JP4304190B2

JP4304190B2 - タービンホイールとロータシャフトの接合方法

Info

Publication number: JP4304190B2
Application number: JP2006057288A
Authority: JP
Inventors: 利光鉄井; 克洋桑原
Original assignee: 精密工業株式会社
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007229792A

Description

本発明は、車両用内燃機関のターボチャージャに用いられるタービンロータにおいて、タービンホイールとロータシャフトをろう付けによって接合する方法に関する。

近年、タービンホイールの耐熱性を改善し、軽量化によるエンジン応答性を向上させるために、タービンホイールの材料としてＴｉＡｌ系合金が用いられている。
このタービンホイールは、図３中、符号(2)で示され、複数の渦巻き状羽根(21)とボス(22)を有し、該ボス(22)に対して、ロータシャフト(3)の端面が摩擦接合やろう付け(4)によって接合されることにより、タービンロータ(1)が製造される。

ロータシャフトは、一般的に、構造用鋼から作られており、所定の機械的性質(強度、靱性等)を得るために、ろう付け前に、シャフト全体の硬度がビッカース硬度約Ｈｖ３００〜Ｈｖ４５０となるように調質熱処理が施された後、機械加工によって所定寸法に加工される。接合後は、シャフトの耐摩耗性を確保するために、所望により、高周波焼入れによってシャフト表面だけを硬化させ、さらに研磨工程を経て最終製品とされる。
タービンホイールとロータシャフトの接合をろう付けで行なう場合、接合部の高温強度を確保するために、ろう材には、ニッケルろうが好適に用いられる。

このろう付け接合法として、タービンホイールとロータシャフトの接合部近傍を高周波誘導加熱によって加熱し、接合部に配置したろう材を溶融させる方法が知られている（特許文献１）。

特開平１０−１１８７６４号公報

特許文献１によるタービンホイールとロータシャフトのろう付け接合方法について、図４を参照して説明する。
この方法は、タービンホイール(2)とロータシャフト(3)の接合部の近傍を、高周波コイル(5)によって誘導加熱し、接合部に装填されたろう材(41)を溶融させるものである。
しかし、タービンホイール(2)のボス(22)の高さは数ｍｍ程度しかなく、また、タービンホイール(2)の羽根(21)の部分はボス(22)よりもはるかに大径であるから、高周波コイル(5)は、接合部よりロータシャフト側に配置せざるを得ない。
従って、特許文献１の高周波加熱法の場合、接合部の近傍だけを局部的に集中して加熱することは困難であり、実際は、ロータシャフト(3)を加熱して、ロータシャフト(3)からの熱伝導によってろう材(41)を溶融させている。
この特許文献１の方法は、次の不都合がある。

まず第１に、ロータシャフトの質量はタービンホイールに比べてはるかに小さいので、ロータシャフトからタービンホイールへの熱伝達に時間がかかり、加熱効率が悪いことである。

第２に、ろう材として、ニッケルろうを用いる場合、その液相線温度は約１０００℃の近傍又はそれより高温であるから、ろう付けは、約１０００℃以上の温度で行われる。このため、シャフトは、少なくともこの接合温度以上に加熱される必要があり、ロータシャフト材のオーステナイト化温度よりも高い温度に比較的長い時間曝される結果、シャフトの軟化が起こり、シャフトの強度が低下する。シャフトの強度を回復させるには、シャフト全体を再度熱処理せねばならない。

それゆえ、特許文献１の方法では、ろう付け時に低下するシャフトの強度を回復させるために、ろう付け後直ちに、シャフトの全体(表面だけでなく内部を含む)に高周波焼入れを実施している(特許文献１、段落００１０)。この工程は、接合に関しては本質的に無関係な余分の工程であり、コストアップに繋がるため、好ましくない。
また、高周波焼入れの場合は、表面だけを硬化させるときの熱処理変形はさほど大きくないが、シャフト全体に焼入れを実施すると、焼入れ後の変形が非常に大きくなる。このため、後の研削及び研磨工程での加工時間が長くなり、製造コストがさらに高くなる。

