JP5393254B2 - 非晶質合金の成形方法及び非晶質合金の成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、非晶質合金の成形方法及び非晶質合金の成形装置に関する。

非晶質合金の鋳造において結晶化を避けるためには、成形材料が溶解された材料溶湯の温度と冷却速度とを制御し、結晶化領域を避けつつ一定以上の冷却速度で急冷することが必要であることが知られている。

このような制御の方法として、例えば、特許文献１には、材料溶湯を金型内に導入してから、熱交換器によって冷却速度を変化させ、結晶化領域を避けるものが記載されている。
特許文献１に記載の制御方法では、成形に用いる金型と材料溶湯の温度、成形品のサイズ等から、溶湯となる材料の最短結晶化時間及び当該最短結晶化時間における結晶化温度（以下、「Ｔnose」と称する。）に基づき、最短結晶化時間付近での材料溶湯の冷却速度を算出して材料溶湯の温度曲線が結晶化領域を通過するかどうかを予測している。

特表２００５−５１５８９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の制御方法では、材料溶湯が金型に導入された後に冷却速度の調節が開始される。したがって、材料溶湯の温度推移が結晶化領域を通過すると予測された場合であっても、冷却速度の調節が間に合わない結果、材料溶湯の温度推移（熱履歴）が結晶化領域を回避しきれず、結晶化を生じてしまうことがあるという問題がある。

これを避けるには、材料溶湯を金型に注入する前に金型を冷却しておく方法が考えられるが、一般に金型を冷却すれば、材料溶湯の金型内への充填率は低下し、成形品の仕上がりに影響を与える。そのため、結晶化領域回避の観点からは事前に金型を冷却する必要がない場合にまで一律に冷却を行うと、得られる成形品全体の品質が低下してしまう恐れがある。さらに非晶質合金の材料によってはＴnoseが明らかになっていない場合も少なくなく、金型を予め冷却すべきかどうかの判断は容易ではないことも多い。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、材料溶湯の充填率に及ぼす影響を最小限に抑えつつ、結晶化リスクを大きく低減できる非晶質合金の成形方法及び非晶質合金の成形装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様である非晶質合金の成形方法は、非晶質合金材料を溶解した材料溶湯を金型内に導入する非晶質合金の成形方法であって、前記材料溶湯が前記金型内に導入される前に前記金型を冷却する事前冷却が必要かどうかを制御ユニットによって判定する事前冷却判定工程と、前記事前冷却判定工程において前記事前冷却が必要であると判定されたときに、前記事前冷却を行う事前冷却工程と、を備え、前記事前冷却判定工程は、前記非晶質合金材料の最短結晶化時間ｔｎ及び前記最短結晶化時間における結晶化温度Ｔｎの情報を含むＴnoseを前記制御ユニットによって取得する結晶化領域算出工程と、前記金型の金型情報と前記材料溶湯の溶湯情報とにもとづいて、前記金型と前記金型内に導入された前記材料溶湯とが熱平衡状態に到達した熱平衡点における熱平衡温度Ｔ１と、前記材料溶湯の導入後前記熱平衡点に到達するまでの到達時間ｔ１とを前記制御ユニットによって予測する熱平衡点予測工程と、前記熱平衡点と前記Ｔnoseとの位置関係にもとづいて前記事前冷却が必要かどうかを前記制御ユニットによって判定する判定工程と、を有することを特徴とする。

本発明の非晶質合金の成形方法によれば、事前冷却判定工程において、熱平衡点とＴnoseの位置関係にもとづいて金型の事前冷却の必要性が判定されるため、結晶化を防ぐために真に必要な場合にのみ金型の事前冷却が行われる。

前記判定工程において、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１＜ｔｎのときは、前記事前冷却の必要がないと判定されてもよい。
前記判定工程において、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＜ｔｎのときは、前記事前冷却の必要があると判定されてもよい。このとき、前記事前冷却工程において、前記金型の温度をＴｎ以下に下げるように前記事前冷却が行われてもよい。
前記判定工程において、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのときは、前記事前冷却の必要があると判定されてもよい。
前記判定工程において、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのときは、前記事前冷却の必要があると判定されてもよい。

前記金型情報は、前記金型を構成する材料の熱伝導率及び比熱と、前記金型の質量と、前記材料溶湯導入前の前記金型の温度と、前記金型と前記材料溶湯との接触面積とを含み、前記溶湯情報は、前記材料溶湯の比熱と、前記材料溶湯の質量と、前記材料溶湯の導入時の温度とを含んでもよい。この場合、成形体や金型の形状が複雑であっても、より高精度に事前冷却の必要性を判定することができる。

前記結晶化領域算出工程において、前記金属材料が結晶化を起こす条件を示す結晶化領域が算出されてもよい。このとき、前記結晶化領域は、少なくとも３点の結晶化境界点の情報にもとづいて算出されてもよいし、予め明らかになっている前記Ｔnose及び少なくとも１点の結晶化境界点の情報にもとづいて算出されてもよい。これらの場合、より確実に結晶化のリスクを低減することができる。

前記判定工程において、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのときは、前記結晶化領域においてｔ１に対応する最低温度以下の温度を前記事前冷却における目標温度に設定してもよい。

前記判定工程において、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのとき、前記熱平衡点が前記結晶化領域内に位置する場合は前記結晶化領域においてｔ１に対応する最低温度以下の温度を前記事前冷却における目標温度に設定し、前記熱平衡点が前記結晶化領域外に位置する場合は前記事前冷却の必要がないと判定されてもよい。この場合、判定が細分化され、より確実に充填性の低下を防ぎつつ結晶化のリスクを低減することができる。

本発明の非晶質合金の成形方法は、前記材料溶湯が前記金型内に導入された後に前記金型を冷却する事後冷却が必要かどうかを判定する事後冷却判定工程と、前記事後冷却判定工程において前記事後冷却が必要であると判定されたときに、前記金型の事後冷却を行う事後冷却工程とをさらに備え、前記事後冷却判定工程は、前記材料溶湯の導入後に前記金型の温度を計測する金型温度計測工程と、前記金型温度計測工程で得られた前記金型の温度にもとづいて、前記金型の予測温度推移を算出する予測温度推移算出工程と、前記予測温度推移算出工程における算出結果に基づいて、前記事後冷却が必要かどうかを判定する第２判定工程とを有してもよい。この場合、結晶化のリスクをさらに低減することができる。

本発明の第２の態様である非晶質合金の成形装置は、金型を用いて非晶質合金の成形を行う成形装置であって、前記金型を冷却する冷却手段と、前記非晶質合金の材料が溶解された材料溶湯を前記金型に導入する導入手段と、前記金型の金型情報と、前記材料溶湯の溶湯情報と、最短結晶化時間ｔｎ及び前記最短結晶化時間における結晶化温度Ｔｎの情報を含むＴnoseとを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に接続されて設けられ、前記材料溶湯が前記金型内に導入される前に前記金型を冷却する事前冷却が必要かどうかを判定する冷却態様決定部とを備え、前記冷却態様決定部は、前記金型情報及び前記溶湯情報にもとづいて、前記金型と前記金型内に導入された前記材料溶湯とが熱平衡状態に到達した熱平衡点における熱平衡温度と、前記材料溶湯の導入後前記熱平衡点に到達するまでの到達時間とを予測し、前記熱平衡点と前記Ｔnoseとの位置関係にもとづいて前記事前冷却が必要かどうかを判定することを特徴とする。

本発明の非晶質合金の成形方法及び非晶質合金の成形装置によれば、材料溶湯の充填率に及ぼす影響を最小限に抑えつつ、結晶化を確実に回避することができる。

本発明の一実施形態の非晶質合金の成形方法を実行する非晶質合金の成形装置の構成を示す図である。 （ａ）は、同成形装置の金型及び冷却支持台を示す図であり、（ｂ）は、同金型が同冷却支持台に設置された状態を示す図である。 同成形装置の上冷却部及びノズル、並びに同金型及び同冷却支持台を示す断面図である。 同成形装置の機能ブロック図である。 本実施形態の非晶質合金の成形方法の流れを示すフローチャートである。 同成形方法の事前冷却判定工程の詳細を示すフローチャートである。 一般的な結晶化領域を示すモデル図である。 材料溶湯及び金型の熱履歴を示すモデル図である。 同成形方法の事後冷却判定工程の詳細を示すフローチャートである。 同成形方法の各実施例の内容を示す表である。

