JPH10166131A

JPH10166131A - 金属合金から中空の成形部品を製造する方法及び装置

Info

Publication number: JPH10166131A
Application number: JP9329995A
Authority: JP
Inventors: Venkatasubramanian Laxmanan; ヴェンカタスブラマニアン・ラクスマナン; Robert James Hoye; ロバート・ジェイムズ・ホイ; Jayprakash Uttamchand Raisoni; ジェイプラカシュ・ウタムチャンド・レイゾーニ; Suresh Deepchand Shah; サレシュ・ディープチャンド・シャー
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 1998-06-23
Anticipated expiration: 2017-12-01
Also published as: EP0845316B1; DE69702037T2; DE69702037D1; JP3038175B2; KR19980063665A; EP0845316A1; US5787959A; KR100268356B1

Abstract

(57)【要約】【課題】加圧されたアシストガスを用いて半固体状の
揺変性金属合金を成形して、高品質の中空部品を製造す
る方法及び装置を提供する。【解決手段】強度対重量比が高く、改善された寸法及
び表面性質を有する中空の金属成形物を射出成形する方
法は、以下の工程を含む。半固体状の揺変性金属のビレ
ット２６を「ショートショット」としてモールドキャビ
ィティ４２に射出する工程。不活性ガスを加圧された装
填物の中に導入し、金属をキャビィティ４２の表面に完
全に押し付けて、成形物の中に中空の部分を形成する工
程。金属が固化するまでキャビィティ４２の中の装填物
に作用する上記ガスの圧力を維持する工程。その後、上
記ガスを排気して成形された製品を取り出す工程。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、アルミニ
ウム、錫、銅又はマグネシウム、あるいは、他の適宜な
非金属から成る半固体状で揺変性の状態にある合金か
ら、中空製品を成形する方法に関する。より詳細に言え
ば、本発明は、そのような半固体状の揺変性合金を成形
する際に加圧ガスの支援を利用する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ある種の金属合金が、融点の低い単数又
は複数の相の中に分布された融点が比較的高い球状の又
は小球状の単数又は複数の相を特徴とする多相ミクロ組
織を有するように、そのような金属合金を調製する方法
は周知である。そのような合金は、適正に調製すると、
一部が液体で一部が固体になる温度まで加熱することが
できる。そのような合金は、上記半固体の状態にある間
は、比較的軟らかく、荷重を与えることによって容易に
整形することができ、その後、完全に固化させて、所望
の物品を製造することができる。そのような物品又は部
品は、一般的に、収縮性が低いので、低い空孔率を有し
ており、その製造を完成させるための機械加工を殆ど必
要としない。これらの部品は、これらの部品が形成され
る合金の他の総ての望ましい性質を有している。

【０００３】本発明の前に、固体の金属合金を半固体状
の揺変性の状態に処理し、そのような合金を有用な製品
に低圧加工するのに適したものにするための多くのプロ
セスが開発されている。樹枝状ミクロ組織を有する固体
合金は、適正に加熱したり、加熱及び機械攪拌したり、
あるいは、加熱及び電磁攪拌したりして、部分的に液体
の混合物の中に球形の相を形成することができる。幾つ
かの場合には、そのような半固体状の金属は、その後加
熱及び成形を行うように、ビレットとして固化される。
別の場合には、そのような半固体状の揺変性金属は、完
全な固相になるように冷却される前に、直ちに成形され
る。

【０００４】例えば、米国特許第４，６４９，８８２号
（発行日：１９８７年９月２２日、発明者：Ｒ．Ｂｕｓ
ｋ、発明の名称：”ＭｅｔｈｏｄｏｆＭａｋｉｎｇ
ＴｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃＭａｔｅｒｉａｌ”）は、
樹枝状の結晶粒を有する金属合金の粒子又はチップを、
上記半固体状の金属に例えば単一のスクリュー押出機で
剪断作用を与えるながら、完全な液相と完全な固相との
間の温度に調節しながら加熱することによって、球形の
結晶粒を含む半固体状の揺変性物質に転換させることを
開示している。上述のように与えられた熱は、上記押出
機の剪断作用と協働して、合金の樹枝状組織を破壊し
て、比較的低圧で有用な物品に成形することのできる液
体／固体合金を形成する。

