JP4582778B2 - 金属成形機における金属素材の溶融方法 - Google Patents

Description

この発明は、鋳造又は押出成形により円柱状に形成した金属素材を溶融して金型に射出し、所望の製品を射出成形する金属成形機における金属素材の溶融方法に関するものである。

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、粒状の金属素材を供給して溶融蓄積するか、または溶解炉により溶融した溶融金属を溶融金属保持筒に供給蓄積して、その内部に設けた射出プランジャの進退移動により、溶融金属の計量と金型への射出を行っているものがある。
また金属製品の鋳造法として、金属スラリーを冷却して鋳造した円柱状の金属素材を、インジェクション装置に横に供給して予備加熱したのち、半溶融状態に加熱して加熱チャンバに貯留し、吸引ロッドにより金型に射出するものもある。
特願２００３−２００２４９号 特開２００１−２５２７５９号

粒状の金属素材は酸化し易く、また軽量であることから溶融金属保持筒内に落下しても、溶湯内に沈んで直ちに溶融するものが少なく、その多くは湯面に浮き積もって熱気に長く曝されるのでスラッジが発生し易い。このスラッジの発生は、金属素材を粒状よりも酸化の度合いが少ない円柱体（丸棒ともいう）の状態に鋳造又は押出成形して形成することにより抑制することができる。

しかし、上記円柱状金属素材は溶融金属の加熱保持筒に直接供給できず、溶解炉により完全溶融してから供給するか、または予備加熱バレルにより予備加熱してから半溶融状態に加熱して加熱チャンバに貯溜してるので、金属成形機が大型となり、保守管理にも手数を要する。

上記課題は、円柱状金属素材の溶解手段に円筒体を採用し、その溶解筒を射出手段を内装した加熱保持筒に縦に設けて、溶解筒の周囲から内部に挿入した上記円柱状金属素材を加熱して溶融しながら、半溶融又は完全溶融状態で加熱保持筒に供給することにより解決できる。

そのような金属成形機は、加熱保持筒と溶解筒とから構成されるので大型とならず、また保守管理も容易となるが、円柱状金属素材の溶融を溶解筒周囲の加熱手段による輻射熱により間接的に行っているので、円柱状金属素材を溶湯中に落として接触により直接加熱する溶解炉の場合よりも加熱効率が悪く、溶融に時間を要する。

この溶解筒における加熱効率の悪さは、溶解筒と上記円柱状金属素材とのクリアランスが一因となってる。これまでクリアランスは、円柱状金属素材の挿入の容易さを考慮して設定しており、加熱前（非熱膨張時）の円柱状金属素材の直径から溶解筒の内径を決めて設定している。この内径の設定は円柱状金属素材の直径や溶解筒の内径に公差があり、また酸化物の付着による内径の部分的な狭まりなどがあるので、これらを考慮して設定している。このため必然的にクリアランスが大きく形成される傾向にある。

また溶解筒からの輻射熱による加熱では、円柱状金属素材の底面および上面からの加熱が行え難いことから、加熱は円柱状金属素材の胴部周囲に限られている。溶解筒での輻射熱による加熱効率は、クリアランス（加熱距離）が大きくなるほど低下してゆく。加熱効率の向上のためにクリアランスを小さく設定して、溶解筒の内面に円柱状金属素材の外面を接近させるほど、溶解筒内への円柱状金属素材の挿入は垂直に行わねばならず、溶解筒底面まで自重により落下挿入するには手間を要する。この挿入作業の手間取りによる供給の遅れから、加熱保持筒内の蓄積量が低減して、成形作業に支障を来すようなこともある。

この発明の目的は、円柱状に形成した金属素材を縦に設けた溶解筒へ挿入する際の難易性と加熱効率に係る上記課題を、金属素材の線膨張係数と溶解筒の材質の線膨張係数とから、熱膨張時を対象にクリアランスを設定することによって解決する新たな金属成形機における金属素材の溶融方法を提供することにある。

上記目的によるこの発明は、金属素材を鋳造又は押出成形により円柱状に形成し、その円柱状金属素材を成形材料として金属成形機の加熱保持筒に縦に設けた溶解筒に上方から挿入し、円柱状金属素材を溶解筒外周囲の加熱手段により半溶融又は完全溶融するにあたり、上記溶解筒の内周面と円柱状金属素材の外周面とのクリアランスを、予め金属素材の線膨張係数と溶解筒の金属材料の線膨張係数とから、熱膨張時の溶解筒の内径と円柱状金属素材の直径とを対象に１．０ｍｍを超えず、かつ上記加熱手段の温度において熱膨張している溶解筒内に、非熱膨張状態の上記円柱状金属素材が挿入可能な０．８ｍｍから１．５ｍｍを超えない範囲に設定してなる、というものである。

