JP3817786B2 - 合金製品の製造方法及び装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合金製品を鋳造により製造する方法及び装置に関し、特に合金がチキソトロピー（半固体）状態のときにこの合金を押出鋳込する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
合金の鋳造品を製作する従来の最も一般的な方法は、ダイカスト方法である。このダイカスト方法は、米国特許第３，９０２，５４４号及び第３，９３６，２９８号に記載されているように、合金溶湯を用いる方法であり、得られる鋳造品の密度が低い。密度が低い金属は、機械的強度が低く、気孔率が高く、かつ収縮が大であるために、好ましいものではない。従って、必要な正確な寸法の金属合金を鋳造すること、及び一旦寸法が定められた形状を保持することが困難である。更に、ダイカストにより製作された合金は、内部に発生する弾性ひずみを低くすることが困難である。
【０００３】
合金製品の別の成形法としてチキソトロピー法がある。このチキソトロピー法は、金属合金をそのチキソトロピー（半固体）状態から押出鋳込みにより成形する方法であり、合金溶湯をダイカストする方法から製作したものより、高い密度を有する製品を得ることができる。
【０００４】
合金製品をそのチキソトロピー状態から成形する方法及び装置は、米国特許第５，０４０，５８９号に記載されている。合金をチキソトロピー状態にするように加熱する方法は、米国特許第４，６９４，８８１号及び第４，６９４，３８２号に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の米国特許第５，０４０，５８９号に記載された装置は、シリンダ状のハウジング内で合金をチキソトロピー状態とするように加熱し、次いで押出鋳込みのために該合金を加圧するようにしたインライン装置である。このような装置では、鋳造条件、即ち温度、圧力、時間等を制御することが困難であり、所期の諸特性の合金製品を得ることが難しい。
【０００６】
また、この米国特許第５，０４０，５８９号の装置は、フィーダに供給される合金がペレット状であることを必要とする。その結果、得られた製品が不良品の場合、この不良品をリサイクルするためには、該不良品をペレット形状にして再鋳込みせざるを得ず、手間がかかる。
【０００７】
本発明は、押出鋳込により金属合金を製作する方法及び装置において、得られる製品の特性及び寸法精度が所期のものとなる合金製品の製造方法及び装置を提供することを第１の目的とする。
【０００８】
また、本発明は、不良品が製造された場合にこれを容易にリサイクルできるようにすることを第２の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の合金製品の製造方法は、合金を溶融させる工程と、この合金をチキソトロピー状態に転換する工程と、このチキソトロピー状態にある合金を押出す工程とを物理的に個別の位置で実行するようにしたものである。
【００１０】
即ち、本発明（請求項１）の合金製品の製造方法は、金属合金の鋳造体を製造する合金製品の製造方法において、インゴットを受け入れて溶解するフィーダと、一端側において該フィーダから合金溶湯を受け入れ、他端側の出口からチキソトロピー状態の合金を送り出すバレルと、該バレルの該出口が接続された押出装置とを有する押出鋳込装置を用い、該フィーダ内でインゴットを溶解し、該バレル内で合金溶湯を降温させることによりチキソトロピー状態化させ、このチキソトロピー状態化した合金を該押出装置に導入し、この押出装置から押し出すことにより鋳型内へ該合金を供給するものであり、前記押出装置は、シリンダ及びピストンと、該シリンダに連設されたノズルとを備えており、該ピストンの後退によって前記合金が該シリンダ内に吸い込まれ、ピストンの前進によって該ノズルの先端の流出口から合金が鋳型へ供給されることを特徴とするものである。
