WO2011145237A1 - インペラの製造方法 - Google Patents

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宏 中嶋
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三菱重工業株式会社
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    • F05D2300/171—Steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an impeller (rotary blade) used in a centrifugal compressor and other rotating machines.
  • the impeller 10 of the centrifugal compressor has a disk 11 whose one surface is fixed to the rotating main shaft of the centrifugal compressor and is rotated, and a shape facing the curved surface of the disk 11. And a large number of blades 13 provided so as to partition the curved surfaces of the disk 11 and the cover 12 in a spiral shape.
  • the impeller 10 is a so-called three-piece type in which the disk 11, the cover 12, and the blade 13 are individually manufactured, joined to each other, and assembled. The cover 12 and the blade 13 are integrally manufactured.
  • the impeller 10 shown in FIGS. 4 and 5 is a two-piece type, and shows an example in which a disk 11 and a cover 12 made integrally with a blade 13 are joined by a brazing portion 14. Yes.
  • Patent Document 1 discloses a method of manufacturing an impeller by brazing. Patent Document 1 has started quenching at a temperature slightly lower than the liquid phase of the brazing material, but with this, the strength of the brazed joint is insufficient, and as a result, cracks occur in the brazed joint. It was made to solve the problem of the previous brazing method. Patent Document 1 proposes a brazing thermal cycle whose representative example is shown in FIG. In FIG. 6, the assembly to be brazed to the liquid or liquidus temperature of the brazing material, about 1850 degrees Fahrenheit (1010 ° C.) over about 6 hours is heated and held at that temperature for about 1 hour.
  • brazing assembly is cooled to about 1300 degrees Fahrenheit (704.4 ° C) over about 2 hours, and then the assembly is lowered to a temperature of about 350 degrees Fahrenheit (176.7 ° C) over 1 hour. Gas quenching.
  • Patent Document 1 states that, due to this thermal cycle, the rotor blade assembly did not exhibit heat-induced distortion, and all the brazed joints were solid and cracked.
  • the impeller can be manufactured by brazing without causing cracks.
  • the impeller when used in a centrifugal compressor or other rotating machine, it is required that the mechanical strength of the joint portion by brazing is high.
  • the brazing method (thermal cycle) of Patent Document 1 is sufficiently considered especially for the toughness of the joint portion.
  • the present invention has been made based on such a technical problem, and an object thereof is to provide a method for obtaining an impeller by brazing while ensuring toughness of a joint portion.
  • Patent Document 1 describes an alloy containing JIS SUS630 as a stainless steel constituting each member of an impeller and 80% to 85% gold (Au) and 15% to 20% nickel (Ni) as a brazing material. (Hereinafter sometimes abbreviated as Ni—Au alloy) is recommended. In the present specification, “%” means “mass%”.
  • the brazing material As a factor affecting the toughness of the joint portion, there is a relationship between the brazing material and the member to be joined by the brazing material (base material). That is, when the tensile strength of the base material is large, the tensile strength of the brazing material is small, and the difference in tensile strength between the two is large, the toughness of the joint portion is lowered. This is because when the impact load is applied to the joint part, if the base material is not deformed or the deformation is small, the impact energy is not absorbed or small by the base material, so that the energy applied to the brazed part increases, It is because it is easy to lead to the fracture of a part.
  • JIS SUS630 disclosed as preferred in Patent Document 1 includes chromium (Cr); 15.5% to 17.5%, nickel (Ni); 3.0% to 5.0%, copper (Cu); 3 Precipitation hardening type stainless steel containing 0.0% to 5.0% as a main element, and it is used after being subjected to heat treatment that is subjected to solution heat treatment followed by age hardening heat treatment (or precipitation hardening heat treatment). .
  • the heating temperature of the age hardening heat treatment differs depending on whether the hardness (tensile strength) is important or the toughness is important. That is, when the hardness is important, the heating temperature is set low (470 to 490 ° C.
  • the heating temperature is set high (610 to 630 ° C. H1150 (see Table 1). ))
  • the tensile strength when the temperature of age-hardening heat treatment is increased with emphasis on toughness is about 900 MPa, but the tensile strength when emphasis on hardness exceeds 1300 MPa.
  • the tensile strength after brazing of the Ni—Au alloy disclosed as preferable in Patent Document 1 is 760 to 780 MPa.
