JPH0658044B2

JPH0658044B2 - タ−ビンロ−タ−およびその製造法

Info

Publication number: JPH0658044B2
Application number: JP59221138A
Authority: JP
Inventors: 伸夫津野; 實松井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-10-23
Filing date: 1984-10-23
Publication date: 1994-08-03
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: JPS61101601A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はタービンローターおよびその製造法に関するも
のある。さらに詳しくは、金属とセラミックスからなる
タービンローターとその製造法に関するものである。

（従来の技術）セラミックスは硬くて耐摩耗性にすぐれているうえ、高
温での機械的性質や耐蝕性にすぐれているため、高温で
の機械的強度や耐摩耗性が必要とされるガスタービンや
ターボチャージャーのローターの構造材料として適して
いる。このため、ガスタービンローターやターボチャー
ジャーローターのセラミック化が検討されている。例え
ば米国特許第４３９６４４５号明細書には，翼部と軸部
がセラミックスからなる構造のタービンローターが開示
されている。この構造のタービンローターではセラミッ
クス製軸部の一端にねじ部を設けて、金属製圧縮機イン
ペラを固定している。しかし、この構造のタービンロー
ターは圧縮機インペラを構成する金属材料と、軸部を構
成するセラミック材料との熱膨張差のため、タービンロ
ーターの使用中にセラミック軸のねじ部が破損する欠点
がある。また、セラミックスに対するねじ加工は高度の
技術を必要とし、時間と費用がかかる欠点がある。

この対策として、実開昭57-92097号公報には、タービン
ローターのセラミック軸を金属軸の端部に設けた筒状部
に嵌合する構造が開示されている。しかし、この構造で
は金属軸の筒状部先端がタービンローターシャフトを支
承する２ケのベアリングの間に位置しているため、ター
ビンローターのセラミック軸が破損すると、ベアリング
ハウジング内の潤滑油がタービンハウジングに漏出する
危険性がある。

一方、ドイツ特許第2728823号明細書には、タービンロ
ーターのセラミック軸の全長が中空の金属軸で被覆され
ているタービンローターの構造が開示されている。しか
し、この構造ではセラミック軸と金属軸の中空部内面と
がセラミック軸のほぼ全長にわたって密着して固定され
ているためセラミック軸から金属軸への伝熱面積が大き
い。このため、高温のタービン翼車から金属軸への伝熱
量が多くなり、金属軸の温度が過度に上昇し、金属軸上
に設けた密封と取付のための機構が劣化しやすい欠点が
ある。

また、金属軸部の温度上昇にともなう、金属軸とセラミ
ック軸の熱膨張量の差のため、結合部界面に剪断応力が
発生し、金属軸が疲労しやすい欠点がある。さらにま
た、金属軸へ伝達される熱量が多いため、潤滑油の温度
が過度に上昇する欠点がある。

さらに、上記構造では中空の金属軸とセラミック軸の結
合部のうち、タービン翼車側の部分が高温、潤滑ユニッ
ト内の部分が低温となり、結合部の軸方向には大きな温
度勾配が存在する。このため、結合部のセラミック軸表
面には、軸方向に引張の熱応力が発生し、セラミック軸
が破損する欠点がある。

なお、上記構造のように、セラミック軸と金属軸中空部
とをほぼ全長にわたって密着した状態で固定するために
はセラミック軸直径と金属軸中空部の加工に高精度の加
工が必要となり、実用上問題がある。

本発明の第１の目的は、タービンローターのセラミック
軸と金属軸と結合した構造のタービンローターにおいて
セラミック軸から金属への伝熱量を最小に抑えて、潤滑
油の密封機構の劣化を防ぐことである。

本発明の第２の目的は、セラミック軸が破損した場合に
潤滑油の漏出を防止ないしは最小に抑えることである。

本発明の第３の目的は、製造が容易で強固な結合を有す
るタービンローターとその製造法を提供することであ
る。

本発明の第４の目的は、セラミック軸や金属軸の破損が
起らない信頼性の高いタービンローターとその製造法を
提供することである。

（問題点を解決するための手段）本発明のタービンローターは、セラミック製翼車と一体
的に形成されているセラミック製軸が金属軸に設けられ
た有底中空筒状部の一部で固定されてタービンシャフト
を形成した構造のタービンローターにおいて、上記中空
筒状部は内径の異なる筒状部で構成され、しかも該筒状
部の開放端側の内径が残りの筒状部の内径より僅かに大
きく、セラミック製軸と該金属軸との結合が中空筒状部
の小径部でなされているとともに、該結合部がベアリン
グハウジング内において前記タービンシャフトを支承す
る２個の軸受間に位置し、しかも、該筒状部内径の大径
部内表面とセラミック製軸外表面の間に円筒状の空隙が
存在し、しかも中空筒状部の開放端先端と該セラミック
製軸のセラミック翼車への接続部との間に隙間が存在す
ることを特徴とするものである。

