JPH0416569A - セラミックと金属の結合構造 - 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】 ■吸Ｑ貝豹 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミック材の軸を金属材の嵌合孔に嵌合・
固定する結合構造に関する。

［従来の技術］ 従来、この種の結合構造は、特許５９−２１５８３昭号
公報、特開昭６２−１４８７０１号公報等に見られるよ
うに、圧入　焼きばめ等により嵌合・固定させたセラミ
ック材の軸と金属材の嵌合孔との間に、黒鉛、二硫化モ
リブデン等の滑材や低融点材料を介在させている。

そして、ターボチャージャやガスタービン等のセラミッ
クロータとこれを固定するための金属スノーブとの関係
において多用さ札　高温環境下での強固なセラミックロ
ータの保持を図っている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の結合構造でも十分でなく、次
のような問題が指摘されている。

セラミックロータと金属スリーブとの結合部が高温とな
ると、両部材間に硬化されていた低融点材料が再溶融す
る虞があり、セラミックロータを金属スリーブに保持す
る強度の信頼性に欠ける。

滑材を介在させた結合構造では、再溶融等の虞はなく、
その低摩擦抵抗に基づくセラミックロータ固定時のカシ
ワ防止を図ることができるものの、滑材とセラミックロ
ータ外周面又は金属スリーブ内周面との密着性が低いた
めに、高負荷・高回転の過酷な条件でセラミックロータ
乞回転させた場合、やはり保持強度が低下することがあ
る。

本発明は上記問題点を解決するためになさ札常温から数
百度という高温への推移を繰り返すセラミックロータ等
の金属スリーブへの結合に不可欠なセラミックロータへ
の応力集中の緩和を図ることは勿論、セラミックロータ
（セラミック材の軸）の保持強度を高温・高負荷・高回
転の過酷な使用条件に耐えうるよう確保することを目的
とする。

■更の構成 ［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明の採用した手段（
、ｔ。

セラミック材の軸を金属材の嵌合孔に嵌合・固定したセ
ラミックと金属の結合構造において、前記セラミック材
の軸の嵌合部外周面又は金属材の嵌合孔の内周面の少な
くとも一方に、予め形成された金属薄膜を備えることを をその要旨とする。

特に、この金属薄膜が、セラミック材の軸に嵌合・固定
される金属材より硬度の低い金属原材料であれば、より
好ましい。

［作用］ 上記構成を有する本発明のセラミックと金属の結合構造
で１表金属薄膜をセラミック材の軸の嵌合部外周面又は
金属材の嵌合孔の内周面の少なくとも一方に、メツキ、
蒸着、スパッタ等の適宜方法で予め形成することで、当
該金属薄膜を外周面又は内周面に強固に密着させ、かつ
セラミック材又は金属材と金属薄膜とを一体化させる。

この金属薄膜形成に供せられる金属として（よ嵌合孔を
有する金属材より硬度の低い金、銀、すす、アルミ、亜
鉛　銅などが好ましく、これら金属のうち一種以上を、
金属薄膜形成に用いればよい。

金属薄膜形成後に、セラミック材の軸を圧入焼きばめ、
冷やしぼめ等の適宜方法で金属材の嵌合孔に嵌合・固定
して、結合後のセラミック材の軸と金属材の嵌合孔との
間に金属薄膜を介在させそして、介在させた金属薄膜に
よるセラミック材と金属材との結合部における摩擦抵抗
低減に基づいて、セラミック材の軸の軸方向摺動を僅か
に許容すると思われるので、セラミック材の軸への応力
集中を緩和する。尚、金属薄膜の摩擦抵抗値と応力集中
の緩和との因果関係１山有限要素法を用いたコンピュー
タ解析、実験的に確認される。

そして、応力緩和を図るうえで、金属材より硬度の低い
金、銀、すす、アルミ、亜飽　銅等を用いることが好ま
しいことも、やはり上記コンピュータ解析、実験的に確
認される。

この際、金属薄膜原材料を適宜選択することで、金属薄
膜の摩擦抵抗値を調節し、応力集中の緩和を図りつつ結
合構造部の保持強度を高温・高負荷・高回転の過酷な使
用条件下で、も維持する。

又、金属薄膜の膜厚は適宜決定すればよいが、約２０μ
ｍ以下、特に約２〜１０μｍの範囲が工業的、経済的に
好ましい。

［実施例］ 次に、本発明に係るセラミックと金属の結合構造の実施
例について図面に基づき説明する。第１図は実施例のセ
ラミックと金属の結合構造を説明するための要部断面図
である。

