JP6985118B2 - 金属部材の製造方法 - Google Patents
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Description
金属粉末射出成形法を用いた金属部材の製造方法であって、
金属粉末に有機バインダを添加して加熱して射出成形材料を得る混錬ステップと、
前記射出成形材料を射出成形して脱脂及び仮焼結することにより前記金属部材の外表面の少なくとも一部を占めるインサートを得るインサート形成ステップと、
前記インサートが設置された型の内部に前記射出成形材料を射出して前記金属部材のグリーン体を得る射出成形ステップと、
第1温度域の脱脂雰囲気下で前記グリーン体を脱脂してブラウン体を得る脱脂ステップと、
脱脂された前記ブラウン体を前記第1温度域よりも高温下で焼結する焼結ステップと、を備える。
この点、上記(1)の製造方法によれば、脱脂及び仮焼結済みのインサートを予め形成し、該インサート上に射出成形材料を射出してグリーン体を形成することにより、脱脂ステップ前のグリーン体において、収縮率の大きい有機バインダ含有部の厚さを薄くすることができる。即ち、射出成形後の冷却過程に供されるグリーン体に占める収縮部の厚さを低減することができるため、射出成形ステップでグリーン体に割れが発生することを防止することができる。また、インサートが本焼結ではなく仮焼結済みの状態であることにより、脱脂ステップにおいて加熱されて蒸発するバインダが通る通気回路としての隙間がインサート内に確保される。これにより、未焼結部を挟んでグリーン体の表面側とインサート側との両方の通気性を確保することができ、グリーン体からバインダを円滑に除去して脱脂不良を効果的に防止することができる。
前記焼結ステップは、
脱脂された前記ブラウン体を前記第1温度域よりも高温の第2温度域で仮焼結して仮焼結体を得る第1焼結ステップと、
前記仮焼結体を前記第2温度域よりも高温の第3温度域で本焼結する第2焼結ステップと、を含んでもよい。
前記インサート形成ステップは、
前記射出成形材料を射出成形して予備成形体を得る予備射出成形ステップと、
前記脱脂雰囲気下で前記予備成形体を脱脂する予備脱脂ステップと、
脱脂された前記予備成形体を前記第2温度域で仮焼結する予備焼結ステップと、を含んでもよい。
前記金属粉末は、鉄鋼材料を含む第1金属粉末、Ni合金を含む第2金属粉末又はその他の合金を含む第3金属粉末であってもよい。
前記金属部材は、
円錐台状のハブ部と、前記ハブ部の外周面において周方向に間隔を開けて設けられる複数の翼と、を含むタービンホイールからなり、
前記インサートは、前記ハブ部の背面の少なくとも一部を占めるように構成されてもよい。
前記インサートは、前記ハブ部の背面から先端面側に向かって先細りの形状に形成されるテーパ部を含んでもよい。
前記インサートは、前記タービンホイールの軸線周りに対称な形状に形成されてもよい。
前記インサートは、その外表面が前記金属部材における厚肉部の表面から所定の距離未満となる形状に形成されてもよい。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1及び図2に示すように、本発明の少なくとも一実施形態に係る金属部材の製造方法は、金属粉末射出成形法(metal injection molding:MIM法)を用いた金属部材1の製造方法であって、混錬ステップS1と、インサート形成ステップS2と、射出成形ステップS3と、脱脂ステップS4と、焼結ステップS5と、を備えている。
金属粉末12は、MIM法による最終製品である金属部材1の材質として適した耐熱性及び耐食性等を備えた上限粒径100μm程度、より好ましくは上限粒径45μm程度の金属粉体を用いることが好ましい。なお、金属粉末12の粒径は篩で分類され、目の小さな篩で分類するほど上限粒径が小さくなり射出成形における流動性や焼結性などの成形性が向上する。
有機バインダ16は、例えば、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル、アクリル樹脂等の有機(樹脂)材料からなる粉末状のバインダであってもよい。有機バインダ16の材質は、後述する射出成形ステップS3において金型50の内部に射出成形材料18を完全に充填できる流動性(粘度)を付与するとともに、焼結後に炭化物となって残留しにくいものが選定される。なお、金属粉末12及び有機バインダ16の材質や粒径等の選定方法は従来技術として公知のものを適用してよいため、以下の説明では殊更詳しく説明しないものとする。
