(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料供給原料を、チキソトロピー性を示す溶融または半固体状態に処理するための装置に於いて、この装置がバレル内に位置する回転可能ねじおよびこのバレルの周りに位置する加熱手段を含み、それによって供給源料材料がこのバレルから排出される温度より低い温度でこのバレルに入り、それでこのバレルが追加の供給原料をこのバレルに導入する結果として熱サイクリングを受ける、装置であって：
第１部分、第２部分、および先端を有するノズル部分、上記第１部分を上記第２部分に結合するためのおよび上記第２部分を上記ノズル部分に結合するための結合手段を有するバレルを含み、上記第１部分、第２部分およびノズル部分が協同して上記バレルを通る中央通路を形成する内面を含み、上記第１部分が更に上記通路への入口を形成する部分を有し、および上記ノズル部分が上記通路からの出口を形成する部分を有し、上記第１部分が第１材料で構成され、上記第２部分が第２材料で構成され、および上記ノズル部分が第３材料で構成され、上記第１材料が上記第２材料より熱伝導率が大きく且つ熱膨張係数が小さく、それによって上記第１材料に上記第２材料より大きい耐熱疲労性および耐熱衝撃性を与え、スプルーブッシュインサートが上記ノズル部分の上記先端と係合し、上記スプルーブッシュインサートが上記第３材料より熱伝導率が小さい装置。
【請求項２】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１部分の壁厚が、少なくともその長さの一部分に亘って、上記第２部分の壁厚より薄い装置。
【請求項３】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１部分の外径が、少なくともその長さの一部分に亘って、上記第２部分の外径より小さい装置。
【請求項４】
請求項１に示す装置に於いて、上記第２部分のフープ強度が上記第１部分のフープ強度より大きい装置。
【請求項５】
請求項１に示す装置に於いて、上記第２材料の降伏強度が上記第１材料のより大きい装置。
【請求項６】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１材料がニッケルベースの合金である装置。
【請求項７】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１材料が綱合金である装置。
【請求項８】
請求項１に示す装置に於いて、上記第２材料が合金７１８である装置。
【請求項９】
請求項１に示す装置に於いて、上記第２材料を微粒子鋳造合金７１８とＰＭ合金７１８のグループから選択した装置。
【請求項１０】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１材料がステンレス鋼４２２である装置。
【請求項１１】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１材料が合金９０９である装置。
【請求項１２】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１材料がステンレス鋼Ｔ−２８８８である装置。
【請求項１３】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１部分を熱処理した装置。
【請求項１４】
請求項１に示す装置に於いて、上記第１部分の上記内面を表面硬化した装置。
【請求項１５】
請求項１４に示す装置に於いて、上記第１部分の上記内面を窒化した装置。
【請求項１６】
請求項１に示す装置であって、更に、上記通路内に位置するライナを含み、上記ライナがそこを貫通する中央通路を形成する表面を含む装置。
【請求項１７】
請求項１６に示す装置に於いて、上記ライナをＮｂベースの合金で構成した装置。
【請求項１８】
請求項１６に示す装置に於いて、上記ライナがＰＭ０．８Ｃ合金製である装置。
【請求項１９】
請求項１６に示す装置に於いて、上記ライナがＮｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ製である装置。
【請求項２０】
請求項１６に示す装置に於いて、上記ライナを窒化した装置。
【請求項２１】
請求項１６に示す装置に於いて、上記ライナを硼化した装置。
【請求項２２】
請求項１６に示す装置に於いて、上記ライナを珪化した装置。
【請求項２３】
請求項１に示す装置に於いて、上記ノズル部分が一体構成の部品である装置。
【請求項２４】
請求項２３に示す装置に於いて、上記ノズル部分がＮｂベースの合金製である装置。
【請求項２５】
請求項２３に示す装置に於いて、上記ノズル部分がＮｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ製である装置。
【請求項２６】
請求項２３に示す装置に於いて、上記ノズル部分がＰＭ０．８Ｃ合金製である装置。
【請求項２７】
請求項２３に示す装置に於いて、上記ノズル部分がＴ−２８８８製である装置。
【請求項２８】
請求項１に示す装置に於いて、上記スプルーブッシュインサートをＮｂベースの合金で構成した装置。
【請求項２９】
請求項２８に示す装置に於いて、上記Ｎｂベースの合金がＮｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗである装置。
【請求項３０】
請求項１に示す装置に於いて、上記スプルーブッシュインサートをＰＭ０．８Ｃ合金で構成した装置。
【請求項３１】
請求項１に示す装置に於いて、上記スプルーブッシュインサートをセラミックで構成した装置。
【請求項３２】
請求項３１に示す装置に於いて、上記スプルーブッシュインサートが少なくとも一つのＺｒＯ2を含有する面を有する装置。
【請求項３３】
請求項３１に示す装置に於いて、上記面が上記ノズル部分の上記先端と対向する装置。
【請求項３４】
請求項２８に示す装置に於いて、上記面を立方晶安定化ジルコニアで構成した装置。
【請求項３５】
請求項１に示す装置に於いて、上記第２材料が微粒子鋳造合金７１８とＰＭ合金７１８のグループの一つであり、上記第２部分が、上記通路内に位置し且つＮｂベースの合金で構成したライナを含む装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
チキソトロピー性材料を製造物品に成形するための装置に関する。更に詳しくは、本発明は、熱的に効率が良く且つ熱的に耐衝撃性のある、チキソトロピー性材料を製造物品に成形するための装置に関する。
２．先行技術の説明
大気温度で樹脂状構造を有する金属組成物は、従来溶融して次に高圧ダイカスト法に掛けていた。これらの従来のダイカスト法は、多孔性、溶融損、汚染、過剰なスクラップ、高エネルギー消費、長デューティサイクル（ｌｅｎｇｔｈｙ  ｄｕｔｙ  ｃｙｃｌｅｓ）、型寿命の限定、および型構造の制限を欠点として持っているので制限される。更に、従来の処理は、多孔性のような多種多様なミクロ構造欠陥の形成を促進し、それが後にこの物品の２次加工を要し、更には機械的性質に関して保守的な工業設計を使う結果にもなる。
