JPH0733294B2 - セラミックス・金属接合体の製造方法 - Google Patents
セラミックス・金属接合体の製造方法Info
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- JPH0733294B2 JPH0733294B2 JP2218051A JP21805190A JPH0733294B2 JP H0733294 B2 JPH0733294 B2 JP H0733294B2 JP 2218051 A JP2218051 A JP 2218051A JP 21805190 A JP21805190 A JP 21805190A JP H0733294 B2 JPH0733294 B2 JP H0733294B2
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、セラミックス・金属複合体の製造方法に関す
るものである。
るものである。
（従来の技術及びその問題点） 従来、セラミックス材と金属材とを結合する方法として
は、ろう付け、圧入、焼嵌め等の方法が一般的であっ
た。
は、ろう付け、圧入、焼嵌め等の方法が一般的であっ
た。
例えば、セラミックスターボチャージャーローター、ガ
スタービン等に用いられる高温ファンの場合には、第10
図に示すように、窒化珪素等の非酸化物系セラミックス
からなり、翼部41aを有する翼車41を成形、焼成によっ
て作製し、この翼車41の嵌合部41bに、交差±１μｍの
高精度加工を施す。また、金属軸43の端部に凹部43aを
設け、この凹部43aにも同様に高精度加工を施し、嵌合
部41bと凹部43aとを焼嵌め又は圧入によって接合してい
る。
スタービン等に用いられる高温ファンの場合には、第10
図に示すように、窒化珪素等の非酸化物系セラミックス
からなり、翼部41aを有する翼車41を成形、焼成によっ
て作製し、この翼車41の嵌合部41bに、交差±１μｍの
高精度加工を施す。また、金属軸43の端部に凹部43aを
設け、この凹部43aにも同様に高精度加工を施し、嵌合
部41bと凹部43aとを焼嵌め又は圧入によって接合してい
る。
しかし、こうした従来の接合方法では、嵌合部41b、凹
部43aに極めて高精度の加工を施すことが必要であり、
加工コストが高い。また、圧入時に軸の角度が狂った
り、凹部43aと嵌合部41bとの加工面に寸法不良、表面粗
れがあったりした場合には、圧入が完全に行なえずに接
合不良となり、歩留が低下する。また、高精度加工面の
間に異物が挟み込まれたままの状態で接合すると、この
異物の周囲で応力集中するため、接合部の信頼性が低下
するという問題もある。
部43aに極めて高精度の加工を施すことが必要であり、
加工コストが高い。また、圧入時に軸の角度が狂った
り、凹部43aと嵌合部41bとの加工面に寸法不良、表面粗
れがあったりした場合には、圧入が完全に行なえずに接
合不良となり、歩留が低下する。また、高精度加工面の
間に異物が挟み込まれたままの状態で接合すると、この
異物の周囲で応力集中するため、接合部の信頼性が低下
するという問題もある。
また、第11図に示す従来の高温ファンにおいては、金属
ボス52に凹部52aを設け、セラミックス製の羽根51の基
部51aを凹部52a内に嵌入する。このとき、基部51aと凹
部52aとの間隙には、銀ろう、セラミックス、セメント
等からなる嵌合部53を設ける。
ボス52に凹部52aを設け、セラミックス製の羽根51の基
部51aを凹部52a内に嵌入する。このとき、基部51aと凹
部52aとの間隙には、銀ろう、セラミックス、セメント
等からなる嵌合部53を設ける。
しかし、この場合にも羽根51を嵌入する際に、嵌合部5
3、基部51aを高精度加工する必要があり、上記と同様の
問題が生ずる。
3、基部51aを高精度加工する必要があり、上記と同様の
問題が生ずる。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、従来の焼嵌め、圧入等の場合における
ような高精度加工が不用であり、異物の混入や接合面の
粗れ等による接合不良も生じない、セラミックス・金属
複合体の製造方法に関するものである。
