JP2006305629A

JP2006305629A - 回転体用鍛造材の製造方法

Info

Publication number: JP2006305629A
Application number: JP2006089175A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Kamitakahara; 廉樹上高原; Toshihiro Katsura; 俊弘桂; Atsumi Fukuda; 篤実福田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】機械的特性が高く、かつ、バラツキが少ない回転体用鍛造材の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金から押出ビレットを作製する押出工程と、押出ビレットを型打鍛造温度２００〜４００℃で型打鍛造して回転体用鍛造材を作製する鍛造工程とを含む回転体用鍛造材の製造方法であって、回転体用鍛造材に所定の切削加工を施して作製される回転体が、回転体用鍛造材の鍛造時の相当歪量の解析によって、切削加工後の回転体の全領域において相当歪量が０．２以上となる領域に設定されるように、押出ビレットの押出ビレット寸法および型打鍛造に使用される金型の金型形状をあらかじめ決定し、押出工程において前記押出ビレット寸法の押出ビレットを作製すると共に、鍛造工程において前記金型形状で型打鍛造を行うことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、高速で回転する回転体、特に、ターボチャージャのインペラ等に使用される回転体用鍛造材の製造方法に関する。

従来、自動車や船舶のターボチャージャに用いられるインペラ（図５参照）等の回転体には、軽量化目的で高温強度の高いアルミ鍛造材が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。
そして、ターボチャージャ用のインペラは、回転数が１００００〜１４０００ｒｐｍで、温度が１２０〜１８０℃という苛酷な条件で使用される為、インペラ全体が、均一でバラツキの少ない、かつ、高い機械的特性（疲労強度等）を有した素材で構成されていることが要求される。特に、素材の結晶粒については、疲労強度に影響する因子であるため、均一で小さいことが好ましい。

従って、回転体用素材としてのアルミ鍛造材の製造において、種々の方法が検討されている。例えば、機械的特性が低下し、回転体の破損につながるデッドメタル部分を極力少なくするために、回転体の回転軸近傍部にメタルフロー組織が生じやすい逃がし部を設けた金型で鍛造する方法、また、型打鍛造前に３軸方向から角形に順次鍛伸するいわゆる３面鍛造が提案されている（特許文献２）。
特開昭５８−７７７３７号公報（第２頁左上欄第５〜７行、図１）特開２００００−１９７９４３号公報（段落番号０００８、００１２、図１〜図３）

しかしながら、回転体用鍛造材としては、鍛造材の方向に関わらず機械的特性の高い、かつ、バラツキの少ない材料が望まれるが、前記のように逃がし部を設けてメタルフローを生じさせても、充分な機械的特性が得られなかった。また、逃がし部は余肉部として削除しなければならないため、材料の歩留まりが低下した。一方、型打鍛造前に３面鍛造を施す方法においては、機械的特性の向上、均一化は図れるものの、工程が増え、生産性が低下した。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、機械的特性が高く、かつ、バラツキが少ない回転体用鍛造材の製造方法を提供することを目的とする。

前記したように、従来、回転体用鍛造材のメタルフローに着目して、機械的特性の向上が図られてきたが、本発明においては、回転体用鍛造材の鍛造時の相当歪量に着目して、機械的特性の向上を図ったものである。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、アルミニウム合金から押出ビレットを作製する押出工程と、前記押出ビレットを型打鍛造温度２００〜４００℃で型打鍛造して回転体用鍛造材を作製する鍛造工程とを含み、前記回転体用鍛造材に所定の切削加工を施して作製される回転体が、前記回転体用鍛造材の鍛造時の相当歪量の解析によって、切削加工後の回転体の全領域において相当歪量が０．２以上となる領域に設定されるように、前記押出ビレットの押出ビレット寸法および前記型打鍛造に使用される金型の金型形状をあらかじめ決定し、前記押出工程において前記押出ビレット寸法の押出ビレットを作製すると共に、前記鍛造工程において前記金型形状で型打鍛造を行う回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、回転体用鍛造材の結晶粒が均一となり、かつ、７０μｍ以下に微細化する。その結果、機械的特性が向上し、特にバラツキが少なくなる。

