JP6535248B2 - 回転体用鍛造材及びそれを用いた回転体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転体用鍛造材及びそれを用いた回転体の製造方法に関する。

従来、自動車、船舶等のコンプレッサに用いられるコンプレッサインペラ等の回転体が知られている。回転体は、ハブ部とそのハブ部の外周面から立設された複数の羽根部とを備えている。回転体は、鋳物、又は鋳造材、押出材、鍛造材等の素材からの削り出しにて製造する。特に自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラは、鋳物にて製造していたが、近年、コスト低減等を目的として、素材からの削り出しにて製造することが主流となりつつある。コンプレッサインペラを削り出しにて製造する場合、その素材を鋳造材、押出材、鍛造材等から選択できるが、軽量化、高温強度の観点から、アルミニウム合金製の鍛造材を切削加工して製造することが増えてきている。

回転体は、用途によって高温下、高回転の過酷条件で使用される。例えば、自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラは、２００℃前後の高温下において、１０〜２０万回転／分の過酷条件で使用されるため、高い機械的特性（特に高温環境下における高い疲労強度）が求められる。したがって、コンプレッサインペラを製造するに当たっては、機械的特性が高い鍛造材を用い、その鍛造材を切削加工して製造することが好ましい。特許文献１には、結晶粒を均一に制御することによって、機械的特性が高い回転体用鍛造材を作製する方法が開示されている。

特開２００６−３０５６２９号公報

上記特許文献１では、最終製品の回転体をその回転軸に対して直交する方向に投影した形状を回転させて得られる立体形状（釣鐘形状）の鍛造材を作製する。しかしながら、この鍛造材を切削加工して回転体を製造しようとすると、鍛造材に対して切削加工する部分が非常に多いため、切削加工後の回転体内部に残留応力が発生しやすい。また、鍛造材の形状が釣鐘形状であり、最終製品の羽根部形状と乖離した形状であるため、釣鐘形状の鍛造材を切削加工して羽根部を形成する際に、鍛造材内部の金属組織、具体的には鍛流線（メタルフロー）が切断されやすくなる。これらにより、切削加工後の回転体の機械的特性（特に高温環境下における疲労強度）の低下を招くことがあり、高温下、高回転の過酷条件で長期間使用すると回転体に疲労亀裂が発生する場合がある。

本発明は、切削加工して得られる回転体の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させることができる回転体用鍛造材及びそれを用いた回転体の製造方法を提供する。

本発明の一の態様である回転体用鍛造材は、ハブ部とハブ部の外周面から立設された複数の羽根部とを備えた回転体を切削加工により得るためのアルミニウム合金製の回転体用鍛造材であって、ハブ部を形成するためのハブ形成部と、１つ以上の羽根部を形成するための羽根形成部と、を備え、羽根形成部には、羽根部の厚み方向の両端面のうち、ハブ部の外周面に向かい合う第１端面とは反対側の第２端面の少なくとも一部に沿った形状を有する羽根形状面が設けられている。

上記回転体用鍛造材（以下、適宜、単に鍛造材という）は、羽根形成部に、回転体の羽根部の第２端面に沿った形状を有する羽根形状面を設けている。そのため、鍛造材を切削加工して回転体を製造する際に、切削による鍛造材内部の鍛流線（メタルフロー）の切断を抑制できる。具体的には、羽根形成部を切削して羽根部を形成する際に、羽根形成部の羽根形状面において、切削による鍛流線の切断を抑制できる。

これにより、形成された羽根部の第２端面は、鍛流線の切断が抑制された面となる。ここで、羽根部の第２端面（例えば、流体が接触する側の面）の鍛流線が切断されている頻度が少ないと、疲労亀裂が発生する可能性が低減される。疲労亀裂が発生しなければ、回転体が例えば高速回転する際に流体から受ける力の繰り返しがあっても亀裂が伝播しない。したがって、鍛造材を切削加工して得られる回転体の羽根部（特にハブ部との付け根部分）の疲労強度向上を図ることができる。

また、上記鍛造材は、羽根形成部に羽根形状面を設けたことにより、鍛造材を切削加工して回転体を製造する際に、鍛造材に対する切削量（特に羽根形成部を切削して羽根部を形成する際の切削量）を少なくすることができる。これにより、切削加工後の回転体内部に発生する残留応力を低減できる。ここで、残留応力も疲労亀裂の発生・伝播に大きく影響する。すなわち、同じ応力を受けても残留応力が大きいと疲労亀裂が発生しやすく、また伝播しやすい。したがって、鍛造材を切削加工して得られる回転体の残留応力を低減することにより、回転体の疲労強度向上を図ることができる。また、切削代低減により、生産性、材料歩留等を向上させることができる。

以上のように、上記鍛造材は、切削加工における鍛流線の切断頻度の少なさと残留応力の低減との２つの側面から、鍛造材を切削加工して得られる回転体の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させることができる。よって、回転体を例えば自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラ等に適用し、高温下（例えば２００℃前後）、高回転（例えば１０〜２０万回転／分）の過酷条件で長期間使用した場合でも、回転体における疲労亀裂の発生・伝播を抑制でき、回転体の耐久性・信頼性を高めることができる。

