JPH0354174A - セラミック部材と金属部材との結合方法および結合体 - 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、セラミック部材と金属部材との結合方法およ
び結合体に関する。

［従来の技術］ 従来、セラミック部材と金属部材との結合方法は、例え
ば高温雰囲気下で高速回転することが要求されるセラ尖
ツクターボロータを形成する場合に用いられ、かつ、セ
ラミック部材の凸状嵌入部と、金属部材の凹状嵌合部と
を加熱が伴う焼ばめ、ロウ付け等により結合させている
。

この場合、結合時に加熱されたセラミック部材と金属部
材は、互に熱膨張係数を異にするためその冷却過程で金
属部材の凹状嵌合部が収縮しその締付け作用によりセラ
ミック部材の凸状嵌入部に、応力が局所的に集中しクラ
ックが発生し易い。このため、 （１）特開昭６０−１０３０８２号公報に開示されてい
るように、セラミック部材の凸状嵌入部を大径部と小径
部とで形成し、この小径部に嵌合する金属部材の凹状嵌
合部の先端の肉厚を薄くした肉薄先端部を設けることで
、加熱後の冷却過程で前記セラミック部材の凸状嵌入部
にかかる凹状嵌合部の締付け作用を弱めることにより応
力を緩和することが知られている。

（２〉また、実開昭６１−１０８３２９号公報に開示さ
れているように金属部材の凹状嵌合部とセラミック部材
の凸状嵌入部との軸方向の、嵌合長ざ１と、金属部材の
凹状嵌合部内径Ｄとの比率が０．４≦５２／Ｄ≦１．０
からなる範囲内に設定することにより、前記凸状嵌入部
に発生する圧縮応力を、一定範囲内に収めて、クランク
の発生を防止しようとするものが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 〈１〉特開昭６０−１０３０８２号公報に開示されたも
のは、難削材料であるセラミック部材の凸状嵌入部の全
長が長くなり切削等の加工による戒形が不利なものとな
る。

（２）また実開昭６１−１０８３２９号公報に開示され
たものは、金属部材の材質がコバール（商標、ＳＣＭ−
４３５、以下同様）を用いることに特定され、かつ前記
コバール以外の金属材料、例えば高温での強度が高く熱
膨張係数の大きなインコネル７１３、インコロイ９０３
等を用いた場合にはクラックの発生が避けられないよう
である。

また前記コバールを用いて製造したセラミック製ターボ
ロータシャフトでも、高温雰囲気下での超高回転試験の
結果、１２万ｒｐｍほどの回転教では耐久性をもち使用
可能であるが、前記回転数が１５万ｐｐｍを越えると破
壊することが判明した。

本発明は、上記問題点を解決したセラミック部材と金属
部材との結合方法を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ （１〉本第１発明のセラミック部材と金属部材との結合
方法は、金属部材の凹状嵌合部内面に第１の軟質金属よ
りなる第１応力緩和層を形成する工程と、 前記金属部材の凹状嵌合部にセラミック部材の凸状嵌入
部を挿入する工程と、 前記金属部材の凹状嵌合部と前記セラミック部材の凸状
歳入部の間隙に少なくとも２箇所の軸方向に伸びる空間
の一部を除いて溶融状態の第２の軟質金属を充填し凝固
させて該第２の軟質金属が充填されない未充填空間部を
もつ第２応力緩和層を形成する工程と、からなることを
特徴とする。

（２）本第２発明のセラミック部材と金属部材との結合
体は、凹状嵌合部をもつ金属部材と、凸状嵌入部をもつ
セラミック部材との結合構造であって、前記凹状嵌合部
の内周表面を一周して被覆され第１の軟質ＩＭ造よりな
る第１応力緩和層と、前記凹状嵌合部に挿入された前記
凸状嵌入部と、前記凸状嵌入部の外周表面と前記第１応
力緩和層の内周表面との間に少なくとも２箇所の軸方向
に伸びる空閃の一部を除いて充填された第２の軟質金属
よりなる第２応力緩和層と、からなることを特徴とする
。

