JPH0312367A - セラミックロータの強化方法 - Google Patents
セラミックロータの強化方法Info
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- JPH0312367A JPH0312367A JP1148745A JP14874589A JPH0312367A JP H0312367 A JPH0312367 A JP H0312367A JP 1148745 A JP1148745 A JP 1148745A JP 14874589 A JP14874589 A JP 14874589A JP H0312367 A JPH0312367 A JP H0312367A
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- Japan
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- rotor
- ceramic
- pressure
- temperature
- shaft
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
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。
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、焼結により一体的に形成されたラジアル型セ
ラミックロータを強化する方法に関する。
ラミックロータを強化する方法に関する。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕タービ
ンロータ等は、１０００℃近い温度又はそれ以上の高温
下で致方ｒｐｍ以上の高速回転を行う必要があるため、
耐熱性、及び高温強度に優れた材料を用いることが要求
される。
ンロータ等は、１０００℃近い温度又はそれ以上の高温
下で致方ｒｐｍ以上の高速回転を行う必要があるため、
耐熱性、及び高温強度に優れた材料を用いることが要求
される。
従来、このようなタービンロータ等には、耐熱性合金が
用いられていたが、約１０００℃又はそれ以上の高温に
長時間耐えることのできるものが少なく、しかも重量が
大きく、慣性が大きくなるという問題があった。そこで
、最近は金属よりも高温で安定であり、軽量で、酸化腐
食やクリープ変形を受けにくい５ｉａＮ、 、ＳｉＣ、
サイアロン等のセラミックスが用いられるようになって
きた。
用いられていたが、約１０００℃又はそれ以上の高温に
長時間耐えることのできるものが少なく、しかも重量が
大きく、慣性が大きくなるという問題があった。そこで
、最近は金属よりも高温で安定であり、軽量で、酸化腐
食やクリープ変形を受けにくい５ｉａＮ、 、ＳｉＣ、
サイアロン等のセラミックスが用いられるようになって
きた。
このようなセラミックスからタービンロータ等を製造す
るには、射出成形又はスリップキャスト法により翼部と
軸部を一体的に成形した後で、不活性雲間中で焼成する
方法が用いられていたが、ロータ軸部の内部中央付近は
焼結が不完全となりやすく、そのために緻密で高強度の
軸部を作ることができない場合が多かった。特に、軸部
はロータの回転時に最も応力のかかる部位であるために
、この部分での低密度、低強度は一体的に形成されたセ
ラミックロータにとって最大の欠点となっていた。
るには、射出成形又はスリップキャスト法により翼部と
軸部を一体的に成形した後で、不活性雲間中で焼成する
方法が用いられていたが、ロータ軸部の内部中央付近は
焼結が不完全となりやすく、そのために緻密で高強度の
軸部を作ることができない場合が多かった。特に、軸部
はロータの回転時に最も応力のかかる部位であるために
、この部分での低密度、低強度は一体的に形成されたセ
ラミックロータにとって最大の欠点となっていた。
従って、本発明の目的は、焼結により一体的に成形され
たセラミックロータの軸部を高強度化する方法を提供す
ることである。
たセラミックロータの軸部を高強度化する方法を提供す
ることである。
本発明者は、上記目的を達成すべく種々検討を重ねた結
果、焼結によりセラミックロータを一体的に製造した後
に、ロータの中心軸方向に加圧圧縮すれば、ロータハブ
部及びシャフトＲを緻密化することができ、もってロー
タの軸部を高強度とすることができることを発見し、本
発明を完成した。
果、焼結によりセラミックロータを一体的に製造した後
に、ロータの中心軸方向に加圧圧縮すれば、ロータハブ
部及びシャフトＲを緻密化することができ、もってロー
タの軸部を高強度とすることができることを発見し、本
発明を完成した。
すなわち、焼結により一体的に形成されたセラミックロ
ータを強化する本発明の方法は、焼結温度を超えない温
度でのホットプレスを前記ロータの中心軸方向に施すこ
とにより、前記ロータの中心部を高密度化し、もって前
記ロータ中心部の強度を増加することを特徴とする 特に窒化珪素を主成分とするセラミックスからなるロー
タに本発明の方法を適用するには、０．５〜５００ａｔ
ｍの窒素ガス雰囲気中、１４００−１８００℃の温度下
で、５０〜５００ ｋｇ／ｃａｆの圧力をかけるのが好
ましい。
ータを強化する本発明の方法は、焼結温度を超えない温
度でのホットプレスを前記ロータの中心軸方向に施すこ
とにより、前記ロータの中心部を高密度化し、もって前
記ロータ中心部の強度を増加することを特徴とする 特に窒化珪素を主成分とするセラミックスからなるロー
タに本発明の方法を適用するには、０．５〜５００ａｔ
ｍの窒素ガス雰囲気中、１４００−１８００℃の温度下
で、５０〜５００ ｋｇ／ｃａｆの圧力をかけるのが好
ましい。
焼結後に、高温下でロータの中心軸方向に圧力を加え圧
縮することにより、ロータの軸部、特にロータハブ部及
びシャフト部において塑性変形が起こり、その部分が高
密度化される。これによりロータハブ部及びシャフト部
における強度が向上し、高温下における高速回転に十分
に耐えられるロータとなる。
縮することにより、ロータの軸部、特にロータハブ部及
びシャフト部において塑性変形が起こり、その部分が高
密度化される。これによりロータハブ部及びシャフト部
における強度が向上し、高温下における高速回転に十分
に耐えられるロータとなる。
本発明を以下詳細に説明する。
第１図は、焼結により一体的に形成されたセラミックロ
ータに本発明の方法を施す状態を示す概略断面図である
。
ータに本発明の方法を施す状態を示す概略断面図である
。
本実施例においては、セラミックロータ１はラジアル型
ロータであり、円錐に近い形状のロータ本体２と、ロー
タ本体から半径方向に延出している複数枚の羽根部３と
からなる。またロータ本体２は、その中心軸上の一端に
おいてロータハブ部２１と、その反対側にシャフト部２
２とを有している。
ロータであり、円錐に近い形状のロータ本体２と、ロー
タ本体から半径方向に延出している複数枚の羽根部３と
からなる。またロータ本体２は、その中心軸上の一端に
おいてロータハブ部２１と、その反対側にシャフト部２
２とを有している。
本実施例において、ロータ１は窒化珪素を主成分とする
セラミックスからなり、羽根部３も含めて一体的に形成
されている。このようなロータは、スリップキャスト法
やインジェクション法などによりロータ形状の成形体を
まず形成し、それを常法により焼結することで製造する
ことができる。
セラミックスからなり、羽根部３も含めて一体的に形成
されている。このようなロータは、スリップキャスト法
やインジェクション法などによりロータ形状の成形体を
まず形成し、それを常法により焼結することで製造する
ことができる。
なお、このとき窒化珪素粉末に加えてＹ２Ｏ１，１，０
３等を焼結助剤として適宜加えると、高温強度や高温耐
食性に優れたロータとすることができる。
３等を焼結助剤として適宜加えると、高温強度や高温耐
食性に優れたロータとすることができる。
本発明の方法では、第１図に示すようにロータ１の中心
軸の方向に圧力をかける。すなわち、ロータハブ部２１
の端面とシャフト部２２の端面とをそれぞれ対向する加
圧ラム４．４に接面させ、加圧し、ロータ１の軸方向に
圧縮する。このとき、ロータ１にかける圧力は５０〜５
００ｋｇ／ｃｒｌとし、そのときの温度は１４００〜１
８００℃とする。またこの加圧は窒素ガス雰囲気中で行
い、その時の窒素ガス圧を０．５〜５００ａｔ＋ｎとす
る。
軸の方向に圧力をかける。すなわち、ロータハブ部２１
の端面とシャフト部２２の端面とをそれぞれ対向する加
圧ラム４．４に接面させ、加圧し、ロータ１の軸方向に
圧縮する。このとき、ロータ１にかける圧力は５０〜５
