JP3453302B2 - ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及び接合部品 - Google Patents
ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及び接合部品Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＴｉＡｌ合金部材と
構造用鋼材とを接合する接合方法及び該方法により接合
された接合部品に関する。
構造用鋼材とを接合する接合方法及び該方法により接合
された接合部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】乗用車やトラックのディーゼルエンジ
ン、ガソリンエンジンの小型過給機においては、タービ
ンホイールの重量を軽量化することによって、回転開始
に対する慣性モーメントが小さくなることから、過渡応
答特性が向上し、ひいてはエンジンとしての加速性能の
向上及び燃焼効率の向上による黒煙の低減に寄与でき
る。従って、タービンホイールに軽量材料を適用するこ
とが従来から考えられてきた。しかしながら、通常の軽
量金属材料であるＡｌ合金やＴｉ合金は耐熱性が不足し
ており適用は困難である。また軽量の新素材であるセラ
ミックは一部実用化も図られているが、脆性材料である
ため翼先端が欠けやすいという問題があり、また、製造
上の制約によりタービンホイールの翼形状が空力的に最
適化できないという問題もあることから、適用範囲はそ
れほど広がっていない。また、小型過給機のタービンホ
イールのほかにも、ガスタービンや過給機用の小型ター
ビンディスク、小型タービンロータなどにおいて同様な
問題がある。
ン、ガソリンエンジンの小型過給機においては、タービ
ンホイールの重量を軽量化することによって、回転開始
に対する慣性モーメントが小さくなることから、過渡応
答特性が向上し、ひいてはエンジンとしての加速性能の
向上及び燃焼効率の向上による黒煙の低減に寄与でき
る。従って、タービンホイールに軽量材料を適用するこ
とが従来から考えられてきた。しかしながら、通常の軽
量金属材料であるＡｌ合金やＴｉ合金は耐熱性が不足し
ており適用は困難である。また軽量の新素材であるセラ
ミックは一部実用化も図られているが、脆性材料である
ため翼先端が欠けやすいという問題があり、また、製造
上の制約によりタービンホイールの翼形状が空力的に最
適化できないという問題もあることから、適用範囲はそ
れほど広がっていない。また、小型過給機のタービンホ
イールのほかにも、ガスタービンや過給機用の小型ター
ビンディスク、小型タービンロータなどにおいて同様な
問題がある。
【０００３】一方、近年開発が進められているＴｉＡｌ
金属間化合物をベースとする合金（原子％でＴｉ及びＡ
ｌがほぼ等量：以下、ＴｉＡｌ合金と称す）は比重が従
来のタービンホイール材であるＮｉ基耐熱合金の約１／
２と軽量であり、Ａｌをベースとする合金やＴｉをベー
スとする合金に比べると高い耐熱性を、またセラミック
に比べると高い信頼性を有しており、さらに、Ｎｉ基耐
熱合金と同様に精密鋳造によって空力的に最適な翼形状
に成形できることから、上記要望に答えることのできる
新材料として近年にわかに有望視されてきた。ＴｉＡｌ
合金のタービンホイールを小型過給機に組み込む場合の
製造技術において、タービンホイールそのものは精密鋳
造によりニアネットで作製できるため問題ないが、この
タービンホイールと構造用鋼からなるシャフトに接合す
る接合技術の開発が必要である。この接合技術としては
従来は真空ろう付けが適用されてきたが、真空ろう付け
では接合作業に要する時間が長く、また作業工数が多い
ことから、本製品のような大量生産品には不適当であっ
た。さらに、エンジンの高出力化に伴って排気ガス温度
も高くなり、接合部の温度も高温となり、真空ろう付け
では強度が維持できない不安が生じてきた。そこで、高
効率な接合が可能で溶接部の高温強度が高い摩擦溶接に
よる接合に関する検討がなされ、種々の方法が提案され
ている。
金属間化合物をベースとする合金（原子％でＴｉ及びＡ
ｌがほぼ等量：以下、ＴｉＡｌ合金と称す）は比重が従
来のタービンホイール材であるＮｉ基耐熱合金の約１／
２と軽量であり、Ａｌをベースとする合金やＴｉをベー
スとする合金に比べると高い耐熱性を、またセラミック
に比べると高い信頼性を有しており、さらに、Ｎｉ基耐
熱合金と同様に精密鋳造によって空力的に最適な翼形状
に成形できることから、上記要望に答えることのできる
新材料として近年にわかに有望視されてきた。ＴｉＡｌ
合金のタービンホイールを小型過給機に組み込む場合の
製造技術において、タービンホイールそのものは精密鋳
造によりニアネットで作製できるため問題ないが、この
タービンホイールと構造用鋼からなるシャフトに接合す
る接合技術の開発が必要である。この接合技術としては
従来は真空ろう付けが適用されてきたが、真空ろう付け
では接合作業に要する時間が長く、また作業工数が多い
ことから、本製品のような大量生産品には不適当であっ
た。さらに、エンジンの高出力化に伴って排気ガス温度
も高くなり、接合部の温度も高温となり、真空ろう付け
では強度が維持できない不安が生じてきた。そこで、高
効率な接合が可能で溶接部の高温強度が高い摩擦溶接に
よる接合に関する検討がなされ、種々の方法が提案され
ている。
【０００４】例えば特公平８−１８１５１号公報にはＴ
ｉＡｌ合金と構造用鋼の接合において、中間材としてオ
ーステナイト系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、又はＮｉ
基もしくはＣｏ基の超合金を使用し、ＴｉＡｌ合金と中
間材の接合、及び中間材と構造用鋼の接合を摩擦溶接で
行うことを特徴とする接合方法が開示されている。図５
はこの方法で接合したターボチャージャのホットホイー