  • the tensile strength exceeds 1300 MPa, and the difference from the tensile strength of the Ni—Au alloy becomes large, so a decrease in the toughness of the joint portion cannot be ignored. Further, if the temperature of the age hardening heat treatment is increased with emphasis on toughness, the tensile strength can be reduced to about 900 MPa as described above, so that the difference from the tensile strength of the Ni—Au alloy can be made relatively small. However, when the temperature of the age hardening heat treatment is increased, the proof stress decreases with a decrease in tensile strength, and the base material does not satisfy the mechanical properties required for the impeller.
  • a heat treatment is performed on an assembly in which a brazing material made of an Au alloy containing Ni is arranged at a joint portion of at least two impeller constituent members.
  • This heat treatment includes a solution heat treatment and an age hardening heat treatment.
  • brazing is also performed by melting and solidifying the brazing material, and in the age hardening heat treatment, the solution heat treatment has already been performed and at least two impeller components are joined by the brazing material.
  • the impeller component is composed of Cr; 15.5% to 17.5%, Ni; 3.0% to 5.0%, Cu; 3.0% to 5.0%. It consists of precipitation hardening type stainless steel.
  • the brazing material is made of an Au alloy containing 15% to 20% Ni and has a thickness of 200 to 1000 ⁇ m.
  • the cooling rate during cooling of the age hardening heat treatment is set to 0.5 to 10 ° C./min.
  • the thickness of the brazing material is preferably 250 to 450 ⁇ m, and the cooling rate during cooling of the age hardening heat treatment is preferably 0.5 to 2.0 ° C./min.
  • the impeller can be obtained by brazing while ensuring the toughness of the joint portion by specifying the thickness of the brazing material and specifying the cooling rate during cooling of the age hardening heat treatment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view along the blade of the impeller shown in FIG. 4.
  • 10 is a graph showing a heat treatment pattern disclosed in Patent Document 1.
  • FIGS. 4 and 5 a two-piece impeller shown in FIGS. 4 and 5 will be described as an example.
  • the present invention can also be applied when manufacturing a three-piece impeller.
  • SUS630 is a precipitation hardened stainless steel that improves the strength of steel by dissolving Cu in a matrix (matrix) by solution heat treatment and then precipitating fine Cu-Ni intermetallic compounds by subsequent age hardening heat treatment. It is. In addition to the following elements, elements that improve specific characteristics of SUS630 may be included.
  • the material for the disk 11 and the cover 12 is processed into the shape of the disk 11 and the cover 12 by forging and cutting, respectively. Since the cover 12 is integrally provided with the blade 13, a cutting process for forming the blade 13 is performed.
  • ⁇ Assembly> The manufactured disk 11 and the cover 12 integrated with the blade 13 are brought into contact with each other on the joining surface side to obtain an assembly.
  • the cover 12 has the blade 13 side opposed to the joining surface side of the disk 11.
  • a brazing material is disposed on the abutting surface.
  • a jig can be used so as to maintain a distance between the abutting surfaces of the disk 11 and the cover 12.
  • the brazing material used in the present embodiment is an alloy containing Ni based on Au.
  • This gold brazing material contains 15 to 20% Ni, with the balance being Au and inevitable impurities. By setting it as this composition range, the wettability with respect to a base material is favorable, and high joint strength can be obtained.
  • a material having a melting point (liquidus temperature) of 930 to 1050 ° C. which is lower than the holding temperature of the solution heat treatment is used.
  • This gold brazing material preferably has a chemical composition of 16-19% Ni-81-84% Au, more preferably 17.5-18.5% Ni-81.5-82.5% Au.
  • This brazing filler metal typically has a composition of 18% Ni—Au and has a melting point of about 1000 ° C.
  • the tensile strength of the gold brazing material after brazing is 760 to 780 MPa.
  • the form of the brazing material disposed on the abutting surfaces of the disk 11 and the cover 12 is arbitrary. For example, any of those known in brazing may be used, such as a thin piece, a thin strip, a linear material, a powder, or a paste. However, it is necessary to satisfy the thickness of the brazing material after brazing that is set in order to ensure the toughness of the joint portion.
  • the assembly is inserted into a heating furnace to perform heat treatment.
  • the heat treatment is composed of two stages of a solution heat treatment and an age hardening heat treatment.
  • Table 1 shows standards for SUS630 heat treatment (from JIS G4303).
  • the solution heat treatment selects the temperature at which the assembly is held (holding temperature) from the range of 1020 to 1060 ° C. based on this standard.
  • the time required until the holding temperature (temperature rising time) and the time for holding at the holding temperature (holding time) are arbitrary, but the temperature rising time is from 3 to 8 hours, and the holding time is 0.5 to 3 Select from a range of hours.
