JP2016087624A - Forging material for turbo compressor wheel made of aluminum alloy and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material for a turbo compressor wheel that can be made into a turbo compressor wheel which is excellent in high temperature strength, rigidity, and dynamic balance and has optimal performances corresponding to different properties requested for respective parts.SOLUTION: A forging material for a turbo compressor wheel consists of a continuous casting rod material which is made of Al-Cu-Mg-based aluminum alloy of predetermined component composition. A shaped material form of the forging material including an impeller vane part corresponding portion is larger than the outer diameter of a compressor wheel. An outer face of the impeller vane part corresponding portion has a slope face smoothly expanding in diameter from one end to the other end in a direction along the rotation center axis. The shaped material form of the forging material includes: a flange part, which becomes an excess part when the compressor wheel is completed, and extends outside of the outer diameter side end in the impeller vane part corresponding portion; and metal flows formed from the rotation center axis to the flange part.SELECTED DRAWING: Figure 4A

Description

本発明は、自動車などの輸送機器内燃機関に用いられるターボチャージャに使用されるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造上がりの素形材、およびそのターボコンプレッサホイール用鍛造素形材を製造するための方法に関するものである。   The present invention relates to an aluminum alloy turbocompressor wheel forged shape material used for a turbocharger used in an internal combustion engine of a transport device such as an automobile, and a method for producing the forged shape material for the turbocompressor wheel. It is about.

よく知られているように、輸送機器内燃機関に用いられるターボチャージャは、排気ガスの圧力により回転するタービンと連結軸で結合されたコンプレッサホイール(インペラーとも称される)が回転することにより、空気をコンプレッサハウジングに送って空気を圧縮し、この圧縮空気を燃焼室に送り込むことにより内燃機関の燃焼効率を高めて、内燃機関の出力の向上、排気ガスの清浄化をもたらす装置である。このようなターボチャージャでは、通常はタービン側(排気ガス)とコンプレッサ側(吸気側)に分割されていて、その間に断熱ベアリングを配置する構造となっている。コンプレッサ側は、コンプレッサハウジングの中央にコンプレッサホイールが配置されている。   As is well known, a turbocharger used in an internal combustion engine for transportation equipment has a compressor wheel (also referred to as an impeller) that is coupled to a turbine that rotates by a pressure of exhaust gas through a connecting shaft. Is sent to the compressor housing to compress the air, and this compressed air is sent into the combustion chamber to improve the combustion efficiency of the internal combustion engine, thereby improving the output of the internal combustion engine and purifying the exhaust gas. Such a turbocharger is usually divided into a turbine side (exhaust gas) and a compressor side (intake side), and a heat insulating bearing is arranged between them. On the compressor side, a compressor wheel is arranged in the center of the compressor housing.

このようなターボチャージャ装置のコンプレッサホイールは、通常は円錐状をなす回転軸部の外周側に、空気を掻き込むための複数の曲面状の薄い羽根部(翼部)を放射状にかつ渦巻の一部をなすように配置した構成とするのが一般的である。そして、そのコンプレッサホイールは、かたつむり状の渦巻き管を有するハウジングの中央部に配置される。   The compressor wheel of such a turbocharger device has a plurality of curved thin blade portions (blade portions) for scavenging air radially and one side of a spiral on the outer peripheral side of a rotating shaft portion that is generally conical. In general, the parts are arranged so as to form parts. And the compressor wheel is arrange | positioned in the center part of the housing which has a snail-shaped spiral tube.

コンプレッサホイールの代表的な例について、その基本形状の概略の一例を、図1〜図3に示す。   About a typical example of a compressor wheel, an example of the outline of the basic shape is shown in FIGS.

図1〜図3において、コンプレッサホイール1は、図示しないタービン側ローターと連結されるシャフトを圧入するためのシャフト穴2を有する略円錐状の回転軸部3の外周側に、放射状にかつ渦巻の一部をなすように傾斜した複数の羽根部4を一体に形成した構造となっている。ここで、回転軸部3における小径側の端部は、羽根部4の端部から突出するボス部5とされる。また、回転軸部3の外縁部分(但し、主として回転軸部3の一端側のボス部5の付近を除く)は、羽根部4の基端に連続する羽根付け根部7に相当する。なお図1、図3において、白抜き矢印9は、コンプレッサーに組み込んだ時の空気の流れ方向を示している。ここで、羽根部4の縁部のうち、空気の吸入側の吸気側の縁部4Bと空気の排出側の縁部4Cとの中間の、捻じれ湾曲状に傾斜(回転中心軸線Oに対して捻じれ状に傾斜)した縁部(エッジ部)4Aは、コンプレッサハウジングとの間で隙間(いわゆるチップクリアランス)を形成するエッジ部であり、そこで本明細書では、その部位4Aを、チップエッジ部と称することとする。
なお実際のコンプレッサホイールにおいては、各部に、より微細な形状が付与されたり、上記以外の細かい凸部や凹部が形成されるのが通常であるが、ここでは基本的な部分のみを示し、細部形状については省略している。なおまた、自動車などの輸送用機器におけるターボチャージャのコンプレッサホイールの場合、その全体的な寸法は、例えば回転軸線Oを基準とする最大外径が30〜150mm程度、回転軸線Oに沿った方向の最大長さが20〜100mm程度のことが多い。
1 to 3, the compressor wheel 1 is radially and spirally provided on the outer peripheral side of a substantially conical rotating shaft portion 3 having a shaft hole 2 for press-fitting a shaft connected to a turbine rotor (not shown). A plurality of blade portions 4 inclined so as to form a part are integrally formed. Here, the end portion on the small diameter side of the rotating shaft portion 3 is a boss portion 5 protruding from the end portion of the blade portion 4. Further, the outer edge portion of the rotating shaft portion 3 (except mainly in the vicinity of the boss portion 5 on one end side of the rotating shaft portion 3) corresponds to a blade root portion 7 continuous with the base end of the blade portion 4. In FIG. 1 and FIG. 3, the white arrow 9 indicates the direction of air flow when incorporated in the compressor. Here, among the edge portions of the blade portion 4, it is inclined in a twisted curved shape (relative to the rotation center axis O) between the air intake side edge portion 4B on the air intake side and the air discharge side edge portion 4C. 4A is an edge portion that forms a gap (so-called tip clearance) with the compressor housing. In this specification, the portion 4A is referred to as a tip edge. Part.
In an actual compressor wheel, it is normal that a finer shape is given to each part or fine convex parts and concave parts other than the above are formed, but here only basic parts are shown, and details are shown. The shape is omitted. In addition, in the case of a turbocharger compressor wheel in a transportation device such as an automobile, the overall dimensions thereof are, for example, a maximum outer diameter of about 30 to 150 mm with respect to the rotation axis O, and a direction along the rotation axis O. The maximum length is often about 20 to 100 mm.

ところで、ターボチャージャのコンプレッサホイールは、150℃程度の高温において10000rpmを超える高速回転が与えられるため、高温高強度及び高い剛性を有することが要求されると同時に、エネルギ損失の低減を図るために軽量であることが必要である。また、高速回転に耐えるように、高速回転時の動バランスが良好であること、したがって周方向(回転方向)に均一な密度を有することも要求される。   By the way, a turbocharger compressor wheel is required to have high temperature, high strength and high rigidity at a high speed exceeding 10,000 rpm at a high temperature of about 150 ° C., and at the same time, it is lightweight to reduce energy loss. It is necessary to be. In addition, in order to withstand high-speed rotation, it is also required that the dynamic balance during high-speed rotation is good, and therefore that it has a uniform density in the circumferential direction (rotation direction).

そのほか、コンプレッサホイールにおいては、圧縮空気の高温化による高効率化を図って、タービン側からの熱を圧縮空気に伝えることが有効であり、そのため放熱性(熱伝導性)が良好であることが望まれる。   In addition, in the compressor wheel, it is effective to increase the efficiency by increasing the temperature of the compressed air, and to transfer the heat from the turbine side to the compressed air, so that the heat dissipation (thermal conductivity) is good. desired.

さらに、コンプレッサホイールの各部ごとに考慮すれば、羽根部4は軽量性を確保するために薄肉であること(通常は1mm未満の肉厚であること)が求められる。そのため、高速回転で羽根部4が変形しにくいこと、したがって羽根部4の高温強度が高く、剛性も高いことが要求され、とりわけ羽根部4の内でも特に先端部分、とりわけチップエッジ部は極端に薄肉となるのが通常であり、しかもその先端部分の特に最大径部分には、コンプレッサとしての使用時の高速回転によって著しく大きな遠心力が作用するから、その部分には、高温強度、剛性が十分に高いことが望まれる。一方、羽根付け根部(回転軸部3から羽根部4に連続する部分)7については、回転時に応力が集中する部分であるため、高速回転での連続使用に対しての耐久性、信頼性を満たすために、切欠き疲労強度が高いことが求められる。回転軸部3は、複数の羽根部4を支持する部分であって、しかもターボチャージャの組み立てに当たっては、回転軸部3のシャフト穴2にシャフトが圧入されるのが通常であり、そこで回転軸部3は羽根部よりも格段に肉厚とされ、しかもその回転軸部3の一端側のボス部5は、シャフト圧入時に割れが生じないように、強度と伸びが良好であることが望まれる。   Further, considering each part of the compressor wheel, the blade part 4 is required to be thin (usually less than 1 mm thick) in order to ensure lightness. Therefore, it is required that the blade portion 4 is not easily deformed by high-speed rotation, and therefore, the high-temperature strength and rigidity of the blade portion 4 are required. In particular, the tip portion, particularly the tip edge portion of the blade portion 4 is extremely Usually, it is thin, and a particularly large centrifugal force acts on the maximum diameter part of the tip part due to high-speed rotation when used as a compressor. Therefore, high-temperature strength and rigidity are sufficient in that part. It is desirable to be high. On the other hand, the blade root portion (portion continuing from the rotating shaft portion 3 to the blade portion 4) 7 is a portion where stress is concentrated during rotation, and therefore, durability and reliability for continuous use at high speed rotation are ensured. In order to satisfy it, notch fatigue strength is required to be high. The rotating shaft portion 3 is a portion that supports a plurality of blade portions 4, and when assembling the turbocharger, the shaft is usually press-fitted into the shaft hole 2 of the rotating shaft portion 3, where the rotating shaft It is desired that the portion 3 is much thicker than the blade portion, and that the boss portion 5 on the one end side of the rotating shaft portion 3 has good strength and elongation so that cracking does not occur when the shaft is press-fitted. .

このように、コンプレッサホイールにおいては、全体的に高温での高強度、高剛性を有しかつ高速回転時の優れた動バランス、軽量性を有すると同時に、各部分の機能や異なる形状、肉厚などに応じて、各部分ごとに異なる特性を有することが望まれる。   Thus, the compressor wheel as a whole has high strength and high rigidity at high temperatures, excellent dynamic balance and light weight at high speed rotation, and at the same time, the function of each part, different shape and thickness It is desirable that each part has different characteristics depending on the situation.

なお、従来のターボチャージャのコンプレッサホイールの材料としては、前述のような要求特性のうち、主として軽量性や熱伝導性、更には加工性などの観点から、一般にはアルミニウム合金が使用されている。   In addition, as a material for a conventional turbocharger compressor wheel, an aluminum alloy is generally used from the viewpoints of lightness, thermal conductivity, and workability, among the required characteristics as described above.

従来、この種のアルミニウム合金製コンプレッサホイールは、ロストワックス法と称される鋳造法(精密鋳造法とも称される)によってアルミニウム合金溶湯から直接的に素形材を鋳造し、その精密鋳造素形材に、適宜切削加工などの仕上げ加工を施してコンプレッサホイールに仕上げるのが通常であった(例えば、特許文献1など)。   Conventionally, this type of aluminum alloy compressor wheel has been cast directly from a molten aluminum alloy by a casting method called a lost wax method (also called a precision casting method). It has been usual to finish the compressor wheel by appropriately finishing the material such as cutting (for example, Patent Document 1).

また一方、ターボチャージャのコンプレッサホイールなどの回転体を製造する方法としては、アルミニウム合金の押出し材(押出しビレット)を素材とし、その押出しビレットに鍛造加工を加えて鍛造素形材とし、更に切削加工を加えて仕上げる方法も提案されている(例えば特許文献2)。   On the other hand, as a method of manufacturing a rotating body such as a compressor wheel of a turbocharger, an extruded material (extruded billet) of an aluminum alloy is used as a raw material, and the extruded billet is subjected to a forging process to obtain a forged base material, and further cutting There has also been proposed a method of finishing by adding (for example, Patent Document 2).

そのほか特許文献3においては、特許文献2の場合と同様に、アルミニウム合金素材から、鍛造加工によってターボチャージャのコンプレッサホイールなどの回転体を得る方法であることを前提とし、その場合において、鍛造工程で全体的に均一に鍛錬し、すなわち3方向に鍛錬して、デッドゾーン部がなく、メタルフロー部がほぼ均一に存在する鍛造素形材を得る方法が提案されている。   In addition, in Patent Document 3, as in Patent Document 2, it is assumed that a rotating body such as a compressor wheel of a turbocharger is obtained from an aluminum alloy material by forging. In that case, in the forging process, A method has been proposed in which forging is performed uniformly uniformly, that is, forging is performed in three directions to obtain a forged raw material having no dead zone portion and having a metal flow portion substantially uniformly.

特開2005−206927号公報JP 2005-206927 A 特開2006−305629号公報JP 2006-305629 A 特開2000−197943号公報JP 2000-197943 A

しかしながら、ターボチャージャのコンプレッサホイールは、前述のようにシャフト穴周囲の厚肉の部分(回転軸部)と、その厚肉の部分から放射状に延びる薄肉の部分(羽根部)とが混在し、しかも羽根部は、特にその先端部分の肉厚が1mm未満ときわめて薄く、かつ特殊な捻じれた曲面を構成していることから、特許文献1に示されているように精密鋳造法によって製造する場合には、ロストワックス鋳型内にアルミニウム合金溶湯を注入する際に、薄肉部にアルミニウム合金溶湯が充分に廻らず、そのため薄肉部にポロシティや酸化物などの内部欠陥が生じたり、微細な形状部分を正確に形成することができなかったりすることが多い。そのため、薄肉の羽根部や羽根付け根部の寸法精度や強度が低くなり、その結果、コンプレッサホイールとしての高速回転時の動バランスが悪くなったり、良品歩留まりが低くなってしまったりする問題がある。また精密鋳造法によってコンプレッサホイールを製造する場合、素材のアルミニウム合金としては、主に鋳造時の湯流れ性の観点からその成分組成を選択せざるを得ず、そのためコンプレッサホイールに要求される前述の諸特性、特に高温強度や剛性を必ずしも満足させ得ないことが多かった。さらに特許文献1に示されるように精密鋳造法によって製造した場合、全体的に均一な組織となるのが通常であり、そのためコンプレッサホイールの各部に対する異なる要求をすべて満たすことは困難であった。   However, the turbocharger compressor wheel has a thick portion around the shaft hole (rotating shaft portion) and a thin portion radially extending from the thick portion (blade portion) as described above. In particular, the blade portion is extremely thin with a thickness of less than 1 mm at the tip portion, and has a special twisted curved surface. When the molten aluminum alloy is poured into the lost wax mold, the molten aluminum alloy does not sufficiently turn around the thin wall part, so internal defects such as porosity and oxides occur in the thin wall part, and fine shaped parts are formed. In many cases, it cannot be formed accurately. For this reason, the dimensional accuracy and strength of the thin blade portion and the blade root portion are lowered, and as a result, there is a problem that the dynamic balance at high speed rotation as the compressor wheel is deteriorated and the yield of non-defective products is lowered. In addition, when producing a compressor wheel by precision casting, it is necessary to select the component composition mainly from the viewpoint of molten metal flow during casting, as a raw material aluminum alloy. In many cases, various properties, particularly high-temperature strength and rigidity, cannot always be satisfied. Furthermore, as shown in Patent Document 1, when manufactured by a precision casting method, it is usually a uniform structure as a whole, and it is therefore difficult to satisfy all the different requirements for each part of the compressor wheel.

また一方、特許文献2に示されているように、押出し材を素材として鍛造加工によって得られたコンプレッサホイールにおいては、押出材が、その押出し方向に沿って長く延びる繊維状組織を有していて、押出し方向に対して直交する横断面で見れば、半径方向にほぼ均等な組織(半径方向に粒径がほぼ均一な組織)となっており、鍛造後の素形材としても、羽根部を含む最大径部分では、コンプレッサホイール中心回転軸線に直交する横断面で見て、半径方向にほぼ均質な組織となるのが通常である。これは、言い換えれば、コンプレッサホイールの各部ごとに望まれる異なる特性をそれぞれ十分には満足させ得ないことを意味する。   On the other hand, as shown in Patent Document 2, in a compressor wheel obtained by forging using an extruded material as a raw material, the extruded material has a fibrous structure extending long along the extrusion direction. When viewed in a cross section perpendicular to the extrusion direction, it has a substantially uniform structure in the radial direction (structure with a substantially uniform particle diameter in the radial direction). The maximum diameter portion that is included usually has a substantially homogeneous structure in the radial direction when viewed in a cross section orthogonal to the central axis of rotation of the compressor wheel. In other words, this means that the different characteristics desired for each part of the compressor wheel cannot be fully satisfied.

さらに特許文献3に示されるように、3方向に鍛造する場合も、全体的に均質な組織となり、そのため、コンプレッサホイールの各部ごとに望まれる異なる特性をそれぞれ十分には満足させることは困難であった。またこの場合、概ね均質な組織が得られるとはいえども、3段階にわたって異なる方向から鍛造する関係上、コンプレッサホイールの回転中心位置を基準としてその周方向に組織が均一となるとは限らず、そのためコンプレッサホイールの高速回転時の動バランスに劣る製品となってしまうおそれがある。   Furthermore, as shown in Patent Document 3, even when forging in three directions, a uniform structure is obtained as a whole. Therefore, it is difficult to sufficiently satisfy different characteristics desired for each part of the compressor wheel. It was. In this case, although a generally homogeneous structure can be obtained, the structure is not necessarily uniform in the circumferential direction on the basis of the rotation center position of the compressor wheel because of forging from different directions over three stages. There is a risk that the product will be inferior in dynamic balance during high-speed rotation of the compressor wheel.

本発明は、以上の事情を背景としてなされたもので、全体的に高温強度、剛性に優れると同時に、高速回転時の動バランスに優れ、しかも各部について、それぞれ異なる要求特性、望まれる特性に応じた最適な性能を有するコンプレッサホイールを製造し得るアルミニウム合金製コンプレッサホイール用素形材、とりわけコンプレッサホイールの回転中心軸線に対して直交する面内の直径方向の強度が高くて、羽根部先の先端の強度が高いコンプレッサホイール用素形材を提供し、併せて、そのコンプレッサホイール用素形材を実際に製造し得る方法を提供することを課題とするものである。   The present invention has been made against the background of the above circumstances, and is generally excellent in high-temperature strength and rigidity, and at the same time excellent in dynamic balance during high-speed rotation, and according to different required characteristics and desired characteristics for each part. Aluminum alloy compressor wheel shape material that can produce a compressor wheel with optimum performance, especially the diametric strength in the plane perpendicular to the rotation center axis of the compressor wheel, and the tip of the blade tip It is an object of the present invention to provide a compressor wheel shaped material having a high strength and to provide a method capable of actually producing the compressor wheel shaped material.

前述の課題を解決するべく、本発明者等は、アルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用素形材について種々実験、検討を重ねた結果、素材として、連続鋳造による棒材、すなわち急冷凝固の連続鋳造によって得られた鋳造棒材を使用して、熱間鍛造、特に熱間密閉型鍛造もしくは熱間半密閉型鍛造により素形材(鍛造素形材)を得ることとし、しかも素材アルミニウム合金の成分組成を適切に調整すると同時に、素形材(鍛造素形材)の形状として、コンプレッサホイールの羽根部に相当する部位(羽根部相当部位)の外周側に、最終製品のコンプレッサホイールの外形に対して余肉部位となるフランジ部が形成されるように鍛造して、羽根部相当部位に、コンプレッサホイールの回転中心軸線の側から余肉部に向かうメタルフローを形成することが最適であることを見い出した。
そしてこれらの知見から、アルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用の鍛造素形材についての発明、及びその鍛造素形材の製造方法についての発明をなすに至った。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted various experiments and studies on the aluminum alloy turbo compressor wheel shaped material, and as a result, the material is a continuous casting rod, that is, by rapid solidification continuous casting. By using the obtained cast bar, hot forging, especially hot sealed forging or hot semi-sealed forging, to obtain a raw material (forged raw material), and the composition of the material aluminum alloy The shape of the base material (forged base material) is adjusted to the outer periphery of the part corresponding to the blade part of the compressor wheel (the part corresponding to the blade part) with respect to the outer shape of the compressor wheel of the final product. Forged so that the flange part that will be the surplus part is formed, and the metal flow toward the surplus part from the rotation center axis side of the compressor wheel to the blade part equivalent part Be formed has been found to be optimal.
And from these knowledge, it came to the invention about the forge shape material for turbocompressor wheels made from aluminum alloy, and the invention about the manufacturing method of the forge shape material.

