WO2014198380A1 - Method for casting an object made of metallic glass - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for casting an article of solid metallic glass (amorphous metal).
- the present invention relates to a method for casting an article from metallic glass, with the complex and filigree items made of metallic glasses can be made comparatively inexpensive, easy and fast.
- metal alloys after solidification from a liquid phase, exist as a crystalline phase with a regular atomic arrangement. However, some alloys can retain their irregular atomic arrangement, as in the liquid phase, in the solid phase, if the rate of cooling used to solidify is high enough to substantially or even completely increase nucleation and growth of the crystalline phase suppress. Such alloys are generally referred to as amorphous alloys or metallic glasses.
- amorphous phases Since the first report of amorphous phases in an Au-Si system in 1960, many types of amorphous alloys have been found and put to practical use. However, most of these amorphous alloys require very high cooling rates to prevent the formation of a crystalline phase in the course of cooling from the liquid phase, since the nucleation and growth of the crystalline phase in the supercooled liquid phase proceeds rapidly. Accordingly, most of the amorphous alloys could only be in the form of a thin ribbon having a thickness of about 80 ⁇ or less, a fine wire having a diameter of about 150 ⁇ or less or a fine powder having particles having a diameter of a few 100 ⁇ or be made less.
- metal alloys there have been found, for example, Zr and Ti-containing alloys as disclosed in US Pat. Nos. 5,288,344 and 5,735,975. Due to the comparatively low cooling rates which are required in these alloys for forming a metallic glass, ie, generally less than 10 3 K / s, by conventional casting techniques and comparatively massive objects can be obtained from metallic glasses, the thicknesses or wall thicknesses of eg have more than 500 ⁇ .
- Such conventional casting techniques are, for example, casting in solid metal molds (permanent metal molds, molds) or investment casting (casting out method).
- the presence of the comparatively large metal mass of the metal mold usually already ensures a sufficient cooling rate in order to solidify the metal alloy in the amorphous state.
- the ratio between the copper mass and the mass of the melt is so great that the temperature of the copper mold only increases by a few ° C. as a result of the casting process.
- the disadvantage of casting into solid metal molds is that their production, which is usually done by a machining on modern multi-axis high-performance milling machines, is relatively complex and therefore expensive and thus worthwhile only for large numbers.
- a core having a low melting point (usually below 90 ° C) is coated with a molding material, the core is melted after solidification of the molding material, a metal alloy is then poured into the obtained hollow molding material, and after solidification of the Metal alloy, the mold material is removed.
- the required cores can, for example, in a very simple manner by means of rapid prototyping (SD printer with, for example, wax or low-melting plastics than Printing material) are created so that even complicated shapes can be produced quickly and inexpensively with a relatively low cost of equipment and desired changes in the structure of the core can also be quickly realized.
- the object of the present invention is therefore to provide a method which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art and which allows cost-effective, simple and rapid casting of a comparatively solid object made of metallic glass.
- Iron, nickel, iron-nickel alloy or nickel-cobalt alloy, on the electrically conductive coating Iron, nickel, iron-nickel alloy or nickel-cobalt alloy, on the electrically conductive coating
- Fig. 1 shows a schematic representation of steps of the method according to the invention.
- FIG. 2 shows a copper mold produced according to the method according to the invention in accordance with Example 1 (CT image of the filled copper mold before removal of the copper).
- Fig. 3 shows a polished solid ring of metallic glass, which has been prepared according to Example 1.
- Fig. 4 shows a ring of metallic glass with a complex lattice shape, which has been prepared according to Example 2.
- the model of the object can basically consist of any materials which have a comparatively low melting point of for example 40 ° C to 90 ° C, preferably 40 ° C to 70 ° C, in particular 40 ° C to 60 ° C.
- examples of such materials are waxes and low-melting plastics, which have melting points of eg 40 ° C to 70 ° C, so that they can be melted out of the mold at low temperatures.
- waxes from the dental / jewelery sector such as, for example, Injection Wax - Accuflakes, Turq L Blue
- the model is made of wax.
- model of the article may be made by any method known to those skilled in the art, e.g. by manually processing a corresponding blank, by wax spraying in rubber or silicone molds, or preferably by rapid prototyping with a corresponding 3D printer, in which the model is built up on the basis of CAD data in layers.
- the model of the article is rendered electrically conductive by applying an electrically conductive coating to the model for the subsequent electrodeposition step of a copper layer.
- the electrically conductive coating is formed by applying an electrically conductive lacquer (conductive ink) or an electrically conductive layer.
- conductive ink any known conductive ink can be used, such as a conductive ink based on silver, copper or graphite particles.
- a conductive ink based on graphite powder is particularly preferred.
- the galvanic application of a metal layer to the electrically conductive coating takes place in a conventional manner by so-called electroforming. Basically, metals with high thermal conductivity and high melting temperature can be used here, since melting on the mold must be avoided. In the context of the present invention, it has proven to use copper, iron, nickel, iron-nickel alloys or nickel-cobalt alloys.
- the process of electroforming is the electrolytic deposition of metal from an aqueous solution of a salt of the metal.
- the process is carried out in an electrolytic tank containing the metal salt solution, an anode and a cathode on which the metal is to be deposited.
- the model of the article provided with the electrically conductive coating is connected as a cathode.
- the copper layer to be deposited in the present process can be deposited at deposition rates of 25 ⁇ m / hour to 1000 ⁇ m / hour, preferably from 50 ⁇ m / hour to 500 ⁇ m / hour.
- the thickness of the deposited copper layer is not particularly limited and depends substantially on the amount of heat to be dissipated during the casting process, ie, the melting temperature, the alloy used, and the thickness of the article to be produced.
- the minimum required thickness of the deposited copper layer can be calculated by the following formula: In order to estimate the minimum required thickness of the copper mold, which is just sufficient to ensure amorphous solidification, the minimum mass of the metal mold, in particular copper mold, estimated become. Assuming a lossless process during casting (adiabatic conditions), the change in the heat energy of the melt is equal to the heat change of, for example, copper form:
- a cooling curve can be calculated as a function of time.
- the thermal conductivity and the heat transfer coefficient are often not for massive metallic glasses However, after some time it can be assumed that a Gieich.stemperatur Tend is reached.
- the specific thermal conductivity c P is strictly a temperature-dependent variable, but for a rough estimate it is permissible to use the value for the solid metallic glass for the melting temperature c P BG, cast and for the copper mold the value at room temperature C P CU, RT
- mcu and mmeit are respectively the mass of copper mold and inserted MMG (solid metallic glass), c p is the specific heat capacity, Tcast is the casting temperature, Tend is the mold weight temperature of mold and MMG after casting and RT is room temperature.
- the copper layer has a thickness of 500 ⁇ to 4000 ⁇ , preferably from 1000 ⁇ to 4000 ⁇ and in particular from 2000 ⁇ to 4000 ⁇ .
- a metal alloy for the present process in principle, any known to the expert metal alloy can be used, which can form a metallic glass after cooling of the melt, in particular in a layer thickness of for example at least 500 ⁇ , preferably at least 1000 ⁇ , more preferably at least 2000 ⁇ and in particular at least 3000 ⁇ .
- the metal alloy is an Au alloy.
- an alloy of Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Sii6.3 can be mentioned here.
- a Pt alloy, Pd alloy or Zr alloy is used.
- Such alloys are known to those skilled in the art of solid metallic glasses.