  • the cooling rate at the time of cooling in the solution heat treatment can be arbitrarily determined on the assumption that the object of dissolving Cu in the matrix can be achieved, but it is 1 to 10 ° C./min, preferably 3 to 5 ° C./min. . Since the gold brazing material used in this embodiment has a melting point of 930 to 1050 ° C., the brazing material is melted and solidified in the course of the solution heat treatment to braze the disk 11 and the cover 12. Thereby, brazing and solid solution treatment can be combined. In order to turn the structure into martensite, it is necessary to lower it to the Mf point (martensite transformation end temperature), which depends on the composition and the cooling rate, but is 100 to 140 ° C., which is below this temperature. There is a need.
  • Mf point martensite transformation end temperature
  • the age hardening heat treatment employs H1150 (610 to 630 ° C.) shown in Table 1 as the holding temperature. This is because the tensile strength of the brazing filler metal is about 760 to 780 MPa, and the tensile strength of the cover 12 and the disk 11 is made close to that of the brazing filler metal.
  • the proof stress in the case of age hardening heat treatment at the temperature of H1150 shown in Table 1 does not satisfy the value required for the impeller. Therefore, in the present embodiment, the cooling rate of the age hardening heat treatment is regulated to 0.5 ° C./min or more in order to suppress a decrease in yield strength.
  • SUS630 which is a precipitation hardening type stainless steel, improves the strength of the steel by precipitating a Cu-Ni intermetallic compound during the age hardening heat treatment. large.
  • the precipitation form of the precipitates depends on the holding temperature of the age hardening heat treatment, and the higher the holding temperature, the more fine precipitates are deposited, and the lower the holding temperature, the larger the precipitates and the fewer the number of precipitates. If it does so, tensile strength and yield strength will fall.
  • the present inventors have found that when the cooling rate of the age hardening heat treatment is 0.5 ° C./min or more, the absorbed energy obtained by the Charpy impact test (hereinafter, Charpy absorbed energy) can be increased.
  • the upper limit of the cooling rate of the age hardening heat treatment is set to 10 ° C./min.
  • the cooling rate is preferably 0.5 to 5.0 ° C./min, more preferably 0.5 to 2.0 ° C./min, and further preferably 0.7 to 2.0 ° C./min.
  • the thickness of the brazing material is set to 200 to 1000 ⁇ m in order to ensure the toughness of the joint portion. This thickness is the thickness after brazing. If the thickness of the brazing material is less than 200 ⁇ m, the Charpy absorbed energy is small and the toughness of the joint portion after brazing is insufficient. Accordingly, the lower limit of the thickness of the brazing material is 200 ⁇ m, but the preferable lower limit is 250 ⁇ m, and the more preferable lower limit is 300 ⁇ m. In consideration of toughness, it can be said that the brazing material is thicker and more preferable.
  • the brazing material made of Ni—Au alloy is inferior in rigidity, so that there is a risk of falling between the joined disk 11 and the cover 12 during rotation. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the brazing material is set to 1000 ⁇ m or less.
  • Age hardening heat treatment conditions Holding temperature: 620 ° C., holding time: 1.5 hours Cooling rate: 0.1 ° C./min, 0.5 ° C./min, 0.7 ° C./min 1.0 ° C./min, 1.5 ° C./min, 2.0 °C / min
  • Brazing material thickness 50 ⁇ m, 100 ⁇ m, 200 ⁇ m, 300 ⁇ m, 500 ⁇ m
  • the Charpy absorbed energy of the brazed joint was obtained under the above conditions.
  • the steel pieces were subjected to solution heat treatment and age hardening heat treatment, and then subjected to a tensile test (based on JIS Z2201, Z2241) to measure tensile strength ( ⁇ B) and yield strength ( ⁇ Y).
  • ⁇ B tensile strength
  • ⁇ Y yield strength
  • Table 2 and FIG. 3 Charge absorbed energy only. Looking at the thickness of the brazing material, only a Charpy absorption energy of 10 J or less is obtained at a thickness of 100 ⁇ m, whereas a Charpy absorption energy of 15 J or more is obtained at a thickness of 200 ⁇ m.
  • the effect of improving the Charpy absorbed energy by setting the thickness to 200 ⁇ m or more is remarkable. Further, when looking at the cooling rate of the age hardening heat treatment, the Charpy absorbed energy is remarkably improved at 0.5 ° C./min compared to the case of 0.1 ° C./min. As described above, when the brazing filler metal thickness is 200 ⁇ m or more and the cooling rate of the age hardening heat treatment is 0.5 ° C./min or more, the Charpy absorbed energy is remarkably improved. In particular, when the thickness of the brazing material is 500 ⁇ m or more, Charpy absorbed energy exceeding 27 J, which is the Charpy absorbed energy of a welded joint required by the API (American Petroleum Institute) standard, is obtained.
