JP3784003B2

JP3784003B2 - ターボチャージャー用ターボ部品

Info

Publication number: JP3784003B2
Application number: JP2001023242A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎林; 道晴最上
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: DE10203376A1; US6852143B2; DE10203376C2; JP2002226955A; US20020139448A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ターボチャージャー用ターボ部品に関し、特に耐熱性とともに耐食性および耐摩耗性が要求されるノズルボディに好適な部品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関に付設されるターボチャージャーでは、内燃機関のエキゾーストマニホールドに接続されたタービンハウジングに、タービンが回転自在に支持され、タービンの外周側を囲うように複数のノズルベーンが回動可能に支持されている。タービンハウジングに流入した排気ガスは、外周側からタービンに流れ込んで軸方向へ排出され、その際にタービンを回転させる。そして、タービンの反対側で同じ軸に設けられたコンプレッサが回転することにより、内燃機関へ供給する空気を圧縮する。
【０００３】
ここで、ノズルベーンは、ノズルボディやマウントノズルといった名称で呼ばれるリング状の部品に回動可能に支持されている。ノズルベーンの軸はノズルボディを貫通し、そこでリンク機構に接続されている。そして、リンク機構が駆動されることによりノズルベーンが回動し、排気ガスがタービンに流れ込む流路の開度が調整される。本発明が問題とするのは、ノズルボディ（マウントノズル）あるいはこれに装着されるプレートノズルといった、タービンハウジング内に設けられるターボ部品である。すなわち、本発明は、排気ガスと接触し、かつ、ノズルベーン等の駆動部材と接触するターボ部品に関するものである。
【０００４】
上記のようなターボチャージャー用ターボ部品は、高温の腐食性ガスである排気ガスと接触することから耐熱性と耐食性が要求されるとともに、ノズルベーンと摺接するために耐摩耗性も要求される。このため、従来においては、例えば高Ｃｒ鋳鋼や、ＪＩＳ規格で規定されているＳＣＨ２２種に耐食性向上の目的でＣｒ表面処理を施した材料等が使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような材料は加工性が悪いばかりでなく高価であり、ターボ部品の製造コストが割高になり、このため、近年の低価格化の要求に応えられないという問題があった。
したがって、本発明は、耐熱性とともに耐食性および耐摩耗性に優れ、しかも価格が低廉なターボチャージャー用ターボ部品（以下、単に「ターボ部品」と称する）およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のターボ部品は、質量比でＣｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｓｉ：１〜３％、Ｃ：０．５〜１．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜３．３質量％、黒鉛粉末を０．５〜１．５質量％を添加して混合した混合粉末を用い、この混合粉末を成形した後に焼結することにより、質量比でＣｒ：２３．８〜４４．３％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．１〜１．０％、Ｃ：１．０〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度比が９５％以上で基地中にＭｏ炭化物およびＣｒ炭化物が分散することを特徴としている。
【０００８】
