JP2016211043A - タービンホイールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度に優れたタービンホイールの製造方法を提供する。
【解決手段】金属粉末に有機バインダを添加し加熱混合した後、粉砕またはペレット化して射出成形材料を得る加熱混練ステップＳ２００と、射出成形材料をタービンホイールの形状に射出成形して成形体を作製する射出成形ステップＳ３００と、脱脂雰囲気下において作製された成形体を脱脂する脱脂ステップＳ４００と、脱脂ステップＳ４００後で焼結雰囲気下において脱脂された成形体を焼結して焼結品を作製する焼結ステップＳ５００とを含み、脱脂ステップＳ４００以降において、成形体を平板形状のセッター（見掛け気孔率、シリカの重量比率および平面度に特徴を備える）に載置して処理することにより、焼結品を２次加工することなく最終製品として完成させる。
【選択図】図４

Description

本発明は自動車エンジン等に用いられるターボチャージャに組み込まれるタービンホイールを製造する方法に関し、特に、金属粉末射出成形（ＭＩＭ法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ法）と記載する場合がある）により寸法精度の高い焼結品を得ることにより、焼結品を機械加工（２次加工）することなく、焼結品を最終製品（最終完成品）であるタービンホイールとして製造する方法に関する。

自動車エンジン等に用いられる過給機（ターボチャージャ）は、低速回転時においてもエンジンが効率よく出力を得ることができるように排気ガスの流速を増幅させ、この排気エネルギーを利用して排気側のタービンが回転することで、排気側タービンに直結された吸気側のタービンを回転させ、強制的に空気をエンジン内に取り込むように設計されている。

一般に、車両などに搭載される過給機は、高温側タービンホイール、低温側コンプレッサーホイール、および、両者を接続するロータ軸の３つの部品から構成されている。
高温側タービンホイールは、耐熱性の金属などの鋳造材からなりかつ渦巻き状の複数のブレードおよびロータ軸連結部を有する。また、低温側コンプレッサーホイールは、アルミニウム合金などの鋳造材からなり、かつ、渦巻き状で複数の羽根を有する。

一般的に各ブレードは先端に行くほど薄肉になっている。
このタービンホイールに関しては、鋳造により製造される方法が採られてきたが、この鋳造による製造よりも寸法精度を高めることができる金属粉末射出成形により製造される方法も開発されており、たとえば、特許第４２４０５１２号公報（特許文献１）は、この金属粉末射出成形によるタービンホイールの製造方法を開示する。この特許文献１に開示されたタービンホイールの製造方法は、中心軸部から放射状に伸び、かつ、上端が回転方向に屈曲している複数の曲面ブレードを有し、使用時には中心軸部底面側に回転軸となるロータ軸が連結される金属製のタービンホイールを製造する方法であって、金属粉末射出成形法により製造した、所望する最終製品と近似した形状を有する焼結品を切削加工する工程とプレス加工する工程を含むこと、前記焼結品が最終製品の目標値に対して、ブレードの上端部先端の高さが±１．０％の範囲内にあり、ブレードのピッチが±０．３°の範囲内にあり、かつ焼結密度が相対密度９５％以上であること、前記切削工程において、前記中心軸部の底面に、タービンホイールの回転中心を中点するロータ軸連結部を機械加工すること、前記プレス工程は、前記回転中心を中点として前記焼結品を固定した後、固定した焼結品に対し、放射状に配置された複数の矯正ピンを同時に同期させながら、焼結品の中心軸部に向かってスライドさせることによって行われること、前記矯正ピンは、各ブレード間の空間形状に対応する形状を有し、ブレードの枚数に応じて等間隔に配置され、各ブレード面に沿って、各ブレードを両側から挟み込むように中心軸部方向に挿入されることを特徴とする。このタービンホイールの製造方法によると、薄肉のブレードを有するタービンホイールであっても、寸法精度良く製造することができる。

特許第４２４０５１２号公報

しかしながら、特許文献１の第０００９段落にも記載されているように、この製造方法では、所望する最終製品をＭＩＭ法から直接得ることができない。すなわち、ＭＩＭ法によって、所望する最終製品と一定の関係を有する焼結品を準備し、次に、ロータ軸連結部を切削加工して中心位置を決め、その後、最終製品のブレード間の空間形状に対応する形状を有する矯正ピンを、各ブレード間に同時に同期させながらプレス挿入することにより、ブレードの変形および各ブレードのピッチ間隔を整えてブレードの寸法精度を±０．０
５ｍｍ以下にするものであって、従来の鋳造品と比較して同軸度、センターバランス精度の高いタービンホイールを得ることができる。このため、ＭＩＭ法により製造された焼結品に対して、矯正ピンを用いたプレス加工（機械加工、２次加工）しなければならない。このように、この製造方法では、焼結後の２次加工が必要であるために製造コストが高くなりがちという問題点があった。