本発明（請求項３）の押出鋳込装置は、インゴットを受け入れて溶解するフィーダと、一端側において該フィーダから合金溶湯を受け入れ、他端側の出口からチキソトロピー状態の合金を送り出すバレルと、該バレルの出口が接続された押出装置とを有する押出鋳込装置であって、前記バレルは、前記一端側から前記出口にかけて加熱温度が低くなるように設けられたヒータを備えており、前記押出装置は、シリンダ及びピストンと、該シリンダに連設されたノズルとを備えており、該ピストンの後退によって前記バレルから合金が該シリンダ内に吸い込まれ、ピストンの前進によって該ノズルの先端の流出口から合金が鋳型へ供給されるものであり、前記バレルは前記一端側が前記出口よりも高位となるように設置されており、合金は重力によってバレル内を出口へ向って移動することを特徴とするものである。
本発明（請求項４）の押出鋳込装置は、インゴットを受け入れて溶解するフィーダと、一端側において該フィーダから合金溶湯を受け入れ、他端側の出口からチキソトロピー状態の合金を送り出すバレルと、該バレルの出口が接続された押出装置とを有する押出鋳込装置であって、前記バレルは、前記一端側から前記出口にかけて加熱温度が低くなるように設けられたヒータを備えており、前記押出装置は、シリンダ及びピストンと、該シリンダに連設されたノズルとを備えており、該ピストンの後退によって前記バレルから合金が該シリンダ内に吸い込まれ、ピストンの前進によって該ノズルの先端の流出口から合金が鋳型へ供給されるものであり、前記バレルは水平に設置されており、該バレル内の合金を前記出口へ向って移動させる移動装置が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
好ましくは、前記ピストンの後退時には該ノズルの該流出口近傍の合金温度を低下させ、前記ピストンの前進時には該流出口近傍の合金温度を上昇させる手段が設けられる。
【００１２】
また、好ましくは前記バレルから押出装置に向う方向の合金の流れのみを許容する弁手段が設けられている。
【００１３】
本発明は、マグネシウム合金、亜鉛合金などの各種合金の鋳造に適用できるが、とくにマグネシウム合金などの軽合金の鋳造に適用するのに好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。第１図は実施の形態に係る押出鋳込装置の縦断面図、第２図（Ａ），（Ｂ）はワンウェーバルブの作動説明図である。
【００１５】
第１図に示す第１の実施の形態に係る押出鋳込装置１０は、それぞれほぼ円筒状の４つの部分、即ちフィーダ２０、バレル３０、シリンダ４０及びノズル５０を有する。シリンダ４０及びノズル５０は水平に設置されている。
【００１６】
フィーダ２０には、投入された合金のインゴットを加熱するためのヒータ２５が設けられると共に、撹拌羽根２２及びモータ２３よりなる撹拌機が設けられている。
【００１７】
このフィーダ２０内にて溶解されて生じた合金溶湯は、開口２７を介してバレル３０内に供給される。なお、この開口２７付近に溶湯流通量を制御するための弁（図示略）を設けても良い。
【００１８】
バレル３０は、好ましくは３０〜９０°の角度にて傾斜又は直立配置される。このバレル３０には、複数個のヒータ（好ましくは抵抗発熱式のヒータ）７０ａ〜７０ｅが設けられている。各ヒータ７０ａ〜７０ｅはバレル３０の外周を水平に取り巻くように設けられており、上から順にヒータ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅがほぼ等間隔に設けられている。
【００１９】
下側のヒータ（例えばヒータ７０ｄ，７０ｅ）の加熱温度を上側のヒータの加熱温度よりも低くすることにより、フィーダ２０からバレル３０内に導入された溶湯は、バレル３０内を下方に移動するに従って半凝固状態となり、チキソトロピーを示すチキソトロピー状態となる。
【００２０】
このバレル３０内に撹拌羽根３１を有する撹拌用シャフト３２が上方から挿入されている。このシャフト３２の後端にモータ３３が連結されている。なお、撹拌羽根３１はシャフト３２の先端だけでなく、途中部分にも設けられても良い。
【００２１】
