JPH0761908B2 - セラミック製部材と金属製部材の結合構造 - Google Patents
セラミック製部材と金属製部材の結合構造Info
- Publication number
- JPH0761908B2 JPH0761908B2 JP12892693A JP12892693A JPH0761908B2 JP H0761908 B2 JPH0761908 B2 JP H0761908B2 JP 12892693 A JP12892693 A JP 12892693A JP 12892693 A JP12892693 A JP 12892693A JP H0761908 B2 JPH0761908 B2 JP H0761908B2
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- ceramic
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2251/00—Material properties
- F05C2251/04—Thermal properties
- F05C2251/042—Expansivity
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、中間部材を介して結合
されたセラミック製部材と金属製部材の結合構造に関す
るものである。
されたセラミック製部材と金属製部材の結合構造に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、熱膨脹率の相違する部材を突き合
せて接着して結合する方法としては、両者の界面に別体
の中間層を設けて結合する方法が知られている。例え
ば、実開昭５９−１６０５３３号公報においては、セラ
ミックスと金属との接合構造として両者の界面にＷ材ま
たはＭｏ材よりなるクラッド材を介在させて接合する方
法が開示されている。
せて接着して結合する方法としては、両者の界面に別体
の中間層を設けて結合する方法が知られている。例え
ば、実開昭５９−１６０５３３号公報においては、セラ
ミックスと金属との接合構造として両者の界面にＷ材ま
たはＭｏ材よりなるクラッド材を介在させて接合する方
法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来方法では、熱膨脹差により結合界面に残留応力が生
じ十分な結合強度が得られなかった。すなわち、図４に
金属とセラミックスの接合の場合を例にとって説明する
と、冷却前に通常の形状で接合していた熱膨脹率の大き
い金属と熱膨脹率の小さいセラミックスとが、一旦冷却
されると金属の方が収縮が進み図４に示すように界面端
Ａ部で金属およびセラミックスの両者に引張応力が加わ
り、この状態が進行すると界面端Ａ部よりはく離や割れ
が生じることがあった。
従来方法では、熱膨脹差により結合界面に残留応力が生
じ十分な結合強度が得られなかった。すなわち、図４に
金属とセラミックスの接合の場合を例にとって説明する
と、冷却前に通常の形状で接合していた熱膨脹率の大き
い金属と熱膨脹率の小さいセラミックスとが、一旦冷却
されると金属の方が収縮が進み図４に示すように界面端
Ａ部で金属およびセラミックスの両者に引張応力が加わ
り、この状態が進行すると界面端Ａ部よりはく離や割れ
が生じることがあった。
【０００４】また、中間層としてＷ材またはＭｏ材より
なるクラッド材を使用した場合は、上述したような直接
に両者を接合する場合と比較して、ある程度は残留応力
が除去されるものの、この中間層の目的が接合界面にお
ける残留応力の除去ではないため、接合界面におけるは
く離や割れをなくすことはできなかった。
なるクラッド材を使用した場合は、上述したような直接
に両者を接合する場合と比較して、ある程度は残留応力
が除去されるものの、この中間層の目的が接合界面にお
ける残留応力の除去ではないため、接合界面におけるは
く離や割れをなくすことはできなかった。
【０００５】本発明の目的は上述した課題を解消して、
界面端のはく離や割れが発生し難い熱膨脹の異なるセラ
ミック製部材と金属製部材の結合構造を提供しようとす
るものである。
界面端のはく離や割れが発生し難い熱膨脹の異なるセラ
ミック製部材と金属製部材の結合構造を提供しようとす
るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミック製部
材と金属製部材の結合構造は、セラミック製部材と金属
製部材を中間部材を介して突き合わせて接着することに
より結合するセラミック製部材と金属製部材の結合構造
において、前記中間部材は、その降伏応力がセラミック
製部材および金属製部材の降伏応力より小さく、且つ、
中間部材の外周面にセラミック製部材側に向けて外径が
大きくなるようなテーパを有することを特徴とするもの
である。
材と金属製部材の結合構造は、セラミック製部材と金属
製部材を中間部材を介して突き合わせて接着することに
より結合するセラミック製部材と金属製部材の結合構造
において、前記中間部材は、その降伏応力がセラミック
製部材および金属製部材の降伏応力より小さく、且つ、
中間部材の外周面にセラミック製部材側に向けて外径が
大きくなるようなテーパを有することを特徴とするもの
である。
【０００７】
【作用】上述した構成において、中間部材の降伏応力を
セラミック製部材および金属製部材の降伏応力より小さ
くすることにより、熱膨脹および熱収縮の際の熱膨脹差
によって生じる引張応力が結合界面端に加わっても中間
部材が塑性変形即ちせん断変形するため、両部材間の界
面における残留応力を緩和し、界面端のはく離や割れを
有効に防止することができる。
セラミック製部材および金属製部材の降伏応力より小さ
くすることにより、熱膨脹および熱収縮の際の熱膨脹差
によって生じる引張応力が結合界面端に加わっても中間
部材が塑性変形即ちせん断変形するため、両部材間の界
面における残留応力を緩和し、界面端のはく離や割れを
有効に防止することができる。
【０００８】また、中間部材の外周面に熱膨脹の小さい
セラミック製部材側に向けて外径が大きくなるようなテ
ーパを設けることにより、降伏応力が小さい（一般的に
は硬度の小さい）中間層の引張応力の方向を変え、塑性
変形即ちせん断変形し易くし、界面端における残留応力
緩和効果が促進される。
セラミック製部材側に向けて外径が大きくなるようなテ
ーパを設けることにより、降伏応力が小さい（一般的に
は硬度の小さい）中間層の引張応力の方向を変え、塑性
変形即ちせん断変形し易くし、界面端における残留応力
緩和効果が促進される。
【０００９】さらに本発明の方法において、熱圧接合後
の冷却時にアニールを施すことにより、熱膨脹差によっ
て生じた熱応力を除去し、その後テーパ加工をすること
により界面端のはく離や割れを有効に防止することがで
きる。
の冷却時にアニールを施すことにより、熱膨脹差によっ
て生じた熱応力を除去し、その後テーパ加工をすること
により界面端のはく離や割れを有効に防止することがで
きる。
【００１０】テーパの形状としては、図１(a) 〜(e) に
その一例を示すように接合部材Ａ（熱膨脹率の小さいセ
ラミック製部材）から接合部材Ｂ（熱膨脹率の大きい金
属製部材）に向って中間部材Ｃにテーパを設けてあれば
どのような形状でも良いものである。すなわち、ＡとＣ
の界面がテーパ上にあれば良く、さらに、広義には、図
１(e) に示すようにテーパが曲面状であっても良い。即
ち本発明のテーパの定義としては中間部材Ｃのテーパ部
分で接合界面に平行に切った断面の断面積がＡからＢに
向って小さくなれば良いものであり、テーパの断面が図
１に示すように直線および曲線であっても良い。さらに
接合面の形状は円形である必要はなく、四角形でも多角
形でも適用できる。また、テーパの加工は接合前でも後
でも良い。
その一例を示すように接合部材Ａ（熱膨脹率の小さいセ
ラミック製部材）から接合部材Ｂ（熱膨脹率の大きい金
属製部材）に向って中間部材Ｃにテーパを設けてあれば
どのような形状でも良いものである。すなわち、ＡとＣ
の界面がテーパ上にあれば良く、さらに、広義には、図
１(e) に示すようにテーパが曲面状であっても良い。即
ち本発明のテーパの定義としては中間部材Ｃのテーパ部
分で接合界面に平行に切った断面の断面積がＡからＢに
向って小さくなれば良いものであり、テーパの断面が図
１に示すように直線および曲線であっても良い。さらに
接合面の形状は円形である必要はなく、四角形でも多角
形でも適用できる。また、テーパの加工は接合前でも後
でも良い。
【００１１】また、テーパの角度は、ＡとＣの接合界面