これらの金属組成物をそれらのミクロ構造が、半固体状態のとき、連続液体相によって囲まれた、角のないまたは球形、縮退樹枝状粒子からなるように作るためのプロセスが知られている。これは、連続液体相によって囲まれた、樹枝状結晶の古典的平衡のミクロ構造とは反対である。これらの新しい構造は、非ニュートン粘性、即ち、粘性と剪断速度の間に逆関係を示し、これらの材料それ自体は、チキソトロピー性材料として知られている。
チキソトロピー性材料を成形するための一つのプロセスは、この金属または合金をその液相温度以上の温度に加熱し、次にこの液体金属合金を二相平衡の領域に冷却するとき、それに高剪断速度を掛けることを要求する。冷却中の攪拌の結果は、この合金の最初に固化した相が核になって（相互連結した樹枝状粒子とは対照的に）丸くなった一次粒子を成長させる。これらの一次固体は、分離した、縮退樹枝状小球を含み、この液体金属または合金の未固化部分の母材によって囲まれている。
チキソトロピー性材料を成形するためのもう一つの方法は、この金属組成物または合金（以後ただ“合金”とだけ）を、全部ではないが殆どの合金が液体状態になる温度まで加熱することを伴う。次にこの合金を温度調節領域へ移し、剪断を掛ける。材料の剪断作用から生ずる攪拌が樹枝状粒子を退縮樹枝状小球に変換する。この方法では、攪拌を始めるとき、半固体金属が固相より液相を多く含むのが好ましい。
“鋳放し”状態で配送される合金を使う射出成形技術も経験されている。この技術では、供給原料を往復動式ねじ射出ユニットへ供給し、そこで外部から加熱し、回転ねじの作用によって機械的に剪断する。原料は、ねじによって処理されるので、バレル内を前方に動く。部分融解と同時剪断の組合せが分離した、縮退樹枝状球粒子を含む、換言すれば、原料の半固体状態でチキソトロピー性を示す、合金のスラリーを作る。このチキソトロピー性スラリーをねじによって、押出機ノズルとねじ先端の間にあるバレル内の蓄積領域へ給送する。スラリーをこの蓄積領域へ給送すると、一発に相当するスラリーの量を制御し且つノズルとねじの間の圧力の上昇を制限するために、このねじをこのユニットのノズルから離れる方向に同時に引込める。ノズルの中の固体金属プラグの固化を制御することによって、スラリーがノズル先端から漏れまたは垂れるのを防ぎ、このプラグは、ノズル温度を制御することによって作る。一旦、この物品の生産に適当な量のスラリーを蓄積領域に蓄積すると、このねじを急速に前方に駆動してこの固体金属プラグをノズルから押出して受け器に入れるに十分な圧力を発生し、それによって所望の固体物品が出来るようにスラリーをダイキャビティに射出させる。このノズルの中のプラグは、スラリーが酸化しまたはノズルの内壁に酸化物を作るのを防ぎ、さもなければそれが完成した成形部品に持込まれることになる。このプラグは、更に射出側でダイキャビティを封止して、このダイキャビティを排気するために真空を使うことを容易にし、更にそのようにして成形した部品の複雑さおよび品質を向上する。このプラグは、更に、スプルー破断作業モードを使ったときに得られるより速い成形時間を可能にする。この受け器は、スラリーの流れをダイキャビティに向け、および成形時間を縮め且つこの機械をより効率的にするためにスプルーの固化速度を熱的に制御もする、スプルーブッシュを含む。
現在、チキソトロープ成形機は、材料の加熱を全て機械のバレル内で行う。材料は、“冷たい”温度にある間にバレルの一つの部分に入り、次に一連の加熱領域を通って進み、そこで材料の温度が急速且つ、少なくとも最初は、次第に上昇する。それぞれの領域の加熱素子それ自体は、典型的には抵抗または誘導ヒータであり、先の加熱素子より次第に熱くても熱くなくても良い。その結果、バレルの厚さを通しておよびバレルの長さに沿っての両方に熱勾配が存在する。
チキソトロピー性材料用成形機の典型的バレル構造は、長く（２８０ｃｍまで）且つ厚い（壁厚８〜１０ｃｍで外径２８ｃｍまで）一体式シリンダとして作ったバレルである。これらの機械のサイズおよびスループット能力が増加しているので、バレルの長さおよび厚さが対応して増加している。これは、これらのバレルを通しての熱勾配の増加および以前には予期できない思いがけない結果に繋がっている。その上、これらのバレルを作る際に使用する主材料である精製合金７１８（ニッケル（プラス  コバルト）、５０．００〜５５．００％；クロム、１７．００〜２１．００％；鉄、残り；コロンビウム（プラス  タンタル）４．７５〜５．５０％；モリブデン、２．８０〜３．３０％；チタン、０．６５〜１．１５％；アルミニウム、０．２０〜０．８０；コバルト１．００最大；炭素、０．０８最大；マンガン、０．３５最大；珪素、０．３５最大；燐、０．０１５最大；硫黄、０．０１５最大；硼素、０．００６最大；銅、０．３０最大の限定的組成を有するは、現在厳しい供給不足（最少リードタイム１２ヶ月）で且つ非常に高価（￥３，２７７／ｋｇ）である。最近作った二つの６００トン容量のバレルは、製作に１年掛り、各々１８６０万円費やした。
構成材料の合金７１８を入手するために長い時間掛り、この構成材料を入手するために高い金を払い、バレルそれ自体を作るために時間を掛けてから、２基の６００トンバレルをチキソトロピー性材料、特にマグネシウム合金の成形に使用し始めた。使用して１週間以内に、このチキソトロープ成形機の７００〜９００サイクルで両バレルとも破損した。本発明者が破損したバレルを分析すると、これらのバレルが熱応力の結果として、更に詳しくはこれらのバレルの低温部分または端での熱衝撃の結果として破損したことを思いがけず発見した。ここで使うバレルの低温部分または端とは、材料がこのバレルに最初に入る部分または端のことである。最も激しい熱勾配が見られるのはこの部分で、特に供給スロートの下流にある、この低温部分の中間温度領域である。
チキソトロピー性材料成形機の使用中、ペレットまたはチップの形で見られる固体状態供給原料を約２４℃の大気温度にある間にバレルへ供給する。これらのチキソトロピー性材料成形機のバレルは、長く厚いので、それらの性質そのもののために、中へ導入した材料を加熱するためには熱的に効率が悪い。“低温”供給原料の到来で、バレルの中間温度領域がその内面でかなり冷却される。しかし、この領域の外面は、ヒータの位置が直ぐその周りにあるので、この供給原料によって殆ど影響または冷却されない。バレルの厚さを横切って測ったかなりの熱勾配が結果としてバレルのこの領域に誘起する。同様に、熱勾配がバレルの長さに沿っても誘起する。高熱勾配が発生することが分った、バレルのこの中間温度領域では、ヒータがそれ程頻繁にサイクルを“切らない”ので、バレルがより強く加熱される。
