JP2001303150A

JP2001303150A - 鋳造用金属粒子およびその製造方法並びに金属射出成形法

Info

Publication number: JP2001303150A
Application number: JP2000121366A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Suganuma; 徹哉菅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】チクソインジェクションモールディングの優位
性を発揮させることができる鋳造用金属粒子を提供する
ことを目的とする。【解決手段】少なくとも２種以上の元素を含む合金から
なり平均粒径が１〜５ｍｍの球状をしていると共に全体
に対して１０〜６０体積％の初晶組織を有することを特
徴とする鋳造用金属粒子および、固液共存状態の半凝固
スラリを間欠的に加圧することによりノズルから滴出
し、略球状の半凝固粒子を形成し、それをさらに冷却し
て凝固する鋳造用金属粒子の製法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳造に使用される
鋳造用金属粒子と、その鋳造用金属粒子の製造方法なら
びにその鋳造用金属粒子を用いた金属射出成形法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】最近益々、軽量化の要求が強くなり、多
くの部材が従来の鋳鉄製等からアルミニウム合金製、マ
グネシウム合金製等の軽合金製に移行してきていると共
に金属製品の薄肉化が一層進むようになってきた。例え
ば、エンジン部材、自動車のホイール等のみならず、シ
ャーシ部材等にまで軽合金を用いた薄肉製品が使用され
るようになってきた。このような事情もあり、従来以上
に、均一で微細な金属組織をもち、鋳造欠陥等の少な
い、機械的強度に優れた鋳造製品が必要となってきてい
る。

【０００３】ところが、従来の重力鋳造や加圧鋳造等の
鋳造方法では、金属溶湯を冷却して液相状態から固相状
態に変態させていため、その際に生じる凝固収縮量（体
積収縮量）が大きく、収縮巣（内部引け）等の鋳造欠陥
を生じ易い。また、金属溶湯は、鋳型内壁に接している
部分から凝固を始め、内部へ樹枝状の初晶組織（デンド
ライト）を成長させていくため、鋳造製品の金属組織は
粗大で不均一になり易い。従って、重力鋳造や加圧鋳造
等の鋳造方法では、鋳造製品の機械的性質の向上を図る
ことも容易ではない。

【０００４】そこで、従来の鋳造方法の欠点を改善すべ
く、微細な初晶組織（固相）を含む固液共存状態の半凝
固スラリや半溶融スラリを鋳型に注入して凝固させるレ
オキャスティングやチクソキャスティングやチクソモー
ルディングが行われるようになってきた。これらの鋳造
方法によれば、微細な初晶組織が均一に分散した緻密な
金属組織をもつ金属製品が得られ、また、半凝固状態か
らの状態変化であるため、凝固収縮量が少なくなり、収
縮巣等の鋳造欠陥の発生も抑制できるとされている。ま
た、金属溶湯に較べてスラリの粘性が大きいため、スラ
リは層流状態で注入され、注入時に空気等を巻込み難
く、内部に気孔等が発生することを抑制、防止できると
されている。さらに、このような鋳造方法は、顕熱も小
さいため鋳型の長寿命化等が図れ、凝固時間も短いため
成形サイクルが短くなり、生産性、低コスト性に優れる
とされている。

【０００５】ここで、「レオキャスティング」とは、液
相状態の合金溶湯から冷却した固液共存の半凝固スラリ
状態で撹拌し、その半凝固スラリをキャビティに注入し
て凝固させる鋳造方法であり、「チクソキャスティン
グ」とは、レオキャスティングにより得られた鋳塊を加
熱して固液共存状態の半溶融スラリとし、その半溶融ス
ラリをキャビティに注入して凝固させる鋳造方法であ
る。「チクソモールディング」とは、射出成形機等を用
いて切削チップ等の粒子状の合金原料を固液共存状態と
してキャビティに注入して凝固させるものである。ま
た、チクソモールディングやチクソキャスティングは、
溶解炉等の設備が不要で作業環境や省エネルギ等に優れ
る。特に、マグネシウム合金等の金属製品を成形する場
合、金属射出成形法を用いると、大掛りな防火対策等を
施さずに比較的小型の設備で鋳造を行うことができるこ
とから、チクソモールディングが普及してきている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、低コスト
で、軽量な大型薄肉製品等を得る上で非常に有効と考え
られるチクソモールディングであるが、これまでその優
位性が十分には発揮されていなかった。その理由として
考えられるものを次に説明する。従来のチクソモールデ
ィングでは、金属射出成形機のホッパーにマグネシウム
合金の切削チップを投入して射出成形を行っていた。こ
の投入する切削チップは、鋳塊を数ｍｍ程度の大きさの
長粒状に切削した細片である。従って、その凝固組織は
樹枝状のデンドライトである。たとえ、レオキャスティ
ングした鋳塊を用いたとしても、鋳塊は大きな塊である
ため、全体的な冷却速度が遅く、レオ状態（半凝固スラ
リ）に含まれていた微細な初晶が成長して粗大組織とな
ってしまう。また、その鋳塊の外部と内部とでは冷却速
度が異なるため、形成される金属組織が異なり、全体的
に不均一な組織となる。従って、その鋳塊から得られる
切削チップも金属組織が各切削チップ毎にバラバラとな
り、その内部に含まれる初晶組織も粗大組織であった
り、樹枝状であったり、初晶組織とそれを包囲する他の
組織との割合が非常に不均一であったりしていた。

