JPS60204901A - 金属・セラミツクス結合体およびその製造法 - 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】 本発明は金属・セラミックス結合体およびその製造法に
関するものである。さらに詳しくは、金属とセラミック
スを嵌合により結合した金属・セラミックス結合体とそ
の製造法に関するものである〇 セラミックスは硬くて耐摩耗性にすぐれているうえ、高
湿での機械的性質や耐食性にすぐれているため、局温で
の機械的強度や耐摩耗性が必要とされるガスタービンや
ターボチャージャーのローターの構造材料として適して
いる０このため、ガスタービンローターやターボチャー
ジャーローターのセラミックス化が検討されている０例
えば、米国特許第４’１９６４４５号明細書には、翼部
と細部がセラミックスからなる構造のタービンローター
が開示されている０この構造のタービンローターではセ
ラミックス製軸部の一端にねじ部を設けて、金属製圧縮
機インペラを固定している。しカシ、この構造のタービ
ンローターは圧縮機インペラを構成する金属材料と、軸
部を構成するセラミックス材料との熱膨張差のため、タ
ービンローターの使用中に七う之ツクス軸のねじ部が破
損する欠点がある０また、セラミックスに対するねじ加
工は高度の技術を必要とし、時間と費用のかかる欠点が
ある。この対策として、実開昭５’７−９２０９７号公
報にはタービンローターのセラミックス軸に、金属軸の
端部に設けた筒状部を嵌合する構造が提示されているｏ
しかし、この構造では、金属軸部表面のベアリング当接
部の耐摩耗性向上のため、金属製軸筒状部外表面に表面
硬化処理をしてからセラミックス軸を嵌合すると、該表
面硬化部にクランクが発生する欠点がある０まな、金属
製軸とセラミックス軸とを嵌合後、金属製軸表面に窒化
処理等の表面硬化処理を施すと、嵌合部の締付力が低下
したり、嵌合部が抜けたりする欠点がある。さらにまた
、金属製軸とセラミックス軸を嵌合後、焼入れ処理を行
うと、焼入れによる金属軸の相変頭のため、嵌合部が抜
ける欠点がある。このため、上記構造では金属軸部表面
のベアリング当接部の耐摩耗性が不足し実用にならない
欠点があった。

本発明の目的は結合力が大きく、シかも金属部分の所定
位置の耐摩耗性が大きい、金属・セラミックス結合体と
その製造法を提供することである。

本発明は表面に硬化帯と非硬化帯を有する金属部材に設
けた凹部にセラミックス部材に設けた凸部が嵌合により
結合されるとともに、嵌合による金ｋＡ部材の変形域が
非硬化帯内に存在する、金属・セラミックス結合体であ
り、また表面の一部を硬化処理した金属部材に設けられ
ている四部にセラミックス部材に設けた凸部を嵌合して
金属・セラミックス結合体とする方法にして、嵌合によ
る金属部材の変形域が非硬化帯内にあるように嵌合する
金属・セラミックス結合体の製造法である０本発明では
金属部材とセラミックス部材を、表面の一部に表面硬化
処理を行った金属部材に設けて結合する。この表面硬化
処理は、少なくとも本発明の金属・セラミックス結合体
の使用時に、該結合体を構成する金属部分が、他の機械
部品の摩擦あるいは摺動により摩耗する部分について行
う。

