JP2005246446A - 低融点金属合金の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固液共存温度領域においてチクソトロピー性状を呈する低融点金属合金の成形材料をセミソリッドに溶融し、これを射出して成形を行う場合の成形開始時の障害となる残存材料の課題を、完全溶融状態で排出することで解決する。
【解決手段】 成形作業開始時に、加熱保持筒の温度を成形材料の液相線温度以上の温度に昇温して、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料を完全溶融する。残存材料を完全溶融状態で射出により排出する。加熱保持筒に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て供給する。加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温しながら仮成形を行う。その温度が固液共存温度領域に達してから本成形を開始する。
【選択図】 図２

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と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融し、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ながら金型に射出し、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融金属保持筒（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

固液共存温度領域において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、成形終了時に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融しないので、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融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が、ソリッドとなって加熱保持筒内に残っていても、簡単な手段によりソリッドを完全溶融状態で排出して、供給された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による成形を開始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方法において、
成形作業開始時に、加熱保持筒の温度を成形材料の液相線温度以上の温度に昇温して、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料を完全溶融し、その残存材料を完全溶融状態で射出により排出したのち、加熱保持筒に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て供給し、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温しながら仮成形を行い、その温度が固液共存温度領域に達してから本成形を開始する、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方法において、
成形作業開始時に、上記金属素材と組成を等しくする金属素材をパージ材料として供給しながら、加熱保持筒の温度を成形材料及びパージ材料の液相線温度以上の温度に昇温し、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料と、供給したパージ材料の全てを完全溶融して射出により排出したのち、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て供給し、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温しながら仮成形を行い、その温度が固液共存温度領域に達してから本成形を開始する、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方法において、
成形作業開始時に、加熱保持筒の温度を成形材料の液相線温度以上の温度に昇温して、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料を完全溶融し、その残存材料を完全溶融状態で射出により排出したのち、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温し、その温度が固液共存温度領域に達してから、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供給して本成形を開始する、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方法において、
成形作業開始時に、上記金属素材と組成を等しくする金属材料をパージ材料として供給しながら、加熱保持筒の温度を成形材料及びパージ材料の液相線温度以上の温度に昇温し、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料と、供給したパージ材料の全てを完全溶融して射出により排出したのち、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温し、その温度が固液共存温度領域に達してから、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供給して本成形を開始する、というものである。
上記何れの成形方法においても、上記残存材料の溶解は、攪拌しながら行い得る、いうものである。

この発明では加熱保持筒内にソリッドとして残った前回の成形材料を、成形開始前に粘度が殆どない溶湯に完全溶融して排出するので、加熱保持筒の内壁面や射出プランジャなどへの付着もなくなり、射出プランジャの進退移動に対する流動抵抗も極めて小さいことから排出も円滑に行われて、従来よりも短時間で本成形を開始することができ、これにより成形効率が向上する。

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）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が進退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小径の供給流路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３３の上端にホッパーが設けられる。

また溶解供給装置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、成形作業の終了時に排出しないで置くと、加熱保持筒内にソリッド（図は省略）となって残存する。このソリッドは徐冷により大きく成長した結晶になるので組織は固く、固液共存温度領域の温度に再加熱して使用することはできないので、成形開始時にはそのソリッドを除去して、成形材料を供給して成形が行えるようにする必要がある。

図２及び図３は、成形作業開始から本成形開始に至る幾つかの行程を示すものである。
図２において、先ず前回成形の残存材料の量を確認する。この確認により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、そのまま加熱保持筒２の温度を液相線温度以上の温度（６２０°〜６５０℃）に昇温して、残存材料を完全に溶融する。

残存量が数ショット分しかないときには、パージ材料を供給して増量しながら加熱保持筒２の温度を上記温度に昇温し、残存材料とパージ材料とを完全に溶融する。パージ材料としては、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。

完全溶融が確認されたら、攪拌が必要かどうかを確認し、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しながら排出を行う。この排出は射出手段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。

図３において、排出が終了したら射出保持筒２の温度を、上記液相線温度以上の温度から固液共存温度領域の温度（５６０°〜６１０℃）まで降温する。この降温の過程で上記成形材料の供給を行うか否かを判断し、供給をしないときには固液共存温度領域の設定温度に達するまで待ち、射出保持筒２の温度が設定温度に達してから供給を開始する。上記供給は成形材料Ｍを溶融して行い、加熱保持保持筒２に設定ショット数のセミソリッド材料Ｍ₁ を蓄積したのち、上記射出手段２６の進退移動による計量と金型への射出とを繰り返して設定ショット数の仮成形を行う。その後に本成形を開始する。

また成形材料の供給を行うときには、降温して行く加熱保持筒２に成形材料Ｍを溶融して供給し、設定ショット数のセミソリッド材料Ｍ₁ が蓄積されてから仮成形を行う。そして加熱保持筒２の温度が固液共存温度領域の温度に達したら本成形を開始する。

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残存材料の排出工程を示す説明図である。 同じく成形開始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 (5)

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方法において、
   成形作業開始時に、加熱保持筒の温度を成形材料の液相線温度以上の温度に昇温して、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料を完全溶融し、その残存材料を完全溶融状態で射出により排出したのち、加熱保持筒に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て供給し、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温しながら仮成形を行い、その温度が固液共存温度領域に達してから本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。
2. 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方法において、
   成形作業開始時に、上記金属素材と組成を等しくする金属素材をパージ材料として供給しながら、加熱保持筒の温度を成形材料及びパージ材料の液相線温度以上の温度に昇温し、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料と、供給したパージ材料の全てを完全溶融して射出により排出したのち、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て供給し、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温しながら仮成形を行い、その温度が固液共存温度領域に達してから本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。
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方法において、
   成形作業開始時に、加熱保持筒の温度を成形材料の液相線温度以上の温度に昇温して、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料を完全溶融し、その残存材料を完全溶融状態で射出により排出したのち、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温し、その温度が固液共存温度領域に達してから、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供給して本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. 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方法において、
   成形作業開始時に、上記金属素材と組成を等しくする金属材料をパージ材料として供給しながら、加熱保持筒の温度を成形材料及びパージ材料の液相線温度以上の温度に昇温し、該加熱保持筒内にソリッドとなって残っている前回成形の残存材料と、供給したパージ材料の全てを完全溶融して射出により排出したのち、加熱保持筒の温度を成形材料の固液共存温度領域の温度まで降温し、その温度が固液共存温度領域に達してから、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供給して本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。
5. 上記残存材料の溶解は、攪拌しながら行うことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の低融点金属合金の成形方法。

Images