JP2011241704A - インペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】継手部分の靭性を確保しながらインペラをろう付け方により得る。
【解決手段】本発明は、少なくとも２つのインペラ構成部材の接合部分にＮｉを含有するＡｕ合金からなるろう材を配置した組付け体に熱処理を施すインペラの製造方法に関する。この方法は、組付け体に固溶化熱処理を施し、ろう材を溶融、凝固させる工程と、固溶化熱処理が施されるとともに、ろう材により少なくとも２つのインペラ構成部材が接合された組付け体に時効硬化熱処理を施す工程とを備える。インペラ構成部材は析出硬化型であるＪＩＳ ＳＵＳ６３０からなり、ろう材は、１５％〜２０％のＮｉを含有するＡｕ合金からなるとともに、２００〜１０００μｍの厚さを有する。そして、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を０．５〜１０℃／分とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機、その他の回転機械に用いられるインペラ（回転翼）の製造方法に関する。

例えば遠心圧縮機のインペラ１０は、図４、５に示すように、遠心圧縮機の回転主軸に固着し回転される片面が先薄に湾曲するディスク１１と、ディスク１１の湾曲面と対峙する形状のカバー１２と、ディスク１１とカバー１２の湾曲面間を渦形に仕切るように設けられる多数のブレード１３とにより構成されている。
このインペラ１０は、ディスク１１と、カバー１２と、ブレード１３とを、個別に製作し相互に接合し組付ける３ピース型と呼ばれるもの、カバー１２とブレード１３とを一体に作製し、これとは個別に作製されたディスク１１とを接合する２ピース型と呼ばれるものがある。３ピース型及び２ピース型のいずれのインペラ１０も、接合は溶接又はろう付けにより行われる。接合を溶接又はろう付けのいずれかで行うかは、インペラ１０のサイズ、強度等によって定められる。なお、図４、５に示すインペラ１０は、２ピース型を示しており、ディスク１１と、ブレード１３と一体に作製されたカバー１２とが、ろう付け部１４により接合されている例を示している。

特許文献１には、ろう付けによりインペラを製造する方法が開示されている。
特許文献１は、ろう材の液相よりもわずかに低い温度で焼入れ処理を始めていたが、これではろう付け接合部の強度が不十分であり、その結果、ろう付け接合部にクラックが入ることがある、というそれまでのろう付け方法の問題を解消するためになされたものである。
特許文献１は、図６に代表例が示されるろう付け熱サイクルを提案している。図６において、ろう材の液相または液相線温度、約華氏１８５０度（１０１０℃）まで約６時間かけてろう付けされる組立品を加熱し、その温度で約１時間保持する。さらに、ろう付け組立品を約２時間かけて約華氏１３００度（７０４．４℃）まで冷却し、その後、組立品を約華氏３５０度（１７６．７℃）の温度まで１時間かけて下げてガス焼入れする。この熱サイクルにより、回転翼組立品は熱誘導歪みを示さず、ろう付け接合部すべてが堅固であり、クラックが生じなかったことを、特許文献１は述べている。

特表２００３−５３１７３１号公報

以上のように、特許文献１によると、クラックを生じさせることなくインペラをろう付け方により作製できる。しかし、インペラが遠心圧縮機、その他の回転機械で使用される際には、ろう付けによる継手部分の機械的強度が高いことが要求される。しかるに、特許文献１のろう付け方法（熱サイクル）は、継手部分の特に靭性に十分な配慮がなされているとは言えない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、継手部分の靭性を確保しながらインペラをろう付け方により得る方法を提供することを目的とする。

特許文献１は、インペラの各部材を構成するステンレス鋼としてＪＩＳ ＳＵＳ６３０を、また、ろう材として８０％〜８５％の金（Ａｕ）と１５％〜２０％のニッケル（Ｎｉ）とを含有する合金（以下、Ｎｉ−Ａｕ合金と略記することがある）を推奨している。なお、本願明細書において、％は質量を意味する。