ような高精度加工が不用であり、異物の混入や接合面の
粗れ等による接合不良も生じない、セラミックス・金属
複合体の製造方法に関するものである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、未焼成の非酸化物系セラミックス成形材料に
金属材が一体化している複合成形体を作成する工程： 前記非酸化物系セラミックス成形材料を焼成して非酸化
物系セラミックス材を作成する工程：および 焼成後の前記セラミックス材が冷却する間に、前記金属
材の熱収縮によって、この金属材に前記セラミックス材
に対して圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前
記金属材を前記セラミックス材に接合させる冷却工程を
有する、セラミックス・金属接合体の製造方法に係るも
のである。
金属材が一体化している複合成形体を作成する工程： 前記非酸化物系セラミックス成形材料を焼成して非酸化
物系セラミックス材を作成する工程：および 焼成後の前記セラミックス材が冷却する間に、前記金属
材の熱収縮によって、この金属材に前記セラミックス材
に対して圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前
記金属材を前記セラミックス材に接合させる冷却工程を
有する、セラミックス・金属接合体の製造方法に係るも
のである。
ここで、金属材の一部がセラミックス材の表面に露出し
ていて良い。
ていて良い。
「非酸化物系セラミックス成形材料」は、未焼成の材料
であり、通常、原料粉末に必要に応じてバインダー、水
等を添加した成形材料である。
であり、通常、原料粉末に必要に応じてバインダー、水
等を添加した成形材料である。
「非酸化物系セラミックス材」は、焼成体である。
「冷却」は、放令を含む。
ここで述べる熱収縮とは、可逆的な意味での熱膨張及び
不可逆的な意味の熱収縮の２つの意味を示す。
不可逆的な意味の熱収縮の２つの意味を示す。
（実施例） まず、本発明を高温ファンに適用した例について述べ
る。
る。
まず、第２図に示すように、下型４に凹状金属片２を固
定し、次いで下型４、羽根型６、上型５を組み立てて成
形用の型を作る。そして、非酸化物系セラミックス成形
材料７を射出成形によって型内へと注入し、高温ファン
の成形体８と凹状金属片２とからなる複合成形体10を作
製する。
定し、次いで下型４、羽根型６、上型５を組み立てて成
形用の型を作る。そして、非酸化物系セラミックス成形
材料７を射出成形によって型内へと注入し、高温ファン
の成形体８と凹状金属片２とからなる複合成形体10を作
製する。
次いで、この型を分解し、凹状金属片２と一体となった
成形体８を取り出し、この成形体８を仮焼してバインダ
ーを飛散させ、仮焼後の成形体８をコールドアイソスタ
ティックプレス（CIP）で処理して成形体の密度を高
め、成形体８と金属片２との密着性を上げておく。
成形体８を取り出し、この成形体８を仮焼してバインダ
ーを飛散させ、仮焼後の成形体８をコールドアイソスタ
ティックプレス（CIP）で処理して成形体の密度を高
め、成形体８と金属片２との密着性を上げておく。
そして、この複合成形体10（成形体８と凹状金属片２と
からなる）をホットアイソスタティックプレス（HIP）
焼成し、第１図に示すような、翼部1aと軸部1bとを有す
る翼車１を得る。この軸部1bには金属片２が固着してお
り、金属片２の端面を平滑とし、金属片２と金属軸３と
を溶接、摩擦圧接、拡散接合、ネジ切り法等の種々の方
法で結合する。
からなる）をホットアイソスタティックプレス（HIP）
焼成し、第１図に示すような、翼部1aと軸部1bとを有す
る翼車１を得る。この軸部1bには金属片２が固着してお
り、金属片２の端面を平滑とし、金属片２と金属軸３と
を溶接、摩擦圧接、拡散接合、ネジ切り法等の種々の方
法で結合する。
本実施例では、金属片２を軸部1bに対して、いわば焼成
嵌めによって固定した点が重要である。
嵌めによって固定した点が重要である。
即ち、成形体に予め金属片２を密着させておき、この成
形体をHIP焼成すると、焼成後の冷却段階において、金
属片２の熱収縮の方がセラミックス材の軸部1bの熱収縮
よりも大きいことから軸部1bの外周を囲む金属片２か
