JPH1157967A - 金属材料の射出成形方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属材料を半溶融状態に容易に調製でき、簡
便な装置で低コスト、高品質の金属射出成形品を供給す
ることができる金属材料の射出成形方法及び装置を提供
する。 【解決手段】 溶湯供給ホッパ１から材料供給用シリン
ダ２内に導入された溶湯を冷却エレメント４で冷却しな
がら半溶融状態の金属材料に調製すると共に、加圧プラ
ンジャ３で加圧して該材料供給用シリンダ２から射出用
シリンダ７に供給する。射出用シリンダ７で計量された
半溶融状態の金属材料を金型内に射出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶融乃至半溶融状態
の金属材料の射出成形方法及び装置に関する。さらに詳
しくは、機械撹拌や電磁撹拌を行わないで金属材料を射
出成形する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶融金属を金型に加圧注入して製
造するダイキャスト法が知られていた。該ダイキャスト
法では金属を溶融状態として粘度の低い状態で金型内に
高い圧力で注入するので、成形時に空気を巻き込み、金
属成形体に気泡が混入することが避けられないこと、あ
るいは成形体にバリを生じやすく、そのための後加工を
要することやスクラップ材が増加すること、金属成形材
料を高温・高圧にする必要があること等の問題点を有し
ていた。

【０００３】このようなダイキャスト法の問題点を解消
する金属成形技術として、ダイキャスト法よりも低温側
にて金属材料を半溶融状態で射出成形する試みがなされ
ている。すなわち、金属ペレットを射出成形装置の射出
シリンダ内に供給し、不活性雰囲気中の射出シリンダ内
の金属材料の温度を固相線温度と液相線温度の間に加熱
しながら、機械的攪拌または電磁攪拌などの手段を用い
てスクリューを回転させてせん断力を与え徐々に半凝固
スラリとして射出シリンダ前方にフィードして射出成形
する方法（例えば、特表平３−５０４８３０号公報、特
開平７−１５５９１８号公報）である。これらの方法
は、固相と液相の共存状態の金属材料にせん断力を与え
ることにより、金属の樹枝状結晶（いわゆるデンドライ
ト）を抑制し、微細な粒子と液体の共存状態、即ち、チ
キソトロピックスラリーの形態で射出成形して、均質な
金属成形体とするものである。

【０００４】前記従来の金属材料を半溶融状態で射出成
形する方法では、固体状態の金属材料が射出成形装置内
のスクリューに供給されるため、固体状態の金属材料の
入ったシリンダ内でスクリューを高速回転又は前後進す
るのに、シリンダやスクリューの摩耗や破損が発生しや
すいという問題があった。金属材料の射出成形では特に
樹脂成形に比べ１０倍以上の速度で（１〜１０ｍ／ｓ）
で射出する必要があるため、この問題は深刻である。ま
た、電磁攪拌を行う場合、強力な攪拌を行うためには装
置が高価になる等の欠点があった。

【０００５】一方、特開平５−２８５６２６号公報で
は、金属材料の高圧射出時のスクリューに対する悪影響
を避けるために、半溶融金属材料製造用の混練用射出機
にさらにプランジャ射出機を付加した構造、いわゆる樹
脂材料の射出成形機におけるプリプラ式構造としてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平５−２８５６２６号公報の金属材料の射出成形装置
では、金属材料の半溶融化を行うのに依然としてスクリ
ュー式射出成形機を使用しており、該装置のシリンダや
スクリューの摩耗や破損を避けることは困難であった。
また、この方法では、射出成形機に投入する金属材料が
固体であるために、半溶融化を行う装置が大型化すると
いう問題があり、また、固体から半溶融状態に変換しそ
の状態を制御することは困難であった。

【０００７】そこで、本発明は、金属材料の射出成形装
置において、金属材料を半溶融状態に容易に調整でき、
簡便な装置で低コスト、高品質の金属射出成形品を供給
することができる金属材料の射出成形方法及び装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記した問題点を解決す
るために、本発明の金属材料の射出成形方法は、材料供
給用シリンダ内に導入された溶湯を冷却しながら半溶融
状態の金属材料に調製すると共に、加圧して該材料供給
用シリンダから射出用シリンダに供給し、射出用シリン
ダ内に計量された半溶融状態の金属材料を金型内に射出
することを特徴としている。

