KR101524583B1 - 급속 커패시터 방전에 의한 금속 유리의 시트 형성 - Google Patents

Abstract

급속 커패시터 방전 형성(RCDF) 공구를 사용하여 금속 유리를 균일하게 가열하고 유동학적으로 연화시키며 급속하게 최종 형상으로 열가소적으로 형성하는 장치 및 방법이 제공된다. RCDF 방법은 수 밀리초 이하의 시간 스케일로 금속 유리 합금의 샘플 또는 장입재(charge)를 비정질 물질의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 소정의 "공정 온도"로 균일하게 그리고 급속하게 가열하기 위해 커패시터에 저장된 전기 에너지의 방전을 이용한다. 샘플 블록 전체가 충분히 낮은 공정 점도를 갖도록 샘플이 균일하게 가열되면, 샘플은, 예를 들어, 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 시트 형성, 및 블로우 성형을 비롯한 다수의 기법을 통해 1초 미만의 시간 프레임으로 고품질 비정질 벌크 물품으로 성형될 수 있다.

Description

급속 커패시터 방전에 의한 금속 유리의 시트 형성{SHEET FORMING OF METTALIC GLASS BY RAPID CAPACITOR DISCHARGE}

본 발명은 일반적으로 금속 유리를 형성하는 새로운 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속 커패시터 방전 가열을 사용하여 금속 유리를 형성하는 공정에 관한 것이다.

용융 상태로부터 고강도, 탄성, 내식성 및 가공성의 독자적인 결합을 갖는 비정질 물질은 새로운 부류의 엔지니어링 물질이다. 비정질 물질은 그의 원자 구조가 종래의 결정질 합금의 원자 구조의 전형적인 장범위 규칙성 패턴(long-range ordered pattern)을 갖지 않는다는 점에서 종래의 결정질 합금과 상이하다. 비정질 물질은 일반적으로, 합금 결정의 핵생성 및 성장이 방지되도록, 결정질 상(crystalline phase)의 용융 온도(또는 열역학적 용융 온도) 초과로부터 비정질 상(amorphous phase)의 "유리 전이 온도" 미만으로 "충분히 빠른" 냉각 속도로 용융 합금을 냉각시킴으로써 가공되고 형성된다. 그에 따라, 비정질 합금의 가공 방법은 항상, 비정질 상의 형성을 보장하기 위해, "충분히 빠른 냉각 속도"("임계 냉각 속도"라고도 함)를 정량화하는 것에 관련되어 있다.

초기의 비정질 물질에 대한 "임계 냉각 속도"는 10⁶ ℃/sec 정도로 극히 높았다. 그에 따라, 종래의 주조 공정은 이러한 높은 냉각 속도에 적합하지 않았고, 용융 방사(melt spinning) 및 평면 흐름 주조(planar flow casting) 등의 특수 주조 공정이 개발되었다. 그 초기의 합금의 결정화 속도(crystallization kinetics)가 실질적으로 빠른 것으로 인해, 결정화를 피하기 위해 용융 합금으로부터의 열 추출에 극히 짧은 시간(10^-3초 이하 정도)이 필요하였고, 따라서 초기의 비정질 합금이 또한 적어도 하나의 차원에서 크기가 제한되었다. 예를 들어, 이들 종래의 기법을 사용하여 아주 얇은 포일 및 리본(두께가 25 마이크로미터 정도임)만이 성공적으로 생성되었다. 이들 비정질 합금에 대한 임계 냉각 속도 요건이 비정질 합금으로 제조되는 부품의 크기를 극히 제한하였기 때문에, 초기의 비정질 합금을 벌크 물체 및 물품으로서 사용하는 것이 제한되었다.

수년에 걸쳐, "임계 냉각 속도"가 비정질 합금의 화학 조성에 크게 의존하는 것으로 판정되었다. 그에 따라, 훨씬 더 낮은 임계 냉각 속도를 갖는 새로운 합금 조성을 개발하는 데 상당한 연구가 집중되었다. 이들 합금의 예는 미국 특허 제5,288,344호; 제5,368,659호; 제5,618,359호; 및 제5,735,975호에 주어져 있으며, 이들 특허 각각은 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함된다. 벌크 금속 유리(bulk-metallic glass 또는 BMG)라고도 하는 이들 비정질 합금계는 이전에 달성가능했던 것보다 훨씬 더 큰 벌크 비정질 상 물체의 가공 및 형성을 가능하게 해주는 수 ℃/second 정도로 낮은 임계 냉각 속도를 특징으로 한다.

낮은 "임계 냉각 속도" BMG가 이용가능함에 따라, 비정질 상을 갖는 벌크 물품을 형성하기 위해 종래의 주조 공정을 적용하는 것이 가능하게 되었다. 과거 수년에 걸쳐, LiquidMetal Technologies, Inc. 등의 다수의 회사가 BMG로부터 제조되는 최종 형상 금속 부품의 생산을 위한 상용 제조 기술을 개발하려고 노력하였다. 예를 들어, 영구 주형 금속 다이캐스팅 및 가열된 주형으로의 사출 성형 등의 제조 방법이 통상의 가전 제품(예컨대, 휴대폰 및 핸드헬드 무선 디바이스)에 대한 전자 케이스, 힌지, 체결구, 의료 기기 및 기타 고부가가치 제품 등의 상용 철물 및 부품을 제조하는 데 현재 사용되고 있다. 그렇지만, 앞서 논의한 바와 같이, 벌크 응고 비정질 합금이 응고 주조의 기본적인 단점에 대한, 특히 다이캐스팅 및 영구 주형 주조 공정에 대한 어떤 해결책을 제공하지만, 여전히 해결해야 할 문제가 있다. 다른 무엇보다도 더, 광범위한 합금 조성으로부터 이들 벌크 물체를 제조할 필요가 있다. 예를 들어, 큰 벌크 비정질 물체를 제조할 수 있는 큰 임계 주조 치수를 갖는 현재 이용가능한 BMG는 엔지니어링 또는 비용 측면에서 최적화될 필요가 없는 Ti, Ni, Cu, Al 및 Be가 첨가된 Zr-기반 합금 그리고 Ni, Cu, 및 P가 첨가된 Pd-기반 합금을 비롯한 아주 좁은 범위의 금속에 기초한 몇몇 합금 조성 그룹으로 제한되어 있다.

그에 부가하여, 현재의 가공 기술은 적절한 가공 조건이 생성되도록 하기 위해 많은 고가의 기계를 필요로 한다. 예를 들어, 대부분의 성형 공정은 고진공 또는 제어된 불활성 가스 환경, 도가니에서의 물질의 유도 용해, 샷 슬리브(shot sleeve)에의 금속의 주입, 그리고 샷 슬리브를 통한 꽤 정교한 주형 어셈블리의 탕구(gating) 및 캐비티 내로의 공압 사출(pneumatic injection)을 필요로 한다. 이들 수정된 다이캐스팅 기계는 대당 가격이 수십만 달러일 수 있다. 더욱이, 지금까지는 BMG를 가열하는 것이 이들 종래의 저속 열 공정을 통해 달성되었기 때문에, 벌크 응고 비정질 합금(bulk-solidifying amorphous alloy)을 가공 및 형성하는 종래 기술은 항상 용융 합금을 열역학적 용융 온도 초과로부터 유리 전이 온도 미만으로 냉각시키는 것에 집중되었다. 이 냉각은 단일 단계 단조 냉각 동작 또는 다단계 공정을 사용하여 실현되었다. 예를 들어, 용융 합금으로부터의 열 추출을 용이하게 하고 촉진시키기 위해 주변 온도에 있는 금속 주형(구리, 강철, 텅스텐, 몰리브덴, 그 합성물, 또는 기타 고전도성 물질로 이루어져 있음)이 이용된다. "임계 주조 치수(critical casting dimension)"가 임계 냉각 속도에 상관되어 있기 때문에, 이들 종래의 공정은 보다 광범위한 벌크 응고 비정질 합금의 보다 큰 벌크 물체 및 물품을 형성하는 데 적합하지 않다. 그에 부가하여, 특히 복잡한 고정밀도 부품의 제조에서, 충분한 합금 물질이 합금의 응고 이전에 다이 내로 유입되도록 하기 위해 용융 합금을 고속으로 그리고 고압 하에서 다이 내로 주입하는 것이 종종 필요하다. 고압 다이캐스팅 동작에서와 같이, 금속이 고압 하에서 그리고 고속으로 다이 내로 주입되기 때문에, 용융 금속의 유동은 레일리-테일러 불안정(Rayleigh-Taylor instability)을 겪기 쉽다. 이러한 유동 불안정은 높은 웨버 수(Weber number)를 특징으로 하며, 주조 부품에서 미관적 및 구조적 미세 결함처럼 보이는 돌출된 시임(seam) 및 셀(cell)의 형성을 야기하는 유동 선단(flow front)의 분열과 연관되어 있다. 또한, 유리화되지 않은 액체가 유리화된 금속의 솔리드 쉘(solid shell) 내부에 포획될 때, 다이캐스팅 주형의 중앙 라인을 따라 수축공(shrinkage cavity) 또는 공극을 형성하는 경향이 있다.

물질을 평형 용융점 초과로부터 유리 전이점 미만으로 급속하게 냉각시키는 것과 연관되어 있는 문제점을 해결하려는 시도는 대체로 과냉각 액체의 속도론적 안정성 및 점성 유동 특성을 이용하는 것에 집중되었다. 유리질 공급 원료를 유리가 점성 과냉각 액체로 완화되는 유리 전이점 초과로 가열하는 것, 과냉각 액체를 형성하기 위해 압력을 가하는 것, 및 이어서 결정화 이전에 유리 전이점 미만으로 냉각시키는 것을 포함하는 방법이 제안되었다. 이들 매력적인 방법은 본질적으로 플라스틱을 가공하는 데 사용되는 것과 아주 유사하다. 그렇지만, 극히 오랜 기간 동안 연화 전이점(softening transition) 초과에서 결정화에 대해 안정된 채로 있는 플라스틱과 달리, 금속 과냉각 액체는 유리 전이점에서 완화되면 꽤 급속하게 결정화된다. 그 결과, 금속 유리가 종래의 가열 속도(20 ℃/min)로 가열될 때 결정화에 대해 안정되어 있는 온도 범위가 꽤 작고(유리 전이점보다 50 내지 100 ℃ 더 높음), 그 범위 내에서의 액체 점도가 꽤 높다(10⁹ 내지 10⁷ Pa s). 이러한 높은 점도로 인해, 이 액체를 바람직한 형상으로 형성하는 데 필요한 압력이 엄청나고, 많은 금속 유리 합금의 경우, 종래의 고강도 설비(1 GPa 미만)에 의해 달성가능한 압력을 초과할 수 있을 것이다. 종래의 가열 속도로 상당히 높은 온도(유리 전이점보다 165 ℃ 더 높음)까지 가열될 때 결정화에 대해 안정되어 있는 금속 유리 합금이 최근에 개발되었다. 이들 합금의 예는 미국 특허 출원 제20080135138호 및 G. Duan 등의 논문(Advanced Materials, 19 (2007) 4272) 및 A. Wiest의 논문(Acta Materialia, 56 (2008) 2525-2630)(이들 각각은 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함됨)에 주어져 있다. 결정화에 대한 그의 높은 안정성으로 인해, 10⁵ Pa-s 정도로 낮은 공정 점도가 도달가능하게 되고, 이는 이들 합금이 종래의 금속 유리보다 과냉각 액체 상태에서의 가공에 더 적합하다는 것을 암시한다. 그렇지만, 이 점도는 통상적으로 10과 1000 Pa-s 사이의 범위에 있는 플라스틱의 가공 점도보다 여전히 상당히 더 높다. 이러한 낮은 점도를 달성하기 위해, 금속 유리 합금은 종래의 가열에 의해 가열될 때 결정화에 대해 훨씬 더 높은 안정성을 나타내어야만 하거나, 안정성의 온도 범위를 확대하게 될 종래와 다른 높은 가열 속도로 가열되어 공정 점도를 열가소성 수지를 가공하는 데 사용되는 값을 대표하는 값으로 낮추어야만 한다.

