(57)【要約】【課題】金属組織形態（特に結晶粒径）を容易に制御することが可能な焼結部材の製造方法およびそれを用いた焼結部材を提供する。【解決手段】バインダと、積算体積分布曲線から求まる（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０が０．５以上１．８以下である粒度分布を有する金属の粉末を含む混練材料を用いてメタルインジェクション法により成形体を形成する成形工程と、成形体に対して金属の摂氏で表す固相線温度の９０％以上９９％以下となる保持温度で金属の粉末を焼結させ、成形体からバインダを消失させることにより焼結部材を得る焼結工程と、を有する焼結部材の製造方法が提供される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形体から焼結部材を製造する焼結部材の製造方法であって、
前記成形体は、回転軸心が通る本体部と、前記本体部から前記回転軸心の径方向に延びる複数の翼部と、前記回転軸心の一方側において、前記本体部から前記回転軸心に沿って延びるノーズ部と、前記回転軸心の他方側において、隣接する前記翼部の間に、前記本体部から前記回転軸心の径方向に沿って延びる水かき部と、を備える羽根車形状を有し、
バインダと、積算体積分布曲線から求まる（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０が０．５以上１．８以下である粒度分布を有する金属の粉末を含む混練材料を用いてメタルインジェクション法により前記成形体を形成する成形工程と、
前記成形体に対して前記金属の摂氏で表す固相線温度の９０％以上９９％以下となる保持温度で前記金属の粉末を焼結させ、前記成形体から前記バインダを消失させることにより前記焼結部材を得る焼結工程と、を有する焼結部材の製造方法。
【請求項２】
前記焼結工程の後に、前記焼結部材に対して前記金属の摂氏で表す固相線温度の８６％以上９７％以下となる保持温度でＨＩＰ処理工程を行う、請求項１に記載の焼結部材の製造方法。
【請求項３】
前記焼結部材に対して、前記焼結部材を構成する表面酸化層を除く結晶粒の成長の速さが３００μｍ／ｈ以下となる保持条件で前記ＨＩＰ処理工程を行う、請求項２に記載の焼結部材の製造方法。
【請求項４】
前記焼結部材に対して、前記焼結部材を構成する表面酸化層を除く結晶粒径の変化率が平均粒径で７倍以下となる保持条件で前記ＨＩＰ処理工程を行う、請求項２または３に記載の焼結部材の製造方法。
【請求項５】
回転軸心が通る本体部と、前記本体部から前記回転軸心の径方向に延びる複数の翼部と、前記回転軸心の一方側において、前記本体部から前記回転軸心に沿って延びるノーズ部と、前記回転軸心の他方側において、隣接する前記翼部の間に、前記本体部から前記回転軸心の径方向に沿って延びる水かき部と、を備える羽根車形状を有し、
前記回転軸心を含む平断面において、少なくとも前記本体部の領域および前記翼部の領域を含む複数の領域について、表面酸化層を除く断面組織を対象としてＡＳＴＭ−Ｅ１１２に規定される比較法により前記複数の領域それぞれの結晶粒度番号を求め、求めた前記複数の領域それぞれの前記結晶粒度番号に対応する平均粒径をＡＳＴＭ−Ｅ１１２の付表により求め、
前記複数の領域について求めた複数の前記平均粒径のうちの最小値を最小粒径Ｇｍｉｎ、最大値を最大粒径Ｇｍａｘと呼ぶとき、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎが０．６以下である、焼結部材。
【請求項６】
前記複数の領域について求めた複数の前記平均粒径を用いて求めた平均値が３００μｍ以下である、請求項５に記載の焼結部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結部材の製造方法およびそれを用いた焼結部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気タービン式過給機いわゆるターボチャージャは、排気の流れを利用したタービンホイールの回転によりコンプレッサを駆動し、内燃機関が吸入する空気の密度を高くする。ターボチャージャは、船舶や鉄道および自動車などの輸送機械のエンジンだけでなく、建設機械や発電機などの産業用エンジンにも広く採用されている。
【０００３】
特許文献１などにより、ターボチャージャ用タービンホイール（単にタービンホイールと呼ぶ）が知られている。このタービンホイールは複雑な形状であり、一般的にはロストワックス精密鋳造により製造されている。
【０００４】
タービンホイールには、変形、破断、クリープおよびクリープ破断（クリープラプチャー）と呼ばれる現象が生じることがある。内燃機関から排出される高温の排気ガスがあたるタービンホイールは高温になる。また、高速で回転するタービンホイールには強い遠心力が作用する。このため、タービンホイールは、強い遠心力により翼が引っ張られて短時間で破損することや、時間の経過とともに破損に至ること（クリープラプチャー）がある。このように、タービンホイールにはクリープラプチャー強度や引張強さなどの様々な機械的特性が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１７８６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エンジンの種類や用途だけでなくエンジンを構成する部品の強度設計手法などに応じて、タービンホイールに特に求められる機械的特性が異なる。例えば、あるタービンホイールではクリープラプチャーに対する耐性よりも高温短時間引張り変形に対する耐性が求められるが、別のタービンホイールでは高温短時間引張り変形に対する耐性よりもクリープラプチャーに対する耐性が求められる。
【０００７】
タービンホイールを構成する金属組織の結晶粒径やそのばらつきは、クリープラプチャー強度や引張強さなどに影響を与える一因子である。金属組織の結晶粒径やそのばらつきは、タービンホイールを製造するときの鋳造条件や鋳造後に専ら行われる熱間等方加圧処理（ＨＩＰ処理と呼ぶ）条件などによって変化する。そこで、タービンホイールの製造（量産）は、タービンホイールに特に求められる諸特性を満足する金属組織形態（例えば結晶粒径など）が得られるような特定の製造条件を見出してから行われることが専らである。このため、多様なタービンホイールの製造（量産）に迅速に対応することが難しいのが実情であった。
【０００８】
そこで本発明は、金属組織形態（特に結晶粒径）を容易に制御することが可能な焼結部材の製造方法およびそれを用いた焼結部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面に係る焼結部材の製造方法は、
成形体から焼結部材を製造する焼結部材の製造方法であって、
前記成形体は、回転軸心が通る本体部と、前記本体部から前記回転軸心の径方向に延びる複数の翼部と、前記回転軸心の一方側において、前記本体部から前記回転軸心に沿って延びるノーズ部と、前記回転軸心の他方側において、隣接する前記翼部の間に、前記本体部から前記回転軸心の径方向に沿って延びる水かき部と、を備える羽根車形状を有し、
バインダと、積算体積分布曲線から求まる（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０が０．５以上１．８以下となる粒度分布を有する金属の粉末を含む混練材料を用いてメタルインジェクション法により前記成形体を形成する成形工程と、