第１応力緩和層及び第２応力緩和層は、セラミック部材
の凸状嵌入部を金属部材の凹状嵌合部に結合させる場合
、加熱後の冷却過程で金属部材の凹状嵌合部が収縮し、
その締付け作用でセラミック部材の凸状嵌入部に発生す
る圧縮応力を緩和するためのものである。すなわら、一
般にセラミック部材は剛性が高く脆いため、局部的な集
中応力が発生し、そこから破損し易い。、第１応力緩和
層及び第２応力緩和層は、局部的な集中応力を緩和する
ものである。

第１応力緩和層は、金属部材の凹状嵌合部内面にメッキ
等の手段により形成された第１の軟質金属よりなる。第
１の軟質金属は前記両部の結合時に発生する応力を吸収
できるものであればよく、例えば銅やニッケル等または
これらを主成分とする合金が使用できる。第１応力緩和
層の厚みは５０μｍ以上とすることが好ましい。

第２応力緩和層は、金属部材の凹状嵌合部とセラミック
部材の凸状嵌入部の隙間に、少なくとも２箇所の軸方向
に伸びる空間の一部を除いて溶融状態の第２の軟質金属
を充填し凝固させて第２の軟質金属が充填されない未充
填空間部をもち、第２の応力緩和層としての働きをなす
。また、前記両部の隙間に充填、凝固された第２の軟質
金属の厚みは２５０μｍ以上とすることが望ましい。こ
の第２の軟質金属が未充填空間部を除く前記両部の隙間
を占める厚さ２５０μｍ以上の領域は、周方向の巾Ｗが
前記凹状嵌合部の内面全周（３６ｏ度〉の２０〜４０％
、軸方向の長ざｊが凹状嵌合部のＬの４０〜８０％（す
なわち４０＜．Ｑ／ＬＸ１００＜８０＞からなる範囲内
で２箇所以上に分割して設けることが好ましい。また、
第２の軟質金属の材質としては、その溶融温度が前記凹
状嵌合部と凸状嵌入部との結合時に両部が加熱される焼
ばめ温度に近いものを用いることが好ましい。

未充填空間部はセラミック部材と金属部材との加熱によ
る結合時に、金属部材が加熱後の冷却過程でセラミック
部材を締付ける作用の一部を逃して、セラミック部材に
発生する応力を緩和するものである。また、両部材が結
合された後、高温条件下で使用された時、第１応力緩和
層及び第２応力緩和層の熱膨張を吸収し、セラミック部
材に発生する応力を緩和するものである。

前記未充填空間部は、金属部材の凹状嵌合部内面とセラ
ミック部材の凸状嵌入部の外面との間に溶融状態にある
第２の軟質金属が導入されたとき、この導入を目的とす
る位置で部分的に防止することによって形成できる。第
２の軟質金属として例えば銀ロウ［ＢＡｇ−８　（７２
Ａｑ−２８Ｃｕ）］を用いた場合、その導入を部分的に
防止するには、銀ロウに対して流動抵抗の大きな鉄、ま
たは流れ止め剤等の湯流れ防止物質を予め未充填空間部
の形成対象位置に塗布したり、配設したりする等の湯流
防止手段を用いることができる。また、前配湯流れ防止
手段を用いる代りに、前記凸状嵌入部の外周面あるいは
前記凹状嵌合部の内周面に、予め湯流れを妨げる溝、穴
、等の流動抵抗となる形状に加工することもできる。

ざらに未充填空間部を形成する他の手段としては、前記
凸状嵌入部と凹状嵌合部との間に導入された溶融状態に
ある第２の軟質金属が未充填空間部の形成対象位置部分
よりも他の部分を先に冷却されて凝固することによるヒ
ケ現象を利用することもできる。

また、前記未充填空間部は、前記金属部材の凹状嵌合部
と前記セラミック部材の凸状嵌入部の間で凸状嵌入部の
円周上の等角度位置に形戒される。

なあ、前記未充填空間部の形ｅ．数は、目的に応じて種
々設定することができる。また、前記未充填空間部を形
成する場合には、予めセラミック部材の凸状嵌入部の円
周上に形成する未充填部の形成位置に合せて等間隔に設
けられた溝（欠損部）を形成することが好ましい。この
場合には′、溝の一部に充填された第２の軟質金属によ
り抜け止め効果を得ることかでぎる。