このバレル内で、ねじが回転し、供給原料を剪断し、それをこのバレルの種々の加熱領域を通して縦に動かし、供給原料の温度を上昇させ、それがバレルの高温端または射出部に達するとき所望のレベルで平衡にさせる。バレルのこの高温部分で、処理した材料は、一般的に５６６°〜５９３℃の範囲の温度を示す。このバレルに掛る最高温度は、マグネシウム処理に対して６１６℃の範囲にある。この供給原料をチキソトロピー性の発生する半固体状態に加熱すると、バレルの内面は、対応してその温度上昇を見る。この内面温度の上昇は、たとえ程度は小さいといえ、低温部分を含み、バレルの全長に沿って起る。
一旦十分な量の材料をバレルの高温部分に蓄積し且つ材料がチキソトロピー性を示すと、この材料を所望の製造物品の形状に適合する形状を有するダイキャビティに射出する。この材料をバレルから射出すると、次に、追加の供給原料をバレルの低温部分に導入し、再びバレル内面の温度を下げる。
上記の議論が示すように、バレルの内面が、特にバレルの中間温度領域で、このチキソトロピー性材料成形機の運転中その温度の循環を経験する。バレルの内面と外面の間のこの熱勾配は、３５０℃程であることが分かっている。
合金７１８のニッケル分が、現在最も普通に使うチキソトロピー性材料である溶融マグネシウムによって腐食されやすいので、マグネシウムが合金７１８を腐食するのを防ぐために、バレルを銀または耐マグネシウム材料のライナで内張りしている。そのような材料の幾つかは、ステライト１２（称呼で３０Ｃｒ、８．３Ｗおよび１．４Ｃ；ストゥディ・ドロロ・ステライト社）、ＰＭ０．８０合金（称呼で０．８Ｃ、２７．８１Ｃｒ、４．１１Ｗおよび残り０．６６ＮのＣｏ）並びにＮｂベースの合金（例えば、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ）である。明らかに、バレルとライナの膨張係数は、この機械が適正に作動するためには互いに適合しなければならない。
バレルの熱勾配の顕著なサイクリングのために、バレルは、熱疲労および熱衝撃を経験する。これは、本発明者がバレルおよびバレルライナに生ずる亀裂によって発見した。一旦バレルに亀裂が入ると、マグネシウムがライナに浸透でき、バレルを腐食する。バレルの亀裂とマグネシウムによるバレルの腐食の両方が上記のバレルの早期破壊に寄与していることが分った。
上記から、大容量チキソトロピー性材料成形機の改良したバレル構造、特に熱質量の大きいバレルに対する要求があることは明白である。
従って本発明の主な目的は、チキソトロピー性材料成形機それ自体のための改良した構造は勿論、改良したバレル構造を提供することによってその要求を満たすことである。
本発明の他の目的は、上記の運転条件で使用寿命を改善したバレル構造を提供することである。
本発明の更なる目的は、上記の運転条件で熱疲労および熱衝撃を受け難いバレル構造を提供することである。
従来知られている構造より高価でなく、更に容易に入手できる材料を取入れるバレル構造を提供することもこの発明の目的である。
この発明の更に他の目的は、チキソトロピー性を示す材料を作るための新規な方法を提供することである。
やはりこの発明の目的は、チキソトロープ成形機の熱伝達およびスループットを最適化することである。
この発明の他の目的は、この機械のノズルを通るスプルーブッシュへの熱伝達を減らすことである。
この発明の更に他の目的は、スプルーからスプルーブッシュを通る熱伝達を増すことである。
発明の概要
上記およびその他の目的は、本発明で新規なバレル、ノズル、スプルーブッシュおよび加熱を提供することによって達成する。
本発明の一つの側面は、複合または３体構成または３部性のバレル構成で、そのバレルの一つの部分は材料の調製用に設計され、他の二つの部分は射出に必要な要件のために設計されている。これら三つのバレル部分は、一般的にバレルの低温部分、高温部分および出口ノズル部分と呼ぶことができる。本発明によるバレルのこの低温部分および高温部分は、異なる材料で異なるように構成し、一般的にこのバレルの中央部で一緒に接合する。この高温部分は、温度制御が重要であるので、相変らず、合金７１８のような、厚く（従って高フープ強度の）、耐熱疲労性、耐クリープ性、および耐熱衝撃性の材料で構成する。この高温部分の好適な構成は、コスト低減および処理される材料による腐食に良く耐えるために、微粒子鋳造合金７１８にＮｂベースの合金、例えば、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０ＷのＨＩＰ処理した（ＨＩＰＰＥＤ）内張りを付けることである。そのような材料にはアルミニウムおよびマグネシウムがある。このバレルの高温部分に結合する出口ノズルの温度制御も、このノズルと金型の間の熱伝達のために、重要である。物品の成形後、ノズルに固体プラグを作ることが重要で、このプラグは、封止するために適当な大きさでなければならないが、次のサイクル中にノズル通路から取除くために過剰な圧力が必要なほど大きく（長く）てはならない。プラグを取除く際の過剰な圧力は、このプラグをスプルー拡張キャッチャキャビティの中へ吹飛ばしまたは押込むときに、金型のフラッシングおよび吹抜け（逆止弁を通るＳＳＭ材料の逆流または漏れ）になることがある。容認できない大きさのノズルプラグは、ノズルの温度が下がり過ぎたときに出来る。これは、成形時間が長く、過剰な熱を金型に流入させノズルを冷却する結果、および／または金型に流入する熱がノズルに流入する熱と釣合っていない、高温度プロフィルによる処理の結果であることがある。
上記のノズル問題は、各射出後にスプルーからノズルを切離す、スプルー破断作業モードを使うことによって避けられる。しかし、本発明の側面は、ノズルと金型の間に断熱隔壁を作るスプルーブッシュインサートをこの工具のために製作することが好ましいことを発見した。このスプルーブッシュインサートは、思いがけず、ノズルに見られる圧力上昇を減らしそれによってスプルー破断作業モードの必要をなくし、ばりを減らすことが分った。このスプルー破断作業モードも、この機械の成形時間に数秒付加する。
従来の構成と違って、このバレルの低温部分は、第２材料の薄い（従って低フープ強度の）部分に構成する。この第２材料は、第１材料よりコストも低くてよく、この第１材料に対して改良した熱伝導率を示し、熱膨張係数が小さい。この第２材料は、処理する意図のチキソトロピー性材料について良好な耐摩耗性および耐腐食性も示す。このバレルの低温部分用に好適な幾つかの材料は、ステンレス鋼４２２、Ｔ−２８８８合金、および合金９０９で、それはＮｂベースの合金（例えば、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ）で内張りしてもよく、次にアルミニウムおよびマグネシウムの処理用には窒化、または硼化または珪化してもよい。
この熱的に効率的な機械のもう一つの側面は、成形時間を縮め且つ機械のスループットを向上するために、スプルーブッシュの冷却を使うことである。
