(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金材を半溶融状態として金型内へ射出し凝固させてマグネシウム合金を成形するマグネシウム合金成形装置において、前記金型内へ１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で不活性ガスを注入する高圧ガス注入手段を備え、前記高圧ガス注入手段は、前記金型内へのマグネシウム合金材の射出方向以外の少なくとも二方向から前記不活性ガスを注入するものであることを特徴とするマグネシウム合金成形装置。
【請求項２】
マグネシウム合金材を半溶融状態として金型内へ射出し凝固させてマグネシウム合金を成形するマグネシウム合金成形装置において、前記金型内へ１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で不活性ガスを注入する高圧ガス注入手段を備え、前記高圧ガス注入手段は、前記金型内へのマグネシウム合金材の射出方向以外の三方向から前記不活性ガスを注入するものであることを特徴とするマグネシウム合金成形装置。
【請求項３】
さらに、前記不活性ガスを加熱するガス加熱手段を備えた請求項１または２記載のマグネシウム合金成形装置。
【請求項４】
前記ガス加熱手段は、前記不活性ガスを５００〜６００℃に加熱するものである請求項３記載のマグネシウム合金成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム合金を成形するマグネシウム合金成形装置、より詳しくは、マグネシウム合金材を半溶融状態として射出し成形するマグネシウム合金成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネシウムは一般に使用される構造用金属材料の中で密度が１．８ｇ／ｃｍ3 と最も軽量であり、比較的安定した強さを持っていることから、省エネルギー材料として欧米などでは自動車部品等に積極的に使用され始めている。現在でも国内外で研究開発がなされており、加工性、鋳造性に優れ、強度、耐力の向上が図られたマグネシウム合金が開発されている。
【０００３】
マグネシウム合金の成形方法にはホットチャンバーやコールドチャンバーなどの低圧鋳造装置を用いたダイカスト法が主力であるが、溶解工程を省略し原料を半溶融状態（チクソトロピー状態）で供給するチクソモールド法の適用も進められている。チクソモールド法ではマグネシウムを高速かつ高圧で射出成形することから、精密で薄肉製品の成形が可能である。
【０００４】
図７に従来のチクソモールド法によるマグネシウム合金の射出成形の過程を示す。チクソモールド法では、マグネシウム合金材を６００℃程度に加熱し半溶融状態として、図７（ａ）に示すように金型キャビティ内に射出する。金型は成形品の取り出しのために開閉されるため、金型キャビティ内には初めから空気が存在している。
【０００５】
マグネシウム合金は他のアルミニウムやチタンなどの合金と比較して非常に酸化しやすい。そこで、従来のチクソモールド法では、真空ポンプを用いて金型キャビティ内を減圧し、酸素や窒素などの空気中に存在する活性ガスを駆逐しようとする。しかし、寸法精度や高温にさらされる等の問題から金型の気密性を確保するのは難しく、金型キャビティ内を減圧すると、金型のパーティングラインやイジェクタピンなどから空気がキャビティ内に供給され続けることになる。
【０００６】
ランナー内を流動してきた溶湯（溶融スラリー）は、金型キャビティ内へ射出するゲートへ入るときに極端に流動断面積が小さくなるため、溶融スラリー内圧が上昇する。そして、この溶湯がゲートより金型キャビティ内へ射出されると圧力が開放され、図７（ｂ）に示すように、溶湯本流から離れて飛散する。飛散することによって表面積の大きくなった溶湯は、金型キャビティ内に残存する少量の活性ガスとも反応しやすくなるため、金型内の空気と反応して酸化し、凝固してしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
