(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変ターボチャージャのノズルベーンの角度を調整するためのクランクコントロールと、該クランクコントロールを回転自在に支持するシャフトと、前記クランクシャフトの動きをノズルベーンに伝達するクランクピンとを有し、前記クランクピンおよび／又はクランクコントロールは粒界が実質的に非晶質である窒化珪素質セラミックスからなり、前記クランクピンおよび／又はクランクコントロールをなす窒化珪素セラミックスは６００℃におけるビッカース硬度（Ｈｖ）が１２ＧＰａ以上であるとともに表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であることを特徴とする流量調整バルブ。
【請求項２】
請求項１に記載の流量調整バルブを用いたことを特徴とする可変ターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の空気加給器用のターボロータや発電用のガスタービンに使用される可変ターボチャージャのノズルベーンを動作させアクチュエータの変位をノズルベーンに伝達するための流量調整バルブおよびそれを用いた可変ターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の出力増強をはかる手段として、排ガスを利用するターボチャージャは有効であり、各種の内燃機関に装着されている。ところが、内燃機関の回転数により排気ガスの流量が異なるので、実際の内燃機関から供給される排気ガス流量との間で不一致を生じる。この不一致を保証しターボチャージャの性能を十分に発揮するため、内燃機関の作動状態に応じて、ターボチャージャのタービン車室内の排気ガスの流れを調整できるようにした可変ターボチャージャが開発されている。
【０００３】
こうした可変ターボチャージャでは、ハウジング内のタービンのノズル部に複数のノズルベーンが配置される。図１に可変ターボチャージャ１の部分拡大図を示す。図１において、タービンブレード２はその回転軸３が可変ターボチャージャ１の主ハウジング内の軸受けに回転自在に支持されている。内燃機関からの排気ガスは、可変ターボチャージャの吸気ポートからハウジング４内に導入され、ハウジング４内に構成されているスクロール通路５、および、タービンブレード２への入り口を形成するノズル部６を経てタービンブレード２に供給される。タービンブレード２に供給された排気ガスは、タービンブレード２を駆動した後に排気ポートより排出される。
【０００４】
ノズル部は、図２、図３に示すように、タービン１はそのタービンブレード２を収納するスクロール部内のノズル部６の全周に翼型断面のノズルベーン７を互いに所定間隔を介して分散配備するように構成される。各ノズルベーン７の回転軸８は回動自在にマウントプレート９に取りつけられている。ノズルベーン７の軸部はレバープレート１０の各々に連結されてリングプレート１１に取りつけられリングプレート１１から取り出したプレート１２にクランクピン１３が取りつけられている。クランクピン１３に凹形状のクランクコントロール１４が接しておりクランクコントロール１４はシャフト１５を通して外側レバーに一体結合される。外側レバー１６の回転端はリンク部１７を介してアクチュエータ１８に連結される。同アクチュエータ１８がコントロールユニット１９によって切換え操作されるように構成される。
【０００５】
流量調整バルブの構造は、図２に示すようにアクチュエータ１８の変位をＳＣＨ２２鋼からなるクランクコントロール１４に伝えその動きによりＳＵＳ３１０Ｓからなるクランクピン１３を変位させ、各ノズルベーン７の角度を変えることにより排気ガスの流量を調整している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この流量調整バルブは、アクチュエータ１８の変位を正確にノズルベーン７に伝える必要があるがクランクピン１３及びクランクコントロール１４が高温領域（６００℃）において常温に比べ摩耗が激しく、自動車の寿命に合わせた要求寿命の１００万回に対し５０万回程度の寿命となっている。そこで、摩耗を低減し寿命ＵＰをはかる構造を提供することが求められていた。
【０００７】
