(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｎｉ：８〜１６．０％、Ｍｏ：０．８〜２．８％、Ｓｉ：０．８〜２．８％、Ｃ：０．５〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜５．０質量％、黒鉛粉末を１．０〜３．０質量％添加して混合した混合粉末を用い、この混合粉末を成形した後に１１００〜１３００℃で焼結することを特徴とするターボチャージャー用ターボ部品の製造方法。
【請求項２】
前記黒鉛粉末の添加量が、１．５〜３．０質量％であることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー用ターボ部品の製造方法。
【請求項３】
前記焼結により、オーステナイト基地中にＣｒおよびＭｏの炭化物が分散する金属組織を形成することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー用ターボ部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばターボチャージャー用ターボ部品、特に耐熱性とともに耐食性および耐摩耗性が要求されるノズルボディ等に好適な焼結機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関に付設されるターボチャージャーでは、内燃機関のエキゾーストマニホールドに接続されたタービンハウジングに、タービンが回転自在に支持され、タービンの外周側を囲うように複数のノズルベーンが回動可能に支持されている。タービンハウジングに流入した排気ガスは、外周側からタービンに流れ込んで軸方向へ排出され、その際にタービンを回転させる。そして、タービンの反対側で同じ軸に設けられたコンプレッサが回転することにより、内燃機関へ供給する空気を圧縮する。
【０００３】
ここで、ノズルベーンは、ノズルボディやマウントノズルといった名称で呼ばれるリング状の部品に回動可能に支持されている。ノズルベーンの軸はノズルボディを貫通し、そこでリンク機構に接続されている。そして、リンク機構が駆動されることによりノズルベーンが回動し、排気ガスがタービンに流れ込む流路の開度が調整される。本発明が問題とするのは、ノズルボディ（マウントノズル）あるいはこれに装着されるプレートノズルといった、タービンハウジング内に設けられるターボ部品である。
【０００４】
上記のようなターボチャージャー用ターボ部品は、高温の腐食性ガスである排気ガスと接触することから耐熱性と耐食性が要求されるとともに、ノズルベーンと摺接するために耐摩耗性も要求される。このため、従来より、例えば高Ｃｒ鋳鋼や、ＪＩＳ規格で規定されているＳＣＨ２２種に耐食性向上の目的でＣｒ表面処理を施した耐摩耗材料等が使用されている。また、耐熱性とともに耐食性および耐摩耗性に優れ、しかも価格が低廉な耐摩耗部品として、フェライト系ステンレス鋼の基地中に炭化物を分散させた耐摩耗部品が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７８４００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ターボチャージャー用ターボ部品においては、近年の内燃機関の高速化、高出力化に伴い、より一層、耐熱性、耐食性および耐摩耗性とともに高温強度を向上させた耐摩耗部品が要望されている。また、ターボチャージャーの構成部品は、一般に、オーステナイト系耐熱材料で構成されるが、特許文献１に記載のターボチャージャー用ターボ部品はフェライト系の材料から構成されている。この場合、周囲の部材と熱膨張係数が異なるため、適用にあたっては部品設計が難しく、周囲のオーステナイト系耐熱材料と同等の熱膨張係数であることが望まれている。本発明は、それらの要望に充分に応えることができる耐摩耗部品の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のターボチャージャー用ターボ部品の製造方法は、質量比で、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｎｉ：８〜１６．０％、Ｍｏ：０．８〜２．８％、Ｓｉ：０．８〜２．８％、Ｃ：０．５〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜５．０質量％、黒鉛粉末を１．０〜３．０質量％添加して混合した混合粉末を用い、この混合粉末を成形した後に１１００〜１３００℃で焼結することを特徴とする。また、黒鉛粉末の添加量は、１．５〜３．０質量％であることが好ましい。
【０００８】