本発明は、従来技術の上記の問題点に鑑みて開発されたものであり、その目的とするところは、焼結後の２次加工を不要としてＭＩＭ法による焼結品を最終製品として完成させ、製造コストを下げつつ、羽根先端の厚みが非常に薄く（たとえば０．３ｍｍ以下）寸法精度の高い（たとえばアンバランス量が小さい）タービンホイールを製造する方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係るタービンホイールの製造方法は以下の技術的手段を講じている。
すなわち、本発明に係るタービンホイールの製造方法は、中心軸部から放射状に伸び、かつ、上端が回転方向に屈曲している複数の曲面ブレードを有し、使用時には中心軸部底面側に回転軸となるロータ軸が連結される金属製のタービンホイールを製造する。この方法は、金属粉末に有機バインダを添加し加熱混合した後、粉砕またはペレット化して射出成形材料を得る加熱混練ステップと、射出成形材料をタービンホイールの形状に射出成形して成形体を作製する射出成形ステップと、脱脂雰囲気下において、作製された成形体を脱脂する脱脂ステップと、脱脂ステップ後、焼結雰囲気下において、脱脂された成形体を焼結して焼結品を作製する焼結ステップと、を含み、脱脂ステップ以降において、成形体をセッターに載置して処理することにより、焼結品を最終製品として完成させることを特徴とする。

好ましくは、セッターの見掛け気孔率が１５％〜１８％であるように構成することができる。
さらに好ましくは、セッターの主成分がアルミナおよびシリカであって、シリカの重量比率が３％〜１０％であるように構成することができる。
さらに好ましくは、セッターの平面度が０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであるように構成することができる。

本発明によれば、焼結後の２次加工を不要としてＭＩＭ法による焼結品を最終製品として完成させ、製造コストを下げつつ、羽根先端の厚みが非常に薄く（たとえば０．３ｍｍ以下）寸法精度の高い（たとえばアンバランス量が小さい）タービンホイールを製造することができる。

本発明の実施の形態に係るタービンホイールの製造方法により製造されるタービンホイールの三面図および斜視図である。 本発明の実施の形態に係るタービンホイールの製造方法において用いられるセッターの斜視図である。 本発明の実施の形態に係るタービンホイールの製造方法において用いられるセッターにタービンホイールが載置された斜視図および平面図である。 本発明の実施の形態に係るタービンホイールの製造方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係るタービンホイールの製造方法について、図面に基づき詳しく説明する。
ターボチャージャは、大気より高い圧力でエンジンの吸気口に空気を供給するための周知の装置である。ターボチャージャは、タービンハウジング内に回転可能なシャフト（ロータ軸）に取り付けられた排気ガス駆動のタービンホイール１０を本質的に具えている。このターボチャージャに使用されるタービンホイール１０は図１に示すとおり、耐熱性の
金属からなりかつ渦巻き状で複数のブレード２０およびロータ軸連結部４０を有する。また、通常、中心軸部３０の上端に、回転中心を中点とするボス部５０が設けられている。

タービンホイール１０の大きさ、ブレード２０の形状、ブレード２０の枚数は使用するエンジンの排気量等によって異なる。本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法において用いられるセッター１００およびセッター２００の斜視図を図２に、セッター１００およびセッター２００にタービンホイール１０が載置された斜視図および平面図を図３に、本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法のフローチャートを図４に、それぞれ示す。図４に示すように、この製造方法は、脱脂ステップ（脱脂工程）および焼結ステップ（脱脂工程）を含む。

タービンホイール１０の従来の製造方法は、所望の最終製品と近似した形状を有する焼結品をまず製造して、この焼結品を２次加工して最終製品であるタービンホイール１０を製造していた。すなわち、図４の焼結ステップＳ５００の後に２次加工ステップを経て最終製品（最終完成品）を製造していた。一方、本実施の形態に係る製造方法においては、この焼結品の２次加工ステップを必要としないで、所望の最終製品の形状を有する焼結品を製造する。この焼結工程（脱脂工程を含み得る）において最終製品の形状とするためには、焼結品に高い寸法精度が要求され、このために、脱脂ステップＳ４００以降（より詳しくは脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００）において、タービンホイール１０（ここではまだ成形品）を平板状のセッター１００またはセッター２００に載置して処理することを特徴とする。

