JP7131160B2 - Cold forged material for impeller and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は各種インペラ及びローター等の回転体に加工されるアルミニウム合金製の冷間鍛造材及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cold forged material made of an aluminum alloy that is processed into rotating bodies such as various impellers and rotors, and a method for manufacturing the same.
各種内燃機関に用いられるターボチャージャー等のインペラ(コンプレッサホイール)やローターは、円錐状をなす回転軸部の外周側に、複数の曲面状の薄い羽根部が渦巻の一部をなすように放射状に配置された構成を有しているのが一般的である。また、ターボチャージャーのインペラは150℃程度の温度で高速回転するため、高い高温強度及び剛性を有することが要求される。 Impellers (compressor wheels) and rotors such as turbochargers used in various internal combustion engines have a plurality of thin curved blades arranged radially on the outer peripheral side of a conical rotating shaft so as to form part of a spiral. It is common to have an arranged configuration. In addition, since the impeller of the turbocharger rotates at a high speed at a temperature of about 150° C., it is required to have high strength and rigidity at high temperatures.
加えて、インペラ及びローターはエネルギ損失を抑制するために軽量であることが必須であり、これらの素材にはアルミニウム合金が汎用されている。特に、温度が上昇する場合には高温特性に優れた2000系アルミニウム合金が用いられているが、アルミニウム合金の組成のみでは要求される機械的性質を十分に満足することが困難な状況となっている。 In addition, impellers and rotors must be lightweight in order to reduce energy loss, and aluminum alloys are commonly used as materials for these. In particular, when the temperature rises, 2000 series aluminum alloys, which are excellent in high-temperature properties, are used, but it is difficult to sufficiently satisfy the required mechanical properties with only the composition of the aluminum alloy. there is
これに対し、例えば、特許文献1(特開2016-87624号公報)においては、所定の成分組成のAl-Cu-Mg系アルミニウム合金からなる連続鋳造棒材を鍛造素材とし、素形材料が、羽根部相当部位を含んでコンプレッサホイールの外径形状より大きく、羽根部相当部位の外面が、回転中心軸線に沿った方向の一方から他方に向けて滑らかに拡径された傾斜面を有する形状とされ、しかも羽根部相当部位における外径側端部よりも外側に、コンプレッサホイールの最終製品に対する余肉部位となるフランジ部が延出されて、羽根部相当部位に、回転中心軸線の側からフランジ部に向かうメタルフローが形成されているターボコンプレッサホイール用鍛造素形材、が提案されている。 On the other hand, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-87624), a continuously cast bar made of an Al-Cu-Mg-based aluminum alloy having a predetermined chemical composition is used as a forging material, and the forming material is A shape having an outer diameter that is larger than the outer diameter of the compressor wheel, including the portion corresponding to the blade portion, and that the outer surface of the portion corresponding to the blade portion has an inclined surface that smoothly expands in diameter from one direction to the other direction along the rotation center axis. Moreover, a flange portion, which serves as a surplus portion for the final product of the compressor wheel, extends outside the outer diameter side end portion of the portion corresponding to the blade portion, and the flange portion is extended from the rotation center axis side to the portion corresponding to the blade portion. A forging stock for a turbocompressor wheel has been proposed in which a metal flow is formed toward the part.
上記特許文献1のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材においては、とりわけコンプレッサホイールの回転中心軸線に沿った方向に対して直交する方向の強度が高く、その鍛造素形材を用いてターボチャージャーのコンプレッサホイールを製造すれば、全体的に常温強度、高温強度、剛性に優れると同時に、高速回転時の動バランスに優れ、しかも各部位についての、それぞれ異なる要求特性、望まれる特性に応じた最適な性能を有し、特に羽根部の強度、剛性が高いコンプレッサホイールを得ることができる、としている。
The forged material for a turbo compressor wheel disclosed in
また、特許文献2(特開2000-119786号公報)においては、Al合金鍛造材を、Cu:1.5~7.0%、Mg:0.01~2.0%を含み残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金とし、溶体化処理後のミクロ組織がθ' 相および/またはΩ相を有するとともに、結晶粒径が500 μm以下の等軸再結晶粒からなり、1000hrクリープ破断強度を250N/mm2以上および高温耐力を280N/mm2以上とする高速動部品用アルミニウム合金冷間鍛造材、が提示されている。 In addition, in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-119786), the Al alloy forged material contains Cu: 1.5 to 7.0%, Mg: 0.01 to 2.0%, and the balance is aluminum and unavoidable It is an aluminum alloy consisting of volatile impurities, the microstructure after solution treatment has θ' phase and / or Ω phase, and is composed of equiaxed recrystallized grains with a grain size of 500 μm or less, and has a creep rupture strength of 250 N for 1000 hours. /mm 2 or higher and a high-temperature yield strength of 280 N/mm 2 or higher for aluminum alloy cold forgings for high-speed dynamic parts.
上記特許文献2の高速動部品用アルミニウム合金冷間鍛造材においては、再結晶粒を500μm以下の略一定サイズとすることで、クリープ特性等の高温特性と被削性とを兼備させることができる、としている。
In the aluminum alloy cold forged material for high-speed moving parts of
上記特許文献1のターボコンプレッサホイール用鍛造素形材及び上記特許文献2の高速動部品用アルミニウム合金冷間鍛造材では組成に加えて微細組織が制御されているが、各種インペラは室温から作動温度における十分な機械的性質(強度、耐力及び耐疲労特性)を有する必要があり、高性能化に向けては更なる高強度化が求められている。また、冷間鍛造では金型に接触した部位は流動が困難であり、結晶粒径が粗大な領域が形成してしまうケースがある。特に、インペラが高速回転する際には羽根部に大きな応力が印加されることから、冷間鍛造材の羽根部相当部位における、結晶粒の粗大化による強度低下を避ける必要がある。
In the forged material for turbo compressor wheels of
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、室温から作動温度において十分な強度、耐力及び耐疲労特性を有し、特に、羽根部相当部位における組織が微細かつ均質化された高強度のインペラ用冷間鍛造材及びその効率的な製造方法を提供することにある。 In view of the problems in the prior art as described above, it is an object of the present invention to have sufficient strength, yield strength, and fatigue resistance at room temperature to operating temperature, and in particular, to have a fine and homogenous structure in the portion corresponding to the blade portion. It is another object of the present invention to provide a high-strength cold forged material for impellers and an efficient manufacturing method thereof.
本発明者らは、上記目的を達成すべく、アルミニウム合金製冷間鍛造材の組成及び組織とその製造方法について鋭意研究を重ねた結果、一回の冷間鍛造工程でアルミニウム合金素材に十分な塑性変形を付与すること(加工度を大きくすること)等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above object, the present inventors have extensively studied the composition and structure of aluminum alloy cold forged materials and their manufacturing methods. The inventors have found that imparting deformation (increasing the degree of processing) is extremely effective, and have arrived at the present invention.