［作用及び効果〕 本第１発明のセラミック部材と金属部材との結合方法に
よって得られた第２発明の結合体は、金属部材の凹状嵌
合部内面に第１の軟質金属よりなる第１応力緩和層が形
成されている。ざらに前記凹状咲合部とセラミック部材
の凸状嵌入部の隙間には、第２の軟質金属よりなる未充
填空間部をもつ第２応力緩和層が形成されている。

このため、金属部材の凹状嵌合部とセラミック部材の凸
状嵌入部とを挿入した状態で結合させるとき、両部材は
加熱された後、常温にまで冷却される過程で熱膨張係数
の差により発生する応力を前記第１応力緩和層と第２応
力緩和層とで緩和するとともに、前記未充填空間部に逃
がすことができる。殊に第２応力緩和層に形成された未
充填空間部では、第１応力緩和層で緩和しきれない大き
な応力であっても充分に緩和することができる。

これによってセラミック部材は金属部材との結合時にク
ラックを発生させずに済む。

また、結合された後のセラミック部材と金属部材とを高
温雰囲気条件下で使用されるターボロータとして使用し
た場合には、高温による第１応力緩和層、第２応力緩和
層の熱膨張に伴う応力が未充填空間部で吸収される効果
がありセラミック部材の破損を防止できる。

なお、セラミック部材の凸状嵌入部の一部に溝が形成さ
れている場合には、この溝に第２の軟質金属が充填され
、抜け止めとして作用するとともに金属部材とセラミッ
ク部材との結合がより強固になる効果がある。

［実施例］ （第１実施例〉 本第１および第２発明のセラミック部材と金属部材との
結合方法および結合体の第１実施例を第１図に示す。本
第１実施例の結合方法は、金属部材１とセラミック部材
４とからなる結合体、すなわちセラミックターボロータ
８を製造する工程で用いられる。

金属部材１は、鋼材（ＳＣＲ４０）からなる回転軸１２
と、この回転軸１２の先端１２ａに溶接により同軸的に
固着される筒状の金属環１４とからなる。

本第１実施例の結合方法は、金属環１４を回転軸１２の
先端１２ａに溶接する前に実施される第１工程、第２工
程、第３工程からなる。すなわち、第１実施例の方法は
、本第２発明の凹状嵌含部を形戊する金属環１４の軸孔
１５を区画する内周面１６に第１の軟質金属よりなる第
１応力緩和層２を形成する第１工程と、金属環１４の軸
孔１５にセラミック部材４の凸状嵌入部４０を挿入する
第２工程と、金属環１４の第１応力緩和層２とセラミッ
ク部材４の凸状嵌入部４０との隙間に溶融状態の第２の
軟質金属を充填し凝固させて第２の軟質金属が充填され
ていない２箇所の軸方向に伸びる未充填空間部５０をも
つ第２応力緩和層５を形成する第３工程とからなる。

第１工程で使用される金属環１４は比較的、熱膨張係数
が小さく高温強度の高いインコロイ９０３（商標）製で
ある。この金属環１４は、第１工程でその軸孔１５を区
画する内周面１６に第１の軟質金属として用いた銅がメ
ッキされ、肉厚２００μｍの第１応力緩和層２が形成さ
れる。この第１応力緩和層２は厚さを均一にするためそ
の表面が切削加工される。

第２工．程で用いられるセラミック部材４は、窒化珪素
により形成されたタービンホイール部４ａと、その端面
側に同軸的に突出した円柱形の凸状嵌入部４０とをもつ
。この凸状嵌入部４０は、その両端の間のほぼ中央部分
の周璧に、タービンホイール部４ａの回転軸心線Ｓ方向
と平行に伸びる二つの溝部４１、４１がその円周上の対
称位置に形成されている。なおこの両溝部４１、４１が
占める一定の領域（予め設定された深さｔ、長さ父、巾
Ｗ）は、第１図及び第２図に示すように深さｔが２５０
ｔｉｍ、軸孔１５と凸状嵌入部４０との軸心線Ｓ方向の
嵌合長さしに対する長さＱの比率が６０％、円周方向に
沿う溝の巾Ｗを示す角度α０の比率が３０％と設定され
る。

