JPH02124781A - セラミックス製回転体と金属軸の結合方法 - 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】 く産業上の利用分野） 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製回転体と金属軸の結合方法に
関する。

〈従来の技術〉 内燃機関のターボチャージャーは排気エネルギーでター
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Ｔ・圧する装
首であり、そのタービンホイールはかなりの高熱にさら
される。またターボチャージャー付エンジンの欠点とし
てターボ回転の立ち上がり遅れか指摘されているか、こ
のタービンホイールの！ＩｆｒｉＬの重いことか一因と
されている。

以上のことからタービンホイールを金属に比べて耐熱性
に優れ軽量であって、しかも金属なみの強さを有してい
るセラミックスで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。

そのため第４図及び第５図に示すようにセラミックス製
タービンホイール１の回転中心部に設けられた軸突起部
２に金属スリーブ３を焼ばめるか、又は充填金属５でロ
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９で接合したセラミックス製
ターボロ−タシャフトか提案されている（特開昭６２−
１１９１８０号公報等）。

ところで焼ばめとロウ付けを併用する場合、第２図に示
すように、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材料５（ロウ付
は材）を組み付け、図示しない治具に取付けて下方に向
は加重７をかけた状態て真空炉内等て加熱することによ
り、軸突起部２と金属スリーブ３の間隙６に充填金属材
料５を溶融充填させるという方法か取られる。該方法は
、充填金属か凝固した後の冷却過程で、金属スリーブ３
とセラミックスの軸突起部２の熱膨張係数の差にもとづ
く収縮量の差を利用して焼ばめ力を発生させる方法であ
る。

一方、セラミックスの軸とそれに焼ばめられた金属スリ
ーブとの結合力を高めるために、金属スリーブに析出硬
化型合金を使用し、結合後に析出硬化処理（時効処理）
を行なう方法が特開昭６１−４０８７９号公報に開示さ
れている。析出硬化型合金は時効温度に加熱し長時間保
っておくと過飽和固溶体から溶質か析出することにより
硬化する合金であり、結合力を高く維持するのに有効で
ある。

したかって、セラミックスの軸突起部２に金属スリーブ
３を焼ばめる際に、充填金属材料５を充填しかつ金属ス
リーブ材として析出硬化型合金を用いれば、セラミック
ス製タービンホイールｌと金属スリーブ３の結合力がさ
らに高まることか期待される。

〈発明が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
が得られないことか分った。これは析出硬化型合金でで
きたスリーブか充填金属材料の凝固点（例えば銀ロウＢ
Ａｇ−８では７８０°Ｃ）近傍の非常に高い温度から焼
はめ力を発生することに起因している。つまり結合前の
該スリーブには高温強度か必要であるか、未だ析出硬化
していない析出硬化型合金製スリーブにはこの必要な特
性か得られていないのである。この高温強度か得られて
いないことは、クロム鋼等の高温強度の低い別種の材料
を用いた場合に見られる不都合と同様な現象が起こるこ
とから確認される。即ち、高温時に作用する引張応力か
材料の降伏点を越えるため、所定の焼ばめ結合強度か得
られない。

また、通常の焼ばめ法においても焼ばめ代を大きく設定
した場合には、より高温までの加熱が必要となり、同様
の問題か生じる。

なお予め析出硬化処理した金属スリーブを用いるのは片
や析出硬化処理工程、片やロウ付は焼ばめ工程という二
度手間かかかることとなり、コスト高となる。

以−Ｌのこととは別に、析出硬化型合金を使用する場合
、次のような問題かある。即ち、析出硬化型合金の標準
的な時効処理条件は、７８０°Ｃて８時間保持した後、
炉中て６２０℃まで冷却し、その温度で更に８時間保持
してから空冷するという、合計１６時間の処理が必要と
なり、生産性のかなりの悪化を招くことである。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり
、強固な結合が得られしかも非常に生産性よ〈実施でき
るセラミックス製回転体と金属軸の結合方法を提供する
ことが本発明の目的であって、その解決しようとする第
一の課題は充填金属材料によってロウ付けされる焼ばめ
用金属スリーツ材として析出硬化型合金を使用てきるよ
うにすることてあり、そして第二の課題はそれを析出硬
化硬化させるための長時間加熱を回避できるようにする
ことである。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成てきる本発明のセラミックス製回転体と
金属軸の結合方法は、セラミックス製回転体の軸突起部
に析出硬化型合金でてきた金属スリーブと充填金属材料
を組み付け、その状態て析出硬化型合金の時効温度以上
かつ充填金属材料の融点以下の温度で２０〜２４０分間
保持して金属スリーブの析出硬化処理を行ない、続いて
更に温度を充填金属材料の融点以上に加熱して該材料を
上記軸突起部と金属スリーブの間隙に充填した後、該ス
リーブに金属軸を溶接することを特徴とする。

ここで「析出硬化型合金」というのは、未だ析出硬化し
ていない合金を意味し、後に「析出硬化合金」となるも
のである。

本発明方法においては、金属スリーブを、時効温度が７
００〜８００°Ｃの析出硬化型耐熱合金（インコネル７
００、インコロイ９０３等）で製造し、充填金属材料と
して融点７４０〜８４０℃の銅合金、銀合金、パラジウ
ム合金等を使用し、セラミックス製回転体を窒化珪素て
製造するのか適当である。

