JP2005238322A - 低融点金属合金の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固液共存温度領域でチクソトロピー性状を呈する低融点金属合金を成形材料とし、セミソリッドに溶解して射出成形する場合の作業終了時と一時休止時の残存材料の課題を、完全溶融状態で排出することで解決する。
【解決手段】 成形終了時の残余のセミソリッド材料を液相線温度以上の温度に加熱して溶解する。完全溶融状態で射出を行って加熱保持筒から排出する。加熱を停止して成形作業を終了する。残余のセミソリッド材料の排出は、成形材料と組成を等しくする金属素材を供給して行う。成形の一時休止は、加熱保持筒の温度を液相線温度以上の温度に昇温して、蓄積されているセミソリッド材料を完全溶融状態にして行う。成形再開時に完全溶融材料の射出による排出と、成形材料の供給とを行いながら、加熱保持筒の温度を元の固液共存温度領域の温度まで降温する。加熱保持筒内を供給された成形材料に置換してから成形を開始する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈する金属素材を成形材料するマグネシウム合金、アルミニウム合金等の低融点金属合金の成形方法に関するものである。

マグネシウム合金の成形方法として、金属素材を液相線温度以上の温度で液体合金に溶解し、この液体合金を傾斜冷却板の板面上を流下させて半溶融状態に急冷し、それを貯留槽で固液共存温度領域の温度に保持してチクソトロピー性状を有する金属スラリー（セミソリッド材料）となしたのち、チクソトロピーを潜在的に有する金属素材に鋳造し、この金属素材をインジェクシヨン装置により半溶融状態に加熱して蓄積しつつ金型に射出し、金属製品に成形することが行われている。

またマグネシウム合金等の成形手段として、ノズル口を先端に有する筒体の外周囲に加熱手段を備え、そのノズル口に接続した計量室を縮径により先端部内に形成した溶解金属保持筒（加熱保持筒）に、チクソトロピー状態の金属材料を供給蓄積し、その金属材料を内部の射出プランジャの進退移動により計量して金型に射出するものもある。
特開２００１−２５２７５９号公報 特開２００３−２００２４９号公報

固液共存温度領域でチクソトロピー性状を呈するセミソリッド材料は、液相と微細に球状化された固相との共存により低粘度の流動性を有する。このセミソリッド材料は射出されるまでチクソトロピー性状を保持する必要性から、固液共存温度領域の温度に加熱されているが、固相は固液共存温度領域の温度であつても、時間の経過にともない成長するので、時間が立つと固相率が高くなり、固相の密度が増して流動性が低下してゆく。このため蓄積されたセミソリッド材料の射出は許容時間内に行うのが好ましい。

このようなセミソリッド材料を固液共存温度領域の温度に保持して、加熱保持筒内に残したまま成形を一時休止すると、休止時間中の固相の成長により流動性が低下して、成形再開により射出を行うことが難しくなる。休止時間が許容時間内であれば射出を継続して行うことができるが、休止時間が長引くと大きく成長した固相により粘度が高くなり、流動抵抗が増大して円滑な射出が行えなくなる。場合によっては、大きく成長した固相が射出プランジャの噛りや目詰まり等の原因となって成形不能を来すようなこともある。

また成形終了時に、残余のセミソリッド材料を排出せずに成形作業を終了すると、固相は固相線温度に達するまで成長を続けてセミソリッド材料はソリッドとなる。このソリツドを再び固液共存温度領域の温度まで加熱して半溶融しても、一旦成長した固相は小さく変わることはないので、元のチクソトロピー性状を呈するセミソリッド材料に戻らず、高粘度で流動性が極めて低いセミソリッド材料となり、そのままでは射出が困難なものとなる。

この残余のセミソリッド材料は、成形終了時に射出を繰り返して排出すれば解決されるが、セミソリッドの状態では射出を繰り返しても、その一部が加熱保持筒の内壁面や射出プランジャ等に付着して残存することが多い。この付着物は固液共存温度領域の温度では溶解しないので、それを除去せずに新たな材料供給の下に成形作業を開始すると、付着物により射出プランジャの噛りや目詰まり等が生ずるので、成形開始前に加熱保持筒を液相線温度以上の温度に加熱して付着物の溶解排除を行う必要がある。

この発明の目的は、上記成形作業終了時の残余のセミソリッド材料による課題と、セミソリッド材料を加熱保持筒内に残したまま成形を一時休止したときの課題を、簡単な手段によりセミソリッド材料を完全溶融状態で排出することで解決できる新たな低融点金属合金の成形方法を提供することにある。