BMG를 성형에 충분한 온도까지 순간적으로 가열시킴으로써 앞서 논의한 문제점들 중 다수를 방지함과 동시에 성형될 수 있는 비정질 물질의 유형을 확장하는 방법을 생성하기 위해 몇몇 시도가 행해졌다. 예를 들어, 미국 특허 제4,115,682호 및 제5,005,456호 및 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)(이들 각각의 개시 내용은 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함됨)은 모두가 주울 가열을 사용하여 물질을 성형 온도까지 순간적으로 가열시키기 위해 비정질 물질의 고유의 전도 특성을 이용하고 있다. 그렇지만, 지금까지, 이들 기법은 이러한 피스들의 결합(즉, 스폿 용접) 또는 표면 특징부의 형성 등의 국소 형성만을 가능하게 해주기 위해 BMG 샘플의 국소 가열에 집중하였다. 이들 종래 기술의 방법 중 어느 것도 전역적 형성(global forming)을 수행할 수 있기 위해 BMG 시료 체적 전체를 균일하게 가열하는 방법에 대해 개시하고 있지 않다. 그 대신에, 이들 종래 기술의 방법 모두는 가열 동안의 온도 기울기를 예상하고 있으며, 이들 기울기가 국소 형성에 어떻게 영향을 끼칠 수 있을 것인지에 대해 논의하고 있다. 예를 들어, Yavari 등의 논문(Materials Research Society Symposium Proceedings, 644 (2001) L12-20-1)은 다음과 같이 기술하고 있다: "성형 중에 있는 BMG 시료의 외부 표면은, 성형 챔버에서 전극과 접촉하고 있든 주변 (불활성) 기체와 접촉하고 있든 간에, 내부보다 약간 더 차가울 것인데, 그 이유는 전류에 의해 발생된 열이 전도, 대류 또는 방사에 의해 샘플의 외부로 소산되기 때문이다. 한편, 전도, 대류 또는 방사에 의해 가열되는 샘플의 외부 표면은 내부보다 약간 더 뜨겁다. 이것은 본 방법에 중요한 이점인데, 그 이유는 금속 유리의 결정화 및/또는 산화가 종종 처음에 외부 표면 및 계면에서 시작되고, 이들이 벌크의 온도보다 약간 더 낮은 경우, 이러한 바람직하지 않은 표면 결정 형성이 보다 쉽게 회피될 수 있기 때문이다."

유리 전이점 초과의 결정화에 대한 BMG의 제한된 안정성이라는 다른 단점은 준안정 과냉각 액체의 전체 온도 범위에 걸쳐 열 용량 및 점도 등의 열역학적 및 전달 특성을 측정할 수 없다는 것이다. 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter), 열 기계 분석기(Thermo-Mechanical Analyzer), 및 쿠에트 점도계(Couette Viscometer) 등의 전형적인 측정 기기는 전기 및 유도 히터 등의 종래의 가열 수단에 의존하고, 따라서 종래의 것(전형적으로 100 ℃/min 미만)으로 간주되는 샘플 가열 속도를 달성할 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 금속 과냉각 액체는 종래의 가열 속도로 가열될 때 제한된 온도 범위에 걸쳐 결정화에 대해 안정되어 있을 수 있고, 따라서 측정가능한 열역학적 및 전달 특성이 도달가능한 온도 범위 내에 제한된다. 그 결과, 결정화에 대해 아주 안정되어 있고 그의 열역학적 및 전달 특성이 전체 준안정 범위에 걸쳐 측정가능한 중합체 및 유기 액체와 달리, 금속 과냉각 액체의 특성은 유리 전이점 바로 위 및 용융점 바로 아래의 좁은 온도 범위 내에서만 측정가능하다.

그에 따라, BMG 시료 체적 전체를 순간적으로 및 균일하게 가열하고 따라서 비정질 금속의 전역적 성형을 가능하게 해주는 새로운 접근 방법을 찾아낼 필요가 있다. 그에 부가하여, 과학적 관점에서, 또한 금속 과냉각 액체의 이들 열역학적 및 전달 특성을 이용하고 측정하는 새로운 접근 방법을 찾아낼 필요가 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 급속 커패시터 방전 가열(rapid capacitor discharge heating, RCDF)을 사용하여 비정질 물질을 성형하는 방법 및 장치가 제공된다.

일 실시예에서, 본 발명은 급속 커패시터 방전을 이용하여 비정질 물질을 급속히 가열하고 성형하는 방법에 관한 것이며, 여기서 샘플의 전체를 비정질 상의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 가공 온도로 급속하게 그리고 균일하게 가열하기 위해 실질적으로 균일한 단면을 갖는 실질적으로 결함이 없는 샘플에 걸쳐 균일하게 소량의 전기 에너지가 방전되고, 이와 동시에 샘플을 비정질 물품으로 성형하고 이어서 냉각시킨다. 한 이러한 실시예에서, 샘플은 바람직하게는 적어도 500 K/sec의 속도로 가공 온도로 가열된다. 다른 이러한 실시예에서, 성형하는 단계는, 예를 들어, 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조(stamp forging) 및 블로우 성형(blow molding) 등의 종래의 형성 기법을 사용한다.

다른 실시예에서, 약 1 x 10^-4 ℃^-1의 온도 변화 단위당 상대 저항률 변화(S)를 갖는 비정질 물질이 선택된다. 한 이러한 실시예에서, 비정질 물질은 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 원소 금속에 기초한 합금이다.

또 다른 실시예에서, 소량의 전기 에너지가 전기 에너지가 샘플 내로 균일하게 유입되도록 하는 방식으로 상기 샘플의 대향하는 단부에 연결되어 있는 적어도 2개의 전극을 통해 샘플 내로 방전된다. 한 이러한 실시예에서, 이 방법은 적어도 100 주울의 소량의 전기 에너지를 사용한다.

또 다른 실시예에서, 가공 온도가 비정질 물질의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 대략 중간이다. 한 이러한 실시예에서, 가공 온도는 비정질 물질의 유리 전이 온도보다 적어도 200 K 더 높다. 한 이러한 실시예에서, 가공 온도는 가열된 비정질 물질의 점도가 약 1 내지 10⁴ Pas-sec 사이이도록 되어 있다.

또 다른 실시예에서, 고 웨버 수(high Weber-number) 유동을 피하기에 충분히 낮은 속도로 샘플이 변형되도록 샘플을 성형하는 데 사용되는 형성 압력이 제어된다.

또 다른 실시예에서, 고 웨버 수 유동을 피하기에 충분히 낮은 속도로 샘플이 변형되도록 샘플을 성형하는 데 사용되는 변형 속도가 제어된다.

또 다른 실시예에서, 초기의 비정질 금속 샘플(공급 원료)는, 예를 들어, 원주(cylinder), 시트, 정사각형 및 직사각형 고체 등의 균일한 단면을 갖는 임의의 형상일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 비정질 금속 샘플의 접촉면은 전극 접촉면과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 평행하게 절단되고 편평하게 연마되어 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 비정질 물질을 성형하는 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다. 한 이러한 실시예에서, 비정질 물질의 샘플은 실질적으로 균일한 단면을 가진다. 다른 이러한 실시예에서, 적어도 2개의 전극은 전기 에너지의 공급원을 비정질 물질의 샘플에 연결시킨다. 이러한 실시예에서, 전극과 샘플 사이에 실질적으로 균일한 연결이 형성되도록 전극이 샘플에 부착되어 있다. 또 다른 이러한 실시예에서, 동적 전계의 전자기 표피 깊이는 장입재의 반경, 폭, 두께 및 길이에 비해 크다.

또 다른 실시예에서, 전극 물질이, 예를 들어, 구리, 은 또는 니켈, 또는 적어도 95 원자%의 구리, 은 또는 니켈을 갖게 형성된 합금 등의 낮은 항복 강도와 높은 전기 및 열 전도성을 갖는 금속으로 선택된다.

또 다른 실시예에서, 전극/샘플 계면에 전극의 접촉면을 가소적으로 변형시켜 샘플의 접촉면의 미시적 특징부와 정합하도록 하기 위해 전극과 초기 비정질 샘플 사이에 "장착" 압력이 가해진다.

또 다른 실시예에서, 전극의 접촉면에서 비정질 샘플의 임의의 비접촉 영역을 국소적으로 연화시키고 따라서 전극의 접촉면의 미시적 특징부와 정합하도록 하기 위해 전극과 초기 비정질 샘플 사이에 저전류 "장착" 전기 펄스가 인가된다.

장치의 또 다른 실시예에 따르면, 전기 에너지의 공급원은 샘플의 전체를 적어도 500 K/sec의 속도로 비정질 상의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융 온도 사이의 가공 온도로 균일하게 가열하기에 충분한 소량의 전기 에너지를 생성할 수 있다. 장치의 이러한 실시예에서, 열 전달 및 열 기울기의 발생을 회피하고 따라서 샘플의 균일한 가열을 촉진시키기 위해, 샘플이 단열적으로 가열되도록 하는 속도로 또는 환언하면 비정질 금속 샘플의 열 완화 속도보다 훨씬 더 높은 속도로 전기 에너지의 공급원이 방전된다.

장치의 또 다른 실시예에서, 이 장치에서 사용되는 성형 공구는 사출 주형, 동적 단조, 스탬프 단조 및 블로우 주형으로 이루어진 그룹 중에서 선택되고, 상기 가열된 샘플을 형성하기에 충분한 변형(deformational strain)을 가할 수 있다. 한 이러한 실시예에서, 성형 공구는 적어도 부분적으로 전극들 중 적어도 하나로부터 형성된다. 대안의 이러한 실시예에서, 성형 공구는 전극들에 독립적이다.

장치의 또 다른 실시예에서, 샘플에 변형력을 가하기 위해 공압 또는 자기 구동 시스템이 제공된다. 이러한 시스템에서, 가열된 비정질 물질이 고 웨버 수 유동을 피하기에 충분히 낮은 속도로 변형되도록 변형력 또는 변형 속도가 제어될 수 있다.

