(57)【要約】本発明は、半溶融押出成形装置及び方法に関し、解決しようとする技術的課題は、低い押出圧力で成形でき、装置の寿命及び製品の強度を向上させ、製造工程中の発火現象を抑制し、保護ガスの使用量を減少させ、また溶接線の形成を抑制することにある。そのために、本発明は、１０から３０重量％部の半溶融ビレットが格納されるように第１の貫通孔が形成され、第１の貫通孔の外部には半溶融ビレットが等温維持されるようにヒータが設けられたコンテナと、コンテナの前方から第１の貫通孔に挿入されて、半溶融ビレットを後方に加圧するステムと、コンテナの後方に結合され、円周方向の熱変形を防止するために多数の冷却材流出入孔が形成されたダイリングと、ダイリングの内部でコンテナの第１の貫通孔と連通されるとともに相対的に小さい直径を有し、半溶融ビレットを押出する第２の貫通孔が形成され、温度測定のための多数の熱電対挿入孔が形成されたダイ本体と、ダイリングの内部でダイ本体の後方に結合され、押出される半溶融ビレットを固相押出材に相変化させるように、多数の冷却材流出入孔が形成されたダイ本体支持台と、ダイ本体支持台と密着するとともに、ダイリングの後方に結合されたダイ平衡支持台と、ダイ平衡支持台に結合されて、固相押出材を冷却する冷却部と、を含む半溶融押出成形装置を提供する。
2011511711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０から３０重量％部の半溶融ビレットが格納されるように第１の貫通孔が形成され、前記第１の貫通孔の外部には前記半溶融ビレットが等温維持されるようにヒータが設けられたコンテナと、
前記コンテナの前方から前記第１の貫通孔に挿入されて、前記半溶融ビレットを後方に加圧するステムと、
前記コンテナの後方に結合され、円周方向の熱変形を防止するために多数の冷却材流出入孔が形成されたダイリングと、
前記ダイリングの内部で前記コンテナの第１の貫通孔と連通されるとともに相対的に小さい直径を有し、前記半溶融ビレットを押出する第２の貫通孔が形成され、温度測定のための多数の熱電対挿入孔が形成されたダイ本体と、
前記ダイリングの内部で前記ダイ本体の後方に結合され、押出される半溶融ビレットを固相押出材に相変化させるように、多数の冷却材流出入孔が形成されたダイ本体支持台と、
前記ダイ本体支持台と密着するとともに、前記ダイリングの後方に結合されたダイ平衡支持台と、
前記ダイ平衡支持台に結合されて、前記固相押出材を冷却する冷却部と、
を含むことを特徴とする半溶融押出成形装置。
【請求項２】
前記熱電対挿入孔は、
前記ダイ本体の温度を測定する第１の熱電対挿入孔と、
前記半溶融ビレットの温度を測定する第２の熱電対挿入孔と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項３】
前記半溶融ビレットは、
アルミニウム合金またはマグネシウム合金から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項４】
前記半溶融ビレットは、
添加剤が添加されたマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項５】
前記添加剤は、
アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ土類金属化合物から選択された少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項４に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項６】
前記添加剤は、
マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１から３０重量％部が添加されたことを特徴とする請求項４に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項７】
前記コンテナに設けられたヒータによって、前記半溶融ビレットは５９０から６５０℃の温度に維持されることを特徴とする請求項１に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項８】
１０から３０重量％部の半溶融ビレットが格納されるコンテナと、
前記コンテナから前記半溶融ビレットを多数本に分割押出する多数の押出孔、前記押出孔を通過した前記半溶融ビレットを収容するチャンバに連通されたベアリング、及び前記ベアリングの中心軸に位置するメンドロルを有する押出ダイと、
前記コンテナに格納された前記半溶融ビレットを等温維持するためのヒータと、
前記ヒータによって加熱された前記コンテナの内部側の半溶融ビレットの温度を感知する温度センサと、
前記温度センサによって感知された温度値を設定値と比べて、ヒータのオン／オフ動作を制御する制御部と、
を含むことを特徴とする半溶融押出成形装置。
【請求項９】
前記半溶融ビレットは、
アルミニウム合金またはマグネシウム合金から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項８に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項１０】
前記半溶融ビレットは、
添加剤が添加されたマグネシウム合金であることを特徴とする請求項８に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項１１】
前記添加剤は、
アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ土類金属化合物から選択された少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項１０に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項１２】
前記添加剤は、
マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１から３０重量％部が添加されたことを特徴とする請求項１０に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項１３】