第１図に示すように、この結合構造は、内径１５ｒｎｇ
ｎの嵌合孔１を有するインコロイ９０３（低熱膨張合金
鋼）製の金属スリーブ２と、締め代７５μｍで調整した
外径を有する窒化ケイ素からなるセラミック軸３とを、
膜厚５μｍの銀製薄膜４を介在させて嵌合・固定したも
のである。尚、金属スリーブ２の外径は２０ｒｒｒｎで
あり、嵌合長さは３ｍである。

この銀製薄膜４１表　セラミック軸３を嵌合する以前に
、金属スリーブ２の嵌合孔内局面に予め銀メツキを施し
て形成されている。そして、メツキ後の金属スリーブ２
を真空中で１０００’Ｃに加熱し、セラミック軸３を焼
きばめ固定した。銀メツキを施すに当たっては、前処理
としてニッケルストライクメツキを行い、既述したよう
に膜厚５μｍに調整した。

こうして得られた結合品を実施例品Ａとして、次の特性
試験（冷熱サイクル試験）を実施し翫比較例品ａとして
は、銀製薄膜４を省略し、他の条件、例えば締め代　嵌
合長さ等を同一の条件としたものを採用した。

上記実施例品Ａ及び比較品ａの各３個を、大気を熱媒体
とするとする試験槽内に放置し、−２０℃〜４００℃〜
−２０°Ｃ（上昇温度勾配置０℃／分、降下温度勾配５
°Ｃ／分）の冷熱サイクルに２００サイクル晒す。こう
して、両波測定品に繰り返し熱応力を加える。

その後、実施例品Ａ及び比較品ａの限界曲げ応力を、測
定した。その結果を第１表に示す。尚、限界曲げ応力の
測定に当たっては、被測定品をその金属スリーブを固定
して水平に保持し、セラミック軸の開放端に鉛直方向の
荷重を加えることとし、嵌合部のセラミック軸に破壊現
象が観察されたときの嵌合部応力を限界曲げ応力とした
。

第１表 この第１表から、各比較例品は常温まで冷却した焼きば
め完了後でさえ、セラミック軸の嵌合部に働く応力集中
によりクラックが発生し、冷熱サイクル試験開始前の限
界曲げ応力が低く、初期の結合強度すら極めて低い値し
か得られなかった。

これに対して、銀製薄膜４を介在させた実施例品の個々
ｌ；１２００サイクルにおよぶ上記冷熱サイクル試験終
了後でさえ、３５〜４０ ｋｇｆ／−という、高い限界曲げ応力を維持している。

従って、実施例のセラミックと金属の結合構造を採るこ
とにより、応力集中の緩和とともに、過酷な使用条件に
耐えうる結合強度を確保できる。

この結果、セラミック軸と金属スリーブとの結合の信頼
性が向上する。事実、実施例品Ａを、４００°Ｃの温度
下で２０万ｒｐｍの回転数で回転させた場合でも、何等
の回転異常も認められなかった次に、セラミック軸を大
気中、常温で圧入した場合の結合品について、上記の実
施例と同一条件（２００サイクル）での冷熱サイクル試
験を実施し、その後、限界曲げ応力を測定した。その結
果を第２表に示す。

尚、限界曲げ応力の測定に供する結合品（圧入品）とし
ては、実施例に係るもの及び比較例に係るものとも、そ
の形状、金属スリーブ及びセラミック軸材質等は上記し
た実施例品Ａ、比較例品ａと同一とした。又、このうち
実施例品として、既述した如くニッケルストライクメツ
キを経て膜厚５μｍに調整した銀製薄膜を介在させた実
施例品Ｂ、金属スリーブの嵌合孔に膜厚５μｍの銅製薄
膜を直接銅メツキした実施例品Ｃを採用し、比較例品す
として、何等の処理もせず嵌合孔に直接セラミック軸を
圧大したものを採用した。

第２表 この第２表の結果から、金属薄膜を形成せずに直接セラ
ミック軸と金属スリーブとを圧入・固定した比較例品ｂ
（表　限界曲げ応力が全体的に低く、そのバラツキも大
きいことが判る。これに対して、銀製薄膜又は銅製薄膜
を介在させた実施例品Ｂ。

