KR101524547B1 - 급속 커패시터 방전에 의한 강자성 금속성 유리 형성 - Google Patents

Abstract

급속 커패시터 방전 성형(RCDF) 공구를 사용하여 자성 금속성 유리를 급속하게 균일하게 가열하고, 유변적으로 연화하며, 최종 형상으로 열 가소성 성형하는 장치 및 방법이 제공된다. RCDF 방법은 수 밀리초 이하의 시간 규모로 합금의 평형 용융점과 비정질 재료들의 유리 전이 온도 사이의 사전결정된 "가공 온도"로 금속성 유리 합금의 샘플 또는 차지를 균일하고 급속하게 가열하기 위해 커패시터에 저장된 전기 에너지의 방전을 사용한다. 전체 샘플 블록이 충분히 낮은 가공 점성을 갖도록 샘플이 균일하게 가열되고 나면, 이는 예를 들어, 1초 미만의 시간 프레임에서 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 시트 성형 및 블로 몰딩 등을 포함하는 임의의 수의 기술을 통해 고 품질 비정질 벌크 물품으로 성형될 수 있다.

Description

급속 커패시터 방전에 의한 강자성 금속성 유리 형성{FORMING OF FERROMAGNETIC METALLIC GLASS BY RAPID CAPACITOR DISCHARGE}

본 발명은 일반적으로 금속성 유리를 형성하는 새로운 방법에 관한 것인데, 특히 급속 커패시터 방전 가열(rapid capacitor discharge heating)을 이용하여 강자성 금속성 유리(ferromagnetic metallic glass)를 형성하기 위한 프로세스에 관한 것이다.

비정질 재료(amorphous material)들은 새로운 부류의 엔지니어링 소재인데, 이들은 높은 강도, 탄성, 내식성 및 용융 상태(molten state)로부터의 가공성의 고유한 조합을 갖는다. 비정질 재료들은 그 원자 구조가 종래의 결정질 합금들의 원자 구조의 전형적 장거리 규칙적 배열 패턴들(long-range ordered patterns)이 없다는 점에서 종래의 결정질 합금과 다르다. 비정질 재료들은, 합금 결정들의 핵형성 및 성장을 피하는 식이 되도록, "충분히 신속한" 냉각률로 결정상의 용융 온도(또는 열역학적 용융 온도)를 초과하는 온도로부터 비정질상의 "유리 전이 온도(glass transition temperature)" 아래까지 용융된 합금을 냉각시킴으로써 일반적으로 가공 및 형성된다. 그러하므로, 비정질 합금들을 위한 가공 방법은 비정질상의 형성을 보장하기 위해 "임계 냉각률(critical cooling rate)"이라고도 지칭되는 "충분히 신속한 냉각률"을 정량화하는 것과 항상 관련되어 왔다.

초기 시대의 비정질 재료들에 대한 "임계 냉각률"들은 10⁶ ℃/초 정도로 극도로 높다. 이 때문에, 종래의 캐스팅 프로세스들은 이러한 높은 냉각률들에 대해서는 부적합하며, 용융 스피닝(melt spinning) 및 평면 유동 캐스팅(planar flow casting)과 같은 특수 캐스팅 프로세스들이 개발되었다. 이들 초기 시대의 합금들의 결정화 속도가 실질적으로 고속이기 때문에, 결정화를 우회하기 위해 용융된 합금으로부터 열 추출을 하는 데에 극도로 짧은 시간(10^-3 초 또는 그 미만 정도)이 요구되며, 따라서 초기 시대의 비정질 합금들은 또한 적어도 한 차원에서 그 크기도 제한되었다. 예로서, 매우 얇은 포일들 및 리본들(25 미크론 정도의 두께)만이 이들 종래의 기술을 이용하여 성공적으로 제조되었다. 이들 비정질 합금들에 대한 임계 냉각률 요건들이 비정질 합금들로부터 제조되는 부품들의 크기를 크게 제한하였기 때문에, 초기 시대의 비정질 합금들을 부피가 큰 대상물 및 물품으로서 사용하는 것이 제한되었다.

다년간에 걸쳐, "임계 냉각률"이 비정질 합금들의 화학적 조성에 크게 의존한다는 것이 판명되었다. 따라서, 훨씬 더 낮은 임계 냉각률들을 갖는 새로운 합금 조성들을 개발하는 데 많은 연구가 집중되었다. 이들 합금들의 예는 그 모두가 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제5,288,344호, 제5,368,659호, 제5,618,359호 및 제5,735,975호에 제공되어 있다. 벌크 금속성 유리(bulk-metallic glass) 또는 BMG 라고도 지칭되는 이들 비정질 합금계들은 수 ℃/초만큼 낮은 임계 냉각률들을 특징으로 하며, 이는 이전에 달성되었던 것보다 훨씬 더 큰 벌크 비정질상 대상물의 가공 및 형성을 가능하게 한다.

낮은 "임계 냉각률"을 갖는 BMG의 가용화로, 비정질상(amorphous phase)을 갖는 부피 큰 물품들을 형성하기 위해 종래의 캐스팅 프로세스를 적용하는 것이 가능해졌다. 과거 수년에 걸쳐, LiquidMetal Technologies, Inc.를 포함하는 다수의 회사는 BMG로부터 제조된 최종 형상(net shape) 금속 부품들의 제조를 위한 상업적 제조 기술을 개발하기 위한 노력을 기울여왔다. 예로서, 가열된 몰드들로의 영구적 몰드 금속 다이 캐스팅 및 사출 캐스팅(injection casting) 같은 제조 방법이 표준 소비자 가전(예를 들어, 휴대 전화 및 핸드헬드 무선 장치)를 위한 전자적 케이싱, 힌지, 체결구, 의료 기기 및 기타 고 부가 가치 제품과 같은 상용 하드웨어 및 부품들을 제조하기 위해 현재 사용되고 있다. 그러나, 벌크 고화 비정질 합금들이 고화 캐스팅의 근본적 결함, 특히 상술한 바와 같은 다이 캐스팅 및 영구적 몰드 캐스팅 프로세스들의 근본적 결함들에 대해 일부 해결책을 제공하지만, 여전히 해결이 필요한 문제들이 있다. 첫째로 그리고 가장 중요하게는, 이러한 벌크 대상물들을 더 넓은 범위의 합금 조성물들로부터 제조할 필요가 있다. 예로서, 대형 벌크 비정질 대상물들을 제조할 수 있는 큰 임계 캐스팅 치수들을 갖는 현재 가용한 BMG들은 Ti, Ni, Cu, Al 및 Be가 첨가된 Zr 기제 합금들과, Ni, Cu 및 P가 첨가된 Pd 기제 합금들을 포함하는 매우 좁은 범위의 금속 선택에 기초한 소수 그룹의 합금 조성들에 한정되어 있는데, 이들 합금 조성들은 엔지니어링 측면에서든 비용적 측면에서든 반드시 최적화되어 있는 것은 아니다.

추가로, 현재의 가공 기술은 적절한 처리 조건이 산출되는 것을 보장하기 위해 다량의 고가 기계류를 필요로 한다. 예로서, 대부분의 성형 프로세스는 고 진공 또는 제어된 불활성 가스 환경, 도가니 내로의 재료의 유도 용융(induction melting), 샷 슬리브(shot sleeve)로의 금속 붓기, 및 비교적 정교한 몰드 조립체의 게이팅 및 공동들 내로의 샷 슬리브를 통한 공압 사출(pneumatic injection)을 필요로 한다. 이러한 변경된 다이 캐스팅 기계들은 기계당 수십만 달러의 비용이 들 수 있다. 더욱이, BMG의 가열이 지금까지는 이들 전통적인 느린 열 공정들에 의해 달성되어 왔기 때문에, 벌크 고화 비정질 합금들을 가공하고 형성하는 종래 기술은 열역학적 용융 온도를 초과한 온도로부터 유리 전이 온도 아래까지 용융된 합금을 냉각하는 데에 항상 초점을 두었다. 이런 냉각은 단일 단계의 단조로운 냉각 동작 또는 다 단계 공정을 이용하여 실현되었다. 예로서, 주위 온도(ambient temperature)들에 있는 (구리, 강철, 텅스텐, 몰리브덴, 그 합성물 또는 다른 높은 전도성 재료들로 된) 금속성 몰드들이 용융된 합금으로부터의 열 추출을 촉진 및 가속화하기 위해 이용되어 왔다. "임계 캐스팅 치수"가 임계 냉각률과 상관되기 때문에, 이들 종래의 프로세스는 더 넓은 범위의 벌크 고화 비정질 합금들의 더 큰 물품들 및 더 큰 벌크 대상물들을 형성하기에는 부적합하다. 또한, 합금의 고화 이전에, 특히 복잡하고 높은 정밀도의 부품들의 제조 시에 다이 내로 충분한 합금 재료가 도입되는 것을 보장하기 위해 고압 하에서 및 고속으로 다이들 내로 용융된 합금을 사출할 필요가 종종 있다. 고압 다이 캐스팅 작업에서와 같이 금속이 고압 하에 및 고속으로 다이 내로 공급되기 때문에, 용융된 금속의 유동은 레일리-테일러 불안정성(Rayleigh-Taylor instability)에 취약해진다. 이러한 유동 불안정성은 높은 웨버수(Weber number)를 특징으로 하며, 유동 전두(flow front)의 파괴와 연관되어 돌출된 이음매(seam)들 및 셀(cell)들의 형성을 초래하고, 이는 캐스팅된 부품들 내에서 심미적 및 구조적 미소 결함들로서 나타난다. 또한, 비유리화된 액체(unvitrified liquid)가 유리화된 금속의 솔리드 쉘(solid shell) 내부에 포획되는 경우 다이 캐스팅 몰드의 중심선을 따라 수축 공동 또는 다공성(porosity)을 형성하는 경향이 있다.

평형 용융점을 초과한 온도로부터 유리 전이점 아래까지 재료를 급속하게 냉각시키는 것과 연관된 문제점을 해결하려는 시도는 대부분 과냉각 액체(supercooled liquid)의 점성 유동 특성 및 속도 안정성을 활용하는 것에 집중되어 왔다. 유리 전이점을 초과하여 유리 원료(glassy feedstock)를 가열하는 단계와 -여기서 유리가 점성 과냉각 액체로 이완(relax)됨 -, 과냉각 액체를 형성하기 위해 압력을 가하는 단계와, 후속하여 결정화 이전에 유리 전이점 아래까지 냉각하는 단계를 포함하는 방법들이 제안되었다. 이들 매력적 방법들은 실질적으로 플라스틱을 가공하기 위해 사용하는 것들과 매우 유사하다. 그러나, 극도로 긴 시구간 동안 연화 전이(softening transition)를 넘어서는 결정화에 대항하여 안정적으로 유지되는 플라스틱과는 대조적으로, 금속성 과냉각 액체들은 유리 전이점에서 일단 이완되면 다소 신속하게 결정화한다. 결과적으로, 금속성 유리들이 종래의 가열률들(20℃/분)로 가열되는 경우 결정화에 대항하여 안정한 온도 범위는 훨씬 작고(유리 전이점을 넘어선 50 내지 100°C), 이 범위 내의 액체 점성은 다소 높다(10⁹ - 10⁷ Pa s). 이러한 높은 점성들 때문에, 이러한 액체들을 바라는 모양들로 형성하는 데에 요구되는 압력들은 훨씬 높고, 대다수의 금속성 유리 합금들에 대해서 종래의 고강도 공구에 의해 도달할 수 있는 압력들(<1 GPa)을 초과할 수 있다. 상당히 높은 온도까지 (유리 전이점을 넘어선 165℃) 종래의 가열률들로 가열되는 경우 결정화에 대항하여 안정한 금속성 유리 합금들이 최근 개발되었다. 이러한 합금들의 예들은 미국 특허 출원 제20080135138호와 지. 듀안 등에 의한 논문들(Advanced Materials, 19 (2007) 4272)과 에이. 위스트(Acta Materialia, 56 (2008) 2525-2630)에 주어졌는데, 이들 각각은 여기서 참조로서 합체된다. 결정화에 대항하는 이들의 높은 안정성에 기인하여, 10⁵ Pa-s 만큼 낮은 가공 점성들을 얻을 수 있으며, 이는 이들 합금이 전통적인 금속성 유리보다 과냉각 액체 상태에서의 처리에 더욱 적합하다는 것을 제시한다. 그러나, 이러한 점성들도 전형적으로 10과 1000 Pa-s 사이의 범위를 갖는 플라스틱들의 가공 점성들보다 여전히 실질적으로 높다. 이런 낮은 점도들을 얻기 위해서는, 금속성 유리 합금은 종래의 가열에 의해 가열되는 경우 결정화에 대항하여 더 높은 안정성을 나타내야 하거나, 또는 비통상적으로 높은 가열률로 가열되어야만 하는데, 이러한 것은 온도 안정 범위를 연장하고 또한 가공 점성을 열가소성 물질(thermoplastics) 가공에 이용되는 것들에 전형적인 값들까지 낮출 것이다.

