JPH07100612A - 半溶融加工用加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固液共存域で誘導加熱される金属素材の断面
内温度分布をできる限り小さくし、素材の固相率の均一
分布及び金型内への素材の均一充填を可能とする半溶融
加工用加熱装置を提供する。 【構成】 非金属スリーブ１の外側周囲に誘導コイル３
を配置する一方、非金属スリーブ１の内周面側下部に断
面が円弧状の金属板４を、その上面４ａが非金属スリー
ブ１の内周面１ａと一致するようにその非金属スリーブ
１に埋設し、誘導加熱中における素材２の下側表層部か
ら非金属スリーブ１への熱伝導による熱の逃げを防止で
きるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属素材を固液共存域
で成形加工するために用いられる加熱装置に関し、殊に
固液共存域で誘導加熱される金属素材の断面内温度分布
をできる限り小さくし、半溶融状態にある金属素材の固
相率の均一分布、金型内への金属素材の均一充填を確保
して良品質の金型成形品の製造を可能とする半溶融加工
用加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属素材（以下単に「素材」という）の
成形加工には種々の方法があるが、一般に構造部品の成
形加工には、強度や信頼性の点からプレス鍛造等の方法
が汎用され、また複雑な形状の部品等の成形加工には、
その形状の付与を最大の目的とするため、成形品の特性
は多少劣っても重力鋳造，高圧鋳造等の方法が汎用され
ている。

【０００３】さらに近年、素材を固液共存域で加工する
方法が注目され、研究されている。それは、固液共存域
での加工方法が一般にその領域にある素材の流動性が良
好ゆえに従来の鍛造法に比べて加工力が小さくて済み、
難加工性素材や複雑形状部品の成形等に対して有利と考
えられているからである。また従来の鋳造法に比べて成
形品の特性の向上も期待されるからである。

【０００４】その反面、このような半溶融加工法を用い
て実際に成形作業を実施する場合、留意しなければなら
ない特有の事項がある。それは、素材の種類にもよる
が、一般に固液共存域の温度範囲（固相線と液相線との
間の温度差）が比較的狭く、しかもその狭い領域におい
ては固相と液相の割合（以下、この割合を「固相率」で
把握し表示する。）如何によって素材の変形特性が大き
く異なるため、成形開始時点での固相率が適切でない場
合は、成形性能を低下させ、ひいては成形品の品質に悪
影響を及ぼすという点である。加えて、固液共存域にお
ける設定温度までの加熱速度が遅すぎるときは、固相粒
（複数の結晶粒からなるもの）の大きさが粗大化して成
形品の品質を劣化させるという事情がある。いずれも、
素材の加熱手段と密接に関連する事項である。

【０００５】そこで、こうした事情を考慮して、素材の
加熱手段としては高周波加熱などによる誘導加熱が採用
されている。汎用例で説明すると、図３に示すようにセ
ラミック等の非金属スリーブ１に素材２を装填し、非金
属スリーブ１の外側周囲に設けた誘導コイル（図示せ
ず）に通電し、素材２を誘導加熱するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような加
熱方式の場合、以下の問題点がある。即ち素材２の下部
表面は非金属スリーブ１と接触しているため、たとえそ
のスリーブ１が非金属製ゆえに温度伝導率が小さいとは
言え、素材２からスリーブ１への熱伝導によりその素材
２の接触部表面層の温度が低くなって素材２の断面内に
温度差を生じ、断面内の温度分布は大きくなる。その結
果、固液共存域でのこのような温度分布の広がりは素材
の固相率の不均一分布の割合を助長し、金型内への素材
の均一な充填や素材の断面内組織の均一性に支障をきた
し、品質の良い成形品は得られないことが判明した。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、固液共存域で誘導加熱される金属素材の断面内温
度分布をできる限り小さくし、半溶融状態にある素材の
固相率の均一分布、金型内への素材の均一充填を確保し
て良品質の金型成形品の製造を可能とする半溶融加工用
加熱装置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の半溶融加工用加熱装置は、素材をその固液共存域
で成形加工するために用いられる加熱装置であって、素
材を支持する非金属部材の外側にその素材を誘導加熱す
るための誘導コイルを設けると共に、前記非金属支持部
材の表面側であって少なくとも素材の装填時にその素材
と前記非金属支持部材が接触する面積に相当する部分に
金属部材又は金属素材の昇温と共に昇温する断熱部材を
敷設してなることを要旨とするものである。

