(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボス部、複数の羽根部及びディスク部を備えるＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーにおいて、前記Ａｌ合金鋳物が、Ｃｕ：１．４〜３．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ：１．０〜２．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ合金からなり、前記ボス部の二次デンドライトアーム間隔が２０〜５０μｍであり、前記羽根部の二次デンドライトアーム間隔が１０〜３５μｍであり、前記ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が５〜２５μｍであり、前記ボス部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ａｍａｘと、前記羽根部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ｂｍａｘと、前記ディスク部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ｃｍａｘとが、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係を満たし、２００℃における０．２％耐力値が２６０ＭＰａ以上であり、高温での耐久試験（ターボ組み付け、１５００００ｒｐｍ×２００時間、出側温度２００℃）により高温疲労強度を評価した際に、ボス部、羽根部及びディスク部のいずれにも破断及び亀裂が発生しないことを特徴とするＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー。
【請求項２】
大型用途に用いられ、前記ボス部の高さが２００〜８０ｍｍ、ディスク部の直径が３００〜１００ｍｍ、羽根部の高さが１８０〜６０ｍｍ、羽根先端肉厚が４．０〜０．４ｍｍ及び羽根の枚数が３０〜１０枚である、請求項１に記載のＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー。
【請求項３】
小型用途に用いられ、前記ボス部の高さが１００〜２０ｍｍ、ディスク部の直径が１２０〜２５ｍｍ、羽根部の高さが９０〜５ｍｍ、羽根先端肉厚が３．０〜０．１ｍｍ及び羽根の枚数が２０〜４枚である、請求項１に記載のＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー。
【請求項４】
請求項１〜３に記載のいずれか一項に記載のＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの製造方法において、Ｃｕ：１．４〜３．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ：１．０〜２．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる７２０〜７８０℃のＡｌ合金溶湯を調製する溶湯調製工程と；調製したＡｌ合金溶湯を、２００〜３５０℃の石膏型とインペラーディスク面に接する面に配置された１００〜２５０℃の冷やし金とで構成される製品形状の空間に圧入する圧力鋳造法によりＡｌ合金鋳物を鋳造する鋳造工程であって、石膏型の温度と冷やし金の温度が、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満たす鋳造工程と；当該Ａｌ合金鋳物を溶体化処理する溶体化処理工程と；溶体化処理したＡｌ合金鋳物を時効処理する時効処理工程と；を備えることを特徴とするＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や船舶の内燃機関用のターボチャージャーに使用される、アルミニウム合金鋳物製のコンプレッサーインペラー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や船舶用の内燃機関に用いられるターボチャージャーには、高速回転によって空気を圧縮して内燃機関に供給するためのコンプレッサーインペラーが設けられている。このコンプレッサーインペラーは、高速回転中には１５０℃程度の高温に達し、さらに回転中心近傍、特にディスク部には回転軸からのねじり応力や遠心力などによる高い応力が発生する。【０００３】
コンプレッサーインペラーは、ターボチャージャーの要求性能に応じて種々の素材によって形成される。船舶用などの大型の用途には通常アルミニウム合金の熱間鍛造材からインペラー形状に削り出したものが使用されている。乗用車、トラックなどの自動車用や小型船舶用などの比較的小型なものは、大量生産性やコストが重視される。そのため、鋳造性の良好なＪＩＳ−ＡＣ４ＣＨ（Ａｌ−７％Ｓｉ−０．３％Ｍｇ合金）、ＡＳＴＭ−３５４．０（Ａｌ−９％Ｓｉ−１．８％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ合金）、ＡＳＴＭ−Ｃ３５５．０（Ａｌ−５％Ｓｉ−１．３％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ合金）等、Ｓｉを主要添加元素とした易鋳造性アルミニウム合金を、石膏型（プラスターモールド）を用いて低圧鋳造法、減圧鋳造法又は重力鋳造法などによって鋳造し、これを溶体化処理や時効処理により強化したものが広く使用されている。この基本的な製造方法は、特許文献１に詳細に開示されている。【０００４】
