旋转机械的叶轮、压缩机、增压器以及旋转机械的叶轮的制造方法与流程

本公开涉及旋转机械的叶轮、具有该叶轮的压缩机、增压器以及该叶轮的制造方法。

背景技术：

在汽车用内燃机、特别是柴油发动机等中，大多采用排气再循环(egr)系统。在设置于采用了egr系统的内燃机的增压器的压缩机中，因为一部分排气被导入，所以在压缩机叶轮上容易产生因排气中所含有的液滴等引起的侵蚀(erosion)。因此，作为抗侵蚀措施，对由铝合金等制造的压缩机叶轮进行ni-p类镀层施工。

而且，对于增压器的压缩机叶轮，还会产生因高速旋转而产生的离心力引起的应力、以及因ni-p类镀膜与铝合金的热膨胀差而引起的应力，因此，镀膜不只要求具有抗侵蚀性，还要求具有抗裂性(疲劳强度)及抗剥离性(表面强度)。

一旦镀膜产生龟裂，则之后，该龟裂将向母材发展，导致母材破损。

在专利文献1中，已经公开对设置于采用了egr系统的船舶用柴油机中的增压器的压缩机叶轮，为了提高抗侵蚀性及抗腐蚀(corrosion)性，进行ni-p类合金镀层施工。

专利文献1：(日本)特开2014-163345号公报

虽然为了提高镀膜的抗侵蚀性而考虑增加镀层膜厚，但如果过度增加镀膜，则镀膜容易从母材表面上剥离，并且镀膜表面产生疲劳龟裂的风险增加。另一方面，如果减小镀层膜厚，则虽然产生疲劳龟裂的风险降低，但抗侵蚀性也可能下降。

这样，抗侵蚀性与抗裂性为此消彼长的关系，不容易同时满足这些性质。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的问题，本发明的至少一个实施方式的目的在于，在旋转机械的叶轮上，通过形成镀膜，使之能够形成同时满足抗侵蚀性与抗裂性(疲劳强度)的镀膜。

(1)本发明的至少一个实施方式的旋转机械的叶轮为一种旋转机械的叶轮，其具有：

由铝或铝合金构成的所述叶轮的基材；

为覆盖所述基材而设置且形成所述叶轮的表面层的无电解镀膜；

所述无电解镀膜具有非晶结构，并且是所述无电解镀膜中的p含量为5重量％以上、11重量％以下的ni-p类合金。

根据所述结构(1)，所述无电解镀膜因为具有非晶结构，所以为高强度，能够提高抗侵蚀性。而且，由于使所述无电解镀膜的p含量为5重量％以上、11重量％以下，所以具有较高的维氏硬度，且能够实现良好的抗裂性(疲劳强度)，由此，能够抑制叶轮产生龟裂。

另外，因为所述无电解镀膜能够形成膜厚等均匀的膜，所以能够在大范围内均匀地发挥镀膜的所述特性。

(2)在几种实施方式中，在所述结构(1)中，

所述无电解镀膜具有15μm以上、60μm以下的膜厚。

如果所述无电解镀膜的膜厚不足15μm，则难以充分发挥抗侵蚀性及抗裂性。而另一方面，即使膜厚超过60μm，抗侵蚀性及抗裂性的提高效果也有限，反而会使镀层处理所需要的时间增长，成本增高。

根据所述结构(2)，通过使所述无电解镀膜的膜厚为15μm以上，所以能够发挥抗侵蚀性及抗裂性，并且通过使之为60μm以下，所以能够降低镀层处理的成本。

(3)在几种实施方式中，在所述结构(1)或(2)中，

所述无电解镀膜具有500hv以上、700hv以下的维氏硬度。

通过所述结构(3)，所述无电解镀膜因为具有500hv以上的维氏硬度，所以能够发挥抗侵蚀性，另一方面，因为具有700hv以下的维氏硬度，所以能够实现良好的抗裂性。

(4)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(3)的任一结构中，

所述无电解镀膜的断裂延展性(一次，不重复)为形变0.5％以上。

根据所述结构(4)，如果具有形变0.5％以上的断裂特性，则能够形成抗疲劳断裂性较高的镀膜，在低循环疲劳试验中能够满足容许重复次数。由此，能够抑制叶轮产生龟裂，能够延长叶轮的使用寿命。