したがって本発明の基本的な態様(第1の態様)によるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、
連続鋳造棒材を素材として、鍛造加圧方向が素材の鋳造方向に沿いかつコンプレッサホイールの回転中心軸線方向に沿うように、密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造により熱間鍛造して得られるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材であって、
前記素材のアルミニウム合金が、質量%で、Si:0.05〜0.3%、Cu:3.0〜5.5%、Mg:1.1〜2.4%、Fe:0.8〜1.3%、Mn:0.1〜0.4%、Ni:0.7〜2.8%、Zr:0.05〜0.3%、Ti:0.005〜0.06%を含み、残部がAl及び不可避的不純物よりなり、
素形材形状が、コンプレッサホイールの羽根部に相当する部位を含んでコンプレッサホイールの外径形状より大きく、その羽根部相当部位の外面が、前記回転中心軸線に沿った方向の一方の側から他方の側に向けて滑らかに拡径された傾斜面を有する形状とされ、
しかも羽根部相当部位における外径側端部よりも前記回転中心軸線を基準とする半径方向外側に、コンプレッサホイールの最終製品に対する余肉部位となるフランジ部が延出され、且つ前記羽根部相当部位には、前記回転中心軸線の側から前記フランジ部に向かうメタルフローが形成されていることを特徴とするものである。
Therefore, the forged material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the basic aspect (first aspect) of the present invention is:
Aluminum alloy obtained by hot forging by closed die forging or semi-sealed die forging so that the forging pressure direction is along the casting direction of the raw material and the rotation center axis direction of the compressor wheel Forged material for turbo compressor wheel made of
The aluminum alloy of the material is mass%, Si: 0.05 to 0.3%, Cu: 3.0 to 5.5%, Mg: 1.1 to 2.4%, Fe: 0.8 to Including 1.3%, Mn: 0.1-0.4%, Ni: 0.7-2.8%, Zr: 0.05-0.3%, Ti: 0.005-0.06% The remainder consists of Al and inevitable impurities,
The shape of the base material is larger than the outer diameter shape of the compressor wheel including the portion corresponding to the blade portion of the compressor wheel, and the outer surface of the portion corresponding to the blade portion is from one side in the direction along the rotation center axis to the other. It has a shape having an inclined surface that is smoothly expanded toward the side,
And the flange part used as the surplus part with respect to the final product of a compressor wheel is extended to the radial direction outer side on the basis of the said rotation center axis line rather than the outer diameter side edge part in a blade | wing part equivalent part, and the said blade | wing part equivalent part Is characterized in that a metal flow from the rotation center axis side toward the flange portion is formed.

また本発明の第2の態様によるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、
第1の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材において、
前記傾斜面が、コンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部を含む仮想曲面に対応する面であることを特徴とする。
Further, the forged material for turbocompressor wheel made of aluminum alloy according to the second aspect of the present invention,
In the forged material for turbo compressor wheel made of aluminum alloy of the first aspect,
The inclined surface is a surface corresponding to a virtual curved surface including chip edge portions of a large number of blade portions of the compressor wheel.

さらに本発明の第3の態様によるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、
第2の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材において、
前記羽根部相当部位のメタルフローのうち、少なくとも前記傾斜面直下でのメタルフローが、前記複数の羽根部のチップエッジ部を含む仮想曲面に沿うことを特徴とするものである。
Furthermore, the forged material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the third aspect of the present invention is:
In the forged material for turbo compressor wheel made of aluminum alloy of the second aspect,
Among the metal flows corresponding to the blade portions, at least the metal flow immediately below the inclined surface is along a virtual curved surface including the chip edge portions of the plurality of blade portions.

さらに本発明の第4の態様によるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、
第1〜第3のいずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材において、
前記素材における前記回転中心に沿った方向の高さをhとし、鍛造素形材の羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、
据込率Uを{(h−b)/h}×100(%)とし、
前記据込率Uが、40〜80%の範囲内となるように熱間鍛造されたものであることを特徴とするものである。
Furthermore, the forged material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the fourth aspect of the present invention is:
In the forged material for turbo compressor wheel made of aluminum alloy according to any one of the first to third aspects,
The height in the direction along the rotation center of the material is h, and the height at the position where the height in the direction along the rotation center is the highest in the blade equivalent portion of the forged raw material is b,
The upsetting rate U is {(h−b) / h} × 100 (%),
The upsetting ratio U is hot forged so as to be within a range of 40 to 80%.

さらに本発明の第5の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、
第1〜第4のいずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材において、
鍛造素形材の全体の体積をV1とし、羽根部相当部位の半径方向先端位置よりも外側の、前記フランジ部の全体を含む部位の体積をV2とし、{V2/(V1+V2)}×100(%)の値を体積比VRとして、その体積比VRが、50%以上、80%未満の範囲内であることを特徴とする。
Furthermore, the forged material for turbocompressor wheel made of aluminum alloy of the fifth aspect of the present invention,
In the forged material for turbo compressor wheel made of aluminum alloy according to any one of the first to fourth aspects,
The total volume of the forged material is V1, and the volume of the portion including the entire flange portion outside the radial tip position of the blade portion-corresponding portion is V2, and {V2 / (V1 + V2)} × 100 ( %) Is a volume ratio VR, and the volume ratio VR is in a range of 50% or more and less than 80%.

また本発明の第6の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、
第1〜第5のいずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材において、
前記フランジ部における前記回転中心に沿った方向の平均の厚みをaとし、前記羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、絞り高さ比SRをa/bとし、
前記絞り高さ比SRが10/40〜30/40の範囲内であることを特徴とするものである。
In addition, the forged material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the sixth aspect of the present invention,
In the forged material for turbo compressor wheel made of aluminum alloy according to any one of the first to fifth aspects,
The average thickness of the flange portion in the direction along the rotation center is a, and the height of the portion corresponding to the blade portion in the direction along the rotation center is b, and the aperture height The ratio SR is a / b,
The aperture height ratio SR is in the range of 10/40 to 30/40.

また以下の各態様は、アルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法についての態様である。   Moreover, each following aspect is an aspect about the manufacturing method of the forge shape material for turbocompressor wheels made from an aluminum alloy.

すなわち、本発明の第7の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法は、
質量%で、Si:0.05〜0.3%、Cu:3.0〜5.5%、Mg:1.1〜2.4%、Fe:0.8〜1.3%、Mn:0.1〜0.4%、Ni:0.7〜2.8%、Zr:0.05〜0.3%、Ti:0.005〜0.06%を含み、残部がAl及び不可避的不純物よりなるアルミニウム合金の連続鋳造棒材を素材とし
鍛造加圧方向が、素材の鋳造方向に沿いかつコンプレッサホイールの回転中心軸線方向に沿うように、密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造により前記素材を熱間鍛造し、その鍛造上がり材として、ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材を得る鍛造工程を有し、
前記鍛造工程においては、鍛造上がりの鍛造素形材の形状が、コンプレッサホイールの羽根部に相当する部位を含んでコンプレッサホイールの外径形状より大きい形状であって、その羽根部相当部位の外面が、前記回転中心軸線に沿った方向の一方の側から他方の側に向けて滑らかに拡径された傾斜面を有する形状となるように、しかも羽根部相当部位における外径側端部よりも前記回転中心軸線を基準とする半径方向外側に、コンプレッサホイールの最終製品に対する余肉部位となるフランジ部が延出されるように鍛造し、
前記羽根部相当部位に、前記回転中心軸線の側から前記フランジ部に向かうメタルフローが形成された鍛造上がり材得ることを特徴とするである。
That is, the method for producing a forged material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the seventh aspect of the present invention includes:
In mass%, Si: 0.05 to 0.3%, Cu: 3.0 to 5.5%, Mg: 1.1 to 2.4%, Fe: 0.8 to 1.3%, Mn: 0.1 to 0.4%, Ni: 0.7 to 2.8%, Zr: 0.05 to 0.3%, Ti: 0.005 to 0.06%, the balance being Al and inevitable Using aluminum alloy continuous cast bar made of impurities as a raw material, the material is formed by closed die forging or semi-sealed die forging so that the forging pressurization direction is along the casting direction of the raw material and along the rotation center axis direction of the compressor wheel. Hot forging, and as a forging finish, it has a forging process to obtain a forging material for turbo compressor wheel,
In the forging process, the shape of the forged material after forging is a shape larger than the outer diameter shape of the compressor wheel including the portion corresponding to the blade portion of the compressor wheel, and the outer surface of the portion corresponding to the blade portion is , In order to form a shape having an inclined surface that is smoothly expanded in diameter from one side in the direction along the rotation center axis toward the other side, and more than the outer diameter side end portion in the blade portion-corresponding portion. Forging so that the flange part that becomes the surplus part for the final product of the compressor wheel is extended radially outward with respect to the rotation center axis line,
It is characterized in that a forged material is obtained in which a metal flow from the rotation center axis side toward the flange portion is formed at the blade portion-corresponding portion.

また本発明の第8の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法は、
第7の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法において、
前記鍛造工程では、前記羽根部相当部位のメタルフローのうち、少なくとも前記傾斜面直下でのメタルフローが、コンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部を含む仮想曲面に沿うように鍛造することを特徴とする。
Moreover, the manufacturing method of the forging shape material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the eighth aspect of the present invention is as follows.
In the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to the seventh aspect,
In the forging step, forging so that at least the metal flow immediately below the inclined surface of the metal flow corresponding to the blade portion corresponds to a virtual curved surface including chip edge portions of a large number of blade portions of the compressor wheel. Features.

さらに本発明の第9の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法は、
第7、第8のいずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法において、
前記鍛造工程では、前記素材における前記回転中心に沿った方向の高さをhとし、鍛造素形材の羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、
据込率Uを{(h−b)/h}×100(%)とし、
前記据込率Uが、40〜80%の範囲内となるように熱間鍛造することを特徴とするものである。
Furthermore, the manufacturing method of the forging shape material for turbocompressor wheels made of aluminum alloy according to the ninth aspect of the present invention,
In the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any of the seventh and eighth aspects,
In the forging step, the height of the raw material in the direction along the rotation center is h, and the height in the direction along the rotation center in the portion corresponding to the blade portion of the forged raw material is the height at the highest position. And b
The upsetting rate U is {(h−b) / h} × 100 (%),
Hot forging is performed so that the upsetting rate U is within a range of 40 to 80%.

さらに本発明の第10の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法は、
第7〜第9いずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法において、
前記鍛造工程では、鍛造素形材の全体の体積をV1とし、羽根部相当部位の半径方向先端位置よりも外側の、前記フランジ部の全体を含む部位の体積をV2とし、(V2/V1)×100(%)の値を体積比VRとして、その体積比VRが、50%以上、80%未満の範囲内となるように鍛造することを特徴とするものである。
Furthermore, the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to the tenth aspect of the present invention comprises:
In the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any one of the seventh to ninth aspects,
In the forging step, the entire volume of the forged raw material is V1, and the volume of the portion including the entire flange portion outside the radial tip position of the blade portion-corresponding portion is V2, and (V2 / V1) Forging is performed so that the volume ratio VR is in the range of 50% or more and less than 80%, where the value of x100 (%) is the volume ratio VR.

さらに本発明の第11の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法は、
第7〜第10のいずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法において、
前記鍛造工程では、前記フランジ部における前記回転中心に沿った方向の平均の厚みをaとし、前記羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、絞り高さ比SRを(a/b)×100(%)とし、
前記絞り高さ比SRが10/40〜30/40の範囲内の範囲内となるように鍛造することを特徴とするものである。
Furthermore, the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to the eleventh aspect of the present invention comprises:
In the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any one of the seventh to tenth aspects,
In the forging step, a is an average thickness in the direction along the rotation center in the flange portion, and b is a height at a position where the height in the direction along the rotation center in the blade portion-corresponding portion is the highest. And the aperture height ratio SR is (a / b) × 100 (%),
Forging is performed so that the drawing height ratio SR is within a range of 10/40 to 30/40.

さらに本発明の第12の態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法は、
第7〜第11のいずれかの態様のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法において、
前記鍛造工程では、鍛造時の素材温度を350〜450℃の範囲内とすることを特徴とするものである。
Furthermore, the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to the twelfth aspect of the present invention,
In the method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any one of the seventh to eleventh aspects,
In the forging step, the material temperature during forging is set within a range of 350 to 450 ° C.

本発明のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、常温強度、高温強度、剛性に優れ、とりわけコンプレッサホイールの回転中心軸線に沿った方向(L方向)に対して直交する方向(LT方向)の強度が高く、その鍛造素形材を用いてターボチャージャのコンプレッサホイールを製造すれば、全体的に常温強度、高温強度、剛性に優れると同時に、高速回転時の動バランスに優れ、しかも各部分についての、それぞれ異なる要求特性、望まれる特性に応じた最適な性能を有し、特に羽根部の強度、剛性(とりわけ羽根部先端(チップエッジ部)の強度、剛性)が高いコンプレッサホイールコンプレッサホイールを得ることができる。また本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法によれば、そのような優れた性能を有するコンプレッサホイール用鍛造素形材を実際的に製造することができる。   The aluminum alloy turbocompressor wheel forging material according to the present invention is excellent in normal temperature strength, high temperature strength, and rigidity, and in particular, a direction (LT direction) perpendicular to a direction (L direction) along the rotation center axis of the compressor wheel. ) Is strong, and if a turbocharger compressor wheel is manufactured using the forged material, it has excellent room temperature strength, high temperature strength and rigidity as well as excellent dynamic balance during high-speed rotation. Compressor wheel Compressor wheel with optimum performance according to different required characteristics and desired characteristics of each part, especially high blade strength and rigidity (especially strength and rigidity of blade tip (tip edge)) Can be obtained. Further, according to the method for producing a forged material for turbo compressor wheel of the present invention, the forged material for compressor wheel having such excellent performance can be practically produced.

ターボチャージャ用のコンプレッサホイールの一例を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly an example of the compressor wheel for turbochargers. 図1に示されるコンプレッサホイールの平面図である。It is a top view of the compressor wheel shown by FIG. 図2におけるIII−III線での縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view in the III-III line in FIG. 本発明によるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の一例、特に熱間密閉型鍛造による鍛造上がり材からなる素形材の縦断面形状の一例を、最終製品のコンプレッサホイールの縦断面形状に対応させて示す模式図である。An example of a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to the present invention, in particular, an example of a longitudinal cross-sectional shape of a forged material formed by hot-sealing forging, is used as a longitudinal cross-sectional shape of a final compressor wheel. It is a schematic diagram shown correspondingly. 本発明によるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の他の例、特に熱間半密閉型鍛造による鍛造上がり材からなる素形材の縦断面形状の一例を、最終製品のコンプレッサホイールの縦断面形状に対応させて示す模式図である。Another example of an aluminum alloy turbo compressor wheel forged material according to the present invention, in particular, an example of a longitudinal cross-sectional shape of a forged material formed by hot semi-hermetic forging, a longitudinal section of the final product compressor wheel It is a schematic diagram shown corresponding to a surface shape. 本発明において鍛造用素材として使用される連続鋳造棒材における鋳造方向に沿った縦断面の組織の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure | tissue of the longitudinal cross section along the casting direction in the continuous cast bar used as a raw material for forging in this invention. 本発明において鍛造用素材として使用される連続鋳造棒材における鋳造方向に対して直交する横断面の組織の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the cross section orthogonal to the casting direction in the continuous casting bar | burr used as a raw material for forging in this invention. 鍛造用素材として押出し材を用いる従来方法に関して、その鍛造用素材の押出し材における押出し方向に沿った縦断面の組織の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the longitudinal cross section along the extrusion direction in the extrusion material of the extrusion material of the forging material regarding the conventional method using an extrusion material as a forging material. 本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法を適用して、ターボコンプレッサホイールを製造するプロセスの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process which manufactures the turbo compressor wheel by applying the manufacturing method of the forge shape material for turbo compressor wheels of this invention. 本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の断面形状の第1の例を示す略解図である。It is a schematic diagram which shows the 1st example of the cross-sectional shape of the forge shape material for turbo compressor wheels of this invention. 本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の断面形状の第2の例を示す略解図である。It is a schematic diagram which shows the 2nd example of the cross-sectional shape of the forge shape material for turbo compressor wheels of this invention. 本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の断面形状の第3の例を示す略解図である。It is a schematic diagram which shows the 3rd example of the cross-sectional shape of the forge shape material for turbo compressor wheels of this invention. 本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の断面形状の第4の例を示す略解図である。It is a rough solution figure which shows the 4th example of the cross-sectional shape of the forge shape material for turbo compressor wheels of this invention. 本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造に使用される鍛造用素材(連続鋳造棒材)の一例の断面形状を示す略解図である。It is a schematic diagram which shows the cross-sectional shape of an example of the raw material for forging (continuous casting rod) used for manufacture of the forge shape material for turbo compressor wheels of this invention. 図9に示す第1の例の鍛造素形材を熱間密閉型鍛造するための密閉鍛造型の一例を、上型が上死点位置の状態で示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of the closed forging die for carrying out the hot sealed die forging of the forge shape material of the 1st example shown in FIG. 9 in the state where an upper die is a top dead center position. 図9に示す第1の例の鍛造素形材を熱間密閉型鍛造するための密閉鍛造型の一例を、上型が下死点位置の状態で示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of the closed forging die for carrying out the hot closed die forging of the forge shape material of the 1st example shown in FIG. 9 in the state in which an upper mold | type is a bottom dead center position. 図10に示す第2の例の鍛造素形材を熱間半密閉型鍛造するための半密閉鍛造型の一例を、上型が上死点位置の状態で示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of the semi-sealing forging die for carrying out the hot semi-sealing die forging of the forge shape material of the 2nd example shown in FIG. 10 in the state in which an upper die is a top dead center position. 図10に示す第2の例の鍛造素形材を熱間半密閉型鍛造するための半密閉鍛造型の一例を、上型が下死点位置の状態で示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of the semi-sealing forging die for carrying out the hot semi-sealing die forging of the forge shape material of the 2nd example shown in FIG. 10 in the state in which an upper die is a bottom dead center position. 図9に示す第1の例についての、熱間での密閉型鍛造によるメタルフローを、鍛造上がり材における縦断面位置で示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the metal flow by the hot die closed forging about the 1st example shown in FIG. 図10に示す第2の例についての、熱間での半密閉型鍛造によるメタルフローを、鍛造上がり材における縦断面位置で示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the metal flow by the semi-hermetic forging between hot about the 2nd example shown in FIG. 図11に示す第3の例についての、熱間での密閉型鍛造によるメタルフローを、鍛造上がり材における縦断面位置で示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the metal flow by hot sealed die forging about the 3rd example shown in FIG. 11 in the longitudinal cross-section position in a forge finishing material. 図12に示す第4の例についての、熱間での密閉型鍛造によるメタルフローを、鍛造上がり材における縦断面位置で示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the metal flow by hot sealed die forging about the 4th example shown in FIG. 12 in the longitudinal cross-section position in a forging finished material. コンプレッサーホイール用鍛造素形材を得るための熱間での密閉型鍛造における据込率Uと、鍛造素形材のLT方向の強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the upsetting rate U and the intensity | strength of the LT direction of a forging raw material in the closed die forging in order to obtain the forging raw material for a compressor wheel. 本発明との比較のため、押出し材を鍛造なしでコンプレッサーホイール用素形材とする場合のメタルフローを、製品のコンプレッサーホイールの断面形状と対応させて、縦断面位置で示す模式図である。For comparison with the present invention, it is a schematic view showing a metal flow in a case where an extruded material is used as a shaped member for a compressor wheel without forging, in a longitudinal sectional position corresponding to the sectional shape of the compressor wheel of the product. 本発明との比較のため、単純な円盤状に据込鍛造した場合の鍛造上がり材のメタルフローを、製品のコンプレッサーホイールの断面形状と対応させて、縦断面位置で示す模式図である。For comparison with the present invention, it is a schematic view showing the metal flow of the forged material when it is upset and forged into a simple disk shape, corresponding to the sectional shape of the compressor wheel of the product, in the longitudinal sectional position.

