(57)【要約】【課題】  優れた耐熱性と強度を有するチタン合金からなる高い空力学的性能を期待できるコンプレッサ用鋳造羽根車を安価に安定して提供する。【解決手段】  本発明は、ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造され、表面の硬さが４００ＨＶ以下に調整されてなるコンプレッサ用鋳造羽根車である。例えば、ロストワックス鋳造法によりコンプレッサ用鋳造羽根車と実質的に同一の形状を有する鋳造羽根車素材を形成後、表面の硬さを４００ＨＶ以下とするよう鋳造羽根車素材の表面の硬化層を除去する製造方法により得られる。好ましくは、表面の硬さを３５０ＨＶ以上とし、また、Ａｌ、Ｖ、Ｆｅを質量％で５．５≦Ａｌ≦６．７５、３．５≦Ｖ≦４．５、Ｆｅ≦０．４の範囲で含むＪＩＳに規定されるＴＡＣ６４００合金を使用する。硬化層を除去する前にＨＩＰ処理してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されたコンプレッサ用鋳造羽根車であって、表面の硬さが４００ＨＶ以下に調整されてなることを特徴とするコンプレッサ用鋳造羽根車。
【請求項２】
表面の硬さを３５０ＨＶ以上とすることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ用鋳造羽根車。
【請求項３】
前記チタン合金は、Ａｌ、Ｖ、Ｆｅを質量％で５．５≦Ａｌ≦６．７５、３．５≦Ｖ≦４．５、Ｆｅ≦０．４の範囲で含むＪＩＳに規定されるＴＡＣ６４００合金であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のコンプレッサ用鋳造羽根車。
【請求項４】
ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されたコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法であって、ロストワックス鋳造法により前記コンプレッサ用鋳造羽根車と実質的に同一の形状を有する鋳造羽根車素材を形成した後に、該鋳造羽根車素材の表面の硬さを４００ＨＶ以下とするように前記鋳造羽根車素材の表面の硬化層を除去して前記コンプレッサ用鋳造羽根車を形成することを特徴とするコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法。
【請求項５】
前記鋳造羽根車素材の表面の硬さを３５０ＨＶ以上とするように前記硬化層を除去することを特徴とする請求項４に記載のコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法。
【請求項６】
ケミカルピーリングによって前記硬化層を除去することを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載のコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法。
【請求項７】
前記硬化層を除去する前に、前記鋳造羽根車素材をＨＩＰ処理することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法。
【請求項８】
前記チタン合金は、Ａｌ、Ｖ、Ｆｅを質量％で５．５≦Ａｌ≦６．７５、３．５≦Ｖ≦４．５、Ｆｅ≦０．４の範囲で含むＪＩＳに規定されるＴＡＣ６４００合金であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関からの排気ガスを利用して圧縮空気を送る過給機の吸気側に使用されるコンプレッサ用鋳造羽根車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンプレッサ用羽根車は、例えば自動車や船舶等の内燃機関に搭載される過給機で使用される。過給機において、コンプレッサ用羽根車は、排気側のタービン用羽根車と同軸上に配置され、タービン用羽根車が内燃機関からの排気ガスを受けて回転することによって回転する。あるいはクランクシャフト等の回転機構によって回転する。そして、コンプレッサ用羽根車は、自身の回転によって外気を吸引して圧縮し、圧縮空気を内燃機関に供給して内燃機関の出力を向上させる。