(5)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(4)的任一结构中，

所述叶轮为增压器的压缩机叶轮。

根据所述结构(5)，通过将所述结构的叶轮作为高速旋转的增压器的压缩机叶轮使用，能够提高该压缩机叶轮的抗侵蚀性及抗裂性(疲劳强度)。由此，能够实现长使用寿命的压缩机叶轮。

(6)本发明的至少一个实施方式的压缩机具有由所述结构(1)～(5)的任一结构的叶轮形成的压缩机叶轮。

根据所述结构(6)，由于配置具有高抗侵蚀性及抗裂性(疲劳强度)的压缩机叶轮，所以能够延长压缩机的使用寿命。

(7)本发明的至少一个实施方式的增压器具有：

所述结构(6)的压缩机；

用于驱动所述压缩机的涡轮。

根据所述结构(7)，通过配置具有高抗侵蚀性及抗裂性(疲劳强度)的压缩机叶轮的压缩机，所以能够实现可长期承受高速旋转的长使用寿命的增压器。

(8)在几种实施方式中，在所述结构(7)中，

所述压缩机设置在内燃机的进气通路，

所述涡轮构成为由来自所述内燃机的排气而被驱动，

在所述压缩机的上游侧，构成为所述排气的一部分在所述进气通路中循环。

如所述结构(8)，例如在设置于采用了egr系统的内燃发动机的增压器中，向增压器的压缩机导入含有液滴且含有侵蚀性较高的排气的进气。

对此，根据所述结构(8)，因为具有所述结构(7)的增压器具备具有所述结构(6)、且抗侵蚀性及抗裂性(疲劳强度)提高了的压缩机，所以能够实现可长期承受高速旋转的长使用寿命的增压器。

(9)本发明的至少一个实施方式的旋转机械的叶轮的制造方法为一种旋转机械的叶轮的制造方法，其包括：

为覆盖由铝或铝合金构成的所述叶轮的基材而形成无电解镀膜作为所述叶轮的表面层的步骤；

所述无电解镀膜具有非晶结构，并且是所述无电解镀膜中的p含量为5重量％以上、11重量％以下的ni-p类合金。

通过所述(9)的方法制造的叶轮在表面形成所述无电解镀膜。该无电解镀膜因为具有非晶结构，所以为高强度，具有良好的抗侵蚀性。而且，因为所述无电解镀膜的p含量为5重量％以上、11重量％以下，所以具有较高的维氏硬度，并且能够实现良好的抗裂性(疲劳强度)。

