JP2007083264A - アルミニウム製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】型枠の内部空間で溶湯を凝固させることでアルミニウム製品を製造する方法であって、厚肉のアルミニウム製品にも薄肉のアルミニウム製品にも適用することが可能で、かつ、形状が複雑なアルミニウム製品や肉厚が不揃いのアルミニウム製品を簡単にしかも安価に製造することが可能なアルミニウム製品の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】型枠１の内部空間１０で溶湯３を凝固させることでアルミニウム製品を製造する方法であって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる微小片を型枠１の内部空間１０に充填した後に、微小片の集合体２を加熱して溶湯３を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミニウム製品の製造方法に関する。

アルミニウム製品又はアルミニウム合金製品（以下、単に「アルミニウム製品」という。）の製造方法の一つとして、所定の形状に成形された砂型や金型に溶湯を注入する「鋳造」が知られている。

ところで、形状が複雑なアルミニウム製品（鋳物）や薄肉部分を有するアルミニウム製品を製造する場合には、重力を利用する鋳造方法よりも、加圧力を利用する鋳造方法（ダイカスト）が採用されることが多い（例えば、特許文献１参照）。

なお、特許文献１には、形状が複雑なアルミニウム製品や薄肉部分を有するアルミニウム製品を容易に製造することができるダイカスト用金型として、工具鋼からなる母材のキャビティ側の面に熱伝導率の小さい析出硬化系ステンレス鋼を積層したものが開示されている。
特開２０００−３１７６０８号公報

ところが、特許文献１の金型は、その製造コストが高いという問題がある。また、ダイカスト法について共通する問題ではあるが、溶湯を圧入するための溶湯圧入装置が高価であるという問題もある。さらに、ダイカスト法では、金型に高圧が作用するとともに、高速で圧入される溶湯によって金型に大きな衝撃力が作用することから、重力を利用する鋳造方法の場合よりも、金型の寿命が短くなる虞がある。

また、ダイカスト法は、厚肉部分を有するアルミニウム製品や肉厚が不揃いなアルミニウム製品には不向きであるし、アルミニウム製品の形状が著しく複雑である場合には、湯回り不良が発生する虞もある。

そこで、本発明は、前記した従来の鋳造方法の短所を解消することが可能なアルミニウム製品の製造方法を提供することを課題とする。すなわち、本発明は、型枠の内部空間で溶湯を凝固させることでアルミニウム製品を製造する方法であって、厚肉のアルミニウム製品にも薄肉のアルミニウム製品にも適用することが可能で、かつ、形状が複雑なアルミニウム製品や肉厚が不揃いのアルミニウム製品を簡単にしかも安価に製造することが可能なアルミニウム製品の製造方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明は、型枠の内部空間で溶湯を凝固させることでアルミニウム製品を製造する方法であって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる微小片を型枠の内部空間に充填した後に、前記微小片の集合体を加熱して溶湯を形成することを特徴とする。

本発明によると、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる微小片を型枠の内部空間に充填してから当該微小片の集合体を溶融して溶湯を形成するので、型枠の内部空間が複雑な形状を呈している場合であっても、その隅々まで溶湯を行き渡らせることが可能となる。つまり、本発明によれば、形状が複雑なアルミニウム製品や肉厚が不揃いのアルミニウム製品を簡単に製造することが可能となる。なお、本発明に係る製造方法は、厚肉のアルミニウム製品にも薄肉のアルミニウム製品にも適用することができる。

また、高温の溶湯を型枠に注入する従来の製造方法（鋳造方法）においては、溶湯の取り扱いに注意を払う必要があったが、本発明においては、型枠の内部空間において溶湯を形成するので、従来の鋳造方法よりも手軽にアルミニウム製品を製造することが可能となる。

さらに、本発明においては、型枠に高い圧力や衝撃力が作用することもなく、湯回り不良を防ぐための特別な細工を型枠に施す必要もないので、型枠の製作費用が安価になる。

なお、微小片の形態は、型枠の内部空間に充填可能なものであれば特に制限はなく、繊維状や切片状であってもよいが、好適には、粉末状又は顆粒状であることが望ましい。微小片が粉末又は顆粒であれば、その取り扱いがより一層容易になるとともに、狭小な空間であっても、隙間なく充填することが可能となる。

なお、アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末は、アルミニウム又はアルミニウム合金の塊を機械的方法で粉化するか、あるいは、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金（すなわち、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯）から直接粉化することにより得ることができる。特に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を真空又は不活性ガス中で噴霧することで粉化すれば、粉末中の酸化物の量が少なくなるので、不純物の少ないアルミニウム製品を得ることができる。

