JP5894189B2 - 接合部品及びその接合方法 - Google Patents
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Description
これらの性能向上に有望な材料として、金属間化合物TiAlを主相とする合金(本明細書中では、TiAl基合金部材という)がある。例えば、特許文献1には、図5に示すように、TiAl基合金部材をタービンホイールとし、粘り強さがあり、加工が容易な素材である鋼材部材をシャフトとして、これらをNiろうで、ろう付けした接合部品が使用されている。
前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記タービンホイールは前記TiAl基合金部材によって構成され、前記シャフトは前記鋼材部材によって構成され、前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材との間には前記Niろうのみが介在されて構成され、
前記TiAl基合金部材はTiを主な構成元素として含み、前記鋼材部材はFeを主な構成元素とし、炭素を0.30〜0.45重量%、Crを0.85〜1.25重量%含む構造用鋼材からなることを特徴とする。
前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記タービンホイールは前記TiAl基合金部材によって構成され、前記シャフトは前記鋼材部材によって構成され、前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材との間には前記Niろうのみが介在されて構成され、
前記TiAl基合金部材はTiを主な構成元素として含み、前記鋼材部材はFeを主な構成元素とし、炭素を0.15重量%以下、Crを11.5〜13重量%含むマルテンサイト系ステンレス鋼材からなることを特徴とする。
前記鋼材部材は、炭素が0.30〜0.45重量%、Crが0.85〜1.25重量%含まれる構造用鋼材若しくは、炭素が0.15重量%以下、Crが11.5〜13重量%含むマルテンサイト系ステンレス鋼材であり、例えば熱処理によって前記Crを含む合金元素と、炭素および窒素を夫々結合させて前記構造用鋼材内の少なくともNiろうとの境界側に、窒化物および炭化物を存在させてなる。
尚、前記窒素は、前記鋼材部材の製造(溶解)時に混入する窒素であるのが一般的であるが、その一部が前記鋼材中に含有する窒素であってもよい。
また、鋼材部材に含まれる炭素の一部は炭化物となるため、炭素量が少なくなる。したがって、鋼材部材とろう付けの境界付近に形成されるボイド、チタンカーバイトおよび窒化物の発生を抑制することができる。なお、鋼材部材は炭化物を有するが、鋼材部材は熱処理によって鋼内組織の均質化および炭化物の球状化が施されているため、従来の鋼材部材に形成されたチタンカーバイトのように強度の弱部とならない。
さらに、前記構造用鋼材はCrが0.85〜1.25重量%、又マルテンサイト系ステンレス鋼材はCrを重量%で11.5〜13%含んでいるため、鋼材部材の強度を大幅に増加させることができる。
また、本発明に係る接合部品の接合方法は、CとCrを含む合金元素が含有されている鋼材部材と、TiAl基合金部材とが、Niろうを介して接合されてなる接合部品であって、前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記TiAl基合金部材によって構成された前記タービンホイールと前記鋼材部材によって構成された前記シャフトとを接合する接合部品の接合方法において、
前記鋼材部材は、炭素が0.30〜0.45重量%、Crが0.85〜1.25重量%含まれる構造用鋼材であり、熱処理によって前記Crを含む合金元素と、前記構造用鋼材中の炭素および窒素を夫々結合させ、
前記熱処理後の前記構造用鋼材のシャフトとTiAl基合金部材のタービンホイールとを前記Niろうのみを介して接合し、前記構造用鋼材内の少なくともNiろうとの境界側に、前記Crを含む合金元素の窒化物および炭化物を存在させることを特徴とする。
また、本発明に係る接合部品の接合方法は、CとCrを含む合金元素が含有されている鋼材部材と、TiAl基合金部材とが、Niろうを介して接合されてなる接合部品であって、前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記TiAl基合金部材によって構成された前記タービンホイールと前記鋼材部材によって構成された前記シャフトとを接合する接合部品の接合方法において、
前記鋼材部材は、炭素が0.15重量%以下、Crが11.5〜13重量%含むマルテンサイト系ステンレス鋼材であり、熱処理によって前記Crを含む合金元素と、前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中の炭素および窒素を夫々結合させ、