前記成形体に対して前記金属の摂氏で表す固相線温度の９０％以上９９％以下となる保持温度で前記金属の粉末を焼結させ、前記成形体から前記バインダを消失させることにより前記焼結部材を得る焼結工程と、を有する。
【００１０】
上記焼結部材の製造方法において、
前記焼結工程の後に、前記焼結部材に対して前記金属の摂氏で表す固相線温度の８６％以上９７％以下となる保持温度でＨＩＰ処理工程を行ってもよい。
【００１１】
上記焼結部材の製造方法において、
前記焼結部材に対して、前記焼結部材を構成する表面酸化層を除く結晶粒の成長の速さが３００μｍ／ｈ以下となる保持条件で前記ＨＩＰ処理工程を行ってもよい。
【００１２】
上記焼結部材の製造方法において、
前記焼結部材に対して、前記焼結部材を構成する表面酸化層を除く結晶粒径の変化率が平均粒径で７倍以下となる保持条件で前記ＨＩＰ処理工程を行ってもよい。
【００１３】
本発明の一側面に係る焼結部材は、
回転軸心が通る本体部と、前記本体部から前記回転軸心の径方向に延びる複数の翼部と、前記回転軸心の一方側において、前記本体部から前記回転軸心に沿って延びるノーズ部と、前記回転軸心の他方側において、隣接する前記翼部の間に、前記本体部から前記回転軸心の径方向に沿って延びる水かき部と、を備える羽根車形状を有し、
前記回転軸心を含む平断面において、少なくとも前記本体部の領域および前記翼部の領域を含む複数の領域について、表面酸化層を除く断面組織を対象としてＡＳＴＭ−Ｅ１１２に規定される比較法により前記複数の領域それぞれの結晶粒度番号を求め、求めた前記複数の領域それぞれの前記結晶粒度番号に対応する平均粒径をＡＳＴＭ−Ｅ１１２の付表により求め、
前記複数の領域について求めた複数の前記平均粒径のうちの最小値を最小粒径Ｇｍｉｎ、最大値を最大粒径Ｇｍａｘと呼ぶとき、指標Ｇｒ＝（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎが０．６以下である。
【００１４】
上記焼結部材において、
前記複数の領域について求めた複数の前記平均粒径を用いて求めた平均値が３００μｍ以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属組織形態（特に結晶粒径）を容易に制御することが可能な焼結部材の製造方法およびそれを用いた焼結部材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ターボチャージャ用タービンホイールの斜視図である。
【図２】ターボチャージャ用タービンホイールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の焼結部材およびその製造方法の実施形態の例を、図面を参照して説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１８】
図１は、本発明の羽根車形状を有する焼結部材の一実施形態であるターボチャージャ用タービンホイール１（単にタービンホイール１と呼ぶ）の斜視図である。図２は、タービンホイール１の断面図である。図２は、タービンホイール１の回転軸心Ａｘに沿った面での断面を示している。
【００１９】
図１に示すように、タービンホイール１は、羽根車形状である。タービンホイール１は、回転軸心Ａｘ回りに回転する。タービンホイール１は焼結部材である。焼結部材とは、鋳造部材とは異なる概念である。焼結部材は、等軸状の結晶粒（等軸晶）からなる金属組織形態を有する。鋳造部材は、チル晶、柱状晶および等軸晶などの結晶粒を含む金属組織形態を有する。
【００２０】
図２に示すように、タービンホイール１は、本体部２と、複数の翼部３と、ノーズ部４と、水かき部５とを備える。本体部２は、回転軸心Ａｘが通る部位である。本体部２は、見掛けが概ね円柱状または円錐台状の形状であって、回転軸心Ａｘに沿って延びる部位である。翼部３は、本体部２から回転軸心Ａｘの径方向に延びている。ノーズ部４は、回転軸心Ａｘの一方側において、本体部２から回転軸心Ａｘに沿って延びている。水かき部５は、回転軸心Ａｘの他方側に設けられ、見掛けが概ね円柱状または円錐台状の形状である本体部２の下底（端面２ａ）の周縁の部位を構成している。水かき部５は、隣接する翼部３の間に、本体部２から回転軸心Ａｘの径方向に沿って翼部３の翼の途中まで延びるように設けられている。なお、タービンホイールの羽根車形状は、上述したタービンホイール１に限られない。例えば、タービンホイールの水かき部は、隣接する翼部の間に、本体部から回転軸心の径方向に沿って翼部の翼の先端まで延びるように、あるいは翼部の翼の先端よりも外側に張り出して延びるように、設けられていてもよい。
【００２１】
なお、以降の説明において、タービンホイール１の直径とは、図２にφで示す部分の長さを言う。そして、タービンホイール１の直径φとは、タービンホイール１が回転軸心Ａｘ回りに回転したときに、最も回転軸心Ａｘから離れたタービンホイール１のいずれかの点（例えば翼部３や水かき部５の外縁上の点）がなす円状の軌跡の直径を言う。また、タービンホイール１の高さとは、図２にＨで示す部分の長さを言う。そして、タービンホイール１の高さＨとは、回転軸心Ａｘに沿った方向において、ノーズ部４の端面４ａと本体部２の端面２ａが最も離間している部分の長さを言う。
【００２２】
次に、羽根車形状を有する焼結部材の製造方法として、上述したタービンホイール１の製造方法を説明する。
【００２３】
＜成形工程＞
まず、バインダと金属の粉末を混合し、十分に混練し、混練材料を得る。なお、本明細書において、特に断りのない限り、粉末は粒子が複数集まった状態の集合体（粉体）を意味する。この混練材料をメタルインジェクション（metal injection molding）法により金型の中へ送り込み、ランナーを伴う成形体を形成する。このランナーを伴う成形体は、少なくとも上述したタービンホイール１に対応する羽根車形状を有する製品部を備えている。ランナーを伴う成形体から製品部以外の部分を除去すると、上述したタービンホイール１に対応する羽根車形状を有する製品部を含む成形体を得ることができる。この成形体は、後述する焼結工程やＨＩＰ処理工程における寸法の変化を考慮して最終的な製品が所望の形状となるように、形状や寸法が定められている。
【００２４】
バインダとしては、有機バインダを用いることができる。バインダには、成形時に成形体の形状を維持する効能（保形性）、複雑な形状を形成しやすくする効能（流動性）、および焼結時に消失して焼結体（焼結部材）の内部に残留しない効能（消失性）などが求められる。
【００２５】
金属の粉末としては、製品（焼結部材や焼結部材を含む部品）に求められる特性などに応じて様々な金属の粒子からなる粉末を用いることができる。例えば、自動車などのエンジンに用いるターボチャージャに搭載される、本発明の焼結部材の一実施形態であるタービンホイール１に好適な金属の粒子の材質としては、チタンアルミ合金系やＮｉ基合金系が挙げられる。
【００２６】