この発明のもう一つの側面は、バレルの低温部分にライナを使用しなくする能力である。上述のように、従来の構成では、マグネシウムの半固体、更に詳しくは溶融相がバレル材料を腐食するのを防ぐためにライナを使用する。実際に、このマグネシウムが合金７１８に含まれるニッケルを腐食する。ステンレス鋼４２２では、ニッケル含有率が１％未満であり、それでマグネシウムとの反応が無視できる量に少なくなる。その上、ステンレス鋼４２２は、炭素０．２％の焼入可能なマルテンサイト系ステンレス鋼である。１，０３８℃で焼入れし、６４９℃で焼戻すことによって、ステンレス鋼４２２は、ロックウェルＣ（Ｒc）３５に硬化できる。その上、このバレルの低温部分内の通路の内面を窒化し、それによってこのバレルの高摩耗環境で更に良好な耐摩耗性を与えてもよい。これは、このバレルの低温部分を、従来必要だったライナなしに作動できるようにする。アルミニウムを処理すべき場合は、上述のようなライナを要し、窒化、硼化または珪化してもよい。
バレルに必要な熱負荷を減少するもう一つの修正したバレル構造は、特にバレルの低温部分での、バレルの外側部分をファイバ強化複合材料で置換えたものである。このファイバ強化複合材料を耐火断熱層とライナの外側寄りに配置する。加熱コイルまたはその他の加熱手段をこのファイバ強化複合材料の周りに配置する。このバレルの高温部分は、相変らず先に述べた通りに構成する。
本発明のもう一つの側面では、バレルの温度制御をバレルの内外面の間で測定した温度勾配に基づく。これは、バレルの温度をバレルの内面近くでモニタした従来の手法と反対である。以前は、温度プローブをバレル内のバレル内面に近い位置に設けてその内面の温度をモニタした。本発明では、プローブがバレルの内面近くにあるだけでなく、バレルの外面近くにもある。この様にして三つの温度の読みをモニタできる：即ち、１）内面温度；２）外面温度；および３）内部プローブと外部プローブの測定値間の差である熱勾配温度またはバレルの厚さを通るΔＴ。バレルが経験する熱勾配をモニタし、それによって温度を調節することによって、チキソトロピー性（ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ）材料の処理のより正確な温度制御を行うことができ、熱疲労および熱衝撃の結果としてのバレル破損が避けられる。内面温度だけのモニタでは、上記の熱条件に対する制御またはモニタができない。
本発明の更に他の側面は、この装置へ入れる固体状態の供給原料の予備加熱とチキソトロピー性材料を作る方法の具体化である。予備加熱は、供給原料がこの装置の保護雰囲気に入った後で、この供給原料がバレルに入る前に行うのが好ましい。予備加熱は、また、供給原料の温度を約３７１〜４２７℃に上げるためだけに行う。この温度範囲を超える予備加熱は、供給原料を溶かし始め、従って避ける必要がある。これは、この材料にそのチキソトロピー性を創り出すために良好な剪断を導入することを保証するために行う。
予備加熱は、種々の方法で達成することができる。一つの方法は、供給原料をそれがバレルの入口に結合された移送導管を通過するときに予備加熱することである。そのような加熱は、供給原料が移送導管を通過するときにそれをマイクロ波加熱することによって達成できる。その代りに、供給原料を移送オーガによって供給ホッパから移送導管へ移送するときに、それを予備加熱できる。更に他の代替案は、供給原料がまだ供給ホッパの中にある間にそれを予備加熱することである。供給原料の予備加熱は、マイクロ波加熱、バンドヒータの使用、赤外線ヒータの使用、または流体源からの高温流体、液体またはガスを循環する加熱管または煙道の使用を含む多数の方法で行うことが出来るが、それらに限定されない。
この発明の更に他の側面では、バレルの高温部分の構成を、シール、ボルト、およびボルト孔に掛る応力を軽減するように修正した。これは、一般的にこれらのシールおよびボルトを、ねじに関連し且つこのバレル内に位置する逆止弁の後ろまたは上流に位置する低圧領域へ移すことによって達成する。
この発明のもう一つの側面では、チキソトロープ成形機の構成が、低圧低温部分（チキソトロピー性スラリーを調製する）を、それ自体高速射出を行う、別の、高温若しくは高圧射出バレルまたはシリンダに結合するようになっている。そのような２段階構成では、このチキソトロープ成形機の処理または低温部分がスラリーを作るための供給原料への熱伝達を最大にし、次にこのスラリーを、材料の金型への射出中の強度を最大にする構成の、射出または高温部分に送込む。その代りに、複数の低圧低温部分を使って材料を一つの射出または高温部分に送込むことができる。そのような構成は、大型の射出または高温部分を備える大容量機械に有利である。
本発明の付加的利益および長所は、本発明が関係する当業者には、添付の図面に関連する以下の好適実施例の説明および添付の請求項から明白となろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の原理によるチキソトロピー性材料成形機の全体的概略図であり；
図２は、図１に見られる成形機のバレルのもう一つの実施例を示す拡大断面図であり；
図３は、本発明の一実施例へのファイバ強化複合材料構成を示す断面図であり；
図４は、公知の技術によるバレルの高温部分の構成の拡大断面図であり；
図５は、本発明のもう一つの側面によるバレルの高温部分の構成の拡大断面図であり；
図６は、本発明のもう一つの側面による２段階（処理および射出）機械の全体的概略図であり；および
図７は、共通の射出スリーブへ送込む複数の押出し機を有する、２段階機械のもう一つの実施例の端面断面図である。
好適実施例の詳細な説明
さて、図面を参照すると、本発明に従って金属材料をチキソトロピー状態に処理し、この材料を成形してモールド品、ダイカスト品、または鍛造品を作るための機械または装置を全体的に図１に示し、１０で指す。典型的ダイカスト機および鍛造機と違って、本発明は、金属または金属合金（以後ただ“合金”とだけ）の固体状態供給原料を使うようにされている。これは、ダイカストまたは鍛造プロセスで溶融炉をそれに関連する制限と共に使用しなくする。本発明は、チップまたはペレットの形の供給原料を受入れるように説明し、その形が好ましい。装置１０は、固体状態の供給原料を半固体、チキソトロピー性スラリーに変換し、次にそれを射出成形、ダイカストまたは鍛造によって製造物品に成形する。
本発明の装置で作った物品は、非チキソトロピー的に成形した物品または従来のダイカスト物品より欠陥率がかなり低く、多孔性が低いことが予想される。多孔性を減らすことによって物品の強度および延性を増せることがよく知られている。明らかに、多孔性の減少は勿論、鋳造欠陥の減少が望ましいように見える。
全体としてだけ図１に示す装置１０は、金型１６に結合したバレル（ｂａｒｒｅｌ）１２を含む。以下に更に詳しく議論するように、バレル１２は、低温部分または入口部分１４および高温部分または射出部分１５および出口ノズル３０を含む。入口１８が低温部分１４にあり、出口２０が高温部分１５にある。この入口１８は、フィーダ２２から固体粒子状、ペレット状またはチップ形で合金供給原料（仮想線で示す）を受けるようにされている。この供給原料は、チップの形で用意し、４〜２０メッシュの範囲内の大きさであるのが好ましい。
