JP3355586B2 - 構造部品およびこの構造部品を作製する方法 - Google Patents
構造部品およびこの構造部品を作製する方法Info
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Description
ルミニド(Aluminid) をベースとする合金の本体と、鋼
鉄の本体と、ニッケルをベースとする合金の中間片とを
有し、前記中間片を介してガンマ・チタン・アルミニド
の本体と鋼鉄の本体を強固に接続し、ガンマ・チタン・
アルミニドの本体と中間片の間の接続を摩擦溶接で行う
構造部品に関する。この発明は上記構造部品の製造方法
にも関する。
冒頭に述べた種類の構造部品およびこのロータを作製す
る方法は Y. Nishiyama et al., "Development of Tita
nium Aluminide Turbocharger Rotors", High Temperat
ure Aluminides and Intermetalics, Edited by S. H.
Whang et al., The Minerals, Metals & Material Soci
aty, 1990 に既に開示されている。この周知のロータは
ガンマ・チタン・アルミニドのタービン羽根車を有す
る。この羽根車はニッケル含有量が 70 重量パーセント
以上のニッケル・ベース合金の中間片を介して摩擦溶接
により鋼鉄の回転軸に接続している。このようなロータ
はガンマ・チタン・アルミニドで定まる剪断強度の点で
優れている。何故なら、ニッケル・ベースの合金が緩衝
材として働き、ガンマ・チタン・アルミニドと鋼鉄を摩
擦溶接する時に生じる脆い部分がガンマ・チタン・アル
ミニドの本体と中間片の接続個所で連続的な拡散層を形
成して除去されるからである。ニッケル・ベースの高濃
度合金は比較的高温にある溶融範囲を有する。摩擦溶接
で生じる拡散過程が働くために、この合金ではかなり多
くのエネルギが必要になる。
械的強度が大きくても容易に製造できる冒頭に述べた種
類の構造部品を提供することにあり、同時にこの構造部
品を低経費で作製できる方法を提供することにある。
により、ガンマ・チタン・アルミニドをベースとする合
金の本体5、鋼鉄の本体2およびニッケルをベースとす
る合金の中間片4を有し、前記中間片4を介してガンマ
・チタン・アルミニドの本体5と鋼鉄の本体2を強固に
接続し、ガンマ・チタン・アルミニドの本体5と中間片
4の間の接続を摩擦溶接で行い、ニッケル・ベース合金
が 65 重量パーセント以下のニッケル成分を有し、3〜
7重量パーセントのニオブを含む構造部品によって解決
されている。
擦溶接で、先ずガンマ・チタン・アルミニドの本体5と
中間片4を第一限界値以下の摩擦圧力で互いに捩じり、
次いで相対的に静止した状態でガンマ・チタン・アルミ
ニドの本体5と中間片4を第一限界値より高い第二限界
値以下の圧縮圧力で溶接して、少なくともチタンとアル
ミニウムを含む拡散層7を形成する上に述べた構造部品
を作製する方法によって解決されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
り詳しく説明する。図1で参照符号1はターボ過給機の
回転軸として使用される円筒状の鋼鉄の本体2を有する
ターボ過給機のロータを示す。前記鋼鉄の本体の一端
は、例えばアルミニム合金から成る圧縮羽根車3を担持
し、他端は中間片4を介してガンマ・チタン・アルミニ
ドの本体5に固定接続している。このガンマ・チタン・
アルミニドの本体5は、燃焼装置の排気ガスを排出する
ターボ過給機のタービン・羽根車6の少なくとも一部で
ある。参照符号7は拡散層を示し、この層は中間片4と
ガンマ・チタン・アルミニドの本体5の間に強固な接続
を与える。
で、直径が例えば 45 mmである。この鋼鉄の本体2は、
低濃度合金の鋼鉄、例えば約 0.4重量パーセントの炭素
成分と約1重量パーセントのクロム成分および比較的低
濃度のモリブデン成分を有する調質鋼で構成できる。
ば直径が同じように 45 mmであり、鋼鉄の本体2とガン
マ・チタン・アルミニドの本体5の間に緩衝作用を与え
るのに望ましい例えば 10 〜 30 mmの厚さの円板として
形成され、ニッケル成分が 65 重量パーセント以下のニ
ッケル・ベース合金で構成されている。このようは合金
は鋼鉄の本体2にもガンマ・チタン・アルミニドの本体
5にも摩擦溶接で接続でき、ターボ過給機を運転してい
