전류에 대한 자기장의 기하학적 구조가, 샘플에 인가되는 전자기력이 샘플에 수직하고 다이 도구에 반대되거나 몰드 도구 내를 향하게 지향되도록 선택되지만, 샘플에 인가되는 힘은 로렌츠 힘 방정식(F=I×B·sinΘ)에 따라, 전류 및 자기장의 각도에 비례한다. 그 힘은 샘플에 수직하게 샘플을 밀어낸다. 따라서, 자기장 및 전기 전류는 샘플에 필요한 성형력을 인가하는 데에 적합한 임의의 기하학적 구조로 서로에 대하여 위치될 수 있다. 예를 들어, 자기장은 샘플에 걸쳐 원하는 힘의 분포를 만들어내기 위한 구성으로 배열된 단일 또는 다수의 영구 자석에 의해 생성될 수 있다. 또한, 정적 자기장은 모두 부분적으로 전자석에 의해 생성될 수 있다. 전자석들은 하나 이상의 영구 자석들과 협력하여 이용될 수 있다. 영구 자석들은 "철-네오디뮴-붕소" 유형, "사마륨-코발트 유형", 및/또는 다른 흔한 유형의 영구 자석일 수 있다. 대안적으로, 몰드 자체도 자성 재료로 제조될 수 있다.
(6) ?칭(quenching)
성형에 후속하여, 최종 부품은 그 부품의 실질적인 결정화를 회피하기 위해 충분히 짧은 시간 내에, 금속 유리의 유리 전이 온도 아래로 냉각된다. 그에 의해 생성되는 최종 컴포넌트는 실질적으로 유리 상태로 남아있는다. 정의를 목적으로, 최종 부품은 적어도 50％의 금속 유리와 50％ 미만의 임의의 결정화된 재료를 포함해야 한다. 냉각은 예를 들어 최종의 그물 형상 컴포넌트를 둘러싸는 주변 환경으로의 전도, 대류 또는 복사에 의해, 또는 몰드 도구로의 열 전도를 포함하는 임의의 적당한 수단에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 MERCDF 방법의 한 기본적인 실시예와, 전류 흐름 금속 유리 피가공물 내에서 전자기 "형성"력을 생성하기 위해 자기장을 이용하는 데에 요구되는 기본 요소들이 위에서 설명되었지만, 그 방법은 다양한 다른 기하학적 구조들 및 다른 형성 방법들로 확장될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 피가공물 상에서 원하는 형성력 분포를 만들어내도록 샘플 전류와 상호작용하는 공간적으로 불균일한 영구 자기장을 생성하기 위해, 철-네오디뮴-붕소 영구 자석들과 같은 높은 자기장 강도를 갖는 다수의 영구 자석이 이용될 수 있다. 피가공물에 작용하는 이러한 힘 분포는 본 발명의 그물 성형 능력을 최적화하도록 조정될 수 있다. 추가로, 자기력은 전류에 따라 스케일링되는 한편, 투입물 내에서의 열 소산은 2차식으로(quadratically) 전류에 따라 스케일링되므로, 샘플 가열 및 성형을 따로따로 제어하기 위해 다수의 커패시터로부터의 방전을 이용할 수도 있다. 이러한 변형들 및 기타는 이하에 제공되는 예시적인 실시예들에서 더 완전하게 설명될 것이다.
예시적인 실시예들
상기의 기본 요소들을 구현하는 본 발명의 예시들로서, 다양한 초기 형상들로부터 최종의 유용한 부품들로의 그물 형상 형성에 대한 이하의 예시적인 사례들이 제공된다. 여기에 주어지는 예시들은 기본적인 발명의 몇몇 유용한 변형을 설명하도록 의도된 것이다. 이러한 변형들 모두 본 섹션의 도입부에서 개략적으로 제시된 본 발명의 기본 요소들에 기초한다. 이러한 변형들은 모두 본 문서에 개시된 본 발명의 대안적인 실시예들로서 고려되어야 한다. 본 발명은 용량성 방전 가열된 피가공물 상에 적절한 배열의 전자기력을 생성하는데 필요한 변형된 기하학적 구조들을 이용하여 본 기술분야의 숙련된 자에 의해 구현될 수 있는 다수의 다른 가능한 변형을 갖는다.