上記目的によるこの発明は、固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈する金属素材を成形材料とし、その成形材料を固液共存温度領域の温度に加熱してセミソリッド材料となし、そのセミソリッド材料の所要量を加熱保持筒に供給蓄積して、該加熱保持筒から金型に１ショットずつ射出する低融点金属合金の成形において、成形終了時の残余のセミソリッド材料を、液相線温度以上の温度に加熱して溶解し、完全溶融状態で射出を行って加熱保持筒から排出したのち、加熱を停止して成形作業を終了するというものであり、上記残余のセミソリッド材料の排出は、成形材料と組成を等しくする金属素材を供給して行う、というものである。

またこの発明は、固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈する金属素材を成形材料とし、その成形材料を固液共存温度領域の温度に加熱して固液共存状態にあるセミソリッド材料となし、そのセミソリッド材料の所要量を加熱保持筒に供給蓄積して、該加熱保持筒から金型に１ショットずつ射出する低融点金属合金の成形において、成形の一時休止は、加熱保持筒の温度を液相線温度以上の温度に昇温して、蓄積されているセミソリッド材料を完全溶融状態にして行い、成形再開時に完全溶融状態の材料の射出による排出と、成形材料の供給とを行いながら、加熱保持筒の温度を元の固液共存温度領域の温度まで降温し、加熱保持筒内を供給された成形材料に置換してから成形を開始するというものであり、上記の何れにおいても、上記完全溶融状態において攪拌を行い得るというものである。

この発明では、一時休止の事態が生じたときに、加熱保持筒内の温度を液相線温度以上の温度に昇温して、蓄積されたセミソリッド材料を完全溶融状態に保持するので、休止時間中の固相の成長による成形再開時の不具合が防止でき、完全溶融材料を仮成形により排出した後に成形を開始できるので、一時休止時間の長短に関係なく、再成形を短時間で開始することができる。

また成形終了時には、セミソリッド材料を粘度が殆どない完全溶融状態で排出するので、加熱保持筒の内壁面や射出プランジャなどに付着して残存することがなく、加熱保持筒内が清掃されるので、次回の成形に際して残存材料の除去作業が省け、成形の立上げ短時間で済むので成形効率が向上する。また材料替えもスムーズに行えるようになる。

図中１は金属成形機で、筒体２１の先端にノズル部材２２を有する加熱保持筒２と、短柱形の成形材料Ｍの溶解供給装置３と、加熱保持筒２の後部の射出駆動装置４とからなる。

成形材料Ｍは、溶湯を固液共存温度領域の温度に急冷して、微細に球状化された固相を含む半溶融合金を冷却して円柱体（丸棒ともいう）に鋳造したソリッドからなり、固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈するセミソリッドとなる低融点金属合金の金属素材からなる。

上記加熱保持筒２は、筒体２１の中程上側に設けた供給口に上記溶解供給装置３を備え、筒体外周囲にバンドヒータによる加熱手段２４を備える。この加熱手段２４は、成形材料Ｍとして用いられる低融点金属合金（たとえばマグネシウム合金、アルミニウム合金）の液相線温度と固相線温度との間の固液共存温度領域の温度に設定してある。

加熱保持筒２は筒体後端部を支持部材２３に取付けて、射出駆動装置４と共に水平面に対し４５°の角度に斜設してある。この斜設により下向きに位置する上記ノズル部材２２のノズル口と連通する先端部内は計量室２５となっている。この計量室２５には、上記射出駆動装置４により進退移動する射出手段２６の射出プランジャ２６ａが摺動自在に嵌挿してある。この射出プランジャ２６ａは外周面にシールリングを埋設した逆止弁２６ｃを軸部周囲に進退自在に備えており、その逆止弁２６ｃと軸部との間は、図では省略するが固液共存状態のセミソリッド材料Ｍ₁ の流路となっている。この流路の開閉は逆止弁２６ｃの後端面と射出プランジャ後部のシートリングとの接離により行われる。

上記射出手段２６のロッド２６ｂは、上記筒体２１の上部内の閉塞部材２７に貫挿して筒体内に設けた攪拌手段２８の中空の回転シャフト２８ｂに進退自在に挿通してあり、また回転シャフト２８ｂの先端部周囲には複数の攪拌翼２８ａが取付けてある。回転シャフト２８ｂの閉塞部材２７から突出した後端には、図では省略するが回転駆動装置が接続してある。

上記溶解供給装置３は、細長い管体の一端部内を閉塞して底部となし、その底部に溶融金属が流通する供給流路３１ａを穿設した溶解筒３１と、その外周囲に複数ゾーンに分割して個々に温度制御可能に設けたバンドヒータや誘導加熱器等による加熱手段３２と、溶解筒３１の上部に縦長に連結した供給筒３３とからなり、加熱手段３２は成形材料Ｍとして用いられる低融点金属合金が固液共存温度領域となる温度に設定してある。
なお、成形材料がチツプ等の粒状物の場合には、供給管４３の上端にホッパーが設けられる。

