JP6342844B2 - Turbine wheel manufacturing method - Google Patents
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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。 The present invention relates to a method of manufacturing a turbine wheel incorporated in a turbocharger used in an automobile engine or the like, and more particularly, firing with high dimensional accuracy by metal powder injection molding (may be described as MIM method (Metal Injection Molding method)). The present invention relates to a method for manufacturing a sintered product as a turbine wheel, which is a final product (final finished product), without obtaining a sintered product by machining (secondary processing) the sintered product.
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。 A turbocharger used in an automobile engine or the like amplifies the flow rate of exhaust gas so that the engine can efficiently obtain output even at low speed rotation, and uses this exhaust energy to When the turbine rotates, the intake-side turbine directly connected to the exhaust-side turbine is rotated, so that air is forcibly taken into the engine.
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。
In general, a supercharger mounted on a vehicle or the like is composed of three parts: a high-temperature turbine wheel, a low-temperature compressor wheel, and a rotor shaft that connects the two.
The high temperature side turbine wheel is made of a cast material such as a heat-resistant metal and has a plurality of spiral blades and a rotor shaft connecting portion. The low temperature side compressor wheel is made of a cast material such as an aluminum alloy, and has a spiral shape and a plurality of blades.
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。
In general, each blade is thinner toward the tip.
With regard to this turbine wheel, a method of being manufactured by casting has been adopted, but a method of manufacturing by metal powder injection molding capable of improving dimensional accuracy as compared with the manufacturing by casting has also been developed. Japanese Patent No. 4240512 (Patent Document 1) discloses a method of manufacturing a turbine wheel by this metal powder injection molding. The method for manufacturing a turbine wheel disclosed in Patent Document 1 has a plurality of curved blades extending radially from a central shaft portion and bent at the upper end in a rotational direction. A method of manufacturing a metal turbine wheel to which a rotor shaft serving as a rotating shaft is coupled, and a step of cutting a sintered product having a shape approximate to a desired final product manufactured by a metal powder injection molding method And a step of pressing the blade, the sintered product has a blade tip height within a range of ± 1.0% with respect to a target value of the final product, and a blade pitch of ± 0. In the cutting process, a rotor shaft coupling portion that is centered on the center of rotation of the turbine wheel is provided on the bottom surface of the central shaft portion in the cutting process. Processing In the pressing step, after fixing the sintered product with the rotation center as a midpoint, the central axis of the sintered product is simultaneously synchronized with a plurality of correction pins arranged radially with respect to the fixed sintered product. What is performed by sliding toward the part, the correction pin has a shape corresponding to the space shape between each blade, is arranged at equal intervals according to the number of blades, along each blade surface, Each blade is inserted in the direction of the central axis so as to be sandwiched from both sides. According to this turbine wheel manufacturing method, even a turbine wheel having thin blades can be manufactured with high dimensional accuracy.
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。
However, as described in paragraph 0009 of Patent Document 1, in this manufacturing method, a desired final product cannot be obtained directly from the MIM method. That is, a sintered product having a certain relationship with a desired final product is prepared by the MIM method, and then the center position is determined by cutting the rotor shaft connecting portion, and then the space shape between the blades of the final product is determined. By inserting a straightening pin having a shape corresponding to each of the blades while simultaneously synchronizing between the blades, the deformation of the blades and the pitch interval of the blades are adjusted, and the dimensional accuracy of the blades is ± 0.0.
A turbine wheel having a coaxiality and a center balance accuracy higher than that of a conventional cast product can be obtained. For this reason, the sintered product manufactured by the MIM method must be pressed (mechanical processing, secondary processing) using a correction pin. Thus, this manufacturing method has a problem that the manufacturing cost tends to be high because secondary processing after sintering is required.
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。 The present invention has been developed in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its object is to complete a sintered product by the MIM method as a final product without the need for secondary processing after sintering. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a turbine wheel with a very thin blade tip (for example, 0.3 mm or less) and high dimensional accuracy (for example, a small unbalance amount) while reducing the manufacturing cost.
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。
In order to achieve the above object, the method for manufacturing a turbine wheel according to the present invention employs the following technical means.
