JP2005074461A - 成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な工程で安価に、しかも、材料特性や強度の面において優れた成形品を製造することのできる成形品の製造方法。
【解決手段】溶湯１１ａを注入した金型１，２に１次加圧力Ｐ１を加えながら冷却して半凝固状態または凝固状態の半成形品１１ｂを鋳造し、その半成形品１１ｂを金型１，２から取り出すことなく、金型１，２に１次加圧力Ｐ１よりも大きな２次加圧力Ｐ２を加えながら、半成形品１１ｂの少なくとも一部を塑性変形させて成形品１１を製造する成形品の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金などのような非鉄金属によって各種の成形品を製造する際の製造方法に関する。

このような非鉄金属により各種の成形品を製造する方法としては、金型を使用した「鋳造法」が一般的で、金型内に注入した溶湯に圧力を加えて凝固させ、鋳造組織の成形品を製造する鋳造法も知られており、さらに、固体状の素材を塑性変形させて、鍛造組織の成形品を製造する「型鍛造法」も知られている（鋳造や鍛造はあまりにも一般的で、引用するのに適した特許文献は見当たらない）。

しかし、従来の鋳造法による成形品では、偏析、収縮巣、ポロシティなどの内部欠陥の発生が知られており、たとえ溶湯に圧力を加えて凝固させる鋳造法であっても、あまり高い圧力を加えることができないので、内部欠陥発生の可能性があり、材料特性や強度の面で問題がある。
その点、型鍛造法によれば、内部欠陥の発生もなく、材料特性や強度の面で満足できる成形品を得ることができるが、しかし、固体状の素材を予め所望する成形品に対応する形状に形成しておく必要があり、場合によっては、複数の型を使用して徐々に成形品にまで鍛造する必要があるため、製造工程が複雑になって製造費が高くなるという欠点がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、比較的簡単な工程で安価に、しかも、材料特性や強度の面において優れた成形品を製造することのできる成形品の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の特徴構成は、溶湯を注入した金型に１次加圧力を加えながら冷却して半凝固状態または凝固状態の半成形品を鋳造し、その半成形品を前記金型から取り出すことなく、その金型に前記１次加圧力よりも大きな２次加圧力を加えながら、前記半成形品の少なくとも一部を塑性変形させて成形品を製造するところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、溶湯を注入した金型に１次加圧力を加えながら冷却して半凝固状態または凝固状態の半成形品を鋳造するので、この鋳造によって最終の成形品に近い形状を有し、尚かつ、内部欠陥のない半成形品を得ることができる。
そして、その半成形品を鋳造に使用した金型から取り出すことなく、その金型に１次加圧力よりも大きな２次加圧力を加え、半成形品の少なくとも一部を塑性変形させて成形品を製造する。
その結果、製造工程の簡略化と低廉化を図りながら、材料特質と強度の両面において優れた成形品を安価に製造することができる。

本発明の第２の特徴構成は、前記２次加圧力を加えることにより前記半成形品の一部のみを塑性変形させて、鋳造組織の成形品を製造するところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、２次加圧力を加えることにより半成形品の一部のみを塑性変形させて、鋳造組織の成形品を製造するので、均質で微細な組織の鋳造品を製造できるのに加えて、所望寸法どおりの鋳造品を安価に製造することができる。
すなわち、金型を使用して鋳造品を製造する際、鋳造品の容積に見合った量の溶湯を金型に注入すればよいが、実際の作業において必要量の溶湯を正確に注入するのはきわめてむずかしい。そこで、従来では、多少多目の量の溶湯を注入して鋳造し、その後、機械加工により所望寸法の製品に仕上げていたのが実情であり、機械加工による仕上げ作業が必要不可欠であった。

ところが、本発明の第２の特徴構成によれば、２次加圧力により半成形品の一部のみを塑性変形させるので、その塑性変形により余肉部を形成することで、所望寸法の鋳造品を製造することが可能となる。
具体的には、多目の量の溶湯を金型に注入して半成形品を鋳造し、その後、２次加圧力を加えて所望寸法の鋳造品に成形し、余剰部分を塑性変形させながら金型内へ逃がして余肉部を形成するのである。それによって、鋳造品は所望どおりの寸法となり、その後、余肉部を切除するだけの作業で済み、従来不可欠であった機械加工による仕上げ作業を不用にし、寸法精度の高い鋳造品を安価に製造することができるのである。