ところで、継手部分の靭性に影響を及ぼす要因として、ろう材により接合される部材（母材）とろう材の引張強度の関係がある。つまり、母材の引張強度が大きく、かつ、ろう材の引張強度が小さく両者の引張強度の差が大きいと継手部分の靭性が低くなる。これは、継手部分に衝撃荷重が加わった際に、母材が変形しないかまたは変形が小さければ、衝撃エネルギは母材に吸収されないか小さいので、ろう付け部分に加わるエネルギが大きくなり、ろう付け部分の破断に繋がりやすいためである。

特許文献１に好ましいとして開示されているＪＩＳ ＳＵＳ６３０は、クロム（Ｃｒ）；１５．５％〜１７．５％、ニッケル（Ｎｉ）；３．０％〜５．０％、銅（Ｃｕ）；３．０％〜５．０％を主要元素とする析出硬化型のステンレス鋼であり、固溶化熱処理を施した後に時効硬化熱処理（又は析出硬化熱処理）を施すという熱処理を行って使用に供される。ＪＩＳ ＳＵＳ６３０は、硬度（引張強度）を重視する場合と靭性を重視する場合とで時効硬化熱処理の加熱温度が異なる。つまり、硬度を重視する場合には加熱温度を低く（４７０〜４９０℃ Ｈ９００（表１参照））設定し、靭性を重視する場合には加熱温度を高く設定（６１０〜６３０℃ Ｈ１１５０（表１参照））する。硬度を重視して時効硬化熱処理の温度を低くした場合の引張強度は９００ＭＰａ程度であるが、靭性を重視した場合の引張強度は１３００ＭＰａを超える。
以上に対して、特許文献１で好ましいとして開示されるＮｉ−Ａｕ合金のろう付け後の引張強度は７６０〜７８０ＭＰａである。

靭性を重視して時効硬化熱処理の加熱温度を高くすると、引張強度が１３００ＭＰａを超えてしまい、Ｎｉ−Ａｕ合金の引張強度との差異が大きくなるので、継手部分の靭性の低下が無視できなくなる。
また、硬度を重視して時効硬化熱処理の温度を低くすると、以上のように引張強度を９００ＭＰａ程度にできるので、Ｎｉ−Ａｕ合金の引張強度との差異を比較的小さくできる。しかし、時効硬化熱処理の温度を低くすると、引張強度の低下に伴って耐力も低下してしまい、インペラに要求される機械的性質を母材が満足しなくなる。

ＪＩＳ ＳＵＳ６３０と１５〜２０％Ｎｉ−８０〜１５％Ａｕ合金（ろう材）の組み合わせはインペラを作製するのに好ましいものであるが、以上説明したように、継手部分の靭性及び母材の機械的性質（耐力）の２つの特性を満足することは容易ではない。
そこでなされた本発明のインペラの製造方法は、少なくとも２つのインペラ構成部材の接合部分にＮｉを含有するＡｕ合金からなるろう材を配置した組付け体に熱処理を施す。この熱処理は、固溶化熱処理と時効硬化熱処理からなる。固溶化熱処理においては、ろう材の溶融、凝固によるろう付けもなされ、時効硬化熱処理においては、すでに固溶化熱処理が施されるとともに、ろう材により少なくとも２つのインペラ構成部材が接合された組付け体に対して時効硬化が施される。
本発明の製造方法は、インペラ構成部材が、Ｃｒ；１５．５％〜１７．５％、Ｎｉ；３．０％〜５．０％、Ｃｕ；３．０％〜５．０％を主要元素とする析出硬化型のステンレス鋼からなる。また、ろう材は、１５％〜２０％のＮｉを含有するＡｕ合金からなるとともに、２００〜１０００μｍの厚さを有している。
また、本発明の製造方法は、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を０．５〜１０℃／分とする。
本発明のインペラの製造方法は、詳しくは後述するが、ろう材の厚さを特定するとともに、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を特定することにより、継手部分の靭性を確保するものである。

本発明において、ろう材の厚さは２５０〜４５０μｍであり、また、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度は０．５〜２．０℃／分であることが好ましい。

本発明によれば、ろう材の厚さを特定するとともに、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を特定することにより、継手部分の靭性を確保しながらインペラをろう付けにより得ることができる。

