JPH0533601A

JPH0533601A - セラミツクターボロータの製造方法

Info

Publication number: JPH0533601A
Application number: JP19219691A
Authority: JP
Inventors: Seiji Mizuno; 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミックターボロータの高応力部位である
翼部とハブ部の気体出口側付け根部の強度を高めるた
め、脱落による欠陥部や、キャビティ内のエア抜け不良
による低密度の部分を加工除去し、高回転に耐え得るよ
うにする。【構成】セラミックターボロータの翼部３とハブ部２
の気体出口側付け根部５を、成形体を焼成した後、型合
わせ面により生ずるバリの付け根より、そのバリの幅の
半分以上の深さまでを加工除去し、面粗度を５μｍＲｍ
ａｘ以下とする。また、さらに、型合わせ部の面取り形
状により生成するバリの付け根より、２００μｍ以上除
去し面粗度を５μｍＲｍａｘ以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気系に接続
して使用するターボチャージャー（以下ターボと略す）
のセラミックターボロータの製造方法に関するものであ
り、さらに詳しくは、高速回転に耐え得る高い強度を有
するセラミックターボロータに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素、サイアロン、炭化珪素等のセ
ラミック材料は、耐熱性や耐熱衝撃性に優れるため、こ
れらを用いたセラミックターボロータが盛んに開発され
ている。ターボロータは高速回転するため、軸付け根部
に遠心力に起因する高応力が働くことが知られている。
軸付け根部とは、軸部とハブ部との接合部を指す。そこ
で、特開昭６１−２２６５０１号公報では、軸付け根部
のＲ形状および軸付け根部と軸部の面粗度を規定するこ
とにより、この部分への応力集中を緩和して、高速回転
に耐え得るようにする技術を開示している。すなわち、
形状により低応力化を図ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、さらに高
速回転に耐え得るセラミックターボロータを開発するた
め、有限要素法（ＦＥＭ）による応力解析を行った。そ
の結果を図９に示す。図中太い線で示すのが等応力線で
ある。数字は遠心力による応力の大きさを示す指標で、
数字が大きいほど高応力が働いていることを示してい
る。この図から翼付け根部（ここでは翼部とハブ部との
接合部のうち、気体出口側付け根部を指す。）には軸付
け根部以上の高応力が働いていることがわかった。そこ
で、軸付け根部を高応力に耐えられるようにすることが
必要であるという認識を持つに到った。

【０００４】例えば、翼厚を薄くして遠心力を小さくす
ることにより低応力化を図るという方法が考えられる。
しかし、この方法では、翼厚が薄くなることにより異物
衝突による耐チッピング性が劣り、信頼性を確保するこ
とができない。

【０００５】また、従来技術の軸付け根部と同じように
Ｒ形状を大きくして、付け根部の応力集中を緩和すると
いう方法も考えられる。しかし、翼付け根部の場合は、
Ｒ形状を大きくしただけでは、以下に述べる理由により
高応力に耐えることができない。すなわち、セラミック
ターボロータの翼形状は複雑であり、翼の枚数に応じた
数に型を分割して製造される。そのため、翼付け根部に
は型の見切り面が必要であり、この見切り面からバリが
生ずる。そして、バリの脱落・欠けが欠陥となり、それ
が亀裂の起点となって強度が低下する。また、見切り面
からキャビティ内のエアが抜けるが、そのエア抜けが十
分行われないと、バリ近傍の粉末成形体中にエアが残
り、緻密でない部分が生ずる。この低密度の部分は、強
度が低いので、やはり強度低下の原因となる。これらの
理由から、たとえＲ形状を大きくしたとしても、バリが
生じてその影響がある限り高応力に耐えることができな
い。

【０００６】また、成形体の段階で加工によりバリおよ
びバリ近傍を除去し、バリの影響をなくす方法もある。
しかし、成形体の段階では焼結体ほどの強度がないの
で、バリの影響をなくすことができたとしても、逆に加
工による切欠き傷が生じ易い。そのため、応力集中によ
りその加工傷が亀裂の起点となり、やはり高応力に耐え
ることができない。

