JPH05155668A - セラミックスと金属との結合体 - Google Patents
セラミックスと金属との結合体Info
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- JPH05155668A JPH05155668A JP3324775A JP32477591A JPH05155668A JP H05155668 A JPH05155668 A JP H05155668A JP 3324775 A JP3324775 A JP 3324775A JP 32477591 A JP32477591 A JP 32477591A JP H05155668 A JPH05155668 A JP H05155668A
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温においても十分な結合代を確保するとと
もに、結合力が低下しないセラミックスと金属との結合
体を提供すること。 【構成】 セラミックス部材５と中間部材６とは、中間
層７を介して加熱接合を行なうことによって一体化され
ており、一方、金属部材２と中間部材６とは、中間部材
６が金属部材２の貫通孔４内に圧入嵌合されることによ
って一体化されている。つまり、小さな熱膨張係数を有
するセラミックス部材５と大きな熱膨張係数を有する金
属部材２と、両部材２，５の中間の熱膨張係数を有する
中間部材６を介して結合されて、結合体１が構成されて
いる。
もに、結合力が低下しないセラミックスと金属との結合
体を提供すること。 【構成】 セラミックス部材５と中間部材６とは、中間
層７を介して加熱接合を行なうことによって一体化され
ており、一方、金属部材２と中間部材６とは、中間部材
６が金属部材２の貫通孔４内に圧入嵌合されることによ
って一体化されている。つまり、小さな熱膨張係数を有
するセラミックス部材５と大きな熱膨張係数を有する金
属部材２と、両部材２，５の中間の熱膨張係数を有する
中間部材６を介して結合されて、結合体１が構成されて
いる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ターボチャージャロー
タ，ガスタービンロータ，セラミックス発熱体，セラミ
ックスセンサ等、高温で使用される部品に適用できるセ
ラミックスと金属との結合体に関する。
タ，ガスタービンロータ，セラミックス発熱体，セラミ
ックスセンサ等、高温で使用される部品に適用できるセ
ラミックスと金属との結合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、セラミックスは、耐熱性，熱衝
撃強度，高温時の機械的強度，耐摩耗性，或は高絶縁性
などの優れた特性を有することから、近年種々の分野に
利用されつつある。ところがセラミックスは余り単独で
用いられることはなく、通常、機械部品などにおいて、
他の材料の例えば金属とともに用いられ、その機能を発
揮する様にされている。
撃強度，高温時の機械的強度，耐摩耗性，或は高絶縁性
などの優れた特性を有することから、近年種々の分野に
利用されつつある。ところがセラミックスは余り単独で
用いられることはなく、通常、機械部品などにおいて、
他の材料の例えば金属とともに用いられ、その機能を発
揮する様にされている。
【０００３】そこで、従来より、セラミックスと金属と
を如何にして接合すれば、強度の高い接合体を得ること
ができるかという研究が進められている。これは、セラ
ミックスの熱膨張係数と金属の熱膨張係数との違いによ
り、単なるロー付けによって接合した場合には、熱歪に
よる残留応力等によって、セラミックスの接合部分の接
合力が低下するためである。
を如何にして接合すれば、強度の高い接合体を得ること
ができるかという研究が進められている。これは、セラ
ミックスの熱膨張係数と金属の熱膨張係数との違いによ
り、単なるロー付けによって接合した場合には、熱歪に
よる残留応力等によって、セラミックスの接合部分の接
合力が低下するためである。
【０００４】特に、熱膨張係数が小さな（例えば窒化ケ
イ素の様な）セラミックスと各種の合金鋼等の金属との
接合体を、高温にて使用する場合には、この接合力の低
下の問題は大きくなるため、下記の様な対策が立てられ
ている。 セラミックス製の軸部を、低熱膨張係数の金属部材に
圧入して結合する技術が提案されている（特開昭６２−
１９１４７８号公報参照）。
イ素の様な）セラミックスと各種の合金鋼等の金属との
接合体を、高温にて使用する場合には、この接合力の低
下の問題は大きくなるため、下記の様な対策が立てられ
ている。 セラミックス製の軸部を、低熱膨張係数の金属部材に
圧入して結合する技術が提案されている（特開昭６２−
１９１４７８号公報参照）。
【０００５】セラミックス製の軸部を、金属部材に設
けた凹部に挿入して結合するとともに、両部材の隙間を
銀ローにて接合する技術が提案されている（特開平２−
１４９４７７号公報参照）。
けた凹部に挿入して結合するとともに、両部材の隙間を
銀ローにて接合する技術が提案されている（特開平２−
１４９４７７号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
，の技術では、金属部材の材料として、いずれもＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系の合金に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ等の析出
硬化元素を添加したインコロイ９０３等の低熱膨張の合
金が用いられるが、この様な合金を使用しただけでは、
必ずしも好適ではなかった。