以下、本発明のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材と、その製造方法の実施形態について、詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明がこれらの実施形態に限定されないことはもちろんである。   Hereinafter, embodiments of the aluminum alloy turbocompressor wheel forged raw material and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail. Note that the embodiments described below are merely examples, and the present invention is of course not limited to these embodiments.

先ず本発明において、ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の素材(鍛造用素材)として用いるアルミニウム合金について説明する。   First, in the present invention, an aluminum alloy used as a material (forging material) of a forging material for a turbo compressor wheel will be described.

〔素材のアルミニウム合金〕
本発明においては、使用するアルミニウム合金は、基本的にはAl−Cu―Mg系合金であるが、本発明で使用するAl−Cu―Mg系合金は、従来から鍛造に使用することのあるAl−Cu―Mg系合金、すなわちいわゆる2000系の規格合金、例えばA2618合金とは、その成分組成が異なる。
具体的には、質量%で、Si:0.05〜0.3%、Cu:3.0〜5.5%、Mg:1.1〜2.4%、Fe:0.8〜1.3%、Mn:0.1〜0.4%、Ni:0.7〜2.8%、Zr:0.05〜0.3%、Ti:0.005〜0.06%を含み、残部がAl及び不可避的不純物よりなる合金を用いる。またこの合金では、上記の必須の成分元素の他の、必要に応じて添加される成分元素もしくは不純物元素の含有量は、それぞれ0.1%以下、合計で2.0%以下に規制することが望ましい。
[Material aluminum alloy]
In the present invention, the aluminum alloy to be used is basically an Al—Cu—Mg alloy, but the Al—Cu—Mg alloy to be used in the present invention is an Al alloy that has been conventionally used for forging. The component composition is different from that of a -Cu-Mg alloy, that is, a so-called 2000 series standard alloy, for example, A2618 alloy.
Specifically, in terms of mass%, Si: 0.05 to 0.3%, Cu: 3.0 to 5.5%, Mg: 1.1 to 2.4%, Fe: 0.8 to 1. 3%, Mn: 0.1 to 0.4%, Ni: 0.7 to 2.8%, Zr: 0.05 to 0.3%, Ti: 0.005 to 0.06%, the balance Uses an alloy of Al and inevitable impurities. In this alloy, in addition to the above-mentioned essential component elements, the content of component elements or impurity elements added as necessary shall be regulated to 0.1% or less, respectively, and to 2.0% or less in total. Is desirable.

このような成分組成の合金であれば、後述するように密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造により、積極的に余肉部が形成されるように熱間鍛造することによって、本発明において重要な、所定のメタルフローを有する鍛造素形材を確実に得ることが可能となり、ひいてはコンプレッサホイールの回転中心軸線に対して直交する方向(いわゆるLT方向)の強度が充分に高くて、羽根部の先端部(とりわけチップエッジ部)の強度が高いコンプレッサホイールを得ることが可能となる。また合金の成分組成を上述のように調整すると同時に、連続鋳造棒材を鍛造素材としているため、後に改めて説明するように、その鍛造素材は、連続鋳造での急冷凝固によって組織(ここでは鋳造組織)の微細化が図られている。そのため、室温強度、高温強度、剛性、疲労強度、切欠き感受性などの点でも優れており、これらの点からもコンプレッサホイール用の素形材の材料として優れている。   If it is an alloy of such a component composition, it is important in the present invention by hot forging so that a surplus portion is positively formed by closed die forging or semi-sealed die forging as described later, It becomes possible to reliably obtain a forged material having a predetermined metal flow, and as a result, the strength in the direction orthogonal to the rotation center axis of the compressor wheel (so-called LT direction) is sufficiently high, and the tip of the blade portion It is possible to obtain a compressor wheel having high strength (particularly the tip edge portion). In addition, the alloy composition is adjusted as described above and at the same time the continuous cast bar is used as the forging material. As will be described later, the forging material is subjected to rapid solidification by continuous casting (here, the cast structure). ). Therefore, it is also excellent in terms of room temperature strength, high temperature strength, rigidity, fatigue strength, notch sensitivity, and the like, and also from these points, it is excellent as a material for a shape member for a compressor wheel.

素材アルミニウム合金の成分組成を上述のように規定した理由は次の通りである。   The reason why the component composition of the material aluminum alloy is defined as described above is as follows.

Si:
Siは、マトリックス中に共晶Siとして分布し、剛性を向上させ、Mgと共存してMg2Si粒子を析出してアルミニウム合金の強度を向上させる。その効果を得るためには、Siを0.05%以上含むことが必要である。一方、Si量が0.3%を越えれば、伸びが低下して、鍛造性を低下させてしまう。そこでSiは、0.05〜0.3%の範囲内とした。なおSiは、150℃程度での分散強化に貢献する元素であるから、一般的なターボチャージャにおける使用温度(150℃程度)より高温(例えば200℃程度以上の温度)で使用する場合は、0.1〜0.25%の範囲内とすることが望ましく、一方、150℃程度の一般的な使用温度で使用する場合は、0.15〜0.3%の範囲内が好ましい。
Si:
Si is distributed as eutectic Si in the matrix, improves the rigidity, and coexists with Mg to precipitate Mg2Si particles to improve the strength of the aluminum alloy. In order to obtain the effect, it is necessary to contain 0.05% or more of Si. On the other hand, if the amount of Si exceeds 0.3%, the elongation is lowered and the forgeability is lowered. Therefore, Si is set in the range of 0.05 to 0.3%. Since Si is an element that contributes to dispersion strengthening at about 150 ° C., it is 0 when used at a temperature higher than the operating temperature (about 150 ° C.) in a general turbocharger (for example, a temperature of about 200 ° C. or higher). 0.1 to 0.25% is desirable. On the other hand, when it is used at a general use temperature of about 150 ° C., the range is preferably 0.15 to 0.3%.

Cu:
Cuを含有させれば、CuAl粒子を析出させてアルミニウム合金の強度の向上に寄与する。強度向上の効果を充分に得るためには、Cuを3.0%以上添加することが望ましく、一方Cuの含有量が5.5%を越えれば、鍛造性が低下するから、Cuの含有量は3.0〜5.5%の範囲内とした。
Cu:
If Cu is contained, CuAl 2 particles are precipitated, which contributes to improving the strength of the aluminum alloy. In order to sufficiently obtain the effect of improving the strength, it is desirable to add 3.0% or more of Cu. On the other hand, if the Cu content exceeds 5.5%, the forgeability deteriorates. Was in the range of 3.0-5.5%.

Mg:
Mgを含有させれば、Siと共存してMgSi粒子を析出させてアルミニウム合金の強度の向上に寄与する。Mg量が1.1%未満では強度向上の効果が小さく、一方Mg量が2.4%を越えれば鍛造性が低下する。したがってMg量は、1.1〜2.4%の範囲内とした。なおMg量は、より好ましくは1.7〜2.3%の範囲内とする。
Mg:
If Mg is contained, it coexists with Si and precipitates Mg 2 Si particles, thereby contributing to the improvement of the strength of the aluminum alloy. If the Mg content is less than 1.1%, the effect of improving the strength is small, while if the Mg content exceeds 2.4%, the forgeability is lowered. Therefore, the amount of Mg is set within a range of 1.1 to 2.4%. The Mg amount is more preferably in the range of 1.7 to 2.3%.

Fe:
Feは、高温強度向上に寄与する成分であり、高温強度の向上には、0.8%未満では、十分な高温強度向上の効果が得られず、1.3%以上では、過剰Feによる脆化が起こり、鍛造時の割れが生じる。したがってFe量は、0.8%〜1.3%の範囲内とした。なお、高温強度の十分な向上のためには、Fe量は1.0%〜1.3%とすることが好ましい。
Fe:
Fe is a component that contributes to improving high-temperature strength. If the amount is less than 0.8%, sufficient high-temperature strength improvement effect cannot be obtained. If 1.3% or more, brittleness due to excess Fe is not obtained. Occurs and cracks occur during forging. Therefore, the amount of Fe is set in the range of 0.8% to 1.3%. In order to sufficiently improve the high temperature strength, the Fe content is preferably 1.0% to 1.3%.

Ni:
Niを含有させれば、Al−Ni化合物の分散強化によって、高温強度、とりわけ200℃付近あるいはそれ以上の温度域での強度向上に効果がある。Ni量が0.7%未満ではNi添加による強度向上の効果が得られず、一方Ni量が2.8%を越えれば、靱性が低下するから、Ni量は0.7〜2.8%の範囲内とした。但し、Niの添加は200℃程度以上での強度向上には効果があるが、Ni量か多くなれば、一般的なターボチャージャの使用温度(150℃程度)では逆に強度が低下するから、一般的なターボチャージャの使用温度(150℃程度)で用いるコンプレッサホイール用素形材の素材としては、Ni含有量を少量に規制することが好ましく、その場合、Ni量は、1.0%以下、より好ましくは0.9%以下に規制することが望ましい。一方、一般的なターボチャージャの使用温度よりも高い200℃程度あるいはそれ以上の使用温度の場合には、Ni量は比較的多量、例えば1.0〜2.5%の範囲内で含有させることが望ましい。
Ni:
If Ni is contained, the dispersion strengthening of the Al—Ni compound is effective in improving the high temperature strength, particularly in the temperature range around 200 ° C. or higher. If the Ni content is less than 0.7%, the effect of improving the strength by adding Ni cannot be obtained. On the other hand, if the Ni content exceeds 2.8%, the toughness decreases, so the Ni content is 0.7 to 2.8%. Within the range. However, the addition of Ni is effective in improving the strength at about 200 ° C. or more, but if the amount of Ni increases, the strength decreases conversely at the operating temperature of a general turbocharger (about 150 ° C.). As a raw material for a compressor wheel shaped material used at a general turbocharger operating temperature (about 150 ° C.), it is preferable to limit the Ni content to a small amount, in which case the Ni content is 1.0% or less. More preferably, it is desirable to regulate to 0.9% or less. On the other hand, when the operating temperature is about 200 ° C. or higher than the operating temperature of a general turbocharger, the Ni content should be relatively large, for example, within a range of 1.0 to 2.5%. Is desirable.

Zr:
Zrを添加すれば、熱間塑性加工である熱間鍛造時にZrの金属間化合物が相変化を起こして、分散強化による高温強度向上に寄与する準安定相をメタルフロー方向に形成するから、Zrの添加によって、鍛造メタルフローによるLT方向強度の向上効果を一層顕著に発現させる効果が得られ、そこで本発明ではZrを必須元素として積極的に添加する。Zrが0.05%未満では、上記の効果が小さく、0.3%を越えれば、Zrの晶出物による脆化により鍛造性が低下するから、Zrは0.05〜0.3%の範囲内とした。
Zr:
If Zr is added, the Zr intermetallic compound undergoes a phase change during hot forging, which is hot plastic working, and forms a metastable phase in the metal flow direction that contributes to improving high temperature strength by dispersion strengthening. Thus, the effect of improving the strength in the LT direction by the forged metal flow can be obtained more remarkably. Therefore, in the present invention, Zr is positively added as an essential element. If Zr is less than 0.05%, the above effect is small. If it exceeds 0.3%, forgeability is reduced due to embrittlement due to the crystallized Zr, so that Zr is 0.05 to 0.3%. Within the range.

Mn:
Mnは、耐熱強度を高める元素であり、0.1%以下では、強度の向上の効果が小さく、0.4%以上では、Fe−Mn系の晶出物を生成し、靱性が低下し、鍛造性が低下するので、0.1〜0.4%の範囲で含有させることとした。
Mn:
Mn is an element that increases the heat resistance strength, and if it is 0.1% or less, the effect of improving the strength is small, and if it is 0.4% or more, an Fe-Mn-based crystallized product is generated, and the toughness is reduced. Since forgeability deteriorates, it was made to contain in 0.1 to 0.4% of range.

Ti:
Tiは、鋳造組織を微細化する元素であり、連続鋳造の安定化に貢献するので、0.005%以上添加することによって、連続鋳造の安定化に貢献する。一方、0.06%を越えて過剰にTiを添加すれば、鋳造組織の過度の微細化を招き、粒界すべりによって耐クリープ変形性が劣ってしまうから、Ti量は、0.005〜0.06%の範囲内とした。
Ti:
Ti is an element that refines the cast structure and contributes to stabilization of continuous casting. Therefore, addition of 0.005% or more contributes to stabilization of continuous casting. On the other hand, excessive addition of Ti exceeding 0.06% leads to excessive refinement of the cast structure, resulting in poor creep deformation resistance due to grain boundary sliding, so the Ti amount is 0.005 to 0. Within the range of 0.06%.

Al−Cu−Mg系合金におけるSi、Cu、Mg、Fe、Mn、Ni、Zr、Tiの各元素の残部は、基本的にはAlおよび不可避的不純物であれば良いが、上記各元素のほか、さらに、Cr、Vのうちの1種又は2種を、それぞれ0.1%以下、そのほかの不可避的不純物との合計量で2.0%以下含有していても良い。これらの元素を添加すれば、Al−Cr系やAl−Cr−Fe−Si系、Al−V系などの粒子を析出させ、熱間鍛造時に再結晶粒を微細化させて、その後の切削加工(仕上げ加工)において、羽根部などについて薄肉・微細な形状に容易に加工することが可能となる。但し、Cr、Vの過剰な添加は、Fe−Mn−Cr系やFe−Mn−V系等の巨大晶出物を生成させるおそれがあり、そこで、Cr、Vのうちの1種又は2種を添加する場合でも、それぞれ0.1%以下とすることが好ましい。   The remainder of each element of Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Ni, Zr, and Ti in the Al—Cu—Mg alloy may be basically Al and inevitable impurities. Further, one or two of Cr and V may be contained in an amount of 0.1% or less and 2.0% or less in total with other inevitable impurities. If these elements are added, particles such as Al-Cr, Al-Cr-Fe-Si, and Al-V are precipitated, and the recrystallized grains are refined during hot forging, followed by cutting. In (finishing process), it is possible to easily process the blade portion and the like into a thin and fine shape. However, excessive addition of Cr and V may cause formation of giant crystallized materials such as Fe-Mn-Cr and Fe-Mn-V, and therefore one or two of Cr and V may be generated. Even in the case of adding, it is preferable that the content be 0.1% or less.

Cu+Ni:
なお、上記のAl−Cu−Mg系合金においては、Cu量及びNi量を、Cu量とNi
量との合計量(Cu+Ni)が、4.5〜8.0%の範囲内となるように調整することが
より好ましい。(Cu+Ni)がこの範囲内であれば、加工性や鍛造性と強度とのバラン
スがより優れた合金とすることができる。
Cu + Ni:
In the above Al-Cu-Mg-based alloy, the Cu amount and the Ni amount are changed between the Cu amount and the Ni amount.
More preferably, the total amount (Cu + Ni) with the amount is adjusted to be in the range of 4.5 to 8.0%. When (Cu + Ni) is within this range, an alloy having a better balance between workability, forgeability and strength can be obtained.

さらに、上記の合金においては、B:0.0001〜0.05%(好ましくは0.005〜0.1%)を添加していてもよい。BをTiとともに添加すれば、鋳塊の組織をより微細化して、鋳造時の割れを防止し、ひいては鍛造性を向上させることができる。   Furthermore, in the above alloy, B: 0.0001 to 0.05% (preferably 0.005 to 0.1%) may be added. If B is added together with Ti, the structure of the ingot can be further refined, cracking during casting can be prevented, and forgeability can be improved.

〔素形材の基本構成の概略〕
本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、細径の連続鋳造棒材を鍛造用素材として、その鍛造用素材に熱間での密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造を施した鍛造材(鍛造上がり材)からなるものである。
[Outline of basic structure of raw material]
The forging material for turbo compressor wheel according to the present invention is a forging material (forging) in which a continuous casting bar material having a small diameter is used as a forging material and the forging material is subjected to hot hermetic forging or semi-sealing die forging. It is made of a rising material.

鍛造上がり材の全体形状の代表的な2例の断面形状(中心軸線Oに沿っての縦断面の形状)を、最終製品のコンプレッサホイール(図1〜図3参照)の縦断面形状に対応して、図4A、図4Bに示す。なお図4A、図4Bは、全体として鍛造上がり材(鍛造素形材)10の断面形状を表しているが、最終的な製品であるコンプレッサホイールに相当する部位のみにハッチングを付し、その余の部位にはハッチングを付していない。逆に言えば、図4A、図4Bにおいてハッチングを付した部位は、最終製品のコンプレッサホイールに相当する部位である。さらにそのハッチング部位(コンプレッサホイールに相当する部位)のうち、クロスハッチングを付した部位は、コンプレッサホイールの羽根部4に相当する部位(羽根部相当部位)14である。また鍛造上がり材(鍛造素形材)10において、符号13の部位は、製品のコンプレッサホイールにおける回転軸部3に相当し、特にその一端側の部位13Aは、回転軸部3の一端側の突出部(ボス部)5に相当し、また符号18の部位は、製品のコンプレッサホイールにおける羽根付け根部7に相当する。
なお図4Aは、後述するように密閉型鍛造によって得た鍛造上がり材の一例を示し、図4Bは、半密閉型鍛造によって得た鍛造上がり材の一例を示している。
The two typical cross-sectional shapes (the shape of the longitudinal section along the central axis O) of the forged finished material correspond to the longitudinal sectional shape of the final product compressor wheel (see FIGS. 1 to 3). 4A and 4B. 4A and 4B show the cross-sectional shape of the forged finished material (forged shaped material) 10 as a whole, but only the portion corresponding to the compressor wheel which is the final product is hatched, and the remainder is shown. The part of is not hatched. Conversely, the hatched parts in FIGS. 4A and 4B are parts corresponding to the compressor wheel of the final product. Further, among the hatched parts (parts corresponding to the compressor wheel), the parts with cross-hatching are parts (blade part equivalent parts) 14 corresponding to the blade part 4 of the compressor wheel. Further, in the forged finished material (forged base material) 10, a portion 13 is equivalent to the rotating shaft portion 3 in the compressor wheel of the product, and in particular, a portion 13 </ b> A on one end side thereof protrudes on one end side of the rotating shaft portion 3. The part (boss part) 5 corresponds to the part 18 and the part 18 corresponds to the blade root 7 in the compressor wheel of the product.
FIG. 4A shows an example of the forged material obtained by closed die forging as described later, and FIG. 4B shows an example of the forged material obtained by semi-sealed die forging.

図4Aに示しているように、密閉鍛造型を用いての熱間鍛造による鍛造上がり材10の全体形状は、基本的には、製品のコンプレッサホイールの回転中心軸線Oを基準とする軸対象な回転体形状であって、製品のコンプレッサホイールの外形よりも大きい外面形状を有するものであり、しかも、コンプレッサホイールの外形に対応する形状(コンプレッサホイールの外形形状とほぼ相似の形状)でかつその外周方向に、フランジ部12を形成したものである。ここで、鍛造上がり材10は、コンプレッサホイールの羽根部に相当する部位(羽根部相当部位)14を含んでいることはもちろんであるが、その羽根部相当部位14の外面が、中心軸線Oに沿った方向の一方の側(図4Aでは上側)から他方の側(下側)に向けてテーパー状に拡径された傾斜面14Aを有するように作られている。この傾斜面14Aは、コンプレッサーホイールの多数の羽根部4のチップエッジ部4Aを含む仮想曲面(各チップエッジ部の先端の曲線を含む、中心軸線Oを回転中心とする仮想的な回転面)に沿うものである。ちなみに前記フランジ部12は、製品のコンプレッサホイールに対しては、不要な部分(鍛造後に切削もしくは切断によって除去される、いわゆる余肉部位)であるが、本発明では、鍛造上がり材において、本来は余肉部位であるフランジ部12を有する形状に鍛造することによって、後に詳細に説明する所定のメタルフローの形成に大きく貢献することができる。   As shown in FIG. 4A, the overall shape of the forged material 10 by hot forging using a closed forging die is basically an axis object based on the rotation center axis O of the compressor wheel of the product. It has a rotating body shape and has an outer shape larger than the outer shape of the compressor wheel of the product, and also has a shape corresponding to the outer shape of the compressor wheel (a shape substantially similar to the outer shape of the compressor wheel) and its outer periphery. The flange portion 12 is formed in the direction. Here, the forged finished material 10 includes a portion 14 corresponding to the blade portion of the compressor wheel (a portion corresponding to the blade portion) 14, but the outer surface of the blade portion corresponding portion 14 is centered on the central axis O. It is made to have an inclined surface 14 </ b> A that is enlarged in a taper shape from one side (upper side in FIG. 4A) along the direction to the other side (lower side). The inclined surface 14A is a virtual curved surface including tip edge portions 4A of a large number of blade portions 4 of the compressor wheel (a virtual rotating surface including the curve at the tip of each tip edge portion and having the center axis O as the rotation center). It is along. Incidentally, the flange portion 12 is an unnecessary portion (a so-called surplus portion that is removed by cutting or cutting after forging) with respect to the compressor wheel of the product. By forging into a shape having the flange portion 12 which is a surplus part, it can greatly contribute to the formation of a predetermined metal flow which will be described in detail later.

また半密閉鍛造型を用いての熱間鍛造による鍛造上がり材10の全体形状は、基本的には、図4Bに示しているように、密閉鍛造型による図4Aの鍛造上がり材のフランジ部12の外周から外側に、さらにバリ部16が延出形状となる。このようにバリ部16が存在する点以外は、密閉鍛造型による図4Aの鍛造上がり材と同様である。   The overall shape of the forged material 10 by hot forging using a semi-sealed forging die is basically the flange portion 12 of the forged material shown in FIG. 4A by a closed forging die as shown in FIG. 4B. Further, the burr 16 extends from the outer periphery to the outer side. Except for the presence of the burr 16 as described above, it is the same as the forged material shown in FIG. 4A using a closed forging die.

なお図4A、図4Bに示される鍛造素形材(鍛造上がり材)10の詳細については、後に製造方法の項で詳細に説明する。このような鍛造による素形材(鍛造上がり材)を実際にコンプレッサホイールの形状に仕上げるためには、切削加工などの仕上げ加工を行う。また必要に応じてT6処理などの熱処理を行う。   The details of the forged material (forged material) 10 shown in FIGS. 4A and 4B will be described later in detail in the section of the manufacturing method. In order to actually finish the forged material (forged material) into the shape of a compressor wheel, finishing such as cutting is performed. Further, heat treatment such as T6 treatment is performed as necessary.

〔鍛造用素材としての細径の連続鋳造棒材の組織〕
細径の連続鋳造棒材からなる鍛造用素材は、その鋳造方向(したがって棒材としての長さ方向)が、最終製品であるコンプレッサホイールの回転中心軸線方向に沿うものである。そしてその鋳造方向に対して直交する横断面で見た円周方向平均粒界横断数が、横断面の中心部で最小となり、外周部で最大となる鋳造組織を有するものであることが望ましい。
[Structure of small-diameter continuous cast bar as a forging material]
The forging material consisting of a continuous casting bar material with a small diameter has a casting direction (and therefore a length direction as a bar material) along the rotation center axis direction of the compressor wheel as the final product. And it is desirable to have a casting structure in which the circumferential average grain boundary crossing number as viewed in a cross section perpendicular to the casting direction is minimum at the center of the cross section and maximum at the outer periphery.

鍛造用素材に使用される細径の連続鋳造棒材20の断面の組織について、図5、図6に模式的に示す。
細径の連続鋳造では、生産性が高いばかりでなく、鋳造組織が微細でかつ偏析も少ない棒材(円柱状ロッド)を得ることが可能となる。しかも連続鋳造で得られる棒材20は、その金属組織(鋳造組織)が、棒材20の円柱軸中心から外径方向に細長く放射状に伸びた等軸晶組織となるから、円周方向には結晶粒界がほぼ均等に分布し、円周方向の粒界密度が均一となる。結晶粒界は、Fe、Ni、Mnなどの遷移金属が偏析する箇所であり、したがって粒界の密度分布(粗密)は、素材の粗密に影響を与え、そのため周方向の重量バランスにも影響を与えるが、連続鋳造棒材は、円周方向に粒界が粒界密度が均一であることによって、製品のコンプレッサホイールに求められる高速回転時の動バランスも優れた素材となる。
ここで、円柱状の棒材における横断面での粒界の密度分布(粗密)は、半径方向の各部位における円周方向平均粒界横断数で評価できる。
FIG. 5 and FIG. 6 schematically show the cross-sectional structure of the thin continuous cast bar 20 used for the forging material.
In the continuous casting with a small diameter, not only high productivity but also a bar (cylindrical rod) having a fine cast structure and little segregation can be obtained. Moreover, the bar 20 obtained by continuous casting has an equiaxed crystal structure in which the metal structure (casting structure) is elongated radially from the center of the cylindrical axis of the bar 20 in the outer diameter direction. Grain boundaries are distributed almost evenly, and the grain boundary density in the circumferential direction is uniform. Grain boundaries are places where transition metals such as Fe, Ni, and Mn segregate, and therefore the density distribution (roughness) of the grain boundaries affects the density of the material, and therefore the weight balance in the circumferential direction. However, the continuous cast bar is a material having an excellent dynamic balance at the time of high-speed rotation required for the compressor wheel of the product because the grain boundary is uniform in the circumferential direction and the grain boundary density is uniform.
Here, the grain boundary density distribution (roughness) in the cross section of the cylindrical bar can be evaluated by the average number of crossings in the circumferential direction at each part in the radial direction.

なお、従来の押出し法によって得られた素形材の場合は、図7に模式的に示しているように、その押出し素形材15の組織が押出し方向に繊維状に長く引き伸ばされたものとなるから、押出し方向とそれに直交する方向との組織の差が極めて大きい。そのため、その押出し材を鍛造した後にも、押出し材の方向による組織差の影響が少なからず残って、機械的特性も方向によってばらついてしまうおそれが強いが、連続鋳造棒材の等軸晶組織では、鋳造方向とそれに直交する方向の組織差が、押出し材と比較して格段に小さく、そのため方向による機械的特性のばらつきも比較的小さく抑えることができる。   In the case of a shaped material obtained by a conventional extrusion method, as schematically shown in FIG. 7, the structure of the extruded shaped material 15 is elongated in a fiber shape in the extrusion direction. Therefore, the difference in structure between the extrusion direction and the direction orthogonal thereto is extremely large. Therefore, even after forging the extruded material, the influence of the structure difference due to the direction of the extruded material remains, and there is a strong possibility that the mechanical properties will vary depending on the direction. The difference in structure between the casting direction and the direction perpendicular to the casting direction is significantly smaller than that of the extruded material, so that the variation in mechanical properties depending on the direction can be suppressed to be relatively small.

ここで、急冷凝固による細径の連続鋳造棒材について、より詳細に組織を観察すれば、溶湯がモールド内面に接する外周面側から急速に冷却されて、外周面側から急冷凝固が開始されるため、図5、図6に模式的に示しているように、外周部Q3では、粒径が小さい組織(すなわち緻密な組織)となり、凝固が中心に向かって進行するに伴ってやや凝固速度が遅くなるため、中心部Q1では、相対的に粒径が大きい組織(すなわち疎な組織)となる。なお図5、図6においては、理解しやすくするため、結晶粒の大きさを実際より誇張して描いている。   Here, if the structure is observed in more detail with respect to the continuous casting bar having a small diameter by rapid solidification, the molten metal is rapidly cooled from the outer peripheral surface side in contact with the inner surface of the mold, and rapid solidification is started from the outer peripheral surface side. Therefore, as schematically shown in FIGS. 5 and 6, the outer peripheral portion Q3 has a structure with a small particle size (that is, a dense structure), and the solidification rate slightly increases as solidification progresses toward the center. Since it becomes late | slow, in center part Q1, it becomes a structure | tissue (namely, sparse structure | tissue) with a relatively large particle size. In FIGS. 5 and 6, the size of crystal grains is exaggerated from the actual size for easy understanding.

ここで、鍛造用素材(細径の連続鋳造棒材)20の横断面の中心部Q1とは、鋳造方向に対して直交する横断面において、横断面の中心位置Oから素材半径rの1/3の半径(r/3)の位置P1までの領域Q1を意味する。また外周部とは、例えば素材横断面12の中心位置Oから素材半径rの3/4の半径(3r/4)の位置P2から外周縁位置P3までの領域Q3を意味するものとする。なお領域Q2は、中心部領域Q1と外周部領域Q3との間の領域である。   Here, the central portion Q1 of the cross-section of the forging material (small-diameter continuous cast bar) 20 is 1 / of the material radius r from the center position O of the cross-section in the cross-section orthogonal to the casting direction. This means a region Q1 up to a position P1 having a radius of 3 (r / 3). Further, the outer peripheral portion means, for example, a region Q3 from the center position O of the material cross section 12 to a position P2 having a radius (3r / 4) of 3/4 of the material radius r to an outer periphery position P3. The region Q2 is a region between the central region Q1 and the outer peripheral region Q3.

また、素材(細径の連続鋳造棒材)20における円周方向平均粒界横断数(C)とは、素材20の鋳造方向に対して直交する横断面において、その中心位置Oを基準とする円(同心円)を描いたときに、その円周上の所定長さLの部分(円弧)が粒界を横切る箇所の数Nを、その円弧の円周方向長さで割った値(N/L)の、円周上での平均値で定義される。すなわち上記の円上において、等間隔に周長がLとなる複数の視野をとり、その各視野ごとに、円弧が横切る箇所(粒界横断箇所)の数を数え、その数の合計を、合計円弧長さ(4視野では、4L)で除した値が、円周方向平均粒界横断数となる。
すなわちこの例では、円周方向平均粒界横断数(C)は、
C=(N1+N2+N3+N4)/4L
で与えられる。
Moreover, the circumferential direction average grain boundary crossing number (C) in the raw material (small-diameter continuous cast bar) 20 is based on the center position O in the cross section orthogonal to the casting direction of the raw material 20. When a circle (concentric circle) is drawn, a value obtained by dividing the number N of portions of a predetermined length L on the circumference (arc) across the grain boundary by the circumferential length of the arc (N / L) is defined as the average value on the circumference. That is, on the above circle, take a plurality of fields of view with circumferential length L at equal intervals, and for each field of view, count the number of locations that the arc crosses (locations crossing grain boundaries), and total the number. The value divided by the arc length (4L in the case of 4 fields of view) is the circumferential direction average grain boundary crossing number.
That is, in this example, the circumferential average grain boundary crossing number (C) is
C = (N1 + N2 + N3 + N4) / 4L
Given in.

なお、上述のような外周部、中心部の円周方向平均粒界横断数(C)は、前記各領域Q1、Q2、Q3内の代表的な箇所(半径)の位置での円における測定値をもって定めればよく、例えば後述する実施例では、中心から半径2mmの円で測定した値を中心部での値とし、外周面から半径方向内側へ2mmの位置での円における測定値を外周部での値としており、実際上はこのような代表位置での測定で充分である。   In addition, the circumferential direction average grain boundary crossing number (C) of the outer peripheral part and the central part as described above is a measured value in a circle at a representative position (radius) in each of the regions Q1, Q2, and Q3. For example, in the embodiment described later, the value measured in a circle with a radius of 2 mm from the center is taken as the value at the center, and the measured value in a circle at a position 2 mm radially inward from the outer peripheral surface In practice, measurement at such representative positions is sufficient.

但し、より正確さを求める場合は、各領域(Q1、Q2、Q3)のそれぞれについて、その領域内において半径方向に等間隔に、複数の同心円(複数のサンプル円;望ましくは3以上のサンプル円)を描き、それぞれの同心円で円周方向平均粒界横断数Cを測定し、それらを各領域ごとに平均した値(単純平均値)をもって、前記の円周方向平均粒界横断数の判定を行ってもよい。例えば、各領域Q1、Q2、Q3内(隣り合う別の領域との境界円位置を含む)に、それぞれ半径方向に等間隔に3個の同心円を描き、それらの3個の同心円における平均円周方向粒界横断数C1〜C3を求め、更にそれらの平均値Cav、すなわち
av=(C1+C2+C3)/3
によって素材(細径の連続鋳造棒材)20の横断面での鋳造組織の粗密状況(粒界の疎密状況)を判断してもよい。
However, when more accuracy is required, for each region (Q1, Q2, Q3), a plurality of concentric circles (a plurality of sample circles; desirably three or more sample circles) are equally spaced in the radial direction within the region. ), Measure the average number of crossings in the circumferential direction C in each concentric circle, and determine the average number of crossings in the circumferential direction in the circumferential direction using the average value of each region (simple average value). You may go. For example, in each region Q1, Q2, Q3 (including the boundary circle position with another adjacent region), three concentric circles are drawn at equal intervals in the radial direction, and the average circumference of these three concentric circles The number of directional grain boundary crossings C1 to C3 is obtained, and the average value Cav thereof, that is, Cav = (C1 + C2 + C3) / 3
Thus, the density of the cast structure (the density of grain boundaries) in the cross section of the raw material (thin diameter continuous cast bar) 20 may be determined.

実際に円周方向平均粒界横断数、すなわち粒界の疎密状況を測定するに当たっては、細径の連続鋳造棒材の横断面に、金属組織観察用のエッチング処理を施して粒界が観察できるように調整し、金属顕微鏡を用いて観察して横断面の同心円上の円弧が横切る粒界の数を測定したり、あるいは写真撮影などによってエッチング処理後の横断面の画像を取得し、その画像を、必要に応じて2値化処理などし、横断面の同心円上の円弧が横切る粒界の数を測定したりすれば良い。   When measuring the average number of crossing grain boundaries in the circumferential direction, that is, the density of grain boundaries, the grain boundaries can be observed by performing an etching process for observing the metal structure on the cross-section of a continuous cast bar with a small diameter. And measure the number of grain boundaries crossed by the arc on the concentric circle of the cross section by observing with a metal microscope, or obtain an image of the cross section after the etching process by photography etc. May be binarized as necessary, and the number of grain boundaries crossed by arcs on concentric circles in the cross section may be measured.

なお、外周部における円周方向平均粒界横断数Noutと、中心部における円周方向平均粒界横断数Ninとの比(Nout/Nin)は、1.3〜10の範囲内が好ましい。上記の比(Nout/Nin)が1.3未満では、横断面半径方向での組織の粗密の差が充分ではなく、そのため前述のようなコンプレッサホイールにおける各部の異なる要求性能を充分には満たし得なくなるおそれがある。一方、本発明で対象としているような径(150mm程度以下)のコンプレッサホイールを製造するための細径の連続鋳造棒材では、比(Nout/Nin)が10を越えることは実際上は少なく、また仮に比(Nout/Nin)が10を越えれば、各部の異なる要求特性は満足し得ても、中心部と外周部との組織差が著しく大きくなる結果、場所によって、強度や加工性あるいは鍛造性、靭性などに悪影響を与えることもある。 The ratio (N out / N in) of the circumferential average grain boundaries transverse speed N out, the circumferential average grain boundaries transverse speed N in the central part of the outer peripheral portion is in the range of 1.3 to 10 Is preferred. When the above ratio (N out / N in ) is less than 1.3, the difference in the density of the structure in the radial direction of the cross section is not sufficient, and therefore the required performance of each part in the compressor wheel as described above is not sufficient. There is a risk of failing to satisfy. On the other hand, the ratio (N out / N in ) exceeds 10 in practice for a thin continuous cast bar for manufacturing a compressor wheel having a diameter (about 150 mm or less) as the subject of the present invention. If the ratio (N out / N in ) exceeds 10, even if different required characteristics of each part can be satisfied, the difference in structure between the central part and the outer peripheral part becomes remarkably large. It may adversely affect workability, forgeability and toughness.

なお、具体的な円周方向平均横断粒界数の値は、連続鋳造時の鋳造速度、冷却条件、鋳造径、合金の成分組成などによっても異なり、一概には言えないが、150mm/分以上の鋳造速度で、外径が25mm以上、120mm以下の場合、本発明で用いるAl−Cu−Mg合金では1〜30程度が一般的であり、通常はこの程度の範囲内で、連続鋳造棒材の中心部側と外周部側とで円周方向平均横断粒界数に差が生じる。   Note that the specific value of the average number of transverse grain boundaries in the circumferential direction varies depending on the casting speed, cooling conditions, casting diameter, alloy composition of the alloy during continuous casting, etc. When the outer diameter is not less than 25 mm and not more than 120 mm, the Al—Cu—Mg alloy used in the present invention is generally about 1 to 30, and usually within this range, the continuous cast bar There is a difference in the number of average transverse grain boundaries in the circumferential direction between the central portion side and the outer peripheral portion side.

ここで、本発明において鍛造素材となる細径の連続鋳造棒材について、上述のように鋳造方向に対して直交する横断面で見た円周方向平均粒界横断数が、横断面の中心部で最小となり、外周部で最大となる鋳造組織を有するものが好ましいとした理由は次の通りである。   Here, with respect to the thin continuous cast bar material used as the forging material in the present invention, the average number of transverse boundaries in the circumferential direction as seen in the cross section orthogonal to the casting direction as described above is the center of the cross section. The reason why it is preferable to have a cast structure that is minimum at the outer periphery and maximum at the outer peripheral portion is as follows.

すなわち、本発明においては、上記のような連続鋳造棒材に、さらに熱間による密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造を施すが、連続鋳造棒材(鍛造用素材)の段階での横断面半径方向の組織の粗密条件の影響が鍛造上がり材にも残る。したがって、連続鋳造棒材(鍛造用素材)の段階での横断面半径方向の組織の粗密を適切に制御しておくことによって、次に説明するように、コンプレッサホイールの各部に求められる異なる特性を、容易に満たすことが可能となる。   That is, in the present invention, the continuous cast bar as described above is further subjected to hot sealed semi-forged or semi-closed die forged, but in the radial direction of the cross section at the stage of the continuous cast bar (forging material). The influence of the density condition of the structure remains on the forged material. Therefore, by appropriately controlling the density of the structure in the radial direction of the cross section at the stage of the continuously cast bar (forging material), as described below, different characteristics required for each part of the compressor wheel can be obtained. Can be easily met.

鍛造に当たっては、細径の連続鋳造棒材からなる鍛造用素材を、鍛造加圧方向が、素材の鋳造方向に沿いかつコンプレッサホイールの回転中心軸線方向に沿うように密閉型もしくは半密閉型内に配置して鍛造する。
ここで、鍛造上がり材についても、鍛造加圧方向に対して直交する横断面で見た円周方向平均粒界横断数が、中心部で最小となり、外周部で最大となる鍛造組織を有することが望ましい。但しその円周方向平均粒界横断数は鍛造上がり材における軸方向に沿った方向の全高さの2分の1の位置において、鍛造加圧方向に対して直交する横断面で観察したものとすることが適切である。なお円周方向平均粒界横断数自体の定義、測定方法は、既に述べた連続鋳造棒材についてと同様である。
For forging, a forging material consisting of a continuous casting bar with a small diameter is placed in a closed mold or semi-sealed mold so that the forging pressure direction is along the casting direction of the material and along the rotation center axis direction of the compressor wheel. Place and forge.
Here, the forged material also has a forged structure in which the number of circumferential average grain boundary crossings seen in a cross section orthogonal to the forging pressure direction is minimum at the center and maximum at the outer periphery. Is desirable. However, the average number of grain boundaries in the circumferential direction is observed in a cross section perpendicular to the forging pressurization direction at a position of one half of the total height in the direction along the axial direction of the forged material. Is appropriate. The definition and measurement method of the circumferential average grain boundary number itself are the same as those of the continuous cast bar already described.

このように、鍛造上がり材として、軸方向に沿った方向の全高さの2分の1の位置において、鍛造加圧方向に対して直交する横断面で見た円周方向平均粒界横断数が、中心部で最小となり、外周部で最大となる鍛造組織を有することにより、次のような効果が得られる。   Thus, as a forged finished material, the circumferential average grain boundary crossing number as viewed in a cross section perpendicular to the forging pressure direction at the position of one half of the total height in the direction along the axial direction. The following effects can be obtained by having a forged structure that is minimum at the center and maximum at the outer periphery.

鍛造上がり材において、中心部における羽根付け根部に対応する箇所の円周方向平均粒界横断数が少ないこと、すなわち相対的に組織が疎であることは、羽根付け根部の切欠き疲労強度の向上に有効となる。すなわちコンプレッサホイールの高速回転時に応力が集中する羽根付け根部において切欠き疲労破壊の起点となる粒界が少なければ、切欠き疲労強度の向上に寄与する。また、コンプレッサホイールの回転軸部の一端側の箇所は、シャフトが圧入されるボス部となるが、その部分の平均粒界横断数が少ないこと、すなわち相対的に組織が疎であることは、シャフト圧入時に割れを生じにくくすることが可能となる。
一方、鍛造上がり材の外周部における羽根部に対応する箇所の円周方向平均粒界横断数が多いこと、すなわち相対的に組織が密であることは、高速で回転するコンプレッサホイールにおける薄肉の羽根部の強度及び剛性の向上に寄与する。
In forged materials, the number of circumferential average grain boundary crossings in the part corresponding to the blade root at the center is small, that is, the relatively sparse structure improves the notch fatigue strength of the blade root. It becomes effective. That is, if there are few grain boundaries that are the starting points of notch fatigue failure at the blade root where stress concentrates during high-speed rotation of the compressor wheel, this contributes to improvement of notch fatigue strength. In addition, the position on the one end side of the rotating shaft part of the compressor wheel is a boss part into which the shaft is press-fitted, but the average grain boundary crossing number of the part is small, that is, the structure is relatively sparse, It becomes possible to make it hard to produce a crack at the time of shaft press-fitting.
On the other hand, the fact that the number of transverse average grain boundary crossings in the part corresponding to the blade part in the outer peripheral part of the forged material is large, that is, that the structure is relatively dense, is that the thin blade in the compressor wheel rotating at high speed This contributes to improvement of the strength and rigidity of the part.

