[发明专利]通过快速电容器放电进行的金属玻璃的注射成型

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于形成金属玻璃的新方法；并且更特别地涉及用于使用快速电容器放电加热来形成铁磁金属玻璃的工艺。

背景技术

非晶材料是新的一类工程材料，该工程材料具有高强度、弹性、耐蚀性以及熔融状态下的可加工性的独特组合。非晶材料不同于常规的晶态合金，因为它们的原子结构缺少常规的晶态合金的原子结构的典型长程有序图案。非晶材料一般地通过使熔融合金以“足够快”的冷却速度从结晶相的融化温度（或热力学熔化温度）以上冷却至非晶相的“玻璃化转变温度”以下，从而避免合金晶体的成核和生长。正因如此，非晶合金的加工方法总是涉及对“足够快的冷却速度”（也称为“临界冷却速度”）的量化，以确保非晶相的形成。

早期的非晶材料的“临界冷却速度”是极高的，量级为10⁶℃/秒。正因如此，常规的铸造工艺并不适用于如此高的冷却速度，并且人们开发出了诸如熔融纺丝和平面流铸之类的特殊铸造工艺。由于那些早期的合金的结晶动力学是相当快速的，因而对于熔融合金的排热需要极短的时间（量级为10^-3秒或更小），以绕过结晶，并且因而使得早期的非晶合金的尺寸在至少一个维度上也受到了限制。例如，使用这些常规的技术仅能成功地生产出很薄的箔片和薄带（厚度的量级为25微米）。因为这些非晶合金的临界冷却速度要求严重地限制了由非晶合金制成的部件的尺寸，所以早期的非晶合金作为块体物体和物品的使用受到了限制。

这些年来，人们已确定，“临界冷却速度”很大程度上取决于非晶合金的化学组成。因此，大量的研究都集中于开发具有低得多的临界冷却速度的新的合金组成。在美国专利No.5,288,344、5,368,659、5,618,359和5,735,975中给出了这些合金的实例，这些专利每个都以引用方式并入本文。这些非晶合金系（也称为块体金属玻璃或BMG）的特征在于临界冷却速度低至几℃/秒，这允许加工并形成比之前可获得的非晶相物体大得多的块体非晶相物体。

在可获得低“临界冷却速度”的BMG的情况下，应用常规的铸造工艺来形成具有非晶相的块体物品成为了可能。在过去数年中，包括LiquidMetal Technologies,Inc.在内的众多公司已经致力于开发用于生产由BMG制成的网形状金属部件的商用制造技术。例如，诸如永久型模（mold）金属压铸以及到受热型模内的注射铸造之类的制造方法当前正被用来制造商用的硬件和构件，例如，用于标准的消费电子器件（例如，手机和手持式无线器件）的电子套管、铰链、紧固件、医疗器械和其他高附加值的产品。但是，即使块体凝固的非晶合金提供了对凝固铸造的基本缺陷（尤其是对以上所讨论的压铸和永久型模铸造工艺）的某些修补，但是仍然存在需要解决的问题。首先，需要由范围更广泛的合金组成来制成这些块体物体。例如，目前可购得的具有能够制成大块体非晶物体的大的临界铸造尺寸的BMG仅限于基于可选范围很小的金属的几组合金组成，包括添加有Ti、Ni、Cu、Al和Be的基于Zr的合金以及添加有Ni、Cu和P的基于Pd的合金，这些合金从工程或成本的角度来说并不一定是最优的。

此外，当前的加工技术需要大量昂贵的机器，以确保创造出适当的加工条件。例如，大多数的成形工艺都需要高真空的或可控的惰性气体环境、材料在坩埚中的感应熔化、对压铸储筒的金属注入以及通过压铸储筒到相当精细的型模组件的浇口和模腔内的气动注射。这些改性的压铸机的价格能够是每台机器数十万美元的。而且，因为加热BMG到目前为止已经通过这些传统的、缓慢的热处理来完成，所以用于加工和形成块体凝固的非晶合金的现有技术总是集中于使熔融合金从热力学熔化温度以上冷却到玻璃化转变温度以下。该冷却要么使用单步骤的单调冷却操作来实现，要么使用多步骤工艺来实现。例如，金属型模（由铜、钢、钨、钼、它们的复合物或者其他高导电性材料制成）在环境温度下被用来促进并加速熔融合金的排热。因为“临界铸造尺寸”与临界冷却速度相关联，所以这些常规的工艺并不适合于形成范围更广泛的块体凝固的非晶合金的较大块体的物体和物品。另外，通常有必要将熔融合金在高压下以高速注入模具内，以确保足够多的合金材料在合金凝固之前被引入模具内，尤其是在制造复杂的且高精密的部件时。因为金属在高压力下以高速注入模具之内，例如，在高压的压铸操作中，所以熔融金属的流动变得易于出现Rayleigh-Taylor不稳定性。这种流动不稳定性的特征在于高韦伯数，并且这种流动不稳定性与促使形成突出的接缝和晶胞（cell）的流动前沿的分裂有关，该接缝和晶胞在铸造部件中呈现为表面和结构的微缺陷。此外，还存在着在未玻璃化的液体被截留于玻璃化金属的固体外壳内时沿着压铸型模的中心线形成缩孔或空隙的倾向。