JPS585748B2 - 金属合金製品の成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属合金の成形方法に関するものであり、特
にプレス鍛造によって複雑な形状で公差の小さい金属合
金部品を製造する方法に関するものである。

成形金属合金部品は最適の物理的性質を得るために鍛造
技術によって製造されている。

部品が比較的複雑な形状を有する場合には、通常物理的
性質を犠牲にして鍛造合金を利用して成形しており、鍛
造方法で作られた製品に匹敵する性質を有し、複雑な形
状のものを製造できる合金を利用することが望まれてい
た。

最近、液体よりもむしろ液体一固体混合物を使用し、通
常の鋳造合金よりも低い温度から固化されて鋳造される
微細構造を有する或種の合金が発達してきた。

このような合金については例えば１９７６年４月６日に
発行された米国特許第３，９４８，６５０号及び１９７
６年５月４日に発行された米国特許第３，９５４，４５
５号明細書に記載されている。

それに示されている如く、スラリー状の部分的に固体化
した金属合金は、各種の金属成形方法即ちグイキャスト
法、永久モールドキャスト法、密閉ダイ鍛造法、ホット
プレス法その他既知の各種方法によって成形される。

本発明の第１の目的は、鍛造合金で作られた部品に近い
性質を有し、通常鋳造合金で得られるような複雑な形状
を有する金属合金部品を製造する方法を掃供することに
ある。

本発明の付加的な目的は、鋳造技術の経済性を有する低
圧プレス鍛造法によって複雑で公差の小さい合金部品を
製造することにある。

Σ本発明の更に他の目的は生産速度の高い、そのような
合金部品の製造方法を提供することにある。

上記した及びその他の本発明の目的は、密閉したダイ空
洞内で或種の臨界プロセス変数を制御しながら、半固体
合金チャージをプレス鍛造することによって達成するこ
とができる。

本発明においては、比較的低い圧力と非常に短い鍛造時
間が採用され、望ましい形態では非常に固体の比率の高
い組成が用いられる。

特に半固体合金チャージは略々１００乃至４５０℃に予
熱されたダイ空洞内で略々１秒以下の時間で加圧され付
形される。

付形された合金の液相部分は、その後グイ空洞内で略々
ｌ．７６乃至３５２ｋｇ／ｃｍ２（２５乃至５０００ｐ
ｓｉｇ）の圧力下で１分以下の時間内に固化される。

本発明は、図面を参照した以下の説明により一層明瞭に
なるであろう。

本発明の製造方法に使用されるチャージ又はプレフォー
ムは半固体即ち一部液体、一部固体の混合物である。

全容積の３０乃至９０％の固体粒子は角の丸められた形
状で、通常は直径が約２０乃至２００ミクロンである。

これは金属の予め行われた処理の結果であって、この前
処理において金属は溶融された後、凝固期間に激しく攪
拌される。

これはグレインの形成を破壊し、一般に冷却過程で生成
される樹枝状晶は攪拌によって丸味を帯びた形状の粒子
を生成する。

その結果第１の粒子より低い融点を有する第２相中に均
一に浮遊したばらばらの第１の変性した樹枝状晶 （ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｄｅｎｄｒｉｔｉｃ）固体粒
子によって特徴づけられる組成の金属が得られる。

第１及び第２相の両者は、合金を凝固期間中に激しく攪
拌することによって形成される。

そのプロセス及び得られた合金については、前記米国特
許第３，９４８，６５０号及び第３，９５４，４５５号
明細書に詳細に記載されている。

一般にばらばらの変性した樹枝状晶粒子が丸いために、
固体粒子は連続的な液体マトリツクス内において粘性を
持って流動する。

このことは比較的低い圧力で部品を成形することを可能
にする。

このプロセスで使用される圧力は略々ｌ．７６乃至３５
２ｋｇ／ｃａｒの範囲であって、フルサイズの自動車の
車輪（３５．５６ｃＷＬ）の大きさの部品の成形に当り
、従来の鍛造で使用されていた１２００トンダイキャス
ト装置或いは８０００トンプレスと比較すると２５０ト
ンプレスで成形が可能である。