本実施形態におけるインペラの製造工程を示すフローチャートである。 本実施形態における固溶化熱処理、時効硬化熱処理のパターンを示す図である。 ろう材の厚さ、時効硬化熱処理の冷却速度を変動させて作製した試験片を用いてシャルピ衝撃試験を行って得られた吸収エネルギの結果を示すグラフである。 遠心圧縮機のインペラの平面図である。 図４に示すインペラのブレード沿いの断面図である。 特許文献１に開示されている熱処理パターンを示すグラフである。

以下、実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態は、図４、図５に示す２ピース型のインペラを例にして説明する。ただし、３ピース型のインペラを製造する場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。

＜カバー用、ディスク用の素材＞
図１に示すように、ディスク１１用、カバー１２用の素材が各々用意される。この素材は、棒状の鋼材として提供される。この素材は、基本的にはＳＵＳ６３０で規定される以下の化学組成（質量％）を有している。ＳＵＳ６３０は、固溶化熱処理によりＣｕを基地中に固溶させ、その後の時効硬化熱処理により微細なＣｕ−Ｎｉ金属間化合物を析出させることにより鋼の強度を向上させる析出硬化型のステンレス鋼である。なお、以下の元素以外に、ＳＵＳ６３０の特定の特性を向上させる元素を含んでいてもよい。

＜ＳＵＳ６３０ 化学組成＞
Ｃｒ；１５．５％〜１７．５％（好ましくは１５．５％〜１７．０％）
Ｎｉ；３．０％〜５．０％（好ましくは３．５％〜４．５％）
Ｃｕ；３．０％〜５．０％（好ましくは３．０％〜４．０％）
Ｎｂ＋Ｔａ；０．１５％〜０．４０％（好ましくは０．３％〜４．０％）
Ｃ；０．０７％以下
Ｓｉ；１．０％以下
Ｍｎ；１．０％以下
Ｐ；０．００４％以下
Ｓ；０．０３％以下
残部；Ｆｅおよび不可避不純物

＜鍛造−切削＞
ディスク１１用、カバー１２用の素材は、各々鍛造、切削により、ディスク１１、カバー１２の形状に加工される。カバー１２はブレード１３を一体的に備えているものであるから、ブレード１３形成のための切削加工が施される。

＜組付け＞
各々作製されたディスク１１とブレード１３一体のカバー１２を、各々の接合面側を突き合わせて組付け体を得る。なお、カバー１２はブレード１３側をディスク１１の接合面側に対向させる。この突合せ面には、ろう材を配置させる。この際、ろう付け後のろう材の厚さを確保するために、ディスク１１とカバー１２の突合せ面における間隔を保持するように治具を用いることができる。

＜ろう材＞
本実施の形態で用いられるろう材は、ＡｕをベースとしてＮｉを含む合金である。この金ろう材は、１５〜２０％のＮｉを含み、残部がＡｕ及び不可避不純物からなる。この組成範囲とすることにより、母材に対する濡れ性が良好であり、かつ、高い接合強度を得ることができる。この金ろう材は、融点（液相線温度）が固溶化熱処理の保持温度よりも低い９３０〜１０５０℃のものを用いる。この金ろう材は、好ましくは１６〜１９％Ｎｉ−８１〜８４％Ａｕ、より好ましくは１７．５〜１８．５％Ｎｉ−８１．５〜８２．５％Ａｕの化学組成を有する。この金ろう材は、典型的には１８％のＮｉ−Ａｕの組成を有し、約１０００℃の融点を有している。この金ろう材のろう付け後の引張強度は、７６０〜７８０ＭＰａである。
ディスク１１とカバー１２の突合せ面に配置されるろう材の形態は任意である。例えば、薄片、薄帯、線状材、粉末、ペーストの形態など、ろう付けにおいて公知のいずれのものであってもよい。ただし、継手部分の靭性を確保するために設定されるろう付け後のろう材の厚さを満足できるものである必要がある。

