JP2014237172A - 固液共存状態金属の製造装置、固液共存状態金属の製造方法及び固液共存状態金属を用いた成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容器内の金属材料の温度を好適に検出できる固液共存状態金属の製造装置を提供する。
【解決手段】半凝固金属の製造装置１は、液状の金属材料Ｍが注がれる容器２１と、容器２１にて冷却されていく金属材料Ｍの温度を検出する第２温度センサ３９と、を有する。容器２１は、上下両端が開口しており、上方の開口から金属材料Ｍが注がれる中空部材３１と、中空部材３１の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、中空部材３１と分離可能な底部材３３と、を有する。第２温度センサ３９は、底部材３３に配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、固液共存状態金属の製造装置、固液共存状態金属の製造方法及び固液共存状態金属を用いた成形方法に関する。成形方法は、例えば、半凝固ダイカスト法である。

液相と固相とが混在する固液共存状態の金属材料における固相率を当該金属材料の温度に基づいて管理する方法が知られている（例えば特許文献１の従来技術の欄）。金属材料の温度を検出する方法としては、例えば、以下に説明する、特許文献１及び２に開示された方法がある。

特許文献１は、金属材料を保持している容器が載置される置き台に温度センサを設け、容器が置き台に載置されることにより温度センサと容器とを当接させ、容器を介して金属材料の温度を検出する技術を開示している。特許文献２は、容器に保持されている金属材料に容器の上方から温度センサを差し込み、金属材料の温度を検出する技術を開示している。

特開２００２−１５３９４５号公報 特開２００４−１０５９８６号公報

特許文献１の技術は、容器と温度センサとを当接させるものであることから、金属材料の温度を直接的に検出することができない。また、容器と温度センサとの接触圧を調整するためのばね機構が必要である。また、特許文献２の技術は、金属材料に温度センサを出し入れする機構が必要である。このように、特許文献１及び２の温度検出方法には種々の不都合がある。

従って、容器内の金属材料の温度を好適に検出できる固液共存状態金属の製造装置、固液共存状態金属の製造方法及び固液共存状態金属を用いた成形方法が提供されることが望ましい。

本発明の固液共存状態金属の製造装置は、固液共存状態の金属材料を収容する容器と、前記容器内の前記金属材料の温度を検出する温度センサと、を有し、前記容器は、上下両端が開口している中空部材と、前記中空部材の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、前記中空部材と分離可能な底部材と、を有し、前記温度センサは、前記底部材に配置されている。

好適には、前記温度センサは、前記容器の底面にて前記容器内に露出している。

好適には、前記製造装置は、前記中空部材及び前記底部材のうち前記中空部材のみを搬送可能な搬送装置を更に有する。

好適には、前記底部材には、冷媒が流れる流路が形成されている。

本発明の固液共存状態金属の製造方法は、容器内にて金属材料を固液共存状態とする固液共存金属の製造方法であって、上下両端が開口している中空部材と、前記中空部材の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、前記中空部材と分離可能な底部材とにより前記容器を構成し、前記底部材に配置された温度センサにより前記容器内の金属材料の温度を検出する。

本発明の固液共存状態金属を用いた成形方法は、上記の固液共存状態金属の製造方法により製造された固液共存状態の前記金属材料をキャビティに射出して成形品を製造する。

本発明によれば、容器内の金属材料の温度を好適に検出できる。

本発明の第１の実施形態に係る半凝固金属の製造装置を含む成形機の要部の構成を示す模式図。 図１の半凝固金属の製造装置の容器周辺部分を示す斜視図。 図２のIII−III線における断面図。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は半凝固金属の製造装置の動作を中心として成形機の動作を説明するための模式図。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は図４（ｄ）の続きを説明する模式図。 第２の実施形態に係る半凝固金属の製造装置の押し装置の構成を示す模式図。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は第２の実施形態における半凝固金属の取り出し方法を説明する模式図。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は実施例における容器等の温度変化を示す図。 図９（ａ）は半凝固状の金属材料の模式図、図９（ｂ）〜図９（ｄ）は図９（ａ）の領域IXｂ〜IXｄにおける実施例の金属材料の断面の顕微鏡写真、図９（ｅ）〜図９（ｇ）は比較例における図９（ｂ）〜図９（ｄ）に対応する顕微鏡写真。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は図６の領域Xａ及びXｂにおける実施例の金属材料の断面の顕微鏡写真。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る半凝固金属の製造装置１を含む成形機（成形装置）１０１の要部の構成を示す模式図である。

成形機１０１は、金属材料Ｍを金型１０３のキャビティ１０３ａ内にて凝固させて、成形品を製造するものである。成形機１０１は、例えば、ダイカストマシンである。この場合、金属材料Ｍは、例えば、アルミニウム合金である。

成形機１０１は、液状の金属材料Ｍから半凝固状の金属材料Ｍを製造する製造装置１と、その半凝固状の金属材料Ｍを金型１０３内のキャビティ１０３ａに射出する射出装置１０５と、製造装置１及び射出装置１０５等を制御する制御装置１０７とを有している。なお、特に図示しないが、この他、成形機１０１は、金型１０３を型締する型締装置、金型１０３にて形成された成形品を押し出す押出装置等を有しており、制御装置１０７は、型締装置、押出装置等も制御する。

射出装置１０５は、金型１０３内のキャビティ１０３ａに通じるスリーブ１０９と、スリーブ１０９内を摺動して金属材料Ｍを押し出すプランジャ１１１と、プランジャ１１１を駆動する不図示の駆動装置とを有している。スリーブ１０９の上面には、供給口１０９ａが開口している。半凝固状の金属材料Ｍは、供給口１０９ａを介してスリーブ１０９内に投下される。

制御装置１０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び外部記憶装置を含むコンピュータにより構成されている。なお、制御装置１０７は、成形機１０１に含まれる各種装置毎に設けられた制御装置から構成されてもよいし、成形機１０１に含まれる全ての装置を制御する１つの制御装置から構成されてもよいし、成形機１０１に含まれる複数の装置を制御する制御装置とそれら以外を制御する制御装置から構成されてもよい。

