(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自軸（１１１）回りに回転してコンプレッサを駆動するためのターボ過給機に使用される型式のロータシャフト組立体（１０１）の、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービンロータ（１０３）を、鋼製のシャフト（１０７）ハブ（１０９）に軸方向に結合するための方法において、
（ａ）結合剤と混合された鋼粉末からなる前記シャフト（１０７）の成形体（２０７）を、結合剤と混合されたＴｉＡｌ粉末からなる前記ロータ（１０３）の成形体（２０３）のハブ（２０９）に、微細な金属粉末と混合された結合剤からなり前記シャフト成形体（２０７）の近位端と前記ハブ（２０９）との間に配置された結合材料（２１１）を用いて、軸方向に取り付け、取り付けられた状態の成形体（２０１）を形成する段階と、
（ｂ）前記取り付けられた状態の成形体（２０１）を結合解除し、焼結する段階と、から成り、前記ロータ（１０３）と前記シャフト（１０７）が結合されて前記ロータシャフト組立体（１０１）を形成する方法。
【請求項２】
前記焼結は、１２００℃から１４３０℃で、４５分から２時間、行なわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粉末は、１μｍから４０μｍの粒子サイズを有している、請求項１又は２の何れか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記粉末は、１μｍから１０μｍの粒子サイズを有している、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記結合剤は、ワックス、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ポリビニル、炭酸ポリエチレン、ポリエチレングリコール、及び微細結晶ワックス、又はそれらの混合物から成るグループから選択される、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記結合解除は、２００℃から２５０℃の間の温度で行われる、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の方法に従って準備されたロータシャフト組立体（１０１）。
【請求項８】
前記シャフト成形体（２０７）はステンレス鋼からなる、請求項７に記載のロータシャフト組立体（１０１）。
【請求項９】
前記シャフト成形体（２０７）の近位端は、ローレット付きのシャフト（３０１），多角形シャフト（３０５），平面付きシャフト（３０９），ねじ付きシャフト（３１３）、及び切り欠き付きシャフト（１０７）から成るグループから選択された形状を有している、請求項７又は８に記載のロータシャフト組立体（１０１）。
【請求項１０】
前記シャフト（１０７）の前記近位端（１１３）と前記ハブ（１０９）との間に配置された１つ又は複数の空洞（１１９）を更に備えている、請求項７〜９
の何れか一項に記載のロータシャフト組立体（１０１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサを駆動して圧縮空気を内燃機関に供給するための、排気駆動ターボ過給機で用いられている型式のロータシャフト組立体に係り、そしてそのロータシャフト組立体を製造するための方法に関する。具体的には、本発明は、強固な冶金学的結合によって鋼製のシャフトに軸方向に連結されているチタンアルミナイド製タービンロータを備えたターボ過給機用のロータシャフト組立体に係り、そしてその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、ロータの粉末成形体とシャフトの粉末成形体とが、取り付けられた構造で結合解除(debound)した後焼結して、チタンアルミナイド製タービンロータを鋼製のシャフトに軸方向に取り付けるための画期的な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機は、エンジンの出力と効率を上げるため、内燃機関、特に高速トラック及び船舶用機関の大型ディーゼルエンジンに広く使用されている。ターボ過給機は、近年、小型の乗用車エンジンへの使用が段々一般的となってきている。ターボ過給機を使えば、軽量エンジンから必要な馬力を発生させる原動機を選択することができるようになる。軽量エンジンを使用すると、自動車の質量を減らすという望ましい効果が得られ、燃料経済性（燃料消費率）が高まり、運転性能も上がる。更に、ターボ過給機を使用すると、エンジンへ送られる燃料をより完全に燃焼させることができ、炭化水素と窒素酸化物の排出が減るので、より清浄な大気という非常に望ましい目標に貢献する。
