JPH02124780A - セラミックス回転体と金属軸の結合構造 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は例えばセラミックス製ターボロータシャフトに
適用できるセラミックス回転体と金属軸の結合構造に関
する。

〈従来の技術〉 内燃機関のターボ過給器は排気エネルギーてターボロー
タシャフトを回し、その動力でコンプレッサーを駆動す
ることにより吸入空気又は混合気を予圧する装置てあり
、そのタービンホイールはかなりの高熱にさらされる。

またターボ過給器付エンジンの欠点としてターボ回転の
立ちにかり遅れが指摘されているか、このタービンホイ
ールの玉ｊ−の重いことか一因とされている。

以１−のことからタービンホイールを金属に比べて耐熱
性に優れ軽１−てあって、しかも金属なみの強さを有し
ているセラミックスて形成するのは有利である。この場
合、セラミックスと金属をいかに結合させるかという点
に工夫を要する。

そのため例えば特開昭６２−１１９１８０号には、第５
図に示すようにセラミックス製タービンホイールｌの回
転中心部に設けた軸突起部２に金属スリーブ３を焼ばめ
、又はロウ接合（ロウ付け）し、その金属スリーブ３に
別の金属で形成された金属軸４を電子ビーム溶接１９で
接合したセラミックス製ターボロータシャフトか提案さ
れている。　金属スリーブ３を介してセラミックス製タ
ービンホイールｌと金属軸４を結合する場合、結合後の
ターボロータシャフトは軸受等によりタービンハウジン
タに組み付ける必要かあるため、長手方向の寸法を正確
に管理して製造することにより結合後の機械加工仕上げ
の着を少なくする必要かある。

このためには第６図に示すように金属スリーブ３に逆フ
ランジ部５を設ける手段が有効てあり（特開昭６２−７
０２７５号公報参照）、こうすることによってタービン
ホイール１の全長と、金属スリーブ３の逆フランジ部の
厚み、金属軸４の長さの三つを管理することにより、タ
ーボロータシャフトの長「方向の寸法管理を容易に行な
うことか出来る。また金属スリーブ３の逆フランジ部５
て形成される穴ＩＩに金属軸４を嵌合させることにより
両名の同心度を確保し、精度の良い結合状態を得ること
ができる。この様な結合構造のセラミックス製ターボロ
ータシャフトを製造するには、第７図に示すように金属
スリーブ３の内周面と軸突起部２との間に間隙６および
溝７を形成し、軸突起部２の端部と金属スリーブ３の間
に、金属スリーブ３より融点の低い充填金属８（ロウ付
は材料）を配設し、図示しない治具に取付けて下方に向
は加重９をかけた状態で真空炉内笠て加熱することによ
り間隙６および溝７に充填金属８を溶融充填させ、冷却
後金属スリーブ３の逆フランジ部外面に金属軸４を溶接
する。なお冷却時に収縮する金属スリーブ３の軸突起部
２への締付力と、溝７に充填された金属材料８の機械的
結合力か、セラミックス製タービンホイールｌと金属ス
リーブ３を結合させている。しかしこの結合力を強固な
ものにするには金属スリーブ３の材料として高温強度の
大きい材料、つまりＣｒ、　ＡＩ、　Ｔｉ等を組成分と
して含有する耐熱合金を使用する必要か生ずる。

一方、Ｃｒ、　ＡＩ、Ｔｉ等は酸素との親和力か強く、
非常に酸化されやすい。したかって、これらの金属を含
有する耐熱合金材料の表面には酸化膜が形成されており
、銀ロウ材ＢＡｇ−８等の充填金属８に対して濡れ性か
悪いため金属スリーブ３の内周面に旧、Ｃｒ等をあらか
じめメッキし、最表面にメッキ層１０を形成することに
より、濡れ性を改善する手段か有効と考えられる。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかしながら、かかる手段を採用しても満足すべき結果
か得られないことか分った。即ち、Ｃ「、ＡＩ、Ｔｉ等
を組成分として含有する耐熱合金（イニコロイ９０３）
て製造され且つ内周面にメッキ層を形成させた金属スリ
ーブ３と、Ｓｉ、Ｎ、セラミックス製タービンホイール
１とを実際に前記第７図て説明したような操作（真空炉
温度：８５０°Ｃ１充填金属：　ＢＡｇ−８）で結合さ
せようとすると、第８図に示すようにセラミックス製タ
ービンホイールｌの軸突起部２の頂面１２に溢れ出る充
填金属８ａか多く、そのため本来充填すべき部位である
間隙６および溝７に充填金属かまわりきらず、充填不良
となって空隙１４を生し、充分な結合強度が得られない
という問題か生じた。

