KR100309389B1

KR100309389B1 - 금속유리의 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR100309389B1
Application number: KR1019997001125A
Authority: KR
Inventors: 이노우에아키히사; 마카베에이이치
Original assignee: 이노우에 아키히사; 마카베 에이이치; 가부시키가이샤 마카베 기켄
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2001-09-26
Also published as: US6427753B1; WO1998056523A1; DE69823966D1; DE69823966T2; JP3011904B2; EP0921880A1; KR20000068108A; EP0921880B1; US20020100573A1; JPH111729A; TW480289B

Abstract

탕경계등의 주조결함이 없이, 바람직하게는 융점이하의 용융금속에 의한 불균일 핵생성에 의해 성장한 결정핵을 가진 결정상이 혼재하지않는, 즉 융점이상의 용융금속만을 임계냉각속도 이상의 속도로 냉각시킨 비결정질 단상으로되고 강도특성이 우수한 최종형상의 벌크형 비결정질재료를 한번에 간단한 공정으로 재현성이 양호하게 수득할 수 있는 금속유리의 제조방법을 제공한다.

단조로상에 금속재료를 충전시키고, 이 금속재료를 용융가능한 고에너지열원을 사용해서 용해시킨후, 수득된 융점이상의 용융금속을 냉각계면끼리 중첩시키는일이없이 프레스해서 융점이상의 용융금속에 압축응력 및 전단응력 중 최소한 하나이상의 힘을 부여해서 원하는 형상으로 변형시키고, 변형후 혹은 변형과 동시에 상기한 용융금속을 임계냉각속도 이상으로 냉각시켜서 상기한 원하는 형상의 벌크형 금속유리를 제조하므로서 상기한 과제를 달성한다.

Description

금속유리의 제조방법 및 제조장치{PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING METALLIC GLASS}

종래로부터 비결정질합금재료를 제조하기위해 금속이나 합금을 용융시켜 액체상태로부터 급냉응고시켜서 급냉금속(합금)분말을 수득하고, 수득된 급냉금속분말을 결정화온도 이하에서 소정형상으로 고체화시켜서 진밀도화(眞密度化)하는 방법이나 용융금속이나 합금을 급냉응고시켜서 직접 원하는 형상의 비결정질합금재료를 얻는 방법 등이 제안되어있다.

그러나 이 종래의 방법에 의해 얻어지는 비결정질합금재료는 질량이 작은 것이 대부분으로 이들방법으로 벌크재료를 얻는 것은 곤란하다.

한편 급냉분말의 고체화에 의해 벌크형 비결정질 합금재료를 얻는 방법도 시도되고있으나 만족할만한 벌크재는 아직 얻어지지 않고있다.

예를들면 생성되는 소질량의 비결정질재료에는 멜트스핀닝(melt spinning)법, 단일롤법, 플래너플로우(planar flow)주조법등에 의해 예를들면 최대 폭이 약200mm, 두께 30㎛정도의 얇은 스트립띠(리본)형태의 비결정질재료 등이 얻어진다. 이들 비결정질재를 변압기의 코어재료등에 응용을 시도하고 있으나 상기의 방법으로 생산한 비결정질재료는 대부분 아직 산업적으로 이용되지 않고있다.

급냉분말을 응고성형하여 비결정질재료화 하는 기술로서 CIP, HIP, 핫프레스(hot press), 열간압출, 방전플라즈마소결법 등의 각종방법이 취해지고 있으나 미세한 형상이기 때문에 유동특성이 나쁘고, 유리전이온도 이상으로 온도상승시킬 수가 없는 온도특성의 문제가 있다. 또한, 성형공정에 많은 단계가 필요한 것 이외에도 응고성형후 벌크재료로의 특성이 충분치않다는 등의 결점이 있기 때문에 만족할만한 방법이라고는 할수 없다.

이에, 본발명자 등은 최근 Ln-Al-TM, Mg-Ln-TM, Zr-Al-TM, Hf-Al-TM 및 Ti-Zr-TM(여기서 Ln=란탄족금속, TM=VI-VIII족 전이금속)등의 3원계의 많은 비결정질금속이 10²K/s급의유리성형을 위한 저임계냉각속도(low critical cooling rate)를 갖는다는 점과, 이들금속을 금형주조법 또는 고압다이캐스팅법에 의해 두께 약 9mm까지의 벌크형상으로 제조할 수 있음을 발표하였다.

그러나 종래의 방법으로는 임의형상의 벌크형 비결정질합금을 제조할 수가 없다.

벌크형 비결정질합금재료와 또한 비결정질금속재료의 크기 확대가 가능하도록 저임계냉각속도를 유지하는 비결정질합금을 제조할 수 있는 새로운 응고기술의 개발이 강력히 요망되고있다.

여기서 본발명자 등은 앞서 제안한 3원계합금에 의한 벌크형 비결정질합금에관한 새로운 연구에서 3원계합금의 큰 유리형성능력은 상호의 크기차이가 10%를 초과하는 구성원자들의 최적의 원자크기비에 주로 의존한다. 그결과 본발명자들은 성분계합금에 있어서의 다른 원자크기비를 갖는 구성원소의 증가의 효과에 주목하여, 1∼100K/s 범위의 저임계냉각속도를 갖는 Zr-Al-Co-Ni-Cu계, Zr-Ti-Al- Ni-Cu계, Zr-Ti-Nb-Al-Ni-Cu계, Zr-Ti-Hf-Al-Co-Ni-Cu계의 비결정질합금을 발견하였고 U.S.P.No.5,740,854(JP-A 6-249254에 대응한 미국특허출원)에서 석영관내의 용융물을 수냉시켜 직경 16mm이하, 길이 150mm의 벌크형 비결정질합금재료를 생성할 수 있다고 발표했다.

또 본발명자들은 U.S.P.No.5,740,854와 JP-A-6-249254에서, 수득된 벌크형 비결정질합금재료가 인장응력-신장곡선에 톱니형 가소성흐름(plastic flow)을 수반하는 압축강도 및 파괴(균열)강도와 거의 맞먹는 1500MPa의 고인장강도를 나타내고, 이 고인장강도 및 톱니형 가소성흐름은 주조된 벌크형 비결정질합금의 두께가 큰 것임에도 불구하고 양호한 전연성(展延性)을 나타내는 것을 제시했다.

다시또 본발명자들은 상술한 벌크상 비결정질금속 제조에 관한 발견에 기초해서, 간단한 조작으로 용이하게 다양한 형상 및 대형의 금속유리를 제조하는 방법을 개발하기위해 예의 연구를 거듭한 결과, 용융금속재료를 수냉주형에 즉시주입하여 비결정질재료로서의 특성이 우수한 벌크형의 비결정질재료를 간단한 조작으로 용이하게 제조할 수 있는 차압주조식 금속유리 제조방법을 제안하고있다.

U.S.P.No. 5,740,854 및 JP-A 6-249254에서 발표한 차압주조식 금속유리 제조방법을 이용해도 대형의 주상 벌크형 비결정질재료를 제조할 수 있으며, 이렇게수득된 비결정질재료도 우수한 특성을 나타낸다.

그러나 이 종래법에서는 수냉동제 단조로(water-cooled crucible) 의 저면부를 고속도로 하강시켜서 용융금속을 수직식 수냉주형에 즉시주입하여 용융금속의 이동속도를 빠르게해서 큰 냉각속도를 얻고있다.

이때문에 종래법에서는 수직식 수냉주형에 주입할때 용융금속이 유동화하여 물결을 일으키고 이때문에 표면적이 증가하여 외기와 접촉하는 용융금속의 계면이 증가할 염려가 있다. 극단의 경우에는 작은 괴적(塊滴)으로 분리된 후에 수직식 주형에 충전되기 때문에, 주조할 때 계면끼리 중첩되어 이 중첩부분에서, 소위 탕경계(cold shut)가 생기는 결과가 된다.

이결과로 얻어진 벌크형 비결정성재질의 특성이 이 탕경계부분에서 열화하고 벌크형 비결정질자체의 특성을 열화시킬 우려가 있다는 점이 문제였다.

또 금속재료를 수냉동제 단조로에서 융해하기 때문에 단조로와 접촉하는 금속재료는 예를들어 융해되어 있어도 반드시 용융금속의 온도가 융점이상은 아니므로, 불균일 핵생성의 원인이 되지만 이들 불균일 핵생성을 유도할 용융금속부분도 함께 수직식 수냉주형에 주입되므로 여기서 결정핵이 생길 우려가 있다는 것도 문제였다.

다시또 금속재료를 용해시키는 수냉동제 단조로의 저면부가 고속으로 이동하기 때문에 용융금속이 그 이동부분이나 틈새로 들어가서 재현성을 저하시키거나 극단의 경우에는 틈새로 들어간 융융물질이 장치를 동작불량 혹은 동작정지나 불능으로 만들 우려도 있었다.

