JP2003126950A

JP2003126950A - 半溶融金属の成形方法

Info

Publication number: JP2003126950A
Application number: JP2001325589A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Adachi; 充安達
Original assignee: Ube Machinery Corp Ltd
Current assignee: Ube Machinery Corp Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ビレットを使用することなくしかも煩雑な方
法をとることなく、簡便容易に、球状化した初晶を有す
る半溶融金属を得て、加圧成形する方法を提供すること
を目的とするものである。【解決手段】液相線温度に対して過熱度を５０℃未満
に保持された合金溶湯を断熱効果を有する容器の中に注
ぎ、該容器の中で３０秒〜３０分保持する場合におい
て、注湯中あるいは注湯後固相率が最大４０％までのい
ずれか一つ以上においての攪拌棒を用いて攪拌すること
により微細かつ球状化した初晶を有する温度分布の良い
半凝固金属を生成させ、高圧鋳造法では固相率１０％〜
８０％を示す温度まで下げて、押出し法や鍛造法では３
０％〜９９．９％の固相率を示す温度まで下げ該容器か
ら該合金を取り出して成形用金型に供給して加圧成形す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半溶融金属の成形
方法に係わり、特に合金溶湯を断熱効果を有する容器の
中に注ぎ、該容器の中で保持する場合において、注湯中
あるいは注湯後固相率が最大４０％になる時間攪拌棒を
用いて攪拌することにより微細かつ球状化した初晶を有
する合金を生成させ、該容器から該合金を取り出して成
形用金型に供給して加圧成形する半溶融金属の成形方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チクソキャスト法は、従来の鋳造法に比
べて鋳造欠陥や偏析が少なく、金属組織が均一で、金型
寿命が長いことや成形サイクルが短いなどの利点があ
り、最近注目されている技術である。この成形法（Ａ）
において使用されるビレットは、半溶融温度領域で機械
撹拌や電磁撹拌を実施するか、あるいは加工後の再結晶
を利用することによって得られた球状化組織を特徴とす
るものである。

【０００３】これに対して、従来鋳造法による素材を用
いて半溶融成形する方法も知られている。これは、たと
えば、等軸晶組織を発生しやすいマグネシウム合金にお
いてさらに微細な結晶を生じせしめるためにＺｒを添加
する方法（Ｂ）や炭素系微細化剤を使用する方法（Ｃ）
であり、またアルミニウム合金において微細化剤として
Ａｌ−５％Ｔｉ−１％Ｂ母合金を従来の２倍〜１０倍程
度添加する方法（Ｄ）であり、これら方法により得られ
た素材を半溶融温度域に加熱し初晶を球状化させ成形す
る方法である。

【０００４】また、固溶限以内の合金に対して、固相線
近くの温度まで比較的急速に加熱した後、素材全体の温
度を均一にし局部的な溶融を防ぐために、固相線を超え
て材料が柔らかくなる適当な温度まで緩やかに加熱して
成形する方法（Ｅ）が知られている。

【０００５】一方、ビレットを半溶融温度領域まで昇温
し成形する方法と異なり、球状の初晶を含む融液を連続
的に生成し、ビレットとして一旦固化することなく、そ
のままそれを成形するレオキャスト法（Ｆ）が知られて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た（Ａ）の方法は撹拌法や再結晶を利用する方法のいず
れの場合も煩雑であり、製造コストが高くなる難点があ
る。また、マグネシウム合金においては（Ｂ）の場合に
は、Ｚｒが高くコスト的に問題であり、（Ｃ）の方法で
は、炭化物系微細化剤を使用してその微細化効果を十分
に発揮させるためには、酸化防止元素であるＢｅを、た
とえば、７ｐｐｍ程度に低く管理する必要があり、成形
直前の加熱処理時に酸化燃焼しやすく、作業上不都合で
ある。

【０００７】一方、アルミニウム合金においては、単に
微細化剤を添加するだけでは５００μｍ程度であり、１
００μｍ以下の微細な結晶粒の組織を得ることは容易で
はない。このため、多量に微細化剤を添加する方法
（Ｄ）があるが、微細化剤が炉底に沈降しやすく工業的
には難しく、かつコストも高い。さらに（Ｅ）の方法で
は、固相線を超えてから緩やかに加熱して素材の均一加
熱と球状化を図ることを特徴とするチクソ成形法が提案
されているが、通常のデンドライト組織を加熱してもチ
クソ組織（初晶デンドライトが球状化されている）には
変化しない。

