JP2747865B2 - セラミックスと金属との接合構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス製タ−ビ
ンローター及びガスタ−ビンローター等の高温雰囲気下
で使用されるセラミックスと金属部材の接合に関する。

【０００２】

【従来の技術】タ−ボチャ−ジャ−やガスタ−ビンエン
ジンなどの高温雰囲気下で回転体として使用される機構
部品には機械的強度、耐熱性、耐摩耗性に優れ、比重の
小さいセラミックス体（窒化珪素、サイアロン、炭化珪
素等の焼結体）が適している。しかし、セラミックス体
のみで機構部品として使用することは難かしく、上記セ
ラミックと金属軸を複合、接合した構造体が一般に用い
られる。

【０００３】セラミックス部材と金属部材の接合方法と
して、ろう材（ＢＡｇ８、Ａｇ：７２％、Ｃｕ：２８
％）を用いた焼嵌め法が特開昭６３−８２７３号公報に
開示されている。この方法は、図１に示す様にセラミッ
クス回転中心部に軸突起部（１）を設ける一方、金属軸
（２）の先端部に凹部（３）を設け、この凹部（３）の
底にＢＡｇ８ろう材（４）を配置した状態で金属軸
（２）を加熱膨張させた後、図２に示す様に金属軸
（２）の凹部（３）にセラミックス部材の凸部（１）を
嵌込むとともに溶融したろう材（４）を両者間に充填
し、冷却することにより、焼ばめ力を得る接合体の製造
方法である。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】従来のろう材にて、接
合されたセラミックタ−ボチャ−ジャ−は、一応実用化
される接合強度を有しているが、Ａｇ−Ｃｕの共晶点
は、７８０℃と低く、しかもＣｕ成分が酸化されるため
に、高温強度や耐酸化性に欠けるという難点を有してい
る。また、最近のタ−ボチャ−ジャ−付の自動車エンジ
ンに於ては、低燃費化等高性能化が進むにつれてエンジ
ン排気ガス温度が上昇し、これにつれて接合部温度も上
昇し、より高温強度の高い接合体が必要となる。

【０００５】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
ることを課題としセラミックス製タ−ビンホイ−ルと金
属部材とのろう材を改良することにより、タ−ビンホイ
−ルと金属部材との接合に対して高温でも信頼性を高め
るとともに、適用可能な温度領域を広げたセラミックス
製タ−ビンローターを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】 その手段は、凹部を有
する金属部材の該凹部の中に、セラミックス部材を嵌合
し、接合材料によって両部材を接合してなるセラミック
スと金属との接合構造において、前記接合材料がＰｄ３
〜３０重量％、Ａｇ４０〜７０重量％及びＣｕ１０〜４
０重量％からなりＴｉ、Ｚｒを含まない合金であり、そ
の少なくとも一部がセラミックス部材の外周面と金属部
材の凹部内周面との間に充填されていることを特徴とす
る接合構造にある。また、同じくその手段は、凹部を有
する金属部材の該凹部の中に、セラミックス部材を嵌合
し、接合材料によって両部材を接合してなるセラミック
スと金属との接合構造において、前記接合材料の少なく
とも一部が、セラミックス部材の外周面と金属部材の凹
部内周面との間に充填されており、Ｐｄ３〜３０重量
％、Ａｇ４０〜７０重量％及びＣｕ１０〜４０重量％か
らなる合金であることを特徴とする接合構造でもある。

【０００７】この接合構造において望ましい手段は、セ
ラミックス部材がタービンロータの翼車であって、金属
部材をタービンロータの回転軸とするものである。同じ
く望ましい手段は、セラミックス部材に、金属部材によ
って焼嵌め力が加えられているものである。

【０００８】同じく望ましい手段は、セラミックス部材
の端面と金属部材の凹部底面との間に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆ
ｅ、Ａｇ、コバール、Ｎｂ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｗ、Ｗ合
金、超硬、サーメットのうちから選ばれる１種以上から
なる中間層が備えられているものである。

