JPH1133693A - 半固体金属射出成型の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 品質と性能の優れた鋳造物を生産でき、半固
体状の材料を大量に生産することができる半固体金属射
出成型の方法及び装置を提供する。 【解決手段】 保護用気体で熱した液体金属を保護する
工程；液体金属を切断し、その過程で液体金属材料を急
速に冷却し、金属材料の温度を凝固が開始する温度と凝
固が終了する温度の範囲内に維持し半固体漿液を形成し
て送り出す工程；半固体漿液を容器内に納めて撹拌する
工程；射出器３で半固体漿液を鋳型４に射出し鋳造物を
形成する工程；を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半固体金属射出成型
の方法及び装置に関するもので、特に細かなセルを生成
しスクリュー方式の射出メカニズムにより、生産量を増
やすのに適した射出成型方法及び装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半固体材料成型技術を利用して、製鋼法
が改善されてきたのは周知のとおりであり、１９７０年
代初めにこの技術がマサチューセッツ工科大学（ＭＩ
Ｔ）により基礎理論が発表されて以来、これに関する技
術の発展と製造工程が徐々に完成されて来た。それによ
り従来のダイキャスト鋳造法の生産速度を維持しなが
ら、寸法精度を高めて同時に鋳造物内のブローホール
（ＢＬＯＷＨＯＬＥ）を減らして製品の機械的性質を高
め、良質な製鋼と加熱処理の条件を満たす目的を達し
た。従来の技術は、例えばマサチューセッツ工科大学が
取得したアメリカ特許第３，９０２，５４４号に掲載
の、熔融状態の金属液を撹拌用の筒に入れて冷却しなが
ら連続撹拌し、金属液を撹拌による剪断作用により半固
体状を形成、それを冷却してインゴット（ＣＡＳＴＩＮ
Ｇ ＩＮＧＯＴ）を形成する。ただし、このようなイン
ゴットを鋳造物に形成するとき、再びより小さな材料に
切り、熱した後にダイカスト機に送り形成する。このよ
うな製造方法のインゴットは半固体状態であり、鋳型で
固形状態になる。これは比較的従来の製鋼法に似て、
「シクソフォージング法」（ＴＨＩＸＯＦＯＲＧＩＮ
Ｇ）と呼ばれる。ただし、このような工程は明らかに複
雑な方法である。また、ダウ・ケミカル社（ＴＨＥ Ｄ
ＯＷ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＯＭＰＡＮＹ）のアメリカ
特許第５，０４０，５８９号の中に掲載されている技術
は、金属顆粒を射出成型器により一部が溶けるまで加熱
剪断し、半固体状にした後、スクリューにより押し出し
て成型する。また、カーネル・リサーチ財団（ＣＯＲＮ
ＥＬＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ，Ｉ
ＮＣ．）のアメリカ特許第５，５０１，２６６号の中に
ある特殊な設計の射出成型器により金属を溶融し、材料
を入れる管とスクリューを直接利用して半固体状態まで
冷却、剪断した後スクリューにより押し出して成型す
る。金属材料の攪拌は前述のスクリュー攪拌（日本特許
公開１−１７０５６５号、１−１７８３４５号、１−１
９２４４７号）の他に羽根を利用した攪拌（例えばアメ
リカ特許第４，１１６，４２３号）、電磁攪拌（ＥＬＥ
ＣＴＲＯ−ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＳＴＩＲＲＩＮＧ）（例
えばアメリカ特許第５，１７８，２０４号、第５，２１
９，０１８号）などの方式がある。前述のスクリューを
用いた技術の中では、溶融した金属材料と半固体状態の
金属材料は同じ一つの場所を移動する。ただし溶融した
金属材料の半固体状態までの冷却はスピーディーに行わ
れる必要があり、また半固体金属の計量射出は安定した
温度環境が必要である。両者の温度制御条件は全然違
い、また同じ一つの場所では熱が伝わり、温度コントロ
ールが難しいため大量生産には向かない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の問題を解決する
ために、本発明は第１段階に金属材料を熱し、第２段階
で急速冷却しながら半固体状の金属をスピーディーに混
ぜる製造方法により、細かなセルを含む半固体漿液の材
料を生産する。第３段階として温度制御による安定した
温度の下、スクリューにより剪断撹拌を続けながら、半
固体漿液の細かなセルを均等に分布させながら鋳型に計
量して射出、鋳型内で固める。前述の第２段階と第３段
階の温度制御はそれぞれ別々に行われ、第２段階で細か
なセルを得やすいだけでなく、お互いに影響を与えずに
温度制御をすることができる。半固体漿液の材料を大量
に生産するため、大型鋳造物の生産に適している。ま
た、本発明の第２段階で半固体漿液の金属を製造するた
めに使用する半固体漿液生産器は、ダイキャスト法によ
る射出時の高圧を受けない。そのため、熔融金属を納め
る容器の壁を出来るだけ薄くでき、第２段階での急速冷
却の効率にも役立つ。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、半固体金属射
出成型の方法及び装置に関するもので、第１段階に金属
材料を熱し、第２段階では急速冷却しながら半固体状の
金属をスピーディーに攪拌する製造方法により、細かな
セルを有する半固体漿液の材料を生産する。第３段階と
して、温度制御による安定した温度の下、スクリューに
より剪断撹拌を続けながら、半固体漿液の細かなセルを
均等に分布させながら鋳型に計量して射出、鋳型内で固
める。前述の第２段階と第３段階の温度制御はそれぞれ
別々に行われるため、第２段階での細かなセルを得やす
いだけでなく、お互いに影響を与えずに温度制御をする
ことができる。また、半固体漿液の材料を大量に生産で
きるため、大型鋳造物の製造生産に適している。

【０００５】

【発明の実施の形態】図２に示すとおり、本発明の半固
体金属射出成型装置は、主に、保護用気体により良質な
金属溶液を生産する金属生産器１、溶液を供給する金属
生産器１の材料出口に接続し、熱された液体金属材料を
急速に冷やしながらスピーディーに攪拌し、金属材料の
温度を凝固が開始する温度と凝固が終わる温度の範囲内
に維持し、細かなセルの半固体状の金属を生産する半固
体漿液生産器２、及び半固体漿液生産器２の半固体漿液
出口２０１に接続し、温度調節の機能を備え半固体状に
なる温度を保ち、計量した後に射出し鋳型４の中で固体
化させる射出器３を含む。

【０００６】本発明のポイントとなる技術は前述の第２
段階での半固体漿液生産器２と第３段階での射出器３の
温度を別々にコントロールすることで、第２段階と第３
段階での温度調節がお互いに影響を与えないようにす
る。またそれぞれをコントロールしやすくし、細かなセ
ルを含む半固体状を得てから第３段階の射出器３により
半固体状を保つ。射出器３で計量してから、鋳型４内に
注入し半固体材料の性質を持つ鋳造物を形成する。この
一貫の製造工程と設備は、品質と性能の優れた鋳造物を
生産できるだけでなく、半固体状の材料を大量に生産で
きるためにスピーディーな大量生産に適している。

【０００７】本発明の実施方法は、図１に示すように、
下記の段階を含む。 １．熱い液体金属をつくる。 ２．剪断力により熱い液体金属を切断し、切断過程で急
速に冷却して金属材料の温度を、凝固が開始する温度と
凝固が終了する温度の範囲内に維持して半固体漿液を形
成してから送り出す。 ３．前述の半固体漿液を収める装置内で温度を凝固が開
始する温度と凝固が終了する温度の範囲内に維持しなが
ら、デンドライト構造（ＤＥＮＤＲＩＴＩＣ ＳＴＲＵ
ＣＴＵＲＥ）を剪断力により切断しながら品質の高い半
固漿液を維持する。 ４．射出器を利用して前述の半固漿液を鋳型に射出し
て、半固体状態の鋳造材料を形成する。

【０００８】図２、３に示すのは、前述の技術の特性を
もとに完成された実施例で、同図に示すとおり、本発明
装置は、主に、熔融金属材料が熱されて液体状を形成
し、熱い液体状の金属を送り出す金属生産器１、熱され
た液体金属が酸化するのを防止し保護する保護用気体供
給器５、金属生産器１に接続し前述の送り出された液体
金属を受け、スピーディーに冷却し同時に高速攪拌の状
態のもと、細かなセルの半固体状の金属を生産する半固
体漿液生産器２、半固体漿液生産器２の半固体漿液出口
２０１に接続し、温度調節の機能を備え前述の半固体状
になるための一定の温度を保ち、適当な量を射出する半
固体射出器３、及び鋳型締め６により開閉の作動を行
い、射出器３から射出された半固体状を圧縮して鋳造物
を製造する鋳型４により構成される。

【０００９】保護用気体供給器５は窒素、アルゴン或い
は六ふっ化硫黄等の気体を供給し、金属生産器１の中に
充満させる。半固体漿液生産器２は前述の金属生産器１
の液体金属出口１０に接続する液体入口２００を有し、
半固体漿液出口２０１に送り出す中空の管２１は熱され
た液体金属が自然に射出器３に流れるように、液体入口
２００が半固体漿液出口２０１より高い傾斜状の方式が
望ましい。管２１の温度をコントロールする温度コント
ロール装置は、熱い液体金属を素早く半固体漿液金属に
するため、管２１の周囲を巻くように加熱パーツ２５、
冷却パーツ２３及び絶縁保温器２４により構成される。
実際には加熱パーツ２５は電熱線と誘導加熱器で、冷却
パーツ２３は内部を冷却用の媒体が流れる冷却器で、媒
体には水、空気、熱を伝達する液体等により急速に冷却
する効果を達する。冷却は必ず金属材料が凝固せずに流
動性を保つ温度でなけらばならず、もし冷却パーツ２３
の冷却温度が低すぎる場合、加熱パーツ２５を使って温
度を上げて適正な範囲に戻す。前述の半固体漿液生産器
２は液体金属を急速に冷却する過程で、半固体状の金属
を高速に攪拌する撹拌装置を含む。撹拌装置はオール
型、スクリュー型或いは電磁型撹拌器２等の内、どれか
一つの方式を利用し、金属が凝固するときに剪断力によ
りデンドライト構造（ＤＥＮＤＲＩＴＩＣ ＳＴＲＵＣ
ＴＵＲＥ）を切断しながら、細かな半固体状の金属を生
産する。

【００１０】前述の射出器３は一時的に半固体漿液をた
め、中空管３０と半固体漿液生産器２の半固体漿液出口
２０１に接続する入口３００を有し、中空管３０のもう
一方の端は噴出口３１を有し、半固体漿液を４に注入す
るのに使用される。噴出口３１の末端は上方に向かって
傾斜がついているのが望ましく、それは噴出口３１が４
に接続されていないとき、半固体漿液が垂れたり流れ出
すのを防止する。中空管３０と噴出口３１の温度制御装
置は半固体漿液を鋳型４に注入する前、金属を半固体状
態に維持するために使用される。この温度制御装置は前
述の半固体漿液生産器２の温度制御装置に似て、中空管
３０と噴出口３１の外側を取り巻くように加熱パーツ３
２、３２’、冷却パーツ３３、３３’及び絶縁保温器３
４により構成される。実際には加熱パーツ３２、３２’
は電熱線と誘導加熱器で、冷却パーツ３３、３４’は内
部を冷却用の媒体が流れる冷却器で、媒体には水、空
気、熱を伝達する液体等が使われて急速に冷却する目的
を達する。第３段階、射出器３での温度コントロールの
主な目的は半固体漿液状態を維持するためなので、温度
コントロールの正確さはとても重要である。冷却パーツ
３３、３３’は加熱のため温度が高くなり過ぎるのを防
止し、射出器３の内部には半固体漿液状態を鋳型４に注
入するための射出装置が設けられている。この射出装置
はスクリュー３５と逆流防止バルブ３６を利用して、半
固体漿液状態の金属の射出量と圧力成型をスクリュー３
５の移動、加圧により行う。この一貫の製造工程と設備
は、品質と性能の優れた鋳造物が生産できるだけでな
く、半固体漿液の材料を半固体漿液生産器２により大量
に生産し、射出器３により材料の計量と射出の目的を達
するため、大型鋳造物の製造やスピーディーな大量生産
に適している。

