(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック製のタービン羽車を備えた回転体と、該回転体の回転軸外周にろう材で固定されたカラーと、該カラーに電子ビーム溶接により接合されたタービンシャフトとから成るセラミックターボロータにおいて、前記カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部が形成されており、前記回転軸と前記タービンシャフトとの間に前記カラーの一部が介在し、前記回転軸と前記タービンシャフトとが離間していることを特徴とするセラミックターボロータ。
【請求項２】
上記溶融部に段差部を一つ設け、溶け込み深さをＦ１、段深さをＦ２、溶融幅をＨとした時、０．７５≦Ｆ１／Ｈ≦１．１０、且つ０．４５≦Ｆ２／Ｆ１≦０．５５であることを特徴とする請求項１記載のセラミックターボロータ。
【請求項３】
上記カラーの肉厚をＴ、溶融部の溶け込み深さをＦ１とした時、０．７０≦Ｆ１／Ｔ≦１．００であることを特徴とする請求項２記載のセラミックターボロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック製タービン羽車を備えた内燃機関に搭載する排気ターボチャージャーを構成するセラミックターボロータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
年々厳しくなる自動車の排気ガス規制を行うため、ターボロータが利用されている。
【０００３】
かかるターボロータは、自動車から排出される数立方メートル／分の排気ガスの持つエネルギーを、少しでも回収して自動車の出力を向上させるとともに燃費を改善するために使用され、前記ターボロータは、排気ガス流路の途中に設置され、排気ガスによって例えば５〜１５万ｒｐｍ程度の高速で回転する。この回転力によってタービンシャフトの他端に取り付けられたロータが回転し、空気をエンジンに過給したり、排気ガスの一部をエンジンに供給することにより、燃焼効率を改善する役目を果たしている。
【０００４】
従来のターボロータは、一般に回転軸の外周にセラミック製タービン羽車が形成されている回転体と、該回転体の回転軸外周にろう材で固定された耐熱金属からなるカラーと、該カラーに電子ビーム溶接により接合されたクロム鋼、クロム・モリブデン鋼等の耐熱金属からなるタービンシャフトで構成されており、排気ガスをセラミック製タービン羽車に当てることによって回転体を例えば５〜１５万ｒｐｍ程度の高速で回転させ、タービンシャフトの他端に取り付けられているロータの回転により、空気をエンジンに過給したり、排気ガスの一部をエンジンに供給するようになっている。
【０００５】
なお、前記回転体の回転軸にカラーを固定する方法としては、回転軸の外周に環状のカラーを配置させ、しかる後、回転軸外周とカラー内面との間に溶融したろう材を流入させ、このろう材をカラーの内面に接合させるとともに、ろう材の固化に伴う体積収縮を利用し、ろう材を回転軸外周に固定させることによって行われる。
【０００６】
また、前記電子ビーム溶接によるカラーとタービンシャフトとの溶接は、まずカラーの端面にタービンシャフトの端面を当接させ、しかる後、両端面の当接部に電子ビームを収束レンズで焦点を合わせて照射し、カラーとタービンシャフトの当接する各々の端面の一部を互いに溶融させ一体的させることによって行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来からセラミックターボロータは、カラーとタービンシャフトとの溶接が電子ビーム溶接により行われており、図４に示すようにカラー１２とタービンシャフト１３の電子ビーム溶接による溶融部１４は断面がＵ型となっている。
【０００８】
そのため、回転体１１の回転中における重量バランスがずれていると、使用時に５〜１５万ｒｐｍ程度の高速で回転させた際、回転のモーメントによる大きな応力が、Ｕ型の溶融部１４の先端部に集中し、その結果、溶融部１４に破断が生じセラミックターボロータが破壊するという欠点を有していた。
【０００９】
また、従来のセラミックターボロータは、図４に示すようにカラー１２とタービンシャフト１３の電子ビーム溶接による溶融部１４がＵ型をなし、溶融部１４の容積が大きいこと、電子ビーム溶接は急熱急冷であること等から溶融部１４内に微小クラックや気孔等が多数発生し易く、溶融部１４内に多数のクラックや気孔等が発生していると、これが回転体１１を高速で回転させた際に大きく成長し、その結果、溶融部１４に破断が生じセラミックターボロータが破壊するという欠点も有していた。
【００１０】
さらに、従来のセラミックターボロータは、カラー１２とタービンシャフト１３の電子ビーム溶接による溶融部１４の容積が大きく、溶接時の溶融部温度が高い。そのため、溶接時の熱が回転軸の外周にカラー１２を固定しているろう材に作用すると、ろう材に溶融が生じ、カラー１２の固定位置にズレが発生したり、回転体１１の回転軸外周ととろう材との間に隙間が形成され、カラー１２の回転軸への固定強度が低下するという欠点も有していた。
【００１１】