That is, the method for manufacturing a turbine wheel according to the present invention has a plurality of curved blades extending radially from the central shaft portion and bent at the upper end in the rotational direction. A metal turbine wheel to which the rotor shaft is connected is manufactured. In this method, an organic binder is added to metal powder, heated and mixed, and then a heat-kneading step for obtaining an injection molding material by crushing or pelletizing, and injection molding the injection molding material into the shape of a turbine wheel to produce a molded body. An injection molding step, a degreasing step for degreasing the produced molded body in a degreasing atmosphere, and a sintering for producing a sintered product by sintering the degreased molded body in a sintering atmosphere after the degreasing step. And after the degreasing step, the compact is placed on a setter and processed to complete a sintered product as a final product.
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。
また、本発明に係るタービンホイールの製造方法の最も好ましい形態は、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ものであって、前記セッターに、シリカを重量比率で3%〜4.8%含むアルミナで形成されることにより、平面度が0.02mm〜0.1mmであって、見掛け気孔率が15%〜16.7%とされたものを用いることを特徴とする。
Preferably, the setter may have an apparent porosity of 15% to 18%.
More preferably, the main components of the setter are alumina and silica, and the weight ratio of silica can be 3% to 10%.
More preferably, the setter may have a flatness of 0.02 mm to 0.1 mm.
The most preferable embodiment of the method for manufacturing a turbine wheel according to the present invention has a plurality of curved blades extending radially from the central shaft portion and bent at the upper end in the rotational direction. A method of manufacturing a metal turbine wheel to which a rotor shaft serving as a rotating shaft is connected to a side, wherein an organic binder is added to a metal powder and heated and mixed, and then pulverized or pelletized to obtain an injection molding material An injection molding step for producing a molded body by injection molding the injection molding material into the shape of the turbine wheel; a degreasing step for degreasing the produced molded body in a degreasing atmosphere; and after the degreasing step In a sintering atmosphere, a sintering step of sintering a degreased molded body to produce a sintered product, and after the degreasing step, By treatment by placing the serial moldings setter, there is to complete the sinter as the final product, to the setter, silica with 3% to 4.8% containing alumina weight ratio formation by being, flatness I 0.02mm~0.1mm der, apparent porosity is characterized by using a those 15% ~16.7%.
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。 According to the present invention, the sintered product by the MIM method is completed as a final product without the need for secondary processing after sintering, and the blade tip is very thin (for example, 0.3 mm or less) while reducing the manufacturing cost. A turbine wheel with high dimensional accuracy (for example, a small unbalance amount) can be manufactured.
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。
Hereinafter, a method for manufacturing a turbine wheel according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A turbocharger is a well-known device for supplying air to an engine inlet at a pressure higher than the atmosphere. The turbocharger essentially comprises an exhaust gas driven
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。
The size of the
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。
In the conventional manufacturing method of the
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。
The
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。
Since the
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。
The
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。
The
<First feature>
The apparent porosity of the
<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。
<Second feature>
The main components of the
<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。
<Third feature>
The flatness of the
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。
Hereinafter, the
The
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。
The metal used in the turbine wheel has corrosion resistance and is made of a heat-resistant steel metal material. Inconel, which is a Ni-based alloy, is mainly used. Among them, Inconel 713C (Ni-12.5Cr-4.2Mo-6.1Al-0.8Ti-2.0Nb) is generally used.
As metal powder made of Inconel metal material, alloy powder manufactured by water atomization or gas atomization method is usually used, but in addition to the alloy powder of powder made by these atomization methods, it is adjusted so that it becomes an alloy component during sintering. Element powders may be added according to the composition. In general, water atomized powder can be produced in a larger amount than gas atomized powder, so the manufacturing cost is also low, but because the powder shape tends to be irregular, the tap density tends to be low, and The amount of oxygen also increases. On the other hand, although the manufacturing cost of the gas atomized powder is increased, it is easy to obtain a spherical powder and the tap density is increased. For this reason, the water atomized powder and the gas atomized powder may be mixed and used in consideration of the cost and the tap density.
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。
In addition, a titanium aluminum alloy that is lightweight and has high heat resistance at high temperatures is used. Using a composition in which the ratio of titanium to aluminum is TiAl, and adding 1 to 5% of the total amount of chromium, vanadium, manganese, and niobium to the titanium aluminum, ductility and workability are improved.