なお、高周波加熱の場合、高周波の集中形態が形状に依存するため、高周波は、先端部分や肉薄部に集中する傾向がある。しかし、タービンホイールを加熱して接合部を約１０００℃以上の温度まで昇温しようとすると、渦巻き状羽根の部分が局部的に著しく過熱され、タービンホイールの品質低下、ひいては溶融を招く。それゆえ、高周波によってタービンホイール側を加熱することは事実上不可能である。

本発明の目的は、ＴｉＡｌ系合金からなるタービンホイールと、構造用鋼からなるロータシャフトとを、ニッケルろう材を用いてろう付け接合する方法において、ロータシャフトの軟化を可及的に抑制することにより、ろう付け後に強度回復のための熱処理を必要としない方法を提供することである。

本発明は、ＴｉＡｌ系合金からなるタービンホイールと、構造用鋼からなるロータシャフトとの間に、ニッケルろうからなるろう材を配置し、ろう材を液相線以上の温度に加熱して溶融させることにより、タービンホイールとロータシャフトとを接合する方法において、ロータシャフトの酸化を防止するために、タービンホイールとロータシャフトを不活性ガスで置換した透明な石英管内に入れ、ゴールドイメージ炉を用いて、タービンホイールに赤外線を照射し、ロータシャフトの軟化を防止するために、タービンホイールだけをろう材の液相線以上の温度に赤外線加熱することにより、タービンホイールからの熱伝導によって、接合部に配置したろう材を溶融させて、タービンホイールとロータシャフトを接合することを特徴としている。

本発明は、質量の大きなタービンホイールの側から、質量の小さなロータシャフトへの熱伝導によってろう材を溶融させることから、接合部への伝熱効率が高く、ろう材が所定温度に達するまでの時間は短くてすむ。また、ロータシャフトの温度は接合部の温度よりも必ず低いことから、ロータシャフトの過昇温が防止され、ロータシャフト内部の軟化を可及的に抑制することができる。それゆえ、ろう付け後のロータシャフトは、耐摩耗性を確保するために表面部だけを焼入れして硬化すれば足り、強度回復のために、内部を含むシャフトの全体について熱処理を行なう必要はない。
また、本発明は、赤外線加熱であるから、高周波加熱のように先端部や薄肉部が局部的に加熱されることはなく、タービンホイールのように複雑な形状であっても、全体が均等に加熱される。

本発明は、ＴｉＡｌ系合金からなるタービンホイールと、構造用鋼からなるロータシャフトとを、ニッケルろう材によるろう付けによって接合するものである。

図３に示す如く、タービンホイール(2)は、渦巻き状の羽根(21)が周方向に間隔をあけて配設されたもので、軸芯には、ロータシャフトと接合するためのボス(22)が突設されている。ボス(22)は、短い円柱状で、ロータシャフトと略同じ外径を有している。
タービンホイール(2)は、ＴｉＡｌ系合金からなり、例えば精密鋳造によって作製される。
ＴｉＡｌ系合金は、Ｔｉを主たる構成元素とする合金であり、例えば、重量％にて、Ａｌ：２８〜３３％を含有し、残部Ｔｉ及び不可避の不純物からなる合金を例示することができる。このＴｉＡｌ系合金は、所望により、Ｎｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ又はＴａの少なくとも一種を添加元素として含有することができる。

ロータシャフト(3)は丸棒状であり、シャフト用材料として一般的に用いられる構造用鋼から作製される。
構造用鋼は、ＪＩＳに規定された構造用炭素鋼又は構造用合金鋼に含まれる鋼材であって、通常の調質熱処理を施すことにより、ビッカース硬度Ｈｖ約３００以上、より好ましくはＨｖ約３５０以上の硬度を得られるものが好適に用いられる。
この種の材料として、ＳＣ、ＳＮＣ、ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣＭ等を例示することができる。