例えば、質量％で、２７％〜３１％のＡｌ（アルミニウム）、１３％〜１９％のＮｂ（ニオビウム）、これら以外の任意元素Ｍおよび残部Ｔｉ（チタニウム）からなるチタンアルミ合金系が挙げられる。また、３２％〜３５％のＡｌ、１％〜３％のＭｏ（モリブデン）、これら以外の任意元素Ｍおよび残部Ｔｉからなるチタンアルミ合金系が挙げられる。また、２９％〜３５％のＡｌ、０％超〜４％のＣｒ（クロミウム）、４％〜１６％のＮｂ、これら以外の任意元素Ｍおよび残部Ｔｉからなるチタンアルミ合金系が挙げられる。また、２７％〜３０％のＡｌ、８％〜１０％のＮｂ、１％〜４％のＭｏ、これら以外の任意元素Ｍおよび残部Ｔｉからなるチタンアルミ合金系が挙げられる。なお、上記Ｍは、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（珪素）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｂ（ボロン）およびＶ（バナジウム）などのうちの１種または２種以上の元素（それぞれ１質量％以下が好ましい）であり、これら以外のＯ（酸素）、Ｎ（窒素）および不可避元素（不純物）も含む。
【００２７】
あるいは、例えば、質量％で、１０％〜１６％のＣｒ、２％〜７％のＭｏ、３．５％〜８％のＡｌ、０．３％〜２％のＴｉ、１％〜３．５％のＮｂ（ＮｂとＴａの合計が１％〜３．５％でもよい）、これら以外の任意元素（Ｃ、Ｚｒ（ジルコニウム）およびＢなどであり、これら以外の不可避元素（不純物）も含む）および残部ＮｉからなるＮｉ基合金（アロイ７１３Ｃ）系が挙げられる。また、１３％〜１９％のＣｒ、２．５％〜８％のＭｏ、１．５％〜５％のＡｌ、１％〜４％のＴｉ、６％〜１４％のＦｅ、これら以外の任意元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ（マンガン）、Ｂなどであり、これら以外の不可避元素（不純物）も含む）および残部ＮｉからなるＮｉ基合金（アロイ２３５）系が挙げられる。また、６％〜１２％のＣｒ、１％〜５％のＭｏ、３％〜８％のＡｌ、０．５％〜３％のＴｉ、７％〜１３％のＷ（タングステン）、７％〜１３％のＣｏ（コバルト）、０．５％〜３％のＴａ（タンタル）、これら以外の任意元素（Ｃ、Ｚｒ、Ｂなどであり、これら以外の不可避元素（不純物）も含む）および残部ＮｉからなるＮｉ基合金（アロイ２４６）系が挙げられる。また、６％〜１０％のＣｒ、３％〜８％のＡｌ、０．５％〜３％のＴｉ、７％〜１３％のＷ、０．２％〜１．５％のＭｏ、７％〜１３％のＣｏ、２％〜５％のＴａ、０．５％〜３％のＨｆ（ハフニウム）、これら以外の任意元素（Ｃ、Ｚｒ、Ｂなどであり、これら以外の不可避元素（不純物）も含む）および残部ＮｉからなるＮｉ基合金（アロイ２４７）系が挙げられる。なお、本明細書において、α〜βの記載はα以上β以下を意味し、α超〜βの記載はαより大きくβ以下を意味する。
【００２８】
金属の粉末（金属の粒子の集合体）としては、積算体積分布曲線から求まる（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０が０．５以上１．８以下である粒度分布を有する金属の粉末を用いる。ｄ１０は積算体積分率が１０％のときの粉末の粒径であり、ｄ５０（メジアン径）は積算体積分率が５０％のときの粉末の粒径であり、ｄ９０は積算体積分率が９０％のときの粉末の粒径である。この（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０で表わす指標は、金属の粉末の粒径のばらつきの度合いを示す。金属の粉末の粒度分布（積算体積分布曲線）はレーザー回折散乱法により測定することができる。
【００２９】
（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０で表す指標が０．５よりも小さいと、金属の粉末の粒径が揃い過ぎ、金属の個々の粒子が隣接して形成される隙間に入り込む金属の粒子が少なくなる。すると、成形体の内部に残存する空孔が多くなって成形体の密度が小さくなりやすい。この結果、成形体に残存している空孔が焼結時に十分につぶされずに焼結部材の焼結密度が過度に低くなることがある。したがって、この指標は０．５以上とする。好ましくは、この指標は０．７以上とする。また、この指標が１．８よりも大きいと、金属の粉末の粒径のばらつきが大きくなり過ぎる。この結果、焼結部材の金属組織を構成する結晶の粒径のばらつきが過度に大きくなることがある。したがって、この指標は１．８以下とする。この指標は、好ましくは１．６以下とし、より好ましくは１．５以下とし、より一層好ましくは１．４以下とする。
【００３０】
（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０で表す指標を求める際に使用するｄ５０は、一般にメジアン径と呼ばれ、金属の粉末（金属の粒子の集合体）の平均粒径を表す指標として利用することができる。例えば、メジアン径ｄ５０が５μｍ未満の場合や５０μｍを超える場合は、成形装置にもよるが、メタルインジェクション法による成形体の形成や、金属の粉末の焼結によって羽根車形状を有する焼結部材を形成するのが難しいときがある。また、メジアン径ｄ５０が５０μｍを超える場合は、焼結部材の金属組織を構成する結晶の粒径が大きくなる。したがって、本発明の適用に際してメジアン径ｄ５０を設定する場合は、５μｍ以上５０μｍ以下とするのが好ましい。
【００３１】
また、製造時の収率などに影響される金属の粉末のコストを下げる観点では、メジアン径ｄ５０の下限を、好ましくは１０μｍとし、より好ましくは１５μｍとし、さらに好ましくは２０μｍとし、一層好ましくは２５μｍとする。また、成形体の成形性の容易化と焼結部材の金属組織を構成する結晶の粒径の好適化をバランスさせる観点では、メジアン径ｄ５０の上限を、好ましくは４５μｍとし、さらには４０μｍとする。また、メジアン径ｄ５０の範囲を、好ましくは１０μｍ以上４５μｍ以下とし、より好ましくは１５μｍ以上４０μｍ以下とする。また、焼結部材の密度向上と結晶粒径のばらつきを抑制する観点では、メジアン径ｄ５０の上限を上記同様に考慮し、また、メジアン径ｄ５０の範囲を、好ましくは２０μｍ以上４５μｍとし、より好ましくは２５μｍ以上４０μｍ以下とする。
【００３２】
＜焼結工程＞
次に、上述した製造方法により得られたタービンホイール１に対応する羽根車形状を有する製品部を含む成形体からバインダを焼失させて、さらに金属の粉末を焼結して、タービンホイール１に対応する羽根車形状を有する製品部を含む焼結体を得る。さらに、得られた焼結体から製品部以外を除去することによりタービンホイール１（焼結部材）を得る。なお、後述のＨＩＰ処理を行わないものをＨＩＰなし焼結部材と呼び、ＨＩＰ処理を行ったものをＨＩＰあり焼結部材と呼ぶ。
【００３３】
成形体を構成する金属の粉末を焼結する際の保持温度は、その金属の粉末として用いた金属（金属の粒子）の摂氏で表す固相線温度の９０％以上９９％以下の温度とする。保持温度が摂氏で表す固相線温度の９０％未満では、金属の粉末の焼結による焼結部材の密度（焼結密度）を高くするのが難しい。保持温度が摂氏で表す固相線温度の９９％を超えると、金属の粉末の溶融による液相焼結が生じてしまうおそれがある。保持温度の下限を、好ましくは金属の摂氏で表す固相線温度の９３％の温度とする。また、保持温度の上限を、好ましくは金属の摂氏で表す固相線温度の９７％の温度とする。これにより、焼結部材の焼結密度をより高め、また、より確実に液相焼結を防止することができる。また、成形体を構成する金属の粉末を焼結する保持時間は、金属組織を構成する結晶粒を過度に成長させることなく焼結密度を高くすることができるように、その際の保持温度に適する時間に設定するのがよい。
【００３４】
