JPH0987769A

JPH0987769A - 半溶融金属の成形方法

Info

Publication number: JPH0987769A
Application number: JP7247897A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Adachi; 充安達; Satoshi Sato; 智佐藤
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-03-31
Anticipated expiration: 2015-09-26
Also published as: JP3473214B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の機械攪拌法や電磁攪拌法によらず、簡
便容易に、かつ、低コストで微細かつ球状のチクソ組織
を有する成形体が得られる半溶融金属の成形方法を提案
するものである。【解決手段】液相線温度に対して過熱度が５０℃以内
に保持された互いに融点の異なる２種以上の液体状態の
合金を、断熱効果を有する断熱容器の中において直接混
合するか、あるいは、断熱容器に注ぎ込む経路の樋にお
いて混合し、混合後の金属の温度を液相線直上あるいは
液相線直下の温度とし、該断熱容器内において該金属を
所定の液相率を示す成形温度まで冷却しつつ５秒〜６０
分間保持することにより、液中に発生した微細な結晶を
非樹枝状の形態に晶出させ、該金属を成形金型に供給し
て加圧成形するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半溶融金属の成形方
法に係り、特に、液相線温度に対して過熱度が５０℃以
内に保持された互いに融点の異なる２種以上の液体状態
の合金を混合し、混合後の金属の液中に発生した微細な
結晶を非樹枝状の形態に晶出させ、該金属を成形金型に
供給して加圧成形する半溶融金属の成形方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】チクソキャスト法は、従来の鋳造法に比
べて鋳造欠陥や偏析が少なく、金属組織が均一で、金型
寿命が長いことや成形サイクルが短いなどの利点があ
り、最近注目されている技術である。この成形法（Ａ）
において使用されるビレットは、半溶融温度領域で機械
攪拌や電磁攪拌を実施するか、あるいは加工後の再結晶
を利用することによって得られた球状化組織を特徴とす
るものである。これに対して、従来鋳造法による素材を
用いて半溶融成形する方法も知られている。これは、例
えば、等軸晶組織を発生しやすいマグネシウム合金にお
いてさらに微細な結晶を生じせしめるためにＺｒを添加
する方法（Ｂ）や炭素系微細化剤を使用する方法（Ｃ）
であり、またアルミニウム合金において微細化剤として
Ａｌ−５％Ｔｉ−１％Ｂ母合金を従来の２倍〜１０倍程
度添加する方法（Ｄ）であり、これら方法により得られ
た素材を半溶融温度域に加熱し初晶を球状化させて成形
する方法である。また、固溶限以内の合金に対して、固
相線近くの温度まで比較的急速に加熱した後、素材全体
の温度を均一にし局部的な溶融を防ぐために、固相線を
超えて材料が柔らかくなる適当な温度まで緩やかに加熱
して成形する方法（Ｅ）が知られている。

【０００３】一方、ビレットを半溶融温度領域まで昇温
し成形する方法と異なり、球状の初晶を含む融液を連続
的に生成し、ビレットとして一旦固化することなく、そ
のままそれを成形するレオキャスト法（Ｆ）が知られて
いる。また、金属組織の微細化法として、微細化元素を
添加したり、振動、攪拌を利用する従来の方法以外に、
異種の金属あるいは組成の異なる同一種の合金を、溶液
もしくは一部固相を含む溶液の状態で、鋳型あるいは注
入樋において混合することにより、結晶核を発生させ直
ちに鋳型内で凝固させて微細化する方法（Ｇ）が知られ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た（Ａ）の方法は攪拌法や再結晶を利用する方法のいず
れの場合も煩雑であり、製造コストが高くなる難点があ
る。また、マグネシウム合金においては（Ｂ）の方法の
場合には、Ｚｒが高くコスト的に問題であり、（Ｃ）の
方法では、炭化物系微細化剤を使用してその微細化効果
を十分に発揮させるためには、酸化防止元素であるＢｅ
を、例えば、７ｐｐｍ程度に低く管理する必要があり、
成形直前の加熱処理時に酸化燃焼しやすく、作業上不都
合である。一方、アルミニウム合金においては、単に微
細化剤を添加するだけでは５００μｍ程度であり、１０
０μｍ以下の微細な結晶粒の組織を得ることは容易では
ない。このため、多量に微細化剤を添加する方法（Ｄ）
があるが、微細化剤が炉底に沈降しやすく工業的には難
しく、かつコストも高い。さらに（Ｅ）の方法では、固
相線を超えてから緩やかに加熱して素材の均一加熱と球
状化を図ることを特徴とするチクソ成形法が提案されて
いるが、通常のデンドライト組織を加熱してもチクソ組
織（初晶デンドライトが球状化されている）には変化し
ない。

