JPH0260635B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は例えばセラミツク軸部材と金属軸部材
とを接合してなる接合体に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般にセラミツク軸部材と金属軸部材とを接合
する接合体において、第１図で示すように例えば
丸棒状をなすセラミツク軸部材１と丸棒状をなす
金属軸部材２とを接合する場合に、セラミツク軸
部材１の接合面１ａを凸部の表面とし且つ金属軸
部材２の接合面２ａを接合面１ａの外側に接する
凹部の表面にして、凸部を凹部に嵌合して両接合
面１ａ，２ａを接合する構成が作業性の良さと高
い接合強度を得られることが広く採用されてい
る。

このようなセラミツク軸部材１と金属軸部材２
との接合体における接合部の接合方法は、接合部
の構成および各軸部材１，２の熱膨張率の差を利
用して焼きばめにより接合する方法が多く行なわ
れており、またろう材を用いたろう付けにより接
合する方法も行なわれている。

しかしながら、このような従来のセラミツク軸
部材と金属軸部材との接合体には、接合時の熱が
接合強度に与える問題がある。

第１に、焼きばめやろう付けのように加熱を伴
う方法により接合する場合には、セラミツク軸部
材１の接合面１ａの頂面と金属軸部材２の接合面
２ａの底面との間における接合部内空間３に残存
するわずかな空気が、接合作業時の熱により加熱
されて膨張する。そして、この膨張した空気は密
閉された接合部内空間３から外部へ逃げることが
できないために、接合面１ａと接合面２ａとの接
触部に侵入して気泡を形成して接合面積を減少さ
せ、あるいは両部材１，２の軸ズレ、はめ合い寸
法不良などの現象を生じさせて、接合面１ａ，２
ａが確実に接合できず、セラミツク軸部材と金属
軸部材との接合不良の原因になることがある。

第２に、セラミツク軸部材１と金属軸部材２を
接合する時に両方の軸部材１，２が熱せられて膨
張するが、両方の軸部材１，２の熱膨張率が異な
るために、この熱膨張率差に起因する残留歪が両
軸部材１，２の接合部に生じ、この残留歪が接合
強度を低下させることがある。

しかして、最近は自動車のエンジンの分野にセ
ラミツク部品を用いることが実用化されつつあ
る。例えば、ターボエンジンにおけるターボチヤ
ージヤをセラミツクで形成し、このターボチヤー
ジヤの軸部を金属製の回転軸に接合することが考
えられる。この場合、ターボチヤージヤは回転体
であるから、回転軸との接合部には接合強度を高
めるために前記の構成が適している。そこで、前
記の構成をなす接合部における接合を確実に行な
うことが必要である。

［発明の目的］ 本発明は前記事情に基づいてなされたもので、
セラミツク軸部材と金属軸部材との接合部におけ
る熱による影響を抑制し、両方の軸部材が確実に
接合された接合体を提供することを目的とする。

［発明の概要］ 本発明の接合体は、表面を接合面として用いる
凹部を設けた金属軸部材と、表面を接合面として
用いる凸部を設け且つこの凸部を前記金属軸部材
の凹部に嵌合したセラミツク軸部材と、前記金属
軸部材の接合面と前記セラミツク軸部材の接合面
との間に設けられて両方の接合面を接合する中間
緩衝層とを具備し、前記金属実部材または前記セ
ラミツク軸部材の少なくとも一方に、前記金属軸
部材の凹部と前記セラミツク軸部材の凸部との間
で形成される内部空間と軸部材外部とを連通する
空気孔を形成したことを特徴とするものである。

すなわち、各軸部材の接合面を嵌合させてなる
接合部の内部空間に残存する空気が、接合作業の
熱により膨張した時に、膨張空気を空気孔を通し
て外部へ逃がすことにより、空気が接合面の接触
部に侵入して気泡を形成したり、両軸部材間の軸
ズレ、はめあい寸法不良などの接合不良の原因と
なる現象の発生を防止できるものである。

また、本発明ではセラミツク軸部材と金属軸部
材との間の熱膨張率の差に起因する残留歪を解消
するための中間緩衝層を設けて両軸部材の接合強
度を高めている。すなわち、セラミツク部材と金
属軸部材の夫々の熱膨張率が異なるために、単に
両軸部材の接合面を有する凸部と凹部を嵌合して
両接合面を接合しただけでは、接合作業時の熱に
よりセラミツク軸部材と金属軸部材が膨張した時
に両軸部材の接合部に無理な力が加わり接合部に
歪が発生する。この歪が両軸部材の接合部に残留
すると接合部の接合強度を弱める原因となる。し
かし、本発明ではセラミツク軸部材の接合面と金
属軸部材との間に銅などからなる中間緩衝層を設
けているので、両軸部材の熱膨張時に両軸部材の
接合部に加わる力を中間緩衝層で緩和して接合部
に力が加わることを抑制し接合部における歪の発
生を小さくすることができる。このため、セラミ
ツク軸部材と金属軸部材との接合部における残留
歪による接合強度の低下を防止できる。

