JP3206987B2 - セラミックスと金属の接合体 - Google Patents
セラミックスと金属の接合体Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
を応力緩和層を介して接合したセラミックスと金属の接
合体に関するものである。
を応力緩和層を介して接合したセラミックスと金属の接
合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、各種の産業機械装置や内燃機関に
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、高強度で
かつ比重が小さいセラミックスが多用されるようになっ
てきた。
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、高強度で
かつ比重が小さいセラミックスが多用されるようになっ
てきた。
【０００３】そのような状況下で、前記セラミックスは
加工性に乏しいことから、高温に曝される部分のみ、耐
熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れた軽量なセラミックス
で構成し、高荷重が作用する部分を高強度で加工性に優
れた金属部材で構成する等、セラミックスと金属とを組
み合わせた複合構造体とすることが注目されるようにな
り、種々のセラミックスと金属の接合体が提案されるよ
うになってきた。
加工性に乏しいことから、高温に曝される部分のみ、耐
熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れた軽量なセラミックス
で構成し、高荷重が作用する部分を高強度で加工性に優
れた金属部材で構成する等、セラミックスと金属とを組
み合わせた複合構造体とすることが注目されるようにな
り、種々のセラミックスと金属の接合体が提案されるよ
うになってきた。
【０００４】一般に、前記セラミックスと金属とを組み
合わせた複合構造体としては、セラミックスの接合部に
金属を密着させたり、嵌挿してろう接したり焼き嵌めた
りしたものが広く用いられていた。
合わせた複合構造体としては、セラミックスの接合部に
金属を密着させたり、嵌挿してろう接したり焼き嵌めた
りしたものが広く用いられていた。
【０００５】しかしながら、かかる接合体においては、
セラミックスと金属のそれぞれの熱膨張率が大きく異な
ることから、その熱膨張差に起因する歪み、即ち残留応
力が接合部近辺、とりわけ接合界面に発生して接合強度
の低下や、金属の収縮力によるセラミックスあるいは金
属自体の破壊を招き易い等の問題があった。
セラミックスと金属のそれぞれの熱膨張率が大きく異な
ることから、その熱膨張差に起因する歪み、即ち残留応
力が接合部近辺、とりわけ接合界面に発生して接合強度
の低下や、金属の収縮力によるセラミックスあるいは金
属自体の破壊を招き易い等の問題があった。
【０００６】そこで、前記問題を解消せんとして、セラ
ミックスと金属との間に低熱膨張率もしくは低ヤング率
の金属から成る熱応力緩和体を中間層として介在させた
り、セラミックスと金属との間で熱膨張率が連続的に変
化する熱応力緩和層を介して接合すること等が提案され
ている（実公平２−２０１８９号公報、特開昭５７−７
７０７８号公報参照）。
ミックスと金属との間に低熱膨張率もしくは低ヤング率
の金属から成る熱応力緩和体を中間層として介在させた
り、セラミックスと金属との間で熱膨張率が連続的に変
化する熱応力緩和層を介して接合すること等が提案され
ている（実公平２−２０１８９号公報、特開昭５７−７
７０７８号公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記中
間層を介在させた接合体においては、低熱膨張率もしく
は低ヤング率の金属から成る中間層が互いにろう接等で
接合されているため、該ろう接部の界面に残留応力が発
生し易く、応力緩和効果が不十分となり高温雰囲気下で
外力が加わると接合界面から剥離する恐れがあった。
間層を介在させた接合体においては、低熱膨張率もしく
は低ヤング率の金属から成る中間層が互いにろう接等で
接合されているため、該ろう接部の界面に残留応力が発