本発明の一実施形態について、図１から図１０を参照して説明する。図１は、本実施形態の非晶質合金の成形方法（以下、「本成形方法」と称する。）を実行する非晶質合金の成形装置（以下、単に「成形装置」と称する）の構成を示す図である。

本実施形態の成形装置５０は、非晶質合金の材料となる金属材料を加熱溶解して材料溶湯（以下、単に「溶湯」と称することがある。）とし、金型６０の成形空間内に射出して冷却固化することで、金型６０の成形空間の形状に沿った成形品を製造するものである。

非晶質合金とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）した合金のことである。非晶質合金は、複数の金属元素からなる金属材料の溶湯を、ガラス遷移温度以下になるまで急速冷却することにより形成される。非晶質合金は、通常の結晶金属に見受けられるような結晶粒界を有さず、結晶粒界を起因とした粒界腐食（結晶粒界に沿って腐食が進行する現象）を生じないことから、耐食性に優れている。
上述の金属材料から非晶質合金を成形するには、溶湯が急速冷却される必要があり、部分的に必要な冷却速度より遅い速度で冷却されると結晶を生じた状態で固化される部分が発生し、全体として非晶質合金の性能が劣化してしまう。

非晶質合金の例としては、例えば、チタン（Ｔｉ）基合金、鉄（Ｆｅ）基合金、ジルコニウム（Ｚｒ）基合金、マグネシウム（Ｍｇ）基合金などを挙げることができる。
非晶質合金のうち、ガラス遷移領域（結晶化温度からガラス遷移温度を引いた値）が２０℃以上である非晶質合金は、特に、金属ガラスと称される場合がある。
このような金属ガラスは、結晶金属のような凝固収縮を生じないことから、成形金型に対する高精度な転写性を有し、さらにガラス遷移領域ではガラスのような熱間プレス加工も可能であることから、成形品の形状自由度、寸法精度、生産性に優れている。また、金属ガラスは、その物性として低ヤング率・高強度であり、さらに熱に対して低膨張である。

射出成形装置５０は、溶解ユニット１、チャンバー底部２、チャンバー３、天井部４、冷却媒体貯蔵循環部５、および制御ユニット１４（後述）を備えている。

溶解ユニット１は、図１に示すように、内部の雰囲気を減圧した不活性ガス雰囲気に保持することができるように、函型の筐体１ｂに覆われている。筐体１ｂの側面には、金属材料を内部に投入するために開閉可能に設けられた原材料投入口１ａが設けられている。
溶解ユニット１は、図示しない質量測定機構及び溶解機構を有し、材料投入口１ａから投入された金属材料を所定量秤量して成形に必要な量の溶湯を準備することができる。溶湯はチャンバー３内における突出長を調整可能なノズル（導入手段）６から金型６０内に注入される。

チャンバー底部２は、溶解ユニット１の筐体１ｂ上に断熱して設置された構造部材であり、チャンバー底部２の上面はチャンバー３の底面部３ａを構成している。
チャンバー底部２の厚さ方向には、溶解ユニット１から延びるノズル６を進退可能に挿通させる図示しない貫通孔が設けられている。また、チャンバー底部２の内部には、外部から挿入された冷却媒体輸送管１０（後述）が設けられている。

チャンバー３は、図１に示すように、複数の金型６０を用いた射出成形を、連続的かつ遠隔的に行うために直方体状に囲われた密閉空間であり、チャンバー底部２の上面で構成された底面部３ａの外周は、３つの側面３ｂ、および本体部１１で囲まれ、これら側面３ｂおよび本体部１１の上端部には、底面部３ａに対向して天井部４が設けられている。
また、チャンバー３は、不図示の減圧部２４および不活性ガス供給部２５（図４参照）によって、内部の雰囲気が減圧した不活性ガス雰囲気に保持されている。
チャンバー３の内部には、底面部３ａ上に、冷却支持台７、金型台６１、および金型交換アーム９が設けられ、天井部４の下面側に上冷却部８が配置されている。

冷却支持台７、上冷却部８等の細部形状は、金型６０の外形に合わせて適宜変更すべきものである。
まず、以下の説明に用いる金型６０の形状について説明する。
金型６０は、図２（ａ）及び図３に示すように、外形が円状の上面６０ｅおよび下面６０ｇを備え、それらの間に円筒面状の側面６０ｆが形成された、全体として略円板ブロック状の金属部材である。
下面６０ｇの中心部には、内部側に向かって、射出成形後の成形体の外形に対応する穴部が彫り込まれ、この穴部の内部が、材料溶湯が注入される成形空間６０ｃを構成している。成形空間６０ｃの形状は、図示の簡略化のため、一例として円柱の端面に円錐台が形成された成形体に対応する形状を描いている。

成形空間６０ｃの下面６０ｇ側の端部には、図３に示すように、下面６０ｇから内部側に設けられた平面視円形の段穴部６０ａと、段穴部６０ａの底面（図３の上側）の中心に成形空間６０ｃまで貫通し設けられた段穴部６０ａより小径の開口６０ｂとが設けられている。
段穴部６０ａの内径は、ノズル６を外嵌できる大きさに設定されている。

成形空間６０ｃの側方において径方向に互いに対向する２箇所には、下面６０ｇから内部側に向かう直方体状の角穴からなる位置決め凹部６０ｄが設けられている。
各位置決め凹部６０ｄは、段穴部６０ａの中心に対して精度よく位置出して形成されている。
また、位置決め凹部６０ｄの図３の紙面奥行き方向の大きさ、位置は、本実施形態では、図６の水平方向から見た側面視で、成形空間６０ｃを覆う又は略覆うことができる大きさ、位置に設定されている。
なお、模式図のため、図示は省略しているが、位置決め凹部６０ｄの開口部には、位置決めを円滑に行うため面取りが設けられている。

金型６０の材質は、射出時の材料溶湯の温度に対する耐熱性がある高融点材料であれば、適宜の材質を採用することができる。例えば、無酸素銅、ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ２）やＭｎ、Ｔｉ、あるいは、ジルコニアやＴｉを含む合金などを採用することができる。

冷却支持台７は、底面部３ａの上方で、金型６０を一定の成形位置に位置決めして配置し、金型６０を冷却する冷却ユニットである。
冷却支持台７の概略構成は、底面部３ａ上に突出するノズル６の上方を跨ぐように設けられた金型６０より大径の円板状の支持台部７ａと、支持台部７ａを底面部３ａ上に支持する４本の支持脚部７ｂと、金型６０の位置決め凹部６０ｄに嵌合することで、金型６０を支持台部７ａの上面である合わせ面７ｄの面内の位置を位置決めする一対の位置決め凸部７ｃとからなる。

支持台部７ａの平面視の中心には、底面部３ａから進出されるノズル６を挿通可能な貫通孔７ｅが厚さ方向に貫通して設けられている。
貫通孔７ｅの内径は、ノズル６が貫通孔７ｅの内部を非接触で円滑に進退できる程度の径として、ノズル６の側面との隙間ができるだけ小さくなるようにすることが好ましい。
各位置決め凸部７ｃの合わせ面７ｄ上の位置は、各位置決め凸部７ｃが各位置決め凹部６０ｄに嵌合された状態で、金型６０の段穴部６０ａの中心と、貫通孔７ｅの中心とが同軸上に整列される位置に設定される。
また、各位置決め凸部７ｃの合わせ面７ｄからの高さ寸法は、嵌合時に金型６０の下面６０ｇが、合わせ面７ｄに密着して当接できるように、嵌合相手の位置決め凹部６０ｄの深さ寸法よりもわずかに小さい寸法とされる。
なお、模式図のため、図示は省略しているが、位置決め凸部７ｃの先端部には、位置決めを円滑に行うため面取りが設けられている。

このような構成により、２つの位置決め凹部６０ｄが冷却支持台７の位置決め凸部７ｃにそれぞれ嵌合されるとともに、図２（ｂ）に示すように、金型６０の下面６０ｇが冷却支持台７の合わせ面７ｄに密着して当接された状態では、金型６０が射出ノズル部６に対して一定の位置関係に位置決めされる。
本実施形態の射出成形はこの配置位置に設置された金型６０に対して行われるので、以下、この配置位置を射出成形位置と称する。