なお、本発明において、成形体の密度や焼結部材（焼結体）の焼結密度は、特に断りのない限り相対密度とする。ここでいう相対密度は、実体密度と理論密度との比（実体密度／理論密度）を百分率で表した値である。つまり、相対密度（％）＝実体密度／理論密度×１００である。実体密度とは、金属（金属元素）で構成された成形体や焼結部材の実体の質量を実体の寸法から求めた体積で除した値である。理論密度とは、成形体の構成組織中や焼結部材の焼結組織中の金属（金属元素）が個々に独立して存在していると仮定して使用原料の配合組成から求めた値である。理論密度を求める場合、例えば使用原料の全質量に対する配合比が１質量％以下の金属元素など、他の金属元素に比べると微量であって、相対密度に及ぼす影響が無視できると推測される金属元素については考慮しなくてもよい。
【００３５】
＜ＨＩＰ処理工程＞
上述したように、特定の粒度分布を持つ金属の粉末を含む混練材料で成形体を作成し、これを特定の保持温度で焼結すると、所望の金属組織形態（特に結晶粒径）および機械的特性を有するタービンホイール１（ＨＩＰなし焼結部材）を得ることができる。このようにして得られたタービンホイール１（ＨＩＰなし焼結部材）の金属組織を構成する結晶の粒径は、後に詳述するように、比較的小さくかつばらつきが小さい。このため、次に説明するＨＩＰ処理によって、そのタービンホイール１に所望されるより好ましい特性が得られるように、そのタービンホール１（ＨＩＰ処理を行わない焼結部材）の金属組織形態（特に結晶粒径）や機械的特性を調整することができる。
【００３６】
次に、好ましいＨＩＰ処理工程の形態について説明する。ＨＩＰ処理（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing）は、焼結部材の内部に残存している空孔をつぶして焼結部材の機械的強度などの特性を改善するために行う熱間加工の一種である。また、ＨＩＰ処理を行う際には、焼結部材を高温に保持するために、焼結部材の金属組織を構成する結晶粒が成長するなど、その金属組織形態に変化が生じる。この金属組織形態の変化を利用して、ＨＩＰ処理で焼結部材の金属組織を構成する結晶粒の粒径を積極的に増大させるなどの変化を誘起することにより、その焼結部材に所望の機械的特性を付与することができる。この結果、所望の金属組織形態および機械的特性を有するタービンホイール１（ＨＩＰあり焼結部材）を得ることができる。
【００３７】
本発明においてＨＩＰ処理は、金属の粉末として用いる金属（金属の粒子）の種類とその高温強度を考慮して焼結部材に残存している空孔をつぶすこととともに、羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）に所望される金属組織形態（特に結晶粒径）および機械的特性などを考慮して行う。ＨＩＰ処理は、金属の粉末として用いた金属（金属の粒子）の摂氏で表す固相線温度の８６％以上９７％以下となる保持温度で行う。保持温度が摂氏で表す固相線温度の８６％未満では、特に高温強度の高い金属の粉末を用いた場合など、焼結部材に残存している空孔がＨＩＰ処理時に十分につぶされずに焼結部材の焼結密度を高めるのが難しくなる。保持温度が摂氏で表す固相線温度の９７％を超えると、結晶粒の成長の速さが大きくなりやすく、焼結部材が所望の機械的特性を有するための結晶粒径となるように、結晶粒の成長を制御するのが難しくなる。
【００３８】
ＨＩＰ処理において、羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）の金属組織を構成する結晶粒の成長を抑制したい場合は、金属の粉末として用いた金属の摂氏で表す固相線温度の９７％以下、９６％以下、９５％以下、９４％以下、９３％以下、さらには９２％以下などとより小さくして、より低い保持温度でＨＩＰ処理を行うのが好ましい。また、ＨＩＰ処理に要する時間をより短縮するとともに焼結部材の金属組織を構成する結晶粒の成長の速さを高めたい場合は、金属の粉末として用いた金属の摂氏で表す固相線温度の８６％以上、８７％以上、８８％以上、８９％以上、９０％以上、９１％以上、さらには９２％以上などとより大きくして、より高い保持温度でＨＩＰ処理を行うのが好ましい。この結果、所望の機械的特性を得るための金属組織が形成されるように、羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）の金属組織を構成する結晶粒の成長を容易に制御することができる。
【００３９】
ＨＩＰ処理は、羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）の表面酸化層を除く金属組織を構成する結晶粒の成長の速さが３００μｍ／ｈ以下となる保持条件で行う。結晶粒の成長の速さが３００μｍ／ｈを超えると、焼結部材の金属組織を構成する結晶の粒径およびそのばらつきが大きくなりやすい。結晶粒が必要を超えて大きく成長すると、焼結部材の機械的強度が劣化するおそれがある。結晶粒の成長をより緩やかにして結晶粒径の制御を容易化するため、羽根車形状を有する焼結部材の表面酸化層を除く金属組織を構成する結晶粒の成長の速さが２６０μｍ／ｈ以下となる保持条件でＨＩＰ処理を行うのが好ましい。なお、表面酸化層はバルク層とは異なる金属組織を有するため、ここでは表面酸化層を除いたバルク層の金属組織を構成する結晶粒の成長の速さで定義した。また、金属の粉末として例えばチタンアルミ合金系の金属（金属の粒子）を用いた場合などでは、焼結部材の金属組織を構成する結晶粒の成長に対して保持温度が強く影響することから、結晶粒の成長の速さに拘らずに保持温度を重視するのが好ましい。また、専ら焼結部材に残存している空孔をつぶす目的でＨＩＰ処理を行う場合は、結晶粒をより小さい速さで成長させるのがよく、結晶粒の成長の速さの下限は、５０μｍ／ｈ、４０μｍ／ｈ、３０μｍ／ｈ、２０μｍ／ｈ、さらには１０μｍ／ｈとより小さくするのが好ましい。
【００４０】
ＨＩＰ処理は、羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）の表面酸化層を除く金属組織を構成する結晶の粒径の変化率が平均粒径で７倍以下となる保持条件で行う。言いかえれば、ＨＩＰ処理前の焼結部材の金属組織を構成する結晶粒の平均粒径（平均粒径Ａと呼ぶ）と、ＨＩＰ処理後の焼結部材の金属組織を構成する結晶粒の平均粒径（平均粒径Ｂと呼ぶ）とを比較し、平均粒径Ｂが平均粒径Ａの７倍以下となる保持条件でＨＩＰ処理を行う。なお、平均粒径の評価方法は後に説明する。上述した平均粒径の変化率（平均粒径Ｂ／平均粒径Ａ）が７倍以下の保持条件でＨＩＰ処理を行うことにより、結晶粒の過度な成長による機械的強度の劣化を抑制することができるとともに、保持時間を短縮して生産効率を高めることができる。ＨＩＰ処理において保持温度と保持時間の一方、または保持温度と保持時間の両方を大きくすると、結晶粒が成長しやすくなって平均粒径の変化率が大きくなりやすい。好ましくは、この平均粒径の変化率が６倍以下の保持条件でＨＩＰ処理を行う。さらに好ましくは、この平均粒径の変化率が５倍以下の保持条件でＨＩＰ処理を行う。また、専ら焼結部材に残存している空孔をつぶす目的でＨＩＰ処理を行うなどの場合は、この平均粒径の変化率を、結晶粒の成長がほとんど期待できない１倍以上とするか、結晶粒の成長が期待できる２倍以上、３倍以上さらには４倍以上とするなど、必要に応じた条件でＨＩＰ処理を行うのが好ましい。なお、表面酸化層はバルク層とは異なる金属組織を有するため、ここでは表面酸化層を除いたバルク層の金属組織を構成する結晶の粒径の変化率で定義した。
【００４１】
＜結晶粒径の測定方法および結晶粒径のばらつきの評価方法＞