- an alloy of Zr59.3Cu28.8A o, 4Nbi, 5 (At%) (colloquially AMZ4) may be mentioned here.
- Another metal alloy which can be used in the present invention is an alloy of (Zr, Ti) a (Ni, Cu, Fe) t (Be, Al, Si, B) c where a is in the range of 30 to 75 atom -% is, b is in the range of 5 to 60 atomic% and c is in the range of 0 to 50 atomic% (see WO 03/064076 A1).
- an alloy composed of Fe: 74 to 78 at%, Mo: 2 to 6 at% and B: 20 at%, or Fe: 40 at%, Ni: 34 may also be used in the present invention to 38 atomic%, Mo: 2 to 6 atomic% and B: 20 atomic%, or Fe: 67 to 76 atomic%, Ni: 0 to 9 atomic%, Mo: 4 atomic%, C : 18 atomic% and B: 2 atomic%.
- the melting process for providing the molten metal alloy is not particularly limited in principle, that is, both a single-stage and a two-stage melting process may be employed.
- the metal components of the alloy are mixed in the required ratio and then melted, after which the melt is cast.
- the two-stage melting process the Metal components of the alloy mixed in the required ratio and then melted, whereupon the melt is brought in a conventional manner in a semi-finished, for example in granule form. The semifinished product is then melted again and the resulting melt is poured.
- the melting temperature of the finished near-eutectic alloy in the semifinished product eg Granalienform
- the melting temperature of the individual components is significantly lower than the melting temperature of the individual components, so that in comparison to the single-stage melting process, a significantly lower melting temperature during casting is possible facilitates the required rapid cooling of the melt.
- the molten metal alloy is provided by melting a metal alloy in granule form.
- the process of casting in the process according to the invention is in principle not restricted to a specific process and all casting processes known to those skilled in the art can be used.
- the casting is carried out in the process according to the invention as centrifugal casting, gravity casting or tilt casting.
- the abovementioned casting methods and the associated advantages and disadvantages are known to the person skilled in the art and are therefore not explained in more detail here.
- the copper mold After the casting has been carried out and the melt has solidified to a solid metallic glass, the copper mold must be removed.
- the process of removing the eg copper mold is in principle not limited to a particular method.
- the copper mold can be removed mechanically if its shape is simple (for example, it has the shape of a simple ring) and if its layer thickness is small.
- the copper mold may also be removed by chemical dissolution, usually with nitric acid, which is preferred according to the invention, in particular to solve the mold of cast articles having a more complex shape, such as a lattice form (see Figure 4).
- Fig. 1 shows a schematic representation of steps of the method according to the invention, which has been explained above. Fig.
- FIG. 1a shows a wax model 1 in ring form, which is used to produce a jewelry ring.
- 1 b) shows the wax model 1 coated with the conductive ink 2 on which a copper layer 3 has been applied by electroforming (in FIG. 1 c).
- FIG. 1d) shows a copper mold which has been obtained by melting out the wax from the wax model coated with the copper layer 3.
- a copper mold as shown schematically in Fig. 1d), may e.g. having the shape shown in FIG.
- Thermocouples are then additionally attached to the copper mold in order to be able to measure the outside temperature of the mold or the temperature profile during cooling.
- the method according to the invention is characterized in an advantageous manner by a simplified demolding, whereas the detachment from divisible molds is difficult in amorphous castings. Due to the lack of shrinkage during solidification, the castings sit particularly firmly in the mold (casting close to the final shape). In addition, casting geometries are possible with the method according to the invention, which are otherwise difficult or impossible to produce with divisible shapes.
- the present invention will be illustrated below by way of examples, which are not intended to be limiting. Examples Example 1
- a wax model of a simple jewelry ring was made, the wax mold was created by means of silicone negative.
- the wax model was coated with a graphite powder (Printex XE2, from Degussa, Essen).
- the graphite powder was applied as a conductive layer with a brush on the wax model.
- the coated with the graphite powder model was placed in an electrolytic tank and electrolytically coated with a 2000 ⁇ to 4000 ⁇ thick copper layer (see Figure 2).
- a beaker was used as the electrolyte vessel, the electrolyte volume was 1.8 liters, the temperature was controlled by means of a contact thermometer and kept constant on the heating plate of a magnetic stirrer. The electrolyte circulation also took place with the aid of the magnetic stirrer.
- Oxygen-free phosphorus-deoxidized anodes (copper anodes, Cu min 99.9%, P 0.04-0.06%, Galva-Metall GmbH, Rödermark) were used as the anodes.
- a commercial electrolyte such as the electrolyte "Thru-cup EVF-R" (Umicore Galvanotechnik, Schissebisch Gmünd) was used and deposited at 2 A / dm 2 (0.42 pm / min).
- the copper layer was removed in a solution of sulfuric acid and sodium peroxodisulfate (etching solution "Doduprint 300" (Ami Doduco, Pforzheim) 150 g / l) and the solution was dissolved at 40.degree.
- the obtained from the copper mold preserved solid ring of solid metallic glass was finally polished.
- the ring shown in FIG. 3 was obtained.
- Example 2 was carried out substantially like Example 1, except that a wax ring with a complex shape (lattice shape) was used. The wax was melted out at a temperature of about 150-200 ° C. The resulting ring was not polished. The ring of metallic glass having a complex lattice shape obtained according to Example 2 is shown in FIG. Example 2 thus shows that objects made of metallic glass with a complex shape can be produced quickly and easily with the method according to the invention.
- the metallic glasses produced by the process of the present invention are optically indistinguishable from ordinary metals, but generally harder (lower elongation at break), more corrosion resistant, and stronger (less scratch sensitive) than these. They can therefore be used wherever these property combinations are of particular importance.
- the metallic glasses produced by the method according to the invention are therefore typically, but not exclusively, used in the jewelry industry for the production of jewelery made of precious metal alloys, in medical technology for the production of implants and medical tools, in mechanical engineering or in the electrical engineering industry for the production of high-quality components and surfaces as well as in the luxury goods industry for the production of high quality designer items as well as for the production of sporting goods, such as parts of golf clubs used.
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Abstract
The present invention relates to a method for casting an object from solid metallic glass, comprising the following steps: providing a model (1) of the object; applying an electrically conductive coating (2) to the model; galvanically applying a metal layer (3) selected from copper, iron, nickel, iron-nickel alloy, or nickel-cobalt alloy to the electrically conductive coating (2); melting out the model (1), wherein a metal mould is obtained; providing a melted metal alloy, which can form a metallic glass after cooling; pouring the melted metal alloy into the metal mould; letting the poured metal alloy solidify into a solid metallic glass; and removing the metal mould.
Description
Verfahren zum Gießen eines Gegenstands aus metallischem Glas Method for casting an article from metallic glass
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Gegenstands aus massivem metallischen Glas (amorphem Metall). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Gießen eines Gegenstands aus metallischem Glas, mit dem auch komplexe und filigrane Einzelteile aus metallischen Gläsern vergleichsweise kostengünstig, einfach und schnell hergestellt werden können. The present invention relates to a method for casting an article of solid metallic glass (amorphous metal). In particular, the present invention relates to a method for casting an article from metallic glass, with the complex and filigree items made of metallic glasses can be made comparatively inexpensive, easy and fast.
