(57)【要約】【課題】複合化などのコストアップ手段によらず生産性に優れ、高速回転に伴う１８０℃程度での高温使用に耐えられる耐熱強度に優れたアルミニウム合金鋳物製のコンプレッサーインペラーを提供する。【解決手段】Ｃｕ  １．４〜３．２質量％、Ｍｇ  １．０〜２．０質量％、Ｎｉ  ０．５〜２．０質量％、およびＦｅ  ０．５〜２．０質量％を含有し、さらにＴｉ  ０．０１〜０．３５質量％、Ｚｒ  ０．０1〜０．３０質量％、Ｓｃ  ０．０１〜０．８質量％、およびV  ０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種以上を含有し、残部がアルミニウムおよび不純物からなり、かつ（Ｃｕ含有量）＋０．５（Ｍｇ含有量）が３．８質量％以下であり、二次デンドライトアーム間隔が５０μｍ以下であり、溶体化処理し、時効処理により強化された耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ  １．４〜３．２質量％、Ｍｇ  １．０〜２．０質量％、Ｎｉ  ０．５〜２．０質量％、およびＦｅ  ０．５〜２．０質量％を含有し、さらにＴｉ  ０．０１〜０．３５質量％、Ｚｒ  ０．０１〜０．３０質量％、Ｓｃ  ０．０１〜０．８質量％、およびＶ  ０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種以上を含有し、残部がアルミニウムおよび不純物からなり、かつ（Ｃｕ含有量）＋０．５（Ｍｇ含有量）が３．８質量％以下であり、二次デンドライトアーム間隔が５０μｍ以下であり、溶体化処理し、時効処理により強化したことを特徴とする耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー。
【請求項２】
１８０℃における耐力が２５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー。
【請求項３】
石膏型を用いた鋳造に際し、石膏型温度を１８０〜２５０℃に設定し、ディスク面に接する面に金属製の冷やし金を配置して製造されたことを特徴とする請求項１または２に記載の耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や船舶用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は、図１に概念構成を示すように、排気エネルギーによって回転されるタービンインペラー１と同軸にコンプレッサーインペラー２が設けられて構成されている。コンプレッサーインペラー２は高速回転によって空気を圧縮して内燃機関３に供給するためのものである。図１で４は空気、５は圧縮空気、６および７は排気ガスのそれそれ流れを示すものである。また、８がタービンインペラー１とコンプレッサーインペラー２を繋ぐシャフトである。図２に、コンプレッサーインペラーの形状の１例を示す。コンプレッサーインペラーは、回転中心軸（ボス部）９と一体に連なるディスク部１０から、複数枚の薄肉の羽根１１が出ている形状を有している。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、とく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、当該ターボチャージャーの要求性能に応じて種々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物が使用されているが、乗用車・トラックなどの自動車用や小型船舶用など、比較的小型なものについては、大量生産性やコストが重視されるため、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合金（Ａｌ−５％Ｓｉ−１．３％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ）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）に低圧鋳造法または減圧鋳造法または重力鋳造法によって鋳造し、これを溶体化・時効処理により強化したものが広く使用されている。またその基本的な製造方法は、特許文献１に詳しく開示されている。
【０００４】
ところで、近年、このようなターボチャージャーにおいては内燃機関の出力の向上のために空気の高圧縮比化が要求されており、そのため、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は増加し，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、上記従来の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、さらには疲労破壊したりする不具合が発生しやすく、正常な回転の継続が不可能となることが判明している。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、上記目的のため、１８０℃程度でも使用できるよう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が、特許文献２の明細書２頁、段落［００１１］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がある場合、同合金では溶湯の流動性が悪く、薄肉部への湯回り不良（充填不良）が発生しやすい。