【０００３】
ターボ過給機は、一般的に、排気を、排出入口から排出出口へタービンロータを横切って送るタービンハウジングを備えている。タービンロータは、ベアリングハウジング部でジャーナル支持されたシャフトを駆動する。コンプレッサロータはシャフトの他方端で駆動され、圧縮された気体をエンジン入口に供給する。
ターボ過給機の一般的設計及び機能については、先行技術、例えば米国特許第４，７０５，４６３号、第５，３３９，０６４号、及び第６，１６４，９３１号に詳しく記載されており、その開示全体を、参考文献としてここに援用する。
【０００４】
ターボ過給機の熱抵抗を改善し、タービンロータの慣性を小さくすることによって作動条件変化に対するエンジン応答性を改良するために、シリコン窒化物製のセラミックタービンロータが、当該技術では知られている。しかしながら、セラミックタービンロータは、セラミック低い剛性のために、ロータを従来の金属ロータより厚くせざるを得ないという欠点を有している。更に、セラミックの大変低い熱膨張率のために、セラミックロータとその金属ケーシングの熱膨張の均衡を取って必要な隙間を維持するのが難しい。
【０００５】
チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）は、約３．８の低い比重と、インコネル７１３℃の比強度以上の高温における高い比強度（密度当たりの強度）と、他の金属に近い熱膨張係数とにより、タービンロータの製造用の材料としてはセラミックよりも望ましい。これらの理由で、ＴｉＡｌは、現在タービンロータの製造に関する技術では知られている（例えば、特開昭６１−２２９９０１号、米国特許第６，００７，３０１号、同第５，０６４，１１２号、第６，２９１，０８６号、及び第５，３１４，１０６号を参照）。タービンロータで使用されるものとして、チタン合金も知られており、これには、主要成分としてＴｉＡｌ金属間化合物を含んでおり、非チタン要素を僅かな量含んでいる。以下の説明では、そのような合金を全体としてＴｉＡｌと呼ぶ。コストの点と、ロータの慣性を最小にするという点の両方から、ＴｉＡｌロータは、最小の材料で製造されるのが望ましい。
【０００６】
各種粉末金属処理が、複雑な形状を有するロータやその他の部品を製造するのに益々用いられるようになっている。結合剤を混ぜ合わせた金属粉末の金属射出成形では「成形体」を作り、それを結合解除した後焼結して最終製品に近い部品を作る。この方法は、安価な大量生産に適しており、タービンロータ組立体のロータとシャフトの両方に適用可能である。グレセル氏らの米国特許第６，４７８，８４２号を参照されたい。成形物の別々の部品内に注入された異なる金属粉末を有する構成要素を金属射出成形することにより、更に高度なものとすることができる。セニーニ氏らの米国特許公開第ＵＳ２００３／００１２６７７号を参照されたい。
【０００７】
ＴｉＡｌタービンロータを備えたタービンロータ組立体を製造するためには、構造用鋼から作られた一般的なシャフトにロータを結合する。周知のニッケルを主材料とする超合金、インコネル７１３℃製のタービンロータの場合、シャフトとロータの間の適切な強力結合は、摩擦溶接又は電子ビーム溶接によって達成される。
【０００８】
対照的に、ＴｉＡｌと鋼製のシャフトの間に適切な強力結合を作り出すのは非常に難しく、強い結合を達成するためには追加の経費と工程が必要となるので、ＴｉＡｌロータを製造に使用する際の妨げになっている。ＴｉＡｌタービンロータを鋼製のシャフトに取り付けるのに、直接摩擦溶接は効率的ではない。なぜなら、シャフトの鋼が冷却する際に、構造用鋼がオーステナイトからマルテンサイトに変態して鋼の体積膨張が起こり、その結果、結合部に高い残留応力が生じるからである。この難しさは、鋼とＴｉＡｌの融点の差が大きいことと、２つの合金の冶金学的特性が大きく異なっていることで倍加される。ＴｉＡｌは高い剛性を有しているが、室温での展性が低い（約１％）ので、ＴｉＡｌロータは、残留応力のために簡単に割れる。更に、加熱と冷却の間に、チタンは鋼内の炭素と反応し、結合界面に炭化チタンを形成するので、結果的に結合が弱くなる。
【０００９】