即ち、本発明は、
Cu及びMgを含有するアルミニウム合金製のインペラ用冷間鍛造材であって、
羽根部相当部位における母材結晶粒の平均粒径が250μm以下であり、結晶粒径が 700μm以上の粗大粒を含まないこと、
を特徴とするインペラ用冷間鍛造材、を提供する。
That is, the present invention
A cold forged material for an impeller made of an aluminum alloy containing Cu and Mg,
The average grain size of the base material crystal grains in the portion corresponding to the blade portion is 250 μm or less, and does not contain coarse grains with a crystal grain size of 700 μm or more;
To provide a cold forged material for an impeller characterized by:
本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、Cu及びMgの添加に起因する固溶強化及び析出強化(θ’相やS’相の析出)により、アルミニウム合金の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性と高温耐力が改善されている。 In the impeller cold forged material of the present invention, solid solution strengthening and precipitation strengthening (precipitation of θ' phase and S' phase) caused by the addition of Cu and Mg improve the tensile properties and creep properties of the aluminum alloy at room temperature and high temperature. Improved properties and high temperature yield strength.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、羽根部相当部位(最終的にインペラの羽根部となる部位)における母材結晶粒の平均粒径が250μm以下であり、結晶粒径が700μm以上の粗大粒を含まない。その結果、羽根部相当部位の強度、耐力及び耐疲労特性を担保することができ、高速回転するインペラを製造するための冷間鍛造材として好適に用いることができる。また、インペラが高速回転する際には羽根部に大きな応力が印加されることから、アルミニウム合金押出材の羽根部相当部位に粗大化した結晶粒が混在すると、インペラを最大限軽量化できる設計とすることができないが、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては組織が微細かつ均質化されていることから、当該設計が容易である。 In addition, in the impeller cold forged material of the present invention, the average grain size of the base material crystal grains in the portion corresponding to the blade portion (the portion that will eventually become the blade portion of the impeller) is 250 μm or less, and the crystal grain size is 700 μm. Does not contain coarse grains above. As a result, the strength, yield strength, and fatigue resistance of the portion corresponding to the blade portion can be ensured, and it can be suitably used as a cold forged material for manufacturing an impeller that rotates at high speed. In addition, when the impeller rotates at high speed, a large amount of stress is applied to the impeller blades. However, since the cold forged material for impellers of the present invention has a fine and homogenous structure, such design is easy.
一般的な冷間鍛造では金型に接触した部位は流動が生じ難いため、導入されるひずみの不足により結晶粒が粗大化し、その他の部位と比較して強度が低下する。例えば、アルミニウム合金製の素形材を上型及び下型に当接させた状態から冷間鍛造(密閉型鍛造又は半密閉型鍛造)すると、羽根部相当部位となる冷間鍛造材の外縁部に結晶粒が比較的大きな領域が形成されてしまう。 In general cold forging, the portion in contact with the die is less likely to flow, so the crystal grains become coarse due to the lack of strain introduced, and the strength decreases compared to other portions. For example, when cold forging (closed type forging or semi-closed type forging) is performed in a state in which an aluminum alloy formed material is in contact with the upper and lower dies, the outer edge of the cold forged material that corresponds to the blade portion A region with relatively large crystal grains is formed in the region.
これに対し、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、羽根部相当部位となる外縁部を含む全領域において十分なひずみが導入されており、羽根部相当部位において母材結晶粒の平均粒径が250μm以下であり、結晶粒径が700μm以上の粗大粒を含まない組織が形成されている。 On the other hand, in the impeller cold forged material of the present invention, sufficient strain is introduced in the entire region including the outer edge portion corresponding to the blade portion, and the average grain size of the base material crystal grains in the portion corresponding to the blade portion A structure that does not contain coarse grains having a diameter of 250 μm or less and a crystal grain size of 700 μm or more is formed.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、
Cu:2.2~3.5質量%、
Mg:1.4~2.1質量%、
Fe:0.9~1.5質量%、
Si:0.10~0.25質量%、
Ni:0.9~1.5質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、
残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、が好ましい。
In addition, in the cold forged material for impellers of the present invention,
Cu: 2.2 to 3.5% by mass,
Mg: 1.4 to 2.1% by mass,
Fe: 0.9 to 1.5% by mass,
Si: 0.10 to 0.25% by mass,
Ni: 0.9 to 1.5% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass,
It is preferable that the balance be made of an aluminum alloy consisting of Al and inevitable impurities.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、
Cu:5.0~7.0質量%、
Mg:0.05~0.5質量%、
Fe:0.05~0.35質量%、
Si:0.05~0.25質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、
更に、
V :0.05~0.20質量%、
Mn:0.05~0.70質量%、
Cr:0.05~0.35質量%、
Zr:0.05~0.25質量%、のうちの1種以上を含有し、
残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、が好ましい。
In addition, in the cold forged material for impellers of the present invention,
Cu: 5.0 to 7.0% by mass,
Mg: 0.05 to 0.5% by mass,
Fe: 0.05 to 0.35% by mass,
Si: 0.05 to 0.25% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass,
Furthermore,
V: 0.05 to 0.20% by mass,
Mn: 0.05 to 0.70% by mass,
Cr: 0.05 to 0.35% by mass,
Zr: 0.05 to 0.25% by mass, containing one or more of
It is preferable that the balance be made of an aluminum alloy consisting of Al and inevitable impurities.
インペラ用冷間鍛造材がこれらの組成を有することで、Cu、Mg及びその他の添加に起因する固溶強化、析出強化及び晶出物による強化等により、アルミニウム合金の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性や高温耐力等が改善されている。 By having the cold forged material for impellers with these compositions, solid solution strengthening, precipitation strengthening, and strengthening by crystallized substances resulting from the addition of Cu, Mg, etc. improve the tensile properties and Creep characteristics and high temperature yield strength are improved.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、前記羽根部相当部位における前記母材結晶粒の平均粒径が200μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましい。平均粒径を200μm以下とすることで、結晶粒微細化強化を確実に発現させることができ、100μm以下とすることで、インペラの羽根部に要求される強度、耐力及び耐疲労特性をより確実に得ることができる。 Further, in the impeller cold-forged material of the present invention, the average grain size of the base material crystal grains in the blade portion-equivalent portion is preferably 200 μm or less, more preferably 100 μm or less. By setting the average grain size to 200 μm or less, it is possible to reliably develop grain refinement strengthening, and by setting it to 100 μm or less, the strength, yield strength, and fatigue resistance required for the impeller blades are more reliably achieved. can get to
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材においては、インペラの回転軸に直交する方向における引張強さ及び0.2%耐力が、それぞれ420MPa以上及び350MPa以上であること、が好ましい。インペラの回転軸に直交する方向における引張強さ及び0.2%耐力をそれぞれ420MPa以上及び350MPa以上とすることで、インペラに十分な信頼性を付与することができる。 Further, in the impeller cold forged material of the present invention, it is preferable that the tensile strength and 0.2% proof stress in the direction orthogonal to the rotation axis of the impeller are 420 MPa or more and 350 MPa or more, respectively. Sufficient reliability can be imparted to the impeller by setting the tensile strength and 0.2% proof stress in the direction orthogonal to the rotation axis of the impeller to 420 MPa or more and 350 MPa or more, respectively.
また、本発明は、
円柱形状のアルミニウム合金素材の一方の端部を下型に当接させ、前記アルミニウム合金素材の他方の端部に上型を当接させつつ押圧する鍛造工程を有し、
前記アルミニウム合金素材の直径Dが、前記他方の端部が当接する前記上型の内周面の内径dよりも小さいこと、
を特徴とするインペラ用冷間鍛造材の製造方法、も提供する。
In addition, the present invention
a forging step in which one end of a cylindrical aluminum alloy material is brought into contact with a lower die, and the other end of the aluminum alloy material is pressed while being brought into contact with an upper die;
The diameter D of the aluminum alloy material is smaller than the inner diameter d of the inner peripheral surface of the upper die with which the other end abuts;
A method for manufacturing a cold forged material for an impeller characterized by
一般的なアルミニウム合金の冷間鍛造では、素材の直径を金型の内周面に略一致させる。この場合、当初から金型に接触している素材は殆ど流動せず、十分なひずみを導入することができない。その結果、当該領域の結晶粒はその他の領域の結晶粒と比較して粗大化し、強度や耐力が低下してしまう。これに対し、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、アルミニウム合金素材の直径を金型の内径よりも小さくし、アルミニウム合金素材の全域に対して結晶粒微細化に必要なひずみを導入することを最大の特徴としている。 In general cold forging of aluminum alloy, the diameter of the raw material is made to substantially match the inner peripheral surface of the die. In this case, the material that is in contact with the mold from the beginning hardly flows, and sufficient strain cannot be introduced. As a result, the crystal grains in the region become coarser than the crystal grains in other regions, and the strength and proof stress are lowered. On the other hand, in the method of manufacturing the cold forged material for impellers of the present invention, the diameter of the aluminum alloy material is made smaller than the inner diameter of the mold, and the strain necessary for grain refinement is applied to the entire area of the aluminum alloy material. The most important feature is the introduction of
即ち、一般的なアルミニウム合金の冷間鍛造で組織の均質化を図る場合、例えば、異なる金型を用いて複数回の冷間鍛造を施す必要があるが、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、一回の冷間鍛造によって十分に均質化された微細組織を得ることができる。 That is, when trying to homogenize the structure by cold forging a general aluminum alloy, for example, it is necessary to perform cold forging multiple times using different molds, but the cold forging material for impellers of the present invention In this manufacturing method, a sufficiently homogenized microstructure can be obtained by a single cold forging.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、前記直径Dを有する円の面積(A1)及び前記内径dを有する円の面積(A2)から求められる加工度:(A2-A1)/A1×100が30%以上となること、が好ましい。 Further, in the method for manufacturing the impeller cold forged material of the present invention, the degree of processing obtained from the area (A1) of the circle having the diameter D and the area (A2) of the circle having the inside diameter d: (A2-A1 )/A1×100 is preferably 30% or more.
