JPS61101601A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は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。さらに詳しくは、金属とセラミックスからな
るタービンローターとその製造法に関するものである。

（従来の技術） セラミックスは硬くて耐摩耗性にすぐれているうえ、高
温での機械的性質や耐蝕性にすぐれているため、高温で
の機械的強度や耐摩耗性が必要とされるガスタービンや
ターボチャージャーのローグーの構造材料として適して
いる。このため、ガスタービンローターやターボチャー
ジャーローターのセラミック化が検討されている。例え
ば米国特許第４３９６４４５号明細書には、翼部と軸部
がセラミックスからなる構造のタービンローターが開示
されている。この構造のタービンロークーではセラミッ
クス製軸部の一端にねじ部を設けて、金属製圧縮機イン
ペラを固定している。しかし、この構造のタービンロー
クーは圧縮機インペラを構成する金属材料と、軸部を構
成するセラミック材料との熱膨張差のため、タービンロ
ーターの使用中にセラミック軸のねじ部が破損する欠点
がある。また、セラミックスに対するねじ加工は硬度の
技術を必要とし、時間と費用がかかる欠点がある。

この対策として、実開昭５７−９２０９７号公報には、
タービンローターのセラミック軸を金属軸の端部に設け
た筒状部に嵌合する構造が開示されている。

しかし、この構造では金属軸の筒状部先端がタービンロ
ーターシャフトを支承する２ケのベアリングの間に位置
しているため、タービンローターのセラミック軸が破損
すると、ベアリングハウジング内の潤滑油がタービンハ
ウジングに漏出する危険性がある。

一方、ドイツ特許第２７２８８２３　号明細書には、タ
ービンローターのセラミック軸の全長が中空に金属軸で
被覆されているタービンローターの構造が開示されてい
る。しかし、この構造ではセラミック軸と金属軸の中空
部内面とがセラミック軸のほぼ全長にわたって密着して
固定されているためセラミック軸から金属軸への伝熱面
積が大きい。このため、高温のタービン翼車から金属軸
への伝熱量が多くなり、金属軸の温度が過度に上昇し、
金属軸上に設けた密封と取付のための機構が劣化しやす
い欠点がある。

また、金属軸部の温度上昇にともなう、金属軸とセラミ
ック軸の熱膨張量の差のため、結合部界面に剪断応力が
発生し、金属軸が疲労しやすい欠点がある。さらにまた
、金属軸への伝達される熱量が多いため、潤滑油の温度
が過度に上昇する欠点がある。

さらに、上記構造では中空の金属軸とセラミック軸の結
合部のうち、タービン翼車側の部分が高温、潤滑ユニッ
ト内の部分が低温となり、結合部の軸方向には大きな温
度勾配が存在する。このため、結合部のセラミック軸表
面には、軸方向に引張の熱応力が発生し、セラミック軸
が破損する欠点がある。

なお、上記構造のように、セラミック軸と金属軸中空部
とはほぼ全長にわたって密着した状態で固定するために
はセラミック軸直径と金属軸中空部の加工に高精度の加
工が必要となり、実用上問題がある。

本発明第１の目的は、タービンローターのセラミック軸
と金属軸を結合した構造のタービンローターにおいてセ
ラミック軸から金属の伝熱量を最小に抑えて、潤滑油の
密封機構の劣化を防ぐことである。

本発明の第２の目的は、セラミック軸が破損した場合に
潤滑油の漏出を防止ないしは最小に抑えることである。

本発明の第３の目的は、製造が容易で強固な結合を有す
るタービンローターとその製造法を提供することである
。

本発明の第４の目的は、セラミック軸や金属軸の破損が
起らない信頼性の高いタービンローターとその製造法を
提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、セラミック製翼車と一体的に形成されている
セラミック製軸が金属軸に設けられた筒状部の一部で固
定されてなるタービンローターにして、該筒状部のセラ
ミック製翼車側内表面とセラミック製軸表面の間に空隙
を設けたタービンローターであり、セラミック製翼車と
一体的に形成されているセラミック製軸に金属軸を固定
してタービンローターとする方法において、金属軸の一
端に、開放端側の内径が底部側の内径より大である筒状
部を設けたのち、該筒状部にセラミック製軸を挿入し、
筒状部内径の小径部でセラミック製軸を固定するととも
に該筒状部内径の大径部内表面とセラミック製軸表面の
間に空隙を設けるタービンロークーの製造法である。

（作　用） 本発明では、金属軸の一端に、開放端側の内径が底部側
の内径より大である筒状部を設けたのち、該筒状部にタ
ービンローターのセラミック軸を挿入して、筒状部内径
の小径部でセラミック軸を固定してタービンロークーと
する。この場合のセラミック軸と金属軸の固定部は、タ
ービンローター使用中のローター軸部の温度が５００　
℃以下となる部位とするのが好ましく、該軸部の温度が
３５０　℃以下の部位とするのがより好ましい。また、
上記固定部には軸方向の温度勾配が存在しないよう１こ
するのが望ましい。

本発明のタービンローターの軸部を構成するセラミック
スと金属では、一般に金属の方がセラミックスより熱膨
張係数が大きいので、軸部温度が５００　℃以上になる
と、両者の熱膨張差のため結合力が低下するので好まし
くない。また、結合部の軸方向に温度勾配が存在すると
、セラミック軸と金属軸の結合界面において、セラミッ
ク軸に引張の熱応力が発生し、セラミック軸が破損する
ことがあるので好ましくない。

この問題の解決のためには、例えば本発明のり−ビンロ
ーターを使用して、クーポチャーシャーとする場合には
、セラミック軸と金属軸の固定部をベアリングハウジン
グ内に位置させるのが好ましく、該固定部をタービンロ
ークーの軸部を支承する２個のベアリング当接部の間に
位置させるのがより好ましい。これにより、セラミック
軸と金属軸の固定部はベアリングハウジング内を循環す
る潤滑油により強制的に冷却されるため、過度の温度上
昇が生じないばかりでなく、固定部内において軸方向の
温度勾配も生じないので、セラミック軸と金属軸の結合
力の低下やセラミック軸と金属軸との固定界面での引張
の熱応力の発生が防止される。

本発明のタービンローターでは、上記固定部よりタービ
ン翼車側の金属軸筒状部内表面とセラミック軸表面との
間に断熱効果を有する空隙が設けてある。該空隙が存在
するので、セラミック製のタービン軸の温度が上昇して
も金属軸筒状部への熱伝達が最小限に抑制され、金属軸
の過度の温度上昇が起こらない。このため、タービン翼
車が高温になっても、結合部のゆるみや熱応力によるセ
ラミック軸の破損は起らない。したがって、本発明のタ
ービンロークーでは金属軸筒状部先端をタービン翼車近
くまで延長することが可能になるから、該筒状部外表面
に潤滑油の密封と取付に必要なすべての形状要素を設け
ることが可能となり、万一、セラミック軸が破損しても
潤滑油の漏出が生じない。

本発明のタービンローターは、セラミック軸と金属軸の
固定を嵌合あるいは接合のいずれかの方法で行うことが
できる。

このうち、嵌合は焼ばめ、冷しばめ、圧入のいずれかの
方法で行うことかで゛きる。焼ばめ、冷しぼめはセラミ
ック軸の直径を金属軸筒状部小径部内径より大きく加工
し、被嵌合部材の一方を加熱ないし冷却して、両部材間
にはめ込み可能な寸法差を生ぜしめ、その寸法差を利用
して両部材を嵌合するものであるから、嵌合部の寸法が
大きいタービンローターの結合方法として好ましいもの
である。

また、一般に金属材料の方がセラミック材料より熱膨張
係数が大きいので、金属を加熱する焼ばめの方が少ない
温度差で大きな寸法差が得られ、安定した焼ばめ操作が
できるのでより好ましいものである。この場合の焼ばめ
、冷しばめの締代は、嵌合後に金属軸筒状部やセラミッ
ク軸が破損せず、しかも本発明のタービンローターの使
用条件で嵌合部に必要とされる締付力が得られる大きさ
とする。

一方、圧入はタービンローターのセラミック軸を、金属
軸に設けた該セラミック軸より小径の筒状部に、荷重を
かけて強制的に押し込んで嵌合する方法である。上記セ
ラミック軸直径と金属軸筒状部内径の寸法差は金属軸筒
状部の変形により吸収されるので、圧入前のセラミック
軸直径と金属軸筒状部内径の仕上げ寸法差は焼ばめ、冷
しばめの場合より大きくてもよい。このため、圧入は嵌
合部の寸法が小さいタービンローターの結合方法として
より好ましいものである。圧入部の形状と寸法は、圧入
時に作用する荷重によって、セラミック軸や金属軸筒状
部が破損しない形状および寸法とする。また、セラミッ
ク軸と金属軸筒状部の嵌合部内径との寸法差は、嵌合部
が本発明のタービンローターの使用条件に応じた締付力
を有するとともに、圧入時にセラミック軸と金属軸筒状
部のいずれもが破壊しない大きさとする。このためには
、上記寸法差はセラミック軸直径を金属軸筒状部の嵌合
部内径より０．１％ないし１０％太き（するのが好まし
く、１％ないし５％大きくするのがより好ましい。この
寸法差が０．１％以下では、圧入部の締付力が不足し、
使用中に圧入にょる嵌合部が抜けたり緩んだりする心配
があるので好ましくない。寸法差が１０％以上になると
、圧入に際しセラミック軸が破損したり、金属軸筒状部
が破損するので好ましくない。なお、金属軸筒状部内の
嵌合部の堅さが小さいときには上記寸法差を大きく、堅
さが大きいときには、上記寸法差を小さくすれば安定し
た結合強度が得られる。この圧入は室温で行ってもよい
し、金属軸のみを加熱するかあるいは金属軸とセラミッ
ク軸の両方を加熱して行ってもよい。しかし、両者を加
熱して圧入する方法がもっとも好ましい。何となれば、
両者を加熱すると、金属軸筒状部の変形抵抗が減少し、
圧入に要する荷重が低下するので、セラミック軸や金属
軸筒状部の破損が起らなくなるうえ、圧入温度からの冷
却に際し、両者の熱膨張差にもとづく、締付力の増加が
生ずるからである。セラミック軸と金属軸の両方を加熱
して圧入する場合の加熱温度は、金属軸の熱処理温度あ
るいは金属軸の表面硬化層の軟化温度のうちのいずれか
低い方の温度以下で、しかも圧入部の使用温度以上の温
度が好ましい。

