JPS6133731A - セラミツクス軸と金属部材との締結構造体 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は高温で使用するセラミックス軸と金属部材との
締結構造体に係り、特にセラミックス軸と金属軸との締
結構造体に関する。

〔発明の背景〕

従来、セラミックス軸と金属部材との締結構造体として
は、機械的結合法、接合法、及び熱膨張法等によって造
られたものが一般的である。機械的結合法で造られるも
のは、セラミックス軸の外周面にねじを切り、金属部材
にセラミックス軸を欠き敏感桂があり、極めて低い引張
り応力を受けても破壊に至議ために、この方法で造られ
た回転体結合軸は構造的に伝達トルクの大きい使用に（
ｊ困難で、モーメントやスラストに対しても抵抗が十分
でなく信頼性が期待できない。一方、金属部材にねじを
切ってセラミックス軸にねじこんで造られる。２のもの
も高温での使用時に熱膨ｉ係数の違い蕃゛こよってセラ
ミックス軸に引張り熱応力が発生し、セラミックス軸あ
破損がしばしば生じる。

また、接合法として軸同志をロウ材で接合する方法や物
質の拡散現象を利用する接合法等によりセ、えツウ３軸
と金属部材よ。締結構、−ゆ造らゎるが、未だ接合技術
は完成されておらず強度的に十分でない。

また、材料の熱膨張差を利用した方法としてセベし ラミックス軸丘金属部材の焼嵌め法により締結体が造ら
れる。しかし、この方法で造られたものは、高温度下で
金属の熱膨張係数がセラミックスのそれよりもかなり大
きいために温度上昇と共に金属が大きく膨張し締め代が
消失し、焼嵌め時の温度程度以上ではセラミックス軸と
金属との締結の機能を果さない。一方、冷し嵌めとして
金属軸をセラミックス軸の軸穴に挿入する方法で締結体
が造られる。この場合は高温度下の金属の熱膨張による
締め代の消失の問題はないが、温度上昇と共にメス側の
セラミックス軸に高い熱応力が発生し破損する恐れがあ
る。引張り変形に極めて脆いセラミックスに対してこの
方法で締結体を造ることは基本的に不向きである。尚、
モリブデン鋼などのような低熱膨張特性の金属部材の使
用することも考えられるが、この種の金属は高価で実用
的でない。上記の如く、従来の結合方法で造られるセラ
ミックス軸と金属部材との締結構造体は欠点を有し、信
頼性の高いものが得られなかった。

最近、焼嵌め法に代る方法として特公昭５５−４８８９
５号で金属塑性フロー（流動）法による２個の金属部材
の結合法が開示されている。その方法は第１の金属部材
の内周面とこれに対し空隙を介して対向する第２の金属
部材の外周面との結合部に、変形抵抗が各被結合金属部
材より小さい金属からなる結合材を挿入し、その結合材
を加圧して２個の金属部材間の空隙に塑性流動させて２
個の金属部材を結合材と密着させる結合方法である。こ
の方法で造られる結合体は大きい結合力を有するが、高
温下では焼嵌め法で造られたものと同様に結合力が低下
する傾向がある。

上記の如くセラミックスと金属と締結体に満足なものが
なく、シかし金属塑性流動法によれば締結体に構造形状
的な制約を及ぼさないので、この方法を適用した高温度
下でも締結力の低下しない締結構造体が要望されていた
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、低熱膨張係数で靭性の小さいセラミッ
クス軸と金属部材とを結合した高温度下で締結力が低下
しない締結構造体を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明のセラミックス軸と金属部材との締結構造体は、
セラミックス軸の端部に溝又は突起を軸方向に形成し、
この溝又は突起のセラミックス軸に唾直な断面を、溝の
場合は溝の開口縁と前記セラミックス軸の軸心とを結ん
だ直線上から外側に溝底の角部が位置し、突起の場合は
突起の最大巾の！部と前記セラミックス軸の軸心とを結
んだ直線上から内側に突起の根元が倍量する形萩として
前記溝又は突起の側面に傾斜をつけて形成し、該セラミ
ックス軸の溝又は突起を城性流動による金属によって覆
って密着し、セラミックス軸と金属部材とを結合した締
結構造体である。

