DE3816025A1

DE3816025A1 - Verfahren zum herstellen eines keramikrotors

Info

Publication number: DE3816025A1
Application number: DE3816025A
Authority: DE
Inventors: Tetsuji Yogo; Yoshinori Hattori; Motohide Ando; Yasushi Katano
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Niterra Co Ltd
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1988-05-10
Publication date: 1988-12-01
Also published as: JP2554491B2; KR880013851A; KR900003319B1; US5106550A; DE3816025C2; JPS63282177A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Herstel len eines Keramikrotors, der ein Wellenteil und ein kreis förmiges Scheibenteil hat und als ein keramisches Turbinen rad für einen Turbolader, eine Gasturbine oder dergleichen verwendbar ist.

Verschiedene Methoden, wie Schlickergießen, Spritzgießen, Preßformen, isostatisches Kaltpressen, usw. sind zur Herstel lung von Keramikrotoren der vorstehend beschriebenen Art be kannt. Von diesen Verfahren ist das Spritzgießen hinsicht lich der Anwendung im Hinblick auf die ausgezeichnete Eigen schaften hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und der Di mensionsgenauigkeit des geformten Zwischenproduktes und im Hinblick auf die Massenproduktion usw. weit verbreitet.

Obgleich das Spritzgießen zweckmäßig ist, wenn das Erzeugnis eine komplizierte Form hat und in einer großen Menge herge stellt werden soll, ergibt sich in der Praxis eine Schwierig keit, die darin zu sehen ist, daß viele Zwischenprodukte da zu neigen, daß sie brechen, sich verformen usw., was auf die langzeitige Erwärmung zum Zeitpunkt der Entparaffinierung zu rückzuführen ist, wodurch sich eine strikte Limitierung oder Beschränkung hinsichtlich der Form und Dicke des Erzeugnisses ergibt.

Zur Überwindung dieser Problematik wurde eine keramische Mas se zum Spritzgießen in den veröffentlichten japanischen Pa tentanmeldungen Nos. 5 49 516 und 55 23 097 vorgeschlagen, wel che sich selbst dann leicht entparaffinieren läßt, wenn das Erzeugnis dickwandig ist. Ferner wurde in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung No. 57 17 468 ein Entparaffinierungs verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Bindemittel von dem Er zeugnis durch Wärme entfernt wird, währenddem dieses in Druck gas verbleibt, dessen Druck höher als ein Atmosphärendruck ist. Die vorstehend genannte keramische Masse und das Ent paraffinierungsverfahren sind für die Überwindung der vor stehend genannten Problematik in gewissem Maße zweckmäßig, sie sind aber nicht zufriedenstellend.

Zur Überwindung der vorstehend genannten Problematik wurde in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung No. 60 11 276 ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikrotors vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird der scheibenförmige Teil eines Rotors durch Spritzgießen hergestellt, wobei die Dicke dieses Scheibenteils derart bestimmt ist, daß sich der Scheibenteil leicht entparaffinieren läßt, bei dem ferner das Wellenteil durch isostatisches Kaltpressen hergestellt wird, so daß es sich leicht entparaffinieren läßt, bei dem ferner das Scheibenteil und das Wellenteil durch isostatisches Kalt pressen zusammengebracht werden und dann die zusammengebrachte Anordnung aus Scheibenteil und Wellenteil zu einem einzigen Sinterkörper gesintert werden. Bei diesem Beispiel sind das Scheibenteil und das Wellenteil unterschiedlichen Expansionen und Kontraktionen während des Sinterns ausgesetzt. Aufgrund dieses Umstandes treten Spannungen in dem Scheibenteil zum Zeitpunkt des Sinterns auf und sie bleiben als Eigenspannun gen nach dem Sintern erhalten. Zusätzlich zu der Eigenspannung ist der Rotor, insbesondere das Scheibenteil desselben, einer Zentrifugalbelastung ausgesetzt, wenn sich dieser dreht. Da die zulässige Belastung des Rotors durch die Zugfestigkeit des Materials begrenzt ist, aus dem der Rotor ausgebildet ist, führt die Eigenspannung im Scheibenteil zu einer Erhöhung der Begrenzung oder Beschränkung im Hinblick auf die Auslegung des Erzeugnisses.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein neuartiges und verbesser tes Verfahren zum Herstellen eines Keramikrotors bereitzu stellen.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß der Keramik rotor von einem inneren Teil und einem äußeren rohrförmigen Teil gebildet wird, die voneinander unabhängig sind, daß die inneren und äußeren Teile derart aufbereitet werden, daß die Kontraktionsgröße des inneren Teils zum Zeitpunkt des Sinterns größer als jene des äußeren Teils ist, daß die inne ren und äußeren Teile miteinander verbunden werden, und daß die inneren und äußeren Teile derart gesintert werden, daß sie einen einzigen Körper bilden.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung ist die Kontraktionsgröße des inneren Teils zum Zeitpunkt der Kontraktion derart bestimmt, daß sie um 0,1% bis 3% größer als jene des äußeren Teils ist.

