(57)【要約】【解決手段】  形成部品の半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成する装置（２００）は、成形容器（２０２）と、熱ジャケット（２０４）とから構成される。成形容器（２０２９は金属スラリー材料を含む内部体積（Ｖ）を画定し、外側表面（２２２）を有する。熱ジャケット（２０４）は、成形容器（２０２）の外側表面（２２２）と熱連通して配置され、それらの間で熱輸送をもたらす。成形容器（２０２）及び熱ジャケット（２０４）の少なくとも１つは、幾つかの溝（２２４ａ〜２２４ｅ）を画定し、該溝に隣接して熱輸送率を制限する。一実施例では、成形容器（２０２）は該成形容器の外側表面（２２２）の全周囲の回りに延在する複数の軸方向にオフセットされた溝（２２４ａ〜２２４ｅ）を画定する。別の実施例では、ステーター（２０６）が熱ジャケット（２０４）の回りに配置され、成形容器（２０２）内に含まれる金属スラリー材料に電磁攪拌力を分与する。
2005537136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置であって、
金属スラリー材料を含み、且つ、外側表面を有する内部体積を画定する容器と、
前記容器の前記外側表面と熱伝達した状態で配置された内側表面を有し、それら表面の間で熱輸送をもたらす熱ジャケットと、
を備え、
前記容器及び前記熱ジャケットのうち少なくとも１つは、少なくとも１つの溝を画定し、該少なくとも１つの溝に隣接したところに前記熱輸送を制限する、装置。
【請求項２】
前記容器の前記内部体積は、長さ方向軸に沿って延在し、前記少なくとも１つの溝は、複数の軸方向にオフセットされた溝を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の溝は、前記容器及び前記熱ジャケットのうち前記少なくとも１つの回りに周辺に沿って延在する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の溝は、前記容器の前記外側表面に周辺に沿って延在する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の溝の隣接する溝は、非均一なオフセット距離により軸方向にオフセットされている、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記容器は、開放端部及び反対側の閉鎖端部を有し、前記非均一なオフセット距離は該閉鎖端部に向かって次第に増大する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記容器は、開放端部及び反対側の閉鎖端部を有し、前記複数の溝のうち一つの溝は前記開放端部に隣接して配置され、且つ、該複数の溝のうち別の溝の軸方向幅よりも大きい軸方向幅を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの溝は、所定の溝幅及び溝深さを有し、該溝幅は該溝深さよりも大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記溝幅は前記溝深さの少なくとも２倍である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記容器の前記外側表面の第１の部分は、伝導熱輸送をもたらすため、前記熱ジャケットの前記内側表面に近接して配置され、
前記容器の前記外側表面の第２の部分は、対流熱輸送をもたらすため、前記少なくとも１つの溝に隣接して前記熱ジャケットの前記内側表面から隔てられている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記外側表面の前記第１及び第２の部分は、前記容器の回りに周辺に沿って延在する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記熱ジャケットの少なくとも一部分の回りに配置されたステーターを更に備え、該ステーターは、前記容器内に含まれる前記金属スラリー材料に電磁攪拌力を与えるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記熱ジャケットは、熱輸送媒体を運ぶように構成された複数の軸上通路を備え、該熱輸送媒体は、前記熱ジャケット及び前記容器の間で前記熱輸送をもたらすため前記複数の通路を通って流れる、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記容器の前記内部体積は、前記容器から前記金属スラリー材料の吐出を容易にするため牽引角度を画定する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記容器から前記金属スラリー材料を吐出するための手段を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記容器は、該容器から金属スラリー材料を吐出するため前記内部体積に沿って軸方向に移動可能である、可動端部壁を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記金属スラリー材料は、前記容器からショットスリーブ内に吐出され、形成部品へと実質的に直ちに成形される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記金属スラリー材料は、前記容器が実質的に水平配置にあるとき前記容器から吐出される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記金属スラリー材料は、前記容器から、直接、鋳型へと吐出され、形成部品へと実質的に直ちに成形される、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記熱ジャケットは、内部通路を画定し、該容器は、前記熱ジャケットの前記内部通路内に取り外し可能に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記容器の前記外側表面は、テーパー形成され、これに対応して前記熱ジャケットの前記内側表面がテーパー形成され、これにより前記容器が前記熱ジャケットの前記内部通路内に取り外し可能に配置されているとき、該容器の前記外側表面が前記熱ジャケットの前記内側表面に近接して配置される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記熱ジャケットは、液体金属母剤に分散された丸みを帯びた固体粒子を含む微細構造を有する半固体材料を形成するため、前記容器内に含まれる金属スラリー材料の冷却率を制御するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記冷却率は、毎秒約１℃乃至毎秒約１０℃である、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記冷却率は、毎秒約０．５℃乃至毎秒約５℃である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置であって、
前記金属スラリー材料を含み、外側表面を有する内部体積を画定する容器と、
前記容器の前記外側表面と熱連通状態に配置された内側表面を有する熱ジャケットと、
を備え、
前記内側表面の第１の部分と前記外側表面の第１の部分とは、伝導熱輸送を容易にするため互いに近接して配置され、
前記内側表面の第２の部分と前記外側表面の第２の部分とは、対流熱輸送を容易にするため少なくとも１つの空気隙間を形成するように間隔を隔てられている、装置。
【請求項２６】
前記空気隙間は、前記内側表面及び前記外側表面のうち一つにより画定された溝により形成されている、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記溝は、前記容器の前記外側表面の回りに周辺に延在する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記容器の前記内部体積は、長さ方向軸に沿って延在し、
前記内側表面の第２の部分と前記外側表面の第２の部分とは、複数の軸方向にオフセットされた空気隙間を形成するように間隔を隔てられている、請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記複数の空気隙間は、前記容器の前記外側表面の回りに周辺に延在する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置であって、
前記金属スラリー材料を含む内部体積を画定する容器と、
前記容器の少なくとも一部分を収容するようにサイズが定められ形成された内部通路を画定する熱ジャケットと、
を備え、
前記容器及び前記熱ジャケットのうち少なくとも１つは、少なくとも１つの溝を画定し、
前記容器の前記少なくとも一部分は、該容器を前記熱ジャケットと熱連通状態に配置してそれらの間で熱輸送をもたらすため該熱ジャケットの前記内部通路内で取り外し可能に配置され、前記熱輸送は前記少なくとも１つの溝に隣接したところに制限される、装置。
【請求項３１】
前記容器の前記内部体積は、長さ方向軸に沿って延在し、前記少なくとも１つの溝は、複数の軸方向にオフセットされた溝を備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記複数の軸方向にオフセットされた溝は、前記容器及び前記熱ジャケットのうち少なくとも１つの回りに周辺に延在する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記複数の溝は、前記容器の外側表面の回りに周辺に延在する、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記容器の第１の部分は、伝導熱輸送をもたらすため前記熱ジャケットに近接して配置され、
前記容器の第２の部分は、対流熱輸送をもたらすため前記少なくとも１つの溝に隣接した前記熱ジャケットから間隔を隔てられている、請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
前記外側表面の前記第１の部分と前記第２の部分とは、前記容器の回りに周辺に延在する、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記容器は、テーパー形成された外側表面を備え、前記熱ジャケットは前記容器の該テーパー形成された外側表面に対応したテーパー形成された内側表面を備え、これにより前記容器が前記熱ジャケットの前記内部通路内に取り外し可能に配置されているとき、該容器の前記外側表面が前記熱ジャケットの前記内側表面に近接して配置される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３７】
前記熱ジャケットの少なくとも一部分の回りに配置されたステーターを更に備え、該ステーターは、前記容器内に含まれる前記金属スラリー材料に電磁攪拌力を与えるように構成されている、請求項３０に記載の装置。
【請求項３８】
前記容器から前記金属スラリー材料を吐出し、該金属スラリー材料が形成部品へと実質的に直ちに成形されるようにした手段を更に備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３９】
前記容器は、該容器から前記金属スラリー材料を吐出して該金属スラリー材料を形成部品へと実質的に直ちに成形するため前記内部体積に沿って軸方向に移動可能な可動端部壁を備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項４０】
半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置であって、
金属スラリー材料を含むための内部体積を画定する内部と、該内部の少なくとも一部分の回りに配置された外部と、を備える温度制御式容器であって、該内部は該外部の内側表面と熱連通状態で配置された外側表面を有し、それらの間で熱輸送をもたらす、前記温度制御式容器を備え、
前記内側表面と前記外側表面との少なくとも１つは、少なくとも１つの溝を画定し、該少なくとも１つの溝に隣接したところに前記熱輸送を制限する、装置。
【請求項４１】
前記容器の前記内部体積は、長さ方向軸に沿って延在し、前記少なくとも１つの溝は、複数の軸方向にオフセットされた溝を備える、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記複数の溝は、前記容器の前記内部の前記外側表面の回りに周辺に延在する、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記内部の前記外側表面の第１の部分は、伝導熱輸送を容易にするため前記外部の前記内側表面に近接して配置され、
前記内部の前記外側表面の第２の部分は、対流熱輸送を容易にするため前記少なくとも１つの溝に隣接した前記外部の前記内側表面から間隔を隔てられている、請求項４０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、鋳造プロセスで使用するためのオンデマンドの半固体材料を生成するように構成され配置された装置に関する。装置全体の一部として含まれるものは、本プロセスの一部として使用されるべき要求部品及び構造配置を有する様々なステーションである。開示された装置を使用して、オンデマンドの半固体材料を生成する方法は、本発明の一部として備えられる。
【０００２】
より詳しくは、本発明の一実施例は、半固体材料成形プロセスの間に溶解した金属の過熱／冷却率を制御するため、溶解金属を含む成形容器の外側と係合するための熱ジャケットに関する。本発明は、金属又は金属合金の半固体成形で使用するように開発されたが、本発明の幾つかの用途は、この分野の外部に属することもできる。
【０００３】