ここで、金属軸の熱処理温度は金属軸筒状部の硬さ調整
のだめの熱処理温度を意味し、例えば該筒状部が析出硬
化型合金からなる場合には析出硬化処理温度、焼入れ硬
化鋼からなる場合には焼もどし温度に相当する。

また、表面硬化層の軟化温度は、表面硬化が窒゛　化処
理による場合には窒化層の軟化温度、表面焼入れによる
場合には焼もどし温度に相当する。

圧入温度が金属軸の焼もどし温度より高い場合には金属
軸の硬さが低下し、圧入部の締付力が減少するので好ま
しくない。また、圧入温度が表面硬化層の軟化温度より
高い場合には、表面硬化処理の効果が減少するので好ま
しくない。さらにまた、圧入温度が金属軸の析出硬化処
理温度以上の場合には、加熱中に金属軸が硬化し展延性
が低下するため、圧入に際してセラミック軸や金属軸筒
状部が破損するので好ましくない。

圧入温度が圧入部の使用温度より低い場合には、圧入部
の温度が使用温度まで上昇すると、一般には金属軸の熱
膨張がセラミック軸の熱膨張より大きいので、圧入部の
緩み締付力が低下するので好ましくない。

本発明のタービンローターのセラミック軸と金属軸は耐
熱性接着剤による接着あるいはろう付けにより接合して
もよい。接合をろう付けで行う場合には、タービンロー
ターのセラミック軸の被接合部表面にあらかじめ金属層
を設けておく。該金属層は金属粉末を主成分とするペー
スト状組成物をセラミック軸表面に塗布、乾煙したのち
、焼付ける方法あるいはセラミック軸表面に金属を物理
蒸着あるいは化学蒸着などで蒸着させる方法で設けるこ
とができる。金属層を設けたセラミック軸と金属軸の接
合は市販のろう合金を使用し、通常の方法で行えばよい
。また、上記方法のほかに、活性金属を含むろう合金を
使用して、セラミック軸表面に金属層を設けることなく
、セラミック軸と金属軸を直接接合することができる。

この活性金属としては、セラミックスが窒化物の場合に
は、クンクル、アルミニウム、セリウム、チタン、ジル
コニウム等金属、セラミックスが炭化物の場合には、ク
ロム、タンタル、チタン、ジルコニウム、モリブデン等
の金属が利用できる。

本発明のタービンローターを構成するセラミック材料は
軽くて、高温強度と耐摩耗性にすぐれる窒化珪素、炭化
珪素、サイアロンなどのセラミック材料又はそれらのセ
ラミックスを主体とする複合材料から本発明のタービン
ローターの使用目的に応じて選択すればよい。

また、本発明のタービンローターを構成する金属材料は
析出硬化型合金あるいは浸炭、窒化、表面焼入れ、放電
硬化、メッキ等の方法で表面硬化が可能な市販の金属材
料を使用することができる。

本発明のタービンローターを使用して、ターボチャージ
ャーとする場合には、金属軸表面を硬化させて金属軸の
ベアリング当接部表面の耐摩耗性を向上させる。金属軸
の材料として、析出硬化合金を使用する場合には、セラ
ミック軸と金属軸゛を結合したのち析出硬化処理を行う
。この場合の析出硬化型合金としては、マルエージング
鋼、析出硬化型ステンレス鋼、析出硬化型超合金の何れ
か一種以上が好ましいものである。

また、金属軸表面の硬化を窒化で行う場合には、ステン
レス鋼、ニッケル・クロム・モリブデン鋼、クロム・モ
リブデン鋼、アルミニウム・クロム・モリブデン鋼、合
金工具鋼などクロムを含有する合金の何れか一種以上が
好ましい。さらにまた、金属軸の硬化を表面焼入れで行
う場合には、ニッケル・クロム・モリブデン鋼、クロム
・モリブデン鋼、ニッケル・クロム鋼、クロム鋼の何れ
か一種以上が好ましい。