【０００７】そこで本発明は、翼付け根部の強度低下要
因を除去することにより、セラミックターボロータの強
度を高めることを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、高回転に耐
え得るセラミックターボロータを得るためには、翼付け
根部の強度を高めることが必要であるという観点から、
翼付け根部のバリおよびバリ近傍の影響について研究を
進め、本発明を完成させたものである。

【０００９】すなわち、第一の発明は、軸部と、該軸部
に連結した傘状のハブ部と、該ハブ部に連結した翼部と
からなるセラミックターボロータを、複数に分割され、
少なくとも翼部と傘状のハブ部の接合部のうち、傘の径
が小さくなる側の付け根部に見切り面を有する型で粉末
を成形してターボロータ形状の成形体とし、該成形体を
焼成してなるセラミックターボロータの製造方法におい
て、成形体を焼成した後、前記付け根部を、少なくとも
型の見切り面の合わせ部により生成する第一のバリの付
け根部から、該バリの幅の半分以上の深さまで加工除去
し、表面粗さがＲｍａｘ５μｍ以下となるようにするこ
とを特徴とするセラミックターボロータの製造方法によ
り前述の課題を解決するものである。

【００１０】また、第二の発明は、軸部と、該軸部に連
結した傘状のハブ部と、該ハブ部に連結した翼部とから
なるセラミックターボロータを、複数に分割され、少な
くとも翼部と傘状のハブ部の接合部のうち、傘の径が小
さくなる側の付け根部に見切り面を有する型で粉末を成
形してターボロータ形状の成形体とし、該成形体を焼成
してなるセラミックターボロータの製造方法において、
成形体を焼成した後、前記付け根部を、少なくとも型の
製品形状を郭定する面と型の見切り面との交差部の面取
り形状により生成する、製品形状より突出した第二のバ
リの付け根部から２００μｍ以上の深さまで加工除去
し、表面粗さがＲｍａｘ５μｍ以下となるようにするこ
とを特徴とするセラミックターボロータの製造方法によ
り前述の課題を解決するものである。

【００１１】バリには第一のバリと第二のバリがある。
図２を用いて説明すると、図２（ａ）に示すように、第
一のバリ６とは、型の見切り面の合わせ部に、成形しよ
うとするセラミック粉末が入り込むことにより生成する
ものである。また、第二のバリ７とは，製品形状を形成
するキャビティ面と、型の見切り面との交差部の稜線の
形状が、型製造時の意図的な面取り加工や、セラミック
粉末の成形を繰り返すうちに起こる摩耗等により丸めら
れ、面取り形状となる。このような形状となった型が型
合わせされると山形形状の窪みが形成される。この部分
へセラミック粉末が入り込むことにより生ずるのが第二
のバリ７である。

【００１２】第一のバリ６は、通常の型製作精度では約
２０μｍ程度の幅をもつ。第二のバリ７の幅は、第一の
バリ６の幅よりも大きいのが普通であり、第二のバリ７
の上にさらに第一のバリ６が生じているのが通常の成形
体の状態である。第一のバリ６が脱落すれば、第一のバ
リ６の幅の約半分の深さ程度までの窪みが生じ、これが
亀裂の起点になり得る。そのため、第一のバリ６の付け
根部から、少なくともこの窪みの深さ以上の深さまでを
除去することが必要である。そこで第一の発明では第一
のバリの付け根部から、該バリの幅の半分以上の深さま
でを加工除去することとした。

