【発明の詳細な説明】
金属射出成形用の粒状の供給原料
本発明は、合金または複合材料からなる粒状物に関する。該粒状物は、チキソ
トロープ合金の射出成形または注入成形の供給材料として用いるのに特に適当な
ものである。本明細書中において用いられる際に、「複合材料」または「合金複
合材料」とは、セラミック強化材を含有する合金マトリックスを含み、かつ金属
マトリックス複合材料を含む。
合金または複合材料の半固体加工は、現在多くの関心が示されている技術分野
である。前記加工は、通常、後に加工されるチキソトロープ合金の組成を必要と
する。チキソトロープ合金は、金属または合金の固体粒子が溶融した金属の液相
に均一に懸濁されるときに製造される。このように製造される該半固体素材は、
チキソトロープレオロジーを有する。
チキソトロープ合金は、射出成形により金属製品を製造すべく加工されるもの
である。
チキソトロープ合金を製造するための多くの方法が提案されている。ダウケミ
カル社に付与されてなる米国特許４，６９４，８８１号および４，６９４，８８
２号の双方の、その文献に取り入れられた全体的な内容は、スクリュー押
出機のような、押出機の中へホッパーから金属合金の固体粒子を供給することか
らなるチキソトロープ合金の製造方法が記載されている。米国特許４，６９４，
８８１号では、該固体粒子は、該合金の液相線温度より高い温度まで押出機中で
加熱される。こうして得られた該溶融素材は、続いて固相線および液相線温度の
間の温度まで冷却され、そして他の状態に形成されてなる樹枝状結晶構造をこわ
すために剪断に供される。結果として生じるチキソトロープ合金の液体−固体組
成物は、成形された製品を形成するために金型中に射出される。
米国特許４，６９４，８８２号には、供給金属粒子の完全な溶融が生じること
なしに供給合金粒子が固相線と液相線温度の間の温度まで加熱されることを除き
、同様の方法を記載する。
上記方法の双方が、ハンドリングに便利なサイズの供給粒子またはチップを利
用する。特にこれらの特許は、不規則な形状を持つチップの使用を記載している
。用いられる該粒子のサイズは、その発明では重大でないものだけれども、相対
的に小さな粒子サイズが、伝熱およびハンドリング要求性能のために望ましいも
のであるとして記載されている。
本出願人により実施された実験では、米国特許４，６９４，８８１号および４
，６９４，８８２号に記載された方法に用いた粒子はホッパーで壊れやすく、か
つスクリュー
押出機で焼付くことが示されている。さらに該粒子は、優れた充填特性を示すも
のでなく、該金属粒子の部分溶融を生じるために十分な熱伝達率を達成するのに
困難を生じることがあり、また温度の制御をより困難にする。
本発明者らは、チキソトロープ合金の製造および前記合金の射出成形に用いる
のに特に好適であるところの金属の合金および複合材料の粒子を新たに開発した
ものである。
第１の目的としては、本発明は、粒子の実質的部分(substantial proportion)
が該粒子の有効径に対する該粒子の最大寸法の長さの比１．０〜４．０の範囲内
になるように作られ、粒子の実質的部分(substantial proportion)が、該粒子の
最大寸法の長さ０．５〜５ｍｍの範囲内にある粒子サイズを有することを特徴と
する金属の合金または複合材料の粒子よりなる粒状物を提供する。好ましくは、
上記粒子が、該粒子の有効径に対する該粒子の最大寸法の長さの比１．２〜３．
０、より好ましくは１．２〜２．０の範囲内になるように作られる。以下に使用
する際には、粒子の有効径に対する該粒子の最大寸法の長さの比は、「アスペク
ト比」として示す。
粒子の有効径は、該粒子が通過することができる最小円を測定することにより
決定される。当該円の直径が、該粒子の有効径である。
好ましくは、該粒子が１〜３ｍｍの範囲内で最大寸法を有することである。
該粒子は、粒子の該素材(mass)のタップ密度(tap density）が、好ましくは該
合金または複合材料の理論密度の少なくとも５０％となるように作られる。
上記粒子は、好ましくは実質的に滑らかな表面構造を有する。
好適な実施態様としては、粒子の実質的部分(substantial proportion)が、粒
子の該素材(mass)の少なくとも４０重量％、好ましくは少なくとも６０重量％、
より好ましくは少なくとも８０重量％、最も好ましくは粒子の該素材(mass)の少
なくとも９５重量％からなるものである。
一方の実施態様としては、該粒子が好ましくはほぼ卵形の形状を有することで
ある。前記粒子は、ラグビーボールと同様な形状を有するとして、あるいは縦軸
について楕円または概ね楕円形状の回転体によって形成された形状であるとして
表現されるものであっても良い。
他の実施態様としては、該粒子は、概ね涙滴に形成された輪郭を有し、あるい
は平らになった涙滴として表現される輪郭を有するものであっても良い。当該実
施態様としては、粒子の縦断面図において、該粒子の第１端は、概ね半球状また
は半卵形の形をした部分を有する。当該概ね半球状または半卵形の形をした部分
は、それから一般に先端で平らになるであろう。当該部分は、該粒子が点である
いは小さな曲率半径を有する部分で終わるところの該粒子の第２端に向けて先細
になる。該粒子の全体にわたる形状は、
横断面の平面形状の回転体として、一般に形成されると考えてよい。しかしなが
ら、該粒子は、十分になめらかな表面構造を有すべきであり、該粒子は（該フッ
トボールの形をした粒子である場合には）、小さなざらつき度を有するであろう
ことが理解される。
第２の目的として、本発明は、金属の合金または複合材料の供給粒子が加熱さ
れ、そして実質的部分(substantial proportion)の該供給粒子各々が、該粒子の
有効径に対する該粒子の最大寸法の長さの比１．０〜４．０の範囲内にあるよう
な形状を有し、かつ該粒子の実質的部分(substantial proportion)が、該粒子の
最大寸法０．５〜５ｍｍの範囲内にある粒子サイズを有する固体粒子および液体
の十分に均一な混合物を製造するために剪断機にかけられることを特徴とするチ
キソトロープ合金の製造方法を提供するものである。
本発明の第２の目的の好適な実施態様としては、該粒子が、該粒子の有効径に
対する該粒子の最大寸法の長さの比１．２〜３．０、より好ましくは１．２〜２
．０の範囲内となるように形造られる。
該供給粒子の実質的部分(substantial proportion)は、好ましくは該粒子の実
質的部分(substantial proportion)の最大直径が、好ましくは１〜３ｍｍの範囲
内にあるとする粒子サイズを有する。該粒子は、好ましくは十分になめらかな表
面構造を持つ。好適な実施態様としては、該粒子
の実質的部分(substantial proportion)が、粒子の該素材(mass)の少なくとも４
０重量％、好ましくは少なくとも６０重量％、より好ましくは少なくとも８０重
量％、最も好ましくは粒子の該素材(mass)の少なくとも９５重量％からなるもの
である。
チキソトロープ状態は、該粒子の加熱および剪断変形を含む任意な適当な方法
により製造されるものである。しかしながら、該チキソトロープ状態がスクリュ
ー押出装置の使用により製造されることが特に好ましいものである。この場合に
おいて、該供給粒子は、スクリュー押出機に供給され、その後それらは第１加熱
ゾーンに入れられ、そして該合金または、複合材料の融点より高い温度に加熱さ
れる。該溶融材料は、その後第２ゾーンに送られ、該溶融金属は、液相線温度よ
り低くかつ固相線温度より高い温度にまで冷却される。幾つかの該材料の凝固は
、固体粒子および液体の混合物の形成を生ずる。該押出機のスクリューは、該混
合物が大きな結晶構造の形成を防ぐために剪断され、そしてチキソトロープ材料
が形成されるべく回転させられる。
もしくは、該供給粒子は、該材料の固相線温度より高いが該材料の液相線温度
より低い温度にまで該スクリュー押出機の第１ゾーンで加熱されてもよい。剪断
は、チキソトロープ材料を製造するために該押出機のスクリューの回転によって
生じた液体および固体粒子の混合物に向けられる。
本発明の方法は、スクリュー押出機の使用に制限される
ものでないことは理解されるべきであるが、必要とされる温度まで該供給粒子を
加熱し、かつ液体金属および固体粒子の混合物に対する剪断力を供給することの
できる任意の手段が用いられてもよい。例えば、該混合物は、回転プレートの運
転にかけられるか、あるいはチキソトロープ材料を製造するために該混合物に十
分な剪断力を与えるために押出機の曲がりくねった経路を通って通過することで
引き出される。さらに別の場合としては、電磁撹拌が、チキソトロープ材料を得
るために用いられてもよい。
該供給粒子は、重力供給またはコンベヤー供給によりホッパーから供給されて
もよい。
本発明の第２の目的の方法によって形成されるチキソトロープ材料は、射出成
形によって金属成分の製造に用いるのに特に好適である。したがって、本発明は
また、固体粒子および液体の十分に均一な混合物を製造するために金属の合金ま
たは複合材料からなる供給粒子を加熱し、そして剪断し、金型の中に前記混合物
を射出し、該金型中で該混合物を少なくとも部分的に凝固させ、そして該金型か
ら製品を取り除くことからなるものであって、粒子の実質的部分(substantial p
roportion)が、該粒子の有効径に対する該粒子の最大寸法の長さの比１．０〜４
．０の範囲内にあるように作られ、かつ該粒子の実質的部分(substantial propo
rtion)が、該粒子の最大寸法０．５〜５ｍｍの範囲内にあるところの粒子サイズ
を有することを特徴とする該製
品の製造方法を提供するものである。
上記粒子は、好ましくは該粒子の有効径に対する該粒子の最大寸法の長さの比
が１．２〜３．０、より好ましくは１．２〜２．０の範囲内にあるように作られ
たものである。
本発明の当該粒子は、任意に必要とされる金属の合金またはその複合材料のも
のであってもよい。幾つかの適当な材料は、金属、並びに鉛、アルミニウム、亜
鉛、マグネシウム、銅、および鉄を基材とした金属間化合物の合金を含有する。
当該好適な粒子は、アルミニウムの合金である。
