(57)【要約】【課題】室温から作動温度において十分な強度、耐力及び耐疲労特性を有し、特に、羽根部相当部位における組織が微細かつ均質化された、インペラの最大限の軽量化が容易なアルミニウム合金製のインペラ用押出材及びその効率的な製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｕ及びＭｇを含有するアルミニウム合金製のインペラ用押出材であって、羽根部相当部位の押出方向（Ｌ方向）に平行な断面（Ｌ断面）において、押出方向（Ｌ方向）及び押出方向（Ｌ方向）に直交する方向（ＬＴ方向）の母材の平均粒径が共に２００μｍ以下であり、押出方向の引張特性において、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上であること、を特徴とするインペラ用押出材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ及びＭｇを含有するアルミニウム合金製のインペラ用押出材であって、
羽根部相当部位の押出方向（Ｌ方向）に平行な断面（Ｌ断面）において、前記押出方向（Ｌ方向）及び前記押出方向（Ｌ方向）に直交する方向（ＬＴ方向）の母材の平均粒径が共に２００μｍ以下であり、
前記押出方向（Ｌ方向）の引張特性において、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上であること、
を特徴とするインペラ用押出材。
【請求項２】
Ｃｕ：２．２〜３．５質量％、
Ｍｇ：１．４〜２．１質量％、
Ｆｅ：０．９〜１．５質量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、
Ｎｉ：０．９〜１．５質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、を含有し、
残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、
を特徴とする請求項１に記載のインペラ用押出材。
【請求項３】
アルミニウム合金のビレットを押出加工してインペラ用押出材を製造する方法であって、
前記押出加工を施した前記ビレットに溶体化処理を施した後、８０℃以下の水温で水却し、
前記水却の後、４８時間以内に２〜３％の引張整直を施した後に、時効処理を施すこと、
を特徴とするインペラ用押出材の製造方法。
【請求項４】
前記アルミニウム合金は、
Ｃｕ：２．２〜３．５質量％、
Ｍｇ：１．４〜２．１質量％、
Ｆｅ：０．９〜１．５質量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、
Ｎｉ：０．９〜１．５質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、を含有し、
残部がＡｌおよび不可避不純物からなること、
を特徴とする請求項３に記載のインペラ用押出材の製造方法。
【請求項５】
前記溶体化処理の温度を５００〜５４０℃とすること、
を特徴とする請求項３又は４に記載のインペラ用押出材の製造方法。
【請求項６】
前記押出加工の押出比を８以上、製品押出速度を３〜８ｍ／ｍｉｎ、押出温度を２５０〜３６０℃とすること、
を特徴とする請求項３〜５のうちのいずれかに記載のインペラ用押出材の製造方法。
【請求項７】
前記時効処理の時効処理温度を１８０〜２１０℃、時効処理時間を６〜２４時間とすること、
を特徴とする請求項３〜６のうちのいずれかに記載のインペラ用押出材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種インペラ及びローター等の回転体に加工されるアルミニウム合金製の押出材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種内燃機関に用いられるターボチャージャー等のインペラ（コンプレッサホイール）やローターは、円錐状をなす回転軸部の外周側に、複数の曲面状の薄い羽根部が渦巻の一部をなすように放射状に配置された構成を有しているのが一般的である。また、ターボチャージャーのインペラは１５０℃程度の温度で高速回転するため、高い高温強度及び剛性を有することが要求される。
【０００３】
加えて、インペラ及びローターはエネルギ損失を抑制するために軽量であることが必須であり、これらの素材にはアルミニウム合金が汎用されている。特に、温度が上昇する場合には高温特性に優れた２０００系アルミニウム合金が用いられているが、アルミニウム合金の組成のみでは要求される機械的性質を十分に満足することが困難な状況となっている。
【０００４】
