JP2936351B2

JP2936351B2 - セラミック部材と金属部材の接合体

Info

Publication number: JP2936351B2
Application number: JP33628190A
Authority: JP
Inventors: 実鈴木; 智士芦浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1999-08-23
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JPH04202064A

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部材と金属部材とをろう接した接
合体に関するものである。

［従来の技術］近年、各種の産業機械装置において高荷重かつ高温雰
囲気下で使用される機構部品として、耐熱性、耐食性及
び耐摩耗性に優れ、軽量なセラミック部材と高強度で加
工性に優れた金属部材とを組み合わせた複合構造体が注
目され、種々のセラミック部材と金属部材の接合体が提
案されている。

従来、セラミック部材と金属部材との接合体として
は、研磨加工して平面もしくは凸部を形成したセラミッ
ク部材の接合部にメタライズ処理を施し、該接合部を切
削加工した金属部材の平面もしくは凹部に密着もしくは
嵌挿してろう接し、または嵌合焼き嵌めした接合体が多
く採用されていた。

とりわけ、セラミック部材と金属部材とを軸継手とす
る場合には、両部材の同軸度が厳しく要求されることか
ら、セラミック部材の金属部材と接合すべき部分の焼成
面をダイヤモンド砥石で研磨仕上げをするのが一般的で
あった（特開昭60−155578号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、近年の産業界においては高温度下で耐
久性に優れたセラミック部材と金属部材の複合構造体に
対する要求が年々高まり、従来のダイヤモンド砥石で研
磨仕上げしたセラミック部材を使用した金属部材との接
合体にあっては、その要求を満足することが困難であっ
た。

即ち、前記接合体ではセラミック部材と金属部材との
同軸度は比較的高精度に制御できるものの、セラミック
部材と金属部材との接合において、セラミック部材の強
度劣化に及ばす影響が大きく、接合体としての強度は極
めて不安定で信頼性に乏しいものであった。

とりわけ、セラミック部材と金属部材との接合におい
て、セラミック部材の強度は、セラミック部材の表面粗
さ及び表面性状の影響が極めて大であり、本来ならば前
記表面粗さは粗く、かつ表面性状は研磨面より焼成面の
方が望ましいことから、前記両部材の同軸度を得るとと
もにセラミック部材の高い強度を保持せんがために、比
較的粗い規格番手のダイヤモンド砥粒を金属や樹脂で固
定したダイヤモンド砥石で研削した後、更に、400番以
上の細かい規格番手の前記同様のダイヤモンド砥石で研
磨仕上げを施していた。

しかしながら、前記研磨仕上げでは、多数の微細な研
削条痕が残留し、未だ接合時にセラミツク部材にかかる
金属部材の応力集中を一様に軽減することができず、ひ
いては安定した高い強度が得られないという課題があっ
た。

［課題を解決するための手段］本発明のセラミック部材と金属部材の接合体は、セラ
ミック部材と金属部材をろう接してなる接合体におい
て、セラミック部材の金属部材と接合すべき部分を含む
近辺、即ち、少なくともセラミック部材と金属部材との
接合部及び非接合部の境界である接合起点部を含むセラ
ミック部材の表面粗さが、粗さ曲線の平均山間隔（Sm
（μｍ））（以下、Sm値という）で表した場合、Sm値が
100μｍ以上、かつ粗さ曲線の切断レベル（Ｐ（％））
（以下、Ｐ値という）が50％における接触比（TP
（％））（以下、TP値と記す）で表した場合、TP値が70
％以下のセラミック部材と金属部材をろう接した接合体
であることを特徴とするものである。

［実施例］以下、本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明に係るセラミック部材と金属部材の接
合体を示す一部破断面図であり、第２図は本発明の接合
体をラジアル型ローターに適用した実施例を示す一部破
断面図である。

第１図及び第２図において、1,1aは金属部材2,2aに設
けた凹部４にろう接したセラミック部材で、３はセラミ
ック部材1,1aと金属部材2,2aとの非接合部５及び接合部
６の境界である接合起点部である。