【０００７】このような、切削チップが金属射出成形機
のホッパーに投入されると、切削チップの形状が不均一
で歪（いびつ）であると共に、そこに含まれる初晶組織
の形状や分布も一定しないため、シリンダ内への切削チ
ップの充填性が悪いと共にシリンダ内での流動性も非常
に悪くなってしまう。そこで、従来、流動性を確保する
ために、切削チップの融点前後まで加熱して射出成形を
行っていた。しかし、このような加熱（過熱）を行う
と、切削チップが半溶融スラリというよりも通常の金属
溶湯に近い状態となるため、結局、チクソモールディン
グの特長が損われる結果となっていた。そして、その結
果得られる鋳造製品も、当然に、金属組織が不均一で収
縮巣やマイクロポア等の鋳造欠陥を有することになり、
チクソモールディングの特長が鋳造製品に十分に現れな
かった。

【０００８】また、高温の金属溶湯に近い低粘度状態
で、鋳型のキャビティ内に射出されるため、鋳型の合せ
部でバリが発生したり、鋳型寿命が短くなったり、加熱
エネルギが増大したりして、歩留りの低下や鋳造製品の
コストアップ等を招いてしまっていた。このように本発
明者は、従来、チクソモールディングの優位性が発揮さ
れない理由が鋳造用金属粒子（切削チップ）にあると考
えて、チクソモールディングを行う上で最適な鋳造用金
属粒子とは如何なるものか、また、その鋳造用金属粒子
は如何に製造すべきかを検討することとした。

【０００９】そこで、本発明者は、先ず、従来公報を調
査し、次のような関連する公報を抽出した。特開平７−３１６６１１号公報や特開平８−１０９４
２０号公報には、金属溶湯を加圧しながら多孔質材料中
やストレーナ中を通過させることにより製造される、初
晶組織を内包していると思われる金属粒化物の製造方法
が開示されている。ところが、それらの公報には、その
金属粒化物の形状や金属組織等について詳細な開示は何
らされていなかった。また、その実施例中でも、通常の
ダイキャストにその金属粒化物も使用しているに過ぎ
ず、チクソモールディングに適するものか否かは不明で
ある。さらに、そこに開示されている方法では、金属溶
湯を連続的に加圧しているため、多孔質材料中やストレ
ーナ中を通過して形成される金属粒化物の形状は不安定
となり、均一な形状や組織をもった金属粒化物を得るこ
とは容易ではない。また、スラリーを多孔質材料中やス
トレーナ中を通過させる際に固相がトラップされて液相
分離が起り、組成が変化するため、目標とするスラリー
粒子が得られない。特開平１１−１２３５０２号公報には、半溶融スラリ
をダイスの押出孔から押出して所定長さに切断し、金属
射出成形用ペレットを得る方法が開示されている。しか
し、この製造方法により得られるペレットは長粒状であ
るため、金属射出成形機のシリンダ内への充填性等が良
くない。また、チクソモールディングを行う上での適切
な形状（大きさ）や金属組織に関する開示も何らされて
いない。特開平１−３０９９３７号公報や特許２６８１８０１
号公報には、アトマイズ法により半凝固スラリから金属
粒子を得る方法が開示されている。しかし、このような
方法で得られる金属粒子は、その大きさが数十から数百
μｍ程度の微粉末であり、金属射出成形機等に充填する
と、ブリッジを起しやすく、充填性がかえって悪化して
しまう。また、微粉末とすることにより、環境安全面等
から取扱いが面倒となってしまう。特に、マグネシウム
合金系は、燃焼、爆発等の危険性も高い。さらに、表面
積が増加することにより、使用する金属合金の酸化が進
み易すくなり、成形品の機械的性質の低下等を招いたい
り、使用する金属合金の種類によっては、防燃設備等が
別途必要になったりして好ましくない。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みて為され
たものある。つまり、チクソモールディングを行うに際
して、その原料として適した形状および組織をもつ鋳造
用金属粒子を提供することを目的とする。また、そのよ
うな鋳造用金属粒子を効率よく製造することができる製
造方法を提供することを目的とする。さらに、その鋳造
用金属粒子を用いて、生産性や成形品の品質向上を図る
ことができる金属射出成形法を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者は、この
課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤すると共に各種
系統的実験を重ねた結果、粒径と初晶組織の割合に着目
することにより、チクソモールディングに適した鋳造用
金属粒子を開発するに至ったものである。また、その鋳
造用金属粒子の製造に適した製造方法を開発すると共
に、得られた鋳造用金属粒子を用いて機械的性質等に優
れる射出成形品を得ることができる金属射出成形法を開
発するに至ったものである。

