JP2514107B2 - タ―ボチャ―ジャロ―タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックス製ターボチャージャロータに
おけるセラミックスについての改良に関する。

〔従来の技術〕

一般に、エンジンやタービンなどの構造材料に適する
エンジニアリングセラミックスとして窒化物、炭化物が
開発されている。その焼結技術として従来より、（１）
反応焼結法、（２）常圧焼結法、（３）ホットプレス法
が知られている。反応焼結法は、複雑形状でも焼結で
き、高温での強度劣化がほとんどないが、強度、じん
性、耐酸化性に劣る。常圧焼結法は、反応焼結法ほどで
はないが複雑な形状でも焼結でき、強度も大きいが、焼
結時の収縮により変形しやすく、焼結助剤が多く必要な
ので高温下強度劣化が激しい。またホットプレス法は、
強度、耐酸化性、耐食性に最も優れているが、単純な形
状しか焼結できず、焼結助剤を使用するので高温下強度
劣化が起る。

これらの方法は、それぞれ一長一短がありエンジンや
タービン部品等の複雑形状の耐熱高温部材を製作するに
はいまだ充分な方法とは言えず、特に常圧焼結法やホッ
トプレス法は焼結助剤によりち密化するが、粒子間のガ
ラス相は高温において軟化するため、焼結体の強度が著
しく低下する。この高温での強度低下を防止するため、
焼結助剤の添加量をできるだけ少なくしたり、焼結助剤
に起因する粒界のガラス相を結晶化させるなどの検討が
なされているが、完全な解決に至っていない。そして、
これらの方法に代る新しいセラミックス焼結法が望まれ
ている。

例えば、特開昭56−22678号では、金属Si粉末と焼結
助剤との混合物を成形し、反応焼結した後再焼結するこ
とにより反応焼結法の欠点を解決しているが、焼結助剤
を使用するために高温下で強度が低下するという問題が
あり、耐熱高温部材に適用するには充分とは言えない。

一方、焼結助剤とは別に、SiC、Si₃N₄などの高強度繊
維混合による複合化によって高温強度、じん性を高める
繊維強化法も提案されている（特開昭58−104069号公報
参照）。

しかし、この様な繊維強化セラミックスは異方性や不
均一が生じ易く、効果的にじん性を上げるにはまだまだ
問題が多く、耐熱構造用部品に適用するには充分とは言
えない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来技術は、焼結時の寸法収縮、高温強度、じん
性の点について考慮がされておらず、かつ収縮に伴う変
形が大きく複雑形状品の成形が困難なので高温強度、高
じん性を必要とする構造部品に適用するには問題があっ
た。

本発明の目的は、改良されたセラミックス製ターボチ
ャージャロータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明は、ターボチャージャロ
ータに関する発明であって、セラミックス製ターボチャ
ージャロータにおいて、該セラミックスが、無機化合物
である酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物、酸窒化物の
少なくとも１種からなる無機化合物10〜60容量部と金属
Si粉末90〜40容量部を混合する工程、該粉末表面に、有
機ケイ素高分子化合物を用いて、膜厚が５μｍ以下の非
晶質膜を形成させる工程、該被覆粉末に成形用バインダ
ーを混合する工程、窒化性ガス雰囲気中で加熱し、該非
晶質膜を結晶化すると共にSi粉末を窒化させ窒化物を形
成させる工程を含む製造方法によって得られる高じん性
セラミックスであることを特徴とする。

本発明における無機化合物のうち、SiC、Si₃N₄、Ti
C、TiN、ZrC、ZrN、ZrO₂、Cr₃C₂、Cr₂Nはじん性に優れ
ており特に好適である。

更に、無機化合物結晶粒子と金属Si結晶粒子とを混合
することによりじん性、強度、耐熱性などの特性を向上
することができる。

特に、本発明において結晶粒子を無機化合物結晶粒子
粉末10〜60容量部、金属Si結晶粒子粉末90〜40容量部と
することにより、従来にないじん性に優れたセラミック
ス焼結体を得ることができる。