直径Dを有する円の面積(A1)及び内径dを有する円の面積(A2)から求められる加工度:(A2-A1)/A1×100を30%以上とすることで、アルミニウム合金素材の全域の結晶粒を微細化するために必要なひずみを確実に導入することができる。 The degree of processing obtained from the area (A1) of a circle having a diameter D and the area (A2) of a circle having an inner diameter d: (A2-A1)/A1×100 is 30% or more, so that the entire area of the aluminum alloy material It is possible to reliably introduce the strain necessary for refining the grains.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、前記アルミニウム合金が当接する前記上型の底面の外周に略円環状の凸部を形成し、前記凸部と前記底面の段差を1mm以上とすること、が好ましい。 Further, in the method of manufacturing the cold forged impeller material of the present invention, a substantially annular protrusion is formed on the outer periphery of the bottom surface of the upper die with which the aluminum alloy contacts, and the step between the protrusion and the bottom surface is formed. 1 mm or more is preferable.
アルミニウム合金素材が当接する上型の底面が完全に平面の場合、当該平面近傍ではアルミニウム合金素材にひずみを導入することが困難であり、冷間鍛造材上部の結晶粒を均一に微細化することが困難である。これに対し、上型の底面に1mm以上の段差を設けることでアルミニウム合金素材に導入されるひずみを増加させることができ、冷間鍛造材上部にも均質な微細組織を形成させることができる。 When the bottom surface of the upper mold that the aluminum alloy material contacts is completely flat, it is difficult to introduce strain into the aluminum alloy material in the vicinity of the flat surface. is difficult. On the other hand, by providing a step of 1 mm or more on the bottom surface of the upper mold, the strain introduced into the aluminum alloy material can be increased, and a homogeneous microstructure can be formed also in the upper part of the cold forged material.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、前記アルミニウム合金素材が、
Cu:2.2~3.5質量%、
Mg:1.4~2.1質量%、
Fe:0.9~1.5質量%、
Si:0.10~0.25質量%、
Ni:0.9~1.5質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなること、が好ましい。
Further, in the method for manufacturing the cold forged material for impellers of the present invention, the aluminum alloy material is
Cu: 2.2 to 3.5% by mass,
Mg: 1.4 to 2.1% by mass,
Fe: 0.9 to 1.5% by mass,
Si: 0.10 to 0.25% by mass,
Ni: 0.9 to 1.5% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass, with the balance being Al and unavoidable impurities.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、前記アルミニウム合金素材が、
Cu:5.0~7.0質量%、
Mg:0.05~0.5質量%、
Fe:0.05~0.35質量%、
Si:0.05~0.25質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、
更に、
V :0.05~0.20質量%、
Mn:0.05~0.70質量%、
Cr:0.05~0.35質量%、
Zr:0.05~0.25質量%、のうちの1種以上を含有し、
残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、が好ましい。
Further, in the method for manufacturing the cold forged material for impellers of the present invention, the aluminum alloy material is
Cu: 5.0 to 7.0% by mass,
Mg: 0.05 to 0.5% by mass,
Fe: 0.05 to 0.35% by mass,
Si: 0.05 to 0.25% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass,
Furthermore,
V: 0.05 to 0.20% by mass,
Mn: 0.05 to 0.70% by mass,
Cr: 0.05 to 0.35% by mass,
Zr: 0.05 to 0.25% by mass, containing one or more of
It is preferable that the balance be made of an aluminum alloy consisting of Al and inevitable impurities.
これらの組成を有するアルミニウム合金を用いることで、Cu、Mg及びその他の添加に起因する固溶強化、析出強化及び晶出物による強化等により、インペラの常温及び高温における引張特性及びクリープ特性や高温耐力等を改善することができる。 By using an aluminum alloy having these compositions, solid solution strengthening, precipitation strengthening, and strengthening due to crystallized substances resulting from the addition of Cu, Mg, etc., improve the tensile properties and creep properties of the impeller at room temperature and high temperature. Yield strength etc. can be improved.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、前記鍛造工程の後に、溶体化処理工程、焼入れ工程及び時効熱処理工程を有し、前記溶体化処理工程における加熱温度を500~540℃とし、前記焼入れ工程における冷却は80℃以下の水冷とし、前記時効熱処理工程における加熱温度を180~210℃とすること、が好ましい。 Further, in the method for manufacturing the cold forged material for impellers of the present invention, after the forging step, a solution treatment step, a quenching step and an aging heat treatment step are provided, and the heating temperature in the solution treatment step is set to 500 to 540. ℃, the cooling in the quenching step is preferably water cooling at 80°C or less, and the heating temperature in the aging heat treatment step is preferably 180 to 210°C.
時効熱処理の温度を180℃以上とすることで、析出強化を効率的に発現させることができ、210℃以下とすることで、析出物の粗大化等による強度、耐力及び耐疲労特性の低下を抑制することができる。また、溶体化処理の温度を500℃以上とすることで、Cu及びMg等の析出強化に寄与する固溶元素をアルミニウム中に十分に固溶させることができ、540℃以下とすることで、局部的な融解による鍛造材の強度及び延性の低下を抑制することができる。また、Cu及びMg等の析出強化に寄与する固溶元素をアルミニウム中に十分に固溶させるには、当該条件で加熱後に速やかに冷却することが必要である。80℃を超えると、冷却水が沸騰し易く、十分な冷却速度が安定して得られない。一方で、その効果は室温程度で飽和するので、それ以下に下げる必要はない。必要以上に温度を下げると、焼入れ歪が残留し、切削加工時の加工精度を低下させるので20℃以上で冷却することが好ましい。 By setting the temperature of the aging heat treatment to 180 ° C. or higher, precipitation strengthening can be efficiently expressed, and by setting it to 210 ° C. or lower, deterioration of strength, yield strength and fatigue resistance due to coarsening of precipitates can be prevented. can be suppressed. In addition, by setting the temperature of the solution treatment to 500 ° C. or higher, the solid solution elements that contribute to precipitation strengthening, such as Cu and Mg, can be sufficiently dissolved in the aluminum. A decrease in strength and ductility of the forged material due to local melting can be suppressed. Further, in order to sufficiently dissolve solid-solution elements such as Cu and Mg that contribute to precipitation strengthening in aluminum, it is necessary to cool rapidly after heating under the conditions. If the temperature exceeds 80°C, the cooling water tends to boil, and a sufficient cooling rate cannot be stably obtained. On the other hand, the effect saturates at about room temperature, so there is no need to lower it below that. If the temperature is lowered more than necessary, quenching strain remains and the machining accuracy during cutting is lowered, so cooling at 20° C. or higher is preferable.
本発明によれば、室温及び高温において十分な強度、耐力及び耐疲労特性を有し、特に、羽根部相当部位における組織が微細かつ均質化されたインペラ用冷間鍛造材及びその効率的な製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the present invention, a cold forged material for impellers having sufficient strength, yield strength and fatigue resistance at room temperature and high temperature, and in particular, having a fine and homogenous structure in the parts corresponding to the blades, and efficient production thereof. can provide a method.
