JPH0251703B2

JPH0251703B2 -

Info

Publication number: JPH0251703B2
Application number: JP62182411A
Authority: JP
Inventors: Pii Yangu Kenesu
Original assignee: Alumax Inc
Current assignee: Alumax Inc
Priority date: 1986-07-23
Filing date: 1987-07-23
Publication date: 1990-11-08
Also published as: DE3765869D1; EP0254437B1; JPS6356344A; US4687042A; EP0254437B2; EP0254437A3; ATE57859T1; EP0254437A2

Description

【発明の詳細な説明】＜発明の分野＞本発明は、低融点の液状マトリツクス中に非樹
枝状固形粒子を含有して成るプレフオームのイン
ゴツトから極めて高品質の金属成形品を製造する
ための方法及び装置に関する。

＜発明の背景＞金属鍛造材料において、チキソトロピーを示す
合金の半固体のスラリーから得られる材料が、成
形品の無欠陥性を高める等の幾つかの利点を有す
ることは周知である。そのような利点を有するの
は、金属がダイキヤビテイに進入したとき半ば固
体であり、収縮が少ないからである。また、ダイ
を侵食よくすることも少なく、熱衝撃も少ないの
で、鍛造装置の寿命も延長される。

チキソトロピーを示す合金の半固体のスラリー
を調製するための従来から知られた方法として
は、機械的に攪拌することによる方法と、誘導電
磁により攪拌することからなる方法がある。好ま
しい構造のスラリーを製造する方法においては、
攪拌操作によつて定まるせん断速度と鍛造される
材料の凝固速度とをバランスさせなければならな
い。金属組成物は、特性として、２次相中に含有
されたばらばらの一次固相粒子からなる半固体・
半液体であるか、又は固体である。この２次相
は、金属組成物が固体である場合は固体であり、
金属組成物が半固体・半液体である場合は液体で
ある。このような金属組成物は広範囲の種類の金
属又は合金組成物から形成されるが、１次粒子
は、ほぼ球形の小さな縮退樹枝状結晶又はノジユ
ールから成るものであり、２次相が液体である場
合、合金組成物を攪拌する結果として形成され
る。１次固体粒子は、周囲のマトリツクスの平均
組成とは異なる平均組成を有する単一相又は複数
相から成り、該マトリツクスは、更に固化した時
それ自体１次相と２次相から成るものであつても
よい。

攪拌を行なわずに、即ち通常の形態において固
化した合金は、固化の初期段階においては、即ち
固形分が15〜20重量％に達するまでは互いに分離
した樹枝状結晶を有し、それらの結晶は、温度が
下げられ、重量固形分が増加するにつれて、相互
に連結した網状組織に発達する。米国特許第
3954455号に開示されているような従来の技術は、
固形分が60〜65重量％以上になるまでばらばらの
１次粒子を液状マトリツクスにより互いに分離し
た状態に維持することによつて相互に連結した網
状組織の形成を防止することを教示している。こ
れらの一次固形物は、通常の樹枝状組織に比べて
表面が比較的平滑であり、分枝構造が少なく、よ
り球形に近い形状を有しているという点で縮退樹
枝状結晶である。

本発明の実施に有用な合金組成物を形成する方
法としては、いずれも従来周知の幾つかの方法が
ある。典型的には、合金をまず液体状に溶融し
て、液体をその固化の間攪拌することができる装
置へ導入する。溶融金属を攪拌し、所望の液体・
固体比に達したならば、その液体・固体混合物を
急に冷し、保管し易い固体スラグを形成する。の
ちに、そのスラグを一定の温度にまで加熱して液
体・固体混合物を形成し、それを鋳造又は鋳造工
程にかけて所望の最終造形部品を製造することが
できる。このように、この合金は、液体・固体状
態に再加熱されたときに、チキソトロピー特性を
有する。そのような状態では、合金を一見して固
体の形で改変されたダイキヤストマシン又は鍛造
装置へ供給することができる。しかしながら、こ
の一見固体状のスラグ（合金）は、ダイキヤビテ
イ内へ圧入された時は受けるせん断作用によつ
て、液体の特性により近い特性の物質に変換され
る。チキソトロピーを示す合金スラグは、液体・
固体混合物を液体の全部が固化する温度よりは高
い温度にまで冷却することによつても得られる。
その得られたチキソトロピーを示す組成物をその
状態のままで鋳造又は鍛造することができる。

