JP2557556B2 - セラミックスと金属との接合体及びその製造方法 - Google Patents

セラミックスと金属との接合体及びその製造方法

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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、セラミックスと金属との接合体及びその製
造方法に関する。
(従来の技術) 一般に、セラミックスと金属を接合する構造として、
接合部を突き合わせてロー付けするものがある(実開昭
59−111984号公報参照)。
従来、例えば第2図、第3図に示すように、エンジン
の排気ガスにより駆動されるタービンロータ1にセラミ
ックスを使用するものがあった。
このセラミックス製タービンロータ1にはその背部1B
から円柱状に突出する軸端部11が一体的に形成される一
方、金属製シャフト2にはこのタービンロータ軸端部11
に嵌合する円筒状の軸端部21が形成され、タービンロー
タ軸端部11の端面12をシャフト軸端部21の内底部22に突
合わせてロー付けするとともに、タービンロータ1には
軸端部11の基端に段付部15が形成され、この段付部15に
シャフト軸端部21の環状端面25を当接させている。な
お、図中5はロー材である。
シャフト軸端部21の外周面にはリングシール溝7およ
びオイルスリンガー8が形成され、シャフト2の軸受け
部に供給される潤滑油をタービンロータ1の背後でシー
ルするため、仮にセラミックス製タービンロータ1が破
壊しても、金属製シャフト2に形成されたリングシール
溝7が残って潤滑油の流出を防ぎ、エンジンの焼き付き
等を防止するようになっている。
ところで、セラミックス製タービンロータ1はその翼
部1Aがエンジンの排気ガスに直接さらされて高温条件下
で使用されるため、金属製シャフト2も伝熱作用で高温
となり、金属製シャフト2の方が熱膨張率が大きいこと
から、金属製シャフト軸端部21がセラミックス製タービ
ンロータ軸端部11に比べて大きく膨張して、段付部15に
押圧力を与え、タービンロータ1の段付部15が立ち上が
る湾曲部16に過大な応力が発生し、タービンロータ1の
強度を低下させることがあった。
そこで、第4図に示すように、金属製シャフト2とセ
ラミックス製タービンロータ1の段付部15との間に、予
め金属製シャフト軸端部21の熱膨張差に相当する隙間を
設けておき、応力の発生を回避することが考えられる。
すなわち、セラミックス製タービンロータ1の背部1B
には軸端部11を円柱状に突出させる一方、金属製シャフ
ト2の軸端部21は円筒状に形成し、金属製軸端部21にセ
ラミックス製軸端部11を嵌合して、円柱状軸端部11の端
面12を円筒状軸端部21の内底面22に、ロー材5を用いて
ロー付けするにあたり、タービンロータ1の軸端部11の
基端に形成される段付部15と、シャフト軸端部21の環状
端面25の間に隙間3を形成しておき、この隙間3を製作
時における温度条件に応じて軸方向に所定の距離Aを有
するように形成する。
なお、軸端部11の外周面と軸端部21の内周面との間に
も隙間4を形成する。
隙間3の距離Aは、タービンロータ1がエンジン排気
ガスにより回転駆動される高温条件下でセラミックス製
軸端部11と金属製軸端部21の間に生じる熱膨張差より若
干大きくなるように設定する。
金属製軸端部21の熱膨張率を室温から400℃までの間
で1.0×105、同じくセラミック製軸端部11の熱膨張率を
2.5×106とし、接合時における端面12と端面25の間の長
さBを10mmとし、金属製軸端部21の最高温度が400℃に
達するとすると、熱膨張差△Iは、 △I=(1.0×105−2.5×106)×400×10 =0.03mm となる。そこで、実際の隙間3の距離Aは加工精度も含
めて例えば0.05mm程度に設定する。
このように、セラミックス製タービンロータ1の段付
部15と、これに対向する金属製シャフト2の環状端面25
との間に嵌合部の熱膨張差に相当する隙間3を設けるこ
とで、排気ガスにさらされるタービンロータ1が高温と
なり、タービンロータ1からの伝熱により金属製シャフ
ト2の軸端部21が高温となって、金属製軸端部21がセラ
ミックス製軸端部11に比べて大きく熱膨張しても、金属
製軸端部21の環状端面25がタービンロータ1の段付部15
に当接してタービンロータ1の湾曲部16に応力が働くこ
となく、熱条件によってセラミックス製タービンロータ
1の強度が低下することを回避できる。
(発明が解決しようとする問題点) ところが、このように環状端面25と段付部15との間に
所定の隙間3を正しく形成するためには、円筒状の金属