次に、結晶粒径の測定方法および結晶粒径のばらつきの評価方法について説明する。羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）においては、回転軸心を含む平断面において、表面酸化層を除く断面組織を対象としてＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）−Ｅ１１２に規定される比較法により結晶粒度番号を求め、求めた結晶粒度番号に対応する平均粒径をＡＳＴＭ−Ｅ１１２の付表により求める。以下、この比較法を用いて平均粒径を求める方法を簡単に説明する。参考までに、このＡＳＴＭ−Ｅ１１２の規定は、ＪＩＳ(Japanese Industrial Standards)―Ｇ０５５１の規定と同一ではないが近似している。
【００４２】
羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）の結晶粒度番号（Grain Size Number）は、ＡＳＴＭ−Ｅ１１２の比較法により決定される。具体的には、図２に示すタービンホイール１および各部の符号を参照すれば、タービンホイール１を回転軸心Ａｘを含む平断面で切断し、切断した平断面に対して研磨やエッチングなどを行って、平断面を平滑化して断面組織（金属組織）を露出させる。そして、顕微鏡などを用いて、露出させた断面組織の画像（倍率１００倍）を取得する。その後、取得した断面組織の画像（倍率１００倍）とＡＳＴＭ−Ｅ１１２の標準写真（付図）とを比較し、この断面組織の画像と最も近似する一つの標準写真を特定する。こうして特定された一つの標準写真に付与されている結晶粒度番号を、取得した断面組織（画像）の結晶粒度番号として決定する。
【００４３】
また、ＡＳＴＭ−Ｅ１１２の付表（TABLE 4 Grain Size Relationships Computed for Uniform, Randomly Oriented, Equiaxed Grains）に基づいて、上述した評価方法により決定された結晶粒度番号に対応する平均粒径（Average Diameter）を取得する。なお、上記断面組織において観察される結晶粒の大きさによっては、取得する断面組織の画像の倍率を５０倍乃至２５倍に設定してもよいが、その場合は倍数比係数などによる補正を行うものとする。
【００４４】
その後、上述した製造方法により得られた羽根車形状を有する焼結部材の平均粒径などを求める。具体的には、図２に示すタービンホイール１および各部の符号を参照すれば、上述した評価方法によって、少なくとも本体部２の領域および翼部３の領域を含む複数の領域について、表面酸化層を除く断面組織を対象として結晶粒度番号およびそれに基づいた平均粒径を求める。本体部２の領域は厚肉の部位であり、翼部３の領域は薄肉の部位である。このため、本体部２の領域の金属組織と翼部３の領域の金属組織とは、互いに異なっていることが多い。本体部２の領域の金属組織は、ノーズ部４において本体部２に近い厚肉部分の領域の金属組織と似ていることが多い。翼部３の領域の金属組織は、水かき部５において外縁に近い薄肉部分の領域の金属組織と似ていることが多い。このため、少なくとも本体部２の領域と翼部３の領域の金属組織を比較すると、羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）全体の金属組織を対象として、結晶粒径のばらつきを評価しやすい。
【００４５】
このとき、少なくとも本体部２の領域および翼部３の領域を含む複数の領域について、その複数の領域それぞれの結晶粒度番号を求め、求めた複数の領域それぞれの結晶粒度番号に対応する平均粒径を求める。そして、複数の領域について求めた複数の平均粒径のうちの最小値を最小粒径Ｇｍｉｎ、複数の領域について求めた複数の平均粒径のうちの最大値を最大粒径Ｇｍａｘ、および（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標をＧｒと呼ぶ。本発明の羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール１）においては、この指標Ｇｒが０．６以下となっている。これは、羽根車形状を有する焼結部材の全体に亘って、金属組織を構成する結晶の粒径のばらつきが小さいことを示している。
【００４６】
次に、上述した製造方法により作製された発明例１、２と、上述した製造方法とは異なる方法により作製された比較例１を用いて、羽根車形状を有する本発明の焼結部材の金属組織を構成する結晶の粒径のばらつきが小さいことを説明する。
【００４７】
発明例１、２は、羽根車形状を有する本発明の焼結部材の一実施形態であるタービンホイールである。比較例１は、羽根車形状を有する鋳造部材であるタービンホイールである。これらのタービンホイールは、いずれも、本体部２、翼部３、ノーズ部４および水かき部５を備えている。なお、発明例１、２および比較例１のタービンホイールにおいて、各部の呼称およびその符号は図２を参照する。
【００４８】
＜発明例１＞
発明例１のタービンホイールは、その直径φが４５ｍｍ、その高さＨが２８ｍｍである。質量比で、Ｔｉ−３３％Ａｌ−２．６％Ｃｒ−４．８％Ｎｂの組成を有するチタンアルミ合金系の金属（金属Ａと呼ぶ）の粉末とバインダを含む混練材料を用いて、メタルインジェクション法により成形体を形成した。
【００４９】
この金属Ａの粉末（金属Ａの粒子の集合体）は、最大粒径が４５μｍとなるように篩い分けされ、積算体積分布曲線から求まるメジアン径ｄ５０は２６．４μｍ、ｄ９０は４３．４μｍおよびｄ１０は１２．８μｍであった。したがって、（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０で表す指標は１．１６となる。この金属Ａの粉末のメジアン径ｄ５０は、本発明において好ましいとする５μｍ以上５０μｍ以下の範囲に入っている。参考までに、この金属Ａの素粉末（篩い分け前の粉末）を、最大粒径が７５μｍとなるように篩い分けした場合のｄ５０は３５．５μｍ、ｄ９０は６５．１μｍ、ｄ１０は１５．４μｍ、および上記指標は１．４０であった。また、この金属Ａの素粉末（篩い分け前の粉末）を、最大粒径が９０μｍとなるように篩い分けした場合のｄ５０は４３．０μｍ、ｄ９０は８１．６μｍ、ｄ１０は１７．２μｍ、および上記指標は１．５０であった。
【００５０】
続いて、上記成形体からバインダを消失させるとともに、この成形体を構成している金属Ａの粉末を保持温度１４００℃（保持時間８ｈ）で焼結させて焼結体を得て、この焼結体から羽根車形状を有するタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）を得た。金属Ａの示差走査熱量分析による固相線温度は１４５７℃であった。したがって、この保持温度（１４００℃）は、金属Ａの固相線温度の９６％程度である。得られたタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）は、羽根車形状を有する本発明の焼結部材の一実施形態である。
【００５１】
