JPS5842149B2 - セラミツク部材と金属部材との間の結合体 - Google Patents

セラミツク部材と金属部材との間の結合体

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JPS5842149B2
JPS5842149B2 JP54153731A JP15373179A JPS5842149B2 JP S5842149 B2 JPS5842149 B2 JP S5842149B2 JP 54153731 A JP54153731 A JP 54153731A JP 15373179 A JP15373179 A JP 15373179A JP S5842149 B2 JPS5842149 B2 JP S5842149B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は セラミック及び金属部材に熱的、機械的、又
は窯業的方法によって取付けられていて、特に高温、腐
食性該体及び機械的重荷重の発生する処に使用される、
異なる熱的及び弾性的特性を有するセラミック部材と金
属部材との間の結合体に関する。
セラミック部材を使用する場合金属との結合の必要なこ
とが多い。
この結合はろう接、溶接等のような金属的接合によるか
又は機械的に例えばくさび及びばねによる締付けのよう
な可能なすべての締付法により施行されうる。
実地の立場からこれらの結合方法に対して出される要求
は高い動作安全性であるが、特に高温の場合にはこの問
題が生ずる。
従来は、一方では適当な金属化方法及びろう接方法の適
用によって、他方では材料に適った構造によって前記条
件を満足させることθＳ試みられた。
しかしこのようにして得られた金属−セラミック結合は
もはや、特に、部材のより高い動作温度、より小さい摩
耗及び延長された寿命に向けられた要求の増大に十分で
はない。
従って最近では、全く新しい方法を提案することが試み
られた。
すなわち米国特許第３１４８９８１号から、種々の組成
の層から構成されていて、結合すべき金属部材の方向に
向って金属含有量の増加している成形体を使用すること
が知られている。
しかしこのような結合材料の場合には、常に、一方の基
材から他方の基材への急激な移行の際の材料の特定の性
質の不適合性の問題が生ずる。
これは特に、金属及びセラミックの熱膨張挙動が極めて
異なっている場合に該当する。
従来記載された解決法、例えば金属化又は所謂サーメッ
ト（セラミック地を有する金属材料又はその逆）の使用
は、特定の適用の場合には十分ではない、それというの
も金属とセラミックとの間の比較的薄い結合帯□は、両
部材間の膨張差ｆ）５大きい場合には熱伝達に対する阻
止効果も惹起さないし、緩衝性も有しない。
この際また、隣接部材の間の熱及び弾性膨張の差も、動
作状態に応じて弛み作用又は過大ひずみを惹起こす。
従って本発明の目的は、異種部材の間の熱伝達を減少さ
せかつ機械的応力を吸収するために緩衝性を右する結合
体を見出すことにある。
従って本発明の課題は、熱的及び機械的に誘発される結
合すべき部材間の膨張差が補償されかつ動作状態におけ
る接触応力が制限されるように、特に高温負荷される部
材のための簡単な結合体ならびに結合方法を見出すこと
である。
前記課題は、セラミック部材と金属部材との間の結合体
の場合には、該結合体がセラミック部材と金属部材との
間の温度差１００〜１５００℃に応じて０．０２〜０．
２５Ｗ／ＣｒｒＬＫの熱伝導率及び５０００〜１５００
０ＯＮ／ｍ１Ｍの弾性率を有しかつ如何なる動作状態で
も両部材間の弾性結合も保持する塑性変形のないスリー
ブ又はブツシュの形のセラミック断熱−弾性体であるこ
とによって解決される。
更に本発明思想の他の構成は、断熱−弾性体の表面が平
滑であるか、粗面化されているか、形削られているか又
はスリット付きである点にある。
また本発明の本質は、前記種類の結合体の場合、加工材
料として有利にはチタン酸アルミニウム、キン青石又は
窒化ケイ素が使用される点にある。
本発明の他の特徴及び適用方法は実施例ならびに以下の
記載から明らかになる。
第１ａ〜１０図からリング状のスリーブ４又はブツシュ
５としての断熱−弾性体の実施形が明らかになる。
断熱−弾性体１の有利な加工材料はチタン酸アルミニウ
ム、キン青石及び窒化ケイ素であって、その特性は表１
から判る。
掲載した断熱−弾性体の材料の性質のうちから、特に０
．２〜０．２５Ｗ／ｃｒＩｌ／にの熱伝導率及び５００
０〜１５０００ ＯＮ／ｍｔ？ｔの弾性率が結合の作用
能力にとって重要である。
また塑性変形性も存在してはならない。
また熱膨張係数も、特に異なる温度の際の差異が極端な
場合には役割を演じる。
しかしセラミック断熱−弾性体の重要な特徴は、その弾
性ならびに他の部材２，３に対する断熱であると見られ
る。
弾性を更に高めるには、有利な実施形では第１ｄ図及び
１０図から判るように断熱−弾性体１にスリット７が設
けられている。
また個々の部材の間の結合力が、第１ｂ図及び１０図か
ら明らかなように断熱−弾性体の表面を粗面化するか又
は形削るにとによって更に適合されうる。
部材上の固定座の他の手段は、円筒状結合９の代りに円
錐状結合８が創作される点にある。
これらの手段を用いると応力の少ない、従って動作安全
の金属・セラミック間結合が達成される。
本発明による断熱−弾性体１が重要であるような具体的
例は内燃機関で使用する場合に得られるが、ここでは将
来、より高い効率を獲得し、エネルギーを節約しかつ環
境負荷を低減するために、金属合金に代ってセラミック
を使用することが問題になる。
第２図の排気タービン過給機１０の場合にはセラミック
ロータ１２と金属軸１３との間にセラミック断熱−弾性
体１が組込まれている。
ここには大きい遠心力と膨張差θＳ生じ、これによって
容易に弛み又はアンバランスな移動θＳ起こりうる。
ロータ１２のセラミック材料としては例えば反応の制限
された窒化ケイ素ならびに浸透又は焼結された炭化ケイ
素を使用することができる。
軸１３に関しては特にクロム−ニッケル鋼が適する。
加工材料の特性データも表１に総括しである。この使用
例の場合例えばロータ１２に関しては８００〜１１００
℃の温度が発生し、軸の軸受部分では温度は約１５０℃
である。
更に実験では、鋼軸１３と例えば反応の制限された窒化
ケイ素より成るセラミック１２との間の焼ばめ結合は４
０．０℃から室温に冷却する際に危険になることりＳ判
明した。
チタン酸アルミニウムより成る平均あら深さ約１μｍを
有する平滑な断熱−弾性体１を使用する場合には、著し
く良好なｓｏｏ’ｃ＠越える使用範囲が得られる。
また、一様に加熱されている結合を８００℃から一１６
０℃に冷却する場合にはセラミックー金属結合の破壊も
弛みも生じなかった。
同様に金属軸１３の温度も使用温度８００℃の場合にセ
ラミック断熱−弾性体１によって約１００℃下げること
ができた。
同時に一様に加熱されている結合の弛み温度は約４００
°Ｃ高められた。
従って断熱−弾性体１を使用すると、セラミック部材２
と金属部材３との間の結合の難点が解決されるばかりで
なく、軸受もあまり加熱されないので、冷却管１１も縮
少されうる。
またこの結合法は純粋な金属的変法と比べて他の利点も
有する。
すなわち遠心力応力は６０φ減少され、同様に慣性モー
メントも、セラミックが金属よりも特に軽いので減少さ
れる。
更により大きい強度及び１５００℃までの温度における
耐酸化性ならびに耐食性も得られ、また高価な金属合金
も有利なコストのセラミックによって代替されうる。
これは、例えばフライホイール又は他の有孔及び無孔ロ
ータ、送風機羽根が回転軸と結合されなければならない
場合の他の多数の適用例からの一例にすぎない。
内燃機関の他の適用例は第３〜５図より明らかになる。
将来、内燃機関の発達により例えば予燃焼室、うづ室、
ピストン凹所形成部材もしくはピストンクラウン１４に
おいて次第に多くセラミックが使用されるであろう。
しかしこの場合にも問題は、セラミックと金属部材との
間の信頼できる結合にある。
この際製造技術的には鋳造法θＳ提供される、それとい
うのもこの方法はセラミック部材を圧縮応力下におくか
らである。
またこの方法は付加的コストを生ぜしめない。
この際一方ではセラミック部材２はアルミニウム又はね
ずみ鋳鉄中での流込み工程の際の温度衝撃応力に耐えね
ばならず、他方ではいかなる動作状態でも結合部に弛み
又は過大ひずみが発生してはならない。
チタン酸アルミニウムは鋳造セラミックとしては優れて
いることが実証されたカ、シかしこのものは浸食、腐食
及びガス圧による交互作用のすべての場合には抵抗しな
い。
このために反応の制限された加熱圧縮窒化ケイ素及び炭
化ケイ素がより好適である。
これらは戊程より小さい耐熱衝撃性、より小さい弾性的
緩衝性及びより高い伝導性を有するが、しかし燃焼室の
部分的断熱によって静かな運転、常温始動状態、出力、
燃料消費量、廃気ガスの質及び冷却効率に関する利点が
得られる。
このような適用範囲においても本発明による断熱−弾性
体１を使用することによってセラミック２と金属部材３
との間の信頼できる結合及び必要な断熱が創作される。
個別的には第３図でジーゼルエンジンのセラミックピス
トン凹所形成部材１４を示す。
実際のピストン凹所形成部材１４は窒化ケイ素又は炭化
ケイ素より成る。
断熱−弾性体１はピストン凹所形成部材１４及びピスト
ン１５に対して閉鎖形を有する。
断熱−弾性体１の肉厚は２〜５間である。
更に断熱−弾性体は取付けのためのスリット７を有し、
鋳造のためにセラミック接着剤を介してピストン凹所形
成部材に結合される。
次にピストン凹所形成部材／断熱−弾性体鋳造でピスト
ン１５中に固定されて弾性結合体を生ずる。
同様に第４図から明らかなようにオツトー・エンジンの
場合のセラミックピストンクラウン１４とシリンダヘッ
ド１５との間にも断熱−弾性体１が使用されうる。
しかも断熱−弾性体１は中空断面形２０を有し、それに
よって郭性的緩衝性が更に高められる。
第５図に図示したように、断熱−弾性体１はセラミック
弁案内の場合にも使用することができる。
この場合には弁軸１７が、断熱−弾性体１を介してシリ
ンダヘッド１５に結合されたセラミック案内スリーブ１
６内で移動する。
この場合にはセラミックの機械的摩耗性が問題である。
このために高い熱伝導率及び耐熱衝撃性のためにも特に
浸透炭化ケイ素が適当である。
この適用例の場合断熱−弾性体１は主として動作温度に
おける弛みに対する弾性的緩衝機能を中実ける。
他の適用例は第６図から明らかになる。
例えばスターリングエンジンの性能を高めるに、セラミ
ック熱交換器を使用するのが有効である。
問題は、金属シリンダヘッド１５とセラミック熱交換管
１８との間に空密の弾性コネクタ１９を得る点にある。
内部圧が高いために、セラミック管としては炭化ケイ素
、特に浸透Ｓｉｃが該当する。
しかし１２００℃でのセラミックと金属との間の密着ろ
う接は過度に高い収縮応力のためにセラミック管１８の
破壊をもたらす。
この難点は、ろう接位置の範囲が軸方向に限定されて、
断熱−弾性体１を介する弾性結合が施行されることによ
って解決される。
該セラミック断熱−弾性体の重要な技術的及び経済的利
点は、機能の改善、迅速で省コストな取付けならびに機
械部材の安全で強固な結合にあると見られる。
また接続部材の簡素な構造ならびに異種材料より戊る機
械要素の間の異なる機械的及び熱的膨張の補償も与えら
れている。
また軸の弾性的ささえも高温で可能である。
更に弾性的緩衝によって結合すべき部材に対する大きな
許容限度が得られる。
断熱−弾性体を介する材料の結合によって初めて、断熱
及び温度、腐食、浸食、酸化及び腐食性媒体に対する耐
久性に関するセラミックの利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１ａ〜１ｅ図は異なる実施形におけるセラミック／金
属部材及び結合体の間の結合位置の断面図、第２図は排
気タービン過給機の場合の実施形の横断面図、第３図は
ジーゼルエンジンの場合の断熱−弾性体を有するセラミ
ックピストン凹所形成部材及びシリンダヘッドの断面図
、第４図はオツトーエンジンの場合のセラミックピスト
ンクラウンとシリンダヘッドとの間の断熱−弾性体の断
面図、第５図はセテミツク弁案内の断面図、第６図はス
ターリングエンジンの場合の熱交換管と金属コネクタと
の間の断熱−弾性体の横断面図である。 １・・・・・・断熱−弾性体、２・・・・・・セラミッ
ク部材、３・・・・・・金属部材、４・・・・・・スリ
ーブ、５・・・・・・ブツシュ、６・・・・・・環状弾
性体の異形、７・・・・・・環状弾性体のスリット、１
４・・・・・・ピストン凹所形成部材又はピストンクラ
ウン、１５・・・・・・金属シリンダヘッド、１８・・
・・・・セラミック熱交換管、１９・・・・・・空密弾
性コネクタ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 熱的、機械的又は窯業的方法によってセラミック及
    び金属部材上に取付けられていて、特に高温作用に対し
    て適している、異なる熱的及び弾性的特性を有するセラ
    ミック部材と金属部材との間の結合体において、該結合
    体が、セラミック部材２と金属部材３との間の温度差１
    ００〜１５０００Ｃに応じて０．０２〜０．２５ Ｗ／
    （Ｚ７７１にの熱伝導率及び５０００〜１５０００ＯＮ
    ／ｍ７Ｍの弾性率を有しかつ如何なる動作状態でも両部
    材間の弾性結合も保持する塑性変形のないスリーブ４又
    はブツシュ５の形のセラミック断熱−弾性体であること
    を特徴とするセラミック部材と金属部材との間の結合体
    。 ２ 断熱−弾性体１が平滑な表面を有する特許請求の範
    囲第１項記載の結合体。 ３ 断熱−弾性体１が粗面化表面を有する特許請求の範
    囲第１項記載の結合体。 ４ 断熱−弾性体１が形削り表面６を有する特許請求の
    範囲第１項記載の結合体。 ５ 断熱−弾性体１がスリット７を有する特許請求の範
    囲第１項記載の結合体。 ６ 断熱−弾性体がチタン酸アルミニウムより戊る特許
    請求の範囲第１項記載の結合体。 ７ 断熱−弾性体が窒化ケイ素より成る特許請求の範囲
    第１項記載の結合体。 ８ 断熱−弾性体がキン青石より成る特許請求の範囲第
    １項記載の結合体。 ９ ガスタービンの場合断熱−弾性体１が回転金属部材
    ３とセラミック部材２との間に存在する特許請求の範囲
    第１〜４項のいずれかに記載の結合体。 １０ ピストンエンジンの場合断熱−弾性体１がセラ
    ミックピストン凹所形成部材又はピストンクラウン１４
    と金属シリンダヘッド１５との間に存在する特許請求の
    範囲第１〜５項のいずれかに記載の結合体。 １１ 断熱−弾性体１がセラミック熱交換管１８と金
    属シリンダヘッド１５との間に存在する特許請求の範囲
    第１〜５項のいずれかに記載の結合体。
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