混錬後には、得られた混合体を加熱して樹脂成分を溶融し、例えば、ペレタイザーを用いてペレット状の上記射出成形材料18を得る(造粒)。他の実施形態では、上記混合体を加熱してインゴットを形成した後、これを粉砕して粒状の射出成形材料18を得てもよい。なお、本明細書では、限定的ではないが、上記の混錬及び造粒の両方を含めて混錬ステップS1としている。
この射出成形ステップS3では、金型50の内部に前述の射出成形材料18を射出し、金属部材1となるグリーン体30を成形する(図7(C)参照)。射出成形材料18は、射出成形機52のシリンダー内で予め120〜240℃程度の熱で十分に加熱、混練され、滑らかな流動性を持たせた状態で所定の圧力により金型50の内部に射出される。金型50の内部形状、即ちグリーン体30の形状は、焼結ステップS5における収縮量を見込んで、焼結後の金属部材1よりも9〜12%程度大きなものとしてもよい。
なお、この脱脂ステップS4では、グリーン体30を焼結治具62の上に載置して加熱する。焼結治具62は、所定の厚みを有する平板状に形成されており、その材質としては、後述する焼結ステップS5における焼結温度下において溶解や変形(軟化)を起こすことがなく、且つ焼結材料であるTiAl合金等との反応を防止するため、アルミナ、イットリアおよびジルコニア等のセラミックス材としてもよい。
第2焼結ステップS52では、仮焼結体40を第2温度域T2よりも高温の第3温度域T3(例えば1200〜1500℃:図8参照)で本焼結して金属部材1(シルバー体)を得る。以上の各焼結ステップの温度は、金属粉末12の材種により適正に選択される。
図6(A)及び図6(B)に例示するように、幾つかの実施形態において、金属部材1は、例えば、過給機のタービンホイール1Aであってもよい。
タービンホイール1Aは、円錐台状のハブ部2と、該ハブ部2の外周面において周方向に間隔を開けて設けられる複数の翼(動翼)6と、を含んで構成されてもよい。
ハブ部2は、タービンホイール1Aの回転の軸線Oを中心として軸対称に形成されており、背面5側が広く、正面の先端側が細くなるように形成されている。このハブ部2は、タービンホイール1Aにおいて肉厚が厚い厚肉部となっている。
動翼6は、作動流体(例えば、内燃機関の排気)のエネルギーを受けてタービンホイール1Aの回転力に変換するものであり、ハブ部2の周方向に一定の間隔で複数設けられている。一般に、これらの動翼6は、ハブ部2を基端として外周側ほど厚さが薄くなるように形成される。なお、図6(B)では動翼6を一部のみ示し他を省略している。
そして、インサート20は、ハブ部2の背面5の少なくとも一部を占めるように構成されてもよい。例えば、インサート20は、タービンホイール1Aの背面5のうち、該タービンホイール1Aの回転の軸線Oを含む範囲に形成されてもよい。
テーパ部20Aは、その先端が例えば鋭角となるように先鋭に形成されていてもよい。また、テーパ部20Aの先端は、軸線Oと垂直な平面(図示略)を含むように平らに形成されていてもよいし、任意の曲面(図示略)で形成されていてもよい。
幾つかの実施形態において、インサート20は、例えば、図6(A)に非限定的に例示するように、テーパ部20Aに連続して円柱状の円柱部20Bを含む形状に形成されていてもよい。
タービンブレード1Bは、略円盤形状をなすタービンディスク(図示略)の外周部に、周方向に所定間隔で複数取付けられ、タービンディスクとともに回転する動翼として機能する。このタービンブレード1Bは、タービンディスクの半径方向に沿って延在するブレード本体102と、ブレード本体102の基端部側に設けられたプラットホーム106と、ブレード本体102の先端部側に設けられたチップシュラウド108と、を備えている。なお、各チップシュラウド108は、全てのタービンブレード1Bに装着されることで、リング形状をなすシュラウドを形成する。そして、プラットホーム106とチップシュラウド108とに囲まれた円環状(ドーナッツ形状)の通路により燃焼ガス通路Aが構成される。
タービンブレード1Bは、その翼根側がタービンディスクの外周に取り付けられる複雑形状の厚肉部となっている。幾つかの実施形態では、この厚肉部を含むタービンブレード1Bが、金属粉末射出成形(MIM)法を用いて一体に形成され得る。より詳細には、タービンブレード1Bの製造に際して、翼根側外表面104の少なくとも一部を占めるインサート120が準備される。