【００１３】第二のバリ７近傍は、前述のように緻密で
ない部分があるが、本発明者の研究によれば、その深さ
は第二のバリ７の付け根部９から約２００μｍ程度まで
である。そして、通常の成形体の製造方法ならば、この
深さは製品の大きさや第二のバリ７の大きさが変わって
も、これ以上大きくなることはない。なぜならば、製品
やバリが大きい場合にはエアが抜けやすいため、型内に
残されるエアの割合は少ない。一方、製品やバリが小さ
い場合には、エアが抜けにくいため残される割合は多
い。しかし、その絶対量としては製品やバリの大小に関
わらず、それほどの大差はなく、結局緻密でない部分の
深さとしては、どちらも同じように第二のバリ７の付け
根部９から約２００μｍまでとなるのである。そこで、
２００μｍ以上を加工除去することにより、強度の弱い
緻密でない部分が取り除かれる。なお、図２（ｂ）のよ
うに第二のバリ７が脱落する場合もあり、バリが大きい
ほど窪みも大きくなる。しかし、大きくなるほど脱落し
にくくなるので、脱落部の影響をなくすには少なくとも
２００μｍ以上の除去で十分である。

【００１４】また、第二のバリ７の付け根部９に亀裂が
生じた場合でも、加工除去することは効果があるが、深
さが２００μｍ以上あるような大きな亀裂は肉眼で観察
でき、不良品として取り除くことができる。それに対
し、これより小さな亀裂の場合には、蛍光探傷等の検査
手段を用いないと発見できない。そこで、肉眼では亀裂
を観察できない製品に対し、加工除去を行えばよいの
で、第二の発明では２００μｍ以上の加工除去をするこ
ととした。

【００１５】加工部の面粗度を５μｍＲｍａｘ以下とし
たのは、面粗度が５μｍより粗いと加工傷への応力集中
のため亀裂の起点となり、バリの影響を加工により除去
しても強度の向上が見られず、かえって強度低下するた
めである。好ましくは３μｍＲｍａｘ以下の面粗度とす
れば、さらに強度向上効果がある。

【００１６】

【作用】セラミックターボロータ成形体の翼付け根部に
生成するバリの近傍は、バリの脱落による切欠き欠陥が
発生する。また、脱落しない場合でもバリ近傍はキャビ
ティ内のエアが抜けきらないで成形体中に残存し易いた
め、緻密でなく強度が低いので破壊の起点になる。翼付
け根部は高応力の働く部位であるからその影響が大き
い。そこで、第一の発明では、バリ近傍を焼成後加工除
去し、面粗度を５μｍＲｍａｘ以下に規定することによ
り、破壊の起点となる第一のバリ脱落による窪みの除去
と、加工傷による応力集中の低下によって、高い強度を
有するようになる。また、第二の発明では、バリ近傍の
緻密でなく強度の低い部分の除去、および第二のバリ脱
落による窪みの除去と、加工傷による応力集中の低下に
よって、さらに高い強度を有するようになる。

【００１７】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に
説明する。窒化珪素粉末に焼結助剤としてイットリアお
よびスピネルを各３ｗｔ％添加し、ボールミルで２４時
間湿式混合を行った。次に１５０℃で乾燥した後、有機
結合剤をセラミック粉末に対し１６ｗｔ％加え、ニーダ
で１５０℃で混練し、射出成形用ペレットを形成した。
次にこのペレットを用いて、射出成形によりタービンロ
ータ形状に成形した。得られた成形体をオーブン中で１
〜５℃／Ｈの昇温速度で５００℃まで加熱して脱脂を行
った。次に窒化珪素製のサヤ（円筒状のケース）の中に
セットして、窒素雰囲気中１８００℃で４時間焼結を行
った。このようにして得られたセラミックターボロータ
の断面図を図１に示す。このセラミックターボロータ
は、軸部１と傘状のハブ部２の径の大きい側が連結され
ている。また、傘状のハブ部２のテーパー面に複数の枚
数の翼部３が連結されている。なお、図示はしていない
が、翼部３の先端は通常ねじれた形状をしている。傘状
のハブ部２の径の大きい側と軸部１との連結部が軸付け
根部４であり。また、傘状のハブ部２の径の小さい側と
翼部３との連結部が軸付け根部５である。

【００１８】焼成後の翼付け根部の断面を観察すると、
図２（ａ）、（ｂ）に示すようにバリが生成して残って
いる部分と、バリが脱落して窪みとなっている部分があ
った。図４は、本発明のようにバリ近傍の加工除去をせ
ず、第二のバリ脱落部から亀裂が生じて破壊したロータ
の翼断面の結晶の構造を示す写真である。バリ近傍には
キャビティ内のエア抜け不良によるごく微細な空洞があ
り、緻密ではないことが示されている。

