JPH0444632B2 - - Google Patents

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JPH0444632B2
JPH0444632B2 JP62082973A JP8297387A JPH0444632B2 JP H0444632 B2 JPH0444632 B2 JP H0444632B2 JP 62082973 A JP62082973 A JP 62082973A JP 8297387 A JP8297387 A JP 8297387A JP H0444632 B2 JPH0444632 B2 JP H0444632B2
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ceramic
metal
joining
taper
ceramic member
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Akihiko Yoshida
Yoshiatsu Nakasuji
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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、中間部材を介して結合されたセラミ
ツク製部材と金属製部材の結合構造およびその結
合方法に関するものである。 （従来の技術） 従来、熱膨脹率の相違する部材を突き合せて接
着して結合する方法としては、両者の界面に別体
の中間層を設けて結合する方法が知られている。
例えば、実開昭59−160533号公報においては、セ
ラミツクスと金属との接合構造として両者の界面
にＷ材またはMo材よりなるクラツド材を介在さ
せて接合する方法が開示されている。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述した従来方法では、熱膨脹差
により結合界面に残留応力が生じ十分な結合強度
が得られなかつた。すなわち、第４図に金属とセ
ラミツクスの接合の場合を例にとつて説明する
と、冷却前に通常の形状で接合していた熱膨脹率
の大きい金属と熱膨脹率の小さいセラミツクスと
が、一端冷却されると金属の方が収縮が進み第４
図に示すように界面端Ａ部で金属およびセラミツ
クスの両者に引張応力が加わり、この状態が進行
すると界面端Ａ部よりはく離や割れが生じること
があつた。 また、中間層としてＷ材またはMo材よりなる
クラツド材を使用した場合は、上述したような直
接に両者を接合する場合と比較して、ある程度は
残留応力が除去されるものの、この中間層の目的
が接合界面における残留応力の除去ではないた
め、接合界面におけるはく離や割れをなくすこと
はできなかつた。 本発明の目的は上述した不具合を解消して、界
面端のはく離や割れが発生し難い熱膨脹の異なる
セラミツク製部材と金属製部材の結合構造および
その結合方法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製部材と金属製部材の結合
構造は、セラミツク製部材と金属製部材を中間部
材を介して突き合わせて接着することにより結合
するセラミツク製部材と金属製部材の結合構造に
おいて、前記中間部材は、その降伏応力がセラミ
ツク製部材および金属製部材の降伏応力より小さ
く、且つ、中間部材の外周面にセラミツク製部材
側に向けて外径が大きくなるようなテーパを有す
ることを特徴とするものである。 また、本発明のセラミツク製部材と金属製部材
の結合方法は、セラミツク製部材と金属製部材を
中間部材を介して突き合わせて接着することによ
り結合する方法において、前記セラミツク製部材
と金属製部材を中間部材を介して突き合わせて接
合し、該接合体にアニールを施した後、前記中間
部材の外周面にセラミツク製部材側に向けて外径
が大きくなるようなテーパを設けたことを特徴と
するものである。 さらに、本発明のセラミツク製部材と金属製部
材の結合方法は、セラミツク製部材と金属製部材
を中間部材を介して突き合わせて接着することに
より結合する方法において、前記セラミツク製部
材と金属製部材の接合前に中間部材の外周面に所
定のテーパを設けた後、前記セラミツク製部材と
金属製部材間に中間部材を、そのテーパがセラミ
ツク製部材側に向けて外径が大きくなるように配
置し接合することを特徴とするものである。 （作用） 上述した構成において、中間部材の降伏応力を
セラミツク製部材および金属製部材の降伏応力よ
