JP5868598B2 - ターボチャージャ部品およびターボチャージャ部品の製造方法 - Google Patents
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Description
ターボチャージャは、内燃機関(エンジン)の排気ガスを利用し、タービンを回転させ、タービンと同軸上に設けられたコンプレッサを駆動して、エンジンに高圧空気を供給する役割を有する。最近では、このようなターボチャージャとして、過給圧をコントロールできる、可変容量ターボチャージャが広く用いられている。このようなターボチャージャでは、タービンの外側に沿って複数のノズルベーンが設けられ、互いに隣接する2つのノズルベーン間で、タービンに向けて排気ガスを供給するノズル孔を形成している。そして、各ノズルベーンを回動させることで、ノズル孔の開口度を変更し、タービンへの排気ガスの流量を変更する。このような可変容量ターボチャージャは、エンジンの稼動条件に応じて、過給圧を最適に調整し、低速トルク向上、排ガス浄化、燃費向上などの効果をもたらすといわれている。
このような要望に対し、例えば特許文献1には、高温下における摩耗と腐食が問題となる過給機用可動部支持部品を、トリバロイ等のCo基系合金製で製造することが提案されている。特許文献1に記載された技術では、トリバロイ等のCo基系合金粉末を射出成形したのち焼結して焼結体とし、薄肉部を有する過給機用可動部支持部品としている。特許文献1に記載された過給機用可動部支持部品は、過給機の排気ベーン翼を開閉する可動装置を駆動する駆動レバーの支持軸を支持する軸用ホルダであり、射出成形−焼結法により製造すれば、形状自由度が高く、しかも安価に製造できるとしている。
しかし、特許文献1に記載された技術で得られた部品は、全体を高価なCo基系合金粉末を使用して製造されるため、高価であるという問題があった。
(5)(3)または(4)において、前記接合が、ろう付であることを特徴とするターボチャージャ部品の製造方法。
可変タービン20における可変ノズル機構23は、図1に示すように、通常、つぎのような構造を有している。
ノズルリング12は、タービンケーシング22に固定され、各ノズルベーンの軸部11bを回動可能に支持している。一対のノズルリング12、12には、各ノズルベーンの軸部11bを回動可能に支持するための、例えば貫通孔12aが複数個、等間隔に形成されている。また、一対のノズルリングの一方12と他方12は、複数のピン15を介して、間隔一定に支持される。これにより、一対のノズルリング12,12の間には、各ノズルベーンの翼部11aが配置可能となる。
このような構造を有する可変ノズル機構23では、ノズルベーンの軸部11bとノズルリングの貫通孔12aとの摺動、ユニソンリング13の溝部13aとベーンアーム14との摺動、ユニソンリングの駆動溝13bとインターナルクランク17との摺動、インターナルクランク17とセンターハウジングとの摺動、等があり、ターボチャージャの信頼性向上のために、これら摺動部(可動部をも含む)の耐摩耗性が要求される。
摺動部材は、高温耐摩耗性を具備する合金粉末を用いて、さらに熱可塑性樹脂、ワックス、植物油等のバインダを加えて混合した混合物を、加熱し、半溶融状態にして金型内に射出して成形体を得る射出成形(金属粉末射出成形(MIM))、または合金粉末に、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤、パラフィンワックス等の保形剤、あるいはさらに被削性改善粒子等の添加材を加えて混合した混合物を、金型に装入し、プレス成形等により成形し圧粉体を得る圧粉成形により、所望の寸法形状に成形される。成形された摺動部材は、所定の焼結処理を施され、HRC55〜65の硬さを有する、高温耐摩耗性を具備する合金製焼結体とする。
好ましいCo基合金としては、質量%で、Mo:25〜32%、Cr:7〜10%、Si:2〜3%、Fe+Ni:3%以下、残部Coからなる組成を有する合金が例示できる。この合金であれば、焼結処理は1200〜1300℃で真空もしくはArガス等の不活性雰囲気とすることが好ましい。なお、摺動部材の材質は、相手攻撃性の軽減という観点から、相手材の材質に応じて、上記した組成の範囲内で調整することが好ましい。
また、ノズルリング、ユニソンリング等のターボチャージャ部品の素材はとくに限定する必要はなく、通常使用されているねずみ鋳鉄品、ダクタイル鋳鉄品がいずれも使用可能である。なお、高温環境下で使用されることを考慮すれば、その素材としては、耐熱特性に優れた材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼板SUS310、耐熱鋼板SUH660、高クロム鋳鉄品等を用いることが好ましい。
また、高クロム鋳鉄品は、質量%で、C:1〜1.4%、Si:1.8〜2.1%、Mn:0.6%以下、Mo:2〜2.5%、Cr:33〜35%、Ni:0.5%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鋳鉄品とすることが好ましい。
なお、摺動部材を、ノズルリング、ユニソンリングの駆動部表層に一体的に接合あるいは嵌合する方法としては、溶材を使用しないTIG溶接、レーザ溶接等の溶接、あるいは真空もしくはArガス等の不活性雰囲気中での焼結、あるいはろう付、等による接合が好適であり、嵌合する方法としては、圧入、かしめ、等が好適である。
また、ろう付により一体化する場合には、摺動部あるいは可動部の接合箇所の形状(表面形状)に合致するように摺動部材の外面を加工し、該摺動部あるいは可動部の接合箇所と摺動部材の外面との間にろう材を載置したのち、ろう材の融点以上の所定の温度に加熱して、一体化接合することが好ましい。あるいは、摺動部あるいは可動部の接合箇所の形状(表面形状)に合致するように摺動部材の外面、あるいはさらに摺動部あるいは可動部の表面を加工し、該接合箇所に摺動部材を嵌め込み、さらにろうが接合界面に供給可能なように所定の位置にろう材を載置したのち、ろう材の融点以上の所定の温度に加熱して、一体化接合することが好ましい。
なお、ろう付による一体化接合を行う場合には、接合界面に十分にろう材が供給できるように、摺動部材の外面形状および/またはユニソンリング摺動部/可動部の内面形状を、調整することが好ましい。好ましい摺動部材の形状の例を図8に示す。
図9(a)には、摺動部材13abに突起部13abdと、摺動部材13abの一部とユニソンリング13摺動部/可動部の内面側の一部とで溝13acを形成するようにした例である。図9(b)には、摺動部材13abに突起部13abdを形成するとともに、摺動部材13abとユニソンリング13摺動部/可動部の内面との間で溝13acを形成できるように、摺動部材13ab側に肩部13abcを形成した例を示す。この例では、摺動部材13ab側のみの加工でよく、ユニソンリング13摺動部/可動部の内面側の加工を必要としない点で加工工程の短縮が可能となる。
SUS310製ユニソンリングの駆動溝表面に一体化して接合する摺動部材を摺動材(大きさ:外径33mmφ×内径27mmφ×厚さ7.5mm)とし、図11に示す高温弁座摩耗試験機のセッティンググプレートに装入し、摺動材と、相手材(耐熱鋼製)とを摺動させる試験を実施し、本発明例とした。なお、本発明例の摺動材は、質量%で、Mo:28.5%、Cr:8.5%、Si:2.5%、Fe+Ni:0.4%を含み、残部Coからなる組成を有するCo基合金粉末に、バインダを添加し混合した混合物を、半溶融状態になるように加熱したのち、射出成形機により、成形し、脱脂焼結して、Co基合金製焼結体としたものを使用した。なお、焼結体の硬さはHRC57〜61であった。一方、相手材は、耐熱鋼製とし、バルブ形状に加工した。なお、ユニソンリングの駆動溝表面に摺動部材を接合しない場合を想定し、摺動材を窒化処理したSUS310製とし、相手材を窒化処理した耐熱鋼製として、摺動させる試験を行い、従来例とした。試験条件は、下記のとおりである。