【０００５】米国特許第５，００９，８８４号（発行
日：１９９１年４月２３日、発明者：Ｌａｘｍａｎａ
ｎ）は、樹枝状の亜共晶アルミニウム／ケイ素合金のビ
レットを加熱して、機械加工を行わずに、半固体状態に
するためのプロセスを開示しており、そのような半固体
状態においては、デンドライト（樹枝状結晶）は、誘導
された共晶液相の中に分散した球状の相に転換されてい
る。この半固体合金を用いて、物品を鋳造、押し出し又
は成形することができる。

【０００６】米国特許第４，１０６，９５６号（発行
日：１９７８年８月１５日、発明者：Ｂｅｒｃｏｖｉｃ
ｉ）は、固化した樹枝状アルミニウム合金のビレットを
加熱して、２５重量％よりも少ない内側の液相を形成す
ることによって、そのようなビレットを容易に押出成形
又は圧延加工するためのプロセスを開示しており、その
ようなプロセスにおいては、デンドライトは、ビレット
の固化した性質を阻害することなく、球形の固体一次相
になっている。

【０００７】米国特許第５，０４０，５８９号（発行
日：１９９１年８月２０日、発明者：Ｎ．Ｂｒａｄｌｅ
ｙｅｔａｌ．、発明の名称：”Ｍｅｔｈｏｄａｎ
ｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｔｈｅＩｎｊｅｃ
ｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇｏｆＭｅｔａｌＡｌｌ
ｏｙｓ”）は、射出成形機を開示しており、この射出成
形機は、金属合金を固体温度と液体温度との間の温度に
徐々に加熱する加熱ゾーンと、材料を揺変性のスラリー
として調製して該スラリーをモールドの中に射出して製
品を形成するための剪断要素とを備えている。

【０００８】上述の各々の例、及び、他の例において
は、半固体材料を製造製品に直ちに整形することがで
き、あるいは、上記材料を冷却して固体ビレットにし
て、搬送又は保管したり、その後、再加熱して整形する
ことができる。しかしながら、上述の米国特許は、半固
体状の揺変性合金を完全に中実の物品に成形することを
意図しているが、射出成形法によって中空の物品、又
は、中空の部分を有する物品を成形するための実際的な
方法は知られていない。また、半固体状の金属合金を射
出成形して、高い強度対重量比を有すると共に、収縮性
及び空孔率が低い改善された表面を有し、更に、サイク
ル時間の短い中空体にする実際的なプロセスは知られて
いない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、適当
な加圧ガスを用いて半固体状の揺変性金属合金を成形し
て、中空部品を形成したり、あるいは、改善された表面
組織を有する中空部品を形成するための方法及び装置を
提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、液体及
び固体の金属合金から成る揺変性物質の「ショートチャ
ージ（すなわち、キャビィティを充填するために必要な
量よりも少ない量の装填物）」が、ラム又は他の適宜な
方法によって、モールドキャビィティの中に押し込まれ
る。半固体状の金属は、上述の方法から選択される方法
を含む適宜な方法によって、得ることができる。一般的
に、モールドキャビィティは、成形すべき製品の外側面
を画定するように配列され且つそのような寸法を有して
いる。半固体状であるが軟らかい固体の性質を維持して
いる揺変性金属から成る加熱されたビレットは、容易に
取り扱って、加熱するようになった、あるいは、そのよ
うな半固体状のビレットを成形に適した温度維持するよ
うになった射出チャンバへ搬送することができる。別の
実施例においては、効率的な方法ではないが、低融点の
マトリックス（母材）の中に球形の結晶粒を含んでいる
冷たい又は十分に加熱されていない多相ビレットを、上
記射出チャンバの中に導入し、そこで、半固体条件まで
加熱して成形を行う。