請求項２に記載の発明は、前記型打鍛造温度が２００〜３５０℃である回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、回転体用鍛造材の結晶粒がより一層、均一、かつ、微細化する。その結果、機械的特性がより一層向上する。

請求項３に記載の発明は、前記鍛造工程の前に、前記押出ビレットを自由鍛造し、その自由鍛造温度を２００〜４００℃、かつ、すえ込み比１．５以上で行う回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、回転体用鍛造材の半径方向のメタルフローにバラツキが生じず、結晶粒がより一層、均一、かつ、微細化する。その結果、機械的特性がより一層向上する。また、回転体鍛造材の上部および下部に形成される鍛造時の相当歪量０．２未満の領域（結晶粒が不均一、かつ、粗大な領域）が、半径方向に広がるように分布する。

請求項４に記載の発明は、前記自由鍛造温度が２００〜３５０℃である回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、回転体用鍛造材の結晶粒がより一層、均一、かつ、微細化する。その結果、機械的特性がより一層向上する。

請求項５に記載の発明は、前記鍛造工程の前に、前記ビレットを荒型鍛造し、その荒型鍛造温度を２００〜４００℃で行う回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、回転体用鍛造材の結晶粒がより一層、均一、かつ、微細化する。その結果、機械的特性がより一層向上する。

請求項６に記載の発明は、前記鍛造工程の後に、ＪＩＳ規定のＴ６処理を施す回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、鍛造後のＴ６処理の析出・時効によって、機械的性質がより一層向上する。

請求項７に記載の発明は、前記鍛造工程の後に、ＪＩＳ規定のＴ６１処理を施す回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、鍛造後に施す溶体化処理後に沸騰水による焼き入れを行うＴ６１処理の析出・時効によって、材料の残留応力が少なくなると共に、機械的性質がより一層向上する。

請求項８に記載の発明は、前記相当歪量が０．３以上である回転体用鍛造材の製造方法として構成したものである。このように構成すれば、回転体用鍛造材の結晶粒がより一層、均一、かつ、微細化する。その結果、機械的特性がより一層向上する。

本発明に係る請求項１ないし請求項８の製造方法によれば、機械的特性が高く、かつ、バラツキの少ない回転体用鍛造材を、生産性を阻害することなく、製造することができる。また、鍛造工程前に自由鍛造を行うことによって、前記の効果に加えて、回転体への切削加工代が少なくて済み、歩留まりを向上させることができる

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は回転体用鍛造材の正面図、図５（ａ）は回転体の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
本発明において、回転体用鍛造材とは、図５に示すような、自動車用または船舶用エンジンのターボチャージャに使用される、例えば、複数の２種のブレード１１、１２を備えたインペラ等の、高温、高回転の環境下で使用される回転体１０を、所定の切削加工によって作製するための部材である。したがって、図１に示すように、回転体用鍛造材１は、回転体１０に近似した形状に作製され、所定の切削加工が施される加工部１ａと、切削加工により回転体１０となる回転体部１０ａとを備えたものである。また、回転体用鍛造材１に所定の切削加工を施す前に、機械的特性のより一層の向上を目的とした熱処理、例えば、ＪＩＳ規定のＴ６、Ｔ６１処理（溶体化処理後焼き入れし、人工時効硬化処理）を回転体用鍛造材１に行ってもよい。鍛造後のＴ６処理、Ｔ６１処理の析出・時効によって機械的性質が向上する。Ｔ６１処理の際、材料の残留応力が少なくなると共に機械的性質が向上するため沸騰水で焼き入れを行うことが好ましい。