성형을 위해 충분한 온도까지 BMG를 순간적으로 가열하고 그에 의해 상술한 문제점 중 대부분을 피하면서도 동시에 성형될 수 있는 비정질 재료들의 유형들을 확장시키는 방법을 만들어 내고자 하는 몇몇 시도가 이루어져왔다. 예로서, 그 각각의 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제4,115,682호 및 제5,005,456호와, 에이.알.야바리(A.R. Yavari)의 논문들(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) 모두는 줄 가열(Joule heating)을 이용하여 성형 온도까지 순간적으로 재료들을 가열하기 위해 비정질 재료들의 고유한 전도 특성을 활용한다. 그러나, 현재까지 이들 기술은 이런 피스들의 결합(즉, 스팟 용접) 또는 표면 특징들의 형성과 같은 국지적 성형만을 가능하게 하는 BMG 샘플들의 국지적 가열에 집중하여 왔다. 이들 종래 기술 방법들 중 어느 것도 전역적 성형(global forming)을 수행할 수 있게 하기 위해 BMG 시제품 체적 전체를 균일하게 가열하는 방법을 교시하지 않는다. 대신에, 모든 이들 종래 기술 방법은 가열 동안 온도 기울기들을 예상하고, 이들 기울기가 국지적 성형에 어떻게 영향을 줄 수 있는 지를 설명하고 있다. 이를 테면, 야바리 등(Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1)은 "전극들과 접촉하든지 또는 성형 챔버 내의 주위(불활성) 가스와 접촉하든지 간에, 성형되는 BMG 시제품의 외부 표면들은 전류에 의해 발생된 열이 전도, 대류 또는 복사에 의해 샘플의 외부로 방산됨에 따라 내부보다 약간 더 냉각될 것이다. 다른 한편, 전도, 대류 또는 복사에 의해 가열된 샘플들의 외측 표면들은 내부보다 약간 더 뜨거울 것이다. 이는, 금속성 유리들의 산화 및/또는 결정화가 외측 표면들 및 계면들상에서 최초에 시작되고 또한 이들이 벌크의 온도보다 약간 낮을 경우 바람직하지 못한 표면 결정 형성은 더욱 쉽게 회피될 수 있기 때문에 본 방법의 중요한 장점이다"라고 기재하고 있다.

유리 전이점을 넘는 결정화에 대항하는 BMG의 제한된 안정성의 다른 단점은 준안정(metastable) 과냉각 액체의 온도의 전체 범위에 걸쳐 열 용량 및 점성 같은 열역학적 및 수송(transport) 특성들을 측정할 수 없다는 것이다. 시차 주사 열량계들, 열기계 분석기들, 쿠에트 점도계들과 같은 전형적 측정 공구들은 전기 및 유도 히터들과 같은 종래의 가열 기구에 의존하고, 그러므로 종래의 것으로 여겨지는 샘플 가열 속도들(일반적으로 <100℃/분)을 얻을 수 있다. 상술한 바와 같이, 금속성 과냉각 액체는 종래의 가열률에서 가열될 때 제한된 온도 범위에 걸쳐 결정화에 대항하여 안정적일 수 있고, 따라서 측정가능한 열역학적 및 수송 특성들은 접근 가능한 온도 범위 이내로 제한되어 있다. 결과적으로, 결정화에 대항하여 매우 안정적이고 또한 그 열역학적 및 수송 속성들이 준안정성의 전체 범위 전반에 걸쳐서 측정 가능한 폴리머 및 유기 액체와는 달리, 금속성 과냉각 액체의 특성은 유리 전이점 바로 위부터 용융점 바로 아래의 좁은 온도 범위 이내에서만 측정 가능하다.

따라서, 전체 BMG 시제품 체적을 순간적으로 및 균일하게 가열하여 비정질 금속의 전반적 성형을 가능하게 하기 위한 새로운 접근법을 발견할 필요가 있다. 게다가 과학적 견지에서 보면, 금속성 과냉각 액체들의 이런 열역학적 및 수송 특성들에 접근하고 측정하기 위한 새로운 접근법을 발견할 필요가 또한 존재한다.

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

일 실시예에서, 본 발명은 급속 커패시터 방전을 이용하여 비정질 재료를 급속하게 가열하고 성형하고 - 전기 에너지의 정량(quantum)이 비정질상의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 가공 온도까지 샘플의 전체를 급속하게 및 균일하게 가열하기 위해 실질적으로 균일한 단면을 갖는 실질적으로 무결함 샘플을 통해 균일하게 방전됨 -, 샘플을 동시에 성형하고 이후 비정질 물품이 되도록 샘플을 냉각하는 방법에 관한 것이다. 이런 일 실시예에서, 샘플은 적어도 500 K/초의 속도로 가공 온도까지 가열되는 것이 바람직하다. 또 다른 그와 같은 실시예에서, 성형 단계는 종래 성형 기술, 예를 들어, 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조(stamp forging)와 블로 몰딩(blow molding)을 이용한다.

다른 실시예에서, 약

의 단위 온도 변화당 비저항의 상대적 변화(S)를 갖는 비정질 재료가 선택된다. 이런 일 실시예에서, 비정질 재료는 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소 금속에 기초한 합금이다.

또 다른 실시예에서, 전기 에너지의 정량이, 전기 에너지가 균일하게 샘플 내로 도입되는 식이 되도록 상기 샘플의 대향 단부들에 접속된 적어도 두 개의 전극을 통해 샘플 내로 방전된다. 이런 일 실시예에서, 본 방법은 적어도 100 줄의 전기 에너지 정량을 사용한다.

또 다른 실시예에서, 가공 온도는 합금의 평형 용융점과 비정질 재료의 유리 전이 온도 사이의 대략 중간에 있다. 이런 일 실시예에서, 가공 온도는 비정질 재료의 유리 전이 온도를 적어도 200K 초과한다. 그러한 일 실시예에서, 가공 온도는 가열된 비정질 재료의 점도가 약 1에서

사이에 있도록 하는 값이다.

또 다른 실시예에서, 샘플을 성형하기 위해 이용되는 성형 압력은 샘플이 높은 웨버수(Weber-number) 유동을 회피하기에 충분히 느린 속도로 변형되도록 제어된다.

또 다른 실시예에서, 샘플을 성형하기 위해 이용되는 변형 속도는 샘플이 높은 웨버수 유동을 회피하도록 충분히 느린 속도로 변형되도록 제어된다.

또 다른 실시예에서, 초기 비정질 금속 샘플(원료)은 예를 들어, 실린더, 시트, 정사각형 및 직사각형 고체와 같은 균일한 단면을 갖는 임의의 형상을 가질 수 있다.

또 다른 실시예에서, 비정질 금속 샘플의 접촉 표면들은 전극 접촉 표면과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 평행하게 절단되고 평탄하게 연마된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 비정질 재료를 성형하기 위한 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다. 이런 일 실시예에서, 비정질 재료의 샘플은 실질적으로 균일한 단면을 갖는다. 또 다른 이런 실시예에서, 적어도 두 개의 전극이 비정질 재료의 샘플에 전기 에너지 원을 접속한다. 이런 실시예에서, 전극들은 전극들과 샘플 사이에 실질적으로 균일한 접속들이 형성되도록 샘플에 부착된다. 또 다른 이런 실시예에서, 동적 전계의 전자기 침투 깊이(skin depth)는 차지(charge)의 반경, 폭, 두께 및 길이와 비교해 크다.

또 다른 실시예에서, 전극 재료는 예로서, 구리, 은 또는 니켈 같은 낮은 항복 강도와 높은 전기 및 열 전도성을 갖는 금속, 또는 적어도 95 at%의 구리, 은 또는 니켈을 갖도록 형성된 합금들이 되도록 선택된다.

또 다른 실시예에서, "좌석" 압력(seating pressure)이 전극/샘플 계면에서 전극의 접촉 표면을 소성적으로(plastically) 변형시킴으로써 샘플의 접촉 표면의 미세 특징들에 이를 부합시키기 위해 초기 비정질 샘플과 전극들 사이에 가해진다.

또 다른 실시예에서, 저 전류 "좌석" 전기 펄스가 전극의 접촉 표면에서 비정질 샘플의 임의의 비접촉 영역들을 국지적으로 연화시켜 이를 전극의 접촉 표면의 미세 특징들에 부합시키기 위해 초기 비정질 샘플과 전극들 사이에 가해진다.

장치의 또 다른 실시예에서, 전기 에너지 원은 적어도 500 K/초의 속도로 합금의 평형 용융 온도와 비정질상의 유리 전이 온도 사이의 가공 온도까지 샘플 전체를 균일하게 가열하기에 충분한 전기 에너지의 정량을 생성할 수 있다. 이런 장치 실시예에서, 전기 에너지 원은, 열적 기울기의 발생 및 열적 수송을 피하고 따라서 샘플의 균일한 가열을 촉진하기 위해, 샘플이 단열적으로 가열되도록 하는 속도로, 또는 달리 말하면 비정질 금속 샘플의 열적 이완 속도보다 훨씬 높은 속도로 방전된다.

장치의 여전히 또 다른 실시예에서, 장치에 사용되는 성형 공구는 사출 몰드, 동적 단조, 스탬프 단조와 블로 몰드로 구성되는 그룹에서 선택되고, 상기 가열된 샘플을 형성하기에 충분한 변형 스트레인(deformational strain)을 부여할 수 있다. 그러한 일 실시예에서, 성형 공구는 전극들 중의 적어도 하나로부터 적어도 부분적으로 형성된다. 대안적인 그와 같은 실시예에서, 성형 공구는 전극들과 독립적이다.

장치의 또 다른 실시예에서, 공압 또는 자기 구동 시스템이 샘플에 변형력을 가하기 위해 제공된다. 이런 시스템에서, 변형력 또는 변형율은 가열된 비정질 재료가 높은 웨버수 유동을 피하기에 충분히 낮은 속도로 변형되도록 제어될 수 있다.

장치의 또 다른 실시예에서, 성형 공구는 양호하게는 비정질 재료의 유리 전이 온도 주변의 온도까지 공구를 가열하기 위한 가열 소자를 더 포함한다. 이런 실시예에서, 성형된 액체의 표면은 더욱 느리게 냉각될 것이고, 따라서 성형되는 물품의 표면 마감 품질을 향상시킨다.

또 다른 실시예에서, 인장 변형력은 균일 단면을 가진 와이어 또는 파이버를 잡아 끌기 위해 에너지의 방전 동안 적당히 죄어진 샘플에 가해진다.

