JPH075415B2 - セラミック製回転体の製造方法 - Google Patents
セラミック製回転体の製造方法Info
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- JPH075415B2 JPH075415B2 JP28231987A JP28231987A JPH075415B2 JP H075415 B2 JPH075415 B2 JP H075415B2 JP 28231987 A JP28231987 A JP 28231987A JP 28231987 A JP28231987 A JP 28231987A JP H075415 B2 JPH075415 B2 JP H075415B2
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- Japan
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- ceramic
- pores
- rotating body
- shaft portion
- molded body
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/51—Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は車両用タービンホイール等のように軸部とロー
タ部（羽部）を有する回転体の製造方法に関する。
タ部（羽部）を有する回転体の製造方法に関する。
（従来の技術） 車両用タービンホイールとしてロータ部をセラミックに
て構成したものが知られている。このようにロータ部を
セラミックにて構成した場合、熱膨張率の差が大きい軸
部とロータ部とを接合しなければならず、このため特公
昭60−255678号にあっては、Wc-Co合金プレートを緩衝
層としてロータ部を軸部に嵌合し、実開昭61−200401号
にあってはろう付け層を介してロータ部を軸部に嵌合
し、特開昭62−119176号にあってはロータ部と軸部をネ
ジ結合し、特開昭62−119177号にあってはロータ部と軸
部をピン結合している。
て構成したものが知られている。このようにロータ部を
セラミックにて構成した場合、熱膨張率の差が大きい軸
部とロータ部とを接合しなければならず、このため特公
昭60−255678号にあっては、Wc-Co合金プレートを緩衝
層としてロータ部を軸部に嵌合し、実開昭61−200401号
にあってはろう付け層を介してロータ部を軸部に嵌合
し、特開昭62−119176号にあってはロータ部と軸部をネ
ジ結合し、特開昭62−119177号にあってはロータ部と軸
部をピン結合している。
（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来技術のうち、緩衝層やろう付け層を介して
接合した場合には、これら各層の厚さをある程度厚くし
ないと効果がなく、且つ高温下になるとこれらの層が酸
化劣化、熱劣化及び電気的な腐食劣化を起こす。
接合した場合には、これら各層の厚さをある程度厚くし
ないと効果がなく、且つ高温下になるとこれらの層が酸
化劣化、熱劣化及び電気的な腐食劣化を起こす。
一方ロータ部を軸部とをネジ又はピン結合する場合に
は、セラミック成形体の焼成後にネジ切り等の加工を施
すのは高硬度となっているため困難であり、焼成前にネ
ジ部等を成形するのは焼成後に寸法が大幅に狂うことを
考慮すれば、事実上適用できないといえる。
は、セラミック成形体の焼成後にネジ切り等の加工を施
すのは高硬度となっているため困難であり、焼成前にネ
ジ部等を成形するのは焼成後に寸法が大幅に狂うことを
考慮すれば、事実上適用できないといえる。
（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決すべく本発明は、回転体の軸部と少く
ともロータ部のボス部とをセラミック材料にて一体成形
した後、この成形体に気孔を形成し、次いでこの気孔内
にマトリックス金属の溶湯を圧入又は含浸せしめるよう
にした。
ともロータ部のボス部とをセラミック材料にて一体成形
した後、この成形体に気孔を形成し、次いでこの気孔内
にマトリックス金属の溶湯を圧入又は含浸せしめるよう
にした。
（作用） ロータ部と軸部との接合界面がないため、熱膨張差によ
る割れ等がなく、且つセラミック単位では熱伝導率が悪
く放冷の点で不利があるが、金属を気孔内に充填するこ
とで熱伝導率も向上する。
る割れ等がなく、且つセラミック単位では熱伝導率が悪