以下、図面を参照しながら本発明のアルミニウム合金製のインペラ用冷間鍛造部材及びその製造方法についての代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。 Hereinafter, representative embodiments of the aluminum alloy cold forged member for impeller and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. . In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. Also, since the drawings are for the purpose of conceptually explaining the present invention, the dimensions and ratios of the depicted components may differ from the actual ones.
1.アルミニウム合金製インペラ用冷間鍛造部材
(1)組織
代表的なインペラを概略的に示す斜視図及び断面図を図1及び図2にそれぞれ示す。インペラ1は、インペラ1をローターと連結するためのシャフトを挿入するためのシャフト穴2を有し、略円錐状の回転軸部4の外周に、放射状にかつ渦巻の一部をなすように傾斜した複数の羽根部6を一体に形成した構造を有している。
1. Cold Forged Member for Aluminum Alloy Impeller (1) Structure A perspective view and a sectional view schematically showing a typical impeller are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. The
インペラ1の形状は、例えば、アルミニウム合金製のインペラ用冷間鍛造部材を加工することで得ることができる。この場合、インペラ1の結晶粒径及びその分布は、基本的にインペラ用冷間鍛造部材の状態を引き継ぐことになる。
The shape of the
一般的なインペラ用冷間鍛造部材の断面の模式図を図3に、本発明のインペラ用冷間鍛造部材の断面の模式図を図4に、それぞれ示す。図3及び図4において、結晶粒が他の領域と比較して粗大化する領域を斜線で示している。一般的なインペラ用冷間鍛造部材10は、冷間鍛造時に金型に接触する外周近傍(特に上部)においてひずみが不足することから、当該領域の結晶粒径が他の領域と比較して顕著に粗大化してしまう。なお、冷間鍛造条件にも依存するが、中心及び表面においても比較的結晶粒が粗大となる領域が形成される。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a general cold forged member for impellers, and FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a cold forged member for impellers according to the present invention. In FIGS. 3 and 4, shaded areas indicate areas where crystal grains are coarser than other areas. A general impeller cold forged
これに対し、本発明のインペラ用冷間鍛造部材12においては、外周近傍に結晶粒が粗大となる明確な領域が存在しない。中心部表面に比較的結晶粒が粗大化した領域が形成される場合があるが、当該領域はシャフト穴2として除去されるため、インペラ1の特性に影響を及ぼすことはない。
On the other hand, in the impeller cold forged
ここで、インペラ1の羽根部6は軽量化を目的として薄肉化されることに加え、高速回転によって大きな遠心力が作用することから、高い強度及び剛性が要求される。特に、羽根部6の先端部にはより大きな遠心力が作用することから、当該領域に加工されるインペラ用冷間鍛造部材の最外周部は高強度化することが切望されているところ、本発明のインペラ用冷間鍛造部材12の外周は結晶粒が微細化されており(結晶粒が粗大化した領域が存在せず)、高い強度が付与されている。なお、図4において、最終的に羽根部6に加工される羽根部相当部位14をハッチング領域で示している。即ち、羽根部相当部位14における母材結晶粒の平均粒径は250μm以下であり、結晶粒径が700μm以上の粗大粒を含まない。
Here, the
本発明のインペラ用冷間鍛造部材12においては、羽根部相当部位14における母材結晶粒の平均粒径が200μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましい。平均粒径を200μm以下とすることで、結晶粒微細化強化を確実に発現させることができ、100μm以下とすることで、インペラ1の羽根部6に要求される強度、耐力及び耐疲労特性をより確実に得ることができる。
In the impeller cold-forged
母材結晶粒の平均粒径を求める方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法で測定すればよい。例えば、インペラ用冷間鍛造部材12を切断し、得られた断面試料を光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡で観察し、母材結晶粒の粒径の平均値を算出することで求めることができる。その他、走査型電子顕微鏡に付属している後方散乱電子回折測定装置(SEM-EBSD)により測定してもよい。なお、観察手法に応じて、断面試料には機械研磨、バフ研磨、電解研磨及びエッチング等を施せばよい。
The method for determining the average grain size of the base material crystal grains is not particularly limited, and may be measured by various conventionally known methods. For example, it can be obtained by cutting the impeller cold-forged
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材12においては、インペラの回転軸(シャフト穴2の中心軸)に直交する方向における引張強さ及び0.2%耐力が、それぞれ420MPa以上及び350MPa以上であること、が好ましい。インペラの回転軸に直交する方向における引張強さ及び0.2%耐力をそれぞれ420MPa以上及び350MPa以上とすることで、インペラに十分な信頼性を付与することができる。なお、より好ましい引張強さ及び0.2%耐力はそれぞれ440MPa以上及び360MPa以上であり、最も好ましい引張強さ及び0.2%耐力はそれぞれ450MPa以上及び370MPa以上である。
In addition, in the impeller cold forged
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材12はCu及びMgを含有しており、Cu及びMgの添加に起因する固溶強化及び析出強化(θ’相やS’相の析出)等により、アルミニウム合金の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性と高温耐力が改善されている。
In addition, the impeller cold forged
(2)組成
(2-1)組成1
インペラ用冷間鍛造材12は、Cu:2.2~3.5質量%、Mg:1.4~2.1質量%、Fe:0.9~1.5質量%、Si:0.10~0.25質量%、Ni:0.9~1.5質量%、Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなることが好ましい。以下、各成分について詳細に説明する。
(2) Composition (2-1)
The impeller cold forged
Cu:2.2~3.5質量%
CuはAl-Cu系析出物を形成し、機械的特性及び疲労強度を高める作用を有する。また、CuとMgの両者を添加し、熱処理することでAl2CuMg化合物を形成させ、強度を高めることができる。Cu添加量が2.2質量%未満では析出物量が不足し、目標強度が得られない。また、3.5質量%を超えて添加すると、鋳造時に形成されたAl2CuやAl2CuMg晶出物が粗大になり、溶体化処理時に固溶せず溶け残り、疲労強度や靭性が低下してしまう。
Cu: 2.2 to 3.5% by mass
Cu forms Al—Cu based precipitates and has the effect of increasing mechanical properties and fatigue strength. Moreover, by adding both Cu and Mg and heat-treating, an Al 2 CuMg compound can be formed and the strength can be increased. If the amount of Cu added is less than 2.2% by mass, the amount of precipitates is insufficient and the target strength cannot be obtained. In addition, if it is added in excess of 3.5% by mass, the Al 2 Cu and Al 2 CuMg crystallized substances formed during casting become coarse and remain undissolved during solution treatment, resulting in a decrease in fatigue strength and toughness. Resulting in.
Mg:1.4~2.1質量%
MgはCuとともに添加することでAl2CuMg化合物を形成し、強度に寄与する。1.4質量%未満ではインペラに要求される十分な強度が得られない。また、2.1質量%を超えて添加するとAl-Cu-Mg晶出物が溶体化処理時に溶け残り、疲労強度や靭性を低下させる。加えて、MgはSiと共にMg-Si系析出物を形成し、機械的特性及び疲労強度を高める作用を有する。当該作用は1.4質量%以上で顕著となるが、2.1質量%を超えて添加しても、高度への寄与はほとんど期待できず、また、破壊の起点となる粗大な金属間化合物を形成し、靭性等の機械的特性を低下させる虞がある。
Mg: 1.4-2.1% by mass
By adding Mg together with Cu, it forms an Al 2 CuMg compound and contributes to the strength. If it is less than 1.4% by mass, sufficient strength required for the impeller cannot be obtained. Further, when the amount of addition exceeds 2.1% by mass, the Al--Cu--Mg crystallized substances remain undissolved during the solution treatment, resulting in a decrease in fatigue strength and toughness. In addition, Mg forms Mg—Si-based precipitates together with Si, and has the effect of increasing mechanical properties and fatigue strength. The effect becomes remarkable at 1.4% by mass or more, but even if it is added in excess of 2.1% by mass, almost no contribution to altitude can be expected, and a coarse intermetallic compound that becomes the starting point of fracture may be formed, and mechanical properties such as toughness may be reduced.