これに対し、例えば、特許文献１（特開２０１７−４３８０２号公報）においては、アルミニウム合金押出材であって、質量％で、Ｃｕ：２．５〜３．３％、Ｍｇ：１.３〜２．５％、Ｎｉ：０．５０〜１．３％、Ｆｅ：０．５０〜１．５％、Ｍｎ：０．５０％未満、Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、Ｚｒ：０．０６〜０．２０％、Ｔｉ：０．０５％未満を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、断面において、金属間化合物の粒径が円相当径で２０μｍ以下であり、粒径が円相当径で０．３〜２０μｍの金属間化合物の密度が５×１０３個／ｍｍ２以上であり、かつ、亜結晶粒の平均粒径が円相当径で２０μｍ以下であることを特徴とするアルミニウム合金押出材、が提案されている。
【０００５】
上記特許文献１のアルミニウム合金押出材においては、例えば２００℃以上の高温域における強度及び耐クリープ性を向上させることができ、強度については、押出方向（Ｌ方向）の強度だけでなく、押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）の強度も向上させることができる。また、耐クリープ性については、特にＬＴ方向の耐クリープ性を向上させることができ、高温環境下で使用される自動車等の内燃機関や過給機等の部品等に適用することができる、としている。
【０００６】
また、特許文献２（特許第５５６１８４６号公報）においては、押出加工および冷間加工により得られるＣｕ：１．０〜３．０％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．４〜１．８％、Ｓｉ：０．２〜１．６％を含み、残部Ａｌおよび不純物よりなる組成を有するＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材であって、マトリックスの結晶粒内に、棒状の析出物が＜１００＞方向に配列し、該析出物の長さの平均値が１０〜７０ｎｍ、長さの最大値が１２０ｎｍ以下であり、かつ、（００１）面からの観察視野にて測定した［００１］方向の析出物の数密度が５００個／μｍ２以上であり、マトリックスが再結晶による等軸な結晶粒より成る組織で、結晶粒の押出方向の平均粒径をＬ、厚さ方向の平均粒径をＳＴとしたときの平均アスペクト比（Ｌ／ＳＴ）が１．５〜４．０であり、引張強度が４５０ＭＰａ以上、耐力が４００ＭＰａ以上、伸び７％以上であることを特徴とする高強度アルミニウム合金材、が提案されている。
【０００７】
上記特許文献２に記載の高強度アルミニウム合金材においては、押出加工性に優れ、ポートホール押出法による中空押出材の作製が可能で、且つ高強度をそなえた熱処理型Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系の高強度アルミニウム合金冷間加工材であり、特に、パイプ形状の冷間加工管材は、オートバイ用構造材などの輸送機器部材として好適に使用することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１７−４３８０２号公報
【特許文献２】特許第５５６１８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１のアルミニウム合金押出材及び上記特許文献２の高強度アルミニウム合金材は、組成及び析出物の状態等を規定したものであるが、母材結晶粒径及びその分布については詳細に検討されていない。しかしながら、母材結晶粒径及びその分布はアルミニウム合金の機械的性質に大きく影響する。特に、インペラが高速回転する際には羽根部に大きな応力が印加されることから、アルミニウム合金押出材の羽根部相当部位に粗大化した結晶粒が混在すると、インペラを最大限軽量化できる設計とすることができない。
【００１０】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、室温から作動温度において十分な強度、耐力及び耐疲労特性を有し、特に、羽根部相当部位における組織が微細かつ均質化された、インペラの最大限の軽量化が容易なアルミニウム合金製のインペラ用押出材及びその効率的な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、アルミニウム合金押出材の組成及び組織とその製造方法について鋭意研究を重ねた結果、特定の組成を有するアルミニウム合金に対して押出条件及び押出前後の処理条件を最適化し、微細かつ比較的等軸な母材結晶粒が広域に形成されるアルミニウム合金押出材を得ること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【００１２】
即ち、本発明は、
Ｃｕ及びＭｇを含有するアルミニウム合金製のインペラ用押出材であって、
羽根部相当部位の押出方向（Ｌ方向）に平行な断面（Ｌ断面）において、前記押出方向（Ｌ方向）及び前記押出方向（Ｌ方向）に直交する方向（ＬＴ方向）の母材の平均粒径が共に２００μｍ以下であり、
前記押出方向（Ｌ方向）の引張特性において、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上であること、