く放冷の点で不利があるが、金属を気孔内に充填するこ
とで熱伝導率も向上する。
（実施例） 以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
第１図は本発明方法を工程順に示したブロック図であ
り、本発明にあっては先ずセラミック粉末、焼成助剤、
気孔形成粉末及び導電性物質を配合して混合し、この混
合粉末を加圧成形、スリップキャスティング法或いは射
出成形することでタービンホイールの軸部とロータ部と
を一体成形する。
り、本発明にあっては先ずセラミック粉末、焼成助剤、
気孔形成粉末及び導電性物質を配合して混合し、この混
合粉末を加圧成形、スリップキャスティング法或いは射
出成形することでタービンホイールの軸部とロータ部と
を一体成形する。
ここで、セラミック粉末としては例えばSi3N4,Al2O3,Zr
O2或いはサイアロン等の絶縁物質を用い、後の放電加工
をやり易くするために加える導電性粉末としては当初よ
り導電性を有するもの及び焼成により導電性を発揮する
ものを用い、例えばTi,Zr,Hf,Ta,W,Mo,Cr,Nb等の炭化
物、チッ化物、硼化物、炭チッ化物及びこれらの混合物
を用い、その添加量としては焼成後の焼結体の固有抵抗
値が10Ωcm以下となるようにする。また焼結助剤粉末と
してはAl2O3,Y2O3,MgO,SiO2等を単独又は混合して用
い、更に気孔形成粉末としては直径１〜５μｍ程度の酸
に可溶なガラス質粉末を用い、その具体的な成分割合と
しては以下の如き割合とする。
O2或いはサイアロン等の絶縁物質を用い、後の放電加工
をやり易くするために加える導電性粉末としては当初よ
り導電性を有するもの及び焼成により導電性を発揮する
ものを用い、例えばTi,Zr,Hf,Ta,W,Mo,Cr,Nb等の炭化
物、チッ化物、硼化物、炭チッ化物及びこれらの混合物
を用い、その添加量としては焼成後の焼結体の固有抵抗
値が10Ωcm以下となるようにする。また焼結助剤粉末と
してはAl2O3,Y2O3,MgO,SiO2等を単独又は混合して用
い、更に気孔形成粉末としては直径１〜５μｍ程度の酸
に可溶なガラス質粉末を用い、その具体的な成分割合と
しては以下の如き割合とする。
SiO2 20〜35wt％ B2O3 35〜50wt％ Na2O 12〜25wt％ K2O 3〜10wt％ Al2O3 2〜12wt％ MgO 3〜14wt％ 次いで前記の成形体を乾燥・脱脂した後、仮焼成を行な
う。尚仮焼成を省略して直ちに本焼成してもよい。
う。尚仮焼成を省略して直ちに本焼成してもよい。
仮焼成を行う場合には、1000〜1400℃で30分〜２時間程
度行う。そして、この仮焼成によってガラス質の気孔形
成粉末が溶解し、セラミック粉末の粒界に存在している
不純物をガラス質内に取り込み、後に気孔形成粉末を酸
によって溶出する際に不純物をいっしょに除去する。
度行う。そして、この仮焼成によってガラス質の気孔形
成粉末が溶解し、セラミック粉末の粒界に存在している
不純物をガラス質内に取り込み、後に気孔形成粉末を酸
によって溶出する際に不純物をいっしょに除去する。
以上の如くして仮焼成が終了したならば、酸による溶出
処理を行う。用いる酸はHNO3,Hcl或いはこれらの酸にH3
PO4,HF,有機酸等を少量添加したり、混合したものを用
いる。次いで気孔形成粉末を溶出して得られる三次元網
目構造の成形体に対し焼成を行う。焼成温度1600〜2200
℃で２時間程度行う。
処理を行う。用いる酸はHNO3,Hcl或いはこれらの酸にH3
PO4,HF,有機酸等を少量添加したり、混合したものを用
いる。次いで気孔形成粉末を溶出して得られる三次元網
目構造の成形体に対し焼成を行う。焼成温度1600〜2200
℃で２時間程度行う。
この後、三次元網目構造の焼結体に対し、放電加工、超
音波加工、ダイヤモンド砥石による研削等を施し、第２
図に示すようなセラミック成形体１を得る。この成形体
１は軸部２とロータ部３からなり、軸部２の端部には他
の金属製軸等に結合するための係合凹部４が形成され、
更にロータ部３寄りの軸部２外周には大径部５が形成さ
れ、この大径部５周囲にシールリングを嵌着するための
溝６を形成している。尚、成形体１には気孔率が10〜30
％で１〜10μｍ程度の径の気孔が均一に形成されるよう
にするのが好ましい。
音波加工、ダイヤモンド砥石による研削等を施し、第２
図に示すようなセラミック成形体１を得る。この成形体
１は軸部２とロータ部３からなり、軸部２の端部には他
の金属製軸等に結合するための係合凹部４が形成され、
更にロータ部３寄りの軸部２外周には大径部５が形成さ
れ、この大径部５周囲にシールリングを嵌着するための
溝６を形成している。尚、成形体１には気孔率が10〜30
％で１〜10μｍ程度の径の気孔が均一に形成されるよう
にするのが好ましい。
以上のようにして得られた成形体１を金型内にセット
し、金型内にマトリックス金属の溶湯を加圧注入して成
形体１の気孔に溶湯を圧入又は含浸せしめ、この溶湯を
凝固せしめることで第３図に示すようにセラミック金属
とが複合的に結合した回転体７が得られる。
し、金型内にマトリックス金属の溶湯を加圧注入して成
形体１の気孔に溶湯を圧入又は含浸せしめ、この溶湯を
凝固せしめることで第３図に示すようにセラミック金属
とが複合的に結合した回転体７が得られる。
第４図乃至第６図は別実施例を示す図であり、第４図に
示す実施例にあってはロータ部３のボス部3aまでをセラ
ミック成形体１にて形成し、羽部3bについて金属のみと
している。また第５図に示す実施例にあってはロータ部
３のネック部にセラミックを露出させないようにしたも
のであり、これら第４図及び第５図に示した実施例にあ
っては、いずれも均一に気孔を分散するとともに気孔径
を１〜10μｍ、気孔率を10〜30％とするのが適当であ
る。
示す実施例にあってはロータ部３のボス部3aまでをセラ
ミック成形体１にて形成し、羽部3bについて金属のみと
している。また第５図に示す実施例にあってはロータ部
３のネック部にセラミックを露出させないようにしたも
のであり、これら第４図及び第５図に示した実施例にあ
っては、いずれも均一に気孔を分散するとともに気孔径
を１〜10μｍ、気孔率を10〜30％とするのが適当であ
る。
一方第６図（Ａ）に示す実施例は第６図（Ｂ）に示すよ
うに気孔径と気孔率を漸次変化させ、熱応力及び気孔応
力の集中を防止している。
うに気孔径と気孔率を漸次変化させ、熱応力及び気孔応
力の集中を防止している。
次に具体的な数値を挙げた実験例を示す。
［実験例１］ 最大粒径５μｍの窒化硅素粉末（平均粒径0.5μｍ）50
重量部、Y2O3（最大粒径1.0μm,平均0.4μｍ）、Al2O3
（最大粒径1.0μm,平均0.4μｍ）をぞれぞれ10重量部
と、以下に示す組成のガラス粉末30重量部（最大粒径44
μm,平均４μｍ）を加え、充分混合し、スリップキャス
ティング法及び射出成形し、タービン翼を得た。
重量部、Y2O3（最大粒径1.0μm,平均0.4μｍ）、Al2O3
（最大粒径1.0μm,平均0.4μｍ）をぞれぞれ10重量部
と、以下に示す組成のガラス粉末30重量部（最大粒径44
μm,平均４μｍ）を加え、充分混合し、スリップキャス
ティング法及び射出成形し、タービン翼を得た。
ガラスの組成 SiO2 25.4wt％ Na2O 16.1wt％ Al2O3 8.0wt％ K2O 9.2wt％ MgO 4.2wt％ BaO 0.6wt％ CoO 1.3wt％ CuO 1.0wt％ B2O3 34.2wt％ 充分乾燥後10℃/minで650℃まで昇温、２時間保持し、
その後15℃/minで1200℃まで昇温、同温度で２時間仮焼
した。仮焼中及び脱脂中はN2下で行い、0.4Torrの減圧
状態で、30ml/minのN2キャリアを流している。
その後15℃/minで1200℃まで昇温、同温度で２時間仮焼
した。仮焼中及び脱脂中はN2下で行い、0.4Torrの減圧
状態で、30ml/minのN2キャリアを流している。
仮焼後、HF0.05％＋25％HNO3にて超音波20MHzを照射
し、30分間洗浄した。洗浄後、充分水洗し、その後乾燥
した。乾燥後カプセルフリーにて500bar 1700℃２時間
焼成し、焼結体を得た。
し、30分間洗浄した。洗浄後、充分水洗し、その後乾燥
した。乾燥後カプセルフリーにて500bar 1700℃２時間
焼成し、焼結体を得た。
焼結体の密度は約2.0で、約40％が気孔である。厳密に
真密度を測定すると、約2.6〜2.7となり、気孔セル壁は
充分粒成長していることがわかった。
真密度を測定すると、約2.6〜2.7となり、気孔セル壁は
充分粒成長していることがわかった。
破断面を光学顕微鏡SEM等で観察すると、概略最大気孔
は約40μｍであり、平均的には２〜３μｍの気孔が全体
に均一に分散していた。
は約40μｍであり、平均的には２〜３μｍの気孔が全体
に均一に分散していた。
これを金型内にセットし、1200℃まで予熱すると共に、
Incone l713Cの溶湯を圧入した。溶湯温度は1350℃、印
加圧200Kgf/mm2である。
Incone l713Cの溶湯を圧入した。溶湯温度は1350℃、印