く作用〉 以上のように構成すると、まず析出硬化型合金の時効温
度以上かつ充填金属材料の融点以下の温度に保持する最
初の加熱段階では、金属スリーブは析出硬化するか充填
金属材料は溶融しない。また時効温度より高い温度で加
熱することにより非常に短時間で析出硬化する。なおこ
の段階でセラミックス製回転体と金属スリーブはロウ付
けに適するように均一に加熱される。

続いて更に温度を充填金属材料の融点以上に高める次の
加熱段階で、充填金属材料は溶融し、セラミックス製回
転体の軸突起部と金属スリーブの嵌合面間に充填される
。冷却過程に入ると析出硬化型合金でてきた金属スリー
ブにはたたちに焼ばめ応力か発生するか、該スリーブは
もはや析出硬化して高温強度か備わっているので、支障
なく焼ばめられる。

こうして充填金属材料を充填して焼ばめられた析出硬化
合金スリーブに金属軸を溶接するのでセラミックス製回
転体と金属軸は非常に強く結合することとなる。

〈実施例〉 以下、本発明の結合方法の実施例を説明するか、これは
本発明を限定するものではない。

まず第２図に示すようにして、セラミックス製タービン
ホイールｌ、充填金属材料５及び金属スリーブ３を組み
付ける。なお、タービンホイールｌは窒化珪素で、充填
金属材料５は銀ロウＢＡｇ−８て、また金属スリーブ３
は析出硬化型耐熱合金インコロイ９０３でてきている。

そして金属スリーブ３の内面全体には、該スリーブ３に
対する充填金属材料５の濡れ性を向上させるための銅メ
ツキか施されている。

こうして組み付けたものを、図示しない治具にセットし
、軸突起部２に金属スリーブ３を押しつけるように加重
７を付加した状態で真空炉に入れ、第１図の実線で示す
加熱パターンで金属スリーブ３の析出硬化処理Ｂとロウ
付は処理Ａ（充填金属材料の溶融充＠）を行なう。なお
第１図の点線はロウ付は処理ａの後に析出硬化処理す、
ｂ’を行なう従来の加熱パターンを示しており、ｂの保
持温度はインコロイ９０３の時効温度７２０°Ｃである
。

本実施例では、まずインコロイ９０３の時効温度７２０
℃より上であって充填金属材料の融点７８０°Ｃより以
下の７５０±２０℃の設定温度にしばらく保持して析出
硬化処理Ｂを行ない、続いて温度を充填金属材料の融点
以上に高めてロウ付は処理Ａを終えた後、冷却させる。

このようにして焼ばめた金属スリーブ３に、クロム鋼で
製造された金属軸４（第４図参照）を電子ビーム溶接し
た後、機械加工にて仕上げを施し、セラミックス製ター
ボロータシャフトを製造する。

析出硬化処理Ｂの一定温度保持時間を２０分、４５分及
び２４０分にして製造されたものについて、排気ガス温
度９５０　’Ｃでの高温高速回転試験を行なった結果、
１８０，０００ｒｐｍにおいても破壊を生じたものは無
く、いずれについてもセラミックス製タービンホイール
ｌと金属軸４か良好に結合していることか確認された。

試験例 実施例１における析出硬化処理Ｂ（第１図）の一定温度
保持静間を様々に変えて製造されたセラミックス製ター
ボロータシャフトを高温ネジリ試験機にかけ、結合部の
ｓ　ｏ　ｏ　’ｃにおける高温ネジリ強度を測定した。

なお結合部の直径はφ１２である。その結果を第３図に
示す。鎖国から、充分な結合強度を得るには、析出硬化
処理Ｂの一定温度保持時間か２０分以上必要であること
か分かる。

〈発明の効果〉 本発明のセラミックス製回転体と金属軸の結合方法によ
れば、上記の如く析出硬化型合金でできた金属スリーブ
と充填金属材料を用いるため、結合が非常に強固となる
。

また金属スリーブの析出硬化処理と充填金属材料の充填
（ロウ付は処理）を同設備内で同時に行なうことが出来
るため、例えば真空炉か１台ですむなど設備コストが削
減され、作業効率も良くなる。

同様に常温からの加熱、常温への冷却を何回も繰り返す
必要かなく、加熱時間も著しく短縮されるため、大幅な
エネルギーコストの低減と生産性の向上か達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るロウ付け・析出硬化処
理の加熱パターンを、従来のそれと対比させて示すグラ
フ。 第２図はその被処理物の組み付けられた状態を示す断面
図、 第３図は析出硬化処理時間を様々に変えて得られた製品
の高温ネジリ試験結果を示すグラフ、第４図及び第５図
は従来の結合方法で製造されたセラミックス製ターボロ
ータシャフトの一例及び他側を夫々示す部分断面図であ
る。 図中： ｌ・・・セラミックス製タービンホイール２・・・軸突
起部　　　３・・・金属スリーブ４・・・金属軸 ５・・・充填金属材料（ロウ付は材） 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 第 図 ヨτ 図 笥 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックス製回転体の軸突起部に、析出硬化型合金で
   できた金属スリーブと充填金属材料を組み付け、その状
   態で析出硬化型合金の時効温度以上かつ充填金属材料の
   融点以下の温度で２０〜２４０分間保持して金属スリー
   ブの析出硬化処理を行ない、続いて更に温度を充填金属
   材料の融点以上に加熱して該材料を上記軸突起部と金属
   スリーブの間隙に充填した後、該スリーブに金属軸を溶
   接することを特徴とするセラミックス製回転体と金属軸
   の結合方法