本発明の第３の特徴構成は、前記２次加圧力を加えることにより前記半成形品を塑性変形させて、鍛造組織を有する成形品を製造するところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、２次加圧力を加えることにより半成形品を塑性変形させて、鍛造組織を有する成形品を製造するので、鋳造品である半成形品は、鍛錬効果による塑性流動によって均質で微細な鍛造組織となり、同じ金型を使用して鋳造と鍛造を一連の作業で行うことで、最終製品である寸法精度の高い鍛造品を安価に製造することができる。

本発明の第４の特徴構成は、前記溶湯が、アルミニウム合金の溶湯であるところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、金型に注入する溶湯が、アルミニウム合金の溶湯であるから、例えば、耐熱性に優れた耐熱アルミニウム合金製の鋳造品や鍛造品をはじめとして、耐食アルミニウム合金製、あるいは、高力アルミニウム合金製などのような各種の特性を備えた鋳造品および鍛造品を製造することができる。

本発明の第５の特徴構成は、前記１次加圧力が、５０〜２５０ＭＰａで、前記２次加圧力が、１００〜１０００ＭＰａであるところにある。

本発明の第５の特徴構成によれば、アルミニウム合金の溶湯を使用するに際して、その１次加圧力が、５０〜２５０ＭＰａで、２次加圧力が、１００〜１０００ＭＰａであるから、所望どおりの材料特質と強度を備えたアルミニウム合金製の鋳造品および鍛造品を確実に製造することができる。

本発明による成形品の製造方法につき、その実施の形態を図面に基づいて説明する。
この製造方法は、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金属により各種の成形品、例えば、鋳造成形品や鍛造成形品を製造するための方法で、特に、高い強度と寸法精度の要求される成形品の製造に適し、第１実施例において鋳造品の製造方法につき、また、第２実施例において鍛造品の製造方法につき説明する。

（第１実施例）
鋳造品の製造には、図１に示すように、下金型１と上金型２から構成される金型を使用し、下金型１は、底盤３、底盤３上に設置された筒状の側型４、および、側型４内に上下方向に移動自在に設置された底型５などを備え、底型５は、図外のシリンダなどに連動するピストン棒６によって上下方向に移動可能に構成されている。
底型５の上面近傍には、冷却水用の冷却路７が設けられ、その冷却路７に連通する入水路７ａと出水路７ｂが底盤３と底型５にわたって設けられていて、冷却路７に冷却水を通流させることにより底型５を冷却するように構成されている。
さらに、必要に応じて、側型４にも冷却路を設けることができ、また、図示はしないが、底型５や側型４には、予熱用の加熱手段が設けられている。

上金型２は、下金型１の側型４内に挿入自在な第１上型８と、上下方向に相対移動自在に構成された第２上型９などを備え、両上型８，９は、図外の加圧装置にそれぞれ連動されている。
第１上型８の下面近傍にも、冷却水用の冷却路１０が設けられ、その冷却路１０に連通する入水路１０ａと出水路１０ｂが第１上型８に設けられていて、冷却路１０に冷却水を通流させることにより第１上型８を冷却するように構成されている。そして、図示はしないが、この第１上型８にも予熱用の加熱手段が設けられている。

つぎに、この金型１，２を使用して鋳造品を製造する方法について説明する。
まず、図外の加熱手段により上下の金型１，２を予熱し、図１の（イ）に示すように、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金属の溶湯１１ａを下金型１内に注入する。
そして、図１の（ロ）に示すように、第１と第２の上型８，９に１次加圧力Ｐ１をそれぞれ加えながら、かつ、両金型１，２の冷却路７，１０に冷却水を通流させて金型１，２を冷却しながら、金型１，２によって半凝固状態または凝固状態の半成形品１１ｂを鋳造する。