本発明は、次に図面に関して、さらに記載したものであり、
図１は、本発明に係る「フットボール」の形をした粒子の概略断面図を示し、
図２は、図１に概略的に示された実際の粒子の走査電子顕微鏡写真を示し、
図３は、本発明に係る他の粒子の概略横断面図を示し、
図４は、前記粒子に関するアスペクト比の計算を表すべく図３と同様の図を示
し、
図５および６は、さらに本発明に係る粒子の走査電子顕微鏡写真を示し、
図７は、顆粒タイプ１に関するアスペクト比の百分率度数分布を示し、
図８は、顆粒タイプ１に関する「長さ」寸法の百分率度数分布を示し、
図９は、顆粒タイプ１に関する「幅」寸法の百分率度数分布を示し、
図１０は、顆粒タイプ２に関するアスペクト比の百分率度数分布を示し、
図１１は、顆粒タイプ２に関する「長さ」寸法の百分率度数分布を示し、
図１２は、顆粒タイプ２に関する「幅」寸法の百分率度数分布を示し、
図１３は、より針状構造を有する本発明に係る粒子の走査電子顕微鏡写真を示
し、
図１４は、顆粒タイプ１を用いた５７５℃での坩堝試験で製造されたスラリー
の顕微鏡写真を示し、
図１５は、顆粒タイプ１を用いた５９０℃での坩堝試験で製造されたスラリー
の顕微鏡写真を示し、
図１６は、顆粒タイプ２を用いた５７５℃での坩堝試験で製造されたスラリー
の顕微鏡写真を示し、
図１７は、顆粒タイプ２を用いた５９０℃での坩堝試験で製造されたスラリー
の顕微鏡写真を示す。
好適な実施態様としては、本発明の当該粒状物の実質的部分(substantial pro
portion)の該粒子は、１．２〜３．０、より好ましくは１．２〜２．０の間の有
効径に対する最大寸法の比と共にほぼ卵形の粒子形状を有する。当該比は、該粒
子のアスペクト比として示してもよい。それらの粒子は、さらに伸ばされた球の
形状またはラグビーボール
のような形をしたものであるとしてその特徴を表すことができる。上記粒子の好
適な形状は、図１に概略的に示されている。上記粒子に関するアスペクト比は、
該粒子に関する有効径に対する長さの比から決定される。すなわち、図１につい
て、本発明は、Ｌ／Ｄ＝１．０〜４．０、好ましくは１．２〜３．０、より好ま
しくは１．２〜２．０であることが必要とされる。
寸法Ｌは、好ましくは０．５〜５ｍｍの範囲内である。
図２は、概ね卵形の形状であることろの実際の粒子の走査電子顕微鏡写真を示
す。また該粒子は、概ね円柱状の形状でかつ曲線的な端部を持つものとして記載
されていてもよい。
さらなる実施態様としては、該粒子は、一端で平らにされてた概ね涙滴形状を
有する。粒子の横断面図を示すところの図３に関して、おおよそ平らにされた涙
滴形状の粒子２０は、概ね半球状または半卵形の形状の形であるところの第１端
２１を有する。第１端２１は、先端２２で平らになるであろう。粒子２０は、第
１端２１が第２端２３に向かって先細になるように形づられる。第２端２３は、
点であるいは小さな曲率半径を有する部分２４で終わる。
図３は、粒子２０の横断面図を示す。該粒子の全体にわたる形状は、縦軸２５
に対する横断面の回転体の形状とみなしてよい。
図４に関して、粒子２０のアスペクト比は、１．０〜４．
０、好ましくは１．２〜３．０、より好ましくは１．２〜２．０の範囲内になる
。フットボールの形をした粒子の場合、粒子２０のアクペクト比は、Ｌ／Ｄ比に
よって与えられる。ここで、寸法Ｌは、該粒子の最高の高さであるとみなしてよ
い。寸法Ｄは、該粒子が通過することができる最小の円の直径である。
さらにまた、本発明の範囲内である粒子の走査顕微鏡写真は、図５および６に
示されている。
本発明の粒状物は、上記に記載された実施態様にしたがって形づられた粒子の
実質的部分(substantial proportion)を含めるべきである。本発明の当該粒状物
の製造においては、実質的部分(substantial proportion)の不規則に形造られた
粒子もまた形成され、そして該粒状物に含められることになる。前記不規則に形
造られた粒子の存在は、該不規則に形造られた粒子が受入れ難い程大量に存在し
なければ、該粒状物の特性に不当に影響を及ぼすものでない。
金属の合金または複合材料の射出成形によりチキソトロープ材料または金属製
品を製造するために本発明の方法を用いた場合、供給粒子の素材(mass)の実質的
部分は、該粒子の全体的な長さが０．５〜５ｍｍ、より好ましくは１〜３ｍｍの
範囲内であるような好適なサイズである。これは、スクリュー押出機が用いられ
る場合において、スクリューの巻き付けまたはべたつきをさけると同時に該粒子
の便利なハンドリングを与える。
本発明の粒状物は、本出願人らに一般に知られたいかなる金属粒状物において
も見出だされていない特性の組み合わせを有し、こうした特性の組み合わせは、
チキソモールディング(thixomolding)工程で供給原料として用いるのに特に好適
な該粒状物を作る。本発明の粒状物は、理論密度の少なくとも５０％であるタッ
プ密度(tap density)を有する。これは、粒子接触で十分な粒子を確保し、そし
て加熱ゾーンに到達されるべく十分な熱伝達率を与える。これは、該粒子の最初
の溶融または部分的な溶融を生じるために用いられるべき相対的に短い加熱時間
を与え、そしてまた、保持すべきチキソトロープ状態を可能にするために保持す
べき温度の綿密な制御を与える。該粒状物は、相対的に易流動性であり、かつ供
給ホッパーを塞ぐことはありそうもない。該粒状物がスクリュー押出機に充填さ
れる際にスクリューを回転させるのに必要とされる混練トルクは、受入れ難いほ
ど高くなく、そして該粒子は、粒子が該スクリューの巻き付けの原因となる該押
出機の壁と該スクリューとの間の引っ掛かりができないことを確実するために十
分に大きなものである。
粒状物の群(group)特性は、本発明の粒子の素材(mass)特性でそれらを比べる
ために測定された。比較目的のために用いた粒子は、アルミニウムからなり、粉
末(powder)（１００μｍ）、針状晶(needles)、顆粒(granules)および不規則な
形をした機械加工チップ(machining chips)か
らなるものとした。幾つかのこうした粒子は、当該カテゴリーでの本発明の該粒
子の特性よりも優れた、あるカテゴリーでの特性を示したけれども、該比較粒子
は、いずれも本発明の粒状物の特性のように望ましいまたは有用なものである特
性の組み合わせを持たない。
本発明の粒状物は、他の形状またはサイズの粒子と混合してもよい。しかしな
がら、これは、結果として生じる混合物の分離および沈降と関係がある問題が起
こりうるために好ましくないものである。
本発明の粒状物の性能の定量化のために、一連の比較試験が、一連の市販の粒
子と「フットボール」粒子の特性を比較して行われた。比較目的のために用いた
粒子は、アルミニウム顆粒、アルミニウム針状晶、アルミニウム球状粉末（１０
０μｍの平均粒子サイズ）およびアルミニウム機械チップであった。これらの粒
子は、粒子サイズ、粒子形状、見掛け密度、タップ密度、標準漏斗による流量、
混練トルクおよび安息角について試験された。得られたデータは、表１に示され
るものである。
流れ時間、タップ密度および混練トルクの３つの特性試験に使用するところの
、該粒子は、性能（「１」のランキングが、最高の性能を意味する）にしたがっ
てランクされた。該ランキングは、表２に示されるものである。
一見して、球状の粉末が３つのカテゴリーのうちの２つで最高の性能を与える
ように思われる。しかしながら、該粉末は、トルク測定装置の該スクリューと壁
との間で焼付き、そしてこれはまた、チキソモールディング(thixomolding)装置
にも発生することがありそうである。したがって、該球状粉末は、チキソモール
ディング用の供給原料として不適当なものである。
いったん該球状粉末が可能性での供給原料として取り除かれたなら、本発明の
粒状物がチキソモールディング工程用の供給原料として用いるのに最も適当なも
のであることは明らかである。
本発明の利点を実証するために、多数の粒子が調製され、本発明に包含されな
い粒子と比較された。
本発明の範囲内にある粒子は、「顆粒タイプ＃１」および「顆粒タイプ＃２」
として表される。該顆粒寸法の概要は、表３に与えられている。
顆粒タイプ＃１および顆粒タイプ＃２の粒子サイズの解析が行われ、そして顆
粒タイプ＃１および顆粒タイプ＃２に関して、アスペクト比の百分率度数分布、
「長さ」寸法の百分率度数分布および「幅」寸法（直径）の百分率度数分布とし
て与えられた、当該粒子サイズの解析結果が図５〜１０に示されるている。該顆
粒は、Ａｌ７％のＳｉ合金から製造されていた。
顆粒タイプ＃１および＃２は、混練トルクが測定することができないような易
流動性であことが見出だされた。さらに、該顆粒は、トルク測定装置の胴部に沿
って容易に輸送された。該顆粒は、理論見掛密度の５６〜５８％の見掛密度、お
よび理論タップ密度の６９％のタップ密度を有することが見出だされた。
比較目的のために、主として針状晶からなる粒子のサンプルを得た。すべての
該針状晶が、成形スクリューシミュレーション(moulding screw simulation)を
通じて該スクリューの焼付きを生じた。該針状晶の見掛密度は、理論値の３９〜
４５％の範囲にわたり、そして該タップ密度は理論値の５０〜５９％の範囲にわ
たった。該針状晶は、該顆粒タイプ１＃および＃２の場合と同様のアルミニウム
合金であった。
また、Ａｌ７％のＳｉ合金での幾つかの実験が行われ、それには該顆粒タイプ
１＃および＃２並びに該針状晶が液体金属と固体金属のスラリーを作るために用
いられた。こ
うした試験は、チキソトロープ合金の組成を真似た。該スラリーは、撹拌シリコ
ンカーバイト坩堝中で製造された。該撹拌機は、ブレードの２つの羽根を持って
いた。その操作には、十分な量の該粒子を４００℃まで予熱することを含む。炉
の温度は、該粒子に用いたアルミニウム合金の固相線と液相線温度の間である５
９０℃にセットされた。予熱された粒子は、該撹拌機の第２の羽根が撹拌する間
該粒子と接触されるように該坩堝中に充填されたが、該粒子は当該段階で該ブレ
ードの第２の羽根を覆わなかった。該撹拌速度は、１００ｒｐｍにセットされた
。
アルミニウム合金は、約４００℃でアルミニウム含有粒子が互いにくっ付くの