예시 1: 몰딩
단순한 몰딩 사례에서의 방법의 설명으로서, 평면 흐름 캐스팅(planar flow casting)에 의해 생성되는 얇은 금속 유리 시트(Metglas MBF 50 - Ni계 브레이징 합금)가 이용된다. 시트는 1-2" 폭, 약 30-40㎛ 두께의 리본 형태이다. 그러한 리본들은 Hitachi Metals의 Metglas 사업부에 의해 긴 길이로 상용화되어 있다. 실리콘 정류기에 의해 제어되는 0.262 패럿 커패시터 밴드가 이용되었다. 단순한 실례의 다이 도구는 머시닝가능한 세라믹인 Macor로 제조되었다. 설명을 위해, 도 2의 (a) 내지 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 표면에 머시닝된 동심 홈들(concentric grooves)을 갖는 원형 대칭의 Macor 다이가 선택되었다.
~1kG의 상당히 균일한 자기장이 몰드를 둘러싸는 영역에 인가되었고, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에서 확인할 수 있는 바와 같이 영구 자석에 의해 제공되었다. 커패시터는 20-40볼트 범위 내의 전압으로 충전되었고, 리본 상의 구리 클램핑 스트립 및 구리 리드(copper leads)를 통해 방전되었다. 도 2의 (a)는 방전 전의 자기장 내의 본래의 리본을 도시한다. 도 2의 (b)는 자기장 내에서 용량성 방전에 의해 ~700℃의 공정 온도까지 가열된 리본을 도시한다. 도 2c는 수 초의 전체 경과 시간 후의 성형된 리본을 도시한다.
1000 프레임/초에서 촬영된 고속 비디오 무비는 샘플이 수 밀리초 내에 가공 온도로까지 가열되고, 가열에 후속하는 약 10 밀리초 내에 몰드 상에서의 동적 변형에 의해 형성되며, 전체 경과 시간의 1-2초 후에 주변 온도로 냉각됨을 보여준다. 도 2d에 일련의 스틸 이미지들로 보여진 결과는 시트를 성형된 부품으로 "압축하여" 단조(forge)하기 위해 샘플 전류와 영구 자기장의 상호작용에 의해 발생되는 전자기력을 이용하는 것의 "개념 증명"을 설명한다.
예시 2: 시트 형성
도 3은 트윈 롤을 이용하여 플레이트로부터 시트들을 형성하는 방법을 위한 예시적인 셋업을 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 2개의 회전하는 롤러(16) 사이의 갭 위에 위치된 금속 유리의 정사각형 또는 직사각형 바(14)에 전자기력(F)이 가해진다. 전기 방전(I)은 바(14)의 단부들에 접촉하는 전극들(도시되지 않음)에 의해 샘플에 전달된다. 바의 길이를 따라 전류가 유도된다. 정적 자기장(B)은 바(14)에 수직하게, 그리고 트윈 롤러들(16)의 2개의 축(18)에 의해 정의되는 평면에 평행하게 인가된다. 전자기력은 가열된 바를 롤러들 사이의 갭 내로 몰아넣어, 압연된 시트를 생성한다. 재료를 가두고 롤러들을 통과하도록 효율적으로 안내하기 위해, 바는 전기적으로 비전도성인 재료로 만들어진 수직 채널(도시되지 않음) 내에 가두어질 수 있다.
예시 3 : 그물 형상 컴포넌트의 인젝션 몰딩 & 압출
다른 실시예에서, 정사각형의 로드를 그물 형상의 몰드 캐비티 내로 인젝션 몰딩하기 위해 기본적인 방법이 이용될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 2개의 바 형상 전극(22)에 의해 제공되는 로드의 폭을 가로지르는 전류(I)에 의해 로드를 방전 가열하는 동안, 금속 유리 샘플(20)의 길이를 따른 압력 경사를 생성하기 위해 전자기력(F)이 이용될 수 있다. 누설을 방지하기 위해, 투입물은 비전도성 격납 벽들(24)에 의해 가두어진다. 적절한 게이팅 및 몰드 캐비티를 갖는 몰드 도구가 제공될 수 있고(도시되지 않음), 그러면 그것은 (위에서 설명된 것과 같은) 적절한 공정 온도로까지 가열된 때의 인젝션된 액체에 의해 채워질 것이다.