【０００９】ここで、凹部を有する金属部材とは、例え
ば一端閉塞の有底体、両端開放の管状体等を指し、要す
るに端面より窪んでいる部分を備えたもので有れば良
い。上記各手段において、セラミックスは、非酸化物で
あればＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣ，，サイアロン等が適用可能で
あり、酸化物であればＡｌ₂０₃，ＺｒＯ_{2 ,} 等が適用可
能である。超硬とは、例えば、ＷＣ−Ｎｉ，ＷＣ−ＣＯ
等の超硬合金、サーメットとは、ＴｉＮ−ＴｉＣ等をい
う。また、Ｗ合金とは、Ｗ−Ｎｉ，Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ，Ｗ
−Ｎｉ−Ｃｕ，Ｃｕ−Ｗ等が含まれる。

【００１０】

【作用】

［１］ Ｐｄは主に、ろう材の融点を上昇させ、耐熱性
の向上に寄与するとともに、Ａｇ，Ｎｉなどとそれぞれ
全率固溶体を形成するため、脆弱な金属間化合物を形成
することがなく、この効果は、含有量３〜３０重量％の
ときに最も強く発揮され、特に高温での接合強度が高く
なる。また、その含有量が３重量％未満では上記効果が
不十分となり、３０重量％を超えると、ろう材の融点が
上昇しすぎて（１１００℃以上）ろう付温度が高くなり
すぎ、ろう付作業性が悪くなるとともに、金属部材への
侵食や、セラミックスや金属部材の材質によっては溶け
出した元素がセラミックスと反応を起こし、セラミック
スにクラックやワレ等が生じることもある。

【００１１】［２］ Ａｇは、流動性を改善して、金属
部材との濡れ性を良好にし、接合強度を向上させる元素
であり、その含有量が４０重量％未満では、この効果が
不十分となり７０重量％を超えるとろう材自体の耐熱性
が低下する。

【００１２】［３］ ＣｕもＡｇと同じように、流動
性、濡れ性の改善に役立つもので、Ａｇと共晶組織とな
り、接合強度を向上させる元素であり、その含有量が１
０重量％未満では、この効果が不十分となり、４０重量
％を超えると、耐熱性が低下する。

【００１３】［４］ 接合材料の融点が高いから、加熱
接合後の冷却過程において、ろう材が耐力を持ち始める
温度も高くなる。従って、接合材料による化学的接合力
に加えて、セラミックス部材に、金属部材によって強い
焼嵌め力が加えられ、更に接合強度が、高くなる。

【００１４】［５］ セラミックス部材の端面と金属部
材の凹部底面との間に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇ、コバ
ール、Ｎｂ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｗ、Ｗ合金、超硬、サー
メットのうちから選ばれる１種以上からなる中間層が備
えられていると、セラミックス部材と金属部材との熱膨
張差に起因する歪を、この中間層が緩和吸収し、更に接
合強度が向上する。

【００１５】

【実施例】

−実施例１− 以下、本発明についての実施例及び実験例について、図
面に従って説明する。

【００１６】［構造例］図３は、本発明接合構造をセラ
ミックスタ−ボチャ−ジャ−のタービンローターに利用
した例である。タービンローターは、セラミックス製翼
車、一端がこの翼車に接合されて翼車の回転駆動力を他
端のコンプレッサーホイール（図示省略）に伝達する金
属軸及びこれらセラミックス製翼車と金属軸との接合部
となる金属部材から構成されている。セラミックス製翼
車（５）は、詳しくはガス圧焼成して得られた窒化珪素
系焼結体製であり、背板中心部には直径１２．０ｍｍの
軸部（６）が設けてある。軸部（６）の先端（７）に
は、カケ、チッピング防止及び応力集中しない様に、
０．５ｍｍのＣ面取りを設けてある。

【００１７】［製造例］このようなタービンローターを
製造する方法を説明する。まず、セラミックス軸部
（６）の根元Ｒ部（８）には、直径１．０ｍｍワイヤ状
のろう材ＢＰｄ２（Ｐｄ：１０重量％，Ａｇ：５８．５
重量％，Ｃｕ：３１．５重量％）（９）を２周セットし
た。凹部形状をした金属部材（１０）は、材料が、イン
コロイ９０３からなるもので、内径寸法を直径１２．２
０ｍｍに研削加工し内周にろう材の濡れ性及びセラミッ
クス外周部との応力緩衝の改善を目的として、Ｃｕメッ
キ（メッキ厚：５０μｍ）を施した。また、金属部材
（１０）の内周部先端部（１１）に、余剰ろう材を吸収
するとともにセラミックス軸部Ｒ部（８）への応力集中
を防ぐ為に、１．０ｍｍのＣ面取りを施した。