また上記溶解筒は、上記金属素材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の金属材料からなるというものであり、上記金属素材は、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からなるというものである。また金属素材は固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈するマグネシウム合金からなる、というものである。

上記構成では、両方の熱膨張時のクリアランスｃを１ｍｍを超えない範囲に設定しても、円柱状金属素材の挿入時のクリアランスは、円柱状金属素材が加熱を受けるまで非熱膨張状態にあるので、その非熱膨張分だけ熱膨張時のクリアランスよりも大きく形成されるようになる。このため熱膨張時のクリアランスに基いて設定された両方の非熱膨張時のクリアランスが、円柱状金属素材の挿入限界に近いクリアランスとなっていても、円柱状金属素材の挿入が支障なく行えるようになる。またクリアランスは挿入後の金属素材の熱膨張により自然に狭く変わるので加熱効率が向上し、溶解時間が早まるので成形サイクルに対応した金属素材の溶融が行え、加熱保持筒への供給と蓄積とを効率よくできるようになる。さらにまた溶解筒の材質が変わっても、その材質の線膨張係数から適正なクリアランスを設定することができる。

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、鋳造又は押出成形により円柱体（丸棒）に形成した金属素材Ｍ（以下円柱状金属素材という）の溶解供給装置３と、射出保持筒２の後部の射出駆動装置４とからなる。

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による加熱保持筒２の温度は、成形材料として用いられるマグネシウム合金、アルミニウム合などの金属素材が、固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈する場合には、液相線温度と固相線温度との間の温度に設定され、また完全溶融を要する場合には、液相線温度以上の温度に設定される。

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、上記射出手段２６の射出プランジャ２６ａが進退自在に嵌挿された計量室２５となっている。射出プランジャ２６ａはロッド２６ｂの先端に取付けてあり、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いる。

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平底の底部となし、その平底の中央に小径の供給流路３１ａを穿設して形成した溶解筒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は液相線温度以上の温度か又は液相線温度以下の温度で固相線温度以上の温度（固液共存温度領域）のいずれかの温度に設定してある。

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２７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Ｌ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。

このような溶解供給装置３では、上記円柱状金属素材Ｍを供給筒３３の上部開口から挿入すると、円柱状金属素材Ｍは溶解筒３１の底面まで自重により落下して底着する。この円柱状金属素材Ｍは溶解筒３１の周囲からの輻射熱による加熱により半溶融又は完全溶融する。溶融した金属素材は上記供給路３１ａから流下して加熱保持筒２に蓄積され、上記射出プランジャ２６ａの後退移動により計量室２５に流入して計量されたのち、射出プランジャ２６ａの前進移動により図示しない金型に射出される。

図２および図３において、上記溶解筒３１の内周面と円柱状金属素材Ｍの外周面とのクリアランスｃは、溶解筒の内径Ｄと円柱状金属素材Ｍの直径ｄとの差から生ずるので、その差の１／２がクリアランスｃとなる。円柱状金属素材Ｍの挿入の容易さを考慮して、通常は、その両方が加熱を受ける前の非熱膨張時を対象として設定されるが、加熱効率はクリアランスｃが小さいほど効率が高いので、ここでは溶解筒３１と円柱状金属素材Ｍの両方の熱膨張時を対象にクリアランスを設定している。

このクリアランスｃの設定は、金属素材の線膨張係数と、溶解筒に採用される金属材料の線膨張係数とから得られる熱膨張時の円柱状金属素材Ｍの直径ｄと溶解筒３１の内径Ｄとを対象に行っている。この熱膨張温度は円柱状金属素材Ｍの形態が熱膨張により変形しない維持可能な上限温度（たとえば、マグネシウム合金では５５０℃）で行うのが好ましい。

クリアランスｃは狭いほど加熱効率が高くなるが、反対に円柱状金属素材Ｍの挿入が困難となるので、挿入の容易性と加熱効率とを考慮して両方の熱膨張時に１．０ｍｍを超えず、また熱膨張している溶解筒３１に、非熱膨張状態の円柱状金属素材Ｍを挿入する際のクリアランスｃが１．５ｍｍを超えない範囲に設定してある。また熱膨張によるクリアランスｃの拡大を防止するために、溶解筒３１には線膨張係数が金属素材の線膨張係数より小さい膨張率の金属材料が使用されている。

このクリアランスｃに基いて設定される両方の非熱膨張時のクリアランスｃ′が、溶解筒３１の内周面に付着した酸化物による円柱状金属素材Ｍの挿入限界（約０．８ｍｍ）よりも小さいクリアランスでも、円柱状金属素材Ｍの挿入時には、円柱状金属素材Ｍは加熱されていないので熱膨張しておらず、その円柱状金属素材Ｍの非熱膨張分がクリアランスｃ′を大きく形成するようになるので、円柱状金属素材Ｍの挿入が支障なく行えるようになる。

