JPH061672A

JPH061672A - セラミック製軸と金属製軸の接合構造

Info

Publication number: JPH061672A
Application number: JP4188799A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Mori; 森　　茂樹; Noboru Ishida; 昇石田; Kenji Mizoguchi; 賢治溝口
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1994-01-11

Abstract

(57)【要約】【目的】金属製軸４とセラミック製軸１の突き合わせ
部分を端面接合した場合において十分な強度が得られる
接合構造を提供する。【構成】セラミック製軸１と金属製軸４の接合構造
は、先ず、セラミック製軸１と金属製軸４の突き合わせ
部分を、緩衝板３を介してロウ付する。そして、その突
き合わせ部分外周に金属製スリーブ５を嵌合すると共
に、該金属製スリーブ５と金属製軸４をロウ付し、さら
に、金属製スリーブ５とセラミック製軸１のクリアラン
ス（Ｄ−ｄ）が１１０μ以上になる様に設定し、ロウ材
６を充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックで形成され
るターボチャージャーロータやガスタービン等のセラミ
ック製軸と、金属製軸とを一体化するための接合構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のセラミック製軸と金属製軸の接合
構造は、セラミック製軸と金属製軸の突き合わせ部分外
周に金属製スリーブを嵌合し、該金属製スリーブとセラ
ミック製軸及び金属製軸の隙間にロウ材を充填して、金
属製スリーブとセラミック製軸及び金属製軸を一体化す
るものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】周知のようにターボチ
ャージャーロータやガスタービン等は高速回転する部品
である。従って、接合部分の精度を高めて回転バランス
を良くしなければならないから図１に示すように金属製
スリーブの内径Ｄとセラミック製軸の軸径ｄの差（以
下、クリアランスという。）（Ｄ−ｄ）は極力小さい方
が良い、というのが当業者間の支配的な考え方であっ
た。而して、金属製軸とセラミック製軸の接合構造にお
いて、その突き合わせ部分を直接又は緩衝板を介して端
面接合する場合と端面接合しない場合がある。突き合わ
せ部分を端面接合しない場合は軸方向の自由度が比較的
高いためクリアランスを小さくしても必要な接合強度を
得ることが可能であった。しかし、金属製軸とセラミッ
ク製軸の突合せ部分を化学的に端面接合した場合にも上
記の考え方を適用してクリアランスを小さくすると、金
属とセラミックの熱膨張係数の差によってロウ付後の冷
却過程でスリーブ又は凹部開放端に残留応力が発生し、
そのために十分な接合強度が得られない、という問題点
が明らかになった。本発明は、上記の問題点に鑑みなさ
れたもので、その目的は、金属製軸とセラミック製軸の
突き合わせ部分を端面接合した場合において十分な強度
が得られる接合構造を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のセラミック製軸と金属製軸の接合構造は、図１
に示すように、セラミック製軸１と金属製軸４の突き合
わせ部分が、直接又は緩衝板３を介して化学的に端面接
合され、且つ、その突き合わせ部、セラミック製軸１及
び金属製軸４の外周に金属製スリーブ５を有し、セラミ
ック製軸１と金属製スリーブ５の隙間にロウ材６を充填
したセラミック製軸１と金属製軸４の接合構造におい
て、セラミック製軸１の軸径ｄと金属製スリーブ５の内
径Ｄの差を（Ｄ−ｄ）≧１１０μに設定してなることを
特徴とする。そして、金属製軸４と金属製スリーブ５
は、ロウ材で接合してもよいし、圧入、焼き嵌め、冷や
嵌め等の公知の接合方法で接合される。なお、金属製軸
端部に凹部を有し金属製スリーブ５と金属製軸４が一体
となった構造であってもよい。また、前記クリアランス
は、３５０μ≧（Ｄ−ｄ）≧１１０μに設定するのが望
ましい。ここでいうクリアランス（Ｄ−ｄ）の測定方法
は、図３に示す様に、接合後に金属製スリーブ５とセラ
ミック製軸１の間にロウ材６を充填した部分を軸方向に
垂直な面で切断し、金属製スリーブ５とセラミック製軸
１の距離Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄を測定し、Ｄ−ｄ＝（Ｌ₁
＋Ｌ₂＋Ｌ₃＋Ｌ₄）／２の式にて求めるものである。そ
して、さらに、前記セラミック製軸１の外周部にガラス
質又はアルミナ質のコーティング層２を形成してもよ
い。ここで直接化学的に端面接合されとは、セラミック
製軸と金属製軸をロウ材等により化学的に接合されてい
ることを意味するが、一般にセラミックは、ロウ材とな
じみ難いので、予めセラミック製軸端面に金属を被着さ
せておくとよいが、Ｔｉを含む活性ロウ材を用いると金
属を被着させておかなくても良い。そして緩衝板を介し
て化学的に端面接合されとは、Ｃｕ，Ｎｉ等の軟質金属
板又は低膨張金属板を応力緩和層としてセラミック製軸
と金属製軸との間に配置することを意味し、具体的に
は、金属製軸、ロウ材、緩衝板、ロウ材、セラミックの
順に配置して接合される。また緩衝板は２枚以上使用す
る場合もある。この場合には緩衝板と緩衝板の間にもロ
ウ材を入れる。セラミック製軸端面に金属を被着させて
おくとよいが、Ｔｉを含む活性ロウ材を用いると金属を
被着させておかなくても良い。また、セラミック製軸と
金属製スリーブの隙間にロウ材を充填してとは、一般に
セラミックはロウ材となじみ難いので完全に化学的に接
合はしてないが、物理的に接合することを意味する。よ
って軸方向には、セラミック製軸と充填されたロウ材の
間にすべりを生ずることができるので後に示す作用をも
たらすことができる。そして更にガラス質又はアルミナ
質のコーティングにより、効果を増すことができる。

