JPS60246275A - セラミツク部材と金属部材との接合方法 - 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】 〔本発明の技術分野〕 本発明は、セラミック部材と金属部材との接合方法に関
する。％に、本発８Ａは、ターボチャージャー、ガスタ
ービン、掘削ドリル等に用いられるセラミック製回転体
と金属製シャフトとの接合に好適なセラミック部材と金
属部材との接合方法に関する。

〔背景技術〕

ターボチャージャー、ガスタービン、掘削ドリル等に用
いられる回転体は高温、高速回転（ターボチャージャ、
ガスタービン等）、摩耗負荷回転（ドリル等）といった
過酷な使用条件にさらされるために、従来は主にＮｉ　
基耐熱合金（ターボチャージャ、ガスタービン等）や、
工具鋼（ドリル等）などが使用されてきた。しかし、最
近になって窒化珪素（８１３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｔＣ
）等の高強度のファインセラミックが開発され軽量化、
耐熱性向上、耐摩耗性向上等による高性能化、寿命の延
長を狙って回転体に使用する動きが活発になってきた。

一方、このセラミック回転体に接続されるシャフトは回
転時に繰り返しの曲げ応力が働く為に脆性材料であるセ
ラミックは使用できず、炭素鋼等の金属材料が使用され
るが、その結果、セラミック製の回転体と金属製のシャ
フトを強固に接合する必要が生じてきた。しかし、従来
から電気部品等に用いられてきたセラミックと金属の接
合法である高融点金稿法（セラミック表面なＭｏ、Ｍｎ
のように融点の高い金属の粉末でメタライズして銀ろう
付する方法）や酸化物ろう付性（ｐｂｏ−１３１０２−
８２０，系の低融点ろうで接合する方法）、接着剤、焼
きげめ等の手法は、使用条件が過酷な為採用できす、さ
らに高強度高信頼を南する接合方法を開発することが重
要となって来た。

そこで、本発明者等は、セラミックと金属との接合方法
に関し、特にセラミックの割れを防止して強固に接合す
る手段として、インサート材を用いる方法を、すでに提
案している。

すなわち、インサート材として、Ｎ１　と金属酸化物、
窒化物又は炭化物、もしくＨＣｕ　と金属酸化物、９化
物又は炭化物を使用するもの（特願昭５Ｂ−２５７９Ｂ
６号参照）、ないしは、Ｃｕ２Ｏ，Ｎｉｐ、　５ｉｎ２
．　Ｆａｎ、　Ａｇｏ、　Ａｔ２０．　、　Ｍｏｂ、　
ＴｉＯ２゜ＺｎＯ，ＡｕＯ，Ｃｒ　Ｏ、ＣｏＯ，Ｚｒ０
２１ＴａＯ，Ｎｏ、ＮｂＯ，ＬｌｇＯ，Ｃａ０゜５ Ｙ２Ｏ３のいずれか１つと、Ｊ３ｕ＋Ｎ　ｉ　＋　Ｓ　
ｌ　ｒ　Ｆ　６　ｌＡ　ｇ　ｇ　Ａ　ｌ　＋　”　＋Ｔ
ｉ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｏｒ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、
Ｍｇ　のいずれか１つを混合した複合インサートを使用
するもの（％願昭５８−２５８８１８号参照）である。

そして、このようなインサート材をセラミック接合面に
イオンブレーティング又は溶射て密着固定した後、加熱
反応促進処理して金属と強固に冶金的接合させるもので
ある。

本発明者等は、セラミックと金属との接合、％にセラミ
ック製回転体と金属製シャフトとの接合に関し、より一
層の研究を１ねた結果、本発明を完成したものでめる。

〔本発明の目的〕

すなわち、本発明は、セラミック部材と金属部劇とのよ
シ強固な接合手段を提供することを目的とする。籍に本
発明は、セラミック製の回転体と金属製のシャフトを接
合するにあたり、過酷な回転に耐えるような高強度、高
信頼性を有するセラミック部材と金属部材との接合方法
を提供することを目的とする。