製造装置１は、例えば、液状の金属材料Ｍを保持する保持炉３と、保持炉３から液状の金属材料を汲み出す注湯装置５と、注湯装置５により液状の金属材料が注がれ、注がれた液状の金属材料を半凝固状態とする半凝固化装置７とを有している。

保持炉３は、公知の構成とされてよい。また、保持炉３は、溶解炉を兼ねるものであってもよい。例えば、保持炉３は、金属材料Ｍを収容する炉体１１と、炉体１１に収容されている金属材料Ｍを加熱する加熱装置１３と、炉体１１に収容されている金属材料Ｍの温度を検出する第１温度センサ１５とを有している。

炉体１１は、例えば、特に図示しないが、セラミック等の断熱性に優れた材料からなる容器内に、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高い金属からなる容器が配置されて構成されている。加熱装置１３は、例えば、金属材料Ｍを電磁誘導により加熱するコイル、若しくは、ガスを燃焼して金属材料Ｍを加熱する燃焼装置を含んで構成されている。第１温度センサ１５は、例えば、熱電対式の温度センサ若しくは放射温度計により構成されている。

注湯装置５は、公知の構成とされてよい。例えば、注湯装置５は、ラドル１７と、ラドル１７を駆動可能なラドル搬送装置１９とを有している。

ラドル１７は、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高い材料からなる、注ぎ口１７ａを有する容器であり、１ショット分の金属材料Ｍを収容可能である。ラドル搬送装置１９は、例えば、多関節ロボットにより構成されており、ラドル１７を上下方向及び水平方向へ移動させることが可能であるとともに、注ぎ口１７ａを上下させるようにラドル１７を傾斜させることが可能である。

半凝固化装置７は、例えば、注湯装置５により液状の金属材料Ｍが注がれる容器２１と、容器２１に液状の金属材料を注ぐ前に容器２１を冷却するプレ冷却装置２３と、容器２１に液状の金属材料Ｍが注がれるときに容器２１が載置される載置装置２５と、容器２１を搬送する容器搬送装置２７とを有している。

容器２１は、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高く、好適には熱伝導率が比較的高い材料（好適には金属）により構成されている。容器２１は、１ショット分の金属材料Ｍを収容可能である。

プレ冷却装置２３は、例えば、容器２１を冷却媒体に浸すことにより容器２１を冷却する。冷却媒体は、気体であってもよいし、液体であってもよい。後述するように、載置装置２５も容器２１の冷却機能を有する。載置装置２５に加えてプレ冷却装置２３を設けることにより、例えば、載置装置２５に載置された容器２１に金属材料Ｍを注ぎつつ、次に金属材料が注がれる容器２１をプレ冷却装置２３により冷却し、サイクルタイムを短縮できる。

容器搬送装置２７は、例えば、多関節ロボットにより構成されており、容器２１を上下方向及び水平方向へ移動させることが可能であるとともに、容器２１の上下方向の向きを変える（容器２１を逆さにする）ことが可能である。容器搬送装置２７は、容器２１のプレ冷却装置２３から載置装置２５への移送及び容器２１の載置装置２５からスリーブ１０９上への移送等を行う。

図２は、半凝固金属の製造装置１の容器２１周辺部分を示す斜視図である。図３は、図２のIII−III線における断面図である。

容器２１は、当該容器２１の壁部を構成する中空部材３１と、容器２１の底部を構成する底部材３３とを有しており、これらは分離可能となっている。容器２１の上方には、容器２１へ液状の金属材料Ｍを注ぐことを容易化するための漏斗３５が配置される。

また、載置装置２５は、容器２１を冷却するための補助冷却装置３７（図３）と、容器２１内の金属材料Ｍの温度を検出する第２温度センサ３９と、半凝固状の金属材料Ｍの容器２１からの取り出しを容易化するための押圧装置４１とを有している。

中空部材３１は、上下両端が開口する中空形状に形成されている。中空部材３１の開口方向に見た形状は適宜に設定されてよいが、金属材料Ｍを均等に冷却する観点からは円形が好ましい（中空部材３１は筒状であることが好ましい。）。また、中空部材３１の内径は、上方側が下方側よりも大きくされている。中空部材３１の厚みは、例えば、一定である。

底部材３３は、例えば、概ね板状の部材である。底部材３３の平面形状は適宜に設定されてよく、本実施形態では円形を例示している。底部材３３の平面視における外形は、中空部材３１の開口よりも広く設定されている。底部材３３の厚みは、例えば、一定とされている。ただし、中央側と外周側とで厚みが異なっていてもよい。また、底部材３３の上面３３ａは、中央側と外周側とで高さが異なるなど、傾斜が設けられていてもよい。

中空部材３１が底部材３３の上面３３ａに載置されて、中空部材３１の下方の開口が底部材３３により塞がれることにより、容器２１が構成される。図２において、上面３３ａのうち点線で囲って示した領域は、容器２１の底面２１ｂを構成する。

なお、中空部材３１と底部材３３との間には、金属材料Ｍが流出不可能で、空気（気体）が流出可能な比較的微小な隙間が形成されていてもよい。このような隙間は、金属材料Ｍを容器２１に注いだときに空気を逃がし、金属材料Ｍに空気が巻き込まれることを抑制することに役立つ。

中空部材３１及び底部材３３は、例えば、底部材３３が載置装置２５の基体４３に支持され、中空部材３１が漏斗３５により上から押さえつけられることにより、互いに固定される。漏斗３５は、例えば、容器搬送装置２７又は他のロボットにより位置保持され、中空部材３１を押さえ付けるための力を付与される。