另外，因为所述无电解镀膜能够形成膜厚等均匀的膜，所以能够在大范围内均匀地发挥镀膜的所述特性。

(10)在几种实施方式中，在所述(9)的方法中，还包括：

从形成了所述无电解镀膜的所述叶轮上切下试验片，利用该试验片评估所述无电解镀膜的断裂延展性的步骤。

镀膜的硬度或延展性通过镀层处理条件、例如镀层处理时的被镀层处理物相对于镀层处理液的总面积、或镀层处理液的流动与被镀层处理物的相对速度等而改变。

根据所述(10)的方法，因为使用从已形成无电解镀膜的叶轮上切下的试验片进行评估，所以能够准确地评估实际的叶轮上的无电解镀膜的断裂延展性。

(11)在几种实施方式中，在所述(10)的方法中，

在所述叶轮的轮毂的将叶片根部在所述轮毂的背面侧投影的区域，从所述轮毂的背面取得所述试验片。

虽然在叶轮上产生因旋转而产生的离心力等引起的应力，但也如图14所示，叶轮的叶片根部是最大应力产生的位置。

根据所述结构(11)，因为在所述轮毂的将叶片根部在所述轮毂的背面侧投影的区域，从轮毂的背面侧取得试验片，所以能够掌握最严重应力条件下的断裂延展性。

(12)在几种实施方式中，在所述(10)或(11)的方法中，还包括：

在所述断裂延展性低于阈值的情况下，改变所述无电解镀膜的镀层条件的步骤。

根据所述(12)的方法，通过基于所述断裂延展性的结果，改变所述镀膜的镀层条件，能够使所述无电解镀膜的断裂延展性在阈值以上。

通过本发明的至少一个实施方式，能够同时提高叶轮的抗侵蚀性及抗裂性(疲劳强度)，由此，能够延长叶轮及设置了该叶轮的设备类的使用寿命。

附图说明

图1是一个实施方式的具备增压器的柴油发动机的系统图；

图2是一个实施方式的压缩机叶轮的剖面示意图；

图3是表示无电解镀膜的p含量与抗侵蚀性的关系的曲线图；

图4是表示无电解镀膜的p含量与lcf断裂寿命的关系的曲线图；

图5是表示重复lcf试验的负荷的一例的曲线图；

图6是表示无电解镀膜的晶体结构与抗侵蚀性的关系的曲线图；

图7是表示无电解镀膜的晶体结构与lcf断裂寿命的关系的曲线图；

图8是表示无电解镀膜的膜厚与抗侵蚀性的关系的曲线图；

图9是表示无电解镀膜的腐蚀试验结果的曲线图；

图10是表示无电解镀膜的断裂延展性的曲线图；

图11是表示针对试验片的断裂延展性的试验方法的说明图；

图12是表示一个实施方式的压缩机叶轮的制造方法的流程图；

图13表示来自压缩机叶轮切下的试验片的切割部，图13(a)是压缩机叶轮的侧视剖视图，图13(b)是相同部分的主视图；

图14是表示压缩机叶轮所产生的形变分布的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图，针对本发明的几种实施方式进行说明。其中，作为实施方式所记述或附图所表示的构成部件的尺寸、材质、形状、以及其相对配置等不是将本发明的范围限制于此的主旨，只是单纯的说明例。

例如，表示“某方向”、“沿某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或“同轴”等相对或绝对配置的表达，不只是表示严格意义上那样的相对配置，也表示以公差、或得到相同功能程度的角度及距离进行相对位移的状态。

例如，表示“一样”、“相同”以及“均匀”等的事物为相同状态的表达不只表示严格意义上相同的状态，也表示公差、或可得到相同功能程度的差别存在的状态。

例如，表示四边形状或圆筒形状等形状的表达，不只表示几何学方面严格意义上的四边形状或圆筒形状等形状，也表示在可获得相同效果的范围内、包括凹凸部或倒角部等在内的形状。

另一方面，“配置”、“配备”、“具备”、“包括”或“具有”一个构成部件这样的表达不是排除其他构成部件存在的排他性表达。

图14表示设置于车辆用内燃机中的增压器的压缩机叶轮、即现有的实施了ni-p类镀膜的压缩机叶轮100所产生的形变分布在轮毂102背面102a上投影后的分析结果。根据图14可知，在轮毂102中的叶片104根部投影的区域102b上产生最大的形变、即应力。该应力主要由增压器的高速旋转所产生的离心力产生，在此基础上，又增加了因ni-p类镀膜与由铝合金等构成的母材的热膨胀差而产生的应力。

本发明的至少一个实施方式的增压器12如图1所示，设置在车辆用内燃机、例如采用了egr系统的柴油发动机10上。

增压器12具有：设置在柴油发动机10的排气通路20且通过排气e进行旋转的排气涡轮14；经由旋转轴13与排气涡轮14联动的压缩机16。压缩机16设置在进气通路22，向柴油发动机10供应进气a。排气的一部分在压缩机16上游侧的进气通路22中循环。