る間に高い機械的負荷や熱負荷が加わっても溶接個所の
割れおよびロータ1の脆性破壊が、特に鋼鉄やニッケル
・ベース合金に比べて比較的脆いガンマ・チタン・アル
ミニドの本体5のところに生じる恐れがない。鉄成分が
10 〜 30 ,好ましくは 15 〜 25 重量パーセントのニ
ッケル・ベース合金が特に有利である。この合金は、機
械特性が良好な場合、更に低温で溶接するのに特に好ま
しい比較的低い溶融期間を有する。3〜7重量パーセン
トのニオブ成分により溶接個所の機械特性が更に上昇す
る。特に次の組成のニッケル・ベース合金が有利であ
る。
INCONEL718 で代表されるニッケル・ベース合金
である。
間片4に合わせて、例えば同じように直径 45 mmの円筒
状の継足部分8を有し、添加されたガンマ・チタン・ア
ルミニドのベースで金属間化合物により形成されてい
る。この場合、好ましくは添加物として特に硼素あるい
は珪素および更に少なくとも一つの金属添加物、特にク
ロム、ハフニウム、マンガン、モリブデン、ニオブ、タ
ンタル、バナジウムおよび/またはタングステンのよう
な添加物である。特に良好な機械特性はアルミニウム成
分が約 28 〜 33 重量パーセント、タングステン成分が
5〜 15 重量パーセント、珪素成分が 0.3〜3重量パー
セントで、避け難い残留不純物とチタンを有するガンマ
・チタン・アルミニドで達成される。
製されている。先ず、中間片4をルーチン作業で行われ
る摩擦溶接により鋼鉄の本体2に接続する。次いで、ガ
ンマ・チタン・アルミニドの本体5を中間片4と鋼鉄の
本体2で形成される本体と接続する。この場合、ガンマ
・チタン・アルミニドの本体5と中間片4が鋼鉄の本体
2とガンマ・チタン・アルミニドの本体5の共通回転軸
の方向に平らに重なることに注意する必要がある。鋼鉄
の本体2に溶接した中間片4とガンマ・チタン・アルミ
ニドの本体5の配合方向に応じて中間片4とガンマ・チ
タン・アルミニドの本体5である両方の部品は摩擦溶接
で強固に接続される。これには、鋼鉄の本体2、つまり
中間片4とガンマ・チタン・アルミニドの本体5とを摩
擦溶接機械の上で、例えば毎分 500回の回転数で、所定
の第一限界値を越えない摩擦圧力の下で互いに捩じる。
この場合、次の溶接過程に十分なエネルギが溶接個所に
導入される。次いで、ガンマ・チタン・アルミニドの本
体5と中間片4は互いに相対的に静止してい場合、第一
限界値より大きい第二限界値を越えない耐圧で溶接して
拡散層7を形成する。この拡散層7は主にガンマ・チタ
ン・アルミニドの本体5の上に載っている中間片4の側
部に 100μm の厚さで形成され、特にチタンとアルミニ
ウムを有するが、更にガンマ・チタン・アルミニドの本
体5に含まれる付加的な添加物も含む。この場合、中間
片4が比較的低い溶融材料であるため、かなり短時間後
に、しかもかなり脆いガンマ・チタン・アルミニドの本
体5に対する無理のない条件で摩擦溶接を行うと、特に
有利である。
を適当に設定し、しかも溶接過程で耐圧を適当に設計し
て、ガンマ・チタン・アルミニドの本体5の脆性と割れ
形成が排除される。比較的急激な仕上げ時間での特に好
ましい結果は、摩擦過程の間の摩擦圧力が約 200N/mm
2 と本体が静止している時、溶接過程での耐圧は約 300
N/mm 2 になる。
間片4を捩じる間に溶接過程の摩擦圧力を順次階段的に
第一限界値まで高めると良いことが特に実証されてい
る。何故なら、その時、特に材料をソフトに溶接でき
る。この場合、摩擦圧は第一段階で 150N/mm 2 までに
なった。
好ましくは 40 秒であった。全体の摩擦時間は最も長く
て 120秒、好ましくは 60 〜 80 秒であった。
約 150℃の上昇速度で約 600℃まで加熱し、この温度で
数時間保持し、次に毎時約 50 ℃の降下速度で冷却し
た。こうして、摩擦溶接で鋼鉄の本体2に生じ、脆くな
る応力状態が排除された。
た構造部品の引張試験により求めた強度値は室温の場
合:主に約 500MPa となり、その場合、破壊は拡散層
7にもガンマ・チタン・アルミニドの本体5にも生じな
かった。この高い強度値は、特にターボ過給機のロータ
として使用されるような、この発明による構造部品の無
数の応用にとって十分である。
構造部品は、室温や 700℃までの温度でも機械的強度が
高い点で優れている。これは中間片の材料を適当に選ん
だためである。ニッケルの成分をかなり低くすると、ガ
ンマ・チタン・アルミニドと中間片との摩擦溶接が比較