このセッター１００およびセッター２００は、通常、鉄、ステンレス系、銅等の非鉄合金、タングステン系超重合金などの焼結または熱処理に用いられ、アルミナ、アルミナ・シリカなどの耐火物が使用されている。焼結または熱処理時に使用するアルミナ、アルミナ・シリカなどの耐火物は、処理体と反応しないことから広範囲で使用されている。このセッター１００またはセッター２００には射出成形ステップＳ３００で得られた成形体が載置されて、成形体が載置された状態のセッター１００またはセッター２００が脱脂ステップＳ４００以降（より詳しくは脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００）において使用される処理炉内にセットされて、脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００が実行される。

このセッター１００またはセッター２００は、後述する特徴を備えるために、焼結工程（脱脂工程を含み得る）において処理された焼結品が高い寸法精度を実現できて、焼結品は２次加工を必要としない最終製品の形状とすることができる。すなわち、本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法は、図４に示す脱脂ステップＳ４００以降において、成形体をセッター１００またはセッター２００に載置して処理することにより、焼結品を最終製品として完成させることを特徴とする。このように焼結品が２次加工を必要としないで高い寸法精度を実現するためのセッター１００またはセッター２００について詳しく説明する。

図２に示すセッター１００およびセッター２００の斜視図および図３に示すセッター１００およびセッター２００にタービンホイール１０が載置された斜視図および平面図を参照してセッター１００またはセッター２００について詳しく説明する。これらのセッター１００およびセッター２００は、図２および図３に示すように、いずれも平板形状を備えて、その上面にタービンホイール１０が載置される。面取り部を備えない平板形状のセッター２００に対して、セッター１００は、上面（および／または下面）の四辺が面取りされた辺面取り部１２０および四隅の角が面取りされた角面取り部１３０を備える点が異なる。そして、図３に示すように、これらのセッター１００またはセッター２００に適宜な数の処理対象物であるタービンホイール１０が載置される。

これらのセッター１００またはセッター２００は、形状的な特徴よりも組成的に顕著な特徴としての、見掛け気孔率（第１の特徴）、主成分（第２の特徴）、平面度（第３の特徴）を備える。
＜第１の特徴＞
セッター１００およびセッター２００の見掛け気孔率は、１５％〜１８％であることを
特徴とする。ここで、見掛け気孔率とは、これらのセッター１００およびセッター２００はその内部に気孔を備えるが、その気孔の中で外気に対して開いている気孔（外部に通じている開放気孔）の容積率（全体積に対する開放気孔の合計容積の比率）を意味する。この見掛け気孔率が高いほど脱脂ステップＳ４００において（有機）バインダの成分が抜けやすいために好ましく（成形体からバインダの成分がガスとして放出されやすく焼結品の寸法精度が向上するために好ましく）、この見掛け気孔率が低いと脱脂ステップＳ４００において（有機）バインダの成分が抜けにくくセッター１００またはセッター２００に付着して焼結ステップＳ５００において成形品を焼結する際に成形品がセッターに付着して焼結品の寸法精度を低下させてしまう。ただし、見掛け気孔率が高すぎるとセッター１００およびセッター２００の強度が低下してしまうので好ましくない。このため、本実施の形態においては、見掛け気孔率は１５％〜１８％であることが好ましい範囲としている。

＜第２の特徴＞
セッター１００およびセッター２００の主成分は、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ₂Ｏ₃）およびシリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ₂）であって、シリカの重量比率が３％〜１０％であることを特徴とする。ここで、セッター１００およびセッター２００の主成分であるアルミナおよびシリカ以外には酸化第二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）および酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）が微量（重量比率で０．０５％〜０．１％程度）含まれる。シリカの重量比率が低いほど不純物の発生を低下させることができ、シリカの重量比率が高いほど不純物が発生してその不純物がセッター１００またはセッター２００に付着して焼結品の寸法精度を低下させてしまう。ただし、シリカの重量比率が低すぎると相対的にアルミナの重量比率が上昇してしまいセッター１００およびセッター２００の製造コストが上昇してしまうので好ましくない。このため、本実施の形態においては、シリカの重量比率は３％〜１０％であることが好ましい範囲としている。