冷却支持台７の内部には、図３に示すように、冷却媒体輸送管１０から供給される冷却媒体Ｃを他の冷却媒体輸送管１０に帰還させて循環させるため、脚部内流路７Ａ、支持台部内流路７Ｂ、および凸部内流路７Ｃで構成される２系統の流路が設けられている。
脚部内流路７Ａは、各支持脚部７ｂの内部に貫通して設けられ、チャンバー底部２の内部に配管された冷却媒体輸送管１０と支持台部内流路７Ｂとに接続される流路である。
支持台部内流路７Ｂは、支持台部７ａの内部で合わせ面７ｄに平行な面内を、貫通孔７ｅを中心として、外周側から内周側に向かって螺旋状に周回し、凸部内流路７Ｃの端部に接続される流路である。
凸部内流路７Ｃは、位置決め凸部７ｃ内で蛇行を繰り返すように設けられ、両端部が２つの支持台部内流路７Ｂにそれぞれ接続される流路である。

このような流路構成により、対をなす２つの支持脚部７ｂ内の脚部内流路７Ａと、一方の位置決め凸部７ｃ内の凸部内流路７Ｃと、対をなす２つの支持台部内流路７Ｂとが、一続きの連続的な１系統の流路を形成し、同様の経路が他方の位置決め凸部７ｃにも形成され、これらにより冷却支持台７の内部を網羅する２系統の冷却媒体の流路が形成されている。

上冷却部８は、冷却支持台７上の射出成形位置に配置された金型６０に着脱可能に設けられ、冷却支持台７とともに冷却部（冷却手段）１３を構成して、射出成形位置に配置された金型６０の外周面の全面又は略全面を覆った状態で金型６０を冷却する。
上冷却部８の形状は、図３に示すように、射出成形位置に配置された金型６０に対向する側に開口し、底部が鉛直上方に位置する全体として有底円筒状の部材である。
上冷却部８は、有底円筒状の底部の上面で、天井部４から鉛直下方に進退可能に設けられた上冷却部移動機構１２の先端部に接続され、鉛直方向に移動可能に支持されている。

上冷却部８の円筒部の外径は、支持台部７ａの外径と略同等とされ、開口の設けられた軸方向の端部には、支持台部７ａの合わせ面７ｄと密着して当接可能な合わせ面８ａが形成されている。
上冷却部８の開口の内面は、金型６０の側面６０ｆに外嵌する円筒内周面８ｃと、上側内面８ｂとからなる。上側内面８ｂの深さ方向の位置は、合わせ面８ａからの深さが金型６０の下面６０ｇから上面６０ｅまでの厚さ（以下、単に金型の厚さと称する）と略同程度に形成されている。このため、上冷却部８の開口の内面は、金型６０の側面６０ｆおよび上面６０ｅを覆う円筒穴状に形成されている。

上側内面８ｂの深さ方向の位置が金型６０の厚さと同じであると、金型６０は、冷却支持台７および上冷却部８によって、外周面の略全面が密着状態、かつ貫通孔７ｅを除く略密閉状態に覆われるため冷却効率が高くなる。そのため、上側内面８ｂは、金型６０の厚さと同じ深さの位置に形成されることが最も好ましい。
ただし、金型６０の厚さの寸法バラツキを考慮すると、金型６０に対して、上冷却部８を円滑に着脱するためには、上側内面８ｂは、金型６０の厚さと同じ深さの位置に形成することができない場合がある。この場合は、金型６０の厚さよりわずかに深い位置に設定するよりは、わずかに浅い位置に設定することがより好ましい。わずかに浅い位置に設定した場合、金型６０の下面６０ｇ側の端部がわずかに上冷却部８で覆われないことになるが、全体としては金型６０の外周面の略全面を覆っており、さらに上側内面８ｂと上面６０ｅとが確実に密着して当接できるため、冷却効率が高くなる。

なお、上側内面８ｂと上面６０ｅとの間に隙間があっても、この隙間による断熱効果が無視できる等の場合には、わずかに深い設定としてもよい。この場合、合わせ面８ａと合わせ面７ｄとが密着して当接され、金型６０の外周面である上面６０ｅ、側面６０ｆ、下面６０ｇが冷却支持台７および上冷却部８で囲まれて、略全面が略密閉状態に覆われる。

上冷却部８の開口の近傍の側面部８ｄの外側には、冷却媒体輸送管１０に接続された冷却媒体流入口８Ａおよび冷却媒体流出口８Ｂが設けられている。
図３に示すように、上冷却部８の有底円筒状の側面部８ｄおよび有底円筒状の底部を構成する上面部８ｅの内部には、それぞれ側面部流路８Ｃ、上面部流路８Ｄ、および側面部流路８Ｅが設けられている。
側面部流路８Ｃは、一端部が、冷却媒体流入口８Ａに接続され、上冷却部８の側面部内を上面部８ｅ側に向かって螺旋状に周回し、他端部が上面部流路８Ｄの一方の端部と接続された流路である。
上面部流路８Ｄは、上面部８ｅ内を上面部流路８Ｄと接続された一方の端部から径方向の対向位置の他方の端部まで、蛇行を繰り返すように設けられ、他方の端部において、側面部８ｄ内を開口側に進んでから冷却媒体流出口８Ｂに接続される側面部流路８Ｅに接続されている。

このような流路構成により、上冷却部８の側面部８ｄ、上面部８ｅの内部には、冷却媒体流入口８Ａに流入された冷却媒体Ｃが、側面部流路８Ｃによって側面部８ｄ内を周回し、上面部流路８Ｄによって上面部８ｅ内に流通し、側面部流路８Ｅを通って冷却媒体流出口８Ｂに流通して、上冷却部８の内部を網羅する１系統の流路が形成されている。

上冷却部移動機構１２の鉛直方向の移動ストロークは、上冷却部８の合わせ面８ａを冷却支持台７の合わせ面７ｄに密着して当接できる位置である装着位置と、金型６０を冷却支持台７上から取り出すことができる距離だけ離れた開放位置との間で往復できる距離に設定する。
本実施形態の開放位置は、合わせ面７ｄ、８ａとの間の距離が、金型６０の厚さと位置決め凸部７ｃの高さとを加えた距離以上となる位置である。
上冷却部移動機構１２としては、減圧雰囲気下で１軸方向に進退可能に設けられた適宜の１軸移動ステージや１軸アクチュエータなどを採用することができる。

金型台６１は、図１に示すように、複数の金型６０を交換可能に収容する棚状の複数の金型載置部６１ａが設けられた部材であり、本実施形態では冷却支持台７の側方に２台配置されている。
金型台６１の各金型載置部６１ａは、成形位置から離間した金型退避位置を構成する。

金型交換アーム９は、成形工程に使用前または使用後の金型６０を、金型台６１と冷却支持台７上の成形位置と金型退避位置との間で移動させて、金型６０の交換を行うものである。
本実施形態の金型交換アーム９は、底面部３ａ状に基端が固定され、任意の金型載置部６１ａと支持台部７ａ上の位置との間で、金型６０を移動させられるように、例えば、旋回、伸縮、屈曲等の自由度が設定されたロボットアーム９ｂと、ロボットアーム９ｂの先端に設けられた金型６０を把持するハンド部９ａとからなる。

天井部４は、チャンバー３の上部側を密閉して、チャンバー３の天井を構成するもので、上冷却部移動機構１２の基端部が取り付けられている。
また、天井部４の側部側からは、図１に示すように、冷却媒体輸送管１０が挿入され、特に図示しないが、天井部４の内部を通してチャンバー３内の上冷却部８の冷却媒体流入口８Ａ及び冷却媒体流出口８Ｂに連結されている。チャンバー３内の冷却媒体輸送管１０は、上冷却部８の移動量に合わせて進退可能に設けられている。

冷却媒体貯蔵循環部５は、冷却支持台７および上冷却部８を冷却するため、例えば、水などの流体からなる冷却媒体Ｃを、冷却媒体輸送管１０と、冷却支持台７の内部の流路である脚部内流路７Ａ、支持台部内流路７Ｂ、凸部内流路７Ｃと、上冷却部８の内部の流路である側面部流路８Ｃ、上面部流路８Ｄ、側面部流路８Ｅとを通して循環させるものである。

冷却媒体貯蔵循環部５の概略構成は、図４に示すように、冷却媒体Ｃを流路内に循環させるポンプなどからなる冷却媒体循環機構５ａと、冷却支持台７および上冷却部８側で加熱された後に冷却媒体貯蔵循環部５内に帰還した冷却媒体に対して熱交換を行って冷却し、冷却媒体循環機構５ａに送出する冷却媒体冷却部５ｂとからなる。
冷却媒体貯蔵循環部５は、チャンバー底部２および天井部４の側方に配置され、チャンバー底部２および天井部４との間で、それぞれ独立な往復管路を形成する複数の冷却媒体輸送管１０によって連結されている。
冷却媒体循環機構５ａおよび冷却媒体冷却部５ｂは、それぞれ制御ユニット１４に電気的に接続され、制御ユニット１４から制御信号に応じて、それぞれ冷却媒体Ｃの流量や温度が制御される。