的低温で行われるので、摩擦溶接時に脆くなりやすいガ
ンマ・チタン・アルミニド本体に割れが生じる危険が大
幅に排除される。低温の摩擦溶接に有利な比較的多く鉄
成分を含む中間片が好ましい。この発明による構造部品
を製造するこの発明による方法は、比較的エネルギ需要
が少なく、この方法を実施する場合に使用するプロセス
・パラメータに大きな変動があっても脆性のない構造部
品を提供できる点で優れている。それ故、この発明によ
る方法は大量生産に特に適している。
の発明による構造部品の縦断面図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 ガンマ・チタン・アルミニドをベースと
する合金の本体(5)と、鋼鉄の本体(2)と、ニッケ
ルをベースとする合金の中間片(4)とを有し、前記中
間片(4)を介してガンマ・チタン・アルミニドの本体
(5)と鋼鉄の本体(2)を強固に接続し、ガンマ・チ
タン・アルミニドの本体(5)と中間片(4)の間の接
続を摩擦溶接で行う構造部品において、ニッケル・ベー
ス合金が 65 重量パーセント以下のニッケル成分を有
し、3〜7重量パーセントのニオブを含むことを特徴と
する構造部品。 - 【請求項2】 前記ニッケル・ベース合金は 10 〜 30
重量パーセントの鉄を含むことを特徴とする請求項1に
記載の構造部品。 - 【請求項3】 前記ニッケル・ベース合金は 15 〜 25
重量パーセントの鉄を含むことを特徴とする請求項2に
記載の構造部品。 - 【請求項4】 前記ニッケル・ベース合金は 18 〜 20 重量パーセントのクロム、 18 〜 22 重量パーセントの鉄、 2〜4 重量パーセントのモリブデン、 4〜6 重量パーセントのニオブ、 1 重量パーセント以下のアルミニウム、 2 重量パーセント以下のチタン、 0.4 重量パーセント以下の珪素、 0.4 重量パーセント以下のマンガン、 0.05 重量パーセント以下の炭素、 残留物として除去不可能な不純物とニッケル、 を含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記
載の構造部品。 - 【請求項5】 中間片はガンマ・チタン・アルミニドの
本体と鋼鉄の本体の間に約 10 〜 30 mmの間隔を設ける
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の構
造部品。 - 【請求項6】 ターボ過給機のロータ(1)の構造部品
はタービン羽根車として形成されたガンマ・チタン・ア
ルミニドの本体(5)と回転軸として形成された鋼鉄の
本体(2)を有することを特徴とする請求項1〜5の何
れか1項に記載の構造部品。 - 【請求項7】 摩擦溶接で、先ずガンマ・チタン・アル
ミニドの本体(5)と中間片(4)を第一限界値以下の
摩擦圧力で互いに捩じり、次いで相対的に静止した状態
でガンマ・チタン・アルミニドの本体(5)と中間片
(4)を第一限界値より高い第二限界値以下の圧縮圧力
で溶接して、少なくともチタンとアルミニウムを含む拡
散層(7)を形成することを特徴とする請求項1の構造
部品を作製する方法。 - 【請求項8】 ガンマ・チタン・アルミニドの本体
(5)と中間片(4)を捩じる間の摩擦圧力を順次段階
的に第一限界値まで高めることを特徴とする請求項7に
記載の方法。 - 【請求項9】 摩擦圧力は第一段階で 150N/mm 2 とな
ることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 摩擦時間は第一段階で最も長くて 60
秒であり、全体の摩擦時間は最も長くて 120秒であるこ
とを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 第一限界値は約 200N/mm 2 であり、
第二限界値は約 300N/mm 2 であることを特徴とする請
求項7〜10の何れか1項に記載の方法。 - 【請求項12】 鋼鉄の本体(2)と中間片(4)の間
の接続はガンマ・チタン・アルミニドの本体(5)と中
間片(4)を摩擦溶接する前に摩擦溶接によって行われ
ることを特徴とする請求項7〜11の何れか1項に記載
の方法。 - 【請求項13】 前記構造部品は約 600℃に加熱され、
数時間この温度に保持されることを特徴とする請求項1
2に記載の方法。
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