その後、得られたタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）にＨＩＰ処理を行って、金属組織に残存する空孔をつぶすとともに金属組織を構成する結晶の粒径を変化させたタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）を得た。得られたタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）は、羽根車形状を有する本発明の焼結部材の一実施形態である。ＨＩＰ処理は、保持温度１３６０℃（固相線温度の９３％程度）、保持圧力１２２ＭＰａ、保持時間２．３時間の条件で行った。なお、このＨＩＰ処理における結晶粒の成長の速さは２４０．５μｍ／ｈ（表１参照）であった。この結晶粒の成長の速さは、ＨＩＰなし焼結部材とＨＩＰあり焼結部材の製品平均粒径の差をＨＩＰ処理の保持時間で除して求まる値である。
【００５２】
上述した製造方法により得られた発明例１のタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）の平均粒径と、焼結後にＨＩＰ処理を行わなかった焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）の平均粒径とを測定した。それぞれのタービンホイールの本体部２、翼部３、ノーズ部４および水かき部５のそれぞれの領域について、平均粒径を同様に測定した。例えば、本体部２の領域において平均粒径を測定する際には、本体部２における任意の３箇所について、上述したＡＳＴＭ−Ｅ１１２に規定される比較法による求め方にしたがって、任意の３箇所それぞれの結晶粒度番号を求め、求めた任意の３箇所それぞれの結晶粒度番号に対応する平均粒径をＡＳＴＭ−Ｅ１１２の付表により求め、さらに、求めた任意の３箇所それぞれの平均粒径から平均値を求め、求めた平均値を本体部の代表平均粒径とした。
【００５３】
それぞれのタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材とＨＩＰなし焼結部材）において、上記本体部２の領域と同様にして、翼部３、ノーズ部４および水かき部５のそれぞれの領域についても、それぞれの代表平均粒径を求めた。また、本体部２、翼部３、ノーズ部４および水かき部５のそれぞれの領域の代表平均粒径から平均値を求め、求めた平均値をそのタービンホールの平均粒径（製品平均粒径と呼ぶ）とした。また、それぞれのタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材とＨＩＰなし焼結部材）において、代表平均粒径のうちの最小値を最小粒径Ｇｍｉｎ、代表平均粒径のうちの最大値を最小粒径Ｇｍａｘとし、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒを求めた。
【００５４】
＜発明例２＞
発明例２のタービンホイールは、その直径φが６５ｍｍ、その高さＨが４５ｍｍである。質量比で、Ｔｉ−３３％Ａｌ−２．６％Ｃｒ−４．８％Ｎｂの組成を有するチタンアルミ合金系の金属の粉末とバインダを含む混練材料を用いて、メタルインジェクション法により成形体を形成した。この金属の粉末は、発明例１と同じ金属（金属Ａ）の粉末である。
【００５５】
続いて、形成した成形体からバインダを消失させるとともに、この成形体を構成している金属Ａの粉末を保持温度１４００℃（保持時間８ｈ）で焼結させて、タービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）を得た。得られたタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）は、羽根車形状を有する本発明の焼結部材の一実施形態である。
【００５６】
その後、得られたタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）にＨＩＰ処理を行って、金属組織に残存する空孔をつぶすとともに金属組織を構成する結晶の粒径を変化させたタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）を得た。得られたタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）は、羽根車形状を有する本発明の焼結部材の一実施形態である。ＨＩＰ処理は、保持温度１３６０℃（固相線温度の９３％程度）、保持圧力１２２ＭＰａ、保持時間２．３時間の条件で行った。このＨＩＰ処理における結晶粒の成長の速さは８６．１μｍ／ｈ（表２参照）であった。この結晶粒の成長の速さは発明例１と同様に求めた。
【００５７】
上述した製造方法により得られた発明例２のタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）の平均粒径と、焼結後にＨＩＰ処理を行わなかった焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）の平均粒径とを測定した。発明例１の場合と同様にして、発明例２についても、それぞれのタービンホイールの本体部２、翼部３、ノーズ部４および水かき部５のそれぞれの領域について、代表平均粒径および製品平均粒径を求めた。また、それぞれのタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材とＨＩＰなし焼結部材）において、代表平均粒径のうちの最小値を最小粒径Ｇｍｉｎ、代表平均粒径のうちの最大値を最小粒径Ｇｍａｘとし、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒを求めた。
【００５８】
＜比較例１＞
比較例１のタービンホイールは、その直径φが５５ｍｍ、その高さＨが３８ｍｍである。質量比で、Ｔｉ−３０％Ａｌ−０．７％Ｃｒ―１４％Ｎｂの組成を有するチタンアルミ合金系の溶湯を用いたロストワックス精密鋳造法により、タービンホイールを作製した。なお、上述した焼結部材と同様に、ＨＩＰ処理を行わないものをＨＩＰなし鋳造部材と呼び、ＨＩＰ処理を行ったものをＨＩＰあり鋳造部材と呼ぶ。
【００５９】
その後、作製したタービンホイール（ＨＩＰなし鋳造部材）にＨＩＰ処理を行って、金属組織に残存する空孔をつぶしたタービンホイール（ＨＩＰあり鋳造部材）を得た。このＨＩＰ処理は、金属組織形態の変化を対比するために発明例１、２と同様に保持することとし、保持温度１３６０℃、保持圧力１２２ＭＰａ、保持時間２．３時間の条件で行った。このＨＩＰ処理における結晶粒の成長の速さは３７．７μｍ／ｈ（表３参照）であった。この結晶粒の成長の速さは発明例１と同様に求めた。
【００６０】
上述した製造方法により得られた比較例１のタービンホイール（ＨＩＰあり鋳造部材）の平均粒径と、鋳造後にＨＩＰ処理を行わなかった鋳造部材（ＨＩＰなし鋳造部材）の平均粒径とを測定した。発明例１の場合と同様にして、比較例１についても、それぞれの鋳造部材の本体部２、翼部３、ノーズ部４および水かき部５のそれぞれの領域について、代表平均粒径および製品平均粒径を求めた。また、それぞれのタービンホイール（ＨＩＰあり鋳造部材とＨＩＰなし鋳造部材）において、代表平均粒径のうちの最小値を最小粒径Ｇｍｉｎ、代表平均粒径のうちの最大値を最小粒径Ｇｍａｘとし、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒを求めた。
【００６１】
発明例１、２および比較例１それぞれのタービンホイールについて、上述した評価方法により求めた結果をまとめて、表１〜３に示す。なお、各表中に示す製品平均粒径の変化率は、ＨＩＰ処理後の製品平均粒径をＨＩＰ処理前の製品平均粒径で除して求まる値である。この変化率は、タービンホイール（焼結部材または鋳造部材）の金属組織を構成する表面酸化層を除く部分の結晶粒がＨＩＰ処理によって成長し、結晶粒径（製品平均粒径）が変化して大きくなる度合い（倍率）を示している。