そして、本発明の回転体用鍛造材の製造方法は、押出工程、鍛造工程の２つの工程を含むものである。以下、各工程について説明する。
１.押出工程
アルミニウム合金から押出ビレットを作製する工程である。
（アルミニウム合金）
回転体用鍛造材１の原材料である押出ビレットを構成するアルミニウム合金は、回転体１０が高温度、高速度の環境の下で使用されるため、高温強度の高いＪＩＳ６０００系、７０００系または２０００系アルミニウム合金が好ましい。特に、回転体１０が自動車や船舶のターボチャージャに用いられるインペラ等の場合には、ＪＩＳ２０００系アルミニウム合金がより好ましく、ＪＩＳ２６１８アルミニウム合金が最も好ましい。また、ＪＩＳ２０１４、ＪＩＳ２２１９アルミニウム合金、または、ＪＩＳ２０００系アルミニウム合金に少量のＡｇ等を添加した合金であってもよい。

（押出ビレット）
汎用の押出機で、前記アルミニウム合金から作製された鋳造ビレットを押出比５〜４０で押出を行った後、所定寸法の円筒状の押出ビレットに切断する。ここで、押出ビレットの寸法は、回転体用鍛造材１の鍛造時の相当歪量に影響し、回転体用鍛造材１および回転体１０の機械的特性を左右する因子であるため、後記するように、回転体用鍛造材１の鍛造時の相当歪量の解析によって、回転体１０が、切削加工後の回転体１０の全領域において相当歪量が０．２以上となる領域（回転体部１０ａ）に設定されるように、あらかじめ所定寸法に決定しておく。また、押出ビレットの形状は、円筒状に限定されず、所定の回転体用鍛造材１（回転体１０）が鍛造できれば、角型形状等の他の形状であってもよい。なお、押出前に鋳造時の添加元素の偏析等をなくすために、押出前に鋳造ビレットに５００〜５４０℃×４ｈｒ以上保持の均熱処理を施すのが好ましい。

２.鍛造工程（型打鍛造）
前記押出工程で作製された押出ビレットを汎用の鍛造機で型打鍛造して回転体用鍛造材１を作製する工程である。ここで、型打鍛造は、所定形状の金型を使用し、所定の型打鍛造温度で行われる。
（金型）
金型の形状は、回転体用鍛造材１の鍛造時の相当歪量に影響し、回転体用鍛造材１および回転体１０の機械的特性を左右する因子であるため、以下に示す回転体用鍛造材１の鍛造時の相当歪量の解析によって、回転体１０が、切削加工後の回転体１０の全領域において相当歪量が０．２以上となる領域（回転体部１０ａ）に設定されるように、あらかじめ所定形状に決定しておく。
（鍛造時の相当歪量の解析）
鍛造時の相当歪量の解析は、ここでは、ＦＥＭ（有限要素法）を用いた塑性流動解析により、回転体用鍛造材1を解析し、等歪領域を算出することにより行われる。しかしながら、相当歪量が解析できれば、塑性流動解析に限定されない。
ここで、相当歪量とは、ＶｏｎＭｉｅｓｅｓの降伏応力に対応する相当歪量で、下式（１）で計算される歪量をいう。なお、下式（１）において、相当歪量を（ε）、長さ方向の真歪量を（ε₁）、幅方向の真歪量を（ε₂）、厚さ方向の真歪量を（ε₃）で示す。

図２〜図４にＦＥＭを用いた塑性流動解析による鍛造時の相当歪量の分布を示す回転体用鍛造材１の軸方向部分断面図を示す。ＦＥＭを用いた塑性流動解析では、押出ビレットの型打鍛造の加工により生じる等歪領域が算出され、等高線の状態で表示される。図２〜図４において、実線で囲まれた部分が回転体用鍛造材１、二点鎖線で囲まれた部分が、回転体１０（図５参照）が設定される領域、すなわち、所定の切削加工によって回転体１０となる回転体部１０ａである。そして、斜線部が鍛造時の相当歪量０．２未満、それ以外の部分が鍛造時の相当歪量０．２以上であることを示している。

