JP2012502804A - 多成分組成物の金属射出成形 - Google Patents

Abstract

金属アロイ供給原料および金属射出成形法が開示される。アロイは、少なくとも２つの成分を、例えば、第１の成分および第２の成分を含む。第１の成分は、第１の融点を有し、第２の成分は第１の融点より高い第２の融点を有する。第１の融点および第２の融点は、射出成形機の加熱バレルの温度勾配に符合しており、そのため、射出成形機に供給された時に、第１の成分は、第２の成分が融解する前に融解するので、第２の成分は第１の成分に溶け込むことができる。さらなる成分もまた使用され得る。

Description

本発明は、広く射出成形金属に、より詳細には、プラスチック射出成形機での加工に適する金属組成物に関する。

通常の往復運動スクリュー射出成形機は、大抵の市販ポリマーおよび充填もしくは強化ポリマーを、加工／成形することが可能である。望まれることではあるが、これらの機械は、これまで金属アロイからパーツを成形できなかった。ダイカストまたは鋳造加工での他の変形形態が、金属アロイから、完成品に近い形状の３次元パーツを製造するための標準的方法である。チクソモールディングは、マグネシウムアロイを成形するために、プラスチック射出成形機のいくつかの特徴を用いる１つの方法である。チクソモールディングに用いられる機械は、通常のプラスチック射出成形機とは、構造および大きさにおいて、かなり異なる。

金属アロイ（特に、アルミニウム、亜鉛およびマグネシウムのような軽量アロイ）を、通常のプラスチック射出成形機で加工し、成形することは望ましい。実使用されている多数の射出成形機が世界中に存在し、この機械の運転コストは、鋳造および鋳込みタイプの運転で必要とされるより、かなり少ない。

金属アロイは、通常、固相と液相との間に比較的狭い温度転移を有する。半固相でさえ、通常、狭い温度ウインドーを有する。

金属アロイは、固相では、またはある固体割合を超える半固相では、標準的な射出成形機で加工できないが、理由は、機械が、固体または半固体（固体含量の高い）の抵抗に打ち勝つのに十分なだけ強力でないためである。同様に、標準的な射出成形機は、非常に低い粘度を有するどのような材料（例えば、水のような）を加工するのにも十分に適合していない。低すぎる粘度を有する材料は、力に対する抵抗（標準的な射出成形機の構造における必要条件）を、ほとんど有さず、モールドキャビティを充填するのに好都合でない流動パターンを示す（結果的に、ボイド、充満することの難しさ、および劣った機械的性質を生じる）。そのため、熱可塑性樹脂タイプの流動を必要とする射出成形機での金属の成形のために、通常、実際に役立つ、狭い範囲の半固体領域（例えば、５〜３０の固体）だけが残される。半固体領域のこの狭い範囲は、また、射出成形を可能にする、許容される粘度範囲に相当する。

通常の射出成形機では、プラスチックペレットが、室温またはそれに近い温度で、搬送スクリューに入る。通常、ペレットは、プラスチックの種類および望まれる粘度に応じて、バレルの長さに沿って、４５０〜７００°Ｆ（約２３２〜３７２℃）まで加熱される。バレルは、プラスチックの加熱を助けるために外部加熱される。スクリューおよび粘性液体によって生み出され引き起こされる剪断もまた、プラスチックの加熱の大きな原因となる。通常、バレル温度は、３つのゾーン（前部、中央部および後部・・・ならびにフィード）で制御される。前部および後部ゾーンの温度設定値の間には、通常、わずか１００°Ｆ（約３７℃）の違いがあるにすぎない。しかし、材料は、バレルの長さに渡って、室温近くから、５００〜７００°Ｆ（約２６０〜３７２℃）まで加熱される。フィード領域の温度は、室温より上であるが、融解を引き起こすのに必要とされる温度より低く設定され、その結果、この部分で、ペレットは固体のままであり、その間に高温ゾーンに搬送される。材料は、剪断、および加熱されたバレルにおける滞留時間のために、連続的に加熱されている。その結果、バレルの長さに沿って、ＲＴから射出温度までの（４００〜７００°Ｆ（約２０４〜３７２℃）の差）、材料温度の連続的な勾配が存在する。外部から加えられるバレルの熱は、材料の温度を上げる助けとなるが、それは、材料温度を制御しない。