本発明の製造方法では、液相化温度を下げて焼結時に液相を発生させ、これによって焼結体を緻密化させる。このため、ＰとＣについてはＦｅ−Ｐ粉末と黒鉛粉末の形態とし、他のＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，ＳｉについてはＦｅ合金粉末の形態とし、これらを混合して混合粉末として用いる。以下、上記の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において、「％」は「質量％」を意味する。
【０００９】
Ｃｒ：
Ｃｒは、基地の耐熱性および耐食性の向上に寄与するとともに、Ｃと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。このようなＣｒの効果を基地中に均一に作用させるため、ＣｒはＦｅ合金粉末の形態で付与する。ここで、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が２５％に満たないと、Ｃｒ炭化物の析出量が少なくなり、耐摩耗性が不充分になるとともに、基地の耐熱性および耐食性が低下する。一方、Ｃｒの含有量が４５％を超えると粉末の圧縮性が著しく損なわれる。よって、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量は２５〜４５％とした。例えば、本発明とＣｒ含有量が同程度の高Ｃｒ鋳鋼では、Ｃｒ炭化物は粒界に析出するので耐摩耗性の向上にあまり寄与しない。しかしながら、本発明では、ＣｒをＦｅ合金粉末の形態で添加しているので、微細な粒状のＣｒ炭化物が基地中に分散した金属組織が得られ、充分な耐摩耗性と耐酸化性を得ることができる。
【００１０】
Ｎｉ：
Ｎｉは基地に拡散して固溶強化するとともに、基地をオーステナイト化して耐磨耗部品の高温強度を向上させる。Ｎｉも、その効果を基地全体に均一に作用させるため、Ｆｅ合金粉末の形態で付与する。Ｆｅ合金粉末中のＮｉの含有量が８％未満では、高温強度が不十分となる。一方、Ｎｉの含有量が１６．０％を超えても、高温強度はそれ以上向上しない。よって、Ｆｅ合金粉末中のＮｉの含有量は８〜１６．０％とした。
【００１１】
Ｍｏ：
Ｍｏは基地の耐熱性および耐食性向上に寄与するとともに、Ｃと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。ＭｏもＣｒと同様、その効果を基地全体に均一に作用させるため、Ｆｅ合金粉末の形態で付与する。Ｆｅ合金粉末中のＭｏの含有量が０．８％に満たないと、基地の耐熱性および耐食性向上の効果が乏しく、一方、２．８％を超えてもその効果はさほど顕著には現れない。よって、Ｆｅ合金粉末中のＭｏの含有量は０．８〜２．８％とした。
【００１２】
Ｓｉ：
Ｆｅ合金粉末は、酸化しやすいＣｒを多量に含むため、Ｆｅ合金粉末を製造する際にＳｉを脱酸剤として添加することが有効である。また、Ｓｉは焼結性を向上させる。Ｆｅ合金粉末中のＳｉの含有量が０．８％未満ではその効果が乏しく、一方、２．８％を超えると、Ｆｅ合金粉末が硬くなり過ぎて圧縮性が著しく損なわれる。よって、Ｆｅ合金粉末中のＳｉの含有量は０．８〜２．８％とした。
【００１３】
Ｐ：
Ｐは、Ｃとともに焼結時にＦｅ−Ｐ−Ｃ液相を発生させて、焼結体の緻密化を促進する。これにより、９５％以上の密度比が達成可能となる。また、焼結時の液相化を促進して緻密化を図るために、ＰはＦｅ−Ｐ粉末、つまりＦｅ−Ｐ合金粉末の形態で添加する。Ｆｅ−Ｐ粉末中のＰの含有量が１０％未満では、十分な液相が発生せず、焼結体の緻密化に寄与しない。一方、３０％を超えるとＦｅ−Ｐ粉末が硬くなり過ぎて、圧縮性が著しく損なわれる。
【００１４】
全体組成中のＰの含有量が０．１％未満では、液相発生量が乏しく十分な緻密化が達成できないため、密度比が９５％を下回るようになる。一方、全体組成中のＰの含有量が１．０％を超えると、発生する液相の量が過多となり、焼結時に型くずれが生じる虞がある。以上より、全体組成中のＰの含有量が０．１〜１．５％となるように、Ｐの含有量が１０〜３０％のＦｅ−Ｐ粉末を、混合粉末へ１．０〜５．０％添加する。
【００１５】
Ｃ：
Ｃは液相化温度を下げるので、焼結時にＦｅ−Ｐ−Ｃ液相を発生させ、焼結体の緻密化を促進する。また、ＣはＣｒ，Ｍｏと炭化物を形成して耐摩耗性に寄与する。Ｃの全量を黒鉛粉末の形態で付与すると、Ｆｅ合金粉末はＣｒ，ＭｏがＦｅ基地中に固溶された状態の粉末となり、Ｆｅ合金粉末が硬くなり過ぎて圧縮性が損なわれる。また、多量の黒鉛粉末の使用も、混合粉末の圧縮性を損なう原因となる。そのため、Ｃの一部をＦｅ合金粉末の形態で付与し、残りのＣを黒鉛粉末の形態で付与する。Ｃの一部をＦｅ合金粉末の形態で付与すると、Ｆｅ合金粉末中のＣｒ，Ｍｏが炭化物としてＦｅ合金粉末中に析出するため、Ｆｅ合金粉末の基地中に固溶されるＣｒ，Ｍｏの量が低減され、Ｆｅ合金粉末の圧縮性を改善できる。さらに、残りのＣを黒鉛粉末の形態で与えることにより、混合粉末の圧縮性も改善できる。このとき、Ｆｅ合金粉末中のＣの含有量が０．５％未満であると、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒ，Ｍｏの量が多くなってＦｅ合金粉末が硬くなり、圧縮性が損なわれる。一方、３．０％を超えると、Ｆｅ合金粉末中に析出する炭化物の量が多くなり過ぎＦｅ合金粉末が硬くなるため、Ｆｅ合金粉末中のＣの含有量は０．５〜３．０％とした。
【００１６】
ＣｒやＭｏの炭化物の形成に必要な量のＣを、Ｆｅ合金粉末に固溶して与えるが、残りのＣについては、黒鉛粉末の形態で混合粉末に添加する。ところで、黒鉛粉末の一部は、焼結時にＦｅ合金粉末表面の酸化被膜の還元に費やされるため、その分を見込んで黒鉛粉末を添加する必要がある。焼結時に還元等で失われる黒鉛は約０．２％程度であるため、黒鉛粉末の添加量はその分を見込んで１．０％以上とするとよい。一方、黒鉛粉末を過度に添加すると、基地が脆化するとともに、炭化物の析出量が増大することによりベーン等の相手材を摩耗したり、基地中のＣｒ量を低減させて耐熱性および耐食性を低下させる。このため、黒鉛粉末の添加量の上限を３．０％とする。
【００１７】
以上より、Ｆｅ合金粉末の組成は、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｎｉ：８〜１６．０％、Ｍｏ：０．８〜２．８％、Ｓｉ：０．８〜２．８％、Ｃ：０．５〜３．０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、Ｆｅ−Ｐ合金粉末の組成は、Ｐ：１０〜３０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、Ｆｅ合金粉末に、Ｆｅ−Ｐ粉末を１．０〜５．０％および黒鉛粉末を１．０〜３．０％添加して混合粉末を生成する。
【００１８】
上記構成の混合粉末を用い、通常の粉末冶金の手法で所望の形状に成形し、１１００〜１３００℃で焼結を行う。これにより、全体組成は、質量比で、Ｃｒ：２３〜４４．３％、Ｎｉ：７．４〜１５．８％、Ｍｏ：０．７〜２．８％、Ｓｉ：０．７〜２．８％、Ｐ：０．１〜１．５％、Ｃ：１．５〜５．７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物となる。この結果、オーステナイト基地中に微細な粒状の炭化物が分散する金属組織を呈する焼結機械部品が得られる。本発明の製造方法により得られる焼結機械部品は、焼結時に液相収縮するため密度比が９５％以上となる。これにより、気孔内の酸化や孔食腐食が抑制されるため、耐食性が大幅に向上する。また、上記焼結機械部品は、基地組織がオーステナイト組織であるため高温強度および耐食性に優れており、オーステナイト系耐熱鋼と同等の熱膨張係数を示す。さらに、微細な粒状のＣｒ炭化物を基地中に分散させることにより、耐摩耗性と耐酸化性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のターボチャージャー用ターボ部品の製造方法によれば、耐熱性、耐食性および耐摩耗性とともに高温強度を向上させる等の効果が得られ、オーステナイト系耐熱鋼と同等の熱膨張係数を示す焼結機械部品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１および図２は本発明の実施形態を示す図である。図１は内燃機関用ターボチャージャーの一部を示す側断面図であり、図中の符号２はノズルボディである。ノズルボディ２の中央には、タービン３が軸受（図示略）によって回転自在に支持されている。タービン３の反対側の端部には、コンプレッサ（図示略）が接続されている。
【００２１】
ここで、上記構成のうちノズルボディ２が本発明の耐摩耗部品の一例である。図２に示すように、ノズルボディ２はリング状をなし、その周縁には複数の軸受孔２ａが形成されている。この軸受孔２ａには、ノズルベーン４の軸５が回動可能に支持されている。軸５のノズルベーン４と反対側の端部には、リンク６が固定されている（図２では１個のみ示す）。そして、各リンク６を一様に駆動することによりノズルベーン４が回動し、外周側からタービン３に流れ込む排気ガスの流量を調整するようになっている。なお、本発明の耐摩耗部品には、上記のようなノズルボディ２の他に、これに適宜装着されるプレートノズル等の部品も含まれており、前述した焼結合金により構成される。
【実施例】
【００２２】