図２〜図４に示すように、回転体用鍛造材１の中央部（回転軸）の上部および下部近傍では鍛造時の変形が生じにくいため、鍛造時の相当歪量０．２未満の等歪領域Ａが発生する。相当歪量０．２未満の等歪領域Ａでは、後記する型打鍛造温度を調整しても、素材の結晶粒が不均一、かつ、粗大化し、機械的特性が低下する。したがって、図３および図４に示すように、鍛造時の相当歪量が０．２未満の等歪領域Ａが、回転体部１０ａにかかると、作製された回転体１０の機械的特性が低く、特に、バラツキが大きいものとなり、高温、高回転の環境下で使用された際に、回転体１０の破損等につながる。

本発明においては、図２に示すように、鍛造時の相当歪量が０．２未満の等歪領域Ａが、回転体部１０ａにかからないようにする必要がある。その結果、切削加工後の回転体１０の全領域において鍛造時の相当歪量が０．２以上となり、回転体１０の素材の結晶粒が均一、かつ、微細となり、機械的特性が高く、バラツキが少なくなる。特に、疲労強度が高くなる。

そして、回転体用鍛造材１の鍛造時の相当歪量は、鍛造前の材料寸法および鍛造前後の金型の形状に影響されるため、前記の塑性流動解析等の結果から、金型の形状および押出ビレットの寸法を見なおし、加工率を大きくしたりして、切削加工後の回転体１０の全領域において鍛造時の相当歪量が０．２以上となるように調整する。好ましくは、鍛造時の相当歪量が０．３以上となるように調整する。

（型打鍛造温度）
型打鍛造温度は、回転体１０の素材の結晶粒の大きさ、均一性に影響し、回転体用鍛造材１および回転体１０の機械的特性を左右する因子であるため、２００〜４００℃、好ましくは２００〜３５０℃で行うものである。型打鍛造温度が２００℃未満であると、鍛造加工時に材料に割れが生じやすい。一方、型打鍛造温度が４００℃を超えると、前記のように、切削加工後の回転体１０の全領域における鍛造時の相当歪量を０．２以上としても、回転体部１０の素材の結晶粒が粗大化し、回転体１０の機械的特性が低下する。また、型打鍛造温度が２００〜３５０℃であれば、結晶粒がより一層微細、かつ、均一となり、好ましい機械的特性が得られる。なお、この型打鍛造の際、金型の温度は材料温度±２０℃にしておくことが好ましい。

また、本発明に係る製造方法においては、前記の型打鍛造前に、すえ込み比１．５以上の自由鍛造を行ってもよい。この自由鍛造によって、図２に示された鍛造時の相当歪量０．２未満の等歪領域Ａの分布が、回転体用鍛造材１の半径方向に広がるため、回転体部１０ａへの切削加工代が少なくて済み、歩留まりを向上させることができる。すえ込み比１．５未満では、等歪領域Ａの半径方向への広がりが少なく、前記の切削加工代の減少が小さい。ここで、すえ込み比は、自由鍛造前後の押出ビレットの長さの比で、自由鍛造前の長さＬ₀、自由鍛造後の長さＬ₁としたとき、（Ｌ₀／Ｌ₁）で算出される。

自由鍛造は、前記型打鍛造で使用する金型で行うことが好ましいが、別の金型で行ってもよい。そして、自由鍛造は、自由鍛造温度２００〜４００℃、好ましくは２００〜３５０℃で行う。自由鍛造温度が２００℃未満であると、鍛造加工時に材料に割れが生じやすい。一方、自由鍛造温度が４００℃を超えると、回転体用鍛造材１の結晶粒が粗大化し、機械的特性が低下しやすい。また、自由鍛造温度が２００〜３５０℃であれば、結晶粒がより一層微細、かつ、均一となり、好ましい機械的特性が得られる。