バレルの長さに沿う材料の温度勾配に加えて、正確な温度制御を妨げる、射出成形機の他の特徴が存在する。スクリューが前後に動くので、バレルの長さに沿って上下するその急速な運動に起因する、材料温度の変化の可能性もまた存在する。新しい材料が絶えず供給され吐出されているので、加熱過程は、常に、過渡的である。成形過程は、常に、円滑に進むまたは「サイクルにある」わけではない。調節または問題のための休止時間もまた、材料が、これらの時間の間、通常、動いていないために、材料の温度プロフィールを変える。これらの要因の全てが、材料の温度を狭い範囲に保つことが不可能であることの一因となる。

加工中の材料の温度は、次のいくつかの要因のために、正確に制御できない。
ａ．材料は、絶えず供給され吐出される、
ｂ．成形は常に過渡的過程である（停止／開始）、
ｃ．材料は室温近くから射出温度（例えば、７００°Ｆ／３７２℃）に加熱され、そのために、バレルの長さに沿って材料に温度勾配が存在する、
ｄ．バレル設定値温度は、前方から後方までで、わずか約１００°Ｆ／３７℃の幅があるにすぎないが、材料は、７０°Ｆ／２１℃から、例えば７００°Ｆ／３７２℃まで加熱されなければならない（したがって、バレルの設定値は、影響を及ぼすが、材料の温度を制御できない）、
ｅ．材料のかなりの熱が、壁面に限定され材料の中に均一に分布しない剪断力に由来する、
ｆ．理由が何であれ、機械がサイクルを停止する（また、材料が供給／吐出されることを止める）時、熱バランスが変わる。

これらの特徴の全てが、加工可能（狭い）温度管理範囲に金属アロイを保つことを難しくする。プラスチックを加工する時には、加工可能な溶融物の範囲が、ずっと広い温度範囲に渡り、冷えたプラスチックの抵抗／強さは、金属のそれよりずっと小さく、また機械／スクリューの力によって、しばしば、より容易に打ち勝つことができるために、これらの特徴が妨げになることは少ない。

本発明は、プラスチック射出成形機のバレルの温度勾配に符合するように選択された、低い融点を有する第１の成分、およびより高い融点を有する第２の成分を少なくとも含む、多成分の組成物を提供することによって、従来技術の問題を解決する。３成分以上が備わり得る。第１の成分は、その比較的低い融点のために、最初に融解し、液相線混合物への第２の成分の転移を容易にして、射出成形機における束縛を減らす。特に、第１の成分は液体になり、その温度は、それが射出成形機のスクリューによってバレルの長さに沿って前方に移動するにつれて上昇する。第２の成分は、第１の組成物の液体に可溶になる。さらなる成分が用いられる場合、さらなる成分もまた、第１の組成物に可溶になる。さらなる成分は、第１の成分の融点を超えるが、第２の成分の融点未満の融点を有するように選択される。この過程は、第２の成分の液相線温度まで温度が上昇するのとともに続く。この時間の間中、液体の組成は、それが温度に依存する平衡溶解度を有するために、変化している。組成が変わるにつれて、それはまた、上昇する液相線温度を有する。その結果、組成は、いくらか、自動調節される。温度が上昇するにつれて、より多くの第２の成分（高融点成分）が可溶である。第２の成分の溶解は、液体の組成を変え、その液相線温度を上げるので、より多くの第２の組成物を組み入れるためには、さらに高い温度を必要とする。同様に、３つ以上の成分が用いられる場合、類似の平衡に到達する。これは、液体に近い組成物が、温度上昇（または、射出成形機のバレルに沿う長さ）と共に、ほぼ平衡液相線で進むことを意味する。結果的に、本発明は、金属パーツの成形を容易にするための、射出成形機で使用可能な、多成分の金属組成物を提供する。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付図を参照すれば、よりよく理解されるであろう。

本発明の方法に従って製造される亜鉛‐アルミニウム金属アロイの２成分系相図である。 図１の差し込み図Ａの拡大図である。 ９５ｗｔ％亜鉛／５ｗｔ％アルミニウムでの共融を示す参照点Ｂを有する、図１の差し込み図Ａの拡大図である。 ８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウムの単独組成物を示す印Ｃを有する垂直線を有する、図１の差し込み図Ａの拡大図である。 ８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウムおよび９５ｗｔ％亜鉛／５ｗｔ％アルミニウムによって境界を定められる多成分組成物を示す階段状の線Ｄを有する、図１の差し込み図Ａの拡大図である。

１つの手法は、液相線温度と固相線温度との間に広い範囲を有するアロイを定めることである。この範囲は、容易に加工される範囲よりもずっと広い。約３０〜３５％を超える固体含量を有する半固体は、通常の射出成形機で、一般に、加工可能でない。均一な組成の半固体金属の加工可能範囲は、固体が約５〜３０ｗｔ％である。この固体％ウインドーを保つ温度範囲は狭い。この温度ウインドーは、固相線温度から液相線温度までの差の大きいアロイでさえ狭い。

本発明の例として、液相線と固相線との間に約１３０°Ｆの範囲を有するアロイ（８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウム）は、比較的大きな温度差のために、射出成形のための良い候補であると思われる。固体が５〜３０％の範囲は、かなり少ない（約７０〜８０°Ｆ）。この材料は、標準的な射出成形機で加工可能であるが、ウインドーは、通常の許容される加工にとって、十分に広くない。この材料は、時折、固まる。

この例を極端な場合で見ると、Ａｌ／Ｚｎの共融は、９５ｗｔ％Ｚｎ／５ｗｔ％Ａｌに近い。図３を参照すると、この組成物は、半固相なしに、固体から液体へ変換される。この材料は、射出成形に向かないと想像できる。液相は、加工するには、粘度が低すぎる（すなわち、流動に対する無抵抗、およびモールド充填中の望ましくない乱流）。他方、固相は、流動せず、機械に対して大きすぎる抵抗を与える。図２は、亜鉛が８０〜１００ｗｔ％の範囲で、約６００と９００°Ｆの温度の間の、亜鉛‐アルミニウムの２成分系相図である。

本発明は、バレルの長さに沿って、温度勾配に対応する組成勾配を生じる多成分（２成分またはそれを超える成分）の材料を含む。

本発明を説明するために、図３、４、および５に見られる３つの異なる材料組成を有する、亜鉛／アルミニウムの相図が示されている。

図４を参照すると、加工可能であるが、通常の加工には、十分なウインドーを有さない、本発明の８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウムの単独組成物に対する相図が示される。相図において、この組成では、その挙動は垂直線を上下して広がることができるだけであることが明らかである。加工可能であり得る範囲は、この線の一部を占めるにすぎないウインドー内にある。さらに、どのような温度変化も、固体パーセントの変化を生じ、その結果、レオロジー特性にかなりの変化を生じ得る。

図５を参照すると、８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウムおよび９５ｗｔ％亜鉛／５ｗｔ％アルミニウムによって境界を定められる多成分組成物に対する相図が描かれている。図５から確認できるように、可溶性組成物の混合物が、バレルの温度勾配に対応する組成勾配を生じる。この混合物は、組成物が常に、液相線温度に適切に近く（低い固体％）、射出成形機のバレルの長さに沿って、適切に安定したレオロジーを保持し得ることを保証する。

