JPS60169601A - ラジアル型セラミツクタ−ビンロ−タ−およびその製造法 - 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】 本発明は、ラジアル型セラミックタービンローターおよ
びその製造法に関するものである。

窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等のシリコンセラミッ
クスは、金属よりも高温で安定で、酸化腐食やクリープ
変形を受けにくいのでエンジン部品として利用する研究
が活発に行われている。・とりわけ、これらセラミック
材料から成るラジアル型タービンローターは、金属製ロ
ーターに比べ軽量でエンジンの作動温度を高める事がで
き、熱効率に優れているため、自動車用ターボチャージ
ャーローターあるいはガスタービンローター等として注
目をあつめている。

従来、このラジアル型タービンローターハ、第２図およ
び第３図に見られるように、複雑な三次元形状を有する
翼部を例えば射出成形にて形成し、軸部を例えば金型プ
レスで成形後ラバープレスにて形成し、両者を例えば円
錐状の嵌め合わせ形状として接合、焼成して一体のセラ
ミックタービンローターとしていた。しかし、この方法
によるものは、（１１射出成形時に翼部ｌ内面の軸部先
端５側に成形クランク１０を生じやすいこと、（２）接
合時に翼部１及び軸部２の形状を正確に合わせる必要が
あり、形状不一致の場合、接合面７に空隙等の接合不良
を生じやすいこと、（３）接合面に塗布したペーストの
厚さが不均一となり接合強度が低下しやすいこと、等の
欠点があった。

本発明の目的は、従来のものに見られた前記の諸欠点を
解消することであり、翼部と軸部の接合を容易にし、接
合部の空隙等の接合不良を防止することである。また本
発明の別の目的は、セラミックペーストの接合層を均一
にし、接合強度を増大させることである。さらに本発明
の他の目的は、翼部の射出成形時に翼部内面の軸部先端
側に発生した成形クラックを除去することである。

本発明は、翼部と軸部とが実質的に円錐状凹凸で嵌め合
わされ、軸部先端から翼部前面方向に盲孔を有するラジ
アル型セラミックタービンローターである。また翼部と
軸部とを実質的に円錐状凹凸で嵌め合わせて構成される
セラミックタービンローターの製造法において、軸部先
端から翼部前面方向に径が２〜５１１Ｉｆｆｌで、ロー
ター中心軸に対し最大１０°のテーパーとなる盲孔を有
し、好ましくは翼部前面方向における盲孔の先端が滑ら
かな曲面である翼部を形成するとともに、軸部をこれと
は別に形成し、該翼部と実質的に円錐状凹凸の嵌め合わ
せ関係となるように機械加工後、該翼部と軸部とをセラ
ミックペーストを介して密接した後、常圧下で焼成する
ことよりなるラジアル型セラミックタービンローターの
製造法である。

本発明のさらに詳しい構成を以下に詳細に説明する。

本発明のラジアル型セラミックタービンローターは、第
１図に示すように、翼部１と軸部２とが翼部１の中心部
３で接合されており、軸部先端５から翼部前面４方向に
盲孔６を有するものである。

本発明のラジアル型セラミックタービンローターは、接
合が実質的に円錐状凹凸の嵌め合わせによる接合であり
、好ましくは盲孔６が接合面７の円錐のテーパーより小
さいテーパーを有し、軸部先端５における盲孔６は径が
２〜５ＩＩｌＩｎで、ローター中心軸８に対するテーパ
ーが最大ｌＯ°である。

