JPS6184304A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は一般的にセラミック部材を内側に−それに接し
て外側に金属部材を接合一体とする方法、更に詳しくは
、既に成形焼成されたセラミック部材に対し粉末冶金技
術を応用して金属部材を直接的に接合一体とする方法に
関する。

（従来の技術） 内燃機関の耐熱性、耐摩耗性構造部材として耐熱、耐摩
耗性に優れたセラミックス材料と金属材料との複合技術
が近時発展的趨勢に置かれ、特に製法のシンプル化や両
材料の接合面での強度中安定性のレベルアップが研究課
題ときれている。上記のような構造部材は前述したセラ
ミック材料の特性を生かしその欠点である耐衝撃性を金
属材料で補なうために通常構造体の芯となる内側にセラ
ミック部材を、外側に金属部材を夫々配置するものであ
る。而して金属材料はセラミック材料に較べて熱膨張・
収縮が激しいので、過度の収縮応力がセラミック部材に
作用しないように１反面両者の接合部位での接合強度の
信頼性にも夫々留意しなければならない。

（発明が解決しようとする問題点） 従来なされてきた接合方法としては、良く知られている
ように金属部材の焼嵌めと云う全く機械的なもの或はロ
ー付けと云う化学的なものがあるが、耐久性に於てやは
シネ充分である上は製法上も面倒である。

上記に鑑みセラミック部材の接合面にメタライズ層やガ
ラス層を形成し、その上に金属部材を複合させてこれら
メタライズ層、ガラス層と云う中間層によシ、セラミッ
ク部材と金属部材との間に化学的親和性を付与し且つ熱
膨張−収縮の顕差を緩衝することをねらいとするもので
あるが、製法上著しく複雑とならざるを得ない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点に鑑みなされたものでその要旨とす
る所は、内側に配置したセラミック部材の外表面に接触
して金属部材を複合一体とする方法に於て、予め所望の
形状に成形焼成されたセラミック部材と、所望の形状に
成形された粉末金属成形体とを機械的に複合させて粉末
金属成形体を圧縮ストレス存在下に焼結して前記セラミ
ック部材に接合一体と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。本発明によると内
側のセラミック部材に対して外側の金属部材は両者間に
ガラスや金属の中間層を介することなく粉末冶金の技術
によシ直接接合することが出来る。即ち、粉末冶金技術
に於ては所望形状に圧粉成形された粉末金属成形体は所
定の焼結温度に加熱されると膨張と収縮とを繰シ返しな
がら最終的々焼結体とされるが１本発明ではこのカテゴ
リーによって焼結体内に内蓄される収縮応力をセラミン
ク部材表面に作用させることによって両部材の 間の接合力を生み出すものであり、金属戸造体のように
緻密な中実体を形成しない焼結体に於ては使用時に加熱
・冷却を繰シ返して受けてもその膨張・収縮は中実体に
較べて遥かに低い。而して通常の粉末冶金技術に於ては
粉末金属を所望の形状に成形する時に粉体に圧力を付与
して所謂圧粉成形を行なうが、この成形時の圧力によっ
て粉末金属の密度が上昇することが焼結体内に生起する
収縮率の低減に寄与することが知られておシ、この性質
を利用してセラミック部材の接合部位に過度の収縮応力
を与え々いことを知見した。本発明では上記の粉末冶金
技術を踏襲した粉末金属成形体を得てからセラミック部
材と機械的に複合させて無加圧下で粉末金属を焼結する
か或はセラミック部材の外表面に粉末金属を充填して焼
結する際に粉末金属＊、填部位に積極的に圧縮力を加え
て焼結するかの込づれかにより、少なくともセラミック
部材との接合部位には部分的な圧密部を形成し。

これによシ焼結体の収縮応力の軽減を図ることを採シ入
れている。望ましい実施例に於て、この圧密部の形成は
テーバ、ラビリンスもしくは凸部と圧縮力との組み合わ
せによって効果的に実施される。また、圧密部の分布の
工夫、或いは接合部位に於ける質量軽減手法の導入によ
シ収縮応力を更に低減することも採択出来る。以下に本
発明を更に詳しく述べる。