なお、中空部材３１及び底部材３３は、適宜なクランプ手段によって互いに固定されてもよい。また、底部材３３は、基体４３に固定されていることが好ましい。例えば、底部材３３は、不図示のねじにより基体４３に固定されている。中空部材３１及び底部材３３は、水平方向において互いに位置決めするための位置決め部を有していてもよい。例えば、底部材３３には、中空部材３１の下方の縁部を収容する溝部が形成されていてもよい。

底部材３３を構成する材料は、例えば、中空部材３１を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料により構成されている。例えば、中空部材３１がステンレス鋼により構成されているのに対して、底部材３３は、銅（純銅）により構成されている。ただし、底部材３３及び中空部材３１は、互いに同一の材料により構成されていてもよい。また、底部材３３は、中空部材３１の厚みよりも厚く構成されていてもよい。

漏斗３５は、金属材料Ｍの液相線温度よりも固相線温度若しくは融点が高く、好適には熱伝導率が比較的高い材料（好適には金属）により構成されている。漏斗３５は、上方側ほど径が大きくなる中空状の部材であり、下方端は容器２１の上方の開口に挿入される。なお、漏斗３５の内壁の傾斜は、容器２１の内壁の傾斜よりも大きいことが好ましい。

補助冷却装置３７（図３）は、例えば、容器２１のうち底部材３３の冷却を行う。補助冷却装置３７は、例えば、底部材３３に形成された流路３３ｃと、流路３３ｃを流れる冷媒を冷却する熱交換器４５と、冷媒の流れを生じさせるポンプ４７とを含んで構成されている。

冷媒は例えば水である。流路３３ｃの形状は適宜に設定されてよい。図３では、底部材３３の中心回りに周回する形状の流路３３ｃを例示している。熱交換器４５及びポンプ４７は、公知の構成のものとされてよい。

第２温度センサ３９は、例えば、接触型の温度センサであり、より具体的には、例えば、熱電対式の温度センサである。第２温度センサ３９は、底部材３３に配置されている。より具体的には、例えば、第２温度センサ３９は、底部材３３を上下に貫通する孔部に嵌合されており、底面２１ｂにて容器２１内に露出している。従って、第２温度センサ３９は、容器２１に注がれた金属材料Ｍに当接して金属材料Ｍの温度を直接的に検出することができる。第２温度センサ３９の頂面は、容器２１の底面２１ｂに段差が生じないように底部材３３の上面３３ａと連続していることが好ましい。第２温度センサ３９は、底面２１ｂのうちの適宜な位置に配置されてよく、本実施形態では、底面２１ｂの中心から少しずれた位置に配置された場合を例示している。

押圧装置４１は、容器２１内の金属材料Ｍを底面２１ｂ側から押すための押圧部材４９と、押圧部材４９を駆動するアクチュエータ５１（図３）とを有している。

押圧部材４９は、容器２１の底面２１ｂにおいて底部材３３を上下に貫通する孔部を摺動するように構成されている。すなわち、押圧部材４９は、底面２１ｂの一部範囲において容器２１内へ進退移動可能である。進退移動は、例えば、押圧部材４９の頂面と底面２１ｂとが連続する位置（退避位置）と、押圧部材４９が底面２１ｂから突出する位置（突出位置）との間の範囲でなされる。なお、押圧部材４９は、底面２１ｂのうち、適宜な位置に配置されてよく、本実施形態では、底面２１ｂの中心に配置された場合を例示している。

アクチュエータ５１は、エアシリンダ、油圧シリンダ、リニアモータ等の適宜なアクチュエータにより構成されてよい。アクチュエータ５１は、載置装置２５の基体４３に支持される固定部５１ａと、固定部５１ａに対して往復動可能であり、押圧部材４９と固定された可動部５１ｂとを有している。なお、可動部５１ｂは、押圧部材４９と一体に形成されていてもよい。

なお、補助冷却装置３７は、押圧部材４９及び／又は可動部５１ｂも冷却してもよい。例えば、補助冷却装置３７は、押圧部材４９及び可動部５１ｂに形成された流路３７ｃを有しており、熱交換器４５により冷却された冷媒をポンプ４７により流路３７ｃに送出する。

（製造装置の動作）
次に、製造装置１の動作を中心として成形機１０１の動作を説明する。

制御装置１０７は、第１温度センサ１５の検出値に基づいて加熱装置１３を制御し、炉体１１に収容されている金属材料Ｍの温度を所定の第１温度Ｔ_１に維持する。第１温度Ｔ_１は、金属材料Ｍの液相線温度よりも高い温度であり、金属材料Ｍは、その全部が液状とされている。

容器２１のうち底部材３３は、成形機１０１の全工程を通じて載置装置２５の基体４３に載置されたままの状態とされる。制御装置１０７は、不図示の温度センサ又は第２温度センサ３９の検出値に基づいて補助冷却装置３７を制御し、金属材料Ｍが容器２１に注がれる前の底部材３３の温度を所定の第２温度Ｔ_２にする。第２温度Ｔ_２は、金属材料Ｍの液相線温度よりも低い温度である。

容器２１のうち中空部材３１は、容器搬送装置２７に搬送されることにより、プレ冷却装置２３、載置装置２５及びスリーブ１０９上の間で移動可能である。制御装置１０７は、中空部材３１をプレ冷却装置２３に搬送するように容器搬送装置２７を制御するとともに、中空部材３１の温度を所定の第３温度Ｔ_３にするようにプレ冷却装置２３を制御する。第３温度Ｔ_３は、金属材料Ｍの液相線温度よりも低い温度である。

なお、Ｔ_２＝Ｔ_３であってもよいし、Ｔ_２＜Ｔ_３としてもよい。Ｔ_２＜Ｔ_３の場合、Ｔ_２＝Ｔ_３に比較して、容器２１の底側において金属材料Ｍの凝固が進みやすくなる。これにより、後述する半凝固状の金属材料Ｍを容器２１から取り出す過程において、金属材料Ｍの底部から液相部分が垂れることが抑制される。