【０００５】しかも（Ａ）〜（Ｅ）のいずれのチクソ成
形法においても半溶融成形するために、一旦液相を固化
しそのビレットを再度半溶融温度領域まで昇温する必要
があり、従来鋳造法に比べてコスト高になる。また、
（Ｆ）の方法では、球状の初晶を含む融液を連続的に生
成供給するため、コスト的、エネルギ的にもチクソキャ
ストよりも有利であるが、球状組織と液相からなる金属
原料を製造する機械と最終製品を製造する鋳造機との設
備的連動が煩雑である。

【０００６】（Ｇ）の方法の微細化機構はまだ定かでは
ないが、（ａ）混合後形成された新組成の金属が過冷状
態になること、あるいは、（ｂ）高液相線温度の溶液が
その高い液相線温度を維持したまま冷却され過冷状態に
なることが報告されており、このために微細な結晶が得
られる。しかし、より微細な組織を得るためには、先に
鋳型に注いだ溶湯がその一部に凝固殻を形成することが
効果的なこと、２液相混合させてそのまま凝固させた鋳
塊中には高液相合金の初期組成を有する島状集団の組織
が観察されることが知られており、混合の鋳塊の組織の
均一性に問題が残る。本発明は、上述の従来の各方法の
問題点に着目し、ビレットを使用することなく、しか
も、煩雑な方法をとることなく、簡便容易に、球状化し
た初晶を含む均一な組織を有する半溶融金属を得て、加
圧成形する方法を提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明においては、第１の発明では、液相線
温度に対して過熱度が５０℃以内に保持された互いに融
点の異なる２種以上の液体状態の合金を、断熱効果を有
する断熱容器の中において直接混合するか、あるいは、
断熱容器に注ぎ込む経路の樋において混合し、混合後の
金属の温度を液相線直上あるいは液相線直下の温度と
し、該断熱容器内において該金属を所定の液相率を示す
成形温度まで冷却しつつ５秒〜６０分間保持することに
より、液中に発生した微細な結晶を非樹枝状の形態に晶
出させ、該金属を成形金型に供給して加圧成形すること
とした。また、第２の発明では、第１の発明における混
合後の金属を、最大固溶限内組成のアルミニウム合金ま
たは最大固溶限以上の組成の亜共晶アルミニウム合金と
した。さらに、第３の発明では、第１の発明における混
合後の金属を、最大固溶限内組成のマグネシウム合金と
した。また、第４の発明では、第２の発明における混合
後の金属を、混合後の金属のＢおよびＴｉの組成をそれ
ぞれ０．０００５〜０．０１％、０．００３〜０．３０
％とするアルミニウム合金とした。第５の発明では、第
１の発明において、混合する２種以上の金属を、あらか
じめそれぞれ冷却部を有する治具に接触させ、液相線温
度直上あるいは液相線温度直下になった結晶該を有する
互いに融点の異なる金属とした。

【０００８】

【発明の実施の形態】液相線温度に対して過熱度が５０
℃以内に保持された互いに融点の異なる２種以上の液体
状態の合金を、断熱効果を有する断熱容器の中において
直接混合するか、あるいは、断熱容器に注ぎ込む経路の
樋において混合し、混合後の金属の温度を液相線直上あ
るいは液相線直下の温度とし、該断熱容器内において該
金属を所定の液相率を示す成形温度まで冷却しつつ５秒
〜６０分間保持することにより、液中に発生した微細な
結晶を非樹枝状の形態に晶出させ、該金属を成形金型に
供給して加圧成形するようにしたので、発生した不均一
な組織がなくなり、均質な組織の成形体が得られる。

【０００９】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例の詳細に
ついて説明する。図１〜図５は本発明の実施例に係り、
図１は亜共晶アルミニウム合金の半溶融金属の成形方法
を示す工程説明図、図２は球状の初晶の生成から成形ま
での工程説明図、図３は図２に示した各工程における金
属組織模式図、図４は本発明の成形品の金属組織を示す
顕微鏡写真の模写図、図５は比較例の成形品の金属組織
を示す顕微鏡写真の模写図である。