【００１８】そして、金属部材（１０）の内周に、ろう
材（９）をセットしたセラミックス軸（６）を挿入し、
セラミックス製翼車（５）の中心と金属部材（１０）の
中心とがずれない様にカ−ボン製の治具にて保持し、セ
ラミックス製翼車（５）の上部にＳＵＳ製のおもり２０
０ｇ（１２）を載せて真空雰囲気９５０℃×３０分保持
し、冷却はゆっくり徐冷することにより、セラミックス
製翼車と金属部材とを接合した。

【００１９】次に、ＳＮＣＭ４３９製の金属軸（１４）
の端面（１５）と金属部材（１０）の端面（１３）を突
き合せ、突き合せ面に直角の方向より電子ビ−ム溶接を
行ない、金属軸（１４）と金属部材（１０）の接合を行
った。後に、金属軸外周部を高周波焼入れ、焼戻しを行
った後に旋削加工、研磨加工を行い、タービンローター
の完成体とした。

【００２０】［実験例］次に、ろう材の組成を変えて抜
け荷重を測定するために、テストピースを製造した。図
５は、抜け荷重を測定するにあたり、テストピ−ス形状
及び製作工程について示した図である。

【００２１】カップ形状した底面に直径８ｍｍの穴加工
を施した金属部材（１６）は、インコロイ９０３（Ｎ
ｉ：３８％，Ｃｏ：１５％，Ａｌ：０．７％，Ｔｉ：
１．４％，Ｎｂ：３％，Ｆｅ：残り、ｗｔ％）製で直径
１２．２３ｍｍに内径加工後、ろう流れの改善を目的と
して、電解Ｃｕメッキ５０μｍ施してあり、また、メッ
キ後にろう材が外周部へ流れ出さない様に両端面（２
０）、（２１）と直径８ｍｍの穴部（２２）の内周面の
Ｃｕメッキをハガシ加工してある。

【００２２】セラミックス部材（１８）は、窒化珪素製
で外径１２．０ｍｍ、長さｌ＝１５ｍｍに研磨加工がし
てあり、セラミックス部材（１８）の先端隅部（２４）
には、０．５ｍｍのＣ面取り加工（図示省略）がしてあ
る。金属部材（１６）とセラミックス軸（２３）の嵌合
長さＬを７ｍｍになる様加工がしてある。

【００２３】これらセラミックス部材（１８）外周部と
金属部材（１６）の先端Ｃ面取り部（１９）との間に、
表１のように組成を変えた直径０．８ｍｍのリング状の
ろう材（２５）を２周セットし、セラミックス部材（１
８）上部には、おもり２００ｇを載せ、真空雰囲気にて
それぞれろう材の融点まで上げてろう材（２５）をセラ
ミックス部材（１８）と金属部材（１６）との間に充填
させてろう付け接合し、抜け荷重測定用のテストピ−ス
（試料）Ｎｏ．１〜１０を作製した。

【００２４】次に図４に示す様にテストピ−スにて、熱
間での抜け荷重を測定、実験した。図４は、テストピ−
スの金属部材（１６）の開口部端面を支持して、酸化雰
囲気でニクロム線ヒ−タ−（１７）にて全体加熱し、所
定温度（５００℃）で１０分間保持した後、金属部材の
他端面側からセラミックス軸（１８）に荷重Ｐ（ｋｇ）
を加えて抜け荷重Ｐ（ｋｇ）を測定する。抜け荷重結果
を表１に記す。