本発明では、液相化温度を下げて焼結時に液相を発生させ、これによって焼結体を緻密化させるために、ＰとＣについてはＦｅ−Ｐ粉末と黒鉛粉末の形態とし、他のＣｒ，Ｍｏ，ＳｉについてはＦｅ合金粉末の形態とし、これらを混合して混合粉末として用いる。以下、上記数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」を意味するものとする。
【０００９】
Ｃｒ：
Ｃｒは、基地の耐熱性および耐食性の向上に寄与するとともに、Ｃと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。本発明とＣｒ含有量が同程度の高Ｃｒ鋳鉄では、Ｃｒ炭化物が粒界に析出して耐摩耗性の向上にあまり寄与しないが、本発明では、ＣｒをＦｅ合金粉末の形態で添加しているので、微細な粒状のＣｒ炭化物が基地中に分散した金属組織を得ることができ、充分な耐摩耗性と耐酸化性を得ることができる。上記Ｃｒの効果を基地中に均一に作用させるためＣｒはＦｅ合金粉末の形態で付与する。ここで、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が２５質量％に満たないと、Ｃｒ炭化物の析出量が少なく耐摩耗性が不充分になるとともに、基地の耐熱性および耐食性が低下する。一方、Ｃｒの含有量が４５％を超えると粉末の圧縮性を著しく損なう。よって、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量は２５〜４５％とした。
【００１０】
Ｍｏ：
Ｍｏは基地の耐熱性および耐食性向上に寄与するとともに、Ｃと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。ＭｏもＣｒと同様、その効果を基地全体に均一に作用させるためＦｅ合金粉末の形態で付与する。Ｆｅ合金粉末中のＭｏの含有量が１質量％に満たないと、基地の耐熱性および耐食性向上の効果が乏しく、一方、３％を超えてもその効果はさほど顕著には現れない。よって、Ｆｅ合金粉末中のＭｏの含有量は１〜３％とした。
【００１１】
Ｓｉ：
上記のＦｅ合金粉末は、酸化しやすいＣｒを多量に含むため、Ｆｅ合金粉末を製造する際にＳｉを脱酸剤として添加することが有効である。また、Ｓｉは焼結性も向上させる。Ｆｅ合金粉末中のＳｉの含有量が１％未満ではその効果が乏しく、一方、３％を超えるとＦｅ合金粉末が硬くなり過ぎて圧縮性を著しく損なう。よって、Ｆｅ合金粉末中のＳｉの含有量は１〜３％とした。
【００１２】
Ｐ：
Ｐは、Ｃとともに焼結時にＦｅ−Ｐ−Ｃ液相を発生させて焼結体の緻密化を促進し、９５％以上の密度比を達成可能となる。また、焼結時の液相化を促進して緻密化を図るために、ＰはＦｅ−Ｐ粉末、つまりＦｅ−Ｐ合金粉末の形態で添加する。Ｆｅ−Ｐ粉末中のＰの含有量は、１０％未満では十分な液相が発生せず焼結体の緻密化に寄与しない。一方、３０％を超えるとＦｅ−Ｐ粉末が硬くなりすぎ圧縮性を著しく損なう。
【００１３】
上記Ｆｅ−Ｐ粉末の混合粉末への添加量は、１．０％未満では液相発生量が乏しく、十分な緻密化が達成できず密度比が９５％を下回るようになり、一方、全体組成中のＰの含有量が１．０％を超えると基地が脆化し耐食性も劣化するため、上記組成のＦｅ−Ｐ粉末の混合粉末への添加量は３．３％が上限となる。
以上より、全体組成中のＰの含有量は０．１〜１．０％であり、Ｐの含有量が１０〜３０％のＦｅ−Ｐ粉末を用いるとともに、混合粉末中のＦｅ−Ｐ粉末の添加量は、１．０〜３．３％とした。
【００１４】
Ｃ：
Ｃは液相化温度を下げるので焼結時にＦｅ−Ｐ−Ｃ液相を発生させ、焼結体の緻密化を促進するとともに、Ｃｒ，Ｍｏと炭化物を形成して耐摩耗性に寄与する。全体組成中のＣの含有量が１％未満ではこれらの効果が乏しく、一方、３％を超えると基地が脆化するとともに、炭化物の析出量が増大することによりベーン等の相手材を摩耗させたり、基地中のＣｒ量を低減させて耐熱性および耐食性の低下を招く。よって、全体組成中のＣの含有量は１．０〜３．０％とした。
【００１５】