さらに、本発明に係る製造方法においては、前記の型打鍛造前に、荒型鍛造を行ってもよい。荒型鍛造は、前記型打鍛造で使用する金型で行うことが好ましいが、別の金型で行ってもよい。そして、荒型鍛造は、荒型鍛造温度２００〜４００℃、好ましくは２００〜３５０℃で行う。荒型鍛造温度が２００℃未満であると、鍛造加工時に材料に割れが生じやすい。一方、荒型鍛造温度が４００℃を超えると、回転体用鍛造材１の結晶粒が粗大化し、機械的特性が低下しやすい。また、荒型鍛造温度が２００〜３５０℃であれば、結晶粒がより一層微細、かつ、均一となり、好ましい機械的特性が得られる。

次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１〜４）
ＪＩＳ２６１８合金を押出し比２４で押出しを行なった後に切断を行ない、直径φ５０ｍｍの押出ビレットを作製した。この押出ビレットを、図２の鍛造時の相当歪量分布を示す金型形状で、型打鍛造温度を４段階に変化させて、型打鍛造を行ない、図１に示す形状のターボチャージャに使用されるインペラ用鍛造材１を作製した。引き続き、このインペラ用鍛造材１にＴ６１処理（５３０℃×３ｈｒ溶体化処理後、沸騰水焼き入れ）を行った。なお、インペラ用鍛造材１の寸法は外径φ９０ｍｍ×高さｈ６５ｍｍとした。また、実施例２については、型打鍛造前に、すえ込み比１．５、自由鍛造温度３３０℃の自由鍛造を行った。

（比較例１〜４）
比較例１、２は、型打鍛造温度を請求の範囲外とした以外は、実施例１と同様にしてインペラ用鍛造材を作製した。比較例３は、図３の鍛造時の相当歪量分布を示す金型形状で型打鍛造を行った以外は、実施例１と同様にしてインペラ用鍛造材１Ａを作製した。比較例４は、図４の鍛造時の相当歪量分布を示す金型形状で型打鍛造を行った以外は、実施例１と同様にしてインペラ用鍛造材１Ｂを作製した。

このようにして得られたインペラ用鍛造材（実施例１〜４、比較例１〜４）で、所定の切削加工によってインペラとなる領域（回転体部１０ａ、図１の二点鎖線で示す領域内）から試験片Ｓ１を切り出し（図１参照）、機械的特性（静的強度）、結晶粒径を測定した。試験片の切り出し部位は、インペラの使用の際に最も大きな負荷がかかる回転軸Ｙの近傍で、断面と垂直方向とした。
＜機械的特性（静的強度）＞
ＡＳＴＭＦ８に規定された試験片に加工後、引張試験を実施し、抗張力（ＴＳ）、０．２％耐力（ＥＳ），伸び（ＥＬ）を測定した。その結果を表１に示す。
＜結晶粒径＞
ＡＳＴＭＥ１１２で規定された方法で、結晶粒径（ＧＳ）を測定した。その結果を表１に示す。なお、結晶粒径は７０μｍ以下が良好、７０μｍを超えるものを不良とした。

また、以下の方法で結晶粒の均一性を評価した。
＜結晶粒観察方法＞
回転体部１０ａの回転軸Ｙの近傍部４箇所（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）について観察用試験片を切り出し、結晶粒の分布状態（均一性）を光学顕微鏡（倍率４００倍）で観察し、均一性が非常に良好なものを（◎）、良好なものを（○）、均一性が劣るものを（×）として評価した。その結果を表１に示す。結晶粒の分布が均一であれば、疲労強度についても均一であるといえる。

表１の結果から、実施例１〜４は、請求の範囲を満足するため、静的強度が高く維持されていると共に、結晶粒が細かく、かつ、均一であった。また、比較例１は、型打鍛造温度が請求の範囲の上限値を超えるため、結晶粒が大きく、均一性にも劣り、伸びが低いものであった。比較例２は、型打鍛造温度が請求の範囲の下限値未満であるため、型打鍛造加工の際に割れが生じた。