を特徴とするインペラ用押出材、を提供する。
【００１３】
本発明のインペラ用押出材においては、Ｃｕ及びＭｇの添加に起因する固溶強化及び析出強化（θ’相やＳ’相の析出）により、アルミニウム合金の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性と高温耐力が改善されている。
【００１４】
また、本発明のインペラ用押出材においては、羽根部相当部位の押出方向（Ｌ方向）に平行な断面（Ｌ断面）において、押出方向（Ｌ方向）及び押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）の母材の平均粒径が共に２００μｍ以下となっている。その結果、羽根部相当部位の強度、耐力及び耐疲労特性を担保することができ、高速回転するインペラを製造するための押出材として好適に用いることができる。なお、羽根部相当部位とは、切削加工等によって最終的にインペラの羽根部となる部位を意味し、切削加工で除去される最外周部を除く部位が該当するが、例えば、押出棒断面の面積比で最外周を除く８０％までの領域が該当する。
【００１５】
アルミニウム合金の押出材からインペラを製造する場合、当該押出材の押出方向とインペラの軸方向が平行になるように削り出される。即ち、インペラを使用する際には、押出材の押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）に、遠心力による繰り返し応力が印加される。このため、インペラではＬＴ方向の強度及び疲労特性を担保する必要があるが、従来一般的な押出材では押出方向（Ｌ方向）と押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）とで機械的性質が異なる場合が多い。当該機械的性質の差異は押出工程に伴う母材結晶粒や析出物の配向に起因するが、本発明のインペラ用押出材においては、羽根部相当部位の押出方向（Ｌ方向）に平行な断面（Ｌ断面）において、押出方向（Ｌ方向）及び押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）の母材の平均粒径を共に２００μｍ以下とすることで、押出方向（Ｌ方向）と押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）の両方向において、インペラに要求される機械的性質が実現されている。
【００１６】
即ち、本発明のインペラ用押出材においては、切削加工で除去される部位を除く、羽根部相当部位となる押出材の領域において母材結晶粒が十分に微細化及び均質化（等軸化）されており、羽根部相当部位の押出方向（Ｌ方向）に平行な断面（Ｌ断面）において、押出方向（Ｌ方向）及び押出方向に直交する方向（ＬＴ方向）の母材の平均粒径が共に２００μｍ以下となっている。また、押出方向（Ｌ方向）の引張特性において、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上となっている。ここで、結晶粒径が２００μｍ以下と十分に微細化されているため、ＬＴ方向でもＬ方向と同等の強度（Ｌ方向と比較して５％程度の強度差）となる。
【００１７】
また、本発明のインペラ用押出材においては、
Ｃｕ：２．２〜３．５質量％、
Ｍｇ：１．４〜２．１質量％、
Ｆｅ：０．９〜１．５質量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、
Ｎｉ：０．９〜１．５質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、を含有し、
残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、が好ましい。
【００１８】
インペラ用押出材がこれらの組成を有することで、Ｃｕ、Ｍｇ及びその他の添加に起因する固溶強化、析出強化及び晶出物による強化等により、アルミニウム合金の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性や高温耐力等が改善されている。
【００１９】
また、本発明は、
アルミニウム合金のビレットを押出加工してインペラ用押出材を製造する方法であって、
前記押出加工を施した前記ビレットに溶体化処理を施した後、８０℃以下の水温で冷却し、
前記水冷の後、４８時間以内に２〜３％の引張整直を施した後に、時効処理を施すこと、
を特徴とするインペラ用押出材の製造方法、も提供する。
【００２０】
本発明のインペラ用押出材の製造方法においては、溶体化処理後の急冷で固溶元素の固溶度を高め、４８時間以内に２〜３％の引張整直を施すことで転位を導入した後に時効処理を施すことで、当該時効処理による高強度化を最大限に発現することができる。その結果、インペラに要求される機械的性質を有するアルミニウム合金の押出材を得ることができる。
【００２１】