【００１２】（鋳造用金属粒子）すなわち、本発明の鋳
造用金属粒子は、少なくとも２種以上の元素を含む合金
からなり平均粒径が１〜５ｍｍの球状をしていると共に
全体に対して１０〜６０体積％の初晶組織を有すること
を特徴とする。

【００１３】鋳造用金属粒子が、平均粒径１〜５ｍｍの
球状をしているため、金属射出成形機への充填性等に優
れ、ブリッジ等も起こしがたい。また、適当な大きさで
あるため、安全性も高く、取扱いも容易である。そし
て、その鋳造用金属粒子を加熱して半溶融スラリを形成
する場合、ほぼ均一な球状をしているため、全体的に熱
が伝達され易い。また、初晶組織の割合も全体に対して
１０〜６０体積％と適度で均一であるため、その初晶組
織（固相）を包囲するように、いわゆるネットワーク状
に均一に液相が出現し易い。これらにより、液相線温度
より十分に低い温度で良好な流動性を示す半溶融スラリ
が得られ、鋳型のキャビティ内への注入等が容易とな
る。特に、低温領域で良好な流動性を示すようになるた
め、過熱の心配が少なく、初晶組織の成長を抑制でき
る。このため、その鋳造用金属粒子を使用してチクソモ
ールディングを行うと、その本来の利点を活かすことが
できる。つまり、初晶組織が微細にかつ均一に分散し、
凝固収縮量や鋳造欠陥等が少ない鋳造製品が得られる。
そして、その鋳造製品は、機械的性質や寸法精度等に優
れる。

【００１４】また、余分な過熱が不要であるため、省エ
ネルギも達成できる。また、低温域で適度な粘性をもつ
半溶融スラリが得られるため、鋳型の合せ部からのバリ
の発生を抑制できて歩留りが高まると共に鋳型の寿命も
延び、鋳造製品のコスト低減を図ることもできる。この
ように、本発明に係る鋳造用金属粒子を用いると、チク
ソモールディング本来の特徴を十分に活かすことができ
る。ここで、鋳造用金属粒子の平均粒径を１〜５ｍｍと
したのは、５ｍｍを越えると、金属射出成形機の内部で
充填性が低下し、また加熱時の熱伝達性が低下し、また
半溶融スラリにしたときに液相の出現が不均一となり、
また巻込まれるガス量等が増加したりするからである。
また、このような状態で射出成形等が行われると、鋳造
欠陥が現れやすくなり、鋳造製品の機械的性質の低下等
を招くからである。

【００１５】一方、１ｍｍ未満では取扱に不便であると
共に、微細になる程ブリッジ等を起して、充填性がかえ
って低下することにもなる。また、表面積が増加して、
鋳造用金属粒子の表面が酸化され易くなり、ひいては、
鋳造製品の品質低下に繋がる。また、かさ密度の増大に
より、例えば、金属射出成形機のスクリュの駆動トルク
が増大して射出成形性が低下する。また、使用する合金
の種類によっては、表面酸化が急激に進行して発火する
恐れもあるため、それを防止するために大掛りな防燃設
備等が必要となる。なお、ここで鋳造用金属粒子の平均
粒径は、多数の粒子の外観写真から画像処理をして求め
ることができる。そして、充填性、取扱性等の点から、
平均粒径が２〜３ｍｍであると、より好ましい。初晶組
織の割合を１０〜６０体積％としたのは、１０体積％未
満では半溶融スラリの特長を引出すことが困難だからで
ある。一方、６０体積％を越えると、半溶融スラリの粘
度が大きくなり過ぎて流動性や鋳造性（湯回り）が低下
するからである。ここでは、初晶組織の割合を体積％で
示したが、固液共存状態の固相率と同義であり、鋳造用
金属粒子の断面組織では面積率として表される。この初
晶組織の割合は、流動性の点から２０〜５０体積％であ
るとより好ましい。

【００１６】また、この初晶組織が、略球状をしており
平均粒径が１０〜２００μｍであると、好適である。

【００１７】初晶組織が略球状をしていると、半溶融ス
ラリにおける流動性が良好となり、鋳造製品においても
略球状の初晶組織が均一に分散した金属組織を得ること
ができ、鋳造製品の機械的性質の向上を図る上で好まし
い。ここで、その平均粒径を１０〜２００μｍとしたの
は、１０μｍ未満の微細化を図るためには、組織や製造
プロセス上の制御条件が大きくなり、きわめてコスト高
となり、２００μｍを越えると、組織の微細化による機
械的性質の向上が期待できなくなるからである。なお、
この初晶組織の平均粒径は、粒子の断面組織写真から画
像処理して求めることができる。そして、流動性や鋳造
製品の機械的性質の向上を一層図るべく、初晶組織の平
均粒径は、１０〜１００μｍであるとより好ましく、さ
らには１０〜５０μｍであると、一層好ましい。