かかる金属軸の表面硬化は、セラミック軸と金属軸の結
合前あるいは結合後のいずれで行ってもよいが、金属軸
筒状部内径の仕上げ加工前に実施するのが好ましい。

なお、窒化処理のように、金属軸表面に硬くて脆い化合
物層が形成する方法で表面の硬化処理をした金属軸に、
セラミック軸を嵌合して結合する場合には、嵌合による
金属軸の変形に上記化合物層の変形が追随できずクラッ
クが発生する。この場合には、金属軸表面の一部に非表
面硬化帯を設け、セラミック軸と金属軸の嵌合による金
属軸の変形がこの非表面硬化帯で生ずようにするのが好
ましい。

本発明のタービンローターの金属軸筒状部の硬さは、金
属軸の材料が析出硬化型合金からなる場合には、その合
金の析出硬化で得られる硬さとする。金属軸の材料が析
出硬化型合金以外の金属材料からなる場合には、熱処理
で硬さをＨＶ　２５０〜４５０に調整する。

金属軸表面の特定部位について、上記以上の硬さが必要
な場合には、前述した表面硬化を行う。

セラミック軸と金属軸の結合が嵌合による場合には、金
属軸筒状部の硬さが）ＩＶ　２５０以下ではセラミック
軸と金属軸の結合力が不足するので好ましくない。また
、硬さがＩＩＶ　４５０を越すと、嵌合時に金属軸筒状
部の破壊が生じやす（なるので好ましくない。

つぎに図面により本発明をさらに詳しく説明する。第１
図ないし第２図は本発明のタービンローターを使用して
ターボチャージャーとする場合の具体例の構造を示した
ものである。

第１図はセラミック製翼車ｌと一体的に形成されている
セラミック製軸２の主要部分が金属軸筒状部３で被覆さ
れている本発明のターボチャージャー用タービンロータ
ーの部分縦断面図である。

セラミック軸とセラミック翼車の接続部には応力集中を
緩和するため丸み４が設けてある。金属軸は直径の異な
る３つの部分から構成されている。

これらの部分はそれぞれセラミック翼車に隣接し潤滑油
の密封と取付に必要なすべての形状要素、例えばオイル
スリンガ−、オイルシールリング溝くいずれも図示せず
）などを設けるための部分５、ベアリングユニット内で
軸受６に支承される軸部７（以下′ベアリング取付軸と
いう）およびコンプレッサー翼車取付軸部８である。金
属軸の上記５゜７の部分には筒状部３が設けられている
。該筒状部３の内面は開放端側の内径ＤＩが底部側の内
径０□より大であり、セラミック軸と金属軸は該筒状部
の小径部で結合されている。

該筒状部内径の小径部の位置は、セラミック軸と金属軸
の結合部がベアリング取付軸７の軸受当接部の間に位置
するように決められている。金属軸筒状部開放端先端と
セラミック翼車背面との間には隙間９が設けてある。こ
の隙間の大きさは本発明のタービンローターの使用温度
において、該筒状部先端がセラミック翼車背面に接触し
ない大きさとする。この隙間が存在しない場合には、タ
ービンローターの使用に際し、軸部の温度が上昇すると
、金属軸の方がセラミック軸より熱膨張が大きいためセ
ラミック翼車背面を金属軸筒状先端が押し、セラミック
軸に引張応力が発生してセラミック軸が破壊することが
ある。

金属軸筒状部内径の大径部の内径Ｄ１の大きさはセラミ
ック軸の直径以上とし、上記大径部内表面とセラミック
軸表面との間には断熱のための空隙を設ける。

このタービンローターは例えばつぎのようにして製造す
ることができる。

まず、窒化珪素でタービン翼車１とタービン軸２を一体
的に形成する。しかるのち、このタービン軸を所定寸法
に仕上げ加工する。つぎに、未析出硬化状態の時効硬化
型合金からなる金属軸の一端に開放端側の内径Ｄ１がセ
ラミック軸直径より大きく、底部側の内径Ｄ２がセラミ
ック軸直径より小さい所定形状の筒状部３を加工する。

さらに金属軸の外周をほぼ所定形状に近い形状に粗加工
する。

その後、該金属軸の析出硬化温度以下の温度で、この金
属軸の筒状部内径の小径部にタービン軸のセラミック軸
を狂人して、セラミック軸と金属軸を結合して第１図に
示す形状のタービンローターとする。つぎに、該タービ
ンローターを所定の析出硬化処理温度に所定時間加熱し
て金属軸を硬化させたのち、タービンローターの外径を
所定の寸法と形状に仕上げ、本発明のタービンローター
とする。

第２図はセラミック製翼車１と一体的に形成されている
セラミック製軸２の一部分が金属軸筒状部３で被覆され
ている本発明のターボチャージャー用タービンローター
の部分縦断面図である。