図４（ａ）〜図４（ｄ）及び図５（ａ）〜図５（ｄ）は、上述のように、金属材料Ｍがまだ注がれていない底部材３３及び中空部材３１を冷却した後の工程を説明する模式図である。

図４（ａ）に示すように、プレ冷却装置２３により中空部材３１が冷却されると、制御装置１０７は、中空部材３１を底部材３３上に搬送するように容器搬送装置２７を制御する。これにより、中空部材３１及び底部材３３からなる容器２１が構成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、制御装置１０７は、漏斗３５を中空部材３１上に搬送するように容器搬送装置２７又は他の不図示のロボットを制御する。これにより、既に述べたように、中空部材３１は、漏斗３５により押さえ付けられて位置保持される。

次に、図４（ｃ）に示すように、制御装置１０７は、ラドル１７により液状の金属材料Ｍを漏斗３５を介して容器２１に注ぐようにラドル搬送装置１９を制御する。

容器２１内へ注がれた金属材料Ｍは、容器２１に接触することにより急冷され、これにより、金属材料Ｍ内には多数の結晶核が生成される。多数の結晶核は、金属材料Ｍがある程度の高さから容器２１内へ注がれることにより生じた流れにより攪拌される。これにより、析出した樹枝状結晶の枝が、せん断力により切断若しくは溶融して切断され、更に結晶核が増殖する。

容器２１は、金属材料Ｍが注がれることにより急激に温度が上昇し、容器２１の金属材料Ｍを冷却する機能は急激に低下する。その結果、多数の結晶核が形成された後、結晶成長速度は急激に低下し、結晶は樹枝状に成長せずに丸く成長する。

図４（ｄ）に示すように、上記の金属材料Ｍの冷却の過程において、制御装置１０７は、第２温度センサ３９の検出する温度を監視する。第２温度センサ３９の検出温度は、液状の金属材料Ｍが容器２１に注がれ、金属材料Ｍが第２温度センサ３９に当接することにより急激に上昇し、その後、金属材料Ｍの熱が容器２１に奪われることによって低下していく。制御装置１０７は、この低下していく温度が所定の目標温度Ｔ_ｔに到達するか否かを判定する。

金属材料Ｍの温度と、金属材料Ｍの固相率との間には相関があり、目標温度Ｔ_ｔは、所望の固相率に応じて設定される。

なお、例えば、底部材３３が中空部材３１を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料により構成されたり、底部材３３が中空部材３１の厚みよりも厚く構成されたり、Ｔ_２＜Ｔ_３とされたりすると、金属材料Ｍの底部は、金属材料Ｍの中部及び上部よりも固相率が高くなる。また、第２温度センサ３９は、補助冷却装置３７の影響を受けるから、製造装置１の構成によっては、第２温度センサ３９の検出温度は、金属材料Ｍの底部の温度よりも低くなることもある。従って、目標温度Ｔ_ｔは、金属材料Ｍの固相線温度よりも必ずしも高い必要は無い。

また、第２温度センサ３９の検出温度（金属材料Ｍの温度）が目標温度Ｔ_ｔに到達する前に容器２１及び金属材料Ｍが熱平衡に至らないように、容器２１は予め十分に冷却される、及び／又は、金属材料Ｍを注いだ後も補助冷却装置３７による冷却は継続される。

第２温度センサ３９の検出する温度が目標温度Ｔ_ｔに到達すると、制御装置１０７は、金属材料Ｍの冷却を停止して金属材料Ｍを容器２１から取り出すための処理を開始する。

具体的には、まず、図５（ａ）に示すように、制御装置１０７は、押圧部材４９により半凝固状の金属材料Ｍを押すように押圧装置４１を制御する。一方、容器２１は、漏斗３５により上方から押さえ付けられている。従って、金属材料Ｍは、容器２１に対してずらされ、容器２１との密着が解消される。すなわち、金属材料Ｍは、容器２１から排出されやすくなる。

次に、図５（ｂ）に示すように、制御装置１０７は、ずらされた金属材料Ｍを保持している中空部材３１を底部材３３（載置装置２５）からスリーブ１０９上へ搬送するように容器搬送装置２７を制御する。この際、中空部材３１は、下方側ほど縮径するように形成されていることから、半凝固状の金属材料Ｍは中空部材３１の下方の開口から落下しない。

なお、金属材料Ｍは、適宜な方法により底部の固相率が十分な大きさとされることにより、底部から液相部分が垂れることが抑制されている。例えば、既に述べたように、金属材料Ｍの底部は補助冷却装置３７により冷却される。また、例えば、底部材３３は、中空部材３１よりも熱伝導率が高くされている。また、例えば、底部材３３は、中空部材３１の厚みよりも厚く構成されている。また、例えば、底部材３３は、中空部材３１の温度よりも低い温度に冷却されている。従って、底部材３３付近においては、金属材料Ｍは、結晶核が多く発生しやすく、及び／又は、結晶が成長しやすい。その結果、金属材料Ｍは、底部付近において固相率が高くなる。

図５（ｃ）に示すように、制御装置１０７は、中空部材３１がスリーブ１０９の供給口１０９ａ上に搬送されると、中空部材３１を逆さにするように容器搬送装置２７を制御する。なお、ここでいう逆さは、中空部材３１の上方の開口（液状の金属材料Ｍが注がれた開口）が多少なりとも下方を向く状態であればよく、上方の開口が真下を向かなくてもよい。

中空部材３１が逆さにされると、金属材料Ｍは、中空部材３１からスリーブ１０９内に落下する。金属材料Ｍは、予め押圧装置４１により押されることによって中空部材３１との密着が解消されていることから、中空部材３１内に残ってしまう蓋然性は低い。

その後、図５（ｄ）に示すように、プランジャ１１１がスリーブ１０９内を前進する。これにより、金属材料Ｍが金型１０３内に（より具体的には、金型１０３内のキャビティ１０３ａに）射出される。そして、金属材料Ｍがキャビティ１０３ａ内にて冷却されて凝固することにより、成形品が形成される。

以上のとおり、本実施形態に係る半凝固金属の製造装置１は、固液共存状態の金属材料Ｍを収容する容器２１と、容器２１内の金属材料Ｍの温度を検出する第２温度センサ３９と、を有する。容器２１は、上下両端が開口している中空部材３１と、中空部材３１の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、中空部材３１と分離可能な底部材３３と、を有する。第２温度センサ３９は、底部材３３に配置されている。

また、本実施形態に係る固液共存金属の製造方法は、容器２１内にて金属材料Ｍを固液共存状態とする半凝固金属の製造方法であって、上下両端が開口している中空部材３１と、中空部材３１の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、中空部材３１と分離可能な底部材３３とにより容器２１を構成し、底部材３３に配置された第２温度センサ３９により容器２１に注がれた金属材料Ｍの温度を検出する。

また、本実施形態に係る固液共存金属を用いた成形方法は、上記の本実施形態に係る固液共存金属の製造方法により製造された固液共存状態の金属材料Ｍをキャビティに射出して成形品を製造する。

従って、第２温度センサ３９を容器２１内へ出し入れする機構は不要であり、また、第２温度センサ３９と容器２１との接触圧を調整するための機構も不要である。すなわち、製造装置１の構成が簡素化される。

しかも、本実施形態では、第２温度センサ３９は、容器２１の底面２１ｂにて前記容器内に露出していることから、容器２１に注がれた金属材料Ｍに当接して、金属材料Ｍの温度を直接的に検出することができる。その結果、温度に基づく固相率管理を高精度に行うことができ、ひいては、半凝固状の金属材料Ｍを用いた成形品の品質が向上する。

また、本実施形態では、製造装置１は、中空部材３１及び底部材３３のうち中空部材３１のみを搬送可能な容器搬送装置２７を更に有している。換言すれば、底部材３３は、中空部材３１とともに搬送されない。従って、第２温度センサ３９と制御装置１０７とを接続するケーブルが容器２１の移動に伴って移動するということがない。その結果、ケーブルの配置及び保護が容易化される。

また、本実施形態では、底部材３３には、冷媒が流れる流路３３ｃが形成されている。従って、既に述べたように、金属材料Ｍの底部を直接的に冷却して当該底部の固相率を十分な大きさとすることができ、中空部材３１のみによって半凝固状の金属材料Ｍを搬送したときに、金属材料Ｍの底部から液相部分が垂れることが抑制される。底部材３３は搬送されないことから、冷媒を底部材３３に供給する流路（管）を設けることが容易であり、このような構成が可能となる。底部材３３を冷却して金属材料Ｍを冷却することから、中空部材３１及び金属材料Ｍを底部材３３から離せば金属材料Ｍの冷却を停止乃至は緩和することができ、温度に基づく固相率管理が容易化される。

また、本実施形態では、製造装置１は、第２温度センサ３９の検出温度が所定の目標温度Ｔ_ｔに到達したときに金属材料Ｍの冷却を終了するための処理（本実施形態では金属材料Ｍを容器２１から取り出すための処理（図５（ａ）〜図５（ｃ））に同じ）を開始する制御装置１０７を更に有する。従って、金属材料Ｍと容器２１とを熱平衡に至らせてから金属材料Ｍを容器２１から取り出す場合に比較して、金属材料Ｍの固相率を正確且つ容易に調整することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、容器からの半凝固金属の取り出し方法及び当該方法に係る構成のみが第１の実施形態と相違する。第１の実施形態においては、中空部材３１を底部材３３に載置したままの状態で半凝固金属を底側から押して半凝固金属を中空部材３１からずらし、その後、中空部材３１をスリーブ１０９上へ搬送して半凝固金属を落下させた。これに対して、本実施形態では、中空部材３１を底部材３３に載置したままの状態で半凝固金属を底側から押すことはせず、中空部材３１をスリーブ上へ搬送した後、半凝固金属を底側から押して、半凝固金属を落下させる。具体的には、以下のとおりである。

図６は、第２の実施形態に係る半凝固金属の製造装置の押し装置２２９の構成を示す模式図である。

押し装置２２９は、スリーブ１０９（図１参照）の上方にて、中空部材３１に保持されている金属材料Ｍを底側から押すための装置である。押し装置２９は、例えば、エアシリンダ２４９と、エアシリンダ２４９に空気を供給する空圧回路２５１とを有している。

エアシリンダ２４９は、例えば、ばね付きの単動形シリンダによって構成されており、シリンダ部２５３と、シリンダ部２５３内を摺動可能なピストン２５５と、ピストン２５５に固定され、シリンダ部２５３から延び出るピストンロッド２５７と、ピストン２５５を付勢するばね２５９とを有している。

ピストン２５５は、シリンダ部２５３の内部を前方（ピストンロッド２５７側）のロッド側室２５３ｒと、後方（ピストンロッド２５７とは反対側）のヘッド側室２５３ｈとに区画している。そして、ヘッド側室２５３ｈに空気が供給されることによって、ピストン２５５及びピストンロッド２５７は前進する。なお、ロッド側室２５３ｒは、例えば、大気開放されている。

ばね２５９は、例えば、ロッド側室２５３ｒに収容されており、シリンダ部２５３に対してピストン２５５を後方に付勢している。従って、ヘッド側室２５３ｈの圧抜きがなされると、ピストン２５５及びピストンロッド２５７は後退する。

エアシリンダ２４９は、例えば、スリーブ１０９の供給口１０９ａよりも上方、且つ、供給口１０９ａに対して後側に、スリーブ１０９に対して固定的に設けられている。また、エアシリンダ２４９は、鉛直方向に対して前後方向に斜めに、且つ、ピストンロッド２５７が延び出る方向を供給口１０９ａに向けるように配置されている。なお、エアシリンダ２４９は、その全体が供給口１０９ａの全体よりも後側に位置している必要は無い。