장치의 또 다른 실시예에서, 성형 공구는 공구를 바람직하게는 비정질 물질의 유리 전이 온도 근방의 온도로 가열하는 가열 요소를 추가로 포함하고 있다. 이러한 실시예에서, 형성된 액체의 표면은 보다 느리게 냉각될 것이고, 따라서 형성되는 물품의 표면 마감을 향상시킨다.

또 다른 실시예에서, 균일한 단면의 와이어 또는 섬유를 인발하기 위해 에너지의 방전 동안 적절히 고정되어 있는 샘플에 인장 변형력이 가해진다.

또 다른 실시예에서, 물질의 유동이 뉴턴 유동(Newtonian)이고 네킹(necking)에 의한 장애가 회피되도록 인장 변형력이 제어된다.

또 다른 실시예에서, 물질의 유동이 뉴턴 유동이고 네킹에 의한 장애가 회피되도록 인장 변형 속도가 제어된다.

또 다른 실시예에서, 유리 전이점 미만으로의 냉각을 용이하게 해주기 위해 인발된 와이어 또는 섬유에 저온 헬륨(cold helium)의 스트림이 송풍된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 과냉각 액체의 준안정성의 전체 범위에 걸쳐 그의 열역학적 및 전달 특성을 측정하는 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다. 한 이러한 실시예에서, 비정질 금속의 샘플의 균일한 가열 및 균일한 변형을 동시에 기록하기 위해 고해상도 및 고속 열 영상 카메라가 사용된다. 시간적, 열적 및 변형적 데이터가 시간, 온도 및 변형 데이터로 변환될 수 있는 반면, 입력 전력 및 가해진 압력이 내부 에너지 및 인가된 응력으로 변환될 수 있으며, 그로써 샘플의 온도, 온도 의존적 점도, 열 용량 및 엔탈피에 관한 정보를 생성한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 비정질 금속 시트를 급속하게 및/또는 균일하게 가열 및 형성하는 급속 커패시터 방전 장치 및/또는 방법에 관한 것이며, 이 장치 및 방법은

실질적으로 균일한 단면을 갖는 비정질 금속의 샘플;

전기 에너지의 공급원;

상기 전기 에너지의 공급원을 상기 비정질 물질의 샘플에 상호 연결시키는 적어도 2개의 전극 - 상기 전극과 상기 샘플 사이에 실질적으로 균일한 연결이 형성되도록 상기 전극이 상기 샘플에 부착되어 있음 -;

적어도 하나의 개구부 및 서로 평행하게 배열되어 있고 상기 캐비티의 외부에 그리고 개구부에 인접하여 배치되어 있는 적어도 하나의 롤러 쌍을 갖는 인클로저를 포함하는 시트 형성 공구를 포함하고,

상기 전기 에너지의 공급원은 상기 샘플의 전체를 비정질 물질의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 가공 온도로 급속하게 그리고 균일하게 가열하기에 충분한 소량의 전기 에너지를 방전할 수 있고, 상기 시트 형성 공구는 상기 가열된 샘플을 상기 개구부를 통해 그리고 적어도 하나의 롤러 쌍 사이로 배출하기에 충분한 압축력을 가할 수 있고, 롤러 쌍은 최종 형상 시트를 형성하기 위해 변형력을 가하도록 구성되어 있다.

한 이러한 실시예에서, 적어도 플런저의 외부 표면은 비전도성이다.

다른 이러한 실시예에서, 적어도 인클로저 및 적어도 하나의 롤러 쌍의 외부 표면은 비전도성이다.

또 다른 이러한 실시예에서, 적어도 2개의 롤러 쌍이 개구부로부터 다운스트림으로 직렬로 배열되어 있다. 이러한 실시예에서, 개구부에 인접하여 위치하는 롤러 쌍의 다운스트림에 있는 적어도 롤러 쌍의 외부 표면은 전도성이다. 또 다른 이러한 실시예에서, 전도성 롤러는 구리, 구리-베릴륨 합금, 황동 또는 강철로 이루어져 있다.

또 다른 이러한 실시예에서, 롤러는 하기의 식과 같이 되도록 속도 ω로 회전되고

여기서, (r)은 비정질 물질 샘플의 직경이고, (R)은 적어도 하나의 롤러 쌍의 각각의 롤러의 직경이며, (b)는 롤러들 사이의 거리이고, (D)는 비정질 물질의 열 확산율이며, (τ)는 비정질 물질이 가공 온도에서 결정화되는 시간이다.

또 다른 이러한 실시예에서, 롤러는 10과 10,000 rmp 사이의 속도로 회전한다.

또 다른 이러한 실시예에서, 적어도 하나의 롤러 쌍의 개개의 롤러 사이의 거리는 0.1과 1 mm 사이이다.

또 다른 이러한 실시예에서, 가열된 비정질 금속에 대한 압축력은 전기 에너지의 방전이 완료된 후에 가해진다. 한 이러한 실시예에서, 압축력의 인가는 공압, 유압, 자기 또는 전기 운동에 의한 전압/전류 감지를 포함하는 작동 메커니즘에 의해 제어된다.

본 설명은 본 발명의 예시적인 실시예로서 제시되고 본 발명의 범위의 완전한 언급으로서 해석되어서는 안되는 이하의 도면 및 데이터 그래프를 참조하면 보다 충분히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 형성 방법의 플로우차트.
도 2는 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 형성 방법의 예시적인 실시예의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 형성 방법의 다른 예시적인 실시예의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 형성 방법의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 형성 방법의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 급속 커패시터 방전 형성 방법의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도.
도 7은 본 발명에 따른, 열 영상 카메라과 결합된 급속 커패시터 방전 형성 방법의 예시적인 실시예의 개략도.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 형성 방법을 사용하여 획득된 실험 결과의 일련의 사진 영상을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 형성 방법을 사용하여 획득된 실험 결과의 사진 영상을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 형성 방법을 사용하여 획득된 실험 결과를 요약한 데이터 플롯을 나타낸 도면.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 예시적인 급속 커패시터 방전 장치의 일련의 개략도.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 내지 도 11e에 도시된 장치를 사용하여 제조된 성형된 물품의 사진 영상을 나타낸 도면.
도 13은 고속 오옴 가열에 기초하여 금속 유리를 시트 형성하는 예시적인 장치의 단면도(end view).
도 14는 고속 오옴 가열에 기초하여 금속 유리를 시트 형성하는 예시적인 장치의 등각 절취도.

본 발명은 금속 유리를 균일하게 가열하고, 유동학적으로 연화시키며, 주울 가열에 의해 압출 또는 성형 공구를 사용하여 급속하게(전형적으로 1초 미만의 가공 시간으로) 최종 형상 물품으로 열가소적으로 형성하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 이 방법은 수 밀리초 이하의 시간 스케일로 금속 유리 합금의 샘플 또는 장입재(charge)를 비정질 물질의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점 사이의 대략 중간에 있는 소정의 "공정 온도"로 균일하게 그리고 급속하게 가열하기 위해 커패시터에 저장된 전기 에너지(전형적으로 100 주울 내지 100 킬로주울)의 방전을 이용하며, 이후부터 급속 커패시터 방전 형성(RCDF)이라고 한다. 본 발명의 RCDF 공정은 금속 유리가, 냉동 액체인 것에 의해, 비교적 낮은 전기 저항률을 갖는다는 관찰로부터 시작하며, 그 결과 샘플이 전기 방전의 적절한 인가에 의해 단열적으로 가열되도록 하는 속도로 물질의 높은 방열 및 효율적이고 균일한 가열이 얻어질 수 있다.

BMG를 급속하게 그리고 균일하게 가열하는 것에 의해, RCDF 방법은 유리 전이 온도보다 실질적으로 더 높은 온도까지 결정화에 대한 과냉각 액체의 안정성을 확장하며, 그로써 샘플 체적 전체를 형성에 최적인 가공 점도와 연관되어 있는 상태로 되게 한다. RCDF 공정은 또한 준안정 과냉각 액체에 의해 제공되는 점도 범위 전체를 이용하는데, 그 이유는 이 범위가 안정된 결정질 상의 형성에 의해 더 이상 제한되지 않기 때문이다. 요약하면, 이 공정은 형성된 부품의 품질의 향상, 사용가능 부품의 수율 향상, 물질 및 가공 비용의 감소, 사용가능 BMG 물질의 범위 확장, 에너지 효율의 향상, 및 제조 기계의 자본 비용의 저하를 가능하게 해준다. 그에 부가하여, RCDF 방법에서 달성될 수 있는 순간적이고 균일한 가열로 인해, 액체 준안정성의 전체 범위에 걸친 열역학적 및 전달 특성이 측정될 수 있게 된다. 따라서, 온도 및 변형 측정 수단 등의 부가의 표준 수단을 급속 커패시터 방전 장치에 포함시킴으로써, 점도, 열 용량 및 엔탈피 등의 특성이 유리 전이점과 용융점 사이의 전체 온도 범위에서 측정될 수 있다.

본 발명의 RCDF 기법의 간단한 플로우차트가 도 1에 제공되어 있다. 도시된 바와 같이, 공정은 커패시터에 저장되어 있는 전기 에너지(전형적으로 100 주울 내지 100 킬로주울)를 금속 유리 합금의 샘플 블록 또는 장입재 내로 방전하는 것으로 시작한다. 본 발명에 따르면, 전기 에너지의 인가는 수 마이크로초 내지 수 밀리초 이하의 시간 스케일로 합금의 유리 전이 온도 초과의 소정의 "공정 온도"로, 보다 구체적으로는, 비정질 물질의 유리 전이 온도와 합금의 평형 용융점(T_g보다 ~200 내지 300 K 더 높음) 사이의 대략 중간인 가공 온도로 샘플을 급속하게 그리고 균일하게 가열하는 데 사용될 수 있고, 따라서 비정질 물질이 용이한 성형을 가능하게 해주기에 충분한 공정 점도(~1 내지 10⁴ Pas-s 이하)를 가진다.

샘플 블록 전체가 충분히 낮은 공정 점도를 갖도록 샘플이 균일하게 가열되면, 샘플은, 예를 들어, 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 블로우 성형 등을 비롯한 다수의 기법을 통해 고품질 비정질 벌크 물품으로 성형될 수 있다. 그렇지만, 금속 유리의 장입재를 성형할 수 있는 것은 장입재의 가열이 샘플 블록 전체에 걸쳐 급속하고 균일하도록 하는 것에 전적으로 의존하고 있다. 균일한 가열이 달성되지 않는 경우, 샘플은 그 대신에 국소 가열을 경험할 것이고, 이러한 국소 가열이, 예를 들어, 피스를 서로 결합 또는 스폿 용접하는 것 또는 샘플의 특정의 영역을 성형하는 것 등의 어떤 기법에는 유용할 수 있지만, 이러한 국소 가열은 샘플의 벌크 성형을 수행하는 데 사용된 적이 없고 또 사용될 수 없다. 마찬가지로, 샘플 가열이 충분히 급속하지 않는 경우(전형적으로 500 내지 10⁵ K/s 정도), 형성되는 물질이 그의 비정질 특성을 상실하거나 성형 기법이 우수한 가공 특성(즉, 결정화에 대한 과냉각 액체의 높은 안정성)을 갖는 그 비정질 물질로 제한될 것이며, 다시 말하지만 공정의 유용성을 감소시킨다.