このように、コンプレッサホイール素形材としての鍛造上がり材における前記の高さ位置での横断面の組織が、半径方向に上記で規定されるような粗密条件を満たすことによって、製品のコンプレッサホイールの各部に対する異なる要求性能を満足させることができる。   In this way, the structure of the cross section at the height position in the forged finished material as the compressor wheel shape material satisfies the density condition as defined above in the radial direction, so that the compressor wheel of the product Different required performance for each part can be satisfied.

〔ターボコンプレッサホイールの製造方法〕
次に、前述のような鍛造用素材(連続鋳造棒材)を得る過程から、ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材を製造する過程を経て、さらに最終製品のターボコンプレッサホイールに仕上げるまでの全体的なプロセスの好ましい態様、好ましい条件について説明する。
[Method of manufacturing turbo compressor wheel]
Next, from the process of obtaining the forging material (continuously cast bar) as described above, through the process of manufacturing the forged raw material for the turbo compressor wheel, the entire process from finishing to the final turbo compressor wheel is completed. A preferred embodiment of the process and preferred conditions will be described.

<全体的なプロセスの概要>
本発明のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、細径の連続鋳造棒材に熱間での密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造を施して得られた鍛造上がり材である。本発明の鍛造素形材製造方法を適用しながら、素材からコンプレッサホイールを製造する全体的なプロセスの一例を図8に示す。
この例では、連続鋳造工程S1によって得られた細径の連続鋳造棒材を鍛造用素材とし、それに、熱間による密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造(鍛造工程S6)を施し、得られた鍛造上がり材について、必要に応じて、フランジ部を除去(半密閉型鍛造でフランジ部の周囲にバリ部が存在する場合はそのバリ部も含めてフランジ部を除去)し(フランジ部除去工程S7)、さらに、必要に応じてT6処理などの熱処理(熱処理工程S8)を施して、コンプレッサホイール用素形材とし、更に切削加工などの機械加工によって最終製品(コンプレッサーホイール)の形状、寸法に仕上げる仕上げ加工(仕上げ加工工程S9)を施し、コンプレッサホイール製品に仕上げる。
<Overview of overall process>
The forged material for turbo compressor wheel of the present invention is a forged material obtained by subjecting a continuous casting bar material having a small diameter to hot sealed or semi-sealed forging. FIG. 8 shows an example of an overall process for manufacturing a compressor wheel from a raw material while applying the method for manufacturing a forged shape material of the present invention.
In this example, the small-diameter continuous cast bar obtained in the continuous casting step S1 is used as a forging material, and then hot forging or semi-sealing die forging (forging step S6) is performed and the forging obtained. About the rising material, the flange portion is removed as necessary (if the burr portion is present around the flange portion by semi-sealing die forging, the flange portion is also removed including the burr portion) (flange portion removal step S7). Furthermore, if necessary, heat treatment such as T6 treatment (heat treatment step S8) is performed to form a shape material for the compressor wheel, and finishing to the shape and dimensions of the final product (compressor wheel) by machining such as cutting. Processing (finishing step S9) is performed to finish the compressor wheel product.

<連続鋳造工程S1>
素材の製造方法としては、細径の棒材に連続的に鋳造する連続鋳造法を適用する。すなわち、所定の成分組成に調整したアルミニウム合金溶湯を、連続鋳造法によって細径(ロッド状:円柱棒状)に鋳造する。ここで、連続鋳造の具体的態様は、高速で鋳造で鋳造できる連続鋳造法であれば(したがって凝固速度が速い連続鋳造法であれば)、特に限定されないが、水平連続鋳造、竪型連続鋳造のいずれでもよく、また気体加圧式ホットトップ連続鋳造法などを好適に適用することができる。
このような連続鋳造法を適用することによって、生産性が向上するばかりでなく、鋳造組織が微細でかつ偏析も少ない鋳造棒材を得ることが可能となる。しかも連続鋳造で得られる棒材(円柱状ロッド)は、既に述べたようにほぼ等軸晶組織となり、そのため製品のコンプレッサホイールに求められる動バランスも優れた素材となる。しかも連続鋳造棒材の等軸晶組織では、鋳造方向とそれに直交する方向の組織差が、押出し材と比較して格段に小さく、そのため方向による機械的特性のばらつきも比較的小さく抑えることができる。
<Continuous casting process S1>
As a raw material manufacturing method, a continuous casting method in which a thin rod is continuously cast is applied. That is, a molten aluminum alloy adjusted to a predetermined component composition is cast into a small diameter (rod shape: cylindrical bar shape) by a continuous casting method. Here, the specific aspect of continuous casting is not particularly limited as long as it is a continuous casting method that can be cast at high speed (thus, if it is a continuous casting method with a high solidification rate), but horizontal continuous casting, vertical continuous casting. Any of these may be used, and a gas-pressing hot top continuous casting method or the like can be suitably applied.
By applying such a continuous casting method, it is possible not only to improve productivity, but also to obtain a cast bar having a fine cast structure and little segregation. Moreover, the bar material (cylindrical rod) obtained by continuous casting has a substantially equiaxed crystal structure as described above, and therefore, it has excellent dynamic balance required for the compressor wheel of the product. Moreover, in the equiaxed crystal structure of the continuous cast bar, the difference in structure between the casting direction and the direction orthogonal thereto is much smaller than that of the extruded material, so that the variation in the mechanical characteristics depending on the direction can be suppressed to be relatively small. .

ここで、連続鋳造は、150mm/分以上の鋳造速度で、外径が25mm以上、120mm以下となるように鋳造することが望ましい。鋳造速度が150mm/分以上で120mm以下の細径に鋳造することによって、横断面半径方向の組織がさほど大きくは変化しない等軸晶の微細な組織ではあるが、既に述べたように、円周方向平均粒界横断数が、中心部で最小となり、外周部で最大となる組織、すなわち中心部の組織が相対的に粗く、外周部の組織が相対的に密な組織を得ることができる。なお、より好ましくは、鋳造速度が200mm/分以上でかつ外径が25mm〜80mmとなるように鋳造することが望ましい。さらに好ましくは、鋳造速度が250mm/分以上でかつ外径が25mm〜60mmとなるように鋳造することが望ましい。
また、連続鋳造法のうちでも、特に水平連続鋳造法を適用すれば、鋳造速度は、平均で900mm/分以上の高速とすることができ、その場合は、著しい急冷効果によって、全体的に、より微細な組織を得ることが可能となる。
Here, the continuous casting is desirably performed at a casting speed of 150 mm / min or more so that the outer diameter is 25 mm or more and 120 mm or less. By casting at a casting speed of 150 mm / min or more to 120 mm or less, the microstructure in the radial direction of the cross section is a fine structure of equiaxed crystals that does not change so much. It is possible to obtain a structure in which the number of directional average grain boundaries is minimum at the central portion and maximum at the outer peripheral portion, that is, a relatively coarse structure at the central portion and a relatively dense structure at the outer peripheral portion. More preferably, casting is performed so that the casting speed is 200 mm / min or more and the outer diameter is 25 mm to 80 mm. More preferably, it is desirable to perform casting so that the casting speed is 250 mm / min or more and the outer diameter is 25 mm to 60 mm.
Also, among the continuous casting methods, in particular, if the horizontal continuous casting method is applied, the casting speed can be set to a high speed of 900 mm / min or more on average. In that case, due to the remarkable quenching effect, overall, A finer structure can be obtained.

<均質化処理工程S2>
上述のようにして得られた細径の連続鋳造棒材に対しては、必要に応じて均質化処理を施す。均質化処理を施せば、鋳造時の偏析を均質化する効果が得られ、再結晶核となる遷移金属元素の粗大化が起こらず、粗大再結晶防止の点から好ましい。この均質化処理の条件は特に限定されないが、本発明で用いるAl−Cu−Mg系合金では、470〜520℃に、8〜24時間加熱することが好ましい。
<Homogenization process S2>
A homogenization process is performed as needed with respect to the thin continuous casting bar material obtained as described above. If homogenization is performed, the effect of homogenizing segregation during casting can be obtained, and the transition metal element that becomes a recrystallization nucleus does not become coarse, which is preferable from the viewpoint of preventing coarse recrystallization. The conditions for the homogenization treatment are not particularly limited, but it is preferable that the Al—Cu—Mg alloy used in the present invention is heated to 470 to 520 ° C. for 8 to 24 hours.

<ロール矯正工程S3〜ピーリング工程S4>
均質化処理後は、必要に応じてロールにより連続鋳造棒材の曲りを矯正するためのロール矯正を行い、更に表面の鋳造欠陥部分や凹凸を除去するためのピーリング(面削)を行う。
<Roll straightening step S3 to peeling step S4>
After the homogenization treatment, roll correction for correcting the bending of the continuous cast bar is performed with a roll, if necessary, and further peeling (face milling) is performed to remove a casting defect portion and unevenness on the surface.

<切断工程S5>
ロール矯正工程、ピーリング工程の後には、連続鋳造棒材を所定の長さの短尺丸棒材に切断する。すなわち、その後の工程や最終製品の1個のコンプレッサホイールの軸線方向長さなどに応じた適切な長さに切断する。
<Cutting step S5>
After the roll straightening process and the peeling process, the continuous cast bar is cut into a short round bar having a predetermined length. That is, it cut | disconnects in suitable length according to the subsequent process and the axial direction length of one compressor wheel of the final product.

<鍛造工程(熱間での密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造S6>
切断工程S5を経て所定の短尺に切断した細径の連続鋳造棒材に対して、熱間での密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造を施す。その際には、鍛造用素材(細径の連続鋳造棒材短尺材)の中心軸線が、得るべきコンプレッサホイール製品の回転中心軸線に一致するように鍛造型のキャビティ(例えば、下型に、鍛造用素材の中心軸を金型の中心軸線に一致させるための段差が形成されている)内に挿入し、鍛造加圧方向が鍛造用素材の連続鋳造時の鋳造方向に沿うように、一方向加圧によって鍛造し、例えば図4Aもしくは図4Bに示しているような鍛造上がり材(鍛造素形材)10を得る。このような鍛造上がり材(鍛造素形材)10において、符号13の部位は、製品のコンプレッサホイールにおける回転軸部3に相当し、特にその一端側の部位13Aは、回転軸部3の一端側の突出部(ボス部)5に相当し、更に符号14の部位は、製品のコンプレッサホイールにおける羽根部4に相当し、また符号18の部位は、製品のコンプレッサホイールにおける羽根付け根部7に相当する。
そして本発明の場合、コンプレッサホイールにおける羽根部に相当する部位の半径方向外側延出するフランジ部12が形成されるように鍛造する。また半密閉型鍛造を適用する場合は、フランジ部12の外側にさらに半径方向外側に延出するバリ部16が形成される。
<Forging process (hot sealed die forging or semi-sealed die forging S6>
The small-diameter continuous cast bar cut to a predetermined short length through the cutting step S5 is subjected to hot hermetic forging or semi-hermetic forging. In that case, the forging die cavity (for example, forging in the lower die) so that the center axis of the forging material (short continuous cast bar material with a small diameter) coincides with the rotation center axis of the compressor wheel product to be obtained. In one direction so that the forging pressurization direction follows the casting direction during continuous casting of the forging material. Forging is performed by pressurization to obtain a forged finished material (forged material) 10 as shown in FIG. 4A or 4B, for example. In such a forged finished material (forged raw material) 10, a portion denoted by reference numeral 13 corresponds to the rotary shaft portion 3 in the compressor wheel of the product, and in particular, a portion 13 A on one end side thereof is one end side of the rotary shaft portion 3. Further, the reference numeral 14 corresponds to the blade portion 4 of the product compressor wheel, and the reference numeral 18 corresponds to the blade root portion 7 of the product compressor wheel. .
And in the case of this invention, it forges so that the flange part 12 extended in the radial direction outer side of the site | part corresponded to the blade | wing part in a compressor wheel may be formed. When semi-hermetic forging is applied, a burr portion 16 is formed on the outer side of the flange portion 12 so as to extend further outward in the radial direction.

このように型鍛造を施すことによって、組織を緻密化して、全体として強度、剛性の向上を図ることが可能となるばかりでなく、鍛造時の材料の流れ挙動(メタルフロー)を有効に利用して、コンプレッサホイールにおける各部の望ましい特性に応じた組織状態を得ることが可能となる。特にフランジ部への大きなメタルフローによって羽根部の円周方向への繊維強化を図れる。
なお、この鍛造工程S6の具体的条件等については、後に項を改めて詳細に説明する。
<フランジ部除去工程S7>
鍛造上がり材10については、その後の熱処理工程S8の前に、製品のコンプレッサホイールに対する余肉部位である、フランジ部16を除去することが望ましい。このように熱処理の前にフランジ部16を除去しておくことによって、熱処理工程S8における熱エネルギを低減して、エネルギコストの増加を抑えることができる。なお半密閉鍛造型による鍛造上がり材の場合には、フランジ部の外周側のバリ部16も同時に除去することはもちろんである。具体的なフランジ部除去工程としては、トリミング加工や、あるいは切削加工などを含んでコンプレッサホイールの粗形状に加工する、いわゆる粗加工を適用すればよい。
By performing die forging in this way, it is possible not only to refine the structure and improve overall strength and rigidity, but also to effectively use the material flow behavior (metal flow) during forging. Thus, it is possible to obtain a tissue state corresponding to desired characteristics of each part in the compressor wheel. In particular, fiber reinforcement in the circumferential direction of the blade portion can be achieved by a large metal flow to the flange portion.
In addition, about the concrete conditions of this forging process S6, a term is demonstrated in detail later anew.
<Flange removal step S7>
About the forged finished material 10, it is desirable to remove the flange part 16 which is the surplus part with respect to the compressor wheel of a product before subsequent heat treatment process S8. Thus, by removing the flange part 16 before heat processing, the thermal energy in heat processing process S8 can be reduced and the increase in energy cost can be suppressed. Of course, in the case of a forged material using a semi-sealed forging die, the burr 16 on the outer peripheral side of the flange is also removed at the same time. What is necessary is just to apply what is called roughing which processes into the rough shape of a compressor wheel including trimming or cutting, etc. as a concrete flange part removal process.

<熱処理工程(例えばT6処理)S8>
上述のようにして必要に応じてフランジ部除去工程S7を実施した後には、鍛造上がり材に対して、例えば、溶体化処理後、人工時効処理を施すT6処理を施すことが好ましい。なおここで、T6処理には、溶体化処理における加熱後の冷却(焼入れ)を温水焼入れによって行う、いわゆるT61処理も含むものとする。
<Heat treatment step (for example, T6 treatment) S8>
After performing flange part removal process S7 as needed as mentioned above, it is preferable to give T6 process which performs artificial aging treatment, for example, after solution treatment to a forged material. Here, the T6 treatment includes so-called T61 treatment in which cooling (quenching) after heating in the solution treatment is performed by hot water quenching.

熱処理の具体的条件は特に限定されないが、例えば480℃以上でかつ使用合金の固相線以下の温度で0.5〜4時間の加熱保持(溶体化処理)した後、20℃〜75℃の水温に焼入れし、その後、170℃〜230℃×2時間〜24時間の人工時効処理もしくは安定化処理を行うことが好ましい。
このようにT6処理を施すことによって、より強度向上を図ることができる。
Although the specific conditions of heat processing are not specifically limited, For example, after heat-maintaining (solution treatment) for 0.5 to 4 hours at the temperature of 480 degreeC or more and below the solidus line of an alloy used, 20 degreeC-75 degreeC It is preferable to quench at a water temperature and then perform an artificial aging treatment or stabilization treatment at 170 ° C. to 230 ° C. × 2 hours to 24 hours.
Thus, the strength can be further improved by performing the T6 treatment.

<仕上げ加工工程S9>
熱処理工程後には、最終製品のコンプレッサホイールの形状、寸法に仕上げるために、外径部分の羽根部形成のための切削加工や、シャフト穴部分の穴あけ加工(ドリル加工)などの仕上げ加工を施す。なお、前述のようなフランジ部除去工程S7を熱処理工程S8の前に実施していない場合は、仕上げ加工前に、フランジ部16を除去(半密閉鍛造型による鍛造上がり材の場合には、フランジ部の外周側のバリ部16も同時に除去)するため、トリミング加工や、あるいは切削加工などを含んでコンプレッサホイールの粗形状に加工する、いわゆる粗加工を施す。もちろんフランジ部(さらにはバリ部)の除去を、仕上げ加工と同時に行ってもよい。
ここで、仕上げ加工は、一般的な機械加工を適用すればよい。なお、仕上げ加工における切削加工などの機械加工は、複数工程を有する機械加工とすることもできる。
<Finishing process S9>
After the heat treatment process, in order to finish the shape and dimensions of the compressor wheel of the final product, finishing processing such as cutting processing for forming the blade portion of the outer diameter portion and drilling processing (drilling processing) of the shaft hole portion is performed. In addition, when the flange part removal process S7 as described above is not performed before the heat treatment process S8, the flange part 16 is removed before finishing (in the case of a forged material using a semi-sealed forging die, the flange part 16 is removed). In order to remove the burrs 16 on the outer peripheral side of the parts at the same time, so-called roughing is performed to process the rough shape of the compressor wheel including trimming or cutting. Of course, the removal of the flange portion (and also the burr portion) may be performed simultaneously with the finishing process.
Here, for the finishing process, general machining may be applied. Note that machining such as cutting in finishing may be machining having a plurality of steps.

このようにして細径の連続鋳造棒材を素材としての熱間での密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造を経て、最終的に製品のコンプレッサホイールを得ることができる。
次に鍛造工程の詳細について図9以降の各図を参照して説明する。
In this way, a product compressor wheel can finally be obtained through hot-sealing die forging or semi-sealing die forging using a continuous casting bar having a small diameter as a raw material.
Next, details of the forging process will be described with reference to FIGS.

〔鍛造工程S6の詳細〕
図9〜図12には、それぞれ図13に示すような鍛造素材(連続鋳造棒材)20を用いての熱間での密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造により得られた鍛造上がり材(鍛造素形材)10の代表的な形状・寸法の4例を示す。
すなわち図9には、鍛造上がり材(鍛造素形材)の第1の例として、密閉型鍛造により得られる鍛造上がり材の形状例を示し、図10には、鍛造上がり材(鍛造素形材)の第2の例として、半密閉型鍛造により得られる鍛造上がり材の形状例を示す。さらに図11、図12には、それぞれ鍛造上がり材(鍛造素形材)の第3の例、第4の例として、密閉型鍛造により得られる鍛造上がり材の形状例を示す。なお図9〜図13において、各部の寸法及び曲率半径Rについての数値は、mmの単位で示している。
[Details of forging step S6]
FIGS. 9 to 12 each show a forged material (forging element) obtained by hot forging or semi-sealing forging using a forging material (continuous casting bar) 20 as shown in FIG. Four examples of typical shapes / dimensions of the shape member 10 are shown.
That is, FIG. 9 shows an example of the shape of a forged finished material obtained by closed die forging as a first example of the forged finished material (forged shaped material), and FIG. 10 shows the forged finished material (forged shaped material). As a second example of), an example of the shape of the forged material obtained by semi-hermetic forging is shown. Further, FIGS. 11 and 12 show examples of the shape of the forged material obtained by closed die forging as a third example and a fourth example of the forged material (forged raw material), respectively. 9 to 13, the numerical values for the dimensions and the radius of curvature R of each part are shown in units of mm.

図9〜図12に示す各例の鍛造上がり材10は、いずれも、既に述べたように羽根部相当部位14の外面が、中心軸線Oに沿った方向の一方の側(図では上側)から他方の側(下側)に向けてテーパー状に拡径された傾斜面14Aを有する。さらに、羽根部相当部位14の先端(外周側先端部分)から、半径方向外側に延出するフランジ部12を有している。そしてこれらの各例のうち、半密閉型鍛造による第2の例(図10)では、フランジ部12の外周から外側に、さらにバリ部16が延出する形状となっている。ちなみに、密閉型鍛造による第1の例(図9)、第3の例(図11)、第4の例(図9)では、密閉型での鍛造であるためこのようなバリ部は形成されない。なお第1の例(図9)、第3の例(図11)、第4の例(図12)の相違点は、各部の寸法比を変えて、後に説明するように、据込率U、体積比VR、絞り高さ比SRのいずれか1以上を異ならせたことである。   In each of the forged finished materials 10 shown in FIGS. 9 to 12, as described above, the outer surface of the blade portion corresponding portion 14 is from one side (upper side in the drawing) in the direction along the central axis O. It has an inclined surface 14A that is enlarged in a taper shape toward the other side (lower side). Furthermore, it has the flange part 12 extended from the front-end | tip (outer peripheral side front-end | tip part) of the blade | wing part equivalent site | part 14 to a radial direction outer side. Of these examples, in the second example (FIG. 10) by semi-hermetic forging, the burr 16 further extends from the outer periphery of the flange 12 to the outside. By the way, in the first example (FIG. 9), the third example (FIG. 11), and the fourth example (FIG. 9) by closed die forging, such a burr portion is not formed because of forged die. . The difference between the first example (FIG. 9), the third example (FIG. 11), and the fourth example (FIG. 12) is that, as will be described later, the upsetting rate U Any one or more of the volume ratio VR and the aperture height ratio SR is made different.

一方、図14Aには、金型として密閉型を用いて、例えば図13に示すような鍛造素材(連続鋳造棒材)を熱間鍛造するための金型(密閉型鍛造用の金型)30の一例を、上型の上死点で示し、図14Bには同じ密閉型鍛造用金型30についての下死点で示す。すなわち図14A、図14Bに示す金型30は、図9に示す第1の例、もしくは図11に示す第3の例の鍛造素形材、あるいは図12に示す第4の例の鍛造素形材を得るための密閉金型である。
また、図15Aには、金型として半密閉型を用いて、例えば図13に示すような鍛造素材(連続鋳造棒材)を熱間鍛造するための金型(半密閉型鍛造用の金型)32の一例を、上型の上死点で示し、図15Bには同じ半密閉型鍛造用金型32についての下死点で示す。すなわち図15A、図15Bに示す金型32は、図10に示す第2の例の鍛造素形材を得るための半密閉金型である。
On the other hand, in FIG. 14A, a mold (mold for forging mold forging) 30 for hot forging a forging material (continuous cast bar) as shown in FIG. An example is shown at the top dead center of the upper die, and FIG. 14B shows the bottom dead center of the same closed die forging die 30. That is, the die 30 shown in FIG. 14A and FIG. 14B has the forging shape of the first example shown in FIG. 9 or the third example shown in FIG. 11 or the forging shape of the fourth example shown in FIG. It is a closed mold for obtaining a material.
15A shows a die for hot forging a forging material (continuous cast bar) as shown in FIG. 13, for example, as shown in FIG. 13 (a die for semi-sealing die forging). ) 32 is shown at the top dead center of the upper die, and FIG. 15B shows the bottom dead center of the same semi-sealing die forging die 32. That is, the mold 32 shown in FIGS. 15A and 15B is a semi-hermetic mold for obtaining the forged material of the second example shown in FIG.

ここで、いずれの金型も、鍛造用素材(細径の連続鋳造棒材短尺材)が挿入されるキャビティ(段差部)を有する下型30Bと、その下型30Bに向って降下してキャビティ内の鍛造用素材40を押圧する上型34Aと、鍛造後の材料(鍛造上がり材10)をキャビティから排出するためのエジェクターアウトピン35、上型への鍛造品貼り付きを防止するパンチノックアウトピン36とによって構成されている。なおプレス機、金型を装着するダイセット、上型上部のプレート類、下型下部のプレート類は、従来のものと同様であればよいから、これらの図には示していない。   Here, each die has a lower die 30B having a cavity (stepped portion) into which a forging material (a thin continuous cast bar material having a small diameter) is inserted, and descends toward the lower die 30B to form a cavity. An upper die 34A for pressing the forging material 40 therein, an ejector out pin 35 for discharging the forged material (forged material 10) from the cavity, and a punch knockout pin for preventing the forged product from sticking to the upper die 36. The press machine, the die set for mounting the mold, the upper upper plate, and the lower lower plate are not shown in these drawings because they may be the same as the conventional one.

細径の連続鋳造棒材(切断工程5を経て所定の短尺に切断したもの)に対して、熱間での密閉型鍛造を施す際には、鍛造用素材(細径の連続鋳造棒材短尺材)の製造時の連続鋳造方向が、得るべきコンプレッサホイール製品の回転中心軸線方向に一致するように鍛造型のキャビティ内に挿入し、鍛造加圧方向が鍛造用素材の連続鋳造時の鋳造方向(連続鋳造棒材の長さ方向)に沿うように、一方向加圧によって鍛造し、鍛造上がり材(素形材)10を得る。   When subjecting a narrow continuous casting bar (cut to a predetermined short length through the cutting step 5) to hot closed die forging, a forging material (a small continuous casting bar short) Material) is inserted into the cavity of the forging die so that the direction of continuous casting at the time of manufacture coincides with the rotation center axis direction of the compressor wheel product to be obtained, and the forging pressure direction is the casting direction during continuous casting of the forging material. Forging is performed by unidirectional pressing so as to follow (the length direction of the continuously cast bar), and a forged finished material (raw material) 10 is obtained.

ここで、鍛造時の鍛造型のキャビティと鍛造用素材との関係は、キャビティの内周面もしくは内周縁(通常は下型の内周面もしくは内周縁)によって鍛造用素材が位置決めされて、鍛造用素材の中心軸線(鋳造方向に沿った方向における中心軸線)が、キャビティ(通常は下型)の中心軸線と一致するように、したがって製品のコンプレッサホイールの回転軸線と一致するように芯出しして、鍛造することが好ましい。ここで、図14A、図14Bに示した密閉型の例、図15A、図15Bに示した半密閉型の例のいずれの場合も、鍛造用素材40を下型34Bのキャビティに挿入するだけで、その鍛造用素材の中心軸線が、ほぼキャビティ(通常は下型内)の中心軸線と一致するように、したって製品のコンプレッサホイールの回転軸線とほぼ一致するように芯出しすることができ、しかもその芯出し状態を維持したまま、鍛造することができる。
なお、密閉鍛造の場合は、上型が下型キャビティに嵌合してから鍛造成形がスタートするように取り合いを設計しているから、上型と下型の中心軸線もほぼ一致する。一方半密閉鍛造の場合、図示していないが、上下型の位置ズレ防止のガイドなどを設けて、上型と下型の中心軸線のズレを防止することが好ましい。
Here, the relationship between the forging die cavity and the forging material at the time of forging is that the forging material is positioned by the inner peripheral surface or inner peripheral edge of the cavity (usually the inner peripheral surface or inner peripheral edge of the lower die), and the forging The center axis of the material (center axis in the direction along the casting direction) should be centered so that it matches the center axis of the cavity (usually the lower mold) and therefore the rotation axis of the product compressor wheel. Forging is preferable. 14A and 14B and the semi-enclosed example shown in FIGS. 15A and 15B, the forging material 40 is simply inserted into the cavity of the lower die 34B. , The center axis of the forging material can be centered so that it almost coincides with the center axis of the cavity (usually in the lower mold), and therefore substantially coincides with the rotation axis of the product compressor wheel, Moreover, forging can be performed while maintaining the centering state.
In the case of hermetic forging, since the connection is designed so that forging starts after the upper die is fitted in the lower die cavity, the central axes of the upper die and the lower die are substantially coincident. On the other hand, in the case of semi-sealed forging, although not shown, it is preferable to provide a guide for preventing positional deviation of the upper and lower dies to prevent deviation between the central axes of the upper die and the lower die.

そして、このような鍛造型を用いて、フランジ部12が形成されるように熱間で密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造を行うことによって、単に鍛造による組織緻密化の効果が得られるだけではなく、羽根部相当部位14において回転中心軸線の側からからフランジ部12へ向かう大きなメタルフローが生じて、コンプレッサホイールの羽根部の半径方向に沿っての繊維強化効果を得ることができる。すなわち、回転中心軸線に沿った方向(L方向)に対して直交する方向(LT方向)の強度の大幅な向上を図ることができる。とりわけ、羽根部相当部位14の傾斜面14Aの直下の位置において、製品コンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部の先端曲線が並ぶ仮想曲面に沿ったメタルフローが生じることによって、チップエッジ部の強度向上を図ることができる。これらのメタルフローについては、次に詳細に説明する。   And, by using such a forging die, hot-sealing die forging or semi-sealing die forging is performed so that the flange portion 12 is formed, not only can the effect of densification of the structure be obtained. A large metal flow from the rotation center axis side toward the flange portion 12 occurs in the blade portion corresponding portion 14, and a fiber reinforcing effect along the radial direction of the blade portion of the compressor wheel can be obtained. That is, the strength in the direction (LT direction) orthogonal to the direction (L direction) along the rotation center axis can be greatly improved. In particular, at a position immediately below the inclined surface 14A of the blade equivalent portion 14, a metal flow along a virtual curved surface in which the tip curves of the tip edge portions of a large number of blade portions of the product compressor wheel are arranged is generated. Strength can be improved. These metal flows will be described in detail next.

図16〜図19には、上記の第1の例(図9)〜第4の例(図12)について、鍛造によるメタルフローを模式的に示す。
図16に示す第1の例(図9に対応する密閉型鍛造の一例)では、鍛造時の材料のメタルフローは、図16に示す鍛造上がり材10の内部に細線矢印で示したような流れとなる。すなわち、コンプレッサホイールにおける羽根部4となるべき羽根部相当部位14では、概略的には中心軸線Oの側からフランジ部12に流れ込む大きなメタルフローが生じる。そのため、メタルフローによる繊維強化効果によって、薄肉でかつ大きな遠心力が作用する羽根部の強度向上を図ることができる。とりわけ、羽根部相当部位14の傾斜面14Aの直下の位置においては、製品コンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部の先端曲線が並ぶ仮想曲面に沿ったメタルフローとなり、最も薄肉でかつ大きな遠心力が作用する羽根部先端部分(チップエッジ部)の剛性の向上を図ることができる。
16 to 19 schematically show a metal flow by forging in the first example (FIG. 9) to the fourth example (FIG. 12).
In the first example shown in FIG. 16 (an example of closed die forging corresponding to FIG. 9), the metal flow of the material at the time of forging flows as shown by the thin line arrow inside the forged material 10 shown in FIG. It becomes. That is, in the blade portion equivalent portion 14 to be the blade portion 4 in the compressor wheel, a large metal flow that flows into the flange portion 12 from the central axis O side is roughly generated. For this reason, the strength of the blade portion, which is thin and has a large centrifugal force, can be improved by the fiber reinforcement effect of the metal flow. In particular, at a position immediately below the inclined surface 14A of the blade equivalent portion 14, the metal flow is along a virtual curved surface in which the tip curves of the tip edge portions of a large number of blade portions of the product compressor wheel are arranged. It is possible to improve the rigidity of the tip part (tip edge part) of the blade part where the force acts.

一方、鍛造上がり材10においてその内部の中心部分(但し、ボス部5からは下方に離れた側の中心部分;コンプレッサホイールの回転軸部3における羽根取付け部7を含む部分)は、材料の流れがフランジ部に比べ疎な部分(デッドメタル部分)DMとなる。すなわち、製品の回転軸部3に相当する部位13及びその周縁の羽根付け根部7に相当する部位17は、鍛造時のメタルフローがないデッドメタル部分DMであるため、鍛造用素材である連続鋳造棒材の組織が実質的に引き継がれ、外周部と比較して密度が疎の組織が残される。そのため、コンプレッサホイールの高速回転時に応力が集中する羽根付け根部において切欠き疲労破壊の起点となる粒界が少なくなって、切欠き疲労強度の向上に寄与する。   On the other hand, the center portion inside the forged material 10 (however, the center portion on the side away from the boss portion 5; the portion including the blade mounting portion 7 in the rotating shaft portion 3 of the compressor wheel) is the material flow. Becomes a sparse part (dead metal part) DM as compared with the flange part. That is, the portion 13 corresponding to the rotating shaft portion 3 of the product and the portion 17 corresponding to the blade root portion 7 on the periphery thereof are dead metal portions DM having no metal flow at the time of forging. The structure of the bar material is substantially taken over, and a structure with a lower density than the outer peripheral portion is left. Therefore, the grain boundary that becomes the starting point of notch fatigue failure is reduced at the blade root where stress concentrates during high speed rotation of the compressor wheel, which contributes to improvement of notch fatigue strength.

なお本発明との比較のため、従来の一般的な押出し材を素形材として、本発明で規定するような鍛造を適用せずにコンプレッサホイールを製造する場合における、押出し素形材50のメタルフローFM´を、製品のコンプレッサホイールの形状に対応させて図21に示す。このような押出し素形材50のメタルフローFM´は、一般には図21に矢印で示しているように、コンプレッサホイールの回転中心軸線Oと平行となる。すなわち、本発明の場合のような、羽根部相当部位において半径方向外側に向かうメタルフローFMは形成されない。したがって、LT方向の強度は低くならざるを得ない。   For comparison with the present invention, the metal of the extruded raw material 50 in the case of manufacturing a compressor wheel without applying forging as defined in the present invention using a conventional general extruded material as a raw material. The flow FM ′ is shown in FIG. 21 corresponding to the shape of the compressor wheel of the product. Such a metal flow FM ′ of the extruded material 50 is generally parallel to the rotation center axis O of the compressor wheel, as indicated by an arrow in FIG. That is, as in the case of the present invention, the metal flow FM directed outward in the radial direction is not formed in the portion corresponding to the blade portion. Therefore, the strength in the LT direction has to be low.

また、本発明のようにフランジ部12を形成せず、且つ傾斜面14Aも有さない形状の鍛造上がり材を得る従来の単純据込鍛造の場合の鍛造上がり材(単純円盤状)60のメタルフローFM´´を、製品のコンプレッサホイールの形状に対応させて図22に示す。このような単純据込鍛造上がり材60のメタルフローFM´´は、一般には図22に矢印で示しているように、コンプレッサホイールの回転中心軸線Oに対して直交する方向となる。この場合、羽根部相当部位のメタルフロー、とりわけ製品のコンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部の曲線が連なる仮想曲面付近のメタルフローは、その仮想曲面に沿わないことになる。そのため、コンプレッサホイールの羽根部のチップエッジ部の強化を充分に図ることができない。   Moreover, the metal of the forging up material (simple disk shape) 60 in the case of the conventional simple upsetting forging which obtains the forging up material of the shape which does not form the flange part 12 and does not have the inclined surface 14A like this invention. The flow FM ″ is shown in FIG. 22 corresponding to the shape of the product compressor wheel. Such a metal flow FM ″ of the upsetting forged material 60 is generally in a direction perpendicular to the rotation center axis O of the compressor wheel, as indicated by an arrow in FIG. In this case, the metal flow in the portion corresponding to the blade portion, particularly the metal flow in the vicinity of the virtual curved surface where the curves of the tip edge portions of many blade portions of the compressor wheel of the product are continuous, does not follow the virtual curved surface. Therefore, it is not possible to sufficiently enhance the tip edge portion of the blade portion of the compressor wheel.

さらに、特許文献3に示されているように、素材を3方向に鍛造する従来技術の場合は、鍛造上がり材が全体的に均質な組織となり、本発明の場合のような羽根部相当部位において半径方向外側に向かうメタルフローは形成されない。   Furthermore, as shown in Patent Document 3, in the case of the conventional technique for forging a material in three directions, the forged material becomes a homogeneous structure as a whole, and in the portion corresponding to the blade portion as in the present invention. A metal flow directed radially outward is not formed.

したがってこれらのメタルフローに関する考察から、従来技術に対する本発明の技術の優位性が明らかである。   Therefore, the superiority of the technology of the present invention over the prior art is apparent from these metal flow considerations.

ここで、羽根部相当部位においてフランジ部へ向かう適切なメタルフローを形成してLT方向の強度向上を確実に図るためには、鍛造による塑性加工の程度についての指標及び鍛造温度(鍛造時の素材温度)に関して、次のような諸条件を満足させて鍛造することが望ましい。   Here, in order to form an appropriate metal flow toward the flange portion at the portion corresponding to the blade portion and reliably improve the strength in the LT direction, an index and a forging temperature (forging material) Regarding the temperature, it is desirable to perform forging while satisfying the following conditions.

第1には、鍛造素材(連続鋳造棒材)20における前記回転中心軸線Oに沿った方向の高さをh(図13参照)とし、鍛造素形材の羽根部相当部位14Aにおける前記回転中心軸線Oに沿った方向の高さが最も高い位置(言い換えれば、羽根部の最も厚肉な部分に相当する位置、また羽根部におけるその付け根部に最も近い位置)におけるその高さをb(図4A、図4B、図9〜図12参照)とし、据込率Uを、
U={(h−b)/h}×100(%)
と定義すれば、据込率Uが、40〜80%の範囲内となるように熱間鍛造することが望ましい。
First, the height of the forged material (continuously cast bar) 20 in the direction along the rotation center axis O is h (see FIG. 13), and the rotation center in the blade portion corresponding portion 14A of the forged raw material. The height at the position where the height in the direction along the axis O is the highest (in other words, the position corresponding to the thickest part of the blade part and the position closest to the root part of the blade part) is b (Fig. 4A, FIG. 4B, and FIG. 9 to FIG.
U = {(h−b) / h} × 100 (%)
In this case, it is desirable to perform hot forging so that the upsetting rate U is in the range of 40 to 80%.

据込率Uが40%未満では、鍛造での塑性加工が不十分で、組織の緻密化が充分に図れなくなるとともに、羽根部相当部位からフランジ部に向かうメタルフローも充分ではなくなり、そのため強度向上が不充分となるおそれがある。そこで、本発明者等が、据込率Uと強度(常温引張強度及び0.2%耐力)との関係を調べたところ、図20に示す結果が得られている。図20に示しているように、据込率Uが0%(すなわち鍛造なし)から大きくなるにつれて強度は向上し、とりわけ据込率Uが40%付近で強度が急激に向上し、その後は据込率Uが大きくなっても強度向上効果は実質的に飽和する。このような本発明等の実験結果から、据込率Uは40%以上が好ましいことが分かる。
一方据込率Uが80%を越えれば、鍛造時に座屈や割れが発生しやすくなるから、据込率Uは、40〜80%の範囲内とすることが好ましい。なお、40〜80%の範囲内でも特に50〜75%の範囲内が好ましい。
If the upsetting ratio U is less than 40%, the plastic working in the forging is insufficient, the structure cannot be sufficiently densified, and the metal flow from the blade equivalent part to the flange part is not sufficient, so the strength is improved. May be insufficient. Then, when the present inventors investigated the relationship between the upsetting rate U and the strength (room temperature tensile strength and 0.2% yield strength), the result shown in FIG. 20 was obtained. As shown in FIG. 20, the strength increases as the upsetting rate U increases from 0% (that is, without forging), and particularly when the upsetting rate U is around 40%, the strength rapidly increases. Even if the penetration rate U increases, the strength improvement effect is substantially saturated. From such experimental results of the present invention, it is understood that the upsetting rate U is preferably 40% or more.
On the other hand, if the upsetting rate U exceeds 80%, buckling and cracking are likely to occur during forging. Therefore, the upsetting rate U is preferably in the range of 40 to 80%. In addition, even in the range of 40 to 80%, the range of 50 to 75% is particularly preferable.

なおここで、鍛造用素材(連続鋳造棒材)20の回転中心軸線Oに沿った方向の高さh(図13参照)と、その鍛造用素材(連続鋳造棒材)20の半径r(図13参照)との比(h/r)は、2以下とすることが好ましい。上記の比(h/r)が2を越えれば鍛造時に素材が座屈してしまうおそれがある。   Here, the height h (see FIG. 13) in the direction along the rotation center axis O of the forging material (continuous casting bar) 20 and the radius r (see FIG. 13) of the forging material (continuous casting bar) 20 13)) (h / r) is preferably 2 or less. If the ratio (h / r) exceeds 2, the material may buckle during forging.

第2には、主としてフランジ部の体積に関する値として、鍛造素形材の全体の体積をV1とし、羽根部相当部位の半径方向先端位置よりも外側の、前記フランジ部の全体を含む部位(製品とはならず余肉部位となる部分)の体積をV2とし、体積比VRを、
VR=(V2/V1)×100(%)
と定義した時に、体積比VRの値が、50%以上、80%未満の範囲内となるように鍛造することが好ましい。
Second, as a value mainly related to the volume of the flange portion, the entire volume of the forged raw material is V1, and the portion including the entire flange portion outside the radial tip position of the blade portion corresponding portion (product) The volume of the surplus part) is V2, and the volume ratio VR is
VR = (V2 / V1) × 100 (%)
Forging is preferably performed so that the value of the volume ratio VR is in the range of 50% or more and less than 80%.

体積比VRが50%未満では、鍛造時において羽根部相当部位からフランジ部に流れ込むメタルフローが充分ではなくなり、そのため強度向上が不充分となるおそれがある。一方体積比VRが80%を越えれば、鍛造時に座屈や割れが発生しやすくなる。なお体積比VRは、50〜80%の範囲内でも、特に65%以上、75%未満の範囲内が好ましく、さらには70%以上、75%未満の範囲内がより好ましい。   When the volume ratio VR is less than 50%, the metal flow flowing from the blade equivalent portion into the flange portion at the time of forging is not sufficient, so that the strength improvement may be insufficient. On the other hand, if the volume ratio VR exceeds 80%, buckling and cracking are likely to occur during forging. The volume ratio VR is preferably in the range of 65% or more and less than 75%, more preferably in the range of 70% or more and less than 75%, even in the range of 50 to 80%.

第3には、羽根部相当部位に対するフランジ部の厚みの比(回転中心軸線に沿った方向の高さの比)に関する指標として、フランジ部における前記回転中心に沿った方向の平均の厚みをa((図4A、図4B、図9〜図12参照)とし、また前記と同様に羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置における前述の高さをb(図4A、図4B、図9〜図12参照)とし、絞り高さ比SRを
SR=(a/b)×100(%)
と定義すれば、絞り高さ比SRが10/40〜30/40の範囲内の範囲内となるように鍛造することが好ましい。
Third, as an index regarding the ratio of the thickness of the flange portion to the portion corresponding to the blade portion (the ratio of the height in the direction along the rotation center axis), the average thickness of the flange portion in the direction along the rotation center is a. (Refer to FIGS. 4A, 4B, and 9 to 12). Similarly to the above, the above-described height at the position where the height in the direction along the rotation center in the portion corresponding to the blade portion is the highest is b (FIG. 4A, FIG. 4B, and FIGS. 9 to 12), and the aperture height ratio SR is SR = (a / b) × 100 (%)
Forging is preferably performed so that the drawing height ratio SR falls within the range of 10/40 to 30/40.

絞り高さ比SRが30/40を越える大きな値となれば、コンプレッサホイールにおける多数の羽根部のチップエッジ部がなす仮想曲面に沿ったメタルフローが不十分となり、特にチップエッジ部の剛性の向上効果が充分ではなくなるおそれがある。一方、絞り高さ比SRが10/40より小さければ、フランジ部の厚みが小さくなって、前述の体積比VRを充分に確保することが困難となる。なお、絞り高さ比SRが小さくても、フランジ部の幅(羽根部相当部位からのフランジ部の延出長さ)を大きくすれば、ある程度体積比VRを高めることは可能であるが、その場合は、フランジ部へのメタルフローが阻害されて、整然としたメタルフローを羽根部相当部位に形成することが困難となるから、絞り高さ比SRは10/40以上が好ましい。なお絞り高さ比SRは、上記範囲内でも、特に25/40〜15/40の範囲内とすることが、より好ましい。   If the drawing height ratio SR is a large value exceeding 30/40, the metal flow along the virtual curved surface formed by the tip edge portions of a large number of blade portions in the compressor wheel becomes insufficient, and in particular, the rigidity of the tip edge portion is improved. The effect may not be sufficient. On the other hand, if the drawing height ratio SR is smaller than 10/40, the thickness of the flange portion becomes small, and it becomes difficult to sufficiently secure the volume ratio VR described above. Even if the drawing height ratio SR is small, the volume ratio VR can be increased to some extent by increasing the width of the flange portion (the length of the flange portion extending from the portion corresponding to the blade portion). In this case, the metal flow to the flange portion is hindered, and it becomes difficult to form an orderly metal flow in the portion corresponding to the blade portion. Therefore, the drawing height ratio SR is preferably 10/40 or more. In addition, it is more preferable that the aperture height ratio SR is in the range of 25/40 to 15/40, even within the above range.

なお上記の塑性加工の程度に関する第1〜第3の指標(据込率U、体積比VR、絞り高さ比SR)の各条件は、すべてを同時に満足させることが望ましいが、必ずしもすべての指標条件を同時に満たすことは必須ではない。但し、少なくとも1以上の指標条件は満足させることが望ましい。   In addition, although it is desirable to satisfy all the conditions of the first to third indexes (upsetting ratio U, volume ratio VR, drawing height ratio SR) related to the degree of plastic working described above, not all indexes are satisfied. It is not essential to satisfy the conditions at the same time. However, it is desirable to satisfy at least one index condition.

第4には、鍛造工程において、鍛造時の素材温度を350〜450℃の範囲内とすることが好ましい。この鍛造温度域350〜450℃は、従来の一般的なAl−Cu―Mg系合金に適用されている鍛造温度より高めの熱間鍛造温度域である。このように鍛造温度を高めとしている理由は、例えば鍛造上がり材に対してT6処理などの熱処理を施して製品のコンプレッサホイールに仕上げる場合において、鍛造上がりによって得られた適切なメタルフローおよび組織を、製品のコンプレッサホイールまで引き継がせ、これによって羽根部の強度向上効果を製品まで維持させるためである。
すなわち、鍛造温度を350〜450℃の範囲内と比較的高めとしておけば、鍛造中から鍛造直後の段階において沙材料の回復が生じやすくなる。このように回復が生じて歪みが解消されれば、その後のT6処理などの熱処理時において粗大な再結晶が生じにくくなり、そのため鍛造上がりでのメタルフローを維持することが可能となる。T6処理などの熱処理時において、再結晶核となる歪みが多量に存在していれば、再結晶により鍛造上がり状態での組織が粗くなってしまい、その結果、前述のようなメタルフローによる効果が製品段階で期待できなくなるおそれがある。
ここで、鍛造温度が350℃未満の低温では回復が生じにくく、一方450℃を越えれば、局所融解のおそれがある。なお鍛造温度は、350〜450℃の範囲内でも、特に400〜450℃の範囲内が好ましい。
なお鍛造型に鍛造用素材を挿入する直前に、加熱炉によって鍛造用素材を加熱して、素材内部まで均一に上記の鍛造温度となるようにするのが通常であり、この場合の加熱時間は特に限定されないが、通常は30〜60分程度とすればよい。
また、鍛造後の製品温度を高く維持するため、金型温度を250℃〜350℃程度に加熱保持した状態で鍛造することが好ましい。
Fourthly, in the forging step, it is preferable that the material temperature during forging is in the range of 350 to 450 ° C. This forging temperature range 350 to 450 ° C. is a hot forging temperature range higher than the forging temperature applied to a conventional general Al—Cu—Mg alloy. The reason why the forging temperature is increased in this way is that, for example, when a forged finished material is subjected to a heat treatment such as T6 treatment to finish the product compressor wheel, an appropriate metal flow and structure obtained by forging up are obtained. This is because the compressor wheel of the product is handed over, thereby maintaining the effect of improving the strength of the blades up to the product.
That is, if the forging temperature is set relatively high in the range of 350 to 450 ° C., recovery of the sand material is likely to occur during the forging and immediately after forging. If the recovery occurs and the distortion is eliminated in this way, coarse recrystallization is less likely to occur during the heat treatment such as the subsequent T6 treatment, so that the metal flow after forging can be maintained. If there is a large amount of strain that becomes recrystallization nuclei during heat treatment such as T6 treatment, the structure in the forged up state becomes rough due to recrystallization, and as a result, the effect of the metal flow as described above can be obtained. May not be expected at the product stage.
Here, when the forging temperature is lower than 350 ° C., recovery is difficult to occur, while when it exceeds 450 ° C., local melting may occur. The forging temperature is preferably within the range of 400 to 450 ° C., even within the range of 350 to 450 ° C.
It is normal to heat the forging material in a heating furnace immediately before inserting the forging material into the forging die so that the forging temperature is uniformly reached to the inside of the material. In this case, the heating time is Although not particularly limited, it may normally be about 30 to 60 minutes.
Moreover, in order to maintain the product temperature after forging high, it is preferable to forge in the state which heated and hold | maintained the metal mold temperature to about 250 to 350 degreeC.

以上のところでは、密閉型鍛造による第1の例(図9)における鍛造による図16に示すメタルフローを参照して、本発明によるメタルフロー、及び好ましい鍛造諸条件について説明したが、半密閉型鍛造による第2の例(図10)の場合のメタルフローを図17に模式的に示す。
この場合のメタルフローは、第1の例(図9)の場合の鍛造時の材料のメタルフロー(図16)とは若干異なるが、フランジ部12からさらにバリ部16へ向かうメタルフローがある点を除き、概略的には同様となる。すなわち、コンプレッサホイールにおける羽根部4の少なくとも先端部分となるべき外周部分は、フランジ部へ流れ込む大きなフローがある部分FMとなり、一方、鍛造上がり材10内部の中心部分(但し、ボス部5からは下方に離れた側の中心部分;コンプレッサホイールの回転軸部3における羽根取付け部7を含む部分)は、材料の流れがフランジ部12に比べ疎な部分DMとなる。
このように、前記と同様、鍛造上がり材10において製品の羽根付け根部7に相当する部位は、鍛造時のメタルフローが疎な部分DMとなるため、鍛造用素材である連続鋳造棒材の組織が実質的に引き継がれ、外周部と比較して密度が疎の組織が残され、コンプレッサホイールの高速回転時に応力が集中する羽根付け根部において切欠き疲労破壊の起点となる粒界が少なくなり、切欠き疲労強度の向上に寄与する。
また、外周部における羽根部の少なくとも先端部分に対応する箇所では、大きなメタルフローが生じて、そのメタルフローの方向性と鍛造による鍛錬効果とが相俟って、高速で回転するコンプレッサホイールにおける薄肉の羽根部の先端部分の強度及び剛性の向上に寄与する。
In the above, the metal flow according to the present invention and preferable forging conditions were described with reference to the metal flow shown in FIG. 16 by forging in the first example (FIG. 9) by closed die forging. The metal flow in the case of the second example (FIG. 10) by forging is schematically shown in FIG.
The metal flow in this case is slightly different from the metal flow of the material during forging in the case of the first example (FIG. 9) (FIG. 16), but there is a metal flow from the flange portion 12 toward the burr portion 16 further. Except for the above, the outline is the same. That is, the outer peripheral portion that should be at least the tip portion of the blade portion 4 in the compressor wheel is a portion FM having a large flow flowing into the flange portion, while the central portion inside the forged finished material 10 (however, downward from the boss portion 5) The central portion on the side far from the center; the portion including the blade attachment portion 7 in the rotation shaft portion 3 of the compressor wheel) is a portion DM in which the material flow is sparse compared to the flange portion 12.
As described above, since the portion corresponding to the blade root 7 of the product in the forged finished material 10 is the portion DM in which the metal flow during forging is sparse, the structure of the continuously cast bar that is the forging material. Is substantially inherited, leaving a sparse structure compared to the outer periphery, and there are fewer grain boundaries that become the starting point of notch fatigue fracture at the root of the blade where stress concentrates at high speed rotation of the compressor wheel, Contributes to the improvement of notch fatigue strength.
Further, at a portion corresponding to at least the tip portion of the blade portion on the outer peripheral portion, a large metal flow occurs, and the thinness in the compressor wheel rotating at high speed is combined with the direction of the metal flow and the forging effect by forging. This contributes to improving the strength and rigidity of the tip of the blade portion.

図18には、密閉型鍛造による第3の例(図11)における鍛造でのメタルフローを示し、図19には、密閉型鍛造による第4の例(図12)における鍛造でのメタルフローを示す。
これらの第3の例(図11、図18)、第4の例(図12、図19)は、いずれも第1の例(図9、図17)と同様に密閉型鍛造によるものであり、また鍛造素材の寸法、最終的な製品のコンプレッサホイールの形状・寸法も第1の例と同じであるから、基本的には、第1の例と大きくは相違しないメタルフローが形成される。但し、据込率U、体積比VR、及び絞り高さ比SRのうちの1以上の条件が、第1の例とは異なり、そのためメタルフローも、第1の例とは異なっている。
ここで、第1の例〜第4の例の各例における、据込率U、体積比VR、及び絞り高さ比SRと、メタルフローの状況(滑らかさ及び強さ)を評価した結果を、表1に示す。なおいずれの例も、素材アルミニウム合金としては、後述する実施例の表2に示す、本発明成分組成範囲内の合金Aを用いた。
ここでメタルフローの状況の評価としては、「滑らかさ」は、羽根部相当部位14のうち、傾斜面14Aの直下の部位のメタルフローが滑らかであるか否か(段差の有無など)によって評価し、「強さ」は、羽根部相当部位からフランジ部に向かうメタルフローの強さによって評価した。
FIG. 18 shows the metal flow in the forging in the third example (FIG. 11) by the closed die forging, and FIG. 19 shows the metal flow in the forging in the fourth example (FIG. 12) by the closed die forging. Show.
The third example (FIGS. 11 and 18) and the fourth example (FIGS. 12 and 19) are both based on closed die forging as in the first example (FIGS. 9 and 17). Also, the dimensions of the forging material and the shape and dimensions of the final product compressor wheel are the same as in the first example, so that a metal flow that is not significantly different from the first example is basically formed. However, one or more conditions of the upsetting ratio U, the volume ratio VR, and the drawing height ratio SR are different from the first example, and therefore the metal flow is also different from the first example.
Here, the results of evaluating the upsetting ratio U, the volume ratio VR, the drawing height ratio SR, and the state of metal flow (smoothness and strength) in each of the first to fourth examples. Table 1 shows. In each example, as the material aluminum alloy, alloy A within the composition range of the present invention shown in Table 2 of Examples described later was used.
Here, as an evaluation of the state of the metal flow, “smoothness” is evaluated based on whether or not the metal flow in the portion immediately below the inclined surface 14A in the blade equivalent portion 14 is smooth (such as the presence or absence of a step). The “strength” was evaluated based on the strength of the metal flow from the portion corresponding to the blade portion toward the flange portion.

Figure 2016087624
Figure 2016087624

表1に示しているように、密閉型鍛造による第1の例(図16のメタルフロー)、及び半密閉型鍛造による第2の例(図17のメタルフロー)は、据込率U、体積比VR、及び絞り高さ比SRが同等で、かつ前述の好ましい条件範囲内である。これらの場合、図16、図17中に示しているように、羽根部相当部位14におけるフランジ部12に向かうメタルフローの強さが充分に高く、且つ羽根部相当部位14のうちの傾斜面14Aの直下の部位のメタルフローの滑らかさも十分に確保された。
これに対して、密閉型鍛造による第3の例(図18のメタルフロー)の場合、絞り高さ比SRが比較的大きいため、羽根部相当部位14におけるフランジ部12に向かうメタルフローの強さが若干劣っていた。
さらに密閉型鍛造による第4の例(図19のメタルフロー)の場合、据込率U及び体積比VRが相対的に小さく、この場合は、羽根部相当部位14のうちの傾斜面14Aの直下の部位のメタルフローに段差が生じて滑らかさに若干劣り、また羽根部相当部位14においてフランジ部12に向かうメタルフローの強さも若干小さくなった。
但し、第3の例及び第4の例は、コンプレッサホイール用鍛造素形材として全く不適当というものではなく、コンプレッサホイールの使用条件、使用態様によっては実用することが可能である。
As shown in Table 1, the first example by closed die forging (metal flow in FIG. 16) and the second example by semi-sealed die forging (metal flow in FIG. 17) have an upsetting ratio U and volume. The ratio VR and the aperture height ratio SR are the same and are within the above-mentioned preferable condition range. In these cases, as shown in FIGS. 16 and 17, the strength of the metal flow toward the flange portion 12 in the blade portion corresponding portion 14 is sufficiently high, and the inclined surface 14 </ b> A in the blade portion corresponding portion 14. The smoothness of the metal flow in the part immediately below was sufficiently secured.
On the other hand, in the case of the third example (metal flow in FIG. 18) by closed die forging, since the drawing height ratio SR is relatively large, the strength of the metal flow toward the flange portion 12 in the blade portion corresponding portion 14. Was slightly inferior.
Further, in the case of the fourth example (metal flow in FIG. 19) by closed die forging, the upsetting rate U and the volume ratio VR are relatively small. In this case, the blade 14 corresponding portion 14 is directly below the inclined surface 14A. A level difference was caused in the metal flow of this part, and the smoothness was slightly inferior, and the strength of the metal flow toward the flange part 12 in the blade equivalent part 14 was also slightly reduced.
However, the third example and the fourth example are not completely unsuitable as a forged raw material for a compressor wheel, and can be put into practical use depending on the use condition and use mode of the compressor wheel.

以下に本発明の実施例を記す。なお以下の実施例は、本発明の作用、効果を明確化するためのものであって、実施例に記載された条件が本発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。   Examples of the present invention will be described below. The following examples are for clarifying the operation and effects of the present invention, and it is needless to say that the conditions described in the examples do not limit the technical scope of the present invention.

〔実施例1〕
この実施例1は、図13に示す寸法の連続鋳造棒材を鍛造用素材とし、熱間での密閉型鍛造を施し、ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材とした例である。なおこの実施例1では、鍛造上がり材は、図9に示した第1の例の形状のものとし、密閉鍛造型と鍛造用素材との寸法関係は、図14A、得14Bに示す通りとした。
鍛造用素材としての連続鋳造棒材を製造するにあたっては、アルミ地金に添加元素を加えて溶解し、表2に示すAl−Cu―Mg系の合金Aに成分調整し、気体加圧式ホットトップ連続鋳造法により、内径φ59mmのモールドを使用して鋳造速度300mm/分にて外径58mmの丸棒状に連続鋳造し、連続鋳造棒材を得た。連続鋳造棒材に490℃で12時間保持後に空冷する均質化処理を施し、鋳造肌除去の面削(ピーリング)をして、φ54mmのアルミ合金棒材を得た。この棒材を鋸切断機により切断し、長さ64mmの円柱状の素材(鍛造用素材)を作成した。
この円柱状素材を鍛造用素材として、450℃に加熱昇温し、図14A、図14Bに示した密閉鍛造金型により図9に示す形状のフランジ付ベル型の鍛造素形材に、鍛造温度450℃で熱間鍛造成形した。鍛造上がり材(鍛造素形材)を495℃に昇温し、2時間保持後に80℃の温水に焼入れし(いわゆる溶体化処理)、続いて200℃に昇温し、10時間保持(いわゆる時効処理)した後、空冷した。なお熱間鍛造における据込率Uは、約75%である。
[Example 1]
Example 1 is an example in which a continuously cast bar having the dimensions shown in FIG. 13 is used as a forging material, and hot forging die forging is performed to obtain a forging material for a turbo compressor wheel. In Example 1, the forged material is the shape of the first example shown in FIG. 9, and the dimensional relationship between the closed forging die and the forging material is as shown in FIG. 14A and 14B. .
When manufacturing continuous casting bars as raw materials for forging, the additive elements are added to the aluminum ingot and dissolved, and the components are adjusted to the Al-Cu-Mg alloy A shown in Table 2, and the gas pressurized hot top Using a continuous casting method, a mold with an inner diameter of φ59 mm was continuously cast into a round bar shape with an outer diameter of 58 mm at a casting speed of 300 mm / min to obtain a continuous cast bar. The continuous cast bar was homogenized by air cooling after being held at 490 ° C. for 12 hours, and the cast skin was removed (peeling) to obtain an aluminum alloy bar having a diameter of 54 mm. This bar was cut with a saw cutter to create a columnar material (forging material) having a length of 64 mm.
Using this columnar material as a forging material, the temperature is raised to 450 ° C., and the forging temperature of the bell-shaped forged material with the shape shown in FIG. 9 is increased by the forging temperature shown in FIGS. 14A and 14B to the forging temperature. Hot forging was performed at 450 ° C. The forged material (forged material) is heated to 495 ° C., held for 2 hours and then quenched into warm water at 80 ° C. (so-called solution treatment), then heated to 200 ° C. and held for 10 hours (so-called aging) Treatment) followed by air cooling. In addition, the upsetting rate U in hot forging is about 75%.