Ｃの個々１ｉ２００サイクルにおよぶ上記冷熱サイクル
試験終了後でさえ、４０　ｋｇｆ／ｒ＋（以上の高い限
界曲げ応力を一様に維持している。

従って、セラミック軸と金属スリーブとを圧入した実施
例の結合構造であっても、応力集中の緩和ととも（：、
過酷な使用条件に耐えうる結合強度を確保できる。この
結果、圧入・焼きばめを問わず、セラミック軸と金属ス
リーブとの結合の信頼性が向上する。

次１：、セラミック軸を大気中、常温で圧入した場合の
実施例品り、　　Ｅと、金属薄膜に替わる被膜として二
硫化モリブデンを介在させた比較例品Ｃとについて、ね
じり強度を測定した 尚、実施例品り、　　Ｅ及び比較例品Ｃとも、その形状
金属スリーブ及びセラミック軸材質等は上記した実施例
品Ａ、比較例品ａと同一とした。又、第２図に示すよう
に、このうち実施例品り、　　Ｅは、既述した如くニッ
ケルストライクメツキを経て膜厚５μｍに調整された銀
製薄膜１４をセラミック軸１３外周面に形成しで介在さ
せたもの、セラミック軸１３外周面に膜厚５μｍの銅製
薄膜１４を直接銅メツキしたものを採用し、比較例品ｃ
（３セラミック軸１３外周面に、二硫化モリブデン粉末
を周知の有機バインダーによりスプレー塗布しその厚み
が５μｍとなるよう調整したものを採用した。

ねじり強度の測定に当たって（よ常温で各結合品のセラ
ミック軸］３を固定した状態で金属スリーブ１２に徐々
にトルクを加えた場合に、嵌合部に滑りが生じた時のね
じりトルクをねじり強度として測定した　その結果を第
３表に示す。

第３表 この第３表の結果から、二硫化モリブデン塗膜を介在さ
せた比較例品では、ねじり強度が低い値であるため、高
速回転時にセラミック軸の滑りが発生する虞があり、そ
の信頼性が低い。つまり、二硫化モリブデンの塗膜で（
上　セラミック軸にがかる応力集中を緩和できるものの
、その摩擦抵抗値が必要以上に小さい値となるので、セ
ラミック軸の保持強度の確保が十分とはいえず、その信
頼性が低い。

これに対して、銀製又は銅製薄膜を備える実施例品り、
　　Ｅの個々ｌ；ｉ　　６．　　Ｏｋｇ／ｍ以上の高い
ねじり強度を備え、過酷な使用条件に耐えうる結合強度
（ねじり強度）を確保できる。この結果、セラミック軸
と金属スリーブとの結合の信頼性が向上する。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何等限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得るこ
とは勿論である。

例え（Ｌ不実施例で１よ袋穴状の嵌合孔にセラミック軸
を嵌合・固定する場合について説明したが、貫通してい
る嵌合孔にセラミック軸を嵌合・固定する場合にも同様
な効果Ｅ得ることができる。

又、金属薄膜をセラミック軸外周面及び金属スリーブの
嵌合孔内局面の両方に形成して、両部材間に金属薄膜を
介在させてもよい。当然に、孔に限らず金属部材の溝に
セラミック材の軸を嵌合させる際に用いることもできる
。

更に、セラミック軸の原材料として、窒化ケイ素は勿論
、炭化けい素、サイアロン、ジルコニア等の各種焼結体
色用いることや、金属スリーブの原材料として、インコ
ロイ等の低熱膨張合金鋼は勿論、ＳＮＣＭ、ＳＣＭとい
った各種合金鋼を使用できる。

発明の効果 以上実施例を含めて詳述したように、本発明のセラミッ
クと金属の結合構造によれば、金属薄膜を結合範囲のセ
ラミック材と金属材との間に介在させることにより、結
合部におけるセラミック材の軸に加わる応力集中を緩和
しつつ、その保持強度を過酷な使用条件に耐えうるよう
高い値のまま維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は実施例のセラミックと金属の結合構造
の要部を示す断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック材の軸を金属材の嵌合孔に嵌合・固定し
   たセラミックと金属の結合構造において、前記セラミッ
   ク材の軸の嵌合部外周面又は金属材の嵌合孔の内周面の
   少なくとも一方に、予め形成された金属薄膜を備えるこ
   とを特徴とするセラミックと金属の結合構造。 ２、請求項１記載の金属薄膜は、前記金属材より硬度の
   低い金属原材料からなること を特徴とするセラミックと金属の結合構造。