ルの構成を示す断面図であり、１はタービンホイール、
２はシャフト、３は中間材である。この方法において、
中間材と軸材との摩擦接合は従来から実績がある接合方
法であり特に問題はないが、ＴｉＡｌ合金と中間材との
摩擦溶接は小型過給機に適用した場合、次のような問題
がある。 １）小型過給機では乗用車、トラック等の発停に伴いタ
ービンには加熱、冷却の熱サイクルが負荷されるが、こ
の公報で挙げられている中間材はいずれもＴｉＡｌに較
べると線膨張率が大きいため（中間材１３〜２０×１０
-6／℃、ＴｉＡｌ合金９〜１１×１０-6／℃）、両材料
の接合界面にはこの線膨張率の違いに起因した熱応力が
負荷される。この熱応力は加熱、冷却、すなわち、小型
過給機の発停の度に負荷されることから、乗用車、トラ
ック等の使用状況を考えると、小型過給機の使用時には
非常に多大のサイクルの熱応力が負荷されることとな
る。ここで接合部に靱性があれば問題ないが、そもそも
ＴｉＡｌ自身が通常の金属材料に較べると脆く、また中
間材との接合部は更に脆くなっていることから、この線
膨張差に起因する熱応力が多サイクル負荷されることに
よって、最終的には接合部の疲労破壊に至る恐れがあ
る。
ｉＡｌ合金と構造用鋼の接合において、中間材としてオ
ーステナイト系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、又はＮｉ
基もしくはＣｏ基の超合金を使用し、ＴｉＡｌ合金と中
間材の接合、及び中間材と構造用鋼の接合を摩擦溶接で
行うことを特徴とする接合方法が開示されている。図５
はこの方法で接合したターボチャージャのホットホイー
ルの構成を示す断面図であり、１はタービンホイール、
２はシャフト、３は中間材である。この方法において、
中間材と軸材との摩擦接合は従来から実績がある接合方
法であり特に問題はないが、ＴｉＡｌ合金と中間材との
摩擦溶接は小型過給機に適用した場合、次のような問題
がある。 １）小型過給機では乗用車、トラック等の発停に伴いタ
ービンには加熱、冷却の熱サイクルが負荷されるが、こ
の公報で挙げられている中間材はいずれもＴｉＡｌに較
べると線膨張率が大きいため（中間材１３〜２０×１０
-6／℃、ＴｉＡｌ合金９〜１１×１０-6／℃）、両材料
の接合界面にはこの線膨張率の違いに起因した熱応力が
負荷される。この熱応力は加熱、冷却、すなわち、小型
過給機の発停の度に負荷されることから、乗用車、トラ
ック等の使用状況を考えると、小型過給機の使用時には
非常に多大のサイクルの熱応力が負荷されることとな
る。ここで接合部に靱性があれば問題ないが、そもそも
ＴｉＡｌ自身が通常の金属材料に較べると脆く、また中
間材との接合部は更に脆くなっていることから、この線
膨張差に起因する熱応力が多サイクル負荷されることに
よって、最終的には接合部の疲労破壊に至る恐れがあ
る。
【０００５】２）また、この公報における接合部品の構
成図によると、中間材とＴｉＡｌ合金との接合界面は直
線的であり、しかも軸方向に垂直である。従って小型過
給機の場合、軸に曲げモーメントが発生した場合、接合
面を開く方向の応力が負荷されることとなる。通常の金
属同士の摩擦接合部の場合、摩擦接合部自身に靱性があ
るため、上記応力が負荷されても問題は生じないが、先
に述べたようにＴｉＡｌと中間材との摩擦接合部は脆
く、亀裂進展に対する抵抗（ＫIC）は非常に小さいた
め、接合面の方向と亀裂開口方向が一致する場合、接合
部表面の微小な欠陥、キズ等に敏感となる問題が生じ
る。つまり軸に曲げモーメントが負荷された場合、表面
欠陥を起点として、亀裂が容易に接合界面を進展し、最
終的には接合部の破断に至る恐れがある。
成図によると、中間材とＴｉＡｌ合金との接合界面は直
線的であり、しかも軸方向に垂直である。従って小型過
給機の場合、軸に曲げモーメントが発生した場合、接合
面を開く方向の応力が負荷されることとなる。通常の金
属同士の摩擦接合部の場合、摩擦接合部自身に靱性があ
るため、上記応力が負荷されても問題は生じないが、先
に述べたようにＴｉＡｌと中間材との摩擦接合部は脆
く、亀裂進展に対する抵抗（ＫIC）は非常に小さいた
め、接合面の方向と亀裂開口方向が一致する場合、接合
部表面の微小な欠陥、キズ等に敏感となる問題が生じ
る。つまり軸に曲げモーメントが負荷された場合、表面
欠陥を起点として、亀裂が容易に接合界面を進展し、最
終的には接合部の破断に至る恐れがある。
【０００６】一方、特開平２−１５７４０３号公報に
は、ＴｉＡｌ合金と構造用鋼の接合において、ＴｉＡｌ
合金と中間材の接合は摩擦接合で、中間材と構造用鋼の
接合は電子ビーム溶接などの溶接法で行うことを特徴と
する接合方法である。中間材はＴｉＡｌ合金と接合性の
良い材料と規定されており、例としてインコロイ９０３
が挙げられており、形状は中空のリング状としている。
図６はこの方法による接合部品の構成を示す断面図であ
り、１はタービンホイール、２はシャフト、３は中間
材、４は中空部であり、またＡはＴｉＡｌ合金と中間材
との接合部、Ｂは中間材とシャフトとの接合部である。
この方法においても中間材と軸材の溶接方法は従来から
実績がある接合方法であり、特に問題はない。ＴｉＡｌ
合金と中間材との摩擦接合に関しては、中間材としてイ
ンコロイ９０３という鉄、ニッケル、コバルトを主要成
分とする低熱膨張材でＴｉＡｌ合金と線膨張率がほぼ等
しい材料を使用する場合には、前記特公平８−１８１５
１号公報の方法における問題点の１）、すなわち線膨張
率の違いに起因する熱応力の負荷は回避される。しかし
ながら、接合面が軸と垂直であることから、接合部表面
の微小な欠陥、キズ等に敏感であり、曲げモーメントに
よって容易に亀裂が伝播する２）の問題点については同
様である。
は、ＴｉＡｌ合金と構造用鋼の接合において、ＴｉＡｌ
合金と中間材の接合は摩擦接合で、中間材と構造用鋼の
接合は電子ビーム溶接などの溶接法で行うことを特徴と
する接合方法である。中間材はＴｉＡｌ合金と接合性の
