JP2529407B2 - タ―ビンロ―タ - Google Patents
タ―ビンロ―タInfo
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- JP2529407B2 JP2529407B2 JP1224873A JP22487389A JP2529407B2 JP 2529407 B2 JP2529407 B2 JP 2529407B2 JP 1224873 A JP1224873 A JP 1224873A JP 22487389 A JP22487389 A JP 22487389A JP 2529407 B2 JP2529407 B2 JP 2529407B2
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- metal shaft
- shaft
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- turbine rotor
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、タービンロータに関し、詳しくは、セラミ
ックス製タービンホイールと金属軸とがろう材にて一体
に接合されるタービンロータに関する。
ックス製タービンホイールと金属軸とがろう材にて一体
に接合されるタービンロータに関する。
［従来の技術］ 従来より、この種のタービンロータにおいて、セラミ
ックス製のタービンホイールと金属軸とは、活性金属法
等のろう付けにより行われている。更に、上記タービン
ロータの金属軸（ジャーナル軸）は、使用中に大きく摩
耗しないように一定以上の硬さが要求されるので、表面
を硬化する処理が必要とされている。
ックス製のタービンホイールと金属軸とは、活性金属法
等のろう付けにより行われている。更に、上記タービン
ロータの金属軸（ジャーナル軸）は、使用中に大きく摩
耗しないように一定以上の硬さが要求されるので、表面
を硬化する処理が必要とされている。
そのため、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼やマ
ルテンサイト系耐熱鋼を軸材料として採用し、加熱後に
空冷で焼き入れして硬化させる技術が提案されている
（特開昭61-191572号公報参照）。
ルテンサイト系耐熱鋼を軸材料として採用し、加熱後に
空冷で焼き入れして硬化させる技術が提案されている
（特開昭61-191572号公報参照）。
また、金属軸の表面を硬化させる技術として、従来の
金属製のタービンロータにおいては、例えば、JIS規格S
NCM439やSNCM447を軸材料として採用し、その表面を高
周波焼き入れして硬化する技術が知られている。
金属製のタービンロータにおいては、例えば、JIS規格S
NCM439やSNCM447を軸材料として採用し、その表面を高
周波焼き入れして硬化する技術が知られている。
［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記マルテンサイト系ステンレス鋼やマル
テンサイト系耐熱鋼を採用する技術では、焼き入れによ
って金属軸の表面を硬化できるものの、材料中に含有さ
れているCrの量が多いため（おおむね10重量％以上）、
加工性が悪くまた材料が高価であるという問題があっ
た。
テンサイト系耐熱鋼を採用する技術では、焼き入れによ
って金属軸の表面を硬化できるものの、材料中に含有さ
れているCrの量が多いため（おおむね10重量％以上）、
加工性が悪くまた材料が高価であるという問題があっ
た。
一方、上記金属製のタービンロータの技術、即ち、SN
CM439やSNCM447を高周波焼き入れして金属軸の表面を硬
化させる技術を、セラミックス製のタービンホイールと
金属軸とからなるタービンロータに適用しようとして
も、下記のような不具合が生ずることがあった。つま
り、赤熱したセラミックスホイールを、油冷又は水冷で
冷やすと熱衝撃で割れることがあるので、通常は徐冷や
空冷が行われるが、軸材料がSNCM439やSNCM447等の場合
には、徐冷や空冷ではなまってしまい摺動部材として使
用できないという問題があった。
CM439やSNCM447を高周波焼き入れして金属軸の表面を硬
化させる技術を、セラミックス製のタービンホイールと
金属軸とからなるタービンロータに適用しようとして
も、下記のような不具合が生ずることがあった。つま
り、赤熱したセラミックスホイールを、油冷又は水冷で
冷やすと熱衝撃で割れることがあるので、通常は徐冷や
空冷が行われるが、軸材料がSNCM439やSNCM447等の場合