【００６２】
【表１】
2019108577.tif 000002
【００６３】
【表２】
2019108577.tif 000003
【００６４】
【表３】
2019108577.tif 000004
【００６５】
表１に示すように、発明例１のＨＩＰ処理を行わないタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）では、最も代表平均粒径が小さかったのは翼部３の領域と本体部２の領域であり、その最小粒径Ｇｍｉｎは１５１．０μｍであった。また、最も代表平均粒径が大きかったのはノーズ部４の領域と水かき部５の領域であり、その最大粒径Ｇｍａｘは１７９．６μｍであった。したがって、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒは０．１９となった。また、製品平均粒径は１６５．３μｍであった。一方、発明例１のＨＩＰ処理を行ったタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）では、各部の領域の代表平均粒径は等しく７１８．４μｍであった。したがって、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒは０となった。また、製品平均粒径は７１８．４μｍであった。
【００６６】
これにより、焼結部材である発明例１のタービンホイールの場合は、ＨＩＰ処理によって製品平均粒径を大きく変化させることができ、その変化率（倍率）が４．３倍であるのを確認することができた。
【００６７】
表２に示すように、発明例２のＨＩＰ処理を行わないタービンホイール（ＨＩＰなし焼結部材）では、最も代表平均粒径が小さかったのは翼部３の領域であり、その最小粒径Ｇｍｉｎは１５１．０μｍであった。また、最も代表平均粒径が大きかった領域は水かき部５であり、その最大粒径Ｇｍａｘは２１３．６μｍであった。したがって、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒは０．４１となった。また、製品平均粒径は１８１．０μｍであった。一方、発明例２のＨＩＰ処理を行ったタービンホイール（ＨＩＰあり焼結部材）では、最も代表平均粒径が小さかったのは翼部３の領域であり、その最小粒径Ｇｍｉｎは３０２．１μｍであった。また、最も代表平均粒径が大きかったのは水かき部５の領域と本体部２の領域であり、その最大粒径Ｇｍａｘは４２７．２μｍであった。したがって、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒは０．４１となった。また、製品平均粒径は３７８．９μｍであった。
【００６８】
これにより、焼結部材である発明例２のタービンホイールの場合も発明例１と同様に、ＨＩＰ処理によって製品平均粒径を大きく変化させることができ、その変化率（倍率）が２．１倍であるのを確認することができた。
【００６９】
表３に示すように、比較例１のＨＩＰ処理を行わないタービンホイール（ＨＩＰなし鋳造部材）では、最も代表平均粒径が小さかったのは翼部３の領域と水かき部５の領域であり、その最小粒径Ｇｍｉｎは２５４．０μｍであった。また、最も代表平均粒径が大きかったのは本体部２の領域であり、その最大粒径Ｇｍａｘは４２７．２μｍであった。したがって、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒは０．６８となった。また、製品平均粒径は３２３．６μｍであった。一方、比較例１のＨＩＰ処理を行ったタービンホイール（ＨＩＰあり鋳造部材）では、最も代表平均粒径が小さかったのはノーズ部４の領域であり、その最小粒径Ｇｍｉｎは３５９．２μｍであった。また、最も代表平均粒径が大きかったのは本体部２の領域、翼部３の領域および水かき部５の領域であり、その最大粒径Ｇｍａｘは４２７．２μｍであった。したがって、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／Ｇｍｉｎで表す指標Ｇｒは０．１９となった。また、製品平均粒径は４１０．２μｍであった。
【００７０】
これにより、鋳造部材である比較例１のタービンホイールの場合も、ＨＩＰ処理によって製品平均粒径を大きく変化させることができ、その変化率（倍率）が１．３倍であるのを確認することができた。しかし、鋳造部材である比較例１のタービンホイールの場合は、焼結部材である発明例１および発明例２のタービンホイールの場合と比べて、ＨＩＰ処理によって変化する製品平均粒径の変化率（倍率）が小さく１．３倍であり、２倍を超えて大きく変化するほどに明確な作用効果が得られなかった。
【００７１】
以上のように、ＨＩＰ処理を行わない場合、焼結部材である発明例１および発明例２の製品平均粒径は、鋳造部材である比較例１の製品平均粒径よりも小さい。また、焼結部材である発明例１および発明例２の製品平均粒径は３００μｍ以下であるのに対し、鋳造部材である比較例１の製品平均粒径は３００μｍよりも大きい。また、ＨＩＰ処理を行わない場合の指標Ｇｒを見ると、焼結部材である発明例１の０．１９および発明例２の０．４１に対し、鋳造部材である比較例１はより大きく０．６８である。これは、焼結部材であるタービンホイールは、鋳造部材であるタービンホイールと比べて、タービンホイールの全体に亘って、金属組織を構成する結晶の粒径のばらつきが小さいことを示している。焼結部材である発明例１および発明例２では、ＨＩＰ処理の前後で指標Ｇｒが大きく変化せず、結晶粒径のばらつきが変化しなかった。しかし、鋳造部材である比較例１では、ＨＩＰ処理の前後で指標Ｇｒが０．６８から０．１９へと大きく変化し、結晶粒径のばらつきが小さくなった。これは、焼結部材であるタービンホイールは、鋳造部材であるタービンホイールと比べて、ＨＩＰ処理により、金属組織を構成する結晶の粒径のばらつきが変化するのを抑制しながら、製品平均粒径が３００μｍ以下の比較的小さい結晶粒を大きく成長させることができることを示している。
【００７２】
したがって、例えば、自動車などのエンジンに用いるターボチャージャに搭載されるタービンホイールなどの羽根車形状を有する部材において、この部材に求められる機械的特性を満足するように金属組織形態（特に結晶粒径）を制御しようとするときには、比較例１のような鋳造部材よりも、発明例１、２のような焼結部材が好適であり、金属組織を構成する結晶の粒径の大きさの制御を容易に行うことができると考えられる。
【００７３】
本発明に係る部材は、例えば図１に示すタービンホイール１のように、本体部２、翼部３、ノーズ部４および水かき部５を備える羽根車形状を有する部材である。こうした羽根車形状を有する部材は、薄肉の部位と厚肉の部位を有している。図１に示すタービンホイール１の場合は、翼部３や水かき部５は薄肉の部位であり、ノーズ部４や本体部２は厚肉の部位である。また、上記発明例１のタービンホイールにおいて、翼部３の平均的な厚みは１．３ｍｍ、本体部２の平均的な厚みは１７ｍｍである。上記発明例２のタービンホイールにおいて、翼部３の平均的な厚みは１．５ｍｍ、本体部２の平均的な厚みは３０ｍｍである。上記比較例１のタービンホイールにおいて、翼部３の平均的な厚みは１．５ｍｍ、本体部２の平均的な厚みは２５ｍｍである。つまり、発明例１、２および比較例１のいずれのタービンホイールにおいても、各部位を平均的な厚みで評価すると、最も厚肉の部位は最も薄肉の部位の１０倍以上の厚みがあり、薄肉の部位と厚肉の部位を有していることが分かる。