本発明は、比較的短いサイクル時間内での半固体材料の生成を容易にするため、電磁気攪拌、様々な温度制御及び冷却制御の技術及び装置を組み込んでいる。更に備えられているものは、鋳造装置のショットスリーブ内に直接半固体材料を吐出するための構造的配置及び技術である。本文で使用されるように、「オンデマンド」という概念は、半固体材料が、材料が生成されるところの容器から鋳造ステップへと直接移行することを意味している。半固体材料は、典型的には、「スラリー」として称されており、「単一ショット」として生成されるスラグは、ビレットとも称される。これらの用語は、所望の単一ショットのビレットに対応する体積のスラリーを表すため、本願の開示内容に結合された。
【背景技術】
【０００４】
正味形状のための軽量金属の半固体成形及び正味近傍の形状製造法は、高い強度、低い多孔率構成部品を生成することができ、ダイカスティングの経済的なコスト利点をもたらす。しかし、半固体鋳造（ＳＳＭ）プロセスは、予備処理されたビレット又はスラグとして購買された金属の使用に拘束された、資本集約型の提案である。
【０００５】
ＳＳＭプロセスで作られた部品は、その高い品質及び強度のために知られている。ＳＳＭ部品は、圧搾鋳造や、大きなゲート領域及びゆっくりとした空洞部の充填を使用する様々なダイカスティングにより作られたものと有利に匹敵する。多孔性は、ゆっくりとした非乱流金属速度（７６ｃｍ乃至２５４ｃｍ（３０乃至１００インチ）／秒のゲート速度）により、及び、固体化の間に極度の圧力を部品に印加することにより、防止される。圧搾鋳造及びＳＳＭプロセスは、熱処理することができる均一な密度の部品を生成する。
【０００６】
ＳＳＭは、ダイキャストのプロセス節約と、前記したものに近い機械的特性とを提供する。加えて、ＳＳＭは、高い品質及び強度の一部を生成するため金属の非樹枝状微細構造を利用する。ＳＳＭは、球状のアルファ粒状構造に起因して圧搾鋳造よりも薄い壁を鋳造することができ、アルミニウム及びマグネシウムの両方を用いて首尾良く使用された。ＳＳＭ部品は、溶接可能であり、圧搾鋳造プロセスを特徴付ける極度の圧力の下でも注入する必要性無しに圧力に耐える。
【０００７】
ＳＳＭプロセスは、他の任意のアルミニウム鋳造プロセスよりも堅固な寸法能力を保持することが示された。それは、かなりのコスト節約、機械加工の減少、及び、より高い製造率のためのより迅速なサイクル時間のための可能性に起因して、ＳＳＭ部品の需要を増大させた。高い強度及び最小の多孔率を別にして、ＳＳＭ部品は、ダイカスティング部品よりも低い部品対型の縮小度を示し、ほとんど曲がりが存在しない。それは、所望の正味形状により近い鋳造物を生成し、副次的な機械的作業を減少させ、無くしさえすることができる。鋳造物上の表面仕上げは、しばしば、それらが代用する鉄及び鋼鉄部品よりも良好である。
【０００８】
ＳＳＭプロセスは、従来のダイキャストの圧力（７，０００乃至１２，０００ｐｓｉ）よりも高い最終鋳造圧力（１５，０００乃至３０，０００ｐｓｉ）を要求するが、現代のダイカスティング設備は、効率的且つ経済的にＳＳＭ部品を製造することが必要とされた可撓性を提供する。今日のダイカスティング装置へと組み込まれた実時間の閉ループ液圧回路は、ＳＳＭ材料合金の正確な充填速度を自動的に維持することができる。閉ループプロセス制御システムは、金属温度及び時間を監視し、電気ステーター及び他のデータから電圧フィードバックし、高品質部品の生産力を最大にし、再生産性を確保することができる、非常にロバストな正確に制御された作動を提供する。
【０００９】
前記されたように、半固体金属スラリーを、正味の形状又は正味の形状近傍に、高い強度及び低い多孔率の製品を製造するため使用することができる。しかし、半固体金属の粘性率は、スラリーの温度又は対応する固体比率に非常に敏感である。高い個体比率で良好な流動度を得るために、半固体金属の主要な固体相は、球状に近くあるべきである。
【００１０】
一般に、半固体処理は、２つのカテゴリー、即ちチクソキャスティング及びレオキャスティングへと分けることができる。チクソキャスティングでは、固体化合金の微細構造は、合金が固体供給原料へと成形される前に、樹枝状突起から離散的な劣化した樹枝状突起へ変容される。これは、半固体状態へと再溶解され、所望の形状を作るため鋳型内へと鋳造される。レオキャスティングでは、液体金属は、その微細構造が変容される間に、半固体状態へと冷却される。次に、スラリーは、１つ又はそれ以上の所望の部品を製造するため鋳型へと成形若しくは鋳造される。
【００１１】
レオキャスティングにおける主要な障壁は、短いサイクル時間内で好ましい温度範囲内で十分なスラリーを発生させる上でのその困難さにある。チクソキャスティングのコストは、追加の鋳造及び再溶解工程に起因してより高いが、工業生産物におけるチクソキャスティングの設備は、レオキャスティングを遥かに超えている。半固体供給原料は、再加熱工程及び成形工程から時間的及び空間的に隔てることができる別個の作業で大量に鋳造することができるからである。
【００１２】
半固体成形プロセスでは、一般には、スラリーは、形態が保存されるところの樹枝状固体粒子からなる固体化の間に成形される。最初に、樹枝状粒子は核となり、スラリー又は半固体成形の初期の段階で溶解合金内で等軸結晶性樹枝状物として成長する。適切な冷却率及び攪拌の場合には、樹枝状粒子の枝はより大きく成長し、樹枝アームは、ある時間後には１次及び２次の樹枝アームの間隔が増大するように、粗くなる。攪拌がなされている間のこの成長段階の間には、樹枝アームは、接触し、分解されるようになり、劣化した樹枝粒子を形成する。保持温度では、粒子が粗くなり、より丸くなり、理想的な球形状に接近し続ける。丸さの程度は、当該プロセスのため選択された保持時間により制御される。攪拌された状態では、「コヒーレンシ」（樹枝が絡み構造となる）の状態には到達しない。断片化され、劣化した樹枝状粒子から構成される半固体材料は、低いせん断力で変形し続ける。本発明は、比較的短いサイクル時間内で適切なスラリーを形成するため合金の冶金的振る舞いを利用する、新規で非自明な態様で装置及び方法を組み込む。
【００１３】
所望の固体比率、粒子サイズ及び形状が達成されたとき、半固体材料は、ダイ鋳造へと注入されるか又は他の成形プロセスにより、成形される準備となる。シリコン粒子サイズは、スラリー形成プロセスを所定温度に制限することにより当該プロセスで制御される。当該所定温度を超える温度では、固体シリコンが、形成され始め、シリコン粗化が始まる。
【００１４】
半固体合金の主要な固体の樹枝状構造は、液体温度近傍の液体合金又は半固体合金内で次の変動工程を導入することにより、ほとんど球状となるように変容させることができる。
（１）攪拌：機械的攪拌又は電磁攪拌
（２）  振動：低周波振動、高周波数の波、電気的衝撃、又は、電磁波
（３）  等軸結晶性核形成：急速過冷却、粒子精製
（４）  オスワルド成熟及び粗化：合金を長時間に亘って半固体温度に保持する。
【００１５】
上記（２）乃至（４）の方法が、半固体合金の微細構造を変容する上で有効であることがわかったが、それらは、半固体金属の次の特性又は要求に起因して、短い準備時間内の高体積の合金の処理において効率的ではない共通の制限を持っている。
・振動の高い減衰効果
・電磁波の小さい貫通深さ
・急速過冷却に対する高い潜熱
・粒子生成を追加するための追加のコスト及びリサイクル問題
・自然の成熟は長時間を要し、短いサイクル時間を除外する。
【００１６】
ほとんどの従来技術の開発は、半固体合金の微細構造及びレオロジーに焦点を当ててきたが、比較的短い時間での高い信頼性の効率的な半固体処理において、温度制御が最も重要なパラメータのうち一つであることが本願発明者らにより見出された。半固体金属の見かけの粘性率が固体比率と共に指数関数的に増大したとき、４０％以上の固体比率の合金における小さい温度差は、その流動度において有意な変化をもたらす。実際、上記に掲げた方法（２）乃至（４）を使用したときの半固体金属を生成する上で最も大きい障壁は、攪拌の欠如である。攪拌が無い場合には、大きい温度差を形成すること無しの半固体金属を加熱／冷却するための唯一の方法は、ゆっくりとした加熱／冷却プロセスを使用することである。そのようなプロセスは、しばしば、多数ビレットの供給原料が予めプログラムされた溶鉱炉及び搬送システムの下で同時に処理されることを必要とする。このシステムは、高価で、維持するのが困難な上、制御が難しい。
【００１７】
環状の薄い隙間内で高速機械攪拌を使用することにより、半固体金属混合物内の樹枝を破砕するのに十分に高いせん断率を発生させることができるが、この薄い隙間は、プロセスの体積スループットへの制限となる。半固体スラリーの（例えば溶解アルミニウム合金の）高温、高い腐食及び高い磨耗は、攪拌機構を設計し、適切な材料を選択し、攪拌機構を維持するのを非常に難しくさせる。
【００１８】
従来の文献は、チクソキャスティングにより、又は、機械的若しくは電磁的攪拌を使用して溶解物から直接形成された固体ビレットを再加熱することにより、半固体スラリーを成形するプロセスを開示している。半固体合金スラリーを生成するための機知の方法は、機械的攪拌及び誘導電磁攪拌を備えている。所望の構造のスラリーを成形するためのプロセスは、せん断率及び凝固率の双方向影響により部分的に制御されている。
【００１９】
１９８０年代の初期には、離散的な劣化樹枝を持つ半個体供給原料を成形するため電磁攪拌プロセスが開発された。供給原料は、適切なサイズに切断され、次に、鋳型空洞部に注入される前に半固体状態へと再溶解される。この電磁流体力学（ＭＨＤ）的鋳造プロセスは、適切な離散劣化樹枝を有する高い体積の半固体供給原料を発生することができるが、ビレットを鋳造し、それを半固体合成物へと再溶解するための材料取り扱いコストは、他の鋳造プロセス、例えば重力カスト、低圧ダイカスティング、又は、高圧ダイカスティング等に比べてこの半固体プロセスの競合コストを減少させる。ビレット加熱設備の複雑さ、ゆっくりとしたビレット加熱プロセス、及び、ビレット温度制御の困難さは、ほとんど全て、この種の半固体成形における主要な技術上の障壁であってきた。
【００２０】
ビレット再加熱プロセスは、半固体成形（ＳＳＦ）製品の製造のためのスラリー又は半固体材料を提供する。このプロセスは、広範囲に使用されたが、鋳造可能合金の範囲に限定が存在している。更には、高い比率の固体（０．７対０．８）は、この形態の供給原料を処理する際に要求される機械的強度を提供することが要求されている。競合するダイ及び圧搾鋳造プロセスで溶解金属供給原料の直接的な用途と比べたとき、ビレット鋳造、取り扱い、再加熱の要求プロセスに起因して、コストがこのアプローチの別の主要な制限であった。
【００２１】
スラリー又は半固体材料を形成するため機械式攪拌プロセスにおいて、反応性金属によるローターへの攻撃は、固体化金属を汚染する腐食生産物を生じさせる。更には、混合容器内でローターブレードの外側エッジと内側容器壁との間に形成された環帯は、下方せん断領域を生じさせ、これと共に、せん断バンドを、高いせん断率領域と低いせん断率領域との間の遷移領域内に形成させることができる。ＳＳＦプロセスのためのチキソトロピービレットのためのスラリーを準備する際に使用される、説明された幾多の電磁攪拌方法が存在してきたが、レオキャスティングのための用途については言及がほとんどなされてこなかった。
【００２２】
レオキャスティング、即ち、直ちに成形されるであろう半固体スラリーを形成するため液体金属の攪拌による生成は、これまでのところ工業化されてこなかった。レオキャスティングはチクソキャスティングのほとんどの制限を克服するべきであることは明瞭である。しかし、工業製品技術となるため、即ち、安定した分配可能な半固体スラリーをオンラインで（即ちオンデマンドで）製造するためには、レオキャスティングは、次の実用的な挑戦項目、即ち、冷却率制御、微細構造制御、温度及び微細構造の均一性、スラリーの大きな体積及びサイズ、短サイクル時間制御、異なる種類の合金の取り扱い、並びに、スラリーを容器に移送し、容器から直接鋳造ショットスリーブへと移送する手段及び方法を克服しなければならない。
【００２３】
本発明に係る、上記チャレンジ項目を克服するための様々な方法の一つが、液体金属が半固体状態の範囲へと固体化されるとき該液体金属の電磁攪拌を適用することである。そのような攪拌工程は、液体金属と、金属温度及び冷却率を制御するため、液体金属と冷却率とのその容器との間の熱輸送を強化し、離散的な劣化樹枝を備えた微細構造を変容させるため液体金属の内部に高いせん断率を発生させる。それは溶解された金属混合物を用いて金属温度及び微細可能の均一性を増大させる。攪拌機構及び方法を注意深く設計すると、攪拌工程は、用途の要求に依存して、半固体スラリーの大きな体積及びサイズを駆動し、制御する。攪拌工程は、冷却率を制御することによりサイクル時間を短くさせ、これは、全ての種類の合金、即ち、鋳造合金、装飾加工合金、ＭＭＣ等に適用可能である。
【００２４】
プロペラ式の機械式攪拌は、半固体スラリーを作る状況で使用されたが、幾つかの問題又は制限が存在する。例えば、半固体スラリーの高温、腐食及び高い磨耗特性は、機械式攪拌を備えた信頼性の高いスラリー装置を設計することを非常に難しくさせる。しかし、レオキャスティングで機械式攪拌を使用する最も重要な制限は、その小さいスループットが生成能力の要求と合致することができないということである。離散的な劣化樹枝を有する半固体金属が、低周波数の機械的振動、高周波数超音波、又は、ソレノイドコイルを用いた電磁気振動を導入することにより作ることができる。これらのプロセスは、よりゆっくりとしたサイクル時間でより小さいサンプルのため作用することができるが、それらは、貫通深さにおける制限の故に、より大きいビレットを作ることに関して有効ではない。別の種類のプロセスには、その制限された磁場貫通深さ及び不必要な熱発生の故に、ソレノイド誘導振動があり、それは、生産力のための設備に多数の技術的問題を有する。様々な電磁攪拌は、大きい体積のスラリーの製造を可能にする最も幅広く使用される工業プロセスである。重要なことには、これは、高温度合金に適用可能である。
【００２５】