チキソトロピーを示す合金組成物を調製する場
合、合金組成物とそれと保持する容器の内壁との
界面には攪拌作用が及ばないので合金組成物のプ
レフオームインゴツト又はスラグに表面スキンが
生じ易いことは従来から知られている。従来の技
術では、合金の攪拌中保持容器を熱的に絶縁（断
熱）し、合金の冷却を遅らせることによつてこの
問題を軽減しようとする試みがなされている。従
来の技術は実質的に均一なチキソトロピーを示す
組成物を製造する上である程度の成功を収めてい
るが、最終的に形成された合金インゴツトから樹
枝状スキン（表皮）を完全になくすことは実際上
不可能である。

＜発明の概要＞従つて、本発明の目的は、従来の技術のチキソ
トロピーを示す合金組成物から、そのような合金
組成物のインゴツトが特徴的に有する樹枝状スキ
ンによつて実質的に影響されないような態様で金
属成形品を製造するための方法及び装置を提供す
ることである。

本発明の他の目的は、通常チキソトロピーを示
す合金スラグに随伴する樹枝状スキンを含む表面
及びスキンに含まれるその世の不純物を実質的に
除去されたチキソトロピーを示す合金組成物か
ら、金属成形品を製造することによつて、従来の
技術の対応する金属鍛造品より実質的に強度の高
い金属鍛造分を成形するための方法及び装置を提
供することである。

本発明の上記及びその他の目的は、添付図を参
照して記述した以下の説明から一層明らかになろ
う。

先に述べたように、インゴツト又はスラツグの
実質的に全断面に亘つて非樹枝状組成を示す半固
体のチキソトロピーを有する合金スラリーを調製
するために従来からいろいろな試みがなされてい
る。例えば、攪拌手段が機械的攪拌ブレードであ
れ、回転する磁場であれ、合金スラリーを攪拌手
段内にいれるまでスラリーの固化を遅らせるよう
にすることは従来周知であり、従来技術の金型に
は、例えば米国特許第4450893号に教示されてい
るように、固化を遅らせるための断熱ライナー及
び、又は断熱バンドが施されている。

又、比較的熱伝導率の低い材料から形成され熱
伝導率の高い材料から成る挿入体を備えている直
冷式鍛造用金型を用いることによつて溶融合金か
らの熱放出を制御することも従来周知である。そ
のような金型は、米国特許第3612158号に開示さ
れている。又、米国特許第4482012号は、別の方
法として熱交換部を構成する第１チヤンバーと、
それとは物理的に分離されており、鍛造部を構成
する第２チヤンバーと、熱交換部の出口端と鍛造
部の入口端の間の耐火物の断熱遷移部とを備えた
金型を使用することを教示している。この公知技
術によれば、そのような金型は、導入されてくる
溶融材料を熱交換部において粒状スラリーに連続
的に変換し、その粒状スラリーを鍛造部へ送給す
ることによつて外周面に樹枝状組織が生じるのを
回避する。しかしながら、周辺樹枝構造即ちスキ
ンの全部を除去することは事実上不可能であり、
樹枝構造が存在すると、最終製品である金属部品
の構造的一体性を損なわれる。また、チキソトロ
ピーを示す半固体の合金組成物は、全部金属体の
場合と同様に、その表面に酸化物を生じ易く、そ
のような酸化物が最終金属部品に包攝されると、
やはりその金属部品の一体性が損われる。

本発明は、表面の不純物を含むチキソトロピー
を示す半固体スラリーから成るインゴツト又はス
ラグから金属成形品を製造する方法、並びに、そ
の方法を実施する装置を提供する。インゴツト
は、最初に、金属成形品を成形するダイキヤビテ
イと流体連通されたプレチヤンバーに導入され
る。次にラム又は他の加圧手段を、プレチヤンバ
ー中に配されたインゴツトに適用することによつ
て、チキソトロピーを示す合金組成物の一部分
に、金属成形品の形状を付与すると共に、インゴ
ツトの一部分は、プレチヤンバー中に残留させ
る。インゴツトが下降するラムによつて圧縮さ
れ、インゴツトの一部分がそれによつてプレチヤ
ンバーからダイキヤビテイ中に圧入される時に生
ずるせん断によつて、チキソトロピーを示す合金
は、液体の性質により近い性質の金属合金に変え
られ、合金はそれによつて、ダイキヤビテイに従
つた形状に成形される。実質的に全部の表面不純
物は、プレチヤンバー中に残留し、最終的に成形
された金属成形品を鍛造装置から除去する際にこ
の金属成形品から除去することができる。

