JPH0329032B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は金属・セラミツクス結合体に関する。 （従来の技術） ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラ
ミツクスは機械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐ
れているため、ガスタービンエンジン部品、デイ
ーゼルエンジン部品などの高温構造材料あるいは
耐摩耗材料として注目されている。しかし、セラ
ミツクスは一般に硬くて脆いため金属材料に比較
して成型加工性が劣る。またじん性に乏しいため
セラミツクス材料のみでエンジン部品のような機
械部品を形成することは難しく、一般には金属製
部材とセラミツクス製部材とを結合した複合構造
体としての形で用いられる。 エンジン部品として使用される金属・セラミツ
クス結合体の金属製部材とセラミツク製部材との
機械的結合方法としては、例えば第１０図に示す
ようにタービンホイールの回転軸であるセラミツ
ク製部材１に凸部を設けて該凸部の根本の断面積
が凸部の根本に向つて増加するように段付部を形
成し、該凸部とコンプレツサーホイールの回転軸
である金属製部材２とを外周に金属製の円筒状カ
ラー１５を焼ばめたことにより結合した構造（特
開昭57−20061号公報）あるいは第１１図に示す
ように、タービンホイールの回転軸であるセラミ
ツク製部材の凸部４をコンプレツサーホイール側
の回転軸である金属製部材２の端部に設けた凹部
３にかん合した構造（米国特許第3666302号明細
書）が知られている。 （発明が解決しようとする問題点） しかし、これら従来の結合構造には次のような
欠点がある。 金属製部材の結合部がセラミツク製部材の段付
部に近接しているため大きな応力集中を生じる。
すなわち、第１０図に示すような従来の結合構造
を持つ金属・セラミツクス結合体に曲げ荷重が作
用すると、曲げによる応力集中と焼ばめによる応
力集中部が重なりあつて該段付部に大きな応力を
生じ、この部分から破壊する。 本発明の目的は、セラミツク製部材と金属製部
材が焼ばめ・冷しばめ・圧入・接着・ろう付けま
たはこれらの組合せなどの手段で結合されている
金属・セラミツクス結合体において、かん合面あ
るいは接合面の端点に発生する応力集中と曲げ荷
重によりセラミツク製部材中に生じる応力集中と
の重ねあわせにより過大な応力が生じることを防
ぎ、従つて全体の強度が向上するような構造の金
属・セラミツクス結合体を提供することである。 （問題点を解決するための手段） 本発明の金属・セラミツクス結合体は、セラミ
ツク製部材に凸部を設けて該凸部の根本の断面積
が凸部の根本に向かつて増加するように段付き部
を形成し、該凸部を金属製部材に設けられた凹部
または貫通孔に圧入により結合した金属・セラミ
ツクス結合体において、該圧入を行なうときの凸
部の外径が凹部の内径よりも0.1％ないし10％大
きくするとともに、凸部外径該結合部の金属製部
材のセラミツク製部材との結合面の端点とセラミ
ツク製部材の段付き部の断面積の増加し始める点
との間に0.5mm以上の〓間が存在することを特徴
とするものである。 また、本発明の金属・セラミツクス結合体は、
セラミツク製部材に凸部を設けて該凸部の根本の
断面積が凸部の根本に向かつて増加するように段
付き部を形成し、該凸部を金属製部材に設けられ
た凹部または貫通孔にろう付けにより結合した金
属・セラミツクス結合体において、該結合がセラ
ミツク製部材の被接合部表面に金属層を設け、該
金属層と凹部との間にろう合金を使用した接合で
あるか、あるいはセラミツク製部材の被接合部表
面と凹部との間に活性金属を含むろう合金を使用
した接合であり、凸部外径該結合部の金属製部材
のセラミツク製部材との結合面の端点とセラミツ
ク製部材の段付き部の断面積の増加し始める点と
