TWI465303B - 多成份金屬射出成形 - Google Patents

Description

多成份金屬射出成形

本發明基本上係關於射出成型金屬，且更特定言之係關於適合於塑料射出成型機器中加工之金屬組合物。

本專利文件主張早先於2008年9月17日提出申請之美國臨時專利申請案號61/097,570的優先權，將該案之全文以引用之方式併入本文中。

習知之往復式螺桿射出成型機器能加工/成型大多數的商業聚合物與填充型或強化型聚合物。儘管期望，但該等機器仍無法由金屬合金鑄造零件。壓鑄或其他鑄造製程之變型已成為由金屬合金製造三維、近似淨形體零件的標準方法。觸變成型係一種利用塑料射出成型設備之數種特徵來成型鎂合金之方法。用於觸變成型之機器在設計與尺寸上實質上不同於習知之塑料射出成型機器。

希望於習知之塑料射出成型設備上加工與成型金屬合金(尤其輕質合金如鋁、鋅與錳)。世界上之射出成型機器有一巨大的安裝基底，且此機器之操作費用顯著低於灌製與鑄造型操作所要求者。

金屬合金典型上具有相當狹窄之在固相與液相間的溫度轉變。甚至半固體相典型上亦具有狹窄之溫度區間。

無法在標準射出成型設備上加工處於固相或處於高於某分率固體之半固體相的金屬合金，此係因為機器之強度不足以克服固體或半固體(具有高固體含量)之阻力。同樣地，標準的射出成型設備不相當適於加工任何具有極低黏度之材料(例如水)。具有過低黏度之材料幾乎不具有阻力來施力(於標準射出成型機器設計中之要求)，並呈現對於填充模穴不理想之流型(導致空隙、難以填滿、且較差之機械特性)。其僅留下典型上可實際用於在要求熱塑型流體之射出成型設備上成型金屬之狹窄的半固體區域範圍(例如固體占5至30)。此狹窄之半固體區域範圍亦相應於能射出成型之可接受的黏度範圍。

在一習知之射出成型機器中，塑料顆粒於室溫或接近下進入輸送螺桿。其典型上係根據塑料之類型與所欲黏度沿機筒之長度經加熱至450至700℉(~232至372℃)。從外部加熱機筒來幫助加熱塑料。經螺桿產生之誘導剪切與黏性液體亦對加熱塑料起到很大作用。典型上，機筒溫度係分三個區域控制(前部、中部與後部...及進料)。於前部與後部區域之溫度設定點間典型上僅存在100℉(~37℃)之差異。然而，該材料係在機筒之長度上由接近室溫加熱至500至700℉(~260至372℃)。進料區域溫度係設於室溫之上但低於引起熔化所需之溫度，以致在此區段顆粒在經輸送至較熱區的同時維持固態。由於在加熱機筒中的剪切與滯留時間，材料經持續地加熱。因此，沿著機筒之長度材料溫度具有從RT至射出溫度之連續梯度(400至700℉(~204至372℃)之溫差)。應用機筒外加熱有助於提高材料之溫度但無法控制材料之溫度。

除沿機筒長度的材料溫度梯度外，射出成型機器尚具有阻止精確溫度控制之其他特徵。因為螺桿之往復移動，亦會有材料起因於其沿機筒長度上下快速移動所致的溫度潛在變化。不斷地填充並排出新材料，所以加熱過程始終係短暫的。成型過程不總係在進行或「循環」。用於調整或故障之停機時間亦會改變材料之溫度分佈，因為材料在此等時期內典型上不移動。所有此等因素導致無法將材料溫度維持於一狹窄範圍內。

製程中材料之溫度不能精確控制係因為以下因素：

a.　不斷地填充並排出材料。

b.　成型始終為一暫態過程(停止/開始)。

c.　材料係從接近室溫加熱至射出溫度(例如700℉/372℃)，以致材料沿機筒之長度存在溫度梯度。

d.　從前段至後段機筒設定點溫度範圍僅約100℉/37℃，而材料必須從70℉/21℃加熱至例如700℉/372℃(因此機筒設定點可影響但不能控制材料溫度)。

e.　來自剪切力之大量材料熱量係局限於壁而非均勻分佈於整個材料。

f.　當機器因任何原因停止循環(且材料停止填充/排出)時，熱量平衡改變。

所有此等特徵導致難以維持金屬合金於可加工(狹窄)之溫度狀況。此等特徵於加工塑料時較不具阻礙性，係因為可加工之熔融範圍發生於大得多之溫度範圍內，且冷卻塑料之阻力/強度遠小於金屬且通常可更輕易地由機器/螺桿之力所克服。