図４は、成形装置５０の機能ブロック図である。溶解ユニット１、冷却媒体貯蔵循環部５の冷却媒体循環機構５ａおよび冷却媒体冷却部５ｂ、金型交換アーム９、上冷却部移動機構１２、ノズル６の突出長を調節するノズル移動機構２２、減圧部２４、及び不活性ガス供給部２５の各機構は、いずれも制御ユニット１４に接続されている。

制御ユニット１４は、成形装置５０の各装置部分にそれぞれ制御信号を送出して各装置部分の制御を行うもので、本実施形態では本体部１１に内蔵されている。また、特に図示しないが、作業者が制御ユニット１４により動作制御を行うための制御データを入力するため、例えばキーボード、マウスなどの操作入力部や、操作画面を表示するためのモニタなどが、本体部１１に設けられている。

制御ユニット１４の機能構成は、図４に示すように、雰囲気制御部３４、冷却制御部３３、溶解制御部３１、動作制御部３２、および主制御部３０からなる。
雰囲気制御部３４は、減圧部２４および不活性ガス供給部２５に制御信号を送出して、溶解ユニット１およびチャンバー３の内部の減圧雰囲気および不活性ガス雰囲気を制御する。

冷却制御部３３は、冷却媒体循環機構５ａおよび冷却媒体冷却部５ｂに制御信号を送出して、冷却媒体Ｃの流量および温度を制御する。
また、冷却制御部３３には、成形時において、金型台６１に設置された金型６０の事前冷却及び事後冷却を行うかどうかの判定及び冷却条件の設定を行う冷却態様決定部３５が接続されている。冷却態様決定部３５には、本体部１１の操作入力部から入力された金型情報及び溶湯情報（後述）を受取り記憶する記憶手段３６が接続されている。冷却態様決定部３５お呼び記憶手段３６の詳細な動作については後述する。

溶解制御部３１は、溶解ユニット１の質量測定部、溶解機構等の各部に制御信号を送出して、１回の射出成形に使用する金属材料を秤量して加熱溶解して溶湯を形成する。
動作制御部３２は、金型交換アーム９、上冷却部移動機構１２、およびノズル移動機構２２に制御信号を送出し、金型６０の交換動作、上冷却部８の移動動作、ノズル６の移動動作等の各動作を制御する。
主制御部３０は、成形装置５０全体の動作シーケンスを制御するため、雰囲気制御部３４、冷却制御部３３、溶解制御部３１、および動作制御部３２と通信を行い、各制御信号の送出のタイミングを制御する。

制御ユニット１４は、本実施形態では、適宜のハードウェアと、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータを含んで構成され、このコンピュータにより制御プログラムを実行することで上記の各制御機能を実現している。

以上のように構成された成形装置５０の使用時の動作、及び成形装置５０を用いて行う本成形方法について説明する。
図５は、本成形方法の流れを示すフローチャートである。本成形方法は、成形の準備を行う準備工程Ｓ１０と、金型６０の事前冷却が必要か否かを判定する事前冷却判定工程Ｓ２０と、事前冷却が必要と判定されたときに溶湯の導入前に金型６０を冷却する事前冷却工程Ｓ３０と、金属材料から溶湯を生成して、金型６０に導入する溶湯導入工程Ｓ４０と、溶湯導入後に金型６０の冷却が必要か否かを判定する事後冷却判定工程Ｓ５０と、事後冷却が必要と判定されたときに金型６０を冷却する事後冷却工程Ｓ６０と、成形後に成形品を金型から取り出す取出工程Ｓ７０とを備えている。

まず、ステップＳ１０の準備工程において、溶解ユニット１およびチャンバー３の内部の雰囲気が、減圧部２４および不活性ガス供給部２５によって、一定の減圧下の不活性雰囲気に調整される。次に、ユーザの入力又は自動プログラム等によって選択された金型６０が、金型交換アーム９によって金型６１から冷却支持台７上に移動されて設置される。このとき、各位置決め凹部６０ｄを冷却支持台７の位置決め凸部７ｃにそれぞれ嵌合させ、下面６０ｇを合わせ面７ｄに密着して当接させる。
次に、上冷却部移動機構１２によって、上冷却部８を装着位置まで下降させる。これにより、金型６０の上面６０ｅおよび側面６０ｆが上冷却部８の上面内周面８ｂおよび円筒内周面８ｃによって覆われる状態となる。
制御ユニット１４には、成形する金属材料の結晶化領域を特定するための情報（溶湯情報）と、成形体の質量、熱容量、溶湯射出時の温度、個数等の各種情報（成形体情報）と、金型の質量、熱容量、熱伝導率、溶湯と金型との接触面積（成形体の表面積と同一又は略同一）等の各種情報（金型情報）と、射出時の内圧、射出ガス圧等の射出条件を規定する情報が設定される。これらの設定は、ユーザが操作入力部を介して入力してもよいし、制御ユニット１４が前回入力内容や参照テーブル等を用いて自動で設定してもよい。設定された情報は、記憶手段３６に記憶される。

図６は、事前冷却判定工程Ｓ２０の詳細を示すフローチャートである。事前冷却判定工程Ｓ２０は、Ｔnoseを含む材料溶湯の結晶化領域を算出する結晶化領域算出工程Ｓ２１と、金型６０に導入された溶湯及び金型６０の熱平衡点（後述）を算出する熱平衡点予測工程Ｓ２２と、結晶化領域算出工程Ｓ２１及び熱平衡点予測工程Ｓ２２の算出結果にもとづいて、事前冷却の有無及び条件を決定する判定工程Ｓ２３とを備えている。

ステップＳ２１の結晶化領域算出工程では、制御ユニット１４に設定された溶湯情報にもとづいて冷却態様決定部３５が演算を行い、成形する金属材料からなる材料溶湯の結晶化領域が特定される。
図７は、一般的な結晶化領域を示すモデル図である。図７に示すように、縦軸に材料溶湯の温度Ｔ（Ｋ）、横軸に時間ｔ（秒）をとると、一般的な非晶質合金の結晶化領域は、Ｔnoseを頂点として、当該非晶質合金の融点Ｔｍとガラス転移点Ｔｇとの間の過冷却液体領域Ａ２内において時間ｔの正方向に向かって開く二次関数曲線様の結晶化領域特定曲線Ｃ１（以下、単に「曲線Ｃ１」と称する。）に囲まれた領域Ａ２として表すことができる。

曲線Ｃ１を特定するためには、数式ｔ−ｂ＝α(Ｔ−ａ)^２において、Ｔnoseの時間（最短結晶化時間ｔｎ）及び温度（最短結晶化時間ｔｎにおける結晶化温度Ｔｎ）をそれぞれ示す変数ｂ及びａと、曲線Ｃ１の勾配（開き角度）を決定する変数αを求めればよい。これらの変数を求めるために、冷却態様決定部３５は制御ユニット１４に設定された溶湯情報にもとづいて上記数式の演算を行う。したがって、溶湯情報としては、少なくとも以下のいずれかが必要となる。
１．当該金属材料について実験等により求めた曲線Ｃ１上に位置する少なくとも３点の結晶化境界点の座標（時間ｔ及び温度Ｔ）
２．文献等により明らかにされているＴnoseの温度ａ及び時間ｂと、実験等により求めた少なくとも１点の結晶化境界点の座標
ａ、ｂ、及びαのすべての変数が求められると、曲線Ｃ１の形状が定まり、不等式ｔ−ｂ≧α(Ｔ−ａ)^２を満たす温度と時間の条件（座標（ｔ、Ｔ））の集合が結晶化領域Ａ１として定義される。

ステップＳ２２の熱平衡点予測工程Ｓ２２では、金型６０に溶湯が導入された後の金型６０及び溶湯の熱平衡点の情報を含む温度推移予測（予測熱履歴）が算出される。
外部に逃げる熱がないと仮定した場合、熱力学の第一法則より、溶湯が成形体になる際に失われる熱量は、金型６０が受け取る熱量に等しいと考えることができる。そこで、ｍ：金属材料の質量、ｃ_ａ：金属材料の比熱、ΔＴ_ａ：金属材料（材料溶湯）の温度変化、Ｍ：金型６０の質量、ｃ_ｂ：金型６０の比熱、ΔＴ_ｂ：金型６０の温度変化とすると、溶湯が成形体になる際に失われる熱量及び金型６０が受け取る熱量は、それぞれ｜ｍｃ_ａΔＴ_ａ｜及び|Ｍｃ_ｂΔＴ_ｂ|として表すことができ、これらは等しくなる。これを移動熱量ｊ（ｊ＞０）とする。