一方、供給口１０９ａとエアシリンダ２４９との間には、半凝固状となった金属材料Ｍを保持している中空部材３１が搬送される。中空部材３１は、鉛直方向に対してエアシリンダ２４９と概ね同一の方向に傾斜され、上部側が供給口１０９ａに向けられ、底部側がエアシリンダ２４９に向けられる。

従って、中空部材３１を保持している容器搬送装置２７の保持部２７ａをエアシリンダ２４９側に移動させることにより、及び／又は、ピストンロッド２５７をシリンダ部２５３から突出させることにより、ピストンロッド２５７は、半凝固状の金属材料Ｍの底部に当接可能である。

空圧回路２５１は、特に図示しないが、ポンプ、アキュムレータ、バルブ等を含んで構成されており、制御装置１０７（図１参照）からの制御信号に基づいて動作する。空圧回路２５１は、ヘッド側室２５３ｈに接続されており、ヘッド側室２５３ｈの圧力を制御可能である。

例えば、空圧回路２５１は、アキュムレータとヘッド側室２５３ｈとの間のバルブを開閉することにより、アキュムレータに蓄圧された所定の圧力の空気を適宜なタイミング及び時間長さでヘッド側室２５３ｈに供給可能である。また、空圧回路２５１は、空圧回路２５１の外部（大気雰囲気）とヘッド側室２５３ｈとの間のバルブを開閉することにより、適宜なタイミング及び時間長さでヘッド側室２５３ｈの圧抜きが可能である。

さらに、空圧回路２５１は、上述のような、ヘッド側室２５３ｈへの空気の供給と、ヘッド側室２５３ｈの圧抜きとを適宜な周期で繰り返すことが可能である。この場合、ピストンロッド２５７は、ヘッド側室２５３ｈの圧力による前進と、ばね２５９による後退とを繰り返す。すなわち、押し装置２２９は、ピストンロッド２５７を、半凝固状の金属材料Ｍに近接・離間する方向において往復動（振動）させることが可能である。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第２の実施形態における半凝固金属の取り出し工程を説明する模式図である。この工程前までは、第１の実施形態の図４（ａ）〜図４（ｄ）と同様である。

なお、本実施形態では、既に述べたように、中空部材３１を底部材２３３に載置したままの状態で中空部材３１内の金属材料Ｍを押すことはしないことから、図７（ａ）に示すように、底部材２３３には、押圧部材４９は配置されていない。それ以外については、底部材２３３は、底部材３３と概ね同様の構成であり、例えば、第２温度センサ３９や流路（図７（ａ）では不図示）が配置されている。この底部材２３３と中空部材３１とで容器２２１が構成されている。

第１の実施形態と同様に、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した工程が行われ、第２温度センサ３９の検出する温度が目標温度Ｔ_ｔに到達すると、制御装置１０７は、金属材料Ｍの冷却を停止して金属材料Ｍを容器２２１から取り出すための処理を開始する。

具体的には、まず、漏斗３５（図２参照）を取り外すように容器搬送装置２７又は他の不図示のロボットを制御し、さらに、図７（ａ）に示すように、中空部材３１を持ち上げるように容器搬送装置２７を制御する。半凝固状の金属材料Ｍは、中空部材３１に保持されており、中空部材３１とともに底部材２３３から離間される。

なお、図７（ａ）等において、金属材料Ｍの底部を中部及び上部とは異なるハッチングにより示したのは、底部側の固相率が中部及び上部の固相率よりも高いことを表わしたものである。

次に、図７（ｂ）に示すように、制御装置１０７は、金属材料Ｍを保持している中空部材３１をスリーブ１０９の供給口１０９ａとエアシリンダ２４９との間に搬送するように容器搬送装置２７を制御する。中空部材３１は、鉛直方向に対して斜めに、また、底部側をエアシリンダ２４９に、上部側を供給口１０９ａに向けて配置される。

この時点においては、金属材料Ｍの底面は、ピストンロッド２５７の先端に当接していない。例えば、金属材料Ｍの底面は、ピストンロッド２５７（の先端）のストローク外に位置するか、ピストンロッド２５７のストローク内であって、後退限に位置するピストンロッド２５７から所定の距離だけ離れた位置に位置している。

次に、図７（ｃ）に示すように、制御装置１０７は、ピストンロッド２５７を往復運動させる（矢印ｙ１参照）ように空圧回路２５１を制御するとともに、中空部材２３１をエアシリンダ２４９に近づける（矢印ｙ２参照）ように容器搬送装置２７を制御する。なお、中空部材３１をエアシリンダ２４９に近づける速度は、ピストンロッド２５７が後退する速度よりも遅い。また、中空部材３１の移動及びピストンロッド２５７の振動は、いずれが先に開始されてもよいし、同時に開始されてもよい。

上記のような動作の結果、ピストンロッド２５７は、半凝固状の金属材料Ｍの底面に繰り返し衝突する。衝突により、金属材料Ｍは、中空部材３１の内面から剥がされ、中空部材３１から落下する。つまり、金属材料Ｍは、上記のような動作により、ピストンロッド２５７より衝撃が与えられて（加えられて）、中空部材３１の内面から剥がされ、中空部材３１から落下する。

なお、エアシリンダ２４９のストローク、エアシリンダ２４９の動作、及び、容器搬送装置２７の動作等は、金属材料Ｍが中空部材３１に対して最初の位置からある程度ずれた後は、重力のみにより金属材料Ｍが中空部材３１の外へ落下するように設定されてもよいし、金属材料Ｍの概ね全体が中空部材３１の外に位置するまでピストンロッド２５７が金属材料Ｍに当接するように設定されてもよい。

中空部材３１から落下した金属材料Ｍは、供給口１０９ａを介してスリーブ１０９内に収容される。中空部材３１は、上方の開口をスリーブ１０９の後方から前方に向けるように、鉛直方向に対して斜めに傾斜して逆さにされているから、金属材料Ｍは、スリーブ１０９内において、上部を金型１０３（キャビティ１０３ａ）側に、底部をプランジャ１１１側に向ける。