Der größte Teil der Metalllegierungen liegt nach dem Erstarren aus einer flüssigen Phase als kristalline Phase mit einer regelmäßigen Atomanordnung vor. Manche Legierungen können jedoch ihre unregelmäßige Atomanordnung, wie sie in der flüssigen Phase vorliegt, in der festen Phase bewahren, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit, die zum Erstarren angewandt wird, hoch genug ist, um eine Keimbildung und ein Wachstum der kristallinen Phase weitgehend oder sogar vollständig zu unterdrücken. Derartige Legierungen werden im Allgemeinen als amorphe Legierungen oder metallische Gläser bezeichnet. Most of the metal alloys, after solidification from a liquid phase, exist as a crystalline phase with a regular atomic arrangement. However, some alloys can retain their irregular atomic arrangement, as in the liquid phase, in the solid phase, if the rate of cooling used to solidify is high enough to substantially or even completely increase nucleation and growth of the crystalline phase suppress. Such alloys are generally referred to as amorphous alloys or metallic glasses.
Seit dem ersten Bericht über amorphe Phasen in einem Au-Si-System im Jahr 1960 wurden viele Arten von amorphen Legierungen gefunden und in der Praxis eingesetzt. Die meisten dieser amorphen Legierungen erfordern jedoch sehr hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten, um die Bildung einer kristallinen Phase im Verlauf des Abkühlens ausgehend von der flüssigen Phase zu verhindern, da die Keimbildung und das Wachstum der kristallinen Phase in der unterkühlten flüssigen Phase rasch voranschreiten. Demgemäß konnten die meisten amorphen Legierungen lediglich in der Form eines dünnen Bands mit einer Dicke von etwa 80 μηη oder weniger, eines feinen Drahts mit einem Durchmesser von etwa 150 μιη oder weniger oder eines feinen Pulvers mit Teilchen mit einem Durchmesser von wenigen 100 μ η oder weniger hergestellt werden. Zu deren Herstellung waren ferner sehr hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten im Bereich von 04 bis 106 K/s erforderlich, die nur mittels spezieller Abschreckungstechniken erreichbar waren. Aufgrund der geringen Abmessungen der Teile, die mit diesen amorphen Legierungen hergestellt werden konnten, war deren praktische Verwendung nur in wenigen Fällen möglich.
Aus diesem Grund wurde nach Metalllegierungen gesucht, die niedrigere Abkühlungsgeschwindigkeiten erfordern, um sie ausgehend von der Schmelze in den festen amorphen Zustand zu bringen. Since the first report of amorphous phases in an Au-Si system in 1960, many types of amorphous alloys have been found and put to practical use. However, most of these amorphous alloys require very high cooling rates to prevent the formation of a crystalline phase in the course of cooling from the liquid phase, since the nucleation and growth of the crystalline phase in the supercooled liquid phase proceeds rapidly. Accordingly, most of the amorphous alloys could only be in the form of a thin ribbon having a thickness of about 80 μηη or less, a fine wire having a diameter of about 150 μιη or less or a fine powder having particles having a diameter of a few 100 μη or be made less. For their preparation also very high cooling rates in the range of 0 4 to 10 6 K / s were required, which could be achieved only by means of special deterrent techniques. Due to the small dimensions of the parts that could be made with these amorphous alloys, their practical use was only possible in a few cases. For this reason, metal alloys have been sought which require lower cooling rates to bring them from the melt to the solid amorphous state.
Als derartige Metalllegierungen wurden beispielsweise Zr- und Ti-enthaltende Legierungen gefunden, wie sie in US 5,288,344 und 5,735,975 offenbart sind. Durch die vergleichsweise niedrigen Abkühlungsgeschwindigkeiten, die bei diesen Legierungen zum Bilden eines metallischen Glases erforderlich sind, d.h. im Allgemeinen kleiner als 103 K/s, können durch herkömmliche Gießtechniken auch vergleichsweise massive Gegenstände aus metallischen Gläsern erhalten werden, die Dicken bzw. Wandstärken von z.B. mehr als 500 μιη aufweisen. As such metal alloys, there have been found, for example, Zr and Ti-containing alloys as disclosed in US Pat. Nos. 5,288,344 and 5,735,975. Due to the comparatively low cooling rates which are required in these alloys for forming a metallic glass, ie, generally less than 10 3 K / s, by conventional casting techniques and comparatively massive objects can be obtained from metallic glasses, the thicknesses or wall thicknesses of eg have more than 500 μιη.
Solche herkömmlichen Gießtechniken sind beispielsweise ein Gießen in massive Metallformen (metallische Dauerformen, Kokillen) oder ein Feingießen (Ausschmelzverfahren). Such conventional casting techniques are, for example, casting in solid metal molds (permanent metal molds, molds) or investment casting (casting out method).
Beim Gießen in massive Metallformen sorgt in der Regel bereits das Vorliegen der vergleichsweise großen Metallmasse der Metallform für eine ausreichende Abkühlungsgeschwindigkeit, um die Metalllegierung im amorphen Zustand erstarren zu lassen. Das Verhältnis zwischen Kupfermasse und Masse der Schmelze ist so groß, dass sich die Temperatur der Kupferform durch den Gießvorgang nur um wenige °C erhöht. Der Nachteil des Gießens in massive Metallformen besteht jedoch darin, dass deren Herstellung, die üblicherweise durch eine Zerspanungsbearbeitung auf modernen Mehrachsen-Hochleistungsfräsmaschinen erfolgt, vergleichsweise aufwändig und damit teuer ist und sich somit nur für große Stückzahlen lohnt. When casting into solid metal molds, the presence of the comparatively large metal mass of the metal mold usually already ensures a sufficient cooling rate in order to solidify the metal alloy in the amorphous state. The ratio between the copper mass and the mass of the melt is so great that the temperature of the copper mold only increases by a few ° C. as a result of the casting process. The disadvantage of casting into solid metal molds, however, is that their production, which is usually done by a machining on modern multi-axis high-performance milling machines, is relatively complex and therefore expensive and thus worthwhile only for large numbers.
Beim Feingießen wird ein Kern, der einen niedrigen Schmelzpunkt (gewöhnlich unter 90°C) aufweist, mit einem Formmaterial überzogen, der Kern wird nach dem Verfestigen des Formmaterials ausgeschmolzen, eine Metalllegierung wird anschließend in das erhaltene hohle Formmaterial gegossen, und nach dem Erstarren der Metalllegierung wird das Formmaterial entfernt. Die erforderlichen Kerne können beispielsweise in sehr einfacher Weise mittels Rapid Prototyping (SD- Drucker mit beispielsweise Wachs oder niedrigschmelzenden Kunststoffen als
Druckmaterial) erstellt werden, so dass auch komplizierte Formen mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand rasch und kostengünstig hergestellt werden können und gewünschte Änderungen in der Struktur des Kerns ebenfalls schnell realisiert werden können. Das Feingießen von amorphen Legierungen erfordert jedoch ein zusätzliches Kühlen (Abschrecken) des Formmaterials beim Gießen, um die erforderlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten zu erreichert, da die Kühlwirkung des Formmaterials dafür nicht ausreichend ist. Beispielsweise wird in US 2006/0086476 A1 vorgeschlagen, die Gussform nach dem Gießen mit einem Abschreckmedium, wie z.B. einem Fließbett oder einem Flüssigkeitsbad, in Kontakt zu bringen. Dies stellt jedoch einen zusätzlichen Aufwand dar, der die Wirtschaftlichkeit des Feingusses beeinträchtigt. In investment casting, a core having a low melting point (usually below 90 ° C) is coated with a molding material, the core is melted after solidification of the molding material, a metal alloy is then poured into the obtained hollow molding material, and after solidification of the Metal alloy, the mold material is removed. The required cores can, for example, in a very simple manner by means of rapid prototyping (SD printer with, for example, wax or low-melting plastics than Printing material) are created so that even complicated shapes can be produced quickly and inexpensively with a relatively low cost of equipment and desired changes in the structure of the core can also be quickly realized. The investment casting of amorphous alloys, however, requires additional cooling (quenching) of the molding material during casting in order to achieve the required cooling rates, since the cooling effect of the molding material is insufficient for this. For example, it is proposed in US 2006/0086476 A1 to bring the casting mold into contact with a quenching medium, such as a fluidized bed or a liquid bath after casting. However, this represents an additional expense that affects the profitability of the investment casting.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens, welches die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet und das kostengünstig, einfach und schnell das Gießen eines vergleichsweise massiven Gegenstands aus metallischem Glas erlaubt. The object of the present invention is therefore to provide a method which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art and which allows cost-effective, simple and rapid casting of a comparatively solid object made of metallic glass.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst. This object is achieved by the embodiments of the present invention characterized in the claims.
Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, dass durch eine Kombination aus Galvanoformen mit Kupfer und Feinguss insbesondere eine so hohe Abkühlungsgeschwindigkeit der gegossenen Metalllegierung erhalten werden kann, dass ein zusätzliches Abschrecken nicht erforderlich ist und somit das kostengünstige, einfache und schnelle Gießen eines vergleichsweise massiven Gegenstands aus metallischem Glas möglich wird. Surprisingly, it was found that a combination of electroforming with copper and investment casting in particular such a high cooling rate of the cast metal alloy can be obtained that an additional quenching is not required and thus the cost-effective, simple and fast casting of a comparatively massive object made of metallic glass becomes possible.
Wie vorstehend bereits ausgeführt, unterscheidet man generell herkömmliche metallische Gläser, die nur als dünne Schichten oder Bänder hergestellt werden können, und massive metallische Gläser (terminus technicus; engl.: bulk metallic glasses) mit Materialdicken von mehr als einem Millimeter. Letztere bilden eine der modernsten Materialklassen und sind Gegenstand intensiver Forschung in der Materialwissenschaft und Festkörperphysik.
Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Gießen eines Gegenstands aus massivem metallischen Glas bereitgestellt, das die Schritte aufweist: As already stated above, a distinction is generally made between conventional metallic glasses, which can only be produced as thin layers or strips, and solid metallic glasses (terminus technicus, English: bulk metallic glasses) with material thicknesses of more than one millimeter. The latter form one of the most modern classes of materials and are the subject of intensive research in materials science and solid state physics. In particular, according to the invention there is provided a method of casting a solid metallic glass article comprising the steps of:
Bereitstellen eines Modells des Gegenstands, Providing a model of the object,
Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung auf das Modell, Applying an electrically conductive coating to the model,
galvanisches Aufbringen einer Metallschicht (3), ausgewählt aus Kupfer, electroplating a metal layer (3) selected from copper,
Eisen, Nickel, Eisen-Nickel-Legierung oder Nickel-Kobalt-Legierung, auf die elektrisch leitende Beschichtung, Iron, nickel, iron-nickel alloy or nickel-cobalt alloy, on the electrically conductive coating,
Ausschmelzen des Modells, wobei eine Metallform erhalten wird, Smelting the model to obtain a metal mold
Bereitstellen einer geschmolzenen Metalllegierung, die nach dem Abkühlen ein metallisches Glas bilden kann, Providing a molten metal alloy capable of forming a metallic glass after cooling,
Gießen der geschmolzenen Metalllegierung in die Metallform, Pouring the molten metal alloy into the metal mold,
Erstarren lassen der gegossenen Metalllegierung zu einem metallischen Glas und Freezing the cast metal alloy to a metallic glass and solidifying
Entfernen der Metallform. Remove the metal mold.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das galvanische Aufbringen einer Kupferschicht, so dass nach Ausschmelzen des Modells eine Kupferform erhalten wird. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. In a preferred embodiment of the present invention, the galvanic application of a copper layer takes place, so that after melting the model, a copper mold is obtained. Fig. 1 shows a schematic representation of steps of the method according to the invention.
Fig. 2 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kupferform gemäß Beispiel 1 (CT-Aufnahme der gefüllten Kupferform vor dem Entfernen des Kupfers). FIG. 2 shows a copper mold produced according to the method according to the invention in accordance with Example 1 (CT image of the filled copper mold before removal of the copper).
Fig. 3 zeigt einen polierten massiven Ring aus metallischem Glas, der gemäß Beispiel 1 hergestellt worden ist. Fig. 4 zeigt einen Ring aus metallischem Glas mit einer komplexen Gitterform, der gemäß Beispiel 2 hergestellt worden ist. Fig. 3 shows a polished solid ring of metallic glass, which has been prepared according to Example 1. Fig. 4 shows a ring of metallic glass with a complex lattice shape, which has been prepared according to Example 2.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Modell des Gegenstands grundsätzlich aus beliebigen Materialien bestehen, die einen vergleichsweise
niedrigen Schmelzpunkt von beispielsweise 40°C bis 90°C, vorzugsweise 40°C bis 70°C, insbesondere 40°C bis 60°C, aufweisen. Beispiele für solche Materialien sind Wachse und niedrigschmelzende Kunststoffe, die Schmelzpunkte von z.B. 40°C bis 70°C aufweisen, so dass sie bei niedrigen Temperaturen aus der Form ausgeschmolzen werden können. Beispielhaft können insbesondere handelsübliche Wachse aus dem Dental/Schmuckbereich, wie z.B. Injection Wax - Accuflakes, Turq L Blue, eingesetzt werden. Prinzipiell können hier aber auch tiefschmelzende Metalle eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Modell aus Wachs. In the method according to the invention, the model of the object can basically consist of any materials which have a comparatively low melting point of for example 40 ° C to 90 ° C, preferably 40 ° C to 70 ° C, in particular 40 ° C to 60 ° C. Examples of such materials are waxes and low-melting plastics, which have melting points of eg 40 ° C to 70 ° C, so that they can be melted out of the mold at low temperatures. By way of example, in particular commercial waxes from the dental / jewelery sector, such as, for example, Injection Wax - Accuflakes, Turq L Blue, can be used. In principle, however, deep-melting metals can also be used here. According to a preferred embodiment of the present invention, the model is made of wax.
Ferner kann das Modell des Gegenstands mit beliebigen, dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden, z.B. durch manuelles Bearbeiten eines entsprechenden Rohlings, durch Wachsspritzen in Gummi- bzw. Silikonformen oder vorzugsweise durch Rapid Prototyping mit einem entsprechenden 3D-Drucker, bei dem das Modell auf der Basis von CAD-Daten schichtweise aufgebaut wird. Further, the model of the article may be made by any method known to those skilled in the art, e.g. by manually processing a corresponding blank, by wax spraying in rubber or silicone molds, or preferably by rapid prototyping with a corresponding 3D printer, in which the model is built up on the basis of CAD data in layers.
