(57)【要約】【課題】固液共存状態の金属スラリーを金型の挿入口から金型のキャビティ内に加圧充填することで金属製品を成形するセミソリッド金属の成形方法において、金属スラリーの流動性を向上させて高い成形性を得ること。【解決手段】挿入口１１とキャビティ１２との間に金属スラリーをせん断するためのせん断部１３が設けられ、せん断部１３での金属スラリーの通過時間における金属スラリーのせん断速度を「７.０×１０4／ｓ以上」とする。金属スラリーの流動方向におけるせん断部１３の長さＬ１を「５ｍｍ以上１００ｍｍ以下」とする。せん断１３が、挿入口１１から「２００ｍｍ以内」の位置に設けられる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固液共存状態の金属スラリーを金型の挿入口から金型のキャビティ内に加圧充填することにより金属製品を成形するセミソリッド金属の成形方法において、
前記挿入口と前記キャビティとの間に前記金属スラリーをせん断するためのせん断部が設けられ、
前記せん断部での前記金属スラリーの通過時間における前記金属スラリーのせん断速度を７.０×１０4／ｓ以上とすることを特徴とするセミソリッド金属の成形方法。
【請求項２】
前記金属スラリーの流動方向における前記せん断部の長さを５ｍｍ以上１００ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載のセミソリッド金属の成形方法。
【請求項３】
前記せん断部が、前記挿入口から２００ｍｍ以内の位置に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のセミソリッド金属の成形方法。
【請求項４】
前記金属スラリーは、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のセミソリッド金属の成形方法。
【請求項５】
前記金属スラリーは、マグネシウム合金であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のセミソリッド金属の成形方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載のセミソリッド金属の成形方法に用いられる金型であって、
固液共存状態の金属スラリーを挿入するための挿入口と、
前記金属スラリーが充填されるキャビティと、
前記挿入口と前記キャビティとの間に設けられ、前記挿入口から挿入された前記金属スラリーをせん断するためのせん断部と
を備えたことを特徴とする金型。
【請求項７】
前記金属スラリーの流動方向における前記せん断部の長さを５ｍｍ以上１００ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項６に記載の金型。
【請求項８】
前記せん断部が、前記挿入口から２００ｍｍ以内の位置に設けられたことを特徴とする請求項６又は７に記載の金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セミソリッド金属（固液共存状態の金属）の成形方法に係り、特に、アルミニウム及びマグネシウム合金につき、高い流動性を持たせながら金型のキャビティに充填することにより成形する、セミソリッド金属の成形方法及びその成形方法に用いられる金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セミソリッド金属を金型で成形する成形方法が知られている。この成形方法によれば、鋳造欠陥をダイカスト材に比べて著しく減少させたり、金型の抜け勾配を限りなくゼロに近付けたりすることができる。また、金型に与える熱衝撃が減少することから、金型の長寿命化を図り、型費を低減することができる。更に、成形材料の凝固収縮幅が小さくなることから、高い寸法精度が得られ、鋳造欠陥を低減することができる。
【０００３】
ここで、セミソリッド金属を成形に用いるには、固体状態の金属粒子を液体状態の金属中に分散させた固液共存状態としなければならない。また、セミソリッド金属に高い流動性を持たせるためには、粒径が小さく球形に近い固相粒子を分散させることが必要となる。しかしながら、単に固体状態の金属を固液共存温度まで加熱したり、液体状態の金属を冷却したりしても、固体と液体が分離した状態となったり、樹枝状の結晶が成長した状態となったりして、固液共存状態の金属とすることが難しい。
【０００４】