上記鍛造材は、切削加工により回転体を製造するためのものである。回転体は、例えば、自動車、船舶等のコンプレッサに用いられるコンプレッサインペラ等が挙げられる。具体的には、例えば、自動車、船舶のターボチャージャ、スーパーチャージャに用いられるコンプレッサインペラ、発電機に用いられるコンプレッサインペラ等が挙げられる。回転体において、ハブ部は、回転体を回転させる際の回転軸部となる部位である。羽根部は、回転体を回転させたときに流体を吸入するための部位である。

上記鍛造材は、アルミニウム合金製である。アルミニウム合金としては、例えば、高温強度が高いＪＩＳ６０００系、ＪＩＳ７０００系、ＪＩＳ２０００系のアルミニウム合金等を用いることができる。鍛造材は、アルミニウム合金を鍛造（熱間鍛造等）して作製することができる。鍛造材は、金型等を用いた型打鍛造等により、ハブ形成部及び羽根形成部を有する所定の形状とすることができる。

上記羽根形成部は、切削加工により、１つ以上の羽根部を形成するための部分であり、１つの羽根部を形成する部分であってもよいし、複数の羽根部を形成する部分であってもよい。また、複数の羽根部を形成する場合には、複数の羽根部が同じ形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。また、羽根形成部の数は、限定されるものではなく、１つであってもよいし、複数であってもよい。

上記羽根形状面は、羽根部の第２端面に沿った形状である。羽根部の第２端面とは、ハブ部の外周面から立設された羽根部の厚み方向の両端面（両側の表面）のうち、ハブ部の外周面に向かい合うように形成された第１端面とは反対側の面、いわゆる背面である。また、羽根部の第２端面に沿った形状とは、例えば、羽根部の第２端面に対して略平行な面をいい、羽根形状面を切削して羽根部の第２端面を形成する際に、その切削厚さが略同じとなるように形成された面をいう。羽根部の第２端面に対して略平行とは、第２端面に対して完全に平行である必要はなく、例えば、第２端面に対して±１５度の範囲内であれば許容される。ここで、アルミニウム合金を鍛造して得られた鍛造材において、鍛造材内部の鍛流線は、特に鍛造材の表層部分においては、鍛造材の表面に沿って（略平行に）形成されている。よって、羽根形状面に沿って（略平行に）切削して羽根部の第２端面を形成すれば、切削による鍛造材内部の鍛流線の切断を抑制できる。

上記羽根形状面は、羽根部の第２端面の少なくとも一部に沿った形状である。すなわち、羽根部の第２端面の一部に沿った形状であってもよいし、羽根部の第２端面全体に沿った形状であってもよい。また、羽根形状面は、回転体の複数の羽根部のうち、一部の羽根部に対して設けられていてもよいし、すべての羽根部に対して設けられていてもよい。

上記鍛造材において、羽根形状面は、少なくとも、羽根形成部の径方向外側端部に設けられていてもよい。すなわち、羽根形成部の径方向外側端部は、切削加工後の回転体を回転させた場合に遠心力及び流体（例えば、自動車のターボチャージャの場合は空気）から受ける力が特に作用する部分（回転体の外周部となる部分）であり、より高い疲労強度が求められる部分である。したがって、そのような部分に羽根形状面を設けることにより、切削加工して得られる回転体の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させるという効果を有効に発揮することができる。羽根形状面は、少なくとも、羽根形成部の径方向外側端部であって、例えば、羽根形成部の径方向外側１０％の領域（羽根形成部の外端から径方向長さの１０％内側までの領域）に設けられていることが好ましい。

また、羽根形状面は、少なくとも、羽根形成部における回転体の外周部となる部分に設けられていてもよい。羽根形状面は、少なくとも、羽根形成部における回転体の外周部となる部分であって、例えば、回転体の径方向外側１０％の領域（回転体の外周（外端）から半径の１０％内側までの領域）となる部分に設けられていることが好ましい。

また、羽根形成部には、第１の羽根部を形成する部分と第１の羽根部よりも軸方向長さが短い第２の羽根部を形成する部分とを含み、かつ、第１の羽根部に対する羽根形状面が設けられていてもよい。この場合には、鍛造材の羽根形成部を切削加工して軸方向長さの異なる第１の羽根部及び第２の羽根部を形成することが容易となると共に、切削による鍛造材内部の鍛流線の切断を抑制する効果を十分に得ることができる。なお、羽根部の軸方向長さとは、回転体の軸方向における羽根部の長さ（高さ）をいう。また、第１の羽根部に対する羽根形状面とは、第１の羽根部の第２端面の少なくとも一部に沿った形状を有する羽根形成面のことである。

また、羽根形成部は、第１の羽根部を形成する部分と第２の羽根部の一部を形成する部分とを含む第１形成部と、第２の羽根部の残部を形成する部分を含む第２形成部と、を有し、第１形成部には、第１の羽根部に対する羽根形状面が設けられ、第２形成部には、第２の羽根部に対する羽根形状面が設けられていてもよい。この場合には、鍛造材の羽根形成部を切削加工して軸方向長さの異なる第１の羽根部及び第２の羽根部を形成することが容易となると共に、切削による鍛造材内部の鍛流線の切断を抑制する効果をさらに高めることができる。なお、第２の羽根部の残部とは、第１形成部において形成する第２の羽根部の一部以外のその他の残りの部分をいう。また、第２の羽根部に対する羽根形状面とは、第２の羽根部の第２端面の少なくとも一部に沿った形状を有する羽根形成面のことである。