또 다른 실시예에서, 인장 변형력이 재료의 유동이 뉴튼식이 되도록 제어되고 국부 수축(necking)에 의한 고장이 회피된다.

또 다른 실시예에서, 인장 변형율은 재료의 유동이 뉴튼식이 되도록 제어되고 국부 수축에 의한 고장이 회피된다.

또 다른 실시예에서, 저온 헬륨 흐름이 유리 전이점 아래로의 냉각을 촉진시키기 위해 끌어당겨진 와이어 또는 파이버상으로 불리어진다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 그 준안정 상태의 전체 범위에 걸쳐서 과냉각 액체의 열역학적 및 수송 특성들을 측정하기 위한 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다. 그러한 일 실시예에서, 고 해상도 및 고속 열 화상 카메라가 비정질 금속의 샘플의 균일한 변형 및 균일한 가열을 동시에 기록하는데 사용된다. 시간적, 열적 및 변형 데이터가 시간, 온도 및 스트레인 데이터로 변환될 수 있는 한편, 입력 전력 및 부여된 압력이 내부 에너지 및 인가 응력(stress)으로 변환됨으로써, 샘플의 온도, 온도 의존 점성, 열 용량 및 엔탈피에 관한 정보를 산출할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은:

실질적으로 균일한 단면을 갖는 강자성 비정질 금속 샘플을 제공하는 단계;

샘플을, 전기 에너지의 정량을 생성하고 방전할 수 있는 전기 에너지 원과 전기적 접촉을 하도록 배치하는 단계;

상기 샘플의 전체를 비정질 금속의 유리 전이 온도와 평형 용융점 사이의 가공 온도까지 급속히 및 균일하게 가열시키기 위해 상기 샘플을 통하여 균일하게 전기 에너지의 정량을 방전하는 단계 - 상기 전기 에너지의 정량을 방전하는 것은 상기 샘플에 전계를 생성하고, 생성된 동적 전계의 전자기 침투 깊이가 샘플의 반경, 폭, 두께 및 길이와 비교하여 크지만, 전류 펄스의 상승시간이 불충분하게 냉각된 액체(undercooled liquid) 영역에서의 최적 성형 온도로 비정질 금속을 결정화하는 것과 연관된 시간을 초과하지 않음 - ;

가열된 샘플이 여전히 그 유리 전이 온도 및 그 평형 용융점 사이의 온도에 있는 동안 가열된 샘플을 성형하기 위해 변형력을 가하는 단계; 및

상기 물품을 비정질 재료의 유리 전이 온도 아래의 온도까지 냉각하는 단계

를 포함하는, 급속 커패시터 방전을 이용하여 자성 비정질 금속을 급속히 및 균일하게 가열시키는 방법에 관한 것이다.

그러한 일 실시예에서, 방전 시상수는 전기 회로의 인덕턴스를 증가시킴으로써 제어된다. 그러한 실시예에서, 인덕턴스는 샘플과 직렬로 추가적 인덕턴스 소스를 추가함으로써 증가될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 방전 시상수는 전기 회로의 정전 용량(capacitance)을 증가시킴으로써 제어된다.

또 다른 실시예에서, 본 방법은 또한 전기 에너지의 정량을 방전하기 전에 퀴리 온도를 넘는 사전 가열 온도까지 샘플을 사전 가열하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서 사전 가열 온도는 양호하게는 퀴리 온도를 넘고, 유리 전이 온도 아래에 있다. 또 다른 실시예에서, 사전 가열 온도는 용량성 방전 펄스를 이용하여 획득된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은:

강자성 비정질 금속의 샘플 - 상기 샘플은 실질적으로 균일한 단면을 가짐 -;

전기 에너지 원;

상기 비정질 금속의 샘플에 상기 전기 에너지 원을 상호 접속시키는 적어도 2개의 전극 - 상기 전극들은 실질적으로 밀접한 접속들이 상기 전극들과 상기 샘플 사이에 형성되도록 상기 샘플에 부착됨 -;

상기 샘플에 대한 성형 관계로 배치된 성형 공구 -

상기 전기 에너지 원은 샘플의 전체를 비정질 금속의 유리 전이 온도와 평형 용융점 사이의 가공 온도까지 균일하게 가열시키기에 충분한 전기 에너지의 정량을 생성하고 방전할 수 있고, 상기 전기 에너지의 정량을 방전하는 것은 상기 샘플에 전계를 생성하고, 생성된 동적 전계의 전자기 침투 깊이는 샘플의 반경, 폭, 두께 및 길이와 비교하여 크지만, 전류 펄스의 상승시간은 불충분하게 냉각된 액체 영역에서 최적 성형 온도에서 비정질 금속을 결정화하는 것과 연관된 시간을 초과하지 않고,

상기 성형 공구가 상기 가열된 샘플을 최종 형상 물품으로 성형하기에 충분한 변형력을 가할 수 있음 -

를 포함하는, 자성 비정질 금속을 급속히 가열시키기 위한 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다.

그러한 일 실시예에서, 방전 시상수는 전기 회로에 추가적 인덕턴스를 더함으로써 변경될 수 있다. 그러한 실시예에서, 방전 시상수는 전기 에너지 원과 직렬로 적어도 하나의 추가적 인덕터를 추가함으로써 변경될 수 있다. 그러한 실시예에서, 방전 시상수는 전기적 회로에 추가적 정전 용량을 더함으로써 변경될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 전기 에너지 원은 전기 에너지의 정량을 방전하기 전에 퀴리 온도를 넘는 사전 가열 온도로 샘플을 사전 가열하도록 구성된 사전 가열 방전을 공급하도록 추가로 구성된다. 그러한 실시예에서, 사전 가열 온도는 양호하게는 퀴리 온도를 넘고 유리 전이 온도 아래에 있다.

본 설명은 이하의 도면 및 데이터 그래프들을 참조하여 더 충분하게 이해할 수 있을 것인데, 도면 및 데이터 그래프들은 본 발명의 예시적 실시예들로서 제시된 것이며, 본 발명의 모든 범위를 완전히 기재한 것으로 해석하지 말아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적 급속 커패시터 방전 성형 방법의 흐름도를 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 성형 방법의 예시적 실시예의 개략도를 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 예시적 실시예의 개략도를 제공한다.
도 4는 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 예시적 실시예의 개략도를 제공한다.
도 5는 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 예시적 실시예의 개략도를 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 성형 방법의 또 다른 예시적 실시예의 개략도를 제공한다.
도 7은 본 발명에 따른 열 화상 카메라와 조합된 급속 커패시터 방전 성형 방법의 예시적 실시예의 개략도를 제공한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따라 예시적 급속 커패시터 방전 성형 방법을 이용하여 얻어진 실험 결과들의 일련의 사진 화상을 제공한다.
도 9는 본 발명에 따라 예시적 급속 커패시터 방전 성형 방법을 이용하여 얻어진 실험 결과들의 사진 화상을 제공한다.
도 10은 본 발명에 따라 예시적 급속 커패시터 방전 성형 방법을 이용하여 얻어진 실험 결과들을 요약하는 데이터 플롯을 제공한다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 예시적 급속 커패시터 방전 장치의 개략도 세트를 제공한다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 내지 도 11e에 도시된 장치를 이용하여 만들어진 몰딩된 물품의 사진 화상을 제공한다.
도 13은 고주파 급속 용량성 방전(샘플 A)과 저주파 급속 용량성 방전(샘플 B)과 관련된 전류 대 시도표들을 제공한다.
도 14a 내지 도 14c는 (a) 비정질 강자성 차지, (b) 고주파 급속 용량성 방전에 의해 생산된 성형된 부분(샘플 A), 및 (c) 저주파 급속 용량성 방전에 의해 생산된 성형된 디스크(샘플 B)를 보여주는 사진 화상들을 제공한다.
도 15는 저주파 급속 용량성 방전에 의해 성형된 완전 비정질 디스크(샘플B) 및 완전 비정질 강자성 차지에 대한 열 분석 스캔들(시차주사열량법)을 제공한다.

본 발명은 금속성 유리를 균일하게 가열하고, 유변학적으로(rheologically) 연화(soften)하고, 줄 가열에 의해 압출(extrusion) 또는 몰드 공구를 사용하여 최종 형상 물품으로 급속하게(통상적으로 1초 미만의 가공 시간으로) 열 가소성 성형하는 방법에 관한 것이다. 더 특정하게는, 본 방법은 수 밀리 초 또는 그 미만의 시간 규모로 합금의 평형 용융점과 비정질 재료의 유리 전이 온도 사이의 대략 중간인 사전 결정된 "가공 온도"까지 금속성 유리 합금의 샘플 또는 차지(charge)를 균일하고 급속하게 가열하기 위해 커패시터에 저장된 전기 에너지(통상적으로 100 줄 내지 100 킬로 줄)의 방전을 활용하는데, 이 방법은 이후 급속 커패시터 방전 성형(rapid capacitor discharge forming:RCDF)이라 지칭된다. 본 발명의 RCDF 프로세스는 금속성 유리가 냉각된 액체(frozen liquid)인 덕분에 금속성 유리가 비교적 낮은 전기 비저항을 갖는다는 관찰로부터 진행되며, 이는 전기 방전의 적절한 인가에 의해 샘플이 단열적으로 가열되도록 하는 속도로 재료의 효율적이고 균일한 가열 및 높은 소산(dissipation)을 낳을 수 있다.

BMG를 급속하고 균일하게 가열함으로써, RCDF 방법은 결정화에 대항하는 과냉각 액체의 안정성을 유리 전이 온도보다 실질적으로 높은 온도까지 연장시킴으로써 전체 샘플 체적이 성형에 최적인 가공 점성과 연관된 상태가 되게 한다. 또한, RCDF 프로세스는 준안정 과냉각 액체에 의해 제공된 점성들의 전체 범위에 대한 접근을 제공하는데, 그 이유는 이 범위가 안정 결정상의 형성에 의해 더 이상 제한되지 않기 ?문이다. 요컨대, 이런 공정은 형성되는 부품들의 품질 증대, 이용가능한 부품들의 수율 증가, 재료 및 가공 비용의 감소, 이용가능한 BMG 재료의 범위 확장, 에너지 효율 개선, 및 제조 기계의 자본 비용 절감을 이루어준다. 또한, RCDF 방법으로 달성될 수 있는 순간적이고 균일한 가열 덕분에, 액체 준안정성의 전체 범위 전반에 걸친 열역학적 및 수송 특성을 측정하는 것에 접근할 수 있게 된다. 그러므로 급속 커패시터 방전 셋업에 온도 및 스트레인 측정 장비와 같은 추가의 표준 기구를 통합시킴으로써, 점성, 열 용량 및 엔탈피와 같은 특성들이 유리 전이와 용융점 사이의 전체 온도 범위에서 측정될 수 있다.

본 발명의 RCDF 기술에 대한 간략 흐름도가 도 1에 제공되어 있다. 도시된 바와 같이, 이 프로세스는 금속성 유리 합금의 샘플 블록 또는 차지 내로의 커패시터에 저장된 전기 에너지(통상적으로 100 줄 내지 100 킬로 줄)의 방전으로 시작한다. 본 발명에 따라서, 전기 에너지의 인가는, 비정질 재료가 손쉬운 성형을 가능하게 하기에 충분한 가공 점성(∼1 내지 10⁴ Pas-s 또는 그 미만)을 갖도록 수 마이크로초 내지 수 밀리초 또는 그 미만의 시간 규모로 합금의 유리 전이 온도를 넘어서는 사전 결정된 "가공 온도", 더 구체적으로는 합금의 평형 용융점과 비정질 재료의 유리 전이 온도 사이의 중간 정도의 가공 온도(T_g를 넘는 ~200 내지 300 K)까지 샘플을 급속하고 균일하게 가열하기 위해 사용될 수 있다.

