(57)【要約】【課題】容易にかつ費用対効果高く行うことができ、最終構成部材の高い強度を提供する方法を提案する。【解決手段】合金の溶融物９を鋳造および成形ツール４内へ鋳造するステップＳ１０であって、溶融物を、第１の圧力Ｐ１で上方から鋳造および成形ツール４の基部５またはリザーバ６１内へ注入するステップと、溶融物が固化しつつある間に前記鋳造および成形ツール４の基部５と上部６との間で溶融物に圧力を加えるステップＳ２０であって、固化しつつある溶融物を、第１の圧力Ｐ１よりも高い第２の圧力Ｐ２で加圧するステップと、溶融物が少なくともほとんど固化し、構成部材を形成したとき、基部５および上部のうちの少なくとも一方を他方に対して移動させることによって構成部材を圧縮するステップＳ３０であって、構成部材を、前記第２の圧力Ｐ２よりも高い第３の圧力Ｐ３で圧縮するステップと、を含む。【選択図】図１
2015057294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造および成形ツールを使用して金属の構成部材を製造する方法であって、
合金の溶融物（９）を前記鋳造および成形ツール（４）内へ鋳造するステップ（Ｓ１０）であって、その際、前記溶融物を、第１の圧力（Ｐ１）で上方から前記鋳造および成形ツール（４）の基部（５）またはリザーバ（６１）内へ注入するステップと、
前記溶融物が固化しつつある間に前記鋳造および成形ツール（４）の前記基部（５）と上部（６）との間で前記溶融物に圧力を加えるステップ（Ｓ２０）であって、その際、固化しつつある前記溶融物を、前記第１の圧力（Ｐ１）よりも高い第２の圧力（Ｐ２）で加圧するステップと、
前記溶融物が少なくともほとんど固化し、前記構成部材を形成したとき、前記基部（５）および前記上部のうちの少なくとも一方を前記基部（５）および前記上部（６）のうちの他方に対して移動させることによって前記構成部材を圧縮するステップ（Ｓ３０）であって、その際、前記構成部材を、前記第２の圧力（Ｐ２）よりも高い第３の圧力（Ｐ３）で圧縮するステップと、を含むことを特徴とする、鋳造および成形ツールを使用して金属の構成部材を製造する方法。
【請求項２】
金属の構成部材を製造する装置であって、
基部（５）および上部（６）を有する鋳造および成形ツール（４）と、
合金の溶融物（９）を上方から前記鋳造および成形ツール（４）の前記基部（５）またはリザーバ（６１）内へ充填する計量供給ユニット（３）と、
少なくとも前記鋳造および成形ツール（４）内への合金の鋳造の間、前記基部（５）および前記上部（６）を互いに対して規定された位置に保持するための位置決め手段（２８）と、
溶融した合金から少なくとも部分的に固化した前記構成部材が変形可能であるように前記基部（５）と前記上部（６）との相対移動を生ぜしめる押圧機構（３２）と、を備えることを特徴とする、金属の構成部材を製造する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造および成形ツールによって金属の構成部材を製造する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０２００６０３６３６９号明細書より、高い応力を生じる構成部材を製造するための溶融、鋳造およびプレス法が公知である。このために、開始材料は、不活性ガス下の閉鎖されたシステムに導入され、加熱され、溶融され、定量化される。次いで、一次材料は、圧力室を介して金型の金型キャビティ内へ搬送され、金型キャビティにおいて、一次材料は高圧下で固化し、それとともに鋳造微細組織を形成する。構成部材の微細組織は、変更された金型キャビティにおいてさらに高い圧力によって固化後に流動させられ、これにより、少なくとも部分的に混練微細組織に変換される。金型をさらに冷却し、開放した後、最終的な寸法を有する構成部材が取り出される。
【０００３】
独国特許出願公開第３８１２７４０号明細書より、鋳造および鍛造のために下側ダイが使用される鋳造−鍛造法が公知である。上側金型部分とともに下側ダイは金型キャビティを形成しており、上側ダイとともに下側ダイは鍛造金型を形成している。この方法により、高い寸法精度および高い強度を有する高品質金属構成部材を迅速にかつ機械加工の必要性が少なく製造することができる。
【０００４】
米国特許第５７２９８８３号明細書より、アルミニウム合金から車輪用のプリフォームとしてのディスク状鍛造構成部材を製造する方法が公知である。この方法は、材料を所定の金型内へ鋳造するステップと、その後、材料を鍛造された構成部材に鍛造するステップと、を含む。鍛造の間の変形の程度は、１５％以上である。
【０００５】
独国特許出願公開第１０２０１１１１９６４３号明細書より、鍛造プロセスによる成形によって車輪用のブランクを製造する方法が公知である。鋳造のステップは鍛造プロセスの前に行われ、単純な金属円筒体とはその形状が異なる鋳造ブランクが製造される。鋳造ブランクは、鍛造プロセスによって最終形状にプレスされ、最終的なブランクへ変形させられる。鋳造は、重力鋳造、低圧鋳造または砂型鋳造によって行うことができる。鍛造後、最終ブランクの外側材料部分は、前側リムフランジおよび後側リムフランジへのフロー成形プロセスによって十分にリムを製造するために圧延される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００６０３６３６９号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第３８１２７４０号明細書
【特許文献３】米国特許第５７２９８８３号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２０１１１１９６４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、鋳造および成形ツールを使用することによって金属の構成部材を製造する方法であって、容易にかつ費用対効果高く行うことができ、最終構成部材の高い強度を提供する方法を提案することである。課題は、さらに、対応する装置であって、単純な構造を有し、その限りにおいて低い加工コストのみを生じ、良好な強度特性を有するニアネットシェイプ構成部材の製造を可能にする装置を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