その後、図７（ｄ）に示すように、プランジャ１１１がスリーブ１０９内を前進すると、金属材料Ｍが金型１０３内のキャビティ１０３ａに射出される。そして、金属材料Ｍがキャビティ１０３ａ内（金型１０３内）にて冷却されて凝固することにより、成形品が形成される。

このとき、金属材料Ｍのうち、固相率が高い底部は、方案部（ビスケット）に収まる。方案部の大きさは、例えば、プランジャ１１１の移動方向において、１５ｍｍ〜３０ｍｍである。固相率が高い底部は、例えば、その半分以下の量である。

以上の第２の実施形態においても、底部材２３３に第２温度センサ３９が配置されていることにより、第１の実施形態と同様の効果が奏される。また、第２の実施形態では、押し部材（本実施形態ではピストンロッド２５７）を半凝固状の金属材料Ｍに衝突させることにより、好適に金属材料Ｍを中空部材３１から引き剥がすことができる。

（実施例）
実施形態では、容器２２１（又は２１。以下、２２１のみ参照）の底部における冷却は、容器２２１の中部及び上部における冷却に優先して行われた。例えば、金属材料Ｍの底部における冷却速度は、金属材料Ｍの中部及び上部における冷却速度よりも速くされた。別の観点では、金属材料Ｍにおいては、底部の温度が中部及び上部の温度に比較して低くなる温度勾配が生じた。

このような冷却は、例えば、既に言及したように、以下に列挙する少なくともいずれか一つの構成乃至は動作により実現される。底部材２３３の厚みは中空部材３１の厚みよりも厚い。底部材２３３の熱伝導率は中空部材３１の熱伝導率よりも高い。Ｔ_２＜Ｔ_３である。注湯後も補助冷却装置３７による底部材２３３の冷却が継続される。

このような冷却が行われる成形機１０１（製造装置１、容器２２１）を実際に製作して、半凝固金属の製造及び成形品の成形を行った。この実施例における、各種温度の計測結果、及び、金属材料Ｍの写真を以下に示す。なお、実施例における金属材料Ｍの固相線温度は約５５５℃であり、液相線温度は６１０〜６２０℃である。

図８（ａ）は、容器２２１の底部における温度変化を示す図である。横軸は、複数サイクル（ショット）に亘る時間を示し、横軸に付された数字は、ショット数を示している。縦軸は、第２温度センサ３９（図２）の検出温度を示している。

第２温度センサ３９の検出温度は、概略、注湯前における補助冷却装置３７の冷却による温度低下と、注湯による温度上昇とを繰り返している。各サイクルにおける最大値付近の温度は、概略、容器２２１内の金属材料Ｍの底部の温度とみなしてよい。

この図において、概ね１５ショット以降において、温度変化が安定している。この期間において、各サイクルの温度の最大値は、約４２０℃となっており、金属材料Ｍの底部の温度は、固相線温度よりも十分低くなっていることが窺える。

図８（ｂ）は、容器２２１及び金属材料Ｍの中部における温度変化を示す図である。横軸は、１ショット内の時間（秒）を示し、縦軸は、温度を示している。線Ｌ１は、金属材料Ｍの中部（さらに平面視における中央部）の温度を示し、線Ｌ２は、容器２２１の中部の外面の温度を示している。

なお、図８（ａ）は、製造装置１の備える第２温度センサ３９の検出結果であることから、多数のサイクルに亘って計測結果が得られている一方、図８（ｂ）は、実験として温度センサを配置して温度を計測していることから、１ショットのみの計測結果となっている。なお、図８（ｂ）の測定結果は、温度変化が十分に安定したサイクルのものである。

この図において示されるように、金属材料Ｍの中部においては、金属材料Ｍの温度は、固相線温度よりも大きく、液相線温度よりも低い温度で停滞している。すなわち、金属材料Ｍの温度は、半凝固金属が得られる温度域で安定している。

図９（ａ）は、半凝固状の金属材料Ｍの模式図である。図９（ｂ）〜図９（ｄ）は、図９（ａ）の領域IXｂ〜IXｄにおける金属材料Ｍの断面の顕微鏡写真である。すなわち、図９（ｂ）、図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、半凝固状の金属材料Ｍの中部、底部の直上及び底部の顕微鏡写真である。

これらの写真から、実施例においては、金属材料Ｍの底部においては、結晶が樹枝状で細かいこと、中部においては、結晶が粒状であることが確認された。すなわち、容器２２１内の温度勾配によって、中部及び底部の組織に相違が生じていることが確認された。

なお、図９（ｅ）〜図９（ｇ）は、比較例における図９（ｂ）〜図９（ｄ）に対応する顕微鏡写真である。比較例においては、実施形態において例示したような、底部側において冷却速度が速くなるような構成は採用されていない。すなわち、基本的に容器の上方から下方に亘って温度は一定である。

実施例と比較例とでは、中部においては、金属材料Ｍの組織に殆ど差が無いのに対して、底部においては、明らかな相違が認められる。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図７（ｄ）の領域Xａ及びXｂにおける金属材料Ｍの断面の顕微鏡写真である。すなわち、図１０（ａ）は、製品部の顕微鏡写真であり、図１０（ｂ）は、方案部のうち、容器２１内において金属材料Ｍの底部であった部分を含む範囲の顕微鏡写真である。

まず、これらの図から、製品部においては、結晶が粒状で粗いこと、方案部においては、結晶が樹枝状で細かい部分が生じていることが確認された。さらに、方案部においては、容器２２１内において金属材料Ｍの底部であった部分と、それ以外の部分との間に境界線が生じていることが確認された。確認された境界線は、プランジャ１１１の移動方向に概ね沿う方向に延びるものである。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

半凝固金属の製造装置は、成形機の一部でなくてもよい。すなわち、製造装置により製造された半凝固金属は、直接に射出装置のスリーブへ供給されるのではなく、急冷凝固されて、半溶融状金属の素材（ビレット）とされてもよい。