だから、チキソモールディング工程用の供給原料とし難いものであると予想され
る。当該粒子の付着は、チキソモールディング装置の該供給スクリューに閉塞を
生じる傾向があった。
チキソトロープ合金の組成を真似てなる該坩堝試験は、該顆粒タイプ＃１およ
び＃２の双方が少しの困難もなくスラリーを製造されたことを示した。方法の観
察は、以下の通りである：
・最初のおよびその後の炉への充填では、該顆粒の付着の形跡はない（すなわ
ち、互いに結合することは明らかでなかった。）
・約３０〜４０分間撹拌した後、顆粒の溶融の開始は、大きな、固体の塊の素
材の形成で明らかであった
・該撹拌効率の減少は、坩堝の壁のまわりに連続的に蓄積した材料として認め
られた
・撹拌効率を増加させるために、撹拌が該坩堝壁から材料を取り除くべく定期
的に停止された。さらに、蓄積する材料が速やかに復活されるならば、顆粒の添
加が、その後蓄積する材料の取り除きおよび優れた混練を促進するために行われ
た
・顆粒の添加はまた、溶融の間の材料の体積の減少のため必要なものであった
。
該針状晶に関して、幾つかの問題が針状晶使用のスラリーの製造において起こ
った。それらは、以下のことを含む：
・４００℃での予熱段階のため互いに結合する針状晶の形跡。当該観察結果は
、試験と関係がある初期およびそれ以後の充填の間で得られた。
・該針状晶が該坩堝の熱壁と接触した場合には、該針状晶間の互いの結合が強
められた。混練で、大きい塊が仕事(labour)につれて該モーターが原因で直接に
形成された。（注意：撹拌は、１５分間で停止され、該炉の温度は、材料を「軟
化」させるまで高めた。）
・いったん該塊が打ち砕かれたなら、材料が該坩堝壁のまわりに蓄積するのを
除いて該材料の混練では問題ないものであった。
上記の困難さに加えて、該針状晶はまた、供給の間にチキソモールディング装
置のスクリューを焼き付ける傾向が
あることに留意すべきである。
図１３に示すところの走査電子顕微鏡写真の、多量のより針状の粒子はまた、
坩堝試験に供された。２．８ｍｍの平均長および０．８ｍｍの平均幅（３．４の
アスペクト比）を有するところのこうした粒子は、本発明の範囲内にある。しか
しながら、針状晶に関しては既述の困難さがある程度まで存在し、図１３の粒子
は、有用なスラリーを形成することができ、それゆえにチキソモールディング用
の受け入れられる供給原料になるであろう。スクリュウーの焼付きは、アスペク
ト比４以上を有する長く、薄い針状晶についてよりも図１３の粒子についてのほ
うが問題が少ないものであるらしい。
顆粒タイプ＃１および＃２を用いて得られた該スラリーは固化させられ、続い
て顕微鏡写真が撮られた。図１１および１２は、それぞれ５７５℃および５９０
℃で顆粒タイプ＃１を用いて得られた該スラリーの顕微鏡写真を示す。図１３お
よび１４は、顆粒タイプ＃２に関する同様の顕微鏡写真を示す。該スラリーは、
室温から増して合金の固相線と液相線の間の温度まで該粒子を加熱することによ
って得られた。該顕微鏡写真は、明らかに固化された液体の領域で囲まれた固体
粒子を示す。またかなりたくさんの量の空孔が存在し、それは坩堝実験に用いた
撹拌集成装置による。チキソモールディング装置が用いられた場合、該空孔が存
在することは期待できない。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Granular Feedstock for Metal Injection Molding The present invention relates to particulates made of alloys or composites. The granulate is particularly suitable for use as a feedstock for the injection or injection molding of thixotropic alloys. As used herein, "composite material" or "alloy composite material" includes an alloy matrix containing a ceramic reinforcement and includes a metal matrix composite material. Semi-solid processing of alloys or composites is a technical area of great current interest. The processing usually requires the composition of the thixotropic alloy to be processed later. Thixotropic alloys are produced when the metal or solid particles of the alloy are uniformly suspended in the liquid phase of the molten metal. The semi-solid material thus produced has thixotropic rheology. Thixotropic alloys are processed by injection molding to produce metal products. Many methods have been proposed for producing thixotropic alloys. The general content of both U.S. Pat. Nos. 4,694,881 and 4,694,882 granted to Dow Chemical Company, incorporated by reference, is that of extruders, such as screw extruders. A method of making a thixotropic alloy comprising feeding solid particles of a metal alloy from a hopper is described. In US Pat. No. 4,694,881 the solid particles are heated in an extruder to a temperature above the liquidus temperature of the alloy. The molten mass thus obtained is subsequently cooled to a temperature between the solidus and liquidus temperatures and subjected to shearing in order to break the dendrite structure formed in other states. The resulting liquid-solid composition of thixotropic alloy is injected into a mold to form a molded product. U.S. Pat. No. 4,694,882 discloses a similar method except that the feed alloy particles are heated to a temperature between the solidus and liquidus temperatures without complete melting of the feed metal particles. Enter. Both of the above methods utilize feed particles or chips of a size that is convenient for handling. In particular, these patents describe the use of chips with irregular shapes. Although the size of the particles used is not critical to the invention, relatively small particle sizes are described as desirable for heat transfer and handling requirements. Experiments carried out by the Applicant show that the particles used in the method described in US Pat. Nos. 4,694,881 and 4,694,882 are fragile in the hopper and seize in a screw extruder. Has been done. Furthermore, the particles do not exhibit good packing properties, which can make it difficult to achieve a sufficient heat transfer coefficient to cause partial melting of the metal particles and also make the temperature more difficult to control. To do. The present inventors have newly developed particles of metal alloys and composites which are particularly suitable for use in the production of thixotropic alloys and injection molding of said alloys. As a first object, the present invention provides that the