本発明の締結構造体の要点はセラミックス軸に特定の傾
斜をつけた溝又は突起を形成したことである。即ちセラ
ミックス軸と金属部材は熱膨張係数の差により両者間の
接触が温度上昇と共に緩むことが基本的に避けられない
が、特定の傾斜をつけた溝又は突起により締結力の低下
が起らないという知見を得て本発明を達成した。　、セ
ラミックス軸の溝又は突起と金属部材との接触状態は温
度上昇により変り、その状態を述べる。

１例としてセラミックス軸に軸方向に３種の形状の溝を
形成し、セラミックス軸に垂直の断面図を第１　（ａ）
　、　（ｂ３　、　（Ｃ）図に示し、（ａ）　、　（ｂ
）図は本発明、（Ｃ）図は対照例である。第１（ａ）図
は溝３（Ａ、Ｂ、Ｂ。

Ａｍ）の底部の最大巾の端部、即ち隅の点Ｂ１＋Ｂｔが
セラミックス軸の断面の中心０と溝の開口縁ＡＩ　、Ａ
、とを夫々結んだ直線ＯＡ、、ＯＡ。

上にある場合、第１（ｂ）図は溝の隅の点Ｂ’、、Ｂ／
。

が直線ＯＡ’、、ＯＡ４　　の外側にある場合、及び第
１（Ｃ）図は溝の隅の点Ｂ、ｌ・Ｂ；が直線ＯＡ＋−〇
Ａｆの内側ｌこある場合である。温度上昇により一般に
金属はセラミックスより熱膨張し接触状態が変る。

第１（ａ）図の如く金属の総ての各点がセラミ、ツクス
軸の中心Ｏから半径方向ＯＡ、、ＯＡ、に沿って昇温に
伴って伸び、溝側面Ａ１Ｂ、、Ａ、Ｂ、での接触摩擦を
無視すればセラミックスと金属の熱膨張係数の相違に拘
らず原理的に該側面Ａ１Ｂ、。

ＡｔＢ、においては昇温以前と同じ接触面圧が維持され
締結力は変らない。しかしこの場合は円周面Ａ、Ｃ，及
びＡ、Ｃ，での接触による締結力は一般にセラミックス
に対し金属材料の方が熱膨張係数が大なため消失する。

一般には熱膨張係数に差があり、第１０）図の如く溝の
隅の点Ｂ　、Ｉ　、　Ｂ、’が半径方向の直線ＯＡ、’
、ＯＡ、’　より外側になるように傾斜をつけて造るこ
とが必要で、このようにして造った締結体は昇温と共に
溝の中にある金属が半径方向に膨張するに伴い周方向に
セラミックスよりも大きく膨張するため、Ａ、’Ｂ、’
及びん′Ｂ！′面で面圧が増大し結合力が大になる。こ
れに対して第１図（Ｃ）図は溝の隅の点Ｂ、　＃　、　
Ｂ！＃がＯＡげＯＡ？より内側になるように傾斜をつけ
た締結体で、昇温により金属は半径方向に膨張しその結
果セラミックス溝面との接触面圧が緩み結合力が低下す
る。

また、突起の場合も特定の傾斜をつけた突起を形成する
ことにより、溝の場合と同様に昇温による締結力の低下
しない締結体が得られる。

セラミックス軸の溝又は突起の側面の傾斜を変えること
により目的に応じて接触面圧を調整できる。尚、溝の形
状は第１図はＵ字形であるが、円また、本発明の締結構
造体は、セラミックス軸の特定の傾斜をもつ溝又は突起
に金属を密着させることが必要で、金属塑性流動法で造
るのが適しているが、溝又は突起に金属が十分よく密着
されれば他の何れの方法で造ってもよい。

