JPH04104971A - セラミックス・金属接合体の製造方法 - Google Patents

セラミックス・金属接合体の製造方法

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JPH04104971A
JPH04104971A JP21805190A JP21805190A JPH04104971A JP H04104971 A JPH04104971 A JP H04104971A JP 21805190 A JP21805190 A JP 21805190A JP 21805190 A JP21805190 A JP 21805190A JP H04104971 A JPH04104971 A JP H04104971A
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真一 三輪
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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、セラミックス・金属複合体及びその製造方法
に関するものである。
(従来の技術及びその問題点) 従来、セラミックス材と金属材とを結合する方法として
は、ろう付け、圧入、焼嵌め等の方法が一般的であった
例えば、セラミックスターボチャージャーローター、ガ
スタービン等に用いられる高温ファンの場合には、第1
0図に示すように、窒化珪素等の非酸化物系セラミック
スからなり、翼部41aを有する翼車41を成形、焼成
によって作製し、この翼車41の嵌合部41bに、公差
±1μmの高精度加工を施す。また、金属軸43の端部
に凹部43aを設け、この凹部43aにも同様に高精度
加工を施し、嵌合部41bと凹部43aとを焼嵌め又は
圧入によって接合している。
しかし、こうした従来の接合方法では、嵌合部41b、
凹部43aに極めて高精度の加工を施すことが必要であ
り、加工コストが高い。また、圧入時に軸の角度が狂っ
たり、凹部43aと嵌合部41bとの加工面に寸法不良
、表面粗れがあったりした場合には、圧入が完全に行な
えずに接合不良となり、歩留が低下する。また、高精度
加工面の間に異物が挟み込まれたままの状態で接合する
と、この異物の周囲で応力集中するため、接合部の信頼
性が低下するという問題もある。
また、第11図に示す従来の高温ファンにおいては、金
属ボス52に凹部52aを設け、セラミックス製の羽根
51の基部51aを凹部52a内に嵌入する。
このとき、基部51aと凹部52aとの間隙には、限ろ
う、セラミックス、セメント等からなる嵌合部53を設
ける。
しかし、この場合にも羽根51を嵌入する際に、嵌合部
53、基部51aを高精度加工する必要があり、上記と
同様の問題が生ずる。
(発明が解決しようとする課題) 本発明の課題は、従来の焼嵌め、圧入等の場合における
ような高精度加工が不用であり、異物の混入や接合面の
粗れ等による接合不良も生じない、セラミックス・金属
複合体及びその製造方法に関するものである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、非酸化物系セラミックス材と、少なくとも一
部がこのセラミックス材の外部に露出した金属材とから
なるセラミックス・金属複合体であって、 焼成後の前記セラミックス材の冷却時における前記金属
材の熱収縮により、前記金属材に前記セラミックス材に
対する圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前記
金属材を前記セラミックス材に接合したセラミックス・
金属複合体に係るものである。
また、本発明は、非酸化物系セラミックス成形材料から
なり、金属材が一体化された複合成形体を作製する工程
: この複合成形体を焼成し、非酸化物系セラミックス材を
作製する焼成工程;及び 焼成後の前記セラミックス材の冷却時における前記金属
材の熱収縮により、前記金属材に前記セラミックス材に
対して圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前記
金属材料を前記セラミックス材に接合させる冷却工程 を有する、セラミックス・金属複合体の製造方法に係る
ものである。
「冷却」は、放冷を含む。
(実施例) まず、本発明を高温ファンに適用した例について述べる
まず、第2図に示すように、下型4に凹状金属片2を固
定し、次いで下型4、羽根型6、上型5を組み立てて成
形用の型を作る。そして、非酸化物系セラミックス成形
材料7を射出成形によって型内へと注入し、高温ファン
の成形体8と凹状金属片2とからなる複合成形体10を
作製する。
次いで、この型を分解し、凹状金属片2と一体となった
成形体8を取り出し、この成形体8を仮焼してバインダ
ーを飛散させ、仮焼後の成形体8をコールドアイソスタ
ティックプレス(CIP)で処理して成形体の密度を高
め、成形体8と金属片2との密着性を上げておく。
そして、この複合成形体10(成形体8と凹状金属片2
とからなる)をホットアイソスタティックプレス(HI