【００１８】（鋳造用金属粒子の製造方法）本発明の鋳
造用金属粒子の製造方法は、少なくとも２種以上の元素
を含む固液共存状態の半凝固スラリを形成する半凝固ス
ラリ形成行程と、該半凝固スラリ形成行程により形成さ
れた半凝固スラリを間欠的に加圧することによりノズル
から滴出して略球状の半凝固粒子を形成する半凝固粒子
形成行程と、該半凝固粒子形成行程により得られた半凝
固粒子をさらに冷却して全体的に凝固させる凝固行程
と、からなることを特徴とする。

【００１９】半凝固スラリを間欠的に加圧してノズルか
ら滴出しているため、半凝固粒子のサイズ、初晶組織
（固相）の割合を容易に変更でき、例えば、前述した平
均粒径１〜５ｍｍで初晶組織の割合が１０〜６０体積％
の鋳造用金属粒子を容易に製造できる。より具体的に
は、例えば、加圧量とノズルの孔径と半凝固スラリの固
相率等を適宜調整することにより、鋳造用金属粒子のサ
イズ、初晶組織の割合を大きな自由度の範囲で変更でき
る。それに、半凝固スラリは金属溶湯よりも粘性が大き
いため、ノズルの孔径を多少大きくしても、半凝固スラ
リが連続的に漏出するといったことが起らず、ノズルの
孔径を大きくできることにより、固相のトラップによる
液相分離や固相（初晶組織）の目詰りを抑制、防止でき
る。しかも、その半凝固粒子はノズルから滴出する際、
表面張力により略球状となるから、球状の鋳造用金属粒
子を得る上で好都合である。また、加圧間隔を調整する
ことにより、生産量の調整も容易である。

【００２０】（金属射出成形法）本発明の金属射出成形
法は、少なくとも２種以上の元素を含む合金からなり平
均粒径が１〜５ｍｍの球状をしていると共に全体に対し
て１０〜６０体積％の初晶組織を有する鋳造用金属粒子
を加熱して固液共存状態の半溶融スラリを形成する半溶
融スラリ形成行程と、該半溶融スラリ形成行程により形
成された半溶融スラリをキャビティ内に射出する射出行
程と、を含むことを特徴とする。

【００２１】前述の鋳造用金属粒子を用いた金属射出成
形により、チクソモールディング本来の利点を引出すこ
とができる。つまり、金属射出成形機への充填性やその
内部での流動性が良好となり、また、合金の固相線上の
低温でも固相（初晶組織）と液相とが均一に分布した半
溶融スラリが得られ、初晶組織の成長を抑制しつつその
半溶融スラリを鋳型内のキャビティに注入できる。この
ため、本発明の金属射出成形法によれば、均一で微細な
金属組織をもち機械的性質に優れた鋳造製品が得られ
る。また、比較的低温で適度な粘性の半溶融スラリがキ
ャビティに注入されることにより、凝固収縮量が小さく
て鋳造欠陥を抑制・防止でき、また、凝固速度が速いた
め射出成形サイクルを短縮できて生産性の向上も図れ、
また、鋳型の合せ部からのバリ等も少なく、歩留り向上
も図れる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を挙げ
て、本発明をさらに詳しく説明する。（鋳造用金属粒子）鋳造用金属粒子を構成する合金は、
少なくとも２種以上の元素からなれば良く、全ての元素
が金属元素である必要はない。例えば、アルミニウム合
金系であれば、Ａｌと、第二元素であるＳｉ、Ｍｇ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｌｉ等とからなるものがあり、マグネ
シウム合金系であれば、Ｍｇと、第二元素であるＡｌ、
Ｚｎ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｓｎ、Ａｇ等とからなるものがあ
り、共晶型の合金であれば良い。実用合金の場合であれ
ば、鋳造用合金やダイキャスト用合金に限らず、展伸用
合金においても本発明の鋳造用金属粒子を構成できる。
もっとも、これらは一例に過ぎず、原理的にみても、ア
ルミニウム合金系やマグネシウム合金系に限られるもの
ではない。

【００２３】もっとも、この鋳造用金属粒子を構成する
合金が、アルミニウム合金またはマグネシウム合金であ
ると、好適である。アルミニウム合金やマグネシウム合
金からなる鋳造用金属粒子を用いることにより、軽量な
鋳造製品の成形が可能となり、特に、軽量化の要求が強
い大型薄肉製品等を鋳造する場合に好ましい。なお、特
に、マグネシウム合金からなる鋳造用金属粒子を用いて
金属射出成形を行うと、大型の鋳造設備や防燃設備等を
設けずにマグネシウム合金製品を容易に得られる。いず
れにしても、適切に組成と温度調整を行えば、初晶組織
と共晶組織等をもつ鋳造用金属粒子が得られる。そし
て、この鋳造用金属粒子を加熱すると、合金の固相線以
上の温度で、先ず、共晶組織が溶解して、その液相が初
晶組織をネットワーク状に包囲する固液共存状態の半溶
融スラリを得ることができる。