には、徐冷や空冷ではなまってしまい摺動部材として使
用できないという問題があった。
本発明は、セラミックス製のタービンホイールに接合
される金属軸の表面を、十分に硬化処理することができ
るタービンロータを提供することを目的とする。
される金属軸の表面を、十分に硬化処理することができ
るタービンロータを提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段及び作用］ （１）かかる課題を解決するための本発明は、 セラミックス製タービンホイールと金属軸とが、ろう
付けにより一体に接合されたタービンロータにおいて、 上記金属軸が下記組成、すなわち、 C:0.18〜0.3重量％、 Cr:1.2〜５重量％、 MnとNiとMoとの合計:2.0〜5.0重量％、 Si,Cu,S又はＰを含む不純物:0.5重量％以下、 残部:Fe、 からなることを特徴とするタービンロータを要旨とす
る。
付けにより一体に接合されたタービンロータにおいて、 上記金属軸が下記組成、すなわち、 C:0.18〜0.3重量％、 Cr:1.2〜５重量％、 MnとNiとMoとの合計:2.0〜5.0重量％、 Si,Cu,S又はＰを含む不純物:0.5重量％以下、 残部:Fe、 からなることを特徴とするタービンロータを要旨とす
る。
ここで、上記セラミックス製のタービンホイールの素
材としては、例えば、窒化珪素，サイアロン，炭化珪素
等を用いることができる。
材としては、例えば、窒化珪素，サイアロン，炭化珪素
等を用いることができる。
また、ろう付けを行うろう材としては、例えば、Ag−
Cu−Ti系,Ag−Ti系,Cu−Ti系,Ag−Cu−Pd−Ti系,Ag−Pd
−Ti系等に限らず、他の各種のろう材を使用できる。
Cu−Ti系,Ag−Ti系,Cu−Ti系,Ag−Cu−Pd−Ti系,Ag−Pd
−Ti系等に限らず、他の各種のろう材を使用できる。
尚、ろう付け温度は、金属軸の材料の焼きが入る温度
以上であればよい。
以上であればよい。
（２）次に、本発明の作用について説明する。
セラミックスをタービンホイールとして用いたタービ
ンロータの場合、量産性に優れた金属軸材料の条件は、
焼き入れ性，加工性，摺動性，省資源及びコス
ト等の４点で定まる。この４項目について鋭意研究を重
ねた結果、上記請求項に記載した組成の金属材料が、セ
ラミックス製のタービンホイールを備えたタービンロー
タの金属軸の材料として好適であることを見いだした。
以下順次説明する。
ンロータの場合、量産性に優れた金属軸材料の条件は、
焼き入れ性，加工性，摺動性，省資源及びコス
ト等の４点で定まる。この４項目について鋭意研究を重
ねた結果、上記請求項に記載した組成の金属材料が、セ
ラミックス製のタービンホイールを備えたタービンロー
タの金属軸の材料として好適であることを見いだした。
以下順次説明する。
焼き入れ性 加熱ろう付けにより、セラミックス製タービンホイー
ルと金属軸とを接合する場合、ろう付けの熱処理と同時
に金属軸の焼き入れを行うと、作業工程が少なくなり、
量産性の上で好適である。この焼き入れは、加熱時に油
冷や水冷を行うとセラミックスに損傷を与えることがあ
るので、空冷にて行うことが望ましい。
ルと金属軸とを接合する場合、ろう付けの熱処理と同時
に金属軸の焼き入れを行うと、作業工程が少なくなり、
量産性の上で好適である。この焼き入れは、加熱時に油
冷や水冷を行うとセラミックスに損傷を与えることがあ
るので、空冷にて行うことが望ましい。
このため、各種の構造用合金のうち、空冷で焼き入れ
できる条件を検討した結果、金属クロム（Cr）の量が1.
2重量％以上の場合に、焼き入れ性が安定することが判
った（第３図参照）。更に、Cr量が1.2重量％以上の場
合には、含有炭素（Ｃ）量と金属軸硬さとに相関がある
ことを見いだした（第４図参照）。
できる条件を検討した結果、金属クロム（Cr）の量が1.
2重量％以上の場合に、焼き入れ性が安定することが判
った（第３図参照）。更に、Cr量が1.2重量％以上の場
合には、含有炭素（Ｃ）量と金属軸硬さとに相関がある
ことを見いだした（第４図参照）。
加工性 金属軸の加工としては、旋削後の仕上げ研削が最も容
易でコストも低減できるが、旋削時のバイトの摩耗を考
えると、金属軸の硬さはロックウエル硬度（HRC）50以
下が望ましい。この硬さを実現するためには、Cr量が1.
2重量％以上の場合に、Ｃ量が0.3重量％以下であること
が望ましい。
易でコストも低減できるが、旋削時のバイトの摩耗を考
えると、金属軸の硬さはロックウエル硬度（HRC）50以
下が望ましい。この硬さを実現するためには、Cr量が1.