＜第３の特徴＞
セッター１００およびセッター２００の平面度は、０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであることを特徴とする。ここで、平面度とは、ＪＩＳ規格で規定された、互いに平行な二つの平面の間の空間を表すものであって、たとえば、この平面度は、完全に平坦の出た基準原器（オプチカルフラット）にセッター１００またはセッター２００を接触させて短波長光源を当てて光学的に発生した干渉縞により平面度を測定したり、オプチカルフラットにレーザーを反射させてセッター１００またはセッター２００に発生した干渉縞を解析してセッター１００およびセッター２００に非接触で測定したり、接触式三次元測定器により測定したりする。セッター１００およびセッター２００の平面度が高いほど焼結品の寸法精度を向上させ、平面度が低いほど焼結品の寸法精度を低下させてしまう。ただし、平面度が高すぎるとセッター１００およびセッター２００の製造コストが上昇してしまうので好ましくない。このため、本実施の形態においては、平面度は０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい範囲としている。

以下において、本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法における上記したセッター１００およびセッター２００以外について説明する。なお、以下の説明においては、その一部が特許文献１の内容と重複するとともに、以下の説明において記載していない部分の中で特許文献１の内容を流用できる場合がある。
タービンホイール１０は、原料となる金属を粉体としたものを使用し、これに必要量の有機バインダを添加して得られる成形材料を準備して（図４のＳ１００）、あらかじめ製品の焼結後の収縮率を考慮した金型で成型し成形体を作成する。この場合において、金型は、製品の焼結後の収縮率を考慮して焼結後の製品が最終製品の寸法精度を満足するように（２次加工工程が不要となるように）金型で成型し成形体を作成する。このため、成形品を焼結した後の焼結品が最終完成品となる（図４のＳ６００）。金型は成形材料の湯口を図１のボス部５０またはロータ軸連結部４０に設けて成形材料を注入する。ブレードの金型構造は各ブレードがアンダーカットにならないように設計された形状を有し、ボス中心部から放射状に直線的に入れ子が移動することにより金型による連続成形を可能にする。

タービンホイールで用いられる金属は耐食性があり耐熱鋼の金属材料からなる。Ｎｉ基合金であるインコネルが主に用いられる。中でもインコネル７１３Ｃ（Ｎｉ−１２．５Ｃｒ−４．２Ｍｏ−６．１Ａｌ−０．８Ｔｉ−２．０Ｎｂ）が一般的に用いられる。
インコネル金属材料からなる金属粉末として、通常水アトマイズまたはガスアトマイズ法より製造された合金粉末を用いるが、これらアトマイズ法により作られた粉末の合金粉末以外に、焼結時に合金成分となるように調整し元素粉末を組成にあわせて添加して用いても良い。一般的には水アトマイズ粉末の方がガスアトマイズ粉末よりも大量に生産できるため、製造コストも安価になるが、粉末形状が異形状になりやすいために、タップ密度が低くなりやすく、また粉末中の酸素量も高くなる。これに対してガスアトマイズ粉末の製造コストは高くなるものの、球形の粉末を得ることが容易でタップ密度が高くなる特徴がある。このため、コストとタップ密度を勘案して、水アトマイズ粉末とガスアトマイズ粉末を混合して用いても良い。

また、軽量で高温時の耐熱強度が高いチタンアルミ合金が用いられる。チタンとアルミの比率はＴｉＡｌとなる組成を用いて、このチタンアルミにクロム、バナジウム、マンガン、ニオブを総量で１〜５％添加すると延性、加工性が向上する。
チタンアルミ金属材料からなる金属粉末として、プラズマアーク法、ガスアトマイズ法および粉砕法により製造された合金粉末を用いるが、これらにより作られた粉末の合金粉末以外に、焼結時に合金成分となるように調整し元素粉末を組成にあわせて添加して用いても良い。一般的には粉砕粉末の方がプラズマアーク法、ガスアトマイズ粉末よりも大量に生産できるため、製造コストも安価になるが、粉末形状が異形状になりやすいために、タップ密度が低くなりやすく、また粉末中の酸素量も高くなる。これに対してプラズマアーク粉末、ガスアトマイズ粉末の製造コストは高くなるものの、球形の粉末を得ることが容易でタップ密度が高くなる特徴がある。このため、コストとタップ密度を勘案して、プラズマアーク粉末、ガスアトマイズ粉末に粉砕粉末を混合して用いても良い。

