JPH0449512B2 - - Google Patents
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- JPH0449512B2 JPH0449512B2 JP9932088A JP9932088A JPH0449512B2 JP H0449512 B2 JPH0449512 B2 JP H0449512B2 JP 9932088 A JP9932088 A JP 9932088A JP 9932088 A JP9932088 A JP 9932088A JP H0449512 B2 JPH0449512 B2 JP H0449512B2
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Landscapes
- Gears, Cams (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は金属・セラミツクス結合体の製造法に
関する。
関する。
ジルコニア、窒化けい素、炭化けい素等のセラ
ミツクスは機械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐ
れているため、ガスタービンエンジン部品、デイ
ーゼルエンジン部品等の高温構造材料あるいは耐
摩耗材料として注目されている。しかし、セラミ
ツクスは一般に硬くて脆いため金属材料に比較し
て成形加工性が劣る。また、靱性に乏しいためセ
ラミツクス材料のみでエンジン部品のような機械
材料を形成することは難かしく、一般には金属製
部材とセラミツクス製部材とを結合した複合構造
体としての形で用いられる。
ミツクスは機械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐ
れているため、ガスタービンエンジン部品、デイ
ーゼルエンジン部品等の高温構造材料あるいは耐
摩耗材料として注目されている。しかし、セラミ
ツクスは一般に硬くて脆いため金属材料に比較し
て成形加工性が劣る。また、靱性に乏しいためセ
ラミツクス材料のみでエンジン部品のような機械
材料を形成することは難かしく、一般には金属製
部材とセラミツクス製部材とを結合した複合構造
体としての形で用いられる。
エンジン部品として使用される金属・セラミツ
クス結合体の金属製部材とセラミツクス製部材の
機械的結合方法としては、例えば第1図に示すよ
うに、セラミツクス製タービンホイールの回転軸
1と金属製コンプレツサーホイールの回転軸2と
を外周に金属製の円筒状カラー21を焼嵌めたこ
とにより結合した構造(特開昭57−200601号公
報)あるいは第2図に示すように、セラミツクス
製のタービンホイールの回転軸4を金属製コンプ
レツサーホイールの回転軸2の端部に設けた凹部
3に嵌合した構造(米国特許第3666302号明細書)
が知られている。
クス結合体の金属製部材とセラミツクス製部材の
機械的結合方法としては、例えば第1図に示すよ
うに、セラミツクス製タービンホイールの回転軸
1と金属製コンプレツサーホイールの回転軸2と
を外周に金属製の円筒状カラー21を焼嵌めたこ
とにより結合した構造(特開昭57−200601号公
報)あるいは第2図に示すように、セラミツクス
製のタービンホイールの回転軸4を金属製コンプ
レツサーホイールの回転軸2の端部に設けた凹部
3に嵌合した構造(米国特許第3666302号明細書)
が知られている。
しかし、これら従来の結合構造には、次のよう
な欠点がある。
な欠点がある。
(1) 結合部の金属製部材の肉厚が大きいため、セ
ラミツクス製部材の金属製部材への嵌入部にお
いて大きな応力集中を生ずる。すなわち、第1
図に示すような従来の結合構造を持つ金属・セ
ラミツクス結合体では金属製カラー21の端部
5において該結合体の外径が変化して剛性が不
連続に変化するため、結合体に引張荷重または
曲げ荷重が加えられると、金属製カラーの端部
5の近傍のセラミツクス製部材中に応力集中が
生じ、この部分から破壊する。
ラミツクス製部材の金属製部材への嵌入部にお
いて大きな応力集中を生ずる。すなわち、第1
図に示すような従来の結合構造を持つ金属・セ
ラミツクス結合体では金属製カラー21の端部
5において該結合体の外径が変化して剛性が不
連続に変化するため、結合体に引張荷重または
曲げ荷重が加えられると、金属製カラーの端部
5の近傍のセラミツクス製部材中に応力集中が
生じ、この部分から破壊する。
(2) 第1図に示す従来の結合構造では、セラミツ
クス製部材の大径背面6と金属製部材の端面5
との間の隙間l1が小さいため、結合部に曲げ荷
重が加えられると、隙間l1の部分のセラミツク
ス製部材に応力が集中し、この部分から破壊す
る。
クス製部材の大径背面6と金属製部材の端面5
との間の隙間l1が小さいため、結合部に曲げ荷
重が加えられると、隙間l1の部分のセラミツク
ス製部材に応力が集中し、この部分から破壊す
る。
第2図に示す従来例にも同様の欠点がある。
本発明の目的は曲げ荷重によりセラミツクス製
部材中に生じる応力集中が小さく、従つて全体の
強度が向上するような構造の金属・セラミツクス
結合体の製造法を提供することである。
部材中に生じる応力集中が小さく、従つて全体の
強度が向上するような構造の金属・セラミツクス
結合体の製造法を提供することである。
本発明の金属・セラミツクス結合体の製造法
は、金属製部材とセラミツクス製部材とをセラミ
ツクス製部材に設けた小径部と金属製部材に設け
た凹部とを嵌合し一体的に結合する方法におい
て、該結合部の金属製部材のセラミツクス製部材
側端面とセラミツクス製部材の大径部背面との間
にセラミツクス製部材の小径部直径以上の隙間を
設けるように嵌合した後、金属製部材の端部肉厚
をセラミツクス製部材側に向かつてセラミツクス
製部材の小径部直径の0.4倍以上(好ましくは2