このバレル３０の先端（下端）は、上方から下方へ向う流れのみを許容するワンウェーバルブ６０を介してシリンダ４０の先端側に連通している。このシリンダ４０のボア４２内にピストン４５が挿入されており、このピストン４５の先端外周にシールリング４１が装着されている。
【００２２】
このシリンダ４０の先端から前記ノズル５０が突設されている。このノズル５０内は半固体状態の合金を一時的に貯留する貯留室５１となっている。この貯留室５１はシリンダボア４２内に連通している。
【００２３】
第２図（Ａ），（Ｂ）に示される通り、この実施の形態にあってはワンウェーバルブ６０はボール６５、ボールストッパ６２及びボールシート部６１よりなる。ピストン４５が後退するときには、第２図（Ａ）のようにボール６５がシート部６１から離れ、バレル３０内の合金がシリンダボア４２及びノズル貯留室５１内に流入する。ピストン４５が前進するときには、ボール６５はシート部６１に密着し、バレル３０内への合金の逆流が阻止される。
【００２４】
なお、ボール６５をシート部６１へ向けて、又はシート部６１から離れる方向に付勢するバイアス素子、例えばばねが設けられてもよい。このような場合は、ボール６５が開位置又は閉位置へ片寄る。大型の押出鋳込装置では、このようなバイアス素子を設けるのが好ましい。
【００２５】
もちろん、このワンウェーバルブ６０の代わりに、ピストン４５の前後進に同期して開閉制御を行うようにした開閉弁装置を設けても良い。
【００２６】
第１図に示すように、シリンダ４０及びノズル５０に好ましくは抵抗加熱式のヒータ７０ｆ〜７０ｉが設けられている。ノズル５０には、さらに誘導加熱コイル８０が設けられている。ヒータ７０ｆ〜７０ｉは、合金が半固体状態を保持する温度となるように通電制御される。
【００２７】
誘導加熱コイル８０は、ノズル５０の先端の流出口５７近傍における貯留室５１内の合金温度を昇降させるために設けられている。誘導加熱コイル８０の出力を小さくすると、押出口５７近傍の合金温度が低下し、合金の粘性が増大する。誘導加熱コイル８０の出力を大きくすると、流出口５７近傍の合金温度が上昇し、合金の粘性が低下する。前記ピストン４５を後退させてバレル３０から合金を吸い込むときには、誘導加熱コイル８０の出力を低下させ、ピストン４５を前進させて流出口５７から合金を流出させるときには、誘導加熱コイル８０の出力を増大させる。
【００２８】
この押出鋳込装置１０の主要部の寸法は例えば次のように設定される。
【００２９】
▲１▼ 装置１０が大型の場合
バレル３０ ： 内径６０ｍｍ×長さ１２０ｍｍ
シリンダ４０： 内径５２ｍｍ×長さ１５００ｍｍ
ノズル５０ ： 内径５２ｍｍ×長さ１５００ｍｍ
流出口５７ ： 内径１２ｍｍ
▲２▼ 装置１０が中型の場合
バレル３０ ： 内径５０ｍｍ×長さ１１０ｍｍ
シリンダ４０： 内径３６ｍｍ×長さ７００ｍｍ
ノズル５０ ： 内径３６ｍｍ×長さ７００ｍｍ
流出口５７ ： 内径１０ｍｍ
▲３▼ 装置１０が小型の場合
バレル３０ ： 内径４０ｍｍ×長さ１００ｍｍ
シリンダ４０： 内径３２ｍｍ×長さ７００ｍｍ
ノズル５０ ： 内径３２ｍｍ×長さ７００ｍｍ
流出口５７ ： 内径１０ｍｍ
このように構成された第１図の押出鋳込装置１０の作動について説明する。
【００３０】
インゴットは、フィーダ２０に投入され、ヒータ２５によって加熱されて溶解される。この際、撹拌羽根２２によって撹拌されることにより、溶解が促進する。
【００３１】
この溶湯は、開口２７からバレル３０内に流入する。合金は、このバレル３０内を下降する間に若干降温されることによりチキソトロピー状態とされる。この際、バレル３０の下部ほど合金温度を低くするのが好ましい。本発明では、このバレル３０の出口３７付近では、合金は必ずチキソトロピー状態となっているようにバレル３０の温度を制御する。
【００３２】
バレル３０内でチキソトロピー状態となった合金は、ピストン４５の後退に伴ってワンウェーバルブ６０を通ってシリンダ４０内に吸い込まれる。（この際、上記の通り誘導加熱コイル８０の出力を低くし、流出口５７近傍の合金の粘性を高めておき、流出口５７からの逆流を阻止する。）次に、誘導加熱コイル８０の出力を上昇させて流出口５７近傍の合金の粘性を低くした後、ピストン４５を前進させ、シリンダ４０及びノズル５０内の合金をノズル５０が当接された鋳型（図示略）内へ流出口５７を介して供給する。