【００１０】本発明においては、図１に示すように、ま
ず（１）液相線温度に対して過熱度が５０℃以内に保持
された互いに融点の異なる２種以上の液体状態の合金
を、断熱効果を有する断熱容器の中において直接混合す
るか、あるいは、断熱容器に注ぎ込む経路の樋において
混合し、液中に結晶核を発生させ、あるいは、（２）混
合する金属の１種以上にＴｉ、Ｂを添加した（１）記載
の方法でより多くの結晶核を発生させ、（３）あるい
は、図２に示すように、混合する金属をそれぞれ冷却板
に接触させて結晶核を発生させ、液相線温度直上あるい
は液相線温度直下になった該金属を、断熱効果を有する
断熱容器の中に直接あるいは断熱容器に至る樋において
混合し、さらに液中にて結晶核を発生させる。このよう
にして、（１）〜（３）で得られたこれらの金属を、こ
の断熱容器内にて所定の液相率を示す成形温度まで冷却
しつつ５秒〜６０分間保持することにより、液中に発生
した微細な結晶を非樹枝状の形態で晶出させ、該金属を
成形金型に供給して加圧成形する。

【００１１】所定の液相率とは、加圧成形に適する液相
の量比を意味し、ダイキャスト鋳造、スクイズ鋳造など
の高圧鋳造では液相率は２０〜９０％、好ましくは３０
〜７０％（３０％未満では素材の成形性が劣り、７０％
以上になると素材が軟らかいためハンドリングが難しい
ばかりでなく、均一な組織が得にくくなる）とし、押出
法や鍛造法では、０．１％〜７０％、好ましくは０．１
％〜５０％（５０％以上では組織の不均一が生じる惧れ
がある）とする。また、本発明でいう断熱容器とは、金
属製容器または非金属製容器とするか、あるいは半導体
を含む非金属材料を表面に塗布した金属製容器、もしく
は半導体を含む非金属材料を複合させた金属製容器と
し、かつ、該容器の内部あるいは外部から該容器の加熱
または冷却が可能なものである。

【００１２】具体的には以下のとおりの手順により作業
を進める。図２および図３の工程［１］においてラドル
１０内に入れられた完全液体である２種類の溶湯金属
Ａ、Ｂを断熱効果を有する断熱容器、すなわち、セラミ
ック製容器３０（または、セラミックコーティング金属
容器３０Ａ）に注ぐ。これにより、多数の結晶核を含む
液相線直下あるいは液相線直上の合金を得る。溶湯金属
Ａ、Ｂの注ぎ方は、同時であってもよいし、またいずれ
かを先に注いでから他方を後に注いでもよい。また、断
熱容器３０の中に隔壁を設けてその各々の区画領域に溶
湯金属Ａ、Ｂをそれぞれ注いだ後、瞬時にこの隔壁を取
り除いて両溶湯金属Ａ、Ｂを接触させる方法でもよい。
また、混合する前に冷却用治具２０に溶湯金属Ａまたは
溶湯金属Ｂをそれぞれ接触させて多数の結晶核を発生さ
せることは、より多くの結晶を生成させるうえで効果的
である。（図２に表示の工程［１Ａ］）。

【００１３】次に、工程［２］では、断熱容器３０にお
いて混合合金Ｃを半溶融状態で保存する。この間、工程
［１］または工程［１Ａ］において導入された結晶核か
ら極めて微細な初晶が生成し（工程［２］−ａ）、混合
合金Ｃの温度低下に伴う固相率の増加につれて球状の初
晶として成長する（工程［２］−ｂ、工程［２］−
ｃ）。このようにして得られた所定の液相率を有する混
合合金Ｃを、たとえば、工程［２］−ｄのように射出ス
リーブ４０に挿入した後ダイキャストマシンの金型キャ
ビティ５０ａ内で加圧成形して成形品を得る。

【００１４】図１、図２、図３に示す本発明と従来のチ
クソキャスト法、レオキャスト法、の違いは図より明ら
かである。すなわち、本発明では従来法のように、半溶
融温度領域で晶出したデンドライト状の初晶を機械攪拌
や電磁攪拌で強制的に破砕球状化することはなく、半溶
融温度領域での温度低下とともに液中に導入された結晶
核を起点として晶出、成長する多数の初晶が合金自身が
持っている熱量により（必要に応じて外部から加熱保持
されることも有り得る）連続的に球状化されるものであ
り、また、チクソキャスト法におけるビレットの再昇温
による半溶融化の工程が省かれているため極めて簡便な
方法である。