Fe:0.9~1.5質量%
分散粒子を形成させるのに有効な元素である。Al-Fe-(Ni)系化合物の晶出によってAlの再結晶化を抑制すると共に高温強度の向上に寄与するが、0.9質量%未満ではその効果が十分に得られない。しかし、過剰に添加すると、粗大な金属間化合物を形成させて靭性を低下させるため、添加量の上限を1.5質量%としている。
Fe: 0.9 to 1.5% by mass
It is an effective element for forming dispersed particles. Crystallization of the Al--Fe--(Ni)-based compound suppresses the recrystallization of Al and contributes to the improvement of the high-temperature strength. However, if added excessively, it forms a coarse intermetallic compound and lowers the toughness, so the upper limit of the amount added is set to 1.5% by mass.
Si:0.10~0.25質量%
Siの添加によりAl2CuやAl2CuMgの析出密度が高まり、強度に寄与する。これらの作用は0.1質量%以上で顕著となり、0.25質量%を超えて添加するとAl-Si-Mg-Cu系の晶出物が形成され、疲労強度や靭性が低下する虞がある。
Si: 0.10 to 0.25% by mass
The addition of Si increases the precipitation density of Al 2 Cu and Al 2 CuMg, contributing to strength. These effects become significant at 0.1% by mass or more, and if added in excess of 0.25% by mass, Al-Si-Mg-Cu-based crystallized substances may be formed, which may reduce fatigue strength and toughness. .
Ni:0.9~1.5質量%
Niは、高融点のAl-Ni系晶出物を形成し、200~350℃付近における耐熱性及び高温強度を改善する。当該効果は0.9質量%以上の含有で顕著になるが、1.5質量%を超える多量のNiを含有させると、粗大な化合物を形成して靭性を低下させる。
Ni: 0.9 to 1.5% by mass
Ni forms high-melting Al--Ni-based crystallized substances and improves heat resistance and high-temperature strength in the vicinity of 200 to 350.degree. The effect becomes remarkable at a content of 0.9% by mass or more, but if a large amount of Ni exceeding 1.5% by mass is contained, a coarse compound is formed and the toughness is lowered.
Ti:0.01~0.15質量%
TiはBとの複合添加でAl-TiやTi-B系の化合物を形成し、鋳造組織を微細化し、鋳造割れを防止すると共に、添加元素の均質化を促進させる。これらの効果は0.01質量%未満では不十分であり、0.15質量%を超える量を添加するとその効果が飽和するだけでなく、Al‐Ti系の粗大な晶出物を形成し、靭性を低下させる。また、TiをAl中に固溶させることで強化相であるAl2CuやAl2CuMg析出物の高温下での成長を抑制し、高強度を安定して得ることができる。
Ti: 0.01 to 0.15% by mass
Ti forms Al--Ti and Ti--B compounds when combined with B, refines the casting structure, prevents casting cracks, and promotes homogenization of the added elements. These effects are insufficient when less than 0.01% by mass, and when added in an amount exceeding 0.15% by mass, not only the effect is saturated, but also Al-Ti-based coarse crystallized substances are formed, reduce toughness; In addition, by dissolving Ti in Al, the growth of strengthening phases of Al 2 Cu and Al 2 CuMg precipitates is suppressed at high temperatures, and high strength can be stably obtained.
(2-2)組成2
インペラ用冷間鍛造材12は、Cu:5.0~7.0質量%、Mg:0.05~0.5質量%、Fe:0.05~0.35質量%、Si:0.05~0.25質量%、Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、更に、V :0.05~0.20質量%、Mn:0.05~0.70質量%、Cr:0.05~0.35質量%、Zr:0.05~0.25質量%、のうちの1種以上を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、が好ましい。以下、上記の組成1との差異を中心に、各成分について詳細に説明する。
(2-2)
The impeller cold forged
Cu:5.0~7.0質量%
Mg:0.05~0.5質量%
組成1と比較して、Cuの添加量を増加させ、Mgの添加量を減少させている。Cuの添加量を5.0質量%以上とすることでT6処理後にAl‐Cu系析出物を形成し、強度に寄与させることができる。一方で、7.0質量%を超えて添加すると、T6処理後にAl-Cu系晶出物が多く残存し、靭性を低下させる。Mgの添加量を0.05質量%以上添加することで、T6処理後にAl-Cu(‐Mg)系析出物の形成を促進し、強度に寄与することができるが、0.5質量%を超えて添加すると高温域でAl-Cu系析出物の成長を速めることから高温域での高強度を安定して得ることができない。
Cu: 5.0 to 7.0% by mass
Mg: 0.05 to 0.5% by mass
Compared with
Fe:0.05~0.35質量%
Si:0.05~0.25質量%
Ti:0.01~0.15質量%
これらの添加元素の効果は組成1の場合と同様である。
Fe: 0.05 to 0.35% by mass
Si: 0.05 to 0.25% by mass
Ti: 0.01 to 0.15% by mass
The effect of these additive elements is the same as in
V :0.05~0.20質量%
Mn:0.05~0.70質量%
Cr:0.05~0.35質量%
Zr:0.05~0.25質量%
上記の元素を含有するアルミニウム合金では、均質化処理時に、Al-Fe(Mn、Cr)‐Si系やAl-Mg-Cr‐Mn系、Al‐Zr系、Al-V系の分散粒子が形成され、結晶粒界の移動を抑制し、再結晶化を抑制する、いわゆるピン止め効果を発現させ、強度に寄与することができる。
V: 0.05 to 0.20% by mass
Mn: 0.05 to 0.70% by mass
Cr: 0.05 to 0.35% by mass
Zr: 0.05 to 0.25% by mass
In the aluminum alloy containing the above elements, dispersed particles of Al-Fe(Mn, Cr)-Si system, Al-Mg-Cr-Mn system, Al-Zr system, and Al-V system are formed during homogenization treatment. This suppresses movement of grain boundaries and suppresses recrystallization, which is a so-called pinning effect, and contributes to strength.
2.アルミニウム合金製インペラ用冷間鍛造材の製造方法
本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法は、上記本発明のインペラ用冷間鍛造材の効果的かつ効率的な製造方法を提供するものである。
2. Method for producing cold forged material for aluminum alloy impeller The method for producing the cold forged member for impeller according to the present invention provides an effective and efficient method for producing the cold forged material for impeller according to the present invention. be.
本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法は、円柱形状のアルミニウム合金素材の一方の端部を下型に当接させ、アルミニウム合金素材の他方の端部に上型を当接させつつ押圧する鍛造工程を有し、アルミニウム合金素材の直径Dが、他方の端部が当接する上型の内周面の内径dよりも小さいこと、を特徴としている。 In the method for manufacturing a cold forged member for an impeller according to the present invention, one end of a cylindrical aluminum alloy material is brought into contact with a lower die, and the other end of the aluminum alloy material is brought into contact with an upper die while pressing. The diameter D of the aluminum alloy material is smaller than the inner diameter d of the inner peripheral surface of the upper die with which the other end abuts.
本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法における冷間鍛造工程の一例を示す模式図を図5(冷間鍛造前)及び図6(冷間鍛造後)に示す。図5においては、円柱状のアルミニウム合金素材30を下型32に当接させ、上型34によって上側から圧縮する状況を示している。ここで、一般的なアルミニウム合金の冷間鍛造では、アルミニウム合金素材30の直径Dは上型34の内周面の内径dと略同一となっている。なお、下型32には鍛造品を排出するためのエジェクターアウトピン36が、上型34には鍛造品の貼り付きを防止するパンチノックアウトピン38が備わっている。
FIG. 5 (before cold forging) and FIG. 6 (after cold forging) are schematic diagrams showing an example of the cold forging process in the manufacturing method of the cold forged impeller member of the present invention. FIG. 5 shows a state in which a cylindrical
これに対し、本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法においては、アルミニウム合金素材30の直径が上型34の内径dよりも小さくなっている。その結果、上型34による圧縮によりアルミニウム合金素材30が扁平すると共に上型34の内径dに押し付けられることで、アルミニウム合金素材30の外周近傍にも十分なひずみを導入することができる。
On the other hand, in the manufacturing method of the impeller cold forged member of the present invention, the diameter of the
ここで、アルミニウム合金素材30の直径Dを有する円の面積(A1)及び上型34の内径dを有する円の面積(A2)から求められる加工度:(A2-A1)/A1×100を30%以上とすることが好ましい。当該加工度を30%以上とすることで、アルミニウム合金素材30の全域(特に外周近傍)の結晶粒を微細化するために必要なひずみを確実に導入することができる。なお、より好ましい加工度は35%以上であり、最も好ましい加工度は50%以上である。
Here, the degree of processing obtained from the area (A1) of the circle having the diameter D of the
また、本発明のインペラ用冷間鍛造材の製造方法においては、アルミニウム合金素材30が当接する上型34の底面の外周に略円環状の凸部を形成し、当該凸部と底面の段差を1mm以上とすること、が好ましい。
Further, in the manufacturing method of the impeller cold forged material of the present invention, a substantially annular protrusion is formed on the outer circumference of the bottom surface of the
アルミニウム合金素材30が当接する上型34の底面が完全に平面の場合、当該平面近傍ではアルミニウム合金素材30にひずみを導入することが困難であり、冷間鍛造材上部の結晶粒を均一に微細化することが困難である。これに対し、上型34の底面に1mm以上の段差を設けることでアルミニウム合金素材30に導入されるひずみを増加させることができ、冷間鍛造材上部にも均質な微細組織を形成させることができる。なお、底面の段差は1.3mm以上とすることがより好ましく、1.5mm以上とすることが最も好ましい。
When the bottom surface of the
また、図6に示すように、パンチノックアウトピン38を後退させた状態で鍛造を施すことにより、アルミニウム合金素材30に導入されるひずみを増加させることができ、冷間鍛造材により均質な微細組織を形成させることができる。
Further, as shown in FIG. 6, by forging with the
また、本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法においては、アルミニウム合金素材30が、
Cu:2.2~3.5質量%、
Mg:1.4~2.1質量%、
Fe:0.9~1.5質量%、
Si:0.10~0.25質量%、
Ni:0.9~1.5質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなること、が好ましい。
Further, in the method for manufacturing the cold forged impeller member of the present invention, the
Cu: 2.2 to 3.5% by mass,
Mg: 1.4 to 2.1% by mass,
Fe: 0.9 to 1.5% by mass,
Si: 0.10 to 0.25% by mass,
Ni: 0.9 to 1.5% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass, with the balance being Al and unavoidable impurities.
また、本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法においては、アルミニウム合金素材30が、
Cu:5.0~7.0質量%、
Mg:0.05~0.5質量%、
Fe:0.05~0.35質量%、
Si:0.05~0.25質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、
更に、
V :0.05~0.20質量%、
Mn:0.05~0.70質量%、
Cr:0.05~0.35質量%、
Zr:0.05~0.25質量%、のうちの1種以上を含有し、
残部がA1および不可避不純物からなるアルミニウム合金からなること、が好ましい。
Further, in the method for manufacturing the cold forged impeller member of the present invention, the
Cu: 5.0 to 7.0% by mass,
Mg: 0.05 to 0.5% by mass,
Fe: 0.05 to 0.35% by mass,
Si: 0.05 to 0.25% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass,
Furthermore,
V: 0.05 to 0.20% by mass,
Mn: 0.05 to 0.70% by mass,
Cr: 0.05 to 0.35% by mass,
Zr: 0.05 to 0.25% by mass, containing one or more of
It is preferable that the balance is made of an aluminum alloy composed of A1 and inevitable impurities.
これらの各添加元素の効果等については本発明のインペラ用冷間鍛造部材に関して示した通りであるが、主として、Cu、Mg及びその他の添加に起因する固溶強化、析出強化及び晶出物による強化等により、インペラ用冷間鍛造材12の常温及び高温における引張特性及びクリープ特性や高温耐力等を改善することができる。
The effects of each of these additive elements are as shown in the cold forged member for impellers of the present invention. The strengthening or the like can improve the tensile properties, creep properties, high-temperature yield strength, etc. of the cold forged
また、本発明のインペラ用冷間鍛造部材の製造方法においては、鍛造工程の後に、溶体化処理工程、焼入れ工程及び時効熱処理工程を有し、溶体化処理工程における加熱温度を500~540℃とし、焼入れ工程における冷却は80℃以下の水冷とし、時効熱処理工程における加熱温度を180~210℃とすること、が好ましい。 Further, in the method for manufacturing the cold forged member for impeller of the present invention, after the forging step, the solution treatment step, the quenching step and the aging heat treatment step are performed, and the heating temperature in the solution treatment step is set to 500 to 540 ° C. Preferably, the cooling in the quenching step is water cooling at 80°C or less, and the heating temperature in the aging heat treatment step is 180 to 210°C.
時効熱処理の温度を180℃以上とすることで、析出強化を効率的に発現させることができ、210℃以下とすることで、析出物の粗大化等による強度、耐力及び耐疲労特性の低下を抑制することができる。また、溶体化処理の温度を500℃以上とすることで、Cu及びMg等の析出強化に寄与する固溶元素をアルミニウム中に十分に固溶させることができ、540℃以下とすることで、局部的な融解による鍛造材の強度及び延性の低下を抑制することができる。 By setting the temperature of the aging heat treatment to 180 ° C. or higher, precipitation strengthening can be efficiently expressed, and by setting it to 210 ° C. or lower, deterioration of strength, yield strength and fatigue resistance due to coarsening of precipitates can be prevented. can be suppressed. In addition, by setting the temperature of the solution treatment to 500 ° C. or higher, the solid solution elements that contribute to precipitation strengthening, such as Cu and Mg, can be sufficiently dissolved in the aluminum. A decrease in strength and ductility of the forged material due to local melting can be suppressed.
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。 Although representative embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various design changes are possible, and all such design changes are included in the technical scope of the present invention. be
≪実施例1≫
表1に記載の組成を有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金をビレット温度360℃、押出速度3m/minの条件で押出加工し、直径32mmの押出棒材を得た。その後、当該押出棒材を415℃で2h保持した後、25℃/hの冷却速度で室温まで冷却し、素材径32mmの鍛造用アルミニウム合金素材を得た。なお、表1に記載の成分は質量%で示している。
<<Example 1>>
An aluminum alloy having the composition shown in Table 1 and the balance being Al and unavoidable impurities was extruded at a billet temperature of 360° C. and an extrusion rate of 3 m/min to obtain an extruded bar with a diameter of 32 mm. Thereafter, the extruded bar was held at 415° C. for 2 hours and then cooled to room temperature at a cooling rate of 25° C./h to obtain an aluminum alloy material for forging with a material diameter of 32 mm. In addition, the components shown in Table 1 are expressed in mass%.
鍛造最小径が39.5mmとなる鍛造型(上型)を用い、得られた鍛造用アルミニウム合金素材に対して1回の鍛造を施し、アルミニウム合金鍛造材を得た。当該鍛造においては、鍛造用アルミニウム合金素材の径が32mm、鍛造最小径が39.5mmであるから、加工度は52%となる。なお、鍛造用アルミニウム合金素材が当接する上型の底面の外周には略円環状の凸部を形成し、当該凸部と底面の段差を1.5mmとした。 Using a forging die (upper die) with a minimum forging diameter of 39.5 mm, the obtained aluminum alloy material for forging was forged once to obtain an aluminum alloy forged material. In the forging, the diameter of the aluminum alloy material for forging is 32 mm and the minimum forging diameter is 39.5 mm, so the workability is 52%. A substantially annular convex portion was formed on the outer periphery of the bottom surface of the upper die with which the aluminum alloy material for forging abuts, and the step between the convex portion and the bottom surface was set to 1.5 mm.
次いで、アルミニウム合金鍛造材を525℃で2h保持(溶体化処理)した後に25℃で水冷し、197℃で12h保持(時効処理)してインペラ用アルミニウム合金鍛造材を得た。得られたインペラ用アルミニウム合金鍛造材の断面の組織写真を図7に示す。切削加工後にインペラの羽根部となる羽根部相当部位(図4の羽根部相当部位14に対応する領域)の組織は微細かつ均質となっており、700μm以上の粗大な結晶粒は含まれていないことが分かる。
Next, the aluminum alloy forged material was held at 525° C. for 2 hours (solution treatment), water-cooled at 25° C., and held at 197° C. for 12 hours (aging treatment) to obtain an impeller aluminum alloy forged material. FIG. 7 shows a photograph of the structure of the cross section of the obtained aluminum alloy forged material for impellers. The structure of the blade-corresponding portion (the region corresponding to the blade-corresponding
図7に示すX方向及びY方向で交線法を用いて羽根部相当部位の平均結晶粒径を求めたところ、X方向で16μm、Y方向で15μmであった。また、段差を有する金型底面に当接したインペラ用アルミニウム合金鍛造材の上部近傍においても組織の微細化及び均質化が進んでいることが分かる。 When the average grain size of the portion corresponding to the blade portion was obtained by using the intersection line method in the X direction and the Y direction shown in FIG. 7, it was 16 μm in the X direction and 15 μm in the Y direction. Further, it can be seen that the refinement and homogenization of the structure are progressing also in the vicinity of the upper portion of the aluminum alloy forging material for an impeller, which is in contact with the bottom surface of the mold having a step.
また、図7に示す点線枠の領域から平行部幅5mm、厚さ2mm、長さ20mmの引張試験片を切り出した。当該引張試験片について引張特性を評価したところ、引張強さ:448MPa、0.2%耐力:376MPa、伸び:8.4%であった。 A tensile test piece having a parallel portion width of 5 mm, a thickness of 2 mm, and a length of 20 mm was cut out from the dotted frame area shown in FIG. When the tensile properties of the tensile test piece were evaluated, it was found to be tensile strength: 448 MPa, 0.2% yield strength: 376 MPa, and elongation: 8.4%.
≪実施例2≫
押出棒材及び鍛造用アルミニウム合金素材の直径を34mmとし、上型底面と凸部の段差を1.35mmとした以外は実施例1と同様にしてインペラ用アルミニウム合金鍛造材を得た。当該鍛造においては、鍛造用アルミニウム合金素材の径が34mm、鍛造最小径が39.5mmであるから、加工度は35%となる。
<<Example 2>>
An aluminum alloy forged material for an impeller was obtained in the same manner as in Example 1, except that the diameter of the extruded bar and the aluminum alloy material for forging was set to 34 mm, and the step between the bottom surface of the upper die and the convex portion was set to 1.35 mm. In the forging, since the diameter of the aluminum alloy material for forging is 34 mm and the minimum forging diameter is 39.5 mm, the workability is 35%.
得られたインペラ用アルミニウム合金鍛造材の断面の組織写真を図8に示す。切削加工後にインペラの羽根部となる羽根部相当部位(図4の羽根部相当部位14に対応する領域)の組織は微細かつ均質となっており、700μm以上の粗大な結晶粒は含まれていないことが分かる。
FIG. 8 shows a photograph of the structure of the cross section of the obtained aluminum alloy forged material for impellers. The structure of the blade-corresponding portion (the region corresponding to the blade-corresponding
図8に示すX方向及びY方向で交線法を用いて羽根部相当部位の平均結晶粒径を求めたところ、X方向で16μm、Y方向で16μmであった。また、段差を有する金型底面に当接したインペラ用アルミニウム合金鍛造材の上部近傍においても組織の微細化及び均質化が進んでいることが分かる。なお、実施例1と比較すると段差が小さくなっているため、僅かに結晶粒が大きな状態となっている。 When the average grain size of the portion corresponding to the blade portion was obtained by using the intersection line method in the X direction and the Y direction shown in FIG. 8, it was 16 μm in the X direction and 16 μm in the Y direction. Further, it can be seen that the refinement and homogenization of the structure are progressing also in the vicinity of the upper portion of the aluminum alloy forging material for an impeller, which is in contact with the bottom surface of the mold having a step. In addition, since the steps are smaller than in Example 1, the crystal grains are slightly large.
≪実施例3≫
表2に記載の組成を有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金をビレット温度360℃、押出速度6m/minの条件で押出加工し、直径36mmの押出棒材を得た。その後、当該押出棒材を415℃で2h保持した後、25℃/hの冷却速度で室温まで冷却し、素材径36mmの鍛造用アルミニウム合金素材を得た。なお、表2の成分は質量%で示している。
<<Example 3>>
An aluminum alloy having the composition shown in Table 2 and the balance being Al and unavoidable impurities was extruded at a billet temperature of 360° C. and an extrusion speed of 6 m/min to obtain an extruded bar with a diameter of 36 mm. Thereafter, the extruded bar was held at 415° C. for 2 hours and then cooled to room temperature at a cooling rate of 25° C./h to obtain an aluminum alloy material for forging with a material diameter of 36 mm. In addition, the components in Table 2 are shown in mass %.
鍛造最小径が46mmとなる鍛造型(上型)を用い、得られた鍛造用アルミニウム合金素材に対して1回の鍛造を施し、アルミニウム合金鍛造材を得た。当該鍛造においては、鍛造用アルミニウム合金素材の径が36mm、鍛造最小径が46mmであるから、加工度は63%となる。なお、鍛造用アルミニウム合金素材が当接する上型の底面の外周には略円環状の凸部を形成し、当該凸部と底面の段差を1.5mmとした。 Using a forging die (upper die) with a minimum forging diameter of 46 mm, the obtained aluminum alloy material for forging was forged once to obtain an aluminum alloy forged material. In the forging, since the diameter of the aluminum alloy material for forging is 36 mm and the minimum forging diameter is 46 mm, the workability is 63%. A substantially annular convex portion was formed on the outer periphery of the bottom surface of the upper die with which the aluminum alloy material for forging abuts, and the step between the convex portion and the bottom surface was set to 1.5 mm.
次いで、アルミニウム合金鍛造材を530℃で2h保持(溶体化処理)した後に25℃で水冷し、180℃で6h保持(時効処理)してインペラ用アルミニウム合金鍛造材を得た。得られたインペラ用アルミニウム合金鍛造材の断面の組織写真を図9に示す。切削加工後にインペラの羽根部となる羽根部相当部位(図4の羽根部相当部位14に対応する領域)の組織は微細(250μm以下)かつ均質となっており、700μm以上の粗大な結晶粒は含まれていないことが分かる。また、段差を有する金型底面に当接したインペラ用アルミニウム合金鍛造材の上部近傍においても組織の微細化及び均質化が進んでいる。
Next, the aluminum alloy forged material was held at 530° C. for 2 hours (solution treatment), cooled with water at 25° C., and held at 180° C. for 6 hours (aging treatment) to obtain an impeller aluminum alloy forged material. FIG. 9 shows a photograph of the structure of the cross section of the obtained aluminum alloy forged material for impellers. The structure of the blade-corresponding portion (region corresponding to the blade-corresponding
また、図9に示す点線枠の領域から平行部幅5mm、厚さ2mm、長さ20mmの引張試験片を切り出した。当該引張試験片について引張特性を評価したところ、引張強さ:455MPa、0.2%耐力:362MPa、伸び:12.1%であった。 A tensile test piece having a parallel portion width of 5 mm, a thickness of 2 mm, and a length of 20 mm was cut out from the dotted frame area shown in FIG. When the tensile properties of the tensile test piece were evaluated, it was found to be tensile strength: 455 MPa, 0.2% yield strength: 362 MPa, and elongation: 12.1%.
