JP2000514717A

JP2000514717A - 半固体成形加工

Info

Publication number: JP2000514717A
Application number: JP10506382A
Authority: JP
Inventors: タウシ，ガブリエラ; シィア，ケノン
Original assignee: University of Melbourne
Current assignee: University of Melbourne
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2000-11-07
Also published as: WO1998003686A1; EP0958387A4; US6311759B1; EP0958387A1; AUPO110296A0

Abstract

(57)【要約】成形金属製品の製造方法は、合金を溶融する工程、溶融金属を液相温度まで温度を低下させる工程、溶融金属を液相温度で鋳型に鋳造する工程、及び金属溶湯を凝固させて供給原材料を得る工程を含んでなる。供給原材料は、実質的に液相温度と固相温度の間の温度まで再加熱し、その後所望の形状に成形加工する自己自立型チクソトロピック材料を作成する。実質的に液相温度で溶湯の供給原材料を鋳造すことは、その後のチクソトロピック材料の成形加工に特に適切であり且つこれが成形加工工程の際に遅い成形加工速度と低い成形加工圧力との使用を可能にする組織を生ずる。

Description

【発明の詳細な説明】半固体成形加工本発明はチクソ成形加工を使用して金属製品を製造する方法に関する。半固体金属加工法は、合金の固相温度と液相温度との間の温度でその合金の種々の加工法に通常使用される。半固体金属加工法は、固体金属材料と溶湯（または、液状）金属との混合物すなわちスラリーからなるチクソトロピック材料(thi xotropic material)の製造、及びその後チクソトロピック材料の成形加工または造形加工を含む。用語「半固体金属加工法」は、一般的にチクソトロピック材料の製造と、その後チクソトロピック材料の成形加工または造形加工との双方の方法を含む。同一視される半固体成形加工法には二つの主なカテゴリーがある。ａ）流れ加工法では、合金が液相温度以上の温度に加熱され十分に溶融され、その後溶湯が液相温度と固相温度との間の温度までに冷却され、それによってチクソトロピック材料が製造され次にチクソトロピック材料が成形加工または造形加工される。ｂ）チクソ成形加工では、半固体金属加工供給原材料が金属を十分凝固させるために半固体スラリーを冷却することによって製造される。供給原材料は、その後造形加工する直前に固相温度及び液相温度の間の温度まで再加熱されて、チクソトロピック材料を製造する。チクソ成形加工法は、多少任意であるならば、さらに従来の金属造形技術にしたがうカテゴリーに細分化され、チクソ成形加工法が一般的な加工法の点から、そして特に金属の造形加工に使用する実用の機械の点から比較できる。例えば、チクソ鋳造は液状金属ダイキャスト技術を基本とし、製品を造形加工する垂直鍛造プレスの使用においては、チクソ鍛造のような例えば固体金属鍛造に類似する。一方、チクソ鋳造及びチクソ鍛造の間の明確な線引は、文献及び工業的には幾分困難がある考えられが、チクソ成形加工と従来の金属加工法（たとえば、鋳造及び鍛造）の間には明確な区別がある。チクソ成形加工は金属造形加工法において新たに発展したものであり、この方法は、完全に液体（鋳造）または完全に固体（鍛造）であるより金属が部分的に固体であり部分的に液体である状態で造形加工する。チクソ成形加工に満足して使用される合金の基本的必要条件は、合金が球状であり樹枝状晶ではない顕微鏡組織を有し、部分的固体／部分的液体状態に再加熱された場合に、スラリー中の液状成分である低融点構成材中に懸濁する主相の固体球状粒子スラリーを形成することであると一般的に理解されている。このようなスラリーがその後チクソ成形加工される。チクソ成形加工することは、従来の鍛造作業を越えて多くの利点を備える。これらの殆どが、半固体チクソトロピック材料の優れた流れ特性に直接関係する。成形応力はチクソトロピック材料の半固体状態においては低く約４倍以下の大きさである。さらに複雑な造形構成材が、正味またはほぼ正味の形状まで、単一の工程で成形できることにつながる。従来の鍛造と比較して、特に、種々の部品を少数の製造工程とより少ないプレスを使用して速く製造できることを意味する。また、チクソ成形加工は、他の方法では鍛造できない合金の造形加工を可能にする。チクソ成形加工に対して安定である顕微鏡組織を有する合金を得ることに、かなりの努力が充てられている。所望の顕微鏡組織を有するチクソ成形加工用合金の製造は、機械的または電気的の双方のの攪拌によるチクソトロピック材料の従来含まれた熱処理を含む。チクソトロピック材料を攪拌することは、チクソトロピック材料中の固体粒子の樹枝状晶形状を改良して、合金の凝固が認められたのちに、残留する球状粒子を形成するためと考えられる。所望の顕微鏡組織を作成する別の方法は、変形および再結晶または半固体温度範囲までの再加熱、鋳物及び押出材の直接部分再溶解、粒調質に加え部分再溶解、及び静的攪拌を含む。これらの方法は精密な加工方法または特別に設計した装置を必要とする欠点を備える。米国特許第４，８３２，１１２号でBringer等は、鋳塊、鍛造中間品及び埋没鋳造物(investment casting)を製造するための金属溶湯から微細粒等軸鋳物を成形する方法を開示する。この特許に記載される方法は、航空機工業において使用される超合金に主に関係し、且つ化学的に均質で微細粒なサウンド(sound)製品の製造に向けられる。この方法は、金属溶湯の殆どの過加熱を回避するため、調整した溶湯温度で金属を溶融することを含む。この金属溶湯を鋳型内に配置して、そして所定速度で混合物から熱を抜熱することによって凝固させ、金属溶湯を凝固させて固体製品を製造し、且つ製品全体が均質で実質的に等軸のセル状顕微鏡組織を得る。