近年になって、エンジンの小型化、高出力化や排気再循環量増加に伴う空気の高圧縮比化が要求される中、ターボチャージャーのより高速な回転が指向されている。しかしながら、回転数の増大によって空気の圧縮による発熱量が増加し、また排気側のタービンインペラーも同時に高温化するため、その伝熱によりコンプレッサーインペラーに発生する温度は増大する。このため、上述の従来用いられていたＳｉを主要添加元素とした易鋳造性アルミニウム合金製のコンプレッサーインペラーでは使用中に変形したり、更には疲労破壊したりする不具合が発生し易く、正常な回転の継続が不可能となることが判明した。具体的には、これらの既存のコンプレッサーインペラーでは１５０℃程度が使用可能な温度の上限であるが、上述の高速回転指向のため、２００℃程度でも使用可能なコンプレッサーインペラーの開発が強く望まれている。【０００５】
そこで、アルミニウム合金組成をより高温強度の優れた、例えばＪＩＳ−ＡＣ１Ｂ（Ａｌ−５％Ｃｕ−０．３％Ｍｇ合金）などに変更することが考えられる。しかしながら、特許文献２に記載されているように、コンプレッサーインペラーのように複雑形状で、かつ薄肉の羽根の部分を有する場合には、同合金では溶湯の良好な流動性に欠け、薄肉部への湯回り不良（充填不良）が発生し易い問題点があった。【０００６】
特許文献２では上記問題点を解消すべく、湯回り性の重要視される羽根部にはＡＣ４ＣＨなどのＡｌ−Ｓｉ系の易鋳造性の合金を用い、強度の必要な回転軸に結合されるボス部からディスク部にかけてはＡＣ１ＢなどのＡｌ−Ｃｕ系の高強度の合金を用いて、これらを２回に分けて注湯して合体させ、コンプレッサーインペラーを形成する方法が提案されている。【０００７】
また、特許文献３には、羽根部には鋳造性の良好な合金を用い、応力が加わるボス部からディスク部中央部にかけては２５％Ｂを含有するアルミニウムウィスカーなどの強化材にアルミニウムを含浸させて強化した強化複合材を別途製造して用い、これらを接合してコンプレッサーインペラーを形成する方法が提案されている。【０００８】
特許文献４には、羽根部とボス部（及びディスク部）を摩擦圧接によって接合する方法が提案されている。しかしながら、これら各部に異なる材料を併用する方法では、生産性が劣りコスト増加となる問題点が残り、未だに工業化は達成されていない。【０００９】
このような異なる材料を用いる問題点に鑑み、特許文献５には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ基合金の添加元素とその組み合わせの範囲を適正化することで単一合金での鋳造を可能とし、１８０℃での耐力値を２５０ＭＰａ以上としたコンプレッサーインペラーが提案されている。特許文献６には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ基合金の添加元素とその組み合わせの範囲を更に適正化して結晶粒径を制御することで鋳造歩留まりを改善し、２００℃での耐力値を２６０ＭＰａ以上としたコンプレッサーインペラーが提案されている。【００１０】
しかしながら、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ基合金の単一合金鋳造においては、ターボチャージャーの更なる高速回転化に伴い、２００℃付近での高温使用に対して長期間にわたって安定して耐えられることが課題となっている。また、安定した生産性の確保のために、鋳造歩留の向上も課題として残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，５５６，５２８号明細書
【特許文献２】特開平１０−５８１１９号公報
【特許文献３】特開平１０−２１２９６７号公報
【特許文献４】特開平１１−３４３８５８号公報
【特許文献５】特開２００５−２０６９２７号公報
【特許文献６】特開２０１２−２５９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、２００℃程度の使用温度においても長期間にわたって安定した強度が得られ、かつ生産性に優れたアルミニウム合金（以下、「Ａｌ合金」と記す）鋳物製コンプレッサーインペラー及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の特徴は、ボス部、複数の羽根部及びディスク部を備えるＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーにおいて、前記Ａｌ合金鋳物が、Ｃｕ：１．４〜３．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ：１．０〜２．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ合金からなり、前記ボス部の二次デンドライトアーム間隔が２０〜５０μｍであり、前記羽根部の二次デンドライトアーム間隔が１０〜３５μｍであり、前記ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が５〜２５μｍであり、前記ボス部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ａｍａｘと、前記羽根部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ｂｍａｘと、前記ディスク部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ｃｍａｘとが、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係を満たし、２００℃における０．２％耐力値が２６０ＭＰａ以上であり、高温での耐久試験（ターボ組み付け、１５００００ｒｐｍ×２００時間、出側温度２００℃）により高温疲労強度を評価した際に、ボス部、羽根部及びディスク部のいずれにも破断及び亀裂が発生しないことを特徴とするＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーとする。
【００１４】
本発明の更なる特徴は、大型用途に用いられ、前記ボス部の高さが２００〜８０ｍｍ、ディスク部の直径が３００〜１００ｍｍ、羽根部の高さが１８０〜６０ｍｍ、羽根先端肉厚が４．０〜０．４ｍｍ及び羽根の枚数が３０〜１０枚である。【００１５】