Das Modell des Gegenstands wird durch Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung auf das Modell für den anschließenden Schritt des galvanischen Aufbringens einer Kupferschicht elektrisch leitend gemacht. The model of the article is rendered electrically conductive by applying an electrically conductive coating to the model for the subsequent electrodeposition step of a copper layer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die elektrisch leitende Beschichtung durch Aufbringen eines elektrisch leitenden Lacks (Leitlack) bzw. einer elektrisch leitfähigen Schicht gebildet. Als Leitlack kann jedweder bekannte Leitlack verwendet werden, wie z.B. ein Leitlack auf der Basis von Silber-, Kupfer- oder Graphitteilchen. Ein Leitlack auf der Basis von Graphitpulver ist besonders bevorzugt. Das galvanische Aufbringen einer Metallschicht auf die elektrisch leitende Beschichtung erfolgt in an sich bekannter Weise durch so genanntes Galvanoformen. Grundsätzlich können hier Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Schmelztemperatur eingesetzt werden, da Anschmelzungen an der Form vermieden werden müssen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich
bewährt, Kupfer, Eisen, Nickel, Eisen-Nickel-Legierungen oder Nickel-Kobalt- Legierungen einzusetzen. Besonders bevorzugt ist aber das galvanische Aufbringen einer Kupferschicht. Bei dem Verfahren des Galvanoformens handelt sich um das elektrolytische Abscheiden von Metall aus einer wässrigen Lösung eines Salzes des Metalls. Das Verfahren wird in einem Elektrolysebehälter durchgeführt, der die Metallsalzlösung, eine Anode und eine Kathode, auf der das Metall abgeschieden werden soll, enthält. Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird das mit der elektrisch leitenden Beschichtung versehene Modell des Gegenstands als Kathode geschaltet. Die in dem vorliegenden Verfahren abzuscheidende Kupferschicht kann mit Abscheidungsraten von 25 μηι/Stunde bis 1000 μηι/Stunde, vorzugsweise von 50 μιτι/Stunde bis 500 μΓη/Stunde abgeschieden werden. Die Dicke der abgeschiedenen Kupferschicht ist nicht speziell beschränkt und hängt im Wesentlichen von der beim Gießvorgang abzuführenden Wärmemenge, d.h. von der Schmelztemperatur, der verwendeten Legierung und der Dicke des herzustellenden Gegenstands, ab. Die mindestens erforderliche Dicke der abgeschiedenen Kupferschicht kann dabei mit der folgenden Formel überschlagsmäßig berechnet werden: Um die mindestens benötigte Dicke der Kupferform abschätzen zu können, die gerade noch ausreicht, um eine amorphe Erstarrung zu gewährleisten, kann die Mindestmasse der Metallform, insbesondere Kupferform, abgeschätzt werden. Unter der Annahme eines verlustfreien Prozesses während des Gießens (adiabatische Bedingungen) ist die Änderung der Wärmeenergie der Schmelze gleich der Wärmeänderung der z.B. Kupferform: According to a preferred embodiment of the present invention, the electrically conductive coating is formed by applying an electrically conductive lacquer (conductive ink) or an electrically conductive layer. As Leitlack any known conductive ink can be used, such as a conductive ink based on silver, copper or graphite particles. A conductive ink based on graphite powder is particularly preferred. The galvanic application of a metal layer to the electrically conductive coating takes place in a conventional manner by so-called electroforming. Basically, metals with high thermal conductivity and high melting temperature can be used here, since melting on the mold must be avoided. In the context of the present invention, it has proven to use copper, iron, nickel, iron-nickel alloys or nickel-cobalt alloys. However, particularly preferred is the galvanic application of a copper layer. The process of electroforming is the electrolytic deposition of metal from an aqueous solution of a salt of the metal. The process is carried out in an electrolytic tank containing the metal salt solution, an anode and a cathode on which the metal is to be deposited. According to the present method, the model of the article provided with the electrically conductive coating is connected as a cathode. The copper layer to be deposited in the present process can be deposited at deposition rates of 25 μm / hour to 1000 μm / hour, preferably from 50 μm / hour to 500 μm / hour. The thickness of the deposited copper layer is not particularly limited and depends substantially on the amount of heat to be dissipated during the casting process, ie, the melting temperature, the alloy used, and the thickness of the article to be produced. The minimum required thickness of the deposited copper layer can be calculated by the following formula: In order to estimate the minimum required thickness of the copper mold, which is just sufficient to ensure amorphous solidification, the minimum mass of the metal mold, in particular copper mold, estimated become. Assuming a lossless process during casting (adiabatic conditions), the change in the heat energy of the melt is equal to the heat change of, for example, copper form:
Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Kupferform und des massiven metallischen Glases, der temperaturabhängigen spezifischen Wärmekapazität von Kupferform und massivem metallischen Glas und dem Wärmeübergangskoeffizienten kann eine Abkühlkurve in Abhängigkeit von der Zeit errechnet werden. Die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeübergangskoeffizient sind für massive metallische Gläser oft nicht
bekannt, allerdings kann man nach einiger Zeit davon ausgehen, dass eine Gieichgewichtstemperatur Tend erreicht ist. Depending on the thermal conductivity of the copper mold and the massive metallic glass, the temperature-dependent specific heat capacity of copper mold and solid metallic glass and the heat transfer coefficient, a cooling curve can be calculated as a function of time. The thermal conductivity and the heat transfer coefficient are often not for massive metallic glasses However, after some time it can be assumed that a Gieichgewichtstemperatur Tend is reached.
Die obige Gleichung ist dann wie folgt: The above equation is then as follows:
Die spezifische Wärmeleitfähigkeit cP ist genau genommen eine temperaturabhängige Größe, aber für eine grobe Abschätzung ist es zulässig, für das massive metallische Glas den Wert für die Schmelztemperatur cPB G,cast heranzuziehen und für die Kupferform den Wert bei Raumtemperatur CPCU,RT The specific thermal conductivity c P is strictly a temperature-dependent variable, but for a rough estimate it is permissible to use the value for the solid metallic glass for the melting temperature c P BG, cast and for the copper mold the value at room temperature C P CU, RT
Die Schätzformel ergibt sich dann zu
wobei mcu und mmeit jeweils die Masse von Kupferform und eingesetztem MMG (massivem metallischen Glas) sind, cP die jeweilige spezifische Wärmekapazität, Tcast die Gießtemperatur, Tend die Gieichgewichtstemperatur von Form und MMG nach dem Gießen und RT die Raumtemperatur sind. The estimation formula then becomes where mcu and mmeit are respectively the mass of copper mold and inserted MMG (solid metallic glass), c p is the specific heat capacity, Tcast is the casting temperature, Tend is the mold weight temperature of mold and MMG after casting and RT is room temperature.
Beispiele für spezifische Wärmekapazitäten (jeweils bei RT): Examples of specific heat capacities (each at RT):
CpCu=385 J/(kg*K) Cp Cu = 385 J / (kg * K)
CpNi=26,5 J(kg*K) Cp N i = 26.5 J (kg * K)
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kupferschicht eine Dicke von 500 μιτι bis 4000 μηι auf, vorzugsweise von 1000 μΐτι bis 4000 μητι und insbesondere von 2000 μιη bis 4000 μΐη.