そこで、下記の特許文献１では、チクソビレットと呼ばれる特殊なビレットを用いる方法が記載され、下記の特許文献２では、ステンレスカップに注湯する際に電磁攪拌を加えるといった手段をとることにより固液共存状態の金属を作成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５２７４５号公報
【特許文献２】特開２００４−１１４１５２号公報
【特許文献３】特開平０６−１０６３２１号公報
【特許文献４】特開平０５−２６１５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に記載のチクソビレットを用いる方法では、材料のリサイクルが難しく、ビレットのコストが高くなるという欠点があった。一方、特許文献２に記載の電磁攪拌を用いる方法では、装置のコストが高く、プロセスの制御が難しいという欠点があった。
【０００７】
これらの問題を解決する方法として、上記特許文献３に記載の方法では、樹枝状結晶を持つ固液共存状態の金属を金型内に射出する際、ゲートの断面積をプランジャチップの加圧面積の１／１０以下とすることにより、ゲート部分で樹枝状結晶を破壊し、孤立した破片とし、組織を均一化するようにしている。しかしながら、金型のゲートは製品部の直前に設置するのが一般的であるため、複雑な形状の製品を作製する場合には、金型のスラリー投入口からゲートまでの距離が長くなってしまう。このため、この方法では、湯道部分で金属材料の流動性が低下してしまい、複雑な形状の湯道を作り難いといった欠点があった。
【０００８】
また、上記特許文献４に記載の方法では、固液共存状態のＡＬ系亜共晶合金がゲートを通過する際の粘度とレイノズル数を一定の範囲内で設定することにより、ガスの巻き込みや湯境の発生を防ぐようにしている。この条件では、固相粒子が微細球状化するとは限らず、流動性が向上しないため、成形性が低下するという問題があった。また、固液共存状態の金属の粘度やレイノズル数は温度の変化に伴い大きく変化することから、制御を行うのが難しいという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、固液共存状態の金属スラリーを金型の挿入口から金型のキャビティ内に加圧充填することにより金属製品を成形するセミソリッド金属の成形方法において、金属スラリーの流動性を向上させて高い成形性を得ることを可能としたセミソリッド金属の成形方法及び金型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、固液共存状態の金属スラリーを金型の挿入口から金型のキャビティ内に加圧充填することにより金属製品を成形するセミソリッド金属の成形方法において、挿入口とキャビティとの間に金属スラリーをせん断するためのせん断部が設けられ、せん断部での金属スラリーの通過時間における金属スラリーのせん断速度を７.０×１０4／ｓ以上とすることを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、せん断部での金属スラリーの通過時間における金属スラリーのせん断速度を７.０×１０4／ｓ以上とするので、金属スラリーに加わるせん断応力が増加し、金属スラリー中の固相粒子が微細化及び球状化される。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、金属スラリーの流動方向におけるせん断部の長さを５ｍｍ以上１００ｍｍ以下としたことを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、金属スラリーの流動方向におけるせん断部の長さを５ｍｍ以上１００ｍｍ以下としたので、金属スラリー中の固相粒子の平均粒径が所定値まで小さくなる。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、せん断部が、挿入口から２００ｍｍ以内の位置に設けられたことを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、せん断部が、挿入口から２００ｍｍ以内の位置に設けられるので、せん断部を持たない条件での金属スラリーの最低流動長と同程度の位置となり、最低流動長よりも流動長を延ばすことが可能となる。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、金属スラリーは、アルミニウム合金であることを趣旨とする。
【００１７】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、金属スラリーをアルミニウム合金に特定した作用が得られる。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、金属スラリーは、マグネシウム合金であることを趣旨とする。