本発明の別の特徴は、小型用途に用いられ、前記ボス部の高さが１００〜２０ｍｍ、ディスク部の直径が１２０〜２５ｍｍ、羽根部の高さが９０〜５ｍｍ、羽根先端肉厚が３．０〜０．１ｍｍ及び羽根の枚数が２０〜４枚である。【００１６】
本発明の更に別の特徴は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの製造方法において、Ｃｕ：１．４〜３．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ：１．０〜２．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる７２０〜７８０℃のＡｌ合金溶湯を調製する溶湯調製工程と；調製したＡｌ合金溶湯を、２００〜３５０℃の石膏型とインペラーディスク面に接する面に配置された１００〜２５０℃の冷やし金とで構成される製品形状の空間に圧入する圧力鋳造法によりＡｌ合金鋳物を鋳造する鋳造工程であって、石膏型の温度と冷やし金の温度が、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満たす鋳造工程と；当該Ａｌ合金鋳物を溶体化処理する溶体化処理工程と；溶体化処理したＡｌ合金鋳物を時効処理する時効処理工程と；を備えることを特徴とするＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの製造方法とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、２００℃付近での高温領域においても長期間にわたって安定した耐熱強度を示し、かつ、鋳造歩留などの生産性に優れたアルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの構造の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー内部のＤＡＳ測定箇所を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
Ａ．Ａｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの形状
図１に本実施形態に係るアルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー（以下、単に「コンプレッサーインペラー」と記す）の形状の一例を示す。コンプレッサーインペラー１は、回転中心軸（ボス部）２と、これに一体に連なるディスク部３と、このディスク部３から突出する複数枚の薄肉の羽根４を有する。このコンプレッサーインペラー１の温度は、高速回転中には２００℃程度の高温に達し、回転中心の近傍、特にディスク部や羽根部には回転軸からのねじり応力や遠心力などによる高い応力が発生する。
【００２１】
本発明者等は、上述の課題を解決するために種々実験検討を重ねた結果、アルミニウム合金において、鋳造中の冷却速度分布を制御し、コンプレッサーインペラー内部の二次デンドライトアーム間隔分布を適正化することで鋳造歩留を格段に向上させ、かつ、２００℃程度の高温使用時においても、ディスク部及び羽根部での破損のなく耐熱強度が長期間にわたって安定して優れているコンプレッサーインペラーが得られることを見出した。
【００２２】
なお、本発明において「耐熱強度が長期間にわたって安定して優れる」とは２００℃程度での使用温度でも、変形や疲労破壊が長期間にわたって発生しないことを意味する。具体的には、２００℃での引張試験により得られる０．２％耐力値が２６０ＭＰａ以上、かつ、２００℃、１５万ｒｐｍ×２００時間でのターボ組み付け耐久試験による破損が無いこととする。
【００２３】
Ｂ．二次デンドライトアーム間隔
本発明で用いるアルミニウム合金は、従来のＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金鋳物の製造方法に準じて、石膏型（プラスターモールド）を使用し圧力鋳造法（低圧鋳造法、減圧鋳造法又は差圧鋳造法）によってコンプレッサーインペラー形状に鋳造される。
【００２４】
この石膏型を使用した圧力鋳造法では、各鋳物内部の最大二次デンドライトアーム間隔がディスク部で２５μｍ以下、羽根部で３５μｍ以下、ボス部で５０μｍ以下となるように凝固条件を制御する必要がある。これは、コンプレッサーインペラーの回転の加減速により発生する繰り返し応力による疲労破壊を防止するためである。二次デンドライトアーム間隔が各部位で上記数値を超えると、粗大なデンドライトアーム境界に沿って線状に分布する金属間化合物に沿って疲労亀裂が発生・進展し易い。特に、ディスク部と羽根部は肉厚が薄い上に回転に伴う引張応力が加わるため、デンドライトアーム間隔の上限値はボス部より小さくする必要がある。ディスク部は羽根部からのねじり応力も加わるため、ディスク部のデンドライトアーム間隔の上限値は、羽根部における上限値より小さくする必要がある。なお、デンドライトとは金属が凝固中に形成する樹枝状の固層形であり、樹枝の幹から出る枝を二次デンドライトアームという。
【００２５】
上述のように、二次デンドライトアーム間隔を小さくするためには冷却速度を増加する必要がある。しかしながら、冷却速度を増加して凝固時間を短くし過ぎると凝固過程での押し湯効果が有効に作用しなくなり、凝固収縮による引け巣の残存及び寸法精度の悪化が生じ易くなる。特に、コンプレッサーホイールのような肉厚の薄い複雑形状の鋳物品の鋳造歩留や寸法精度を十分に確保するためには、ある程度の凝固時間を確保する必要がある。具体的には、ボス部で２０μｍ以上、羽根部で１０μｍ以上、ディスク部で５μｍ以上の二次デンドライトアーム間隔となるような冷却速度に調整する必要がある。
【００２６】
Ｃ．冷却速度の制御