【００２４】（鋳造用金属粒子の製造方法）半凝固スラリ形成行程は、少なくとも２種以上の元素
からなり初晶組織（固相）を含む固液共存状態の半凝固
スラリを形成する工程である。半凝固スラリは、合金溶
湯の冷却過程で形成される。合金溶湯の形成とその後の
初晶組織の形成とを連続的に一つの装置中で行うと、設
備の小型化を図れ、効率的である。例えば、鋳塊を高周
波誘導加熱装置（インダクションヒータ：ＩＨ）で完全
に加熱溶解してから局部的に冷却コイル等で冷却するこ
とにより、初晶組織を含む半凝固スラリを形成できる。
また、半溶融スラリは、例えば、レオキャスティングに
より得た鋳塊を加熱し、部分的に溶解して形成しても良
い。

【００２５】この半凝固スラリ形成行程は、その半凝固
スラリを強制攪拌することにより非樹枝状の初晶組織を
形成する行程であると、好適である。半凝固スラリ形成
行程で半凝固スラリを強制攪拌すると、その剪断力によ
り樹枝状の初晶組織（デンドライト）が粉砕され、非樹
枝状（略球状）の初晶組織が容易に形成され、微細均一
な組織が得られる。この半溶融スラリ形成行程で得られ
た非樹枝状の初晶組織は、半凝固粒子や鋳造用金属粒子
に引継がれ、最終的には鋳造製品に引継がれる。この結
果、均一で緻密な金属組織をもった鋳造製品が得られる
こととなる。なお、この強制攪拌は、機械的攪拌、電磁
的攪拌等の他、スラリに剪断力を付与する手段であれ
ば、特に拘らない。

【００２６】半凝固粒子形成行程は、前述の半凝固ス
ラリを間欠的に加圧することによりノズルから滴出して
略球状の半凝固粒子を形成する工程である。この半凝固
スラリの間欠的な加圧は、周期的でも、非周期的でも良
い。また、間欠的な加圧は、半凝固スラリ上に介在させ
た不活性ガスの気圧変動等を利用して間接的に加圧して
も良いし、ピストン等で半凝固スラリを直接的に加圧し
ても良い。その加圧するアクチュエータとして、例え
ば、電磁アクチュエータを利用できる。つまり、アクチ
ュエータに周期的な電圧信号を印加することにより、半
凝固スラリを周期的（間欠的に）に加圧できる。

【００２７】ノズルは、細管状のものでも良いし、半凝
固スラリの容器の底部に設けた孔でも良い。また、半凝
固スラリは金属溶湯と比較すると粘性が大きいため、そ
の孔径が大きくても不用意に半凝固スラリが垂れたりし
ない。そして、孔径を大きくできるため、固相の初晶組
織を含む半凝固スラリが通過するにも拘らず、固相のト
ラップや液相分離を起さず、また、ノズルの目詰りを防
止できる。

【００２８】凝固行程は、前述の半凝固粒子をさらに
冷却して全体的に凝固させる工程である。例えば、不活
性ガス等を半凝固粒子に向けて噴射することにより行う
ことができる。半凝固粒子は、通常、数ｍｍ程度の粒径
であるため、実質的に急冷に近い状態で鋳造用金属粒子
となる。このため、半凝固粒子に含まれていた微細な初
晶組織が殆ど成長することなく、微細な初晶組織をもつ
鋳造用金属粒子が得られることとなる。そして、この冷
却速度は、１０²℃／ｓｅｃ以上、例えば、１０²〜１０
³Ｋ／ｓｅｃとすると好適である。従来の切削チップの
原材である鋳塊の冷却速度（１０¹〜１０²Ｋ／ｓｅｃ程
度）に較べてかなり高速で冷却されるため、得られる鋳
造用金属粒子の金属組織微細化を図る上で好ましい。

【００２９】（金属射出成形法）この金属射出成形法
は、一般的な金属射出成形機を用いて行うことができ
る。特定形状の特定金属組織をもつ鋳造用金属粒子を用
いることにより、半溶融スラリ形成行程をより低温で行
うことができ、低温であるため、初晶組織の成長も抑制
できる。また、低温状態の半溶融スラリを鋳型のキャビ
ティ内へ射出できるので、凝固収縮量も少なく、鋳造欠
陥の少ない射出成形品を得ることができる。なお、この
半溶融スラリ形成行程における加熱には、例えば、誘導
加熱装置を用いることができる。

【００３０】

【実施例】以下に、実施例を挙げて、本発明についてよ
り具体的に説明する。（鋳造用金属粒子の製造方法）先ず、本発明に係るアル
ミニウム合金製の鋳造用金属粒子の製造方法について、
図１を用いて説明する。アルミニウム合金（組成：Ａｌ
−４．５％Ｃｕ、融点：６５０℃（液相線）〜５４０℃
（固相線））の合金溶湯をセラミック製坩堝１１１に投
入した後、セラミック製坩堝１１１の外周を巻回する高
周波誘導加熱コイルを備えたインダクションヒータ１１
２（高周波誘導加熱装置）で加熱する。そして、温度を
６３０〜５６０℃に設定して初晶組織（固相）を出現さ
せ、固液共存状態の半凝固スラリ１１３を形成する。

