JPH0366985B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、金属組成物の製造方法に関するも
のであり、特に半固体状態で続いて成形すること
のできる金属組成物に関するものである。なおこ
こで金属とは合金をも含むものとする。

部分的に固体、部分的に液体状態の金属を成形
することの利点はよく知られるようになつた。米
国特許第3902544号、同第3948650号および同第
4108643号各明細書には固化するときに金属を予
め激しく撹拌することによつてそのような成形プ
ロセスを可能による方法が記載されている。これ
は通常の金属のデンドライトの微細構造をスラリ
ー構造を有するデンドライトでない形態、すなわ
ちもつと低い溶融マトリツクス中のばらばらの変
形した（degenrate）デンドライト固体粒子より
成る形態に変化させる。従来の特許明細書に記載
された主要な撹拌手段は機械的なものである。し
かしながら、撹拌はまた他の手段例えば磁気的に
行なわれてもよい。1979年２月26日に出願した米
国特許出願第015250号明細書にはスラリー構造の
金属の処理方法が記載されており、その方法では
溶融金属を囲んで設けたスチータが固化領域を横
切つて回転磁界を発生させ、図化中に形成された
デンドライトを剪断するように充分の剪断速度で
金属を回転させている。

上記文献では所望のデンドライトでない微細構
造を得るために選択されなければならない臨界的
な２つのパラメータが剪断速度と固化速度である
ことが示されており、これらのパラメータは従来
できるだけ完全に近い球状の変形したデンドライ
トを生成するような剪断および固化速度になるよ
うに本質的に経験に基いて選択されている。他
方、もつとも生産効率のよい方法に最高の固化速
度で、したがつて最高の生産スループツトで、か
つ最低の剪断速度で、すなわち最低のエネルギ入
力で最小寸法の微細粒子を生成する方法である。

この発明の目的は、高品質のスラリー構造金属
組成物を製造するためのより効率的な方法を提供
することである。

この発明の別の目的は、半固体状態である間に
最終製品に成形するのに特に適しているスラリー
構造金属組成物を製造する方法を提供することで
ある。

この発明のさらに別の目的は、従来可能であつ
たよりもさらに経済的に形成或は成形することの
できるスラリー構造金属組成物を製造する方法を
提供することである。

本発明者は、剪断速度と固化速度との間にあら
ゆるスラリー構造金属および金属合金系に全般的
に適用可能なユニークな関係であること、および
剪断速度対固化速度の比率の値の単一の範囲を動
作の許容範囲を特定するために使用できることを
発見したものである。さらに、この発明により製
造されたスラリー構造金属組成物は最良の形成お
よび成形特性および最も経済的な形成コストを併
せ有する微細構造を持つていることが認められ
た。

明確に云えば、この発明は、撹拌がなければデ
ンドライト構造が形成されるような固化速度で固
化させながら所定の剪断速度で溶融金属を撹拌し
て低融点金属マトリツクス内に含まれた変形した
デンドライト固体粒子からなるスラリー構造金属
組成物を製造する方法に関する。スラリー構造金
属組成物の製造中、剪断速度および固化速度は剪
断速度対固化速度の比の値が２×10³乃至８×10³
の範囲に保持されるように調整される。

この発明の好ましい実施態様においては、撹拌
されないときにはデンドライト構造が形成される
ような固化速度で固化させながら所定の剪断速度
で溶融金属を激しく撹拌し、剪断速度対固化速度
の比の値を２×10³乃至８×10³の範囲に保持して
スラリー構造組成物を製造し、スラリー構造組成
物を完全に固化させた後、このスラリー構造組成
物を再度加熱して一部液体一部固体の半固体スラ
リーを形成させ、その際スラリー構造組成物全体
の体積に対する溶融した液体部分の合計の体積の
比率として与えられる液体体積率が0.05乃至0.80
の範囲になるようにする。そしてこの半固体スラ
リーを成形して金属部品成型品を形成する。

この発明の基礎となつている理論的根拠を理解
する参考として以下の説明を行なう。もしも金属
系を平衡条件下で固化することができならば、そ
の結果得られたものは完全な結晶学的方位を有
し、平衡相図によつて決定されるような均一の組
成を持つ固体となるであろう。しかしながら、実
際にはそのような平衡状態が得られることは殆ん
どない。金属が固化するときデンドライトが成長
する。何故ならば動的な考慮、特に成長（または
冷却）速度および温度傾度が重要である種々の程
度の非平衡状態下で金属が固化されるからであ
る。デンドライトは液体固体境界面において放出
された熱の最も急速な伝達を行なうことのできる
結晶学的方向に成長し、デンドライトの分枝は溶
質を分配する効率的手段を表わしている。

デンドライトを変形したデンドライト形態に変
換するように固化させるために金属を激しく撹拌
することはデンドライト破砕および粗粒化処理で
ある。多重分枝を有するデンドライトは単位体積
当り非常に大きな表面率を有し、それ故非常に高
い全表面エネルギを有する。他の系においても全
エネルギ内容を最小にしようとする傾向があり、
それ故、この例においても体積当りの表面積を最
小にする傾向がある。これはデンドライトの粗粒
化を生じさせようとする駆動力である。すなわ
ち、体積に対し最小の表面エネルギ率を与える形
態へ変換する傾向がある。粗粒化処理は形成すべ
きデンドライトを生成している固化処理と直接競
合する。すなわち、金属は冷却速度（または固化
速度）が減少するに従つて一層大きな腕の間隔を
持つ（より粗くなる）傾向がある。事実、鋳造構
造の検査のための強力な冶金学的手段はデンドラ
イトの腕の間隔を測定することであり、そのよう
にして近似的な冷却速度を決定している。非常に
急速に冷却された金属は非常に小さいデンドライ
トの腕の間隔を持ち、それ故体積当りの表面比が
非常に高い。ゆつくりと冷却された合金はもつと
粗い粒子を有し、したがつて体積当りの表面比が
もつと低い。スラリー鋳造構造を生成するために
その固化するときに金属を激しく撹拌すると液体
固体混合体中の液体運動の程度が強調され、それ
故混合体の周囲の液体の対流を強めるものと信じ
られる。したがつて液相の移送が強化され、混
合、撹拌はデンドライトを破砕すると共に、破砕
された粒子の末端部分を除去して丸みを帯びた均
一な粒子を生成する作用を促進させる。

したがつて溶融金属が冷却されているときに混
合が行なわれるとデンドライト形成の処理である
固化処理は粗粒化処理と競合する。粗粒化の程度
は撹拌の程度に略々等しく、後者の正確な指標は
剪断速度である。簡単に云えば粗粒化処理は固化
処理がデンドライトを形成させるのと略々同じ速
度でデンドライトの末端から材料を除去しなけれ
ばならないことを発見した。２つの競合する処理
の間に所望の平衡が得られるために必要な比率の
範囲が決定された。この決定は経験的にまず最良
の形成特性を生じる微細構造を決定することによ
り行なわれ、それは最終製品に最も経済的に鍛造
その他の成形をすることができるスラリー型式の
微細構造である。剪断速度対固化速度の比の値の
臨界的な範囲はしたがつてその微細構造を生成す
るように決定される。スラリー構造金属組成物の
連続製造において、プロセスのスラリー製作部分
を最終固化部分から分離することも可能である。
この発明はプロセスの第１の部分中、すなわちス
ラリー構造組成物の製造中における剪断と固化の
関係を支配するものである。

剪断速度対固化速度の比は次のとおり表わされ
る。

γ／（df_s／dt） ここで、γ〓は剪断速度（単位は［１／秒］、す
なわちsec^-1であり、以下sec^-1と表示する）であ
り、dfsは固体のデルタ（或は変化）分（体積に
よる）、dtは時間のデルタ（変化）分であり、
dfs／dtは固化速度sec^-1である。固化速度は事実新 しい固体が時間に関して形成される割合でありそ
れがアルミニウム、銅、鉄その他の合金系の何れ
であるかに拘らず全ての合金に等しく適用されな
ければならない。本発明者はこの比の値が２×
10³乃至８×10³の範囲、好ましくは４×10³乃至
８×10³の範囲に保たれるならば良好な品質の成
形部品が製造できることを発見した。もしもこの
比が上記の最小値より下になつたならば許容でき
ないようなデンドライト構造によつて最終の成形
段階において不統一不均質な流れおよび特性を生
じる。比が最大値を越えると所望のγ〓を与えるた
めに経済済的でないパワー入力が必要になる。す
なわち経済的でない低い固化速度が必要になる。
また或る高いγ〓を越えると乱流および流体空洞が
処理の問題となる。一方固化速度が低いと非常に
大きな寸法の粒子が生じてその結果流れが悪くな
る。従来の技術においてはこの比の重要性を認識
しないばかりでなくこれら２つのパラメータの関
係についてすら認識していない。しかしながら、
もしも従来技術により得られた組成物について剪
断速度と固化速度との比の値が計算されたなら
ば、それらはこの範囲よりずつと高いであろう。
この比の値の臨界的な範囲は機械的撹拌および磁
気的撹拌の何れによつて行なう場合にも適用可能
であり、事実撹拌手段や撹拌方法とは無関係であ
ることが認められた。

許容できる微細構造は良好な品質の成形部品を
製造することができるものとして定義される。こ
れは性質の主要変化が領域から領域へ生じるよう
な程度の化学的分離を含まない部品を意味する。
固体粒子が微細になり、丸められれば丸められる
ほど（変形したデンドライト）プレス鍛造のよう
な成形作業の性質は良好になる。すなわち半固体
の流れはさらに均一になる。貧弱な微細構造およ
びその結果として不均質な流れのために成形され
た部品中に発生する固体割合の変化もまた化学的
差異を示し、それは腐蝕、板状性、機械的特性の
ようなフアクターに影響を及びす。しかしなが
ら、この発明においては良好な品質の成形部品を
得るためにはできるだけ完全な球に近いものを生
成させることが必要であることの発見にも部分的
に基いている。この発明の組成物の微細構造は、
典型的にはデンドライトの分枝が実質上存在せ
ず、球に近いばらばらの変形したデンドライト粒
子を含んでいる。しかしながら、組成物は非デン
ドライトであるけれども、粒子は完全な球にはな
つていない。ここで使用されるスラリー構造組成
物という語は前述のような説明の金属組成物を特
定せんとするものである。すなわちそれより低い
融点のマトリツクス組成物中に含まれた変形した
デンドライト固体粒子を有するものを云うのであ
る。

この発明の前述の実施例においては許容できる
成形特性および良好な品質を有する成形金属部品
の微細構造が予定される。この微細構造は前述の
米国特許第3902544号、同第3948650号および同第
4108643号各明細書中に記載した理論的な、理想
的微細構造から通常離れたものである。この微細
構造を予め決定した後、金属は実質上或は全体が
溶融状態になるまで加熱される。それから溶融金
属は撹拌手段を備えた加熱された鋳型に注入され
る。撹拌手段は米国特許第3948650号、同第
3902544および同第4108643号各明細書に記載され
たような機械的ミキサーでよい。その代りに鋳型
が前述の米国特許出願第015250号明細書中に記載
されたような磁気撹拌手段を備えていてもよい。
それから固化速度が測定され、固化速度、剪断速
度の何れか或は両方が調整されて剪断速度対固化
速度の比の値が前述の範囲になるように制御され
る。剪断速度は50sec^-1以下の範囲でもよいが、
通常は500sec^-1から800sec^-1の範囲であり、また
それ以上の場合もある。撹拌しないとデンドライ
ト構造を生じるような任意の固化速度が使用でき
る。剪断速度対固化速度の比の特定の値は予め定
められた微細構造と種々の比の微細構造との比較
によつて選択される。クエンチング
（quenching）後、生成されたビレツトは加熱し
て液体体積率が0.05から0.80の範囲、通常は0.15
から0.5、好ましくは0.35以下の範囲の半固体ス
ラリーにされる。再加熱は微細構造を非デンドラ
イト形態に、すなわちばらばらの変形したデンド
ライト固体粒子への変化を完全にする。

再加熱されたスラリー構造組成物は、半固体押
し出し、ダイキヤスト、プレス鍛造を含む種々の
半固体成形作業によつて最終部品に変化させるこ
とができる。好ましい成形プロセスはよく知られ
ているプレス鍛造プロセスである。このプロセス
を使用する場合には、加熱されて部分的に固体で
部分的に液体である半固体スラリーの状態の金属
チヤージは型空洞中に注入され、型空洞中でプレ
スされて加圧成形される。成形およびび固化に必
要な時間は比較的短く、またプレスの圧力も比較
的低いものでよい。

以下具体的な実施例を説明する。

この実施例では前述の米国特許第3902544号明
細書に記載されているように機械的に撹拌する装
置が使用された。実験材料の金属としてはアルミ
ニウム合金A356が使用された。この合金は重量
％で、Si6.70％、Ni0.375％、Fe0.10％、Cu0.011
％、Mn0.004％、Zn0.016％、Ti0.128％を含むAl
合金である。

るつぼは撹拌用のローターを備えた円筒形のる
つぼであり、外壁に加熱コイルが設けられて電気
的に加熱可能であり、また加熱コイルの電流が遮
断されるとコイルがヒートシンクとして作用して
冷却する。スラリーの放出口として底部に環状の
出口が設けられ、撹拌用のローターはスラリーが
この出口に移動するのを妨げないように上昇させ
ることができるように構成されている。

このるつぼ中に1250〓に加熱溶融した前記のア
ルミニウム合金A356を注入し、撹拌ロータを
500rpmで回転させ、それからロータの位置を
徐々に上昇させて環状出口を形成し、その位置は
毎分20ポンドの放出速度が得られるよう調整さ
れ、加熱コイルの電流が遮断されて合金は冷却さ
れて放出された。

本発明の方法を行うためにまず固化速度を求め
る必要がある。そのため合金の小滴が銅の基体上
に注がれて急冷されてクエンチされる。この急冷
された材料は微細構造を示すように金属組織学的
に研磨され、その組織から注がれたときの状態の
固体の割合が既知の標準を基準として算定され
る。それから平均バルク固化速度dfs／dtが次の
関係から算定される。

dfs／dt＝クエンチサンプルの体積中の固体の割合／撹
拌領域の通過時間 なおdt＝撹拌領域の体積容量／合金の放出流速 であ
る。

このようにして固化速度が決定されると剪断速
度／固化速度が所望の値になるように、例えば６
×10³になるような剪断速度が得られるように撹
拌ロータの回転が調整される。このようにして処
理されたスラリーは実験では18ポンドの薄い鋼製
の容器に放出され、冷水に入れてクエンチされ固
化された。その結果得られたビレツトは直径が約
６インチ、高さが約６インチであつた。このビレ
ツトはその後ステンレススチールの容器に移さ
れ、加熱炉中でビレツトの全体積の0.70が固体で
ある（すなわち液体体積率0.3）ように1200〓の
公称温度に再加熱された。この再加熱されたビレ
ツトはその後プレス鍛造法によつて加圧成形され
て所望の成型部品、例えば歯車に成形された。

なお本発明と直接の関係はないが、前記実験に
おける平均バルク冷却速度は次のようにして求め
ることができる。

（Ｔ 注入−Ｔ 放出）／dt [℃/秒] そして液体の割合f_Lは、f_L＝φ^-1/1-Kである。な
お、Ｋは平衡分割係数、φはデイメンシヨンのな
い次のようなパラメータである。

φ＝（T_M−Ｔ＃ ）／（T_M−T_L） ここで、T_Lは合金液体の温度、Ｔ＃ は放出温
度、T_Mは純粋な溶媒金属の溶融点である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 撹拌されないときにはデンドライト構造が形
   成されるような固化速度で固化させながら所定の
   剪断速度で溶融金属を撹拌する低融点マトリツク
   ス組成物中に含まれた変形したデンドライト固体
   粒子からなるスラリー構造金属組成物の製造方法
   において、 剪断速度対固化速度の比の値が２×10³乃至８
   ×10³の範囲に保持されるようにスラリー構造金
   属の製造中において剪断速度と固化速度が調整さ
   れることを特徴とするスラリー構造金属組成物の
   製造方法。 ２ 剪断速度対固化速度の比の値が４×10³以上
   の値に保持されている特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３ 金属組成物の撹拌は回転磁界内で生成される
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 金属組成物の撹拌は機械的ミキサーによつて
   行われる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 金属組成物がアルミニウム合金である特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ６ 撹拌されないときにはデンドライト構造が形
   成されるような固化速度で固化させながら所定の
   剪断速度で溶融金属を撹拌し、剪断速度対固化速
   度の比の値を２×10³乃至８×10³の範囲に保持さ
   せてスラリー構造組成物を製造し、 スラリー構造組成物を完全に固化させ、 スラリー構造組成物をその組成物中の液体の体
   積がその組成物の全体積の0.05乃至0.80の範囲で
   ある液体体積率を有する半固体スラリーに再加熱
   し、 再加熱したスラリーを成形することを特徴とす
   る変形したデンドライト構造固体粒子からなるス
   ラリー構造金属組成物から金属成型品を製造する
   方法。 ７ 再加熱された組成物が半固体状態である間に
   金属部品に成形される特許請求の範囲第６項記載
   の方法。 ８ 組成物は半固体状態である間に金属組成物を
   プレス鍛造することによつて成形される特許請求
   の範囲第６項記載の方法。 ９ スラリー構造組成物はその組成物中の液体の
   体積がその組成物の全体積の0.35以下になるよう
   に再加熱される特許請求の範囲第６項記載の方
   法。 １０ 組成物がアルミニウム合金である特許請求
   の範囲第６項記載の方法。