作为例举的实施方式，如图1所示，高压egr系统24具有在排气涡轮14的上游从排气通路20分支并与压缩机16上游侧的进气通路22连接的高压egr通路26。

在高压egr系统24中，从柴油发动机10排出的排气e的一部分经由高压egr通路26，在柴油发动机10的入口侧返回进气通路22。

在例举的结构中，在高压egr通路26上设有egr冷却器28及egr阀30。

作为例举的实施方式，低压egr系统32具有在排气涡轮14的下游侧从排气通路20分支并与压缩机16上游侧的进气通路22连接的低压egr通路34。

在低压egr系统32中，从柴油发动机10排出的排气e的一部分，经由低压egr通路34，返回压缩机16入口侧的进气通路22。

在例举的结构中，在低压egr通路34上设有egr冷却器36及egr阀38。

作为例举的实施方式，在压缩机16的上游，在进气通路22上设有空气净化器40，在压缩机16的下游侧，在进气通路22上设有中间冷却器42。

而且，以跨越排气涡轮14的方式，在排气通路20上连接排气旁路20a。在排气旁路20a上设有溢流阀44，并且设有调节溢流阀44开度的促动器44a。

进而，在排气涡轮14下游侧的排气通路20上设有捕捉排气中的粒子状物质的dpf过滤器48、以及将排气中的nox氧化为no2并在no2的氧化作用下使dpf过滤器48捕捉到的粒子状物质燃烧的氧化催化剂46。

本发明的至少一个实施方式的压缩机为例如设置在图1所示的增压器12的压缩机16。压缩机16具有在压缩机壳体(未图示)的内部设置于旋转轴13一端的压缩机叶轮50。压缩机叶轮50例如具有图13所示那样的结构。

压缩机叶轮50如图2的示意所示，在由铝或铝合金构成的基材52的表面形成无电解镀膜54。无电解镀膜54具有非晶结构，并且由镀膜中的p含量为5重量％以上、11重量％以下的ni-p类合金构成。

无电解镀膜54因为具有非晶结构，所以为高强度，能够发挥较高的抗侵蚀性，并且因为p含量为5重量％以上、11重量％以下，所以具有较高的维氏硬度，且能够实现良好的抗裂性(疲劳强度)。由此，能够同时具有抗侵蚀性及抗裂性。

而且，因为无电解镀膜54为无电解镀膜，所以能够形成膜厚等均匀的镀膜，能够在较大范围内均匀地发挥镀膜的所述两个特性。

如图2所示，进气a中有时会混入液滴l等杂质。例如，在采用图1所示的低压egr系统32的情况下，含有水滴l的排气e经由低压egr通路34进行循环，与进气a一起供应给压缩机。这样，即使在进气a中混有杂质(例如液滴l)的情况下，也因为无电解镀膜54具有良好的抗侵蚀性及抗裂性，而难以被排气e侵蚀，并且能够抑制产生龟裂。

图3是表示无电解镀膜54的p含量与抗侵蚀性的关系的试验结果，图4是表示无电解镀膜54的p含量与低循环疲劳(lcf)试验的断裂寿命的关系的试验结果。低循环疲劳(lcf)是指在重复向部件施加可产生塑性变形这样大的负荷时，该部件所产生的疲劳损伤。

图5表示在lcf试验中重复向压缩机叶轮施加负荷的一例，横轴表示时间，纵轴表示配置了该压缩机叶轮的增压器的转速。通过增减该增压器的转速，来增减重复向无电解镀膜54施加的负荷。