００ｋｇ／ｃｒｌとし、そのときの温度は１４００〜１
８００℃とする。またこの加圧は窒素ガス雰囲気中で行
い、その時の窒素ガス圧を０．５〜５００ａｔ＋ｎとす
る。
上記の条件の限定理由は以下の通りである。
まずロータ１の中心軸方向にかける圧力が５０ｋｇ／
ｃａｔに満たないと、加圧によるロータ軸部付近の圧密
化が顕著ではなく、ロータ軸部での強度の向上がほとん
ど見られない。また５００ｋｇ／ｃｕｔを超える圧力を
加えるとロータ自体が破壊される恐れがあり、好ましく
ない。
ｃａｔに満たないと、加圧によるロータ軸部付近の圧密
化が顕著ではなく、ロータ軸部での強度の向上がほとん
ど見られない。また５００ｋｇ／ｃｕｔを超える圧力を
加えるとロータ自体が破壊される恐れがあり、好ましく
ない。
次に加圧時の温度であるが、１４００℃未満であるとロ
ータの中心軸に沿った部分での塑性変形が起こりに＜＜
、加圧による緻密化が顕著でない。また１８００℃を超
える温度とすると、羽根部３等に変形が生じたり、基地
セラミックスの分解が生じたりするので好ましくない。
ータの中心軸に沿った部分での塑性変形が起こりに＜＜
、加圧による緻密化が顕著でない。また１８００℃を超
える温度とすると、羽根部３等に変形が生じたり、基地
セラミックスの分解が生じたりするので好ましくない。
なお温度は必ずロータの焼結温度よりも低くしなければ
ならない。
ならない。
また窒素ガス圧については、それが０．５ａｔｍに満た
ないと基地セラミックスの主成分である窒化珪素の分解
が生じ、また５００ａｔｍを超える圧力とすると基地セ
ラミックスの窒化が起こり不都合となるので、０．５〜
５００ａｔｍの範囲とする。
ないと基地セラミックスの主成分である窒化珪素の分解
が生じ、また５００ａｔｍを超える圧力とすると基地セ
ラミックスの窒化が起こり不都合となるので、０．５〜
５００ａｔｍの範囲とする。
なお、より好ましい条件はそれぞれ１００〜３００ｋｇ
／ ｃｒｌ、１５００〜１６５０℃及び５〜１０ａｔ
ｍである。
／ ｃｒｌ、１５００〜１６５０℃及び５〜１０ａｔ
ｍである。
第２図は本発明の方法を施したセラミックロータ１′に
おいて、高密度化が生じた部分を示す概略断面図である
。第１図に示すようにセラミックロータの中心軸方向に
圧力を加えると、主にロータの軸部付近く第２図の一点
鎖線５．５′の間の部分）において塑性変形が生じ、そ
こで圧密化が起こる。特にシャフト部及びそれに近い部
分６及びロータハブ部及びそれに近い部分７においては
、圧密化の度合いが大きい。従って、ロータの回転時に
最も応力がかかる軸部中央付近まで圧密化が起こるので
、ロータの強度は向上する。なおセラミック基地の圧密
化はロータの中心軸に沿って均一に生じるわけではなく
、第２図に示す部分６及び部分７において特に高密度化
されるが、密度の変化の勾配は中心軸に沿ってなめらか
になっているので、応力が特に集中する部位は存在せず
、問題にはならない。
おいて、高密度化が生じた部分を示す概略断面図である
。第１図に示すようにセラミックロータの中心軸方向に
圧力を加えると、主にロータの軸部付近く第２図の一点
鎖線５．５′の間の部分）において塑性変形が生じ、そ
こで圧密化が起こる。特にシャフト部及びそれに近い部
分６及びロータハブ部及びそれに近い部分７においては
、圧密化の度合いが大きい。従って、ロータの回転時に
最も応力がかかる軸部中央付近まで圧密化が起こるので
、ロータの強度は向上する。なおセラミック基地の圧密
化はロータの中心軸に沿って均一に生じるわけではなく
、第２図に示す部分６及び部分７において特に高密度化
されるが、密度の変化の勾配は中心軸に沿ってなめらか
になっているので、応力が特に集中する部位は存在せず
、問題にはならない。
次に、具体的実施例により本発明をさらに詳細に説明す
る。
る。
実施例１
平均粒径０．９μｍの窒化珪素粉末９６重量部に対し、
３重量部のＹ＝０３（平均粒径２μｍ）及び１重量部の
Ａｊ？２０３（平均粒径３μｍ）粉末を混合し、分散剤
としてアンモニアを０．３重量部加えて、３５重量部の
水に分散させて、スリップを調製した。
３重量部のＹ＝０３（平均粒径２μｍ）及び１重量部の
Ａｊ？２０３（平均粒径３μｍ）粉末を混合し、分散剤
としてアンモニアを０．３重量部加えて、３５重量部の
水に分散させて、スリップを調製した。
最大直径１２釦ｍ１最小直径４０ｍｍ、長さ６０ｍｍの
ロータ本体に高さ４５ｍｍ、幅ＩＪｍｍの羽根が９枚設
けられた形状のロータを形成するために、上記スリップ
を上記形状の石こう型に注入して、羽根部を含むロータ
をスリップキャスト法により成形した。
ロータ本体に高さ４５ｍｍ、幅ＩＪｍｍの羽根が９枚設
けられた形状のロータを形成するために、上記スリップ
を上記形状の石こう型に注入して、羽根部を含むロータ
をスリップキャスト法により成形した。
次いで、成形体を１８５０℃の窒素雰囲気中で４時間焼
結して、セラミックロータを得た。
結して、セラミックロータを得た。
得られたセラミツクロークを、１５００℃、１気圧の窒
素ガス下で第１図に示すように中心軸方向にホットプレ
スした。このときのプレス圧を２００ｋｇ／ｃｒＩとし
た。
素ガス下で第１図に示すように中心軸方向にホットプレ
スした。このときのプレス圧を２００ｋｇ／ｃｒＩとし
た。
このようにして軸部付近を圧密化したセラミックロータ
のシャフト部に近い部分（第２図に示す６の部分）から
複数の試験片を採取して、その密度及び曲げ強度を測定
した。密度が３．２０ｋｇ ／ ｃａｔの試験片では６
０〜７０ｋｇ／ｍｍ２の曲げ強度を示し、密度が３．２
２ ｇ ／ ｃｎ！の試験片においては、曲げ強度は１
５〜１２０ ｋｇ ／ ｍｍ２であった。
のシャフト部に近い部分（第２図に示す６の部分）から
複数の試験片を採取して、その密度及び曲げ強度を測定
した。密度が３．２０ｋｇ ／ ｃａｔの試験片では６
０〜７０ｋｇ／ｍｍ２の曲げ強度を示し、密度が３．２
２ ｇ ／ ｃｎ！の試験片においては、曲げ強度は１
５〜１２０ ｋｇ ／ ｍｍ２であった。
また、本発明の方法を施したセラミックロータについて
１１００℃の燃焼ガス雰囲気中で５０００Ｏｒｐｍの回
転数による回転試験を５時間行った。その結果ロータに
何の異常も認められなかった。
１１００℃の燃焼ガス雰囲気中で５０００Ｏｒｐｍの回
転数による回転試験を５時間行った。その結果ロータに
何の異常も認められなかった。
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は
これに限定されることなく、本発明の思想を逸脱しない
限り種々の変更ができる。例えば、セラミックロータの
主成分が窒化珪素以外の物質であるロータにも本発明は
適用できる。このとき必要があれば、ロータ軸部にかけ
る圧力、加圧時の温度、雰囲気ガスの種類、その圧力等
をロータの材質に合わせて適宜変更すればよい。
これに限定されることなく、本発明の思想を逸脱しない
限り種々の変更ができる。例えば、セラミックロータの
主成分が窒化珪素以外の物質であるロータにも本発明は
適用できる。このとき必要があれば、ロータ軸部にかけ
る圧力、加圧時の温度、雰囲気ガスの種類、その圧力等
をロータの材質に合わせて適宜変更すればよい。
本発明によれば、セラミックロータの中心軸に沿った部
分を高密度化することができる。特にロータハブ部及び
シャフト部においては高密度化が著しいので、その部分
の強度は特に向上する。
分を高密度化することができる。特にロータハブ部及び
シャフト部においては高密度化が著しいので、その部分
の強度は特に向上する。
従って、本発明の方法を用いると、従来から問題となっ
ていた、一体物の焼結セラミックロータの中心部の強度
を向上することができるので、高温下における高速回転
に充分使用できるロータとすることができる。
ていた、一体物の焼結セラミックロータの中心部の強度
を向上することができるので、高温下における高速回転
に充分使用できるロータとすることができる。
第１図は本発明の方法をセラミックロータに施す状態を
示す概略断面図であり、 第２図は本発明の方法を施したセラミックロータの高密
度化された部分を示す概略断面図である。 １．１′ ・・・セラミックロータ ２・・・ロータ本体 ２１・・・ロータハブ部 ２２・・・ロータシャフト部 ３・・・羽根部 ４・・・加圧ラム ６．７・・・高密度化部
示す概略断面図であり、 第２図は本発明の方法を施したセラミックロータの高密
度化された部分を示す概略断面図である。 １．１′ ・・・セラミックロータ ２・・・ロータ本体 ２１・・・ロータハブ部 ２２・・・ロータシャフト部 ３・・・羽根部 ４・・・加圧ラム ６．７・・・高密度化部
Claims (3)
- （１） 焼結により一体的に形成されたセラミックロー
タを強化する方法であって、焼結温度を超えない温度で
のホットプレスを前記ロータの中心軸方向に施すことに
より、前記ロータの中心部を高密度化し、もって前記ロ
ータ中心部の強度を増加することを特徴とする方法。 - （２） 請求項１に記載の方法において、前記セラミッ
クロータは窒化珪素を主成分とするセラミックスからな
り、前記ホットプレスを窒素ガス雰囲気中、１４００〜
１８００℃の温度下で、５０〜５００ｋｇ／ｃｍ＾３の
圧力で行うことを特徴とする方法。 - （３） 請求項２に記載の方法において、前記窒素ガス
の圧力を０．５〜５００ａｔｍとすることを特徴とする
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1148745A JP2720200B2 (ja) | 1989-06-12 | 1989-06-12 | セラミックロータの強化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1148745A JP2720200B2 (ja) | 1989-06-12 | 1989-06-12 | セラミックロータの強化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0312367A true JPH0312367A (ja) | 1991-01-21 |
| JP2720200B2 JP2720200B2 (ja) | 1998-02-25 |
Family
ID=15459675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1148745A Expired - Lifetime JP2720200B2 (ja) | 1989-06-12 | 1989-06-12 | セラミックロータの強化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2720200B2 (ja) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5917071A (ja) * | 1982-04-28 | 1984-01-28 | ヨク・サン・リユ− | ボ−ルプラグ弁 |
| JPS6052104A (ja) * | 1983-09-01 | 1985-03-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電源電圧変動補償型増幅装置 |
| JPS6121975A (ja) * | 1984-07-06 | 1986-01-30 | エヌオーケー株式会社 | 複合セラミツクスの製造法 |
| JPS63227302A (ja) * | 1987-03-16 | 1988-09-21 | 中治 尚貴 | 別途製作したセラミツク焼結体をセラミツク製品の製造に用いられる工業用ホツト・プレス法へ応用する方法 |
-
1989
- 1989-06-12 JP JP1148745A patent/JP2720200B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5917071A (ja) * | 1982-04-28 | 1984-01-28 | ヨク・サン・リユ− | ボ−ルプラグ弁 |
| JPS6052104A (ja) * | 1983-09-01 | 1985-03-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電源電圧変動補償型増幅装置 |
| JPS6121975A (ja) * | 1984-07-06 | 1986-01-30 | エヌオーケー株式会社 | 複合セラミツクスの製造法 |
| JPS63227302A (ja) * | 1987-03-16 | 1988-09-21 | 中治 尚貴 | 別途製作したセラミツク焼結体をセラミツク製品の製造に用いられる工業用ホツト・プレス法へ応用する方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2720200B2 (ja) | 1998-02-25 |
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