良い材料と規定されており、例としてインコロイ９０３
が挙げられており、形状は中空のリング状としている。
図６はこの方法による接合部品の構成を示す断面図であ
り、１はタービンホイール、２はシャフト、３は中間
材、４は中空部であり、またＡはＴｉＡｌ合金と中間材
との接合部、Ｂは中間材とシャフトとの接合部である。
この方法においても中間材と軸材の溶接方法は従来から
実績がある接合方法であり、特に問題はない。ＴｉＡｌ
合金と中間材との摩擦接合に関しては、中間材としてイ
ンコロイ９０３という鉄、ニッケル、コバルトを主要成
分とする低熱膨張材でＴｉＡｌ合金と線膨張率がほぼ等
しい材料を使用する場合には、前記特公平８−１８１５
１号公報の方法における問題点の１）、すなわち線膨張
率の違いに起因する熱応力の負荷は回避される。しかし
ながら、接合面が軸と垂直であることから、接合部表面
の微小な欠陥、キズ等に敏感であり、曲げモーメントに
よって容易に亀裂が伝播する２）の問題点については同
様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来技術の実状に鑑み、中間材を使用してＴｉＡｌ合金部
材と構造用鋼材とを接合するに際し、ＴｉＡｌ合金部材
と中間材との接合界面において、熱膨張率の差による熱
応力の負荷が軽減され、また、接合部の表面欠陥に敏感
で曲げモーメントの負荷に弱いという問題点を解消した
ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及びその方
法によって得られる接合部品を提供することを目的とす
る。
来技術の実状に鑑み、中間材を使用してＴｉＡｌ合金部
材と構造用鋼材とを接合するに際し、ＴｉＡｌ合金部材
と中間材との接合界面において、熱膨張率の差による熱
応力の負荷が軽減され、また、接合部の表面欠陥に敏感
で曲げモーメントの負荷に弱いという問題点を解消した
ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及びその方
法によって得られる接合部品を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
する手段として次の（１）〜（５）の態様を採るもので
ある。 （１）ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを中間材を使用
して接合する方法において、中間材としてＴｉＡｌ合金
と同等の熱膨張率を有する合金を使用し、かつ、ＴｉＡ
ｌ合金部材と中間材との接合面の一方の面に凸部を、他
方の面に凹部を形成し、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との
接合を前記凸部が形成された面と前記凹部が形成された
面とを突き合わせた状態で摩擦溶接により行うことを特
徴とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法。
する手段として次の（１）〜（５）の態様を採るもので
ある。 （１）ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを中間材を使用
して接合する方法において、中間材としてＴｉＡｌ合金
と同等の熱膨張率を有する合金を使用し、かつ、ＴｉＡ
ｌ合金部材と中間材との接合面の一方の面に凸部を、他
方の面に凹部を形成し、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との
接合を前記凸部が形成された面と前記凹部が形成された
面とを突き合わせた状態で摩擦溶接により行うことを特
徴とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法。
【０００９】（２）ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを
中間材を使用して接合する方法において、第１中間材と
してＴｉＡｌ合金と同等の熱膨張率を有する合金を使用
し、さらにＴｉＡｌ合金部材と第１中間材の相対する面
の少なくともどちらか一方の面の中央部に凹部を設け、
該凹部に靱性の高い材料からなる第２中間材を埋め込ん
だ状態でＴｉＡｌ合金部材と第１及び第２中間材とを摩
擦溶接し、ＴｉＡｌ合金部材と前記第１中間材との間に
第２中間材の層を形成させるように接合することを特徴
とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法。
中間材を使用して接合する方法において、第１中間材と
してＴｉＡｌ合金と同等の熱膨張率を有する合金を使用
し、さらにＴｉＡｌ合金部材と第１中間材の相対する面
の少なくともどちらか一方の面の中央部に凹部を設け、
該凹部に靱性の高い材料からなる第２中間材を埋め込ん
だ状態でＴｉＡｌ合金部材と第１及び第２中間材とを摩
擦溶接し、ＴｉＡｌ合金部材と前記第１中間材との間に
第２中間材の層を形成させるように接合することを特徴
とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法。
【００１０】（３）前記（１）又は（２）の方法により
ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを接合してなることを
特徴とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合部
品。 （４）前記ＴｉＡｌ合金部材がタービンホイールであ
り、前記構造用鋼材が鋼製シャフトであることを特徴と
する前記（３）の接合部品。 （５）前記ＴｉＡｌ合金部材が原子％でＡｌ：４５〜４
８％、Ｎｂ：５〜９％、Ｃｒ：１〜２％、Ｓｉ：０．２
〜０．５％、Ｎｉ：０．３〜２％、Ｙ：０．０１〜０．
０５％を含有し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からな