この表面硬化処理により、金１１１ｓ材表面には硬化層
が形成され、本発明の金礪・セラミックス結合体の金属
部分の特定個所の耐摩耗性が向上する。

上記表面硬化処理方法としては、浸炭、窒化、表面焼入
れ、放電硬化、メンキなどの方法が利用できる。これら
表面硬化処理方法のうち、浸炭、窒化、表面焼入れが厚
い表面硬化層が得られるので好ましい。また、各種窒化
方法のうち、イオン窒化法が表面硬化部の面積や硬化深
さのｍ整が容易なのでとくに好ましい〇 一方、セラミックス部材上の凸部と金属部打手の四部の
嵌合による結合では、嵌合により該凹部には締代の大き
さに比例した変形が生ずるｏしかし、前記表面硬化層は
脆くて、塑性変形ができｆ（いので、この表面硬化部を
嵌合により塑性変形さ・ため、本発明の金属・セラミッ
クス結合体では、かかる金属部材の変形が金属部材の非
硬化帯で生ずるようにする。この場合に、上記変形部と
表面硬化帯の間には所定距離以上の間隔を設ける。この
間隔の大きさは嵌合により金属部材の変形が生じた場合
に、その変形の影響により金属部材の表面硬化部にクラ
ンク等の欠陥が生じない大きさ以上であればよいが、こ
の間隔はセラミックス部材と金属部材の加工精度、両部
材の嵌合方法、金属部材の変形量、両部材の形状と寸法
に応じて決定する。

例えば、セラミックス部材に設けた直径７．Ｑｌｌｍｌ
の凸部を、直径９．Ｌ＋ｇｍの金属部材に設けた内径６
．８關の四部に嵌合する場合に、金属部材の変形部と表
面硬化帯の間に設ける間隔は１關以上が好ましく４２１
１以上がとくに好ましい。この間隔が２１１以上あれば
両部材嵌合部の加工精度や表面硬化帯の位置ぎめ精度を
とくに高精度とする必要がないので、とくに好ましいも
のである。しかし、この間隔が１ｎ以下では、両部材嵌
合部の加工精度や表面硬化帯の位置ぎめ精度をとくに高
精度とする必要あるので好ましくない。なお、上記間隔
の上限は、金属部材表面上で耐摩耗性を必要とする部分
の位置と嵌合による変形部との位置を考慮して適宜決定
すればよいが、表面硬化部分の位置と面積が、金属部材
表面上で耐摩耗性を必要とする部分の位置および面積と
同等以上になるように決定する。これにより、金属部分
の所定個１９ｒの表面硬度が大きく、結合部に欠陥のな
い本発明の金属・セラミックス結合体が得られる。

本発明の金属・セラミックス結合体を構成する金属材料
とセラミックス材料の嵌合は焼ばめ、冷しばめ、圧入の
いずれかの方法で行うことができる。焼ばめ、冷しはめ
はセラミックス部材上の凸部直径を金属部材上の凹部内
径より大きく加工し、被嵌合部材の一方を加熱ないしは
冷却して、両部材間にはめ込み可能な寸法差を生ぜしめ
、その寸法差を利用して両部材を嵌合するものであるか
ら、嵌合部の寸法が大きい金属・セラミックス結合体の
嵌合方法として好ましいものである０また、一般に余端
材料の方がセラミックス部材より熱膨張係数が大きいの
で、金属部材を加熱する焼ばめの方が少ない温度差で大
きい寸法差が得られ、安定した焼はめ操作ができる°の
でより好ましいものである。この場合の焼ばめ、冷しば
めの締代は、嵌合後に金属部材の凹部やセラミックス部
材の凸部が破損せず、しかも本発明の金属・セラミック
ス結合体の使用条件で嵌合部に必要とされる締付力が得
られる大きさとする。

一方、圧入はセラミックス部材上の凸部を、金属製部材
上に設けた該凸部直径より小径の凹部に荷重をかけて、
強制的に押し込んで嵌合する方法である。上記凸部直径
と凹部内径の寸法差は金属部材の弾性変形および塑性変
形により吸収されるので、圧入前の凸部と四部の仕上げ
寸法公差は焼はめ、冷しばめの場合より緩やかでよい。

このため、圧入は嵌合部の寸法が小さい金属・セラミッ
クス結合体の嵌合方法として、より好ましいものである
。金属部材上の凹部およびセラミックス部材上の凸部の
形状と寸法は、圧入時に作用する荷重によって破壊しな
い形状および寸法とする。また、該凸部直径と該凹部内
径の寸法差は、嵌合部が本発明の金属〜セラミックス結
合体の使用条件に応じた締付力を有するとともに、圧入
時に凸部と凹部のいずれもが破壊しない大きさとする。