2重量％以上の場合に、Ｃ量が0.3重量％以下であること
が望ましい。
摺動性 タービンロータの金属軸の摺動性を考えると、金属軸
の硬度は高いほうが好ましいが、耐久性を含めて最低限
必要とする硬さはHRC40以上であり、そのためＣ量は0.1
8重量％以上が望ましい。
の硬度は高いほうが好ましいが、耐久性を含めて最低限
必要とする硬さはHRC40以上であり、そのためＣ量は0.1
8重量％以上が望ましい。
省資源及びコスト等 Cr量は、上記の様に1.2重量％以上あれば十分であ
り、また従来のマルテンサイト系ステンレス鋼やマルテ
ンサイト系耐熱鋼の様に10重量％も必要がなく、鋼材の
製造条件等から考えると５重量％以下が好適である。
り、また従来のマルテンサイト系ステンレス鋼やマルテ
ンサイト系耐熱鋼の様に10重量％も必要がなく、鋼材の
製造条件等から考えると５重量％以下が好適である。
また、Mn,Ni及びMoは、以下の作用を発揮するために
は、Mn,Ni,Moの含有量の合計が、2.5〜５重量％である
ことが望ましい。即ち、Mnは、焼き入れ性を向上させる
とともに、材料の強度を向上させる。Niは、材料の強度
及び靱性を向上させ、耐食性を向上させる。Moは、材料
の耐食性及び強度を向上させるとともに、焼き入れ性を
向上させ、更に、焼き戻し脆性を防止するものである。
は、Mn,Ni,Moの含有量の合計が、2.5〜５重量％である
ことが望ましい。即ち、Mnは、焼き入れ性を向上させる
とともに、材料の強度を向上させる。Niは、材料の強度
及び靱性を向上させ、耐食性を向上させる。Moは、材料
の耐食性及び強度を向上させるとともに、焼き入れ性を
向上させ、更に、焼き戻し脆性を防止するものである。
つまり、上述した様な焼き入れ性，加工性，摺動性，
省資源及びコスト等を考慮すると、タービンホイールの
金属軸に含有されるＣ量及びCr量の範囲は、第１図に示
す範囲になる。尚、この際の他の組成は上記範囲にあ
る。
省資源及びコスト等を考慮すると、タービンホイールの
金属軸に含有されるＣ量及びCr量の範囲は、第１図に示
す範囲になる。尚、この際の他の組成は上記範囲にあ
る。
［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明によるタービンロータは、
金属軸が高硬度であり、かつ金属軸とセラミックス製の
タービンホイールとの接合性が高いという優れた効果を
奏する。更に、セラミックス製のタービンホイールと金
属軸とのろう付けによる接合と、金属軸の硬化の処理を
同時に行うことができるので、工程が少なくて済むとい
う利点がある。
金属軸が高硬度であり、かつ金属軸とセラミックス製の
タービンホイールとの接合性が高いという優れた効果を
奏する。更に、セラミックス製のタービンホイールと金
属軸とのろう付けによる接合と、金属軸の硬化の処理を
同時に行うことができるので、工程が少なくて済むとい
う利点がある。
［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明す
る。
る。
まず、第２図に示すように、タービンロータ（ター
ボチャージャロータ）に使用される金属軸（ジャーナル
軸）１として、下記第１表に示す試料（直径10mm×長さ
10mm）Ａ〜Ｈの組成の材料を使用して金属軸１を製造し
た。そして、真空中（10-5Torr程度）にて900℃に加熱
し、加熱終了後に窒素ガスを封入し、100℃まで30分
（平均冷却スピード27℃／分）で冷却した。冷却後、同
図に示すように、外周部から直径の1/4の位置にて、３
点における硬さを測定した。測定は、ロックウェルＣス
ケールにて、荷重Ｐ＝150kg、荷重印加時間ｔ＝15秒に
て行った。この３点測定した平均値を第１表に示す。
ボチャージャロータ）に使用される金属軸（ジャーナル
軸）１として、下記第１表に示す試料（直径10mm×長さ
10mm）Ａ〜Ｈの組成の材料を使用して金属軸１を製造し
た。そして、真空中（10-5Torr程度）にて900℃に加熱
し、加熱終了後に窒素ガスを封入し、100℃まで30分
（平均冷却スピード27℃／分）で冷却した。冷却後、同
図に示すように、外周部から直径の1/4の位置にて、３
点における硬さを測定した。測定は、ロックウェルＣス
ケールにて、荷重Ｐ＝150kg、荷重印加時間ｔ＝15秒に
て行った。この３点測定した平均値を第１表に示す。
また、測定した硬さとCr量との関係を第３図に示し、
硬さとＣ量との関係を第４図に示す。
硬さとＣ量との関係を第４図に示す。
尚、上記試料Ａ〜Ｅが本実施例の組成の範囲の金属軸
１であり、試料Ｆ〜Ｈがその範囲外の比較例である。
１であり、試料Ｆ〜Ｈがその範囲外の比較例である。