ここで、引張整直を４８時間以内に施すことは、引張整直の作業性、作業コスト及び用いる装置の観点からも極めて重要である。具体的には、引張整直工程においてアルミニウム合金押出材に印加する引張応力が３００ＭＰａ以上となる場合、従来一般的な装置では引張力や装置剛性が不足し、十分に制御された引張整直を効率的に行うことができない。また、アルミニウム合金押出材の径が大きくなると、引張整直を施すことができない。特に、Ｃｕ、Ｍｇ及びその他の添加に起因する固溶強化、析出強化及び晶出物による強化等により、高い引張強度を有するアルミニウム合金では深刻な問題となる。
【００２２】
これに対し、溶体化処理後の急冷から４８時間以内に引張整直を施すことで、アルミニウム合金の強度が比較的低い状態で引張整直を施すことができ、Ｃｕ、Ｍｇ及びその他の元素が添加されたアルミニウム合金であっても、３００ＭＰａ未満の引張応力で引張整直を施すことができる。即ち、一般的な装置を用いた効率的な引張整直作業が可能となる。
【００２３】
また、本発明のインペラ用押出材の製造方法においては、前記アルミニウム合金が、
Ｃｕ：２．２〜３．５質量％、
Ｍｇ：１．４〜２．１質量％、
Ｆｅ：０．９〜１．５質量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、
Ｎｉ：０．９〜１．５質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなること、が好ましい。
【００２４】
これらの組成を有するアルミニウム合金を用いることで、Ｃｕ、Ｍｇ及びその他の添加に起因する固溶強化、析出強化及び晶出物による強化等により、インペラの常温及び高温における引張特性及びクリープ特性や高温耐力等を改善することができる。
【００２５】
また、本発明のインペラ用押出材の製造方法においては、前記溶体化処理の温度を５００〜５４０℃とすること、が好ましい。溶体化処理の温度を５００℃以上とすることで、Ｃｕ及びＭｇ等の析出強化に寄与する固溶元素をアルミニウム中に十分に固溶させることができる。また、５４０℃以下とすることで、局部的な融解による押出材の強度及び延性の低下を抑制することができる。
【００２６】
また、本発明のインペラ用押出材の製造方法においては、前記押出加工の押出比を８以上、製品押出速度を３〜８ｍ／ｍｉｎ、押出温度を２５０〜３６０℃とすること、が好ましい。これらの押出条件範囲は、最終的に得られる押出材の母材結晶粒の微細化及び均質化（押出方向に平行な断面（Ｌ断面）におけるＬ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径が共に２００μｍ以下）を目的として最適化されたものである。具体的には、押出加工時のひずみ速度を増加させると共に加工温度を低くし、温度補償ひずみ速度因子であるＺ因子（Ｚｅｎｅｒ−Ｈｏｌｌｏｍｏｎ因子）が高くなる押出条件となっている。
【００２７】
更に、本発明のインペラ用押出材の製造方法においては、前記時効処理の時効処理温度を１８０〜２１０℃、時効処理時間を６〜２４時間とすること、が好ましい。時効熱処理の温度を１８０℃以上とすることで、析出強化を効率的に発現させることができ、２１０℃以下とすることで、析出物の粗大化等による強度、耐力及び耐疲労特性の低下を抑制することができる。また、時効処理時間を６時間以上とすることで、析出物を十分に生成させることができ、２４時間以下とすることで、析出物の粗大化等による強度、耐力及び耐疲労特性の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、室温から作動温度において十分な強度、耐力及び耐疲労特性を有し、特に、羽根部相当部位における微細が微細かつ均質化されたインペラの最大限の軽量化が容易なアルミニウム合金製のインペラ用押出材及びその効率的な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】代表的なインペラを概略的に示す斜視図である。
【図２】代表的なインペラを概略的に示す断面図である。
【図３】一般的なアルミニウム合金押出材のＬ断面における組織の模式図である。
【図４】本発明のインペラ用押出材のＬ断面における組織の模式図である。
【図５】実施押出材３のＬ断面における組織写真である。
【図６】比較押出材４のＬ断面における組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しながら本発明のアルミニウム合金製のインペラ用押出材及びその製造方法についての代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。
【００３１】
１．アルミニウム合金製インペラ用押出材
（１）組織
代表的なインペラを概略的に示す斜視図及び断面図を図１及び図２にそれぞれ示す。インペラ１は、インペラ１をローターと連結するためのシャフトを挿入するためのシャフト穴２を有し、略円錐状の回転軸部４の外周に、放射状にかつ渦巻の一部をなすように傾斜した複数の羽根部６を一体に形成した構造を有している。
