JPS61291702A - 熱機関用回転体およびその製造方法 - Google Patents

熱機関用回転体およびその製造方法

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JPS61291702A
JPS61291702A JP60132779A JP13277985A JPS61291702A JP S61291702 A JPS61291702 A JP S61291702A JP 60132779 A JP60132779 A JP 60132779A JP 13277985 A JP13277985 A JP 13277985A JP S61291702 A JPS61291702 A JP S61291702A
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fin
ceramic
rotating body
tip
molding
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Takahiko Honma
隆彦 本間
Shigetaka Wada
重孝 和田
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Toyota Central R&D Labs Inc
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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〕 本発明はガスタービンやターボチャージャ等のタービン
ホイールの如く、熱機関において用いられるフィンを備
えた回転体に関するものである。
〔従来技術〕
近年、ガスタービンやターボチャージャ等の熱機関にお
いて、作動温度の上昇による熱効率の向上、特産資源の
代替等の目的で、窒化珪素、炭化珪素等の高温高強度セ
ラミック材料により製造したタービンホイーμを用いる
試みがなされている。
従来、タービンホイールは、ニッケル、クロム等の耐熱
合金の鋳造によシ製造されてｂるが、金属は耐熱性が充
分でなく、熱機関の作動温度に限界がある。このため、
高強度で、かつ耐熱性にすぐれた窒化珪素、炭化珪素等
のセラミック材料を用いて射出成形法、鋳込成形法等の
型成形によってセラミックタービンホイールカ製造され
るようＫなった。
セラミックタービンホイールは、先スセフミツク粉末原
料に適当な有機物質または水を添加して流動性を付与し
、これを所望の形状に型成形し、次いで得られた成形体
から有機物質、水分等の添加剤を加熱除去し、焼成する
ことによシ緻密な焼結体製品が得られる。
〔本発明が解決しようとする問題点〕
タービンホイールは燃焼器や燃焼室内で燃焼した高温の
燃焼ガスによシ高速回転して出力を得るものであシ、例
えばターボチャージャではタービンホイールの最外周は
最大周速がおよそｇｏｏｎ、”ｓｅａにも達する。燃焼
ガス中には吸入空気に含まれる各種の粉じん、金属酸化
物片、パーティキュＶ−Ｆ等の微粒子が混入しており、
これ等が高速回転しているタービンホイーＡ／に衝突す
る。耐衝撃性にすぐれた金属製タービンホイーＩＬ／Ｖ
ｃおいては微粒子が衝突しても最も周速の大きい外周部
分にへこみが生じる程度で、性能上の問題が生じること
はなかった。しかしながらセラミック製タービンホイー
ルハ脆いためにタービンホイール外周のフィン先端部に
微粒子が衝突すると欠けが生じ、このためタービンホイ
ールの性能が低下するという問題があった。
この対策として、例えばターボチャージャのタービンホ
イールにおけるスクロールの壁面に局方向に沿って異物
案内溝を設けるとともに、案内溝終端部に異物排出孔を
開口せしめ、異物を案内溝に沿ってへウジング外へ導出
せしメル手段が試みられているが（特開昭６０−２１１
Ｏｊａ５号）、この手段では異物をタービンホイー／Ｉ
／ＶＣ衝突することなく完全く除去するというまでには
至らず、結局はセラミックタービンホイール自体の強度