대안적으로, 압출 다이를 이용하여 균일한 단면의 그물 형상 컴포넌트를 압출하는 방법을 위해 동일한 셋업이 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 장치는 금속 유리의 가열된 투입물을 압출 다이에 강제로 통과시키기 위해 이용된다. 이 경우, 다이는 도 4의 몰드의 위치에 위치될 것이다.
예시 4 : 다중 자석 형성
다른 실시예에서, 시트를 깊이보다 큰 폭 및 길이를 갖는 직사각형 고형물 형태의 박스 형상 "케이스"의 형태로 형성하기 위해 다수의 자석이 이용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 다수의 영구 자석의 적절한 구성은 박스 형상, 링 형상, 구체 형상 또는 다른 원하는 형상과 같은 3차원 형상의 몰드 캐비티로 피가공물을 성형하도록 조절될 수 있는, 피가공물 상의 힘의 분포를 발생시키기 위해 이용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
예시 5 : 컴포넌트들의 접합 및 본딩
2개의 컴포넌트(시트, 바, 플레이트)가 본 발명의 방법을 동시에 이용하여, 용량성 방전에 의해 가열될 수 있다. 2개의 컴포넌트 내에서의 전류 흐름의 방향이 반대로 되는 경우, 2개의 컴포넌트를 접촉하게 하기 위해 전자기력이 이용될 수 있다. 이러한 기하학적 구조의 예가 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 2개의 스트립(26)이 반대의 전류 흐름을 갖는 용량성 방전들(I)에 의해 적절한 공정 온도로까지 가열될 때, 전자기력(F)이 2개의 표면 위에 균일하게 가해지고, 2개의 부분은 합쳐지고 접합되거나 본딩될 수 있다.
접합된 후에, 부분들은 적절한 유체로의 전도 또는 대류를 통하는 것, 또는 주변으로의 복사를 통하는 것과 같은 임의의 적절한 방법을 이용하여 유리 전이 온도 아래로 ?칭될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서는 부분들의 외측 표면들이 예를 들어 헬륨 기체 또는 적절한 오일 배쓰(oil bath)와 같은 기체 또는 액체의 스트림 또는 저장소에 노출될 수 있다.
예시 7 : 전류 프로파일 성형
본 방법에서는 가열 및 형성이 본질적으로 결합되기 때문에, 전류의 프로파일은 가열 및 형성 스테이지들이 효과적으로 분리되도록 조정될 수 있다. 예를 들어 일 실시예에서는 우선 고강도의 단기 전류 펄스를 먼저 인가한 다음, 제2의 저강도 장기 펄스를 인가하는 것이 바람직하다. 가열의 레이트는 2차식으로 전류에 관련되는 한편(~I2) 힘은 전류에 선형으로 관련되므로(~I), 가열의 대다수는 제1의 고강도 단기 전류 펄스 동안 발생하는 한편, 형성의 대부분은 제2의 저강도 장기 전류 펄스 동안 발생할 것이다. 구체적으로는, 제1 펄스는 샘플 온도를 샘플의 점도가 떨어지기 시작하는 유리 전이 온도 위로까지 급속하고 균일하게 상승시키기 위해 이용될 것이다. 제1 펄스의 높은 전류가 높은 힘을 유도할 것이긴 하지만, 이 힘은 실질적인 형성을 발생시키지는 않을 것인데, 왜냐하면 샘플 점도가 제1 펄스의 지속기간의 대부분 동안 상당히 높을 것이기 때문이다. 강도는 훨씬 더 낮지만 지속기간은 훨씬 더 긴 제2 펄스는 제1 펄스에 비해 약간의 추가 가열만을 유발할 것인데, 왜냐하면 가열은 ~I2에 비례하기 때문이다. 그러나, 힘은 ~I에 비례하므로, 제2 펄스는 샘플 점도가 훨씬 더 낮게 되는 훨씬 더 긴 시간에 걸쳐 인가되는, 제1 펄스에서보다 많이 작지 않은 힘을 유도할 것이고, 그에 의해 형성에 훨씬 더 많이 기여한다. 본 실시예는 도 6에 그래픽으로 설명되어 있다.
