JPH09508859A - 半固体金属の射出鋳造のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半固体材料（ＳＳＭ）の射出鋳造の新しい方法と装置。この処理法（レオモールディングと呼ぶ）では、特殊な垂直射出鋳造機械のバーレル中で過熱液体金属が冷却されて半固体状態になり、スクリューとバーレルによって発生する剪断力により固相の成長中の樹枝状晶が破壊され、小さな殆ど球状の粒子になる。過熱液体金属と比較して、ＳＳＭはより低い温度、より小さい収縮性及びより安定な流れパターンを有する。それで、レオモールディング法は、ネットシェイプ金属部品ないしは金属マトリックス複合材料部品を低コストで連続的に製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 半固体金属の射出鋳造のための方法と装置 政府援助への謝辞 この研究は、国立科学財団（承認Ｎｏ８８１８５５）と、２０社の会社からな るコーネル射出鋳造計画（ＣＩＭＰ）産業協会とにより共同出資されたコーネル 射出鋳造計画（ＣＩＭＰ）により援助されたものである。計算処理は、コーネル ・ナショナル・スーパコンピューター施設を使用して行われた。 発明の分野 本発明は、射出鋳造の分野に属している。さらに、本発明は、特許庁サブクラ ス１６４／９００に分類されるような半固体のないしレオロジー的材料の鋳造に 属している。 発明の背景 従来のダイキャスティング法においては、溶融金属は、高速でキャビティーに 圧入され通常はその流れが激しくあるいは霧滴にさえなる。その結果、キャビテ ィー中に空気が取り込まれ、部品に多量の気孔巣を生じ、その部品の強度を低下 させ、もし機械加工後の表面に穴が現れれば部品の廃棄の原因となる。 多くの気孔巣のある部品は、その部分が熱処理できなくて、可能な適用性に限 界があるので、受け入れられず、さらに、空孔は、部品の自然振動数を無秩序に 変え、予測できない振動上のないし音響的な性能を生じさせる。 直観的に、もし層流を形成するに充分な程度にレイノルズ数を下げて金属流れ の粘度を増加することができれば、空気の取り込まれる量が最小になり、攪乱な いし霧滴化した金属流れによる気孔巣は除去できるだろう。これは、幾らかプラ スチックの射出成形に似ている。然しながら、１９７０年代初期にメッツ（Metz ）とフレミングス（flemings）が、半固体金属（ＳＳＭ）法（Metz,S. A.and Flemings,M.C「高温亀裂の基礎研究」（"A Fundmental Study of Hot Tea ring" AFS Transactions,vol78,pps453〜460[1970]）の概念を提案するまでは、 これは達成できるかどうかは明らかでなかった。彼らは、もし金属の凝固が半固 体状態で行われるならば、最大ダイ温度を著しく低下させることができるだろう と指摘した。 スペンサーらによる開拓的研究（Spencer,D.B.,Mehrabian,R.,and Flemings,M .C, "Rheorogical Behavior of Sn-15%Pb in the Crystallization Range," Met allurgical Transactions,vol.3,pp.1925-1932[1972]）は、溶融金属がその液相 線温度以下への冷却過程で掻き混ぜられたとき、樹枝状初晶固体は、壊れて液体 金属マトリックス中に支持されたほぼ球状の粒子になることを示した。そのよう な半固体スラリーの粘度は、固体割合とともに指数関数的に増加し、それは剪断 微細化の挙動を示す。 ＳＳＭ（半固体金属）のためのダイキャスティングのような製造方法が、表１ に示すように、過去２０年にわたり提案されてきた。 