본 발명의 RCDF 방법은 샘플의 급속하고 균일한 가열을 보장해준다. 그렇지만, RCDF를 사용하여 금속 유리 샘플의 급속하고 균일한 가열을 달성하는 데 필요한 기준을 이해하기 위해, 금속 물질의 주울 가열이 어떻게 행해지는지에 대해 먼저 이해할 필요가 있다. 금속의 전기 저항률의 온도 의존성은 온도 변화 계수 단위당 상대 저항률 변화(S)에 의해 양자화될 수 있고, 여기서 S는 수학식 1과 같이 정의되고:

여기서 S는 단위가 (1/℃)이고,

는 실온 T_o에서의 금속의 저항률(단위: Ohm-cm)이며,

는 선형이도록 취해지는 실온에서의 저항률의 온도 미분(단위: Ohm-cm/C)이다. 전형적인 비정질 물질은 큰

를 가지지만, 아주 작은(종종 마이너스) S 값(-1 x 10^-4 < S < +1 x 10^-4)을 가진다.

비정질 합금에서 발견되는 작은 S 값에 대해, 균일한 전류 밀도로 되는 균일한 단면의 샘플이 공간에서 균일하게 오옴 가열될 것이고, 샘플은 주변 온도 T₀로부터 최종 온도 T_F로 급속하게 가열될 것이고, 이 최종 온도는 수학식 2에 의해 주어지는 커패시터의 총 에너지:

및 샘플 장입재의 총 열 용량 Cs(단위: 주울/C)에 의존한다. T_F는 수학식 3에 의해 주어질 것이다:

차례로, 가열 시간은 용량 방전(capacitive discharge)의 시상수

에 의해 결정될 것이다. 여기서, R은 샘플의 총 저항 + 용량 방전 회로의 출력 저항이다. 그에 따라, 이론적으로는, 금속 유리에 대한 전형적인 가열 속도는 수학식 4에 의해 주어질 수 있다:

이와 달리, 통상의 결정질 금속은 훨씬 더 낮은

및 훨씬 더 높은 S 값(~0.01 내지 0.1)을 가진다. 이것은 상당한 거동 차이를 가져온다. 예를 들어, 구리 합금, 알루미늄 또는 강철 합금 등의 통상의 결정질 금속에 대해,

는 훨씬 더 작은(1 내지 20 μΩ-cm) 반면, S는 훨씬 더 크다(전형적으로 S는 ~0.01 내지 0.1임). 결정질 금속의

값이 작을수록 (전극과 비교하여) 샘플에서의 방열이 작을 것이며, 샘플에 대한 커패시터의 에너지의 결합이 덜 효율적으로 된다. 게다가, 결정질 금속이 용융될 때,

는 고체 금속으로부터 용융 금속으로 감에 따라 일반적으로 2배 이상만큼 증가한다. 큰 S 값은, 통상의 결정질 금속의 용융 시의 저항률의 증가와 함께, 균일한 전류 밀도에서 극도로 불균일한 오옴 가열을 가져온다. 결정질 샘플은, 전형적으로 고전압 전극 또는 샘플 내의 다른 계면 근방에서, 언제나 국소적으로 용융될 것이다. 차례로, 결정질 로드를 통한 커패시터 에너지 방전은 초기 저항이 가장 큰 곳은 어디라도(전형적으로 계면에서) 공간적 가열 국소화 및 국소 용융을 가져온다. 실제로, 이것은 결정질 금속의 용량 방전 용접(스폿 용접, 돌기 용접, "스터드 용접" 등)의 기초이고, 여기서 국소 용융 풀(melt pool)이 용접될 부품 내의 전극/샘플 계면 또는 다른 내부 계면 근방에 생성된다.

배경 기술에서 논의한 바와 같이, 종래 기술의 시스템은 또한 비정질 물질의 본질적인 전도 특성을 알고 있었지만, 샘플의 전체의 균일한 가열을 보장해주기 위해, 가열 샘플 내에서의 에너지 소모의 공간적 불균일의 동적 발생을 방지할 필요가 있다는 것은 지금까지 알지 못하였다. 본 발명의 RCDF 방법은 이러한 불균일의 발생을 방지하기 위해 그리고 장입재의 균일한 가열을 보장하기 위해 충족되어야만 하는 다음과 같은 2가지 기준을 기술하고 있다:

- 샘플 내에서의 전류의 균일성; 및

- 동적 가열 동안 전력 소모의 불균일의 발생에 대한 샘플의 안정성.

이들 기준이 비교적 간단한 것처럼 보이지만, 이들은 가열 동안 사용되는 전기 전하, 샘플에 대해 사용되는 물질, 샘플의 형상, 및 전하를 유입시키는 데 사용되는 전극과 샘플 자체 사이의 계면에 다수의 물리적 및 기술적 제약을 가한다. 예를 들어, 길이 L 및 면적 A= πR²(R = 샘플 반경)의 원주형 장입재(cylindrical charge)에 대해, 다음과 같은 요건이 존재할 것이다.

용량 방전 동안 원주 내의 전류의 균일성은 동적 전계의 전자기 표피 깊이 Λ가 샘플의 관련 차원 특성(반경, 길이, 폭 또는 두께)에 비해 클 것을 필요로 한다. 원주의 예에서, 관련 특성 치수는 명백하게도 장입재의 반경 및 깊이(R 및 L)일 것이다. 이 조건은

> R, L일 때 만족된다. 여기서, τ는 커패시터 및 샘플 시스템의 "RC" 시상수이고,

(Henry/m)은 자유 공간의 유전율이다. R 및 L이 ~1cm인 경우, 이것은 τ > 10 내지 100 μs임을 암시한다. 전형적인 관심의 치수 및 비정질 합금의 저항률의 값을 사용하여, 이것은 적당한 크기의 커패시터(전형적으로 ~10,000 μF 이상의 커패시턴스)를 필요로 한다.

전류에 의한 오옴 "주울" 가열 및 푸리에 방정식에 의해 규제되는 열 흐름을 포함하는 안정성 분석을 수행함으로써, 동적 가열 동안 전력 소모의 불균일의 발생에 대한 샘플의 안정성이 이해될 수 있다. 온도에 따라 증가하는 저항률(즉, 플러스 S)을 갖는 샘플의 경우, 샘플 원주의 축을 따른 국소 온도 변동은 국소 가열을 증가시킬 것이고, 이는 또한 국소 저항 및 열 발산을 증가시킨다. 충분히 높은 전력 입력에 대해, 이것은 원주를 따라 가열의 '국소화"를 가져온다. 결정질 물질의 경우, 그 결과 국소 용융이 일어난다. 이 거동이 구성요소 사이의 계면을 따라 국소 용융을 생성하기를 원하는 용접에는 유용한 반면, 이 거동은 비정질 물질을 균일하게 가열하고자 하는 경우 극히 바람직하지 않다. 본 발명은 균일한 가열을 보장하기 위한 중요한 기준을 제공한다. 앞서 정의된 바와 같은 S를 사용하여, 수학식 5일 때 가열이 균일해야만 한다는 것을 알았으며:

여기서, D는 비정질 물질의 열 확산율(m²/s)이고, Cs는 샘플의 총 열 용량이며, R₀는 샘플의 총 저항이다. 금속 유리를 대표하는 D 및 C_S의 값을 사용하여, 본 발명에 전형적으로 요구되는 길이(L ~1cm) 및 입력 전력(I²R₀ ~10⁶ 와트)을 가정하면, ~10^-4 내지 10^-5인 S_crit를 얻는 것이 가능하다. 균일한 가열을 위한 이 기준은 많은 금속 유리에 대해 만족되어야만 한다(상기 S 값 참조). 상세하게는, 많은 금속 유리는 0 미만의 S를 가진다. 이러한 물질(즉, 0 미만의 S를 갖는 물질)은 가열 균일성을 위한 이 요건을 항상 만족시킬 것이다. 이 조건을 만족시키는 예시적인 물질은 미국 특허 제5,288,344호; 제5,368,659호; 제5,618,359호; 및 제5,735,975호(그 개시 내용이 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함됨)에 기재되어 있다.

인가되는 전하 및 사용되는 비정질 물질의 기본적인 물리적 기준 이외에, 전하가 가능한 한 샘플에 균등하게 적용되도록 하기 위한 기술적 요건도 있다. 예를 들어, 샘플이 실질적으로 결함이 없고 균일한 단면으로 형성되는 것이 중요하다. 이들 조건이 만족되지 않는 경우, 열이 샘플에 걸쳐 균등하게 소산되지 않을 것이고 국소 가열이 발생할 것이다. 구체적으로는, 샘플 블록에 불연속 또는 결함이 있는 경우, 앞서 논의한 물리적 상수(즉, D 및 C_s)는 그 지점들에서 상이하게 될 것이고, 차등 가열 속도를 야기할 것이다. 그에 부가하여, 샘플의 열적 특성이 또한 물품의 치수(즉, L)에 의존하기 때문에, 물품의 단면이 변하는 경우, 샘플 블록을 따라 국소화된 과열점이 있을 것이다. 더욱이, 샘플 접촉면이 적절히 편평하지 않고 평행하지 않은 경우, 전극/샘플 계면에 계면 접촉 저항이 존재할 것이다. 그에 따라, 일 실시예에서, 실질적으로 결함이 없고 실질적으로 균일한 단면을 갖도록 샘플 블록이 형성된다. 샘플 블록의 단면이 균일해야만 하지만, 이 요건이 만족되는 한, 블록의 형상에 부과되는 본질적인 제약이 없다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들어, 블록은 시트, 블록, 원주 등과 같은 임의의 적당한 기하학적으로 균일한 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 샘플 접촉면은 전극과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 평행하게 절단되고 편평하게 연마되어 있다.

그에 부가하여, 전극과 샘플 사이에 계면 접촉 저항이 나타나지 않는 것이 중요하다. 이것을 달성하기 위해, 전극/샘플 계면은 전기 전하가 균등하게(즉, 균일한 밀도로) 적용됨으로써 계면에 "과열점"이 발생하지 않도록 설계되어야만 한다. 예를 들어, 전극의 상이한 부분이 샘플과의 차등 전도성 접점을 제공하는 경우, 초기 저항이 가장 큰 곳이라면 아무데나 공간적 가열 국소화 및 국소 용융이 일어날 것이다. 이는 차례로 국소 용융 풀이 전극/샘플 계면 또는 샘플 내의 다른 내부 계면 근방에 생성되는 경우 방전 용접을 야기할 것이다. 균일한 전류 밀도의 이 요건을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에서, 샘플과의 양호한 접촉을 보장하기 위해 전극이 편평하게 연마되거나 평행하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전극이 연질 금속으로 이루어져 있고, 계면에서 전극 좌굴 강도가 아니라 전극 물질 항복 강도를 초과하는 균일한 "장착" 압력이 가해지며, 따라서 전극은 아직 좌굴되지 않은 계면 전체에 대해 플러스 압력이 가해지고, 계면에서의 임의의 비접촉 영역이 가소적으로 변형된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 전극의 접촉면에서의 비정질 샘플의 임의의 비접촉 영역의 온도를 비정질 물질의 유리 전이 온도보다 약간 높게 상승시키기에 간신히 충분한 균일한 저에너지 "장착" 펄스가 인가되고, 따라서 비정질 샘플이 전극의 접촉면의 미시적 특징부에 정합할 수 있게 된다. 그에 부가하여, 또 다른 실시예에서, 플러스 및 마이너스 전극이 샘플을 통해 대칭적 전류 경로를 제공하도록 전극이 위치하는다. 전극 물질에 적합한 일부 금속은 Cu, Ag 및 Ni, 그리고 실질적으로 Cu, Ag 및 Ni로 이루어진(즉, 적어도 95 원자%의 이들 물질을 함유하는) 합금이다.