本發明藉由提供一種多成份組合物而解決先前技術之問題，該組合物具有至少一具低熔點之第一成份與一具有經選擇成可與塑料射出成型機器之機筒溫度梯度相匹配之較高熔點的第二成份。可提供多於兩種成份。由於其較低之熔點，第一成份首先液化並促進第二成份轉變為液相混合物以減少在射出成型機器中的黏結。特定言之，第一成份變為液體且在其藉由射出成型機器螺桿沿著機筒長度向前移動時其溫度提高。第二成份變得可溶於第一組合物之液體中。若使用額外之成份，該等額外成份亦變得可溶於第一組合物中。該等額外成份係經選擇為具有高於第一成份熔點，但低於第二成份熔點之熔點。製程隨溫度上升繼續進行至第二成份之液相溫度。液體之組成不斷地改變，因其具有與溫度相關之平衡溶解度。隨著組成改變，其液相溫度亦隨之升高。因此，該組合物在某種程度上係自調節的。隨著溫度升高，更多的第二(高熔點)成份可溶解。第二成份之溶解改變液體之組成並提高其液相溫度，藉此需要再更高的溫度以加入更多之第二組合物。類似地，若使用多於兩種成份，將達到類似的平衡。此意味隨著溫度升高(或沿射出成型機器之機筒的長度)在接近平衡液相線時形成近液體的組合物。因此，本發明提供一種可用於射出成型機器中以利於金屬零件成型之多成份金屬組合物。

一途徑係界定在液相與固相溫度之間具有廣闊範圍的合金。此範圍仍較可輕易加工之範圍廣。具有高於約30至35%固體含量之半固體通常無法於習知之射出成型設備上加工。均勻組合物之半固體金屬的可加工性範圍為約5至30重量%固體。維持該固體%區間之溫度範圍係狹窄的。該溫度區間甚至於具有廣廣固液相間溫度差之合金中亦係狹窄的。

作為本發明之一實例，在液相與固相間具有大約130℉範圍之合金(85重量%鋅/15重量%鋁)因其相對大之溫差而將係用於射出成型之良好候選物。5至30%固體之範圍顯著較低(大概70至80℉)。此材料可在標準的射出成型設備上加工，但其溫度區間不夠寬廣而無法進行可接受之常規加工。該材料有時會黏結。

為檢視極端下的此實例，鋁/鋅共熔物為接近95重量%鋅/5重量%鋁。參考圖3，該組合物由固體轉變為液體而沒有半固相。可想像該材料不適用於射出成型。液相之黏度太低而不適於加工(即無流動阻力與模具填充期間非所欲之紊流)。另一方面，固相將不可流動且對機器呈現過大的阻力。圖2係在80至100重量%鋅範圍內且於大約600至900℉溫度間之鋅-鋁二元相圖。

本發明涉及多成份，如兩種或更多種成份之材料，其提供沿機筒長度平行於溫度梯度之組成梯度。

為論述本發明，鋅/鋁相圖以具有如圖3、4與5中所見之三種不同材料組合物來展示。

參考圖4，其展示可加工但不具充足區間以用於常規加工之本發明的85重量%鋅/15重量%鋁的單一組合物的相圖。於該相圖中，清楚可見利用此組合物，行為僅可沿垂直線上下延伸。其將可加工之範圍係於僅由此線之一部分所佔據的區間內。此外，溫度之任何變化將導致固體百分比之變化且因此導致流變特性之顯著變化。

參考圖5，其描述以85重量%鋅/15重量%鋁與95重量%鋅/5重量%鋁為界之多成份組合物的相圖。如可從圖5所確定，可溶組合物之混合物產生平行於機筒中的溫度梯度的組成梯度。此混合物確保組合物總是合理地接近液相溫度(低固體%)，並將沿射出成型機器之機筒長度維持合理的一致流變性。

本發明之一實例使用兩種鋁/鋅組合物之混合物(具有不同組合物之混合顆粒)。在此情況下，兩種組合物皆為鋁-鋅，但每一元素之比例不同。一具體實例係以95重量%/5重量%之鋅/鋁為第一組合物且以85重量%/15重量%鋅/鋁為第二組合物。低熔融溫度成份將首先形成液體。隨著第一成份變為液體且其溫度隨其沿機筒之長度向前移動而升高，第二組合物之成份變得可溶於液體中。製程隨著溫度上升繼續進行至第二成份之液相溫度。液體之組成不斷地改變，因其具有與溫度相關之平衡溶解度。隨著組成改變，其液相溫度亦隨之升高。因此，該組合物在某種程度上係自調節的。隨著溫度升高，更多之第二(高熔點)成份可溶解。第二成份之溶解改變液體之組成並提高其液相溫度，藉此需求再更高的溫度以加入更多之第二組合物。此意味隨著溫度升高(或沿射出成型機器之機筒的長度)在接近平衡液相線時形成近液體的組合物。