〔本発明の構成〕

そして、本発明は、上記目的を達成する手段として、セ
ラミック部材の継手部を円錐台状とし、一方、金属製パ
イプを使用し、該パイプ内面を上記円錐台状と同一傾斜
を有するようにし、両者を嵌合させ、接合するように構
成した点にある。すなわち、本発明は、セラミック部材
と金属部材とを接合する方法に於いて、セラミック部材
の継手部を円錐台状とし、これに内面を同一傾斜の円錐
台状にした金属製パイプを加熱下で圧入保持し、両者を
拡散溶接手段で接合し、次いて、該パイプと金属部材を
溶接することを特徴とするセラミック部材と金属部材と
の接合方法である。

そして本発明を実施する場合、セラミック部材又は金属
製パイプの接合部となる円錐台状面に、以下のインサー
ト材 （１１Ｎｉ　と金属酸化物、窒化物又は炭化物、もしく
はＣｕ　と金属酸化物、窒化物又は炭化物、（２１０ｕ
２０．Ｎ１０，８１０２．ＦｅＯ，ムｇｏ、Ａ／２０３
．ＭｏＯ，ＴｌＯ２゜ＺｎＯ，Ａｕｇ、　Ｃｒ２Ｏ３，
Ｃｏｏ、　ＺｒＯ２，Ｔａｇ、　Ｎｏ２．　ＮｂＯ，Ｍ
ｇＯ。

Ｇａｐ、　Ｙ２Ｏ３のいづれか１つと、Ｃｕ、Ｎｌ、Ｓ
ｉ、Ｆｅ。

Ａｇ、Ａｔ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｏｒ、Ｃｏ、Ｚ
ｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｇのいづれか１つを混合したも
の、 （３１Ｎｉ、Ｏｕ又はＯｒ をコーティングして行うことを好ましい実施態様とする
ものである。

以下、本発明をセラミック製回転体と金属製シャフトと
の接合を例としてあげ、第１図に基づいて詳ｍＫ説明す
るが、木兄Ｆ！Ａは、これにのみ限定されるものではな
く、セラミック製回転体以外にセラミック製静止構造体
を金属部材に接合する場合も当然のことながら本発明に
包含されるものである。

第１図は本発明の実施例であるセラミック製回転体と金
属製パイプとの接合手段を示す図であ）、接合工程は（
１）→（２）→（３）→（４）の顔で進む。

（１１の工程は接合前の状態でセラミック環の回転体１
の端部に円錐台状の接合部５を設けてあう、一方金属製
のバイブ２の内面に該接合部５と同一傾斜の円錐台状接
合部４が設けである。また、該接合部３または４に、前
述した複合インサート材ないしはインサート材がコーテ
ィングされているものである。

回転体１の材質としては雪化珪素（ｓ　１５　Ｎ　４）
、炭化珪素（ｓｉｃ）、ジルコニア（Ｚ　ｒＯ２）、ア
ルミナ（Ａ／２０．）等が使用でき、金属パイプ２の材
質としてはコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）、炭素鋼
、ステンレス鋼、耐熱鋼の他Ｎ１合金尋も使用できる。

これらを円錐台状接合部３，４が合わさるように組み合
わせ工程（２）の状態にした後、両者を加熱、加圧して
上記接合部３，４の拡散溶接を行ない工程（３）の状態
とする。更に詳述すれば工程（２）の状態においては回
転体１と金属パイプ２との間に間隔５を０．Ｉ　０以上
１０６以下設ける事が必要で、０，１　ｗｍ以下では拡
散溶接時に加圧力が伝わらず接合不良を発生し易く、１
〇−以上では加圧力が過大となって回転体１の破損が起
こる。拡散溶接は真空中、不活性ガス中、あるいＦｉＮ
２中において温度５００Ｃ以上１４００Ｃ以下、加圧力
０　、１　ｋｇ　／　ｍ２以上２０埒／−以下、時間５
分以上５時間以下の条件で行なう。それぞれの数値の下
限以下の条件では回転体１と金属パイプ２との反応性が
低い為に接合欠陥が生じやすく、上限以上では回転体１
の破損金属バイブ２の過大な変形が生じ、好ましくない
。また、工程（２）の状態において拡散溶接の加圧力は
６の方向に加えると、回転体１と金槁パイプ２との接合
面が円錐台状になっているために半径方向にも加圧力が
伝えられる。