P)焼成し、第1図に示すような、翼部1aと軸部1b
とを有する翼車1を得る。この軸部1bには金属片2が
固着しており、金属片2の端面を平滑とし、金属片2と
金属軸3とを溶接、摩擦圧接、拡散接合、ネジ切り法等
の種々の方法で結合する。
本実施例では、金属片2を軸部1bに対して、いわば焼
成嵌めによって固定した点が重要である。
即ち、成形体に予め金属片2を密着させておき、この成
形体を旧P焼成すると、焼成後の冷却段階において、金
属片2の熱収縮の方がセラミックス材の軸部1bの熱収
縮よりも大きいことから軸部1bの外周を囲む金属片2
から、軸部1bに対して矢印Aで示す圧縮応力が働く。
これにより、金属片2は軸部1bに対して固着され、軸
部1bから脱落、揺動することはない。
そして、成形体を作製する段階で成形体8へと予め金属
片2を密着させておくので、焼成後に軸部1bと金属片
2とを接合する場合とは異なり、高精度加工の必要はな
く、従って高精度加工のコストや手間を省くことができ
る。
しかも、成形体8と金属片2とを密着させるので、既に
高硬度となった焼成体と金属片とを圧入等により接合す
る従来法と異なり、仮に成形体8と金属片との間に異物
が混入しても、この異物は成形材料中になじみ、埋没す
るので、応力集中の原因とはならず、従って異物混入に
よる接合不良、これによる歩留の低下は生じない。この
点で、金属片2と軸部1bとの密着性を更に上げるため
、CIP 、 HIPを採用することが好ましいが、常
圧焼成を行う場合にも、この接合不良防止の効果を奏し
うる。
第2図の例では、金属片2を射出成形時に成形体8に密
着させているが、成形体8の仮焼、CIP処理後に金属
片2を密着させて、複合成形体を作製してもよい。仮に
成形体8と金属片2との間に若干の隙間があったとして
も、HIP工程において両者を圧着させることができる
また、第3図(a) 、 (b)に示すように、翼車成
形体18の軸部18aに複数個、例えば8個の小型の凹
状金属片12を埋設一体化することができる(第3図(
a)は、同図(b)をB線で切って見た断面図である。
)。そして、この成形体18を前述のように仮焼、CI
P成形、旧P焼成処理に供し、第4図に示すような翼車
11を得る。この軸部11aには、計8個の小型の金属
片12が焼成嵌めされている。
次いで、各金属片12の露出端面を加工し、これに小型
の金属軸13を溶接、摩擦圧接、拡散接合等の方法で接
合し、各金属軸13の他方の端面を金属回転軸3へと上
記のような方法で接合する。
本実施例によれば、上記の作用効果を奏しうる他、各凹
状金属片12を小型化したので仮に金属片12とセラミ
ックス成形材料との熱収縮率差がかなり大きいと参でも
両者の熱収縮差による応力が過大になり過ぎないように
調整することができる。
また、凹状金属片と金属軸3との接合箇所を増すことが
できるので、翼車11と金属軸3との間の接合強度を大
きくすることができる。
第5図は高温ファンに本発明を適用した例を示す部分正
面図、第6図は第5図のVl−Vl線矢視断面図である
本実施例においては、非酸化物系セラミックス成形材料
からなる羽根21用の成形体の基部を、予め金属ボス2
2の凹部22aに密着させて一体化した状態とし、次い
でこの複合成形体の仮焼、焼成を行う。これにより、非
酸化物系セラミックスからなり、基部21aが凹部22
aにより固定された羽根21を作製できる。むろん第1
図におけると同様に、基部21aの両側には矢印Aで示
す圧縮応力が働き、羽根21は凹部22aへと焼成嵌め
されている。なお、第6図中、23は金属回転軸である
第7図〜第9図は、平盤状セラミックス材に本発明を適
用した例を示す概略断面図である。
即ち、型35に非酸化物系セラミックス成形材料を入れ
、下バンチ34と上パンチ33とを矢印りのように押圧
してCIPプレス成形し、複合成形体38を作製する。
この複合成形体38の内部には、予め凹状の金属片32
を埋設しておく。
次いで、第8図に示すように、成形体38を旧P焼成し
て平板状のセラミックス材を製造する。このとき成形体
38の外表面には、矢印Cで示すように等方に圧力が加
わる。
次いで、このセラミックス材を研削加工して研削面31
aを有するセラミックス材31を作製し、この研削面3
1a側に金属片32の端面32aを露出させる。この後
は、この金属片32と外部の金属部材との間に各種の結
合、接合を形成することができる。
具体的には、次に示すような、高融点接合層を介した接
合と、機械的結合法とを例示できる。
高融点接合層を介した接合には、次のものかある。
(1)金属片32と金属部材との間に、Mo、−等の高
融点金属の粉末を介在させ、拡散接合すること。
(2)ろう材で接合すること。
(3)箔を介在させて拡散接合すること。
(4)金属片32の端面32a又は金属部材の端面に、
めっき、CVD 、溶射等によって被覆層を形成し、次
いで拡散接合又は摩擦圧接すること。
(5)溶接すること。
機械的結合法としては、圧入法、ネジ切り法、か、1,
7め、埋め込み、差し込み、スプリング、弾性ボードに
よる機械的圧接がある。
これらの高融点接合層を介した接合や機械的結合法によ
れば、耐熱性、耐腐食性の接合または結合を形成できる