Das vorstehend genannte Verfahren ist zweckmäßig zur Über windung der vorstehend genannten Schwierigkeiten, die sich bei üblichen Verfahren zum Herstellen eines Keramikrotors ergaben.

Ferner bezweckt die Erfindung,ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Keramikrotors bereitzustellen, der eine aus gezeichnete mechanische Festigkeit hat.

Darüberhinaus bezweckt die Erfindung, ein neuartiges Verfah ren der vorstehend genannten Art nazugeben, bei dem sich die Beschränkungen hinsichtlich der Auslegung des Rotors redu zieren lassen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines be vorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die bei gefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Keramik rotors gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Turbinenrades gemäß einer weiteren Ausbildungsform nach der Erfin dung in auseinandergezogener Darstellung, und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Turbinenrads nach Fig. 2.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Keramikrotor insgesamt mit 1 bezeichnet und er umfaßt ein inneres Teil oder Schei benteil 2 und ein äußeres, rohrförmiges Teil oder Wellenteil 3, die in der Mitte des Scheibenteils 1 zur Herstellung einer einstückigen Verbindung verbunden sind. Das Scheibenteil 2 und das Wellenteil 3 sind derart ausgelegt, daß das Scheiben teil 2 eine Kompressionsbeanspruchung hat, die an der Stelle 8 radial nach innen gerichtet ist, und an der die maximale Zentrifugalbelastung zum Zeitpunkt der kritischen Drehzahl des Rotors 1 im Hinblick auf seinen Bruch eingeleitet wird. Hierzu sind das Scheibenteil 2 und das Wellenteil 3 derart ausgelegt, daß die Kontraktionsgröße des Wellenteils 3 zum Zeitpunkt der Sinterung 0,1% bis 3% größer als jene des Scheibenteils 2 ist. Das Wellenteil 3 ist somit zur Aufnahme einer großen Kontraktion zum Zeitpunkt der Sinterung angepaßt, und sie kann daher größer als das Scheibenteil 2 sein. Nach der Sinterkompressionsbelastung, die am Scheibenteil 2 auftritt, kann hierdurch eine Zentrifugalbelastung beim Drehen aufge nommen werden.