その後、金型１，２から半成形品１１ｂを取り出すことなく、図１の（ハ）に示すように、第２上型９に１次加圧力Ｐ１を掛けたままで、第１上型８に１次加圧力Ｐ１よりも大きな２次加圧力Ｐ２を加えながら冷却する。
この２次加圧力Ｐ２の作用により半凝固状態または凝固状態にある半成形品１１ｂを加圧し、第２上型９の上方への相対移動により半成形品１１ｂの一部を塑性変形させて余肉部１１ｃを形成させる。
その後、図１の（ニ）に示すように、上金型２と底型５を上昇させて余肉部１１ｃを一体的に有する鋳造成形品１１を取り出し、余肉部１１ｃを切除して鋳造組織の成形品１１を得るのである。

つぎに、この鋳造品の製造方法を図３のタイムチャート図および図４の状態概念図を参照しながら、より一層具体的に説明する。
例えば、耐熱・耐磨耗アルミニウム合金（４０３２系合金）製の鋳造成形品１１を製造する場合であれば、金型１，２を１５０〜３００℃（４２３〜５７３Ｋ）に予熱しておいて、図４に示すように、７５０℃（１０２３Ｋ）程度にまで加熱したアルミニウム合金の溶湯１１ａを注入し、１次加圧力Ｐ１として１７５ＭＰａ前後の圧力を掛けて加圧する。
この１次加圧によって、液体状態にあった溶湯１１ａは、半凝固状態から凝固状態へと変化して半成形品１１ｂとなり、その半成形品１１ｂの表面温度が４００℃（６７３Ｋ）程度、内部温度が５００℃（７７３Ｋ）程度になった時点で、４６０ＭＰａ前後の２次加圧力Ｐ２を掛けて鋳造成形品１１を得る。

つぎに、第２実施例について説明するが、重複説明を避けるため、第１実施例で説明した構成や同じ作用を有する構成については、同じ符号を付すことで説明を省略し、主として第１実施例と異なる構成について説明する。

（第２実施例）
鍛造品の製造には、図２に示すように、下金型１と上金型２から構成される金型を使用し、下金型１は、筒状の側型４、側型４内に上下方向に移動自在に設置された第１底型５ａ、および、その第１底型５ａを貫通して上下方向に相対移動自在に構成された第２底型５ｂなどを備え、側型４と第２底型５ｂは、互いに固定状態に維持され、第１底型５ａは、図外の加圧装置に連動されている。
上金型２は、第１実施例と同様に、下金型１の側型４内に挿入自在な第１上型８と、上下方向に相対移動自在に構成された第２上型９などを備え、両上型８，９は、図外の加圧装置にそれぞれ連動されている。

なお、図示はしないが、両底型５ａ，５ｂの上面近傍には、第１実施例で示したような冷却路７が設けられ、かつ、両底型５ａ，５ｂや側型４には、予熱用の加熱手段が設けられている。
同様に、第１上型８の下面近傍にも、第１実施例で示したような冷却路１０が設けられ、かつ、予熱用の加熱手段が設けられている。

つぎに、この金型１，２を使用して鍛造品を製造する方法について説明する。
第１実施例と同様、図外の加熱手段により上下の金型１，２を予熱し、図２の（イ）に示すように、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金属の溶湯１１ａを下金型１内に注入する。
そして、図２の（ロ）に示すように、第１と第２の上型８，９に１次加圧力Ｐ１をそれぞれ加え、かつ、両金型１，２を冷却しながら、金型１，２によって半凝固状態または凝固状態の半成形品１１ｂを鋳造する。
なお、この半成形品１１ｂの鋳造時において、第１底型５ａには、１次加圧力Ｐ１と同じ背圧Ｐ３を掛ける。

その後、金型１，２から半成形品１１ｂを取り出すことなく、図２の（ハ）に示すように、第１と第２上型８，９に１次加圧力Ｐ１よりも大きな２次加圧力Ｐ２を加えながら冷却し、さらに、図２の（ニ）に示すように、第１上型８に２次加圧力Ｐ２を掛けたまま、例えば、第２上型９への加圧力を１次加圧力Ｐ１程度にまで減少させる。
なお、この２次加圧力Ｐ２の加圧時において、第１底型５ａには、加圧当初、２次加圧力Ｐ２よりも小さな背圧Ｐ３（例えば、１次加圧力Ｐ１と同じ背圧）を掛け、第１底型５ａが図２の（ハ）に示す位置まで下降したところで、２次加圧力Ｐ２と同じ背圧Ｐ３を掛ける。