試験条件;
相手材加熱温度:700℃
相手材回転数:20 rpm
スプリング荷重:35 kgf(345MPa セット時)
リフト量:4.0 mm
カム回転数:2000 rpm
試験時間:5h
なお、熱源は、LPG+Airとし、その量、および、冷却水量は一定とした。
(実施例2)
図1に示す可変ノズル機構における、SUS310製ユニソンリングの駆動溝13a表面に、摺動部材13abを一体化して接合した。
ついで、得られたユニソンリングを試験材として単体疲労試験を実施し、接合部分の品質を評価した。試験方法は次のとおりとした。
図13に示す駆動側治具に、試験材(ユニソンリング)13を固定する。固定された試験材(ユニソンリング)の駆動溝部13bに、固定側治具の一端に配設されたインターナルクランク形状の端子を摺動可能に挿入する。そして、駆動溝部内をインターナルクランク形状の端子が摺動を繰返すように、負荷荷重を所定の試験回数(サイクル)まで負荷した。試験条件は下記のとおりとした。
試験温度:25℃
負荷荷重:±30kgf
荷重負荷サイクル:50Hz
試験回数:107サイクル
なお、ユニソンリング駆動溝部の摺動相手材であるインターナルクランク形状の端子の材質は、SUS310窒化品とした。
その結果、駆動溝部と摺動部材との接合部には割れも脱落も認められなかった。
11 ノズルベーン
11a ノズルベーン翼部
11b ノズルベーン軸部
12 ノズルリング
12a 貫通孔
12aa摺動部材
13 ユニソンリング
13a 溝部
13aa摺動部材
13b 駆動溝部
13ba摺動部材
14 ベーンアーム
15 ピン
16 ローラ
17 インターナルクランク
20 タービン(可変タービン)
21 タービンホイール
22 タービンケーシング
23 可変ノズル機構
30 コンプレッサー
31 コンプレッサーホイール
32 コンプレッサーケーシング
40 軸受
41 タービンロータ
Claims (6)
- 摺動部および/または可動部を有するターボチャージャ部品であって、該摺動部および/または可動部の表面に、射出成形製または圧粉成形製で、HRC55〜65の硬さを有し、高温耐摩耗性を具備する合金製焼結体である摺動部材が、一体的にろう付けされてなることを特徴とするターボチャージャ部品。
- 前記ターボチャージャ部品が、オーステナイト系ステンレス鋼製、高クロム鋳鉄製、ねずみ鋳鉄製、ダクタイル鋳鉄製のうちのいずれかであり、前記摺動部材がCo基合金製焼結体であることを特徴とする請求項1に記載のターボチャージャ部品。
- 摺動部および/または可動部を有するターボチャージャ部品の該摺動部および/または可動部に摺動部材を接合または嵌合してターボチャージャ部品とするに当たり、前記摺動部材を、射出成形または圧粉成形で成形され、HRC55〜65の硬さを有し、高温耐摩耗性を具備する合金製焼結体である摺動部材とし、該摺動部材の外面、あるいはさらに前記摺動部および前記可動部の表面を、前記摺動部材が前記摺動部および/または可動部の表面に接合または嵌合可能なように加工したのち、前記摺動部材を前記摺動部および/または可動部の表面に一体的に接合または嵌合することを特徴とするターボチャージャ部品の製造方法。
- 前記ターボチャージャ部品が、オーステナイト系ステンレス鋼製、高クロム鋳鉄製、ねずみ鋳鉄製、ダクタイル鋳鉄製のうちのいずれかであり、前記高温耐摩耗性を具備する合金がCo基合金であることを特徴とする請求項3に記載のターボチャージャ部品の製造方法。
- 前記接合が、ろう付であることを特徴とする請求項3または4に記載のターボチャージャ部品の製造方法。
- 前記ろう付で使用するろう材を、液相線温度が800〜1150℃の範囲の温度であるろう材とすることを特徴とする請求項5に記載のターボチャージャ部品の製造方法。
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