また、Ｔ_ａ０：溶湯導入時の溶湯の温度、Ｔ_ａ１：導入時より所定時間ｔ_ｘ経過後の溶湯の温度、Ｔ_ｂ０：溶湯導入時の金型６０の温度、Ｔ_ｂ１：導入時より所定時間ｔ_ｘ経過後の金型６０の温度、（Ｔ_ａ０＞Ｔ_ｂ０が成立していることが前提）、ｓ：作製される成形体の表面積、λ：金型６０の熱伝導率とすると、以下の式１及び式２が成り立つ。
式１：|ｍｃ_a（Ｔ_ａ１−Ｔ_ａ０）|＝ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）
式２：|Ｍｃ_ｂ（Ｔ_ｂ１−Ｔ_ｂ０）|＝ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）

式１及び式２より、以下の式３及び式４で表される２つの方程式を導くことができる。
式３：｛ｍｃ_a（Ｔ_ａ１−Ｔ_ａ０）｝^２＝｛ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）｝^２
式４：｛Ｍｃ_ｂ（Ｔ_ｂ１−Ｔ_ｂ０）｝^２＝｛ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）｝^２
式３の方程式をＴ_ａ１について解くと、下記式５のようになる。
式５：Ｔ_ａ１＝Ｔ_ａ０±ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／ｍｃ_a

このとき、Ｔ_ａ０＞Ｔ_ｂ０であるから、ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／ｍｃ_a＞０である。溶湯の温度について、金型６０への導入時のＴ_ａ０とｔ_ｘ経過後のＴ_ａ１とを比較すると、Ｔ_ａ０＞Ｔ_ｂ０であり、溶湯は金型６０への熱移動により冷却され、加熱されることはないからＴ_ａ０＞Ｔ_ａ１である。よって、Ｔ_ａ１は、以下の式６で表される。
式６：Ｔ_ａ１＝Ｔ_ａ０−ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／ｍｃ_a
同様に、式４の方程式をＴ_ｂ１について解くと、下記式７のようになる。
式７：Ｔ_ｂ１＝Ｔ_ｂ０−ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／Ｍｃ_ｂ

溶湯から金型６０に熱が移動すると、やがて両者の温度は同一となる。このときの時間及び温度を示す座標を熱平衡点Ｐ（ｔ１、Ｔ１）と定義すると、熱平衡点Ｐにおいては、Ｔ_ａ１とＴ_ｂ１とが同一又は略同一となるから、式６及び式７より以下の式８が成り立つ。
式８：Ｔ_ａ０−ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／ｍｃ_a＝Ｔ_ｂ０−ｔ_ｘｓλ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／Ｍｃ_ｂ
式８をｔ_ｘについて解くと、以下の式９のようになる。
式９：ｔ_ｘ＝ｍｃ_a Ｍｃ_ｂ／ｓλ（ｍｃ_a＋Ｍｃ_ｂ）
したがって、金属材料の質量及び比熱、金型６０の質量、比熱及び熱伝導率、並びに作製される成形体の表面積が溶湯情報及び金型情報として与えられれば、これを式９に代入することによって熱平衡点Ｐに到達する予測時間ｔ１を算出することができる。

さらに、式９を式６又は式７に代入すると、熱平衡点Ｐにおける金型６０及び溶湯の温度Ｔ１を算出することができる。一例として、式６に代入した場合を下記式１０として示す。
式１０：Ｔ_ａ１＝Ｔ_ａ０−Ｍｃ_ｂ（Ｔ_ａ０−Ｔ_ｂ０）／（ｍｃ_a＋Ｍｃ_ｂ）
したがって、上述した各情報に加えて、溶湯導入時の溶湯及び金型６０の温度が与えられれば、これらを式１０（あるいは式９を式７に代入した式）に代入することによって温度Ｔ１の予測値が定まる。よって、図７のグラフ（以下、「判定グラフ」と称する。）における熱平衡点Ｐの座標が定まり、結晶化領域算出工程Ｓ２１で取得された結晶化領域Ａ１と熱平衡点Ｐとの位置関係を比較することが可能になる。

ステップＳ２３の判定工程では、判定グラフ上における結晶化領域Ａ１と熱平衡点Ｐとの位置関係にもとづいて、金型６０の事前冷却の有無の判定及び事前冷却を行う場合の金型６０の目標温度の設定が行われる。
まず冷却態様決定部３５は、Ｔnoseの座標（ｔｎ、Ｔｎ）を原点として判定グラフをＱ１ないしＱ４の４つの象限に分割し、熱平衡点Ｐの座標（ｔ１、Ｔ１）がいずれの象限に位置するかを判断する。

図８に示すように、熱平衡点Ｐに到達した後の金型６０の温度（曲線Ｃ３で示す）及び材料溶湯の温度（曲線Ｃ４で示す）は、時間経過と共に徐々に低下していく。したがって、熱平衡点Ｐが第３象限Ｑ３に位置する、すなわち、Ｔ１≦Ｔｎかつｔ１＜ｔｎを満たす場合、溶湯の予測熱履歴曲線Ｃ４が結晶化領域Ａ１を通過するリスクは高くないため、冷却態様決定部３５は事前冷却不要と判定する。

熱平衡点Ｐが第２象限Ｑ２に位置する、すなわち、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＜ｔｎを満たす場合、材料溶湯が熱平衡点Ｐに到達後、徐々に温度が下がる過程において、予測熱履歴曲線Ｃ２が結晶化領域Ａ２を通過する可能性が高くなる。そこで、冷却態様決定部３５は事前冷却必要と判定する。
熱平衡点Ｐに到達した後の予測熱履歴曲線Ｃ４の傾きは基本的にマイナスであるため、金型６０の事前冷却によって熱平衡点Ｐにおける温度Ｔ１が最短結晶化温度Ｔｎ以下に下げられれば、予測熱履歴曲線Ｃ４は第３象限Ｑ３側にシフトし、結晶化のリスクを大きく減らすことができる。ただし、事前冷却が強すぎると、溶湯の金型への充填性が不必要に低下されるので、本実施形態では、Ｔ１とＴｎとが同一となるように金型６０の冷却目標温度が設定される。

熱平衡点Ｐが第１象限Ｑ１に位置する、すなわち、Ｔ１≧Ｔｎかつｔ１≧ｔｎを満たす場合、熱平衡点Ｐが結晶化領域Ａ１内に位置していれば、確実に結晶化を生じることになる。また、結晶外領域Ａ１外に位置している場合であっても、材料溶湯及び金型６０の温度が熱平衡点Ｐに到達後、漸次低下する際に予測熱履歴曲線Ｃ２が結晶化領域Ａ１を通過する可能性が極めて高い。
この場合、冷却態様決定部３５は事前冷却必要と判定し、金型６０の冷却目標温度を熱平衡点Ｐの到達時間ｔ１における結晶化領域Ａ１の最低温度Ｔｃ（図７参照）以下になるように設定する。ただし、事前冷却が強すぎると、溶湯の金型への充填性が不必要に低下されるので、本実施形態では、Ｔ１とＴｃとが同一となるように金型６０の冷却目標温度が設定される。
なお、冷却媒体の種類及び流量等によって決定される成形装置５０の金型冷却能力によっては、上述の冷却目標温度まで金型６０を冷却することが困難であることもある。その場合、冷却態様決定部３５は、冷却能力の上限まで事前冷却を行うように設定する。この場合、結晶化のリスクを完全に排除することは困難であるが、一定の結晶化リスク低減効果を発揮することができる。

熱平衡点Ｐが第４象限Ｑ４に位置する、すなわち、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１≧ｔｎを満たす場合は、冷却態様決定部３５は熱平衡点Ｐが結晶化領域Ａ１内に位置するかどうかによって事前冷却の有無を決定する。熱平衡点Ｐが結晶化領域Ａ１内に位置する場合、冷却態様決定部３５は、上述の第１象限Ｑ１の場合と同様、事前冷却必要と判定し、かつ金型６０が最低温度Ｔｃ以下になるか、又は冷却能力の上限まで事前冷却を行うように設定する。一方、熱平衡点Ｐが結晶化領域Ａ１外に位置する場合、溶湯及び金型６０の温度が漸次低下する際も結晶化領域Ａ１を通過する可能性は高くないので、冷却態様決定部３５は事前冷却不要と判断する。