  • tensile strength ( ⁇ B) and yield strength ( ⁇ Y) a tensile strength of 690 MPa or more and a yield strength of 810 MPa or more were obtained even when the cooling rate of the age hardening heat treatment was 0.5 ° C./min or more. That is, it was a level satisfying the mechanical properties required for the impeller. Based on the above results, the inventors specified the thickness of the brazing material and the cooling rate of the age hardening heat treatment as in the present invention.

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Abstract

　本発明は、少なくとも２つのインペラ構成部材の接合部分にＮｉを含有するＡｕ合金からなるろう材を配置した組付け体に熱処理を施すインペラの製造方法に関する。この方法は、組付け体に固溶化熱処理を施し、ろう材を溶融、凝固させる工程と、固溶化熱処理が施されるとともに、ろう材により少なくとも２つのインペラ構成部材が接合された組付け体に時効硬化熱処理を施す工程とを備える。インペラ構成部材は析出硬化型であるＪＩＳ　ＳＵＳ６３０からなり、ろう材は、１５質量％～２０質量％のＮｉを含有するＡｕ合金からなるとともに、２００～１０００μｍの厚さを有する。そして、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を０．５～１０℃／分とする。

Description

インペラの製造方法
　本発明は、遠心圧縮機、その他の回転機械に用いられるインペラ（回転翼）の製造方法に関する。
　例えば遠心圧縮機のインペラ１０は、図４、５に示すように、遠心圧縮機の回転主軸に固着し回転される片面が先薄に湾曲するディスク１１と、ディスク１１の湾曲面と対峙する形状のカバー１２と、ディスク１１とカバー１２の湾曲面間を渦形に仕切るように設けられる多数のブレード１３とにより構成されている。
　このインペラ１０は、ディスク１１と、カバー１２と、ブレード１３とを、個別に製作し相互に接合し組付ける３ピース型と呼ばれるもの、カバー１２とブレード１３とを一体に作製し、これとは個別に作製されたディスク１１とを接合する２ピース型と呼ばれるものがある。３ピース型及び２ピース型のいずれのインペラ１０も、接合は溶接又はろう付けにより行われる。接合を溶接又はろう付けのいずれかで行うかは、インペラ１０のサイズ、強度等によって定められる。なお、図４、５に示すインペラ１０は、２ピース型を示しており、ディスク１１と、ブレード１３と一体に作製されたカバー１２とが、ろう付け部１４により接合されている例を示している。
　特許文献１には、ろう付けによりインペラを製造する方法が開示されている。
　特許文献１は、ろう材の液相よりもわずかに低い温度で焼入れ処理を始めていたが、これではろう付け接合部の強度が不十分であり、その結果、ろう付け接合部にクラックが入ることがある、というそれまでのろう付け方法の問題を解消するためになされたものである。
　特許文献１は、図６に代表例が示されるろう付け熱サイクルを提案している。図６において、ろう材の液相または液相線温度、約華氏１８５０度（１０１０℃）まで約６時間かけてろう付けされる組立品を加熱し、その温度で約１時間保持する。さらに、ろう付け組立品を約２時間かけて約華氏１３００度（７０４．４℃）まで冷却し、その後、組立品を約華氏３５０度（１７６．７℃）の温度まで１時間かけて下げてガス焼入れする。この熱サイクルにより、回転翼組立品は熱誘導歪みを示さず、ろう付け接合部すべてが堅固であり、クラックが生じなかったことを、特許文献１は述べている。
特表２００３－５３１７３１号公報
　以上のように、特許文献１によると、クラックを生じさせることなくインペラをろう付け方により作製できる。しかし、インペラが遠心圧縮機、その他の回転機械で使用される際には、ろう付けによる継手部分の機械的強度が高いことが要求される。しかるに、特許文献１のろう付け方法（熱サイクル）は、継手部分の特に靭性に十分な配慮がなされているとは言えない。