生し易く、応力緩和効果が不十分となり高温雰囲気下で
外力が加わると接合界面から剥離する恐れがあった。
【０００８】一方、前記熱膨張率が連続的に変化する熱
応力緩和層を介した接合体においては、該熱応力緩和層
がプラズマ溶射等により形成されるため、接合時に発生
する残留応力を緩和するに足る十分な厚さを形成するこ
とが困難であり、高温雰囲気下で外力が加わると前述と
同様に接合界面から剥離する恐れが極めて大であるとい
う課題があった。
応力緩和層を介した接合体においては、該熱応力緩和層
がプラズマ溶射等により形成されるため、接合時に発生
する残留応力を緩和するに足る十分な厚さを形成するこ
とが困難であり、高温雰囲気下で外力が加わると前述と
同様に接合界面から剥離する恐れが極めて大であるとい
う課題があった。
【０００９】
【発明の目的】本発明は、上記課題を解決せんとしてな
されたもので、高温雰囲気下で使用しても接合界面から
の剥離や接合部の緩みを生ぜず、長時間の連続使用が可
能である高い接合強度と優れた耐久性を有する、とりわ
けセラミック軸と金属軸とを接合した回転体に好適なセ
ラミックスと金属の接合体を得んとするものである。
されたもので、高温雰囲気下で使用しても接合界面から
の剥離や接合部の緩みを生ぜず、長時間の連続使用が可
能である高い接合強度と優れた耐久性を有する、とりわ
けセラミック軸と金属軸とを接合した回転体に好適なセ
ラミックスと金属の接合体を得んとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミックスと
金属の接合体は、セラミックスと金属との間に応力緩和
層を設けて接合したセラミックスと金属の接合体におい
て、前記応力緩和層をニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃ
ｕ）のいずれかより成る低ヤング率の金属層を基体と
し、該金属層の中央部に第６ａ族元素の一種より成る低
熱膨張率の金属粉末を分散させた分散層の三層構造と
し、上記応力緩和層全体の厚さに対する分散層の厚さの
比率を５０％より大きく、８９％以下としたことを特徴
とするものである。
金属の接合体は、セラミックスと金属との間に応力緩和
層を設けて接合したセラミックスと金属の接合体におい
て、前記応力緩和層をニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃ
ｕ）のいずれかより成る低ヤング率の金属層を基体と
し、該金属層の中央部に第６ａ族元素の一種より成る低
熱膨張率の金属粉末を分散させた分散層の三層構造と
し、上記応力緩和層全体の厚さに対する分散層の厚さの
比率を５０％より大きく、８９％以下としたことを特徴
とするものである。
【００１１】
【作用】本発明のセラミックスと金属の接合体は、セラ
ミックスと金属との間に設けた応力緩和層が、前記低ヤ
ング率の金属層を基体とし、該金属層の中央部に第６ａ
族元素の一種より成る低熱膨張率の金属を分散させるこ
とにより、分散した低熱膨張率の金属が接合時の残留応
力を緩和するとともに、基体の低ヤング率の金属層が高
温雰囲気下で加わる外力を緩和するように作用する。
ミックスと金属との間に設けた応力緩和層が、前記低ヤ
ング率の金属層を基体とし、該金属層の中央部に第６ａ
族元素の一種より成る低熱膨張率の金属を分散させるこ
とにより、分散した低熱膨張率の金属が接合時の残留応
力を緩和するとともに、基体の低ヤング率の金属層が高
温雰囲気下で加わる外力を緩和するように作用する。
【００１２】
【実施例】以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】図１は本発明に係るセラミックスと金属の
接合体を示す１実施例の要部断面図であり、図２は本発
明に係るセラミックスと金属の接合体を、ターボチャー
ジャーやガスタービン等に使用されるセラミック製ロー
ターと金属製回転軸の接合体に適用した要部の一部破断
図である。
接合体を示す１実施例の要部断面図であり、図２は本発
明に係るセラミックスと金属の接合体を、ターボチャー
ジャーやガスタービン等に使用されるセラミック製ロー
ターと金属製回転軸の接合体に適用した要部の一部破断
図である。