また、本発明のタービンローターの製造法は、セラミッ
ク製翼車と一体的に形成されているセラミック製軸に金
属軸を固定してタービンローターとする方法において、
金属軸の一端に、開放端側の内径が底部側の内径より大
である筒状部を設けたのち、該筒状部にセラミック製軸
を挿入し、筒状部内径の小径部でセラミック製軸を固定
するとともに該筒状部内径の大径部内表面とセラミック
製軸表面の間に空隙を設け、しかも中空筒状部の開放端
先端と該セラミック製軸のセラミック翼車への接続部と
の間に隙間を設けることを特徴とするものである。

（作用）本発明では、金属軸の一端に、開放端側の内径が底部側
の内径より大である筒状部を設けたのち、該筒状部にタ
ービンローターのセラミック軸を挿入して、筒状部内径
の小径部でセラミック軸を固定してタービンローターと
する。この場合のセラミック軸と金属軸の固定部は、タ
ービンローター使用中のローター軸部の温度が500℃以
下となる部位とするのが好ましく、該軸部の温度が350
℃以下の部位とするのがより好ましい。また、上記固定
部には軸方向の温度勾配が存在しないようにするのが望
ましい。

本発明のタービンローターの軸部を構成するセラミック
スと金属では、一般に金属の方がセラミックスより熱膨
張係数が大きいので、軸部温度が500℃以上になると、
両者の熱膨張差のため結合力が低下するので好ましくな
い。また、結合部の軸方向に温度勾配が存在すると、セ
ラミック軸と金属軸の結合界面において、セラミック軸
に引張の熱応力が発生し、セラミック軸が破損すること
があるので好ましくない。

この問題の解決のためには、例えば本発明のタービンロ
ーターを使用して、ターボチャージャーとする場合に
は、セラミック軸と金属軸の固定部をベアリングハウジ
ング内に位置させるのが好ましく、該固定部をタービン
ローターの軸部を支承する２個のベアリング当接部の間
に位置させるのがより好ましい。これにより、セラミッ
ク軸と金属軸の固定部はベアリングハウジング内を循環
する潤滑油により強制的に冷却されるため、過度の温度
上昇が生じないばかりでなく、固定部内において軸方向
の温度勾配も生じないので、セラミック軸と金属軸の結
合力の低下やセラミック軸と金属軸との固定界面での引
張の熱応力の発生が防止される。

本発明のタービンローターでは、上記固定部よりタービ
ン翼車側の金属軸筒状部内表面とセラミック軸表面との
間に断熱効果を有する空隙が設けてある。該空隙が存在
するので、セラミック製のタービン軸の温度が上昇して
も金属軸筒状部への熱伝達が最小限に抑制され、金属軸
の過度の温度上昇が起こらない。このため、タービン翼
車が高温になっても、結合部のゆるみや熱応力によるセ
ラミック軸の破損は起らない。したがって、本発明のタ
ービンローターでは金属軸筒状部先端をタービン翼車近
くまで延長することが可能になるから、該筒状部外表面
に潤滑油の密封と取付に必要なすべての形状要素を設け
ることが可能となり、万一、セラミック軸が破損しても
潤滑油の漏出が生じない。

本発明のタービンローターは、セラミック軸と金属軸の
固定を嵌合あるいは接合のいずれかの方法で行うことが
できる。

このうち、嵌合は焼ばめ、冷しばめ、圧入のいずれかの
方法で行うことができる。焼ばめ、冷しばめはセラミッ
ク軸の直径を金属軸筒状部小径部内径より大きく加工
し、被嵌合部材の一方を加熱ないし冷却して、両部材間
にはめ込み可能な寸法差を生ぜしめ、その寸法差を利用
して両部材を嵌合するものであるから、嵌合部の寸法が
大きいタービンローターの結合方法として好ましいもの
である。

また、一般に金属材料の方がセラミック材料より熱膨張
係数が大きいので、金属を加熱する焼ばめの方が少ない
温度差で大きな寸法差が得られ、安定した焼ばめ操作が
できるのでより好ましいものである。この場合の焼ば
め、冷しばめの締代は、嵌合後に金属軸筒状部やセラミ
ック軸が破損せず、しかも本発明のタービンローターの
使用条件で嵌合部に必要とされる締付力が得られる大き
さとする。