このようにして製作された回転体１と金属パイプ２との
継手に金属製のシャフト７を接合部８の位置で電子ビー
ム溶接、レーザ溶接、アーク溶接等の溶融溶接法や摩擦
圧接で接合し工程（４）の状態にすると回転体１とシャ
フト７の接合が完成される。シャフト７の材質は金属パ
イプ２と同様の物が使用可能である。

また、回転体１と金属パイプ２を接合する際に稼動条件
が比較的緩やかな場合は、インサート材としてＮｉ、Ｃ
ｕ、Ｏｒなどを蒸着、メッキなどの手法によシコーティ
ングしておいてもよく、また、インサート材なしで直接
接合も可能である。

上記した手段で、セラミック製回転体と金属パイプを円
錐台状の継手で拡散＃接することによル、継手の軸方向
と半径方向の両方に応力が働き、強固な接合が確保され
る。またセラミック環の回転体と金！Ｒ１！！のシャフ
トを直接溶融溶接することは不可能なので、金属パイプ
はその中間部材として溶接を可能にする役割をなすもの
である。

木兄ａＡ＃−ｉ、上記したように、セラミック製回転体
の端部、及び金属パイプの内面に円錐台状の接合部を設
ける事により、拡散溶接時に軸方向と共に半径方向の圧
力が加わり、強固な接合が得られる事を特徴とする。即
ち第２図に示すように拡散溶接時に加圧力６を負荷する
と回転体１と金属パイプ２との接合面３においては加圧
方向の応力９が接合面５に垂直な方向の応力１０と平行
な方向の応力１１の両方向に加えられる。拡散溶接は、
接合面５のミクロ的な塑性変形、クリープ変形を伴った
接合法であるので、接合面３に垂直な応力１０が接合に
効果的に寄与する。一方、接合面３に平行な応力１１に
より金属バイブ２の先端が広げられ、クリアランス５を
縮めて行き、やがてこれが０になって回転体１と金属パ
イプ２とが完全に密着し、接合する。また拡散溶接は前
述のように５００Ｃ以上、１４００ｐ以下の高温で施工
するので接合後冷却時に回転体１及び金属パイプ２が収
縮し、金属パイプ２の方が回転体１に比べて収縮の割合
が大きい為に収縮応力が１０の方向に発生して接合に寄
与する。このように接合面３を円錐台状にすることによ
り、応力１０の方向の応力が効果的に発生し、強固な接
合を確保する働きをなす。なお、インサート材の効果に
ついては特願昭５８−２３７９８６、特願昭５８−２３
８８１８等で詳細に説明しているが、インサート材中の
セラミックがセラミック回転体１とイオン結合あるいは
共有結合を主体に拡散結合し、一方インサート材中の金
属が金属製・（イブ２と金属結合で拡散接合し、良好な
接合が成就されるものである。このように、本発明では
、セラミックや金属の複合インサート効果でも良好な接
合が可能であるものである。また、Ｎｉ。

Ｏｕ、Ｏｒインサートおよび直接接合についてもこれら
金属の表面に存在する酸化物が酸化物系セラミックでは
その構成酸化物と、また非酸化物系セラミックでは焼結
助剤として含まれる酸化物と反応し良好な接合が可能で
ある。一方、これら金属と金属パイプとは金ＪＩ１４則
志の接合とな勺、容易に接合が成就する（これら金属の
表面に存在する酸化物は加圧により部分的に破壊され、
清浄な金属の露出面と強固に接合する。）以上本発明の
詳細な説明したが、さらに本発明の具体例をあげ、本発
明をより詳細に説明する。

第６図は、以下の本発明の具体例１及び２を説明するた
めの図であって、セラミック製回転体と金属パイプとの
概要寸法図である。

〔具体例１〕 供試材として密化珪素製の回転体１とコバール環のパイ
プ２５ＬＩ８３０４製シヤフト７を用いた。回転体１は
直径（Ａ）が１５０鰭、接合部３は先端の直径（Ｂ）が
２２ｍ、根元の直径（Ｃ１が２４ｗで長さくＤ）　１０
　ｖｍの円錐台状で接合部となる部分に８１３Ｎ４＋Ｎ
１（重量％でＳ土、Ｎ４：　Ｎ１＝２０　：８０）をＰ
ＶＤコーティングしたものである。