また、回転体は、コンプレッサインペラであってもよい。例えば、自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラは、高温下、高回転の過酷条件で長期間使用されるため、高い機械的特性、特に高温環境下における高い疲労強度が求められる。そのため、切削加工して得られる回転体の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させることができる鍛造材を用いて回転体を製造することが有効である。

本発明の他の態様である回転体の製造方法は、上記回転体用鍛造材を切削加工し、上記回転体を得る切削加工工程を有する。
上記回転体の製造方法は、切削加工工程を行うことにより、機械的特性、特に高温環境下における疲労強度の高い回転体を得ることができる。よって、回転体を例えば自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラ等に適用し、高温下、高回転の過酷条件で長期間使用した場合でも、回転体における疲労亀裂の発生・伝播を抑制でき、回転体の耐久性・信頼性を高めることができる。

また、上記回転体の製造方法において、切削加工工程では、羽根形成部の羽根形状面に対して略平行に切削し、羽根部の第２端面を形成してもよい。この場合には、切削による鍛造材内部の鍛流線の切断を抑制する効果を高めることができる。なお、羽根形状面に対して略平行とは、羽根形状面に対して完全に平行である必要はなく、例えば、羽根形状面に対して±１５度の範囲内であれば許容される。

実施形態１のコンプレッサインペラを示す斜視図である。 実施形態１のコンプレッサインペラを示す平面図である。 図２のIII-III線矢視断面図である。 実施形態１の鍛造材を示す斜視図である。 実施形態１の鍛造材を示す平面図である。 図５のVI-VI線矢視断面図である。 実施形態２の鍛造材を示す斜視図である。 実施形態２の鍛造材を示す平面図である。 図８のIX-IX線矢視断面図である。 実施例２のコンプレッサインペラを示す斜視図である。 実施例２のコンプレッサインペラを示す平面図である。 実施例５の鍛造材を示す斜視図である。 実施例１〜３のコンプレッサインペラ内部の鍛流線を示した模式図である。 比較例４、５のコンプレッサインペラ内部の鍛流線を示した模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（実施形態１）
本発明の回転体用鍛造材及びそれを用いた回転体の製造方法について説明する。

本実施形態の回転体は、自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラである。したがって、本実施形態の回転体用鍛造材は、コンプレッサインペラ用鍛造材である。

まず、コンプレッサインペラについて説明する。
図１〜図３に示すように、コンプレッサインペラ１は、アルミニウム合金からなる。コンプレッサインペラ１は、後述するアルミニウム合金製の鍛造材２を切削加工することにより得られる。なお、図３の上側を軸方向の一端（上端）、図３の下側を軸方向の他端（下端）とする。

コンプレッサインペラ１は、ハブ部１１と、ハブ部１１の外周面１１１に設けられた複数の羽根部１２と、を備えている。本実施形態のコンプレッサインペラ１は、合計１２枚の羽根部１２を備えている。

ハブ部１１は、軸方向の一端（上端）から他端（下端）に向かって、外径が徐々に大きくなるように、略円錐台状に形成されている。ハブ部１１には、軸方向の一端（上端）から他端（下端）まで、軸方向に貫通して形成された貫通孔１１２が設けられている。貫通孔１１２に挿通されるコンプレッサのシャフト（図示略）が回転することにより、ハブ部１１の中心軸を回転軸としてコンプレッサインペラ１が回転する。

羽根部１２は、ハブ部１１と一体的に形成されている。羽根部１２は、ハブ部１１の外周面１１１から突出して設けられている。羽根部１２は、薄肉の板状に形成され、厚み方向の一端面（一方側の表面）である第１端面１２１と、他端面（他方側の表面）である第２端面１２２とを有する。羽根部１２の第１端面１２１は、軸方向の他端側（下側）を向いており、ハブ部１１の外周面１１１に向かい合うように湾曲して形成されている。第２端面１２２は、流体が接触する側の面であり、軸方向の一端側（上側）を向いており、第１端面１２１とは反対側を向くように湾曲して形成されている。

羽根部１２は、長羽根部（第１の羽根部）１２ａと、長羽根部１２ａよりも軸方向長さ（軸方向高さ）が短い短羽根部（第２の羽根部）１２ｂとで構成されている。長羽根部１２ａは、周方向において等間隔に合計６枚配置されている。短羽根部１２ｂは、長羽根部１２ａと同様に、周方向において等間隔に合計６枚配置されている。長羽根部１２ａと短羽根部１２ｂとは、周方向において交互に配置されている。短羽根部１２ｂは、その一部が隣接する一方の長羽根部１２ａと軸方向において重なるように配置されている。