ろう材は、ＪＩＳに規定されたＢＮｉシリーズの各種ニッケルろう材が用いられる。これらのろう材は、高い高温強度を具えており、液相線温度が約１０００℃前後又はそれよりも高温である。

図２は、タービンホイール(2)とロータシャフト(3)のろう付け部の構造、及び、ろう材(41)を示している。
タービンホイール(2)とロータシャフト(3)の接合界面が平面であると、両者を正確に位置決めすることが困難であり、偏心したままで接合され易い。このため、図示の如く、タービンホイール(2)のボス(22)側にその輪郭と同心円状の凸部(23)を設け、ロータシャフト(3)側にその輪郭と同心円状の凹部(31)を形成し、凸部(23)と凹部(31)が嵌合するようになし、その間に、リング状のろう材(41)を配する構成とすることが好ましい。ろう材(41)は、凸部(23)の外径よりも僅かに大きい内径を有することが好ましい。なお、凸部をロータシャフト側に設け、凹部をタービンホイール側に形成することもできる。

次に、図１を参照して、本発明のろう付け方法を説明する。
図１中、(6)は、タービンホイール(2)の赤外線加熱に用いられるゴールドイメージ炉である。タービンホイール(2)とロータシャフト(3)の間にはろう材(41)が配備されており、ロータシャフト(3)の端部が支持台(7)に載置され、タービンホイール(2)がゴールドイメージ炉(6)の加熱チャンバーへ装入される。
使用したゴールドイメージ炉(6)の加熱チャンバーには、金メッキされた放物反射面(61)が複数配備され、該反射面の夫々の焦点位置に、直管型赤外線ランプ(62)が加熱源として配置されており、赤外線ランプ(62)から放射された赤外線光は、放物反射面(61)で反射し、前記放物反射面の他方の焦点に集光する。この他方の焦点位置にタービンホイール(2)が配置されているので、タービンホイール(2)だけが効率良く加熱される。
ろう付け加熱温度は、ろう材の液相線温度以上であり、使用するニッケルろう材の種類に応じて、約１０００℃前後又は約１０００℃以上の適宜温度が選定される。

なお、ろう付け工程では、ろう材と被接合材との間で未接合部が生じないように、タービンホイール(2)の上方から、約２〜８ＭＰａ程度の荷重Ｐを付加して、ろう材と被接合材との密着性を向上させることが好ましい。
また、酸化防止のために、タービンホイール(2)とロータシャフト(3)を、Ａｒ等の不活性ガスで置換した透明な石英管の中に入れ、タービンホイール(2)に対して、石英管の外部から赤外線を照射することが好ましい。なお、赤外線は石英管を透過するので、石英管を設置しても、加熱の妨げにはならない。

図２に示すように、タービンホイール(2)とロータシャフト(3)の間にろう材(41)を配置し、図１に示す如く、ゴールドイメージ炉の中でタービンホイール(2)を赤外線加熱した発明例と、図４に示す如く、ロータシャフト(3)を高周波加熱した特許文献１の比較例について、ろう付け接合後のロータシャフトの硬度を夫々測定した。

タービンホイール(2)は、重量％にて、Ｃ：０.０７％、Ｎｂ：１４％、Ａｌ：３０％、残部Ｔｉ及び不可避の不純物からなるＴｉＡｌ系合金を精密鋳造することにより得た。羽根(21)の部分は外径５２ｍｍ、ボス(22)は高さ２ｍｍ、外径１５ｍｍ、凸部(23)は高さ３ｍｍ、外径３ｍｍである。
ロータシャフト(3)は、重量％にて、Ｃ：０.３５％、Ｓｉ：０.２％、Ｍｎ：０.７％、Ｃｒ：１％、Ｍｏ：０.２％、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる構造用鋼(ＳＣＭ４３５相当材)であり、外径１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、凹部(31)は、内径３.１ｍｍ、深さ３.５ｍｍである。
ろう材(41)は、外径１５.５ｍｍ、内径３.５ｍｍ、厚さ０.０４ｍｍのリング状で、ＢＮｉ２(ＪＩＳ規格)に規定されるニッケルろうを使用した。このろう材の液相線温度は、１０２４℃である。