るＴｉＡｌ合金部材であることを特徴とする前記（３）
又は（４）の接合部品。
ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを接合してなることを
特徴とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合部
品。 （４）前記ＴｉＡｌ合金部材がタービンホイールであ
り、前記構造用鋼材が鋼製シャフトであることを特徴と
する前記（３）の接合部品。 （５）前記ＴｉＡｌ合金部材が原子％でＡｌ：４５〜４
８％、Ｎｂ：５〜９％、Ｃｒ：１〜２％、Ｓｉ：０．２
〜０．５％、Ｎｉ：０．３〜２％、Ｙ：０．０１〜０．
０５％を含有し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からな
るＴｉＡｌ合金部材であることを特徴とする前記（３）
又は（４）の接合部品。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明は原子％でＴｉ：５０％、
Ａｌ：５０％を基本成分とするＴｉＡｌ合金部材とＳＣ
Ｍ４３５：ＳＮＣＭ４３９等の構造用鋼材との接合方法
に関するものであり、例えば小型過給機におけるＴｉＡ
ｌ合金製のタービンホイールと構造用鋼からなるシャフ
トとの接合などに適用される。またこの方法は、ガスタ
ービン又は過給機等の小型タービンディスク、小型ター
ビンロータと軸との接合などにも適用可能である。な
お、説明の簡略化のため、以後は小型過給機におけるＴ
ｉＡｌ合金製のタービンホイールと構造用鋼からなるシ
ャフトとの接合の例について説明する。
Ａｌ：５０％を基本成分とするＴｉＡｌ合金部材とＳＣ
Ｍ４３５：ＳＮＣＭ４３９等の構造用鋼材との接合方法
に関するものであり、例えば小型過給機におけるＴｉＡ
ｌ合金製のタービンホイールと構造用鋼からなるシャフ
トとの接合などに適用される。またこの方法は、ガスタ
ービン又は過給機等の小型タービンディスク、小型ター
ビンロータと軸との接合などにも適用可能である。な
お、説明の簡略化のため、以後は小型過給機におけるＴ
ｉＡｌ合金製のタービンホイールと構造用鋼からなるシ
ャフトとの接合の例について説明する。
【００１２】これらのＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材と
を摩擦溶接により直接接合しようとしても接合後にクラ
ックが生じて継手を形成することができない。そのた
め、このような接合の場合にはＴｉＡｌ合金と接合性の
よい中間材が使用される。本発明の方法（１）において
は、熱膨張率が通常の金属材料に較べると小さく、少な
くとも６００℃程度まではＴｉＡｌ合金（熱膨張係数：
室温〜６００℃で９〜１１×１０-6／℃）と同等の熱膨
張率（室温〜６００℃で８〜１０×１０-6／℃）を有す
る合金を使用する。このような合金としてはインコロイ
９０９、インコロイ９０３、インコロイ９０７（いずれ
も商品名）などを挙げることができる。これらの合金の
組成を表１に示す。中間材としてこのような材料を使用
することにより、従来の技術における問題点の一つであ
ったＴｉＡｌ合金部材と中間材との熱膨張率の差による
熱応力の発生を防止することができる。
を摩擦溶接により直接接合しようとしても接合後にクラ
ックが生じて継手を形成することができない。そのた
め、このような接合の場合にはＴｉＡｌ合金と接合性の
よい中間材が使用される。本発明の方法（１）において
は、熱膨張率が通常の金属材料に較べると小さく、少な
くとも６００℃程度まではＴｉＡｌ合金（熱膨張係数：
室温〜６００℃で９〜１１×１０-6／℃）と同等の熱膨
張率（室温〜６００℃で８〜１０×１０-6／℃）を有す
る合金を使用する。このような合金としてはインコロイ
９０９、インコロイ９０３、インコロイ９０７（いずれ
も商品名）などを挙げることができる。これらの合金の
組成を表１に示す。中間材としてこのような材料を使用
することにより、従来の技術における問題点の一つであ
ったＴｉＡｌ合金部材と中間材との熱膨張率の差による
熱応力の発生を防止することができる。
【００１３】
【表１】
【００１４】本発明の方法（１）においては前記中間材
の材質選定に加えて、さらに、ＴｉＡｌ合金部材と中間
材との接合面の一方の面に凸部を、他方の面に凹部を形
成し、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合を前記凸部が
形成された面と前記凹部が形成された面とを突き合わせ
た状態で摩擦溶接により行うようにしている。このよう
にすることによりＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合界
面の形状は、中心軸に平行な断面図で見た場合に、中心
軸に垂直な直線状となることはないので、接合部表面の
欠陥からの亀裂の進展を抑制することができる。なお、
各接合面に形成させる凸部と凹部とは必ずしも隙間のな
い状態で嵌合させる必要はなく、凸部が形成された面と
凹部が形成された面とを突き合わせた状態で摩擦溶接を
行えば、ＴｉＡｌ合金部材及び中間材の塑性変形によっ
て完全な密着接合面が形成される。この場合、接合界面
の形状は種々の形を採るように接合することができる
が、好ましい形状例として図１のタービンホイール１と
シャフト２を中間材３を介して接合する例に示すように
接合界面の形状を、軸に垂直な断面の直径の２０〜７０
％、好ましくは３０〜５０％に相当する中心部は軸に垂
直な面に平行な直線状とし、その外側の部分では軸に垂
直な面から２０〜４０°、好ましくは約３０°傾斜した
形状がある。また、他の好ましい形状として図２のター
ビンホイール１とシャフト３を中間材３を介して接合す
る例に示すように接合界面の形状を、軸に垂直な面に平
行な直線状とするが、軸に垂直な断面の直径の２０〜７
０％、好ましくは３０〜５０％に相当する中心部とその
