JP2001152865A - Ceramic turbo rotor - Google Patents
Ceramic turbo rotorInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】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。
【解決手段】セラミック製のタービン羽車を備えた回転
体１と、該回転体１の回転軸４外周にろう材７で固定さ
れたカラー２と、該カラー２に電子ビーム溶接により接
合されたタービンシャフト３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が形成さ
れていることを特徴とするセラミックターボロータ。
(57) [Problem] To provide a ceramic turbo rotor in which a fused portion obtained by electron beam welding of a collar and a turbine shaft can be used for a long period of time. A rotating body provided with a ceramic turbine impeller, a collar fixed to a periphery of a rotating shaft of the rotating body with a brazing material, and joined to the collar by electron beam welding. In a ceramic turbo rotor comprising a turbine shaft 3, the collar 2 and the turbine shaft 3
A stepped portion 5a is formed in a melted portion 5 formed by electron beam welding.
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic turbo rotor constituting an exhaust turbocharger mounted on an internal combustion engine having a ceramic turbine wheel.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Turbo rotors are used in order to regulate the exhaust gas of automobiles which is becoming stricter year by year.
【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。[0003] Such a turbo rotor is used to improve the output of the vehicle and improve the fuel economy by recovering even a small amount of energy of the exhaust gas discharged from the vehicle for several cubic meters / min. Is installed in the middle of the exhaust gas flow path, and rotates at a high speed of about 50,000 to 150,000 rpm by the exhaust gas. This rotational force rotates a rotor attached to the other end of the turbine shaft, and serves to improve combustion efficiency by supercharging air to the engine or supplying part of exhaust gas to the engine.
【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。A conventional turbo rotor generally has a rotating body having a ceramic turbine wheel formed on the outer periphery of a rotating shaft, a collar made of a heat-resistant metal fixed to the outer periphery of the rotating shaft of the rotating body with a brazing material, It is composed of a turbine shaft made of a heat-resistant metal such as chromium steel, chromium-molybdenum steel or the like joined to the collar by electron beam welding. Rotating at a high speed of about 10,000 rpm,
The rotation of a rotor attached to the other end of the turbine shaft supercharges air to the engine or supplies a part of exhaust gas to the engine.
【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。As a method of fixing the collar to the rotating shaft of the rotating body, an annular collar is arranged on the outer periphery of the rotating shaft, and then a molten brazing material is interposed between the outer periphery of the rotating shaft and the inner surface of the collar. The brazing material is bonded to the inner surface of the collar, and the brazing material is fixed to the outer periphery of the rotating shaft by utilizing the volume shrinkage accompanying the solidification of the brazing material.
【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。In the welding of the collar and the turbine shaft by the electron beam welding, first, the end face of the turbine shaft is brought into contact with the end face of the collar, and then the electron beam is focused on the abutting portion of the both end faces by a converging lens. And a part of each end face of the abutment of the collar and the turbine shaft is melted and integrated with each other.
【０００７】[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。However, conventionally, in the ceramic turbo rotor, welding between the collar and the turbine shaft is performed by electron beam welding.
As shown in the figure, the fusion part 14 formed by electron beam welding of the collar 12 and the turbine shaft 13 has a U-shaped cross section.
【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。Therefore, if the weight balance during the rotation of the rotating body 11 is deviated, 50,000 to 150,000 rpm during use.
When rotated at such a high speed, a large stress due to the moment of rotation is concentrated on the tip of the U-shaped fusion zone 14, with the result that the fusion zone 14 is broken and the ceramic turbo rotor is broken. Was.
【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。A conventional ceramic turbo rotor is
As shown in FIG. 4, the fused portion 14 formed by the electron beam welding of the collar 12 and the turbine shaft 13 has a U-shape, and the volume of the fused portion 14 is large. Many cracks, pores, and the like are easily generated in the melted portion 14, and when many cracks, pores, and the like are generated in the fusion portion 14, the cracks and pores grow greatly when the rotating body 11 is rotated at a high speed. As a result, There is also a drawback that the fusion part 14 is broken and the ceramic turbo rotor is broken.