＜熱処理＞
ディスク１１とカバー１２をろう材を介して組み付けた後に、組付け体を加熱炉内に挿入して熱処理を行う。熱処理は、図２に示すように、固溶化熱処理と時効硬化熱処理の２段からなる。
ＳＵＳ６３０の熱処理に関する規格（ＪＩＳ Ｇ４３０３より）を表１に示す。
本実施形態において、固溶化熱処理はこの規格に基づいて、組付け体が保持される温度（保持温度）を１０２０〜１０６０℃の範囲から選択する。保持温度までにかかる時間（昇温時間）、保持温度で保持する時間（保持時間）は任意であるが、昇温時間は３〜８時間の範囲から、また、保持時間は０．５〜３時間の範囲から選択する。固溶化熱処理の冷却時の冷却速度は、Ｃｕを基地中に固溶させるという目的を達成できることを前提に任意に定めうるが、１〜１０℃／分、好ましくは３〜５℃／分とする。
本実施形態で用いる金ろう材は、融点が９３０〜１０５０℃のものであるから、固溶化熱処理の過程で、ろう材は溶融・凝固してディスク１１とカバー１２をろう付けする。これにより、ろう付けと固溶体化処理を兼用できる。なお、組織をマルテンサイト化するためにはＭｆ点（マルテンサイト変態終了温度）まで低下させる必要があり、その温度は組成及び冷却速度に依存するが１００−１４０℃であり、この温度以下にする必要がある。

固溶化熱処理が終わると、次に、時効硬化熱処理を行う。
時効硬化熱処理は、保持温度として表１に示すＨ１１５０（６１０〜６３０℃）を採用する。これは、金ろう材の引張強度が７６０〜７８０ＭＰａ程度であり、カバー１２、ディスク１１の引張強度を金ろう材のそれに近づけるためである。ただし、表１で示されるＨ１１５０の温度で時効硬化熱処理した場合の耐力では、インペラとして要求される値を満足しない。そこで本実施形態では、耐力の低下を抑制するために時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上に規定する。

析出硬化型のステンレス鋼であるＳＵＳ６３０は、時効硬化熱処理時にＣｕ−Ｎｉ金属間化合物を析出させることにより鋼の強度を向上させるが、この析出物が微細に分散しているほど析出硬化の効果が大きい。この析出物の析出形態は、時効硬化熱処理の保持温度に左右され、保持温度が高いほど微細な析出物が多く析出し、保持温度が低くなると析出物は大きくなり、析出する数も減る。そうすると、引張強度、耐力が低下する。ところが、時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上にすると、シャルピ衝撃試験で得られる吸収エネルギ（以下、シャルピ吸収エネルギ）を大きくできることを本発明者等は知見した。そして、時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上にすると、引張強度の低下に比べて耐力の低下の度合いが小さいことをあわせて知見した。この冷却速度を速くすればシャルピ吸収エネルギを大きくできるが、あまり冷却速度を早くしすぎると母材に割れが生じるおそれがある。そこで本実施形態では、時効硬化熱処理の冷却速度の上限を１０℃／分とする。この冷却速度は、好ましくは０．７〜５．０℃／分、さらに好ましくは０．７〜２．０℃／分とする。

＜ろう材厚さ＞
本実施形態において、継手部分の靭性を確保するためにろう材の厚さが２００〜１０００μｍに設定される。なお、この厚さはろう付け後における厚さである。
ろう材の厚さが２００μｍ未満になると、シャルピ吸収エネルギが小さく、ろう付けした後の継手部分の靭性が不足する。したがってろう材の厚さの下限を２００μｍとするが、好ましい下限は２５０μｍ、さらに好ましい上限は３００μｍである。
靭性を考慮するとろう材は厚いほど好ましいといえるが、Ｎｉ−Ａｕ合金からなるろう材は剛性が劣るので、接合されているディスク１１とカバー１２の間に回転中に倒れが生じるおそれがある。したがって、本実施の形態では、ろう材の厚さを１０００μｍ以下とする。

＜実験例＞
ＳＵＳ６３０からなる２つの鋼片を突き合わせて金ろう材でろう付けしてシャルピ衝撃試験用の試験片（ＪＩＳ Ｚ２２４２準拠）を作製した。用いた鋼片の化学組成、ろう材の組成、固溶化熱処理の条件、時効硬化熱処理の条件、ろう材の厚さを下記するが、時効硬化熱処理の冷却速度、ろう材の厚さを変動させている。なお、ろう材は下記厚さの薄帯を用い、当初の厚さが保持されるように２つの鋼片の間隔を維持しながら熱処理を行った。

