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TW201519973A - 半凝固鑄鍛造裝置及方法以及鑄鍛造品 - Google Patents

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TW201519973A
TW201519973A TW103135333A TW103135333A TW201519973A TW 201519973 A TW201519973 A TW 201519973A TW 103135333 A TW103135333 A TW 103135333A TW 103135333 A TW103135333 A TW 103135333A TW 201519973 A TW201519973 A TW 201519973A
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Masayuki Itamura
Kouichi Anzai
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Univ Tohoku
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Abstract

本發明能夠製造具有優異的機械的特性且具有微細組織之優異的製品，不僅是薄物製品而且連厚物製品亦能夠不必使用複雜的步驟、裝置而製造。 本發明將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。以設為具有因壓縮使得流動性上升之粒徑的結晶粒為佳，粒徑係以50μm以下為佳。

Description

半凝固鑄鍛造裝置及方法以及鑄鍛造品
本發明係有關於一種半凝固鑄鍛造裝置及方法以及鑄鍛造品。
例如就廣大社會對汽車之需求而言，係強烈地要求提升燃料消耗率。對此，雖然具有輕量效果之鋁材料和塑膠材料的採用係進展中，但是存在無法兼具強度與精度之技術上的課題。又，近年來受到環保意識的提高之影響，自行車產業亦呈現繁榮，在此，就製品差異化之需求而言，係被要求輕量化、強度及其他機械的特性的提升化、以及品質感提升化，對於此情形，亦存在前述的課題。而且在電子機器及其他領域，亦被要求輕量化、強度及其他機械特性的提升化、以及品質感提升化。
目前，已知半凝固鑄造技術作為因應輕量化(薄壁化)、機械的特性提升之技術。
半凝固鑄造技術係有流變鑄造法及觸變鑄造法。
流變鑄造法，係將合金從液體狀態邊攪拌邊冷卻而使初晶成長成為粒狀且在到達預定的固相率之時點進行成形之方法，亦稱為半凝固模鑄法。
另一方面，觸變鑄造法係將合金熔融之後，邊攪拌邊使其 暫時凝固而製作坯料(billet)，在鑄造時再次將坯料加熱而成為固液共存狀態之後進行成形之方法，亦稱為半熔融模鑄法。
觸變鑄造法，係經組織調整之特殊的坯料而有昂貴之問題點。又，因為係將坯料再熔融而成為半熔融漿料者進行鑄造，所以有缺乏省能源之問題點。而且，因為一次鑄造而成之物，無法再溶解而使用，亦有無法再利用之問題。因此，目前是流變鑄造為主流。
有一種方法(NRC法：Ube’s New Rheocasting Process；Ube的新流變法)，係使預定量的固相結晶之後，將固液共存狀態的漿料投入射出套筒內而進行射出填充(例如，專利文獻1)。
但是，NRC法係因需要時間來生成半凝固漿料且設備係非常昂貴，而且核產生數不充分，所以球狀結晶的微細化係有限度。
作為突破此種限度之技術，亦即就使用小型設備而廉價、迅速且簡便地生成漿料且核產生數增多之技術而言，已提供一種藉由電磁攪拌之奈米鑄造法(專利文獻2)和一種藉由自攪拌之杯法(專利文獻3)。
隨後，致力於球狀結晶的微細化，已開發一種半凝固漿料生成製程，其係藉由最適當地控制在澆注時之套筒內的熔融金屬(molten metal)溫度，未具備先前的漿料生成設備，藉由使大量的結晶核在套筒內結晶且適當地控制結晶成長，而生成在通常的流變鑄造無法得到之微細的球狀結晶(專利文獻4)。
另一方面，在模內鍛造熔融金屬之所謂熔融金屬鍛造技術之中，關於使用流變鑄造法之技術及使用觸變鑄造法之技術為，例如提供於專利文獻5、6中所記載之技術。
