JP2508823B2 - セラミックス製回転体と金属軸の結合方法 - Google Patents
セラミックス製回転体と金属軸の結合方法Info
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- JP2508823B2 JP2508823B2 JP27811188A JP27811188A JP2508823B2 JP 2508823 B2 JP2508823 B2 JP 2508823B2 JP 27811188 A JP27811188 A JP 27811188A JP 27811188 A JP27811188 A JP 27811188A JP 2508823 B2 JP2508823 B2 JP 2508823B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は例えばセラミックス製ターボロータシャフト
に適用できるセラミックス製回転体と金属軸の結合方法
に関する。
に適用できるセラミックス製回転体と金属軸の結合方法
に関する。
〈従来の技術〉 内燃機関のターボチャージャーは排気エネルギーでタ
ーボロータシャフトを回し、その動力でコンプレッサー
を駆動することにより吸入空気又は混合気を予圧する装
置であり、そのタービンホイールはかなりの高熱にさら
される。またターボチャージャー付エンジンの欠点とし
てターボ回転の立ち上がり遅れが指摘されているが、こ
のタービンホイールの重量の重いことが一因とされてい
る。
ーボロータシャフトを回し、その動力でコンプレッサー
を駆動することにより吸入空気又は混合気を予圧する装
置であり、そのタービンホイールはかなりの高熱にさら
される。またターボチャージャー付エンジンの欠点とし
てターボ回転の立ち上がり遅れが指摘されているが、こ
のタービンホイールの重量の重いことが一因とされてい
る。
以上のことからタービンホイールを金属に比べて耐熱
性に優れた軽量であって、しかも金属なみの強さを有し
ているセラミックスで形成するのは有利である。この場
合、セラミックスと金属をいかに結合させるかという点
に工夫を要する。
性に優れた軽量であって、しかも金属なみの強さを有し
ているセラミックスで形成するのは有利である。この場
合、セラミックスと金属をいかに結合させるかという点
に工夫を要する。
そのため第４図及び第５図に示すようにセラミックス
製タービンホイール１の回転中心部に設けられた軸突起
部２に金属スリーブ３を焼ばめるか、又は充填金属５で
ロウ付けし、その金属スリーブ３に別の金属で形成され
た金属軸４を電子ビーム溶接９で接合したセラミックス
製ターボロータシュフトが提案されている（特開昭62−
119180号公報等）。
製タービンホイール１の回転中心部に設けられた軸突起
部２に金属スリーブ３を焼ばめるか、又は充填金属５で
ロウ付けし、その金属スリーブ３に別の金属で形成され
た金属軸４を電子ビーム溶接９で接合したセラミックス
製ターボロータシュフトが提案されている（特開昭62−
119180号公報等）。
ところで焼ばめとロウ付けを併用する場合、第２図に
示すように、軸突起部２の端部と金属スリーブ３の間
に、金属スリーブ３より融点の低い充填金属材料５（ロ
ウ付け材）を組み付け、図示しない治具に取付けて下方
に向け加重７をかけた状態で真空炉内等で加熱すること
により、軸突起部２と金属スリーブ３の間隙６に充填金
属材料５を溶融充填させるという方法が取られる。該方
法は、充填金属が凝固した後の冷却過程で、金属スリー
ブ３とセラミックスの軸突起部２の熱膨張係数の差にも
とづく収縮量の差を利用して焼ばめ力を発生させる方法
である。
示すように、軸突起部２の端部と金属スリーブ３の間
に、金属スリーブ３より融点の低い充填金属材料５（ロ
ウ付け材）を組み付け、図示しない治具に取付けて下方
に向け加重７をかけた状態で真空炉内等で加熱すること
により、軸突起部２と金属スリーブ３の間隙６に充填金
属材料５を溶融充填させるという方法が取られる。該方
法は、充填金属が凝固した後の冷却過程で、金属スリー
ブ３とセラミックスの軸突起部２の熱膨張係数の差にも
とづく収縮量の差を利用して焼ばめ力を発生させる方法
である。
一方、セラミックスの軸とそれに焼ばめられた金属ス
リーブとの結合力を高めるために、金属スリーブに析出