鋳塊の製造に使用する場合、金属溶湯の鋳型内導入前に溶湯にまたは鋳型全体で乱流が生じる。米国特許第４，８３２，１１２号は、金属溶湯の温度は、鋳造するときに、金属の測定融点を越え、２０°Ｆ（１１．１℃）以内である温度にすることを提案する。上記のように、米国特許第４，８３２，１１２号の方法は、埋没鋳造物、鋳塊または鍛造中間品を作成するために使用する。この特許はチクソ成形加工の記載はなく、実際にこの発明における鍛造性の改良及び埋没鋳造物の特性改良のための微細粒径に付いての強調は、チクソ成形加工による米国特許第４，８３２，１１２号の製品の後処理から離脱することを当業者に教示し、チクソ成形加工に潜在的に必要な部分的再溶融が粒径の粗大化をもたらす。本発明の目的は、チクソ成形加工のような半固体加工方法によって、固体製品を製造するために改良された方法を提供することである。第１の態様において、本発明は、合金を溶融して金属溶湯を製造する工程、実質的に液相温度から液相温度の上約１０℃までの温度で金属溶湯の温度を調整する工程、前記温度で前記金属溶湯を鋳造する工程、鋳造金属を凝固して凝固金属を作成する工程、凝固金属を固相温度と液相温度の間の温度に再加熱することによって、凝固金属を部分的再溶解してチクソトロピック材料にする工程、及び所望の形状にチクソトロピック材料を成形する工程、を含む固体製品製造方法を提供する。鋳造時に、実質的に液相温度から液相温度の上約１０℃までの温度で金属溶湯の温度を非常に注意深く制御することによって、すなわち得られた凝固金属はチクソ成形加工において特に安定であり、且つ実際に著しくそして驚異的な利益がその後のチクソ成形加工において得られる。また、本発明は、鋳造時に金属溶湯の温度が液相温度から液相温度の上約５℃までの範囲内であるならば、非常に便利な効果が達成され、そしてこの温度範囲は本発明の好ましい実施態様に示されることを開示する。さらに好ましくは、鋳造時に金属溶湯の温度は、液相温度から液相温度の上約２℃までの範囲内である。もっとも好ましくは、金属溶湯は液相温度で鋳造する。金属溶湯鋳造における温度制御には、金属溶湯の温度を測定してそして金属溶湯の温度を制御することが必要であることを、当業者は認識するであろう。温度測定と温度制御の双方は、この測定と制御に伴うある程度の不確定性がある。最近入手できる技術は非常に正確な温度測定をすることが可能である。温度制御の考えを変えて、通常炉、レードルまたは保持容器中に保持される金属溶湯溜まりの温度を制御することが好ましい。このような状態においては、正確な温度制御は、金属の容積、炉の種類と形状、鋳造方法及び使用する温度制御システムを含む幾つかの因子に依存することが認識される。良好な温度制御は、正しい温度制御と検出システムで達成されるが、しかし正確にまた二つの目標温度目盛り内に維持して金属容積を増加させるときは、さらに難しくなる。信頼できる温度の読み取りが達成されると仮定するならば、溶湯容積内の場所的な温度分布（温度不均一性）は、この容積全体に分布される検出端の数によって最良に測定される。検出端の数及び配置は所望する精度に依存する。検出端出力は、次に特定温度範囲に溶湯を保持するために出力電源を調整できる炉制御機につなぐ必要がある。これを達成する容易性と速さはもちろん炉自体及びその制御機の感度及びプログラムに依存する。さらに、達成可能な程度は装置製造業者によって具体的に述べられ、満足できる信頼期間が与えられる。高容積連続型鋳物製造は、鋳造温度が重要であるので極めて複雑な温度制御システムを備え、そして、実際の鋳造温度と関係なく敏感に変化する傾向がある。金属大容積において、必要な場合５℃以内及びそれ以上の温度均一性を達成することは通常でない。鋳造手順が、温度制御の重要な機能を成す。金属溶湯を汲み上げてそして鋳型に注ぎ込むレードルに金属溶湯を簡単に保持することはできない。保持容器は、好ましくは底注湯型配置であり十分に制御された炉、または傾斜炉にする必要がある。これが、残留する金属溜まりが鋳造が進行する間、正しい温度に維持することを確実にする。すなわち、最近の温度制御は金属溶湯の温度を本発明で必要とする精度で制御することを可能にする。特に最近の技術は、その温度を液相温度にセットし、この温度の５℃上まで制御することが可能となる。実際に、本発明に関して行った実験的加工において、本発明は所望の温度の２℃以内で制御することを可能にする。また、実際に温度制御システムは本発明の一部分を形成するのでなく、且つ所望の精度と制御を達成することを可能とするその領域の全ての温度制御システムを本発明が含むと、本発明は理解される。鋳造温度範囲の下限は、液相温度または液相温度より約２℃下までにする。金属溶湯を入れた容器内で凝固を最小または回避するために、金属溶湯の温度は鋳造する前は液相温度（前記上限以内）でまたはそれを越え維持することが好ましいと認められる。凝固金属を形成するために実質的に液相温度から液相温度の上１０℃までの温度で金属溶湯を鋳造することによって、凝固金属が部分的に再溶解されてチクソ成形され、且つ著しい成果がチクソ成形加工法において得られと言う驚くべきことが示された。例えば、チクソ成形加工法に対する処理範囲は広い。本発明によって行った試験は、チクソ成形加工が、高い固体分率と、低い型温度と、遅い成形速度で容易に行うことができ、ところが他の材料では同一の結果を得るために低い固体分率と、速い成形速度を必要とする。低い成形速度と低い型温度は、チクソ成形加工装置の摩耗と保守とを楽にし、一方チクソ成形加工装置の構成材の低い価格仕様を可能にする。高固体含有率のチクソ成形加工条件の基で最終製品に形成される流れ模様は最終製品の強度を高めるポテンシャルを有するので、高い固体分率は望ましい。本発明の好ましい実施態様において、金属溶湯は正確にその液相温度で鋳造される。金属溶湯の鋳造及びその後の凝固により生成された凝固金属は、好ましくはビレットまたは鋳塊の形である。