におけるテーパ断面の曲線の接線が中心軸方向に対して
なす角度とする。
におけるテーパ断面の曲線の接線が中心軸方向に対して
なす角度とする。
【００１２】
【実施例】図２(a),(b) は本発明の結合方法を実際の部
材に応用した例を示す線図である。図２(a) はピストン
キャップへ応用した例で、部分安定化ジルコニア製ピス
トンキャップ１をＣｕよりなる中間層２を介して球状黒
鉛鋳鉄よりなるピストン３に接着している。本実施例で
は、中間層２に降伏応力が10kg/mm2 (硬度＝ＨR Ｆ40)
と、黒鉛鋳鉄の降伏応力25kg/mm2より降伏応力が小さい
Ｃｕを用い、さらにピストンキャップ１に向って径が大
きくなるようなテーパが設けられており、これにより中
間層２の塑性変形を生じさせて界面端の残留応力を逃が
している。
材に応用した例を示す線図である。図２(a) はピストン
キャップへ応用した例で、部分安定化ジルコニア製ピス
トンキャップ１をＣｕよりなる中間層２を介して球状黒
鉛鋳鉄よりなるピストン３に接着している。本実施例で
は、中間層２に降伏応力が10kg/mm2 (硬度＝ＨR Ｆ40)
と、黒鉛鋳鉄の降伏応力25kg/mm2より降伏応力が小さい
Ｃｕを用い、さらにピストンキャップ１に向って径が大
きくなるようなテーパが設けられており、これにより中
間層２の塑性変形を生じさせて界面端の残留応力を逃が
している。
【００１３】図２(b) はターボチャージャーロータやガ
スタービンロータなどの回転軸に応用した例で、窒化ケ
イ素よりなる回転翼の軸部８と金属製の回転軸９とをテ
ーパを施したＣｕよりなる中間層１０を介して接合して
いる。
スタービンロータなどの回転軸に応用した例で、窒化ケ
イ素よりなる回転翼の軸部８と金属製の回転軸９とをテ
ーパを施したＣｕよりなる中間層１０を介して接合して
いる。
【００１４】本発明の結合方法は熱膨脹の異なるセラミ
ック製部材と金属製部材の場合に有効である。このよう
な用途に用いられるセラミック製部材としては、窒化ケ
イ素、炭化ケイ素、サイアロン、ジルコニア、ムライ
ト、アルミナ、ベリリア等が使用でき、また金属製部材
としては、ステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄、ニッケル・ク
ロム・モリブデン鋼、クロム・モリブデン鋼、アルミニ
ウム・クロム・モリブデン鋼、マルエージング鋼、析出
硬化型超合金等が使用できる。また、金属製部材として
はその一部あるいは全部に析出硬化処理、窒化処理また
は高周波焼入れ処理等の硬化処理が行なわれていると好
適である。
ック製部材と金属製部材の場合に有効である。このよう
な用途に用いられるセラミック製部材としては、窒化ケ
イ素、炭化ケイ素、サイアロン、ジルコニア、ムライ
ト、アルミナ、ベリリア等が使用でき、また金属製部材
としては、ステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄、ニッケル・ク
ロム・モリブデン鋼、クロム・モリブデン鋼、アルミニ
ウム・クロム・モリブデン鋼、マルエージング鋼、析出
硬化型超合金等が使用できる。また、金属製部材として
はその一部あるいは全部に析出硬化処理、窒化処理また
は高周波焼入れ処理等の硬化処理が行なわれていると好
適である。
【００１５】また、中間部材としては降伏応力の小さい
Ｃｕ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ及び
それらの合金等が使用できる。
Ｃｕ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ及び
それらの合金等が使用できる。
【００１６】接合方法としてはろう付け、拡散接合、溶
融接合などによる接合あるいはこれらの組合せによる接
合を用いることができる。
融接合などによる接合あるいはこれらの組合せによる接
合を用いることができる。
【００１７】次に、テーパおよび中間材の性質を確認す
るため、図３(a),(b) に示すような形状の試験体２１を
製作した。この試験体は、直径３０mm、厚み１０mmの窒
化珪素 (Ｓｉ3 Ｎ4 ）製円板２２が鋳鉄製丸棒２３，２
４の間に配置され、さらに円板２２と鋳鉄製丸棒２３，
２４の間に中間部材として銅製あるいは銅合金製薄板２