倍以下)の曲率半径で減少せしめ、該肉厚減少部
の長さと先端部の肉厚がそれぞれセラミツクス製
部材の小径部直径の0.5倍以上ならびに0.2倍以下
となるように加工する金属・セラミツクス結合体
の製造法である。
は、金属製部材とセラミツクス製部材とをセラミ
ツクス製部材に設けた小径部と金属製部材に設け
た凹部とを嵌合し一体的に結合する方法におい
て、該結合部の金属製部材のセラミツクス製部材
側端面とセラミツクス製部材の大径部背面との間
にセラミツクス製部材の小径部直径以上の隙間を
設けるように嵌合した後、金属製部材の端部肉厚
をセラミツクス製部材側に向かつてセラミツクス
製部材の小径部直径の0.4倍以上(好ましくは2
倍以下)の曲率半径で減少せしめ、該肉厚減少部
の長さと先端部の肉厚がそれぞれセラミツクス製
部材の小径部直径の0.5倍以上ならびに0.2倍以下
となるように加工する金属・セラミツクス結合体
の製造法である。
図面により本発明の構成をさらに詳しく説明す
る。第3図ないし第6図は本発明の製造法により
得られた金属・セラミツクス結合体の一具体例の
構造を示したものである。
る。第3図ないし第6図は本発明の製造法により
得られた金属・セラミツクス結合体の一具体例の
構造を示したものである。
第3図はセラミツクス製部材1に設けられた直
径l2の小径部4が金属製部材2に設けられた凹部
3に、金属製部材上の凹部端面5とセラミツクス
製部材の大径部背面6との間に隙間l1が存在する
ように嵌合されるとともに、金属製部材2上の凹
部3のセラミツクス製部材側端部7の肉厚が先端
部に向かつて曲率半径Rで漸次減少せしめられて
いる金属・セラミツクス結合体の嵌合部の縦断面
図である。
径l2の小径部4が金属製部材2に設けられた凹部
3に、金属製部材上の凹部端面5とセラミツクス
製部材の大径部背面6との間に隙間l1が存在する
ように嵌合されるとともに、金属製部材2上の凹
部3のセラミツクス製部材側端部7の肉厚が先端
部に向かつて曲率半径Rで漸次減少せしめられて
いる金属・セラミツクス結合体の嵌合部の縦断面
図である。
金属製部材2上の凹部端面5とセラミツクス製
部材1の大径部背面6との間の隙間l1は、セラミ
ツクス製部材上の小径部直径l2以上であることが
必要である。金属製部材2上の凹部3のセラミツ
クス製部材側端部7の肉厚減少部の曲率半径R、
該肉厚減少部先端の肉厚l3ならびに該肉厚減少部
の長さl4は該肉厚減少部先端5付近のセラミツク
ス製部材への応力集中をさけるため、それぞれセ
ラミツクス製部材4上の小径部直径l2の0.4倍以
上、0.2倍以下、0.5倍以上であることが好まし
い。金属製部材上の凹部3とセラミツクス製部材
上の小径部4の嵌合は焼ばめ、あるいは圧入のい
ずれの方法で行つてもよい。
部材1の大径部背面6との間の隙間l1は、セラミ
ツクス製部材上の小径部直径l2以上であることが
必要である。金属製部材2上の凹部3のセラミツ
クス製部材側端部7の肉厚減少部の曲率半径R、
該肉厚減少部先端の肉厚l3ならびに該肉厚減少部
の長さl4は該肉厚減少部先端5付近のセラミツク
ス製部材への応力集中をさけるため、それぞれセ
ラミツクス製部材4上の小径部直径l2の0.4倍以
上、0.2倍以下、0.5倍以上であることが好まし
い。金属製部材上の凹部3とセラミツクス製部材
上の小径部4の嵌合は焼ばめ、あるいは圧入のい
ずれの方法で行つてもよい。
本発明の製造法による金属・セラミツクス結合
体は、金属製部材2の端面5とセラミツクス製部
材1の大径部背面6との間の隙間l1がセラミツク
ス製部材1に設けられた小径部4の直径l2以上で
あるように結合されているので、該結合体に加え
られた曲げ荷重は、隙間l1の部分のセラミツクス
製部材で全体的に支えられるため応力集中が起こ
らない。隙間l1がセラミツクス製部材に設けられ
た小径部4の直径l2未満である場合には、短い領
域のセラミツクス製部材1の小径部4で曲げ荷重
が支えられることになり、高い応力集中が起こる
ので、低い曲げ荷重でセラミツクス製部材1の小
径部材4が破壊する。また、本発明の製造法によ
る金属・セラミツクス結合体は金属製部材2のセ
ラミツクス製部材側端部7の肉厚が先端部に向か
つてセラミツクス製部材1の小径部4の直径l2の
0.4倍以上、(好ましくは2倍以下)の曲率半径R
で漸次減少せしめられており、金属製部材の先端
部肉厚l3もセラミツクス製部材1に設けられた小
径部4の直径l2の0.2倍以下、金属製部材2の端部
の肉厚が漸次減少する側端部7の長さl4もセラミ
ツクス製部材1に設けられた小径部4の直径l2の
0.5倍以上であり、金属製部材2の端部5におけ
る該結合体の外径の変化が緩やかなので、この部
分での応力集中は少ない。
体は、金属製部材2の端面5とセラミツクス製部
材1の大径部背面6との間の隙間l1がセラミツク
ス製部材1に設けられた小径部4の直径l2以上で
あるように結合されているので、該結合体に加え
られた曲げ荷重は、隙間l1の部分のセラミツクス
製部材で全体的に支えられるため応力集中が起こ
らない。隙間l1がセラミツクス製部材に設けられ
た小径部4の直径l2未満である場合には、短い領
域のセラミツクス製部材1の小径部4で曲げ荷重
が支えられることになり、高い応力集中が起こる
ので、低い曲げ荷重でセラミツクス製部材1の小
径部材4が破壊する。また、本発明の製造法によ
る金属・セラミツクス結合体は金属製部材2のセ
ラミツクス製部材側端部7の肉厚が先端部に向か
つてセラミツクス製部材1の小径部4の直径l2の
0.4倍以上、(好ましくは2倍以下)の曲率半径R
で漸次減少せしめられており、金属製部材の先端
部肉厚l3もセラミツクス製部材1に設けられた小
径部4の直径l2の0.2倍以下、金属製部材2の端部
の肉厚が漸次減少する側端部7の長さl4もセラミ
ツクス製部材1に設けられた小径部4の直径l2の
0.5倍以上であり、金属製部材2の端部5におけ
