JP2009166130A - 金属成形部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量金属成形部品の製造方法を提供する。
【解決手段】金属材料からなる軽量成形部品の製造方法は、総ての側面で密閉した表面、及び内部中空構造を有する金属体が、コアとして金型内に配置され、キャスティングにより溶融金属で取り囲まれる。金属体の表面領域の平均密度は、金属体の内部よりも１．５乃至２０倍だけ高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属成形部品の製造方法に関し、特に、軽金属を含む軽量成形部品に関し、かつ本方法を用いて製造される成形部品及び軽金属構造におけるそれらの使用に関する。

増大する環境上の要望を考慮するのみならず、航空機の構造、自動車工学等のハイテク用途、あるいは高度に静的な要求がされる分野における使用をも考慮すると、金属成形部品の重量を軽減することは極めて重要である。これに関連して、特に軽金属は、広範囲な用途を保証する材料である。重量を軽減する更なる可能な方法は、発泡金属材料を使用することである。使用される発泡体は、軽量構造、剛性、圧縮強度、特に、改善された機械制動及び音響制動により特徴付けられる。発泡金属材料からなる部品を生産することも、よく知られている。

ＧＥ ８９２９３４は、発泡金属コア及び密閉した無孔表面を有する複雑な構造体の製造に関する。

ＤＥ １９８ ３２ ７９４ Ｃ１は、金属発泡体で充填された中空断面（ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）の製造方法を記載している。この方法は、下型（ｆｅｍａｌｅ ｍｏｕｌｄ）及びマンドレルを含む押出金型を有する押し出しプレスによって、クラッド材料から中空断面を押し出す工程と、発泡体材料を含む金属発泡体を、マンドレルに形成されている供給ダクトを介して中空断面へ供給する工程とを含む。

ＤＥ ２９７ ２３ ７４９ Ｕ１には、ホイールの内側に曝されるよう配置され、かつホイールの外側に鋳壁を有する少なくとも１つの金属発泡体コアを含む自動車用ホイールが開示されている。ホイールの鋳造に関しては、アルミニウム発泡体の発泡体コアは、鋳造中に、チル金型と発泡体コアとの間に外縁の鋳物外皮が形成されるように、チル金型に配置され、位置付けられる。

ＤＥ １９５ ０２ ３０７ Ａ１は、エネルギー吸収体として充填物がアルミニウム発泡体を含むハウジングにおける、ひずみ要素について記載している。ハウジングは、金属又はプラスチックからなりうる。充填体は、ハウジングへの材料同士（ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｏ ｍａｔｅｒｉａｌ）の結合を伴わない、単なる差込み部分である。

しかし、金属発泡体からなる鋳物コアの使用は、内部発泡金属成形部品の製造に関して特に興味深い

ＧＥ ８９２９３４ ＤＥ １９８ ３２ ７９４ Ｃ１ ＤＥ ２９７ ２３ ７４９ Ｕ１ ＤＥ １９５ ０２ ３０７ Ａ１

例えば、ＤＥ １９５ ０１ ５０８ Ｃ１は、自動車のシャシのための部品と、この種の部品の製造方法とを請求している。このために、アルミニウム発泡体からなるコアは、プレス・ダイカストの金型内に導入され、そしてこのコアは、アルミニウムが金型に注入された（コアの原理を失った）後、ダイカストのアルミニウム部品中に残存する。使用されるアルミニウム発泡体は、アルミニウム粉と発泡剤との混合物から形成され、本質的に多段操作において周知の方法で製造される（この種の方法は、例えば、「発泡アルミニウムの製造のための実用的な生産技術（Ｗｉｒｔｓｃｈａｆｔｌｉｃｈｅ Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋｅｎ Ｆｕｅｒ ｄｉｅ Ｈｅｒｓｔｅｌｌｕｎｇ ｖｏｎ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｓｃｈａｅｕｍｅｎ）」（アルミニウム、第７６巻、２０００年、ｐ．４９１ ｆｆ）に記載されている）。

ＤＥ １９５ ０１ ５０８ Ｃ１によると、０．６〜０．７ｇ／ｃｍ^３の密度と、密閉された空隙とを有する、このようにして製造される発泡アルミニウム体は、次に、低い負荷を受ける位置で、発泡アルミニウムのコアを鋳造金型の内壁に対して支持又は固定されて金型内に配置され、これによって、所望の肉厚で、一定の距離がコアと金型との間で維持される。このコアと金型との間の距離を維持することによってのみ、製造される成形部品において、密閉され、かつ十分に安定した壁が形成されることを保証することができる。この目的に使用される金型のキャビティにおいて、コアを支持するためのコア支持体（Ｃｏｒｅ ｓｕｐｐｏｒｔ）を取り付ける方法は、鋳造方法において長期にわたって常識となっている（シュテファン・ハッセ（Ｓｔｅｐｈａｎ Ｈａｓｓｅ）著、「Ｇｉｅｓｓｅｒｅｉｌｅｘｉｋｏｎ」第１７版、１９９７年、ｐ．６５８及び６４０ ｆｆを参照のこと）。

使用されるコアに概して必要なのは、金型におけるコアの位置が変化せず、またコアが占める体積の一部が充填中に再び解放されないように、プレス・ダイカスト法（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｅ−ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）における使用のために十分に圧力安定化していなければならないことであるか、あるいは低速で進行する鋳造充填法における使用のために、液体又は半液体金属に対して適切に耐熱性でなければならないばかりことだけでなく、金型のキャビティ内で正確に支持するための要件を満たさなければならないということである。これは場合によっては極めて困難である。これは、多様な市販のコア支持体から（例えば、「Ｐｈｏｅｂｕｓ Ｋｅｒｎｓｔｕｅｔｚｅｎ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧ， Ｄｏｒｔｍｕｎｄ」の配送範囲を参照のこと）、及び金型におけるコア体を固定するための補助装置としてのコア支持体接着装置の使用から理解することができる。

しかし、特に、金型におけるコアの正確な位置決めのためにコア支持体を使用することにより、金型充填過程のある時点で、対応するコア体の外層のある部分に非常に高い圧力が加えられる。これは、特に軽量発泡体に関しては問題であり、この種の発泡体を、正確な寸法で製造することができず、かつ充填過程に前述の温度及び圧力荷重に耐えることができる適切な安定度の外層が、コア支持体が使用されるか否かに関わらず同時に形成されない場合には、問題である。したがって、本発明の目的は、鋳造法によって軽量発泡体を確実に囲む際の問題を解決し、且つ鋳造方法における更なる加工によって、この種の金属体の加工方法が、軽量な発泡金属部品を形成することを可能にすることである。

したがって、本発明の主題は、金属成形部品の製造方法であって、全ての側面において密閉された表面と、内部の中空構造とを有する金属体が金型内に配置され、次に、金型の残りのキャビティが、金属又は合金で充填されることである。

この方法において、金属体の表面領域の平均密度は、金属体の内部よりも好ましくは１．５乃至２０倍、好ましくは３乃至１５倍、特に好ましくは５乃至１０倍だけ高い。

金属体（コア）を囲む金属構造が、使用される金属体の平均密度よりも高い密度を有する場合、そこから製造される成形部品は、相当軽い重量を有する。これが実質的に均一の密度である場合、もちろん減量はないが、比較的高価であり得る材料が、より費用のかからない成形品を埋め込むことによって、低コストで製造することができる。

適切な金属体は特に発泡金属コアであり、これは有利には一体発泡構造を有する。金属体は通常、鋳造により液体溶融金属で囲まれ、これは例えばプレス・ダイカスト機において行われる場合がある。