此過程係不可逆的，因此任何給定組合物之冷卻不會導致組分之分離。但是，因沿機筒之長度存在一組分梯度，所以任何冷卻效果(來自，例如，螺桿之移動)相對於臨界溫度(於此溫度特定組合物將具有過高之固體含量而無法藉由機器機械移動或剪切)係小的。

此成份變異為待於習知射出成型設備上加工之金屬合金提供必要之區間或容許。

本發明已經展示可於習知射出成型設備上(藉由對螺桿之修改，即0壓縮、減少固體至熔體轉化區中之螺棱)製作良好成型零件。為簡化起見，以下所列之實例包括兩種成份。但是，可使用多於兩種成份。然而，額外之成份必須經選擇為具有落於合金相變圖中介於第一成份與第二成份之間的熔點。

以下列出三具體實例：

實例1)

10重量%(+/-5重量%)(95重量%鋅/5重量%鋁)

90重量%(+/-5重量%)(85重量%鋅/15重量%鋁)

更具體地，已發現15重量%(95重量%鋅/5重量%鋁)與85重量%(85重量%鋅/15重量%鋁)為最佳。

實例2)

85重量%(+/-5重量%)(85重量%鋅/15重量%鋁)

15重量%(+/-5重量%)(86重量%鋁/10重量%矽/4重量%銅)

更具體地，已發現88重量%(85重量%鋅/15重量%鋁)與12重量%(86重量%鋁/10重量%矽/4重量%銅)為最佳。

實例3)

50重量%(85重量%鋅/15重量%鋁)

50重量%(86重量%鋁/10重量%矽/4重量%銅)

於該等實例中，當沒有第二成份時，85重量%/15重量%鋅/鋁單一組合物或95/5重量%鋅/鋁單一組合物的第一成份不可常規地加工。

當沒有第一成份時，86/10/4重量%鋁/矽/銅單一組合物不可常規地加工。

但是，藉由同時不存在兩種組合物，該等混合組合物可常規地加工。

儘管此處僅以三實例論述，但此概念適用於所有金屬。當然對於可於習知射出成型機器中達到之最高溫度與機器組件在熱金屬合金存在時之穩定性存在限制。此外，可將非合金化強化材料如玻璃、空心微球、飛灰、碳纖維、雲母、黏土、金剛砂、礬土、氧化鋁纖維或微粒、金剛石、氮化硼、石墨或於技術中已知之其他強化材料添加至原料中。此外，強化材料可在原料經供給至射出成型機器以形成成型零件與金屬-基體複合物時與其乾混合。

因此，可見本發明提供一獨特之方案來解決使用塑料射出成型機器成型金屬零件之問題，其係藉由使用具有不同組成之金屬原料之兩種或更多種成份的多成份組合物。

熟習技術人士當明瞭可不脫離本發明之精神下對說明實施例進行多種變化與修改。所有該等修改與變化係在本發明之範疇內。

本發明之該等與其他特徵、態樣、與優勢當參照以上說明、隨附申請專利範圍、與附圖時將變得更易明白，其中：

圖1係根據本發明方法製作之鋅-鋁金屬合金之二元相圖；

圖2係圖1之插圖A的特寫圖；

圖3展示圖1之插圖A的特寫圖，其具有指示95重量%鋅/5重量%鋁之共熔體的參考點B；

圖4展示圖1之插圖A的特寫圖，其具有含指示85重量%鋅/15重量%鋁之單一組合物之標記C的垂直線；及

圖5展示圖1之插圖A的特寫圖，其具有指示以85重量%鋅/15重量%鋁與95重量%鋅/5重量%鋁為界之多成份組合物的階梯線D。

(無元件符號說明)

Claims (33)