，の技術では、金属部材の材料として、いずれもＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系の合金に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ等の析出
硬化元素を添加したインコロイ９０３等の低熱膨張の合
金が用いられるが、この様な合金を使用しただけでは、
必ずしも好適ではなかった。
【０００７】つまり、この金属部材の材料であるインコ
ロイ９０３の熱膨張係数は、例えば３０〜４００℃では
２．１（x10-6/℃）であるが、セラミックス製の軸部の
材料である窒化ケイ素の熱膨張係数は、８．２（x10-6/
℃）であるので、両者の熱膨張係数にはまだかなりの差
がある。
ロイ９０３の熱膨張係数は、例えば３０〜４００℃では
２．１（x10-6/℃）であるが、セラミックス製の軸部の
材料である窒化ケイ素の熱膨張係数は、８．２（x10-6/
℃）であるので、両者の熱膨張係数にはまだかなりの差
がある。
【０００８】その結果、このの結合体を高温状態で
使用すると、金属部材がセラミックス部材より大きく膨
張して、十分な径方向の嵌合代（結合代）を確保するこ
とができないことがあり、よって、結合体の結合強度が
低下したり、場合によっては、嵌め込んであったセラミ
ックス製の軸部が金属部材から抜け落ちたりするという
問題があった。
使用すると、金属部材がセラミックス部材より大きく膨
張して、十分な径方向の嵌合代（結合代）を確保するこ
とができないことがあり、よって、結合体の結合強度が
低下したり、場合によっては、嵌め込んであったセラミ
ックス製の軸部が金属部材から抜け落ちたりするという
問題があった。
【０００９】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れ、高温においても十分な結合代を確保するとともに、
結合力が低下しないセラミックスと金属との結合体を提
供することを目的とする。
れ、高温においても十分な結合代を確保するとともに、
結合力が低下しないセラミックスと金属との結合体を提
供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、セラミックス部材と金属部材とが中間部材
を介して接合された結合体において、前記中間部材が前
記セラミックス部材と金属部材との中間の熱膨張係数を
有するとともに、該中間部材が前記セラミックス部材と
化学的に接合され、しかも該中間部材が前記金属部材と
機械的に結合されたことを特徴とするセラミックスと金
属との結合体を要旨とする。
に本発明は、セラミックス部材と金属部材とが中間部材
を介して接合された結合体において、前記中間部材が前
記セラミックス部材と金属部材との中間の熱膨張係数を
有するとともに、該中間部材が前記セラミックス部材と
化学的に接合され、しかも該中間部材が前記金属部材と
機械的に結合されたことを特徴とするセラミックスと金
属との結合体を要旨とする。
【００１１】ここで、前記セラミックス部材と中間部材
との化学的接合手段としては、ロー付け，拡散接合，酸
化物による接合，摩擦圧接，ホットプレス，ホットアイ
ソスタティックプレス等を採用でき、特に、Ａｇ−Ｃｕ
−Ｔｉ系，Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ系，Ｃｕ−Ｔｉ系等の活性
金属を含むロー付方法、Ａｌ2Ｏ3，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2系
等のセラミック材料の混合物を用いた加熱接合法、Ｆｅ
−Ｎｉ−Ｃｒ系，Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ系，Ｎｉ−Ｃｒ系，
Ｎｂ等の金属或は合金を介在させたホットプレス法等が
好適である。
との化学的接合手段としては、ロー付け，拡散接合，酸
化物による接合，摩擦圧接，ホットプレス，ホットアイ
ソスタティックプレス等を採用でき、特に、Ａｇ−Ｃｕ
−Ｔｉ系，Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ系，Ｃｕ−Ｔｉ系等の活性
金属を含むロー付方法、Ａｌ2Ｏ3，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2系
等のセラミック材料の混合物を用いた加熱接合法、Ｆｅ
−Ｎｉ−Ｃｒ系，Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ系，Ｎｉ−Ｃｒ系，
Ｎｂ等の金属或は合金を介在させたホットプレス法等が
好適である。
【００１２】一方、前記金属部材と中間部材との機械的
結合の手段としては、圧入，焼きばめ等の嵌合による方
法に加え、ネジ止め，ボルト締め等を採用できる。ま
た、前記セラミックス部材の材料としては、高温で使用
されるすべての材料が含まれ、窒化ケイ素，サイアロ
ン，炭化ケイ素，アルミナ，ボロンナイトライド，窒化
ケイ素，炭化ケイ素複合材料等を用いることができる。
結合の手段としては、圧入，焼きばめ等の嵌合による方
法に加え、ネジ止め，ボルト締め等を採用できる。ま
た、前記セラミックス部材の材料としては、高温で使用
されるすべての材料が含まれ、窒化ケイ素，サイアロ
ン，炭化ケイ素，アルミナ，ボロンナイトライド，窒化
ケイ素，炭化ケイ素複合材料等を用いることができる。
【００１３】一方、金属部材の材料としては、炭素鋼，
合金鋼，耐熱鋼，ステンレス鋼，インコロイ９０３等の
低熱膨脹材料，耐熱合金，Ｎｉ合金，Ｃｕ合金等すべて
の構造用材料が適用できるが、中間部材と熱膨脹係数が
近い方が出来上った結合体の結合強度等の特性が優れる
ので望ましい。
合金鋼，耐熱鋼，ステンレス鋼，インコロイ９０３等の
低熱膨脹材料，耐熱合金，Ｎｉ合金，Ｃｕ合金等すべて
