JP4273045B2 - 金属成形機における金属素材の溶融方法 - Google Patents

Description

この発明は、円柱状（丸棒状）の鋳塊を金属素材として用い、その金属素材を溶融して金型に射出し、所望の製品を射出成形する金属成形機における金属素材の溶融方法に関するものである。

マグネシウム合金等の成形手段として、ノズル口を先端に有する筒体の外周囲に加熱手段を備え、そのノズル口と接続した計量室を縮径により先端部内に形成した溶融金属保持筒（加熱保持筒）に、粒状の金属素材を供給して溶融蓄積するか、または溶解炉により溶融した溶融金属を溶融金属保持筒に供給蓄積して、内装した射出プランジャの進退移動により、溶融金属の計量と金型への射出を行っているものがある。
また金属製品の鋳造法として、金属スラリーを冷却して鋳造した円柱状の金属素材を、インジェクション装置に横に供給して予備加熱したのち、半溶融状態に加熱して加熱チャンバに貯留し、吸引ロッドにより金型に射出するものもある。
特願２００３−２４７７３号 特開２００１−２５２７５９号

粒状の金属素材は酸化し易く、また軽量であることから溶融金属保持筒内に落下しても、溶湯内に沈んで直ちに溶融するものが少なく、その多くは湯面に浮き積もって熱気に長く曝されるのでスラッジが発生し易い。このスラッジの発生は、金属素材を粒状よりも酸化の度合いが少ないインゴットや円柱体（丸棒ともいう）などの鋳塊に換えることで抑制することができる。

しかし、インゴットや柱状体は溶融金属保持筒に直接供給できず、溶解炉により完全溶融してから供給するか、または予備加熱バレルにより予備加熱してから半溶融状態に加熱して加熱チャンバに貯留してるので、金属成形機が大型となり、保守管理にも手数を要する。

上記課題は、金属素材の溶解炉に筒体を採用し、その溶解筒を射出手段を内装した加熱保持筒に縦に設けて、円柱状の金属素材を加熱溶融しながら、半溶融又は完全溶融状態で加熱保持筒に供給することにより解決できる。

そのような金属成形機は、加熱保持筒と溶解炉よりも小さな溶解筒とから構成できるので大型とならず、また保守管理も容易となるが、金属素材の溶融を溶解筒の周囲の加熱手段により間接的に行っているので、金属素材を溶湯に沈めて直接加熱する溶解炉の場合よりも加熱効率が悪く、溶融に時間を要する。

この溶解筒における加熱効率の悪さは、素材底面や上面の加熱が行い難いために、金属素材の加熱が胴周囲に限られ、中央部が溶融温度に達するまで時間が掛かることにある。
また溶解筒の内径と円柱状の金属素材の直径との差から設定されるクリアランスも一因となってる。これまでクリアランスは、金属素材の挿入の容易さを考慮して設定しており、加熱前（非熱膨張時）の金属素材の直径から溶解筒の内径を決めて設定している。この内径の設定では金属素材の直径や溶解筒の内径に公差があるので、その公差を考慮してクリアランスは大きめに設定されている。

溶解筒による金属素材の加熱効率は、クリアランスが大きくなるほど低下してゆく。加熱効率の向上のためにクリアランスを小さく設定して、溶解筒の内面に金属素材の外面を接近させると、金属素材を溶解筒底面まで自重により落下挿入することが難しくなることが多く、挿入作業の手間取りによる供給の遅れから、加熱保持筒内の蓄積量が低減して、成形作業に支障を来すようなこともある。

この発明は、上記従来の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、溶解筒における加熱効率の課題を、金属素材の胴周囲と同時に底面からも加熱することで解決でき、また胴周囲の加熱効率の悪さも、熱膨張時を対象にクリアランスを設定することで解決できるとともに、金属素材の表面加工によりスラッジの発生をも抑制することができる新たな金属成形機における金属素材の溶融方法を提供することにある。

上記目的によるこの発明は、円柱状（丸棒状）鋳塊を金属素材とし、その金属素材を加熱保持筒に縦に設けた溶解筒に挿入して、半溶融又は完全溶融するにあたり、上記溶解筒を、胴部に連なる濾斗状の底部と、底部中央の胴部より小径の流出管と、胴部内の底部に近接した中央に横設した加熱補助材と、胴部及び流出管の外周囲に設けた加熱手段とから構成し、該加熱補助材により上記金属素材を底部上に支持して、金属素材の加熱を胴部周囲と底面中央とから行う、というものである。