위에 설명된 실시예에서, 자기장은 예를 들어 헬름홀츠 코일과 같은 전자석을, 추가의 특정량의 에너지의 방전과 동기하여 전자적으로 활성화하는 것에 의해 유도될 수 있다. 그러한 것으로서, 제1 전류 펄스 동안 어떠한 힘도 유도되지 않아서 그것이 가열을 위해서만 이용되게 될 것이므로, 가열 및 형성이 더 효과적으로 분리된다.
균등론
본 기술분야의 숙련된 자들은 본 발명의 다양한 바람직한 실시예들에 대한 상기의 예시들 및 설명들이 전체로서의 본 발명의 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 본 발명의 단계들 및 다양한 컴포넌트들에 대해 변형이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 본 기술분야의 숙련된 자는 추가의 가공 단계들 또는 대안적인 구성들이 본 발명의 방법/장치의 개선된 속성들에 영향을 주지도 않고, 방법/장치를 그것의 의도된 목적에 부적합하게 하지도 않은 것임을 분명히 알 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 설명된 구체적인 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구항들의 범위에 의해 정의된다.

Claims (43)

  1. 전자기력을 발생시키는 자기장의 존재 시에 전기 에너지 방전을 이용하여 금속 유리(metallic glass)를 급속 가열 및 성형(shaping)하는 방법으로서,
    금속 유리의 적어도 하나의 샘플을 제공하는 단계 - 상기 샘플은 실질적으로 균일한 단면을 가짐 -;
    상기 샘플을 상기 샘플의 점도가 1 Pa-s에서 105 Pa-s 사이에 있도록 하는 가공 온도로 균일하게 가열하기 위해, 전기장 축을 따라 상기 적어도 하나의 샘플 각각을 통해 특정량의 전기 에너지(a quantum of electrical energy)를 균일하게 방전하는 단계;
    전자기 변형력(electromagnetic deformational force)을 발생시켜, 가열된 샘플을 성형하도록, 상기 전기장 축을 가로지르는 정적 자기장을 인가하는 단계; 및
    제품(article)을 생성하기 위해, 상기 샘플을 상기 금속 유리의 유리 전이 온도 미만의 온도로 냉각하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정량의 전기 에너지를 방전하는 단계는 상기 적어도 하나의 샘플 각각의 대향 단부들에 접속된 적어도 2개의 전극을 통해 발생하고, 상기 샘플의 세로 길이를 따라 전기장을 발생시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특정량의 전기 에너지는 커패시터를 방전시킴으로써 전달되는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 특정량의 전기 에너지는 적어도 100줄(Joules)이고, 방전 시간 상수는 10㎲와 10㎳ 사이인 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샘플의 가열 및 성형은 100㎲에서 1s 사이의 시간에서 완료되는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계 및 상기 성형하는 단계 중 적어도 하나의 단계 동안 상기 특정량의 전기 에너지의 강도를 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는, 추가량의 에너지를 제1 레이트로 방전하기 전에 상기 샘플에서 프리펄스(pre-pulse)를 발생시키는 단계를 포함하고,
    상기 프리펄스의 에너지는 계면에서의 상기 샘플의 온도를 상기 금속 유리의 유리 전이 위로 상승시키기에 충분하고,
    상기 추가량의 에너지는 상기 자기장과 상호작용하기에 충분한 에너지로 상기 프리펄스의 레이트보다 느린 레이트에서 방전되어, 상기 가열된 샘플을 성형하기에 충분한 전자기력을 발생시키는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자기장은 상기 추가량의 에너지의 방전과 동기하여 전자석을 활성화함으로써 유도되는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 샘플은 로드들(rods), 시트들, 실린더들 및 큐브들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 자기장은, 상기 전자기 변형력이 상기 전기장 축에 수직으로 형성되도록 상기 전기장 축에 대하여 배치되는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자기장은 영구 자석들 및 전자석들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 자기 소스에 의해 