次に、コンプレッサインペラ用鍛造材（以下、適宜、単に鍛造材という）について説明する。
図４〜図６に示すように、鍛造材２は、ハブ部１１を形成するためのハブ形成部２１と、１つ以上の羽根部１２を形成するための羽根形成部２２と、を備えている。羽根形成部２２には、羽根部１２の厚み方向の両端面のうち、ハブ部１１の外周面１１１に向かい合う第１端面１２１とは反対側の第２端面１２２の少なくとも一部に沿った形状を有する羽根形状面２２０が設けられている。以下、鍛造材２の詳細について説明する。

鍛造材２は、アルミニウム合金からなる。アルミニウム合金としては、コンプレッサインペラ１が高温下、高回転の条件で使用されることから、高温強度が高いＪＩＳ６０００系、ＪＩＳ７０００系、ＪＩＳ２０００系のアルミニウム合金等を用いることができる。

鍛造材２は、ベース部２０と、ハブ形成部２１と、６つの羽根形成部２２とを備えている。鍛造材２を構成するベース部２０、ハブ形成部２１及び６つの羽根形成部２２は、一体的に形成されている。

ベース部２０は、ハブ形成部２１及び羽根形成部２２の土台となる部分である。ベース部２０は、略円板状に形成されている。ベース部２０は、後の切削加工（コンプレッサインペラ１を得るための切削加工）により、その大部分が除去される。

ハブ形成部２１は、後の切削加工により、ハブ部１１を主として形成する部分である。ハブ形成部２１は、略円錐台状に形成されている。ハブ形成部２１は、ベース部２０上に一体的に設けられている。

６つの羽根形成部２２は、ハブ形成部２１の外周面２１１上に設けられている。６つの羽根形成部２２は、周方向において等間隔に並んで配置されている。各羽根形成部２２は、後の切削加工により、２枚の羽根部１２を形成する部分である。具体的には、各羽根形成部２２は、１枚の長羽根部１２ａ及び１枚の短羽根部１２ｂを形成する部分を含んでいる。

各羽根形成部２２は、第１面２２１と、第２面２２２と、第３面２２３との３つの面を有する。
第１面２２１は、ハブ形成部２１の外周面２１１から軸方向に沿って、略垂直に立ち上がるように形成されている。第１面２２１は、周方向に沿って湾曲した面である。第１面２２１は、略三角形状に形成されている。

第２面２２２は、ハブ形成部２１の外周面２１１から軸方向に沿って、略垂直に立ち上がるように形成されている。第２面２２２は、径方向に沿った（周方向に略直交する）面である。第２面２２２は、略三角形状に形成されている。

第３面２２３は、ハブ形成部２１の外周面２１１から所定の傾斜角度で立ち上がるように形成された傾斜面である。第３面２２３は、平面視で（軸方向から見た場合に）略扇形状に形成されている。

各羽根形成部２２において、第２面２２２と第３面２２３とは、周方向に連なって形成されている。また、羽根形成部２２の第２面２２２は、隣接する別の羽根形成部２２の第３面２２３と周方向に連なって形成されている。言い換えれば、羽根形成部２２の第３面２２３は、隣接する別の羽根形成部２２の第２面２２２と周方向に連なって形成されている。

そして、羽根形成部２２には、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２に沿った形状を有する羽根形状面２２０が設けられている。本実施形態では、羽根形成部２２の第３面２２３全体が、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２に沿った形状を有する羽根形状面２２０である。

羽根形状面２２０は、少なくとも、羽根形成部２２の径方向外側端部２２９に設けられている。また、羽根形状面２２０は、少なくとも、羽根形成部２２の径方向外側１０％の外側領域Ａ（羽根形成部２２の外端から径方向長さＲの１０％内側までの領域）に設けられている（図５）。本実施形態では、外側領域Ａは、羽根形成部２２における第１面２２１と点線２３１との間の領域である。羽根形状面２２０は、外側領域Ａを含む羽根形成部２２の径方向全体に渡って設けられている。

次に、鍛造材２の作製方法について説明する。
鍛造材２を作製するに当たっては、まず、アルミニウム合金を溶製した。アルミニウム合金としては、コンプレッサインペラ１が高温下、高回転の条件で使用されることから、高温強度が高いＪＩＳ６０００系、ＪＩＳ７０００系、ＪＩＳ２０００系のアルミニウム合金等を用いることができる。

次いで、アルミニウム合金から作製した押出ビレット（押出用に調整された鋳塊）を均質化処理し、一般的な押出機で押出加工した。これにより、丸棒状の押出材を得た。押出材は、所定の長さに切断した。

次いで、押出材を３００〜５００℃の温度条件で熱間鍛造した。具体的には、押出材を一般的な鍛造機で型打鍛造した。型打鍛造は、所定の形状の金型（図２の鍛造材２を形成可能な金型）を用いた。これにより、中間鍛造材を得た。

次いで、中間鍛造材に対して、バリ抜きをした後、溶体化処理及び焼入れ、人工時効処理を順に行った。以上により、図４〜図６に示すような、ベース部２０と、ハブ形成部２１と、６つの羽根形成部２２とを備えた鍛造材２を作製した。

次に、鍛造材２を用いたコンプレッサインペラ１の製造方法について説明する。
コンプレッサインペラ（回転体）１の製造方法は、鍛造材（回転体用鍛造材）２を切削加工し、コンプレッサインペラ（回転体）１を得る切削加工工程を有する。以下、コンプレッサインペラ１の製造方法について詳細に説明する。