【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。Further, in the conventional ceramic turbo rotor, the volume of the fusion zone 14 formed by electron beam welding of the collar 12 and the turbine shaft 13 is large, and the fusion zone temperature during welding is high. Therefore, when the heat at the time of welding acts on the brazing material fixing the collar 12 to the outer periphery of the rotating shaft, the brazing material is melted, and the fixing position of the collar 12 shifts,
A gap is formed between the outer periphery of the rotating shaft of the rotating body 11 and the brazing material, and the fixing strength of the collar 12 to the rotating shaft is reduced.
【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。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks, and has as its object the purpose of effectively preventing breakage of a fused portion caused by electron beam welding of a collar and a turbine shaft, and providing the same for a long period of use. It is to provide a ceramic turbo rotor which can be used.
【００１２】[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
ていることを特徴とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a rotating body having a ceramic turbine wheel, a collar brazed to the outer periphery of a rotating shaft of the rotating body, and an electron beam welded to the collar. A ceramic turbo rotor comprising a turbine shaft, wherein a step is formed in a fused portion of the collar and the turbine shaft by electron beam welding.
【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。Further, the present invention provides one step portion in the above-mentioned melting portion, and when the penetration depth is F1, the step depth is F2, and the melting width is H, 0.75 ≦ F1 / H ≦ 1. 10, and 0.
45 ≦ F2 / F1 ≦ 0.55.
【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。Further, according to the present invention, when the thickness of the collar is T and the penetration depth of the fused portion is F1, 0.70 ≦
F1 / T ≦ 1.00.
【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。According to the ceramic turbo rotor of the present invention, since the stepped portion is formed in the fused portion of the collar and the turbine shaft by the electron beam welding, the rotating body is formed by 5 to 15 parts.
When rotating at a high speed of 10,000 rpm, the weight balance during rotation of the rotating body is shifted, and even if a large stress due to the moment of rotation is generated, the stress is dispersed and concentrated in multiple directions at the step portion. As a result, no fracture occurs in the fusion zone.
【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。Further, since a stepped portion is formed in a fusion portion formed by electron beam welding between the collar and the turbine shaft, the volume of the fusion portion can be made smaller than that of a conventional product, and as a result, minute cracks are formed in the fusion portion. Effectively prevent
It is possible to maintain high strength in the fusion zone.
【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。In particular, when one step portion is provided in the melting portion, the penetration depth is F1, the step depth is F2, and the melting width is H,
0.75 ≦ F1 / H ≦ 1.10 and 0.45 ≦ F2 /
When F1 ≦ 0.55, the dispersion of the stress due to the moment of rotation becomes good, and the formation of minute cracks in the melted portion is almost eliminated, so that the ceramic turbo rotor can be used for an extremely long time. .
【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≦１．０
０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。Further, when the thickness of the collar is T and the penetration depth of the fusion portion is F1, 0.70 ≦ F1 / T ≦ 1.0
If it is set to 0, the volume of the fusion zone by electron beam welding between the collar and the turbine shaft is small, and the temperature of the fusion zone during welding can be made low. Even if it acts on the brazing material that fixes the brazing material, the collar can be accurately fixed at a predetermined position on the rotating shaft without melting of the brazing material, and the brazing material between the collar and the rotating shaft can be fixed. The fixing can be made very strong.
【００１９】[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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
【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。FIG. 1 is a cross-sectional view of a ceramic turbo rotor. Reference numeral 1 denotes a rotating body provided with a turbine impeller, 2 denotes a brazed collar around the rotating shaft of the rotating body 1, and 3 denotes a collar 2.
Turbine shaft welded to
【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１７
００℃〜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。The rotating body 1 provided with the turbine wheel is made of a silicon nitride sintered body or a silicon carbide sintered body. For example, when the rotating body 1 is made of a silicon nitride sintered body, silicon nitride as a main component is used. Yttrium oxide (Y 2 O 3 ) as a sintering aid
The rare earth oxide 2 wt% to 10 wt% of an equal, 1 wt% to 5 wt% aluminum oxide (Al 2 O 3), silicon oxide (SiO 2) 1% to 5% by weight, of tungsten metal The compound is added and mixed in an amount of 0.2% by weight to 2% by weight to prepare a raw material powder. Thereafter, the raw material powder is formed into a predetermined shape by a casting method, etc.