セラミック軸はセラミック翼車に隣接しかつ直径が大で
ある部分１０と金属軸筒状部３で被覆され、直径が小で
ある部分２とから構成されている。セラミック軸の大径
部１０とセラミック翼車の接続部およびセラミック軸の
大径部１０と小径部２の接続部には丸み１１と１２が設
けられている。セラミック軸の大径部ＩＯの外周部には
潤滑油の密封と取付に“　必要なすべての形状要素（図
示せず）が設けられている。金属軸はベアリング内で軸
受６に支承される軸部７（ベアリング取付軸）とコンプ
レッサー翼車取付軸８からなり、ベアリング取付軸７の
内部には筒状部３が設けられている。該筒状部３の内面
は開放端側の内径Ｄ１が底部側の内径Ｄ２より大であり
、セラミック軸と金属軸は該筒状部内径の小径部で結合
されている。

該小径部はベアリング取付軸７の軸受当接部の間に位置
している゛。金属軸筒状部開放端先端とセラミック軸大
径部先端との間には隙間１３が設けられている。また、
金属軸筒状部内径の大径部の内径ＤＩの大きさはセラミ
ック軸２の直径以上であり、上記大径部内表面とセラミ
ック軸２表面との間には断熱のための隙間が設けてある
。

このタービンローターは例えば次のようにして作ること
ができる。窒化珪素でタービン翼車１とタービン軸を一
体的に形成する。しかるのち、このタービン軸を所定の
形状と寸法に加工する。−１方、焼入れ、焼もどしで硬
さを調整した金属軸の特定表面について、必要に応じて
表面硬化処理を　　：゛行う。しかるのち、該金属軸の
一端に開放端側の内径ＤＩがセラミック軸２の直径より
大きく、底部側の内径Ｄ２がセラミック軸２の直径より
小さい筒状部を加工する。

つぎに、金属軸の外周を所定形状と寸法に近い形状に粗
加工する。この金属軸筒状部３の内径の小径部にセラミ
ック軸２を、金属軸の焼もどし温度以下の温度で圧入し
て第２図に示す形状のタービンローターとする。

このタービンローターの外形を所定の形状と寸法に仕上
げ加工して、本発明のタービンローターとする。

（実施例） 実施例　１ 直径６１ｍｍのタービン翼車と直径９　ｍｍ　、長さ５
１ｍｍのセラミック軸を常圧焼結法による窒化珪素で一
体的に作製した。その後タービン翼車とセラミック軸の
接続部に半径４ｍｍ以上の丸みを加工するとともにセラ
ミック軸を直径５　ｍｍに加工し、さらにセラミック軸
先端にテーパ部を設けた。また、固溶体化処理済の全長
１３０ｍｍ、直径２０ｍｍの析出硬化系ステンレス１！
Ｉ（ＪＩＳ−５ＩＩＳ６３０）　　の一端に開放端から
深さ３２ｍｍまでの内径が６．１ｍｍ、深さ３２印から
５０ｍｍまでの内径が５．８ｍｍである深さ５０市の筒
状部３を加工した。つぎにこの析出硬化系ステンレス鋼
の筒状部を設けた端部側の外周に、オイルスリンガ−と
オイルシール溝からなる潤滑油の密封と取付のための形
状要素を加工するとともに、ベアリング取付軸とコンプ
レッサー翼車取付軸をそれぞれ仕上げ寸法よりやや大き
な寸法に加工して、金属軸を作製した。しかるのち、該
金属軸筒状部にセラミック軸を３５０　℃で圧入してタ
ービン翼車が窒化珪素、タービン軸が析出硬化系ステン
レス鋼からなる第１図に示す形状のターボチャージャー
用タービンローターを作製した。このターボチャージャ
ー用タービンローターを４２０ｔで１０時間加熱して析
出硬化処理を行い析出硬化系ステンレス鋼を硬化させた
のち所定寸法に仕上げ加工した。こ　　　１のターボチ
ャージャー用タービンロークーを高温回転試験装置に組
込んで、燃焼ガスにより１５０．００Ｏｒｐｍで１００
時間の回転試験を行ったが何ら異常は認められなかった
。

実施例　２ 直径６１ｍｍのタービン翼車と直径２０ｍｍ、長さ５１
ｍｍのセラミック軸を常圧−焼結法による窒化珪素で一
体的に作製した。しかるのち、セラミック軸先端から３
４ｍｍまでの部分を直径６ｍｍ、３４ｍｍからタービン
翼車背面までの部分を直径１８ｍｍに加工するとともに
、セラミック軸大径部と小径部の接続部およびタービン
翼車背面とセラミック軸大径部の接続部にそれぞれ所定
の丸ミを加工し、セラミック軸先端にはテーパ部を設け
た。また直径１０ｍｍ、長さ１１５　ｍｍのアルミニウ
ム・クロム・モリブデン鋼（ＪＩＳ−３へＣＭ６４５、
以下窒化鋼という）丸棒を９３０℃に１時間加熱保持後
室温の水中に焼入れし、その後６００℃に１時間加熱保
持して焼もどしを行い、硬さをＩＩＶ　３５０に調整し
た。