【００３２】
インペラ１の形状は、アルミニウム合金製のインペラ用押出材を押出方向とインペラ１の軸方向が平行になるように切削加工することで得ることができる。この場合、インペラ１の結晶粒径及びその分布は、基本的にインペラ用押出材の状態を引き継ぐことになる。
【００３３】
押出方向（Ｌ方向）に伸長した母材結晶粒を有する一般的なアルミニウム合金押出材のＬ断面における組織の模式図を図３に示す。また、本発明のインペラ用押出材のＬ断面における組織の模式図を図４に示す。一般的なアルミニウム合金押出材１０は、押出加工時の変形により、Ｌ方向に伸長した母材結晶粒１２を有しており、基本的にはＬ方向の静的強度及び疲労強度がＬＴ方向よりも高い。
【００３４】
これに対し、本発明のインペラ用押出材１４においては、母材結晶粒１２が微細化及び均質化されており、Ｌ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒１２の平均粒径が共に２００μｍ以下となっている。その結果、インペラ用押出材１４はＬ方向とＬＴ方向の両方向において、インペラ１に要求される機械的性質を実現している。更に、切削加工後に羽根部６となるインペラ用押出材１４の外周部においても同様の組織となっており、室温から作動温度において羽根部６に要求される強度、耐力及び耐疲労特性を有している。ここで、Ｌ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒１２の平均粒径は共に１００μｍ以下となっていることが好ましく、５０μｍ以下となっていることがより好ましい。結晶粒が十分に微細であれば、結晶粒が伸長している場合であっても、ＬＴ方向の静的強度や疲労強度をＬ方向と同程度とすることができる。
【００３５】
また、インペラ用押出材１４はインペラ１に全体として要求される機械的性質を有しており、Ｌ方向の引張特性において、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上となっている。ここで、引張強さは４４０ＭＰａ以上となっていることが好ましく、４５０ＭＰａ以上となっていることがより好ましい。また、０．２％耐力は４００ＭＰａ以上となっていることが好ましく、４２０ＭＰａ以上となっていることがより好ましい。更に、伸びは９％以上となっていることが好ましく、１０％以上となっていることがより好ましい。
【００３６】
母材結晶粒１２の平均粒径を求める方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法で測定すればよい。例えば、インペラ用押出材１４をＬ断面で切断し、得られた断面試料を光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡で観察し、母材結晶粒１２の粒径の平均値を算出することで求めることができる。その際、例えば、Ｌ方向の結晶粒径及びＬＴ方向の結晶粒径は、交線法により測定することができる。その他、走査型電子顕微鏡に付属している後方散乱電子回折測定装置（ＳＥＭ−ＥＢＳＤ）により測定してもよい。なお、観察手法に応じて、断面試料には機械研磨、バフ研磨、電解研磨及びエッチング等を施せばよい。
【００３７】
また、本発明のインペラ用押出材１４はＣｕ及びＭｇを含有しており、Ｃｕ及びＭｇの添加に起因する固溶強化及び析出強化（θ’相やＳ’相の析出）等により、アルミニウム合金の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性と高温耐力も改善されている。
【００３８】
（２）組成
インペラ用冷間鍛造材１４は、Ｃｕ：２．２〜３．５質量％、Ｍｇ：１．４〜２．１質量％、Ｆｅ：０．９〜１．５質量％、Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、Ｎｉ：０．９〜１．５質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなることが好ましい。以下、各成分について詳細に説明する。
【００３９】
Ｃｕ：２．２〜３．５質量％
ＣｕはＡｌ−Ｃｕ系析出物を形成し、機械的特性及び疲労強度を高める作用を有する。また、ＣｕとＭｇの両者を添加し、熱処理することでＡｌ２ＣｕＭｇ化合物を形成させ、強度を高めることができる。Ｃｕ添加量が２．２質量％未満では析出物量が不足し、目標強度が得られない。また、３．５質量％を超えて添加すると、鋳造時に形成されたＡｌ２ＣｕやＡｌ２ＣｕＭｇ晶出物が溶体化処理時に固溶せず溶け残り、（疲労強度や）靭性が低下してしまう。
【００４０】
Ｍｇ：１．４〜２．１質量％