という利点がある。
しかも、本実施例では、金属片32のセラミックス材3
1に対する矢印A方向の圧縮応力により金属片32を固
定しであるので、金属片32が揺動することはなく、上
記結合又は接合部の信転性が一層高まる。
上記各側において、非酸化物系セラミックスとしては、
例えば窒化珪素、酸化珪素、サイアロン、炭化珪素、窒
化アルミニウム等を例示できる。また、酸化物セラミッ
クスに本発明を適用しないのは、酸化物セラミックスの
焼成時に、酸化雰囲気と金属片とが反応するからである
金属片2.12.32等は、セラミックス成形体の焼成
時にこれと同時に加熱されるので、この焼成温度よりも
高い融点を有していなければならない。
即ち、例えばセラミックスとして窒化珪素を採用した場
合には、焼成温度が例えば1600°C以上となるので
、金属片はモリブデン、タングステン、白金等の高融点
金属を採用しなければならない。
(発明の効果) 本発明に係るセラミックス・金属複合体及びその製造方
法によれば、焼成後のセラミックス材の冷却時における
金属材の熱収縮により、金属材にセラミックス材に対し
て圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって金属材を
セラミックス材に接合しているので、焼成後のセラミッ
クス材と金属材とを圧入、焼嵌め等により接合する場合
とは異なり、高精度加工の必要はなく、従って高精度加
工のコストや手間を省くことができる。
しかも、成形体と金属材とを予め一体化して複合成形体
を製作し、この複合成形体を焼成し、焼成後の冷却段階
で金属材を焼成体へと上記のように接合させるので、高
硬度の焼成体と金属材とを圧入、焼嵌め等により接合す
る場合と異なり、仮にセラミックス成形体と金属材との
間に異物が混入していても、この異物は成形材料中にな
じみ、埋没していく。従って、この異物は過大な応力集
中の原因とはならないので、異物混入等による接合不良
、これによる歩留、信顛性の低下は生じない。
【図面の簡単な説明】
第1図はセラミックス製翼車に金属軸を取り付けた状態
を示す断面図、 第2図は予め金属片を収容した型内で射出成形を行なっ
ている状態を示す断面図、 第3図(a)は翼車用成形体の軸部に複数の金属片を焼
成嵌めした状態を示す断面図、同図(b)は同じく正面
図、 第4図は第3図の成形体を焼成して得た翼車の軸部に金
属回転軸を取付けた状態を示す断面図、第5図は他の高
温用ファンの金属ボスにセラミックス類の羽根を焼成嵌
めした状態を示す部分正面図、 第6図は第5図のVl−Vl線矢視断面図、第7図は成
形材料をarpプレス成形している状態を示す概略断面
図、 第8図は成形体を旧P焼成している状態をしめず概略断
面図、 第9図は平盤状のセラミックス材を示す概略断面図、 第10図は従来法によりセラミックス製翼車と金属軸と
を接合する直前の状態を示す断面図、第11図はセラミ
ックス類の羽根を従来法によって金属ボスに接合した状
態を示す部分正面図である。 1、 IL 41・・・非酸化物系セラミックスからな
る翼la、 41a・・・翼部 lb、 lla、 41b−・・軸部 2.12・・・金属片 3、23.43・・・金属(回転)軸 7・・・非酸化物系セラミックス成形材料8・・・成形
体     10.18.38・・・複合成形体13・
・・金属軸 21・・・非酸化物系セラミックスからなる羽根22・
・・金属ボス 31・・・平盤状セラミックス材 32・・・凹状の金属片 32a・・・端面 A・・・圧縮応力の働く方向 第1図 第2図 五− 第7図 第10図 第8図 第11図 第9図 手 続 補 正 書 1、明細書第5頁第13行〜第14行間に下記を加入す
平成 年 月 日 る。 「 ここで述べる熱収縮とは、 可逆的な意味での

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、非酸化物系セラミックス材と、少なくとも一部分が
    このセラミックス材の外部に露出した金属材とからなる
    セラミックス・金属複合体であって、 焼成後の前記セラミックス材の冷却時における前記金属
    材の熱収縮により、前記金属材に前記セラミックス材に
    対する圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前記
    金属材を前記セラミックス材に接合したセラミックス・
    金属複合体。 2、非酸化物系セラミックス成形材料からなり、金属材
    が一体化した複合成形体を作製する工程; この複合成形体を焼成し、非酸化物系セラミックス材を
    作製する焼成工程;及び 焼成後の前記セラミックス材の冷却時における前記金属
    材の熱収縮により、前記金属材に前記セラミックス材に
    対して圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前記
    金属材を前記セラミックス材に接合させる冷却工程 を有する、セラミックス・金属複合体の製造方法。
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