【０００５】

【作用】ロウ付の熱で膨張したセラミックと金属が冷却
過程で収縮する場合に、両者の軸方向の収縮量の差によ
ってセラミック製軸１に大きな軸方向引張力が発生す
る。しかし、クリアランス内のロウ材６が緩衝層の働き
をしてこの引張力を吸収するため、接合部分が保護され
て接合強度が向上する。この接合強度は、表１に示すよ
うに、クリアランスが１１０μ以上で急激に向上するこ
とが確認された。また、クリアランスを３５０μより大
きく設定すると、ロウ材６の充填が均一にならない可能
性が高くロウ付の信頼性が低下する。従って、クリアラ
ンスは、１１０μ〜３５０μの範囲内で設定するのが最
も実用的である。また、セラミック製軸１の外周部にコ
ーティング層２を形成すれば、クリアランスを広く設定
してもセラミック製軸１が金属製スリーブ５内で片寄ら
ない。また、ガラス質が軸方向のすべりを生じ、接合時
の残留応力が低減し接合強度を向上する利点も有する。

【０００６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。なお、図１は接合部分を拡大して示す断面図で
ある。セラミック製軸１は、図示しないがセラミック製
のターボチャージャーロータやガスタービンと一体の部
品であり、軸径が１０〜１６ｍｍ程度で、先端外周部に
３０〜３５μ程度のガラス質やアルミナ質のコーティン
グ層２が形成されている。このセラミック製軸１の端部
に、軸径の２０％程度の厚みの金属製の緩衝板３がロウ
付され、さらに、その緩衝板３に金属製軸４がロウ付さ
れている。また、このセラミック製軸１と金属製軸４の
突き合わせ部分に、金属製スリーブ５が嵌合されると共
に、そのクリアランスにロウ材６が充填されて金属製ス
リーブ５とセラミック製軸１及び金属製軸４が一体化さ
れる。なお、一般的には、スリーブは熱膨張係数がセラ
ミックに近い事が要求され、また、金属製軸には硬度，
強度が要求される為、各々別体で製作し、接合すること
が好ましいが、使用条件によっては、図２に示すよう
に、金属製軸４とスリーブ５を一体形とし、この凹底部
にセラミック製軸１を化学的に接合し、凹内周部とセラ
ミック製軸１の間にロウ材６を充填した構造でも良い。

【０００７】而して、セラミック製軸１と金属製スリー
ブ５のクリアランスは、前記コーティング層２の厚さ、
及び、金属製スリーブ５の内周に施されることがあるロ
ウ付のためのメッキ（Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ等）の厚さに拘
らず、セラミック製軸１の軸径ｄと金属製スリーブ５の
内径Ｄの差を基準とし、（Ｄ−ｄ）＝１１０μ〜３５０
μの範囲に設定される。このクリアランスは、１１０μ
より小さいとロウ付後の冷却過程で接合部の強度が低下
する。逆に、３５０μより大きい場合は、ロウ材６の充
填が難しくなってロウ付の信頼性が低下する虞がある。
また、前記コーティング層２は、若干不確定であるが、
金属製スリーブ５内におけるセラミック製軸１の片寄り
を防止し、以て、接合精度の向上を図ることができる。
また、軸方向のすべりを生じることにより接合時の残留
応力を低減し、接合強度を向上することが可能となる。