金属体はまた、半固体鋳造法に従って、鋳造によって、部分的に凝固した状態の金属で囲まれることができる。

金属成形部品の形状と、所望の、あるいは求められている機械的特質とに依存して、複数の類似したあるいは異なる金属体を鋳ぐるむことも、もちろん可能である。

軽金属、特にアルミニウム又はアルミニウム合金は、本発明に係る方法に特に適している。成形部品の製造に用いられる金属又は合金は、成形体（ｓｈａｐｅｄ ｂｏｄｙ）に用いられるものとは異なる場合がある。

上述したように、使用される金属体は、文献に通常記載されてきた発泡体とは異なり、断面に沿って均一な発泡形状を有さない、一体成形金属発泡体であることが望ましい（この種の金属体の製造は、ＤＥ １０１ ０４ ３３９．２に記載されている）。その代わり、成形発泡体は、外縁を正確な輪郭で製造されることができ、その外殻は、使用される金属又は合金の密度に近い。したがって、この一体金属発泡体は、真の勾配材料である。しかし、成形体の内部においては、気泡の発生により密度が低減され、そのため、成形体全体の平均密度が、使用される金属又は合金の理論的な密度より低くなる（図）。この場合、成形体の外縁のミリメートル層の１立方ミリメートル当たりの平均密度は、成形体内部における平均密度よりも、１．５乃至２０倍、好ましくは３乃至５倍、特に好ましくは５乃至１０倍だけ高い。この種の成形体は、例えば、プレス・ダイカスト法を用いて、発泡剤を添加した溶解物から直接製造することができる。成形体の外皮の厚さ、及びそれに伴う温度及び圧力安定性は、特定の用途に応じて、プロセスパラメータを適切に変化させることによって適合されることができ、同時に、形成される成形体の正確な輪郭は、更なる加工の間に、正確な位置決めを可能とする。

例えば、本発明に係る、使用される金属体は、完成品の中に残存するコアとして使用されることによって、複雑な金属鋳物の重量を軽減するために利用されることができる。しかしまた、工業生産工程が故に、使用されるこの種のコアは、完成体のコストを削減可能だが、これは第一に、それらが容易に製造可能であり、第二に、一般的に、後にコアを囲む金属クラッドよりもより費用のかからない材料から製造されることができるからである。それらの特に良好な圧力及び温度安定性により、この種のコアは、プレス・ダイカスト法などの非常に高速な工程だけでなく、熱負荷の観点からコア体に非常に高い要求をつきつける遅い工程にも、もちろん使用されることができる。結果として、例えば、高圧鋳造法などの広範囲な応用範囲がもたらされ、例えばチクソ成形法（半固体鋳造法）などの、完全に液体ではない金属又は合金で行う鋳造法における使用さえも、もたらされる。

金属体の実施例を示す断面図である。

本発明に係る、使用されるための一体発泡成形体の特に密閉した外皮は、これらの成形体が、真空鋳造工程で使用されることも可能にする。これは、形成される表面の質を考慮すると、真空における関連収縮に注視して、連続的な破裂作用を有するコア体の内部からガスが漏洩することなく、完成体を製造するための本発明に係る工程の間に、金型を真空にすることができるからである。

一体発泡成形コアは、手動で、あるいは例えばロボットによる他の慣習的な工業プロセスを用いて、使用される金型内に導入されることができる。次の鋳ぐるみと、これによる軽量化対象加工物の形成は、コア体の外皮の温度及び圧力安定性を考慮すると、コア材料の融解点よりも高い融解点又は高い加工温度を有する金属又は合金を用いて、非常に容易に行うことができる。高融解のクラッド材料の使用を可能にするこの種の方法は、コア体の外面が部分的に融解し、そのため、後に続く完成体の固形化処理の最中に、コア材料と、完成加工物の周囲の殻材料との間に密接な金属結合が形成されるという利点を有する。工業鋳造法の常として、使用されるコア体の特に最良な圧力安定性は、最終加工物の更なる処理を一般に必要としないことを意味する。本発明は、典型的な実施形態を参照して以下により詳細に説明する。唯一の図面は、コアとしての使用に適切な、一体成形発泡体全体の断面図を示す。

