CN103945972A - 接合部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种接合部件，该接合部件能够抑制钢材构件内所含有的碳以及氮向TiAl基合金部侧扩散，并且能够抑制因钢材构件内所含有的碳以及氮的扩散而产生空隙、碳化钛以及氮化物，并能够防止钎焊强度的降低，接合部件经由Ni钎焊将钢材构件和TiAl基合金构件接合而成，该钢材构件含有包含C和Cr的合金元素，其特征在于，所述钢材构件至少在Ni钎焊的交界侧生成与所述合金元素结合的碳化物以及氮化物，并利用该碳化物以及氮化物防止C和N向与TiAl基合金构件邻接的Ni钎焊侧扩散，所述接合部件是由涡轮叶轮(2)与轴(3)构成的涡轮主体(1)部件，轴(3)的构造用钢材是含有0.30～0.45重量％的碳、0.85～1.25重量％的Cr的构造用钢材，或者含有0.15重量％以下的碳、11.5～13重量％的Cr的马氏体类不锈钢材。

Description

接合部件
技术领域
本发明涉及经由Ni钎焊将钢材构件和TiAl基合金构件接合而成的接合部件，该钢材构件含有包含C和Cr的合金元素。特别是，本发明涉及由乘用车、卡车用小型增压器的涡轮叶轮以及船舶用大型增压器、喷气式发动机、产业用燃气轮机叶片等的涡轮的制造中的TiAl基合金构件和钢材构件构成的接合部件。
背景技术
近年来对环境问题的关心的提高，要求乘用车、卡车等的输送机械所使用的增压器的性能提高，另外，要求喷气式发动机、产业用燃气轮机等的效率的提高。决定上述产品的性能、效率的重要的构成要素之一是涡轮，近年来，对于该涡轮要求温度的高温化。
作为有望提高这些性能的材料，具有以金属间化合物TiAl为主相的合金(在本说明书中称作TiAl基合金构件)。例如，在专利文献1中使用了如下接合部件：如图5所示，该接合部件通过将TiAl基合金构件做成涡轮叶轮，将作为具有粘性(粘り強さ)且易于加工的材料的钢材构件做成轴，并通过Ni钎焊将该涡轮叶轮和轴钎焊而成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开特开2004－90130号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，如图6所示，专利文献1所述的接合部件的轴所含有的碳的原子的直径小于钛、铝、Ni的原子的直径，因此若长时间在高温状态下使涡轮运转，则有时因扩散现象导致存在于轴的碳以及氮向涡轮叶轮侧移动、存在于涡轮叶轮的钛以及存在于Ni钎焊的硼向轴侧移动。因此，在轴与Ni钎焊的交界附近形成较多因碳的扩散而产生空穴集合而成的空隙、钛与碳结合的碳化物的碳化钛以及硼与氮结合的氮化物，存在钎焊强度明显降低这一课题。并且，若在形成有空隙、碳化钛以及氮化物的状态下，涡轮反复承受低温状态与高温状态，暴露于所谓的热循环条件下，则由于涡轮叶轮的线膨胀系数与轴的线膨胀系数不同，因该线膨胀率的不同而产生的热应力集中作用于轴与Ni钎焊之间的交界。于是，如图7所示，存在因该热应力导致产生龟裂进而涡轮破损的隐患。
本发明鉴于所涉及的上述现有技术的问题，提供一种接合部件，该接合部件能够抑制钢材构件内所含有的碳以及氮向TiAl基合金部侧扩散，并且能够抑制因钢材构件内所含有的碳以及氮的扩散而产生空隙、碳化钛以及氮化物，并能够防止钎焊强度的降低。
解决问题的技术方案
为了解决上述问题，本发明的接合部件经由Ni钎焊将钢材构件和TiAl基合金构件接合而成，该钢材构件含有包含C和Cr的合金元素，其特征在于，