また挿入ずれにより左右のクリアランスに差が生ずるようなことがあつても、その差は１．０ｍｍを超えないクリアランスの範囲の中のことなので、加熱効率に大きな影響を与えることはない。この結果、加熱効率が高く、円柱状金属素材Ｍの挿入がスムーズなクリアランスの設定が可能となり、上記円柱状金属素材Ｍの溶融を溶解筒３１で行うものであつても、成形サイクルに対応した金属素材の溶融供給と蓄積とを行うことができる。

なお、円柱状金属素材Ｍの溶解筒３１への挿入に際しては、円柱状金属素材Ｍの鋳造又は押出成形時に生じた表層の巣や、表面に付着した酸化物等の不純物は、予め切削により除去しておくのが好ましい。

溶解筒３１により円柱状金属素材Ｍの温度が液相線温度を超えると、金属素材は完全に溶融して湯となるが、金属組織が固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈する金属素材では、結晶間に分布する共晶が液相線温度に達する前の固液共存温度領域の温度で溶融し、液相と固相とによる半溶融状態となって上記供給流路３１ａをを流下してゆく。

クリアランスの設定条件（寸法ｍｍ）
金属素材 マグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）
線膨張係数：２７．０×１０-6／Ｋ
形状：円柱体
長さ：３００
溶解筒材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
線膨張係数：１６．５×１０-6／Ｋ
形状：円筒体 高さ：６１０
加熱手段：バンドヒータ 定格 ５ｋｗ
加熱温度：５５０℃

［ＮＯ１］ 非熱膨張時 熱膨張時
円柱体 直径 ６０．０（Ａ） ６０．８９１
溶解筒 内径 ６１．０ ６１．５５４（Ｂ）
直径と内径の差 １．０ ０．６６３
クリアランス ０．５ ０．３３１

［ＮＯ２］ 非熱膨張時 熱膨張時
円柱体 直径 ６０．０（Ａ） ６０．８９１
溶解筒 内径 ６１．５ ６２．０５８（Ｂ）
直径と内径の差 １．５ １．１６７
クリアランス ０．７５ ０．５８３

［ＮＯ３］ 非熱膨張時 熱膨張時
円柱体 直径 ６０．０（Ａ） ６０．８９１
溶解筒 内径 ６２．０ ６２．５３６（Ｂ）
直径と内径の差 ２．０ １．６７２
クリアランス １．０ ０．８３６

［ＮＯ４］ 非熱膨張時 熱膨張時
円柱体 直径 ６０．０（Ａ） ６０．８９１
溶解筒 内径 ６２．３ ６２．８６５（Ｂ）
直径と内径の差 ２．３ １．９７４
クリアランス １．１５ ０．９８７

［ＮＯ５］ 非熱膨張時 熱膨張時
円柱体 直径 ６０．０（Ａ） ６０．８９１
溶解筒 内径 ６３．０ ６３．５７２（Ｂ）
直径と内径の差 ３．０ ２．６８１
クリアランス １．５ １．３４０

上記表から、各実施例の両非熱膨張時、非熱膨張・熱膨張時、熱膨張・熱膨張時のクリアランス（寸法ｍｍ）
両非熱膨張時 非熱膨張・熱膨張時 両熱膨張時
［ＮＯ１］ ０．５ ０．７７７ ０．３３１
［ＮＯ２］ ０．７５ １．０２９ ０．５８３
［ＮＯ３］ １．０ １．２５２ ０．８３６
［ＮＯ４］ １．１５ １．４３３ ０．９８７
［ＮＯ５］ １．５ １．７８６ １．３４０
但し、非熱膨張・熱膨張時のクリアランスは上表（Ｂ）−（Ａ）／２で、こ れが上記円柱体の挿入クリアランスとなる。

円柱状金属素材の完全溶融（液相状態）時間（分）
（但し、加熱温度：６００℃）
［ＮＯ１］ ［ＮＯ２］ ［ＮＯ３］ ［ＮＯ４］ ［ＮＯ５］
１２ １３ １５ １７ ２０

成形条件
製品質量：４０ｇ（１ショット）
金属素材：質量：１．５Ｋｇ（約３７ショット分）
成形サイクル（１ショット）：３０秒
加熱温度：６００℃
成形サイクル対応溶融時間（３７ショット×３０秒）：約１９分
金属成形機：ＦＭｇ３０００（日精樹脂工業株式会社製）

結 果
上記実施例において、［ＮＯ１］は両熱膨張時のクリアランスが小さいので、加熱効率が最も良く溶解時間も約１２分となるが、非熱膨張状態の上記円柱体を溶解筒に挿入するときの非熱膨張・熱膨張時のクリアランスが、挿入限界と見做される約０．８ｍｍよりも小さい０．７７ｍｍなので適用することができない。

