KR101472694B1

KR101472694B1 - 벌크 금속 유리의 고 종횡비 부품 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR101472694B1
Application number: KR1020137007923A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 엘. 존슨; 마리오스 디. 데메트리우; 조세프 피. 슈람; 게오르그 칼텐버크
Original assignee: 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2014-12-12
Also published as: US20120103478A1; EP2611558A2; EP2611558A4; CN103153502A; US9044800B2; EP2611558B1; JP2013544648A; WO2012031022A3; JP5894599B2; CN103153502B; KR20130045941A; WO2012031022A2

Abstract

벌크 금속 유리로 형성되며, 정형이고, 부품의 품질 및 완전성 뿐만 아니라 주형 기구의 수명을 극대화하여 제조 비용을 최소화하는 공정 조건하에서 제조된, 고 종횡비를 갖는 벌크 금속 물품, 및 상기 물품을 제조하기 위한 제조 방법이 제공된다.

Description

벌크 금속 유리의 고 종횡비 부품 및 그의 제조 방법{HIGH ASPECT RATIO PARTS OF BULK METALLIC GLASS AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 일반적으로 벌크 금속 유리로부터 형성된 물품에 관한 것이며, 더 구체적으로 고 종횡비를 갖는 벌크 금속 유리로부터 제조된 부품에 관한 것이다.

금속 부품의 제조에 있어서 오랫동안 인지된 도전사항은 경제적인 방식으로 고 정밀/고 종횡비(즉, 길이 대 두께의 비율이 높은 물품)의 구조적 및 기계적 부품을 형성하는 방법이다. 상기 종류의 물품을 제조하기가 특히 어려운 이유는 이들이 기계적 또는 구조적 구성요소로서 사용되고자 하며, 수행하기에 적절한 강도(strength), 강성(stiffness) 및 인성(toughness)을 필요로 하기 때문이다. 하지만, 이들은 종횡비가 높으므로, 즉 두께가 길이에 비해 작으므로, 재료 성능 및 제조 능력에 관한 요구가 매우 높다.

고 종횡비의 구조적 부품이 필요한 산업은 다수가 존재하지만, 하나의 명백한 예는 가전(CE) 산업이다. CE 제조사들은, 집적 회로, 디스플레이 및 디지털 저장 매체를 대체적으로 포함하며, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은, 프레임 조립체, 및 힌지, 슬라이더 바 또는 기계적 및 구조적 성능 모두를 갖는 다른 하드웨어와 같은 복합 기능성 구성요소를 종종 포함하는 케이싱(casing)에 포장된, 휴대폰, 랩톱 컴퓨터, 디지털 카메라, PDA, 텔레비젼과 같은 제품을 생산해야 한다. 또한, 점점 더 작아지는 가전 제품에 대한 소비자 주도의 요구는 점점 더 큰 종횡비 및 더 양호한 기계적 성능을 가지면서 점점 더 얇은 구조적 구성요소(예를 들어, 케이싱 및 프레임)에 대해 요구하게 된다.

오늘날, 상기 케이싱, 프레임 및 구조적 구성요소들은 주로 금속 합금 또는 플라스틱으로 제조된다. 플라스틱 부품은 낮은 원료 가격 및 비용효율적인 제조 공정으로 인해 대체적으로 매우 저렴하다. 제조 관점에서, 플라스틱은 고 정밀 및 공차, 우수한 표면 마감 및 바람직한 외관을 갖는 복합 3차원 정형(net shapes)으로 형성하기가 용이하다. 예를 들어, 플라스틱을 가공하기 위해 요구되는 통상적인 온도(100-400℃) 및 압력(10-100 MPa)에서 매우 능률적이고 비용 효율적인, 사출 성형, 취입 성형 및 다른 열가소성 성형법과 같은 다수의 우수한 양산 기술이 있다. 플라스틱 하드웨어의 낮은 제조 비용은 부분적으로는 정형 플라스틱 부품의 저비용 가공 요건에 의한 것이다. 하지만, 플라스틱 가공에서 제조 비용 절감의 상당 부분은 매우 높은 주형 기구 수명에서 기인한 것이다. 유달리 낮은 가공 압력 및 온도는, 통상적으로 수백만 사이클인, 현저하게 높은 기구 수명을 야기하여 부품당 주형-기구 간접 비용을 상당히 감소시킨다. 한편, 플라스틱은 제한된 강성(탄성 계수), 상대적으로 낮은 강도 및 경도, 및 제한된 인성 및 손상 허용치를 갖는다. 결과적으로, 플라스틱 부품은 다수의 구조적 응용에서와 같이 기계적 성능이 중요한 경우에 종종 적절치 않은 선택이다. 예를 들어, 플라스틱으로 제조된 케이싱 및 프레임은 굽힘 또는 충격시의 균열, 스크래치 및 마모에 매우 취약하며, 구조적 틀(framework)로서 제한된 견고성(rigidity) 및 안정성만을 제공한다.

반대로, 금속 및 금속 합금은 훨씬 높은 강성 및 견고성, 강도, 경도, 인성, 내충격성 및 손상 허용치를 가지며, 이로 인해 이들은 고 종횡비를 갖는 정밀 부품의 구조적 응용을 위한 탁월한 선택이 된다. 하지만, 정밀 정형 금속 하드웨어는 통상적으로 주조, 다이 성형/단조, 또는 기계가공 중 어느 하나에 의해 제조된다. 예를 들어, 영구(복수 사용) 주형 기구를 이용한 다이 주조는 대량의 저가 금속 하드웨어를 제조하기 위해 종종 사용되지만, 알루미늄, 마그네슘, 아연 등과 같은 상대적으로 낮은 융점의 합금(용융 온도 700℃ 미만)으로 한정된다. 이는, 통상적인 기구강(tool-steel) 주형은 종종 700℃ 미만의 온도에서 템퍼링되고, 템퍼링 온도 초과 온도에서의 가공은 주형을 급속히 열화시킬 것이기 때문이다. 저-융점 금속 합금의 다이 주조에서의 통상적인 기구 수명은 수십만 사이클 수준이며, 즉 플라스틱 가공에서보다 대략 한 자릿수가 적다. 강철 및 티타늄 합금과 같은, 내화성(refractory)이 더 강하고 강성/강도가 더 높으며, 용융 온도가 더 높은 합금에 있어서, 다이 주조 용융 온도(종종 > 1500℃)는 강철 기구세공(tooling)의 통상적인 작업 온도를 훨씬 초과한다. 또한, 정형을 주조하기 위해 요구되는 다이 주조 압력이 대체적으로 높다(수십 또는 수백 MPa). 결과적으로, 기구 수명이 주요 비용 제한 쟁점이 된다. 또한, 금속 합금의 다이 주조에서 용융 점도가 매우 낮아서(통상적으로 10^-5 내지 10^-3 Pa-s 범위), 용융 유동(melt flow)은 높은 유동 관성 및 제한된 유동 안정성을 특징으로 한다. 결과적으로, 주형 기구는 고속(통상적으로 >1 m/s)으로 이동하는 용융 금속에 의해 급속히 채워지며, 금속이 종종 주형으로 분무화되어(atomized and sprayed), 유동 라인(flow line), 외관 결함, 및 제한된 품질 및 완전성(integrity)의 최종 부품을 생성한다. 따라서, 다이 주조는 티타늄 합금, 강철 또는 다른 내화성 금속 합금에 대해 상용화될 수 없다.

