(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固液共存状態の加熱溶融された金属材料を、成形金型のスプール流路内に射出して、前記スプール流路内の金属材料を液相線温度以上になるよう加熱しながら流動させ、
前記成形金型における前記スプール流路とキャビティの間のランナ流路において金属材料を固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲になるよう冷却するとともに、前記ランナ流路断面積に比較して小さな流路断面積に絞ったゲート部を通過させ、金属材料を前記キャビティ内に流入させて充填することを特徴とする金属射出成形方法。
【請求項２】
成形金型のランナ流路におけるゲート部の近傍箇所において、前記ランナ流路に突き出る突起物によって金属材料に対し剪断力を付与するとともに、金属材料を前記突起物を通じ吸熱源に伝熱させて冷却するようにした請求項１に記載の金属射出成形方法。
【請求項３】
成形金型のランナ流路におけるゲート部の近傍箇所において、金属材料をその流動方向に沿って互いに平行な複数の流動路に分断させながら流動させ、金属材料をキャビティ内に流入させて充填する請求項１に記載の金属射出成形方法。
【請求項４】
固液共存状態の金属材料をノズルから射出する射出機と、
前記ノズルに連通するスプール流路およびランナ流路と、成形品の形状に対応する空間に形成されたキャビティと、前記ランナ流路と前記キャビティとの間に存在するゲート部とを有する成形金型とを備えてなり、
前記成形金型に、前記スプール流路内の金属材料を液相線温度以上になるよう加熱する加熱手段と、前記ランナ流路および前記ゲート部の内部を流動する金属材料を固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲になるよう冷却する冷却手段とを有し、
前記ゲート部は、前記ランナ流路断面積に比較して小さな流路断面積に絞られていることを特徴とする金属射出成形装置。
【請求項５】
成形金型に、冷却手段を内蔵した冷却ユニット体と、前記冷却手段に対し伝熱可能な状態で前記冷却ユニット体から突出した複数の突出ピンとが、前記各突出ピンの先端部がランナ流路におけるゲート部の近傍箇所において金属材料の流動方向に対し直交方向に向け突き出る配置で設けられている請求項４に記載の金属射出成形装置。
【請求項６】
成形金型のランナ流路におけるゲート部の近傍箇所に、金属材料の流動方向に沿って延びる複数の仕切り突壁が互いに平行な配置で突設されている請求項４に記載の金属射出成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱溶融した金属を成形金型に射出して成形する金属射出成形方法およびその装置並びに成形品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チクソトロピ現象は、液体金属を液相線温度（全てが液体となる温度）よりも低い温度に冷却しながら激しい攪拌を加えることにより、固液共存状態（半凝固状態）にある金属溶湯の見掛け上の粘度が低くなる現象であり、このチクソトロピ現象を利用することによってマグネシウム合金やアルミニウム合金などの金属材料を用いて精度の良い成形品を得るように図った射出成形方法が従来から知られている（米国特許第3902544 号参照）。
【０００３】
一方、我が国においては、固体金属を射出成形装置内に供給して一工程でチクソトロピ性金属を製造する方法が知られており（特許登録第1550760 号参照）、この射出成形方法について図７を参照しながら説明する。同図には従来のスクリュー式射出成形装置を示してある。マグネシウム合金やアルミニウム合金などの金属材料（図示せず）は、溶融するのに好都合な比較的小さな粒径にチップ化されて、射出機１におけるホッパー４からスロート２を介してシリンダ３内に供給される。この金属材料は、モータ７により回転駆動されるスクリュー８のスクリュー溝９に沿ってシリンダ３の先端出口であるノズル１０に向け搬送されながら、シリンダ３の外部に巻かれたヒータ１１により加熱されて溶融する。シリンダ３の温度は、これの外周面に取り付けられた熱電対１２により測温されるとともに、その測定温度に基づきヒータ１１がフィードバック制御されて、常に所定値を保持するよう制御される。
【０００４】