substantial proportion of particles is within the range of 1.0 to 4.0, which is the ratio of the maximum dimension length of the particles to the effective diameter of the particles. Particles of a metal alloy or composite material, characterized in that a substantial proportion of the particles has a particle size within the range 0.5-5 mm in length of the largest dimension of the particles. To provide granular material. Preferably, the particles have a ratio of the length of the maximum dimension of the particles to the effective diameter of the particles of 1.2 to 3. It is made to be 0, more preferably within the range of 1.2 to 2.0. When used below, the ratio of the length of the largest dimension of a particle to its effective diameter is referred to as the "aspect ratio". The effective diameter of a particle is determined by measuring the smallest circle through which the particle can pass. The diameter of the circle is the effective diameter of the particles. Preferably, the particles have a maximum dimension within the range of 1-3 mm. The particles are made such that the tap density of the mass of particles is preferably at least 50% of the theoretical density of the alloy or composite. The particles preferably have a substantially smooth surface structure. In a preferred embodiment, the substantial proportion of the particles is at least 40% by weight of the mass of the particles, preferably at least 60% by weight, more preferably at least 80% by weight, most preferably the particles. Of at least 95% by weight of the mass. In one embodiment, the particles preferably have a generally oval shape. The particles may be expressed as having a shape similar to a rugby ball, or as a shape formed by a rotating body having an elliptical or substantially elliptical shape with respect to the vertical axis. In other embodiments, the particles may have a contour that is generally formed in a tear drop, or a contour that is described as a flattened tear drop. In that embodiment, the first end of the particle has a generally hemispherical or hemi-oval shaped portion in a longitudinal cross-sectional view of the particle. The generally hemispherical or hemi-ovate shaped portion will then be generally flattened at the tip. The portion tapers toward the second end of the particle where the particle terminates at a point or portion having a small radius of curvature. It may be considered that the overall shape of the particles is generally formed as a rotating body having a cross-sectional plane shape. However, it is understood that the particles should have a sufficiently smooth surface structure and that the particles (if they are football-shaped particles) will have a small degree of roughness. . As a second object, the present invention provides that the feed particles of the metal alloy or composite material are heated, and that a substantial proportion of each of the feed particles is of the maximum size of the particles relative to the effective diameter of the particles. It has a shape such that the ratio of lengths is in the range of 1.0 to 4.0, and the substantial proportion of the particles is within the maximum dimension of the particles of 0.5 to 5 mm. Provided is a method of making a thixotropic alloy, which is characterized by being sheared to produce a sufficiently uniform mixture of solid particles having a certain particle size and a liquid. In a preferred embodiment of the second object of the present invention, the particles have a ratio of the maximum dimension length of the particles to the effective diameter of the particles of 1.2 to 3.0, more preferably 1.2 to 3.0. 2. Shaped to be in the range of 0. The substantial proportion of the feed particles preferably has a particle size such that the maximum diameter of the substantial proportion of the particles is preferably in the range of 1 to 3 mm. The particles preferably have a sufficiently smooth surface structure. In a preferred embodiment, the substantial proportion of the particles is at least 40% by weight of the mass of the particles, preferably at least 60% by weight, more preferably at least 80% by weight, most preferably Is at least 95% by weight of the mass of the particles. The thixotropic state is one produced by any suitable method, including heating and shearing the particles. However, it is especially preferred that the thixotropic state is produced by use of a screw extruder. In this case, the feed particles are fed to a screw