の構造用材料が適用できるが、中間部材と熱膨脹係数が
近い方が出来上った結合体の結合強度等の特性が優れる
ので望ましい。
【００１４】また、中間部材の材料としては、前記セラ
ミックス材料と金属材料の中から選ばれた任意の組合せ
のもののうち、それらの中間の熱膨脹係数を有すればよ
く、例えばＷ合金，超硬，Ｓｉ3Ｎ4−ＴｉＮ複合材，イ
ンコロイ９０３など、セラミック又は金属の種類は問わ
ない。
ミックス材料と金属材料の中から選ばれた任意の組合せ
のもののうち、それらの中間の熱膨脹係数を有すればよ
く、例えばＷ合金，超硬，Ｓｉ3Ｎ4−ＴｉＮ複合材，イ
ンコロイ９０３など、セラミック又は金属の種類は問わ
ない。
【００１５】ここで、下記表１に、セラミックス部材，
中間部材，金属部材の熱膨張係数を示し、また表２にそ
れらの好適な組み合せを示す。尚、これらの材料は、熱
膨張係数の組み合せによって、セラミックス部材，中間
部材又は金属部材として機能するので、一概にどの材料
がどの役割をするのかは言えない。
中間部材，金属部材の熱膨張係数を示し、また表２にそ
れらの好適な組み合せを示す。尚、これらの材料は、熱
膨張係数の組み合せによって、セラミックス部材，中間
部材又は金属部材として機能するので、一概にどの材料
がどの役割をするのかは言えない。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
【００１８】尚、中間部材と金属部材とは、機械的に結
合されるため、中間部材の材料は熱膨脹係数がほとんど
同一であれば金属の方が好ましい。これは組み付けの際
に、金属であれば部材の表面に多少の凹凸があってもよ
く、組み付けの自由度が増すからである。
合されるため、中間部材の材料は熱膨脹係数がほとんど
同一であれば金属の方が好ましい。これは組み付けの際
に、金属であれば部材の表面に多少の凹凸があってもよ
く、組み付けの自由度が増すからである。
【００１９】また、中間部材とセラミックス部材との熱
膨脹係数の差は、好ましくは４×１０-6／℃以下、更に
好ましくは３×１０-6／℃以下であることがよい。更
に、中間部材とセラミックス部材との接合方法は前述し
たが、その両部材の間に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ等の軟質金
属の中間層、又はインコネル，Ｎｉ−Ｃｕ合金等の耐熱
軟質金属の中間層を必要に応じて介在させてもよい。
膨脹係数の差は、好ましくは４×１０-6／℃以下、更に
好ましくは３×１０-6／℃以下であることがよい。更
に、中間部材とセラミックス部材との接合方法は前述し
たが、その両部材の間に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ等の軟質金
属の中間層、又はインコネル，Ｎｉ−Ｃｕ合金等の耐熱
軟質金属の中間層を必要に応じて介在させてもよい。
【００２０】
【作用】以上の様に構成された本発明のセラミックスと
金属との結合体によれば、中間部材がセラミックス部材
と金属部材との中間の熱膨張係数を有するので、結合体
が高温の状態で使用された場合でも、熱応力が緩和さ
れ、よって高温時の結合力の低下を防止することが可能
となる。
金属との結合体によれば、中間部材がセラミックス部材
と金属部材との中間の熱膨張係数を有するので、結合体
が高温の状態で使用された場合でも、熱応力が緩和さ
れ、よって高温時の結合力の低下を防止することが可能
となる。
【００２１】更に、この中間部材はセラミックス部材と
化学的に接合されて強固に一体とされており、一方、中
間部材と金属部材とは嵌合等によって機械的に結合して
おり、熱によって各部材が膨張した場合でも、中間部材
と金属部材との熱膨張係数の差は僅かであるので、径方
向の十分な（例えば嵌合代等の）結合代を維持すること
ができる。つまり、高温時にも十分な結合代を確保でき
るので、セラミックスと金属とを一体化する結合力の低
下を防止することが可能となる。
化学的に接合されて強固に一体とされており、一方、中
間部材と金属部材とは嵌合等によって機械的に結合して
おり、熱によって各部材が膨張した場合でも、中間部材
と金属部材との熱膨張係数の差は僅かであるので、径方
向の十分な（例えば嵌合代等の）結合代を維持すること
ができる。つまり、高温時にも十分な結合代を確保でき
るので、セラミックスと金属とを一体化する結合力の低
下を防止することが可能となる。
【００２２】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１（Ａ）は実施例１のセラミックスと金属との結
合体１の斜視図、図１（Ｂ）はその中心軸に沿った断面
図である。 （実施例１）図１に示す様に、本実施例のセラミックス
と金属との結合体１は、主として、耐熱鋼（ＪＩＳ：Ｓ
ＵＨ６１６）からなる金属部材２と、窒化ケイ素からな
るセラミックス部材５と、インコロイ９０３からなる中
間部材６とから構成されており、この貫通孔４を有する
円筒状の金属部材２と、該貫通孔４の内径とほぼ同様な
外径を有する円柱状のセラミックス部材５とが、中間部
材６を介して一体に結合されている。尚、この結合体１
には、セラミックス部材３と中間部材６との間に軟質金
属からなる中間層７が設けられている。
る。図１（Ａ）は実施例１のセラミックスと金属との結
合体１の斜視図、図１（Ｂ）はその中心軸に沿った断面
図である。 （実施例１）図１に示す様に、本実施例のセラミックス
と金属との結合体１は、主として、耐熱鋼（ＪＩＳ：Ｓ
ＵＨ６１６）からなる金属部材２と、窒化ケイ素からな
るセラミックス部材５と、インコロイ９０３からなる中
間部材６とから構成されており、この貫通孔４を有する
円筒状の金属部材２と、該貫通孔４の内径とほぼ同様な
外径を有する円柱状のセラミックス部材５とが、中間部