ＭｇはＣｕとともに添加することでＡｌ２ＣｕＭｇ化合物を形成し、強度に寄与する。１．４質量％未満ではインペラに要求される十分な強度が得られない。また、２．１質量％を超えて添加するとＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ晶出物が粗大になり、溶体化処理時に溶け残り、靭性を低下させる。加えて、ＭｇはＳｉと共にＭｇ−Ｓｉ系析出物を形成し、引張強度、耐力及び疲労強度を高める作用を有する。当該作用は１．４質量％以上で顕著となるが、２．１質量％を超えて添加しても、強度への寄与はほとんど期待できず、また、粗大な金属間化合物を形成し、（機械的特性）靭性等を低下させる虞がある。
【００４１】
Ｆｅ：０．９〜１．５質量％
分散粒子を形成させるのに有効な元素である。Ａｌ−Ｆｅ−（Ｎｉ）系化合物の晶出によってＡｌの再結晶化を抑制すると共に高温強度の向上に寄与するが、０．９質量％未満ではその効果が十分に得られない。しかし、過剰に添加すると、粗大な金属間化合物を形成させて靭性を低下させるため、添加量の上限を１．５質量％としている。
【００４２】
Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％
Ｓｉの添加によりＡｌ２ＣｕＭｇの析出密度が高まり、強度に寄与する。これらの作用は０．１質量％以上で顕著となり、０．２５質量％を超えて添加するとＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系の晶出物が形成され、疲労強度や靭性が低下する虞がある。
【００４３】
Ｎｉ：０．９〜１．５質量％
Ｎｉは、高融点のＡｌ−Ｎｉ系晶出物を形成し、２００〜３５０℃付近における耐熱性及び高温強度を改善する。当該効果は０．９質量％以上の含有で顕著になるが、１．５質量％を超える多量のＮｉを含有させると、粗大な化合物を形成して伸びの低下を生じる。
【００４４】
Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％
ＴｉはＢとの複合添加でＡｌ−ＴｉやＴｉ−Ｂ系の化合物を形成し、鋳造組織を微細化し、鋳造割れを防止すると共に、添加元素の均質化を促進させる。これらの効果は０．０１質量％未満では不十分であり、０．１５質量％を超える量を添加するとその効果が飽和するだけでなく、Ａｌ‐Ｔｉ系の粗大な晶出物を形成し、靭性を低下させる。また、ＴｉをＡｌ中に固溶させることで強化相であるＡｌ２ＣｕやＡｌ２ＣｕＭｇ析出物の高温下での成長を抑制し、高強度を安定して得ることができる。
【００４５】
２．アルミニウム合金製インペラ用押出材の製造方法
本発明のインペラ用押出材の製造方法は、インペラ用押出材１４の効果的かつ効率的な製造方法を提供するものであり、押出加工を施したビレットに溶体化処理を施した後、８０℃以下の水温で冷却し、前記水冷の後、４８時間以内に２〜３％の引張整直を施した後に、時効処理を施すこと、を特徴とするものである。以下、当該製造方法の一態様について詳細に説明する。
【００４６】
本発明のインペラ用押出材の製造方法は、アルミニウム合金のビレットを押出加工してインペラ用押出材を製造する方法であって、Ｃｕ：２．２〜３．５質量％、Ｍｇ：１．４〜２．１質量％、Ｆｅ：０．９〜１．５質量％、Ｓｉ：０．１０〜０．２５質量％、Ｎｉ：０．９〜１．５質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％、を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いることが好ましい。なお、各成分の役割は上述の通りである。
【００４７】
まず、上記組成を有するアルミニウム合金を常法により溶解し、造塊されたアルミニウム合金の鋳塊（ビレット：押出用に調整された鋳塊）を５００〜５４０℃で均質化処理する。均質化処理の温度が５００℃未満の場合には、組織の均質化が不十分となり、５４０℃を超える場合には、元素が偏析している部分で共晶融解が生じる。
【００４８】
次いで、得られたビレットに対して、押出加工を施す。当該押出加工の条件は、押出比を８以上、製品押出速度を３〜８ｍ／ｍｉｎ、押出温度を２５０〜３６０℃とすることが好ましい。押出加工で形成される組織は押出温度及び押出速度に大きく影響され、押出温度が低く押出速度が速い場合（ひずみ速度が大きな場合）は再結晶粒が生成する。特に、押出温度がより低く、押出速度がより速い場合は微細な等軸粒からなる組織が形成される。
【００４９】
本発明のインペラ用押出材の製造方法で用いる押出条件範囲は、最終的に得られる押出材の母材結晶粒１２の微細化及び均質化（Ｌ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒１２の平均粒径が共に２００μｍ以下）を目的として最適化されたものである。具体的には、押出加工時のひずみ速度を増加させると共に加工温度を低くし、Ｚ因子が高くなる押出条件となっている。
【００５０】
