JPH01119570A - セラミックス−金属複合機械部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、セラミックス部材と金属部材とを接合−休出
してなるセラミックス−金属複合機械部品に関する。

（従来の技術） セラミックス部材と金属部材とを一体化させた複合部品
は、ＩＣの分野をはじめ機能部品として広く使用されて
きているが、強度や耐摩耗性の要求される機械部品、特
に摺動部品としては接合強度が未だ不充分であるため実
用化の段階には至っていない。

すなわち、従来の摺動部品としては、摺動面に窒化処理
や硬質クロムめっき処理を施して耐摩耗性を向上させた
鋳鉄等の金属製部品や、窒化ケイ素からなるセラミック
ス部材等の耐摩耗性に優れたセラミックス部材で全体を
一体に形成したセラミック製部品等が知られているが、
金属製部品では耐摩耗性に限界があり、全体がセラミッ
ク製である部品ではコストが高くなるばかりか過剰品質
になるという問題があった。

そのため、本体を金属製部材とし摺動面のみを耐摩耗性
セラミックス部材で構成した複合機械部品の出現が望ま
れているが、セラミックス部材と金属部材、特に窒化ケ
イ素製セラミックス部材と鋼材とは熱膨張率が異なるた
め、ろう接後の冷却時にセラミックス部材側に熱応力が
働き、クラックを発生させたり、クラックが発生しない
までも信頼性を低下させる等、充分な強度を有する一体
化が困難であり、機械部品として使用することができな
かった。

また、例えばセラミックス部材と金属部材とを接着剤で
一体化したり、焼嵌め等の機械的嵌合により一体化させ
ることも試みられているが、接着剤による方法では高温
で使用することができず、機械的嵌合では機械加工が複
雑で、かつ形状に限界があるという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、セラミックス部材と金属部材とは、熱
膨張差に起因して高い信頼性の下で接合−休出させるこ
とが困難であり、また例えば接着剤で一体化する方法で
は高温で使用することができず、機械的嵌合によって一
体化する方法では機械加工が複雑で、かつ形状に限界が
あるなどの問題があった。

本発明はこのような点に対処してなされたもので、耐摩
耗性に優れた窒化ケイ素製セラミックス部材等のセラミ
ックス部材と鋼材等の金属部材とを強固に接合−休出さ
せた複合機械部品を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明のセラミックス−金属複合機械部品は、
表面に少なくとも活性金属を含有する金属化材を接触配
置し、不活性雰囲気中または真空中で前記活性金属を含
有する金属化材の融点以上に加熱することにより金属層
が形成されているセラミックス部材と、金属部材とが、
前記セラミックス部材に形成された金属層を介してろう
材により接合−休出されていることを特徴としている。

本発明に使用するセラミックス部材としては、ファイン
セラミックスとして総称される窒化ケイ素、炭化ケイ素
、サイアロン等の非酸化物系セラミックス、あるいはジ
ルコニアのように耐摩耗性に優れたものが望ましい。ま
た、これらは表面に二酸化ケイ素、アルミナ等の化合物
からなる酸化膜を形成して使用するのが金属層の形成上
、望ましい場合がある。またその形状は接合面に嵌合部
分を設け、この場合は突起部を有する形状が好ましい。

金属部材としては、鋼材や鉄材等の機械的強度の大きい
ものの使用が望ましい。またその形状はセラミック部材
の突起部に嵌合する溝部を有する形状が好ましい。

本発明におけるセラミックス部材表面への金属層の形成
は、ＩＶａ族遷移金属等の活性金属を含有する金属化材
を接触配置させ、不活性雰囲気中または真空中で活性金
属を含有する金属化材の融点以上に加熱することによっ
て行なわれる。

上記活性金属を含有する金属化材としては、ＩＶａ族遷
移金属、具体的にはＴｉｓ　Ｚｒ、Ｈ１’等の活性金属
単体や活性金属を含有する化合物の箔や粉末、あるいは
これらとＣｕ％Ａｇ、　Ｎｉ等の一種または二種以上と
を組合せた箔の積層物、混合粉末、さらにはこれらを予
め合金化したもの等が例示される。

また、ＭＯやＷ等の高融点金属の塩の溶液に活性金属単
体あるいは活性金属を含む窒化物、炭化物、ホウ化物、
酸化物、ケイ化物、酸窒化物、炭窒化物等の化合物を添
加したもの等を使用することも可能である。

