JPH0336787B2 - - Google Patents

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JPH0336787B2
JPH0336787B2 JP61032851A JP3285186A JPH0336787B2 JP H0336787 B2 JPH0336787 B2 JP H0336787B2 JP 61032851 A JP61032851 A JP 61032851A JP 3285186 A JP3285186 A JP 3285186A JP H0336787 B2 JPH0336787 B2 JP H0336787B2
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ceramic
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Isao Oda
Takao Soma
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NGK Insulators Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野) 本発明はセラミツクスと金属との結合体に関す
るものである。 (従来の技術) 従来、セラミツクスと金属との結合体として
は、第7図にその部分断面を示すように、金属製
部材41の結合端面に凹部42を形成してその凹
部42内に結合すべきセラミツク製部材43の凸
部をかん合して結合するのが一般的であつた。 (発明が解決しようとする問題点) 上述した構造のセラミツクス・金属結合体にお
いては、金属製部材41とセラミツク製部材43
との間に熱膨張差が存在するため、高温において
結合が緩んで極端な場合はセラミツク製部材43
が金属製部材41から抜けてしまう欠点があつ
た。 また、かん合端では、かん合による圧縮力のた
め、セラミツク製部材中に応力集中が生じ、その
結果、結合体の破壊につながることもあり、信頼
性の高いセラミツクス・金属結合体を得ることが
出来ない欠点があつた。 本発明の目的は上述した不具合を解消して、室
温から高温までの広い温度範囲においてセラミツ
ク製部材と金属製部材との結合強度が高いと共
に、結合によるセラミツク製部材の応力集中が小
さく、その結果、破壊しにくく信頼性が高いセラ
ミツクス・金属結合体を提供しようとするもので
ある。 (問題点を解決するための手段) 本発明のセラミツクス・金属結合体は、セラミ
ツク製部材と金属製部材とが結合したセラミツク
ス・金属結合体において、セラミツク製部材と金
属製部材との間に時効硬化型の低熱膨張金属から
なる中間部材を設け、該セラミツク製部材に設け
た凸部を該中間部材に設けた凹部にかん合により
結合し、該中間部材の他端を金属製部材と接合す
ると共に該セラミツク製部材凸部を該中間部材凹
部から抜いた時、該セラミツク製部材凸部外径と
該中間部材凹部の内径の差が該セラミツク製部材
凸部外径の0.3%以上であることを特徴とするも
のであり、好ましくはセラミツク製部材凸部の実
質的全周にわたつて溝を設けて、該溝の端がかん
合開始部になるように中間部材凹部が位置するこ
とを特徴とするものである。 (作用) 上述した構造のセラミツクス・金属結合体にお
いて、セラミツク製部材と金属製部材との間に時
効硬化型の低熱膨張金属からなる中間部材を設け
て、圧入部を抜いた時の中間部材凹部の内径とセ
ラミツク製部材凸部外径の差がセラミツク製部材
凸部外径の0.3%以上とすることにより室温から
高温までの広い温度範囲において十分な結合強度
を維持できる。 本発明においてセラミツク製部材凸部を中間部
材凹部から抜いた時に該セラミツク製部材凸部外
径と中間部材凹部内径の差が、該セラミツク製部
材凸部外径の0.3%以上と限定した理由は、以下
の実施例に示すように、時効硬化型の低熱膨張金
属からなる中間部材において、0.3%未満である
とセラミツク製部材と中間部材の結合力が不足し
て使用中、特に高温で緩んだり極端な場合は抜け
てしまうことがあるためである。 また、セラミツク製部材凸部の全周にわたつて
溝を設けて、該溝の一部をおおうように中間部材
のかん合端が位置するように構成することによ
り、従来生じていたかん合端の応力集中が回避で
きる。 本発明において、セラミツク製部材凸部の全周
にわたつて設けた溝の深さをセラミツク製部材凸
部外径の2〜12%好ましくは3〜8%と限定した
理由は、以下の実施例に示すように引つ張りに対