そして第２工程では、セラミック部材４の凸状嵌入部４
０が金属環１４の軸孔１５内に挿入される。引続く第３
工程では、金属環１４とセラミック部材４とが真空炉内
に配置され、８５０’Ｃの結合温度に；Ｊ［ｌ熱される
とともに、金属環１４の第１応力緩和層２とセラミック
部材４の凸状嵌入部４０との隙間に、第２の軟質金属と
して溶融されたＡｇ合金（２８Ｃｕ−Ｂａ　ｌＡｇ＞が
導入さレル。

これによって溶融状態にある第２軟質金属は、前記隙間
に充填されるとともに、溝部４１、４１内で溶融状態が
保たれるように加熱されたままで、溝部４１、４１の両
側（回転軸心線Ｓ方向）の隙間にあるものが先に冷却さ
れて凝固し始める。この後、引続いて溝部４１、４１内
で溶融状態にある第２の軟質金属が冷却されて凝固する
。従って前記冷却時期の差により発生するヒケ現象で溝
部４１、４１内に第２の軟質金属が充填されていない２
箇所の軸方向に伸び密閉された未充填空間部５０、５０
をもち、溝部４１、４１で厚さ２５０μｍ、溝部４１、
４１以外で厚さ１００μｍの第２応力緩和層５が形成さ
れる。また、金属環１４が収縮しセラミック部材４の凸
状嵌入部４０を締付け、かつ両者は一体化し結合体とな
る。

この後、結合体を形成する金属環１４は、回転軸１２の
先端１２ａに当接された状態で電子ビーム溶接により接
合される。これによりセラミックターボロータ８が得ら
れる。

本実施例によって得られた金属環１４とセラミック部材
４との結合体は、軸孔１５の内周面１６に肉厚２００μ
ｍの第１応力緩和層２が形戒され、ざらに前記第１応力
緩和層２と凸状嵌入部４０との隙間に、２箇所の軸方向
に伸び密閉された未充填空間部５０をもち、溝部４１、
４１で厚さ２５０μｍ，溝部４］、４１以外で厚さ１０
０μｍの第２応力緩和層５が形成されている。このため
結合時における前記両者の熱膨張係数の差によって加熱
後の冷却過程でセラミック部材４の凸状嵌入部４０に対
する金属環１４の締付け作用力の一部が第１応力緩和層
２及び第２応力緩和層５により弱められるともに、未充
填空間部５０，５０に逃げ、金属環１４と凸状嵌入部４
０との結合端部ａに生ずる応力が緩和されて均一化し、
かつ凸状嵌入部４０は前記結合端部ａでクラツクを発生
ざせない。また本実施例により得られたセラミックター
ボロータ８を高温雰囲気条件下で使用した場合、第１応
力緩和層２と第２応力緩和層５との熱膨張は、未充填空
間部５０、５０により吸収される。

このためセラミック部材４の凸状嵌入部４０には、過大
な作用力がかからず高温耐久性が向上する。

（比較例） 第１実施例の効果を確認するため、テスト用製品として
第１表に示すＮｏ．１〜Ｎ０．１０の各試料が製作され
た。

この各試料は、第２の軟質金属により形成され未充填空
間部５０、５０をもつ第２応力緩和層５の厚みが２５０
μｍ以上となる領域を変化させたものである。すなわち
、セラミック部材４の凸状嵌入部４０両端のほぼ中央に
形成される溝４１、４１の大きざ（深さｔが一定で軸方
向の長さ交、周方向の巾に比例する角度α０）を種々変
更したものを用いて、本第１実施例の結合方法によりセ
ラミックターボロー夕として製作されたものである。

（評価〉 各試料Ｎｏ．１〜１０は、釣合試験機を用いて不釣合量
を０．０５ｇ・ｃｍ未満に修正された後、エンジン排ガ
ス温度９５０゜Ｃの高温条件下で１５万ｒｐｍ及び１８
万ｒｐｍの超高速回転耐久試験を行った。これにより金
属環１４とセラミック部材４の凸状嵌入部４０との結合
端部ａでの破壊の有無を知らべた。この結果を第１表に
合せて開示した。