り小さくすることにより、熱膨脹および熱収縮の
際の熱膨脹差によつて生じる引張応力が結合界面
端に加わつても中間部材が塑性変形即ちせん断変
形するため、両部材間の界面における残留応力を
緩和し、界面端のはく離や割れを有効に防止する
ことができる。 また、中間部材の外周面に熱膨脹の小さいセラ
ミツク製部材側に向けて外径が大きくなるような
テーパを設けることにより、降伏応力が小さい
（一般的には硬度の小さい）中間層の引張応力の
方向を変え、塑性変形即ちせん断変形し易くし、
界面端における残留応力緩和効果が促進される。 さらに本発明の方法において、熱圧接合後の冷
却時にアニールを施することにより、熱膨脹差に
よつて生じた熱応力を除去し、その後テーパ加工
をすることにより界面端のはく離や割れを有効に
防止することができる。 テーパの形状としては、第１図ａ〜ｅにその一
例を示すように接合部材Ａ（熱膨脹率の小さいセ
ラミツク製部材）から接合部材Ｂ（熱膨脹率の大
きい金属製部材）に向つて中間部材Ｃにテーパが
設けてあればどのような形状でも良いものであ
る。すなわち、ＡとＣの界面がテーパ上にあれば
良く、さらに、広義には、第１図ｅに示すように
テーパが曲面状であつても良い。即ち本発明のテ
ーパの定義としては中間部材Ｃのテーパ部分で接
合界面に平行に切つた断面の断面積がＡからＢに
向つて小さくなれば良いものであり、テーパの断
面が第１図に示すように直線および曲線であつて
も良い。さらに接合面の形状は円形である必要は
なく、四角形でも多角形でも適用できる。また、
テーパの加工は接合前でも後でも良い。 また、テーパの角度は、ＡとＣの接合界面にお
けるテーパ断面の曲線の接線が中心軸方向に対し
てなす角度とする。 （実施例） 第２図ａ，ｂは本発明の結合方法を実際の部材
に応用した例を示す線図である。第２図ａはピス
トンキヤツプへ応用した例で、部分安定化ジルコ
ニア製ピストンキヤツプ１をCuよりなる中間層
２を介して球状黒鉛鋳鉄よりなるピストン３に接
着している。本実施例では、中間層２に降伏応力
10Kg／mm2（硬度＝HRF40）と、黒鉛鋳鉄の降伏応
力25Kg／mm2より降伏応力が小さいCuを用い、さ
らにピストンキヤツプ１に向つて径が大きくなる
ようなテーパが設けられており、これにより中間
層２の塑性変形を生じさせて界面端の残留応力を
逃がしている。 第２図ｂはターボチヤージヤーロータやガスタ
ービンロータなどの回転軸に応用した例で、窒化
ケイ素よりなる回転翼の軸部８と金属製の回転軸
９とをテーパを施したCuよりなる中間層１０を
介して接合している。 本発明の結合方法は熱膨脹の異なるセラミツク
製部材と金属製部材の場合に有効である。このよ
うな用途に用いられるセラミツク製部材として
は、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、ベリリア等が使用
でき、また金属製部材としては、ステンレス鋼、
球状黒鉛鋳鉄、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、析出硬化
型超合金等が使用できる。また、金属製部材とし
てはその一部あるいは全部に析出硬化処理、窒化
処理または高周波焼入れ処理等の硬化処理が行な
われていると好適である。 また、中間部材としては降伏応力の小さいCu，
Al，Zn，Ti，Pb，Pt，Au，Ag及びそれらの合
金等が使用できる。 接合方法としてはろう付け、拡散接合、溶融接
合などによる接合あるいはこれらの組合せによる
接合を用いることができる。 次に、テーパおよび中間材の性質を確認するた
め、第３図ａ，ｂに示すような形状の試験体２１
を製作した。この試験体は、直径30mm、厚み10mm
の窒化珪素（Si3N4）製円板２２が鋳鉄製丸棒２
３，２４間に配置され、さらに円板２２と丸棒２
３，２４の間に中間部材として銅製あるいは銅合
金製薄板２５，２６が夫々配置されている。中間
部材２５，２６には夫々窒化珪素円板２２に向け
て外径が大きくなるようなテーパ加工が施こされ
ている。この試験体２１はこれら丸棒２３、薄板
２５、円板２２、薄板２６および丸棒２４を、
800℃で銀ろう付けして得た。この試験体におい
て、薄板２５，２６の材質、並びに薄板に設けら
れたテーパ面２７のテーパ角度θ、テーパ長さｌ
（第３図ｂ参照）を種々に変化させた試験体を製
作し、引張試験を行つた。 また、接合時には薄板２５，２６はテーパを設
けず接合時に400℃×30分のアニールを施し、接
合後、テーパ加工を行つたものについても同様の