用いるセラミック部材は製品の使用環境に耐久出来る物
理的・化学的性質を備えたものであれば広く採用出来る
が、望ましい実施例では、内燃機関のロッカーアームを
例に採り、オイルによる冷却・潤滑を受は且つはソ２０
０〜２５０℃の高熱下で連続使用に供せられる環境から
セラミック部材としては窒化珪素（８ｉｓＮｉ　）焼成
体を採シ上げている。粉末金属材料としても使途目的か
ら各種の粉末金属が選択出来るが、望ましｂ実施例では
ステンレス鋼粉末（オーステナイト系、フェライト系及
びマルテンサイト系）を選出しである。セラミック部材
と組み合わせて粉末金属を圧縮ストレスの施与下に所望
の形状に成形する方法として本発明では既に述べたよう
に、また第１図に示すように２様の方法を採択している
。即ち、その１は粉末金属を所望の形状に圧粉成形して
粉末金属成形体ｂ１を得、この成形体ｂ１と既に成形焼
成されたセラミック部材ａとを機械的に複合させ（この
場合は嵌合）てから焼結する方法であ如、他は金型−セ
ラミック型もしくはカーボン型ｄ内にセラミック部材ａ
をセットしその周囲に粉末金属を充填し、この粉末金属
充填物ｂｌを加圧しながら焼結する方法である。先の特
許請求の範囲に於て“成形された粉末金属成形体、とは
、前者に於ける粉末金属成形体及び後者に於ける加圧を
受けている粉末金属充填物の両者を指称し、“圧縮スト
レス、とは前者の成形時に加えられる圧粉用圧力、後者
に於ては充填物に加えられる加圧力そのものを指称する
。前者方法は粉末金属の熱膨張率曲線がリニアもしくは
それに近い場合或いは粉末金属成形体の形状が相手のセ
ラミック部材との関係で比較的単純なものに適合し、後
者方法は粉末金属の熱膨張率曲線が非リニアの場合或い
は粉末金属成形体の形状が比較的複雑（例えば、テーパ
、ラビリンスもしくは凸部を持っている）のものに適合
する。その理由は前者に於ては焼結時の熱膨張率が事前
に算出され易いので、成形体の寸法をその膨張代を見込
んで適宜設定し易いこと並びに圧粉成形は比較的単純な
形状のものに限られているためであり、後者に於ては、
焼結時の異常な膨張代を予測し得ぬこと及び異常膨張を
抑制するために連続的な圧縮力を採シ続ける必要のある
こと並びに複雑な形状に対応して粉（本を圧力によって
粉体移動乃至塑移動させて成形し得るためである。

いづれに於ても粉末金属の粒径は一般的な３０〜５０　
、ｉ／！、程度の範囲でよい。しかし低い範囲の多孔度
であれば特にオイルに浸っている部品の場合に潤滑性や
冷却性が良くなシ併せて摺動特性も良好となるので差支
えない。焼結温度はこれ迄の粉末冶金技術上のものと変
らないが焼結算囲気については例えばマルテンサイト系
ステンレス鋼のように使用金属がカーボンをピックアッ
プすることによシ接合強度が急減することがあシ得るの
で注意を要する。後記実施例に示すようにマルテンサイ
ト系ステンレス鋼の場合、還元性器囲気ではセラミック
部材に接合しないことが起こシ、他方真空算囲気ではフ
ェライト地になってはいるものの相応の接合強度〔抜は
強度）が得られてｂる。但し、セラミック部材それ自体
は粉末金属の焼結温度にもよるが一般的に焼結算囲気に
鈍感もしくは非活性であるので特別な制限はない。第１
図の前者方法に於ける成形時の圧力はこれ迄の粉末冶金
の圧粉成形の圧力１００　Ｋｇ／）ｒｍ”程度でょく亦
後者方法に於て焼結しながら与える圧力も上記とはソ同
程度でよい。このような圧縮ストレスは粉末金属の粉体
の充填密度を上げこれによシ粉末金属の焼結時の熱膨張
・収縮を抑制し、これによシセラミック部材に過度の収
縮応力を付与することを防止する。接合強度をよシ強化
する配慮から粉末金属成形体のうち特にセラミック部材
との接合部位の密度を高めるため第２図に示すようなテ
ーパ手法が望まれる。即ち、第２図に於てボトム型ｄ１
上にセットされたセラミック部材ａの上部周体に上向テ
ーパ面１を形成し、この部材ａの周囲にキャビティＣを
隔設してサイドＷ　ｄ　２　ｅ　ｄ　３を設置し上記キ
ャビティ・ｃ疋粉末金属ｂＯを充填ｂニジ、リング状プ
レスＰをもってこの粉末金属充填体ｂ１上面を垂直に押
圧すれば上記テーパ面ｔに対応する部位は垂直に圧力の
か＼る部位に較べて内部圧縮圧力が高まシ、この部位に
部分的な圧密部ｂｌｌが形成され、これによってセラミ
ック部材−に過度の収縮応力の集中のないように図るこ
とが出来る。これに代る方法としては、第３図（イ）の
如き凸部ｅをセラミック部材ａに設けたり、（ロ）のよ
うにラビリンスｆを同じくセラミック部材ａに設けて接
合部位の圧縮力を部分的に高めることによっても達成出
来る。セラミック部材ａ側に上記したような部分的増圧
を図る形状のない場合（例えば円筒体の場合）で接合部
位の圧密部を高める手法としては第５図（イ）（ロ）の
ものがある。即ち、セラミック部材哀にリング状金属部
材すを複合させるに。