また、第１表の試料Ｃについて、加熱温度を1050℃と
し、他は上記と同じ条件にて熱処理した。その結果を同
じく第１表に記す。
し、他は上記と同じ条件にて熱処理した。その結果を同
じく第１表に記す。
この第１表から明らかなように、本実施例の金属軸１
の試料Ａ〜Ｅの硬さは、HRC40〜50の範囲内で好適な硬
さである。それに対して、比較例の金属軸１の試料F,G
の硬さはHRC40未満なので、柔らか過ぎて耐摩耗性に劣
り、また、試料Ｈの硬さはHRC50以上なので、硬すぎて
加工性に劣るという問題がある。
の試料Ａ〜Ｅの硬さは、HRC40〜50の範囲内で好適な硬
さである。それに対して、比較例の金属軸１の試料F,G
の硬さはHRC40未満なので、柔らか過ぎて耐摩耗性に劣
り、また、試料Ｈの硬さはHRC50以上なので、硬すぎて
加工性に劣るという問題がある。
次に、上記第１表の試料A,C,Hと同様な材料を用いて
金属軸１を成形し、この加熱処理する前の金属軸１を用
いて第５図に示すタービンロータ２を各20本試作した。
このタービンロータ２について以下説明する。
金属軸１を成形し、この加熱処理する前の金属軸１を用
いて第５図に示すタービンロータ２を各20本試作した。
このタービンロータ２について以下説明する。
第５図において、タービンロータ２は、セラミックス
製（ガス圧焼結窒化珪素）のタービンホイール３と、金
属軸（ジャーナル軸）１とが、ろう材（Ag−Cu−Ti系）
５及び緩衡層（Ni板及びＷ合金板）６からなる接合層７
を介して接合されている。また、この接合層７の外周に
は、インコロイ903からなる金属スリーブ８が、タービ
ンホイール３の軸９から金属軸１にまたがって外嵌接合
されている。この金属スリーブ８は、軸受部を潤滑する
潤滑油が翼側へ漏出するのを防止するシールリング設置
用のものである。
製（ガス圧焼結窒化珪素）のタービンホイール３と、金
属軸（ジャーナル軸）１とが、ろう材（Ag−Cu−Ti系）
５及び緩衡層（Ni板及びＷ合金板）６からなる接合層７
を介して接合されている。また、この接合層７の外周に
は、インコロイ903からなる金属スリーブ８が、タービ
ンホイール３の軸９から金属軸１にまたがって外嵌接合
されている。この金属スリーブ８は、軸受部を潤滑する
潤滑油が翼側へ漏出するのを防止するシールリング設置
用のものである。
上記タービンロータ２の接合組付けを行うには、第６
図に示す様に、タービンホイール３の軸９に対して、接
合層７である、ろう材5,Ni板10,ろう材5,W合金板11,ろ
う材5,Ni板10,ろう材５を順次重ね合わせ、治具（図示
省略）等を用いて仮止めする。
図に示す様に、タービンホイール３の軸９に対して、接
合層７である、ろう材5,Ni板10,ろう材5,W合金板11,ろ
う材5,Ni板10,ろう材５を順次重ね合わせ、治具（図示
省略）等を用いて仮止めする。
この状態で、加熱接合する。接合条件は、真空中（10
-5Torr程度）にて、900℃に加熱する。その後、上述し
た金属軸１の製造の際に行われる冷却と同様な方法で空
冷する。
-5Torr程度）にて、900℃に加熱する。その後、上述し
た金属軸１の製造の際に行われる冷却と同様な方法で空
冷する。
この様に、ろう付け接合の際の加熱及びその後の冷却
によって、金属軸１の焼き入れが行われる。
によって、金属軸１の焼き入れが行われる。
そして、上記工程によって製造されたタービンロータ
２の加工性及び摺動性について観察及び測定を行った。
２の加工性及び摺動性について観察及び測定を行った。
その結果、加工性に関しては、NC旋盤にて上記試料A,
C,Hの加工性を比較すると、試料Ａ及びＣは20本連続し
て所定の寸法に仕上げることが可能であったが、試料Ｈ
は12本でバイトの消耗が激しく、所定の寸法に仕上げる
にはバイトを交換するか研ぎ直す必要があった。量産品
においては、加工時のバイトの交換頻度は少ない方がい
いので、加工性に関しては本実施例の試料Ａ及びＣが優
れていることが判った。
C,Hの加工性を比較すると、試料Ａ及びＣは20本連続し
て所定の寸法に仕上げることが可能であったが、試料Ｈ
は12本でバイトの消耗が激しく、所定の寸法に仕上げる
にはバイトを交換するか研ぎ直す必要があった。量産品
においては、加工時のバイトの交換頻度は少ない方がい
いので、加工性に関しては本実施例の試料Ａ及びＣが優
れていることが判った。
更に、試料Ａ及びＣを使用したタービンロータ２の完
成品各１本を、エンジンに取り付けて耐久試験を行い、
金属軸１の摩耗量について測定した。
成品各１本を、エンジンに取り付けて耐久試験を行い、
金属軸１の摩耗量について測定した。