【０００３】
上述のコンプレッサ用羽根車は、外気を吸引する箇所に配設され、１００〜１５０℃程度の温度環境下で使用される。このため、Ｆｅ基やＮｉ基等の耐熱合金ほどの高い耐熱性を有する材料でなく、例えば、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規定の３５４（Ａｌ−９％Ｓｉ−１．８％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ合金）や３５５（Ａｌ−５％Ｓｉ−１．３％Ｃｕ−０．５％Ｍｇ合金）、ＪＩＳ−ＡＣ４Ｃ（Ａｌ−７％Ｓｉ−０．３％Ｍｇ合金）等のアルミニウム合金が従来から多用される。
【０００４】
近年、内燃機関の燃焼効率をさらに向上させる目的で、コンプレッサ用羽根車をさらに高速回転させる検討がなされている。コンプレッサ用羽根車を高速回転させるにあたり、その温度環境は１８０℃〜２００℃を超える温度にまで上昇すると予測される。よって、軽量かつ相応の強度を有するよう単位密度当たりの強度が少なくとも従来のアルミニウム合金と同等以上であって、従来のアルミニウム合金よりも耐熱性が期待できる材料が求められる。そして、コンプレッサ用羽根車に適用する材料として、上述のＮｉ基等の耐熱合金よりも軽量化でき、従来のアルミニウム合金よりも優れた耐熱性を有するチタン合金が検討されている。例えば特開昭６１−１０６７３９号公報（特許文献１）に提案される、熱処理法によって高い引張強さを有するよう合金組織を制御したチタン合金鋳造品の羽根がある。
【０００５】
コンプレッサ用羽根車は、一般に、空力学的曲面を有する複数の羽根がハブ軸の周りに放射状に配列された複雑な形状を有する。そして、各羽根がすべて同一形状の羽根車や、形状の異なる長羽根とスプリッタ羽根とで構成された羽根車もある。また、羽根部に囲まれた空間にハブ軸の半径方向外方に向ってアンダーカットを有する羽根車もある。このような複雑な形状を有するチタン合金からなるコンプレッサ用羽根車としては、例えば特開２００５−４８７６９号公報（特許文献２）に提案される、鍛造素材から機械加工により羽根部を削り出してなる鍛造羽根車がある。また、例えば特開２００３−９４１４８号公報（特許文献３）に提案される、ワックス模型に耐火物をコーティングして製作した耐火物鋳型に溶湯を鋳造するロストワックス鋳造法によってなる鋳造羽根車がある。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−１０６７３９号公報
【特許文献２】特開２００５−４８７６９号公報
【特許文献３】特開２００３−９４１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、コンプレッサ用羽根車に対し、従来のアルミニウム合金よりも耐熱性があって高強度であるチタン合金を適用し、上述したチタン製鍛造羽根車よりもコスト面で有利なロストワックス鋳造法によってなる鋳造羽根車を検討した。検討の過程において、コンプレッサ羽根車の回転疲労強度を検討した。具体的には、回転曲げ疲れ試験（ＪＩＳ−Ｚ２２７４）を常温で回転数３６００ｍｉｎ−１で実施し、１０７サイクル時点における単位密度当たりの曲げ応力（以下、比応力という）を比較した。被試験体は、チタン合金ＴＡＣ６４００（ＪＩＳ−Ｈ５８０１）を鋳造してなるチタン鋳造試験体Ａ、このチタン鋳造試験体Ａに対してさらにＨＩＰ処理、すなわち熱間静水圧加圧処理を施したチタン鋳造試験体Ｂ、及び鍛造してなるチタン鍛造試験体Ｃ、そして、上述のアルミニウム合金３５４（以下、Ａ３５４という）を鋳造してなるアルミ鋳造試験体Ｄの３種類を準備した。なお、いずれの被試験体も全長１３０ｍｍ、外径１２ｍｍ、平行部は、外径８ｍｍ、長さ１５ｍｍ、Ｒ２０ｍｍ（上記ＪＩＳ規定の１号試験片）とした。
