JP2554491B2 - セラミック回転体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、セラミックよりなる内円柱に同じくセラ
ミックよりなる外円筒を嵌合してなる回転体例えばター
ボチャージャーもしくはガスタービン等に使用されるセ
ラミック製回転翼の製造方法に関する。

（従来の技術） 従来セラミック回転体例えばターボチャージャーもし
くは、ガスタービン等に使用されるセラミック製の回転
翼は、スリップキャスティング法、射出成形法、プレス
成形法又は、冷間静水圧加圧法により製造されるもので
あるが、材料強度、寸法精度等の理由から、多くは射出
成形法によってなされている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来のものにおいて、射出成形法
を利用したセラミック製回転翼の製造方法は、複雑な形
状を有し、かつ、大量に生産される、上記回転翼等の製
造においては有利ではあるが、実際、製造工程で必要と
される成形、脱脂等において、長時間加熱することによ
り成形品における発泡や割れ、変形等の現象が発生しや
すく、製造可能となるセラミック焼結体の形状や肉厚に
著しい制限が生じるものである。そのため、特公昭54−
9516号又は特公昭55−23097号のように脱脂工程におい
て、肉厚部品であっても脱脂が容易であるような射出成
形用セラミック組成物についての提案もしくは、脱脂工
程において１気圧より高い高圧ガス下で加熱するもの
（特公昭57−17468号）があるが、脱脂可能な肉厚にお
いてはその厚みに限界があり、さらに、回転翼の翼部を
脱脂可能な肉厚で射出成形し、かつ、ボス部を脱脂が容
易な冷間静水圧加圧により形成し、両者を組合わせた
後、静水圧加圧により成形体、脱脂体を嵌合させた後、
焼結してなるもの（特公昭60−11276号）も提案されて
いるが、嵌合体の翼部とボス部の焼結挙動の差から焼成
時において翼部に引張力が生じ、焼成後もその部位に残
留して、回転体として不適当な残留応力を保持すること
となる。一方、仮に残留応力のない焼結体であっても、
回転時の遠心応力値が材料の引張強度値により制限さ
れ、製品の自由度が著しく限定される欠点がある。そこ
で、この発明は、上記従来のもののもつ欠点を改善する
ものであり、セラミック回転体の設計や製造における自
由度を拡大して破壊回転数を増大させようとするもので
ある。

（問題点を解決するための手段） そのために、セラミック回転体の製造において、外円
筒と内円柱（軸部）を各々別体に成形し、外円筒を内円
柱に嵌合した後、内円柱（軸部）の焼成収縮量を外円筒
のそれより0.1〜３％大きく設定した上、焼成して回転
時、遠心応力の働く外円筒に圧縮応力が働くようにして
なる製造方法であり、特に内円柱は気孔が多く焼成収縮
が大きくなることが条件となるものである。

（作用） 以上の構成を具えるので、回転体の外円筒は内円柱と
反対に気孔を少なくした上、焼成収縮が小さいことが必
要であり、成形圧力の高いことが必要となる。そこで、
例えばタービンロータの成形においては、外円筒すなわ
ち翼部は射出成形によらなければならないが、好ましく
は成形後脱脂して静水圧加圧により高密度とすることが
好ましいものである。

上記焼成に当り内円柱と外円筒の焼成収縮率の差は、
0.1％より少ないとこの差による外円筒に圧縮応力が働
かないものであり、３％より大きいと内円柱と外円筒の
嵌合境界面に焼成時間隙が生じ、剥離することとなるも
のであり、上記範囲内で焼成することにより遠心力の小
さい内円柱には引張応力が働き、一方、遠心力の大きく
かかる外円筒には圧縮応力がかかるものである。それ
は、焼成中、焼成収縮の大きい生成形体と焼成収縮の小
さい生成形体を合体して焼成すると、焼成収縮の小さい
方には焼成中に焼成収縮の大きい方から引張力が作用
し、収縮応力がかかるからである。このようにして、内
円柱と外円筒を組合わせることにより、強度の大きい回
転体が得られるものである。