本発明の例は、アルミニウム／亜鉛の２つの組成物の混合物を用いる（異なる組成を有するペレットの混合）。この場合、どちらの組成物もアルミニウム‐亜鉛であるが、各元素の比が異なる。具体例は、第１の組成物として、９５ｗｔ％／５ｗｔ％の亜鉛／アルミニウム、第２の組成物として、８５ｗｔ％／１５ｗｔ％の亜鉛／アルミニウムである。低温融解成分が最初に液体を生成する。第１の成分が液体になり、バレルの長さに沿って前方に移動するにつれてその温度は上昇し、第２の組成物の成分が液体に可溶になる。この過程が、第２の成分の液相線温度まで、温度の上昇と共に続く。この時間の間中、液体の組成は、それが温度に依存する平衡溶解度を有するために、変わり続ける。組成が変わるにつれて、それは、また、上昇する液相線温度を有する。その結果、組成は、いくらか、自動調節される。温度が上昇するにつれて、より多くの第２の成分（高融点成分）が可溶である。第２の成分の溶解は、液体の組成を変え、その液相線温度を上げるので、より多くの第２の組成物を組み入れるためには、さらに高い温度を必要とする。これは、液体に近い組成物が、温度上昇（または、射出成形機のバレルに沿う長さ）と共に、ほぼ平衡液相線で進むことを意味する。

この過程は、可逆的ではないので、所定のどの組成物の冷却も、成分の分離を生じない。しかし、バレルの長さに沿う組成勾配が存在するために、その特定の組成物が、機械によって機械的に移動させられる、もしくは剪断を受けるには大きすぎる固体含量を有すると推定される臨界温度に比べて、どのような冷却効果（例えば、スクリューの運動による）もわずかである。

この組成変化は、金属アロイが通常の射出成形機で加工されるのに必要なウインドーまたは許容をもたらす。

本発明は、通常の射出成形機（スクリューに対する変更、すなわち、圧縮ゼロ、固体から溶融物への転移部分におけるフライトのリリーフ）で、良好な成形パーツが製造されることを示した。下に列挙される例は、分かりやすいように、２成分を含む。しかし、３成分以上も用いられ得る。但し、さらなる成分は、アロイの相変化図で、第１の成分および第２の成分の間にある融点を有するように選択されなければならない。

３つの具体例を、下に列挙する。
例１）
１０ｗｔ％（±５ｗｔ％）の（９５ｗｔ％亜鉛／５ｗｔ％アルミニウム）
９０ｗｔ％（±５ｗｔ％）の（８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウム）
より詳細には、１５ｗｔ％の（９５ｗｔ％亜鉛／５ｗｔ％アルミニウム）および８５ｗｔ％の（８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウム）が最適であることが見出された。

例２）
８５ｗｔ％（±５ｗｔ％）の（８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウム）
１５ｗｔ％（±５ｗｔ％）の（８６ｗｔ％アルミニウム／１０ｗｔ％ケイ素／４ｗｔ％銅）
より詳細には、８８ｗｔ％の（８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウム）および１２ｗｔ％の（８６ｗｔ％アルミニウム／１０ｗｔ％ケイ素／４ｗｔ％銅）が最適であることが見出された。

例３）
５０ｗｔ％の（８５ｗｔ％亜鉛／１５ｗｔ％アルミニウム）
５０ｗｔ％の（８６ｗｔ％アルミニウム／１０ｗｔ％ケイ素／４ｗｔ％銅）

例において、８５ｗｔ％／１５ｗｔ％の亜鉛／アルミニウム単独組成物、または９５／５ｗｔ％の亜鉛／アルミニウム単独組成物の第１の成分は、第２の成分なしには、通常のやり方で、加工可能でない。