事前冷却判定工程Ｓ２０が終了すると、処理はステップＳ２４に進む。事前冷却判定工程Ｓ２０において冷却態様決定部３５が事前冷却必要と判断した場合（ステップＳ２４におけるＹｅｓ）、処理はステップＳ３０の事前冷却工程に進む。冷却態様決定部３５が事前冷却不要と判断した場合（ステップＳ２４におけるＮｏ）、成形装置５０は金型の事前冷却を行わず、処理はステップＳ４０の溶湯導入工程に進む。

ステップＳ３０の事前冷却工程では、冷却態様決定部３５の設定した金型６０の目標温度等の冷却条件にもとづいて、冷却制御部３３が冷却媒体循環部５を制御して冷却媒体の流量等を調節し、溶湯の導入前に金型６０の事前冷却を行う。金型６０の温度管理は、金型６０に取り付けた熱伝対等による計測で行ってもよいし、冷却条件等に基づいた推測値等によって管理してもよい。事前冷却終了後、冷却制御部３３は冷却媒体の循環を停止するよう制御し、処理はステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０の溶湯導入工程では、溶解制御部３１が溶解ユニット１を制御して、成形に必要な量の溶湯を所定の温度に調整する。次に、動作制御部３２はノズル移動機構２２を介してノズル６を金型６０の段穴部６０ａに当接させ、ガス圧によって溶湯を上方に射出する。これにより、材料溶湯は開口６０ｂを通して金型６０内の成形空間６０ｃ内に導入される。射出する際のガス圧は、成形空間６０ｃ内がすべて溶湯で満たされるまで保持される。なお、溶解ユニット１内に溶湯の保温用ヒーター等を設け、予めステップＳ４０よりも前に調整した溶湯を保温しつつ溶解ユニット１内で待機させてもよい。
溶湯の導入後、処理はステップＳ５０の事後冷却判定工程に進む。

図９は、事後冷却判定工程Ｓ５０の詳細な流れを示すフローチャートである。事後冷却判定工程Ｓ５０は、材料溶湯の温度の近似値としての金型６０の温度を計測する金型温度計測工程Ｓ５１と、金型６０の予測温度推移を算出する予測温度推移算出工程Ｓ５２と、金型６０の予測温度推移に基づいて金型６０の事後冷却の有無等を判定する判定工程（第２判定工程）Ｓ５３とを備える。

ステップＳ５１の金型温度計測工程では、金型６０に取り付けられた熱伝対等によって、金型６０の温度が、所定間隔、例えば０．５秒ごとに計測される。計測された金型６０の温度は、材料溶湯の温度として代用されるため、当該熱伝対等は、できるだけ金型６０に導入される溶湯の近くに取り付けられるのが好ましい。また、このような条件を満たすものであれば、上述した金型６０の事前冷却において、金型６０の温度管理に使用するものと兼用しても構わない。

ステップＳ５２の予測温度推移算出工程では、金型温度計測工程Ｓ５１で取得された金型６０の温度に基づいて、冷却態様決定部３５が金型６０及び材料溶湯（成形体）の予測温度推移を算出する。以下に本実施形態における予測温度推移の算出方法を説明するが、これは一例であり、この方法に限定されるものではない。

所定時点（ｔ_ｎ）における金型６０の温度をＴ_ｂｎ、所定時点ｔ_ｎに連続して所定時間ｔ経過時（ｔ_ｎ＋１）において計測した金型６０の温度をＴ_{ｂ（ｎ＋１）}とすると、この連続計測した２点の金型６０の温度を結ぶ直線は金型６０及び材料溶湯の予測温度を示す予測温度推移直線となり、以下の式１１のように演算できる。
式１１：予測温度＝｛（Ｔ_{ｂ（ｎ＋１）}−Ｔ_ｂｎ）／ｔ｝×（時間）＋｛（ｔ＋ｔ_ｎ）Ｔ_ｂｎ−ｔ_ｎＴ_{ｂ（ｎ＋１）｝}｝／ｔ
このとき、式１１における｛（Ｔ_{ｂ（ｎ＋１）}−Ｔ_ｂｎ）／ｔ｝が予測温度推移直線の傾きを表す。

Ｓ５３の判定工程では、予測温度推移算出工程Ｓ５２で取得された金型６０及び溶湯の予測温度推移に基づいて、冷却態様決定部３５が金型６０の事後冷却の有無を判定し、事後冷却を行う場合はその具体的態様を設定する。
具体的には、予測温度推移直線の傾きが正、すなわち、｛（Ｔ_{ｂ（ｎ＋１）}−Ｔ_ｂｎ）／ｔ｝＞０の場合、又は、予測温度推移直線が結晶化領域特定曲線Ｃ１と交わる、すなわち、予測温度推移直線が結晶化領域Ａ１を通る場合、冷却態様決定部３５は結晶化リスクが高いと判断し、金型６０の事後冷却を行うあるいはその冷却条件を強める。それ以外の場合は、事後冷却の冷却条件を緩和するあるいは事後冷却を停止する。なお、詳細な制御内容は、予測温度推移直線の傾きの値や予測温度推移直線と結晶化領域特定曲線Ｃ１との交点の座標等によって適宜設定されてよい。
以上が事後冷却判定工程Ｓ５０の流れであり、この工程は、ステップＳ５１における金型温度の計測値に基づいて、所定の計測間隔で繰り返し行われる。

ステップＳ５４では、事後冷却の確認が行われる。判定工程Ｓ５３で事後冷却が必要と判定された場合（ステップＳ５４におけるＹｅｓ）は、処理はステップＳ６０に進んで金型６０の事後冷却が行われる。判定工程Ｓ５３で事後冷却が不要と判定された場合（ステップＳ５４におけるＮｏ）は、処理は後述するステップＳ６１に進む。

ステップＳ６０の事後冷却工程では、事後冷却判定工程Ｓ５０において、冷却態様決定部３５が事後冷却を行うと設定した場合に、冷却制御部３３が冷却態様決定部３５の設定内容に基づいて冷却媒体循環部５を制御して金型６０の事後冷却を行う。

ステップＳ６１では、主制御部３０が、所定の成形終了条件を満たしているかどうかの判定を行う。成形終了条件は適宜設定することができるが、例えば、最短結晶化時間Ｔｎから所定の長さの時間が経過することを条件としたり、金型６０又は溶湯（成形体）の温度が所定温度（例えばガラス転移点Ｔｇ）以下になったことを条件としたりすることができる。
成形終了条件を満たしていない場合（ステップＳ６１におけるＮｏ）、処理はステップＳ５０に戻り、成形が継続されると共に、引き続き所定間隔で事後冷却判定が行われる。成形終了条件が満たされている場合（ステップＳ６１におけるＹｅｓ）、処理は取出工程Ｓ７０に進む。

取出工程Ｓ７０では、上冷却部移動機構１２によって、上冷却部８が開放位置まで上昇される。そして、金型交換アーム９によって、射出成形が終了した金型６０が把持されて冷却支持台７から取り外される。さらに、チャンバー３の雰囲気が大気圧に開放され、金型６０がチャンバー３の外部に搬出される。最後に、成形装置５０の外部で、金型６０から非晶質合金からなる成形体が脱型されて一連の工程が終了する。なお、チャンバー３の雰囲気を大気圧に開放する前に、必要に応じて金型６０を金型台６１に載置された未使用のものと交換して連続成形を行ってもよい。

以上説明したように、本成形方法を行う本実施形態の成形装置５０によれば、事前冷却判定工程Ｓ２０において、金型６０に注入された材料溶湯の結晶化リスクが冷却態様決定部３５によって判定され、当該判定結果にもとづいて事前冷却工程Ｓ３０において溶湯の導入前に金型６０の事前冷却が行われる。したがって、成形体の結晶化リスクを確実に低減して非晶質合金の成形体を好適に製造することができる。

また、事前冷却判定工程Ｓ２０において、冷却態様決定部３５が、Ｔnose（ｔｎ、Ｔｎ）を含む結晶化領域Ａ１及び熱平衡点Ｐの座標（ｔ１、Ｔ１）を算出し、熱平衡点Ｐが第３象限Ｑ３に位置するときは事前冷却不要と判定されて事前冷却が行われない。したがって、結晶化のリスクが低い場合に金型が過度に事前冷却されることがなく、結晶化リスクを確実に低減しつつ、材料溶湯の充填不良の発生も抑制することができる。