ただし、Ｃの全量を黒鉛粉末の形態で付与すると、Ｆｅ合金粉末はＣｒ，ＭｏがＦｅ基地中に固溶された状態の粉末となり、Ｆｅ合金粉末の硬さが硬くなり過ぎて圧縮性が損なわれる。また、多量の黒鉛粉末の使用も混合粉末の圧縮性を損なう。そのため、Ｃの一部をＦｅ合金粉末の形態で付与し、残りのＣを黒鉛粉末の形態で付与することとする。Ｃの一部をＦｅ合金粉末の形態で付与すると、Ｆｅ合金粉末中のＣｒ，Ｍｏが炭化物としてＦｅ合金粉末中に析出し、Ｆｅ合金粉末の基地中に固溶されるＣｒ，Ｍｏの量が低減することにより、Ｆｅ合金粉末の圧縮性を改善できる。さらに、残りのＣを黒鉛粉末の形態で与えることにより混合粉末自体の圧縮性も改善できる。このとき、Ｆｅ合金粉末中のＣの含有量量が０．５質量％未満であると、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒ，Ｍｏの量が多くなってＦｅ合金粉末が硬く圧縮性を損ない、一方、１．５％を超えるとＦｅ合金粉末中に析出する炭化物の量が多くなりすぎ、逆にＦｅ合金粉末の硬さが高くなるため、Ｆｅ合金粉末中のＣの含有量は０．５〜１．５％とした。残部の０．５〜１．５％は黒鉛粉末として混合粉末に添加する。
【００１６】
以上より、Ｆｅ合金粉末の組成は、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｓｉ：１〜３％、Ｃ：０．５〜１．０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、Ｆｅ−Ｐ合金粉末の組成は、Ｐ：１０〜３０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物とし、前記Ｆｅ合金粉末に前記Ｆｅ−Ｐ粉末を１．０〜３．３％と黒鉛粉末を０．５〜１．５％を添加して混合粉末となすこととした。
【００１７】
上記構成の混合粉末を用い、通常の粉末冶金法の手法で成形−焼結することにより、質量比でＣｒ：２３．８〜４４．３％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．１〜１．０％、Ｃ：１．０〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度比が９５％以上で基地中に炭化物が分散するターボ部品を容易に得ることができる。
【００１８】
特に、本発明のターボ部品では、密度比を９５％以上としているので、気孔内での酸化や孔食腐蝕の進行を抑制することができ、耐食性を大幅に向上させることができる。また、微細な粒状のＣｒ炭化物を基地中に分散させることにより、耐摩耗性と耐酸化性を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明の実施の形態を示す図である。図１は内燃機関用ターボチャージャーの一部を示す側断面図であり、図中符号２ノズルボディ２である。ノズルボディ２の中央には、タービン３が図示しない軸受によって回転自在に支持される。タービン３の反対側の端部には、図示しないコンプレッサが接続されている。
【００２０】
ここで、上記構成のうちノズルボディ２が実施形態のターボ部品である。図２に示すように、ノズルボディ２はリング状をなし、その周縁には複数の軸受孔ａが形成されている。この軸受孔２ａには、ノズルベーン４の軸５が回動可能に支持されている。軸５のノズルベーン４と反対側の端部には、リンク６が固定されている（図２では１個のみ示す）。そして、各リンク６を一様に駆動することによりノズルベーン４が回動し、外周側からタービン３に流れ込む排気ガスの流量を調整するようになっている。なお、本発明のターボ部品には、上記のようなノズルボディ２の他に、これに適宜装着されるプレートノズル等の部品も含まれており、前述した焼結合金により構成される。
【００２１】
【実施例】
以下に本発明の実施例を詳細に説明する。
表１に示す組成のＦｅ合金粉末、Ｆｅ−２０％Ｐ粉末および黒煙粉末を用意し、表１に示す割合でそれら粉末を混合した。得られた混合粉末の全体組成を表１に併記した。これら混合粉末を用いて成形圧力６ｔｏｎ／ｃｍ^２で外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍおよび高さ１０ｍｍのリング形状に成形した後、真空雰囲気中１２００℃で６０分焼結してＮｏ．１〜１３の試料を作成した。また、従来材として表１に示す組成の高Ｃｒ鋳鋼の溶製材を上記リング形状に加工して用意した。各試料を大気中で１００時間、７５０〜９００℃の温度範囲で加熱し、加熱後の重量の増加量を測定した。その結果を図３〜６に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