凝固した金属は、低融点材料の相によって分離された独立の球状を含むところの鋳造ままの顕微鏡組織（通常共晶相）を有することが判明した。固相温度と液相温度との間の温度に凝固した金属を再加熱することは、固体粒子と金属溶湯合金を含む半固体材料またはスラリーが得られる。球状初期粒組織を有する凝固した金属の形態によって、材料をチクソ成形加工する以前に、長時間チクソ成形加工温度に半固体材料を保持する必要がない。これは、必要な形態を半固体材料に形成するために、先行技術の供給原材料の必要条件であった。大多数の金属合金は、本発明の方法に使用することができる。例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄合金及び超合金を含む。この表は網羅しない。本発明に使用する好ましい合金は表１に示されるそれらである。表１合金群／等級公称組成／組成範囲（ｗｔ％）アルミニウム２０１４ 4.4Cu，0.8Si，0.8Mn，0.5Mg ２０１８ 2.3Cu，1.6Mg，1.1Fe，1.0Ni，0.18Si， 0.07Ti ６０６１ 1.0Mg，0.6Si，0.30Cu，0.02Cr ６０８２ 0.6Mg，1.0Si，Cr0.25７０７５ 5.6Zn，2.5Mg，1.6Cu，0.23Cr マグネシウムＡＺ８０ 7.8-9.2Al，0.20-0.8Zn，0.12Mn（最小）， 0.10Si（最大），0.05Cu（最大）， 0.005Ni（最大），0.005Fe（最大）ＡＺ９１Ｄ 8.5-9.5Al，0.45-0.9Zn，0．15-0.40Mg， 0.015Cu（最大），0.020Si（最大）， 0.005Fe（最大），0.005Ni（最大）ＡＺ６１Ａ 5.8-7.2Al，0.15Mn（最小），0.40-1.5Zn， 0.10Si（最大），0.05Cu（最大）， 0.005Ni（最大），0.005Fe（最大）ＡＭ６０Ａ 5.5-6.5Al，0.13Mn（最小）， 0.50Si（最大），0.35Cu（最大）， 0.22Zn（最小），0.03Ni（最大）銅Ｃ３６０００ 61.5Cu，35.5Zn，3Pb Ｃ８４４００ 81Cu，9Zn，3Sn，7Pb Ｃ８７８００ 82Cu，14Zn，4SiＣ８３６００ 85Cu，5Zn，5Sn，5Pb 鋼Ｈ１３工具 0.32-0.45C，0.20-0.50Mn，0.80-1.2Si 4.75-5.50Cr，1.10-1.17Mo，0.80-1.75V ３０４ 0.08C，2Mn，1.0Si，18.0-20.0Cr，ステンレス鋼 8.0-10.5Ni，0.045P，0.03S ３１６ 0.08C，2Mn，1.0Si，16.0-18.0Cr，ステンレス鋼 10.0-14.0Ni，0.045P，0.03S，2.0-3.0Mo チタニウムＴｉ-2.5Ｃｕ 2.0-3.0Cu，Ti（残部）Ｎｉ超合金 Monel 400 63Ni，28-34Cu，2.5Fe Monel 401 40-45Ni+Co，2.5Fe，Cu（残部） Monel 450 29-33Ni，1.0Mn，Cu（残部）Inconel 718 50-55Ni，17-21Cr Fe（残部）実質的に液相温度から液相温度の約１０℃上までの温度で金属溶湯を鋳造する工程は、金属溶湯を鋳型に、好ましくは周囲温度または高温の鋳型に鋼鋳型に、鋳造することを含むことができる。別の実施例において、鋳造工程は、金属溶湯を、例えば、ビレットまたは鋳塊を形成するために、連続的または半連続的に鋳造することを含むことができる。連続的または半連続的に鋳造する実施例において、鋳造装置は、実質的に液相温度に保持した金属溶湯源から金属溶湯で供給することができる。その代わりに、保持炉または他の溶湯供給源は、液相温度より高く保持することができ、金属溶湯は、金属溶湯が鋳造装置に移されたときまたはその後に、実質的に液相温度まで冷却することができる。本発明のチクソ成形加工工程において、チクソトロピック材料は、外力を加えることなくその形状を保持できる好ましい自己支持形である。半固体またはチクソトロピック材料は、凝固した金属を部分的に再溶融することによって、体積で０．６〜０．８の固体分率を好ましく含む。チクソ成形加工の際に使用する成形速度は比較的遅くすることができ、また、チクソ成形加工の際の型温度は比較的低くすることができる。例えば、成形速度は約０．１ｍ／ｓから約０．２ｍ／ｓまでの範囲に下げることができる。型温度は、約１５０℃から約３００℃の範囲に下げることができる。本発明の方法は、チクソ成形加工操作因子の組み合わせが、単純な試験的構成物より他の製品を製造するのに対して不適切であると従来考えられたいたことに使用することを可能にした。本発明に使用するチクソ成形加工操作因子の組み合わせは、半固体材料中に高固体成分、低成形加工速度及び低型温度を含む。本発明の好ましい実施態様を、添付した図面を参照して次に説明する。図１は、２６１８アルミニウム合金をその液相温度で鋳造することによって得られた顕微鏡組織写真を示し、図２は、２６１８アルミニウム合金をその液相温度より上の５０〜６０℃の温度で鋳造することによって得られた顕微鏡組織写真を示し、図３は、固相温度と液相温度との間まで再加熱した後の図１に示す金属鋳物の組織写真を示し、図４は、図３に示す材料をチクソ成形加工することによって形成された製品の組織写真を示し、図５は、本発明に使用するチクソ成形加工法の模式図であり、図６は、本発明にしたがい成形されたクラッチハブの側部断面を示し、図７は、図６に示されたクラッチハブの断面図であり、体積で７５〜８０％の固体分率を有するチクソトロピック材料から成形され、大きな流れ性と再結晶との範囲を示す。図８は、図７と同様の図であるが、体積で６０〜７０％の固体分率を有するチクソトロピック材料から成形され、大きな流れ性と再結晶との範囲を示し、図９は、図７の領域Ａ１から採取した試料の写真であり、且つ図１０は、図７の領域Ａ２から採取した試料の写真である。