材６を介して一体に結合されている。尚、この結合体１
には、セラミックス部材３と中間部材６との間に軟質金
属からなる中間層７が設けられている。
【００２３】前記セラミックス部材５と中間部材６と
は、中間層７を介して化学的に接合（加熱接合）される
ことによって一体化されており、一方、金属部材２と中
間部材６とは、中間部材６が金属部材２の貫通孔４内に
圧入嵌合されることによって機械的に一体に結合されて
いる。つまり、小さな熱膨張係数を有するセラミックス
部材５と大きな熱膨張係数を有する金属部材２とに間
に、両部材２，５の中間の熱膨張係数を有する中間部材
６が配置されていることになる。
は、中間層７を介して化学的に接合（加熱接合）される
ことによって一体化されており、一方、金属部材２と中
間部材６とは、中間部材６が金属部材２の貫通孔４内に
圧入嵌合されることによって機械的に一体に結合されて
いる。つまり、小さな熱膨張係数を有するセラミックス
部材５と大きな熱膨張係数を有する金属部材２とに間
に、両部材２，５の中間の熱膨張係数を有する中間部材
６が配置されていることになる。
【００２４】尚、下記表３に、各部材の寸法を記すが、
このうち、金属部材２は、ＳＵＨ６１６をＪＩＳ規格に
基づいて、焼入れ・焼戻し処理を行ったものから加工し
たものであり、一方、中間部材６は、７２０℃で８時間
更に６２０℃で８時間の時効処理を施したものである。
このうち、金属部材２は、ＳＵＨ６１６をＪＩＳ規格に
基づいて、焼入れ・焼戻し処理を行ったものから加工し
たものであり、一方、中間部材６は、７２０℃で８時間
更に６２０℃で８時間の時効処理を施したものである。
【００２５】
【表３】
【００２６】次に、この様な構造の結合体１の製造方法
について、図２及び図３に基づいて説明する。尚、各図
において説明を容易にするために縮尺は違えてある。ま
ず図２（Ａ）に示す様に、セラミックス部材５と中間部
材６との間に中間層７を形成するが、この中間層７はセ
ラミックス部材５側から、厚さ０．００３mmのＴｉ箔７
ａ，厚さ０．０２mmのＣｕ箔７ｂ，厚さ０．５mmのＮｉ
板７ｃ，厚さ０．０２mmのＣｕ箔７ｄを積層したもので
ある。
について、図２及び図３に基づいて説明する。尚、各図
において説明を容易にするために縮尺は違えてある。ま
ず図２（Ａ）に示す様に、セラミックス部材５と中間部
材６との間に中間層７を形成するが、この中間層７はセ
ラミックス部材５側から、厚さ０．００３mmのＴｉ箔７
ａ，厚さ０．０２mmのＣｕ箔７ｂ，厚さ０．５mmのＮｉ
板７ｃ，厚さ０．０２mmのＣｕ箔７ｄを積層したもので
ある。
【００２７】次に、セラミックス部材５と中間部材６と
の間に中間層７を配置した状態で、１０-5torrの真空中
にて１２００℃で１時間加熱して、セラミックス部材５
と中間部材６を接合して、接合部材１０を形成した。次
いで、この接合部材１０の外周面全体を、直径１０mmと
なる様にダイアモンド砥石で削り、更に、図２（Ｂ）及
びその拡大図の図２（Ｃ）に示す様に、中間部材６の先
端の周囲に長さ１mmの面取り加工を施すとともに、その
面取り１１の内側に４゜の緩やかなテーパ１２を形成し
た。
の間に中間層７を配置した状態で、１０-5torrの真空中
にて１２００℃で１時間加熱して、セラミックス部材５
と中間部材６を接合して、接合部材１０を形成した。次
いで、この接合部材１０の外周面全体を、直径１０mmと
なる様にダイアモンド砥石で削り、更に、図２（Ｂ）及
びその拡大図の図２（Ｃ）に示す様に、中間部材６の先
端の周囲に長さ１mmの面取り加工を施すとともに、その
面取り１１の内側に４゜の緩やかなテーパ１２を形成し
た。
【００２８】更に、図３（Ａ）に示す様に、筒状の金属
部材２の貫通孔４の一端にテーパ１５を形成して、嵌入
口１６とした。そして、図３（Ｂ）に示す様に、接合部
材１０の中間部材６側を、金属部材２の嵌入口１６から
貫通孔４内に、圧入スピード０．５mm／minにて約３．
０mm圧入して嵌合させ、図１に示す本実施例の結合体１
を完成した。
部材２の貫通孔４の一端にテーパ１５を形成して、嵌入
口１６とした。そして、図３（Ｂ）に示す様に、接合部
材１０の中間部材６側を、金属部材２の嵌入口１６から
貫通孔４内に、圧入スピード０．５mm／minにて約３．
０mm圧入して嵌合させ、図１に示す本実施例の結合体１
を完成した。
【００２９】この様にして製造された本実施例の結合体
１は、中間部材６と金属部材２との熱膨張係数の差が小
さく、高温にても十分な嵌合代が確保できるので、結合
強度が高いものである。従って、従来のものより高温で
の耐久性があるという利点があり、また結合強度が大き
いので大型の複合部品を製造することが可能になる。
１は、中間部材６と金属部材２との熱膨張係数の差が小
さく、高温にても十分な嵌合代が確保できるので、結合
強度が高いものである。従って、従来のものより高温で
の耐久性があるという利点があり、また結合強度が大き
いので大型の複合部品を製造することが可能になる。
【００３０】次に、本実施例の結合体１の効果を確認す
るために、本実施例の結合体１のうち、中間部材及び金
属部材の材質を変更して行った実験例について説明す
る。 （実験例）この実験は、本実施例の結合体１の高温での
結合強度を調べるために、高温において抜け荷重を測定
したものである。尚、（本発明の範囲で）各部材の材料
を変更した他の実施例の結合体の抜け荷重についても調
べた。
るために、本実施例の結合体１のうち、中間部材及び金
属部材の材質を変更して行った実験例について説明す
る。 （実験例）この実験は、本実施例の結合体１の高温での
結合強度を調べるために、高温において抜け荷重を測定
したものである。尚、（本発明の範囲で）各部材の材料
を変更した他の実施例の結合体の抜け荷重についても調
べた。
【００３１】測定方法は、大気中７００℃にて、図４に