ら、軸部1bに対して矢印Ａで示す圧縮応力が働く。これ
により、金属片２は軸部1bに対して固着され、軸部1bか
ら脱落、揺動することはない。
形体をHIP焼成すると、焼成後の冷却段階において、金
属片２の熱収縮の方がセラミックス材の軸部1bの熱収縮
よりも大きいことから軸部1bの外周を囲む金属片２か
ら、軸部1bに対して矢印Ａで示す圧縮応力が働く。これ
により、金属片２は軸部1bに対して固着され、軸部1bか
ら脱落、揺動することはない。
そして、成形体を作製する段階で成形体８へと予め金属
片を密着させておくので、焼成後に軸部1bと金属片２と
を接合する場合とは異なり、高精度加工の必要はなく、
従って高精度加工のコストや手間を省くことができる。
片を密着させておくので、焼成後に軸部1bと金属片２と
を接合する場合とは異なり、高精度加工の必要はなく、
従って高精度加工のコストや手間を省くことができる。
しかも、成形体８と金属片２とを密着させるので、既に
高硬度となった焼成体と金属片とを圧入等により接合す
る従来法と異なり、仮に成形体８と金属片との間に異物
が混入しても、この異物は成形材料中になじみ、埋没す
るので、応力集中の原因とはならず、従って異物混入に
よる接合不良、これによる歩留の低下は生じない。この
点で、金属片２と軸部1bとの密着性を更に上げるため、
CIP、HIPを採用することが好ましいが、常圧焼成を行う
場合にも、この接合不良防止の効果を奏しうる。
高硬度となった焼成体と金属片とを圧入等により接合す
る従来法と異なり、仮に成形体８と金属片との間に異物
が混入しても、この異物は成形材料中になじみ、埋没す
るので、応力集中の原因とはならず、従って異物混入に
よる接合不良、これによる歩留の低下は生じない。この
点で、金属片２と軸部1bとの密着性を更に上げるため、
CIP、HIPを採用することが好ましいが、常圧焼成を行う
場合にも、この接合不良防止の効果を奏しうる。
第２図の例では、金属片２を射出成形時に成形体８に密
着させているが、成形体８の仮焼、CIP処理後に金属片
２を密着させて、複合成形体を作製してもよい。仮に成
形体８と金属片２との間に若干の隙間があったとして
も、HIP工程において両者を圧着させることができる。
着させているが、成形体８の仮焼、CIP処理後に金属片
２を密着させて、複合成形体を作製してもよい。仮に成
形体８と金属片２との間に若干の隙間があったとして
も、HIP工程において両者を圧着させることができる。
また、第３図（ａ），（ｂ）に示すように、翼車成形体
18の軸部18aに複数個、例えば７個の小型の凹状金属片1
2を埋設一体化することができる（第３図（ａ）は、同
図（ｂ）をＢ線で切って見た断面図である。）。そし
て、この成形体18を前述のように仮焼、CIP成形、HIP焼
成処理に供し、第４図に示すような翼車11を得る。この
軸部11bには、計７個の小型の金属片12が焼成嵌めされ
ている。
18の軸部18aに複数個、例えば７個の小型の凹状金属片1
2を埋設一体化することができる（第３図（ａ）は、同
図（ｂ）をＢ線で切って見た断面図である。）。そし
て、この成形体18を前述のように仮焼、CIP成形、HIP焼
成処理に供し、第４図に示すような翼車11を得る。この
軸部11bには、計７個の小型の金属片12が焼成嵌めされ
ている。
次いで、各金属片12の露出端面を加工し、これに小型の
金属軸13を溶接、摩擦圧接、拡散接合等の方法で接合
し、各金属軸13の他方の端面を金属回転軸３へと上記の
ような方法で接合する。
金属軸13を溶接、摩擦圧接、拡散接合等の方法で接合
し、各金属軸13の他方の端面を金属回転軸３へと上記の
ような方法で接合する。
本実施例によれば、上記の作用効果を奏しうる他、各凹
状金属片12を小型化したので仮に金属片12とセラミック
ス成形材料との熱収縮率差がかなり大きいときでも両者
の熱収縮差による応力が過大になり過ぎないように調整
することができる。また、凹状金属片と金属軸３との接
合箇所を増すことができるので、翼車11と金属軸３との
間の接合強度を大きくすることができる。
状金属片12を小型化したので仮に金属片12とセラミック
ス成形材料との熱収縮率差がかなり大きいときでも両者
の熱収縮差による応力が過大になり過ぎないように調整