の間に0.5mm以上の〓間が存在することを特徴と
するものである。 ここで結合面の端点とは、セラミツク製部材と
金属製部材とが接触している面の、セラミツク製
部材の段付部の根本に近い方の端点のことであ
る。 （作用） 図面により本発明の構成をさらに詳しく説明す
る。第１図および第２図は本発明の金属・セラミ
ツクス結合体の具体例の構造を示したものであ
る。 第１図はセラミツク製部材１に設けられた凸部
４が金属製部材２に設けられた凹部３に結合面の
端点５とセラミツク製部材の段付部の断面積の増
加し始める点６との間に隙間L₁が存在するよう
にかん合されている金属・セラミツクス結合体の
かん合部の縦断面図である。 本発明の金属・セラミツクス結合体は、該結合
体に加えられた曲げ荷重による応力集中と結合に
よる応力集中部が重なりあわず、従つて両応力集
中の複合による大きな応力集中が発生しないよう
に、金属製部材のセラミツク製部材との結合面の
端点５とセラミツク製部材の段付部の肉厚の増加
し始める点６との間に0.5mm以上の隙間L₁を設け
て結合されている。隙間L₁は0.5mm以上であるこ
とが好ましく、１mm以上であることが特に好まし
い。 該隙間L₁が0.5mm未満である場合には、該結合
体に加えられた曲げ荷重による応力集中と結合に
よる応力集中部が重なりあい、複合して大きな応
力集中が発生するので、金属製部材とセラミツク
製部材の結合、金属・セラミツクス結合体の加工
あるいは金属・セラミツクス結合体の使用に際し
てセラミツク製部材凸部の根本部が破損しやすい
ので好ましくない。 本発明における金属製部材上の凹部３とセラミ
ツク製部材上の凸部４の結合はかん合あるいは接
合のいずれかあるいはこれらの組合せの方法で行
うことができる。 このうち、かん合は焼ばめ、冷しばめ、圧入の
いずれかの方法で行うことができる。焼ばめ、冷
しばめはセラミツクス部材凸部の外径を金属製部
材凹部の内径より大きく加工し、被かん合部材の
一方を加熱ないし冷却して、両部材間にはめこみ
可能な寸法差を生ぜしめ、その寸法差を利用して
両部材をかん合するものであるからかん合部の寸
法が大きい部材の結合方法として好ましいもので
ある。 一方、圧入はセラミツク製部材の凸部を金属製
部材に設けた凹部に荷重をかけて強制的に押し込
んでかん合する方法である。上記セラミツク製部
材の外径と金属製部材凹部の内径の寸法差は金属
製部材の変形により吸収されるので、圧入前のセ
ラミツク製部材外径と金属製部材凹部内径との仕
上げ寸法公差は焼きばめ、冷しばめの場合より大
きくて良い。このため、圧入はかん合部の寸法が
小さい部材の結合方法として好ましいものであ
る。圧入部の形状と寸法は、圧入時に作用する荷
重によつてセラミツク製部材や金属製部材が破損
しないように設定する。また、セラミツク製部材
凸部外径と、金属製部材凹部の内径との寸法差
は、かん合部が本発明の金属・セラミツクス結合
体の使用条件に応じた締付け力を有するととも
に、圧入時にセラミツク製部材と金属製部材のい
ずれもが破壊しない大きさとする。このために
は、上記寸法差はセラミツク製部材凸部の外径を
金属製部材凹部の内径よりも0.1％ないし10％大
きくするのが好ましく、１％ないし５％大きくす
るのがより好ましい。この寸法差が0.1％以下で
は、圧入部の締付け力が不足し、使用中に圧入に
よるかん合部が抜けたり緩んだりする心配がある
ので好ましくない。寸法差が10％以上になると、
圧入に際しセラミツク製部材や金属製部材が破損
するので好ましくない。なお、金属製部材のかん
合部の硬さが小さい時には上記寸法差を大きく、
硬さが大きい時には上記寸法差を小さくすれば安
定した結合強度が得られる。この圧入は室温で行
つても良いし、金属製部材のみを加熱するかある
いは金属製部材とセラミツク製部材の両方を加熱
して行つても良い。しかし、両者を加熱して圧入
する方法が最も好ましい。何となれば、両者を加