そこで、特許文献２には、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、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、これを二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。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、応力のかかるボス部からディスク部中央部にかけては２５％Ｂ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、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ことが提案されている。また特許文献４には、その接合を摩擦圧接でおこなうことが提案されている。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、回転数の増大に伴う温度の増加に耐えら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は、単一合金としてはいまだに工業化は達成されておらず、また羽根部とボス部に異なる材料を併用する上記の各方法は生産性が劣りコストアップとなることとなり、これも工業化はされていない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、複合化などのコストアップ手段によらず生産性に優れ、高速回転に伴う１８０℃程度での高温使用に耐えられる耐熱強度に優れたアルミニウム合金鋳物製のコンプレッサーインペラー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】
【０００８】
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、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ基合金において、添加元素とその組み合わせの範囲を適正化し、かつ二次デンドライトアーム間隔を適正化することによって、鋳造性を確保し、かつ１８０℃での高温使用に耐える強度を得ることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、
（１）Ｃｕ  １．４〜３．２質量％、Ｍｇ  １．０〜２．０質量％、Ｎｉ  ０．５〜２．０質量％、およびＦｅ  ０．５〜２．０質量％を含有し、さらにＴｉ  ０．０１〜０．３５質量％、Ｚｒ  ０．０１〜０．３０質量％、Ｓｃ  ０．０１〜０．８質量％、およびＶ  ０．０１〜０．５質量％のうち１種または２種以上を含有し、残部がアルミニウムおよび不純物からなり、かつ（Ｃｕ含有量）＋０．５（Ｍｇ含有量）が３．８質量％以下であり、二次デンドライトアーム間隔が５０μｍ以下であり、溶体化処理し、時効処理により強化したことを特徴とする、耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー、
（２）１８０℃における耐力が２５０ＭＰａ以上であることを特徴とする（１）項に記載の耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー、および、
（３）石膏型を用いた鋳造に際し、石膏型温度を１８０〜２５０℃に設定し、ディスク面に接する面に金属製の冷やし金を配置して製造されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の耐熱強度に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラー
を提供するものである。
なお、本発明において「耐熱強度に優れた」とは１８０℃程度での使用温度でも、変形や疲労破壊が起こらないことを意味する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、回転数の増大に伴う温度の増加に耐えられるアルミニウム合金製の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、ターボチャージャーの加給能力を増し内燃機関の出力向上に寄与することができ、工業上顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明におけるアルミニウム合金の成分組成範囲の限定理由について説明する。
【００１２】
Ｃｕ、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持つ。また、Ｃｕ、Ｍｇが共存することによって、Ａｌ2 Ｃｕ、Ａｌ2 ＣｕＭｇ等の析出強化による強度向上に寄与する。但し、この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。Ｃｕ量が１．４質量％未満、Ｍｇ量が１．０質量％未満では、１８０℃の高温において必要とされる機械的強度が得られない。一方、Ｃｕが３．２質量％を越え、Ｍｇが２．０質量％を越え、かつ（Ｃｕ含有量）＋０．５（Ｍｇ含有量）（以下「Ｃｕ＋０．５Ｍｇ」という。）が３．８質量％を越えて含有されると、コンプレッサーインペラーとしての鋳造性が劣化し、とくに羽根先端部への湯回りが不十分となり欠肉が発生しやすくなる。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ぎ工業的に望ましい歩留まりを得るための望ましい添加範囲は、Ｃｕが１．７〜２．８質量％、Ｍｇが１．３〜１．８質量％、Ｃｕ＋０．５Ｍｇが２．３〜３．５質量％である。
【００１３】
Ｎｉ、Ｆｅは、Ａｌとの間に金属間化合物を分散して形成し、合金の高温強度を向上させる効果があり、Ｎｉは０．５質量％以上、Ｆｅは０．５質量％以上を必要とする。しかしながら両者はともに過剰に含有すると、金属間化合物が粗大化してしまうだけでなく、高温でＣｕ2 ＦｅＡｌ7 やＣｕ3 ＮｉＡｌ6 を形成してＡｌ母相中の固溶Ｃｕ量を下げ、かえって強度を低下させてしまうので、Ｎｉは２．０質量％以下、Ｆｅも２．０質量％以下とする。望ましい成分範囲としては、Ｆｅが０．７〜１．５質量％、Ｎｉが０．５〜１．４質量％である。望ましい範囲の下限は製造ばらつき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、上限は効果が飽和しこれ以上の添加は無駄となる添加量である。
【００１４】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｖは、鋳造時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有するため、１種または２種以上を添加する。これらの添加量が０．０１質量％未満では上記の効果を十分に得ることはできない。しかし、Ｔｉが０．３５質量％、Ｚｒが０．３０質量％、Ｓｃが０．８質量％、Ｖが０．５質量％を越えて含有されると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。なおＴｉを添加する場合は、Ｔｉ単独添加の代わりに、市販のＡｌ−５％Ｔｉ−１％Ｂ合金、Ａｌ−５％Ｔｉ−０．２％ＣなどのＴｉを含有する鋳造結晶粒微細化材を使用してもよい。望ましい成分範囲としては、Ｔｉ  ０．０５〜０．２０質量％、Ｚｒ  ０．０５〜０．２０質量％、Ｓｃ  ０．１５〜０．６５質量％、Ｖ  ０．０５〜０．３質量％である。望ましい範囲の下限は製造ばらつき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、上限は効果が飽和しこれ以上の添加は無駄となる添加量である。
【００１５】
また上記以外の不純物元素として、Ｓｉは０．３質量％、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒなどは０．２質量％程度までの含有は許容される。
【００１６】
上述のように成分規定した本発明の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、必要に応じて溶湯処理（脱ガス処理および介在物除去処理）を施した後、石膏型（プラスターモールド）を使用し低圧鋳造法または減圧鋳造法または重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。その際、二次デンドライトアーム間隔が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、二次デンドライトアーム間隔が５０μｍを越えると、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・進展しやすい。疲労亀裂の発生を完全に防止するには、望ましくは二次デンドライトアーム間隔４０μｍ以下とする。二次デンドライトアーム間隔を小さくするには冷却速度を大きくするのが有効であるが、これは主に石膏型の寸法・冷やし金（チルプレート）の適正配置・石膏型の予熱温度管理，鋳造温度の適正化などにより制御可能であり、各々の製造設備や製品寸法に応じた鋳造条件の適正化が必要となる。
【００１７】
またＣｕによる固溶強化、Ｃｕ、Ｍｇによる析出強化、ＡｌとＦｅおよびＡｌとＮｉとの間での金属間化合物形成による分散強化を有効に活用するためには、鋳造後、溶体化処理と時効処理を施す必要がある。その場合、固相線温度以下５〜２５℃の温度範囲で溶体化処理を施し、次いで、１８０〜２３０℃で３〜３０時間の時効処理を施し強化することが好ましい。溶体化処理は、５１０〜５３０℃で処理することがさらに好ましい。また、時効処理は１９０〜２１０℃で５〜２０時間処理することがさらに好ましい。時効処理の温度が低過ぎ、または時間が短すぎると強化に作用し得るだけの析出強化がなされない。一方、時効処理の温度が高すぎ、または時間が長すぎると形成された析出相が粗大化（過時効）し、強化作用が得にくくなるとともに、Ｃｕの固溶強化能が低下する。
以上により耐熱性に優れたターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラーが得られる。
【００１８】
さらに本発明の第二の実施態様のターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラーにおいては、１８０℃での耐力が２５０ＭＰａ以上になるように、組成の調整と、溶体化・時効処理を施し、使用時における高温変形を防止する。下限値の２５０ＭＰａは、１８０℃での高速回転において変形を防ぐために必要な強度である。変形を確実に無いものとするためには、１８０℃での耐力が２６０ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００１９】
さらに本発明の第三の実施態様のターボチャージャー用アルミニウム合金鋳物製コンプレッサーインペラーにおいては、石膏型を用いた鋳造に際し、石膏型温度を１８０〜２５０℃に設定し、ディスク面に接する面に金属製の冷やし金を配置する。石膏型の温度が１８０℃未満であると、薄肉の羽根先端部に溶湯が到達する以前に凝固が完了してしまい、欠肉が発生しやすい。工業的に安定して欠肉を防止し、かつ二次デンドライトアーム間隔を安定して微細とするには、石膏型温度は１９０〜２４０℃の範囲が望ましい。また冷やし金を設置しないと、凝固速度が遅くなり、二次デンドライトアーム間隔を安定して微細とすることができない。冷やし金の材質は、銅および銅合金が熱伝導率が高く好ましいが、鉄、ステンレス鋼なども使用できる。また、冷やし金をさらに水などにより冷却しても良く、工業的な大量生産においては温度管理のため水冷することが望ましい。
【実施例】
【００２０】
以下、実施例によりさらに詳細に本発明を説明する。
【００２１】
実施例１
表１の各種アルミニウム合金を常法により溶解・脱ガス処理した後、ディスク直径φ９６ｍｍ、高さ７０ｍｍ、羽根数１４枚、羽根先端肉厚０．４ｍｍの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形状に石膏鋳型・低圧鋳造法により鋳造した。その際、石膏型は２００℃に予熱し、ディスク底部に接する箇所には銅板製の冷やし金を設置した。その後、５３０℃で８時間の溶体化処理を施し、２００℃で２０時間の時効処理を施した。このコンプレッサーインペラーの中心軸より丸棒引っ張り試験片を採取して、室温、１５０℃および１８０℃における耐力を測定した。二次デンドライトアームはこの中心軸の断面で、ディスク底面より１０ｍｍの位置での金属組織を光学顕微鏡により倍率１００倍で観察し、切線法により求めた。なお、これらの測定法自体については「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Ｎｏ２０（１９８８年）、４６〜５２頁に記載されている。
【００２２】
【表１】
2005206927.tif 000002
【００２３】
Ｃｕ及び／またはＭｇの少ない比較例Ｎｏ９〜１１は高温耐力が低く、１８０℃耐久試験ではディスク部に変形が発生した。Ｃｕ及び／またはＭｇが上限値を越えるか、または各々は上限以下でもＣｕ＋０．５Ｍｇが３．８質量％を越えるＮｏ１２〜１４耐力は高いものの鋳造時に３０％を越える多数の湯回り不良が発生し、歩留まりが低く工業的な生産に耐えるものではなかった。Ｎｉ及びまたはＦｅの少ないＮｏ１５〜１７は高温耐力が低く、１８０℃耐久試験ではディスク部などに変形が発生した。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｖの少ないＮｏ１８は、鋳造時に３０％を越える多数の湯回り不良が発生し、工業的な生産に耐えるものではなかった。逆にＴｉ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｖが上限を越えるＮｏ１９〜２１は、粗大な金属間化合物が生成したため、耐久試験中にディスク部に疲労亀裂が発生した。これに対し、本発明の合金Ｎｏ１〜８は、従来例Ｎｏ２２〜２４と同等の鋳造性（湯回不良率８％以下）を示し、しかも優れた高温耐力を有しており、１８０℃での２００時間耐久試験の結果、変形や割れなどの問題は全く発生しなかった。
【００２４】
実施例２
表１のＮｏ４の合金を用い、これを常法により溶解・脱ガス処理した後、ディスク直径φ５０ｍｍ、高さ４０ｍｍ、羽根数１２枚、羽根先端肉厚０．３ｍｍの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形状に表２に示す各種条件で石膏鋳型に鋳造した。その後、表２に示す各溶体化、時効処理を行い、実施例１と同様の評価をおこなった。
【００２５】
【表２】
2005206927.tif 000003
【００２６】
石膏温度が低いＮｏ３１、３２は多くの湯回り不良が発生し、石膏予熱温度が高いＮｏ３３、冷やし金のないＮｏ３４、３５は凝固時の冷却が遅かったため二次デンドライトアーム間隔が５０μｍを越えて粗大化し、耐久試験で疲労亀裂が発生した。また溶体化や時効処理が省略されたり不十分なＮｏ３６〜３８は、１８０℃での耐力が２５０ＭＰａ未満であり、耐久試験で変形が発生した。これに対し、本発明例のＮｏ２５〜３０は、二次デンドライトアーム間隔が５０μｍ以下と微細であり、高温耐力も高く、耐久試験でも問題はない。Ｎｏ２９は耐久試験でごく微細な疲労亀裂が観察されたが、許容範囲のものであった。  
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ターボチャージャーの説明図である。
【図２】コンプレッサーインペラーの構造の１例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  タービンインペラー
２  コンプレッサーインペラー
３  内燃機関
４  空気
５  圧縮空気
６，７  排気ガス
８  シャフト
９  ボス部
１０  ディスク部
１１  羽根
【図１】
2005206927.tif 000004
【図２】
2005206927.tif 000005