(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボに入れた半凝固金属スラリーを冷却して温度を測定し冷却曲線を作成する工程と、得られた冷却曲線から変曲点を探すことで変態点を特定する工程と、成分別に変態点から目標固相率までの冷却時間と変態点温度との相関をマップで準備しておき、このマップで変態点温度に対応する前記冷却時間を定める工程と、定まった冷却時間に到達するまで冷却を実施する工程と、からなり、これらの工程群をルツボに入れた半凝固金属スラリーの冷却開始から終了まで間に実施することで固相率を目標固相率に合致させることを特徴とする半凝固金属スラリーの固相率管理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半凝固金属スラリーの固相率管理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金などの金属の溶湯をダイカスト装置に供給し、高圧で鋳込み、巣のない品質の良い鋳物を得るダイカスト法は大いに普及している。従来は完全に溶解した溶湯を用いていたが、金型の傷みを抑えることができることやニアネットシェイプ成形に適していると言うことで固液共存状態の半凝固金属スラリーを用いたダイカストが注目をあびている。
【０００３】
完全に溶解した溶湯を用いるときは問題とならぬが、半凝固金属スラリーを用いるときには固液の割合を表わす固相率の管理が必要となる。固相率の管理に係る発明には、例えば特開平５−２００５２３号公報「ダイカスト法」が提案されている。同公報の図１は横軸が温度、縦軸が固相率であるグラフであり、目標固相率が決まれば、同グラフから温度を求めることができる。同公報に記載される発明では、素材を加熱しながら固相線温度を実測し、この実測した固相線温度に基づいて加工開始温度を修正するというものである。
すなわち、上記公報の技術は、温度で固相率を管理するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は半凝固金属スラリーの冷却曲線図であり、横軸は時間、縦軸はスラリーの温度を表わし、アルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＤＣ１２）を攪拌しつつ強制冷却すると変態点Ｐｔまでは温度が急激に低下するが、変態点Ｐｔ以降は温度が殆ど下がらぬことが分かった。そして、変態点Ｐｔから１１０ｓ（秒）経過した点をＰ1、同１２８ｓ経過した点をＰ2、同１５４ｓ経過した点をＰ3とし、Ｐ1〜Ｐ3での固相率を調べたところ、Ｐ1で３７％、Ｐ2で４１％、Ｐ3で４４％であることが分かった。
【０００５】
とすれば、ある成分の半凝固金属スラリーでは、温度で固相率を管理することは困難若しくは管理精度を維持することは困難であるといえる。
そこで、本発明の目的は温度で固相率を管理する手法に代わる新たな固相率の管理法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、ルツボに入れた半凝固金属スラリーを冷却して温度を測定し冷却曲線を作成する工程と、得られた冷却曲線から変曲点を探すことで変態点を特定する工程と、成分別に変態点から目標固相率までの冷却時間と変態点温度との相関をマップで準備しておき、このマップで変態点温度に対応する冷却時間を定める工程と、定まった冷却時間に到達するまで冷却を実施する工程と、からなり、これらの工程群をルツボに入れた半凝固金属スラリーの冷却開始から終了まで間に実施することで固相率を目標固相率に合致させることを特徴とする。
【０００７】
ルツボに入れた半凝固金属スラリーの成分（許容される変動を含む成分）は既知であることを前提とし、許容される変動の範囲で冷却時間と変態点温度との相関マップを準備する。そして、冷却開始からの冷却曲線を監視し、曲線から変曲点を探し、得られた変曲点を変態点と見なし、変態点温度を前記相関マップに照らし合せることで、冷却終了時間を求め、これに基づいて冷却を終了する。
