JPS61286274A - 金属・セラミツクス結合体およびその製造法 - Google Patents

金属・セラミツクス結合体およびその製造法

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JPS61286274A
JPS61286274A JP60126295A JP12629585A JPS61286274A JP S61286274 A JPS61286274 A JP S61286274A JP 60126295 A JP60126295 A JP 60126295A JP 12629585 A JP12629585 A JP 12629585A JP S61286274 A JPS61286274 A JP S61286274A
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ceramic
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steel
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功 小田
伸夫 津野
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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】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属・セラミックス結合体およびその製造法
、特に金属部材とセラミック部材を締まりばめで結合し
てなる金属・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。　　　゛（従来の技術） ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスは機
械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐれているため、ガス
タービンエンジン部品、エンジン部品等の高温構造材料
あるいは耐摩耗材料とじて注目されている。しかし、セ
ラミックスは一般に硬くて、脆いため金属材料に比較し
て成形加工性が劣る。また、靭性に乏しいため衝撃力に
対する抵抗が弱い。このため、セラミック材料のみでエ
ンジン部品のような機械部品を形成することは難かしく
、一般には金属製部材とセラミック製部材とを結合した
複合構造体としての形で用いられる。
従来、金属とセラミックスとを結合してターボチャージ
ャローター等の製品を作る方法としては、金属部材に設
けた凹部または貫通孔にセラミック部材に設けた凸部を
嵌合させて一体化するに際し、例えば両者をある温度ま
で加熱して結合させその後冷却することによって、金属
とセラミックスの熱膨張差によって生じる金属部材とセ
ラミック部材間の締結力により両者を結合していた。
上述したある温度の加熱としては、従来経験的に使用温
度付近すなわち使用温度と同等か少し上の温度まで加熱
して、金属部材とセラミック部材を結合していた。すな
わち、加熱温度についての限定はいままでまった（され
ておらず、冷却時の締代だけを考えてこの加熱温度を設
定していた。
（発明が解決しようとする問題点） 最近になって、金属・セラミックス結合体をより高温で
使用する要望が高まると共に、締代を大きくしてより強
固な締結力を得ようとする必要性も高まっている。その
ため、より高温まで加熱して金属部材とセラミック部材
を締まりばめにより結合しようとすると、使用する材料
によっては結合強度がまったく得られないすなわち金属
とセラミックスとの把持力が得られない結合体が出現す
るようになってきた。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、どのような
使用条件下においても常に一定の締りばめによる結合力
を得ることができる金属・セラミックス結合体およびそ
の製造法を提供しようとするものである。
（問題点を解決するための手段） 本発明の金属・セラミックス結合体は、金属部材に設け
た凹部または貫通孔に、セラミック部材に設けた凸部を
締まりばめで結合してなる金属・セラミックス結合体に
於いて、該金属部材がマルテンサイト変態を生ずる金属
材料からなり、しかも該金属部材の金属組織が焼戻し組
織、焼ならし組織あるいは時効硬化組織のいずれかの金
属組織からなることを特徴とするものである。
さらに本発明の金属・セラミックス結合体の製造法は、
マルテンサイト変態を生ずる特性を有する金属部材に設
けた凹部または貫通孔に、セラミック部材に設けた凸部
を締まりばめにより結合して金属・セラミックス結合体
とする方法に於いて、該凹部または貫通孔と該凸部とを
該金属部材の金属組織がオーステナイト相に変化を開始
する温度以下の温度あるいは該温度以下の温度と該結合
部の使用温度以上の温度の間の温度で、締まりばめによ
り結合することを特徴とするものである。
（作　用） 本発明は金属部材とセラミック部材を締まりばめにより