比較例３は、図３に示すように、鍛造材の根元部に逃がし部１ｂを設けてメタルフローの改善を図ったものであるが、鍛造時の相当歪量０．２未満の等歪領域Ａが切削加工後の回転体部１０ａ内にあるため、結晶粒はある程度小さくなるものの、均一性に劣るものであった。比較例４は、図４に示すように、鍛造時の相当歪量０．２未満の等歪領域Ａが回転体部１０ａ内にあるため、結晶粒が小さいものの、均一性に劣るものであった。

次に、インペラ用鍛造材（実施例１〜４、比較例１〜４）で、前記試験片Ｓ１（図１参照）と同一領域から、ＪＩＳＺ２２７４に準じて１号試験片を切り出した。この１号試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２７４に準じて小野式回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行い、高温疲労寿命（１号試験片が破断に至るまでの繰り返し曲げ回数）の測定を行った。その結果を表２に示す。なお、測定条件は以下とした。
＜疲労試験の測定条件＞
試験回転数：３０００ｒｐｍ
１号試験片の平行部： φ８ｍｍ
１号試験片の表面粗さ：０．８Ｓ
試験温度：１２０℃
試験負荷応力：２１０ＭＰａ

表２の結果から、実施例１〜４は、比較例１〜４よりも１０〜４０％高温疲労寿命が増加することが確認された。

回転体用鍛造材の正面図である。ＦＥＭを用いた塑性流動解析による鍛造時の相当歪量の分布を示す、本発明の回転体用鍛造材の軸方向部分断面図である。ＦＥＭを用いた塑性流動解析による鍛造時の相当歪量の分布を示す、従来の回転体用鍛造材の軸方向部分断面図である。ＦＥＭを用いた塑性流動解析による鍛造時の相当歪量の分布を示す、従来の回転体用鍛造材の軸方向部分断面図である。（ａ）は回転体の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

符号の説明

１回転体用鍛造材（インペラ用鍛造材）
１ａ加工部
１ｂ逃がし部
１０回転体
１１、１２ブレード
１０ａ回転体部（領域）
Ａ鍛造時の相当歪量０．２未満の等歪領域

Claims

アルミニウム合金から押出ビレットを作製する押出工程と、
前記押出ビレットを型打鍛造温度２００〜４００℃で型打鍛造して回転体用鍛造材を作製する鍛造工程とを含み、
前記回転体用鍛造材に所定の切削加工を施して作製される回転体が、前記回転体用鍛造材の鍛造時の相当歪量の解析によって、切削加工後の回転体の全領域において相当歪量が０．２以上となる領域に設定されるように、前記押出ビレットの押出ビレット寸法および前記型打鍛造に使用される金型の金型形状をあらかじめ決定し、前記押出工程において前記押出ビレット寸法の押出ビレットを作製すると共に、前記鍛造工程において前記金型形状で型打鍛造を行うことを特徴とする回転体用鍛造材の製造方法。
前記型打鍛造温度が２００〜３５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の回転体用鍛造材の製造方法。
前記鍛造工程の前に、前記押出ビレットを自由鍛造し、その自由鍛造温度を２００〜４００℃、かつ、すえ込み比１．５以上で行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転体用鍛造材の製造方法。
前記自由鍛造温度が２００〜３５０℃であることを特徴とする請求項３に記載の回転体用鍛造材の製造方法。
前記鍛造工程の前に、前記押出ビレットを荒型鍛造し、その荒型鍛造温度を２００〜４００℃で行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転体用鍛造材の製造方法。
前記鍛造工程の後に、ＪＩＳ規定のＴ６処理を施すことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転体用鍛造材の製造方法。
前記鍛造工程の後に、ＪＩＳ規定のＴ６１処理を施すことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転体用鍛造材の製造方法。
前記相当歪量が０．３以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の回転体用鍛造材の製造方法。