活性ガスと反応することによって固化したマグネシウム合金は、薄い金型キャビティ内において高い圧力でも押し流すことのできない障害物となってしまう。そのため、後に金型キャビティ内へゲートより流入してくる溶湯の流動性が変化し、溶湯が金型キャビティ内に充分に回りきれず、製品の安定的な成形が困難となる。その結果、製品には、図７（ｃ）に示す巣や肉厚不均一などの欠陥を生じてしまうことになる。
【０００８】
そこで、本発明においては、金型内へ射出するマグネシウム合金材の流動性を改善し、成形品の品質を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネシウム合金成形装置は、マグネシウム合金材を半溶融状態として金型内へ高速かつ高圧で射出し凝固させてマグネシウム合金を成形するマグネシウム合金成形装置において、金型内へ高圧の不活性ガスを注入する高圧ガス注入手段を備えたことを特徴とするものである。これにより、金型内を高圧雰囲気として金型内部の空気を外部へ排除し、かつ、金型外部からの空気の混入を阻止し、金型内へ射出されるマグネシウム合金材の酸化を不活性ガスにより防止することが可能となる。また、金型内が高圧雰囲気であるため、金型内へ射出されるマグネシウム合金材は飛散することなく射出部から金型内へと徐々に広がって充填されていく。このとき、金型内へ注入された不活性ガスは、高速かつ高圧で射出されるマグネシウム合金材によってさらに加圧され、金型内での溶湯の高速高圧に応じて応力を発生させ、溶湯の流動先端の乱れを抑制する効果が高くなる。したがって、金型内へ射出されるマグネシウム合金材の流れは安定し、肉厚不均一などの欠陥がなく品質の良い成形品を得ることができる。
【００１０】
ここで、不活性ガスは、空気よりも重いＡｒガス、ＳＦ4 ガスやＳＦ6 ガス等を用いることができる。特に、地球環境に優しく、取扱いも容易であり、安価に入手できるという点からＡｒガスを用いるのが望ましい。不活性ガスが空気より軽い場合は、不活性ガスが空気と混合してしまい充分に空気を外部へ排除すること、また空気の混入を阻止することが難しくなる。
【００１１】
高圧ガス注入手段は、不活性ガスを１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で注入するものであることが望ましい。マグネシウム合金材を高速かつ高圧で射出する本発明のマグネシウム合金成形装置においては、従来の低圧鋳造装置よりも高圧の１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2 の不活性ガスを金型内へ導入して、溶湯の酸化を防止すると共に、溶湯の流れを制御することが可能である。１ｋｇｆ／ｃｍ2 未満の場合、不活性ガスによる金型内の空気の置換にかなりの時間を要することとなるため高速成形には不向きである。一方、１０ｋｇｆ／ｃｍ2 を超えると、高圧な不活性ガスの取り扱いが容易ではなく、一般的な設備では利用しにくい。また、従来の低圧鋳造装置において、１ｋｇｆ／ｃｍ2 以上の高圧ガスを金型内に導入するとマグネシウム合金材の金型内への圧入が阻害され、成形品の薄肉部などの表面に微少な形状をもつものの成形はできなくなると考えられる。
【００１２】
さらに、本発明のマグネシウム合金成形装置には、不活性ガスを加熱するガス加熱手段を備えることが望ましい。これにより、不活性ガスを金型内へ注入する際、不活性ガスによって金型が冷却されるのを防止し、金型の温度を適正温度に維持して金型へダメージを与えることなく金型寿命を延ばすことが可能となる。
【００１３】
このとき、金型内へ注入する不活性ガスは、ガス加熱手段によって５００〜６００℃に加熱しておくことが望ましい。このような温度範囲の不活性ガスによって金型のキャビティ内面を加熱して温度調整することによって、金型キャビティへ射出されるマグネシウム合金材は冷却されず、マグネシウム合金材の流動性は維持されて、マグネシウム合金材を金型内に充分に回すことが可能となる。５００℃未満の場合、金型内に射出されるマグネシウム合金材の温度が６００℃前後であるため、このマグネシウム合金材との温度差が大きすぎ、金型を加熱することによる効果が薄れてしまう。一方、６００℃超の場合、不活性ガスを加熱するためのエネルギーのロスや、金型の過熱による寿命への影響を考慮しなければならない。