前記コンテナに設けられたヒータによって、前記半溶融ビレットは５９０〜６５０℃の温度に維持されることを特徴とする請求項８に記載の半溶融押出成形装置。
【請求項１４】
１０から３０重量％部の半溶融ビレットを半溶融押出成形装置のコンテナ内に半溶融状態に等温維持するステップと、
前記半溶融ビレットを押出成形するダイ本体の温度を等温維持するステップと、
前記半溶融ビレットを前記ダイ本体内で加圧押出して、固相押出材を成形するステップと、
押出成形される前記固相押出材を冷却するステップと、
を含むことを特徴とする半溶融押出成形方法。
【請求項１５】
前記半溶融ビレットは、
アルミニウム合金またはマグネシウム合金から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項１４に記載の半溶融押出成形方法。
【請求項１６】
前記半溶融ビレットは、
添加剤が添加されたマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１４に記載の半溶融押出成形方法。
【請求項１７】
前記添加剤は、
アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ土類金属化合物から選択された少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項１６に記載の半溶融押出成形方法。
【請求項１８】
前記添加剤は、
マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１から３０重量％部が添加されたことを特徴とする請求項１６に記載の半溶融押出成形方法。
【請求項１９】
前記コンテナに設けられたヒータによって、前記半溶融ビレットは５９０から６５０℃の温度に維持されることを特徴とする請求項１４に記載の半溶融押出成形方法。
【請求項２０】
半溶融ビレットを格納するコンテナと、前記コンテナで圧入される半溶融ビレットを多数本に分割押出する多数の押出孔と、前記押出孔を通過した半溶融ビレットを収容するチャンバに連通されたベアリングと、前記ベアリングの中心軸に位置したメンドレルを有する押出ダイとを含んで押出を行う押出成形方法であって、
前記コンテナに格納された半溶融ビレットをヒータによって半溶融状態に加熱維持するステップと、
前記ヒータによって加熱された前記コンテナの内部側の半溶融ビレットの温度を温度センサによって感知するステップと、
前記温度センサによって感知された測定温度と設定温度とを比べて、前記ヒータのオン／オフ動作を制御部によって制御するステップと、
を含むことを特徴とする半溶融押出成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半溶融押出成形装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、航空機、高速電鉄など輸送産業分野において、燃料の節約及び環境汚染の問題などから軽量化の重要性が大きくなっている。このような輸送機械の軽量化のために、主にアルミニウムまたはマグネシウム素材がその材料として広く利用されている。
【０００３】
アルミニウムまたはマグネシウム素材を利用した部品は、主に熱間押出（ｈｏｔ  ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）方法によって製造される。この熱間押出方法は、一回の変形で高い精密度及び複雑な形状の製品を製造することができるので、生産原価の側面で非常に有利である。
【０００４】
しかし、Ａ２ＸＸＸ、Ａ７ＸＸＸで代表される高力、難加工性アルミニウム合金及びＭｇ‐Ａｌ‐Ｚｎ系またはＺｒを添加した高強度ＺＫ６０及び銅を含有するＺＣ６３合金の場合、他のアルミニウム合金またはマグネシウム合金に比べて比強度及び比剛性が優れているが、著しい押出性の低下によって、その生産性が１／５〜１／６程度の水準であり、高い初期押出圧力によって押出成形装置の寿命が大きく低下する問題がある。さらに、このような従来の熱間押出方法は、成形された金属の組織が所定方向に延伸（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）され、異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を示して、強度が低下する問題もある。
【０００５】
一方、アルミニウムまたはマグネシウム合金の製造方法として、ダイカスト（ｄｉｅ−ｃａｓｔｉｎｇ）の外に半溶融押出成形方法が知られている。このような半溶融押出成形方法は、液相と固相が共存する領域で金属材料を押出成形することで、既存の鋳造と鍛造工程の利点を取ることができる新規な相変換成形工程である。
【０００６】
しかし、このような半溶融押出成形方法は、押出成形工程中、半溶融金属が発火する問題がある。したがって、このような発火を抑えるために保護ガスを使用するが、このような保護ガスは、人体に有害で、鉄製装備を腐食させるか、または地球温暖化を誘発する二次的問題を引き起こす。