以下に本発明の実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明において「％」は全て「質量％」を意味する。表１および２に示す組成のＦｅ合金粉末、Ｆｅ−２０％Ｐ粉末および黒鉛粉末を用意し、表１、２に示す割合でそれら粉末を混合した。得られた混合粉末の全体組成を表１、２に併記する。これら混合粉末を用いて成形圧力６００ＭＰａで外径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの柱状に成形した後、アンモニア分解ガス中１２００℃で６０分焼結して、Ｎｏ．１〜３３の試料を作成した。従来材として、特許文献１のＮｏ．３の材料と表２に示す組成の高Ｃｒ鋳鋼の溶製材（Ｎｏ．３４、Ｎｏ．３５）を上記の柱形状に加工して用意した。各試料を大気中で１００時間、７００〜９００℃の温度範囲で加熱し、加熱後、各試料の重量増加量を測定した。その結果を表１および２に示す。また、各試料を８００℃に加熱して引張強さ（高温強度）および熱膨張係数を調べた。その結果も表１および２に示す。なお、表１のＮｏ．４の測定結果を表２にも併記した。
【００２３】
【表１】
0005100486.tif 000002
【００２４】
【表２】
0005100486.tif 000003
【００２５】
（１）Ｆｅ合金粉末中のＮｉの影響
表１のＮｏ．１〜７に示すように、Ｎｉの添加量が８．０％未満の場合には、高温強度が不充分となった。一方、Ｎｉの添加量が１６％までは高温強度が向上したが、１６％を超えると高温強度は低下した。
【００２６】
（２）Ｆｅ合金粉末中のＣｒの影響
表１のＮｏ．４およびＮｏ．８〜１１に示すように、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が２５％以上では、重量増加量が大幅に低減された。これは、Ｃｒにより基地の耐熱性及び耐食性が向上されたためである。一方、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が４５％を超えるＮｏ．２９では、Ｆｅ合金粉末の圧縮性が損なわれたため、試料を作製することができなかった。
【００２７】
（３）Ｆｅ合金粉末中のＣの影響
混合粉末中のＣ量を一定とし、Ｆｅ合金粉末中のＣ量と黒鉛粉末の添加量を変えてＦｅ合金粉末中のＣ量の影響を調べた。その結果を表１のＮｏ．１２〜２１に示す。Ｆｅ合金粉末中のＣが０．５％未満では、混合粉末の圧縮性が低下して成形密度が低くなる結果、耐食性および高温強度が低下する。一方、Ｆｅ合金粉末中のＣ量が０．５％以上では、Ｃ量の増加につれて黒鉛粉末の添加量が低減するため、原料粉末の圧縮性が向上して耐食性および高温強度が向上する。しかしながら、Ｆｅ合金粉末中のＣ量が３．０％を超えると、Ｆｅ合金粉末が硬くなるため、混合粉末の圧縮性が低下して耐摩耗性および高温強度が低下する。
【００２８】
（４）全体組成中のＰの影響
表１のＮｏ．４および表２のＮｏ．３０〜３３に示すように、Ｐの含有量が０．１％になると重量増加量が急減し、耐酸化性が著しく向上した。これは、Ｐの含有量が０．１％では、焼結時の液相化が促進され、気孔が減少して内部酸化が抑制されたためと考えられる。一方、Ｐの含有量が１．０％を超えると、発生する液相量が過多となって焼結時に型くずれが生じたため、試料を作製することができなかった。
【００２９】
（５）混合粉末中の黒鉛粉末の影響
表１のＮｏ．４および表２のＮｏ．２２〜２９に示すように、黒鉛粉末の添加量が０．５〜３．０％では、重量増加量が小さく、耐酸化性は良好であり、熱膨張係数も向上した。黒鉛粉末により焼結時の液相化が促進され、気孔が減少して内部酸化が抑制されたことがわかる。一方、黒鉛粉末を３．５％添加したＮｏ．２９では、粉末の圧縮性が損なわれて試料を作製することができなかった。
【００３０】
（６）従来材との比較
本発明材と高Ｃｒ鋳鋼（従来材：Ｎｏ．３５）とを比較すると、表１および表２に示すように、密度比が１００％の従来材は高温強度が低く、酸化による重量増加が多い。また、本発明材とＮｏ．３４とを比較すると、耐酸化性に差は認められないものの、本発明材の方が高温強度が高いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態のターボ部品を示す側断面図である。
【図２】本発明の実施形態のターボ部品を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３２】
２  ノズルボディ（耐摩耗部品）
２ａ  軸受孔
３  タービン
４  ノズルベーン
５  軸
６  リンク
【図１】
0005100486.tif 000004
【図２】
0005100486.tif 000005