【０００９】前記金属材料の射出成形方法において、材
料供給用シリンダ内で半溶融状態の金属材料を調製する
方法は、材料供給用シリンダ内に配置された冷却エレメ
ント及び材料供給用シリンダの壁面との間隙から構成さ
れた流路を設け、該流路の断面積は連続的あるいは非連
続的に変化させておき、該流路内に溶湯を通過させるこ
とにより、半溶融状態の金属材料を調製することができ
る。

【００１０】前記金属材料の射出成形方法において、射
出時に成形材料の一部を供給側へ逆流させることによ
り、流路内の材料の凝固防止を行うことができる。

【００１１】また、本発明の金属材料の射出成形装置
は、溶融金属材料を半溶融状態に調製するための材料供
給用シリンダと、半溶融状態の金属材料を射出するため
の射出用シリンダを有し、材料供給用シリンダは、該材
料供給用シリンダ内に溶湯を導入するための溶湯供給ホ
ッパを有し、且つ冷却エレメントを内部に有し、該材料
供給用シリンダと該冷却エレメントとの間に、溶融乃至
半溶融状態の金属材料を通過させるための通路を形成
し、材料供給用シリンダ内部に供給された溶湯に対して
圧力を付加できる加圧装置を有し、且つ半溶融状態に調
整された金属材料を射出用シリンダ内に導入するための
導入ノズルを有し、前記射出用シリンダは、半溶融状態
の金属材料を射出することができるプランジャを有する
ことを特徴とする。

【００１２】前記金属材料の射出成形装置において、溶
湯供給ホッパは、溶湯の状態を維持できる加熱装置を有
していることが望ましい。

【００１３】上記特徴を有する簡便な本発明の金属材料
の射出成形装置を用いて、次のような各プロセスの作用
で、金属材料を半溶融状態に容易に調整でき、気泡の混
入が防止された均質な金属性の射出成形品が得られる。

【００１４】すなわち、材料供給用シリンダに供給され
た溶融金属材料（溶湯）はプランジャなどの適当な加圧
手段により加圧され、連通する射出用シリンダに送られ
る。この時溶湯は液相線温度以下、固相線温度以上の温
度に保たれた冷却エレメントと材料供給用シリンダとの
間にに設けられた狭い流路を通る。この時シリンダの壁
面は液相線温度以下、固相線温度以上の温度に保たれ、
溶湯から熱を奪う。冷却された溶湯中から多数の結晶核
が生成し、半溶融状態となり射出用シリンダに送られ
る。冷却エレメントに設ける流路は一定断面積のものだ
けでなく、連続的あるいは非連続的に断面積を変えるこ
とにより流速に変化を与え、あるいは対流を起こさせる
ようにする形状のものを採用することも有効である。

【００１５】液相線温度以下、固相線温度以上の所望の
固相率が得られる温度に保たれた射出用シリンダに半溶
融状態の金属材料が送られると、その圧力により射出用
プランジャが後退し、所定量の半溶融金属材料が蓄えら
れた時点で、射出用プランジャを高速で前進させ、半溶
融金属材料を金型へ射出する。射出用プランジャは上述
のように供給された半溶融金属材料の圧力で後退させる
ことにより、空気や雰囲気ガスの巻き込みを防止でき
る。また供給材料の圧力を検知し圧力が一定となるよう
にフィードバックをかけながら強制的に後退させること
も可能である。

【００１６】尚、射出工程、保圧工程中に冷却エレメン
トの流路内で材料が完全に凝固し、流路をふさぐのを防
止するために、一定量の半溶融金属材料を溶湯供給側へ
逆流させ、常に冷却エレメント内に材料が滞留しないよ
うにすることが望ましい。また冷却エレメントの表面を
成形材料と濡れ性の悪い材料で構成しておくことも有効
である。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の金属材料の射出成
形装置の一例を示し、金型装置については図示が省略さ
れている。