変態点以降は温度管理ではなく、時間管理で冷却を終了するため、冷却温度変化の小さな領域であっても精度のよい固相率管理が行える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明方法を実施するときに用いるダイカスト装置の原理図であり、ダイカスト装置１０では、固定盤１１に取付けた固定金型１２へ、可動盤１３に取付けた可動金型１４を合せ、型締めシリンダ１５で型締めし、固定金型１２に連続させたスリーブ１６へ注入口１７を介してルツボ１８から半凝固金属スラリー１９を所定量注入する。そして、射出シリンダ２１にてプランジャ２２を高速で前進させることで、半凝固金属スラリー１９をキャビティ２３へ射出することで、ダイカストを実施する。この際にルツボ１８はロボット２４にて次に述べるルツボ置き台から注入口１７まで迅速に移動する。
【０００９】
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係るルツボ置き台の原理図である。
（ａ）において、ルツボ置き台３０は、ロボット２４でハンドリングするルツボ１８を載せて冷却する専用の台であり、底フレーム３１にルツボ１８を収納する側壁３２を立て、且つ底フレーム３１に熱電対２９を備えたものである。
【００１０】
（ｂ）は（ａ）の要部拡大図であり、熱電対２９を次に述べる熱電対付勢機構３３を介して底フレーム３１に取付けたことを特徴とする。
すなわち、熱電対付勢機構３３は、底フレーム３１に開けた孔３４に鍔付き第１円筒３５及びこの第１円筒３５より大径の第２円筒３６を収納しておき、第１・第２円筒３５，３６間に上からアウタスプリング３７を落し込み、このアウタスプリング３７に十分に長い鍔付き第３円筒３８をその鍔がアウタスプリング３７に載るようにして差込み、この鍔付き第３円筒３８に熱電対２９より僅かに大径の孔を開けたボス３９を一体的に取付け、この様な鍔付き第３円筒３８に下からコマ４１を備えた熱電対２９を挿入し、コマ４１に向ってインナスプリング４２を挿入し、このインナスプリング４２の抜け止めの為にプラグ４３を鍔付き第３円筒３８の下部開口にねじ又は嵌合で取付ける。
【００１１】
この結果、アウタスプリング３７の押上げ作用とプラグ４３のスットパ作用とで第３円筒３８の突出し代が決まる。加えて、インナスプリング４２の押し上げ作用でボス３９からδだけ、熱電対２９の先端（上端）が露出する。
【００１２】
また、（ａ）においてルツボ１８は、底板４５に断熱材４６を被せ、この断熱材４６を外箱４７で囲う断熱構造にするとともに、熱電対に対応する箇所に検出孔４８を開け、下から底板４５が臨めるようにしておく。
【００１３】
図３（ａ），（ｂ）は図２（ａ），（ｂ）の作用図である。
（ａ）はルツボ置き台３０にルツボ１８を載せた状態を示し、攪拌羽根４９，４９を半凝固金属スラリー１９に投入して攪拌をすることで、半凝固金属スラリー１９の冷却を促す。
（ｂ）は（ａ）の要部拡大図であり、ルツボの底板４５で押し下げられるため熱電対２９、ボス３９及び鍔付き第３円筒３８がアウタスプリング３７の押し上げ力に抗して下降する。しかし、アウタスプリング３７の押上げ作用によりボス３９がルツボの底板４５を押すことには変わりない。加えて、熱電対２９はインナスプリング４２の押上げ作用により、ルツボ１８の底板４５を押すため、熱電対２９が底板４５から離れることはない。
【００１４】
図３（ｂ）の状態から、仮にルツボ１８の底板４５が若干浮き上がったとしても、アウタスプリング３７及びインナスプリング４２の押上げ作用で、浮き上がりに追従させることができ、熱電対２９をルツボ１８の底板４５に常に接触させることができる。
【００１５】
以上に述べたルツボ１８及びルツボ置き台３０を用いた本発明方法を次に説明する。
表１は、アルミニウム合金のダイカストのよく用いるＪＩＳ  ＡＤＣ１２の成分表である。
【００１６】
【表１】
0004726164.tif 000002
【００１７】
ＪＩＳ  ＡＤＣ１２はＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金と称するもので、Ａｌをベースとし、９．６〜１２．０％のＳｉ及び１．５〜３．５％のＣｕを主として含めた合金である。ＳｉやＣｕその他の成分が許容範囲内で変化すれば、冶金的特性は変化する。
【００１８】
図４はアルミニウム合金の成分変動と特性の変化を調べたグラフであり、横軸を時間、縦軸を温度として、ＡＤＣ１２の半凝固金属スラリーを攪拌冷却したところ、合金成分の上限から下限でグラフに示す通りの広がりが認められ、変態点の出現温度及び時間、や５０％固相率の出現温度及び時間が、かなり変動することが分かった。
本発明は、固相率の管理を単なる温度を指標とする方法や、単なる時間を指標とする方法では、図の変動（変動幅）に追従し得ないので、これにも十分追従し得る制御方法を確立することにある。
【００１９】
図５は本発明方法の好適フロー図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：まず、制御開始時間Ｔｓをインプットする。合金種（例えばＡＤＣ１２）が決まっていれば、図４のようなカーブを得ることができる。そこで、変態点から固相率までの間の適当位置に、人為的にＴｓを定め、このＴｓを後に使用することにする。これがこのステップを設けた理由である。
ＳＴ０２：ルツボに満たした半凝固金属スラリーを攪拌する（図３（ａ）参照）。
ＳＴ０３：熱電対で計測したスラリー温度を読み込む。
ＳＴ０４：冷却開始からの経過時間Ｔｉｍｅが、ＳＴ０１で定めたＴｓに達するまで攪拌冷却を継続し、スラリー温度の読み込みを続ける。経過時間ＴｉｍｅがＴｓに達したら、ＳＴ０５に進む。
【００２０】
図６は本発明方法に係る途中までの冷却曲線図であり、半凝固金属スラリーの温度は時間と共に下がるが、横軸でＴｓ及びその直前では下がり方が極端に遅いことを示す。そこで、横軸のＴｓから矢印▲１▼のごとく延ばして曲線に交わった点から、矢印▲２▼のごとく曲線上の直線部分Ｌを特定し、この直線部分Ｌから曲線部に変化する点、すなわち変曲点を見出し、矢印▲３▼のごとくこの点の温度Ｐｔを求める。この温度は変態点に相当する。
【００２１】
図５に戻って、ＳＴ０５で図６の要領で冷却曲線から変態点Ｐｔを推定する。
【００２２】
ところで例えばＡＤＣ１２において、前記表１に示す通りにＣｕやＳｉの成分が大きく変動することは許容されている。ＣｕやＳｉの成分の大小により、同一の合金種でありながら、冷却速度、変態点（温度、時間）、固相率が微妙に変化することは図４で説明した通りである。
そこで、許容される変動幅において冷却速度、変態点（温度、時間）及び固相率の変化を調べたものを次図で説明する。
【００２３】
図７は成分の変化に伴なうＰｔ後の冷却時間の変化を調べたグラフであり、ＡＤＣ１２において、最も冷却速度が小さいかった冷却曲線をＧ１、最も冷却速度が大きかった冷却曲線をＧ３、それらの中間冷却速度の冷却曲線をＧ２としたときに、曲線Ｇ１では変態点ＰｔからＴｆ１経過したときに固相率が５０％に達し、同様に曲線Ｇ３では変態点ＰｔからＴｆ２経過したときに固相率が５０％に達し、曲線Ｇ３では変態点ＰｔからＴｆ３経過したときに固相率が５０％に達したこととを示す。これらＴｆ１〜Ｔｆ３は各々異なるが、成分が定まれば一義的に決まるものでもある。これらＴｆ１〜Ｔｆ３を多数求めてプロットしたのが次図のグラフである。
【００２４】
図８は本発明で用いるＰｔ後の冷却時間Ｔｆを求めるマップのイメージ図であり、合金種（例えばＡＤＣ１２）ごとに、温度とＰｔ後の冷却時間Ｔｆとの相関プロットしたものである。このマップにより、変態点Ｐｔに対応する冷却時間Ｔｆを定めることができる。
【００２５】
図５に戻って、ＳＴ０６で図８を参照しつつマップから、Ｐｔに対応するＴｆ（Ｐｔ後の冷却時間）を求める。
ＳＴ０７：Ｐｔ後の冷却時間がＴｆに達したら攪拌冷却を終了し、速かにダイカストを開始する。
【００２６】
図９はＳＴ０７の補足図であり、半凝固金属スラリーの冷却曲線において、変態点Ｐｔから更にＴｆ時間だけ攪拌すれば、目的固相率（ここでは５０％）にすることができることを示す。
【００２７】
以上に述べた通り、本発明方法は、ルツボに入れた半凝固金属スラリーを冷却して温度を測定し冷却曲線を作成する工程（ＳＴ０２，０３，０４参照）と、得られた冷却曲線から変曲点を探すことで変態点を特定する工程（ＳＴ０５及び図６参照）と、成分別に変態点から目標固相率までの冷却時間と変態点温度との相関をマップ（図８参照）で準備しておき、このマップで変態点温度Ｐｔに対応する冷却時間Ｔｆを定める工程と、定まった冷却時間に到達するまで冷却を実施する工程（図９参照）と、からなり、これらの工程群をルツボに入れた半凝固金属スラリーの冷却開始から終了まで間に実施することで固相率を目標固相率に合致させることを特徴とする。
【００２８】
尚、図６において、一定時間（例えば１０秒間）毎の冷却率（下降温度÷時間）を連続的に監視し、この冷却率が予め定めた値（しきい値）に達したときに変曲点（変態点）を推定することもできる。従って、図５におけるＳＴ０１及びＳＴ０４は必須ではない。
従って、本発明方法は、図５〜図９に示した具体例に限るものではない。
すなわち、図８のマップは一例を示したに過ぎず、グラフ（アナログデータ）、テーブル（デジタルデータ）、演算式の何れでもよく、要はＰｔに対応するＴｆが一義的に求まるものであれば、形態は任意である。
【００２９】
また、本発明で扱う半凝固金属スラリーは、アルミニウム合金スラリー、マグネシウム合金スラリー、亜鉛合金スラリー、銅合金スラリー、チタン合金スラリー若しくはこれらに類する合金スラリーであれば種類は任意である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、ルツボに入れた半凝固金属スラリーの成分（許容される変動を含む成分）は既知であることを前提とし、許容される変動の範囲で冷却時間と変態点温度との相関マップを準備する。そして、冷却開始からの冷却曲線を監視し、曲線から変曲点を探し、得られた変曲点を変態点と見なし、変態点温度を前記相関マップに照らし合せることで、冷却終了時間を求め、これに基づいて冷却を終了する。
変態点以降は温度管理ではなく、時間管理で冷却を終了するため、冷却温度変化の小さな領域であっても精度のよい固相率管理が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するときに用いるダイカスト装置の原理図
【図２】本発明に係るルツボ置き台の原理図
【図３】図２（ａ），（ｂ）の作用図
【図４】アルミニウム合金の成分変動と特性の変化を調べたグラフ
【図５】本発明方法の好適フロー図
【図６】本発明方法に係る途中までの冷却曲線図
【図７】成分の変化に伴なうＰｔ後の冷却時間の変化を調べたグラフ
【図８】本発明で用いるＰｔ後の冷却時間Ｔｆを求めるマップのイメージ図
【図９】ＳＴ０７の補足図
【図１０】半凝固金属スラリーの冷却曲線図
【符号の説明】
１０…ダイカスト装置、１８…ルツボ、１９…半凝固金属スラリー、２９…熱電対、３０…ルツボ置き台、３３…熱電対付勢機構、４９…攪拌羽根、Ｐｔ…変態点（変態点温度）、Ｔｆ…変態点から目標固相率までの冷却時間。
【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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