JPH04167995A - 金属回転体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複数の金属を接合して形成された回転体に関
し、ターボチャージャやガスタービンの回転体に用いて
好適な技術である。

［従来の技術］ 従来技術の一例として、排気ガスエネルギーを用いてエ
ンジンの出力を向上させるターボチャージャを用いて説
明する。

ターボチャージャには、応答性を良くするために、ター
ビン別車をセラミックで形成したものがある。このセラ
ミック製のタービン別車を支持する回転軸は、セラミッ
ク製のタービン別車を強固に保持する金属と、軸受けに
よって保持される金属とを溶接によって接合したもので
ある。

［発明が解決しようとする課題］ 溶接によって接合された部分は、溶接時に受けた熱によ
って、マルテンサイト等の熱影響組織が形成されている
。このため、溶接によって接合された金属回転体を、タ
ーボチャージャの部品として組み込み使用すると、使用
時に発生する熱を溶接部が受け、溶接部に組織変態で体
積変化が生じたり、残留応力や熱歪が解放されたりする
。すると、溶接部が変形する。溶接部が変形すると、金
属回転体に固定されたタービン別車やコンプレッサ別車
など回転体のバランスが崩れ、アンバランスが増大して
しまう。回転体のアンバランスが増大すると、回転体が
回転中に振動して滑らかな回転を妨げたり、異音を発生
するなどの問題点につながる。

本発明の目的は、複数の金属体を溶接によって接合した
回転体が、使用時に高い温度に晒されても、溶接部が変
形することのない金属回転体の製造方法の提供にある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の金属回転体の製
造方法は、次の各工程の結合を採用する。

金属回転体の製造方法は、複数の金属を溶接によって接
合する第１工程と、溶接部を使用時に受ける温度以上の
高い温度に晒す第２工程との結合よりなる。

［作用］ 溶接部を使用時に受ける温度以上の高い温度に晒すこと
により、溶接時に発生した溶接部の組織変態により体積
変化を生じる。この結果、回転体は、使用温度内におい
て、再び体積変化することがない。また、溶接部を使用
時に受ける温度以上の高い温度に晒すことにより、溶接
時に発生した溶接部の残留応力や熱歪が解放される。こ
の結果、回転体は、使用温度内において、再び残留応力
や熱歪が解放されることがない。

［発明の効果］ Ｌ記に示したように、溶接部が金属回転体の使用温度以
上の高い温度で熱処理されると、体積変化や残留応力、
熱歪などが放出され、使用温度内にて発生しうる溶接部
の変形が完了する。このため、熱処理を施した回転体を
、バランス取りを行うなど、回転体として適切な性能を
持たせ、使用することにより、溶接部が使用温度に晒さ
れても溶接部の変形が阻止される。

この結果、長期に亘って、金属回転体の初期性能を維持
することができる。

［実施例］ 次に、本発明の金属回転体を、ターボチャージャに適用
した一実施例に基づき、図面を用いて説明する。

（実施例の構成） 第１図はタービン肩車と回転軸の断面図、第２図はその
要部断面図、第３図はターボチャージャの断面図を示す
。

ターボチャージャ１は、主に、ハウジング２と、タービ
ン肩車３が接合された金属回転体４と、この金属回転体
４に固着されたコンプレッサ調車５と、金属回転体４を
ハウジング２内で回転自在に支持する支持構造６とから
構成される。

ハウジング２は、排気スクロールを形成するタービンケ
ース７と、支持構造６を収納する中間ケース８と、吸気
スクロールを形成するコンプレッサケース９とからなる
３つの分割体で、複数のボルト１０によって固１；され
ている。

タービン肩車３は、例えば窒化珪素を主体とするセラミ
ック製で、軸心の端部に金属回転体４と接合される凸部
１１を備える。

金属回転体４は、タービン側の端部にタービン肩車３の
凸部１１を嵌め込み、凸部１１と接合される凹部１２を
備えた金属製の軸体で、凸部１１の周囲が凹部１２の内
周に押し付けられることによって、凸部１１と凹部１２
とが接合されている。