本発明の利点を証明するために、一連の実験的試験を行い、アルミニウム合金を十分に溶融するために、液相温度以上の温度まで加熱した。この溶湯合金は正確にその液相温度まで冷却され（まだ十分に液体状態）、室温で鋼型に鋳造された。図１は２６１８アルミニウム合金で得られた組織の写真を示す。この合金の約４５０ｇが６３８℃の液相温度以上に加熱され、次に正確に６３８℃まで冷却された。この溶湯合金は、１２０ｍｍの外形と１４０ｍｍの外長さの環状鋼型に鋳造された。この鋳型の鋳型空隙部は、５０ｍｍの直径と８０ｍｍの長さであった。この鋳型は鋳造を開始したときは周囲温度であった。上述のように、図１はこの実験から得られた鋳物組織の写真を示す。図１の粒子と粒子の３次元映像との間の方位差測定が、それらが共晶相によって分離される独立した球状形であることを示した。図２は類似の装置を使用して得られた鋳造ままの組織写真であるが、溶湯は液相温度より約５０〜６０℃高い温度で鋳造した。図２に見られるように、樹枝状晶組織が得られた。この組織は特にチクソ成形加工に対して適切でない。２６１８合金で得られた顕微鏡組織は、液相温度からこれらの合金を鋳造することにより、２０１１（鍛錬合金）、７０７５（鍛錬合金）、及びＡ３５６（鋳造合金）のような他の鍛錬及び鋳造した合金を再生した。合計５４を越える実験が、種々の組成の材料（例えば、２６１８、２０１１、７０７５及びＡ３５６のアルミニウム合金の市販組成）及び顕微鏡組織（例えば、液相鋳造のまま、従来鋳造のまま、再加熱したまま及び加工したまま）を製造するために実施した。この材料の顕微鏡組織は光学顕微鏡で検査され、且つ樹枝状晶組織のないことを確かめるために像分析をした。チクソトロピック組織は、３次元モデル法及び走査形電子顕微鏡及び電子背面散乱パターンを使用して隣接する粒の方位を測定することによって確認した。液相鋳物２６１８のスラグは、約６０％の固体及び４０％の液体をである半固体温度範囲で再加熱された。次に、このスラグはナイフエッジを使用して切断し、または、平らなセラミック工具で手で圧縮して、容易に変形できるこの材料の性能を示すた。（従来の鋳造材料ではそうすることが不可能であった。）これはチクソ成形加工に使用するために材料の適合性を示す。別の実施態様において、液相鋳造したままの合金は、固体液体範囲の所望の加工温度まで実質的に再加熱して、正味の形状近くまでチクソ成形加工を続ける。液相鋳物２６１８合金の再加熱後の組織は図３に示す。微細で樹枝状晶のない組織が保持される。チクソ成形加工後のこの顕微鏡写真は図４に示され、流れ性は均質である。チクソ成形加工例本発明をさらに立証するために、さらに多くの実験を行った。この実験においては、適切な寸法のビレットを作成するために実質的に液相温度で金属溶湯を鋳造して得られた凝固金属を、誘導加熱炉を使用し半固体計画を行った。このビレットは誘導加熱炉内で２〜３分関保持された。得られた半固体ビレットは、次に市販５００トン液圧プレス機を使用して所望の成形加工条件で造形された。次の実施例で使用したチクソ成形加工においては、チクソトロピック材料のビレットが、開放成形型に導入される。この開放成形型は、その後製品を成形するために閉じられ、次に再び開放され仕上がった構成部材を取り出す。このことは、閉じられた成形型セットに射出スリーブを通してチクソトロピック材料が射出されるダイキャストに同類の成形加工法を使用する既知のチクソ成形加工法とは、対立するものであり、これは対立し既知のチクソ成形加工法を越えた独特のものと考えられる。しかしながら、開放成形型のチクソ成形加工法は、慣用の開放成形型の固体鍛造と混同してはならない。実際に、本発明で実施する開放成形型のチクソ成形加工法は、チクソ鋳造が例えば液状ダイキャストに例えられると同じように、慣用の閉じた固体鍛造に類似する。次の実施例で使用し且つ図５に模式的に示す本発明の「開放成形型」手段で実施するような、典型的チクソ成形加工工程は、次の工程からなる。（ａ）ビレットを再加熱すること、すなわちビレット１０が誘導加熱炉１２に供給され、且つチクソトロピック材料にするために、固相温度及び液相温度の間の温度で再加熱する。このチクソトロピック材料は好ましくは自己自立形ビレット（ｂ）であり、開放成形型１４、１６への運搬（ｃ）、鍛造行程開始及び成形加工、及びチクソ成形加工された構成材の取り出し（ｄ）（図示せず）を行う。直ちに、所望の半固体条件に再加熱されたビレット１０は、プレス機械１３容易に運搬され、成形型１４、１６が開放され、このビレット１０は誘導加熱コイルケース１２から取り出され、下側成形型１６に設置される。半固体（チクソトロピック）ビレットが配置されると、プレス作業員は成形加工工程（設定成形加工速度及び仕上げ成形加工荷重によって規定）を開始し、且つビレット１０は上側成形型１４と下側成形型１６とを閉る手段でチクソ成形加工される。成形加工工程の際に、チクソトロピック材料は成形型の輪郭を流動するために力が加わる。この成形型は予め決めた時間閉じておかれる（滞留時間）。滞留時間の経過後に成形型は開けられ、プレス作業員によってチクソ成形加工された製品が取り出され、成形型が正確な温度に環状ガス加熱器によって保持するために、再び成形型は閉じられる。加熱コイルからの半固体取り出し、プレス機へのその配置を含み且つ成形型を閉じて成形加工する持間によって規定されところの、典型的な成形加工工程は２０秒未満である。上記方法を使用し、市販売入手可能な２６１８アルミニウム合金を種々の変形条件の下でチクソ成形加工をした（以下に検討する）。凝固した金属のビレットは、液相温度から金属溶湯を鋳造することによって得られた。この実施例においてチクソ成形加工をしたことを立証する製品は、図６に示される自動車用クラッチハブである。この構成部材は、前もって慣用の鍛造法によって鋼から作成された。この構成部材を製造するための従来の鍛造方法においては、この構成部材は、荒地型と仕上げ型の二つの成形型を使用して作成され、仕上げ加工／機械加工作業が施された。