前記熱処理後の前記マルテンサイト系ステンレス鋼材のシャフトと前記TiAl基合金部材のタービンホイールとを前記Niろうのみを介して接合し、前記マルテンサイト系ステンレス鋼材内の少なくともNiろうとの境界側に、前記Crを含む合金元素の窒化物および炭化物を存在させることを特徴とする。
図1に示すように、乗用車小型過給機用タービンに使用されるタービン部品(以下、タービン本体1という)は、タービンホイール2と、シャフト3とから構成されている。タービンホイール2には凸状接合部2aが、また、シャフト3には凹状接合部3aが形成され、この凸状接合部2aと凹状接合部3aとが嵌合状態となりタービンホイール2とシャフト3とがNiろう4で接合されている。タービンホイール2とシャフト3との接合は、真空雰囲気下でタービンホイール2とシャフト3との間にNiろう4を添加することにより行う。
構造用鋼材としては、マンガン鋼、マンガンクロム鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等を用いることができる。
本実施形態では、構造用鋼材として、Cを0.33重量%、Crを0.90重量%含むクロムモリブデン鋼のSCM435を用いた。
構造用鋼材の成分を上記組成範囲とする理由を以下で述べる。
図2中の凡例(0.8、1.0、1.05、1.1、1.15)は、熱処理後のシャフト3の機械的特性(0.2%耐力)をタービンホイール2の強度で除して算出されるスペック比(以下、スペック値という)を示している。
図2より、シャフト3は、C量およびCr量が多いほど強度が高くなる。すなわち、スペック値が大きくなる。
図3(A)および図3(B)に示すように、タービンホイール2とシャフト3は、Niろう4で接合されている。図3(A)に示すように、長時間にわたってタービン本体1を高温状態下で稼働させた後のシャフト3およびNiろう4内に、ボイド、チタンカーバイト、窒化物はほとんど形成されておらず、図3(B)と同様に、正常な状態を維持していることが確認できた。
さらに、シャフト3はCrを含んでいるため、C量が少ないものの、シャフト3の強度を増加させることができる。
そして、Cの拡散を抑制することができるため、900℃〜1000℃程度の高温下で長時間使用してもタービン本体1は破損しない。
なお、シャフト3は炭化物であるクロムカーバイトを有するが、シャフト3は熱処理によって鋼内組織の均質化および炭化物の球状化が施されているため、従来の鋼材部材に形成されたチタンカーバイトのように強度の弱部にならない。
上述したように、第一実施形態では、シャフト3として構造用鋼材を用いることでCの拡散を抑制し、ろう付け強度の低下を防止した。ところで、近年の乗用車エンジン等の燃費向上に伴い排気ガス温度が1000℃程度まで上昇している。排気ガス温度が上昇すると、タービン本体1のNiろう4も高温に晒されるようなる。すると、シャフト3に構造用鋼材を用いても長時間運転後にろう付け強度が低下する場合がある。そこで、タービン本体1が長時間、高温に晒される場合には、シャフト3としてマルテンサイト系ステンレス鋼を用いる。
シャフト3は、マルテンサイト系ステンレス鋼から構成されている。マルテンサイト系ステンレス鋼は、Feを主な構成元素とし、Cを0.15重量%以下、Crを11.5〜13重量%、Siを1.00重量%以下、Mnを1.25重量%以下、Pを0.060重量%以下含んでいる。その他にS、Ni、Mo、Pbなどの添加元素および不可避的不純物レベルのNを含んでもよい。
マルテンサイト系ステンレス鋼としては、クロム系のSUS403、SUS410、SUS410J1、SUS410F2、SUS416、SUS420J1、SUS420J2、SUS420F、SUS420F2、SUS431、SUS440A、SUS440B、SUS440C、SUS440F等を用いることができる。
本実施形態では、マルテンサイト系ステンレス鋼として、Cを0.15重量%、Crを13重量%含み、高力鋼材であるSUS403を用いた。
マルテンサイト系ステンレス鋼の成分を上記組成範囲とする理由を以下で述べる。
Crについて:C量の減少によってシャフト3の強度が低下した分を補うべく、Crを11.5重量%以上添加する。図4は、マルテンサイト系ステンレス鋼がCを0.1質量%含む場合の、Cr量と各温度域における組織の関係を示した図である。図4中のハッチング領域はγ相である。図4に示すように、Crが13重量%以下の場合、1000℃程度の高温時にγ相の領域から冷却すると800〜900℃の温度域でγ相からα相への変態が生じる。一方、Crが13重量%を超えている場合、γ相の領域を外れるため、熱処理時にγ相からα相への変態が生じず、δフェライト系ステンレス鋼となり、シャフト3の強度を高めることができない。したがって、Cr量を13重量%以下とする。上述したように、本発明では、Cr量を11.5〜13重量%とする。
また、シャフト3に含まれるC量は少ないものの、Crが多く含まれているため、シャフト3の強度を増加させることができる。