金属層の形成されたセラミックス部材を金属部材に接合
させるには、金属層に必要に応じてニッケルめっき等の
電解めっきを施した後、ろう付けにより金属部材と接合
させる。また、接合部にセラミック部材と金属部材の熱
膨張に起因する応力を緩和する中間層となる延性金属を
介することもよい。

なお、嵌合部にはろう材を流入できるだけの間隙が必要
である。その大きさはろう材の融点以上の温度における
ろうの表面張力、流動性にもよるが１０μｍ以上必要で
ある。

（作　用） セラミックス部材の表面にＩＶａ族遷移金属のような活
性金属を含有する金属化材を接触配置し、加熱すること
によって、非酸化物系セラミックス部材に対しても強固
に接合した金属層が得られる。

そして、セラミックス部材と金属部材との熱膨張差に起
因してろう材による加熱接合時に発生する応力は、セラ
ミックス部材側の接合表面となる活性金属を含有する金
属が層状に形成されていることと接合強度が強いことか
ら、金属層の伸縮等によって吸収され、残留応力は低減
される。従って、充分な接合強度が得られるとともに、
接合後の信頼性も優れたものとなる。また、活性金属を
含有する金属化材を箔や粉体等の各種形状で使用するこ
とによって、金属層形成時の形状の限定もほとんど受け
ず、各種形状の複合機械部品が容易に得られる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１図に示す、カムシャフト摺動面方向先端面に溝部を
設けた鋳鉄製のロッカーアーム本体１の接合面にニッケ
ルめっきを施した。

一方、このロッカーアーム本体１と接合する窒化ケイ素
製のセラミックパッド３の接合面に、チタンと銅とを２
０：８０の比率（重量比）で含有する混合粉を塗布し、
アルゴン雰囲気中で１２００℃、５分で加熱して金属層
を形成させた。この金属層の厚さは、２００μｍとした
。

次いで、この金属層を形成させたセラミックバッド３と
前述したニッケルめっきロッカーアーム本体１の間に、
銀ろうＡをはさんで８５０℃で加熱し、接合させた。

この複合体のセラミックパッド接合面の剪断破壊荷重（
＋ｃｇ）および剪断強度（ｋｇ　／　ｖｉ　）は、次表
に示す通りであった。

実施例２ 実施例１で使用した窒化ケイ素製セラミックバッド３の
接合面に、活性金属としてチタンの酸化物を８５％で添
加したモリブデン酸リチウムの水溶液を塗布し、窒素と
水素との混合ガス（体積比−１：１）雰囲気中で約１４
００℃、６０分で加熱して金属層を形成させた。

次いで、この金属層上にニッケルめっきを施し、実施例
１と同様に銀ろうＡを介してロッカーアーム本体１と接
合した。

剪断破壊荷重（ｋｇ）および剪断強度（ｋｇ／　ｍｄ　
）は次表に示す通りであった。

比較例１ 実施例１においてセラミックパッド３の接合面の金属層
の形成方法として、銅ペースト（フリットガラス含有）
の塗布焼付けにより金属層を形成し、実施例１と同様に
銀ろうＡを介してロッカーアーム本体１と接合させた。

剪断破壊荷重（ｋｇ）および剪断強度（ｋｇ　／　ｍイ
）は次表の通りであった。

表 実施例３ 第２図に示すように、接合面に突起部４を有する窒化ケ
イ素製のチップ５の接合面にアルミナ層を形成した後、
モリブデン−マンガンメタライズペーストを塗布し、還
元雰囲気中で１３５０℃で加熱して金属層を形成し、ニ
ッケルめっきを施した後、同じく接合面にニッケルめっ
きの施された、かつ突起部に嵌合する溝部を有する鋼材
からなるブツシュロッド６に銀ろうＡを介して嵌合させ
、８５０℃で加熱して接合させた。本接合体の引張破断
荷重（ｋｇ）は９５０ｋｇであった。なお図中７は接合
時の空気穴である。なお、嵌合部は傾斜を有するテーパ
状とすると、接合状態が好ましくなる。

実施例４ 第３図に示すように、吸排気バルブの軸部８の金属部材
の接合面に溝部を形成し、またこの溝部に嵌合する突起
部を有する窒化ケイ素製のバルブ９の接合面に、実施例
１と同様にチタンと銅との混合粉を用いて金属層を形成
し、これらをニッケルろうＢを介して嵌合させ、１００
０℃に加熱して接合させた。この場合、嵌合部をテーパ
状とするとより好ましい。