〔発明の実施例〕

実施例　１ 本発明の実施例としてセラミックスターボチャージャロ
ータ軸を第２　（ａ）　、　（ｂｊ図に示す。第２（ａ
）図において、セラミックスターボチャージャロータ５
の軸２の端部に軸方向に平行に溝３を８個形成する。溝
３の側面部の傾斜を第１（ｂ）図の示す如く、溝の隅が
開口縁とセラミックス軸の断面の中心とを結んだ直線の
外側になるように形成する。また金属軸１の端部に溝を
設けたセラミックス軸２の締結部分の断面形状に等しい
か僅かに大きい孔をあけ、その孔にセラミックス軸２の
締結部分を挿入し、また金属軸１の外周の締結部分に耐
圧外枠６を設け、金属軸１を軸方向に加圧する。金属は
塑性流動し、セラミックス軸の溝や外周面を覆って密着
する。その後で耐圧外枠６を取りはずすことにより、セ
ラミックス軸２と金属軸１とを締結したロータ軸を得る
。その締結部の断面を第２（ｂ）図に示す。上記の金属
塑性流動法による製法は金属がセラミックス軸の溝に密
着し、またセラミックス軸に大きな応力を発生せずに結
合できる。

製造したターボチャージャロータ軸は溝部が軸方向に平
行に配置しているので、軸トルクの伝達力は溝部の金属
部材との嵌合構造により発揮される。また、使用特番こ
エンジン排ガスにより昇温されるが、昇温と共にセラミ
ックス軸の溝側面でセラミックスと金属との接触面圧が
増大し、この増大量は溝以外のセラミックス軸外周面で
の締結面圧の温度上昇に伴う低下を補なう利点を有す。

本発明により製造したロータ軸は、セラミックス部分は
高温１こ耐え、金属部分は比較的低温で機械的強度が大
きいので、ターボチャージャロータとして優れている。

実施例　２ セラミックス軸に突起を形成した例を示す。第３　（ａ
）　、　（ｂ）図に示すように、セラミックス軸２に円
弧状の突起４を軸方向に形成し、第３（ｂ）図に示す如
く突起の根元の端部Ｃが突起の山の最大巾の端部りとセ
ラミックス軸２の中心Ｏとを結んだ直線ＯＤより内側に
なるように突起を形成して、実施例１と同様に金属塑性
流動法により金属軸１と締結し、その締結部の断面図を
第３（ａ）図に示す。軸トルクの伝達は突起部４の接触
を介した金属部材との嵌合構造によってなされ、また昇
温時の突起側面の接触面圧が大になり、セラミックス軸
と金属軸との締結力の低下は起らない。尚セラミックス
は難加工であるので突起は溝に比し加工が通常難かしい
。

〔発明の効果〕

本発明によるセラミックス軸と金属部材との締結構造物
はセラミックス軸に溝又は突起を上記の特定な形状に形
成して造られたものであり、高温度下でも締結力の低下
が起らない。特にセラミックス軸と金属軸とを締結した
回転軸は高温度下の使用においても高い信頼性を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミックス軸の溝の断面図を示し、（ａ）　
、　（ｂ）図は本発明、（Ｃ）図は対照例の場合であり
、第２図はセラミックスターボチャージャロータを示し
、（ａ）図は製造図、Φ）図は締結部の断面図であり、
第３図はセラミックス軸に突起を形成した締結体の断面
図を示し、（ａ）図は全体図、（ロ）図はその詳細図で
ある。 １・・・金属軸、２・・・セラミックス軸、３・・・溝
、４・・・突起、５・・・セラミックスターボチャージ
ャロータ、６・・・耐圧外枠。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス軸の端部に溝又は突起を軸方向に形
   成し、この溝又は突起のセラミックス軸に垂直な断面を
   、溝の場合は溝の開口縁と前記セラミックス軸の軸心と
   を結んだ直線上から外側に溝底の角部が位置し、突起の
   場合は突起の最大巾の端部と前記セラミックス軸の軸心
   とを結んだ直線上から内側に突起の根元が位置する形状
   として前記溝又は突起の側面に傾斜をつけて形成し、前
   記セラミックス軸の溝又は突起を塑性流動による金属に
   よつて覆つて密着し、セラミックス軸と金属部材とを結
   合したものであることを特徴とするセラミックス軸と金
   属部材との締結構造体。