（１）全体組成中のＰの影響
図３は全体組成中のＰ量が互いに異なる各試料のＰ量と加熱後の酸化による重量増加量との関係を示したものである。図３から判るように、Ｐの含有量が０．１％になると重量増加量が急減し、耐酸化性が著しく向上する。これは、Ｐの含有量が０．１％のときに焼結時の液相化が促進され、気孔が減少して内部酸化が抑制されたためである。また、Ｐの含有量が１．０％を超えると、基地が脆化して耐食性が低下したために重量増加量が増えている。
【００２４】
（２）混合粉末中の黒鉛粉末の影響
図４は混合粉末中の黒鉛粉末の添加量が互いに異なる各試料の黒鉛粉末の添加量と加熱後の酸化による重量増加量との関係を示したものである。図４から判るように、黒鉛粉末の添加量が０．５〜１．５％であると重量増加量が低減される。これは、黒鉛粉末により焼結時の液相化が促進され、気孔が減少して内部酸化が抑制されたためである。
【００２５】
（３）Ｆｅ−合金粉末中のＣｒの影響
図５はＦｅ合金粉末中のＣｒの含有量が互いに異なる各試料のＣｒの含有量と加熱後の酸化による重量増加量との関係を示したものである。図５から判るように、Ｆｅ合金粉末中のＣｒの含有量が２５％以上のときに重量増加量が大幅に低減される。こでは、Ｃｒにより基地の耐熱性および耐食性が向上されたためである。
【００２６】
（４）従来材との比較
図６は本発明の試料と高Ｃｒ鋳鋼（Ｎｏ．１４）を大気中で１００時間、７５０〜９００℃の温度範囲で加熱し、加熱後の重量の増加量を測定した結果を示す図である。図６に示すように、本発明材では密度比が１００％の従来材よりも酸化による重量増加が少ない。両者の金属組織を調べたところ、本発明材では微細なＣｒ炭化物が基地中に分散しているのに対して、従来材ではＣｒ炭化物が結晶粒界に析出しているのが確認された。本発明材では、Ｃｒ炭化物が基地中に微細に分散することにより、従来材よりも優れた高温耐熱性が得られるものと考えられる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高価な高Ｃｒ鋳鉄と同等以上の耐熱性を備えるとともに耐食性および耐摩耗性に優れ、しかも価格が低廉なターボ部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のターボ部品を示す側断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のターボ部品を示す平面図である。
【図３】本発明の実施例におけるＰ量と酸化による重量増加量との関係を示す線図である。
【図４】本発明の実施例における黒鉛粉末添加量と酸化による重量増加量との関係を示す線図である。
【図５】本発明の実施例におけるＣｒ含有量と酸化による重量増加量との関係を示す線図である。
【図６】本発明の実施例における本発明材と従来の高Ｃｒ鋳鋼の試験温度と酸化による重量増加量との関係を示す線図である。
【符号の説明】
２ノズルボディ（ターボ部品）

Claims

質量比でＣｒ：２５〜４５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｓｉ：１〜３％、Ｃ：０．５〜１．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる組成のＦｅ合金粉末に、Ｐ：１０〜３０質量％のＦｅ−Ｐ粉末を１．０〜３．３質量％、黒鉛粉末を０．５〜１．５質量％を添加して混合した混合粉末を用い、この混合粉末を成形した後に焼結することにより、質量比でＣｒ：２３．８〜４４．３％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．１〜１．０％、Ｃ：１．０〜３．０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度比が９５％以上で基地中にＭｏ炭化物およびＣｒ炭化物が分散することを特徴とするターボチャージャー用ターボ部品。
前記Ｆｅ合金粉末のＣｒの組成を３０〜４５質量％とすることにより、全体組成中のＣｒの含有量を２８．６〜４４．３質量％とすることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー用ターボ部品。