JPH04347302A - セラミックスタ−ビンスクロ−ルおよびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスタ−ビン
スク−ルおよびその製造方法に関し、特に熱の放散を極
力減らしたセラミックスと金属の複合体よりなるセラミ
ックスタ−ビンスクロ−ルとその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】最近ファインセラミックス技術が注目さ
れ、この技術により製造されたセラミックスを用いて種
々の部品が製造され、たとえば、自動車用の内燃機関に
も多くのセラミックス製の部品が使用されている。

【０００３】セラミックスの種類は極めて多く、それぞ
れ物性としてのそれら独特の特徴点をもっている。しか
し、たとえば内燃機関の部品のように、多くの特徴点を
兼ね備えていなければならない部品を構成する場合、１
種類のセラミックスでは実現不可能であるため、それぞ
れ特性が異なるセラミックスを数種類組合せて、あるい
はセラミックスと金属とを組み合わせて、要求特性に合
ったセラミックス複合体構造を案出することになる。

【０００４】このようなセラミックス複合体を使用して
いる部品の一例として、内燃機関のスクロ−ルを挙げる
ことができる。

【０００５】従来のセラミックス複合体を用いた内燃機
関のスクロ−ルは、チタン酸アルミニウムからなる渦巻
状をした管状体の周囲をアルミニウム、鋳鉄などの金属
で鋳ぐるんだセラミックス複合体を用いたものが知られ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の内
燃機関のスクロ−ルは、断熱性はよいが、チタン酸アル
ムニウムの強度レベルが低いために、鋳ぐるんだ時の凝
固、収縮で発生する応力、あるいは作動時に発生する熱
応力その他の原因で破壊し易いという欠点を有する。

【０００７】本発明は、上述の如き従来の不都合を解消
しようとするものであり、その目的は、セラミックスと
金属の複合体からなるタ−ビンスクロ−ルにおいて、激
しい熱サイクルにも耐え、製造が簡単で低コストのセラ
ミックスタ−ビンスクロ−ルとその製造方法を得ること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、珪素（Ｓｉ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）
、の全ての元素およびチタン（Ｔｉ），ジルコニウム（
Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），イットリウム（Ｙ），ホ
ウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ）の元素群の中の少な
くとも１種類以上で構成され、かつ気孔を１２％以上含
むセラミックスとその外面に金属が配置されていること
を特徴とするセラミックスタ−ビンスクロ−ルを提供し
、さらに珪素（Ｓｉ）を主成分とし、これに窒素（Ｎ）
、酸素（Ｏ）、の全ての元素を含み、かつチタン（Ｔｉ
），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），イッ
トリウム（Ｙ），ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ）
の元素群の中の少なくとも１種類以上を含む混合粉末を
形成する工程と、該混合粉末を用いて渦巻形状のセラミ
ックスタ−ビンスクロ−ルの内筒を形成する工程と、該
渦巻形状のものを窒素雰囲気中で焼結して含有各元素を
窒化するとともに焼結する工程と、該窒化焼結工程を経
た後、酸素を含んだ雰囲気中で加熱して前記窒化物の一
部を酸化物に変化させる工程と、上記の各工程を経て形
成された焼結部品であるセラミックスタ−ビンスクロ−
ルの内筒を溶融金属中に浸漬して該内筒の周囲に金属を
被着する工程と、該被着された金属を所望の形状に加工
する工程とを含むことを特徴とするセラミックスタ−ビ
ンスクロ−ルの製造方法を提供する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。ま
ず、本発明に係るセラミックスタ−ビンスクロ−ルにつ
いて説明する。

【００１０】図１において、１は内燃機関の排気管であ
り、その下部にはタ−ビンハウジング４にタ−ビンスク
ロ−ルが２が設けられている。３はタ−ビンホイ−ルで
ある。内燃機関から排気された排気ガスは矢印の通り流
れる。セラミックスタ−ビンスクロ−ルの内側には本発
明に係るセラミックスからなる渦巻型の内筒５が設けら
れ、その外側にはステンレス鋼製の外筒６が形成されて
いる。

【００１１】図２において、セラミックスタ−ビンスク
ロ−ル２は、後に述べる製法でセラミックス製の内筒５
を作ってから該内筒５をステンレス鋼などの金属で鋳ぐ
るんで外筒６を形成して得られる。

【００１２】前記セラミックスタ−ビンスクロ−ル２の
内筒５は次のようにして製造される。シリコン（Ｓｉ）
の粉末１００重量部に対して金属チタン（Ｔｉ）粉末５
重量部を加え、これにオイルを所定量配合した後に、加
圧ニ−ダで混練して可塑性を有する組成物を作成する。