る該結合体の外径の変化が緩やかなので、この部
分での応力集中は少ない。
金属製部材2の端部の肉厚がセラミツクス製部
材1側に向かつて漸次減少していない場合には、
金属製部材2の端面5において該結合体の外径が
変化し、その剛性が不連続に変わるため、この端
面5の部分のセラミツクス製部材に応力集中を生
じ、低い荷重でセラミツクス製部材1の破壊が生
ずる。
材1側に向かつて漸次減少していない場合には、
金属製部材2の端面5において該結合体の外径が
変化し、その剛性が不連続に変わるため、この端
面5の部分のセラミツクス製部材に応力集中を生
じ、低い荷重でセラミツクス製部材1の破壊が生
ずる。
本発明の製造法は金属・セラミツクス結合体の
金属製部材とセラミツクス製部材との嵌合部の金
属製部材端部の肉厚減少加工は嵌合後に行なう。
金属製部材とセラミツクス製部材との嵌合部の金
属製部材端部の肉厚減少加工は嵌合後に行なう。
セラミツクス製部材1に設けた小径部4の直径
l2が小さく、従つて金属製部材2の先端の肉厚l3
が非常に薄い場合には、金属製部材2とセラミツ
クス製部材1とを嵌合する前に金属製部材2の先
端の肉厚l3をセラミツクス製部材1に設けた小径
部4の直径l2の0.2倍以下であるように加工するこ
とが困難であり、また加工時に金属製部材端部の
肉厚漸減部7が内側に嵌入してしまい、その後の
嵌合が不可能になるので、嵌合後加工する必要が
ある。
l2が小さく、従つて金属製部材2の先端の肉厚l3
が非常に薄い場合には、金属製部材2とセラミツ
クス製部材1とを嵌合する前に金属製部材2の先
端の肉厚l3をセラミツクス製部材1に設けた小径
部4の直径l2の0.2倍以下であるように加工するこ
とが困難であり、また加工時に金属製部材端部の
肉厚漸減部7が内側に嵌入してしまい、その後の
嵌合が不可能になるので、嵌合後加工する必要が
ある。
第4図は、本発明の金属・セラミツクス結合体
の製造法の一具体例を示す説明図である。本発明
の製造法による金属・セラミツクス結合体は、例
えば金属製部材2の凹部3には予め入口部分にテ
ーパー22を設けて焼嵌めや圧入等の方法により
セラミツクス製部材1の小径部4を金属製部材2
の凹部3に挿入し易くしておき、圧入又は焼嵌め
等の方法でセラミツクス製部材1の小径部4を嵌
合したのちに金属製部材端部20を削除し、第3
図に示す肉厚漸減部7のような形状に加工して得
られる。さらに必要に応じて表面焼入れ、窒化処
理、硬質メツキ等の手段により金属製部材表面の
硬化処理を行うのである。
の製造法の一具体例を示す説明図である。本発明
の製造法による金属・セラミツクス結合体は、例
えば金属製部材2の凹部3には予め入口部分にテ
ーパー22を設けて焼嵌めや圧入等の方法により
セラミツクス製部材1の小径部4を金属製部材2
の凹部3に挿入し易くしておき、圧入又は焼嵌め
等の方法でセラミツクス製部材1の小径部4を嵌
合したのちに金属製部材端部20を削除し、第3
図に示す肉厚漸減部7のような形状に加工して得
られる。さらに必要に応じて表面焼入れ、窒化処
理、硬質メツキ等の手段により金属製部材表面の
硬化処理を行うのである。
第5図はセラミツクス製部材1の小径部4が、
胴部の一端に胴部直径より大径のフランジ9を有
する円筒状金属製部材2の凹部3に嵌合してなる
金属・セラミツクス結合体の一構造例の縦断面図
である。このフランジ部9を介して本発明の製造
法による金属・セラミツクス結合体の金属製部材
2を他の金属製部材と結合させることができる。
胴部の一端に胴部直径より大径のフランジ9を有
する円筒状金属製部材2の凹部3に嵌合してなる
金属・セラミツクス結合体の一構造例の縦断面図
である。このフランジ部9を介して本発明の製造
法による金属・セラミツクス結合体の金属製部材
2を他の金属製部材と結合させることができる。
第6図はセラミツクス製部材1の小径部4が、
胴部の一端にネジ部10が設けられた円筒状金属
製部材2の凹部3に嵌合してなる金属・セラミツ
クス結合体の一構造例の縦断面図である。このネ
ジ部10によつて本発明の金属。セラミツクス結
合体の金属製部材2の胴部に他の金属製部材を組
み込むことができる。
胴部の一端にネジ部10が設けられた円筒状金属
製部材2の凹部3に嵌合してなる金属・セラミツ
クス結合体の一構造例の縦断面図である。このネ
ジ部10によつて本発明の金属。セラミツクス結
合体の金属製部材2の胴部に他の金属製部材を組
み込むことができる。
第7図は金属製タペツト11のカムとの摺接面
12に本発明の製造法による金属・セラミツクス
結合体がはめ込み可能な貫通孔15Aを設け、そ
の貫通孔15Aに設けたネジ15と本発明の金
属・セラミツクス結合体の金属製部材2の外周に
設けたネジ10とでタペツト11に本発明の金
属・セラミツクス結合体を固定したカムとの摺接
面12およびプツシユロツド当接面13がセラミ
ツクスから成るタペツトである。
12に本発明の製造法による金属・セラミツクス
結合体がはめ込み可能な貫通孔15Aを設け、そ
の貫通孔15Aに設けたネジ15と本発明の金
属・セラミツクス結合体の金属製部材2の外周に
設けたネジ10とでタペツト11に本発明の金
属・セラミツクス結合体を固定したカムとの摺接
面12およびプツシユロツド当接面13がセラミ
ツクスから成るタペツトである。
第8図はセラミツクス製タービンホイール16
と一体に形成されている回転軸17の先端に設け
た小径部4がコンプレツサーホイール側の鋼製回
転軸14の先端に設けた凹部3に嵌合されている
本発明の製造法による金属・セラミツクス結合体
の一具体例を示すターボチヤージヤーローターで
ある。
と一体に形成されている回転軸17の先端に設け
た小径部4がコンプレツサーホイール側の鋼製回
転軸14の先端に設けた凹部3に嵌合されている
本発明の製造法による金属・セラミツクス結合体
の一具体例を示すターボチヤージヤーローターで
ある。