さらに、このような押出成形装置を通じて、金属棒だけでなく金属チューブも製造されることができる。金属チューブの製造方法としては、固体状態の金属を高圧で押出して製造するか、またはポートホールダイを持つ押出成形装置で製造する方法がある。しかし、高圧押出方法は原材料の損失が大きいし、ポートホールダイを用いる押出方法は溶接線（ｗｅｌｄｉｎｇ  ｓｅａｍ）が形成される問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の問題点を解消するためのものであって、本発明の目的は、低い押出圧力で金属を成形できることで、生産性を向上させ且つ装置の寿命を高めることができる半溶融押出成形装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、押出成形中、金属製品の延伸（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）及び異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）現象を抑えて、金属の強度を向上させることができる半溶融押出成形装置及び方法を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、押出成形の際に発火せず、保護ガスの使用量を減少させることができる半溶融押出成形装置及び方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、溶接線の形成を抑えて、耐圧及び拡管による破壊を防止することができる半溶融押出成形装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、本発明による半溶融押出成形装置は、１０から３０重量％部の半溶融ビレットが格納されるように第１の貫通孔が形成され、第１の貫通孔の外部には半溶融ビレットが等温維持されるようにヒータが設けられたコンテナと、コンテナの前方から第１の貫通孔に挿入されて、半溶融ビレットを後方に加圧するステムと、コンテナの後方に結合され、円周方向の熱変形を防止するために多数の冷却材流出入孔が形成されたダイリングと、ダイリングの内部でコンテナの第１の貫通孔と連通されるとともに相対的に小さい直径を有し、半溶融ビレットを押出する第２の貫通孔が形成され、温度測定のための多数の熱電対挿入孔が形成されたダイ本体と、ダイリングの内部でダイ本体の後方に結合され、押出される半溶融ビレットを固相押出材に相変化させるように、多数の冷却材流出入孔が形成されたダイ本体支持台と、ダイ本体支持台と密着するとともに、ダイリングの後方に結合されたダイ平衡支持台と、ダイ平衡支持台に結合されて、固相押出材を冷却する冷却部と、を含む。
【００１１】
熱電対挿入孔は、ダイ本体の温度を測定する第１の熱電対挿入孔と、半溶融ビレットの温度を測定する第２の熱電対挿入孔と、を含んでよい。
半溶融ビレットは、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から選択された何れか一つであってよい。
【００１２】
半溶融ビレットは、添加剤が添加されたマグネシウム合金であってよい。
添加剤は、アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ土類金属化合物から選択された少なくとも何れか一つであってよい。
【００１３】
添加剤は、マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１から３０重量％部が添加されてよい。
コンテナに設けられたヒータによって、半溶融ビレットは５９０から６５０℃の温度に維持されることができる。
【００１４】
上述の目的を達成するために、本発明による半溶融押出成形装置は、１０から３０重量％部の半溶融ビレットが格納されるコンテナと、コンテナから半溶融ビレットを多数本に分割押出する多数の押出孔、押出孔を通過した半溶融ビレットを収容するチャンバに連通されたベアリング、及びベアリングの中心軸に位置するメンドロルを有する押出ダイと、コンテナに格納された半溶融ビレットを等温維持するためのヒータと、ヒータによって加熱されたコンテナの内部側の半溶融ビレットの温度を感知する温度センサと、温度センサによって感知された温度値を設定値と比べて、ヒータのオン／オフ動作を制御する制御部と、を含む。
【００１５】
半溶融ビレットは、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から選択された何れか一つであってよい。
半溶融ビレットは、添加剤が添加されたマグネシウム合金であってよい。
【００１６】
添加剤は、アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ土類金属化合物から選択された少なくとも何れか一つであってよい。
【００１７】
添加剤は、マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１から３０重量％部が添加されてよい。
コンテナに設けられたヒータによって、半溶融ビレットは５９０〜６５０℃の温度に維持されることができる。
【００１８】
上述の目的を達成するために、本発明による半溶融押出成形方法は、１０から３０重量％部の半溶融ビレットを半溶融押出成形装置のコンテナ内に半溶融状態に等温維持するステップと、半溶融ビレットを押出成形するダイ本体の温度を等温維持するステップと、半溶融ビレットをダイ本体内で加圧押出して、固相押出材を成形するステップと、押出成形される固相押出材を冷却するステップと、を含む。
【００１９】
半溶融ビレットは、アルミニウム合金またはマグネシウム合金から選択された何れか一つであってよい。
半溶融ビレットは、添加剤が添加されたマグネシウム合金であってよい。
【００２０】
添加剤は、アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ土類金属化合物から選択された少なくとも何れか一つであってよい。
【００２１】
添加剤は、マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１から３０重量％部が添加されてよい。
コンテナに設けられたヒータによって、半溶融ビレットは５９０から６５０℃の温度に維持されることができる。
【００２２】
上述の目的を達成するために、本発明による半溶融押出成形方法は、半溶融ビレットを格納するコンテナと、コンテナで圧入される半溶融ビレットを多数本に分割押出する多数の押出孔と、押出孔を通過した半溶融ビレットを収容するチャンバに連通されたベアリングと、ベアリングの中心軸に位置したメンドレルを有する押出ダイとを含んで押出を行う押出成形方法であって、コンテナに格納された半溶融ビレットをヒータによって半溶融状態に加熱維持するステップと、ヒータによって加熱されたコンテナの内部側の半溶融ビレットの温度を温度センサによって感知するステップと、温度センサによって感知された測定温度と設定温度とを比べて、ヒータのオン／オフ動作を制御部によって制御するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００２３】
上述したように、本発明は、固液共存領域で半溶融ビレット（ｂｉｌｌｅｔ：半製品）を等温維持した後、押出成形することで、低い圧力で固相押出材（棒形状またはチューブ形状）を形成することができる。
【００２４】
また、本発明は、初期押出圧力を大きく減少させることで、押出成形装置の寿命を向上させることができる。
また、本発明は、押出方向に結晶質の延伸及び軸対称現象が発生しないことで、押出材の機械的強度を向上させることができる。
【００２５】
また、本発明は、金属合金に少量の添加剤を添加することで、押出成形工程中に発火現象を抑え、保護ガスの使用量を減少させることができる。
また、本発明は、多数の押出孔を通過した半溶融金属がベアリングとマンドレルを通過しながら継ぎ目なく融合されるようにすることで、押出材チューブの拡管または耐圧試験の際に破壊が発生しないようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明で使用された金属は、Ａ７００３アルミニウム合金、Ａ７０７５アルミニウム合金及びその等価物から選択された何れか一つであってもよい。しかし、これで金属の材質を限定するものではない。
【００２７】
Ａ７００３アルミニウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）及び亜鉛（Ｚｎ）を主材料にし、これに銅（Ｃｕ）０．２重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．３重量％、鉄（Ｆｅ）０．３５重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３重量％及びその他の微量の不純物が含まれたものであって、高強度を要求する自動車用ホイールの製造に広く用いられる合金である。
【００２８】
Ａ７０７５アルミニウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）及び亜鉛（Ｚｎ）を主材料にし、これに銅（Ｃｕ）２．０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．４重量％、鉄（Ｆｅ）０．５重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３重量％及びその他の微量の不純物が含まれたものであって、高強度を要求する航空機用構造材などに広く用いられる合金である。
【００２９】
Ａ７００３アルミニウム合金及びＡ７０７５アルミニウム合金は、本発明の一例に過ぎず、本発明はＡ７００３アルミニウム合金及びＡ７０７５アルミニウム合金だけでなく、全てのアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金及びセラミック系の各種複合材料及びリサイクルされた低品位材料などにも適用される。
【００３０】
一例として、本発明には、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ３０、ＡＭ５０、ＡＭ６０、ＡＺ３１、Ｍｇ‐Ａｌ、Ｍｇ‐Ａｌ‐Ｒｅ、Ｍｇ‐Ａｌ‐Ｓｎ、Ｍｇ‐Ｚｎ‐Ｓｎ、Ｍｇ‐Ｓｉ、ＳｉＣｐ／ＭｇまたはＭｇ‐Ｚｎ‐Ｙのようなマグネシウム合金または純粋マグネシウムを用いることができる。
【００３１】
さらに、マグネシウム合金には、発火温度を高め酸化を防止するために少量の添加剤がさらに添加されてよい。添加剤としては、アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属化合物及びその等価物と、これらの混合物が可能である。
【００３２】
アルカリ金属酸化物は、酸化ナトリウム、酸化カリウム及びその等価物から選択された少なくとも何れか一つであってよい。アルカリ土類金属酸化物は、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム及びその等価物から選択された少なくとも何れか一つであってよい。アルカリ土類金属化合物は、カルシウムカーバイド（ＣａＣ2）、カルシウムシアナミド（ＣａＣＮ2）、カルシウムカーボネート（ＣａＣＯ3）、カルシウム硫酸塩半水化物（ＣａＳＯ4）及びその等価物から選択された少なくとも何れか一つであってよい。しかし、このような種類で添加剤を限定するものではない。すなわち、添加剤としては、マグネシウム合金の発火温度を高め、酸化力を減少させ、また保護ガスの必要量を減少させることができるものであれば何れでも用いることができる。
【００３３】
添加剤は、マグネシウム合金１００重量％部に対して０．０００１〜３０重量％部が添加されてよい。添加剤が０．０００１重量％部未満である場合は、添加剤による効果（発火温度の増加、酸化の減少及び保護ガスの減少）が小さい。また、添加剤が３０重量％部を超えると、本来のマグネシウムまたはマグネシウム合金の特性が現れない。
【００３４】
また、添加剤の粒径は１〜５００ｕｍであってよい。添加剤の粒径が１ｕｍ未満であるものは、実質的に製造が困難であり、その費用が高い。また、添加剤の粒径が５００ｕｍを超える場合は、添加剤がマグネシウム溶湯に混合され難い。
さらに、本発明では、１０〜３０重量％部の半溶融ビレットを押出成形装置に投入する。ここで、半溶融ビレットが１０重量％部未満であれば、相対的に大きい圧力を提供する必要があるため、押出成形装置の寿命が著しく低下する問題がある。すなわち、熱間押出に対する半溶融押出の利点が無くなる。また、半溶融ビレットが３０重量％部を超えると、殆ど液相に近くなるため、半溶融ビレットを押出成形装置に投入し難い問題がある。すなわち、本発明で上述したように１０〜３０重量％部の半溶融ビレットを提供する場合、低い圧力で押出材を形成できるだけでなく取り扱いも容易である。
【００３５】
図１は、本発明の一実施形態による半溶融押出成形装置を概略的に示す側面図である。図２は、本発明による半溶融押出成形装置のコンテナなどを示す拡大断面図である。図３は、本発明による半溶融押出成形装置のダイリング及びダイ本体を示す結合斜視図である。図４は、本発明による半溶融押出成形装置のダイリング、ダイ本体及びダイ本体支持台を示す分解斜視図である。
【００３６】
図１〜図４に示すように、本発明による半溶融押出成形装置１００は、外観を形成し、内部にヒータ１１２が具備された中空の第１の貫通孔１１１が形成されたコンテナ１１０と、コンテナ１１０の第１の貫通孔１１１に挿入され、コンテナ１１０の前方から半溶融状態の押出ビレット２００を圧縮するためのステム１２０と、コンテナ１１０の後方に結合され、内部にコンテナ１１０の第１の貫通孔１１１よりも小さい直径を有する中空の第２の貫通孔１４１が形成されたダイ本体１４０と、ダイ本体１４０の後方に位置し、ダイ本体１４０の長さ方向の熱変形を防止するためのダイ本体支持台１５０及びダイ本体支持台１５０の後方に結合されるダイ平衡支持台１６０と、ダイ本体１４０及びダイ本体支持台１５０の外観を囲み、ダイ本体１４０の円周方向の熱変形を防止するためのダイリング１３０と、ダイ本体支持台１５０の後方に結合され、半溶融押出ビレット２００から押出形成される高温の固相押出材２１０を冷却するための冷却部１７０とからなる。
【００３７】
切断装置３００は、半溶融押出ビレット２００と、この半溶融押出ビレット２００から押出形成された固相押出材２１０とを切断し、駆動装置４００は、押出成形装置１００を駆動する。
【００３８】
本発明をより詳細に説明すると、ダイ本体１４０の外周面には、ダイ本体１４０の温度測定のための第１の熱電対挿入孔１４２が形成され、押出工程の際に半溶融押出ビレットから押出形成される押出材２１０の温度測定のための第２の熱電対挿入孔１４３がその内側に深く形成されている。また、ダイ本体１４０の温度の上昇を防止し、一定に等温維持するための循環流体（オイルまたは冷却水）が循環／流動する第１の流出入孔１４４がダイ本体１４０の外周面に形成されている。
【００３９】
また、ダイリング１３０の外周面には、ダイ本体１４０に形成される第１の流出入孔１４４と対応して貫通／形成される第２の流出入孔１３１、及びダイ本体１４０を通過した押出材２１０の酸化防止及び冷却のためのガスまたは冷却水が流動する第３の流出入孔１３２が形成される。
【００４０】
また、ダイ本体支持台１５０の外周面には、第３の流出入孔１３２と対応して固相押出材２１０の酸化防止及び冷却のためのガスまたは冷却水が流動する第４の流出入孔１５１が貫通／形成される。
このように構成された押出成形装置によって固相の押出材が製造される過程では、半溶融押出ビレットを固液共存領域温度に加熱するか予め固液共存領域に加熱された半溶融押出ビレットを、固液共存領域に等温維持するコンテナ１１０の中に投入した後、ステム１２０で加圧する。
【００４１】
このとき、ダイ本体１４０内で押出される過程で、押出装置の等温維持が可能であるようにダイ本体１４０が構成される必要がある。これは、押出の際に半溶融押出ビレットとダイ本体１４０の間の摩擦によってダイ本体１４０及び固相押出材２１０の表面温度が増加すると、固相押出材２１０の品質が低下するためである。
【００４２】
特に、固液（高熱で加熱されて固相と液相が共存する）共存区間に加熱された半溶融押出ビレットの場合、温度が精密に制御されないと、材料の結晶質の大きさが不均一になるだけでなく、断面の不均一な固相率のため成形途中に中心偏析及び液相偏析が発生して均一な機械的性質を得ることができなくなる。
【００４３】
ダイ本体１４０を通過した固相押出材２１０は、冷却部１７０によって固相粒子粗大化が防止される。
図５は、本発明による半溶融押出成形装置で、押出材の部位別温度を測定するための熱電対の設置位置を示す図である。より具体的に、図５は、再加熱過程の間Ａ７００３アルミニウム押出ビレットの部位別温度を測定するための熱電対の位置を示しており、これによって、押出ビレット全体において温度分布がどのように変化するかを調べる。本発明では、正確な温度制御のために熱電対によって直接押出ビレットの温度を測定して制御する方式を利用し、これによって得られた本発明の加熱過程時間に対する各地点での温度及び温度偏差を確認する。
【００４４】
図６は、本発明による半溶融押出成形装置において押出材の各部位で時間‐温度偏差を示すグラフである。
図６に示すように、再加熱初期には、半溶融押出ビレット各部分で多少の温度差が存在するが、時間の経過とともに半溶融押出ビレットの固液共存領域（約６２０℃）に到達した後は、半溶融押出ビレットの各地点での温度が等温維持されることが確認できる。
【００４５】
図７は、本発明による半溶融押出成形方法を示すフローチャートである。
図７に示すように、本発明による半溶融押出成形方法は、押出ビレットを半溶融状態に等温維持するステップ１（Ｓ１）と、ダイ本体を等温維持するステップ２（Ｓ２）と、押出材を成形するステップ３（Ｓ３）と、押出材を１次冷却するステップ４（Ｓ４）と、押出材を２次冷却するステップ５（Ｓ５）とを含む。
ステップ１（Ｓ１）では、押出ビレット２００を半溶融押出成形装置のコンテナ１１０に投入し、内蔵されたヒータ１１２によって略５９０〜６５０℃の温度に加熱して、固液共存領域の半溶融状態に等温維持する。このとき、押出ビレット２００を、外部で固液共存領域の温度に加熱された状態で、固液共存領域に等温維持されるコンテナ１１０の中に投入してもよい。ここで、押出ビレット２００を構成する半溶融状態の金属に、上述したような添加剤が添加されていると、固液共存領域の半溶融状態で酸化及び発火がより効果的に抑えられる。
【００４６】
押出ビレット２００をコンテナ１１０に投入した状態で固液共存領域の半溶融状態に等温維持するとき、押出ビレット２００が発火することを防止するために、ＳＦ6などの保護ガスを使用することもできる。しかし、このように押出ビレット２００を構成する金属合金に添加剤が添加されていると発火温度が上昇するので、保護ガスの使用を抑制するかまたは使用せず等温維持することも可能である。
【００４７】
ステップ２（Ｓ２）では、ダイ本体１４０の温度を熱電対によって測定し、それによって循環流体を循環流動させて、ダイ本体１４０を５９０〜６５０℃の温度に等温維持する。ここで、ダイ本体１４０は、外周面に形成された第１の流出入孔１４４にオイルまたは冷却水などの循環流体を循環流動させることによって、温度上昇が防止され且つ等温維持される。
【００４８】
ステップ３（Ｓ３）では、コンテナ１１０の中に投入された固液共存領域の半溶融状態の押出ビレット２００をダイ本体１４０内でステム１２０で加圧押出して、固相の押出材２１０を成形する。ここで、押出ビレット２００が固液共存領域の半溶融状態にあるので、低い圧力によっても押出される。よって、押出性（ｅｘｔｒｕｄａｂｉｌｉｔｙ）が向上して生産性が向上するだけでなく、複雑な形状及び精密な寸法の部品を成形することができる。
【００４９】
ここで、半溶融押出ビレット２００を加圧押出して固相の押出材２１０を成形するとき、押出ビレット２００が発火することを防止するために、ＳＦ6などの保護ガスを使用してよい。しかし、押出ビレット２００を構成する金属合金に上述したように添加剤が添加されていて発火温度が上昇するので、保護ガスの使用を抑制するかまたは使用せずに加圧押出することもできる。また、押出ビレット２００を成す金属合金に添加剤が添加されていると、加圧押出によって成形された押出材２１０はより高い等方性を有する結晶粒微細化（ｇｒａｉｎ  ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）構造となる。
【００５０】
ステップ４（Ｓ４）では、第３及び第４の流出入孔１３２、１５１に冷却ガスまたは冷却水を流動させて、ダイ本体１４０で押出成形される押出材２１０の酸化を防止し、１次冷却する。ここで、押出成形中、押出材２１０はダイ本体１４０との摩擦によって表面温度が上昇し、酸化され、結果的に品質が低下するおそれがある。特に、高熱で加熱されて固相と液相が共存する固液共存区間に加熱された押出ビレット２００の場合、温度制御が精密に行われないと、材料の結晶粒子の大きさが不均一になるだけでなく、断面の不均一な固相率のため、成形途中に中心偏析及び液相偏析が発生して、均一な機械的性質を得ることができなくなる。
【００５１】
したがって、第３及び第４の流出入孔１３２、１５１に冷却ガスまたは冷却水を流動させて、押出成形中に押出材２１０を１次冷却することで、表面温度の増加を防止する。
ステップ５（Ｓ５）では、冷却部１７０で冷却ガスを噴射して、ダイ本体１４０で１次冷却された固相の押出材２１０を２次冷却する。これによって、押出成形された固相押出材２１０の固相粒子粗大化を防止する。ここで、固相押出材２１０は棒形状を有する。
【００５２】
図８は、従来技術と本発明によるアルミニウム合金押出材の最大押出圧力を示すグラフである。
ここで、Ａは、Ａ７００３アルミニウム合金の熱間押出時の最大押出圧力であり、Ｂは、Ａ７０７５アルミニウム合金の熱間押出時の最大押出圧力であり、Ｃは、Ａ７００３アルミニウム合金の半溶融押出時の最大押出圧力であり、Ｄは、Ａ７０７５アルミニウム合金の半溶融押出時の最大押出圧力である。
【００５３】
熱間押出では、略８００トンの水平型熱間押出装置を用いて直接押出方式で高力アルミニウム合金材部品を押出した。熱間押出及び半溶融押出は１：１の押出比にした。
本発明による場合、Ａ７００３アルミニウム合金は、従来技術による場合の押出圧力４１７ＭＰａより略６９％以上減少した１３１ＭＰａであり、Ａ７０７５アルミニウム合金は、押出圧力７２９ＭＰａより略８５％以上減少した１０７ＭＰａであり、大きい減少を確認できる。
【００５４】
図９は、従来技術と本発明によるマグネシウム合金押出材の最大押出圧力を示すグラフである。より具体的に、図９ｍは、ＡＺ３１マグネシウム合金の熱間押出と半溶融押出時の最大押出圧力を示すグラフである。
図９に示すように、押出圧力が従来技術の場合の６１４ＭＰａより略８２％以上大きく減少した１１０ＭＰａであった。
【００５５】
図１０は、従来技術と本発明によるアルミニウム合金押出材の断面を示す組職写真である。より具体的に、図１０は、Ａ７００３アルミニウム合金の半溶融押出材と熱間押出材の押出方向と平行な断面での外郭（ｅｄｇｅ）地点、中間（ｉｎｔｅｒ）地点、中央（ｃｅｎｔｅｒ）部分の組職写真を示す。
【００５６】
図１１は、従来技術と本発明によるマグネシウム合金押出材の断面を示す組職写真である。より具体的に、図１１は、ＡＺ３１マグネシウム合金の半溶融押出材と熱間押出材の押出方向と平行な断面での外郭地点、中間地点、中央部分の組職写真を示す。
【００５７】
図１０及び図１１に示すように、従来の熱間押出材の場合、結晶粒の押出方向への延伸（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）が観察され、典型的な異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）現象が発生することを確認できる。このような現象によって、押出方向とそれの直角方向において、機械的性質が異なるため、押出材の機械的性質を全体的に不均一にする結果をもたらす。
【００５８】
しかし、本発明による半溶融押出方法によっては、結晶粒の延伸が観察されず、また軸対称現象が発生しないことを確認できる。
したがって、本発明による半溶融押出成形装置及び方法を通じて製造された半溶融押出材の結晶粒の押出方向への延伸及び異方性現象を制御して、押出材の強度をより向上させるようになる。
【００５９】
図１２は、本発明による半溶融押出成形装置に投入される添加剤が添加されたマグネシウム合金の大気雰囲気での発火温度を示すグラフである。より具体的に、図１２は、添加済の一つである酸化カルシウム（ＣａＯ）が添加されたＡＺ３１マグネシウム合金の大気雰囲気で発火する温度を示すグラフである。
【００６０】
酸化カルシウム（ＣａＯ）が添加されていないＡＺ３１マグネシウム合金は、半溶融押出の際に固液共存領域温度である５９０〜６５０℃以前の温度、すなわち、５７０℃で発火が進行される。したがって、酸化カルシウム（ＣａＯ）が添加されていないＡＺ３１マグネシウム合金は、半溶融押出時の発火を防止するために多量の保護ガスが必要である。
【００６１】
しかし、添加済の一つである酸化カルシウム（ＣａＯ）が添加されたＡＺ３１マグネシウム合金は、大気雰囲気での発火温度が上昇する。ここで、ＡＺ３１マグネシウム合金の大気雰囲気での発火温度は、酸化カルシウム（ＣａＯ）が０．０５ｗｔ％添加された場合は略３０℃、０．３ｗｔ％添加された場合は略４０℃、それぞれ上昇する。したがって、酸化カルシウム（ＣａＯ）が添加されたＡＺ３１マグネシウム合金は、半溶融押出時に発火温度が大きく上昇して、保護ガスの使用が抑制されるかまたは使用されないこともできる。
ここでは、添加剤として酸化カルシウムを例に挙げているが、このような添加剤で本発明を限定するものではなく、上述した全ての添加剤を使用することが可能である。
【００６２】
図１３は、熱間押出成形されたマグネシウム合金押出材を示す組職写真である。図１４は、本発明によって半溶融押出成形されたマグネシウム合金押出材を示す組職写真である。図１５は、添加剤の添加下で半溶融押出成形されたマグネシウム合金押出材を示す組職写真である。
【００６３】
より具体的に、図１３、図１４及び図１５は、熱間押出成形されたマグネシウム合金押出材、半溶融押出成形されたマグネシウム合金押出材、及び０．００１〜３０ｗｔ％の酸化カルシウム（ＣａＯ）の添加下で半溶融押出成形されたマグネシウム合金押出材のそれぞれの微細構造断面を示す。
【００６４】
図１３は、従来技術による熱間押出成形されたマグネシウム合金押出材の微細構造を示し、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ外郭（ｅｄｇｅ）、中間（ｉｎｔｅｒ）及び中央（ｃｅｎｔｅｒ）地点を示し、押出方向に不均衡構造の延伸された結晶粒構造を有する。ここで、結晶粒の延伸によって、押出方向とそれの直角方向において機械的特性が異なるため、押出材の機械的特性を全体的に不均一にする結果をもたらす。
【００６５】
これに比べて、図１４の半溶融押出成形されたマグネシウム合金と、図１５の０．００１〜３０ｗｔ％酸化カルシウム（ＣａＯ）の添加下で半溶融押出成形されたマグネシウム合金は、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）それぞれの外郭、中間及び中央で微細な等方性粒子構造を有するので、押出材の強度が向上する。
【００６６】
特に、図１５の０．００１〜３０ｗｔ％酸化カルシウム（ＣａＯ）の添加下で半溶融押出成形されたマグネシウム合金は、図１４のマグネシウムよりもっと微細な構造を有する。ここで、０．５〜１ｗｔ％酸化カルシウム（ＣａＯ）の添加下で半溶融押出成形されたマグネシウムにカルシウム（Ｃａ）が存在することによって、安定したＡｌ2Ｃａ化合物を形成して、合金の微細構造を安定させ、結晶粒微細化となる。
【００６７】
図１６は、図１３〜図１５に示された各押出材の断面での結晶粒に対する縦横比を示すグラフである。
縦横比は、主軸と従軸の間の映像分析システムによって測定されるものであって、図１３の熱間押出された押出材の縦横比は略３〜４程度で、中央、中間及び外郭それぞれの縦横比が不均一であり互いに異なる。
【００６８】
これに比べて、図１４及び図１５の半溶融押出成形された押出材の縦横比は、２以下に制御される。特に、図１５の０．００１〜３０ｗｔ％酸化カルシウム（ＣａＯ）の添加下で半溶融押出成形されたマグネシウムの棒の縦横比は、中央、中間及び外郭それぞれで１．５程度で殆ど均一である。これによって、０．００１〜３０ｗｔ％の酸化カルシウム（ＣａＯ）の添加下で半溶融押出されたマグネシウムの棒が、酸化カルシウム（ＣａＯ）によって等方性の微細化構造に制御されながら、保護ガスの使用を抑制するかまたは使用しないことが可能である。
【００６９】
図１７は、本発明の別の実施形態による半溶融押出成形装置を示す断面図である。
図１７に示すように、本発明の別の実施形態による半溶融押出成形装置も、半溶融押出ビレット５を格納するコンテナ１２を含む。半溶融押出ビレット５は、コンテナ１２の内部で圧力を受けて、押出ダイ２０を通過するようになっている。
【００７０】
押出ダイ２０は、コンテナ１２で圧入されるビレット５を多数本に分割押出する多数の押出孔２２と、押出孔２２を通過したビレットを収容するチャンバ２４と、チャンバ２４に連通されて押出材（すなわち、チューブ）１００の外周面を形成するベアリング２６と、ベアリング２６内の中心に位置して押出チューブ１００の内周面を形成するメンドレル２８とを有する。
【００７１】
また、コンテナ１２に格納されたビレットを半溶融状態に加熱維持するためのヒータ３０が設けられる。ヒータ３０は、コンテナ１２に内設され、コイル形状に配置されている。したがって、ヒータ３０で発生した熱はコンテナ１２内部の温度を上昇させて、ビレットを半溶融状態に維持する。
【００７２】
ヒータ３０によって加熱されたコンテナ１２の内部側ビレットの温度は、温度センサ４０によって感知される。温度センサ４０は、ステム１０に設けられるかコンテナ１２側に設けられてもよい。
【００７３】
温度センサ４０によって感知された測定温度（Ｔ）と設定温度（Ｔ0）とを比べてヒータ３０のオン（ｏｎ）／オフ（ｏｆｆ）動作を制御するために、制御部５０が具備される。制御部５０は温度センサ４０とヒータ３０に電気的に連結されている。
【００７４】
図１８は、本発明による半溶融押出成形方法のうち等温維持方法を示すフローチャートである。
先ず、温度センサ４０で押出ビレット５の温度を検出する（Ｓ１０）。ビレット５がコンテナ１２に投入されるとき、半溶融状態にあることが好ましい。ここで、半溶融状態とは、固相と液相の中間形態を意味する。
【００７５】
このとき、温度センサ４０で感知されたビレットの測定温度（Ｔ）は制御部５０に送信され、制御部５０は、感知された測定温度（Ｔ）と設定温度（Ｔ0）とを比べる（Ｓ１２）。
【００７６】
もし、測定温度（Ｔ）が設定温度（Ｔ0）より高ければ、制御部５０はヒータ３０をオフ（ｏｆｆ）動作させて（Ｓ１４）、ビレットが液相に変化することを予め防止する。
一方、制御部５０は、測定温度（Ｔ）が設定温度（Ｔ0）より低ければ、制御部５０はヒータ３０をオン（ｏｎ）動作させて（Ｓ１６）、ビレットが固相に変化することを予め防止する。
【００７７】
このように、本発明は、温度センサ４０で温度を感知してヒータ３０を作動させることで、ビレットを半溶融状態に維持した状態で押出する。これによって、ビレットが押出孔２２を通過しながら分割された部分がベアリング２６とメンドレル２８を通過しながら半溶融状態に再融合されて、接合ラインが無くなる。
【００７８】
このとき、ビレットがアルミニウムである場合、半溶融押出温度が６３０℃〜６５０℃を維持すると、溶接線のない、すなわち継ぎ目のない押出材チューブが製作されることを確認した。
【００７９】
図１９は、本発明による図１７及び図１８に示された装置及び方法によって製造された押出材チューブの接合部の顕微鏡写真である。
図１９の顕微鏡写真に示すように、溶接線が発見されず、耐圧試験や拡管時に破壊を防止することができる。
【００８０】
本発明は、アルミニウムの他にもシームレスチューブ（ｓｅａｍｌｅｓｓ  ｔｕｂｅ）によく用いられるＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉなどにも適用可能である。
このように、継ぎ目のない押出材（チューブ）の製造方法によって、全体製品の機械的特性が均一になり、よって、製品設計の自由度を高めるようになる。また、耐圧と拡管及びベンディングはもちろん、一般機械物（構造物）の場合にもより高い特性を具現することができる。したがって、シーム（ｓｅａｍ）部位の低い特性のために厚くしなければならなかったことに対して、より薄型で軽量性を具現することができる。さらに、既存の単純な継ぎ目のない押出に比べて、複雑な形状のプロファイル押出も可能になる。
以上で説明したものは本発明による半溶融押出成形装置及びその方法を実施するための一つの実施形態に過ぎないものであって、本発明は上記の実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲で請求するように本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば誰でも様々な変更実施が可能な範囲まで本発明の技術的精神がある。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態による半溶融押出成形装置を概略的に示す側面図である。
【図２】本発明による半溶融押出成形装置のコンテナなどを示す拡大断面図である。
【図３】本発明による半溶融押出成形装置のダイリング及びダイ本体を示す結合斜視図である。
【図４】本発明による半溶融押出成形装置のダイリング、ダイ本体及びダイ本体支持台を示す分解斜視図である。
【図５】本発明による半溶融押出成形装置における設置位置であって押出材の部位別温度測定のための熱電対の設置位置を示す図である。
【図６】本発明による半溶融押出成形装置において、押出材の各部位での時間‐温度偏差を示すグラフである。
【図７】本発明による半溶融押出成形方法を示すフローチャートである。
【図８】従来技術と本発明によるアルミニウム合金押出材の最大押出圧力を示すグラフである。
【図９】従来技術と本発明によるマグネシウム合金押出材の最大押出圧力を示すグラフである。
【図１０】従来技術と本発明によるアルミニウム合金押出材の断面を示す組職写真である。
【図１１】従来技術と本発明によるマグネシウム合金押出材の断面を示す組職写真である。
【図１２】本発明による半溶融押出成形装置に投入される添加剤が添加されたマグネシウム合金の大気雰囲気での発火温度を示すグラフである。
【図１３】熱間押出成形されたマグネシウム合金押出材を示す組職写真である。
【図１４】本発明によって半溶融押出成形されたマグネシウム合金押出材を示す組職写真である。
【図１５】添加剤が添加された半溶融押出成形されたマグネシウム合金押出材を示す組職写真である。
【図１６】図１３〜図１５に示された各押出材の断面での結晶粒に対する縦横比を示すグラフである。
【図１７】本発明の別の実施形態による半溶融押出成形装置を示す断面図である。
【図１８】本発明による半溶融押出成形方法のうち等温維持方法を示すフローチャートである。
【図１９】図１７に示された本発明による装置によって製造されたチューブの接合部の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００８２】
１１０ コンテナ
１１１ 第１の貫通孔
１１２ ヒータ
１２０ ステム
１３０ ダイリング
１３１ 第２の流出入孔
１３２ 第３の流出入孔
１４０ ダイ本体
１４１ 第２の貫通孔
１４２ 第１の熱電対挿入孔
１４３ 第２の熱電対挿入孔
１４４ 第１の流出入孔
１５０ ダイ本体支持台
１５１ 第４の流出入孔
１６０ ダイ平衡支持台
１７０ 冷却部
２００ ビレット
２１０ 押出材
【図１】
2011511711.tif 000003
【図２】
2011511711.tif 000004
【図３】
2011511711.tif 000005
【図４】
2011511711.tif 000006
【図５】
2011511711.tif 000007
【図６】
2011511711.tif 000008
【図７】
2011511711.tif 000009
【図８】
2011511711.tif 000010
【図９】
2011511711.tif 000011
【図１２】
2011511711.tif 000012
【図１６】
2011511711.tif 000013
【図１８】
2011511711.tif 000014
【図１０】
2011511711.tif 000015
【図１１】
2011511711.tif 000016
【図１３】
2011511711.tif 000017
【図１４】
2011511711.tif 000018
【図１５】
2011511711.tif 000019
【図１７】
2011511711.tif 000020
【図１９】
2011511711.tif 000021
【国際調査報告】
2011511711.tif 000022
2011511711.tif 000023