【００２５】

【表１】 上表の様に、Ｐｄを含有しない比較例（試料Ｎｏ．９，
１０）に対して、Ｐｄ：３〜３０重量％、Ａｇ：４０〜
７０重量％、Ｃｕ：１０〜４０重量％からなるろう材を
用いた本発明範囲内の試料Ｎｏ．１〜４の５００℃にお
ける抜け荷重は、全て高いことがわかる。また、Ｐｄが
３重量％未満の試料Ｎｏ．５では、抜け荷重に有意差は
認められないものの、ろう材の融点が低いため信頼性を
欠く。さらに、Ａｇが７０重量％を超える試料Ｎｏ．６
では、逆に高温強度不足により、Ｐｄを含有しない比較
例に対して劣る。

【００２６】比較例Ｎｏ．７（Ｐｄ−Ａｇ−Ｍｎ系ろう
材使用）は、ろう材の融点が高過ぎる為にろう付温度が
高くなり、金属部材（１６）中のＮｉがろう材中に溶け
出し、セラミックス外周部と反応を起こしセラミックス
に応力集中し、割れる事が生じ、実用上成り立たない。
また、比較例Ｎｏ．８（Ｐｄ−Ｎｉ系ろう材使用）もろ
う付温度が高く、ろう材中のＮｉがセラミックスと反応
し、Ｎｏ．７同様に実用上成り立たない。比較例Ｎｏ．
１１（Ｐｄ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材使用）は、ろう
材成分中のＴｉがセラミックスと反応し、セラミックス
に応力が集中し、割れることが生じ、実用上成り立たな
い。比較例Ｎｏ．１２（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材使
用）も、同様にろう材成分中のＴｉがセラミックスと反
応し、セラミックスに応力が集中し、割れることが生
じ、実用上成り立たない。よって、Ｔｉ等の活性金属の
添加は実用上成り立たない。

【００２７】−実施例２〜３− 図６は実施例２のタービンローターを示す。 ［構造例］実施例１では、接合部として有底凹部形状の
金属部材（１０）を用いたが、本例では、金属部材（１
０）に代えてスリーブ（筒）状の金属部材（３０）及び
複数枚の緩衝板（３５）を用いるものである。すなわ
ち、金属軸（３１）の端部に突出部（３２）が形成され
ており、この突出部の端面（３４）とセラミックス製翼
車（２６）の軸部端面（３３）との間に、複数枚の緩衝
板（３５）が介在した状態で、これらがろう付け接合さ
れ、さらにセラミックス製翼車の軸部（２７）、緩衝板
（３５）及び金属軸の突出部（３２）を金属部材（３
０）の中に嵌合した構造のものである。

【００２８】［製造例］上記のようなタービンローター
を製造する方法を説明する。図６に示すように、セラミ
ックス（窒化珪素）製翼車（２６）に設けられた軸部
（２７）の根元Ｒ部（２８）にＰｄ：１０重量％，Ａ
ｇ：５８．５重量％，Ｃｕ：３１．５重量％のろう材
（２９）を２周セットして、筒形状したインコロイ９０
３製の金属部材（３０）に嵌め込み、さらに、セラミッ
クス製軸部端面（３３）と金属軸（３１）の端面（３
４）との間にＴｉ入り活性ろう材，Ｎｉ板，Ａｇ／Ｃｕ
共晶ろう材ＢＡｇ８，Ｗ合金板，Ａｇ／Ｃｕ共晶ろう材
ＢＡｇ８，Ｎｉ板，Ａｇ／Ｃｕ共晶ろう材ＢＡｇ８の３
枚の緩衝板と各種ろう材とを順にセットして、反対側に
ＳＵＨ−６１６製の金属軸（３１）の突出部（３２）を
嵌め込む。この状態で、真空雰囲気中、９５０℃×３０
分のろう付処理を施した。後に研削加工して本発明実施
例２のタ−ビンローターの完成体とした。

【００２９】別途、セラミックス製翼車の軸部の根元Ｒ
部に、Ｐｄ：１０％，Ａｇ：５８．５％，Ｃｕ：３１．
５％のろう材をセットして、スリーブ部分と軸部分とが
一体となったインコロイ９０３製の金属軸に嵌め込み、
９５０℃×３０分のろう付処理を施し、後に研削加工を
することによって、実施例３のタービンローターを完成
した。

【００３０】また、比較のために、セラミックス製翼車
の軸部の根元Ｒ部にセットするろう材を、Ａｇ：７２
％，Ｃｕ：２８％からなる組成のものとする以外は、実
施例３と同一条件で、比較例のタービンローターを完成
した。