【００１５】上述した各工程、すなわち、図１に示す冷
却用治具２０への注湯工程、初晶の生成、球状工程、成
形工程のそれぞれにおいて設定された鋳造条件、球状化
条件および成形条件や第４の発明で示した数値限定理由
について以下に説明する。混合する液体状態の溶湯金属
Ａ、Ｂの温度が液相線温度に対して過熱度が５０℃を超
える場合、混合した直後の金属の温度が混合後に生成さ
れた混合合金Ｃの液相線温度の直上あるいは液相線温度
直下にならないために、断熱容器３０内にて保持した場
合粗大な樹枝状の組織が発生し、均一な球状に近い非樹
枝状の組織が得られない。このため、混合する液体状態
の溶湯金属Ａ、Ｂの温度を５０℃以内にする。なお、混
合後に生成された金属の液相線温度の直上あるいは液相
線温度直下とは、液相線温度から１５℃低い温度以上で
液相線温度よりも１５℃高い温度以下とする。また、こ
こでいう混合する液体状態の金属とは合金も含まれる。
また、混合後このような温度範囲に低下した金属を保持
する断熱容器３０は、発生した結晶核を非樹枝状（球状
に近い）の初晶に成長させ、所定の時間後に希望の液相
率にするために、断熱効果を有するものとする。その材
質は金属に限定されるものではなく、保温性を有し、し
かも溶湯との濡れ性が悪いものが好ましい。また通気性
のあるセラミック容器を断熱容器３０として使用する場
合、マグネシウム合金では酸化、燃焼しやすいため、容
器外部を所定の雰囲気にすることが望ましい。

【００１６】断熱容器での保持時間は、５秒未満であれ
ば希望する液相率を示す温度にすることが容易でなく、
また球状の初晶を生成することは困難である。また、均
一な温度分布の半溶融金属が得られない。一方、保持時
間が６０分を超えると生成した球状初晶が粗くなる。な
お、高圧鋳造では成形直前の液相率が２０％未満では成
形時の変形抵抗が高く、良好な品質の成形品を得ること
ができない。また、９０％を超えると均一な組織を有す
る成形品を得ることができない。このため、前述したと
おり、成形時の液相率は２０〜９０％、さらに好ましく
は３０〜７０％にすることにより、高品質な成形材を容
易に加圧成形することができる。加圧成形する手段とし
ては、スクイズ鋳造法やダイキャスト鋳造法に代表され
る高圧鋳造法に限定されるものではなく、押出法、鍛造
法などの加圧成形する種々の方法が含まれる。

【００１７】互いに異なる液相線温度を有する２種以上
のアルミニウム合金を混合し、断熱容器３０中に保持す
ることにより、微細な球状組織を有する半溶融金属を得
ることは可能であるが、さらに多数の結晶核を発生させ
均一でより微細な球状組織を得るために、アルミニウム
合金においてはＴｉ、Ｂを添加する。混合後の金属のＴ
ｉの組成が０．００３％未満では微細化効果は小さく、
０．３０％を超えれば粗大なＴｉ化合物が発生し延性が
低下するので、Ｔｉは０．００３％〜０．３０％とす
る。混合後の金属ＣのＢはＴｉと相俟って微細化を促進
するが０．０００５％未満であれば、微細化効果は小さ
く、０．０１％を超えて添加してもそれ以上の効果を期
待できないので、Ｂは０．０００５％〜０．０１％とす
る。混合する前に溶湯金属Ａ、Ｂをあらかじめ接触させ
る冷却部を有する治具２０は、溶湯の温度を低下させる
ことができればその材質を限定するものではないが、特
に熱伝導率の高い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニ
ウム合金などの金属で、しかも一定の温度以下に維持で
きるように冷却管理されたものは結晶核を多く生成する
ので好ましい。冷却用治具２０に接触させた溶湯金属
Ａ、Ｂの温度を液相線直上あるいは直下になるようにす
るために、液相線温度に対する過熱度を３００℃未満に
保持された合金溶湯を該合金の融点よりも低い温度の治
具の表面に接触させることが望ましい。好ましくは液相
線温度に対する過熱度を１００℃未満、さらに好ましく
は５０℃未満とする。