熱すると金属製部材の変形抵抗が減少し、圧入に
要する荷重が低下するので、セラミツク製部材や
金属製部材の破損が起こらなくなるうえ、圧入温
度からの冷却に際して両者の熱膨張差にもとづく
締付け力の増加が生ずるからである。セラミツク
製部材と金属製部材の両方を加熱して圧入する場
合の加熱温度は、金属製部材の熱処理温度あるい
は金属製部材の表面硬化層の軟化温度のうちいず
れか低い方の温度以下で、しかも圧入部の使用温
度以上の温度が好ましい。 ここで、金属製部材の熱処理温度は金属製部材
の硬さ調整のための熱処理温度を意味し、例えば
金属製部材が析出硬化型合金からなる場合には析
出硬化処理温度、焼き入れ硬化鋼からなる場合に
は焼き戻し温度に相当する。また、表面硬化層の
軟化温度は、表面硬化が窒化処理による場合には
窒化層の軟化温度、表面焼き入れによる場合には
焼き戻し温度に相当する。 また、本発明の金属・セラミツクス結合体のセ
ラミツク製部材と金属製部材とは耐熱性接着材に
よる接着あるいはろう付けにより接合しても良
い。接合をろう付けで行う場合には、セラミツク
製部材の被接合部表面にあらかじめ金属層を設け
ておく。該金属層は金属粉末を主成分とするペー
スト状組成物をセラミツク製部材表面に塗布、乾
燥したのち、焼き付ける方法あるいはセラミツク
製部材表面に金属を物理蒸着あるいは化学蒸着な
どで蒸着させる方法で設けることができる。金属
層を設けたセラミツク製部材と金属製部材との接
合は市販のろう合金を使用し、通常の方法で行え
ば良い。 また、上記方法のほかに、活性金属を含むろう
合金を使用して、セラミツク製部材表面に金属層
を設けることなく、セラミツク製部材と金属製部
材とを直接接合することができる。この活性金属
としては、セラミツクスが窒化物の場合には、タ
ンタル、アルミニウム、セリウム、チタン、ジル
コニウム等の金属、セラミツクスが炭化物の場合
にはクロム、タンタル、チタン、ジルコニウム、
モリブデン等の金属が利用できる。 また、本発明の金属・セラミツクス結合体を構
成する金属材料は析出硬化型合金あるいは浸炭、
窒化、表面焼き入れ、放電硬化、メツキ等の方法
で表面硬化が可能な市販の金属材料を使用するこ
とができる。 本発明の金属・セラミツクス結合体を利用し
て、ターボチヤージヤローターとする場合には、
金属製部材である金属軸表面を硬化させて該金属
軸のベアリング当接面の耐摩耗性を向上させる。
金属軸の材料として、析出硬化合金を使用する場
合には、セラミツク製部材であるセラミツク軸と
金属軸とを結合した後析出硬化処理を行う。この
場合の析出硬化型合金としては、マルエージング
鋼、析出硬化型ステンレス鋼、析出硬化型超合金
のいづれか一種以上が好ましいものである。 また、金属製部材の硬化を窒化で行う場合に
は、ステンレス鋼、ニツケル・クロム・モリブデ
ン鋼、クロム・モリブデン鋼、アルミニウム・ク
ロム・モリブデン鋼、合金工具鋼などクロムを含
有する合金のいづれか一種以上が好ましい。さら
にまた、金属軸の硬化を表面焼き入れで行う場合
には、ニツケル・クロム・モリブデン鋼、クロ
ム・モリブデン鋼、ニツケル・クロム鋼、クロム
鋼のいづれか一種以上が好ましい。 かかる金属軸の表面硬化は、セラミツク軸と金
属軸の結合前あるいは結合後のいづれで行つても
良いが、金属製部材の仕上げ加工前に実施するの
が好ましい。 金属製部材のセラミツク製部材側端面は第１図
に示すように軸方向と垂直であつてもよく、また
第２図に示すように逆テーパー面１６となつてい
ても良い。逆テーパー面１６の断面は第２図のよ
うな直線でも良く、また曲線でも良い。 第３図はセラミツク製部材１の凸部４が胴部の
一端に胴部直径より大径のフランジ８を有する円
筒状金属製部材の凹部３にかん合してなる金属・
セラミツクス結合体の構造例の縦断面図である。
このフランジ８を介して本発明の金属・セラミツ
クス結合体の金属製部材を他の金属製部材と結合
させることができる。 第４図はセラミツク部材の凸部４が、胴部の一
端にネジ部７が設けられた円筒状金属製部材２の
貫通孔３にかん合してなる金属・セラミツクス結
合体の一構造例の縦断面図である。このネジ部７
によつて本発明の金属・セラミツクス結合体の金
属製部材の胴部に他の金属製部材を組み込むこと
ができる。 第５図は金属製タペツト１１のカムとの摺接面
に本発明の金属・セラミツクス結合体がはめ込み
可能な貫通孔を設け、その貫通孔に設けたネジ９
と本発明の金属・セラミツクス結合体の金属製部
材の胴部外周に設けたネジ７とでタペツトに本発
明の金属・セラミツクス結合体を固定した、カム
との摺接面１２およびプツシユロツド当接面１０
がセラミツクスからなるタペツトである。本発明
のタペツトは本発明の金属・セラミツクス結合体
をはめこんで、カムとの摺接面を耐摩耗性にすぐ
れたセラミツクスとすることができるので耐久性
にすぐれたタペツトとすることができる。 第６図にはセラミツク製タービンホイール１３
に凸部を一体的に形成し、該凸部４がコンプレツ
サーホイール側の鋼鉄製回転軸１４の先端に設け
た凹部３にかん合されている本発明の金属・セラ
ミツクス結合体の具体的応用例であるターボチヤ
ージヤーローターである。セラミツク製タービン
ホイールとそれに続くセラミツク製シヤフトに金
属製シヤフトをかん合して、本発明の金属・セラ
ミツクス結合体としたターボチヤージヤーロータ
ーはタービンが軽量で高温強度の優れたセラミツ
ク製なので高効率のターボチヤージヤーローター
とすることができる。 第７図はセラミツク製の弁体１９の弁棒側に凸
部を一体的に形成し、該凸部４が金属製弁棒の凹
部３にかん合されている本発明の金属・セラミツ
クス結合体の具体例を示す排気弁である。軽量で
耐熱性のセラミツク製部材を弁体とすることによ
り軽量性、耐熱性に優れた排気弁とすることがで
きる。 次に本発明の限定理由を試験結果に基づいて説
明する。 試験片として大径部直径10mm、小径部直径７
mm、大径部より小径部へ移行する段付部の曲率半
径4.0mm、小径部全長30mmの窒化ケイ素製セラミ
ツク部材と胴部外径９mm、内径6.8mmの焼きなま
したクロムモリブデン鋼（JIS−SCM435）製金
属部材をかん合した第１図に示す形状の金属・セ
ラミツクス結合体を使用した。この試験片につい
て第８図に示す曲げ試験装置を用い、スパンL₂
＝40mmとして、金属製部材のかん合部の端点５と
セラミツク製部材の段付部の断面積の増加し始め
る点６との間の距離L₁を０〜４mmに変化させて
片持ちばりによる曲げ試験を行つた。 第９図は、この曲げ試験の結果を、横軸に金属
製部材のかん合部の端点５とセラミツク製部材の
段付部の断面積の増加し始める点６との間の距離
L₁を、縦軸にセラミツク製部材の破壊荷重をと
り示したものである。第９図からも明らかなよう
に、距離L₁が１mm以下で破壊荷重が低下し始め、
0.5mm以下になると破壊荷重は急激に低下し、L₁
が０mmではL₁が十分大きい時の約1/2以下とな
る。従つて、金属製部材のかん合部の端点５とセ
ラミツク製部材の段付部の断面積の増加し始める
点６との間の距離L₁は0.5mm以上であることが好
ましく、１mm以上であることが特に好ましいもの
である。 本発明の金属・セラミツクス結合体を構成する
セラミツク材料は窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイ
アロン、ジルコニア、アルミナ、ムライト、ベリ
リア等から本発明の金属・セラミツクス結合体の
使用目的に応じて選択すれば良い。例えば、本発
明の金属・セラミツクス結合体でターボチヤージ
ヤーローターを作る場合には、高温になるタービ
ンホイールは高温強度の大きい窒化ケイ素あるい
は炭化ケイ素が望ましい。 また、カムとの摺接面をセラミツクスとしたタ
ペツトを本発明の金属・セラミツクス結合体で作
る場合には、セラミツク材料として高強度、高じ
ん性のジルコニアまたは窒化ケイ素が望ましい。 また、本発明の金属・セラミツクス結合体を構
成するセラミツク製部材と金属製部材はそれぞれ
一種以上の材料で構成することができる。例え
ば、本発明の金属・セラミツクス結合体でガスタ
ービンローターを作る場合には、高温になるセラ
ミツク製タービンホイール部を高温強度が大き
く、耐クリープ性・耐酸化性に優れた炭化ケイ素
で作成し、タービンホイール部よりは温度の低い
セラミツク製軸をじん性に優れた窒化ケイ素で作
成して、両者を耐熱性接着剤などにより結合して
セラミツク製部材とすることで、耐熱性および高
強度・高じん性のガスタービンローターとするこ
とができる。 また、該ガスタービンローターの金属製部材で
ある金属製回転軸の、耐熱性が要求されるセラミ
ツク製ローターに近い側の軸の部分を耐熱性合金
で作成し、温度が低い軸の部分は価格の安い金属
で作成した後、両者を結合して金属製回転軸とし
たガスタービンローターは、全体の信頼性を保つ
たままで製造に要する価格を下げることができ
る。 （実施例） 実施例 １ 外径9.0mm、長さ60.0mmのセラミツク製丸棒を
常圧焼結法による窒化ケイ素にて作成した。この
セラミツク製部材の一端に外径5.0mm長さ40.0mm
の凸部を設けて、該凸部の根本の断面積が凸部の
根本に向つて曲率半径1.0mmで増加するように段
付部を形成した。また、全長50.0mm、外径9.0mm
のアルミクロムモリブデン鋼（JIS−SACM645）
製丸棒の一端に内径4.98mm、深さがそれぞれ38.0
mm及び38.8mmの凹部を設けた金属製部材を作成し
た。この金属製部材を500℃にてセラミツク製部
材の凸部に焼きばめして次の２種類の金属・セラ
ミツクス結合体の試験体を作成した。 試験体Ａは本発明の特徴を備えた金属・セラミ
ツクス結合体であり、該結合部の金属製部材のセ
ラミツクス製部材とのかん合面の端点とセラミツ
ク製部材の段付部の断面積の増加し始める点との
間に1.0mmの隙間を設けてある。 試験体Ｂは本発明の特徴を満足しない金属・セ
ラミツクス結合体であり、該結合部の金属製部材
のセラミツク製部材との結合面の端点とセラミツ
ク製部材の段付部の断面積の増加し始める点との
間の隙間は0.2mmである。 作成した上記の試験体Ａ，Ｂの曲げ試験を第８
図に示す曲げ試験装置で行つた。曲げ試験条件
は、第７図におけるスパンL₂が40.0mm、荷重速度
は0.05mm／minである。 曲げ試験の結果、試験体Ａの破壊荷重が21.0Kg
であるのに対し、試験体Ｂの破壊荷重は12.4Kgで
あり、本発明の金属・セラミツクス結合体の曲げ
強度は、本発明の特徴を満たさないものと比べて
特に優れていた。 実施例 ２ 外径61.0mmのタービンホイールと直径8.5mmの
軸部を有し、全長72.0mmであるセラミツク製部材
を常圧焼結法による窒化ケイ素で一体的に作成し
た。 このセラミツク製部材の軸部に付け根の半径
4.0mm、直径6.0mm、長さ15mmの凸部を加工した。 また、溶体化処理済の直径9.0mm、全長60.0mm
の析出硬化型ステンレス鋼（JIS−SUS630）の
一端に内径5.8mm、深さがそれぞれ14.0mm、14.7mm
の凹部を加工し凹部を作成した。 これら金属製部材の凹部に上記セラミツク製部
材の軸部先端の凸部を350℃で圧入して、上記金
属製部材のセラミツク製部材との結合面の端点と
セラミツク製部材の段付部の断面積の増加し始め
る点との間の隙間が1.0mm及び0.3mmとなるように
した金属・セラミツクス結合体を作成した。 金属・セラミツクス結合体を420℃で10時間加
熱し、硬化させた。しかるのちこれら金属・セラ
ミツクス結合体を第６図に示す形状のターボチヤ
ージヤーローターとするため、金属製部材の外周
を加工した。 このターボチヤーヂヤーローターのコンプレツ
サーホイール側回転軸を直径5.0mmに加工し、第
６図に示す形状とした。このコンプレツサー側回
転軸１４に内径5.2mm、外径30.0mm、長さ25.0mmの
アルミニウム合金（JIS−AC4C）製円筒をはめ、
フランジ２１とコンプレツサーホイール側回転軸
の一端に設けたネジ７の間で、締付けトルク50
Kg・cmでナツトにより固定した。このターボチヤ
ージヤーローターを高温回転試験装置に組込ん
で、燃焼ガスにより回転試験を行つたところ、金
属製部材のセラミツク製部材との結合面の端点と
セラミツク製部材の段付部の断面積の増加し始め
る点との間の隙間L₁が1.0mmのものは、
150000rpmで１時間の試験の後も何等の異常も認
められなかつたが、該隙間L₁が0.3mmのものは回
転数上昇中100000rpmに達した時に破断した。 実施例 ３ 外径40mm、高さ30mmの弁体と直径13mm、長さ25
mmの軸部からなるセラミツク製部材の常圧焼結法
による窒化ケイ素で一体的に形成した。このセラ
ミツク製部材の軸部に直径９mm、長さが20mmの凸
部を加工し、その付け根の曲率半径を1.0mmで加
工した。 また、全長200mm、外径13.0mmのアルミクロム
モリブデン鋼（JIS−SACM645）の一端に、内
径8.8mm、深さがそれぞれ14mm及び19mmの凹部を
形成した金属製の弁棒を作成した。 この金属製弁棒の凹部に上記セラミツク製部材
の凸部を350℃で圧入して、第７図に示す形状の
金属製部材のセラミツク製部材との結合面の端点
とセラミツク製部材の段付部の断面積の増加し始
める点との隙間L₁が0.1mm及び5.0mmとなるように
した。 しかるのち、これら金属・セラミツクス結合体
を第７図に示す形状の排気弁とするため、金属製
部材である金属製弁棒の外周を加工した。 上記の加工中に、該隙間L₁が0.1mmの金属・セ
ラミツクス結合体はセラミツク製部材凸部の付け
根で破損した。 これに対し、該隙間L₁が5.0mmの金属・セラミ
ツクス結合体は何等の異常なく第７図の形状の排
気弁に加工することができた。 実施例 ４ セラミツク製部材の凸部と、金属製部材の凹部
との関係を調べるため、外径9.0mm、長さ60.0mm
のセラミツク製丸棒を常圧焼結法による窒化珪素
にて作成した。このセラミツク製部材の一端に外
径5.0mm、長さ40.0mmの凸部を設けて、該凸部の
根本の断面積が凸部の根本に向かつて曲率半径
1.0mmで増加するように段付部を形成した。また、
全長50.0mm、外径9.0mmのアルミクロムモリブデ
ン鋼（JIS−SACM645）製丸棒の一端には第２
図に示す形状の凹部を設けた金属製部材を作成し
た。なお、該凹部の内径を第１表のごとく変化さ
せた。また、該凹部の内径が4.975mmの金属製部
材において、凹部の深さを38.0mmと38.8mmの２種
類作成した。これらの金属製部材の凹部を室温に
てセラミツク製部材の凸部に圧入して第１表に示
す金属・セラミツクス結合体の試験体を作成し
た。凹部深さが38.0mmの試験体は、本発明の特徴
を備えた金属・セラミツクス結合体であり、該結
合部の金属製部材のセラミツク製部材との結合面
の端点とセラミツク製部材の段付部の断面積の増
加し始める点との間に1.0mmの〓間を設けてある。
一方、凹部深さが38.8mmの試験体は、本発明の特
徴を満足していない金属・セラミツクス結合体で
あり、該結合部の金属製部材のセラミツク製部材
との結合面の端点とセラミツク製部材の段付部の
断面積の増加し始める点との間に0.2mmの〓間し
か設けていない。 作成した上記の試験体の捩り試験と曲げ試験を
行なつた。曲げ試験は実施例１と同じ方法で行
い、試験体の曲げによる破壊荷重を測定した。捩
り試験は試験体のセラミツク製部材と金属製部材
の両側で捩りトルクを試験体に加え、セラミツク
製部材が結合面において滑つたり、あるいは破壊
したときの捩りトルクを測定した。なお、捩りト