【０００９】上記の様に構成された加熱装置では、非金
属支持部材上部の素材と接触する部分に敷設された金属
部材が素材と同じように誘導加熱される等により断熱部
材として機能するため、素材の表層部から非金属支持部
材への熱伝導による温度降下は回避される。その結果、
素材の断面内温度分布を著しく改善することができ、素
材の固相率の均一分布、金型内への素材の均一充填を確
保して良品質の金型成形品の製造を可能とすることがで
きる。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明
する。なお、従来と共通の構成個所には同一の符号を用
いる。図１は、本発明の加熱装置Ｈの要部断面を示す模
式図である。成形機（図示せず）の非金属スリーブ１の
内周面側下側に断面が円弧状の金属板４を、その上面４
ａが非金属スリーブ１の内周面１ａと一致するようにそ
の非金属スリーブ１に埋設している。

【００１１】金属板４の材質は特に限定されないが、誘
導加熱時の加熱特性を考慮すると、処理されるべき素材
２と同じ合金種であることが望ましい。また金属板４上
に載置されるはずの素材２は固液共存域まで加熱される
から、金属板４としては、その融点が素材２の融点より
も高いものであることが好ましい。すなわち、金属板４
が素材２と同一組成の合金であると、素材２と同じ固相
率に金属板４も加熱されるために、金属板４も固液共存
状態となる。金属板４が固液共存域に加熱されると、変
形や表面状態が悪くなって好ましくない。従って金属板
４としては、素材２と同じ合金種であって、素材２より
も融点が高く、且つ固液共存域がないか、或いは極めて
狭いものが望ましい。素材２がＡｌ合金である場合、金
属板４としては純Ａｌが望ましい。さらに金属板４の厚
さは１〜２ｍｍ程度が望ましい。厚すぎれば、むしろ誘
導加熱時の加熱損失が多くなって、その分、素材２への
投入熱量が少なくなり、その結果、素材の断面内で新た
な温度分布をひき起こしてしまうからであり、一方、薄
すぎれば、金属板４が加熱過程で熱応力の影響受けて歪
んでしまうからである。

【００１２】なお金属板４を、その上面４ａが非金属ス
リーブ１の内周面１ａと一致するようにその非金属スリ
ーブ１に埋設するのは、素材２を成形機の金型内に充填
させるプランジャー先端のプランジャーチップと非金属
スリーブ１との間に生じる径方向のすき間が極めて小さ
く調整されており、金属板４がスリーブ１の内周面から
わずかでも突き出た状態にあると、成形機の運転、特に
金型内への充填操作に支障が生じるからである。３は誘
導コイルである。

【００１３】このような加熱装置Ｈの非金属スリーブ１
に被加熱素材２を装填したときの状態を示したものが図
２であり、素材２の下部表面２ａは、金属板４の上面４
ａと接触している。従って誘導加熱中は、金属板４が素
材２と同じように加熱されるため、素材２の下部表面２
ａから非金属スリーブ１への熱伝導がいわば界面として
の金属板４によって防止され、素材２の下側表層部の温
度降下が回避され、素材２の断面内の温度分布を著しく
改善することができる。即ち、誘導加熱という加熱方式
ゆえに不可避的に生じる温度分布はわずかに残るもの
の、全体としての温度分布を非常に小さい範囲に収める
ことができる。この結果、固液共存域における素材の固
相率の均一分布及び金型内への半溶融素材の均一充填を
確保して良品質の金型成形品の製造を可能とすることが
できる。

【００１４】なお常温の素材を固液共存域における所定
の温度にまで加熱するためには、誘導加熱といってもあ
る程度の時間を要する一方、成形機における１サイクル
（加熱終了後から素材の金型への充填及び成形品の取出
しまで）の運転は短時間で行うことができる。従って生
産性を考慮する場合は、複数の加熱装置を使用し、成形
機のサイクルに合わせて固液共存域の所定温度に達した
素材を非金属スリーブに装填できるようにすればよい。

【００１５】図４，図５（図４のＶ−Ｖ矢視側面図）は
その一例を示すものであり、Ｌ軸を中心に４基の加熱装
置Ｈがたて方向に回転する方式のものである。は素材
２が非金属スリーブ１に装填されて誘導電源がＯＮされ
る位置であり、は加熱装置Ｈの非金属スリーブ１が成
形機ＦのスリーブＦ１の一部を構成するように連結され
る位置である。加熱装置Ｈがから矢印方向に回転して
の位置に来たときには、素材２はほぼ固液共存域の温
度にまで達しており、さらにの位置で所定の設定温度
に達したことを検知した時点でプランジャーＦ２を作動
させてその半溶融状態にある素材２を金型Ｆ４内に充填
する。金型Ｆ４内の破線部Ｆ５は、その充填された素材
の横断面形状を示している。Ｆ３はプランジャーチッ
プ、Ｆ６はダイプレートである。

【００１６】なお、所定の設定温度に達したことを検知
した時点で、プランジャーＦ２の作動まで、通常若干時
間を要し、誘導電源ＯＦＦにすると金属板４が薄いた
め、冷えて素材２の下部も冷える恐れがあるため、誘導
電源はＯＮにしたままでプランジャーＦ２を作動させる
方がよい。従って、誘導電源ＯＦＦは少なくとも素材２
が金属板上から完全に移動した時点とすることが望まし
い。しかし、このタイミングは通常ごく微小時間内のこ
とであり、電源ＯＦＦは素材２の金型への充填後とする
のが妥当である。また、一般に固液共存域での昇熱温度
は２０〜３０℃／ｍｉｎ程度であり、所定の設定温度に
到達した後、プランジャーＦ２を作動させるまでの間、
誘導電源をＯＮにしていてもそれ程大きな影響はない
が、より厳密にはこの間の温度上昇を予め見込んで温度
を設定しておけばよい。

【００１７】さらに、金属板の上面であって素材と接触
する面にセラミックなどの非金属の皮膜をコーティング
しておけばよい。このようにしておけば、金属板が加熱
過程で素材と同程度に加熱された際に、上面の非金属皮
膜もその薄さゆえに金属板と同程度に加熱される。そし
て加熱が終了して電源をＯＦＦにしたとき、金属板の温
度は低下するが、素材から非金属皮膜への熱伝導は、そ
の皮膜の温度伝導率が非常に小さいために素材下面の温
度低下を影響が出ない程度に回避することができる。な
お非金属皮膜の厚みは１００〜３００μｍ程度が妥当で
ある。

【００１８】なお上述の説明は、被加熱素材を支持する
非金属部材が筒状のスリーブである加熱装置についての
例であるが、これ以外にも図６に示すように非金属基台
５の上面に金属板６を取り付けたり金属線（図示せず）
を介在させ、素材２を誘導加熱する過程においてこれら
の金属板６や金属線の同時的昇温を可能として素材２の
下部表層からの温度低下を回避できる構成を採用するこ
とも可能であり、いずれも本発明の技術的範囲を逸脱す
るものではない。さらに、金属板６を用いることなく非
金属基台５の下側にヒータを埋設し、非金属基台５の金
属素材２との接触部分を金属素材２の平均的昇温に合致
して昇温させ、金属素材２と非金属基台５との間の熱伝
達を極力少なくすることでもよい。この場合、非金属基
台５は断熱部材として機能している。また１サイクル毎
の昇温になるため、スタート前にはファンで非金属基台
５を冷却して新たな金属素材２と同じ温度にすることも
できる。

【００１９】（実験例）内径６０ｍｍ，外形９０ｍｍの
セラミックススリーブの内周面側下側にそのスリーブの
内径と同一径を有する純Ａｌ製の厚さ１ｍｍの金属板を
はめ込んだ後、スリーブ内のこの金属板上に直径５８ｍ
ｍ、長さ３６ｍｍの同一組成のＡｌ−Ｓｉ実用合金の素
材（試験片）を装填し、スリーブの外側周囲に設置した
誘導コイルによりこの素材（試験片）を固液共存域の温
度域にまで誘導加熱を行った。加熱総時間は１１．５分
であった。このとき、熱電対による素材断面内の実測温
度を測定し、その分布を示したものが図７である。

【００２０】この図から明らかなように、素材の上部及
び下部の温度はほぼ等しく維持されており、断面内の温
度分布もおよそ１０℃以内と小範囲に収まっていること
が確認できた。

【００２１】（比較例）実験例で使用した素材（試験
片）と同じものを内径６０ｍｍ，外径９０ｍｍのセラミ
ックススリーブ内に装填し、同じように設置した誘導コ
イルによりその素材（試験片）を固液共存域の温度域に
まで誘導加熱を行った。加熱総時間は実験例と同一であ
る。このときの熱電対による素材断面内の実測温度の分
布図が図８である。

【００２２】この図から明らかなように、従来の加熱装
置により素材を誘導加熱した場合は、素材の上部に比べ
てセラミックススリーブと接触する下部の温度が低く、
断面内温度分布も１５℃以上の広がりがあり、固相率の
不均一分布の割合が大きくなっていることが分かる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の加熱装置は以上の様に構成され
るが、要は被加熱金属素材とこの素材を支持する非金属
部材との境界に金属部材又は断熱部材を介在せしめ、か
つこの金属部材又は断熱部材を、素材が誘導加熱等によ
り昇温するときに同程度に昇温可能な構造としたので、
従来のように誘導加熱中に素材の下側表層部から直ちに
接触する非金属部材への熱伝導による熱の逃げを防止で
きることとなった。この結果、素材の下側表層部の温度
降下を回避でき、素材の断面内の温度分布をできる限り
小さくし、半溶融状態にある素材の固相率の均一分布、
金型内への素材の均一充填を確保して良品質の金型成形
品の製造を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部断面を示す模式図であ
る。

【図２】上記一実施例に係る加熱装置に金属素材を装填
した状態を示す図である。

【図３】従来の半溶融加工用加熱装置の要部断面を示す
模式図である。

【図４】上記一実施例に係る加熱装置を複数有する横型
成形機の要部縦断面を示す模式図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ矢視側面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す要部断面模式図であ
る。

【図７】本発明の加熱装置で素材を固液共存域まで加熱
したときの素材の断面内の温度分布を示す図である。

【図８】従来の加熱装置で素材を固液共存域まで加熱し
たときの素材の断面内の温度分布を示す図である。

【符号の説明】

１ 非金属スリーブ ２ 金属素材 ３ 誘導コイル ４ 金属板 Ｆ 成形機 Ｆ１ スリーブ Ｆ２ プランジャー Ｆ３ プランジャーチップ Ｆ４ 金型 Ｈ 加熱装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属素材をその固液共存域で成形加工す
   るために用いられる加熱装置であって、金属素材を支持
   する非金属部材の外側にその金属素材を誘導加熱するた
   めの誘導コイルを設けると共に、前記非金属支持部材の
   表面側であって、少なくとも金属素材の装填時にその金
   属素材と前記非金属支持部材が接触する面積に相当する
   部分に金属部材を敷設してなることを特徴とする半溶融
   加工用加熱装置。
2. 【請求項２】 金属素材をその固液共存域で成形加工す
   るために用いられる加熱装置であって、この金属素材を
   誘導加熱するための誘導コイルを設けると共に、この誘
   導コイル内の前記金属素材を支持する支持部材を設け、
   この支持部材が前記金属素材と接触する面積に相当する
   部分に前記金属素材の昇温と共に昇温する断熱部材を敷
   設してなることを特徴とする半溶融加工用加熱装置。