≪比較例≫
表1に示した合金成分ビレットから押出加工した直径39mmの押出棒を鍛造用素材とし、上型底面と凸部の段差を取らず、フラットな状態で鍛造を実施した。なお、鍛造前の押出条件、焼鈍条件および鍛造後のT6処理条件は実施例1と同様にしてインペラ用アルミニウム合金鍛造材を得た。当該鍛造においては、鍛造用アルミニウム合金素材の径が39mm、鍛造最小径が39.5mmであるから、鍛造用アルミニウム合金素材の径と鍛造最小径は略同一である(金型に鍛造用アルミニウム合金素材を挿入できる程度に、鍛造用アルミニウム合金素材の直径を鍛造最小径よりも僅かに小さくしている。なお、加工度は3%となる。)。
≪Comparative example≫
An extruded rod with a diameter of 39 mm extruded from the alloy component billet shown in Table 1 was used as a forging material, and forging was performed in a flat state without removing a step between the bottom surface of the upper mold and the convex portion. The extrusion conditions before forging, the annealing conditions, and the T6 treatment conditions after forging were the same as in Example 1 to obtain an aluminum alloy forged material for an impeller. In the forging, the diameter of the aluminum alloy material for forging is 39 mm, and the minimum forging diameter is 39.5 mm. The diameter of the aluminum alloy material for forging is made slightly smaller than the minimum forging diameter to the extent that the material can be inserted.The workability is 3%.).
得られたインペラ用アルミニウム合金鍛造材の断面の組織写真を図10に示す。切削加工後にインペラの羽根部となる羽根部相当部位(図4の羽根部相当部位14に対応する領域)には粗粒が含まれており、不均質な組織となっている。また、略平面状の金型底面に当接したインペラ用アルミニウム合金鍛造材の上部近傍において、組織の微細化及び均質化は進んでいない。
FIG. 10 shows a photograph of the structure of the cross section of the obtained aluminum alloy forged material for impellers. Coarse grains are contained in the vane-corresponding portion (the area corresponding to the vane-corresponding
図10に示すX方向及びY方向で交線法を用いて羽根部相当部位の平均結晶粒径を求めたところ、X方向で208μm、Y方向で2066μmであった。 When the average grain size of the portion corresponding to the blade portion was obtained by using the intersection line method in the X direction and the Y direction shown in FIG. 10, it was 208 μm in the X direction and 2066 μm in the Y direction.
≪引張特性に及ぼす結晶粒径の影響≫
引張特性に及ぼす結晶粒径の影響を確認するために、表1に記載の組成を有するアルミニウム合金に関して種々の鍛造条件で据え込み鍛造を施した。具体的には、図11に示す形状及びサイズの鍛造用アルミニウム合金素材に対して、鍛造方向をLT方向、両端面拘束とする冷間鍛造を施した。冷間鍛造前後の試験片外観を図12に示す。
<<Effect of grain size on tensile properties>>
In order to confirm the effect of grain size on tensile properties, upset forging was performed on aluminum alloys having the compositions shown in Table 1 under various forging conditions. Specifically, an aluminum alloy material for forging having the shape and size shown in FIG. 11 was subjected to cold forging in which the forging direction was the LT direction and both ends were restrained. Fig. 12 shows the appearance of the test piece before and after cold forging.
次いで、アルミニウム合金鍛造材を525℃で2h保持(溶体化処理)した後に水冷し、200℃で10h保持(時効処理)して評価用アルミニウム合金鍛造材を得た。評価用アルミニウム合金鍛造材中心部の組織観察によってL方向の平均結晶粒径を求めると共に、当該領域から図13に示す引張試験片を切り出して引張特性を評価した。得られた結果を図14に示す。 Next, the aluminum alloy forged material was held at 525° C. for 2 hours (solution treatment), cooled with water, and held at 200° C. for 10 hours (aging treatment) to obtain an aluminum alloy forged material for evaluation. The average crystal grain size in the L direction was determined by observing the structure of the central portion of the aluminum alloy forging material for evaluation, and a tensile test piece shown in FIG. 13 was cut out from the region to evaluate the tensile properties. The results obtained are shown in FIG.
結晶粒径が250μmより小さくなると引張強さが増加し、特に結晶粒径が100μmよりも小さくなると顕著な増加が認められる。加えて、結晶粒径が100μmよりも小さくなると、0.2%耐力も明確に増加することが分かる。 When the grain size becomes smaller than 250 μm, the tensile strength increases, and particularly when the grain size becomes smaller than 100 μm, a remarkable increase is observed. In addition, it can be seen that the 0.2% yield strength clearly increases when the crystal grain size becomes smaller than 100 μm.
1・・・インペラ、
2・・・シャフト穴、
4・・・回転軸部、
6・・・羽根部、
10・・・一般的なインペラ用冷間鍛造部材、
12・・・本発明のインペラ用冷間鍛造部材、
14・・・羽根部相当部位、
30・・・アルミニウム合金素材、
32・・・下型、
34・・・上型、
36・・・エジェクターアウトピン、
38・・・パンチノックアウトピン。
1... impeller,
2... Shaft hole,
4 ... rotating shaft part,
6... feather part,
10 General cold forged members for impellers,
12 ... Cold forged member for impeller of the present invention,
14 . . . A portion corresponding to the blade portion
30... Aluminum alloy material,
32 Lower die,
34 Upper die,
36 Ejector out pin,
38 Punch knockout pin.
Claims (3)
羽根部相当部位における母材結晶粒の平均粒径が250μm以下であり、結晶粒径が700μm以上の粗大粒を含まず、
前記インペラ用冷間鍛造材が、
Cu:2.2~3.5質量%、
Mg:1.4~2.1質量%、
Fe:0.9~1.5質量%、
Si:0.10~0.25質量%、
Ni:0.9~1.5質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、
残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金、又は、
Cu:5.0~7.0質量%、
Mg:0.05~0.5質量%、
Fe:0.05~0.35質量%、
Si:0.05~0.25質量%、
Ti:0.01~0.15質量%、を含有し、
更に、
V :0.05~0.20質量%、
Mn:0.05~0.70質量%、
Cr:0.05~0.35質量%、
Zr:0.05~0.25質量%、のうちの1種以上を含有し、
残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金、からなり、
インペラの回転軸に直交する方向における引張強さ及び0.2%耐力が、それぞれ420MPa以上及び350MPa以上であること、
を特徴とするインペラ用冷間鍛造材。 A cold forged material for an impeller made of an aluminum alloy containing Cu and Mg,
The average grain size of the base material crystal grains in the portion corresponding to the blade portion is 250 μm or less, and does not contain coarse grains with a crystal grain size of 700 μm or more,
The cold forged material for the impeller is
Cu: 2.2 to 3.5% by mass,
Mg: 1.4 to 2.1% by mass,
Fe: 0.9 to 1.5% by mass,
Si: 0.10 to 0.25% by mass,
Ni: 0.9 to 1.5% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass,
An aluminum alloy with the balance being Al and unavoidable impurities, or
Cu: 5.0 to 7.0% by mass,
Mg: 0.05 to 0.5% by mass,
Fe: 0.05 to 0.35% by mass,
Si: 0.05 to 0.25% by mass,
Ti: 0.01 to 0.15% by mass,
Furthermore,
V: 0.05 to 0.20% by mass,
Mn: 0.05 to 0.70% by mass,
Cr: 0.05 to 0.35% by mass,
Zr: 0.05 to 0.25% by mass, containing one or more of
Made of an aluminum alloy with the balance being Al and inevitable impurities,
Tensile strength and 0.2% proof stress in the direction orthogonal to the rotation axis of the impeller are 420 MPa or more and 350 MPa or more, respectively;
A cold forged material for impellers characterized by
を特徴とする請求項1に記載のインペラ用冷間鍛造材。 The average grain size of the base material crystal grains in the portion corresponding to the blade portion is 200 μm or less,
The cold forged material for impellers according to claim 1, characterized by:
を特徴とする請求項1に記載のインペラ用冷間鍛造材。
The average grain size of the base material crystal grains in the portion corresponding to the blade portion is 100 μm or less,
The cold forged material for impellers according to claim 1, characterized by:
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