また［ＮＯ５］は、両熱膨張時のクリアランスが大きいので、非熱膨張状態の上記円柱体を溶解筒に容易に挿入できるが、非熱膨張・熱膨張時のクリアランスも比例して大きくなるので加熱効率が悪く、溶融に約２０分も要するので、上記成形サイクルに対応した溶融時間（約１９分）で全量を溶融することがてきない。このため加熱保持筒への安定供給が行えないので適用し難い。

［ＮＯ２］では、上記円柱体と溶解筒の両方の非熱膨張時のクリアランスが０．７５ｍｍと上記挿入限界より小さいが、非熱膨張・熱膨張時のクリアランスが挿入限界よりも大きい１．０２９ｍｍに拡大形成される。したがつて、円柱体を溶解筒に挿入することができる。また溶融時間（１３分）も上記成形サイクルに対応した溶融時間（約１９分）内で済むので適用可能ではあるが、長時間の使用により溶解筒の内面に生ずる酸化物の付着による影響を受け易いので、一定期間ごとに清掃を要する。

［ＮＯ３］は、［ＮＯ２］よりも非熱膨張・熱膨張時のクリアランスが１．２５２ｍｍと大きく形成されるので、上記円柱体の溶解筒への挿入も容易となる。また溶融溶融時間（１５分）も上記成形サイクルに対応した溶融時間（約１９分）内で済み、酸化物の付着による影響もクリアランスが充分に確保されるの受け難い。したがって、長期にわたり清掃を行う必要がなく、最も好ましい状態で上記円柱体の挿入と金属素材の溶融を可能とする。

［ＮＯ４］は、［ＮＯ３］よりも非熱膨張・熱膨張時のクリアランスが１．４３３ｍｍと大きく形成されるので、さらに上記円柱体の溶解筒への挿入が容易となる。また酸化物の付着による影響もなくなるので清掃が不要となるが、加熱効率の低下により溶融時間がかかる。しかし、上記成形サイクルに対応した溶融時間（約１９分）内で全量の溶融（１７分）が済むので、この辺りまでが適用可能な範囲となる。

したがって、実施例［ＮＯ２］〜［ＮＯ４］から明らかなことは、金属素材の線膨張係数と、溶解筒の材質の線膨張係数とから、熱膨張時の溶解筒の内径Ｄと円柱状金属素材の直径ｄとを対象にして、クリアランスが１．０ｍｍを超えず、かつ熱膨張している溶解筒内に、非熱膨張状態の上記円柱状金属素材が挿入可能な０．８ｍｍから１．５ｍｍを超えない範囲の設定であれば、溶解筒に対する上記円柱状金属素材の挿入をスムーズに、また成形サイクルに対応した溶融時間内での溶融が可能となるということであり、それから溶解筒の実質的な内径を非熱膨張状態で設定して、金属成形機における円柱状金属素材の挿入の容易性と効率的な溶融とを両立させて行うことができるということである。

この発明に係る金属素材の溶融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。 溶解筒と円柱体の金属素材との加熱膨張時のクリアランスを示す部分断面図である。 溶解筒と円柱体の金属素材との非熱膨張時のクリアランスを示す部分断面図である。

符号の説明

１ 金属成形機
２ 加熱保持筒
３ 溶解供給装置
２４ 加熱手段
２５ 計量室
２６ 射出手段
２６ａ 射出プランジャ
３１ 溶解筒
３２ 加熱手段

Claims (4)

1. 金属素材を鋳造又は押出成形により円柱状に形成し、その円柱状金属素材を成形材料として金属成形機の加熱保持筒に縦に設けた溶解筒に上方から挿入し、円柱状金属素材を溶解筒外周囲の加熱手段により半溶融又は完全溶融するにあたり、
   上記溶解筒の内周面と円柱状金属素材の外周面とのクリアランスを、予め金属素材の線膨張係数と溶解筒の金属材料の線膨張係数とから、熱膨張時の溶解筒の内径と円柱状金属素材の直径とを対象に１．０ｍｍを超えず、かつ上記加熱手段の温度において熱膨張している溶解筒内に、非熱膨張状態の上記円柱状金属素材が挿入可能な０．８ｍｍから１．５ｍｍを超えない範囲に設定してなることを特徴とする金属成形機における金属素材の溶融方法。
2. 上記溶解筒は、上記金属素材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の金属材料からなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
3. 上記金属素材は、マグネシウム合金、アルミニウム合金の低融点金属合金からなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
4. 上記金属素材は、固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈するマグネシウム合金からなることを特徴とする請求項３記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。

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