DE3816025C2

DE3816025C2 -

Info

Publication number: DE3816025C2
Application number: DE3816025A
Authority: DE
Inventors: Tetsuji Nagoya Aichi Jp Yogo; Yoshinori Aichi Jp Hattori; Motohide Ando; Yasushi Yokosuka Kanagawa Jp 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: 1993-05-13
Also published as: US5106550A; KR880013851A; DE3816025A1; KR900003319B1; JPS63282177A; JP2554491B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikrotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einem solchen, aus der JP-A-60 11 276 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Keramikrotors wird das scheibenförmige Teil eines Rotors durch Spritzgießen hergestellt, wobei die Dicke dieses Scheibenteils derart bestimmt ist, daß sich das 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 Kaltpressen zusammengebracht werden und dann die zusammengebrachte Anordnung aus Scheibenteil und Wellenteil zu einem einzigen Sinterkörper gesintert werden Das Scheibenteil und das Wellenteil sind 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 Eigenspannungen nach dem Sintern erhalten. Zusätzlich zu der Eigenspannung ist der Rotor, insbesondere das Scheibenteil desselben, einer zentrifugalen Belastung 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 in dem Scheibenteil zu einer Erhöhung der Begrenzung oder Beschränkung im Hinblick auf die Auslegung des Erzeugnisses.

Aus der DE-OS 27 07 835 ist ein Verfahren zum Herstellen eines aus zwei Teilen, einem Außenteil und einem Innenteil, bestehenden Keramikteils bekannt, wobei Innenteil und Außenteil unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. Kontraktionsziffern haben. Die Wärmedehnungskoeffizienten sind so gewählt, daß für das Außenteil ein größerer Wärmedehnungskoeffizient vorgesehen ist als für das Innenteil.

Aus der DE-PS 30 07 374 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei Teilen mittels Brennschrumpfung bekannt, wobei das äußere Teil eine größere Kontraktion als das innere Teil hat.

Aus der US-PS 45 79 703 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers bekannt, dessen Teile nach verschiedenen Verfahren hergestellt sind und vor dem Verbinden unterschiedliche Dichte aufweisen. Dabei sind die Materialien so gewählt, daß das vorgesinterte Scheibenteil eine höhere Dichte als das Wellenteil aufweist. Ein beim Zusammensintern der beiden Teile entstehender Spalt wird mit einem geeigneten Material zum Verbinden ausgefüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikrotors mit guten mechanischen Festigkeitseigenschaften zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Dichten des Wellenteils und des Scheibenteils so eingestellt, daß beim Sintern das Kontraktionsausmaß des Wellenteils um 0,1 bis 3% höher ist, als das Kontraktionsausmaß des Scheibenteils. Durch den gewählten Differenzbereich der beiden Kontaktionsausmaße wird sichergestellt, daß in das Wellenteil, das einer geringeren Zentrifugalkraft bei der Drehung ausgesetzt ist, eine Zugbeanspruchung eingeleitet wird, während in das Scheibenteil, das einer stärkeren Zentrifugalkraft ausgesetzt ist, eine Kompressionsbelastung eingeleitet wird. Daraus ergibt sich, daß der Rotor einer hohen Beanspruchung ausgesetzt werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

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

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Turbinenrades gemäß einer weiteren Ausbildungsform nach der Erfindung in aus einandergezogener 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 Scheibenteil 2 und ein Wellenteil 3, die in der Mitte des Scheibenteils 2 zur Herstellung einer einstückigen Verbindung verbunden sind. Das Scheibenteil 2 und das Wellenteil 3 sind derart ausgelegt, daß das Scheibenteil 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 aufgenommen werden.

Das Scheibenteil 2 ist im Gegensatz zu dem Wellenteil 3 derart beschaffen, daß es weniger porös ist und somit einer geringeren 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 Turbinenrads für einen Turbolader ist es zweckmäßig, daß das mit Schaufeln besetzte Scheibenteil, das durch Spritzgießen hergestellt wird, nach der Formgebung entparaffiniert wird und dann mittels isostatischem Kaltpressen auf eine hohe Dichte weiterverarbeitet wird.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß, wenn die Differenz der Kontraktion zwischen dem Scheibenteil 2 und dem Wellenteil 3 kleiner als 0,1% ist, dann keine Kompressionsbelastung 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 das Wellenteil 3 eine Zugbeanspruchung eingeleitet, die einer geringeren Zentrifugalkraft bei der Drehung ausgesetzt ist, während die Kompressionsbelastung 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 größerer Kontraktion eine größere Zugkraft auf den zweiten geformten Körper mit kleinerer Kontraktion ausübt, um hierdurch eine Kompressionsbelastung in den geformten Körper mit kleinerer Kontraktion einzuleiten. Bei dem vorstehend genannten 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 oder einer Gasturbine 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 werden einem Siliciumnitrid mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm 5 Gew.-% Aluminiumoxid und 5 Gew.-% Yttriumoxid zugegeben, die als Sinterhilfsmittel oder -zusätze dienen, um hierdurch eine Pulvermasse zu bilden. Der gesamten Pulvermasse des Scheibenteils 2 werden dann 20% Bindemittel für das Spritzgießen zugegeben 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 entparaffiniert, um ein Zwischenprodukt für das mit Schaufeln besetzte Scheibenteil 2 zu erhalten.