チャージの主として固体的な性質（固体粒子は容積で３
０乃至９０％の範囲内であるが、７０％以上であること
が望ましい）は最小の液体／固体収縮で非常に急速に固
化することを可能にしている。

これは部品の成形に際し大型の「供給物貯蔵装置（ｆｅ
ｅｄｉｎｇｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）Ｊ又はライザー（ｒ
ｉｓｅｆｓ）の必要をなくシ、またダイ内に滞留する時
間を非常に短いものとすることにつながる。

後者はこのプロセスの高い生産速度に重要な役割をして
おり、例えば実際の生産速度として１時間に自動車の車
輪で２４０個、小型部品なら５００個の速度を容易に得
ることができる。

固化が急速であるために部品の殆ど全断面に亘って、等
しい厚さの断面が同時に固化し、したがって非常に急速
に、例えばアルミニウムや銅のような高導電率合金に対
しては付形後通常４秒以下で、排出することができる。

鉄合金や比較的大きな断面の部品の場合には固化時間は
１５乃至２０秒に増加するが、いずれにしても常に１分
以下であり通常より少い時間で固化が行われる。

通常温度低下に伴って固体収縮が生じ、それが部品に対
して種々の制約を与えているが、急速な排出はそのよう
な制約から部品を解放することになる。

収縮するとダイにおける拘束が高い応力を発生させ成形
部品内にホットテイア（ ｈｏｔ ｔｅａｒ）やクラツ
クを生じる原因となる。

本発明の製造方法により生産された製品は鍛造品として
の性質の多くを有する一方で、複雑な形状や形状公差の
点で鋳造品の特徴を有している。

製品は、その合金で作られた鍛造品と匹敵する抗張力、
耐疲労応力、延性及び耐蝕性を有する鍛造用合金を使用
して生産される。

更にその製造方法は比較的大型の部品の製造に適用する
ことが可能である。

例えば鍛造車輪の性質の多くを具備した自動車の車輪を
通常の鍛造車輪よりはるかに効率よく、はるかに簡単な
プレス装置を使用して製造することができる。

本発明の方法において、プレフォームはその容積の１０
乃至７０％が液体になるまで加熱される。

上述の如くプレフォーム又はチャージは選択された合金
の液体一固体混合物の激しい攪拌とその後の急冷によっ
て予め製造されている。

プレフォームが加熱される温度はその特定の合金の液化
温度と固化温度の間にあり、特定の化学的性質に依存し
て与えられた合金系内において種々変化する。

金属の成形が適切に行われる温度は特定された温度では
なく、測定素子を半固体中に挿入してその抵抗により測
定した粘性が混合物内に存在する液体のパーセントの指
示に使用される。

一般には０．３５ｋｇ／ｃｍ２から１．０５ｋｇ／ｃｍ
２までの範囲が使用され、正確な圧力が成形されるべき
部品の条件に適合するように選択される。

激しく攪拌したスラリーをプレフォームに成形するため
に冷却する前に直接チャージとして使用してプレフォー
ムの冷却、再加熱工程を省くことも可能であるが、前述
のように攪拌、冷却して一度プレフォームに成形してか
ら再加熱して使用することが望ましい。

この再加熱による処理中に半固体状態において１次固体
粒子はさらに丸味が増加し表面が平滑になると共に１次
固体粒子の比率を増加させる。

プレフォームの成形においては１次固体粒子の比率は充
分の流動性を確保するには５５％以下にすることが好ま
しいが、このような固体粒子の比率が５５％程度のプレ
フォームを使用して、再加熱により７０乃至９０％の比
率まで固体粒子の比率を高めることができる。