示す様に、結合体１のセラミックス部材５を環状体２０
の内部に配置するとともに、環状体２０の上面と金属部
材２の下面を当接させ、この状態で、上方より接合部材
１０を荷重速度０．５mm／minにて下方に押圧し、接合
部材１０が金属部材２から抜け落ちる荷重を測定するも
のである。この測定の結果を下記表４に記す。
示す様に、結合体１のセラミックス部材５を環状体２０
の内部に配置するとともに、環状体２０の上面と金属部
材２の下面を当接させ、この状態で、上方より接合部材
１０を荷重速度０．５mm／minにて下方に押圧し、接合
部材１０が金属部材２から抜け落ちる荷重を測定するも
のである。この測定の結果を下記表４に記す。
【００３２】また、比較例として、中間部材を使用せず
に、前記実施例と同様な金属部材とセラミックス部材と
を圧入により結合して長さ２５mmの結合体を製造し、こ
の結合体の抜け荷重を測定した。この測定の結果を同じ
く表４に記す。
に、前記実施例と同様な金属部材とセラミックス部材と
を圧入により結合して長さ２５mmの結合体を製造し、こ
の結合体の抜け荷重を測定した。この測定の結果を同じ
く表４に記す。
【００３３】
【表４】
【００３４】この表４から明らかな様に、本発明の範囲
の結合体１は、７００℃の高温において抜け荷重が２４
０kgw以上と大きく、高温時の結合力が大きいので好適
であるが、比較例のものは、抜け荷重が１４０kgwと小
さく好ましくない。次に、本発明をセラミックスロータ
に適用した他の実施例について、図５ないし図１０に基
づいて説明する。尚、第２実施例については、図５でセ
ラミックスロータの中心軸に沿った断面を示すが、第３
ないし第７実施例については、第２実施例と同様に中心
軸に対称であるので、以下図面の下半分は省略する。 （実施例２）まず、図５に示す様に、第２実施例のセラ
ミックスロータ２０は、窒化ケイ素からなる翼車２１と
Ｗ合金からなる中間部材２２とがＮｉ板２３を介して接
合され、この接合された部材（接合部材）２４の中間部
材２２側が、金属部材２５の凹部２６に嵌合されたもの
である。尚、金属部材２５の凹部２６は、直接に翼車２
１に接しない様に、開口側の径が広くされて段付き部２
７とされている。
の結合体１は、７００℃の高温において抜け荷重が２４
０kgw以上と大きく、高温時の結合力が大きいので好適
であるが、比較例のものは、抜け荷重が１４０kgwと小
さく好ましくない。次に、本発明をセラミックスロータ
に適用した他の実施例について、図５ないし図１０に基
づいて説明する。尚、第２実施例については、図５でセ
ラミックスロータの中心軸に沿った断面を示すが、第３
ないし第７実施例については、第２実施例と同様に中心
軸に対称であるので、以下図面の下半分は省略する。 （実施例２）まず、図５に示す様に、第２実施例のセラ
ミックスロータ２０は、窒化ケイ素からなる翼車２１と
Ｗ合金からなる中間部材２２とがＮｉ板２３を介して接
合され、この接合された部材（接合部材）２４の中間部
材２２側が、金属部材２５の凹部２６に嵌合されたもの
である。尚、金属部材２５の凹部２６は、直接に翼車２
１に接しない様に、開口側の径が広くされて段付き部２
７とされている。
【００３５】このセラミックスロータ２０を製造する場
合には、まず、翼車２１の中央から突出する軸部２１ａ
と直径１０mmの中間部材２２との間に、Ｎｉ板２３を挟
んで加熱圧接して接合部材２４を形成する。一方、金属
部材２５は、耐熱鋼（ＪＩＳ：ＳＵＨ６１６）に所定の
焼入れ・焼戻し処理を施して（ＨＲｃ３４に）硬化さ
せ、その先端に内径９．９４mmの凹部２６を形成する。
そして、金属部材２５の凹部２６に、接合部材２４の中
間部材２２側を圧入して嵌合し、本実施例の結合体２０
を得る。
合には、まず、翼車２１の中央から突出する軸部２１ａ
と直径１０mmの中間部材２２との間に、Ｎｉ板２３を挟
んで加熱圧接して接合部材２４を形成する。一方、金属
部材２５は、耐熱鋼（ＪＩＳ：ＳＵＨ６１６）に所定の
焼入れ・焼戻し処理を施して（ＨＲｃ３４に）硬化さ
せ、その先端に内径９．９４mmの凹部２６を形成する。
そして、金属部材２５の凹部２６に、接合部材２４の中
間部材２２側を圧入して嵌合し、本実施例の結合体２０
を得る。
【００３６】また、この結合体２０を図示しないタービ
ンハウジングに組み込んで、９５０℃の排ガス温度に
て、回転数１０万rpmで５０時間の回転試験を行ったと
ころ、結合部分には、割れやズレ等の異常は認められず
好適であった。 （実施例３）図６に示す様に、実施例３のセラミックス
ロータ３０は、前記実施例２と同様な形状であるが、中
間部材３１の材料が異なる。つまり、中間部材３１とし
てＷ合金より若干熱膨張係数の小さな超硬を使用してお
り、この中間部材３１がＮｉ板３２を介して翼車３３と
接合されるとともに、金属部材３４に嵌合している。
ンハウジングに組み込んで、９５０℃の排ガス温度に
て、回転数１０万rpmで５０時間の回転試験を行ったと
ころ、結合部分には、割れやズレ等の異常は認められず
好適であった。 （実施例３）図６に示す様に、実施例３のセラミックス
ロータ３０は、前記実施例２と同様な形状であるが、中
間部材３１の材料が異なる。つまり、中間部材３１とし
てＷ合金より若干熱膨張係数の小さな超硬を使用してお
り、この中間部材３１がＮｉ板３２を介して翼車３３と
接合されるとともに、金属部材３４に嵌合している。
【００３７】従って、この実施例３においても、前記実
施例２と同様な効果を奏する。 （実施例４）図７に示す様に、実施例４のセラミックス
ロータ４０は、前記実施例３と同様な材料を使用してお
りその形状もほぼ同様であるが、結合部分の形状が若干
異なる。つまり、段付き部４１は金属部材４２側に設け
られているのではなく、翼車４３，Ｎｉ板４４及び中間
部材４５からなる接合部材４６側に設けられている。