ルクは金属・セラミツクス結合体の結合力を評価
する目的で行つた試験である。 試験結果を第１表に示す。

【表】 第１表から明らかなように、本発明の試験体は
捩りトルク及び曲げ破壊荷重のいずれもが比較例
よりも大きく、優れていることが判つた。なお、
比較例のうち、凸部外径と凹部内径との寸法差が
0.06％と本発明の特徴よりも寸法差が小さい試験
体は曲げ破壊荷重は大きいが、捩りトルクが小さ
いため、結合体として好ましくない。また、該結
合部の金属製部材のセラミツク製部材との結合面
の端点とセラミツク製部材の段付部の断面積の増
加し始める点との間の〓間が0.2mmの試験体は、
捩りトルクは充分大きいが曲げ破壊荷重は小さい
ため、結合体として好ましくない。さらに、凸部
外径と凹部内径との寸法差が12.5％、15.0％と本
発明の特徴よりも寸法差が大きい試験体は、圧入
時にセラミツク製部材凸部が破壊するため、好ま
しくない。 （発明の効果） 以上述べたところから明らかなように、本発明
の金属・セラミツクス結合体は結合部の金属製部
材のセラミツク製部材との結合面の端点とセラミ
ツク製部材の段付部の断面積の増加し始める点と
の間に0.5mm以上の隙間を設けてあるので、本発
明の金属・セラミツクス結合体に曲げ荷重が作用
しても、曲げによる応力集中と結合による応力集
中とが重ならず、従つて生じる応力が小さいた
め、従来の金属・セラミツクス結合体の破壊荷重
以上の荷重に耐えることができる。さらにまた、
作用する荷重が変らない場合には、セラミツク製
部材を小型にすることができる。 特に、セラミツク製タービンホイールとそれに
続くセラミツク製シヤフトに金属製シヤフトを結
合して、本発明の金属・セラミツクス結合体とし
たターボチヤージヤーローターはタービンが軽量
で高温強度の優れたセラミツク製なので高効率の
ターボチヤージヤーローターとすることができ
る。 また、タペツトも本発明の金属・セラミツクス
結合体をはめこんで、カムとの摺接面を耐摩耗性
にすぐれたセラミツクスとすることができるので
耐久性にすぐれたタペツトとすることができる。 また、排気弁も本発明の金属・セラミツクス結
合体を組み込んで、軽量性・耐熱性に優れた排気
弁とすることができる。 このように、本発明の金属・セラミツクス結合
体は本発明の金属・セラミツクス結合体そのも
の、あるいは他の金属製部材と組合せて使用する
ことにより、セラミツクスの耐熱性、耐酸化性、
断熱性、軽量性、高温強度を生かしてターボチヤ
ージヤーローター、ピストン、タペツト、吸排気
弁、ロツカーアーム、カムなどのエンジン部品お
よびその他の高温や繰り返し荷重を受ける構造体
部品として使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図は本発明の金
属・セラミツクス結合体の具体例を示す説明図、
第５図は本発明の金属・セラミツクス結合体の具
体的応用例であるタペツトの構造の縦断面を示す
説明図、第６図は本発明の金属・セラミツクス結
合体の具体的応用例であるターボチヤージヤーロ
ーターのかん合部の縦断面を示す説明図、第７図
は本発明の金属・セラミツクス結合体の具体的応
用例である排気弁のかん合部の縦断面を示す説明
図、第８図は本発明の金属・セラミツクス結合体
の曲げ試験の方法を示す説明図、第９図はセラミ
ツク製部材段付部の断面積の増加し始める点と結
合面の端点との距離と曲げ強度特性との関係を示
す特性図、第１０図及び第１１図は従来の金属・
セラミツクス結合体の具体例の構造の縦断面図を
示す説明図である。 １……セラミツクス製部材、２……金属製部
材、３……金属製部材上の凹部、４……セラミツ
ク製部材上の凸部、５……金属製部材のセラミツ
ク製部材とのかん合面の端点、６……段付部の断
面積の増加し始める点、７……金属製部材の胴部
に設けたネジ、８……フランジ、９……ネジ、１
０……プツシユロツド当接面、１１……金属製タ
