JP5934366B2 - バルク凝固アモルファス合金とアモルファス合金を含有する複合材料の成形及び分離 - Google Patents
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Description
本明細書での用語「相」は、熱力学状態図内で見出すことができるものを指すことができる。相は、その全体にわたって、材料の全ての物理的特性が本質的に均一である、空間の領域(例えば、熱力学系)である。物理的特性の例としては、密度、屈折率、化学組成、及び格子周期性が挙げられる。相の単純な説明は、化学的に均一であり、物理的にまったく別であり、及び/又は機械的に分離可能な材料の領域である。例えば、ガラスジャー内の、氷及び水からなる系では、その角氷が1つの相であり、水が第2の相であり、その水の上の湿り空気が第3の相である。ジャーのガラスは、別の分離相である。相は、金属間化合物などの、2成分、3成分、4成分以上の溶体又は化合物とすることができる、固溶体を指すことができる。別の例としては、アモルファス相は、結晶相とはまったく別である。
用語「金属」は、電気陽性の化学元素を指す。本明細書での用語「元素」は、全般的には、周期表に見出すことができる元素を指す。物理的には、基底状態の金属原子は、占有状態に近い、空状態を有する部分的充満帯を含む。用語「遷移金属」とは、不完全な内部電子殻を有し、一連の元素内の、最も電気陽性のものと最も電気陽性ではないものとの間の遷移リンクとして役立つ、周期表の第3族〜第12族の範囲内の金属元素のうちのいずれかである。遷移金属は、複数の原子価、着色化合物、及び安定な錯イオンを形成する能力によって特徴付けられる。用語「非金属」は、電子を失って陽イオンを形成する能力を有さない化学元素を指す。
用語「固溶体」は、溶体の固体形態を指す。用語「溶体」は、固体、液体、気体、又はこれらの組み合わせとすることができる、2種以上の物質の混合物を指す。この混合物は、均質又は不均質とすることができる。用語「混合物」とは、互いに組み合わされ、一般的には分離することが可能である、2種以上の物質の組成物である。一般的には、それらの2種以上の物質は、互いに化合されない。
一部の実施形態では、本明細書で説明される合金組成物は、完全に合金化することができる。一実施形態では、「合金」とは、一方の原子が他方の原子に置き換わるか、又は原子間の格子間位置を占有する、2種以上の金属の均質な混合物又は固溶体を指すものであり、例えば、黄銅は、亜鉛及び銅の合金である合金とは、複合材料とは対照的に、金属マトリックス中の1種以上の化合物などの、金属マトリックス中の1種以上の元素の部分的又は完全な固溶体を指すことができる。本明細書での合金という用語は、単一の固相の微細構造を呈し得る全率固溶合金、及び2つ以上の相を呈し得る部分的溶体の双方を指すことができる。本明細書で説明される合金組成物は、合金を含むもの、又は合金含有複合材料を含むものを指すことができる。
「アモルファス」又は「非晶質固体」は、結晶に特徴的な格子周期性を欠く固体である。本明細書で使用するとき、「アモルファス固体」は、ガラス転移を通じて、加熱されると液体状の状態へと軟化及び変態するアモルファス固体である、「ガラス」を含む。一般的には、アモルファス材料は、結晶に特徴的な長距離秩序を欠くが、それらのアモルファス材料は、化学結合の性質による、原子の長さスケールでの何らかの短距離秩序を保有し得る。アモルファス固体と結晶性固体との区別は、X線回折及び透過型電子顕微鏡検査などの構造特性評価技術によって判定される、格子周期性に基づいて行なうことができる。
「アモルファス合金」とは、50体積%超のアモルファス含有量、好ましくは90体積%超のアモルファス含有量、より好ましくは95体積%超のアモルファス含有量、最も好ましくは99体積%超〜ほぼ100体積%のアモルファス含有量を有する合金である。上述のように、アモルファス化度が高い合金は、結晶化度の程度が同等に低いことに留意されたい。「アモルファス金属」とは、無秩序な原子スケール構造を有するアモルファス金属材料である。結晶性であることにより、高度に秩序化した原子配置を有する、殆どの金属とは対照的に、アモルファス合金は非晶質である。そのような無秩序構造が、冷却の間に液体状態から直接作り出される材料は、「ガラス」と称される場合がある。したがって、アモルファス金属は、一般に「金属ガラス」又は「ガラス金属」と称される。一実施形態では、バルク金属ガラス(「BMG」)とは、その微細構造が少なくとも部分的にアモルファスである合金を、指すことができる。しかしながら、アモルファス金属を作り出すためには、極度な急速冷却の他にも、物理蒸着、固相反応、イオン照射、メルトスピニング、及び機械的合金化を含めた、幾つかの方法が存在する。アモルファス合金は、それらが調製される方法とは関係なく、単一の部類の材料とすることができる。
本明細書に記載の実施形態は、BMGを用いた電子機器の作成で、価値のあるものとすることができる。本明細書での電子機器とは、当該技術分野において既知の任意の電子機器を指すことができる。例えば、この電子機器は、携帯電話及び固定電話などの電話、あるいは、例えばiPhone(商標)を含めたスマートフォン、及び電子eメール送信/受信機器などの、任意の通信機器とすることができる。この電子機器は、デジタルディスプレイ、TVモニタ、電子ブックリーダ、携帯ウェブブラウザ(例えば、iPad(商標))、及びコンピュータモニタなどの、ディスプレイの一部とすることができる。この電子機器はまた、携帯DVDプレイヤ、従来型DVDプレイヤ、ブルーレイディスクプレイヤ、ビデオゲームコンソール、携帯音楽プレイヤ(例えば、iPod(商標))などの音楽プレイヤなどを含めた、娯楽機器とすることもできる。この電子機器はまた、画像、ビデオ、音声のストリーミングを制御することなどの、制御を提供する機器(例えば、Apple TV(商標))の一部とすることもでき、又は電子機器用の遠隔制御装置とすることができる。この電子機器は、コンピュータ、あるいはハードドライブタワーの筺体若しくはケーシング、ラップトップ筺体、ラップトップキーボード、ラップトップトラックパッド、デスクトップキーボード、マウス、及びスピーカーなどの、コンピュータ付属品の一部とすることができる。この物品はまた、腕時計又は時計などの機器にも適用することができる。
一実施形態では、最終部品は、バルク凝固アモルファス合金の臨界鋳造厚さを超過するものであった。
1)実質的にアモルファスであるアモルファス合金の原料を準備する工程と、
2)その原料、金型、及び切断工具を、ガラス転移温度近傍まで、又は過冷却液体領域内に加熱する工程と、
3)加熱した原料を型に入れて整形し、余分な材料を分離して、望ましい形状を成形する工程と、
4)成形した部品の温度を、ガラス転移温度よりはるかに低い温度まで冷却する工程と、を含む。
(1)バルクアモルファス合金原料を入手し、これをTg〜Txまで加熱する。
(2)加熱したバルクアモルファス合金を金型に挿入(射出)して、BMG部品を成形する。
(3)Tg〜Txの温度であるカッターを動作させて、BMG部品のトリミングを行う。BMG部品は、切断中にTg未満であってよく、BMG部品はTg〜Txであってよい。BMG部品は、切断中に冷却することができる。
(4)金型を開けて、トリミングしたBMG部品を取り出す。BMG部品は、取り出し中に冷却されてもよい。
1.アモルファス合金(必ずしもアモルファスではない)の均質な合金原料を準備する工程と、
2.その原料を、溶融温度超の鋳造温度まで加熱する工程と、
3.その溶融合金を、臨界鋳造厚さ又はそれより薄い厚さを備えた第1金型に導入し、その溶融合金を、ガラス転移未満の温度まで急冷する工程と、
4.その原料、第2金型、及び切断工具を、ガラス転移温度近傍まで、又は過冷却液体領域内に加熱する工程と、
5.加熱した原料を第2金型に入れて整形し、余分な材料を分離して、望ましい形状を成形する工程と、
6.成形した部品の温度を、ガラス転移温度よりはるかに低い温度まで冷却する工程と、を含む。この部品は、臨界鋳造厚さよりも厚い厚さを有し得る。
7.第2金型は必要でないことがあり、すなわち、全てを1つの金型に組み込むことができる。
(1)金属合金原料(アモルファスであってもなくてもよい)を入手し、Tm超の温度まで加熱する。
(2)溶融した原料を、部品の形状に整形した金型に挿入(射出)する。
(3)金型内の溶融した原料を、Tg未満まで冷却し、BMG部品を成形する。
(4)Tg〜Txの温度であるカッターを動作させて、BMG部品のトリミングを行う。BMG部品は、切断中にTg未満であってよく、BMG部品はTg〜Txの温度であってよい。BMG部品は、切断中に冷却することができる。
(5)金型を開けて、トリミングしたBMG部品を取り出す。BMG部品は、取り出し中に冷却されてもよい。
他の実施形態は、BMG部品の成形/鋳造、及びホットナイフを使用するBMG部品の部分の切断のための装置に関する。このナイフは、Tg超の加熱した温度で維持され、切断の際にBMG部品上に類似の微細構造を形成するための、様々なタイプの微細構造を有し得る。
Claims (18)
- バルク凝固アモルファス合金から部品を成形するための方法であって、
前記バルク凝固アモルファス合金の時間−温度プロファイルが、前記バルク凝固アモルファス合金の時間−温度−変態(TTT)図の結晶化領域に入らないように、前記バルク凝固アモルファス合金から部品を成形する工程と、
前記バルク凝固アモルファス合金のガラス転移温度(Tg)よりも高い温度まで加熱した切断工具で、前記部品の一部分を切断する工程と、を含む、方法。 - 前記成形する工程が、Tg未満から、Tgと前記バルク凝固アモルファス合金の臨界結晶化温度(Tx)との間の領域までアモルファス合金を加熱する工程と、該バルク凝固アモルファス合金を型に挿入する工程と、を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記切断する工程が、前記部品の残りの部分から前記部品の前記一部分を剪断する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記切断する工程の間に、前記切断工具に接する前記部品の領域の温度がTg超であり、及び前記部品の残りの部分がTg未満、又はTg超である、請求項1に記載の方法。
- 前記部品を成形する工程が、
前記バルク凝固アモルファス合金を前記バルク凝固アモルファス合金の融解温度(Tm)以上の温度まで加熱する工程と、
前記バルク凝固アモルファス合金を型に挿入する工程と、
前記バルク凝固アモルファス合金をTg未満の温度まで冷却する工程と、を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記切断する工程が、前記部品の残りの部分から前記部品の前記一部分を剪断する工程を含む、請求項5に記載の方法。
- 前記切断する工程の間に、前記切断工具に接する前記部品の領域の温度がTg超であり、及び前記部品の残りの部分がTg未満、又はTg超である、請求項6に記載の方法。
- バルク凝固アモルファス合金を含む材料を、前記バルク凝固アモルファス合金のガラス転移温度又は過冷却液体領域内の温度まで加熱する工程と、
前記材料が前記ガラス転移温度又は前記過冷却液体領域内の温度で加熱される間に、
前記材料から部品を成形する工程とかつ前記部品から余分な材料を分離する工程と、を含む方法。 - 前記バルク凝固アモルファス合金が、分子式(Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)cで表わされ、式中、原子百分率で、aは30〜75の範囲であり、bは5〜60の範囲であり、cは0〜50の範囲である、請求項8に記載の方法。
- 前記バルク凝固アモルファス合金が、分子式(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)cで表わされ、式中、原子百分率で、aは40〜75の範囲であり、bは5〜50の範囲であり、cは5〜50の範囲である、請求項8に記載の方法。
- 前記材料が、いかなる永久変形又は破断もなしに、最高1.5%又はそれ以上の歪みに耐え得る、請求項8に記載の方法。
- バルク凝固アモルファス合金を含む材料の原料を準備する工程と、
前記原料、金型、及び切断工具を、前記バルク凝固アモルファス合金のガラス転移温度又は過冷却液体領域内の温度に加熱する工程と、
余分な材料を有する部品を成形するために前記加熱した原料を前記金型に導入する工程と、
前記切断工具で前記部品から前記余分な材料を分離する工程と、
前記部品の温度を、前記バルク凝固アモルファス合金の前記ガラス転移温度より低い温度まで冷却する工程と、を含む、方法。 - 合金を、前記合金の融解温度以上の鋳造温度まで加熱する工程であって、該工程により溶融合金が作られることを特徴とする工程と、
前記溶融合金を金型に導入する工程と、
前記合金のガラス転移温度未満の温度まで前記溶融合金を急冷する工程であって、該工程によりアモルファス微細構造を少なくとも部分的に含む部品が作られることを特徴とする工程と、
前記部品と、切断工具とを、前記合金の前記ガラス転移温度又は過冷却液体領域内の温度まで加熱する工程と、
前記部品から、余分な材料を分離する工程と、
前記ガラス転移温度未満の温度まで前記部品を冷却する工程と、を含む、方法。 - 前記分離が、前記部品の表面に、微細構造を形成する工程を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記微細構造がホログラムを含む、請求項14に記載の方法。
- バルク凝固アモルファス合金から部品を成形するよう構成され、及び前記部品を形成するときの時間−温度プロファイルが、前記バルク凝固アモルファス合金の時間−温度−変態(TTT)図において、結晶化領域に入らないように加熱される、又は冷却されるように構成される、金型と、
切断工具であって、前記切断工具は、前記バルク凝固アモルファス合金のガラス転移温度(Tg)よりも高い温度まで加熱され、及び前記切断工具の温度がTgよりも高い間に、前記部品の一部分を切断するように構成された、切断工具と、を備える、装置。 - 前記切断工具の表面は微細構造を含み、及び前記切断工具は、前記部品の前記一部分を切断すると、前記部品の表面上に微細構造を形成するように構成される、請求項16に記載の装置。
- 合金を、前記合金の融解温度以上の鋳造温度まで加熱して、溶融合金を作る工程と、
前記溶融合金を金型に導入する工程と、
前記合金のガラス転移温度(Tg)未満の温度まで前記溶融合金を急冷し、アモルファス微細構造を少なくとも部分的に含む部品を作る工程と、
切断工具を、前記合金のガラス転移温度に、又は過冷却液体領域内に加熱する工程と、
前記部品がTg未満の温度である間に、前記加熱された切断工具で前記部品から、余分な材料を分離する工程と、を含む方法。
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