【００１９】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、金属スラリーをマグネシウム合金に特定した作用が得られる。
【００２０】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載のセミソリッド金属の成形方法に用いられる金型であって、固液共存状態の金属スラリーを挿入するための挿入口と、金属スラリーが充填されるキャビティと、挿入口とキャビティとの間に設けられ、挿入口から挿入された金属スラリーをせん断するためのせん断部とを備えたことを趣旨とする。
【００２１】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明のセミソリッド金属の成形方法に好適な金型が得られる。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、金属スラリーの流動方向におけるせん断部の長さを５ｍｍ以上１００ｍｍ以下としたことを趣旨とする。
【００２３】
上記発明の構成によれば、請求項２に記載の発明のセミソリッド金属の成形方法に好適な金型が得られる。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発明において、せん断部が、挿入口から２００ｍｍ以内の位置に設けられたことを趣旨とする。
【００２５】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明のセミソリッド金属の成形方法に好適な金型が得られる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、固液共存状態の金属スラリーの流動性を向上させることができ、高い成形性を持たせることができ、これによって複雑な形状を持つ高品質の金属製品を作製することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、金属スラリーの流動性を有効に向上させることができ、作製される金属製品の品質を向上させることができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、金属スラリーの成形性を有効に向上させることができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、金属スラリーをアルミニウム合金に特定した金属製品を得ることができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、金属スラリーをマグネシウム合金に特定した金属製品を得ることができる。
【００３１】
請求項６に記載の発明によれば、この金型を使用することにより、請求項１に記載の発明の効果を得ることができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明によれば、この金型を使用することにより、請求項２に記載の発明の効果を得ることができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、この金型を使用することにより、請求項３に記載の発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１実施形態に係り、成形用金型につき型閉め状態の概略を示す断面図。
【図２】同実施形態に係り、せん断部を拡大して示す断面図。
【図３】同実施形態に係り、金属スラリーのせん断速度とその流動長との関係を示すグラフ。
【図４】同実施形態に係り、（ａ）は射出前の金属スラリーを示す組織写真、（ｂ）はせん断速度「７．４×１０5／ｓ」の条件下の金属スラリーを示す組織写真、（ｃ）はせん断速度「１．２×１０4／ｓ」の条件下の金属スラリーを示す組織写真。
【図５】同実施形態に係り、図２におけるせん断部の始点から「１.０ｍｍ」の位置における金属スラリーを示す組織写真。
【図６】同実施形態に係り、図２におけるせん断部の始点から「５.０ｍｍ」の位置における金属スラリーを示す組織写真。
【図７】同実施形態に係り、せん断部にて凝固した金属スラリー中に含まれる固相粒子の平均粒径と円形度の計算結果を示すグラフ。
【図８】第２実施形態に係り、成形用金型につき型閉め状態の概略を示す断面図。
【図９】第３実施形態に係り、せん断速度と固相粒子の平均粒径と円形度の計測結果を示すグラフ。
【図１０】同実施形態に係り、（ａ）〜（ｃ）は異なるせん断速度における平板試験片を示す外観写真。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
＜第１実施形態＞
以下、本発明におけるセミソリッド金属の成形方法及び金型を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００３６】
図１に、この実施形態における成形用金型１につき型閉め状態の概略を断面図により示す。図１に示すように、この成形用金型１は、型閉め及び型開きが行われる第１の型２及び第２の型３を備える。成形用金型１は、固液共存状態の金属スラリー（セミソリッド金属）を挿入するための挿入口１１と、金属スラリーが充填されるキャビティ１２と、挿入口１１とキャビティ１２との間に設けられ、挿入口１１から挿入された金属スラリーをせん断するためのせん断部１３とを備える。この実施形態では、金属スラリーとしてアルミニウム合金が使用される。
【００３７】
挿入口１１には、成形用金型１に対して金属スラリーを供給するためのスリーブ４が設けられる。スリーブ４の投入口４ａから投入された金属スラリーＭＳは、プランジャー５により圧縮されることで、成形用金型１の挿入口１１に挿入される。投入口４ａに投入される金属スラリーＭＳは、固液共存状態の金属、すなわち固相粒子状態の金属と、液相状態の金属とを混ぜ合わせた金属である。
【００３８】
せん断部１３は、キャビティ１２のゲートとしても機能するようになっている。キャビティ１２と挿入口１１は、せん断部１３を介して連通した構造となっている。固液共存状態の金属スラリーＭＳは、挿入口１１から成形用金型１に供給され、せん断部１３を通ってキャビティ１２に加圧充填される。キャビティ１２に充填された金属スラリーＭＳが完全に凝固したのち、成形用金型１を型開きすることにより、成形された金属製品が得られる。
【００３９】
ここで、せん断部１３は、図１に示すように、挿入口１１からの距離Ｄ１が「２００ｍｍ以内」となる位置に設けられる。すなわち、挿入口１１の終端からせん断部１３の終端までの距離Ｄ１が、最大で「２００ｍｍ」となるように設定される。
【００４０】
図２に、図１の鎖線四角Ｓ１の部分を拡大して断面図により示す。図２に示すように、せん断部１３は、同図に矢印で示す金属スラリーの流動方向に沿って一定の長さＬ１を有する。せん断部１３は、その長手方向において、金属スラリーの流動方向に垂直な断面積が相対的に小さく絞られ、その長さＬ１の範囲で断面積がほぼ同じとなるように設定される。せん断部１３には、その始点Ｐｓに隣接して導入路１４が形成される。導入路１４は、金属スラリーの流動方向に沿って徐々に断面積が小さくなるように形成される。せん断部１３には、その終点Ｐｅに隣接して導出路１５が形成される。導出路１５は、金属スラリーの流動方向に沿って徐々に断面積が大きくなるように形成される。せん断部１３の長さＬ１は「５ｍｍ以上１００ｍｍ以下」の値に設定される。この実施形態では、せん断部１３の長さＬ１は「６ｍｍ」に設定される。
【００４１】
この実施形態では、固液共存状態の金属スラリーを成形用金型１の挿入口１１から同金型１のキャビティ１２内に加圧充填することにより金属製品を成形するセミソリッド金属の成形方法が実施される。ここで、成形用金型１において、せん断部１３での金属スラリーの通過時間における金属スラリーのせん断速度を「７.０×１０4／ｓ以上」とするようにしている。このせん断速度の調整は、プランジャー５による射出速度、挿入口１１の断面積、導入路１４の最大断面積及びせん断部１３の断面積等を適宜に設定することにより行われる。これにより、成形用金型１に供給される金属スラリーに対しせん断部１３にてせん断力を与え、金属スラリーの中の固相粒子を分断して微細化すると共に、球状化するようにしている。
【００４２】
ここで、金属スラリーのせん断速度を「γ」、金属スラリーの体積流量を「Ｑ」、せん断部１３の幅を「Ｂ」及びせん断部１３の厚さを「Ｈ」とすると、ＪＩＳ規格の「Ｋ７１９９」を引用することにより、せん断速度γは、以下の計算式により定義することができる。
γ＝６Ｑ／ＢＨ２
【００４３】
ここで、この実施形態の成形用金型１と基本構造を同じくする実験用の成形用金型を使用して、一定の射出圧力（充填圧力）の下でせん断部における金属スラリーのせん断速度を変化させたときの、金属スラリーの流動長を実験的に測定した。この実験では、スパイラル状のキャビティ内に「ＡＣ４ＣＨ合金」を加圧充填した。キャビティ内への金属スラリーの射出速度（充填速度）を異なる２条件に設定して実験を行った。２条件の射出速度として「０．１ｍ／ｓ」と「０．３５ｍ／ｓ」を設けた。また、各射出速度条件において、せん断部の断面積を大小４種類設けることでせん断速度を設定した。その測定結果を図３に示す。図３には、金属スラリーのせん断速度とその流動長との関係をグラフにより示す。
【００４４】
図３に示すように、せん断速度が「７.０×１０4／ｓ以下」では、せん断速度の増加に伴い流動長が低下している部分がある。これは、せん断部におけるせん断速度が十分に高くない場合に、せん断部の存在が流動抵抗となるためであると考えられる。一方、せん断速度が「７.０×１０4／ｓ以上」では、せん断速度の増加に伴い流動長が増加する。このことから、せん断部におけるせん断速度を「７.０×１０4／ｓ以上」とすることで、金属スラリーの流動性を向上させられることが分かる。つまり、せん断部における金属スラリーのせん断速度の上昇に伴い、金属スラリーの流動性を向上させることができる。
【００４５】
また、せん断部を持たない成形用金型を使用した場合、金属スラリーの流動長は、最低で「２００ｍｍ」となった。このため、せん断部を有する成形用金型では、金属スラリーの流動長が伸びる傾向にあることから、せん断部を、挿入口から「２００ｍｍ以内」に設けることが適切であると考えられる。本実施形態の成形用金型１では、挿入口１１からの距離Ｄ１が「２００ｍｍ以内」となる位置に、せん断部１３が設けられる。
【００４６】
図４（ａ）に、射出前の金属スラリー（せん断部を通過する前の金属スラリー）を組織写真により示す。図４（ｂ）に、せん断速度「７．４×１０5／ｓ」の条件下の金属スラリーを組織写真により示す。図４（ｃ）に、せん断速度「１．２×１０4／ｓ」の条件下の金属スラリーを組織写真により示す。図４（ａ）〜（ｃ）の各組織写真の中の白色に写る部分は、金属スラリー中の固相粒子を示す。図４（ａ）に示す射出前の金属スラリーの組織写真を、図４（ｂ）に示すせん断速度「７．４×１０5／ｓ」の条件下の組織写真と比較すると、後者では固相粒子の粒径が小さく、粒子の形状もより球状化していることが分かる。また、図４（ｂ）に示すせん断速度「７．４×１０5／ｓ」の条件下の組織写真を、図４（ｃ）に示すせん断速度「１．２×１０4／ｓ」の条件下の組織写真と比較すると、前者では固相粒子の粒径が小さく、粒子の形状もより球状化していることが分かる。このことから、せん断速度の増加により固相粒子の粒径がより小さく、より球状化することが分かる。つまり、金属スラリー中の固相粒子は、せん断速度の上昇に伴い微細化及び球状化が進むことになる。これは、以下の理由による。すなわち、金属スラリーは、せん断部を通過するときにせん断方向に応力を受ける。一方、金属スラリーは、固液共存温度にあることから、その中の固相粒子は容易に変形することができる。従って、金属スラリーは、せん断部を通過するときにせん断応力を受けて固相粒子が変形及び分裂する。このため、金型にせん断部を設けることで、金属スラリー中の固相粒子が微細化及び球状化するのである。これによって、金属スラリーの粘性が低下すると考えられる。図３のグラフからも分かるように、金属スラリーのせん断速度が増すに連れて金属スラリーの流動性が向上するのは、上記した粘性低下によるものと推測できる。
【００４７】
図５及び図６に、この実施形態の成形用金型１につき、せん断部１３の異なる位置における金属スラリーの状態をそれぞれ組織写真により示す。図５は、図２におけるせん断部１３の始点Ｐｓから「１.０ｍｍ」の位置Ｐ１における金属スラリーの組織写真を示す。図６は、図２におけるせん断部１３の始点Ｐｓから「５.０ｍｍ」の位置Ｐ２における金属スラリーの組織写真を示す。図５，６の各組織写真の中の白色に写る部分は、金属スラリー中の固相粒子を示す。図５，６から分かるように、金属スラリーがせん断部１３を通過するに連れて、固相粒子が微細化すると共に、球状化することが分かる。
【００４８】
図７に、せん断部１３にて凝固した金属スラリー中に含まれる固相粒子の平均粒径と円形度の計算結果をグラフにより示す。図７において、固相粒子の断面積を「Ａ」、周囲長を「Ｌ」としたとき、粒径「ｄ」は、ｄ＝２×（Ａ／π）0.5として、円形度「Ｒ」は、Ｒ＝Ｌ2／（４πＡ）として求められる。組織写真中の各固相粒子について粒径「ｄｉ」、円形度「Ｒｉ」、断面積「Ａｉ」を求めると、平均粒径「ｄｓ」は、ｄｓ＝ΣｄｉＡｉ／ΣＡｉ、平均円形度「Ｒｓ」は、Ｒｓ＝ΣＲｉＡｉ／ΣＡｉとして求められる。ここで、図７に示すように、金属スラリーのせん断速度が「１.６×１０5／ｓ」となる場合では、固相粒子の円形度及び平均粒径は、せん断部１３の始点Ｐｓ（入口）から「２．５ｍｍ」付近より離れるに連れて低下し、徐々に微細化及び球状化が進み、さらに始点Ｐｓ（入口）から「４.５ｍｍ」離れることで、ほぼ一定となることが分かる。このようなことから、せん断部１３の長さＬ１を「５ｍｍ以上」とすることで、金属スラリーの固相粒子が微細化及び球状化することが分かる。一方、図７に示すように、せん断速度が「４.７×１０4／ｓ」となる場合では、固相粒子の円形度及び平均粒径の、せん断部１３における減少量は、せん断速度が「１.６×１０5／ｓ」となる場合に比べて小さくなることが分かる。このため、金属スラリーにせん断力を加えることによる、固相粒子の微細化及び球状化の効果は小さくなる。
【００４９】
ここで、せん断部１３の長さＬ１は、「１００ｍｍ以下」とするのが良い。金型１のキャビティ１２に対する金属スラリーの充填時間の計算式の一つである「Bennettの式」を用いると、キャビティ１２への金属スラリー最大充填時間「ｔ」は、次式で表される。
ｔ＝０.７×ρ×ｘ2×｛ｑ＋Ｃ×（Ｔｍ−Ｔｓ）｝／｛λ×（Ｔｍ−Ｔｄ）｝
ここで、「λ」は、金属スラリーの熱伝導率（Ｗ／ｍｋ）である。「ｑ」は、金属スラリーの凝固潜熱（Ｊ／ｌｇ）である。「Ｃ」は、金属スラリーの比熱（Ｊ／ｋｇＫ）である。「ρ」は、溶湯の密度（ｋｇ／ｍ3）である。「Ｔｍ」は、金属スラリーの温度（Ｋ）である。「Ｔｓ」は、固相線温度（Ｋ）である。「Ｔｄ」は、金型表面の温度（Ｋ）である。「ｘ」は、成形体の肉厚の半分（ｍ）である。せん断部１３の厚さを「２ｍｍ」とした場合、最大充填時間ｔは「８.６ｍｓ」程度となる。このとき、せん断部１３を流れる金属スラリーの速度を「６０ｍ／ｓ」とすると、金属スラリーはせん断部１３の中を「５２０ｍｍ」程度流動することができる。せん断部１３の部分で固まる金属スラリーは、成形後に製品の一部とはならないので、歩留まりを考慮すると、せん断部１３として利用できる長さは、「２０％」程度が限界である。このため、せん断部１３の長さＬ１は「１００ｍｍ」程度が上限となる。
【００５０】
以上説明したこの実施形態におけるセミソリッド金属の成形方法によれば、せん断部１３での金属スラリーの通過時間における金属スラリーのせん断速度を「７.０×１０4／ｓ以上」とするので、金属スラリーに加わるせん断応力が増加し、金属スラリー中の固相粒子が微細化及び球状化される。このため、固液共存状態の金属スラリーの流動性を向上させることができ、高い成形性を持たせることができ、これによって複雑な形状を持つ高品質の金属製品を作製することができる。
【００５１】
この実施形態では、金属スラリーの流動方向におけるせん断部１３の長さＬ１を「５ｍｍ以上１００ｍｍ以下」としたので、金属スラリー中の固相粒子の平均粒径が所定値まで小さくなる。このため、金属スラリーの流動性を有効に向上させることができ、作製される金属製品の品質を向上させることができる。
【００５２】
この実施形態では、せん断部１３が、挿入口１１からの距離Ｄ１が「２００ｍｍ以内」の位置に設けられるので、せん断部を持たない条件での金属スラリーの最低流動長と同程度の位置となり、最低流動長よりも流動長を延ばすことが可能となる。このため、金属スラリーの成形性を有効に向上させることができる。
【００５３】
また、この実施形態の成形用金型１によれば、金属スラリーのための挿入口１１と、金属スラリーが充填されるキャビティ１２と、挿入口１１とキャビティ１３との間に設けられ、挿入口１１から挿入された金属スラリーをせん断するためのせん断部１３とを備えるので、上記したセミソリッド金属の成形方法に好適な適用することができる。
【００５４】
上記したこの実施形態の成形方法によれば、成形用金型１のせん断部１３において、固相粒子を微細化及び球状化できることから、固液共存状態の金属（セミソリッド金属）を成形するプロセスの制御が簡単となり、高コストな装置が不要となる。また、成形用金型１において、せん断部１３を、挿入口１１とキャビティ１２との間であって挿入口１１の近傍に設けたので、複雑な形状のランナー（湯道）があるような方案であっても、高い流動性を持った状態で金属製品を成形することが可能となる。さらに、せん断部１３の長さＬ１を「５ｍｍ以上」とすることにより、固相粒子を確実に微細化及び球状化することが可能となる。加えて、せん断速度は金属スラリーの流量とせん断部１３の形状から計算することが可能となるので、成形プロセスの制御が容易となる。
【００５５】
＜第２実施形態＞
次に、本発明におけるセミソリッド金属の成形方法及び金型を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００５６】
なお、この第２実施形態において、第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。
【００５７】
図８に、この実施形態における成形用金型１０につき型閉め状態の概略を断面図により示す。この実施形態では、せん断部１３とキャビティ１２との間に、金属スラリーの流れを整えるための調整ランナー２１が設けられる点で、第１実施形態の成形用金型１と構成が異なる。この調整ランナー２１の長さや、そこを通過する金属スラリーのせん断速度については、最適な値に任意に設定することができる。また、調整ランナー２１の末端には、キャビティ１２との境目にゲート２２が設けられる。
【００５８】
図８において、ゲート２２は、挿入口１１からの距離Ｄ２が「２００ｍｍ以内」となる位置に設けられる。すなわち、挿入口１１の終端からゲート２２の終端までの距離Ｄ２が、最大で「２００ｍｍ」となるように設定される。
【００５９】
従って、この実施形態の成形用金型１０を使用して上記したセミソリッド金属の成形方法を実施した場合には、挿入口１１から挿入され、せん断部１３を流れた金属スラリーが、ゲート２２を介してキャビティ１２に充填される前に、調整ランナー２１を流れることになる。このため、調整ランナー２１にて、金属スラリーの流れが調整され、金属スラリーの中の固相粒子の密度がより均一化する。この結果、成形される金属製品の品質を更に向上させることができる。
【００６０】
＜第３実施形態＞
次に、本発明におけるセミソリッド金属の成形方法及び金型を具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００６１】
この実施形態では、金属スラリーとして、マグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）を使用した場合について説明する。図９に、この実施形態におけるせん断速度と固相粒子の平均粒径と円形度の計測結果をグラフにより示す。ここでは、金属スラリーに異なるせん断速度を与えて射出成形したときの固相粒子の平均粒径と円形度につい計測した。図９に示すように、マグネシウム合金の金属スラリーについても、せん断速度の上昇に伴い平均粒径及び円形度が共に低下し、金属スラリー中の固相粒子が微細化及び球状化することが分かる。
【００６２】
図１０（ａ）,（ｂ）,（ｃ）に、異なるせん断速度における平板試験片を外観写真により示す。図１０（ａ）〜（ｃ）は、それぞれマグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）の金属スラリーを用いて成形された、長さ「２００ｍｍ」、幅「２０ｍｍ」、厚さ「５ｍｍ」を有する板状の試験片を示す。ここで、せん断速度が「４.４×１０4／ｓ」の場合では、金属スラリーの流動性が不足し、金型のキャビティ内に金属スラリーを完全に充填することができず、キャビティ内に空洞が残ることになる。この結果、図１０（ｃ）に示すように、試験片には、欠損部分ができる。一方、せん断速度が「８.０×１０4／ｓ以上」の場合では、金属スラリーの流動性が向上し、金型のキャビティ内に金属スラリーを完全に充填することができる。この結果、図１０（ａ）,（ｂ）に示すように、試験片に欠損部分ができない。このように、金属スラリーのせん断速度を「７.０×１０4／ｓ以上」とすることにより、金属スラリーの流動性が向上するため、従来は不可能であった金属製品の成形が可能となる。なお、この実施形態では、金属スラリーに対して事前に積極的な攪拌処理がなされていない。
【００６３】
なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。
【００６４】
例えば、金型のキャビティの形状を適宜に変更して実施したり、金属スラリーとして、アルミニウム合金やマグネシウム合金以外の金属、すなわち、真鍮や青銅等の銅合金、鋳鉄等の鉄系合金等の高融点金属に対しても、金型の耐熱性が保障されれば適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
この発明は、金属製品の成形に利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  成形用金型
１０  成形用金型
１１  挿入口
１２  キャビティ
１３  せん断部
ＭＳ  金属スラリー
Ｄ１  距離
Ｌ１  長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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