このためには、セラミックス部材上の凸部と金属部材上
の四部の寸法差は該凸部直径を該凹部内径より１チない
し１０チ大きくするのが好ましく、エチないし５チ大き
くするのがより好ましい。この寸法差が１−以下では、
圧入部の締付力が不足し、使用中に圧入による嵌合部が
抜けることがあるので好ましくない。寸法差が１０チ以
上になると、圧入に必要な荷重が大きくなりすぎて、圧
入時にセラミックス部材上の凸部が破壊するので好まし
くない。この圧入は室温で行ってもよいし、金属部材の
みを加熱するかあるいは金属部材とセラミックス部材の
両方を加熱して圧入してもよい。しかし、両部材を加熱
して圧入する方法がもつとも好ましい。何となれば、両
部材を加熱すると、金属部材の変形抵抗が減少し、圧入
に要する荷重が低下するので、圧入時の両部材の破損が
起らなくなるうえ、圧入温度からの冷却に際し、両部材
の熱膨張差にもとづく、締付力の増加が生ずるからであ
る。両部材を加熱して圧入する場合の圧入温度は、金属
部材の焼なまし温度あるいは表面硬化層の軟化温度のう
ちの低い方の温度以下で、しかも圧入部の使用温度以上
の温度が好ましい。圧入温度が金属部材の焼なまし温度
より高い場合には、金属部材内に発生した内部応力が緩
和され、圧入部の締付力が低下するので好ましくない。

また、圧入温度が表面硬化層の軟化温度より高い場合に
は、表面硬化処理の効果が減少するので好ましくない。

さらにまた、圧入温度が圧入部の使用温度より低い場合
には、圧入部の温度が使用湿度まで上昇すると、一般に
は金属部材の熱膨張がセラミックス部材の熱膨張より大
きいので、圧入部が緩み締付力が低下するので好ましく
ない。

本発明の金属　セラミックス結合体は、通常は金属部材
とセラミックス部材を嵌合したのち、仕上げ加工を行っ
て使用に供する。したがって、使用時に耐摩耗性を必要
とする金属部分は、仕上げ加工で表面を研削しても、所
定の表面硬さを示すことが必要である。しかし、表面硬
化処理による金属部材表面の硬さおよび金属部材表面か
ら内部にかけての硬さの変化は、金属部材を構成する金
属材料の種類、表面硬化の寸法と条件により種々変化す
る。このため、使用時に耐摩耗性を必要とする金属部分
の仕上げ加工での表面研削量は、所定表面硬さ、金属部
材を構成する金属材料の種類および表面硬化の方法と条
件に応じて決定する。