【００１４】
また、高圧ガス注入手段は、金型内へのマグネシウム合金材の射出方向以外の方向から不活性ガスを注入するものであることが望ましい。これにより、マグネシウム合金材の射出方向以外の方向より注入、すなわちマグネシウム合金材の広がる方向に対向する方向より注入される不活性ガスによって、金型内へ射出されて広がるマグネシウム合金材が飛散するのを防止することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態におけるマグネシウム合金成形装置の概略構成図、図２は図１のＡ部詳細図、図３は図２のＢ−Ｂ矢視図である。
【００１６】
図１において本発明の実施の形態におけるマグネシウム合金成形装置は、マグネシウム合金を成形するための金型１、マグネシウム合金の原料としてのマグネシウム合金材を半溶融化するためのシリンダ２、およびシリンダ２の前方に設けたノズル３より半溶融状態のマグネシウム合金材を金型１のキャビティ１１内へ高速射出させる高速射出システム４等により構成される。
【００１７】
金型１には、キャビティ１１内へ不活性ガスとしてのＡｒガスを加圧および加熱して注入するための加圧・加熱タンク１２、およびこの加圧・加熱タンク１２へＡｒガスを供給するためのＡｒガスタンク１３が接続される。Ａｒガスが充填されたＡｒガスタンク１３より供給されるＡｒガスを加圧・加熱タンク１２によって、その圧力を１ｋｇ／ｃｍ2 とする。また、加圧・加熱タンク１２内に備えたヒータ１２ａによってＡｒガスを約５８０℃に加熱する。
【００１８】
シリンダ２には、マグネシウム合金材を貯蔵する原料ホッパ５、および原料ホッパ５内のマグネシウム合金材をシリンダ２内へ供給する原料供給装置６が接続される。また、シリンダ２は、シリンダ２を加熱するヒータ７、原料供給装置６より供給されるマグネシウム合金材をシリンダ２内で攪拌するスクリュ８、およびマグネシウム合金材のシリンダ２内での逆流を防止するリング９等を備える。
【００１９】
図２において、金型１は固定側金型１ａと移動側金型１ｂとにより構成され、これらの対面部分には、マグネシウム合金材を導入して製品を成形する型となる厚さ約１ｍｍのキャビティ（空洞）１１が形成されている。マグネシウム合金材は、ノズル３に接続された導入口１４によって３つに分岐され（図３参照）、キャビティ１１下部から上方へ向かってキャビティ１１内へ射出される。
【００２０】
金型１上部のガス導入口１５には加圧・加熱タンク１２が接続され、このガス導入口１５から導入されるＡｒガスは、波状の経路とされた浸入防止路１６を介して、キャビティ１１上部および左右部に設けられたガス注入路１７からキャビティ１１内へ注入される。すなわち、Ａｒガスは、マグネシウム合金材のキャビティ１１内への射出方向以外の方向から、ガス注入路１７によって注入される。
【００２１】
また、キャビティ１１内へ射出された半溶融状態のマグネシウム合金材が仮にガス注入路１７へ浸入しても、浸入防止路１６の波状の経路によってその進路が長くなるため、マグネシウム合金材が浸入してガス導入口１５を塞ぐことがないようになっている。ガス注入路１７は、移動側金型１ｂを移動させることによって露出するようにしてあるため、浸入したマグネシウム合金材は取り除くことができる。
【００２２】
次に、以上の構成のマグネシウム合金成形装置によるマグネシウム合金の成形過程について説明する。図４は本発明の実施の形態におけるマグネシウム合金成形装置による射出成形の過程を示す説明図である。
【００２３】
まず、Ａｒガスタンク１３より供給され、加圧・加熱タンク１２により加圧および加熱されたＡｒガスが、ガス導入口１５および浸入防止路１６を介してガス注入路１７からキャビティ１１内へと注入される。キャビティ１１内へと注入されたＡｒガスは空気よりも重いため、キャビティ１１内の空気を上方へと押し上げ、金型１のイジェクタピンや入子の微少な間隙からキャビティ１１内の空気を外部へと排出する。
【００２４】