パイプ２は外径（ＥＪ　２６　ｍｍ、内径（Ｆ）２０　
ｗａ長さｆＧ）２５ｍで回転体１との接合部４は、端部
の内径（■１）が２３日で、１０■内側（υに入った部
分が内径（Ｆ）２０簡となるような円錐台状の内面にな
っている。回転体１とパイプ２を組み合わせた場合のク
リアランス（Ｊ）は５簡であった。このように組み合わ
せた回転体１とパイプ２を５Ｘ１０””Ｔｏ　ｒｒ　の
真空中で温度１１５０Ｃ，加圧力２　ｋ１１／■２．２
時間の条件で拡散溶接を行なった。その結果、接合欠陥
がなく、良好な継手性能を有する継手が得られた。この
接合体と図示しないｓｕｓ　３０４１ｉ！のシャフト７
を電子ビーム溶接で接合し、回転試験を実施したところ
、良好な回転性能が得られ、高信頼性を有する継手が形
成されることが判明した。

〔具体例２〕 供試材としてＺ　ｒ　Ｏ２製の回転体１とＮ１基耐熱合
金ａ１１＋７）パイプ２、快削鋼製シャフト７を用いた
。

回転体１は直径（Ａ）が２００ｍ、接合部６の先端の直
径（Ｂ）が４４■、根元の直径（Ｃ）が４８鰭で長さく
ＤＪ　２０　ａの円錐台状のものを用い、パイプ２は外
径（Ｅ）　４６■、内径（Ｆ）　４０　ａ、長さくＧ）
５０■で、回転体１との接合部４は、端部の内径（Ｈｌ
が４６１１１で、２０■内側（Ｉｌに入った部分が内径
（Ｆ１４０諺となるような円錐台状の内面を持つものを
用いた０回転体１の接合面にはあらかじめイオンブレー
ティングでＣｕを５０μの厚さに被覆しておいた。回転
体１とパイプ２を組み合わせた場合のクリアランス（Ｊ
）はＩＤｗであった。このように組み合わせた回転体１
とパイプ２をＡｒ１気圧中で温度１０５０Ｃ１加圧力３
　ｋｐ　／　ｗ２．３時間の条件で拡散溶接を行なった
。その結果接合欠陥がなく良好な継手性能を有する継手
が得られた。この接合体と快削鋼製のシャフト７をレー
ザ溶接で接合し、回転試験を実陥したところ、良好な回
転性能が得られ、高信頼性な有する継手が形成されるこ
とが判明した。

〔具体例３〕 供試拐としてＡｌ２Ｏ３製の回転体１とコバール製のパ
イプ２、快削鋼製シャフト７を用いた。

回転体１は直径（ＡＪが２００日、接合部３の先端の直
径（Ｂｌが４４ｍ、根元の直径（０）が４８ｍで長さく
Ｄ）２０■の円錐台状のものを用い、パイプ２は外径（
Ｅｌ　４６１１１ｍ、内径（ＦＪ　４０　ｗｍ、長さく
ＧＪ５０ｓｏ＋で、回転体１との接合部４は、端部の内
径（Ｈ）が４６■で、２０關内側ｆＩ）に入った部分が
内径（Ｆ１４０ｍとなるような円錐台状の内面を持つも
のを用いた。回転体１の接合面にはあらかじめイオンブ
レーティングでＣｕ２０　＋　Ｃｕ　（重量比でＣｕ２
Ｏ／Ｃｕ＝５０１５０）を５０μの厚さに被板しておい
た。回転体１とノ（イブ２を組み合わせた場合のクリア
ランス（Ｊ）ｉｊＩｏ■であった。

このように組み合わせた回転体１とノ（イブ２をＡｒ　
１気圧中で温度１０５０Ｃ１加圧力３　ｋｇ　／　ｒｎ
２．５時間の条件で拡散溶接を行なった。その結果、接
合欠陥がなく良好な継手性能を有する継手が得られた。