さらに各粒子の直径の分布範囲も狭くなり直径が均一化
して来る。

これも半固体合金の流動性を増加させる。

したがって一度プレフォームに成形してから再加熱して
使用すると高い１次固体粒子含有率のもので高い流動性
を得ることが可能になる。

予熱された材料が低い圧力で成形されるとき成形過程中
に認識できる程度の付加的な固化は生じなかった。

したがって、低い圧力の使用を保証するためのダイ空洞
内の付形時間は１秒以下で差支えない。

ダイ空洞は付形過程中に顕著に固化が進行しないように
、１次的には部品の形状に依存す′るが１００乃至４５
０℃の温度に予熱される。

もし温度が高過ぎるとプレフォームがダイに粘着し易く
なる。

付形ストローク中に圧力は０から固化に対して使用され
る圧力まで高められる。

したがって、付形ストロークの終りには圧力は約１，７
６乃至３ ５’ ２ ｋｇ／ＣＩ？Ｌ，通常は３５．２
乃至１ ７ ６ｋｇ／ｄに上昇し、液相の固化が開始す
る。

かくして圧力は付形ストローク中に次第に上昇し、固化
の期間中１．７６乃至３５２ｋｇ／ａｎｔのピーク値に
留る。

付与した圧力は合金からダイへの熱の伝達を促進し固化
収縮を行わせる。

もし圧力が低過ぎると多孔性が許容できないレベルまで
増加し、或いは複雑な形状では充填が不十分の部分を生
ずる可能性を生じる。

３５２ｋｇ／ｃｍ３（５０００ｐｓｉｇ）以上の圧力は
使用可能であるが必要はない。

更に、高い圧力は漏れの問題を生じる。

部品の成形にとって可能な限り圧力を低くすることはプ
ロセスの経済性、プレス装置の簡単化、ダイの寿命等か
らみて望ましい。

付形過程に続くグイ空洞内の滞留時間は熱収縮応力によ
るホットクラツクを避けるためにはできるだけ短く、１
分以下、できれば４秒以下にする必要があるが、合金の
液相の固化を完全なものとするのに充分なものでなけれ
ばならない。

特定の時間は部品の厚さに依存する。ホットクラツクの
生じる傾向は、合金の組成、固体粒子の割合、ダイの温
度及び部品の形状の関数である。

こＮに示した付形及び固化時間の範囲内において時間は
可能な限り短くして生産効率を最大にすべきである。

上述の説明から明らかな如く、時間、圧力、温度及び合
金の固体比率は臨界変数の組合せであって、それ等は一
体となってこ５に説明したプロセスの経済性と製品の改
良を達成するために作用する。

本発明による成形方法は、例えば第１図に示す如き型式
のダイ又はモールドを備えた１５０〜２５０トン水圧プ
レスによって遂行される。

ここに示されたダイセットは比較的大型で複雑な形状の
成形をするためのものであって、この場合にはスタイル
を重視した自動車用車輪である。

ダイセットは可動上部ダイ（又はラム）１，２個の側部
ダイ２及び３、及び底部ダイ４から構成されている。

各ダイは閉ぢた状態で示されており合金５が自動車の車
輪の形に成形される。

本発明の別の特徴は、ダイに抜け口を設ける場合を含む
ことである。

抜け口の長さと直径は空気の抜きを十分に行えるのに適
切なものでなければならない。

他方その通路は通常はダイの外部へ溶融金属が吹き出さ
ないような十分の狭さと長さが必要とされる。

通常の寸法即ち例えばダイキャストで使用されている直
径の抜け口はプレス成形法における空洞を無くすために
は狭過ぎることが判明した。

しかし、本発明のプレスサイクル期間における高い固体
比率はより広い、またより短い通路の使用を可能とする
ことが明らかとなった。

その結果、成形製品内部の空洞を消滅させることができ
るばかりでなく、抜け口を適切なものとするために必要
な面積が少いために、ダイ設計における制約も減少させ
ることができる。

第１図にはそのような抜け口６，７，８及び９が示され
ている。

第１図に示す如く付形動作は実際に通路６，７に通じる
狭い通路への半固体金属の前部押し出し、通路８，９に
通じる通路への半固体金属の背部押し出し、及びプレス
中の金属中央部分に対する鍛造ストロークを含んでいる
。