It is manufactured by firing at 00 ° C. to 1950 ° C. and performing external processing.
【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。When the rotating body 1 is formed of a silicon nitride-based sintered body or a silicon carbide-based sintered body, the silicon nitride-based sintered body or the silicon carbide-based sintered body has high strength at high temperatures. Since it has excellent thermal shock resistance and a small specific gravity as compared with metal, the moment during rotation of the turbo rotor can be easily adjusted, and a highly durable ceramic turbo rotor can be provided.
【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。The rotating body 1 has a turbine wheel on its outer periphery, and the rotating body 1 rotates at a high speed of, for example, about 50,000 to 150,000 rpm by applying exhaust gas to the turbine wheel. .
【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。Further, the rotating body 1 has an annular collar 2 fixed to the outer periphery of a rotating shaft 4 via a brazing material 7, and the collar 2 joins a turbine shaft 3 described later to the rotating body 1. It acts as an auxiliary member in case.
【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。The collar 2 is made of a heat-resistant metal such as an Fe-based superalloy called an incoloy alloy.
The molten brazing material 7 is caused to flow in between the inside and the brazing material 7 is bonded to the inner surface of the collar 2 and the brazing material 7 is fixed to the outer periphery of the rotating shaft 4 by utilizing the volume shrinkage accompanying the solidification of the brazing material 7. By doing so, it is firmly fixed to the outer periphery of the rotating shaft 4.
【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。When the collar 2 is formed of an Fe-based superalloy, the Fe-based superalloy is excellent in heat resistance, corrosion resistance and stress corrosion cracking resistance, and has high creep rupture strength at high temperatures. It can withstand exhaust gas reaching up to 900 ° C.
【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−Ｚ
３２６１−１９７６に銀ろう材として規定されているＢ
Ａｇ−８（Ａｇ：７１〜７３％，Ｃｕ：２７〜２９％）
が好適に使用し得る。The collar 2 is connected to the rotating shaft 4 of the rotating body 1.
As the brazing material 7 fixed to the outer periphery, for example, JIS-Z
B specified in 3261-1976 as a silver brazing material
Ag-8 (Ag: 71-73%, Cu: 27-29%)
Can be preferably used.
【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。The collar 2 has an end face welded to an end face of the turbine shaft 3 so that the collar 2 rotates with the rotation of the rotating body 1.
【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。The turbine shaft 3 is made of chromium steel, chromium-molybdenum steel, nickel-chromium-molybdenum steel, or the like. Particularly, chromium steel has excellent heat resistance and is a tough steel. The rotor is well-balanced during high-speed rotation and smooth rotation can be obtained, so that it can be suitably used.
【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。The welding of the turbine shaft 3 to the collar 2 is performed by employing an electron beam welding. Specifically, the end surface of the turbine shaft 3 is brought into contact with the end surface of the collar 2 and thereafter, The electron beams are focused on the contact portions of both end faces with a convergent lens and irradiated.
And a part of each end face of the turbine shaft 3 that is in contact with each other is melted and integrated.
【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。In the present invention, as shown in FIG. 2, it is important to form a stepped portion 5a in a fused portion 5 of the collar 2 and the turbine shaft 3 by electron beam welding.
【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。When the stepped portion 5a is formed in the melting portion 5, when the rotating body 1 is rotated at a high speed of 50,000 to 150,000 rpm,
The weight balance during rotation of the rotating body 1 is shifted,
Even if a large stress is generated due to the moment of rotation, the stress is not dispersed and concentrated in multiple directions at the step portion 5a, and as a result, no fracture occurs in the fusion portion 5.
【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。Further, since the step 5a is formed in the fusion zone 5, the volume of the fusion zone 5 can be made smaller than that of the conventional product, and as a result, the formation of minute cracks in the fusion zone 5 can be effectively prevented. It is possible to maintain the strength in the fusion zone 5 at a high level.