결과적으로, 정밀, 복합 정형, 고품질, 고 종횡비, 내화성 금속 하드웨어가 가전제품 프레임, 케이싱 및 구조적 부품에서의 구조적 응용에 요구되는 경우, 대부분의 제조사들은 구성요소의 기계가공에 의지한다. 예를 들어 강철 및 티타늄 합금을 기계가공함으로써, 상기 고 종횡비 전자제품 케이싱 및 프레임에 대한 기능적, 외관적 및 성능 요건을 만족시킬 수는 있지만, 이는 시간 집약적이고, 비효율적이며, 대량의 재료 폐기물을 야기하여, 매우 고가의 하드웨어를 야기한다. 따라서, 플라스틱 하드웨어를 제조하기 위해 현재 사용되는 기술과 경쟁하는 능률적이고 비용효율적인 공정 기술을 이용하여 내화 금속의 강성, 강도, 인성, 경도 및 전반적인 기계적 성능과 일치하거나 가장 우수한 재료로 고정밀 구조적 하드웨어를 제조하고자 하는 요구가 가전 제품 산업에서 고조되고 있다.

본 발명은, 벌크이며, 고 종횡비를 갖고 결함이 실질적으로 없는 비정질 구조적 금속 물품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

다른 실시예에서, 본 발명은 하기를 포함하는 비정질 구조적 금속 물품의 제조 방법에 관한 것이다:

- 벌크 금속 유리로부터 블랭크(blank)를 제공하는 단계;

- 블랭크를, 유리 상태로부터, 벌크 고화 비정질 합금의 결정화 온도(T_x)를 초과하지만 벌크 고화 비정질 합금의 용융 온도(T_m) 미만인 가공 온도까지 가열하는 단계;

- 고 종횡비를 갖고 모든 축의 치수가 적어도 0.5 mm인 비정질 금속 물품을 형성하도록 성형 기구 내의 블랭크에 성형 압력을 인가하는 단계; 및

- 물품이 비정질상을 유지하는 것을 보장하기에 충분한 냉각 속도로 물품을 ?칭(quenching)하는 단계.

하나의 상기 실시예에서, 가공 온도는 벌크 금속 유리의 점도가 1과 10⁵ Pa-s 사이이도록 하는 온도이다.

다른 상기 실시예에서, 벌크 금속 유리는 유동 웨버수(Weber number)와 유동 레이놀즈수(Reynolds number)의 곱이 1 미만인 가공 온도까지 가열된다.

또 다른 상기 실시예에서, 가공 온도는 400℃와 750℃ 사이이다.

또 다른 상기 실시예에서, 가공 온도는, 벌크 고화 비정질 합금의 유리 전이 온도(T_g)보다 적어도 100℃ 높고, 벌크 고화 비정질 합금의 용융 온도(T_m)보다 적어도 100℃ 낮다.

또 다른 상기 실시예에서, 가열은 벌크 금속 유리의 임계 가열 속도를 초과하는 가열 속도로 수행된다.

또 다른 상기 실시예에서, 가열 속도는 적어도 100℃/s이다.

또 다른 상기 실시예에서, 성형 압력은 100 MPa 이하이다.

또 다른 상기 실시예에서, 성형 압력은 10 내지 50 Mpa 이다.

또 다른 상기 실시예에서, 벌크 금속 유리의 성형 기구로의 유동 속도(flow velocity)는 1 m/s 미만이다.

또 다른 상기 실시예에서, 성형 물품은 공차가 0.1 mm인 적어도 하나의 기하학적 특징부를 포함한다.

또 다른 상기 실시예에서, 전체 성형 단계는 50 ms 미만으로 발생한다.

또 다른 상기 실시예에서, 물품은 모든 축의 치수가 적어도 1 mm이다.

또 다른 상기 실시예에서, 가공 온도는 성형 기구의 템퍼링 온도보다 적어도 50℃ 낮다.

또 다른 상기 실시예에서, 성형 기구의 사이클 수명은 적어도 10⁶ 성형 물품이다.

또 다른 상기 실시예에서, 물품의 외부 표면은 보이는 결함이 없도록 형성된다.

또 다른 상기 실시예에서, 벌크 금속 유리의 선택은 ΔT와 무관하다.

또 다른 상기 실시예에서, 벌크 금속 유리는 Ti-계, Cu-계, Zr-계, Au-계, Pd-계, Pt-계, Ni-계, Co-계 및 Fe-계 합금과 같은 금속 유리 형성 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.

또 다른 상기 실시예에서, 물품은 휴대폰, PDA, 휴대용 컴퓨터 및 디지털 카메라의 그룹으로부터 선택된 디바이스를 위한 전자제품 케이스의 형태이다.

또 다른 상기 실시예에서, 가열은 블랭크를 통해 전류를 급속 방전함으로써 발생한다.

또 다른 상기 실시예에서, 물품은 실질적인 후-가공이 필요하지 않도록 정형으로 제조된다.

또 다른 상기 실시예에서, 물품은, 유동 라인, 가스 봉입, 이물질 및 거칠음(roughening)으로 구성된 그룹의 적어도 하나를 포함하는 결함이 실질적으로 없도록 형성된다.

본 발명은 또한 상술한 공정 실시예로부터 제조된 물품에 관한 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 장점은 하기의 첨부 도면 및 데이터와 함께 고려될 경우 하기 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 예시적 CE 디바이스 케이싱의 사진을 제공하고(개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 J.Schroers, Adv . Mater. 21;1-32(2009)에서 발췌);
도 2는 비트렐로이(Vitreloy)-1 벌크 금속 유리에 있어서 점도 대 온도의 플롯을 도시하는 데이터 그래프를 제공하고(유리-성형 영역의 데이터는 문헌 Masuhr et al. Phys . Rev . Lett . 82,2290-2293(1999)에서 발췌하고; 용융 주조 영역의 데이터는 문헌 Mukherjee et al. Appl . Phys . Lett . 86,014104(2005)에서 발췌, 상기 개시내용들은 본 명세서에 참조로 포함됨);
도 3은 층류(laminar flow) 분열(break-up)을 도시하는 플롯을 제공하고(개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 Pan&Suga, Phys . Fluids , 18,052101(2006)에서 발췌);
도 4는 종래의 용융 주조 기술 및 진정한 열가소성 성형에 있어서 기구 수명 대 사출 압력 및 용융 온도의 플롯을 제공하고;
도 5는 비트렐로이 1에 대한 연속-냉각 변태도(온도 대 시간)를 제공하고(데이터는 개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 S.B.Lee and L.J.Kim Mater.Sci.Eng.A 404,153-158(2005)에서 발췌);
도 6은 비트렐로이 1에 대한 연속-가열 변태도(온도 대 시간)를 제공하고(데이터는 개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 J.Schroers et al., Phys.Rev.B 60 11855-11858(1999)에서 발췌);
도 7은 종래의 유리 성형 기술, 종래의 용융 주조 기술 및 진정한 열가소성 성형에 있어서 기구 수명 대 사출 압력 및 용융 온도의 플롯을 제공하고;
도 8은 상이한 온도에서의 유리 성형 부품의 사진을 제공하고(개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 Wiest et al., Scripta Materialia , 60,160-63(2009)에서 발췌);
도 9는 본 발명에 따른 고 종횡비 형성 영역을 강조한, 비트렐로이-1 벌크 금속 유리에 대한 점도 대 온도의 플롯을 도시하는 데이터 그래프를 제공하고(유리-성형 영역의 데이터는 문헌 Masuhr et al. Phys . Rev . Lett . 82,2290-2293(1999)에서 발췌하고; 용융 주조 영역의 데이터는 문헌 Mukherjee et al. Appl . Phys . Lett . 86,014104(2005)에서 발췌, 상기 개시내용들은 본 명세서에 참조로 포함됨);
도 10은 진보적인 고 종횡비 형성 기술, 종래의 유리 성형 기술, 종래의 용융 주조 기술 및 진정한 열가소성 성형에 있어서 기구 수명 대 사출 압력 및 용융 온도의 플롯을 제공하고;
도 11은 비트렐로이 1에 대한 연속-가열 변태도(온도 대 시간)를 제공하고(데이터는 개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 J.Schroers et al., Phys.Rev.B 60 11855-11858(1999)에서 발췌);
도 12는 종래의 RDFH 메커니즘의 개략도를 제공하고;
도 13은 액체/유리 및 결정질 상태의 BMG 합금 비트렐로이 106에 대한 저항율 대 온도의 플롯을 제공하고(개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된 문헌 Mattern et al.,J. Non . Cryst . Sol . 345&346,758-761(2004)에서 발췌);
도 14는 본 발명에 따라 제조된 (A)Pd-계 BMG로부터의 예시적 고 종횡비 부품과 함께 (B)기구강 주형의 이미지를 제공하고;
도 15는 본 발명에 따라 제조된 Zr-계 BMG로부터의 예시적 고 종횡비 부품의 이미지를 제공한다.