さらに、熱平衡点Ｐが第２象限Ｑ２に位置するときは、熱平衡点Ｐの温度Ｔ１がＴｎと略同一となるように冷却態様決定部３５が事前冷却の態様を設定して事前冷却が行われるので、結晶化リスクの低減と充填不良の発生抑制とのバランスを好適にとりながら非晶質合金の成形を行うことができる。

さらに、熱平衡点Ｐが第１象限Ｑ１に位置するときは、熱平衡点Ｐの温度Ｔ１が結晶化領域Ａ１の時間ｔ１における最低温度Ｔｃと略同一となるように冷却態様決定部３５が事前冷却の態様を設定して事前冷却が行われるので、結晶化リスクの低減と、充填不良の発生抑制とのバランスを好適にとりながら非晶質合金の成形を行うことができる。

さらに、熱平衡点Ｐが第４象限Ｑ４に位置する場合、熱平衡点Ｐが結晶化領域Ａ１内に位置するときは熱平衡点Ｐの温度Ｔ１が結晶化領域Ａ１の時間ｔ１における最低温度Ｔｃと略同一となるように冷却態様決定部３５が事前冷却の態様を設定して事前冷却を行い、熱平衡点Ｐが結晶化領域Ａ１外に位置するときは事前冷却不要と判定されて事前冷却が行われない。したがって、熱平衡点Ｐが同一の第４象限Ｑ４内にある場合でも、結晶化リスクに応じて充填不良が最小限になるように材料溶湯及び金型の温度制御が行われるので、好適に非晶質合金の成形を行うことができる。

さらに、熱平衡点Ｐは、熱平衡点予測工程Ｓ２２において、金型６０の質量、熱伝導率、比熱、材料溶湯導入時の温度、及び材料溶湯との接触面積を含む金型情報と、材料溶湯の質量、比熱、及び金型への導入時の温度を含む溶湯情報に基づいて算出されるので、金型や成形体が複雑な形状である塔の場合でも、高精度に熱平衡点を予測することができる。

さらに、Ｔnoseを含む結晶化領域Ａ１は、結晶化領域算出工程Ｓ２１において、冷却態様決定部Ｓ３５が３以上の結晶化境界点、又はＴnose及び１以上の結晶化境界点にもとづいて算出するので、使用する金属材料の結晶化領域を実験値や文献値等を用いて簡便に取得することができる。

加えて、事後冷却判定工程Ｓ５０において、金型６０及び材料溶湯の予測温度推移にもとづいて冷却態様決定部Ｓ３５が事後冷却の必要性を判定し、必要と判定された場合に事後冷却工程Ｓ６０において金型６０の事後冷却が行われる。したがって、成形時における結晶化のリスクをさらに低減することができる。

本成形方法及び本実施形態の成形装置について、実施例を用いてさらに説明する。図１０は本発明の各実施例の内容を示す表である。
（実施例１）
成形する金属材料として、Ｚｒ基金属ガラスであるZr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅を使用した。溶湯情報及び金型情報の詳細は図１０に示すとおりである。実施例１−１では、事後冷却判定工程Ｓ５０及び事後冷却工程Ｓ６０を行わず、実施例１−２ではこれらの工程を加えて成形を行った。事前冷却判定工程Ｓ２０及び事前冷却工程Ｓ３０は、両方の実施例で行った。

（実施例２）
成形する金属材料として、実施例１と同一の材料を使用した。金型の材質も実施例１と同一としたが、成形体の形状及び金型の質量を変更した。そのため、図１０に示すように、溶湯情報及び金型情報のうち、金属材料の質量ｍ、金型の質量Ｍ、及び成形体の表面積ｓが実施例１と異なっている。実施例２−１では、事後冷却判定工程Ｓ５０及び事後冷却工程Ｓ６０を行わず、実施例２−２ではこれらの工程を加えて成形を行った。事前冷却判定工程Ｓ２０及び事前冷却工程Ｓ３０は、両方の実施例で行った。

（実施例３）
成形する金属材料として、パラジウム（Ｐｄ）基金属ガラスであるPd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀を使用した。溶湯情報及び金型情報は図１０に示すとおりである。実施例３−１では、事後冷却判定工程Ｓ５０及び事後冷却工程Ｓ６０を行わず、実施例３−２ではこれらの工程を加えて成形を行った。事前冷却判定工程Ｓ２０及び事前冷却工程Ｓ３０は、両方の実施例で行った。

（実施例４）
成形する金属材料として、実施例３と同一の材料を使用した。金型の材質も実施例３と同一としたが、成形体の形状及び金型の質量を変更した。そのため、図１０に示すように、溶湯情報及び金型情報のうち、金属材料の質量ｍ、金型の質量Ｍ、及び成形体の表面積ｓが実施例３と異なっている。実施例４−１では、事後冷却判定工程Ｓ５０及び事後冷却工程Ｓ６０を行わず、実施例４−２ではこれらの工程を加えて成形を行った。事前冷却判定工程Ｓ２０及び事前冷却工程Ｓ３０は、両方の実施例で行った。

成形時の雰囲気圧及び材料溶湯の射出圧は、すべての実施例で図１０に示すように同一とした。得られた成形体の評価は、目視による充填性の評価及びＸ線回折装置（ＸＲＤ）を用いた非晶質性の評価の２項目行った。

（結果）
実施例１及び２では、実験によって取得された結晶化境界点３点（６５ｓ、７６７Ｋ）、（６８ｓ、７４１Ｋ）、及び（７０ｓ、７３１Ｋ）の情報にもとづいて冷却態様決定部３５が結晶化領域算出工程Ｓ２１において演算を行った。その結果、結晶化領域特定曲線Ｃ１を表す下記の式１３が得られた。
式１３：ｔ−６４．６８６６９≧０．００２３５０４(Ｔ−７７８．５５)^２
したがって、Ｔnoseを規定する最短結晶化時間ｔｎ及び最短結晶化温度Ｔｎは、それぞれ図１０に示すように６４．７秒及び７７８．６Ｋとなった。

実施例３及び４では、実験によって取得された結晶化境界点１点（２２５ｓ、６５０Ｋ）及び文献に記載されたＴnoseの値（１００ｓ、６８３Ｋ）にもとづいて冷却態様決定部３５が結晶化領域算出工程Ｓ２１で演算を行った。その結果、結晶化領域特定曲線Ｃ１を表す下記の式１４が得られた。
式１４：ｔ−１００≧０．１１４７８(Ｔ−６８３)^２
したがって、いずれの例においても、Ｔnoseを含む結晶化領域Ａ１を適切に算出することができた。

熱平衡点予測工程Ｓ２２において算出された各実施例１ないし４の熱平衡点Ｐは図１０に示すとおりであった。
実施例１の熱平衡点Ｐは、上述の第３象限Ｑ３に位置するため、判定工程Ｓ２３において事前冷却不要と判定された。
実施例２の熱平衡点Ｐは、上述の第４象限Ｑ４に位置していたが、結晶化領域Ａ１外に位置していたため、判定工程Ｓ２３において事前冷却不要と判定された。

実施例３の熱平衡点Ｐは、上述の第２象限Ｑ２に位置するため、判定工程Ｓ２３において、Ｔ１とＴｎの差分である１９．５Ｋだけ金型６０の温度を下げる目標で事前冷却を行うように冷却態様決定部３５が設定を行い、事前冷却工程Ｓ３０において金型６０の事前冷却が行われた。
実施例４の熱平衡点Ｐは、上述の第１象限Ｑ１に位置していたが、ｔ１における曲線Ｃ２上の最低温度Ｔｃ（約６６２Ｋ）とＴ１との差分約７０Ｋが成形装置５０の冷却能力を超えていたため、判定工程Ｓ２３において、冷却限界まで事前冷却を行うように冷却態様決定部３５が設定を行い、事前冷却工程Ｓ３０において金型６０の事前冷却が行われた。
事後冷却判定及び事後冷却を行った実施例においては、いずれも金型６０の温度計測を０．５秒間隔で行った。

各実施例の成形体の評価を行ったところ、事後冷却判定及び事後冷却を行わなかった実施例１−１、２−１、３−１、および４−１においては、実施例１−１および３−１では非晶質性は良好に保たれていたものの、実施例２−１および４−１において一部結晶化が発生した。
しかし、一部結晶化が生じた実施例においても、事前冷却と併せて事後冷却を必要に応じて行うことによって、実施例２−２および４−２に示すように、より良好に非晶質性が保持された成形体を得ることができた。なお、事後冷却を組み合わせることによって充填性が悪くなることはなかった。