８６／１０／４ｗｔ％のＡｌ／Ｓｉ／Ｃｕ単独組成物は、第１の成分なしには、通常のやり方で、加工可能でない。

しかし、２つの組成物を一緒に混合することによって、混合された組成物は、通常のやり方で、加工可能である。

ここでは３つの例だけを用いて説明されたが、考え方は全ての金属に適用可能である。言うまでもなく、通常の射出成形機で到達できる最大温度、および高温の金属アロイの存在の下での機械部品の安定性に関して限界があり得る。さらに、非アロイ強化材料、例えば、ガラス、中空マイクロスフィア、フライアッシュ、炭素繊維、マイカ、クレー、炭化ケイ素、アルミナ、酸化アルミニウム繊維もしくは微粒子、ダイアモンド、窒化ホウ素、またはグラファイト、あるいは当技術分野において知られている他の強化材料が、供給原料に添加され得る。さらに、強化材料は、成形パーツおよび金属‐マトリックスコンポジットを形作るために、供給原料が射出成形機に供給されている時に、供給原料とドライブレンドされ得る。

したがって、本発明は、金属パーツを成形するためにプラスチック射出成形機を用いるという課題に対して、様々な組成を有する金属供給原料の、２つ以上の成分の多成分組成物を用いることによって、類のない解決策を提供することが分かる。

様々な変更および修正が、本発明の精神から逸脱することなく、例示された実施形態になされ得ることが、当業者によって理解されるであろう。このような修正および変更の全ては、本発明の範囲内にあると見なされる。

Claims (33)