【００１４】図１及び図２において、１はセラミック
ス、２は金属であり、セラミックス１と金属２のそれぞ
れの接合面の一方または双方にチタン（Ｔｉ）等の活性
金属からなる金属被覆を密着させ、セラミックス１と金
属２の間にニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）のいずれ
かより成る低ヤング率の金属層３を基体とし、該金属層
３の中央部に第６ａ族元素の一種より成る低熱膨張率の
タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の分散層４
の三層構造から成る応力緩和層５を介在させた多層構造
でセラミックス１と金属２の接合体６を形成している。
ス、２は金属であり、セラミックス１と金属２のそれぞ
れの接合面の一方または双方にチタン（Ｔｉ）等の活性
金属からなる金属被覆を密着させ、セラミックス１と金
属２の間にニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）のいずれ
かより成る低ヤング率の金属層３を基体とし、該金属層
３の中央部に第６ａ族元素の一種より成る低熱膨張率の
タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の分散層４
の三層構造から成る応力緩和層５を介在させた多層構造
でセラミックス１と金属２の接合体６を形成している。
【００１５】前記セラミックスには、ターボチャージャ
ーやガスタービン等の機構部材としては窒化珪素、炭化
珪素、サイアロン等が好適であり、また前記機構部材の
接合体としての金属には、炭素鋼、ステンレス鋼等の合
金鋼、ニッケル基合金やコバルト基合金等の耐熱鋼等が
好適に用いられ、更には繊維強化金属も適用可能であ
る。
ーやガスタービン等の機構部材としては窒化珪素、炭化
珪素、サイアロン等が好適であり、また前記機構部材の
接合体としての金属には、炭素鋼、ステンレス鋼等の合
金鋼、ニッケル基合金やコバルト基合金等の耐熱鋼等が
好適に用いられ、更には繊維強化金属も適用可能であ
る。
【００１６】また、接合には、例えばＢＡｇ−８のよう
な銀ろうやチタン（Ｔｉ）等の活性金属を含有した高温
ろうを使用したろう接が好適である。
な銀ろうやチタン（Ｔｉ）等の活性金属を含有した高温
ろうを使用したろう接が好適である。
【００１７】次に、本発明のセラミックスと金属の接合
体を評価するにあたり、セラミックスとしては、窒化珪
素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、焼結助剤としてイット
リア（Ｙ2 Ｏ3 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）及び酸化タ
ングステン（ＷＯ3 ) 等を混合した成形体を、窒素ガス
等の雰囲気中で焼成して窒化珪素質焼結体（表１中、窒
珪と記す）を得た。
体を評価するにあたり、セラミックスとしては、窒化珪
素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、焼結助剤としてイット
リア（Ｙ2 Ｏ3 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）及び酸化タ
ングステン（ＷＯ3 ) 等を混合した成形体を、窒素ガス
等の雰囲気中で焼成して窒化珪素質焼結体（表１中、窒
珪と記す）を得た。
【００１８】また、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、
焼結助剤としてホウ素（Ｂ）、カーボン（Ｃ）を混合し
た成形体を、アルゴンガス等の雰囲気中で焼成して炭化
珪素質焼結体（表１中、炭珪と記す）を得た。
焼結助剤としてホウ素（Ｂ）、カーボン（Ｃ）を混合し
た成形体を、アルゴンガス等の雰囲気中で焼成して炭化
珪素質焼結体（表１中、炭珪と記す）を得た。
【００１９】前記焼結体は、それぞれ１７０番規格相当
のダイヤモンド砥石で接合部を直径１０ｍｍの円柱状に
研磨加工するとともに、一方の金属としては、ＳＵＨ６
００規格相当の耐熱鋼から成る直径１０ｍｍの円柱を切
削加工した後、各焼結体の接合面に、活性金属のチタン
（Ｔｉ）を含有したろう材を使用してアルゴン（Ａｒ）