Das Scheibenteil 2 ist im Gegensatz zu dem Wellenteil 3 der art beschaffen, daß es weniger porös ist und somit einer ge ringeren Kontraktion als das Wellenteil 3 unterworfen ist. Das Pulver zur Bildung des Scheibenteils 2 wird somit mit einem höheren Druck verdichtet. Bei der Ausbildung eines Tur binenrads für einen Turbolader oder dergleichen ist es zweckmäßig, daß der mit Schaufeln besetzte Scheibenteil, der unvermeidbar durch Spritzgießen hergestellt wird, nach der Formgebung entparaffiniert wird und dann mittels isostati schem Kaltpressen auf eine hohe Dichte weiterverarbeitet wird.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß, wenn die Differenz der Kontraktion zwischen dem Scheibenteil 2 und dem Wellen teil 3 kleinerals 0,1% ist, dann keine Kompressionsbela stung in das Scheibenteil 2 eingeleitet wird, während, wenn sie größer als 3% ist, ein Spalt zwischen dem Scheibenteil 2 und dem Wellenteil 3 zum Zeitpunkt der Sinterung entsteht, so daß diese beiden gesondert voneinander bleiben. Nur wenn die vorstehend genannte Differenz innerhalb des Bereiches von 0,1% bis 3% liegt, wird in den Wellenteil 3 eine Zugbe anspruchung eingeleitet, die einer geringeren Zentrifugal kraft bei der Drehung ausgesetzt ist, während die Kompres sionsbelastung in das Scheibenteil 2 eingeleitet wird, das einer stärkeren Zentrifugalkraft ausgesetzt ist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß, wenn ein erster geformter Körper, dessen Kontraktion zum Zeitpunkt der Sinterung größer ist, mit einem zweiten geformten Körper verbunden wird, dessen Kontraktion zum Zeitpunkt der Sinterung kleiner ist und diese zusammen gesintert werden, der erste geformte Körper mit grös serer Kontraktion eine größere Zugkraft auf den zweiten ge formten Körper mit kleinerer Kontraktion ausübt, um hier durch eine Kompressionsbelastung in den geformten Körper mit kleinerer Kontraktion einzuleiten. Bei dem vorstehend genann ten Verfahren nach der Erfindung erhält man einen Rotor mit einer hohen mechanischen Festigkeit.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Rotor 1 gezeigt, der als ein Turbinenrad in einem Turbolader, einer Gasturbine oder der gleichen verwendet wird. Das Scheibenteil 2 hat Schaufeln 6 und eine sich verjüngende Öffnung 4 in seiner Mitte. Das Wellenteil 3 ist entsprechend konisch ausgebildet, so daß es in die Öffnung 4 des Scheibenteils 2 paßt.

Bei der Herstellung des Rotors 1 wird Siliciumnitrid mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm 5% Aluminiumoxid und 5% Yttriumoxid zugegeben, die als Sinterhilfsmittel oder -zusätze die nen, um hierdurch eine Pulvermasse zu bilden. Der Pulvermas se werden dann 20%-Bindemittel für das Spritzgießen zuge geben und es erfolgt eine Erwärmung während einer Vermischung zur Bildung eines Körpers für den Spritzguß. Der Körper wird durch Spritzgießen derart geformt, daß er Schaufeln 6 und eine konische Mittelöffnung 4 hat, und dann wird er entparaf finiert, um ein Zwischenprodukt für das mit Schaufeln be setzte Scheibenteil 2 zu erhalten. Die Pulvermasse, die aus Siliciumnitrid mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm, 5% Aluminiumoxid und 5% Yttriumoxid besteht, wird auch in ein Kautschukrohr gefüllt und durch isostatisches Kaltpressen verdichtet, um ein rundes Teil zu bilden. Das Teil wird dann auf den Wellenteil 3 zugeschnitten und in die konische Öff nung 4 des mit Schaufeln besetzten Scheibenteils 2 eingepaßt. Wenn man hierbei den isostatischen Druck, der auf die Pul vermasse einwirkt, in geeigneter Weise wählt, um eine Ver dichtung zu einem runden Teil während des isostatischen Kalt pressens zu erreichen, wird das Schaftteil 3 mit einer unter schiedlichen Dichte im Vergleich zu dem mit Schaufeln besetz ten Teil 2 hergestellt.

Bei einem Beispiel wird das Schaftteil 3 durch isostatisches Kalt pressen mit 505 bar (500 kg/cm²) ausgebildet und in die konische Mittelöffnung 4 des mit Schaufeln besetzten Scheibenteils 2 eingepaßt. Die äußeren Flächen des Schaftteils und des Schei benteils sind mit Latexkautschuk überzogen. Beide Teile wer den dann einem isostatischen Kaltpressen bei 5050 bar (5 t/cm²) ausgesetzt und sie werden zu einem Teil miteinander verbunden. Das so miteinander verbundene Wellenteil und Scheibenteil werden bei 1700°C in Stickstoffatmosphäre gesintert und zu einem Keramikrotor 1 geformt. Der so hergestellte Keramikrotor 1 hat eine Eigen spannung an der Grenzstelle 5 von mit Schaufeln besetztem Scheibenteil 2 und Wellenteil 3 infolge des Dichteunter schieds. Der Keramikrotor 1 ist einer maximalen Belastung an der Stelle 8 ausgesetzt, die in der Nähe des unteren En des der Schaufeln 8 bei der Ansicht nach Fig. 2 liegt, so wie in der Nähe der Grenzstelle 5 des mit Schaufeln besetz ten Teils 2 und des vorspringenden Teils 3 nach außen liegend.

Der Rotor 1 wurde im Vakuum nach dem Auswuchten getestet, und es hat sich gezeigt, daß der Rotor 1 brach, wenn er sich mit einer Drehzahl von 220 000 Upm drehte. Andererseits wurde ein weiterer Test bei Vergleichsbeispielen vorgenommen. Ein er stes Vergleichsbeispiel war derart gewählt, daß das vorsprin gende Teil 3 aus demselben wie vorstehend genannten Material durch isostatisches Kaltpressen bei 707 bar( 700 kg/cm²) derart erfolgte, daß keine Eigenspannung vorhanden war. Ein zweites Vergleichs beispiel wurde derart gewählt, daß das vorspringende Teil 3 aus demselben wie vorstehend erwähnten Material durch isostati sches Kaltpressen bei 1010 bar (1000 kg/cm²) derart erfolgte, daß eine Zugspannung vorhanden war. Beim Testen der ersten und zweiten Vergleichsbeispiele im Vakuum hat sich gezeigt, daß das erste Vergleichsbeispiel bei einer Drehzahl von 200 000 Upm brach und daß bei dem zweiten Vergleichsbeispiel dasselbe bei einer Drehzahl von 180 000 Upm brach. In beiden Fällen war die Dreh zahl, bei der der Bruch auftrat, niedriger als die entsprechende Drehzahl des Rotors 1 nach der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Keramikrotors, dadurch gekennzeichnet, daß:
der Keramikrotor von einem inneren Teil und einem äuße ren, rohrförmigen Teil gebildet wird, die voneinander unabhängig sind,
die inneren und äußeren Teile derart zubereitet werden, daß die Kontraktionsgröße des inneren Teils zum Zeitpunkt des Sinterns größer als jene des äußeren Teils ist,
die inneren und äußeren Teile miteinander verbunden werden, und
die inneren und äußeren Teile unter Bildung eines ein zigen Körpers gesintert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß bei der Bearbeitung ferner die Kontraktions größe des inneren Teils zum Zeitpunkt des Sinterns so be stimmt ist, daß sie um 0,1% bis 3% größer äls jene des äußeren Teils ist.

3. Verfahren zum Herstellen eines Keramikturbinenrades, das mehrere Schaufeln hat, gekennzeichnet durch:
Aufbauen des Turbinenrades aus einem Wellenteil und einem mit Schaufeln besetzten Scheibenteil, die voneinander un abhängig sind,
Bearbeiten des Wellenteils und des mit Schaufeln besetz ten Scheibenteils derart, daß die Kontraktionsgröße des Wellenteils zum Zeitpunkt des Sinterns größer als jene des Scheibenteils ist,
Einpassen des Wellenteils in das mit Schaufeln besetzte Scheibenteil, und
Sintern des Wellenteils und des Scheibenteils zur Bildung eines einteiligen Körpers.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß bei der Bearbeitung ferner die Kontraktions größe des Wellenteils zum Zeitpunkt des Sinterns derart bestimmt ist, daß sie um 0,1% bis 3% größer als jene des mit Schaufeln besetzten Scheibenteils ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Bearbeitung das Wellenteil durch isostatisches Kaltpressen und das mit Schaufeln be setzte Scheibenteil durch Spritzgießen geformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das isostatische Kaltpressen ferner bewirkt, daß das Schaftteil zu dem mit Schaufeln besetzten Scheibenteil eine unterschiedliche Dichte hat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bearbeitung ferner auf weist, daß das mit Schaufeln besetzte Scheibenteil vor dem Einpassen entparaffiniert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß nach dem Einpassen das Schaft teil und das mit Schaufeln besetzte Scheibenteil durch isostatisches Kaltpressen derart verbunden werden, daß sie einen einstückigen Körper bilden.