つぎに本発明の数値限定理由を試験結果にもと
づいて説明する。
づいて説明する。
試験片として、大径部直径l5=9mm、小径部直
径l2=5mm、大径部より小径部へ移行する肉厚漸
減部の曲率半径r=0〜3mm、小径部全長30mmの
窒化けい素セラミツクス製部材1と胴部直径l6=
9mmの焼なましたクロムモリブデン鋼(JIS−
SCM435)製金属部材2とを嵌合した第3図に示
す形状の金属・セラミツクス結合体を使用した。
この試験片について、第9図に示す曲げ試験装置
を使用し、スパンl7=40mm、試験片固定端23と
金属製部材端部5との距離l8=15mmとして曲げ試
験を行なつた。以降の試験については第10図な
いし第13図に示す試験では上記寸法のセラミツ
クス製部材において大径部より小径部へと以降す
る肉厚漸減部の曲率半径rは2mmに固定したセラ
ミツクス製部材を使用し、第14図に示す試験で
は上記寸法のセラミツクス製部材において該肉厚
漸減部の曲率半径rを0〜3mmの範囲で変化させ
たセラミツクス製部材を使用した。
径l2=5mm、大径部より小径部へ移行する肉厚漸
減部の曲率半径r=0〜3mm、小径部全長30mmの
窒化けい素セラミツクス製部材1と胴部直径l6=
9mmの焼なましたクロムモリブデン鋼(JIS−
SCM435)製金属部材2とを嵌合した第3図に示
す形状の金属・セラミツクス結合体を使用した。
この試験片について、第9図に示す曲げ試験装置
を使用し、スパンl7=40mm、試験片固定端23と
金属製部材端部5との距離l8=15mmとして曲げ試
験を行なつた。以降の試験については第10図な
いし第13図に示す試験では上記寸法のセラミツ
クス製部材において大径部より小径部へと以降す
る肉厚漸減部の曲率半径rは2mmに固定したセラ
ミツクス製部材を使用し、第14図に示す試験で
は上記寸法のセラミツクス製部材において該肉厚
漸減部の曲率半径rを0〜3mmの範囲で変化させ
たセラミツクス製部材を使用した。
第10図は金属製部材先端の肉厚l3を1mm、金
属製部材肉厚漸減部の長さl4を2.5mm、金属製部材
肉厚漸減部の曲率半径Rを2mmとしてセラミツク
ス製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との隙
間l1を変化させた時の曲げ試験結果を縦軸にセラ
ミツクス製部材の破壊荷重を横軸に隙間l1をとり
示したものである。第10図からも明らかなよう
に隙間l1が大きくなる程セラミツクス製部材の破
壊に要する曲げ荷重(破壊荷重)が大きくなり、
l1がセラミツクス製部材小径部4の直径l2の長さ
を越すと破壊荷重は一定値に近づく。l1がl2より
小さい場合には、応力集中のため、セラミツクス
製部材の破壊に要する荷重が急激に低下する。し
たがつて、セラミツクス製部材大径部背面と金属
製部材凹部端面との隙間l1はセラミツクス製部材
小径部直径l2以上であることが必要である。
属製部材肉厚漸減部の長さl4を2.5mm、金属製部材
肉厚漸減部の曲率半径Rを2mmとしてセラミツク
ス製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との隙
間l1を変化させた時の曲げ試験結果を縦軸にセラ
ミツクス製部材の破壊荷重を横軸に隙間l1をとり
示したものである。第10図からも明らかなよう
に隙間l1が大きくなる程セラミツクス製部材の破
壊に要する曲げ荷重(破壊荷重)が大きくなり、
l1がセラミツクス製部材小径部4の直径l2の長さ
を越すと破壊荷重は一定値に近づく。l1がl2より
小さい場合には、応力集中のため、セラミツクス
製部材の破壊に要する荷重が急激に低下する。し
たがつて、セラミツクス製部材大径部背面と金属
製部材凹部端面との隙間l1はセラミツクス製部材
小径部直径l2以上であることが必要である。
第11図は金属製部材の肉厚漸減部の長さl4を
2.5mm、金属製部材の肉厚漸減部の曲率半径Rを
2mm、セラミツクス製部材大径部背面と金属製部
材凹部端面との隙間l1を5mmとして金属製部材先
端の肉厚l3を変化させた時の曲げ試験結果を縦軸
にセラミツクス製部材の破壊荷重を、横軸に金属
製部材先端の肉厚l3をとり示したものである。
2.5mm、金属製部材の肉厚漸減部の曲率半径Rを
2mm、セラミツクス製部材大径部背面と金属製部
材凹部端面との隙間l1を5mmとして金属製部材先
端の肉厚l3を変化させた時の曲げ試験結果を縦軸
にセラミツクス製部材の破壊荷重を、横軸に金属
製部材先端の肉厚l3をとり示したものである。
第11図から明らかなように、金属製部材先端
の肉厚l3が大きくなる程、セラミツクス製部材の
破壊荷重が小さくなり、肉厚l3がセラミツクス製
部材小径部の直径l2の0.2倍を越すと破壊荷重は急
激に低下する。従つて金属製部材先端の肉厚l3は
セラミツクス製部材小径部の直径l2の0.2倍以下と
することが必要である。
の肉厚l3が大きくなる程、セラミツクス製部材の
破壊荷重が小さくなり、肉厚l3がセラミツクス製
部材小径部の直径l2の0.2倍を越すと破壊荷重は急
激に低下する。従つて金属製部材先端の肉厚l3は
セラミツクス製部材小径部の直径l2の0.2倍以下と
することが必要である。
第12図は金属製部材の肉厚l3を1mm、金属製
部材の肉厚漸減部の曲率半径Rを2mm、セラミツ
クス製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との
隙間l1を5mmとして、金属製部材端部の肉厚漸減
部の長さl4を変化させた時の曲げ試験結果を縦軸
にセラミツクス製部材の破壊荷重を、横軸に肉厚
漸減部の長さl4をとり示したものである。第12
図から明らかなように金属製部材端部の肉厚漸減
部の長さl4が大きくなる程、曲げに対する破壊荷
重が大きくなり、肉厚漸減部の長さl4がセラミツ
クス製部材の小径部直径l2の0.5倍を越すと破壊荷