본발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 해소하고 융점이하의 예를들면 외기와 접촉한 용융금속의 냉각계면끼리 중첩되어 비결정질화한 부분, 소위 탕경계가 없고 다시또 바람직하게는, 융점이하의 용융금속에 의한 불균일 핵생성에 의해 결정핵이 성장한 결정성부분이 없는 금속유리 제조방법을 제공하는데 있다. 즉 다시말하면, 본발명의 목적은 융점이상의 용융금속만을 임계냉각속도 이상의 속도로 선별냉각시켜 간단한 공정으로 강도특성이 우수한 원하는 형상의 벌크형 비결정질을 고재현성으로 양호하게 얻을수 있는 금속유리의 제조방법을 제공하는 것이다.

본발명은 용융금속의 표면끼리 중첩되어서 비결정질화한 부분 소위 탕의 경계가 없고 강도특성이 우수한 원하는 형상의 각종 대형금속유리(벌크형 비결정질)를 제조하는 금속유리의 제조방법에 관한것이다.

도 1은 본발명에 관한 금속유리 제조방법을 실시하는 압연방식 금속유리 제조장치의 한 구성예를 모식적으로 나타내는 플로우시트.

도 2는 도 1에 나타내는 압연방식 금속유리 제조장치의 수냉동제 단조로 및 압연주형의 1실시예를 나타내는 상면모식도.

도 3은 본발명에 의한 열원으로서 아아크전극을 사용하는 압연방식 금속유리 제조장치에 의한 판상 비결정질 벌크형재료의 제조공정의 1예를 나타내는 모식도이며 도 3a는 금속재료용해공정의 모식도, 도 3b는 용융금속의 압연냉각공정의 모식도.

도 4a 및 도 4b는 각각 본발명의 압연방식 금속유리 제조장치의 별도의 실시예의 주요부의 부분단면도 및 부분상면도

도 5는 본발명에 관한 금속유리의 제조방법을 실시하는 단조방식 금속유리 제조장치의 한 구성예를 모식적으로 나타내는 플로우시트.

도 6은 본발명에 의한 열원으로서 아아크전극을 사용하는 단조방식 금속유리 제조장치에 의한 판상 비결정질 벌크형재료의 제조공정의 한가지 예를 나타내는 모식도이며, 도 6a는 금속재료 용융공정의 모식도, 도 6b는 용융금속의 단조냉각공정의 모식도

도 7은 본발명의 실시예 14에 있어서 제조된 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 횡단면에 있어서의 중앙영역으로부터 취한 X선회절패턴

도 8은 본발명의 실시예 14에 있어서 제조된 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 횡단면에 있어서의 중앙영역으로부터 취한 시차주사열량측정곡선

도 9는 본발명의 실시예 14에 있어서 제조된 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 횡단면에 있어서의 중앙영역의 금속조직을 나타내는 도면대용사진

(도면의 주요부분에대한 부호의설명)

10. 압연방식 금속유리제조장치

12. 수냉동제 단조로

12a. 오목한부

13. 압연주형

14. 수냉(텅스텐)전극

15,17,23,57.구동모터

16. 압연수냉롤

18. 냉각수 공급장치

20. 진공챔버

22. 단조로 이동장치

24. 아아크전원

26. 반도체레이저센서

28,34. 가스공급원

30. 오일확산 진공펌프

32. 오일회전 진공펌프

36. 플라즈마아아크

38. 용융합금

39. 박판상 비결정질재료

50. 단조방식 금속유리 제조장치

52. 하부금형

54. 상부금형

상기한 목적을 달성하기위해 본발명은 단조로상에 금속재료를 충전시키고, 이 금속재료를 용융가능한 고에너지열원을 사용해서 금속재료를 융해시킨후 얻어진 융점이상의 용융금속을 냉각계면끼리 중첩되지않게 압착하여 압축응력 및 전단응력 중 최소한 한가지 힘을 융점이상의 용융금속에 부여해서 원하는 형상으로 변형시키고, 변형후 혹은 변형과 동시에 상기한 용융금속을 임계냉각속도 이상으로 냉각시켜서 상기한 형상의 벌크형 금속유리를 제조하는 것을 특징으로하는 금속유리의 제조방법을 제공한다.

또 본발명은 상기한 금속유리의 제조방법으로서, 융해후 융점이상의 용융금속이 융점이하의 냉각면과 접촉하는 것을 피하고 또한 이 냉각면과 융점이하의 또다른 냉각면을 중첩시키는 일 없이 압착하는 것을 특징으로하는 금속유리의 제조방법을 제공하는 것이다.

여기서 상기한 용융금속의 압착(press) 및 변형은 상기한 단조로상에 배치된압연냉각롤에 의해 상기한 융점이상의 용융금속만을 판상 또는 원하는 형상으로 압연함과 동시에 냉각시켜 행하는 것이 바람직하다.

또 상기한 단조로내에 충전된 금속재료를 융해한 후, 단조로를 고에너지열원 및 압연냉각롤에 대해 상대이동시키고 동시에 압연냉각롤을 회전시켜 상기한 단조로 위로 올라온 융점이상의 용융금속만을 압연하고 또한 냉각시켜서 판상 혹은 원하는 형상을 갖는 금속유리를 제조하는것이 바람직하다.

또 상기한 단조로는 장척형태(elongated shape)이고 이 장척형 단조로를 고에너지열원 및 상기한 압연냉각롤에 상대이동시키므로서, 고에너지열원에 의한 금속융해 및 융점이상의 용융금속의 압연 및 냉각을 연속적으로 행해서 장척형 판상금속유리 또는 원하는 형상의 금속유리를 연속으로 제조하는것이 바람직하다.

또 상기한 압연냉각롤은 단조로에 대응하는 위치에 융점이상의 용융금속을 (단조로)밖으로 배출시키기위한 저열전도성 재질의 용탕배출기구를 장착한 것이 바람직하다.

또 상기한 용융금속의 프레스 및 변형은 상기한 단조로에 근접설치된 하부금형의 공동(cavity)에 상기한 융점이상의 용융금속만을 유동화없이 선별이동하고, 이동후 즉시 상부금형으로 프레스해서 원하는 형상으로 단조함과 동시에 냉각시켜 달성하는 것이 바람직하다.

또 상기한 단조로내에 충전된 금속재료를 융해한후 단조로 및 하부금형을 상부금형의 바로 밑으로 이동시키고, 즉시 이 상부금형을 하부금형쪽으로 하강시켜 단조로내의 융점이상의 용융금속만을 하부금형에 전달하여 프레스 및 냉각하고 다시 단조해서 원하는 형상의 금속유리를 제조하는 것이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본발명에 따라 금속재료를 탑재시키기위한 단조로와, 상기한 단조로내에 있는 금속재료를 융해시키기위한 수단과, 프레스하는동안 금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 용융금속의 표면이 상호중첩되는것을 피하면서 압축응력이나 전단응력 중 최소한 하나이상의 힘에 의해 용융금속을 소망의 형상으로 변형시키기위해 용융온도보다 높은 온도에서 금속재료 용해수단으로 용융금속을 프레스하기위한 수단과, 프레스수단에의해 변형된후 또는 변형과 동시에 금속재료의 임계냉각속도보다 빠른 냉각속도로 용융금속을 냉각시키는 수단을 구비한 금속유리 제조장치를 제공한다.

이 장치에서, 용융금속은 금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 용융금속의 표면이 상호중첩되는 것을 피하고 동시에 금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 다른 표면과 용융금속의 표면이 중첩되는것을 피하면서 프레스된다.

프레스수단이 냉각수단과 한쌍이면 바람직하다.

바람직하게는, 프레스수단이 단조로 근방에 압연용 냉각롤과 금형을 갖는다.

바람직하게는, 단조로상에 융점이상으로 온도상승한 용융금속은 냉각롤을 회전시키고, 단조로를 이동시키므로서 냉각롤에 의해 금형내에서 주조되고 상기한 냉각롤과 금형과 용해수단이 냉각롤과 금형에 의해 압연이 완결된다.

단조로가 장척형인 것이 바람직하며 냉각롤 및 금형에 의한 압연과 냉각은 냉각롤과 용융수단에 관련된 상기한 단조로와 상기한 금형을 이동시키므로서 연속적으로 행한다.

바람직하게는, 상기의 냉각롤에 단조로로부터 융점이상의 온도로 용융금속을 배출시키기위한 용융금속배출기구를 단조로와 대응위치에 장착하며, 이 용융금속배출기구는 저열전도성 재질로 구성된다.