製品が本発明にしたがうチクソ成形加工で製造された場合、単一工程で正味近くの形状の部品にするために、仕上げ型のみが必要となる。成形型１４に備えられた出発チクソトロピック材料は自己自立型環状ビレットであり、ビレットは約１．４の高さ／直径（Ｈ／Ｄ）の比率である。図６に示されるクラッチハブを製造するに使用したチクソ成形加工工程は、ビレットの高さを、ハブの中央領域で初期高さの約４０％まで、ハブの周辺フランジ部分で初期高さの約１１％まで減少させた。ハブの最終直径はチクソトロピック材料の環状直径の約２．４倍である。図６に示されるように、クラッチハブ２０の横断面は比較的単純な対称形（広い横断面の中央に位置するハブ区域２４から放射状に延在する実質的に平らな面２２）であるので、このフランジ周辺部２６の細部は、製品のこの特別な特徴を中実に再現するためには良好な流れ特性が必要であることを示す。クラッチハブ２０は、２６１８合金から広い範囲のチクソ成形加工条件でうまくチクソ鍛造された。研究した加工工程因子は、（ａ）半固体状態、すなわち、出発ビレット中の固体相の分率、（ｂ）成形型温度、及び（ｃ）成形加工速度である。これらの全ては、製品をチクソ成形加工可能にする容易性（またはそれらの不足）に関連する。一般的に、固体相の分率が低ければ低いほど液体構成要素の分率が高くなり、低い粘性は半固体スラリーチャージであり変形することを容易にする。負荷応力に対する半固体スラリー系の抵抗は、半固体鍛造において実際に負荷することができる固体分率の範囲（例えば、０．８≧固体分率≧０．５）に対しては、材料中の固体分率の上昇とともに急に上昇する。成形型温度は、チクソ鍛造の表面仕上げにほとんど関係し、より高い成形型温度は良い仕上げ表面を作成する傾向があり、また成形型と接触する半固体スラリーチャージの早まった凝結を防止する。成形加工温度は半固体チャージの剪断（変形）の割合に関係し、一般的に剪断割合が高いほど負荷応力に対する半固体スラリー系統の抵抗は低くなる。他の明らかに重要な変数は、半固体チャージの変形（造形）に対する負荷応力の必要性であり、これは従来の鍛造で必要とするよりも、チクソ成形加工においては数分の１である。全部で２５のチクソ成形加工試行において、０．８≧固体分率≧０．６の半固体材料の固体分率で、１５０〜３００℃の成形型温度で、０．１〜０．２ｍ／ｓの成形加工速度で、クラッチハブは巧くチクソ成形加工された。成形加工負荷は３５０トン（プレス機容量以下）であり、非常に小さい成形加工負荷で十分であることは明白である。十分な成形加工負荷は、上側成形型と下側成形型が接触し十分に閉じられた後にのみ製造する最終締付負荷のときにだけ適用される。半固体チャージの固体分率は、低（６０％固体）から中（７０％固体）また高（８０％固体）まで変化させ、各個体分率に対して、成形加工速度は低速（〜０．１ｍ／ｓ）から中速（０．２ｍ／ｓ）まで変化させた。低温（１５０℃）または高温（３００℃）の成形型温度は、チクソ鍛造したクラッチハブの表面仕上げ品位に影響しなかった。全てのチクソ鍛造試行において十分緻密で正味に近いクラッチハブが鍛造型で指示された形状に製造された。要約すると、液相温度で金属溶湯からビレットを鋳造することによって製造された凝固金属は、大いに有利なチクソ成形加工特性を示した。出発ビレットから仕上げ製品へと実質的に寸法変化を必要とする部品（自動車クラッチハブ）は、広い範囲のチクソ成形加工条件の基で、鍛造成形型によって指示するような正味の形状近くまで、単一工程で、容易にチクソ成形加工された。この条件は、半固体チャージ（８０％固体）の非常に高い固体分率、非常に冷たい鍛造成形型（１５０℃）及びゆるやかな成形加工速度を含む。チクソ鍛造の際の成形型充填特性からの予備結果は、２６１８合金の半固体チャージの変形に対する負荷行程輪郭は、プレス機が空っぽの成形型で操作したときに得られた輪郭（すなわち、半固体チャージの最小流れ抵抗を立証する）に非常に近い。先行技術のチクソ鍛造（チクソ鋳造と区別した）の幾つかの典型的な加工条件の幅は文献から入手する資料¹⁾から収集する。非常に単純な試験構成部材（例えば、平らな円盤）に対して、構成部材は４０〜８０％の固体分率で、０．１〜０．５ｍ／ｓの成形加工速度で、１５０〜３００℃の成形型でチクソ鍛造可能であることを示す。チクソ鋳造に対しては、低い固体分率（４０〜６０％）及び非常に速い成形加工速度（＞１ｍ／ｓ）が必要である。加工処理寸法の幅、またはチクソ成形加工法の柔軟性は、何方の場合も、チクソ供給原材料の品位、また製造される製品の複雑さにに強く依存する。また、こらは実質的に液相温度空の鋳造によって作成される出発材料の品位が脚光を浴びるのは、サウンド製品が通常作られる状態では（例えば、出発スラリー中の高固体分率で、低い成形型温度及び遅い成形加工速度）、十分に緻密で十分に成形加工された部品が、文献で示されるように、加工処理条件の外側限界で容易に作成されるためである。事実、公開された結果から考えられる。クラッチハブのチクソ成形加工で立証されるこのような外側の限界は、前述のような過度に単純な試験構成部材を除いて、現実の製品に対しては一般的に変化しない。本発明の「開放成形型」チクソ鍛造法で（チクソ）成形加工したときのチクソ成形加工した構成部材の顕微鏡写真は、いくぶん変わっている。クラッチハブ構成部材の断面を横切る顕微鏡写真の特徴は図７、８、９及び１０に要約される。図７において、強い流れ性と再結晶との区域が、流れ線３０によって示される。成形加工の際の半固体チャージの流れ方向を示す一次粒子（半固体スラリーチャージの加工成形の際の固体構成材料）が変形される領域が存在することが、図７及び１０に見ることができる。流れ領域の粒は、初期のビッレト中の球状粒から実質的に変化する。流れ領域はハブの中央部分とフランジの周辺部に沿って見られることが分かった。他の領域においては、如何に一次球状粒が変形前に初期に再加熱したチクソトロピックビレットに現れ、一次球状粒が大きく変化せずに残留する（図９参照）。流れ領域の限界は出発ビッレト中の初期固体分率に依存することが判明した。