この溶解供給装置３は、溶解筒３１の底部側を筒体２１に設けた材料供給口に差込み、供給筒３３を上記支持部材２３に固設したアーム部材２９に取付けて加熱保持筒２に縦に設けられ、その下部から加熱保持筒２の溶湯面の内部までと、溶解筒３１の上部の空間内とにアルゴンガス等の不活性ガスの注入管３４ａ，３４ｂが設けてある。

上記溶解供給装置３において、多数ショット分の成形材料Ｍを供給管３１の上部開口から溶解管３１の底面まで落とし込むと、成形材料Ｍは溶解管３１の周囲からの加熱により溶解する。しかし、球状化された固相を含む成形材料Ｍでは、完全に溶融する前の固液共存状態で徐々に供給流路３１ａから筒体２１内に流出して、液相線温度に加熱した加熱保持筒２に上記セミソリッド材料Ｍ₁ として蓄積される。蓄積されたセミソリッド材料Ｍ₁ の温度は計量後に射出されるまで固液共存温度領域の温度に保持される。成形材料Ｍがマグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）の場合、加熱手段３２の温度は、５６０°〜５９０℃に設定され、また加熱保持筒２の加熱手段２４は５６０°〜６１０℃に設定される。

加熱保持筒２に蓄積したセミソリッド材料Ｍ₁ は、その一部が上記射出プランジャ２６ａの強制後退により上記流路から計量室２５に流入して、該計量室２５に１ショット分として蓄えられる。計量後にセミソリッド材料Ｍ₁ は射出プランジャ２６ａの強制前進により、ノズル２２から図示しない金型に直接又はホットランナーを通って射出され、所望形態の製品となる。

上記セミソリッド材料Ｍ₁ の固相率は温度によって異なるが、球状の固相は固液共存温度の高低差に関係なく時間の経過と共に成長して大きくなり、それに伴い固相率も高くなって液相における固相の密度も増すようになる。上記マグネシウム合金では、５７０℃で３０分保持した固相率は６９％となり、固相は総体的に大きく成長するが２００μを超えるものは少なく、チクソトロピー性状は保持されている。保持時間が３０分を超過してゆくと２００μを超える固相の割合が多くなり、固相率も７５％以上にも及ぶようになって流動性が低下してゆく。

加熱保持筒２に蓄積したセミソリッド材料Ｍ₁ でも同様で、蓄積時間が３０分以内であれば、射出プランジャ２６ａの強制後退による計量及び前進による金型への射出を支障なく円滑に行えるが、３０分を経過すると流動性が低下し、また大きく成長した固相が流路に詰まるなどして、射出プランジャ２６ａの後退移動によるセミソリッド材料Ｍ₁ の計量室２５への送り込みがわるくなる。このため成形ごとの計量が不安定となって、金型への射出量の不足からショートショットとなり易い。

このようなセミソリッド材料Ｍ₁ を、加熱保持筒２に蓄積したまま加熱を停止せずに成形を休止（成形中断）すると、休止時間中の固相の成長により粘度が高くなって流動性が著しく低下し、流動抵抗の大きな成形材料となって、再成形時に射出プランジャ２６ａの進退移動による計量及び射出が円滑に行えなくなる。そこで、休止時間が３０分を超えるような時には、加熱保持筒２を固液共存温度領域の温度から液相線温度以上の温度に昇温してセミソリッド材料Ｍ₁ を完全溶解し、完全溶融材料に置き換えてから、加熱を停止せずに休止する。

液相線温度以上の温度に保持された状態では、全てが液相で固相となる初晶は生じておらず、時間が経過しても液相には変化はないので、完全溶融状態で蓄積した場合には、休止時間が長引いても固相の成長による不具合は生じない。この完全溶融材料は固液共存温度領域の温度に冷却しても元の成形材料に戻ることはないので、成形開始時に排出して新たな成形材料と置き換える必要がある。

この置換は、新たな成形材料の供給と、蓄積された完全溶融材料の射出による排出とを行いながら、加熱保持筒２の温度を所定の固液共存温度領域の温度まで降温し、完全溶融材料が供給された成形材料に置き換えられてから、正常成形に移行する。これにより休止時間中の固相の成長による成形の不具合がなくなるので、休止時間後の再成形を支障なく行えるようになる。

図２は、成形休止工程を示すものである。成形材料Ｍが固液共存温度領域でチクソトロピー性状を呈するマグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）の場合、先ず成形休止時に加熱保持筒２の温度を５６０℃〜６１０℃から液相線温度以上の温度６２０℃〜６５０℃に昇温する。その温度を成形再開まで維持し、加熱保持筒内に蓄積されたセミソリッドの成形材料を完全溶融状態に置換する。休止後の成形は完全溶融した成形材料を排出したのち、またはセミソリッドの成形材料を供給しながら仮成形を行って排出したのちに開始する。