この丸棒の直径を９．２ｍｍに加工したのち、一端から
１６＋ｎｍ離れた位置から３．４ｍｍ離れた位置までの
区間（第２図のへ区間）の外表面を長さ１８ｍｍの軟鋼
製カバーで覆い、残りの部分の外表面を圧カニ４Ｔｏｒ
ｒ　の等宿の窒素と水素からなる混合雰囲気中で５５０
℃に加熱しながら２０時間イオン窒化処理を行い、表面
硬化させた。上記条件でのイオン窒化処理により、窒化
処理部表面の硬さは、窒化処理前のＨＶ３５０からＨＶ
Ｉｌｏｏまで増加した。また、表面から０．２ｍｍの深
さの位置での硬さはＨＶ７００　を示した。

一方、軟鋼製カバーで被覆した幅１８ｍｍの区間の表面
硬さは窒化処理前と同じ１ｌＶ３５０を示し、該区間の
表面には窒化物の生成も認められなかった。

このようにして得た一方の端面近くに幅１８ｍｍの非表
面硬化部を有する窒化鋼丸棒の非表面硬化部側端面から
深さ１７ｍｍまでの内径が６．１ｍｍ、深さ１７ｍｍか
ら３３ｍｍまでの内径が５．８ｍｍである深さ３３ｍｍ
の筒状部を加工して金属軸を作製した。しかるのち、該
金属軸筒状部にセラミック軸を３５０　℃で圧入し、圧
入にともなう金属軸筒状部の変形を上記非表面硬化部内
に限定せしめて、圧入にともなう金属軸筒状部の変形を
上記非硬化部内に限定せしめてタービン翼車およびター
ビン軸の一部が窒化珪素、タービン軸の一部が窒化鋼か
らなるタービンローターを作製した。このタービンロー
ターのタービン軸の外周に潤滑油の密封と取付のための
形状要素（図示せず）、直径９．Ｏｍｍのベアリング取
付軸、直径６．４ｍｍのコンプレッサー翼車取付軸をそ
れぞれ所定の形状に加工して、第２図に示す形状でベア
リング取付軸のベアリング当接部の表面硬さがＨＶ７０
０以上であるターボチャージャー用タービンローターを
作製した。

このターボチャージャー用タービンローターを高温回転
試験装置に組込んで、燃焼ガスにより１５０、　ＯＯＯ
ｒｐｍで１００　時間の回転試験を行ったが何ら異常は
認められなかった。　　　　″ なお、セラミック軸と金属軸の結合がなされる場合は、
結合部の金属軸に変形が生じないので、金属軸の結合部
表面に非硬化帯を設ける必要がない。

実施例　３ 実施例１と２に使用したターボチャージャー用タービン
ローターと同一構造のタービンロークーについて、高温
回転試験中に故意にセラミック軸部を破損させた。第１
の構造のタービンローターについてはセラミック軸が破
損しても、潤滑油のタービンハウジング内への漏出は全
く生じなかった。第２図の構造のタービンローターにつ
いても、潤滑油のタービンハウジング内への漏出は僅か
であり、使用上の重大な障害とはならなかった。

実施例　４ 直径１０ｍｍ　、長さ１１．５ｍｍのニッケル・クロム
・モリブデン鋼（ＪＩＳ−５ＮＣＭ　４２０　）丸棒゛
を８５０℃で０．５時間加熱保持したのち油冷して焼入
れし、その後５００℃に１時間加熱保持して焼もどしを
行い、硬さをＨｖ　３７０に調整した。この丸棒を直径
９．２ｍｍに加工したのち、一端から５０ｍｍの区間に
ついて、表面から深さ２ｍｍのところまで高周波焼入れ
により表面硬化させた。しかるのち、２００℃で１時間
加熱保持して焼もどしを行い、表面硬化部の硬さをｆｌ
ｖ　５００に調整した。この表面硬化済九棒の表面硬化
部側端面から深さ１７ｎ＋＋ｎまでの内径が６．１ｍｍ
、深さ１７ｍ、ｍから３３ｍｍまでの内径が５．８ｍｍ
である深さ３３ｍｍの筒状部を加工して金属軸を作製し
た。

この金属軸の筒状部に実施例２に記載のセラミック軸と
同一形状、同一寸法のセラミック軸を有するセラミック
製タービン翼車のセラミック軸を３５０℃で圧入し、タ
ービン翼車およびタービン軸の一部が窒化珪素、タービ
ン軸の一部がニッケルクロム・モリブデン鋼からなるタ
ービンローターを作製した。

このタービンローターのベアリング取付軸とコンプレッ
サー翼車取付軸をそれぞれ直径９．０ｍｍ、６、４ｍｍ
に加工して、第２図に示す形状で、金属軸部表面の硬さ
がＨｖ　５００、金属軸中心部の硬さがｔｌｖ　３７０
であるターボチャージャー用タービンローターを作製し
た。