重は一定に近づく。しかし、l4がl2の0.5倍以下で
は破壊荷重が急激に低下する。従つて金属製部材
端部の肉厚漸減部の長さl4はセラミツクス製部材
の小径部直径l2の0.5倍以上とすることが必要であ
る。
部材の肉厚漸減部の曲率半径Rを2mm、セラミツ
クス製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との
隙間l1を5mmとして、金属製部材端部の肉厚漸減
部の長さl4を変化させた時の曲げ試験結果を縦軸
にセラミツクス製部材の破壊荷重を、横軸に肉厚
漸減部の長さl4をとり示したものである。第12
図から明らかなように金属製部材端部の肉厚漸減
部の長さl4が大きくなる程、曲げに対する破壊荷
重が大きくなり、肉厚漸減部の長さl4がセラミツ
クス製部材の小径部直径l2の0.5倍を越すと破壊荷
重は一定に近づく。しかし、l4がl2の0.5倍以下で
は破壊荷重が急激に低下する。従つて金属製部材
端部の肉厚漸減部の長さl4はセラミツクス製部材
の小径部直径l2の0.5倍以上とすることが必要であ
る。
第13図はセラミツクス製部材大径部背面と金
属製部材凹部端面との隙間l1を5mm、金属製部材
先端の肉厚l3を1mm、金属製部材の肉厚漸減部の
長さl4を2.5mmとして、金属製部材端部の肉厚漸減
部の曲率半径Rを変化させた時の曲げ試験結果を
縦軸に破壊荷重を横軸に曲率半径Rをとり示した
ものである。第13図から明らかなように、曲率
半径Rがセラミツクス製部材小径部直径l2の0.4倍
以下では破壊荷重が急激に低下しており、l2の0.4
倍以上では破壊荷重はほぼ一定値である。従つて
金属製部材端部の肉厚漸減部の曲率半径Rはセラ
ミツクス製部材小径部の直径l2の0.4倍以上とする
のが好ましいものである。
属製部材凹部端面との隙間l1を5mm、金属製部材
先端の肉厚l3を1mm、金属製部材の肉厚漸減部の
長さl4を2.5mmとして、金属製部材端部の肉厚漸減
部の曲率半径Rを変化させた時の曲げ試験結果を
縦軸に破壊荷重を横軸に曲率半径Rをとり示した
ものである。第13図から明らかなように、曲率
半径Rがセラミツクス製部材小径部直径l2の0.4倍
以下では破壊荷重が急激に低下しており、l2の0.4
倍以上では破壊荷重はほぼ一定値である。従つて
金属製部材端部の肉厚漸減部の曲率半径Rはセラ
ミツクス製部材小径部の直径l2の0.4倍以上とする
のが好ましいものである。
第14図はセラミツクス製部材大径部背面と金
属製部材凹部端面の隙間l1を5mm、。金属製部材
先端の肉厚l3を1mm、金属製部材肉厚漸減部の長
さl4を2.5mm、金属製部材肉厚漸減部の曲率半径R
を2mmとして、セラミツクス製部材の大径部より
小径部へ移行する肉厚漸減部の曲率半径rを変化
させた時の曲げ試験結果を、縦軸に破壊荷重を、
横軸に肉厚漸減部の曲率半径rをとり示したもの
である。第14図から明らかなように、セラミツ
クス製部材の大径部より小径部へ移行する部分に
肉厚漸減部が無く、曲率半径rが零の場合には、
破壊荷重が極端に低い。従つてセラミツクス製部
材の大径部から小径部へ移行する部分には、肉厚
漸減部を設けるのが好ましい。
属製部材凹部端面の隙間l1を5mm、。金属製部材
先端の肉厚l3を1mm、金属製部材肉厚漸減部の長
さl4を2.5mm、金属製部材肉厚漸減部の曲率半径R
を2mmとして、セラミツクス製部材の大径部より
小径部へ移行する肉厚漸減部の曲率半径rを変化
させた時の曲げ試験結果を、縦軸に破壊荷重を、
横軸に肉厚漸減部の曲率半径rをとり示したもの
である。第14図から明らかなように、セラミツ
クス製部材の大径部より小径部へ移行する部分に
肉厚漸減部が無く、曲率半径rが零の場合には、
破壊荷重が極端に低い。従つてセラミツクス製部
材の大径部から小径部へ移行する部分には、肉厚
漸減部を設けるのが好ましい。
本発明の金属・セラミツクス結合体を構成する
セラミツクス材料は窒化けい素、炭化けい素、部
分安定化ジルコニア、アルミナ、ベリリア等から
本発明の金属・セラミツクス結合体の使用目的に
応じて選択すればよい。たとえば本発明の金属・
セラミツクス結合体でターボチヤージヤーロータ
ーを作る場合には、高温になるタービンホイール
と、それに続く回転軸は高温強度の大きい窒化け
い素が望ましい。また、カムとの摺接面をセラミ
ツクスとしたタペツトを本発明の金属・セラミツ
クス結合体で作る場合には、セラミツクス材料と
して高強度、高靭性の部分安定化ジルコニアが望
ましい。
セラミツクス材料は窒化けい素、炭化けい素、部
分安定化ジルコニア、アルミナ、ベリリア等から
本発明の金属・セラミツクス結合体の使用目的に
応じて選択すればよい。たとえば本発明の金属・
セラミツクス結合体でターボチヤージヤーロータ
ーを作る場合には、高温になるタービンホイール
と、それに続く回転軸は高温強度の大きい窒化け
い素が望ましい。また、カムとの摺接面をセラミ
ツクスとしたタペツトを本発明の金属・セラミツ
クス結合体で作る場合には、セラミツクス材料と
して高強度、高靭性の部分安定化ジルコニアが望
ましい。
金属製部材上の凹部のセラミツクス製部材側端
部の肉厚漸減部7の形状は円弧に限られるもので
はなく、曲線上の全ての曲率半径がセラミツクス
製部材上の小径部直径l2の0.4倍以上であれば該肉
圧漸減部7の形状は例えば放物線、楕円曲線等の
円弧以外の二次曲線等であつてもよい。また該肉
厚漸減部7の形状が曲率半径が無限大の場合に相
当する直線形状であつてもよい。
部の肉厚漸減部7の形状は円弧に限られるもので
はなく、曲線上の全ての曲率半径がセラミツクス
製部材上の小径部直径l2の0.4倍以上であれば該肉
圧漸減部7の形状は例えば放物線、楕円曲線等の
円弧以外の二次曲線等であつてもよい。また該肉
厚漸減部7の形状が曲率半径が無限大の場合に相
当する直線形状であつてもよい。
実施例 1
外径9.0mm、長さ60.0mmのセラミツクス製丸棒