加圧200Kgf/mm2である。
鋳造後の３点曲げ強度は約50〜60Kgf/mm2であり、従来
の２〜６倍の強度であった。
の２〜６倍の強度であった。
また破断面を観察では充填不良もなく、良好であった。
［実験例２］ 実験例１では第３図乃至第５図に示したように連続気孔
を３次元的に均一に分布させたが、実験例２ては、気孔
の量も気孔の径もゆるやかに勾配をもつものとすること
とした。
を３次元的に均一に分布させたが、実験例２ては、気孔
の量も気孔の径もゆるやかに勾配をもつものとすること
とした。
原料Si3N4,Al2O3,Y2O3等は実験例１と同様のものを用い
た。ガラス粉体は次のものに変更し、同様な配合比を採
用した。
た。ガラス粉体は次のものに変更し、同様な配合比を採
用した。
本ガラスの主な性質は 比重4.3 粘度（800〜1200℃）0.4〜2.0cp SiO2 12.0wt％ ZrO2 15.3wt％ B2O3 37.2wt％ PbO 10.4wt％ Al2O3 5.5wt％ BaO 3.2wt％ Na2O 16.4wt％ 実験例１と同様に一方はスリップキャスティング法、他
方は射出成形し、充分乾燥した。乾燥は110℃で12時
間、210℃で10時間、350℃で10時間、450℃で10時間で
ある。仮焼までのパターンは実験例１と同様であり、同
様な酸液により洗浄し、充分水洗後乾燥した。乾燥後17
00℃で処理し、その後中央部より切断し、状態観察を行
った。
方は射出成形し、充分乾燥した。乾燥は110℃で12時
間、210℃で10時間、350℃で10時間、450℃で10時間で
ある。仮焼までのパターンは実験例１と同様であり、同
様な酸液により洗浄し、充分水洗後乾燥した。乾燥後17
00℃で処理し、その後中央部より切断し、状態観察を行
った。
これを第６図（Ａ）に示した。第６図（Ｂ）における相
対密度は２次元的に得られらものを、３次元的に推算し
たものである。相対密度が80％を越えると、微細な気孔
は閉塞するという一般的な考えがあるが本試験における
SEM観察では0.1μｍ以下の微細気孔させ閉塞していな
い。これは、酸による洗浄の際、予め焼結にあずからな
い助剤の過剰量等が排出されたものと考えられる。ま
た、80％を越えた場合、その最大気孔径は0.3〜0.4μｍ
であり、〜0.1μｍ程度のものがほぼ均一に分布してい
る。さらに、端部では、ほぼ相対密度は97〜98％に達
し、気孔の大きさは、〜0.1μｍが最大であった。
対密度は２次元的に得られらものを、３次元的に推算し
たものである。相対密度が80％を越えると、微細な気孔
は閉塞するという一般的な考えがあるが本試験における
SEM観察では0.1μｍ以下の微細気孔させ閉塞していな
い。これは、酸による洗浄の際、予め焼結にあずからな
い助剤の過剰量等が排出されたものと考えられる。ま
た、80％を越えた場合、その最大気孔径は0.3〜0.4μｍ
であり、〜0.1μｍ程度のものがほぼ均一に分布してい
る。さらに、端部では、ほぼ相対密度は97〜98％に達
し、気孔の大きさは、〜0.1μｍが最大であった。
内部欠陥については、原料粒度に比べ、ガラス粉体粒度
は大きく、そのため流動性、充填性が改善されているよ
うで、ボス部にみられるひけ巣はみられなかった。ま
た、これはある程度ガラス粉末の弾性や、添加剤、配合
比等の影響によるスラリーや、成形時の混練体の性状に
由来とすると思われる。
は大きく、そのため流動性、充填性が改善されているよ
うで、ボス部にみられるひけ巣はみられなかった。ま
た、これはある程度ガラス粉末の弾性や、添加剤、配合
比等の影響によるスラリーや、成形時の混練体の性状に
由来とすると思われる。
この後成形体の気孔の閉塞を一応懸念し、再度酸洗いし
た後乾燥し、1200℃まで予熱し、SCM420を1520℃の溶湯
温度で50kgf/mm2て加圧鋳造した。
た後乾燥し、1200℃まで予熱し、SCM420を1520℃の溶湯
温度で50kgf/mm2て加圧鋳造した。
鋳造後の破断面観察では、第６図における距離51mm程度
まで鋼は侵入しており、クラックはみられなかった。
まで鋼は侵入しており、クラックはみられなかった。
（発明の効果） 以上に説明した如く本発明によれば、接合界面がないセ
ラミックと金属との複合材料にてタービンホイール等の
回転体を形成できるので、低温時と高温時との温度差が
激しい条件が繰り返さえる場所で使用されてもセラミッ
クによる長所（耐熱性）及び金属による長所（熱伝導
率）が発揮され損傷を受けにくい長寿命の回転体とする
ことができる。
ラミックと金属との複合材料にてタービンホイール等の