전체 샘플 블록이 충분히 낮은 가공 점성을 갖도록 샘플이 균일하게 가열된다면, 샘플은 예로서, 사출 성형(injection molding), 동적 단조, 스탬프 단조, 블로 몰딩 등을 포함하는 임의 수의 기술을 통해 고 품질의 비정질 벌크 물품이 되도록 성형될 수 있다. 그러나, 금속성 유리의 차지를 성형하기 위한 능력은 차지의 가열이 전체 샘플 블록에 걸쳐 급속하고 균일한 것을 보장하는 것에 전적으로 의존한다. 균일한 가열이 달성되지 않는 경우, 샘플은 대신에 국지적 가열을 받게 되며, 이런 국지적 가열이 예를 들어 피스들을 함께 묶거나 스팟 용접하는 것 또는 샘플의 특정 영역들을 성형하는 것과 같은 몇몇 기술을 위해 유용할 수 있지만, 이런 국지적 가열은 샘플의 벌크 성형을 수행하는 데에 사용되지 않고 사용될 수도 없다. 마찬가지로, 샘플 가열이 충분히 급속하지 않은 경우(통상적으로 500 내지 10⁵ K/s 정도), 성형되는 재료가 그 비정질 특성을 잃거나 또는 성형 기술이 탁월한 가공성 특성(즉, 결정화에 대항하는 과냉각 액체의 높은 안정성)을 갖는 그런 비정질 재료들에 한정되어, 다시금 프로세스의 유용성을 감소시킨다.

본 발명의 RCDF 방법은 샘플의 급속 균일 가열을 보장한다. 그러나, RCDF를 이용하여 금속성 유리 샘플의 균일하고 급속한 가열을 얻기 위해 필요한 기준들을 이해하기 위해서는, 먼저 금속 재료들의 줄 가열이 어떻게 발생하는지를 이해하는 것이 필요하다. 금속의 전기 비저항의 온도 의존성은 단위 온도 변화 계수당 비저항의 상대적 변화(S)를 기준으로 정량화될 수 있는데, 여기서 S는 다음과 같이 규정된다.

여기서, S는 1/degrees-C의 단위를 가지며,

는 실내 온도 T _o 에서의 금속의 비저항(Ohm-cm)이고,

는 선형이 되도록 취해진 실내 온도에서의 비저항의 온도 미분(Ohm-cm/C)이다. 전형적인 비정질 재료는 큰

를 가지나, 훨씬 작은 (그리고 대부분의 경우 음인) S 값

을 갖는다.

비정질 합금들에서 발견되는 작은 S 값들에 대해, 균일한 전류 밀도에 종속되는 균일한 단면을 가진 샘플은 공간에 걸쳐서 균일하게 옴 가열(Ohmically heated)될 것이고, 샘플은 주위 온도 T₀ 에서 이하 수학식에 의해 주어지는, 커패시터의 총 에너지 및 샘플 차지의 전체 열용량 Cs(Joules/C)에 의존하는 최종 온도

까지 급속 가열될 것이다.

는 이하 수학식에 의해 주어진다.

다음 차례로, 가열 시간은 용량성 방전의 시상수 τ_RC = RC에 의해 결정될 것이다. 여기서, R은 샘플의 총 저항과 용량성 방전 회로의 출력 저항의 합이다. 따라서, 금속성 유리를 위한 통상적 가열률은 이론적으로 이하의 수학식에 의해 주어질 수 있다.

대조적으로, 보통의 결정질 금속들은 훨씬 더 낮은

및 훨씬 더 큰 값의 S~0.01-0.1를 가진다. 이는 현저한 거동 차이로 이끈다. 예로서, 구리 합금들, 알루미늄, 또는 강철 합금들과 같은 보통의 결정질 금속들에 대하여,

는 훨씬 더 작고(1-20 μΩ-cm), S는 훨씬 더 크며, 통상적으로 S는 ~0.01 내지 0.1이다. 결정질 금속들의

값이 더 작을수록 (전극들에 비교해) 샘플 내에서 더 작은 소산을 초래하고 또한 샘플에 대한 커패시터의 에너지 결합이 덜 효율적이게 한다. 더욱이, 결정질 금속이 용융될 때, ρ(T)는 일반적으로 고체 금속으로부터 용융된 금속으로 진행시 2배(factor) 또는 그 이상으로 증가한다. 보통의 결정질 금속들의 용융시 비저항의 증가와 함께 큰 S 값은 균일한 전류 밀도에서의 극도로 비균일한 옴 가열(Ohmic heating)을 초래한다. 결정질 샘플은 통상적으로 고전압 전극 또는 샘플 내의 다른 계면의 부근에서 불가피하게 국지적으로 용융된다. 다음으로, 결정질 로드(rod)를 통한 에너지의 커패시터 방전은 초기 저항이 가장 큰 위치(통상적으로 계면에서)는 어디든지 국지적 용융 및 가열의 공간적 국지화를 초래한다. 사실, 이는 국지적 용융 풀(pool)이 전극/샘플 계면 또는 용접될(welded) 부분들 내의 다른 내부 계면 부근에서 생성되는 결정질 금속의 용량성 방전 용접(스팟 용접, 프로젝션 용접, "스터드 용접" 등)의 기초이다.

배경 기술에서 이미 설명한 바와 같이, 종래 기술 시스템은 또한 비정질 재료들의 고유한 전도성 특성을 인식하였다. 그러나 전체 샘플의 균일한 가열을 보장하기 위해 가열 샘플 내의 에너지 소산의 공간적 비균질성의 동적 발달을 피하기 위해서도 이것이 필요하다는 것은 오늘날까지 인식되지 않았다. 본 발명의 RCDF 방법은 두 가지 기준을 설정하며, 이는 차지의 균일한 가열을 보장하기 위해, 그리고 이런 비균질성의 발달을 방지하기 위해 충족되어야만 한다:

샘플 내의 전류의 균일성, 및

동적 가열 동안 전력(power) 소산의 비균질성 발달에 관한 샘플의 안정성.

비록, 이들 기준이 비교적 당연한 것으로 보이지만, 이들은 가열 동안 이용되는 전기적 차지, 샘플을 위해 이용되는 재료, 샘플의 형상, 및 차지 및 샘플 자체를 도입하기 위해 이용되는 전극 사이의 계면에 대한 다수의 물리적 및 기술적 제약을 부여한다. 예로서, 길이(L) 및 면적(A = πR²(R=샘플 반경))의 원통형 차지를 위하여, 이하의 요건이 존재한다.

커패시터 방전 동안 실린더 내의 전류의 균일성은 동적 전계의 전자기 침투 깊이(Λ)가 샘플의 관련 치수 특성들(반경, 길이, 폭 또는 두께)에 비해 큰 것을 필요로 한다. 실린더의 예에서, 관련 특성 치수들은 명백히 차지의 반경 및 깊이 R 및 L가 되어야 한다. 이 조건은

일 경우 충족된다. 여기서, τ는 커패시터 및 샘플 시스템의 "RC" 시상수이며,

(Henry/m)는 자유 공간의 유전율이다. ~ 1cm인 R과 L에 대하여, 이는 τ > 10-100 μs를 의미한다. 비정질 합금들의 비저항 값 및 관심 대상인 통상적 치수들을 사용하면, 이는 통상적으로 ~ 10,000μF 또는 그 이상의 정전 용량의 적절한 크기의 커패시터를 필요로 한다.

동적 가열 동안의 전력 소산의 비균질성의 발달에 대한 샘플의 안정성은 푸리에 방정식에 의해 지배되는 전류 및 열 유동에 의한 옴(Ohmic) "줄" 가열을 포함하는 안정성 분석을 수행함으로써 이해될 수 있다. 온도에 따라 증가하는(즉, 포지티브 S) 비저항을 갖는 샘플에 대하여, 샘플 실린더의 축을 따른 국지적 온도 변동은 국지적 가열을 증가시키며, 이는 추가로 국지적 저항 및 열 소산을 증가시킨다. 충분히 높은 전력 입력에 대하여, 이는 실린더를 따른 가열의 "국지화"를 이끈다. 결정질 재료들에 대하여, 이는 국지적 용융을 초래한다. 이 거동은 구성요소들 사이의 계면들을 따라 국지적 용융을 생성하기를 원하는 경우의 용접에는 유용하지만, 이 거동은 비정질 재료를 균일하게 가열하기를 원하는 경우에는 극도로 부적합하다. 본 발명은 균일한 가열을 보장하기 위한 중요 기준을 제공한다. 앞서 정의된 S를 사용하여, 수학식 5와 같을 때 가열이 균일해진다는 것을 발견하였다.

여기서, D는 비정질 재료의 열 확산율(m²/s)이고, Cs는 샘플의 총 열 용량이며, R₀ 는 샘플의 총 저항이다. 금속성 유리에 통상적인 D 및 Cs 의 값을 사용하고, 본 발명을 위해 통상적으로 요구되는 길이(L~1cm) 및 입력 전력

와트를 가정하면,

의 S_crit를 얻을 수 있다. 균일한 가열을 위한 이러한 기준은 대다수의 금속성 유리를 위해 충족되어야만 한다(상술한 S 값들 참조). 특히, 많은 금속성 유리들은 S < 0을 갖는다. 그와 같은 재료들(즉, S < 0) 은 가열 균일성에 대한 이 요구를 항상 충족시킬 것이다. 이 기준을 충족시키는 예시적 재료는 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제5,288,344호, 제5,368,659호, 제5,618,359호 및 제5,735,975호에 기재되어 있다.

인가된 차지 및 사용되는 비정질 재료들의 기본적 물리적 기준을 넘어서서, 가능한 균등하게 샘플에 차지를 인가하는 것을 보장하기 위한 기술적 요건이 존재한다. 예로서, 샘플이 실질적으로 결함이 없고 균일한 단면으로 형성되는 것이 중요하다. 이들 조건들이 충족되지 않는 경우, 열은 샘플에 걸쳐 균등하게 소산되지 않으며 국지적 가열이 발생한다. 구체적으로, 샘플 블록 내에 불연속부 또는 결함이 존재하는 경우, 상술한 물리적 상수들(즉, D 및 C_s )가 이들 지점들에서 서로 달라서 서로 다른 가열률들을 초래한다. 추가로, 샘플의 열적 특성들이 또한 물품의 치수(즉, L)에 의존하기 때문에, 물품의 단면이 변하는 경우, 샘플 블록을 따라 국지적 핫 스팟이 존재하게 된다. 더욱이, 샘플 접촉 표면들이 적절히 평탄하지 않고 평행하지 않은 경우, 전극/샘플 계면에 계면 접촉 저항이 존재한다. 따라서, 일 실시예에서, 샘플 블록은 실질적으로 결함이 없고 실질적으로 균일한 단면을 갖도록 형성된다. 샘플 블록의 단면이 균일하여야 하지만, 이 요건이 충족되는 한 블록의 형상에 주어지는 어떠한 고유 제약들도 없다는 점을 이해하여야 한다. 예로서, 블록은 시트, 블록, 실린더 등과 같은 임의의 적절한 기하학적 균일 형상을 취할 수 있다. 다른 실시예에서, 샘플 접촉 표면들은 전극들과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 평행하게 절단되고 평탄하게 연마된다.