Als Metalllegierung für das vorliegende Verfahren kann prinzipiell jedwede dem Fachmann bekannte Metalllegierung verwendet werden, die nach dem Abkühlen von deren Schmelze ein metallisches Glas bilden kann, insbesondere in einer Schichtdicke von beispielsweise mindestens 500 μηι, vorzugsweise mindestens 1000 μιτι, mehr bevorzugt mindestens 2000 μιτι und insbesondere mindestens 3000 μιτί. Bevorzugt werden dabei Metalllegierungen verwendet, die zur Bildung eines metallischen Glases lediglich eine Abkühlungsgeschwindigkeit von 103 K/s oder weniger erfordern. Vorzugsweise handelt es sich bei der Metalllegierung um eine Au-Legierung. Beispielhaft kann hier eine Legierung aus Au49Ag5,5Pd2,3Cu26,9Sii6,3 angeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Pt-Legierung, Pd-Legierung oder Zr-Legierung eingesetzt. Solche Legierungen sind einem Fachmann auf dem Gebiet der massiven metallischen Gläser bekannt. Beispielhaft kann hier eine Legierung aus Zr59,3Cu28,8A o,4Nbi ,5 (At%) (umgangssprachlich AMZ4) genannt werden. According to a further preferred embodiment of the present invention, the copper layer has a thickness of 500 μιτι to 4000 μηι, preferably from 1000 μΐτι to 4000 μητι and in particular from 2000 μιη to 4000 μΐη. As a metal alloy for the present process, in principle, any known to the expert metal alloy can be used, which can form a metallic glass after cooling of the melt, in particular in a layer thickness of for example at least 500 μηι, preferably at least 1000 μιτι, more preferably at least 2000 μιτι and in particular at least 3000 μιτί. Preference is given to using metal alloys which require only a cooling rate of 10 3 K / s or less to form a metallic glass. Preferably, the metal alloy is an Au alloy. By way of example, an alloy of Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Sii6.3 can be mentioned here. In another embodiment, a Pt alloy, Pd alloy or Zr alloy is used. Such alloys are known to those skilled in the art of solid metallic glasses. By way of example, an alloy of Zr59.3Cu28.8A o, 4Nbi, 5 (At%) (colloquially AMZ4) may be mentioned here.
Eine weitere Metalllegierung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann, ist eine Legierung aus (Zr, Ti)a(Ni, Cu, Fe)t>(Be, AI, Si, B)c ist, wobei a im Bereich von 30 bis 75 Atom-% liegt, b im Bereich von 5 bis 60 Atom-% liegt und c im Bereich von 0 bis 50 Atom-% liegt (vgl. WO 03/064076 A1 ). Another metal alloy which can be used in the present invention is an alloy of (Zr, Ti) a (Ni, Cu, Fe) t (Be, Al, Si, B) c where a is in the range of 30 to 75 atom -% is, b is in the range of 5 to 60 atomic% and c is in the range of 0 to 50 atomic% (see WO 03/064076 A1).
Ferner kann erfindungsgemäß als Metalllegierung auch eine Legierung verwendet werden, die aus Fe: 74 bis 78 Atom-%, Mo: 2 bis 6 Atom-% und B: 20 Atom-%, oder aus Fe: 40 Atom-%, Ni: 34 bis 38 Atom-%, Mo: 2 bis 6 Atom-% und B: 20 Atom-%, oder aus Fe: 67 bis 76 Atom-%, Ni: 0 bis 9 Atom-%, Mo: 4 Atom-%, C: 18 Atom-% und B: 2 Atom-%, besteht. Further, as the metal alloy, an alloy composed of Fe: 74 to 78 at%, Mo: 2 to 6 at% and B: 20 at%, or Fe: 40 at%, Ni: 34 may also be used in the present invention to 38 atomic%, Mo: 2 to 6 atomic% and B: 20 atomic%, or Fe: 67 to 76 atomic%, Ni: 0 to 9 atomic%, Mo: 4 atomic%, C : 18 atomic% and B: 2 atomic%.
Der Schmelzvorgang zur Bereitstellung der geschmolzenen Metalllegierung ist prinzipiell nicht speziell beschränkt, d.h. es kann sowohl ein einstufiger als auch ein zweistufiger Schmelzvorgang eingesetzt werden. Bei dem einstufigen Schmelzvorgang werden die Metallbestandteile der Legierung im erforderlichen Verhältnis gemischt und anschließend geschmolzen, worauf die Schmelze vergossen wird. Bei dem zweistufigen Schmelzvorgang werden die
Metallbestandteile der Legierung im erforderlichen Verhältnis gemischt und anschließend geschmolzen, worauf die Schmelze in an sich bekannter Weise in ein Halbzeug, beispielsweise in Granalienform, gebracht wird. Das Halbzeug wird dann erneut geschmolzen und die erhaltene Schmelze wird vergossen. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, das zweistufige Schmelzverfahren anzuwenden, da die Schmelztemperatur der fertigen naheutektischen Legierung im Halbzeug, z.B. Granalienform, deutlich niedriger ist als die Schmelztemperatur der Einzelkomponenten, so dass im Vergleich zu dem einstufigen Schmelzvorgang eine deutlich niedrigere Schmelztemperatur beim Vergießen möglich ist, was die erforderliche rasche Abkühlung der Schmelze erleichtert. The melting process for providing the molten metal alloy is not particularly limited in principle, that is, both a single-stage and a two-stage melting process may be employed. In the one-step melting process, the metal components of the alloy are mixed in the required ratio and then melted, after which the melt is cast. In the two-stage melting process, the Metal components of the alloy mixed in the required ratio and then melted, whereupon the melt is brought in a conventional manner in a semi-finished, for example in granule form. The semifinished product is then melted again and the resulting melt is poured. It is inventively preferred to use the two-stage melting process, since the melting temperature of the finished near-eutectic alloy in the semifinished product, eg Granalienform, is significantly lower than the melting temperature of the individual components, so that in comparison to the single-stage melting process, a significantly lower melting temperature during casting is possible facilitates the required rapid cooling of the melt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird demgemäß die geschmolzene Metalllegierung durch Schmelzen einer Metalllegierung in Granalienform bereitgestellt. Accordingly, according to a preferred embodiment of the present invention, the molten metal alloy is provided by melting a metal alloy in granule form.
Der Vorgang des Gießens in dem erfindungsgemäßen Verfahren ist prinzipiell nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt und es können alle dem Fachmann bekannten Gießverfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Gießen in dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch als Schleudergießen, Schwerkraftgießen oder Kippgießen durchgeführt. Die vorstehend genannten Gießverfahren und die damit verbundenen Vor- und Nachteile sind dem Fachmann bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. The process of casting in the process according to the invention is in principle not restricted to a specific process and all casting processes known to those skilled in the art can be used. Preferably, however, the casting is carried out in the process according to the invention as centrifugal casting, gravity casting or tilt casting. The abovementioned casting methods and the associated advantages and disadvantages are known to the person skilled in the art and are therefore not explained in more detail here.
Nachdem das Gießen durchgeführt worden ist und die Schmelze zu einem massivem metallischen Glas erstarrt ist, muss die Kupferform entfernt werden. Der Vorgang des Entfernens der z.B. Kupferform ist prinzipiell nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. So kann die Kupferform beispielsweise mechanisch entfernt werden, wenn deren Form einfach ist (beispielsweise die Form eines einfachen Rings aufweist) und wenn deren Schichtdicke gering ist. Die Kupferform kann jedoch auch durch chemisches Lösen, üblicherweise mit Salpetersäure, entfernt werden, was erfindungsgemäß bevorzugt ist, insbesondere um die Form von gegossenen Gegenständen mit einer komplexeren Form zu lösen, wie z.B. einer Gitterform (vgl. die Fig. 4).