これは加熱温度か充填金属８の融点をこえた状態て、上
方から加えられる加重９の作用によって軸突起部２に対
して金属スリーブ３か下降し始めると溶融した充填金属
８は間隙６及び溝７への流入を開始すると同時に軸突起
部２の回転中心方向へ向って押し出され、第４図に示す
ようにＣｕ又はＮｉメッキ層か形成されている内周面に
は充填金属８は容易に流れても、金属スリーブ３のフラ
ンジ部内面１３にはメウキ層１０かないため、軸突起部
２の回転中心方向へ押し出された充填金属８は金属スリ
ーブ３の逆フランジ部内面には濡れず、表面張力により
分離し、空隙１４か形成されてしまうからである。そし
て金属スリーブ３か下降し、その逆フランジ部内面１３
と軸突起部２の頂面１２か密若したときには押し出され
た充填金属８ａが軸突起部２の頂面１２に残留し、寸法
誤差を生しさせる一因ともなる。

本発明は上記問題点を解決する目的てなされたものであ
り、その解決しようとする課題は、結合力か強固で、し
かも寸法誤差を生しさせないセラミック回転体と金属軸
の結合構造を提供することである。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本発明のセラミックス回転体
と金属軸の結合構造は、逆フランジ部を一端に有する耐
熱合金でてきたスリーブがセラミックス回転体の軸突起
部にロウ接合され、上記逆フランジ部に金属軸か溶接さ
れ、そして上記スリーブの内周面及び逆フランジ部内面
にはＣｕメッキ又はＮｉメッキ層か形成されていること
を特徴とする。

汀い換えれば本発明は、逆フランジ部を有する金属スリ
ーブを用いたセラミックス回転体と金属軸の結合構造に
おいて、該金属スリーブの内周面及びフランジ部内面に
Ｃｕ又はＮｉメッキ層を形成したことを特徴とするか、
好ましい態様として、上記逆フランジ部の内面にシール
用凸部かセラミックス回転体の軸突起部端面側に向けて
形設されている金属スリーブを用いた結合構造を挙げる
ことかてきる。

〈作用〉 以上のように構成すると、セラミックス製回転体と金属
スリーブのロウ接合時に、充填金属が分離し、押し出さ
れるということか無くなり、本来充填されるべき間隙や
溝に充填金属か充分に回るようになる。また上記逆フラ
ンジ部の内面に、セラミックス回転体の軸突起部端面側
に向けてシール用凸部を形成しておくと充填金属の押し
出され（流出）かなくなる。こうして充填金属は充分に
ロウ付は機部を発揮し、セラミックス製回転体と金属ス
リーブの結合はより強固となる。

〈実施例〉 以下、本発明の結合構造の実施例を説明するか、これは
本発明を限定するものてはない。

実施例１ 本実施例に係るセラミックス製ターボロータシャフトの
セラミックス製タービンホイールｌと金属軸４の結合構
造を、第１図及びその部分拡大図である第２図により説
明する。タービンホイールｌは窒化珪素（ＳｉＪ４）製
てあり、その軸突起部２には溝７か彫設されている。金
属軸４はクロム鋼で製造したちのである。また金属スリ
ーブ３はＡＩとＴｉを組成分として含有する耐熱合金（
イニコロイ９０３）で出来ており、逆７ランシ部５を有
している。そして該金属スリーブ３の内局面及び逆フラ
ンジ部５の内面にはそれぞれＣｕメッキ層１ｏおよび１
５が形成されている。

このターボロータシャフトは、まずタービンホイールｌ
の軸突起部２と金属スリーブ３とを充填金属８によって
ロウ接合し、次いて金属スリーブ３に金属軸４を電子ビ
ーム溶接した後、機械加工により仕上げて製作したもの
である。

なお軸突起部２と金属スリーブ３のロウ接合は、前記第
３図に示したのと同様、スリーブ３の逆フランジ部５の
内面に充填金属８（銀ロウＢＡｇ８）を配し、次いてタ
ービンホイール１の軸突起部２を組み付け、図示しない
治具にセットし、上方から加重９をかけた状態で真空炉
中で８５０°Ｃに加熱し、充填金属８を溶融充填させる
ことにより行なわれた。