を常圧焼結法による窒化けい素にて作成した。こ
のセラミツクス製部材の一端に外径5.0mm、長さ
40.0mmの凸部を設けて大径部と小径部とを形成
し、該小径部の付け根の肉厚が曲率半径1.0mmで
大径部に向かつて漸次増加するようにした。また
全長50.0mm、外径9.0mmのアルミクロムモリブデ
ン鋼(JIS−SACM645)製丸棒の一端に内径4.98
mm、深さ45.0mmの凹部を設けた金属製部材を作成
した。この金属製部材を500℃にてセラミツクス
製部材の小径部に焼嵌めして、次の2種類の金
属・セラミツクス結合体の試験体を作成した。
を常圧焼結法による窒化けい素にて作成した。こ
のセラミツクス製部材の一端に外径5.0mm、長さ
40.0mmの凸部を設けて大径部と小径部とを形成
し、該小径部の付け根の肉厚が曲率半径1.0mmで
大径部に向かつて漸次増加するようにした。また
全長50.0mm、外径9.0mmのアルミクロムモリブデ
ン鋼(JIS−SACM645)製丸棒の一端に内径4.98
mm、深さ45.0mmの凹部を設けた金属製部材を作成
した。この金属製部材を500℃にてセラミツクス
製部材の小径部に焼嵌めして、次の2種類の金
属・セラミツクス結合体の試験体を作成した。
試験体Aは本発明の特徴を備えた金属・セラミ
ツクス結合体であり、セラミツクス製部材の大径
部背面と金属製部材の凹部端面との間の距離が
15.0mmとなるように焼嵌めしてあり、しかも焼嵌
めした後に金属製部材の端部を加工して、セラミ
ツクス製部材に向つて曲率半径5.0mmで肉厚が漸
減し、その肉厚漸減部の長さおよび先端の肉厚が
各々4.0mmおよび0.05mmである。
ツクス結合体であり、セラミツクス製部材の大径
部背面と金属製部材の凹部端面との間の距離が
15.0mmとなるように焼嵌めしてあり、しかも焼嵌
めした後に金属製部材の端部を加工して、セラミ
ツクス製部材に向つて曲率半径5.0mmで肉厚が漸
減し、その肉厚漸減部の長さおよび先端の肉厚が
各々4.0mmおよび0.05mmである。
試験体Bは本発明の特徴を満足しない金属・セ
ラミツクス結合体であり、セラミツクス製部材の
大径部背面と金属製部材のセラミツクス製部材側
端面との間の距離が0.05mmとなるように焼嵌めて
あり、金属製部材の結合部側端面には肉厚漸減部
は設けられていない。
ラミツクス結合体であり、セラミツクス製部材の
大径部背面と金属製部材のセラミツクス製部材側
端面との間の距離が0.05mmとなるように焼嵌めて
あり、金属製部材の結合部側端面には肉厚漸減部
は設けられていない。
作成した上記の試験体A、Bの曲げ試験を第9
図に示す曲げ試験装置により行なつた。曲げ試験
条件は、第9図におけるスパンl7が40.0mm、固定
端23と金属製部材端部5との距離l8は15.0mmお
よび荷重速度は0.05mm/秒である。
図に示す曲げ試験装置により行なつた。曲げ試験
条件は、第9図におけるスパンl7が40.0mm、固定
端23と金属製部材端部5との距離l8は15.0mmお
よび荷重速度は0.05mm/秒である。
曲げ試験の結果、試験体Aの破壊荷重が32.0
Kgであるのに対し、試験体Bの破壊荷重は12Kgで
あり、本発明の金属・セラミツクス結合体の曲げ
強度は従来のものと比べて特にすぐれていた。
Kgであるのに対し、試験体Bの破壊荷重は12Kgで
あり、本発明の金属・セラミツクス結合体の曲げ
強度は従来のものと比べて特にすぐれていた。
実施例 2
外径61.0mmのタービンホイールと直径9.0mmの
タービンシヤフトを常圧焼結法による窒化けい素
で一体的に形成した全長72.0mmのセラミツクス製
部材を作製した。このセラミツクス製部材のター
ビンシヤフト先端に直径6.0mm、長さ20.0mmの凸
部を加工し、その付け根に曲率半径1.0mmで肉厚
が漸次減少する部分を設けて小径部と大径部を作
成した。また全長60.0mm、直径9.0mmのアルミク
ロムモリブデン鋼(JIS−SACM645)の一端に
内径5.8mm、深さ14.0mmの凹部を形成した。この
凹部にタービンシヤフト先端の小径部を350℃で
圧入して、上記凹部端面と大径部背面との間を
10.0mmとし、次いで金属製部材の端部をセラミツ
クス製部材側に向かつて肉厚z、曲率半径6.0mm
で漸次減少し、その肉厚漸減部の長さが4.0mm、
先端の肉厚が0.05mmとなるようにした。このター
ボチヤージヤーローターのコンプレツサーホイー
ル側回転軸を直径5.0mmに加工し、第8図に示す
形状とした。このコンプレツサー側回転軸14に
内径5.2mm、外径30.0mm、長さ25.0mmのアルミニウ
ム合金(JIS−AC4C)製円筒をはめ、フランジ
24とコンプレツサーホイール側回転軸の一端に
設けたネジ15の間で、締付けトルク15Kg・cmで
ナツトにより固定した、このターボチヤージヤー
ローターを高温回転試験装置に組込んで、燃焼ガ
スにより150000rpmで1時間の回転試験を行つた
が何ら異常は認められなかつた。
タービンシヤフトを常圧焼結法による窒化けい素
で一体的に形成した全長72.0mmのセラミツクス製
部材を作製した。このセラミツクス製部材のター
ビンシヤフト先端に直径6.0mm、長さ20.0mmの凸
部を加工し、その付け根に曲率半径1.0mmで肉厚
が漸次減少する部分を設けて小径部と大径部を作
成した。また全長60.0mm、直径9.0mmのアルミク
ロムモリブデン鋼(JIS−SACM645)の一端に
内径5.8mm、深さ14.0mmの凹部を形成した。この
凹部にタービンシヤフト先端の小径部を350℃で
圧入して、上記凹部端面と大径部背面との間を
10.0mmとし、次いで金属製部材の端部をセラミツ
クス製部材側に向かつて肉厚z、曲率半径6.0mm
で漸次減少し、その肉厚漸減部の長さが4.0mm、
先端の肉厚が0.05mmとなるようにした。このター
ボチヤージヤーローターのコンプレツサーホイー