結合は、作動中のターボ過給機内に生じる温度の厳しい上昇と変動に耐えることができなければならないので、ＴｉＡＬロータを鋼製のシャフト又は何らかの金属製のシャフトに確実に取り付けるのは難しい。加えて、結合は、比較的高くて変動するトルクの伝達に起因する遠心力による高い円周方向の負荷にも耐えなければならない。従って、特に積極的で密接な結合を作り出して、異なる組成の中間材料なくしてＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに接続することは、殆ど不可能であると分かっている。
【００１０】
ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに接続するために、マルテンサイト変態が生じるおそれのないオーステナイト材料を介在させることが知られている。介在材料とタービンロータの間には、通常は溶接である第１の結合が必要であり、介在材料を介してロータをシャフトに取り付けるには、通常はこれも溶接である第２の結合が必要である。これらの余分な工程は、タービンロータ組立体の製造に、時間と経費を追加する。更に、介在材料の最終的な厚さを制御するのは難しい。
【００１１】
第１例として、ブログル氏らの米国特許第５，４３１，７５２号は、γ−ＴｉＡｌロータと鋼製のシャフトの間に介在させるニッケル合金片の使用を開示しており、介在片は、シャフト及びロータに、摩擦溶接で順次結合される。
第２例として、イソベ氏らの米国特許第５，０６４，１１２号は、構造用鋼とＴｉＡｌ部材の間に介在して、それらの間で強力な摩擦溶接を成すためのオーステナイトステンレス鋼、又はニッケルベース又はコバルトベースの超合金の使用を開示している。
【００１２】
第３例として、グエン−ディーン氏らの米国特許第６，２９１，０８６号は、鋼部材とＴｉＡｌ部材を付着させるための中間の鉄ベースの中間層の使用を開示している。
第４例として、アンブロジアック氏らの米国特許第５，３１１４，１０６号は、鋼部材とＴｉＡｌ部材とを付着させるために、銅とバナジウムの２つの薄い中間内部層を開示している。上記４つの例は全て、追加工程、追加経費、寸法精度の低下、という欠点に煩わされる。
【００１３】
特開平２−１３３１８３号に開示されているように、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに結合するための真空蝋付けの適用も知られている。しかしながら、真空蝋付け法は、高い真空の下で蝋付けしなければならず、時間も経費も掛かるという欠点に煩わされる。更に、この方法によって信頼性のある強力な結合を作れるかどうかは疑わしい。
【００１４】
米国特許第５，５５４，３３８号に開示されているように、組み立てられた状態において、未焼結の粉末成形体を焼結することによって金属射出成形スプロケットギヤとカムとを結合することが知られている。この方法は、結合のために焼結の間結合界面において金属粒子個体拡散を頼りにする。しかし、この方法は、２つの成形体の金属が相互に調和していなければならず、そして各成形体の表面の粗さが比較的少ない接触点しか提供できない、という２つの欠点に煩わされ、これらにより結合の強度は低下する。この方法は、ターボ過給機の求める条件下において動作するように、ロータシャフト組立体のロータとシャフトとの間に十分に強い結合強度を提供することには使用できないことは明らかである。
【００１５】
また、金属粉及び結合剤からなる結合媒体の介在層を設けることによって、各金属射出成形体の平坦面同士を結合することも知られている。米国特許第６，５５１，５５１号を参照されたい。この方法単独では、加給機ロータシャフト組立体のＴｉＡｌロータと鋼シャフトとを結合するための十分な結合強度を提供できないことは明らかである。
従って、ロータシャフト組立体を経済的に製造するための、ＴｉＡｌロータを構造用鋼製やその他の材料からなるシャフトに取り付ける方法が技術的に必要とされている。ロータとシャフトの間の結合は、大きく変動するトルクと温度に耐えられるだけ強力でなければならず、最小の工程と経費で済む方法によって形成されるのが望ましい。本発明は、上記及びそれ以上の利点を提供するものであり、以下の開示と図面を読めば当業者には明白になるであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
広範な態様において、本発明は、上記先行技術の欠点を克服し、ＴｉＡｌタービンロータと鋼製のシャフトの間に強力な結合を有するタービンロータ組立体を提供することに努めている。本発明は、作動中のターボ過給機に発生する高くて変動する温度に耐えることのできるロータとシャフトの密接で積極的な結合を確実にする金属冶金学的結合を提供する。更に、本発明は、接合領域に生じる遠心力に鑑みて連結を維持することができる接合を提供し、それは比較的大きなシャフトトルクを伝達するために適している。
【００１７】
本発明の第１の実施形態によれば、軸の回りに自転してコンプレッサを駆動し圧縮空気を内燃機関に供給するためのターボ過給機で用いられる型式のロータシャフト組立体が提供されている。ロータシャフト組立体は、冶金学的結合によって一つに結合されている少なくとも２つの部分を有している。１つめは鋼製のシャフトを備えたロータシャフト組立体である。シャフトは、ＴｉＡｌからなるタービンロータに結合されている。ＴｉＡｌロータには、シャフトの近位端を軸方向に受け入れるような形状に適応した中央ハブが設けられている。タービンロータは、強力な冶金学的結合によってシャフトの近位端に結合されており、それはシャフト及びロータの各金属射出形成体を共に焼結する間に形成され、焼結中はそれらは軸方向に接合されている。両者の焼結に先立って、結合剤と微細金属粒子からなる結合材料の層は、ハブとシャフトとの接合界面に介在され、その結果、少なくともロータ及びシャフトへの微細粒子の個体拡散によって、金属冶金学的結合が向上する。各成形体同士の密着の程度及び２つの成形体のそれぞれの組成は、焼結中の各成形体の相対的縮みに起因するシャフトに対するロータの面圧を提供するように選択される。
【００１８】
このように、第２の実施形態では、各成形体又は「未焼結」部品を形成するための別個の金属射出成形によるシャフトとタービンロータにより、コスト効率の高いタービンロータ組立体の製造方法が提供される。シャフト形成体は、結合材料の層が結合される界面に付与されるように、ロータのハブと組み合わせられる。効率的な圧力及び温度での取り付けられた組立体の焼結により、焼結された完成品に近い形状の組立体を提供し、それは強い金属冶金的接合を有し、各部品は強固に接合された一体物へとなる。
【００１９】
第３の実施形態では、ロータは、シャフトを、前記ロータのハブ内に配置されている軸方向ポケット内に受け入れるようになっており、１つ又は複数のほぼ閉じている軸方向エアポケットは、シャフトとロータの間に、その取り付けられた位置に設けられている。１つ又はそれ以上の軸方向ポケットは、好都合に、ターボ過給機の作動の間、ロータからシャフトへの熱伝達を最小にする。
本発明のタービンロータ組立体には、当業者には周知の技術によって、寸法精度、バランス、及び／又は表面仕上げをよくするため、随意的に、機械加工仕上げが施される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下の詳細な説明を参照し、添付図面と関連付けて考察すれば、本発明をより深く理解し、その付随する利点の多くを容易に理解頂けよう。
【００２１】
本発明のロータシャフト組立体の基本的な実施形態を図１に示している。ロータシャフト組立体１０１は、ＴｉＡｌロータ１０３を備えており、ＴｉＡｌロータ１０３は、複数の羽根１０５を備えている。ＴｉＡｌロータ１０３は、ロータシャフト組立体の共通回転軸１１１回りに配置されたハブ１０９を備えている。ハブ１０９の内側面１２３は、金属シャフト１０７の近位端１１３と密着した積極的な接続状態にある。ロータ１０３のハブ１０９は、鋼製のシャフト１０７の近位端１１３と軸方向に係合するよう作られている。図１の具体的な実施形態では、鋼製のシャフト１０７の近位端１１３は、鋼製のシャフト１０７の近位端１１３の外周１２１回りに放射状に、望ましくは等距離に配置された複数の局所切り欠き１１５を備えている。取り付けられた状態では、局所切り欠き１１５は、ロータ１０３のハブ１０９内の相当する突出部１１７と係合している。
【００２２】
随意的に、１つ又は複数の空洞１１９が、ロータ１０３のハブの内側面１２３とシャフト１０７の近位端１１３の表面との間に設けられている。単一又は複数の空洞は、高温の排気に曝されるロータからシャフト及びそのベアリングへの熱伝達を最小にするので好都合である。
【００２３】
本発明の金属射出成形され焼結される物品は、金属粒子を結合剤内に混合したものを射出成形することによって準備される。金属粒子を結合剤内に混合したものを射出成形することによって準備された部品は、結合解除又は焼結前は、本明細書では「成形体」と呼んでいる。成形体は、当該技術では既知のように、結合解除段階と焼結段階を経て、それぞれ結合剤が取り除かれ、金属密度が増す。従って、ＴｉＡｌロータの成形体、即ち「ロータ成形体」は、ＴｉＡｌ粒子と結合剤の混合物を射出成形することによって準備される。使用されるＴｉＡｌ金属間化合物は、完成後の固められた状態で、作動中のターボ過給機内の温度と応力に耐え、腐食に抵抗することができるように選択されるが、それ以外には制限はない。
【００２４】
単一相の特定の化合物ＴｉＡｌ（「ＴｉＡｌ」は、本明細書では特に化学式の意味で用いており、特に指定しない限り本明細書の用法から明らかなように、ＴｉＡｌ金属間化合物から成るチタン合金である）及びＴｉ3Ａｌは、脆くて弱いが、アルミニウムが材料の約３１−３５重量％を占め、Ｔｉが実質的に残りの質量全てを占めるときには、二相の金属間化合物ＴｉＡｌが形成される。二相のＴｉＡｌは、特に高温では優れた展性と強度を示す。
【００２５】
本発明のロータの成形体を射出成形するのに用いられるＴｉＡｌ金属粉末内に別の金属を入れると好都合である。約０．２から約４％の範囲内の少量のクロム、マンガン及びバナジウムは、展性を改良する。約４％より多くなると、酸化抵抗と高温強度が低下する。ニッケル、タンタル及びタングステンは、一般的にＴｉＡｌの酸化抵抗を改良する。約０．０１％から約１％の間の量のシリコンは、クリープと酸化抵抗を改良する。本発明で使用するのに適するＴｉＡｌ材料は、米国特許第５，０６４，１１２号、第５，２９６，０５５号、米国公開第２００１／００２２９４６  Ａ１、及び米国特許第６，１４５，４１４号に開示されている材料を含むが、それに限定されるわけではない。
【００２６】
射出成形のためのＴｉＡｌは、約１μｍから約４０μｍの粒子サイズを有するミクロンサイズの粉末状である。粒子サイズは、約１μｍから１０μｍの間にあるのが望ましい。約１０μｍより小さい粒子サイズを有する微小粉末金属を製造するための方法は、例えば、プラズマ放電球状化（Ｍｅｒ社）など、当技術では知られている。
【００２７】
ＴｉＡｌ粉末は、射出成形に備え結合剤と混ぜ合わされる。結合剤は、ワックス、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリスチレン、塩化ポリビニル、炭酸ポリエチレン、ポリエチレングリコール及び微細結晶ワックスを含む幅広い既知の結合材料の中から選択できるが、それらに限定されるわけではない。米国特許第５，３３２，５３７号に記載されている種類の水性結合剤システムと、米国特許第４，７３４，２３７号、第５，９８５，２０８号、及び第５，２５８，１５５号に記載されている寒天ベースの結合剤も適している。粉末成分との互換性、混合し易さ、成形特性、及び結合解除性、に基づいて、特定の結合剤が選択される。熱可塑性結合剤が好ましい。
【００２８】
結合剤の選択時に考慮されることは、焼結の間に必要なロータ成形体と鋼シャフトの収縮の程度である。一般的に、鋼又はＴｉＡｌ構成物の焼結の間に、約１５％の収縮が得られる。しかしながら、収縮の程度は、結合剤の選択と、混合物内の結合剤と金属粉末の割合と、結合解除又は焼結条件の選択とによって事前に定めることができる。例えば、参考文献としてここに全体的に援用するスギハラ氏らの米国特許第５，５５４，３３８号は、複合材本体の内側及び外側成形体を準備するのに適した結合剤を開示しており、焼結中の成形体の相対寸法変化を予め選択することによって、成形体同士の緊密な結合及び成形体間の広い接触領域とが得られるようにしている。
【００２９】
この他更に、結合剤の選択時に考慮されることは、結合解除又は焼結条件の下でＴｉＡｌ粉末のチタンと反応して炭化チタンを形成する性質を有する結合剤の使用を避けることである。炭化チタニウムはシャフトと結合すると弱くなるかもしれない。
本明細書の何れも、本発明のロータシャフト組立体のロータ又はシャフトを、同じ金属組成を有するロータ又はシャフトに限定していると解釈すべきではない。二金属の金属射出成形が知られており（例えば、米国特許出願公告第ＵＳ２００３／００１２６７７  Ａ１号）、その場合、結合剤に混ぜられた異なる金属粉末組成物が、成形型の異なる部分に配置され、異なる金属の不均質な配置を有する物品が作られる。そのような方法は、本発明の工程と組み立てに十分に適合する。
【００３０】
本発明のロータシャフト組立体のシャフトは、充填剤と共に混合された金属粉末からも用意される。粉末の鋼は、ターボ過給機内で長い寿命を提供するのに釣り合う引張強度と腐食抵抗を有することを除けば、特に限定されない。耐腐食性を付与するために、鉄と少なくとも１つの別の成分を含むステンレス鋼合金が望ましい。合金になっている金属は、クロム、ニッケル、シリコン及びモリブデンの内の少なくとも１つを含んでいてもよい。適した鋼には、１７−４ＰＨのステンレス鋼のような析出硬化ステンレ鋼が含まれ、これは、鉄、１７％のクロム、４％のニッケル、４％の銅、及び０．３％のニオブ及びタンタルの合金であり、析出硬化させたものである。３１６Lのような低炭素鋼が好適である。
【００３１】
ＴｉＡｌロータ成形体は、シャフトの近位端の部分を受け入れるように作られている中央ハブを備えている。ハブ成形体及びシャフト成形体の嵌め合いは、様々な要因に従って事前に決定される。成形体は、引張強度が限定的であり、そのため締まり嵌めにはできない。しかしながら、当該技術で既知の原理に従って、金属粉末の粒子サイズ及び組成と、結合剤と、結合解除及び焼結の条件を選択することによって、当業者であれば、焼結の間のロータ成形体とシャフト成形体の収縮の割合と程度を事前決定することができる。スギハラ氏らの米国特許第５，５５４，３３８号を参照されたい。特に、シャフトよりもロータがより迅速に及び／又は大きく収縮するように、ロータ成形体及びシャフト成形体の収縮及び収縮の割合を事前決定することによって、焼結の間にシャフトとロータとの間に緊密な結合を提供し、強力な冶金学的結合の形成を促進する。これらを考慮すると、シャフト及びロータ成形寸法のそれぞれの設計が分かる。ロータとシャフトとは、応力を発生させることのない簡易な押込嵌めであるのが望ましい。
【００３２】
本願の発明者は、上記した結合材料層を用いることにより、及びロータ成形体とシャフト成形体の収縮割合を合致させることによって、以外にも焼結の間に各部品同士の連続的で密接な嵌め合いを作り出すことができ、ターボ加給機ロータシャフト組立体ＴｉＡｌロータと鋼シャフトの異種材料間に十分な強度の結合を与えることができることを発見した。
【００３３】
図２を参照すると、未焼結のロータシャフト成形組立体２０１を示している。具体的には、焼結前に、ロータ成形体２０３のハブ２０９に取り付けられているシャフト成形体２０７の近位端の連結表面の断面を示している。鋼製のシャフト成形体２０７の近位端は、ロータ成形体のハブ２０９に対して、回転軸１１１上の間に介在された結合材料２１１の層を介して軸方向に取り付けられている。シャフト成形体２０７とハブ２０９の内面の間に均一で薄い結合材料の層を設けることが望ましい。結合材料２１１は、微細な金属粉末と結合媒体とからなる。結合界面間の接触を最大にするために、粉末は微細粉末であることが望ましい。微細な粒子は、局所的接触によって局所的な結合を促進するが、一方で結合界面の表面粗さが逸それを阻害する。粒子は１０μｍかそれ以下の直径有していることが最も望ましい。微細粉末は、焼結の間に拡散結合の形成を促進する高い表面エネルギと高い拡散性を有しているので、好適である。随意的に、結合材料の金属粉末は、一又はそれ以上の金属を含んでもよい。例えば、鉄、ニッケル、及び銅が個別或いは組み合わせられて、一般的にはオーステナイト析出硬化鋼の各成形体に対する結合を向上させる。バナジウム粉末はＴｉＡｌの結合を促進する。米国特許５，３１４，１０６を参照されたい。
【００３４】
結合材料の金属がロータ及びシャフトのＴｉＡｌ及び／又は鋼と適合するということは結合の形成には望ましいことであるが、必須なわけではない。そのような結合は、固相拡散結合からの寄与を含んでおり、或る種の金属の液相が融解結合を生じさせる。本明細書で用いている用語「冶金学的結合」は、固体拡散結合、随意的には融解結合からなる結合示している。ゲゲル氏及びオット氏らの米国特許第６，５５１，５５１号を参照されたい。
結合材料の結合剤は特に限定されるものではなく、上記した水ベース又はワックスベース両方の結合剤が効果的である。
【００３５】
結合界面に介在された結合材料によってロータ成形体とシャフト成形体とを取り付け後に、取り付けられた各成形体は、結合剤を取り除くため結合解除処理される。結合解除している製品は、「ブラウン(brown)」ロータシャフト組立体である。結合解除は、通常、実約３００℃よりも低い温度で行われる。結合解除温度は、約２００℃と２５０℃との間であるのが望ましい。水を含む溶剤は、低温で結合解除するのに用いることができ、結合剤に適合するように選択される。
【００３６】
ブラウンロータシャフト組立体の焼結は、通常、約１２００℃から約１４３０℃の温度で、約４５分から約２時間の間、行われる。具体的な焼結条件は、使用される具体的な結合剤と、焼結される物体の形状及び寸法及び求められる密度の程度に依存する。酸化を最小にするために、焼結は、不完全真空内又は少なくとも５０％水素の雰囲気で行うのが望ましい。焼結は、９０％水素の雰囲気で行うのが最も望ましい。窒素及びアルゴンは酸化を最小にするが、水素は、高密度化に効果のあることも知られているので望ましい。