フレミングスらは、この方法に関して、多数の特許を得ており、１９７５年発 行の米国特許番号３９０２５４４「非樹枝状初晶を含有する合金を成形するため の連続的方法」を含む。この特許は、その結果の金属が攪乱領域及び鋳物から除 かれることが示されているけれども、その合金の製造を初めて方向づけた。 フレミングスら（Flemings,M.C.,Riek,R.G. and Young,K.p.，「レオキャステ ィング（"Rheocasting"）」，Metals Science and Engineering,vol.25,pp.103 〜117[1976]）は、ＳＳＭスラリーを別個に準備し、ダイキャステイング機のシ ョットチャンバーに注入した（レオキャスティング）が、ここでは、ＳＳＭは、 ダイキャビティー内にプランジャーにより射出された。 ティシャーら（Tissier,A.,Apelian,D.,and Regazzoni,G.，「マグネシウムレ オキャスティング：処理−ミクロ組織の相互作用に関する研究（"Magnesium Rhe o-casting:A Study of Processing-Microstructure interactions"」,Jou rnal of Materials Science,vol.25,no.2B,pp.1184-1196(1990)）は、半固体ス ラリーが固体の割合が低いときの攪乱過程で空気に曝されると、レオキャスティ ング中の気孔巣はまだ多くなり得ること報告している。さらに、ダイキャスティ ング機のプランジャー機構は、樹枝状骨格の形成を妨げるに必要な適当な攪乱を 提供しておらず、高速の射出速度はチャンバー内での材料への空気の混合を導く ことがありうる。 チクソキャスティング（フレミングら上記「レオキャスティング」[1976]に引 用）は、レオキャスティング法の改良であり、材料は、最初にレオキャストされ てビレットにされ、適当な大きさのスラグに切断され、次いで、ダイキャスティ ングのため固液状態に再溶解される。然しながら、チクソキャスティングは二段 階処理であり、別個の工程で準備した供給材料が必要であり、その工程は、ＳＳ Ｍ法のための余分のビレットないし粉末が高価で利用性の低いことから、その操 業をより高コストにしている。 チクソモールディングは、マグネシウムのペレット又は粒がスクリュー射出機 に供給され、これらチップが加熱と剪断によりＳＳＭスラリーに変えられるとい う異なった方法である（Bradley,N.L.,Wieland,R.D.,Schafer,W.J.,and Niemi,A .N.,米国特許番号５０４０５８９（１９９１））。しかし、気孔巣は加圧ダイキ ャスティングに比較して低減するかもしれないが、除去することはできず、まだ 問題がある。空気（あるいは不活性ガス）がペレットとともにバーレル中に入り 、部品中での気孔巣の発生源になるであろうからである。さらに、供給材料は、 チップないし粒状の形になければならず、もし原料が棒、板またはインゴットの 形であれば、予備切断段階を必要とする。スクリューが装入口近くでペレットに 直接接触するので、過剰の摩耗も生じる。 プライアー（Pryor）らの米国特許番号４５３７２４２（１９８５）は、「チ クソフォージされた（Thyxoforged）銅基合金薬莢を形成するための方法及び装 置」を提案している。他のチクソプロセスと同じように、ＳＳＭは、最初に形成 されて、次いで鋳造（凝固）され、そして鋳造過程で再溶解のため加熱され る。 ヒライ（Hirai）らの米国特許番号５１４４９９８（１９９２）は「半凝固金 属組成物の製造のための方法」についてのものである。ヒライは、ロッド型攪乱 機の剪断速度を制御してその結果の混合物中の固体割合を制御することを最初に 方向づけた。 半固体プロセスの概念は将来有望であると思われるが、どのようにしてそのス ラリーの製造と成形の方法を有効に実行することができるかという主要な問題が 残っている。