この接合方法の一例として、本実施例では、凸部１１と
凹部１２とを、ろう材を介した焼嵌めろう付けによって
接合している。

また、金属回転体４は、凹部１２の金属と、支持構造６
によって支持されるジャーナル部１３の金属とを溶接に
よって接合した物である。具体的には、本実施例の凹部
１２は、インコロイ９０３製の筒体で、ジャーナル部１
３は、クロム・モリブデン綱あるいはニッケル・クロム
・モリブデン鋼製の棒状体で、凹部１２とジャーナル部
１３とが、電子ビーム溶接によって接合されている。

支持構造６は、２つのボールベアリング１４．１５を備
える。２つのボールベアリング１４．１５のインナーレ
ース１６．１７の間には、筒状のスリーブ１８が配され
ていており、２つのインナーレース１６．１７の１隔を
保っている。

コンプレッサ別車５は、例えばアルミニウム製で、イン
ナーオイルシール１９を介して金属回転体４に装着され
、金属回転体４の端部のオネジ部にナツト２０を締付け
ることにより、金属回転体４に固着されている。つまり
、ナツト２０を締付けることにより、ナツト２０と凹部
１２との間に、２つのインナーレース１６．１７、スリ
ーブ１８、インナーオイルシール１９、コンプレッサ別
車５が挾まれ、ナツト２０の締付はトルクによってコン
プレッサ別車５が金属回転体４に固着される。なお、イ
ンナーオイルシール１９は、外周に取り付けられたアウ
ターオイルシール２１と対を成すもので、潤滑油がコン
プレッサケース９内に流出するのを防ぐものである。

次に、金属回転体４の製造方法を説明する。

まず、セラミック製のタービン別車３と凹部１２との接
合を行う。この接合は、上述したように、焼嵌めろう付
けによって接合される。焼嵌めろう付けの一例を示す。

まず、凹部１２にＣｕ鍍金を行なう。次いで、凸部１１
と凹部１２との間に銀ろうを配して、凸部１１と凹部１
２とを嵌め合わせ、９００℃まで加熱し、２時間かけて
除冷する。すると、凸部１１と凹部１２との間にろう材
が介在した状態で、凸部１１が凹部１２に締め付けられ
、結果的に凸部１１と凹部１２とが固着される。

次いで、タービン別車３が接合された凹部１２を、ジャ
ーナル部１３に組み付け、四部１２とジャーナル部１３
との合せ面を、電子ビームによって溶接する。

この結果、凹部１２とジャーナル部１３とが溶接部２２
によって接合される。なお、溶接時に溶接部２２の周囲
の符号２３内にく第２図参照）、溶接の熱影響を受ける
組織が生じる。

次に、凹部１２とジャーナル部１３との溶接部２２に熱
処理を行う。この熱処理は、溶接部２２がターボチャー
ジャ１に組み付けられて、使用された際、溶接部２２が
受ける温度（例えば３００℃）以上で、かつ溶接部２２
が受ける温度に２００℃加えた温度（例えば５００℃）
を越えない範囲の温度（３００〜５００°Ｃ）に加熱す
る処理で、本実施例では加熱後に自然冷却している。

冷却後、回転バランスを取り、タービン別車３を備えた
金属回転体４が完成する。

（試験および試験結果） 次に、溶接部２２に種々の熱処理を行って、溶接部２２
の変形による金属回転体４の振れ変化量、回転バランス
の変化、およびタービン別車３と凹部１２との接合強度
を調べ、そのテスト結果を第４図ないし第６図に示す。

第４図の実線Ａは、加熱処理温度と溶接部２２の変形と
の関係を調べたもので、本実験では、耐久試験を行った
後に、金属回転体４の振れ量を測定したものである。具
体的には、まず、各テスト品をターボチャージャ１に組
み付け、５分間エンジンのアイドリング運転を行い、次
の５分間エンジンに５０％の負荷を与えてエンジン回転
速度を２５０゜ｒｐｍの運転を行い、その後５分間エン
ジンに１００％の負荷を与えてエンジン回転速度を６０
００叩醜（ターボ回転Ｈａｘ１５０．　ＯＯＯｒｐｍ）
の運転を行うサイクル運転を、５時間連続して行う耐久
試験を行う。