마지막으로, 전기 에너지가 샘플 내로 균일하게 성공적으로 방전되기만 하면, 보다 차가운 주변 및 전극 쪽으로의 열 전달이 효과적으로 회피되는 경우(즉, 단열 가열이 달성되는 경우), 샘플은 균일하게 가열될 것이다. 단열 가열 조건을 발생하기 위해서는, 열 전달로 인한 열 기울기가 샘플에 나타나지 않도록 하기 위해 dT/dt가 충분히 높아야만 하거나

가 충분히 작아야만 한다. 이 기준을 정량화하기 위해,

의 크기가 하기의 식에 의해 주어지는 비정질 금속 샘플의 열 완화 시간

보다 상당히 더 작아야만 하고:

<수학식 5>

여기서, k_s 및 c_s는 비정질 금속의 열 전도율 및 비열용량(specific heat capacity)이고, R은 비정질 금속 샘플의 특성 길이 스케일(즉, 원주형 샘플의 반경)이다. Zr-기반 유리에 대한 대략적인 값을 나타내는 k_s[~10 W/(m K)] 및 c_s[~5x10⁶ J/(m³ K)], 그리고 R(~1 x 10^-3 m)을 취하면, ~0.5 s인

가 얻어진다. 따라서, 균일한 가열을 보장하기 위해 0.5 s보다 상당히 더 작은

를 갖는 커패시터가 사용되어야만 한다.

성형 방법 자체로 돌아가서, 본 발명의 RCDF 방법에 따른 예시적인 성형 공구의 개략도가 도 2에 제공되어 있다. 도시된 바와 같이, 기본적인 RCDF 성형 공구는 전기 에너지의 공급원(10) 및 2개의 전극(12)을 포함하고 있다. 전극은, 균일한 가열을 보장하기 위해, 충분히 낮은 S_crit 값 및 충분히 높은 큰

값을 갖는 비정질 물질로 이루어진 균일한 단면의 샘플 블록(14)에 균일한 전기 에너지를 인가하는 데 사용된다. 수 밀리초 이하의 시간 스케일로 샘플을 합금의 유리 전이 온도 초과의 소정의 "공정 온도"로 균일하게 가열하기 위해 균일한 전기 에너지가 사용된다. 이와 같이 형성된 점성 액체가 1초 미만의 시간 스케일로 물품을 형성하기 위해, 예를 들어, 사출 성형, 동적 단조, 스탬프 단조, 블로우 성형 등을 비롯한 바람직한 성형 방법에 따라 동시에 성형된다.

예를 들어, 10 μs 내지 10 밀리초의 방전 시상수를 갖는 커패시터 등의 샘플 블록을 소정의 공정 온도로 급속하게 그리고 균일하게 가열하기 위해 균일한 밀도의 충분한 에너지를 공급하기에 적합한 임의의 전기 에너지 공급원이 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 그에 부가하여, 샘플 블록에 걸쳐 균일한 접촉을 제공하기에 적합한 임의의 전극이 전기 에너지를 전송하는 데 사용될 수 있다. 논의된 바와 같이, 한 바람직한 실시예에서, 전극은, 예를 들어, Ni, Ag, Cu, 또는 적어도 95 원자%의 Ni, Ag 및 Cu를 사용하여 이루어진 합금 등의 연질 금속으로 형성되어 있고, 샘플 블록의 접촉면의 미시적 특징부와 정합하기 위해 전극/샘플 계면에서 전극의 접촉면을 가소적으로 변형하기에 충분한 압력 하에서 샘플 블록에 대해 보유되어 있다.

상기 논의가 일반적으로 RCDF 방법에 집중되어 있지만, 본 발명은 또한 비정질 물질의 샘플 블록을 성형하는 장치에 관한 것이다. 도 2에 개략적으로 도시된 한 바람직한 실시예에서, 사출 성형 장치가 RCDF 방법에 포함될 수 있다. 이러한 실시예에서, 가열된 비정질 물질의 점성 액체가 금속 유리의 최종 형상 구성요소를 형성하기 위해 기계적으로 로딩된 플런저를 사용하여 주변 온도에 보유된 주형 캐비티(18)에 주입된다. 도 2에 예시된 방법의 예에서, 장입재가 전기적으로 절연된 "배럴" 또는 "샷 슬리브"에 위치되어 있고, 높은 전기 전도율 및 열 전도율 둘 다를 갖는 전도성 물질(구리 또는 은 등)로 이루어진 원주형 플런저에 의해 주입 압력(전형적으로 1 내지 100 MPa)으로 사전 로딩된다. 플런저는 시스템의 한 전극으로서 역할한다. 샘플 장입재는 전기적으로 접지된 기부 전극 상에 놓여 있다. 앞서 논의한 특정의 기준이 만족되기만 하면, 커패시터의 저장된 에너지가 균일하게 원주형 금속 유리 샘플 장입재 내로 방전된다. 로딩된 플런저는 이어서 가열된 점성 멜트(viscous melt)를 최종 형상 주형 캐비티 내로 밀어넣는다.

사출 성형 기법이 이상에서 논의되고 있지만, 임의의 적당한 성형 기법이 사용될 수 있다. RCDF 기법에 따라 사용될 수 있는 다른 성형 방법의 어떤 대안의 예시적인 실시예는 도 3 내지 도 5에 제공되어 있으며, 이하에서 논의된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 동적 단조 성형 방법이 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전극(22)의 샘플 접촉 부분(20)은 그 자체가 다이 공구를 형성할 것이다. 이 실시예에서, 저온 샘플 블록(24)이 압축 응력 하에서 전극들 사이에 보유될 것이고, 전기 에너지가 방전될 때, 샘플 블록은 전극들이 소정의 응력 하에서 서로 압착될 수 있도록 충분히 점성을 가지게 될 것이며, 그로써 샘플 블록의 비정질 물질을 다이(20)의 형상에 정합시킬 것이다.

도 4에 개략적으로 도시된 다른 실시예에서, 스탬프 형태 형성 방법이 제안되어 있다. 이 실시예에서, 전극(30)은 샘플 블록(32)의 어느 한쪽 단부를 전극들 사이에 클램핑하거나 다른 방식으로 보유할 것이다. 도시된 개략도에서, 비정질 물질의 얇은 시트가 사용되고 있지만, 이 기법이 임의의 적당한 샘플 형상에 대해 동작하도록 수정될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 샘플 블록을 통해 전기 에너지를 방전할 시에, 도시된 바와 같이, 대향하는 주형 또는 스탬프 면(36)을 포함하는 형성 공구 또는 스탬프(34)는 그들 사이에 보유되어 있는 샘플의 부분에 대한 소정의 압축력에 의해 서로 합쳐질 것이고, 그로써 샘플 블록을 최종적인 원하는 형상으로 스탬핑한다.

도 5에 개략적으로 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 블로우 주형 형성 기법이 사용될 수 있다. 다시 말하지만, 이 실시예에서, 전극(40)은 샘플 블록(42)의 어느 한쪽 단부를 전극들 사이에 클램핑하거나 다른 방식으로 보유할 것이다. 바람직한 실시예에서, 샘플 블록은 얇은 물질 시트를 포함할 것이지만, 임의의 적당한 형상이 사용될 수 있다. 그의 초기 형상에 관계없이, 예시적인 기법에서, 샘플 블록은 실질적으로 기밀 밀봉부(air-tight seal)를 형성하기 위해 주형(45) 상의 프레임(44)에 위치될 것이며, 따라서 블록의 대향 측면(46 및 48)(즉, 주형 쪽으로 향해 있는 측면 및 주형으로부터 먼쪽으로 향해 있는 측면)이 차등 압력(즉, 플러스 기체 압력 또는 마이너스 진공)에 노출될 수 있다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방출 시에, 샘플은 점성을 가지게 되고 차등 압력의 응력 하에서 주형의 윤곽선에 정합하도록 변형되며, 그로써 샘플 블록을 최종적인 원하는 형상으로 형성한다.

도 6에 개략적으로 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 섬유 인발 기법이 사용될 수 있다. 다시 말하지만, 이 실시예에서, 전극(49)은 샘플의 어느 한쪽 단부 근방에서 샘플 블록(50)과 양호하게 접촉할 것인 반면, 샘플의 어느 한쪽 단부에 인장력이 가해질 것이다. 유리 전이점 미만으로의 냉각을 용이하게 해주기 위해 인발된 와이어 또는 섬유에 저온 헬륨(cold helium)의 스트림(51)이 송풍된다. 바람직한 실시예에서, 샘플 블록은 원주형 로드(cylindrical rod)를 포함할 것이지만, 임의의 적당한 형상이 사용될 수 있다. 샘플 블록을 통한 전기 에너지의 방전 시에, 샘플은 점성을 가지게 되고, 인장력의 응력 하에서 균일하게 신장되고, 그로써 샘플 블록을 균일한 단면의 와이어 또는 섬유로 인발한다.

도 7에 개략적으로 도시된 또 다른 실시예에서, 본 발명은 과냉각 액체의 열역학적 및 전달 특성을 측정하는 급속 커패시터 방전 장치에 관한 것이다. 한 이러한 실시예에서, 샘플(52)은 압축 응력 하에서 2개의 패들 형상의 전극(53) 사이에 보유될 것인 반면, 열 영상 카메라(54)가 샘플에 초점이 맞춰져 있다. 전기 에너지가 방전될 때, 카메라는 활성화될 것이고, 이와 동시에 샘플 블록이 대전될 것이다. 샘플이 충분히 점성을 가지게 된 후에, 샘플을 변형시키기 위해 전극들이 소정의 압력 하에서 서로 압착될 것이다. 카메라가 요구된 해상도 및 속도를 가지기만 하면, 동시 가열 및 변형 공정이 일련의 열 영상에 의해 포착될 수 있다. 이 데이터를 사용하여, 시간적, 열적 및 변형적 데이터가 시간, 온도 및 변형 데이터로 변환될 수 있는 반면, 입력 전력 및 가해진 압력이 내부 에너지 및 인가된 응력으로 변환될 수 있으며, 그로써 샘플의 온도, 온도 의존적 점도, 열 용량 및 엔탈피에 관한 정보를 생성한다.