一方、事前冷却を行わず事後冷却だけ行ったものを検討したところ、冷却能力の不足による顕著な結晶化が観察された。
以上より、事前冷却判定工程Ｓ２０及び事前冷却工程Ｓ３０を備える本成形方法で、成形体の結晶化のリスクが低減され、事後冷却判定工程Ｓ５０及び事後冷却工程Ｓ６０を組み合わせることで、結晶化のリスクはさらに低減され、非晶質性が良好に保たれた成形体を得ることができることが確認された。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上述の実施形態においては、成形の開始前に準備工程Ｓ１０において溶湯情報及び金型情報がユーザによって入力される例を説明したが、一度入力された溶湯情報及び金型情報の値や一度算出された結晶化領域Ａ１や熱平衡点Ｐの情報が適宜記憶されて、ユーザの指定等により適宜呼び出されてもよい。

また、本発明の非晶質合金の成形方法における判定工程Ｓ２３では、熱平衡点Ｐが４つの象限Ｑ１からＱ４のいずれに位置するかにもとづいて事前冷却の有無が判定される例を説明した。この場合、ｔ１＝ｔｎ又はＴ１＝Ｔｎのいずれかの場合、熱平衡点Ｐがいずれの象限に位置するかの定義は、数学的定義に限らず、使用する金属材料の結晶化のしやすさ等によって適宜設定されてよい。

さらに、事後冷却工程Ｓ６０においては、予測温度推移の傾きが正である場合と、予測温度推移が結晶化領域を通過する場合とで冷却態様を異ならせてもよい。この場合、例えば、傾きが正の場合により強く事後冷却を行う等の調節を行うことによって結晶化をより確実に防いだり、充填性の低下リスクをさらに低減したりすることができる。

また、本発明の非晶質合金の成形方法においては、Ｔnoseが取得されれば、結晶化領域Ａ１は必ずしも特定されなくてもよい。結晶化領域Ａ１を算出しない場合でも、熱平衡点Ｐがいずれの象限に位置するかの判定は行うことができる。この場合、熱平衡点Ｐが第４象限Ｑ４に位置する場合の判定の場合分けは、例えば、ＴｎよりもＴ１が所定差分以上低いかどうか等の代わりになる場合分け基準を設定すれば良い。

加えて、各象限に対応する上述した事前冷却の態様はあくまで一例であり、よりよい成形結果を求めるためにそれぞれ個別に適宜変更、調節等されてよい。

６ ノズル（導入手段）
１３ 冷却部（冷却手段）
３５ 冷却態様決定部
３６ 記憶手段
５０ 非晶質合金の成形装置
６０ 金型
Ｐ 熱平衡点
Ｓ２０ 事前冷却判定工程
Ｓ２１ 結晶化領域算出工程
Ｓ２２ 熱平衡点予測工程
Ｓ２３ 判定工程
Ｓ３０ 事前冷却工程
Ｓ５０ 事前冷却判定工程
Ｓ５１ 金型温度計測工程
Ｓ５２ 予測温度推移算出工程
Ｓ５３ 判定工程（第２判定工程）
Ｓ６０ 事後冷却工程
Ｔ１ 熱平衡温度
ｔ１ 熱平衡時間
Ｔｎ 最短結晶化時間における結晶化温度
ｔｎ 最短結晶化時間

Claims (14)

1. 非晶質合金材料を溶解した材料溶湯を金型内に導入する非晶質合金の成形方法であって、
   前記材料溶湯が前記金型内に導入される前に前記金型を冷却する事前冷却が必要かどうかを制御ユニットによって判定する事前冷却判定工程と、
   前記事前冷却判定工程において前記事前冷却が必要であると判定されたときに、前記事前冷却を行う事前冷却工程と、
   を備え、
   前記事前冷却判定工程は、
   前記非晶質合金材料の最短結晶化時間ｔｎ及び前記最短結晶化時間における結晶化温度Ｔｎの情報を含むＴnoseを前記制御ユニットによって取得する結晶化領域算出工程と、
   前記金型の金型情報と前記材料溶湯の溶湯情報とにもとづいて、前記金型と前記金型内に導入された前記材料溶湯とが熱平衡状態に到達した熱平衡点における熱平衡温度Ｔ１と、前記材料溶湯の導入後前記熱平衡点に到達するまでの到達時間ｔ１とを前記制御ユニットによって予測する熱平衡点予測工程と、
   前記熱平衡点と前記Ｔnoseとの位置関係にもとづいて前記事前冷却が必要かどうかを前記制御ユニットによって判定する判定工程と、を有することを特徴とする非晶質合金の成形方法。
2. 前記判定工程において、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１＜ｔｎのときは、前記事前冷却の必要がないと判定されることを特徴とする請求項１に記載の非晶質合金の成形方法。
3. 前記判定工程において、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＜ｔｎのときは、前記事前冷却の必要があると判定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非晶質合金の成形方法。
4. 前記事前冷却工程において、前記金型の温度をＴｎ以下に下げるように前記事前冷却が行われることを特徴とする請求項３に記載の非晶質合金の成形方法。
5. 前記判定工程において、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのときは、前記事前冷却の必要があると判定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非晶質合金の成形方法。
6. 前記判定工程において、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのときは、前記事前冷却の必要があると判定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非晶質合金の成形方法。
7. 前記金型情報は、前記金型を構成する材料の熱伝導率及び比熱と、前記金型の質量と、前記材料溶湯導入前の前記金型の温度と、前記金型と前記材料溶湯との接触面積とを含み、
   前記溶湯情報は、前記材料溶湯の比熱と、前記材料溶湯の質量と、前記材料溶湯の導入時の温度とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の非晶質合金の成形方法。
8. 前記結晶化領域算出工程において、前記金属材料が結晶化を起こす条件を示す結晶化領域が算出されることを特徴とする請求項１に記載の非晶質合金の成形方法。
9. 前記結晶化領域は、少なくとも３点の結晶化境界点の情報にもとづいて算出されることを特徴とする請求項８に記載の非晶質合金の成形方法。
10. 前記結晶化領域は、予め明らかになっている前記Ｔnose及び少なくとも１点の結晶化境界点の情報にもとづいて算出されることを特徴とする請求項８に記載の非晶質合金の成形方法。
11. 前記判定工程において、Ｔ１＞Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのときは、前記結晶化領域においてｔ１に対応する最低温度以下の温度を前記事前冷却における目標温度に設定することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の非晶質合金の成形方法。
12. 前記判定工程において、Ｔ１＜Ｔｎかつｔ１＞ｔｎのとき、
    前記熱平衡点が前記結晶化領域内に位置する場合は前記結晶化領域においてｔ１に対応する最低温度以下の温度を前記事前冷却における目標温度に設定し、
    前記熱平衡点が前記結晶化領域外に位置する場合は前記事前冷却の必要がないと判定されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の非晶質合金の成形方法。
13. 前記材料溶湯が前記金型内に導入された後に前記金型を冷却する事後冷却が必要かどうかを判定する事後冷却判定工程と、
    前記事後冷却判定工程において前記事後冷却が必要であると判定されたときに、前記金型の事後冷却を行う事後冷却工程と、
    をさらに備え、
    前記事後冷却判定工程は、
    前記材料溶湯の導入後に前記金型の温度を計測する金型温度計測工程と、
    前記金型温度計測工程で得られた前記金型の温度にもとづいて、前記金型の予測温度推移を算出する予測温度推移算出工程と、
    前記予測温度推移算出工程における算出結果に基づいて、前記事後冷却が必要かどうかを判定する第２判定工程と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の非晶質合金の成形方法。
14. 金型を用いて非晶質合金の成形を行う成形装置であって、
    前記金型を冷却する冷却手段と、
    前記非晶質合金の材料が溶解された材料溶湯を前記金型に導入する導入手段と、
    前記金型の金型情報と、前記材料溶湯の溶湯情報と、最短結晶化時間ｔｎ及び前記最短結晶化時間における結晶化温度Ｔｎの情報を含むＴnoseとを記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に接続されて設けられ、前記材料溶湯が前記金型内に導入される前に前記金型を冷却する事前冷却が必要かどうかを判定する冷却態様決定部と、
    を備え、
    前記冷却態様決定部は、前記金型情報及び前記溶湯情報にもとづいて、前記金型と前記金型内に導入された前記材料溶湯とが熱平衡状態に到達した熱平衡点における熱平衡温度と、前記材料溶湯の導入後前記熱平衡点に到達するまでの到達時間とを予測し、前記熱平衡点と前記Ｔnoseとの位置関係にもとづいて前記事前冷却が必要かどうかを判定することを特徴とする非晶質合金の成形装置。

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