本発明において、非晶質膜の厚さは５μｍ以下である
ので好適であり、その理由は、非晶質膜が５μｍより厚
くなるに従い、非晶質膜にクラックが入り易くなると共
に、非晶質膜が結晶化する際に収縮が大きくなり、焼結
体中の気孔も大きく強度、じん性の低下が起るからであ
る。

本発明において、非晶質膜をSiC、Si₃N₄、SiO₂、Si₂N
₂O、Ｃに限定する理由は、これらの非晶質膜は結晶化す
ると、SiC、Si₃N₄あるいはSi₂N₂Oのいずれかの結晶相に
なり、これらの結晶は耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性、
耐酸化性に優れており安価に作ることが可能であるから
である。

非晶質膜を形成するための手段は、CVD、PVD、有機ケ
イ素高分子化合物を用いる方法などいろいろあるが、こ
の中で本発明による有機ケイ素高分子化合物を用いる方
法を安価で容易である。例えば、有機ケイ素高分子化合
物は次のような構造を持つ。（Ｉ）ポリシラン化合物、
（II）ポリシル化合物、（III）ポリオキシシロキサン
化合物、（IV）ポリシルシロキサン化合物、（Ｖ）シリ
コンイミド化合物、（VI）前記（Ｉ）〜（Ｖ）の骨格成
分を少なくとも１つ含むもの、などからなる。そして熱
分解により、SiC、Si₃N₄、SiO₂、Si₂N₂O、Ｃのうち少な
くとも１種からなる非晶質膜を生成する。

本発明において、金属Si粉末を含む成形体は窒素及び
／又はアンモニア（必要に応じて水素、アルゴン、ヘリ
ウムなどを加える）の窒化性ガス雰囲気で加熱する。こ
れらは、最低でも1350℃まで加熱する。

本発明において、金属Siの平均粒径は５μｍ以下とす
るのが好ましい。なぜなら平均粒径が５μｍより大きく
なると窒化時間が長くなると共に残留Siが存在するよう
になる。

前記、金属Si及び無機化合物は市販のものをそのまま
用いることができる。

本発明において、成形用バインダーは非晶質膜で覆わ
れた該粒子100容量部に熱可塑性樹脂、可塑剤、潤滑剤
など５〜40容量部添加し、成形体の相対密度を60％以上
にするのが好ましい。

本発明において、結晶粒子表面に非結晶膜を生成した
粉末を作製した後、成形用バインダーを添加し成形する
理由は、無機化合物の結晶粒子のみでは共有結合性の強
い化合物であり、単独では焼結困難である。それに対
し、本発明品は原料の結晶粒子表面全体に非晶質膜を生
成し、その非晶質膜で覆われた粒子を用いて成形、焼結
すると粒子間の非晶質膜が結晶化することにより粒子が
強固に結合されると共に粒子形状が複雑になり強度及び
じん性を向上することが可能なためである。

これに対して、原料に成形用バインダーと非晶質膜生
成用の有機ケイ素高分子化合物を同時に混合し、成形、
焼結を行うと結晶粒子表面に均一に非晶質膜ができない
ために、原料の結晶粒子と非晶質膜から生成した結晶粒
子との結合が弱いため強度、じん性を大きく向上するこ
とができない。

本発明の特徴は、セラミックス用組成粉の個々の粒核
の表面が非晶質膜で覆われていることにあり、この粉末
粒子を成形、焼結して非晶質膜を結晶化し粒子を強固に
結合させることにより、焼結時の寸法変化率が小さく、
高強度、高じん性のセラミックスが得られる。

以下、本発明で使用する高じん性セラミックスの製造
例を示す。なお、下記各例において製造例と表示のある
もの、すなわち、製造例４〜９、11〜25が、本発明で使
用する高じん性セラミックスに相当する。