２つの主要なバリエーションの強力な電磁攪拌が存在しており、そのうちの一方は、回転ステーター攪拌で、他方は、直線ステーター攪拌である。回転ステーター攪拌では、溶解金属は、準等温平面内で移動し、そのため、樹枝の劣化が主要な機械的せん断により達成される。ウィンターらに１９８４年３月６日に付与された米国特許番号４，４３４，８３７号は、チキソトロピー金属スラリーの連続的な生成のための電磁攪拌装置を開示しており、該装置では、単一の二極構成を有するステーターが、長さ方向軸を横断して移動する非ゼロの回転磁場を発生する。移動する磁場は、金属コンテナに接する方向に磁気攪拌力を提供し、該金属コンテナは、樹枝を破砕するため少なくとも５０秒-1のせん断率を生成する。直線ステーター攪拌の場合、メッシュ領域内のスラリーは、より高い温度領域へと再循環され、再溶解され、従って、熱プロセスは、樹枝を破砕する上でより重要な役割を演じる。メイヤーに１９９３年６月１５日に発行された、米国特許番号５，２１９，０１８号は、多相電流電磁場振動を用いた連続的な鋳造によりチキソトロピー金属製品を製造する方法を記載している。この方法は、低温領域の連続的輸送によるこれらの樹枝の表面の再融合を引き起こすことにより、樹枝の節への変換を達成する。低温領域では、それら樹枝はより高温の領域に向かって形成される。
【００２６】
本発明により形成された部品は、典型的には、鋳型内の完全な液体対固体変換により形成された鋳造物と比べて、同じか又はより良い機械的特性、特に伸長度を有する。後者の鋳造物は、他の鋳造プロセスの樹枝状構造特性を有する。
【００２７】
本願で開示された本発明の実施例は、形成部品の半固体成形に適用するための金属スラリー材料を製造するための装置に関する。鋳造の分野では、溶解金属は、それが完全若しくは少なくとも部分的に固体化される成形容器若しくはるつぼへと輸送される。加熱／冷却システムは、溶解金属の温度を調整することにより固体率を制御するように作用し、これにより、溶解金属が、所望の温度及び材料の剛率が達成されるまで、制御された率で冷却することを可能にする。
【００２８】
適切な加熱／冷却システムの設計上の考察点は、熱を金属に均一に追加及び／又は熱を金属から除去するその容量と、固体化プロセスを通して金属の温度を正確に制御するその能力と、を含んでいる。本システムは、サイクル時間を短くし、体積出力を増加させるため、熱を迅速且つ効率的に環境に散逸させる上で十分な熱容量も持つべきである。加えて、均質且つ均一である粘性率と微細構造とを有する、固体化若しくは部分的に固体化された金属を提供するため、熱の除去若しくは追加は、可能な限り均一であるべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従来までのところ、形成部品の半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための改善された装置のための必要性が存在している。本発明は、新規で非自明な方法でこの必要性を満足させる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の一形態は、半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置を備え、該装置は、金属スラリー材料を含み、且つ、外側表面を有する内部体積を画定する容器と、該容器の該外側表面と熱伝達した状態で配置された内側表面を有し、それら表面の間で熱輸送をもたらす熱ジャケットと、を備える。容器及び熱ジャケットのうち少なくとも１つは、少なくとも１つの溝を画定し、該少なくとも１つの溝に隣接したところに熱輸送を制限する。
【００３１】
本発明の別の形態は、半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置を備え、該装置は、金属スラリー材料を含み、外側表面を有する内部体積を画定する容器と、容器の外側表面と熱連通状態に配置された内側表面を有し、それらの間で熱輸送をもたらす熱ジャケットと、を備える。内側表面の第１の部分と外側表面の第１の部分とは、熱輸送を容易にするため互いに近接して配置され、内側表面の第２の部分と外側表面の第２の部分とは、熱輸送を制限するため、互いに間隔を隔てられている。
【００３２】
本発明の別の形態は、半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置を備え、該装置は、金属スラリー材料を含む内部体積を画定する容器と、容器の少なくとも一部分を取り外し可能に収容するようにサイズが定められ形成された内部通路を画定する熱ジャケットと、を備える。容器及び熱ジャケットのうち少なくとも１つは、少なくとも１つの溝を画定する。容器の少なくとも一部分は、該容器を熱ジャケットと熱連通状態に配置してそれらの間で熱輸送をもたらすため該熱ジャケットの内部通路内で取り外し可能に配置され、該熱輸送は少なくとも１つの溝に隣接したところに制限される。
【００３３】
本発明の別の形態は、半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための装置を備え、該装置は、金属スラリー材料を含むための内部体積を画定する内部と、該内部の少なくとも一部分の回りに配置された外部と、を有する温度制御式容器を備える。容器の内部は該外部の内側表面と熱連通状態で配置された外側表面を有し、それらの間で熱輸送をもたらし、該内側表面と該外側表面との少なくとも１つは、少なくとも１つの溝を画定し、該少なくとも１つの溝に隣接したところに熱輸送を制限する。
【００３４】
本発明の一つの目的は、形成部品の半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための改善された装置を提供することである。
本発明の更なる形態、実施例、目的、特徴、効果、利点及び態様は、図面及び本明細書で提供された説明から明らかとなろう。
【実施例】
【００３５】
本発明の原理についての理解を促進するという目的のため、図面中に示された実施例を参照し、特定の用語を該実施例を説明するため使用する。しかし、本発明の範囲を制限する意図は無く、図示の装置の任意の代替及び更なる変更や、本願で示された本発明の原理の更なる任意用途は、本発明が属する技術分野における当業者にとって通常想到されるものと考えられることが理解されよう。
【００３６】
本発明は、特定の比率の固体及び特定の固体粒子形態学を有する、オンデマンドで半固体スラリーを生成するための装置及び方法を提供する。装置及び方法の簡単な説明が以下に提供される。しかし、更なる詳細事項が、２０００年６月１日に出願された、現在係属中の米国特許出願シリアル番号０９／５８５，０６１号に開示されている。その内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【００３７】
図１及び図２を参照すると、様々な鋳造用途又は前述した用途における引き続く使用のための金属又は金属合金の半固体スラリービレットを生成するための装置が示されている。本装置は、概して、溶解金属を含むための容器、若しくは、るつぼ２０と、成形ステーション２２と、吐出ステーション２４と、成形ステーション２２及び吐出ステーション２４の間で容器２０を輸送するための輸送機構２６と、を備えている。成形ステーション２２は、概して、容器２０内に含まれる金属若しくは合金の温度及び冷却率を制御するための熱ジャケット３０と、容器２０の周りの熱ジャケット３０を支持し係合するためのフレームワーク３２と、容器２０内に含まれる金属を電磁気的に攪拌するための電磁ステーター３４と、を備えている。吐出ステーション２４は、概して、容器２０からのスラリービレットの除去を、それらの間の表面結合を壊すことにより容易にするための誘導コイル３６と、引き続いて輸送するため容器２０（図示せず）から鋳造物若しくは前記したプレスのショットスリーブへと直接的にスラリービレットを吐出するための手段と、を備えている。
【００３８】
容器２０は、低い熱抵抗、良好な電磁場貫通能力、良好な腐食耐性、及び、高温度における比較的高い強度を有する、非磁性材料から作られるのが好ましい。容器２０は、内部に含まれる金属から熱を吸収し、それを周囲の環境に迅速に散逸させなければならないので、低い熱抵抗は、適切な容器材料の選択において重要な因子である。加えて、材料密度及び厚さは、所与の考慮すべき事項でなければならない。一例を用いると、容器２０は、グラファイト、セラミックス及びステンレス鋼を含む材料から作られてもよいが、これに限定するものではない。例えば溶解アルミニウム等の反応性合金による攻撃への追加の耐性を提供するため、並びに、成形プロセスが完了した後、スラリービレットを吐出することを援助するため、容器２０の内側表面は、窒化ホウ素、セラミックコーティング、又は、他の任意の適切な材料でコートされ、又は、熱的に噴霧されるのが好ましい。
【００３９】
容器２０は、円柱外側表面４１と、平坦な底部壁４２と、開放頂部４４と、を形成する側壁４０を有する、カン形状を有する。側壁４０及び底部壁４２は、協働して、内側表面４８により境界を形成された中空内部４６を形成する。一実施例では、容器２０は、約５．１ｃｍ乃至約２０．３ｃｍ（約２インチ乃至約８インチ）の範囲の外径を有し、約２２．９ｃｍ乃至約４５．７ｃｍ（約９インチ乃至約１８インチ）の範囲の全体高さを有し、約０．１３ｃｍ乃至約５．１ｃｍ（約０．０５インチ乃至約２インチ）の範囲の壁厚さを有する。しかし、容器２０の他の形状及びサイズも考えられることが理解されるべきである。例えば、容器２０は、代替形状として、長方形、多角形、長円形、又は、当業者に想到される他の任意の形状を形成することもできる。加えて、容器２０のサイズは、体積と、露出内側／外側表面積との間の比率を変えるように変更することができる。例えば、容器２０の直径を２倍にすると、これに対応して、側壁４０の露出された表面積も２倍になるが、内部４６の体積は４倍になる。適切な比率の選択に影響を及ぼし得る因子は、容器２０の所望の体積容量と、冷却能力と、を含んでいる。
【００４０】
容器２０は、実質的に剛体の一部品構成を有するものとして示され説明されたが、他の形態も考えられることが理解されるべきである。例えば、容器２０は、長さ方向の２つの別個の半部分へと分割することができ、このとき該半部分は、二枚貝殻式の構成を形成するようにヒンジにより枢動式に接続される。加えて、容器２０は、特に、固体化プロセスの間に容器２０内に含まれる金属若しくは合金の温度と冷却率とを制御することを援助するため、加熱及び／又は冷却要素を備えることができる。より詳しくは、容器壁は、容器の温度及び冷却率を制御するため内部加熱／冷却ラインを備えて構成することができる。容器２０と周囲環状との間のより高い及び／又はより対流的な熱輸送を容易にするため側壁４０上にヒートシンク又はフィンを更に設けることができる。本発明の一部として使用するために適した容器の種類に関する、他の代替構成及び追加の設計詳細事項は、米国特許シリアル番号０９／５８５，２９６号、今や米国特許番号６，３９９，０１７号に開示されている。
【００４１】
熱ジャケット３０は、高い熱伝道度、良好な電磁貫通能力及び比較的高い強度を有する非磁気材料から作られるのが好ましい。熱ジャケット３０の主要な目的は、容器２０と、加熱及び／又は冷却媒体との間の熱輸送を容易にすることであるので、熱伝導度は、適切な熱ジャケット材料の選択において特に重要な因子である。加えて、熱ジャケット３０の加熱／冷却能力は、材料密度、比熱及び厚さにより影響を及ぼされるので、これらの因子にも熟慮するべき点を与えなければならない。より詳しくは、容器２０内に含まれる金属から熱ジャケット３０により追加／抽出されるべきエネルギー量（ΔＥ）は、次の方程式、ΔＥ＝（ρ）（Ｃｐ）（Ｖ）（ΔＴ）により表される。ここで、ρは材料密度、Ｃｐは材料比熱、Ｖは材料の体積及びΔＴは、サイクル当たりの材料の温度変化である。更に、熱ジャケット３０の材料は、好ましくは容器２０の熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つべきであり、その重要さは以下の説明で明らかとなろう。その上、当該材料は、好ましくは、容易に機械加工可能であるべきであり、その重要さは以下の説明で明らかとなろう。例を用いると、熱ジャケット３０は、青銅、銅又はアルミニウムを含む材料から作られてもよいが、これらの例に限定するものではない。
【００４２】
熱ジャケット３０は、長さ方向軸Ｌに沿って延在し、２つの略対称な長さ方向の半部分３０ａ、３０ｂを備えている。各々の半部分３０ａ、３０ｂは、略半円柱形状を持ち、丸みを帯びた内側表面５０と、丸みを帯びた外側表面５２と、一対の略平坦な長さ方向エッジ５４ａ、５４ｂとを備えている。内側表面５０は、容器２０の外側表面４１に略相補的である。一実施例では、熱ジャケット３０の各半部分３０ａ、３０ｂは、容器２０の外径に略等しいか又は僅かに大きい内径と、容器２０の高さに略等しいか又は僅かに大きい全体高さと、約２．５４ｃｍ（約１インチ）の壁厚さと、を有する。しかし、容器２０に関して上掲されたものに相補的な形状及びサイズを始めとして、熱ジャケット３０の他の形状及びサイズも、当業者により想到されるものとして考えることができることが理解されるべきである。加えて、熱ジャケット３０が、別個の長さ方向部分３０ａ、３０ｂを有するものとして示され、説明されたが、他の形態も可能であることが理解されるべきである。例えば、熱ジャケット３０は、代替例として固体円柱形態を呈することができ、又は、半部分３０ａ、３０ｂは、二枚貝式の形態を形成するため一緒にヒンジが付けられていてもよい。更に、熱ジャケット３０は、非対称的な長さ方向部分を備えていてもよい。
【００４３】
更に詳細が後述されるように、熱ジャケット３０には、容器２０への熱の追加／容器２０からの熱の除去を通して、容器２０から周囲環境への熱輸送率を制御するための手段が設けられている。一実施例では、熱ジャケット３０は、毎秒約０．１℃乃至約１０℃の範囲内で容器２０内に含まれる金属の冷却率を制御するための容量を有する。しかし、他の冷却率も、成形される金属の特定の組成及び得られるべき所望の結果に応じて、利用することができる。
【００４４】
熱ジャケット３０及びステーター３４を支持するため並びに長さ方向軸Ｌに対して熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂを横方向に移動させるため、フレームワーク３２が設けられている。フレームワーク３２は、略剛性ベース構造を形成するため、一対の上側横断案内ロッド６２と、一致の下側横断案内ロッド６４とにより相互接続された、一対の静止ベースプレート６０を備えている。上側及び下側の案内ロッド６２，６４は、互いに略平行に各々整列され、長さ方向軸Ｌに略垂直に配置されている。上側及び下側の案内ロッド６２，６４は、円形断面を有するものとして図示され説明されたが、他の断面形状、例えば正方形又は長方形の断面も考えられる。
【００４５】
フレームワーク３２は、一対の可動式アクチュエータプレート６６を更に備え、各プレートは、４つの開口部６８を形成し、該開口部は、長さ方向軸Ｌに垂直な方向に上側及び下側の案内ロッド６２，６４に沿ってアクチュエータプレート６６が摺動することを可能とするため、上側及び下側の案内ロッド６２，６４の各々一つを該開口部を通して受け入れるようにサイズが定められている。可動式コネクタープレート７０は、各々の熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの上側表面に剛体的に取り付けられており、コネクタープレート７０が、長さ方向軸Ｌに略垂直な方向に上側案内ロッド６２に沿って摺動することを可能にするため、上側案内ロッド６２の各々一つを受け入れるようにサイズが定められた一対の開口部７２を形成する。各々のコネクタープレート７０は、一対の押しロッド７４（図２）により対応するアクチュエータプレート６６に相互接続されている。代替例として、各コネクタープレート７０は、一対のプレート又は他の任意の適切な接続構造により対応するアクチュエータプレート６６に相互接続されてもよい。一対の気圧シリンダー７６が提供され、各々は、ベースプレート６０に取り付けられたベース部７８と、ベースプレート７８を通って延在し、アクチュエータプレート６６に接続されたロッド部８０と、を有する。気圧シリンダー７６を延長させることにより、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂは、矢印Ａの方向に互いに向かって移動される。気圧シリンダー７６を引っ込めることにより、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂは、矢印Ａの反対方向に互いから離れるように移動される。
【００４６】
フレームワーク３２及び気圧シリンダー７６が、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂを容器２０の外側表面４１に対して選択的に係合／解放するための手段を提供するものとして、図示され、説明されたが、代替の手段、例えばロボットアーム又は類似の作動装置等を使うことも考えられることが理解されるべきである。熱ジャケット３０を、溶接又は固定化により容器２０の外側表面４１に直接、確実に取り付け、これによりフレームワーク３２及び気圧シリンダー７６の必要性を無くすことができることも理解されるべきである。
【００４７】
電磁ステーター３４は、円柱形状を有し、容器２０と略同心に長さ方向軸Ｌに沿って配置されている。ステーター３４は、下側案内ロッド６４の間に延在する一対の交差部材８４に載置した状態でフレームワーク３２により支持されるのが好ましい。ステーター３４の内径は、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂが、それらの完全に引っ込められた位置にあるとき、外側表面５２がステーター３４の内側表面と接触しないようにサイズが定められている。ステーター３４は、多極の多相ステーターであるのが好ましく、回転式、直線式、又は、両方の組み合わせを持つことができる。ステーター３４により形成された磁場は、長さ方向軸Ｌに略垂直若しくは略平行のいずれかの方向、又は、両方の組み合わせの方向に容器２０の回りで移動するのが好ましい。なお、磁場が長さ方向軸Ｌに略垂直な方向に移動する回転式ステーターのみを使用する用途においてさえ、容器２０内に含まれる金属溶解物の回転運動に加えて、該金属溶解物の長さ方向運動も可能となる。
【００４８】
ステーター３４の作動は、容器２０内に含まれる金属溶解物に、実際に該溶解物と直接接触すること無く強力な攪拌作用を与える。本発明に適した様々な形式のステーターに関する追加の設計詳細事項と、回転式、直線式又はこれらの両方のいずれにせよ、これらのステーターの構成と、各ステーター構成に対応する流れ運動パターンとは、米国特許出願シリアル番号０９／５８５，２９６号、今や米国特許番号６，４０２，３６７号に記載されている。その内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【００４９】
要約すると、上述した装置は、次の態様で作動する。最初に、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂは、気圧シリンダー７６を引っ込めることにより、それらの完全に引っ込められた位置に配置される。この時点では空である容器２０は、輸送機構２６を使って吐出ステーション２４から成形ステーション２２へと長さ方向軸Ｌに沿って矢印Ｂの方向に持ち上げられる。一実施例では、輸送機構２６は、平坦な円形プラットフォーム９２に接続されたロッド部９０を有する気圧シリンダー（図示せず）を備えている。しかし、輸送容器２０のための他の手段、例えばロボットアーム若しくは類似の作動手段等も当業者に想到するものとして考えられることが理解されるべきである。容器２０は、プラットフォーム９２上に載っており、例えば、締め付け若しくは溶接等の当業者に知られた任意手段により、該プラットフォームに確実に取り付けられるのが好ましい。一旦、容器２０が熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂ（図２で破線で示されるように）の間に配置されたならば、気圧シリンダー７６が延長され、これにより熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの内側表面５０を、容器２０の外側表面４１と緊密に接触した状態へと係合させる。
【００５０】
金属溶解物とも称される、液体金属は、上側開口部４４を通って容器２０内に導入される。液体金属は、適切な組成で準備され、炉内でその液相線温度（完全に溶解した合金が最初に固体化し始める温度）より高い温度まで加熱される。好ましくは、液体金属は、液相線温度より高い少なくとも５℃の温度まで加熱される。より好ましくは、液体金属の時期尚早な固体化又は皮膜形成の可能性を回避し又は少なくとも軽減するため、液相線温度より高い約１５℃乃至約７０℃の範囲の温度にまで加熱される。一実施例では、液体金属は、ひしゃく（図示せず）により容器２０に移送されるが、他の適切な手段、例えば導管等を使うことも考えられる。
【００５１】
液体金属と容器２０の冷却内側表面との接触から生じる可能性がある固体化された皮膜の形成を回避するため、容器壁４０，４２は、液体金属の導入前に予備加熱されるのが好ましい。そのような高温化は、熱ジャケット３０を使って（後述されるように）、容器２０に内部の要素を加熱することにより（上述したように）、従来のシステム循環の間の容器２０の加熱を通して、又は、強制された空気加熱等により当業者に想到できる他の任意の適切な手段により、もたらすことができる。好ましくは、合金がＡ１３５７又は類似の組成であるとき、容器２０は、皮膜形成、又は、時期尚早な固体化を回避するため液体金属の導入前に少なくとも２００乃至５００℃の温度となるべきである。
【００５２】
溶解金属の容器２０内への導入に続いて、キャップ又は蓋部（図示せず）は、電磁攪拌プロセスの間に溶解金属が逃げることを防止するため、容器２０の開放頂部上に落とされるのが好ましい。キャップは、セラミック、ステンレス鋼、又は、他の任意の適切な材料から作ることができる。電磁場は、金属溶解物に強力な攪拌作用を与えるためステーター３４により導入される。好ましくは、攪拌作用は、キャップが容器２０の頂部に配置された後、直ちに、実行される。次に、金属が、熱ジャケット３０を使って攪拌プロセスを通して、制御された率及び温度で冷却される。熱ジャケットの作用は後述される。熱ジャケット３０による熱の除去は、液体金属を固体化させ、これにより半固体スラリー材料を成形する。
【００５３】
熱ジャケット３０は、所望のスラリー温度を可能な限り迅速に達成するため、道理に適うように冶金的現実を考慮に入れて比較的短いサイクル時間を達成するため、攪拌プロセスを通して半固体スラリーの温度及び冷却率に関する連続的な制御を提供する。電磁攪拌の主要な目的は、固体比率、主要な粒子サイズ及び形状に関して、劣化した樹枝構造を備える主要な相の核化及び成長をもたらすことであり、分布温度が保持時間及び温度により決定される一方で、攪拌プロセスの別の目的は、液体金属と容器２０の内側表面４８との間の対流的熱輸送を向上させることである。攪拌プロセスの更なる目的は、金属内部の温度勾配を減少させ、これにより金属温度及び冷却率に関する制御を向上させることである。攪拌プロセスの更に別の目的は、容器２０の内側表面４８と直接接触する金属が皮膜を形成する可能性を回避し又は少なくとも最小にすることである。
【００５４】
電磁攪拌工程の完了時には、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂは、気圧シリンダー７６を引っ込めることによりそれらの完全に引っ込められた位置に再度配置される。スラリービレットの形態で金属溶解物を今や含んでいる容器２０は、誘導コイル３６（図１）内に配置されるまで、長さ方向軸Ｌに沿って矢印Ｂと反対方向に降下される。次に、誘導コイル３６は、スラリービレットの外側皮膜を溶解する磁場を発生させるように励起され、容器２０の内側表面とビレットとの間に存在する表面結合を壊す。更には、誘導コイル３６により発生された磁場は、容器２０からのその取り出しを更に容易にするためスラリービレット上に径方向の圧縮力を印加する。一実施例では、磁場を発生するため、容器２０を取り囲む誘導コイル３６を通してＡＣ電流が放電されるが、容器２０の底部壁４２に隣接して配置された誘導コイル３６を通して高電圧ＤＣ電流を放電することによっても強力な磁場を発生させることができる。
【００５５】
スラリービレットと容器２０との間の表面結合が壊された後、ビレットは、容器２０から吐出され、鋳造物及び鍛造品プレスのショットスリーブまで直接輸送され、そこで、その最終的な形状又は形態へと成形される。スラリービレットを吐出する一つの方法は、ビレットを重力により容器２０から滑り落とすことを可能にするため水平より適切な角度で、誘導コイル３６と共に、容器２０を傾斜させることである。そのような傾斜作用は、傾斜テーブル構成、ロボットアーム、又は、当業者に明らかである他の任意の傾斜手段により達成することができる。加えて、誘導コイル３６及び容器２０の中心が軸方向にオフセットされている場合、誘導コイル３６の作動は、その吐出を更に容易にするため、ビレットに軸方向押し出し力を印加する。本発明の一部として使用するのに適した種類の誘導コイルに関する追加の詳細事項、並びに、代替のスラリービレット吐出方法及び装置は、米国特許シリアル番号０９／５８５，２９６号、今や米国特許番号６，３９９，０１７号に開示されている。
【００５６】
ここで図３乃至図１４を参照すると、熱ジャケット３０に関する様々な構造的特徴が示されている。図３に示されるように、熱ジャケット３０の半部分３０ａ、３０ｂは、それらの間に容器２０を挿入することを容器２０の外側表面４１と内側表面５０との間の摩擦干渉を回避しつつ可能にするため十分な距離Ｄで離れることができる。しかし、図４に示されるように、一旦、容器２０が長さ方向軸Ｌに沿って適切な位置に配置されると、半部分３０ａ、３０ｂは、容器２０の外側表面４１との緊密な接触状態へと内側表面５０を配置するため一緒に引き付けられ、それらの間の伝達性熱輸送を実現する。顕著なことには、半部分３０ａ、３０ｂが容器２０に対して係合されるとき、隙間Ｇは、対向する長さ方向エッジ５４ａと、対向する長さ方向エッジ５４ｂとの間に残される。
【００５７】
隙間Ｇの一つの機能は、特に容器２０と熱ジャケット３０との間で熱膨張／収縮の率がかなり変化する場合において、容器２０の外側表面４１と、熱ジャケット３０の内側表面５０との間の距離を無くすか又は少なくとも減少させることである。一実施例では、隙間Ｇは、次の式、即ちｆｎ＝（αj＊π＊ｒj＊ΔＴj）−（αv＊π＊ｒv＊ΔＴv）に一致する。ここで、ｒjは、半部分３０ａ、３０ｂの内側表面５０の半径であり、ΔＴjは熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの最大温度変化であり、αvは容器２０の熱膨張係数であり、ｒvは容器２０の外側表面４１の半径であり、ΔＴvは容器２０の最大温度変化である。好ましい実施例では、隙間Ｇは、少なくともｆnと同程度の大きさである。しかし、隙間Ｇは、容器２０と熱ジャケット３０との間で熱膨張率及び収縮率の異なる率に適合する必要がある任意のサイズを始めとして、他のサイズを取り得ることが理解されるべきである。
【００５８】
図５に示されるように、本発明の一実施例では、熱ジャケット３０は、主要ボディ部１０１を形成するため長さ方向軸Ｌに沿ってスタック中に配列された、熱ジャケット３０を幾つかの個々の軸上区分１００ａ乃至１００ｆへと分離することは、分離しなければ単一軸部品から形成された熱ジャケット３０で発生したであろう渦電流を減少することを援助すると共に、ステーター３４により発生された磁場のより良好な磁場貫通を可能にする。図示の実施例は、６つの軸上区分から構成されたものとして主要ボディ部１０１を示しているが、任意数の軸上区分を、熱ジャケット３０に様々な高さを提供するため使用してもよいことが理解されるべきである。一実施例では、軸上区分１００ａ乃至１００ｆの各々は、約５．１ｃｍ（約２インチ）の高さを持ち、主要ボディ部１０１に約３０．５ｃｍ（約１２インチ）の全体高さを提供する。代替例として、軸上区分１００ａ乃至１００ｆは、一体の単一部品の主要ボディ部１０１を形成するため一体化されてもよい。
【００５９】
図５及び図６に示されるように、軸上区分１００ａ乃至１００ｆの各々は、ステーター３４の作動中に熱ジャケット３０を通した磁気誘導損失を実質的に無くし又は少なくとも最小にするため電気絶縁材料１０２により互いから分離されるのが好ましい。図示の実施例では、絶縁材料１０２がガスケットの形態にあり、適切な絶縁特性を有する任意材料から作られ、高温環境に耐えることができる。そのような材料は、例えば、石綿、セラミックファイバーペーパー、雲母、フッ化炭素、フェノール類、又は、ポリ塩化ビニル及びポリカーボネートを始めとした幾つかのプラスチックを含んでいてもよい。代替例として、電気絶縁材料１０２は、軸上区分１００ａ乃至１００ｆの当接表面に適用された、従来のニス皮膜又は耐火性酸化物層のコーティングを備えていてもよい。いずれの実施例においても、電気絶縁材料１０２の厚さは、熱ジャケット３０の伝導度のかなりの減少を回避するように可能な限り薄いのが好ましい。好ましくは、電気絶縁材料１０２の厚さは、約０．１６ｃｍ乃至約０．３２ｃｍ（約０．０６３インチ乃至約０．１２５インチ）の範囲にある。
【００６０】
熱ジャケット３０は、上側空気マニホルド１０４と、下側空気マニホルド１０６とを備え、これらの目的は後述される。ガスケット材料１０８は、当接表面の間にシール部を形成するため、上側マニホルド１０４と軸上区分１００ａとの間、並びに、下側マニホルド１０６と軸上区分１００ｆとの間に配置される。その重要性は以下で明らかとなる。ガスケット材料１０８は、例えば、石綿、セラミックファイバーペーパー、雲母、フッ化炭素、フェノール類、又は、ポリ塩化ビニル及びポリカーボネートを始めとした幾つかのプラスチック等の任意の適切な材料から作られる。ガスケット材料１０８は、上側及び下側のマニホルド１０４、１０６の各半部分の周辺エッジに隣接して連続的シール部を形成するため絶縁材料１０２（図６）に類似の態様で配置されている。好ましくは、ガスケット材料１０８の厚さは、約０．１６ｃｍ乃至約０．３２ｃｍ（約０．０６３インチ乃至約０．１２５インチ）の範囲以内にある。
【００６１】
軸上区分１００ａ乃至１００ｆ、上側マニホルド１０４及び下側マニホルド１０６は、一体化された熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂを形成するため一緒に連結される。図示の実施例では、４つのねじ形成ロッド１１０が、各半部分３０ａ、３０ｂの長さ全体に沿って長さ方向に延在する対応する開口部１１２を通過させられている。しかし、任意数のねじ形成ロッドを軸上区分１００ａ乃至１００ｆを連結するため使用することができることが理解されるべきである。ナット１１４及びワッシャー１１６がロッド１１０の各端部に配置され、ナット１１４は、略剛性の熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂを形成するためロッド１１０上にきっちりと螺合されている。軸上区分及びマニホルドを連結するための他の適切な手段、例えばタック溶接等も考えられる。
【００６２】
ここで、図７及び図８を参照すると、最下軸上区分１００ｆに関する様々な詳細事項が示されている。軸上区分１００ｆの次の説明に関して、記載したものを除いて、軸上区分１００ｆの特徴は、軸上区分１００ａ乃至１００ｅにも同様に等しく当てはまる。軸上区分１００ａ乃至１００ｆは、複数の内側軸方向延在通路１２０と、対応する複数の外側軸方向延在通路１２２とを、各々備えている。内側軸方向延在通路１２０及び外側軸方向延在通路１２２は、略長さ方向軸Ｌに沿って配置され、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの回りで周囲に沿って分布している。軸上区分１００ａ乃至１００ｆの各々の軸上通路１２０、１２２は、これに対応して、略連続的に軸方向に延在する通路１２０、１２２を形成するように整列され、好ましくは、主要ボディ部１０１長さ全体に亘って走るのがよい。図示の実施例では、２４の内側通路１２０と２４の外側通路１２２とが存在するが、本発明の範囲内で他の量も考えられる。内側通路１２０及び外側通路１２２は、冷却媒体と熱ジャケット３０との間の対流的熱輸送をもたらすため熱ジャケット３０の長さに沿って冷却媒体を輸送するように機能し、その結果、容器２０及びその内部に含まれる金属合金から熱を抽出する。好ましい実施例では、冷却媒体は、圧縮空気であるが、他の種類の冷却媒体、例えば他の種類のガス、又は、水若しくはオイル等の流体も考えられる。
【００６３】
内側軸方向通路１２０は、最下軸上区分１００ｆにより形成された入口開口部１２０ｉから、最上軸上区分１００ａにより形成された出口開口部１２０ｏ（図１１及び図１４）へと冷却空気を輸送する。好ましくは、内側通路１２０は、容器２０からの熱の比較的均一な抽出を提供するため、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの周囲の回りに幾分均一にオフセットされている。加えて、内側通路１２０は、冷却空気流量の調整と、容器２０及びその内部に含まれる金属合金からの熱抽出率における対応する変化との間の遅延時間を最小にするため、熱ジャケット３０の内側表面５０に隣接して、均一な態様で、径方向に配置されているのが好ましい。しかし、内側通路１２０の他の間隔配置及び位置も本発明の範囲内にあるものとして考えられる。一実施例では、内側通路１２０は、約０．６４ｃｍ（約０．２５インチ）の直径を有する。しかし、他の通路サイズも、本発明の範囲内にあるものとして考えられる。通路サイズは、例えば、所望の空気流量、熱輸送率、及び、冷却空気通路の入口１２０ｉ及び出口１２０ｏの間の空気温度の変化等、様々な設計上の考慮により決定される。
【００６４】
より詳細に後述されるように、出口開口部１２０ｏから出る冷却空気は、上側マニホルド１０４を経由して再循環され、外側軸通路１２２（図１１及び図１４）の入口開口部１２２ｉ内に供給される。外側通路１２２は、最上軸上区分１００ａにより形成された入口開口部１２２ｉから、最下軸上区分１００ｆ（図７）により形成された、出口開口部１２２ｏへと冷却空気を輸送する。好ましくは、外側通路１２２は、容器２０から比較的均一な熱の抽出を提供するため、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの周囲の周りに均一にオフセットされている。加えて、外側通路１２２は、内側通路１２０の径方向外側に均一に配置されるのが好ましい。しかし、外側通路１２２の他の間隔配置及び位置も本発明の範囲内にあるものと考えられる。例えば、外側通路１２２は、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの厚さを減少させるため内側通路１２０と同じ半径に沿って配置することができる。一実施例では、外側通路１２２は、約０．６４ｃｍ（約０．２５０インチ）の直径を有するが、他のサイズも本発明の範囲内にあるものと考えられる。
【００６５】
出口開口部１２２ｏから出る冷却空気は、幾つかの横断ノッチ１２６内に供給され、該横断ノッチは、熱積載冷却空気を大気へと排出するため最下軸上区分１００ｆ内に形成されるだけである。横断ノッチ１２６は、外側軸上通路１２２と、熱ジャケット３０の外側表面５２との間に、長さ方向軸Ｌに略垂直な方向に延在し、下側マニホルド１０６と協働して排出ポート１２７（加えて図５に示される）を形成する。かくして、通路１２０は、冷却空気を下方向に排出して、塵やちりを空中浮遊物にさせてシステムを汚染するおそれがある代わりに、該冷却空気は、汚染の可能性を回避し又は少なくとも最小にするため横方向に差し向けられる。
【００６６】
冷却空気システムは、冷却空気が最終的に大気中へと放出される開放システムとして図示され、説明されたが、冷却空気が熱ジャケット３０を通って連続的に再循環される閉鎖システムを代わりに使用することができることが理解されるべきである。そのような閉鎖システムは、システムから熱を除去するための手段、例えば、冷却装置、熱交換器、又は、他の種類の冷凍装置を備えることができる。加えて、熱ジャケット３０が２通路の冷却空気ルートを利用するものとして示され、説明されたが、熱ジャケット３０は、単一通路の冷却空気ルートで設計され、これに対応して熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの厚さを減少させることができることも理解されるべきである。熱ジャケット３０は、多数通路の冷却空気ルートで設計されてもよく、又は、単一部品の熱ジャケット３０の回りを螺旋状に延在する連続的冷却空気ルートで設計することもできることが理解されるべきである。
【００６７】
顕著なことには、内側通路１２０は、熱ジャケット３０の熱輸送効率を最大にするため、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの内側表面５０に隣接して、外側通路１２２の
径方向内側に配置されるのが好ましい。より詳しくは、内側通路１２０を通って流れる冷却空気は、外側通路１２２を通って流れる冷却空気よりも低い温度である。熱輸送効率を最大にするためには、冷却空気を含む内側通路１２０は、より高温の位置に近接して、即ち容器２０に隣接した位置に配置される。他方では、対流的熱輸送を通って温められた空気を含む外側通路１２２は、より温度が低下された位置に配置される。かくして、内側及び外側通路１２０、１２２の特定の配置は、容器２０及びその内部に含まれる金属から熱を抽出するための熱ジャケット３０の能力を最大にするように機能する。
【００６８】
容器２０から熱を抽出するため強制された空気冷却を使用することに加えて、熱ジャケット３０は、金属合金の温度及び冷却率に亘る追加の制御を提供するため容器２０に熱を追加するための手段を備えるのが好ましい。軸上区分１００ａ乃至１００ｆは、複数の軸方向に延在するアパーチャ１３０を各々備え、該アパーチャは、略長さ方向軸Ｌに沿って配置されると共に、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの回りに周囲に沿って分布されている。軸上区分１００ａ乃至１００ｆの各々のアパーチャ１３０は、これに従って、主要ボディ部１０１の長さ全体を走る略連続的な軸上アパーチャ１３０を形成するように整列されている。各アパーチャ１３０の内部には、加熱要素１３２が配置されている。図示の実施例では、１２個のアパーチャ１３０が存在し、各々は、約０．９５ｃｍ（約０．３７５インチ）の直径を有する。好ましくは、アパーチャ１３０は、熱の比較的均一の分布を提供するため熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂの周囲の回りに均一にオフセットされている。加えて、アパーチャ１３０は、熱輸送効率を最大にするため、並びに、加熱要素１３２の作動と、容器２０及びその内部に含まれる金属合金への熱の追加との間の遅延時間を最小にするため、熱ジャケット３０の内側表面５０に隣接して、内側冷却空気の通路１２０と同じ半径に沿って配置されるのが好ましい。しかし、アパーチャ１３０の数、サイズ、配置構成及び位置に関して他のものも本発明の範囲以内にあるものと考えられることが理解されるべきである。容器２０に熱を追加するための他の手段、例えば冷却空気通路１２０、１２２に類似して構成され、空気等の加熱流体を運搬するように適合された一連の加熱空気通路等を熱ジャケット３０に組み込むことができることも理解されるべきである。
【００６９】
好ましくは、加熱要素１３２は、略円形の外側断面を形成し、主要ボディ部１０１の高さに略等しい長さを有するカートリッジ形式を持っている。一実施例では、加熱要素１３２は、約０．９５ｃｍ（約０．３７５インチ）の直径、約３０．５ｃｍ（１２インチ）の全長、約３０℃乃至約８００℃の温度範囲、約１０００ワットのパワー規格、約３，４００ＢＴＵ／時の加熱容量を有する。しかし、加熱要素の他の形式、スタイル及びサイズも考えられることが理解されるべきである。適切な加熱要素の選択において考慮すべき幾つかの因子には、生成される金属合金の特有組成、所望のサイクル時間、加熱応答／遅延時間等が含まれている。適切な電気カートリッジ加熱要素の一例は、ミズーリ州、セントルイスのワットローエレクトリックマニュファクチュアリング社により、部品番号Ｇ１２Ａ４７の下で製造されている。しかし、他の適切な加熱要素も、当業者には想到できるものと考えられる。
【００７０】
ここで、図９乃至図１０を参照すると、下側空気マニホルド１０６に関する様々な詳細事項が示されている。一実施例では、下側空気マニホルド１０６は、主要ボディ部１０１のプロフィールに対応する外側プロフィールを有し、約５．１ｃｍ（約２インチ）の高さを有する。しかし、下側マニホルド１０６の他の形態やサイズも当業者には想到できるものと考えられる。下側マニホルド１０６の半部分３０ａ、３０ｂの各々は、上側表面４１に形成された、周囲に延在する空気分布スロット１４０を備え、該スロットは、長さ方向エッジ５４ａに隣接した位置から長さ方向エッジ５４ｂに隣接した位置まで連続的に延在する。重要なことには、スロット１４０は、内側冷却空気通路１２０と同じ半径に沿って配置され、下側マニホルド１０６が主要ボディ部１０１の各々の半部分３０ａ、３０ｂに取り付けられたとき内側通路１２０の各々と流体連通した状態に配置される。好ましくは、スロット１４０は、内側通路１２０の直径と等しいか又は僅かに大きい幅と、該幅に等しいか又は大きい深さと、を有する。一実施例では、スロット１４０は、約０．６４ｃｍ（約０．２５０インチ）の幅と、約１．２７ｃｍ（約０．５００インチ）の深さとを有する。下側マニホルド１０６は、下側表面１４３とスロット１４０との間に延在する空気入口開口部１４２も形成する。空気入口開口部１４２は、スロット１４０の幅に略等しい直径を有する。空気入口説備品１４６は、入口開口部１４２の内側にねじ形成された部分１４８内に螺合される。かくして、単一ポイントの導管１５０を介して供給された冷却空気は、スロット１４０に連通され、内側冷却空気通路１２０の各々に下側マニホルド１０６を介して分配される。
【００７１】
例えばバルブ１５２等のバルブ構成が、圧縮空気源１５４と空気供給導管１５０との間の空気の流量を制御して熱ジャケット３０へと導くため設けられている。冷却空気の流量を制御することは、熱ジャケット３０と冷却空気との間の対流的熱輸送の率を制御し、これに応じて、容器２０内に含まれている金属合金の温度及び該金属合金からの熱の抽出率を制御する。好ましい実施例では、バルブ１５２は、冷却空気の流量を自動的に制御することができる電動式計量バルブである。適切な電動式計量バルブの一例は、インディアナ州のインディアナポリスのＳＭＣにより部品番号ＶＹ１Ｄ００−Ｍ５の下で製造されている。しかし、他の適切な電動バルブも当業者に想到されるものと考えられる。バルブ１５２は、例えば手動式圧力レギュレータ又は他の任意の適切なバルブ構成等の手動バルブとすることもできることが理解されるべきである。
【００７２】
ここで、図１１乃至図１４を参照すると、最上軸上区分１００ａと、上側空気マニホルド１０４とに関する様々な詳細事項が示されている。上記したように、内側冷却空気通路１２０の出口開口部１２０ｏから出た冷却空気は、上側マニホルド１０４を介して、外側通路１２２の入口開口部１２２ｉ内に再循環される。より詳しくは、幾つかの角度を付けられたスロット１６０が、上側マニホルド１０４の下側表面１６１に形成されている。重要なことには、各スロット１６０は、所定の長さ、配位及び位置を有し、上側マニホルド１０４が主要ボディ部１０１に取り付けられたとき内側及び外側通路１２０ｐ、１２２ｐの対応する対（図１１）に亘ってスロット１６０を直接配置する。この態様では、スロット１６０は、対応する対の通路１２０ｐ、１２２ｐを互いに流体連通した状態に置き、これにより内側通路１２０から出た空気を外側通路１２２内に差し向ける。好ましくは、スロット１６０は、内側及び外側の通路１２０、１２２のうちより大きい方の直径と略等しいか又は大きい幅と、該幅以上の深さと、を有する。一実施例では、スロット１６０は、約０．６４ｃｍ（約０．２５０インチ）の幅と、約１．２７ｃｍ（約０．５００インチ）の深さと、を有する。代替実施例では、スロット１６０の底部は、内側通路１２０及び外側通路１２２の間のより滑らかな遷移を提供するため丸く形成されてもよく、これにより、上側マニホルド１０４に亘る圧力降下を減少させる。上側マニホルド１０４の別の実施例では、個々のスロット１６０は、長さ方向エッジ５４ａに隣接するポイントから長さ方向エッジ５４ｂに隣接するポイントまで連続的に延在する周囲延在スロットにより代用され、出口開口部１２０ｏ及び入口開口部１２２ｉの各々と流体連通した状態に配置されてもよい。
【００７３】
ここで、図１２及び図１３を参照すると、加熱要素１３２を配線する一方法が示されている。しかし、他の配線方法も本発明の範囲内にあるものとして考えられることが理解されるべきである。詳しくは、上側マニホルド１０４は、底部表面１６１と頂部表面１６５との間で該マニホルドを通って延在する幾つかの出口アパーチャ１６４を形成する。出口アパーチャ１６４の各々は、上側マニホルド１０４が主要ボディ部１０１に取り付けられるとき加熱要素アパーチャ１３０の対応するものと整列されている。加熱要素１３２の端部から延在する電気リード線１６６は、出口アパーチャ１６４を通って上側マニホルド１０４の外側位置へと通過させられる。電気リード線１６６は、空気気密電気コネクター１６８を通して配線され、該コネクターは出口アパーチャ１６４の内側ねじ形成部１６９へと螺合される。リード線１６６は、電気ケーブル１７０を介して配線され、加熱要素コントローラ１７２へと接続されるのが好ましい。適切な加熱要素コントローラの一例は、ミネソタ州、ワイノアのワットローエレクトリックマニファクチュアリング社により部品番号ＤＣ１Ｖ−６５６０−Ｆ０５１の下で製造されている。しかし、他の適切なコントローラも、当業者に想到されるものと考えられる。
【００７４】
好ましくは、プログラム可能な論理コントローラ（図示せず）又は別の類似の装置が、例えば閉ループＰＩＤ制御を通して、容器２０内に含まれる金属溶解物の冷却率を自動的に制御し、並びに、他のシステムパラメータ及び特性を制御若しくは監視するため用いられる。例えば、プログラム可能な論理コントローラ（又はＰＬＣ）を、制御バルブ１５２の作動を制御することにより冷却空気の流量を調整し、加熱要素コントローラ１７２の作動を制御することにより加熱要素１３２を作動させるように構成することができる。加えて、ＰＬＣは、気圧シリンダー７６、７８の拡張／収縮、及び／又は、輸送機構２６の作動を制御するため使用されてもよい。容器２０内に含まれる金属溶解物の温度及び冷却率に関して制御を向上するため、ＰＬＣは、閉ループフィードバックを提供するため様々な温度センサー若しくは熱電対を監視するように使用することもできる。加えて、ＰＬＣは、例えばステーター３４若しくは誘導コイル３６等のシステム内に使用される他の装置の作動を制御するため使用することができる。
【００７５】
金属溶解物の温度及び冷却率を制御することに関する熱ジャケット３０の作用の要約は以下の通りである。上述したように、熱ジャケット３０は、容器２０内に含まれる金属合金の冷却率を毎秒約０．１℃乃至約１０℃の範囲内に制御する能力を有するのが好ましい。温度及び冷却率に関するそのような緊密な制御を維持することの重要性は、液体金属の半固体スラリーへの固体化を調整し、所望の半固体成形プロセスのパラメータ及び材料特性が満足されることを確実にすることである。加えて、本発明の半固体成形プロセスに伴う短いサイクル時間は、より長いサイクル時間を示す従来の形成プロセスよりも温度及び冷却率に関する比較的高い度合いの制御を必要としている。更には、金属溶解物の導入前に容器２０の初期温度を制御することにより、半固体成形プロセスに伴うサイクル時間を有効に減少させることができることが見出された。
【００７６】
熱ジャケット３０を容器２０の外側表面４１との緊密な係合状態へとクランプすることに続いて、液体金属が容器２０内に導入される。ほとんど瞬間的に、熱は、伝導及び対流の両方の熱輸送を介して液体金属から容器２０の側壁４０へとシフトし始める。側壁４０の温度が上昇するとき、熱は、主要には伝導を介して側壁４０から熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂへと転移される。ヒートシンクとして作用するとき、熱ジャケットの半部分３０ａ、３０ｂは、冷却空気通路１２０、１２２を通って流れる加圧空気への対流的熱輸送を介して、熱を周囲環境に迅速且つ効率的に散逸させ、該加圧空気は、空気排出ポート１２７を介して大気へと吐出される。熱は、熱ジャケット３０の露出された外側表面を横切って流れる空気流を経由して対流的熱輸送を介して周囲環境に散逸される。
【００７７】
冷却空気通路１２０、１２２を通って流れる空気の量を調整することにより、容器２０内に含まれる金属合金の温度及び冷却率に関して一定度合いの制御が得られる。例えば、通路１２０、１２２を通過する空気の流量を増大させることにより、より大きな量の熱が周囲環境に散逸され、これに応じて、熱ジャケット３０の温度を低下させる。熱ジャケット３０の温度を低下させることにより、容器２０と熱ジャケット３０との間の熱輸送率が増大され、これに応じて容器２０内に含まれる金属合金からの熱抽出率を増大させ、これにより、その温度を減少させ、その冷却率を増大させる。同様に、通路１２０、１２２を通過する空気の量を減少させることは、容器２０内に含まれる金属の冷却率をこれに応じて減少させる効果を有する。本発明の別の実施例では、熱ジャケット３０内に導入される冷却空気の入口温度は、容器２０内に含まれる金属合金の温度及び冷却率に関する追加の制御を提供するため変化させることができる。
【００７８】
温度及び冷却率が、強制された空気冷却のみを通して制御することは幾分困難であるので、加熱要素１３２が、追加の度合いの制御を提供するため含まれている。電気制御回路になされる調整は、典型的には、気圧制御回路になされる調整よりも正確であるので、電気加熱要素１３２を備えることは、制御スキーム全体に、より増大した精度を提供する。より詳しくは、加熱要素１３２は、一種のフィードバック制御式の電気加熱回路を提供するため制御スキーム内に統合化される。強制空気冷却回路が目標温度及び目標冷却率を逸れた場合（即ち、温度が低すぎるか又は冷却率が高すぎる）、加熱要素１３２の作動がシステムを安定化させ、本システムを、所望の目標温度及び目標冷却率へと回復させる。加熱要素１３２のサイクル時間は、加熱要素１３２の加熱容量、制御回路内の所望量の精度、電気制御回路及び気圧制御回路に固有の知恵時間、目標となる温度及び冷却率、熱の輸送に影響を及ぼす他の因子に依存している。上記されたように、加熱要素１３２は、固体化皮膜の形成を回避するため液体金属の導入前に容器２０を予備加熱するため使用することもできる。好ましくは、容器２０は、時期尚早の固体化又は皮膜形成を回避するため予備加熱されるべきである。
【００７９】
熱ジャケット３０の加熱／冷却容量を、他の半個体形成プロセスに適合するため、又は、金属若しくは金属合金の特定の組成を生成するため、変更することができることが理解されるべきである。例えば、熱ジャケット３０の加熱／冷却容量は、冷却通路１２０、１２２の数、サイズ又は位置を変更することにより、冷却された空気の入口温度又は流量を増大／減少させることにより、加熱要素１３２を追加／除去することにより、加熱要素１３２の加熱容量、サイクル時間又は位置を変更することにより、容器２０及び／又は熱ジャケット３０のアスペクト比を変更することにより、又は、容器２０及び／又は熱ジャケット１３０を異なる材料から作ることにより、変更することができる。
【００８０】
図１５を参照すると、形成部品の半固体成形で使用する金属スラリー材料を生成するための本発明の別の形態に係る装置２００が示されている。装置２００は、長さ方向軸Ｌに沿って延在し、金属溶解物を含むための内部体積Ｖを形成する、成形容器又はるつぼ２０２と、成形容器２０２内に含まれる金属溶解物の温度及び冷却率を制御するための熱ジャケット２０４と、から概略構成されている。成形容器２０２及び熱ジャケット２０４の更なる特徴は後述される。
【００８１】
本発明の図示の実施例では、電磁ステーター２０６は、熱ジャケット２０４の回りに配置され、成形容器２０２内に含まれる金属溶解物に電磁攪拌力を分与するように構成されている。本発明の一実施例では、電磁ステーター２０６は、円柱形状を有し、成形容器２０２と熱ジャケット２０４と略同心に、長さ方向軸Ｌに沿って配置されている。電磁ステーター２０６は、好ましくは、多極、多相のステーターであり、回転式、直線式、又は、その両方の組み合わせのいずれであってもよい。ステーター２０６により形成された磁場は、長さ方向軸Ｌに略垂直又は略水平のいずれかの方向、或いは、両者の組み合わせの方向に、成形容器２０２の回りに移動するのが好ましい。本発明で使用するのに適した電磁ステーターの一例は、ルーらに付与された米国特許番号６，４０２，３６７号に開示され、その内容はここで参照したことにより本願に組み込まれる。しかし、例えば機械式攪拌装置又は当業者に明らかであろう他の種類の攪拌装置等の他の種類の装置を、成形容器２０２内に含まれる金属材料を攪拌するため使用することもできることが理解されるべきである。本発明の他の実施例では、金属スラリー材料は、攪拌及び他の形態の振動のいずれも無しに成形容器２０２内に形成されてもよいことも理解されるべきである。そのような実施例の一例は、２００１年８月１２日に出願されたウィンターボトムらに米国特許出願シリアル番号０９／９３２，６１０号に開示されている。その内容はここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【００８２】
図１６及び図１７を参照すると、成形容器２０２に関する更に詳細な事項が示されている。成形容器２０２は、軸上側壁２１０と、底部壁２１２と、開放端部２１４と、閉鎖端部２１５と、を備えている。側壁２１０と底部壁２１２とは協働して成形容器２０２の内部体積Ｖを画定する。開放端部２１４は、溶解金属を成形容器２０２の内部体積Ｖへ充填し、金属スラリー材料をそこから続いて吐出するための開口部を提供するように構成されている。本発明の別の実施例では、金属スラリー材料の形成中に成形容器２０２の内部体積Ｖを取り囲むため、開放端部２１４を取り外し可能な蓋部（図示せず）によって選択的に覆うことができる。
【００８３】
本発明の一実施例では、成形容器２０２は、円柱形状を有する側壁２１０と、ディスク形状を有する底部壁２１２と、を備える缶状形態を有する。しかし、成形容器２０２の他の形状及び形態、例えば四角形、多角形若しくは長円形状、又は、当業者に明らかとなろう他の任意形状も考えられることが理解されるべきである。成形容器２０２は、低い熱抵抗、良好な電磁貫通能力、良好な腐食耐性、及び、高温度における比較的高い強度を有する非磁性材料から形成されるのが好ましい。一例として、成形容器２０２は、グラファイト、ステンレス鋼、又は、セラミック材料を含む材料から形成されてもよいが、これらに限定されるものではない。例えば溶解アルミニウム等の反応合金による攻撃への追加の抵抗を提供するため、並びに、形成プロセスが完了された後に金属スラリー材料を吐出することを援助するため、容器２０２の内側表面は、窒化ホウ素、セラミックコーティング又は他の任意の適切な材料で被覆又は熱噴霧されてもよい。
【００８４】
成形容器２０２の側壁２１０は、内側に面した表面２２０と、外側に面した表面２２２とを備えている。本発明の一形態では、側壁２１０は、外側表面２２２から内側表面２２０に向かって内側に延在する多数の溝２２４を形成し、その目的が後述される。後述されるように、多数のそのような溝は、熱ジャケット２０４の側壁に追加又は代替として形成されてもよい。本発明の一実施例では、溝２２４は成形容器２０２の周辺部の回りに延在する。しかし、溝２２４の幾つか又は全てが長さ方向軸Ｌに沿った軸方向に延在することが理解されるべきである。本発明の別の実施例では、溝２２４は、幾つかの周辺に延在する溝を形成するように成形容器２０２の外側周辺部全体の回りに延在する。しかし、溝２２４の幾つか又は全ては、成形容器２０２の外側周辺部の回りに部分的に延在してもよいことが理解されるべきである。本発明の他の実施例では、成形容器２０２は、成形容器２０２の外側周辺部の回りに螺旋状又は渦巻き状に延在する連続的な溝２２４を形成してもよいことも理解されるべきである。
【００８５】
本発明の図示の実施例では、成形容器は、距離Ｘ1〜Ｘ4だけ互いに対して軸方向にオフセットされている複数の周辺に延在する溝２２４ａ〜２２４ｅを形成している。一実施例では、溝２２４ａ〜２２４ｅは、非均一な軸上距離Ｘ1〜Ｘ4だけ互いからオフセットされ、軸上距離Ｘ1〜Ｘ4は開放端部２１４から閉鎖端部２１５に向かって次第に増大していく。図示の実施例で示されたものは、溝２２４ａ〜２２４ｅは、必ずしも同じ軸方向幅を持つ必要はなく、その代わりに様々な軸方向幅を形成することができる。例えば、開放端部２１４に隣接して配置された溝２２４ａは、残りの溝２２４ｂ〜２２４ｅの軸方向幅よりも幾分大きい溝幅Ｗ1を有する。中間溝２２４ｂ〜２２４ｄは、略均一な溝幅Ｗ2を持ち、底部壁２１２に隣接して配置された溝２２４ｅは、中間溝２２４ｂ〜２２４ｄの軸方向幅Ｗ2より幾分大きい軸方向溝幅Ｗ3を有する。
【００８６】
図示の実施例でも示されているように、溝２２４ａ〜２２４ｅは、略均一な溝深さｄを形成する。しかし、溝２２４ａ〜２２４ｅは、非均一な又は様々な溝深さｄを形成することができることが理解されるべきである。本発明の一実施例では、溝２２４ａ〜２２４ｅは、溝深さｄよりもかなり大きい軸方向溝幅Ｗ1〜Ｗ3を各々形成する。特定の実施例では、軸方向溝幅Ｗ1〜Ｗ3は、溝深さｄの少なくとも２倍である。しかし、溝２２４ａ〜２２４ｅの他の構成、サイズ及び形態も本発明の範囲内に含まれるものとして考えられることが理解されるべきである。加えて、溝２２４ａ〜２２４ｅは、略四角形の断面を持っているが、他の形状及び形態の溝も考えられる。例えば、底部壁２１２に隣接して配置された溝２２４ｅは、成形容器の外側表面２２２と略平行に配列された第１の四角形状部２２６と、外側表面２２２に対して所定の角度で配列された第２のテーパー部２２７と、を備える、不規則形状を持っている。本発明の他の実施例では、溝２２４ａ〜２２４ｅは、例えばＶ字形状ノッチ等の角度付け形態又は多角形形態、及び／又は、円形又は長円ノッチ等の弧状形態を取り得る。
【００８７】
図１７に最も明瞭に示されるように、本発明の一実施例では、成形容器２０２の内側表面２２０は、閉鎖端部２１５から開放端部２１４に向かって延在する外側テーパー部を形成する。外側テーパー部は、成形容器２０２から金属スラリー材料の吐出を援助する牽引角度αを画定させる。内側表面２２０は、成形容器２０２から金属スラリー材料の吐出を更に援助する、開放端部２１４に隣接した外側延在チャンバー２２８を更に画定する。本発明の別の実施例では、底部壁２１２は、成形容器２０２から金属スラリー材料を吐出するため内側体積部Ｖ（破線で示されたような）に沿って軸方向に移動可能である。一実施例では、アクチュエータロッド又はピストン２３０は、アクチュエータロッド２３０の軸方向移動が、これに従って矢印Ａの方向に内部体積Ｖに沿って底部壁２１２を移動させ、成形容器２０２から金属スラリー材料を吐出するように、底部壁２１２に連結されている。しかし、成形容器２０２から金属スラリー材料を吐出するための他の手段及び方法も考えられることが理解されるべきである。金属スラリー材料を成形容器から吐出するための代替手段及び方法の例が、ノルビルらに付与された米国特許番号６，３９９，０１７号に開示されており、その内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【００８８】
図１８を参照すると、装置２００の断面図が示されている。該装置では、成形容器２０２が熱ジャケット２０４と熱伝達された状態で配置され、それらの間に熱輸送をもたらす。明らかなように、熱ジャケット２０４と成形容器２０２との間の熱輸送は、成形容器２０２と、成形容器２０２の内部体積Ｖ内に含まれる金属溶解物Ｍとの間の熱輸送を容易にする。熱ジャケット２０４と成形容器２０２との間の相互関係に関する更なる詳細事項が以下に説明される。
【００８９】
熱ジャケット２０４は、略長さ方向軸Ｌに沿って延在し且つ内側表面２５２と外側表面２５４とを形成する軸方向側壁２５０を備える。本発明の図示の実施例では、熱ジャケット２０４は、略円柱形態を有し、内側表面２５２及び外側表面２５４が略円形形状を有する。しかし、正方形、長方形、多角形又は長円の形状を始めとした、熱ジャケット２０４の他の形状及び形態も考えられることが理解されるべきである。熱ジャケット２０４の内側表面２５２は、成形容器２０２が熱ジャケット２０４内に配置されるとき、外側容器表面２２２が内側ジャケット表面２５２に隣接して基端側に配置されるように、成形容器２０２の外側表面２２２と実質的に相補的な形状であるのが好ましい。熱ジャケット２０４が単一部品構造として示され説明されたが、熱ジャケット２０４は、例えば、上記示され説明された多部分熱ジャケット３０等、２つ以上の部分から形成されてもよいことが理解されるべきである。
【００９０】
熱ジャケット２０４の外側表面２５４は、ステーター２０６が、熱ジャケット２０４及び成形容器２０２の回りに対称的に配置されることを可能にするため、ステーター２０６の内側表面に実質的に相補的であるのが好ましい。成形容器２０２に対するステーター２０６の対称的配置は、成形容器２０２内に含まれる金属含有物Ｍ上に発揮された電磁攪拌力に関するより正確で均一な制御を提供する傾向がある。ステーター２０６により発生された電磁力上の効果を最小にするため、熱ジャケット２０４の側壁２５０は、良好な電磁貫通能力を有する非磁性材料から形成されるのが好ましい。加えて、熱ジャケット２０４の主要な目的は、熱輸送を容易にすることであるので、側壁２５０は、高い熱伝導度を有する材料から形成されるのが好ましい。熱ジャケット２０４の熱輸送能力は、材料密度、比熱及び厚さにより影響を及ぼされるので、これらの因子に関しても考察しなければならない。更には、好ましくは、熱ジャケット２０４は、熱ジャケット２０４及び成形容器２０２が略同じ率で膨張、収縮するように成形容器２０２の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から形成されるべきである。例を用いると、熱ジャケット２０４は、真鍮、銅又はアルミニウムを含む材料から形成されてもよいが、これらに限定されるものではない。他の材料も当業者には明らかであろうと考えられる。
【００９１】
熱ジャケット２０４は、成形容器２０２との熱輸送、及び、成形容器２０２の内部体積Ｖ内に含まれる金属スラリー材料Ｍとの直接的な熱輸送を容易にするための手段が備え付けられている。本発明の一実施例では、頂端部２５８から底端部２６０まで側壁２５０を通って軸方向に延在する幾つかの通路２５６を形成する。通路２５６は、熱輸送媒体と熱ジャケット２０４との間で熱輸送をもたらし、その結果、成形容器２０２と内部体積Ｖ内に含まれる金属溶解物Ｍとから熱を転移し及び／又はそれらに熱を転移するため、側壁２５０の長さに沿って熱輸送媒体を差し向けるように構成されている。成形容器２０２との熱輸送をもたらすため熱ジャケット２０４と連係して使用することができる他の特徴及び装置に関する更なる詳細事項が、熱ジャケット３０に関して示され、上述されている。図面には詳細に示されていないが、成形容器２０２は、成形容器２０２と内部体積Ｖ内に含まれる金属溶解物Ｍとの間の熱輸送に関する更なる制御を提供するため側壁２１０の長さに沿って熱輸送媒体を差し向けるように構成された幾つかの通路を画定するようにしてもよい。
【００９２】
本発明の特定の実施例では、通路２５６を通って流れる熱輸送媒体は圧縮空気である。しかし、他の種類の熱輸送媒体、例えば、他の種類のガス、又は、水若しくはオイル等の流体も考えられる。例えば、熱ジャケット３０に関して上述されたマニホルド１０４及び１０６等のように、通路２５６への熱輸送媒体の流れ及び該通路からの熱輸送媒体の流れを差し向けるようにマニホルドを設けることができる。本発明の他の実施例では、熱ジャケット２０４は、熱ジャケット２０４と容器２０２との間の熱輸送率に関するより大きい度合いの制御を提供するため、成形容器２０２とその内部に含まれる金属溶解物Ｍに熱を追加するように構成された１つ以上の電気装置が設けられていてもよい。
【００９３】
図１８に示されるように、成形容器２０２と熱ジャケット２０４との間で熱輸送をもたらすため、外側容器表面２２２は、内側ジャケット表面２５２と熱伝導の関係で配置されている。本発明の好ましい実施例では、外側容器表面２２２は、内側ジャケット表面２５２に近接して配置され、それらの間で熱輸送をもたらす。より詳細な実施例では、溝２２４ａ〜２２４ｅの間の外側容器表面２２２の一部分は、内側ジャケット表面２５２に非常に近接して配置され、好ましくは、該内側ジャケット表面２５２と当接した状態で配置され、それらの間の熱伝達輸送を容易にする。溝２２４ａ〜２２４ｅにより画定された成形容器２０２の一部分は、成形容器２０２と熱ジャケット２０４との間に一連の隙間Ｇを画定するため内側ジャケット表面２５２から間隔を隔てられ、それらの間の対流的熱輸送を容易にする。その結果、成形容器２０２と熱ジャケット２０４との間の熱輸送率は、隙間Ｇの形成に起因して溝２２４ａ〜２２４ｅに横方向隣接した領域に限定され即ち調整される。
【００９４】
認めることができるように、溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した領域の熱輸送率は、内側ジャケット表面２５２に非常に近接して配置された外側容器表面２２２の一部分の間の熱輸送率よりも幾分小さい。更に認めることができるように、成形容器２０２と溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した領域の熱ジャケット２０４との間の熱輸送率を限定し又は調整することは、これに応じて、成形容器２０２と、溝２２４ａ〜２２４ｅに横方向に隣接して配置された領域の金属溶解物Ｍとの間の熱輸送率を制限する。成形容器２０２の長さに沿った溝２２４ａ〜２２４ｅの戦略的配置と組み合わせられた溝２２４ａ〜２２４ｅのサイズ及び構成は、金属溶解物Ｍと成形容器２０２との間の熱輸送率を制御し又は他の仕方で調整する。
【００９５】
溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した領域における熱輸送率を制限することにより、金属溶解物Ｍから抽出され、該溶解物Ｍに追加された熱量は、金属溶解物Ｍに所定の粘性率と成形容器２０２の軸方向長さに沿った略均一で均質である微細構造物とを提供するためより正確に制御することができる。顕著なことには、溝２２４ａの幅Ｗ1は、残りの溝２２４ｂ〜２２４ｅの幅よりも幾分大きく、これにより、溝２２４ｂ〜２２４ｅに隣接した熱輸送率と比較して溝２２４ａに隣接したより大きい度合いへと熱輸送率を制限する。溝２２４ａに隣接した領域における、成形容器２０２と熱ジャケット２０４との間の制限された熱輸送率は、金属溶解物Ｍから容器２０２の頂部２１４に隣接した周囲環境への対流的熱損失を補償する傾向がある。同様に、溝２２４ｅの幅Ｗ3は、溝２２４ｂ〜２２４ｅのよりも幾分大きく、これにより、溝２２４ａ〜２２４ｄに隣接した熱輸送率と比較して、溝２２４ｅに隣接した熱輸送率をより大きい度合いの熱輸送率へと制限する。加えて、熱輸送率は、溝２２４ｅにより形成されたテーパー表面２２７と、熱ジャケット２０４の内側壁２５２との間に形成された隙間Ｇの増大した幅により更に制限される。溝２２４ｅに隣接した領域における成形容器２０２と熱ジャケット２０４との間の制限された熱輸送率は、金属溶解物Ｍからの容器２０２の頂部２１４に隣接して周囲環境への対流的熱損失を補償する傾向がある。溝２２４ｅに隣接した領域における成形容器２０２と熱ジャケット２０４との間の制限された熱輸送率は、金属溶解物Ｍからの容器２０２の底壁２１２に対流的熱損失を補償する傾向がある。
【００９６】
本発明の図示の実施例では、容器２０２の溝２２４ａ〜２２４ｅにより形成された隙間Ｇは、空気の隙間である。本実施例では、空気の隙間Ｇを横切る熱輸送は、対流的熱輸送である。しかし、本発明の代替実施例では、隙間Ｇは、成形容器２０２の側壁２１０よりも低い熱伝導度を有する絶縁材料で充填されていてもよい。この代替実施例では、材料が充填された隙間Ｇを横切る熱輸送は、対流的熱輸送である。しかし、溝２２４ａ〜２２４ｅに横方向に隣接した領域における制限若しくは調整熱輸送の効果は同じく維持されている。認められるように、溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した領域における熱輸送率は、隙間Ｇ内に配置された絶縁材料の下側熱伝導度に起因して内側ジャケット表面２５２に非常に近接して配置された外側容器表面２２２の部分の間の熱輸送率より幾分小さいであろう。本発明の他の実施例では、隙間Ｇは、成形容器２０２の側壁２１０より高い熱伝導度を有する伝導材料で充填されてもよい。本実施例では、溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した領域における熱輸送率は、内側ジャケット表面２５２に非常に近接して配置された外側容器表面２２２の部分の間の熱輸送率より幾分大きいであろう。
【００９７】
本発明の好ましい実施例では、成形容器２０２は、熱ジャケット２０２の側壁２５０により形成された内側通路内に取り外し可能に配置されている。この態様では、周期的メンテナンスのため成形容器２０２を熱ジャケット２０４から取り外すことができる。認められるように、金属の形成及び処理で使用される容器又はるつぼは、時間の経過と共に劣化し磨耗する傾向がある。これは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の比較的腐食性の金属で処理するときの場合である。その結果、容器又はるつぼの周期的取り外し及び置換が、典型的に、要求される。加えて、固体化残留金属は、処理の間に容器の内側及び外側表面に形成される傾向がある。従って、成形容器は、通常、処理された金属の汚染を回避するため周期的なインターバルで洗浄されなければならない。成形容器２０２は、熱ジャケット２０４内に取り外し可能に配置されるので、成形容器２０２を洗浄し及び／又は交換するため、成形容器２０２を熱ジャケット２０４から容易且つ便利に分離することができる。この態様では、成形容器２０２のメンテナンスの間に熱ジャケット２０４の取り扱いを回避することができる。加えて、成形容器２０２が交換を必要としている場合には、熱ジャケット２０４を、新しい成形容器２０２で再使用することができ、これにより、熱ジャケット２０４を交換する必要性を無くす。
【００９８】
本発明の一実施例では、成形容器２０２の外側表面２２２は、開放端部２１４から閉鎖端部２１５にかけてテーパーが形成され、これにより、開放端部２１４に隣接した第１の直径Ｄ1を形成し、これが閉鎖端部２１５に隣接したより大きな第２の直径Ｄ2へと次第に遷移する。熱ジャケット２０４の内側表面２５２は、成形容器２０２の外側テーパー部に近接して対応する外側テーパー部も形成する。この態様では、成形容器２０２が熱ジャケット２０４の内側通路内に配置されているとき、外側容器表面２２２が、内側ジャケット表面２５２に非常に近接して、好ましくは、これに当接して配置され、それらの間で熱輸送をもたらす。外側容器表面２２２と内側ジャケット表面２５２との相補的なテーパー部は、成形容器２０２の熱ジャケット２０４内への挿入を容易にし、最適な熱輸送能力を提供するため表面２２２、２５２の間の緊密な適合を確実にする。図示の実施例では、成形容器２０２は、幅広い底端部２６０からより狭い頂端部２５８に向かって熱ジャケット２０４の内部通路内に挿入される。しかし、本発明の代替実施例では、外側容器表面２２２は、開放端部２１４から閉鎖端部２１５にかけて内方にテーパー形成され、熱ジャケット２０４の内側表面２５２が対応する内側テーパー部を形成することができることが理解されるべきである。この代替の実施例では、成形容器３０３は、より幅広い頂端部２５８からより幅狭い底端部２６０に向かって熱ジャケット２０４の内部通路内に挿入される。
【００９９】
図２０を参照すると、形成部品の半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成するための本発明の別の形態に係る装置２００’が示されている。図示され上述された装置２００に類似して、装置２００’は、長さ方向軸Ｌに沿って延在しており、概して、金属溶解物Ｍの選択された量を含むための内部体積Ｖを形成する、成形容器、若しくは、るつぼ２０２’と、成形容器２０２’内に含まれる金属溶解物Ｍの温度及び冷却率を制御するための熱ジャケット２０４’と、熱ジャケット２０４’の回りに配置され且つ成形容器２０２’内に含まれる金属溶解物Ｍへの電磁攪拌力を分与するように構成された電磁ステーター２０６と、から構成されている。
【０１００】
多くの点において、成形容器２０２’は、成形容器２０２に類似して構成されている。しかし、幾つかの溝２２４を内部に形成する外側表面２２０を持つ側壁２２０を備える成形容器２０２とは異なり、成形容器２０２’の側壁２１０’は、略滑らかに外方に面する表面２２２’を形成する。同様に、熱ジャケット２０４’は、熱ジャケット２０４に類似して構成されている。熱ジャケット２０４’は、内方に面した表面２５２’と、外方に面した表面２５４’とを有する側壁２５０’を備える。しかし、側壁２５０’は、内側表面２５２’から外側表面２５４’に向かって外方に延在する幾つかの溝２２４’を形成する。溝２２４’は、成形容器２０２の側壁２１０に形成された溝２２４に関して上述されたものに類似した、形態、配位及びサイズを取り得る。
【０１０１】
認められるように、溝２２４’により形成された成形容器２０２’の一部分は、外側容器表面２２２’から間隔を隔てられ、成形容器２０２’と熱ジャケット２０４’との間に一連の隙間Ｇ’を形成する。認められるように、溝２２４’は、溝２２４のものに類似した態様で機能する。より詳しくは、溝２２４’は、溝２２４’により形成された隙間Ｇ’に隣接した領域で成形容器２０２’と熱ジャケット２０４’との間の熱輸送率を制限又は調整するように機能する。溝２２４’に隣接した領域で熱輸送率を制限することによって、金属溶解物Ｍから抽出され又は追加された熱量を、所定の粘性率と成形容器２０２の軸方向長さに沿って略均一で均質である微細構造と、を金属溶解物Ｍに提供するため、より正確に制御することができる。溝２２４’に隣接した熱輸送特性を変化させるため絶縁又は伝導材料を隙間Ｇ’に充填してもよいことも理解されるべきである。
【０１０２】
以下、形成部品の半固体成形で使用するための金属スラリー材料の生成を参照して、装置２００に関連した様々な特徴を説明する。金属溶解物Ｍとして前記称された液体金属の選択された量は、成形容器２０２の内部体積Ｖ内に開放端部２１４を介して最初に導入される。液体金属と容器２０２の内側表面との接触から生じるおそれがある固定化された皮膜の形成を回避するため、成形容器２０２の側壁２１０及び底壁２１２は、溶解された金属Ｍの内部体積Ｖ内への導入前に予備加熱されるのが好ましい。そのような暖房手段は、熱ジャケット２０４を経由して及び／又は、成形容器２０２の設計に組み込まれた加熱手段を介してもたらすことができる。溶解金属Ｍの容器２０２内への導入に続いて、溶解金属が逃げることを防止し、制御されない周囲環境への熱損失の量を減少させるため、成形容器２０２の開放端部２１の上方にキャップ又は蓋部（図示せず）を配置することができる。次に、電磁場が、金属溶解物Ｍに攪拌力を分与するため、ステーター２６の作動を介して導入される。
【０１０３】
成形容器２０２内に含まれる金属溶解物Ｍの部分的固体化は、熱ジャケット２０４の熱輸送能力を介して制御された率で金属溶解物を冷却することによりもたらされ、これにより、半固体スラリービレットＢの形態で金属スラリー材料の生成を生じさせる。より詳しくは、熱は、金属溶解物Ｍから成形容器２０２へと輸送され、成形容器２０２から熱ジャケット２０４へと輸送され、金属溶解物Ｍを半固定スラリービレットＢへと部分的に固体化する。本発明の一実施例では、熱ジャケット２０４と成形容器２０２との間の熱輸送率は、毎秒約１℃から毎秒約１０℃の範囲内で金属溶解物の冷却率を制御するように調整される。より特定の実施例では、金属溶解物の冷却率は、毎秒約０．５℃から毎秒約５℃の範囲内で制御される。しかし、金属溶解物の他の冷却率も、本発明の範囲内に属するものと考えられることが理解されるべきである。
【０１０４】
本発明の好ましい実施例では、半固体スラリービレットＢの微細構造は、液体金属母剤内に分散された丸みを帯びた固体粒子を含んでいる。本発明の一実施例では、半固体ビレットＢは、チキソトロピーを有する。上述されたように、容器側壁２１０に沿って形成された溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した領域における熱輸送率を制限することは、これに対応して溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した金属溶解物Ｍから抽出された熱の量を制御する。溝２２４ａ〜２２４ｅに隣接した熱輸送の率を制限することは、成形容器２０２の軸方向長さに沿って、略均一で均質な粘性率と、微細構造とを有する半固体スラリービレットＢの形成をもたらす。
【０１０５】
図１９を参照すると、形成部品（図示せず）への引き続く成形のため成形容器２０２から半固体スラリービレットＢを吐出するための手段が用いられている。図示の実施例では、装置２００は、成形容器２０２の内部体積Ｖから半固体スラリービレットＢの除去を容易にするため吐出角度θで配置されている。本発明の一実施例では、装置２００は、金属溶解物Ｍの処理の間に、最初に略垂直配位で配置され（図１８）、引き続いて、略水平配位に傾斜され（図１９）、これにより、約９０度の吐出角度θを形成する。しかし、９０度よりも小さい吐出角度又は大きい吐出角度を始めとして、他の吐出角度θも本発明の範囲内に含まれるものとして考えられる。成形容器２０２の傾斜は、傾斜テーブル配置、ロボットアーム、又は、当業者に明らかであろう他の任意の傾斜用手段により達成されてもよい。底壁２１２は、成形容器２０２からスラリービレットＢを吐出するため、ピストン２３０の作動を介して矢印Ａの方向に成形容器の内部体積Ｖに沿って軸方向に移動される。
【０１０６】
本発明の一実施例では、半固体スラリービレットＢは、形成部品への引き続く成形のため、成形容器２０２からショットスリーブ３００へと直接吐出される。本発明の好ましい実施例では、半固体スラリービレットＢは、成形容器２０２から吐出されると直ちに形成部品へと成形される。半固体スラリービレットＢが形成部品へと実質的に直ちに成形されることは、半固体スラリービレットＢの更なる相当の固体化を防止する。他の方法では、半個体スラリー材料の微細構造において相応の変化を生じさせたであろう。当業者により認められるように、ショットスリーブ３００は、形成部品への引き続く成形のための鋳型（図示せず）内にスラリービレットＢを吐出するように構成された、ラム又は類似の機構（図示せず）が備え付けられている。ショットスリーブ３００は、形成部品に成形される前にスラリー材料の微細構造に関する更なる制御を提供するため、半固体スラリービレットＢの温度及び冷却率を調整するための手段も備え付けられていてもよい。本発明の別の実施例では、スラリービレットＢは、成形容器２０２から、直ちに形成部品へと成形するための鋳型（図示せず）内に直接吐出されてもよい。
【０１０７】
本発明の図示の実施例は、成形容器２０２から半固体スラリービレットＢを吐出するため、移動可能な底壁を利用しているが、スラリービレットＢを成形容器２０２から吐出するための他の方法も考えられることが理解されるべきである。例えば、ノルビルらに付与された米国特許番号６，３９９，０１７号に開示されているように、スラリービレットＢは、スラリービレットＢが重力を介して容器２０２から滑り落ちることを可能にするため９０度よりも大きい吐出角度θで容器２０２を単に傾斜させることにより、成形容器２０２から吐出されてもよい。米国特許番号６，３９９，０１７号に開示されたように、例えば、成形容器２０２に隣接して配置された誘導コイルの使用を介して、成形容器２０２からスラリービレットＢを吐出するため他の手段を使用することができる。
【０１０８】
本発明は、図面及び前記記載で詳細に示され、説明されたが、上記例は例示とみなされるべきものであり、文字通りに限定されるべきものではない。図示され説明された好ましい実施例、並びに、本発明の精神内に含まれる全ての変更及び変形が、保護されるべきであることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１は、形成部品の半固体成形で使用するための金属スラリー材料を生成する際に使用するための本発明の一形態に係る装置の、部分断面における側面図である。
【図２】図２は、図１に表された装置の頂部平面図である。
【図３】図３は、熱ジャケットを成形容器に対して分解された位置で示した、本発明の一実施例に係る熱ジャケットの斜視図である。
【図４】図４は、熱ジャケットを、成形容器に対して係合した位置で示した、図３の熱ジャケットの斜視図である。
【図５】図５は、図３の熱ジャケットの部分分解側面図である。
【図６】図６は、図５のライン６−６に沿って眺めたときの、図３の熱ジャケットの断面図である。
【図７】図７は、図５のライン７−７に沿って眺めたときの、図３の熱ジャケットの主要ボディの底面図である。
【図８】図８は、図７のライン８−８に沿って眺めたときの、図３の熱ジャケットの部分断面図である。
【図９】図９は、図５のライン９−９に沿って眺めたときの、図３の熱ジャケットの下側マニホルドの頂部平面図である。
【図１０】図１０は、図９のライン１０−１０に沿って眺めたときの、図９の下側マニホルドの部分断面図である。
【図１１】図１１は、図５のライン１１−１１に沿って眺めたときの、図３の熱ジャケットの主要ボディの頂部平面図である。
【図１２】図１２は、図５のライン１２−１２に沿って眺めたときの、図３の熱ジャケットの上側マニホルドの底部平面図である。
【図１３】図１３は、図１２のライン１３−１３に沿って眺めたときの、図１２の上側マニホルドの部分断面図である。
【図１４】図１４は、図１２のライン１４−１４に沿って眺めたときの、図１２の上側マニホルドの部分断面図である。
【図１５】図１５は、形成部品の半固体成形のため金属スラリー材料を生成する際に使用するための本発明の別の形態に係る装置の側部斜視図である。
【図１６】図１６は、図１５に示された装置と連係して使用するための本発明の一実施例に係る温度制御式成形容器の側面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示された温度制御式成形容器の側部断面図である。
【図１８】図１８は、金属スラリー材料の生成の間に略垂直配位で示された、図１５の装置の側部断面図である。
【図１９】図１９は、金属スラリー材料が成形容器から吐出されたときの略水平配位で示された、図１５の装置の側部断面図である。
【図２０】図２０は、形成部品の半固体成形のため金属スラリー材料を生成する際に使用するための本発明の代替形態に係る装置の側部断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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