第１表の結果により比較例である試料ＮＯ．１、Ｎｏ．
２、ＮＯ．１０は１５万ｒ’ｏｍｒ−破壊し、同じく比
較例である試料Ｎ０．９は１８万ｐｐｍで破壊した。

ここにおいて本発明実施例の場合には、試料ＮＯ．３〜
Ｎ０．８に示されるように１８万ｐｐｍでも破壊せず、
優れた効果が確認された。

なお、各試料の前記耐久試験後、セラミック部材４の凸
状嵌入部４０と金属環１４とを縦断して第２応力緩和層
５の未充填空間部５０、５０の存在を確認した。

（第２実施例） 本第１および第２発明のセラミック部材と金属部材との
結合方法および結合体の第２実施例を第３図及び第４図
に示す。

第２実施例では、セラミック部材４の凸状嵌入部４０の
円周上等間隔に３箇の溝部４２、４２、４２が形成され
るとともに、金属環１４の第１応力緩和層２とセラミッ
ク部材４の凸状嵌入部４０との隙間に溶融状態の第２の
軟質金属を充頃し凝固させたものである。従って第２実
施例は、各溝部４２、４２、４２に第２の軟質金属が充
填されていない３箇所の軸方向に伸びる未充填空間部５
０ａ、５０ａ、５０ａをもつ第２応力緩和１１５ａを形
成する以外は、第１実施例の場合と同じ構或であり、そ
の作用効果も同じものである。

（第３実施例） 本第１および第２発明のセラミック部材と金属部材との
結合方法および結合体の第２実施例を第５図及び第６図
に示す。

本第３実施例は、第１実施例のような溝４１、４１を形
成することなく、金属環１４の第１応力緩和層２とセラ
ミック部材４の凸状嵌入部４０との隙間に溶融状態の第
２の軟質金属を充填し凝固させたものである。従って第
３実施例は、第２の軟質金属が充填されていない２箇所
の軸方向に伸びる２つの未充填空間部５０ｂ、５０ｂを
もつ厚さ１００μｍの第２応力緩和層５ｂを形成する以
外は、第１実施例の場合と同じ構成であり、その作用効
果も同じものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は、本第１および第２発明のセラミック
部材と金属部材との結合方法および結合体の実施例にお
けるセラミック部材と金属部材との結合状態を示す説明
図である。第１図は第１実施例を示す部分断面側面図で
あるａ第２図は、第１図におけるＩ−Ｉ線断面矢視図で
ある。第３図は第２実施例を示す部分縦断側面図である
。第４図は第３図における■一■線断面矢視図である。 第５図は第３実施例を示す部分断面側面図である。 第６図は第５図における■−■線断面矢視拡大図である
。 １・・・金属部材　　　　　１２・・・回転軸１２ａ・
・・先端　　　　　１４・・・金属環２・・・第１応力
緩和層　　１５・・・軸孔１６・・・内面 ４・・・セラミック部材　　４０・・・凸状嵌入部４１
、４２・・・溝 ５、５ａ、５ｂ・・・第２応力緩和層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属部材の凹状嵌合部内面に第１の軟質金属より
   なる第１応力緩和層を形成する工程と、前記金属部材の
   凹状嵌合部にセラミック部材の凸状嵌入部を挿入する工
   程と、 前記金属部材の凹状嵌合部と前記セラミック部材の凸状
   嵌入部の間隙に少なくとも２箇所の軸方向に伸びる空間
   の一部を除いて溶融状態の第２の軟質金属を充填し凝固
   させて該第２の軟質金属が充填されない未充填空間部を
   もつ第２応力緩和層を形成する工程と、からなることを
   特徴とするセラミック部材と金属部材との結合方法。
2. （２）凹状嵌合部をもつ金属部材と、凸状嵌入部をもつ
   セラミック部材との結合構造であって、前記凹状嵌合部
   の内周表面を一周して被覆され第１の軟質金属よりなる
   第１応力緩和層と、 前記凹状嵌合部に挿入された前記凸状嵌入部と、前記凸
   状嵌入部の外周表面と前記第１応力緩和層の内周表面と
   の間に少なくとも２箇所の軸方向に伸びる空間の一部を
   除いて充填された第２の軟質金属よりなる第２応力緩和
   層と、からなることを特徴とするセラミック部材と金属
   部材との結合体。