鋳型中での早期の凝結を得る可能性が、スラリーの固体の割合が高 くて熱伝導度が高いことにより、大きくなる。半固体金属の粘度は大きな温度感 受性があるので、ＳＳＭダイキャスティングのプロセス制御と鋳型設計とは、従 来のダイキャスティングよりも難しくなるように予期される。これに関して、数 値的な予測法が、プラスチックの射出成形についてはコストと時間の短縮のため 有用であると証明されている。にも拘わらず、移動中の自由表面とＳＳＭの慣性 効果との結合した非直線性のために、非常に制限された実験結果及び数値的処理 だけが、流れの解析に使用できる。 発明の概要 本発明は、半固体材料（金属合金、金属マトリックス複合材料を含む）からネ ットシェイプで気孔巣のない金属部品を製造するための新規な方法と装置を提供 するものである。基本的な考えは、金属について従来のダイキャスティング（近 似ネットシェイプ法）を射出鋳造法（ネットシェイプ法）に変えることにある。 この考えは、レオキャスティング法における２つの段階（スラリー製造とダイキ ャスティング）を合体させる射出鋳造機（injection molding machine）を使用 することと見ることができるから、我々は、この方法を「レオモールディング（ "Rheomolding"）法」と名づけ、発明した装置を「レオモールディング機（"Rheo molding machine"）」と名づける。本発明は、我々は期待しているのたが、ダイ キャスティング工業界に大きな衝撃を与え、従来のダイキャスティングを旧式な ものにしてしまうだろう。 レオモールディング法では、溶融金属は、特別に設計された射出鋳造機（図１ ）に供給され、回転スクリューによりその材料に剪断が加えられている間にバレ ル内で冷却される。ホッパーは、材料の酸化を防止するための遮蔽ガスで充満さ れ、帯状ヒータにより加熱されて、供給材料を溶融状態に保持している。垂直ク ランピング／垂直射出の配置が金属の重力効果を最小にするために選ばれている 。これは、水平に射出された金属では、ダイの底部に沈んで、キャビティーの底 部を満たしてしまい、慣性効果支配の流れパターンを導き、このような流れのパ ターンは充足と冷却に著しい不均衡を生じさせ、最終製品の機械的性質に影響す るからである。 この方法は、完全に溶融した供給材料を要するが、下記の利点があるので、実 際により経済的に有効になり得る。即ち、 １ レオモールディング機への供給材料は、液体状態であり、インゴット、棒 、或いは回収屑から溶解している。これは、高価な金属粉末やあらかじめ形成し たＳＳＭビレットのコストや、インゴットをペレットやチップに切断する時間と エネルギー入力を節約する。 ２ ホッパー中の溶融金属が低い粘度と高い密度を有するから、ホッパーとバ ーレル中の空気は、垂直機中での溶融金属中で大きな浮力があるので機械の初期 段階で、ホッパーの上部から急速にかつ滑らかに除かれる。 ３ 方法が一段階でよく相対的に単純である。この方法は、プラスチック工業 におけると同様に、完全にオートメーション化ができる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の装置の側面図を示す。 図２は、本発明の装置の正面図を示す。 図３は、本発明の装置の剪断／冷却部の断面の詳細図を示す。 図４は、本発明の射出器のノズル端部と、本発明に使用する鋳型の一部の断面 の詳細を示す。 図５は、本発明の装置の剪断／冷却部に使用される熱移動システムの断面を示 す。 図６は、本発明の方法の各段階のフローチャートを示す。 図７ａ−７ｃまでは、異なる固体割合でレオモールドされたＳｎ−１５％Ｐｂ 合金のミクロ組織を示す。 図８は、実施例中に使用したようならせん鋳型の断面中でのＳｎ−１５％Ｐｂ 合金のミクロ組織を示す。 