프레스수단은 단조로 근방에 단조로로부터 배출된 용융금속을 충전시키는 하부금형과 또한 하부금형에 충전된 용융금속을 단조하는 상부금형을 갖는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 단조로내에 충전된 금속재료를 융해시킨후, 상기한 단조로와 하부금형은 상기한 용해수단과 상부금형이 상기한 단조로와 하부금형에 대향하는 위치에 상부금형이 위치할때까지 이동되고, 단조로로부터 그것이 단조될 금형내로 지체없이 용융금속을 전송하기위해 상부금형이 하강하고 하부금형은 상승한다.

단조로로부터 융점이상의 온도로 용융금속을 배출시키기위한 용융금속배출기구와 상기한 단조로와 대응하는 위치에 상부금형이 배치되어있고, 용융금속배출기구는 저열전도성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

또 상부금형은 단조로에 대응하는 위치에 융점이상의 용융금속을 단조로밖으로 배출시키기위한 저열전도성 재질의 용탕배출기구를 갖는 것이 바람직하다.

본발명에 있어서「냉각계면끼리 중첩시킨다」라는 것은 협의로는 용융금속의 융점이하의 냉각계면을 상호 중첩시키는 경우를 말하지만 보다 광의로는 용융금속의 융점이하의 냉각계면과 냉수단조로의 냉각계면등과 같은 다른 냉각계면과 중첩시키는 경우도 말한다.

또한 「용융금속의 융점이하의 냉각계면」이란 외기나 주형 또는 단조로와의접촉 등에 의해 융점이하로 냉각되어서 생긴 용융금속의 계면을 말한다.

또 「융점이상의 용융금속을 냉각계면끼리 중첩시키는 일이 없이 프레스해서 변형시킨다」라는것은 냉각단조로로부터 융점이상의 용융금속을 유동화나 물결형성에 따른 냉각계면끼리의 중첩에 의한 탕경계가 생기는 일 없이 주형에 넣어서 프레스성형하는 것을 의미한다. 또한 이외에도, 대상물인 금속재료의 융점 이상에서도 열손상을 받지않는 재료의 주형, 예를들면 석영주형의 하부금형을 당초로부터 융점에 가까운 온도, 바람직하게는 융점이상의 온도까지 가열하고, 고에너지열원 예를들면 고주파열원에 의해 융해된 용융금속을 융점이상을 유지한 상태로 융점이하의 냉각면이 생기는 일없이 하부금형에 주입하고, 냉각된 상부금형으로 압착하여 프레스성형 및 임계냉각속도 이상의 급속냉각을 행하는 것도 의미한다. 즉 임계냉각속도가 대단히 작은 금속재료이면 석영관속에서 용해시킨 용융금속을 그대로의 형태로 즉석에서 수중냉각시키는 것도 포함된다.

다시말하면, 용융금속이 임계냉각속도 이내의 속도로 프레스, 변형, 압축 및 전단되고 또한 냉각계면이 중첩되기 때문에 탕경계가 생긴다. 따라서, 탕경계가 없는 비결정질 벌크형재료는 예를들면 10℃/s의 임계냉각속도를 갖는 금속이 용융상태로부터 변형될 때까지의 시간과 온도낙차가 소정의 임계냉각속도(여기서는 10℃/s이상의 속도)이고 또한 냉각면을 중첩시키지않으면 제조가능하다.

본발명에있어서,「원하는 형상」이란 특별한 제한이 없으며 다양한 등고선 윤곽의 상부로울과 역시 마찬가지의 하부로울이 서로 동기적으로 조정 및 냉각되는 프레스 및 단조용 주형에서 프레스 및 단조하여 형성된다. 예를 들면 판상, 이형판상, 둥근막대상, 각막대상, 이형막대상 등을 포함한다.

본발명에 관한 금속유리 제조방법을 첨부한 도면에 나타내는 적당한 실시예에 기초해서 상세히 설명한다.

본발명의 금속유리 제조방법에서는 우선 단조로, 예를들면 오목형 수냉동제단조로상에 금속재료 바람직하게는 비결정질 형성능력이 높은 금속분말 및 펠릿(pellets)의 혼합물을 충전시키고, 바람직하게는 챔버(chamber)내부를 진공흡인후 그대로 진공내에서(진공융해의 경우 대기압 주조와 비교해서 대류에 의한 냉각이 적기때문에 용탕온도의 냉각을 방해할 수 있다. 예를들면 전자빔 방법을 사용하는 금속용융)에서 또는 감압중에서 혹은 불활성가스로 치환해서 단조로를 그대로 혹은 강제냉각시키면서 고에너지열원, 예를들면 아아크열원으로 금속재료를 융해시킨다.

그후 수득된 융점이상의 용융금속을 주형의 공동에 이동시킨다. 구체적으로, 수냉동제 단조로의 경우에는 직접 새로운 주형에 넣어서 압착하거나 혹은 주형공동에 용융금속을 이동한 후 프레스작업하여 융점이상의 용융금속만을 주형공동속으로 선별이동시킨다. 주형공동으로의 이동에서, 대기와 접촉하는 용융금속의 표면이 서로의 계면끼리 중첩하지 않도록하고 또한 유동화나 물결형성을 피한다. 주형공동으로 들어간 때, 압축응력 및 전단응력 중 한가지이상의 힘을 융점이상의 온도에서 용융금속에 가하여 원하는 형상으로 변형시키고, 변형후 혹은 변형과 동시에 융점이상의 용융금속을 그 임계냉각속도 이상으로 냉각시킨다.

예를들면 하나의 구체예에서, 단조로상에 배치된 압연냉각롤에 의해 단조로 위로 올라온 융점이상의 용융금속만을 판상 또는 원하는 (임의)의 형상으로 압연함과 동시에 급냉시킬수 가 있다 (이하 압연법 이라고도한다).

이때 단조로를 압연냉각롤에 대해서 상대이동함과 동시에 압연냉각롤을 회전시킨다.

여기서 단조로가 장척형이면 단조로의 상대적 이동에 수반해서 고에너지열원에 의해 금속재료를 연속적으로 융해시키고, 연속적으로 수득된 융점이상의 용융금속을 연속회전형 압연냉각롤로 연속적으로 압연함과 동시에 급냉시키므로서 장척형 판상물 또는 원하는(임의)의 형상을 얻을수가 있다.

또한 압연냉각롤의 단조로에 대응위치에 단조로내의 융점이상의 용융금속을 단조로밖의 새로운 주형면(압연면)으로 배출시키기위한 열전도율이 낮은 재질의 용탕배출기구를 설치해두는 것이 좋다.

또 다른하나의 구체적인 수단으로서는 단조로에 근접해서 설치된 원하는 형상의 공동이 있는 주형의 하부금형에 단조로내의 융점이상의 용융금속만을 유동화시키거나 물결형성하는 일 없이 단조로로부터 하부금형으로 이동시킨후 즉시 하부금형의 공동과 끼워맞추어지는 냉각 상부금형으로 압착 즉 프레스성형해서 원하는 형상으로 주조하거나 혹은 주단조함과 동시에 급냉시킬 수가 있다(이하 단조법이라한다).

이때 단조로 및 하부금형과 고에너지열원 및 상부금형을 상대이동시켜서 하부금형과 상부금형의 위치를 맞추어서 상부금형을 하강 혹은 하부금형을 상승시키도록 끼워맞추고 하부금형내의 융점이상의 용융금속을 프레스성형함과 동시에 급냉시켜서 주조를 행한다.

또한 이경우에도 상부금형의 단조로에 대응하는 위치에 단조로내의 융점이상의 용융금속을 단조로로부터 하부금형의 공동으로 배출시키기위한 열전도율이 낮은 재질의 용탕배출기구를 설치해두는 것이 좋다.

상술한 바와 같이, 본발명의 제1의 목적은 탕경계가 없는 즉 주조결함이 없는 최종의 형상으로 성형된 벌크형 비결정질재료를 제조하는데 있고 제2의 목적은 제1의 목적에 추가하여 불균일 핵생성에 의한 결정핵이 존재하지않는 벌크형 비결정질재료를 제조하는데 있다. 따라서, 이들 목적을 달성하기위한 구체적인 수단으로서는 상술한 예에 한정되지않고, 유동화나 물결형성 등에 의해 외기와 계면이 접촉하거나 앞서 흐른 용탕과 뒤에온 용탕이 합류시키는 일이 없이 융점이상의 용융금속만을 압축하여 압축응력이나 전단응력을 가하여 원하는 최종의 형상으로 성형할수 있는 것이면 된다.

예를들면 가장 바람직한 수단으로서는 자력공관(levitation) 장치 등을 사용해서 금속재료를 융해시켜 융점이상의 용융금속을 비접촉상태로 유지하고, 혹은 냉도가니(스쿨융해)장치 등을 사용해서 금속재료를 융해시켜 융점이상의 용융금속을 비접촉에 가까운 상태로 유지한다. 분할금형, 예를들면 2개이상으로 분할된 주형은 비접촉 또는 비접촉에 가까운 상태로 유지된 융점이상의 용융금속을 향해 이동하여 용융금속을 샌드위치형으로 구속하고 원하는 형상으로 프레스성형할 수 있다.

혹은 용융금속의 융점이상에서도 융해되지않고 용융금속과 반응하지않으며 또한 기계적강도가 우수한 재료나 고온가열 및 급속냉각으로도 열충격손상을 받지않는 재료, 예를들면 탄소, 니켈, 텅스텐, 세라믹스 등을 용융금속에 따라 선택해서 이것으로 주형의 하부금형 자체를 제작한다. 여기에 금속재료를 충전시켜서 용융시킨후, 즉시 상부금형으로 압착하여 프레스성형하고 동시에 가스나 물 등의 냉매로 상부금형 및 하부금형을 동시에 냉각시켜 최종형상의 벌크형 비결정질재료를 제조할 수도 있다.

이경우 적어도 융해시에는 하부금형은 냉각시키지않고, 융해후 냉각을 개시해도 된다.

이때 하부금형은 융점근처의 온도로 유지될 수 있으면 예컨대, 열전도성이 양호하거나 양호하지않은 어떠한 재료로 제작해도 좋다.

기타의 상술한 압연법에 있어서도, 롤표면이 원하는 임의의 패턴으로된 벌크형 비결경질재료를 2쌍롤(two-roll)식 압연방법으로 제조해도 된다.

또 단일롤방식의 경우라도 단조로의 1방향 왕복운동만이 아니고 단조로를 수평회전하여 다른방향으로 롤을 이동시킬 수 있는 압연냉각롤에 의한 압연 및 냉각을 행해도 된다.

또 단조법에 있어서도 단조로 및 하부금형의 이동은 1방향 왕복운동만이 아니고 수평회전이동이어도 된다.

이렇게해서 판상 혹은 원하는 형상의 벌크형 비결정질재료 즉 대형 금속유리재료를 제조할 수가 있다.

이렇게해서 얻어진 대형 금속유리재료는 불균일하게 응고된 것이 아니고, 소위 탕경계 즉 주조결함이 없고, 불균일 핵생성에 의해 결정핵이 존재하지않는 균일한 강도특성, 특히 충격강도를 가진 고밀도의 벌크형비결정질재료이다.

또 이렇게해서 얻어진 대형 금속유리재료는 용도에 따라 적절한 형상으로 한번에 형성된 것이기 때문에 새로운 가공을 필요로하지 않는다.

또한 금속단조로, 특히 수냉동제 단조로를 사용해서 금속재료를 용융시켜 융점이상의 용융금속을 얻는경우 단조로와 접촉하는 부분은 불가피하게 융점이하의 온도부분이 존재하며 이 부분이 불균일 핵생성의 원인이 된다. 그 결과, 결정상이 존재하는 벌크형 결정질재료가 되기 쉽다.

그러나 가령 결정상이 벌크형 비결정질재료중에 혼재되어있다고 해도, 예를들어, 비결정질상의 고유기능성과 결정질상의 고유 기능성이 혼재하는 기능성 재료로 사용할 수 있다. 즉, 탕경계 등의 주조결함이 없이 우수한 기능성을 보유한 것이라면 본 발명의 방법에 있어서의 목적에 적합한 기능성 경사재료로서 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 기능성 경사재료 역시 본 발명에서 제조된 벌크형 비결정질재료의 범위에 포함된다.

본발명의 방법은 아아크열원 등의 고에너지열원을 사용해서 용융시킬수 있는 경우라면, 상술한 3원계금속, Zr-Al-Ni-Cu, Zr-Ti-Al-Ni-Cu, Zr-Nb-Al-Ni-Cu 및 Zr-Al-Ni-Cu-Pd 등의 Zr계합금을 위시해서 4원계 이상의 다원계합금을 포함하여 어떤 원소의 조합이든지 거의 모든 조합의 합금에 대해서 적용하여 비결정질상을 생성할 수 있다.

이들 합금을 본발명에 있어서 금속재료로서 사용하는 경우에는 고에너지열원에 의한 급속용융이 보다 용이하도록 분말상 혹은 펠릿상으로하여 사용하는것이 바람직하지만 본발명은 이에 한정되지않고 급속용융이 가능하면 어떠한 형상의 금속재료를 사용해도 된다.

예를들면 분말상 및 펠릿상 이외에 선상, 띠상, 막대상, 괴상 등 특히 수냉동제 단조로와 고에너지열원에 따라 적당한 형상을 적절히 선택하면 된다.

본발명에 사용되는 고에너지열원은 특별한 제한없이, 단조로나 수냉동제 단조로에 충전된 금속재료를 용융할 수 있는 것이면 좋고 어떠한 열원을 사용해도 된다. 예를들면 대표적으로 고주파열원, 아아크열원, 플라즈마열원, 전자빔, 레이저등을 들수가 있다.

열원사용시, 각각의 단조로 혹은 수냉동제 단조로에 대해 단일 혹은 복수의 열원을 사용해도 된다.

본발명의 금속유리의 제조방법은 기본적으로 상술한 바와 같이 구성되며 다음에서 본발명의 방법을 실시하는 구체적인 수단을 설명한다.

도 1은 본발명의 금속유리의 제조방법을 실시하는 압연방식 금속유리 제조장치의 구성을 모식적으로 나타내는 플로우시트이다.

이 도면에 나타내는 바와 같이 압연방식 금속유리 제조장치(10)는 금속재료, 예를들면 분말상 및 펠릿상 금속재료를 충전시키는 적절한 형상의 오목부 구조가 있는 수냉동제 단조로(12); 단조로(12)의 말단에서 연장된 압연주형부(13); 단조로(12)의 금속재료를 아아크용융하기 위한 수냉전극(텅스텐전극)(14); 또한 수냉동제 단조로(12) 위로 올라간 아아크용융된 융점이상의 용융금속을 압연주형부(13)에서 판상으로 압연함과 동시에 이 금속재료(용융금속)의 고유임계냉각속도보다 빠른 속도로 급속냉각시키는 압연수냉롤(16); 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14) 및 압연수냉롤(16)에 냉수를 순환공급하는 냉각수공급장치(18); 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14) 및 압연수냉롤(16)을 수납하는 진공챔버(20); 또한 도면에서 화살표(a)방향으로 압연수냉롤(16)이 회전하는 것과 동기하여 화살표(b)방향(수평방향)으로 압연주형부(13)가 구비된 수냉동제 단조로(12)를 진공챔버(20)내에 이동시키는 이동기구(22)로 구성된다.

수냉동제 단조로(12) 위로 올라온 융점이상의 용융금속만을 압연주형부(13)와 압연수냉롤(16)과의 사이에서 선별압연하고 또한 급냉시킬 수 있도록 압연수냉롤(16)은 구동모터(17)에 의해 회전구동되고 한편 이 압연수냉롤(16)의 회전에 동기해서 수냉동제 단조로(12)를 수평이동시킬 단조로 이동기구(22)는 구동모터(23)에 의해 구동되는 구성이다.

또한 도시한 예에서는 압연수냉롤(16)을 모터(17)로 회전구동시키고 있으나 본발명은 이에 한정되지않으며 예컨대, 압연수냉롤(16)을 압력조정가능한 스프링등의 바이어스수단(도시생략)에의해 수냉동제 단조로(12)에 압축접촉시키기도 하며, 이 압연수냉롤(16)과 수냉동제 단조로(12)와의 사이의 마찰에 의해 단조로 이동기구(22)에 의한 수냉동제 단조로(12)의 수평이동에 대응하여 회전시킬 수도 있다. 수냉전극(14)은 아아크전원(24)에 접속된다.

또 수냉전극(14)은 수냉동제 단조로(12)의 오목부(12a) 깊이에 대해 약간 경사지게 배치되고, 스테핑모터(stepping motor)(15)에 의해 X, Y 및 Z축방향으로 조정가능하게 구성된다.

다시또 수냉동제 단조로(12)상의 금속재료와 수냉전극(14) 사이의 간극(Z방향)을 일정하게 유지하기위해 금속재료의 위치를 반도체레이저센서(26)로 측정하여 모터(15)에 의해 수냉전극(14)의 이동이 자동제어되도록 해도된다.

이것은 아아크전극(14)과 금속재료 사이의 간극이 일정하지않으면 아아크가 불안정하게되고 따라서 용융온도에 불균일성이 생기기 때문이다.

또 수냉전극(14)의 아아크발생부 근방에 냉각용가스(예를들면 아르곤가스) 분출구를 설치하여 가스공급원(강철 기체실린더)(28)으로부터 냉각용가스를 분출시켜 가열후의 급속냉각을 촉진시켜도된다.

진공챔버(20)는 SUS제 수냉재킷 구조로서 진공배기구에 의해 오일확산 진공펌프(30)(확산펌프) 및 오일회전 진공펌프(32)(회전펌프)에 연결된다. 진공챔버(20)에는 진공흡인후 대기를 불활성가스로 대체할 수 있도록 가스공급원(34)과 소통할 아르곤가스 유입구가 있다.

또 냉각수 공급장치(18)는 순환복귀냉각수를 냉각제로 냉각시킨후 재차 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14) 및 압연수냉롤(16)에 공급한다.

수냉동제 단조로(12)를 도면중 화살표 b(수평)방향으로 이동시키는 단조로 이동기구(22)는 특별히 제한적이지 않으며 종래에 공지의 병진기구나 왕복운동기구 등을 사용할 수가 있고, 예를들면 볼나사를 사용한 드라이브스크류(drive screw)나 트라벨링너트(traveling nut)나 에어실린더등의 공기압기구나 유압실린더등의 유압기구등을 아주 적절히 사용할 수가 있다.

다음에 본발명의 압연방식 금속유리 제조방법을 도 1, 도 2 및 도3을 참조해서 설명한다.

도 2는 도 1에 나타내는 수냉동제 단조로(12)및 압연주형(13)을 모식적으로 나타내는 상면도이며, 도 3a는 아아크용융을 이용하는 압연방식 금속유리 제조장치에 있어서의 판상 비결정질재료 제조공정의 금속재료 융해공정을 나타내는 단면모식도이며, 도 3b는 압연수냉롤(16)과 수냉동제 단조로(12)의 압연주형(13)에 의한 압연냉각공정의 단면모식도이다.

우선 구동모터(17)에 의해 압연수냉롤(16)을 회전구동시킴과 동시에 이 회전운동과 동기해서 구동모터(23)에 의해 단조로 이동기구(22)를 구동시켜서 수냉동제 단조로(12)를 초기위치까지 이동하고, 도 3a에 나타내는 바와 같이 그 초기위치에 설치한다.

그후 수냉동제 단조로(12)의 오목부(12a)에 금속재료(분말, 펠릿, 결정체)를 충전시킨다.

한편 수냉전극(14)은 센서(26) 및 모터(15)에 의해 어댑터(14a)(도 3a 및도 3b 참조)를 거쳐서 X, Y, Z축방향의 위치조정이 행해지고, 금속재료와의 간극(Z방향)이 소정치로 설정된다.

이때 오일확산 진공펌프(30) 및 오일회전 진공펌프(32)를 사용해서 챔버(20)내를 고진공 예를들면 5×10^-4Pa(액체질소트랩사용)로한 후 아르곤가스 공급원(34)의 아르곤가스를 공급해서 챔버(20)내를 아르곤가스로 치환한다.

또 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14)및 압연수냉롤(16)은 냉각수공급장치(18)로부터 공급되는 냉각수에 의해 냉각되어있다.

이상의 준비가 끝나면 도 3a에 나타내는 바와 같이 아아크전원(24)을 ON으로해서 수냉전극(14)의 선단과 금속재료 사이에 플라즈마아아크(36)를 발생시켜 금속재료를 완전히 용융시켜 용융합금(38)을 형성한다.

그후 아아크전원을 OFF로하여 플라즈마아아크(36)를 소멸시킨다.

동시에 구동모터(17)및 (23)의 구동을 개시해서 도 3b에 나타내는 바와 같이 단조로 이동기구(22)를 이용하여 도면중 화살표 b방향으로 수냉동제 단조로(12)를 소정속도로 수평이동시킴과 동시에 이 수냉동제 단조로(12)의 수평이동에 동기해서 일정속도로 압연수냉롤(16)을 화살표 a방향으로 회전시킨다.

이렇게해서 수냉동제단조로(12) 위로 올라온 융점이상의 용융금속만을 선택적으로 압연수냉롤(16)로 수냉동제 단조로(12)의 압연주형부(13)의 오목부(13a)에 밀어넣어 이 압연주형부(13)와 압연수냉롤(16)의 사이에서 소정압력으로 압연함과 동시에 냉각시킨다.

이렇게해서 금속용탕(용융금속)(38)은 압연수냉롤(16)에 의해 박판상으로 압연과 동시에 냉각되므로 큰 냉각속도를 얻을수가 있다.

그 결과 용융금속(38)은 최종형상의 박판으로 압연되면서 동시에 임계냉각속도보다 빠른 속도로 냉각되므로, 주형부(13)에서 급속응고에 의해 원하는 최종형상의 박판상 벌크형 비결정질재료(39)로 된다.

이렇게해서 얻어진 박판상 벌크형 비결정질재료(39)는 융해재료의 융점보다 저온인 수냉동제 단조로(12)의 저면부 근방의 용융금속 부분(37)이 전혀 포함되지 않고 또한 불균일 핵생성을 초래하여 결정상을 형성하기 쉬운 융점이상의 용융금속 (특히 바람직하게는 수냉동제 단조로(12)위로 올라온 융점이상의 용융금속)으로부터 선별 형성된 것이다.

또한, 이 재료(39)는 유동화나 물결형성 없이 한번에 최종형상의 박판으로 변형 및 냉각된 것이다. 따라서, 용융금속은 균일하게 냉각 및 응고되고, 불균일응고나 불균일 핵생성에 의한 결정상이 혼재하지 않으며 더구나 탕경계등의 주조결함이 없다.

또한 도 3a 및 도 3b에 나타내는 예에서는 수냉제 단조로(12)의 저면부 근방의 융점보다도 저온인 부분(37)을 최종제품에 함유하는 일 없이 확실한 고강도의 박판상 비결정질재료(39)를 제조할 수가 있으나 수냉동제 단조로(12)의 오목부(12a)내에는 융점이상의 용융금속(38)이 잔류하므로 이들은 박판상 비결정질재료(39)의 생성에 사용되지않으며 효율성이 양호하지않다.

이때문에 본발명에서는 도 4a에 나타내는 바와 같이 압연수냉롤(16)은 수냉동제 단조로(12)의 오목부(12a)에 상당하는 부분에 오목부(12a)내의 융점이상의 용융금속만을 선별방출하고 더구나 불균일 핵생성을 방지할 수 있는 저열전도성 재질로된 돌기형 용탕배출기구(16a)를 설치하여 수냉동제 단조로(12)속의 융점이상의 용융금속(38)을 효율적으로 이용하도록 구성해도 된다.

이때 용탕배출기구(16a)를 구성하는 돌기상 재질은 용융금속의 융점 근처까지 가열하는 것이 바람직하다.

또한 도 4b에 나타내는 바와 같이 수냉동제 단조로(12)의 형상(오목부 12a의 형상)을 막대상(장척형 반원통상)의 오목부(12a)로 만들어 그 한쪽 혹은 양쪽에 공동(13a)이 있는 압연주형(13)을 설치하여 수냉전극(14)으로 수냉동제 단조로(12)의 금속재료를 연속적으로 융해하면서, 융해된 융점이상의 용융금속만을 압연수냉롤(16)에 의해 수냉동제 단조로(12)의 압연주형(13)의 공동(13a)에 연속적으로 밀어넣어서 압연 또한 급냉시켜도 해도된다.

이경우에도 도 4a와 마찬가지로 압연수냉롤(16)에는 예를들어, 수냉동제 단조로(12)내의 융점이상의 용융금속을 공동(13a) 내에 선별 및 효율적으로 배출시키기고 또한 불균일 핵생성을 방지해기 위해 롤의 외주에 소정길이의 돌기형 용탕배출기구(16a)를 설치하는 것이 바람직하다.

상술한바와 같이 돌기형 용탕배출기구(16a)는 저열전도성 재료로 하는것이 바람직하고 보다 바람직하게는 융점근처까지 사전가열하는 것이 바람직하다.

또 본발명의 압연방식 금속유리 제조방법에서는 수냉동제 단조로(12)에 압연주형(13)을 설치한다. 수냉동제 단조로(12)의 압연주형(13)대신에 압연수냉롤(16)의 하측에도 압연롤을 설치해서 쌍롤 압연방식으로 할수도있다.

이때 하측 압연롤의 윤곽, 예를들면 공동의 윤곽을 직사각형에 구애됨 없이 임의의 형상으로 만들어 압연에 의해 얻어진 박판상 비결정질재료의 단면형상을 직4각형상만이아니고 각종 형상으로할 수가 있다.