＜実施例＞第１Ａ図を参照すると、プレフオーム（予成形
物）のインゴツト又はスラグ５が鍛造装置の下側
部材７５上においてプレチヤンバー６７内に置か
れた状態が示されている。プレチヤンバー６７
は、通常は、ダイキヤビテイ８０に導通路８１を
介して流体流通された領域である。導通路８１
は、プレチヤンバーの断面に比べて小さくされた
断面を有しているが、その目的は、以下の説明か
ら明らかになろう。

本発明は、チキソトロピーを示す物体に変換す
ることができる実質的にどんな合金から成るプレ
フオームインゴツト又はスラグにも適用しうると
考えられている。特に、アルミニウム、銅、及び
鉄の合金を含む金属組成物を使用することができ
る。好ましい実施例によれば、プレフオームは、
ダイ上に載置されたときその構造的一体性を保持
する能力を高めるためにほぼ60％以上の固形分を
含有したものとする。

物理的大きさの点からいえば、プレフオーム
は、表面の不純物が後述するビスケツト７０と共
に残留するように、即ち導通路８１を通つて流下
して最終製品の一部になつてしまうことがないよ
うに導通路８１の直径より大きい直径をもつよう
にする必要がある。プレフオーム５の直径と導通
路８１の直径の比は２：１とするのが理想であろ
う。

またプレフオーム５の直径は、好ましくは、プ
レチヤンバー６７の直径の少なくともほぼ60％と
すべきであり、プレフオーム５の高さはその直径
より大きくすべきである。プレフオームのスキン
は、そのようなものとして、プレチヤンバー中に
残留する。プレフオームの底部に残留するスキン
は、本発明の実施に当つて、実質的に障害とはな
らないであろう。

チキソトロピーを示す半固体のチキソトロープ
プレフオームのインゴツト又はスラグ５をプレチ
ヤンバー６７内に載置した後、鍛造装置の上側部
材６６を下側部材７５の嵌合表面上に下降させ、
プレフオーム５を下降するラム６５の下方の圧力
チヤンバー８２内へ進入させる。ラム６５は、こ
うした用途に有用であることが認識されている任
意の材料で形成することができるが、好ましい実
施例としては、銅合金製の水冷式ラムとすること
ができる。このラムは、金属性ダイの冷表面に起
因する大きな表面欠陥が重大とならないような領
域において、ビスケツト７０の凝固を促進するで
あろう。

ラム６５が圧力チヤンバー８２を通つて下降す
るにつれて、チキソトロピーを示す合金のプレフ
オームのインゴツト又はスラグ５が第１Ｂ図に示
されるように変形させられる。プレフオーム５の
一部分はプレチヤンバー６７内に残留し、チキソ
トロピーを示す合金の大部分は、導通路８１を経
てダイキヤビテイ８０内へ圧入され、最終的に成
形された金属成形品７１（第１Ｃ図）を形成す
る。

第１Ａ図から第１Ｂ図にかけての工程の進行中
に、幾つかの注目すべき事態が生起する。まず第
１に表面の金属酸化物等の樹枝状結晶のスキン
（表皮）及びその他の表面不純物の実質的に全部
がプレチヤンバー６７内にトラツプされた金属と
共に残留すること（スキミング作用）が見出され
た。これらの不純物は、第１Ｃ図に示されるよう
にビスケツト即ち不純物含有部分７０を切断し廃
棄することによつて除去することができる。第２
に、導通路８１を通してダイキヤビテイ８０内へ
圧入される金属は、導通路８１の断面がプレチヤ
ンバー６７の断面よりも小さいため、せん断作用
を受ける。このせん断作用の結果としてチキソト
ロピーを示す半固体の合金は、液体の特性により
近い特性の金属合金に変換され、それによつてダ
イキヤビテイに合致する形状に成形される。

本発明を実施することによつて得られる２次的
であるが、重要な別の利点は、従来可能だと考え
られていたよりはるかに広い範囲の寸法及び形状
を有する成形品が得られることである。今日まで
実施されていた従来のプレス鍛造並びに密閉ダイ
鍛造においては、プレフオームのインゴツト又は
フラグを直接ダイキヤビテイ内に配置した上で、
ラムによつてプレフオーム５を変形させ、チキソ
トロピーを示す半固体の合金をダイキヤビテイ内
の空間に充填させ、所望の最終成形品を形成す
る。そのため成形品の大きさは、鍛造前にダイキ
ヤビテイ内に挿入しておくことができる金属合金
の量によつて制限される。これに対して、本発明
においては、最終成形品を形成するのに必要な適
正な大きさのプレフオームインゴツト又はスラグ
を収容する所望の大きさのプレチヤンバーを製造
することができ、どんな大きさの最終成形品であ
つても、それを成形するのに十分な量の合金をプ
レチヤンバーからダイキヤビテイ内へ圧入するこ
とができる。