所述钢材构件至少在Ni钎焊的交界侧生成与所述合金元素结合的碳化物以及氮化物，并利用该碳化物以及氮化物防止C和N向与TiAl基合金构件邻接的Ni钎焊侧扩散。
另外，在所述合金元素中，除了Cr之外列举了Nb、V等，只要它们均是与C和N结合而生成的碳化物以及氮化物的合金元素即可。
根据上述接合部件，利用与合金元素结合的碳化物以及氮化物，防止C和N向与TiAl基合金构件邻接的Ni钎焊侧扩散，因此能够抑制钢材构件内的碳以及氮扩散而在钢材构件与Ni钎焊的交界附近产生空隙、碳化钛以及氮化物。在现有的接合部件中，在钢材构件与Ni钎焊的交界附近产生了较多的空隙、碳化钛以及氮化物。而且，若应力作用于该空隙、碳化钛以及氮化物所存在的部位，则存在可能产生龟裂而钢材构件破损，但是根据本发明的接合部件，由于能够抑制碳以及氮向Ni钎焊侧以及TiAl基合金构件侧扩散，因此几乎不会在钢材构件与钎焊的交界附近产生空隙、碳化钛以及氮化物。因此，能够防止接合部件的破损。
另外，所述钢材构件是含有0.30～0.45重量％的碳、0.85～1.25重量％的Cr的构造用钢材，或者是含有0.15重量％以下的碳、11.5～13重量％的Cr的马氏体类不锈钢材，例如通过热处理使包含所述Cr的合金元素分别与碳以及氮结合，使得至少在所述构造用钢材内的与Ni钎焊之间的交界侧存在氮化物以及碳化物。
另外，一般的是，所述氮是在制造(溶解)所述钢材构件时混入的氮，其一部分也可以是所述钢材中所含有的氮。
这样，钢材构件中的碳以及(例如通过热处理而自大气中获取)氮的一部分通过热处理而与所述Cr等的合金元素结合而成为碳化物以及氮化物。碳以及氮在不以固溶的状态存在于钢材构件中的情况下，不易因扩散而移动。换句话说，只要是碳化物以及氮化物的状态，该碳化物以及该氮化物所含有的碳以及氮就不能够因扩散而移动，从而能够防止碳以及氮自钢材构件内向TiAl基合金构件侧扩散。
另外，由于钢材构件所含有的碳的一部分是碳化物，因此碳量较少。因此，能够抑制在钢材构件与钎焊的交界附近形成的空隙、碳化钛以及氮化物的产生。此外，虽然钢材构件具有碳化物，但是由于钢材构件通过热处理而实施了钢内组织的均质化以及碳化物的球状化，因此不会像现有的形成于钢材构件的碳化钛那样成为强度的弱部。
另外，对于上述任一者钢材构件，该钢材构件所含有的碳量较少，因此自钢材构件中向外部扩散的碳的量也变少。由此，能够抑制在钢材构件与钎焊的交界附近形成的空隙以及(即使是包含钛的钢材)碳化钛的产生。
而且，由于所述构造用钢材含有0.85～1.25重量％的Cr，而马氏体类不锈钢材含有重量％11.5～13％的Cr，因此能够使钢材构件的强度大幅度增加。
另外，也可以是，所述TiAl基合金构件是涡轮的涡轮叶轮，所述钢材构件是涡轮的轴。
这样，由于TiAl基合金构件是涡轮的涡轮叶轮，钢材构件是涡轮的轴，因此能够使用于乘用车、卡车等的增压器。
发明的效果
根据本发明，提供一种接合部件，该接合部件能够抑制钢材构件内所含有的碳以及氮向TiAl基合金部侧扩散，并且能够抑制因钢材构件内所含有的碳的扩散而产生空隙、碳化钛以及氮化物，并能够防止钎焊强度的降低。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的乘用车小型增压器用涡轮的剖视图。
图2是表示构造用钢材的C量、Cr量以及轴的机械特性之间的关系的示意图。
图3的(A)是表示使涡轮长时间在高温状态下运转后的涡轮的涡轮叶轮与轴之间的接合部分的示意图。图3的(B)是表示正常的涡轮的涡轮叶轮与轴之间的接合部分的示意图。
图4是表示马氏体类不锈钢含有0.1质量％的C的情况下的、Cr量与各温度区域的组织的关系图。
图5是表示正常的涡轮的涡轮叶轮与轴之间的接合部分的示意图。