당업자라면, 본 발명에 따른 추가의 실시예는 상술한 포괄적인 개시내용의 범위 이내인 것으로 고려되고, 상술한 비제한적 예에 의해 어떠한 방식의 권리포기(disclaimer)도 의도되지 않음을 인지할 것이다.

금속으로부터 제조된 물품은, 크기, 형태, 두께, 길이, 복잡도 등과 같은, 그의 기능 뿐만 아니라 그의 제조 수단 및 방법 모두에 관련된 다수의 상이한 기준에 따라 특징지워질 수 있다. 그리고, 재료 및 제조 방법의 선택에 따라, 상이한 측면들이 제한 요인이 된다. 고 종횡비를 갖는 고정밀 부품의 제조를 위한 주요 제한 요인 중의 하나는 산업적 규모로 상기 부품을 효율적으로 생성할 수 있는 비용효율적인 제조 방법과 재료의 조합을 찾는 것이다. 벌크 금속 유리(BMG)는 통상적인 엔지니어링 금속보다 우수한 기계적 성능, 및 플라스틱 가공과 다수의 유사점을 갖는 제조 역량으로 인해, 상기 응용을 위한 매력적인 후보 재료로서 최근에 부상하고 있다. 특히, 이는, 구조적 및/또는 기계적 기능을 제공하는 고정밀, 고 종횡비 부품에 이상적인 다수의 물리적 특성(강도, 인성, 탄성 한계)이 조합된 것이 확인되고 있다. 불행하게도, 지금까지 이러한 종류의 물품을 제조하기 위한 BMG 재료의 적절한 제조 방법이 확인되지 않았다. 특히, BMG로부터 상기 고정밀, 고 종횡비 부품을 형성하기 위해 사용가능한 현재의 기술은 고가이며, 비효율적이고, 허용될 수 없는 수준의 제조 결함을 갖는 최종 부품을 생성하기 쉽다.

본 발명은 대량 제조에 최적인 가공 조건에서 벌크 금속 유리로부터 형성되고, 유동 라인, 소구획화(cellularization) 및 거칠음과 같은 제조 결함이 실질적으로 없는, 낮은 두께 및 고-종횡비를 갖는 고정밀 정형 물품, 및 상기 물품을 생산하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.

정의

"벌크 금속 물품"은, 본 발명의 목적에 있어서, 모든 축의 치수가 적어도 0.5 mm이고 비정질상을 유지하는 물품이다.

"비정질"은, 본 발명의 목적에 있어서, 임의의 하기 기술: X-선 회절, 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 및 시차 주사 열량계(DSC)에 의해 측정하여 적어도 50 부피%의 비정질상, 바람직하게는 적어도 80 부피%의 비정질상, 및 가장 바람직하게는 적어도 90 부피%의 비정질상을 포함하는 임의의 재료이다.

"고-종횡비"는, 본 발명의 목적에 있어서, 적어도 하나의 차원에서 100 근방 또는 초과의 길이 대 두께 비(고 종횡비)를 갖는 물품이다.

"정형"은, 본 발명의 목적에 있어서, 예를 들어 기계가공, 그라인딩, 다듬질 또는 연마와 같은 실질적인 후-가공 단계가 필요없이 제조의 초기 성형 단계에서 대체로 완성된 기하학적 특징부를 갖도록 형성된 물품이다.

"고정밀" 또는 "복합"은, 본 발명의 목적에 있어서, 0.1 mm 이하 수준의 공차가 요구되는 구조적 요소를 갖는 물품이다.

T_g로 나타내는 "유리 전이 온도"는, 본 발명의 목적에 있어서, 생주물(as-cast) 금속 유리가 분당 20 도의 속도로 가열되는 경우 완화의 개시를 나타내는 온도이다.

T_x로 나타내는 "결정화 온도"는, 본 발명의 목적에 있어서, 생주물(as-cast) 금속 유리가 분당 20 도의 속도로 가열되는 경우 결정화의 개시를 나타내는 온도이다.

T_m으로 나타내는 "용융 온도"는, 본 발명의 목적에 있어서, 벌크-고화 비정질 합금의 액상선 온도(liquidus temperature)이다.

벌크 금속 유리의 개요

벌크 금속 유리(BMG)는, Ti-합금 및 강철에 필적하거나 더 우수한 기계적 성능(강도, 탄성, 경도)을 갖고, 벌크 부품, 즉, 비강도(specific strength), 비탄성율(specific modulus) 및 탄성 한계가 주요 성능 지수인 구조적 요소에서 사용될 수 있으며 모든 축의 치수가 0.5 mm 보다 큰 부품의 제조를 가능하게 하는, 고강도 금속 합금 종류이다. 이것이 중요한 이유를 이해하기 위해서는, 금속 유리의 결정화에 대한 저항이, 용융물로부터의 냉각시 결정화를 우회하고 유리를 형성하기 위해 요구되는 냉각 속도(임계 냉각 속도)와 관련될 수 있음을 이해해야 한다. 임계 냉각 속도는 10³ K/s 이하, 또는 바람직하게는 1 K/s 이하의 수준인 것이 바람직하다. 임계 냉각 속도가 감소함에 따라, 열 제거 속도에 있어서 규모 제한이 완화되어, 비정질상을 갖는 부품의 보다 큰 단면이 제조될 수 있다.

임계 주조 두께는, 푸리에 열류 방정식을 이용하여 합금의 임계 냉각 속도와 정식으로 관련지을 수 있다. 예를 들어, 결정화로 인한 잠열이 수반되지 않는 경우, 고화 액체의 중심부에서 평균 냉각 속도(R)는 최소 주형 크기(L)의 역제곱에 대략 비례하며, 즉 R∝αL^-2(L은 cm 단위; R은 K/s 단위)이고, 상기에서 인자 α는 액체의 열확산계수 및 동결 온도와 관련있다(예를 들어, 비트렐로이 1 Zr₄₁ _.2Ti₁₃ _.8Cu₁₂ _.5Ni₁₀Be₂₂ _.5 유리에 대해 α≒ 15 K-cm²/s임). 따라서, 비트렐로이 1을 이용한 0.5 mm 주조 스트립의 형성과 관련된 냉각 속도는 10³~10⁴ K/s 수준일 것이다.