【００１３】別に内筒製造用の金型を作り、上記組成物
を該金型内に充填する。後にプレスにより略０．４トン
／ｃｍ２　の圧力で加圧してから、該成型された組成物
を金型から取り出す。なお、セラミックスタ−ビンスク
ロ−ル２は渦巻型の筒状であるので、１回のプレス加工
では成型品を作ることができない。そこでまず渦巻型で
筒状の内筒を縦割りにした前記組成物からなる樋状の成
型品を２個作り、これらを接着剤で貼り合わせて筒状の
内筒を作り、これを炉に入れ、窒素雰囲気中で最高５０
０℃で脱脂し、同一の窒素雰囲気中で最高１４００℃に
て焼成する。この焼成により上記組成物は完全に窒化し
、内部には略１５パ−セントに近い容積を持ち、かつ均
一に分散した気孔が形成される。

【００１４】次にこれを１０００℃の大気中で加熱処理
を施した。この加熱処理後の寸法測定によれば、内筒の
寸法は金型での成型時の寸法とほとんど変わっていない
。このようにして作られた内筒の外周をアルミニウムあ
るいは鋳鉄などの金属で鋳ぐるみ、ディーゼルエンジン
用のタ−ビンスクロ−ルを作成する。内筒の周囲に金属
を鋳ぐるむ方法の一つとして、内筒の両側口を閉塞した
後、これを溶融金属の中に浸漬してからこれを引き上げ
て内筒の周囲に金属を被着して外筒を形成し、その後、
該金属を切削加工して所望の形状に仕上げる。なお、上
記大気中での焼結が終了した内筒の熱伝導率、強度、熱
膨張率係数、Ｘ線による生成物の同定結果を図３および
図４の図表図に示す。

【００１５】以上のような製法により製造されたセラミ
ックス製の内筒５は、チタン酸アルミニウムにより制作
した従来の内筒に比べて熱的特性は同レベルであるが、
強度面で大きく優っていることが図３および図４の図表
図から分かる。

【００１６】なお、このセラミックスタ−ビンスクロ−
ルは、内筒を作製する際、また該内筒に外筒を鋳ぐるむ
際に、破損は生じなかった。また、該セラミックスタ−
ビンスクロ−ルをディーゼルエンジンの排気管に接続し
、ベンチテストを行なった結果、耐久性についてはまっ
たく問題はない。本願発明の要旨外の問題ではあるが、
排気エネルギがセラミックス内燃機関のスクロ−ルから
外部に逸走しないので、燃料消費率も従来と比較して約
２．９％向上していることも分かった。

【００１７】上記実施例の外に、本発明においては、シ
リコンＳｉ粉末をベースにしてこれに配合する金属粉末
のパーセンテージを替え、またその種類を変え、さらに
セラミックス粉末のパーセンテージを替え、またその種
類を変えて、上記実施例と同様のセラミックス製の内筒
を作成した。図３の図表図において、実施例番号２乃至
９および図４の図表図で、１０ないし１３の実施例がそ
れである。

【００１８】次に示す実施例では、上記大気中での焼結
までが終了した実施例１の内筒をポリカルボシラン溶液
あるいは有機珪素ポリマ溶液に浸漬し、セラミックス内
部の気孔内にこれを含侵させた後、大気中あるいはアン
モニア雰囲気中で所定条件で加熱処理を行ない、この部
分を薄い窒化膜に転化させた。以降、上記の実施例と同
様にしてセラミックスタ−ビンスクロ−ルを作製した。 このようにして構成されたセラミックスタ−ビンスクロ
−ルは実施例１のものと比較して強度が幾分増加する。

【００１９】さらに次の実施例では、上記実施例で使用
したポリカルボシラン溶液や有機珪素ポリマ溶液よりも
粘度の高いポリカルボシランペーストあるいは有機珪素
ポリマペーストを上記大気中での焼結までが終了した実
施例１のセラミックスタ−ビンスクロ−ルの内筒表面に
塗布し後、上記と同様な条件で焼成して前記内筒の表面
に薄い窒化膜を形成した。以降、上記の実施例と同様に
してセラミックスタ−ビンスクロ−ルを作製した。この
ようにして構成されたセラミックスタ−ビンスクロ−ル
は、排気ガスと接するセラミックスタ−ビンスクロ−ル
の内筒の内壁が薄い窒化膜に覆われているので、実施例
１のものと比較して断熱性が向上する。