또한, 전극과 샘플 사이에 어떠한 계면 접촉 저항도 생기지 않는 것이 중요하다. 이를 달성하기 위해, 전극/샘플 계면은 전기적 전하가 어떠한 "고온 지점들"도 계면에서 생기지 않도록, 균등하게, 즉 균일한 밀도로 가해지는 것을 보장하도록 설계되어야만 한다. 예로서, 전극의 서로 다른 부분들이 샘플에게 서로 다른 도전성 접촉을 제공하는 경우, 초기 저항이 가장 큰 곳에서는 어디든지 가열의 공간적 국지화 및 국지적 용융이 발생할 것이다. 다음으로, 이는 방전 용접을 초래하며, 여기서 전극/샘플 계면 또는 샘플 내의 다른 내부 계면 부근에서 국지적 용융 풀이 생성된다. 균일한 전류 밀도의 이러한 요건의 견지에서 보면, 본 발명의 일 실시예에서, 전극들은 샘플과의 양호한 접촉을 보장하도록 평탄하고 평행하게 연마된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전극들은 연성 금속으로 이루어지고, 계면에서 전극 재료 항복 강도를 초과하지만 전극 좌굴 강도(electrode buckling strength)를 초과하지 않는 균일한 "좌석" 압력이 가해지고, 그래서 전극은 아직 좌굴되지 않은 전체 계면에 대해 능동적으로 눌려지고, 계면에서의 임의의 비접촉 영역들은 소성 변형된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 균일한 저 에너지 "좌석" 펄스가 인가되는데, 이는 전극의 접촉 표면에서의 비정질 샘플의 임의의 비접촉 영역들의 온도를 비정질 재료의 유리 전이 온도를 약간 넘는 수준까지 상승시키기에 겨우 충분한 정도이고, 그에 따라 비정질 샘플이 전극의 접촉 표면의 미세 특징들에 부합될 수 있도록 한다. 또한, 또 다른 실시예에서, 전극들이 배치되어 양 및 음 전극들이 샘플을 통해 대칭적 전류 경로를 제공하도록 된다. 전극 재료를 위한 일부 적절한 금속은 Cu, Ag 및 Ni 및 실질적으로 Cu, Ag 및 Ni로 이루어진 합금들(즉, 이들 재료 중 적어도 95at% 함유함)이다.

마지막으로, 전기 에너지가 샘플 내로 균일하게 성공적으로 방전된다면, 샘플은, 더 차가운 주변 및 전극들을 향한 열 수송이 효과적으로 회피되면, 즉 단열 가열이 달성되면, 균일하게 가열될 것이다. 단열 가열 조건들을 생성하기 위해, 열 수송에 기인한 열적 기울기들이 샘플에서 생기지 않는 것을 보장하도록 dT/dt가 충분히 높거나 τ_RC가 충분히 작아야 한다. 이 기준을 정량화하기 위해, τ_RC의 크기는 이하의 수학식에 의해 주어진 비정질 금속 샘플의 열적 이완 시간 τ_th보다 현저히 작아야 한다.

여기서, k_s 및 c_s는 비정질 금속의 열 전도도 및 비열 용량이고, R은 비정질 금속 샘플의 특성 길이 규모이다(예를 들어, 원통형 샘플의 반경). Zr 기제 유리를 위한 근사치를 나타내는 k_s~10 W/(mK) 및

및

를 취하면, ~ 0.5 s의 τ_th를 얻게 된다. 따라서, 0.5 s보다 상당히 작은 τ_RC를 갖는 커패시터들이 균일한 가열을 보장하기 위해 사용되어야 한다.

성형 방법 자체로 돌아가면, 본 발명의 RCDF 방법에 따른 예시적 성형 공구의 개략도가 도 2에 제공되어 있다. 도시된 바와 같이, 기본 RCDF 성형 공구는 두 개의 전극(12)과 전기 에너지 원(10)을 포함한다. 전극들은 균일한 가열을 보장하기 위해, 충분히 낮은 S_crit 값과 충분히 높은 큰

값을 갖는 비정질 재료로 형성된 균일한 단면의 샘플 블록(14)에 균일한 전기 에너지를 인가하기 위해 사용된다. 수 밀리초 또는 그 미만의 시간 규모로 합금의 유리 전이 온도를 넘는 사전결정된 "가공 온도"까지 샘플을 균일하게 가열하기 위해 균일한 전기 에너지가 사용된다. 이렇게 형성된 점성 액체는 1초 미만의 시간 규모로 물품을 형성하기 위해, 예로서 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 블로 몰딩 등을 포함하는 양호한 성형 방법에 따라 동시에 성형된다.

예로서, 10 μs 내지 10 밀리초의 방전 시상수를 갖는 커패시터와 같이, 사전결정된 가공 온도까지 샘플 블록을 급속하고 균일하게 가열하기 위해 충분히 균일한 밀도의 에너지를 공급하기에 적합한 임의의 전기 에너지 원이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 샘플 블록에 걸쳐서 균일한 접촉을 제공하는 데에 적합한 임의의 전극이 전기 에너지를 수송하기 위해 사용될 수 있다. 설명한 바와 같이, 양호한 일 실시예에서, 전극들은, 예로서 Ni, Ag, Cu 또는 적어도 95at%의 Ni, Ag 및 Cu를 사용하여 형성된 합금들 같은 연성 금속으로 형성되며, 샘플 블록의 접촉 표면의 미세 특징들에 전극의 접촉 표면을 맞추기 위해 전극/샘플 계면에서 전극의 접촉 표면을 소성 변형시키기에 충분한 압력을 받으며 샘플 블록에 대하여 홀드(hold)된다.

비록 상술한 논의는 일반적으로 RCDF 방법에 초점을 두었지만, 본 발명은 비정질 재료의 샘플 블록을 성형하기 위한 장치에 관한 것이기도 하다. 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 양호한 일 실시예에서, 사출 성형 장치가 RCDF 방법에 통합될 수 있다. 이런 실시예에서, 가열된 비정질 재료의 점성 액체가 금속성 유리의 최종 형상 구성요소를 형성하기 위해 기계적으로 로딩된 플런저(plunger)를 사용하여 주위 온도에 유지되는 몰드 공동(18) 내로 사출된다. 도 2에 예시된 방법의 예에서, 차지는 전기 절연 "배럴" 또는 "샷 슬리브" 내에 위치되고, 높은 전기 도전성과 열 전도성 양자 모두를 갖는 (구리나 은 같은) 전도성 재료로 만들어진 원통형 플런저에 의해 사출 압력(통상적으로 1 - 100 MPa)까지 사전에 로딩된다. 플런저는 시스템의 한 전극으로서 작용한다. 샘플 차지는 전기적 접지된 베이스 전극상에 머문다. 커패시터의 저장된 에너지는 상술한 특정 기준이 충족된다면 원통형 금속성 유리 샘플 차지 내로 균일하게 방전된다. 이때, 로딩된 플런저는 최종 형상 몰드 공동 내로 가열된 점성 용융물을 드라이브한다.

비록 사출 성형 기술을 상술하였지만, 임의의 적절한 성형 기술이 사용될 수 있다. RCDF 기술에 따라서 이용될 수 있는 다른 성형 방법들의 몇몇 대안적 예시적 실시예들이 도 3 내지 도 5에 제공되고, 아래 논의한다. 예로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 동적 단조 성형 방법이 사용될 수 있다. 이런 실시예에서, 전극들(22)의 샘플 접촉 부분들(20)은 자체적으로 다이 공구를 형성한다. 본 실시예에서, 차가운 샘플 블록(24)은 전극들 사이에서 압축 응력을 받으며 홀드되고, 전기 에너지가 방전될 때 샘플 블록은 사전결정된 응력을 받고 전극들이 함께 눌려지는 것을 허용하기에 충분한 점성을 가지게 되고, 그에 의해, 샘플 블록의 비정질 재료가 다이(20)의 형상에 맞추어진다.

도 4에 개략적으로 도시된 다른 실시예에서, 스탬프 형상 성형 방법이 제안된다. 본 실시예에서, 전극들(30)은 어느 단부에서든 이들 사이에 샘플 블록(32)을 클램핑하거나 또는 다른 방식으로 홀드한다. 도시된 개략도에서, 비정질 재료의 얇은 시트가 사용되지만, 이 기술은 임의의 적절한 샘플 형상으로 동작하도록 변형될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전 시, 도시된 바와 같이 대향 몰드나 스탬프 면들(36)을 포함하는 성형 공구 또는 스탬프(34)는 그 사이에 홀드된 샘플 부분에 대하여 사전결정된 압축력으로 압축하고, 그에 의해 샘플 블록을 원하는 최종 형상으로 스탬핑한다.

도 5에 개략적으로 도시되어 있는 또 다른 예시적 실시예에서, 블로 몰드 성형 기술이 사용될 수 있다. 다시금, 본 실시예에서, 전극들(40)은 어느 단부에서든 그들 사이에 샘플 블록(42)을 클램핑하거나 또는 다른 방식으로 홀드한다. 양호한 실시예에서, 샘플 블록은 재료의 얇은 시트를 포함하지만, 임의의 적절한 형상이 사용될 수 있다. 그 초기 형상과 무관하게, 예시적 기술에서, 샘플 블록은 몰드(45) 위의 프레임(44)에 위치되어 블록의 대향 측들(46, 48)(즉, 몰드에 대면한 측 및 몰드와 떨어져서 다른 방향을 향하는 측)이 서로 다른 압력에, 즉, 양의 가스 압력 또는 음의 진공 중 어느 하나에 노출될 수 있는 식으로 실질적 기밀 밀봉부를 형성한다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전 시, 샘플은 점성화되고 몰드의 윤곽에 맞추어지도록 서로 다른 압력의 응력을 받고 변형되고, 이에 의해 샘플 블록을 원하는 최종 형상으로 성형한다.

도 6에 개략적으로 도시되는 또 하나의 예시적 실시예에서, 파이버 뽑기 기술이 이용될 수 있다. 다시금, 본 실시예에서, 전극(49)은 샘플의 양쪽 단부 부근에서 샘플 블록(50)과 양호하게 접촉하는 한편, 인장력이 샘플의 양쪽 단부에 가해진다. 차가운 헬륨(51)의 흐름이 유리 전이점 미만으로의 냉각을 용이하게 하기 위해 잡아당겨진 와이어 또는 파이버상에 송풍된다. 양호한 실시예에서, 샘플 블록은 원통형 로드를 포함하지만, 임의의 적절한 형상이 사용될 수 있다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전 시, 샘플은 점성화되고, 인장력의 응력을 받고 균일하게 신장됨으로써 샘플 블록을 균일한 단면의 와이어 또는 파이버가 되도록 잡아 당겨진다.

도 7에 개략적으로 도시된 또 다른 실시예에서, 본 발명은 과냉각 액체의 열역학적 및 수송 특성을 측정하기 위한 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다. 이런 일 실시예에서, 샘플(52)은 두 개의 노 모양 형상 전극(53) 사이에서 압축 응력을 받고 홀드되는 한편, 열 화상 카메라(54)가 샘플상에 초점이 맞춰진다. 전기적 에너지가 방전될 때, 카메라가 작동되고, 샘플 블록은 동시에 차징된다. 샘플이 충분히 점성화된 이후, 전극들은 사전결정된 압력을 받고 함께 눌려져서 샘플을 변형시킨다. 카메라가 필요한 해상도와 속도를 가진다면, 동시적 가열 및 변형 과정은 일련의 열 화상들에 의해 포착될 수 있다. 이 데이터를 사용하면, 시간적, 열적 및 변형적 데이터가 시간, 온도 및 스트레인 데이터로 변환될 수 있는 한편, 입력 전력 및 부여된 압력이 내부 에너지 및 인가 응력으로 변환됨으로써, 온도 정보, 및 샘플의 온도 의존 점성, 열 용량 및 엔탈피 정보를 산출할 수 있다.

비록, 상술한 바가 다수의 예시적 성형 기술의 필수 특징에 초점을 두고 있지만, 압출 또는 다이 캐스팅과 같은 다른 성형 기술이 본 발명의 RCDF 방법과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 추가적 요소들이 최종 물품의 품질을 향상시키기 위해 이들 기술에 추가될 수 있다. 예로서, 상술한 성형 방법 중 임의의 것에 따라 성형된 물품의 표면 마감을 개선시키기 위해, 몰드 또는 스탬프가 비정질 재료의 유리 전이 온도 정도에 또는 그 바로 미만으로 가열될 수 있으며, 그에 의해 표면 결함들을 매끄럽게 할 수 있다. 또한, 더 양호한 표면 마감 또는 최종 형상 부품들을 갖는 물품을 달성하기 위해, 압축력, 및 사출 성형 기술의 경우에는 상술한 성형 기술들 중 임의의 것의 압축 속도가, 높은 "웨버수" 유동으로부터 발생하는 용융물 전두 불안정성(melt front instability)을 피하도록, 즉, 안개화(atomization), 스프레잉, 유동선(flow line)들 등을 방지하기 위해 제어될 수 있다.

상술한 RCDF 성형 기술들 및 대안 실시예들은 전자 장치들을 위한 케이싱들, 브라켓들, 하우징들, 체결구들, 힌지들, 하드웨어, 시계 구성요소들, 의료 부품들, 카메라 및 광학적 부품들, 장신구 등과 같은 소형의, 복합적, 최종 모양의, 고성능 금속 부품들의 생산에 적용될 수 있다. RCDF 방법은 RCDF 가열 및 사출 시스템과 협력하여 이용되는 여러가지 유형의 돌출 다이들을 통하여 동적으로 돌출될 수 있는 작은 시트들, 튜빙, 패널들, 기타 등등을 생산하는데 사용될 수 있다.

요약하면, 본 발명의 RCDF 기술은 광범위한 비정질 재료들의 급속 균일 가열을 가능하게 하면서 또한 비교적 저렴하고 에너지 효율적인 비정질 합금 성형 방법을 제공한다. RCDF 시스템의 이점들이 이하에서 매우 자세하게 기술된다.

급속 및 균일 가열은 열 가소성 가공성을 향상시킨다:

BMG의 열 가소성 몰딩 및 성형은 BMG가 그 유리 전이 온도(T_g)를 넘어서서 가열될 때 결정화하는 경향에 의해 극도로 제한된다. T_g를 넘어선 과냉각된 액체의 결정 형성 및 성장 속도는 액체의 점성이 떨어지는 한편으로 온도에 따라 급속히 증가한다. ~ 20C/분의 종래의 가열률들에서, BMG가 ΔT = 30 - 150℃ 만큼 T_g를 초과하는 온도로 가열될 때 결정화가 발생한다. 이 ΔT는 액체가 열 가소성 가공될 수 있는 최대 온도 및 최저 점성을 결정한다. 실제상, 점도는

보다 크고, 더 전형적으로는 심하게 최종 모양 성형을 제한하는

보다 크도록 제약된다. RCDF를 사용하면, 비정질 재료 샘플은

의 범위의 가열률들에서 (밀리초의 총 필요 가공 시간으로) 균일하게 가열되고 동시에 성형될 수 있다. 다음으로, 샘플은 훨씬 더 큰 ΔT로 및 그 결과 1 - 10⁴ Pa-s 범위의 훨씬 더 낮은 가공 점성으로 - 이는 플라스틱의 가공에 사용되는 점성의 범위임 -, 최종 형상으로 열 가소성 성형될 수 있다. 이는 훨씬 더 낮은 인가 부하들, 훨씬 더 짧은 사이클 시간들을 필요로 하며, 훨씬 더 나은 공구 수명을 낳는다.

RCDF 는 BMG 재료들의 훨씬 더 넓은 범위의 가공을 가능하게 한다:

ΔT의 극적인 팽창 및 수밀리초까지의 가공 시간의 극적 감소는 훨씬 다양한 유리 형성 합금이 가공될 수 있게 한다. 구체적으로, 작은 ΔT를 갖는 합금들, 또는 훨씬 고속의 결정화 속도 및 다음으로 훨씬 열악한 유리 형성 능력에 의한 합금들이 RCDF를 사용하여 처리될 수 있다. 예로서, Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu와 다른 저가의 금속들에 기초한 더 저렴하고 더 바람직했을 합금들이 작은 ΔT 및 강한 결정화 경향을 갖는 다소 열악한 유리 형성자들이다. 이들 "한계적 유리 형성(marginal glass forming)" 합금들은 기존의 방법 중 어느 것을 사용하더라도 열 가소성 가공될 수 없지만, 본 발명의 RCDF 방법으로는 쉽게 사용될 수 있다.

RCDF 는 매우 재료 효율적이다:

다이 캐스팅과 같은, 벌크 비정질 물품들을 형성하기 위해 지금까지 사용되는 종래의 프로세스는 캐스팅되는 부품의 체적을 훨씬 초과한 원료 재료 체적의 사용을 필요로 한다. 이는 캐스팅에 추가하여 다이의 전체 배출량 중에는 게이트들, 러너들, 스프루(또는 비스킷) 및 플래시가 포함되기 때문인데, 이들 모두는 다이 공동으로 향하는 용융된 금속 통과를 위해 필요한 것이다. 대조적으로, RCDF 배출된 양은 대부분의 경우에 그 부분만을 포함하고, 사출 성형 장치의 경우에 다이 캐스팅과 비교하여 더 짧은 러너 및 훨씬 얇은 비스킷을 포함할 뿐이다. 따라서, RCDF 방법은 비정질 금속 보석의 처리와 같은, 고 비용의 비정질 재료들의 처리를 수반하는 애플리케이션에 특히 매력적이다.

RCDF 는 극도로 에너지 효율적이다:

다이 캐스팅, 영구적 몰드 캐스팅, 인베스트먼트 캐스팅 및 금속 분말 사출 성형(PIM)과 같은 경쟁 제조 기술은 원래 훨씬 덜 에너지 효율적이다. RCDF에서, 소비되는 에너지는 원하는 가공 온도까지 샘플을 가열하기 위해 요구되는 것보다 단지 약간 크다. 고온 도가니들, RF 유도 용융 시스템 등은 필요하지 않다. 또한, 하나의 용기로부터 다른 용기로 용융된 합금을 부을 필요가 없으며 그에 의해 재료 오염 및 재료 손실의 가능성 및 요구되는 가공 단계를 감소시킨다.

RCDF 는 비교적 작고, 콤팩트하고, 쉽게 자동화되는 기술을 제공한다:

다른 제조 기술에 비해, RCDF 제조 장비는 작고, 콤팩트하고, 청정하고, 최소의 이동 부품들과 실질적으로 모든 "전자적" 프로세스를 가져서 자신을 자동화하는 것이 용이하게 된다.

환경 대기 제어가 불필요하다:

RCDF에 의해 샘플을 가공하기 위해 요구되는 밀리초 시간 규모는 주위 공기에 대한 가열된 샘플의 노출을 최소로 한다. 이 때문에, 프로세스는 긴 공기 노출이 용융된 금속 및 최종 부품의 극심한 산화를 발생시키는 기존의 가공 방법과는 반대로 대기 환경에서 수행될 수 있다.

예시적 실시예들

당업자는 본 발명에 따른 추가적 실시예들이 이상의 포괄적 개시의 범주 내에 있는 것으로 상정되며, 어떠한 권리 포기도 이상의 비제한적 예들에 의해 어떤 식으로든 의도되지 않았다는 것을 이해할 것이다.

예 1: 옴 가열의 연구

BMG에 대해 원통형 샘플에서의 옴 열 소산을 갖는 용량성 방전이 균일하고 급속한 샘플 가열을 제공한다는 기본적 원리를 예시하기 위해, 간단한 실험실 스폿 용접 기계가 예증 성형 공구로서 사용되었다. Unitek 1048 B 스폿 용접기 기계는 ~ 10μF의 커패시터에 100 줄까지의 에너지를 저장한다. 저장된 에너지는 정확하게 제어될 수 있다. RC 시상수는 100 μs 정도이다. 샘플 실린더를 가두기 위해, 두 개의 노 모양 형상 전극이 평탄한 평행 표면들을 구비한다. 스폿 용접 기계는 상부 전극에 ~ 80 뉴튼 힘까지의 축방향 부하의 인가를 허용하는 스프링 로딩된 상부 전극을 갖는다. 다음으로, 이는 ~ 20MPa 까지의 범위의 일정한 압축 응력이 샘플 실린더에 가해지도록 허용한다.

몇 개의 BMG 재료들의 작은 직원기둥들은 1-2 ㎜의 직경과 2-3 ㎜의 높이로 제조되었다. 샘플은 ~ 40 mg로부터 약 ~ 170 mg까지의 범위의 중량을 가지며, 특정 BMG의 유리 전이 온도를 충분히 초과하는

를 획득하도록 선택되었다. BMG 재료들은 각각 340C, 300 C과 ~430 C에서 유리 전이들(T_g)을 갖는, Zr-Ti 기제 BMG(비트렐로이 1, Zr-Ti-Ni-Cu-Be BMG), Pd 기제 BMG(Pd-Ni-Cu-P 합금), 및 Fe 기제 BMG(Fe-Cr-Mo-P-C)이다. 이들 금속성 유리 모두는

를 갖는다.

도 8a 내지 도 8d는 반경 2㎜과 높이 2㎜(8a)의 Pd 합금 실린더들에 대한 일련의 테스트들의 결과들을 보여준다. 합금의 비저항은

=190μΩ-cm이고, S ~ -1 x 10^-4(C^-1)이다. E = 50(8b), 75(8c) 및 100(8d) 줄의 에너지들이 커패시터 뱅크에 저장되었고 ~ 20MPa의 압축 응력을 받으며 홀드된 샘플에 방전되었다. BMG의 가소성 유동 정도는 가공된 샘플의 초기 및 최종 높이를 측정함으로써 정량화되었다. 샘플들이 가공 동안 구리 전극에 접합하는 것이 관찰되지 않았다는 것을 주목하는 것이 특히 중요하다. 이는 BMG와 비교해 구리의 높은 전기적 및 열적 전도성에 기인할 수 있다. 요약하면, 구리는 가공의 시간 규모(~ 밀리초) 동안 "용융된" BMG에 의한 습윤(wetting)을 가능하게 하기에 충분히 높은 온도에 전혀 도달하지 않는다. 또한, 전극 표면에 대한 손상이 거의 없거나 전혀 없다는 것을 주목하여야 한다. 최종 가공된 샘플들은 가공에 뒤이어 구리 전극으로부터 자유롭게 제거되었으며, 길이 규모 기준으로 도 9에 도시되어 있다.

샘플이 부하를 받고 변형됨에 따라 샘플에 발생되는 전체 압축 변형(compressive strain)을 결정하기 위해 초기 및 최종 실린더 높이가 사용되었다. 엔지니어링 "변형률(strain)"은

에 의해 주어지는데, H₀ 및 H는 각각 샘플 실린더의 초기(최종) 높이이다. 진 변형률(true strain)은 ln(H₀/H)에 의해 주어진다. 결과는 도 10에 방전 에너지에 대하여 그려졌다. 이들 결과는 진 변형률이 커패시터에 의해 방전된 에너지의 대략적 선형 증가 함수인 것으로 보인다는 것을 나타낸다.

