KR20140068246A

KR20140068246A - 사출 성형 시스템을 사용한 비정질 합금의 사출 성형

Info

Publication number: KR20140068246A
Application number: KR1020147011487A
Authority: KR
Inventors: 존 캉; 션 티모시 오키프; 쿠옥 트란 팜; 미카엘 블레인 데밍; 시어도어 앤드류 와니우크
Original assignee: 크루서블 인텔렉츄얼 프라퍼티 엘엘씨.; 애플 인크.
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-06-05
Also published as: US20140284019A1; EP2760609A1; CN104023876A; KR20160084507A; JP2014528840A; KR20190007528A; JP6040251B2; WO2013048429A1

Abstract

일렬로 수평축 상에 제공되는 플런저 로드 및 용융 구역을 포함하는 사출 성형 시스템이 개시된다. 플런저 로드는 용융 구역을 통해 수평 방향으로 이동되어 용융된 재료를 주형 내로 이동시킨다. 용융 구역은 용기를 가질 수 있으며 용기는 용기를 통해 플런저를 수용하도록 구성된다. 용기와 주형 사이에 제공되는 전달 슬리브 및/또는 주형으로의 입구가 또한 플런저와 일렬로 수평으로 있을 수 있다. 사출 성형 시스템은 진공 하에서 용융 및 성형 공정을 수행할 수 있다.

Description

사출 성형 시스템을 사용한 비정질 합금의 사출 성형{INJECTION MOLDING OF AMORPHOUS ALLOY USING AN INJECTION MOLDING SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 비정질 합금을 포함한 용융성 재료를 용융 및 성형하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

다양한 방법이 용융된 금속 재료를 성형하는 데 사용되어 왔다. 예를 들어, 다이 캐스팅은 일반적으로 용융된 금속을 고압 하에 주형 내로 사출하는 것으로 이루어진다. 용융된 금속을 주형 내로 사출하는 데 전형적으로 사용되는 2가지 방법이 있다: 저온 챔버 및 고온 챔버. 고온 챔버 방법에서는, 저 용융점 합금이 구스넥(gooseneck) 공급 시스템에서 사용되는데, 여기서는 용융된 금속 배스(bath) 내에 사출 기구가 침지된다. 다른 한편, 저온 챔버 방법에서는, 보다 높은 용융점 합금 (예를 들어, 알루미늄 합금)이 사용될 수 있고, 저온 챔버 내로 붓기 전에 도가니 내에서 용융될 수 있다. 저온 챔버의 일부 변형에는 스퀴지 캐스팅(squeeze casting) 및 반용융 성형(semi-solid molding)이 포함된다.

재료를 형성 및 성형하는 다른 방법은 "금속 사출 성형(Metal Injection Molding)" 또는 MIM으로 불리는데, 여기서는 소정 금속의 과립 입자를 결합제와 혼합하고, 형상으로 성형하고, 이어서 결합제를 스트리핑하고 소결한다.

본 발명의 일 태양은 내부에 수용된 용융성 재료를 용융시키도록 구성된 용융 구역, 및 용융 구역으로부터 주형 내로 용융된 재료를 배출하도록 구성된 플런저 로드(plunger rod)를 포함하며, 플런저 로드 및 용융 구역은 일렬로(in-line) 수평축 상에 제공되어, 플런저 로드는 용융 구역을 통해 수평 방향으로 이동되어 용융된 재료를 주형 내로 이동시키는, 사출 성형 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 태양은 용융성 재료를 수용하기 위한 본체를 가지며 내부의 재료를 용융시키도록 구성된 용기(vessel), 용기로부터 전달 슬리브(transfer sleeve)를 통해 주형 내로 용융된 재료를 이동시키도록 구성된 플런저 로드를 포함하며, 플런저 로드, 용기, 및 전달 슬리브는 일렬로 수평축 상에 제공되어, 플런저 로드는 용기를 통해 수평 방향으로 이동되어 용융된 재료를 전달 슬리브 내로 이동시키는, 사출 성형 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양은 온도 조절식 용기, 유도원(induction source), 진공 주형, 및 플런저 로드를 갖는 사출 성형 시스템을 제공한다. 온도 조절식 용기는 비정질 합금 재료를 수용하기 위한 것이며 내부의 비정질 합금 재료를 용융시키도록 구성된 본체뿐만 아니라, 용기의 온도를 조절하기 위해 내부에 액체를 유동시키도록 구성된 하나 이상의 온도 조절 라인을 갖는다. 유도원은 온도 조절식 용기에 인접하게 위치되며 비정질 합금 재료를 용융시키도록 구성된다. 진공 주형은 입구를 통해 용융된 비정질 합금을 수용하도록 구성되고, 용융된 비정질 합금 재료를 성형하도록 구성되며, 진공 하에 있다. 플런저 로드는 온도 조절식 용기의 본체로부터 진공 주형 내로 용융된 비정질 합금 재료를 배출하도록 구성된다. 온도 조절식 용기, 진공 주형의 입구, 및 플런저 로드는 일렬로 수평축 상에 제공되어, 플런저 로드는 온도 조절식 용기의 본체를 통해 수평 방향으로 이동되어 온도 조절식 용기로부터 입구를 통해 진공 주형 내로 용융된 재료를 배출한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점이 하기의 상세한 설명, 첨부 도면, 및 첨부된 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.

<도 1>
도 1은 실시 형태에 따른 예시적인 사출 성형 시스템의 개략도를 나타낸다.
<도 2>
도 2는 실시 형태에 따른 도 1의 시스템의 용융 구역에서 사용될 수 있는 용기 및 유도원을 나타낸다.
<도 3 및 도 4>
도 3 및 도 4는, 각각, 실시 형태에 따른 도 1의 시스템과 함께 사용될 수 있는 진공 주형의 평면도 및 단면도 (도 3의 선 4-4를 따라 취함)를 나타낸다.
<도 5>
도 5는 예시적인 벌크 응고형 비정질 합금(bulk solidifying amorphous alloy)의 온도-점도 다이어그램을 제공한다.
<도 6>
도 6은 예시적인 벌크 응고형 비정질 합금에 대한 시간-온도-변태 (time-temperature-transformation; TTT) 다이어그램의 개략도를 제공한다.

본 명세서에 예시된 방법, 기술, 및 디바이스는 예시된 실시 형태로 제한되도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 인용된 모든 공보, 특허, 및 특허 출원은 이에 의해 전체적으로 참고로 포함된다.

본 명세서에서 단수 형태 (관사 ("a" 및 "an"))는 하나의, 또는 하나 초과의 (즉, 적어도 하나의) 단수 형태의 문법적 대상을 지칭한다. 예로서, "중합체 수지"(a polymer resin)는 하나의 중합체 수지 또는 하나 초과의 중합체 수지를 의미한다. 본 명세서에 인용된 모든 범위는 포괄적인 것이다. 본 명세서 전반에 사용되는 용어 "실질적으로" 및 "약"은 약간의 변동을 기술하고 설명하는 데 사용된다. 예를 들어, 이들은 ±5% 이하, 예를 들어, ±2% 이하, 예를 들어, ±1% 이하, 예를 들어, ±0.5% 이하, 예를 들어, ±0.2% 이하, 예를 들어, ±0.1% 이하, 예를 들어, ±0.05% 이하를 지칭할 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 시스템 (또는 디바이스 또는 기계)은 재료(들) (예를 들어, 비정질 합금)의 사출 성형을 수행하도록 구성된다. 시스템은, 성형을 위한 주형 내로 용융된 재료를 사출하기 전에 더 높은 용융 온도에서 용융시킴으로써 그러한 재료 또는 합금을 처리하도록 구성된다. 하기에 추가로 기재되는 바와 같이, 시스템의 부품들은 서로 일렬로 위치된다. 일부 실시 형태에 따르면, 시스템의 부품들 (또는 부품들로의 통로)은 수평축 상에 정렬된다.

도 1은 그러한 예시적인 시스템의 개략도를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 1은 사출 성형 시스템(10)을 나타낸다. 실시 형태에 따르면, 사출 성형 시스템(10)은 내부에 수용된 용융성 재료를 용융시키도록 구성된 용융 구역(12), 및 용융 구역(12)으로부터 주형(16) 내로 용융된 재료를 배출하도록 구성된 적어도 하나의 플런저 로드(14)를 갖는다. 적어도 플런저 로드(14) 및 용융 구역(12)은 일렬로 수평축(예를 들어, X 축) 상에 제공되어, 플런저 로드(14)는 실질적으로 용융 구역(12)을 통해 수평 방향으로 (예를 들어, X 축을 따라) 이동되어 용융된 재료를 주형(16) 내로 이동시킨다. 주형은 용융 구역에 인접하게 위치될 수 있다.

용융성 재료는 임의의 수의 형태로 용융 구역 내에 수용될 수 있다. 예를 들어, 용융성 재료는 잉곳(ingot) (고체 상태), 반고체 상태, 예열된 슬러리(slurry), 분말, 펠릿 등의 형태로 용융 구역(12) 내로 제공될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 로딩 포트(loading port) (예를 들어, 잉곳 로딩 포트(18)의 도시된 예)가 사출 성형 시스템(10)의 부품으로서 제공될 수 있다. 로딩 포트(18)는 임의의 수의 장소에서 기계 내에 제공되는 별개의 개구 또는 영역일 수 있다. 실시 형태에서, 로딩 포트(18)는 기계의 하나 이상의 부품을 통과하는 경로일 수 있다. 예를 들어, 재료 (예를 들어, 잉곳)는 플런저(14)에 의해 수평 방향으로 용기(20) 내로 삽입될 수 있거나, 또는 사출 시스템(10)의 주형 측으로부터 (예를 들어, 주형(16)을 통해 및/또는 전달 슬리브(30)를 통해 용기(20) 내로) 수평 방향으로 삽입될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 용융성 재료는 다른 방식으로 및/또는 다른 디바이스를 사용하여 (예를 들어, 사출 시스템의 반대쪽 단부를 통해) 용융 구역(12) 내로 제공될 수 있다.

용융 구역(12)은, 용융성 재료를 수용하고 재료를 용융된 상태로 가열된 대로 유지하도록 구성된 용융 기구를 포함한다. 용융 기구는, 예를 들어, 용융성 재료를 수용하기 위한 본체(22)를 갖는 용기(20)의 형태일 수 있으며, 내부의 재료를 용융시키도록 구성될 수 있다. 도 2는 용융성 재료가 내부에서 용융되는 본체(22) (또는 기부)를 포함하는 용기(20)의 예시적인 개략도를 나타낸다. 본 명세서 전반에 사용되는 바와 같이, 용기는 물질을 고온으로 가열하기 위해 이용되는 재료로 제조된 그릇이다. 예를 들어, 실시 형태에서, 용기는 도가니, 예를 들어, 보트 스타일 도가니(boat style crucible), 또는 스컬 도가니(skull crucible)일 수 있다. 실시 형태에서, 용기(20)는, (예를 들어, 진공 디바이스(38) 또는 펌프에 의해 가해지는) 진공 하에 있으면서, 용융성 재료(들)를 위해 이용되도록 구성된 저온 노 용융 디바이스이다. 하기에 추가로 기재되는 일 실시 형태에서, 용기는 온도 조절식 용기이다.

