JP3867769B2 - 板状金属素材の製造方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半溶融・半凝固金属のチキソトロピー（thixotropy）を有効に利用した板状金属素材の製造方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半溶融・半凝固金属のチキソトロピー、つまり粘性が小さくて流動性に優れる性質を利用した鋳造法としては、チキソキャスト法（半溶融鋳造法）や、レオキャスト法（半凝固鋳造法）が知られている。
これらの鋳造法は、いずれも溶融した液相の金属と固相の金属とが混在する半溶融・半凝固状態の金属スラリーを用いて鋳造を行うものである。
【０００３】
上述したチキソキャスト法は、固体金属を半溶融状態の金属スラリーとなるまで加熱した後に金型へ供給するようにしたものである。
また、レオキャスト法は、固体金属を一旦溶融させた溶融金属を、粒状結晶を有する半凝固状態の金属スラリーとなるまで冷却した後に金型へ供給するようにしたものである。
【０００４】
これらの鋳造法によれば、固相率が高く、しかも、低粘性の金属を用いた鋳造が可能になるため、金型に対する充填性が向上することにより、歩留まりが向上し、大形製品の成形が可能となり、収縮巣の発生を抑制して機械的強度を向上させることができ、製品の薄肉化を図ることができる、などの利点がある。
また、金型への熱負担も低減できるので、金型の耐用年数を延ばすことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したいずれの鋳造法においても、半溶融金属のチキソトロピー、および半凝固金属の流動性を有効に利用するためには、半溶融・半凝固金属中に、できるだけ微細で、しかも、均一な非樹枝状結晶、望ましくは球状結晶を有している必要がある。
ただし、固体金属を単に半溶融状態まで加熱したり、溶融金属を単に半凝固状態まで冷却しただけでは、そのほとんどが樹枝状結晶となって半溶融・半凝固金属中に現れることになり、半溶融金属のチキソトロピー、および半凝固金属の流動性を十分に得ることができない。
【０００６】
そこで、チキソモールディング法においては、一般に、射出成形機で用いられるスクリュ式の押出機を利用し、押出機のバレル内で固体金属に剪断力を与えながら順次加熱して半溶融状態の金属スラリーとする方法が用いられている。
【０００７】
しかしながら、スクリュ式の押出機は、構造が複雑で高価であるため、鋳造設備への適用コストもきわめて膨大となる。
しかも、押出機のバレル内で生成された金属スラリーがそのまま金型へ供給されることになるため、結晶状態が所望の非樹枝状結晶となっているか否かを確認することもできない。
さらには、バレルに供給する固体金属としては、チップ状に成形したものを用いる必要があり、原材料のコストもきわめて高価なものとなる。
【０００８】
一方、レオキャスト法においては、例えば特開平１０−３４３０７号公報に示されているように、保持炉内で溶融した金属を冷却体に接触させることで固相と液相とからなる固液共存状態に冷却し、これを保持容器中で半溶融温度域に保持しつつ冷却して金属スラリーを生成する方法が用いられている。
【０００９】
こうした方法によれば、溶融金属が冷却体に接触した段階で多数の結晶核が晶出し、さらに結晶核が保持容器中において球状に成長することになるため、チキソキャスト法のように高価な押出機を用いることなく所望の金属スラリーを得ることができるようになる。
しかも、保持炉に対して金属塊をそのまま供給すればよいため、原材料コストの増大を抑えることができる。
さらに、保持容器中に生成された金属スラリーに対しては、所望の非樹枝状結晶を有しているか否かを容易に確認することも可能であり、半凝固金属の流動性を有効に利用した鋳造が可能になる。
【００１０】
しかしながら、上述したレオキャスト法において、実際に量産体制を構築するには、溶融金属を冷却する冷却体と、金属スラリーが供給される金型との間に、多数の保持容器を設置し、かつ、溶融金属を冷却体に接触させる工程と、金型に金属スラリーを供給する工程とを、これら多数の保持容器を用いて連動させなければならず、きわめて複雑な制御が必要となる。
さらに、各保持容器中の金属スラリーに対しては、金型に供給するまでの間に正確な温度管理が必要となり、上述した制御を一層複雑化することになる。
【００１１】
ところで、プレス加工は、ダイキャストや、射出成形機に比べ、生産性が２０倍〜１００倍と飛躍的に向上するため、コスト的に有利となる。
また、板材は加工し易いので、チキソトロピーを有効に利用した板状金属素材を製造できないかとの要望がある。
【００１２】
この発明は、上記したような要望に応えるためになされたもので、プレス加工によって製品を製造することのできる、チキソトロピーを有効に利用した板状金属素材の製造方法および装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる板状金属素材の製造方法は、内部に冷却水の流通路を有し、傾斜した冷却ユニットの表面を、溶融金属を流下させ、冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第１生成工程と、金属スラリーをさらに冷却するとともに、圧延して固体化した板状金属素材を生成する第２生成工程とを有する。
そして、流通路は、冷却ユニットの上側に位置する入り口から下降した後に冷却ユニットの上側に位置する出口まで上昇するように設けられている。
さらに、流通路は、下降する流通路部分の周囲に上昇する流通路部分が設けられている。
また、この発明にかかる板状金属素材の製造装置は、内部に冷却水の流通路を有し、傾斜した冷却ユニットの表面を、溶融金属を流下させ、冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第１生成手段と、金属スラリーをさらに冷却するとともに、圧延して固体化した板状金属素材を生成する第２生成手段とを有するものである。
そして、流通路は、冷却ユニットの上側に位置する入り口から下降した後に冷却ユニットの上側に位置する出口まで上昇するように設けられている。
さらに、流通路は、下降する流通路部分の周囲に上昇する流通路部分が設けられている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１はこの発明の一実施形態である板状金属素材の製造装置の概略構成を示す説明図、図２（ａ），（ｂ）は図１に示した、溶融金属を冷却して金属スラリーを生成する冷却ユニットの一部を省略した縦断面図、および冷却ユニットの横断面図、図３は図１に示したノズルの先端部分を、一部を省略、破断して示す部分平面図、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は金属スラリーを冷却、圧延する説明図である。
【００１５】
図１において、１１は溶融槽を示し、例えばＡＺ系またはＡＭ系に代表されるマグネシウム合金を溶融させた状態、つまり液相温度状態に保持するためのものであり、周囲に加熱ヒータ１２が配設されている。
そして、溶融槽１１の最低部には、貯留した溶融マグネシウム合金Ｍ１を下方へ排出する、略クランク状に屈曲した出湯通路１１ｏが設けられている。
１３は切換バルブを示し、出湯通路１１ｏの途中に、進退することによって出湯通路１１ｏを開閉できるように配設されたバルブプランジャ１３ｐと、このバルブプランジャ１３ｐを進退させるバルブシリンダ１３ｃとで構成されている。
【００１６】
２１は第１生成手段として冷却ユニットを示し、溶融槽１１の下方に配設され、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、表面に案内溝２２（複数であってもよい。）を有するとともに、内部に冷却水の循環通路２３を有する構成とされている。
この冷却ユニット２１は、案内溝２２を出湯通路１１ｏの下端に対向させた状態で傾斜させて配設されている。
２４はカバーブロックを示し、出湯通路１１ｏの下端に連通し、かつ、冷却ユニット２１の表面との間に所定の間隔を確保して冷却ユニット２１を覆うように配設されている。
２５はガイドブロックを示し、カバーブロック２４と、後述する貯留槽３２との間を連続させるものである。
【００１７】
３１は第２生成手段を示し、最低部に貯留した金属スラリーＭ２を下方へ排出する素材通路３２ｏが設けられた貯留槽３２と、この貯留槽３２の下側に配設され、素材通路３２ｏの下端に上端が連通する略Ｌ字状の供給通路３３ｐが設けられたノズル３３と、素材通路３２ｏから供給通路３３ｐへの金属スラリーＭ２の流通を制御する切換バルブ３４と、ノズル３３に配設され、ノズル３３内の金属スラリーＭ２を所定温度に保温する補助ヒータ３５と、図３に示すように、ノズル３３の先端の左右に配設され、連続板状金属素材Ｍ３の幅を規制する幅規制ガイド３６Ｌ，３６Ｒと、ノズル３３から排出される金属スラリーＭ２を冷却しながら圧延する一対の粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕと、この粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕで圧延した連続板状金属素材Ｍ３に対して仕上げ圧延を行う一対の仕上げローラ３８Ｄ，３８Ｕと、この仕上げローラ３８Ｄ，３８Ｕから排出される連続板状金属素材Ｍ３を切断する切断機構３９とで構成されている。
【００１８】
上記した切換バルブ３４は、進退することによって素材通路３２ｏを開閉できるように配設されたバルブプランジャ３４ｐと、このバルブプランジャ３４ｐを進退させるバルブシリンダ３４ｃとで構成されている。
また、切断機構３９は、仕上げローラ３８Ｄ，３８Ｕの下流に配設されたカッタ３９ｃと、このカッタ３９ｃの下流に、カッタ３９ｃから所定長（切断する長さ：切断長）だけ離して配設された、連続板状金属素材Ｍ３の端（先端）を検出する端部検出センサ３９ｓとで構成されている。
そして、粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕは、例えば内蔵した水冷式の冷却ユニットにより、接触する金属スラリーＭ２を急冷できるように構成されている。
【００１９】
なお、供給通路３３ｐの先端は、図４に示すように、上下方向へ拡開し、金属スラリーＭ２を出易くしてある。
そして、一対の粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕは図示を省略した駆動機構で同期させて回転させられることにより、粗圧延ローラ３７Ｄが反時計方向へ回転し、粗圧延ローラ３７Ｕが時計方向へ回転するようになっている。
また、一対の仕上げローラ３８Ｄ，３８Ｕは図示を省略した駆動機構で同期させて回転させられることにより、仕上げローラ３８Ｄが反時計方向へ回転し、仕上げローラ３８Ｕが時計方向へ回転するようになっている。
【００２０】
次に、動作について説明する。
まず、溶融槽１１へマグネシウム合金の塊を投入して加熱ヒータ１２を動作させることにより、溶融槽１１に溶融マグネシウム合金Ｍ１を保持させるとともに、冷却ユニット２１に冷却水を流通させ、さらに、粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕを一定速度で回転させるとともに、仕上げローラ３８Ｄ，３８Ｕも一定速度で回転させることにより、待機状態となる。
この場合、粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕ内の冷却ユニットにも、冷却水を流通させ、また、補助ヒータ３５も、通電して動作させる。
【００２１】
この待機状態からバルブシリンダ１３ｃを動作させてバルブプランジャ１３ｐを後退させると、出湯通路１１ｏが開放され、溶融槽１１に貯留した溶融マグネシウム合金Ｍ１が出湯通路１１ｏを介して冷却ユニット２１へ供給される。
冷却ユニット２１へ供給された溶融マグネシウム合金Ｍ１は、冷却ユニット２１の傾斜に沿って案内溝２２を流下した後、貯留槽３２に一旦貯留される。
【００２２】
このように冷却ユニット２１を流下する溶融マグネシウム合金Ｍ１は、冷却ユニット２１によって適宜冷却され、内部に多数の結晶核が晶出した金属スラリーＭ２となり、さらに貯留槽３２で上述した結晶核が球状に成長し、微細で、しかも、均一な球状結晶を有するようになる。
【００２３】
次に、バルブシリンダ３４ｃを動作させてバルブプランジャ３４ｐを後退させると、素材通路３２ｏが開放されるので、貯留槽３２に一旦貯留された金属スラリーＭ２は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ノズル３３の供給通路３３ｐを介して順次外部へ排出される。
このように、供給通路３３ｐを通過する金属スラリーＭ２は、補助ヒータ３５で所定温度に保温される。
【００２４】
そして、図４（ｂ）に示すように、供給通路３３ｐから排出された金属スラリーＭ２は、回転する粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕに接触して冷却されることにより、図４（ｃ）に示すように、完全に固体化した板状で連続的に排出され、連続板状金属素材Ｍ３となる。
このように、供給通路３３ｐから排出される連続板状金属素材Ｍ３は、左右の幅を幅規制ガイド３６Ｌ，３６Ｒで規制され、粗圧延ローラ３７Ｄ，３７Ｕで圧延されながら搬送された後、仕上げローラ３８Ｄ，３８Ｕで仕上げ圧延され、カッタ３９ｃの間を前進する。
【００２５】
なお、完全に固体化された連続板状金属素材Ｍ３は、十分にチキソトロピーを有する金属スラリーＭ２を急速に冷却して生成したものであり、チキソトロピーを潜在的に保持していることは、連続板状金属素材Ｍ３中に含まれる結晶構造を観察することによって容易に確認することできる。
【００２６】
次に、前進する連続板状金属素材Ｍ３の先端を端部検出センサ３９ｓが検出すると、カッタ３９ｃが作動させられて連続板状金属素材Ｍ３を所定長で切断することにより、板状金属素材Ｍ４とされ、例えば搬送コンベアで搬送される。
このように連続板状金属素材Ｍ３を切断して板状金属素材Ｍ４としているとき、連続板状金属素材Ｍ３は、撓んで余長を吸収し、カッタ３９ｃが開放すると、自身の弾性によって前進する。
以後は、同様に、連続板状金属素材Ｍ３を順次切断して板状金属素材Ｍ４とする。
【００２７】
上述したように、この発明によれば、チキソトロピーを有効に利用した板状金属素材Ｍ４を製造できるので、この板状金属素材Ｍ４をプレス加工することにより、ダイキャストや、射出成形機に比べて生産性よく所望の製品を製造することができる。
【００２８】
上記した実施形態では、マグネシウム合金を原材料として板状金属素材Ｍ４を製造する例示しているが、アルミニウムやアルミニウム合金、その他の金属や合金を原材料とした板状金属素材Ｍ４を製造することも可能である。
また、連続板状金属素材Ｍ３を順次切断して板状金属素材Ｍ４とする切断機構３９（切断工程）を設けた例を示したが、球状化結晶の製品は樹枝状結晶の製品に比べて１５％程度強度が増加するので、板厚を巻取可能な値にできるため、連続板状金属素材Ｍ３を直接、または巻芯に所定径のロール状に巻き取る巻取機構（巻取工程）を設けたり、連続板状金属素材Ｍ３をそのままプレス加工することにより、切断機構３９を設けなくともよい。
なお、巻取機構（巻取工程）を設ける場合、ロール径が所定径となる連続板状金属素材Ｍ３の長さを計測機構で計測して切断する。
このように、連続板状金属素材Ｍ３をロール状に巻き取ると、製品を製造する原料（板材）の取扱が容易にできるとともに、製品を製造する原料の供給が容易になり、製品の大量生産に向いた原料の取扱、供給が可能になる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、チキソトロピーを有効に利用した板状金属素材を製造できるので、この板状金属素材をプレス加工することにより、ダイキャストや、射出成形機に比べて生産性よく所望の製品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態である板状金属素材の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）は溶融金属を冷却して金属スラリーを生成する冷却ユニットの一部を省略した縦断面図、（ｂ）は冷却ユニットの横断面図である。
【図３】図１に示したノズルの先端部分を、一部を省略、破断して示す部分平面図である。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は金属スラリーを冷却、圧延する説明図である。
【符号の説明】
１１ 溶融槽
１１ｏ 出湯通路
１２ 加熱ヒータ
１３ 切換バルブ
１３ｐ バルブプランジャ
１３ｃ バルブシリンダ
２１ 冷却ユニット（第１生成手段）
２２ 案内溝
２３ 循環通路
２４ カバーブロック
２５ ガイドブロック
３１ 第２生成手段
３２ 貯留槽
３２ｏ 素材通路
３３ ノズル
３３ｐ 供給通路
３４ 切換バルブ
３４ｐ バルブプランジャ
３４ｃ バルブシリンダ
３５ 補助ヒータ
３６Ｌ 幅規制ガイド
３６Ｒ 幅規制ガイド
３７Ｄ 粗圧延ローラ
３７Ｕ 粗圧延ローラ
３８Ｄ 仕上げローラ
３８Ｕ 仕上げローラ
３９ 切断機構
３９ｃ カッタ
３９ｓ 端部検出センサ
Ｍ１ 溶融マグネシウム合金（溶融合金）
Ｍ２ 金属スラリー
Ｍ３ 連続板状金属素材
Ｍ４ 板状金属素材

Claims (6)

1. 内部に冷却水の流通路を有し、傾斜した冷却ユニットの表面を、溶融金属を流下させ、冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第１生成工程と、
   前記金属スラリーをさらに冷却するとともに、圧延して固体化した板状金属素材を生成する第２生成工程と、
   を有する板状金属素材の製造方法。
2. 請求項１に記載の板状金属素材の製造方法において、
   前記流通路は、前記冷却ユニットの上側に位置する入り口から下降した後に前記冷却ユニットの上側に位置する出口まで上昇するように設けられている、
   ことを特徴とする板状金属素材の製造方法。
3. 請求項２に記載の板状金属素材の製造方法において、
   前記流通路は、下降する流通路部分の周囲に上昇する流通路部分が設けられている、
   ことを特徴とする板状金属素材の製造方法。
4. 内部に冷却水の流通路を有し、傾斜した冷却ユニットの表面を、溶融金属を流下させ、冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第１生成手段と、
   前記金属スラリーをさらに冷却するとともに、圧延して固体化した板状金属素材を生成する第２生成手段と、
   を有する板状金属素材の製造装置。
5. 請求項４に記載の板状金属素材の製造装置において、
   前記流通路は、前記冷却ユニットの上側に位置する入り口から下降した後に前記冷却ユニットの上側に位置する出口まで上昇するように設けられている、
   ことを特徴とする板状金属素材の製造装置。
6. 請求項５に記載の板状金属素材の製造装置において、
   前記流通路は、下降する流通路部分の周囲に上昇する流通路部分が設けられている、
   ことを特徴とする板状金属素材の製造装置。

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