JPS58223674A

JPS58223674A - 金属とセラミツクスの接合方法

Info

Publication number: JPS58223674A
Application number: JP10295582A
Authority: JP
Inventors: 伊達　洋彦; 広衛大川; 平尾　純雄
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-06-17
Filing date: 1982-06-17
Publication date: 1983-12-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、金属とセラミックスの筒金方法に関する。

従来、金属とセラミックスを接合する場合の方法として
は、焼嵌め（あるいは冷嵌め）、ろう付け、妾着などが
あった。しかしながら、これらの方法のうち、焼嵌めは
、接合部の寸法精度奢厳しく管理する必要があり、寸法
精度が悪い場合に！ｒ、ｔ　。

過大な焼嵌め力が加わってセラミックスに割れを生じ友
り、反対妬過小な焼嵌め力しか得られず十分な接合強度
をもたすことができないなどの問題点ヲ有していた。そ
の上、一般的にセラミックスは難加工性でちるため、前
記のように寸法精度全癒しくすることは接合前の加工工
数の増加をもたらし、コスト上においても好ましくない
という問題点もあった。

また、ろう付けにおいては、一般にセラミックスに対し
てメタライジング等の表面処理をあらかじめ施したり、
真空中でろう付けを行う必袈があったりするなど、生産
性にすぐれたものとはいい帷いという問題点を有してい
た。

さらに、接着による場合には、その接合強度等の信頼性
に乏しいこと、接着剤は耐熱性に劣っていること、接着
の際の作業性および作業環境が悪いこと、などの問題点
金有していた。

この発明は、上記したような従来の問題点に着目してな
されたもので、接合部分における強度等の信頼性が高く
、特殊な前処理や接合雰囲気を必らずしも必要とせず、
作業性が良好でかつ低コストで金属とセラミックスの接
合を行うことができる方法を提供することを目的として
いる。

この発明は、金属とセラミックス全接合するＫあたり、
金属部材の接合部とセラミックス部材の接合部とを対向
させると共に、当該対向部分に金属リングを配設し、前
記金属部材およびセラミックス部材と金属リングとを相
対的に回転させ且つ前記金屑リングをその径方向に加圧
し、前記金属部材およびセラミックス部材と前記金属リ
ングとの間で摩擦熱を生じさせることによりＴｌｌ＠ｌ
ｌ上、前記金Ｍ　’Ｊソング介して前記金属部材とセラ
ミックス部材と全接合するようにしたことを特徴として
いる。

第１図はこの発明の一夷７Ｍ態様を示す図であって、第
１図（ａ）は摩擦圧接前、第１ド１（ｂ）は摩擦圧吸途
中、第１図（ｅ）は摩擦圧接後の状態を示している。

捷ず、第１図（ａ）において、１は金属部材、１ａはそ
の接合部、２はセラミックス部材、２ａはその接合部、
６は金属リングである。

この場合、金属部材１の材質としては、構造用炭素鋼２
合金鋼、耐熱＠、アルミニウム捷たはアルミニウム合金
などの各種の純金属あるいは合金などを使用することが
でき、場合によっては金属に若干のセラミックスや非金
属（Ｃ、Ｍｏ８２等）などを添加した本のを使用するこ
とができる。

また、セラミックス部材２の材質としては、Ｓｉ３Ｎ４
．　ＴｉＮ等の窒化物系、　ＳｔＣ等の炭化物系。

Ａ１２０３　ｒ　ＺｒＯ２等の酸化物系その他サイアロ
ン（５ｉ３Ｎ４−Ａｔ２０３系）など各種のセラミック
ス材料を使用することができ、場合によってはセラミッ
クスに若干の金属や非金属成分などを添加したものを使
用することができる。

さらに、金Ａ　ＩＪソングの材質としては、前記金属部
材１とセラミックス部材２０両方と幸−圧接ｏＪ能な材
料、例えばセラミックス部材２がＡｔ２０３やザイアロ
ン等の喝今に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を
使用することができ、その他マグネシウムやニオブ等の
牟体あるいは合金など全使用することができる。

