JPH0466833B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明はセラミツクス焼結体からなる軸と金属
軸とをアルミニウムろう材を用い、安価で信頼性
の高い接合体を得る方法に関するものである。 （従来の技術） 近年セラミツクスは新たらしい構造材料として
注目されるようになつてきており、本来有してい
る優れた耐熱性や耐食性に加えて、強度、耐衝撃
性、熱衝撃性にも優れた材料の開発が進んできて
おり、特に自動車部品としてピストン、バルブ、
シリンダライナー、ガスタービン、ターボチヤー
ジヤ等のロータ部品等への適用が検討されてきて
いる。 このような場合、セラミツクスと金属との接合
をする必要が生ずることが多く特にセラミツクス
軸と金属軸の強固な接続方法の開発が重要な課題
の一つとなつている。 しかし、一般にセラミツクスは金属との反応性
や濡れ性が悪く、かつ両者の熱膨張係数も大きな
差があるので、良好な接合体を得がたいのが現状
である。 セラミツクスと金属の接合方法としては低温領
域であれば有機接着剤の使用がもつとも簡単であ
るが、少くも200〜300℃以上の高温領域となると
接合手段も限られてくる。 このような場合に考えられる代表的な方法とそ
の問題点を列挙すれば概略以下のとおりである。 金属軸の中にセラミツクス軸を焼嵌め又は冷し
嵌めする方法ではセラミツクス軸及び金属軸の加
工寸法精度を厳しく管理しなければ嵌合後の必要
強度が得難く、又、嵌合後の熱収縮差による締め
付け応力により、セラミツクス又は金属が破損す
ることがしばしば発生する。 又ろう材を介在させてた場合は、スリーブの内
径を挿入する軸よりも大きくするので、寸法精度
は、焼嵌めの場合に比べ厳しくはないがろう材で
もNi，Ag系のろう材の場合は、ろう付工程にお
いて高い温度が必要になる為、スリーブ材を薄く
した場合は強度に注意する必要があり温度が高い
だけ、ろう材による焼バメ力が強いので構造をよ
く考えないとセラミツクスの破壊へつながる恐れ
が強い。 その対策としてAlろうを使用する場合は、Al
ろうが比較的低融点で軟かいのでセラミツクスと
金属の熱膨脹差をかなり緩和でき、使用する金属
材料の選択や設計寸法からみても自由度が大きく
多少使用温度が低くなるにもかかわらず、実用的
である。但し、実状は、次のような問題点をもつ
ている。 Γ Alろうを用いる方法 １ 真空中でフラツクスを使用せずにAlろうを
用いると、ろう材表面の酸化膜を除去し破壊す
るゲツター材である元素、例えばMgなどを含
有させることによつて補なうことは出来るもの
のフラツクスとしての作用に比べると劣る。そ
のためアルミニウムろうを完全に軸の嵌合部全
域に濡れ拡がらせることは困難であり、ひいて
は信頼性の高い接合体は得られない。 ２ 塩化物系フラツクスを用いると、アルミニウ
ム合金ろう材においては、その表面の酸化膜の
溶解、破壊作用が期待でき、その表面張力の低
下によるろう材の流れ性は良好となり、更に被
接合部表面の酸化膜の除去も期待でき、一応の
濡れ性は改善される。しかし本系のフラツクス
はフツ化物系フラツクスに比べてその拡がり
性、浸透性において劣るために、広い接合面積
を接合する場合には欠陥のない健全な接合部が
得られにくくて、このフラツクスは生成物が塩
化物系であるために腐食性が強く、フラツクス
が接合部にトラツプされ、ろう付後の洗滌工程
で完全に除去することは不可能であるため、耐
食性の点で問題が生ずる可能性がある。 などの解決すべき種々の問題点を含んでいた。 （問題点を解決するための手段と作用） 本発明は上記したような諸問題点をすべて解決
することを目的としてなされたものであり、その
要旨とするところはセラミツクスと金属とをアル
ミニウムろう材と非腐食性のフツ化物系フラツク
スを用いて加熱ろう付けすることにより、Ni，
Agろうを用いる方法やアルミニウムろう付でも
真空ろう付法にみられるようなろう付性に関する
問題点を解決すると同時に、このフラツクスの特
徴として溶融フラツクスの活性度が高く、しかも
その浸透性がすぐれていることから、セラミツク
ス軸と金属軸の嵌め合せという特殊形状の接合部
においても又そのクリアランスが狭い接合部にお
いても健全な接合が得られる。又、このフラツク
ス自身が非腐食性であると同時に、フラツクスが
溶融、凝固した後に存在するフラツクス残渣も非
腐食性であるため除去することなく使用すること
ができ、ろう付工程が簡略化され製造コストも低
下することができる。 なお本発明では単体化合物表示でAlF₃50〜60