　本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、継手部分の靭性を確保しながらインペラをろう付け方により得る方法を提供することを目的とする。
　特許文献１は、インペラの各部材を構成するステンレス鋼としてＪＩＳ　ＳＵＳ６３０を、また、ろう材として８０％～８５％の金（Ａｕ）と１５％～２０％のニッケル（Ｎｉ）とを含有する合金（以下、Ｎｉ－Ａｕ合金と略記することがある）を推奨している。なお、本願明細書において、％は「質量％」を意味する。
　ところで、継手部分の靭性に影響を及ぼす要因として、ろう材により接合される部材（母材）とろう材の引張強度の関係がある。つまり、母材の引張強度が大きく、かつ、ろう材の引張強度が小さく両者の引張強度の差が大きいと継手部分の靭性が低くなる。これは、継手部分に衝撃荷重が加わった際に、母材が変形しないかまたは変形が小さければ、衝撃エネルギは母材に吸収されないか小さいので、ろう付け部分に加わるエネルギが大きくなり、ろう付け部分の破断に繋がりやすいためである。
　特許文献１に好ましいとして開示されているＪＩＳ　ＳＵＳ６３０は、クロム（Ｃｒ）；１５．５％～１７．５％、ニッケル（Ｎｉ）；３．０％～５．０％、銅（Ｃｕ）；３．０％～５．０％を主要元素とする析出硬化型のステンレス鋼であり、固溶化熱処理を施した後に時効硬化熱処理（又は析出硬化熱処理）を施すという熱処理を行って使用に供される。ＪＩＳ　ＳＵＳ６３０は、硬度（引張強度）を重視する場合と靭性を重視する場合とで時効硬化熱処理の加熱温度が異なる。つまり、硬度を重視する場合には加熱温度を低く（４７０～４９０℃　Ｈ９００（表１参照））設定し、靭性を重視する場合には加熱温度を高く設定（６１０～６３０℃　Ｈ１１５０（表１参照））する。靭性を重視して時効硬化熱処理の温度を高くした場合の引張強度は９００ＭＰａ程度であるが、硬度を重視した場合の引張強度は１３００ＭＰａを超える。
　以上に対して、特許文献１で好ましいとして開示されるＮｉ－Ａｕ合金のろう付け後の引張強度は７６０～７８０ＭＰａである。
　硬度を重視して時効硬化熱処理の加熱温度を低くすると、引張強度が１３００ＭＰａを超えてしまい、Ｎｉ－Ａｕ合金の引張強度との差異が大きくなるので、継手部分の靭性の低下が無視できなくなる。
　また、靭性を重視して時効硬化熱処理の温度を高くすると、以上のように引張強度を９００ＭＰａ程度にできるので、Ｎｉ－Ａｕ合金の引張強度との差異を比較的小さくできる。しかし、時効硬化熱処理の温度を高くすると、引張強度の低下に伴って耐力も低下してしまい、インペラに要求される機械的性質を母材が満足しなくなる。
　ＪＩＳ　ＳＵＳ６３０と１５～２０％Ｎｉ－８０～８５％Ａｕ合金（ろう材）の組み合わせはインペラを作製するのに好ましいものであるが、以上説明したように、継手部分の靭性及び母材の機械的性質（耐力）の２つの特性を満足することは容易ではない。
　そこでなされた本発明のインペラの製造方法は、少なくとも２つのインペラ構成部材の接合部分にＮｉを含有するＡｕ合金からなるろう材を配置した組付け体に熱処理を施す。この熱処理は、固溶化熱処理と時効硬化熱処理からなる。固溶化熱処理においては、ろう材の溶融、凝固によるろう付けもなされ、時効硬化熱処理においては、すでに固溶化熱処理が施されるとともに、少なくとも２つのインペラ構成部材がろう材により接合された組付け体に対して時効硬化が施される。
　本発明の製造方法は、インペラ構成部材が、Ｃｒ；１５．５％～１７．５％、Ｎｉ；３．０％～５．０％、Ｃｕ；３．０％～５．０％を主要元素とする析出硬化型のステンレス鋼からなる。また、ろう材は、１５％～２０％のＮｉを含有するＡｕ合金からなるとともに、２００～１０００μｍの厚さを有している。
　また、本発明の製造方法は、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を０．５～１０℃／分とする。
　本発明のインペラの製造方法は、詳しくは後述するが、ろう材の厚さを特定するとともに、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を特定することにより、継手部分の靭性を確保するものである。
　本発明において、ろう材の厚さは２５０～４５０μｍであり、また、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度は０．５～２．０℃／分であることが好ましい。
　本発明によれば、ろう材の厚さを特定するとともに、時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度を特定することにより、継手部分の靭性を確保しながらインペラをろう付けにより得ることができる。
本実施形態におけるインペラの製造工程を示すフローチャートである。 本実施形態における固溶化熱処理、時効硬化熱処理のパターンを示す図である。 ろう材の厚さ、時効硬化熱処理の冷却速度を変動させて作製した試験片を用いてシャルピ衝撃試験を行って得られた吸収エネルギの結果を示すグラフである。 遠心圧縮機のインペラの平面図である。 図４に示すインペラのブレード沿いの断面図である。 特許文献１に開示されている熱処理パターンを示すグラフである。
　以下、実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
　本実施形態は、図４、図５に示す２ピース型のインペラを例にして説明する。ただし、３ピース型のインペラを製造する場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。
＜カバー用、ディスク用の素材＞
　図１に示すように、ディスク１１用、カバー１２用の素材が各々用意される。この素材は、棒状の鋼材として提供される。この素材は、基本的にはＳＵＳ６３０で規定される以下の化学組成（質量％）を有している。ＳＵＳ６３０は、固溶化熱処理によりＣｕを基地（マトリックス）中に固溶させ、その後の時効硬化熱処理により微細なＣｕ－Ｎｉ金属間化合物を析出させることにより鋼の強度を向上させる析出硬化型のステンレス鋼である。なお、以下の元素以外に、ＳＵＳ６３０の特定の特性を向上させる元素を含んでいてもよい。
＜ＳＵＳ６３０　化学組成＞
　Ｃｒ；１５．５％～１７．５％（好ましくは１５．５％～１７．０％）
　Ｎｉ；３．０％～５．０％（好ましくは３．５％～４．５％）
　Ｃｕ；３．０％～５．０％（好ましくは３．０％～４．０％）
　Ｎｂ＋Ｔａ；０．１５％～０．４０％（好ましくは０．３％～０．４％）
　Ｃ；０．０７％以下
　Ｓｉ；１．０％以下
　Ｍｎ；１．０％以下
　Ｐ；０．００４％以下
　Ｓ；０．０３％以下
　残部；Ｆｅおよび不可避不純物
＜鍛造－切削＞
　ディスク１１用、カバー１２用の素材は、各々鍛造、切削により、ディスク１１、カバー１２の形状に加工される。カバー１２はブレード１３を一体的に備えているものであるから、ブレード１３形成のための切削加工が施される。
＜組付け＞
　各々作製されたディスク１１とブレード１３一体のカバー１２を、各々の接合面側を突き合わせて組付け体を得る。なお、カバー１２はブレード１３側をディスク１１の接合面側に対向させる。この突合せ面には、ろう材を配置させる。この際、ろう付け後のろう材の厚さを確保するために、ディスク１１とカバー１２の突合せ面における間隔を保持するように治具を用いることができる。
＜ろう材＞
　本実施の形態で用いられるろう材は、ＡｕをベースとしてＮｉを含む合金である。この金ろう材は、１５～２０％のＮｉを含み、残部がＡｕ及び不可避不純物からなる。この組成範囲とすることにより、母材に対する濡れ性が良好であり、かつ、高い接合強度を得ることができる。この金ろう材は、融点（液相線温度）が固溶化熱処理の保持温度よりも低い９３０～１０５０℃のものを用いる。この金ろう材は、好ましくは１６～１９％Ｎｉ－８１～８４％Ａｕ、より好ましくは１７．５～１８．５％Ｎｉ－８１．５～８２．５％Ａｕの化学組成を有する。この金ろう材は、典型的には１８％のＮｉ－Ａｕの組成を有し、約１０００℃の融点を有している。この金ろう材のろう付け後の引張強度は、７６０～７８０ＭＰａである。
　ディスク１１とカバー１２の突合せ面に配置されるろう材の形態は任意である。例えば、薄片、薄帯、線状材、粉末、ペーストの形態など、ろう付けにおいて公知のいずれのものであってもよい。ただし、継手部分の靭性を確保するために設定されるろう付け後のろう材の厚さを満足できるものである必要がある。
＜熱処理＞
　ディスク１１とカバー１２をろう材を介して組み付けた後に、組付け体を加熱炉内に挿入して熱処理を行う。熱処理は、図２に示すように、固溶化熱処理と時効硬化熱処理の２段からなる。
　ＳＵＳ６３０の熱処理に関する規格（ＪＩＳ　Ｇ４３０３より）を表１に示す。
　本実施形態において、固溶化熱処理はこの規格に基づいて、組付け体が保持される温度（保持温度）を１０２０～１０６０℃の範囲から選択する。保持温度までにかかる時間（昇温時間）、保持温度で保持する時間（保持時間）は任意であるが、昇温時間は３～８時間の範囲から、また、保持時間は０．５～３時間の範囲から選択する。固溶化熱処理の冷却時の冷却速度は、Ｃｕを基地中に固溶させるという目的を達成できることを前提に任意に定めうるが、１～１０℃／分、好ましくは３～５℃／分とする。
　本実施形態で用いる金ろう材は、融点が９３０～１０５０℃のものであるから、固溶化熱処理の過程で、ろう材は溶融・凝固してディスク１１とカバー１２をろう付けする。これにより、ろう付けと固溶体化処理を兼用できる。なお、組織をマルテンサイト化するためにはＭｆ点（マルテンサイト変態終了温度）まで低下させる必要があり、その温度は組成及び冷却速度に依存するが１００－１４０℃であり、この温度以下にする必要がある。
　固溶化熱処理が終わると、次に、時効硬化熱処理を行う。
　時効硬化熱処理は、保持温度として表１に示すＨ１１５０（６１０～６３０℃）を採用する。これは、金ろう材の引張強度が７６０～７８０ＭＰａ程度であり、カバー１２、ディスク１１の引張強度を金ろう材のそれに近づけるためである。ただし、表１で示されるＨ１１５０の温度で時効硬化熱処理した場合の耐力では、インペラとして要求される値を満足しない。そこで本実施形態では、耐力の低下を抑制するために時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上に規定する。
　析出硬化型のステンレス鋼であるＳＵＳ６３０は、時効硬化熱処理時にＣｕ－Ｎｉ金属間化合物を析出させることにより鋼の強度を向上させるが、この析出物が微細に分散しているほど析出硬化の効果が大きい。この析出物の析出形態は、時効硬化熱処理の保持温度に左右され、保持温度が高いほど微細な析出物が多く析出し、保持温度が低くなると析出物は大きくなり、析出する数も減る。そうすると、引張強度、耐力が低下する。ところが、時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上にすると、シャルピ衝撃試験で得られる吸収エネルギ（以下、シャルピ吸収エネルギ）を大きくできることを本発明者等は知見した。この冷却速度を速くすればシャルピ吸収エネルギを大きくできるが、あまり冷却速度を早くしすぎると母材に割れが生じるおそれがある。そこで本実施形態では、時効硬化熱処理の冷却速度の上限を１０℃／分とする。この冷却速度は、好ましくは０．５～５．０℃／分、より好ましくは０．５～２．０℃／分、さらに好ましくは０．７～２．０℃／分とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
＜ろう材厚さ＞
　本実施形態において、継手部分の靭性を確保するためにろう材の厚さが２００～１０００μｍに設定される。なお、この厚さはろう付け後における厚さである。
　ろう材の厚さが２００μｍ未満になると、シャルピ吸収エネルギが小さく、ろう付けした後の継手部分の靭性が不足する。したがってろう材の厚さの下限を２００μｍとするが、好ましい下限は２５０μｍ、さらに好ましい下限は３００μｍである。
　靭性を考慮するとろう材は厚いほど好ましいといえるが、Ｎｉ－Ａｕ合金からなるろう材は剛性が劣るので、接合されているディスク１１とカバー１２の間に回転中に倒れが生じるおそれがある。したがって、本実施の形態では、ろう材の厚さを１０００μｍ以下とする。
＜実験例＞
　ＳＵＳ６３０からなる２つの鋼片を突き合わせて金ろう材でろう付けしてシャルピ衝撃試験用の試験片（ＪＩＳ　Ｚ２２４２準拠）を作製した。用いた鋼片の化学組成、ろう材の組成、固溶化熱処理の条件、時効硬化熱処理の条件、ろう材の厚さを下記するが、時効硬化熱処理の冷却速度、ろう材の厚さを変動させている。なお、ろう材は下記厚さの薄帯を用い、当初の厚さが保持されるように２つの鋼片の間隔を維持しながら熱処理を行った。
鋼片の化学組成（ＪＩＳ　ＳＵＳ６３０準拠）：
　Ｃｒ；１５．５％、Ｎｉ；４．３％、Ｃｕ；３．５％、Ｎｂ＋Ｔａ；０．３５％
　Ｃ；０．０５％　Ｓｉ；０．２５％、Ｍｎ；０．８％、Ｐ；０．００３５％、Ｓ；０．００７％
　残部；Ｆｅおよび不可避不純物
ろう材の組成：１８％Ｎｉ－８２％Ａｕ
固溶化熱処理の条件
　保持温度；１０００～１０４０℃、保持時間；１．５時間、冷却速度；５．０℃／分
時効硬化熱処理の条件：
　保持温度；６２０℃、保持時間；１．５時間
　冷却速度；０．１℃／分，０．５℃／分，０．７℃／分
　　　　　　１．０℃／分，１．５℃／分，２．０℃／分
ろう材厚さ：５０μｍ，１００μｍ，２００μｍ，３００μｍ，５００μｍ
　以上の条件でろう付け継手部のシャルピ吸収エネルギを求めた。また、鋼片に固溶化熱処理、時効硬化熱処理を施した後に、引張試験（ＪＩＳ　Ｚ２２０１，Ｚ２２４１準拠）を行って引張強度（σＢ）、耐力（σＹ）を測定した。その結果を表２及び図３（シャルピ吸収エネルギのみ）に示す。
　ろう材の厚さについて観ると、１００μｍの厚さでは１０Ｊ以下のシャルピ吸収エネルギしか得られないのに対して、２００μｍにすると１５Ｊ以上のシャルピ吸収エネルギが得られており、ろう材の厚さを２００μｍ以上にすることによるシャルピ吸収エネルギの向上効果には顕著性がある。また、時効硬化熱処理の冷却速度について観ると、０．１℃／分の場合に比べて０．５℃／分にすると、シャルピ吸収エネルギが顕著に向上している。このように、ろう材の厚さが２００μｍ以上の場合に、時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上にすると、シャルピ吸収エネルギが顕著に向上する。特に、ろう材の厚さを５００μｍ以上にすると、ＡＰＩ（American Petroleum Institute）規格で要求される溶接継手のシャルピ吸収エネルギである２７Ｊを超えるシャルピ吸収エネルギが得られる。
　また、引張強度（σＢ）、耐力（σＹ）について観ると、時効硬化熱処理の冷却速度を０．５℃／分以上にしても、６９０ＭＰａ以上の引張強度および８１０ＭＰａ以上の耐力が得られた。つまり、インペラに要求される機械的性質を満足するレベルであった。
　以上の結果に基づいて、本発明者らは、ろう材の厚さ、時効硬化熱処理の冷却速度を本発明のように特定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　１０…インペラ、１１…ディスク、１２…カバー、１３…ブレード、１４…ろう付け部

Claims (7)

  1. 　少なくとも２つのインペラ構成部材の接合部分にＮｉを含有するＡｕ合金からなるろう材を配置した組付け体に熱処理を施すインペラの製造方法であって、
    　前記組付け体に固溶化熱処理を施し、前記ろう材を溶融、凝固させる工程Ｘと、
    　前記固溶化熱処理が施されるとともに、前記ろう材により少なくとも２つの前記インペラ構成部材が接合された前記組付け体に時効硬化熱処理を施す工程Ｙとを備え、
    　前記インペラ構成部材は、Ｃｒ；１５．５質量％～１７．５質量％、Ｎｉ；３．０質量％～５．０質量％、Ｃｕ；３．０質量％～５．０質量％を主要元素とする析出硬化型のステンレス鋼からなり、
    　前記ろう材は、１５質量％～２０質量％のＮｉを含有するとともに、２００～１０００μｍの厚さを有し、
    　前記時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度が０．５～１０℃／分である、
    ことを特徴とするインペラの製造方法。
  2. 　前記ろう材の厚さが、２５０～５００μｍである、
    　請求項１に記載のインペラの製造方法。
  3. 　前記時効硬化熱処理の冷却時の冷却速度が、０．５～２．０℃／分である、
    　請求項１に記載のインペラの製造方法。
  4. 　前記固溶化熱処理の保持温度は１０２０～１０６０℃であり、かつ前記時効硬化熱処理の保持温度は６１０～６３０℃である、請求項１に記載のインペラの製造方法。
  5. 　前記工程Ｙに先立ち、前記組付け体の組織をマルテンサイト化するための処理を行う、請求項１に記載のインペラの製造方法。
  6. 　前記ステンレス鋼は、
    　Ｃｒ；１５．５質量％～１７．５質量％、Ｎｉ；３．０質量％～５．０質量％、Ｃｕ；３．０質量％～５．０質量％、Ｎｂ＋Ｔａ；０．１５質量％～０．４０質量％、Ｃ；０．０７質量％以下、Ｓｉ；１．０質量％以下、Ｍｎ；１．０質量％以下、Ｐ；０．００４質量％以下、Ｓ；０．０３質量％以下、残部；Ｆｅおよび不可避不純物からなる、請求項１に記載のインペラの製造方法。
  7. 　前記インペラは遠心圧縮機に用いられる、請求項１に記載のインペラの製造方法。
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