【００３１】このとき、セラミック製坩堝１１１の中央
には、回転と上下振動を行える回転振動子１１４が中央
に配設されている。この回転振動子１１４は、モータと
アクチュエータとを組合わせた回転・振動駆動源により
駆動されている。このとき、例えば、モータ回転を５０
０〜３０００ｒｐｍとして運転すると良い。なお、この
振動源として、電磁アクチュエータや偏心カム等を用い
ても良い。この回転振動子１１４が回転すると、半凝固
スラリが強制攪拌され、樹枝状の初晶組織が剪断力で粉
砕されて、略球状の初晶組織が形成されるようになる。
この略球状の初晶組織を含む半凝固スラリはセラミック
製坩堝１１１の底部に集り、セラミック製坩堝１１１の
底部から下方に延びるノズル１１５へと導かれる。この
ノズル１１５は孔径２〜３ｍｍであり、外周はインダク
ションヒータ１１２により前記６００℃前後の設定温度
±１０℃に温度調整がなされている。

【００３２】なお、インダクションヒータ１１２は独立
式であり、セラミック製坩堝１１１の上部側とノズル１
１５側とで加熱調整ができ、最適な温度に調整できるよ
うになっている。ところで、前述の回転振動子１１４の
下端はテーパ状となっており、そのテーパ面がノズル１
１５の上部開口周端に当接するようになっている。そし
て、回転振動子１１４が回転・振動駆動源により上下振
動させられて、ノズル１１５の上部開口は間欠的に開閉
される。

【００３３】ここで、セラミック製坩堝１１１は、正圧
状態の不活性ガス（Ａｒガス）が内部に充填されたケー
ス１１０内に載置されている。そのＡｒガスにより半凝
固スラリが押圧された状態となっているため、回転振動
子１１４の上下振動によりノズル１１５から略球状の初
晶組織を含んだ所望の半凝固スラリが滴出され、半凝固
粒子１０が得られる。こうして得られた半凝固粒子１０
は、ケース１１０の下方に接続されたケース１２０内を
落下していく。このとき、ケース１２０の上方両側に設
けられたガス噴射ノズル２２から、下方向きにＡｒガス
が吹付けられ半凝固粒子１０は強制冷却される。なお、
半凝固粒子１０の粒径は２〜３ｍｍ程度あるため、素早
く冷却される。このため、半凝固粒子１０は、均一微細
な略球状の初晶組織は維持したまま凝固し、鋳造用金属
粒子２０となる。

【００３４】こうして得られた多数の鋳造用金属粒子２
０は、ケース１２０の底部にあるロート１２３を通って
金属射出成形機４のホッパー４１１へ移される。なお、
この鋳造用金属粒子の製造装置１は、ケース１１０とケ
ース１２０との内部がＡｒガス雰囲気であるため、製造
された鋳造用金属粒子２０の酸化を防止できる。このた
め、鋳造用金属粒子の製造装置１は、アルミニウム合金
製の鋳造用金属粒子に限らず、後述するマグネシウム合
金製の鋳造用金属粒子の製造にも最適なものである。も
っとも、鋳造用金属粒子２０の粒径は２〜３ｍｍ程度あ
るため、半凝固粒子１０を空冷することとしても、発火
等のおそれはない。

【００３５】図２に、鋳造用金属粒子の製造装置１の一
部を置換した別の鋳造用金属粒子の製造装置２（置換部
のみを図示）を示す。この製造装置２では、先ず、鉄製
坩堝２１１で鋳塊をインダクションヒータ２１２により
加熱して合金溶湯を形成しておく。次に、その合金溶湯
をその鉄製坩堝２１１の下方に延びるノズル２１５内に
導き、ノズル２１５の外周を巻回する冷却コイル２１６
により冷却する。そして、そのノズル２１５内で形成さ
れた初晶組織を回転振動子２１４により粉砕して、略球
状の初晶組織にする。このような状況で回転振動子２１
４が上下振動を行うことにより、適切な割合で略球状の
初晶組織を含んだ半凝固スラリがノズル２１５の下部開
孔から滴出され、半凝固粒子１０が形成される。これ後
の冷却・凝固は、図１に示した鋳造用金属粒子の製造装
置１と同様にして為される。

【００３６】図３に、鋳造用金属粒子の製造装置１の一
部を置換した鋳造用金属粒子の製造装置３（置換部のみ
を図示）を示した。この製造装置３は、大径の有底円筒
状をした鉄製坩堝３１１の底部にノズル３１５を複数設
けたものである。インダクションヒータ３１２により加
熱、温度調整がされた半凝固スラリ３１３の上部には、
円盤状の回転振動子３１４が配設される。この回転振動
子３１４が上下振動することにより、半凝固スラリ３１
３は複数のノズル３１５から押出されて多数の半凝固粒
子３１が一度に得られる。従って、この製造装置３によ
れば、鋳造用金属粒子２０の生産性が著しく向上する。
なお、回転振動子３１４の上下振動により半凝固スラリ
３１３が押圧されるようになっているから、半凝固スラ
リ３１３の上面からＡｒガス等により加圧する必要はな
い。この後の冷却・凝固は、図１に示した鋳造用金属粒
子の製造装置１と同様にして為される。

【００３７】（金属射出成形法）次に、前述の製造方法
により得られた鋳造用金属粒子２０を用いた金属射出成
形法について説明する。この金属射出成形法は、図４に
示す金属射出成形機４を用いて行うことができる。以
下、順を追って説明する。先ず、金属射出成形機４のホ
ッパー４１１に鋳造用金属粒子２０を投入する。ホッパ
ー４１１に投入された鋳造用金属粒子２０は、その自重
により加熱シリンダ４２２内に落下していく。加熱シリ
ンダ４２２は、その外周に巻回されたバンドヒータ４２
３により加熱される。加熱シリンダ４２２には熱伝対
（図示なし）が埋込まれていて、加熱シリンダ４２２お
よびノズル４２４内の温度管理ができるようになってい
る。例えば、ノズル４２４付近に存在する半溶融スラリ
の温度が６００℃前後の設定温度±１０℃となるよう
に、バンドヒータ４２３による加熱が制御されている。

【００３８】加熱シリンダ４２２内にはスクリュー４２
１が配設されており、駆動ユニット４１２内の油圧モー
タにより駆動される。そして、ホッパー４１１から落下
してきた鋳造用金属粒子２０は、順次、スクリュー４２
１の溝を通ってノズル４２４側へと送られる。このと
き、鋳造用金属粒子２０はバンドヒータ４２３により加
熱されながらノズル４２４側に送られるので、ノズル４
２４近傍で半溶融スラリが形成されるようになってい
る。なお、このとき従来例に比べて比較的低温で良好な
流動性を示すので、油圧モータによる駆動トルクは少な
くできる。また、従来の６５０℃前後に比して半溶融ス
ラリは比較的低温であるため、鋳造用金属粒子２０中の
初晶組織があまり成長することはない。微細な略球状の
初晶組織が液相中に均一に分散した半溶融スラリは、ノ
ズル４２４から金型４３１と金型４３２とにより形成さ
れたキャビティ４３３内に注入される。なお、この注入
は、スクリュー４２１が駆動ユニット４１２内の油圧ピ
ストンにより押圧されることにより為される。

【００３９】そして、金型４３１、４３２内で半溶融ス
ラリが冷却・凝固されて、所望形状の成形品（鋳造製
品）が得られる。ホッパー４１１の周囲はＡｒガス雰囲
気であり、鋳造用金属粒子２０の酸化が防止されるよう
になっている。この金属射出成形機４は、後述のマグネ
シウム合金製品を射出成形する場合にも好適な装置であ
り、Ａｒガス雰囲気とすることにより防燃効果もある。
なお、鋳造用金属粒子２０と金属射出成形機４とによ
り、微細な金属組織をもつ射出成形品を容易に得られる
ところにチクソモールディングの利点があるが、前述の
鋳造用金属粒子の製造装置１と金属射出成形機４とを組
合わせることが可能である。

【００４０】（マグネシウム合金製の鋳造用金属粒子）
次に、マグネシウム合金製の鋳造用金属粒子を製造する
場合について説明する。基本的に、前述のアルミニウム
合金製の鋳造用金属粒子と同様に製造すれば良い。但
し、当然ながら合金組成により温度条件が異なり、ま
た、酸化や燃焼を防止することに十分な注意を払う必要
がある。ここで用いたマグネシウム合金（組成：Ｍｇ−
９％Ａｌ−０．７％Ｚｎ）は融点６００（液相線）〜４
７０（固相線）℃であり、チクソモールディングの特長
をより引出す上で好適な材料と言える。

【００４１】具体的に述べると、前述のセラミック製坩
堝１１１内での半凝固スラリの温度を５８０〜４９０℃
の間で５３０℃前後になるようにした。また、金属射出
成形機４の加熱シリンダ４２２内の半溶融スラリの温度
が５３０±１０℃となるように保持した。ちなみに、従
来法による切削チップで推奨されている成形温度は、５
８０〜６１０℃である。これら一連の工程を図５に示
す。

【００４２】（試験結果および評価）前述の製造装置１により製造したアルミニウム合金製
鋳造用金属粒子の組織の模式図を図６（ａ）に示す。こ
れから、微細な略球状の初晶組織がほぼ均一に分散して
おり、その周囲を共晶組織がネットワーク状に取巻いて
いることが解る。なお、この鋳造用金属粒子の粒径は約
３ｍｍであり、この図から求めた初晶組織の面積率は、
約４０％程度であった。比較のため、従来法による半溶
融インゴットから製作した切削チップの金属組織の模式
図を図６（ｂ）に示した。