ペツト本体、１２……カムとの摺接面、１３……
タービンホイール、１４……コンプレツサーホイ
ール側回転軸、１５……金属製カラー、１６……
入り口逆テーパー部、１７……固定台、１８……
押し治具、１９……セラミツク製弁体、２０……
金属製弁体、２１……フランジ、L₁……金属製
部材のかん合部の端点とセラミツク製部材の段付
部の断面積の増加し始める点の間の隙間、L₂…
…曲げ試験のスパン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツク製部材に凸部を設けて該凸部の根
   本の断面積が凸部の根本に向かつて増加するよう
   に段付き部を形成し、該凸部を金属製部材に設け
   られた凹部または貫通孔に圧入により結合した金
   属・セラミツクス結合体において、該圧入を行な
   うときの凸部の外径が凹部の内径よりも0.1％な
   いし10％大きくするとともに、凸部外径該結合部
   の金属製部材のセラミツク製部材との結合面の端
   点とセラミツク製部材の段付き部の断面積の増加
   し始める点との間に0.5mm以上の〓間が存在する
   ことを特徴とする金属・セラミツクス結合体。 ２ セラミツク製部材に凸部を設けて該凸部の根
   本の断面積が凸部の根本に向かつて増加するよう
   に段付き部を形成し、該凸部を金属製部材に設け
   られた凹部または貫通孔にろう付けにより結合し
   た金属・セラミツクス結合体において、該結合が
   セラミツク製部材の被接合部表面に金属層を設
   け、該金属層と凹部との間にろう合金を使用した
   接合であるか、あるいはセラミツク製部材の被接
   合部表面と凹部との間に活性金属を含むろう合金
   を使用した接合であり、凸部外径該結合部の金属
   製部材のセラミツク製部材との結合面の端点とセ
   ラミツク製部材の段付き部の断面積の増加し始め
   る点との間に0.5mm以上の〓間が存在することを
   特徴とする金属・セラミツクス結合体。 ３ セラミツク製部材が窒化ケイ素、炭化ケイ
   素、サイアロン、ジルコニア、ムライト、アルミ
   ナ、ベリリアの一種以上からなる特許請求の範囲
   第１項または第２項に記載の金属・セラミツクス
   結合体。 ４ セラミツク製部材がターボチヤージヤーロー
   ターのタービンホイール側の回転軸の一部、金属
   製部材がターボチヤージヤーローターのコンプレ
   ツサーホイール側の回転軸の一部である特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の金
   属・セラミツクス結合体。 ５ 金属製部材の一部あるいは全部が析出硬化処
   理、窒化処理、または高周波焼き入れのうちいず
   れかあるいはこれらの組合せにより硬化されてい
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載の金属・セラミツクス結合体。 ６ 金属製部材がステンレス鋼、ニツケル・クロ
   ム・モリブデン鋼、クロム・モリブデン鋼、アル
   ミニウム・クロム・モリブデン鋼、マルエージン
   グ鋼、又は析出硬化型超合金の一種以上からなる
   特許請求の範囲第５項記載の金属・セラミツクス
   結合体。 ７ セラミツク製部材がタペツトのカムとの摺接
   部の一部、金属製部材がタペツトの本体または本
   体との結合に用いられている部材の一部である特
   許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の金属・セラミツクス結合体。 ８ セラミツク製部材が排気弁の弁体の一部ある
   いは全部、金属製部材が排気弁の弁棒である特許
   請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   の金属・セラミツクス結合体。