また、盲孔の先端は滑らかな曲面である。

本発明のラジアル型セラミックタービンローターの製造
法について説明する。まず、窒化珪素、炭化珪素、サイ
アロン、アルミナ、ジルコニア等のセラミック粉末にＹ
２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＯ２、ＣｅＯ，、ＳｒＯ
、ＢｅＯ、Ｂ　、、Ｃ等の焼結助剤を加えて充分に混練
して均質な混合物を調製する。次いでこの混合物に樹脂
、ワックス等のバインダーを加熱混練し、射出成形用の
セラミック原料を調製する。そして、該セラミック原料
を用いて第１図に示すように軸部先端５側から翼部前面
４方向にかけて径が２〜５ＩＩＩＩＩｌで、ローターの
中心軸８に対するテーパーが最大１０゛で、翼部前面方
向の先端が滑らかな曲面である盲孔６を形成するように
調整さレタ金型を用いて、射出成形することにより翼部
ｌを得る。あるいは、射出成形後の成形体に超硬バイト
等を用いて前記盲孔６を形成した翼部１を得る。次いで
射出成形によって得られた成形体中に含まれる樹脂およ
びワックス等のバインダーを電気炉中で加熱除去するこ
とにより脱脂を行う。加熱条件は、樹脂あるいはワック
ス等の種類、含有量によっても異なるが、５ｏｏ℃の温
度まで５０℃／ｈ以下、好ましくは３００　”ｃの温度
まで１０℃／ｈ以下の昇温速度とする。

一方、これとは別に軸部成形体を前記セラミック原料を
用いて射出成形法あるいはスリンプキャスト法、金型プ
レス法、ラバープレス法等のセラミック成形の常法によ
り成形する。この場合、翼部成形体と軸部成形体とは必
ずしも同じ材料′である必要はないが、同じ材料である
方が熱膨張差が小さいため好ましい。その後、翼部成形
体および軸部成形体を８００〜１２００　’ｃで仮焼す
る。

盲孔６の形成は前述の射出成形時でも射出成形後でも、
あるいは仮焼後のいずれでも良い。そして接合面７が円
錐状凹凸の嵌め合わせとなるように機械加工する。軸部
先端５は盲孔６内にはまりこむことが好ましいため円錐
状先端のままでよいが、盲孔６の直径すなわち２〜５ｍ
ｍ程度の丸みをおびたものとしてもよい。その後、翼部
１と軸部２の接合面７に好ましくは翼部１、軸部２と同
材質の耐熱性セラミックペーストを塗布したのち、画成
形体を密接する。画成形体の接合は接合面７を構成する
テーパ一部のみで行われ、゛軸部先端５は盲孔６内には
まりこむ。この時、接合面７の過剰ペーストは盲孔６内
に流入するので、接合面７のペースト層は均一となり、
接合強度は増大する。

盲孔６に流入したペースト９はその後の工程に何等支障
を与えず、盲孔内の狭隘部を充填し、ローターの回転時
の応力でこの部分が破壊発生点となるのを防く働きをす
る。密接した成形体はラテックスゴム等の弾性体で覆っ
て、５　ｔｏｎ　／　ｃ＋Ｊ以下の圧力でラバープレス
を行う。その後、翼部１、軸部２あるいはセラミックペ
ーストに最適な焼成温度および雰囲気で焼成し、強固に
結合した一体のセラミックロークーを得る。さらに最終
製品の形状とするため、翼部１および軸部２を精密に機
械加工し、第１図に示すようなラジアル型セラミックタ
ービンローターを得る。

また、射出成形時に盲孔を設けない金型を用いた場合に
あっては、軸部先端に接する翼部内面に成形クラック１
０を生じることがあるが、成形後あるいは仮焼後の加工
で盲孔を形成することにより該クラックを除去できるの
で好都合である。射出成形時に盲孔を設けた金型を用い
た場合にあっては、成形クランク１０の発生は極めて少
ない。

なお、本発明で盲孔６の径を２〜５ＩＩｌＩｎとした理
由は、２ｍｍ以下では翼部１に盲孔６を設けるのが困難
なためである。また、盲孔６の径が５ｍｍ以上であると
翼部と軸部の密接後のラバープレス時に外圧により盲孔
の部分から破壊が生じる恐れがあるためである。