部材すを形成する粉末金属充填体ｂ１の上部、側部を上
パンチＰ１．Ｐｉ及びサイドパンチＰ２．Ｐ２で抑止し
た状態で下パンチＰ３．Ｐ３を更に左右に２つのパンチ
Ｐ３１ｅｐａｚ　　に区分し、このウチ下パンチＰ３２
　　側の粉末金属を下パンチＰ３１　　よシ増厚状とな
してから〔Ｃイ）参照〕、下バンチＰ３２゜Ｐ３２　　
を上方に押し上げて同図（ロ）にみられるように接合部
位側をよシ圧密ｂｌｌ　　となせば、前例と同様にセラ
ミック部材ａと面接する金属部材すの収縮応力を低減し
て良好な接合強度を得ることが出来る。上記は粉末金属
充填体ｂ１に部分的な圧密部ｂｌｌ　を形成する手法に
ついて述べたが、之に代って接合部位の金属部材すの質
量低減手法を採択することも出来る。即ち、第４図（イ
）の如きリング状粉末金属充填体ｂ１をセラミック部材
ａと接合するものに於て、同図（イ）のような真リング
の下部をＣ口）の如く焼結前に円錐状に切欠いて切欠部
ｇによシこの部分の質量を低減すれば金属部材すの当該
部分の収縮応力が減少するので圧密法に代る手法として
適宜代替出来る。

本発明の実験によると、ステンレス鋼の粉末をｍ−た場
合オーステナイト系及びフェライト系の場合は粉末金属
成形体を予じめ製作する方法、即ち前者方法で良好な接
合強度が得られるのに対しマルテンサイト系では変態時
の熱膨張率が非リニアであるために、後者方法を採用し
た方が良き接合強度が得られることが判明している。ス
テンレス鋼粉末をマルテンサイト化する熱処理の方法と
しては良く知られている所の、鋼材の材質（ＳＵＳ番号
）に対応する焼なまし、焼入れ及び焼もどしの仕様に従
って実施すればよい。なお、焼結時に雰囲気からのカー
ボンピックアップや粉末金属の成形助剤としてのステア
リン酸などからのカーボンピックアップによる浸炭に留
意する必要があシ、之を防ぐためには真空炉内で焼結す
るとか、粉末金属充填体とセラミック部材とを鉄板尋で
外気とは断絶的に囲繞するとかの配慮も必要となる。

本発明によって得られる複合部材の一例を第７図Ｃイ）
Ｃ口）に示す。同図は内燃機関の金属製ロッカアームｈ
１即ちその一端が吸・排気弁ｉに、他端がカムｊに夫々
連結されたものでカムｊの１回転中に１回宛吸・排気弁
ｌを開放するものであシ、このカムｊと摺接する側に同
図（ロ）に示すように金属製アームｈの内部に金属製ス
リーブｂを介して独楽状のセラミック部材ａを複合一体
とするもので、この部材ａはカムｊとの摺接部材として
高耐摩耗性の８１ｓＮｍセラミックよシ女シ、一方スリ
ーブｂはステンレス銅よシなるものである。このセラミ
ック部材ａと金属部材すとは既に述べたような要領にて
接合一体とされるものであり、使用時にこの摺接部位は
常時オイルにて潤滑と冷却とを受け。

またはソ１００℃〜７０℃程度の温度下に置かれるもの
である。

（作用゛） 本発明は以上述べたように金属部材として鋳造金属を用
いることなく粉末金属の焼結体を適用し且つ焼結前もし
くは焼結時に圧縮ストレスを付加することにより少なく
ともセラミック部材との接合部位に圧密部を形成し、こ
れによって強い収縮応力がセラミック部材に作用しない
ように、しかし接合に必要な抱持力が焼結体に内在する
収縮応力によって得られるようになる。そして必要によ
ってはテーパ。ラビリンス、凸部をセラミック部材側に
設けて圧密部を増大したシ、圧縮範囲に強弱をつけて圧
密部の分布に変化を与えたシすることによシ、或いは質
量低減手法によって接合部位の収縮応力の低減に変化を
与えることが出来る。

（実施例） （イ）セラミック部材−４ｇ　７図図示のロッカアーム
の一端のカムに摺接する独楽状 の８１ｇＮａよシなる部材。

（ロ）金属部材・・・第７図の金属製スリーブとなるも
ので０表１）のようにＳＵ８４１０及び ＳＵＳ　３０４０２種を用いた。なお粉末ステンレス鋼
の粒度は３０〜１５０ ）ｔ−焼結温度は１１００〜１１５０ ℃で、この粉末ステンレス鋼を予じ め３０　Ｋｇ／＋ｎ＋”にて圧粉成形した（前者方法に
よる）。