【００１１】その後、上記半固体状の多相ビレット（す
なわち、装填物）をモールドの中に射出する。その際に
は、大きな剪断作用を与えないのが好ましい。射出され
た材料の体積は、モールドキャビィティの体積よりも小
さくなるように、調節される。次に、加圧された適宜な
不活性アシストガス（例えば、窒素）が、モールドの中
の揺変性材料の中に注入され、これにより、そのような
材料をモールドの壁部に押し付ける。これにより、上記
材料は固化して、モールドキャビィティの表面を忠実に
再現する表面を有する中空部品を形成する。上記加圧ガ
スは、注入ノズルを介して、又は、スプルー又はランナ
ーを介して導入することができ、あるいは、モールドキ
ャビィティ自体の中に注入することができる。

【００１２】上記ガスは、調節された圧力で、又は、調
節された所定の体積まで、若しくは、モールドの壁部に
半固体状の金属を圧接させて成形物の中に中空のスペー
スを形成するのに適した調節された流量で、導入するこ
とができる。部品は、冷却して完全に固化し、最初に存
在する液相が少ないので、極めて小さな収縮性を示す。
次に、上記ガスを部品及びモールドから排気し、部品を
モールドキャビィティから取り出す。

【００１３】従って、本成形プロセス及び成形装置は、
半固体状の金属合金のショートショットを、その後の
（又は、同時に行われる）ガスの注入と組み合わせて、
整形又は表面の改善を行うためのそれ以上の機械加工を
必要としない中空の物品を製造する。

【００１４】本発明の上記及び他の目的、並びに、特徴
及び利点は、以下の詳細な説明及び図面からより明らか
となろう。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、射出成形機１０、及び、
該射出成形機に連通しているモールド１２を示してい
る。射出成形機１０は、閉鎖された上流側の端部１６を
有する射出バレル１４を備えている。下流側の端部１８
は、テーパ状のノズル２０を有しており、このノズルを
通して、半固体状の金属装填物が、モールド１２のスプ
ルー２２の中に押し込まれる。バレル１４は、電気的な
抵抗加熱手段（参照符号２４で示す）、あるいは、他の
適宜な手段によって加熱されて、上記半固体状の装填物
を加熱するかあるいは適宜な成形温度に維持する。

【００１６】揺変性（チキソトロピー性）ビレット２６
が、図示しない適宜な手段によって、射出成形機１０の
供給ホッパ２８の中に供給される。上記ビレット２６
は、上記供給ホッパに供給される際には、半固体状の揺
変性の条件にあるのが好ましい。従って、例えば、アル
ミニウム合金Ａ３５７を成形材料として選択した場合に
は、上記ビレットは、約５８０°Ｃから５９０°Ｃの温
度にあるのが適当である。Ａ３５７は、亜共晶アルミニ
ウム／ケイ素合金であって、公称成分として、重量％
で、６．５％から７．５％のケイ素と、各々の０．５％
未満のマグネシウム、銅及び亜鉛と、残りのアルミニウ
ムとを含んでいる。そのような合金のビレットは（例え
ば、米国特許第５，００９，８４４号のＬａｘｍａｎａ
ｎのプロセスによって）適宜なミクロ組織まで処理され
て上記温度まで加熱された後に、軟らかいが自立する揺
変性の状態になり、容積％で、約３０％から４０％の共
晶液体と、高融点を有する単数又は複数の固相から成る
球形の結晶粒とを含んでいる。そのような材料は、本発
明によって成形することのできる通常は軽量で融点が比
較的低い多くの合金の代表例である。

【００１７】射出成形機１０は、プランジャすなわちラ
ム３０を備えており、このプランジャは、油圧シリンダ
３２によって、図１に示す後退位置へ動かされる。ホッ
パ２８の中の揺変性ビレット２６は、パワーシリンダ３
６によって作動される弁３４を通って、バレル１４の中
に供給される。上記ビレットは、バレル１４の断面を適
正に充填する形状あるいはそのような断面を利用する形
状になされるのが好ましい。ビレットを装填した後に
（まだ図１を参照する）、ゲート及びカッター３８が、
油圧シリンダ４０によって下方へ動かされ、射出成形機
１０の排出端１８を開く。

【００１８】ここで図１及び図２を参照すると、射出成
形作業は、ラム３０を油圧力の作用によって、制御され
た速度で前方（図１の右側へ向かって）へ前進させ、こ
れにより、モールド１２のモールドキャビィティ４２の
全体積よりも少ない割合になるように選択された量の材
料から成るペースト状の粘稠度を有する「ショートショ
ット（ｓｈｏｒｔｓｈｏｔ）」として、揺変性材料２
６を絞り出すことによって、実行される。モールドは、
固定型のモールド半部４４と、可動型のモールド半部４
６とを備えていて、これら両モールド半部の間にキャビ
ィティ４２を形成している。この例における成形物（成
形される部品）は、その全長にわたって半径方向のフラ
ンジ６２を有する管６０である。必要であれば、成形物
の寸法及び形状に応じて、電気的な手段又は他の適宜な
手段によって、上記モールド半部のキャビィティ４２付
近の領域を加熱して（（図示せず））、射出される半固
体状の材料の固化を調節することができる。

【００１９】ラム３０が前進して揺変性材料２６をモー
ルドキャビィティ４２の中に絞り出した後に、揺変性材
料の装填物の後方にあるゲート３８を閉じる。このゲー
ト３８は、ラム３０の截頭円錐形の下流側の面３１に密
接して摺動して、スプルー２２の中の材料をモールドキ
ャビィティ４２の中に押し込むように、設計されてい
る。上記面３１は、テーパ状のノズル２０に係合して、
装填物をスプルー２２の中に押し込む。ゲート３８を閉
じた後に、ラム３０をその上流側の位置へ後退させるこ
とができる。

【００２０】装填物がモールドキャビィティ４２の中に
入ると同時に、不活性（すなわち、上記金属装填物に関
して化学的に不活性）な低圧のアシストガス（例えば、
タンク源（図示せず）から供給される窒素）が、弁４８
を通してショートショットの中に注入され、上記アシス
トガスは、ガス注入ノズル５０を通ってキャビィティ４
２の円筒形の部分５２の中に入る。上記アシストガスの
圧力は、上記金属装填物の流動性及び部品の設計の如き
ファクタに応じて、約１００ｐｓｉあるいはそれ以上の
圧力にされるのが適当である。ガスが注入される際に、
ノズル５０は、モールドキャビィティ４２の断面を通る
全距離の約３分の１から２分の１の距離に位置される
（図１参照）。ショートショットの揺変性金属材料は、
上記アシストガスの圧力によって、モールドキャビィテ
ィ４２の成形内壁に圧接される。図示のように、上記ガ
スは、部品６４の中空の管部分６０を形成すると共に装
填物でキャビィティのフランジ部分５４を充填するため
に、キャビィティ４２の円筒形の部分５２の中に注入さ
れる。部品６４は、モールドを冷却することにより、固
化される。