一方、圧入はタービンローターのセラミック軸を、金属
軸に設けた該セラミック軸より小径の筒状部に、荷重を
かけて強制的に押し込んで嵌合する方法である。上記セ
ラミック軸直径と金属軸筒状部内径の寸法差は金属軸筒
状部の変形により吸収されるので、圧入前のセラミック
軸直径と金属軸筒状部内径の仕上げ寸法公差は焼ばめ、
冷しばめの場合より大きくてもよい。このため、圧入は
嵌合部の寸法が小さいタービンローターの結合方法とし
てより好ましいものである。圧入部の形状と寸法は、圧
入時に作用する荷重によって、セラミック軸や金属軸筒
状部が破損しない形状及び寸法とする。また、セラミッ
ク軸と金属軸筒状部の嵌合部内径との寸法差は、嵌合部
が本発明のタービンローターの使用条件に応じた締付力
を有するとともに、圧入時にセラミック軸と金属軸筒状
部のいずれもが破壊しない大きさとする。このために
は、上記寸法差はセラミック軸直径を金属軸筒状部の嵌
合部内径より0.1％ないし10％大きくするのが好まし
く、１％なしい５％大きくするのがより好ましい。この
寸法差が0.1％以下では、圧入部の締付力が不足し、使
用中に圧入による嵌合部が抜けたり緩んだりする心配が
あるので好ましくない。寸法差が10％以上になると、圧
入に際しセラミック軸が破損したり、金属軸筒状部が破
損するので好ましくない。なお、金属軸筒状部内の嵌合
部の硬さが小さいときには上記寸法差を大きく、硬さが
大きいときには、上記寸法差を小さくすれば安定した結
合強度が得られる。この圧入は室温で行ってもよいし、
金属軸のみを加熱するかあるいは金属軸とセラミック軸
の両方を加熱して行ってもよい。しかし、両者を加熱し
て圧入する方法がもっとも好ましい。何となれば、両者
を加熱すると、金属軸筒状部の変形抵抗が減少し、圧入
に要する荷重が低下するので、セラミック軸や金属軸筒
状部の破損が起らなくなるうえ、圧入温度からの冷却に
際し、両者の熱膨張差にもとづく、締付力の増加が生ず
るからである。セラミック軸と金属軸の両方を加熱して
圧入する場合の加熱温度は、金属軸の熱処理温度あるい
は金属軸の表面硬化層の硬化温度のうちのいずれか低い
方の温度以下で、しかも圧入部の使用温度以上の温度が
好ましい。

ここで、金属軸の熱処理温度は金属軸筒状部の硬さ調整
のための熱処理温度を意味し、例えば該筒状部が析出硬
化型合金からなる場合には析出硬化処理温度、焼入れ硬
化鋼からなる場合には焼もどし温度に相当する。

また、表面硬化層の軟化温度は、表面硬化が窒化処理に
よる場合には窒化層の硬化温度、表面焼入れによる場合
には焼もどし温度に相当する。

圧入温度が金属軸の焼もどし温度より高い場合には金属
軸の硬さが低下し、圧入部の締付力が減少するので好ま
しくない。また、圧入温度が表面硬化層の軟化温度より
高い場合には、表面硬化処理の効果が減少するので好ま
しくない。さらにまた、圧入温度が金属軸の析出硬化処
理温度以上の場合には、加熱中に金属軸が硬化し展延性
が低下するため、圧入に際してセラミック軸や金属軸筒
状部が破損するので好ましくない。

圧入温度が圧入部の使用温度より低い場合には、圧入部
の温度が使用温度まで上昇すると、一般には金属軸の熱
膨張がセラミック軸の熱膨張より大きいので、圧入部が
緩み締付力が低下するので好ましくない。

本発明のタービンローターのセラミック軸と金属軸は耐
熱性接着剤による接着あるいはろう付けにより接合して
もよい。接合をろう付けで行う場合には、タービンロー
ターのセラミック軸の被接合部表面にあらかじめ金属層
を設けておく。該金属層は金属粉末を主成分とするペー
スト状組成物をセラミック軸表面に塗布、乾燥したの
ち、焼付ける方法あるいはセラミック軸表面に金属を物
理蒸着あるいは化学蒸着などで蒸着させる方法で設ける
ことができる。金属層を設けたセラミック軸と金属軸の
接合は市販のろう合金を使用し、通常の方法で行えばよ
い。また、上記方法のほかに、活性金属を含むろう合金
を使用して、セラミック軸表面に金属層を設けることな
く、セラミック軸と金属軸を直接接合することができ
る。この活性金属としては、セラミックスが窒化物の場
合には、タンタル、アルミニウム、セリウム、チタン、
ジルコニウム等の金属、セラミックスが炭化物の場合に
は、クロム、タンタル、チタン、ジルコニウム、モリブ
デン等の金属が利用できる。