図９は、装置中の材料のための温度プロフイルを示す。 好ましい実施形態の説明 特別のＳＳＭ射出鋳造機（「レオモールディング」機）が、プラスチックの射 出成形でなされているような短い繰り返し時間で、気孔巣の少ない複雑なＳＳＭ 部品を連続的に製造する永久鋳型内に半固体金属を鋳造するために、設計され設 置された。図１と図２は、それぞれ、側面と前面から見た本発明の装置を示す。 この２つの図中の同一参照番号は、同一部分を指している。 レオモールディング機の物理的構造は、プラスチック射出成形機で最も普通の 水平的なデザインよりもむしろ垂直な配列が使用されてはいるが、プラスチック 射出成形機のそれに似ている。装置は、基礎（４０）上に立設され、この基礎上 には鋳型が置かれ、緩衝ユニット（４２）上に装着されている。垂直な連結棒（ ４１）がユニットの作動部分を支持するようにされ、そして制御盤（１５）と粉 末供給／制御ユニット（１３）は従来のものである。 ホッパー（１）が原料のために備えられ、原料はヒーターバンド（２）によっ て溶融状態に維持されている。溶融金属中に運ばれるかもしれない空気を追い出 すために適当な配管（３）を通して、窒素又はアルゴンのような不活性保護ガス を溶融金属上に吹きつけるとができる。 装置の作動部分は、底から上まで、ノズル（６）であって、これは、半固体材 料を鋳型（不図示）に供給するもので、ゼロ加圧のスクリュー剪断／冷却ユニッ ト（８）は、材料を剪断／冷却領域に保持するためのシール（１７）を伴い、ス クリューの軸（４３）をスクリューを回転させるためモータ（９）に結合させ、 且つスクリュー軸を上下に自在に摺動させるようになっている。モータは油圧式 が好ましい。モータ（９）とスクリュー軸（４３）は、油圧ラム（１０）によっ て、上下に移動でき、油圧ラムは、ホース（１１）により油圧媒体に結合されて いる。油圧アキュムレータ（１２）は、ホースと結合し、油圧ポンプとタンクユ ニット（１４）により加圧されている。油圧アキュムレータの使用は、その軸を より素早く動かせるのを可能にし、半固体材料の鋳型への急速な射出のために必 要である。制御用の熱電対（５）が、以下に議論するように、正確な温度制御を 維持するために備えられている。 図３は、装置（（８）図１、図２）の剪断／冷却部の内部の詳細を示している 。ホッパー（１）は、ダクト（２８）を通って、充分に下降した位置にあるスク リューの上端レベルで、バーレル（１９）キャビティーの上端と接続している。 スクリュー（１８）は、バーレル（１９）内で完全に下降した位置で示して あり、スクリュー（１８）の端部に逆止弁（２２）を有し、逆止弁は、スクリュ ーキャビティーの端部で蓄積領域（３１）を占有し、ノズル付属物（６）と接触 している。スクリュー（１８）は、非圧縮型で、長手方向に間隔を設けた段部（ ２０）と内側段部間隙（２１）とを有している。スクリューの段部（２０）とバ ーレル（１９）の内壁との間には、約０．０２５４ｍｍの狭い隙間がある。バー レル（１９）は、断熱材（２３）により取り囲まれた加熱コイル（２５）と冷却 ダクト（２４）とによって取り囲まれている。ノズル領域も、加熱コイル（２７ ）と断熱材（２６）により取り囲まれている。 図４は、剪断／冷却部のノズル端部を示す。上述のように、ノズル（２８）領 域は、加熱コイル（２７）と断熱材（２６）により取り囲まれている。剪断／冷 却部の蓄積領域（３１）は、ノズル（２８）に通じており、ノズルの端部は、ス プリング（３０）で閉じるように付勢されたバルブピン（２９）で選択的に閉止 されている。 鋳型は、２つの部分（３５）と（３６）の中にあり、（３２）で材料の流入の ための開口部を有している。鋳型も、断熱材（３３）の内側の発熱素子（３４） を通じて温度制御がされる。２つの鋳型部分の間にも断熱材（３８）と発熱素子 （３７）がある。熱電対が温度の測定と調節のために適当な場所に備えられてい る。 