実施例５ 第４図に示すように、窒化ケイ素製のカム１０の接合面
に活性金属としてチタンの酸化物を１００％で添加した
モリブデン酸リチウムの水溶液を塗布、焼付けして金属
層を形成し、ニッケルめっきを施した後、鋼材からなる
シャフト１１を銀ろうＡを介して嵌合し、８３０℃に加
熱して接合させた。

本カムのシャフトと平行な方向への剪断強度は８．７ｋ
ｇ／ｍｄであった。なお図中１２はカム付シャフトの回
転時、接合部を強化する丸形ピンである。

上記の実施例に基づき、工具を製作した。切削用ドリル
の刃先にセラミックス部材を接合したもの、あるいは切
削用バイトの刃先チップにセラミックス部材を適用した
もの等である。これらも上記実施例と同等の接合強度を
得た。また、同様に液体および気体用のポンプ部材−羽
根およびケーシングを製作した。羽根とケーシングの各
々の摺動部分にセラミックス部材を接合した。これらも
上記実施例と同等の接合強度を得た。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のセラミックス−金属複合機
械部品は、接合強度に優れており、エンジン部品、工具
、ポンプ部品等の機械部品として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すロッカーアームの側面
図、第２図はブツシュロッドの断面図、第３図は排気バ
ルブの断面図、第４図は金属製シャフトと一体化したカ
ムの斜視図である。 １・・・・・・・・・・・・ロッカーアーム本体３・・
・・・・・・・・・・セラミックパッド５・・・・・・
・・・・・・窒化ケイ素製チップ６・・・・・・・・・
・・・ブツシュロッド８・・・・・・・・・・・・軸　
部 ９・・・・・・・・・・・・バルブ １０・・・・・・・・・・・・カ　ム １１・・・・・・・・・・・・シャフト出願人　　　　
　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　−

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に少なくとも活性金属を含有する金属化材を
   接触配置し、不活性雰囲気中または真空中で前記活性金
   属を含有する金属化材の融点以上に加熱することにより
   金属層が形成されているセラミックス部材と、金属部材
   とが、前記セラミックス部材に形成された金属層を介し
   てろう材により接合一体化されているセラミックス−金
   属複合機械部品。
2. （２）活性金属は、IVａ族遷移金属から選ばれた少なく
   とも一種である特許請求の範囲第１項記載のセラミック
   ス−金属複合機械部品。
3. （３）セラミックス部材と金属部材とは嵌合されている
   特許請求の範囲第１項または第２項記載のセラミックス
   −金属複合機械部品。
4. （４）セラミックス部材は非酸化物系セラミックス部材
   である特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１
   項記載のセラミックス−金属複合機械部品。
5. （５）金属部材は鋼材である特許請求の範囲第１項ない
   し第４項のいずれか１項記載のセラミックス−金属複合
   機械部品。
6. （６）機械部品はエンジン部品である特許請求の範囲第
   １項ないし第５項のいずれか１項記載のセラミックス−
   金属複合機械部品。
7. （７）機械部品は工具である特許請求の範囲第１項ない
   し第５項のいずれか１項記載のセラミックス−金属複合
   機械部品。
8. （８）機械部品はポンプ部品である特許請求の範囲第１
   項ないし第５項のいずれか１項記載のセラミックス−金
   属複合機械部品。
9. （９）金属層は窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、ケ
   イ化物、酸窒化物、炭窒化物のいずれか一種または二種
   以上からなる無機物を含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第８項のいずれか１項記載のセラミッ
   クス−金属複合機械部品。
10. （１０）金属層は、IVａ族遷移金属あるいはIVａ族遷移
    金属化合物を含有する高融点金属塩溶液の塗布還元焼成
    により形成されている特許請求の範囲第１項ないし第９
    項のいずれか１項記載のセラミックス−金属複合機械部
    品。
11. （１１）金属層はセラミックス部材表面にIVａ族遷移金
    属またはその合金の板、粉末等を接触配置させ、加熱し
    て接合させることにより形成されている特許請求の範囲
    第１項ないし第８項のいずれか１項記載のセラミックス
    −金属複合機械部品。
12. （１２）接合はセラミックス部材と金属部材の熱膨張差
    に起因する応力を緩和する延性金属中間層を介して行な
    われる特許請求の範囲第１項記載のセラミックス−金属
    複合機械部品。