そして、キャビティ１１内を１ｋｇ／ｃｍ2 の高圧雰囲気とし、また約５８０℃まで加熱されたＡｒガスによって金型１のキャビティ１１内面を加熱した状態において、原料ホッパ５より供給されシリンダ２によって半溶融化されたマグネシウム合金材をノズル３を介して、図４（ａ）に示すように、導入口１４よりキャビティ１１内へ射出する。
【００２５】
キャビティ１１内へ射出されたマグネシウム合金材は、図４（ｂ）に示すように、１ｋｇ／ｃｍ2 の高圧のＡｒガスによって押さえられつつ、キャビティ１１内へと徐々に広がっていく。したがって、キャビティ１１内へ射出されるマグネシウム合金材の流れは安定し、飛散することなく均一に広がって、図４（ｃ）に示すように、キャビティ１１内へ充填される。
【００２６】
以上のように、キャビティ１１内へ高圧のＡｒガスを注入し、高圧雰囲気として半溶融状態のマグネシウム合金材を射出することによって、マグネシウム合金材の流動がスムーズとなり、マグネシウム合金材はキャビティ１１内へ均一な圧力分布で隅々まで充填される。したがって、製品の肉厚は均一な状態となり、バリが発生することもない。こうしてバリの発生が抑えられることによって、成形後の処理工程であるプレス抜きへの挿入が容易に行えるようになる。また、バリによって金型１１が変形するのを防止することができる。
【００２７】
従来のＡｒガスを加圧注入しない場合、マグネシウム合金材の流動抵抗が大きく、マグネシウム合金材が飛散（フラッシング）し、凝固してしまうため、その後にキャビティ１１内へ到達する溶湯の流動を阻害する。そのため、キャビティ１１内で不均一な圧力分布が発生し、成形圧力が偏って金型１に作用し、固定側金型１ａと移動側金型１ｂとに分割された金型１が成形中に開いてしまう。その結果、肉厚不均一の状態で製品が成形されることになる。一方、本発明においては、マグネシウム合金材が均一な圧力分布でキャビティ１１内に充填されるため、片開きを小さく押さえることが可能となり、肉厚を均一にすることができる。
【００２８】
また、本実施形態においては、Ａｒガスは、マグネシウム合金材のキャビティ１１内への射出方向以外の方向から注入されるため、キャビティ１１内へ射出されるマグネシウム合金材を巻き込んで飛散させることがない。さらに、マグネシウム合金材の導入口１４が設けられている方向以外のキャビティ１１全周三方向のガス注入路１７から注入されているため、キャビティ１１内により速く均一にＡｒガスを充填することができる。なお、図示していないが、ガス注入路１７は、キャビティ１１内への射出方向以外の一方向や二方向だけから注入させることも可能である。
【００２９】
【実施例】
本発明のマグネシウム合金成形装置を用いて、▲１▼Ａｒガスを注入しない場合、▲２▼Ａｒガスを１ｋｇ／ｃｍ2 で注入した場合、▲３▼Ａｒガスを３ｋｇ／ｃｍ2 で注入した場合について成形されたマグネシウム合金の肉厚を測定し、その測定結果を表１に示した。本実施例において、金型１のキャビティ１１の厚さｔは１．０ｍｍに設定してある。表中の数値は、このキャビティ１１の厚さｔを基準としたときの各測定点における実際の肉厚（ｍｍ）を示している。
【００３０】
【表１】
0003756021.tif 000002
【００３１】
図５は表１に示すマグネシウム合金の肉厚の測定点を示す説明図である。図５に示すＸ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 ，Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 は、図３に示す同符号の位置に対応している。Ｘ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 とＳ3 の交点をそれぞれ測定点１，２，３とし、同様にＸ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 とＳ2 ，Ｓ1 の交点をそれぞれ測定点４〜９としている。図６は表１の測定結果を図５に示すフォーマット上に立体化した図であり、同図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ▲１▼，▲２▼，▲３▼の場合に対応している。なお、図６において、高さ方向は基準厚ｔ＝１．０ｍｍから厚い分を％で示している。