を向上させることが要望されている。
本発明は上記の実情に鑑みてなされたもので、回転体外
周のフィン先端部が強化されて微粒子が衝突しても欠け
が生じることのない熱機関用上ラミック回転体を提供し
、亀って従来の問題点を解決することを目的とするもの
である。
また本発明は強化された上記熱機関用セラミック回転体
を生産性良好に製造する製造方法を提供することを目的
とするものである。
〔問題点を解決する丸めの手段〕
本発明のフィン付き回転体はセラミック繊維を含有せし
めたセラミック材料の焼結体よ）なる。そして本発明の
回転体の特徴は、第１図に示すようにフィン１３の先端
部１３１のセラミック繊Ｉａ３をフィン面と平行で、か
つ先端縁に向く方向に配向せしめたことである。
かかる配向性をセラミック繊維３Ｉ／Ｃ与えた本発明の
回転体は、第８図に示すようにフィン成形部２１の先端
に余剰部２２を延設した成形型を用い、この成形型にセ
ラミック繊維を混入したセラミック材料を充填して成形
し、成形体を脱脂後焼成して焼結体とし、余剰製品部を
、成形後あるいは焼結後に除去することにょシ目的とす
る回転体を得る。
上記セラミック材料としては、炭化珪素、窒化珪素、ア
ルミナ、ジルフェア、サイアロン募が用いられ得る。ま
たセラミック繊維としては炭化珪素、窒化珪素、７〜ミ
ナ、グラファイト、窒化ホウ素等の繊維のいずれか、ま
たは複数種が用いられ得る。
セラミック繊維は直径０．３〜５０μｍ、長さ５〜１．
０００μｍ程度のものが望ましい。これよりも細く、ま
た短いものでは繊維強化の効果が小さく、一方これより
も太いと却って強度が低下し、またこれよシも長いと材
料の混練および成形時に繊維が折れて粉砕される。
材料中のセラミック繊維含有量は５〜７０重量％程度が
適当である。これよ〕も少量では繊維強化の効果が少な
く、多すぎると却って強度が低下する。
〔作用効果〕
フィンの先端部は最も周速が大で、ガス中の異物が衝突
して欠けやすい。そして欠けは多く示すＹ方向に発生す
る。しかるくセラミック繊維は突出方向、即ち欠は方向
と直交するＸ方向忙配向するので、欠けが防止される。
回転体を射出成形または鋳込成形で型成形する場合、第
９図（８）、［相］に示すようにキャビティのフィン成
形部２１を流れるセラミック材料中のセラミック繊維３
は抵抗が少ない方向、即ち流れ方向に沿う方向となるが
、先端部の繊維は流れ方向にほぼ直角な方向となる。
そこで本発明では第８図に示すようにキャビティのフィ
ン成形部２１の先端に余剰部２２を設け、成形後に製品
の余剰部を第６因、第７図に示すように除去するので、
フィン先端部の繊維は先端方向へ向く方向に配向してい
る。従って、回転体作動中の微粒子の衝突で、フィン先
端が欠けるのが防止される。
〔実施例〕
直径約０．６μｍ、長さ１０〜２０　ｐｍの炭化珪素繊
維と、平均粒径０．８μｍの窒化珪素粉末をそれぞれ３
０重重量、７０重量優の割合で混合してセラミック原料
とした。このセラミック原料、１００重量部に対し２３
重量部の熱可塑性樹脂と可塑剤を添加し、ニーダにて加
熱混練して粉砕し、射出成形用ベレットを作成した。
第８図は本発明のタービンホイールを射出成形するため
の金型であって、この金型２にはキャビティのフィン成
形部２１の先端に余剰部２２が形成しである。しかして
、上記ベレットを金型２内に矢印方向から射出成形し、
第４図および第５図に示すように軸部１１および複数の
フィン１３を備えたハブ部１２よりなるタービンホイー
ル成形体１１ｔ−得た。
次にこの成形体１を脱脂炉中に入れ、セラミック原料に
添加された有機物を加熱分解除去し、焼成した。
焼成後、焼結体のフィン先端の余剰部ユ４を研削除去し
、第１図ないし第３図に示すような軸部１１および複数
のフィン１３を備えたハブ部１２よシなる外径５Ｑｓｓ
のセラミックタービンホイー／１／１を得た。
ｔＪＩｊ９図（３）、（ト）は射出成形時におけるセラ
ミック繊維を含むセラミック原料の流れを示すものであ
る。第９図（８）に示すようにセラミック原料が金型２
のキャビティのフィン成形部２１ｔ−流れるとき、セラ
ミック繊維３は抵抗が少ないように流れ方向く向く。但
し原料の流れ方向先端部ではセラミック繊維３は流れ方
向と直角方向に向き、第９図■に示すように目的とする
製品と合致する形状のキャビティを持つ金型を用いたと
きにはフィン先端部のセラミック繊維はフィンの厚さ方
向に配向する。
これに対して本発明では第８図に示すようにフィン成形
部２１の先端に余剰部２２を形成した金型を用いるので
、この余剰部２２で成形された製品の余剰部１４（第６
図、第７図）を除去することで、フィン先端部のセラミ
ック繊維３は上記の流れ方向、即ち、フィン面と平行か
つ先端方向へ配向する。
上記のようにして得られた本発明のタービンホイー／Ｌ
／１をターボチャージャに装着し、エンジンの燃焼ガス
によって１２万ｒｐｍの回転数で回転させた。このとき
タービンホイール最外周（フィンの先端）の周速は約３
８０ｍ／Ｓｅｅとなった。この状態で、耐衝撃度を測定
するため、１個１０〜２０ｍｇの重さの酸化鉄片を約１
００ｍｇずつ５回に分けて排気ガス中に混入させた。
回転試験後、このタービンホイール１の先端部ＫＪｌｉ
酸化鉄片の衝突跡が見られたが、欠けは全く生じなかっ
た。
また、先端部を切断して走査型電子顕微鏡にて観察した
ところ、先端部においてセラミック繊維が第１図、第６
図、第７図に示すよう九同一方向へ配向していることが
確認された。
比較のため、製品と同一形状で余剰部を有しないキャビ
ディをもつ金型を用い、他は本発明の上記実施例と同一
条件で製造したセラミック繊維入ジタービンホイールに
つき、上記と同一条件で試験を行なったところ、フィン
の先端部には酸化鉄の衝突跡とともに、数枚のフィンに
微小な欠けの発生が見られた。
以上説明したよう【本発明では熱機関用回転体を繊維強
化セラミック焼結体で構成し、かつ回転体のフィンの先
端部における繊維を配向せしめることで、作動中時にフ
ィンに欠けの発生するのを防出することができる。
また、回転体を型成形するに際し、キャビティのフィン
成形部先端に余剰部を有する成形型を用いることで、フ
ィン先端部の繊維が配向した上記回転体を生産性よく製
造することができる。
なお、成形型のキャビティの余剰部の形状は特に限定さ
れるものではなく、要はセラミック材料がフィン先端と
なるべき部分を越えて更に流動し得る形状であればよい
。
【図面の簡単な説明】
第１図ないし第３図は本発明による熱機関用回転体の一
実施例を示すもので、第１図は一部切欠き側面図、第２
図は正面図、第３図は要部斜視図、第１図は回転体の成
形直後の側面図、第５図は正面図、第６図および第７図
はそれぞれ第４図および第５図のＡ部の繊維配向を示す
図、第８図は回転体射出成形時の金型キャビティを示す
図、第９図（８）、＠は回転体射出成形時のセラミック
材料中の繊維の方向を示す図である。 １−・−熱機関用回転体（タービンホイー／Ｌ／）１・
−一型成形直後の回、転体 １１−−　・−軸　部 １２−一ハプ部 １３−一フイン １４−一回転体の余剰部 ２−一成形用金型 ２１−−フィン成形部 ２２−一金型の余剰部 第２図 国 ＠　　　　　　　　　　　　　　■ Ｌ′）　　　　　　　　　　　　　　　　　″ＪＩｋ減

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）フィンを備えた熱機関用回転体であつて、セラミ
    ック繊維を含むセラミック焼結体よりなり、回転体の外
    周のフィン先端部のセラミック繊維をフィン面に沿い、
    かつ先端縁方向に配向せしめたことを特徴とする熱機関
    用回転体。
  2. （２）フィンを備えた熱機関用回転体を成形する成形型
    におけるキャビティのフィン成形部の外周先端に余剰部
    を設け、キャビティにセラミック繊維を含むセラミック
    材料を充填して成形体を得、成形体を脱脂し、焼成して
    焼結体となし、上記成形体を成形後または焼結体とした
    後フィン先端の余剰部を除去することを特徴とする熱機
    関用回転体の製造方法。
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