벌크 금속 유리의 한 예를 상술하였지만, 지난 20년에 걸쳐 임의의 수의 벌크 금속 유리 조성물이 발견되었다(예를 들어, 모두 본 명세서에 참조로 포함된, 미국특허 제5,288,344호; 미국특허 제6,325,868호, 문헌 A.Inoue et al., Appl. Phys. Lett., Volume 71, p464(1997); Shen et al., Mater. Trans., JIM,Volume 42, p2136(2001); 및 일본 특허출원 제2000126277호(공개번호 제0.2001303218A호); 및 문헌 C.C.Hays et al., Physical Review Letters, Vol.84, p2901(2000) 참조). 상기 모놀리식(monolithic) 벌크 금속 유리에 추가하여, 예를 들어 SiC, 다이아몬드, 탄소 섬유, 및 몰리브데늄 등의 금속과 같은 입자 강화재를 포함하거나, 수지상(dendritic) 강화재를 갖는 다수의 합성 벌크 금속 유리 재료도 또한 발견되었다(예를 들어, 개시 내용들이 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 제5,886,254호 및 제5,567,251호 참조). 본 출원의 맥락에서, 임의의 상기 벌크 금속 유리 조성물은 본 명세서에 개시된 벌크, 고 종횡비 부품을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

종래의 제조 방법

거의 예외 없이, 벌크 금속 유리(BMG)는 온도와 점도 사이에서 매우 예측가능한 의존도를 갖는다. 상기 의존도의 예시적 플롯을 비트렐로이 1 BMG 재료에 대해 도 2에 도시한다. 상기 곡선에서 두 개의 흥미있는 현상을 관찰할 수 있다. 먼저, BMG의 점도는 유리에서(T_g 미만) 용융물까지(T_m 초과) 약 15 자리수가 감소하며, 이는 BMG를 성형하기 위해 요구되는 형성 조건(압력 및 시간)이 BMG가 형성되는 온도에 따라 결정적으로 달라짐을 의미한다. 두번째로 일어날 수 있는 흥미로운 관찰은, 유동성 실험을 수행할 수 있고 BMG의 점도를 측정할 수 있는 상기 곡선을 따라 접근가능한 두 영역: 하나는 T_g와 T_x사이이고, 하나는 용융 온도(T_m)의 위 및 바로 아래인 두 영역이 존재한다는 것이다.

물론, 상기 곡선은 또한 BMG를 종래와 같이 가공할 수 있는 두 개의 영역대(window), 즉, "유리 성형 영역" 및 "용융 주조 영역"을 정의한다. 상기 상이한 영역대를 기반으로 두 개의 기본적인 BMG 가공법: 1) 냉각시 용융물로부터 가공, 및 2) 가열을 통해 유리로부터 과냉각 액체 영역으로 가공이 개발되었다(상기 기본적인 방법에 기반한 종래 기술의 예는, 개시내용이 본 명세서에 참조로 포함된, 미국특허 제7,794,553호; 제7,017,645호; 제6,027,586호; 제5,950,704호; 제5,896,642호; 제5,711,363호; 제5,324,368호; 제5,306,463호에 설명됨). 하지만, 상기 방법들은 모두, 형성될 수 있는 물품의 종류 및 기하학적 구조, 그로부터 형성된 물품의 품질 및 완전성, 및 가공 조건의 호의도(favorability)에 심각한 제한을 초래하는 심각한 결함을 갖는다. 상기 결함들은 하기에 보다 상세히 설명될 것이다.

종래의 용융 주조

다이 주조는, 도 2에 도시된 "용융 주조 영역"에서 BMG로부터 고성능 전자제품 케이싱 및 기능성 구성요소를 제조하기 위해 사용되어 왔다(예를 들어, 상기 인용된 미국특허 제5,306,463호 참조). 다이 주조 공정에서, BMG 합금은 용융되고(액상선 온도보다 통상적으로 200-500℃ 높은 온도에서 용융되고, 비트렐로이 1에 대한 온도는 900-1200℃에 상응), 사출 슬리브(shot sleeve)로 주입되고, 100 내지 500 MPa의 통상적인 압력하에서 고속(수 m/s)으로 영구 주형-기구 캐비티로 사출된다. 이 기술은, 예를 들어 휴대폰 케이스, 힌지, 브라켓, 및 가전제품을 위한 다른 기능성 구성요소와 같은 복합 고 종횡비 부품을 제조하기 위해 필요한 방법이었으며, 계속해서 필요한 방법이다. 하지만, 다이 주조에 의해 제조된 BMG 하드웨어는 통상적으로 결함 및 외관 결함이 특징적이며, 주조 수율이 상대적으로 낮고, 실질적인 후-가공이 통상적으로 요구된다. 더 중요한 것은, 가공 용융 온도가, 통상적인 기구강의 작업 온도의 상한치를 나타내는 700℃보다 실질적으로 높으므로, 주형 기구 수명이 상대적으로 낮다(통상적인 기구강 주형 기구에 있어서 통상적으로 수천 사이클 수준). 상기 모든 문제점들(낮은 수율, 실질적인 후-가공 작업 및 낮은 주형-기구 수명)의 결과는 다이-주조에 의해 제조된 부품이 고가라는 것이다.

"용융 주조 영역"에서 가공될 때 부품이 적절히 형성되고 비정질상을 유지하는 것을 보장하기 위해 만족되어야 하는 가공 조건을 검토함으로써, 상기 단점의 근원을 이해할 수 있다. 먼저 가장 문제가 되는 논쟁사항은, BMG 재료의 용융 주조 중에 물품, 및 특히 고 종횡비 물품에 형성되는 주조 결함(소구획화, 거칠음 및 유동 라인 등)의 지속적인 형성이다. 상기 결함이 형성되는 이유는 다이 주조 등에 의해 용융물을 가공하기 위해 요구되는 유동 조건과 직접적으로 관련있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다이-주조 물품에서의 결함은 다이로의 BMG 용융물의 층류가 분열되는 것으로부터 유래한다. 다이로의 BMG 유동이 층류를 유지하고 안정할지 여부는, 유동체를 특징짓는 두 개의 기본 차원수(fundamental dimensional numbers): 1)표면 장력에 대한 관성력의 비율이며 하기 수학식으로 나타낸 웨버수(We):

및 2)점성력에 대한 관성력의 비율이며 하기 수학식으로 나타낸 레이놀즈수(Re):

(상기에서, L은 부품의 두께, V는 유동 속도, ρ는 밀도, σ는 표면 장력이고, η는 점도이다)

에 의해 예측할 수 있다. 액체가 주형 또는 다이로 유동되는 동안 불안정성이 전개되지 않음을 보장하기 위해, 웨버수 및 레이놀즈수의 곱이 1 미만이어야 한다:

즉, 수학식 3은, 유동체의 관성력이 표면 장력을 극복하지 못하면 유동-선단 불안정성이 응집하지 않을 것이며; 유동체의 관성력이 점성력을 극복하지 못하면 유동-선단 불안정성이 성장하지 않을 것임을 나타낸다. 요컨대, 유동 선단 불안정성이 응집 또는 성장 중 어느 하나에 실패할 경우, 층류 및 안정한 유동이 보장될 것이다.

상기 수학식을 이용하여, 표준 조건하에서 비트렐로이 1과 같은 종래의 BMG를 다이-주조하는 경우 유동 불안정성의 전개 확률을 계산하는 것이 가능하다. 비트렐로이 1을 이용하여 1 mm 두께 BMG 부품(L=0.001 m)을 다이-주조하기 위한 물리적 조건이 하기 표 1에 제시된다.

상기 값들을 상기 수학식 1 및 2에 삽입하면, ~4500의 유동 안정성 수(WeRe)가 산출된다. 즉, 다이 주조에 있어서의 문제점은, BMG 합금의 낮은 점도 때문에, 상대적으로 얇은 부품의 경우에도 사출중의 유체 관성이 표면 장력 및 점성력 모두를 극복할 만큼 충분히 크다는 것이다. 이와 같이, 유동중에 불안정성이 불가피하게 전개되어, 최종 물품에서 공극, 소구획(cell), 거친 반점 및 유동 라인이 초래된다.