回転体を形成できるので、低温時と高温時との温度差が
激しい条件が繰り返さえる場所で使用されてもセラミッ
クによる長所（耐熱性）及び金属による長所（熱伝導
率）が発揮され損傷を受けにくい長寿命の回転体とする
ことができる。
特にタービンホイールにあっては、ロータ部のボス部に
従来にあってはヒケ巣等が発生しやすかったが、本発明
方法によれば当該ボス部をセラミック成形体の一部とし
ているので、上記の不利がなく歩留りが向上する。
従来にあってはヒケ巣等が発生しやすかったが、本発明
方法によれば当該ボス部をセラミック成形体の一部とし
ているので、上記の不利がなく歩留りが向上する。
第１図は本発明方法を工程順に示したブロック図、第２
図はセラミック成形体の断面図、第３図は回転体の断面
図、第４図乃至第６図（Ａ）は別実施例の断面図、第６
図（Ｂ）は軸端からの距離と気孔径及び相対密度との関
係をグラフである。 尚、図面中１はセラミック成形体、２は軸部、３はロー
タ部、3aはボス部、3bは羽部、７は回転体である。
図はセラミック成形体の断面図、第３図は回転体の断面
図、第４図乃至第６図（Ａ）は別実施例の断面図、第６
図（Ｂ）は軸端からの距離と気孔径及び相対密度との関
係をグラフである。 尚、図面中１はセラミック成形体、２は軸部、３はロー
タ部、3aはボス部、3bは羽部、７は回転体である。
Claims (4)
- 【請求項１】軸部とロータ部とからなる回転体の製造方
法において、前記軸部と少くともロータ部のボス部とを
セラミック材料にて一体成形し、次いでセラミック成形
体に対し気孔を形成し、この気孔内に金属材料の溶湯を
充填して凝固せしめるようにしたことを特徴とするセラ
ミック製回転体の製造方法。 - 【請求項２】前記気孔はセラミック材料にて混合したガ
ラス質気孔形成粉末を酸によって溶出することで形成す
るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のセラミック製回転体の製造方法。 - 【請求項３】前記セラミック成形体内の気孔は略同一径
で均一に分布していることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のセラミック製回転体の製造方法。 - 【請求項４】前記セラミック成形体内の気孔は軸部から
ボス部へ向って漸次気孔径及び気孔率が変化しているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセラミック
製回転体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28231987A JPH075415B2 (ja) | 1987-11-09 | 1987-11-09 | セラミック製回転体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28231987A JPH075415B2 (ja) | 1987-11-09 | 1987-11-09 | セラミック製回転体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01122985A JPH01122985A (ja) | 1989-05-16 |
| JPH075415B2 true JPH075415B2 (ja) | 1995-01-25 |
Family
ID=17650861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28231987A Expired - Fee Related JPH075415B2 (ja) | 1987-11-09 | 1987-11-09 | セラミック製回転体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH075415B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2620364B2 (ja) * | 1988-03-18 | 1997-06-11 | 本田技研工業株式会社 | セラミックス焼結体の製造方法 |
-
1987
- 1987-11-09 JP JP28231987A patent/JPH075415B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01122985A (ja) | 1989-05-16 |
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