結合させるときの温度を、その金属部材の変態点以下の
温度と限定することによって、どのような使用条件下に
おいても常に一定の締りばめによる結合力を得ることが
できることを見出したことによる。以下、その理由を図
面を参照して金属部材とセラミック部材との結合力の発
生原因となる締代の発生機構により説明する。
第１図は金属部材とセラミック部材を高温で嵌合する場
合の締代発注機構を説明するための図である。第１図に
おいて、Ｍｓ：マルテナンサイト変態開始温度＋ＴＬ：
嵌合温度（本発明）、Ｔｏ：嵌合温度（比較例）、Ｔｏ
：低温安定相が高温安定相に変態する温度（Ａｃ＋＋　
Ａｃり　、ｄｓ　：　ＴＨにおける凸部直径、ｄＬ　：
　ＴＬにおける凸部直径、ｄｏ：室温での凸部直径、Ｄ
Ｈ：Ｔ□で嵌合した結合体の引抜後の凹部内径（室温）
、ｄＬ：Ｔｔで嵌合した結合体の引抜き後の凹部内径（
室温）をそれぞれ示している。
上述した関係をより理解しやすいように、第２図（ａ）
には金属部材とセラミック部材が嵌合している状態の一
例を、また第２図（ｂ）には両者を引抜いた後の状態の
一例を示した。なお、第２図におけるΔＤは弾性変形に
よる寸法変化分すなわち締代を示している。さらに第３
図には、上述した変態を示す金属材料の一例としてマル
エージング鋼の熱膨張曲線を示す。
まず、本発明の範囲である変態温度以下すなわちＴＬ＜
Ｔｏで嵌合した場合を説明する。温度ＴＬでは、第２図
（ａ）に示すように、セラミックス凸部直径（ｄ）と金
属凹部内径（Ｄ）とは一致している。しかし、セラミッ
クスと金属では熱膨張係数が異なり、一般には金属の熱
膨張係数の方がセラミックスの熱膨張係数より大きいの
で、この状態から冷却すると、セラミックス凸部直径は
第１図に示すＬ−ｄｏ線に沿って収縮する。金属凹部内
径はＬ−Ｃ線に沿って収縮しようとするがセラミックス
によって収縮が阻止されるためＬ−ｄｏ線に沿って収縮
する。そのため、Ｌ−Ｃ線に沿う収縮量とＬ−ｄｏ線に
沿う収縮量の差が弾性歪として金属内に残留する。しか
し、該収縮量の差が弾性限界（Ｂ）以上となると、メタ
ル凹部が塑性変形を生じ、それ以上の収縮量の差を吸収
してしまう。そのため、最終的にはＬ−ｄｏ線に沿う収
縮量とＬ−Ｂ−ＤＬ線に沿う収縮量の差が弾性歪として
金属内に残留する。ここで、ＴＬで嵌合した結合体の嵌
合部を引抜くと金属凹部内径は弾性歪が開放されてＤＬ
まで収縮する。この収縮量ΔｐＬ＝ｄｏ−ＤｔがＴＬ＜
ＴＯで嵌合した場合の締代となる。
これに対して、本願発明の範囲外である変態温度以上の
温度すなわちＴＨ＞ＴＯで嵌合した場合は以下のように
なる。温度Ｔ、では同様にセラミックス凸部直径と金属
凹部内径は一致している。
この状態から冷却すると、セラミックス凸部直径は第１
図に示すＨ−ｄｏ線に沿って収縮する。金属凹部内、径
はＨ−Ａ線に沿って収縮しようとするが、セラミックス
によって収縮が阻止されるため、Ｈ−ｄ。
線に沿って収縮する。このため、温度がＭｓ点まで降下
した段階ではＨ−八−Ｈ線に沿う収縮量とＨ−ｄ　ｏｖ
Ａに沿う収縮量との差が弾性歪として金属内に残ってい
る。しかし、Ｍｓ点では、マルテンサイト変態が生じて
金属がＭ−ＤＨ線に沿って膨張するので、該弾性歪の大
部分が開放される。したがって、温度ＴＨで嵌合した結
合体は嵌合部を引抜いても、メタル凹部内径がＤ□まで
しか収縮しない。この収縮量ΔＤＨ＝ｄ□　　ｐＨが温
度ＴＨで嵌合した結合体の締代となる。
以上説明したところから明らかなように、ΔＤＬ〉ΔＤ
Ｍとなり本発明の範囲内である変態点Ｔｏ以下の温度で
結合したものが、良好な締結力すなわち金属とセラミッ
クスの把持力が得られることとなる。
そのため、本発明は冷却時にマルテンサイト変態を生じ
体積が膨張する金属とセラミックスの嵌合方法として有
効なものである。特に、空冷のような冷却速度が遅い条
件下でもマルテンサイト変態が生ずる金属とセラミック
スの嵌合方法として好ましいものである。
水冷のような速い冷却速度でしかマルテンサイトが生じ
ない金属の場合には、該金属とセラミックスを変態点Ｔ
ｏ以上の温度で嵌合したのち、水冷等の方法で急冷する
と、マルテンサイト変態により金属の体積が膨張し、締
代が低下する。
また、上記金属は変態点Ｔｏ以下の温度から炉冷あるい
は空冷により冷却すると、Ａｒ＋変態点又はＡｒ＋変態
点において体積が膨張し、締代が低下する。したがって
、上記金属とセラミックスを変態点Ｔｏ以上の温度で嵌
合することは好ましくない。
以下、本願発明において他の各構成要素を限定した理由
を説明する。
まず、締代の限定理由は以下のとおりである。
前述の如く、本願発明では金属の弾性歪の限界以上の締
代を付与することかできないので、締代の上限は弾性歪
の限界とする。
ここでいう弾性歪の限界（εｙ）は金属の降伏応（σｙ
）と縦弾性係数（Ｅ）の比、すなわちεｙ＝σｙ／Ｅで
得られる値とする。
締代の下限は０．２χとする。締代が０．２χ未満では
十分な締結力が得られないので好ましくない。
金属組織の限定理由は以下のとおりである。一本願発明
では、使用する金属に対して、嵌合前に焼入れ、焼もど
しあるいは焼ならし等の熱処理を行ったり、嵌合後に時
効硬化処理を行って、望ましい機械的性質を有する金属
