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。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2014-163345号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

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要求。

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，提高抗侵蚀性与抗裂性，由此，防止产生龟裂。

(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，具有：

由铝或铝合金构成的所述叶轮的基材；

由ni-p类合金的无电解镀膜形成的所述叶轮的表面层；

设置于所述基材与所述表面层之间，且具有小于所述表面层的维氏硬度的底层。

通过所述结构(1)，由ni-p类合金形成的所述表面层具有较高的维氏硬度，抗侵蚀性良好。因为所述表面层为无电解镀膜，所以能够形成均匀的膜厚，能够在大范围内均匀地发挥镀膜的抗侵蚀性。

因为所述底层具有小于所述表面层的维氏硬度，所以具有高于该表面层的延展性，由此，具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在表面层上产生龟裂，也能够在该底层上抑制龟裂发展，从而抑制龟裂向母材发展。

(2)在几种实施方式中，在所述结构(1)中，

所述表面层具有非晶结构。

通过所述结构(2)，因为所述表面层具有非晶结构，所以为高强度，能够提高抗侵蚀性。而且，通过采用非晶结构的表面层，能够提高表面层自身的疲劳强度。

(3)在几种实施方式中，在所述结构(1)或(2)中，

所述表面层为，所述表面层中的p含量为4重量％以上、10重量％以下。

通过所述结构(3)，因为所述表面层的p含量为4重量％以上、10重量以下％，所以具有较高的维氏硬度，能够进一步提高抗腐蚀性。而且，通过使p含量在所述范围，提高表面层的疲劳强度。

(4)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(3)的任一结构中，

所述底层为含有ni的镀膜。

通过所述结构(4)，因为所述底层与所述表面层都同样含有ni，所以两层的搭配良好，因此，容易在所述底层上进行所述表面层的施工，并且能够提高两层之间的紧密接触性。

底层可以为无电解镀膜或电解镀膜。电解镀膜虽然在膜厚等覆膜的均匀性上不如无电解镀膜，但具有非常高的延展性，具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在所述表面层上产生龟裂，也能够在该底层上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向母材发展。

(5)在几种实施方式中，在所述结构(4)中，

作为所述底层的所述镀膜具有非晶结构，并且是所述底层中的p含量为10重量％以上、13重量％以下的ni-p类合金。

通过所述结构(5)，所述底层因为具有非晶结构，所以为高强度，并且因为p含量为10重量％以上、13重量％以下，所以具有较高的延展性。因此，具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用，即使在所述表面层上产生龟裂，也能够在该底层上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向母材发展。

(6)在几种实施方式中，在所述结构(4)或(5)中，

作为所述底层的所述ni镀膜为具有350hv以下、优选为200hv以上、300hv以下的维氏硬度的电解镀膜。

通过所述结构(6)，因为所述底层为具有350hv以下维氏硬度的电解镀膜，所以具有非常高的延展性。因此，具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用，即使在表面层上产生龟裂，也能够在该底层上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向母材发展。

(7)在几种实施方式中，在所述结构(1)中，

所述底层为含有cu或sn的镀膜。

通过所述结构(7)，因为cu及sn具有较高的延展性，所以如果作为底层来使用，则具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在表面层上产生龟裂，也能够在底层上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向母材发展。

(8)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(7)的任一结构中，

所述底层具有所述基材与所述表面层之间的线性膨胀系数。

通过所述结构(6)，因为所述底层具有所述基材与所述表面层之间的线性膨胀系数，所以通过存在于叶轮的基材与表面层之间，能够缓和双方的热膨胀差。因此，能够缓和因所述热膨胀差而施加于表面层的应力，由此，能够抑制表面层产生龟裂。

(9)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(8)的任一结构中，

所述表面层的膜厚为15μm以上、60μm以下。

如果表面层的膜厚不足15μm，则存在难以充分发挥抗侵蚀性的情况。而另一方面，即使表面层为超过60μm的膜厚，抗侵蚀性的改善效果也有限，反而会使镀层处理所需要的时间增长，成本增高。