したがって、チップ化された金属材料は、スクリュー溝９に沿って搬送されながらヒータ１１により十分に加熱溶融されて液体を形成したのちに、回転中のスクリュー８によって剪断力を与えられながら、その液相線温度よりも低い温度となるように制御される。すなわち、シリンダ３内で溶融した金属材料は、固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲に降温されて、その降温により生成してくる樹枝晶組織の少なくとも一部分を破壊するのに十分な剪断力で剪断され、固液共存状態でチクソトロピ性を発現した金属となってノズル１０から成形金型１３に対し射出される。したがって、金属材料は、ノズル１０から成形金型１３における固定側成形型１４のスプール流路１８に流入した時点で既に液相線温度以下になっており、成形金型１３における固定側成形型１４と可動側成形型１７との間にこれらの型閉じによって形成されるランナ流路１９を通ってキャビティ２０内に充填される。
【０００５】
上記のようにチクソトロピ性を発現した固液共存状態での金属材料による成形では、液体状態での成形と異なり、流体の粘度が低いスラリー状であることから層流となるので、成形金型１３の流路１８，１９の内壁への衝突や流れる溶湯同士の衝突などによる流れの乱れの発生が少なく、且つ射出した溶湯の温度が低いために、凝固に至るまでの温度差が少なく、その結果、凝固収縮に起因する引けなどの欠陥が発生しないという利点がある。したがって、金属材料を固液共存状態の溶湯としての成形では、成形型１４，１７の成形品への転写性が極めて優れていることから、表面の粗さや平行度などの表面精度が極めて良好な成形品を得ることができる。その上に、成形型１４，１７に及ぼす熱負荷も少ないので、成形型１４，１７の寿命を延ばすことができる効果もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような固液共存状態での金属材料の成形においては、完全液相状態からの成形に比較してその金属材料の固相線温度に対する温度差が小さいため、凝固状態になるのが早い。そのため、流路１８，１９の流路断面積が小さく、且つ流路１８，１９が長い場合には、固液共存状態の金属材料が流路１８，１９およびキャビティ２０の全体に完全に充填する前に凝固してしまい、成形品には金属材料の未充填に起因する欠損などの欠陥が生じ易いという問題がある。
【０００７】
そこで、上記のような問題を回避するためには、成形品自体の肉厚を大きくしてキャビティ２０へ充填するときの金属材料の流動抵抗を減らす方法と、金属材料をノズル１０から成形金型１３へ高速で射出する方法とが考えられる。ところが、成形品の肉厚を大きくすると、成形品全体の寸法と重量が大きくなり、近年の軽薄化のニーズに十分に応えられる成形品を得ることができない。また、流路１８，１９の流動長については、従来の固液共存状態の溶湯とした金属材料をノズル１０から射出する場合、流動長と成形品の肉厚の寸法比が200 対１を超える場合に成形が困難となることから、短くすると成形品の肉厚が大きくなってしまう。
【０００８】
一方、金属材料を高速で射出する場合には、溶融した金属材料が成形型１４，１７の流路１８，１９の内壁に衝突した際に飛散して雰囲気ガスを巻き込んでしまい、成形品の空隙率が高くなったり、成形品に巣が発生するといった欠陥が生じる。さらに、高速で射出された金属材料は型閉じされた両成形型１４，１７における隙間から漏れ出し易く、成形品に多くのバリが発生して、その後加工に手間がかかる問題が新たに生じる。
【０００９】
そこで本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、固液共存状態としてチクソトロピ性を発現させた金属材料を成形金型に射出する成形において、欠損、引け、巣およびバリの発生を可及的に軽減した成形品を得ることができ、且つ長い流動長の流路を有する成形金型で薄肉で大型の成形品を得ることのできる金属射出成形方法およびその装置並びに成形品を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の金属射出成形方法は、固液共存状態の加熱溶融された金属材料を、成形金型のスプール流路内に射出して、前記スプール流路内の金属材料を液相線温度以上になるよう加熱しながら流動させ、前記成形金型における前記スプール流路とキャビティの間のランナ流路において金属材料を固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲になるよう冷却するとともに、前記ランナ流路断面積に比較して小さな流路断面積に絞ったゲート部を通過させ、金属材料を前記キャビティ内に流入させて充填することを特徴としている。
【００１２】
この金属射出成形方法では、加熱溶融された金属材料は、ランナ流路を流動するときに固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲になるよう冷却されるとともに、ランナ流路断面積に比較して小さな流路断面積に絞られたゲート部を通過するときに十分な剪断力を与えられて、冷却によって生成してくる樹枝晶組織の少なくとも一部分を破壊される。これにより、金属材料は、再びチクソトロピ性を発現させてキャビティに流入するので、成形品は、冷却時の引けが殆ど発生せず、且つ成形金型に対する転写性に優れて高い表面精度を有するものとなる。
【００１３】
しかも、金属材料は固液共存状態でキャビティ内に層流として流入するので、気泡の巻き込みが少ないことから、空隙率の低い高品質の成形品が得られ、さらに、金属材料が成形金型に対し層流として射出されるので、成形品にはガスの巻き込みによる巣やバリなどが殆ど発生しない。
【００１４】
上記発明の成形方法において、成形金型のランナ流路におけるゲート部の近傍箇所において、前記ランナ流路に突き出る突起物によって金属材料に対し剪断力を付与するとともに、金属材料を前記突起物を通じ吸熱源に伝熱させて冷却する手段を設けることが好ましい。
【００１５】
これにより、金属材料は、所定温度を維持したままランナ流路におけるゲート部の近傍箇所まで流動して、この箇所で突起物から吸熱源に直接的に伝熱して液相線温度以下の温度に効率的に冷却され、且つ突起物で極めて効果的に剪断力を付与されて、冷却によって生成してくる樹枝晶組織の少なくとも一部分を効率的に破壊される。そのため、上記発明の成形方法と同様の効果を得られるのに加えて、金属材料の冷却と剪断力の付与とを一層効果的に行うことができる。
【００１６】
一方、上記発明の成形方法において、成形金型のランナ流路におけるゲート部の近傍箇所において、金属材料をその流動方向に沿って互いに平行な複数の流動路に分断させながら流動させて、金属材料をキャビティ内に流入させて充填するように構成することもできる。
【００１７】
これにより、ランナ流路において金属材料を固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲になるよう冷却したときに、その冷却により生成してくる樹枝晶組織は、十分に小さな流路断面積となったゲート部により剪断力を付与されるのに加えて、金属材料の流れが分断されることによっても一層効果的に剪断力を付与されることにより、効率的に破壊される。そのため、上記発明の成形方法と同様の効果を得られるのに加えて、金属材料への剪断力の付与を一層効果的に行うことができる利点がある。
【００１８】
本発明の金属射出成形装置は、固液共存状態の金属材料をノズルから射出する射出機と、前記ノズルに連通するスプール流路およびランナ流路と、成形品の形状に対応する空間に形成されたキャビティと、前記ランナ流路と前記キャビティとの間に存在するゲート部とを有する成形金型とを備えてなり、前記成形金型に、前記スプール流路内の金属材料を液相線温度以上になるよう加熱する加熱手段と、前記ランナ流路および前記ゲート部の内部を流動する金属材料を固相線温度以上であって液相線温度以下の温度範囲になるよう冷却する冷却手段とを有し、前記ゲート部は、前記ランナ流路断面積に比較して小さな流路断面積に絞られていることを特徴とする。
【００１９】
この金属射出成形装置は、上記発明の金属射出成形方法を忠実に具現化してその成形方法の効果を確実に得ることができる。
【００２０】
上記発明の成形装置において、成形金型に、冷却手段を内蔵した冷却ユニット体と、前記冷却手段に対し伝熱可能な状態で前記冷却ユニット体から突出した複数の突出ピンとが、前記各突出ピンの先端部がランナ流路におけるゲート部の近傍箇所において金属材料の流動方向に対し直交方向に向け突き出る配置で設けられている構成を付設することが好ましい。
【００２１】
これにより、上記発明の金属射出成形装置と同様の効果を得られるのに加えて、金属材料への剪断力の付与を一層効果的に行うことができる
一方、上記発明の成形装置において、成形金型のランナ流路におけるゲート部の近傍箇所に、金属材料の流動方向に沿って延びる複数の仕切り突壁が互いに平行な配置で突設されている構成を付設することもできる。
【００２２】
これにより、上記発明の金属射出成形装置と同様の効果を得られるのに加えて、金属材料への剪断力の付与を一層効果的に行うことができる。
【００２３】