また、近年は環境問題より排ガス規制が年々厳しくなっている。そこで排ガス規制対応のためターボ過給により供給される空気量の調整精度が重要視されるようになってきた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タービンのノズルベーンの角度を調整するためのクランクコントロールと、該クランクコントロールを回転自在に支持するシャフトと、前記クランクシャフトの動きをノズルベーンに伝達するクランクピンとからなる流量調整バルブにおいて、前記クランクピンおよび／又はクランクコントロールは粒界が実質的に非晶質である窒化珪素質セラミックスからなり、前記クランクピンおよび／又はクランクコントロールをなす窒化珪素セラミックスは６００℃におけるビッカース硬度（Ｈｖ）が１２ＧＰａ以上であるとともに表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は上記構成の流量調整バルブを用いた可変ターボチャージャであることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
まず、図１〜３を用いて、本発明の流量調整バルブの構造を説明する。
【００１４】
図１に可変ターボチャージャの部分拡大図を示す。図１において、タービンブレード２はその回転軸３が可変ターボチャージャ１の主ハウジング内の軸受けに回転自在に支持されている。内燃機関からの排気ガスは、可変ターボチャージャ１の吸気ポートからハウジング４内に導入され、ハウジング４内に構成されているスクロール通路５、および、タービンブレード２への入り口を形成するノズル部６を経てタービンブレード２に供給される。タービンブレード２に供給された排気ガスは、タービンブレード２を駆動した後に排気ポートより排出される。
【００１５】
ノズル部は、図２、図３に示すように、タービン１はそのタービンブレード２を収納するスクロール部内のノズル部６の全周に翼型断面のノズルベーン７を互いに所定間隔を介して分散配備するように構成される。各ノズルベーン７の回転軸８は回動自在にマウントプレート９に取りつけられている。ノズルベーン７の軸部はレバープレート１０の各々に連結されてリングプレート１１に取りつけられリングプレート１１から取り出したプレート１２にクランクピン１３が取りつけられている。クランクピン１３に凹形状のクランクコントロール１４が接しておりクランクコントロール１４はシャフト１５を通して外側レバーに一体結合される。外側レバー１６の回転端はリンク部１７を介してアクチュエータ１８に連結される。同アクチュエータ１８がコントロールユニット１９によって切換え操作されるように構成される。
【００１６】
流量調整部の構造は図３に示すようにアクチュエータ１８の変位をクランクコントロール１４に伝えその動きによりクランクピン１３を変位させ、各ノズルベーン７の角度を変えることにより排気ガスの流量を調整している。
【００１７】
本発明の特徴は、クランクピン１３および／又はクランクコントロール１４の材質として、窒化珪素質セラミックスを用いた点にある。窒化珪素質セラミックスは、耐摩耗性及び耐熱性に優れていることより、この両方の特徴を生かして上記のタービン１の流量調整バルブに使用されるクランクピン１３およびクランクコントロール１４へ応用した。
【００１８】
また、図４（ａ）は、本発明の流量調整バルブのクランクピン１３の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。そして、図５は本発明の流量調整バルブのクランクピン１３とクランクコントロール１４の磨耗部を示す図である。
【００１９】
クランクピン１３およびクランクコントロール１４は、高温での摩耗特性が要求される。この耐磨耗性に影響する重要な要素として、硬度が挙げられる。高温域での硬度低下による大幅な摩耗、剥離の発生による摩耗がある。各種のテスト結果から要求寿命の１００万回での性能の劣化を防ぐためには硬度が６００℃で１２ＧＰａ以上であることが好ましいことが判った。
【００２０】
ビッカ−ス硬度（Ｈｖ）は、窒化珪素質セラミックスの結晶粒径に影響される。そこで、６００℃で１２Ｇｐａ以上の硬度とするためには、結晶粒径は小さい方が耐磨耗性を向上させるために好ましい。好ましくは、平均結晶粒径を５μｍ以下にすると良い。また、窒化珪素質セラミックスの粒界は、実質的に非晶質であることが好ましい。本発明者等が鋭意検討した結果、高温の摺動性に対して、粒界が結晶質であるより非晶質である方が６００℃程度の温度における耐磨耗性が好ましいことが判った。雰囲気温度が６００℃程度の場合においても、摺動部分においては局部的に温度がかなり高温になり局部的に酸化が進む場合がある。また、雰囲気温度が６００℃程度と低温の場合、窒化珪素質セラミックスが酸化する場合に、表面に酸化皮膜を形成する程にはならないので、酸化した皮膜の強度が非常に小さく、このような局部的な酸化が発生すると、窒化珪素セラミックス表面に凹凸が生成し耐磨耗性が低下する。このような磨耗に対して、結晶粒界が実質的に非晶質である方が窒化珪素質セラミックスの酸化が進み難くなることが判った。
【００２１】