ル側回転軸を直径5.0mmに加工し、第8図に示す
形状とした。このコンプレツサー側回転軸14に
内径5.2mm、外径30.0mm、長さ25.0mmのアルミニウ
ム合金(JIS−AC4C)製円筒をはめ、フランジ
24とコンプレツサーホイール側回転軸の一端に
設けたネジ15の間で、締付けトルク15Kg・cmで
ナツトにより固定した、このターボチヤージヤー
ローターを高温回転試験装置に組込んで、燃焼ガ
スにより150000rpmで1時間の回転試験を行つた
が何ら異常は認められなかつた。
以上述べたことから明らかなとおり、本発明の
製造法による金属・セラミツクス結合体は結合部
材の金属製部材のセラミツクス製部材側端部の肉
厚を連続的に減少させるとともに、セラミツクス
製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との間
に、セラミツクス製部材小径部直径以上の間隔を
設けているので、本発明の製造法による金属・セ
ラミツクス結合体に曲げ荷重が作用しても応力集
中が起らず、従来の構造の金属・セラミツクス結
合体以上の荷重に耐えることができる。さらにま
た、作用する荷重が変わらない場合にはセラミツ
クス製部材を小型にすることができる。
製造法による金属・セラミツクス結合体は結合部
材の金属製部材のセラミツクス製部材側端部の肉
厚を連続的に減少させるとともに、セラミツクス
製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との間
に、セラミツクス製部材小径部直径以上の間隔を
設けているので、本発明の製造法による金属・セ
ラミツクス結合体に曲げ荷重が作用しても応力集
中が起らず、従来の構造の金属・セラミツクス結
合体以上の荷重に耐えることができる。さらにま
た、作用する荷重が変わらない場合にはセラミツ
クス製部材を小型にすることができる。
とくに、セラミツクス製タービンホイールとそ
れに続くセラミツクス製シヤフトに金属製シヤフ
トを嵌合して、本発明により金属・セラミツクス
結合体としたターボチヤーシヤーローターはター
ビンが軽量で高温強度のすぐれたセラミツクス製
なので高効率のターボチヤージヤーローターとす
ることができる。
れに続くセラミツクス製シヤフトに金属製シヤフ
トを嵌合して、本発明により金属・セラミツクス
結合体としたターボチヤーシヤーローターはター
ビンが軽量で高温強度のすぐれたセラミツクス製
なので高効率のターボチヤージヤーローターとす
ることができる。
また、タペツトも本発明による金属・セラミツ
クス結合体をはめ込んで、カムとの摺接面をセラ
ミツクスとすることができるので、耐摩耗性にす
ぐれたタペツトとすることができる。
クス結合体をはめ込んで、カムとの摺接面をセラ
ミツクスとすることができるので、耐摩耗性にす
ぐれたタペツトとすることができる。
このように、本発明による金属・セラミツクス
結合体は本発明による金属・セラミツクス結合体
そのもの、あるには他の金属性部材と組合せて使
用することにより、セラミツクスの耐熱性、断熱
性、軽量性、耐酸化性ならびに高温強度を生かし
てターボチヤージヤー、ピストン、タペツト、吸
気弁、排気弁、ロツカーアーム、カムなどのエン
ジン部品その他高温や繰り返し荷重を受ける構造
体部品として使用できる。
結合体は本発明による金属・セラミツクス結合体
そのもの、あるには他の金属性部材と組合せて使
用することにより、セラミツクスの耐熱性、断熱
性、軽量性、耐酸化性ならびに高温強度を生かし
てターボチヤージヤー、ピストン、タペツト、吸
気弁、排気弁、ロツカーアーム、カムなどのエン
ジン部品その他高温や繰り返し荷重を受ける構造
体部品として使用できる。
第1図および第2図は、従来の金属・セラミツ
クス結合体の具体例の縦断面図を示す説明図、第
3図、第5図、第6図は本発明の金属・セラミツ
クス結合体の一具体例を示す説明図、第4図は本
発明の金属・セラミツクス結合体の製造法の一具
体例を示す説明図、第7図は本発明の金属・セラ
ミツクス結合体を他の金属製部材と組み合わせて
使用する具体的応用例であるタペツトの構造の縦
断面を示す説明図、第8図は本発明の金属・セラ
ミツクス結合体の具体的応用例のターボチヤージ
ヤーローターの嵌合部の縦断面を示す説明図、第
9図は本発明の金属・セラミツクス結合体の曲げ
試験の方法を示す説明図、第10図はセラミツク
ス製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との距
離と曲げ強度特性との関係を示す特性図、第11
図は金属製部材先端の肉厚と曲げ強度特性との関
係を示す特性図、第12図は金属製部材肉厚漸減
部の長さと曲げ強度特性との関係を示す特性図、
第13図は金属製部材肉厚漸減部の曲率半径と曲
げ強度特性の関係を示す特性図、第14図はセラ
ミツクス製部材肉厚漸減部の曲率半径と曲げ強度
特性との関係を示す特性図である。 1……セラミツクス製部材、2……金属製部
材、3……金属製部材上の凹部、4……セラミツ
クス製部材の上の小径部、5……凹部の端面、6
……大径部、7……金属製部材の肉厚漸減部、8
……セラミツクス製部材の肉厚漸減部、9……フ
ランジ、10……金属製部材の胴部に設けたね
じ、11……金属製タペツト本体、12……カム
との摺接面、プツシユロツド当接面、14……コ
ンプレツサホイール側回転軸、15……ネジ、1
6……タービンホイール、17……タービンホイ
ール側回転軸、18……固定台、19……押し治
具、20……加工削除部、21……金属製カラ
ー、22……入口テーパー部、23……固定端、
24……フランジ、l1……凹部端面と大径部背面
との距離、l2……セラミツクス製部材小径部直
径、l3……金属製部材先端の肉厚、l4……金属製
部材肉厚漸減部の長さ、l5……セラミツクス製部
材大径部直径、l6……金属製部材胴部外径、l7…
