JPH07246453A - 金属成形品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半凝固状態の金属素材を金型内に加圧しなが
ら充填して形成される金属成形品において鋳造欠陥を軽
減する。 【構成】 半凝固状態の素材Ｍを成形型５内に加圧しな
がら充填して得られた製品Ｇにおいて、成形後の前記製
品Ｇにおける金属組織のα相の面積率を６０％から９０
％までの範囲内とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半凝固状態の金属素
材を金型内に加圧しながら充填して形成された金属成形
品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えばチクソキャステイング
（thixocasting）といわれる金属成形技術のように、半
凝固状態に加熱した金属素材を金型内に加圧しながら充
填して金属成形品を形成する技術がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような金属成形技
術により得られる金属成形品においても、鋳造欠陥が生
じるので、それを防止することが必要である。

【０００４】この発明は、このような事情に基づいてな
されたもので、この種の金属成形品を形成する技術によ
る金属成形品において鋳造欠陥を軽減することを目的と
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、半凝固状態の金属素材を金
型内に加圧しながら充填して得られた金属成形品におい
て、成形後の前記金属成形品における金属組織のα相の
面積率を６０％から９０％までの範囲内としたことを特
徴とする。

【０００６】

【作用】この種の金属成形技術により形成された金属成
形品において、その金属組織のα相の面積率が６０％以
上となる金属組織においては鋳造欠陥の発生が少ない。

【０００７】また、その金属成形品において、α相の面
積率が９０％を越えるものとなる場合には、半凝固状態
の金属素材の成形性が低下するので、この種の金属成形
技術により良好な金属成形品を量産することが困難とな
る。

【０００８】請求項１記載の発明は、金属成形品におい
てα相の面積率を６０％から９０％までの範囲内とした
ものであるので、金属成形品の鋳造欠陥の発生が軽減さ
れるとともに、この種の金属成形技術により良好な金属
成形品を量産することができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面に示す実施例によりこの発明を説
明する。

【００１０】まず、本願発明にかかる金属成形品の製造
方法を図２により説明し、その後、その金属成形品の金
属組織等についての説明を行なうこととする。

【００１１】図２において、１は金属成形品の製造装置
を示し、製造装置１は素材Ｍを成形する型装置２と、型
装置２の下方に設置され，素材Ｍを型装置２に加圧しつ
つ充填する充填装置３とを有する。

【００１２】型装置２は、素材Ｍを所要の製品形状に形
成するための成形室４を備えた成形型５と、成形型５の
成形室４内に素材Ｍを圧入するための圧入室６を備えた
圧入型７とからなるものである。

【００１３】前記成形型５はこの発明でいう金型に該当
するものであって、その成形室４は下開き状に形成され
ており、前記圧入型７の上面上に位置することによって
所要形状の成形用空間を画成するものである。

【００１４】また、圧入型７の圧入室６は上下方向に向
いた円筒状であって、下開き状に形成されている。そし
て、その圧入室６の上部には小径の透孔として形成され
た素材供給口８が圧入室６の平面視中央部に位置するよ
うに設置されており、この素材供給口８の一側には不図
示の駆動装置で水平方向に出没駆動される切断刃１１が
設置されている。

【００１５】したがって、かかる圧入型７の上面上に前
記成形型５を位置させた状態においては、圧入室６は素
材供給口８を介して前記成形室４と連通した状態とな
る。

【００１６】このように構成された型装置２の前記圧入
室６の下方には、上下方向に向けて設置した油圧シリン
ダ１２が充填装置３として配置されており、その油圧シ
リンダ１２のピストンロッド１３の先端に圧入プランジ
ャ１４が装着され、この圧入プランジャ１４は前記油圧
シリンダ１２の伸縮により前記圧入室６への出入りが可
能である。

【００１７】このような製造装置１を用いての金属成形
品（以下、製品Ｇという）の製造は次のように行なわれ
る。

【００１８】まず、型装置２の下方に位置する圧入プラ
ンジャ１４の上面に略円柱状のビレットからなる素材Ｍ
を載置する（図２（ａ）参照）。この場合、素材Ｍはα
相の結晶粒径を予め微細化したものであって、前記成形
室４の形状や素材供給口８の寸法等の条件に応じて適宜
温度に加熱されて凝固したα相と未凝固で液状の共晶部
分とが並存した，いわゆる半凝固状態である。

【００１９】この後、前記油圧シリンダ１２を伸長駆動
させて圧入プランジャ１４を上方に移動させ、素材Ｍを
圧入室６内に供給する（図２（ｂ）参照）。そして、さ
らに圧入プランジャ１４の上動を継続すると、半凝固状
態の前記素材Ｍは圧入室６内で加圧され、素材Ｍの一部
は素材供給口８を経て成形室４内に充填されるとともに
残部を圧入室６内に残留させて圧入プランジャ１４の上
動を停止する（図２（ｃ）参照）。