コンプレッサインペラ１を製造するに当たっては、図４〜図６に示すような鍛造材２を所定の形状となるように切削加工した（切削加工工程）。切削加工は、一般的な機械加工を適用すればよい。本実施形態では、旋盤及び５軸マシニングセンタを用いて、鍛造材２を切削加工した。

具体的には、鍛造材２のハブ形成部２１を切削加工することにより、貫通孔１１２を有するハブ部１１を形成した。また、鍛造材２の羽根形成部２２を切削加工することにより、羽根部１２（長羽根部１２ａ、短羽根部１２ｂ）を形成した。特に、羽根形成部２２の羽根形状面２２０については、その羽根形状面２２０に対して略平行に切削し、羽根部１２の第２端面１２２を形成した。ここで、羽根形状面に対して略平行とは、羽根形状面２２０に対して完全に平行である必要はなく、例えば、羽根形状面２２０に対して±１５度の範囲内であれば許容される。

以上により、図１〜図３に示すような、略円錐台状のハブ部１１と、ハブ部１１の外周面１１１に設けられた１２枚の羽根部１２（６枚の長羽根部１２ａ、６枚の短羽根部１２ｂ）とを備えたコンプレッサインペラ１を製造した。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の鍛造材（回転体用鍛造材）２は、羽根形成部２２に、コンプレッサインペラ（回転体）１の羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２に沿った形状を有する羽根形状面２２０を設けている。そのため、鍛造材２を切削加工してコンプレッサインペラ１を製造する際に、切削による鍛造材２内部の鍛流線（メタルフロー）の切断を抑制できる。具体的には、羽根形成部２２を切削して羽根部１２（長羽根部１２ａ）を形成する際に、羽根形成部２２の羽根形状面２２０において、切削による鍛流線の切断を抑制できる。

これにより、形成された羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２は、鍛流線の切断が抑制された面となる。ここで、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２（流体が接触する側の面）の鍛流線が切断されている頻度が少ないと、疲労亀裂が発生する可能性が低減される。疲労亀裂が発生しなければ、コンプレッサインペラ１が高速回転する際に流体から受ける力の繰り返しがあっても亀裂が伝播しない。したがって、鍛造材２を切削加工して得られるコンプレッサインペラ１の羽根部１２（特にハブ部１１との付け根部分）の疲労強度向上を図ることができる。

また、鍛造材２は、羽根形成部２２に羽根形状面２２０を設けたことにより、鍛造材２を切削加工して回転体を製造する際に、鍛造材２に対する切削量（特に羽根形成部２２を切削して羽根部１２（長羽根部１２ａ）を形成する際の切削量）を少なくすることができる。これにより、切削加工後のコンプレッサインペラ１内部に発生する残留応力を低減できる。ここで、残留応力も疲労亀裂の発生・伝播に大きく影響する。すなわち、同じ応力を受けても残留応力が大きいと疲労亀裂が発生しやすく、また伝播しやすい。したがって、鍛造材２を切削加工して得られるコンプレッサインペラ１の残留応力を低減することにより、コンプレッサインペラ１の疲労強度向上を図ることができる。また、切削代低減により、生産性、材料歩留り等を向上させることができる。

以上のように、鍛造材２は、切削加工における鍛流線の切断頻度の少なさと残留応力の低減との２つの側面から、鍛造材２を切削加工して得られるコンプレッサインペラ１の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させることができる。よって、コンプレッサインペラ１を高温下（例えば２００℃前後）、高回転（例えば１０〜２０万回転／分）の過酷条件で長期間使用した場合でも、コンプレッサインペラ１における疲労亀裂の発生・伝播を抑制でき、コンプレッサインペラ１の耐久性・信頼性を高めることができる。

また、本実施形態の鍛造材２において、羽根形状面２２０は、少なくとも、羽根形成部２２の径方向外側端部２２９に設けられていてもよい。すなわち、羽根形成部２２の径方向外側端部２２９は、切削加工後のコンプレッサインペラ１を回転させた場合に遠心力及び流体から受ける力が特に作用する部分（コンプレッサインペラ１の外周部となる部分）であり、より高い疲労強度が求められる部分である。したがって、そのような部分に羽根形状面２２０を設けることにより、切削加工して得られるコンプレッサインペラ１の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させるという効果を有効に発揮することができる。

また、羽根形成部２２には、長羽根部（第１の羽根部）１２ａを形成する部分と長羽根部（第１の羽根部）１２ａよりも軸方向長さが短い短羽根部（第２の羽根部）１２ｂを形成する部分とを含み、かつ、長羽根部（第１の羽根部）１２ａに対する羽根形状面２２０が設けられている。そのため、鍛造材２の羽根形成部２２を切削加工して軸方向長さの異なる長羽根部１２ａ及び短羽根部１２ｂを形成することが容易となると共に、切削による鍛造材２内部の鍛流線の切断を抑制する効果を十分に得ることができる。