1. 加熱バレルを有する射出成形機における金属射出成形のための金属アロイ供給原料であって、加熱バレルは温度勾配を有し、その組成物は、
   第１の融点を有する第１の成分、
   第１の成分の第１の融点より高い第２の融点を有する第２の成分
   を含み、
   第１の融点および第２の融点が加熱バレルの温度勾配に符合し、
   それによって、射出成形機に供給された時に、第２の成分が融解する前に、第１の成分が融解するので、第２の成分が第１の成分に溶け込むことができる、
   金属アロイ供給原料。
2. 第１の成分が、組成物の約５ｗｔ％から約１５ｗｔ％を占め、第２の成分が組成物の約８５％から約９５％を占める、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
3. 第１の成分が約８０ｗｔ％から約９０ｗｔ％を占める、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
4. 第１の成分および第２の成分が、各々、金属アロイ供給原料の約５０ｗｔ％をそれぞれ占める、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
5. 第１の成分が、約９５％の亜鉛および約５％のアルミニウムを含む金属アロイである、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
6. 第１の成分が、約８５％の亜鉛および約１５％のアルミニウムを含む金属アロイである、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
7. 第１の成分が、アルミニウム、銅、ケイ素および亜鉛からなる群から選択される元素からなる金属アロイである、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
8. 第２の成分が、アルミニウム、銅、ケイ素および亜鉛からなる群から選択される元素からなる金属アロイである、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
9. 第２の成分が、約８６ｗｔ％のアルミニウム、約１０ｗｔ％のケイ素、および約４ｗｔ％の銅を含む金属アロイである、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
10. 第１の融点より高いが、第２の融点より低い融点を有する少なくとも１つの成分をさらに含む、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
11. 非アロイ強化材料をさらに含む、請求項１に記載の金属アロイ供給原料。
12. 増加する温度勾配を有する加熱バレルを有する射出成形機での金属射出成形の方法であって、
    第１の融点を有する第１の成分および第１の融点より高い第２の融点を有する第２の成分を含み、第１の融点および第２の融点が、射出成形機の加熱バレルの温度勾配に符合するように選択される、金属アロイ供給原料を用意すること、
    金属アロイ供給原料を射出成形機に供給すること、
    射出成形機の加熱バレル内で金属アロイ供給原料を融解させること、および
    第１の成分および第２の成分からなる金属アロイ供給原料における液体に対する固体のパーセンテージを、約５％から約３０％の加工可能範囲内に保つこと
    を含む方法。
13. 第１の成分が、組成物の約５ｗｔ％から約１５ｗｔ％を占めるように選択され、第２の成分が、一緒に混合される第１の成分および第２の成分の約８５％から約９５％を占めるように選択される、請求項１２に記載の方法。
14. 第１の成分が、一緒に混合される第１の成分および第２の成分の約８０ｗｔ％から約９０ｗｔ％を占めるように選択される、請求項１２に記載の方法。
15. 第１の成分および第２の成分が、一緒に混合される第１の成分および第２の成分の約５０ｗｔ％を占めるように選択される、請求項１２に記載の方法。
16. 第１の成分が、約９５％の亜鉛および約５％のアルミニウムを含む金属アロイを含むように選択される、請求項１２に記載の方法。
17. 第１の成分が、約８５％の亜鉛および約１５％のアルミニウムを含む金属アロイを含むように選択される、請求項１２に記載の方法。
18. 第１の成分が、アルミニウム、銅、ケイ素および亜鉛からなる群から選択される元素からなる金属アロイを含むように選択される、請求項１２に記載の方法。
19. 第２の成分が、アルミニウム、銅、ケイ素および亜鉛からなる群から選択される元素からなる金属アロイを含むように選択される、請求項１２に記載の方法。
20. 第２の成分が、約８６ｗｔ％のアルミニウム、約１０ｗｔ％のケイ素、および約４ｗｔ％の銅を含む金属アロイを含むように選択される、請求項１２に記載の方法。
21. 金属アロイ供給原料において、第１の融点より高いが第２の融点より低い融点を有する少なくとも１つの成分を選択することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
22. 非アロイ強化材料を、射出成形機に供給することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
23. 第１の融点を有する第１の成分を選択すること、
    第１の融点より高い第２の融点を有する第２の成分を選択すること
    を含む、金属射出成形加工に用いられる金属アロイを選択する方法であって、
    第１の融点および第２の融点が、射出成形機の加熱バレルの温度勾配に符合するように選択され、
    それにより、第１の成分および第２の成分が射出成形機で加工される時に、第１の成分および第２の成分の液体に対する固体のパーセンテージが、約５％から約３０％の加工可能範囲内に留まる、
    方法。
24. 第１の成分が、組成物の約５ｗｔ％から約１５ｗｔ％を占めるように選択され、第２の成分が、一緒に混合される第１の成分および第２の成分の約８５％から約９５％を占めるように選択される、請求項２３に記載の方法。
25. 第１の成分が、一緒に混合される第１の成分および第２の成分の約８０ｗｔ％から約９０ｗｔ％を占めるように選択される、請求項２３に記載の方法。
26. 第１の成分および第２の成分が、一緒に混合される第１の成分および第２の成分の約５０ｗｔ％を占めるように選択される、請求項２３に記載の方法。
27. 第１の成分が、約９５％の亜鉛および約５％のアルミニウムを含む金属アロイを含むように選択される、請求項２３に記載の方法。
28. 第１の成分が、約８５％の亜鉛および約１５％のアルミニウムを含む金属アロイを含むように選択される、請求項２３に記載の方法。
29. 第１の成分が、アルミニウム、銅、ケイ素および亜鉛からなる群から選択される元素からなる金属アロイを含むように選択される、請求項２３に記載の方法。
30. 第２の成分が、アルミニウム、銅、ケイ素および亜鉛からなる群から選択される元素からなる金属アロイを含むように選択される、請求項２３に記載の方法。
31. 第２の成分が、約８６ｗｔ％のアルミニウム、約１０ｗｔ％のケイ素、および約４ｗｔ％の銅を含む金属アロイを含むように選択される、請求項２３に記載の方法。
32. 第１の融点より高いが、第２の融点より低い融点を有する少なくとも１つの成分を選択することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
33. 第１の成分および第２の成分に添加するための、少なくとも１種の非アロイ強化材料を選択することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

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