【００２０】この場合、前記半凝固状態の素材Ｍは小径
の素材供給口８を経由したうえで成形室４に達するの
で、素材Ｍの表面に形成された酸化層等の不純物は小径
の前記素材供給口８および圧入室６の壁面との摩擦等に
より圧入室６内に残留し、前記成形室４には酸化物等の
混入の少ない良質の素材Ｍが加圧されながら充填され
る。

【００２１】このようにして、素材Ｍの成形室４への充
填が完了した後、前記油圧シリンダ１２を縮小駆動して
圧入プランジャ１４を後退させ、その後前記切断刃１１
を作動させる（図２（ｄ）参照）。

【００２２】これによって、前記素材Ｍを成形室４内の
製品Ｇと圧入室６側の残部Ｚとに分離し、前記のように
酸化物等の不純物が混入した残部Ｚは排除される（図２
（ｅ）参照）。

【００２３】この後、前記成形型５を圧入型７から上動
させて離間させ、前記圧入型７の上面上に位置する製品
Ｇを取り出すことにより所要形状に形成された金属成形
品を得ることができる。

【００２４】このようにして得られた製品Ｇについて
は、前記のように酸化物等が軽減されているものの、金
属組織上欠陥が皆無であるとはいえず、例えば凝固収縮
等を原因とした鋳造欠陥を生じることがある。

【００２５】本願発明者は、このような事情から、一定
の製造装置１を用いて前記素材Ｍの温度や圧入プランジ
ャによる加圧力を適宜範囲で変更させながら前記技術に
より多数の同一の製品Ｇを形成する実験を行なった。

【００２６】そして、このようにして形成された多数の
製品Ｇの金属組織中での鋳造欠陥の頻度を評価する数値
として各製品Ｇの密度を測定した。

【００２７】このようにして得られた多数の密度測定値
は、前記の素材Ｍの温度や加圧力等の要因によって変化
するものであるので、これらの密度測定値を次に定義す
る面積率により一元的に整理した。

【００２８】ここでいう面積率とは、製品Ｇの厚肉部と
薄肉部とを含み、かつ製品Ｇ全体の平均値を示すと思わ
れる５箇所から小片を切り出し、それらの小片を耐水ペ
ーパーおよびバフにより研摩し、光学顕微鏡でその金属
組織を写真撮影して、一定の範囲（例えば、製品Ｇの0.
5mm×0.5mmに対応する範囲）において存在する全てのα
相が占有する面積の前記一定範囲の面積に対する割合の
平均値のことである。

【００２９】すなわち、面積率は、図３で正方形状に示
した一定範囲の全面積中において、白抜きで示した各α
相の面積の総和が占める割合である。

【００３０】例えば、アルミニウム合金AC4C（Al-7mass
%Si-0.4mass%Mg合金）を金属素材とした場合、密度測定
値と前記面積率との関係は、図１に示すようである。

【００３１】図１からあきらかなように、面積率が大き
くなるほど，すなわちα相の占める割合が大きくなるほ
ど密度測定値は理論密度の2.72g/cm3に近づくものとな
っており、密度測定値と理論密度との差が鋳造欠陥の頻
度を表すものである。

【００３２】そして、図１に示す密度測定値の曲線にお
いて、面積率が６０％未満の領域にあっては曲線の傾斜
が急なものとなっており、これは金属組織中でのα相の
領域が小さい程鋳造欠陥が急増することを意味してい
る。

【００３３】面積率が６０％以上となると、密度測定値
と理論密度との差が小さく、鋳造欠陥の頻度が少なく、
同時に曲線の傾斜が小さいことから、α相の領域を増加
させることによる鋳造欠陥の抑制が効率的に行いにくく
なっていることを意味する。

【００３４】そして、面積率が７６％以上の領域にあっ
ては、密度測定値と理論密度との差が極めて小さく、鋳
造欠陥の発生は実質的にはほとんどない状態である。

【００３５】また、面積率が９０％を越えるものにおい
ては、素材Ｍはほとんどが凝固したα相からなるもので
あるため成形性が低下し、前記した圧入室６から素材供
給口８を経て成形室４内に素材Ｍを充填して良好な製品
Ｇの形成が困難となる。

【００３６】なお、面積率が６５％より大きい場合に
は、素材Ｍの温度が比較的低温でよいので加熱量の節約
となり、同時に素材Ｍの表面での液相量が少ないので素
材Ｍを圧入室６へ供給する工程中に流れ落ちることが少
なく、金属材料のロスが少なく歩留まりが良好である。

