JP3212392B2 - セラミックスと金属との接合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
の接合体に関する。本発明は、特にセラミックロータ、
セラミックロッカーアーム、セラミックタペット、セラ
ミックボーリングバー等に好適に利用され得る。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックス製の部材と金属製の
部材とを接合する場合には、溶接等による化学的接合や
嵌合等による機械的接合があり、このうち、機械的接合
としては、圧入，焼バメ，冷バメ等が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
焼バメや冷バメによる接合方法では、大がかりな装置が
必要であり、従って高コストであるという問題があっ
た。また、これらの方法は、セラミックスと金属との熱
膨張率の差を利用して、両部材の接合部を高温もしくは
極低温にした状態で嵌合するために、接合部が常温に戻
った時に、大きな残留応力が発生するという問題があっ
た。更に、焼バメの場合には、金属組織が変態するとい
う問題があり、冷バメの場合には、締め代があまり確保
できないという問題があった。

【０００４】一方、温度変化を伴わない圧入接合の場合
は、上記加熱や冷却に伴う問題は回避されるが、その反
面、セラミックスと金属との間にカジリと呼ばれる現
象、即ち圧入時に金属がセラミックスに凝着し、金属表
面がむしれた状態となる現象が発生し、圧入荷重が極端
に上昇するという難点があった。このため、接合部に残
留応力が発生し、接合強度が低下したり、或は製造した
部品に重心のアンバランスが発生する等の問題があっ
た。

【０００５】このカジリを抑制するために、従来より、
二硫化モリブデンや黒鉛といった滑剤を、予め接合部に
塗布して圧入接合する技術が開発されているが、これら
の滑剤を用いた場合には、接合後にも接合部が滑り易い
ので、接合部の保持力が弱くなり、耐抜け強度や耐ねじ
り強度等が低下するという別の問題が生じていた。

【０００６】本発明は、上記課題を解決し、簡単な構造
でセラミックスと金属との強固な接合を可能とし、接合
後にも残留応力の発生や接合力の低下等の障害の少ない
セラミックスと金属との接合体を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明接合体は、セラミックス部材を金属部材の凹部または
貫通孔に嵌合してなるものにおいて、嵌合部に滑剤が介
在し、その滑剤が、カルボン酸、カルボン酸塩、カルボ
ン酸誘導体またはカルボン酸置換体であって且つ金属部
材からセラミックス部材を抜くときの摩擦係数が０．０
５以上０．６以下であることを特徴とする。

【０００８】ここで、セラミックス部材としては、例え
ばタービンロータのタービン翼、ロッカーアームのチッ
プ、タペットのカムとの摺動部分、ボーリングバーのセ
ラミック軸部が挙げられ、一方、金属部材としては、例
えばタービン翼のボスと金属軸とを接続するスリーブも
しくはその金属軸の凹部、ロッカーアームのアーム、タ
ペットの本体、ボーリングバーの金属支持部が挙げられ
る。

【０００９】また、カルボン酸とは、例えばステアリン
酸、アビエチン酸、デキストロピマール酸であり、カル
ボン酸塩とは、例えばステアリン酸ナトリウムである。
但し、滑剤はこれに限らす、マイクロワックス等のワッ
クスであってもよい。

【００１０】

【作用】接合体の嵌合部に滑剤を介在させ、且つ金属部
材からセラミックス部材を抜くときの摩擦係数を０．０
５以上０．６以下とすることにより、抜け強度が高く、
しかも加熱冷却が繰り返されて部材間に膨張差が生じる
ような条件で接合体が使用された場合でも、強固な接合
を維持しつつ、部材間の摩擦が緩和される。

【００１１】従って、当該摩擦係数が０．０５より小さ
いと部材相互の摩擦力が不足するため、接合強度が低く
なって実用に供することができない。他方、当該摩擦係
数が０．６より大きいとセラミックス部材への締め付け
力が強くなりすぎて、セラミックスに割れが生じる。
尚、滑剤を介在させないで、当該摩擦係数を上記範囲に
調整することは、困難であるし、精度の良い研磨等を必
要とし、コスト高となる。

【００１２】滑剤として、カルボン酸、カルボン酸塩、
カルボン酸誘導体またはカルボン酸置換体を用いるの
は、これら滑剤成分は、圧入時（常温）に充分に滑り作
用を発揮してカジリを抑制するうえ、炭素鋼、合金鋼、
ＳＵＳ、耐熱鋼、インコロイ９０３、コバール、アルミ
ニウム合金、マグネシウム合金等の多くの金属部材が鈍
り等の変質を起こさない低温で熱処理することにより、
容易に摩擦係数を所定範囲内に調整することができるか
らである。