本発明のタービンローターを構成するセラミック材料は
軽くて、高温強度と耐摩耗性にすぐれる窒化珪素、炭化
珪素、サイアロンなどのセラミック材料又はそれらのセ
ラミックスを主体とする複合材料から本発明のタービン
ローターの使用目的に応じて選択すればよい。

また、本発明のタービンローターを構成する金属材料は
析出硬化型合金あるいは浸炭、窒化、表面焼入れ、放電
硬化、メッキ等の方法で表面硬化が可能な市販の金属材
料を使用することができる。

本発明のタービンローターを使用して、ターボチャージ
ャーとする場合には、金属軸表面を硬化させて金属軸の
ベアリング当接部表面の耐摩耗性を向上させる。金属軸
の材料として、析出硬化合金を使用する場合には、セラ
ミック軸と金属軸を結合したのち析出硬化処理を行う。
この場合の析出硬化型合金としては、マルエージング
鋼、析出硬化型ステンレス鋼、析出硬化型超合金の何れ
か一種以上が好ましいものである。

また、金属軸表面の硬化を窒化で行う場合には、ステン
レス鋼、ニッケル・クロム・モリブデン鋼、クロム・モ
リブデン鋼、アルミニウム・クロム・モリブデン鋼、合
金工具鋼などクロムを含有する合金の何れか一種以上が
好ましい。さらにまた、金属軸の硬化を表面焼入れで行
う場合には、ニッケル・クロム・モリブデン鋼・クロム
・モリブデン鋼、ニッケル・クロム鋼、クロム鋼の何れ
か一種以上が好ましい。

かかる金属軸の表面硬化は、セラミック軸と金属軸の結
合前あるいは結合後のいずれで行ってもよいが、金属軸
筒状部内径の仕上げ加工前に実施するのが好ましい。

なお、窒化処理のように、金属軸表面に硬くて脆い化合
物層が形成する方法で表面の硬化処理をした金属軸に、
セラミック軸を嵌合して結合する場合には、嵌合による
金属軸の変形に上記化合物層の変形が追随できずクラッ
クが発生する。この場合には、金属軸表面の一部に非表
面硬化帯を設け、セラミック軸と金属軸の嵌合による金
属軸の変形がこの非表面硬化帯で生ずようにするのが好
ましい。

本発明のタービンローターの金属軸筒状部の硬さは、金
属軸の材料が析出硬化型合金かなる場合には、その合金
の析出硬化で得られる硬さとする。金属軸の材料が析出
硬化型合金以外の金属材料からなる場合には、熱処理で
硬さをHV250〜450に調整する。

金属軸表面の特定部位について、上記以外の硬さが必要
な場合には、前述した表面硬化を行う。セラミック軸と
金属軸の結合が嵌合による場合には、金属軸筒状部の硬
さがHV250以下ではセラミック軸と金属軸の結合力が不
足するので好ましくない。また、硬さがHV450を越す
と、嵌合時に金属軸筒状部の破壊が生じやすくなるので
好ましくない。

つぎに図面により本発明をさらに詳しく説明する。第１
図ないし第２図は本発明のタービンローターを使用して
ターボチャージャーとする場合の具体例の構造を示した
ものである。

第１図はセラミック製翼車１と一体的に形成されている
セラミック製軸２の主要部分が金属軸筒状部３で被覆さ
れている本発明のターボチャージャー用タービンロータ
ーの部分縦断面図である。セラミック軸とセラミック翼
車の接続部には応力集中を緩和するため丸み４が設けて
ある。金属軸は直径の異なる３つの部分から構成されて
いる。これらの部分はそれぞれセラミック翼車に隣接し
潤滑油の密封と取付に必要なすべての形状要素、例えば
オイルスリンガー、オイルシールリング溝（いずれも図
示せず）などを設けるための部分５、ベアリングユニッ
ト内で軸受６に支承される軸部７（以下ベアリング取付
軸という）およびコンプレッサー翼車取付軸部８であ
る。金属軸の上記5,7の部分には筒状部３が設けられて
いる。該筒状部３の内面は開放端側の内径D₁が底部側の
内径D₂より大であり、セラミック軸と金属軸は該筒状部
の小径部で結合されている。