【００３２】
表１および図６に示すように、▲１▼Ａｒガスを注入しない場合、各測定点における肉厚の差は最大で０．３９６ｍｍと非常に大きく、実施形態において説明したように肉厚不均一の状態で成形されていることが分かる。一方、▲２▼Ａｒガスを１ｋｇ／ｃｍ2 で注入した場合および▲３▼Ａｒガスを３ｋｇ／ｃｍ2 で注入した場合においては、各測定点における肉厚の差はそれぞれ最大で０．２２６ｍｍ，０．１７５ｍｍと▲１▼の場合と比較して小さく、肉厚はより均一な状態で成形されていることが分かる。
【００３３】
また、▲２▼と▲３▼の場合とを比較すると、▲２▼の場合よりも▲３▼の場合の方が肉厚の差が小さいことが分かり、Ａｒガスをより高圧で注入した場合、より均一な肉厚の製品が得られることが分かる。さらに、このようなチクソモールド法によって成形される製品は非常に薄いものであって金型１のキャビティ１１も薄いため、▲２▼の場合で示されるように、Ａｒガスの圧力は１ｋｇ／ｃｍ2 以上であれば、充分に均一な肉厚の製品を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、以下の効果を奏することができる。
【００３５】
（１）金型内へ高圧の不活性ガスを注入する高圧ガス注入手段を備えることによって、金型内へ射出されるマグネシウム合金材は飛散することなく射出部から金型内へと徐々に広がって充填される。その結果、金型内へ射出されるマグネシウム合金材の流れは安定し、肉厚不均一などの欠陥がなく品質の良い成形品を得ることができる。
【００３６】
（２）不活性ガスを加熱するガス加熱手段を備えることによって、不活性ガスを金型内へ注入する際、不活性ガスによって金型が冷却されるのを防止し、金型の温度を適正温度に維持して金型へダメージを与えることなく金型寿命を延ばすことが可能となる。
【００３７】
（３）不活性ガスを５００〜６００℃に加熱することにより、この不活性ガスにより金型のキャビティ内面を加熱して温度調整し、金型キャビティ内へ射出されるマグネシウム合金材は冷却されずにその流動性が維持され、マグネシウム合金材を金型内に充分に回してより均一な成形品を得ることが可能となる。
【００３８】
（４）金型内へのマグネシウム合金材の射出方向以外の方向から不活性ガスを注入することによって、金型内へ射出されて広がるマグネシウム合金材が飛散するのを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態におけるマグネシウム合金成形装置の概略構成図である。
【図２】  図１のＡ部詳細図である。
【図３】  図２のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】  本発明の実施の形態におけるマグネシウム合金成形装置による射出成形の過程を示す説明図である。
【図５】  表１に示すマグネシウム合金の肉厚の測定点を示す説明図である。
【図６】  表１の測定結果を図５に示すフォーマット上に立体化した図である。
【図７】  従来のチクソモールド法によるマグネシウム合金の射出成形の過程を示す説明図である。
【符号の説明】
１  金型
１ａ  固定側金型
１ｂ  移動側金型
２  シリンダ
３  ノズル
４  高速射出システム
５  原料ホッパ
６  原料供給装置
７  ヒータ
８  スクリュ
９  リング
１１  キャビティ
１２  加圧・加熱タンク
１２ａ  ヒータ
１３  Ａｒガスタンク
１４  導入口
１５  ガス導入口
１６  浸入防止路
１７  ガス注入路
【図１】
0003756021.tif 000003
【図２】
0003756021.tif 000004
【図３】
0003756021.tif 000005
【図４】
0003756021.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003756021.tif 000008
【図７】
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