【００４３】次に、マグネシウム合金製の鋳造用金属
粒子について、初晶組織の体積％と半溶融スラリの流動
性との相関を図７に示す。なお、本発明の鋳造用金属粒
子を用いた実施例は実線で示し、従来の切削チップを用
いた比較例は破線で示した（以下、同様である）。この
グラフから、初晶組織の割合が６０体積％程度までは半
溶融スラリの流動性が良好であるが、６０体積％を越え
るあたりから流動性が急激に低下することが解る。

【００４４】同様にマグネシウム合金製の鋳造用金属
粒子について、金属射出成形機４の加熱シリンダ４２２
への充填性および粒子の流動性とその粒径との相関を図
８（ａ）に示した。このグラフから、粒径が１〜５ｍｍ
のときに、充填性と流動性との両方に優れることが解
る。

【００４５】同様にマグネシウム合金製の鋳造用金属
粒子について、射出成形品の鋳造欠陥とその粒径との相
関を図８（ｂ）に示した。このグラフから、粒径が１〜
５ｍｍのときに、鋳造欠陥が比較例よりも少なくなって
いることが解る。

【００４６】同様にマグネシウム合金製の鋳造用金属
粒子について、射出成形品の強度特性および組織微細化
とその粒径との相関を図８（ｃ）に示した。このグラフ
から、粒径が１〜５ｍｍのときに、引張強度が比較例を
上回っていることが解る。また、粒径が１〜５ｍｍのと
きに、金属組織が比較例よりかなり微細化されているこ
とが解る。

【００４７】

【発明の効果】本発明の鋳造用金属粒子を用いれば、チ
クソモールディング本来の利点を引出すことができ、鋳
造製品の金属組織微細化や機械的性質向上等を図れる。

【００４８】また、本発明の鋳造用金属粒子の製造方法
によれば、その鋳造用金属粒子を効率よく生産できる。

【００４９】また、本発明の金属射出成形法によれば、
金属組織が微細で機械的性質等に優れる射出成形品を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鋳造用金属粒子の製造装置を模式的に
示した図である。

【図２】本発明の鋳造用金属粒子の製造装置に係る変形
例を示した図である。

【図３】本発明の鋳造用金属粒子の製造装置に係る他の
変形例を示した図である。

【図４】本発明の金属射出成形法に係る金属射出成形機
を模式的に示したである。

【図５】鋳造用金属粒子から射出成形品までの一連の工
程を示した工程図である。

【図６】本発明の鋳造用金属粒子の金属組織の模式図で
あり、同図（ａ）は実施例の金属組織の模式図であり、
同図（ｂ）は比較例の金属組織の模式図である。

【図７】本発明の鋳造用金属粒子について、初晶組織の
体積％と半溶融スラリの流動性との関係を示す相関図で
ある。

【図８】本発明の鋳造用金属粒子について、粒径が及す
影響を示す相関図であり、同図（ａ）は粒径と充填性お
よび流動性との相関を示す図であり、同図（ｂ）は粒径
と鋳造欠陥との相関を示す図であり、同図（ｃ）は粒径
とそれから得られた成形品の強度および組織との相関を
示す図である。

【符号の説明】

２０鋳造用金属粒子１０半凝固粒子１１５ノズル４３３キャビティ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２種以上の元素を含む合金から
なり平均粒径が１〜５ｍｍの球状をしていると共に全体
に対して１０〜６０体積％の初晶組織を有することを特
徴とする鋳造用金属粒子。
【請求項２】前記初晶組織は、略球状をしており平均粒
径が１０〜２００μｍである請求項１記載の鋳造用金属
粒子。
【請求項３】前記合金は、アルミニウム合金またはマグ
ネシウム合金である請求項１記載の鋳造用金属粒子。
【請求項４】少なくとも２種以上の元素を含む固液共存
状態の半凝固スラリを形成する半凝固スラリ形成行程
と、該半凝固スラリ形成行程により形成された半凝固スラリ
を間欠的に加圧することによりノズルから滴出して略球
状の半凝固粒子を形成する半凝固粒子形成行程と、該半凝固粒子形成行程により得られた半凝固粒子をさら
に冷却して全体的に凝固させる凝固行程と、からなることを特徴とする鋳造用金属粒子の製造方法
【請求項５】前記半凝固スラリ形成行程は、さらに、前
記半凝固スラリを強制攪拌することにより非樹枝状の初
晶組織を形成する行程である請求項４記載の鋳造用金属
粒子の製造方法。
【請求項６】少なくとも２種以上の元素を含む合金から
なり平均粒径が１〜５ｍｍの球状をしていると共に全体
に対して１０〜６０体積％の初晶組織を有する鋳造用金
属粒子を加熱して固液共存状態の半溶融スラリを形成す
る半溶融スラリ形成行程と、該半溶融スラリ形成行程により形成された半溶融スラリ
をキャビティ内に射出する射出行程と、を含むことを特徴とする金属射出成形法。