５，２６が夫々配置されている。中間部材２５，２６に
は夫々窒化珪素円板２２に向けて外径が大きくなるよう
なテーパ加工が施こされている。この試験体２１はこれ
ら丸棒２３、薄板２５、円板２２、薄板２６および丸棒
２４を、800 ℃で銀ろう付けして得た。この試験体にお
いて、薄板２５，２６の材質、並びに薄板に設けられた
テーパ面２７のテーパ角度θ、テーパ長さｌ（図３(b)
参照) を種々に変化させた試験体を製作し、引張試験を
行った。
るため、図３(a),(b) に示すような形状の試験体２１を
製作した。この試験体は、直径３０mm、厚み１０mmの窒
化珪素 (Ｓｉ3 Ｎ4 ）製円板２２が鋳鉄製丸棒２３，２
４の間に配置され、さらに円板２２と鋳鉄製丸棒２３，
２４の間に中間部材として銅製あるいは銅合金製薄板２
５，２６が夫々配置されている。中間部材２５，２６に
は夫々窒化珪素円板２２に向けて外径が大きくなるよう
なテーパ加工が施こされている。この試験体２１はこれ
ら丸棒２３、薄板２５、円板２２、薄板２６および丸棒
２４を、800 ℃で銀ろう付けして得た。この試験体にお
いて、薄板２５，２６の材質、並びに薄板に設けられた
テーパ面２７のテーパ角度θ、テーパ長さｌ（図３(b)
参照) を種々に変化させた試験体を製作し、引張試験を
行った。
【００１８】また、接合時には薄板２５，２６にはテー
パを設けず接合時に４００℃×３０分のアニールを施
し、接合後、テーパ加工を行ったものについても同様の
試験を行った。なお、比較のため、アニール工程を行わ
ないもの、テーパを設けないものについても同様の試験
を行ない、その結果を表１に示す。
パを設けず接合時に４００℃×３０分のアニールを施
し、接合後、テーパ加工を行ったものについても同様の
試験を行った。なお、比較のため、アニール工程を行わ
ないもの、テーパを設けないものについても同様の試験
を行ない、その結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】この結果から明らかなように、テーパを設
けないものに比べて、テーパ部を設けたのは、冷却時の
割れが発生せず、しかも引張強度が高い。このテーパ部
のテーパ角度θは、少なくとも１０度以上好ましくは３
０度以上あれば、有利な引張強度を得ることができ、テ
ーパ長さも、少なくとも０．１mm以上あれば強度も十分
なものとなる。
けないものに比べて、テーパ部を設けたのは、冷却時の
割れが発生せず、しかも引張強度が高い。このテーパ部
のテーパ角度θは、少なくとも１０度以上好ましくは３
０度以上あれば、有利な引張強度を得ることができ、テ
ーパ長さも、少なくとも０．１mm以上あれば強度も十分
なものとなる。
【００２１】この中間部材の材料としては、降伏応力が
少なくとも約２０kg／mm2 以下の金属、例えば、４／６
黄銅等を用いると良く、好ましくは降伏応力が約１０kg
／mm 2 を有する銅等を用いるのが有効である。
少なくとも約２０kg／mm2 以下の金属、例えば、４／６
黄銅等を用いると良く、好ましくは降伏応力が約１０kg
／mm 2 を有する銅等を用いるのが有効である。
【００２２】また、テーパ加工は接合前でも後でも良
く、接合後に加工する場合は、アニール工程を入れると
応力集中による結合力の低下が緩和できるので効果的で
ある。
く、接合後に加工する場合は、アニール工程を入れると
応力集中による結合力の低下が緩和できるので効果的で
ある。
【００２３】
【発明の効果】以上の記載から明らかなように、本発明
では、熱膨脹の異なるセラミック製部材と金属製部材の
間にこれら部材より降伏応力が小さい中間部材を結合
し、この中間部材にテーパを施すことにより、これら部
材の熱膨脹差によって生じた引張応力を中間部材が塑性
変形することにより緩和することがてき、しかもテーパ
効果により界面端の応力が方向を変え中間部材の塑性変
形をし易くする利点があり、これら効果により界面端の
残留応力を非常に小さくする効果がある。
では、熱膨脹の異なるセラミック製部材と金属製部材の
間にこれら部材より降伏応力が小さい中間部材を結合
し、この中間部材にテーパを施すことにより、これら部
材の熱膨脹差によって生じた引張応力を中間部材が塑性
変形することにより緩和することがてき、しかもテーパ
効果により界面端の応力が方向を変え中間部材の塑性変