タービンローターは、翼部ｌにはまりこむ軸部２の部分
に最大応力がかかるが、この部分は翼部１よりも肉厚が
大きいので高速回転による大きな引張応力に充分耐えら
れる。本発明の盲孔の部分にはさほど応力はかからず、
２〜５ＩｌｌＩ１１程度であれば、ローターの高速回転
時に破壊の原因となるものではない。

また、盲孔６のテーパーとして最大１０゛を好ましいと
する理由は、ｌＯｏあれば充分に本発明の目的が達せら
れるからであり、軸部先端５での盲孔の直径を大きくし
過ぎないためである。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。

実施例　ｌ 平均粒径１μｍの５ｔ３Ｎ４粉末１００重量部（以下同
じ）に対し、焼結助剤としてＳｒＯ２部、Ｍｇ０３部、
ＣｅＯ□３部を添加した常圧焼結用Ｓ　ｔ　Ｂ　Ｎ＋混
合物を調製した。この混合物の一部にポリエチレンワッ
クス１５重量％（以下同じ）、ステアリン酸２％を加え
て加熱混練し、射出成形用セラミック原料を調製した。

そして、焼成後の翼部１の最大直径が５０ｍｍで軸部先
端５側から翼部前面４方向にかけて径が２〜５ｍ１１１
で、ローターの中心軸８に対するテーパーが最大１０°
で、翼部前面方向の先端が滑らかな曲面である盲孔６を
有するラジアル型タービンローターを得るように調整さ
れた金型を用いて、前記セラミック原料を射出成形し、
翼部ｌを作製した。次いで、電気炉中で３℃／ｈで４０
０℃まで加熱し５時間保持し“ζ脱脂した後、窒素雰囲
気中で　１００℃／ｈで１１００℃まで加熱し３０分保
持して仮焼を行った。

−４、前記混合物にポリヒニールアルコール２％を加え
て充分に混練した原料を用いて金型プレス後、ラバープ
レス機で等方圧綿し、軸部成形体を得た。そして、旋盤
加工にて先端を円錐状に加工した軸部２を作製した。

得られた翼部１と軸部２の接合面７を旋盤加工にて平滑
にした後、接合面にＭｇＯ４部、Ｓ「０３部、ＣｅＯ２
４，５部を含むＳｉヨ〜粉末のペーストを焼成後１００
μｍの厚さとなるように塗布し、翼部１と軸部２を密接
した後、全体をラテックスゴムで覆い、２　ｔｏｎ　／
−の圧力でラバープレスを行い、翼部１及び軸部２が強
固に接合一体化した成形体を得た。次いで、窒素雰囲気
中、１７２０°Ｃで３０分間焼成した。その後、旋盤加
工にて精密に仕上げ第１図に示すラジアル型セラミック
タービンローターを得た。

得られたセラミックタービンロータ〜の回転試験を行う
ためローター部のアンバランスを０．００５ｇｃｍとじ
た後、金属製シャフトを散りつけた。これにより増加し
たアンバランスを除去し、全体のアンバランスがＯ，Ｏ
Ｏ５ｇ　ｃｍとなるようにバランス調整した。その後、
回転試験機により除々に回転数を増しながら試験を行っ
たところ、２２００００ｒｐｍの回転数でも破壊しなか
った。

実施例　２ 平均粒径０．５μｍの主としでβ相からなるＳｉＣ粉末
１００部に対し、焼結助剤としてＢ４Ｃ３部、０２部を
添加した常圧焼結用ＳｉＣ混合物を得た。

この混合物の一部にＥν八へ脂５％、ポリエチレンワッ
クス１５％を加えて加熱混練し、射出成形用セラミック
原料を調製した。その後、焼成後の翼部ｌの最大直径が
１１Ｏｎ＋ｍのラジアル型タービンローターを得るよう
に調整された金型を用いて、前記セラミック原料を射出
成形し翼部１を得た。