As the metal powder made of titanium aluminum metal material, alloy powder manufactured by plasma arc method, gas atomization method and pulverization method is used, but in addition to the alloy powder of powder made by these, it becomes an alloy component at the time of sintering The element powder may be adjusted and added according to the composition. In general, the pulverized powder can be produced in a larger amount than the plasma arc method and the gas atomized powder, so the manufacturing cost is also low. However, since the powder shape tends to be irregular, the tap density tends to be low. The amount of oxygen in the powder also increases. On the other hand, although the production cost of plasma arc powder and gas atomized powder is high, it is easy to obtain spherical powder and has a feature that the tap density is high. For this reason, in consideration of cost and tap density, pulverized powder may be mixed with plasma arc powder or gas atomized powder.
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。 As for the average particle diameter of the metal powder in this Embodiment, 1-30 micrometers is preferable. When the average particle size is less than 1 μm, the amount of binder added increases as the surface area of the powder increases, and deformation during degreasing increases. In addition, when the amount of the binder is increased, the shrinkage rate at the time of sintering is increased, the dimensional variation after sintering is increased, and it is difficult to obtain a sintered product with high dimensional accuracy in a subsequent pressing step. When the powder particle size exceeds 30 μm, it becomes difficult to stably obtain a sintered density (relative density) of 95% or more, the strength is remarkably lowered, and it cannot be used as a product. A more preferable average particle diameter is 5 to 12 μm, and more desirably 8 to 10 μm. In the present embodiment, the average particle diameter means an average diameter of 50% cumulative weight measured using a particle size distribution measuring apparatus using a laser diffraction / scattering method. As a particle size distribution measuring apparatus, SALD-2000 model manufactured by Shimadzu Corporation can be used.
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。
As the organic binder, an organic binder containing 5 to 40% by volume of polyacetal and 5 to 40% by volume of polypropylene is used. By using polyacetal and polypropylene in the organic binder, the amount of deformation during degreasing can be suppressed as compared with conventional binders using polyethylene, ethylene vinyl acetate, and acrylic resin.
Polyacetal is indispensable as a substance that increases the strength of the molded body, prevents deformation of the molded body at 600 ° C. or lower during sintering, and does not leave carbides after sintering. Polypropylene imparts toughness to the molded body and prevents cracking of sintering and separation of added low melting point compounds. Polypropylene also has the property that no carbides remain after sintering.
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。 When the addition amount of polyacetal and polypropylene is less than 5 Vol% with respect to the total amount of the organic binder, deformation at the time of degreasing becomes large, and the prescribed dimensional accuracy after sintering cannot be obtained. On the other hand, if the addition amount of polyacetal and polypropylene exceeds 40% by volume with respect to the total amount of the organic binder, the viscosity at the time of molding increases and the molding material cannot be completely filled in the mold.
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。
A more preferable polyacetal content is 10 to 30% by volume, and a more preferable polypropylene content is 10 to 30% by volume.
As materials other than polyacetal and polypropylene, the following organic materials can be used.
Fatty acid ester, fatty acid amide, phthalic acid ester, paraffin wax, microcrystalline wax, polyethylene wax, polypropylene wax, carnauba wax, montan wax, urethanized wax, maleic anhydride to provide fluidity and improve degreasing Modified waxes and polyglycol compounds are used. Particularly preferred materials include paraffin wax, fatty acid ester, and polypropylene wax.
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。
In addition, polyethylene, amorphous polyolefin, ethylene vinyl acetate copolymer, acrylic resin, polyvinyl butyral resin, glycidyl methacrylate resin, and the like can be used in order to impart fluidity during molding and flexibility in the molded body. Particularly preferred materials include polyethylene and amorphous polyolefin.
In order to improve the fluidity and degreasing property, in order to provide the fluidity and flexibility, the organic binder is 30 to 60% by volume (Vol%) with respect to the total amount of the metal powder and the organic binder. It is preferable to make it 30 to 50% by volume.
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。
The organic binder and metal powder having the above ratio are heated and kneaded at about 160 to 180 ° C. for about 2 hours to completely disperse and mix the metal powder with the organic binder (S200 in FIG. 4). Thereafter, it is taken out and formed into a pellet shape having a diameter of about 5 mm by an extruder or a pulverizer, and is used as a molding material for injection molding (S300 in FIG. 4).