また上記加熱補助材の複数本を、胴部内の底部に近接した中央に交差横設して、上記金属素材を支持してなるというものであり、加熱補助材に加熱手段を埋設し、金属素材の加熱を胴部周囲及び加熱補助材により行う、というものである。

この発明は、上記溶解筒の胴部内径Ｄと上記金属素材の直径ｄとの差から生ずる胴部のクリアランスｃを、溶解筒と金属素材の両方の熱膨張時において１ｍｍを超えず、かつ金属素材の非熱膨張時に挿入が可能な範囲に設定してなるというものであり、上記溶解筒は、上記金属素材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の金属材料からなる、というものである。

またこの発明に用いられる上記金属素材は、マグネシウム合金、アルミニウム合金等の低融点金属合金からなり、金属素材の加熱溶融は、素材表層に生じた巣や表面に付着した不純物を切削除去したのち行う、というものである。

上記構成では、金属素材の底面が加熱補助材により部分的に支持されて、漏斗状の底部上に位置することから、胴部外周囲からの加熱による金属素材の軟化に伴って、加熱補助材が金属素材の荷重により底面から内部に入り込むようになる。加熱補助材は胴部からの伝熱又は埋設した加熱手段により加熱されているので、金属素材は底面内からも加熱を受け、胴周囲からの加熱と相俟って加熱効率が、溶解筒の内底面により金属素材の底面を全面支持して、胴周囲を加熱した従来の場合よりも向上し、溶融時間が短く済むようになる。

またチクソトロピー性状を呈する金属組織の金属素材では、固液共存温度で溶融する共晶の分布状態が不均一なことから、溶融塊となって金属素材から溶け落ちても、溶融塊は底部で再溶融されるので、溶融塊が加熱保持筒への流出の妨げとなるようなことがない。

また挿入クリアランスを溶解筒と金属素材の両方の熱膨張時において１ｍｍを超えず、かつ金属素材の非熱膨張時に挿入が可能な範囲に設定したことにより、金属素材の挿入作業が容易となり、クリアランスは挿入後の金属素材の熱膨張により自然に小さくなるので胴周囲の加熱効率が向上し、上記加熱補助材による内部加熱と相俟って溶融時間が短縮されることから、成形サイクルに対応した金属素材の溶融供給と蓄積とを行うことができる。更にまた金属素材の表層の巣や、表面に付着している酸化物等の不純物を切削除去して、金属素材を融解筒で溶融するので酸化物によるスラッジの発生が低減し、スラッジ排除を含む定期的なメンテナンスの期間を長くすることができ、メンテナンス回数の減少から生産効率もよくなる。またスラッジの混入による不良成形品も著しく減少して歩留りも改善されるようになる。

図中１は金属成形機で、筒体２１の先端にノズル部材２２を有する加熱保持筒２と、円柱状（丸棒状）の鋳塊の金属素材Ｍの溶解筒３と、射出保持筒２の後部に配設した射出駆動装置４とからなる。

上記加熱保持筒２は、筒体２１の中程上側に設けた供給口に上記溶解筒３を備え、筒体外周囲にバンドヒータによる加熱手段２４を備える。この加熱手段２４による加熱保持筒２の温度は、成形に用いられる金属素材Ｍが、固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈する鋳塊の場合には、液相線温度と固相線温度との間の温度に設定され、また完全溶融する通常の鋳塊の場合には、液相線温度以上の温度に設定される。

加熱保持筒２は筒体後端部を支持部材２３に取付けて、射出駆動装置４と共に水平面に対し４５°の角度に斜設してある。この斜設により下向きに位置する先端部内は、上記ノズル部材２２のノズル口と連通する計量室２５となっている。この計量室２５には上記射出駆動装置４と連結した射出手段２６の射出プランジャ２６ａが進退自在に嵌挿してある。射出プランジャ２６ａは加熱保持筒２の密閉後端から内部に挿入したロッド２６ｂの先端に取付けてあり、外周面にシールリングを埋設した逆止弁２６ｃを軸部周囲に進退自在に備えている。

上記溶解筒３は、円筒形の胴部３１に連なる濾斗状の底部３２と、底部中央の胴部３１よりも小径の流出管３３と、底部３２に近接した胴部内の中央に横設したステンレス鋼の丸棒の加熱補助材３４と、胴部３１及び流出路３３の外周囲に設けたバンドヒータや誘導加熱器等による加熱手段３５とから構成されており、上端開口には蓋部材３６が開閉自在に取付けてある。また胴部３１の加熱手段３５は加熱補助材３４の下側から上方に複数ゾーンに分割して個々に温度制御可能に設けてある。