次いで、得られた押出材に対して溶体化処理を施した後に急冷し、４８時間以内に２〜３％の引張整直を施した後に時効処理を施す。本発明のインペラ用押出材の製造方法においては、溶体化処理後の急冷で固溶元素の固溶度を高め、４８時間以内に２〜３％の引張整直を施すことで転位を導入した後に時効処理を施すことで、当該時効処理による高強度化を最大限に発現することができる。その結果、インペラに要求される機械的性質を有するアルミニウム合金の押出材を得ることができる。
【００５１】
引張整直を４８時間以内に施すことは、引張整直の作業性、作業コスト及び用いる装置の観点からも極めて重要である。具体的には、引張整直工程においてアルミニウム合金押出材に印加する引張応力が３００ＭＰａ以上となる場合、従来一般的な装置では引張力や装置剛性が不足し、十分に制御された引張整直を効率的に行うことができない。また、アルミニウム合金押出材の径が大きくなると、引張整直を施すことができない。特に、Ｃｕ、Ｍｇ及びその他の添加に起因する固溶強、析出強化及び晶出物による強化等により、高い引張強度を有するアルミニウム合金では深刻な問題となる。
【００５２】
これに対し、溶体化処理後の急冷から４８時間以内に引張整直を施すことで、アルミニウム合金の強度が比較的低い状態で引張整直を施すことができ、Ｃｕ、Ｍｇ及びその他の元素を添加したアルミニウム合金であっても、３００ＭＰａ未満の引張応力で引張整直を施すことができる。即ち、一般的な装置を用いた効率的な引張整直作業が可能となる。
【００５３】
溶体化処理の温度は５００〜５４０℃とすることが好ましい。溶体化処理の温度を５００℃以上とすることで、Ｃｕ及びＭｇ等の析出強化に寄与する固溶元素をアルミニウム中に十分に固溶させることができる。また、５４０℃以下とすることで、局部的な共晶融解による押出材の強度及び延性の低下を抑制することができる。
【００５４】
また、時効処理の時効処理温度は１８０〜２１０℃、時効処理時間は６〜２４時間とすることが好ましい。時効熱処理の温度を１８０℃以上とすることで、析出強化を効率的に発現させることができ、２１０℃以下とすることで、析出物の粗大化等による強度、耐力及び耐疲労特性の低下を抑制することができる。また、時効処理時間を６時間以上とすることで、析出物を十分に生成させることができ、２４時間以下とすることで、析出物の粗大化等による強度、耐力及び耐疲労特性の低下を抑制することができる。
【００５５】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００５６】
≪実施例≫
表１に記載の３種成分（Ａ〜Ｃ）で、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金のビレットに対して、表２に記載の押出加工を施した。なお、表１の成分は質量％で示している。また、押出加工後の各試料に対して表２に記載の条件で溶体化処理を施した後に３５℃の水を用いて室温まで水冷し、４８時間の自然時効を施した後に表２に記載の条件で引張整直及び時効処理を施した（水冷から４８時間で引張整直を施した）。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
【表２】
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【００５９】
得られた各試料について、押出方向に平行な断面（Ｌ断面）で切断し、鏡面研磨及びエッチングを施すことによって断面観察試料を調整し、光学顕微鏡による組織観察を行った。各押出材のＬ断面におけるＬ方向及びＬＴ方向の平均結晶粒径を交線法により測定した結果を表３に示す。また、代表例として、実施押出材３のＬ断面における組織写真を図５に示す。実施押出材３では、比較的等軸かつ微細な母材結晶粒が形成されていることが分かる。なお、実施押出材の全領域において同様の微細組織が形成されていた。
【００６０】
【表３】
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【００６１】
実施例で得られた全ての押出材で、Ｌ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径が共に２００μｍ以下となっている。特に、実施押出材１ではＬ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径が共に１００μｍ以下となっており、実施押出材２ではＬ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径が共に５０μｍ以下となっている。
【００６２】
次に、各押出材から取得した試験片に関して室温にて引張試験を行い、０．２％耐力、引張強度、及び伸びを測定した。引張試験片はＪＩＳ Ｚ ２２４１に記載の１４号Ａ試験片を用い、平行部が押出方向と平行になるようにした。引張速度はＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠し、０．２％耐力までを２ｍｍ／ｍiｎ、０．２％耐力以降を５ｍｍ／ｍiｎとした。得られた値を表４にそれぞれ示す。
【００６３】
【表４】
