JPH02149479A - セラミックス部材と金属部材の結合方法 - 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】 〈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に適用でき
る、セラミックス部材と金属部材の結合方法に関する。

（従来の技術） 内燃機関のターボ過給器は排気エネルギーでターボロー
タを回し、その動力でコンプレッサーな駆動することに
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
ボ過給器付エンジンの欠点としてターボ回転の立も上が
り遅れか指摘されているが、このタービンホイールの重
量の重いことが一因とされている。

以上のことからターボロータのタービンホイールを金属
に比べて軽量で耐熱性に優れ、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。

そのためのセラミックス部材と金属部材の結合方法とし
て、ロウ材を用いた焼ばめによる方法か特開昭６３−８
２７３号に開示されている。この方法は第４図（ａ）に
示すようにセラミックス部材の回転中心部に軸突起部（
凸部１３）を設ける一方、金属軸１４の先端部に凹部１
５を設け、この凹部１５の底にロウ材１６を配した状態
で金属軸１４を加熱膨張させた後、第４図（ｂ）に示す
ように金属軸１４の凹部１５にセラミ・ンクス部材の凸
部１３を嵌込むとともに溶融したロウ材１６を両者間に
充填し、冷却することにより、焼ばめ力で結合させる方
法である。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかしながら、主として熱膨張差を利用した金属の焼ば
めの締め付は力で結合させる従来の結合方法には以下の
ような問題点かあった。

即ち、両部材の結合強度は低温において高いものの、実
用に供され結合部か高温になると、セラミックス部材の
凸部よりも、それを外側から掴んでいる金属軸の凹部の
方がより大きく膨張しようとするため、たとえ充填金属
（ロウ材）が存在するにしても結合強度か低下してしま
うという問題があった。しかもターボロータの場合、！
０万ｒｐｍを越える高回転で使用されるため、第５図に
示すようにタービンホイールｌの微小なアンバランス量
に起因する遠心力により曲げモーメントＭが加わり、金
属軸１４の四部１５を広げようとする力が作用し、実用
時の結合強度は更に弱められることになる。また、コン
パクトエンジンの小型ターボ過給器では、セラミックス
製ターボロータにおけるセラミックス部材の凸部と金属
軸の凹部との結合部を細径化しなければならず、それを
従来の結合方法で適用しようとすると充分な結合力か得
られず、排気温度９００℃の高速回転試験では、１２万
「０ｍ以下の回転数て破損する虞れのあることか分かっ
た。

本発明は上記問題点を解決する目的でなされたものであ
り、その解決しようとする課題は、高温にさらされても
強固な結合力を失わず、曲げモーメントに充分に耐え、
しかも結合部が細径化されても破損を生じる虞れのない
セラミックス部材と金属部材の結合方法を提供すること
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部材と
金属軸の結合方法は、セラミックス部材に設けたリング
溝の底部にロウ材を配置しておき、このリング溝内に、
金属部材の端部に形設された筒状部を収縮ばめ（焼はめ
又は冷やしばめ）により挿入嵌合させ、次にそれらを上
記ロウ材が溶融する温度以上に加熱保持してロウ材を上
記リング溝の内面と上記筒状部の内周面との隙間に充填
し、その後冷却することを特徴とする。

即ち本発明は、セラミックス部材及び金属部材の結合す
べき部分に夫々リング溝及び筒状部を設け、それらを結
合するに際し、その結合工程を次のように二段階とする
ものである。まず第１段階でセラミックス部材のリング
溝に低融点金属（ロウ材）を配置した状態で、上記リン
グ溝の大径側面（溝壁面であってリング中心から遠い側
の面）に金属部材の筒状部の外側面を、セラミックス部
材を加熱して焼ばめるか又は金属部材を冷却して冷やし
ぼめする。続く第２段階で、セラミックス部材のリング
溝の小径側面（溝壁面であってリング中心寄り側の面）
と金属部材の筒状部の内側面との隙間に、予め配置して
あった上記低融点金属を加熱により溶融充填し、その後
の常温までの冷却で両者の熱膨張差による締め付は力を
得て、セラミックス部材と金属部材を結合させることか
らなる。

上記リング溝の底部の形状は、応力集中防止のためＲ形
状とするのか好ましい、また金属部材の筒状部の内周面
及び外周面に応力緩和のために軟質金属を被覆しておく
のか好ましい。

〈作用〉 以上のように構成すると、セラミックス部材と金属部材
は二つの接合面（■リング溝内面の大径側面一筒状部の
外周面、■リング溝内面の小径側面一筒状部の内周面）
によって結合することとなり、熱膨張差や曲げモーメン
トによって一方の接合面での結合力か弱まると他方の接
合面では結合力が強まる。従って高温、高回転で使用さ
れても全体として結合力の低下は見られない、セラミッ
クス部材に、より熱膨張係数の大きな金属部材を嵌入す
る構造を取るため、むしろ高温になるにつれて結合強度
か高まる。

上記構成の結合方法ではリング溝底部なＲ形状としたり
筒状部に金属皮膜を形成したりするなど、結合部の破損
防止策を構することか容易となる。

〈実施例〉 以下１本発明の結合方法の実施例を説明するが、これに
より本発明は何ら限定されるものではない。

実施例１ 本実施例に係るセラミックス製乞−ボロータを製作する
ためのセラミックス製タービンホイールｌと金属軸６の
結合方法を、第１図ないし第３１２１により説明する。

セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４）製タービンホイールｌは第
１図に示すように端面中央に凸部４か形成されるように
リング溝３が設けられており、溝内面２の大径側面２ａ
は研磨加工されている。このリング溝３の底部の形状は
、結合時に加わる応力の集中を避けるためＲ形状として
あり、そのＲ形状底部に予め銀ロウ材（ＢＡｇ−８ａ）
　５がセットされている。

低熱膨張性合金（インコロイ９０３）製の金属軸６は第
２図に示すように、その結合すべき端部に筒状部７が形
成されており、筒状部７の内周面８ｂと外周面８ａ及び
端面９には、軟質金属の銅を５０〜５００　ｇｍの厚に
溶融メウキすることにより銅被覆層ｌＯが形成されてい
る。

第２図はセラミックス製タービンホイール１と金属軸６
を結合した時の状態を示すものであり、結合工程は二段
階に分けられる。まず第１段階として、セラミックス製
タービンホイールｌ側を加熱するか金属軸６側を冷却し
て、或はその両方の処理を行なって、リング溝３の大径
側面２ａと筒状部７の外周面８ａとを収縮ばめにより接
合する。なお常温での両者２ａ、　８ａの径寸法差は、
締め代か５〜３５弘■になるように設定されている。ま
た、＄１１１１０００小径側面２ｂと筒状部７の内周面
８ｂとの間には、上記収縮はめ後に１０〜１００ル■の
隙間１２か形成されるように、夫々の径寸法が設定され
ている。

次の第２段階では、収縮ばめにより嵌合されたセラミッ
クス製タービンホイールｌと金属軸６の嵌合体を、真空
炉内で銀ロウ材（ＢＡｇ−８ａ）　５の融点７７０℃以
上に加熱する。すると銀ロウ材１６か溶融し２毛細管作
用と重力Ｇの作用によって隙間１２に充填される。

この加熱中、溝内面２の大径側面２ａには、金属軸６の
筒状部７の外周面８ａから膨張による押圧力を受けるが
、その力か過大となってセラミックス製タービンホイー
ルｌを破損させることを、予め筒状部７の外周面８ａに
形成しておいた銅被覆層１０が防いでいる。

充填後の冷却過程において、セラミックス製タービンホ
イールｌのリング溝３の小径側面２ｂと金属軸６の内周
面８ｂとの間には、セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４）と金属
（インコロイ９０３）の熱膨張差による締め付は力が、
銅被覆層ｌＯと隙間１２に充填された銀ロウ材１６を介
して作用することになる。

このようにしてセラミックス製タービンホイールｌと金
属軸６を結合して得られるセラミックス製ターボロータ
は、エンジン搭載のホットスピン時において、結合部が
高温となっても、金属軸６の筒状部７から銅被覆層ｌＯ
を介して熱膨張差による押圧力が溝外周部１１に作用す
るため、従来のように高温になるに従い結合強度が低下
するという聞届は無い、また微小なアンバランス量から
くる高回転時の遠心力Ｆによって従来みられた金属軸凹
部１５（第５図参照）の広がり、それによる結合強度の
低下という問題も起こらない、これは金属軸６の筒状部
７が、タービンホイールｌの溝外周部１１から締め付は
力をうけることによる。

そして本結合方法によれば、結合部位が金属軸６の筒状
ｆｉ７の内周面と外周面の両側に設定しであるため、結
合面積が大きく増加し、結合強度か従来に比べ常温から
５００℃で３〜６ｋｇ・■向上している。従って、セラ
ミックス製ターボロータの小型化の要請に応えるため、
結合軸部を細径化しても、充分な結合強度を確保するこ
とができる。

（発明の効果） 本発明のセラミックス部材と金属軸の結合方法によれば
、上述したように高温にさらされても強固な結合強度を
失わず、曲げモーメントに充分に耐え、しかも結合部が
細径化されても破損を生じる恐れのないセラミックス−
金属結合製品を提供することができる。

また、セラミックス部材の背面部よりセラミックス側で
金属軸との結合が可能となり、従来のセラミックス部材
の背面部より金属軸側に向けて軸突起部（凸部）を設け
る構造のものに比べ、セラミックス材料費を低下するこ
とができる。

加えて金属軸の設計に自由度か広がり、軸径の細径化も
容易となる。従って、本発明方法をセラミックス製ター
ボロータに適用すれば、排気ガスによる回転性を高める
べく一段とターボロータの軽量化を進めることが可能と
なり、エンジンのレスポンス性能を向上させることかで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明の一実施例により結合さ
れるセラミックス製タービンホイール及び金属軸を示す
断面図。 第３図はその実施例により得られたセラミックス製ター
ボロータの結合構造を示す断面図、第４図（ａ）及び（
ｂ）は従来の結合方法を連続して示す説ＩＪＪ図。 第５図は従来の結合方法の問題点の説明図である。 図中。 １・・・セラミツ ２・・・溝内面 ２ｂ・・・小径側面 ５・・・ロウ材 ７・・・筒状部 ８ｂ・・・内周面 １２・・・隙間 クス製タービンホイール ２ａ・・・大径側面 ３・・・リング溝 ６・・・金属軸 ８ａ・・・外周面 ｌＯ・・・銅被覆層 特許

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックス部材に設けたリング溝の底部にロウ材を配
   置しておき、このリング溝内に、金属部材の端部に形設
   された筒状部を収縮ばめにより挿入嵌合させ、次にそれ
   らを上記ロウ材が溶融する温度以上に加熱保持してロウ
   材を上記リング溝の内面と上記筒状部の内周面との隙間
   に充填し、その後冷却することを特徴とするセラミック
   ス部材と金属部材の結合方法。