【００７４】
このように、本発明に係る図１に示すタービンホイールなどの羽根車形状を有する部材は、厚みが大きく異なる複数の部位が混在している。したがって、各部位の厚みの違いによる熱の伝わりにくさなどに起因して、製造過程でタービンホイール全体の金属組織を均等的な結晶粒径に形成することは容易ではない。また、タービンホイールなどの金属組織を構成する結晶粒は、ＨＩＰ処理を行ってある程度まで成長させることができるが、結晶粒の成長に連れて結晶粒径のばらつきが大きくなることがある。薄肉の部位と厚肉の部位が混在する羽根車形状を有するタービンホイールなどでは、ＨＩＰ処理を行わなくても結晶粒径のばらつきが大きくなるおそれがある。例えば、比較例１のタービンホイール（ＨＩＰなし鋳造部材）では、全体の金属組織の結晶粒径（製品平均粒径）のばらつきを示す指標Ｇｒが０．６を超えるような大きな値になっている。こうした結晶粒径のばらつきが大きいタービンホイールなどでは、比較例１とは異なり、ＨＩＰ処理条件によってはＨＩＰ処理を行うことによって結晶粒径のばらつきが一層大きくなることもある。
【００７５】
また、羽根車形状を有する部材であるタービンホイールに求められる種々の機械的特性の中には、結晶粒径の増大に連れて良好になる機械的特性もあれば、結晶粒径の増大に連れて劣化する機械的特性もある。一例を挙げると、チタンアルミ合金系の金属組織を有するタービンホイールなどの場合、結晶粒径が適度に小さい金属組織であると室温から８００℃付近までの機械的強度や延性が向上し、結晶粒径が適度に大きい金属組織であると９００℃以上の機械的強度（高温強度）が向上する。こうしたことから、タービンホイールなどに使用環境に適合する機械的特性を持たせるために、金属組織を構成する結晶の粒径を適度な大きさに形成するのが好ましいと考えられる。
【００７６】
そこで、発明例１、２のタービンホイール（焼結部材）のように本発明の焼結部材の製造方法は有用である。これにより、ＨＩＰ処理を行わないＨＩＰなし焼結部材でも、ＨＩＰ処理を行ったＨＩＰあり焼結部材でも、全体の金属組織の結晶粒径のばらつきが小さく指標Ｇｒが０．６以下と小さい、羽根車形状を有する焼結部材を得ることができる。
【００７７】
本発明の焼結部材の製造方法によれば、求められる機械的特性が様々に異なる多様なタービンホイールなどに対して柔軟に対応できる焼結部材を得ることができる。例えば、求められる機械的特性を満たすために比較的小さな結晶粒径が求められる場合がある。ＨＩＰ処理を行わない場合の本発明の焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）は結晶粒径が小さく、例えば発明例１、２はいずれも比較例１よりも小さく、その製品平均粒径は３００μｍより小さい。逆に、求められる機械的特性を満たすために比較的大きな結晶粒径が求められる場合がある。本発明の焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）は、ＨＩＰ処理が行われて結晶粒が成長しても、発明例１、２のＨＩＰあり焼結部材の指標ＧｒがＨＩＰなし焼結部材の指標Ｇｒと同等以下であって、指標Ｇｒが大きくなるような変化が生じなかった。このように、本発明の焼結部材の製造方法で得られた焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）は、ＨＩＰ処理が行われても各部位の金属組織の結晶粒径のばらつきは小さいままである。こうしたことから、例えば短時間保持のＨＩＰ処理を行って金属組織の結晶粒径の増大を抑制しながら内部の空孔をつぶすことにより、所望の機械的特性を満たすタービンホイールなどを得ることができる。また、全体として均一な機械的特性を有している本発明の焼結部材を信頼性の高い製品として、例えば自動車などのエンジンに用いるターボチャージャに搭載されるタービンホイールなどの羽根車形状を有する製品として、提供することができる。
【００７８】
また、上述したように、ＨＩＰ処理を行わない場合の本発明の焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）は製品平均粒径がいずれも３００μｍより小さく、３００μｍを超える大きな製品平均粒径を持つ例えば比較例１のＨＩＰなし鋳造部材と比べて、ＨＩＰ処理における金属組織の結晶粒の成長の伸び代がより大きくなると考えられる。また、簡便のため昇温過程の結晶成長を無視すると、上記伸び代が例えば１２０μｍの部材に対して２時間保持するＨＩＰ処理を行うとすれば、結晶粒径の見込み変化量が最大で１分ごとに１０μｍになると考えられる。これに対して、上記伸び代が例えば４８０μｍの部材に対して２時間保持するＨＩＰ処理を行うとすれば、上記同様に考えて、結晶粒径の見込み変化量が最大で１分ごとに４０μｍになると考えられる。本発明の焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）は結晶粒径が小さいので、上述した発明例１のように４倍以上の上記伸び代が見込める場合もある。こうしたことから、ＨＩＰ処理を行わなかった場合の本発明の焼結部材は、ＨＩＰ処理において保持温度や保持時間などの適切な選択によって金属組織の結晶粒径の大きさのきめ細かな制御が容易になると考えられる。したがって、所望の結晶粒径を有する羽根車形状を有する焼結部材（例えばタービンホイール）を容易に得ることができると考えられる。
【００７９】
このように、本発明によれば、羽根車形状を有し、ＨＩＰ処理を行わない状態で、結晶粒径が小さく、かつ、結晶粒径のばらつきが小さい金属組織形態を有する焼結部材（ＨＩＰなし焼結部材）となる。また、さらにＨＩＰ処理を行うことによって、羽根車形状を有し、各部位の結晶粒径のばらつきを小さく抑えたまま、結晶粒径を様々な大きさに成長させた焼結部材（ＨＩＰあり焼結部材）を得ることができる。このため、本発明によれば、羽根車形状を有する多様な仕様のタービンホイールなどを製造するための出発材料として適した製品（焼結部材）を提供することができる。
【００８０】
なお、本発明とは異なり、製品平均粒径が３００μｍより大きい、例えば比較例１の鋳造部材のような金属組織を有する部材では、比較的小さな結晶粒径によってもたらされる機械的特性が求められる場合は対応しにくい。
【００８１】
以上のように、本発明の焼結部材は、金属組織の結晶粒径が小さく、かつ結晶粒径のばらつきが小さく、さらにＨＩＰ処理を行っても各部位の結晶粒径のばらつきが大きく変化しない。しがたって、ＨＩＰ処理を行っていない本発明の焼結部材は、さらにＨＩＰ処理を行うことによって、金属組織の結晶粒径の大きさをきめ細かく制御しやすい。このように、本発明によれば、金属組織形態（特に結晶粒径）を容易に制御することが可能な焼結部材の製造方法およびそれを用いて焼結部材を提供することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  タービンホイール
２  本体部
３  翼部
４  ノーズ部
５  水かき部
【図１】
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【図２】
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