本発明で使用されるような冷却過程での温度制御は、チクソモールディングや 他の先行技術の方法によって使用された加熱過程と比較して非常に難しく、一層 の精度を必要とすることはよく知られている。図５の断面図を参照して、バーレ ル（５４）温度は、集合化した加熱−冷却バーレルジャケット（加熱素子と冷却 管を持つ）により正確に制御される。 早い応答と正確な温度（あるいは冷却速度）制御を達成するために、新しい熱 ジャケットが装置の剪断／冷却帯のために設計されている。図５の断面図中に示 すように、ジャケットは、最も外側層から最も内側層に向けて、鋳造材料の外側 ジャケット（５０）を含み、これは好ましくは周囲温度の影響を最小に するための断熱材料を含む。この層の内側には、冷却流体のための冷却層（５１ ）があり、冷却流体は一定温度での気体又は液体（例えば、空気、水、油、他の 冷却剤）でよい。さらに、好ましくは電熱素子の加熱層（５２）があり、さらに 別の鋳造材料の内側層（５３）がある。この層は、好ましくは、高い熱伝導度、 高融点及び化学的安定性のある金属からなっている。バーレル（５４）それ自体 は、この鋳造層（５３）の内側にあって、供給材料が流れ込んで剪断力を受ける 狭い間隙（５５）を備えている。スクリュー（５６）が最も内側領域を占めてい る。 注意すべきことは、電熱層（５２）は冷却すべき帯域（５５）と冷却層（５１ ）との間に位置させるべきことである。各種のタイプの利用可能な加熱素子（棒 、帯、管など）があり、いずれもこの発明の教示の範囲内で使用できる。熱ジャ ケットの基本的な概念は、冷却液体を、供給材料帯（５５）ための所望の温度よ りも低い一定温度で、冷却帯域中にポンプ供給し、電気加熱（５２）を適用して 余分の熱損失を補償することである。そのため、この装置は、容易にできる自動 電熱制御を利用して温度を正確に制御することができる。 この方法における主要な制御パラメーターは、ホッパー温度、バーレルとノズ ルの温度、バーレル内での冷却速度（材料凝固速度）、スクリュー回転速度（剪 断速度）、混合時間、射出速度、射出圧力、充填（パッキング）圧力、充填時間 、鋳型温度及び冷却時間を含む。 図８は、上述した装置で実施されるような、本発明の方法のフローチャートを 示す。この方法は、図３に示したように、充分に低い位置にスクリューがあると きに始まり、ノズルバルブは閉じられ、スクリューの段部には材料で満たされて いると仮定する。スクリューは、処理中回転を続けている。 第１段階（６０）では、完全な液体の金属がホッパーから剪断バーレルに投下 される。液体金属は、スクリューとバーレル内壁との間の内側段部間隙に流れこ む。その領域が満たされた時、材料の流れは停止する。 操作サイクル中の「混合」段階は、材料は回転中のスクリューで連続的に剪 断され、バーレルジャケット中の冷却媒体により冷却されるが、この段階が、半 固体材料の製造の有効性と能率への鍵である。処理上の観点から、最適化された 処理とは、バーレル中で最高の冷却速度（最短のサイクル時間）と最も遅い剪断 速度（即ち、最低の電力消費）とで最も微細な結晶粒（即ち、最も良好な機械的 性質）を生じ得る処理である。制御パラメータの適切な値を決定するために一連 の実験がなされた。種々の処理条件からの試料のミクロ組織が比較され、Ｓｎ− １５％Ｐｂ合金中の微細な非樹枝晶組織を生成させるための適切な処理の窓が明 らかにされた。 溶融金属がスクリューの段部とバーレル（５５）との間の狭い間隙に流れると き、その金属は、活発に剪断され（剪断速度 ±２００／sec）、冷却管（５１ ）を循環している冷却媒体によって除去される適当な量の潜熱を伴って、急速に 冷却される。その材料は、微細な球状晶を有する半固体状態になる。冷却剤の温 度は、常に好ましい材料温度より低いので、加熱素子は、過剰量の熱除去を補償 するように加熱エレメントが制御され、必要な材料温度を維持する。