まず、窒化珪素質セラミックスの結晶粒径を小さくするためには、窒化珪素原料の平均粒径を４μｍ以下にし、１７００〜１８５０℃程度の温度で短時間の内に焼結させることが好ましい。また、窒化珪素質セラミックスの結晶粒界を実質的に非晶質にするためには、焼結助剤としてＡｌ2Ｏ3を１．５〜４質量％含有させることが望ましい。Ａｌ2Ｏ3は、窒化珪素質セラミックスの粒界を低融点化させ焼結を促進させる働きがある。
【００２２】
また、窒化珪素質セラミックスの結晶粒界が非晶質であることは、窒化珪素質セラミックスの表面のＸ線回折をとることにより確認できる。Ｘ線回折ピークの２θ＝１０°付近にガラス相の生成を示すブロードなピークが存在し、α−Ｓｉ3Ｎ4、β−Ｓｉ3Ｎ4以外に結晶相を示すピークがないことを確認する。
【００２３】
また、クランクピン１３とクランクコントロール１４が摺動する際に、これらの部品の表面ないしはその近傍の表層に高い引張応力を受けるために、表面ないしはその近傍の表層には欠陥が存在しないことが重要であり、また相手材としてのクランクコントロール１４側の摩耗を増加させないため、欠陥サイズが１００μｍ以下であることが望ましい。同様に面粗さについても同じことが言え、セラミックの面粗さが粗くなると相手攻撃性が増し摩耗が増加しやすい。相手攻撃性を押さえるためには面粗さＲａが０．５μｍ以下が望ましい。
【００２４】
上記セラミック製のクランクピン１３およびクランクコントロール１４は、Ｓｉ3Ｎ4８５〜９５質量％に対し、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3等の希土類元素酸化物を３〜１０質量％、Ａｌ2Ｏ3を１．５〜４．０質量％、さらに残存酸素をＳｉＯ2換算して１．０〜４．０質量％を含有するものを使用することができる。これらの原料をバインダとボールミル等を用いて混合し、スプレードライヤにより平均径５０〜３００μｍに造粒し、成形圧５０〜２００ＭＰａで所定の形状にプレス成形し、さらに所定の寸法に切削加工したのち窒素中常圧もしくは加圧雰囲気中１７００〜１８５０℃で焼成し、さらに仕上げ加工することにより、本発明のクランクピン１３およびクランクコントロール１４を得ることができる。
【００２５】
また、焼成後にＨＩＰ処理を行えば、焼結体中の気孔や欠陥を小さくすることにより、窒化珪素質セラミックスの強度や耐磨耗性を向上させることができる。
【００２６】
【実施例】
実施例  １
窒化珪素粉末の粒径サイズが２．５μｍの原料に所定の添加物を加え、イソプロピルアルコールとともにバレルミルで４０時間混合した。混合後＃３００メッシュを通した後、乾燥した。この混合粉末に水、有機バインダを加え、２０時間混合後、スプレードライにより原料顆粒を得た。この原料顆粒を用いて、プレス成形によりリング状成形体を作製した。この成形体を、窒素中３５０℃で脱脂した後、大気中５００℃脱脂を行い１８００〜１９００℃で焼成することにより理論密度比で９９％以上まで緻密化させて焼結体を得た。その後規定の寸法に加工を施して図４に示すクランクピン１３を使用した流量調整バルブおよびそれを用いた可変ターボチャージャを作製した。
【００２７】
この窒化珪素からなるクランクピン１３と、比較例としてＳＵＳ３１０Ｓのクロマイズ処理品からなるクランクピン１３を取り付け、相手材として現状のクランクコントロール１４用の材料であるＳＣＨ２２を使って可変ターボチャージャに組み込み、クランクピン１３に２．０ＭＰａの荷重を掛けながら、ノズルベーン７の角度調整の繰り返し回数５０万回の耐久テストを実施した。また、クランクピン１３をＳＣＨ２２とし、クランクコントロール１４を窒化珪素としたもの、クランクピン１３とクランクコントロール１４を両方とも窒化珪素としたものを準備し、同様の評価を行った。
【００２８】
その結果を表１に示した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１から判るように、比較例として用いたＳＵＳ３１０Ｓからなるクランクピン１３とＳＣＨ２２製のクランクコントロール１４を用いたＮｏ．１は、クランクピン１３の磨耗量が０．２５ｍｍ、相手材として用いたＳＣＨ２２製のクランクコントロール１４の磨耗量が０．３５ｍｍとなり、合計で０．６ｍｍ磨耗した。
【００３１】
これに対し、本発明の窒化珪素質セラミックス製のクランクピン１３とＳＣＨ２２製のクランクコントロール１４を用いたＮｏ．２は、クランクピン１３の磨耗量が０．０７ｍｍ、相手材として用いたＳＣＨ２２製のクランクコントロール１４の磨耗量が０．２ｍｍとなり、合計で０．２７ｍｍと磨耗量を低減できることが判った。また、クランクコントロール１４を窒化珪素質セラミックスとし、クランクピン１３をＳＵＳ３１０ＳとしたＮｏ．３は、合計磨耗量が０．２５ｍｍとなり、クランクピン１３とクランクコントローラ１４を両方とも窒化珪素質セラミックスとしたＮｏ．４は、合計磨耗量が０．１７ｍｍとなり、良好な摺動性を示した。
【００３２】