この接合体と快削鋼製のシャフト７をレーザ溶接で接合
し、回転試験を実施したところ、良好な回転性能が得ら
れ、高信頼性を有する継手が形成されることが判明した
。

〔具体例４〕 供試材としてＳｉＣ製の回転体１とＮ１基耐熱合金製の
パイプ２、快削銅製シャフト７を用いた。

回転体１ｉｊ直径（Ａ）が２００ｍ、接合部６の先端の
直径（Ｂ）が４４１０１．根元の直径（Ｃ）が４８１１
で長さくＤｌ　２０　ｍの円錐台状のものを用い、パイ
プ２は外径（Ｅｌ　４６鰭、内径（Ｆ）４０日、長さく
Ｇ）　５０日で、回転体１との接合部４け、端部の内径
（Ｈ）が４６鰭で、２０ｍ内側（１）に入った部分が内
径ＣＦ１４０ｍとなるような円錐台状の内向を持つもの
を用いた。回転体１とパイプ２を組み合わせた場合のク
リアランスｆＪｌは１０ｍであった。このように組み合
わせた回転体１とパイプ２を直接Ａｒ　１気圧中で温度
１２００Ｃ５加圧力３　ｋｇ　／　Ｍ２゜２時間の条件
で拡散溶接を行なった。その結果、接合欠陥がなく良好
な継手性能な南する継手が得られた。この接合体と快削
鋼製のシャフト７をレーザ溶接で接合し、回転試験を実
施したところ、良好な回転性能が得られ、高信頼性を有
する継手が形成されることが判明した。

以上の具体例において、インサート材を使用する例は僅
かしかあげてないが、前述したインサート材は具体例に
示したと同様な効果を奏するものである。

〔本発明の効果〕

本発明は、以上詳記したように、セラミック部材と金属
部材とを接合するに当り、セラミック部材の継手部を円
錐台状とし、一方、金属製パイプを使用し、該パイプ内
面を上記円錐台状と同一傾斜を有するようにしたもので
あり、このような金属製パイプを介在させることによっ
て、セラミック部材と金属部材とを強固に接合すること
ができる効果が生ずるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例であるセラミック製回転体と
金属製シャフトとの接合手段を示す図であシ、第２図は
第１図の接合時の応力な説明するための図であり、第６
図は第１図の回転体とパイプとの概要寸法図である。 １・・・回転体 ２・・・パイプ ５・・・接合面 ４・・・接合面 ５・・・クリアランス ６・・・加圧方向 ７・・・シャフト ８・・・接合部 ９．１０．１１・・・応力 復代理人　内　１）　明 復代理人　萩　原　亮　− 第１図 （１） （２）　（３） 第２図 第３図 一一−Ａ　−−Ｈ 第１頁の続き ＠発明者　松１）光雄　相模原Ｈ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１セラミック部材と金属部材とを接合する方法に於
   いて、セラミック部材の継手部を円錐台状とし、これに
   内面を同一傾斜の円錐台状にした金属製パイプを加熱下
   で圧入保持し、両者を拡散溶接手段で接合し、次いて、
   該パイプと金属部材とを溶接することを特徴とするセラ
   ミック部材と金属部材との接合方法。 （ｊｉｌｔ　セラミック部材の円錐台状面又は金属製パ
   イプの円錐台状面に、Ｎ１　と金属酸化物、窒化物又は
   炭化物、もしくけ（３ｕ　と金属酸化物、窒化物又は炭
   化物をインサート材としてコーティングする特許請求の
   範囲第１項記載のセラミック部材と金属部材との接合方
   法。 （３）　セラミック部材の円錐台状面又は金稿製バイブ
   の円錐台状面に％０ｕ２０．ＮｉＯ，８ｉ０２．ＦｅＯ
   ，Ａｇｏ。 Ａ／　２０５　ｒ　ＭＯＯ，ＴＩＯ２ｒ　ｚｎｏ　ｌ　
   Ａｕｇ、　Ｃｒ２Ｏ３＋　Ｃｏｏ　＋　ＺｒＯ２＋Ｔａ
   Ｏ，Ｎｏ２．ＮｂＯ，ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｙ２Ｏ，のいづ
   ねか１つと、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｐ’ｓ、Ａｇ＋ＡＩ！
   、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｏ。 Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、ｌＪｇのいづねか１つを混合し
   た複合インサート材をコーティングする特許請求の範囲
   第１項記載のセラミック部材と金Ｍｆｆｌ材との接合方
   法。 （４）　セラミック部材の円錐台状面又は金属製パイプ
   の円錐台状面にＮｉ、Ｃｕ、Ｏｒ　をインサート材とし
   てコーティングする特許請求の範囲第１項記載のセラミ
   ック部材と金属部材との接合方法。