(57)【要約】【課題】生産性の良い鍛造品で高温強度を有するインペラを提供する。【解決手段】円形のディスク部１１の中心にボス部１２を有するハブ１０と、前記ハブ１０の外面に放射状に設けられた複数の羽根部１３を有するインペラ用鍛造品１は、Ｓｉ：０．０５質量％〜０．３０質量％、Ｆｅ：０．７質量％〜１．５質量％、Ｃｕ：１．７質量％〜２．９質量％、Ｍｇ：１．０質量％〜１．９質量％、Ｔｉ：０．０３質量％〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．８質量％〜１．４質量％を含み、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、前記ディスク部１１の回転軸に平行な任意の断面における結晶粒の平均粒径が３０μｍ〜１００μｍである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形のディスク部の中心にボス部を有するハブと、前記ハブの外面に放射状に設けられた複数の羽根部を有するインペラ用鍛造品であり、
前記インペラ用鍛造品は、Ｓｉ：０．０５質量％〜０．３０質量％、Ｆｅ：０．７質量％〜１．５質量％、Ｃｕ：１．７質量％〜２．９質量％、Ｍｇ：１．０質量％〜１．９質量％、Ｔｉ：０．０３質量％〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．８質量％〜１．４質量％を含み、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、
前記ボス部の、インペラの回転軸に平行な任意の断面における結晶粒の平均粒径が３０μｍ〜１００μｍであることを特徴とするインペラ用鍛造品。
【請求項２】
前記アルミニウム合金が、さらにＢ：０．００１２質量％〜０．００６質量％を含む請求項１に記載のインペラ用鍛造品。
【請求項３】
前記ボス部の部の、インペラの回転軸に平行な任意の断面におけるＣｕＡｌ２のθ相化合物の平均粒径が１．０μｍ〜１５μｍであり、占有面積率が４％〜１５％である請求項１または２に記載のインペラ用鍛造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用ターボチャーザー用インペラに代表されるアルミニウム合金製インペラ用鍛造品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の内燃機関としてのターボチャージャーにおけるコンプレッサーホイール等のコンプレッサーインペラは、１７０℃程度の高温状況下において１００００ｒｐｍを超える高速回転が与えられるため、回転中心部近傍には遠心力などに起因する高い応力が発生する。上記理由によりターボチャーザー用コンプレッサーインペラは１７０℃程度の高温下において高強度および高剛性を有することが要求される。加えてコンプレッサーインペラは、エネルギー損失の低減を図るために軽量化も要求されるとともに、高速回転に耐えることができる強度も要求される。
【０００３】
従来のコンプレッサーインペラは、２６１８合金（Ｃｕ：１．９質量％〜２．７質量％、Ｍｇ：１．３質量％〜１．８質量％、Ｎｉ：０．９質量％〜１．２質量％、Ｆｅ：０．９質量％〜１．３質量％、Ｓｉ：０．１質量％〜０．２５質量％、Ｔｉ：０．０４質量％〜０．１質量％、Ａｌ：残部）を用いられている。また、引用文献１には、３．０質量％〜５．５質量％のＣｕを含み、高温強度を従来以上に向上させたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金が開示されている。
【０００４】
インペラを製造する方法としては、素材塊を切削加工して最終製品の形状に仕上げる方法がある。また、素材塊を鍛造加工してボス部の外周面に羽根部が形成された中間製品を作製し、この中間製品を切削加工して最終製品に仕上げる方法がある。後者の方法は、前者の方法よりも短時間で加工可能で生産性が良く、かつ切削加工による除去部分が少なく材料歩留まりも良いという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−７８２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、高温強度向上のために多種の元素を多量に添加したアルミニウム合金を用いてインペラを作製すると、鍛造加工の際に不安定性が露出する場合があり、かつ素材内部の偏析等によるばらつきも大きくなることがある。上記のような問題は、非常に高い特性を要求されるインペラにおいては致命的であり、とりわけ急激な回転と停止を繰り返し行うことにより発生する、インペラ羽根部における金属疲労を引き起こす可能性を示唆している。