【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。As a method of forming the stepped portion 5a in the melting portion 5, when the collar 2 and the turbine shaft 3 are welded by irradiating the contact portion between the collar 2 and the turbine shaft 3 with an electron beam. It is formed by partially varying the focal length of the electron beam by the converging lens and the energy intensity of the electron beam.
【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。Further, when one step portion 5a is provided in the melting portion 5 and the penetration depth is F1, the step depth is F2, and the melting width is H, 0.75 ≦ F1 / H ≦ 1.10. And 0.45
By setting ≦ F2 / F1 ≦ 0.55, the dispersion of the stress due to the moment of rotation becomes good, and the formation of minute cracks in the fusion zone is almost eliminated, making it possible to use the turbo rotor for an extremely long period of time. Becomes
【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。Accordingly, the melting portion 5 is provided with one step portion 5a, and when the penetration depth is F1, the step depth is F2, and the fusion width is H, 0.75 ≦ F1 / H ≦ 1. It is preferable to set 10 and 0.45 ≦ F2 / F1 ≦ 0.55.
【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。Further, when the thickness of the collar 2 is T and the penetration depth of the fusion portion 5 is F1, 0.70 ≦ F1 / T
If ≦ 1.00, the volume of the fusion zone 5 by the electron beam welding of the collar 2 and the turbine shaft 3 is small, and the temperature of the fusion zone 5 at the time of welding can be made low. Even if heat acts on the brazing material 7 fixing the collar 2 on the outer periphery of the rotating shaft 4, the collar 2 is accurately fixed at a predetermined position on the rotating shaft 4 without melting of the brazing material 7. And collar 2 and rotating shaft 4
The fixing through the brazing material 7 can be made extremely strong.
【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。Accordingly, when the thickness of the collar 2 is T and the penetration depth of the fusion portion 5 is F1, 0.70 ≦ F1 / T
It is preferable to set ≦ 1.00.
【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。Thus, according to the ceramic turbo rotor having the ceramic turbine wheel of the present invention, it is installed, for example, in the middle of the exhaust gas flow path of an automobile, and the turbine wheel is driven at a high speed of about 50,000 to 150,000 rpm. By rotating the rotor, the rotor attached to the other end of the turbine shaft 3 is rotated by this rotational force to supercharge air to the engine,
By supplying a part of the exhaust gas to the engine, the combustion efficiency of the engine can be improved. (Experimental example) Next, the operation and effect of the present invention will be described based on the following experimental examples.
【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。First, the rotating body is formed of a silicon carbide sintered body, the collar is formed of an Fe-based superalloy called incoloy alloy, and the turbine shaft is formed of chrome steel (SCR440). The values shown in Table 1 show the penetration depth, fusion width, and the formation position of the step (the distance of the formed step from the surface of the fusion part) of the fusion part where the end faces are abutted and both are welded by electron beam welding. Various ceramic turbo rotor samples having the structures shown in FIGS. 1 and 2 are prepared.
【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。Next, the turbine shaft of each sample was fixed and a pressing force was applied to the rotating body in a downward direction. Was examined, and this was evaluated as the initial welding strength.
【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。Further, a gas at 950 ° C. was applied to the rotating body of each sample to rotate the rotating body at 230,000 rpm for 200 hours at high speed. The pressing force when a fracture occurred in the melted portion by electron beam welding with the turbine shaft was examined, and this was evaluated as the welding strength after the accelerated test.
【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。Sample Nos. 6 to 10 are comparative samples for comparison with the present invention, and have the structure of the conventional product shown in FIG. 3 and have no step in the welded portion by welding. .
【００４４】上記の結果を表１に示す。Table 1 shows the above results.
【００４５】[0045]
【表１】 [Table 1]
【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。As can be seen from Table 1, the conventional product (sample Nos. 6 to
10) The initial welding strength is 2100 (N) to 2190
(N), whereas the product of the present invention was 2560
(N) to 2840 (N), which is extremely high.
【００４７】また、加速試験後の溶接強度が従来品は１
９４５（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。The welding strength after the accelerated test is 1 for the conventional product.