專利文獻5所記載之技術，係將成為半凝固狀態之塊狀混合物(坯料)，設置在被加熱至比塊狀混合物低的溫度之下模的中央，隨後，藉由使上模接近下模而使半凝固狀態之塊狀混合物壓縮變形。
但是，在專利文獻5所記載之技術，原料質量對製品質量係較大，因此有成本高之課題。又，在此，所謂「原料質量」，係供給至前述下模內之原料的質量，所謂「製品質量」係將毛邊、多餘金屬及其他製品外部分除去後之部分的質量。又，原料質量、製品質量均是在室溫之質量。
而且，具有薄壁部(例如1mm以下的厚度部)之製品時，因為薄壁部必須預先附加多餘金屬(excess metal)，所以該部分不得不進行切削加工，其目的之步驟亦成為成本高之主要原因。
在專利文獻6(特開平4-182054號公報)，係揭示一種熔融金屬鍛造技術，其係將金屬材料的熔融金屬澆注在模壓機的模內後，在對整體施加預壓之狀態下保持一定時間，且在從凝固開始至凝固結束後降低至300℃為止之期間，對金屬材料的至少一部分施加附加的壓力而使其變形。
但是，在專利文獻6的技術，必須經過賦予預壓、及賦予附加的壓力之複數個階段之步驟，步驟複雜之同時，其目的之裝置亦不得不變為複雜。
又，在非專利文獻1係揭示一種技術，其係在接近製品形 狀的金屬容器中生成半凝固漿料，將半凝固漿料投入模具且藉由模具進行壓縮成形。
雖然依照該方法，能夠得到球狀組織，但是必須暫時製成半凝固漿料且將其移至模具之步驟。又，原料質量對製品質量係較大，從原料面而言，該技術亦變為成本高。
先前技術文獻 專利文獻
[專利文獻1]日本特開2003-126950號公報
[專利文獻2]日本特許4134310號公報
[專利文獻3]日本特許3919810號公報
[專利文獻4]WO2013/039247A
[專利文獻5)日本特開2009-235498號公報
[專利文獻6]日本特開平4-182054號公報
非專利文獻
[非專利文獻1]平成23年第3次修正預算事業戰略基板技術高度化支援事業「使用半凝固鑄鍛造成型法之汽車用高功能製品的開發」研究開發成果等報告書平成25年3月
本發明之目的，係提供一種半凝固鑄鍛造法，其係即便具有薄壁部(1mm以下的厚度部)之製品，亦不必使用複雜的步驟、裝置，而能夠具有非常高的材料利用率而製造。
申請專利範圍1之發明，係一種半凝固熔融金屬鍛造裝置，其係用以將熔融金屬澆注在下模的模槽內，使上模或前述下模移動且在半凝固狀態下進行成型之熔融金屬鍛造裝置，能夠以前述澆注後至前述成型開始之時間為0.1-10秒之方式來調整前述速度。
申請專利範圍2之發明，係如申請專利範圍1所述之半凝固熔融金屬鍛造裝置，其中能夠以前述澆注後至前述成型開始的時間為0.1-5秒之方式來調整前述速度。
申請專利範圍3之發明，係如申請專利範圍1或2所述之半凝固熔融金屬鍛造裝置，其中在將前述熔融金屬澆注至前述模槽內時，上模與下模的距離係30-50cm。
申請專利範圍4之發明，係如申請專利範圍1至3項中任一項所述之半凝固熔融金屬鍛造裝置，其中前述上模或前述下模的速度係至少在0.03-5m/s之間為可變。
申請專利範圍5之發明，係一種半凝固熔融金屬鍛造方法，其係將熔融金屬澆注在下模的模槽內，使上模或前述下模移動且在半凝固狀態下進行成型之半凝固熔融金屬鍛造方法，以在前述澆注後之漿料中的粒徑為50μm以下之方式來製造漿料，且在前述澆注後0.1-10秒的範圍之時間內開始模成形。
申請專利範圍6之發明，係如申請專利範圍5所述之半凝固熔融金屬鍛造方法，其中能夠以前述澆注後至前述成型開始的時間為0.1-5秒之方式來調整前述速度。
申請專利範圍7之發明，係一種半凝固鑄鍛造方法，其係將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。
申請專利範圍8之發明，係一種半凝固鑄鍛造方法，其係將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造具有因壓縮使得流動性上升之粒徑的結晶粒之半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。
申請專利範圍9之發明，係一種半凝固鑄鍛造方法，其係將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造具有粒徑為50μm以下的結晶粒之半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。
申請專利範圍10之發明，係如申請專利範圍5至9項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中在澆注時之熔融金屬溫度係比液相溫度高10~30℃的溫度。
申請專利範圍11之發明，係如申請專利範圍5至10項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中在通過液相線時之冷卻速 度係2℃/s以上。
申請專利範圍12之發明，係如申請專利範圍5至11項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中前述下模的溫度係200℃±100℃。
申請專利範圍13之發明，係如申請專利範圍5至12項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中前述上模的溫度係與前述下模的溫度不同。
申請專利範圍14之發明，係如申請專利範圍13所述之半凝固鑄鍛造法，其中前述上模的一部分或全部的溫度係比前述下模的溫度低的溫度。
申請專利範圍15之發明，係如申請專利範圍5至14項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中(製品質量)/(原料質量)為0.9以上。
請求頂16之發明，係如申請專利範圍5至14項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中藉由在半凝固漿料中埋入其他構件而做成由複合材所構成之製品。
申請專利範圍17之發明，係如申請專利範圍15所述之半凝固鑄鍛造法，其中預先在前述上模插入銷桿(pin rod)且使在該銷桿的前端能夠裝卸地保持其他構件。
申請專利範圍18之發明，係如申請專利範圍17所述之半凝固鑄鍛造法，其中藉由磁力或真空夾頭力量將前述其他構件保持在前述銷桿。
申請專利範圍19之發明，係如申請專利範圍5至18項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中使用粉末脫模劑作 為脫模劑。
申請專利範圍20之發明，係一種半凝固鑄鍛造品，其具有50μm以下的球狀組織，同時在一部分具有鍛造組織。
申請專利範圍21之發明，係如申請專利範圍20所述之半凝固鑄鍛造品，其中將其他構件埋入本體且該其他構件係在熔融金屬鍛造時埋入。
申請專利範圍22之發明，係如申請專利範圍21所述之半凝固鑄鍛造品，其中在前述其他構件附近之組織係鍛造組織。
申請專利範圍23之發明，係如申請專利範圍19至22項中任一項所述之半凝固鑄鍛造品，其中前述半凝固鑄鍛造品係連桿。
申請專利範圍24之發明，係一種半凝固鑄鍛造品，其係使用如申請專利範圍5至19項中任一項所述之方法形成。
在以下，同時說明在進行本發明時所得到的知識及本發明。
本發明係有關於一種熔融金屬鍛造裝置，尤其是一種用以在半凝固狀態下進行模成形(die forming)之裝置。
熔融金屬鍛造裝置，係在將熔融金屬澆注在模內後，進行閉模且等待到達固相狀態，在達到固相狀態之後，係按照必要而對一部分或整體施加荷重且以不產生凹下收縮程度的空間之方式進行。該技術係與鍛造成形不同。亦即，不是 使用大的鍛造壓力來進行成形者。模具係只具有作為將熔融金屬保持至凝固為止的容器之功能。又，雖然在固相狀態對一部分或整體施加壓力，但是由於加工量係相當於凹下收縮量，所以在加工時之變形抵抗小，因此，亦幾乎不產生加工硬化。因而，先前的熔融金屬鍛造裝置係沒有將模具的移動速度加速之必要性，所以模具的移動速度係被設計為較慢。
另一方面，在半凝固狀態下進行模成形之技術中，係具有在模外製造圓柱狀的半凝固坯料(漿料)後，將該漿料載置在下模上，其次使上模移動而進行模成形之技術。在該技術中，漿料的性狀係在模外之漿料製造時決定。亦即，上模的移動速度不會對製品特性造成重大的影響。又，為了從模外搬運至下模上且使上模移動，需要至少數秒的時間。因而，漿料製造時移動至下模後，無法避免漿料特性產生變化。
本發明係將熔融金屬澆注至下模的模槽內且使上模或前述下模移動，用以在半凝固狀態下進行成型之熔融金屬鍛造裝置。
在本發明，係將熔融金屬澆注至下模的模槽內。因而，半凝固漿料係在下模的模槽內形成。
本發明所具有的特徵之一，係在下模模槽內形成半凝固漿料。亦即，並不是在模外形成半凝固漿料且當該漿料在下模上之際進行模成形。