本発明は上記欠点に鑑み、案出されたもので、その目的はカラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に破断が発生するのを有効に防止して長期間の使用に供することができるセラミックターボロータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック製のタービン羽車を備えた回転体と、該回転体の回転軸外周にろう付けされたカラーと、該カラーに電子ビーム溶接により接合されたタービンシャフトとから成るセラミックターボロータにおいて、前記カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部が形成されており、前記回転軸と前記タービンシャフトとの間に前記カラーの一部が介在し、前記回転軸と前記タービンシャフトとが離間していることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、上記溶融部に段差部を一つ設け、溶け込み深さをＦ１、段深さをＦ２、溶融幅をＨとした時、０．７５≦Ｆ１／Ｈ≦１．１０、且つ０．４５≦Ｆ２／Ｆ１≦０．５５であることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、本発明は、上記カラーの肉厚をＴ、溶融部の溶け込み深さをＦ１とした時、０．７０≦Ｆ１／Ｔ≦１．００であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のセラミックターボロータによれば、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部を形成したことから、回転体を５〜１５万ｒｐｍで高速回転させた際、回転体の回転中における重量バランスがずれており、回転のモーメントによる大きな応力が発生したとしても、その応力は前記段差部で多方向に分散されて集中することはなく、その結果、溶融部に破断を生じることはない。
【００１６】
また、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部を形成したことから、溶融部の容積を従来品に比し小さくでき、その結果、溶融部内に微小クラックが形成されるのを有効に防止して、溶融部における強度を高いものに維持することが可能となる。
【００１７】
特に、溶融部に段差部を一つ設け、溶け込み深さをＦ１、段深さをＦ２、溶融幅をＨとした時、０．７５≦Ｆ１／Ｈ≦１．１０、且つ０．４５≦Ｆ２／Ｆ１≦０．５５としておくと、回転のモーメントによる応力の分散が良好となり、且つ溶融部内での微小クラックの形成がほとんどなくなって、セラミックターボロータを極めて長期間の使用に供することが可能となる。
【００１８】
さらに、カラーの肉厚をＴ、溶融部の溶け込み深さをＦ１とした時、０．７０≦Ｆ１／Ｔ≦１．００としておくと、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部の容積が小さく、溶接時の溶融部温度を低いものとなすことができ、その結果、溶接時の熱が回転軸の外周にカラーを固定しているろう材に作用しても、ろう材に溶融が生じることなく、カラーを回転軸の所定位置に正確に固定しておくことができるとともに、カラーと回転軸とのろう材を介しての固定を極めて強固となすことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明を、添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、セラミックターボロータの断面図であり、１はタービン羽車を備えた回転体、２は回転体１の回転軸外周のろう付けされたカラー、３はカラー２に溶接されたタービンシャフトである。
【００２１】
上記タービン羽車を備えた回転体１は、窒化珪素質焼結体又は炭化珪素質焼結体等から成り、例えば、窒化珪素質焼結体から成る場合、主成分としての窒化珪素に焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）等の希土類元素酸化物を２重量％〜１０重量％、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を１重量％〜５重量％、酸化珪素（ＳｉＯ2）を１重量％〜５重量％、タングステン金属の化合物を０．２重量％〜２重量％添加混合して、原料粉末を調整し、しかる後この原料粉末を、鋳込成形法等により所定形状に成形し、脱型、乾燥した後に約１７００℃〜１９５０℃で焼成するとともに、外形加工を施すことによって製作される。
【００２２】
前記回転体１は、窒化珪素質焼結体、又は炭化珪素質焼結体で形成しておくと、該窒化珪素質焼結体又は、炭化珪素質焼結体は高温強度が高く、耐熱衝撃性に優れており、金属に比較して比重が小さいため、ターボロータの回転中のモーメントを容易に調整することができ、耐久性の高いセラミックターボロータを提供することができる。
【００２３】
また、前記回転体１は、その外周にタービン羽車を有しており、該タービン羽車に排気ガスを当てることによって回転体１が例えば５〜１５万ｒｐｍ程度の高速で回転する。
【００２４】
さらに、前記回転体１は、その回転軸４の外周に環状のカラー２がろう材７を介して固定されており、該カラー２は回転体１に後述するタービンシャフト３を接合する際の補助部材として作用する。
【００２５】
前記カラー２はインコロイアロイと称されるＦｅ基超合金等の耐熱金属からなり、回転体１の回転軸４の外周に配置するとともに回転軸４外周とカラー２内部との間に溶融したろう材７を流入させ、このろう材７をカラー２の内面に接合させるとともにろう材７の固化に伴う体積収縮を利用し、ろう材７を回転軸４外周に固定させることによって、回転軸４の外周に強固に固定される。
【００２６】
前記カラー２は、Ｆｅ基超合金で形成しておくと該Ｆｅ基超合金は、耐熱、耐食、応力腐食割れ抵抗に優れ、また高温時でのクリープ破断強さが大きいため、約９００℃近くまで達する排気ガスにも耐えることができる。
【００２７】
また、前記カラー２を回転体１の回転軸４外周に固定するろう材７としては、例えば、ＪＩＳ−Ｚ３２６１−１９７６に銀ろう材として規定されているＢＡｇ−８（Ａｇ：７１〜７３％，Ｃｕ：２７〜２９％）が好適に使用し得る。
【００２８】
前記カラー２は、またその端面にタービンシャフト３の端面が溶接されており、回転体１の回転に伴って回転するようになっている。
【００２９】
前記タービンシャフト３は、クロム鋼、クロム・モリブデン鋼、ニッケル・クロム・モリブデン鋼等で形成されており、特にクロム鋼は、耐熱性に優れて強靱鋼であり、粘りがあるためターボロータの高速回転時のバランスが良く、スムーズな回転を得ることができるため好適に使用し得る。
【００３０】
前記タービンシャフト３のカラー２への溶接は、電子ビーム溶接を採用することによって行われており、具体的には、カラー２の端面にタービンシャフト３の端面を当接させ、しかる後、両端面の当接部に電子ビームを収束レンズで焦点を合わせて照射し、カラー２とタービンシャフト３の当接する各々の端面の一部を互いに溶融させ一体的させることによって行われる。
【００３１】
本発明においては図２に示すように前記カラー２とタービンシャフト３の電子ビーム溶接による溶融部５に段差部５ａを形成しておくことが重要である。
【００３２】
前記溶融部５に段差部５ａを形成しておくと、回転体１を５〜１５万ｒｐｍで高速回転させた際、回転体１の回転中における重量バランスがずれており、回転のモーメントによる大きな応力が発生したとしても、その応力は前記段差部５ａで多方向に分散されて集中することはなく、その結果、溶融部５に破断を生じることはない。
【００３３】
また、溶融部５に段差部５ａを形成したことから、溶融部５の容積を従来品に比し小さくでき、その結果、溶融部５内に微小クラックが形成されるのを有効に防止して、溶融部５における強度を高いものに維持することが可能となる。
【００３４】
なお、前記溶融部５に段差部５ａを形成する方法としては、カラー２とタービンシャフト３との当接部に電子ビームを照射してカラー２とタービンシャフト３とを溶接する際、収束レンズによる電子ビームの焦点距離及び電子ビームのエネルギー強度を一部可変することによって形成される。
【００３５】
また、前記溶融部５に段差部５ａを一つ設け、溶け込み深さをＦ１、段深さをＦ２、溶融幅をＨとした時、０．７５≦Ｆ１／Ｈ≦１．１０、且つ０．４５≦Ｆ２／Ｆ１≦０．５５としておくと、回転のモーメントによる応力の分散が良好となり、且つ溶融部内での微小クラックの形成がほとんどなくなって、ターボロータを極めて長期間の使用に供することが可能となる。
【００３６】
従って、前記溶融部５には、段差部５ａを一つ設け、溶け込み深さをＦ１、段深さをＦ２、溶融幅をＨとした時、０．７５≦Ｆ１／Ｈ≦１．１０、且つ０．４５≦Ｆ２／Ｆ１≦０．５５としておくことが好ましい。
【００３７】
さらに、前記カラー２の肉厚をＴ、溶融部５の溶け込み深さをＦ１とした時、０．７０≦Ｆ１／Ｔ≦１．００としておくと、カラー２とタービンシャフト３の電子ビーム溶接による溶融部５の容積が小さく、溶接時の溶融部５の温度を低いものとなすことができ、その結果、溶接時の熱が回転軸４の外周にカラー２を固定しているろう材７に作用しても、ろう材７に溶融が生じることなく、カラー２を回転軸４の所定位置に正確に固定しておくことができるとともに、カラー２と回転軸４とのろう材７を介しての固定を極めて強固となすことができる。
【００３８】
従って、前記カラー２の肉厚をＴ、溶融部５の溶け込み深さをＦ１とした時、０．７０≦Ｆ１／Ｔ≦１．００としておくことが好ましい。
【００３９】
かくして、本発明のセラミック製のタービン羽車を備えたセラミックターボロータによれば、例えば自動車の排気ガス流路の途中に設置され、タービン羽車を５〜１５万ｒｐｍ程度の高速で回転させ、この回転力によってタービンシャフト３他端に取り付けられているロータを回転させて、エンジンに空気を過給したり、排気ガスの一部をエンジンに供給したりすることによって、エンジンの燃焼効率等の改善が図れるようになっている。
（実験例）
次に本発明の作用効果を以下の実験例に基づき説明する。
【００４０】
まず、回転体を炭化珪素質焼結体で、カラーをインコロイアロイと称されるＦｅ基超合金で、タービンシャフトをクロム鋼（ＳＣＲ４４０）で形成し、カラーの端面にタービンシャフトの端面を当接させるとともに両者を電子ビーム溶接により溶接した溶融部の溶け込み深さ、溶融幅及び段差部の形成位置（形成されている段差部の溶融部表面からの距離）を表１に示す値とした図１及び図２に示す構造の各種セラミックターボロータ試料を準備する。
【００４１】
次に前記各試料のタービンシャフトを固定するとともに回転体に対して下方方向に押圧力を印加し、カラーとタービンシャフトとの電子ビーム溶接による溶融部に破断が発生した際の押圧力を調べ、これを初期溶接強度として評価した。
【００４２】
また、前記各試料の回転体に９５０℃のガスをあてて回転体を２３万ｒｐｍで２００時間高速回転させ、しかる後、回転体に対して下方方向に押圧力を印加し、
カラーとタービンシャフトとの電子ビーム溶接による溶融部に破断が発生した際の押圧力を調べ、これを加速試験後の溶接強度として評価した。
【００４３】
なお、試料番号６〜１０は、本発明と比較するための比較試料であり、図３に示す従来品の構造のもので、溶接による溶融部に段差部を有さないものである。
【００４４】
上記の結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
0003939885.tif 000002
【００４６】
表１から判るように従来品（試料番号６〜１０）は、初期溶接強度が２１００（Ｎ）〜２１９０（Ｎ）と低いものであるのに対し、本発明品は２５６０（Ｎ）〜２８４０（Ｎ）と極めて高い。
【００４７】
また、加速試験後の溶接強度が従来品は１９４５（Ｎ）〜１９７１（Ｎ）であり、初期溶接強度に対し、約１０％程度劣化しているのに対し、本発明品は溶接強度の劣化がほとんどないことが判る。
【００４８】
従来品の初期溶接強度が弱く、且つ加速試験後の溶接強度が大きく劣化するのは、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部がＵ型をなし、溶融部の容積が大きいこと、電子ビーム溶接は吸熱急冷であること等から溶融部内に微小クラックや気孔等が多数形成されていること、該微小クラックや気孔等に押圧力がそのまま大きく作用することに起因すると考えられる。
【００４９】
これに対し、本発明品は、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部を形成したことから、溶融部の容積が従来品に対して小さく、溶融部内に微小クラックがあまり形成していないこと、回転体に印加する押圧力が段差部で多方向に分散されて微小クラックに大きく作用しないことにより初期溶接強度が大きく、且つ加速試験後の溶接強度もほとんど劣化しないと判断される。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のセラミックターボロータによれば、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部を形成したことから、回転体を５〜１５万ｒｐｍで高速回転させた際、回転体の回転中における重量バランスがずれており、回転のモーメントによる大きな応力が発生したとしても、その応力は前記段差部で多方向に分散されて集中することはなく、その結果、溶融部に破断を生じることはない。
【００５１】
また、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部に段差部を形成したことから、溶融部の容積を従来品に比し小さくでき、その結果、溶融部内に微小クラックが形成されるのを有効に防止して、溶融部における強度を高いものに維持することが可能となる。
【００５２】
特に、溶融部に段差部を一つ設け、溶け込み深さをＦ１、段深さをＦ２、溶融幅をＨとした時、０．７５≦Ｆ１／Ｈ≦１．１０、且つ０．４５≦Ｆ２／Ｆ１≦０．５５としておくと、回転のモーメントによる応力の分散が良好となり、且つ溶融部内での微小クラックの形成がほとんどなくなって、セラミックターボロータを極めて長期間の使用に供することが可能となる。
【００５３】
さらに、カラーの肉厚をＴ、溶融部の溶け込み深さをＦ１とした時、０．７０≦Ｆ１／Ｔ≦１．００としておくと、カラーとタービンシャフトの電子ビーム溶接による溶融部の容積が小さく、溶接時の溶融部温度を低いものとなすことができ、その結果、溶接時の熱が回転軸の外周にカラーを固定しているろう材に作用しても、ろう材に溶融が生じることなく、カラーを回転軸の所定位置に正確に固定しておくことができるとともに、カラーと回転軸とのろう材を介しての固定を極めて強固となすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックターボロータの一実施例を示す。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】従来のセラミックターボロータの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１：回転体
２：カラー
３：タービンショフト
４：回転軸
５：溶融部
５ａ：段差部
７：ろう材
【図１】
0003939885.tif 000003
【図２】
0003939885.tif 000004
【図３】
0003939885.tif 000005