JP2630490B2 - セラミックと金属との結合体 - Google Patents

セラミックと金属との結合体

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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、例えばターボチャージャロータ等に利用さ
れるセラミックと金属との結合体に関する。
［従来の技術］ 従来より、ターボチャージャロータやタービンロータ
等に利用されるセラミックと金属との結合体において
は、第６図に示すように、金属部材P1に凹部P2（もしく
は貫通孔）を設け、その凹部P2にセラミック部材P3を嵌
合して結合させる構造が一般的であった。
しかしながら、このような結合体構造では、金属部材
P1とセラミック部材P3とが実際に接触している外側端
部、即ち嵌合端P4近傍に加わる圧縮力によって、セラミ
ック部材P3中に著しい応力集中が生じるので、結合体強
度が低下するという問題があった。また、軸方向引張力
が大きいので、この結合体に繰り返し荷重応力や繰り返
し熱応力がかかると、セラミックは疲労、劣化により急
激に強度が低下してしまうという問題があった。
［発明が解決しようとする課題］ そこで、この様な問題に対して、結合体の嵌合端周辺
の形状や構造の改良、或は二硫化モリブデン等による結
合面（接合面）の表面処理等によって、応力集中の緩和
や軸方向張力の緩和が図られていたが、必ずしも十分な
解決には至らなかった。
例えば、嵌合端の近傍を滑らかにしてつないだり、嵌
合端上のスリープ外周に溝を設けて、応力集中を低減す
る方法（実開昭61−176231号公報参照）が知られている
が、この方法では、高い加工精度が要求され、また作業
工程が増加するという問題があり、更に設計の自由度が
制限されるという問題が生じていた。
一方、セラミックと金属との結合面全体に、摩擦抵抗
を低減させる二硫化モリブデン等の層を設けることで、
この応力集中を緩和させる方法も提案されているが、こ
の方法では応力集中は緩和できる反面、耐ねじり強度及
び耐ぬけ強度が低くなる欠点があった。尚、これを回避
するために、結合長さを長くする対策が考えられるが、
長くする事は部品重量の増加等を招き好適ではなかっ
た。また、例えばターボチャージャー等では設計的制約
も大きいので、長くすることができない場合が多かっ
た。
本発明は、結合長さを短くし、嵌合端に働く応力集中
を緩和し、セラミックの劣化を防ぐとともに、耐ねじり
・耐ぬけ強度も高くすることができるセラミックと金属
との結合体を提供することを目的としてなされた。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達するためになされた請求項１の発明は、 セラミック部材の凸部を金属部材の凹部又は貫通孔の
開口部から嵌合し、該両部材の各々の結合面における互
いの押圧力によって結合したセラミックと金属との結合
体において、 前記セラミック部材の嵌合部分の結合面が段差のない
棒状であり、前記両部材の少なくとも一方の結合面の嵌
合端近傍に摩擦係数を低減させる表面処理を施した処理
部分を形成するとともに、前記少なくとも一方の係合面
の嵌合端近傍以外に前記表面処理を行わない未処理部分
を設けたことを特徴とするセラミックと金属との結合体
を要旨とする。ここで、「段差」とは、締め代の大きさ
を越える段差をいう。
また、請求項２の発明は、 前記未処理部分が、前記一方の結合面の35％以上95％
以下であることを特徴とする前記請求項１記載のセラミ
ックと金属との結合体を要旨とする。
ここで、セラミック部材と金属部材との結合方法とし
て、互い押圧力によって結合するとは、例えば通常の圧
入，焼嵌め又は冷嵌め等の方法によって結合されること
である。
また、前記表面処理を行わない未処理部分の形状とし
ては、各種のものが考えられるが、例えば、筒状の結合
面に沿って周方向に帯状に形成すると、応力のかかり方
が均一になるので好適である。又は結合面の一部に、ス
ポットの様に表面処理を行わない部分を形成してもよ
い。
更に、前記帯状に未処理部分を形成する場合には、そ
の幅が結合面の長さｌの35〜95％の範囲であると、適度
な摩擦力が発揮できるので好適である。
また、摩擦係数を低減させる方法としては、金属薄膜
をメッキ，蒸着，スパッタ等により形成する方法や、黒
鉛や二硫酸モリブデン等を塗布する方法が考えられる。
尚、上記結合体は、例えばターボチャージャーロー
タ、ガスタービン等に好適に使用することができる。
［作用］ 例えばターボチャージャロータの様な精密な部品を製
造する場合には、セラミック部材の嵌合部分の精度を径
方向にて数μｍの精度で仕上げなければはらないので、
その精度を保つ加工を行うための手間やコストは非常に
大きなものである。
この加工をなるべく少なくするために、セラミック部
材の嵌合部分の長さ（結合の長さ）を短くすることが考
えられるが、嵌合部分を短くするためには、締め代を大
きくして径方向の押圧力を大きくする必要がある。とこ
ろが、径方向の押圧力を増大すると、応力集中（特に嵌
合端における応力集中）が顕著になってセラミックの劣
化が生じ易くなる。
そこで、本発明では、この嵌合部分を短くすることに
起因する応力集中を低減するために、セラミック部材の
嵌合部分の結合面が段差のない棒状とし、更に、この嵌
合部分において摩擦係数を低減する表面処理部分と未処
理部分とを設けることにより、嵌合部分の長さを短くす
ることが実現できた。
即ち、嵌合部分の形状を上述した段差のない形状とす
るとともに、応力集中が顕著に生じる部分である嵌合端
の近傍の摩擦係数を低減させることで、応力集中の緩和
を実現し、且つそれ以外の応力集中の生じない部分は摩
擦係数を高いままにすることで、高い結合保持力を維持
することができる。
これによって、結合長さを短縮して精密加工の工数や
手間を低減でき、しかも、応力集中によるセラミックの
劣化を防ぎつつ、ねじり強度、ぬけ強度等の向上を達成
することができる。
［実施例］ 本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。
第１図は、本実施例のセラミックと金属との結合体１
の断面を示すものである。
この結合体１は、窒化珪素からなる外径φ15の円柱状
のセラミック部材２と、外径φ20の低熱膨脹合金鋼（例
えばインコロイ903）からなる有底の円筒状の金属部材
３と、大気中，常温で圧入により結合したものであり、
係合のために金属部材３の一端には、円柱状の空間であ
る嵌合凹部４が形成してある。この嵌合凹部４の内周面
のうちセラミック部材２と接触する表面、即ち金属部材
３の結合面５の長さ（セラミック部材２側も同じ）ｌは
3mmであり、締め代は75μｍである。
次に、各種の形状に表面処理を行った実施例について
各々説明する。
（実施例１） 第２図は、第１図で示す結合体１の表面処理部分10を
より明瞭に示したもので、前記金属部材３側の結合面５
に、表面処理部分10を形成してある。即ち、嵌合凹部４
の開口部側に、嵌合端９を含んで帯状に摩擦係数を低減
させる表面処理を施してある。この表面処理は、嵌合端
９より1mmまでの範囲に、結合面５全周にわたりAgメッ
キを行ったものであり、このときAgメッキはNiストライ
クメッキを１μｍ施した後に、メッキ厚が５μｍになる
ように行った。
また、結合面５には、耐ぬけ強度，耐ねじり強度向上
を目的とした表面処理を行わない未処理部分12が帯状に
2mm程度形成してある。この未処理部分12は帯状の結合
面５全体（底部13を除く）の67％である。
（実施例２） 第３図は、セラミック部材20側に表面処理部分21を形
成したものであり、セラミック部材20側の結合面23に嵌
合端25を含んで帯状に表面処理を施してある。この表面
処理は、嵌合端25より1mmまでの範囲に、結合面23全周
にわたり二硫化モリブデンを付着させた。また、未処理
部分24は帯状の結合面23全体の67％である。
（実施例３） 第４図は、セラミック部材30が嵌合する金属部材31側
に、表面処理部分32を形成したものであり、結合面33の
全周にわたって前記実施例１と同様に、Agメッキ表面処
理を施してあるが、一部の表面にスポット状に未処理部
分34が形成してある。尚、未処理部分34の面積は結合面
33全体の45％である。
（実施例４） 第５図は、セラミック部材40側に表面処理部分41を形
成したものであり、セラミック部材40の結合面42の全周
にわたって、前記実施例２と同様に、二硫化モリブデン
の表面処理を施してあるが、一部の表面にスポット状に
未処理部分43が形成してある。尚、未処理部分43の面積
は結合面42全体の45％である。
また、前記実施例３及び実施例４では、未処理部分3
4,43の位置は、対向する方向に２ケ所設定してもよい
し、嵌合凹部４の軸を中心に90度づつ４ケ所に設定して
もよく、上述した条件を満たしている限り特に個数や位
置に限定はない。
次に、前記実施例の効果を確認するために行った実験
例について説明する。
（実験例） この実験では、前記実施例１及び実施例２と同様な結
合体を各々３個製造し（実験例１〜3,4〜６）、冷凍サ
イクルにおける限界曲げ応力，常温及び450℃の熱間に
おける耐ねじり強度を測定したその結果を下記表１に示
す。
また、比較例として、結合面全体に表面処理を施した
もの、具体的には金属側表面全体にAgメッキを施したも
の（比較例７〜９）、及びセラミック側表面全体に二硫
化モリブデンを付着させたもの（比較例10〜12）を製造
し、前記と同様な実験を行った。また全く表面処理を行
わないもの（比較例13〜17）も製造し、同様な実験を行
った。その結果を同じく表１に記す。
表１ この表１から明らかなように、嵌合端近傍にのみ表面
処理を施した実験例１〜６のものは、いずれも限界曲げ
応力が40以上と冷熱サイクルに強く、かつ常温及び熱間
における耐ねじり強度が6.0以上と高く、優れた特性を
有するセラミックと金属との結合体である。
それに対して、比較例７〜12は、結合面全体に表面処
理を施してあるので、冷熱サイクルにおける限界曲げ応
力は大きいが、耐ねじり強度は必ずしも高くなく、不適
なものとなっている。また比較例13〜17は、表面処理を
施してないので、耐ねじり強度は高いが、冷熱サイクル
における限界曲げ強度が小さく不適なものとなってい
る。
［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明のセラミックと金属との
結合体では、セラミック部材の嵌合部分の結合面が段差
のない棒状であり、更に結合面の嵌合端近傍に摩擦係数
を低減させる表面処理部分を有するとともに、嵌合端近
傍以外に未処理部分を有する。従って、本発明では、セ
ラミックの劣化の防止と確実な結合という相反する要求
を両立して実現するとともに、結合長さの短縮によって
精密な加工は僅かで済むので、加工の手間やそれに伴う
コストを大きく低減することができるという顕著な効果
を奏する。
特に未処理部分が、一方の結合面の表面積の35％以上
の95％以下である場合には、その効果が著しい。
【図面の簡単な説明】 第１図は本実施例のセラミックと金属と結合体を示す断
面図、第２図は金属側に表面処理部分を有する結合体を
一部破断して示す斜視図、第３図はセラミック側に表面
処理部分を有する結合体を一部破断して示す斜視図、第
４図は金属側に表面処理部分を有するその他の結合体を
一部破断して示す斜視図、第５図はセラミック側の表面
処理部分を有するその他の結合体を一部破断して示す斜
視図、第６図は従来例を示す断面図である。 １……セラミックスと金属と結合体 2,20,31,40……セラミック部材 3,30……金属部材 5,23,32,42……結合面（接合面） 10,21,32,41……表面処理部分 12,24,34,43……未処理部分

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミック部材の凸部を金属部材の凹部又
    は貫通孔の開口部から嵌合し、該両部材の各々の結合面
    における互いの押圧力によって結合したセラミックと金
    属との結合体において、 前記セラミック部材の嵌合部分の結合面が段差のない棒
    状であり、前記両部材の少なくとも一方の結合面の嵌合
    端近傍に摩擦係数を低減させる表面処理を施した処理部
    分を形成するとともに、前記少なくとも一方の結合面の
    嵌合端近傍以外に前記表面処理を行わない未処理部分を
    設けたことを特徴とするセラミックと金属との結合体。
  2. 【請求項２】前記未処理部分が、前記一方の結合面の35
    ％以上95％以下であることを特徴とする前記請求項１記
    載のセラミックと金属との結合体。
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