상술한 예에서 압연수냉롤(16)은 위치변경 없이 회전하고, 수냉전(14)의 수평위치는 거의 고정되며, 수냉동제 단조로(12)를 수평으로 평행이동시키나 본발명은 이에 한정되지않고, 역으로 압연수냉롤(16)을 회전하면서 수냉전극(14)과 함께 수평으로 평행이동하여 수냉동제 단조로(12)를 고정시키도록 해도 된다.

또 본발명에 있어서는 용융금속(38)을 적절히 압연할수 있으면 도시한 예와같이 수냉동제 단조로(12)의 압연주형(13)이나 쌍롤방식의 하측압연롤 등에 공동(13a)을 형성하지 않아도 되지만, 본발명은 이에 구애되지않고 공동이 없어도 된다.

또 상술한 예에서는 압연수냉롤(16)을 강력히 수냉시키고 압연주형(13)이나 쌍롤방식의 하측압연롤 등은 강제냉각하지 않는다. 쌍롤방식의 압연주형(13)과 하부로울을 강제냉각시킬 수 있음은 물론이다.

또 상술한 예에서는 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14) 및 압연수냉롤(16)은 냉각수에 의해 강제냉각되고 있으나 이에 한정하지않고 다른 냉각매체(냉매), 예를들면 냉매가스등을 사용해도 된다.

본발명의 압연방식 금속유리 제조방법 및 장치는 기본적으로 이상과 같이 구성된다.

다음에 본발명의 방법을 구체적으로 실시하는 단조방식 금속유리 제조방법에대해 상세히 설명한다.

도 5는 본발명의 금속유리 제조방법을 실시하는 단조방식 금속유리 제조장치의 구성을 모식적으로 나타내는 플로우시트이다.

도 5에 나타내는 단조방식 금속유리 제조장치(50)는 도 1에 나타내는 압연방식 금속유리 제조장치(10)와 수냉동제 단조로(12)의 압연주형부(13)및 압연수냉롤(16)대신에 수냉동제 단조로(12)에 근접해서 설치되는 하부금형(52)및 이 하부금형(52)과의 틈에 끼워서 융점이상의 용융금속을 프레스성형(단조 또는 주단조)하고 또한 급냉시키는 상부금형(54)을 갖춘 점을 제외하고는 동일모양이므로 동일 구성요소에는 동일부호를 부여하여 그 설명을 생략한다.

도5에 나타내는 단조방식 금속유리 제조장치(50)는 수냉동제 단조로(12)와 수냉전극(14); 수냉동제 단조로(12)에 근접해서 설치되고 원하는 최종형상의 공동(52)을 갖는 하부금형(52); 이 하부금형(52)의 공동(52a)내에 수냉동제 단조로(12)내의 융점이상의 용융금속을 배출하고 또한 불균일 핵생성을 방지하기위한 용탕배출기구(54a); 하부금형(52)의 공동(52a)과 끼워맞추어서 공동(52a)내의 융점이상의 용융금속을 프레스성형(단조)시킴과 동시에 이 금속재료(용융금속)에 고유의 임계냉각속도보다 빠른 속도로 급속냉각시키는 상부금형(54); 또한 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14)및 상부금형(54)에 냉수를 순환공급하는 냉각수공급장치(18); 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14)및 상부금형(54)을 수납시키는 진공챔버(20); 상부금형(54)의 바로아래의 프레스위치에 하부금형(52)이 위치하도록 진공챔버(20)내에서 하부금형(52)을 갖춘 것으로서, 수냉동제 단조로(12)를 도면중화살표 b(수평)방향으로 이동시키는 단조로이동기구(22); 또한 상부금형(54)의 용탕배출기구(54a)가 프레스위치에 이동된 하부금형(52)을 갖는 수냉동제 단조로(12)로부터 융점이상의 용융금속만을 하부금형(52)의 공동(52a)에 배출시켜 이어서 공동(52a)내의 융점이상의 용융금속만을 프레스성형(단조)하고 또한 급냉시키도록 진공챔버(20)내에서, 상부금형(54)을 도면중 화살표 c(수직)방향으로 이동시키는 상부금형이동기구(56) 로 구성된다.

이 상부금형(54)을 상하이동시키기 위한 상부금형 이동기구(56)는 구동모터(57)에 의해 구동되도록 구성된다.

다음에 본발명의 단조방식 금속유리의 제조방법을 도 5 및 도 6을 참조해서 설명한다.

여기서 도 6a는 아아크용융을 이용하는 단조방식 금속유리 제조장치에 있어서 원하는 최종형상의 비결정질재료 제조공정 중 금속재료 융해공정을 나타내는 단면모식도이며, 도 6b는 상부금형(54)과 수냉동제 단조로(12)의 하부금형(52)에 의한 단조냉각공정의 단면모식도이다.

단조방식 금속유리 제조장치(50)에 있어서도 우선 구동모터(57) 및 (23)로 각각 상부금형 이동기구(56) 및 단조로 이동기구(22)를 구동시켜서 하부금형(52)을 갖는 수냉동제 단조로(12)및 상부금형(54)을 각각 이동하여 도 6a에 나타내는 바와 같이 그 초기위치로 설정한다.

그후 압연방식 금속유리 제조장치(10)와 마찬가지로 수냉동제 단조로(12)의 오목부(12a)에 금속재료를 충전하면 단조방식 금속유리 제조공정의 준비가 끝난다.

이상의 준비가 종료된후 도 6a에 나타내는 바와 같이 압연방식 금속유리 제조장치(10)와 마찬가지로 아아크전원(24)을 ON으로해서 수냉전극(14)의 선단으로부터 플라즈마아아크(36)를 발생시켜 금속재료를 완전히 융해시켜 용융합금(38)을 형성한다. (도 6a 참조)

그후 아아크전원(24)을 OFF로해서 플라즈마아아크(36)를 소멸시킨다.

동시에 구동모터(23)의 구동을 개시하고, 도 6b에 나타내는 바와 같이 수냉동제 단조로(12)는 단조로 이동기구(22)에 의해 도면중 화살표 b방향으로 소정속도로 상부금형(54)의 바로아래의 프레스위치까지 수평이동하는 한편, 구동모터(57)의 구동이 개시되어 상부금형(54)을 상부금형구동기구(56)로 도면중 화살표 c방향으로 하강시킨다.

이렇게해서 상부금형(54)이 하강하고, 그 용탕배출기구(54a)가 수냉동제 단조로(12)내의 융점이상의 용융금속만을 수냉동제 단조로(12)의 하부금형(52)에 있는 공동(52a)에 강제로 밀어넣어 최종형상으로 만든다.

이때 용탕배출기구(54a)는 수냉동제 단조로(12)의 저면부근의 융점보다 저온의 불균일 핵생성에 의한 결정상이 혼합되기 쉬운 부분(37)을 전혀 포함하지않은 융점이상의 용융금속만을 공동(52a)에 강제적으로 밀어넣기때문에 비결정질재료에 있어서의 불균일 핵생성 등의 결함을 방지할 수가 있다.

또한 여기서 용탕배출기구(54a)의 돌기는 저열전도성 재질인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 미리 용융금속의 융점근처까지 가열한다.

이 상부금형(54)이 다시또 하강하면 하부금형(52)에 도달하여 그 공동(52a)에 끼워맞추어지고 공동(52a)내의 융점이상의 용융금속을 상하부금형(54)및 (52)사이에 끼워서 소정의 압력으로 프레스성형 즉 압축응력을 부여해서 단조시킴과 동시에 수냉된 상부금형(54)으로 급속냉각시킨다.

이와같이해서 금속용탕(용융금속)(38)은 상하부금형(54)및 (52)에 의해 최종형상으로 프레스성형(단조)됨과 동시에 냉각되기때문에 큰 냉각속도를 얻을수가 있다.

그 결과 용융금속(38)은 원하는 최종형상으로 성형(단조)되면서 임계냉각속도보다 빠른 속도로 냉각되므로서 급속응고되어 최종형상의 박판상 비결정질재료(39)로 제조될 수가 있다.

이렇게해서 얻어진 박판상 비결정질재료(39)는 수냉동제 단조로(12)의 저면부근처의 융점보다 저온의 불균일 핵생성에 의해 결정상이 혼재되기쉬운 부분(37)을 전혀 포함하지않는, 융점이상의 용융금속만을 유동화나 물결형성 없이 한번에 원하는 최종형상까지로 변형 및 냉각하기 때문에 균일하게 냉각응고되어 불균일응고나 불균일 핵생성에 의한 결정상이 포함되지 않고, 더구나 탕경계등의 주조결함이 없는 비결정질재료라 할수 있다.