BMG 다이 주조에서의 다른 문제점은, 요구되는 온도 및 압력이 기구 수명의 극적인 감소를 초래한다는 것이다. 이는 도 4에 그래프로 도시되며, 동작 온도 및 압력이 감소하는 경우 기구 수명이 증가(화살표 방향)함을 도시한다. 플롯에서 보는 바와 같이, "이상적인" 주형-기구 수명을 초래할 방법은 진정한 열가소성 성형(플라스틱 가공에서 수행된 바와 같은)이다. 기구-수명이 압력 및 온도 모두에 의존하는 이유는, 주형 기구가, 특정 온도에서 템퍼링되는 기구강으로 통상적으로 제조되고, 따라서 이들이 동작되도록 설계된 주조 온도 상한치를 갖기 때문이다. 통상적인 기구강의 템퍼링 온도는 600℃ 근방이다. 상기 동작 기준보다 더 높은 온도 또는 높은 압력에 상기 기구가 노출되는 경우 기구가 손상되고 기구 수명이 감소할 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이, BMG의 다이 주조는 매우 높은 압력을 필요로 하지 않는 반면, 매우 높은 온도를 필요로 한다. 특히, 가공 온도(통상적인 BMG 재료의 용융 온도)는 강철 또는 Ti-합금의 가공 온도보다 낮은 반면, 통상적인 Al-, Mg-,또는 Zn-합금의 다이 주조에 사용되는 온도(500-700℃)보다 훨씬 높다. 결과적으로, BMG 재료의 다이-주조는, 통상적인 기구강 주형의 기구 수명을, 플라스틱 가공에서 실현된 수백만 사이클 또는 저융점 금속 합금의 가공에서 실현된 수십만 사이클에서 단지 수천 사이클까지 감소시킬 수 있다. 통상적인 상용 주형 기구의 매우 높은 가격(통상적으로 수만 US달러)은 부품당 증가된 제조 비용(부품당 수 US 달러)로 바로 전환된다.

종래의 다이-주조 공정을 이용하는데 있어서의 최종 문제점은 부품을 비정질로 만드는 가공 요건이며, 이는 통상적인 BMG 재료의 냉각 곡선을 검토함으로써 입증된다. 이 경우, 비트렐로이 1에 대한 예시적인 연속-냉각 변태 곡선이 도 5에 제공된다. 상기 플롯은 용융물로부터 BMG를 연속적으로 냉각하는 경우(BMG의 다이 주조에서 대략 접하는 바와 같음) 용융물로부터의 냉각 "경로"를 도시한다. 보는 바와 같이, "임계 냉각 속도" 미만에서 합금은 결정화되겠지만, 냉각 속도가 상기 임계 속도를 초과하는 한, 결정화는 회피될 것이다.

비트렐로이 1에 있어서, 이미 캐비티 내에 있을 경우 용융물의 온도가 T_m 이상이면, 주형에서의 열 제거 속도는 약 2 K/s 이상의 냉각 속도와 관련되어야 함을 상기 요건은 명시한다. 이는 수 mm 수준의 두께를 갖는 상대적으로 두꺼운 부품으로 전환될 것이다. 하지만, 10³ K/s 이상 수준의 임계 냉각 속도를 갖는 좀더 주변적인(marginal) 유리 형성물질에 있어서, 상기 요건은 mm 이하의 두께를 갖는 훨씬 얇은 부품으로 전환될 것이다. 임계 냉각 속도 요건의 결과는 최대 유리 형성 능력을 갖는 재료로만 BMG 합금의 선택을 엄격하게 제한한다.

종래의 유리 성형

도 2에 도시된 점성 곡선의 반대 측은 유리 성형 영역이다. 이 영역에서, BMG 공급 원료 재료는 유리 전이 온도(T_g)와 그의 결정화 온도(T_x) 사이인, 재료 고유의 유리 전이 온도 범위까지 가열된 다음, 주형 또는 다이를 이용하여 성형된다(예시적 공정의 설명은 개시 내용이 본 명세서에 참조로 포함된 미국특허 제6,027,586호 및 제7,017,645호에서 확인할 수 있다). 상기 유리 성형 공정은, 단지 BMG의 점도가 훨씬 더 높기 때문에(8 내지 15 자리수) 본질적으로 더 양호한 품질의 부품을 제조한다. 상기 매우 높은 점도의 결과로서, 수학식 1 내지 3을 참조로 상기 논의된 바와 같이, 유동 관성이 거대한 점성력을 극복하여 임의의 유동 불안정성의 성장을 효과적으로 저해하는 것은 실현 가능하지 않을 것이다. 하지만, 유리 성형 영역에서 BMG를 성형함으로써 용융 주조 영역에서 성형하는 것과 관련된 문제점들 중의 하나는 해결되지만, 종래의 유리 성형 기술은 낮은 기구 수명 및 제한적인 조성 요건을 포함하여 다수의 동일한 쟁점을 갖는다. 게다가, 새로운 복잡도가 도입되며, 즉 물리적으로 달성할 수 있는 압력을 이용하여 고 종횡비의 부품을 얻는 것이 어렵다.

상기 제한사항을 이해하기 위해, 유리 성형을 수행하기 위해 요구되는 조건을 이해하는 것이 필요하다. 도 6에 상기 유리 성형 영역의 온도 구역을 그래프로 묘사한 것이 제공된다. 도시된 바와 같이, 유리 공급 원료는 T_g 보다 높게, T_g와 T_x 사이까지 가열된 다음, 성형을 위해 그 영역 내에서 유지된다. 먼저, 이론적으로는 결정화를 완전히 방지하도록 충분히 빠르게 T_g를 초과하여 재료를 균일하게 가열할 수 있음이 이해되어야 한다(도 6에 도시된 바와 같이 비트렐로이 1에 대해 200 K/s 초과). 하지만, 열이 통상적으로 재료의 경계에 제공되는 종래의 가열 기술(예를 들어, 퍼니스 가열, 유도 가열, 레이저 가열 등)을 이용하면 상기와 같은 즉각적인 균일한 가열은 실현불가능하다. 간단한 열류(heat flow) 계산에 의해 공급 원료의 모서리부가 중심부보다 더 급속히 가열될 것임이 도시될 것이고, 이 문제는 공급 원료의 두께가 증가함에 따라 확대될 뿐이다. 게다가, 성형 전에 공급 원료 전반적으로 온도가 실질적으로 균일하지 않을 경우, 공급 원료의 점도가 매우 불균일하여, 모서리부 근처의 고온 유체 영역에서는 충분할 수 있는 성형 압력이 중심부 근처의 저온 점성 영역에서는 충분하지 않을 수 있을 것이다. 결과적으로, 유동 및 성형이 지연될 것이다.

따라서, 상기 종래의 기술에서는 전반적으로 균일한 온도를 보장하기 위해 BMG를 천천히 가열할 필요가 있다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 종래의 유리-성형 기술에서 성형 공정은 T_g 와 T_x 사이의 매우 좁은 온도 영역대 내로 국한될 것이다. 상기 영역대 내에서, 점도는, 결정화에 대한 유리 안정성에 따라, T_g에서 10¹² Pa-s로부터 T_x에서 10⁶ 또는 10⁵ Pa-s까지 감소한다. 상기 영역 내에서 가공 온도가 높을수록, 주어진 종횡비의 부품(즉, 주어진 변형율)에 있어서 압력 요건이 더 낮을 것이다. 이는 또한 다이-주조의 경우와 같이, 상기와 같이 낮은 가열 속도에서 T_g 및 T_x 간의 차이(ΔT)가 가능한 한 크도록, 사용된 BMG 합금이 결정화에 대해 우수한 안정성을 가져야 함을 의미한다. 하지만, 가장 안정한 BMG 합금에 대해 보고된 가장 큰 ΔT 값에서도, 고 종횡비 부품을 성형하기 위한 압력은 진정한 열가소성 성형법을 통해 플라스틱 재료로 동일한 부품을 가공하기 위해 요구되는 압력보다 상당히 높을 것이다.