その結果、第２図に示すように軸突起部２の頂面１２に
溢れ出た充填金属８ａはごく少量となっている。このよ
うに充填か確実に行なわれているのは金属スリーブ３の
内周面および逆フランジ部５の内面に、充填金属８に対
して濡れ性の良いＣｕメッキ層１５か存在するため、第
８図に示したような充填金属８の分離か生じないことに
よる。

実施例２ 本実施例の結合構造を第３図に示す。金属スリーブ３の
逆フランジ部５に凸部１７か設けられており、この凸部
１７には第４図に拡大して示すようにＣｕメッキ層１５
か形成されていない。それ以外は実施例１と同様てあり
、充填金属８は所望の部位に確実に充填されている。

に２凸１ｆｉ１７は、充填金属８に対し濡れないイニコ
ロイ９０３か露出しているため凸部１７の表面１８には
充填金属８か付着しない、したかって加重９か小さくて
も軸突起部２の頂面１２に確実に密着し、セラミック製
ターボロータシャフトの長手方向の寸法を正確にだすこ
とかできる。

逆フランジ部５の内面全体に、充填金属８と濡れ性の良
いメッキ層１５を設けると、金属スリーブ３の逆フラン
ジ部内面と軸突起部２を密着させるためには、両者の間
に残留する充填金ＦＡ８を加重９の作用によって排除し
なければならない。

凸部１７の高さは、充填金属８の流出か防げられる限り
小さいほうか望ましく、凸部１７の表面１８にメッキ層
１５を形成しなければＯｍｍてもよい。また凸部１７の
高さか高くなると、その段差を充填するために必要な充
填金属８の量か増えるばかりでなく、この部分て充填不
足かあると結合強度には関係しないかターボ−ロータシ
ャフトとしての回転時のアンバランス敏か増大するとい
った問題か生ずる。そのため凸部高さは０．５＋ｉｍ以
下であるのか好ましい。

実施例３及び４ Ｃｕメッキの代わりにＮｉメッキを形成させ、金属スリ
ーブ３の材料としてインコネル７１：ｌＣを用い、電子
ビーム溶接の代わりにレーザ溶接により金属スリーブ３
と金属軸４を接合する以外は実施例１および２と同様の
結合構造を有するセラミックス製ターボ−ロータシャフ
トを製作した。

試験例 上記各実施例のセラミックス製ターボロータシャフトを
ターボ過給器に取付け、エンジン排気ガス温度９５０°
Ｃで高温高速回転耐久試験を実施した。その結果、１８
，０００ｒｐｍても破壊が生したものは無く、セラミッ
クス製タービンホイールと金属スリーブの結合強度は充
分であることか確認された。

〈発明の効果〉 以りの如く、本発明のセラミックス回転体と金属軸の結
合構造によれば、逆フランジ部を有する金７，１スリー
ブを用いたセラミックス回転体と金属軸の結合構造にお
いて、該金属スリーブの内周面及び逆フランジ部内面に
Ｃｕ又はＮｉメッキ層を形成したことにより、セラミッ
クス製回転体と金属スリーブのロウ接合時に、充填金属
（ロウ付は材料）か充填されるべき間隙や溝に充分に回
るようになり、結合強度か一段と高くなる。

また、充填金属の流出ということか無くなり、より寸法
誤差の少ないセラミックス回転体−金属軸結合製品か得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る、セラミックス製ター
ビンホイールと金属軸の結合構造を示す断面図、 ：ｉＳｚ図はその部分拡大図、 ：ｆＳ３図は他の実施例の結合構造を示す断面図、第４
図はその部分拡大図、 第５［：Ａ及び第６図は人々従来の結合構造の一例及び
他制を示す断面図、 第７図はセラミックス製タービンホイールと金属スリー
ブのロウ接合方法を示す断面図、第８図は従来の結合構
造における問題点の説明図である。 図中： ｌ・・・セラミックス製タービンホイール１２・・・軸
突起部　　　３・・・金属スリーブ４・・・金属軸　　
　　５・・・逆フランジ部８・・・充填金属（ロウ付は
材料） １０．１５−・・メッキ層　　１７・・・凸部特許出願
人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　弁理士　　萼　　優　美（ほか２名）第 図 クー巳゛ニネイーＬ 牙 才 図 牙 図 １゜ 第 図 オ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 逆フランジ部を一端に有する耐熱合金でできたスリーブ
   がセラミックス回転体の軸突起部にロウ接合され、上記
   逆フランジ部に金属軸が溶接され、そして上記スリーブ
   の内周面及び逆フランジ部内面にはＣｕメッキ又はＮｉ
   メッキ層が形成されていることを特徴とするセラミック
   ス回転体と金属軸の結合構造。