상술한 예에서, 수냉전극(14)및 상부금형(54)은 그들의 수평위치가 거의 고정되고 수냉동제 단조로(12)를 수평으로 평행이동시키나 본발명은 이에 한정되지않는다. 따라서, 역으로 수냉전극(14) 및 상부금형(54)을 수평으로 평행이동하고 수냉동제 단조로(12)를 고정시키도록 해도 된다.

또 상술한 예에서, 수평으로 평행되는 수냉동제 단조로(12)는 한개의단조로(12)와 한개의 하부금형(52)으로된 1개조만 구비하지만 본발명은 이에 한정되지않으며, 2조이상의 수냉동제 단조로(12) 및 하부금형(52)을 회전원판상에 소정각도의 방사상으로 배치해서 회전원판을 순차회전하도록 해도 된다. 이에 따라 회전원판을 순차회전시켜 연속단조하는 회전원판식 연속단조방법을 구성할수도 있다.

물론 회전원판상에 배치하는 수냉동제 단조로(12) 및 하부금형(52)조는 1조혹은 1조이상의 수냉동제 단조로(12) 및 하부금형(52)조를 배치할 수 있고, 또한 회전이동이 가능하면 반드시 회전원판이 아니라 직사각형판이어도 좋다.

또 상술한 예에서는 상부금형(54)을 강력수냉시키고 반면에 하부금형(52)등은 강제냉각시키지않으나 강제냉각해도 좋은것은 물론이다.

또 상술한 예에서 수냉동제 단조로(12), 수냉전극(14) 및 상부금형(54)은 냉각수에 의해 강제냉각되고 있으나, 본발명은 이에 한정하지않고 다른 냉각매체(냉매), 예를들면 냉매가스등을 사용해도 된다.

또 상부금형(54)을 하부금형(52)에 압착하는 상부금형 구동기구(56)는 특히 제한적이지 않으며, 종래적인 공지의 프레스금형 구동기구라도 된다. 예를들면, 유압기구나 공기압기구 등을 사용할 수가 있다.

본발명의 단조방식 금속유리 제조방법 및 장치는 기본적으로 이상과 같이 구성된다.

(실시예)

본발명에 관한 금속유리 제조방법을 실시예에 기초해서 다음에 구체적으로 설명한다.

실시예 1∼14

도 5 및 도 6에 나타내는 구성의 단조방식 금속유리 제조장치(50)를 사용해서 다음과 같이 세로100mm×가로30mm×두께 2∼20mm의 각종치수의 직4각형판의 벌크형 비결정질재료를 표 1에 나타낸 각종(14종)의 합금에 대해서 제조했다.

또한 본실시예에 있어서는 수냉동제 단조로(12) 및 하부금형(52)의 공동(52a)의 치수 및 형상은 직경 30mm× 깊이4mm의 반구상 및 세로 210mm×가로30mm×깊이2mm의 직사각형이었다.

수냉아아크전극(14)은 3000℃의 아아크열원을 최대한으로 사용할수 있고 동시에 IC사이리스터(cylister)에 의해 온도제어도 가능한 것으로 하고, 냉각용 아르곤가스를 애덥터(14a)에 설치된 냉각용가스분출구(도시생략)로부터 분출시켰다.

수냉아아크전극(14)은 아아크발생부에 토륨이 든 텅스텐을 사용했기 때문에 전극소모와 오염을 극력 저하시킬수 있고, 또한 수냉전극 구조이기 때문에 기계적 및 열적으로 안정되어 있고, 연속사용이 가능해서 높은 열효율을 달성할수 있었다.

본실시예에 있어서는 단조방식 금속유리 제조장치(50)를 다음의 조작조건으로 조작하였다.

아아크융해중의 전류와 전압은 각각 250A와 20V이며, 수냉전극(14)과 분말상 및 펠릿상 금속재료 사이의 거리는 0.7mm로 조절되었다.

상부금형(54)에 부가된 프레스압력은 5M∼20MPa이며 제조되는 직사각형판의 비결정질재료의 두께에 따라 변화시켰다.

이와같이해서 단주조법에 의해 제조된 직사각형판 비결정질합금재료의 구조는 X선회절분석, 광학현미경검사(OM), 에너지분산 X선분광분석(EDX)과 관계한 주사전자현미경 검사에 의해 시험했다.

OM시료에 대한 에칭처리는 30% 불화수소산용액중 303K로 1.8ks 행했다.

구조적완화, 유리전이온도(Tg), 결정화온도(Tx)및 결정화열(ΔHx:과냉각액체 영역의 온도폭)은 시차주사열량측정법(DSC)에 의해 가열속도 0.67K/s로 측정되었다.

또 수득된 직사각형판 비결정질합금재료의 기계적특성도 측정했다.

측정된 기계적특성은 다음의 파단에너지(Es), 비커즈경도(Hv), 인장강도(δf), (또한 실시예 4,5,10 및 11에서는 인장강도는 계측할수 없었고, 압축강도로 계측했다). 신장율(εf)및 영율(E)이였다.

또한 비커즈경도(Hv)는 비커즈 미소경도계에 의해 100g부하로 측정되었다.

수득된 14종류 합금의 직사각형판 비결정질재료의 합금조성 및 특성도 아울러 표 1에 나타낸다.

또한 표 1중 부호(t)는 직사각형판 비결정질재료의 두께를 나타낸다.

실시예번호	합금조성	Es(kj/m²)	t(mm)	Tg(k)	TX(k)	ΔTX(k)	Hv	δf(MPA)	εf(%)	E(GPA)
1	Zr_62.5Al_7.5Cu₂₀	66	8	623	750	127	510	1730	2.0	86
2	Zr₅₇Ti₃Al₁₀Ni₁₀Cu₂₀	59	5	655	740	85	540	1800	1.8	88
3	Zr₆₀Al₁₀Cu₃₀	67	5	620	708	88	490	1650	3.1	77
4	Fe₅₆Cu₇Ni₇Zr₁₀B₂₀	-	4	810	883	73	1250	*3560	1.8	160
5	Fe₅₆Cu₇Ni₇Zr₂Nb₈B₂₀	-	3	805	892	87	1290	*3630	2.0	167
6	Mg₇₅Cu₁₅Y₁₀	-	5	424	471	47	250	880	1.9	47
7	Mg₇₀Ni₂₀La₁₀	-	5	470	503	33	300	900	2.1	50
8	La₆₅Al₁₅Ni₂₀	-	5	180	240	60	370	1210	2.0	58
9	La₆₅Al₁₅Cu₂₀	-	5	175	233	58	335	1120	2.2	56
10	Co₅₆Fe₁₄Zr₁₀B₂₀	-	2	810	838	28	1050	*2850	1.7	150
11	Co₅₁Fe₂₁Zr₈B₂₀	-	2	800	884	84	1080	*3010	1.8	153
12	La₅₅Al₁₅Ni₁₀Cu₂₀	72	7	210	288	78	360	1150	2.2	56
13	Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀	70	15	580	678	98	550	1760	2.1	78
14	Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅	68	20	680	760	80	540	1680	2.2	85

*은 압축강도

다음에 실시예 14의 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 X선회절결과와 결정화열의 측정결과 및 현미경사진(배율 500)을 각각 도 7, 도 8 및 도 9에 나타낸다.

도 7은 실시예 14의 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 거의 중앙부에서 더구나 가로단면의 중심영역에서의 X선회절도형을 나타내고있다.

이 합금재료는 세로 30mm×가로40mm×두께 20mm의 직사각형이다.

이 합금재료의 X선회절도형은 폭넓은 광륜피이크 밖에는 보이지않고, 비결정질상의 단상구성인 것을 알수있다.

또 이 합금재료의 횡단면 광학현미경사진에 있어서도 합금재료의 거의 중앙영역에는 결정상의 석출을 나타내는 대조(contrast)는 보이지않고, 비결정질상의단상구조로 되어있어 X선회절의 결과와 일치했다.

이결과로부터 동단조로 또는 동로상(copper crucible bed)에 가까운 영역의 비결정질상과 결정상의 혼재를 일으키는 동로상에 접촉한 영역의 융점보다 낮은온도의 용융금속이 전혀 포함되지 않았음을 확인하고 따라서 동로상과의 접촉에 의한 불균일 핵생성이 방지된 것을 알수 있다.

도 8은 재료의 거의 중앙부에 있는 비결정질상으로부터 얻은 실시예 14의 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 DSC곡선을 나타내고있다.

유리전이에 의한 흡열반응과 결정화에 의한 발열반응의 개시가 각각 680℃, 및 770℃에서 나타나고 과냉각액체영역이 80℃의 상당히 넓은 온도영역에서 생성되어있다.