外側の部分との間に接合部直径の２０〜５０％程度の高
さの段差を設けた階段状とする形状がある。
の材質選定に加えて、さらに、ＴｉＡｌ合金部材と中間
材との接合面の一方の面に凸部を、他方の面に凹部を形
成し、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合を前記凸部が
形成された面と前記凹部が形成された面とを突き合わせ
た状態で摩擦溶接により行うようにしている。このよう
にすることによりＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合界
面の形状は、中心軸に平行な断面図で見た場合に、中心
軸に垂直な直線状となることはないので、接合部表面の
欠陥からの亀裂の進展を抑制することができる。なお、
各接合面に形成させる凸部と凹部とは必ずしも隙間のな
い状態で嵌合させる必要はなく、凸部が形成された面と
凹部が形成された面とを突き合わせた状態で摩擦溶接を
行えば、ＴｉＡｌ合金部材及び中間材の塑性変形によっ
て完全な密着接合面が形成される。この場合、接合界面
の形状は種々の形を採るように接合することができる
が、好ましい形状例として図１のタービンホイール１と
シャフト２を中間材３を介して接合する例に示すように
接合界面の形状を、軸に垂直な断面の直径の２０〜７０
％、好ましくは３０〜５０％に相当する中心部は軸に垂
直な面に平行な直線状とし、その外側の部分では軸に垂
直な面から２０〜４０°、好ましくは約３０°傾斜した
形状がある。また、他の好ましい形状として図２のター
ビンホイール１とシャフト３を中間材３を介して接合す
る例に示すように接合界面の形状を、軸に垂直な面に平
行な直線状とするが、軸に垂直な断面の直径の２０〜７
０％、好ましくは３０〜５０％に相当する中心部とその
外側の部分との間に接合部直径の２０〜５０％程度の高
さの段差を設けた階段状とする形状がある。
【００１５】このようにＴｉＡｌ合金との接合界面を直
線的にせず、例えば角度３０°程度の斜め状、あるいは
階段状とすることによって、従来技術の問題点の一つで
あった表面欠陥に敏感となる点は回避できる。すなわ
ち、仮に接合部表面に欠陥があり、軸に曲げモーメント
が発生した場合でも、図１の場合ではこの応力による亀
裂進展方向と脆い接合界面の方向が異なるため、これら
の方向が同一である従来技術の接合部に較べると亀裂が
伝播しにくいという長所がある。また、図２の場合では
表面欠陥を起点とする当初の亀裂進展は従来の技術と同
様であるが、亀裂の進展は階段部分で止められるため、
破断までには至らないという長所がある。なお、いずれ
の例においても中間材３とシャフト２を構成する構造用
鋼材との接合は電子ビーム溶接等の通常の接合方法で行
えばよい。
線的にせず、例えば角度３０°程度の斜め状、あるいは
階段状とすることによって、従来技術の問題点の一つで
あった表面欠陥に敏感となる点は回避できる。すなわ
ち、仮に接合部表面に欠陥があり、軸に曲げモーメント
が発生した場合でも、図１の場合ではこの応力による亀
裂進展方向と脆い接合界面の方向が異なるため、これら
の方向が同一である従来技術の接合部に較べると亀裂が
伝播しにくいという長所がある。また、図２の場合では
表面欠陥を起点とする当初の亀裂進展は従来の技術と同
様であるが、亀裂の進展は階段部分で止められるため、
破断までには至らないという長所がある。なお、いずれ
の例においても中間材３とシャフト２を構成する構造用
鋼材との接合は電子ビーム溶接等の通常の接合方法で行
えばよい。
【００１６】本発明の方法（２）においては、主たる中
間材である第１中間材として前記（１）の方法の場合と
同じく熱膨張率が通常の金属材料に較べると小さく、少
なくとも６００℃程度まではＴｉＡｌ合金（熱膨張係
数：室温〜６００℃で９〜１１×１０-6／℃）と同等の
熱膨張率（室温〜６００℃で８〜１０×１０-6／℃）を
有する合金を使用する。そして、さらに前記第１中間材
のＴｉＡｌ合金と接する側の面の中央部に凹部を設けて
靱性の高い材料からなる第２中間材を埋め込んだ状態で
ＴｉＡｌ合金部材と第１及び第２中間材とを摩擦溶接
し、ＴｉＡｌ合金部材と前記第１中間材との間に第２中
間材の層を形成させるように接合する。第２中間材とし
てはＴｉ、Ｎｉ、Ｃｕ等の靱性があり、５００℃程度ま
での高温強度を有する材料が使用できるが、中でもＴｉ
Ａｌ合金との界面で脆化相を作らないＴｉ又はＮｉが好
ましい。
間材である第１中間材として前記（１）の方法の場合と
同じく熱膨張率が通常の金属材料に較べると小さく、少
なくとも６００℃程度まではＴｉＡｌ合金（熱膨張係
数：室温〜６００℃で９〜１１×１０-6／℃）と同等の
熱膨張率（室温〜６００℃で８〜１０×１０-6／℃）を
有する合金を使用する。そして、さらに前記第１中間材
のＴｉＡｌ合金と接する側の面の中央部に凹部を設けて
靱性の高い材料からなる第２中間材を埋め込んだ状態で
ＴｉＡｌ合金部材と第１及び第２中間材とを摩擦溶接
し、ＴｉＡｌ合金部材と前記第１中間材との間に第２中
間材の層を形成させるように接合する。第２中間材とし
てはＴｉ、Ｎｉ、Ｃｕ等の靱性があり、５００℃程度ま
での高温強度を有する材料が使用できるが、中でもＴｉ
Ａｌ合金との界面で脆化相を作らないＴｉ又はＮｉが好
ましい。
【００１７】この方法による接合方法の具体例を図３及
び図４に示す。この例では図３に示すように第１中間材
４のタービンホイール１と接する方の面の中央に凹部を
設け、第２中間材５を埋め込んだ状態で摩擦溶接する。
摩擦溶接の間に第２中間材５が接合界面に押し出され、
図４に示すように接合界面に薄い第２中間材５の層が形
成される。第２中間材５の層の厚みは、接合前の状態で
接合部直径の２０〜５０％程度とする。なお、第２中間
材５を埋め込む凹部はタービンホイール１の表面に形成
させてもよいが、加工の容易さ等から第１中間材に設け
るのが好ましい。また、この例においても第１中間材４
とシャフト２を構成する構造用鋼材との接合は電子ビー
ム溶接等の通常の接合方法で行えばよい。
び図４に示す。この例では図３に示すように第１中間材
４のタービンホイール１と接する方の面の中央に凹部を
設け、第２中間材５を埋め込んだ状態で摩擦溶接する。
摩擦溶接の間に第２中間材５が接合界面に押し出され、
図４に示すように接合界面に薄い第２中間材５の層が形
成される。第２中間材５の層の厚みは、接合前の状態で
接合部直径の２０〜５０％程度とする。なお、第２中間
材５を埋め込む凹部はタービンホイール１の表面に形成
させてもよいが、加工の容易さ等から第１中間材に設け
るのが好ましい。また、この例においても第１中間材４
とシャフト２を構成する構造用鋼材との接合は電子ビー
ム溶接等の通常の接合方法で行えばよい。
【００１８】第１中間材として前記のような材料を使用
することにより、前記方法（１）と同様に従来の技術に
おける問題点の一つであったＴｉＡｌ合金部材と中間材
との熱膨張率の差による熱応力の発生を防止することが
できる。なお、接合後の第２中間材は薄くなるため、第
２中間材とＴｉＡｌ合金及び第２中間材と第１中間材の
間に生成する熱応力は問題ない程度に小さい。また、こ
の例での接合界面の形状は従来技術と同様に中心軸に対
して垂直な直線となっているが、接合部は靱性のある第
２中間材で満たされているため、仮に接合部表面に欠陥
があった場合でも亀裂進展に対する抵抗（ＫIC）が大き
いため、亀裂の進展は抑制される。なお、この第２中間
材の高温強度はＴｉＡｌ合金に較べると低いが、小型過
給機では接合部の温度は５００℃以下と低いため、５０
０℃程度までの高温強度を有していれば支障はない。
することにより、前記方法（１）と同様に従来の技術に
おける問題点の一つであったＴｉＡｌ合金部材と中間材
との熱膨張率の差による熱応力の発生を防止することが
できる。なお、接合後の第２中間材は薄くなるため、第
２中間材とＴｉＡｌ合金及び第２中間材と第１中間材の
間に生成する熱応力は問題ない程度に小さい。また、こ
の例での接合界面の形状は従来技術と同様に中心軸に対
して垂直な直線となっているが、接合部は靱性のある第
２中間材で満たされているため、仮に接合部表面に欠陥
があった場合でも亀裂進展に対する抵抗（ＫIC）が大き
いため、亀裂の進展は抑制される。なお、この第２中間
材の高温強度はＴｉＡｌ合金に較べると低いが、小型過
給機では接合部の温度は５００℃以下と低いため、５０
０℃程度までの高温強度を有していれば支障はない。
【００１９】本発明はＴｉＡｌ相をベースとし、各種添
加成分を含有するいずれのＴｉＡｌ合金に対しても適用
可能であるが、小型過給機へ適用する場合には、小型過
給機タービンホイールの翼先端分の温度は接合部分に比
べるとはるかに高く、ディーゼルエンジン用では最大約
８５０℃、ガソリンエンジン用では最大約９５０℃にも
達することから、適用すべきＴｉＡｌ合金は高温におけ
る耐酸化性及び高温強度に優れたものであることが望ま
しい。このような優れた特性を有するＴｉＡｌ合金とし
て原子％でＡｌ：４５〜４８％、Ｎｂ：５〜９％、Ｃ
ｒ：１〜２％、Ｓｉ：０．２〜０．５％、Ｎｉ：０．３
〜２％、Ｙ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部がＴ
ｉ及び不可避的不純物からなるＴｉＡｌ合金がある。こ
のＴｉＡｌ合金のタービンホイールを使用し、本発明の
方法により鋼製シャフトと接合した接合部品は、軽量で
接合強度が高く、小型過給機へ組み込む接合部品として
優れた性能を有している。
加成分を含有するいずれのＴｉＡｌ合金に対しても適用
可能であるが、小型過給機へ適用する場合には、小型過
給機タービンホイールの翼先端分の温度は接合部分に比
べるとはるかに高く、ディーゼルエンジン用では最大約
８５０℃、ガソリンエンジン用では最大約９５０℃にも
達することから、適用すべきＴｉＡｌ合金は高温におけ
る耐酸化性及び高温強度に優れたものであることが望ま
しい。このような優れた特性を有するＴｉＡｌ合金とし
て原子％でＡｌ：４５〜４８％、Ｎｂ：５〜９％、Ｃ
ｒ：１〜２％、Ｓｉ：０．２〜０．５％、Ｎｉ：０．３
〜２％、Ｙ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部がＴ
ｉ及び不可避的不純物からなるＴｉＡｌ合金がある。こ
のＴｉＡｌ合金のタービンホイールを使用し、本発明の
方法により鋼製シャフトと接合した接合部品は、軽量で
接合強度が高く、小型過給機へ組み込む接合部品として
優れた性能を有している。
【００２０】
【発明の効果】本発明の方法によれば、ＴｉＡｌ合金部
材と構造用鋼材とを高強度で、しかも高い信頼性をもっ
て接合することができる。このような本発明の方法は、
小型過給機に使用されるＴｉＡｌ合金製のタービンホイ
ールと鋼製のシャフトとの接合に特に好適である。本発
明の方法によって得られるＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼
材との接合部品は、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合
界面において、熱膨張率の差による熱応力の負荷による
接合部の疲労破壊や接合部の欠陥を起点として亀裂が進
展することによる接合部の破断の恐れがない優れた信頼
性を有している。特に、特定組成のＴｉＡｌ合金製のタ
ービンホイールと鋼製のシャフトとを本発明の方法によ
り接合した小型過給機用の接合部品は軽量で高温強度及
び信頼性が高く、優れた特性を有している。
材と構造用鋼材とを高強度で、しかも高い信頼性をもっ
て接合することができる。このような本発明の方法は、
小型過給機に使用されるＴｉＡｌ合金製のタービンホイ
ールと鋼製のシャフトとの接合に特に好適である。本発
明の方法によって得られるＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼
材との接合部品は、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合
界面において、熱膨張率の差による熱応力の負荷による
接合部の疲労破壊や接合部の欠陥を起点として亀裂が進
展することによる接合部の破断の恐れがない優れた信頼
性を有している。特に、特定組成のＴｉＡｌ合金製のタ
ービンホイールと鋼製のシャフトとを本発明の方法によ
り接合した小型過給機用の接合部品は軽量で高温強度及
び信頼性が高く、優れた特性を有している。
【図１】本発明（１）の方法の１実施態様における接合
界面の形状を示す断面図。
界面の形状を示す断面図。
【図２】本発明（１）の方法の他の実施態様における接
合界面の形状を示す断面図。
合界面の形状を示す断面図。
【図３】本発明（２）の方法の１実施態様における接合
前の状態を示す断面図。
前の状態を示す断面図。
【図４】図３の状態で摩擦溶接した後の接合界面の形状
を示す断面図。
を示す断面図。
【図５】従来の方法により接合したターボチャージャの
ホイールの構成例を示す断面図。
ホイールの構成例を示す断面図。
【図６】従来の方法により接合したターボチャージャの
ホイールの他の構成例を示す断面図。
ホイールの他の構成例を示す断面図。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
// Ｂ２３Ｋ 103:24 Ｂ２３Ｋ 103:24
(56)参考文献 特開 平２−133183（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−215769（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−78769（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−6042（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−281454（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23K 20/12
Claims (5)
- 【請求項１】 ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを中間
材を使用して接合する方法において、中間材としてＴｉ
Ａｌ合金と同等の熱膨張率を有する合金を使用し、か
つ、ＴｉＡｌ合金部材と中間材との接合面の一方の面に
凸部を、他方の面に凹部を形成し、ＴｉＡｌ合金部材と
中間材との接合を前記凸部が形成された面と前記凹部が
形成された面とを突き合わせた状態で摩擦溶接により行
うことを特徴とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との
接合方法。 - 【請求項２】 ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材とを中間
材を使用して接合する方法において、第１中間材として
ＴｉＡｌ合金と同等の熱膨張率を有する合金を使用し、
さらにＴｉＡｌ合金部材と第１中間材の相対する面の少
なくともどちらか一方の面の中央部に凹部を設け、該凹
部に靱性の高い材料からなる第２中間材を埋め込んだ状
態でＴｉＡｌ合金部材と第１及び第２中間材とを摩擦溶
接し、ＴｉＡｌ合金部材と前記第１中間材との間に第２
中間材の層を形成させるように接合することを特徴とす
るＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の方法によりＴｉ
Ａｌ合金部材と構造用鋼材とを接合してなることを特徴
とするＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合部品。 - 【請求項４】 前記ＴｉＡｌ合金部材がタービンホイー
ルであり、前記構造用鋼材が鋼製シャフトであることを
特徴とする請求項３に記載の接合部品。 - 【請求項５】 前記ＴｉＡｌ合金部材が原子％でＡｌ：
４５〜４８％、Ｎｂ：５〜９％、Ｃｒ：１〜２％、Ｓ
ｉ：０．２〜０．５％、Ｎｉ：０．３〜２％、Ｙ：０．
０１〜０．０５％を含有し、残部がＴｉ及び不可避的不
純物からなるＴｉＡｌ合金部材であることを特徴とする
請求項３又は４に記載の接合部品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12478098A JP3453302B2 (ja) | 1998-05-07 | 1998-05-07 | ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及び接合部品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12478098A JP3453302B2 (ja) | 1998-05-07 | 1998-05-07 | ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及び接合部品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11320132A JPH11320132A (ja) | 1999-11-24 |
| JP3453302B2 true JP3453302B2 (ja) | 2003-10-06 |
Family