上述のような二次デンドライトアーム間隔分布を得るためには、石膏型に圧入する溶湯の温度、ならびに、コンプレッサーホイール内の冷却速度を制御することが必要である。溶湯は、７２０〜７８０℃に温度調整する必要がある。また、コンプレッサーホイール内の冷却速度の制御は、冷やし金（チルプレート）の温度、石膏型の予熱温度、ならびに、鋳造温度を適正化することにより可能となる。具体的には、ディスク面に接する面に１００〜２５０℃に温度調整した金属製の冷やし金を配置し、石膏型の予熱温度を２００〜３５０℃とする必要がある。以上のように、溶湯、冷やし金及び石膏型の温度を設定することにより、上記のようなボス部で２０μｍ〜５０μｍ、羽根部で１０μｍ〜３５μｍ、ディスク部で５μｍ〜２５μｍの二次デンドライトアーム間隔の範囲を達成することができる。
【００２７】
溶湯の温度が７２０℃未満では、圧入された溶湯が製品形状空間内で早期に凝固することから湯回り不良が生じて製品形状が確保できなくなる。一方、溶湯の温度が７８０℃を超えると溶湯の酸化が進行して水素ガスの吸収および酸化物の増加により溶湯品質が悪化し、製品強度を確保することが困難となる。石膏型の予熱温度が２００℃未満では、型の先端に溶湯が充填される前に凝固が進行してしまうため湯回り不良が生じて製品形状が確保できなくなる。一方、石膏型の予熱温度が３５０℃を超えると、石膏型内での凝固が遅くなり引け巣不良が発生することとなる。また、冷やし金の温度が１００℃未満では、凝固の進行が速すぎて湯回り不良が生じることとなる。一方、冷やし金の温度が２５０℃を超えると、冷やし金からの凝固が遅くなり引け巣不良が発生することとなる。
【００２８】
なお、冷やし金の材質は、熱伝導率が高い銅及び銅合金が好ましいが、鉄、ステンレス鋼なども使用できる。また、冷やし金の温度調整には、冷やし金内部に水などの冷却媒体を通して鋳造中の過熱を抑制する機構を用いるのが好ましい。
【００２９】
Ｄ．各部における二次デンドライトアーム間隔の最大値の関係
引け巣に起因する内部欠陥を低減して鋳造歩留を向上するためには、コンプレッサーホイール内部での凝固順序も重要であり、冷やし金に接しているディスク部からボス部に向かう一方向凝固を達成させることでボス部及びディスク部での引け巣欠陥を防止することができる。また、羽根部の引け巣欠陥を防ぐためにはボス部が凝固する前に羽根部での凝固が完了している必要がある。すなわち、ディスク部、羽根部、ボス部をこの順序で凝固させる必要がある。
【００３０】
ここで、凝固が一番遅い部分の二次デンドライトアーム間隔が最も大きくなることから、上記ディスク部→羽根部→ボス部の凝固順序を満たすためには、ボス部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ａｍａｘ、羽根部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ｂｍａｘ、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔の最大値Ｃｍａｘにおいて、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係を満たすことが望ましい。この関係を得るためには、冷やし金の温度を、石膏型の温度から５０℃低い温度未満に設定することで達成できる。冷やし金の温度が、石膏型の温度から５０℃低い温度以上の場合には、冷やし金に近いディスク部よりも羽根部が先に凝固することになるため、上記のＡｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係が得られない。
【００３１】
Ｅ．Ａｌ合金の成分組成
次に、本発明で用いるＡｌ合金の成分組成とその限定理由について説明する。
【００３２】
Ｃｕ、Ｍｇ：
ＣｕとＭｇはＡｌ母相中に固溶し、固溶強化によって機械的強度を向上させる効果を有する。また、ＣｕとＭｇが共存することによって、Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ等の析出強化による強度向上にも寄与する。但し、これらの２種の元素は凝固温度範囲を拡大する元素であるため、過剰な添加は鋳造性を劣化させる。
【００３３】
Ｃｕ含有量が１．４ｍａｓｓ％（以下、単に「％」と記す）未満の場合、Ｍｇ含有量が１．００％未満の場合には、２００℃の高温において必要とされる機械的強度が得られない場合がある。一方、Ｃｕ含有量が３．２％を超える場合、Ｍｇ含有量が２．０％を超える場合には、コンプレッサーインペラーとしての鋳造性が劣化し、特に羽根先端部への湯回りが不十分となって欠肉が発生し易くなる場合がある。以上により、Ｃｕ含有量を１．４〜３．２％、Ｍｇ含有量を１．０〜２．０％とするのが好ましい。なお、使用中の変形などの不具合を確実に防止し、かつ、鋳造時の欠肉発生を可及的に防止して工業的に好適な歩留まりを得るためには、Ｃｕ含有量を１．７〜２．８％、Ｍｇ含有量を１．３〜１．８％とするのがより好ましい。
【００３４】
Ｎｉ、Ｆｅ：
ＮｉとＦｅは、Ａｌとの間で金属間化合物を形成してＡｌ母相中に分散し、Ａｌ合金の高温強度を向上させる効果を奏する。そのためには、Ｎｉ含有量を０．５％以上、Ｆｅ含有量も０．５％以上とするのが好ましい。しかしながら、両元素は共に過剰に含有されると、金属間化合物が粗大化してしまうだけでなく、高温においてＣｕ２ＦｅＡｌ７やＣｕ３ＮｉＡｌ６を形成してＡｌ母相中の固溶Ｃｕ量を低減させ、かえって強度を低下させてしまう場合がある。そのため、Ｎｉ含有量を２．０％以下、Ｆｅ含有量も２．０％以下とするのが好ましい。以上により、Ｎｉ含有量を０．５〜２．０％、Ｆｅ含有量を０．５〜２．０％とするのが好ましい。なお、Ｎｉ含有量を０．５〜１．４％、Ｆｅ含有量を０．７〜１．５％とするのがより好ましい。上記より好ましい範囲の下限値は製造の際のバラツキを考慮し工業的に安定的な量産をする上での目安値であり、上限値は効果が飽和しこれ以上の添加は無駄となる添加量の目安値である。
【００３５】
Ｔｉ：
Ｔｉは、鋳造時の初晶アルミニウム結晶粒の成長抑制効果を奏するため、鋳造中の凝固組織を微細化して溶湯補給性を改善し、湯回り性を改善する効果を発揮するため添加される。Ｔｉ含有量が０．０１％未満では、上記効果が十分に得られない場合がある。一方、Ｔｉ含有量が０．３５％を超えると、Ａｌとの間に数１０〜数１００μｍの大きさの粗大な金属間化合物を形成して回転時に疲労亀裂の起点となり、コンプレッサーインペラーとしての信頼性を低下させる場合がある。以上により、Ｔｉ含有量を０．０１〜０．３５％とするのが好ましく、０．０２〜０．３０％とするのがより好ましい。
