JP7315382B2 - 固形物を備えた金属 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造部品、好適にはダイカスト部品鋳造用の、固形物が混入された金属または金属合金、好適には軽金属または軽金属合金を製造するための方法および装置であって、溶融装置を用いて、金属または金属合金を溶融するステップと、鋳造用溶融物を送り導管を介して、充填されるべき鋳型へ搬送するステップと、送り導管において鋳造用溶融物を搬送する間に鋳造用溶融物に固形物を供給するステップと、を含む方法および装置に関する。

従来技術から、機械的な強度等の物理的な特性を改良するため、または耐久性を改良するためにも、粒子を添加することによる複合材料の製造方法が知られている。また、特に軽金属溶融物の場合には、大きな接触角による固形物の注入における挑戦も知られている。

特に非金属の固形物の場合、溶融物における大きな接触角に基づく固形物の劣悪な濡れ特性は、劣悪なマトリックス結合と同じ意味を持ち、これは、金属または金属合金内への固形物の包込みを困難にする。さらに、このようなプロセスは極めて手間がかかる。

米国特許第７５０９９９３号明細書に開示された方法では、鋳造用溶融物がまだ溶融炉内で液状である間に粒子を添加する。しかしながらこれは、型に充填するまでのプロセスが非連続的であり、むしろその都度１回分の炉バッチ処理量しか流し込むことができず、この場合、炉バッチ処理量は、バッチ毎に繊維と溶融物とのそれぞれ異なる割合（比率）を有している、という欠点をもたらす。さらに、沈殿の可能性も生じる。なぜなら、鋳造用溶融物の流込み中には、混合がほとんど行われないからである。

本発明の課題は、固形物を金属または金属合金内へ包み込むと共に、固形物の良好な濡れ、クラスタ形成無しでの均質な混合、および連続的な製造プロセスの保証の達成を可能にする方法、ならびにこの方法と結び付けられた装置を提案することにある。

この課題は、本発明に基づき、混合ゾーンにおける搬送中に、好適にはエネルギ入力により、供給された固形物を鋳造用溶融物に混合し、かつ送り導管にミキサを配置することによって解決される。

本発明による方法は、鋳造部品、好適にはダイカスト部品鋳造用の、固形物が混入された金属または金属合金、好適には軽金属または軽金属合金の製造方法に関する。

最初に、金属または金属合金を、金属または金属合金が液状に移行して鋳造用溶融物になるまで溶融させる。

鋳造用溶融物を、送り導管を介して、充填されるべき鋳型に運ぶ。これは好適には、送り導管の勾配によってかつ／またはポンプを用いて行われてよい。鋳造用溶融物の送りに関して特に好適なのは、電磁ポンプである。

固形物を鋳造用溶融物内へ供給するために、送り導管における送り中に、調量装置を介して、固形物が鋳造用溶融物内へ注入される。固形物の均質な混合ならびに最適な濡れを保証するために、鋳造用溶融物には、送り導管内での搬送中または送り中に、混合ゾーン内で、好適にはエネルギ入力によって固形物が混合され、この場合、混合ゾーンは、調量装置の領域において固形物が注入されるすぐ傍に配置されていてもよい。

混合が、固形物の供給中および／または固形物の供給後に行われると有利である。最適な混合により、固形物のクラスタ形成が阻止されると共に、鋳造用溶融物に対する固形物の結合および濡れ特性が改良される。

１つの好適な実施形態は、混合用のエネルギ入力が、少なくとも１つの混合ゾーン内で超音波ソノトロードを用いて行われる点にある。これは、形成された固形物凝集体が、超音波により、供給されるエネルギとパルスとを用いて分離され、これにより、個々の固形物が鋳造用溶融物に、より良好に結合することができるようになることによって、鋳造用溶融物に対する固形物の結合を改良する。さらに、固形物と鋳造用溶融物との間の接触角も減少し、これもやはり、改良された結合に寄与する。

エネルギ入力、好適には超音波を用いることによる別の利点としては、鋳造用溶融物上に位置し、表面張力に基づき固形物の侵入を防ぐ酸化物層が分離され、これにより、固形物は鋳造用溶融物中へ、より良好に侵入することができるようになる。

鋳造用溶融物の供給が送り導管内で連続的に行われると有利であることが判った。これにより、連続的で継続的なプロセスならびに高い効率を保証することができる。

好適には、固形物は繊維および／または粒子として形成されており、この場合、繊維は細長い形状を有しており、粒子はどちらかといえば球状または薄片状に形成されている。

繊維または粒子が、炭素繊維、酸化アルミニウム、玄武岩、炭化ケイ素、アラミド、金属繊維、コーティングされた繊維および／またはこれらの派生物の群に由来するものであると有利である。試験から、これらの繊維および薄片または粒子は良好な耐熱性を有しており、高温に温度調節された鋳造用溶融物中で燃え尽きないということが判った。