発明例について、ゴールドイメージ炉での赤外線加熱によるろう付けは次の要領にて行なった。
タービンホイールとロータシャフトは、酸化防止のために、Ａｒガスで置換した石英管の中に入れ、石英管外部からタービンホイールのみを局部的に加熱した。
加熱は出力４.８ＫＷで行なった。約２分で１０５０℃に到達し、その状態で３０秒間保持した後、電源を切り、冷却を行なった。ろう付けによる接合状態は良好であった。

特許文献１の比較例について、高周波加熱によるろう付けは次の要領にて行なった。
発明例の場合と同様、酸化防止のために、タービンホイールとロータシャフトの周囲を石英管で覆い、石英管の内部をＡｒガスで置換した。石英管の外側に高周波コイルを配備し、該高周波コイルを出力２０ＫＷで加熱し、約２分３０秒で１０５０℃に到達した。その状態で３０秒間保持した後、電源を切り、冷却を行なった。ろう付けによる接合状態は良好であった。

ろう付け後のロータシャフトについて、表１に示す各部位を切断し、半径方向の位置において、表面部(表面から軸心方向に向けて約０.２ｍｍの位置)と、中間部(表面と軸心の中間位置)と、軸心部とを、ビッカース硬度計にて夫々３箇所ずつ測定した。表１には、３箇所の測定結果の平均値を記載している。
なお、ロータシャフトのろう付け前の硬度測定結果は、表面部がＨｖ３７６.３、中間部がＨｖ３７４.６、軸心部がＨｖ３７６.８であった。

表１に記載した軸心部の硬度測定結果をプロットしたものを図５に示す。発明例は、軸心部の硬度が約Ｈｖ３００以上あり、ロータシャフトとして必要の強度を確保できるのに対し、比較例では、接合部から約４０ｍｍまでの部分(図５より推定)の硬度が約Ｈｖ３００よりも小さく、所定の強度を回復させるために、シャフト全体の熱処理が必要となる。

本発明の方法は、車両用内燃機関のターボチャージャに用いられるタービンロータの製造工程において、タービンホイールとロータシャフトのろう付け接合に使用することができる。

赤外線加熱による本発明の接合方法の概要を説明する図である。タービンホイールとロータシャフトのろう付け接合部の一実施例を説明する図である。ロータシャフトとロータシャフトが接合されたタービンロータの概略図である。高周波加熱による従来の接合方法の概要を説明する図である。ろう付け接合後におけるロータシャフトの軸心部の硬度分布を示すグラフである。

符号の説明

(2) タービンホイール
(3) ロータシャフト
(6) ゴールドイメージ炉
(41) ろう材

Claims

ＴｉＡｌ系合金からなるタービンホイールと、構造用鋼からなるロータシャフトとの間に、ニッケルろうからなるろう材を配置し、ろう材を液相線以上の温度に加熱して溶融させることにより、タービンホイールとロータシャフトとを接合する方法において、ロータシャフトの酸化を防止するために、タービンホイールとロータシャフトを不活性ガスで置換した透明な石英管内に入れ、ゴールドイメージ炉を用いて、タービンホイールに赤外線を照射し、ロータシャフトの軟化を防止するために、タービンホイールだけをろう材の液相線以上の温度に赤外線加熱することにより、タービンホイールからの熱伝導によって、接合部に配置したろう材を溶融させることを特徴とする、タービンホイールとロータシャフトの接合方法。