【０００８】
上述の回転曲げ疲れ試験の結果を図２に示す。曲線Ｌ１はチタン鋳造試験体Ａ、曲線Ｌ２はチタン鋳造試験体Ｂ、曲線Ｌ３はチタン鍛造試験体Ｃ、曲線Ｌ４はアルミ鋳造試験体Ｄの試験結果であり、各曲線は実測値に２乗平均近似を施した結果である。１０７サイクル時点での比応力において、本発明者がコンプレッサ用鋳造羽根車への適用を検討するチタン鋳造試験体Ａは、チタン鍛造試験体Ｃよりも明らかに劣り、従来使用される材質のアルミ鋳造試験体Ｄにも及ばないことが判った。また、鋳造によって生じるミクロシュリンケージ等の内部欠陥による劣化を抑制するとされるＨＩＰ処理（熱間静水圧加圧処理）を施したチタン鋳造試験体Ｂでさえも、その比応力はチタン鋳造試験体Ａと同等であった。
【０００９】
上述の検討結果より、ロストワックス鋳造法によってなすチタン合金製鋳造羽根車は、従来のアルミニウム合金製鋳造羽根車よりも比応力の点で劣ることが予測できた。よって、コンプレッサ用鋳造羽根車に対してチタン合金を適用するためには、少なくとも従来のアルミニウム合金と同等以上の比応力となるよう特性を改善することが必要となった。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決することにより、優れた耐熱性と強度を有するチタン合金からなる高い空力学的性能を期待できるコンプレッサ用鋳造羽根車を、安価に安定して提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上述のチタン鋳造試験体Ａの比応力が劣る原因を検討し、鋳造羽根車の表面の硬さに着目し、この硬さを制御することにより上述の比応力を向上させることができることを見出し本発明に到達した。
すなわち本発明は、ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されたコンプレッサ用鋳造羽根車であって、表面の硬さが４００ＨＶ以下に調整されてなるコンプレッサ用鋳造羽根車である。好ましくは、表面の硬さを３５０ＨＶ以上とすることである。また、チタン合金としては、Ａｌ、Ｖ、Ｆｅを質量％で５．５≦Ａｌ≦６．７５、３．５≦Ｖ≦４．５、Ｆｅ≦０．４の範囲で含むＪＩＳに規定されるＴＡＣ６４００合金を使用できる。
【００１２】
また、上述した本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車は、例えば、ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されたコンプレッサ用鋳造羽根車の製造方法であって、ロストワックス鋳造法により前記コンプレッサ用鋳造羽根車と実質的に同一の形状を有する鋳造羽根車素材を形成した後に、該鋳造羽根車素材の表面の硬さを４００ＨＶ以下とするように前記鋳造羽根車素材の表面の硬化層を除去する本発明の製造方法により得ることができる。
【００１３】
本発明の製造方法においては、前記鋳造羽根車素材の表面の硬さを３５０ＨＶ以上とするように前記硬化層を除去することが好ましい。また、ケミカルピーリングによって前記硬化層を除去することができる。そしてまた、前記硬化層を除去する前に、前記鋳造羽根車素材をＨＩＰ処理することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来のアルミニウム合金製鋳造羽根車よりも耐熱性に優れ、従来のアルミニウム合金製鋳造羽根車と同等以上の比応力を有する空力学的性能に優れたコンプレッサ用鋳造羽根車を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上述したとおり、本発明の重要な特徴は、コンプレッサ用鋳造羽根車に対してチタン合金を適用し、鋳造羽根車の表面の硬さを最適化したことにある。