高い固体相分率では、これらの領域は増加することが判明し（図７に示すように）、そして低い固体分率でそれらが減少することが分かった（図８に示すように）。流れ領域の場所は、出発ビレットの固体相分率に係わらず同じであり、それらの限界のみが、前述するように固体分率にしたがって変化する。チクソ鍛造文献^1,2,3)に示される結果から見て、チクソ鍛造した構成部材に流れパターンの記載がないように、予想外の結果である。文献に示された顕微鏡組織は、上記実施例の流れ無しで変化しない領域のそれらと同一である。出発ビレットの固体分率が実質的に低い場合は、流れパターンが区別されることは上記結果の基本を前提とする。無視された流れパターンまたは流れの全くないパターンが６０％未満の固体分率で得られることは今までのところ得られた結果から分かった。２６１８合金からチクソ成形加工されたクラッチハブ部品の機械的性質は、全く促進され表２に要約する。試験は標準ＡＳＴＭのＥ８−９６にしたがって行った。チクソ鍛造した部品の引張り特性は熱処理によってい著しく改良された。表２．２６１８合金のチクソ鍛造したクラッチハブの基本結果熱処理極限引張り強さ降伏強度引張り伸び（ＭＰａ）（ＭＰａ）（％）チクソ鍛造３００１５０１５のままＴ５３１２２３５８Ｔ６３９７３４１５この結果は、以下の表３に示すように、文献のチクソ鍛造に対して示されたそれらと非常に有利に比較されるが、しかしながら２６１８合金に関するその他の結果は示されていないので直接比較することはできない。本発明の結果の極限強さ及び降伏強度と言う用語は、比較しうる合金（２０００系から）及び比較しうる熱処理規格（Ｔ５またはＴ６）に対して示されたそれらよりほとんど優れているだけでなく少なくとも優れている。また、引張り伸びは文献のチクソ鍛造品に対してしめされた結果と類似する。表３．先行技術の特性、チクソ鍛造した製品（文献から）⁴⁾ 合金熱処理極限引張り強さ降伏強度引張り伸び（ＭＰａ）（ＭＰａ）（％）２０１７Ｔ４３８６２７６８．８２２１９Ｔ８３５２３１０５６０６１Ｔ６３３０２９０８．２本発明のチクソ鍛造品の機械的性質は慣用の鍛造を行った較正材料（固体）から期待されるそれに近いかまたは優れていることが強く推奨される。Ｔ６条件において、慣用の２６１８合金鍛造品は、４００ＭＰａの極限引張り強さと、３１０ＭＰａの降伏強度と、４％の引張り伸びとが期待される。本発明のチクソ鍛造法はまだ十分な最適化されておらず、さらにチクソ鍛造の特性の改良が期待されることを注目する必要がある。チクソ成形加工したクラッチハブの優れた引張り特性は、チクソ成形加工した部品の独特な顕微鏡組織に関係することに注目することは非常に興味のあることである。試料は、流れパターンを含む構成部材の領域からと、これを含まない領域から採取した。流れパターンを有する領域は上記の優れた引張り特性を示し、一方流れパターンの観察されない領域は幾分低い引張り強度と伸びを示した。したがって、流れ組織は、チクソ成形加工された部品の引張り特性にプラス所持させることを有する本発明のチクソ成形加工の望ましい成果であることが結論できる。ここに記載される本発明は、特に記載されたこれらより別に変形改良されことは明白である。本発明の範囲及び考えから離れることなくこのような変形および改良が成されることは理解される。参考文献

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年５月１２日（１９９８．５．１２）【補正内容】明細書米国特許第４，８３２，１１２号でBringer等は、鋳塊、鍛造中間品及び埋没鋳造物(investment casting)を製造するための金属溶湯から微細粒等軸鋳物を成形する方法を開示する。この特許に記載される方法は、航空機工業において使用される超合金に主に関係し、且つ化学的に均質で微細粒なサウンド(sound)製品の製造に向けられる。この方法は、金属溶湯の殆どの過加熱を回避するため、調整した溶湯温度で金属を溶融することを含む。この金属溶湯を鋳型内に配置して、そして所定速度で混合物から熱を抜熱することによって凝固させ、金属溶湯を凝固させて固体製品を製造し、且つ製品全体が均質で実質的に等軸のセル状顕微鏡組織を得る。鋳塊の製造に使用する場合、金属溶湯の鋳型内導入前に溶湯にまたは鋳型全体で乱流が生じる。米国特許第４，８３２，１１２号は、金属溶湯の温度は、鋳造するときに、金属の測定融点を越え、２０°Ｆ（１１．１℃）以内である温度にすることを提案する。上記のように、米国特許第４，８３２，１１２号の方法は、埋没鋳造物、鋳塊または鍛造中間品を作成するために使用する。この特許はチクソ成形加工の記載はなく、実際にこの発明における鍛造性の改良及び埋没鋳造物の特性改良のための微細粒径に付いての強調は、チクソ成形加工による米国特許第４，８３２，１１２号の製品の後処理から離脱することを当業者に教示し、チクソ成形加工に潜在的に必要な部分的再溶融が粒径の粗大化をもたらす。本発明の目的は、チクソ成形加工のような半固体加工方法によって、固体製品を製造するために改良された方法を提供することである。第１の態様において、本発明は、合金を溶融して金属溶湯を製造する工程、実質的に液相温度から液相温度の上約５℃までの温度で金属溶湯の温度を調整する工程、前記温度で前記金属溶湯を鋳造する工程、鋳造金属を凝固して凝固金属を作成する工程、凝固金属を固相温度と液相温度の間の温度に再加熱することによって、凝固金属を部分的再溶解してチクソトロピック材料にする工程、及び所望の形状にチクソトロピック材料を成形する工程、を含む固体製品製造方法を提供する。鋳造時に、実質的に液相温度から液相温度の上約１０℃までの温度で金属溶湯の温度を非常に注意深く制御することによって、鋳造温度範囲の下限は、液相温度または液相温度より約２℃下までにする。金属溶湯を入れた容器内で凝固を最小または回避するために、金属溶湯の温度は鋳造する前は液相温度（前記上限以内）でまたはそれを越え維持することが好ましいと認められる。