することができる。また、凹状金属片と金属軸３との接
合箇所を増すことができるので、翼車11と金属軸３との
間の接合強度を大きくすることができる。
第５図は高温ファンに本発明を適用した例を示す部分正
面図、第６図は第５図のVI−VI線矢視断面図である。
面図、第６図は第５図のVI−VI線矢視断面図である。
本実施例においては、非酸化物系セラミックス成形材料
からなる羽根21用の成形体の基部を、予め金属ボス22の
凹部22aに密着させて一体化した状態とし、次いでこの
複合成形体の仮焼、焼成を行う。これにより、非酸化物
系セラミックスからなり、基部21aが凹部22aにより固定
された羽根21を作製できる。むろん第１図におけると同
時に、基部21aの両側には矢印Ａで示す圧縮応力が働
き、羽根21は凹部22aへと焼成嵌めされている。なお、
第６図中、23は金属回転軸である。
からなる羽根21用の成形体の基部を、予め金属ボス22の
凹部22aに密着させて一体化した状態とし、次いでこの
複合成形体の仮焼、焼成を行う。これにより、非酸化物
系セラミックスからなり、基部21aが凹部22aにより固定
された羽根21を作製できる。むろん第１図におけると同
時に、基部21aの両側には矢印Ａで示す圧縮応力が働
き、羽根21は凹部22aへと焼成嵌めされている。なお、
第６図中、23は金属回転軸である。
第７図〜第９図は、平盤状セラミックス材に本発明を適
用した例を示す概略断面図である。
用した例を示す概略断面図である。
即ち、型35に非酸化物系セラミックス成形材料を入れ、
下パンチ34と上パンチ33とを矢印Ｄのように押圧してCI
Pプレス成形し、複合成形体38を作製する。この複合成
形体38の内部には、予め凹状の金属片32を埋設してお
く。
下パンチ34と上パンチ33とを矢印Ｄのように押圧してCI
Pプレス成形し、複合成形体38を作製する。この複合成
形体38の内部には、予め凹状の金属片32を埋設してお
く。
次いで、第８図に示すように、成形体38をHIP焼成して
平板状のセラミックス材を製造する。このとき成形体38
の外表面には、矢印Ｃで示すように等方に圧力が加わ
る。
平板状のセラミックス材を製造する。このとき成形体38
の外表面には、矢印Ｃで示すように等方に圧力が加わ
る。
次いで、このセラミックス材を研削加工して研削面31a
を有するセラミックス材31を作製し、この研削面31a側
に金属片32の端面32aを露出させる。この後は、この金
属片32と外部の金属部材との間に各種の結合、接合を形
成することができる。具体的には、次に示すような、高
融点接合層を介した接合と、機械的結合法とを例示でき
る。
を有するセラミックス材31を作製し、この研削面31a側
に金属片32の端面32aを露出させる。この後は、この金
属片32と外部の金属部材との間に各種の結合、接合を形
成することができる。具体的には、次に示すような、高
融点接合層を介した接合と、機械的結合法とを例示でき
る。
高融点接合層を介した接合には、次のものがある。
（１）金属片32と金属部材との間に、Mo,W等の高融点金
属の粉末を介在させ、拡散接合すること。
属の粉末を介在させ、拡散接合すること。
（２）ろう材で接合すること。
（３）箔を介在させて拡散接合すること。
（４）金属片32の端面32a又は金属部材の端面に、めっ
き、CVD、溶射等によって被覆層を形成し、次いで拡散
接合又は摩擦圧接すること。
き、CVD、溶射等によって被覆層を形成し、次いで拡散
接合又は摩擦圧接すること。
（５）溶接すること。
機械的結合法としては、圧入法、ネジ切り法、かしめ、
埋め込み、差し込み、スプリング、弾性ボードによる機
械的圧接がある。
埋め込み、差し込み、スプリング、弾性ボードによる機
械的圧接がある。
これらの高融点接合層を介した接合や機械的結合法によ
れば、耐熱性、耐腐食性の接合または結合を形成できる
という利点がある。
れば、耐熱性、耐腐食性の接合または結合を形成できる
という利点がある。
しかも、本実施例では、金属片32のセラミックス材31に
対する矢印Ａ方向の圧縮応力により金属片32を固定して
あるので、金属片32が揺動することはなく、上記結合又
は接合部の信頼性が一層高まる。
対する矢印Ａ方向の圧縮応力により金属片32を固定して