この２次加圧力Ｐ２の作用により半凝固状態または凝固状態にある半成形品１１ｂを塑性変形させて鍛造し、塑性流動による変形で材料特性を大幅に改善するとともに、第２上型９の上方への相対移動により余肉部１１ｃを形成させる。
その後、図示はしないが、上金型２と第１底型５ａを上昇させて余肉部１１ｃを一体的に有する鍛造成形品１１を取り出し、余肉部１１ｃを切除して鍛造組織を有する成形品１１を得るのである。

この鍛造品の製造方法においても、例えば、耐熱・耐磨耗アルミニウム合金（４０３２系合金）製の鍛造成形品１１を製造する場合であれば、金型１，２を１５０〜３００℃（４２３〜５７３Ｋ）に予熱しておいて、７５０℃（１０２３Ｋ）程度にまで加熱したアルミニウム合金の溶湯１１ａを注入し、１次加圧力Ｐ１として１７５ＭＰａ前後の圧力を掛けて加圧して半成形品１１ｂを得る。
そして、その半成形品１１ｂの表面温度が４００℃（６７３Ｋ）程度、内部温度が５００℃（７７３Ｋ）程度になった時点で、４６０ＭＰａ前後の２次加圧力Ｐ２を掛けて鍛造成形品１１を得るのである。

ただし、上述した温度や加圧力、つまり、第１実施例と第２実施例において示した数値は単なる一例であり、実際の実施に際しては、使用する合金の種類や成形品１１の形状などに応じて、最適な温度や加圧力を選択することになる。
この点に関して種々の実験を行ったところ、図４の右側に示すように、１次加圧力Ｐ１としては、５０〜２５０ＭＰａの範囲内が、また、２次加圧力Ｐ２としては、１００ＭＰａ以上、特に、１００〜１０００ＭＰａの範囲内で、１次加圧力Ｐ１よりも大きな圧力を選択するのが好ましいことが判明した。
その１次加圧と２次加圧時における溶湯１１ａおよび半成形品１１ｂの温度は、図４の左側に示すように、１次加圧時で３５０〜７３０℃（６２３〜１００３Ｋ）、２次加圧時で２００〜５５０℃（４７３〜８２３Ｋ）程度であった。

〔別実施形態〕
先の実施形態では、アルミニウム合金製の成形品１１を製造する例について説明したが、アルミニウムやアルミニウム合金以外にも、マグネシウムやマグネシウム合金などの各種の非鉄金属製の成形品を製造する場合にも適用することができる。
製造の対象となる成形品１１については、特に制限はなく、したがって、使用する金型についても、先の実施形態で示した金型１，２に限るものではなく、各種の形状や構成を有する金型を使用することができる。

鋳造品の製造工程を示す概念図 鍛造品の製造工程を示す概念図 製造工程のタイムチャート図 製造工程の状態概念図

符号の説明

１，２ 金型
１１ 成形品
１１ａ 溶湯
１１ｂ 半成形品
Ｐ１ １次加圧力
Ｐ２ ２次加圧力

Claims (5)

1. 溶湯を注入した金型に１次加圧力を加えながら冷却して半凝固状態または凝固状態の半成形品を鋳造し、その半成形品を前記金型から取り出すことなく、その金型に前記１次加圧力よりも大きな２次加圧力を加えながら、前記半成形品の少なくとも一部を塑性変形させて成形品を製造する成形品の製造方法。
2. 前記２次加圧力を加えることにより前記半成形品の一部のみを塑性変形させて、鋳造組織の成形品を製造する請求項１に記載の成形品の製造方法。
3. 前記２次加圧力を加えることにより前記半成形品を塑性変形させて、鍛造組織を有する成形品を製造する請求項１に記載の成形品の製造方法。
4. 前記溶湯が、アルミニウム合金の溶湯である請求項２または３に記載の成形品の製造方法。
5. 前記１次加圧力が、５０〜２５０ＭＰａで、前記２次加圧力が、１００〜１０００ＭＰａである請求項４に記載の成形品の製造方法。

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