なお、粒状の微小片は、例えば、アルミニウム製又はアルミニウム合金製のワイヤを細かく切断することで得ることができる。

また、前記微小片は、より好適には、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金からなることが望ましい。このような組成の合金であれば、その溶融温度（融点）が低いため、製造効率が向上する。

なお、本発明においては、前記集合体を加熱する前に、前記型枠の内部空間を真空又は不活性ガス雰囲気にするとよい。真空又は不活性ガス雰囲気中で微小片の集合体を加熱して溶融すれば、溶湯の表面に酸化膜が形成されることを防ぐことができるので、溶湯の湯回り性を良好に保つことができる。

また、本発明においては、前記溶湯を加圧してもよい。このようにすると、型枠の内部空間に残留したガスを効率よく排出することが可能となるので、いわゆる巻き込み巣が発生し難くなる。

本発明に係るアルミニウム製品の製造方法によると、形状が複雑なアルミニウム製品や肉厚が不揃いのアルミニウム製品を簡単にしかも安価に製造することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法は、図１に示すように、アルミニウム合金からなる微小片を型枠１の内部空間１０に充填した後に（図１の（ｂ）参照）、微小片の集合体２を加熱して溶湯３を形成し（図１の（ｃ）参照）、型枠１の内部空間１０で溶湯３を凝固させることでアルミニウム製品Ａを製造するものである（図１の（ｄ）参照）。

型枠１は、図１の（ａ）に示すように、鋳鉄や耐熱合金鋼で形成された一対の金型１１，１２からなる。金型１１，１２を型合せしたときに形成される内部空間（キャビティ）１０には、製造すべきアルミニウム製品Ａ（図１の（ｄ）参照）に対応する製品相当部１０ａと、この製品相当部１０ａに連通する押湯部１０ｂとがある。なお、図示は省略するが、金型１１，１２には、電熱線が埋設されており、当該電熱線に通電することで、金型１１，１２が加熱される。

微小片は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金（アルミニウム合金）からなる粉末である。この粉末は、溶融したＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金を真空又は不活性ガス中で噴霧することで形成されたものである。このような製法で得た粉末であれば、粉末中の酸化物の量が少なくなるので、不純物の少ないアルミニウム製品Ａを製造することが可能となる。ちなみに、前記した製法で得た粉末は、球状を呈し、その粒度は５〜５００μｍ程度である。なお、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の塊を機械的方法で粉化してもよい。機械的に粉化した粉末は、鱗片状（フレーク状）を呈し、その粒度は２〜２００μｍ程度である。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の組成は、溶融温度（融点）が５２５℃である三元共晶組成（Ｃｕ：２６．７質量％、Ｓｉ：５．３質量％）に近似するものであることが望ましい。具体的には、Ｃｕ（銅）を２２〜３７質量％、Ｓｉ（珪素）を３〜１２質量％含み、残部がＡｌ（アルミニウム）及び不可避的不純物であるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金であることが望ましい。ＳｉおよびＣｕの比率が前記した数値範囲にあれば、５３０〜５６０℃という低い温度範囲で微小片を溶融させることが可能となるので、アルミニウム製品Ａの生産効率が向上する。

なお、微小片を構成する金属の種類は、製造すべきアルミニウム製品Ａの用途等に応じて変更してもよく、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｃｕ系合金など従来より鋳造用合金（重量鋳造用アルミニウム合金やダイカスト用アルミニウム合金）として使用されてきたアルミニウム合金のほか、アルミニウムであってもよい。

そして、アルミニウム製品Ａを製造するには、まず、図１の（ｂ）に示すように、型枠１の内部空間１０（図１の（ａ）参照）に微小片（アルミニウム合金の粉末）を充填する。

なお、金型１１，１２を型合せした後に、内部空間１０に所定量の微小片を投入してもよいし、図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、分離した状態の金型１１，１２の各々に所定量の微小片を投入した後に、金型１１，１２を型合せしてもよい。なお、図２の（ａ）の右側に図示した金型１２のように上下が開口している場合には、一方の開口（本実施形態では、押湯部１０ｂ側の開口）を蓋材１２ａで塞いだうえで微小片を投入し、図２の（ｃ）に示すように、金型１２を上に位置させた後に、蓋材１２ａを取り除けばよい。

なお、型枠１の内部空間１０（あるいは金型１１，１２の内部空間１０となる凹部）に所定量の微小片を投入した後に、微小片の集合体２を棒等で突き固めるか、微小片の集合体２に振動を与えるなどして内部空間１０に対する微小片の充填率を向上させるとよい。