重量％とKF40〜50重量％を含有するフツ化アル
ミニウムカリウム又は、フツ化アルミニウムカリ
ウムとフツ化アルミニウムとからなる組成、又は
このいずれかに少量のフツ化リチウムを添加した
フラツクスを用いて、セラミツクスと金属とをア
ルミニウムろう材を用いて加熱ろう付けするもの
である。 又、本発明の実施に際し、セラミツクスの接合
面にメタライズ加工を施した後、フラツクスとア
ルミニウムろう材を用いて接合したり、セラミツ
クス軸と金属軸の嵌合接続端面の中間に緩衝用金
属体を介在させて前記フラツクスとアルミニウム
ろう材で接合したり適宜の応用をすることができ
る。 （実施例） 以下図面を参照しつゝ本発明の実施例について
説明する。 一般に焼き嵌め又は冷し嵌めではセラミツクス
及び金属の加工寸法精度を厳しく管理しなければ
嵌合時の必要強度が得られず、又嵌合後の熱収縮
差による締め付け応力により、セラミツクス又は
金属が破損することが屡々あるが、本発明による
ときはそのようなおそれは全くない。 次に実施例と比較例とについて説明する。 実施例 １ 第１図に示すようにセラミツクス軸１の先端部
を10mmφとなるように細くし、これを嵌入する15
mmの深さの円筒部分を有する金属軸２を用意
し、かつJIS規格のA4047アルミニウム合金板１
１10mmφ×２mmｔを用意し、軸の嵌合部分及び前
記アルミニウム合金板１１の周囲に、AlF₃50重
量％とKF50重量％を含有するフツ化アルミニウ
ムカリウムとフツ化アルミニウムとからなるフラ
ツクスを蒸溜水に混合してなる水性スラリー１２
をハケで薄く塗布し乾燥させ、次にこのようにし
たアルミニウム合金板を軸の嵌合部に入れてから
セラミツクス軸を金属軸中に嵌合しセラミツクス
を上側になるように配設した。 ついでこのようにしたものに、所定のオモリ
（図示せず）をセラミツクス軸１の上端面におき
矢印方向に押圧しながらN₂ガス雰囲気中にて600
℃〜620℃×5min間加熱保持すると第２図のよう
にアルミニウム合金ろう１１^-bが嵌め合せ接合部
全域に行きわたり接合体を得た。 接合体の引張強度及びねじりトルクの測定は第
３図、及び第４図の如くして行なつた。第３図で
はセラミツクス軸１及び金属軸２をそれぞれ引張
治具１３，１４に嵌着し、それらの嵌合部の周囲
はヒーター１５により加熱するように構成し、室
温及び300℃において引張治具１３，１４を矢印
方向に引張ることにより引張強度を測定するよう
にしたものである。 又第４図ではセラミツクス軸１を銅パツキン１
８を介して締め付け治具１６により保持し、又、
金属軸２は締め付け治具１７により保持し、それ
らの嵌合部の周囲はヒーター１５により加熱する
ように構成し、軸にねじりを与えて室温及び300
℃のねじりトルクを測定した。それらの成績は表
−３に示すとおりである。 実施例 ２ 同様にAlF₃58.0重量％、KF38.0重量％、
LiF4.0重量％を含有するフラツクスを用いて大気
中でバーナーで加熱してろう付をした。その試験
結果は表−１とほぼ同等であつた。

【表】

【表】 比較例 １ 焼き嵌め法によつて金属体を400℃に加熱して
セラミツクスを挿入し、放冷後接合体を得た。 なお、本接合体では所期の強度を得るには嵌め
合せ代の範囲が狭く接合体の加工精度が厳しくな
ければならず、又、加熱時の強度劣化も非常に大
きいものであつた。 この方法による各試料の引張り強度、ねじりト
ルクは以下の表−２に示すとおりであり

【表】 ※ 焼き嵌め後セラミツクスが絞りワレ
比較例 ２ 真空中で、フラツクスなしで実施例５と同様な
条件にてろう付けを行なつた場合はアルミニウム
合金は金属体底部に残つておりほとんど嵌め合わ
せ部のクリアランスに昇つてこないで濡れの拡が
り性は全く見られなかつた。 比較例 ３ 実施例５と同様な条件にて塩化物系フラツクス
を使用して嵌め合せ接合をした。その接合強度は
表−３の如くである。

【表】 なお上記実施例はいずれもセラミツクス軸を金
属軸の中に焼嵌めする場合について述べたが冷し
嵌めでも同様であり、更には、金属軸をセラミツ
クス軸の中に嵌入する場合でも非腐食性フツ化物
系フラツクスとアルミニウム合金ろう材の併用に
よる接合が充分強固な接合を達成できることは容
易に理解されるであろう。 実施例 ３ 実施例−１の場合とは逆に金属軸としてコバー
ルを10mmφとし１′これを嵌入する15mmの深さ
の円筒部を有するセラミツクス軸（98％アルミ
ナ）２′を用意した。（10.5mmφ） これを実施例−１と同様にJIS A4047アルミニ
ウム合金板１１10mmφ×２mmｔを用意し、接合条