該筒状部内径の小径部の位置は、セラミック軸と金属軸
の結合部がベアリング取付軸７の軸受当接部の間に位置
するように決められている。金属軸筒状部開放端先端と
セラミック翼車背面との間には隙間９が設けてある。こ
の隙間の大きさは本発明のタービンローターの使用温度
において、該筒状部先端がセラミック翼車背面に接触し
ない大きさとする。この隙間が存在しない場合には、タ
ービンローターの使用に際し、軸部の温度が上昇する
と、金属軸の方がセラミック軸より熱膨張が大きいため
セラミック翼車背面を金属軸筒状部先端が押し、セラミ
ック軸に引張応力が発生してセラミック軸が破壊するこ
とがある。

金属軸筒状部内径の大径部の内径D₁の大きさはセラミッ
ク軸の直径以上とし、上記大径部内表面とセラミック軸
表面との間には断熱のための空隙を設ける。

このタービンローターは例えばつぎのようにして製造す
ることができる。

まず、窒化珪素でタービン翼車１とタービン軸２を一体
的に形成する。しかるのち、このタービン軸を所定寸法
に仕上げ加工する。つぎに、未析出硬化状態の時効硬化
型合金からなる金属軸の一端に開放端側の内径D₁がセラ
ミック軸直径より大きく、底部側の内径D₂がセラミック
軸直径より小さい所定形状の筒状部３を加工する。さら
に金属軸の外周をほぼ所定形状に近い形状に粗加工す
る。その後、該金属軸の析出硬化温度以下の温度で、こ
の金属軸の筒状部内径の小径部にタービン軸のセラミッ
ク軸を圧入して、セラミック軸と金属軸を結合して第１
図に示す形状のタービンローターとする。つぎに、該タ
ービンローターを所定の析出硬化処理温度に所定時間加
熱して金属軸を硬化させたのち、タービンローターの外
径を所定の寸法と形状に仕上げ、本発明のタービンロー
ターとする。

第２図はセラミック製翼車１と一体的に形成されている
セラミック製軸２の一部分が金属軸筒状部３で被覆され
ている本発明のターボチャージャー用タービンローター
の部分縦断面図である。

セラミック軸はセラミック翼車に隣接しかつ直径が大で
ある部分10と金属軸筒状部３で被覆され、直径が小であ
る部分２とから構成されている。セラミック軸の大径部
10とセラミック翼車の接続部およびセラミック軸の大径
部10と小径部２の接続部には丸み11と12が設けられてい
る。セラミック軸の大径部10の外周部には潤滑油の密封
と取付に必要なすべての形状要素（図示せず）が設けら
れている。金属軸はベアリング内で軸受６に支承される
軸部７（ベアリング取付軸）とコンプレッサー翼車取付
軸８からなり、ベアリング取付軸７の内部には筒状部３
が設けられている。該筒状部３の内面は開放端側の内径
D₁が底部側の内径D₂より大であり、セラミック軸と金属
軸は該筒状部内径の小径部で結合されている。

該小径部はベアリング取付軸７の軸受当接部の間に位置
している。金属軸筒状部開放端先端とセラミック軸大径
部先端との間には隙間13が設けられている。また、金属
軸筒状部内径の大径部の内径D₁の大きさはセラミック軸
２の直径以上であり、上記大径部内表面とセラミック軸
２表面との間には断熱のための空隙が設けてある。

このタービンローターは例えば次のようにして作ること
ができる。窒化珪素でタービン翼車１とタービン軸を一
体的に形成する。しかるのち、このタービン軸を所定の
形状と寸法に加工する。一方、焼入れ、焼もどしで硬さ
を調整した金属軸の特定表面について、必要に応じて表
面硬化処理を行う。しかるのち、該金属軸の一端に開放
端側の内径D₁がセラミック軸２の直径より大きく、底部
側の内径D₂がセラミック軸２の直径より小さい筒状部を
加工する。

つぎに、金属軸の外周を所定形状と寸法に近い形状に粗
加工する。この金属軸筒状部３の内径の小径部にセラミ
ック軸２を、金属軸の焼もどし温度以下の温度で圧入し
て第２図に示す形状のタービンローターとする。