【０００７】
さらに、自動車等の内燃機関の技術分野において、コンプレッサーインペラは市場規模が大きくコストの低減化が必要とされており、容易に作製でき安価であることも要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述した技術背景に鑑み、生産性の良い鍛造品で高温強度を有するインペラを提供することを目的とする。
【０００９】
即ち、本発明は下記[１]〜[３]に記載の構成を有する。
【００１０】
［１］円形のディスク部の中心にボス部を有するハブと、前記ハブの外面に放射状に設けられた複数の羽根部を有するインペラ用鍛造品であり、
前記インペラ用鍛造品は、Ｓｉ：０．０５質量％〜０．３０質量％、Ｆｅ：０．７質量％〜１．５質量％、Ｃｕ：１．７質量％〜２．９質量％、Ｍｇ：１．０質量％〜１．９質量％、Ｔｉ：０．０３質量％〜０．１５質量％、Ｎｉ：０．８質量％〜１．４質量％を含み、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、
前記ボス部の、インペラの回転軸に平行な任意の断面における結晶粒の平均粒径が３０μｍ〜１００μｍであることを特徴とするインペラ用鍛造品。
【００１１】
［２］前記アルミニウム合金が、さらにＢ：０．００１２質量％〜０．００６質量％を含む前項１に記載のインペラ用鍛造品。
【００１２】
［３］前記ボス部の部の、インペラの回転軸に平行な任意の断面におけるＣｕＡｌ２のθ相化合物の平均粒径が１．０μｍ〜１５μｍであり、占有面積率が４％〜１５％である前項１または２に記載のインペラ用鍛造品。
【発明の効果】
【００１３】
上記[１]に記載のインペラ用鍛造品によれば、材料のアルミニウム合金の化学組成によって高い高温強度が得られ、ボス部においては結晶粒サイズに基づいて高い高温強度が得られる。しかも、ボス部よりも加工率の高い羽根部はボス部よりも微細化されているので、ボス部よりも高い高温強度が得られる。また、鍛造加工によってディスク部、ボス部および羽根部が成形されたインペラであるから、切削加工による成形品よりも生産性が良く、低コストで作製できる。
【００１４】
上記[２]に記載のインペラ用鍛造品によれば、Ｂの添加によりさらに結晶粒が微細化されて高い高温強度が得られる。
【００１５】
上記[３]に記載のインペラ用鍛造品によれば、ＣｕＡｌ２のθ相化合物の析出によって特に高い高温強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかるインペラ用鍛造品の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】実施例において材料特性調査用鍛造材の作製工程を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態として、ターボチャーザーに用いるインペラ用鍛造品１を示す。
【００１８】
インペラ用鍛造品１は、円形のディスク部１１の中心にボス部１２を有するハブ１０と、前記ハブ１０の外面に放射状に設けられた複数の羽根部１３を有している。前記インペラ用鍛造品１はボス部１２の中心が回転軸となる。
【００１９】
前記インペラ用鍛造品１は後述する鍛造加工によって成形したものであり、切削加工等により仕上げ加工した後にターボチャージャーに組み込まれる。本発明のインペラ用鍛造品は、仕上げ加工前の鍛造品と仕上げ加工後の鍛造品の両方を含んでいる。
【００２０】
前記インペラ用鍛造品１は、材料のアルミニウム合金の化学組成およびボス部１２における金属組織が規定されている。
（アルミニウム合金の化学組成）
アルミニウム合金は、必須元素として、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉを含み、要すればさらにＢを含む。いずれの合金においても残部はＡｌおよび不可避不純物である。以下に、各元素の添加意義および濃度について詳述する。