上記タービンロータ〜の軸部について、３５０　ｔでね
じりトルクを測定したところ３．０ｋｇ−ｍでセラミッ
ク軸が破損した。

実施例　５ 溶体化処理済の全長１３０ｍｍ　、直径２０ｍｍの析出
硬化系ステンレス鋼（ＪＩＳ−５ｔｌＳ　６３０）の一
端に、開放端から深さ３２ｍｍまでの内径が６．１ｍｍ
、深さ３２ｍｍから５０ｍｍまでの内径が５．８ｍｍで
ある深さ５０ｍｍの筒状部３を加工した。この析出硬化
系ステンレス鋼の筒状部を設けた端部側の外周に、オイ
ルスリンガ−と、オイルシール溝などからなる潤滑油の
密封と取付のための形状要素を加工するとともにベアリ
ング取付軸とコンプレッサー翼車取付軸をそれぞれ仕上
げ寸法より直径で０．２ｍｍ大きな寸法に加工して金属
軸を作製した。

しかるのち、該金属軸筒状部に実施例１に記載のセラミ
ック軸と同一形状、同一寸法のセラミック軸を有するセ
ラミック製タービン翼車のセラミック軸を３５０℃で圧
入し、タービン翼車が窒化珪素、タービン軸が析出硬化
系ステンレス鋼からなる第１図に示す形状のターボチャ
ージャー用タービンローターを作製した。

上記タービンローターを圧力４　’ｊｏｒｒの等量の窒
　　ｌ素と水素からなる混合雰囲気中で４２０℃に加熱
しながら１０時間イオン窒化処理を行うと同時に析出　
　゛□硬化処理を行った。この結果、金属軸内部の硬さ
は加熱前のＨｖ　’　３２０から４５０に増加し、金属
軸表面の硬さはＨｖ　６００に増加した。

このタービンローターの軸部について、３５０℃でねじ
りトルクを測定したところ、３．５ｋｇ−ｍでセラミッ
ク軸が破損した。

なお、上記各実施例のタービンローターの構造と材料の
組合せおよび製造法は、上述した実施例の組合せに限定
されるものでないことは本発明の趣旨からして明らかで
ある。

（発明の効果） 以上述べたことから明らかなように、本発明のタービン
ローターはセラミック軸が金属軸に設けられた筒状部の
一部で固定され、しかも該筒状部のタービン翼車側内表
面とセラミック軸表面との間に断熱効果を有する空隙が
存在するとともに、セラミック軸と金属軸の結合部がベ
アリングハウジング内に位置し、潤滑油により強制的に
冷却されるため、結合部の温度上昇あるいは軸と平行方
向の温度勾配の存在がないため安定した結合強度が得ら
れる。また上記空隙の存在のため、金属軸筒状部先端を
タービン翼車背面近傍まで延長し、該金属軸外周上に潤
滑油の密封や取付の形状要素を設けたり、あるいは金属
軸筒状部先端を軸受部よりタービン翼車側へ位置させる
ことができる。