こ＼で云う「複雑な形状」とはこゝに説明したプロセス
における鍛造工程と組合された前部及び背部押し出しを
必要とするような種類の部品について云うものとする。

以下の実施例は本発明を具体的に示すもので、全ての成
分割合は重量で示している。

例 ６０６１鍛造アルミニウム合金の約８．２ｋｇ（１８ポ
ンド）のビレットが、前記米国特許第３，９４８，６５
０号明細書中に示される如く、約５０％の容積の変性し
た樹枝状晶を含む半固体スラリーから鋳造された。

ビレットは直径約１５ｃｍで次の組成を有する。

ＳｉＣｒＭｎＦｅＭｇＴｉＣｕＢＡｌ Ｏ．６３０．０６０．０６０．２２０．９００．０１２
０．２４０．００２残部ビレットはステンレス製の容器
内に入れられ、６７７℃の抵抗炉中に置かれた。

この温度は合金の液化温度より約２８℃高く、ビレット
内の液体比率に認識できるような変化を起させることな
く、合金の部分的溶融を生じるのに充分な温度であった
。

測定素子の挿入により検出した約０．８０の固体比率に
対応する６３２℃の温度において、容器内のビレットを
３１５℃に保持された第１図に示す型式の鋳鉄ダイセッ
トの密閉した底の半分に移送され、容器からダイの底部
へ排出された。

ダイセットはグラファイトをベースとした潤滑剤で覆わ
れた。

上部ダイも約３１５℃の表面温度に保持され、プレフォ
ームの付形時間が０．２秒になるように毎秒５．０８ｃ
ｍの速度で閉ぢられて、ダイはその空洞内を合金で満た
されて１５０ｋｇ／ｃｍ２（２１００ｐｓｉｇ）の最高
圧力に達した。

液相部分の固化期間である２．４秒間その圧力下に保持
された後、ダイセットは開かれ、成形部品が取出された
。

成形部品、即ちアルミニウムの車輪は分割され、機械的
性質測定の試料が採取された。

室温下での特性が測定された。

最大抗張力３３００ｋ９／ｃｍ２（４７０００ｐｓｉ）
、降伏応力３０２０ｋｇ／ｃｍ２（４３０００ｐｓｉ）
、２．５４ｃｍのゲージの延伸７％であった。

１９７６年第５版の１９７６年データ及びアルミニウム
の標準規格として定められた６０６１アルミニウム合金
の密閉ダイ鍛造の最低基準は最大抗張力２６７０ｋｇ／
ｃｍ２（３８０００ｐｓｉ）、降伏応力２４６０ｋｇ／
ｃｍ２（３５０００ｐｓｉ）、延伸７％である。

鋳造アルミニウム車輪についての自動車工業における代
表的な最低規格は最大抗張力２１８ｏｋｇ／ｃｍ２（３
１，０００ｐｓｉ）、降伏応力１１６０ｋｇ／ｃｍ２（
１６．５０計ｐｓｉ）、延伸７％である。

性質が方向性を有している鍛造品と異なり、本発明の製
品は等方性であり、全ての方向でその性質は等しい。

実施例の車輪の冶金学的構造は乱雑な方位の等軸粒子構
造から成り、同様の性質を有する鍛造部品に伴う構造は
ない。

本発明により製造された車輪１０は第２及び第３図に示
されている。

第３図の平面図は第１図のダイの底部側から見た図を示
している。

車輪は周辺に複数の略々四角の部分１１を有し、その四
角の部分をそれぞれ打抜き、又は機械加工による孔１２
が貫通している。

ハブ部分１３は４個のねじを切った孔１４及び４個の打
抜き又は機械加工による大きな孔１５を有する。

この複雑な形状の車輪は通常パーマネントモールド或は
ダイキャスト技術により生産され、従ってその性質は鋳
造合金の比較的低級な性質に制限される。

材料の特性はこのようにして車輪の重量の制限因子とな
っている。

低級の性質は鋳造車輪の容積を大きくして補償する必要
がある。

更に、薄い断面のパーマネントモールドを満たすことが
困難なため、鋳造技術固有の制限として通常必要とする
以上の大きな断面が必要である。

従って本発明の車輪は、従来技術による車輪と比較して
重量が軽いという非常に重要な特徴を有している。

プレス鋳造プロセスに使用する代表的な合金はアルミニ
ウム以外にもステンレス鋼、工具鋼、低合金鋼及び鉄の
如き鉄合金、及び通常鋳造、鍛造に使用される銅合金で
ある。

こゝに説明したプロセスパラメーターノ範囲内において
、成形される部品の幾何学的又は特定の性質に適応させ
るために多くの変形が可能である。

合金組成、温度、プレスの速度及び圧力、滞留時間の変
化は粒子構造に影響を与え、収縮欠陥を回避し、部品の
特定部分に対する性質を改善する。

更にこの方法は車輪以外の各種の成形部品例えば工具類
、弁、ポンプ本体及び部品、プロペラ、羽根車、自動車
及び航空機部品、電気、機械部品等の製造に使用可能で
ある。

このような変形は全て特許請求の範囲に記載された本発
明の範囲に含まれるべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に使用するのに適したプレス内に位
置するダイの縦断面図を示し、第２図は第１図の装置に
より製造された自動車用車輪の側面図を示し、第３図は
第２図の車輪の平面図を示す。 １・・・・・・頂部ダイ、２，３・・・・・・側部ダイ
、４・・・・・・底部ダイ、６，７，８，９・・・・・
・抜け口、１０・・・・・・製造された車輪。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半固体金属合金チャージを密閉ダイ空洞内で成形す
   る金属合金の成形方法において、前記合金がその合金よ
   り得られる第１のばらばらの状態の変性した樹枝状晶固
   体粒子を合金容積の３０乃至９０％の容積比率で含み、
   該第１の固体粒子は第２の液相中に均一に分散して浮遊
   しており、該第２の障相は前記合金から得られ、第１の
   固体粒子より低い融点を有しており、前記合金チャージ
   は略々１００乃至４５０Ｃの温度に予熱された前記ダイ
   空洞内で一々１秒以下の時間で加圧付形され、前記付形
   された合金の液相がダイ空洞内で略々ｌ．７６乃至３５
   ２ｋｇ／ｃｍ２（２５乃至５０００ｐｓｉｇ）の圧力で
   １分以下の時間内に固化されることを特徴とする合金の
   成形方法。 ２ 合金が３５．２乃至１７６ｋｇ／ｃｎ２（５００乃
   至２５００ｐｓｉｇ）の圧力において固化される特許請
   求の範囲１記載の成形方法。 ３ ダイ空洞が２００乃至３００℃の温度に保持される
   特許請求の範囲１記載の成形方法。 ４ 合金がダイ空洞内において０．１乃至０．５秒の時
   間内に加圧付形される特許請求の範囲１記載の成形方法
   。 ５ 付形された合金の液相の固化が４秒以下の時間内に
   ダイ空洞内で加圧下に行なわれる特許請求の範囲１記載
   の成形方法。 ６ 合金がアルミニウム合金である特許請求の範囲１記
   載の成形方法。 ７ 合金が銅合金である特許請求の範囲１記載の成形方
   法。 ８ 合金が鉄合金である特許請求の範囲１記載の成形方
   法。 ９ 合金の容積に対する第１のばらばらの変性した樹枝
   状晶固体粒子の容積比率が７０乃至９０％である特許請
   求の範囲１記載の成形方法。 １０ 前記成形方法は複雑な形状の合金を小さな公差で
   生産する特許請求の範囲１記載の成形方法。 １１ 前記ダイ空洞はダイ空洞から大気中へ連通ずる複
   数の離間した通路により大気中への抜け口が形成され、
   該通路は加圧過程中ダイ空洞内に閉ぢ込められた空気を
   排出するのに充分な寸法を有している特許請求の範囲１
   記載の成形方法。