なお、本発明の接合体においてはセラミツク軸
部材の接合面全体と金属軸部材の接合面全体の間
に中間緩衝層が設けられ、両軸部材の接合面は直
接接触する箇所が無い。

本発明はセラミツク軸部材と金属軸部材とを接
合してなる接合体に適用できる。すなわち、一方
の部材をセラミツク軸部材とし、一方の部材より
熱膨張率が大なる他方の部材を金属軸部材とす
る。セラミツク軸部材としては、窒化けい素、窒
化アルミニウムなどの窒化物、窒化けい素などの
炭化物またはホウ化物などの非酸化物系セラミツ
クおよびアルミナなどの酸化物系があげられる。
金属軸部材としては、銅、鉄、クロム、ニツケル
などの単体、合金あるいは混合物があげられる。

本発明の接合体における接合部の形態は、次の
通りである。すなわち、第２図および第３図で示
すようにセラミツク軸部材１に凸部を形成して、
その表面を接合面１ａとし、また金属軸部材２に
セラミツク軸部材１の凸部に適合する形状の凹部
を形成して、その表面を接合面２ａとする。そし
て、セラミツク軸部材１の凸部を金属軸部材２の
凹部に嵌合して、凸部の接合面１ａと凹部の接合
面２ａとを接合している。接合面１ａを有する凸
部と接合面２ａを有する凹部の形状は第２図で示
すテーパ状のもの、第３図で示すスレート状のも
のあるいはその他の形状のものであつても良い。
また、セラミツク軸部材１の凸部の接合面１ａと
金属軸部材２の凹部の接合面２ａとの間に中間緩
衝層Ａが形成され、両接合面１ａ，２ａは中間緩
衝層Ａを介して接合されている。

接合体の接合部に設ける空気孔は、第２図およ
び第３図で示すようにセラミツク軸部材１と金属
軸部材２との接合部に形成される内部空間３と接
合体の外部とを連通するもので、図示するように
金属軸部材２の方に空気孔４を形成することが望
ましい。これは金属軸部材２の方が空気孔４の機
械加工が容易であるからである。また空気孔４の
数、形成位置、寸法などは、接合部の形状、接合
体の用途などにより適当なものを選択する。例え
ば、第２図て示すように空気孔４を金属軸部材２
の軸方向に沿つて形成し、内部空間３より離れた
箇所で外部に開口する。第３図で示すように金属
軸部材２の内部空間３に近接した箇所に形成す
る。また、セラミツク軸部材１に空気孔を形成す
る、あるいはセラミツク軸部材１の凸部の接合面
１ａ金属軸部材２の凹部の接合面２ａとの接触部
に空気孔を形成するということも可能である。な
お、接合部に形成される内部空間とは接合面１
ａ，２ａの間で形成される密閉空間のことも対象
にしている。

セラミツク軸部材と金属軸部材とを接合する接
合方法としては、両軸部材の接合面間にチタン、
ジルコニウムまたはそれらの合金からなる活性金
属を介在して加熱することにより、（両軸部材間
に加圧する場合もある）直接拡散接合する方法、
セラミツク軸部材の接合面をメタライズ処理して
ろう付けにより金属軸部材と接合する方法、焼き
ばめにより接合する方法、さらにはセラミツク軸
部材と金属軸部材とを接触して接合する方法など
がある。

なかでも次の方法により両軸部材を直接接合す
る方法が望ましい。すなわち金属軸部材を酸素等
の結合剤で表面処理するかあるいは金属軸部材に
結合剤を含有させて、これをセラミツク軸部材に
接触配置させ、窒素ガス等の不活性ガス中で加熱
する方法、または結合材を含有しないあるいは結
合剤で処理されていない金属軸部材を使用する場
合は、金属軸部材をセラミツク軸部材と接触配置
して結合剤を含むガス雰囲気中で加熱する方法が
望ましい。結合剤は、金属との間に共晶合金を生
成するものであり、酸素、イオウ、リン、ケイ素
等があげられる。これらはセラミツク軸部材と金
属軸部材のそれぞれの種類および組合せに応じて
適宜選択する。例えば金属軸部材が銅、鉄、クロ
ムの場合は、結合剤としては酸素、イオウが適し
ており、アルミニウムの場合はケイ素が適してい
る。

またセラミツク軸部材と金属軸部材とを接触さ
せて加熱する温度は金属の融点以下で且つ金属と
結合剤との共晶合金の共晶温度以上が適してい
る。またセラミツク軸部材が窒化けい素等の非酸
化物系セラミツクの場合は、セラミツク軸部材を
あらかじめ結合剤で表面処理あるいは結合剤を含
有させてから金属軸部材と接触させて加熱するこ
とが望ましい。すなわち、結合剤が酸素の場合、
セラミツク軸部材を酸化処理するかあるいはセラ
ミツク軸部材に酸化物を含有させる。この直接接
合させる方法が好ましい理由は、前述したろう付
け方法の場合では、セラミツク軸部材の追随、移
動によりろう材の分布が変化して不均一になり、
接合状態が部分劣化する欠点があり、またこのろ
う付け方法では少なくとも２回の熱処理が必要で
あるのに対し、直接接合させる場合は１回の熱処
理で済むことによる。

接合体においてセラミツク軸部材の接合面と金
属軸部材の接合面の間に中間緩衝層を設けるため
の好ましい態様は、セラミツク軸部材の接合面に
前述した直接接合法により接合し易い金属材、具
体的には銅材を接合する方法が挙げられる。この
方法によれば両軸部材の接合面の間に強固に中間
緩衝層を形成することができる。また、この場合
にはろう材を用いてセラミツク軸部材と金属軸部
材とを接合すると良い。

［発明の実施例］ 第４図は本発明の一実施例を示し、これは自動
車エンジンに用いられるセラミツクで形成された
ターボチヤージヤの軸と金属で形成された回転軸
とを接合したものである。第５図はチヤージヤ軸
と回転軸との接合部を拡大して示している。ター
ボチヤージヤ５とチヤージヤ軸６は窒化けい素
（Si₃N₄）で一体に形成され、チヤージヤ軸６の
端部はテーパ状をなす凸部が形成され、この凸部
の表面が接合面６ａとされている。回転軸７はク
ロム−モリブデン鋼で形成され、端部にはテーパ
孔状をなす凹部が形成され、この凹部の表面が接
合面７ａとされている。回転軸７には接合面７ａ
の底部と回転軸７の外表面との間を貫通して空気
孔８が形成されている。チヤージヤ軸６の接合面
６ａを有する凸部を回転軸７の接合面７ａを有す
る凹部に嵌合して次に述べる方法で接合されてい
る。チヤージヤ軸６の接合面６ａに酸化処理（温
度1290℃、10時間）により酸化膜９を形成し、酸
化膜９に中間緩衝層として厚さ約0.3mmの銅膜１
０を接して不活性雰囲気中で約1075℃に加熱して
直接接合させる。回転軸７の接合面７ａの表面に
はメツキ処理によりニツケルメツキ膜１１を形成
する。そして、チヤージヤ軸６の接合面６ａと回
転軸７の接合面７ａとを嵌合し、銀ろう１２を用
いてろう付けにより接合する。ここで、チヤージ
ヤ軸６の凸部の接合面６ａの頂面と回転軸７の凹
部の接合面７ａの底面との間に生じた内部空間１
３は、回転軸７に形成した空気孔８により外部と
連通する。このため、ろう付けを行なう時にその
熱により内部空間１３に残存する空気が加熱され
て膨張しても、この膨張した空気が空気孔８を介
して軸の外部へ逃げる。従つて、膨張した空気が
接合面６ａと接合面７ａとの接触部（ろう付け
部）に侵入したり、接合部材６，７の回転軸がズ
レたりすることがなく、接合面６ａと接合面７ａ
のろう付けによる接合及び回転体のバランシング
が確実となる。また、空気孔７はろう付けに用い
たろう材の余剰分が溜まる空間としても有用であ
る。しかして、チヤージヤ軸６と回転軸７はター
ボチヤージヤ５によつて回転される。このため、
両軸６，７の接合部には大なる接合強度が要求さ
れるが、前記のように両軸６，７の接合部は確実
に接合されているので回転に充分耐え得る接合強
度を有している。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の接合体によれば、
セラミツク軸部材と金属軸部材との接合部の内部
空間に残存する空気を外部へ排出するので、空気
の熱膨張による両軸部材の接合不良を防止でき
る。また、セラミツク軸部材と金属軸部材とを中
間緩衝層を介して接合するので、両部材の熱膨張
差による接合部での残留歪の発生を防止できる。
従つてセラミツク軸部材と金属軸部材とを強固に
接合することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の接合体を示す断面図、第２図お
よび第３図は夫々本発明の接合体を示す断面図、
第４図は本発明の接合体の一実施例を示す一部切
欠正面図、第５図は同接合体の接合部を示す拡大
断面図である。 １……セラミツク軸部材、１ａ……接合面、２
……金属軸部材、２ａ……接合面、３……接合部
内部空間、４……空気孔、５……ターボチヤージ
ヤ、６……チヤージヤ軸、７……回転軸、８……
空気孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面を接合面として用いる凹部を設けた金属
   軸部材と、表面を接合面として用いる凸部を設け
   且つこの凸部を前記金属軸部材の凹部に嵌合した
   セラミツク軸部材と、前記金属軸部材の接合面と
   前記セラミツク軸部材の接合面との間に設けられ
   て両方の接合面を接合する中間緩衝層とを具備
   し、前記金属軸部材または前記セラミツク軸部材
   の少なくとも一方に、前記金属軸部材の凹部と前
   記セラミツク軸部材の凸部との間で形成される内
   部空間と軸部材外部とを連通する空気孔を形成し
   たことを特徴とする接合体。 ２ セラミツク軸部材はSi₃N₄からなる特許請求
   の範囲第１項記載の接合体。 ３ 中間緩衝層は銅からなり、セラミツク軸部材
   に直接接合されたものである特許請求の範囲第１
   項記載の接合体。