1. 一種用於在具有一受熱機筒的射出成型機器中進行金屬射出成型的金屬合金原料，該受熱機筒縱長地具有一上升溫度梯度，該金屬合金原料包含：具有第一熔點之第一組合物；具有高於該第一組合物之第一熔點的第二熔點之第二組合物；該第一熔點和該第二熔點在該受熱機筒之溫度梯度上之不同位置處被達到；藉此當經注入射出成型機器中時，該第一組合物較該第二組合物先熔化，並使該第二組合物溶於該第一組合物中。
2. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第一組合物占該金屬合金原料之約5重量%至約15重量%，及該第二組合物占該金屬合金原料之約85重量%至約95重量%。
3. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第一組合物占約80重量%至約90重量%。
4. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第一組合物與該第二組合物各分別占該金屬合金原料之約50重量%。
5. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第一組合物為包含約95重量%鋅與約5%重量鋁之金屬合金。
6. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第一組合物為包含約85重量%鋅與約15重量%鋁之金屬合金。
7. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第一組合物為由選 自由鋁、銅、矽與鋅所組成之群的元素所形成之金屬合金。
8. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第二組合物為由選自由鋁、銅、矽與鋅所組成之群的元素所形成之金屬合金。
9. 如請求項1之金屬合金原料，其中該第二組合物係包含約86重量%鋁、約10重量%矽、與約4重量%銅之金屬合金。
10. 如請求項1之金屬合金原料，其進一步包含至少一具有高於該第一熔點但低於該第二熔點之熔點的組合物。
11. 如請求項1之金屬合金原料，其進一步包含非合金化強化材料。
12. 一種在具有一受熱機筒之射出成型機器上進行金屬射出成型之方法，其中該受熱機筒縱長地具有一上升溫度梯度，該方法包含：提供一種包含具有第一熔點之第一組合物與具有高於第一熔點的第二熔點之第二組合物的金屬合金原料，該第一熔點與該第二熔點係經選擇以在該射出成型機器的受熱機筒之溫度梯度上之不同位置處被達到；將該金屬合金原料注入該射出成型機器中；使該金屬合金原料在該射出成型機器之受熱機筒內熔化；及保持第一組合物與第二組合物之金屬合金原料中固體對液體之百分比於約5%至約30%的可加工範圍內。
13. 如請求項12之方法，其中該第一組合物係經選擇為占該金屬合金原料之約5重量%至約15重量%，且該第二組合物係經選擇為占該第一組合物與該第二組合物混合在一起的約85重量%至約95重量%。
14. 如請求項12之方法，其中該第一組合物係經選擇為占該第一組合物與該第二組合物混合在一起的約80重量%至約90重量%。
15. 如請求項12之方法，其中該第一組合物與該第二組合物係經選擇為占該第一組合物與該第二組合物混合在一起的約50重量%。
16. 如請求項12之方法，其中該第一組合物係經選擇為包括含有約95重量%鋅與約5重量%鋁之金屬合金。
17. 如請求項12之方法，其中該第一組合物係經選擇為包括含有約85重量%鋅與約15重量%鋁之金屬合金。
18. 如請求項12之方法，其中該第一組合物係經選擇為包括由選自由鋁、銅、矽與鋅所組成之群的元素所形成之金屬合金。
19. 如請求項12之方法，其中該第二組合物係經選擇為包括由選自由鋁、銅、矽與鋅所組成之群的元素所形成之金屬合金。
20. 如請求項12之方法，其中該第二組合物係經選擇為包括含有約86重量%鋁、約10重量%矽、與約4重量%銅之金屬合金。
21. 如請求項12之方法，其進一步包含選擇至少一具有高於 該金屬合金原料中之該第一熔點但低於該第二熔點之熔點的組合物。
22. 如請求項12之方法，其進一步包含將非合金化強化材料注入該射出成型機器中。
23. 一種選擇用於金屬射出成型製程之金屬合金的方法，其包含：選擇具有第一熔點之第一組合物；選擇具有高於該第一熔點之第二熔點之第二組合物；該第一熔點與該第二熔點係經選擇以在射出成型機器之受熱機筒的溫度梯度上之不同位置處被達到；及藉此當在射出成型機器中加工該第一組合物與該第二組合物時，該第一組合物與第二組合物的固體對液體之百分比係保持於約5%至約30%之可加工範圍內。
24. 如請求項23之方法，其中該第一組合物係經選擇為占該金屬合金之約5重量%至約15重量%，且該第二組合物係經選擇為占該第一組合物與該第二組合物混合在一起的約85重量%至約95重量%。
25. 如請求項23之方法，其中該第一組合物係經選擇為占該第一組合物與該第二組合物混合在一起的約80重量%至約90重量%。
26. 如請求項23之方法，其中該第一組合物與第二組合物係經選擇為占該第一組合物與該第二組合物混合在一起的約50重量%。
27. 如請求項23之方法，其中該第一組合物係經選擇為包括含有約95重量%鋅與約5重量%鋁之金屬合金。
28. 如請求項23之方法，其中該第一組合物係經選擇為包括含有約85重量%鋅與約15重量%鋁之金屬合金。
29. 如請求項23之方法，其中該第一組合物係經選擇為包括由選自由鋁、銅、矽與鋅所組成之群之元素所形成的金屬合金。
30. 如請求項23之方法，其中該第二組合物係經選擇為包括由選自由鋁、銅、矽與鋅所組成之群之元素所形成的金屬合金。
31. 如請求項23之方法，其中該第二組合物係經選擇為包括含有約86重量%鋁、約10重量%矽、與約4重量%銅的金屬合金。
32. 如請求項23之方法，其進一步包含選擇至少一具有高於該第一熔點但低於該第二熔點之熔點的組合物。
33. 如請求項23之方法，其進一步包含選擇至少一非合金化強化材料以添加至該第一組合物與該第二組合物中。