また、上記発明の各金属射出成形方法の何れかによって射出成形される本発明の成形品には、欠損、引け、巣およびバリなどが殆ど発生せず、また、薄肉で大型の成形品であっても、高品質を有するものを確実に成形できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る金属射出成形方法を具現化した金属射出成形装置を示す要部の縦断面図であり、同図において、図７と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。成形金型２１は、固定側成形型２２と可動側成形型２３とから構成されている。固定側成形型２２には、スプール流路２４の周囲にヒータ２７が埋め込まれているとともに、このヒータ２７の温度を測定するための熱電対２８が設けられている。一方、可動側成形型２３には、型閉じによって固定側成形型２２との間に形成されるランナ流路２９およびゲート部３０の一側方箇所に冷却管３２が埋設されているとともに、ゲート部３０の温度を測定するための熱電対３３が設けられている。ランナ流路２９とキャビティ３１との間に設けられたゲート部３０は、ランナ流路２９に比較して十分に小さな流路断面積に絞られている。
【００２５】
つぎに、上記金属射出成形装置の作用について説明する。シリンダ３内において固液共存状態としてチクソトロピ性を発現させた金属材料は、射出機１のノズル１０から固定側成形型２２のスプール流路２４内に射出されて、ヒータ２７により加熱されるとともに、ヒータ２７の温度がこれを測温する熱電対２８の測定温度に基づき所定値になるようフィードバック制御されていることにより、液相線温度以上の所定温度を維持しながらランナ流路２９におけるゲート部３０の近傍箇所まで流動されるので、スプール流路２４およびランナ流路２９の合計流動長を長くしても、凝固することなくキャビティ３１の直前のゲート部３０まで凝固することなく確実に流動する。そのため、成形品には未充填に起因する欠損が生じないとともに、流動長を従来よりも長く設定して所望の薄肉で大型の成形品を得ることが可能となる。
【００２６】
金属材料は、つぎにランナ流路２９からゲート部３０に流動するときに冷却管３２により冷却されるとともに、ゲート部３０の温度がこれを測温する熱電対３３の測定温度に基づき所定値になるようフィードバック制御されていることにより、金属材料の温度は固相線温度以上であって液相線温度以下の所定温度に維持される。また、金属材料は、上述のようにランナ流路２９に比較して十分に小さな流路断面積に絞られたゲート部３０を通過するときに十分な剪断力を与えられるので、冷却管３２による冷却によって生成してくる樹枝晶組織の少なくとも一部分を破壊される。これにより、金属材料は、液相線温度以下の所定温度に冷却され、且つ十分な剪断力が付与されることにより、再びチクソトロピ性を発現させてキャビティ３１に流入するので、成形品は、冷却時の引けが殆ど発生せず、且つ成形金型２１に対する転写性に優れて高い表面精度を有するものとなる。
【００２７】
また、金属材料は固液共存状態でキャビティ３１内に層流として流入するので、気泡の巻き込みが少ないことから、空隙率の低い高品質の成形品を得られる。
【００２８】
さらに、金属材料はノズル１０から成形金型２１に対し層流として射出されるので、ガスの巻き込みによる巣やバリなどが殆ど発生しない成形品を得られる。
【００２９】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る金属射出成形方法を具現化した金属射出成形装置を示す要部の縦断面図、図３はその金属射出成形装置における可動側成形型２３の斜視図である。これらの図において、図１と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。この金属射出成形装置が図１のものと相違する点は、図１において可動側成形型２３のランナ流路２９の一側方箇所に冷却管３２を設けた構成に代えて、吸熱源としての冷却管３４が埋設された冷却ユニット体３７を、これから一体に突出形成された複数本の突出ピン３８の各々の先端部が、ランナ流路２９におけるゲート部３０の近傍箇所において金属材料の流動方向に対し直交方向に向けて突き出る配置として、可動側成形型２３に埋設した構成のみである。
【００３０】
したがって、スプール流路２４でヒータ２７により液相線温度以上の所定温度に加熱された金属材料は、ランナ流路２９における流動方向の上流側を冷却されることなく流動して、所定温度を維持したままゲート部３０の近傍箇所まで達し、この箇所で各突出ピン３８および冷却ユニット体３７を通じ冷却管３４により効果的に吸熱されることにより、液相線温度以下の温度に効率的に冷却されるとともに、各突出ピン３８で極めて効果的に剪断力を付与されて、上記冷却によって生成してくる樹枝晶組織の少なくとも一部分を効率的に破壊される。そのため、金属材料の冷却と剪断力の付与とを一層効果的に行うことができ、第１の実施の形態と同様の効果をさらに確実に得ることができる。
【００３１】
図４は、上記第２の実施の形態における両成形型２２，２３を型開きしたときの成形物３９を示し、この成形物３９の製品部３９ａに続くランナ流路２９による残留成形部３９ｂには、突出ピン３８による凹部３９ｃが形成されている。この成形物３９は、２点鎖線で示す切断線に沿って切断して残留成形部３９ｂなどを除去することにより、製品部３９ａからなる所望の成形品を得られる。このようにして成形する成形品は、凝固収縮に伴う欠陥が著しく軽減され、成形型２２，２３の転写性が極めて良好であることから、表面精度が非常に良好なものとなり、特に、薄肉で比較的大型のものであっても、欠陥の少ない高品質なものとなる。
【００３２】
図５は本発明の第３の実施の形態に係る金属射出成形方法を具現化した金属射出成形装置に用いる可動側成形型４０を示す斜視図で、この可動側成形型４０を図１の可動側成形型２３と置き換えると、この実施の形態の金属射出成形装置となる。この可動側成形型４０は、固定側成形型２２と型閉じしたときに形成されるランナ流路２９におけるゲート部３０の近傍箇所に、金属材料の流れ方向に沿って延びる細長い複数本（この実施の形態では３本）の仕切り突壁４１が互いに平行に突設されている。なお、この可動側成形型４０は、図１の可動側成形型２３と同様に、図示していないが、ランナ流路２９の側部に冷却管３２が埋設され、且つゲート部３０の温度を測温するための熱電対３３が設けられている。
【００３３】
つぎに、この実施の形態の金属射出成形装置の作用について説明する。固液共存状態のノズル１０から射出された金属材料は、スプール流路２４内においてヒータ２７で加熱されることによって液相線温度以上の温度を維持しながら流動して、ランナ流路２９に流入したときに、冷却管３２により固相線温度以上であって液相線温度以下の所定の温度になるよう冷却される。この冷却により生成してくる樹枝晶組織は、十分に小さな流路断面積となったゲート部３０により剪断力を付与されるのに加えて、金属材料の流れが各仕切り突壁４１によって分断されることによっても一層効果的に剪断力を付与されることにより、効率的に破壊される。そのため、金属材料への剪断力の付与を一層効果的に行うことができ、第１の実施形態と同様の効果をさらに確実に得ることができる。
【００３４】
図６は、上記第３の実施の形態における両成形型２２，４０を型開きした状態における成形物４２を示し、製品部４２ａに続くランナ流路２９による残留成形部４２ｂには仕切り突壁４１による溝部４２ｃが形成されている。この成形物４２は、２点鎖線で示す切断線に沿って切断して残留成形部４２ｂなどを除去することにより、製品部４２ａからなる所望の成形品を得られる。このようにして成形する成形品は、第２の実施の形態により成形した成形品と同様に、凝固収縮に伴う欠陥が著しく軽減され、成形型２２，４０の転写性が極めて良好であることから、表面精度が非常に良好なものとなり、特に、薄肉で比較的大型のものであっても、欠陥の少ない高品質なものとなる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の金属射出成形方法によれば、冷却に伴い生成してくる樹枝晶組織の少なくとも一部分を破壊できるので、冷却時の引けが殆ど発生せず、且つ成形金型に対する転写性に優れて高い表面精度を有する成形品を得られる。しかも、空隙率の低い高品質の成形品が得られ、さらに、ガスの巻き込みによる巣やバリなどが殆ど発生しない成形品を得られる。
【００３６】
本発明の金属射出成形装置によれば、本発明の金属射出成形方法を忠実に具現化してその成形方法の効果を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る金属射出成形方法を具現化した金属射出成形装置を示す要部の縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る金属射出成形方法を具現化した金属射出成形装置を示す要部の縦断面図。
【図３】同上装置における可動側成形型の斜視図。
【図４】同上の成形後に成形金型の両成形型を型開きした状態における成形物を示す斜視図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る金属射出成形方法を具現化した金属射出成形装置に用いる可動側成形型の斜視図。
【図６】同上の成形後に成形金型の両成形型を型開きした状態における成形物を示す斜視図。
【図７】従来の金属射出成形装置を示す縦断面図。
【符号の説明】
１  射出機
１０  ノズル
２１  成形金型
２４  スプール流路
２７  ヒータ（加熱手段）
２９  ランナ流路
３０  ゲート部
３１  キャビティ
３２，３４  冷却管（冷却手段）
３７  冷却ユニット体
３８  突出ピン（突起物）
４１  仕切り突壁
【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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