ガス雰囲気中、９００℃の温度で金属被覆層を被着形成
した。
のダイヤモンド砥石で接合部を直径１０ｍｍの円柱状に
研磨加工するとともに、一方の金属としては、ＳＵＨ６
００規格相当の耐熱鋼から成る直径１０ｍｍの円柱を切
削加工した後、各焼結体の接合面に、活性金属のチタン
（Ｔｉ）を含有したろう材を使用してアルゴン（Ａｒ）
ガス雰囲気中、９００℃の温度で金属被覆層を被着形成
した。
【００２０】前記焼結体とＳＵＨ６００規格相当の耐熱
鋼との接合は、各焼結体の接合部の金属被覆層上に、表
１に示す低ヤング率の金属を基体とし、その中央部に表
１及び図１に示すような応力緩和層５全体の厚さｔ1 に
対する分散層４の厚さｔ2 の比率から成り、粒径が０．
５〜１５０μｍの低熱膨張率の金属粉末を８５〜９９重
量％分散させた分散層の三層構造の応力緩和層を、その
上に前記耐熱鋼の順に、それぞれ直径１０ｍｍ、厚さ
０．１ｍｍのＢＡｇ−８規格相当の銀ろうの箔を介して
積層し、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中、８７０℃の温
度で加熱保持してろう接した。
鋼との接合は、各焼結体の接合部の金属被覆層上に、表
１に示す低ヤング率の金属を基体とし、その中央部に表
１及び図１に示すような応力緩和層５全体の厚さｔ1 に
対する分散層４の厚さｔ2 の比率から成り、粒径が０．
５〜１５０μｍの低熱膨張率の金属粉末を８５〜９９重
量％分散させた分散層の三層構造の応力緩和層を、その
上に前記耐熱鋼の順に、それぞれ直径１０ｍｍ、厚さ
０．１ｍｍのＢＡｇ−８規格相当の銀ろうの箔を介して
積層し、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中、８７０℃の温
度で加熱保持してろう接した。
【００２１】かくして得られた評価用の接合体をＪＩＳ
Ｒ１６０１規格に準じて５５０℃の高温での４点曲げ強
度を測定し、表１の結果を得た。
Ｒ１６０１規格に準じて５５０℃の高温での４点曲げ強
度を測定し、表１の結果を得た。
【００２２】尚、応力緩和層としてニッケル（Ｎｉ）金
属のみを使用し、前記評価試料と同様にして接合した試
料番号２６の接合体を比較例とした。
属のみを使用し、前記評価試料と同様にして接合した試
料番号２６の接合体を比較例とした。
【００２３】
【表１】
【００２４】以上の結果より、分散層の厚さは応力緩和
層全体の厚さの５０％を越え、８９％以下であることが
望ましい。
層全体の厚さの５０％を越え、８９％以下であることが
望ましい。
【００２５】一方、応力緩和層全体の厚さｔ1 は、３〜
７ｍｍ程度が望ましく、４〜６ｍｍが最適である。
７ｍｍ程度が望ましく、４〜６ｍｍが最適である。
【００２６】また、同様にしてニッケル（Ｎｉ）金属を
基体とし、その中央部に応力緩和層全体の厚さの７５％
を占めるタングステン（Ｗ）金属の分散層から成る応力
緩和層を介して銀ろうで接合した図２に示すような窒化
珪素質焼結体から成るセラミック製ローターとニッケル
基合金から成る金属製回転軸の接合体は、９５０℃の高
温回転試験において毎分２０万回転まで何ら異常なく作
動することが確認できた。
基体とし、その中央部に応力緩和層全体の厚さの７５％
を占めるタングステン（Ｗ）金属の分散層から成る応力
緩和層を介して銀ろうで接合した図２に示すような窒化
珪素質焼結体から成るセラミック製ローターとニッケル
基合金から成る金属製回転軸の接合体は、９５０℃の高
温回転試験において毎分２０万回転まで何ら異常なく作
動することが確認できた。
【００２７】
【発明の効果】叙上の如く、本発明のセラミックスと金
属の接合体は、セラミックスと金属との間に設けた応力
緩和層を、低ヤング率の金属層を基体とし、該金属層の
中央部に第６ａ族元素の一種より成る低熱膨張率の金属
粉末を分散させた分散層の三層構造とし、上記応力緩和
層全体の厚さに対する分散層の厚さの比率を５０％より
大きく、８９％以下としたことから、分散した低熱膨張
率の金属が接合時の残留応力を緩和するとともに、基体
の低ヤング率の金属層が高温雰囲気下で加わる外力を緩
和し、高い接合強度を保持して接合体を構成するセラミ
ックスは勿論、金属にも割れを発生することがなく、高