本発明の装置１０に使うに適した合金の一つのグループにはマグネシウム合金がある。しかし、チキソトロピー状態に処理できる金属または金属合金、特にＡｌ、Ｚｎ、ＴｉおよびＣｕベースの合金は、本発明で有用性を見付けると信じられるので、本発明をそのように制限されると解釈すべきでない。
供給ホッパ２２の底で、供給原料を重力で出口３２から容積フィーダ３８へ放出する。供給オーガ（図示せず）がフィーダ３８内にあり、電気モータのような適当な駆動機構４０によって回転駆動される。フィーダ３８内でのこのオーガの回転は、供給原料を移送導管または供給スロート（ｆｅｅｄ  ｔｈｒｏａｔ）４２および入口１８を通してバレル１２へ給送するための所定の速度で前進させる。
一旦バレル１２に受けると、加熱素子２４がこの供給原料を所定の温度に加熱してこの材料をその２相領域にもたらすようにする。この２相領域で、バレル１２内の供給原料の温度は、この合金が部分的に溶ける固相温度と液相温度の間にあり、固相と液相の両方がある平衡状態にある。
温度制御は、この意図する目的を達成するための種々の型式の加熱または冷却素子２４で行える。図示するように、加熱／冷却素子２４は、図１に代表的に示し、抵抗バンドヒータから成る。代替構成では、誘導加熱コイルを使ってもよい。このバンド抵抗ヒータ２４は、動作がより安定で、入手および稼働が高価でなく並びに加熱速度または成形時間を含む容量を不当に制限しないので、好適である。
バレル１２への熱伝達を更に容易にするために、断熱層またはブランケット（図示せず）を加熱素子２４の上に特注で付けてもよい。周囲への熱／ゲイン損失を更に最小化するために、ハウジング（図示せず）をバレル１２の長さの周りに外部に配置することができる。
バンドヒータ２４の形の温度制御手段を更にノズル３０の周りに配置して（図４〜図６に関連して示すように）、その温度制御を支援し、この合金のきわどい大きさの固体プラグ（ｓｏｌｉｄ  ｐｌｕｇ）が容易に出来るようにする。このプラグが合金の垂れまたは空気（酸素）若しくはその他の汚染物質がこの装置１０の保護内部雰囲気（典型的にはアルゴン）へ逆流するのを防ぐ。そのようなプラグは、望むとき、例えば、真空支援成形用に、金型１６の排気も容易にする。
この装置は、固定プラテン（ｐｌａｔｅｎ）および可動プラテンも含み、各々それらに固定半金型１６および可動半金型が取付けられていてもよい。これらの半金型は、組合さって成形する物品の形状の金型キャビティ１００を形成する内面を含む。金型キャビティ１００をノズル３０に結合するのは、ランナ、ゲートおよびスプルーで、全体を１０２で指す。金型１６の作用は従来通りで従ってここに詳しくは説明しない。
往復動するねじ２６がバレル１２の中にあり、電気モータのような適当な駆動機構４４によって供給シリンダ３８内にあるオーガのように回転され、ねじ２６上の羽根２８がこの合金に剪断力を掛け、この合金をバレル１２を通して出口２０の方へ動かす。この剪断作用は、この合金を液相によって囲まれた丸い退縮樹枝状（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ  ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ）構造の球晶（ｓｐｈｅｒｕｌｒｉｔｅｓ）から成るチキソトロピー性スラリーに調節する。
装置１０の運転中、ヒータ２４を付けてバレル１２を適正な温度またはその長さに沿った適正な温度プロフィルに完全に加熱する。一般的に、薄い断面部品を作るためには、高温プロフィルが望ましく、薄い断面と厚い断面が混在する部品を作るためには、中温プロフィルが望ましく、および厚い断面部品を作るためには、低温プロフィルが望ましい。一旦完全に加熱すると、次にシステム制御装置３４がフィーダ３８の駆動機構４０を作動し、フィーダ３８内のオーガを回転させる。このオーガは、供給原料を供給ホッパー２２から供給スロート４２へその入口１８を通して運搬する。もし望むなら、以下に更に詳しく説明するように、供給原料の予備加熱を供給ホッパ２２、フィーダ３８または供給スロート４２の何処かで行う。
バレル１２の中で、供給原料は、制御装置３４によって作動される駆動機構４４によって回転されている回転ねじ２６と係合する。バレル１２の内腔４６の中では、供給原料がねじ２６の羽根２８によって運ばれ、剪断を受ける。供給原料がバレル１２を通過するとき、ヒータ２４が供給する熱と剪断作用が供給原料の温度をその固相温度と液相温度の間の所望の温度へ上昇する。この温度範囲で、固体状態の供給原料を、その構成成分の幾つかの液相の中にその構成成分の残りの固相が配置されて成る半固体状態に変換する。ねじ２６と羽根２８の回転は、これらの固体粒子に関して樹枝状成長を防ぐに十分な速度でこの半固体合金に剪断を誘起し続け、それによってチキソトロピー性スラリーを作る。
ねじ２６の先端２７の先の、バレル１２の前面部分２１（蓄積領域）に適当量のスラリーが集るまで、バレル１２を通してこのスラリーを進める。このねじの回転を制御装置３４が中断し、それは次にアクチュエータ３６に信号を送ってねじ２６を進め、合金を出口２０に関連するノズル３０から金型１６に押込む。ねじ２６は、最初約２．５ないし１２．７ｃｍ／ｓの速度に加速される。逆止弁３１がねじ２６の前進中に材料が入口１８の方へ後方に流れるのを防ぐ。これがバレル１２の前面部分２１の中に射出装填物を圧縮する。この比較的低速が圧縮を可能にし、雰囲気の保護ガスを含む過剰なガスをスラリーの装填物から搾り出しまたは押出す。装填物を圧縮すると直ぐ、ねじ２６の速度を急速に上げて、ノズル３０からプラグを、それを捕えるように設計したスプルーキャビティの中へ吹飛ばしまたは押出すに十分なレベルまで圧力を上げる。瞬間的に圧力が低下すると、速度がプログラムしたレベルまで、マグネシウム合金の場合、典型的には１０２〜３０５ｃｍ／ｓの範囲に増加する。ねじ２６が全金型キャビティに相当する位置に達したとき、圧力が再び上がり始め、そのとき制御装置３４がねじ２６の前進を止めて後退を始め、そのときそれは回転を再開し、成形用の次の装填物を処理する。制御装置３４は、射出サイクル中（それは２５ｍｓ程に短く、または２００ｍｓ程に長いかも知れない）に位置によって圧力／速度の関係を変えられる、速度プロフィルの広範囲の選択を可能にする。
一旦ねじ２６が前進を止め、金型が満たされると、ノズル３０内にその先端にある材料の一部が固体プラグとして固化する。このプラグがバレル１２の内部を封止し、成形した物品を取出すために金型１６を開けられるようにする。
次の物品の成形中、ねじ２６の前進がこのプラグをノズル３０からスプルーキャビティの中へ押出し、そのキャビティは、ゲートおよびランナシステム１０２を通って金型キャビティ１００の中へのスラリーの流れと干渉することなく、このプラグを捕え且つ受けるように設計されている。成形後、このプラグは、ゲートおよびランナシステム１０２の固化した材料と共に保持され、次のトリミング工程で物品からトリム（ｔｒｉｍ）されしてリサイクルに戻される。