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens, das vorstehend erläutert worden ist. Die Fig. 1a) zeigt ein Wachsmodell 1 in Ringform, das zur Herstellung eines Schmuckrings dient. Die Fig. 1 b) zeigt das Wachsmodell von Fig. 1a) mit aufgebrachtem Leitlack 2. Die Fig. 1c) zeigt das mit dem Leitlack 2 beschichtete Wachsmodell 1 , auf das eine Kupferschicht 3 durch Galvanoformen aufgebracht worden ist (in der Fig. 1c) ist die Leitlackschicht nicht dargestellt). Die Fig. 1d) zeigt schließlich eine Kupferform, die durch Ausschmelzen des Wachses aus dem mit der Kupferschicht 3 beschichteten Wachsmodell erhalten worden ist. After the casting has been carried out and the melt has solidified to a solid metallic glass, the copper mold must be removed. The process of removing the eg copper mold is in principle not limited to a particular method. For example, the copper mold can be removed mechanically if its shape is simple (for example, it has the shape of a simple ring) and if its layer thickness is small. However, the copper mold may also be removed by chemical dissolution, usually with nitric acid, which is preferred according to the invention, in particular to solve the mold of cast articles having a more complex shape, such as a lattice form (see Figure 4). Fig. 1 shows a schematic representation of steps of the method according to the invention, which has been explained above. Fig. 1a) shows a wax model 1 in ring form, which is used to produce a jewelry ring. 1 b) shows the wax model 1 coated with the conductive ink 2 on which a copper layer 3 has been applied by electroforming (in FIG. 1 c). FIG ) the Leitlackschicht is not shown). Finally, FIG. 1d) shows a copper mold which has been obtained by melting out the wax from the wax model coated with the copper layer 3.
Eine Kupferform, wie sie in der Fig. 1d) schematisch gezeigt ist, kann z.B. die in der Fig. 2 gezeigte Gestalt aufweisen. An der Kupferform werden dann zusätzlich Thermoelemente angebracht, um die Außentemperatur der Form bzw. den Temperaturverlauf beim Abkühlen messen zu können. A copper mold, as shown schematically in Fig. 1d), may e.g. having the shape shown in FIG. Thermocouples are then additionally attached to the copper mold in order to be able to measure the outside temperature of the mold or the temperature profile during cooling.
Gegenüber den im Stand der Technik vergleichbaren Verfahren, die üblicherweise teilbare Formen einsetzen, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise durch ein vereinfachtes Entformen aus, wohingegen das Herauslösen aus teilbaren Formen bei amorphen Gussstücken erschwert ist. Durch die fehlende Schrumpfung beim Erstarren sitzen die Gussstücke besonders fest in der Form (endformnahes Gießen). Zudem sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Gussstückgeometrien möglich, die ansonsten gar nicht oder nur schwer mit teilbaren Formen herstellbar sind. Die vorliegende Erfindung wird nachstehend durch Beispiele erläutert, die nicht beschränkend aufzufassen sind.
Beispiele Beispiel 1 Compared with the methods comparable in the prior art, which usually use divisible molds, the method according to the invention is characterized in an advantageous manner by a simplified demolding, whereas the detachment from divisible molds is difficult in amorphous castings. Due to the lack of shrinkage during solidification, the castings sit particularly firmly in the mold (casting close to the final shape). In addition, casting geometries are possible with the method according to the invention, which are otherwise difficult or impossible to produce with divisible shapes. The present invention will be illustrated below by way of examples, which are not intended to be limiting. Examples Example 1
Zunächst wurde ein Wachsmodell eines einfachen Schmuckrings hergestellt, wobei die Wachsform mittels Silikonnegativ erstellt wurde. Das Wachsmodell wurde mit einem Graphitpulver (Printex XE2, von Fa. Degussa, Essen) beschichtet. Das Graphitpulver wurde dabei als Leitschicht mit einem Pinsel auf das Wachsmodell aufgebracht. Danach wurde das mit dem Graphitpulver beschichtete Modell in einen Elektrolysebehälter eingebracht und elektrolytisch mit einer 2000 μηι bis 4000 μηη dicken Kupferschicht beschichtet (s. Figur 2). First, a wax model of a simple jewelry ring was made, the wax mold was created by means of silicone negative. The wax model was coated with a graphite powder (Printex XE2, from Degussa, Essen). The graphite powder was applied as a conductive layer with a brush on the wax model. Thereafter, the coated with the graphite powder model was placed in an electrolytic tank and electrolytically coated with a 2000 μηι to 4000 μηη thick copper layer (see Figure 2).
Für die Kupferabscheidung wurde als Elektrolytgefäß ein Becherglas verwendet, das Elektrolytvolumen betrug 1 ,8 Liter, die Temperatur wurde mit Hilfe eines Kontaktthermometers kontrolliert und auf der Heizplatte eines Magnetrührers konstant gehalten. Die Elektrolytumwälzung erfolgte ebenfalls mit Hilfe des Magnetrührers. Als Anoden wurden sauerstofffreie phosphordesoxidierte Anoden (Kupferanoden, Cu min. 99,9%, P 0,04-0,06%, Fa. Galva-Metall GmbH, Rödermark) verwendet. Für die Kupferabscheidung wurde ein kommerzieller Elektrolyt, wie z.B. der Elektrolyt„Thru-cup EVF-R" (Fa. Umicore Galvanotechnik, Schwäbisch Gmünd) verwendet. Die Abscheidung erfolgte mit 2 A/dm2 (0,42 pm/min). For the copper deposition, a beaker was used as the electrolyte vessel, the electrolyte volume was 1.8 liters, the temperature was controlled by means of a contact thermometer and kept constant on the heating plate of a magnetic stirrer. The electrolyte circulation also took place with the aid of the magnetic stirrer. Oxygen-free phosphorus-deoxidized anodes (copper anodes, Cu min 99.9%, P 0.04-0.06%, Galva-Metall GmbH, Rödermark) were used as the anodes. For the copper deposition, a commercial electrolyte such as the electrolyte "Thru-cup EVF-R" (Umicore Galvanotechnik, Schwäbisch Gmünd) was used and deposited at 2 A / dm 2 (0.42 pm / min).
Die Entfernung des Wachses erfolgte durch das Herausschmelzen in kochendem Wasser, danach die physikalische Auflösung der noch verbliebenen Wachsreste mit einem unpolaren Lösemittel (z.B. Toluol) mit Ultraschallunterstützung. Um optimale Gießergebnisse zu erhalten, wurden alle noch verbliebenen Wachsreste anschließend in einem Ofen bei 350 - 500°C thermisch zersetzt. Als nächstes wurde eine Metalllegierung in Granalienform mit der Zusammensetzung Au49Ag5,5Pd2,3Cu26,9Sii6,3 (At-%), geschmolzen (Schmelztemperatur: 370 °C, Gießtemperatur 800°C) und dann mittels Schleuderguss (verwendete Schleudergussvorrichtung: Topcast TC10E, von
Topcast hergestellt, Betriebsparameter: Beschleunigung 600 U/min, Schleudergeschw. 440 U/min) in die Kupferform eingebracht, The removal of the wax was carried out by melting out in boiling water, then the physical dissolution of the remaining wax residues with a nonpolar solvent (eg toluene) with ultrasound support. In order to obtain optimal casting results, all remaining wax residues were then thermally decomposed in an oven at 350 - 500 ° C. Next, a metal alloy in granular form having the composition Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Sii6.3 (At%), melted (melting temperature: 370 ° C, casting temperature 800 ° C) and then by centrifugal casting (centrifugal casting apparatus used: Topcast TC10E, from Topcast manufactured, operating parameters: acceleration 600 rpm, spin speed 440 rpm) are introduced into the copper mold,
Nach dem Erkalten der Kupferform wurde die Kupferschicht in einer Lösung aus Schwefelsäure und Natriumperoxodisulfat entfernt (Ätzlösung„Doduprint 300" (Fa. Ami Doduco, Pforzheim) 150 g/l). Die Auflösung erfolgte bei 40°C. After the copper mold had cooled, the copper layer was removed in a solution of sulfuric acid and sodium peroxodisulfate (etching solution "Doduprint 300" (Ami Doduco, Pforzheim) 150 g / l) and the solution was dissolved at 40.degree.