…曲げ試験のスパン、l8……金属製部材端部と固
定端との距離、R……金属製部材肉厚漸減部の曲
率半径、r……セラミツクス製部材肉厚漸減部の
曲率半径。
クス結合体の具体例の縦断面図を示す説明図、第
3図、第5図、第6図は本発明の金属・セラミツ
クス結合体の一具体例を示す説明図、第4図は本
発明の金属・セラミツクス結合体の製造法の一具
体例を示す説明図、第7図は本発明の金属・セラ
ミツクス結合体を他の金属製部材と組み合わせて
使用する具体的応用例であるタペツトの構造の縦
断面を示す説明図、第8図は本発明の金属・セラ
ミツクス結合体の具体的応用例のターボチヤージ
ヤーローターの嵌合部の縦断面を示す説明図、第
9図は本発明の金属・セラミツクス結合体の曲げ
試験の方法を示す説明図、第10図はセラミツク
ス製部材大径部背面と金属製部材凹部端面との距
離と曲げ強度特性との関係を示す特性図、第11
図は金属製部材先端の肉厚と曲げ強度特性との関
係を示す特性図、第12図は金属製部材肉厚漸減
部の長さと曲げ強度特性との関係を示す特性図、
第13図は金属製部材肉厚漸減部の曲率半径と曲
げ強度特性の関係を示す特性図、第14図はセラ
ミツクス製部材肉厚漸減部の曲率半径と曲げ強度
特性との関係を示す特性図である。 1……セラミツクス製部材、2……金属製部
材、3……金属製部材上の凹部、4……セラミツ
クス製部材の上の小径部、5……凹部の端面、6
……大径部、7……金属製部材の肉厚漸減部、8
……セラミツクス製部材の肉厚漸減部、9……フ
ランジ、10……金属製部材の胴部に設けたね
じ、11……金属製タペツト本体、12……カム
との摺接面、プツシユロツド当接面、14……コ
ンプレツサホイール側回転軸、15……ネジ、1
6……タービンホイール、17……タービンホイ
ール側回転軸、18……固定台、19……押し治
具、20……加工削除部、21……金属製カラ
ー、22……入口テーパー部、23……固定端、
24……フランジ、l1……凹部端面と大径部背面
との距離、l2……セラミツクス製部材小径部直
径、l3……金属製部材先端の肉厚、l4……金属製
部材肉厚漸減部の長さ、l5……セラミツクス製部
材大径部直径、l6……金属製部材胴部外径、l7…
…曲げ試験のスパン、l8……金属製部材端部と固
定端との距離、R……金属製部材肉厚漸減部の曲
率半径、r……セラミツクス製部材肉厚漸減部の
曲率半径。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 金属製部材とセラミツクス製部材とを、セラ
ミツクス製部材に設けた凸部と金属製部材に設け
た凹部とを嵌合し一体的に嵌合する方法におい
て、該結合部の金属製部材のセラミツクス製部材
側端面とセラミツクス製部材の大径部背面との間
に、セラミツクス製部材の小径部直径以上の隙間
l1を設けるように嵌合した後、金属製部材の端部
肉厚をセラミツクス製部材側に向かつてセラミツ
クス製部材の小径部直径l2の0.4倍以上の曲率半径
Rで漸次減少せしめ、該肉厚減少部の長さl4と先
端部肉厚l3とがそれぞれセラミツクス製部材の小
径部直径l2の0.5倍以上と、0.2倍以下となるよう
に加工することを特徴とする金属・セラミツクス
結合体の製造法。 2 金属・セラミツクス結合体がターボチヤージ
ヤーローターであり、金属製部材がコンプレツサ
ーホイール側の回転軸でセラミツクス製部材がタ
ービンホイール側回転軸である特許請求の範囲第
1項記載の金属・セラミツクス結合体の製造法。 3 セラミツクス製部材がタペツトのカムとの摺
接部の一部、金属製部材がタペツトの本体または
本体との結合に用いられている部材の一部である
特許請求の範囲第1項記載の金属・セラミツクス
結合体の製造法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9932088A JPS6452685A (en) | 1983-11-09 | 1988-04-23 | Production of metal-ceramics combined form |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP58209226A JPS60103082A (ja) | 1983-11-09 | 1983-11-09 | 金属・セラミツクス結合体およびその製造法 |
JP9932088A JPS6452685A (en) | 1983-11-09 | 1988-04-23 | Production of metal-ceramics combined form |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6452685A JPS6452685A (en) | 1989-02-28 |
JPH0449512B2 true JPH0449512B2 (ja) | 1992-08-11 |
Family
ID=26440458
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9932088A Granted JPS6452685A (en) | 1983-11-09 | 1988-04-23 | Production of metal-ceramics combined form |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6452685A (ja) |
-
1988
- 1988-04-23 JP JP9932088A patent/JPS6452685A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6452685A (en) | 1989-02-28 |
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