【００３７】
焼結処理は、連結されたロータシャフト組立体を完成品に近い形状で作り出す。通常、当業者には周知の追加の仕上げ処理を施すのが望ましい。ロータシャフト組立体は、機械加工して、例えば高速運転に備え組立体のバランスを向上させることもできるし、ボールピーニング等のような数多くの技術の何れかで表面を改良してもよい。
【００３８】
図３は、それぞれシャフトに合うように作られたロータハブ２０３，３０７，３１１，３１５に取り付けるための随意的な近位シャフト端部３０１，３０５，３０９，３１３の幾つかの断面を示している。ハブをシャフトの近位端に適合させる手段は、適切な結合表面を提供し、高速安定性のためにロータシャフト組立体のバランスを維持することの要件を除いて、何ら限定されない。従って、本質的にバランスが取れている、即ち高い対称性を有するシャフト端部形状が好ましい。シャフトに円筒形の近位端部を用いてもよいが、シャフトとロータの独立した回転を妨げるような近位シャフト端部形状を使用することによって、ロータのシャフトからの分離に対する強力な抵抗を作り出すことができる。シャフトの近位端は、ローレット形状３０１、多角形３０５、平面付きシャフト３０９、局所切欠き１１３を備えているか、ハブ３１５のねじ部３１７に対応するねじ部３１３付きシャフト３１５であるのが望ましい。具体的用途の設計制約内で、シャフトとロータの独立した回転を防ぎバランスの取れたロータシャフト組立体を作るための、適するように作られているシャフトにロータのハブを取り付けることのできる上記及びその他の手段を、当業者であれば容易に理解できるであろう。例えば、本発明はまた、ハブとシャフトとを軸方向に取り付ける手段を企図しており、そこではハブの軸方向突起がシャフトの近位端におけるカップ形状の凹部に係合しており、ロータの突起は円周でシャフトに係合するようになっている。
【００３９】
当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を施すことができるであろう。従って、本発明のここに示した実施形態は、例示のみを目的に説明したものであり、特許請求の範囲に定義する本発明に制限を加えるものと捉えるべきではない旨理解頂きたい。
本発明を説明するために本明細書で用いている用語は、一般的に定義されている意味としてのみ理解するのではなく、一般的に定義されている意味の範囲を超える特定の定義、構造、材料又は作用も含んでいる。従って、特許請求の範囲の言葉又は要素の定義は、本明細書では、字義通りに説明されている要素の組み合わせだけでなく、実質的に同じ機能を実質的に同じ方法で実行し実質的に同じ結果を得るるための全ての均等な構造、材料、又は作用も含むものと定義される。
【００４０】
請求されている要素の均等物に加えて、現在又は後で、当業者の知ることとなる明らかな代替物も、定義されている要素の範囲内にあるものと定義される。
従って、請求項は、具体的に上で図示し説明されているもの、概念的に均等なもの、明らかに代替できるもの、及び本発明の基本的着想を組み込んでいるもの、を含んでいるものと理解頂きたい。
以上、本発明を説明した。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（Ａ）は本発明の或る実施形態のロータシャフト組立体の概略断面を示し、図１（Ｂ）随意の局所ノッチが設けられている或るシャフトの実施形態の近位端の軸方向断面を示し、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）のシャフトを長手方向から見た断面を示している。
【図２】図２（Ａ）は焼結前のロータのハブに取り付けられているシャフトの近位端の接合面の軸方向断面を示し、図２（Ｂ）は同接合面の横断方向断面を示している。
【図３】４つの代表的なシャフト近位端部を各シャフトに合わせたロータハブに取り付ける断面を示しており、図３（Ａ）はシャフトにローレットが形成されている場合を示し、図３（Ｂ）はシャフトが多角形で形成されている場合を示し、図３（Ｃ）は平面付きシャフトの場合を示し、図３（Ｄ）はシャフトにねじが形成されている場合を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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