施例２と同様な効果を奏する。 （実施例４）図７に示す様に、実施例４のセラミックス
ロータ４０は、前記実施例３と同様な材料を使用してお
りその形状もほぼ同様であるが、結合部分の形状が若干
異なる。つまり、段付き部４１は金属部材４２側に設け
られているのではなく、翼車４３，Ｎｉ板４４及び中間
部材４５からなる接合部材４６側に設けられている。
【００３８】この様な構成によっても、前記各実施例と
同様な効果を奏する。 （実施例５）図８に示す様に、実施例５のセラミックス
ロータ５０は、前記実施例４とほぼ同様な形状である
が、金属部材５１側の構成が異なる。つまり、金属部材
５１は、凹部５２が形成されたインコロイ９０３からな
る金属先端部５１ａと、合金鋼（ＪＩＳ：ＳＮＣＭ４３
９）からなる金属軸部５１ｂとの異なる金属から構成さ
れている。
同様な効果を奏する。 （実施例５）図８に示す様に、実施例５のセラミックス
ロータ５０は、前記実施例４とほぼ同様な形状である
が、金属部材５１側の構成が異なる。つまり、金属部材
５１は、凹部５２が形成されたインコロイ９０３からな
る金属先端部５１ａと、合金鋼（ＪＩＳ：ＳＮＣＭ４３
９）からなる金属軸部５１ｂとの異なる金属から構成さ
れている。
【００３９】この金属部材５１を形成するには、まず、
摩擦圧接によって金属先端部５１ａと金属軸部５１ｂと
を接合し、７２０℃で８時間更に６２０℃で８時間の時
効硬化処理を施した後に、金属軸部５１を高周波焼入に
より硬化させ、最後に凹部５２を加工して完成する。
摩擦圧接によって金属先端部５１ａと金属軸部５１ｂと
を接合し、７２０℃で８時間更に６２０℃で８時間の時
効硬化処理を施した後に、金属軸部５１を高周波焼入に
より硬化させ、最後に凹部５２を加工して完成する。
【００４０】この様な構成によっても、前記各実施例と
同様な効果を奏するとともに、中間部材５３と金属部材
５１との熱膨張係数の差が小さいので、前記実施例より
一層高温での使用ができるという利点がある。 （実施例６）図９に示す様に、実施例６のセラミックス
ロータ６０は、前記実施例５とほぼ同様な形状である
が、金属部材６１側の構成が異なる。つまり、金属部材
６１は、凹部６２が形成されたインコロイ９０３からな
る金属先端部６１ａと合金鋼（ＪＩＳ：ＳＮＣＭ４３
９）からなる金属軸部６１ｂとが、電子ビームによる溶
接によって環状に接合されている。尚、本実施例では、
金属軸部６１ｂの中央部分６１ｃが凹部６２にまで達し
ている。
同様な効果を奏するとともに、中間部材５３と金属部材
５１との熱膨張係数の差が小さいので、前記実施例より
一層高温での使用ができるという利点がある。 （実施例６）図９に示す様に、実施例６のセラミックス
ロータ６０は、前記実施例５とほぼ同様な形状である
が、金属部材６１側の構成が異なる。つまり、金属部材
６１は、凹部６２が形成されたインコロイ９０３からな
る金属先端部６１ａと合金鋼（ＪＩＳ：ＳＮＣＭ４３
９）からなる金属軸部６１ｂとが、電子ビームによる溶
接によって環状に接合されている。尚、本実施例では、
金属軸部６１ｂの中央部分６１ｃが凹部６２にまで達し
ている。
【００４１】この様な構成によっても、前記実施例５と
同様な効果を奏する。 （実施例７）図１０に示す様に、実施例７のセラミック
スロータ７０は、前記実施例２とほぼ同様な形状である
が、接合部材７１側の構成が異なる。つまり、接合部材
７１は、窒化ケイ素からなる翼車７２，Ｎｉ板７３，Ｓ
ｉ3Ｎ4−30ＴｉＮからなる複合材料板７４，Ｎｉ板７５
及びＷ合金からなる中間部材７６が、一体に接合されて
形成されている。
同様な効果を奏する。 （実施例７）図１０に示す様に、実施例７のセラミック
スロータ７０は、前記実施例２とほぼ同様な形状である
が、接合部材７１側の構成が異なる。つまり、接合部材
７１は、窒化ケイ素からなる翼車７２，Ｎｉ板７３，Ｓ
ｉ3Ｎ4−30ＴｉＮからなる複合材料板７４，Ｎｉ板７５
及びＷ合金からなる中間部材７６が、一体に接合されて
形成されている。
【００４２】この様な構成によっても、前記実施例２と
同様な効果を奏するとともに、翼車７２と中間部材７３
との間に、窒化ケイ素とＷ合金との中間の熱膨張係数を
有する複合材料板７４が使用されているので、各部材間
の熱膨張係数の差が小さく、よって、前記実施例２より
一層高温での使用ができるという利点がある。
同様な効果を奏するとともに、翼車７２と中間部材７３
との間に、窒化ケイ素とＷ合金との中間の熱膨張係数を
有する複合材料板７４が使用されているので、各部材間
の熱膨張係数の差が小さく、よって、前記実施例２より
一層高温での使用ができるという利点がある。
【００４３】尚、本発明は、前記各実施例に何等限定さ
れることなく、本発明の範囲内で各種の態様で実施でき
ることは勿論である。
れることなく、本発明の範囲内で各種の態様で実施でき
ることは勿論である。
【００４４】
【発明の効果】以上詳述した様に、本発明のセラミック
スと金属との結合体は、中間部材がセラミックス部材と
金属部材との中間の熱膨張係数を有するとともに、中間
部材がセラミックス部材と化学的に接合され、しかも金
属部材と機械的に結合されているので、高温でも十分な
結合代を確保できる。よって高温においても結合強度が
低下することがなく、耐熱耐久性に優れた結合体であ
る。
スと金属との結合体は、中間部材がセラミックス部材と
金属部材との中間の熱膨張係数を有するとともに、中間
部材がセラミックス部材と化学的に接合され、しかも金
属部材と機械的に結合されているので、高温でも十分な
結合代を確保できる。よって高温においても結合強度が
低下することがなく、耐熱耐久性に優れた結合体であ
る。
【００４５】従って、この結合体を採用することによっ
て結合強度が向上するので、セラミックスと金属との大
型部品の結合も十分に可能である。