鋼片の化学組成（ＪＩＳ ＳＵＳ６３０準拠）：
Ｃｒ；１５．５％、Ｎｉ；４．３％、Ｃｕ；３．５％、Ｎｂ＋Ｔａ；０．３５％、
Ｃ；０．０５％、Ｓｉ；０．２５％、Ｍｎ；０．８％、Ｐ；０．００３５％、
Ｓ；０．００７％、残部；Ｆｅおよび不可避不純物
ろう材の組成：１８％Ｎｉ−８２％Ａｕ

固溶化熱処理の条件
保持温度；１０００〜１０４０℃、保持時間；１．５時間、冷却速度；５．０℃／分

時効硬化熱処理の条件：
保持温度；６２０℃、保持時間；１．５時間
冷却速度；０．１℃／分，０．５℃／分，０．７℃／分
１．０℃／分，１．５℃／分，２．０℃／分

ろう材厚さ：５０μｍ，１００μｍ，２００μｍ，３００μｍ，５００μｍ

以上の条件でろう付け継手部のシャルピ吸収エネルギを求めた。また、鋼片に固溶化熱処理、時効硬化熱処理を施した後に、引張試験（ＪＩＳ Ｚ２２０１，Ｚ２２４１準拠）を行って引張強度（σＢ）、耐力（σＹ）を測定した。その結果を表２及び図３（シャルピ吸収エネルギのみ）に示す。
ろう材の厚さについて観ると、１００μｍの厚さでは１０Ｊ以下のシャルピ吸収エネルギしか得られないのに対して、２００μｍにすると１５Ｊ以上のシャルピ吸収エネルギが得られており、ろう材の厚さを２００μｍ以上にすることによるシャルピ吸収エネルギの向上効果には顕著性がある。また、時効硬化熱処理の冷却速度について観ると、０．１℃／分の場合に比べて０．５℃／分にすると、シャルピ吸収エネルギが顕著に向上している。このように、ろう材の厚さが２００μｍ以上の場合に、時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上にすると、シャルピ吸収エネルギが顕著に向上する。特に、ろう材の厚さを５００μｍ以上にすると、ＡＰＩ（American Petroleum Institute）規格で要求される溶接継手のシャルピ吸収エネルギである２７Ｊを超えるシャルピ吸収エネルギが得られる。
また、引張強度（σＢ）、耐力（σＹ）について観ると、時効硬化熱処理の冷却速度が速くなると、引張強度の低下の程度に比べて耐力の低下の程度が小さくなることがわかる。
以上の結果に基づいて、本発明者らは、ろう材の厚さ、時効硬化熱処理の冷却速度を本発明のように特定した。

１０…インペラ、１１…ディスク、１２…カバー、１３…ブレード、１４…ろう付け部

Claims (3)

1. 少なくとも２つのインペラ構成部材の接合部分にＮｉを含有するＡｕ合金からなるろう材を配置した組付け体に熱処理を施すインペラの製造方法であって、
   前記組付け体に固溶化熱処理を施し、前記ろう材を溶融、凝固させる工程と、
   前記固溶化熱処理が施されるとともに、前記ろう材により少なくとも２つの前記インペラ構成部材が接合された前記組付け体に時効硬化熱処理を施す工程とを備え、
   前記インペラ構成部材は、Ｃｒ；１５．５％〜１７．５％、Ｎｉ；３．０％〜５．０％、Ｃｕ；３．０％〜５．０％を主要元素とする析出硬化型のステンレス鋼からなり、
   前記ろう材は、１５％〜２０％のＮｉを含有するとともに、２００〜１０００μｍの厚さを有し、
   前記時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度が０．５〜１０℃／分である、
   ことを特徴とするインペラの製造方法。
2. 前記ろう材の厚さが、２５０〜５００μｍである、
   請求項１に記載のインペラの製造方法。
3. 前記時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度が、０．５〜２．０℃／分である、
   請求項１又は２に記載のインペラの製造方法。

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