후자는, 기구 수명이 단축되는 원인이며, 유리 성형 체제에서 고 종횡비 부품을 얻는 것이, 불가능하지 않더라도, 어려운 원인이다. 상기 기술에 요구되는 가공 조건을 다시 검토할 필요가 있다. 특히, 이미 논의된 바와 같이, 유리 성형은 매우 낮은 온도에서 일어난다. 이는 그 자체는 기구 수명에 유리하다. 하지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 이는 BMG 재료의 점도가 매우 높은 것을 의미하며, 이는 도 7에 도시된 바와 같이, BMG를 주형 또는 다이에 주입하기 위해 사용되는 압력이 비례하여 더 높아야 함을 의미한다. 이러한 더 높은 사출 압력은 기구의 소규모 특징부(모서리 또는 필렛(fillet) 등에 있는)상에 대량의 국부적인 스트레스를 생성하여, 그의 수명 동안 수행할 수 있는 사이클의 수를 진정한 열가소성 기술에 비해 단축시킨다.

이러한 높은 점도는 또한, 유리 성형법을 이용하여 고 종횡비 부품을 형성하기가 매우 어려운 이유를 설명한다. 요컨대, 허용된 시간 동안 주형을 통해 BMG를 밀어넣거나 이동시키기 위해서는 점점 더 높은 사출 압력이 요구된다. A.Wiest et al.,의 출판물로부터 발췌한 상기의 그래픽 설명을 도 8에 도시하였으며, 이는 BMG 재료로 210℃의 온도에서 35 MPa의 압력으로 가공된 성형 플라스틱(폴리프로필렌) 부품을 복제하기 위한 시도를 설명한다. 도시된 바와 같이, 종래의 유리 성형 조건은, 성공적인 플라스틱 물품 복제에 근접하기라도 하기 위해서는 사출 압력의 약 10배(300 MPa)를 필요로 하며, 그리고나서도 BMG 재료로 플라스틱 부품의 전체 길이를 복제하는 것이 가능하지 않다.

진보적인 기술

벌크 금속 유리로부터, 전자제품 케이스와 같은 복합, 벌크, 고 종횡비, 정형 부품을 형성하는 아이디어는 새로운 것이 아니다. 예를 들어, 개시 내용이 본 명세서에 참조로 포함된 미국특허 제6,771,490호는 특정 탄성을 갖는 벌크 금속 유리로부터 형성된 전자제품 케이스를 개시한다. 이로부터, 복합 디바이스가 벽(wall), 개구부 및 다른 지지 구조체를 가질 것이라는 것 및 주요 측면들이 특정 응용에 필요한 수, 크기, 형태 및 속성일 것이라는 것을 포함하여, 복합 디바이스가 갖출 필요가 있을 다수의 주요 측면들이 확인된다. 이 경우에는, 예를 들어 PDA 및 노트북 컴퓨터와 같은 데이터 저장 및 조작 디바이스; 디지털 카메라 및 비디오 카메라와 같은 멀티미디어 기록 디바이스; CD 및 DVD 플레이어와 같은 멀티미디어 플레이어; 페이저 및 휴대폰과 같은 통신 디바이스 등과 같은 전자 제품을 감싸는 프레임에 초점이 맞춰진다.

상기 문헌은 전자제품 케이스를 형성하는 데 사용하기 위한 이상적인 탄성을 판별하지만, 종래의 가공 기술에 의존한다. 상기 논의사항에서 강조한 바와 같이, 상기 문헌은 결과적으로, BMG를 사용한 벌크 고 종횡비 물품의 제조 및 제조된 최종 부품의 품질 및 완전성의 보장 모두에 있어서, 즉 사용된 가공 조건에 있어서 주요한 도전사항을 오인한다. 요컨대, 선행 문헌은 벌크, 고 종횡비, 정형 BMG 부품의 제조에 있어서 가장 중요한 도전사항, 즉, 상기 부품을 형성하기 위해서는 종래의 형성 기술로부터 단순히 획득할 수 없는 가공 조건의 조합을 필요로 한다는 것을 인식하지 않는다. 따라서, 상업적 규모로 저렴하게 벌크 고 종횡비 부품을 제조할 수 있는 BMG 가공 기술을 제공하고, 또한, 모든 축의 벌크 치수를 포함하는 고유한 특징의 조합을 갖고, 고 종횡비를 가지며, 정형인 BMG 부품을 제공할 필요가 있다.

진보적인 공정

종래 기술에서는 BMG 재료로 제조되어 유익할 수 있는 물품으로서 전자제품 프레임 케이싱이 확인된다. 본 발명의 "복합", "고 종횡비" 물품은 상기 디바이스를 분명히 포함하지만, 본 발명은 좀더 일반적으로, 예를 들어 시계 케이스, 치과 및 의료 기구 및 임플란트, 회로 구성요소, 연료 전지 또는 다른 촉매 구조체, 멤브레인 등과 같은, 임의의 복합 고 종횡비 물품에 관한 것이다. 요컨대, 본 발명은, 고 종횡비를 가지며, 구조적 또는 기계적 속성 중 어느 하나인 특징들을 포함하는 임의의 벌크 구조체에 관한 것이다.

상술한 논의사항으로부터, 상기 복합 벌크 고 종횡비 정형 부품을 형성하기 위한 제조 공정에 필요한 특성들을 확인하는 것이 가능하다. 상기 기술은 하기 변수들을 조합할 것이다:(1)낮은 가공 온도(400-750℃), (2)낮은 성형 압력(10-50 MPa), (3)적절한 용융 사출 속도(~ 1m/s 이하), (4)보통의 유리 형성 능력 및 작은 ΔT를 갖는 것들을 포함하여 광범위한 BMG 합금을 가공하는 능력, 및 (5)증가된 주형 기구 수명.

도 9는 비트렐로이 1에 대한 점도 대 온도 곡선 상에서 상기 기술이 수행되는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 벌크 고 종횡비 부품을 형성하기 위한 이상적인 가공 영역은 용융 주조 영역과 유리 성형 영역 사이의 곡선 중간에서 오른쪽에 놓인다. 상기 점도 및 작은 성형 압력(100 MPa 미만)에서, 유동 관성 및 특히 용융 속도가 낮게 유지되어(<1 m/s), 유동 We 및 Re도 또한 수학식 3의 유동 안정성 기준을 만족하면서 낮게 유지될 것이다. 비트렐로이 1과 같은 표준 BMG에 대한 변수가 수학식 1 내지 3에 치환될 경우(하기 표2 참조), 1 mm 두께 부품(L=0.001 m)을 제조하기 위해 상기 기술을 이용한 통상적인 비트렐로이 1 BMG에 대한 WeRe는 1 미만이 될 것이며(WeRe ~ 0.03), 이는 BMG의 유동이 층류가 되고 안정할 것임을 나타낸다. 따라서, 다이-주조에서는 흔한 결함이 전개되지 않을 것이며, 극히 높은 공차를 갖는 구조적 또는 기능성 기계적 구조체를 갖는 고도의 복합 물품의 형성이 가능해질 것이다.

게다가, 낮은 가공 온도(통상적으로 700℃ 미만)와 함께 낮은 사출 압력을 택하는 경우, 상기 기술에 있어서의 기구 수명은, 종래의 기술에 비교하여 기구 수명도 증가하고 부품 가격도 감소하면서 진정한 플라스틱 가공에 있어서의 거의 이상적인 범위와 근접하게 중복될 것이다(도 10에 도시된 바와 같음).

최종적으로, 고 종횡비 부품을 형성하는 능력을 보장하기 위해, 가열 및 성형 공정 모두에서 결정화를 완전히 방지하는 것이 필요할 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 가열 속도에서, 이 "이상적인" 시스템에 의해 요구되는 가공 온도 영역대(400 내지 750℃)는 BMG의 용융 온도(T_m) 미만이지만 결정화 온도(T_x) 초과일 것이다. 즉, 임의의 공지된 종래의 가열 공정에 있어서, 이는 BMG가 비정질상을 상실하는 금지된 영역대이다. 사실상, 종래의 가열 조건(1 내지 100 K/s의 속도)하에서 제안된 가공 온도까지 시료를 가열하면, 도 11에 도시된 바와 같이, 거의 즉각적인 시료의 결정화가 초래될 것이다. 따라서, 이를 방지하기 위해, 이상적인 고 종횡비 형성 방법은, 결정화 곡선을 완전히 피하도록, 종래의 수단으로는 달성할 수 없는 고속(비트렐로이 1에 대해 200 K/s 초과)으로 고형으로부터 400℃와 750℃ 사이까지 시료를 균일하게 가열할 것이다.