件も例−１の如くして接合体を得た。これの室温
でのネジリトルクを測定した結果４Kgｍ以上であ
つた。 次にAlO₃，ZrO₂，Si₃N₄，SiC等の各種セラミ
ツクスと金属体とを接合する場合に前述したよう
な非腐食性フツ化物系フラツクスとアルミニウム
合金ろう材を用いるとともに、熱膨張係数が接続
されるセラミツクスと金属の中間の値のものや、
低ヤング率メタル（例えばコバール合金、モリブ
デン、銅等）を用いることによつてセラミツクス
割れを生ずることなく一層強固な接合を達成する
ことができる。 その実施例を示せば以下のとおりである。 実施例 ４ セラミツクス軸とアルミニウム合金軸とを接合
するに際し、厚さ３mmのコバール合金を緩衝用金
属体として介在させ、かつこれとアルミニウム合
金軸及びセラミツクス軸との間にそれぞれ実施例
１に示したようなAlF₃50重量％、KF50重量％を
含有するフツ化アルミニウムカリウムとフツ化ア
ルミニウムとからなるフラツクスを用いて接合し
た。接合強度は極めて良好であつた。 （発明の効果） 以上に詳述したように本発明のセラミツクスと
金属体の接合方法は安定した品質の接合体を安価
に提供することが出来るもので産業上極めて有益
なものである。 尚、上記したフラツクスの組成範囲における上
限値および下限値のいずれをはずれる場合におい
ても、当該フラツクスの融点が所望の温度範囲
（560〜580℃）より高くなると共に、ろう付性に
おいても好ましくないことが確認され、一方、ろ
う付としては、JIS規格Ａ−4045アルミニウム合
金に限定されるものでもなく、Al−Si系アルミ
ニウム合金のＡ−4047，Ａ−4343等のものでもよ
く、金属体についても上記した金属に限定される
ものではなく例えばCu，Cr等の合金でもよい。 さらには、緩衝金属体を用いてのろう付は、本
発明において必須のものではなく、セラミツクス
軸と金属軸の組合せにより、接合体の強度上の要
求に応えるために用いるのが好ましく、かつ当該
金属体の材質についてもコバール合金に限定され
るものではなく、銅、モリブデン等であつてもよ
い。 以上述べた実施例以外の組合せにおいても、接
合部の密着性は充分に良好なものであり、接合部
の強度も申し分のないことが確認された。 又、本発明のセラミツクス軸と金属軸の嵌め合
せ接続においては、セラミツクス軸、金属軸の加
工寸法精度を緩和しても嵌合後の必要強度が得ら
れ、セラミツクスや金属の破損も少なくなりコス
トダウンができるとともに、嵌め合せ接合部にア
ルミニウムろうが細部に拡がることにより接合面
積が拡がり高強度、高信頼性の接合体が得られ
る。又この際嵌め合わせによる応力集中をアルミ
ニウムろう材が緩衝して金属及びセラミツクスの
破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による嵌め合せ接合の最初の段
階を示す縦断面図、第２図は接合時の段階を示す
縦断面図、第３図は引張強度の測定状態を示す縦
断面図、第４図はねじり強度の測定状態を示す縦
断面図である。 １……セラミツクス軸、２……金属軸、１１…
…アルミニウム合金板、１１−ｂ……アルミニウ
ム合金ろう、１６，１７……締め付け治具、１８
……銅パツキン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクス軸と金属軸とを接合するに当
   り、いづれか一方の軸の接合端を小径ならしめて
   他方の軸内に嵌入させるとともに、その接合面に
   非腐食性フツ化物系フラツクスとアルミニウム合
   金ろう材を用いてろう付接合することを特徴とす
   るセラミツクス軸と金属軸の接合方法。 ２ 非腐食性フツ化物系フラツクスは単体化合物
   表示でフツ化アルミニウム60〜50重量％、フツ化
   カリウム40〜50重量％を含有するフツ化アルミニ
   ウムカリウム又はフツ化アルミニウムカリウムと
   フツ化アルミニウムとからなる組成、またはこの
   いずれかに少量のフツ化リチウムを添加したフラ
   ツクスである特許請求の範囲第１項記載のセラミ
   ツクス軸と金属軸の接合法。 ３ 上記非腐食性フツ化物系フラツクスを用い、
   不活性ガス雰囲気でアルミニウム合金ろう材を用
   いてろう付けを行なう特許請求の範囲第１項記載
   のセラミツクス軸と金属軸の接合法。 ４ 緩衝金属体を用いてろう付接合することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のセラミツク
   ス軸と金属軸との接合法。