【００１１】前述の例の中で、半固体漿液生産器２の半
固体漿液出口２０１と射出器３の入口３００の間には開
閉バルブ２６が設けられる。それにより半固体漿液生産
器２と射出器３の温度がお互いに影響を与えず、それぞ
れ別々に温度調整が容易にしかも正確にできるように設
計されている。また半固体漿液生産器２は半固体漿液の
射出時の高圧を受けないため、管２１の厚さをできるだ
け薄くすることができるため冷却を急速に行うことがで
きる。

【００１２】前述の鋳型４と鋳型締め６の構造と従来の
鋳造形成の設備は似ているため、ここではその構造の詳
述を省略する。前述の噴出口３１の傾斜に合わせて鋳型
締め６も傾斜させて設置し、駆動器６１により鋳型締め
６を動かして噴出口３１との接続及び切り離し動作を行
う。

【００１３】

【発明の効果】前述の内容をまとめると本発明、半固体
金属射出成型の方法及び装置は以下の点が優れている。 １．第２段階の半固体漿液生産器の急速冷却と、第３段
階の射出器の温度維持をするための温度コントロールが
お互いに影響を与えずにコントロールできる。 ２．第２段階の急速冷却の過程で細かなセルを含む半固
体漿液を形成する。第３段階での安定した温度環境での
攪拌は品質の高い半固体漿液が製造できる。 ３．第２段階の設備は射出器に影響を与えないため、加
圧冷却及び噴出口切り離しなどの成型過程中、半固体漿
液を大量に製造することができ、第３段階で計量射出す
ることができる。これにより大型の鋳造物が製造でき
る。 本発明と従来の技術との違いを分かりやすくするため、
以下にお互いを比べる。

【００１４】１．従来の技術では同一の場所で半固体漿
液の冷却と剪断及び射出の作業を行っていたのを、本発
明ではまず製造原料をスピーディーに生産し次に温度が
安定した別の場所でスクリューにより連続的に切断しな
がら計量射出を行う。 ２．従来の技術では鋳型締めと射出器は縦向きに設置さ
れて噴出口は下向きになり、射出パーツが上下に移動し
て鋳型と噴出口の接触及び分離が行われていたのを、本
発明では鋳型締めは傾斜していて射出器は水平式で、鋳
型締めが前後に移動して鋳型と噴出口の接触及び分離が
行われる。 ３．従来の技術では大幅な温度制御は同一の場所で行う
ため、お互いの温度が干渉して正確な温度制御は難しい
が、本発明では半固体漿液生産と射出器が分かれている
ため、お互いが影響を与えずに正確な温度コントロール
が出来る。 ４．従来の技術では同一の場所で同時に冷却と切断が行
われるため微構造が粗くて大きく、また半固体漿液の生
産率は低い。本発明では半固体漿液がスピーディーに冷
却し、射出器の連続した切断は細かいセルを含む安定し
た半固体漿液を素早く生産することが出来る。 ５．従来の技術では鋳型締めと噴出口から容易に原料の
漏出がおき、製造工程の中断や安全性の問題があったが
本発明では鋳型締めを傾斜させて原料の漏出を防止して
いる。 ６．従来の機械の構造では大型の鋳造物を大量生産する
のは難しかったが、本発明では二段階の構造にすること
によって、大量自動生産と製造工程の単純化及び品質の
安定性が達せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半固体金属射出成型の方法のフローチ
ャートである。