あるいは、上記金属部分の仕上げ研削量と表面硬さに応
じて、該金属部材を構成する金属材料の種類および表面
硬化の方法と条件を決定する。

本発明の金属・セラミックス結合体を□構ｔｌ、する金
属材料は浸炭、窒化、表面焼入れ、放電硬化、メッキ等
の方法で表面硬化が可能な市販の金属材料を使用する。

たとえば、表面硬化を窒化で行う場合には、ステンレス
鋼、合金工具鋼、クロムモリブデン鋼、アルミニウムク
ロムモリブデン鋼等クロムを含有する鉄合金およびチタ
ン、シルコウムとこれら元素を含む合金が好ましい。表
面硬化がイオン窒化で行わわる場合には、アルミニウム
クロムモリブデン鋼とステンレス鋼が、表面硬度が高く
しかも表面から深い位置まで硬化されるのでより好まし
く、アルミニウムクロムモリブデン鋼が安価なのでもつ
とも好ましいものである０本発明の金属・セラミックス
結合体を構成するセラミックス材料は窒化硅素、炭化硅
素、ジルコニア、アルミナ、ベリリア、サイアロン等か
ら、本発明の金属・セラミックス結合体の使用目的に応
じて選択する。たとえば、本発明の金属・セラミックス
結合体でターボチャージャーローターやガスタービンロ
ーターを作る場合には、排気ガスの高温にさらされ、か
つ高速回転するタービンホイールとそれに続く回転軸は
高温強度が大きく、比重が小さい窒化硅素が好ましい０ 第１図は本発明の実施例１〜８を説明するための金属・
セラミックス結合体の部分断面図である０以下第１図に
もとづいて実施例を説明する０実施例１） 常圧焼結法で作製した窒化硅素（以下窒化硅素という）
丸棒から、直径７．Ｑｊｌｇ、長さ２５１ｇの凸部１１
を有する、第１図に示す形状のセラミックス部材１０を
作製した。また、焼なました直径９．８錦のアルミニウ
ムクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ−８ＡＯＭ６４５、以下
窒化鋼という）丸棒から、一端に内径６．８１１１１１
深さ１５顛の凹部２１を有する、第１図に示す形状の金
属部材２ｏを作製した０つぎに、金属部材の四部入口側
端面から１７間離れた位置までの区間を軟鋼製カバーで
覆い、残りの部分の外表面（第１図のＡ区間）を、圧力
ニ　４　ＴＯｒｒの等量の窒素と水素からなる混合雰囲
気中で、５６０℃に加熱し、２から２０時間イオン窒化
処理を行なった金属部材（金属部材Ａと称す）と、金属
部材の外表面全域（第１図Ｂ区間）を金属部材Ａと同−
条件で・ｒオン窒化処理した金属部材（金属部材Ｂと称
す）を作製した〇上記条件でのイオン窒化処理により、
窒化鋼の窒化部表面のビッカース硬さは窒化処理前のＨ
ｖ−（０，１）２００からＨＶ（０，１）１１００まで
増加した。また、表面から０．２朋の深さの位置でのビ
ッカース硬さはＨＶ（０，１）Ｗｏｏを示した。

上記２種類の金属部材２０の四部２１にセラミックス部
材の凸部１１を、８５０℃で圧入し第１図に示す形状の
金属・セラミックス結合体を作製した。この圧入により
、金属部材凹部入口から深さ１８１１１までの区間（第
１図Ｏ区間）が変形し、金属部分の直径が約０．２１１
１増加した。この圧入による金属部材の変形部分の外表
面を検査したところ、金属部材Ａを用いた金属・セラミ
ックス結合体については何ら異常が認められなかった。

金属部材Ｂを使用した金属・セラミックス結合体には、
金属部材の軸方向に沿って長さ約１０ｆｌ、深さ約Ｑ、
５ｍ１１のクラックが多数検出された。

このように、金属部材の表面硬化部を圧入により変形さ
せると、金属部材表面にクランクが発生し、健全な金属
・セラミックス結合体が得られない。これに対し、圧入
による変形部を表面硬化させていない金属部材Ａを使用
した本発明の金属・セラミックス結合体では、圧入によ
り金属部材の変形が生じても、金属部材表面にクラック
が発生しない。

実施例２） 実施例１と同一材料、同一形状のセラミックス部材と金
属部材を作製した。この金属部材について、四部側端面
からそれぞれ１８．５ＪＩＩ（金属部材０とする）、１
４．５ｍｍ（金属部材りとする）、１５．５關（金属部
材Ｅとする）離れた位置までの区間の外表面を軟鋼製カ
バーで覆い、残りの区間の外表面に実施例１と同一条件
でイオン窒化処理を行った８種類の金属部材を作製した
。これら８種の金属部材の凹部にセラミックス部材の凸
部を８５０℃で圧入し、第１図に示す形状の金属・セラ
ミックス結合体を作製した０この圧入により、各金属部
材は凹部側端面から１８關離れた位置までの区間が変形
し外径が増加した。上記各金属・セラミックス結合体の
金属部分の圧入による変形部とその周辺部の外表面を検
査したところ、金属部材り、Ｅの外表面にはクラックが
存在しなかつ・た。しかし、金属部材０のイオン窒化部
と非窒化部の境界付近に、金属部材の軸方向に沿って長
さ約ｇ　ｘｉ　、深さ約０．２鶴のクラックが検出され
た。