이 결과에서, 유리상 금속을 생산할 수 있는 단조방법과 또한, 불균일 핵생성의 발생을 방지하여 우수한 비결정질상만으로된 큰 벌크형 합금재료를 생산할 수 있는 단조방법을 실증하고 있다.

또한 수득된 직사각형상 벌크형 비결정질합금재료의 중앙영역의 비커즈경도(Hv)는 어느것이나 리본형 시료에 대한 값(550)과 거의같은 540이였다.

도 9는 실시예 14의 Zr₅₅Al₁₀Cu₃₀Ni₅합금재료의 거의 중앙부에서 더구나 횡단면의 중심영역에서의 금속조직을 나타내는 현미경사진(500배)이다.

이 사진으로부터, 수득된 직사각형상 벌크형 비결정질합금재료는 불균일 핵생성이 방지되고 결정상의 혼재가 거의없는 비결정질 단상합금재료인 것이 실증되고있다.

표1로부터 명백한바와 같이 실시예 1∼14의 어느것에 있어서도 우수한 기계적강도를 나타내고있는 것으로부터 본발명방법을 적용하는 단주조법에 의해 제조된 직사각형상의 벌크형 비결정질합금재료는 탕경계등의 주조결함이 없는 강도특성이 우수한 벌크형 비결정질인 것을 알수 있다.

또 실시예 14의 해석으로부터 알 수 있는 바와 같이 이들 실시예에서 얻어진 직사각형상 벌크형 비결정질합금재료는 불균일 핵생성을 방지하고 결정상이 전혀 혼재되지않은 비결정질단상으로 된것을 알수 있다.

본발명에 관한 금속유리의 제조방법에 대해서 각종실시형태를 들어서 상세히 설명했지만 본발명은 이들에 한정되는것이 아니고, 본발명의 요지를 일탈하지않는 범위에서 각종 개량이나 설계의 변경을 행해도 좋은것은 물론이다.

이상 상세히 설명한바와 같이 본발명에 의하면 탕경계등의 주조결함이 없고, 강도특성이 우수하고, 바람직하게는 원하는 최종형상의 벌크형 비결정질재료를 단한번에 간단한 공정에 따라 우수한 재현성으로 양호하게 얻을수가 있다.

다시또 본발명에 의하면 융점이하의 용융금속에 의한 불균일 핵생성에 의해 성장한 결정핵이 들어있는 결정상을 함유하지않는 즉, 융점이상의 용융금속만을 임계냉각속도 이상의 속도로 냉각시킨 비결정질단상으로된 강도특성이 우수한 최종형상의 벌크형 비결정질재료를 단한번에 우수한 재현성과 함께 간단한 공정으로 얻을수가 있다.

Claims

단조로상에 금속재료를 충전시키고, 이 금속재료를 용융가능한 고에너지열원을 사용해서 융해시킨후, 수득된 융점이상의 용융금속을 융점이하의 냉각계면끼리 중첩되지않는 상태에서 프레스하여 융점이상의 용융금속에 압축응력 및 전단응력 중 하나이상의 힘을 부여해서 원하는 형상으로 변형시키고, 변형후 혹은 변형과 동시에 상기한 용융금속을 임계냉각속도 이상으로 냉각시켜서 원하는 형상의 벌크형 금속유리를 제조하는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제1항에 있어서,

금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 용융금속의 표면이 상호 중첩되는 것을 피하고 또한 금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 다른 표면과 용융금속의 표면이 중첩되는것을 피하면서 상기한 용융금속을 프레스하는 것을 특징으로하는 금속유리의 제조방법
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기한 용융금속의 프레스 및 변형은 상기한 단조로상에 배치된 압연냉각롤에 의해 상기한 융점이상의 용융금속만을 판상 또는 원하는 형상으로 압연함과 동시에 냉각시켜 행하는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기한 단조로내에 충전된 금속재료를 융해시킨후, 상기한 단조로를 상기한 고에너지열원 및 압연냉각롤과 상대이동시키고 동시에 압연냉각롤을 회전시켜서, 상기한 단조로 위에 올라온 융점이상의 용융금속만을 선별압연하고 또한 냉각시켜서 판상 또는 원하는 형상으로된 금속유리를 제조하는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기한 단조로는 장척형(elongated shape)이고 이 장척형 단조로를 고에너지열원 및 상기한 압연냉각롤과 상대이동시켜서 금속재료를 상기의 고에너지열원으로 융해하고 또한 융점이상의 용융금속의 압연 및 냉각을 연속적으로 행해서 장척형 판상 금속유리 또는 원하는 형상의 금속유리를 연속제조하는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기한 압연냉각롤은 상기한 단조로의 대응위치에 상기한 단조로내의 융점이상의 용융금속을 단조로밖으로 배출시키기위한 저열전도성 재질로된 용탕배출기구를 갖춘 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

용융금속의 프레스 및 변형은 금속재료의 융점이상의 온도에서 용융금속을, 유동화없이, 단조로에 근접한 원하는 형상의 공동이 있는 하부금형에 대해 선별이동시키고 즉시 냉각상태의 상부금형으로 프레스해서 원하는 형상으로 단조함과 동시에 냉각시키므로서 달성되는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기한 단조로내에 충전된 금속재료를 융해시킨후 상기한 단조로내의 융점이상의 용융금속만을 하부금형에 이동하고, 단조로 및 하부금형을 상부금형의 바로아래로 이동시키고, 즉시 이 상부금형을 상기한 하부금형쪽으로 하강시켜서 하부금형에 들어있는 용융금속을 프레스 및 냉각하고, 또한 단조해서 원하는 형상의 금속유리를 제조하는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기한 상부금형은 상기한 단조로에 대응하는 위치에 단조로내의 융점이상의 용융금속을 단조로밖으로 배출시키기위한 저열전도성 재질로된 용탕배출기구를 갖는 것을 특징으로하는 벌크형 금속유리의 제조방법.
금속재료를 탑재시키기위한 단조로와, 상기한 단조로내에있는 금속재료를 융해시키기위한 수단과, 프레스하는동안 금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 용융금속의 표면이 상호중첩되는것을 피하면서 압축응력이나 전단응력 중 최소한 하나이상의 힘에 의해 용융금속을 원하는 형상으로 변형시키기위해 용융온도보다 높은 온도에서 금속재료 용해수단으로 용융금속을 프레스하기위한 수단과, 프레스수단에의해 변형된후 또는 변형과 동시에 금속재료의 임계냉각속도보다 빠른 냉각속도로 용융금속을 냉각시키는 수단을 구비한 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제10항에 있어서,

금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 용융금속의 표면이 상호중첩되는 것을 피하고 동시에 금속재료의 융점이하의 온도로 냉각된 다른 표면과 용융금속의 표면이 중첩되는것을 피하면서 상기한 용융금속이 프레스되는것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,

프레스수단이 냉각수단과 한쌍인 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,

프레스수단이 단조로 근방에 압연용 냉각롤과 금형을 갖는 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제13항에 있어서,

단조로위에 올라온 융점이상의 용융금속은, 냉각롤을 회전시키고 또한 단조로를 이동시켜 이 냉각롤로 금형내에서 주조하고 상기한 냉각롤과 금형과 용해수단이 냉각롤과 금형에 의해 압연을 완결하는 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제14항에 있어서,

단조로는 장척형이며 냉각롤 및 금형에 의한 압연과 냉각은 냉각롤과 용융수단에 관련된 상기한 단조로와 상기한 금형을 이동시키므로서 연속적으로 행해지는 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제15항에 있어서,

단조로로부터 융점이상의 온도로 용융금속을 배출시키기위한 용융금속배출기구와, 단조로와 대응하는 위치에서 냉각롤에 의한 압연이 행해지고 용융금속배출기구는 저열전도성 재질로 구성된 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치
제10항 또는 제11항에 있어서,

프레스수단은 단조로 근방에 단조로로부터 배출된 용융금속을 충전시키는 하부금형과 또한 하부금형에 충전된 용융금속을 단조하는 상부금형을 갖는 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.
제17항에 있어서,

단조로내에 충전된 금속재료를 융해시킨후, 상기한 단조로와 하부금형은 상기한 용해수단과 상부금형이 상기한 단조로와 하부금형에 대향하는 위치에 상부금형이 위치할때까지 이동되고, 단조로로부터 그것이 단조될 금형내로 지체없이 용융금속을 이동시키기 위해 상부금형이 하강하고 하부금형은 상승하는 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치
제17항에 있어서,

단조로로부터 융점이상의 온도로 용융금속을 배출시키기위한 용융금속배출기구와 상기한 단조로와 대응하는 위치에 상부금형이 배치되어있고, 용융금속배출기구는 저열전도성 재질로 구성된 것을 특징으로하는 금속유리 제조장치.