本実施の形態における金属粉末の平均粒径は１〜３０μｍが好ましい。平均粒径が１μｍを下回る場合には、粉末の表面積が増えることでバインダ添加量が増加し、脱脂時の変形が大きくなる。また、バインダ量が多くなると、焼結時の収縮率も大きくなり、焼結後の寸法ばらつきも大きくなり、後工程のプレス工程で寸法精度の高い焼結品を得ることは困難である。粉末粒径が３０μｍを越える場合には、焼結密度（相対密度）９５％以上を安定して得ることが困難になり、強度が著しく低下し、製品として使用することができない。より好ましい平均粒径は、５〜１２μｍであり、さらに望ましくは８〜１０μｍである。本実施の形態において、平均粒径とは、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置を用いて、測定した重量累積５０％の平均径を意味する。粒度分布測定装置としては、島津製作所製ＳＡＬＤ−２０００型を用いることができる。

また、有機バインダとして、ポリアセタールを５〜４０Ｖｏｌ％、およびポリプロピレンを５〜４０Ｖｏｌ％含有する有機バインダを用いる。有機バインダにおいて、ポリアセタールおよびポリプロピレンを用いることで、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル、アクリル樹脂を用いた従来のバインダと比較して脱脂時の変形量が抑えられる。
ポリアセタールは成形体の強度を高め、焼結における６００℃以下での成形体の変形を防止し、かつ焼結後において炭化物が残留しない物質として不可欠である。ポリプロピレンは成形体にじん性を付与し、焼結の割れおよび添加した低融点化合物の分離を阻止する。そして、ポリプロピレンもまた、焼結後において炭化物が残留しないという特質をもっている。

ポリアセタール、ポリプロピレンの添加量が各々有機バインダの全量に対して５Ｖｏｌ％未満の場合には脱脂時の変形が大きくなり、規定する焼結後の寸法精度を得ることができない。またポリアセタール、ポリプロピレンの添加量が各々有機バインダの全量に対して４０Ｖｏｌ％を超えると、成形時の粘度が高くなり金型内に成形材料を完全に充填することができない。

より好ましいポリアセタールの含有量は１０〜３０Ｖｏｌ％であり、より好ましいポリプロピレンの含有量は１０〜３０Ｖｏｌ％である。
ポリアセタールおよびポリプロピレン以外の材料としては下記の有機材料を用いることができる。
流動性を付与し、脱脂性を向上するために脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックスおよびポリグリコール系化合物等が用いられる。特に好ましい材料としてパラフィンワックス、脂肪酸エステル、ポリプロピレンワックスが挙げられる。

また、成形時の流動性および成形体に柔軟性を付与するためにポリエチレン、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、アクリル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂等を用いることができる。特に好ましい材料として、ポリエチレン、アモルファスポリオレフィンが挙げられる。
上記流動性、脱脂性を向上させるために、併せて上記流動性および柔軟性を付与するために、金属粉末と有機バインダとの全量に対し、有機バインダを３０〜６０体積％（Ｖｏｌ％）とすることが好ましく、３０〜５０体積％とすることがより好ましい。

上記割合とした有機バインダと金属粉末を１６０〜１８０℃程度で２時間程度加熱混練し、金属粉末を有機バインダと完全に分散混合させる（図４のＳ２００）。この後、取り出して押し出し機または粉砕機で直径５ｍｍ程度のペレット状にしてこれを用いて成形材料として、射出成形する（図４のＳ３００）。
そして、成形においては、焼結後の最終完成品の寸法を考慮して金型形状を決定する必要がある。これらの寸法は焼結後または熱間等方圧加圧法に得られる寸法であって、焼結密度により寸法が異なるため、金型設計は以後の寸法変化を十分に考慮する必要がある。このためには、金型の寸法は上記寸法精度を考慮して設計する必要があり、さらに、成形から焼結への収縮率をあらかじめ計算しておく必要がある。

従来の有機バインダ系では脱脂工程中で変形を生じ、上記焼結品の寸法範囲で製品を得ることは非常に困難であるが、上記した金属粉末の粒径、バインダ量、バインダ成分とすることにより、従来よりも寸法精度の高い焼結品をＭＩＭ法により製造することができる。さらに、焼結工程（脱脂工程を含み得る）においてセッター１００またはセッター２００を用いて処理された焼結品が高い寸法精度を実現できて、焼結品は２次加工を必要としない最終製品の形状とすることができる。

金型は、射出成形機に取り付けて成形を行うが、得られる成形体の取り数は一つの金型で１個取りを行うことが一般的である。製品の大きさに合わせて、射出成形機の容量を適宜調節する。一般的には型締め力５０トン〜１５０トン程度の成形機を用いて成形を行う。成形体に気泡、クラック等の不良が発生しないように射出速度、圧力を調整するとともに、金型には金型内の空気および成形材料から発生するガスを効果的に逃がすためのガス逃げを設ける必要がある。これら有効なガス逃げが無い場合には、成形体中に空気または成形材料から発生するガスが取り込まれて、成形体に気泡が生じる。