本發明所具有的特徵之一，係在下模模槽內形成半凝固漿料。亦即，並不是在模外形成半凝固漿料且在將該漿料移動至下模上的時候進行模成形。
而且，本發明的進一步的特徵，係在下模內形成漿料時進行控制漿料的性狀。先前，在模內形成漿料時控制漿料之性狀的技術並不存在。
漿料性狀的控制係如以下的方式控制：控制在下模模槽的澆注溫度(以熔點加上5至50℃以下的溫度為佳，較佳為熔點加上5至30℃以下的溫度)、控制從澆注後的熔融金屬的放熱量及放熱速度而使過冷度為一定以上的大小且使漿料中的粒子之粒徑為50μm以下。考慮模具的熱容量、導熱率、下模溫度、熔融金屬的潛熱等而設計即可。為使澆注後產生自攪拌，以從下模的模槽底面起算一定以上的高度進行澆注為佳。例如，以從將上模與下模合在一起時所形成的模內部空間之高度方向的2倍以上之高度進行澆注為佳。或是從下模底起算的高度係下模的平均直徑D的3.5倍以上之高度進行澆注。又，平均直徑可設為下模的製品面積的1/2次方。按照製品形狀且藉由預先實驗等來求取產生自攪拌之高度即可。
又，依照澆注後至模成形開始為止之時間，在製品中之結晶粒徑、強度、模填充度係產生變化。
因為先前的熔融金屬鍛造係意圖填補凹下收縮量之模鍛造，所以澆注後必須具有保持時間。在本發明中，因為進行控制在下模內之漿料的性狀，所以亦有在澆注後瞬間形成50μm以下的粒徑的漿料之情形。又，該狀態下的漿料係大量的核未消滅而被含有。
因而，澆注後在0-10秒以內開始模成形時，能夠流動性良好地成形，又，能夠得到結晶粒小的製品。然而在實 際的裝置，係0.1-10秒的範圍內。在該範圍內選擇對應最適合的漿料性狀之經過時間而開始模成形即可。
在前述的文獻，雖然有提及半凝固鑄鍛造(使用流變鑄造者)、半熔融鑄鍛造(使用觸變鑄造者)，但是未揭示其具體的實施例。特別是關於半凝固鑄鍛造，係完全沒有揭示澆注溫度及其他具體的條件且應如何實施亦不明確。因此，無法說是已完成的技術。
本發明者等係針對半凝固鑄鍛造，進行探究具體的條件時，發現依照在模內之半凝固漿料的條件(進而其製造條件)，即便使原料質量顯著地減少，亦有能夠得到沒有未澆滿(underfill)部且具有良好的金屬組織的製品之情況。
但是，其再現性不是良好。因此，重複實驗時，發現不僅是半凝固漿料的製造條件，亦控制鍛造條件時，係能夠再現性良好地實現良好的製品。
亦即，在本發明，係針對半凝固漿料的製造，將熔融金屬以產生過冷卻的方式，澆注在以固相率為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內。例如藉由控制過冷卻的程度，能夠控制所產生的核之數目，進而控制半凝固漿料中的結晶(例如初晶)之粒徑。
為了產生過冷卻，此過冷卻形成粒徑50μm以下的結晶為均勻地分佈之半凝固漿料，例如在澆注時之熔融金屬溫度，係設為比液相溫度高10~30℃高的溫度為佳。小於10℃時，在核產生前有開始凝固掉之可能性，又，大於30℃時，所產生的核有因潛熱而消滅掉之可能性。又，例如，因為藉由 調整下模的溫度，能夠控制過冷卻的程度，所以亦能夠形成具有比50μm更微細之30μm以下、10μm以下的結晶之半凝固漿料。下模的溫度係以較低者容易產生過冷卻。因而，在實際製造時，能夠藉由預先進行使下模的溫度變化之實驗，來調整結晶的粒徑。
在通過液相線時之冷卻速度係以2℃/s以上為佳，以20℃/s以上為較佳。冷卻速度為2℃/s以上時，所澆注的熔融金屬之表面部與內部的溫度差係在短時間消失。亦即，整體在短時間係變成均勻溫度。因此，認為所產生的核亦不偏在且進一步分佈在整體。
本發明者等係藉由實驗來確認該情形。
亦即，如第9圖所顯示，使澆注溫度變化為720℃、660℃、640℃時，在640℃時係相較於其以上的溫度時，整體係在較短的時間成為均勻溫度。
又，在圖式所顯示的實驗係藉由AC4CH而進行。
如以上，在本發明方法中，係以產生過冷卻之方式控制而製造半凝固漿料。因為半凝固漿料係溫度分佈偏差較少，所以核亦均勻地分佈且局部地產生凝固較少。因此，微細結晶粒(初晶)係均勻且緻密地分佈。
具有薄壁部時，在液體狀態下流動時，由於表面張力致使局部產生凝固，凝固部成為流動的堵塞部而難以將薄壁部填充。相對於此，推測本發明的半凝固漿料時，因為整體上具有較佳為粒徑50μm以下之微細結晶粒且因為能夠以滾動的方式移動，所以不容易產生局部的凝固。其結果，即便薄壁部亦 能夠填充。因此，可以不設置多餘的厚度而節省材料，又，能夠將切削多餘的金屬之步驟省略。
本發明者等，係嘗試製造此種半凝固漿料而實驗，但是薄壁部係有未必被填充之情況。又，粒徑係採用長徑與短徑之平均而測定。
本發明者等進一步重複實驗之結果，發現模壓機速度係造成影響，使模壓機速度變化時，在0.1~1.5m/s的範圍進行壓縮時，即便薄壁部亦能夠被填充而完成了本發明。
在模壓機速度，重要事項是上模與半凝固漿料接觸以後的速度必須在0.1~1.5m/s的範圍內。雖然從模具的移動開始至上模與半凝固漿料接觸為止，係沒有抵抗地移動空間，但是依照模壓機裝置的容量，由於存在半凝固漿料且其係成為抵抗，而有速度降低之情形。特別是，固相率高時係容易成為此種情形。因而，上模與半凝固漿料接觸後之模壓機速度必須維持在0.1m/s以上的狀態。
又，因為模具移動開始之後，至與半凝固漿料接觸為止之時間亦以較短為佳，所以該期間之模壓機速度亦以設為0.1~1.5m/s為佳。
對於具有50μm以下的微細結晶粒之半凝固漿料，使上模與半凝固漿料接觸且藉由加壓而開始壓縮之後的模壓機速度(亦即，加壓速度)成為高速時，半凝固漿料的表觀黏度係降低。此種表觀黏度降低，係有只產生在50μm以下的微細粒徑之情形。推測這是可能是因為使加壓速度為高速時，剪切速度亦上升，使對觸變狀態的液體試料造成應變之剪切速度上升時，在 本半凝固漿料亦產生黏度慢慢地降低之現象。其結果，即便固相率高的半凝固漿料亦能夠確保流動性。
結果，在本發明，係除了由於粒徑微細使得黏性較小以外，因為藉由將模壓機速度加速，黏度能夠更進一步降低，進而產生流動性上升，所以即便具有薄壁部之製品亦能夠成形。特別是(製品質量)/(原料質量)為接近90%之情況亦能夠成形之顯著的成形效果，推測係起因於此種黏度降低。
因為模壓機速度小於0.1m/s時，即便結晶粒徑為50μm以下之較小的情況，亦不產生黏度降低，所以(製品質量)/(原料質量)係未必良好。因而，設為0.1m/s以上。又，從黏度降低的效果之觀點而言，係以0.5m/s以上為較佳。但是，即便大於1.5m/s，上述效果係飽和，同時會對模具產生衝撃，又，因為氣體有捲入之可能性，所以設為1.5m/s以下。
通常，固相率變高時黏度係變大，大於某值時流動消失。將該值稱為流動界限固相率。依照材料而流動界限固相率係不同。在先前，係例如沒有使用鋁合金且以80%進行者。在本發明，藉由將粒徑減小至50μm以下，同時將加壓速度設為0.1m/s以上的高速，能夠使半凝固漿料的表觀上的黏度降低，因此流動界限固相率變高，而能夠使用高固相率之半凝固漿料。
針對與模具表面接觸而開始凝固之部分，係藉由塑性變形而成為與加工組織同樣的鍛造組織，亦能夠得到具有鑄造組織與鍛造組織之製品。
按照所需要的製品組織而決定固相率即可。例 如，在20~90%的範圍適當地決定即可。
下模的溫度，係以設為200℃±100℃為佳。
依照下模的熱容量(依照體積、材質而變動)，以能夠得到後述的熱平衡之方式適當地調整溫度即可。
又，藉由上模的溫度與下模的溫度係設定為不同溫度，而能夠對應其他條件而適當地調整製品的金屬組織。
上模的一部分或全部之溫度係能夠設定為比下模的溫度低。例如，從下模的放熱量大之情況，因為將上模的溫度設定為比下模的溫度低時亦從上模產生放熱，所以能夠減少半凝固漿料之上下的溫度差異。亦即，在半凝固漿料的上下面產生溫度差異時，因為造成核的產生、消滅之差異，其結果，製品的組織亦成為不均勻。
相反地，欲針對製品的某一定部位，設置與其他部分有特性上的差異之情況，例如，欲只有使上面的某部分具有強度之情況，將對應該部分之上模的部分進行冷卻時，該部分係成為固體狀態，而且因為施加壓縮力時其不產生流體移動而是產生塑性變形，藉由加工硬化使得該部分係成為高硬度或高強度。又，在模內部設置加熱器或是冷媒通路(未圖示)時，能夠容易地進行模具的溫度控制。
在製造半凝固漿料時，因為模具的熱容量大、或是導熱係數大，使得放熱量太大之情況，能夠藉由使用粉體脫模劑來調整放熱量。因為相較於水溶性脫模劑，粉末脫模劑之導熱係數較大，所以可達成熱抵抗之任務。又，因為水溶性脫模劑對模具進行噴霧時，係使模具溫度低落而難以調整熱平衡 之緣故，就此情形而言亦以粉體脫模劑為佳。
依照本發明，能夠製造具有優異的機械的特性且具有微細組織之優異的製品，不僅是薄物製品而且連厚物製品亦能夠不必使用複雜的步驟、裝置而製造。
10‧‧‧成形裝置
12‧‧‧機床
14‧‧‧機柱
18‧‧‧導引部
20‧‧‧滑動器
22‧‧‧油壓汽缸
24‧‧‧上模
32‧‧‧支撐器
34‧‧‧下模
50d‧‧‧製品
51‧‧‧其他構件(球體)
53‧‧‧銷桿
第1圖係在本發明方法能夠使用的成形裝置之概念圖。
第2圖係顯示本發明的實施例1之步驟之模具配置圖(澆注前)。
第3圖係顯示本發明的實施例1之步驟之模具配置圖(澆注)。
第4圖係顯示本發明的實施例1之步驟之模具配置圖(鍛造)。
第5圖係顯示本發明的實施例2之步驟之模具配置圖(澆注前)。
第6圖係顯示本發明的實施例2之步驟之模具配置圖(澆注)。
第7圖係顯示本發明的實施例2之步驟之模具配置圖(鍛造)。
第8圖係顯示依照本發明的實施例2所形成的製品之金屬組織圖及外觀之照片。方法能夠使用的成形裝置之概念圖。
第9圖係顯示澆注溫度對半凝固漿料的熱分佈均勻性所造成的影響之圖表。
第1圖係顯示能夠應用在本發明之鋁合金的成形方法之成形裝置的一個例子之整體構成圖。該裝置係將在特開2007-118030號公報所揭示的裝置簡化而成者。
在第1圖所示的成形裝置10，係例如油壓模壓機，係由機床12、機柱14及頂部(crown)16構成機架，滑動器20係藉由在機柱14所設置的導引部18而移動自如地在垂直方向被引導。滑動器20係藉由設置在頂部16上之第1油壓汽缸22而被傳達驅動力，而且使其在第1圖上之上下方向移動。在該滑動器20的下端係安裝有上模24。
另一方面，在成形裝置10的機床12所設置之支撐器32上係安裝有下模34。
藉由使滑動器20下降而將在下模38內的空間部所配置的熔融金屬、半凝固漿料、半凝固預成形坯料壓縮加工來形成製品。
下模34係設計熱容量。
又，在下模與所澆注的材料達到熱平衡狀態時，係以成為任意選擇的特定固相率之方式，預先計算下模的熱容量、所澆注的熔融金屬之熱容量、及潛熱，而且以在預定的固相率能夠得到熱平衡之方式，設計下模尺寸、熔融金屬溫度、下模的溫度、及熔融金屬量等。
認為熔融金屬與下模的溫度係成為相同時，熱的移動消失且不變化成為其以上的溫度。此時的溫度Teq(以下，稱為平衡溫度)係能夠以下式提供。
在此，Tc係熔融金屬初期溫度、Tm係下模初期溫度、H’f係將凝固潛熱除以比熱而得到者，fs係固相率。又，γ係將用以使下模的溫度上升1K所需要的熱量，除以用以使熔融金屬的溫度上升1K所需要的熱量而得到者，且能夠以下式提供。
γ=(ρmcmVm)/(ρcccVc)-(2)
在此，p係表示密度，c係表示比熱，V係表示體積，附加字c係表示熔融金屬，附加字m係表示下模者。
在將熔融金屬的澆注至下模內時，係從下模底起算的高度為下模的平均直徑D之3.5倍以上的高度進行澆注。又，平均直徑係設為下模的製品面積的1/2次方。
製品形狀係沒有特別限制，下模的底面係以平坦的形狀為佳。即便底面具有高低之形狀，高低差係以製品厚度的1/2以下為佳，以1/4以下為較佳。熔融金屬係在較低的部分積存且壓縮率產生不平衡。
當作本發明的對象之金屬，係沒有特別限定。特別是鋁合金等低熔點合金係有效的。依據JIS規定之Al-Si系(ADC1)、Al-Si-Mg系(ADC3)、Al-Si-Cu系(ADC10、10Z、ADC12、12Z、ADC14)、Al-Mg系(ADC5、6)等亦能夠適合使用。
除了鋁合金以外，針對鎂合金、鋅合金及其他合 金亦能夠得到同樣的效果。
通常認為固相率高時流動性變差，射出需要較高的壓力且難以填充模具內的薄壁部。
但是，清楚明白即便是具有高的固相率，只要在半凝固體之粒徑較小時，就能夠確保流動性，不如說是高的固相率，係能夠更確實地填充薄壁部。
就固相率而言，係以30%以上為佳。但是，大於60%時，由於模壓機壓力變高，所以較佳是60%以下。
通過液相線時之冷卻速度，係以2℃/s以上為佳。
冷卻速度係以2℃/s以上為佳，特別是20℃/s以上時，係分佈非常微細的(粒徑2~4μm)粒子。認為該微粒子的存在，係能夠製造更薄壁且幾乎無氣體捲入、與氣孔(blow hole)之模鑄製品。
[實施例]
(實施例1)
在本例，係進行製造連桿。
模具係使用第2圖所顯示之上模24及下模34。
預先求取最適合的條件，使在金模內之熔融金屬溫度成為具有適當的固相率之半凝固漿料，來進行半凝固鑄鍛造成形。
將半凝固鑄鍛造成形之步驟於以下顯示。
1-熔融金屬溫度．模具溫度的設定
2-在下模具進行澆注
3-移動至閉模位置
4-閉模
5-填充
6-成形完成
7-開模
8-取出成形品
如第3圖所顯示，將熔融金屬澆注至下模34的空間部。
其次，如第4圖所顯示，使上模24下降且將半凝固漿料壓縮而形成製品。
成形機係使用光榮製作所製20ton油壓伺服模壓機，模具溫度係下模34(固定側)、及上模24(可動側)的任一者均設為250℃，熔融金屬溫度係設定為620℃(AC4CH)。
將熔融金屬澆注至下模34且以0.1m/s的速度使上模24下降。上模24與半凝固漿料接觸後亦以該狀態的速度、亦即維持0.1m/s的速度而進行模壓機成形。
凝固後，將製品50d從模具取出。
又，將整理成形條件之結果於以下顯示。
[鑄鍛造條件]
熔融金屬材質：AC4CH
液相線溫度TL：610~612℃
固相線溫度Ts：555℃
澆注溫度：620℃
上模的溫度：250℃
下模的溫度：250℃
閉模速度：0.1m/s
(製品質量)/(原料質量)：0.9/1
固相率：60%
往下模的澆注高度：從下模模槽底面起算50cm的高度
(實施例2)
在本例，係形成由複合物所構成之製品。亦即，形成在連桿的兩端埋入有球體51作為其他構件之製品。
在本例，係如第5圖所顯示，在上模25插入保持球體51之銷桿53。藉由銷桿來保持球體51，係可以利用磁力來保持，亦可利用真空夾頭力量及其他的手法來保持。
與實施例1同樣地，將熔融金屬澆注在下模34內(第6圖)，其次，使上模24下降。球體51係與上模34同時下降且被埋入半凝固漿料內(第7圖)。半凝固漿料凝固時，球體51係同時殘留在製品側。此時，球體的一半以上係被埋入本體。因而，因為球體的直徑係比入口部的直徑大之緣故，所以球體係不會離脫。又，將具有球形以外的形狀之構件埋入時，只要將適當位置折彎就不會離脫。
如此，在本發明，因為即便具有複雜的形狀之構件，亦能夠埋入至母材側(半凝固漿料)，所以不進行熔接等亦能夠形成具有堅固的結合之複合構件。
其他情形係與實施例1同樣。
在第8圖係顯示半凝固成形品的外觀照片及成形品(連桿)的金屬組織之觀察結果。相較於先前的半凝固漿料法(NRC法NRF法、奈米鑄造法杯法、套筒法)時，雖然能認可初晶α係尺寸有偏差且少許不定形者，但在成形品整體範圍係能 夠觀察到平均粒徑為約50μm左右的球狀組織。其結果，能夠得到幾乎無法觀察到收縮氣孔、及偏析之良好者。
在最後製品，因為具有50μm的球狀結晶組織，所以在半凝固漿料階段的結晶粒徑係比50μm更小。
又，在連桿的高負荷部分(球體部)係形成有能夠觀察到塑性流動且能夠期待高強度之微細的組織。亦即，認為因為該部分係高負荷，同時係低溫之緣故，所以固化而產生塑性變形且成為鍛造組織者。
在本發明係如此地，在鑄造組織內也能形成鍛造組織。
產業上之可利用性
依照本發明，能夠製造沒有收縮氣孔、非金屬夾雜物且具有微細組織之優異的鑄造品，不僅是薄物製品而且連厚物製品亦能夠製造。因此，不僅是電子電機組件領域，而且在例如汽車組件亦能夠利用本發明。
本發明係不限定於連桿而能夠應用在所有的形狀。例如能夠應用在剖面H狀構件、剖面I狀構件、鍋狀的構件、十字形狀的構件、鋁合金輪圈(Aluminum wheel)及其他製品，而且在產業上的利用領域亦不被限定。
10‧‧‧成形裝置
12‧‧‧機床
14‧‧‧機柱
18‧‧‧導引部
20‧‧‧滑動器
22‧‧‧油壓汽缸
24‧‧‧上模
32‧‧‧支撐器
34‧‧‧下模

Claims (24)

  1. 一種半凝固熔融金屬鍛造裝置，其係用以將熔融金屬澆注在下模的模槽內，使上模或前述下模移動且在半凝固狀態下進行成型之熔融金屬鍛造裝置，能夠以前述澆注後至前述成型開始之時間為0.1-10秒之方式來調整前述速度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半凝固熔融金屬鍛造裝置，其中能夠以前述澆注後至前述成型開始的時間為0.1-5秒之方式來調整前述速度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之半凝固熔融金屬鍛造裝置，其中在將前述熔融金屬澆注至前述模槽內時，上模與下模的距離係30-50cm。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之半凝固熔融金屬鍛造裝置，其中前述上模或前述下模的速度係至少在0.03-5m/s之間為可變。