〔実施例2、実施例3〕
鍛造温度を、実施例2では400℃、実施例3では350℃とした点以外は、実施例1と同様な条件、プロセスで鍛造素形材を得た。そして前記と同様に引張試験およびメタルフローの観察を行った。
[Example 2 and Example 3]
A forging material was obtained under the same conditions and process as in Example 1 except that the forging temperature was 400 ° C. in Example 2 and 350 ° C. in Example 3. Then, the tensile test and the metal flow were observed in the same manner as described above.

〔実施例4〕
この実施例4は、熱間鍛造における据込率Uを、実施例1の75%から50%に変更した点以外は実施例1と実質的に同様な条件、プロセスで鍛造素形材を製造した。
Example 4
In this Example 4, a forging material is manufactured under substantially the same conditions and process as in Example 1 except that the upsetting rate U in hot forging is changed from 75% of Example 1 to 50%. did.

〔実施例5〕
この実施例5は、熱間鍛造において、半密閉型鍛造を適用した点以外は、実施例1とほぼ同様な条件、プロセスで鍛造素形材を製造した。なおこの実施例5では、鍛造上がり材は、図10に示した第2の例の形状のものとし、半密閉鍛造型と鍛造用素材との寸法関係は、図15A、得15Bに示す通りとした。
Example 5
In Example 5, a forged material was manufactured under substantially the same conditions and process as Example 1 except that semi-hermetic forging was applied in hot forging. In Example 5, the forged material is the shape of the second example shown in FIG. 10, and the dimensional relationship between the semi-sealed forging die and the forging material is as shown in FIG. 15A and obtained 15B. did.

〔比較例1〕
素材のアルミニウム合金として、本発明で用いる合金の成分組成範囲から外れる表2のA2618合金を用いた点以外は、実施例1と実質的に同様なプロセス、条件で鍛造素形材を製造した。なお熱間鍛造についても、実施例1と同様に密閉型鍛造とした。
[Comparative Example 1]
A forged shape material was produced under substantially the same process and conditions as in Example 1 except that the A2618 alloy in Table 2 deviating from the component composition range of the alloy used in the present invention was used as the material aluminum alloy. The hot forging was also closed die forging as in Example 1.

〔比較例2〕
この比較例2は、実施例1で使用した合金Aと同じ成分組成の合金からなる押出し材をコンプレッサホイール用素形材とした例である。すなわち、合金Aを用い、気体加圧ホットトップ連続鋳造法によって得られたビレット(φ210mm)の鋳肌を面削により除去してφ200mmとし、ビレットヒーターにより約420℃に加熱し、押し出し機コンテナに装填して、熱間押出しにて押し比1/20でφ45mmの丸棒に押出し、コンプレッサホイール用素形材とした。
[Comparative Example 2]
Comparative Example 2 is an example in which an extruded material made of an alloy having the same component composition as Alloy A used in Example 1 was used as a compressor wheel shaped material. That is, using alloy A, the cast skin of the billet (φ210 mm) obtained by the gas pressure hot top continuous casting method is removed by chamfering to φ200 mm, heated to about 420 ° C. by a billet heater, and placed in an extruder container It was loaded and extruded into a 45 mm round bar with a press ratio of 1/20 by hot extrusion to obtain a compressor wheel shaped material.

〔比較例3〕
この比較例3は、実施例1で使用した合金Aと同じ成分組成の合金からなる連続鋳造棒材を、熱間鍛造を施すことなく、そのままコンプレッサホイール用素形材とした例である。この場合の連続鋳造棒材の製造プロセス、条件は、実施例1と同じである。
[Comparative Example 3]
Comparative Example 3 is an example in which a continuous cast bar made of an alloy having the same composition as that of Alloy A used in Example 1 is used as a compressor wheel shaped material as it is without hot forging. The manufacturing process and conditions for the continuously cast bar in this case are the same as in Example 1.

〔参考例1〕
この参考例1では、熱間での密閉型鍛造を行うにあたって、据込率Uを比較的低い25%とした点以外は、実施例1と同様なプロセス、条件で鍛造素形材を製造した。
[Reference Example 1]
In Reference Example 1, a forged material was manufactured under the same process and conditions as in Example 1 except that the upsetting rate U was set at a relatively low 25% when performing hot closed die forging. .

〔参考例2〕
この参考例2では、熱間での密閉型鍛造を行うにあたって、鍛造温度を比較的低い300℃とした点以外は、実施例1と同様なプロセス、条件で鍛造素形材を製造した。
[Reference Example 2]
In this Reference Example 2, a forged material was manufactured under the same process and conditions as in Example 1 except that the hot forging die forging was performed at a relatively low forging temperature of 300 ° C.

以上の各実施例1〜5、比較例1〜3、参考例1,2によって製造されたコンプレッサホイール用素形材における、中心軸線に沿った方向(L方向)に対して直交する方向(LT方向)でかつ羽根部相当部位を含む位置から引張試験片を作成し、引張試験を実施した。また、横断面を金属組織観察に適するエッチング処理を行い、メタルフローの観察を行った。これらの結果を表3に示す。
なお表3において、LT方向の引張強度については、450MPa以上の場合をLT方向の強度が充分と判定して○印を付し、450MPa未満の場合をLT方向の強度が不充分と判定して×印を付した。
またLT方向とL方向の強度比(方向による強度比)の評価については、LT方向の強度が450MPa以上でかつLT方向とL方向の強度比の値(LT方向強度/L方向強度)が、0.9以上の場合を良好と判断して○印を付し、LT方向の強度が450MPa未満でかつLT方向とL方向の強度比の値が、0.9未満の場合を不良と判断して×印を付し、さらにLT方向とL方向の強度比の値は0.9以上であるがLT方向の強度が450MPa未満の場合に△印を付した。なおLT方向とL方向の強度比に関して、L方向の強度については、上記の各例により得られた素形材では、L方向の寸法が小さすぎて、L方向の試験片を切出すのが困難であったため、各例よりも大きい寸法の素材を用いて、実質的に各例と同様なプロセス、条件で得た材料について測定したL方向強度の値を用いた。
A direction (LT) orthogonal to the direction (L direction) along the central axis in the compressor wheel shaped material manufactured by each of the above Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 3, and Reference Examples 1 and 2. Direction) and a tensile test piece was created from a position including the portion corresponding to the blade portion, and a tensile test was performed. Moreover, the cross section was subjected to an etching process suitable for observing the metal structure, and the metal flow was observed. These results are shown in Table 3.
In Table 3, regarding the tensile strength in the LT direction, when the strength is 450 MPa or more, the strength in the LT direction is determined to be sufficient and a mark is given. When the tensile strength is less than 450 MPa, the strength in the LT direction is determined to be insufficient. X mark was attached.
For the evaluation of the intensity ratio between the LT direction and the L direction (intensity ratio depending on the direction), the intensity in the LT direction is 450 MPa or more and the value of the intensity ratio between the LT direction and the L direction (LT direction intensity / L direction intensity) is A case of 0.9 or more is judged as good and a mark is given. A case where the strength in the LT direction is less than 450 MPa and the strength ratio between the LT direction and the L direction is less than 0.9 is judged as defective. Further, a mark “X” was given when the intensity ratio between the LT direction and the L direction was 0.9 or more but the strength in the LT direction was less than 450 MPa. Regarding the strength ratio between the LT direction and the L direction, with respect to the strength in the L direction, the dimension material in the L direction is too small in the shape material obtained by each of the above examples, and the test piece in the L direction is cut out. Since it was difficult, the L direction strength value measured for the material obtained by the process and conditions substantially similar to each example was used using a material having a size larger than each example.

Figure 2016087624
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Figure 2016087624
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表3に示すように、実施例1〜5では、いずれもLT方向の強度が450MPa以上の高い値を示し、且つLT方向とL方向の強度比も0.9以上と高いことが確認された。
一方、本発明で規定する合金成分組成条件を満たさない合金(A2618合金)を用いた比較例1では、LT方向強度が充分ではなかった。
さらに押出し材を素形材とした比較例2、鋳造ままの材料を素形材とした比較例3では、LT方向強度が低いことが判明した。
なお据込率Uが比較的小さい参考例1でも、LT方向強度が比較的低かった。
さらに、鍛造温度が比較的低かった参考例2では、鍛造時に割れが発生してしまった。
As shown in Table 3, in each of Examples 1 to 5, it was confirmed that the strength in the LT direction showed a high value of 450 MPa or more, and the strength ratio between the LT direction and the L direction was as high as 0.9 or more. .
On the other hand, in Comparative Example 1 using an alloy (A2618 alloy) that does not satisfy the alloy component composition conditions defined in the present invention, the strength in the LT direction was not sufficient.
Furthermore, in Comparative Example 2 in which the extruded material was a shape material and Comparative Example 3 in which the as-cast material was a shape material, it was found that the strength in the LT direction was low.
Even in Reference Example 1 in which the upsetting rate U is relatively small, the LT direction strength was relatively low.
Furthermore, in Reference Example 2 where the forging temperature was relatively low, cracking occurred during forging.

本発明のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材は、自動車その他の各種輸送機器内燃機関に用いられるターボチャージャに使用されるコンプレッサホイール(インペラー)を製造するための素形材に適用することができる。  The aluminum alloy turbocompressor wheel forging shaped material of the present invention is applied to a shaped material for producing a compressor wheel (impeller) used for a turbocharger used in an internal combustion engine of an automobile or other various transport equipment. Can do.

1…コンプレッサホイール、 3…回転軸部、 4…羽根部、 7…羽根付け根部、 10…鍛造素形材(鍛造上がり材)、 12…フランジ部 14…羽根部相当部位 14A…傾斜面、 20…連続鋳造棒材(鍛造用素材)、 30…鍛造用の金型。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compressor wheel, 3 ... Rotating shaft part, 4 ... Blade | wing part, 7 ... Blade | root base part, 10 ... Forging raw material (forging up material), 12 ... Flange part 14 ... Blade | equivalent part 14A ... Inclined surface, 20 ... continuous casting rod (forging material), 30 ... forging die.

Claims (12)

連続鋳造棒材を素材として、鍛造加圧方向が素材の鋳造方向に沿いかつコンプレッサホイールの回転中心軸線方向に沿うように、密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造により熱間鍛造して得られるアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材であって、
前記素材のアルミニウム合金が、質量%で、Si:0.05〜0.3%、Cu:3.0〜5.5%、Mg:1.1〜2.4%、Fe:0.8〜1.3%、Mn:0.1〜0.4%、Ni:0.7〜2.8%、Zr:0.05〜0.3%、Ti:0.005〜0.06%を含み、残部がAl及び不可避的不純物よりなり、
素形材形状が、コンプレッサホイールの羽根部に相当する部位を含んでコンプレッサーホイールの外径形状より大きく、その羽根部相当部位の外面が、前記回転中心軸線に沿った方向の一方の側から他方の側に向けて滑らかに拡径された傾斜面を有する形状とされ、
しかも羽根部相当部位における外径側端部よりも前記回転中心軸線を基準とする半径方向外側に、コンプレッサホイールの最終製品に対する余肉部位となるフランジ部が延出され、且つ前記羽根部相当部位には、前記回転中心軸線の側から前記フランジ部に向かうメタルフローが形成されていることを特徴とするアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材。
Aluminum alloy obtained by hot forging by closed die forging or semi-sealed die forging so that the forging pressure direction is along the casting direction of the raw material and the rotation center axis direction of the compressor wheel Forged material for turbo compressor wheel made of
The aluminum alloy of the material is mass%, Si: 0.05 to 0.3%, Cu: 3.0 to 5.5%, Mg: 1.1 to 2.4%, Fe: 0.8 to Including 1.3%, Mn: 0.1-0.4%, Ni: 0.7-2.8%, Zr: 0.05-0.3%, Ti: 0.005-0.06% The remainder consists of Al and inevitable impurities,
The shape of the base material is larger than the outer diameter shape of the compressor wheel including the portion corresponding to the blade portion of the compressor wheel, and the outer surface of the portion corresponding to the blade portion is from one side in the direction along the rotation center axis to the other It has a shape having an inclined surface that is smoothly expanded toward the side,
And the flange part used as the surplus part with respect to the final product of a compressor wheel is extended to the radial direction outer side on the basis of the said rotation center axis line rather than the outer diameter side edge part in a blade | wing part equivalent part, and the said blade | wing part equivalent part A forged base material for an aluminum alloy turbo compressor wheel, wherein a metal flow from the rotation center axis side toward the flange portion is formed.
前記傾斜面が、コンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部を含む仮想曲面に対応する面である請求項1に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材。   The forged base material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to claim 1, wherein the inclined surface is a surface corresponding to a virtual curved surface including chip edge portions of a plurality of blade portions of the compressor wheel. 前記羽根部相当部位のメタルフローのうち、少なくとも前記傾斜面直下でのメタルフローが、前記複数の羽根部のチップエッジ部を含む仮想曲面に沿うことを特徴とする請求2に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材。   3. The aluminum alloy-made product according to claim 2, wherein at least a metal flow immediately below the inclined surface of the metal flow corresponding to the blade portion corresponds to a virtual curved surface including chip edge portions of the plurality of blade portions. Forging material for turbo compressor wheel. 前記素材における前記回転中心に沿った方向の高さをhとし、鍛造素形材の羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、
据込率Uを{(h−b)/h}×100(%)とし、
前記据込率Uが、40〜80%の範囲内となるように熱間鍛造されたものであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材。
The height in the direction along the rotation center of the material is h, and the height at the position where the height in the direction along the rotation center is the highest in the blade equivalent portion of the forged raw material is b,
The upsetting rate U is {(h−b) / h} × 100 (%),
The aluminum alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the upsetting ratio U is hot forged so as to be within a range of 40 to 80%. Forging material for turbo compressor wheel.
鍛造素形材の全体の体積をV1とし、羽根部相当部位の半径方向先端位置よりも外側の、前記フランジ部の全体を含む部位の体積をV2とし、{V2/(V1+V2)}×100(%)の値を体積比VRとして、その体積比VRが、50%以上、80%未満の範囲内であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材。   The total volume of the forged material is V1, and the volume of the portion including the entire flange portion outside the radial tip position of the blade portion-corresponding portion is V2, and {V2 / (V1 + V2)} × 100 ( %) Is a volume ratio VR, and the volume ratio VR is in the range of 50% or more and less than 80%, and the aluminum according to any one of claims 1 to 4 Forged material for alloy turbo compressor wheels. 前記フランジ部における前記回転中心に沿った方向の平均の厚みをaとし、前記羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、絞り高さ比SRをa/bとし、
前記絞り高さ比SRが10/40〜30/40の範囲内であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材。
The average thickness of the flange portion in the direction along the rotation center is a, and the height of the portion corresponding to the blade portion in the direction along the rotation center is b, and the aperture height The ratio SR is a / b,
6. The forging element for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any one of claims 1 to 5, wherein the drawing height ratio SR is in a range of 10/40 to 30/40. Wood.
質量%で、Si:0.05〜0.3%、Cu:3.0〜5.5%、Mg:1.1〜2.4%、Fe:0.8〜1.3%、Mn:0.1〜0.4%、Ni:0.7〜2.8%、Zr:0.05〜0.3%、Ti:0.005〜0.06%を含み、残部がAl及び不可避的不純物よりなるアルミニウム合金の連続鋳造棒材を素材とし
鍛造加圧方向が、素材の鋳造方向に沿いかつコンプレッサホイールの回転中心軸線方向に沿うように、密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造により前記素材を熱間鍛造し、その鍛造上がり材として、ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材を得る鍛造工程を有し、
前記鍛造工程においては、鍛造上がりの鍛造素形材の形状が、コンプレッサホイールの羽根部に相当する部位を含んでコンプレッサホイールの外径形状より大きい形状であって、その羽根部相当部位の外面が、前記回転中心軸線に沿った方向の一方の側から他方の側に向けて滑らかに拡径された傾斜面を有する形状となるように、しかも羽根部相当部位における外径側端部よりも前記回転中心軸線を基準とする半径方向外側に、コンプレッサホイールの最終製品に対する余肉部位となるフランジ部が延出されるように鍛造し、
前記羽根部相当部位に、前記回転中心軸線の側から前記フランジ部に向かうメタルフローが形成された鍛造上がり材得ることを特徴とするアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法。
In mass%, Si: 0.05 to 0.3%, Cu: 3.0 to 5.5%, Mg: 1.1 to 2.4%, Fe: 0.8 to 1.3%, Mn: 0.1 to 0.4%, Ni: 0.7 to 2.8%, Zr: 0.05 to 0.3%, Ti: 0.005 to 0.06%, the balance being Al and inevitable Using aluminum alloy continuous cast bar made of impurities as a raw material, the material is formed by closed die forging or semi-sealed die forging so that the forging pressurization direction is along the casting direction of the raw material and along the rotation center axis direction of the compressor wheel. Hot forging, and as a forging finish, it has a forging process to obtain a forging material for turbo compressor wheel,
In the forging process, the shape of the forged material after forging is a shape larger than the outer diameter shape of the compressor wheel including the portion corresponding to the blade portion of the compressor wheel, and the outer surface of the portion corresponding to the blade portion is , In order to form a shape having an inclined surface that is smoothly expanded in diameter from one side in the direction along the rotation center axis toward the other side, and more than the outer diameter side end portion in the blade portion-corresponding portion. Forging so that the flange part that becomes the surplus part for the final product of the compressor wheel is extended radially outward with respect to the rotation center axis line,
A method for producing an aluminum alloy turbocompressor forged material for a turbo compressor wheel, characterized in that a metal flow directed from the rotation center axis side toward the flange portion is formed at a portion corresponding to the blade portion.
前記鍛造工程において、前記羽根部相当部位のメタルフローのうち、少なくとも前記傾斜面直下でのメタルフローが、コンプレッサホイールの多数の羽根部のチップエッジ部を含む仮想曲面に沿うように鍛造することを特徴とする請求項7に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法。   In the forging step, forging so that at least the metal flow immediately below the inclined surface of the metal flow corresponding to the blade portion corresponds to a virtual curved surface including chip edge portions of a large number of blade portions of the compressor wheel. The method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to claim 7. 前記鍛造工程において、前記素材における前記回転中心に沿った方向の高さをhとし、鍛造素形材の羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、
据込率Uを{(h−b)/h}×100(%)とし、
前記据込率Uが、40〜80%の範囲内となるように熱間鍛造することを特徴とする請求項7、請求項8のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法。
In the forging step, the height of the raw material in the direction along the rotation center is h, and the height in the direction along the rotation center in the portion corresponding to the blade portion of the forged raw material is the height at the highest position. And b
The upsetting rate U is {(h−b) / h} × 100 (%),
9. The aluminum alloy turbo compressor wheel according to claim 7, wherein hot forging is performed so that the upsetting ratio U is in a range of 40 to 80%. A manufacturing method for forging material.
前記鍛造工程において、鍛造素形材の全体の体積をVとし、羽根部相当部位の半径方向先端位置よりも外側の、前記フランジ部の全体を含む部位の体積をV2とし、(V2/V1)×100(%)の値を体積比VRとして、その体積比VRが、50%以上、80%未満の範囲内となるように鍛造することを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法。 In the forging process, the entire volume of the forged industrial castings and V 1, the outside than the radial end position of the wing portion corresponding site, the volume of a portion including the entirety of the flange portion and V2, (V2 / V1 ) × 100 (%) as a volume ratio VR, forging is performed so that the volume ratio VR falls within a range of 50% or more and less than 80%. A method for producing a forged material for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any one of the claims. 前記鍛造工程において、前記フランジ部における前記回転中心に沿った方向の平均の厚みをaとし、前記羽根部相当部位における前記回転中心に沿った方向の高さが最も高い位置におけるその高さをbとし、絞り高さ比SRを(a/b)×100(%)とし、
前記絞り高さ比SRが10/40〜30/40の範囲内の範囲内となるように鍛造することを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法。
In the forging step, the average thickness in the direction along the rotation center in the flange portion is defined as a, and the height at the position where the height in the direction along the rotation center in the blade portion corresponding portion is the highest is b. And the aperture height ratio SR is (a / b) × 100 (%),
11. The aluminum alloy product according to claim 7, wherein forging is performed so that the drawing height ratio SR is within a range of 10/40 to 30/40. A method for producing a forged material for a turbo compressor wheel.
前記鍛造工程において、鍛造時の素材温度を350〜450℃の範囲内とすることを特徴とする請求項7〜請求項11のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金製ターボコンプレッサホイール用鍛造素形材の製造方法。   The forging element for an aluminum alloy turbo compressor wheel according to any one of claims 7 to 11, wherein in the forging step, a material temperature during forging is set in a range of 350 to 450 ° C. A method for manufacturing a profile.
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