extruder, after which they are placed in the first heating zone and heated to a temperature above the melting point of the alloy or composite. The molten material is then sent to the second zone and the molten metal is cooled to below the liquidus temperature and above the solidus temperature. Solidification of some of the materials results in the formation of a mixture of solid particles and liquid. The extruder screws are rotated to shear the mixture to prevent the formation of large crystal structures and to form a thixotropic material. Alternatively, the feed particles may be heated in the first zone of the screw extruder to a temperature above the solidus temperature of the material but below the liquidus temperature of the material. Shear is directed to the mixture of liquid and solid particles produced by rotation of the extruder screws to produce a thixotropic material. It should be understood that the method of the present invention is not limited to the use of screw extruders, as long as the feed particles are heated to the required temperature and sheared to the mixture of liquid metal and solid particles. Any means capable of supplying force may be used. For example, the mixture is subjected to the operation of a rotating plate or drawn through a tortuous path in the extruder to provide sufficient shear to the mixture to produce a thixotropic material. In yet another case, magnetic stirring may be used to obtain the thixotropic material. The feed particles may be fed from the hopper by gravity feed or conveyor feed. The thixotropic material formed by the method of the second object of the invention is particularly suitable for use in the production of metal components by injection molding. Therefore, the present invention also heats and shears feed particles consisting of an alloy or composite of metal to produce a sufficiently homogeneous mixture of solid particles and liquid and injects the mixture into a mold. , At least partially solidifying the mixture in the mold and removing the product from the mold, wherein a substantial portion of the particles is relative to the effective diameter of the particles. Ratio of maximum dimension length of the particles 1.0-4. Characterized in that it is made to be in the range of 0 and a substantial part of the particles has a particle size such that the maximum dimension of the particles is in the range 0.5 to 5 mm. The present invention provides a method for producing the product. The particles are preferably made such that the ratio of the maximum dimension length of the particles to the effective diameter of the particles is in the range of 1.2 to 3.0, more preferably 1.2 to 2.0. It is a thing. The particles of the present invention may be of any required alloys of metals or composites thereof. Some suitable materials include metals and alloys of lead, aluminum, zinc, magnesium, copper, and iron-based intermetallic compounds. The preferred particles are alloys of aluminum. The invention will now be further described with reference to the drawings, in which FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a “football” shaped particle according to the invention, and FIG. 2 shows schematically in FIG. FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of an actual particle taken, FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of another particle according to the invention, and FIG. 4 is similar to FIG. 3 to represent the calculation of the aspect ratio for said particle. 5 and 6 further show scanning electron micrographs of particles according to the invention, FIG. 7 shows the percentage frequency distribution of the aspect ratio for granule type 1, and FIG. 8 for granule type 1. FIG. 9 shows the percentage frequency distribution of the “length” dimension, FIG. 9 shows the percentage frequency distribution of the “width” dimension for granule type 1, FIG. 10 shows the percentage frequency distribution of the aspect ratio for granule type 2, FIG. Is a granule type 2 FIG. 12 shows the percentage frequency distribution of the “length” dimension for the granule type 2, FIG. 12 shows the percentage frequency distribution of the “width” dimension for the granule type 2, FIG. 13 shows the scanning electron of the particles according to the invention with a more acicular structure The micrograph is shown, FIG. 14 shows the micrograph of the slurry manufactured by the crucible test at 575 ° C. using the granule type 1, and FIG. 15 is manufactured by the crucible test at 590 ° C. using the granule type 1. 