【００１３】本発明の接合体を製造する場合、セラミッ
クス部材と金属部材とを、これら両部材の少なくとも一
方の圧入面に滑剤を塗布して圧入させることにより、圧
入時には、カジリの発生を防止して、スムーズに嵌合さ
せることができる。しかも圧入後に、圧入時の摩擦係数
よりも抜くときの摩擦係数が大きい０．０５以上０．６
以下となるまで熱処理することにより、捻り強度及び抜
け強度の高い接合が維持される。

【００１４】

【実施例】

−実施例１− 以下、本発明の実施例を、図面とともに説明する。

【００１５】図１（ａ）は、本発明接合体に用いられる
金属部材、図１（ｂ）は、同じくセラミックス部材の軸
方向断面図、図２は、実験方法を示す説明図である。接
合体１は、セラミックス部材２と金属部材３との嵌合体
である。

【００１６】セラミックス部材２は、主成分が窒化ケイ
素であり、焼結助剤としてアルミナ、イットリアを含む
密度３．２３ｇ／ｃｍ³、直径１３．５ｍｍ、長さ４０
ｍｍの棒状部材である。金属部材３は、日本工業規格Ｓ
ＵＨ６１６からなる外径２０ｍｍ、長さ１１ｍｍの管状
体である。そして、金属部材３の貫通孔にセラミックス
部材２が嵌合されている。

【００１７】次に上記接合体１の製造方法について説明
する。先ず金属部材３として、後述セラミックス部材２
を嵌合したときに所定の圧入代が得られるように加工さ
れたものを準備する。そして、その金属部材３に焼き入
れ焼き戻しを施した後、旋削加工により内周面の表面粗
さをＲｍａｘ５．０μｍ程度に仕上げ、嵌合端縁３１に
Ｃ０．５ｍｍの面取り加工を施した。

【００１８】一方、セラミックス部材２の外周面をダイ
ヤモンドホイールによりＲｍａｘ２．０μｍ程度に仕上
げ、先端縁２１に軸に対する角度４°、長さｄ＝１ｍｍ
のテーパ加工を施した。

【００１９】そして、金属部材３の貫通孔の内周面やセ
ラミックス部材２の接合部外周面に滑剤としてステアリ
ン酸水溶液を塗布し、図２（ａ）に示すようにセラミッ
クス部材２の後端面より荷重を加えて両部材を圧入し
た。その後、両部材２，３を２００℃〜６５０℃範囲の
所定温度で３０分間熱処理し、接合を完了した。これに
て接合体１を得た。金属部材３の硬度を測定したとこ
ろ、接合前と変わっていなかった。

【００２０】次に本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。以下の実験は、接合体の曲
げ強度、同抜け強度、ネジリ強度及びこれら諸特性と接
合面の摩擦係数との関連を評価したものである。

【００２１】（実験例１）この実験は、接合体の曲げ強
度を評価するものである。すなわち、図２（ａ）のよう
にセラミックス部材２を金属部材３の貫通孔に圧入し
た。その後、金属部材３を支持し、図２（ｂ）のように
セラミックス部材２の側面から５００ＭＰａ以下の静荷
重を加え、片持ち曲げ応力値を測定した。その結果を表
２に示す。表中の数値は、ｎ＝２個の試料の各々の値で
ある。尚、付加する曲げ荷重を５００ＭＰａ以下とした
のは、実験例２において同一試料を用いて抜け強度を測
定するためである。

【００２２】表２にみられるように、試料Ｎｏ．１〜４
は、いずれも５００ＭＰａの曲げ強度に耐えることがで
きたが、試料Ｎｏ．５は、１個が１５ＭＰａ、他の１個
が１８０ＭＰａの曲げ荷重を付加したときに、セラミッ
クス部材２の圧入端部２２で破壊を生じた。これは、試
料Ｎｏ．５は、後述のように接合面の摩擦係数が高すぎ
るため、熱処理後の冷却時に圧入端部２２で大きな歪が
残留したことによると考えられる。

【００２３】（実験例２）この実験は、接合体の抜け強
度を評価するとともに、摩擦係数を算出するものであ
る。すなわち、実験例１で用いた接合体の金属部材３を
支持し、図２（ｂ）のようにセラミックス部材２の先端
面に、セラミックス部材２が抜けるまで荷重を加えた。

【００２４】一般に静止摩擦係数と動摩擦係数とでは、
前者の方が高いので、このとき加える荷重と時間との関
係は、図３のようになる。そして、最大荷重すなわち図
３の点Ａの荷重を測定した。

【００２５】但し、滑剤の滑性が低いために、加える荷
重と時間との関係が図４のようになっても初期の極大値
である点Ａ’の荷重を測定した。その結果を表２に示
す。表中の数値は、ｎ＝２個の試料の各々の値である。

【００２６】表２にみられるように、本発明に属する試
料Ｎｏ．２〜４は、抜け荷重が８００ｋｇ以上と高かっ
たが、本発明に属さない試料Ｎｏ．１は、３４７〜３８
８ｋｇと低かった。

【００２７】次にセラミックス部材２の外径Ｒ₂及び金
属部材３の内径Ｒ₃を温度２０℃で正確に測定し、以下
に示す数式１に数値を代入して面圧Ｐｍを求めた。尚、
本実験ではセラミックス部材２が中実のため、Ｒ1は、
０である。また、各材料の材料定数は、表１の通りであ
る。数式１の嵌合代は、金属部材からセラミックス部材
を抜いた後に測定したものである。その他の数値は、嵌
合前後で大差無いと認められるので、嵌合前に測定した
値を用いることができる。

【００２８】

【数１】

【表１】 続いて数式２によって摩擦係数μを求めた。

【００２９】

【数２】 （実験例３）この実験は、接合体のネジリ強度を評価す
るものである。すなわち、実験例１，２で用いたＮｏ．
１，２，４と同形同質の試料を準備した。そして、金属
部材３を固定し、温度４００℃でセラミックス部材２に
円周方向の回転力を付加し、セラミックス部材２が回転
し始めるときのネジリトルクを測定した。その結果を表
２に示す。表２にみられるように、本発明に属する試料
Ｎｏ．２，４は、ネジリ強度においても試料Ｎｏ．１よ
りも高かった。

【００３０】

【表２】 尚、実験例１及び実験例２で用いた接合体を軸方向に切
断し、金属部材３の貫通孔内周面を露出させ、その露出
面をＥＳＣＡで分析したところ、試料Ｎｏ．２〜４につ
いては、鉄Ｆｅ、炭素Ｃの他にＣ−Ｃ結合、Ｃ−Ｏ結合
及びＣ＝Ｏ結合の存在が認められた。

【００３１】すなわち、試料Ｎｏ．２〜４は、滑剤とし
てのステアリン酸が残存しているか又はステアリン酸が
変化して生じた物質が滑剤として機能しているため、摩
擦係数が所定の範囲になったものと認められる。以上の
ように、表２の曲げ強度、抜け強度及びネジリ強度は、
接合面の摩擦係数が０．０５〜０．６の範囲となるとき
に優れた値を示すことが明らかである。

【００３２】（実験例４）この実験は、接合体の耐久性
を評価するものである。すなわち、実験例１，２で用い
たＮｏ．４と同形同質の試料を４個準備した。そして、
４００℃で３０分保持、３０℃で３０分保持を１サイク
ルとし、５００サイクル繰り返す熱サイクル試験を行
い、試験後に実験例１と同じ方法で曲げ荷重を測定し
た。その結果、４個とも３００ＭＰａの荷重に耐えた。

【００３３】（実験例５）この実験は、上記実験例１〜
２の結果と滑剤の温度変化との関連を評価するものであ
る。すなわち、ステアリン酸及びマイクロワックスを予
め４０℃で２時間乾燥させ、水分を除去した後、それぞ
れ単独で示差熱分析にかけ、１００〜６５０℃の温度範
囲における重量を測定した。測定結果を表３に示す。

【００３４】

【表３】 表３にみられるように、温度が３００℃以上になるとス
テアリン酸の重量が減少し始め、４００℃よりその重量
減が著しくなることが判る。この傾向は、実験例２で熱
処理温度４００℃以上になると耐抜け荷重が急上昇した
結果（表２）と一致する。そして、温度が６５０℃に達
するとステアリン酸が分解もしくは揮発により消失して
おり、この傾向は、実験例２で熱処理温度６５０℃の場
合に曲げ荷重が急低下した結果（表２）と一致する。

【００３５】すなわち、ステアリン酸を滑剤として用い
た場合、熱処理温度及び時間が適当であると、その過半
量が分解もしくは揮発するか又は炭素のような低滑性物
質に変化するので、圧入面の摩擦係数が高くなり、しか
も残存滑剤により冷却収縮時の部材間の摩擦が緩和され
て、接合後の残留応力が軽減される。従って、高い耐曲
げ強度及び高い耐抜け強度を備えた接合体が得られるの
である。

【００３６】これに対して、熱処理温度が２００℃以下
では、塗布したステアリン酸の大半が残存しているた
め、熱処理後もセラミックス部材と金属部材との摩擦係
数が低いままであり、耐抜け強度が向上しなかったもの
と認められる。他方、熱処理温度が６５０℃に達する
と、ステアリン酸が残存しないため、冷却収縮時の残留
応力が高くなり、耐曲げ強度が低下したものと認められ
る。

【００３７】尚、マイクロワックスも示差熱分析によれ
ば１００〜６５０℃の温度範囲でステアリン酸と同様の
温度変化をすることから、マイクロワックスを滑剤とす
れば、実験例１〜４でステアリン酸を滑剤として製造し
た接合体と同様の傾向を示すことは、明らかである。

【００３８】−比較例− 比較のために、滑剤を塗布しなかった以外は、実施例１
の試料Ｎｏ．２と同一条件でセラミック部材２を金属部
材３の貫通孔に圧入したところ（試料数２個）、２個と
も圧入初期にカジリが発生した。所定の深さまで圧入し
た後、摩擦係数を測定するため、抜こうとしたところ、
２個ともセラミック部材が破壊した。

【００３９】−実施例２− 実施例１のステアリン酸水溶液に代えて、アビエチン酸
を少量含んだワニスを滑剤として用いる以外は、実施例
１と同一条件で接合体を製造し、実験例１〜３と同様の
実験を行った。その結果を表４に示す。

【００４０】

【表４】 表４にみられるように、滑剤の種類が変わっても摩擦係
数が本発明の範囲に属するものは、曲げ強度及び抜け強
度において優れた値を示した。

【００４１】しかし、摩擦係数が本発明範囲より低い試
料Ｎｏ．６は、実施例１の場合と同様に抜け強度が低か
った。他方、摩擦係数が本発明範囲より高い試料Ｎｏ．
８は、熱処理後の冷却時に圧入端部で亀裂が生じてい
た。

【００４２】尚、この実施例の接合体も軸方向に切断
し、金属部材３の貫通孔内周面を露出させ、その露出面
をＥＳＣＡで分析したところ、試料Ｎｏ．７について
は、鉄Ｆｅ、炭素Ｃの他にＣ−Ｃ結合、Ｃ−Ｏ結合及び
Ｃ＝Ｏ結合の存在が認められた。

【００４３】すなわち、試料Ｎｏ．７は、滑剤としての
アビエチン酸が残存しているか又はアビエチン酸が変化
して生じた物質が滑剤として機能しているため、摩擦係
数が所定の範囲になったものと認められる。

【００４４】−実施例３− 本発明接合体は、実施例１，２で示したような単純形状
のものに限らない。例えば、セラミックス部材２がター
ビンロータの翼車軸、金属部材３がこれと接続して回転
力をコンプレッサーホイールに伝えるタービン軸である
場合、図５に示すように金属部材３の外周にはオイルリ
ング溝３２及びシールリング溝３３が設けられていて、
金属部材３の外径が嵌合方向で異なる。

【００４５】このような接合体の場合、外径の異なる部
分ごとに数式１から面圧Ｐｍ_nを求め、各々の面圧Ｐｍ_n
を数式３に代入して平均面圧Ｐｍを算出し、更にこの値
を数式２に代入することによって、摩擦係数が求められ
る。

【００４６】

【数３】

【発明の効果】以上のように、本発明接合体は、嵌合部
に滑剤を介在させ、且つ金属部材からセラミックス部材
を抜くときの摩擦係数を０．０５以上０．６以下として
いるので、抜け強度が高く、しかもその滑剤によって嵌
合部の応力が緩和され、過酷な加熱冷却サイクルに晒さ
れても優れた耐久性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のセラミックス部材と金属部材とを示
す軸方向断面図である。

【図２】実験方法を示す説明図である。

【図３】抜け荷重と荷重を付加する時間との一般的関係
を示すグラフである。

【図４】抜け荷重と荷重を付加する時間との例外的関係
を示すグラフである。

【図５】実施例３の接合体を示す軸方向断面図である。

【符号の説明】 １・・・接合体 ２・・・セラミックス部材 ３・
・・金属部材

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−362072（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−170654（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−362072（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−148701（ＪＰ，Ｕ) 新田勇ら、「シュリンクフィッターを 用いたセラミックスと金属の締りばめの 高温結合強度に関する研究」、日本機械 学会論文集、Ｖｏｌ．55、Ｎｏ．520、 ｐ．3062−3068、（1989) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 37/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス部材を金属部材の凹部また
   は貫通孔に嵌合してなるものにおいて、嵌合部に滑剤が
   介在し、その滑剤が、カルボン酸、カルボン酸塩、カル
   ボン酸誘導体またはカルボン酸置換体であって且つ金属
   部材からセラミックス部材を抜くときの摩擦係数が０．
   ０５以上０．６以下であることを特徴とするセラミック
   スと金属との接合体。
2. 【請求項２】 セラミックス部材がタービンロータの翼
   車軸であって、金属部材がタービン軸であることを特徴
   とする請求項１のセラミックスと金属との接合体。