[发明专利]Al合金铸件制压缩机叶轮及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及汽车或船舶的内燃机用涡轮增压器所使用的、铝合金铸件制的压缩机叶轮及其制造方法。

背景技术

在汽车或船舶用的内燃机所使用的涡轮增压器中，设有用于通过高速旋转而将空气压缩并供给到内燃机的压缩机叶轮。该压缩机叶轮在高速旋转中，达到150℃左右的高温，进而，在旋转中心附近、特别是在盘部，产生来自旋转轴的扭转应力或离心力等引起的较高的应力。

压缩机叶轮根据涡轮增压器的要求性能，由各种原材料形成。在船舶用等大型的用途上，通常使用由铝合金的热锻件切削成叶轮形状的压缩机叶轮。乘用车、卡车等汽车用或小型船舶用等的比较小型的压缩机叶轮重视的是大量生产率、成本。因此，广泛使用如下得到的压缩机叶轮：利用石膏模具(Plaster mold)，通过低压铸造法、减压铸造法或重力铸造法等，对铸造性良好的JIS－AC4CH(Al－7％Si－0.3％Mg合金)、ASTM－354.0(Al－9％Si－1.8％Cu－0.5％Mg合金)、ASTM－C355.0(Al－5％Si－1.3％Cu－0.5％Mg合金)等以Si为主要添加元素的易铸造性铝合金进行铸造，然后将该铸造件通过固溶化处理、时效处理而强化。该基本的制造方法在专利文献1中有详细公开。

近年来，在要求随着发动机的小型化、高输出化或排气再循环量增加而来的空气的高压缩比化中，以涡轮增压器的更高速的旋转为目标。但是，通过转速的增大，空气的压缩引起的发热量会增加，另外，排气侧的涡轮叶轮也同时高温化，所以通过其传热，压缩机叶轮所产生的温度增大。因此，在上述目前使用的以Si为主要添加元素的易铸造性铝合金制的压缩机叶轮中，已判明，在使用中易产生变形、进而疲劳破坏的不良情况，不可能继续正常的旋转。具体而言，在这些现有的压缩机叶轮中，150℃左右为能够使用的温度的上限，但为了上述的高速旋转的目标，强烈希望进行即使在200℃左右也能够使用的压缩机叶轮的开发。

因此，考虑将铝合金组成变更成高温强度更优异的例如JIS－AC1B(Al－5％Cu－0.3％Mg合金)等。但是，如专利文献2所述，在如压缩机叶轮那样为复杂形状且具有薄壁的叶片部分的情况下，在该合金中，在熔液的良好流动性上有所欠缺，存在易产生向薄壁部的浇不足(填充不良)的问题点。

在专利文献2中，为了消除上述问题点，提出了如下的方法：在重视充型性的叶片部，使用AC4CH等Al－Si系的易铸造性的合金，从与需要强度的旋转轴结合的轮毂部到盘部，使用AC1B等Al－Cu系的高强度的合金，将这些合金分两次浇注，并使其合为一体，形成压缩机叶轮。

另外，专利文献3提出了如下的方法：在叶片部，使用铸造性良好的合金，从施加应力的轮毂部到盘部中央部，另外制造并使用在含有25％B的铝晶须等强化材料中含浸有铝进行了强化的强化复合材料，然后将它们接合，形成压缩机叶轮。

专利文献4提出了通过摩擦压接将叶片部和轮毂部(及盘部)接合的方法。但是，在这些各部并用不同材料的方法中，生产率差，残留有造成成本增加的问题点，尚未实现工业化。

鉴于这种使用不同材料的问题点，专利文献5提出了如下的压缩机叶轮，通过优化Al－Cu－Mg基合金的添加元素及其组合的范围，能够进行单一合金的铸造，将180℃的屈服强度值制成为250MPa以上。专利文献6提出了如下的压缩机叶轮，通过进一步优化Al－Cu－Mg基合金的添加元素及其组合的范围而控制结晶粒径，来改善铸造成品率，将200℃时的屈服强度值制成为260MPa以上。

但是，在上述Al－Cu－Mg基合金的单一合金铸造中，随着涡轮增压器的进一步的高速旋转化，长期稳定地承受200℃附近的高温使用成为了课题。另外，为了确保稳定的生产率，作为课题，还有提高铸造成品率的课题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第4556528号说明书

专利文献2：日本特开平10－58119号公报

专利文献3：日本特开平10－212967号公报

专利文献4：日本特开平11－343858号公报

专利文献5：日本特开2005－206927号公报

专利文献6：日本特开2012－25986号公报

发明内容

发明所要解决的课题