이상의 논의가 다수의 예시적인 형성 기법의 본질적인 특징에 집중되어 있지만, 압출 또는 다이캐스팅 등의 다른 형성 기법이 본 발명의 RCDF 방법에서 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 더욱이, 최종 물품의 품질을 향상시키기 위해 부가의 요소가 이들 기법에 부가될 수 있다. 예를 들어, 상기 형성 방법들 중 임의의 것에 따라 형성된 물품의 표면 마감을 향상시키기 위해, 주형 또는 스탬프가 비정질 물질의 유리 전이 온도 부근으로 또는 그 바로 아래로 가열될 수 있고, 그로써 표면 결함을 평탄화시킨다. 그에 부가하여, 보다 나은 표면 마감 또는 최종 형상 부품을 갖는 물품을 달성하기 위해, 상기 성형 기법들 중 임의의 것의 압축력, 및, 사출 성형 기법의 경우에, 높은 "웨버 수" 유동으로부터 발생하는 멜트 선단 불안정성을 피하기 위해, 즉 원자화, 분사, 유동 라인 등을 방지하기 위해 압축 속도가 제어될 수 있다.

앞서 논의한 RCDF 성형 기법 및 대안의 실시예는 전자 제품의 케이스, 브래킷, 하우징, 체결구, 힌지, 철물, 시계 구성요소, 의료 구성요소, 카메라 및 광학 부품, 보석 등과 같은 작고 복잡한 최종 형상의 고성능 금속 구성요소의 제조에 적용될 수 있다. RCDF 방법은 또한 RCDF 가열 및 사출 시스템과 함께 사용되는 다양한 유형의 압출 다이를 통해 동적으로 압출될 수 있는 소형 시트, 튜브, 패널 등을 제조하는 데 사용될 수 있다.

요약하면, 본 발명의 RCDF 기법은 비교적 저렴하고 에너지 효율적인 광범위한 비정질 물질의 급속 균일 가열을 가능하게 해주는 비정질 합금을 형성하는 방법을 제공한다. RCDF 시스템의 이점에 대해 이하에서 더 상세히 기술한다.

- 급속한 그리고 균일한 가열은 열가소적 가공성을 향상시킨다:

BMG의 열가소적 성형 및 형성은, 그의 유리 전이 온도 T_g 초과로 가열될 때, BMG의 결정화 경향에 의해 심각하게 제한된다. T_g 초과의 과냉각 액체에서의 결정 형성 및 성장의 속도가 온도에 따라 급속하게 증가하는 반면, 액체의 점도는 떨어진다. ~20 C/min인 종래의 가열 속도에서, BMG가 T_g를 ΔT = 30 내지 150 ℃만큼 초과하는 온도로 가열될 때 결정화가 일어난다. 이 ΔT는 액체가 열가소적으로 가공될 수 있는 최대 온도 및 최저 점도를 결정한다. 실제로는, 점도는 ~10⁴ Pa-s, 보다 전형적으로는 10⁵ 내지 10⁷ Pa-s 초과로 제약되며, 이는 최종 형상 형성을 심각하게 제한한다. RCDF를 사용하여, 비정질 물질 샘플이 10⁴ 내지 10⁷ C/s의 범위에 있는 가열 속도로 균일하게 가열되고 그와 동시에 형성될 수 있다(필요한 총 가공 시간이 수 밀리초임). 차례로, 샘플은 훨씬 더 큰 ΔT로, 그 결과 플라스틱의 가공에서 사용되는 점도의 범위인 1 내지 10⁴ Pa-s의 범위에 있는 훨씬 더 낮은 가공 점도로 최종 형상으로 열가소적으로 형성될 수 있다. 이것은 훨씬 더 낮은 인가된 로드, 보다 짧은 사이클 시간을 필요로 하며, 그 결과 훨씬 더 나은 공구 수명이 얻어질 것이다.

- RCDF는 훨씬 더 광범위한 BMG 물질의 가공을 가능하게 해준다:

ΔT의 극적인 확대 및 가공 시간의 수 밀리초로의 극적인 감소는 훨씬 더 다양한 유리 형성 합금이 가공될 수 있게 해준다. 구체적으로는, 작은 ΔT를 갖는 합금, 또는 훨씬 더 빠른 결정화 속도, 따라서 훨씬 더 좋지 않은 유리 형성 능력을 갖는 합금이 RCDF를 사용하여 가공될 수 있다. 예를 들어, Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu와 다른 저렴한 금속에 기초한 보다 저렴하고 다른 방식으로 더 바람직한 합금은 작은 ΔT 및 강한 결정화 경향을 갖는 그다지 좋지 않은 유리 형성제이다. 이들 "한계 유리 형성" 합금은 현재 실시되는 방법들 중 어느 것을 사용하더라도 열가소적으로 가공될 수 없지만, 본 발명의 RCDF 방법에서는 용이하게 사용될 수 있을 것이다.

- RCDF는 아주 물질 효율적이다:

다이캐스팅 등의 벌크 비정질 물품을 형성하는 데 현재 사용되고 있는 종래의 공정은 주조되는 부품의 체적을 훨씬 초과하는 공급 원료 물질 체적의 사용을 필요로 한다. 이러한 이유는 다이의 분출된 내용물 전체가, 주조 이외에, 주입구(gate), 탕도(runner), 탕구(sprue)[또는 비스킷(biscuit)], 및 플래시(flash) - 이들 모두는 다이 캐비티 쪽으로의 용융 금속 통과에 필요함 - 를 포함하기 때문이다. 이와 달리, RCDF 분출된 내용물은, 대부분의 경우에, 부품만을 포함할 것이며, 사출 성형 장치의 경우에, 다이캐스팅에 비해 보다 짧은 탕도 및 보다 가는 비스킷을 포함할 것이다. 따라서, RCDF 방법은 비정질 금속 보석의 가공 등의 고가의 비정질 물질의 가공을 수반하는 응용에 특히 매력적일 것이다.

- RCDF는 아주 에너지 효율적이다:

다이캐스팅, 영구 주형 주조, 정밀 주조(investment casting) 및 금속 분말 사출 성형(PIM) 등의 경쟁하는 제조 기술은 본질적으로 훨씬 덜 에너지 효율적이다. RCDF에서, 소비되는 에너지는 샘플을 원하는 공정 온도로 가열하는 데 필요한 것보다 약간 더 많을 뿐이다. 고온 도가니, RF 유도 용해 시스템 등이 필요하지 않다. 게다가, 용융 합금을 한 용기로부터 다른 용기로 부을 필요가 없고, 그로써 필요한 공정 단계 그리고 물질 오염 및 물질 손실의 가능성을 감소시킨다.

- RCDF는 비교적 작고 콤팩트하며 용이하게 자동화되는 기술을 제공한다:

다른 제조 기술과 비교하여, RCDF 제조 장비는 작고, 콤팩트하며, 깨끗할 것이고, 최소한의 가동 부품으로 용이하게 자동화되고 본질적으로 완전히 "전자적인" 공정으로 될 것이다.

- 주변 대기 제어가 필요하지 않다:

RCDF에 의해 샘플을 가공하는 데 필요한 밀리초 시간 스케일에 의해 가열된 샘플의 주변 공기에의 노출이 최소로 될 것이다. 그에 따라, 이 공정은 오랫동안의 공기 노출이 용융 금속 및 최종 부품의 심각한 산화를 가져오는 현재의 공정 방법과 달리 주변 환경에서 수행될 수 있을 것이다.

예시적인 실시예

기술 분야의 당업자라면 본 발명에 따른 부가의 실시예가 상기 일반적인 개시 내용의 범위 내에 있는 것으로 생각된다는 것과, 이상의 비제한적인 예에 의해 결코 권리 포기가 의도되어 있지 않다는 것을 잘 알 것이다.

예 1: 오옴 가열의 연구

BMG에 대해 원주형 샘플에서의 오옴 열 발산과 함께 용량 방전이 균일하고 급속한 샘플 가열을 제공한다는 기본 원리를 설명하기 위해, 간단한 실험실 스폿 용접 기계가 시범 성형 공구로서 사용되었다. Unitek 1048 B 스폿 용접기라고 하는 기계는 ~10 μF의 커패시터에 최대 100 주울의 에너지를 저장할 것이다. 저장된 에너지는 정확하게 제어될 수 있다. RC 시상수는 100 μs 정도이다. 샘플 원주를 한정하기 위해, 2개의 패들 형상의 전극이 편평한 평행 표면을 구비하였다. 스폿 용접 기계는 최대 ~80 뉴턴의 힘의 축방향 하중을 상부 전극에 가하는 것을 가능하게 해주는 스프링 장착 상부 전극을 갖는다. 이것은, 차례로, ~20 MPa에 이르는 일정한 압축 응력이 샘플 원주에 가해질 수 있게 해준다.

몇몇 BMG 물질의 작은 직원주(right circular cylinder)가 1 내지 2 mm의 직경 및 2 내지 3 mm의 높이로 제조되었다. 샘플 질량은 ~40 mg 내지 ~170 mg의 범위에 있었고, 특정의 BMG의 유리 전이 온도보다 훨씬 높은 T_F를 획득하도록 선택되었다. BMG 물질은, 각각, 340C, 300C, 및 ~430C의 유리 전이점(T_g)을 갖는 Zr-Ti 기반 BMG(Vitreloy 1, Zr-Ti-Ni-Cu-Be BMG), Pd 기반 BMG(Pd-Ni-Cu-P 합금), 및 Fe 기반 BMG(Fe-Cr-Mo-P-C)였다. 이들 금속 유리 모두는 S가 ~-1 x 10^-4 << S_crit이다.

도 8a 내지 도 8d는 반경 2mm 및 높이 2mm의 Pd 합금 원주(도 8a)에 대한 일련의 테스트의 결과를 나타낸 것이다. 합금의 저항률은

이고, S는 ~-1 x 10^-4 (C^-1)이다. E = 50 주울(도 8b), 75 주울(도 8c), 및 100 주울(도 8d)의 에너지가 커패시터 뱅크에 저장되었다가 ~20 MPa의 압축 응력 하에 보유된 샘플 내로 방전되었다. BMG의 소성 유동(plastic flow)의 정도는 가공된 샘플의 초기 및 최종 높이를 측정함으로써 정량화되었다. 샘플이 가공 동안 구리 전극에 접합하는 것으로 관찰되지 않는다는 것에 주목하는 것이 특히 중요하다. 이것은 BMG와 비교하여 구리의 높은 전기 및 열 전도율로 인한 것일 수 있다. 요약하면, 구리는 가공의 시간 스케일(~수 밀리초) 동안 "용융된" BMG에 의한 습윤(wetting)을 가능하게 해줄 정도로 충분히 높은 온도에 결코 도달하지 않는다. 게다가, 유의할 점은, 전극 표면에 대한 손상이 거의 또는 전혀 없다는 것이다. 최종적인 가공된 샘플이 가공 후에 구리 전극으로부터 자유롭게 제거되었고, 길이 스케일 기준과 함께 도 9에 나타내어져 있다.

샘플이 하중 하에서 변형될 때 샘플에 나타난 총 압축 변형을 구하기 위해 초기 및 최종 원주 높이가 사용되었다. 엔지니어링 "변형"은 H₀/H에 의해 주어지며, 여기서 H₀ 및 H는, 각각, 샘플 원주의 초기 및 최종 높이이다. 진변형률(true strain)은 ln(H₀/H)에 의해 주어진다. 결과가 도 10에서 방전 에너지에 대해 플롯되어 있다. 이들 결과는 진변형률이 커패시터에 의해 방전된 에너지의 대략적인 선형 증가 함수인 것처럼 보인다는 것을 나타내었다.

이들 테스트 결과는 BMG 샘플 블랭크(sample blank)의 소성 변형이 커패시터에 의해 방전된 에너지의 잘 정의된 함수라는 것을 나타낸다. 이러한 유형의 수십 번의 테스트 후에, (주어진 샘플 기하 형태에 대한) 샘플의 소성 유동이 에너지 입력의 아주 잘 정의된 함수라고 판정하는 것이 가능하며, 이는 도 10에 명백히 나타내어져 있다. 요약하면, RCDF 기법을 사용하여, 소성 가공이 입력 에너지에 의해 정확하게 제어될 수 있다. 더욱이, 에너지의 증가에 따라 유동의 특성이 정성적으로 및 정량적으로 변한다. ~80 뉴턴의 인가된 압축 하중 하에서, E의 증가에 따른 유동 거동의 명백한 발전이 관찰될 수 있다. 구체적으로는, Pd 합금의 경우, E=50 주울에 대한 유동이 ~1의 ln(H₀/H_F)으로 제한된다. 유동은 비교적 안정적이지만, 얼마간의 전단 담화(shear thinning)(예컨대, 비뉴턴적 유동 거동)의 증거도 있다. E=75 주울의 경우, ~2의 ln(H₀/H_F)를 갖는 보다 광대한 유동이 얻어진다. 이 상황에서는, 유동이 뉴턴적이고 균일하며, 매끄럽고 안정적인 멜트 선단이 "주형"을 통해 이동한다. E=100 주울의 경우, 0.12 cm의 최종 샘플 두께 및 ~3의 진변형률을 갖는 아주 큰 변형이 얻어진다. 높은 "웨버 수" 유동의 유동 분열, 유동 라인 및 액체 "튐(splashing)" 특성의 명백한 증거가 있다. 요약하면, "주형"에서 이동하는 안정된 멜트 선단으로부터 불안정한 멜트 선단으로의 명백한 전이가 관찰될 수 있다. 그에 따라, RCDF를 사용하여, 소성 유동의 정성적 특성 및 범위가, 샘플에 가해지는 하중 및 샘플로 방전되는 에너지의 간단한 조절에 의해, 체계적이고 제어가능하게 변화될 수 있다.

예 2: 사출 성형 장치

다른 예에서, RCDF 사출 성형 장치의 시제품이 제작되었다. 장치의 개략도가 도 11a 내지 도 11e에 제공되어 있다. 성형 장치로 수행된 실험은 이 장치가 수 그램의 장입재를 1초 미만 내에 최종 형상 물품으로 사출 성형하는 데 사용될 수 있다는 것을 입증하였다. 도시된 시스템은 ~6 킬로주울의 전기 에너지를 저장할 수 있고 작은 최종 형상 BMG 부품을 제조하는 데 사용될 최대 ~100 MPa의 제어된 공정 압력을 가할 수 있다.

전체 기계는 전기 에너지 전하 발생 시스템, 제어된 공정 압력 시스템, 및 주형 어셈블리를 비롯한 몇개의 독립적인 시스템으로 이루어져 있다. 전기 에너지 전하 발생 시스템은 커패시터 뱅크, 전압 제어 패널 및 전압 제어기를 포함하고, 이들 모두는 전극을 통해 샘플 블랭크에 전기 방전이 인가될 수 있도록 일련의 전기 리드(62) 및 전극(64)를 통해 주형 어셈블리(60)에 상호 연결되어 있다. 제어된 공정 압력 시스템(66)은 공기 공급 장치, 피스톤 레귤레이터(piston regulator) 및 공압 피스톤을 포함하며, 이들 모두는 최대 ~100 MPa의 제어된 공정 압력이 성형 동안 샘플에 가해질 수 있도록 제어 회로를 통해 상호 연결되어 있다. 마지막으로, 성형 장치는 또한 이하에서 더 상세히 기술하게 될 것이지만 이 도면에서 완전히 후퇴된 위치에 있는 전극 플런저(68)와 함께 도시되어 있는 주형 어셈블리(60)를 포함하고 있다.

전체 주형 어셈블리는 도 11b에서 보다 큰 장치로부터 제거되어 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전체 주형 어셈블리는 상부 및 하부 주형 블록(70a 및 70b), 분할형 주형의 상부 및 하부 부분(72a 및 72b), 주형 카트리지 히터(76)로 전류를 전달하는 전기 리드(74), 절연 스페이서(78), 및 이 도면에서 "완전히 눌러진" 위치에 도시되어 있는 전극 플런저 어셈블리(68)를 포함하고 있다.

도 11c 및 도 11d에 도시된 바와 같이, 동작 동안, 비정질 물질의 샘플 블록(80)은 분할형 주형(82)에의 주입구 상부의 절연 슬리브(78) 내에 위치해 있다. 이 어셈블리는 그 자체가 주형 어셈블리(60)의 상부 블록(72a) 내에 위치해 있다. 전극 플런저(도시 생략)는 이어서 샘플 블록(80)과 접촉하게 위치되고, 제어된 압력이 공압 피스톤 어셈블리를 통해 가해진다.

샘플 블록이 제 위치에 있고 전극과 확실한 접촉 상태에 있게 되면, 샘플 블록은 RCDF 방법을 통해 가열된다. 가열된 샘플은 점성이 있게 되고, 플런저의 압력 하에서, 제어가능하게 주입구(84)를 통해 주형(72) 내로 밀려 들어간다. 도 11e에 도시된 바와 같이, 이 예시적인 실시예에서, 분할형 주형(60)은 링(86)의 형태를 취한다. 본 발명의 예시적인 RCDF 장치를 사용하여 형성된 Pd₄₃Ni₁₀Cu₂₇P₂₀ 비정질 물질로 이루어진 샘플 링이 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있다.

이 실험은 복잡한 최종 형상 부품이 본 발명의 RCDF 기법을 사용하여 형성될 수 있다는 증거를 제공한다. 이 실시예에서 주형이 링의 형상으로 형성되어 있지만, 기술 분야의 당업자라면 이 기법이 전자 제품의 케이스, 브래킷, 하우징, 체결구, 힌지, 철물, 시계 구성요소, 의료 구성요소, 카메라 및 광학 부품, 보석 등과 같은 작고 복잡한 최종 형상의 고성능 금속 구성요소를 비롯한 아주 다양한 물품에 똑같이 적용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

예 3: 시트 형성 장치

이상에서 간략히 기술한 바와 같이, 본 발명의 RCDF 방법은 금속 유리 시트를 형성하는 데 사용될 수 있다. "캘린더링(calendering)"이라고 하는 공정인 중합체 물질의 시트 형성은 100 내지 10000 Pa-s의 범위에 있는 점도에 도달하기 위해 중합체를 연화시키는 것을 포함하고, 이어서 멜트가 시트 형상으로 형성되고 그와 동시에 냉각되어 재유리화되도록 하는 방식으로 회전 롤러 쌍[트윈 롤러(twin roller)](일련의 회전 롤러 쌍)을 통해 멜트에 힘을 가한다. 캘린더링 공정은, 종래의 가열에 의해, 캘린더링 공정의 시간 스케일로 결정화 없이 100 내지 10000 Pa-s의 범위에 있는 점도를 특징으로 하는 과냉각 액체 상태에 도달하는 중합체 물질의 능력에 의존한다. 한편, 금속 유리는 종래의 가열에 의해 이러한 점도 범위의 과냉각 액체 상태에 도달할 수 없는데, 그 이유는 금속 유리에서의 그 상태가 결정화에 대하 아주 불안정하기 때문이다. 그 결과, 금속 유리는, 종래의 가열에 의해 가열될 때, 표준의 캘린더링 조건 하에서, 예컨대, 플라스틱의 캘린더링 공정에서 사용되는 점도, 압력 및 변형 속도에서 가공될 수 없다.

미국 특허 출원 제12/409,253호는 금속 유리 공급 원료가 공급 원료를, 예를 들어, 커패시터를 방전시키는 것에 의해 공급 원료에 걸쳐 전달되는 소량의 전기 에너지를 사용하여 급속하게 그리고 균일하게 가열함으로써 이러한 점도 범위의 과냉각 액체 상태에 도달할 수 있는 방법을 개시하고 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 급속 방전 가열 방법에 기초한 시트 형성 장치가 개시되어 있다. 이 예시적인 실시예에 의해, 플라스틱의 캘린더링에서 사용되는 조건 하에서 금속 유리 시트의 형성이 수행될 수 있다.

예시적인 시트 형성 어셈블리의 개략도가 도 13 및 도 14에 제시되어 있다. 어셈블리(100)는 바람직하게는 기계 가공용 세라믹(machinable ceramic) 등의 절연 물질로 이루어진 다이 인클로저(102)를 포함하고 있으며, 여기서 금속 유리 공급 원료(104)는 원하는 시트 단면(직사각형 단면 등)의 개구부(106)의 끝에 보유되어 있다. 비록 단지 하나의 직사각형 개구부가 도시되어 있지만, 임의의 원하는 단면의 개구부를 갖는 다수의 개구부가 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

금속 유리 공급 원료의 2개의 단부가, 소량의 전기 에너지를 일정 기간에 걸쳐 금속 유리 공급 원료에 전달하는 전기 회로 디바이스(도시 생략)에 연결되어 있는 바람직하게는 구리로 이루어진 전기 전도성 전극(108)에 부착된다. 앞서 기술한 바와 같이, 전기 회로 디바이스는 바람직하게는 적어도 실리콘 제어 정류기에 직렬로 연결되어 있는 커패시터 뱅크를 포함하고 있으며, 소량의 전기 에너지를 수 밀리초의 시간 스케일로 금속 유리 공급 원료에 전달할 수 있다. 다이 인클로저 내에서, 다시 말하지만 바람직하게는 기계 가공용 세라믹 등의 절연 물질로 이루어진 플런저(110)는 수백 뉴턴 정도의 압축력을 금속 유리 공급 원료에 가한다. 인클로저 밖에서 그리고 인클로저 개구부 옆에, 일련의 트윈 롤러 세트(112 및 114)가 주어진 속도로 회전하고 있다. 제1 트윈 롤러 세트(112)는 바람직하게는 기계 가공용 세라믹 등의 절연 물질로 이루어진 반면, 모든 후속 세트(114)는 바람직하게는 황동 등의 높은 열 전도성 물질로 이루어져 있다. 트윈 롤러 세트에서의 2개의 롤러 사이의 거리는 전형적으로 수백 마이크로미터 정도인 시트의 바람직한 두께에 따라 설정된다.