945 (N) to 1971 (N), which is about 10% lower than the initial welding strength. It can be seen that the present invention hardly deteriorates the welding strength.
【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。The reason why the initial welding strength of the conventional product is weak and the welding strength after the accelerated test is greatly deteriorated is that the fused portion formed by electron beam welding of the collar and the turbine shaft has a U-shape and the volume of the fused portion is large. It is considered that electron beam welding is caused by endothermic quenching and the like, resulting in that a large number of minute cracks and pores are formed in the melted portion, and that the pressing force largely acts on the minute cracks and pores.
【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。On the other hand, in the product of the present invention, the step portion was formed in the fusion portion by the electron beam welding of the collar and the turbine shaft. Therefore, the volume of the fusion portion was smaller than that of the conventional product, and minute cracks were formed in the fusion portion. The initial welding strength is large because the pressing force applied to the rotating body is dispersed in many directions at the steps and does not greatly affect the minute cracks, and the welding strength after the accelerated test hardly deteriorates. Is determined.
【００５０】[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。According to the ceramic turbo rotor of the present invention, since the stepped portion is formed in the fused portion of the collar and the turbine shaft by the electron beam welding, the rotating body can be formed by 5 to 15 parts.
When rotating at a high speed of 10,000 rpm, the weight balance during rotation of the rotating body is shifted, and even if a large stress due to the moment of rotation is generated, the stress is dispersed and concentrated in multiple directions at the step portion. As a result, no fracture occurs in the fusion zone.
【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。Further, since a stepped portion is formed in a fusion portion formed by electron beam welding between the collar and the turbine shaft, the volume of the fusion portion can be made smaller than that of a conventional product, and as a result, minute cracks are formed in the fusion portion. Effectively prevent
It is possible to maintain high strength in the fusion zone.
【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。In particular, when one step portion is provided in the melting portion, the penetration depth is F1, the step depth is F2, and the melting width is H,
0.75 ≦ F1 / H ≦ 1.10 and 0.45 ≦ F2 /
When F1 ≦ 0.55, the dispersion of the stress due to the moment of rotation becomes good, and the formation of minute cracks in the melted portion is almost eliminated, so that the ceramic turbo rotor can be used for an extremely long time. .
【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≦１．０
０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。Further, when the thickness of the collar is T and the penetration depth of the fusion zone is F1, 0.70 ≦ F1 / T ≦ 1.0
If it is set to 0, the volume of the fusion zone by the electron beam welding of the collar and the turbine shaft is small, and the temperature of the fusion zone during welding can be made low. Even if it acts on the brazing material that fixes the brazing material, the collar can be accurately fixed at a predetermined position on the rotating shaft without melting of the brazing material, and the brazing material between the collar and the rotating shaft can be fixed. The fixing can be made very strong.
【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。FIG. 1 shows an embodiment of a ceramic turbo rotor of the present invention.
【図２】図１の要部拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of FIG.
【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。FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of a conventional ceramic turbo rotor.
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 1: Rotating body 2: Collar 3: Turbine shoft 4: Rotating shaft 5: Fused portion 5a: Stepped portion 7: Brazing material
Claims (3)
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いることを特徴とする
セラミックターボロータ。1. A rotating body provided with a ceramic turbine wheel, a collar fixed to the outer periphery of a rotating shaft of the rotating body with a brazing material, and a turbine shaft joined to the collar by electron beam welding. A ceramic turbo rotor, wherein a step portion is formed in a fused portion of the collar and the turbine shaft by electron beam welding.
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。2. A step portion is provided in the above-mentioned melting portion, and when the penetration depth is F1, the step depth is F2, and the melting width is H, the melting point is 0.1.
75 ≦ F1 / H ≦ 1.10 and 0.45 ≦ F2 / F1
The ceramic turbo rotor according to claim 1, wherein ≤ 0.55.
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。3. The ceramic turbocharger according to claim 2, wherein when the thickness of the collar is T and the penetration depth of the fusion zone is F1, 0.70 ≦ F1 / T ≦ 1.00. Rotor.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2018198932A1 (en) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | いすゞ自動車株式会社 | Turbo charger shaft and turbo charger |
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1999
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