て結合強度が向上するので、セラミックスと金属との大
型部品の結合も十分に可能である。
【図１】本発明の実施例１の結合体の全体及び断面を示
す説明図である。
す説明図である。
【図２】実施例１の結合体の製造方法を説明する断面図
である。
である。
【図３】実施例１の結合体の製造方法を説明する断面図
である。
である。
【図４】実施例１の結合体の実験方法を説明する断面図
である。
である。
【図５】実施例２の結合体を示す断面図である。
【図６】実施例３の結合体を示す断面図である。
【図７】実施例４の結合体を示す断面図である。
【図８】実施例５の結合体を示す断面図である。
【図９】実施例６の結合体を示す断面図である。
【図１０】実施例７の結合体を示す断面図である。
１，２０，３０，４０，５０，６０，７０…結合体 ２，２５，３４，４２，５１，６１…金属部材 ５…セラミックス部材 ６，２２，３１，４５，５３…中間部材 ２１，３３，４３，７２…翼車
Claims (1)
- 【請求項１】 セラミックス部材と金属部材とが中間部
材を介して結合された結合体において、 前記中間部材が前記セラミックス部材と金属部材との中
間の熱膨張係数を有するとともに、該中間部材が前記セ
ラミックス部材と化学的に接合され、しかも該中間部材
が前記金属部材と機械的に結合されたことを特徴とする
セラミックスと金属との結合体。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3324775A JPH05155668A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | セラミックスと金属との結合体 |
| US07/987,186 US5881607A (en) | 1991-12-09 | 1992-12-08 | Ceramic-metal composite assembly |
| US08/192,270 US5937708A (en) | 1991-12-09 | 1994-02-07 | Ceramic-metal composite assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3324775A JPH05155668A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | セラミックスと金属との結合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05155668A true JPH05155668A (ja) | 1993-06-22 |
Family
ID=18169539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3324775A Pending JPH05155668A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | セラミックスと金属との結合体 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5881607A (ja) |
| JP (1) | JPH05155668A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010006054A (ja) * | 2008-04-23 | 2010-01-14 | Boeing Co:The | 過酷な環境の応用のための傾斜熱膨張係数により接合された複合構造 |
| JP2012026477A (ja) * | 2010-07-20 | 2012-02-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミックスと金属との結合体及び固体酸化物形燃料電池 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6276124B1 (en) * | 1998-06-04 | 2001-08-21 | Alliedsignal Inc. | Bi-metallic tie-bolt for microturbine power generating system |
| DE19934855C1 (de) * | 1999-07-24 | 2000-11-09 | Daimler Chrysler Ag | Reibgeschweißtes Welle-Scheibe-Verbundwerkstück und Verfahren zu seiner Herstellung |
| US6749518B2 (en) * | 2002-04-08 | 2004-06-15 | General Electric Company | Inertia welded shaft and method therefor |
| DE102004020858A1 (de) * | 2004-04-28 | 2005-11-24 | Siemens Ag | Sensoranordnung und Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung |
| DE102004025049A1 (de) * | 2004-05-18 | 2005-12-15 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Abgasturbolader |
| US20070012047A1 (en) * | 2005-07-15 | 2007-01-18 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Multi-material turbine engine shaft |