【００２１】
Ｓｉは、溶体化処理時に過飽和固溶体として強制固溶し、人工時効処理の際にＭｇ２Ｓｉとして微細析出して強度を上昇させる。この効果はＳｉの添加量が０．０５質量％未満では効果が低く、０．３０質量％を超えると鋳造時に粗大晶出物として生成し機械的特性を低下させる。よってＳｉは０．０５質量％〜０．３０質量％とする。より好ましいＳｉ添加量は０．１質量％〜０．２５質量％である。
【００２２】
Ｆｅは、高温強度、とりわけインペラの実用温度域である１７０℃における強度を向上させる作用がある。上記作用はＡｌとＮｉと共に金属間化合物を生成し、粒界に優先的に晶出し分散強化を得ることによる。この効果はＦｅの添加量が０．７質量％未満ではＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉ系晶出物の分散強化を十分に得られず、１．５質量％を超えると鋳造時に粗大晶出物として晶出し機械的特性を低下させる。よってＦｅは０．７質量％〜１．５質量％とする。より好ましいＦｅ添加量は０．９質量％〜１．２質量％である。
【００２３】
Ｃｕは、高温強度を向上させる作用がある。Ｃｕは溶体化処理時に固溶し、人工時効処理時にＡｌと化合物（ＣｕＡｌ２）を形成し微細析出物として析出することで、インペラの実用温度域である１７０℃での強度向上に寄与する。この効果はＣｕの添加量が１．７質量％以上で顕著に表れ、２．９質量％を超えると鋳造時に粗大晶出物として晶出して機械的特性を低下させる。よってＣｕは１．７質量％〜２．９％質量とする。より好ましいＣｕ添加量は１．９質量％〜２．７質量％である。
【００２４】
Ｍｇは、溶体化処理時に過飽和固溶体として強制固溶し、人口時効処理の際にＭｇ２Ｓｉとして微細析出し強度を上昇させる。この効果はＭｇの添加量が１．０質量％未満では効果が低く、１．９質量％を超えると鋳造時に粗大晶出物として生成し機械的特性を低下させる。よってＭｇは１．０質量％〜１．９質量％とする。より好ましいＭｇ添加量は１．２質量％〜１．７質量％である。
【００２５】
Ｔｉは、鋳造時の結晶粒の成長抑制効果を促進するために、結晶粒微細化効果を狙って添加される。この効果はＴｉの添加量が０．０３％質量未満では効果が低く、０．１５質量％を超えると鋳造時に粗大晶出物として晶出し機械的特性を低下させる。よってＴｉは０．０３質量〜０．１５質量％とする。好ましいＴｉ添加量は０．０５質量％〜０．１０％質量である。
【００２６】
Ｎｉは、高温強度、とりわけインペラの実用温度域である１７０℃における強度を向上させる作用がある。上記作用はＡｌとＦｅと共に金属間化合物を生成し、粒界に優先的に晶出し分散強化を得ることによる。この効果はＮｉの添加量が０．８質量％未満ではＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉ系晶出物の分散強化を十分に得られず、１．４質量％を超えると鋳造時に粗大晶出物として晶出し機械的特性を低下させる。よってＮｉは０．８質量％〜１．４質量％とする。好ましいＮｉ添加量は０．９質量％〜１．２質量％である。
【００２７】
Ｂは、Ｔｉと共に同時添加することでＴｉと同様に鋳造時の結晶粒の成長抑制効果を促進するために、結晶粒微細化効果を狙って添加される。この効果はＢの添加量が０．００１２質量％未満では効果が低く、０．００質量６％を超えると鋳造時に粗大晶出物として晶出し機械的特性を低下させる。よって、Ｂは０．００１２質量％〜０．００６質量％とする。好ましいＢ添加量は０．００２質量％〜０．００４質量％である。
（金属組織）
インペラ用鍛造品１の強度は上述したアルミニウム合金の化学組成にとともに金属組織の影響を受ける。また、インペラ用鍛造品１は、素材塊、例えば円柱形の素材を鍛造加工をしてディスク部１１、ボス部１２、羽根部１３を成形する。金属組織は鍛造加工における加工率（据込率）の影響を受けるが、加工率は一様ではなく部位によって異なる。インペラ用鍛造品１における各部の据込率は羽根部＞ボス部＞ディスク部となり、据込率が高いほど金属組織が微細化されて強度が高くなる傾向がある。本発明のインペラ用鍛造品１はボス部１２の金属組織を規定することによって、他の部位の金属組織を間接的に規定している。本発明は各部の据込率を規定するものではないが、羽根部１３における据込率は４５％〜５５％であり、ディスク部１１における据込率は５％〜１５％であり、ボス部１２における据込率は２５％〜３５％である。
【００２８】
本発明のインペラ用鍛造品１はボス部１２の金属組織によってボス部１２が高い高温強度を有していること示し、間接的にボス部１２よりも微細化された金属組織を有する羽根部１３がボス部１２よりも高い高温強度を有していることを示している。インペラ用鍛造品１において、羽根部１３は急激な回転と停止の繰り返しによって金属疲労を起こしやすい部位であって、ディスク部１１およびボス部１２よりも高い高温強度が要求される部位である。従って、羽根部１３がボス部１２よりも高い高温強度を有していることはインペラの各部位に要求される機械的特性に適合している。
【００２９】
なお、本発明において高温強度の高いボス部とは、１７０℃における疲労強度が１３８ＭＰａ以上のボス部であり、あるいはさらに１７０℃における引張強度が３５０ＭＰａ以上であることを意味する。
【００３０】
本発明のインペラ用鍛造品１は、アルミニウム合金の化学組成を規定し、さらにボス部１２の、回転軸に平行な任意の断面における結晶粒の平均粒径が３０μｍ〜１００μｍに規定されている。ボス部１２における結晶粒の平均粒径を上記範囲に規定することにより高い高温強度が得られる。前記ボス部１２における好ましい平均粒径は５０μｍ〜７０μｍである。
【００３１】
前記インペラ用鍛造品１の金属組織はＣｕＡｌ２のθ相化合物を含んでいる。ＣｕＡｌ２は高温強度を高める効果があり、ボス部１２の回転軸に平行な任意の断面において、平均粒径が１．０μｍ〜１５μｍであり、かつ占有面積率が４％〜１５％であることが好ましい。さらに好ましい平均粒径は３．０μｍ〜１０μｍであり、さらに好ましい占有面積率は６％〜１０％である。
【００３２】
本発明は羽根部１３およびボス部１２の金属組織を規定するものではないが、羽根部１３における好ましい結晶粒の平均粒径は１０μｍ〜３０μｍであり、ディスク１１における好ましい結晶粒の平均粒径は３０μｍ〜１２０μｍである。
【００３３】
上記の金属組織を有するインペラ用鍛造品１は、例えば以下の工程によって製造することができる。
【００３４】
鍛造加工用の素材として連続鋳造材を用いる場合、連続鋳造材を４７０℃〜５４０℃で０．５時間〜４．０時間の均質化処理を行い、ピーリングを行って所要の長さに切断する。切断した素材にボンデ処理を施して２０℃〜４５０℃に加熱する一方、金型温度を２０℃〜２５０℃に加熱し、図１に示すインペラ用鍛造品１の形状に鍛造加工する。成形した鍛造品は、５２０℃〜５４０℃×０．５時間〜６時間の溶体化処理後に焼き入れし（例えば１０℃〜８０℃の水冷）、１６０〜２２０℃で1時間〜４８時間の人工時効処理を行う。
【実施例】
【００３５】
表１に示す実施例１、２および比較例１〜１２の化学組成に調整したアルミニウム合金で直径５０ｍｍの円形の連続鋳造材を作製し、３０℃×７時間の均質化処理を施し、空冷した。前記連続鋳造材はピーリング後に長さ８０ｍｍに切断し、これを図２に示す鍛造用素材２０とした。前記鍛造用素材２０は直径５０ｍｍ×長さ８０ｍｍの円柱である。
【００３６】
前記鍛造用素材２０はボンデ処理を行い、素材温度２５℃、金型温度３０℃で、図２に示すように、鋳造材の軸方向（Ｌ方向）と軸方向に垂直な方向（ＬＴ方向、周方向指定なし）に、据込率１０％、２０％、３０％、４０％、５０％で据え込みを加工を行い、未鍛造（据込率０％）を含めて、６種類の材料特性調査用鍛造材２１を成形した。この材料特性調査用鍛造材２１における厚み方向をＳＴ方向とする。
【００３７】
さらに、前記各材料特性調査用鍛造材２１を５３０℃×３時間の溶体化処理を施し、３０℃の水にて焼き入れし、その後２００℃×２０時間の人工時効処理を施して鍛造Ｔ６品とした。据え込み率１０％の鍛造Ｔ６品はインペラ用鍛造品１のディスク部１１に相当し、据込率３０％の鍛造Ｔ６品はボス部１２に相当し、据込率５０％の鍛造Ｔ６品は羽根部１３に相当する。また、ＳＴ方向に平行な断面がインペラ用鍛造品の回転軸に平行な断面に対応する。
【００３８】
熱処理後の各材料特性調査用鍛造材２１（鍛造Ｔ６品）に対し、以下の方法で引張強度、疲労強度、金属組織を調べた。
［引張強度］
常温引張試験を行うために、前記鍛造Ｔ６品から、切削加工により常温引張試験片を切り出した。試験片形状はＪＩＳ４号試験片を採用し、ＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠し引張試験を行い引張強度を測定した。
【００３９】
高温引張試験を行うため、前記鍛造Ｔ６品を１７０℃×１００時間で予備加熱し、切削加工により高温引張試験片を切り出した。試験片形状はＪＩＳ４号試験片を採用し、ＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠し引張試験を行い引張強度を測定した。
［疲労強度］
高温疲労試験を行うため、上記鍛造Ｔ６品を１７０℃×１００時間で予備加熱し切削加工により、所定の試験片形状に切り出した。疲労試験は小野式回転曲げ試験機を用いて測定し、各合金８回測定しＳ-Ｎ曲線を得た。得られたＳ-Ｎ曲線より繰返し数１０７回における疲労強度を求め、１７０℃における疲労強度とした。
［金属組織］
組織観察用試料として、前記鍛造Ｔ６品から、Ｌ方向の断面およびＳＴ方向の断面が露出する１ｃｍ×１ｃｍ×１ｃｍの角材を切り出し、樹脂に埋めてＳＴ方向の断面をエメリー紙による研磨およびバフ研磨を実施して鏡面に仕上げた。
【００４０】
鏡面仕上げをした試料のＳＴ方向の断面を光学顕微鏡Ｎｉｋｏｎ ＥＰＩＰＨＯＴ ３００を用いて、対物レンズ×１０で順光組織観察を行った。さらに、鏡面仕上げをした試料をホウフッ化水素酸を１．８％に希釈した溶液に３分間浸食させ、かつ溶液中に２０Ｖの電圧をかけることで腐食させて、偏光組織観察用試料とした。この偏光組織観察用試料のＳＴ方向の断面を光学顕微鏡Ｎｉｋｏｎ ＥＰＩＰＨＯＴ ３００を用いて対物レンズ×４０で偏光組織観察を行った。
【００４１】
結晶粒径およびＣｕＡｌ２θ相化合物の粒径は、偏光観察写真から４視野を取出し、各視野においてＳＴ方向にそれぞれ３本ずつ線を引き、線の長さを結晶粒または化合物の数で除した値を粒径とした。得られた粒径をそれぞれ加算し測定数で再度除して結晶粒または化合物の平均粒径とした。
【００４２】
ＣｕＡｌ２θ相化合物の占有面積率は、順光組織写真において、偏光組織観察で測定した粒径を円相当径とみなして化合物の面積を計算し、視野範囲に対する化合物の占有面積率を計算した。
【００４３】
表１に、実施例１、２および比較例１〜１２のアルミニウム合金で作製した据込率３０％の鍛造Ｔ６品の金属組織および１７０℃疲労強度を示す。表２に、実施例１のアルミニウム合金で作製した、据込率０％の未鍛造Ｔ６品、据込率１０％、２０％、３０％、４０％の鍛造Ｔ６品の常温引張強度、１７０℃引張強度、１７０℃疲労強度、結晶粒の平均粒径を示す。また、表３に、実施例２のアルミニウム合金で作製した、据込率０％の未鍛造Ｔ６品、据込率１０％、２０％、３０％、４０％の鍛造Ｔ６品の常温引張強度、１７０℃引張強度、１７０℃疲労強度、結晶粒の平均粒径を示す。
【００４４】
【表１】
2019190366.tif 000003
【００４５】
【表２】
2019190366.tif 000004
【００４６】
【表３】
2019190366.tif 000005
【００４７】
表１に示すように、インペラのボス部に相当する据込率３０％鍛造Ｔ６品においてアルミニウム合金の化学組成と金属組織を制御することにより、１７０℃の疲労強度が１３８ＭＰａ以上の高温強度が得られる。
【００４８】
表２および表３に示すように、羽根部１３に相当する据込率５０％鍛造Ｔ６品の結晶粒の平均粒径がボス部１２に相当する据込率３０％鍛造Ｔ６品の結晶粒の平均粒径よりも小さく、かつ据込率５０％鍛造Ｔ６品の高温強度が据込率１０％鍛造Ｔ６品よりも高い。
【００４９】
以上の結果は、インペラ用鍛造品はボス部１２の高温強度が３５０ＭＰａ以上であり、かつ羽根部１３の高温強度がボス部１２よりも高いことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のインペラ用鍛造品は高い高温強度が要求されるターボチャージャーのインペラとして利用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１…インペラ用鍛造品
１０…ハブ
１１…ディスク部
１２…ボス部
１３…羽根部
【図１】
2019190366.tif 000006
【図２】
2019190366.tif 000007