この装置は 、材料が冷却されながら剪断力が材料に作用しているときには「混合」モードに 引き込むことなくスクリューが回転するように設計されている。 バーレルとノズルの温度制御は、レオモールディング法においては最も臨界的 な要素の１つである。というのは、０．３〜０．５の範囲で固体の重量割合（fs ）にあるＳｎ−１５％Ｐｂ合金のレオモールディングでの温度が１℃だけ変化す ると、固体の割合は３．２〜９．９％だけ変化するからである。それで、レオモ ールディング機の設計では、＋０．５℃以下の狭い精度の温度制御が基本である 。 図９は、試料に使用されたＳｎ−１５％Ｐｂ合金のために設定され、０．３〜 ０．４の範囲の固体の重量割合（fs）を有するときの剪断／冷却領域のための温 度曲線を示す。溶融金属が剪断／冷却帯に流れ込むホッパー出口（９０）で、溶 融金属は２２５℃であり、その合金の液相線温度（２１１℃）より高温である。 金属がスクリューに沿って下方に流れ込む時、（９１）を通って、 溶融金属は冷却され、（９２）で液相線温度より低温に冷えて、（９３）と（９ ４）とを通って連続的に冷えてくる。ノズル（９５）は、閉塞するのを防止する ため液相線温度より高く僅かに加熱されており、鋳型領域は、鋳型内で金属が凝 固するように、再度液相線温度より低くなっている。 スクリューは「負荷」段階（６２）で回転して引き込み、この時前述のショッ ト形状の準備したＳＳＭがスクリュー（３１）の前で蓄積領域に向けて前方に押 し出される。溶融金属ないし半固体金属の粘度は、溶融ポリマーの粘度より数オ ーダ低いから、スプリング付勢した閉止ノズル（図４参照）の単純であるが有効 な設計が、垂直型機でバーレル荷重過程で材料がノズルから（重力により）流れ 出ることを妨げるのに使用される。 最終段階（４）では、スクリューは、油圧ラムにより下方へ素早く押出され、 ノズル中のスプリング荷重バルブを開けて、鋳型中に材料を射出する。スクリュ ーの端部の逆止弁は、材料がスクリューを通って上方へ流れないように保ってい る。 予備実験の結果は、本発明の方法と装置が、ＳＳＭ試料の製造に有効であり能 率的であることを示している。ホッパーへの装入原料は、液体状態であり、材料 中に混合した空気は、特に、保護ガスの注入で最低にできる。 レオモールディング実験から一連の短いショットの観察から、明らかに、流れ の場は慣性効果により強く影響を受けるが、まだ層流にあり、乱流により引き起 こされる気孔巣は低減した。部品の熱的な収縮は、ＳＳＭ中の低い潜熱容量のた めに低下し、収縮巣も同様に低下するだろう。これは、レオモールディングされ た部品の気孔巣は、加圧ダイカスト品と比較して劇的に低減することを意味する 。 気孔巣が実際的に除去され、歪みが小さくなるので、ネットシェイプダイキャ スティングを提案した方法で達成できることが可能になる。この方法で製作した 各部品の最終コストは、この機会に見積もることはできないが、高品質の金属部 品が提案したネットシェイプ製造方法により低コストで製造できると信 じられる。 らせん鋳型のための実験的数値的結果 鋼製らせん鋳型による実験が行われた。鋳型の半厚みが１．５ｍｍで、全幅が １５ｍｍである。２つの圧力変換器がキャビティー内の２個の下降流れ位置に平 面取付けされた。鋳型温度は、水温調節ユニットで制御した。温度（ホッパー、 バーレル、ノズルとらせんの入口で）、ラム位置、スクリュー回転速度、スクリ ュー作動油圧力、キャビティー内の圧力指示値がデータ読取りシステムを使用し て記録された。 Ｓｎ−１５％Ｐｂが、見積もった剪断速度２００sec^-1の速度で混合された。 射出容積流速は、１．１２８×１０^-4m³/secに設定した。これは、らせん全部が この射出速度では０．１秒で満たされはずだった。