このタービンローターの外形を所定の形状と寸法に仕上
げ加工して、本発明のタービンローターとする。

（実施例）実施例１直径61mmのタービン翼車と直径9mm、長さ51mmのセラミ
ック軸を常圧焼結法による窒化珪素で一体的に作製し
た。その後タービン翼車とセラミック軸の接続部に半径
4mm以上の丸みを加工するとともにセラミック軸を直径6
mmに加工し、さらにセラミック軸先端にテーパ部を設け
た。また、固溶体化処理済の全長130mm、直径20mmの析
出硬化系ステンレス鋼(JIS-SUS630)の一端に開放端から
深さ32mmまでの内径が6.1mm、深さ32mmから50mmまでの
内径が5.8mmである深さ50mmの筒状部３を加工した。つ
ぎにこの析出硬化系ステンレス鋼の筒状部を設けた端部
側の外周に、オイルスリンガーとオイルシール溝からな
る潤滑油の密封と取付のための形状要素を加工するとと
もに、ベアリング取付軸とコンプレッサー翼車取付軸を
それぞれ仕上げ寸法よりやや大きな寸法に加工して、金
属軸を作製した。しかるのち、該金属軸筒状部にセラミ
ック軸を350℃で圧入してタービン翼車が窒化珪素、タ
ービン軸が析出硬化系ステンレス鋼からなる第１図に示
す形状のターボチャージャー用タービンローターを作製
した。このターボチャージャー用タービンローターを42
0℃で10時間加熱して析出硬化処理を行い析出硬化系ス
テンレス鋼を硬化させたのち所定寸法に仕上げ加工し
た。このターボチャージャー用タービンローターを高温
回転試験装置に組込んで、燃焼ガスにより150,000rpmで
100時間の回転試験を行ったが何ら異常は認められなか
った。

実施例２直径61mmのタービン翼車と直径20mm、長さ51mmのセラミ
ック軸を常圧焼結法による窒化珪素で一体的に作製し
た。しかるのち、セラミック軸先端から34mmまでの部分
を直径6mm、34mmからタービン翼車背面までの部分を直
径18mmに加工するとともに、セラミック軸大径部と小径
部の接続部およびタービン翼車背面とセラミック軸大径
部の接続部にそれぞれ所定の丸ミを加工し、セラミック
軸先端にはテーパ部を設けた。また直径10mm、長さ115m
mのアルミニウム・クロム・モリブデン鋼(JIS-SACM64
5、以下窒化鋼という）丸棒を930℃に１時間加熱保持後
窒温の水中に焼入れし、その後600℃に１時間加熱保持
して焼もどしを行い、硬さをHV350に調整した。

この丸棒の直径を9.2mmに加工したのち、一端から16mm
離れた位置から34mm離れた位置までの区間（第２図のＡ
区間）の外表面を長さ18mmの軟鋼製カバーで覆い、残り
の部分の外表面を圧力：4Torrの等量の窒素と水素から
なる混合雰囲気中で550℃に加熱しながら20時間イオン
窒化処理を行い、表面硬化させた。上記条件でのイオン
窒化処理により、窒化処理部表面の硬さは、窒化処理前
のHV350からHV1100まで増加した。また、表面から0.2mm
の深さの位置での硬さはHV700を示した。

一方、軟鋼製カバーで被覆した幅18mmの区間の表面硬さ
は窒化処理前と同じHV350を示し、該区間の表面には窒
化物の生成も認められなかった。

このようにして得た一方の端面近くに幅18mmの非表面硬
化部を有する窒化鋼丸棒の非表面硬化部側端面から深さ
17mmまでの内径が6.1mm、深さ17mmから33mmまでの内径
が5.8mmである深さ33mmの筒状部を加工して金属軸を作
製した。しかるのち、該金属軸筒状部にセラミック軸を
350℃で圧入し、圧入にともなう金属軸筒状部の変形を
上記非表面硬化部内に限定せしめて、タービン翼車およ
びタービン軸の一部が窒化珪素、タービン軸の一部が窒
化鋼からなるタービンローターを作製した。このタービ
ンローターのタービン軸の外周に潤滑油の密封と取付の
ための形状要素（図示せず）、直径9.0mmのベアリング
取付軸、直径6.4mmのコンプレッサー翼車取付軸をそれ
ぞれ所定の形状に加工して、第２図に示す形状でベアリ
ング取付軸のベアリング当接部の表面硬さがHV700以上
であるターボチャージャー用タービンローターを作製し
た。

このターボチャージャー用タービンローターを高温回転
試験装置に組込んで、燃焼ガスにより150,000rpmで100
時間の回転試験を行ったが何ら異常は認められなかっ
た。

なお、セラミック軸と金属軸の結合が接合でなされる場
合は、結合部の金属軸に変形が生じないので、金属軸の
結合部表面に非硬化帯を設ける必要がない。

実施例３実施例１と２に使用したターボチャージャー用タービン
ローターと同一構造のタービンローターについて、高温
回転試験中に故意にセラミック軸部を破損させた。第１
の構造のタービンローターについてはセラミック軸が破
損しても、潤滑油のタービンハウジング内への漏出は全
く生じなかった。第２図の構造のタービンローターにつ
いても、潤滑油のタービンハウジング内への漏出は僅か
であり、使用上の重大な障害とはならなかった。

実施例４直径10mm、長さ115mmのニッケル・クロム・モリブデン
鋼(JIS-SNCM420)丸棒を850℃で0.5時間加熱保持したの
ち油冷して焼入れし、その後500℃に１時間加熱保持し
て焼もどしを行い、硬さをHv370に調整した。この丸棒
を直径9.2mmに加工したのち、一端から50mmの区間につ
いて、表面から深さ２mmのところまで高周波焼入れによ
り表面硬化させた。しかるのち、350℃で１時間加熱保
持して焼もどしを行い、表面硬化部の硬さをHv430に調
整した。この表面硬化済丸棒の表面硬化部側端面から深
さ17mmまでの内径が6.1mm、深さ17mmから33mmまでの内
径が5.8mmである深さ33mmの筒状部を加工して金属軸を
作製した。

この金属軸の筒状部に実施例２に記載のセラミック軸と
同一形状、同一寸法のセラミック軸をするセラミック製
タービン翼車のセラミック軸を350℃で圧入し、タービ
ン翼車およびタービン軸の一部が窒化珪素、タービン軸
の一部がニッケル・クロム・モリブデン鋼からなるター
ビンローターを作製した。

このタービンローターのベアリング取付軸とコンプレッ
サー翼車取付軸をそれぞれ直径9.0mm、6.4mmに加工し
て、第２図に示す形状で、金属軸部表面の硬さがHv43
0、金属軸中心部の硬さがHv370であるターボチャージャ
ー用タービンローターを作製した。

上記タービンローターの軸部について、350℃でねじり
トルクを測定したところ3.0kg・ｍでセラミック軸が破
損した。

実施例５溶体化処理済の全長130mm、直径20mmの析出硬化系ステ
ンレス鋼(JIS-SUS630)の一端に、開放端から深さ32mmま
での内径が6.1mm、深さ32mmから50mmまでの内径が5.8mm
である深さ50mmの筒状部３を加工した。この析出硬化系
ステンレス鋼の筒状部を設けた端部側の外周に、オイル
スリンガーと、オイルシール溝などからなる潤滑油の密
封と取付のための形状要素を加工するとともにベアリン
グ取付軸とコンプレッサー翼車取付軸をそれぞれ仕上げ
寸法より直径で0.2mm大きな寸法に加工して金属軸を作
製した。

しかるのち、該金属軸筒状部に実施例１に記載のセラミ
ック軸と同一形状、同一寸法のセラミック軸を有するセ
ラミック製タービン翼車のセラミック軸を350℃で圧入
し、タービン翼車が窒化珪素、タービン軸が析出硬化系
ステンレス鋼からなる第１図に示す形状のターボチャー
ジャー用タービンローターを作製した。

上記タービンローターを圧力4Torrの等量の窒素と水素
からなる混合雰囲気中で420℃に加熱しながら10時間イ
オン窒化処理を行うと同時に析出硬化処理を行った。こ
の結果、金属軸内部の硬さは加熱前のHv320から450に増
加し、金属軸表面の硬さはHv600に増加した。

このタービンローターの軸部について、350℃でねじり
トルクを測定したところ、3.5kg・ｍでセラミック軸が
破損した。

なお、上記各実施例のタービンローターの構造と材料の
組合せおよび製造法は、上述した実施例の組合せに限定
されるものでないことは本発明の趣旨からして明らかで
ある。

（発明の効果）以上述べたことから明らかなように、本発明のタービン
ローターはセラミック軸が金属軸に設けられた筒状部の
一部で固定され、しかも該筒状部のタービン翼車側内表
面とセラミック軸表面との間に断熱効果を有する空隙が
存在するとともに、セラミック軸と金属軸の結合部がベ
アリングハウジング内に位置し、潤滑油により強制的に
冷却されるため、結合部の温度上昇あるいは軸と平行方
向の温度勾配の存在がないため安定した結合強度が得ら
れる。また上記空隙の存在のため、金属軸筒状先端をタ
ービン翼車背面近傍まで延長し、該金属軸外周上に潤滑
油の密封や取付けの形状要素を設けたり、あるいは金属
軸筒状部先端を軸受部よりタービン翼車側へ位置させる
ことができる。このためセラミック軸が破損しても、タ
ービンハウジング内への潤滑油の漏出が起こらない。