解決手段は、鋳造および成形ツールを使用して金属の構成部材を製造する方法であって、
合金の溶融物を鋳造および成形ツール内へ鋳造するステップであって、その際、溶融物を、第１の圧力（Ｐ１）で上方から鋳造および成形ツールの基部またはリザーバ内へ注入するステップと；溶融物が固化しつつある間に鋳造および成形ツールの基部と上部との間で溶融物に圧力を加えるステップであって、その際、固化しつつある溶融物を、第１の圧力（Ｐ１）よりも高い第２の圧力（Ｐ２）で加圧するステップと；溶融物が少なくともほとんど固化し、構成部材を形成したとき、基部および上部のうちの少なくとも一方を基部および上部のうちの他方に対して移動させることによって構成部材を圧縮するステップであって、その際、構成部材を、第２の圧力（Ｐ２）よりも高い第３の圧力（Ｐ３）で圧縮するステップと、を含む方法である。
【０００９】
この方法の利点は、高い強度を有する構成部材を短時間で製造することができるということである。鋳造後の圧力提供は、小さな結晶を有する精密な微細組織に寄与する。溶融物に加えられる第２の圧力（Ｐ２）により、もしくは基部内への低温の上部の相対移動により、構成部材エッジシェルの領域において結晶成長が阻害され、形成された結晶は連続的に、より小さな結晶に分解する。より高い第３の圧力（Ｐ３）でのその後の圧縮により、材料の流動が生ぜしめられ、これにより、材料における孔が閉鎖され、新たな孔の発生が防止されるまたは最小限に減じられる。総じて、高い強度を有する精密な微細組織が製造される。圧力提供は、１０ｋＮ未満の力で行うことができる。圧縮の間、好適には１０００ｋＮよりも大きな力が構成部材に加えられる。別の利点は、製造された構成部材が、圧縮により、ニアネットシェイプを有するということであり、これは優れた材料利用につながる。さらに、前記方法によって製造された製品は、高い寸法精度および表面仕上げを有する。１つのツールで様々なプロセスステップが行われるのでツールコストが低い。この方法は特に、自動車用のホイールリムを製造するのに適しているが、その他の構成部材の製造はもちろん排除されない。
【００１０】
構成部材を製造するための材料として、好適には鍛造可能な合金が使用されるが、鋳造合金の使用は排除されない。アルミニウム、マグネシウムおよびチタンなどの軽金属の合金が好適な材料として使用される。
【００１１】
１つの実施の形態によれば、ツールによって形成された金型チャンバ内への溶融物の鋳造または充填を、金型キャビティにおける通常圧力（Ｐ１）、すなわち大気圧で行うことができる。これは、好適には、ツールの金型チャンバ内への溶融物全量の配置のために有効である。好適には、鋳造および成形ツールの上部は、溶融物の鋳造の間、基部に対して部分的に開放した位置に保持される。換言すれば、基部および上部は、鋳造中はまだ完全に閉鎖されているのではなく、好適には互いに向かって移動され、金属の充填高さが基部の全ての流れチャネルにおけるその高さにあり、その後の合金の圧縮および流動において、既に固化された金属が互いに接触しないようになっている。合金を材料と称することもできる。
【００１２】
充填は、所要の構成部材を製造するために必要な溶融物体積が利用可能である充填コンテナまたは計量供給ユニットそれぞれから生じる。鋳造ツールへの溶融物の充填プロセス、または鋳造後の充填コンテナの新たな充填プロセスはそれぞれ、好適にはセンサによって制御されて行われる。鋳造は好適には重力鋳造の形式で行われ、これは、上方に配置された充填コンテナから下方に配置された鋳造ツールへの溶融物の重力のみを利用することを意味する。しかしながら、原理的に、低圧鋳造も可能である。充填コンテナと鋳造ツールとの間の流路にフィルタを設けることができ、これは、鋳造流を遅らせ、ひいては、基部への溶融物の滑らかなまたは一定の流入挙動につながる。フィルタを例えば、充填コンテナの下端部に配置することができる、鋼から形成されたワイヤメッシュの形式で設けることができる。充填コンテナの出口に冷却ユニットを設けることができ、この冷却ユニットによって、溶融物を、充填コンテナから出てくる間に冷却することができる。これにより、基部を充填する間に液体合金を既に半固体状態に変化させることができる。
【００１３】
鋳造および成形ツール内への溶融物の鋳造を不活性ガス雰囲気中で行うことができる。不活性ガス雰囲気により、鋳造中の望ましくない酸化物層の形成を防止することができる。不活性ガスの使用は、加工される合金に依存する。酸化層を形成する傾向が低い合金では、不活性ガスの使用を放棄することができる。
【００１４】
１つの実施の形態によれば、鋳造中および／または鋳造後に鋳造および成形ツールに振動を加えることができる。これにより、高い強度を有する改良された微細組織を形成することができる。振動を加えることにより、結晶粒界が早期に形成され、これにより、比較的小さな結晶が形成される。さらに、流入がより迅速になり、基部における溶融物の上昇が一定に生じ、これも、微細組織への有利な効果を有する。
【００１５】
好適には、少なくとも上部の一部は、少なくとも基部の一部よりも低い温度に設定されている。これは、鋳造および／または圧力提供および／または圧縮のステップのうちの少なくとも１つの該当することができる。基部におけるより高い温度により、基部に流入する溶融物は、上部と接触する溶融物の部分よりも長い時間にわたって液相にとどまる。同時に、材料の迅速な急冷が、より低温のツールパートまたはツール部分において生じ、これは、高い強度を有する微細組織につながる。固化は、上部において開始し、基部およびツールの内部それぞれの方向へ広がる。
【００１６】
基部または少なくとも基部の部分的な部分は、好適には、合金の固相線温度の３分の２±固相線温度の２５％に対応する温度に加熱される。基部の加熱は、例えば、鋳造の前に炉において生じる。上部と基部との温度差は、例えば、鋳造中に２００℃よりも大きくなり得る。
【００１７】
回転対称体を製造するように、基部は、ベース部分と、環状のケーシング部分とを有することができ、ケーシング部分は好適には、固化の間および／または圧縮の間、ベース部分よりも低い温度に設定される。ベース部分およびケーシング部分を、一体に、または後で互いに結合される別個の部分として形成することができる。
【００１８】
好適な実施の形態によれば、溶融物の圧力提供は、合金の液相線（ＴＬ）よりも低いおよび／または固相線（ＴＳ）よりも高い構成部材−シェル温度（ＴＳ）において行われ（ＴＳ＜Ｔ２＜ＴＬ）、プロセスは概して、液相線（ＴＬ）に達する前、例えば液相線よりも３％高いところで開始することもできる。これに関する構成部材−シェル温度とは、構成部材が、溶融物から固化しつつあるまたは固化した層領域もしくはシェルにおいて有する温度を意味する。固化は、外側から内側へ生じるので、固化しつつある構成部材の温度はエッジ層よりも内側において高い。圧力を加えるステップは第２の圧力（Ｐ２）で行うことができる。第２の圧力（Ｐ２）は、大気圧よりも高く、例えば、溶融物に作用する上部の重量によって加えることができる。圧力は、固化しつつある材料の流動につながり、それにより、このプロセスをフローフォーミングと称することもできる。圧力の提供の前に、もしくは圧力提供の開始時に、材料はまだ液体である。圧力提供の最後に、材料は、少なくとも部分的に生地状であるか、または構成部材のエッジ層領域から構成部材内部まで、混練微細組織を有する。圧力提供は、基部に向かう上部の相対移動によって行うことができる。迅速なプロセスのために、この場合、圧力提供が、１０秒未満で、互いからの２つのツール部分の規定された第１の距離に達するまで行われると有利である。この第１の距離に達した後、溶融物が少なくともほとんど固化させられるかもしくは合金の半固体状態が存在するまで、保持時間を開始することができる。
【００１９】
圧縮のステップの間、構成部材が溶融物から少なくともほとんど固化した後、構成部材は、より大きな第３の圧力（Ｐ３）によって作用される。第３の圧力（Ｐ３）も、上部に向かう基部の相対移動またはその逆によって生ぜしめられる。その限りにおいて、圧縮のステップは、後圧縮と称することもできる。少なくともほとんど固化した、とは、構成部材がそれまでに液相から既に冷却されており、組織が少なくとも液相と固相との中間であることを意味する。材料は、この既に部分的に固化した状態において、混練組織を有する。この状態は、半固体状態とも呼ばれる。
【００２０】
圧縮するステップは、好適には構成部材−シェル温度（Ｔ３）で行われる。構成部材−シェル温度（Ｔ３）は、圧力を加えるステップの間の合金の温度よりも低い（Ｔ３＜Ｔ２）。圧縮を行うための温度（Ｔ３）の下限は、好適には合金の固相線温度（ＴＳ）の半分である（Ｔ３＞０．５ＴＳ）。構成部材の部分領域は、温度（Ｔ３）の外側の温度を有することもできる。圧縮するプロセスの間、構成部材もしくは基部および／または上部の温度を制御することができる。特に鋳造および成形ツールの内壁の近くに取り付けられた温度センサによって、温度を決定することができる。成形プロセスの終了は、好適には、基部に向かう上部の相対移動の最終位置に達することによっておよび特定の温度に達することによって規定される。
【００２１】
１つの実施の形態によれば、圧縮のステップは、構成部材が、圧縮もしくは変形により、１５％未満、特に１０％未満、より特に５％未満の変形の程度を生じるように行われる。比較的低い変形の程度により、変形速度は高く、これは、製造時間に対する有利な効果を有する。圧縮中にさらに固化する材料は、圧力提供中の急速な冷却により、特に小さな結晶を形成し、これは、高品質の微細組織につながる。
【００２２】
１つの実施の形態によれば、圧縮するステップは、上部が定置に保持されながら、基部を移動させることによって行われる。しかしながら、運動学的反転も概して可能であり、これは、基部を定置に保持し、上部を移動させることを意味する。両部分を互いに対して移動させることも考えられる。圧縮の間、鋳造の間に基部と上部との間に存在する間隙は完全に閉鎖されるまたは少なくともほとんど閉鎖される。まだ液体または生地状である、既に固化した領域の下方の材料は、ツール部分を互いに向かって移動させることによって圧縮され、これにより、収縮キャビティ、ブローホールまたはミクロ孔の形成が防止されるまたは少なくともその寸法および数が最小限にされる。圧縮の間、キャビティを構成部材から“押し出す”ことができ、これにより構成部材の体積は対応して減じられる。これは、構成部材および構成部材領域に応じて、キャビティもしくは孔の２０％〜８０％を占めることができる。アルミニウム合金を使用する場合、構成部材領域の体積を３％よりも多く減じることができる。キャビティもしくは孔が減じられた、高められた特性値を有する構成部材が達成される。
【００２３】
圧縮後の別の方法ステップとして、完全に固化した構成部材の部分的な後圧縮を提供することができ、この後圧縮は、鍛造ツールを鋳造および成形ツールの基部内へ移動させることによって達成され、構成部材は、少なくとも部分的な領域において鍛造ツールによってさらに圧縮され、ひいては組成変形させられる。
【００２４】
部分的な後圧縮の間、構成部材は、圧縮中よりも大きな力によって作用される。後圧縮された領域には鍛造と同様の微細組織が生ぜしめられ、この微細組織は後でより大きな荷重に耐えることができる。その限りにおいて、後圧縮を鍛造プロセスと称することもできる。後圧縮のために、鋳造および成形ツールの上部は基部から持ち上げられ、次いで、鍛造ツールが基部内へ移動させられる。構成部材の部分領域、特に作動条件においてより高い荷重を受ける部分領域は、鍛造ツールによって組成変形させられ、圧縮される。これらの高い荷重を受ける領域における部分的な鍛造により、特に高い強度を有する構成部材の微細組織が達成される。変形および強度の所要の程度に応じて、１つまたは複数の鍛造ステーションが可能である。鍛造後、構成部材はニアネットシェイプを有するので、フローフォーミングまたは機械加工などの後加工ステップのための出費が減じられる。
【００２５】
圧縮および／または部分的な後圧縮のステップは、好適には、構成部材が、前記圧縮もしくは後圧縮プロセスによって、全部で１５％未満、好適には１０％未満、特に５％未満の変形の程度だけ変形させられるように行われる。これにより、構成部材は、所要の最終的な輪郭に近くなる。
【００２６】
部分的な後圧縮の後、構成部材または構成部材の部分領域のフローフォーミングまたはアイアニングなどの成形プロセスを、別の方法ステップとして提供することができる。成形プロセスによって、既に変形させられ、場合によっては部分領域において後鍛造された構成部材に、アンダカットを有する外側または内側の形状を生ぜしめることができる。例えば、回転対称の構成部材のケーシング部分を、自動車のホイールリムのリムフランジへのフローフォーミングによって成形することができる。
【００２７】