凝固金属を形成するために実質的に液相温度から液相温度の上１０℃、さらに好ましくは５℃までの温度で金属溶湯を鋳造することによって、凝固金属が部分的に再溶解されてチクソ成形され、且つ著しい成果がチクソ成形加工法において得られと言う驚くべきことが示された。例えば、チクソ成形加工法に対する処理範囲は広い。本発明によって行った試験は、チクソ成形加工が、高い固体分率と、低い型温度と、遅い成形速度で容易に行うことができ、ところが他の材料では同一の結果を得るために低い固体分率と、速い成形速度を必要とする。低い成形速度と低い型温度は、チクソ成形加工装置の摩耗と保守とを楽にし、一方チクソ成形加工装置の構成材の低い価格仕様を可能にする。高固体含有率のチクソ成形加工条件の基で最終製品に形成される流れ模様は最終製品の強度を高めるポテンシャルを有するので、高い固体分率は望ましい。本発明の好ましい実施態様において、金属溶湯は正確にその液相温度で鋳造される。金属溶湯の鋳造及びその後の凝固により生成された凝固金属は、好ましくはビレットまたは鋳塊の形である。凝固した金属は、低融点材料の相によって分離された独立の球状を含むところの鋳造ままの顕微鏡組織（通常共晶相）を有することが判明した。固相温度と液相温度との間の温度に凝固した金属を再加熱することは、固体粒子と金属溶湯合金を含む半固体材料またはスラリーが得られる。球状初期粒組織を有する凝固した金属の形態によって、材料をチクソ成形加工する以前に、長時間チクソ成形加工温度に半固体材料を保持する必要がない。これは、必要な形態を半固体材料に形成するために、先行技術の供給原材料の必要条件であった。大多数の金属合金は、本発明の方法に使用することができる。例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄合金及び超合金を含む。この表は網羅しない。本発明に使用する好ましい合金は表１に示されるそれらである。実質的に液相温度から液相温度の約５℃上までの温度で金属溶湯を鋳造する工程は、金属溶湯を鋳型に、好ましくは周囲温度または高温の鋳型に鋼鋳型に、鋳造することを含むことができる。別の実施例において、鋳造工程は、金属溶湯を、例えば、ビレットまたは鋳塊を形成するために、連続的または半連続的に鋳造することを含むことができる。連続的または半連続的に鋳造する実施例において、鋳造装置は、実質的に液相温度に保持した金属溶湯源から金属溶湯で供給することができる。その代わりに、保持炉または他の溶湯供給源は、液相温度より高く保持することができ、金属溶湯は、金属溶湯が鋳造装置に移されたときまたはその後に、実質的に液相温度まで冷却することができる。本発明のチクソ成形加工工程において、チクソトロピック材料は、外力を加えることなくその形状を保持できる好ましい自己支持形である。半固体またはチクソトロピック材料は、凝固した金属を部分的に再溶融することによって、体積で０．６〜０．８の固体分率を好ましく含む。チクソ成形加工の際に使用する成形速度は比較的遅くすることができ、また、チクソ成形加工の際の型温度は比較的低くすることができる。例えば、成形速度は約０．１ｍ／ｓから約０．２ｍ／ｓまでの範囲に下げることができる。型温度は、約１５０℃から約３００℃の範囲に下げることができる。本発明の方法は、チクソ成形加工操作因子の組み合わせが、単純な試験的構成物より他の製品を製造するのに対して不適切であると従来考えられたいたことに使用することを可能にした。本発明に使用するチクソ成形加工操作因子の組み合わせは、半固体材料中に高固体成分、低成形加工速度及び低型温度を含む。本発明の好ましい実施態様を、添付した図面を参照して次に説明する。図１は、２６１８アルミニウム合金をその液相温度で鋳造することによって得られた顕微鏡組織写真を示し、請求の範囲１．合金を溶融して金属溶湯を作成する工程、前記金属溶湯の実質的に液相温度から該液相温度の上約５℃までの温度に前記金属溶湯の温度を低下させる工程、前記温度で前記金属溶湯を鋳造する工程、鋳造した金属を凝固させて凝固金属を作成する工程、凝固した金属を固相温度と液相温度との間の温度に再加熱することによって、前記凝固した金属を部分的に再溶融して、チクソトロピック材料を作成する工程、及び前記チクソトロピック材料を所望の形状に成形加工する工程、を含む固体製品を製造する方法。２．前記鋳造する工程の際に、前記金属溶湯の温度が、実質的に液相温度から液相温度の上約２℃までにある請求項１記載の方法。３．前記鋳造する工程の際に、前記金属溶湯の温度が、液相温度である請求項１記載の方法。４．前記チクソトロピック材料が、自己自立型である請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。５．前記鋳造する工程の際に、前記チクソトロピック材料が、体積で少なくとも０．６の固体分率を有する請求項５記載の方法。６．前記鋳造する工程の際に、前記チクソトロピック材料が、体積で少なくとも０．６〜０．８の前記固体分率を有する請求項５記載の方法。７．前記成形加工する工程が、少なくとも一つの成形型を有するチクソ成形加工装置で行い、且つ前記少なくとも一つの成形型が３００℃未満の温度である請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。８．前記少なくとも一つの成形型が１５０℃〜３００℃の温度である請求項７記載の方法。９．前記成形加工する工程が、０．２ｍ／ｓ以下の成形加工速度で行われる請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。１０．前記成形加工速度が、０．１〜０．２ｍ／ｓである請求項９記載の方法。１１．前記金属溶湯を鋳型に鋳造する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。１２．前記鋳型が鋼鋳型である請求項１１記載の方法。１３．前記鋳型が、前記溶湯の鋳造前に周囲温度である請求項１１または１２に記載の方法。