16 shows a photomicrograph of the slurry prepared, FIG. 16 shows a photomicrograph of the slurry produced in the crucible test at 575 ° C. with granule type 2, and FIG. 17 at 590 ° C. with granule type 2. The micrograph of the slurry manufactured by the crucible test is shown. In a preferred embodiment, the particles of the substantial proportion of the granules of the invention have an effective diameter of between 1.2 and 3.0, more preferably between 1.2 and 2.0. It has a substantially oval particle shape with a ratio of the largest dimension to. The ratio may be indicated as the aspect ratio of the particles. The particles can be further characterized as being elongated sphere shapes or rugby ball-like shapes. The preferred shape of the particles is shown schematically in FIG. The aspect ratio for the particles is determined from the ratio of length to effective diameter for the particles. That is, with respect to FIG. 1, the present invention requires L / D = 1.0 to 4.0, preferably 1.2 to 3.0, and more preferably 1.2 to 2.0. . The dimension L is preferably in the range 0.5-5 mm. FIG. 2 shows a scanning electron micrograph of actual particles that are generally oval in shape. The particles may also be described as having a generally cylindrical shape and having curvilinear ends. In a further embodiment, the particles have a generally teardrop shape flattened at one end. With reference to FIG. 3, which shows a cross-sectional view of the particles, the generally flattened teardrop-shaped particles 20 have a first end 21 that is generally hemispherical or hemi-ovate shaped in shape. The first end 21 will be flattened at the tip 22. The particles 20 are shaped such that the first end 21 tapers toward the second end 23. The second end 23 ends at a point or at a portion 24 with a small radius of curvature. FIG. 3 shows a cross-sectional view of particle 20. The overall shape of the particles may be regarded as the shape of the rotor having a cross section with respect to the longitudinal axis 25. With respect to FIG. 4, the aspect ratio of the particles 20 is 1.0-4. 0, preferably 1.2 to 3.0, and more preferably 1.2 to 2.0. For football-shaped particles, the aspect ratio of particle 20 is given by the L / D ratio. Here, the dimension L may be regarded as the maximum height of the particles. Dimension D is the diameter of the smallest circle through which the particles can pass. Furthermore, scanning micrographs of particles that are within the scope of the invention are shown in Figures 5 and 6. The granulate of the present invention should include a substantial proportion of particles shaped according to the embodiments described above. In the manufacture of the granulate of the present invention, a substantially proportion of irregularly shaped particles will also be formed and included in the granulate. The presence of the irregularly shaped particles does not unduly affect the properties of the granules, unless the irregularly shaped particles are present in unacceptably large amounts. When the method of the present invention is used to produce a thixotropic material or metal product by injection molding an alloy or composite of metal, a substantial portion of the mass of the feed particles is the total length of the particles. Is 0.5 to 5 mm, more preferably 1 to 3 mm. This provides convenient handling of the particles while avoiding screw wrapping or stickiness when a screw extruder is used. The granules of the present invention have a combination of properties not found in any of the metal granules commonly known to the Applicants, such combination of properties being a feedstock in the thixomolding process. Making the granulate particularly suitable for use as. The granulate of the present invention has a tap density that is at least 50% of theoretical density. This ensures sufficient particles in particle contact and provides sufficient heat transfer coefficient to reach the heating zone. This gives a relatively short heating time to be used to bring about the initial or partial melting of the particles, and also the closeness of the temperature to be held to allow the thixotropic state to be held. Give you great control. The particulates are relatively free flowing and are unlikely to block the feed hopper. The kneading torque required to rotate the screw as the granulate was loaded into the screw extruder was not unacceptably high, and