本発明者が、チタン合金の鋳造体をコンプレッサ用羽根車に適用する上での比応力低下の原因を研究したところ、鋳造体表面に形成されているチタンに富むα相に酸素が固溶して針状に粗大化した硬化層（以下、表面硬化層という）が形成され、この表面硬化層に深さ０．０３ｍｍ程度の微細なクラックが生じ、これが比応力低下につながっていることをつきとめた。そして、この表面硬化層を除去して表面の硬さを４００ＨＶ以下とすることで、従来のアルミニウム合金からなる鋳造体と同等以上の比応力を得ることができることを見出した。
【００１６】
つまり、ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されたコンプレッサ用鋳造羽根車であって、表面の硬さを４００ＨＶ以下に調整されてなるコンプレッサ用鋳造羽根車とすることにより、従来のアルミニウム合金製鋳造羽根車よりも耐熱性に優れ、従来のアルミニウム合金製鋳造羽根車と同等以上の比応力を有するコンプレッサ用鋳造羽根車を得ることができる。
【００１７】
本発明におけるコンプレッサ用鋳造羽根車は、ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されてなるコンプレッサ用鋳造羽根車とする。チタン合金は高価な合金であり、当初から羽根車形状に鋳造することによって削り出し加工を不要とし、これにより生産性を向上させるとともに廉価なコンプレッサ用鋳造羽根車を得ることができる。反面、得られた鋳造羽根車素材からコンプレッサ用鋳造羽根車の寸法形状に削り出さないため、鋳造によって形成される表面硬化層が残存し、これが比応力低下の原因となる。しかし、羽根車形状に鋳造されていることにより、例えばケミカルピーリングのような手段をもってすれば鋳造羽根車素材の表面硬化層を一様に溶出除去することができるため、所望する表面の硬さや寸法形状のコンプレッサ用鋳造羽根車を得ることができる。
【００１８】
また、本発明においてチタン合金を用いるのは、チタン（Ｔｉ）は、Ａｌ合金には及ばないもののＮｉ合金やＦｅ合金よりも軽量で、かつ、Ａｌ合金よりも優れた耐熱性と強度を有する合金を形成するからである。よって、このようなチタン合金を用いて鋳造羽根車を形成することにより、従来のアルミニウム合金製鋳造羽根車と同等以上の比応力を有する羽根車となることが期待される。そして、これにより従来よりも高速回転させることができるため吸気特性や圧縮特性を向上でき、内燃機関の出力向上が期待できる。
【００１９】
次に、本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車およびその製造方法について具体例を挙げ、図面に基づいて説明する。
初めに、コンプレッサ用鋳造羽根車の形状について、一例を挙げて説明する。図１は自動車用過給機の吸気側に使用されるコンプレッサ用鋳造羽根車（以下、羽根車１という）の一例を模式図にして示したものである。羽根車１は、羽根車１の回転軸となるハブ軸部２と、ハブ軸部２から半径方向に延在するハブ面６を有するハブ・ディスク部３と、ハブ面６に配設された複数の長羽根４とスプリッタ羽根５とが交互隣接関係で配列された羽根部とを有する。そして、ハブ面６にそれぞれ放射状に突設する長羽根４とスプリッタ羽根５は、それぞれ複雑な空力学的曲面形状のブレード面を表裏に有している。この羽根車１の場合、羽根部が１２枚の羽根で構成される。また、隣接する一対の長羽根４の間に画成される各ブレード空間に、ハブ軸部２から半径方向外方に向かってアンダーカットを有している。このように複雑な羽根形状とすることにより、空力学的性能に優れた羽根車とすることができる。なお、スプリッタ羽根５は短羽根ともいう。
【００２０】
次いで、図１に示すような形状を有する羽根車１の製造方法について、一例を挙げて説明する。