温雰囲気中に曝されても長時間の連続使用が可能とな
り、各種化学工業装置やジェットエンジン、ガスタービ
ンエンジン、あるいはターボチャージャー等の高温繰り
返し荷重や衝撃荷重を受ける産業機械装置及び内燃機関
に使用される機構部品として極めて有用である。
属の接合体は、セラミックスと金属との間に設けた応力
緩和層を、低ヤング率の金属層を基体とし、該金属層の
中央部に第６ａ族元素の一種より成る低熱膨張率の金属
粉末を分散させた分散層の三層構造とし、上記応力緩和
層全体の厚さに対する分散層の厚さの比率を５０％より
大きく、８９％以下としたことから、分散した低熱膨張
率の金属が接合時の残留応力を緩和するとともに、基体
の低ヤング率の金属層が高温雰囲気下で加わる外力を緩
和し、高い接合強度を保持して接合体を構成するセラミ
ックスは勿論、金属にも割れを発生することがなく、高
温雰囲気中に曝されても長時間の連続使用が可能とな
り、各種化学工業装置やジェットエンジン、ガスタービ
ンエンジン、あるいはターボチャージャー等の高温繰り
返し荷重や衝撃荷重を受ける産業機械装置及び内燃機関
に使用される機構部品として極めて有用である。
【図１】本発明に係るセラミックスと金属の接合体を示
す１実施例の要部断面図である。
す１実施例の要部断面図である。
【図２】本発明に係るセラミックスと金属の接合体を、
ターボチャージャーやガスタービン等に使用されるセラ
ミック製ローターと金属製回転軸の接合体に適用した要
部の一部破断図である。
ターボチャージャーやガスタービン等に使用されるセラ
ミック製ローターと金属製回転軸の接合体に適用した要
部の一部破断図である。
１ セラミックス ２ 金属 ３ 低ヤング率の金属層 ４ 分散層 ５ 応力緩和層 ６ 接合体
Claims (3)
- 【請求項１】セラミックスと金属との間に応力緩和層を
設けて接合したセラミックスと金属の接合体において、
前記応力緩和層が低ヤング率の金属層の中央部に低熱膨
張率の金属粉末を分散させた分散層の三層構造から成
り、上記応力緩和層全体の厚さに対する分散層の厚さの
比率が５０％より大きく、８９％以下であることを特徴
とするセラミックスと金属の接合体。 - 【請求項２】前記低ヤング率の金属層がニッケル（Ｎ
ｉ）または銅（Ｃｕ）のいずれかより成る請求項１記載
のセラミックスと金属の接合体。 - 【請求項３】前記低熱膨張率の金属が第６ａ族元素の一
種より成る請求項１記載のセラミックスと金属の接合
体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28730092A JP3206987B2 (ja) | 1992-10-26 | 1992-10-26 | セラミックスと金属の接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28730092A JP3206987B2 (ja) | 1992-10-26 | 1992-10-26 | セラミックスと金属の接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06135774A JPH06135774A (ja) | 1994-05-17 |
| JP3206987B2 true JP3206987B2 (ja) | 2001-09-10 |
Family
ID=17715595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28730092A Expired - Fee Related JP3206987B2 (ja) | 1992-10-26 | 1992-10-26 | セラミックスと金属の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3206987B2 (ja) |
-
1992
- 1992-10-26 JP JP28730092A patent/JP3206987B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06135774A (ja) | 1994-05-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |