JPH0524946A - セラミツクス部材と金属部材との接合構造体 - Google Patents

セラミツクス部材と金属部材との接合構造体

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JPH0524946A
JPH0524946A JP18455991A JP18455991A JPH0524946A JP H0524946 A JPH0524946 A JP H0524946A JP 18455991 A JP18455991 A JP 18455991A JP 18455991 A JP18455991 A JP 18455991A JP H0524946 A JPH0524946 A JP H0524946A
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JP
Japan
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rotor
shaft
convex portion
concave portion
rotary shaft
Prior art date
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Pending
Application number
JP18455991A
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English (en)
Inventor
Chihiro Shudo
千尋 周藤
Masaru Kumagai
勝 熊谷
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明はセラミックス部材と金属部材とが充分
な強度をもって接合できる信頼性の高い接合構造体を提
供することを目的とする。 【構成】凸部5を有するセラミックス製のロータ1と、
凹部6を有しこの凹部がロータの凸部と組合せて焼き嵌
め接合された回転軸2とを具備し、この回転軸の凹部を
囲む壁部の外周面は、凹部の開口に向かうに従って直径
が小さくなるテーパ面7として形成されていること、お
よび回転軸は凹部が形成されている部分の軸体2Aと、
その他の部分の軸体2Bとに分割されて相互に結合され
ているものであることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセラミックス部材と金属
部材とを焼き嵌めにより接合した接合構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】近来、広い分野において材料として採用
されているセラミックスは、金属に比較して耐熱性に優
れ、且つ金属なみの機械的強度を有している。例えば窒
化けい素の曲げ強度は常温で100Kg f/mm2 、130
0℃で80Kg f/mm2 の値を示している。
【0003】このような優れた耐熱性を有するセラミッ
クスは、金属からなる部品に代って使用条件の過酷な各
種機械部品として採用されつつあり、その一例として内
燃機関のターボチャージャにおけるロータ部の材料に採
用されている。ターボチャージャは、内燃機関の排気エ
ネルギーを利用して排気タービンを回転し、その動力で
コンプレッサを駆動することにより、吸入空気または混
合気を予圧する装置である。このターボチャージャに用
いられるロータ部は、高温の空気にさらされ、且つ高速
で回転する部品であるために、耐熱性に優れたセラミッ
クスで形成することは効果的である。
【0004】ところで、ターボチャージャのロータ部は
ロータを回転軸に支持した構造をなしており、ロータを
固定する回転軸はターボチャージャに組み込むために高
い加工精度を要求される。このため、このロータと、加
工精度の高い回転軸の両方をセラミックスで一体に形成
することは困難である。そこで、この問題を解決するた
めに、ターボチャージャのロータ部では、熱負担の高い
ロータをセラミックスで形成し、加工精度が高い回転軸
を金属で形成し、両者を接合する構造が一般的に採用さ
れている。
【0005】このセラミックス製のロータと金属製の回
転軸とを接合する構造は種々考えられているが、ロータ
の回転中心に凸部を形成し、回転軸の端部に凹部を形成
し、回転軸の凹部をロータの凸部に嵌合して焼き嵌めす
る構造が簡便なものとして多く採用されている。すなわ
ち、焼き嵌めとは、金属の回転軸を高温に加熱して凹部
をセラミックス製のロータの凸部と嵌合し、この高温よ
り低い温度で両者の熱膨張率の差により凹部が凸部を締
め付けるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このようにセラミック
ス製のロータと金属製の回転軸とを接合した接合構造体
には次に述べる問題がある。回転軸の凹部をロータの凸
部に嵌合した接合部において、ロータの凸部の根元部分
が破断して凸部と凹部との接合が困難になることがあ
る。また、回転軸にたわみが発生してその寸法精度が低
下し、この結果ロータと回転軸との接合構造体の全体の
寸法精度が低下することがある。このように従来の接合
構造体では接合信頼性および寸法精度の面で問題があっ
た。
【0007】本発明は前記事情に基づいてなされたもの
で、セラミックス部材と金属部材とを高い信頼性をもっ
て接合できるとともに、金属部材の寸法精度の低下を防
止した接合構造体を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段と作用】本発明の発明者
は、セラミックス部材と金属部材の接合構造体において
発生する問題の解決について、セラミックス製のロータ
と金属製の回転軸との接合構造体を対象にして研究を重
ねてきた。この結果、次のことがわかった。
【0009】ロータの凸部と回転軸の凹部とを焼き嵌め
した接合部において、ロータの凸部が破断する原因は次
の通りである。ロータの凸部と回転軸の凹部とは焼き嵌
めするためにしめ代をもって非常に小さな隙間をもって
嵌合している。このため、焼き嵌めを行う時に回転軸の
凹部を囲む周壁部に発生した歪みがロータの凸部に作用
する度合いが大きく、この結果凸部が破損することがあ
る。そして、この凹部を囲む周壁部に発生する歪みは、
凹部の開口端に近付く程大きくなることがわかった。
【0010】そこで、回転軸において凹部を囲む周壁部
の外周面を、凹部の開口端に向けて細くなるテーパ面を
形成して、凹部を囲む周壁部を凹部の開口端に向けて順
次薄肉になるように形成することにより、周壁部に発生
する熱応力を効果的に低減させ、周壁部に発生する歪み
を効果的に低減させることができる。これにより炊き嵌
め時に凹部を囲む周壁部に発生する歪みがロータの凸部
に対して作用する度合いが小さくなり凸部が破断するこ
とを防止できることを見出した。
【0011】また、回転軸にたわみを生じる原因は次の
通りである。ロータの凸部と回転軸の凹部とを焼き嵌め
する時に、回転軸の凹部を形成した部分を加熱する。こ
の加熱により回転軸にたわみが発生することがわかっ
た。そこで、回転軸を、凹部を形成した部分の軸体と、
その他の部分の軸体とに分割して相互に結合する構成と
する。そして、凹部を形成した部分軸体をロータの凸部
に焼き嵌めし、その後に凹部を形成した部分の軸体とそ
の他の部分の軸体とを結合することにより、焼き嵌めの
熱が回転軸の他の部分に及ぶことを回避してたわみの発
生を防止できることを見出した。
【0012】さらに、ロータの突部の根元部分を円弧状
に形成することにより、凸部の根元部分における応力集
中を緩和し、この根元部分に亀裂が生じることを防止で
きることを見出した。本発明はこのような知見に基づい
てなされたものである。
【0013】すなわち、本発明のセラミックス部材と金
属部材との接合構造体は、凸部を有するセラミックス部
材と、凹部を有しこの凹部が前記セラミックス部材の凸
部と組合せて焼き嵌め接合された金属部材とを具備し、
この金属部材の前記凹部を囲む壁部の外周面は、前記凹
部の開口に向かうに従って直径が小さくなるテーパ面と
して形成されていることを特徴とする。
【0014】また、本発明の接合構造体は、金属部材
は、凹部が形成された部分と、その他の部分とに分割さ
れ、これら分割された各部分が相互に結合されているこ
とを特徴とする。さらに、セラミックス部材の凸部の基
部が曲面をなしている。
【0015】
【実施例】以下、本発明を図面で示す一実施例を図面に
ついて説明する。この実施例は、内燃機関のターボチャ
ージャに設けるロータと、回転軸とを一体に接合した構
造体に適用したものである。図1は接合構造体を示し、
図2はロータと回転軸との接合部を示している。
【0016】図中1はセラミックス部材であるロータで
あり、窒化けい素、炭化けい素、サイアロンなどの耐熱
強度に優れたセラミックスで形成されている。2は金属
部材である回転軸で、クロムーモリブデン鋼、ステンレ
ス鋼などの耐熱性に優れた金属で形成されている。
【0017】ロータ1は、軸部3と、この軸部3の中間
位置に放射状に配置された複数の羽根部4とを一体に形
成したものである。軸部3の一端には凸部5が軸方向に
沿って突出形成されている。この凸部5は断面円形のボ
ス形をなすもので、軸部3に比較して小さい直径と、回
転軸2の凹部6に組合せるのに必要な長さを有してい
る。また、凸部5の根元部分は円弧面5aとして形成さ
れている。
【0018】回転軸2は丸棒をなすもので、軸体2Aと
軸体2Bとに分割され、これら軸体2Aと軸体2Bが相
互に結合することにより構成されている。一方の軸体2
Aの一端には(ロータ1の凸部5と対向する端部)には
凹部6が形成されている。この凹部6は回転軸2の端面
で開放する丸孔をなすもので、凸部5に対してしめ代を
もって組合さる大きさの直径と、凸部5と同じ大きさの
長さを有している。この凹部6を囲む周壁部の外周面に
は、凹部6の開口端に向けて順次細くなるテーパ面7が
形成されている。すなわち、凹部6を囲む周壁部を凹部
6の開口端に向けて順次薄肉になるように形成すること
ができる。
【0019】また、軸体2Aの他端部にはねじ孔8が軸
方向に沿って形成され、この軸体2Aの他端部に対向す
る他方の軸体2Bの一端部にはねじ孔8に螺合するねじ
9が軸方向に沿って形成されている。すなわち、軸体2
Bのねじ9を軸体2Aのねじ孔8に螺合することにより
軸体2Aと軸体2Bとが結合される。なお、ねじ孔8を
囲む軸体2Aの周壁部から軸体2Bのねじ9にかけて回
り止めピン10が挿入される。
【0020】そして、ロータ1の凸部5は回転軸2の軸
体2Aの凹部6に挿入して組合され焼き嵌めを施して接
合されている。すなわち、回転軸2を高温に加熱して凹
部6にロータ1の凸部5を挿入し、この高温より低い温
度でロータ1と回転軸2との熱膨張率の差により凹部5
が凸部6を締め付け固定している。なお、回転軸2は焼
き嵌めに際して軸体2Aと軸体2Bとを分離しておき、
焼き嵌めの後に軸体2Aと軸体2Bとを結合する。この
実施例においてロータ1と回転軸2との接合構造体には
次に述べる効果を有している。
【0021】回転軸2の軸体2Aにおいて凹部6を囲む
周壁部の外周面に、凹部6の開口端に向けて細くなるテ
ーパ面7を形成して、凹部6を囲む周壁部を凹部6の開
口端に向けて順次薄肉になるように形成することによ
り、周壁部に発生する熱応力を効果的に低減させて歪み
を効果的に低減させている。これにより焼き嵌め時に軸
体2Aの凹部6を囲む周壁部に発生する歪みが、ロータ
1の凸部5に対して作用する度合いを小さくして凸部5
が破断することを防止できる。
【0022】また、回転軸2を凹部6を形成した部分の
軸体2Aと、その他の部分の軸体2Bとに分割し、これ
ら各軸体2、2Bを相互に結合する構成としているの
で、凹部6を有する軸体2Aとロータ1の凸部5とを焼
き嵌めし、その後に凸部6を形成した部分の軸体2Aと
その他の部分の軸体2Bとを結合する。このため、軸体
2Aを焼き嵌めする時の熱が、軸体2bに伝達されず、
回転軸2全体として焼き嵌めする時の熱によりたわみを
生じることがない。
【0023】ここで、回転軸2において軸体2Aと軸体
2Bとの結合位置の寸法について述べる。図1に示すよ
うにロータ1の凸部5の長さをL1,凸部5の根元から
軸体2Aの一端面までの長さをL2とすると、L1:L
2は例えば1:4である。
【0024】さらに、ロータ1の凸部5の根元部分を円
弧面5aとして形成しているので、することにより、凸
部5の根元部分における応力集中を緩和し、この根元部
分に亀裂が生じることを防止できる。
【0025】なお、軸体2Aの凹部6の底面に突起11
が形成され、軸体2Aに凹部6の内部と外部とを連通す
る孔12が形成されている。軸体2Aの凹部6をロータ
1の凸部5に嵌合すると、凹部6内の空気が凸部5に押
されて孔12から押し出される。また、凸部5の先端が
凹部6内の突起11に当接し、凸部5を凹部6内の空気
に阻害されることなく凹部6に挿入することができる。
ターボチャージャに使用するセラミックス製のロータ1
と金属製の回転軸2とを接合した構造体の具体的な一例
について述べる。
【0026】ロータ1は窒化けい素で形成され、凸部5
の直径が10mm、長さが10mmである。回転軸2はスレ
ンレス鋼で形成され、凹部6の直径が9.98mm、長さ
が10mmである。凸部5と凹部6との間のしめ代は0.
2mmである。凸部5と凹部6とを焼き嵌めする処理は、
回転軸2は温度600℃で加熱し、ロータは温度200
℃に保留し、ロ−タ1の凸部5を自然落下により回転軸
2の凹部6に挿入している。
【0027】本発明は、ターボチャージャに使用するセ
ラミックスロータと金属回転軸とを接合した構造体に限
定されずに、他の広い分野の用途に使用される接合構造
体に適用できる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように本発明のセラミック
ス部材と金属部材との接合構造体は、金属部材の凹部を
囲む周壁部の外周面を凹部の開口端に向けて細くなるテ
ーパ面を形成したので、この周壁部に発生する歪みを効
果的に低減させ、凹部と焼き嵌め接合するセラミックス
部材の凸部の破断を防止できる。
【0029】また、金属部材を、凹部を形成した部分と
その他の部分とに分割して相互に結合する構成とするこ
とにより、セラミックス部材と金属部材とを焼き嵌めす
る時の熱により金属部材がたわむことを防止できる。
【0030】さらに、セラミックス部材の凸部の根元部
分を円弧状に形成することにより、凸部の根元部分にお
ける応力集中を緩和し、この根元部分に亀裂が生じるこ
とを防止できる。従って、本発明のセラミックス部材と
金属部材との接合構造体は、高い接合信頼性と寸法精度
を獲得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の接合構造体を示す一部切欠
正面図。
【図2】接合構造体におけるロータと回転軸との接合部
を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
1…ロータ、2…回転軸、2A…軸体、2B…軸体、5
…凸部、5a…円弧面、6…凹部、7…テーパ面。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 凸部を有するセラミックス部材と、凹部
    を有しこの凹部が前記セラミックス部材の凸部と組合せ
    て焼き嵌め接合された金属部材とを具備し、この金属部
    材の前記凹部を囲む壁部の外周面に、前記凹部の開口に
    向かうに従って細くなるテーパ面が形成されていること
    を特徴とするセラミックス部材と金属部材との接合構造
    体。
  2. 【請求項2】 凸部を有するセラミックス部材と、凹部
    を有しこの凹部が前記セラミックス部材の凸部と組合せ
    て焼き嵌め接合された金属部材とを具備し、この金属部
    材は前記凹部が形成された部分と、その他の部分とに分
    割され、これら分割された各部分が相互に結合されてい
    るものであるセラミックス部材と金属部材との接合構造
    体。
  3. 【請求項3】 セラミックス部材の凸部の根元部分が曲
    面をなしている請求項1または2記載のセラミックス部
    材と金属部材との接合構造体。
JP18455991A 1991-07-24 1991-07-24 セラミツクス部材と金属部材との接合構造体 Pending JPH0524946A (ja)

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JP18455991A Pending JPH0524946A (ja) 1991-07-24 1991-07-24 セラミツクス部材と金属部材との接合構造体

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101436968B1 (ko) * 2013-01-24 2014-09-04 한국기계연구원 압축기 및 터빈 임펠러 일체형 회전체의 제조 방법

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