【図２】本発明の半固体金属射出成型装置の部分断面構
造図である。

【図３】図２の部分拡大図である。

【符号の説明】

１ 金属生産器 ２ 半固体漿液生産器 ３ 射出器 ４ 鋳型 ５ 保護用気体供給器 ６ 鋳型締め １０ 熱液体金属出口 ２１ 管 ２２ 電磁撹拌器 ２３ 冷却パーツ ２４ 絶縁保温器 ２５ 加熱パーツ ２６ 開閉バルブ ３０ 中空管 ３１ 噴出口 ３２ 加熱パーツ ３３ 冷却パーツ ３４ 絶縁保温器 ３５ スクリュー ３６ 逆流防止バルブ ６１ 駆動器 ２００ 液体入口 ２０１ 半固体漿液出口 ３００ 入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼 根 賢 台湾新竹縣竹東鎮杞林路137號 (72)発明者 胡 立 徳 台湾新竹縣竹東鎮三重一路80號５楼

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱い液体金属を生産し、保護用気体でその
   熱した液体金属を保護する工程；剪断力により液体金属
   を切断し、その切断の過程で液体金属材料を急速に冷却
   して、金属材料の温度を凝固が開始する温度と凝固が終
   了する温度の範囲内に維持し半固体漿液を形成して送り
   出す工程；その半固体漿液を容器内に納めて半固体漿液
   の温度を維持しながら撹拌する工程；及び、射出器によ
   り半固体漿液を鋳型に射出し半固体状態の鋳造物を形成
   する工程；を含むことを特徴とする半固体金属射出成型
   の方法。
2. 【請求項２】熱い液体金属を中空管内に入れて急速に冷
   却しながら、オール型、スクリュー型或いは電磁型撹拌
   等のうち、どれか一つの撹拌装置を利用して剪断を行
   い、半固体漿液を形成することを特徴とする請求項１に
   記載の半固体金属射出成型の方法。
3. 【請求項３】金属材料を熱する金属生産器（１）、半固
   体漿液生産器（２）、射出器（３）及び鋳型（４）で構
   成され、金属生産器（１）が半固体漿液生産器（２）に
   接続し、温度調整の機能を備えた射出器（３）が半固体
   漿液生産器（２）の半固体漿液出口（２０１）に接続
   し、鋳型（４）が射出器（３）から半固体漿液を受けて
   固め、鋳造物を製造することを特徴とする半固体金属射
   出成型装置。
4. 【請求項４】半固体漿液生産器（２）にある中空の管が
   金属生産器（１）の液体入口（２００）と半固体漿液出
   口（２０１）に接続し、半固体漿液生産器（２）に設け
   られている管（２１）の温度をコントロールする温度制
   御機構を利用して熱い液体金属の温度を急速に下げ、撹
   拌装置により半固体状の金属を高速撹拌することを特徴
   とする請求項３に記載の半固体金属射出成型装置。
5. 【請求項５】温度制御機構が管（２１）を取り囲むよう
   に巻いた加熱パーツ（２５）、冷却パーツ（２３）及び
   絶縁保温器（２４）により構成され、加熱パーツ（２
   ５）が電熱線か誘導加熱器で、冷却パーツ（２３）は内
   部を冷却用の水、気体、熱を伝える液体或いはその他の
   同じ性質を持った流体物質であることを特徴とする請求
   項４に記載の半固体金属射出成型装置。
6. 【請求項６】射出器（３）が半固体漿液を中空管（３
   ０）に一時的にためて、中空管（３０）の一端が上向き
   に少し傾斜している噴出口（３１）を有し、射出器
   （３）に設けられた中空管の温度をコントロールする温
   度制御機構と、半固体漿液生産器（２）の温度制御機構
   が似た構造であることを特徴とする請求項３に記載の半
   固体金属射出成型装置。