エンジンの耐久条件は、排ガス温度850℃，タービン
回転数12万rpm,油温80℃，耐久時間100時間にて行っ
た。
回転数12万rpm,油温80℃，耐久時間100時間にて行っ
た。
その結果、本実施例の試料Ａ及びＣともに、タービン
側のジャーナルベアリングと接触する部分に摩耗認めら
れたが、その摩耗は試料Ａが最大３μm,試料Ｃが最大２
μｍであり、何れも実用上問題がないことが判った。
側のジャーナルベアリングと接触する部分に摩耗認めら
れたが、その摩耗は試料Ａが最大３μm,試料Ｃが最大２
μｍであり、何れも実用上問題がないことが判った。
この様に、本実施例のタービンロータ２の金属軸１
は、ろう付けとともに表面の硬化処理を行うことがで
き、更に硬化処理を行った金属軸１は、その加工性及び
耐摩耗性に優れているという顕著な効果を奏する。
は、ろう付けとともに表面の硬化処理を行うことがで
き、更に硬化処理を行った金属軸１は、その加工性及び
耐摩耗性に優れているという顕著な効果を奏する。
第１図は本発明の組成の範囲を示す説明図、第２図は本
実施例の金属軸の斜視図、第３図はCr量と金属軸の硬さ
との関係を示すグラフ、第４図はＣ量と金属軸の硬さと
の関係を示すグラフ、第５図は本発明の実施例によるタ
ーボチャージャロータの一部破断図、第６図は同実施例
のターボチャージャロータの接合工程を示す説明図であ
る。 １……金属軸（ジャーナル軸） ２……タービンロータ（ターボチャージャロータ） ３……タービンホイール ５……ろう材 ６……緩衝層 ７……接合層
実施例の金属軸の斜視図、第３図はCr量と金属軸の硬さ
との関係を示すグラフ、第４図はＣ量と金属軸の硬さと
の関係を示すグラフ、第５図は本発明の実施例によるタ
ーボチャージャロータの一部破断図、第６図は同実施例
のターボチャージャロータの接合工程を示す説明図であ
る。 １……金属軸（ジャーナル軸） ２……タービンロータ（ターボチャージャロータ） ３……タービンホイール ５……ろう材 ６……緩衝層 ７……接合層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 38/58 Ｃ２２Ｃ 38/58
Claims (1)
- 【請求項１】セラミックス製タービンホイールと金属軸
とが、ろう付けにより一体に接合されたタービンロータ
において、 上記金属軸が下記組成、すなわち、 C:0.18〜0.3重量％、 Cr:1.2〜５重量％、 MnとNiとMoとの合計:2.0〜5.0重量％、 Si,Cu,S又はＰを含む不純物:0.5重量％以下、 残部:Fe、 からなることを特徴とするタービンロータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1224873A JP2529407B2 (ja) | 1989-08-31 | 1989-08-31 | タ―ビンロ―タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1224873A JP2529407B2 (ja) | 1989-08-31 | 1989-08-31 | タ―ビンロ―タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0388784A JPH0388784A (ja) | 1991-04-15 |
| JP2529407B2 true JP2529407B2 (ja) | 1996-08-28 |
Family
ID=16820509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1224873A Expired - Lifetime JP2529407B2 (ja) | 1989-08-31 | 1989-08-31 | タ―ビンロ―タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2529407B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4538878B2 (ja) * | 2000-01-19 | 2010-09-08 | 大同特殊鋼株式会社 | 鋼材とチタン材との接合方法 |
-
1989
- 1989-08-31 JP JP1224873A patent/JP2529407B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0388784A (ja) | 1991-04-15 |
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