【００３６】
Ａｌ合金の不可避的不純物として、０．３％程度以下のＳｉ、ならびに、０．２％程度以下のＺｎ、Ｍｎ、Ｃｒなどが含有されていても、コンプレッサーインペラーの特性を損なうことがないので許容される。
【００３７】
本発明に係るコンプレッサーインペラーは、２００℃程度の使用温度においても長期間にわたって安定した強度を維持する。具体的には、２００℃での引張試験における０．２％耐力値を２６０ＭＰａ以上と規定するものである。この耐力値は、好ましくは２６５ＭＰａ以上である。なお、耐力値の上限値は、アルミニウム基材合金組成や製造条件によって自ずと決まるが、本発明では３８０ＭＰａとする。
【００３８】
Ｆ．製造方法
次に、本発明に係るＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーの製造方法について説明する。この製造方法は、溶湯調整工程、鋳造工程及び熱処理工程から構成される。
【００３９】
溶湯調整工程：
通常の方法に従って、上述のＡｌ合金組成となるように各成分元素を加えて加熱溶解し、脱水素ガス処理及び介在物除去処理などの溶湯処理を行なう。そして、最終的な溶湯温度が７２０〜７８０℃となるように温度が調整される。
【００４０】
鋳造工程：
鋳造工程では、７２０〜７８０℃に温度調整された溶湯を、石膏型を用いた圧力鋳造法によってコンプレッサーインペラー形状に鋳造する。上述のように、ディスク面に接する面に配置する冷やし金の温度は１００℃〜２５０℃に調整され、石膏型の予熱温度は２００〜３５０℃に調整される。ここで、溶湯は、通常０．０１〜０．４ＭＰａの圧力で石膏型に加圧注入されるが、石膏型内を０．０１〜０．４ＭＰａの圧力分だけ減圧してもよい。
【００４１】
熱処理工程：
鋳造されたＡｌ合金鋳物は、熱処理工程にかけられる。熱処理工程は、溶体化処理工程と時効処理工程とで構成される。熱処理工程により、Ｃｕによる固溶強化；ＣｕとＭｇによる析出強化；ＡｌとＦｅとの間、ならびに、ＡｌとＮｉとの間で形成される金属間化合物による分散強化；を有効に活用することができる。
【００４２】
溶体化処理工程：
溶体化処理は、固相線温度から５〜２５℃低い温度範囲で行うのが好ましい。本発明において好適に用いられるＡｌ合金においては、固相線温度から５〜２５℃低い温度範囲は５１０〜５３０℃となる。固相線温度から５〜２５℃低い温度範囲を超える温度では、
結晶粒界の第２相が溶融する危険性が高まり、強度確保が困難となる。一方、この温度範囲未満の温度では、元素拡散が十分に進まずに十分な溶体化が行われないこととなる。
【００４３】
時効処理：
時効処理は、１８０〜２３０℃で３〜３０時間熱処理するのが好ましく、１９０〜２１０℃で５〜２０時間熱処理するのがより好ましい。処理温度が１８０℃未満の場合や、処理時間が３時間未満の場合には、強度向上のための析出強化が不十分な場合がある。一方、処理温度が２３０℃を超える場合や、処理時間が３０時間を超える場合には、形成された析出相が粗大化（過時効）して十分な強化作用が得られないとともに、Ｃｕの固溶強化能が低下する。
【００４４】
Ｇ．コンプレッサーホイール形状
本発明に係るコンプレッサーインペラーの形状や寸法、ならびに、羽根の枚数は特に限定されるものではなく、船舶用の大型用途や自動車などの小型用途など多くの用途のものに適用することができる。例えば、船舶用の大型用途の場合には、ボス部の高さ、ディスク部の直径及び羽根部の高さは、それぞれ、２００〜８０ｍｍ、３００〜１００ｍｍ、１８０〜６０ｍｍ、好ましくは１８０〜１００ｍｍ、２６０〜１２０ｍｍ、１６０〜９０ｍｍであり、羽根先端肉厚は４．０〜０．４ｍｍ、好ましくは３．０〜０．６ｍｍである。羽根の枚数は、３０〜１０枚、好ましくは２６〜１２枚である。また、自動車などの小型用途の場合には、ボス部の高さ、ディスク部の直径及び羽根部の高さは、それぞれ、１００〜２０ｍｍ、１２０〜２５ｍｍ、９０〜５ｍｍ、好ましくは９０〜２５ｍｍ、１００〜３０ｍｍ、８０〜８ｍｍであり、羽根先端肉厚は３．０〜０．１ｍｍ、好ましくは２．０〜０．２ｍｍである。羽根の枚数は、２０〜４枚、好ましくは１８〜６枚である。
【実施例】
【００４５】
以下において、実施例により本発明を更に詳細に説明する。【００４６】
第１の実施例（本発明例１〜５及び比較例１〜１６）
表１に示す組成のＡｌ合金を、通常の溶湯処理を施して溶解し、溶湯を表１に示す温度に調製する溶湯調製工程にかけた。溶湯調製工程では、表１に示す組成のＡｌ合金１５０ｋｇを溶解して溶湯を得た。次いで、回転ガス吹込み装置を用いてローター回転数４００ｒｐｍ、気体流量２．５Ｎｍ３／ｈの条件にて、アルゴンガスを溶湯中に２０分間吹き込んだ。その後、溶湯全体を１時間鎮静保持し、除滓した。【００４７】
【表１】
0005415655.tif 000002
【００４８】
次いで、溶湯調製工程で調製したＡｌ合金溶湯は、表１の予熱温度に調整された石膏型と、インペラーディスク面に接する面に配置され、表１の温度に調整された銅製冷やし金とで構成される所定空間に加圧注入する低圧鋳造法によりＡｌ合金鋳物を作製した。このＡｌ合金鋳物コンプレッサーインペラーは、ボス部高さ４０ｍｍ、ディスク部直径４０ｍｍ、羽根部高さ３５ｍｍ、羽根数１２枚、羽根先端肉厚０．３ｍｍの形状を有する乗用車ターボチャージャー用コンプレッサーインペラーである。溶湯の注入圧力は１００ｋＰａとし、Ａｌ合金鋳物全体の凝固が完了するまでこの圧力で加圧保持した。【００４９】
上記Ａｌ合金鋳物を石膏型から取り外した後、５３０℃で８時間の溶体化処理を施し、その後、２００℃で２０時間の時効処理を施した。以上のようにして、Ａｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー試料を作製した。【００５０】