羽根車１を鋳造成形するにおいては、例えば、ニアネットシェイプに優れるロストワックス鋳造法を適用し、以下の工程により鋳造成形することができる。
まず、金型を用いてワックス模型を射出成形する。具体的には、金型装置としては、例えば、羽根車１のハブ軸部２の軸方向に沿って開閉自在な可動金型と固定金型、および羽根車１のハブ軸部２に対して半径方向に移動可能な複数のスライド金型とで構成すればよい。また、図６に示すように、１つのスライド金型１０を、例えば、スプリッタ羽根４に対応する空間形状を有する溝部１１と、隣接する長羽根４の間の空間形状に対応する形成を有するコア部１２とを具える構成とする。そして、上述のハブ軸部２の軸方向を中心として半径方向外方に向かって、アンダーカットの方向に沿って抵抗が少ない状態でスライド移動可能に構成するとともに、スライド移動するその移動軌跡の回りに容易に回転可能となるよう構成する。
【００２１】
上述のスライド金型１０を、羽根車１の長羽根４の間の個数分、図１の羽根車１では６個分、例えば固定金型に環状に配置し、各スライド金型１０と可動金型および固定金型とを型締め密接することにより、羽根車１の形状に相当するキャビティを画成することができる。そして、このキャビティに溶融もしくは半溶融状態のワックス材料を射出して充填成形した後、成形体を金型から離型してワックス模型を得る。
【００２２】
次に、得られたワックス模型を用いてロストワックス鋳造を行う。ワックス模型をツリー状に数個単位で組み立て、これに鋳型となる耐火物をコーティングする。本発明における上述のチタン合金は活性であり、耐火物としては、チタン合金の溶湯との反応の少ない安定な材料、例えばジルコニア系、イットリア系、またはカルシア系の耐火物を初層として用いるのがよい。耐火物をコーティングした後は十分に乾燥させ、オートクレーブ等により脱ワックスした後、例えば１０００℃以上で焼成して強度の高い鋳型を得る。そして、得られた鋳型にチタン合金の溶湯を鋳造した後、鋳型から取り出して清浄処理を施すことにより、表面硬化層を有する鋳造ままの鋳造羽根車素材を得ることができる。
【００２３】
次いで、得られた鋳造羽根車素材から表面硬化層を硬さ４００ＨＶ以下となるように除去する。除去する手段としては、例えばケミカルピーリングや、ＮＣ旋盤等による削り出し加工を適用できる。本発明においては、ケミカルピーリングを採用することが好ましい。ここでいうケミカルピーリングとは、水等に対して硝酸やフッ化水素等を混合し、適度に保温した溶液中に鋳造羽根車素材を浸漬させ、表面硬化層を化学的に溶出除去させる除去手段である。ケミカルピーリングされた肌面は、削り出し等の機械加工において残存することとなるツールマークが存在せず、ツールマークを起因とする亀裂や割れといった不具合を生じることがない。そして、生産性やコストの点でも、削り出し等の機械加工よりも有利である。
【００２４】
本発明においては、上述の通り鋳造羽根車の表面硬化層を除去するが、その際、好ましくは表面の硬さが３５０ＨＶ以上、４００ＨＶ以下となるよう除去量を制御することである。例えば、表面硬化層を完全に除去することによって、より高い比応力を有する鋳造羽根車となる可能性はある。しかし、例えばケミカルピーリングによって表面硬化層を除去する場合、除去量が増すにつれて除去精度のばらつきが増大し、特に薄肉の羽根部では寸法精度の劣化や変形等を生じ、羽根車の空力学的特性を劣化させてしまう可能性がある。また、表面硬化層の除去に係る生産性やコストの点でも不利となる。よって、鋳造羽根車の表面の硬さを３５０ＨＶ以上、４００ＨＶ以下とし、上述の不具合を生じさせないことが好ましい。
【００２５】
また、本発明において、羽根車に形成される表面硬化層は、薄肉の羽根部よりも鋳造容積の大きいハブ・ディスク部のハブ面や底部において厚く形成されやすい。このため、表面硬化層がより厚く残存するハブ・ディスク部のハブ面や底部の表面の硬さを３５０ＨＶ以上に調整することが好ましい。また、本発明においては、上述のケミカルピーリング後、さらにサンド、ビーズ、ショット等でのブラスト処理等を施しても本発明の作用効果を損なうことはない。