別の好ましい実施例によれば、導通路８１は、
それを通して金属を適正に送ることができるよう
に、成形品の厚みより大きな直径をもつようにす
る。またビスケツト７０の厚みは、成形品が固化
するまでビスケツト７０が半固体状態にとどまつ
ている。ように、成形品の厚みより大きくすべき
である。当然、ラム６５は、成形品の完全な固化
を促進するためにビスケツト５を加圧状態に保持
するよう所定位置に保持すべきである。

別の好ましい実施例によれば、捕集リング８５
が鍛造装置の上側部材６６の一部として形成され
る。捕集リング８５は、鍛造装置を閉じたときプ
レフオーム５からスキミング作用によつて浮上し
た金属又は不純物を捕集するためのものである。
そのような不純物は、もちろんビスケツト７０の
一部となり、第１Ｃ図に示されるように廃棄され
る。

本発明による合金組成物は、その実質的な部分
が液体の状態となるまで、例えば電気炉内のるつ
ぼにおいて加熱される。液状となつた合金中に、
逆相で回転する攪拌羽根を挿入し例えば300〜
500RPMの回転速度で回転させ、液状の合金に強
い攪拌作用を与える。るつば自身は、例えば５〜
10RPMのおそい回転速度で回転させる。次に液
状の合金の温度を低下させてそれを多少固化させ
るか、又は、既に一部の合金が固化されてていれ
ば、固化の度合いを高める。温度を低下させる間
も強い攪拌を行なうが、これらは同期させる必要
はなく、液状の金属をひと先ず冷却させて数重量
％の固形分を形成し、つぎに攪拌によつて、縮退
樹枝状組織を形成する。この際に更に冷却を行な
つてもよい。このようにして、約65重量％の１次
固体粒子が混合物中に存在するようになるまで、
操作を継続する。固形分60重量％において、混合
物の粘度は、約60ポイズであり、ほぼセメントの
稠度となる。固形分40重量％では、粘度は約４ポ
イズとなり、室温においての重機械油の稠度とな
る。これらの数値は、すず15重量％−鉛85重量％
のすず−鉛合金についての値であり、合金の種類
によつて相違する。この半固体−半液体の合金混
合物について、以下に説明する実施例に従つて成
形操作を行なうことができる。

以下に本発明の具体例を説明する。ここでいう
「部」は、他に指定しない限り「重量部」を表わ
すものとする。

＜例＞ Si7.15％、Fe0.116％、Mn0.007％、Mg0.063
％、Zn0.029％及びTi0.107％を含有したアルミニ
ウム合金のインゴツトを誘導加熱炉内で溶融し、
これにマグネシウムを添加して、マグネシウムの
含有分を1.06容積％にまで増加させた。次いで、
この合金を慣用の技法によつて鍛造し、直径5.08
cm（2in）、長さ10.795cm（4.25in）の円筒形のチ
キソトロピーを示す半固体の合金のプレフオーム
のインゴツトとして形成した。このインゴツトを
米国特許第4569218号に開示されているような回
転加熱台上に載置した。

加熱台の加熱手段である誘導加熱コイルの電流
は周波数1000Hzで785ampとした。回転加熱台の
回転割出時間は、誘導加熱コイルの１コイル巻き
あたり20秒とした。加熱コイルの総コイル巻き数
は10であるから合計加熱時間は200秒であつた。
このようにして再加熱したプレフオームのインゴ
ツトは、10番目のコイルから取出したときは固形
分約75％、液体分約25％であつた。このインゴツ
トは、約204℃（400〓）の温度に維持したダイの
直径6.35cm（2.5in）のプレチヤンバー内に、装填
し、38cm／秒（15in／秒）の速さでラムを下降さ
せて該インゴツトの内部の金属材料を直径2.54cm
（1in）のオリフイス（導通路）を通してダイキヤ
ビテイ内へ圧入し、それによつて金属成形品（こ
の例では自動車のマスターブレーキシリンダ）を
成形した。

ラムの下降行程の終了時にラムによつて引続き
６秒間約2.17〜3.1Kg／cm²（14〜20Kg／in²）の圧
縮力を金属成形品上に保持した。次いでラムを後
退させ、ダイキヤビテイを開放した。成形された
マスターブレーキシリンダーをキヤビテイから取
り出し、18.3℃（65〓）の冷水中で５秒間冷却し
た。冷却後、マスターブレーキシリンダーを171
℃（340〓）の温度で８時間時効硬化させ、その
後空冷により冷却した。