【０００８】

【曲げ強度試験】以下に示す条件で試料Ａ〜Ｒを作成
し、その試料Ａ〜Ｒで曲げ強度試験を実施した。セラミック製軸１は、Ｙ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃の焼結助材を
用いて１６００℃，４時間のスケジュールで焼成した常
圧焼結窒化珪素を使用し、軸径ｄ＝１６ｍｍとした。金属製スリーブ５は、低熱膨張合金であるインコロイ
９０３を使用した。金属製軸４は、ＳＮＣＭ４４７を使用した。緩衝板３は、Ｎｉ，Ｗ合金，Ｎｉの三層複合構造とな
し、トータル４ｍｍの厚さとした。コーティングを行ったものについては、Ａｌ₂Ｏ₃を使
用してコーティング層２の厚さ＝３５μとした。なお、
セラミック製軸１と金属製スリーブ５のクリアランス
は、コーティング層２の厚さに拘らず、セラミック製軸
１の軸径ｄと金属製スリーブ５の内径Ｄの差である。そして、上記の部材を図１のように組み合せ、セラミッ
ク製軸１と緩衝板３をＴｉを含む活性ろうで、金属製軸
４と緩衝板３を銀ろうでロウ付し、さらに、セラミック
製軸１及び金属製軸４と金属製スリーブ５を銀ろうでロ
ウ付した。ロウ付の条件は、１０^-3以下の真空中で９５
０℃，１０分のスケジュールである。こうして作成した
試料Ａ〜Ｒを、図４に示すように、金属製軸４を固定し
て片持ち梁状になし、セラミック製軸１の先端に荷重Ｗ
を加えた。その結果を表１に示す。なお、試料Ａ〜Ｌは
ロウ付後に曲げ強度を測定し、試料Ｍ〜Ｒは２０℃〜４
００℃の温度サイクルで１００サイクル経過後に曲げ強
度を測定した。

【０００９】

【表１】

【００１０】以上表１の結果から、クリアランスが１１
０μ以上である場合に安定した高い接合強度を示すこと
が判る。

【００１１】

【発明の効果】以上のように本発明の接合構造は、セラ
ミック製軸１と金属製スリーブ５のクリアランスを、従
来の当業者の常識に反して広くし、（Ｄ−ｄ）≧１１０
μに設定することによって両者の接合強度を顕著に向上
させることができる。また、クリアランスの上限値は、
必然的にロウ付可能な範囲以下に限定されるが、その範
囲内にあってもクリアランスが広過ぎる場合にはロウ付
の信頼性に問題が生ずる虞がある。従って、クリアラン
スは１１０μ〜３５０μの間に設定するのが最も実用的
である。また、クリアランスを広く設定しても精度上殆
ど問題ないが、セラミック製軸１の外周部にガラス質や
アルミナ質のコーティング層２を形成すれば接合精度及
び信頼性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】接合部分を拡大して示す断面図である。

【図２】他の実施態様を示す接合部分の拡大断面図であ
る。

【図３】クリアランスを示す断面図である。

【図４】曲げ強度試験を示す断面正面図である。

【符号の説明】

１…セラミック製軸、２…コーティング層、３…緩衝
板、４…金属製軸、５…金属製スリーブ、Ｄ…金属製ス
リーブの内径、ｄ…セラミック製軸の軸径。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック製軸と金属製軸の突き合わせ
部分が、直接又は緩衝板を介して化学的に端面接合さ
れ、且つ、その突き合わせ部、セラミック製軸の外周及
び金属軸外周に金属製スリーブを有し、セラミック製軸
と金属製スリーブの隙間にロウ材を充填したセラミック
製軸と金属製軸の接合構造において、セラミック製軸の軸径ｄと金属製スリーブの内径Ｄの差
を（Ｄ−ｄ）≧１１０μに設定してなることを特徴とす
るセラミック製軸と金属製軸の接合構造。
【請求項２】金属製軸の端部に凹部を有し、凹部の底
部にセラミック製軸端面が直接又は化学的に端面接合さ
れたセラミック製軸と金属製軸の接合構造において、セ
ラミック製軸の軸径ｄと金属製軸端凹部の内径Ｄの差を
（Ｄ−ｄ）≧１１０μに設定してなることを特徴とする
セラミック製軸と金属製軸の接合構造。
【請求項３】前記軸径ｄと内径Ｄの差を３５０μ≧
（Ｄ−ｄ）≧１１０μに設定してなる請求項１，２記載
のセラミック製軸と金属製軸の接合構造。
【請求項４】前記セラミック製軸の外周部にガラス質
又はアルミナ質のコーティング層を形成してなる請求項
１，２，３記載のセラミック製軸と金属製軸の接合構
造。