【００２６】
また、本発明においては、鋳造後にＨＩＰ処理を施すことも好ましい。ＨＩＰ処理は、鋳造によって生じるミクロシュリンケージ等の内部欠陥による劣化を抑制するとされる。このため、鋳造羽根車に対してＨＩＰ処理を施すことにより、より高い比応力を有する鋳造羽根車となることが期待される。
【００２７】
以上、一例として上述した製造方法により、ハブ軸の周りに配列された羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造されたコンプレッサ用鋳造羽根車であって、例えば図１に示すような複雑な形状を有していても、表面の硬さが４００ＨＶ以下に調整されてなる、本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車を得ることができる。
【００２８】
次に、本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車において好ましいチタン合金について説明する。
本発明において使用するチタン合金として好ましくは、Ａｌ、Ｖ、Ｆｅを、質量％で、５．５≦Ａｌ≦６．７５、３．５≦Ｖ≦４．５、Ｆｅ≦０．４の範囲で含むチタン合金である。このチタン合金は、ＪＩＳ−Ｈ５８０１に規定されるＴＡＣ６４００に相当するものである。以下、各元素について上述の範囲に特定することが好ましい理由を説明する。
【００２９】
Ａｌ（アルミニウム）は、質量％で５．５≦Ａｌ≦６．７５とする。Ａｌは、主としてα相に固溶してα相を強化する効果があるが、その含有量が５．５％に満たない場合はα相への固溶が不足し、強度が不十分となることがある。しかし、６．７５％を超えて含有させると、α２相（Ｔｉ３Ａｌ）が析出して靭性を阻害することがある。よって、５．５≦Ａｌ≦６．７５％とする。
【００３０】
Ｖ（バナジウム）は、質量％で３．５≦Ｖ≦４．５とする。Ｖは、β相を安定化して鋳造性や熱処理性を改善する効果があるが、その含有量が３．５％に満たない場合は十分な効果が得られないことがある。しかし、４．５％を超えて含有させても効果の向上は期待できないばかりか、材料コストの点で不利となる。よって、３．５≦Ｖ≦４．５とする。
【００３１】
Ｆｅ（鉄）は、質量％でＦｅ≦０．４とする。Ｆｅは、Ｖと同様にβ相を安定化させる効果がある。しかし、０．４％を超えて含有させると、Ｆｅが偏析し易くなって鋳造性を劣化させることがあり、また、熱処理を施す場合には金属間化合物（ＴｉＦｅ）を形成して靭性を阻害することがある。よって、Ｆｅ≦０．４とする。
【００３２】
上述した元素の他、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｓｉ（珪素）、Ｃ（炭素）、Ｓ（硫黄）、希土類元素を含む可能性のある場合には、以下に説明する範囲とすることが好ましい。
Ｎは、０．０５質量％以下とすることが好ましく、疲労破壊の起点となり易いＴｉＮのような介在物の形成が抑えられ、疲労強度の低下を防止できる。Ｏは、０．２５質量％以下とすることが好ましく、酸素が過剰に固溶したα相の増加が抑えられ、靭性の低下を防止できる。Ｓｉは、０．４質量％以下とすることが好ましく、クリープ強度の低下を防止できる。Ｃは、鋳造性の低下を防止するため好ましくは０．４質量％以下とし、より好ましくは０．１％以下として靭性低下を防止する。Ｓは、０．２質量％以下、希土類元素は０．２質量％以下とすることが好ましく、鋳造性の低下を防止できる。その他、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｚｒ等の元素も含まれる可能性があるが、上述したいずれの元素についても、本発明においては積極的に添加する必要はない。
【実施例】
【００３３】
本発明の作用効果につき、上述した回転曲げ疲れ試験により確認することとした。しかし、本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車自体から切り出した被試験体では、本発明の作用効果を確認することは困難である。このため、上述した全長１３０ｍｍ、外径１２ｍｍ、平行部は、外径８ｍｍ、長さ１５ｍｍ、Ｒ２０ｍｍ（上記ＪＩＳ規定の１号試験片）の被試験体を作製して代用評価し、この結果に基づき、本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車の有効性を確認することとした。
【００３４】
まず、表１に示す成分のチタン合金溶湯を用い、ロストワックス鋳造法により、上述した形状の被試験体を鋳造形成した。そして、得られた鋳造ままの被試験体において、その表面硬化層を除去しつつ、除去した表面の硬さを測定した。その結果を図３に示す。鋳造ままの表面の硬さは５２７ＨＶ（ａ点）であって、表面硬化層を除去するに連れてその硬さは４７５ＨＶ、４３０ＨＶ（ｂ点）、３９０ＨＶ（ｃ点）と急激に低下していくことが判った。そして、表面硬化層が完全に除去される除去量０．２５ｍｍでは、本来のチタン合金自体の地肌となって、その硬さは３３８ＨＶ（ｄ点）であった。また、これ以降、表面の硬さが急激に変化することはなかった。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
上述の結果に基き、表面硬化層の除去量を最適化するために、表１に示す成分のチタン合金溶湯を用いて同様に鋳造形成し、上述のａ、ｂ、ｃ各点での条件を満たすように被試験体（以下、試験体ａ、試験体ｂ、試験体ｃという）を作製し、上述した回転曲げ疲れ試験を実施した。その結果を図４に示す。曲線Ｈ１は試験体ａ、曲線Ｈ２は試験体ｂ、曲線Ｈ３は試験体ｃの試験結果であり、各曲線は実測値に２乗平均近似を施した結果である。また、曲線Ｌ４として図２で示したアルミ鋳造試験体Ｄの試験結果を併せて示す。
【００３７】
図４に示す１０７サイクル時点での比応力において、従来使用されるアルミニウム合金からなるアルミ鋳造試験体Ｄは４８Ｍｐａ／（ｇ／ｃｍ３）であるが、上述の各試験体のうち、これに優る比応力を有していたのは曲線Ｈ３で示す試験体ｃのみであった。この結果より、表面の硬さが３９０ＨＶの曲線Ｈ３と４３０ＨＶの曲線Ｈ２との間に、従来のアルミニウム合金と同等の比応力を得るための最適な表面の硬さが存在することが判った。そこで、上述の曲線Ｈ２、Ｈ３から曲線Ｌ４と同等となる表面の硬さを算出したところ４００ＨＶであった。これより、曲線Ｌ４よりも上側の領域となるように、すなわち、表面の硬さが４００ＨＶ以下となるように表面硬化層を０．１５ｍｍ除去することが好ましいことが確認された。
【００３８】
次に、表１に示す成分のチタン合金溶湯を用いて鋳造ままの被試験体を作製し、その一部には、さらに、圧力１００ＭＰａ、温度９１０℃、時間２ｈの条件でＨＩＰ処理を施した。そして、鋳造ままの被試験体と、鋳造後ＨＩＰ処理した被試験体に対し、ケミカルピーリングを施した。具体的には、いずれの被試験体に対しても、体積％で、水８２．６、硝酸１１、フッ化水素６．４の水溶液を液温３０〜４０℃に保ち、この水溶液に被試験体を１０分間だけ浸漬することにより、被試験体の表面硬化層を０．１５ｍｍ除去した。これにより、鋳造ままの被試験体から得た試験体Ｘと、鋳造後ＨＩＰ処理した被試験体から得た試験体Ｙとを得た。得られた試験体Ｘ、Ｙにおいて、表面の硬さを測定したところ試験体Ｘが３９１ＨＶ、試験体Ｙが３９０ＨＶであった。
【００３９】