１つの好適な実施形態は、送り導管が温度調節されるという点にある。送り導管を介した異なる温度調節の可能性に基づき、鋳造用溶融物の状態に影響を及ぼすことができる。つまり、例えば送り導管を冷却可能であることにより、鋳造用溶融物は積極的に冷却されることになり、鋳造用溶融物の状態が半固体になるか、または金属または金属合金の半固体範囲内にあることになる。もちろん、鋳造用溶融物を液状にするか、または液状に保つために、送り導管を加熱する可能性もある。

鋳造用溶融物が半固体状態になるまで、搬送中に鋳造用溶融物が送り導管内で冷却されると有利である。半固体状態に基づき、固形物を練り込むことが可能になり、これもやはり、固形物と合金との間の結合を改良する。特定の範囲にわたり、鋳造用溶融物の同一状態を有しひいては適宜に固形物を注入することができるようにするか、または、固形物と金属または金属合金との間の結合が、例えば練込みまたは超音波処理を用いて改良されるようにするためには、ある程度の温度レベルに温度が保たれると有利である。

本発明は、固形物が混合ゾーンにおいて半固体状態の鋳造用溶融物中に練り込まれるようになっている、別の構成において優れている。練込みは、好適にはやはり送り導管に配置された別の混合ゾーンにおいても実施される。

鋳造部品、好適にはダイカスト部品鋳造用の、固形物が混入された金属または金属合金、好適には軽金属または軽金属合金を製造するための本発明による装置は、内部で金属または金属合金が溶融される溶融装置を有しており、このためには好適には炉が使用される。鋳造用溶融物を送るまたは搬送するために、本装置は送り導管を有している。本発明による装置の調量装置は、鋳造用溶融物中への固形物の供給に用いられ、調量装置は送り導管に接続されている。本発明による装置は、鋳造用溶融物を均質に混合するために少なくとも１つのミキサを有しており、ミキサは送り導管に配置されており、鋳造用溶融物の混合は、搬送または送り中に行われる。

ミキサが超音波ソノトロードとして形成されていると有利である。好適には液状の鋳造用溶融物中で超音波を用いて固形物を混合することにより、上述したような様々な理由から、鋳造用溶融物と固形物との間の結合が改良される。

送り導管に、鋳造用溶融物を圧送するためのポンプ、好適には電磁ポンプが配置されていると有利であることが判った。これは、鋳造用溶融物の連続的で制御可能な搬送または圧送を保証する。

送り導管がバイパス導管を有していると好適な実施形態であることが判った。この場合、バイパス導管は、注入・混合ゾーンを通る鋳造用溶融物の複数回の通走を可能にする。これは、供給されるまたは供給しようとする固形物量ならびに混合の高いフレキシビリティを可能にする。好適には、バイパス導管も温度調節可能である。

好適には、調量装置は鋳造用溶融物中に固形物を注入するためのインジェクタを有している。これは、鋳造用溶融物中への連続的な固形物注入を保証する。

送り導管が、調量装置の範囲に管狭小部を有していると有利である。これは、より狭い範囲におけるより低い圧力を可能にし、これにより、調量装置内の固形物が吸引力により連行される。

本発明による金属または金属合金は、好適には鋳造部品、特にダイカスト部品の製造に用いられ、この場合、好適には鋳造部品は車両部品として使用される。もちろん、別の使用分野も考えられる。対応する金属または金属合金の組成は、用途および要求に合わせられ、これに対応して、適当な固形物が与えられる。

あらゆる構成手段が互いに自由に組合せ可能であり、本方法の特徴は、本装置の特徴および使用の記載と同様に、互いに自由に組合せ可能である。

本発明の１つの実施例を図面に基づき説明する。本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。

固形物が混入された金属または金属合金を製造するための、本発明による装置を示す図である。

図１に示す図面には、固形物が混入された金属または金属合金を製造するための、本発明による装置１が示されている。装置１は、溶融装置２、好適には金属および金属合金を溶融するための炉を有している。これにより得られた鋳造用溶融物は、送り導管３を介して、充填されるべき鋳型９に運ばれる。