硬化型合金を使用し、結合後に析出硬化処理（時効処
理）を行なう方法が特開昭61−40879号公報に開示され
ている。析出硬化型合金は時効温度に加熱し長時間保っ
ておくと過飽和固溶体から溶質が析出することにより硬
化する合金であり、結合力を高く維持するのに有効であ
る。
リーブとの結合力を高めるために、金属スリーブに析出
硬化型合金を使用し、結合後に析出硬化処理（時効処
理）を行なう方法が特開昭61−40879号公報に開示され
ている。析出硬化型合金は時効温度に加熱し長時間保っ
ておくと過飽和固溶体から溶質が析出することにより硬
化する合金であり、結合力を高く維持するのに有効であ
る。
したがって、セラミックスの軸突起部２に金属スリー
ブ３を焼ばめる際に、充填金属材料５を充填しかつ金属
スリーブ材として析出硬化型合金を用いれば、セラミッ
クス製タービンホイール１と金属スリーブ３の結合力が
さらに高まることが期待される。
ブ３を焼ばめる際に、充填金属材料５を充填しかつ金属
スリーブ材として析出硬化型合金を用いれば、セラミッ
クス製タービンホイール１と金属スリーブ３の結合力が
さらに高まることが期待される。
〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、かかる手段を採用しても満足すべき結
果が得られないことが分った。これは析出硬化型合金で
できたスリーブが充填金属材料の凝固点（例えば銀ロウ
BAg−８では780℃）近傍の非常に高い温度から焼ばめ力
を発生することに起因している。つまり結合前の該スリ
ーブには高温強度が必要であるが、未だ析出硬化してい
ない析出硬化型合金製スリーブにはこの必要な特性が得
られていないのである。この高温強度が得られていない
ことは、クロム鋼等の高温強度の低い別種の材料を用い
た場合に見られる不都合と同様な現象が起こることから
確認される。即ち、高温時に作用する引張応力が材料の
降伏点を越えるため、所定の焼ばめ結合強度が得られな
い。
果が得られないことが分った。これは析出硬化型合金で
できたスリーブが充填金属材料の凝固点（例えば銀ロウ
BAg−８では780℃）近傍の非常に高い温度から焼ばめ力
を発生することに起因している。つまり結合前の該スリ
ーブには高温強度が必要であるが、未だ析出硬化してい
ない析出硬化型合金製スリーブにはこの必要な特性が得
られていないのである。この高温強度が得られていない
ことは、クロム鋼等の高温強度の低い別種の材料を用い
た場合に見られる不都合と同様な現象が起こることから
確認される。即ち、高温時に作用する引張応力が材料の
降伏点を越えるため、所定の焼ばめ結合強度が得られな
い。
また、通常の焼ばめ法においても焼ばめ代を大きく設
定した場合には、より高温までの加熱が必要となり、同
様の問題が生じる。
定した場合には、より高温までの加熱が必要となり、同
様の問題が生じる。
なお予め析出硬化処理した金属スリーブを用いるのは
片や析出硬化処理工程、片やロウ付け焼ばめ工程という
二度手間がかかることとなり、コスト高となる。
片や析出硬化処理工程、片やロウ付け焼ばめ工程という
二度手間がかかることとなり、コスト高となる。
以上のこととは別に、析出硬化型合金を使用する場
合、次のような問題がある。即ち、析出硬化型合金の標
準的な時効処理条件は、780℃で８時間保持した後、炉
中で620℃まで冷却し、その温度で更に８時間保持して
から空冷するという、合計16時間の処理が必要となり、
生産性のかなりの悪化を招くことである。
合、次のような問題がある。即ち、析出硬化型合金の標
準的な時効処理条件は、780℃で８時間保持した後、炉
中で620℃まで冷却し、その温度で更に８時間保持して
から空冷するという、合計16時間の処理が必要となり、
生産性のかなりの悪化を招くことである。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであ
り、強固な結合が得られしかも非常に生産性よく実施で
きるセラミックス製回転体と金属軸の結合方法を提供す
ることが本発明の目的であって、その解決しようとする
第一の課題は充填金属材料によってロウ付けされる焼ば
め用金属スリーブ材として析出硬化型合金を使用できる
ようにすることであり、そして第二の課題はそれを析出
硬化硬化させるための長時間加熱を回避できるようにす