して溝の深さが浅いと溝によるかん合端の応力集
中緩和の効果が小さく、逆に深いと切欠きによる
応力集中が大きくなるためである。 (実施例) 第1図a〜dは、本発明のセラミツクス・金属
結合体の一実施例を示す部分断面図である。本実
施例はセラミツク製部材1、時効硬化型の低熱膨
張金属よりなる中間部材2および金属製部材3の
外径が等しい軸構造の例を示しているが、本発明
は軸径が等しい場合にのみ限定されるものではな
い。本実施例では、セラミツク製部材1の端部に
凸部1aを設け、この凸部1aを中間部材2の一
端に設けた凹部2bまたは貫通穴2cに圧入等の
方法によりかん合して結合している。また、中間
部材2の他端2dは金属製部材3と摩擦圧接等の
方法により接合されている。さらに、第1図cお
よびdに示す実施例では、セラミツク製部材凸部
1aの実質的全周にわたつて溝4を設け、溝の端
部5がかん合開始部6になるように中間部材凹部
2bが位置するように結合された構造を示してい
る。 実施例 1 第2図a,bにその部分断面図および側面図を
示す形状のSi3N4よりなるセラミツク製部材1
1、時効硬化型の低熱膨張合金であるインコロイ
903(商標名:Ni−Co−Fe系合金)よりなる中間
部材12およびSACM645よりなる金属製部材1
3よりなるねじり試験体を室温で圧入し、720℃
8時間、620℃10時間の時効処理後加工して作製
し、500℃でねじりトルクを測定し、ねじり試験
後引抜き、中間部材12の内径dmおよびセラミ
ツク製部材凸部外径dcを測定し、中間部材12
の内径dmとセラミツク製部材凸部外径dcとの差
2δ、すなわち、2δ=dc−dmを求めた。第3図に
結果を示す。なお、圧入部の形状はセラミツク製
部材11の凸部外径dc=10mm、中間部材12の
外径Dm=15mm、圧入距離6mmであつた。また、
中間部材として、インコロイ909、コバールを用
いた同形状の試験体についてもねじりトルク、2δ
を測定した。結果を第3図に示す。また、各金属
の熱膨張係数を表1に示す。
【表】 第3図から明らかなように2δ/dcが0.4%程度
のもので時効硬化型の低熱膨張金属からなる中間
部材12を設けた本発明のねじりトルクが3.9〜
4.4Kg・mであるのに対し、中間部材を設けなか
つたものはねじりトルクが1.5〜1.9Kg・mと十分
な結合力が得られなかつた。また、中間部材を設
けたものでも2δ/dcが0.3%以上のものは、ねじ
りトルクが2Kg・m以上あり十分な締めつけ力が
得られるのに対し、2δ/dcが0.3%以下では結合
力が十分に得られなかつた。 実施例 2 第4図に示す形状のSi3N4よりなるセラミツク
製部材21、インコロイ903よりなる中間部材2
2およびSNCM439よりなる金属製部材23より
なる引張試験体を圧入により得、図示した荷重P
を負荷して破断荷重を測定した。第5図に結果を
示す。なお、圧入部の形状はセラミツク製部材2
1の凸部外径dc=11mm、中間部材22の外径Dm
=16mm、圧入距離8mm、2δ/dc=0.4%であつた。 第5図から明らかなように、本発明に属する溝
を設けたセラミツクス・金属結合体の引張強度は
溝の深さaがセラミツク製部材凸部外径dcの2
〜12%で十分な引張強度が得られ、特に、3〜8
%で優れている。 実施例 3 第6図は、本発明をセラミツクターボチヤージ
ヤーロータに応用した例を示す部分断面図であ
る。本実施例では、直径41mmのSi3N4よりなるタ
ービンホイール31を外径10mmの軸部32におい
て、インコロイ903よりなる外径15mmの中間部材
33と圧入によりかん合し、中間部材33は
SNCM439よりなる金属製軸34に摩擦圧接によ
り接合されている。さらに、本実施例では、セラ
ミツク製軸凸部の全周にわたつて深さa=0.5mm
の溝35を設け、溝の端部36がかん合開始部に
なるように中間部材凹部が位置しており、
SNCM439よりなる軸部を高周波焼入れ、焼戻し
により硬さを調整した。 このセラミツクターボチヤージヤーロータを高
温回転試験装置に組み込んで800℃の燃焼ガスに
より、100000rpmの回転数で50時間の回転試験を
行つたがなんら異常は認められなかつた。 なお、セラミツクターボチヤージヤーロータを
引い抜いた後の2δ/dcは、0.42%であつた。 上述した結果から、セラミツク製部材と金属製
部材との間に時効硬化型の低熱膨張金属からなる
中間部材を設けて、圧入部を抜いた時の中間部材
凹部の内径とセラミツク製部材凸部外径の差がセ
ラミツク製部材凸部外径の0.3%以上とすること
により室温から高温までの広い温度範囲において
十分な結合強度を維持でき、また、セラミツク製
部材凸部の全周にわたつて溝を設けて、該溝の端
部がかん合開始部になるように中間部材凹部が位
置するように構成することにより結合部の強度を
高められることがわかつた。 本発明は、上述した実施例にのみ限定されるも
のではなく、幾多の変形、変更が可能である。例
えば、セラミツクスとしてSi3N4を用いたがこれ
に限定されるものではなく、例えば、炭化ケイ
素、サイアロン、ジルコニア、ムライト、アルミ
ナ、ベリリア等も使用できる。また、中間部材と
してはインコロイ903、インコロイ909を使用した
がこれに限定されるものではなく他の時効硬化型
の低熱膨張金属であればなんでも使用できること
はいうまでもない。さらに、金属製部材としては
SNCM439、SACM645を使用したがこれに限定
されるものではなく他の金属も使用できることは
いうまでもない。 (発明の効果) 以上詳細に説明したことから明らかなように、
本発明のセラミツクス・金属結合体によれば、セ
ラミツク製部材と金属製部材との間に時効硬化型
の低熱膨張金属からなる中間部材を設け、かん合
部を引き抜いた時の中間部材凹部内径とセラミツ
ク製部材凸部外径との差を限定することにより、
室温から高温までの広い範囲において結合強度が
高いと共に、セラミツク製部材凸部に設けた溝に
よりかん合端の応力集中が回避され、信頼性の高
いセラミツクス・金属結合体を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図a〜dはそれぞれ本発明のセラミツク
ス・金属結合体の一実施例を示す部分断面図、第
2図a,bは本発明のねじり試験体の部分断面図
および側面図、第3図はねじりトルクと2δ/dc
との関係を示すグラフ、第4図は本発明の引張試
験体の部分断面図、第5図は引張荷重とa/dc
との関係を示すグラフ、第6図は本発明をセラミ
ツクターボチヤージーロータに応用した例を示す
部分断面図、第7図は従来のセラミツクス・金属
結合体の一実施例を示す部分断面図である。 1,11,21……セラミツク製部材、1a…
…凸部、2,12,22……中間部材、2b……
凹部、2c……貫通孔、2d……摩擦圧接、3,
13,23……金属製部材、4……溝、5……溝
の端部、6……かん合開始部、31……セラミツ
クロータ、32……軸部、33……中間部材、3
4……金属製軸、35……溝、36……溝の端
部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 セラミツク製部材と金属製部材とが結合した
    セラミツクス・金属結合体において、セラミツク
    製部材と金属製部材との間に鉄・ニツケル・コバ
    ルトを主成分とする時効硬化型の低熱膨張金属か
    らなる中間部材を設け、該セラミツク製部材に設
    けた凸部を該中間部材に設けた凹部にかん合によ
    り結合し、該中間部材の他端を金属製部材と接合
    すると共に、該セラミツク製部材凸部を該中間部
    材凹部から抜いた時に該セラミツク製部材凸部外
    径と該中間部材凹部の内径の差が該セラミツク製
    部材凸部外径の0.3%以上であることを特徴とす
    るセラミツクス・金属結合体。 2 上記セラミツク製部材凸部の実質的全周にわ
    たつて溝を設けて、該溝の端がかん合開始部にな
    るように中間部材凹部が位置することを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載のセラミツクス・金
    属結合体。 3 上記溝の深さが該セラミツク製部材凸部外径
    に対して2〜12%である特許請求の範囲第1項又
    は第2項記載のセラミツクス・金属結合体。 4 上記溝の深さが該セラミツク製部材凸部外径
    に対して3〜8%である特許請求の範囲第1項又
    は第2項記載のセラミツクス・金属結合体。 5 上記かん合が圧入である特許請求の範囲第1
    項ないし第4項いずれかに記載のセラミツクス・
    金属結合体。 6 上記中間部材と金属製部材との接合が摩擦圧
    接である特許請求の範囲第1項ないし第5項いず
    れかに記載のセラミツクス・金属結合体。 7 上記セラミツクス・金属結合体がターボチヤ
    ージヤーロータもしくはガスタービンロータの回
    転軸である特許請求の範囲第1項ないし第6項い
    ずれかに記載のセラミツクス・金属結合体。
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