ID=14893941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12478098A Expired - Lifetime JP3453302B2 (ja) | 1998-05-07 | 1998-05-07 | ＴｉＡｌ合金部材と構造用鋼材との接合方法及び接合部品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3453302B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11982577B2 (en) | 2020-05-29 | 2024-05-14 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Thermocouple mounting structure and thermocouple mounting method |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19934855C1 (de) * | 1999-07-24 | 2000-11-09 | Daimler Chrysler Ag | Reibgeschweißtes Welle-Scheibe-Verbundwerkstück und Verfahren zu seiner Herstellung |
| CN100413636C (zh) * | 2005-09-29 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | TiAl基合金增压涡轮与钢轴的高强度连接方法 |
| EP1801432A3 (en) | 2005-12-20 | 2009-07-22 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | Connecting rod and method of producing the same |
| KR101570139B1 (ko) * | 2008-06-19 | 2015-11-19 | 보르그워너 인코퍼레이티드 | 터보기계의 로터 샤프트, 및 터보기계의 로터의 제조 방법 |
| JP2011196256A (ja) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Ihi Corp | ロータ及び過給機 |
| CN102211249A (zh) * | 2011-05-26 | 2011-10-12 | 洛阳双瑞精铸钛业有限公司 | 一种钛铝合金涡轮与42CrMo钢轴的连接方法 |
| DE102011108539A1 (de) * | 2011-07-26 | 2013-01-31 | Ihi Charging Systems International Gmbh | Verbindungsanordnung einer Welle mit einem Laufrad, sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung |
| GB201200403D0 (en) * | 2012-01-10 | 2012-02-22 | Napier Turbochargers Ltd | Connector |
| JP6021354B2 (ja) | 2012-02-29 | 2016-11-09 | 三菱重工業株式会社 | エンジン用過給機 |
| KR20140126756A (ko) * | 2012-03-01 | 2014-10-31 | 보르그워너 인코퍼레이티드 | 배기가스 터보차저 |
| DE102012217560B4 (de) * | 2012-09-27 | 2022-11-10 | Vitesco Technologies GmbH | Turbinenläufer mit Hülsenzwischenstück, Abgasturbolader und ein Verfahren zur Herstellung des Turbinenläufers |
| CN103321685B (zh) * | 2013-07-12 | 2015-02-04 | 中国北方发动机研究所(天津) | 钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法与连接结构 |
| JP2015205329A (ja) * | 2014-04-22 | 2015-11-19 | オーエスジー株式会社 | 超硬合金と鋼材とを接合した切削工具およびその切削工具の製造方法 |
| CN110977137B (zh) * | 2019-10-29 | 2021-09-07 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法 |
| CN111299807A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-06-19 | 江苏磐一智能装备有限公司 | 一种具有铝层排开功能的搅拌摩擦焊 |
| CN117182284A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-12-08 | 国营芜湖机械厂 | 一种线性摩擦钎焊接头成分及组织的调控方法 |
-
1998
- 1998-05-07 JP JP12478098A patent/JP3453302B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11982577B2 (en) | 2020-05-29 | 2024-05-14 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Thermocouple mounting structure and thermocouple mounting method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11320132A (ja) | 1999-11-24 |
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