あるので、金属片32が揺動することはなく、上記結合又
は接合部の信頼性が一層高まる。
上記各列において、非酸化物系セラミックスとしては、
例えば窒化珪素、酸化珪素、サイアロン、炭化珪素、窒
化アルミニウム等を例示できる。また、酸化物セラミッ
クスに本発明を適用しないのは、酸化物セラミックスの
焼成時に、酸化雰囲気と金属片とが反応するからであ
る。
例えば窒化珪素、酸化珪素、サイアロン、炭化珪素、窒
化アルミニウム等を例示できる。また、酸化物セラミッ
クスに本発明を適用しないのは、酸化物セラミックスの
焼成時に、酸化雰囲気と金属片とが反応するからであ
る。
金属2,12,32等は、セラミックス成形体の焼成時にこれ
と同時に加熱されるので、この焼成温度よりも高い融点
を有していなければならない。即ち、例えばセラミック
スとして窒化珪素を採用した場合には、焼成温度が例え
ば1600℃以上となるので、金属片はモリブデン、タング
ステン、白金等の高融点金属を採用しなければならな
い。
と同時に加熱されるので、この焼成温度よりも高い融点
を有していなければならない。即ち、例えばセラミック
スとして窒化珪素を採用した場合には、焼成温度が例え
ば1600℃以上となるので、金属片はモリブデン、タング
ステン、白金等の高融点金属を採用しなければならな
い。
（発明の効果） 本発明に係るセラミックス・金属複合体の製造方法によ
れば、焼成後のセラミックス材の冷却時における金属材
の熱収縮により、金属材にセラミックス材に対して圧縮
応力を生じさせ、この圧縮応力によって金属材をセラミ
ックス材に接合しているので、焼成後のセラミックス材
と金属材とを圧入、焼嵌め等により接合する場合とは異
なり、高精度加工の必要はなく、従って高精度加工のコ
ストや手間を省くことができる。
れば、焼成後のセラミックス材の冷却時における金属材
の熱収縮により、金属材にセラミックス材に対して圧縮
応力を生じさせ、この圧縮応力によって金属材をセラミ
ックス材に接合しているので、焼成後のセラミックス材
と金属材とを圧入、焼嵌め等により接合する場合とは異
なり、高精度加工の必要はなく、従って高精度加工のコ
ストや手間を省くことができる。
しかも、成形体と金属材とを予め一体化して複合成形体
を製作し、この複合成形体を焼成し、焼成後の冷却段階
で金属材を焼成体へと上記のように接合させるので、高
硬度の焼成体と金属材とを圧入、焼嵌め等により接合す
る場合と異なり、仮にセラミックス成形体と金属片との
間に異物が混入していても、この異物は成形材料中にな
じみ、埋没していく。従って、この異物は過大な応力集
中の原因とはならないので、異物混入等による接合不
良、これによる歩留、信頼性の低下は生じない。
を製作し、この複合成形体を焼成し、焼成後の冷却段階
で金属材を焼成体へと上記のように接合させるので、高
硬度の焼成体と金属材とを圧入、焼嵌め等により接合す
る場合と異なり、仮にセラミックス成形体と金属片との
間に異物が混入していても、この異物は成形材料中にな
じみ、埋没していく。従って、この異物は過大な応力集
中の原因とはならないので、異物混入等による接合不
良、これによる歩留、信頼性の低下は生じない。
第１図はセラミックス製翼車に金属軸を取り付けた状態
を示す断面図、 第２図は予め金属片を収容した型内で射出成形を行なっ
ている状態を示す断面図、 第３図（ａ）は翼車用成形体の軸部に複数の金属片を焼
成嵌めした状態を示す断面図、同図（ｂ）は同じく正面
図、 第４図は第３図Ｋ成形体を焼成して得た翼車の軸部に金
属回転軸を取付けた状態を示す断面図、 第５図は他の高温用ファンの金属ボスにセラミックス製
の羽根を焼成嵌めした状態を示す部分正面図、 第６図は第５図のVI−VI線矢視断面図、 第７図は成形材料をCIPプレス成形している状態を示す
概略断面図、 第８図は成形体をHIP焼成している状態をしめす概略断
面図、 第９図は平盤状のセラミックス材を示す概略断面図、 第10図は従来法によりセラミックス製翼車と金属軸とを
接合する直前の状態を示す断面図、 第11図はセラミックス製の羽根を従来法によって金属ボ