このためセラミック軸が破損しても、タービンハウジン
グ内への潤滑油の漏出が起こらない。

このように本発明のタービンローターは、セラミックス
の耐熱性、耐摩耗性、高強度、低比重などの特性を生か
して応答性および安全性にすぐれたタービンローターと
することができるので、ターボチャージャー用タービン
ローターとして有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図は本発明のタービンローターの具体
的な一応用例の排気タービン過給機用タービンロークー
の構造を示す部分縦断面図である。 ｌ・・・セラミックタービン翼車 ２・・・セラミック軸　　　３・・・金属軸筒状部４・
・・丸み ５・・・密封と取付の形状要素を設けるための軸部６°
°°軸受　　　　　　　７°゛・ベアリング取付軸８・
・・コンプレッサー翼車取付軸 ９・・・隙間　　　　　　　１０・・・セラミック軸大
径部１１・・・丸み　　　　　　　１２・・・丸み１３
・・・隙間 −「、　　　　続　　　ｈｔｉ　　　　ｉＥ　　　　＋
！：昭和６０年１１月　２０日 特許庁長官　　宇　　賀　　道　　部　殿１、事件の表
示 昭和５９年特許願第２２１１３８　　号２、発明の名称 ３、補正をする者 事件上の関係　特許出願人 ４代理人 ５、　？Ｉｌｉ正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」　「図面の簡単な説明」
のｌ１ｊｌｌ　、図面６、補正の内容（別紙の通り）、
′１ 、ｌ明細書第６頁第９行の「硬度」を「＾６度コに訂正
する。 ２同第７頁第２行の「中空に」を「中空の」に訂正し、 同頁第１６行の「金属軸への伝達」を「金風軸へ伝達」
に訂正する。 ８、同第８頁第６行の「中空部とはほぼ」を「中空部と
をほぼ」に訂正し、 同貞第１０行の「本発明第１の」を「本発明の第１の」
に訂正し、 同頁第１２行の「金属の伝熱電」を「金属軸への伝熱１
よ」に訂正する。 ４同第１３頁第１６行の「寸法差」を「寸法公差」に訂
正する。 ５、同第１４頁第１６行、第１７行の「堅さ」を「硬さ
」にそれぞれ訂正する。 ６同第１６頁第１８行の「圧入部の緩み」を「１１−。 入部が緩み」に訂正する。 ７同第１７頁１ｉＳ１２行の「等金属」を「等の金属」
に訂正する。 ８同第２２頁第２行の「筒状先端」を「筒状部先端」に
訂正する。 ９同第２４頁第１３行の「隙間Ｊを「空隙Δに訂正する
。 １０同第２８頁第１８〜１９行の「圧入にともなう一−
−限定せしめて」を削除する。 １１、同第２９頁第１４行の「結合がなされる」を［結
合が接合でなされる」に訂正する。 １２同第３０頁第１６行の「２００°Ｃ」を「３６０’
ＣＪに訂正し、 同頁第１８行の［；　ＯＯＪをｒ４３０Ｊに訂正する。 １３同第８１頁第１２行の［ｏｏＪを［４８ｏＪに訂正
する。 １４同第８４頁第１５行の「排気タービン過給機」を「
ターボチャージャー」に訂正する。 １５、図面中、第１図、第２図を別紙訂正図のとおりに
訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック製翼車と一体的に形成されているセラミ
   ック製軸が金属軸に設けられた筒状部の一部で固定され
   てなるタービンローターにして、該筒状部のセラミック
   製翼車側内表面とセラミック製軸表面の間に空隙を設け
   たことを特徴とするタービンローター。 ２、前記空隙が円筒状である特許請求の範囲第１項記載
   のタービンローター。 ３、セラミック製軸と金属軸との固定部の両端にタービ
   ンシャフトを支承する２個の軸受当接部が設けてある特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載のタービンローター
   。 ４、密封と取付のための形状要素が金属軸の筒状部端部
   外表面に設けられている特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれかに記載のタービンローター。 ５、密封と取付のための形状要素が金属軸筒状部外のセ
   ラミック製軸に設けられている特許請求の範囲第１項な
   いし第４項のいずれかに記載のタービンローター。 ６、セラミック製軸と金属軸筒状部との固定が嵌合であ
   る特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載
   のタービンローター。 ７、セラミック製軸と金属軸筒状部との固定が接合であ
   る特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載
   のタービンローター。 ８、翼車およびこれと一体化された軸が窒化珪素、炭化
   珪素又はサイアロンからなり、金属軸がステンレス鋼、
   ニッケル・クロム・モリブデン鋼、クロム・モリブデン
   鋼、アルミニウム・クロム・モリブデン鋼、マルエージ
   ング鋼、析出硬化型ステンレス鋼又は析出硬化型超合金
   の１種以上からなる特許請求の範囲第１項ないし第７項
   のいずれかに記載のタービンローター。 ９、金属軸の一部または全部が析出硬化処理および、あ
   るいは窒化処理または高周波焼入れにより硬化されてい
   る特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載
   のタービンローター。 １０、セラミック製翼車と一体的に形成されているセラ
   ミック製軸に金属軸を固定してタービンローターとする
   方法において、金属軸の一端に、開放端側の内径が底部
   側の内径より大である筒状部を設けたのち、該筒状部に
   セラミック製軸を挿入し、筒状部内径の小径部でセラミ
   ック製軸を固定するとともに該筒状部内径の大径部内表
   面とセラミック製軸表面の間に空隙を設けることを特徴
   とするタービンローターの製造法。 １１、セラミック製軸と金属軸の固定が、熱処理により
   硬さをＨｖ２５０〜４５０に調整した金属軸との嵌合で
   ある特許請求の範囲第１０項ないし第１２項のいずれか
   に記載のタービンローターの製造法。 １２、上記嵌合が金属軸筒状部小径部に対する直径が該
   小径部内径より０．１〜１０％大であるセラミック製軸
   の圧入である特許請求の範囲第１０項又は第１１項に記
   載のタービンローターの製造法。 １３、前記嵌合を金属軸を構成する材料の焼もどし温度
   以下または嵌合部の最高使用温度以上の温度における圧
   入で行う特許請求の範囲第１０項ないし第１２項のいず
   れかに記載のタービンローターの製造法。 １４、前記嵌合を金属軸を構成する材料の析出硬化処理
   温度以下の温度における圧入で行う特許請求の範囲第１
   ０項ないし第１２項のいずれかに記載のタービンロータ
   ーの製造法。 １５、セラミック製軸と金属軸の固定を接合で行う特許
   請求の範囲第１０項に記載のタービンローターの製造法
   。 １６、金属軸表面の一部を窒化処理したのち、セラミッ
   ク製軸と金属軸を嵌合する特許請求の範囲第１０項ない
   し第１４項のいずれかに記載のタービンローターの製造
   法。 １７、金属軸表面の一部または全部を高周波焼入れで硬
   化したのち、セラミック製軸と金属軸を嵌合する特許請
   求の範囲第１０項ないし第１４項のいずれかに記載のタ
   ービンローターの製造法。