And in shaping | molding, it is necessary to determine a metal mold | die shape in consideration of the dimension of the final finished product after sintering. These dimensions are dimensions obtained after sintering or by the hot isostatic pressing method, and the dimensions differ depending on the sintering density. Therefore, the mold design needs to fully consider the subsequent dimensional changes. For this purpose, it is necessary to design the dimensions of the mold in consideration of the above dimensional accuracy, and it is necessary to calculate the shrinkage ratio from molding to sintering in advance.
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。
In the conventional organic binder system, deformation occurs during the degreasing process, and it is very difficult to obtain a product within the size range of the sintered product. However, the particle size of the metal powder, the amount of the binder, and the binder component should be used. Thus, a sintered product with higher dimensional accuracy than the conventional one can be manufactured by the MIM method. Furthermore, a sintered product processed using the
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。 The mold is attached to an injection molding machine for molding, and the number of molded products obtained is generally one by one mold. The capacity of the injection molding machine is adjusted appropriately according to the size of the product. In general, molding is performed using a molding machine having a clamping force of about 50 to 150 tons. The injection speed and pressure are adjusted so that defects such as bubbles and cracks do not occur in the molded body, and the mold is provided with a gas escape for effectively releasing the air generated in the mold and the gas generated from the molding material. There is a need. When there is no effective gas escape, air or gas generated from the molding material is taken into the molded body, and bubbles are generated in the molded body.
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。
The obtained molded body is put into a degreasing furnace, and the added organic binder is removed (S400 in FIG. 4). The degreasing furnace for removing the organic binder is performed using any one of a reduced pressure inert gas atmosphere, an atmospheric pressure inert gas atmosphere, and an atmospheric pressure hydrogen gas atmosphere. In the case of a sintering apparatus having a degreasing function, the degreasing sintering is performed. Can be done consistently. As the degreasing furnace, a batch type degreasing furnace or a continuous (belt type, pusher type, walking beam type) degreasing furnace can be used. In particular, it is effective to perform degreasing using a jig having a shape along the shape of the molded body so as to prevent deformation to a minimum in view of the fact that the amount of deformation increases during degreasing. After this degreasing step S400 (degreasing step S400 and sintering step S500), the
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。
Inconel and titanium-aluminum alloy (including mixed powder of titanium and aluminum) degrease atmosphere is either vacuum inert gas atmosphere, atmospheric inert gas atmosphere or atmospheric hydrogen atmosphere. In the case of a titanium aluminum alloy, the maximum temperature is 600 ° C. or less.
When the degreasing atmosphere is in the air, the powder is oxidized at 300 ° C. or higher, and the amount of oxygen after sintering increases, which greatly affects the strength of the sintered product. Therefore, a depressurized inert gas atmosphere, an atmospheric pressure inert gas atmosphere, and an atmospheric pressure hydrogen atmosphere are used as the degreasing atmosphere. In the case of Inconel, nitrogen or argon is used as the inert gas, but it is preferable to use nitrogen gas in consideration of cost. In the case of a titanium alloy, it is desirable to carry out with argon or hydrogen in consideration of nitriding of the material. The temperature increase rate during degreasing is preferably 50 ° C./hr or less from room temperature to 400 ° C. in consideration of deformation during degreasing. Moreover, the deformation | transformation at the time of degreasing of a molded object can be suppressed by using the jig | tool which considered the deformation | transformation of a molded object at the time of degreasing.
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。 The temperature of Inconel degreasing is 800 ° C. or less, and in the case of titanium aluminum alloy, it is 600 ° C. or less. However, at about 300 ° C., about 30% of the organic binder tends to remain, and above 600 ° C., the organic binder is easily removed completely. When moving to the sintering step, the molded body may collapse, and a more preferable degreasing temperature is 400 ° C to 500 ° C. Moreover, it is effective to use a sintering furnace having a degreasing function as a method for preventing the collapse of these molded products, and it is possible to shift to sintering without lowering the temperature even after the degreasing. Also, by connecting a continuous (belt type, pusher type, walking beam type) sintering furnace as well as a continuous type (belt type, pusher type, walking beam type) degreasing furnace, the degreasing step S400 to the sintering step S500 are performed. Processing can be performed continuously without interruption.