上記の如きセラミック部材1,1aと金属部材2,2aの接合
体は、両部材の同軸度を確保するとともに、安定した高
い強度を得るために、セラミック部材1,1aの金属部材2,
2aと接合すべき部分を含む近辺、即ち、少なくともセラ
ミック部材1,1aと金属部材2,2aとの非接合部５及び接合
部６の境界である接合起点部３を含むセラミック部材1,
1aの表面粗さが、粗さ曲線のSm値で100μｍ以上、かつ
Ｐ値が50％の時のTP値を70％以下となるように研磨仕上
げしたものである。

ここでSm値は、表面粗さ計にて測定した少なくともセ
ラミック部材1,1aの前記接合起点部３を含む表面の粗さ
曲線から算出した、ある測定長さＬ（以下、Ｌという）
の範囲内の粗さ曲線の平均線が横切る、山から谷へ向か
う点から、次の山から谷へ向かう横断点までの各間隔の
平均値である。

従って、Sm値が大きい程、粗さ曲線は粗であることを
示し、それだけ山と谷の起伏数が少ないことを意味す
る。また、Sm値が小さい程、粗さ曲線は密であることを
示し、山と谷の起伏数が極めて多いことを意味する。

また、TP値は、前記粗さ曲線の基準長さＬの範囲内に
おける粗さ曲線が示す一番高い山の頂点から一番深い谷
の底までの高さを100％とし、一番高い山を通る平均線
に平行な線で粗さ曲線を切断する各位置を表す切断レベ
ルＰ％において、粗さ曲線の各山を横切る切断長さの合
計と前記基準長さＬとの比を百分率で表示したものであ
る。

即ち、あるＰ値におけるTP値が小さい程、谷の勾配が
小さく、TP値が大きい程、谷の勾配が極めて大きいこと
を意味している。

以上の結果、Sm値が大で、かつTP値が小であること
は、セラミック部材の表面の研磨条痕の形態が、山と谷
の起伏数が少なく、かつ谷の勾配が小さいこと、即ち、
それだけセラミック部材の破壊の起点となり得る切り欠
き部が少なくなり、前述のような応力集中が発生し難く
なる。

故に、Sm値は100μｍ以上で、かつＰ値が50％の時のT
P値が70％以下であること、またSm値が150μｍ以上で、
かつＰ値が50％の時のTP値が50％以下であればより好ま
しい。

次に、本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合
体を、第１図及び第２図に示す実施例により具体的に詳
述する。

（実施例１）窒化珪素（Si₃N₄）を主成分とし、焼結助剤としてイ
ットリア（Y₂O₃）、酸化タングステン（WO₃）等から成
り、窒素雰囲気中で焼成された窒化珪素質焼結体を、先
づ、600番規格相当より粗粒のダイヤモンド砥粒を金属
等で結合したダイヤモンド砥石を使用し、万能研削盤に
より前記焼結体の外周を研削する。

次に、400番規格相当より粗粒の砥粒を弾性を有する
材料で結合した砥石で研磨条件を種々に変化させて研磨
仕上げし、直径13mm、長さ50mmの第１図に示すような円
柱状のセラミック部材１を得た。

一方、金属部材として38％Ni、15％Co、残部Feから成
るニッケル系合金材を使用し、内径がセラミック部材１
の外径とのクリアランスを10〜100μｍとなるように、
また凹部４のセラミック部材１との接合部長さが約6mm
となるように現物合わせしながら切削加工して外径16m
m、長さ50mmの金属部材２を得た。

次いで、セラミック部材１を金属部材２に嵌挿した
後、接合部をBAg−８規格の銀ろうを使用し、加熱処理
してろう接し、評価用の接合体を得た。

かくして得られた評価用のセラミック部材と金属部材
の接合体について、該接合体の金属部材２を試験機のチ
ャックに把持して、突出せるセラミック部材１の先端を
上部より加圧し、破断した時の荷重から算出した片持抗
折強度値を接合体の必要強度σ₀の倍数として表示し、
常温の片持抗折強度σを評価した。

また、セラミック部材１の表面粗さは、接合前のセラ
ミック部材１の表面を金属部材２との接合起点部３を含
むように表面粗さ計で測定し、得られた粗さ曲線からSm
値及びＰ値が50％の時のTP値を算出した。