このように、圧入による金属部材の変形域と金属部材の
表面硬化域とが所定の距離以上層れている本発明の金属
・セラミックス結合体では、圧入により金属部材の変形
が生じても金属部材表面にクラックが発生しない〇 実施例８） 窒化硅素丸棒から、第１表に示す直径で、長さが２５１
１の凸部を有する、第１図に示す形状のセラミックス部
材を作製した。また、焼なました窒化鋼丸棒から、直径
９．８鰭、長さ８０ｔｌの試験片を作り、該試験片の一
端から１５關離れた位置までの区間を軟鋼製カバーで覆
い、残りの部分の表面を実施例１と同一条件でイメン窒
化により硬化させた。しかるのち、該試験片の非硬化■
１側の端部に第１表に示す直径で深さ１５朋の四部を有
する第１図に示す形状の金属部材を作製した。この金属
部材の凹部にセラミックス部材の凸部を８５０℃で圧入
し、第１図に示す形状の金属・セラミックス結合体を作
製した。つぎに、金属部材の端部に所定寸法のねじ２２
を加工したのち、第２図に示す治具を用い、第２図に図
示の部分を加熱炉に入れて８５０℃に保持しながら、セ
ラミックス部材と金属部材をそれぞれ上下方向に引抜い
て、圧入部の引抜に要する荷重を測定し、得られた結果
を第１表に示した。

第１表に示した結果のうち、／１６１−Ａ６はセラミッ
クス部材上の凸部直径と金属部材上の凹部内径との寸法
差が本発明の大きさである金属・セラミックス結合体で
あり、／％］−Ｏ〜Ａ６】２は該寸法差が本発明外の大
きさである金属・セラミックス結合体である。第１表か
ら明らかなように、上記寸法差が本発明の大きさである
金属・セラミックス結合体は、８６０℃において大きな
引抜荷重を示している。これに対し、該司法差が本発明
の大きさ以下の金属・セラミックス結合体は引抜荷重が
小さい。また、該寸法差が本発明の大きさ以上の金属・
セラミックス結合体は圧入時にセラミツクス部材の凸部
が破損する。

第　１　表 Ｙ：圧入可、Ｎ：圧入不可 実施例４） 直径［１１１ｍのタービンホイール４１と直径９．１１
、絹のタービンシャフト４２を窒化硅素で一体的に成形
した全長６０關のセラミックス部材４０を作製した。こ
のセラミックス部材のタービンシャフト先端に直径６朋
、長さ１ａｊ＋ｉの凸＠４８を加工した０また、全長７
０絽、直径ｇ、１　ｉ＋ｉの窒化鋼丸棒を作り、該丸棒
の一端から１８ＪＩＩ１１すれた位置までの区間を軟鋼
製カバーで賀い、残りの部分の表面を実施例１と同一条
件でイオン窒化処理により硬化させた。つぎに、該丸棒
の非窒化部側の端部に直径５．８關、深さ１２１１１の
四部５２を加工し、金属部材５０を作製した。この四部
５２に」二紀タービンシャフト先端の凸部４８を、嵌合
部の使用温度以上の温度である８５０℃で圧入嵌合して
、セラミックス部材４０と金属部材６０を一体的に結合
したのち、セラミックスタービンシャフト４２とメタル
タービンシャフト５１の直径を９．０鰭、コンプレッサ
ーホイール側回転軸５８を直径５襲に加工し、第８図に
示す形状の、タービンホイールとタービンシャフトの一
部が窒化硅素、残りの部分が窒化鋼からなるターボチャ
ージャーローターを作製した。このターボチャージャー
ローターを高温回転試験装置に組込んで燃焼ガスによ°
すｌ　５００００　ｒｐｍで１時間回転試験を行なった
が、嵌合部およびメタルタービンシャフトのベアリング
当接面５４に何ら異常は認められなかった。