ることである。
り、強固な結合が得られしかも非常に生産性よく実施で
きるセラミックス製回転体と金属軸の結合方法を提供す
ることが本発明の目的であって、その解決しようとする
第一の課題は充填金属材料によってロウ付けされる焼ば
め用金属スリーブ材として析出硬化型合金を使用できる
ようにすることであり、そして第二の課題はそれを析出
硬化硬化させるための長時間加熱を回避できるようにす
ることである。
〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成できる本発明のセラミックス製回転体
と金属軸の結合方法は、セラミックス製回転体の軸突起
部に析出硬化型合金でできた金属スリーブと充填金属材
料を組み付け、その状態で析出硬化型合金の時効温度以
上かつ充填金属材料の融点以下の温度で20〜240分間保
持して金属スリーブの析出硬化処理を行ない、続いて更
に温度を充填金属材料の融点以上に加熱して該材料を上
記軸突起部と金属スリーブの間隙に充填した後、該スリ
ーブに金属軸を溶接することを特徴とする。
と金属軸の結合方法は、セラミックス製回転体の軸突起
部に析出硬化型合金でできた金属スリーブと充填金属材
料を組み付け、その状態で析出硬化型合金の時効温度以
上かつ充填金属材料の融点以下の温度で20〜240分間保
持して金属スリーブの析出硬化処理を行ない、続いて更
に温度を充填金属材料の融点以上に加熱して該材料を上
記軸突起部と金属スリーブの間隙に充填した後、該スリ
ーブに金属軸を溶接することを特徴とする。
ここで「析出硬化型合金」というのは、未だ析出硬化
していない合金を意味し、後に「析出硬化合金」となる
ものである。
していない合金を意味し、後に「析出硬化合金」となる
ものである。
本発明方法においては、金属スリーブを、時効温度が
700〜800℃の析出硬化型耐熱合金（インコネル700、イ
ンコロイ903等）で製造し、充填金属材料として融点740
〜840℃の銅合金、銀合金、パラジウム合金等を使用
し、セラミックス製回転体を窒化珪素で製造するのが適
当である。
700〜800℃の析出硬化型耐熱合金（インコネル700、イ
ンコロイ903等）で製造し、充填金属材料として融点740
〜840℃の銅合金、銀合金、パラジウム合金等を使用
し、セラミックス製回転体を窒化珪素で製造するのが適
当である。
〈作用〉 以上のように構成すると、まず析出硬化型合金の時効
温度以上かつ充填金属材料の融点以下の温度に保持する
最初の加熱段階では、金属スリーブは析出硬化するが充
填金属材料は溶融しない。また時効温度により高い温度
で加熱することにより非常に短時間で析出硬化する。な
おこの段階でセラミックス製回転体と金属スリーブはロ
ウ付けに適するように均一に加熱される。
温度以上かつ充填金属材料の融点以下の温度に保持する
最初の加熱段階では、金属スリーブは析出硬化するが充
填金属材料は溶融しない。また時効温度により高い温度
で加熱することにより非常に短時間で析出硬化する。な
おこの段階でセラミックス製回転体と金属スリーブはロ
ウ付けに適するように均一に加熱される。
続いて更に温度を充填金属材料の融点以上の高める次
の加熱段階で、充填金属材料は溶融し、セラミックス製
回転体の軸突起部と金属スリーブの嵌合面間に充填され
る。冷却過程に入ると析出硬化型合金でできた金属スリ
ーブにはただちに焼ばめ応力が発生するが、該スリーブ
はもはや析出硬化して高温強度が備わっているので、支
障なく焼ばめられる。
の加熱段階で、充填金属材料は溶融し、セラミックス製
回転体の軸突起部と金属スリーブの嵌合面間に充填され
る。冷却過程に入ると析出硬化型合金でできた金属スリ
ーブにはただちに焼ばめ応力が発生するが、該スリーブ
はもはや析出硬化して高温強度が備わっているので、支
障なく焼ばめられる。
こうして充填金属材料を充填して焼ばめられた析出硬
化合金スリーブに金属軸を溶接するのでセラミックス製
回転体と金属軸は非常に強く結合することとなる。
化合金スリーブに金属軸を溶接するのでセラミックス製
回転体と金属軸は非常に強く結合することとなる。
〈実施例〉 以下、本発明の結合方法の実施例を説明するが、これ
は本発明を限定するものではない。
は本発明を限定するものではない。
まず第２図に示すようにして、セラミックス製タービ
ンホイール１、充填金属材料５及び金属スリーブ３を組