如图3及图4所示，如果p含量超过11重量％，则抗侵蚀性急剧下降，lcf断裂寿命在p含量不足5重量％、或超过11重量％的情况下缩短。

基于以上结果，从同时具有抗侵蚀性及lcf断裂寿命的角度出发，在无电解镀膜54中使p含量为5重量％以上、11重量％以下。

图6是表示无电解镀膜54的晶体结构差异与抗侵蚀性的关系的试验结果，图7是表示无电解镀膜54的晶体结构差异与lcf断裂寿命的关系的试验结果。上述图中的“晶体化”，表示通过热处理等使具有非晶结构的无电解镀膜54晶体化。

如图6及图7所示，当无电解镀膜54晶体化时，则抗侵蚀性及lcf断裂寿命急剧下降。

基于上述结果，从改善抗侵蚀性及lcf断裂寿命的角度出发，使无电解镀膜54为非晶结构。

在例举的实施方式中，无电解镀膜54具有15μm以上、60μm以下的膜厚。无电解镀膜54的膜厚在不足15μm的情况下，有时难以充分发挥抗侵蚀性及抗裂性。另一方面，即使膜厚超过60μm，抗侵蚀性或抗裂性的改善效果也有限，反而会使镀层处理需要的时间增长，成本增高。

因此，通过使无电解镀膜54的膜厚为15μm以上，能够发挥抗侵蚀性及抗裂性，而且，通过使之为60μm以下，能够降低镀层处理的成本。

图8是表示无电解镀膜54的膜厚与抗侵蚀性的关系的试验结果。图9是表示无电解镀膜54的抗腐蚀性与膜厚的关系的试验结果。

如图8所示，无电解镀膜54的膜厚在1～2μm左右时，不能发挥抗侵蚀性，膜厚在15～60μm的范围内，能够发挥较高的抗侵蚀性。图9中的曲线a、b及c表示腐蚀环境不同时的无电解镀膜54的腐蚀进展程度。根据图9可知，当无电解镀膜54的膜厚为15μm以上时，即使在最严重的腐蚀环境也能够满足要求寿命。

在例举的实施方式中，无电解镀膜54具有500hv以上、700hv以下的维氏硬度。在该情况下，无电解镀膜54因为具有500hv以上的维氏硬度，所以能够发挥抗侵蚀性，另一方面，因为其为700hv以下的维氏硬度，所以能够实现较高的抗裂性。

在例举的实施方式中，如图10所示，如果具有所述结构的无电解镀膜54的断裂延展性形变为0.5％以上，则lcf断裂试验的断裂寿命能够明确容许的重复次数，不会产生龟裂。

由此，因为具有所述结构的无电解镀膜54为抗疲劳断裂较高的镀膜，所以能够抑制叶轮产生龟裂，并且能够延长叶轮的使用寿命。

断裂延展性例如通过图11所示的试验进行测定。在图11中，将剖面为长方形的平板状试验片t的两端载置在支承台60上，并使形成了无电解镀膜54的一面向下。接着，将压头62抵住试验片t的轴向正中间上表面，向下方施加负荷f，使之产生规定的形变。改变负荷进行该操作，直至镀膜断裂。

通过将所述结构的压缩机叶轮50作为高速旋转的增压器12的压缩机叶轮来使用，能够提高压缩机叶轮50的抗侵蚀性，并且能够抑制龟裂发展，能够延长压缩机16及配置压缩机16的增压器12的使用寿命。

而且，增压器12设置在具有低压egr系统32的柴油发动机10上，即使在压缩机16中导入了含有液滴且含有侵蚀性较高的排气的进气a的情况下，也能够长期承受高速旋转，能够延长使用寿命。

本发明的至少一个实施方式的旋转机械的叶轮的制造方法如图12所示，包括为覆盖由铝或铝合金构成的压缩机叶轮50而在压缩机叶轮50的表面形成无电解镀膜54的步骤(s14)。