試験を行つた。なお、比較のため、アニール工程
を行わないもの、テーパを設けないものについて
も同様の試験を行ない、その結果を表１に記す。
【表】
【表】 この結果から明らかなように、テーパを設けな
いものに比べて、テーパ部を設けたものは、冷却
時の割れが発生せず、しかも引張強度が高い。こ
のテーパ部のテーパ角度θは、少なくとも10度以
上好ましくは30度以上あれば、有利な引張強度を
得ることができ、テーパ長さも、少なくとも0.1
mm以上あれば強度も十分なものとなる。 この中間部材の材料としては、降伏応力が少な
くとも約20Kg／mm2以下の金属、例えば、4/6黄銅
等を用いると良く、好ましくは降伏応力が約10
Kg／mm2を有する銅等を用いるのが有効である。 また、テーパ加工は接合前でも後でも良く、接
合後に加工する場合は、アニール工程を入れると
応力集中による結合力の低下が緩和できるので効
果的である。 （発明の効果） 以上の記載から明らかなように、本発明では、
熱膨脹の異なるセラミツク製部材と金属製部材の
間にこれら部材より降伏応力が小さい中間部材を
結合し、この中間部材にテーパを施すことによ
り、これら部材の熱膨脹差によつて生じた引張応
力を中間部材が塑性変形することにより緩和する
ことができ、しかもテーパ効果により界面端の応
力が方向を変え中間部材の塑性変形をし易くする
利点があり、これら効果により界面端の残留応力
を非常に小さくする効果がある。 さらに、熱膨脹の異なるセラミツク製部材と金
属製部材を中間部材を介して接合する場合に、接
合後、アニールを施することにより、熱応力が除
去され、これと相俟つて接合の前もしくは後で中
間部材にテーパ加工を施すことにより、残留応力
を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図ａ〜ｅはそれぞれ本発明の結合構造にお
けるテーパ面の一実施例を示す線図、第２図ａ〜
ｂは、それぞれ本発明を実際の部材に応用して例
を示す線図、第３図ａ，ｂは本発明により製作し
た試験体を示す線図、第４図は従来の欠点を説明
するための線図である。 １……ピストンキヤツプ、２……中間層、３…
…ピストン、４……テーパ部、８……回転翼の軸
部、９……回転軸、１０……中間層、１１……テ
ーパ部。

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を中間部材を
    介して突き合わせて接着することにより結合する
    セラミツク製部材と金属製部材の結合構造におい
    て、前記中間部材は、その降伏応力がセラミツク
    製部材および金属製部材の降伏応力より小さく、
    且つ、中間部材の外周面にセラミツク製部材側に
    向けて外径が大きくなるようなテーパを有するこ
    とを特徴とするセラミツク製部材と金属製部材の
    結合構造。 ２ 上記テーパの軸方向に対する角度が10度以上
    である特許請求の範囲第１項記載のセラミツク製
    部材と金属製部材の結合構造。 ３ 上記中間部材の降伏応力が20Kg／mm2以下であ
    る特許請求の範囲第１項または第２項記載のセラ
    ミツク製部材と金属製部材の結合構造。 ４ セラミツク製部材と金属製部材を中間部材を
    介して突き合わせて接着することにより結合する
    方法において、前記セラミツク製部材と金属製部
    材を中間部材を介して突き合わせて接合し、該接
    合体にアニールを施した後、前記中間部材の外周
    面にセラミツク製部材側に向けて外径が大きくな
    るようなテーパを設けたことを特徴とするセラミ
    ツク製部材と金属製部材の結合方法。 ５ セラミツク製部材と金属製部材を中間部材を
    介して突き合わせて接着することにより結合する
    方法において、前記セラミツク製部材と金属製部
    材の接合前に中間部材の外周面に所定のテーパを
    設けた後、前記セラミツク製部材と金属製部材間
    に中間部材を、そのテーパがセラミツク製部材側
    に向けて外径が大きくなるように配置し接合する
    ことを特徴とするセラミツク製部材と金属製部材
    の結合方法。 ６ 前記セラミツク製部材と金属製部材をテーパ
    を有する中間部材を介して接合した後、該接合体
    にアニールを施した特許請求の範囲第５項記載の
    セラミツク製部材と金属製部材の結合方法。
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