형성되는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 영구 자석들은 철-네오디뮴-붕소 자석들 및 사마륨-코발트 자석들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자기장은 복수의 자기 소스의 결합된 영향으로부터 형성되는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 자기 소스는 상기 전기장 축에 대하여 상이한 각도로 배치되는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 샘플에 근접하여 성형 도구를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 성형 도구는 3차원 몰드 캐비티(mold cavity)를 갖는 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 변형력이 상기 가열된 샘플을 몰드들, 다이들, 압출 다이들(extrusion dies), 인젝션 몰드들(injection molds), 스탬프들 및 롤러들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성형 도구와 접촉하게 하도록, 상기 샘플에 근접하여 성형 도구를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 성형 도구는 상기 금속 유리의 유리 전이 온도 이하의 온도로 가열되는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 성형 도구는 적어도 부분적으로는 자성 재료로 형성되는 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 성형 도구는 한 쌍의 평행 롤러이고, 상기 자기장은, 상기 샘플이 상기 롤러들 사이에 넣어져서 상기 제품을 형성하게 하도록, 상기 샘플에 수직이며 상기 롤러들의 축들에 의해 정의된 평면에 평행하게 인가되는 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    길쭉한 샘플(elongated sample)을 제공하는 단계;
    비도전성 격납 부재(non-conducting containment member)에 의해 형성되는 채널 내에서 적어도 2개의 축을 따라 상기 샘플을 가두는 단계;
    상기 특정량의 에너지를 상기 샘플의 폭에 걸쳐 방전시키는 단계; 및
    상기 가열된 샘플이 상기 채널을 따라가고 성형 도구 내에 인젝션되도록 상기 샘플 내에 압력 기울기(pressure gradient)를 생성하기 위해, 상기 샘플의 길이를 따라 변형력을 인가하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 성형 도구는 다이 또는 몰드 중 하나인 방법.
  22. 전자기력을 발생시키는 자기장의 존재 시에 전기 에너지 방전을 이용하여 금속 유리를 급속 가열 및 성형하기 위한 자기 형성 장치(magnetic forming apparatus)로서,
    금속 유리의 샘플 - 상기 샘플은 실질적으로 균일한 단면을 가짐 -;
    전기 에너지의 소스;
    상기 전기 에너지의 소스를 상기 금속 유리의 샘플에 상호접속시키는 적어도 2개의 전극 - 상기 전극들은 상기 전극들과 상기 샘플 사이에 실질적으로 균일한 접속이 형성되도록 상기 샘플에 부착되고, 상기 전기 에너지의 소스는, 상기 샘플을 상기 샘플의 점도가 1 Pa-s에서 105 Pa-s 사이에 있도록 하는 가공 온도로 균일하게 가열하기에 충분하도록 전기장 축을 따라 특정량의 전기 에너지를 생성할 수 있음 - ; 및
    정적 자기장이 상기 전기장 축을 가로질러 생성되도록 배치된 정적 자기장 소스
    를 포함하고,
    상기 정적 자기장은 상기 특정량의 전기 에너지와 공동으로, 상기 가열된 샘플을 성형된 제품으로 형성하기에 충분한 전자기 변형력을 발생시킬 수 있는 자기 형성 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 샘플의 접촉 표면들은 평평하고 평행한 자기 형성 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극은 적어도 하나의 상기 샘플 각각의 대향 단부들에 접속되고, 상기 샘플의 세로 길이를 따라 전기장을 발생시키는 자기 형성 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 특정량의 전기 에너지는 커패시터를 방전시킴으로써 전달되는 자기 형성 장치.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 특정량의 전기 에너지는 적어도 100J이고, 방전 시간 상수는 10㎲와 10㎳ 사이인 자기 형성 장치.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 샘플의 가열 및 성형은 100㎲에서 1s 사이의 시간에서 완료되는 자기 형성 장치.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 전기 에너지의 소스와 신호 통신하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 가열 단계 및 성형 단계 중 적어도 하나의 단계 동안 상기 특정량의 전기 에너지의 강도를 변화시킬 수 있는 자기 형성 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제어기는, 추가량의 에너지를 제1 레이트에서 방전하기 전에 상기 샘플에서 프리펄스를 발생시킬 수 있고,