Die Pulvermasse, die aus Siliciumnitrid mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm, 5 Gew.-% Aluminiumoxid und 5 Gew.-% Yttriumoxid besteht, wird auch in ein Kautschukrohr gefüllt und durch isostatisches Kaltpressen verdichtet, um ein rundes Teil zu bilden. Das Teil wird dann auf das Wellenteil 3 zugeschnitten und in die konische Öffnung 4 des mit Schaufeln besetzten Scheibenteils 2 eingepaßt. Wenn man hierbei den isostatischen Druck, der auf die Pulvermasse einwirkt, in geeigneter Weise wählt, um eine Verdichtung zu einem runden Teil während des isostatischen Kaltpressens zu erreichen, wird das Wellenteil 3 mit einer unterschiedlichen Dichte im Vergleich zu dem mit Schaufeln besetzten Teil 2 hergestellt.

Bei einem Beispiel wird das Wellenteil 3 durch isostatisches Kaltpressen mit 505 bar ausgebildet und in die konische Mittelöffnung 4 des mit Schaufeln besetzten Scheibenteils 2 eingepaßt. Die äußeren Flächen des Wellenteils 3 und des Scheibenteils 2 sind mit Latexkautschuk überzogen. Beide Teile werden dann einem isostatischen Kaltpressen bei 5050 bar ausgesetzt und sie werden zu einem Teil miteinander verbunden. Das so miteinander verbundene Wellenteil 3 und Scheibenteil 2 werden bei 1700°C in Stickstoffatmosphäre gesintert und zu einem Keramikrotor 1 geformt. Der so hergestellte Keramikrotor 1 hat eine Eigenspannung an der Grenzstelle 5 von mit Schaufeln besetztem Scheibenteil 2 und Wellenteil 3 infolge des Dichteunterschieds. Der Keramikrotor 1 ist einer maximalen Belastung an der Stelle 8 ausgesetzt, die in der Nähe des unteren Endes der Schaufeln 8 bei der Ansicht nach Fig. 2 liegt, sowie in der Nähe der Grenzstelle 5 des mit Schaufeln besetzten Teils 2 und des Wellenteils 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 U/min drehte. Andererseits wurde ein weiterer Test bei Vergleichsbeispielen vorgenommen. Ein erstes Vergleichsbeispiel war derart gewählt, daß das Teil 3 aus demselben wie vorstehend genannten Material durch isostatisches Kaltpressen bei 707 bar derart erfolgte, daß keine Eigenspannung vorhanden war. Ein zweites Vergleichsbeispiel wurde derart gewählt, daß das Teil 3 aus demselben wie vorstehend erwähnten Material durch isostatisches Kaltpressen bei 1010 bar 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 U/min brach und daß bei dem zweiten Vergleichsbeispiel dasselbe bei einer Drehzahl von 180 000 U/min brach. In beiden Fällen war die Drehzahl, bei der der Bruch auftrat, niedriger als die entsprechende Drehzahl des Rotors 1 nach der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Keramikrotors, wobei

a) das Scheibenteil durch Spritzgießen geformt und danach entparaffiniert wird,
b) das Wellenteil durch isostatisches Kaltpressen geformt wird,
c) das Wellenteil und das Scheibenteil durch isostati sches Kaltpressen miteinander verbunden werden und
d) der so gebildete Verbundkörper gesintert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dichten des Wellenteils und des Scheibenteils so eingestellt werden, daß beim Sintern das Kontraktions ausmaß des Wellenteils um 0,1 bis 3% höher ist als das Kontraktionsausmaß des Scheibenteils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenteil und das Scheibenteil mit unter schiedlicher Dichte zueinander gefertigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmasse für die Herstellung des Wellenteils und des Scheibenteils eine Pulvermasse mit 90 Gew.-% Si₃N₄, 5 Gew.-% Al₂O₃ und 5 Gew.-% Y₂O₃ verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulvermasse mit einer Teilchengröße von 0,5 µm verwendet wird.