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【００６４】
全ての実施押出材について、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上となっている。ここで、実施押出材１では引張強さが４４０ＭＰａ以上、０．２％耐力が４００ＭＰａ以上となっており、実施押出材３では引張強さが４５０ＭＰａ以上、０．２％耐力が４２０ＭＰａ以上となっている。
【００６５】
表１に記載の成分Ａで、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金のビレットに対して、表２に記載の成分Ａ（実施押出材１）に関する押出加工及び溶体化処理を施した。溶体化処理を施した後に３５℃の水を用いて室温まで水冷し、０．１〜３３６時間の各時間の自然時効を施した後に（水冷から０．１〜３３６時間後に）、引張整直を施した。
【００６６】
引張整直でひずみ０．０２５導入時の公称応力と自然時効時間の関係を表５に示す。また、表５にはアルミニウム合金押出材の直径が３６ｍｍ、６０ｍｍ及び１００ｍｍの場合の荷重を参考として示している。
【００６７】
【表５】
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【００６８】
表５より、自然時効時間（水冷から引張整直までの時間）が４８時間の場合は公称応力が２８２ＭＰａとなっており、３００ＭＰａ未満となっている。一方で、自然時効時間（水冷から引張整直までの時間）が長くなると公称応力が増加し、１６８時間の場合は３０３ＭＰａとなっている。
【００６９】
≪比較例≫
表１に記載の組成（Ｂ、Ｄ及びＥ）を有するアルミニウム合金のビレットに対して、表２に記載の押出加工を施した。また、押出加工後の各試料に対して表２に記載の条件で溶体化処理を施した後に３５℃の水で室温まで水冷し、表２に記載の条件で引張整直及び時効処理を施した。
【００７０】
実施例と同様にして、各比較押出材の断面観察を行い、平均結晶粒径を算出した。得られた値を表３に示す。また、代表例として、比較押出材４のＬ断面における組織写真を図６に示す。比較押出材の平均結晶粒は粗大かつＬ方向に伸長しており、Ｌ方向及び／又はＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径が２００μｍ以上となっている。
【００７１】
また、実施例と同様にして、比較押出材の引張特性を評価した。得られた結果を表４に示す。比較押出材は引張強さ及び／又は０．２％耐力が基準値（引張強さ：４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力：３７０ＭＰａ）に達していない。また、Ｌ方向とＬＴ方向の引張特性は大きく異なることが想定される（インペラにおいて重要なＬＴ方向の強度及び疲労特性が低くなる。）。
【００７２】
ここで、比較押出材１及び２は整直量が０．３％と小さく、０．２％耐力が低い値となっている。特に、ビレット温度が高く押出速度が遅い比較押出材１では、粗大な母材結晶粒が形成されている。また、比較押出材４についても整直量が１．０％と小さいことに加えて、ビレット温度が高く押出速度が遅い押出条件となっており、母材結晶粒径が粗大化している。
【００７３】
また、比較押出材３では適当な押出条件及び整直条件が用いられているが、Ｃｕ及びＭｇの含有量が基準値の下限よりも少ない。その結果、Ｌ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径は共に２００μｍ以下となっているが、引張強さと０．２％耐力が共に基準値に達していない。
【００７４】
以上の実施例及び比較例の結果により、インペラの羽根部相当部位において、Ｌ断面におけるＬ方向及びＬＴ方向の母材結晶粒の平均粒径が共に２００μｍ以下であり、引張強さが４２０ＭＰａ以上、０．２％耐力が３７０ＭＰａ以上、伸びが７％以上であるアルミニウム合金製押出材を実現するためには、適当な組成を有するアルミニウム合金に対して、微細かつ比較的等軸な母材結晶粒が得られる押出条件範囲を適用し、かつ、２〜３％の整直を施すこと等が重要であることが分かる。
【００７５】
加えて、引張整直に必要な引張応力を３００ＭＰａ未満とし、２〜３％の整直処理を従来一般的な装置で効率的に施すためには、自然時効時間（水冷から引張整直までの時間）を４８時間以内とすることが好ましいということが分かる。
【符号の説明】
【００７６】
１・・・インペラ、
２・・・シャフト穴、
４・・・回転軸部、
６・・・羽根部、
１０・・・一般的なアルミニウム合金押出材、
１２・・・母材結晶粒、
１４・・・本発明のインペラ用押出材。
【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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