また、本実施形態のコンプレッサインペラ（回転体）１の製造方法は、鍛造材２を切削加工し、コンプレッサインペラ１を得る切削加工工程を有する。これにより、機械的特性、特に高温環境下における疲労強度の高いコンプレッサインペラ１を得ることができる。よって、コンプレッサインペラ１を高温下、高回転の過酷条件で長期間使用した場合でも、コンプレッサインペラ１における疲労亀裂等の発生・伝播を抑制でき、コンプレッサインペラ１の耐久性・信頼性を高めることができる。

また、切削加工工程では、羽根形成部２２の羽根形状面２２０に対して略平行に切削し、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２を形成する。そのため、切削による鍛造材２内部の鍛流線の切断を抑制する効果を高めることができる。

このように、本実施形態によれば、切削加工して得られるコンプレッサインペラ（回転体）１の機械的特性、特に高温環境下における疲労強度を向上させることができるコンプレッサインペラ用鍛造材（回転体用鍛造材）２及びそれを用いたコンプレッサインペラ（回転体）１の製造方法を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図７〜図９に示すように、鍛造材２における羽根形成部２２の構成を変更した例である。なお、実施形態１と同様の構成及び作用効果については説明を省略する。

各羽根形成部２２は、第１形成部２２ａと、第２形成部２２ｂとを有する。第１形成部２２ａは、長羽根部１２ａを形成する部分と、短羽根部１２ｂの一部を形成する部分とを含んでいる。第２形成部２２ｂは、短羽根部１２ｂの残部を形成する部分を含んでいる。ここで、短羽根部１２ｂの残部とは、第１形成部２２ａにおいて形成する短羽根部１２ｂの一部以外のその他の残りの部分をいう。

第１形成部２２ａは、第１面２２１、第２面２２２及び第３面２２３を有する。なお、第１面２２１は、実施形態１とは異なり、その一部が径方向内側に入り込むように形成されている。第２形成部２２ｂは、第１形成部２２ａの第１面２２１のうち径方向内側に入り込んだ部分から径方向外側に突出するように設けられている。

第２形成部２２ｂは、第４面２２４と、第５面２２５との２つの面を有する。第４面２２４は、ハブ形成部２１の外周面２１１から軸方向に沿って、略垂直に立ち上がるように形成されている。第４面２２４は、第１形成部２２ａの第１面２２１から径方向（周方向）に対して斜めに湾曲しながら形成された面である。第４面２２４は、略三角形状に形成されている。第５面２２５は、ハブ形成部２１の外周面２１１から所定の傾斜角度で立ち上がるように形成された傾斜面である。第５面２２５は、略三角形状に形成されている。

そして、羽根形成部２２の第１形成部２２ａには、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２に沿った形状を有する羽根形状面２２０（長羽根形状面２２０ａ）が設けられている。本実施形態では、第１形成部２２ａの第３面２２３全体が、長羽根部１２ａの第２端面１２２に沿った形状を有する長羽根形状面２２０ａである。

羽根形成部２２の第２形成部２２ｂには、羽根部１２（短羽根部１２ｂ）の第２端面１２２の一部に沿った形状を有する羽根形状面２２０（短羽根形状面２２０ｂ）が設けられている。本実施形態では、第２形成部２２ｂの第５面２２５全体が、短羽根部１２ｂの第２端面１２２に沿った形状を有する短羽根形状面２２０ｂである。

羽根形状面２２０（長羽根形状面２２０ａ、短羽根形状面２２０ｂ）は、少なくとも、羽根形成部２２の径方向外側端部２２９に設けられている。羽根形状面２２０（長羽根形状面２２０ａ、短羽根形状面２２０ｂ）は、少なくとも、羽根形成部２２の径方向外側１０％の外側領域Ａに設けられている。本実施形態では、外側領域Ａは、羽根形成部２２における点線２３２と点線２３３との間の領域である。長羽根形状面２２０ａは、外側領域Ａを含む羽根形成部２２の径方向全体に渡って設けられている。短羽根形状面２２０ｂは、外側領域Ａを含む羽根形成部２２の径方向外側端部２２９に設けられている。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の鍛造材２において、羽根形成部２２は、長羽根部（第１の羽根部）１２ａを形成する部分と短羽根部（第２の羽根部）１２ｂの一部を形成する部分とを含む第１形成部２２ａと、短羽根部（第２の羽根部）１２ｂの残部を形成する部分を含む第２形成部２２ｂと、を有する。そして、第１形成部２２ａには、長羽根部（第１の羽根部）１２ａに対する羽根形状面２２０（長羽根形状面２２０ａ）が設けられ、第２形成部２２ｂには、短羽根部（第２の羽根部）１２ｂに対する羽根形状面２２０（短羽根形状面２２０ｂ）が設けられている。

そのため、鍛造材２の羽根形成部２２を切削加工して軸方向長さの異なる長羽根部１２ａ及び短羽根部１２ｂを形成することが容易となると共に、切削による鍛造材２内部の鍛流線の切断を抑制する効果をさらに高めることができる。

（実験例）
以下、本発明の実施例を比較例と対比しながら説明し、本発明の効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明は何らこれらに限定されるものではない。

本実験例では、複数のコンプレッサインペラ（実施例１〜３、比較例４、５）を作製し、これらの疲労強度を測定し、評価した。表１には、合金種、切削前の素材、切削前の形状、切削後の形状を示した。