また加熱保持筒２内に、余剰のセミソリッド材料Ｍ₁ を排出せずに残して成形作業を終了すると、セミソリッド材料Ｍ₁ は徐冷されるので、固相は固相線温度に達するまで成長を続け、冷却固化により大きな初晶（固相）による金属組織のソリツドとなる。このソリッドの組織は固く巨大化した初晶によることから溶解し難く、また固液共存温度領域の温度まで加熱して半溶融しても、チクソトロピー性状を呈するセミソリッド材料に戻らず、高粘度で流動性が極めて低いセミソリッド材料となるので、そのまま次回の成形材料として使用することができない。そこで、成形終了時又は成形開始前に加熱保持筒２から排除する必要がある。

図３は、成形終了工程の２通りを示すものである。その１つは、先ず加熱保持筒２の温度を５６０℃〜６１０℃から６２０℃〜６５０℃に昇温する。設定温度に達したらその温度を維持してセミソリッドの残存材料を溶融し、完全溶融材料に置換してから排出する。この際、成形終了時の加熱保持筒内の残存量を確認して、残存量が多い場合にはパージ材料の供給による増量を行わずに残存材料の排出を行う。

また残存量が数ショット分しかないときには、加熱保持筒２の空焚きとなるのでパージ材料を供給し、増量しながら残存材料とパージ材料を完全に溶融して排出する。パージ材料には成形材料と同じ金属素材、成形材料と組成は等しいが固液共存状態でチクソトロピー性状を呈さない金属素材が使用される。

上記材料排出に際しては、攪拌の要否を確認し、必要がないときには上記射出手段２６を進退移動して排出する。必要の場合には上記攪拌手段２８を回転駆動して攪拌を行う。この攪拌により溶融材料中の酸化物や固相の分散が図られて溶融材料と共に射出されるので、加熱保持筒内の清掃ともなる。

材料排出は、射出手段２６の後退による計量と、前進による図示しない金型への射出とを繰返して行う。完全溶融状態では粘度が殆どないので、加熱保持筒２の内壁面や射出プランジャ２６ａなどに付着して残ることがなく、また射出プランジャ２６ａの噛りも防止されるので、その全量の排出が簡単に行える。加熱保持筒内の完全溶融材料の全てを排出したら加熱を停止する。

この発明の成形方法を採用し得る金属成形機の１実施形態の縦断側面図である。 この発明の成形方法における成形休止工程を示す説明図である。 同じく成形終了工程を示す説明図である。

符号の説明

１ 金属成形機
２ 加熱保持筒
３ 溶解供給装置
４ 射出駆動装置
２１ 筒体
２２ ノズル部材
２４ 加熱手段
２５ 計量室
２６ 射出手段
２６ａ 射出プランジャ
２６ｂ 射出ロッド
２８ 攪拌手段
２８ａ 攪拌翼
３１ 溶解管
３２ 加熱手段

Claims (4)

1. 固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈する金属素材を成形材料とし、その成形材料を固液共存温度領域の温度に加熱してセミソリッド材料となし、そのセミソリッド材料の所要量を加熱保持筒に供給蓄積して、該加熱保持筒から金型に１ショットずつ射出する低融点金属合金の成形方法において、
   成形終了時の残余のセミソリッド材料を、液相線温度以上の温度に加熱して溶解し、完全溶融状態で射出を行って加熱保持筒から排出したのち、加熱を停止して成形作業を終了することを特徴とする低融点金属合金の成形方法。
2. 上記残余のセミソリッド材料の排出は、成形材料と組成を等しくする金属素材を供給して行うことを特徴とする請求項１に記載の低融点金属合金の成形方法。
3. 固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈する金属素材を成形材料とし、その成形材料を固液共存温度領域の温度に加熱してセミソリッド材料となし、そのセミソリッド材料の所要量を加熱保持筒に供給蓄積して、該加熱保持筒から金型に１ショットずつ射出する低融点金属合金の成形方法において、
   成形の一時休止は、加熱保持筒の温度を液相線温度以上の温度に昇温して、蓄積されているセミソリッド材料を完全溶融状態にして行い、成形再開時に完全溶融状態の材料の射出による排出と、成形材料の供給とを行いながら、加熱保持筒の温度を元の固液共存温度領域の温度まで降温し、加熱保持筒内を供給された成形材料に置換してから成形を開始することを特徴とする低融点金属合金の成形方法。
4. 上記完全溶融状態において攪拌を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の低融点金属合金の成形方法。

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