得られた成形体を脱脂炉に入れ、添加した有機バインダを除去する（図４のＳ４００）。有機バインダを除去する脱脂炉は減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気および大気圧水素ガス雰囲気のいずれかを用いて行うが、脱脂機能を具備した焼結装置の場合には脱脂焼結を一貫して行うことができる。また、脱脂炉にはバッチ式の脱脂炉または連続式（ベルト式、プッシャー式、ウォーキングビーム式）脱脂炉を用いることができる。特に脱脂の際には変形量が大きくなることを勘案して、変形を最小限に食い止めるように成形体の形状に沿った形状の治具を用いて脱脂を行うことが効果的である。この脱脂ステップＳ４００以降（脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００）において、上記した＜第１の特徴＞、＜第２の特徴＞および＜第３の特徴＞を備えたセッター１００またはセッター２００に成形品が載置されて処理される。

インコネル、チタンアルミ合金（チタンとアルミの混合粉末を含む）ともに脱脂雰囲気は減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気および大気圧水素雰囲気のいずれかでインコネルの場合には最高温度８００℃以下で行われ、チタンアルミ合金の場合には最高
温度６００℃以下で行われる。
脱脂雰囲気が空気中の場合には３００℃以上で粉末が酸化し、焼結後の酸素量が高くなることで、焼結品強度に大きな影響を及ぼす。このことから、脱脂雰囲気は減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気および大気圧水素雰囲気が用いられる。インコネルの場合、不活性ガスには窒素またはアルゴンが使用されるが、コストを考慮して窒素ガスの使用が望ましい。チタン合金の場合には材料の窒化を考慮して、アルゴンもしくは水素で行うことが望ましい。脱脂時の昇温速度は脱脂時の変形を考慮して室温から４００℃以下においては５０℃／ｈｒ以下が望ましい。また、脱脂時には成形体の変形を考慮した治具を用いることで、成形体の脱脂時の変形を抑えることができる。

インコネル脱脂の温度は８００℃以下、チタンアルミ合金の場合には６００℃以下であるが、３００℃程度では有機バインダが３０％程度残留しやすく、６００℃以上では有機バインダが完全に除去されやすいため、焼結工程に移動させる際に成形体が崩れる恐れがあり、より好ましい脱脂温度は最高４００℃〜５００℃である。また、これらの成形体の崩れを防止する方法として、脱脂機能を具備した焼結炉を用いると効果的であり、脱脂終了後も温度を下げることなく焼結に移行することができる。また、連続式（ベルト式、プッシャー式、ウォーキングビーム式）脱脂炉と同じく連続式（ベルト式、プッシャー式、ウォーキングビーム式）焼結炉を連結させることで、脱脂ステップＳ４００から焼結ステップＳ５００を中断させることなく連続で処理を行うことができる。

次に、焼結ステップ（図４のＳ５００）について説明する。
インコネルの焼結工程では焼結雰囲気に減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気、加圧不活性ガス雰囲気および真空雰囲気のいずれかが用いられる。不活性ガスには焼結時の材料にクロムが多く用いられることから、材料の窒化を考慮してアルゴンガスを用いることが好ましい。また焼結温度は１０００℃以上１５００℃以下で行われるが１０００℃未満では焼結が不十分であり、１５００℃を超えると焼結時に溶融する。焼結密度が９５％以上になるためには１２００〜１４００℃が望ましく、さらには１２５０℃〜１３８０℃が望ましい。また、焼結時の焼結密度の向上と焼結時の寸法ばらつきを考慮して最高温度で２〜４時間程度保持することが望ましい。脱脂工程と同じく、焼結工程においても高温時に変形を生じるため、焼結品の変形を防止するための治具を用いると効果的である。

チタンアルミ合金の焼結工程では焼結雰囲気に減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気および加圧不活性ガス雰囲気および真空雰囲気のいずれかが用いられる。焼結時の酸化、窒化を考慮すると真空中で行うことが好ましい。また焼結温度は８００℃以上１３００℃以下で行われるが８００℃未満では焼結が不十分であり、１３００℃を超えると焼結時に溶融する。焼結密度が９５％以上になるためには９００〜１２５０℃が望ましく、さらには１０００℃〜１２００℃が望ましい。また、焼結時の焼結密度の向上と焼結時の寸法ばらつきを考慮して最高温度で２〜４時間程度保持することが望ましい。脱脂工程と同じく、焼結工程においても高温時に変形を生じるため、焼結品の変形を防止するための治具を用いると効果的である。