【００３７】そして、この実験においては、前記の密度
の測定とともに、前記のようにして得られた各製品Ｇに
ついて、前記面積率の算出に用いたと同様の金属組織写
真を使用して次に定義するα相の結晶粒径の測定をも行
なった。

【００３８】結晶粒径とは、製品Ｇの0.5mm×0.5mmの領
域中に存在する各α相結晶粒について、図４に示すよう
に、短径ｘと長径ｙとの算術平均値を求め、前記領域中
にある全ての結晶粒についての前記算術平均値を算術平
均した値である。

【００３９】一般に、金属材料においてその結晶粒が微
細化されているほどその機械的性質が良好であるとされ
ているが、前記した金属成形技術による製品Ｇにおいて
は、前記面積率の範囲内で、α相の結晶粒径が４０μｍ
〜４００μｍの範囲内であれば量産が可能である。

【００４０】また、とくに結晶粒径が４０μｍから８０
μｍの範囲では、鋳造欠陥がきわめて少なく、機械的性
質も良好である。

【００４１】さらに、前記面積率の算出に用いたと同様
の金属組織写真を使用して次に定義するデンドライト量
の測定を行なうとともに各製品Ｇの引張強度を測定し、
デンドライト量と各製品の機械的性質との関係を調査し
た。

【００４２】ここで、デンドライト量は、前記面積率と
同様に、製品Ｇの厚肉部と薄肉部とを含み、かつ製品Ｇ
全体の平均値を示すと思われる５箇所から小片を切り出
し、それらの小片を耐水ペーパーおよびバフにより研摩
し、光学顕微鏡でその金属組織を写真撮影して、一定の
範囲（例えば、製品Ｇの0.5mm×0.5mmに対応する範囲）
において存在する全てのデンドライトが占有する面積の
前記一定範囲の面積に対する割合の平均値のことであ
る。

【００４３】このようなデンドライト量と引張強度との
関係は、図５に示すとおりである。なお、図５において
下側に示された曲線Ａは製品Ｇに鋳造欠陥が存在する場
合の値を示し、上側に示された曲線Ｂは鋳造欠陥の無い
状態での値を示すものである。

【００４４】同図からあきらかなように、前記曲線Ａ，
Ｂのいずれにおいても、デンドライト量が少ないほど引
張強度が高く、良好な機械的性質であると判断される。

【００４５】そして、このように各製品Ｇの機械的性質
に影響を及ぼすデンドライトは、液相の金属の凝固に伴
って生じるものであるので、前記面積率を６０％〜９０
％と高く設定した金属材料においては、デンドライトの
発生量が低減されるので金属材料の機械的性質を良好な
ものとすることができる。

【００４６】α相の面積率を６０％〜９０％とし、かつ
そのデンドライト量をとくに0.15mass%〜8.0mass%とす
ることによって鋳造欠陥が少なくきわめて良好な機械的
性質を有する製品Ｇを量産することが可能である。

【００４７】前記のようにしてアルミニウム合金により
形成された製品Ｇにおいては、その成形後に溶体化処理
を行なう場合もあるが、前記α相の面積率を６０％〜９
０％とするようにして製品Ｇを形成することとすれば、
共晶領域が小さいのでその分熱処理時間を短縮すること
ができる。

【００４８】なお、以上説明した実施例はアルミニウム
合金におけるものであるが、前記面積率や結晶粒径等の
数値はその他の金属材料においても概ね同様であるの
で、本願発明はこれに限らず、マグネシウム合金，銅合
金やその他の金属材料であっても概ね同様に適用するこ
とが可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、金属成形品においてα相の面積率を６０％
から９０％までの範囲内としたものであるので、金属成
形品の鋳造欠陥の発生が軽減されるとともに、この種の
金属成形技術により良好な金属成形品を量産することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属成形品の面積率と密度測定値との関係図で
ある。

【図２】（ａ）〜（ｆ）は金属成形品の製造工程図であ
る。

【図３】面積率の説明図である。

【図４】α相の結晶粒径の説明図である。

【図５】金属成形品のデンドライト量と引張強度との関
係図である。

【符号の説明】

Ｇ 製品（金属成形品） Ｍ 素材（金属素材） ４ 成形室 ５ 成形型（金型）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半凝固状態の金属素材を金型内に加圧し
   ながら充填して得られた金属成形品において、 成形後の前記金属成形品における金属組織のα相の面積
   率を６０％から９０％までの範囲内としたことを特徴と
   する金属成形品。