実施例１〜３については、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ２６１８）から、直径４０ｍｍ、長さ（高さ）４０ｍｍの円柱状の押出材を作製した。そして、押出材を４００℃で熱間鍛造し、所定の形状の鍛造材を得た。鍛造材の形状は、実施例１、２が上述の実施形態１の鍛造材２（図４〜図６参照）と同様の形状（形状ａ）であり、実施例３が上述の実施形態２の鍛造材２（図７〜図９参照）と同様の形状（形状ｂ）である。ただし、実施例２の鍛造材は、１６枚の羽根部を形成することから、１６個の羽根形成部を備えている。

その後、鍛造材を５３０℃、２時間の条件で溶体化処理し、９０℃の水に焼入れし、さらに２００℃、２０時間の条件で人工時効処理した。得られた鍛造材を切削加工し、所定の形状のコンプレッサインペラを作製した。コンプレッサインペラの形状は、実施例１、３が上述の実施形態１、２のコンプレッサインペラ１（図１〜図３参照）と同様の形状（形状Ａ）であり、実施例２が図１０、図１１に示すコンプレッサインペラ１と同様の形状（形状Ｂ）である。

ここで、図１０、図１１に示すコンプレッサインペラ１について説明する。コンプレッサインペラ１は、ハブ部１１とハブ部１１に設けられた１６枚の羽根部１２とを備えている。各羽根部１２の形状は、すべて同一の形状であり、実施形態１、２の長羽根部１２ａと同様の形状である。

比較例４については、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ２６１８）から、直径６２ｍｍ、長さ（高さ）３６ｍｍの円柱状の押出材を作製した。押出材の形状は、円柱形状（形状ｃ）である。そして、押出材を５３０℃、２時間の条件で溶体化処理し、９０℃の水に焼入れし、さらに２００℃、２０時間の条件で人工時効処理した。得られた押出材を切削加工し、コンプレッサインペラを作製した。なお、コンプレッサインペラの形状は、上述の実施形態１、２のコンプレッサインペラ１（図１〜図３参照）と同様の形状（形状Ａ）である。

比較例５については、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ２６１８）から、直径４０ｍｍ、長さ（高さ）４０ｍｍの円柱状の押出材を作製した。そして、押出材を４００℃で熱間鍛造し、所定の形状の鍛造材を得た。鍛造材の形状は、図１２に示す鍛造材９２と同様の形状（形状ｄ）である。ここで、図１２に示す鍛造材９２について説明する。鍛造材９２の形状は、作製するコンプレッサインペラをその回転軸に対して直交する方向に投影した形状を回転させて得られる立体形状（釣鐘形状）である。

その後、鍛造材を５３０℃、２時間の条件で溶体化処理し、９０℃の水に焼入れし、さらに２００℃、２０時間の条件で人工時効処理した。得られた鍛造材を切削加工し、コンプレッサインペラを作製した。コンプレッサインペラの形状は、上述の実施形態１、２のコンプレッサインペラ１（図１〜図３参照）と同様の形状（形状Ａ）である。

作製した複数のコンプレッサインペラ（実施例１〜３、比較例４、５）に対して、疲労試験を行った。疲労試験は、コンプレッサインペラを温度：２００℃、回転数：２０万ｒｐｍの条件で所定時間回転させ、コンプレッサインペラの疲労亀裂の発生・伝播の有無を評価した。なお、表１に示した比較例４、５の疲労試験の時間は、疲労亀裂の発生・伝播が見られた時間である。

表１からわかるように、比較例４、５のコンプレッサインペラは、疲労試験２００時間を経過する前に、コンプレッサインペラの外周部において、羽根部の付け根部分に疲労亀裂が発生し、その疲労亀裂がハブ部に伝播し、破断が生じた（疲労試験の評価「×」）。

一方、実施例１〜３のコンプレッサインペラは、疲労試験２００時間を経過しても疲労亀裂の発生・伝播は見られなかった（疲労試験の評価「○」）。なお、実施例２、３は、各羽根部に対して羽根形状面を設けているが、実施例１は、長羽根部に対する羽根形状面だけを設け、短羽根部に対する羽根形状面を設けていない。ところが、実施例１のように、一部の羽根部に対して羽根形状面を設けたとしても、疲労亀裂の発生・伝播は見られなかったことから、機械的特性（特に高温環境下における疲労強度）を向上させる効果を十分に得られることがわかった。

ここで、図１３に、実施例１〜３のコンプレッサインペラ内部の鍛流線を模式的に示し、図１４に、比較例４、５のコンプレッサインペラ内部の鍛流線を模式的に示す。図１３は、実施例１〜３に相当するコンプレッサインペラ１の外周部の一部（図１の点線Ｐ）を拡大した図であり、図１４は、比較例４、５に相当するコンプレッサインペラ９１の外周部の一部（図１３と同様の箇所）を拡大した図である。

図１４からわかるように、比較例４、５に相当するコンプレッサインペラ９１内部には、鍛流線ｔが軸方向に沿って存在している。そのため、羽根部１２の第２端面１２２には、鍛流線ｔの切断部ｓ（鍛流線ｔと表面とが交わる部分）が多く存在する。また、羽根部１２の第１端面１２１にも、鍛流線ｔの切断部ｓが多く存在する。また、羽根部１２以外の部分にも、鍛流線ｔの切断部ｓが多く存在する。よって、比較例４、５のコンプレッサインペラは、疲労試験において疲労亀裂の発生・伝播が見られたと考えられる。