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。
Next, the sintering step (S500 in FIG. 4) will be described.
In the inconel sintering process, any one of a reduced pressure inert gas atmosphere, an atmospheric pressure inert gas atmosphere, a pressurized inert gas atmosphere, and a vacuum atmosphere is used as a sintering atmosphere. As the inert gas, a large amount of chromium is used as a material during sintering. Therefore, it is preferable to use argon gas in consideration of nitriding of the material. The sintering temperature is 1000 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. However, if the sintering temperature is lower than 1000 ° C., the sintering is insufficient. In order for the sintered density to be 95% or more, 1200 to 1400 ° C is desirable, and further 1250 to 1380 ° C is desirable. Further, it is desirable to maintain the maximum temperature for about 2 to 4 hours in consideration of the improvement of the sintering density during sintering and the dimensional variation during sintering. As in the degreasing process, deformation occurs at high temperatures in the sintering process, so it is effective to use a jig for preventing deformation of the sintered product.
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。 In the sintering process of the titanium aluminum alloy, any one of a reduced pressure inert gas atmosphere, an atmospheric pressure inert gas atmosphere, a pressurized inert gas atmosphere, and a vacuum atmosphere is used as a sintering atmosphere. Considering oxidation and nitridation at the time of sintering, it is preferably performed in a vacuum. The sintering temperature is 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower, but if it is less than 800 ° C., the sintering is insufficient, and if it exceeds 1300 ° C., it melts during sintering. In order for the sintered density to be 95% or more, 900 to 1250 ° C. is desirable, and further 1000 to 1200 ° C. is desirable. Further, it is desirable to maintain the maximum temperature for about 2 to 4 hours in consideration of the improvement of the sintering density during sintering and the dimensional variation during sintering. As in the degreasing process, deformation occurs at high temperatures in the sintering process, so it is effective to use a jig for preventing deformation of the sintered product.
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。
In degreasing and sintering, considering the production volume, batch type degreasing furnaces and sintering furnaces are used for small quantities of various products, and degreasing and sintering are performed by pusher type continuous furnaces and walking when the number increases. By using a continuous process using a beam type continuous furnace and a belt type continuous furnace, the production amount can be dramatically improved.
By setting the density of the sintered product to 95% or more in terms of relative density, the mechanical strength and hardness at high temperatures can be maintained. When the relative density is less than 95%, the mechanical strength at high temperatures, particularly the elongation and hardness, are lowered, and continuous use at high temperatures is difficult.
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。
The relative density of the sintered product can be measured by the Archimedes method.
A ceramic jig that fits in the inner diameter of the shaft coupling inner diameter portion shown in FIG. 1 that has been calculated in advance for the shrinkage rate after sintering in the degreasing process (degreasing step S400) to the sintering process (sintering step S500) for both Inconel and titanium aluminum alloy. By installing the dimensional accuracy of the inner diameter can be improved.
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。 The obtained sintered product is further subjected to a hot isostatic pressing method (HIP method) in order to further increase the sintered density to improve the mechanical strength and to improve the reliability of the mechanical strength in a high temperature range. It may be processed by. In this case, a sintered product having a relative density of 98% or more without a pinhole inside is stably obtained by processing at a low temperature of about 10 ° C. to 100 ° C. and a high pressure of about 10 MPa to 180 MPa. be able to. Inconel uses a sintered HIP device that can perform a pressure treatment of up to about 6 MPa during the sintering process, so that a sintered product with a relative density of 98% or more can be obtained without using the HIP method in the subsequent process. is there.