本発明に係る接合体で、代表的なセラミック部材の粗
さ曲線を第３図に、Ｐ値とTP値の関係図を第４図に示
す。

尚、前記と同様にして、400番規格相当のタイヤモン
ド砥粒を金属等で結合したダイヤモンド砥石により研磨
仕上げしたセラミック部材を用いた接合体を比較例とし
た。本比較例のセラミック部材の粗さ曲線を第５図に、
Ｐ値とTP値の関係を第６図に示す。

以上の結果を第１表に示す。

第１表より明らかなように、比較例及びSm値またはTP
値のいぴれか一方のみ満足する試料番号のものでは、い
づれも片持抗折強度が接合体の必要強度σ₀を下回り、
セラミック部材の強度が不安定であるのに対して、本発
明のセラミック部材と金属部材の接合体では、いづれも
片持抗折強度は接合体の必要強度σ₀を上回り、極めて
安定した接合が得られていることを確認した。

尚、表面粗さ計で測定した前記それぞれの粗さ曲線か
ら、中心線平均粗さRa及び最大高さRmaxを求め、片持抗
折強度と比較検討したところ、相関関係がなく、片持抗
折強度値が大きくバラツクことを確認した。

（実施例２）窒化珪素質焼結体より成る第２図に示す様なセラミッ
ク部材1aであるラジアル型ローターの凸部７を、金属製
の回転軸８に接合した前記同様のニッケル系合金材から
成る金属部材2aの凹部４に嵌挿した後、BAg−８規格相
当の銀ろうを使用してろう接する。

次いで、金属製回転軸８と一体化したセラミックター
ボローターをバランス修正した後、高温での高速回転試
験を行い、必要回転数N₀でのラジアル型ローターの破壊
の有無を確認し、破壊したものは必要回転数N₀の倍数で
表示し、高速回転の評価をした。

また、接合前のラジアル型ローターの凸部７の表面
を、実施例１と同様にして表面粗さを測定し、Sm値とTP
値を求めた。

尚、実施例１と同様にして研磨仕上げしたセラミック
ラジアル型ローターを金属製回転軸に接合したものを比
較例とした。

以上の結果を第２表に示す。

尚、実施例１及び２では、セラミック部材の接合部に
メタライズ金属層を形成せずに金属部材とろう接した
が、メタライズ金属層を形成してろう接した接合体であ
っても、実施例１及び２と同様な結果が得られることを
確認している。

［発明の効果］以上、詳細に説明したように、本発明のセラミック部
材と金属部材の接合体によれば、セラミック部材の少な
くとも金属部材との接合起点部を含む表面粗さが、粗さ
曲線のSm値で100μｍ以上、かつＰ値が50％の時のTP値
で70％以下であることから、セラミック部材表面の研磨
条痕の形態とあいまって、該セラミック部材は繰り返し
応力や熱応力に対しても、高い強度を安定して確保する
ことができる他、セラミック部材と金属部材の同軸度も
高い精度で得ることができ、軸継手とした回転体ではバ
ランス修正が極めて容易にできる等、信頼性の高いセラ
ミック部材と金属部材の接合体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合
体を示す一部破断面図、第２図は本発明のセラミック部
材と金属部材の接合体をラジアル型ローターに適用した
実施例を示す一部破断面図、第３図は本発明に係る接合
体の代表的なセラミック部材の粗さ曲線を示す図、第４
図は第３図の粗さ曲線から求めたＰ値とTP値の関係を示
す図、第５図は比較例のセラミック部材の粗さ曲線を示
す図、第６図は第５図の粗さ曲線から求めたＰ値とTP値
の関係を示す図である。１、1a…セラミック部材２、2a…金属部材３…接合起点部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属部材との接合起点部を含むセラミック
部材表面の表面粗さが、平均山間隔（Sm（μｍ））で表
した場合、Sm値が100μｍ以上であり、かつ粗さ曲線の
切断レベル（Ｐ（％））が50％における接触比（TP
（％））で表した場合、TP値が70％以下であるセラミッ
ク部材に金属部材をろう接したことを特徴とするセラミ
ック部材と金属部材の接合体。