製シャフト2の軸端部21の内底面22から環状端面25まで
の距離と、セラミックス製軸端部11の段付部15から軸端
部12までの距離並びに、ロー材5の厚み等を正確に設定
することが必要となる。
しかも、この隙間3は0.05mmというような非常に微少
な隙間であるため、これらの加工精度を維持すること
は、技術的に困難を伴うばかりか、製造コストの大幅増
にもつながりかねない。
そこで、加工技術を考慮して、隙間3を大きめに設定
しておくことも考えられるが、この場合、軸端部21と段
付部15との隙間部分は、直接的に高温の排気ガスにさら
されるので、隙間3を大きくすると、排気ガスが内周の
隙間4を通してロー材5の部分に入りやすくなり、ロー
材5の接合強度を低下させるという、あらたな問題を引
き起こすのである。
本発明は、上記した問題点を解消しうるセラミックス
と金属との接合体及びその製造方法を提供することを目
的としている。
(課題を解決するための手段) 本発明によるセラミックスと金属との接合体の製造方
法は、金属製シャフトに金属製円筒軸端部の一部を嵌合
すると共に、この金属製円筒軸端部にセラミックス製軸
端部を嵌合し、セラミックス製軸端部と金属製シャフト
の接合端面及び金属製シャフトと金属製円筒軸端部との
嵌合面にロー材を介在させ、所定の高温状態において、
前記金属製円筒軸端部の端面をセラミックス製軸端部の
基部に形成した段付部に当接させた状態で、前記三者間
をロー付け接合するものである。
また本発明によるセラミックスと金属との接合体は、
金属製シャフトと、この金属製シャフトの端部に一部を
嵌合させた金属製円筒軸端部と、金属製円筒軸端部に金
属製シャフトの端面と当接するまで嵌合したセラミック
ス製軸端部と、セラミックス製軸端部の基部に形成した
段付部と、この段付部と前記金属製円筒軸端部との端面
との間に形成した金属製円筒軸端部とセラミックス製軸
端部との間に生じる熱膨張差を吸収する所定の隙間と、
前記金属製シャフトと金属製円筒軸端部との嵌合面及び
金属製シャフトとセラミックス製軸端部との当接端面に
介在されこれらを互いに接合するロー材とから構成され
る。
(作用) 上記本発明の製造方法においては、金属製シャフトと
金属製円筒軸端部とを分割しておき、セラミックス製軸
端部との接合時に、高温状態で金属製円筒軸端部の端面
を段付部に当接させて、ロー付けを行うことにより、常
温(低温)状態では熱収縮により、これらの間に自動的
に所定の隙間を形成することができ、したがってこの隙
間が非常に微少値を要求されても、正確に要求寸法精度
を確保することができる。
また上記本発明の接合体においては、金属製シャフト
と金属製円筒軸端部とを分割することにより、セラミッ
クス製軸端部との嵌合関係に対する軸方向の寸法も、ロ
ー付け時に金属製円筒軸端部が段付部に当接するよう
に、金属製シャフトと金属製円筒軸端部との嵌合長を調
整すればよいため、所定の熱膨張差吸収用の隙間を確保
するのに、とくにこれらの加工精度を高める必要がな
く、加工が非常に簡単になる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。なお、従来例と同一構成部には同一符号を付す。
第1図に示すように、セラミックス製タービンロータ
1の背部1Bには、段付部15から軸端部11を円柱状に突出
させる。
これに接合する金属製シャフト2の端部は、金属製シ
ャフト2と、これに一部を嵌合される金属製円筒軸端部
31とから構成される。なお、金属製シャフト2と金属製
円筒軸端部31の材質は異なっても良い。
そして、金属製シャフト2と金属製円筒軸端部31との
嵌合部、並びに金属製シャフト2の端面2Aとセラミック
ス製軸端部11の端面12とは、共にロー材5を介して接合
する。
このロー材5は例えば800℃で固まるものを使用す
る。ロー付けに際して、800℃の温度条件で前記各接合
部分を加熱しておき、金属製円筒軸端部31の環状端面35
とタービンロータ1の段付部15を当接させて、両者の隙
間3が0となるようにして、この状態でロー付けを行
い、互いに接合する。
この場合、室温から800℃までの間で金属製円筒軸端
部31の熱膨張率を1.2×105、同じくセラミックス製軸端
部11の熱膨張率を3.0×106とすると、接合後に室温下で
は両者の収縮差により生じる隙間3の距離Aは、 A=(1.2×105−3.0×106)×800×10=0.072mm となる(ただし、端面12から環状端面35までの嵌合距離
Bを10mmとした場合。) これにより、タービンロータ1の使用条件下では、金
属製円筒軸端部31がタービンロータ1の段付部15に接触
することを回避するのに必要な隙間3が確保されるので
ある。なお、セラミックス製軸端部11の外周と金属製円
筒軸端部31の内周との間にも同様な隙間4が形成され
る。
すなわち、排気ガスにさらされるタービンロータ1が
高温となり、タービンロータ1からの伝熱によりシャフ
ト2の金属製円筒軸端部31が高温となって、これがセラ
ミックス製軸端部11に比べて大きく熱膨張しても、予め
熱膨張差を吸収しうる所定の隙間3があるため、金属製
円筒軸端部31の環状端面35がタービンロータ1の段付部
15に当接してタービンロータ1の湾曲部16に応力が働く
ことなく、熱条件によってセラミックス製タービンロー
タ1の強度が低下することを回避できる。
そしてこの場合、金属製シャフト2と金属製円筒軸端
部31とを分割しておき、タービンロータ1のセラミック
ス製軸端部11との接合時に、高温状態で金属製円筒軸端
部31の端面35を段付部15に密着させて、ロー付けを行う
ことにより、常温(低温)状態では熱収縮により、これ
らの間に所定の隙間3を形成するようにしたので、この
隙間3が、例えば0.05〜0.07mmという微少値を要求され
ても、正確に要求寸法精度を確保することができ、ロー
付けによる接合加工も非常に簡単になる。
また、金属製シャフト2と金属製円筒軸端部31とを分
割することにより、セラミックス製軸端部11との嵌合関
係に対する軸方向の寸法も、現物合わせで、ロー付け時
に段付部15に金属製円筒軸端部31の端面35を当接させる
ように、金属製シャフト2と金属製円筒軸端部31との嵌
合長を調整すればよいため、とくに加工精度を高める必
要がなく、これらの加工コストの大幅な低減が可能とな
る。
(発明の効果) 以上のように本発明の製造方法によれば、高温状態で
金属製円筒軸端部を予め段付部に当接させてロー付けす
ることにより、常温状態において自動的に正確に所定の
熱膨張差吸収用の隙間を形成することができ、しかもロ
ー付接合加工が非常に簡単で、加工コストの低減も図れ
る。
また、本発明の接合体によれば、セラミックス製軸端
部の段付部と金属製円筒軸端部との間に所定の熱膨張差
吸収用の隙間を形成するにあたり、金属製シャフトと金
属製円筒軸端部とを分割し、これらをセラミックス製軸
端部と一体的にロー付けにより接合したので、互いに嵌
合した状態で高温のロー付け時に金属製円筒軸端部を段
付部に当接させることができ、これらの嵌合長を確保す
るための寸法精度が不要となり、加工が簡単で、かつ加
工コストの大幅な低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す断面図である。第2図
は従来例を示すタービンロータの側面図、第3図は同じ
く要部断面図である。第4図は同じく他の従来例を示す
断面図である。 1……タービンロータ、2……金属製シャフト、2A……
端面、3……隙間、11……セラミックス製軸端部、12…
…端面、15……段付部、31……金属製円筒軸端部、35…
…端面。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属製シャフトに金属製円筒軸端部の一部
    を嵌合すると共に、この金属製円筒軸端部にセラミック
    ス製軸端部を嵌合し、セラミックス製軸端部と金属製シ
    ャフトの接合端面及び金属製シャフトと金属製円筒軸端
    部との嵌合面にロー材を介在させ、所定の高温状態にお
    いて、前記金属製円筒軸端部の端面をセラミックス製軸
    端部の基部に形成した段付部に当接させた状態で、前記
    三者間をロー付け接合することを特徴とするセラミック
    スと金属との接合体の製造方法。
  2. 【請求項2】金属製シャフトと、この金属製シャフトの
    端部に一部を嵌合させた金属製円筒軸端部と、金属製円
    筒軸端部に金属製シャフトの端面と当接するまで嵌合し
    たセラミックス製軸端部と、セラミックス製軸端部の基
    部に形成した段付部と、この段付部と前記金属製円筒軸
    端部との端面との間に形成した金属製円筒軸端部とセラ
    ミックス製軸端部との間に生じる熱膨張差を吸収する所
    定の隙間と、前記金属製シャフトと金属製円筒軸端部と
    の嵌合面及び金属製シャフトとセラミックス製軸端部と
    の当接端面に介在されこれらを互いに接合するロー材と
    から構成されるセラミックスと金属との接合体。
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JPS6050204A (ja) * 1983-08-31 1985-03-19 Ngk Insulators Ltd 金属・セラミツクス結合体およびその製造法
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