【０００８】しかも（Ａ）〜（Ｅ）のいずれのチクソ成
形法においても半溶融成形するために、一旦液相を固化
しそのビレットを再度半溶融温度領域まで昇温する必要
があり、従来鋳造法に比べてコスト高になる。また、
（Ｆ）の方法では、球状の初晶を含む融液を連続的に生
成供給するため、コスト的、エネルギー的にもチクソキ
ャストよりも有利であるが、球状組織と液相からなる金
属原料を製造する機械と最終製品を製造する鋳造機との
設備的連動が煩雑である。

【０００９】本発明は、前述した従来の各方法の問題点
に着目し、ビレットを使用することなくしかも煩雑な方
法をとることなく、簡便容易に、球状化した初晶を有す
る半溶融金属を得て、加圧成形する方法を提供すること
を目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この問題点を解決するた
めに、本発明における第１の発明では、液相線温度に対
して過熱度を５０℃未満に保持された合金溶湯を断熱効
果を有する容器の中に注ぎ、該容器の中で３０秒〜３０
分保持する場合において、注湯中または注湯後固相率が
最大４０％になる時間までのいずれか一つ以上において
該合金溶湯を攪拌棒で攪拌することにより微細かつ球状
化した初晶を有する温度分布の良い半凝固金属を生成さ
せ、高圧鋳造法では固相率が１０％〜８０％、押出し法
や鍛造法では３０％〜９９．９％の固相率を示す温度ま
で下げ、該容器から該合金を取り出して成形用金型に供
給して加圧成形するようにした。

【００１１】第１の発明を主体とする第２の発明では、
注湯中または注湯後固相率が最大４０％になる時間まで
のいずれか一つ以上において攪拌するとともに、攪拌中
は攪拌棒を振動させるようにした。また第１および第２
の発明を主体とする第３の発明では、該合金はＴｉを
０．００５％〜０．３０％添加したアルミニウム合金と
した。

【００１２】第１ないし第３の発明を主体とする第４の
発明では、該合金はＢを０．００１％〜０．０２％、Ｔ
ｉを０．００５％〜０．３０％添加したアルミニウム合
金とした。また、第１の発明を主体とする第５の発明で
は、該合金を最大固溶限内組成のマグネシウム合金とし
た。

【００１３】第５の発明を主体とする第６の発明では、
該マグネシウム合金はＳｒを０．００５％〜０．１％添
加したマグネシウム合金、またはＳｉを０．０１％〜
１．５％およびＳｒを０．００５％〜０．１％添加した
マグネシウム合金、またはＣａを０．０５％〜０．３０
％添加したマグネシウム合金とした。

【００１４】さらに、第１ないし第６の発明を主体とす
る第７の発明では、少なくとも容器の上部、下部のいず
れかを保温または該容器中央部に比べて高温に加熱する
ようにした。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る半溶融金属
の成形方法の具体的実施の形態を図面を参照して詳細に
説明する。

【００１６】図１は球状初晶の生成から成形までの工程
説明図、図２は比較例の成形体の金属組織を示す顕微鏡
写真、図３は本発明の成形品の金属組織を示す顕微鏡写
真を示す。

【００１７】液相線温度に対して過熱度を５０℃未満に
保持された合金溶湯を断熱効果を有する容器１の中に注
ぎ、該容器１の中で３０秒〜３０分間保持する場合にお
いて、注湯中あるいは注湯後固相率が最大４０％になる
時間までのいずれか一つ以上において攪拌棒３を用いて
攪拌することにより、また必要に応じて攪拌中振動する
ことにより微細かつ球状化した初晶を有する温度分布の
良い半凝固金属７を生成させ、該金属を高圧鋳造法では
固相率１０％〜８０％を示す温度まで下げて、押出し法
や鍛造法では３０％〜９９．９％の固相率を示す温度ま
で下げ該容器１から該金属を取り出して成形用金型に供
給して加圧成形することにより、球状化した初晶を含む
均質な組識を有する優れた成形体が得られる。

【００１８】［実施例］本発明においては、図１に示す
ように、まず、（１）液相線温度に対して過熱度は５０
℃未満に保持した合金溶湯を断熱効果を有する容器１に
注ぎ、注湯中、あるいは注湯後固相率が最大４０％にな
る時間までのいずれか一つ以上において該合金溶湯を攪
拌棒３で攪拌することにより微細かつ球状化した初晶を
有する温度分布の良い半凝固金属７を生成させ、その後
該金属を高圧鋳造法では固相率１０％〜８０％を示す温
度まで下げて、押出し法や鍛造法では３０％〜９９．９
％の固相率を示す温度まで下げて、該容器１を反転して
容器１より半凝固金属７を排出して成形用金型に供給し
て加圧成形する。半凝固金属７の冷却保持時間は、３０
秒〜３０分間である。

【００１９】具体的には以下のとおりである。すなわ
ち、図１の工程［１］において、ラドル２から溶湯金属
を容器１に注ぐ際に、振動しながら攪拌できる攪拌棒３
を溶湯金属中に浸漬させ直接接触させながら攪拌棒３を
加振して溶湯金属に振動を付与する。これにより、容器
１内の溶湯温度のばらつきを減らす。

【００２０】、工程［２］において注ぎ終えた後、容器
１を下部断熱材４の上に載置し、エアー５を容器１の外
周面から吹き付けて容器１内の合金を冷却しつつ振動す
る攪拌棒３を浸漬させて静かに攪拌しながら固相率を上
げる。固相率の最大は４０％である。これにより、攪拌
棒３から多数の結晶核が温度低下中も引き続き発生す
る。

【００２１】次に、工程［３］において、容器１の上に
上部断熱材４を載置し、目標の成形温度まで引続きエア
ー５を容器１に吹き付けて冷却する。また、必要に応じ
て容器１の上部断熱材４、下部断熱材４をセラミックで
保温するか、もしくはヒータ（例えば、赤外線ヒータ）
で加熱した容器１において半溶融状態で保持する。この
間、温度低下に伴い、球状結晶のサイズか大きくなる。

【００２２】この一連の工程の中で、容器１の材質は限
定されるものではないが、金属性容器であれば結晶の核
発生に効果的である。また、工程（２）、工程（３）に
おいて、容器１の下部、上部に必要に応じて断熱材を用
いて保温もしくは加熱することは温度の均一化に対して
効果的である。

【００２３】次に、工程［４］において、高圧鋳造では
ダイキャストのスリーブ６に一旦半凝固金属７を挿入し
た後加圧成形して成形品を作る。また押出し法ではコン
テナ内に半凝固金属７を挿入して加圧成形する。鍛造法
では、半凝固金属７を下型内に載置した後上型にてプレ
ス成形する。この場合必要に応じて、局部加圧により収
縮巣の発生を抑制する。

【００２４】以上述べたように、注湯中または注湯後固
相率が最大４０％になる時間まで該合金溶湯を攪拌棒３
で攪拌することにより微細かつ球状化した初晶を有する
温度分布の良い半凝固金属７を生成させ、高圧鋳造法で
は固相率が１０％〜８０％、押出し法や鍛造法では３０
％〜９９．９％の固相率を示す温度まで下げ、該容器１
から該合金を取り出して成形用金型に供給して加圧成形
することができる。

【００２５】図１に示すように本発明はと従来のチクソ
キャスト法と異なり固体状態の金属を昇温することで半
溶融状態にするものでなく安価な方法である。また、従
来のレオキャストと異なり１ショツトずつ半凝固金属７
を製造するため、成形機側との対応が容易である。

【００２６】また、注湯中、注湯後のいずれか一つ以上
において攪拌するために容器１内の半凝固金属７の温度
分布が良いこと、また攪拌中に攪拌棒３を用いて溶湯に
振動を与えることにより、多くの微細球状結晶を有する
半凝固金属７を得ることもできる。

【００２７】上述した各工程、すなわち、図１に示す
各工程において設定された条件や第２の発明、第３の発
明、第４の発明、第５の発明、第６の発明で示した数値
を限定した理由について以下に説明する。

【００２８】注湯温度が融点に対して５０℃以上高け
れば、（１）結晶の核発生が少なく、しかも（２）断熱
効果を有する容器１に注がれた時の溶湯の温度が液相線
よりも高いために、残存する結晶核の割合も低く、初晶
のサイズが大きくなる。このため、注湯温度は液相線に
対する過熱度が５０℃未満とする。

【００２９】溶湯を保持する容器１は、発生した初晶を
球状にし所定時間後に希望する液相率にするために、断
熱効果を有するものとする。

【００３０】その材質は限定されるものではなく、保温
性を有ししかも溶湯との濡れ性が悪いものが好ましい。
このため、容器１の材質が金属の場合にはセラミックを
塗布する。なお、容器１の形状は筒状に限定されるもの
ではなく、その後の成形法に適した形状が可能である。
その容器１での保持時間が３０秒未満であれば、均一な
温度分布を有し希望する液相率を示す温度にすることが
容易ではなく、また球状の初晶を生成することが困難で
ある。

【００３１】一方、保持時間が３０分を超えると生成し
た球状初晶が粗くなり成形性が低下し機械的性質が低下
する。また高コストにつながり工業的ではない。このた
め保持時間は３０秒〜３０分とする。

【００３２】高圧鋳造法では固相率１０％〜８０％で成
形する。固相率が８０％を超えると成形時の変形抵抗が
高く良好な品質の成形品を得ることが容易でない。１０
％未満であれば均一な組織を有する成形品を得ることが
できない。このため、成形時の固相率は１０％〜８０％
とする。

【００３３】押出し法や鍛造法では固相率３０％〜９
９．９％で成形する。固相率が９９．９％を超える半溶
融成形とは言えず変形抵抗が高い。３０％未満であれば
半凝固金属７の搬送、成形が容易でない。このため、成
形時の固相率は３０％〜９９．９％とする。

【００３４】注湯後攪拌する半凝固金属７の固相率は４
０％を超えて攪拌しても、結晶粒径が大きく変わらず、
また空気の巻き込みにもつながるため、４０％未満とす
る。

【００３５】攪拌は、容器１内保持金属の温度分布を改
善するために行うためであるから、容器１のサイズによ
り攪拌条件は異なるが、容器１外周部０．５回／秒〜５
回／秒の範囲とする。０．５回未満であれば、温度分布
が改善されず、また５回／秒を超えると空気を巻き込み
加圧成形体の機械的性質が良くない。振動は、攪拌中に
結晶核の生成を促進したり、攪拌棒３へのメタル付着の
防止に効果がある。このため、周波数は１０ヘルツ〜５
０Ｋヘルツ、片振幅は１ｍｍ〜０．１μｍとする。

【００３６】多数の結晶核を発生させ均一で微細な球
状組織を得るためアルミニウム合金においてはＴｉ、Ｂ
を添加し、またマグネシウム合金においてはＳｒ、Ｓ
ｉ、Ｃａを添加する。Ｔｉが０．００５％未満では微細
化効果は小さく、０．３０％を超えれば粗大なＴｉ化合
物発生し延性が低下するので、Ｔｉは０．００５％〜
０．３０％とする。

【００３７】ＢはＴｉと相俟って微細化を促進するが
０．００１％未満であれば微細化効果は小さく、０．０
２％を超えて添加してもそれ以上の効果を期待できない
ので、Ｂは０．００１％〜０．０２％とする。Ｓｒが
０．００５％未満であれば、微細化効果は小さく、０．
１％を超えて添加してもそれ以上の効果を期待できない
のでＳｒは０．００５〜０．１％とする。

【００３８】０．００５％〜０．１％のＳｒに０．０
１％〜１．５％のＳｉを複合添加することにより、Ｓｒ
単独添加よりもさらに微細な結晶粒が得られる。Ｃａが
０．０５％未満では微細化効果は小さく、０．３０％を
超えて添加してもそれ以上の効果を期待できないのでＣ
ａは０．０５％〜０．３０％とする。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に成形前の半溶融金属の条件および成
形材の品質を示す。成形は図３に示すように半溶融金属
７をスリーブ６内に挿入し、その後スクイズ鋳造機を用
いて行った。成形条件は、加圧力１００ＭＰａ、射出速
度０．１ｍ／ｓ、製品キャビテイ形状１００×１００×
１５、金型温度２００℃とした。容器１は、７０φ、高
さ２００ｍｍ、攪拌条件は、１回／秒、振動条件は片振
幅は０．１ｍｍ、周波数は１００ヘルツとした。

【００４１】比較例１では注湯温度が高いために容器１
内のメタル中に結晶の核が発生しにくい。このために、
温度分布はよいが、結晶粒径が大きかった。図２に示す
ように粗大な不定形の初晶しか得られなかった。比較例
２では攪拌時の最終固相率が高いために容器１内のメタ
ルの温度分布はよいが空気を巻き込み、成形体の機械的
性質がばらついた。

【００４２】比較例３では、攪拌せずしかも容器１を保
持するセラミックを使用しないために、容器１内メタル
の温度分布はよくなかった。比較例４では注湯後の保持
時間が長いために、結晶粒径が大きかった。

【００４３】一方、本発明の実施例１〜１４では図３に
示すように１００μｍ以下の微細な結晶粒が得られた。
特に低温注湯（過熱度３０℃）を用いて、しかも振動す
る攪拌棒３を用いて攪拌した、たとえば実施例２、実施
例３では容器１内メタルの温度分布も良く、また、攪拌
することで結晶核の発生が促されるために微細な結晶粒
が得られた。注湯後の攪拌時の最終固相率が高ければ容
器１外部に断熱材により保温する必要がない。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したことからも明らかなよう
に、本発明に関わる半溶融金属の成形方法では、液相線
温度に対して過熱度を５０℃未満に保持された合金溶湯
を断熱効果を有する容器の中に注ぎ、該容器の中で３０
秒〜３０分保持する場合において注湯中あるいは注湯後
固相率が最大４０％までのいずれか一つ以上において攪
拌棒を用いて攪拌することにより、また必要に応じて攪
拌中振動することにより微細かつ球状化した初晶を有す
る温度分布の良い半凝固金属を生成させ、高圧鋳造法で
は固相率１０％〜８０％を示す温度まで下げて、押出し
法や鍛造法では３０％〜９９．９％の固相率を示す温度
まで下げ該容該容器から該合金を取り出して成形用金型
に供給して加圧成形することにより、簡便容易に球状化
した初晶を含む均質な組識を有する優れた成形体が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】球状初晶の生成から成形までの各工程の模式図
である。

【図２】比較例の成形品の金属組織を示す顕微鏡写真で
ある。

【図３】本発明の成形品の金属組織を示す顕微鏡写真で
ある。

【符号の説明】

１容器２ラドル３攪拌棒４上部または下部の断熱材５エアー６スリーブ７半凝固金属

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液相線温度に対して過熱度を５０℃未満
に保持された合金溶湯を断熱効果を有する容器の中に注
ぎ、該容器の中で３０秒〜３０分保持する場合におい
て、注湯中または注湯後固相率が最大４０％になる時間
までのいずれか一つ以上において該合金溶湯を攪拌棒で
攪拌することにより微細かつ球状化した初晶を有する温
度分布の良い半凝固金属を生成させ、高圧鋳造法では固
相率が１０％〜８０％、押出し法や鍛造法では３０％〜
９９．９％の固相率を示す温度まで下げ、該容器から該
合金を取り出して成形用金型に供給して加圧成形するこ
とを特徴とする半溶融金属の成形方法。
【請求項２】注湯中または注湯後固相率が最大４０％
になる時間までのいずれか一つ以上において攪拌すると
ともに、攪拌中は攪拌棒を振動させることを特徴とする
請求項１記載の半溶融金属の成形方法。
【請求項３】該合金はＴｉを０．００５％〜０．３０
％添加したアルミニウム合金としたことを特徴とする請
求項１ないし請求項２記載の半溶融金属の成形方法。
【請求項４】該合金はＢを０．００１％〜０．０２
％、Ｔｉを０．００５％〜０．３０％添加したアルミニ
ウム合金としたことを特徴とする請求項１ないし請求項
３記載の半溶融金属の成形方法。
【請求項５】該合金を最大固溶限内組成のマグネシウ
ム合金としたことを特徴とする請求項１の半溶融金属の
成形方法。
【請求項６】該マグネシウム合金はＳｒを０．００５
％〜０．１％添加したマグネシウム合金、またはＳｉを
０．０１％〜１．５％およびＳｒを０．００５％〜０．
１％添加したマグネシウム合金、またはＣａを０．０５
％〜０．３０％添加したマグネシウム合金としたことを
特徴とする請求項５記載の半溶融金属の成形方法。
【請求項７】少なくとも容器の上部、下部のいずれか
を保温または該容器中央部に比べて高温に加熱したこと
を特徴とする請求項１ないし請求項６記載の半溶融金属
の成形方法。