    상기 프리펄스의 에너지는 계면에서의 상기 샘플의 온도를 상기 금속 유리의 유리 전이 위로 상승시키기에 충분하고,
    상기 추가량의 에너지는 상기 자기장과 상호작용하기에 충분한 에너지로 상기 프리펄스의 레이트보다 느린 레이트에서 방전되어, 상기 가열된 샘플을 성형하기에 충분한 전자기력을 발생시키는 자기 형성 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 자기장은 상기 추가량의 에너지의 방전과 동기하여 전자석을 활성화함으로써 유도되는 자기 형성 장치.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 샘플은 로드들, 시트들, 실린더들 및 큐브들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 자기 형성 장치.
  32. 제22항에 있어서,
    상기 자기장은, 상기 전자기 변형력이 상기 전기장 축에 수직으로 형성되도록 상기 전기장 축에 대하여 배치되는 자기 형성 장치.
  33. 제22항에 있어서,
    상기 자기장은 영구 자석들 및 전자석들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 자기 소스에 의해 형성되는 자기 형성 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 영구 자석들은 철-네오디뮴-붕소 자석들 및 사마륨-코발트 자석들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 자기 형성 장치.
  35. 제22항에 있어서,
    상기 자기장은 복수의 자기 소스의 결합된 영향으로부터 형성되는 자기 형성 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 복수의 자기 소스는 상기 전기장 축에 대하여 상이한 각도로 배치되는 자기 형성 장치.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 전자기 변형력이 상기 금속 유리를 성형 도구와 접촉하게 하도록 상기 샘플에 근접한 성형 도구를 더 포함하고, 상기 성형 도구는 3차원 몰드 캐비티를 갖는 자기 형성 장치.
  38. 제22항에 있어서,
    상기 변형력이 상기 금속 유리를 성형 도구와 접촉하게 하도록 상기 샘플에 근접한 성형 도구를 더 포함하고, 상기 성형 도구는 몰드들, 다이들, 압출 다이들, 인젝션 몰드들, 스탬프들 및 롤러들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 자기 형성 장치.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 성형 도구는 상기 금속 유리의 유리 전이 온도 이하의 온도로 가열되는 자기 형성 장치.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 성형 도구는 적어도 부분적으로는 자성 재료로 형성되는 자기 형성 장치.
  41. 제38항에 있어서,
    상기 성형 도구는 한 쌍의 평행 롤러이고, 상기 자기장은, 상기 샘플이 상기 롤러들 사이로 들어가서 상기 제품을 형성하게 하도록, 상기 샘플에 수직이며 상기 롤러들의 축들에 의해 정의된 평면에 평행하게 인가되는 자기 형성 장치.
  42. 제38항에 있어서,
    샘플이 위치되는 비도전성 격납 채널을 더 포함하고,
    상기 격납 채널은 적어도 2개의 축을 따라 상기 샘플을 가두며,
    상기 전기 에너지의 소스는 상기 특정량의 에너지가 상기 샘플의 폭에 걸쳐 방전되도록 배치되고, 상기 자기장 소스는, 상기 가열된 샘플이 상기 채널을 따라가고 성형 도구 내에 인젝션되도록 상기 샘플 내에 압력 기울기를 생성하기 위해, 상기 전자기 변형력이 상기 샘플의 길이를 따라 인가되도록 배치되는 자기 형성 장치.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 성형 도구는 다이 또는 몰드 중 하나인 자기 형성 장치.
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