ｅ→結果・・・＠１）の如し。

Ｃ表１） 〔註〕　抜は強度は第６図に示すように強度テスト用サ
ンプルに於てリング状金属部材すの厚みをＬ―円柱状セ
ラミック部材ａの直径をり、セラミック部材ａの上面に
垂直方向に付加される荷重をＷと夫々し、その際の接合
部位に発生する応力（引張）をδとした時、 ので、この値が大なる程強度大なることを示す。

（表１）から判るようにオーステナイト系のものは還元
性算囲気下で焼結した場合％１５　ＫＢ／ｆｆ１ｉｕと
云う高い抜は強度を発揮した。一方、マルテンサイト系
では還元性算囲気下では接合しないのに対し、真空下で
は１０Ｋｇ／ａｌｌ”と云う値を示したが、この値はオ
ートステナイト系に較べて低い値となっている。Ｃ表１
）よりマルテンサイト系に於ては界囲気よりのカーボン
ピックアップの傾向が強いためであろうと予測される。

なお、マルテンサイト系は後者方法（焼結時に圧縮スト
レスを与える方法）によって実用的な抜は強度が得られ
ている。他方、オーステナイト系ではカーボンピックア
ップの傾向は伺等現われていない。

（発明の効果） 本発明は以上の説明から理解されるように、セラミック
部材に対して金属部材を粉末冶金技術による成形・焼結
及び成形時もしくは焼結時の圧縮ストレスの付与によっ
て接合一体と出来るので。

両部材間に中間層を介在させる必要が一切ないので製造
上類る有利であると共に特に８ｉａＮｎの如〈従来メタ
ライズによる中間層の形成が不能とされていたセラミッ
ク部材の複合に福音をもたらし、また、テーパ、凸部な
どの複雑な形状をもったセラミック部材についても、或
いはマルテンサイト系ステンレス鋼についても後者方法
によって実現可能であるので、以上本発明は従来の此種
複合技術の適性の増大に寄与出来る利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフローチャート％第２図は本発明に於
ける粉末金属充填物のテーパによる圧密手法を示す説明
図、第３図（イ）（ロ）は凸部及びラビリンスによる第
１図同様図、第４図（イ）Ｃ口）は本発明にＣ表１）の
抜は強度を算出するだめの複合品の要部縦断面図、第７
図（イ）Ｃ口）は本発明によって得られる複合品の一例
としてのロッカーアームの斜視図と要部縦断面図を夫々
示す。 （符号の説明） （１６）’ ａ・・・セラミック部材、ｂｏ−・・粉末金属、ｂ・・
・金属部材、ｂｌ・・・粉末金属充填体、ｂｌｌ・・・
圧密部、Ｃ・−キャビティ、ｄ−・金型もしくはカーボ
ン型、ｅ・・・凸部、ｆ・・・ラビリンス、ｇ・・・切
欠部、ｈ・・・金属製ロッカアーム、ｉ・・・吸・排気
弁、ｊ・・・カム、Ｐ・・・プレス、Ｐｌ・・・上パン
チ、Ｐ２・・・サイドパンチ、Ｐ３・・・下バンチ％ｔ
・・・上向テーパ面。 −以上− 代理人弁理士（６２３５）　松　野　英　彦αη

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内側に配置したセラミック部材の外表面に接触して
   金属部材を複合一体とする方法に於て、予め所望の形状
   に成形焼成されたセラミック部材と、所望の形状に成形
   された粉末金属成形体とを機械的に複合させて粉末金属
   成形体を圧縮ストレス存在下に焼結して前記セラミック
   部材に接合一体と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。 ２、前記圧縮ストレスが前記粉末金属成形体時に付与さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の接合方法。 ３、前記圧縮ストレスが前記粉末金属成形体の焼成時に
   該成形体に付与される特許請求の範囲第１項記載の接合
   方法。 ４、前記圧縮ストレスが前記粉末金属成形体のうち、前
   記セラミック部材との接合部位に局部的な圧密部が形成
   されるように付与されている特許請求の範囲第１項、第
   ２項及び第３項いづれか記載の接合方法。 ５、上記圧密部を形成することが接合力を部分的に高め
   るテーパ、ラビリンスもしくは凸部によつて実施される
   特許請求の範囲第４項記載の接合方法。 ６、焼成后の金属部材が前記セラミック部材との接合部
   位に収縮による過度の圧締力を付与しないように該金属
   部材の接合部位に面取りのような質量低減手法を講ずる
   ことを含む特許請求の範囲第１項記載の接合方法。 ７、セラミック部材が窒化珪素（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）、粉
   末金属がステンレス鋼粉末である特許請求の範囲第１項
   記載の接合方法。