１４．前記鋳造する工程が、連続的鋳造または半連続的鋳造である請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。１５．前記成形加工工程が、開放成形下型を備える成形加工装置を準備する工程、前記成形下型の内または上に前記チクソトロピック材料を配置する工程、前記成形下型及び成形上型を互いに密接させ、それによって、前記チクソトロピック材料に力を働かせ且つ前記チクソトロピック材料を所望の形状に成形加工するように、前記成形下型及び成形上型の間で相対的に移動させる工程、前記成形下型及び成形上型を開く工程、及び前記成形加工装置から成形加工された材料を取り出す工程、を含む請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。１６．前記合金が、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄合金、チタニウム合金または超合金である請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。１７．前記合金が、アルミニウム合金名称Ｎｏ．２０１４、２６１８、６０６１、６０８２、７０７５から選択されたアルミニウム合金を含む請求項１６記載の方法。１８．前記合金が、マグネシウム合金名称Ｎｏ．ＡＺ８０、ＡＺ９１０）ＡＺ６１Ａ、ＡＭ６０Ａから選択されたマグネシウム合金を含む請求項１６記載の方法。１９．前記合金がニッケル超合金である請求項１６記載の方法。【手続補正書】【提出日】平成１１年２月４日（１９９９．２．４）【補正内容】 (1) 明細書を以下のように補正する。明細書第４頁１４行に記載の「液相温度の上約１０℃まで」を、『液相温度の上約５℃まで』に補正する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 1/02 ５０１Ｃ２２Ｃ 1/02 ５０１Ｂ５０３５０３Ｎ

Claims

【特許請求の範囲】１．合金を溶融して金属溶湯を作成する工程、前記金属溶湯の実質的に液相温度から該液相温度の上約１０℃までの温度に前記金属溶湯の温度を低下させる工程、前記温度で前記金属溶湯を鋳造する工程、鋳造した金属を凝固させて凝固金属を作成する工程、凝固した金属を固相温度と液相温度との間の温度に再加熱することによって、前記凝固した金属を部分的に再溶融して、チクソトロピック材料を作成する工程、及び前記チクソトロピック材料を所望の形状に成形加工する工程、を含む固体製品を製造する方法。２．前記鋳造する工程の際に、前記金属溶湯の温度が、実質的に液相温度から液相温度の上約５℃までにある請求項１記載の方法。３．前記鋳造する工程の際に、前記金属溶湯の温度が、実質的に液相温度から液相温度の上約２℃までにある請求項１記載の方法。４．前記鋳造する工程の際に、前記金属溶湯の温度が、液相温度である請求項１記載の方法。５．前記チクソトロピック材料が、自己自立型である請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。６．前記鋳造する工程の際に、前記チクソトロピック材料が、体積で少なくとも０．６の固体分率を有する請求項５記載の方法。７．前記鋳造する工程の際に、前記チクソトロピック材料が、体積で少なくとも０．６〜０．８の前記固体分率を有する請求項６記載の方法。８．前記成形加工する工程が、少なくとも一つの成形型を有するチクソ成形加工装置で行い、且つ前記少なくとも一つの成形型が３００℃未満の温度である請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。９．前記少なくとも一つの成形型が１５０°〜３００℃の温度である請求項８記載の方法。１０．前記成形加工する工程が、０．２ｍ／ｓ以下の成形加工速度で行われる請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。１１．前記成形加工速度が、０．１〜０．２ｍ／ｓである請求項１０記載の方法。１２．前記金属溶湯を鋳型に鋳造する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。１３．前記鋳型が鋼鋳型である請求項１２記載の方法。１４．前記鋳型が、前記溶湯の鋳造前に周囲温度である請求項１２または１３に記載の方法。１５．前記鋳造する工程が、連続的鋳造または半連続的鋳造である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。１６．前記成形加工工程が、開放成形下型を備える成形加工装置を準備する工程、前記成形下型の内または上に前記チクソトロピック材料を配置する工程、前記成形下型及び成形上型を互いに密接させ、それによって、前記チクソトロピック材料に力を働かせ且つ前記チクソトロピック材料を所望の形状に成形加工するように、前記成形下型及び成形上型の間で相対的に移動させる工程、前記成形下型及び成形上型を開く工程、及び前記成形加工装置から成形加工された材料を取り出す工程、を含む請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。１７．前記合金が、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄合金、チタニウム合金または超合金である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。１８．前記合金が、アルミニウム合金名称Ｎｏ．２０１４、２６１８、６０６１、６０８２、７０７５から選択されたアルミニウム合金を含む請求項１７記載の方法。１９．前記合金が、マグネシウム合金名称Ｎｏ．ＡＺ８０、ＡＺ９１０、ＡＺ６１Ａ、ＡＭ６０Ａから選択されたマグネシウム合金を含む請求項１７記載の方法。２０．前記合金がニッケル超合金である請求項１７記載の方法。