み付ける。なお、タービンホイール１は窒化珪素で、充
填金属材料５は銀ロウBAg−８で、また金属スリーブ３
は析出硬化型耐熱合金インコロイ903でできている。そ
して金属スリーブ３の内面全体には、該スリーブ３に対
する充填金属材料５の漏れ性を向上させるための銅メッ
キが施されている。
ンホイール１、充填金属材料５及び金属スリーブ３を組
み付ける。なお、タービンホイール１は窒化珪素で、充
填金属材料５は銀ロウBAg−８で、また金属スリーブ３
は析出硬化型耐熱合金インコロイ903でできている。そ
して金属スリーブ３の内面全体には、該スリーブ３に対
する充填金属材料５の漏れ性を向上させるための銅メッ
キが施されている。
こうして組み付けたものを、図示しない治具にセット
し、軸突起部２に金属スリーブ３を押しつけるように加
重７を付加した状態で真空炉に入れ、第１図の実線で示
す加熱パターンで金属スリーブ３の析出硬化処理Ｂとロ
ウ付け処理Ａ（充填金属材料の溶融充填）を行なう。な
お第１図の点線はロウ付け処理ａの後に析出硬化処理b,
b′を行なう従来の加熱パターンを示しており、ｂの保
持温度はインコロイ903の時効温度720℃である。
し、軸突起部２に金属スリーブ３を押しつけるように加
重７を付加した状態で真空炉に入れ、第１図の実線で示
す加熱パターンで金属スリーブ３の析出硬化処理Ｂとロ
ウ付け処理Ａ（充填金属材料の溶融充填）を行なう。な
お第１図の点線はロウ付け処理ａの後に析出硬化処理b,
b′を行なう従来の加熱パターンを示しており、ｂの保
持温度はインコロイ903の時効温度720℃である。
本実施例では、まずインコロイ903の時効温度720℃よ
り上であって充填金属材料の融点780℃より以下の750±
20℃の設定温度にしばらく保持して析出硬化処理を行な
い、続いて温度を充填金属材料の融点以上に高めてロウ
付け処理Ａを終えた後、冷却させる。
り上であって充填金属材料の融点780℃より以下の750±
20℃の設定温度にしばらく保持して析出硬化処理を行な
い、続いて温度を充填金属材料の融点以上に高めてロウ
付け処理Ａを終えた後、冷却させる。
このようにして焼ばめた金属スリーブ３に、クロム鋼
で製造された金属軸４（第４図参照）を電子ビーム溶接
した後，機械加工にて仕上げを施し、セラミックス製タ
ーボロータシャフトを製造する。
で製造された金属軸４（第４図参照）を電子ビーム溶接
した後，機械加工にて仕上げを施し、セラミックス製タ
ーボロータシャフトを製造する。
析出硬化処理Ｂの一定温度保持時間を20分、45分及び
240分にして製造されたものについて、排気ガス温度950
℃での高温高速回転試験を行なった結果、180,000rpmに
おいても破壊を生じたものは無く、いずれについてもセ
ラミックス製タービンホイール１と金属軸４が良好に結
合していることが確認された。
240分にして製造されたものについて、排気ガス温度950
℃での高温高速回転試験を行なった結果、180,000rpmに
おいても破壊を生じたものは無く、いずれについてもセ
ラミックス製タービンホイール１と金属軸４が良好に結
合していることが確認された。
試験例 実施例１における析出硬化処理Ｂ（第１図）の一定温
度保持時間を様々に変えて製造されたセラミックス製タ
ーボロータシャフトを高温ネジリ試験機にかけ、結合部
の500℃における高温ネジリ強度を測定した。なお結合
部の直径はφ12である。その結果を第３図に示す。該図
から、充分な結合強度を得るには、析出硬化処理Ｂの一
定温度保持時間が20分以上必要であることが分かる。
度保持時間を様々に変えて製造されたセラミックス製タ
ーボロータシャフトを高温ネジリ試験機にかけ、結合部
の500℃における高温ネジリ強度を測定した。なお結合
部の直径はφ12である。その結果を第３図に示す。該図
から、充分な結合強度を得るには、析出硬化処理Ｂの一
定温度保持時間が20分以上必要であることが分かる。
〈発明の効果〉 本発明のセラミックス製回転体と金属軸の結合方法に
よれば、上記の如く析出硬化型合金でできた金属スリー
ブと充填金属材料を用いるため、結合が非常に強固とな
る。
よれば、上記の如く析出硬化型合金でできた金属スリー
ブと充填金属材料を用いるため、結合が非常に強固とな
る。
また金属スリーブの析出硬化処理と充填金属材料の充
