JPS6265990A - セラミツク製タ−ボホイ−ルの製造方法 - 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〕 本発明はセラミック製ターボホイール（タービンホイー
ルともいう）の製造方法に関し、詳しくは内燃機関の排
気ガスによってタービンを駆動し、この駆動力を用いて
コンプレッサを作動させ、内燃機関へ新気を過給するタ
ーボチャージャに好適なセラミック製ターボホイールの
製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、自動車等の内燃機関においては、出力性能の向上
環を目的として、ターボチャージャ（排気タービン過給
機）が用いられている。このターボチャージャは、公知
のように、排気ガスのエネルギにより排気タービンを回
転させ、同軸上のコンプレッサ（圧縮機）を駆動するこ
とにより吸気を圧縮し、エンジンに大気圧力以上の高密
度の吸気を供給する装置である。

このターボチャージャに用いられる回転体としての排気
タービン（以下、ターボホイールという）は、従来、耐
熱性に優れた金属（合金）で形成されていた。しかるに
、近年になってセラミフクスの耐熱性に優れ、かつ軽量
であること等が注目され、ターボホイールをセラミック
スで成形したセラミック製ターボホイールが提案される
ようになった。

かかるセラミック製ターボホイールは、通常第５図に示
すように、セラミック粉末と有機結合剤を混合し、混練
した後、射出成形により所定のターボホイール形状に成
形し、得られた射出成形体を脱脂した後、焼成すること
によって製造されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、排気ガス内にはチッピング等によりエンジン
内で発生した金属片や粉塵等が混入することがある。こ
の場合、ターボホイールはタービンハウジング内で高速
度で回っているため、この金属片や粉塵等がターボホイ
ールに衝突すると、欠けや割れを生じさせ、最終的には
破損に到ることがある。

このため、セラミック製ターボホイールに例え金属片や
粉塵等が衝突しても、割れ等の不具合が発生しないよう
にする工夫が望まれていた。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題は、次に述べる本発明のセラミ・ツク製ターボ
ホイールの製造方法によって解決される。

即ち、本発明は、セラミック粉末を原料としてターボホ
イール形状の成形体を形成し、この成形体を焼成するセ
ラミック製ターボホイールの製造方法であって、 前記成形体を仮焼し、得られた仮焼体の少なくとも翼の
外周部にセラミック超微粉を含浸し、しかる後焼成を行
うことを特徴としている。−一一−−−第１の発明 また、本発明は、セラミック粉末を原料としてターボホ
イール形状の成形体を形成し、この成形体を焼成するセ
ラミック製ターボホイールの製造方法であって、 前記焼成後、得られた焼成体の少なくとも翼の外周部に
セラミック超微粉を含浸し、しかる後再度焼成を行うこ
とを特徴としている。−・−第２の発明 本発明において、セラミック製ターボホイールの成形方
法としては、射出成形法、スリップキャスティング法等
を用いることができる。

まず、射出成形法を例に採り説明する。

本発明において、ターボホイールの基材となるセラミッ
ク粉末としては、窒化珪素（３ｉ３Ｎ４）や炭化珪素（
Ｓ　ｉ　Ｃ）等のニューセラミックスを用いることがで
きる。

焼結助剤としては、酸化イツトリウム（Ｙ　ｚ○：ｌ）
、スピネル（Ｍ　ｇ　Ａ　ｌ　２０４）　、酸化アルミ
ニウム（Ａ、ＮＺＯｆｆ＞等を用いることができる。こ
の焼結助剤は、使用する焼結助剤の種類により多少こと
なるが、セラミック粉末に対し重量で２〜１０％添加す
るのが望ましい。

また、有機結合剤としては、ポリビニルアルコール（Ｐ
ＶＡ）等を用いることができる。

射出成形により得られたターボホイール形状の射出成形
体は、通常常温から約５００℃まで４〜ｂ る。

第１の発明では、脱脂体を仮焼後、セラミック超微粉が
ターボホイールの少なくとも翼の外周部に含浸される。

なお、当然のことながらセラミック製ターボホイールの
表面全体にセラミック超微粉を含浸させてもよい。この
セラミック超微粉としては、上記した窒化珪素や炭化珪
素の超微粉を用いることができる。ここで、超微粉とは
、粒径０．５μｍ以下の粉末をいう。

また、第２の発明では、焼成体にセラミック超微粉が含
浸される。

セラミック超微粉を含浸後、焼成することにより所望の
ターボホイール形状の焼成体が得られる。

このとき、焼成温度は、使用する材料によりことなるが
、通常１４００℃〜１８００°Ｃ程度である。

なお、スリップキャスティング法を適用する場合には、
上記射出成形法と比較すると、バインダの種類や脱脂工
程がない等の相違はあるが、他は実質的に射出成形の場
合と同じであり、特にセラミック超微粉を含浸、焼成さ
せる特徴部分は全く同じである。

〔作用〕

本発明のセラミック製ターボホイールの製造方法によれ
ば、表面にセラミック超微粉が含浸された後焼成されて
いるため、表面が緻密になり、高強度となっている。こ
のため、ターボホイールの翼に金属片や粉塵等が衝突し
ても割れや破損等を生じることはない。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

（第１実施例） 第１実施例として第１の発明について説明する。

この第１実施例は、射出成形法を利用したものである。

ここで、第１図は本発明の第１実施例に係るセラミック
製ターボホイールの製造方法の主要工程を示す工程図、
第２図は本発明の第１実施例で得られたセラミック製タ
ーボホイールの正面図、第３図は第２図の部分拡大断面
図である。

平均粒径約１μｍの窒化珪素粉末を主成分とし、この窒
化珪素粉末に焼結助剤として酸化イツトリウム４重量％
とスピネル４重量％を添加すると共に（混粉工程）、有
機結合剤（有機バインダ）として熱可塑性樹脂等を１７
重量％添加したものを混合して混練物をつくる（混練工
程）。この混練物を所定の金型に射出成形することによ
り、ターボホイール形状の射出成形体を得た（成形工程
）。

この射出成形体を脱脂装置に入れ、脱脂処理を行った。

即ち、脱脂装置内に不活性ガスを導入し、装置内を不活
性ガスで置換した後、装置内を５°Ｃ／ｈｒの割合で４
５０℃まで加熱して脱脂を行った（脱脂工程）。

このターボホイール形状の脱脂体を焼成炉に入れ、１３
５０℃で４時間仮焼することにより仮焼体を得た（仮焼
工程）。続いて、この仮焼体を、粒径０．５μｍ以下の
窒化珪素超微粉を含んだ泥脩中に浸漬し、表面に泥漿を
含浸させた（超微粉含浸工程）。その後、再び焼成炉に
入れ、１７５゜°Ｃで２時間焼成することにより、セラ
ミック製ターボホイールを得た（焼成工程）。

この結果得られたセラミック製ターボホイール１を第２
図に示す。このセラミック製ターボホイール１には、第
３図に示すように、表面に窒化珪素超微粉が含浸、焼成
された硬化層２が形成されている。また、第３図により
、表面欠陥３が窒化珪素超微粉により補充され、強化さ
れていることが判る。

（第２実施例） 第２実施例として第２の発明について説明する。

ここで、第４図は本発明の第２実施例に係るセラミック
製ターボホイールの製造方法の主要工程を示す工程図で
ある。

脱脂工程までは第１実施例と同様に行った後、仮焼する
ことなく１７５０℃で２時間焼成してセラミック製ター
ボホイールを製造した（第１の焼成工程）。続いて、こ
の焼成体を、粒径０．５μｍ以下の窒化珪素超微粉を含
んだ派別中に漫清し、表面に泥脩を含浸させた（超微粉
含浸工程）。その後、再び焼成炉に入れ、１７５０℃で
２時間焼成することにより、セラミック製ターボホイー
ルを得た（第２の焼成工程）。

（比較例） 第１実施例において、仮焼工程とセラミック超微粉含浸
工程を除き、他は実質的に第１実施例と同様にしてセラ
ミック製ターボホイールを製造した。

（評価試験） 上記第１実施例、第２実施例および比較例で得られたセ
ラミック製ターボホイールを用いて評価試験を行った。

この試験は次のようにして行った。

即ち、上記セラミック製ターボホイールを、それぞれエ
ンジンに取り付け、その排気ガスを利用して１８万ｒｐ
ｍまで回転を上げて試験を行った。このとき、縦、横各
２ｖａ、厚さ０，２鰭の金属片を１分間に１枚の割合で
１０分間供給しながら、１８万ｒｐｍで２０分間実施し
た。

この結果、第１実施例および第２実施例で得られた各１
０本のセラミック製ターボホイール乙こは、いずれも破
損等の不具合は生じなかったが、比較例で得られた従来
のセラミック製ターボホイールは、１０木中５本に破損
が生じた・ 以上より、本実施例によれば、ターボホイールの表面の
緻密化および強度向上が図れ、その結果耐久性が向上す
ることが判る。

また、第３図に示すように、ターボホイールの表面にセ
ラミック超微粉を含浸、焼成させることにより、欠は等
の表面欠陥が補填されるため、表面欠陥が消失する。こ
の事実もターボホイールの耐久性の向上に寄与している
と考えられる。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲内において種々の実施態様を包含するものである。

例えば、実施例では射出成形法を用いてセラミック製タ
ーボホイールを製造する例を示したが、スリップキャス
ティング法を用いてセラミック製ターボホイールを製造
することもできる。

また、実施例ではセラミック粉末として窒化珪素を用い
たが、炭化珪素等を用いてもよい。この場合、セラミッ
ク超微粉としては、セラミック粉末と同じ材料を用いる
のが望ましい。

〔発明の効果〕

以上より、本発明のセラミック製ターボホイールの製造
方法によれば、翼等の表面がセラミック超微粉の含浸、
焼成により緻密化、高強度化すると共に、表面欠陥が消
失するため、金属片や粉塵等の衝突による破損が防止さ
れ、耐久性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るセラミック製ターボ
ホイールの製造方法の主要工程を示す工程図、 第２図は本発明の第１実施例で得られたセラミック製タ
ーボホイールの正面図、 第３図は第２図の部分拡大断面図、 第４図は本発明の第２実施例に係るセラミック製ターボ
ホイールの製造方法の主要工程を示す工程図、 第５図は従来のセラミック製ターボホイールの製造方法
の主要工程を示す工程図である。 １−・−セラミック製ターボホイール ２−・−−−−一硬化層 ３−・−・−表面欠陥 出願人　　トヨタ自動車株式会社 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック粉末を原料としてターボホイール形状
   の成形体を形成し、この成形体を焼成するセラミック製
   ターボホイールの製造方法であって、前記成形体を仮焼
   し、得られた仮焼体の少なくとも翼の外周部にセラミッ
   ク超微粉を含浸し、しかる後焼成を行うことを特徴とす
   るセラミック製ターボホイールの製造方法。
2. （２）セラミック粉末を原料としてターボホイール形状
   の成形体を形成し、この成形体を焼成するセラミック製
   ターボホイールの製造方法であって、前記焼成後、得ら
   れた焼成体の少なくとも翼の外周部にセラミック超微粉
   を含浸し、しかる後再度焼成を行うことを特徴とするセ
   ラミック製ターボホイールの製造方法。