しかし鋳型内での急な冷却と 凝固により、機械の最高圧力に達成したときいつでも、注入段階は停止した（例 えば、短いショットが生じて）。 種々の処理条件でレオモールディングしたらせん試料のミクロ組織が試験され 、その結果により、レオモールディング機は、半固体スラリー中の樹枝状晶の破 壊に有効であることが確認された。 図７ａ−ｃは、レオモールディングしたＳｎ−１５％Ｐｂで、レオモールディ ング法での結晶生成を示すため、固体の割合（fs）が０（図７ａ）、０．２２（ 図７ｂ）および０．４２（図７ｃ）であるもののミクロ組織を示す。鋳型内に射 出する溶融金属（fs＝０）から形成された樹枝状組織と比較して、低い固体割合 （図７ｂ）では、結晶は、殆ど樹枝状破片がなく大部分は粒状である。丸くなる 効果が固体割合が高くなるほどより強くなり、結晶はより球状で一様になる（図 ７ｃ）。観察によれば、レオモールディング法での結晶成長の機構は、共軸柱粘 度計実験（Wang,N.,Shu,G．and Yang,H.”Formation and Growth of Solid Part icles in Shear Flow”,Journal of materials Science，vol.25,pp.2185-2187[ 1990]）における単純な剪断流れの下での機構に似ている。但 但し、レオモールディング法でもっと強い剪断力（これは、高い固体割合で小さ くて丸い結晶を導く）が期待される場合は別である。 図７ｃは、図８に示したような断面中での初晶分布のためのさらなる試験をし ている。らせんの外側に近い中心コア部に初晶の濃化が明瞭に見られる。特に、 間隙方向への壁面近くに独特な層があり、固体粒子を全く含んでいない。 この現象は、間隙の厚みが薄くて、壁面での剪断速度が非常に高いので、剪断 誘発拡散によって生じている。幅を横切って、大抵の初晶は試料の外側にあり、 内側には球状粒子は殆ど見られない（図８に示さず）。 １８０°エルボの内側近くに始まり、中心部に向けて流れ方向に広がっている 流れマークも観察された。上述したように、１８０°エルボの外側領域近くでの 速度と温度とは低く、大部分のスラリーは内側近くの狭くなっている間隙を押し 入って通らなければならない。その結果、剪断速度は、内側では高く、外側領域 では低い。 この剪断速度勾配が、図８で観察されたように、初晶と液体マトリックスの偏 析の原因となると信じられる。また、充填段階の終わり近くでの高度の剪断によ り、鋳型表面上で凝固しているが軟らかい幾らかの材料が、スラリーによりその 流れ方向に引きずられる。そこで、流れマークは、凝固した材料が高圧で鋳型表 面を滑る際の摩擦によって生じる。 従って、ここで述べた本発明の実施例は、発明の原理の応用の単なる例証にす ぎないものと理解すべきである。例証した実施例の詳細をここに参照したのは、 請求の範囲を制限するのを意図するものではなく、請求の範囲は、本発明に基本 となると見なされる特徴を列挙したものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワン，シャウ−ポー アメリカ合衆国14850ニューヨーク州 イ サカ、グラハム・ロード・14ディ、100番 (72)発明者 ペン，スアン アメリカ合衆国14850ニューヨーク州 イ サカ、ガスライト・ビレッジ20−シー番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半固体形態の金属を鋳造するための、以下を含む射出鋳造機械。 