용기(20)는 또한 그의 본체의 수용 또는 용융 부분(24) 내로 재료 (예를 들어, 공급원료)를 투입하기 위한 입구를 가질 수 있다. 도 2에 도시된 실시 형태에서, 용기(20)의 본체(22)는 실질적으로 U-형상의 구조를 포함한다. 그러나, 이러한 도시된 형상은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 용기(20)는 임의의 수의 형상 또는 구성을 포함할 수 있다. 용기의 본체(22)는 용융된 재료가 플런저(14)를 사용하여 본체로부터 수평으로 제거되도록 소정 길이를 가지며 종방향 및 수평 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 본체는 기부 - 그로부터 수직으로 연장되는 측벽을 가짐 - 를 포함할 수 있다. 가열 또는 용융하기 위한 재료는 용기의 용융 부분(24) 내에 수용될 수 있다. 용융 부분(24)은 내부에서 용융될 용융성 재료를 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 용융 부분(24)은 재료를 수용하기 위한 표면을 갖는다. 전달을 위한 사출 시스템의 하나 이상의 디바이스 (예를 들어, 로딩 포트 및 플런저)를 사용하여, 용기(20)는 그의 용융 부분(24) 내에 (예를 들어, 잉곳의 형태의) 재료를 수용할 수 있다.

실시 형태에서, 본체(22) 및/또는 그의 용융 부분(24)은 실질적으로 둥글고/둥글거나 매끄러운 표면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용융 부분(24)의 표면은 호(arc) 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 본체(22)의 형상 및/또는 표면은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 본체(22)는 일체형 구조일 수 있거나, 또는 함께 결합되거나 기계가공된 개별 부품들로부터 형성될 수 있다. 본체(22)는 임의의 수의 재료 (예를 들어, 구리, 은)로부터 형성될 수 있고, 하나 이상의 코팅, 및/또는 구성 또는 디자인을 포함할 수 있다. 실시 형태에서, 용기(20)의 본체(22)는 용융성/용융된 재료로 오염물을 방출하거나 전달하지 않는 재료로부터 형성된다. 예를 들어, 하나 이상의 표면은 그 안에 리세스(recess) 또는 홈을 가질 수 있다.

용기(20)의 본체(22)는 수평 방향으로 그를 통해 플런저 로드를 수용하여 용융된 재료를 이동시키도록 구성될 수 있다. 즉, 실시 형태에서, 용융 기구는 플런저 로드와 동일 축 상에 있으며, 본체는 플런저 로드의 적어도 일부분을 수용하도록 구성되고/되거나 크기설정될 수 있다. 따라서, 플런저 로드(14)는 (가열/용융 후의) 용융된 재료를, 실질적으로 용기(20)를 통해 이동시킴으로써 용기로부터 주형(16) 내로 이동시키도록 구성될 수 있다. 도 1의 시스템(10)의 도시된 실시 형태를 참조하면, 예를 들어, 플런저 로드(14)는 용기(20)의 본체(22)를 통해 우측으로부터 좌측을 향하여 수평 방향으로 이동하여, 용융된 재료를 주형(16)을 향해 이동시키고 밀어낼 것이다.

용융 구역(12)을 가열하고 용기(20) 내에 수용된 용융성 재료를 용융시키기 위하여, 사출 시스템(10)은 또한 용융성 재료를 가열하고 용융시키는 데 사용되는 열원을 포함한다. 적어도 용기의 용융 부분(24), 그렇지 않으면 실질적으로 전체 본체(22) 그 자체는, 내부에 수용된 재료가 용융되도록 가열되도록 구성된다. 가열은, 예를 들어, 용융성 재료를 용융시키도록 구성된, 용융 구역(12) 내에 위치된 유도원(26)을 사용하여 달성된다. 실시 형태에서, 유도원(26)은 용기(20)의 본체(22)에 인접하게 위치된다. 예를 들어, 도 2에 나타낸 바와 같이, 유도원(26)은 실질적으로 본체(22)의 길이 둘레에 나선형 패턴으로 위치되는 코일의 형태일 수 있다. 따라서, 용기(20)는, 전원 장치 또는 전원(28)을 사용하여 유도원/코일(26)에 전력을 공급함으로써 용융 부분(24) 내의 용융성 재료 (예를 들어, 삽입된 잉곳)를 유도 용융시키도록 구성된다. 유도 코일(26)은, 용기(20)를 용융 및 습윤시키지 않으면서, 용기(20)에 의해 수용된 임의의 재료를 가열하고 용융시키도록 구성된다. 유도 코일(26)은 용기(20)를 향해 고주파 (radiofrequency (RF) wave)를 방출한다. 도시된 바와 같이, 본체(22) 및 용기(20)를 둘러싸는 코일(26)은 수평축 (예를 들어, X 축)을 따라 수평 방향으로 위치되도록 구성될 수 있다.

일 실시 형태에서, 용기(20)는 온도 조절식 용기이다. 그러한 용기는, 용기의 온도를 조절하기 위해 (예를 들어, 용기를 강제 냉각시키기 위해) 내부에 액체 (예를 들어, 물, 또는 다른 유체)를 유동시키도록 구성된 하나 이상의 온도 조절 라인, 예를 들어, 도 2에 도시된 냉각 라인(들)(25)을 포함할 수 있다. 그러한 강제 냉각 도가니가 또한 플런저 로드와 동일 축 상에 제공될 수 있다. 냉각 라인(들)(25)은 용기(20)의 본체(22) 그 자체의 과도한 가열 및 용융을 방지하는 데 도움을 준다. 냉각 라인(들)(25)은, 용융하는/용융된 재료 (예를 들어, 용융된 비정질 합금)의 습윤을 견디는 온도로 용기를 유지하는 데 도움을 준다. 냉각 라인(들)은 용기 내의 액체의 유동을 유발하도록 구성된 냉각 시스템에 연결될 수 있다. 냉각 라인(들)(25)은, 그를 통해 유동하는 액체 또는 유체를 위한 하나 이상의 입구 및 출구를 포함할 수 있다. 냉각 라인의 입구 및 출구는 임의의 수의 방식으로 구성될 수 있으며 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 냉각 라인(들)(25)은, 그 상의 재료가 용융되고 용기 온도가 조절되도록 (즉, 열이 흡수되고, 용기가 냉각되도록), 용융 부분(24)에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 나타낸 예시적인 실시 형태에서, 소정 길이를 포함하며 종방향으로 연장되는 보트 또는 도가니 유형 용기의 경우, 그의 용융 부분(24)이 또한 종방향으로 연장될 수 있다. 실시 형태에 따르면, 냉각 라인(들)(25)은 용융 부분(24)에 대해 종방향으로 위치될 수 있다. 예를 들어, 냉각 라인(들)(25)은 본체(22)의 기부에 (예를 들어, 그의 재료 수용 표면 아래에) 위치될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 냉각 라인(들)(25)은 수평 방향 또는 측방향으로 위치될 수 있다. 냉각 라인(들)(25)의 개수, 위치설정 및/또는 방향은 제한적인 것이 아니어야 한다. 냉각 액체 또는 유체는, 유도원(26)에 전력이 공급될 때, 용융성 재료의 용융 동안 냉각 라인(들)(25)을 통해 유동하도록 구성될 수 있다.

용기(20) 내에서 재료가 용융된 후에, 용기(20)로부터 물체, 부품 또는 조각으로 성형하기 위한 주형(16) 내로 용융된 재료를 가압하는 데 플런저(14)가 사용될 수 있다. 용융성 재료가 합금, 예를 들어, 비정질 합금인 경우에, 주형(16)은 성형된 벌크 비정질 합금 물체, 부품, 또는 조각을 형성하도록 구성된다. 주형(16)은, 그를 통해 용융된 재료를 수용하기 위한 입구를 갖는다. 용기(20)의 출구 및 주형(16)의 입구는 일렬로 수평축 상에 제공되어, 플런저 로드(14)가 용기의 본체(22)를 통해 수평 방향으로 이동되어 용융된 재료를 주형(16) 내로 그의 입구를 통해 배출하게 할 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 금속 또는 합금과 같은 재료를 성형하는 데 사용되는 사출 성형 시스템(10)과 같은 시스템은, 주형 또는 다이 공동(die cavity) 내로 용융된 재료를 가압할 때 진공을 구현할 수 있다. 사출 성형 시스템(10)은 적어도 용융 구역(12) 및 주형(16)에 진공 압력을 가하도록 구성된 적어도 하나의 진공원(vacuum source; 38) 또는 펌프를 추가로 포함할 수 있다. 진공 압력은, 적어도, 내부의 재료를 용융하고, 이동시키거나 전달하고, 성형하는 데 사용되는 사출 성형 시스템(10)의 부품에 가해질 수 있다. 예를 들어, 용기(20), 전달 슬리브(30), 및 플런저 로드(14)는 모두 진공 압력 하에 있을 수 있고/있거나 진공 챔버 내에 밀폐될 수 있다.

실시 형태에서, 주형(16)은, 재료를 성형할 때, (예를 들어, 밸브(33)를 통해) 내부의 진공 압력을 조절하도록 구성된 밀폐 구조인 진공 주형이다. 도 3 및 도 4는 사출 성형 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 진공 주형(16)의 일 실시 형태를 나타낸다. 예를 들어, 실시 형태에서, 진공 주형(16)은, 서로에 대해 (각각) 인접하게 위치된, 제1 플레이트(32) ("A" 주형 또는 "A" 플레이트로도 지칭됨), 제2 플레이트(34) ("B" 주형 또는 "B" 플레이트로도 지칭됨), 및 진공 배출기 박스(vacuum ejector box; 36)를 포함한다. 제1 플레이트(32) 및 제2 플레이트(34) 각각은 그들 사이의 용융된 재료를 성형하기 위해 그들과 관련되는, 각각, 주형 공동(42) 및 주형 공동(44)을 갖는다. 도 3의 대표적인 단면도에 도시된 바와 같이, 공동(42) 및 공동(44)은 사출 슬리브(injection sleeve; 30) 또는 전달 슬리브를 통해 그들 사이에 수용된 용융된 재료를 성형하도록 구성된다. 주형 공동(42) 및 주형 공동(44)은 부품을 형성 및 성형하기 위한 부품 공동을 내부에 포함할 수 있다.

일반적으로, 제1 플레이트(32)는 전달 슬리브(30)에 연결될 수 있다. 실시 형태에 따르면, 플런저 로드(14)는 용융된 재료를 용기(20)로부터 전달 슬리브(30)를 통해 주형(16) 내로 이동시키도록 구성된다. 전달 슬리브(30) (때때로 당업계에서는 저온 슬리브 또는 사출 슬리브로 지칭됨)가 용융 구역(12)과 주형(16) 사이에 제공될 수 있다. 전달 슬리브(30)는 개구를 갖는데, 이 개구는 개구를 통해 용융된 재료를 수용하고 (플런저(14)를 사용하여) 주형(16) 내로의 용융된 재료의 전달을 허용하도록 구성된다. 그의 개구는 수평축 (예를 들어, X 축)을 따라 수평 방향으로 제공될 수 있다. 전달 슬리브가 저온 챔버일 필요는 없다. 실시 형태에서, 적어도 플런저 로드(14), 용기(20) (예를 들어, 그의 수용 또는 용융 부분), 및 전달 슬리브(30)의 개구는 일렬로 수평축 상에 제공되어, 플런저 로드(14)는 용기(20)를 통해 수평 방향으로 이동되어 용융된 재료를 전달 슬리브(30)의 개구 내로 (그리고 후속적으로 개구를 통해) 이동시킬 수 있다.

다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 플레이트(32)는 주형(16)의 입구를 포함할 수 있어서, 용융된 재료가 그 내에 삽입될 수 있게 한다. 용융된 재료는 전달 슬리브(30)를 통해 수평 방향으로 그리고 제1 플레이트(32)와 제2 플레이트(34) 사이의 입구를 통해 주형 공동(들) 내로 밀어내진다. 재료의 성형 동안, 적어도 제1 및 제2 플레이트(32, 34)는 그들 사이의 재료 (예를 들어, 비정질 합금)가 적어도 산소 및 질소에 노출되는 것을 실질적으로 배제하도록 구성된다. 구체적으로, 플레이트 (32, 34) 및 그의 공동 (42, 44) 내로부터 대기가 실질적으로 배제되도록 진공이 가해진다. 진공 압력은, 진공 라인을 통해 연결되는 적어도 하나의 진공원(38)을 사용하여 진공 주형(16)의 내부에 가해진다. 예를 들어, 시스템에서의 진공 압력 또는 수준은 용융 및 후속 성형 사이클 동안 13.3 내지 0.013 Pa (1×10^-1 내지 1×10^-4 Torr) 사이에서 유지될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 진공 수준은 용융 및 성형 공정 동안 1.33 내지 0.013 Pa (1×10^-2 내지 약 1×10^-4 Torr) 사이에서 유지된다. 물론, 다른 압력 수준 또는 범위, 예를 들어, 0.13 마이크로파스칼 (1×10^-9 Torr) 내지 약 0.13 Pa (1×10^-3 Torr), 및/또는 0.13 Pa (1×10^-3 Torr) 내지 약 13.3 Pa (0.1 Torr)이 사용될 수 있다.

진공 배출기 박스(36)는 적어도 제1 및 제2 플레이트(32, 34)에 인접하게 위치된다. 실시 형태에서, 배출기 박스는 밀폐되며 진공원(38)(펌프)으로부터의 진공 압력에 의해 진공 밀봉되도록 구성된다. 실시 형태에서, 밀폐된 진공 배출기 박스(36)는 성형된 (비정질 합금) 재료를 적어도 제1 및 제2 플레이트(32, 34) 사이의 주형 공동으로부터 배출하도록 구성된 배출기 기구(46)를 갖는다. 배출기 기구(46)는 밀폐된 진공 배출기 박스(36) 및 임의의 인접 플레이트 내에 진공 밀봉될 수 있거나, 또는 박스(36)의 개방 면과 계면 밀봉될 수 있다. 배출기 기구(46)는 실시 형태에 따른 배출기 플레이트(66)를 포함할 수 있다. 배출기 플레이트는 밀폐된 배출기 박스 내에서 이동하여 성형된 재료를 주형(16)으로부터 배출하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 배출기 플레이트(66)는, 그로부터 선형 방향으로 연장되는 하나 이상의 (다수의) 배출기 핀(pin) (도시되지 않음)을 가질 수 있다. 배출기 플레이트(66)의 이동 시에, 배출기 핀들은 상대적으로 이동되어 성형된 재료를 주형(16)의 주형 공동으로부터 배출한다. 배출 기구는, (예를 들어, 제1 및 제2 부품 (32, 34)이 수평으로 그리고 서로 상대적으로 멀어지도록 이동된 후에, 플레이트(32, 34) 사이의 진공 압력이 해제된 후에) 성형된 재료 또는 부품을 배출하기 위해 작동되도록 구성된 작동 기구 (도시되지 않음)와 관련되거나 그에 연결된다. 예를 들어, 배출기 핀은 성형된 재료를 공동(44)으로부터 멀어지는 쪽으로 밀어내도록 구성될 수 있다.

도 3 및 도 4에 예시된 주형(16)은 사출 성형 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 주형(16)의 일례이다. 대안적인 유형의 주형이 또한 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 임의의 수의 추가의 플레이트가 제1 및 제2 플레이트 사이에 및/또는 이들에 인접하게 제공되어 주형을 형성할 수 있다. 예를 들어, "A" 시리즈, "B" 시리즈, 및/또는 "X" 시리즈 주형으로 알려진 주형이 사출 성형 시스템(10)에서 구현될 수 있다.

일반적으로, 사출 성형 시스템(10)은 하기의 방식으로 작동될 수 있다: 진공을 사출 성형 시스템(10)에 가한다. 진공 하에 유지하면서 용융성 재료 (예를 들어, 비정질 합금 또는 BMG)를 공급 기구 (예를 들어, 로딩 포트(18)) 내에 로딩하고, 단일 잉곳 (공급원료)을 (유도 코일(26)로 둘러싸인) 용기(20) 내로 용융 구역(12) 내로 로딩하고, 삽입하고, 수용한다. 사출 성형기 "노즐" 스트로크(stroke) 또는 플런저(14)를 사용하여 재료를, 필요한 대로, 용기(20)의 용융 부분(24) 내로 이동시킬 수 있다. 재료를, 유도 공정을 통해 가열한다. 실시 형태에서, 사출 성형기는 폐쇄 루프 시스템(closed loop system)을 통해 온도를 제어하는데, 이는 (예를 들어, 온도 센서 및 제어기를 사용하여) 특정 온도에서 재료를 안정화시킬 것이다. 다른 실시 형태에서, 사출 성형기는 개방 루프 시스템을 통해 온도를 제어한다. 가열/용융 동안, 냉각 시스템을 활성화시켜 용기(20)의 임의의 냉각 라인(들) 내에 (냉각) 액체를 유동시킬 수 있다. 일단 용융성 재료를 용융시키도록 온도가 달성되고 유지되면, 이어서, 기계는, 수평축을 따라 수평 방향으로 (우측으로부터 좌측으로) 이동함으로써, 용융된 재료를 용기(20)로부터 전달 슬리브(20)를 통해 진공 주형(16) 내로 사출하기 시작할 것이다. 이는 서보-구동 구동장치 또는 유압 구동장치를 사용하여 활성화될 수 있는 플런저(14)를 사용하여 제어될 수 있다. 주형(16)은 입구를 통해 용융된 재료를 수용하도록 구성되며, 용융된 재료를 진공 하에 성형하도록 구성된다. 즉, 주형(16) 내에서 부품을 성형하기 위해, 적어도 제1 및 제2 플레이트들 사이의 공동 내로 용융된 재료를 사출한다. 일단 주형 공동이 채워지기 시작하면, (진공 라인 및 진공원(38)을 통한) 진공 압력을 주어진 압력으로 유지하여, 용융된 재료를 주형 공동 내의 나머지 공극(void) 영역 내로 "패킹"하고 재료를 성형할 수 있다. 성형 공정 (예를 들어, 대략 10 내지 15초) 후에, 주형(16)에 가해진 진공 압력을 해제한다. 예를 들어, 압력은 진공 브레이크 밸브(33) 및/또는 진공 포트를 사용하여 해제할 수 있다. 이어서, 주형(16)을 개방하여 압력을 완화시키고 부품을 대기에 노출시킨다. 배출기 기구(46)는 주형(16)의 적어도 제1 및 제2 플레이트들 사이로부터 응고된, 성형된 물체를 배출하도록 작동된다 (배출기 플레이트(66)는 작동 디바이스를 통해 (예를 들어, 우측을 향해) 수평 및 선형 방향으로 이동되며, 배출기 핀은 공동으로부터 부품을 배출하는 데 도움을 준다). 그 후에, 공정이 다시 시작될 수 있다. 이어서, 제1 및 제2 플레이트들이 서로 인접하도록 적어도 제1 및 제2 플레이트들을 서로에 대해 그리고 서로를 향해 이동시켜 주형(16)을 폐쇄할 수 있다. 더 많은 재료를 삽입 및 용융시키고 다른 부품을 성형하기 위해서, 일단 플런저(14)가 다시 로드 위치로 이동되면 용융 구역(12) 및 주형(16)이 진공원을 통해 진공화된다.

따라서, 본 명세서에 개시된 실시 형태는 수평축을 따라 적어도 하나의 플런저 로드와 일렬로 된 용융 시스템을 갖는 예시적인 사출 시스템을 나타낸다. 본 시스템은, 공지의 시스템에서와 같이, 금속을 용융시키고 이어서 용융된 금속을 플런저 공동/저온 슬리브 내로 붓기 위해 별개의 챔버를 사용할 필요가 없다. 본 시스템은 플런징 시스템을 용융된 금속 배스 내에 침지하는 것을 포함할 필요가 없을 뿐만 아니라, 소결이 감소되거나 전혀 없다. 또한, 본 시스템은 공급원료/삽입되는 재료 및 최종 성형된 부품의 부피를 더욱 정밀하게 제어하며 열 손실을 감소시킨다. 시스템(10)은 오염이 실질적으로 없는 재료의 성형을 가능하게 하는데, 그 이유는 그것이 (가해진 진공 압력으로 인해) 저 산소 및 저 질소의 깨끗한 용융물로부터 형성되기 때문이다. 추가로, 재료는 또한 오염이 실질적으로 없는데, 그 이유는, 실시 형태에 따르면, 용융성 재료가 (용융물 중에 카빈 입자를 유발할 수 있는 공지의 흑연 도가니와 같이) 오염물을 방출하지 않는 표면을 포함하는 용기 내에서 용융되도록 구성되기 때문이다. 시스템(10)은 그의 주형으로의 더욱 효율적인 전달 방법을 추가로 제공한다.

개시된 시스템은 플라스틱 사출 성형 기술보다 더 빠른 체적 유량으로 물체의 사출 성형이 수행될 수 있게 한다 (그러나 통상적인 다이 캐스트 기계보다는 더 느릴 수 있음). 예를 들어, 본 명세서에 기재된 시스템(들)을 사용하는 캐스팅의 유량은 대략 0 내지 1,000 ㎤에서 수행될 수 있다.

아주 상세하게 기재되지는 않았지만, 개시된 사출 시스템은, 하나 이상의 센서, 유량계 등 (예를 들어, 온도, 냉각수 유동 등을 모니터링하기 위한 것), 및/또는 하나 이상의 제어기를 포함하지만 이로 한정되지 않는 추가의 부품을 포함할 수 있다. 또한, 시일(seal)을 임의의 수의 부품에 또는 그에 인접하게 제공하여, 상당한 공기 노출 또는 누출을 실질적으로 제한하거나 배제함으로써, 진공 압력 하에서 용융 동안 및 용융된 재료의 부품 형성 동안 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 시일은 O-링의 형태일 수 있다. 시일은, 임의의 재료로 제조될 수 있으며 그가 밀봉하는 부품들 사이에서 (공기와 같은) 재료가 이동하는 것을 저지하는 디바이스로 정의된다. 사출 시스템은, 용융성 재료를 내부로 삽입하고, 진공을 가하고, 가열하고, 사출하고, 재료를 성형하여 부품을 형성하기 위한 자동 또는 반자동 공정을 구현할 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 사출 시스템의 실시 형태들 중 임의의 것을 사용하여 성형되는 (및/또는 용융되는) 재료에는 임의의 수의 재료가 포함될 수 있으며 제한되어서는 안된다. 일 실시 형태에서, 개시된 사출 성형 시스템(10)을 사용하여 성형되는 재료는, 액체 원자 구조를 갖는 합금, 또는 플라스틱과 유사하게 거동할 수 있는 금속인 비정질 합금이다.

벌크 응고형 비정질 합금, 또는 벌크 금속 유리 (bulk metallic glass; "BMG")는 최근 개발된 부류의 금속 재료이다. 이러한 합금은 상대적으로 느린 속도로 응고 및 냉각될 수 있으며, 실온에서 비정질, 비결정질 (즉, 유리질) 상태를 유지한다. 비정질 합금은 그의 결정질 대응물에 비해 다수의 탁월한 특성을 갖는다. 그러나, 냉각 속도가 충분히 크지 않으면, 냉각 동안 합금 내부에 결정이 형성될 수 있어서, 비정질 상태의 이점을 잃을 수 있다. 예를 들어, 벌크 비정질 합금 부품의 제작에 관한 한 가지 문제점은 느린 냉각 또는 원료 합금 재료 내의 불순물로 인한 부품의 부분적인 결정화이다. 높은 정도의 비정질성(amorphicity) (및, 반대로, 낮은 정도의 결정성(crystallinity))이 BMG 부품에서 바람직하기 때문에, 제어된 양의 비정질성을 갖는 BMG 부품을 캐스팅하는 방법을 개발할 필요가 있다.

도 5 (미국 특허 제7,575,040호로부터 얻음)는 리퀴드메탈 테크놀로지(Liquidmetal Technology)에 의해 제조되는 Zr--Ti--Ni--Cu--Be 계열의 VIT-001 시리즈로부터의, 예시적인 벌크 응고형 비정질 합금의 점도-온도 그래프를 나타낸다. 비정질 고체의 형성 동안 벌크 응고형 비정질 금속에 대해 명백한 액체/고체 변태가 없음에 유의하여야 한다. 용융된 합금은 유리 전이 온도 근처에서 고체 형태에 접근할 때까지 과냉각(undercooling)이 증가함에 따라 점점 더 점성으로 된다. 따라서, 벌크 응고형 비정질 합금에 대한 응고 선단의 온도는 유리 전이 온도 근처일 수 있는데, 여기서는 급랭된(quenched) 비정질 시트 생성물을 빼내기 위해 합금이 사실상 고체로서 작용할 것이다.

도 6 (미국 특허 제7,575,040호로부터 얻음)은 예시적인 벌크 응고형 비정질 합금의 시간-온도-변태 (TTT) 냉각 곡선, 또는 TTT 다이어그램을 나타낸다. 벌크 응고형 비정질 금속은 통상적인 금속에서와 같이 냉각 시에 액체/고체 결정화 변태를 겪지 않는다. 대신에, 고온 (거의 "용융 온도" Tm)에서 나타나는 고도로 유동성인, 비결정질 형태의 금속이, 온도가 감소함에 (유리 전이 온도 Tg에 근접함에) 따라 더욱 점성으로 되어, 결국 통상적인 고체의 외형적인 물리적 특성을 취한다.

벌크 응고형 비정질 금속에 대해서 액체/결정화 변태가 없다하더라도, "용융 온도" Tm은 상응하는 결정질 상의 열역학적 액상선 온도로서 정의될 수 있다. 이러한 체제 하에서, 용융 온도에서의 벌크 응고형 비정질 합금의 점도는 약 0.1 푸아즈(poise) 내지 약 10,000 푸아즈의 범위일 수 있으며, 심지어 때때로 0.01 푸아즈 미만일 수 있다. "용융 온도"에서의 더 낮은 점도는, BMG 부품을 형성하기 위한 벌크 응고형 비정질 금속에 의한, 쉘/주형의 복잡한 부분의 더 신속하고 완전한 충전을 제공할 것이다. 더욱이, BMG 부품을 형성하는 용융된 금속의 냉각 속도는, 냉각 동안의 시간-온도 프로파일이 도 6의 TTT 다이어그램에서 결정화 영역과 경계를 이루는 노우즈(nose)-형상 영역을 통하여 횡단하지 않도록 되어야만 한다. 도 6에서, T노우즈는 결정화가 가장 신속하여 최단 기간에 일어나는 임계 결정화 온도 Tx이다.

과냉각된 액체 영역인, Tg와 Tx 사이의 온도 영역은 벌크 응고 합금의 결정화에 대해 놀라운 안정성을 나타낸다. 이러한 온도 영역에서는, 벌크 응고형 합금이 고점성 액체로서 존재할 수 있다. 과냉각된 액체 영역에서의 벌크 응고형 합금의 점도는 유리 전이 온도에서의 10¹² Pa s로부터 과냉각된 액체 영역의 고온 한계인 결정화 온도에서의 10⁵ Pa s에 이르기까지의 범위 사이에서 변할 수 있다. 그러한 점도를 갖는 액체는 인가된 압력 하에서 상당한 소성 변형(plastic strain)을 견딜 수 있다. 본 발명의 실시 형태는 과냉각된 액체 영역에서의 큰 소성 성형성(plastic formability)을 성형 및 분리 방법으로서 이용한다.

Tx에 대해 명확히 하는 것이 필요하다. 엄밀히 말하면, TTT 다이어그램에 나타나 있는 노우즈-형상 곡선은 Tx를 온도 및 시간의 함수로서 기술한다. 따라서, 궤적이 금속 합금을 가열하는 동안의 것인지 또는 냉각하는 동안의 것인지와는 상관없이, TTT 곡선과 만날 때, Tx에 도달하였다. 도 5b에서, Tx는 점선으로 나타나 있는데, 그 이유는 Tx가 Tm 부근으로부터 Tg 부근까지 변화할 수 있기 때문이다.

도 6의 개략적인 TTT 다이어그램은, (예시적인 궤적으로서 (1)로 나타낸) 시간-온도 궤적이 TTT 곡선과 만나지 않고서 Tm 이상으로부터 Tg 미만으로 다이 캐스팅하는 가공 방법을 나타낸다. 다이 캐스팅 동안, 궤적이 TTT 곡선과 만나는 것을 피하기 위해 신속한 냉각과 실질적으로 동시에 성형이 일어난다. 초소성 성형(SPF)을 위한 가공 방법은 (예시적인 궤적으로서 (2), (3) 및 (4)로 나타낸) 시간-온도 궤적이 TTT 곡선과 만나지 않고서 Tg 이하로부터 Tm 미만으로 행해진다. SPF에서는, 비정질 BMG가 과냉각된 액체 영역 내로 재가열되는데, 여기서는 이용가능한 가공 윈도우(processing window)가 다이 캐스팅보다 훨씬 더 클 수 있어서, 공정의 제어가능성이 더 우수해 질 수 있다. SPF 공정에서는 냉각 동안의 결정화를 피하기 위해 신속하게 냉각할 필요가 없다. 또한, 예시적인 궤적 (2), (3) 및 (4)에 의해 나타낸 바와 같이, SPF는 T노우즈 초과 또는 T노우즈 미만, 최대 약 Tm인, SPF 동안의 최고 온도로 수행될 수 있다. 비정질 합금의 조각을 가열하되 TTT 곡선과 만나는 것을 피하도록 관리한다면, "Tg 내지 Tm 사이"로 가열되나 Tx에 도달하지는 않을 것이다.

20℃/min의 가열 속도에서 취한, 벌크 응고형 비정질 합금의 전형적인 시차 주사 열량계 (DSC) 가열 곡선은, 대개, TTT 데이터에 걸친 특정 궤적을 기술하는데, 여기서는, 소정 온도의 Tg, DSC 가열 램프(ramp)가 TTT 결정화 개시(onset)와 교차할 때의 Tx, 및 결국 동일한 궤적이 용융을 위한 온도 범위와 교차할 때의 용융 피크를 알기 쉬울 것이다. 도 6의 궤적 (2), (3) 및 (4)의 램프 업(ramp up) 부분에 의해 나타난 바와 같이 신속한 가열 속도로 벌크 응고형 비정질 합금을 가열하는 경우에는, TTT 곡선을 완전히 피할 수 있으며, 가열 시에 DSC 데이터가 유리 전이를 나타내나 Tx는 나타내지 않을 것이다. 이에 대해 생각하는 다른 방법은, 결정화 곡선과 만나지 않기만 한다면, 궤적 (2), (3) 및 (4)가 TTT 곡선의 노우즈 (및 심지어 그 초과)와 Tg 선 사이의 온도 내의 어딘가에 속할 수 있다는 것이다. 이는 바로 가공 온도가 증가함에 따라 궤적의 수평 평탄역(plateau)이 훨씬 더 짧아질 수 있음을 의미한다.

상

본 명세서에서 용어 "상"은 열역학 상태도에서 찾을 수 있는 것을 지칭할 수 있다. 상은 그 전반에서 재료의 모든 물리적 특성이 본질적으로 균일한 공간 (예를 들어, 열역학계)의 영역이다. 물리적 특성의 예에는 밀도, 굴절률, 화학 조성 및 격자 주기성(lattice periodicity)이 포함된다. 간단한 설명으로 상은 화학적으로 균일하고/하거나, 물리적으로 별개이고/이거나, 기계적으로 분리가능한 재료의 영역이다. 예를 들어, 유리 병 안의 얼음 및 물로 이루어진 계에서, 얼음 조각이 하나의 상이고, 물이 제2 상이며, 물 위의 습한 공기가 제3 상이다. 병의 유리는 다른 별개의 상이다. 상은 이원(binary), 삼원(tertiary), 사원(quaternary), 또는 그 초과의 용액일 수 있는 고용체(solid solution)를 지칭할 수 있거나, 또는 금속간 화합물(intermetallic compound)과 같은 화합물을 지칭할 수 있다. 다른 예로서, 비정질 상은 결정질 상과 뚜렷이 구별된다.

금속, 전이 금속, 및 비금속

용어 "금속"은 양전성(electropositive) 화학 원소를 의미한다. 본 명세서에서 용어 "원소"는 일반적으로 주기율표에서 찾을 수 있는 원소를 지칭한다. 물리적으로, 바닥 상태의 금속 원자는 점유 상태에 가까운 빈 상태를 갖는 부분적으로 채워진 밴드를 함유한다. 용어 "전이 금속"은, 불완전한 안쪽 전자껍질을 가지며 한 계열의 원소들 내의 최대 양전성 원소와 최소 양전성 원소 사이의 전이 링크로서의 역할을 하는, 주기율표의 3족 내지 12족에 있는 임의의 금속 원소이다. 전이 금속은 다중 원자가(multiple valence), 착색 화합물, 및 안정한 착이온 형성 능력을 특징으로 한다. 용어 "비금속"은 전자를 잃어서 양이온을 형성하는 능력을 갖지 않는 화학 원소를 지칭한다.

응용에 따라, 임의의 적합한 비금속 원소, 또는 그 조합이 사용될 수 있다. 합금 (또는 "합금 조성물")은 다수의 비금속 원소, 예를 들어, 2종 이상, 3종 이상, 4종 이상, 또는 그 초과의 비금속 원소를 포함할 수 있다. 비금속 원소는 주기율표의 13족 내지 17족에서 찾아지는 임의의 원소일 수 있다. 예를 들어, 비금속 원소는 F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, Po, N, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, Pb, 및 B 중 어느 하나일 수 있다. 때때로, 비금속 원소는 또한 13족 내지 17족의 소정의 준금속(metalloid)(예를 들어, B, Si, Ge, As, Sb, Te, 및 Po)을 지칭할 수 있다. 일 실시 형태에서, 비금속 원소에는 B, Si, C, P 또는 그 조합이 포함될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 합금은 붕화물, 탄화물, 또는 그 둘 모두를 포함할 수 있다.

전이 금속 원소는 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은, 러더퍼듐, 두브늄, 시보르기움, 보륨, 하슘, 마이트너륨, 우눈닐륨, 우누누늄, 및 우눈븀 중 임의의 것일 수 있다. 일 실시 형태에서, 전이 금속 원소를 함유하는 BMG는 Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, 및 Hg 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 응용에 따라, 임의의 적합한 전이 금속 원소 또는 그 조합이 사용될 수 있다. 합금 조성물은 다수의 전이 금속 원소, 예를 들어, 2종 이상, 3종 이상, 4종 이상, 또는 그 초과의 전이 금속 원소를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 합금 또는 합금 "샘플" 또는 "시편" 합금은 임의의 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 합금은 구형, 타원형, 와이어형, 막대형, 시트형, 플레이크(flake)형 또는 불규칙 형상과 같은 형상을 가질 수 있는 미립자의 형상을 가질 수 있다. 미립자는 임의의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 미립자는 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 예를 들어, 약 5 마이크로미터 내지 약 80 마이크로미터, 예를 들어, 약 10 마이크로미터 내지 약 60 마이크로미터, 예를 들어, 약 15 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터, 예를 들어, 약 15 마이크로미터 내지 약 45 마이크로미터, 예를 들어, 약 20 마이크로미터 내지 약 40 마이크로미터, 예를 들어, 약 25 마이크로미터 내지 약 35 마이크로미터의 평균 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시 형태에서, 미립자의 평균 직경은 약 25 마이크로미터 내지 약 44 마이크로미터이다. 일부 실시 형태에서, 더 작은 미립자, 예를 들어, 나노미터 범위의 것들, 또는 더 큰 미립자, 예를 들어, 100 마이크로미터보다 큰 것들이 사용될 수 있다.

합금 샘플 또는 시편은 또한 훨씬 더 큰 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 이는 벌크 구조 요소(bulk structural component), 예를 들어, 잉곳(ingot), 전자 디바이스의 하우징/케이싱, 또는 심지어 밀리미터, 센티미터 또는 미터 범위의 치수를 갖는 구조 요소의 일부일 수 있다.

고용체

용어 "고용체"는 고체 형태의 용액을 지칭한다. 용어 "용액"은, 고체, 액체, 기체 또는 이들의 조합일 수 있는 둘 이상의 물질의 혼합물을 지칭한다. 혼합물은 균질하거나 불균질할 수 있다. 용어 "혼합물"은 서로 조합되고 일반적으로 분리될 수 있는 둘 이상의 물질의 조성물이다. 일반적으로, 이러한 둘 이상의 물질은 서로 화학 결합되지 않는다.

합금

일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 합금 조성물은 완전히 합금될 수 있다. 일 실시 형태에서, "합금"은 한 금속의 원자가 다른 금속의 원자들 사이의 틈새 위치를 대체하거나 점유하는 둘 이상의 금속의 균질한 혼합물 또는 고용체를 지칭한다; 예를 들어, 황동은 아연과 구리의 합금이다. 복합재(composite)와는 대조적으로, 합금은 금속 매트릭스 내의 하나 이상의 화합물과 같은, 금속 매트릭스 내의 하나 이상의 원소의 부분 고용체 또는 완전 고용체를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 용어 "합금"은 단일 고체상 미세구조를 제공할 수 있는 완전 고용체 합금 및 둘 이상의 상을 제공할 수 있는 부분 고용체 둘 모두를 지칭할 수 있다. 본 명세서에 기재된 합금 조성물은 합금을 포함하는 것 또는 합금-함유 복합재를 포함하는 것을 지칭할 수 있다.

따라서, 완전히 합금된 합금은 성분들의 균질한 분포를 가질 수 있으며, 고용체 상이거나, 화합물 상이거나, 또는 둘 모두일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 용어 "완전히 합금된"은 허용 오차 이내의 미미한 편차를 허용할 수 있다. 예를 들어, 이는 90% 이상 합금된, 예를 들어, 95% 이상 합금된, 예를 들어, 99% 이상 합금된, 예를 들어, 99.5% 이상 합금된, 예를 들어, 99.9% 이상 합금된 것을 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 퍼센트는 상황에 따라 부피 퍼센트 또는 중량 퍼센트를 지칭할 수 있다. 이들 퍼센트를 제외한 나머지는, 합금의 일부가 아닌 상 또는 조성물에 대한 것일 수 있는 불순물일 수 있다.

비정질 또는 비결정질 고체

"비정질" 또는 "비결정질 고체"는 결정의 특성인 격자 주기성이 결여된 고체이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "비정질 고체"는 가열 시에 유리 전이를 통해 연화되고 액체-유사 상태로 변태되는 비정질 고체인 "유리"를 포함한다. 일반적으로, 비정질 재료는 화학 결합의 속성으로 인해 원자 길이 규모에서 약간의 단거리 질서(short-range order)를 가질 수 있지만, 결정의 특징인 장거리 질서(long-range order)는 결여된다. 비정질 고체와 결정질 고체 사이의 구분은 x선 회절 및 투과 전자 현미경법과 같은 구조 특성평가 기술에 의해 결정되는 바와 같은 격자 주기성에 기초하여 이루어질 수 있다.

용어 "질서" 및 "무질서"는 다입자계에서의 어떤 대칭 또는 상관관계의 존재 또는 부재를 나타낸다. 용어 "장거리 질서" 및 "단거리 질서"는 재료에서의 질서를 길이 규모에 기초하여 구분한다.

고체에서의 가장 엄격한 형태의 질서는 격자 주기성인데, 소정 패턴 (단위 셀 내의 원자들의 배열)이 계속 반복되어 병진적으로(translationally) 불변인 공간 타일링(tiling)을 형성한다. 이는 결정을 정의하는 특성이다. 가능한 대칭이 14가지 브라베 격자(Bravais lattice) 및 230가지 공간군(space group)으로 분류되어 있다.

격자 주기성은 장거리 질서를 암시한다. 단지 하나의 단위 셀만 알면, 병진적 대칭 때문에 임의의 거리에서 모든 원자 위치를 정확히 예측하는 것이 가능하다. 예를 들어, 완벽히 결정론적인 타일링을 갖지만 격자 주기성을 갖지는 않는 준-결정(quasi-crystal)에서를 제외하고는, 일반적으로 그 반대도 참이다.

장거리 질서는 동일 샘플의 멀리 떨어져 있는 부분들이 상관된 거동을 나타내는 물리계를 특징으로 한다. 이는 상관 함수, 즉 스핀-스핀(spin-spin) 상관 함수로 표현될 수 있다:

상기 함수에서, s는 스핀 양자수이고 x는 특정 계 내의 거리 함수이다. 이러한 함수는 x = x'일 때 1이고 거리 | x - x' |가 증가함에 따라 감소한다. 전형적으로, 큰 거리에서 상기 함수는 기하급수적으로 0으로 감소하고, 계는 무질서한 것으로 간주된다. 그러나, 큰 | x - x' |에서 상관 함수가 상수로 감소한다면, 계는 장거리 질서를 갖는다고 할 수 있다. 함수가 거리의 거듭제곱으로서 0으로 감소한다면, 준-장거리 질서(quasi-long-range order)라고 부를 수 있다. 큰 값의 | x - x' |를 구성하는 것은 상대적이라는 데에 유의한다.

계의 거동을 정의하는 일부 파라미터가 시간에 따라 진전되지 않는 확률 변수(random variable)인 경우 (즉, 급랭되거나 동결되는 경우), 계는 급랭된 무질서(quenched disorder)를 보인다고 할 수 있다 - 예를 들어, 스핀 유리. 이는 확률 변수가 진전되도록 허용되는, 어닐링된 무질서(annealed disorder)와는 상반된다. 본 발명의 실시 형태는 급랭된 무질서를 포함하는 계를 포함한다.

본 명세서에 기재된 합금은, 결정질이거나, 부분적으로 결정질이거나, 비정질이거나, 실질적으로 비정질일 수 있다. 예를 들어, 합금 샘플/시편은 적어도 얼마간의 결정성을 포함할 수 있는데, 결정립(grain)/결정은 나노미터 및/또는 마이크로미터 범위의 크기를 갖는다. 대안적으로, 합금은 실질적으로 비정질, 예를 들어, 완전히 비정질일 수 있다. 일 실시 형태에서, 합금 조성물은 적어도 실질적으로 비정질이 아니며, 예를 들어, 실질적으로 결정질, 예를 들어, 완전히 결정질이다.

일 실시 형태에서, 그렇지 않다면 비정질인 합금 내의 하나의 결정 또는 복수의 결정의 존재는 비정질인 합금 내의 "결정질 상"으로서 해석될 수 있다. 합금의 결정성 정도(일부 실시 형태에서 간단히 "결정도")는 합금 내에 존재하는 결정질 상의 양을 지칭할 수 있다. 결정도는, 예를 들어, 합금 내에 존재하는 결정의 분율(fraction)을 지칭할 수 있다. 분율은 상황에 따라 부피 분율 또는 중량 분율을 지칭할 수 있다. 비정질 합금이 얼마나 "비정질"인지의 척도는 비정질도(amorphicity)일 수 있다. 비정질도는 결정도의 관점에서 측정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시 형태에서, 결정도가 낮은 합금은 비정질도가 높다고 할 수 있다. 일 실시 형태에서, 예를 들어, 60 부피%의 결정질 상을 갖는 합금은 40 부피%의 비정질 상을 가질 수 있다.

비정질 합금 또는 비정질 금속

"비정질 합금"은 50 부피% 초과의 비정질 함량, 바람직하게는 90 부피% 초과의 비정질 함량, 더욱 바람직하게는 95 부피% 초과의 비정질 함량, 및 가장 바람직하게는 99 부피% 초과 내지 거의 100 부피%의 비정질 함량을 갖는 합금이다. 상기한 바와 같이, 비정질도가 높은 합금은 동등하게 결정도가 낮음에 유의한다. "비정질 금속"은 무질서한 원자-규모 구조를 갖는 비정질 금속 재료이다. 결정질이며 따라서 고도로 질서있는 원자 배열을 갖는 대부분의 금속과는 대조적으로, 비정질 합금은 비결정질이다. 그러한 무질서한 구조가 냉각 동안에 액체 상태로부터 직접 생성되는 재료는 때때로 "유리(glass)"로 지칭된다. 따라서, 비정질 금속은 일반적으로 "금속 유리" 또는 "유리질 금속"으로 지칭된다. 일 실시 형태에서, 벌크 금속 유리 ("BMG")는 그의 미세구조가 적어도 부분적으로 비정질인 합금을 지칭할 수 있다. 그러나, 비정질 금속을 생성하는 데에는 극도로 신속한 냉각 외에도, 물리 증착, 고체상 반응, 이온 조사(ion irradiation), 용융 방사, 및 기계적 합금화를 포함한 몇몇 방법이 있다. 비정질 합금은, 그의 제조 방법과는 상관없이, 단일 부류의 재료일 수 있다.

비정질 금속은 다양한 급속냉각 방법을 통해 생성될 수 있다. 예를 들어, 비정질 금속은 용융된 금속을 회전하는 금속 디스크 상에 스퍼터링(sputtering)함으로써 생성될 수 있다. 초당 수백만 도(degree) 정도의 신속한 냉각은 너무 빨라서 결정이 형성될 수 없고, 따라서 재료는 유리질 상태로 "고정"(locked in)된다. 또한, 비정질 금속/합금은 두꺼운 층으로 비정질 구조가 형성되게 하기에 충분히 낮은 임계 냉각 속도로 생성될 수 있다 - 예를 들어, 벌크 금속 유리.

용어 "벌크 금속 유리" ("BMG"), 벌크 비정질 합금 (bulk amorphous alloy; "BAA"), 및 벌크 응고형 비정질 합금은 본 명세서에서 상호교환가능하게 사용된다. 이들은 적어도 밀리미터 범위의 최소 치수를 갖는 비정질 합금을 지칭한다. 예를 들어, 치수는 약 0.5 mm 이상, 예를 들어, 약 1 mm 이상, 예를 들어, 약 2 mm 이상, 예를 들어, 약 4 mm 이상, 예를 들어, 약 5 mm 이상, 예를 들어, 약 6 mm 이상, 예를 들어, 약 8 mm 이상, 예를 들어, 약 10 mm 이상, 예를 들어, 약 12 mm 이상일 수 있다. 기하학적 형상에 따라, 치수는 직경, 반경, 두께, 폭, 길이 등을 지칭할 수 있다. BMG는 또한 센티미터 범위, 예를 들어 약 1.0 ㎝ 이상, 예를 들어, 약 2.0 ㎝ 이상, 예를 들어, 약 5.0 ㎝ 이상, 예를 들어, 약 10.0 ㎝ 이상의 적어도 하나의 치수를 갖는 금속 유리일 수 있다. 일부 실시 형태에서, BMG는 적어도 미터 범위의 적어도 하나의 치수를 가질 수 있다. BMG는 금속 유리와 관련하여 상기에 기재된 형상들 또는 형태들 중 임의의 것을 취할 수 있다. 따라서, 일부 실시 형태에서 본 명세서에 기재된 BMG는 통상적인 침착 기술에 의해 제조되는 박막과는 하나의 중요한 측면에서 상이할 수 있다 - 전자는 후자보다 훨씬 더 큰 치수를 가질 수 있다.

비정질 금속은 순수 금속이라기보다는 오히려 합금일 수 있다. 이러한 합금은 현저히 상이한 크기의 원자들을 함유할 수 있어서, 용융된 상태에서 낮은 자유 부피를 초래한다 (그리고 따라서 다른 금속 및 합금보다 최대 몇 자릿수(order of magnitude) 더 큰 점도를 갖는다). 점도는 원자들이 질서있는 격자를 형성하기에 충분하게 이동하는 것을 막는다. 이러한 재료 구조는 냉각 동안의 낮은 수축 및 소성 변형에 대한 저항성을 야기할 수 있다. 일부 경우에서, 결정질 재료의 약점인 결정립계(grain boundary)의 부재는, 예를 들어, 더 우수한 내마모성 및 내부식성을 야기할 수 있다. 일 실시 형태에서, 비정질 금속은, 엄밀히 말하면 유리이지만, 또한 산화물 유리 및 세라믹보다 인성은 훨씬 더 크고 취성은 훨씬 더 작을 수 있다.

비정질 재료의 열전도도는 그의 결정질 대응물의 열전도도보다 낮을 수 있다. 심지어 더 느린 냉각 동안에도 비정질 구조의 형성을 달성하기 위해서, 합금은 3가지 이상의 성분으로 제조될 수 있으며, 이는 더 높은 포텐셜 에너지 및 더 낮은 형성 확률을 갖는 복잡한 결정 단위를 초래한다. 비정질 합금의 형성은 몇몇 요인에 따라 좌우될 수 있다: 합금의 성분들의 조성; 성분들의 원자 반경 (바람직하게는 높은 패킹 밀도 및 낮은 자유 부피를 달성하기 위해 12% 초과의 상당한 차이를 가짐); 및 성분들의 조합을 혼합하고, 결정 핵생성을 억제하고, 용융된 금속이 과냉각된 상태로 머무르는 시간을 연장하는 네거티브 열(negative heat). 그러나, 비정질 합금의 형성은 많은 상이한 변수에 기초하기 때문에, 합금 조성물이 비정질 합금을 형성할 것인지를 사전에 결정하는 것은 어려울 수 있다.

예를 들어, 붕소, 규소, 인 및 기타 유리 형성체와 자성 금속(철, 코발트, 니켈)과의 비정질 합금은 자성일 수 있으며, 낮은 보자력(coercivity) 및 높은 전기 저항을 가질 수 있다. 높은 저항은 교번하는 자기장들이 가해질 때 맴돌이 전류에 의한 손실을 적게 하는데, 예를 들어, 변압기 자심으로서 유용한 특성이다.

비정질 합금은 다양한 잠재적으로 유용한 특성을 가질 수 있다. 특히, 비정질 합금은 유사한 화학 조성의 결정질 합금보다 강한 경향이 있고, 결정질 합금보다 더 큰 가역적 ("탄성") 변형을 견딜 수 있다. 비정질 금속은, 결정질 합금의 강도를 제한하는 결함 (예를 들어, 전위(dislocation))을 전혀 갖지 않을 수 있는, 그의 비결정질 구조로부터 직접 그의 강도를 얻는다. 예를 들어, 비트레로이(Vitreloy)™로 알려진 최근의 한 비정질 금속은 고급 티타늄의 거의 2배의 인장 강도를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 실온에서의 금속 유리는 연성이 아니어서 인장 하중을 받을 때 갑자기 파단되는 경향이 있는데, 이로 인해, 임박한 파단은 눈에 띄지 않기 때문에, 신뢰성이 중요한 응용에서의 재료 적용가능성이 제한된다. 그러므로, 이러한 문제를 극복하기 위하여, 연성 결정질 금속의 수지상(dendritic) 입자 또는 섬유를 함유하는 금속 유리 매트릭스를 갖는 금속 매트릭스 복합 재료가 사용될 수 있다. 대안적으로, 격화(embitterment)를 야기하는 경향이 있는 원소(들) (예를 들어, Ni)가 적은 BMG가 사용될 수 있다. 예를 들어, Ni-무함유 BMG가 BMG의 연성을 개선하는 데 사용될 수 있다.

벌크 비정질 합금의 다른 유용한 특성은 이것이 진짜 유리일 수 있다는; 다시 말해, 가열 시에 연화되고 유동할 수 있다는 점이다. 이는 중합체와 상당히 동일한 방식의, 예를 들어, 사출 성형에 의한, 용이한 가공을 허용할 수 있다. 결과적으로, 비정질 합금은 스포츠 장비, 의료 디바이스, 전자 구성요소 및 장비, 및 박막을 제조하는데 사용될 수 있다. 비정질 금속의 박막은 고속 산소 연료 기술을 통해 보호 코팅으로서 침착될 수 있다.

재료는 비정질 상, 결정질 상, 또는 둘 모두를 가질 수 있다. 비정질 상 및 결정질 상은 동일한 화학 조성을 가질 수 있으며 단지 미세구조에서만 상이할 수 있다 - 즉, 하나는 비정질이고 다른 하나는 결정질이다. 일 실시 형태에서 미세구조는 25X 배율 이상의 현미경에 의해 밝혀지는 재료의 구조를 지칭한다. 대안적으로, 두 상은 상이한 화학 조성 및 미세구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 조성물은 부분적으로 비정질일 수 있거나, 실질적으로 비정질일 수 있거나, 또는 완전히 비정질일 수 있다.

상기한 바와 같이, 비정질도(및 반대로, 결정도)는 합금 내에 존재하는 결정의 분율에 의해 측정될 수 있다. 결정도는 합금 내에 존재하는 결정질 상의 부피 분율 또는 중량 분율을 지칭할 수 있다. 부분적으로 비정질인 조성물은 약 5 부피% 이상, 예를 들어, 약 10 부피% 이상, 예를 들어, 약 20 부피% 이상, 예를 들어, 약 40 부피% 이상, 예를 들어, 약 60 부피% 이상, 예를 들어, 약 80 부피% 이상, 예를 들어, 약 90 부피% 이상이 비정질 상인 조성물을 지칭할 수 있다. 용어 "실질적으로" 및 "약"은 본 출원의 다른 곳에 정의되어 있다. 따라서, 적어도 실질적으로 비정질인 조성물은 약 90 부피% 이상, 예를 들어, 약 95 부피% 이상, 예를 들어, 약 98 부피% 이상, 예를 들어, 약 99 부피% 이상, 예를 들어, 약 99.5 부피% 이상, 예를 들어, 약 99.8 부피% 이상, 예를 들어, 약 99.9 부피% 이상이 비정질인 조성물을 지칭할 수 있다. 일 실시 형태에서, 실질적으로 비정질인 조성물은 그 안에 존재하는 일부 부수적이고 미미한 양의 결정질 상을 가질 수 있다.

일 실시 형태에서, 비정질 합금 조성물은 비정질 상에 대해서 균질할 수 있다. 조성이 균일한 물질은 균질하다. 이는 불균질한 물질과는 대조된다. 용어 "조성"은 물질 내의 화학 조성 및/또는 미세구조를 지칭한다. 물질은 그 물질의 부피를 절반으로 나누어서 양측 절반이 실질적으로 동일한 조성을 갖는 경우에 균질하다. 예를 들어, 미립자 현탁액의 부피를 절반으로 나누어서 양측 절반이 실질적으로 동일한 부피의 입자를 갖는 경우에, 미립자 현탁액은 균질하다. 그러나, 개개의 입자를 현미경 하에서 관찰하는 것이 가능할 수 있다. 균질한 물질의 다른 예는 공기인데, 공기에서는 그 안의 여러 성분들이 똑같이 부유되지만, 공기 중의 입자, 기체 및 액체는 개별적으로 분석될 수 있거나 또는 공기로부터 분리될 수 있다.

비정질 합금에 대해서 균질한 조성물은 그의 미세구조 전반에 실질적으로 균일하게 분포되는 비정질 상을 갖는 조성물을 지칭할 수 있다. 다시 말해, 조성물은 거시적으로는 조성물 전반에 실질적으로 균일하게 분포된 비정질 합금을 포함한다. 대안적인 실시 형태에서, 조성물은, 비정질이 아닌 상을 그 안에 갖는 비정질 상을 갖는, 복합재의 조성물일 수 있다. 비정질이 아닌 상은 하나의 결정 또는 복수의 결정일 수 있다. 결정은 구형, 타원형, 와이어형, 막대형, 시트형, 플레이크형 또는 불규칙 형상과 같은 임의의 형상의 미립자 형태일 수 있다. 일 실시 형태에서, 결정은 수지상 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 부분적으로 비정질인 복합재 조성물은 비정질 상 매트릭스 중에 분산된 수지상정(dendrite) 형상의 결정질 상을 가질 수 있고; 분산은 균일하거나 또는 불균일할 수 있고, 비정질 상 및 결정질 상은 동일하거나 또는 상이한 화학 조성을 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 이들은 실질적으로 동일한 화학 조성을 갖는다. 다른 실시 형태에서, 결정질 상은 BMG 상보다 더 연성일 수 있다.

본 명세서에 기재된 방법은 임의의 유형의 비정질 합금에 적용될 수 있다. 마찬가지로, 조성물 또는 물품의 구성요소로서 본 명세서에 기재된 비정질 합금은 임의의 유형의 것일 수 있다. 비정질 합금은 원소 Zr, Hf, Ti, Cu, Ni, Pt, Pd, Fe, Mg, Au, La, Ag, Al, Mo, Nb, Be, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 즉, 합금은 그의 화학식 또는 화학 조성에 이들 원소의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 원소들은 상이한 중량 또는 부피 퍼센트로 존재할 수 있다. 예를 들어, 철"계" 합금은 그 안에 존재하는 철의 중량 퍼센트가 미미하지 않은 합금을 지칭할 수 있는데, 그 중량 퍼센트는, 예를 들어, 약 20 중량% 이상, 예를 들어, 약 40 중량% 이상, 예를 들어, 약 50 중량% 이상, 예를 들어, 약 60 중량% 이상, 예를 들어, 약 80 중량% 이상일 수 있다. 대안적으로, 일 실시 형태에서, 상기한 퍼센트는 중량 퍼센트 대신에 부피 퍼센트일 수 있다. 따라서, 비정질 합금은 지르코늄계, 티타늄계, 백금계, 팔라듐계, 금계, 은계, 구리계, 철계, 니켈계, 알루미늄계, 몰리브덴계 등일 수 있다 합금에는 또한, 특정 목적에 적합하도록, 임의의 전술한 원소가 없을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 합금, 또는 합금을 포함하는 조성물에는 니켈, 알루미늄, 티타늄, 베릴륨, 또는 그 조합이 실질적으로 없을 수 있다. 일 실시 형태에서, 합금 또는 복합재에는 니켈, 알루미늄, 티타늄, 베릴륨, 또는 그 조합이 완전히 없다.

예를 들어, 비정질 합금은 화학식 (Zr, Ti)_a(Ni, Cu, Fe)_b(Be, A1, Si, B)_c (여기서, a, b, 및 c는 각각 중량 또는 원자 퍼센트를 나타냄)를 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 원자 퍼센트로, a는 30 내지 75의 범위이고, b는 5 내지 60의 범위이고, c 는 0 내지 50의 범위이다. 대안적으로, 비정질 합금은 화학식 (Zr, Ti)_a(Ni, Cu)_b(Be)_c (여기서, a, b, 및 c는 각각 중량 또는 원자 퍼센트를 나타냄)를 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 원자 퍼센트로, a는 40 내지 75의 범위이고, b는 5 내지 50의 범위이고, c 는 5 내지 50의 범위이다. 합금은 또한 화학식 (Zr, Ti)_a(Ni, Cu)_b(Be)_c (여기서, a, b, 및 c는 각각 중량 또는 원자 퍼센트를 나타냄)를 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 원자 퍼센트로, a는 45 내지 65의 범위이고, b는 7.5 내지 35의 범위이고, c는 10 내지 37.5의 범위이다. 대안적으로, 합금은 화학식 (Zr)_a(Nb, Ti)_b(Ni, Cu)_c(A1)_d (여기서, a, b, c, 및 d는 각각 중량 또는 원자 퍼센트를 나타냄)를 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 원자 퍼센트로, a는 45 내지 65의 범위이고, b는 0 내지 10의 범위이고, c는 20 내지 40의 범위이고, d는 7.5 내지 15의 범위이다. 전술한 합금계의 한 가지 예시적인 실시 형태는 리퀴드메탈 테크놀로지스(미국 캘리포니아주 소재)에서 제작되는 것과 같은, 상표명 비트레로이™, 예를 들어, 비트레로이-1 및 비트레로이-101의 Zr-Ti-Ni-Cu-Be계 비정질 합금이다. 상이한 계의 비정질 합금의 몇몇 예를 표 1에 제공한다.

비정질 합금은 또한 철 합금, 예를 들어, (Fe,Ni,Co)계 합금일 수 있다. 그러한 조성물의 예가 미국 특허 제6,325,868호; 제5,288,344호; 제5,368,659호; 제5,618,359호; 및 제5,735,975호, 문헌[Inoue et al., Appl. Phys. Lett., Volume 71, p 464 (1997)], 문헌[Shen et al., Mater. Trans., JIM, Volume 42, p 2136 (2001)], 및 일본 특허 출원 제200126277호 (출원 공개 제2001303218 A호)에 개시되어 있다. 한 가지 예시적인 조성물은 Fe₇₂Al₅Ga₂P₁₁C₆B₄이다. 다른 예는 Fe₇₂Al₇Zr₁₀Mo₅W₂B₁₅이다. 본 발명의 코팅에 이용될 수 있는 다른 철계 합금계가 미국 특허 출원 공개 제2010/0084052호에 개시되어 있는데, 여기서, 비정질 금속은, 예를 들어, 망간 (1 내지 3 원자%), 이트륨 (0.1 내지 10 원자%), 및 규소 (0.3 내지 3.1 원자%)를 괄호 안에 주어진 조성 범위로 함유하고; 다음의 원소를 괄호 안에 주어진 명시된 조성 범위로 함유한다: 크롬 (15 내지 20 원자%), 몰리브덴 (2 내지 15 원자%), 텅스텐 (1 내지 3 원자%), 붕소 (5 내지 16 원자%), 탄소 (3 내지 16 원자%), 및 철 (나머지).

전술한 비정질 합금계는 추가의 원소, 예를 들어, Nb, Cr, V, 및 Co를 포함한, 추가의 전이금속 원소를 추가로 포함할 수 있다. 추가의 원소는 약 30 중량% 이하, 예를 들어, 약 20 중량% 이하, 예를 들어, 약 10 중량% 이하, 예를 들어, 약 5 중량% 이하로 존재할 수 있다. 일 실시 형태에서, 추가의 선택적인 원소는, 탄화물을 형성하고 내마모성 및 내부식성을 추가로 개선하도록, 코발트, 망간, 지르코늄, 탄탈륨, 니오븀, 텅스텐, 이트륨, 티타늄, 바나듐 및 하프늄 중 적어도 하나이다. 추가로, 선택적인 원소는, 용융점을 감소시키도록, 인, 게르마늄 및 비소를 총 약 2% 이하, 그리고 바람직하게는 1% 미만으로 포함할 수 있다. 달리 부수적인 불순물은 약 2% 미만, 그리고 바람직하게는 0.5% 미만이어야 한다.

일부 실시 형태에서, 비정질 합금을 갖는 조성물은 소량의 불순물을 포함할 수 있다. 불순물 원소는 조성물의 특성을 개질하기 위해, 예를 들어, 기계적 특성 (예를 들어, 경도, 강도, 파괴 메커니즘 등)을 개선하고/하거나 내부식성을 개선하기 위해 의도적으로 첨가될 수 있다. 대안적으로, 불순물은 불가피한 부수적인 불순물로서, 예를 들어, 가공 및 제조의 부산물로서 얻어지는 불순물로서 존재할 수 있다. 불순물은 약 10 중량% 이하, 예를 들어, 약 5 중량% 이하, 예를 들어, 약 2 중량% 이하, 예를 들어, 약 1 중량% 이하, 예를 들어, 약 0.5 중량% 이하, 예를 들어, 약 0.1 중량% 이하일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이들 퍼센트는 중량 퍼센트 대신에 부피 퍼센트일 수 있다. 일 실시 형태에서, 합금 샘플/조성물은 비정질 합금으로 본질적으로 이루어진다 (단지 적은 부수적인 양의 불순물을 가짐). 다른 실시 형태에서, 조성물은 비정질 합금을 포함한다 (관측가능한 미량의 불순물도 갖지 않음).

일 실시 형태에서, 최종 부품은 벌크 응고형 비정질 합금의 임계 캐스팅 두께를 초과하였다.

본 발명의 실시 형태에서, 벌크 응고형 비정질 합금이 고점성 액체로서 존재할 수 있는 과냉각된 액체 영역의 존재는 초소성 성형을 가능하게 한다. 큰 소성 변형이 얻어질 수 있다. 과냉각된 액체 영역에서의 큰 소성 변형을 견딜 수 있는 능력은 성형 및/또는 절단 공정을 위해 사용될 수 있다. 고체와는 대조적으로, 액체 벌크 응고형 합금은 국부적으로 변형되며, 이는 절단 및 성형을 위해 필요한 에너지를 대폭 감소시킨다. 절단 및 성형의 용이성은 합금, 주형, 및 절단 공구의 온도에 따라 좌우된다. 온도가 높을수록, 점도가 낮아지고, 결과적으로 절단 및 성형이 더 쉬워진다.

본 발명의 실시 형태는, 예를 들어, Tg와 Tx 사이에서 수행되는 비정질 합금을 사용한 열가소성-성형 공정을 이용할 수 있다. 여기서, Tx 및 Tg는 전형적인 가열 속도 (예를 들어, 20℃/min)에서의 표준 DSC 측정에 의해 결정화 온도의 개시 및 유리 전이 온도의 개시로서 결정된다.

비정질 합금 구성요소는 임계 캐스팅 두께를 가질 수 있으며, 최종 부품은 임계 캐스팅 두께보다 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 더욱이, 가열 및 형상화 작업의 시간 및 온도는, 비정질 합금의 탄성 변형 한계(elastic strain limit)가 1.0% 이상, 그리고 바람직하게는 1.5% 이상으로 실질적으로 보존될 수 있도록 선택된다. 본 발명의 실시 형태와 관련하여, 유리 전이 온도 근처의 온도는, 성형 온도가 유리 전이 온도 미만, 유리 전이 온도 또는 그 근처, 및 유리 전이 온도 초과일 수 있으나, 바람직하게는 결정화 온도 T_x 미만의 온도일 수 있음을 의미한다. 냉각 단계는 가열 단계에서의 가열 속도와 유사한 속도로, 그리고 바람직하게는, 가열 단계에서의 가열 속도보다 큰 속도로 수행된다. 냉각 단계는 또한 바람직하게는 성형 및 형상화 하중들이 여전히 유지된 채로 달성된다.

사출 성형 시스템(10)의 전술한 실시 형태는 BMG (또는 비정질 합금)을 사용하는 것을 포함하는 제작 디바이스 및/또는 공정에 사용될 수 있다. BMG의 탁월한 특성 때문에, BMG는 다양한 물체, 디바이스, 및 부품에서 벌크 비정질 합금의 구조 성분으로 제조될 수 있다. 한 가지 그러한 유형의 디바이스는 전자 디바이스이다.

전자 디바이스

본 발명의 실시 형태는 BMG를 사용하는 전자 디바이스의 제작에 유용할 수 있다. 본 발명의 전자 디바이스는 본 기술 분야에 공지된 임의의 전자 디바이스를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 전자 디바이스는 휴대 전화 및 유선 전화와 같은 전화기, 또는 예를 들어, 아이폰(iPhone)™을 포함한 스마트폰, 및 전자 이메일 송신/수신 디바이스와 같은 임의의 통신 디바이스일 수 있다. 전자 디바이스는, 디지털 디스플레이, TV 모니터, 전자책 단말기(electronic-book reader), 휴대용 웹 브라우저 (예를 들어, 아이패드(iPad)™), 및 컴퓨터 모니터와 같은 디스플레이의 부품일 수 있다. 또한, 전자 디바이스는 휴대용 DVD 재생기, 통상적인 DVD 재생기, 블루레이 디스크 재생기, 비디오 게임 콘솔, 음악 재생기, 예를 들어, 휴대용 음악 재생기(예를 들어, 아이팟(iPod)™) 등을 포함한 엔터테인먼트 디바이스일 수 있다. 또한, 전자 디바이스는 이미지, 비디오, 사운드의 스트리밍을 제어하는 디바이스 (예를 들어, 애플 TV(Apple TV)™)와 같이 제어를 제공하는 디바이스의 부품일 수 있거나, 또는 전자 디바이스용 원격 조정기일 수 있다. 전자 디바이스는 하드 드라이브 타워 하우징 또는 케이싱, 랩톱 하우징, 랩톱 키보드, 랩톱 트랙 패드, 데스크톱 키보드, 마우스 및 스피커와 같은, 컴퓨터 또는 그의 부속물의 부품일 수 있다. 또한, 물품은 손목시계 또는 시계와 같은 디바이스에 적용될 수 있다.

본 발명의 원리가 상기에 설명된 예시적인 실시 형태에서 분명해졌지만, 당업자에게는 본 발명의 실시에 사용되는 구조, 배열, 비율, 요소, 재료, 및 성분에 대해 다양한 수정이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.

다양한 상기에 개시된 그리고 다른 특징 및 기능, 또는 그의 대안이 바람직하게는 다수의 다른 상이한 시스템/디바이스 또는 응용으로 조합될 수 있음이 이해될 것이다. 다양한 현재 예기치 않거나 뜻밖의 대안, 수정, 변형, 또는 그 내의 개선이 당업자에 의해 후속적으로 이루어질 수 있으며, 이는 또한 하기 특허청구범위에 의해 포함되도록 의도된다.

Claims

사출 성형 시스템으로서,
내부에 수용된 용융성 재료를 용융시키도록 구성된 용융 구역, 및
상기 용융 구역으로부터 주형 내로 용융된 재료를 배출하도록 구성된 플런저 로드(plunger rod)를 포함하며,
상기 플런저 로드 및 용융 구역은 일렬로(in-line) 수평축 상에 제공되어, 상기 플런저 로드는 상기 용융 구역을 통해 수평 방향으로 이동되어 상기 용융된 재료를 상기 수평 방향으로 상기 주형 내로 이동시켜 벌크 비정질 합금(bulk amorphous alloy)을 포함하는 성형품을 형성하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 용융 구역은 상기 용융성 재료를 수용하기 위한 본체를 갖는 용기(vessel)를 포함하며, 상기 본체는 수평 방향으로 상기 본체를 통해 상기 플런저 로드를 수용하여 상기 용융된 재료를 이동시키도록 구성되는, 시스템.
제2항에 있어서, 상기 용기는 상기 용기의 온도를 조절하기 위해 내부에 액체를 유동시키도록 구성된 하나 이상의 온도 조절 라인을 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 용융성 재료를 용융시키도록 구성된, 상기 용융 구역 내에 위치된 유도원(induction source)을 추가로 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 용융 구역과 상기 주형 사이의 전달 슬리브(transfer sleeve)를 추가로 포함하며, 상기 전달 슬리브는 상기 전달 슬리브를 통해 상기 용융된 재료를 수용하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 적어도 상기 용융 구역 및 주형에 진공 압력을 가하도록 구성된 적어도 하나의 진공원(vacuum source)을 추가로 포함하는, 시스템.
사출 성형 시스템으로서,
용융성 재료를 수용하기 위한 본체를 포함하며 내부의 상기 재료를 용융시키도록 구성된 용기,
상기 용기로부터 전달 슬리브를 통해 주형 내로 용융된 재료를 이동시켜 벌크 비정질 합금을 포함하는 성형품을 형성하도록 구성된 플런저 로드를 포함하며,
상기 플런저 로드, 용기, 및 전달 슬리브는 일렬로 수평축 상에 제공되어, 상기 플런저 로드는 상기 용기를 통해 수평 방향으로 이동되어 상기 용융된 재료를 상기 수평 방향으로 상기 전달 슬리브 내로 이동시키는, 시스템.
제7항에 있어서, 상기 용기는 상기 용기의 온도를 조절하기 위해 내부에 액체를 유동시키도록 구성된 하나 이상의 온도 조절 라인을 포함하는, 시스템.
제7항에 있어서, 상기 용융성 재료를 용융시키도록 구성된, 상기 용기에 인접하게 위치된 유도원을 추가로 포함하는, 시스템.
제7항에 있어서, 적어도 상기 용기 및 상기 주형에 진공 압력을 가하도록 구성된 적어도 하나의 진공원을 추가로 포함하는, 시스템.
사출 성형 시스템으로서,
비정질 합금 재료를 수용하기 위한 본체를 포함하며 내부의 상기 비정질 합금 재료를 용융시키도록 구성된 온도 조절식 용기 - 상기 용기는 상기 용기의 온도를 조절하기 위해 내부에 액체를 유동시키도록 구성된 하나 이상의 온도 조절 라인을 포함함 -;
상기 비정질 합금 재료를 용융시키도록 구성된, 상기 온도 조절식 용기에 인접하게 위치된 유도원;
입구를 통해 용융된 비정질 합금을 수용하도록 구성되고, 상기 용융된 비정질 합금 재료를 성형하도록 구성되며, 진공 하에 있는 진공 주형; 및
상기 온도 조절식 용기의 상기 본체로부터 상기 진공 주형 내로 상기 용융된 비정질 합금 재료를 배출하여 벌크 비정질 합금을 포함하는 성형품을 형성하도록 구성된 플런저 로드를 포함하며,
상기 온도 조절식 용기, 상기 진공 주형의 상기 입구, 및 상기 플런저 로드는 일렬로 수평축 상에 제공되어, 상기 플런저 로드는 상기 온도 조절식 용기의 상기 본체를 통해 수평 방향으로 이동되어 상기 온도 조절식 용기로부터 상기 수평 방향으로 상기 입구를 통해 상기 진공 주형 내로 용융된 재료를 배출하는, 시스템.
제11항에 있어서, 상기 온도 조절식 용기와 상기 주형 사이의 전달 슬리브를 추가로 포함하며, 상기 전달 슬리브는 상기 전달 슬리브를 통해 상기 용융된 재료를 수용하도록 구성되는, 시스템.
제11항에 있어서, 적어도 상기 온도 조절식 용기 및 주형에 진공 압력을 가하도록 구성된 적어도 하나의 진공원을 추가로 포함하는, 시스템.