JPH03210025A - ターボチャージャロータ - 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、セラミックス製ターボチャージャロータにお
けるセラミックスについての改良に関する。

〔従来の技術〕

一般に、エンジンやタービンなどの構造材料に適するエ
ンジニアリングセラミックスとして窒化物、炭化物が開
発されている。その焼結技術として従来より、（１）反
応焼結法、（２）常圧焼結法、（３）ホットプレス法が
知られている。反応焼結法は、複雑形状でも焼結でき、
高温での強度劣化がほとんどないが、強度、じん性、耐
酸化性に劣る。常圧焼結法は、反応焼結法はどではない
が複雑な形状でも焼結でき、強度も大きいが、焼結時の
収縮により変形しやすく、焼結助剤が多く必要なので高
温下強度劣化が激しい。

またホットプレス法は、強度、耐酸化性、耐食性に最も
優れているが、単純な形状しか焼結できず、焼結助剤を
使用するので高温下強度劣化が起る。

これらの方法は、それぞれ一長一短がありエンジンやタ
ービン部品等の複雑形状の耐熱高温部材を製作するには
いまだ充分な方法とは言えず、特に常圧焼結法やホット
プレス法は焼結助剤によりち密化するが、粒子間のガラ
ス相は高温において軟化するため、焼結体の強度が著し
く低下する。この高温での強度低下を防止するため、焼
結助剤の添加量をできるだけ少なくしたり、焼結助剤に
起因する粒界のガラス相を結晶化させるなどの検討がな
されているが、完全な解決に至っていない。そして、こ
れらの方法に代る新しいセラミックス焼結法が望まれて
いる。

例えば、特開昭５６−２２６７８号では、金属Ｓｉ粉末
と焼結助剤との混合物を成形し、反応焼結した後再焼結
することにより反応焼結法の欠点を解決しているが、焼
結助剤を使用するために高温下で強度が低下するという
問題があり、耐熱高温部材に適用するには充分とは言え
ない。

一方、焼結助剤とは別に、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｎ、などの高
強度繊維混合による複合化によって高温強度、じん性を
高める繊維強化法も提案されている（特開昭５８−１０
４０６９号公報参照）。

しかし、この様な繊維強化セラミックスは異方性や不均
一が生じ易く、効果的にしん性を上げるにはまだまだ問
題が多く、耐熱構造用部品に適用するには充分とは言え
ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来技術は、焼結時の寸法収縮、高温強度、じん性
の点について配慮がされてふらず、かつ収縮に伴う変形
が大きく複雑形状品の成形が困難なので高温強度、高じ
ん性を必要とする構造部品に適用するには問題があった
。

本発明の目的は、改良されたセラミックス製ターボチャ
ージャロータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明は、ターボチャージャロー
タに関する発明であって、セラミックス製ターボチャー
ジャロータにおいて、該セラミックスが、無機化合物で
ある酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物及び酸窒化物、
並びに金属Ｓ１よりなる群から選択した少なくとも１種
の結晶粒子の複数個で構成された粒核の表面に、Ｓ　Ｉ
Ｃ５Ｓ　１３　Ｎ　４及びＳｉ、Ｎ２Ｏよりなる群から
選択した少なくとも１種の結晶からなる被覆層を有する
粒子が、該被覆層によって互いに緊密に焼結されている
高じん性セラミックスであることを特徴とする。

本発明における無機化合物のうち、ＳｉＣ。

５１３Ｎ４、ＴｉＣ，ＴｉＮ、　ＺｒＣ，ＺｒＮ、　Ｚ
ｒＯ２、ＣｒａＣ２、Ｃｒ２Ｎはじん性に優れており特
に好適である。

更に、無機化合物結晶粒子と金属Ｓｉ結晶粒子とを混合
することによりじん性、強度、耐熱性などの特性を向上
することができる。

特に、本発明において結晶粒子を無機化合物結晶粒子粉
末１０〜６０容量部、金属Ｓｉ結晶粒子粉末９０〜４０
容量部とすることにより、従来にないじん性に優れたセ
ラミックス焼結体を得ることができる。

本発明において、非晶質膜の厚さは５μｍ以下であるの
で好適であり、その理由は、非晶質膜が５μｍより厚く
なるに従い、非晶質膜にクラックが入り易くなると共に
、非晶質膜が結晶化する際に収縮が大きくなり、焼結体
中の気孔も大きく強度、じん性の低下が起るからである
。

本発明において、非晶質膜をＳＩＣ−５ｔａＮ４．Ｓｉ
０２．Ｓｉ２Ｎ２０、Ｃに限定する理由は、これらの非
晶質膜は結晶化すると、ＳＩＣ，３１３Ｎ４あるいはＳ
ｉ２Ｌ［ｌのいずれかの結晶相になり、これらの結晶は
耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性、耐酸化性に優れており
安価に作ることが可能であるからである。

非晶質膜を形成するための手段は、ＣＶＤ。

ＰＶＤ、有機ケイ素高分子化合物を用いる方法などいろ
いろあるが、この中で本発明による有機ケイ素高分子化
合物を用いる方法が安価で容易である。例えば、有機ケ
イ素高分子化合物は次のような構造を持つ。（Ｉ）ポリ
シラン化合物、（ｎ）ポリシル化合物、（Ｉ）ポリオキ
シシロキサン化合物、（ＩＶ）ポリシルシロキサン化合
物、（Ｖ）シリコンイミド化合物、（ＶＩ）前記（１）
〜（Ｖ）の骨格成分を少なくとも１つ含むもの、などか
らなる。そして熱分解により、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｎ、、Ｓ
ｉＯ−１ｓｉｚＬｏ、Ｃのうち少なくとも１種からなる
非晶質膜を生成する。

本発明において、金属Ｓｉ粉末を含む成形体は窒素及び
／又はアンモニア（必要に応じて水素、アルゴン、ヘリ
ウムなどを加える）の窒化性ガス雰囲気で加熱する。ま
た、金属Ｓｉを含まない成形体は、窒素やアルゴンなど
の不活性ガス中で加熱する。これらは、最低でも１３５
０℃まで加熱する。

本発明において、金属Ｓｉの平均粒径は５μｍ以下とす
るのが好ましい。なぜなら平均粒径が５μｍより大きく
なると窒化時間が長くなると共に残留Ｓｉが存在するよ
うになる。

前記、金属Ｓｉ及び無機化合物は市販のものをそのまま
用いることができる。

本発明において、成形用バインダーは非晶質膜で覆われ
た該粒子１００容量部に熱可塑性樹脂、可塑剤、潤滑剤
など５〜４０容量部添加し、成形体の相対密度を６０％
以上にするのが好ましい。

本発明において、結晶粒子表面に非晶質膜を生成した粉
末を作製した後、成形用バインダーを添加し成形する理
由は、無機化合物の結晶粒子のみでは共有結合性の強い
化合物であり、単独では焼結困難である。それに対し、
本発明品は原料の結晶粒子表面全体に非晶質膜を生成し
、その非晶質膜で覆われた粒子を用いて成形、焼結する
と粒子間の非晶質膜が結晶化することにより粒子が強固
に結合されると共に粒子形状が複雑になり強度及びじん
性を向上することが可能なためである。

これに対して、原料に成形用バインダーと非晶質膜生成
用の有機ケイ素高分子化合物を同時に混合し、成形、焼
結を行うと結晶粒子表面に均一に非晶質膜ができないた
めに、原料の結晶粒子と非晶質膜から生成した結晶粒子
との結合が弱いため強度、じん性を大きく向上すること
ができない。

本発明の特徴は、セラミックス用組成粉の個々の粒核の
表面が非晶質膜で覆われていることにあり、この粉末粒
子を成形、焼結して非晶質膜を結晶化し粒子を強固に結
合させることにより、焼結時の寸法変化率が小さく、高
強度、高じん性のセラミックスが得られる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１ 平均粒径１μｍのＳｉＣ粉末１００容量部に対して、ポ
リシラン化合物（分子量２０００）を２０容量部添加し
、キシレンと一緒に２４時間混合した。そして混合粉を
乾燥し、アルゴン中１１００℃で２時間加熱処理し、Ｓ
ｉＣ粉末表面にＳｉＯ□、Ｃ、Ｓｉ［：の非晶質膜を形
成させた。得られた粉末を電子顕微鏡で観察すると、第
１図に示すようにＳｉＣ粒核の表面は５μｍ以下の非晶
質膜で覆われていることが判る。第１図は、本発明の粒
核表面が非晶質膜で覆われている粒子の断面図であり、
符号１は粒核、２は非晶質膜を意味する。

この粉末１００容量部に成形用バインダーとしてポリビ
ニルアルコール粉末を５容量部添加しメタノールと一緒
にｌＯ時間混合、乾燥、成形しφ５０Ｘ１０ｍｍの成形
体を得た。

これを加熱処理してバインダーを除去し、次いで成形体
は窒素雰囲気中５℃／ｍｉｎで１１００℃まで加熱し、
１１００℃から１７５０℃まで４℃／ｈで加熱し、非晶
質膜を結晶化させ焼結体を得た。得られた焼結体の特性
を第１表に示す。

比較のために、平均粒径１μｍのＳｉＣ粉末単味を同様
に焼結して得た焼結体特性を第１表の比較例１に示す。

また、非晶質膜を形成するポリシラン化合物と成形用バ
インダーのポリビニルアルコールを始めから同時に添加
し成形したものを実施例１と同様に加熱処理して得た焼
結体の特性を比較例２に示す。

ここで、破壊じん検値ＫＩＣは３Ｘ４Ｘ４０ｍｍ（スパ
ン３０ｍｍ）の試験片にダイヤモンドホイールで０．５
　ｍｍの切り欠きを入れたノツチドビーム法で測定した
。熱衝撃値は、焼結体を１０００℃で３０分間保持した
後、水中に投入して急冷し、き裂を発生するまで反復し
、その回数をもって比較した。

以上より、本発明品は、強度、じん性、耐衝撃性に優れ
ていることが判る。

実施例２〜１１、比較例３及び４ 平均粒径０．９μｍのＳｉ３Ｎ、粉末と平均粒径０．９
μｍの金属Ｓｉ粉末を第２表に示す割合で混合し、その
混合物１００容量部に対し、シリコンイミド化合物（分
子量１５００）を１５容量部添加し、キシレンと一緒に
２４時間混合した。

そして混合粉を乾燥し、窒素中、１０００℃で５時間加
熱処理し、５ＩＣ１金属Ｓｉ粒子表面に８１０２、Ｃ５
ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｎ４．ＳｉＪ２０の非晶質膜を形成させ
た。得られた粉末は、らいかい機により細かく粉砕し、
この粉末１００容量部に成形用バインダーとしてポリエ
チレン系ワックスを２５容量部添加し、加圧ニーダで１
５０℃、１０時間加熱混練した後、混合物を破砕し１６
０℃、１０００ｋｇ／ｃｍ’の条件で射出成形を用いて
成形体を得た。

そして成形体中のワックス分を除くためにアルゴン中２
．５℃／ｈで４５０℃まで加熱した。そして、窒素ガス
中、１１００℃から１４００℃まで４℃／ｈで加熱処理
し焼結体を得た。得られた焼結体の特性を第２表に示す
。また第２図に金属Ｓｉ配合量（容量部、横軸）と曲げ
強さ（ＭＮ／ｍ２、縦軸）及び破壊しん検値（ＭＮ／　
ｍ”２縦軸）との関係をグラフとして示す。

比較のために、平均粒径０．９μｍのＳｉ、Ｎ、粉末に
焼結助剤としてＹ２Ｏ３を５容量部、Ａｌ２Ｏ，を５容
量部添加した混合粉末１００容量部に同様にしてポリエ
チレン系ワックスを添加、混合、成形した成形体を窒素
中１７５０℃で２時間加熱処理し焼結体を得た。得られ
た焼結体の特性を第２表に併せて示す。また、比較例と
して５１３Ｎ４粉末７０容量部にＳｉＣウィスカを２０
容量部添加し、焼結助剤としてＡｌ１［］３、Ｙ２Ｏ，
を各々５容量部添加し、混合、成形した成形体を窒素中
１７５０℃で２時間加熱処理し焼結体を得た。得られた
焼結体の特性を第２表に併せて示す。

以上より、本発明品は比較例に対して焼結時の寸法変化
率が１７１０小さく、高温曲げ強さ、破壊じん性、耐熱
衝撃性に優れていることが判る。特に、５１３Ｎ４粉末
と金属Ｓｉ粉末の組成比は、金属Ｓｉ粉末が４０〜９０
容量部の時、特に破壊しん性、曲げ強さが大きいことが
判る。

実施例１２〜２５ 実施例１と同様にＳｉＣ粉末の代りに、ＴｉＣ。

ＴｉＮ５ＴｉＢ、、ＺｒＣ５ＺｒＮ５ＺｒＢ２、Ｃｒ５
Ｃ２、Ｃｒ　２　Ｎ　％ＣｒＢ、　Ｓｉ口２．５１２Ｎ
２０、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ５ＺｒＯ，の粉末（平均粒径
１μｍ）を用いて、混合、成形、焼結を行った。得られ
た焼結体の特性を第３表に示す。

実施例２６〜２９、比較例５〜７ 実施例５と同様に、平均粒径０．９μｍのＳｉ３Ｎ＜粉
末６０容量部に金属Ｓｉ粉末４０容量部に対し、シリコ
ンイミド化合物の添加量を変えて、非晶質膜の厚さを変
えて成形、焼結し焼結体を得た。

得られた焼結体の特性を第４表に示す。また、第３図に
非晶質膜の厚さ（μｍ、横軸）と得られた焼結体の曲げ
強さ（ＭＮ／ｍ２、横軸）及び破壊じん検値（ＭＮ／ｍ
”２、縦軸）との関係をグラフとして示す。

以上より、厚さが５μｍより大きくなると非晶質膜にク
ラックが入りだし、焼結時の収縮率も大きく、気孔も大
きくなり曲げ強さ、じん性などが低下する。また非晶質
膜が０．１μｍでもあると効果があることが判る。

実施例３０〜４０ 実施例５と同様に、シリコンイミド化合物の代りに第５
表に示す有機ケイ素高分子化合物を用いて焼結体を得た
。得られた焼結体の特性を第５表に示す。

以上より、本発明品は曲げ強さ、じん性、耐熱衝撃性に
優れていることが判る。

実施例４１、比較例８ 平均粒径１μｍの金属Ｓｉ粉末６０容量部、平均粒径１
０μｍのＳｉＣ粉末４０容量部にシリコンイミド化合物
を１５容量部添加し、キシレンと一緒に２４時間混合し
た。そして、混合粉を乾燥し、アルゴン中１１００℃で
２時間加熱処理し、金属Ｓｉ及びＳｉＣ粉末表面に非晶
質膜を形成させた。そして、この粉末１００容量部にポ
リエチレン系ワックス、ステアリン酸、ブレンドワック
スなどを３５容量部添加し、加圧ニダを用いて１６０℃
で５時間混練した。混練物は粉砕したのち射出成形機を
用いて第４図に示すようなターボチャージャロータの成
形体を作製した。すなわち第４−１図はターボチャージ
ャロータの一実施例を示す２平面図、第４−２図はその
側断面図である。

この成形体は、アルゴン中２．５℃／ｈで５００℃まで
加熱し、成形用バインダーを除去した。

そして、窒素中１１００℃から１５００℃まで５℃／ｈ
まで加熱した。得られたターボチャージャロータの特性
を第６表に示す。比較のために、常圧焼結サイアロンの
ターボチャージャロータの特性を比較例に示す。

これにより、本発明品は、１４００℃の高温においても
曲げ強さが低下せず、じん性も大きく、また焼結時の寸
法変化率が小さいので、製品の寸法ばらつきをおさえる
ことができ、加工コストも従来の半分以下になると考え
られ、量産品に適していることが判る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、焼結による寸法
変化率が小さく、焼結助剤を用いることなく高強度、高
じん性、耐熱性かつ耐熱衝撃性にも優れた材料が得られ
る。

これにより、耐火物、エンジンやタービンなどの構造用
部品を始め航空機、宇宙関係、鉄鋼、海洋開発などの分
野へのセラミックスの利用範囲が拡大する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の結晶粒子表面が非晶質膜で覆われて
いる粒子の断面図、第２図は金属Ｓｉ配合量と曲げ強さ
及び破壊しん検値の関係を示すグラフ、第３図は非晶質
膜の厚さと曲げ強さ及び破壊しん検値の関係を示すグラ
フ、第４−１図はターボチャージャロータの一例を示す
Ｘ平面図、第４−２図はその側断面図である。 １：粒核、２：非晶質膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．セラミックス製ターボチャージャロータにおいて、
   該セラミックスが、無機化合物である酸化物、炭化物、
   ホウ化物、窒化物及び酸窒化物、並びに金属Ｓｉよりな
   る群から選択した少なくとも１種の結晶粒子の複数個で
   構成された粒核の表面に、ＳｉＣ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４及び
   Ｓｉ＿２Ｎ＿２Ｏよりなる群から選択した少なくとも１
   種の結晶からなる被覆層を有する粒子が、該被覆層によ
   って互いに緊密に焼結されている高じん性セラミックス
   であることを特徴とするターボチャージャロータ。