【００２１】固化が進行するに連れて、ガス注入装置の
ノズル及び制御弁は、上記ガス注入位置から図２に示す
部品の外径上の点まで動かされ、これにより、後退した
ノズルによって形成された空所の中に材料が流れ込むよ
うにする。これと同時に、あるいは、その後間もなく、
ノズルを通してガスを排気することができる。ノズル
は、開位置まで更に後退され、これにより、アシストガ
スは、モールド半部４４、４６の分割面に形成された開
口を通して、排気される。図３に示す固化した部品６４
は、モールドから排出されるかあるいは他の方法により
取り出される。この場合には、半径方向のフランジ６２
を有する中空の管部分６０（中空部は参照符号６６で示
されている）である中空部品は、高品質の表面を有して
おり、成形された部品に空隙を生じさせたりそのような
部品の仕上げ又は強度を低下させる恐れのあるケイ素又
は他の非金属の介在物を全く含まない。成形物の外側の
スプルー部分は、部品から取り除かれており、図３では
見えない。

【００２２】一般的に、ガスを注入する箇所は、成形す
べき部品の形状に依存する。部品６４に関する上述の例
において、中空の部分が、部品の唯一の領域である場合
には、不活性の加圧ガスをそのような部品の中空の部分
の領域の空所に直接導入するのが好ましい。通常は、そ
のようなガスをモールドキャビィティに導入するのが好
ましい。しかしながら、例えば、幾つかの部品が、１又
はそれ以上のランナーに選択された別個のキャビィティ
の中で成形される場合には、上記ガスを、単数又は複数
のランナーの中に、あるいは、そのようなランナーに供
給する単数又は複数の射出ノズルに導入するのが望まし
い。

【００２３】本発明は、良好な表面性質及び低い収縮性
を有すると共に強度対重量比の高い改善された寸法安定
性を有する中空の金属製品を成形する際に、非常に有用
であることは理解されよう。不活性ガスの圧力が、固化
過程全体を通じて、半固体状の金属をモールド表面に良
好に接触させる。その結果、成形された製品は、追加の
機械加工を必要としない。また、本プロセスは、半固体
状の多相揺変性材料の形態で調製することのできる広範
囲の合金に適用することができる。そのような合金は、
往々にして、密度が低く、中空の製品を成形することが
できるので、一層の重量の低減が実現される。

【００２４】上述の例において、半固体状の装填物は、
射出成形機の注入キャビィティの中に入れられる前に、
調製されるものとして説明した。しかしながら、適宜な
金属合金を射出チャンバの中で加熱して、本発明のガス
支援成形作業を行うための半固体状の揺変性装填物に転
換させることができる。換言すれば、合金を射出チャン
バの中に導入して、米国特許第５，００９，８８４号の
Ｌａｘｍａｎａｎの方法によって熱処理し、モールドキ
ャビィティに装填するための適宜な半固体状の状態にす
ることができる。別の実施例においては、適宜な合金の
粒子又はチップを、ヒータ及び往復動するスクリュー押
出機を備えた射出チャンバの中に供給して加熱し、Ｂｕ
ｓｋの米国特許第４，６９４，８８２号又はＢｒａｄｌ
ｅｙｅｔａｌ．の米国特許第５，０４０，５８９号の方
法によって、半固体状の状態に加工することができる。

【００２５】特定の好ましい実施例に関して本発明を説
明したが、当業者が、他の形態を容易に採用することが
できることは理解されよう。従って、本発明の範囲は、
請求の範囲の記載によってのみ限定されるものと考えら
れるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラム型の射出成形機、及び、揺変性の中空金属
ビレットを射出成形するための成形準備位置にあるモー
ルドの図解的な断面図である。

【図２】図１の射出成形機及びモールドが射出成形位置
にある状態を示す図解的な断面図である。

【図３】図１及び図２のモールドキャビィティの中で製
造された部品の斜視図である。

【符号の説明】

１０射出成形機１２モールド１４射出チャンバ２０射出ノズル２２スプルー（ランナー）２６装填物３０ラム３１ラムの表面３２油圧シリンダ４２モールドキャビィティ４４、４６モールド部分（モールド半部）５０注入ノズル６４成形物（製品）６６中空の部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバート・ジェイムズ・ホイアメリカ合衆国ミシガン州48183，トレントン，ブルックシャー 3191 (72)発明者ジェイプラカシュ・ウタムチャンド・レイゾーニアメリカ合衆国ミシガン州48306，ロチェスター・ヒルズ，シーニック・ハロウ 1530 (72)発明者サレシュ・ディープチャンド・シャーアメリカ合衆国ミシガン州48098，トロイ, サンバースト・ドライブ 1858