成形後の翼部を観察したところ、軸部先端が接する翼部
内面に長さ５ｍｆｆ＋の成形クラ・ノクエ０を生じてい
た。その後、翼部内面の軸部先端５側から翼部前面４方
向に超硬ハイドを用いて先端が滑らかな曲面の５ｎ＋＋
ｎの盲孔６をあり成形クラ′ツク１０を除去した。次い
で、成形体を３℃／ｈの昇温速度で５００℃まで昇温し
、５００℃で１０１１保持してバインダーを除去した。

一方、前記混合物にポリビニールアルコール２％を加え
て充分に混練した原料を用いて金型プレス後、ラバープ
レス機で等方圧縮し、軸部成形体を得た。そして、旋盤
加工にて先端を円錐状に加工した軸部２を作製した。

得られた翼部１と軸部２の接合面７を旋盤加工にて事情
にした後、接合面に焼結助剤を含んだＳｉＣ粉末のペー
ストを焼成後１００μｍの厚さとなるように塗布し、翼
部１と軸部２を密接した後、全体をラテックスゴムで覆
い、３　ｔｏｎ　／−の圧力でラバープレスを行い、翼
部１及び軸部２が強固に接合一体化した成形体を得た。

次いで、アルゴン雰囲気中、常圧下で２１５０℃で３０
分間焼成した。その後、旋盤加工にて精密に仕上げ第１
図に示すラジアル型セラミノクタＴビンローターを得た
。

得られたセラミックタービンローターの回転試験を行う
ためローター部のアンバランスを０．０２　ｇ口とした
後、金属製シャフトを取りつけた。これにより増加した
アンバランスを除去し、全体のアンバランスが０．０２
ｇｃｍとなるようにバランス調整した。その後、回転試
験機により除々に回転数を増しながら試験を行ったとこ
ろ、１１０００００ｒｐの回転数でも破壊しなかった。

以上、述べたように本発明のラジアル型セラミックター
ビンローターは翼部と軸部を実質的に円錐状凹凸の嵌め
合わせとし、軸部先端から翼部前面方向に盲孔を設ける
ことにより、翼部と軸部の接合不良を減少させ、接合強
度を高めることができた。さらには、盲孔は軸部先端が
接する翼部内面に発生した成形クランクを除去する効果
もある。

このように本発明のセラミックタービンローターは従来
のものに比べて極めて効率よく製造することができ、産
業上有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のラジアル型セラミックタービンロー
ターの一例の断面図、第２図および第３図は、それぞれ
従来のラジアル型セラミックタービンローターの断面図
および翼ｆＩＳの背面図である。 １゛・・翼部　２・・軸部　３・・中心部４・・軸部先
＠　５・・翼部前面 ６・・盲孔　７・・接合面 ８・・ローターの中心軸 ９・・流入したペースト １０・・成形クラソク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　翼部と軸部とが実質的に円錐状凹凸で嵌め合わ
   され、軸部先端から翼部前面方向に盲孔を有することを
   特徴とするラジアル型セラミックタービンローター。
2. （２）盲孔の先端が滑らかな曲面である特許請求の範囲
   第１項記載のラジアル型セラミックタービンローター。
3. （３）翼部と軸部とを実質的に円錐状凹凸で嵌め合わせ
   て構成されるセラーミックタービンローターの製造法に
   おいて、軸部先端から翼部前面方向に盲孔を有する翼部
   を形成するとともに、軸部をこれとは別に形成し、該翼
   部と実質的に円錐状凹凸の嵌め合わせ関係となるように
   機械加工後、該翼部と軸部とをセラミックペーストを介
   して密接した後、常圧下で焼成することを特徴とするラ
   ジアル型セラミックタービンローターの製造法。
4. （４）前記盲孔を翼部の射出成形時に形成する特許請求
   の範囲第３項記載のラジアル型セラミックタービンロー
   ターの製造法。