組織とする。
しかし、嵌合を変態点Ｔｏ以上の温度で行うと、金属組
織が嵌合前の焼もどし組織あるいは焼ならし組織から高
温で安定な組織に変化し、その状態から冷却しても元の
金属組織には戻らない。
金属組織が変化すると、金属の機械的性質も変化してし
まうので、本願発明では嵌合後の金属組織が嵌合前の金
属）ｉ１１織と同一金属組織となるように限定する。
また、マルテンサイト変態後時効硬化処理によって望ま
しい機械的性質とする金属の場合には、嵌合後の時効硬
化処理を行ってもよい。しかし、この場合には、前述の
如く嵌合を変態点Ｔｏ以下の温度で行う必要がある。変
態点Ｔｏ以上の温度で嵌合したものは冷却途中のマルテ
ンサイト変態により嵌合部が抜けたり、締代が減少した
りする。締代が減少したものは時効硬化処理のための再
加熱で嵌合部が抜けることがあるので好ましくない。
等温変態線図における変態開始時間を限定したのは、等
温変態線において最速の変態開始に１０秒以上必要とす
る鋼は空冷によりマルテンサイトが生ずる可能性が大き
いからである。
（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。
第４図は本発明の金属・セラミックス結合体の一実施例
を示す線図である。セラミック部材１としては常圧焼結
法で作製した窒化珪素、炭化珪素、ジルコニアを使用し
、凸部４の直径を８１１１１１％長さ２５ｍｍの形状と
した。金属部材２としては、マルエージングｔｉｌｒ　
（ＹＡＧ３００）　、ニッケル・クロム・モリブデン鋼
（ＳＮＣＭ５）　、合金工具鋼（ＳＫＤ６）を使用し、
その凹部３の内径を８１１ＩＩ１１よりもわずかに小さ
い種々の寸法とすると共にその外径を１０ｍｍとした。
上述したセラミック部材１と金属部材２を後述する第１
表に示す嵌合温度で、両者の嵌合距離が１２ｍｍとなる
ように結合して、本発明品磁１〜７と比較例阻１１、１
２を得た。
金属・セラミックス結合体の製造方法として、金属部材
２としてマルエージング鋼（ＹＡＧ３００）　ヲ使用す
る場合は、溶体化処理済の材料を入手して嵌合部を上述
した形状に加工した後、所定の嵌合温度で金属部材２と
セラミック部材１を嵌合して結合体を得る。その後、こ
の結合体を例えば５００℃で３時間の時効硬化処理を行
なって、外径を加工した。また、ニッケル・クロム・モ
リブデン鋼（ＳＮＣＭ５）と合金工具鋼（ＳＫＤ６）を
使用する場合は、それぞれの材料に焼入れ、焼もどしの
熱処理をした後、所定の嵌合温度で金属部材２をセラミ
ック部材１に嵌合して結合体を得、さらにその外径を加
工して最終試験片を得た。
上述した方法で得た本発明品隘１〜７と比較例Ｎａ１２
の試験片に対して、引抜試験を行なった。第５図は引抜
試験の要部を示す断面図である。一方のプルロッド３１
は金属部材２と螺合されると共に、他方のプルロッド３
３はこれと螺合された治具３２により第５図に示すよう
にセラミック部材ｌを固定する。その後、プルロッド３
１．３３を引張試験機にセットして、引抜試験を行なっ
た。結果を第１表に示す。
第１表において、締代（χ）は（（ｄｏ−Ｄ）／ｄｏ）
　Ｘ　１００の計算により求めた。第１表から明らかな
ように、本発明品Ｎ１１１〜７は十分な引抜荷重を得る
ことができたのに対して、比較例の１ｌｈ１２は十分な
締代が得られずそのため満足な引抜荷重を得ることがで
きなかった。
本発明は上述した実施例にのみ限定されるもの　″では
なく、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述し
た実施例で使用した金属材料およびセラミック材料は本
発明で使用できる材料の一例を示したもので、他に金属
材料としては、ニッケル網、クロム鋼、ニッケル・クロ
ム鋼、ニッケル・モリブデン鋼等を、またセラミック材
料としてはサイアロン、アルミナ等を使用しても本発明
を十分に達せられるものである。
（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の金属・セラミック結合体によれば、金属部材とセラミ
ックス部材の結合時の温度を金属部材の組織が低温安定
相から高温安定相に変態する温度（Ａｃｔ、Ａｃｔ）以
下とすることによって、どのような使用条件下において
も常に一定の締りばめによる結合力を有する金属・セラ
ミックス結合体を得ることができる。　そのため、より
高温での使用が要求されるターボチャージャローターと
その回転軸およびコンプレッサーホイールとその回転軸
の結合等に本発明を応用すれば、より良好な結合を達成
することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、金属部材とセラミック部材を高温で嵌合する
場合の締代発生機構を説明するための図、第２図（ａ）
、　（ｂ）は、それぞれ金属部材とセラミック部材を嵌
合している状態および両者を引き抜いた後の状態を示す
図、 第３図は、マルエージング鋼の熱膨張曲線を示す図、 第４図は、本発明の金属・セラミックス結合体の一実施
例を示す線図、 第５図は、引抜試験機の要部断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、金属部材に設けた凹部または貫通孔に、セラミック