得られた試験体Ｘ、Ｙに対し、上述と同様に回転曲げ疲れ試験を常温で回転数３６００ｍｉｎ−１で実施し、１０７サイクル時点における比応力を比較した。結果を図５に示す。本発明のコンプレッサ用羽根車を代用する試験体Ｘは曲線Ｌ５、試験体Ｙは曲線Ｌ６で示している。なお、各曲線は実測値に２乗平均近似を施した結果である。また、比較例として図２に示したチタン鋳造試験体Ａを曲線Ｌ１、アルミ鋳造試験体Ｄを曲線Ｌ４で併せて示している。１０７サイクル時点での比応力において、試験体Ｘ（曲線Ｌ５）は、同じチタン合金からなる鋳造ままのチタン鋳造試験体Ａ（曲線Ｌ１）よりも高い比応力を有し、従来のアルミニウム合金からなるアルミ鋳造試験体Ｄ（曲線Ｌ４）と同等の比応力を有することを確認できた。また、鋳造後ＨＩＰ処理した試験体Ｙ（曲線Ｌ６）は、アルミ鋳造試験体Ｄや試験体Ｘよりもさらに優れた比応力を有していた。
以上、本発明のコンプレッサ用羽根車の作用効果を代用評価した試験体Ｘにおいて、従来のアルミニウム合金と同等の比応力を有していることが確認できた。
【００４０】
以上の結果を得たので、実際に上述したロストワックス鋳造法により、表１に示すチタン合金からなり、図１に示す形状のコンプレッサ用鋳造羽根車を製作した。
まず、上述したスライド金型１０等を備えた金型装置を用い、羽根車１と実質的に同一の形状を有し、後工程で実施する表面硬化層の除去代として片肉０．１５ｍｍを付加した寸法を有するワックス模型を射出成形して得た。次いで、得られたワックス模型に湯道や湯口当を付加してツリー状に組み立て、これに初層としてジルコニア系の耐火物をコーティングし、さらに耐火物をバックアップコーティングした後に十分に乾燥させ、オートクレーブにより脱ワックスし、１０００℃で焼成して鋳型となした。
【００４１】
そして、この鋳型にチタン合金の溶湯を鋳造成形した後、鋳型から取り出してサンドブラストによる清浄処理を施し、ハブ軸２の周りに配列された複数の長羽根４とスプリッタ羽根５を有する羽根部が形成された羽根車形状にチタン合金が鋳造された、表面硬化層を有する鋳造ままの鋳造羽根車素材を得た。また、得られた鋳造羽根車素材の一部には、さらに、圧力１００ＭＰａ、温度９１０℃、時間２ｈの条件でＨＩＰ処理を施した。
【００４２】
次いで、得られた鋳造羽根車素材に対して、体積％で、水８２．６、硝酸１１、フッ化水素６．４の水溶液を液温３０〜４０℃に保ち、この水溶液に被試験体を１０分間だけ浸漬するケミカルピーリングを実施した。これにより、鋳造羽根車素材の表面硬化層を０．１５ｍｍ除去し、ＨＩＰ処理しなかったコンプレッサ用鋳造羽根車とＨＩＰ処理したコンプレッサ用鋳造羽根車とを得た。そして、両者ともハブ・ディスク部３の底面において表面の硬さを測定したところ、ＨＩＰ処理しなかったコンプレッサ用鋳造羽根車は３９１ＨＶ、ＨＩＰ処理したコンプレッサ用鋳造羽根車は３８８ＨＶであった。
従って、得られた上述のいずれのコンプレッサ用鋳造羽根車においても、上述の試験体Ｘまたは試験体Ｙと同様、従来のアルミニウム合金からなる鋳造羽根車と同等または同等以上の比応力を有すると判断できた。よって、上述の製造方法によって本発明のコンプレッサ用鋳造羽根車が得られたと判断した。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】コンプレッサ用鋳造羽根車の一例を示す模式図である。
【図２】回転曲げ疲れ試験の結果の一例を示すグラフである。
【図３】表面硬化層の除去量と表面の硬さとの相関例を示すグラフである。
【図４】回転曲げ疲れ試験の結果の一例を示すグラフである。
【図５】回転曲げ疲れ試験の結果の一例を示すグラフである。
【図６】スライド金型の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１．羽根車、２．ハブ軸部、３．ハブ・ディスク部、４．長羽根、５．スプリッタ羽根、６．ハブ面、１０．スライド金型、１１．溝部、１２．コア部、Ａ〜Ｄ．被試験体、ａ〜ｃ．被試験体
【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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