上記のようにして作製した各試料について、ボス部、羽根部及びディスク部の二次デンドライトアーム間隔、高温特性（２００℃の０．２％耐力値、耐久試験評価）、ならびに、生産性（鋳造歩留評価）を、以下のようにして評価した。【００５１】
１．二次デンドライトアーム間隔の測定
「アルミニウムのデンドライトアームスペーシングと冷却速度の測定法」、軽金属学会研究部会報告書Ｎｏ．２０（１９８８年）、４６〜５２頁に記載される方法に準拠して、二次デンドライトアーム間隔（ＤＡＳ）を測定した。具体的には、試料を羽根部が通る中心線で切断して断面を研磨した。図２には、コンプレッサーインペラーの中心軸８の片側の研磨断面を示す。このような研磨断面において、ボス部ＤＡＳ測定断面５、ディスク部ＤＡＳ測定断面６、及び羽根部ＤＡＳ測定断面７の各金属組織を光学顕微鏡により倍率１００倍で観察して、交線法により二次デンドライトアーム間隔を求めた。結果を表２に示す。なお、ボス部、ディスク部及び羽根部のそれぞれについて、任意に１０箇所観察した。表２に示す各部の数値範囲は、観察した１０箇所の二次デンドライトアーム間隔の最小値（左側数値）と最大値（右側数値）を示す。【００５２】
【表２】
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【００５３】
２．高温強度特性
試料の中心軸より丸棒試験片（φ８ｍｍ）を採取して、２００℃における引張試験より０．２％耐力値を測定した。結果を表２に示す。【００５４】
３．高温での耐久性
高温での耐久試験（ターボ組み付け、１５００００ｒｐｍ×２００時間、出側温度２００℃）により高温疲労強度を評価した。結果を表２に示す。表２に記載の耐久性試験評価では、試験中に破断した場合を「×」、破断はしなかったが亀裂が発生した場合を「△」、破断も亀裂も発生せず健全な状態のままの場合を「○」とした。なお、△と×における括弧内は、亀裂と破断の発生箇所をそれぞれ示す。【００５５】
４．鋳造歩留評価
各例について１０００個の試料を作製して、鋳造歩留評価を行なった。各試料における検査項目は、湯回り及び引け巣の外観不良検査と、Ｘ線検査によって内部のブローホールを検出する内部不良検査とした。全試料のうち湯回り不良品の割合（％）、引け巣不良品の割合（％）及び内部不良品の割合（％）を求めた。そして、１００％からこれら不良品の割合の合計を差し引いた割合を良品割合（％）とした。良品割合が、９０％未満である場合を「×」（現行品以下）、９０％以上９５％未満である場合を「△」（現行品同等）、９５％以上１００％以下である場合を「○」（現行品より大幅改善）とした。結果を表２に示す。【００５６】
本発明例１〜５では、ボス部・羽根部・ディスク部の二次デンドライトアーム間隔及び凝固過程の順番、ならびに、高温耐力値が請求項１に記載の範囲内であることから、鋳造歩留も良好で、かつ、高温での耐久性にも優れる。【００５７】
これに対して比較例１では、石膏温度が高く、ボス部及び羽根部の二次デンドライトアーム間隔が大きくなった。その結果、耐力値が低下した。また、羽根部で破損し高温での耐久性に劣った。【００５８】
比較例２では、冷やし金の温度が高く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さず、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が大きくなり、かつ、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係が満たされなかった。その結果、耐力値が低下した。また、ディスク部で破損し高温での耐久性に劣った。【００５９】
比較例３では、石膏型の温度が低く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さず、ボス部の二次デンドライトアーム間隔は小さくなった。その結果、羽根部における湯回りの外観不良が多発したため、鋳造歩留が大きく低下した。【００６０】
比較例４では、冷やし金の温度が低く、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が小さくなった。その結果、ディスク部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣り、またディスク部における湯回りの外観不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００６１】
比較例６では、溶湯温度が高く、ボス部における冷却速度が低下してボス部の二次デンドライトアーム間隔が大きくなった。その結果、耐力値が低下した。また、ボス部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。【００６２】
比較例７では、Ｃｕ成分が少なく、耐力値が低下した。また、ディスク部で破損して高温での耐久性に劣った。【００６３】
比較例８では、Ｍｇ成分が少なく、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、耐力値が低下した。また、ボス部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。【００６４】
比較例９では、Ｆｅ成分が少なく、耐力値が低下した。また、羽根部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。【００６５】
比較例１０では、Ｎｉ成分が少なく、耐力値が低下した。また、ディスク部で破損して高温での耐久性に劣った。【００６６】
比較例１１では、Ｔｉ成分が少なく、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、羽根部で破損して高温での耐久性に劣り、また、結晶粒微細化効果が不十分で羽根部における湯回りの外観不良が多発したため鋳造歩留が低下した。【００６７】
比較例１２では、Ｃｕ成分が多く、羽根部における湯回り不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００６８】