半凝固金属の製造装置の全体構成は、保持炉から液状の金属材料をラドルにより汲み出して容器に注ぐ構成に限定されない。例えば、保持炉及びラドルに代えて、１ショット分の金属材料を溶融するるつぼを用い、当該るつぼにより容器に金属材料を注いでもよい。また、例えば、保持炉から容器へ適宜な流路を介して液状の金属材料を注いでもよい。

半凝固金属の製造は、その全ての工程が製造装置により自動的に行われる必要はない。例えば、加熱装置の制御、注湯装置の制御及び半凝固化装置の制御の少なくともいずれか一つは、作業者により行われてもよい。また、例えば、加熱、注湯及び冷却の少なくともいずれか一つについては、装置といえるほどの設備によらずに実現されてもよい。

本実施形態では、ある程度の高さから液状の金属材料を容器に注ぐだけで半凝固金属を攪拌したが、容器を運動させるような攪拌装置や金属材料内で部材を運動させるような攪拌装置が設けられてもよい。また、本実施形態では、半凝固金属から液相部分の一部の排出を全く行わなかったが、当該排出が行われてもよい。

容器の底部材に配置される（第２）温度センサは、容器内に露出しなくてもよい（金属材料に当接しなくてもよい。）。例えば、底部材に薄い部分を形成し、当該薄い部分に下方から温度センサを当接させるように温度センサを配置してもよい。

プレ冷却装置及び補助冷却装置の一方は設けられなくてもよい。補助冷却装置は、容器の底部材を外部から冷却するものであってもよい（冷媒を流すための流路が底部材に形成されなくてもよい）し、底部材だけでなく中空部材も冷却するものであってもよい。冷媒は水に限定されない。例えば、他の液体（例えば、油）でもよく、気体（例えば、空気）でもよい。

容器を構成する中空部材は、下方側が縮径している必要は無い。例えば、中空部材の内径が上方から下方へ亘って一定であっても、中空部材を横にして搬送することなどにより、搬送中に中空部材から半凝固状の金属材料が落下しないようにすることができる。この場合、中空部材の上方の開口（液状の金属材料が注がれた開口）を下に向けるのではなく、下方の開口を下に向けて、当該下方の開口から半凝固状の金属材料を落下させてもよい。ただし、この場合には、図５（ｃ）や図７（ｃ）と同様に、落下された金属材料Ｍの上部が金型１０３と対向するように、つまり、金属材料Ｍの底部がプランジャ１１１と対向するように、金属材料Ｍを落下させることが好ましい。すなわち、本発明では、金属材料Ｍは、上部側が金型１０３側に、底部側がプランジャ１１１側を向くようにスリーブ１０９内に収容されるように落下されることが好ましい。

押圧装置は設けられなくてもよい。例えば、中空部材をスリーブ上において逆さにするだけで金属材料をスリーブ内に投下してもよく、スリーブ上の中空部材の一方の開口から他方の開口へ金属材料を押し出す装置が設けられてもよい。

押圧装置は、容器の底側から金属材料を押すものに限定されない。例えば、上述のように容器の径が上方から下方に亘って一定の場合においては、中空部材を横にした後、上方の開口から金属材料を押して金属材料を容器からずらし、その後、スリーブ上へ搬送することも可能である。また、押圧装置は、容器の底面全体を中空部材に対して押し上げるものであってもよい。

容器の底面の一部範囲において容器内へ進退移動可能な押圧部材は、容器の底面から突出しなくてもよい。例えば、押圧部材は、容器の底面よりも下方へ退避した位置から、容器の底面と連続する位置へ移動して、半凝固状の金属材料を押し、金属材料を容器からずらしてもよい。

搬送装置は、押圧装置を兼ねていてもよい。例えば、金属材料を保持した中空部材を固定された押圧部材に対して移動させることにより、押圧部材に金属材料を押させ、容器から金属材料をずらしてもよい。

固液共存金属は、容器内にて液状の金属材料が冷却されて製造される半凝固金属に限定されない。すなわち、固液共存金属は、容器内にて固体状の金属材料（ビレット）を加熱して製造される半溶融金属であってもよい。

１…製造装置、２１…容器、２７…容器搬送装置、３１…中空部材、３３…底部材、３９…第２温度センサ、４１…押圧装置、Ｍ…金属材料。

Claims (7)

1. 固液共存状態の金属材料を収容する容器と、
   前記容器内の前記金属材料の温度を検出する温度センサと、
   を有し、
   前記容器は、
   上下両端が開口している中空部材と、
   前記中空部材の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、前記中空部材と分離可能な底部材と、
   を有し、
   前記温度センサは、前記底部材に配置されている
   固液共存状態金属の製造装置。
2. 前記温度センサは、前記容器の底面にて前記容器内に露出している
   請求項１に記載の固液共存状態金属の製造装置。
3. 前記中空部材及び前記底部材のうち前記中空部材のみを搬送可能な搬送装置を更に有する
   請求項１又は２に記載の固液共存状態金属の製造装置。
4. 前記底部材には、冷媒が流れる流路が形成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の固液共存状態金属の製造装置。
5. 容器内にて金属材料を固液共存状態とする固液共存金属の製造方法であって、
   上下両端が開口している中空部材と、前記中空部材の下方の開口を閉塞可能であり、且つ、前記中空部材と分離可能な底部材とにより前記容器を構成し、
   前記底部材に配置された温度センサにより前記容器内の金属材料の温度を検出する
   固液共存状態金属の製造方法。
6. 前記温度センサは、前記容器の底面にて前記容器内に露出している
   請求項５に記載の固液共存状態金属の製造方法。
7. 請求項５又は６に記載の固液共存状態金属の製造方法により製造された固液共存状態の前記金属材料を金型内に射出して成形品を製造する
   固液共存状態金属を用いた成形方法。

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