（実施例） この発明の回転体を第２図以下に示す実施例により更
に説明する。なお、第１図は回転体の概略示す。（１）
は、セラミック回転体の１例として挙げるターボチャー
ジャーロータ、ガスタービンロータ等に使用されるセラ
ミック製回転翼であり、この回転翼（１）は破壊回転時
において、その最大遠心応力が生じる部位（８）に、内
方へ向って圧縮応力を存する翼部（２）とその翼部
（２）の中央に嵌合し、一体化するボス部（３）からな
るものである。まず、別体となる翼部（２）は、平均粒
径0.5μｍの窒化硅素粉末に、燒結助材となるアルミ
ナ、イットリアを各々５％ずつ添加し、材料粉末とした
上、さらに射出成形用バインダー20％を加熱混練し射出
成形用材料素地を作成する。この射出成形用材料素地を
射出成形により外周を翼の形状に成形し、脱脂し、中央
に円錐孔（４）を具えるセラミック回転体の外円筒であ
る翼部（２）を構成する。また、平均粒径0.5μｍの窒
化硅素粉末に、アルミナ、イットリアを各々５％を添加
したものをゴムチューブに充填した後、冷間静水圧加圧
して丸棒を成形し、切削加工を施して、上記翼部（２）
の円錐孔（４）に嵌合する回転体の内円柱であるボス部
（３）を成形する。このとき、冷間静水圧加圧を変化さ
せることにより、翼部（２）と密度の異なるボス部
（３）を形成する。第１実施例としてボス部（３）成形
のとき静水圧加圧500Kg/cmにて加圧成形してなるボス部
（３）と翼部（２）の中空部（４）とを嵌合した上、表
面をラテックスゴムにてコーティングした後、5ton/cm
の静水圧加圧にて一体に接合し、1700℃でN₂中にて燒結
することでセラミック製回転翼（１）を得る。このセラ
ミック製回転翼（１）は、燒結前後の密度差から換算す
ると翼部（２）とボス部（３）との間に圧縮応力が残存
しており、さらに、この回転翼（１）の最大遠心力点は
翼部（２）の翼（６）の下方の位置（８）（第２図）に
あり、翼部（２）とボス部（３）の嵌合面（５）の外方
近傍にあるものである。さらにこの回転翼（１）をバラ
ンス修正して真空中にて回転させたところ、22万rpmに
て破壊することが認められた。一方、対照実験として上
記同様の材料により静水圧加圧を700Kg/cm,1000Kg/cmと
してボス部（３）を構成し、燒結体の密度比から700Kg/
cmの場合において、残留応力が解消されたもの、1000Kg
/cmの場合に逆に引張応力を有しているものを得、これ
らを真空中において回転させたところ、その破壊回転数
は、20万rpm.と18万rpmであり、いずれも、この発明の
ものより低い成績となるものである。また、第２実施例
において、セラミック製回転翼（１）の翼部（２）を射
出成形し、第１実施例と同様の条件のもとで作成した燒
結体も、燒結体のボス部（３）においての燒結前後の密
度差や形状の保持状態から判断すると、翼部（２）に圧
縮応力が存しており、この第２実施例のセラミック回転
翼（１）の破壊回転数は20万rpmであることが確認され
た。

（発明の効果） 以上のとおり、破壊回転時において最大遠心応力の働
く部位に圧縮応力を残留させることで、回転体自体の破
壊回転数を著しく向上させることができ、特に高温、高
圧下での高回転を求められるターボチャージャーあるい
は、ガスタービンのローターの高速回転体の品質とその
性能を飛躍的に向上させる優れた効果をもつものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、この発明のセラミック回転体の概略を示し、第
２図はタービンロータの分解縦断面図、第３図は、同セ
ラミック製回転翼の斜視図である。 １……セラミック回転体（回転翼）.2……外円筒（翼
部）.3……内円筒（ボス部）.4……中空部.5……嵌合
面.6……翼．

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片野 靖 横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車 株式会社内 審査官 井上 雅博 (56)参考文献 特開 昭61−293518（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック回転体を製造するに当り、該回
   転体を同軸の内円柱と外円筒に分離し、内円柱の焼成収
   縮を外円筒の焼成収縮よりも大きくなるように成形し
   て、焼成前に上記内円柱に外円筒を嵌合した後、焼成す
   ることにより、回転時、遠心力のかかる外円筒に圧縮応
   力が働くように形成したことを特徴とするセラミック回
   転体の製造方法。
2. 【請求項２】内円柱と外円筒の焼成収縮の差が0.1〜0.3
   ％である特許請求の範囲第１項記載のセラミック回転体
   の製造方法。
3. 【請求項３】外円筒は、外周に複数の回転翼を有するラ
   ジアル型タービンロータの翼部である特許請求の範囲第
   １項に記載のセラミック回転体の製造方法。