比較例１３では、Ｍｇ成分が多く、羽根部における湯回り不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００６９】
比較例１４では、Ｆｅ成分が多く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、耐力値が低下した。また粗大な晶出物相が存在するためにディスク部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。【００７０】
比較例１５では、Ｎｉ成分が多く、耐力値が低下した。また粗大な晶出物相が存在するためにボス部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。【００７１】
比較例１６では、Ｔｉ成分が多く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係が満たされず、また粗大な晶出物相が存在するためにディスク部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。【００７２】
第２の実施例（本発明例９〜１４、１６及び比較例１７〜２２）
Ａｌ合金として、Ｃｕ：２．６％、Ｍｇ：１．６％、Ｎｉ：１．１％、Ｆｅ：０．９％、Ｔｉ：０．１５％含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ合金を用いた。これに通常の溶湯処理を施して溶解し、溶湯を表３に示す温度に調製する溶湯調製工程にかけた。溶湯調製工程では、上記Ａｌ合金１５０ｋｇを溶解して溶湯を得た。次いで、回転ガス吹込み装置を用いてローター回転数４００ｒｐｍ、気体流量２．５Ｎｍ３／ｈの条件にて、アルゴンガスを溶湯中に２０分間吹き込んだ。その後、溶湯全体を１時間鎮静保持し、除滓した。【００７３】
【表３】
0005415655.tif 000004
【００７４】
次いで、溶湯調製工程で調製したＡｌ合金溶湯は、表３の予熱温度に調整された石膏型と、インペラーディスク面に接する面に配置され、表３の温度に調整された銅板製の冷やし金とで構成される所定空間に加圧注入する低圧鋳造法によりＡｌ合金鋳物を作製した。このＡｌ合金鋳物コンプレッサーインペラーは、ボス部高さ７０ｍｍ、ディスク部直径８０ｍｍ、羽根部高さ６０ｍｍ、羽根数１４枚、羽根先端肉厚０．４ｍｍの形状を有するトラックターボチャージャー用コンプレッサーインペラーである。溶湯の注入圧力は１００ｋＰａとし、Ａｌ合金鋳物全体の凝固が完了するまでこの圧力で加圧保持した。【００７５】
上記Ａｌ合金鋳物を石膏型から取り外した後、表３に示す条件で溶体化処理を施し、その後、同じく表３に示す条件で時効処理を施した。以上のようにして、Ａｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー試料を作製した。【００７６】
上記のようにして作製した各試料について、ボス部、羽根部及びディスク部の二次デンドライトアーム間隔、高温特性（２００℃の０．２％耐力値、耐久試験評価）、ならびに、生産性（鋳造歩留評価）を、第１の実施例と同じに評価した。結果を表４に示す。【００７７】
【表４】
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【００７８】
本発明例９〜１４、１６では、適正な鋳造条件が採用されているので、ボス部・羽根部・ディスク部の二次デンドライトアーム間隔及び凝固過程の順番、ならびに、高温耐力値が適正である。その結果、鋳造歩留が良好で、かつ、高温での耐久性にも優れる。【００７９】
これに対して比較例１７では、石膏温度が高く、ボス部及び羽根部の二次デンドライトアーム間隔が大きくなった。その結果、耐力値が低下した。また、ボス部で破損し高温での耐久性に劣った。【００８０】
比較例１８では、石膏型の温度が低く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、羽根部の二次デンドライトアーム間隔が小さくなり、かつ、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係が満たされなかった。また、羽根部で破損して高温での耐久性に劣り、羽根部における湯回りの外観不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００８１】
比較例１９では、冷やし金の温度が低く、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔は非常に小さくなった。その結果、ディスク部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。また、凝固が早く進行するために鋳造時の湯回り不良に起因した亀裂による外観不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００８２】
比較例２０では、冷やし金の温度が高く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が大きくなり、ディスク部で破損し高温での耐久性に劣った。【００８３】
比較例２１では溶体化処理工程が実施されず、比較例２２では時効処理工程が実施されなかった。その結果、耐力値が低下した。また、ディスク部で破損し高温での耐久性に劣った。【００８４】
第３の実施例（本発明例２０、２１、２４、２６、２７及び比較例２３〜３０）
Ａｌ合金として、Ｃｕ：２．９％、Ｍｇ：１．７％、Ｎｉ：１．１％、Ｆｅ：１．１％、Ｔｉ：０．１７％含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ合金を用いた。これに通常の溶湯処理を施して溶解し、溶湯を表５に示す温度に調製する溶湯調製工程にかけた。溶湯調製工程では、上記Ａｌ合金２００ｋｇを溶解して溶湯を得た。次いで、回転ガス吹込み装置を用いてローター回転数４００ｒｐｍ、気体流量２．５Ｎｍ３／ｈの条件にて、アルゴンガスを溶湯中に４０分間吹き込んだ。その後、溶湯全体を１時間半鎮静保持し、除滓した。【００８５】