요약하면, 벌크 고 종횡비 부품의 이상적인 제조 방법은 하기 특징들을 포함할 것이다:

- 안정한 유동 선단(WeRe < 1);

- 고수율(낮은 불량율);

- 낮은 인가 압력(< 100 MPa);

- 용융 온도 미만이지만 결정화 온도를 초과하는 가공 온도(~400 내지 750℃);

- 연장된 기구 수명(> 100,000 사이클);

- 초고속 가열 공정(< 50 ms); 및

- ΔT 값과 무관한 임의의 BMG 사용.

이와 같은 가공 변수들의 고유한 조합은 정형인 벌크 고 종횡비 BMG 부품의 형성에 이상적이며 필수적임이 이제 인식되었다. 수행시, 상기 방법은 적어도 하기의 단계들을 가질 것이다:

- 벌크 금속 유리의 블랭크를 제공하는 단계;

- BMG의 결정화 온도를 초과하지만 용융 온도 미만인 온도까지 벌크 금속 유리를 가열하는 단계;

- 결정화를 방지하기에 충분히 짧은 시간동안 성형 압력을 인가하는 단계; 및

- 물품이 비정질상을 유지하는 것을 보장하도록, 벌크 금속 유리의 임계 냉각 속도보다 빠른 속도로 유리 전이 온도 미만으로 물품을 냉각하는 단계.

상기 변수들을 이용함으로써, 종래의 용융 주조 및 유리 성형 기술과 관련된 모든 제조상의 어려움(높은 사출 압력/높은 온도/고 ΔT 재료로의 제한)을 회피하는 것이 가능하다. 또한, 상기 고 종횡비 부품 제조 공정을 추가로 최적화하기 위해 하기를 포함하는 일부 추가 변수들이 또한 확인될 수 있다:

- 100 MPa 미만의 성형 압력을 인가하는 단계; 및

- 유동체의 WeRe가 1 미만이 되도록 BMG의 점도가 충분히 높은(예를 들어, 1 및 10⁵ Pa-s 사이) 온도까지 BMG를 가열하는 단계;

- 기구의 과도한 마모를 방지하기 위해 성형 기구의 템퍼링 온도보다 충분히 아래인 온도(바람직하게는 템퍼링 온도의 적어도 50℃ 아래)까지 BMG를 가열하는 단계; 및

- 벌크 금속 유리의 임계 가열 속도를 초과하는 속도로 벌크 금속 유리를 가열하는 단계.

상기 변수들 각각은, 선택적이기는 하지만, 고정밀, 고 종횡비 비정질 물품을 제조하기 위한 최적 조건을 추가로 개선한다.

진보적인 고 종횡비 물품

본 발명은 또한, 예를 들어 상술한 공정으로부터 제조된, 전자제품 프레임, 케이싱, 힌지, 브라켓 등과 같은 벌크 고 종횡비 정형 BMG 물품에 관한 것이다. 상기 기준에 따라 형성된 본 발명의 물품은 이전에는 얻을 수 없었던, 하기를 포함하는 특성들의 조합을 갖는다:

- 상기 물품은 벌크이며, 이는 본 발명의 목적에 있어서, 모든 축의 임계 치수가 적어도 0.5 mm임을 의미한다.

- 상기 물품은 고 종횡비를 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 목적에 있어서, 두께에 대한 종방향 길이의 비가 100 근방 또는 초과임을 의미한다.

- 상기 물품은 비정질이며, 이는 본 발명의 목적에 있어서, 예를 들어 X-선 회절에 의해 측정하여, 적어도 50 부피%의 비정질상, 바람직하게는 적어도 80 부피%의 비정질상, 및 가장 바람직하게는 적어도 90 부피%의 비정질상을 가짐을 의미한다.

- 상기 물품은 정형이고 결함이 없으며, 이는 본 발명의 목적에 있어서, 크루서블(crucibles)에서 용융에 의해 유발되었으며 최소한의 후-가공이 요구되는, 유동 라인, 혼입 가스 봉입 및 이물질과 같은 결함이 근본적으로 없음을 의미한다.

- 상기 물품은 고품질의 외관 마감을 가지며, 이는 본 발명의 목적에 있어서, 제조 후에 육안으로 볼 수 있는 표면 결함이 없고 바람직하게는 미시적으로 거울같이 매끄러운 마감임을 의미한다.

- 상기 물품은 그의 ΔT 값과 무관하게 매우 다양한 벌크 금속 유리 형성 합금(예를 들어, Ti-계, Cu-계, Fe-계 등의 BMG 합금)으로부터 제조될 수 있다.

요약하면, 진보적인 방법에 의해, 기준이 되는(benchmark) 기계적 성능 및 외관 표면 마감을 갖는 고품질 및 완전성의, 복합 정형 정밀, 구조적 하드웨어가 가능하며, 신규한 물품은 기준이 되는 기계적 성능 및 외관 표면 마감을 갖는 고품질 및 완전성의, 복합 정형 정밀, 구조적 하드웨어이다. 또한, 낮은 온도, 압력 및 사출 속도에 의해, 동일한 낮은 가공 온도, 압력 및 사출 속도로 인해 주형 기구 수명도 극적으로 증가시키도록 하면서 상기 하드웨어를 제조하는 것이 가능하다. 이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 고 종횡비 부품은 낮은 가격, 고품질 및 완전성, 우수한 정밀도 및 공차, 및 고수율에 의해 특징지어질 것으로 기대된다.

실시예

본 발명에 서술된 요건을 만족하는 가공 기술은, 본 명세서에 참조로 포함된 미국특허출원 제2009/0236017호에 설명되어 있다. 이 기술은, 극히 과냉된 액체 상태의 온도(통상적인 관심 합금에 있어서 약 350℃와 750℃ 사이)에서 1000분의 1초(ms)의 시간 규모로 BMG를 가공하기 위해 캐패시터 방전에 의한 BMG 합금의 초고속 가열 및 형성을 이용한다. 기술의 개략도가 도 12에 제공된다.

기술은 BMG의 고유한 전기 저항에 의존하며, 이는, 도 13에 도시된 바와 같이, 관심있는 형성 온도 범위 전반에 걸쳐 거의 일정하게 유지된다. 결과적으로, 종래의 결정성 금속과 달리, 전류가 BMG를 가로질러 방전되는 경우 BMG가 균일하고 급속하게 가열된다. 이는 두꺼운 시료의 경우에도 원하는 가공 온도까지 BMG가 수 ms 동안 균일하게 가열될 수 있음을 의미한다. 따라서, Fe-계 BMG 합금과 같은 주변적인 유리 형성 합금에 인가하는 경우에도, 가열 및 성형 단계 중에 BMG-형성 액체의 결정화를 방지할 정도로 충분히 공정이 급속하다. 또한, 가공 방법은 매우 유연적이어서, 열가소성 부품(예를 들어, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 등)의 형성에 사용된 것과 매우 유사한 열적 및 유동학적 조건하에서 BMG 합금이 사출-성형되거나, 취입 성형되거나 압축 성형되는 것이 가능하다.

실시예 1: Pd -계 BMG 를 이용한 예시적 RDF 고 종횡비 물품 형성

RDHF 법에 의해 제조된 벌크 고 종횡비 BMG 구조적 구성요소의 예로서, 도 14a는 상술한 RDHF 사출-성형법을 이용하여 제조된 반-도넛형(semi-torroidal) 정형 구성요소를 도시한다. 도 14b는 부품을 제조하기 위해 사용된 주형-기구를 도시한다. 구성요소는 추후 마감이 필요하지 않은 상태로 주형-기구에서 분리된다. 부품의 정밀 정형, 고품질 표면 마감 및 세부가 명백하다.