好適には、送り導管３における鋳造用溶融物の送り用には、鋳造用溶融物の一定で好適には連続的な流れが送り導管３を通流することを保証するポンプ１１が使用される。送り導管３には、固形物、好適には粒子または繊維を鋳造用溶融物中に注入する調量装置４が配置または接続されている。固形物と鋳造用溶融物との混合用に、少なくとも１つのミキサ５が送り導管３に配置されており、複数のミキサ５が、送り導管３の複数の異なる位置に配置されていてもよい。好適には、調量装置４の領域に既に、好適には超音波ソノトロードとして形成された１つのミキサ５が位置しており、好適にはまだ液状の鋳造用溶融物における固形物の混合を保証している。代替的に、相応のミキサ５を備えた別の混合ゾーン６が送り導管３に配置されていてもよく、別の混合ゾーン６でも、好適には鋳造用溶融物が半固体状態でありかつミキサ５を用いて練り込まれると、鋳造用溶融物がやはり混合されることになり、これは、鋳造用溶融物に対する固形物の良好な結合を可能にする。鋳造用溶融物の最適な状態を保証するために、送り導管３は、加熱によってにせよ、または冷却によってにせよ、適宜に温度調節可能であり、これは個別に対応して適用可能である。可能な実施形態として、送り導管３にはバイパス導管８が配置されており、バイパス導管８は、送り導管３における注入・混合ゾーン７を鋳造用溶融物が複数回通走することを可能にし、このようにして鋳造用溶融物には、この鋳造用溶融物が所望の組成を有すると共に十分に混合され、次いで鋳型９内へ充填されるまで、固形物が相応に供給されるようになっている。

１ 装置
２ 溶融装置
３ 送り導管
４ 調量装置
５ ミキサ
６ 混合ゾーン
７ 注入・混合ゾーン
８ バイパス導管
９ 鋳型
１０ 注入ゾーン
１１ ポンプ

Claims (18)

1. 鋳造部品用の、固形物が混入された金属または金属合金を製造するための方法であって、
   溶融装置（２）を用いて、金属または金属合金を溶融するステップと、
   鋳造用溶融物を、送り導管（３）を介して、充填されるべき鋳型（９）へ搬送するステップと、
   前記送り導管（３）において前記鋳造用溶融物を搬送する間に、前記鋳造用溶融物に固形物を供給するステップと、
   を含む方法において、
   前記送り導管（３）内での搬送中に少なくとも１つの混合ゾーン（６）内で、エネルギ入力により、前記鋳造用溶融物に、供給された前記固形物を混合し、
   当該混合を、１つの混合ゾーン（６）内で超音波ソノトロードを用いて行い、超音波を用いて、前記鋳造用溶融物と前記固形物とを励振させることを特徴とする方法。
2. 混合を、前記固形物の供給中および／または前記固形物の供給後に行う、請求項１記載の方法。
3. 前記鋳造用溶融物の供給を前記送り導管（３）内で連続的に行う、請求項１または２記載の方法。
4. 前記固形物は、繊維および／または粒子である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 繊維は、炭素繊維、酸化アルミニウム、玄武岩、炭化ケイ素、アラミド、金属繊維、コーティングされた繊維および／またはこれらの派生物の群に由来するものである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記送り導管（３）を温度調節する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記鋳造用溶融物が半固体状態を有するまで、搬送中に前記鋳造用溶融物を前記送り導管（３）内で冷却する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記固形物を、１つの混合ゾーン（６）において半固体状態の前記鋳造用溶融物中に練り込む、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記金属は軽金属として、または、前記金属合金は軽金属合金として実施されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記鋳造部品はダイカスト鋳造部品として実施されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 鋳造部品用の、固形物が混入された金属または金属合金を製造するための装置（１）であって、内部で金属または金属合金が溶融される溶融装置（２）と、送り導管（３）と、鋳造用溶融物中に固形物を供給するための調量装置（４）とを有しており、該調量装置（４）は、前記送り導管（３）に接続されており、前記鋳造用溶融物を均質に混合するための少なくとも１つのミキサ（５）を有している、装置（１）において、
    前記ミキサ（５）は前記送り導管（３）に配置されており、前記鋳造用溶融物の混合が搬送中に行われ、
    前記ミキサ（５）は、超音波ソノトロードとして形成されていることを特徴とする、装置（１）。
12. 前記送り導管（３）に、前記鋳造用溶融物を圧送するためのポンプ（１１）が配置されている、請求項１１記載の装置（１）。
13. 前記送り導管は、バイパス導管（８）を有しており、該バイパス導管は、注入・混合ゾーン（７）を通る前記鋳造用溶融物の複数回の通走を可能にする、請求項１１または１２記載の装置（１）。
14. 前記調量装置（４）は、前記鋳造用溶融物中に前記固形物を注入するためのインジェクタを有している、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置（１）。
15. 前記金属は軽金属として、または、前記金属合金は軽金属合金として実施されている、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の装置（１）。
16. 前記鋳造部品はダイカスト鋳造部品として実施されている、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の装置（１）。
17. 前記溶融装置（２）は炉として実施されている、請求項１１から１６までのいずれか１項記載の装置（１）。
18. 前記ポンプ（１１）は電磁ポンプとして実施されている、請求項１２または請求項１２を引用する請求項１３から１７までのいずれか１項記載の装置（１）。