脱脂、焼結においては生産量を考慮して、多品種少量の場合にはバッチ式の脱脂炉、焼結炉を用い、数量が増加した場合には脱脂、焼結をプッシャー式連続炉、ウォーキングビーム式連続炉、ベルト式連続炉を用いて連続で処理する工程を用いることで生産量を飛躍的に向上することができる。
焼結品の密度を相対密度で９５％以上にすることで、高温時での機械的強度、および硬度を保持することができる。相対密度が９５％に満たない場合には高温時での機械的強度特に伸びおよび硬度が低下し、高温時の連続使用が困難である。

焼結品の相対密度は、アルキメデス法によって測定することができる。
インコネルおよびチタンアルミ合金ともに脱脂工程（脱脂ステップＳ４００）から焼結工程（焼結ステップＳ５００）にかけて、図１に示す軸連結内径部にあらかじめ焼結後の収縮率を計算した内径に収まるセラミックス治具を設置することにより、内径の寸法精度を向上させることもできる。

得られた焼結品は、さらに焼結密度を高めて機械的強度を向上させ、高温域での機械的強度の信頼性を向上させるために、さらに熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）で処理される場合もある。この場合、焼結温度よりも１０℃〜１００℃程度低温で１０ＭＰａ〜１８０ＭＰａ程度の高圧で処理を行うことで、内部にピンホールの無い、相対密度９８％以上の焼結品を安定して得ることができる。また、インコネルでは焼結工程時に最高６ＭＰａ程度の加圧処理を行える焼結ＨＩＰ装置を用いることで、後工程にＨＩＰ法を用いずに相対密度９８％以上の焼結品を得ることが可能である。

本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法によると、脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００において、上記した＜第１の特徴＞、＜第２の特徴＞および＜第３の特徴＞を備えたセッター１００またはセッター２００に成形品を載置して脱脂処理および焼結処理するために、焼結品の寸法精度を最終完成品として要求される寸法精度まで高めることができて、焼結品を２次加工することなく最終製品として完成させることができる。

本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法により、焼結品を２次加工することなくタービンホイール１０を製造した。成型材料および加熱混練条件、射出成形条件、脱脂条件、焼結条件等は下記の２通りとした。タービンホイール１０は１００個製造し、寸法ばらつきの測定を行うことにより評価した。
［実施例１］
・金属粉末：インコネル７１３Ｃ 平均粒径９．２μｍ
・有機バインダ組成：ポリアセタール２５Ｖｏｌ％、ポリプロピレン２５Ｖｏｌ％、アモルファスポリオレフィン１０Ｖｏｌ％、パラフィンワックス３５Ｖｏｌ％、脂肪酸エステル５Ｖｏｌ％
・金属粉末：６７Ｖｏｌ％ 有機バインダ３３Ｖｏｌ％
・加熱混練：１８０℃ ２時間
・射出成形条件：射出温度１９０℃ 金型温度４０℃
・成形機：型締め力１００ｔｏｎ、金型：１個取り
・脱脂条件：最高温度６００℃（窒素）２時間保持
・焼結条件：最高温度１３５０℃（アルゴン、減圧雰囲気）３時間保持
［実施例２］
・金属粉末：チタンアルミ合金（バナジウム２％添加） 平均粒径１２．７μｍ
・有機バインダ組成：ポリアセタール２５Ｖｏｌ％、ポリプロピレン２５Ｖｏｌ％、アモルファスポリオレフィン１０Ｖｏｌ％、パラフィンワックス３５Ｖｏｌ％、脂肪酸エステル５Ｖｏｌ％
・金属粉末：６７Ｖｏｌ％ 有機バインダ３３Ｖｏｌ％
・加熱混練：１８０℃ ２時間
・射出成形条件：射出温度１９０℃ 金型温度４０℃
・成形機：型締め力１００ｔｏｎ、金型：１個取り
・脱脂条件：最高温度５００℃（アルゴン）２時間保持
・焼結条件：最高温度１１７０℃（真空雰囲気）３時間保持
射出成形用の金型は１個取りとし、［実施例１］のインコネルおよび［実施例２］のチタンアルミ合金で製造するタービンホイールは、図１と同様のタービンホイール１０の形状とした（ホイールの直径：４３ｍｍ、ブレード枚数：１２枚）。