インサート120は、例えばタービンディスクの軸方向視における断面形状が台形状となるように形成してもよい。
そして、上述した各ステップS1〜S5(或いは、追加的にS21〜S23及び/又はS51〜S52)と同様の工程を経ることで、タービンブレード1Bが製造され得る。
1A タービンホイール
1B タービンブレード
2 ハブ部
4 外周面
5 背面
6 動翼
12 金属粉末
12A 第1金属粉末
12B 第2金属粉末
12C 第3金属粉末
16 有機バインダ(バインダ)
17 混錬機
18 ペレット(射出成形材料)
20,120 インサート
20A テーパ部
20B 円柱部
22,122 外表面
24 予備成形体
30 グリーン体(成形体)
40 仮焼結体
50、50A,50B 金型(型)
52 射出成形機
60 焼結機
62 焼結治具
102 ブレード本体
104 翼根側外表面
106 プラットホーム
108 チップシュラウド
O 軸線
S1 混錬ステップ
S2 インサート形成ステップ
S3 射出成形ステップ
S4 脱脂ステップ
S5 焼結ステップ
S21 予備射出成形ステップ
S22 予備脱脂ステップ
S23 予備焼結ステップ
S51 第1焼結ステップ
S52 第2焼結ステップ
T1 脱脂温度(第1温度域)
T2 仮焼結温度(第2温度域)
T3 本焼結温度(第3温度域)
Claims (6)
- 金属粉末射出成形法を用いた金属部材の製造方法であって、
金属粉末に有機バインダを添加して加熱して射出成形材料を得る混錬ステップと、
前記射出成形材料を射出成形して脱脂及び仮焼結することにより前記金属部材の外表面の少なくとも一部を占めるインサートを得るインサート形成ステップと、
前記インサートが設置された型の内部に前記射出成形材料を射出して前記金属部材のグリーン体を得る射出成形ステップと、
第1温度域の脱脂雰囲気下で前記グリーン体を脱脂してブラウン体を得る脱脂ステップと、
脱脂された前記ブラウン体を前記第1温度域よりも高温下で焼結する焼結ステップと、を備え、
前記焼結ステップは、
脱脂された前記ブラウン体を前記第1温度域よりも高温の第2温度域で仮焼結して仮焼結体を得る第1焼結ステップと、
前記仮焼結体を前記第2温度域よりも高温の第3温度域で本焼結する第2焼結ステップと、を含み、
前記インサート形成ステップは、
前記射出成形材料を射出成形して予備成形体を得る予備射出成形ステップと、
前記予備射出成形ステップの後、且つ、前記射出成形ステップよりも前に、前記脱脂ステップにおける脱脂温度と同じ温度域である前記第1温度域で前記予備成形体を脱脂する予備脱脂ステップと、
前記予備脱脂ステップの後、且つ、前記射出成形ステップよりも前に、脱脂された前記予備成形体を前記第1焼結ステップにおける焼結温度と同じ温度域である前記第2温度域で仮焼結する予備焼結ステップと、を含む
ことを特徴とする金属部材の製造方法。 - 前記金属粉末は、鉄鋼材料を含む第1金属粉末、Ni合金を含む第2金属粉末、又はその他の合金を含む第3金属粉末の何れか一つのみを含むことを特徴とする請求項1に記載の金属部材の製造方法。
- 前記金属部材は、
円錐台状のハブ部と、前記ハブ部の外周面において周方向に間隔を開けて設けられる複数の動翼と、を含むタービンホイールからなり、
前記インサートは、前記ハブ部の背面の少なくとも一部を占めるように構成される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の金属部材の製造方法。 - 前記インサートは、前記ハブ部の背面から先端面側に向かって先細りの形状に形成されるテーパ部を含むことを特徴とする請求項3に記載の金属部材の製造方法。
- 前記インサートは、前記タービンホイールの軸線周りに対称な形状に形成される
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の金属部材の製造方法。 - 前記インサートは、その外表面が前記金属部材における厚肉部の表面から所定の距離未満となる形状に形成される
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の金属部材の製造方法。
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