    部材に設けた凸部を締まりばめで結合してなる金属・セ
    ラミックス結合体に於いて、該金属部材がマルテンサイ
    ト変態を生ずる金属材料からなり、しかも該金属部材の
    金属組織が焼戻し組織、焼ならし組織あるいは時効硬化
    組織のいずれかの金属組織からなることを特徴とする金
    属・セラミックス結合体。 ２、上記金属部材が、空冷によりマルテンサイト変態を
    生ずる金属材料からな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。 ３、前記金属材料が、該金属材料の等温変態線図に於い
    て、最速の変態開始に１０秒以上必要とする金属材料で
    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。 ４、前記締まりばめの締代が、前記凸部直径の０．２％
    以上である特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
    かに記載の金属・セラミックス結合体。 ５、金属部材がマルエージング鋼、ニッケル・クロム・
    モリブデン鋼、ニッケル鋼、クロム鋼、ニッケル・クロ
    ム鋼およびニッケル・モリブデン鋼よりなる群から選ば
    れた少なくとも一種の金属材料で構成されており、セラ
    ミック部材が窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、アルミ
    ナおよび部分安定化ジルコニアよりなる群から選ばれた
    少なくとも一種のセラミック材料で構成されている特許
    請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の金属
    ・セラミックス結合体。 ６、セラミック部材がターボチャージャローターのター
    ビンローター側回転軸、金属部材がコンプレッサーホイ
    ール側回転軸である特許請求の範囲第１項ないし第５項
    のいずれかに記載の金属・セラミックス結合体。 ７、マルテンサイト変態を生ずる特性を有する金属部材
    に設けた凹部または貫通孔に、セラミック部材に設けた
    凸部を締まりばめにより結合して金属・セラミックス結
    合体とする方法に於いて、該凹部または貫通孔と該凸部
    とを該金属部材の金属組織がオーステナイト相に変化を
    開始する温度以下の温度あるいは該温度以下の温度と該
    結合部の使用温度以上の温度の間の温度で、締まりばめ
    により結合することを特徴とする金属・セラミックス結
    合体の製造法。 ８、上記金属部材を空冷によりマルテンサイト変態が生
    ずる金属材料で構成する特許請求の範囲第７項に記載の
    金属・セラミックス結合体の製造法。 ９、前記金属材料を該金属材料の等温変態線図に於いて
    、最速の変態開始に１０秒以上必要とする金属材料で構
    成する特許請求の範囲第７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。 １０、前記締まりばめによる結合が、圧入によるもので
    ある特許請求の範囲第７項ないし第９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。 １１、前記締まりばめによる結合が、直径が凹部または
    貫通孔の内径より０．１％〜１０％大である凸部の該凹
    部または貫通孔にたいする圧入によるものである特許請
    求の範囲第７項ないし第１０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。 １２、前記金属部材をマルエージング鋼、ニッケル・ク
    ロム・モリブデン鋼、ニッケル鋼、クロム鋼、ニッケル
    ・クロム鋼およびニッケル・モリブデン鋼よりなる群か
    ら選ばれた一種の金属材料で構成するとともに、セラミ
    ック部材を窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、アルミナ
    および部分安定化ジルコニアよりなる群から選ばれたセ
    ラミック材料で構成し、締まりばめによる結合を該金属
    部材のＡｃ１変態点および／あるいはＡｃ３変態点また
    は低温安定相が高温安定相に変態を開始する温度のいず
    れかの温度以下で行う特許請求の範囲第７項ないし第１
    １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。 １３、ターボチャージャローターのタービンローター側
    回転軸をセラミック部材、コンプレッサーホイール側回
    転軸を金属部材とする特許請求の範囲第７項ないし第１
    ２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。
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