无电解镀膜54具有非晶结构，并且是在无电解镀膜54中的p含量为5重量％以上、11重量％以下的ni-p类合金。

通过所述方法制造的压缩机叶轮50在表面形成无电解镀膜54。无电解镀膜54因为具有非晶结构，所以为高强度，具有良好的抗侵蚀性。而且，因为p含量为5重量％以上、11重量％以下，所以具有较高的维氏硬度，并且具有良好的抗裂性(疲劳强度)。

而且，因为无电解镀膜54能够形成膜厚等均匀的镀膜，所以，在镀膜的整个范围内，能够均匀地发挥较高的抗侵蚀性及抗裂性(疲劳强度)。

在例举的实施方式中，如图12所示，还包括在步骤s14之前，从形成了无电解镀膜54的压缩机叶轮50上切下试验片，利用该试验片评估无电解镀膜54的断裂延展性的步骤s12。

即如图13所示，从压缩机叶轮50上切下试验片t，利用试验片t测定断裂延展性。

镀膜的硬度及延展性根据镀层处理条件、例如镀层处理时的被镀层处理物相对于镀层处理液的总面积、镀层处理液的流动与被镀层处理物的相对速度等而改变。

因为使用从形成了无电解镀膜54的压缩机叶轮50上切下的试验片t来评估断裂延展性，所以能够准确地掌握实际制造的压缩机叶轮50中的无电解镀膜54的断裂延展性。

在例举的实施方式中，如图13所示，在压缩机叶轮50的轮毂56的将叶片根部在轮毂56的背面56a侧投影的区域56b，从轮毂56的背面56a取得试验片t。

虽然在压缩机叶轮50上产生因旋转所产生的离心力等引起的应力，但也如图14所示，轮毂56的叶片根部是最大应力产生的位置。

通过从所述区域56b取得试验片t，能够掌握最严重应力条件下的断裂延展性。

在例举的实施方式中，如图12所示，还包括在测定的断裂延展性低于阈值的情况下(s16)而改变形成无电解镀膜54的条件(例如镀层处理液的流动与被镀层处理物的相对速度、镀层时间等)的步骤s18。

由此，基于断裂延展性的结果，通过改变无电解镀膜54的镀层条件，能够使无电解镀膜54的断裂延展性为阈值以上。

在例举的实施方式中，如图12所示，在步骤s12之前，对切下的试验片t进行预处理s10。

预处理s10例如进行碱性脱脂步骤s10a，即使用碱性溶液等除去附着于试验片t表面的油脂类；进行蚀刻处理s10b，即使用酸性溶液或碱性溶液对脱脂后的试验片t除去形成于其表面的钝化膜(氧化铝膜)；进行除去污垢步骤s10c，即在蚀刻处理后，除去难以溶解于酸等的c或si所形成的黑色细粉末状的残留污垢。

在镀膜形成步骤s14中，作为例举的实施方式，首先在试验片t的表面镀锌，然后，将ni-p类合金与锌进行置换，形成无电解镀膜54。

在例举的实施方式中，在镀膜形成步骤s14之后，进行试验片t的表面精加工步骤s20以及检查精加工后的试验片t的检查步骤s22。

工业实用性

通过本发明的至少一个实施方式，能够在旋转机械的叶轮上形成可同时具有良好抗侵蚀性及良好抗裂性(疲劳强度)的无电解镀膜，由此，能够延长该叶轮及具备该叶轮的设备之类的使用寿命。

附图标记说明

10柴油发动机；12增压器；13旋转轴；14排气涡轮；16压缩机；20排气通路；22进气通路；24高压egr系统；26高压egr通路；28、36egr冷却器；30、38egr阀；32低压egr系统；34低压egr通路；40空气净化器；42中间冷却器；44溢流阀；44a促动器；46氧化催化剂；48dpf过滤器；50、100压缩机叶轮；52基材；54无电解镀膜；56、102轮毂；56a、102a背面；58、104叶片；60支承台；62压头；c龟裂；s形变；a进气；e排气。