填（ロウ付け処理）を同設備内で同時に行なうことが出
来るため、例えば真空炉が１台ですむなど設備コストが
削減され、作業効率も良くなる。
填（ロウ付け処理）を同設備内で同時に行なうことが出
来るため、例えば真空炉が１台ですむなど設備コストが
削減され、作業効率も良くなる。
同様に常温からの加熱、常温への冷却を何回も繰り返
す必要がなく、加熱時間も著しく短縮されるため、大幅
なエネルギーコストの低減と生産性の向上が達成でき
る。
す必要がなく、加熱時間も著しく短縮されるため、大幅
なエネルギーコストの低減と生産性の向上が達成でき
る。
第１図は本発明の一実施例に係るロウ付け・析出硬化処
理の加熱パターンを、従来のそれと対比させて示すグラ
フ、 第２図はその被処理物の組み付けられた状態を示す断面
図、 第３図は析出硬化処理時間を様々に変えて得られた製品
の高温ネジリ試験結果を示すグラフ、 第４図及び第５図は従来の結合方法で製造されたセラミ
ックス製ターボロータシャフトの一例及び他例を夫々示
す部分断面図である。 図中： １……セラミックス製タービンホイール ２……軸突起部、３……金属スリーブ ４……金属軸 ５……充填金属材料（ロウ付け材）
理の加熱パターンを、従来のそれと対比させて示すグラ
フ、 第２図はその被処理物の組み付けられた状態を示す断面
図、 第３図は析出硬化処理時間を様々に変えて得られた製品
の高温ネジリ試験結果を示すグラフ、 第４図及び第５図は従来の結合方法で製造されたセラミ
ックス製ターボロータシャフトの一例及び他例を夫々示
す部分断面図である。 図中： １……セラミックス製タービンホイール ２……軸突起部、３……金属スリーブ ４……金属軸 ５……充填金属材料（ロウ付け材）
Claims (1)
- 【請求項１】セラミックス製回転体の軸突起部に、析出
硬化型合金でできた金属スリーブと充填金属材料を組み
付け、その状態で析出硬化型合金の時効温度以上かつ充
填金属材料の融点以下の温度で20〜240分間保持して金
属スリーブの析出硬化処理を行ない、続いて更に温度を
充填金属材料の融点以上に加熱して該材料を上記軸突起
部と金属スリーブの間隙に充填した後、該スリーブに金
属軸を溶接することを特徴とするセラミックス製回転体
と金属軸の結合方法
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27811188A JP2508823B2 (ja) | 1988-11-02 | 1988-11-02 | セラミックス製回転体と金属軸の結合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27811188A JP2508823B2 (ja) | 1988-11-02 | 1988-11-02 | セラミックス製回転体と金属軸の結合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02124781A JPH02124781A (ja) | 1990-05-14 |
| JP2508823B2 true JP2508823B2 (ja) | 1996-06-19 |
Family
ID=17592777
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27811188A Expired - Fee Related JP2508823B2 (ja) | 1988-11-02 | 1988-11-02 | セラミックス製回転体と金属軸の結合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2508823B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6962892B2 (ja) | 2018-09-28 | 2021-11-05 | 本田技研工業株式会社 | 鞍乗り型車両 |
-
1988
- 1988-11-02 JP JP27811188A patent/JP2508823B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02124781A (ja) | 1990-05-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |