JPS59197610A - セラミツクスの結合方法および結合用ピン - Google Patents

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】 〔発明の技術分野〕 本発明はセラミックス部材とセラミックス部材または金
属部材との機械的な結合法に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕セラミックス部
材は耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性等に優れているところ
から種々の分野における利用開発が進められているが、
セラミックスを種種の分野の材料に使用する場合、異種
材料である金属と結合して使用することが多い。その方
がセラミックスを単独で使用するよりも、強度や信頼性
等の面で、はるかに用途が拡大されるからである。そし
て、又、複雑形状をもつセラミックス製品は初めから一
体のものとして成型製作することが困難であることが多
い。このだめに、部分的な製品同士を接着させて、複雑
な形状のセラミックス製品に仕上げる必要があシ、セラ
ミックス同士、あるいはセラミックスと金属と強固に結
合させる方法の開発が望まれている。結合に使用される
無機接着材も複数種類のものが開発されつつあり、日本
国内でも各種のものが製造販売されている。

しかしこれらの無機接着材・の多くは、通常、シリカ、
アルミナ、あるいはジルコニア等を主原料としておシ耐
熱性を有してはいるものの接着面をはかすような力に対
しては弱いという欠点があった。

またこのような無機接着材よりも結合強度の高い結合方
法として、ろう付は等がある。セラミックスをろう付け
する条件としては、ろう材によって被接着物が濡れ、破
結合部材とろう材とが密着して結合することが必要であ
るが、セラミックスは熔融金属に対する親和性（いわゆ
るぬれ性）が悪く、また各種の物質との反応性も低いた
めに必ずしも十分なろう付は強度が得られないものであ
った。

さらに他の問題点としてセラミックスと結合すべき金属
およびろう材との間に熱膨張率に大きな差が存し、結合
後の冷却時期において熱応力のために破壊が生じ易いこ
とが挙げられる。さらにこの熱膨張率の差による問題は
結合時の加熱による場合だけではなく、セラミックスと
金属との結合体を加熱下において使用する場合にも生ず
る。例えばセラミックスをエンジンのシリンダライナ内
面に結合して使用する場合、セラミックスとライナの間
に存在する温度差に基づいた熱膨張の差が問題となる。

セラミックス部材と金属部材とにそれぞれ凸部凹部を設
けて結合を図る機械的結合においては、セラミックス部
材が脆性破壊に弱い部材であるため、機械的結合部分に
発生する局部的な応力集中がおこることにより脆性破壊
が生じ結合がうまくいかなりものであった。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたもので１）、
セラミックス部材と金属部材との間に存する熱膨張率の
差に対しても確実な結合ができる機械的結合方法、しか
も機械的結合部分に応力集中の生じない結合方法を提供
するものである７、および、この結合方法に使用する結
合用ビンに最適の結合用ビンを提供することを目的とす
る。

〔発明の構成および作用〕

本発明の概略は形状記憶合金からなるビンに係合用爪を
設けこれに超塑性金属をコーティングし、この爪を結合
する部材に設けられた凹所内に挿入し加温することによ
シ結合用爪を係合状態に戻して結合するものであシ、こ
れによってろう付けのように高温にして結合する必要が
なくしかも形状記憶合金は超弾性的性質をもつので熱応
力を容易に吸収するため、セラミックス部材と金属部材
との熱膨張率の差が問題とならず、さらにはコーティン
グされた超塑性金属がセラミックスと形状記憶合金の接
触部分を均一に密着することで緩衝材となって機械的結
合部分において応力集中を発生しないようにしたもので
ある。よって本出鵬に係る発明の要旨は形状記憶合金か
ら成る結合用ビンを、この結合用ビンに設けられた結合
爪を係合状態又はそれ以上に変形した状態にして、形状
記憶温度まで加温しその後マルテンサイト相まで冷却し
たのち、外力によシ係合用爪を挿入状態に変形させ、結
合する一方または双方の部材に設けられた係合用凹部に
前記係合用爪部を挿入し、再び形状回復温度である逆変
態温度Ａｆ点以上にまで結合剤ビンを加温することによ
り係合用爪部を係合用凹部に係合させて結合するもので
あり、かつ結合用ビンにはセラミックスとの接触部に形
状回復温度への加温の際に超塑性的挙動を示す超塑性金
属がコーティングされていることを特徴とするものであ
る。

本発明の結合の対象となるセラミックスおよび金属には
種々Ｑものがあυ、一定のものには限定されないが、代
表的なセラミックスおよび金属を以下の表１において掲
げる、なお表１においておのおのの部材の熱膨張率を右
の欄に掲げておく。

この表１に示すように、セラミックスと金属との間には
大きな熱膨張率の差が存在する場合が多い、表　　　　
１ 形状記憶合金には種々の合金があυ、しかもおのおのの
合金においてもその組成の違いにおいて形状記憶温度お
よび形状回復温度が相違する。これらの関係は種々の文
献に明らかにされているが一般的に言えば、形状記憶温
度とは、形状記憶合金がオーステナイト相からマルテン
サイト相に移行するＭＳ点以上の温度をいい、形状回復
温度とは、形状記憶合金がマルテンサイト相からオース
テナイト相に移行する逆変態温度Ａｆ点を言う。

以下に形状記憶合金の代表的な例を表２において示す。

ＭＢ点とＡ４点は、形状記憶合金の組成によっである程
度変化させることが出来る。この調整は、表面にコーテ
ィングする超塑性金属の超塑性状態を示す温度範囲を充
分考慮してなされるととが必要である。

このように調整された形状記憶合金の変形及び回復挙動
について、第１図のフローチャートにて説明する。

先ず、所定の原料を配合した素材を最終的に必要な形状
に塑性加工しておくが、この際塑性変形が困難な場合、
拘束によって変形させておく。（■形状）。これを高温
（ＭｓＸＡｆよりかなり高い温度で材料によって異なる
。）で熱処理を行い、ＭＳ点以下に急冷する（この加熱
冷却過程がいわゆる形状記憶処理である。）。この加工
物を室温で任意（但し、塑性変形量は１０チ以下におさ
えることが望ましい。）形状に塑性加工を行う（■形状
）。

これをＡ１点以上に加熱することでの形状にもどる（こ
の加熱処理が形状回復処理である。）。

以上のような温度操作による形状回復現象と、表面にコ
ーティングされた超塑性金属のいわゆる超塑性流動とに
よって本発明は成立するものである。

係合用凹部は、結合する金属部材またはセラミックス部
材の内部に開けられた奥に向かって広がる穴であっても
良いし、板状の部材に対しては反対側に突き抜けた孔で
あっても良い。またこれら係合用凹部の平面形状は円形
であっても良いし、また矩形であっても構わない。これ
らの形状は後に述べる係合用爪の広がった保合状態に対
応するものでちれば良い。

保合用爪の形状は種々のものが考えられるが、挿入状態
の形状は挿入しやすいものであり係合状態の形状はより
係合に適したものであることが望ましい。例えば係合用
ビンは全体が筒状を有し、端部において軸心を通る軸方
向の切り込みが、放射状に複数条設けられて複数の係合
用爪を形成し、係合時にはこれら複数の爪が外側に広が
ることによって係合し、挿入時には軸心に向かってこれ
らの複数の保合用爪が集められている形状とするととが
できる。これらの放射状に設けられた複数の係合用爪は
通常は３以上のものが適用であると考えられる。

超塑性金属にはＺｎ、　−、Ｊ金属、Ｂｉ　−ｓｎ合金
、Ｃｕ　−Ｐ合金、Ｐｌ）　−ｓｎ合金、ＣｃＪ、　−
Ｄｎ合金、）匂−パノ合金等の合金がある、一般に超塑
性金属は、１μｍ以下の非常に微細で等軸の結晶粒を有
する組成からなり金属の融点絶対温度のおよそ％の温度
以下の所定の温度範囲において小さな外力に対し数百チ
にも達する組成変形を生じるいわゆる超塑性状態を示す
、、よって本発明の結合用ピンに超塑性金属をコーティ
ングすることにより、又加熱温度範囲をコントロールす
ることによって、機械的結合において応力集中を発生す
ることを防止できる。以下衣３において代表的な超塑性
金属とその伸び及び超塑性状態を示す温度範囲を掲げ超
塑性材料をコーティングする方法としては種種のものが
あり、超塑性金属をコーティングする方法としては電気
化学的方法であるメッキによるもの、溶射によるもの、
ブラスト圧着法によるもの等が考えられる。この内溶射
法とは高温炎（例えは、酸素プロパン炎）または電気的
にアークを利用して金属を溶かし、これを圧縮空気で微
粒化し、素材に吹き付け、接着させる方法である。また
、ブラスト圧着法とは素材表面に超塑性材料粉末をブラ
スト加工し、その際の超塑性流動を利用し、本粉末を迅
速に圧着被覆して行なうものである。コーティングする
場所は結合する部材と結合用ビンの接触場所のみに行な
っても良いし、結合用ビンの全体に一体的に行なっても
良い。