アルミニウム材料製の自動車部品は、市販のプレス・ダイカスト機（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｅ−ｃａｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）で、一体的に発泡金属体として製造されるものである。このために、第一の工程では、プレス・ダイカスト機の射出スリーブが、適量の溶融金属で充填された。粉末状の水素化マグネシウムが、密閉された射出スリーブ内で泡を発生させる発泡剤（ｆｏａｍ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｂｌｏｗｉｎｇ ａｇｅｎｔ）として、液体金属に添加された。ほぼ同時に、発泡剤と溶融金属との混合物が、金型のキャビティに押し入られ始めた。金型のキャビティは、定められた量で、不完全に充填された。結果として生じた乱流によって、金型のキャビティ内で均質な混合が生じ、発泡工程によって、キャビティが充填される。スプレー充填により、金型の鋳壁で金属が凝固し、金属体の高密度で均一な壁を形成した。プロセスパラメータを変化させることにより、壁の厚みと空隙率の両方、及び空隙率の勾配を調節することが可能であった。

「射出」は、発泡体の形成前に行われ、発泡工程は金型のキャビティにおいて「ｉｎ ｓｉｔｕ」で行われた。冷却金型で、急速な発泡が起きた。部品は、同じ材料で作られた従来のダイカストと比較して、約４０％の質量しか有さなかった。実施例に従って製造された金属体は、次に、より大きな金型にコアとして導入され、金型が密閉された。次に、標準的なプレス・ダイカスト法を使用して、溶融金属をプレス・ダイカスト機の射出スリーブから金型のキャビティ内へ押出した。この充填作業の間、金型のキャビティは完全に充填され、余った金属は、成形部品の冷却後、射出経路と射出チャンバの端部とから除去された。この工程の結果、挿入されたコア体の領域においてはキャビティを有したが、コアで埋められなかった構造体の領域においては鋳造に対応した、軽量成形部品が得られた。

金属体の実施例の断面図（図）は、使用された金型に合致する輪郭の正確な適合を明白に示すとともに、成形部品の縁と内部とで異なる形態を明白に示し、エジェクタの浅い圧痕跡を考慮したコアの圧力安定性をも明白に示している。

実施例に従って製造された成形部品は、低密度であり、対応する中身のつまった比較体（ｓｏｌｉｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｏｄｙ）よりも改良された防振作用を有した。

Claims (12)

1. 金属成形部品の製造方法であって、
   全ての面の表面が密閉されており、内部が中空構造である金属体が金型内に配置され、
   金型の残りのキャビティが金属又は合金で充填される方法。
2. 前記金属体の表面領域の平均密度が、前記金属体の内部よりも、１．５乃至２０倍、好ましくは３乃至１５倍、特に好ましくは５乃至１０倍高い、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属体（コア）を囲む金属構造が、使用される前記金属体の平均密度よりも高い密度を有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 発泡金属コア形状の前記金属体が、鋳造により液体溶融金属で囲まれる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 鋳造により前記金属体を囲む作業が、プレス・ダイカスト機において行われる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 鋳造により前記金属体を囲む作業が、半固体鋳造法に従って、部分的に凝固した状態の金属を用いて行われる、請求項１乃至３、及び５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記金属体が前記金型内に配置された後、及び前記金属が前記金型に入る前に、前記金型を真空にし、その時、前記金型が充填される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 複数の類似した又は異なる金属体が金型内に配置され、次に鋳造により囲まれる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 軽金属、特にアルミニウム又はアルミニウム合金を含む溶融金属が、前記金型を充填するために使用される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法を使用して製造された、金属成形部品。
11. 前記金属体の材料が、前記金属体を囲む前記金属とは異なる組成を有する、請求項１０に記載の金属成形部品。
12. 軽金属構造体を構築するための、請求項１０又は１１に記載の金属成形部品の使用。