【００１８】図１の金属材料の射出成形装置において、
１は溶湯を貯留し供給するための溶湯供給ホッパであ
り、成形用金属材料を溶解させるための加熱装置を設け
てもよい。２は、溶湯供給ホッパ１から供給される溶湯
を半溶融金属材料に調製し、射出用シリンダ７に供給す
るための材料供給用シリンダである。

【００１９】材料供給用シリンダ２内には、供給された
溶湯の温度を、液相線温度以下乃至固相線温度以上にす
るための冷却エレメント４及び加熱装置（図示せず）が
配置され、温度制御が可能となっている。冷却エレメン
ト４には溶湯の上流側から下流側に至るまで連続した窪
みが形成されており、材料供給用シリンダ２と冷却エレ
メント４との間に、溶融乃至半溶融状態の金属材料を通
過させるための流路５を形成している。材料供給用シリ
ンダ２の先端には、射出用シリンダ７に通ずる連絡路６
が設けられている。材料供給用シリンダ２内の溶融乃至
半溶融金属材料に対して圧力を付加するための加圧プラ
ンジャ３が配置されている。

【００２０】射出用シリンダ７内には、内部に計量され
た半溶融金属材料を射出するための射出用プランジャ８
が配置されている。射出用シリンダ７の前部には材料供
給用シリンダ２から供給された半溶融金属材料を受け入
れて必要量を計量するための可変空間の計量室９が形成
されており、半溶融金属材料が流入されると共に射出用
プランジャ８が後退することにより、計量室９の体積が
増大する。射出用シリンダ７の先端には、図示していな
い金型に向けて半溶融金属材料を射出するためのノズル
１０が設けられている。ノズル１０内には、半溶融金属
材料が射出用シリンダ７内に供給されるときに、ノズル
１０から半溶融金属材料が漏れ出ないようにするための
止め弁１１が設けられている。なお、止め弁１１をノズ
ル１０に設けずに他の適当な部材にノズル１０を押しつ
けることにより漏れを防止することも可能である。

【００２１】図１の金属材料の射出成形装置により、金
属材料としてマグネシウム合金（ＡＳＴＭ：ＡＺ９１
Ｄ）を用いた場合の射出成形を例にして、本発明の実施
の態様を説明する。

【００２２】金属材料は加熱手段を設けた溶湯供給ホッ
パ１内で溶解されるか又は別に設置された溶解炉によっ
て溶解したものを溶湯供給ホッパ１に供給する。溶湯供
給ホッパ１内の溶湯は材料供給用シリンダ２の材料供給
口１２より材料供給用シリンダ２内に供給される。供給
された溶湯は加圧プランジャ３により加圧され、冷却エ
レメント４に設けられた流路５を通り、次いで連絡路６
を通じて射出用シリンダ７に供給される。この時、冷却
エレメント４には温度調節用の媒体が流され、一定温度
を保つように調整されている。また材料供給用シリンダ
２も同様に加熱手段と冷却手段を併せ持ち、一定温度に
制御される。設定温度は金属材料の液相線温度以下乃至
固相線温度以上とし、所望の固相率の得られる温度とす
る。冷却エレメント４と材料供給用シリンダ２の間の流
路５を通る間に溶湯は冷却され多数の結晶核が生成して
くる。しかし、多数の結晶核が生成してきた溶湯は高速
で流動しているため、金属の樹枝状晶、いわゆるデンド
ライトが成長するには至らず、多数の初晶と液相の混合
した均質な半溶融状態となって射出用シリンダ７へ供給
される。

【００２３】半溶融金属材料が射出用シリンダ７に供給
されると同時に射出用プランジャ８が後退し、半溶融金
属材料が射出用シリンダ７内に蓄えられる。この時、射
出用プランジャ８はエアや雰囲気ガスを巻き込まないよ
うに、供給される半溶融金属材料の圧力を一定に保つよ
うに制御されることが好ましい。所定量の半溶融金属材
料が供給された時点でノズル１０に設けられた止め弁１
１を開き、続いて射出用プランジャ８を高速で前進さ
せ、半溶融金属材料をノズル１０の先に設置される金型
（図示せず）内に射出して金属製品を鋳造する。金型の
キャビティーがマグネシウム合金で充満される射出成形
工程及び冷却時の凝固収縮を防止するための保圧工程中
に、冷却エレメント４内でデンドライトが成長し材料が
固着するのを防止するため、加圧プランジャ３を徐々に
後退させ、常に半溶融金属材料が少しずつ逆流するよう
にして半溶融金属材料を材料供給用シリンダ２内へ戻
す。

【００２４】金型内の材料の凝固完了後、金型内のマグ
ネシウム合金製品はさらに冷却され十分な強度を持つ温
度まで冷却されるのを待ち、金型を開いて取り出す。ま
た金型内の材料が凝固完了後、次回の成形用の材料を準
備するため、止め弁１１を閉じ、加圧プランジャ３が材
料供給口１２よりも後方まで後退し、溶湯を材料供給用
シリンダ２内に供給し、上述のごとく射出用シリンダ７
へ半溶融金属材料を供給する。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、溶湯を材料供給用シリ
ンダに供給し、冷却しながら半溶融状態の金属材料を調
製しており、固体金属材料にせん断力を与えて半溶融状
態とするための機械的攪拌や溶湯を撹拌するための電磁
攪拌を行わないですむ。したがって、金属材料の射出成
形装置を単純化でき、装置部材の摩耗が少なく、消費電
力が少なく、金属材料ペレット等の固体金属材料を使用
せず、安価なインゴット材が使用できるので、ランニン
グコストも低く抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属材料の射出成形装置の一例を示
し、金型装置の図示を省略したものである。

【符号の説明】

１ 溶湯供給ホッパ ２ 材料供給用シリンダ ３ 加圧プランジャ ４ 冷却エレメント ５ 流路 ６ 連絡路 ７ 射出用シリンダ ８ 射出用プランジャ ９ 計量室 １０ ノズル １１ 止め弁 １２ 材料供給口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （１）材料供給用シリンダ内に導入され
   た溶湯を冷却しながら半溶融状態の金属材料に調製する
   と共に、加圧して該材料供給用シリンダから射出用シリ
   ンダに供給し、 （２）射出用シリンダ内に計量された半溶融状態の金属
   材料を金型内に射出することを特徴とする金属材料の射
   出成形方法。
2. 【請求項２】 前記半溶融状態の金属材料を調製する方
   法は、材料供給用シリンダ内に配置された冷却エレメン
   ト及び材料供給用シリンダの壁面との間の間隙で構成さ
   れた流路の断面積を連続的あるいは非連続的に変化さ
   せ、該流路内に溶湯を通過させることにより調製するこ
   とを特徴とする請求項１記載の金属材料の射出成形方
   法。
3. 【請求項３】 前記金属材料を金型内に射出する方法
   は、射出時に成形材料の一部を供給側へ逆流させること
   により、流路内の材料の凝固防止を行うことを特徴とす
   る請求項１記載の金属材料の射出成形方法。
4. 【請求項４】 溶融金属材料を半溶融状態に維持するた
   めの材料供給用シリンダと、半溶融状態の金属材料を射
   出するための射出用シリンダを有する金属材料の射出成
   形装置であり、 前記材料供給用シリンダは、該材料供給用シリンダ内に
   溶湯を導入するための溶湯供給ホッパを有し、冷却エレ
   メントを内部に有し、該材料供給用シリンダと該冷却エ
   レメントとの間に、溶融乃至半溶融状態の金属材料を通
   過させるための通路を有し、材料供給用シリンダ内部に
   供給された溶湯に対して圧力を付加できる加圧手段を有
   し、且つ半溶融状態に調整された金属材料を射出用シリ
   ンダ内に導入するための導入ノズルを有し、 前記射出用シリンダは、半溶融状態の金属材料を射出す
   ることができるプランジャを有することを特徴とする金
   属材料の射出成形装置。
5. 【請求項５】 前記溶湯供給ホッパは、溶湯の状態を維
   持できる加熱装置を有する請求項４記載の金属材料の射
   出成形装置。