【００２０】上記実施例群で検討した材料の内、実施例
１０のチタン酸アルミ（ＴｉＡｌ２Ｏ５　）：１５％，
チタン（Ｔｉ）：１０％添加し、大気中での処理までの
工程を経て得た多孔質で低熱伝導のセラミックス材料に
ついて、トルエンで希釈したポリカルボシラン溶液に浸
漬し、セラミックスの中に形成された気孔にこれを含浸
させた後、アンモニア雰囲気中で熱分解させ、さらに窒
素雰囲気中での加熱処理により、気孔の表面の一部を非
晶質セラミックスで構成した。こうして得られた材料は
、図４の図表図に示すように、多孔質セラミックスの中
の気孔中に非晶質セラミックスが付着する。このように
して形成された多孔質セラミックスは、気孔量が２０．
１％から１７．１％と減りもとの材料に比べて約３％減
少しているが、強度は１６％向上した。このことは、す
べての実施例についてもみられた。また、熱伝導率はこ
の加工前と同じレベルであることが確認された。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、セラミックスと金属の複合体
からなるセラミックスタ−ビンスクロ−ルにおいて、管
状体を構成するセラミックスであるチタン酸アルミニウ
ムの代わりに酸化物複合反応焼結セラミックスを用いて
セラミックスタ−ビンスクロ−ルを構成したので、熱伝
導率は従来形のものと同程度でありながら強度は従来の
ものより３倍であり、熱サイクルの激しい部分に使用す
る部品の信頼性が向上する。また、焼結時の寸法変化率
が小さく、また該変化率のばらつきも小さいので、金型
設計も容易となる。また、同じ理由で焼結後の加工量が
小さくなり、部品の低コストにつながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックスタ−ビンスクロ−ルの一部破断正
面図。

【図２】セラミックスタ−ビンスクロ−ルの要部横断面
図。

【図３】図表図。

【図４】別の図表図。

【符号の説明】

１・・・・・内燃機関の排気管 ２・・・・・タ−ビンスクロ−ル ３・・・・・タ−ビンホイ−ル ４・・・・・タ−ビンハウジング ５・・・・・内筒 ６・・・・・外筒

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】珪素（Ｓｉ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、
   の全ての元素及びチタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ
   ），ハフニウム（Ｈｆ），イットリウム（Ｙ），ホウ素
   （Ｂ），アルミニウム（Ａｌ）の元素群の中の少なくと
   も１種類以上で構成されかつ気孔を１２％以上含むセラ
   ミックスとその外面に金属が配置されていることを特徴
   とするセラミックスタ−ビンスクロ−ル。
2. 【請求項２】上記気孔内部に非晶質セラミックスが形成
   されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック
   スタ−ビンスクロ−ル。
3. 【請求項３】気孔を１２％以上含む前記セラミックスの
   金属と接触していない内面には緻密なセラミックス薄膜
   が形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラ
   ミックスタ−ビンスクロ−ル。
4. 【請求項４】上記外面の金属がアルミニウムであること
   を特徴とする請求項１記載のセラミックスタ−ビンスク
   ロ−ル。
5. 【請求項５】上記外面の金属が鋳鉄であることを特徴と
   する請求項１記載のセラミックスタ−ビンスクロ−ル。
6. 【請求項６】珪素（Ｓｉ）を主成分とし、これに窒素（
   Ｎ）、酸素（Ｏ）、の全ての元素を含みかつチタン（Ｔ
   ｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），イ
   ットリウム（Ｙ），ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ
   ）の元素群の中の少なくとも１種類以上を含む混合粉末
   を形成する工程と、該混合粉末を用いてセラミックスタ
   −ビンスクロ−ルの内筒を形成する工程と、該内筒を窒
   素雰囲気中で焼結して含有各元素を窒化するとともに焼
   結する工程と、該窒化焼結工程を経た後、酸素を含んだ
   雰囲気中で加熱して前記窒化物の一部を酸化物に変化さ
   せる工程と、上記の各工程を経て形成された焼結部品で
   あるセラミックスタ−ビンスクロ−ルの内筒を溶融金属
   中に浸漬して該内筒の周囲に金属を被着する工程と、該
   被着された金属を所望の形状に加工する工程とを含むこ
   とを特徴とするセラミックスタ−ビンスクロ−ルの製造
   方法。
7. 【請求項７】上記内筒の一部を酸素を含んだ雰囲気中で
   加熱する工程の後、ポリカルボシランあるいは有機珪素
   ポリマ溶液に浸漬した後、加熱処理して気孔中の表面に
   薄い窒化膜を形成する工程を有することを特徴とする請
   求項６記載のセラミックスタ−ビンスクロ−ルの製造方
   法。
8. 【請求項８】上記内筒の一部を酸素を含んだ雰囲気中で
   加熱する工程の後、ポリカルボシランあるいは有機珪素
   ポリマペーストを内筒内側面に塗布した後、加熱処理し
   て該内筒内側面に薄い窒化膜を形成する工程を有するこ
   とを特徴とする請求項６記載のセラミックスタ−ビンス
   クロ−ルの製造方法。