そこで、上記例示した材質からなる金属部材１゜セラミ
ックス部材２．金属リング３を準備したのち、第１図（
ａ）に示すように、金属部材１の接合部１ａとセラミッ
クス部材２の接合部２ａとを対向（図示例の場合は対向
接触）させると共に、当該対向部分に金属リング６を配
設する。次に、第１図（ｂ）に示すように、前記金属部
材１およびセラミックス部材２と金属リング６と全相対
的に同転させ、すなわち、図示例の場合には金（１部材
１訃よびセラミックス部材２を矢印ＡおよびＢ方向（必
らずしも同一回転数に限定されない）に回転させ、且つ
前記金属リング６をその径方向すなわち矢印Ｃ方向に加
圧し、前記金属リング６に塑性変形奮起こさせて、前記
金属部材１およびセラミックス部材２の各々１９合面（
外周面）と金属リング６の１妾合面（内周面）との間で
摩擦熱を生じさせることにより摩擦圧後し、＠ｌＩ記金
属リング６を介してｉｉＱ記金（１部材１とセラミック
ス部材２とｆ、接合する。

第２図は金属部材１およびセラミックス部材２の同転数
と金暎リング６に対する加圧力のそれぞれの変化を時間
の経過と共圧示す一例であり、この場合はフライホイー
ル法による変化を示している。図に示すように、金属部
材１およびセラミックス部材２をフライホイールにより
回転させツツ金属リング６に対して加圧力を付与するこ
とによつて、各接合面で摩擦熱を生じさせて摩擦圧接を
行うことができる。そして、回転停止後も加圧力を加え
ておくことによって、金属リング６にスプリングバック
が生ずるのを防ぐことができ、各部材間での確実な接合
を得ることができる。なお、摩擦圧接に際しては、フラ
イホイール法のほか、ブレーキ法などの他の方法も使用
でへる。

したがって、焼嵌め等のように、各部材の圧接前におけ
る加工寸法精度を著しく厳密にしておく必要はなく、セ
ラミックス部材２は焼成したままの状態で、例えばメタ
ライジング等を施すことなく用いることができる。ま几
、図に示すように、各部材１，２０対向方向に必らずし
も圧力音訓えなくとも接合が可能でちるため、長さ方向
の寸法は接合の前後において同じであり、長さ方向の寸
法精度を良好なものとすることができる。さらに、各部
材１，２を最終形状にまで加工し次あと金属リング６を
加えて摩擦圧接することによりそのまま寸法精度の高い
製品とすること４ができるため、加工上および圧接工程
上において非常に有利である。

第３図はこの発明の他の実施態様金示す図であって、金
属部材１の接合部１ａおよびセラミックス部材２の接合
部２ａｉそれぞれ本体部分より小径にすると共に、セラ
ミックス部材２の接合部２ａの外周面に周方向の溝２ｂ
を設けた場合金示している。この場合、溝２ｂの断面形
状は、図示の波形のほか、矩形状、三角形状等の適宜の
ものにすることができる。

そして、第３図に示すように、金属部材１とセラミック
ス部材２とを対向させると共に、当該対向部分圧金属リ
ングろを配設し、前記金属部材１およびセラミックス部
材２を回転させ且つ金属リング６′ｆＫ：その径方向に
加圧すると、各接合面で摩擦熱音生じて金属リング６が
塑性変形し、第４図に示すように、金属リング６の内周
面がセラミックス部材２の外周面に設けた溝２ｂ内に入
り込んだ状態で摩擦圧接が行われ、金属リング６と金属
部材１との間においても同時に摩擦圧接が行われ、この
結果、金属リング６を介して金属部材１どセラミックス
部材２との接合がなされる。なお、セラミックス部材２
の融点あるいは分解温度は、金属リング６の欧化温度よ
りもかなり高いため、セラミックス部材２に設けた溝２
ｂの形状変化はほとんどないといってよく、溝２ｂｋ設
けることによって、前記第１図に示す摩擦圧接による接
合および焼嵌めによる接合（金属リング６の収縮量の方
がセラミックス部材２の収縮量よりも犬である）のほか
に、機械的な接合力が付加されるため、より一層強度が
高くかつ信頼のおける継手金得ることができるようにな
る。なお、金属リング６がセラミックス部材２と暉擦圧
接されない材質であったとしても、今暁リング６とセラ
ミックス部材２との機械的な接合（溝２ｂおよび焼嵌め
による）が可能であり、金属リング６と金属部材１とは
摩擦圧接される友め、この場合にも金属リング６を介し
て金属部月１とセラミックス部材２との接合が可能とな
る。

第５図はこの発明のさらに他の実施態様を示す図であっ
て、金属リング６に、この金属リング６をその周方向で
不連続にする切欠き３ａｉ設けるようにした場合を示し
ている。この切欠き６ａは、第５図（ａ）の場合はその
中心軸方向と略平行に形成されており、第５図（ｂ）の
場合は傾斜して形成されている。このよう圧すると、金
鴫リング６を径方向に加圧して変形させ、これによって
前記金属部材１およびセラミックス部材２と接触させる
際の上記加圧力が少なくて済むようになる。なお、妾合
後において上記切欠き３ａも接合されるようにすること
によって、金鴫リング６による焼嵌め効果を得ることが
できるので、この方がより望ましい。

第６図および第７図はこの発明のさらに他の実施轢様を
示す図であって、金属部材１およびセラミックス部材２
は、当該接合部の対向部分に、それぞれ対応する形状の
嵌合部１　ｃ　、２ｃ’を設けた場合金示している。す
なわち、第６図の場合忙は断面略正方形状の突起形嵌合
部１Ｃ訃よび溝形嵌合部２ｃｆ設けており、第７図の場
合には断面略正方形状の突起形嵌合部１Ｃおよび孔形嵌
合部２ｃｉ設けている。このようにした場合には、金属
部材１およびセラミックス部材２を金属リング３に対し
て相対的に回転させるに際して、金属部材１およびセラ
ミックス部材２のいずれか一方を回転させあるいは固定
させ（金ｍ　リング６が回転する場合）れは良いため、
摩擦圧接装置の機構がより簡単なもので痛むという利点
を有すると共に、金属部材１とセラミックス部材２との
間でねじりが作用する場合の応力ヲ接合部と共に負担す
ることができるようになるのでねじり強さの増大をもた
らしつるという利点を有している。

＠８図はこの発明のさらに他の実施態様を示す図であっ
て、金属部材１およびセラミックス部材２が中空状をな
す場合金示している。この場合、金属部材１およびセラ
ミックス部材２全対向させると共に、この対向部分の内
周側（外周側の場合もありうる）に金属リング６を配設
し、この金属リング６に概略つづみ形の孔部を有する分
割案内部材４および押圧部材５．プランジャ６を設置す
る。このとき、押圧部材５およびプランジャ６は金属リ
ング６の回転を防ぐと共に、金属リング６をその外周方
向に加圧する機能を有している。このようにしたときで
も、前記実施態様の場合と同様に、摩擦圧接後において
金属リング６を介して金属部材１とセラミックス部材６
との接合全行うことができる。

実施例　１この実施例では、金属部材１としてステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ　３０４　’）’ｔ−使用し、セラミックス部材２と
して５ｉ３Ｎ４ｆｆｉ用いた。また、形状は、第９図（
接合後の状態ヶ示す）に示すように、大径１１〜全それ
ぞれ直径１０　ｗＲ，細径部全直径８間とし、細径部の
突出し寸法をいずれも１０咽とした。さらに、大径部と
細径部のつなぎ部分は約４５°の面取りｔｍした。さら
に、金属リング６としては展伸用アルミニウム合金を使
用し、外径１４喘、内径８燗、長さ２０−のものを用い
た。

次いで、これらの部材を第１０図および第１１図に示す
摩擦圧１妾装置に取付けた。なお、図に示す早擦田接装
置において・、１１は装置＃本体、１２は駆動用モータ
、１６はクラッチ、１４はフライホイール、１５は金４
部材１（またはセラミックス部材２）把持用のチャック
、１６は加圧装置、１７はセラミックス部材２（または
金属部材１）把持用のチャック、１８はスライディング
ベッドである。また、加圧装＠１６において、２１は７
レーム、２２は油圧シリンダ、２６はチャック、２４は
チャック２６のガイドである。

そこで、回転数ｋ　１８００　ｒｐｍとし、フライホイ
ール１４の蓄積エネルギが７３２０Ｋｇｆ−ｍとなるよ
うにした。また、金属リング６に対する加圧は、油圧シ
リンダ２２によって合計５　ｔｏｎで行い、玉梓時間は
全サイクルで４〜５秒とした。

次いで、摩擦圧接後の金属リング６の外径を調べたとこ
ろ、約１２１となっていた。そして、得られた第９図に
示す継手を評価するために、引張試験およびねじり試験
を行った。その結果を第１表に示す。なお、いずれの試
験においても破断部分は全域リング６であった。また、
引張強さは破断荷重を直径１，０咽の軸部の断面積で除
した値で示している。

第　　１　　表ナオ、Ｊｆ［のｉめＫ、ステンレスｖＩＩＩ（ＳＵＳ３
０４）と５１３Ｎ４セラミツクスとをろう付けによって
髪合し、その後引張試験を行った結果、その引１強さは
締高で７　Ｋ？ｆ　／　ｍｍ２であり、第１表に示すｎ
への半分以下であった。

実施例　２金属部材１として直径８剛のステンレス市（ＳＵＳ　３
０４　）ｋ用い、セラミックス部材２として直径８門の
５１３Ｎ、’に用いた。そして、セラミックス部材２の
端部には、第１２図（ａ）に示すように、ピッチ２調、
深さ０．５　ｍｍの波形の溝２ｂｆｆｉ設けた。

また、金属リング６としては展伸用のアルミニウム合金
全使用し、外径１４晒、内径８咽、長さ２０椙のものを
用いた。

次いでこれらの部材を実施例１の場合と同じ摩擦圧接装
置に取付け、実施例１と同じ条件で第１２図（ｂ）→（
ｅ）へと変形する摩擦圧接を行った。

このようにして得られた継手を評価するために、実施例
１と同様の試験を行ったところ、第２表に示す結果とな
った。

第　　２　　表第２表に示すように、この実施例では前記実施例１のも
のにさらに機械的な接合力が加わるために、引張強さ金
著しく増大させることができた。

また、接合部分の面積も実施例１の場合よりも広くなっ
ているため、ねじり強さもさらに増大していることがわ
かった。

実施例　３　　　　　　　　・・。

この実施例では、実施例１において使用した金属リング
乙に、第５図（ａ）　Ｋ示すような接線方向の切欠き３
ａｉ形成したもの金剛いた。このとき、切欠き６ａの巾
は約２１とした。そして、その他の条件は実施例１と同
じにして摩擦圧接を行った。

次いで、得られた継手の引張強さおよびねじり強さを測
定したところ、実施例１とほぼ同じ結果を得た。しかし
、この実施例においては、金属リング６に対する加圧力
を実施例１の場合の約１／４である１、５　ｔｏｎとす
ることで良好な結果を得ることができた。

このように、金属リング６に切欠き３ａｉ設けることに
よって、金属リング３に対する加圧力金小さくしたとき
でも十分な圧接力を得ることができるため、装置が簡単
になる。なお、切欠外のない金ｇ　ＩＪング３ｆ！：用
いて１．５　ｔｏｎの加圧力を加えて摩擦圧接全行った
ところ、十分な摩擦熱の発生が得られず、接合不可能で
あった。また、切欠き６ａの端面を接線方向とすること
によって、切欠端面が接触してから後の加圧力を低下さ
せることができ、同時に摩擦圧接後に切欠き６ａの接合
が得やすいため、金［ＩＪング６の焼成めによる接合強
度の上昇を実現することができることもわかつた。

実施例　４この実施例では、実施例１で使用した材質および寸法の
金属部材１．セラミックス部材２．金属リング６を使用
し、さらに、第６図に示すように、セラミックス部材２
に幅３間、長さ３喘の突起形嵌合部２ｃｉ設けると共に
、金属部材１に幅３ｍｍ。

長さ３ｗｌ！の溝形嵌合部１ｃを設け、その他の％件は
実施例１と同様に行った。その後、引張強さおよびねじ
り強さ全測定したところ、第３表に示す結果となった。

第　　３　　表この試験のうち、引張試験では金［ｉｊＫ　１７ング６
で破断し、その破断荷電は実施例１とほぼ同じであった
が、ねじり試験では金１４　リング６と共にセラミック
ス部材２の突起形嵌合部２ｃの根元部分で破断した。

そして、このときの破断荷蝋は実施例１に比べて格段に
向上していることがわかった。

実施例　５この実施例では、第１３図に示すような、アルミニウム
合金製のインペラろ１とセラミックス製のターボチャー
ジャロータ６２とを各々の軸部分で接合してターボチャ
ージャ回転体を得る場合圧ついて実施した。

この場合、ターボチャージャロータ６２は８１．Ｎ。

製であり、軸状のセラミックス部材２１ｊＫ、一体で成
形したものである。また、金属部材１はステンレス鋼（
ＳＵＳ　３０４　）よりなるものであり、各部材１．２
共その外径は８咽で、各々両端部分に実施例４と同じく
幅３鱈、長さ３門の突起形嵌合部２ｃおよび溝形嵌合部
１ｃを設けたものを使用した。また、金属リング６は、
外径１４闇、内径８削、長さ２０朋のものに、実施例３
と同じく幅約２闇の切欠き３ａｉ形成したものを用いた
。そして、実施例３と同じ条件で摩擦圧接してセラミッ
クス部材２と金属部材１とを接合し、た後、金属部材１
にインペラ６１を嵌合し、ガツト６６により固定してタ
ーボチャージャ回転体を得た。？′Ｊ、、に、この回転
体孕スピンテストに供したところ、セラミックス型のロ
ータ６２が破損するまでは軸部分の接合部は破損せず、
十分な接合強度を有すること全確認すると共に、実用性
の商いものであることがわかった。

なお、−上記各実施例においては、セラミックス部材２
がＳｌ　３Ｎ　４であり、金属部材１がステンレスｍ（
ＳＵＳ　３ｏ４）であり、金属リング６がアルミニウム
合金である場合’ｋ　Ｋ！明してきたが、このような材
料に限定されるものでないことは当然である。

以上説明してきたように１この発明によれば、金属部材
とセラミックス部材の対向部分に全綱すング分配役し、
これら全相対的にＩｌ′ｊ１転させ且つ前記金属リング
全その径方向に加圧し、前記金属部材およびセラミック
ス部材と［ｊ訂記金属リングとの間で摩擦熱を生じさせ
ることにより摩擦圧接し、前記金Ｍ　’Ｊソング介して
前記金属部材とセラミックス部材と全接合するようにし
たから、接合部分における引張強さやねじり強さ等の接
合強度が高く、著しく信頼性の優れたものとすることが
でき、特殊な前処理や接合雰囲気を必らずしも必要とし
ないため、作業性が良好でかつ低コストで金属とセラミ
ックスとの接合が可ＮＵであり、接合後の寸法精度も普
く、追加工の必要性が少なく、品質のすぐれた継手を得
ることができるなどの数々の著大なる効果を有するー

【図面の簡単な説明】

８Ｋ　１図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）はこの発明の一実施
態様における金属部材とセラミックス部材の接合過程ｋ
　＋ｌｌＮ次示す説明図、第２図は摩擦圧しの際の金Ｃ
べ部材およびセラミックス部材の回転数と金属リングに
対する加圧力の変化の一例を時間の変化と共に示す説明
図、第３図および第４図はこの発明の他の実施態様にお
ける金属部材とセラミック部材のそれぞれ接合前および
接合後の状態を示す断面説明図、第５図（ａ）　（ｂ）
はこの発明のさらに他の実施態様における金属リングの
斜視図、第６図および第７図は金属部材およびセラミッ
クス部材の接合端に嵌合部を設ける実施態様を示し、各
々（ａ−１）および（ｂ−１）は正面図、（ＦＬ−２）
および（ｂ−２）は側面図、第８図はこの発明のさらに
他の実施態様における金属部材とセラミックス部材の接
合要領を示す断面説明図、第９図はこの発明の実施例１
における金属部材とセラミックス部材の接合後の状￥！
！ケ示す断面説明図、第１０図および第１１図はこの発
明の実施例において使用した摩擦圧・接装置の正面図お
よび加圧装置の説、明図、第１２図（ａ）　（ｂ）　（
ｃ）はこの発明の実施例２における金属部材とセラミッ
クス部拐の接合過程＞＋畝次示す説明図、第１３図はこ
の発明の実施例５にかいて製作したターボチャージャ回
転体の断面説明図である。１・・・金属部拐、１ａ・・・金属部拐の阪合部、１ｃ
・・・金属部材の嵌合部、２・・・セラミックス部材、
２ａ・・・セラミックス部材の接合部、２ｂ・・・周方
向のｆｆ／（２ｃ・・・セラミックス部材の嵌合部、６
・・・金属リング、６ａ・・・切欠き。第２図第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属とセラミックスを接合するにあたり、金属部
材の接合部とセラミックス部材の接合部とを対向させる
と共に、当該対向部分に金属リングを配役１−１前記金
属部材およびセラミックス部材と金属リングとを相対的
に回転させ且つ前記金属リングをその径方向に加圧し、
前記全桟部材およびセラミックス部材と前記金ｆｉ　Ｉ
Ｊングとの間で摩擦熱音生じさせることにより摩擦圧接
し、前記金１ノングを介して前記金属部材とセラミック
ス部材とを接合することを特徴とする金属とセラミック
スの接合方法。
（２）　　セラミックス部材の接合部は、その暗合面に
周方向の＃＃ヲ有するものである特許請求の範囲第（１
）項記載の金属とセラミックスの妾合方法。
（３）金属リングは、当該金媚リングを周方向で不連続
にする切欠きを有するものである特許請求の範囲第（１
）項または第（２）項記載の金属とセラミックスの接合
方法。
（４）金属部材とセラミックス部材は、当該接合部の対
向部分で相互に嵌合する嵌合部を有するものである特許
請求の範囲第（１）項、第（２）頃または第（３）項記
載の金属とセラミックスの接合方法。