以上述べたことから明らかなように、本発明の金属・セ
ラミックス結合体は所定部位を表面硬化処理した金属部
材に設けた四部に、該凹部内径より１チ〜１０％大きい
直径を有する凸部を嵌合して一体的に結合したものであ
るから、結合強度が大きくしかも金属部分の所定部位の
耐摩耗性がすぐれている。したがって、本発明の金属・
セラミックス結合体でタービンホイールおよびタービン
シャフトの一部が窒化硅素、その他の部分が窒化鋼から
なるターボチャージャーローターを構成すれば、応答性
と耐久性にすぐれた高効率のターボチャージャーとする
ことができる。

このように本発明の金属・セラミックス結合体はセラミ
ックスの耐熱性、耐摩耗性、高強度などの特性を生かし
てターボチャージャーローターやガスタービンローター
などのエンジン部品や高温や繰り返し荷重を受けるｍ遺
体部品として使用することができ、かつこれらを安価か
つ耐久性に優゛れたものとして提供することができる利
点を有する０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための金属パセラミッ
クス結合体の部分断面図、 第２図は金属・セラミックス結合体の引抜試験の方法を
示す説明図、 第８図は本発明の金属・セラミックス結合体の具体的応
用例のターボチャージャーローターの圧１０人嵌合部の
縦断面図を示す説明図である。 １０・・・セラミックス部材 １１・・・セラミックス部材上の凸部 ２０・・・金属部材 ２１・・・金属部材上の凹部 ２２・・ねじ ８０・・・引抜試験用プルロッド ８１・・・引抜試験用ツカミ具 ４０・セラミックス部材 ４１・・・セラミックスタービンホイール・４２・・・
セラミックスタービンシャフト４８・・・セラミックス
タービンシャフト上の凸部５０・・金属部材 ５１・・・メタルタービンシャフト ６２・・・メタルタービンシャフト上の凹部５８・・コ
ンプレッサーホイール側ｔｍ転軸５４・・ベアリング当
接部表面 特許出願人　日本碍子株式会社 第１図 Ｏ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　表面に硬化帯と非硬化帯を有する金属部材に設けた
   四部にセラミックス部材に設けた凸部が嵌合へより結合
   されるとともに、嵌合による金属部材の変形域が非彼化
   帯内にあることを特徴とする金属・セラミックス結合体
   〇λ　上記変形域が硬化帯境界より所定距離以上離れて
   いる特許請求の範囲第１項記載の金属・セラミックス結
   合体。 ＆　＋１ｉｌ記硬化帯がイオン窒化されたものである特
   許請求の範囲第１項ないし第２項のいずれかに記載の金
   属・セラミックス結合体。 表　金民部材が窒化鋼、セラミックス部材が窒化硅素か
   らなる特許請求の範囲第１項ないし第８ｆ口のいずれか
   に記載の金属・セラミックス結合体。 ＆　金網・セラミックス結合体がターボチャージャーロ
   ーターである特許請求の範囲第１項なし１．第４項のい
   ずれかに記載の戸鳴・セラミックス結合体〇 ＆　表面の一部を硬化処理した金属部材に設けられてい
   る凹部にセラミックス部材に６けた凸部を嵌合して金属
   ・セラミックス結合体とする方法にして、嵌合による金
   属部材の変形域が非硬化帯内にあるように嵌合するイ°
   、とを特徴とする金属・セラミックス結合体の勢法０ ？、　上記硬化処理がイオン窒化によるものである特許
   請求の範囲第６項記載の金属・セラミックス結合体の製
   造法。 ＆　前記嵌合が金Ｊ！Ｊ！部材の焼なまし温度１！下６
   よび室温または嵌合部の最高使用温度以上の温度におけ
   る圧入である特許請求の範囲第６項ないし第７項のいず
   れかに記載の金属・セラミックス結合体の製造法。 ９、　セラミックス部材上の凸部直径が金に４部材上の
   凹部内径より１％ｔＩいしｌＯ％大である特許請求の範
   囲第６項ないし第８項のいずれかに記載の金属・セラミ
   ックス結合体の製造法０