さらに、シャフト3に含まれるCの一部は、前記熱処理によってCrと結合してクロムカーバイトとなる。クロムカーバイトは高温状態下でも組織安定性に優れるため、ターボチャージャ運転時の高温状態下でもクロムカーバイトが分解し、Cがシャフト3中に固溶する状態になることはない。そのためシャフト3中にクロムカーバイトとして含まれているCの移動が制限されることとなり、シャフト3中からCがタービンホイール2側に拡散することを防止できるため、900℃〜1000℃程度の高温下で長時間使用してもタービン本体1は破損しない。
Claims (5)
- CとCrを含む合金元素が含有されている鋼材部材と、TiAl基合金部材と、前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材との間に介在されると共に前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材を接合するNiろうと、を備える接合部品であって、
前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記タービンホイールは前記TiAl基合金部材によって構成され、前記シャフトは前記鋼材部材によって構成され、前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材との間には前記Niろうのみが介在されて構成され、
前記TiAl基合金部材はTiを主な構成元素として含み、前記鋼材部材はFeを主な構成元素とし、炭素を0.30〜0.45重量%、Crを0.85〜1.25重量%含む構造用鋼材からなることを特徴とする接合部品。 - CとCrを含む合金元素が含有されている鋼材部材と、TiAl基合金部材と、前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材との間に介在されると共に前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材を接合するNiろうと、を備える接合部品であって、
前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記タービンホイールは前記TiAl基合金部材によって構成され、前記シャフトは前記鋼材部材によって構成され、前記鋼材部材と前記TiAl基合金部材との間には前記Niろうのみが介在されて構成され、
前記TiAl基合金部材はTiを主な構成元素として含み、前記鋼材部材はFeを主な構成元素とし、炭素を0.15重量%以下、Crを11.5〜13重量%含むマルテンサイト系ステンレス鋼材からなることを特徴とする接合部品。 - CとCrを含む合金元素が含有されている鋼材部材と、TiAl基合金部材とが、Niろうを介して接合されてなる接合部品であって、前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記TiAl基合金部材によって構成された前記タービンホイールと前記鋼材部材によって構成された前記シャフトとを接合する接合部品の接合方法において、
前記鋼材部材は、炭素が0.30〜0.45重量%、Crが0.85〜1.25重量%含まれる構造用鋼材であり、熱処理によって前記Crを含む合金元素と、前記構造用鋼材中の炭素および窒素を夫々結合させ、
前記熱処理後の前記構造用鋼材のシャフトとTiAl基合金部材のタービンホイールとを前記Niろうのみを介して接合し、前記構造用鋼材内の少なくともNiろうとの境界側に、前記Crを含む合金元素の窒化物および炭化物を存在させることを特徴とする接合部品の接合方法。 - CとCrを含む合金元素が含有されている鋼材部材と、TiAl基合金部材とが、Niろうを介して接合されてなる接合部品であって、前記接合部品はタービンホイールとタービンのシャフトとを備える過給機用のタービン部品であり、前記TiAl基合金部材によって構成された前記タービンホイールと前記鋼材部材によって構成された前記シャフトとを接合する接合部品の接合方法において、
前記鋼材部材は、炭素が0.15重量%以下、Crが11.5〜13重量%含むマルテンサイト系ステンレス鋼材であり、熱処理によって前記Crを含む合金元素と、前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中の炭素および窒素を夫々結合させ、
前記熱処理後の前記マルテンサイト系ステンレス鋼材のシャフトと前記TiAl基合金部材のタービンホイールとを前記Niろうのみを介して接合し、前記マルテンサイト系ステンレス鋼材内の少なくともNiろうとの境界側に、前記Crを含む合金元素の窒化物および炭化物を存在させることを特徴とする接合部品の接合方法。 - 前記窒素は、前記鋼材部材の製造時に混入する窒素であることを特徴とする請求項3または4記載の接合部品の接合方法。
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