通过所述结构(9)，通过使表面层的膜厚为15μm以上，能够发挥抗侵蚀性，并且通过使之为60μm以下，能够降低镀层处理的成本。

(10)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(9)的任一结构中，

所述表面层具有500～700hv的维氏硬度。

通过所述结构(10)，因为表面层具有500～700hv这样较大的维氏硬度，所以能够具有较高的抗侵蚀性。

(11)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(10)的任一结构中，

所述底层的膜厚为15μm以上、60μm以下。

如果底层的膜厚不足15μm，则存在难以充分发挥阻止表面层所产生的龟裂的功能的情况。而另一方面，即使底层为超过60μm的膜厚，阻止龟裂的功能的改善效果也有限，反而会使镀层处理所需要的时间增长，成本增高。

通过所述结构(11)，通过使底层的膜厚为15μm以上，能够发挥阻止龟裂的功能，并且通过使之为60μm以下，能够降低镀层处理的成本。

(12)在几种实施方式中，在所述结构(1)～(11)的任一结构中，

所述叶轮为增压器的压缩机叶轮。

通过所述结构(12)，由于将所述结构的叶轮作为高速旋转的增压器的压缩机叶轮来使用，所以能够提高增压器的抗侵蚀性，并且能够抑制龟裂发展，能够延长增压器的使用寿命。

(13)本发明的至少一个实施方式的压缩机具有具备所述结构(1)～(11)的任一结构的压缩机叶轮。

通过所述结构(13)，由于配置具有较高抗侵蚀性及抑制龟裂发展功能的压缩机叶轮，所以能够实现长使用寿命的压缩机。

(14)本发明的至少一个实施方式的增压器具备：具有所述结构(13)的压缩机；

用于驱动所述压缩机的涡轮。

通过所述结构(14)，由于配置具备具有较高抗侵蚀性及抑制龟裂发展功能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。

(15)在几种实施方式中，在所述结构(14)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。

在所述结构(15)中，向所述压缩机导入了含有液滴且含有侵蚀性较高的排气的进气。

对此，通过所述结构(15)，因为配置具有所述结构(13)、且抗侵蚀性及抗裂性都已提高的压缩机，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。

(16)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包括：为覆盖由铝或铝合金构成的所述叶轮的基材而在所述基材上形成底层的步骤；

在所述底层之上，形成无电解镀膜作为所述叶轮的表面层的步骤；

所述底层具有小于所述表面层的维氏硬度，

所述表面层具有非晶结构，并且是所述表面层中的p含量为4重量％以上、10重量％以下的ni-p类合金的无电解镀膜。

通过所述(16)的方法，因为在所述叶轮的基材上形成包括表面层与底层的镀膜，所以能够提高所述叶轮的抗侵蚀性及抗裂性，能够实现长使用寿命的叶轮，其中，表面层因具有较高维氏硬度而具有较高抗侵蚀性，底层具有较高延展性且具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用。

发明效果

通过本发明的至少一个实施方式，通过在由铝或铝合金构成的旋转机械的叶轮上形成能够同时提高抗侵蚀性及抗裂性的镀膜，所以能够延长叶轮的使用寿命。

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是表示基材与各种镀膜的线性膨胀系数的图表；

图9是表示无电解镀膜的膜厚与抗侵蚀性的关系的曲线图；

图10是表示无电解镀膜的腐蚀试验结果的曲线图；

图11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12是表示在压缩机叶轮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12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12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下游侧的进气通路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如图2的示意所示，具有：在由铝或铝合金构成的基材52的表面上由ni-p类合金的无电解镀膜形成的表面层54、以及设置于基材52与表面层54之间且具有小于表面层54的维氏硬度的底层56。

由ni-p类合金的无电解镀膜形成的表面层54具有较高的维氏硬度，抗侵蚀性良好。而且，因为表面层54为无电解镀膜，所以能够形成均匀的膜厚，能够在较大范围内均匀地发挥抗侵蚀性。

如图2所示，进气a中可能混入液滴l等杂质。例如，在采用图1所示的低压egr系统32的情况下，含有液滴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，也因为表面层54具有良好的抗侵蚀性，所以难以被排气e侵蚀。

由于压缩机叶轮50的旋转，离心力作用于基材52，因该离心力而使基材52产生形变s。在此，从抗侵蚀性的角度出发，表面层54已经提高了维氏硬度。因此，表面层54的延展性低。如果在基材52上产生形变s，则表面层54不能随着形变s而变化，可能会产生龟裂c。

但是，通过上述实施方式，因为底层56具有高于表面层54的延展性(小于表面层54的维氏硬度)，所以即使在表面层54上产生龟裂c，也能够在底层56上抑制龟裂发展，从而抑制龟裂向基材52发展。

在例举的实施方式中，表面层54具有非晶结构。如果表面层54具有非晶结构，则为高强度，能够提高抗侵蚀性。

在例举的实施方式中，进而表面层54为，表面层54中的p含量为4重量％以上、10重量％以下。如果表面层54的p含量为4重量％以上、10重量％以下，则具有较高的维氏硬度，能够进一步提高抗侵蚀性。

图3是表示无电解镀膜的p含量与抗侵蚀性的关系的试验结果，图4是表示无电解镀膜的p含量与低循环疲劳(lcf)试验的断裂寿命的试验结果。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较大的负荷时，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的负荷的一例，横轴表示时间，纵轴表示具备该压缩机叶轮的增压器的转速。通过增加或减少该增压器的转速，来增加或减小作用于表面层54的应力。

如图3及图4所示，如果p含量超过10重量％，则抗侵蚀性急剧下降，lcf断裂寿命在p含量不足4重量％、或超过10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，表面层54使p含量为4重量％以上、10重量％以下。

图6是表示表面层54的晶体结构差异与抗侵蚀性的关系的试验结果，图7是表示表面层54的晶体结构差异与lcf断裂寿命的关系的试验结果。图中的“晶体化”，表示通过热处理使具有非晶结构的表面层54晶体化。

如图6及图7所示，如果使表面层54晶体化，则抗侵蚀性及lcf断裂寿命急剧下降。基于以上结果，从提高抗侵蚀性及lcf断裂寿命的角度出发，使表面层54为非晶结构，并且使p含量为4重量％至10重量％。

在例举的实施方式中，底层56为含有ni的镀膜。由此，与表面层54的搭配良好，容易在底层56上进行表面层54的施工，并且能够提高两层的紧密接触性。

需要说明的是，底层56可以为无电解镀膜或电解镀膜。虽然电解镀膜在膜厚等覆膜的均匀性上不如无电解镀膜，但具有非常高的延展性，具有抑制表面层54所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在表面层54上产生龟裂，也能够在该底层56上抑制龟裂发展，从而能够抑制龟裂向基材52发展。

在例举的实施方式中，底层56具有非晶结构，并且是底层56的p含量为10重量％以上、13重量％以下的ni-p类合金。例如，底层56可以为p含量在所述范围内、且具有非晶结构的ni-p类合金的无电解镀膜。

底层56因为具有非晶结构，所以为高强度，如前所述，与晶体化后的结构相比，抗侵蚀性及lcf断裂寿命急剧增高。

而且，如果底层56的p含量为10重量％以上、13重量％以下，则具有较高的延展性，所以具有抑制表面层54所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在表面层54上产生龟裂，也能够在底层56上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向基材52发展。

在例举的实施方式中，在底层56含有ni的情况下，底层56为具有350hv以下、优选200hv以上、300hv以下的维氏硬度的电解镀膜。由此，因为底层56具有非常高的延展性，所以具有抑制表面层54所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在表面层54上产生龟裂，也能够在该底层56上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向基材52发展。

在例举的实施方式中，底层56为含有cu或sn的镀膜。因为cu及sn具有较高的延展性，所以如果作为底层56进行使用，则具有抑制表面层54所产生的龟裂发展的作用。因此，即使在表面层54上产生龟裂，也能够在底层56上抑制龟裂发展，能够抑制龟裂向基材52发展。

在例举的实施方式中，底层56具有基材52与表面层54之间的线性膨胀系数。该底层56由于存在于基材52与表面层54之间，因而能够缓和基材52与表面层54的热膨胀差。因此，能够缓和因所述热膨胀差而施加于表面层54的应力，能够抑制表面层产生龟裂。

图8是表示基材52、表面层54及底层56的线性膨胀系数的例子。

在例举的实施方式中，表面层54的膜厚为15μm以上、60μm以下。表面层54的膜厚在不足15μm的情况下，不能发挥抗侵蚀性。另一方面，即使表面层54为超过60μm的膜厚，抗侵蚀性的改善效果也有限，反而会使镀层处理所需要的时间增长，成本增高。

因此，通过使表面层54的膜厚为15μm以上，能够发挥抗侵蚀性，而且，通过使之为60μm以下，能够降低镀层处理的成本。

图9是表示表面层54的膜厚与抗侵蚀性的关系的试验结果，图10是表示表面层54的抗腐蚀性与膜厚的关系的试验结果。

如图9所示，表面层54的膜厚在1～2μm左右的情况下不能发挥抗侵蚀性，膜厚在15～60μm的范围内能够发挥满足要求值的较高的抗侵蚀性。

图10中的曲线a、b及c表示腐蚀环境不同的条件下的表面层54的腐蚀发展程度。从图10可知，当表面层54的膜厚为15μm以上时，即使在最严重的腐蚀环境下也能够满足要求寿命。

在例举的实施方式中，表面层54具有500～700hv的维氏硬度。由此，表面层54因为具有较高的维氏硬度，所以能够具有较高的抗侵蚀性。

在例举的实施方式中，底层56的膜厚为15μm以上、60μm以下。底层56的膜厚在不足15μm的情况下，不能充分发挥阻止表面层54所产生的龟裂的功能。另一方面，即使为超过60μm的膜厚，抗侵蚀性的改善效果也有限，反而会使镀层处理所需要的时间增长，成本增高。

因此，通过使底层56的膜厚为15μm以上，能够发挥阻止龟裂的功能，而且，通过使之为60μm以下，能够降低镀层处理的成本。

通过将所述结构的压缩机叶轮50作为构成高速旋转的增压器12的压缩机16的压缩机叶轮来使用，能够提高增压器12及压缩机16的抗侵蚀性，并且能够抑制龟裂发展，能够延长这些设备的使用寿命。

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压缩机叶轮50的制造方法如图11所示，首先，在构成压缩机叶轮50的基材52上，形成实际上覆盖压缩机叶轮50整个面的底层56(s12)。然后，在底层56上形成无电解镀膜作为表面层54(s14)。

底层56具有小于表面层54的维氏硬度，表面层54具有非晶结构，并且是p含量为4至10重量％的ni-p类合金的无电解镀膜

在例举的实施方式中，如图11所示，在步骤s12之前，对基材52的表面进行预处理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基材52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基材52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。

在例举的实施方式中，在步骤s14之后，进行表面层54的表面精加工步骤s16以及检查精加工后的检查表面层54的检查步骤s18。

根据所述制造方法，因为在基材52上形成包括表面层54与底层56的镀膜，所以能够提高压缩机叶轮50的抗侵蚀性及抗裂性，能够延长压缩机叶轮50的使用寿命，其中，表面层54因具有较高的维氏硬度而具有较高的抗侵蚀性，底层56具有较高的延展性且具有抑制表面层所产生的龟裂发展的作用。

需要说明的是，在上述实施方式中，虽然在基材52与表面层54之间形成一层底层56，但也可以形成两层以上的底层。

工业实用性

根据本发明的至少一个实施方式，在由铝或铝合金构成的旋转机械的叶轮上，由于在该叶轮上形成能够同时提高抗侵蚀性与抗裂性的镀膜，因而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表面层；56底层；102轮毂；102a背面；104叶片；c龟裂；s形变；a进气；e排气。