【００３３】
かかる鋳込装置１０を用いた鋳込み方法にあっては、合金の溶解、チキソトロピー状態化、押出の各工程がすべて別々の箇所で行われ、それぞれに最も適した温度において溶解、チキソトロピー状態化及び押出工程が行われる。しかも、各工程の温度を他工程とは独立して制御できる。
【００３４】
この結果、確実に目的とするチキソトロピー状態の合金を鋳型内に加圧供給することができ、容易に所期の特性及び寸法精度の合金鋳造体を製造することが可能となる。
【００３５】
なお、万が一鋳造不良品が発生したとしても、この不良品をそのままフィーダ２０に投入して再利用することができ、リサイクルも容易である。
【００３６】
合金がマグネシウム合金である場合、各工程において温度を次のように制御するのが好ましい。
▲１▼ フィーダ２０内の溶解温度 ６００℃以上（好ましくは６００〜７００℃）
▲２▼ バレル３０内の上部 約６００℃
▲３▼ バレル３０内の中間部 約５８０℃
▲４▼ バレル３０内の下部 約５５０℃
▲５▼ ノズル５０の後部及びシリンダ４０内 約５５０〜５７０℃
（なお、ヒータ７０ｆからヒータ７０ｉまでのシリンダ４０及びノズル５０内の箇所においては、合金の温度差はなるべく小さい方が好ましく、実質的に均一にするのが最も好ましい。）
▲６▼ ノズル５０内の流出口５７近傍：
ピストン４５の後退時：約５５０℃
ピストン４５の前進時：約５８０℃
第３図は本発明の別の実施の形態に係る押出鋳込装置１０Ａの水平断面図である。
【００３７】
この実施の形態においても、シリンダ４０及びノズル５０が水平に設置されている。この実施の形態においては、バレル３０も水平に設置されている。バレル３０の流入部の上側にフィーダ２０が立設されている。
【００３８】
このバレル３０内に挿入されたシャフト３２には、バレル３０内の合金をバレル出口３７に向って移動させるために螺旋羽根（スクリュ）３３が設けられている。このシャフト３２の先端に撹拌羽根３１が設けられている。
【００３９】
その他の構成は第１，２図の実施の形態に係る押出鋳込装置１０と同じであり、同一符号は同一部分を示している。
【００４０】
この第３図の押出鋳込装置１０Ａにおいても、確実に所期の特性及び寸法精度の合金鋳造体を製造できると共に、不良品が発生してもそのリサイクルが容易である。
【００４１】
上記実施の形態においては、いずれもバレル３０に合計５個のヒータ７０ａ〜７０ｅが設置されているが、その他の個数としても良い。本発明では、５〜１０個のヒータをバレル３０に対しバレル長手方向に間隔をおいて設置し、バレル３０内の合金に温度勾配を持たせるように各ヒータへの通電を制御するのが好ましい。
【００４２】
本発明では、バレル３０に内部の合金を出口３７に向って押圧するための加圧装置を設けても良い。この加圧装置による加圧力は、シリンダ４０内及びノズル５０内の圧力よりもかなり低い圧力とされる。
【００４３】
本発明において、誘導加熱コイル８０やワンウェーバルブ６０をピストン４５のストロークに対応して制御する場合、ピストン４５の位置を正確に検出する必要があるが、このためには例えばピストン４５の前進限と後退限にそれぞれリミットスイッチを設ければ良い。このリミットスイッチとしては、機械式の有接点のものであっても良く、ホトダイオード等を用いた無接点式のものなど各種のものを採用できる。
【００４４】
もちろん、ピストン４５の位置をエンコーダ（例えばホトエンコーダ）等によって検知しても良い。
【００４５】
ピストン４５の位置をこのように直接的に検知する代わりに、ノズル５０内の合金の圧力を検知することによってピストン４５の位置及びストローク方向を推定しても良い。
【００４６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の合金製品の製造方法及び装置によると、所期の特性及び寸法精度を有した合金鋳造体を製造することができる。本発明では、不良品が発生した場合、この不良品をそのまま鋳造原料として再利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る押出鋳込装置１０の縦断面図である。
【図２】ワンウェーバルブ６０の作動図である。
【図３】実施の形態に係る押出鋳込装置１０Ａの水平断面図である。
【図面の簡単な説明】
１０，１０Ａ 押出鋳込装置
２０ フィーダ
３０ バレル
３７ 出口
４０ シリンダ
４５ ピストン
５０ ノズル
５７ 流出口
６０ ワンウェーバルブ
７０ａ〜７０ｉ ヒータ
８０ 誘導加熱コイル

Claims (7)

  1. 金属合金の鋳造体を製造する合金製品の製造方法において、
    インゴットを受け入れて溶解するフィーダと、一端側において該フィーダから合金溶湯を受け入れ、他端側の出口からチキソトロピー状態の合金を送り出すバレルと、該バレルの該出口が接続された押出装置とを有する押出鋳込装置を用い、
    該フィーダ内でインゴットを溶解し、該バレル内で合金溶湯を降温させることによりチキソトロピー状態化させ、このチキソトロピー状態化した合金を該押出装置に導入し、この押出装置から押し出すことにより鋳型内へ該合金を供給するものであり、
    前記押出装置は、シリンダ及びピストンと、該シリンダに連設されたノズルとを備えており、該ピストンの後退によって前記合金が該シリンダ内に吸い込まれ、ピストンの前進によって該ノズルの先端の流出口から合金が鋳型へ供給されることを特徴とする合金製品の製造方法。
  2. 請求項１において、前記ピストンの後退時には該ノズルの該流出口近傍の合金温度を低下させ、前記ピストンの前進時には該流出口近傍の合金温度を上昇させることを特徴とする合金製品の製造方法。
  3. インゴットを受け入れて溶解するフィーダと、一端側において該フィーダから合金溶湯を受け入れ、他端側の出口からチキソトロピー状態の合金を送り出すバレルと、該バレルの出口が接続された押出装置とを有する押出鋳込装置であって、
    前記バレルは、前記一端側から前記出口にかけて加熱温度が低くなるように設けられたヒータを備えており、
    前記押出装置は、シリンダ及びピストンと、該シリンダに連設されたノズルとを備えており、該ピストンの後退によって前記バレルから合金が該シリンダ内に吸い込まれ、ピストンの前進によって該ノズルの先端の流出口から合金が鋳型へ供給されるものであり、
    前記バレルは前記一端側が前記出口よりも高位となるように設置されており、合金は重力によってバレル内を出口へ向って移動することを特徴とする押出鋳込装置。
  4. インゴットを受け入れて溶解するフィーダと、一端側において該フィーダから合金溶湯を受け入れ、他端側の出口からチキソトロピー状態の合金を送り出すバレルと、該バレルの出口が接続された押出装置とを有する押出鋳込装置であって、
    前記バレルは、前記一端側から前記出口にかけて加熱温度が低くなるように設けられたヒータを備えており、
    前記押出装置は、シリンダ及びピストンと、該シリンダに連設されたノズルとを備えており、該ピストンの後退によって前記バレルから合金が該シリンダ内に吸い込まれ、ピストンの前進によって該ノズルの先端の流出口から合金が鋳型へ供給されるものであり、
    前記バレルは水平に設置されており、該バレル内の合金を前記出口へ向って移動させる移動装置が設けられていることを特徴とする押出鋳込装置。
  5. 請求項３又は４において、前記ピストンの後退時には該ノズルの該流出口近傍の合金温度を低下させ、前記ピストンの前進時には該流出口近傍の合金温度を上昇させる加熱手段が前記ノズルに設けられていることを特徴とする押出鋳込装置。
  6. 請求項５において、前記加熱手段は誘導加熱コイルであることを特徴とする押出鋳込装置。
  7. 請求項４ないし６のいずれか１項において、前記バレルから押出装置に向う方向の合金の流れのみを許容する弁手段が前記バレルの前記出口に設けられていることを特徴とする押出鋳込装置。
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