【００１８】表１に半溶融金属の生成条件および成形材
の品質を示す。成形は図２に示すように半溶融金属をス
リーブに挿入し、その後スクイズ鋳造機を用いて行なっ
た。成形条件は、加圧力９５０ｋｇｆ／ｃｍ²、射出速
度１．５ｍ／ｓ、製品キャビティ形状１００×１５０×
１０、金型温度２３０℃とした。比較例９では、保持時
間が長いために初晶のサイズが大きい。比較例１０で
は、混合するときの合金の温度が高いために混合後の温
度も高くなり、結晶核の数が少なくデンドライト状の初
晶しか得られない。比較例１１では、保持時間が短く液
相率が高いために成形品内部の偏析が大きい。一方、本
発明例１〜８では、図４に示すような１５０μｍ以下の
微細な球状の初晶を有する均質な組織が得られ、しかも
内部偏析のない成形体が得られる。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【発明の効果】以上説明したことからも明らかなよう
に、本発明に係る半溶融金属の成形方法では、（１）液
相線温度に対して過熱度が５０℃以内に保持された融点
の異なる液体状態の金属を断熱効果を有する断熱容器の
中において直接混合あるいは断熱容器に注ぎ込む樋にて
混合し、混合後の金属の温度を液相線直上あるいは液相
線直下とし、断熱容器内にて該金属を所定の液相率を示
す成形温度まで冷却しつつ５秒〜６０分間保持すること
により、あるいは（２）混合する金属を、あらかじめ冷
却部を有する治具に接触させ液相線温度直上あるいは直
下になった結晶核を有する融点の異なる金属とし、上記
（１）の方法により混合、保持することにより、結晶核
を発生させ、微細かつ球状化した初晶を該金属液中に発
生させ、所定の液相率になった半溶融状態の該合金を成
形用金型に供給して加圧成形することにより、従来の機
械攪拌法、電磁攪拌法によらず、簡便容易、かつ低コス
トで微細かつ球状の組織を有する成形体が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る亜共晶アルミニウム合金の半溶融
金属の成形方法を示す工程説明図である。

【図２】本発明に係る球状の初晶の生成から成形までの
工程説明図である。

【図３】図２に示した各工程の金属組織模式図である。

【図４】本発明例の金属組織を示す顕微鏡写真の模写図
である。

【図５】比較例の金属組織を示す顕微鏡写真の模写図で
ある。

【符号の説明】

１０ラドル２０冷却用治具３０断熱容器（セラミック製容器）３０Ａセラミックコーティング金属容器４０射出スリーブ５０金型５０ａ金型キャビティＡ溶湯金属Ｂ溶湯金属Ｃ混合合金ｔ時間Ｔ温度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液相線温度に対して過熱度が５０℃以内
に保持された互いに融点の異なる２種以上の液体状態の
合金を、断熱効果を有する断熱容器の中において直接混
合するか、あるいは、断熱容器に注ぎ込む経路の樋にお
いて混合し、混合後の金属の温度を液相線直上あるいは
液相線直下の温度とし、該断熱容器内において該金属を
所定の液相率を示す成形温度まで冷却しつつ５秒〜６０
分間保持することにより、液中に発生した微細な結晶を
非樹枝状の形態に晶出させ、該金属を成形金型に供給し
て加圧成形することを特徴とする半溶融金属の成形方
法。
【請求項２】混合後の金属を、最大固溶限内組成のア
ルミニウム合金または最大固溶限以上の組成の亜共晶ア
ルミニウム合金とした請求項１記載の半溶融金属の成形
方法。
【請求項３】混合後の金属を、最大固溶限内組成のマ
グネシウム合金とした請求項１記載の半溶融金属の成形
方法。
【請求項４】混合後の金属を、混合後の金属のＢおよ
びＴｉの組成をそれぞれ０．０００５〜０．０１％、
０．００３〜０．３０％とするアルミニウム合金とした
請求項２記載の半溶融金属の成形方法。
【請求項５】混合する２種以上の金属を、あらかじめ
それぞれ冷却部を有する治具に接触させ、液相線温度直
上あるいは液相線温度直下になった結晶該を有する互い
に融点の異なる金属とした請求項１記載の半溶融金属の
成形方法。