부품은, 약 50 ms의 총 가공 시간(초기 막대형 BMG의 충전 시간에 정형 구성요소를 얻기 위한 성형 시간을 더한 것) 동안, 약 20 MPa의 가공 압력으로, 약 450℃의 가공 온도에서 RDHF 사출 성형함으로써, 높은 영율(~100 GPa), 높은 항복 강도(yield strength)(1.6 GPa), 높은 경도(500 Kg/mm², 비커 경도)를 갖는 Pd-계(Pd₄₃Ni₁₀Cu₂₇P₂₀) BMG로부터 제조되었다.

실시예 2: Zr -계 BMG 를 이용한 예시적 RDF 고 종횡비 물품 형성

RDHF 법에 의해 제조된 벌크 고 종횡비 BMG 구조적 구성요소의 다른 예로서, 도 1은 상술한 RDHF 사출-성형법을 이용하여 제조된 반-도넛형 정형 구성요소를 도시한다. 구성요소들은 약 50 ms의 총 가공 시간(초기 막대형 BMG의 충전 시간에 정형 구성요소를 얻기 위한 성형 시간을 더한 것) 동안, 약 20 MPa의 가공 압력으로, 약 550℃의 가공 온도에서 Zr-계(비트렐로이-105, Zr₅₂ _.5Cu₁₇ _.9Ni₁₄ _.6Ti₅Al₁₀) BMG로부터 제조된다. 표면상에 명백한 몇 개의 연한 산화점은 제외하고, 상기 부품을 야외에서 가공한 결과, 부품은 대체적으로 정밀 정형, 고품질 표면 마감 및 상세 특징부들을 보여준다.

비트렐로이 105 BMG의 용융 온도(T_m)는 약 820℃이고, ΔT는 약 50℃이다. 도 15에 도시된 부품이 종래의 다이-주조법에 의해 제조되었다면, 비정질 부품을 성공적으로 제조하기 위해서는 초기 용융 온도가 적어도 1100℃ 만큼 높아야 했었다. 통상적인 기구강 주형의 템퍼링 온도보다 훨씬 더 높은 상기 고온은 주형 기구를 급속히 열화시켜 기구 수명이 매우 제한되는 결과를 초래할 것이다. 반대로, 본 발명에서 비정질 부품은 통상적인 기구강 주형의 템퍼링 온도 미만인 550℃에서 제조되며, 이는 기구의 긴 수명을 촉진할 것이다. 또한, 도 15에 도시된 부품이 T<T_x에서 종래의 유리-성형 방법에 의해 제조되었다면, 성형 압력은 가능하게는 1 GPa에 근접하게 극히 높아야 했었다. 이는 비트렐로이 105 BMG가 매우 제한된 ΔT를 가지며, 따라서 T_x 미만 온도에서의 점도가 매우 높기(적어도 10⁷ Pa-s임) 때문이다. 상기와 같이 높은 압력은 주형 기구를 급속히 열화시켜 기구 수명이 매우 단축되는 것을 초래할 것으로 예상된다.

비록 특정한 부품예가 제공 및 상술되었지만, 예를 들어, 랩톱 컴퓨터, e-리더, 태블릿 PC, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 전자 계측기, 전자 의료기기, 디지털 시계 및 시간기록 장치, 메모리 스틱 및 플래시 드라이브, 텔레비젼, MP3 플레이어, 비디오 플레이어, 게임 콘솔, 체크-아웃 스캐너 등을 포함하는, BMG 재료로부터 형성된 임의의 고 종횡비 부품을 본 발명에 따라 제조할 수 있음이 이해되어야 한다.

균등론

본 발명의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 설명된 정확한 형태로 본 발명을 망라하거나 제한하는 것을 의도하지 않으며, 상술한 교시를 고려하여 다수의 변경 및 변형이 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그의 실제적인 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 서술되었다. 본 명세서에 의해 다른 당업자가 각종 실시예에서 특정한 용도에 적합한 각종 변형과 함께 본 발명을 가장 잘 사용하고 실시하는 것이 가능할 것이다. 본 발명의 범위는 하기 청구범위에 의해 정의된다.

Claims

비정질 금속 물품의 제조 방법으로서,
벌크 금속 유리(bulk metallic glass)로부터의 블랭크를 유리 상태로부터, 벌크 고화 비정질 합금의 결정화 온도(T_x)보다 높지만 용융 온도(T_m)보다 낮은 가공 온도까지 가열하는 단계;
고 종횡비(high aspect ratio)를 가지며 모든 축의 치수가 적어도 0.5 mm 인 비정질 금속 물품을 형성하도록 성형 기구 내의 상기 블랭크에 성형 압력을 인가하는 단계; 및
상기 물품이 비정질상(amorphous phase)을 유지하는 것을 보장하기에 충분한 냉각 속도로 상기 물품을 ?칭(quenching)하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 벌크 금속 유리는 상기 벌크 금속 유리의 점도가 1과 10⁵ Pa-s 사이인 가공 온도까지 가열되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 벌크 금속 유리는 유동 웨버수(flow Weber number)와 유동 레이놀즈수(flow Reynolds number)의 곱이 1 미만인 가공 온도까지 가열되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 가공 온도는 400℃와 750℃ 사이인 방법.
제1항에 있어서, 상기 가공 온도는 상기 벌크 고화 비정질 합금의 유리 전이 온도(T_g)보다 적어도 100℃ 높고, 용융 온도(T_m)보다 적어도 100℃ 낮은 방법.
제1항에 있어서, 상기 가열하는 단계는 상기 벌크 금속 유리의 임계 가열 속도를 초과하는 가열 속도로 수행되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 가열 속도는 적어도 100℃/s인 방법.
제1항에 있어서, 상기 성형 압력은 100 MPa 이하인 방법.
제1항에 있어서, 상기 성형 압력은 10 내지 50 MPa인 방법.
제1항에 있어서, 상기 벌크 금속 유리의 상기 성형 기구로의 유동 속도는 1 m/s 미만인 방법.
제1항에 있어서, 성형된 상기 물품은 공차(tolerance)가 0.1 mm인 적어도 하나의 기하학적 특징부를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 가열, 인가, ?칭 단계는 50 ms 미만에서 발생하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 물품은 모든 축의 치수가 적어도 1 mm인 방법.
제1항에 있어서, 상기 가공 온도는 상기 성형 기구의 템퍼링 온도보다 적어도 50℃ 낮은 방법.
제1항에 있어서, 상기 성형 기구는 적어도 10⁶회 성형 물품들의 사이클 수명을 갖는 방법.
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제1항에 있어서, 상기 벌크 금속 유리의 선택은 유리 전이 온도 T_g와 상기 T_x의 차이인 ΔT와는 무관한 방법.
제15항에 있어서, 상기 벌크 금속 유리는 Ti-계, Cu-계, Zr-계, Au-계, Pd-계, Pt-계, Ni-계, Co-계 및 Fe-계 합금과 같은 금속 유리 형성 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 물품은 셀룰러 폰, PDA, 휴대용 컴퓨터 및 디지털 카메라의 그룹으로부터 선택된 디바이스용 전자제품 케이스의 형태인 방법.
제1항에 있어서, 상기 물품은 실질적인 후-가공(post-processing)이 요구되지 않도록 정형(net-shape)으로 제조되는 방법.
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제1항에 있어서, 상기 가열하는 단계는 상기 블랭크를 통한 전류의 급속 방전을 통해 발생하는 방법.
제1항 내지 제15항, 제17항 내지 제20항, 제22항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 형성된 비정질 구조 금속 물품.
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