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。
According to the method for manufacturing a turbine wheel according to the present embodiment, in the degreasing step S400 and the sintering step S500, a setter having the above-described <first feature>, <second feature>, and <third feature>. Since the molded product is placed on 100 or the
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)。
The
[Example 1]
Metal powder: Inconel 713C Average particle size 9.2 μm
-Organic binder composition: Polyacetal 25 Vol%, Polypropylene 25 Vol%, Amorphous polyolefin 10 Vol%, Paraffin wax 35 Vol%, Fatty acid ester 5 Vol%
・ Metal powder: 67 Vol% Organic binder 33 Vol%
-Heat kneading: 180 ° C for 2 hours-Injection molding conditions: Injection temperature: 190 ° C Mold temperature: 40 ° C
・ Molding machine: Clamping
・ Metal powder: Titanium aluminum alloy (added 2% vanadium) Average particle size 12.7μm
-Organic binder composition: Polyacetal 25 Vol%, Polypropylene 25 Vol%, Amorphous polyolefin 10 Vol%, Paraffin wax 35 Vol%, Fatty acid ester 5 Vol%
・ Metal powder: 67 Vol% Organic binder 33 Vol%
-Heat kneading: 180 ° C for 2 hours-Injection molding conditions: Injection temperature: 190 ° C Mold temperature: 40 ° C
・ Molding machine: Clamping
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。
The specifications of the
-Example setter specifications Apparent porosity: 16.7%
Ingredients: 94.93% by weight of alumina, 4.81% by weight of silica, 0.10% by weight of ferric oxide, 0.16% by weight of sodium oxide
Flatness: 0.05mm
Using the above-described example setter in the degreasing step S400 and the sintering step S500, inconel of [Example 1] and titanium aluminum alloy of [Example 2] are processed according to the manufacturing flowchart of S200 to S500 of FIG. did. In both Inconel of [Example 1] and the titanium aluminum alloy of [Example 2], the dimensions required for the final product can be obtained after sintering, and secondary processing after sintering is required. The product (
[Comparative example]
The comparative example setter shown below is used in the degreasing step S400 and the sintering step S500, and the same Inconel as in [Example 1] and the same titanium aluminum alloy as in [Example 2] are manufactured according to the manufacturing flowchart of S200 to S500 in FIG. The process was executed. In both Inconel of [Example 1] and the titanium aluminum alloy of [Example 2], the dimensions required for the final product cannot be obtained after sintering, and secondary processing of the sintered product is necessary. Met.
・ Comparative setter specifications Apparent porosity: 13.4%
Ingredients: 88.43% by weight of alumina, 11.42% by weight of silica, 0.05% by weight of ferric oxide, 0.10% by weight of sodium oxide
Flatness: 0.3mm
As described above, according to the method for manufacturing a turbine wheel according to the present embodiment, in the degreasing step S400 and the sintering step S500, the above-described <first feature>, <second feature>, and <third feature> In order to place the molded product on the
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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for a method for manufacturing a turbocharger turbine wheel used in an automobile engine or the like, and does not require secondary processing after sintering, and completes a sintered product by the MIM method as a final product, thereby reducing the manufacturing cost. This is particularly preferable in that a turbine wheel with high dimensional accuracy can be manufactured while being lowered.
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)
DESCRIPTION OF
S200 Heat kneading step (heat kneading process)
S300 Injection molding step (injection molding process)
S400 Degreasing step (degreasing process)
S500 Sintering step (sintering process)
S600 Step of taking out the final product (takeout step)
Claims (1)
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ものであって、
前記セッターに、シリカを重量比率で3%〜4.8%含むアルミナで形成されることにより、平面度が0.02mm〜0.1mmであって、見掛け気孔率が15%〜16.7%とされたものを用いる
ことを特徴とする、タービンホイールの製造方法。 A metal turbine wheel having a plurality of curved blades extending radially from the central shaft portion and having an upper end bent in the rotational direction, and a rotor shaft serving as a rotational shaft connected to the bottom surface side of the central shaft portion in use. A method of manufacturing
A heating and kneading step of adding an organic binder to the metal powder and heating and mixing, and then crushing or pelletizing to obtain an injection molding material,
An injection molding step of producing a molded body by injection molding the injection molding material into the shape of the turbine wheel; and
In a degreasing atmosphere, a degreasing step for degreasing the produced molded body,
After the degreasing step, in a sintering atmosphere, sintering the degreased shaped body to produce a sintered product, and
After the degreasing step, the sintered product is completed as a final product by placing and processing the molded body on a setter,
The setter, by being made of alumina containing 3% to 4.8% silica by weight ratio, it flatness 0.02mm~0.1mm der, an apparent porosity of 15% ~16.7 A method for manufacturing a turbine wheel, characterized in that a turbine wheel is used.
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