【００１９】そこで、高応力が作用する翼付け根部５
に、図５に示すように砥石を押しつけることにより超仕
上加工を行った。本実施例では＃２０００の砥石を用い
て超仕上げ加工を行ったので、加工後の面粗度は１μｍ
Ｒｍａｘであった。加工後の翼付け根部の断面形状の模
式図を図３に示す。本実施例では第二のバリの付け根部
９からｔ＝７０μｍ（第一のバリ付け根からは９０μ
ｍ）加工除去を行い、バリの影響を除去した。

【００２０】このようにして得られた加工後の焼成体の
翼付け根部強度を、図６のように、翼に負荷ピン１３を
押しつけ、負荷をかけて破壊荷重を調べる方法によって
行った。この評価方法によって、加工面の面粗度と翼破
壊荷重との関係を調べたが、その結果を図５に示す。面
粗度が６μｍＲｍａｘでは、バリ近傍を加工除去しない
場合の未加工強度よりも逆に強度が低下してしまってお
り、５μｍＲｍａｘ以下にすることで強度が向上してい
る。本実施例では１μｍＲｍａｘの面粗度であるため、
１７５ｋｇｆの翼破壊荷重となり、未加工強度の７５ｋ
ｇｆに比べて大きく強度が向上した。また、ｔ＝２２０
μｍの加工除去を行った場合には、強度のばらつきが減
少し、平均強度が１８０ｋｇｆまで上昇した。

【００２１】このように、静的な荷重では大きな強度向
上効果が得られたので、実際に回転させた場合の動的な
強度を調べるため、９５０℃においてホットスピンテス
ト（過酷な条件での強制破壊試験）を行い、破壊回転数
を調べた。その結果、従来のように未加工ものは、２０
×１０⁴ｒｐｍで破壊したのに対し、本実施例のものは
２４×１０⁴ｒｐｍであった。すなわち、本発明によっ
て高回転数にまで耐えられる強度向上が認められた。

【００２２】ところで、焼成体を製造する場合、焼成雰
囲気によっては焼成体表面近傍に焼成変質異常層と呼ば
れる層が生ずることがある。これは、雰囲気中の焼結助
剤成分の蒸気圧の大小により、焼成体の焼肌表層の助剤
成分濃度が変化したものである。雰囲気中の助剤成分濃
度が低い場合には、焼肌表層から助剤成分が蒸発して成
分濃度が下がり、逆に雰囲気中の助剤成分濃度が高い場
合には、焼肌表層の成分濃度が上がる。前者のように助
剤成分が少ない場合、表層の緻密化が十分進まず、室温
強度が低下する。また逆に助剤成分が多い場合には、粒
界相の量が多くなり、高温強度が低下する。

【００２３】本実施例では、サヤと呼んでいる窒化珪素
製の円筒形状の筒内に成形体を納め、焼成している。こ
のサヤの材質を変えて、助剤成分元素の一つであるＡｌ
の翼断面における元素分布を、ＥＰＭＡ線分析により調
べた。その結果を図８に示す。助剤を多く含む常圧焼結
窒化珪素焼結体をサヤとして用いた場合が図８（ａ）
で、助剤の少ない反応焼結窒化珪素焼結体を用いた場合
が図８（ｂ）である。前者では表面から約２００μｍ程
度まで助剤成分が高くなっており、後者では逆に約１０
０μｍ程度まで少なくなっている。本実施例では反応焼
結窒化珪素を用いたので図８（ｂ）のように焼肌表層の
助剤成分濃度が低くなっていた。

【００２４】これらの焼成変質異常層は、厳密な焼成雰
囲気のコントロールで、ある程度は防ぐことができる。
しかし、そのための装置・条件が非常に厳しくなり実用
上は困難である。従って、焼成変質異常層の生成はある
程度やむを得ないが、その深さとしては通常の焼成装置
・条件では約２００μｍ程度までである。そのため、第
二の発明のようなバリの影響を除くための加工除去によ
り、焼成変質異常層も同時に加工除去することができ、
強度の向上に大きく寄与することができる。

【００２５】以上の実施例で説明したように、本実施例
においては、バリ近傍の強度を低下させる要因を加工に
より除去したので、翼破壊荷重が向上し、ホットスピン
テストによる動的な強度も向上した。また通常の焼成条
件で生成する焼成変質異常層も同時に除去することがで
き、さらに強度向上効果がある。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、セラミックターボロータの高
応力部位である翼付け根部に生成するバリ脱落による切
欠き欠陥や、バリ部からのキャビティ内のエア抜け不良
による低密度の部分を加工除去することにより、破壊の
起点を除去することができる。さらに加工面の面粗度を
５μｍＲｍａｘ以下に規定することにより、加工傷への
応力集中を小さくすることができる。以上のことから、
セラミックターボロータの翼付け根部の強度が向上して
高回転に耐えられ、ターボの性能が向上する。またセラ
ミックターボロータの形状を変えることなくターボの性
能を向上させることができる。さらに、成形体の品質の
バラツキ、特にバリ近傍の欠陥に関わらず一定品質の強
度を持つ製品が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックターボロータの一実施例の
形状を示す断面図である。

【図２】実施例の翼付け根部のバリ形状を示す部分断面
の模式図である。

【図３】実施例の翼付け根部のバリの影響部を加工除去
した後の形状を示す、部分断面の模式図である

【図４】従来の第二のバリの脱落部の結晶の構造を示す
顕微鏡写真（６００倍）である。

【図５】実施例の翼付け根部の加工方法を示す説明図で
ある。

【図６】実施例の翼付け根部の強度測定方法を示す説明
図である。

【図７】実施例の翼付け根部の、加工面の面粗度と破壊
荷重の関係を示すグラフである。

【図８】実施例の翼部断面の元素分布を、ＥＰＭＡ線分
析で調べた結果を示すグラフである。

【図９】実施例の形状のセラミックターボロータを、Ｆ
ＥＭにより応力解析した結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・軸部２・・・ハブ部３・・・翼部４・・・軸付け根部５・・・翼付け根部６・・・第一のバリ７・・・第二のバリ８・・・第一のバリの付け根部９・・・第二のバリの付け根部１０・・第二のバリ脱落部１１・・砥石１２・・チャック１３・・負荷ピン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸部と、該軸部に連結した傘状のハブ部
と、該ハブ部に連結した翼部とからなるセラミックター
ボロータを、複数に分割され、少なくとも翼部と傘状の
ハブ部の接合部のうち、傘の径が小さくなる側の付け根
部に見切り面を有する型で粉末を成形してターボロータ
形状の成形体とし、該成形体を焼成してなるセラミック
ターボロータの製造方法において、成形体を焼成した後、前記付け根部を、少なくとも型の
見切り面の合わせ部により生成する第一のバリの付け根
部から、該バリの幅の半分以上の深さまで加工除去し、
表面粗さがＲｍａｘ５μｍ以下となるようにすることを
特徴とするセラミックターボロータの製造方法。
【請求項２】軸部と、該軸部に連結した傘状のハブ部
と、該ハブ部に連結した翼部とからなるセラミックター
ボロータを、複数に分割され、少なくとも翼部と傘状の
ハブ部の接合部のうち、傘の径が小さくなる側の付け根
部に見切り面を有する型で粉末を成形してターボロータ
形状の成形体とし、該成形体を焼成してなるセラミック
ターボロータの製造方法において、成形体を焼成した後、前記付け根部を、少なくとも型の
製品形状を郭定する面と型の見切り面との交差部の面取
り形状により生成する、製品形状より突出した第二のバ
リの付け根部から２００μｍ以上の深さまで加工除去
し、表面粗さがＲｍａｘ５μｍ以下となるようにするこ
とを特徴とするセラミックターボロータの製造方法。