スに接合した状態を示す部分正面図である。 1,11,41……非酸化物系セラミックスからなる翼車 1a,41a……翼部 1b,11a,41b……軸部 2,12……金属片 3,23,43……金属（回転）軸 ７……非酸化物系セラミックス成形材料 ８……成形体、10,18,38……複合成形体 13……金属軸 21……非酸化物系セラミックスからなる羽根 22……金属ボス 31……平盤状セラミックス材 32……凹状の金属片 32a……端面 Ａ……圧縮応力の働く方向
を示す断面図、 第２図は予め金属片を収容した型内で射出成形を行なっ
ている状態を示す断面図、 第３図（ａ）は翼車用成形体の軸部に複数の金属片を焼
成嵌めした状態を示す断面図、同図（ｂ）は同じく正面
図、 第４図は第３図Ｋ成形体を焼成して得た翼車の軸部に金
属回転軸を取付けた状態を示す断面図、 第５図は他の高温用ファンの金属ボスにセラミックス製
の羽根を焼成嵌めした状態を示す部分正面図、 第６図は第５図のVI−VI線矢視断面図、 第７図は成形材料をCIPプレス成形している状態を示す
概略断面図、 第８図は成形体をHIP焼成している状態をしめす概略断
面図、 第９図は平盤状のセラミックス材を示す概略断面図、 第10図は従来法によりセラミックス製翼車と金属軸とを
接合する直前の状態を示す断面図、 第11図はセラミックス製の羽根を従来法によって金属ボ
スに接合した状態を示す部分正面図である。 1,11,41……非酸化物系セラミックスからなる翼車 1a,41a……翼部 1b,11a,41b……軸部 2,12……金属片 3,23,43……金属（回転）軸 ７……非酸化物系セラミックス成形材料 ８……成形体、10,18,38……複合成形体 13……金属軸 21……非酸化物系セラミックスからなる羽根 22……金属ボス 31……平盤状セラミックス材 32……凹状の金属片 32a……端面 Ａ……圧縮応力の働く方向
Claims (2)
- 【請求項１】未焼成の非酸化物系セラミックス成形材料
に金属材が一体化している複合成形体を作成する工程： 前記非酸化物系セラミックス成形材料を焼成して非酸化
物系セラミックス材を作成する工程：および 焼成後の前記セラミックス材が冷却する間に、前記金属
材の熱収縮によって、この金属材に前記セラミックス材
に対して圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力によって前
記金属材を前記セラミックス材に接合させる冷却工程を
有する、セラミックス・金属接合体の製造方法。 - 【請求項２】前記金属材の一部が前記セラミックス材の
表面に露出していることを特徴とする、請求項１記載の
セラミックス・金属接合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2218051A JPH0733294B2 (ja) | 1990-08-21 | 1990-08-21 | セラミックス・金属接合体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2218051A JPH0733294B2 (ja) | 1990-08-21 | 1990-08-21 | セラミックス・金属接合体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04104971A JPH04104971A (ja) | 1992-04-07 |
| JPH0733294B2 true JPH0733294B2 (ja) | 1995-04-12 |
Family
ID=16713885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2218051A Expired - Fee Related JPH0733294B2 (ja) | 1990-08-21 | 1990-08-21 | セラミックス・金属接合体の製造方法 |
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| WO2005121045A1 (ja) * | 2004-06-08 | 2005-12-22 | Ngk Insulators, Ltd. | 脆性材料－金属構造体 |
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