图6是表示使涡轮在长时间高温状态下运转后的涡轮的涡轮叶轮与轴之间的接合部分的原子状态的示意图。
图7是表示涡轮破损时的涡轮叶轮与轴之间的接合部分的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，示例地详细说明本发明的优选实施方式。此外，以下的实施方式所记载构成部件的尺寸、材质、形状、相对的配置等只要没有特别的特定记载就并非旨在将本发明的范围限定于此，而只是单纯的说明例。
图1是表示本发明的第一实施方式的乘用车小型增压器用涡轮的剖视图。
如图1所示，乘用车小型增压器用涡轮所使用的涡轮部件(以下，称作涡轮主体1)由涡轮叶轮2和轴3构成。在涡轮叶轮2形成有凸状接合部2a，另外，在轴3形成有凹状接合部3a，该凸状接合部2a与凹状接合部3a成为嵌合状态，涡轮叶轮2与轴3通过Ni钎焊4而接合。通过在真空环境下向涡轮叶轮2与轴3之间添加Ni钎焊4而进行涡轮叶轮2与轴3之间的接合。
涡轮叶轮2由TiAl基合金构成。TiAl基合金以Ti为主要的构成元素并含有28～35重量％的Al、除此之外也可以含有Nb、Cr、Mn、Si、W、C、B等的添加元素的合金。在本实施方式中，TiAl基合金使用了通过如下方式制成的合金：含有31.3重量％的Ti、7.0重量％的Al、1.3重量％的Nb、0.03重量％的C，且在精密铸造之后为了消除铸造缺陷而以1200℃以上的温度℃进行了一定时间HIP处理。
另外，轴3由构造用钢材构成。构造用钢材以Fe为主要的构成元素，含有0.30～0.45重量％的C、0.85～1.25重量％的Cr、0.30～1.65重量％的Mn、0.030重量％以下的P、0.030重量％以下的S。除此之外，还可以含有Ni、Mo等的添加元素以及不可避免的杂质量的N。不可避免的杂质是在构造用钢材中存在于原料中、或在制造工序中不可避免地混入的杂质，并含有微量。另外，不可避免的杂质量指的是不可避免的杂质不会给构造用钢材的特性带来影响的程度的量。
作为构造用钢材，能够使用锰钢、铬锰钢、铬钢、铬钼钢、镍铬钢、镍铬钼钢等。
在本实施方式中，作为构造用钢材，使用了含有0.33重量％的C、0.90重量％的Cr的铬钼钢SCM435。
将构造用钢材的成分设为上述组成范围的理由如以下所述。
图2是表示构造用钢材的C量、Cr量以及轴3的机械特性之间的关系的示意图。
图2中的举例(0.8、1.0、1.05、1.1、1.15)示出用涡轮叶轮2的强度除以热处理后的轴3的机械特性(0.2％耐力)而计算出的规格比(以下，称作规格值)。
根据图2，C量以及Cr量越多，轴3的强度越高。即，规格值越大。
然而，由于涡轮增压机等的涡轮叶轮2以高速度旋转，为了承受离心应力而将所需的最低强度限定为规格值。在本实施方式中，将最低强度的规格值设为1.0。为了满足该最低强度的规格值，根据图2中的规格值1.0的直线得知，至少需要添加0.30wt％以上的C量、0.85wt％以上的Cr量。
另一方面，对于作为轴3的材料的构造用钢材，通常已知虽然若C量以及Cr量增多则在热处理之后机械特性提高，但是越是变得高强度，热处理后的延迟破裂感受性越高。若做成图2中的规格值1.15的强度等级的高强度，则存在产生延迟破裂的风险，因此希望轴3的强度为规格值1.15以下。因此，根据图2中的规格值1.15的直线，使轴3所包含的C量的上限为0.45wt％，使Cr量的上限为1.25wt％。
通过对由上述组成构成的构造用钢材进行淬火、回火，能够制造高强度的轴3。
图3的(A)是表示使涡轮主体1长时间在高温状态下运转之后的涡轮主体1的涡轮叶轮2与轴3之间的接合部分的示意图，图3的(B)是表示正常的涡轮主体1的涡轮叶轮2与轴3之间的接合部分的示意图。
如图3的(A)以及图3的(B)所示，涡轮叶轮2与轴3Ni通过钎焊4接合。如图3的(A)所示，在使涡轮主体1长时间在高温状态下运转之后的轴3以及Ni钎焊4内，几乎未形成有空隙、碳化钛、氮化物，与图3的(B)相同，能够确认到已维持正常的状态。
根据由上述组成构成的接合部件，由于轴3所包含的Cr与一部分C结合而形成碳化铬以及氮化铬，因此能够抑制在轴3与Ni钎焊4的交界附近产生空隙、碳化钛以及氮化铬。在现有的接合部件中，轴3内的C以及N因扩散现象向涡轮叶轮2侧扩散，从而在轴3与Ni钎焊4的交界附近形成较多的由因C的扩散而产生的空隙、Ti与C结合的碳化物的碳化钛、也形成较多的因N的扩散而产生的氮化物，导致钎焊强度明显降低。在该状态下，若应力作用于涡轮叶轮2与轴3的交界附近，则存在产生龟裂而轴3破损的隐患，但是由于本发明的轴3的碳不会向涡轮叶轮2侧扩散，因此几乎不会在轴3与Ni钎焊4的交界附近产生空隙、碳化钛以及氮化铬。而且，由于轴3所包含的C量较少，因此C自轴3向外部扩散的量也较少。由此，能够减少形成于轴3的空隙。
而且，由于轴3包含Cr，因此虽然C量较少，但是能够使轴3的强度增加。
此外，由于能够抑制C的扩散，因此即使在900℃～1000℃程度的高温下长时间使用，涡轮主体1也不会破损。
另外，虽然轴3具有作为碳化物的碳化铬，但是由于轴3通过热处理而实施了钢内组织的均质化以及碳化物的球状化，因此不会像现有的形成于钢材构件的碳化钛那样成为强度的弱部。
此外，在本实施方式中，对添加Cr而与C结合的情况进行了说明，但与C结合的元素并不限于Cr，例如也可以使用Nb、V。
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。在以下的说明中，对与上述实施方式对应的部分标注相同的附图标记并省略说明，主要对不同点进行说明。第二实施方式的涡轮主体1的轴3由马氏体类不锈钢构成。
如上述那样，在第一实施方式中，作为轴3使用构造用钢材，从而抑制C的扩散，防止钎焊强度的降低。然而，伴随着近年来的乘用车发动机等的燃料消耗性能的提高，排气温度上升至1000℃左右。若排气温度上升，则涡轮主体1的Ni钎焊4也将暴露于高温中。于是，即使在轴3中使用构造用钢材，有时在长时间运转后钎焊强度也会降低。因此，在涡轮主体1长时间暴露于高温中的情况下，使用马氏体类不锈钢作为轴3。
第二实施方式的涡轮主体1由涡轮叶轮2和轴3构成。与第一实施方式相同，涡轮叶轮2由TiAl基合金构成。
轴3由马氏体类不锈钢构成。马氏体类不锈钢以Fe为主要的构成元素，含有0.15重量％以下的C、11.5～13重量％的Cr、1.00重量％以下的Si、1.25重量％以下的Mn、0.060重量％以下的P。除此之外，也可以含有S、Ni、Mo、Pb等的添加元素以及不可避免的杂质量的N。
作为马氏体类不锈钢，能够使用铬类的SUS403、SUS410、SUS410J1、SUS410F2、SUS416、SUS420J1、SUS420J2、SUS420F、SUS420F2、SUS431、SUS440A、SUS440B、SUS440C、SUS440F等。
在本实施方式中，作为马氏体类不锈钢，使用了含有0.15重量％的C、13重量％的Cr且作为高强度钢材的SUS403。
使马氏体类不锈钢的成分成为上述组成范围的理由如以下所述。
关于C：通常，使钢含有较多的C，从而能够提高强度，但是若含有较多的C，则如课题一栏所记载，大量的C扩散导致在轴3以及Ni钎焊4的交界附近产生较多的空隙以及碳化钛。而且，即使如在第一实施方式中说明的构造用钢材那样，使C成为碳化铬的形态从而抑制扩散，若涡轮主体1的使用温度成为1000℃左右，则不会在钢材中作为碳化铬而形成，导致保持固溶的状态残留的少量的碳向涡轮叶轮2侧扩散，因此，产生空隙以及碳化钛。因此，在排气温度成为1000℃左右的情况下，需要使C量比构造用钢材少。在本实施方式中，通过大量地添加Cr来确保轴3的强度，使C为0.15重量％以下，从而防止在轴3以及Ni钎焊4的交界附近产生空隙以及碳化钛。
关于Cr：为了补充轴3的强度因C量的减少而降低的部分，添加11.5重量％以上的Cr。图4是表示马氏体类不锈钢含有0.1质量％的C的情况下的、Cr量与各温度区域中的组织的关系的图。图4中的阴影区域为γ相。如图4所示，在Cr为13重量％以下的情况下，若在1000℃左右的高温时自γ相的区域冷却，则在800～900℃的温度区域产生自γ相向α相的相变。另一方面，在Cr超过13重量的情况下，由于脱离γ相的区域，因此在热处理时不产生自γ相向α相的相变，成为δ铁素体类不锈钢，不能提高轴3的强度。因此，使Cr量成为13重量％以下。如上述那样，在本发明中，使Cr量成为11.5～13重量％。
通过对由上述的组成构成的马氏体类不锈钢进行800～1200℃程度的温度的淬火、并进行800℃以下的回火，能够制造高强度的轴3。
根据由上述组成构成的接合部件，由于轴3所包含的C量较少，因此与C添加量较多的一般的不锈钢相比，能够抑制C的扩散。因此，几乎不会在轴3与Ni钎焊4的交界附近产生空隙以及碳化钛。由此，能够防止在轴3与Ni钎焊4的交界附近产生龟裂。
另外，虽然轴3所包含的C量较少，但是由于含有较多的Cr，因此能够使轴3的强度增加。
而且，轴3所包含C的一部分通过上述热处理而与Cr结合从而成为碳化铬。碳化铬即使在高温状态下也具有优异的组织稳定性，因此即使在涡轮增压机运转时的高温状态下，也不会成为碳化铬分解且C在轴3中固溶的状态。因此，在轴3中，限制了作为碳化铬而被包含的C的移动，能够防止C自轴3中向涡轮叶轮2侧扩散，因此即使在900℃～1000℃程度的高温下长时间使用，涡轮主体1也不会破损。

Claims (5)

1.一种接合部件，其经由Ni钎焊将钢材构件和TiAl基合金构件接合而成，该钢材构件含有包含C和Cr的合金元素，其特征在于，
所述钢材构件至少在Ni钎焊的交界侧生成与所述合金元素结合的碳化物以及氮化物，并利用该碳化物以及氮化物防止C和N向与TiAl基合金构件邻接的Ni钎焊侧扩散。
2.根据权利要求1所述的接合部件，其特征在于，
所述钢材构件是含有0.30～0.45重量％的碳、0.85～1.25重量％的Cr的构造用钢材，使碳以及氮分别与包含所述Cr的合金元素结合，使得至少在所述构造用钢材内的与Ni钎焊之间的交界侧存在氮化物以及碳化物。
3.根据权利要求1所述的接合部件，其特征在于，
所述钢材构件是含有0.15重量％以下的碳、11.5～13重量％的Cr的马氏体类不锈钢材，通过热处理使包含所述Cr的合金元素分别与碳以及氮结合，使得至少在所述构造用钢材内的与Ni钎焊之间的交界侧存在氮化物以及碳化物。
4.根据权利要求2或3所述的接合部件，其特征在于，
所述权利要求2或3记载的氮是在制造(溶解)所述钢材构件时混入的氮。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的接合部件，其特征在于，
所述TiAl基合金构件是涡轮的涡轮叶轮，所述钢材构件是涡轮的轴。
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