形をし易くする利点があり、これら効果により界面端の
残留応力を非常に小さくする効果がある。
【００２４】さらに、熱膨脹の異なるセラミック製部材
と金属製部材を中間部材を介して接合する場合に、接合
後、アニールを施すことにより、熱応力が除去され、こ
れと相俟って接合の前もしくは後で中間部材にテーパ加
工を施すことにより、残留応力を減少することができ
る。
と金属製部材を中間部材を介して接合する場合に、接合
後、アニールを施すことにより、熱応力が除去され、こ
れと相俟って接合の前もしくは後で中間部材にテーパ加
工を施すことにより、残留応力を減少することができ
る。
【図１】それぞれ本発明の結合構造におけるテーパ面の
一実施例を示す線図である。
一実施例を示す線図である。
【図２】それぞれ本発明を実際の部材に応用した例を示
す線図である。
す線図である。
【図３】本発明により製作した試験体を示す線図であ
る。
る。
【図４】従来の欠点を説明するための線図である。
１ ピストンキャップ ２ 中間層 ３ ピストン ４ テーパ部 ８ 回転翼の軸部 ９ 回転軸 １０ 中間層 １１ テーパ部
Claims (3)
- 【請求項１】 セラミック製部材と金属製部材を中間部
材を介して突き合わせて接着することにより結合するセ
ラミック製部材と金属製部材の結合構造において、前記
中間部材は、その降伏応力がセラミック製部材および金
属製部材の降伏応力より小さく、且つ、中間部材の外周
面にセラミック製部材側に向けて外径が大きくなるよう
なテーパを有することを特徴とするセラミック製部材と
金属製部材の結合構造。 - 【請求項２】 上記テーパの軸方向に対する角度が１０
度以上である請求項１記載のセラミック製部材と金属製
部材の結合構造。 - 【請求項３】 上記中間部材の降伏応力が２０kg/mm2以
下である請求項１または２記載のセラミック製部材と金
属製部材の結合構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12892693A JPH0761908B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | セラミック製部材と金属製部材の結合構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12892693A JPH0761908B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | セラミック製部材と金属製部材の結合構造 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62082973A Division JPS63251127A (ja) | 1987-04-06 | 1987-04-06 | セラミック製部材と金属製部材の結合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0648853A JPH0648853A (ja) | 1994-02-22 |
| JPH0761908B2 true JPH0761908B2 (ja) | 1995-07-05 |
Family
ID=14996809
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12892693A Expired - Lifetime JPH0761908B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | セラミック製部材と金属製部材の結合構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0761908B2 (ja) |
-
1993
- 1993-05-31 JP JP12892693A patent/JPH0761908B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0648853A (ja) | 1994-02-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
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