이들 테스트 결과는 BMG 샘플 블랭크의 가소성 변형(plastic deformation)이 커패시터에 의해 방전된 에너지의 대응(well-defined) 함수라는 것을 나타낸다. 수십 회의 이런 유형의 테스트에 이어서, (주어진 샘플 기하 형상에 대한) 샘플의 가소성 유동은 도 10에 명확히 도시된 바와 같이 에너지 입력의 좋은 대응 함수라고 판정하는 것이 가능하다. 요약하면, RCDF 기술을 사용하여, 가소성 가공은 입력 에너지에 의해 정확하게 제어될 수 있다. 또한, 유동의 특성은 에너지 증가에 따라 정량적 및 정성적으로 변한다. ~ 80 뉴튼의 인가 압축 부하 하에서, 증가하는 E 에 따른 유동 거동의 명확한 진전이 관찰될 수 있다. 구체적으로, Pd 합금에 대하여, E = 50 줄에 대한 유동은 ln(H₀/H_F) ~1의 변형률로 한정된다. 이러한 유동은 비교적 안정적이지만, 또한 일부 전단 박화(shear thinning)(예를 들어, 비 뉴튼 유동 거동)의 증거가 있다. E = 75 줄에 대하여, ln(H₀/H_F) ~2 에 의해 더 강한 유동이 얻어진다. 이러한 체계에서, 유동은 뉴튼식이며 균질적이고, 매끄럽고 안정적인 용융물 전두가 "몰드"를 통해 이동한다. E=100 줄에 대해, 극초대 변형이 0.12 cm의 최종 샘플 두께 및 ~3의 진 변형률로 획득된다. 고 "웨버수" 유동의 유동 단절, 유동 라인들 및 액체 "스플래싱(splashing)" 특성의 명백한 증거가 존재한다. 요약하면, "몰드" 내에서 이동하는 안정 용융물 전두에서 불안정 용융물 전두로의 명백한 전이가 관찰될 수 있다. 따라서, RCDF를 사용하여, 가소성 유동의 정성적 속성 및 범위는 샘플에게 방전되는 에너지 및 인가된 부하의 간단한 조절에 의해 체계적으로 그리고 제어가능하게 가변될 수 있다.

예 2: 사출 성형 장치

다른 예에서, 워킹 프로토타입 RCDF 사출 성형 장치가 구성되었다. 장치의 개략도들은 도 11a 내지 도 11e에 제공된다. 성형 장치로 수행된 실험들은 이것이 1초 미만에서 몇 그램의 차지를 최종 형상 물품으로 사출 성형하는 데에 사용될 수 있다는 것을 입증한다. 도시된 시스템은 ~ 6 킬로 줄의 전기적 에너지를 저장하고 또한 작은 최종 형상 BMG 부품들을 제조하는 데에 사용되도록 ~100 MPa까지의 제어된 가공 압력을 가할 수 있다.

전체 기계는 몇 개의 독립적 시스템으로 구성되며, 이들은 전기 에너지 차지 생성 시스템, 제어된 프로세스 압력 시스템 및 몰드 조립체를 포함한다. 전기 에너지 차지 생성 시스템은 커패시터 뱅크, 전압 제어 패널 및 전압 콘트롤러를 포함하며, 이들 모두는 전기적 방전이 전극들을 통해 샘플 블랭크에 인가될 수 있는 식으로 전극들(64)과 전기적 리드들(62)의 세트를 통해 몰드 조립체(60)에 상호 접속된다. 제어된 프로세스 압력 시스템(66)은 공기 공급부, 피스톤 조정기 및 공압 피스톤을 포함하며, 이들 모두는 ~ 100 MPa까지의 제어된 공정 압력이 성형 동안 샘플에 인가될 수 있는 식으로 제어 회로를 통해 상호 접속된다. 마지막으로, 성형 장치는 또한 몰드 조립체(60)를 포함하며, 이는 추가로 상세히 후술되지만, 본 도면에서는 전극 플런저(68)가 완전 수축 위치에 있는 상태로 도시되어 있다.

전체 몰드 조립체는 도 11b의 더 큰 장치에서 제거된 것으로 보여진다. 도시된 바와 같이, 전체 몰드 조립체는 상부 및 저부 몰드 블록들(70a, 70b), 분할 몰드(split mold)의 상부 및 저부 부분들(72a, 72b), 몰드 카트리지 가열기들(76)에 전류를 나르기 위한 전기 리드들(74), 절연 스페이서(78), 및 본 도면에서 "완전 수축" 위치로 도시되어 있는 전극 플런저 조립체(68)를 포함한다.

도 11c 및 도 11d에 도시된 바와 같이, 작동 동안, 비정질 재료의 샘플 블록(80)은 분할 몰드(82)에 대한 게이트의 꼭대기에 있는 절연 슬리브(78) 내부에 위치되어 있다. 이 조립체 자체는 몰드 조립체(60)의 상부 블록(72a) 내에 위치된다. 전극 플런저(미도시)는 그 후 샘플 블록(80)과 접촉하여 위치되며, 제어된 압력이 공압 피스톤 조립체를 통해 가해진다.

일단 샘플 블록이 제 위치에 있고 전극과 포지티브 접촉 상태가 되면, 샘플 블록이 RCDF 방법을 통해 가열된다. 가열된 샘플은 점성화되고, 플런저의 압력을 받고 게이트(84)를 통해 몰드(72) 내로 제어가능하게 몰려 나오게 된다. 도 10e에 도시된 바와 같이, 본 예시적 실시예에서, 분할 몰드(60)는 링(86) 형상을 취한다. 본 발명의 예시적 RCDF 장치를 사용하여 형성된

비정질 재료로 이루어진 샘플 링들이 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있다.

본 실험은 본 발명의 RCDF 기술을 사용하여 복잡한 최종 형상 부품이 형성될 수 있다는 것의 증거를 제공한다. 비록, 몰드가 본 실시예에서 링 형상으로 형성되지만, 당업자는 본 기술이 전자 장치를 위한 케이싱, 브라켓, 하우징, 체결구, 힌지, 하드웨어, 시계 구성요소, 의료 부품들, 카메라 및 광학 부품, 보석류 등과 같은 작고 복잡한 최종 형상의 고 성능 금속 부품들을 포함하는 훨씬 다양한 물품에 마찬가지로 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

예 3: 강자성 금속성 유리들의 형성

간략하게 상기에 기술된 것처럼, 본 발명의 RCDF 방법은 결정화와 관련된 전형적 시간보다 훨씬 더 짧은 시간 규모로 금속성 유리 차지를 균일하게 가열하기 위해, 전류의 소산을 활용하여 다양한 금속성 유리들을 가열하고 성형하는 데에 사용될 수 있다.

이전에 논의된 것처럼, 가열을 통해서 균일한 온도를 유지하기 위해서, 전류의 소산은 금속성 유리 차지 전체에 걸쳐 균일하여야만 하고, 그러므로 가해지는 전계는 그것의 전체 단면에 걸쳐서 금속성 유리 차지에 침투해야만 한다. 전계 침투의 측도는 침투 깊이 Λ인데, 이는 전계가 외부적으로 가해지는 전계의 1/e만큼 강하하는 물질 내로의 거리로 규정되고, 좋은 도전체에 대해서 다음에 의해 주어진다:

여기서, τ은 전류 펄스의 상승과 관련된 시상수이고,

는 금속성 유리의 비저항이고, μο은 자유공간의 투자율이고, μ_Γ 는 금속성 유리의 비투자율이다. 설명된 것처럼, 균일한 가열을 달성하기 위해, 금속성 유리 차지의 치수들은 Λ 보다 훨씬 작아야 한다. RDHF에서 이용되는 전형적 방전 시간 τ_RC는 1ms 정도이다. 비자성 금속성 유리에 대한 약 200 μΩ-cm의 전형적 비저항과

의 비투자율을 이용하면, 침투 깊이는 약 40 ㎜일 것이다. 그러한 침투 깊이가 금속성 유리의 이용 가능한 유용 크기보다 훨씬 크기 때문에, 균일한 가열이 보장될 것이다. 그러나, 강자성 금속성 유리들은 통상적으로 훨씬 더 높은 비투자율(10²-10⁴ 의 μ_r)을 가져서 0.5 내지 5 ㎜의 범위의 침투 깊이 Λ를 낳는다. 따라서 이런 침투 깊이들은 금속성 유리 차지를 위한 유용한 크기들 내에 든다. 따라서, 비균일 가열이 1ms 정도의 종래 시간 규모들에서 작동하는 RCDF를 이용하여 강자성 유리들을 처리할 때 발생할 것이다.

따라서, 일 실시예에서, 본 발명은 펄스의 시간을 늘리고, 그에 따라 전류 펄스 τ의 상승과 관련된 시상수를 증가시키고, 결과적으로 침투 깊이 Λ를 증가시킴으로써 비자성 금속성 유리들의 가공에서 달성되는 것과 비교하여 비교적 큰 전자기 침투 깊이들을 달성하는 것을 지향하고 있다. 이것은 높은 비투자율을 가진 금속성 유리 합금들이 용량성 방전을 이용하여 균일하게 가열될 수 있게 할 것이다. 그러나, 펄스 상승 시간은 (일반적으로 강자성 유리들에 대해 0.1-1 초 사이임) 불충분하게 냉각된 액체 영역에서 최적 성형 온도로 금속성 유리를 결정화하는 것과 관련된 시간에 접근하지 않거나 초과하지 않아야 한다.

그와 같은 자성 금속성 유리들을 옴 가열하는 본 방법의 일 실시예에서, 용량성 방전의 펄스의 상승시간 τ는 길어지고, 따라서 금속성 유리 차지에 가해지는 주파수를 감소시키고, 침투 깊이 Λ을 증가시킨다. 직렬 RLC 회로를 위한 감쇠 인자는, R, L 및 C가 각각 회로의 저항, 인덕턴스 및 정전 용량인 경우에,

에 의해 주어진다. 침투 깊이는 다음과 같이 펄스 상승 시간을 연장시킴으로써 증가될 수 있다 :

시스템 응답이 네퍼 주파수에 의해 지배되면, 펄스 상승 시간은 τ= 2L/R 에 의해 결정된다. 그러므로, 침투 깊이는 추가적 인덕턴스를 회로에 도입함으로써 증가될 수 있다. 이것은 예를 들어 방전회로와 직렬로 와이어의 루프 또는 코일의 형태로 인덕터를 추가함으로써 달성될 수 있다.

시스템 응답이 각 진동수에 의해 지배되면, 펄스 상승 시간은

에 의해 결정된다. 그러므로, 침투 깊이는 회로에 추가적 인덕턴스 및/또는 추가적 정전 용량을 도입함으로써 증가될 수 있다. 이것은 예를 들어 방전회로와 직렬로 와이어의 루프 또는 코일의 형태로 인덕터를 추가함으로써, 및/또는 방전회로와 직렬로 추가적 커패시터들을 추가함으로써 달성될 수 있다.

침투 깊이는 또한 급속 방전이 취해지기 전에 금속성 유리 차지의 온도를 올림으로써 증가될 수 있다. 강자성 금속성 유리들의 경우에, 비투자율은 온도 증가에 따라 강하하고, 퀴리 온도를 넘는 온도에서 대략 1의 값들에 도달한다. 강자성 유리들의 퀴리 온도들은, 임의의 가소성 성형 또는 결정화가 발생하지 않고서 낮은 투자율 값들로의 사전 가열을 가능하게 하도록, 전형적으로는 그들의 유리 전이점 아래에 있다. 따라서, 일 실시예에서, 강자성 금속성 유리 차지는 퀴리 온도를 넘어서, 그러나 유리 전이 온도 아래까지의 온도로 상대적으로 느린 용량성 방전 펄스에 의해 가열되고, 이후 차순의 가열과 성형을 위한 급속 용량성 방전을 겪게 된다.

현재 실시예에 따라서 자성 금속성 유리를 성형하여 획득된 하나의 예시적 결과가 도 13 및 도 14에 도시된다. 강자성 유리의 성형시의 펄스 주파수(또는 펄스 상승 시간)의 효과는 디스크들을 형성하는 로드 형상의 차지의 성형을 연구함으로써 조사되었다. 직경이 4 ㎜이고 길이가 약 6 ㎜이며 강자성 유리 조성물

을 갖는 두 개의 비정질 로드가 차지로서 활용되었다. 그러한 차지의 예는 도 13a에 나타낸다. 약 3850 J/cc의 전기적 에너지 밀도는 양쪽 샘플들을 걸쳐서 방전되는 한편, 약 300 N의 압축력이 방전과 동시에 가해졌다. 샘플 A에 걸친 방전과 관련된 저항, 인덕턴스 및 정전 용량은 각각 방전 전압 V₀ = 105 v 일 때에 R = 3.6 mΩ, L = 2.4 μΗ과 C = 0.264 F 였다. 샘플 B에 걸친 방전과 관련된 저항, 정전 용량과 인덕턴스는 방전 전압 V₀ = 50 v 일 때 각각 R = 8.1 mΩ, L = 7.0 μΗ, 및 C = 0.792 F 였다. RLC 회로에 걸치는 전류 I 및 전하 q의 시간의존적인 방전을 지배하는 미분방정식들이 이하 주어진다:

초기 조건들은 I(t=0) = 0 및 q(t=0) = CV₀ 이다. 상기 미분방정식들의 세트는 (상기 주어진) 샘플들 A 및 B에 걸친 방전과 관련된 R, L, C 및 V₀ 값들에 대해 수치적으로 풀렸다. 각각의 샘플과 관련된 과도 전류 응답(transient current response)의 플롯은 도 13에 도시된다. 플롯에서 나타난 것처럼, 샘플 A에 걸친 방전과 관련된 전류 펄스는 약간 미급감쇠되고(underdamped), 다소 짧은 상승시간 τ(즉, 다소 높은 주파수)를 특징으로 한다. 대조적으로, 샘플 B에 걸친 방전과 관련된 전류 펄스는 다소 과감쇠(overdamped)인 것처럼 보이고, 다소 긴 상승시간 τ(즉, 다소 낮은 주파수)를 특징으로 한다.

샘플들 A 및 B의 최종적인 형상들이 도 14b 및 도 14c에 도시된다. 도 14b에서 나타난 것처럼, 더 작은 인덕턴스 및 정전 용량과 관련된 높은 주파수(짧은 상승시간 τ)는 대단히 비 균일한 모양 부분(샘플 A)을 낳게 되고; 대단히 비 균일한 가열의 결과는 침투 깊이가 차지 규모와 비교하여 작다는 것에 기인한다. 대조적으로, 도 14c에서 나타난 것처럼, 더 큰 인덕턴스 및 정전 용량과 관련된 낮은 주파수(긴 상승시간 τ)는 매우 균일한 디스크 형상 부분(샘플 B)을 낳게 되고; 매우 균일한 가열의 결과는 더 큰 침투 깊이와 관련된다. 비정질 차지에 대한 시차 열량법 주사들(differential calorimetry scans) 및 저 주파수 급속-용량성 방전에 의해 생성되는 성형된 디스크(샘플 B)가 도 15에 나타내어진다. 결정화의 엔탈피의 크기(곡선 아래의 면적)로부터 샘플 B의 성형된 디스크가 실질적으로 완전히 비정질이라는 것을 결론지을 수 있다.

균등론

당업자는 본 발명의 다양한 양호한 실시예의 상술한 예들 및 설명이 본 발명을 전체적으로 예시할 뿐이며, 본 발명의 단계들 및 다양한 구성요소들의 변동들이 본 발명의 사상 및 범주 내에서 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 예로서, 당업자에게는 추가적 가공 단계들 또는 대안적 구성들이 본 발명의 급속 커패시터 방전 성형 방법/장치의 개선된 특성에 영향을 주지 않으며 또한 이런 방법/장치가 그 의도된 목적에 부적합하게 되도록 하지도 않는다는 점이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 설명된 구체적 실시예들에 한정되지 않으며, 그보다는 첨부된 청구범위들의 범위에 의해 정의된다.

Claims (34)

1. 급속 커패시터 방전을 이용하여 자성 금속성 유리를 급속히 및 균일하게 가열시키는 방법으로서,
   균일한 단면을 갖는 금속성 유리 형성 합금으로 형성된 강자성 금속성 유리의 샘플을 제공하는 단계;
   전기 에너지의 정량(quantum)을 발생하고 방전할 수 있는 전기 에너지 원과 전기적 접촉하도록 상기 샘플을 배치시키는 단계;
   상기 샘플을, 상기 금속성 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속성 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 가공 온도까지 균일하게 가열시키기 위해 상기 샘플을 통해 상기 전기 에너지의 정량을 균일하게 방전하는 단계 - 상기 전기 에너지의 정량을 방전하는 것은 상기 샘플에서 전계를 생성하고, 상기 생성된 동적 전계의 전자기 침투 깊이(skin depth)는 상기 샘플의 반경, 폭, 두께 및 길이와 비교하여 크지만, 전류 펄스의 상승시간은 불충분하게 냉각된(undercooled) 액체 영역에서의 성형 온도로 상기 샘플을 결정화하는 데 필요한 시간을 초과하지 않음 -;
   상기 가열된 샘플이 상기 금속성 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속성 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 온도에 여전히 있는 동안 상기 가열된 샘플을 성형하기 위해 변형력을 가하는 단계; 및
   상기 금속성 유리의 유리 전이 온도 아래의 온도까지 상기 샘플을 냉각시키는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서, 상기 금속성 유리는 온도에 따라 증가하지 않는 비저항을 갖는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 샘플의 온도는 적어도 500 K/초의 속도로 증가되는 방법.
4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서, 상기 금속성 유리는

   

   이하의 단위 온도 변화 당 비저항의 상대적 변화(S), 및 실내 온도에서 80과 300 μΩ-cm 사이의 비저항(

   

   )을 가지는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지의 정량은 적어도 100 J 이고, 상기 전류 펄스의 상승시간은 1 ms와 100 ms 사이에 있는 방법.
6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서, 상기 가공 온도는 상기 금속성 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속성 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 중간인 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 가공 온도는 상기 가열된 샘플의 점도가 1 내지 10⁴ Pa-s가 되도록 하는 방법.
8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서, 상기 샘플은 무결함인 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 전류 펄스의 상승시간은 전기 회로의 인덕턴스를 증가시킴으로써 제어되는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 인덕턴스는 상기 샘플과 직렬로 인덕터를 추가함으로써 증가되는 방법.
11. 제1항에 있어서, 방전 시상수는 전기 회로의 정전 용량(capacitance)을 증가시킴으로써 제어되는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지의 정량을 방전하기 전에 상기 샘플을 퀴리 온도를 넘는 사전 가열 온도까지 사전 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 사전 가열 온도는 상기 퀴리 온도를 넘고, 상기 유리 전이 온도 아래인 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 사전 가열 프로세스는 용량성 방전 펄스를 이용하여 수행되는 방법.
15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항에 있어서, 상기 전기 에너지의 정량을 방전하는 단계는 상기 샘플의 대향 단부들에 접속된 적어도 2개의 전극을 통해 발생하는 방법.
16. 제1항에 있어서, 상기 가열된 샘플에 대한 변형력은 상기 전기 에너지의 방전이 완료된 후 가해지는 방법.
17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항에 있어서, 상기 변형력의 인가는 공압, 유압(hydraulic), 자성 또는 전기적 모션에 의한 전압/전류 검출을 수반하는 액추에이팅 메커니즘에 의해 제어되는 방법.
18. 강자성 금속성 유리를 급속히 가열시키기 위한 급속 커패시터 방전 장치로서,
    금속성 유리 형성 합금으로 형성된 금속성 유리의 샘플 - 상기 샘플은 균일한 단면을 가짐 -;
    전기 에너지 원;
    상기 금속성 유리의 샘플에 상기 전기 에너지 원을 상호 접속시키는 적어도 2개의 전극 - 상기 전극들은 접속들이 상기 전극들과 상기 샘플 사이에 형성되도록 상기 샘플에 부착됨 -;
    상기 샘플에 대한 성형 관계로 배치된 성형 공구 - 상기 전기 에너지 원은 상기 샘플을 상기 금속성 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속성 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 가공 온도까지 균일하게 가열시키기에 충분한 전기 에너지의 정량을 생성하고 방전할 수 있고, 상기 전기 에너지의 정량을 방전하는 것은 상기 샘플에서 전계를 생성하고, 상기 생성된 동적 전계의 전자기 침투 깊이는 상기 샘플의 반경, 폭, 두께 및 길이와 비교하여 크지만, 전류 펄스의 상승시간은 불충분하게 냉각된 액체 영역에서의 성형 온도로 상기 금속성 유리를 결정화하는 데 필요한 시간을 초과하지 않고, 상기 성형 공구는 상기 가열된 샘플을 최종 형상 물품으로 성형하기에 충분한 변형력을 가할 수 있음 -
    를 포함하는 급속 커패시터 방전 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 성형 공구는 사출 몰드, 동적 단조, 스탬프 단조 및 블로 몰드로 구성되는 그룹에서 선택되는 급속 커패시터 방전 장치.
20. 제18항에 있어서, 상기 성형 공구는 상기 전극들 중 적어도 하나로부터 적어도 부분적으로 형성되는 급속 커패시터 방전 장치.
21. 제18항에 있어서, 상기 성형 공구는 양호하게는 상기 금속성 유리의 유리 전이 온도 아래이고 또한 퀴리 온도를 넘는 온도까지 상기 공구를 가열시키기 위한 온도 제어된 가열 요소를 추가로 포함하는 급속 커패시터 방전 장치.
22. 청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제18항에 있어서, 상기 금속성 유리는 온도에 따라 증가하지 않는 비저항을 갖는 급속 커패시터 방전 장치.
23. 제18항에 있어서, 상기 샘플의 온도는 적어도 500 K/초의 속도로 증가되는 급속 커패시터 방전 장치.
24. 청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제18항에 있어서, 상기 금속성 유리는

    

    이하의 단위 온도 변화 당 비저항의 상대적 변화(S)와, 실내 온도에서 80과 300 μΩ-cm 사이의 비저항(

    

    )을 가지는 급속 커패시터 방전 장치.
25. 제18항에 있어서, 상기 전기 에너지의 정량은 적어도 100 J 이고 상기 전류 펄스의 상승시간은 1 ms와 100 ms 사이에 있는 급속 커패시터 방전 장치.
26. 청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제18항에 있어서, 상기 가공 온도는 상기 금속성 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속성 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 중간인 급속 커패시터 방전 장치.
27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제18항에 있어서, 상기 가공 온도는 상기 가열된 샘플의 점도가 1 내지 10⁴ Pas-sec 가 되도록 하는 급속 커패시터 방전 장치.
28. 청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제18항에 있어서, 상기 샘플은 무결함인 급속 커패시터 방전 장치.
29. 제18항에 있어서, 상기 전극 재료는 Cu, Ag 또는 Ni로 구성되는 그룹, 또는 Cu, Ag 또는 Ni 중 하나의 적어도 95 at%를 함유하는 합금에서 선택되는 급속 커패시터 방전 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 전류 펄스의 상승시간은 회로의 인덕턴스를 증가시킴으로써 변경되는 급속 커패시터 방전 장치.
31. 제30항에 있어서, 상기 방전 시상수는 상기 샘플과 직렬로 적어도 하나의 추가적 인덕터를 추가함으로써 변경되는 급속 커패시터 방전 장치.
32. 제29항에 있어서, 상기 방전 시상수는 회로의 정전 용량을 증가시킴으로써 변경되는 급속 커패시터 방전 장치.
33. 제18항에 있어서, 상기 전기 에너지 원은 상기 전기 에너지의 정량을 방전하기 전에 상기 샘플을 퀴리 온도를 넘는 사전 가열 온도까지 사전 가열하도록 구성된 사전 가열 방전을 공급하도록 추가로 구성되는 급속 커패시터 방전 장치.
34. 청구항 34은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제33항에 있어서, 상기 사전 가열 온도는 퀴리 온도를 넘고 유리 전이 온도 아래인 급속 커패시터 방전 장치.

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