上記加熱補助材３４は１本に限定されず、図では省略するが、複数本を間隔を空けて並行に横架してもよく、また図４に示すように、複数本を十字に交差して横架してもよい。この場合には、胴部３１の上部開口から胴部３１と底部３２の境まで挿入して掛け止めることになる。また加熱補助材３４による底部内の加熱を積極的に行う場合には、図は省略するが加熱補助材を管体により形成し、その内に胴部からカートリッジヒータを挿入して胴部とは別に加熱するのが好ましい。

上記構成の溶解筒３は、流出管３３を筒体２１に設けた供給口に差込み、胴部３１の上部を上記支持部材２３に固設したアーム部材２７により保持して加熱保持筒２に縦に設けられている。なお、３７は流出管３３に沿って加熱保持筒２の溶湯面Ｌまで挿入たアルゴンガス等の不活性ガスの注入管である。

円柱状の金属素材Ｍとしては、マグネシウム合金、アルミニウム合金等の低融点金属合金が用いられる。また使用にあたっては、鋳造時に生じている表層の巣や、表面に付着している酸化物等の不純物を切削により除去しておくのが好ましい。表面の酸化物や表層の巣に入り込んで空気中の酸素は、金属素材Ｍの加熱溶融により金属酸化物を生成してスラッジとなり易く、これが加熱保持筒２内に沈積して成形操作の障害となったり、或いは成形品に混入して不良品となるので、表層を深さ１〜５ｍｍほど切削して除去することで、スラッジの発生を低減することができる。

金属素材Ｍは、上部開口から液相線温度以上の温度に加熱されている溶解筒３の胴部内に挿入される。金属素材Ｍは底面が上記加熱補助材３４に接する所まで自重により溶解筒３内を落下して、加熱補助材３４に受け止められる。溶解筒内では胴部３１の上記加熱手段３５により、胴周囲と加熱補助材３４が当接された底面中央とから加熱を受ける。素材温度が固相線温度を超えると金属素材Ｍは軟化してゆくので、金属素材Ｍの荷重を受けている加熱補助材３４は底面から中央部内に入り込んで行く。また軟化した底面は加熱補助材３４の入り込みに伴い、図２に仮想線で示すように、加熱補助材３４の両側にはみ出てゆくので、加熱補助材３４は更に上部へと入り込みながら中央部を加熱する。これにより金属素材Ｍの加熱は胴周囲からの加熱と相俟って効率よく行われるようになる。

溶解筒３により素材温度が液相線温度を超えると、金属素材Ｍは完全に溶融して湯となるが、金属組織が固液共存温度領域の温度でチクソトロピー性状を呈する金属素材Ｍでは、結晶間に分布する共晶が液相線温度に達する前の固液共存温度領域の温度で溶融し、液相と固相とによる半溶融状態となる。溶融は胴周囲と中央部内とから加熱を受ける下部が先行し、底部３２から縮径された流出管３３を流れて加熱保持筒２にチクソトロピー性状を呈する半溶融状態の融体Ｍ₁ として蓄えられる。溶融量が増えると底部３２に溜りながら流出管３３を流下してゆく。

チクソトロピー性状を呈する金属組織では、共晶の分布状態が不均一であることから溶融状態もまちまちで均等に行われず、小さな溶融塊となって金属素材Ｍから溶け落ちるものもある。しかし、加熱補助材３４の下方に加熱された漏斗状の底部３２と流出管３３があるので、溶融塊は底壁面上に溶け落ちて底壁面から流出管３３を流通する間に、再溶融して解塊されるようになる。また底部３２に溶融溜りが生じているときには、その溶融溜りに沈んで再溶融されるようになるので、溶融塊が生じても溶融が支障なく行われ、溶融塊による流出管３３の詰まりもないことから溶融時間も短く済むようになる。
因に、特許文献１に記載の平底の溶解筒に同一の金属素材Ｍを挿入し、底面を全面支持して胴部周囲から加熱した場合との比較では、溶融時間が約１０分短縮される。

加熱保持筒３に蓄積された半溶融の融体Ｍ₁ は、上記射出プランジャ２６ａの後退移動により計量室２５に流入して計量されたのち、射出プランジャ２６ａの前進移動により図示しない金型に射出される。

上記溶解筒３において、胴部３１における加熱効率は、胴部内径Ｄと金属素材Ｍの直径ｄとの関連において生ずるクリアランスｃが小さいほど高くなる。反対に金属素材Ｍの挿入が困難となるので、挿入の容易性をも考慮してクリアランスｃは、熱膨張時を対象に設定するのが好ましい。このクリアランスｃの設定は、金属素材Ｍと溶解筒３に採用される金属材料の材質の線膨張係数から得られる熱膨張時の直径ｄと胴部内径Ｄとを対象に行い、その両方の熱膨張時に１ｍｍを超えず、かつ円柱状の金属素材Ｍの挿入を可能とする範囲に設定している。また熱膨張によるクリアランスｃの拡大を制限するために、溶解筒３１には線膨張係数が金属素材の線膨張係数より小さい膨張率の金属材料が使用されている。

この熱膨張時を対象として設定したクリアランスｃでは、加熱されていない金属素材Ｍの挿入時には、金属素材Ｍは熱膨張していないので、既に加熱膨張している溶解筒３との間のクリアランスｃは、その非熱膨張分だけ熱膨張時のよりも大きく形成される。したがって、熱膨張時を対象に設定した１ｍｍを超えないクリアランスｃでも金属素材Ｍの挿入がスムーズに行えるようになり、胴部３１における加熱効率も高くなって、金属素材Ｍの溶解時間が更に短縮されるようになる。

金属素材 マグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ） 線膨張係数 ２７．０×１０^-6 ／Ｋ
形状：円柱体、 長さ：３００ｍｍ、 質量：１．５Ｋｇ
溶解筒
材質 ステンレス鋼 （ＳＵＳ３０４）線膨張係数 １６．５×１０^-6／Ｋ
形状 円筒体、 底部深さ３０ｍｍ、 流出管内径４０ｍｍ
加熱補助材
材質 ステンレス鋼 （ＳＵＳ３０４）線膨張係数 １６．５×１０^-6／Ｋ
形状 丸棒 直径 １２ｍｍ

非熱膨張時 熱膨張時（５５０℃）
金属素材 直径ｍｍ ６０．０ ６０．８９１
溶解筒 胴部内径ｍｍ ６１．３ ６１．８５６
クリアランスｍｍ １．３ ０．９６５
挿入時クリアランス （６１．８５６−６０．０）＝１．８５６ｍｍ
溶融時間（６００℃） 約１２分

溶融時間の比較
非膨張時設定クリアランス１．８ｍｍの場合との比較
但し、溶解筒 胴部内径６１．８ｍｍ、 金属素材 直径６０．０ｍｍ
溶融時間（６００℃） 約２０分
結果： 挿入時クリアランス１．８５６ｍｍは、非膨張時設定クリアランス１．８ｍｍ
よりもクリアランスが０．０５６ｍｍ大きいが、溶融時間は短く、約８分の短縮
となった。

この発明に係る金属素材の溶融方法を採用し得る金属成形機の１実施形態の縦断側面図である。 溶解筒の下部縦断側面図である。 同じく下部縦断正面図である。 複数本の加熱補助材を胴部内の底部上に交差横設した他の実施形態の平断面図である。

符号の説明

１ 金属成形機
２ 加熱保持筒
３ 溶解筒
３１ 胴部
３２ 底部
３３ 流出管
３４ 加熱補助材
３５ 加熱手段
３６ 蓋部材

Claims (7)

1. 円柱状（丸棒状）の鋳塊を金属素材とし、その金属素材を加熱保持筒に縦に設けた溶解筒に挿入して、半溶融又は完全溶融するにあたり、
   上記溶解筒を、胴部に連なる濾斗状の底部と、底部中央の胴部より小径の流出管と、胴部内の底部に近接した中央に横設した加熱補助材と、胴部及び流出管の外周囲に設けた加熱手段とから構成し、該加熱補助材により上記金属素材を底部上に支持して、金属素材の加熱を胴部周囲と底面中央とから行うことを特徴とする金属成形機における金属素材の溶融方法。
2. 上記加熱補助材の複数本を、胴部内の底部に近接した中央に交差横設して、上記金属素材を支持してなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
3. 上記加熱補助材に加熱手段を埋設し、金属素材の加熱を胴部周囲及び加熱補助材により行うことを特徴とする請求項１又は２記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
4. 上記溶解筒の胴部内径Ｄと上記金属素材の直径ｄとの差から生ずる胴部のクリアランスｃを、溶解筒と金属素材の両方の熱膨張時において１ｍｍを超えず、かつ金属素材の非加熱膨張時に挿入可能な範囲に設定してなることを特徴とする請求項１記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
5. 上記溶解筒は、上記金属素材の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の金属材料からなることを特徴とする請求項１又は４記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
6. 上記金属素材は、マグネシウム合金、アルミニウム合金の低融点金属合金からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。
7. 上記金属素材の加熱溶融は、素材表面に生じた巣や表面に付着した不純物を切削除去したのち行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属成形機における金属素材の溶融方法。

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