ノズル３０の温度制御は、ノズル３０と金型１６の間の熱伝達のために重要である。物品の成形後、ノズルに固体プラグを作り、それが封止をするには十分であるが、このプラグを次のサイクル中に通路から取除くために過剰な圧力が必要なほど大きく（長く）ないようにすることが重要である。プラグを取除く際の過剰な圧力は、このプラグをスプルー拡張キャッチャキャビティの中へ吹飛ばしまたは押込むときに、金型のフラッシング（金型が僅かに離れる結果としての金型分割線での余分な材料）、および吹抜け（逆止弁を通るＳＳＭ材料の逆流または漏れ）になることがある。容認できない大きさのノズルプラグは、ノズル３０の温度が下がり過ぎたときに出来る。これは、成形時間が長く、過剰な熱を金型に流入させてノズル３０を冷却する結果、および／または金型に流入する熱がノズル３０に流入する熱と釣合っていない、ノズル／ブッシュ接合点を通る過剰な熱伝導の結果であることがある。
上記のノズル問題は、ノズル３０と金型１６の間に断熱隔壁を作るスプルーブッシュインサート１４０を製作することにより、およびノズル３０を熱伝導率の低い材料で製作することにより避けられる。このスプルーブッシュインサート１４０は、一般的に中央開口１４２を形成する環状で、１４４で指す片側にノズル３０の先端１４６を受けるような輪郭を描く。図５で分るように、このスプルーブッシュインサート１４０は、ブッシュ１５０に形成する環状座１４８内に受けられ、そのブッシュそれ自体は、金型１６に受けられる。このブッシュ１５０は、中央領域１５２を形成する部分を含み、その中に取除いたプラグを“捕える”ためのプラグキャッチャ１５４を受ける。スプルー通路１５６は、ブッシュ１５０とキャッチャ１５２の間に協同して形成する。
上に概説したように０．８％ＣＰＭＣｏ合金で製作したスプルーブッシュインサート１４０は、思いがけず、ノズルに見られる圧力上昇を５０％（４２０ｋｇ／ｃｍ2から２１０〜２８０ｋｇ／ｃｍ2まで）減らしそれによってばりを減らし、スプルー破断作業モードの必要をなくすることが分った。このノズルブッシュインサート１４０の下流面および周辺の立方晶安定剤ＺｒＯ2によるプラズマ吹付けが更に熱伝達を減らし、圧力スパイク（ｓｐｉｋｅ）を下げた。もし圧縮状態に保つならば、立方安定化したジルコニアインサートを使ってもよい。他の耐熱性低熱伝導率材料が同じ目的に役立つかも知れない。
ノズル３０それ自体については、構成材料が合金鋼（例えば、Ｔ−２８８８）、ＰＭ０．８Ｃ合金、およびＮｂベースの合金、例えば、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗである。一つの好適構造では、このノズル３０を上記合金の一つで一体式に作る。もう一つの好適実施例では、ノズル３０を合金７１８で作り、ＨＩＰ処理してそれにＮｂベースの合金またはＰＭ０．８Ｃ合金の耐熱面を設ける。
図５のスプルーブッシュ１５０は、更に冷却してスプルーの固化を急ぎ、それによって成形時間を縮めかつ機械のスループット（処理量）を増してもよい。０．２８ｋｇの射出で、成形時間は、２８秒から２４秒に減った。更なる成形時間減少は、機械のノズルまたはプラグのサイズに影響することなく、スプルーを独立に冷却することによって得られる。
本装置１０のバレル１２は、本バレル１２が三体構成を採る点で従来の構成と異なる。従来のバレルは、ライナがあってもなくても、一体構成にのみ見られる。上に議論したように、６００トンの機械のような、大容量の機械では、そのような一体構成のバレルは高価であり、入手に可成りの時間が掛り、且つ熱疲労および熱衝撃であると決定したものにより作用が早期に破綻した。本発明のバレル１２は、上記欠点の三つ全てを克服する。
図１および図２で最も良く分るように、本発明のバレル１２は、三つの部分を含み、それらを躊躇なくこのバレル１２の低温部分１４、高温部分１５およびノズル３０と呼ぶ。図２で容易に分るように、バレル１２の低温部分１４は、高温部分１５と噛合い係合するようにされ、低温部分１４および高温部分１５のそれぞれの内面４８、５０が協同して連続内腔４６を形成する。二つのバレル部分１４、１５を一緒に固定するために、低温部分１４は、軸垂直フランジ５２を備え、それに取付け孔５４が作られている。対応するねじ孔がこのバレルの高温部分１５の係合部分５８に作られている。ねじ部品６０をフランジ５２の孔５４から挿入してねじ孔５６とねじ係合し、それによって低温部分および高温部分１４、１５を一緒に固定する。部分１４、１５の係合を促進するために、低温部分および高温部分１４、１５は、低温部分１４におす突起６２が作られ、高温部分１５にめすくぼみ６４が作られていて相補の形になっている。本発明のバレル１２は、その厚さを通しおよびその長さに沿って経験する熱勾配を最小にすることによって先行技術の欠点を克服する。経験する熱勾配を最小にする際の一つの寄与因子は、バレル１２のための中間加熱領域１７を含む、このバレル１２の低温部分１４を、高温部分１５を構成するために使う材料と異なる材料で構成することである。高温部分１５それ自体は、合金７１８で構成し、この合金は、その高い降伏強度でこの高温部にかなりのフープ（ｈｏｏｐ）強度を与え、フープ強度の場所が主な関心事の一つである。しかし、低温部分１４は、成形中にこの部分の圧力が低いので、高温部分１５と同じフープ強度能力は必要ない。従って、低温部分１４は、その長さのかなりの部分に亘って高温部分１５に比べて小さな直径または壁厚を示す。与えられた形状のフープ強度は、上述のように、一般的にその厚さと共に増すので、低温部分１４の直径Ａおよびその壁厚（低温部分１４の直径Ａから内腔４６の直径Ｂを引いて半分に割った）は、高温部分１５の壁厚（直径Ｃから直径Ｂを引いて半分に割った）よりかなり薄くてもよい。実例として、６００トン装置１０のバレル１２に対し、直径Ａが１９．１ｃｍ、直径Ｂが８．９ｃｍ、および直径Ｃが２７．６ｃｍ、従って壁厚は、低温部分１４に対して５．１ｃｍおよび高温部分１５に対して９．３ｃｍである。
バレル１２の低温部分１４を作る材料は、また、高温部分１５を作る材料より熱伝導率が高く、熱膨張係数（ＴＣＥ）が小さいのが好ましい。バレル１２の低温部分１４を作る材料が容易に入手可能で、バレル１２の高温部分１５を作る材料よりコストで有利であるのが更に好ましい。この様にして、バレル１２の全体のコストが下がる。好適材料は、ステンレス鋼４２２である。ステンレス鋼４２２は、合金７１８のＴＣＥ１４．４×１０-6／℃およびその熱伝導率１６．７４ｋｃａｌ／ｍ／ｈ／℃に比べて、ＴＣＥ１１．９×１０-6／℃および熱伝導率２３．５６ｋｃａｌ／ｍ／ｈ／℃である。ステンレス鋼４２２は、また、合金７１８の稀少性（納期約１２ヶ月）およびｋｇ当り約￥３，２７７のコストに比べて、ｋｇ当り￥８７４のコストで容易に入手できる。
図２で分るように、バレル１２の通路または内腔４８は、ライナを備えないが、一方図１のバレル１２は、代替実施例としてライナ６６を備える。図１のライナ６６は、バレル１２内に所定の締りばめに焼嵌めし、装置１０で処理する合金による腐食に耐性のある材料で構成する。マグネシウム合金が処理される材料であるとき、ライナ６６用にコバルト−クロム合金を使ってマグネシウムがバレルのニッケル成分を腐食するのを防いでもよい。しかし、バレルの低温部分１４のニッケル成分が少なく、処理される合金の低温部分１４内の滞留時間があまりないので、この装置１０を低温部分にライナなしで運転して、この低温部分１４に無視できる腐食しか起きないようにすることが可能である。低温部分１４の摩耗は勿論、腐食の影響を更に減らすために、低温部分１４を１，０３８℃で焼入れし、６４９℃で焼戻して熱処理し、それによって３１〜３５Ｒcの表面硬さを得る。その上、内腔４８を窒化してその硬度を高め、それに高い耐摩耗性を与えてもよい。
アルミニウムまたは亜鉛−アルミニウム合金を処理するとき、Ｎｂベースの合金（例えば、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗで、それを窒化、硼化または珪化してもよい）のライナ６６をバレル１２の両部分１４、１５に使用すべきであると信じられている。そのような合金は、９×１０-6／℃の熱膨張係数（ＴＣＥ）および３９．６８ｋｃａｌ／ｍ／ｈ／℃の高い熱伝導率を有する。それで、それを高ＴＣＥの合金（例えば、４２２または微細粒合金７１８）の中にＨＩＰ処理するとき、冷却中に発生する圧縮応力および高温度伝導率が使用寿命を永くする。焼嵌め後のバレル１２およびライナ６６の中間応力除去焼きなましが寸法を安定させるために更に望ましいかも知れない。
Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ（窒化）およびＮｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ（珪化）の腐食についてのテストデータを以下に示す。上記材料のサンプルを計量し、次にパドルとして攪拌棒に付けた。この棒を６０５〜６２５℃のＡ３５６合金の中へ降ろし、２００ｒｐｍで回転した。テスト継続時間後、これらのサンプルをＡ３５６合金から取出し、再計量した。そこで腐食を重量損失率として決定した。未処理のＮｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗサンプルは、４６時間で１．４％減、９６時間で４．６％減を示した。Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ（窒化）に対して、損失は、２４時間で０．１３％、９６時間で０．２０％であった。Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ（珪化）に対して、損失は、２４時間で０．０７％、９６時間で０．１０％であった。窒化と珪化に対する結果に類似する結果がＮｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗの硼化サンプルに期待される。
バレルの低温部分１４の代替実施例を比例尺でない図３に示す。この実施例では、フランジ１１０によってボルト止めした２体構成のライナ６６’を使って内腔１１２を形成し、強化カーボンファイバ複合材料の外側部分１１４がバレル１２の低温部分１４を形成する。この複合材料の外側部分１１４とライナ６６’の間に、耐火型断熱材の層１１６を配置する。誘導コイル１１８またはその他の適当な加熱手段を低温部分１４の周りに巻き、この低温部分１４に熱入力を与えるために特にライナ６６’に結合してもよい。部分１１４上の強化ファイバ複合材料に好適な材料には、全てのカーボンファイバ材料および巻いたフィラメント材、例えば、熱硬化性樹脂に埋込んだグラファイトおよび炭素−炭素複合材がある。断熱層１１６用の材料には、広い種類の耐火材並びに上記の作動条件に耐える温度および応力特性を持つその他の材料がある。
本発明は、バレル１２の高温部分１５をノズル３０に固定するところのシール、ボルト、ボルト孔およびフランジに掛る応力を軽減する側面も含む。以前の構造では、図４で分るように、ねじ２６の先端２７および逆止弁３１がノズル３０と高温部分１５の間に位置するシール１２０の上流にあるように配置されている。同様に、ノズル３０をバレル１２の高温部分に固定するために利用するボルト１２２、フランジ１２４および取付け孔１２６もねじ先端２７と逆止弁３１の下流に配置されている。その結果、材料をノズル３０から射出するためにねじ２６を前進すると、シール１２０、ボルト１２２、フランジ１２４および取付け孔１２６が全て高圧を受ける。従って、もしこの領域を適正に調整しなければ、シール１２０の破損も有り得る。
図５で分るように、本発明は、先に議論したシール１２０および関連する部品が高圧領域に位置するという問題を克服する。これは、ノズル３０の軸方向長さを増し、バレル１２の高温部分１５の長さを縮めて、シール１２０および関連する部品の位置をねじ２６に沿って軸方向にそれらが逆止弁３１の上流の低圧領域にある位置まで効果的に移すことによって達成する。
ノズル３０を高温部分１５に取付けるために、フランジ１２４をこれらの部品に対応して作り、適当な孔１２６およびボルト１２２を設けてねじ係合させる。その代りに、ノズル３０にねじ部を作って高温部分１５のねじ部と噛合い係合させることができ、またはねじ付きリテーナリングを使って高温部分１５と噛合い係合し、ノズル３０をそれと共に束縛保持することができる。
このノズル３０構造の付加的利点は、バレル材料を少ししか使わないためにバレルコストが下がることである。
熱疲労および熱衝撃の影響を更に軽減するために、本発明の装置１０は、供給原料の予備加熱を用意する（図１参照）。この供給原料は、マグネシウムに対して３１６℃およびアルミニウムに対して３７１〜４２７℃の温度までしか加熱しないのが好ましく、それはその合金の成分の溶融点温度以下である。代替材料も同様に加熱する。この様にして、供給原料をまだ固体状態でバレル１２に供給し、この合金がバレル１２の中で溶け始めるときねじ２６によってよい剪断が生ずるようにする。
種々の方法を使って供給原料を予備加熱することができる。そのような方法の一つは、供給ホッパ２２の周りおよび中に加熱管７０を組込むことである。これらの加熱管または煙道７０は、加熱流体または加熱ガスを熱源から運ぶ。代替方法として、抵抗ヒータ、誘導ヒータ、赤外線ヒータおよびその他の加熱型素子を加熱管７０の代りに使ってもよい。
供給ホッパ２２で供給原料を加熱する代りに、バンドヒータ７２、赤外線ヒータ、加熱管または煙道７０またはその他の手段を組込むことによってフィーダ３８で加熱が起るようにすることもできる。更にもう一つの代替案として、供給原料が移送導管または供給スロート４２を通りバレル１２に入るときに加熱することができる。供給スロート４２で加熱を達成するための一つの方法は、供給スロート４２をガラス管として作り、公知の設計のマイクロ波源または反応器７４をそれに隣接してまたはその周りに配置することである。供給原料がこのガラスの供給スロート４２を通過するとき、マイクロ波源７４からのマイクロ波がマイクロ波加熱によってこの供給原料を予備加熱する。そのような加熱を使って、供給原料の温度を約４００℃まで容易に上げることができる。以下の表は、種々のマイクロ波出力設定での種々のサンプルの加熱時間および温度を例示し、この加熱方法の有効性を立証する。