【表５】
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【００８６】
次いで、溶湯調製工程で調製したＡｌ合金溶湯は、表５の予熱温度に調整された石膏型と、インペラーディスク面に接する面に配置され、表５の温度に調整された銅板製の冷やし金とで構成される所定空間に加圧注入する低圧鋳造法によりＡｌ合金鋳物を作製した。このＡｌ合金鋳物コンプレッサーインペラーは、ボス部高さ１６０ｍｍ、ディスク部直径１５０ｍｍ、羽根部高さ１２０ｍｍ、羽根数１６枚、羽根先端肉厚０．６ｍｍの形状を有する船舶ターボチャージャー用コンプレッサーインペラーである。溶湯の注入圧力は１００ｋＰａとし、Ａｌ合金鋳物全体の凝固が完了するまでこの圧力で加圧保持した。【００８７】
上記Ａｌ合金鋳物を石膏型から取り外した後、表５に示す条件で溶体化処理を施し、その後、同じく表５に示す条件で時効処理を施した。以上のようにして、Ａｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー試料を作製した。【００８８】
上記のようにして作製した各試料について、ボス部、羽根部及びディスク部の二次デンドライトアーム間隔、高温特性（２００℃の０．２％耐力値、耐久試験評価）、ならびに、生産性（鋳造歩留評価）を、第１の実施例と同じに評価した。結果を表６に示す。【００８９】
【表６】
0005415655.tif 000007
【００９０】
本発明例２０、２１、２４、２６、２７では、適正な鋳造条件が採用されているので、ボス部・羽根部・ディスク部の二次デンドライトアーム間隔及び凝固過程の順番、ならびに、高温耐力値が適正である。その結果、鋳造歩留が良好で、かつ、高温での耐久性にも優れる。【００９１】
これに対して比較例２３では、溶湯温度が高く、すべての二次デンドライトアーム間隔が大きくなった。その結果、耐力値が低下した。また、ボス部で破損し高温での耐久性に劣った。【００９２】
比較例２５では、冷やし金の温度が低く、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔は非常に小さくなった。その結果、ディスク部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣った。また、凝固が早く進行するために鋳造時の湯回り不良に起因した亀裂による外観不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００９３】
比較例２６では、冷やし金の温度が高く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が大きくなった。また、耐力値が低下した。更に、ディスク部で破損し高温での耐久性に劣った。【００９４】
比較例２７では、石膏温度が高く、すべての二次デンドライトアーム間隔が大きくなった。その結果、耐力値が低下した。また、ボス部で破損し高温での耐久性に劣った。【００９５】
比較例２８では、石膏型の温度が低く、かつ、冷やし金温度（℃）＜（石膏型温度−５０）（℃）の関係を満さなかった。その結果、羽根部の二次デンドライトアーム間隔が小さくなり、かつ、Ａｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係が満たされなかった。また、羽根部で亀裂が発生して高温での耐久性に劣り、羽根部における湯回りの外観不良が多発し鋳造歩留が低下した。【００９６】
比較例２９では溶体化処理工程が実施されず、比較例３０では時効処理工程が実施されなかった。その結果、耐力値が低下した。また、ディスク部で破損し高温での耐久性に劣った。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明により、回転数の増大に伴う温度の増加に長期間にわたって安定して耐え得る、耐熱強度に優れたＡｌ合金製コンプレッサーインペラーを低コストで供給することが可能である。また、本発明は、ターボチャージャーの加給能力を増加して内燃機関の出力向上に寄与することができるという工業上顕著な効果を奏する。
【符号の説明】
【００９８】
１・・・コンプレッサーインペラー
２・・・ボス部
３・・・ディスク部
４・・・羽根部
５・・・ボス部ＤＡＳ測定断面
６・・・ディスク部ＤＡＳ測定断面
７・・・羽根部ＤＡＳ測定断面
８・・・コンプレッサーインペラーの中心軸
【要約】
【課題】２００℃程度の使用温度にて安定した耐熱強度性を示し、生産性に優れたアルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラーを提供する。
【解決手段】ボス部、複数の羽根部及びディスク部を備えるＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラーにおいて、この鋳物が、Ｃｕ：１．４〜３．２ｍａｓｓ％（以下、「％」）、Ｍｇ：１．０〜２．０％、Ｎｉ：０．５〜２．０％、Ｆｅ：０．５〜２．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．３５％を含有するＡｌ合金からなり、ボス部、羽根部、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔が２０〜５０μｍ、１０〜３５μｍ、５〜２５μｍであり、ボス部、羽根部、ディスク部の二次デンドライトアーム間隔の最大値をＡｍａｘ、Ｂｍａｘ、ＣｍａｘとしてＡｍａｘ＞Ｂｍａｘ＞Ｃｍａｘの関係を満たし、２００℃における０．２％耐力値が２６０ＭＰａ以上であるＡｌ合金鋳物製コンプレッサーインペラー及びその製造方法。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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