本発明の実施例を第２図および第５図において説明する
。本実施例の結合の対象となるセラミックス部材１は炭
化珪素でおり、金属部材２は０．２チ炭素鋼である。さ
らにセラミックス部材１は板状をしている。結合用ビン
３を成す形状記憶付会はＴｉ　−Ｎ１（＝チノール）合
金Ｔｉ　５０　ａｔ％Ｎｉであり結合用ビン３は第４図
に示すように全体が円筒状をなしてお９両端部が結合用
爪４を有している。

すなわち両端部において軸心を通る軸方向の切シ込みが
放射状に複数条設けられて複数の保合用爪４を形成し、
さらに全体を超塑性金属４１（亜鉛合金Ｚｎ　−４９重
量％ＡＩ）がコーティングしている。コーティング方法
はガス溶線式溶射法を採用し必要部分だけ溶射した。保
合用凹部５は板状のセラミックス部材１と金属部材２の
両方に設けられている。これらの保合用凹部５は奥に向
かって広がっている逆円錐台の空間を形成している。

本実施例の結合による結合は以下のようにして行なう。

結合用ビン３を形状記憶合金の形状記憶温度まで加温し
その後放射状に設けられた保合用爪４を第４図（Ｂ）に
示すようにおのおの外側に向かって大きく反らせてカー
ブさせる。この変形を行なった後、形状記憶合金のマル
テンサイト相に移行するまで冷却する。冷却が終った後
第４図（Ａ）に示すように各保合用爪４を軸心に向かっ
て再び閉じた状態に戻す。そして結合用ビン３の上下の
端部を保合用凹部５にそれぞれ挿入する。挿入してセラ
ミックス部材１と金属部材２とを重ねた状態で、結合用
ビン３の温度を形状回復温度であす又超塑性状態となる
、２００℃程度まで加温する。この温度の上昇によυ係
合用爪４は元の形状に回復し外側に開く。これによって
セラミックス部材１と金属部材２は結合される。この時
結合用ビン３にコーティングされた超塑性金属４１の働
きによってセラミックス部材１の係合用凹部５の内部に
おける保合用爪４とセラミックス部材１との間の超塑性
金属が塑性変形することで両者が均一に密着し両者の接
触が緩衝され接触部に応力集中の発生することが防止さ
れる。これにより接触部においてセラミックス部材１が
局部的な集中応力を受けて脆性破壊を起こしたり欠けた
りすることがなくなる。さらに接触面積が大きくなシか
つ密着しているため結合後においてがたつきの発生する
ことも防止される。

以上の実施例においては結合用ビン３の上下端部におい
て保合用爪４が設けられたが、以下に示す第２実施例の
ように結合用ビン３のセラミックス部材側の端部にのみ
保合用爪４を設けることもできる。この場合第３図に示
すように金属部材に対しては、結合用ビン３はねじ部６
によって結合される。この第２実施例において結合用ビ
ン３は雄ねじを形成される必要があるためその材料とな
る形状記憶合金は例えばＣｕ系合金、Ｆｅ系合金等の如
き塑性変形が容易なものが望ましい。さらに前記第１実
施例においては結合用ビン３の保合用爪４が形成される
端部の形状が、中実円柱状を成すものであったが、他の
実施例においては第５図に示すように端部が略円筒状を
なしてお９この略円筒状の端部に対して複数の放射状の
保合用爪４が設けられる構成としても良い。この第５図
に示す結合用ビン３においては保合用爪４を外側に反ら
せ保合状態に変形させることが容易にできるものである
。

以上の実施例によれば、結合時においてなされる加熱は
形状記憶合金の回復温度まで加熱すれば良く、例えばろ
う付等のように高温にまで加熱する必要がない。このた
め熱応力の発生も極めて少なくてすみ加熱のだめの設備
も簡略化することができる。さらに形状記憶合金に可逆
形状記憶合金を採用すれば、形状回復温度までの加熱と
冷却によって、保合用爪４の保合状態および挿入状態を
何度でも繰シ返して現出することができるため保守点検
等においてセラミックス部材１を何度テモ外したりまた
は取り換えたりすることができる。

また保合部分に存在する超塑性金属の働きにより、保合
は柔らかく均一に又確実なものとなりしかもセラミック
ス部材１の脆性破壊等を防止することができる。さらに
形状記憶合金は超弾性的挙動をすることにより熱応力を
吸収するためセラミックス部材と金属部材との熱膨張率
の差に対しても確実な結合をすることができる。

〔発明の効果〕

本発明のセラミックス結合法および結合用ビンによれば
、セラミックス部材の機械的結合において、機械的結合
部分における応力集中を防止するように均一に密着する
ことができセラミックスの脆性破壊を防ぐことができる
と共に、セラミックス部材と金属部材との熱膨張率の差
にもかかわらず、確実な結合を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミックス部材のたわみδの温度による変化
を表わすグラフ、第２図は本発明の第１実施例に係わる
結合部の縦断面図、第２ａ図は第１図のＡ部拡大図、第
３図は本発明の第２実施例に係る結合部の縦断面図、第
４図は第２図において使用される結合用ビンの端部を示
す斜視図、第５図は他の実施例における結合用ビンの端
部を示す斜視図である。 １・・・セラミックス部材、 ２・・・金属部材、　　　　３・・・結合用ビン、４・
・・結合用爪、　　　　５・・・結合用凹部、６・・・
ねじ部。 代理人　　　　鵜　　沼　　辰　　之 （ほか１名） 第１図 第２図 第２０図　　　　　第３図 第４図 第１頁の続き

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＜１）　　セラミックス部材とセラミックス部材または
   全桟部材との結合において、形状記憶合金から成る結合
   用ぎンを、この結合用ビンに設けられた係合爪を保合状
   態にして、形状記憶温度まで加熱しその後マルテンサイ
   ト相に力るまで冷却した後、外力により保合用爪を挿入
   状態に変形させ、結合する一方または双方の部材に設け
   られた保合用凹部に前記係合用爪部を挿入し、再び形状
   回復温度である逆変態温度以上にまで結合用ピンを加熱
   することにより係合用爪部を係合用凹部に係合させて結
   合するものであり、かつ結合用−ンにはセラミックスと
   の接触部に形状回復温度近傍で超塑性状態を示す超塑性
   金属がコーティングされていることを％徴とするセラミ
   ックスの結合方法。 （２）　　特許請求の範囲第１項において、保合用凹部
   が部材内部に設けられた穴であるセラミックスの結合方
   法。 （３）　　セラミックス部材とセラミックス部材または
   金属部材との結合において、形状記憶合金から成る結合
   用ピンを、この結合用ピンに設けられた結合爪部を保合
   状態にして、形状記憶温度まで加熱しその後マルテンサ
   イト相にまで冷却した後、外力により保合用爪を挿入状
   態に変形させ、結合する一方または双方の部材に設けら
   れた保合用凹部に前記保合用爪部を挿入し、再び形状回
   復温度まで結合用ピンを加熱することによ勺係合用爪部
   を係合用凹部に係合させて結合させる方法において使用
   する結合用ビンであって、全体が円筒状を有し、端部に
   おいて軸心を通る軸方向の切シ込みが、放射状に複数条
   設けられて複数の保合用爪を形成し、超塑性金属が全体
   的にコーティングされていることを特徴とする結合用ビ
   ン。 （４）特許請求の範囲第３項において、形状記憶合金が
   可逆形状記憶合金であるセラミックスの結合方法。