時効硬化後のマスターブレーキシリンダは、平
均してRe硬度94、ブリネル硬度115であることが
認められた。このブレーキシリンダの本本体部分
から切出した試験片を試験したところ、3.164
Kg／cm²（45000psi）の引張強度、2953Kg／cm²
（42000psi）の降伏強度及び７％の伸長率を示し
た。

以上に説明したように、本発明によれば、プレ
フオームのスラブは、縮小させた断面積を有する
連通手段と連通する側部壁を備えたプレフオーム
キヤビテイ内に挿置される。好ましくは円筒状の
このプレフオームのスラグは、ラムの作用によつ
て、プレチヤンバーの側部壁に押付けられ、スラ
グの金属材料の外殻部分にスキミング（浮上）作
用を生じさせ、実質的に内部の金属部分のみをダ
イキヤビテイ中に進入させる。そのため不純物は
プレチヤンバー中に保留され、非常に高い純度の
金属成形品が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ，１Ｂ図は本発明の方法を実施するため
の装置の別々の工程を示す断面図、第１Ｃ図は第
１Ａ，１Ｂ図の装置により本発明の方法を用いて
製造された金属成形品の斜視図である。５……プレフオーム、６５……ラム、６７……
プレチヤンバー、７０……不純物含有部分（ビス
ケツト）、７１……最終造形金属成形品、８０…
…ダイキヤビテイ、８１……導通路、８２……圧
力チヤンバー、８５……捕集リング。

Claims

【特許請求の範囲】１Ａ固形分65重量％まで１次粒子を液状マト
リツクスにより互に分離した状態に維持するこ
とによつて相互に連結された網状の樹枝状組織
の形成が防止されるようにした低融点の溶融金
属中の１次固相粒子の半固体スラリーから成る
金属のプレフオームを、該金属プレフオームか
ら金属成形品を成形するための成形手段のプレ
チヤンバーへ導入し、Ｂ前記プレチヤンバー中に配置された金属プレ
フオームを加圧して該金属プレフオームの一部
分に金属成形品の形状を付与すると共に、該金
属プレフオームの別の一部分を該プレチヤンバ
ー中に残留させることによつて、ダイキヤビテ
イ中において金属成形品を形成し、Ｃ該金属成形品を前記成形手段から取出した
後、該金属成形品の形成中に前記プレチヤンバ
ー内に残留された前記別の一部分を除去するこ
とから成る方法。２Ａ固形分65重量％まで１次粒子を液状マト
リツクスにより互に分離した状態に維持するこ
とにより相互に連結された網状の樹枝状組織の
形成が防止されるようにした低融点の溶融金属
中の１次固相粒子の半固体金属のスラリーの或
る量を受けいれるための金属成形品の成形用ダ
イキヤビテイと、Ｂ半固体金属のスラリーのプレフオームを受け
いれるに足る大きさのプレチヤンバーと、を有
し、該プレチヤンバーは、金属成形品を成形す
るダイキヤビテイと流体連通された開口を備え
ており、Ｃ前記プレフオームの一部分を該プレフオーム
中に残留させながら、該プレフオームの内部に
由来する半固体金属スラリーの成形品形成量を
該プレフオームから前記開口を経て前記ダイキ
ヤビテイに移行させるに足る圧力を前記プレフ
オームに加えるためのラム手段を有する金属成
形品の製造装置。３Ａ固形分65重量％まで１次粒子を液体マト
リツクスにより互に分離した状態に維持するこ
とによつて相互に連結された網状の樹枝状組織
の形成が防止されるようにした低融点の溶融金
属中の１次固相粒子の半固体金属のスラリーの
或る量を受けいれるための金属成形品の成形用
ダイキヤビテイと、Ｂ半固体金属スラリーのプレフオームを受けい
れるに足る大きさのプレチヤンバーと、を有
し、該プレチヤンバーは、金属成形品を成形す
るダイキヤビテイと流体連通された開口を画定
する底部壁を備えており、該プレフオームは、
該開口上に載置され、該プレフオームの外周
は、該底部壁によつて支持されるようにしてあ
り、更に、Ｃ前記プレフオームの一部分を該プレフオーム
中に残留させながら、該プレフオームの内部に
由来する半固体金属スラリーの成形品形成量を
該プレフオームから前記開口を経て前記ダイキ
ヤビテイに移行させるに足る圧力を前記プレフ
オームに加えるためのラム手段を有する金属成形品の製造装置。