이하에서 상세히 설명될 것인 바와 같이, 롤러가 회전하는 속도는 형성된 시트가 유리 전이점 미만으로 냉각되고 완전히 비정질일 채로 있도록 하는 데 중요하다. 열 확산율 D를 갖는 금속 유리가 유리 전이점과 용융점 사이의 가공 온도 T로 가열되고 T에서의 결정화가 어떤 특성 시간 τ에 일어나는 것으로 생각하여, 롤러 회전 속도 ω(단위: rpm)는 수학식 6에 의한 범위 내에 있고:

여기서, r은 금속 유리 초기 로드 공급 원료의 직경이고, R은 롤러의 직경이며, b는 롤러와 롤러 사이의 거리(즉, 시트의 유효 두께)이다. 한 예시적인 실시예에서, D = 5 x 10^-5 m²/s이고, τ = 0.1 s이며, b = 5 x 10^-4 m이고, r = 0.005 m이며, R = 0.1 m이다. 그러면 롤러 회전 속도는 하기의 식의 범위 내에 있다:

150 [rpm] < ω < 3000 [rpm]

본 발명의 RCDF 시트 형성 장치의 구성요소에 대해 임의의 적당한 물질이 사용될 수 있지만, 한 예시적인 실시예에서, 전도성 롤러는 구리, 황동, 및 강철을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않고, 고전도율 전극은 구리 및 구리/베릴륨을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 임의의 작동 메커니즘이 사용될 수 있지만, 작동시키고 힘을 가하는 어떤 예시적인 방법은 공압, 유압, 자기 또는 전기 운동에 의한 전압/전류 감지, 및 공압, 유압, 자기 또는 전기 운동에 의한 온도 감지를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.

균등론

기술 분야의 당업자라면 본 발명의 다양한 바람직한 실시예의 이상의 예 및 설명이 본 발명 전체를 예시한 것에 불과하다는 것과 본 발명의 사상 및 범위 내에서 본 발명의 단계 및 다양한 구성요소의 변경이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들어, 부가의 가공 단계 또는 대안의 구성이 본 발명의 급속 커패시터 방전 형성 방법/장치의 개선된 특성에 영향을 주지 않을 뿐만 아니라 방법/장치를 그의 의도된 목적에 적당하지 않게 만들지 않는다는 것이 기술 분야의 당업자에게는 명백할 것이다. 그에 따라, 본 발명은 본 명세서에 기술된 특정의 실시예로 제한되지 않고 오히려 첨부된 특허청구범위의 범위에 의해 한정된다.

Claims (48)

1. 급속 커패시터 방전을 이용하여 금속 유리 시트를 급속하게 그리고 균일하게 가열하는 방법으로서,
   균일한 단면을 갖는 금속 유리 형성 합금으로 형성된 금속 유리의 샘플을 인클로저(enclosure)에 제공하는 단계 - 상기 인클로저는 적어도 하나 단부에 있는 개구부 및 상기 인클로저의 외부에 그리고 상기 개구부에 인접하여 위치하는, 서로 평행하게 배열된 적어도 한 쌍의 롤러를 가짐 -;
   상기 샘플을 상기 금속 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 가공 온도로 균일하게 가열하기 위해 상기 샘플을 통해 적어도 50 J의 전기 에너지를 균일하게 방전시키는 단계;
   가열된 샘플에 압축력을 가해 상기 가열된 샘플을 상기 개구부를 통해 그리고 상기 적어도 하나의 롤러 쌍 사이로 밀어내는 단계 - 상기 금속 유리 시트를 형성하기 위해 가열된 샘플이 여전히 상기 금속 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 온도에 있는 동안, 상기 롤러 쌍은 상기 가열된 샘플을 시트로 성형하기 위해 변형력을 가하도록 구성됨 -; 및
   상기 금속 유리 시트를 상기 금속 유리의 유리 전이 온도 미만의 온도로 냉각시키는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 샘플의 온도는 적어도 500 K/sec의 속도로 증가되는, 방법.
3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 금속 유리는 1 x 10^-4 ℃^-1 이하의 온도 변화 단위당 상대 저항률 변화(S) 및 실온에서 80과 300 μΩ-cm 사이의 저항률

   

   을 갖는, 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전기 에너지는 적어도 100 J이고 10 μs과 100 ms 사이의 방전 시상수를 갖는, 방법.
5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 가공 온도는 상기 금속 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 중간인, 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가공 온도는 가열된 금속 유리의 점도가 1 내지 10⁴ Pas-sec이 되게 하는 온도인, 방법.
7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 샘플은 결함이 없는, 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 금속 유리는 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Ti, Al, Mg, Ni 및 Cu로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 원소 금속에 기초한 합금인, 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 전기 에너지를 방전시키는 단계는 상기 샘플에 전계를 발생시키고, 발생된 동적 전계의 전자기 표피 깊이는 상기 샘플의 반경, 폭, 두께 및 길이에 비해 큰, 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 샘플은 플런저에 의해 밀려 들어가고, 상기 플런저는 외부 표면을 포함하고, 상기 플런저의 적어도 외부 표면은 전기적 비전도성인, 방법.
11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항에 있어서,
    상기 전기 에너지를 방전시키는 단계는 상기 샘플의 서로 반대쪽에 있는 단부들에 연결되어 있는 적어도 2개의 전극을 통해 발생하는, 방법.
12. 제1항에 있어서,
    상기 롤러들은 하기의 식과 같이 되도록 rpm 단위의 속도 ω로 회전되고
    

    

    
    여기서, (r)은 상기 금속 유리의 샘플의 직경이고, (R)은 상기 적어도 하나의 롤러 쌍의 각각의 롤러의 직경이며, (b)는 롤러들 사이의 거리이고, (D)는 상기 금속 유리의 열 확산율이며, (τ)는 상기 금속 유리가 상기 가공 온도에서 결정화되는 시간인, 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 롤러들은 10과 10,000 rmp 사이의 속도로 회전하는, 방법.
14. 제1항에 있어서,
    상기 샘플을 가열하고 상기 개구부를 통해 그리고 상기 적어도 하나의 롤러 쌍 사이로 배출하는 것은 100 μs 내지 1 s의 시간 내에 완료되는, 방법.
15. 제1항에 있어서,
    가열된 금속 유리에 대한 압축력은 상기 전기 에너지의 방전이 완료된 후에 가해지는, 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 압축력의 인가는 공압, 유압, 자기 또는 전기 운동에 의한 전압/전류 감지를 포함하는 작동 메커니즘(actuating mechanism)에 의해 제어되는, 방법.
17. 금속 유리 시트를 급속하게 가열하고 형성하는 급속 커패시터 방전 장치로서,
    균일한 단면을 갖는, 금속 유리 형성 합금으로 형성된 금속 유리의 샘플;
    전기 에너지의 공급원;
    상기 전기 에너지의 공급원을 상기 금속 유리의 샘플에 상호 연결시키는 적어도 2개의 전극 - 상기 전극들과 상기 샘플 사이에 균일한 연결이 형성되도록 상기 전극들이 상기 샘플에 부착되어 있음 -; 및
    인클로저를 포함하는 시트 형성 공구 - 상기 인클로저는 적어도 하나의 개구부 및 서로 평행하게 배열되어 있고 상기 인클로저의 외부에 그리고 상기 개구부에 인접하여 배치되어 있는 적어도 하나의 롤러 쌍을 가짐 -
    를 포함하고,
    상기 전기 에너지의 공급원은 상기 샘플을 상기 금속 유리의 유리 전이 온도와 상기 금속 유리 형성 합금의 평형 용융점 사이의 가공 온도로 균일하게 가열하기에 충분한 적어도 50 J의 전기 에너지를 방전할 수 있고, 상기 시트 형성 공구는 상기 가열된 샘플을 상기 개구부를 통해 그리고 적어도 하나의 롤러 쌍 사이로 배출하기에 충분한 압축력을 가할 수 있고, 상기 롤러 쌍은 시트를 형성하기 위해 변형력을 가하도록 구성되어 있는, 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 인클로저 또는 상기 적어도 하나의 롤러 쌍의 적어도 외부 표면은 전기적 비전도성인, 장치.
19. 제17항에 있어서,
    상기 개구부로부터 다운스트림으로 직렬로 배열되어 있는 적어도 2개의 롤러 쌍을 포함하는, 장치.
20. 제17항에 있어서,
    상기 개구부에 인접하여 위치하는 상기 롤러 쌍의 다운스트림에 있는 적어도 롤러 쌍의 외부 표면은 열 전도성이고, 상기 전도성 롤러들은 구리, 구리-베릴륨 합금, 황동, 알루미늄 또는 강철로 이루어진, 장치.
21. 제17항에 있어서,
    상기 롤러들은 하기의 식과 같이 되도록 rpm 단위의 속도 ω로 회전되고
    

    

    
    여기서, (r)은 상기 금속 유리의 샘플의 직경이고, (R)은 상기 적어도 하나의 롤러 쌍의 각각의 롤러의 직경이며, (b)는 롤러들 사이의 거리이고, (D)는 상기 금속 유리의 열 확산율이며, (τ)는 상기 금속 유리가 상기 가공 온도에서 결정화되는 시간인, 장치.
22. 제17항에 있어서,
    상기 롤러들은 10과 10,000 rmp 사이의 속도로 회전하는, 장치.
23. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 롤러 쌍의 개개의 롤러들 사이의 거리는 0.1과 1 mm 사이인, 장치.
24. 제17항에 있어서,
    상기 성형 공구는 상기 공구를 상기 금속 유리의 유리 전이 온도 근방의 온도로 가열하는 온도-제어 가열 요소를 더 포함하는 장치.
25. 제17항에 있어서,
    상기 샘플에 압축력을 가하는, 상기 성형 공구와 관련하여 동작하는 공압 또는 자기 구동 시스템 중 하나를 더 포함하는 장치.
26. 청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제17항에 있어서,
    상기 가공 온도는 가열된 금속 유리의 점도가 1 내지 10⁴ Pas-sec이 되게 하는 온도인, 장치.
27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제17항에 있어서,
    상기 금속 유리는 Zr, Pd, Pt, Au, Fe, Co, Al, Mg, Ti, Ni 및 Cu로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 원소 금속에 기초한 합금인, 장치.
28. 제17항에 있어서,
    상기 전극 물질은 Cu, Ag 또는 Ni, 또는 Cu, Ag 또는 Ni 중 하나를 적어도 95 원자% 함유하는 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는, 장치.
29. 제17항에 있어서,
    상기 장치는 100 μs 내지 1 s의 시간 내에 상기 샘플을 가열하고 상기 개구부를 통해 그리고 상기 적어도 하나의 롤러 쌍 사이로 배출할 수 있는, 장치.
30. 제17항에 있어서,
    상기 전기 에너지의 공급원은 상기 샘플에 전계를 발생시키고, 또한 발생된 동적 전계의 전자기 표피 깊이는 상기 샘플의 반경, 폭, 두께 및 길이에 비해 큰, 장치.
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