クランクピン１３および／又はクランクコントローラ１４の材質を窒化珪素質セラミックスとすることにより、これらの合計摩耗量を低減できることが判った。
【００３３】
実施例２
窒化珪素粉末の粒径サイズが２．５μｍの材料と３．５μｍの原料に所定の添加物を加え実施例１と同様に焼結体を作製した。焼結体の平均粒径が２．１μｍ、４．０μｍ、６．５μｍ、９．８μｍのものを得た。これらのサンプルについて、６００℃における硬度および強度を測定し、クランクピン１３に形状加工後可変ターボチャージャ１に組み込み、クランクピン１３に２．０ＭＰａの荷重を掛けながら、ノズルベーン７の角度調整の繰り返し回数１００万回の耐久テストを実施した。
【００３４】
なお、窒化珪素質セラミックスの平均粒径の測定については、焼結体の表面を鏡面研磨した後、フッ酸と硝酸の１：１混合液からなるフッ硝酸を６０℃に加熱した溶液中に適宜浸漬して窒化珪素の粒界をエッチングし、その表面について１０００倍の電子顕微鏡写真を撮り、ラインインターセプト法により粒径を測定した。写真上に複数の直線を引き、各結晶を横切る直線部分の長さの平均値を算出して、これを平均粒径とした。
【００３５】
その結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２から判るように、６００℃におけるビッカ−ス硬度（Ｈｖ）が１２ＧＰａ未満となる窒化珪素質セラミックスを用いたＮｏ．４は、クランクピン１３とクランクコントロール１４の合計磨耗量が０．６ｍｍを超えてしまった。これに対し、６００℃におけるビッカ-ス硬度（Ｈｖ）が１２ＧＰａ以上となるＮｏ．１〜３は、クランクピン１３とクランクコントロール１４の合計磨耗量が０．６ｍｍ以下となり、良好な磨耗特性を示した。
【００３８】
実施例３
上記窒化珪素質セラミックスの結晶粒径サイズ４．０μｍ品を仕上げダイヤを変え表面粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ、０．５μｍ、０．７μｍと調整したクランクピン１３を製作した。そして、実施例２と同様の耐久テストを実施した。その結果を表３に示した。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
表３から判るように、目標とするクランクピン１３とクランクコントロール１４の合計摩耗量０．６μｍ以下に対し、表面粗さ（Ｒａ）が０．７μｍであるＮｏ．３は、合計磨耗量が０．８μｍとオーバーした。これに対し、表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍと０．５μｍであるＮｏ．１とＮｏ．２は目標の合計磨耗量以下にすることができた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、タービンのノズルベーンの角度を調整するためのクランクコントロールと、該クランクコントロールを回転自在に支持するシャフトと、前記クランクシャフトの動きをノズルベーンに伝達するクランクピンとからなる流量調整バルブにおいて、前記クランクピンおよび／又はクランクコントロールを窒化珪素質セラミックスとすることにより、クランクピンおよび／又はクランクコントロールの磨耗量を低減し、耐久性良好なものとすることができた。
【００４２】
また、窒化珪素としては、６００℃におけるビッカ−ス硬度を１２ＧＰａ以上とすることが好ましいことが判った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量調整バルブを使用した可変ターボチャージャの部分断面図である。
【図２】本発明の流量調整バルブを使用した可変ターボチャージャの概略図である。
【図３】（ａ）は、本発明の流量調整バルブを使用した可変ターボチャージャの内部構造を示す断面図であり、（ｂ）は、そのＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の流量調整バルブのクランクピンの平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図５】本発明の流量調整バルブのクランクピンとクランクコントロールを示す図である。
【符号の説明】
１：可変ターボチャージャ
２：タービンブレード
３：回転軸
４：ハウジング
５：スクロール通路
６：ノズル部
７：ノズルベーン
８：回転軸
９：マウントプレート
１０：レバープレート
１１：リングプレート
１２：プレート
１３：クランクピン
１４：クランクコントロール
１５：シャフト
１６：外側レバー
１７：リンク部
１８：アクチュエータ
１９：コントロールユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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