Der von der Kupferform befreite erhaltene massive Ring aus massivem metallischem Glas wurde schließlich poliert. Es wurde der in der Fig. 3 gezeigte Ring erhalten. The obtained from the copper mold preserved solid ring of solid metallic glass was finally polished. The ring shown in FIG. 3 was obtained.
Beispiel 2 Example 2
Das Beispiel 2 wurde im Wesentlichen wie das Beispiel 1 durchgeführt, jedoch wurde als Wachsmodell ein Schmuckring mit einer komplexen Form (Gitterform) verwendet. Das Wachs wurde bei einer Temperatur von ca. 150-200°C ausgeschmolzen. Der erhaltene Ring wurde nicht poliert. Der Ring aus metallischem Glas mit einer komplexen Gitterform, der gemäß Beispiel 2 erhalten worden ist, ist in der Fig. 4 gezeigt. Das Beispiel 2 zeigt somit, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Gegenstände aus metallischem Glas mit einer komplexen Form schnell und einfach hergestellt werden können. Example 2 was carried out substantially like Example 1, except that a wax ring with a complex shape (lattice shape) was used. The wax was melted out at a temperature of about 150-200 ° C. The resulting ring was not polished. The ring of metallic glass having a complex lattice shape obtained according to Example 2 is shown in FIG. Example 2 thus shows that objects made of metallic glass with a complex shape can be produced quickly and easily with the method according to the invention.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten metallischen Gläser sind von gewöhnlichen Metallen optisch nicht zu unterscheiden, aber im Allgemeinen härter (geringere Bruchdehnung), korrosionsbeständiger und fester (weniger kratzempfindlich) als diese. Sie können deshalb überall dort eingesetzt werden, wo diese Eigenschaftskombinationen von besonderer Bedeutung sind. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten metallischen Gläser werden deshalb typischerweise, jedoch nicht ausschließlich, in der Schmuckindustrie zur Herstellung von Schmuckstücken aus Edelmetalllegierungen, in der Medizintechnik zur Herstellung von Implantaten und medizinischen Werkzeugen, im Maschinenbau oder der Elektrotechnikindustrie zur Erzeugung hochwertiger Bauteile
und Oberflächen sowie in der Luxusgüterindustrie zur Herstellung hochwertiger Designerartikel sowie zur Herstellung von Sportartikeln, wie z.B. Teilen von Golfschlägern, verwendet.
The metallic glasses produced by the process of the present invention are optically indistinguishable from ordinary metals, but generally harder (lower elongation at break), more corrosion resistant, and stronger (less scratch sensitive) than these. They can therefore be used wherever these property combinations are of particular importance. The metallic glasses produced by the method according to the invention are therefore typically, but not exclusively, used in the jewelry industry for the production of jewelery made of precious metal alloys, in medical technology for the production of implants and medical tools, in mechanical engineering or in the electrical engineering industry for the production of high-quality components and surfaces as well as in the luxury goods industry for the production of high quality designer items as well as for the production of sporting goods, such as parts of golf clubs used.
Claims
Ansprüche claims
1. Verfahren zum Gießen eines Gegenstands aus massivem metallischen Glas, das die Schritte aufweist: A method of casting a solid metallic glass article comprising the steps of:
Bereitstellen eines Modells (1 ) des Gegenstands, Providing a model (1) of the object,
Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung (2) auf das Modell, galvanisches Aufbringen einer Metallschicht (3), ausgewählt aus Kupfer, Applying an electrically conductive coating (2) to the model, electroplating a metal layer (3) selected from copper,
Eisen, Nickel, Eisen-Nickel-Legierung oder Nickel-Kobalt-Legierung, auf die elektrisch leitende Beschichtung (2), Iron, nickel, iron-nickel alloy or nickel-cobalt alloy, on the electrically conductive coating (2),
Ausschmelzen des Modells (1 ), wobei eine Metallform erhalten wird, Melting the model (1) to obtain a metal mold
Bereitstellen einer geschmolzenen Metalllegierung, die nach dem Abkühlen ein metallisches Glas bilden kann, Providing a molten metal alloy capable of forming a metallic glass after cooling,
Gießen der geschmolzenen Metalllegierung in die Metallform, Pouring the molten metal alloy into the metal mold,
Erstarren lassen der gegossenen Metalllegierung zu einem massiven metallischen Glas und Freezing the cast metal alloy to a solid metallic glass and solidifying
Entfernen der Metallform. Remove the metal mold.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das galvanische Aufbringen einer Kupferschicht (3) erfolgt, so dass nach Ausschmelzen des Modells (1 ) eine Kupferform erhalten wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Modell (1) aus Wachs besteht. 2. The method of claim 1, wherein the galvanic application of a copper layer (3) takes place, so that after melting of the model (1) a copper mold is obtained. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the model (1) consists of wax.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektrisch leitende Beschichtung (2) durch Aufbringen eines elektrisch leitenden Lacks, vorzugsweise auf Graphitpulver-Basis, gebildet wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrically conductive coating (2) by applying an electrically conductive paint, preferably based on graphite powder, is formed.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Metallschicht (3) eine Dicke von 500 μΐη bis 4000 μιη, vorzugsweise von 1000 μΐη bis 4000 μη und insbesondere von 2000 μιη bis 4000 μιτι aufweist.
5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal layer (3) has a thickness of 500 μΐη to 4000 μιη, preferably from 1000 μΐη to 4000 μη and in particular from 2000 μιη to 4000 μιτι.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Metalllegierung zur Bildung des metallischen Glases eine Abkühlungsgeschwindigkeit von 103 K/s oder weniger erfordert. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Metalllegierung eine Au-Legierung ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal alloy for forming the metallic glass requires a cooling rate of 10 3 K / s or less. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal alloy is an Au alloy.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Metalllegierung eine Pt-Legierung, Pd-Legierung oder Zr-Legierung ist. 8. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal alloy is a Pt alloy, Pd alloy or Zr alloy.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Metalllegierung eine Legierung aus Au49Ag5,5Pd2,3Cu26,9Sii6,3 ist. 0. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die geschmolzene Metalllegierung durch Schmelzen einer Metalllegierung in Granalienform bereitgestellt wird. A method according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal alloy is an alloy of Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Sii6.3. A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the molten metal alloy is provided by melting a metal alloy in granule form.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Gießen als Schleudergießen, Schwerkraftgießen oder Kippgießen ausgeführt wird. 11. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the casting is carried out as centrifugal casting, gravity casting or Kippgießen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei dem die Metallform durch chemisches Lösen entfernt wird.
12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the metal mold is removed by chemical dissolution.
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