the particles were the extrudate that caused the particles to wind around the screw. It is large enough to ensure that there is no catch between the machine wall and the screw. The group properties of the granulates were measured to compare them with the mass properties of the particles of the invention. The particles used for comparison purposes consisted of aluminum and consisted of powder (100 μm), needles, granules and irregularly shaped machining chips. And Although some of these particles exhibited properties in one category that were superior to those of the particles of the invention in that category, the comparative particles were all similar to those of the granules of the invention. It does not have a combination of properties that is desirable or useful. The granulate of the present invention may be mixed with particles of other shapes or sizes. However, this is not preferred as it can lead to problems related to the separation and settling of the resulting mixture. To quantify the performance of the inventive granules, a series of comparative tests were conducted comparing the properties of a series of commercial particles and "football" particles. The particles used for comparison purposes were aluminum granules, aluminum needles, aluminum spherical powder (average particle size of 100 μm) and aluminum mechanical chips. These particles were tested for particle size, particle shape, apparent density, tap density, standard funnel flow rate, kneading torque and angle of repose. The data obtained is shown in Table 1. As used in the three characteristic tests of flow time, tap density and kneading torque, the particles were ranked according to performance (a ranking of "1" means highest performance). The ranking is shown in Table 2. At first glance, spherical powders appear to give the best performance in two of the three categories. However, the powder seizes between the screw and wall of the torque measuring device, and this is also likely to occur in the thixomolding device. Therefore, the spherical powder is unsuitable as a feedstock for thixomolding. Once the spherical powder has been removed as a potential feedstock, it is clear that the granulate of the present invention is the most suitable for use as a feedstock for the thixomolding process. To demonstrate the advantages of the present invention, a large number of particles were prepared and compared to particles not included in the present invention. Particles within the scope of the present invention are designated as "Granular Type # 1" and "Granular Type # 2". A summary of the granule size is given in Table 3. An analysis of the particle size of granule type # 1 and granule type # 2 was performed, and for granule type # 1 and granule type # 2, the percentage frequency distribution of the aspect ratio, the percentage frequency distribution of the "length" dimension and the "width". The results of analysis of the particle size, given as a percentage frequency distribution of dimensions (diameter), are shown in FIGS. The granules were manufactured from a 7% Al alloy. Granule types # 1 and # 2 were found to be free flowing such that the kneading torque could not be measured. Moreover, the granules were easily transported along the body of the torque measuring device. The granules were found to have an apparent density of 56-58% of theoretical density and a tap density of 69% of theoretical tap density. For comparison purposes, a sample of particles consisting mainly of needles was obtained. All the needles caused seizure of the screw through a molding screw simulation. The apparent density of the needles ranged from 39 to 45% of theory and the tap density ranged from 50 to 59% of theory. The acicular crystals were the same aluminum alloys as for granule types 1 # and # 2. Also, some experiments were performed with a 7% Al Si alloy, in which the granule types 1 # and # 2 and the needles were used to make liquid metal and solid metal slurries. These tests mimic the composition of thixotropic alloys. The slurry was prepared in a stirred silicon carbide crucible. The stirrer had two blades of blades. The operation involves preheating a sufficient amount of the particles to 400 ° C. The furnace temperature was set at 590 ° C., which is between the solidus and liquidus temperatures of the aluminum alloy used for the particles. Preheated particles were loaded into the crucible such that the second blade of the stirrer was in contact with the