フローフォーミングの後、別の方法ステップ、特にバリ取り、形切断または機械的後加工、Ｘ線照射などの品質制御、および／またはバーニッシングを続けて行うことができる。
【００２８】
別の実施の形態によれば、鋳造および成形ツールの上部は、溶融物の鋳造の間、基部（５）に対して部分的に開放した位置に保持される。
【００２９】
別の実施の形態によれば、基部内へ溶融物を鋳造するための計量供給ユニットを提供し、溶融物は、計量供給ユニットの出口において冷却ユニットによって鋳造中に冷却される。
【００３０】
別の実施の形態によれば、固化しつつある溶融物に圧力を加えるステップは、合金の液相線よりも低くかつ固相線よりも高い構成部材−シェル温度において行う。
【００３１】
別の実施の形態によれば、圧縮するステップは、圧力を加えるステップの間の構成部材−シェル温度よりも低い、および合金の固相線の最小半分、のうちの少なくとも一方である構成部材−シェル温度で行われる。
【００３２】
別の実施の形態によれば、圧縮するステップを、基部と上部との相対移動によって行い、鋳造および成形ツールの基部および上部のうちの一方は定置に保持されている。
【００３３】
別の実施の形態によれば、少なくとも、圧力を加えるステップおよび圧縮するステップのうちの一方の間、上部は、基部よりも低い温度に設定される。
【００３４】
別の実施の形態によれば、基部は、ベース部分と、環状のケーシング部分とを有し、ケーシング部分は、少なくとも、圧力を加えるステップおよび圧縮するステップのうちの一方の間、基部よりも低い温度に設定される。
【００３５】
別の実施の形態によれば、圧縮のステップの後、構成部材が完全に固化させられたとき、方法は、別のステップとして、完全に固化した構成部材の後圧縮のステップを含み、後圧縮は、鋳造および成形ツールの基部内へ鍛造ツールを移動させることによって行われ、これにより、構成部材は、少なくとも部分的な領域において鍛造ツールによって圧縮および塑性変形させられる。
【００３６】
別の実施の形態によれば、圧縮するステップおよび部分的な後圧縮のステップのうちの少なくとも一方は、構成部材が、１５％未満の変形の程度だけ変形させられるように行われる。
【００３７】
別の実施の形態によれば、後圧縮のステップの後、方法は、別のステップとして、構成部材をフローフォーミングし、最終的な輪郭を生ぜしめることを含む。
【００３８】
上述の課題は、さらに、金属の構成部材を製造する装置であって、基部および上部を有する鋳造および成形ツールと、合金の溶融物を上方から鋳造および成形ツールの基部またはリザーバ内へ充填する計量供給ユニットと、少なくとも鋳造および成形ツール内への合金の鋳造の間、基部および上部を互いに対して規定された位置に保持するための位置決め手段と、溶融した合金から少なくとも部分的に固化した構成部材が変形可能であるように基部と上部との相対移動を生ぜしめる力提供機構と、を備える金属構成部材を製造する装置によって達成される。
【００３９】
この装置によって、上述の方法と同様の利点を達成することができるので、これに関して、上記説明が参照される。
【００４０】
金型とも称される鋳造および成形ツールを、鋳造のためのセットアップ時間を短く維持するために、モジュール設計システムに従って設計することができる。複数の金型を回転可能な丸テーブルに配置することができ、これにより、複数の製造ステーションを通過することができる。鋳造前に、金型を１つのステーションにおいてプロセス温度に予熱することができる。金型は、好適には、ローラコンベヤ、チェーンコンベヤまたはベルトコンベヤを使用することによって搬送のために設計された保持または搬送装置に受容されている。また、搬送のために、ロボットまたはガントリローダによる取扱いも可能である。
【００４１】
保持または搬送装置は、基部および上部のうちの少なくとも一方が１つの軸線に沿って可動であるように、すなわち保持または搬送装置に完全に固定されないように構成されている。他の２つの軸線方向では、前記基部および／または上部は固定されている。圧力提供機構を特に、基部が上部に対して可動であり、上部が定置に保持されているように形成することができる。上部および／または基部に冷却ユニットおよび温度センサを設けることができ、これらは好適には鋳造後に接続される。
【００４２】
下側金型とも称することもできる基部は好適には一体に形成されている。しかしながら、これに代えて、基部は複数の別個の部分から組み立てることもできるが、これらの部分は、製造プロセスの間に互いに分離することはできない。好適には、基部は回転対称に形成されている。基部の構成高さは、特に、上部が閉鎖されたときに液体金属の全量を受容することができるように設定されている。
【００４３】
部分のうちの少なくとも一方、すなわち基部または上部はチャネルを有しており、これにより、対応する部分を規定された温度に設定することができる。この形式において、鋳造および固化のそれぞれの間に基部および上部を様々な温度に設定することができ、これは、固化挙動、ひいては固化した加工物の微細組織に望ましい効果を有する。
【００４４】
好適な実施の形態によれば、鋳造および成形ツールの部分のうちの少なくとも一方、すなわち基部および／または上部は、アンダカットを有さずに形成されている。この形式において、軸方向取出しが可能である。別の利点は、ツールが２つの部分のみを必要とすることである。半径方向スライダを省略することができる。
【００４５】
好適には、装置は、さらに、上部が基部から取り外されたときに鋳造および成形ツールの基部内へ移動することができる鍛造ツールを有する。構成部材の部分的な領域は、鍛造ツールによって部分的に後圧縮することができ、これは前記領域における特に高い強度につながる。
【００４６】
別の実施の形態によれば、振動機構を設けることができ、それにより、特に良好な微細組織を達成するために鋳造および成形ツールに振動を加えることができる。これは、特にアルミニウム混練合金などの、劣悪な流動挙動を有する合金において有利である。
【００４７】
別の改良によれば、液体金属計量供給ユニットを設けることができ、それによって、鋳造および成形ツールに導入される金属溶融物の溶融物量を計量供給することができる。好適には、計量供給ユニットは、鋳造プロセスの直前および鋳造プロセスの間だけ基部へのアクセスを有する。充填コンテナ上または充填コンテナ内に温度センサを設けることができ、それによって溶融物の温度を決定することができる。
【００４８】
別の実施の形態によれば、鋳造および成形ツールの基部および上部のうちの少なくとも一方は、アンダカットを有さない。
【００４９】
別の実施の形態によれば、鍛造ツールが設けられており、この鍛造ツールは、上部が基部から取り外されたときに、鋳造および成形ツールの基部内へ可動である。
【００５０】
別の実施の形態によれば、力提供機構は、基部が上部に対して可動であり、上部が定置に保持されるように構成されている。
【００５１】
好適な実施の形態は図面を用いて詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施の形態における、鋳造および成形ツールを使用して金属構成部材を製造する装置を、縦断面図で示している。
【図２】図１の鋳造および成形ツールの基部を詳細に示している。
【図３】第２の実施の形態における、鋳造および成形ツールを使用して金属構成部材を製造する装置を、縦断面図で示している。
【図４】第３の実施の形態における、鋳造（Ｓ１０）の間の、鋳造および成形ツールを使用して金属構成部材を製造する装置を、縦断面図で示している。
【図５】図４の鋳造および成形ツールの基部を詳細に示している。
【図６】別の実施の形態における、圧縮（Ｓ３０）の間の、鋳造および成形ツールを使用して金属構成部材を製造する装置を、縦断面図で示している。
【図７】取り外された上部および取り付けられた鍛造ツールとともに、部分的な後圧縮（Ｓ４０）の間の、図６による装置を示す図である。
【図８】方法ステップＳ１０〜Ｓ５０によって、鋳造および成形ツールによって金属構成部材を製造する本発明による方法を示している。
【図９】図８による方法に従って構成部材を製造するための、合金のための状態図（相図）を示している。
【００５３】
図１〜図９は以下で一緒に説明される。図１〜図４には、第１の実施の形態における、金属構成部材を製造するための本発明による装置２が示されており、図５および図６には、変更された第２の実施の形態が示されている。図８および図９は、対応する製造方法、もしくは製造のために使用される合金の状態図（相図）を示している。
【００５４】
説明において、基部５、上部６および鋳造および成形ツール４という一般的な言い方が選択されている。なぜならば、このツールは、特定の主体ごとに互いに異なる方法ステップのために使用されるからである。つまり、鋳造および／または成形の使用に応じて、キャスト、金型、ダイ、成形部材、下側金型、上側金型、ベースという言い方を、鋳造および成形ツールならびにその基本的な構成部材に割り当てることができる。
【００５５】
装置２は、計量供給コンテナ３１を備える充填および計量供給ユニット３と、基部５および上部６を備える鋳造および成形ツール４とを有する。計量供給ユニット３の前方に、加熱または溶融装置（図示せず）を配置することができ、この加熱または溶融装置は、成形ツール４内への液体金属の計量供給および充填のために機能する。金属溶融物は、溶融装置から供給チャネル７を通じて計量供給コンテナ３１へ供給される。図１は、液体金属の溶融物９が充填された計量供給コンテナ３１を示している。計量供給コンテナ３１は、漏斗状に形成されており、その下端において、出口開口１１を備える供給管１０を有している。必要に応じて供給管１０を選択的に開閉させるために、計量供給コンテナ３１に出口弁１２が設けられており、これにより、選択的に、溶融物は、計量供給コンテナから、下方に配置された鋳造および成形ツール４内へ流入することができるまたは流れを遮断することができる。出口弁１２の位置を決定するために、制御センサ１３が設けられており、この制御センサ１３は、出口弁１２を制御するために制御ユニットと作用接続されている。出口弁１２および出口開口１１は、セラミックまたはTRIAMET(R)から製造することができる。
【００５６】
さらに、計量供給コンテナ３１に充填レベル制御ユニット１４が設けられており、この充填レベル制御ユニット１４は、充填レベルを表す信号を決定し、前記信号を制御ユニットへ送信することができる。これにより、充填の間または充填の前に液体金属量を測定することができる。さらに、金属の温度を表す信号を決定するように構成された温度センサ１５が設けられており、前記温度信号も制御ユニットによって処理される。コンテナ３１における充填温度は、理想的には、鋳造の間に必要な温度よりも高い。
【００５７】
さらに、装置２は、不活性ガスユニット１６を有しており、それによって不活性ガスを、供給管１７を通じて計量供給コンテナ３内へ供給することができる。計量供給コンテナ３に不活性ガス雰囲気を生ぜしめることによって、望ましくない酸化物層の形成が回避される。不活性ガス雰囲気中でプロセスを実施することは選択的であり、合金に依存して用いることができる。計量供給コンテナ３は、揺動機構１９によって固定の構成部材１８に揺動可能に取り付けられており、揺動機構１９は、例えば、１つまたは複数のばね部材を有することができる。
【００５８】
出口弁１２が開放されているときに溶融物が流入することができる鋳造および成形ツール４は、装置３の下方に配置されている。溶融物の流れを遅らせ、基部５への一定の流動挙動を生ぜしめるフィルタ２０が、計量供給コンテナ３の出口開口１１に配置されている。流入ダンパとも称することができるフィルタは、ステンレス鋼から形成されたワイヤメッシュを有することができる。金型４の充填は、液体金属の温度が鋳造温度まで冷却された後に開始する。
【００５９】
基部５上に上部６が位置決めされており、鋳造の前には鋳造ツールは好適にはまだ完全に閉鎖されていない。鋳造および成形ツール４の部分５，６の間には金型キャビティ２１が形成されており、この金型キャビティ２１に溶融物が流入し、金型キャビティ２１を充填することができる。この場合には、鋳造および成形ツール４は、ほぼポット状のキャビティが画成されるように形成されている。このために、基部５は、出口開口１１の領域に配置された中央突出部２３を備えたベース部分２２と、周囲に延びたケーシング部分２４とを有している。上側金型と称することもできる上部６は、円錐形部分２５と、円錐形部分の上端に結合されたフランジ部分２６と、基部５を横方向で包囲した、周囲に延びたケーシング部分２７とを有している。両ツール部分５，６の内面または輪郭はアンダカットを有さずに形成されているので、固化した構成部材８の軸方向取出しが可能である。
【００６０】
前記ツール部分を規定された位置、もしくは鋳造中の互いに対する規定された距離に保持するために、上部６と基部５との間に位置決め手段２８が配置されている。位置決め手段２８は、ベース部材２９と、基部５との間に配置された環状の部材として形成されている。ベース部材２９は、環状に形成されているまたは中央開口３０を備えたフレーム状である。ベース部材２９は、鋳造および成形ツール４のための支持体として機能し、基部５が下方で、開口３０の周囲のエッジにおいて支持されており、上部６は下方で、基部５の半径方向外側において、環状のボディ２８を介して支持されている。
【００６１】
さらに、装置２は、基部５を上部６に対して移動させるための押圧機構３２を有する。ストロークまたはプレス機構と称することもできる力提供機構３２は、ベース部材２９に対して鉛直方向に可動なストローク部材３３と、弾性および／または減衰ベアリング手段３５を介してストローク部材３３に支持された支持部材３４とを有する。ストローク部材３３および支持部材３４はそれぞれ、ベース部材２９の貫通開口３０を通過する。ストローク部材３３を持ち上げることによって、支持部材３４と、支持部材３４に支持された基部５とは鉛直方向上方へ押し上げられる。この場合、基部５は、不動に保持された上部６に接近し、鋳造および成形ツール４の２つの部分５，６の間に形成された間隙３６が少なくとも大きく閉鎖される。基部５を上部６に向かって押し上げるもしくは移動させることによって、それらの間に配置された構成部材を圧縮することができ、これにより、きめ細かい、孔を有さない構造が高い強度で製造される。基部５に配置され、概略的にのみ示されている振動機構３７によって、鋳造および成形ツール４に振動を加えることができる。さらに、上部６は、貫通開口３８，３９を有し、これらの貫通開口によって、不活性ガスユニット１６のダクト４０と吸引ユニット４１とが接続されている。
【００６２】
図１の実施の形態において、図２に詳細として示された基部５は、一体に形成されている。基部の、アンダカットのない形状が見られ、これは、完全な固化後の加工物の軸方向取出しを可能にする。基部５は回転対称に形成されている。
【００６３】
図３は、変更された第２の実施の形態における本発明による装置を示す。これは、ほぼ第１の実施の形態に対応するので、共通の特徴については、上記説明が参照される。この場合、同じまたは１つの別の対応する構成部材には、図１と同じ参照符号が付されている。
【００６４】
この実施の形態の基本的な相違点は、計量供給コンテナ３から鋳造および成形ツール４への排出中に液体合金が冷却されるということである。このために、上部６の内壁部分において、供給管１０の周囲に冷却ユニット６０が設けられている。さらに、基部５にリザーバ６１が設けられており、このリザーバ６１に合金が流入することができる。リザーバ６１は、金属を所定の温度または特定の温度範囲にそれぞれ保持する断熱または加熱装置５１によって包囲されている。リザーバ６１は、基部５の中央部分に取り付けられており、鉛直方向下方へ延びている。リザーバ６１の下端部には、制御可能なピストン６２が設けられている。ピストン６２を、シリンダとして機能するリザーバ６１に押し込むことにより、リザーバに配置された金属を金型キャビティ２１へ押し込むことができる。
【００６５】
この実施の形態の作動モードは以下の通りである。溶融物９は排出中に冷却され、排出速度は、液体合金が冷却ユニット６０によって半固体状態に変換されるような速度である。これは、合金の温度が液相線温度ＴＬ付近であるかまたはほぼ液相線温度ＴＬよりも低くなるような状態を意味する。捕集容器と称することもできるリザーバ６１において、合金は、半固体状態にまたは僅かに半固体状態を超えて保持され、これは、液相線温度ＴＬであるかまたは僅かに液相線温度ＴＬよりも高いことを意味する。合金に応じて、この状態は、数度の温度の範囲で調整されなければならない。計量供給コンテナ３１からの合金の完全な排出の後、入口は閉鎖され、ピストン６２は半固体状態の合金を鋳造および成形ツール４へ押し込む。このために、鋳造および成形ツールのツール部分５，６が、固相線温度よりも、固相線温度ＴＳの少なくとも１０％だけ低い温度に調整される。充填後、構成部材の圧縮のステップが、鋳造および成形ツール４において行われ、選択的に部分的な後圧縮が行われる。
【００６６】
それ以外については、図３によるこの実施の形態の構造および作動モードは、図１および図２に対応しており、その範囲で、上記説明が参照される。
【００６７】
図４および図５は、別の実施の形態における、本発明による装置２を示している。これは、ほぼ第１の実施の形態に対応するので、共通の特徴については、上記説明が参照される。この場合、同じまたは１つの別の対応する構成部材には、図１と同じ参照符号が付されている。
【００６８】
図１の実施の形態と比較したときの第１の相違点は、上部６が基部５から取り外されたまま、すなわち基部５に対して離れて保持されたまま、鋳造が行われるということである。溶融物の充填後に初めて、上部６が次いで基部５上に配置され、すなわち所定の距離まで接近させられ、図１に関して説明したようにプロセスが継続される。
【００６９】
別の特徴は、基部５が、２つの部分から構成されており、ベース部分２２（ベースボディ）と、ケーシング部分２４（ケーシングボディ）とから形成されているということである。ベース部分２２およびケーシング部分２４は、２つのボディを互いに対してセンタリングしかつ支持するための相補的な円錐形当接面４２，４３を有している。ケーシング部分２４の端面と、ベース部分２２の半径方向の面との間に、組み立てられた状態において半径方向間隙４４が形成される。環状のケーシング部分２４の外周面には環状の溝４５が設けられており、この溝４５には、ケーシング部分２４をベース部材２９に対して固定するためにロッキング部材４６が係合することができる。ベース部材２９は、この場合、ディスク部分および円筒状部分を備えたポット状に形成されている。位置決めまたはサイド部材と称することもできる位置決め手段２８は、半径方向でベース部材２９と基部５との間に配置されている。ロッキング手段４６は、位置決め手段２８を貫通し、ベース部材２９の環状部分に支持されている。その他については、図４および図５の実施の形態は、設計および作動モードにおいて、図１および図２のものに対応するので、これらに関しては、上記説明が参照される。
【００７０】
図６は、別の変更された第３の実施の形態における本発明による装置を示す。これは、ほぼ第１の実施の形態に対応するので、共通の特徴については、上記説明が参照される。この場合、同じまたは１つの別の対応する構成部材には、図１および図２と同じ参照符号が付されている。
【００７１】
図１の実施の形態に関連する相違点は、上部６のケーシング部分２７と、位置決め手段２８とがそれぞれ内面において、基部５に面した冷却ユニット４７，４８を有することである。冷却ユニット４７，４８は、冷却リブまたは冷却チャネルとして形成することができ、冷却流体が流過することができる。基部５のベース部分２２もこの実施の形態においては冷却される。このために、支持部材３４とベース部分２２との間に板状の中間部材４９が配置されており、この中間部材４９は、ベース部分２２に面したその上側において冷却リブまたは冷却チャネルの形式の冷却装置５０を有している。中間部材４９と支持部材３４との間には振動機構３７が配置されている。鋳造および成形ツール４の基部５の熱を、冷却ユニット４７，４８，５０によって排出することができ、これにより、構成部材はより迅速に固化する。
【００７２】
図６の装置２は、圧縮のステップ（Ｓ３０）の間もしくはその後の状態で示されている。このために、基部５は、押圧機構３２によって固定のベース部材２９から持ち上げられており、固定のベース部材２９は、この場合、ベース部分およびケーシング部分を備えた支持フレームとして形成されている。基部５は上部６まで持ち上げられているので、間隙３６は閉鎖され、固化しつつある構成部材が圧縮される。圧縮の前に、貫通開口３８，３９が閉鎖され、これにより、固化しつつあるまたは既に固化した材料は、金型キャビティから押し出されることはない。この閉鎖のために、シリンダ５２が設けられており、シリンダ５２は、貫通開口３８，３９および入口開口５３に進入し、上部６に対して対抗圧力を生ぜしめる。
【００７３】
圧縮ステップの間、上部６は、定置に保持された上側支持フレーム５４に支持される。全ての構成部材が支持された下側支持フレーム２９は、上側支持フレーム５４に向かう方向に持ち上げられる。この実施の形態において、第１および第２の搬送ローラ５５，５６は、下側支持フレーム２９を鉛直方向および水平方向に案内し、前記フレームを直線的に前進方向へ移動させるために、設けられている。下側支持フレーム２９を持ち上げることによって、図６に示したように、支持ローラ５５と、下側支持フレーム２９の下側との間に間隔が形成される。遅くとも圧縮のステップの後には、完全に固化した構成部材８が存在する。
【００７４】
図７は、後続のプロセスステップＳ４０における図６の装置を示す。押圧機構３２は、ここでは概略的にのみ示されている。上側支持フレーム５４、閉鎖するシリンダ５２および上部６は残りのアセンブリから取り外されている。
【００７５】
上部の代わりに、今では鍛造ツール５７が構成部材内へ移動させられている。構成部材の部分的な領域は鍛造ツール５７によって後圧縮され、これは、これらの部分的な領域における特に高い強度につながる。この場合、鍛造ツール５７は、環状鍛造面を備えた環状部分を有しており、環状鍛造面は、構成部材を圧縮して塑性変形させるために、構成部材に軸方向で作用する。ダイと称することもできる鍛造ツール５７は、ホルダ５８に取り付けられ、軸方向でホルダ５８に支持されている。部分的な後圧縮は、既に行われた圧縮のように、持上げ装置によって基部５を含む下側支持フレーム２９を持ち上げることによって行われる。
【００７６】
その他については、この実施の形態は、レイアウトおよび作動モードにおいて、図６のものに対応するので、これに関しては、上記説明が参照される。
【００７７】
図８には、金属の構成部材を製造する本発明による方法が、方法ステップＳ１０〜Ｓ５０によってフローチャートとして示されている。高い強度を有する微細組織を達成するために、鍛造可能な合金をそのプロセスのために使用することができる。
【００７８】
第１の方法ステップＳ１０において、合金の溶融物を第１の圧力（Ｐ１）で鋳造および成形ツール４内へ排出し、溶融物の全量の充填は、加圧されずに、もしくは大気圧で行われる。溶融物を上方の計量供給コンテナ３１から鋳造および成形ツール４内へ充填する。計量供給コンテナ３１から金型への溶融物の充填の間、金型に振動を加えることができる。液体金属が半固体状態に変換されるように、冷却し、排出速度を調節することによって、計量供給コンテナ３１の出口が制御されることも可能である。
【００７９】
溶融物が完全に鋳造および成形ツール４に充填された後、充填および計量供給ユニット３と、鋳造および成形ツール４とは互いから分離され、振動機構３７は停止させられる。鋳造および成形ツール４を搬送ユニットにおいて次のプロセスステーションへ移動させることができる。
【００８０】
以下の方法ステップＳ２０では、金型キャビティに配置された合金に圧力が加えられる。このために、基部５と上部６との間に、大気圧もしくは第１の圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２が生ぜしめられる。この圧力Ｐ２は、例えば、上部６の自重によって生ぜしめることができる。力を加える前に、鋳造および成形ツール４の全ての開口が閉鎖されなければならず、これにより、意図せず材料がツールから押し出されることはない。溶融物に圧力を加えるステップは、合金のほぼ液相線ＴＬから固相線ＴＳよりも高い構成部材−シェル温度範囲Ｔ２において行うことができ、これはＴＳ＜Ｔ２＜ＴＬを意味する。圧力を加える前に、材料はまだ液体である。圧力を加えるステップの最後に、材料は少なくとも部分的に生地状である。
【００８１】
方法ステップ２０の間の材料の固化の進行プロセスは、必要に応じて、基部５および／または上部６の対応する加熱によって影響を与えることができる。例えば、基部５を上部６よりも高い温度に加熱することができ、したがって、この上部においては合金の固化がより急速に生じる。加熱もしくは冷却のために、鋳造および成形ツール４の部分５，６は、１つまたは複数の冷却回路を有することができ、各冷却回路に少なくとも１つの温度センサが割り当てられている。構成部材における特定の固化プロセスを保証するために、冷却を、必要に応じた比における水−空気混合物において行うことができる。
【００８２】
圧力を加えるステップ（Ｓ２０）の後、材料が少なくとも部分的に生地状であるかまたはほとんど固化した状態になり、構成部材を形成したとき、前記構成部材の圧縮は以下の方法ステップＳ３０において行われる。圧縮するステップは、上部６に向かう基部５の相対移動によって行われ、これにより、方法ステップＳ２０における第２の圧力Ｐ２よりも高い第３の圧力Ｐ３が生ぜしめられる。圧縮は、下側部分５を大きな力で上部６の方向に押し付けることによって行われる。圧縮は好適には、合金が少なくともほとんど固化したもしくは半固体状態になったときに初めて開始する。圧縮は、圧力を加える方法ステップＳ２０の間、合金の構成部材−シェル温度Ｔ２よりも低い構成部材−シェル温度Ｔ３で行うことができる。さらに、温度Ｔ３の下限として、合金の固相線温度ＴＳの半分を用いることができ、これはＴ２＞Ｔ３＞０．５ＴＳを意味する。成形プロセスの終了は、基部へ向かう上部の相対移動の終端位置に達することによっておよび所定温度に達することによって規定される。圧縮するステップＳ３０の間、構成部材は、１５％未満、特に１０％未満、もしくは５％未満の比較的小さい程度の変形のみを生じる。圧縮の間に構成部材における孔は閉鎖されるので、加工物の微細組織が改良される。
【００８３】
別の方法ステップＳ４０として、圧縮するステップＳ３０の後に、完全に固化した構成部材の部分的な後圧縮が提供される。部分的な後圧縮は、鍛造ツールを鋳造および成形ツールの基部に導入することによって、または鍛造ツール（ダイ）に当接するように基部５を持ち上げることによって行われる。すなわち、構成部材は、部分的な領域において圧縮および塑性変形される。部分的な後圧縮の後、構成部材は、再び、圧縮のステップＳ３０の間よりも大きな力に曝される。後圧縮された領域には鍛造と同様の微細組織が生ぜしめられ、これは特に高い荷重に耐えることができる。
【００８４】
部分的な後圧縮（Ｓ４０）の後、別の方法ステップＳ５０において、構成部材の部分的な領域のフローフォーミングを行うことができる。フローフォーミングによって、アンダカットを有する外側または内側輪郭を、変形した構成部材において生ぜしめることができる。
【００８５】
フローフォーミングのステップＳ５０の後、別の方法ステップ、特にバリ取り、金属切断または機械的な後加工、Ｘ線照射などの品質制御および／またはバーニッシングを続けて行うことができる。
【００８６】
本発明による方法および装置によって、鋳造ブランクを、この新規の形式において、複数のステップで、同じ基部において、鋳造（Ｓ１０）の後、圧力を加え（Ｓ２０）、その後圧縮／変形（Ｓ３０）および選択的な部分的材料後圧縮（Ｓ４０）を行うことによって、製造することができる。押圧（Ｓ２０）は、それぞれに使用される合金の固相線温度よりも高い温度（液体から生地状態）で行われる。図９は、この方法に従ってまたは本発明による装置を用いて構成部材を製造するための合金の状態図（相図）を示している。Ｘ軸には、ＸA％の金属Ａと、ＸB％の金属Ｂとを含む合金（ＷL）の量の比が示されている。Ｙ軸には、温度（Ｔ）が示されている。好適には液相線温度（ＴＬ）よりも低くかつ固相線温度（ＴＳ）よりも高い、押圧のステップのための温度範囲Ｔ２（ＴＬ＞Ｔ２＞ＴＳ）が、図９に横線で示されている。押圧（Ｓ２０）の際のプロセス時間に依存して、次の圧縮（Ｓ３０）のために、１５％未満の変形の残りの程度が残留する。圧縮のステップ（Ｓ３０）は、特に、温度Ｔ２と、固相線温度の半分０．５ＴＳとの間の温度範囲Ｔ３において行われる（Ｔ２＞Ｔ３＞０．５ＴＳ）。この範囲は、図９において左上から右下への斜線で示されている。選択的に、部分的な金属後圧縮（Ｓ４０）は、応力に曝される構成部材領域において行われ、これは、上方からダイを導入することによって達成することができる。これは、特に、温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ４もしくは固相線温度の９０％よりも低い温度で行われる（Ｔ３＞Ｔ４および／またはＴ４＜０．９ＴＳ）。この温度範囲は、図９において縦線で示されている。
【００８７】
この方法は、公知の鋳造法としての設計および形状に関するより高い自由度を提供する。なぜならば、未加工鋳造部材を製造するために、鋳造固有横断面が、そこで必要な程度まで必要ではないからである。全体の製造プロセスは、ダイ５７を選択的に使用して、単純な基部５において行われる。上部６、および、適用可能であるならば、選択的に使用されてよい１つまたは複数の側方部分は、流動プロセスの始めに、基部５よりも、明らかに低い温度（固相線温度の５０％までの温度差）を有する。この製造プロセスによって、急速に冷却する鋳造微細組織から、よりよい機械的特性を有する混練組織を有する微細組織を達成することができる。
【符号の説明】
【００８８】
２  装置
３  計量供給ユニット
４  鋳造および成形ツール
５  基部
６  上部
７  供給チャネル
８  構成部材
９  溶融物
１０  供給管
１１  出口開口
１２  出口弁
１３  制御センサ
１４  充填レベル制御ユニット
１５  温度センサ
１６  不活性ガスユニット
１７  供給管
１８  構成部材
１９  揺動機構
２０  フィルタ
２１  金型キャビティ
２２  ベース部分
２３  突出部
２４  ケーシング部分
２５  部分
２６  フランジ部分
２７  ケーシング部分
２８  位置決め手段
２９  ベース部材
３０  開口
３１  充填コンテナ
３２  押圧機構
３３  ストローク部材
３４  支持部材
３５  ベアリング手段
３６  間隙
３７  振動機構
３８  貫通開口
３９  貫通開口
４０  ダクト
４１  吸引ユニット
４２  当接面
４３  当接面
４４  半径方向間隙
４５  環状溝
４６  ロッキング手段
４７  冷却ユニット
４８  冷却ユニット
４９  中間部材
５０  冷却ユニット
５１  断熱装置
５２  閉鎖シリンダ
５３  入口開口
５４  上側支持フレーム
５５  コンベヤローラ
５６  コンベヤローラ
５７  鍛造ツール
５８  ホルダ
６０  冷却ユニット
６１  リザーバ
６２  ピストン
Ｐ  圧力
Ｓ  方法ステップ
Ｔ  温度
【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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【外国語明細書】
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