そして、インナーレース１６に当接する部分の軸の振れ
量を測定したものである８ 第５図の実線Ｂと実線Ｃは、加熱処理温度とタービン別
車３のアンバランスの変化量との関係を調べたもので、
上述の耐久試験を行った後、試験によって生じたアンバ
ランス量を計測した。なお、バランスを取った箇所は、
第１図の矢印Ｂｉ　　（頭部）と矢印ＣＩ　　（背板）
で、試験前にタービン別車３と金属回転体４との接合体
と回転させて、頭部および背板を削って回転バランスを
取り、耐久試験を行った後に回転バランスを取ったもの
である。

第６図の実線りは、加熱処理温度と曲げ強度との関係を
調べたもので、曲げ強度は、金属回転体４を水平方向に
固定し、タービン別車３の頭部に、鉛直方向に荷重を加
え、タービン別車３の凸部１１と凹部１２との接合箇所
が破損した時の荷重を測定したものである。

（実施例の効果） 第４図の実験結果が示すように、溶接部２２が使用時に
受ける温度よりも低い温度で熱処理されたものは、使用
時に受ける温度によって体積変化や残留応力、熱歪など
が放出され、溶接部２２が変化する。このため、金属回
転体４に振れが生じ、結果的に第５図に示すようにアン
バランス量が大きくなる。しかるに、溶接部２２が使用
時に受ける温度以上の高い温度で熱処理されると、熱処
理時に体積変化や残留応力、熱歪などが放出され、使用
温度内にて発生しうる溶接部２２の変形が完了する。

そして、熱処理を施した後に回転バランス取り、ターボ
チャージャ１に組み付けて使用することにより、溶接部
２２が使用温度に晒されても溶接部２２の変形が阻止さ
れ、アンバランス量を抑えることができる。

この結果、長期に亘って金属回転体４の初期性能を維持
することができ、ターボチャージャ１の初期性能を長期
に亘って維持することができる。

また、溶接部２２が使用時に受ける温度に２００　’Ｃ
加えた温度よりも高い温度で熱処理されたものは、第６
図に示すように、セラミック（凸部１１）と金属（凹部
１２）との曲げ強度、つまり接合強度が低下する。この
ため、第５図に示すように、タービン別車３のアンバラ
ンス量が大きくなる。しかるに、加熱処理温度を、使用
時に受ける温度より２００℃高い温度以下にすることに
より、セラミック（凸部１１）と金属（凹部１２）との
接合強度を高く維持できる。つまり、本実施例では、加
熱処理温度を、使用時に受ける温度より２００°Ｃ高い
温度以下にすることにより、凸部１１と凹部１２との接
合強度が高く維持されて、結果的にアンバランス変化量
を抑えることができる。

（変形例） 接合例の一例として、凸部と四部とを焼嵌めろう付けに
よって接合した例を示したが、焼嵌め一冷嵌め、圧入な
と、他の接合手段を用いても良い。

複数の金属（凹部とジャーナル部）を、ビーム溶接によ
って接合した例を示したが、レーザ溶接など、他の溶接
技術によって接合しても良い。

ボールベアリングによって金属回転体を支持した例を示
したが、ローラベアリングなど他の転がりベアリングに
よって金属回転体を支持したり、滑りベアリングによっ
て金属回転体を支持させても良い。

本発明をターボチャージャに適用した例を示したが、ガ
スタービンなど、セラミックの回転体と金属の金属回転
体を備える他の機器に適用できるものである。

上記実施例に示した材質や数値は、説明のために用いた
ものであって、適宜変更可能なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービン別車と金属回転体の断面図、第２図は
第１図の要部断面図、第３図はターボチャージャの断面
図、第４図ないし第６図は実験結果のグラフである。 図中　４・・・金属回転体 １２・・・凹部 １３・・ジャーナル部 第３図 １４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）次の各工程の結合よりなる、使用時に高い温度に晒
   される金属回転体の製造方法。 複数の金属を溶接によって接合する第１工程。 溶接部を、使用時に受ける温度以上の高い温度に晒す第
   ２工程。