particles during stirring, but the particles covered the second blade of the blade at this stage. There wasn't. The stirring speed was set to 100 rpm. Aluminum alloys are expected to be difficult to use as feedstocks for thixomolding processes because aluminum-containing particles stick to each other at about 400 ° C. Adhesion of the particles tended to cause blockage in the feed screw of the thixomolding device. The crucible test, which mimics the composition of a thixotropic alloy, showed that both the granule types # 1 and # 2 produced a slurry without any difficulty. The observations of the method are as follows: -On initial and subsequent filling of the furnace there is no evidence of adhesion of the granules (i.e. it was not clear to bind to each other) -About 30-40. After stirring for a minute, the onset of melting of the granules was evident in the formation of a large, solid mass of material; the reduction in stirring efficiency was observed as a continuous accumulation of material around the crucible wall. -To increase the stirring efficiency, stirring was stopped periodically to remove material from the crucible wall. Furthermore, if the accumulating material is quickly revived, the addition of granules was done to facilitate subsequent removal of the accumulating material and good kneading. It was necessary to reduce the volume. With respect to the needles, several problems have occurred in the production of needle-based slurries. They include: -The evidence of needles that bond to each other due to the preheating stage at 400 ° C. The observations were obtained during the initial and subsequent fillings associated with the test. -When the acicular crystals contacted the hot wall of the crucible, the mutual bonding between the acicular crystals was strengthened. Upon kneading, large lumps were formed directly due to the motor as the labor progressed. (Caution: Stirring was stopped for 15 minutes and the temperature of the furnace was raised until it "softened" the material.) Once the mass had been crushed, the material accumulated around the crucible wall. Except for the above, there was no problem in kneading the material. It should be noted that in addition to the above difficulties, the needles also tend to bake the thixomolding machine screw during feeding. Larger numbers of more needle-shaped particles in the scanning electron micrograph as shown in FIG. 13 were also subjected to the crucible test. Such particles having an average length of 2.8 mm and an average width of 0.8 mm (aspect ratio of 3.4) are within the scope of the invention. However, to some extent the previously mentioned difficulties with acicular crystals exist, and the particles of Figure 13 are capable of forming useful slurries and therefore would be an acceptable feedstock for thixomolding. The seizure of the screw appears to be less of a problem for the particles of Figure 13 than for long, thin needles with aspect ratios of 4 and above. The slurries obtained with granule types # 1 and # 2 were allowed to set and subsequently micrographed. 11 and 12 show photomicrographs of the slurry obtained with Granule Type # 1 at 575 ° C. and 590 ° C., respectively. 13 and 14 show similar photomicrographs for granule type # 2. The slurry was obtained by heating the particles from room temperature to a temperature between the solidus and liquidus of the alloy. The micrograph shows solid particles surrounded by a region of apparently solidified liquid. There are also quite a lot of holes, which are due to the stirring assembly used in the crucible experiments. When a thixomolding device is used, the existence of the holes cannot be expected.
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(51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ
Ｂ２２Ｆ 3/02
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ
Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＲ，ＣＡ，ＪＰ，Ｕ
Ｓ
(72)発明者 ジャーマン，ランダル，エム
アメリカ合衆国，ペンシルバニア州
16803，ステート カレッジ，アウター
ドライブ 1145
(72)発明者 ミヘリッチ，ジョン，ルイス
アメリカ合衆国，ケンタッキー州 40059,
プロスペクト，ブリッジポインテ ブール
ヴァード 6913─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI B22F 3/02 (81) Designated country EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR , IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), AU, BR, CA, JP, US (72) Inventor German, Randall, M. USA, Pennsylvania 16803, State College, Outer Drive 1145 ( 72) Inventor Michelich, John, Lewis 40059, Kentucky, United States, Prospect, Bridgepointe Boulevard 6913