【００３１】次に、上記実施例２のタービンローター、
実施例３のタービンローター及び比較例のタービンロー
ターにつき、熱間ねじり強度を測定した。熱間ねじり強
度の測定は、セラミックス製翼車の先端部と金属軸のコ
ンプレッサー側端部とを測定機のチャックで固定し、接
合部をヒーターで５００℃に加熱した状態で、セラミッ
クス製翼車と金属軸とを反対方向に回転させて（セラミ
ックス製翼車を時計回り方向とすれば、金属軸を反時計
回り方向に回転させる）、接合部が破壊する際のトルク
を測定することによって行った。測定結果を表２に示
す。

【００３２】

【表２】 実施例２のものは、実施例３及び比較例に対して強度が
高い。これは実施例２のものは、セラミックス外周とス
リ−ブ内周の強い焼嵌め力に加えて、セラミックス端面
が緩衝板を介して化学的に金属軸端面と接合されている
為に強度が高いと考えられる。

【００３３】また、実施例３と比較例との強度差は実施
例１の抜け強度測定結果と一致する結果が得られてい
る。すなわち、本発明のろう材を使用した方が強度が高
い。これにより、セラミックス端面と金属軸端面とが、
化学的に接合され緩衝層を備えたことによる効果が認め
られる。

【００３４】

【発明の効果】従来技術では、Ａｇ，Ｃｕろうが多く用
いられているが、本発明に於ては、融点が高く高温強度
も高く、耐食性の良いＰｄに注目して接合体の高温強度
を向上させた。従って、本発明接合構造を用いたタ−ビ
ンローターに於ては、従来の適用温度域をさらに高温側
へ広げた効果を持つ。そして、セラミックス端面と金属
軸端面を化学的に接合し、中間層（緩衝板）を介在させ
ることにより、さらに高温強度の高い接合体が得られる
効果が認められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の接合方法を示す図である。

【図２】従来の接合構造を示す断面図である。

【図３】本発明の実施例の接合構造を用いたタービンロ
ーターの製造方法を示す図である。

【図４】抜け荷重の評価方法を示す図である。

【図５】抜け荷重測定用試料の断面図である。

【図６】本発明の他の実施例の接合構造を用いたタービ
ンローターの製造方法を示す図である。

【符号の説明】

５，２６ セラミックス製翼車 １８ セラミックス部材 １０，１６，３０ 金属部材 １４，３１ 金属軸 ９，２５，２９ ろう材 ３５ 緩衝板（中間層）

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹部を有する金属部材の該凹部の中に、
   セラミックス部材を嵌合し、接合材料によって両部材を
   接合してなるセラミックスと金属との接合構造におい
   て、前記接合材料がＰｄ３〜３０重量％、Ａｇ４０〜７
   ０重量％及びＣｕ１０〜４０重量％からなりＴｉ、Ｚｒ
   を含まない合金であり、その少なくとも一部がセラミッ
   クス部材の外周面と金属部材の凹部内周面との間に充填
   されていることを特徴とする接合構造。
2. 【請求項２】 凹部を有する金属部材の該凹部の中に、
   セラミックス部材を嵌合し、接合材料によって両部材を
   接合してなるセラミックスと金属との接合構造におい
   て、前記接合材料の少なくとも一部が、セラミックス部
   材の外周面と金属部材の凹部内周面との間に充填されて
   おり、Ｐｄ３〜３０重量％、Ａｇ４０〜７０重量％及び
   Ｃｕ１０〜４０重量％からなる合金であることを特徴と
   する接合構造。
3. 【請求項３】 セラミックス部材がタービンロータの翼
   車であって、金属部材がタービンロータの回転軸である
   請求項１又は２の接合構造。
4. 【請求項４】 セラミックス部材に、金属部材によって
   焼嵌め力が加えられている請求項１又は２の接合構造。
5. 【請求項５】 セラミックス部材の端面と金属部材の凹
   部底面との間に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇ、コバール、
   Ｎｂ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｗ、Ｗ合金、超硬、サーメット
   のうちから選ばれる１種以上からなる中間層が備えられ
   ている請求項１又は２の接合構造。