なお、本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法において用いられるセッター１００およびセッター２００の諸元等は下記の通りとした。
・実施例セッター諸元
見掛け気孔率：１６．７％
成分：アルミナ９４．９３重量％、シリカ４．８１重量％、酸化第二鉄０．１０重量％、酸化ナトリウム０．１６重量％
平面度：０．０５ｍｍ
上記した実施例セッターを脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００において
用いて、［実施例１］のインコネルおよび［実施例２］のチタンアルミ合金を、図４のＳ２００〜Ｓ５００の製造フローチャートに従い処理を実行した。［実施例１］のインコネルおよび［実施例２］のチタンアルミ合金のいずれにおいても、焼結後において最終製品に対して求められる寸法を得ることができ、焼結後の２次加工を必要としないで最終製品寸法公差内の製品（図１に示すタービンホイール１０）を得ることができた。本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法により製造されたタービンホイール１０は、焼結後に２次加工しないで、たとえば、ブレード肉厚が薄く（羽根先端の厚みが非常に薄く（たとえば０．３ｍｍ以下）であって、底面の平面度、ブレード上端部先端高さ、ブレードのピッチ、ロータ軸連結部の内径同軸度、ロータ軸連結部内径垂直度、アンバランス量等が、最終製品寸法公差内の最終完成品を得ることができた。
［比較例］
以下に示す比較例セッターを脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００において用いて、［実施例１］と同じインコネルおよび［実施例２］と同じチタンアルミ合金を、図４のＳ２００〜Ｓ５００の製造フローチャートに従い処理を実行した。［実施例１］のインコネルおよび［実施例２］のチタンアルミ合金のいずれにおいても、焼結後において最終製品に対して求められる寸法を得ることができず、焼結品の２次加工が必要であった。
・比較例セッター諸元
見掛け気孔率：１３．４％
成分：アルミナ８８．４３重量％、シリカ１１．４２重量％、酸化第二鉄０．０５重量％、酸化ナトリウム０．１０重量％
平面度：０．３ｍｍ
以上のようにして、本実施の形態に係るタービンホイールの製造方法によると、脱脂ステップＳ４００および焼結ステップＳ５００において、上記した＜第１の特徴＞、＜第２の特徴＞および＜第３の特徴＞を備えたセッター１００またはセッター２００に成形品を載置して脱脂処理および焼結処理するために、焼結品の寸法精度を最終完成品として要求される寸法精度まで高めることができて、焼結品を２次加工することなく最終製品として完成させることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、自動車エンジン等に用いられる過給機のタービンホイールの製造方法に好適であり、焼結後の２次加工を不要としてＭＩＭ法による焼結品を最終製品として完成させ、製造コストを下げつつ寸法精度の高いタービンホイールを製造することのできる点で、特に好ましい。

１０ タービンホイール
２０ ブレード
３０ 中心軸部
４０ ロータ軸連結部
５０ ボス部
１００、２００ セッター
Ｓ１００ 有機バインダ・金属粉末の準備ステップ（準備工程）
Ｓ２００ 加熱混練ステップ（加熱混練工程）
Ｓ３００ 射出成形ステップ（射出成形工程）
Ｓ４００ 脱脂ステップ（脱脂工程）
Ｓ５００ 焼結ステップ（焼結工程）
Ｓ６００ 最終完成品の取り出しステップ（取り出し工程）

Claims (4)

1. 中心軸部から放射状に伸び、かつ、上端が回転方向に屈曲している複数の曲面ブレードを有し、使用時には中心軸部底面側に回転軸となるロータ軸が連結される金属製のタービンホイールを製造する方法であって、
   金属粉末に有機バインダを添加し加熱混合した後、粉砕またはペレット化して射出成形材料を得る加熱混練ステップと、
   前記射出成形材料を前記タービンホイールの形状に射出成形して成形体を作製する射出成形ステップと、
   脱脂雰囲気下において、作製された前記成形体を脱脂する脱脂ステップと、
   前記脱脂ステップ後、焼結雰囲気下において、脱脂された成形体を焼結して焼結品を作製する焼結ステップと、を含み、
   前記脱脂ステップ以降において、前記成形体をセッターに載置して処理することにより、前記焼結品を最終製品として完成させることを特徴とする、タービンホイールの製造方法。
2. 前記セッターの見掛け気孔率が１５％〜１８％であることを特徴とする、請求項１に記載のタービンホイールの製造方法。
3. 前記セッターの主成分がアルミナおよびシリカであって、シリカの重量比率が３％〜１０％であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のタービンホイールの製造方法。
4. 前記セッターの平面度が０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のタービンホイールの製造方法。

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