  5. 一種半凝固熔融金屬鍛造方法，其係將熔融金屬澆注在下模的模槽內，使上模或前述下模移動且在半凝固狀態下進行成型之半凝固熔融金屬鍛造方法，以在前述澆注後之漿料中的粒徑為50μm以下之方式來製造漿料，且在前述澆注後0.1-10秒的範圍之時間內開始模成形。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半凝固熔融金屬鍛造方法，其中能夠以前述澆注後至前述成型開始的時間為0.1-5秒之方式來調整前述速度。
  7. 一種半凝固鑄鍛造方法，其係將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。
  8. 一種半凝固鑄鍛造方法，其係將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造具有因壓縮使得流動性上升之粒徑的結晶粒之半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。
  9. 一種半凝固鑄鍛造方法，其係將熔融金屬以產生過冷卻的方式澆注至以固相率成為所需要的一定值之方式控制之模壓機的下模內而製造具有粒徑為50μm以下的結晶粒之半凝固漿料後，藉由以至少上模與前述半凝固漿料接觸以後的速度為0.1~1.5m/s的速度，使上模或前述下模移動來將前述半凝固漿料壓縮而形成製品。
  10. 如申請專利範圍第5至9項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中在澆注時之熔融金屬溫度係比液相溫度高10~30℃的溫度。
  11. 如申請專利範圍5至10項中任一項所述之半凝固鑄鍛造 法，其中在通過液相線時之冷卻速度係2℃/s以上。
  12. 如申請專利範圍第5至11項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中前述下模的溫度係200℃±100℃。
  13. 如申請專利範圍第5至12項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中前述上模的溫度係與前述下模的溫度不同。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之半凝固鑄鍛造法，其中前述上模的一部分或全部的溫度係比前述下模的溫度低的溫度。
  15. 如申請專利範圍第5至14項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中(製品質量)/(原料質量)為0.9以上。
  16. 如申請專利範圍第5至15項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中藉由在半凝固漿料中埋入其他構件而做成由複合材所構成之製品。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之半凝固鑄鍛造法，其中預先在前述上模插入銷桿(pin rod)且使在該銷桿的前端能夠裝卸地保持其他構件。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之半凝固鑄鍛造法，其中藉由磁力或真空夾頭力量將前述其他構件保持在前述銷桿。
  19. 如申請專利範圍第5至18項中任一項所述之半凝固鑄鍛造法，其中使用粉末脫模劑作為脫模劑。
  20. 一種半凝固鑄鍛造品，其具有50μm以下的球狀組織，同時在一部分具有鍛造組織。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之半凝固鑄鍛造品，其中將其他構件埋入本體且該其他構件係在熔融金屬鍛造時埋入。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之半凝固鑄鍛造品，其中在前述其他構件附近之組織係鍛造組織。
  23. 如申請專利範圍第19至22項中任一項所述之半凝固鑄鍛造品，其中前述半凝固鑄鍛造品係連桿。
  24. 一種半凝固鑄鍛造品，其係使用如申請專利範圍第5至19項中任一項所述之方法形成。
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