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属合金から中空の成形部品を製造する
中空成形部品の製造方法であって、半固体状の揺変性金属の装填物（２６）を、補完的な形
状のモールド部材（４４、４６）によって形成されてい
ると共に製品形成面を有しているモールドキャビィティ
（４２）の中に射出し、その際に、前記装填物の体積を
前記キャビィティ（４２）の体積よりも小さくする工程
と、前記装填物を前記キャビィティ（４２）の中に閉じ込
め、前記金属に対して化学的に不活性なガスを前記装填
物の中に注入し（５０）、これにより、前記金属を前記
キャビィティの製品形成面に圧接させて、前記金属装填
物の中に中空の領域（６６）を形成する工程と、前記ガスの圧力を前記装填物に作用させながら、前記半
固体状の金属装填物を冷却して該金属装填物を固化させ
る工程と、前記金属が固化した後に、前記ガスを前記モールドキャ
ビィティから排気する（５０）工程と、前記固化した成形物（６４）を前記キャビィティ（４
２）及びモールド（４４、４６）から取り出す工程とを
備えることを特徴とする中空成形部品の製造方法。
【請求項２】請求項１の中空成形部品の製造方法にお
いて、前記ガスは、前記キャビィティ（４２）の中のあ
る箇所（５２）において、前記装填物の中に注入される
ことを特徴とする中空成形部品の製造方法。
【請求項３】請求項１の中空成形部品の製造方法にお
いて、前記半固体状の金属の装填物は、射出チャンバ
（１４）から、該チャンバ（１４）及び前記キャビィテ
ィ（４２）を接続するスプルー（２２）を通して、前記
モールドキャビィティ（４２）の中に射出され、前記ガ
スは、前記スプルー（２２）を通して、前記装填物の中
に注入されることを特徴とする中空成形部品の製造方
法。
【請求項４】請求項１の中空成形部品の製造方法にお
いて、前記半固体状の金属の装填物は、射出チャンバ
（１４）から、ノズル（２０）、及び、前記チャンバ
（１４）及び前記キャビィティ（４２）を接続するラン
ナー（２２）を通して、前記モールドキャビィティ（４
２）の中に射出され、前記ガスは、前記ノズル（２０）
を通して、前記装填物の中に注入されることを特徴とす
る中空成形部品の製造方法。
【請求項５】中空の金属製品（６４）を成形するため
の成形装置であって、モールドの閉位置において成形面を画成するモールドキ
ャビィティ（４２）を形成する補完的な形状のモールド
部分（４４、４６）と、半固体状の揺変性金属合金の装填物（２６）を収容する
と共に、前記金属を一時的にその半固体状態に維持する
射出チャンバ（１４）と、前記チャンバ（１４）を前記キャビィティに接続するス
プルー（２２）と、前記チャンバ（１４）から前記キャビィティ（４２）の
中に、前記キャビィティの体積よりも小さい体積の前記
装填物（２６）を押し込む手段（３０、３２）と、前記装填物が前記キャビィティ（４２）の中にある時
に、加圧されたガスを前記装填物の中に導入して、前記
金属を前記モールドの成形面に圧接させて前記装填物に
中空の部分（６６）を形成する弁付きの通路（５０）と
を備えることを特徴とする成形装置。
【請求項６】請求項５の成形装置において、前記通路
（５０）は、後退可能であると共に、ガス導入位置にお
いて前記モールドキャビィティ（４）に直接連通してお
り、前記位置から後退してガスを排出することができる
ように構成されたことを特徴とする成形装置。