一方、図１３からわかるように、実施例１〜３に相当するコンプレッサインペラ１内部には、鍛流線ｔが羽根部１２の第２端面１２２に沿って存在している。そのため、羽根部１２の第２端面１２２には、鍛流線ｔの切断部ｓが存在しない。また、羽根部１２の第１端面１２１における鍛流線ｔの切断部ｓも図１４と比較して少ない。また、羽根部１２以外の部分における鍛流線ｔの切断部ｓも図１４と比較して少ない。よって、実施例１〜３のコンプレッサインペラは、疲労試験において疲労亀裂の発生・伝播が見られなかったと考えられる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

（１）上述の実施形態１、２では、回転体は、自動車のターボチャージャに用いられるコンプレッサインペラ１であるが、回転体は、例えば、自動車のスーパーチャージャに用いられるコンプレッサインペラ、船舶のターボチャージャ、スーパーチャージャに用いられるコンプレッサインペラ、発電機に用いられるコンプレッサインペラ等であってもよい。

（２）上述の実施形態１、２では、コンプレッサインペラ１は、軸方向長さが異なる２種類の羽根部１２（長羽根部１２ａ、短羽根部１２ｂ）を備えているが、例えば、図１０、図１１に示すように、１種類の羽根部１２のみ（同じ形状の複数の羽根部１２）を備えていてもよい。

（３）上述の実施形態１、２では、鍛造材２の羽根形成部２２は、複数の羽根部１２（長羽根部１２ａ、短羽根部１２ｂ）を形成する部分であるが、例えば、１つの羽根部を形成する部分であってもよい。すなわち、羽根部ごとに（羽根部の数だけ）羽根形成部が設けられていてもよい。

（４）上述の実施形態１では、鍛造材２の羽根形成部２２が第１面２２１〜第３面２２３を有する形状であるが、羽根形成部の形状はこれに限定されるものではなく、羽根部を形成する部分であれば、種々様々な形状を採用することができる。

（５）上述の実施形態２では、鍛造材２の第１形成部２２ａが第１面２２１〜第３面２２３を有する形状であり、第２形成部２２ｂが第４面２２４、第５面２２５を有する形状であるが、第１形成部及び第２形成部の形状はこれに限定されるものではなく、羽根部を形成する部分であれば、種々様々な形状を採用することができる。

（６）上述の実施形態１、２では、鍛造材２の羽根形成部２２の第３面２２３（羽根形状面２２０）は、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２全体に沿った形状を有するが、例えば、羽根部１２（長羽根部１２ａ）の第２端面１２２の一部に沿った形状を有していてもよい。

（７）上述の実施形態１、２では、鍛造材２の羽根形成部２２の第３面２２３全体が長羽根部１２ａに対する羽根形状面２２０であったが、例えば、羽根形成部２２の第３面２２３の一部が羽根形状面２２０であってもよい。

（８）上述の実施形態２では、鍛造材２の羽根形成部２２の第５面２２５全体が短羽根部１２ｂに対する羽根形状面２２０であったが、例えば、羽根形成部２２の第５面２２５の一部が羽根形状面２２０であってもよい。

１…コンプレッサインペラ（回転体）
１１…ハブ部
１１１…外周面（ハブ部の外周面）
１２…羽根部
１２２…第２端面
２…鍛造材（回転体用鍛造材）
２１…ハブ形成部
２２…羽根形成部
２２０…羽根形状面

Claims (5)

1. ハブ部と該ハブ部の外周面から立設された複数の羽根部とを備えた回転体を切削加工により得るためのアルミニウム合金製の回転体用鍛造材であって、
   前記ハブ部を形成するためのハブ形成部と、
   １つ以上の前記羽根部を形成するための羽根形成部と、を備え、
   該羽根形成部には、前記羽根部の厚み方向の両端面のうち、前記ハブ部の前記外周面に向かい合う第１端面とは反対側の第２端面の少なくとも一部に沿った形状を有する羽根形状面が設けられており、
   前記羽根形成部は、
   第１の前記羽根部を形成する部分、及び、第１の前記羽根部よりも軸方向長さが短い第２の前記羽根部の一部を形成する部分を含む第１形成部と、
   第２の前記羽根部の残部を形成する部分を含む第２形成部と、を有し、
   前記第１形成部には、第１の前記羽根部に対する前記羽根形状面が設けられ、
   前記第２形成部には、第２の前記羽根部に対する前記羽根形状面が設けられていることを特徴とする回転体用鍛造材。
2. 前記羽根形状面は、少なくとも、前記羽根形成部の径方向外側端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転体用鍛造材。
3. 前記回転体は、コンプレッサインペラであることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転体用鍛造材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転体用鍛造材を切削加工し、前記回転体を得る切削加工工程を有することを特徴とする回転体の製造方法。
5. 前記切削加工工程では、前記羽根形成部の前記羽根形状面に対して略平行に切削し、前記羽根部の前記第２端面を形成することを特徴とする請求項４に記載の回転体の製造方法。

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