続いて、図１の（ｂ）に示す微小片の集合体２を加熱して溶湯３（図１の（ｃ）参照）を形成する。具体的には、金型１１，１２に埋設した図示せぬ電熱線に通電して、金型１１，１２をＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金（アルミニウム合金）の溶融温度（液相線温度）以上に加熱すればよい。なお、集合体２を溶融すると、見かけ上の容積が減少するが、押湯部１０ｂの溶湯３が製品相当部１０ａ（図１の（ａ）参照）に供給されるので、製品相当部１０ａに発生する引け巣を抑制することができる。

その後、適宜な冷却速度で溶湯３を冷却して凝固させ、型枠１を脱型すると、図１の（ｄ）に示すアルミニウム製品Ａを得ることができる。

なお、図１の（ｂ）に示す微小片の集合体２を加熱する前に、型枠１の内部空間１０（図１の（ａ）参照）を真空又は不活性ガス雰囲気にするとよい。内部空間１０を真空にする場合には、例えば、図示は省略するが、密閉容器の中に型枠１を入れたうえで、真空ポンプ等を用いて密閉容器の内部にある空気を吸引すればよい。また、内部空間１０を不活性ガス雰囲気とする場合には、密閉容器の内部を真空にした後に、不活性ガスを封入すればよい。真空又は不活性ガス雰囲気中で微小片を加熱して溶融すれば、溶湯の表面に酸化膜が形成されることを防ぐことができるので、溶湯の湯回り性を良好に保つことができる。

以上、第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法によれば、アルミニウム合金からなる微小片を型枠１の内部空間１０に充填してから、微小片の集合体２を溶融して溶湯３を形成するので、型枠１の内部空間１０が複雑な形状を呈している場合であっても、その隅々まで溶湯３を行き渡らせることが可能となる。つまり、第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法によれば、形状が複雑で肉厚も不揃いなアルミニウム製品Ａを簡単に製造することが可能となる。なお、第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法は、厚肉のアルミニウム製品にも薄肉のアルミニウム製品にも適用することができる。

また、高温の溶湯を型枠に注入する従来の製造方法（鋳造方法）においては、溶湯の取り扱いに注意を払う必要があったが、第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法によれば、型枠１の内部空間１０において溶湯３を形成するので、従来の鋳造方法よりも手軽にアルミニウム製品Ａを製造することが可能となる。

さらに、第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法によれば、型枠１に高い圧力や衝撃力が作用することもなく、湯回り不良を防ぐための特別な細工を型枠１に施す必要もないので、型枠１の製作費用が安価になる。

また、第一の実施形態においては、粉末状の微小片を使用したので、その取り扱いが容易になるとともに、型枠１の内部空間１０が狭小であっても、隙間なく充填することができる。

（変形例１）
前記した第一の実施形態においては、型枠１が金型１１，１２からなる場合を例示したが、型枠１の形態に制限はなく、従来の鋳造方法において用いられている鋳型（砂型など）と同様のものを使用することができる。

（変形例２）
前記した第一の実施形態においては、金型１１，１２に埋設された電熱線に通電することで、金型１１，１２を加熱し、もって微小片の集合体２を加熱することとしたが、集合体２の加熱方法を限定する趣旨ではない。例えば、微小片の集合体２が充填された型枠１を図示せぬ加熱炉に入れ、加熱炉の熱源を利用して集合体２を加熱してもよい。

（変形例３）
前記した第一の実施形態においては、微小片が粉末である場合を例示したが、顆粒であってもよい。アルミニウム合金の顆粒は、例えば、直径が１〜２．５ｍｍ程度のアルミニウム合金製のワイヤを細かく切断することで得ることができる。なお、微小片の形態は、粉末状や顆粒状のものに限定されることはなく、型枠１の内部空間１０に充填可能な形態であれば繊維状や切片状などであってもよい。

（変形例４）
前記した第一の各実施形態においては、未結合の微小片（粉末）を型枠１の内部空間１０に投入したが、図３に示すように、微小片の集合体を所定の形状に固結させてなる固結体２ａを型枠１の内部空間１０の適所に配置してもよい。固結体２ａは、例えば、所定量の微小片をバインダー（結合剤）とともに加圧成形することで得ることができる。なお、図３に示す固結体２ａは、金型１１に形成されたスリット部１１ａに丁度納まる形状に成形されている。このような固結体２ａを予め成形しておけば、図１の（ａ）に示す型枠１の内部空間１０に迅速に微小片を詰め込むことが可能となるので、好適である。

（第二の実施形態）
第二の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法は、図４に示すように、微小片の集合体２を加熱して形成した溶湯３を加圧する点が第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法と異なる。

なお、第二の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法において使用する型枠５は、図４の（ａ）に示すように、鋳鉄や耐熱合金鋼で形成された一対の金型５１，５２からなる。

金型５１，５２を型合せしたときに形成される内部空間（キャビティ）５０には、アルミニウム製品Ａに対応する製品相当部５０ａと、この製品相当部５０ａに連通するシリンダ部５０ｂとがある。シリンダ部５０ｂは、一方の金型５２に形成されていて、円筒状を呈している。シリンダ部５０ｂには、図４の（ｃ）に示すように、溶湯３を押圧するためのプランジャ５３が挿入される。なお、図示は省略するが、金型５１，５２には、電熱線が埋設されており、当該電熱線に通電することで、金型５１，５２が加熱される。また、図示は省略するが、型枠５の適所に内部空間５０に通じるガス抜き孔が形成されていて、内部空間５０に残留したガスや微小片が溶融する際に発生したガス等が型枠５の外部に排出されるようになっている。

そして、アルミニウム製品を製造するには、まず、図４の（ｂ）に示すように、型枠５の内部空間５０（図４の（ａ）参照）に微小片（アルミニウム合金の粉末）を充填する。

続いて、図４の（ｃ）に示すように、微小片の集合体２（図４の（ｂ）参照）を加熱して溶湯３を形成し、さらに、溶湯３を加圧する。溶湯３を加圧するには、ジャッキ５４，５４を用いて一方の金型５１を他方の金型５２に押圧しつつ、他方の金型５２に形成されたシリンダ部５０ｂにプランジャ５３を押し込めばよい。溶湯３に加える圧力の大きさは、型枠５の内部空間５０の形状やアルミニウム合金の組成等に応じて設定すればよいが、４０〜１００ＭＰａ程度である。

なお、溶湯３が形成される前から、プランジャ５３をシリンダ部５０ｂに押し込んでおいてもよい（図４の（ｂ）参照）。つまり、プランジャ５３で微小片の集合体２に圧力を加えつつ、集合体２を加熱して溶湯３を形成してもよい。

その後、適宜な冷却速度で溶湯３を冷却して凝固させ、プランジャ５３とジャッキ５４，５４を除荷したうえで型枠５を脱型すると、図４の（ｄ）に示すアルミニウム製品Ａを得ることができる。

以上、第二の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法によると、第一の実施形態の場合と同様に、型枠５の内部空間５０の隅々まで溶湯３を行き渡らせることが可能となるが、溶湯３を加圧するので、内部空間５０が第一の実施形態に係る型枠１の内部空間１０よりも複雑であったり狭小であったとしても、その隅々まで溶湯３を行き渡らせることが可能となる。

さらに、第二の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法においては、溶湯３を加圧するので、型枠５の内部空間５０に残留したガスや、微小片が溶融する際に発生したガス等を効率よく排出することが可能となり、その結果、いわゆる巻き込み巣が発生し難くなる。

（変形例）
前記した第二の実施形態においては、溶湯３の加圧方法として、プランジャ５３を用いる加圧方法を例示したが、溶湯３の加圧方法を限定する趣旨ではない。例えば、図示は省略するが、型枠の一部をプランジャとして用いて直接的に溶湯３を加圧してもよい。

本発明の第一の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法を説明するための模式的な断面図であって、（ａ）は型枠を示す図、（ｂ）は型枠の内部空間に微小片を充填した状態を示す図、（ｃ）は微小片の集合体を溶融した状態を示す図、（ｄ）は型枠を脱型した状態を示す図である。 微小片の充填方法の一例を示す模式的な断面図である。 微小片の充填方法の他の例を示す模式的な断面図である。 本発明の第二の実施形態に係るアルミニウム製品の製造方法を説明するための模式的な断面図であって、（ａ）は型枠を示す図、（ｂ）は型枠の内部空間に微小片を充填した状態を示す図、（ｃ）は微小片の集合体を溶融した状態を示す図、（ｄ）は型枠を脱型した状態を示す図である。

符号の説明

１ 型枠
２ 微小片の集合体
３ 溶湯
Ａ アルミニウム製品

Claims (6)

1. 型枠の内部空間で溶湯を凝固させることでアルミニウム製品を製造する方法であって、
   アルミニウム又はアルミニウム合金からなる微小片を型枠の内部空間に充填した後に、前記微小片の集合体を加熱して溶湯を形成することを特徴とするアルミニウム製品の製造方法。
2. 前記集合体を加熱する前に、前記型枠の内部空間を真空又は不活性ガス雰囲気にすることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム製品の製造方法。
3. 前記溶湯を加圧することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアルミニウム製品の製造方法。
4. 前記微小片は、粉末又は顆粒であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のアルミニウム製品の製造方法。
5. 前記微小片は、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を真空又は不活性ガス中で噴霧することによって得られたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のアルミニウム製品の製造方法。
6. 前記微小片は、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のアルミニウム製品の製造方法。

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