例１〜10、比較例１及び２ 平均粒径0.9μｍのSi₃N₄粉末と平均粒径0.9μｍの金
属Si粉末を第１表に示す割合で混合し、その混合物100
容量部に対し、シリコンイミド化合物（分子量1500）を
15容量部添加し、キシレンと一緒に24時間混合した。そ
して混合粉を乾燥し、窒素中、1000℃で５時間加熱処理
し、SiC、金属Si粒子表面にSiO₂、Ｃ、SiC、Si₃N₄、Si₂
N₂Oの非晶質膜を形成させた。得られた粉末を電子顕微
鏡で観察すると、第１図に示すように粒核の表面は５μ
ｍ以下の非晶質膜で覆われていることが判る。第１図
は、本発明の粒核表面が非晶質膜で覆われている粒子の
断面図であり、符号１は粒核、２は非晶質膜を意味す
る。

得られた粉末は、らいかい機により細かく粉砕し、こ
の粉末100容量部に成形用バインダーとしてポリエチレ
ン系ワックスを25容量部添加し、加圧ニーダで150℃、1
0時間加熱混練した後、混合物を粉砕し160℃、1000kg/c
m²の条件で射出成形を用いて成形体を得た。そして成形
体中のワックス分を除くためにアルゴン中2.5℃/hで450
℃まで加熱した。そして、窒素ガス中、1100℃から1400
℃まで４℃/hで加熱処理し焼結体を得た。得られた焼結
体の特性を第１表に示す。また第２図に金属Si配合量
（容量部、横軸）と曲げ強さ（MN/m²、縦軸）及び破壊
じん性値（MN/m^3/2、縦軸）との関係をグラフとして示
す。

比較のために、平均粒径0.9μｍのSi₃N₄粉末に焼結助
剤としてY₂O₃を５容量部、Al₂O₃を５容量部添加した混
合粉末100容量部に同様にしてポリエチレン系ワックス
を添加、混合、成形した成形体を窒素中1750℃で２時間
加熱処理し焼結体を得た。得られた焼結体の特性を第１
表に併せて示す。また、比較例としてSi₃N₄粉末70容量
部にSiCウイスカを20容量部添加し、焼結助剤としてAl₂
O₃、Y₂O₃を各々５容量部添加し、混合、成形した成形体
を窒素中1750℃で２時間加熱処理し焼結体を得た。得ら
れた焼結体の特性を第１表に併せて示す。

ここで、破壊じん性値K_1cは３×４×40mm（スパン30m
m）の試験片にダイヤモンドホイールで0.5mmの切り欠き
を入れたノッチドビーム法で測定した。熱衝撃値は、焼
結体を1000℃で30分間保持した後、水中に投入して急冷
し、き裂を発生するまで反復し、その回数をもって比較
した。

以上より、本発明用のセラミックスは比較例に対して
焼結時の寸法変化率が1/10小さく高温曲げ強さ、破壊じ
ん性、耐熱衝撃性に優れていることが判る。特に、Si₃N
₄粉末と金属Si粉末の組成比は、金属Si粉末が40〜90容
量部の時、特に破壊じん性、曲げ強さが大きいことが判
る。

例11〜14、比較例３〜５ 製造例４と同様に、平均粒径0.9μｍのSi₃N₄粉末60容
量部に金属Si粉末40容量部に対し、シリコンイミド化合
物の添加量を変えて、非晶質膜の厚さを変えて成形、焼
結し焼結体を得た。得られた焼結体の特性を第２表に示
す。また、第３図に非晶質膜の厚さ（μｍ、横軸）と得
られた焼結体の曲げ強さ（MN/m²、縦軸）及び破壊じん
性値（MN/m^3/2、縦軸）との関係をグラフとして示す。