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| FR2936178B1 (fr) * | 2008-09-24 | 2012-08-17 | Snecma | Assemblage de pieces en titane et en acier par soudage diffusion |
| US8056606B2 (en) | 2009-10-26 | 2011-11-15 | General Electric Company | Methods of making and using ceramic metallic interlocked components |
| DE102010011486A1 (de) * | 2010-03-16 | 2011-09-22 | Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg | Rotor für eine Ladeeinrichtung |
| US8899038B2 (en) * | 2011-09-01 | 2014-12-02 | The Johns Hopkins University | Release actuator employing components with different coefficients of thermal expansion |
| US9068476B2 (en) | 2011-12-22 | 2015-06-30 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Hybrid metal/composite link rod for turbofan gas turbine engine |
| US10041400B2 (en) * | 2016-05-20 | 2018-08-07 | Borgwarner Inc. | Hollow filled turbocharger rotor shaft |
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| US4176519A (en) * | 1973-05-22 | 1979-12-04 | United Turbine Ab & Co., Kommanditbolag | Gas turbine having a ceramic rotor |
| SE375583B (ja) * | 1973-05-22 | 1975-04-21 | United Turbine Ab & Co | |
| JPS60101201A (ja) * | 1983-11-08 | 1985-06-05 | Ngk Spark Plug Co Ltd | タ−ビン軸の接合構造 |
| US4639194A (en) * | 1984-05-02 | 1987-01-27 | General Motors Corporation | Hybrid gas turbine rotor |
| CA1235375A (en) * | 1984-10-18 | 1988-04-19 | Nobuo Tsuno | Turbine rotor units and method of producing the same |
| JPS624528A (ja) * | 1985-06-12 | 1987-01-10 | Ngk Insulators Ltd | セラミツクス・金属結合体 |
| JPS62191478A (ja) * | 1986-02-19 | 1987-08-21 | 日本碍子株式会社 | セラミツクス・金属結合体 |
| JPS6322225A (ja) * | 1986-03-20 | 1988-01-29 | Ngk Insulators Ltd | 金属・セラミツクス結合体およびその製造法 |
| JPS62289385A (ja) * | 1986-06-09 | 1987-12-16 | Ngk Insulators Ltd | セラミツクス・金属結合体 |
| JPS6388204A (ja) * | 1986-10-01 | 1988-04-19 | Ngk Insulators Ltd | セラミックラジアルタービンローターおよびその設計方法 |
| JPH043129Y2 (ja) * | 1987-05-11 | 1992-01-31 | ||
| DE3816796A1 (de) * | 1988-05-17 | 1989-11-30 | Kempten Elektroschmelz Gmbh | Laufzeug mit mechanischer kupplung |
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-
1991
- 1991-12-09 JP JP3324775A patent/JPH05155668A/ja active Pending
-
1992
- 1992-12-08 US US07/987,186 patent/US5881607A/en not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-02-07 US US08/192,270 patent/US5937708A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5937708A (en) | 1999-08-17 |
| US5881607A (en) | 1999-03-16 |
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