ａ） 液相線温度を超える温度に金属を保持する手段と、下端部に液体金属用 の流体出口と、を有する液体金属用のホッパー、 ｂ） 以下のものを含む垂直な剪断／冷却部、 ｉ）下端部と上端部とを有する固体管状バーレル、その中心の軸状間隙、及 びホッパーの流体出口に連結された液体金属の入口のための上端部近くの流体入 口、 ii）バーレルの軸状間隙内に配置したスクリューであって、上端部から伸び た軸を有し、かつバーレルの長さよりも短い長さを有し、軸状間隙の壁面とスク リューの段部との間に僅かのギャップをもって軸状間隙内に適合し、及び、回転 運動が可能で、且つスクリュー下端がバーレルの下端部の近くにある第１の位置 からスクリュー上端がバーレルの上端部の近くにある第２の位置までの軸方向運 動の可能な、当該スクリュー、 iii）鋳型に対合するノズルであって、軸状間隙の下端部にシール可能に位 置して、軸状間隙から鋳型に対合するノズル下端部への流体通路を有する当該ノ ズル、 iv）軸状間隙の上端部上でスクリュー軸回りに配置して、スクリュー軸の回 転と上下動とを可能にする間に液体金属の流れを妨げるためのシール手段、 ｖ）バーレルを金属の液相線温度より低い温度に保持するための温度制御手 段、 ｃ）スクリュー軸に連結されて、スクリューを回転させるための手段、 ｄ）スクリュー軸に連結されて、スクリューを第１の位置から第２の位置へ長 手方向に移動させるための手段、 該機械は、液体金属が、スクリューが第１の低い位置にあるときに剪断／冷却 部に供給され、温度制御手段の制御下で液相線温度より低く冷却されて半固 体材料を形成する回転するスクリューにより剪断され、回転するスクリューが第 ２の上方の位置に移動して、次いで、スクリューが急速に第１の低い位置に移動 して半固体材料をノズルを通して鋳型中に噴射させるように、作動すること。 ２．ホッパーが、液体金属上に保護ガスで満たされている請求の範囲１の鋳造 機械。 ３．ガスが、窒素又はアルゴンを含む群から選ばれる請求の範囲２の鋳造機械 。 ４．スクリューを回転させる手段が油圧モータである請求の範囲１の鋳造機械 。 ５．スクリューを長手方向に移動させる手段が油圧ラムである請求の範囲１の 鋳造機械。 ６．油圧ラムが、蓄圧機からの加圧流体により下方に急速に移動される請求の 範囲５の鋳造機械。 ７．スクリューが非加圧型である請求の範囲１の鋳造機械。 ８．スクリューが、スクリューが上方位置から下方位置に移動したときに上方 への液体流れを防止するために下端部に逆止弁を有している請求の範囲１の鋳造 機械。 ９．剪断／冷却部の温度制御手段が以下を含む請求の範囲１の鋳造機械。 ａ）バーレルの回りの加熱手段、 ｂ）加熱手段の回りの冷却手段、 冷却手段が金属の液相線温度より低い一定温度で作動し、加熱手段が、バーレ ルの温度を所望の最終温度に上昇させるために作動させること。 １０．加熱手段が電気加熱コイルを含む請求の範囲９の鋳造機械。 １１．冷却手段が冷却された流体で満たされた導管を含む請求の範囲９の鋳造機 械。 １２．流体が水である請求の範囲１１の鋳造機械。 １３．流体が空気である請求の範囲１１の鋳造機械。 １４．ノズルがさらに閉止バルブを備えた請求の範囲１の鋳造機械。 １５．閉止バルブが、通常は閉止し、スクリューが上方から下方へ動いたときに 開いて半固体金属を流すために変位したスプリング付勢バルブである請求の範囲 １４の鋳造機械。 １６．ノズルがさらに温度制御手段を含む請求の範囲１の鋳造機械。 １７．温度制御手段が、金属の液相線温度を超える温度にノズルを加熱するため の加熱手段である請求の範囲１６の鋳造機械。 １８．以下の段階を含む半固体金属を射出鋳造する方法。 ａ）液相線温度を超える金属で出発すること、 ｂ）回転する垂直の非加圧型スクリュー攪乱機で金属を剪断すること、 ｃ）剪断されている間に金属を冷却して、液相線温度より低温で半固体状態に すること、 ｄ）スクリュー攪乱機を上昇させて、半固体金属をスクリュー撹乱機より下方 で蓄積させること、 ｅ）スクリュー攪乱機を急速に下降させて、蓄積された半固体金属を鋳型に射 出すること。 １９．出発金属が保護ガスが満たされたポッパー中に保持される請求の範囲１８ の方法。