以上より、厚さが５μｍより大きくなると非晶質膜に
クラックが入りだし、焼結時の収縮率も大きく、気孔も
大きくなり曲げ強さ、じん性などが低下する。また非晶
質膜が0.1μｍでもあると効果があることが判る。

例15〜25 製造例４と同様に、シリコンイミド化合物の代りに第
３表に示す有機ケイ素高分子化合物を用いて焼結体を得
た。得られた焼結体の特性を第３表に示す。

以上より、本発明用のセラミックスは曲げ強さ、じん
性、耐熱衝撃性に優れていることが判る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１、対照例１ 平均粒径１μｍの金属Si粉末60容量部、平均粒径10μ
ｍのSiC粉末40容量部にシリコンイミド化合物を15容量
部添加し、キシレンと一緒に24時間混合した。そして、
混合粉を乾燥し、アルゴン中1100℃で２時間加熱処理
し、金属Si及びSiC粉末表面に非晶質膜を形成させた。
この粉末100容量部にポリエチレン系ワックス、ステア
リン酸、ブレンドワックスなどを35容量部添加し、加圧
ニーダを用いて160℃で５時間混練した。混練物は粉砕
したのち射出成形機を用いて第４図に示すようなターボ
チャージャロータの成形体を作製した。すなわち第４−
１図はターボチャージャロータの一実施例を示す1/4平
面図、第４−２図はその側断面図である。

この成形体は、アルゴン中2.5℃/hで500℃まで加熱
し、成形用バインダーを除去した。そして、窒素中1100
℃から1500℃まで５℃/hまで加熱した。得られたターボ
チャージャロータの特性を第４表に示す。比較のため
に、常圧焼結サイアロンのターボチャージャロータの特
性を対照例に示す。

これにより、本発明のセラミックスは、1400℃の高温
においても曲げ強さが低下せず、じん性も大きく、また
焼結時の寸法変化率が小さいので、製品の寸法ばらつき
をおさえることができ、加工コストも従来の半分以下に
なると考えられ、量産品に適していることが判る。

また、上記例と同様に、SiC粉末の代りに、TiC、Ti
N、TiB₂、ZrC、ZrN、ZrB₂、Cr₃C₂、Cr₂N、CrB、SiO₂、S
i₂N₂O、Al₂O₃、AlN、ZrO₂の粉末（平均粒径１μｍ）を
用いて、混合、成形、焼結を行って、上記例と同様な効
果を得た。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、焼結による寸
法変化率が小さく、焼結助剤を用いることなく高強度、
高じん性、耐熱性かつ耐熱衝撃性にも優れた材料が得ら
れる。

これにより、耐火物、エンジンやタービンなどの構造
用部品を始め航空機、宇宙関係、鉄鋼、海洋開発などの
分野へのセラミックスの利用範囲が拡大する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の結晶粒子表面が非晶質膜で覆われて
いる粒子の断面図、第２図は金属Si配合量と曲げ強さ及
び破壊じん性値の関係を示すグラフ、第３図は非晶質膜
の厚さと曲げ強さ及び破壊じん性値の関係を示すグラ
フ、第４−１図はターボチャージャロータの一例を示す
1/4平面図、第４−２図はその側断面図である。 1:粒核、2:非晶質膜

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス製ターボチャージャロータに
   おいて、該セラミックスが、無機化合物である酸化物、
   炭化物、ホウ化物、窒化物及び酸窒化物の少なくとも１
   種からなる無機化合物10〜60容量部と金属Si粉末90〜40
   容量部を混合する工程、該粉末表面に、有機ケイ素高分
   子化合物を用いて、膜厚が５μｍ以下の非晶質膜を形成
   させる工程、該被覆粉末に成形用バインダーを混合する
   工程、窒化性ガス雰囲気中で加熱し、該非晶質膜を結晶
   化すると共にSi粉末を窒化させ窒化物を形成させる工程
   を含む製造方法によって得られる高じん性セラミックス
   であることを特徴とするターボチャージャロータ。