このように本発明のタービンローターは、セラミックス
の耐熱性、耐摩耗性、高強度、低比重などの特性を生か
して応答性および安全性にすぐれたタービンローターと
することができるので、ターボチャージャー用タービン
ローターとして有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図は本発明のタービンローターの具体
的な一応用例のターボチャージャー用タービンローター
の構造を示す部分縦断面図である。１…セラミックタービン翼車２…セラミック軸、３…金属軸筒状部４…丸み５…密封と取付の形状要素を設けるための軸部６…軸受、７…ベアリング取付軸８…コンプレッサー翼車取付軸９…隙間、10…セラミック軸大径部 11…丸み、12…丸み 13…隙間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック製翼車と一体的に形成されてい
るセラミック製軸が金属軸に設けられた有底中空筒状部
の一部で固定されてタービンシャフトを形成した構造の
タービンローターにおいて、上記中空筒状部は内径の異
なる筒状部で構成され、しかも該筒状部の開放端側の内
径が残りの筒状部の内径より僅かに大きく、セラミック
製軸と該金属軸との結合が中空筒状部の小径部でなされ
ているとともに、該結合部がベアリングハウジング内に
おいて前記タービンシャフトを支承する２個の軸受間に
位置し、しかも、該筒状部内径の大径部内表面とセラミ
ック製軸外表面の間に円筒状の空隙が存在し、しかも中
空筒状部の開放端先端と該セラミック製軸のセラミック
翼車への接続部との間に隙間が存在することを特徴とす
るタービンローター。
【請求項２】潤滑油の密封を行うための部材を取付ける
形状要素が金属軸の筒状部端部外表面に設けられている
特許請求の範囲第１項記載のタービンローター。
【請求項３】潤滑油の密封を行うための部材を取付ける
形状要素が金属軸筒状部外のセラミック製軸に設けられ
ている特許請求の範囲第１項記載のタービンローター。
【請求項４】セラミック製軸と金属軸筒状部との固定が
嵌合である特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かに記載のタービンローター。
【請求項５】セラミック製軸と金属軸筒状部との固定が
接合である特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かに記載のタービンローター。
【請求項６】翼車およびこれと一体化された軸が窒化珪
素、炭化珪素又はサイアロンからなり、金属軸がステン
レス鋼、ニッケル・クロム・モリブデン鋼、クロム・モ
リブデン鋼、アルミニウム・クロム・モリブデン鋼、マ
ルエージング鋼、析出硬化型ステンレス鋼又は析出硬化
型超合金の１種以上からなる特許請求の範囲第１項ない
し第５項のいずれかに記載のタービンローター。
【請求項７】金属軸の一部または全部が析出硬化処理お
よび、あるいは窒化処理または高周波焼入れにより硬化
されている特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれ
かに記載のタービンローター。
【請求項８】セラミック製翼車と一体的に形成されてい
るセラミック製軸に金属軸を固定してタービンローター
とする方法において、金属軸の一端に、開放端側の内径
が底部側の内径より大である筒状部を設けたのち、該筒
状部にセラミック製軸を挿入し、筒状部内径の小径部で
セラミック製軸を固定するとともに該筒状部内径の大径
部内表面とセラミック製軸表面の間に空隙を設け、しか
も中空筒状部の開放端先端と該セラミック製軸のセラミ
ック翼車への接続部との間に隙間を設けることを特徴と
するタービンローターの製造法。
【請求項９】セラミック製軸と金属軸の固定が、熱処理
により硬さをHv250〜450に調整した金属軸との嵌合であ
る特許請求の範囲第８項に記載のタービンローターの製
造法。
【請求項１０】上記嵌合が金属軸筒状部小径部に対する
直径が小径部内径より0.1〜10％大であるセラミック製
軸の圧入である特許請求の範囲第８項又は第９項に記載
のタービンローターの製造法。
【請求項１１】前記嵌合を金属軸を構成する材料の焼き
もどし温度以下または嵌合部の最高使用温度以上の温度
における圧入で行う特許請求の範囲第８項ないし第10項
のいずれかに記載のタービンローターの製造法。
【請求項１２】前記嵌合を金属軸を構成する材料の析出
硬化処理温度以下の温度における圧入で行う特許請求の
範囲第８項ないし第10項のいずれかに記載のタービンロ
ーターの製造法。
【請求項１３】セラミック製軸と金属軸の固定を接合で
行う特許請求の範囲第８項に記載のタービンローターの
製造法。
【請求項１４】金属軸表面の一部を窒化処理したのち、
セラミック製軸と金属軸を嵌合する特許請求の範囲第８
項ないし第12項のいずれかに記載のタービンローターの
製造法。
【請求項１５】金属軸表面の一部または全部を高周波焼
入れで硬化したのち、セラミック製軸と金属軸を嵌合す
る特許請求の範囲第８項ないし第12項のいずれかに記載
のタービンローターの製造法。