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バレル１２を横切る温度勾配をモニタするために、図２で分るように、温度プローブ７６、熱電対をバレル１２の内面４８、５０に隣接して、および外面７８、８０に隣接して配置する。これらのプローブ測定値間の差によってバレルを横切る温度勾配をモニタするために制御装置３４を利用することによって、ヒータ２４を、供給原料（予備加熱したまたは大気温度の）の低温部分１４への流入によって生ずるバレル１２の熱サイクリングの影響を最小にするためにそれらの出力に関してこの制御装置によってより正確に制御することができる。
本発明の装置１０’の代替実施例として、２段階装置１０’をここに開示し、図６に示す。この装置１０’の第１段階１３０は、材料を溶融または半固体状態に調製または処理するように、供給原料への熱伝達および付与する剪断を最適化するように設計されている。この第１段階１３０では、ねじ２６が材料に剪断を掛け、その材料を縦に動かし、または送出すので、装置１０’の種々の部品が高温、低圧、および低材料移動速度を受ける。図６で分るように、この第１段階１３０は、図２に見られるものに類似する、バレルの低温部分１４を含む。従って、類似の要素は、類似の参照番号で指す。
この第１段階１３０から、射出スリーブ１３４およびピストン面１３９を有するピストン１３６を含む、この装置１０’の第２段階１３２が、移送継手１３７および弁１３８を通して、処理した半固体の材料を受ける。この第２段階１３２で、この装置１０’の射出スリーブ１３４およびその他の部品は、材料をノズル３０から金型（図示せず）へ射出するためのピストン１３６およびピストン面１４１の運動から生ずる高圧および高速を受ける。
シュラウド（ｓｈｒｏｕｄ）１４１がピストン１３６からピストン面１３９を離れて伸びる。このシュラウド１４１は、材料がピストン１３６の後ろに落ち、移送継手１３７の外に出されるのを防ぐ。ピストン１３６、ピストン面１３９およびシュラウド１４１を作る材料は、他のところで述べた理由で、Ｎｂベースの合金（Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗを含む）、０．８ＣＰＭ合金および類似の材料を単体構造か表面を付けた構成で含むのが好ましい。
第２段階１３２は、通常ヒータ２４からの熱入力が必要であるが、必ずではない。ノズル３０（図６には示さず）と金型１６（図６には示さず）の間の熱伝達がノズルにプラグを適正に作るように、第２段階１３２内の正確な温度が必要である。ノズル３０での温度制御を図５に関連して上に議論したので、ここで本２段階装置１０’およびその第２段階１３２に等しく適用できる部分を参照する。
供給原料を処理するために、第１段階１３０は、第２段階１３２の容積より２０〜３０倍大きいオーダの容積を持つことができる。第１段階１３０は、材料の金型への射出に関連する高圧を受けないので、第１段階１３０のバレルライナ材料は、もし利用したとしても、低強度要件、高熱伝導率および低熱膨張係数で設計することができる。本設計の結果として、第１段階１３０の部品は、熱応力を受けるのが少なく、第１段階１３０部分の生産コストが減少する。この設計の第１段階１３０での低圧および関連する衝撃がこの第１段階１３０の構成に代替材料を使用できるようにする。例えば、アルミニウムを処理する場合、ニオブベースの合金（例えば、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ）を耐アルミニウムライナ６６並びにねじ２６、逆止弁１３８、リング、ねじ先端等を含む種々のその他の部品を作る際に利用することができる。そのような部品の構成は、１９９６年５月３１日に提出し、本出願の譲受人に共通に譲渡された米国特許同時係属出願第０８／６５８，９４５号に記載されていて、その主題をここに参考までに援用する。更なる代替案として、第１段階１３０の種々の部品を耐アルミニウムセラミックおよびサーメットを利用して作ることができる。以前、そのようなセラミックおよびサーメットは、それらに必ず掛る高圧および高応力の結果として実用的でなかった。上記材料の両方、セラミックとＮｂベースの合金を他の安い材料の上に表面層として設けることができ、または一体構成の部品を作るために利用することができる。
図７の実施例で分るように、この発明は、更に、共通の第２段階１３２へ原料を送込む複数の第１段階１３０（二つだけを図示するが、それ以上も可能）を有する２段階装置１０’を詳述する。それで、この実施例は、大容量の第２段階１３２および先に議論した手法より少い成形時間を可能にする。全てのその他の材料の点では、この２段階装置１０’を図６に関連して議論したのと同様に構成する。
２段階装置１０’か、または上記のような１段階装置１０を作る際に、コストの低減は、種々の部品を微粒子鋳造または粉末冶金（ＰＭ）技術で製造して超合金の正味形状部品を作り、次にＮｂベースの合金またはコバルトベースの合金をこの正味形状部品にＨＩＰ処理し、それによって完成部品をもたらすことによって更に達成できる。正味形状部品の微粒子鋳造またはＰＭ技術による成形は、これらの正味形状部品がＨＩＰ処理温度での結晶粒子成長により耐える結果となり、粒子サイズをほぼＡＳＴＭ５−６に維持する。加工した超合金は、
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結晶粒子成長を示す。微粒子鋳造またはＰＭ技術によって正味形状部品を作り次にこれらの部品をＨＩＰ処理することによって、機械加工コストの低減を達成する。完成した正味形状部品は、単一段階装置１０の高温部分で、または２段階装置１０’の第２段階で部品として使用するための特別な適性を有する。従って、そのような部品は、バレルの高温部分、バレルの高温部分と低温部分の間のアダプタ、２段階装置の移送部品、２段階装置の第２段階用射出スリーブ並びに多数のその他の個々の部品として使うことができる
本発明の上記側面の具体化は、公知の先行システムの欠点なしに、チキソトロピー性材料を処理し且つ成形するための、４００トン以上の大容量の装置１０または速く小容量の機械の生産を可能にする。これらの特徴を具体化することによって、熱疲労および熱応力の影響を最小化する装置１０がもたらされ、それによって耐用寿命の永い大容量の装置１０をもたらす。バレル１２の総縦応力もそれによって減る。
上記の説明が本発明の好適実施例を構成するが、この発明は、添付の請求項の適正な範囲および公正な意味から逸脱することなく、修正、変形および変更が可能であることが分るだろう。
【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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