JPS62118119A - セラミツクス軸と金属軸との接合構造 - 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、例えばターボチャージャなどに好適に採用し
うるセラミックス軸と金属軸との接合構造に関する。

「従来の技術」 窒化珪素、炭化珪素を代表とするニューセラミックスの
耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性などの特性を利用して、例
えば自動車用ターポチャ−ジャなどの分野でセラミック
ス酸の回転翼車が採用されつつある。

こうしたセラミックス酸の回転翼車を採用するにあたっ
ては回転翼車のセラミックス軸を金属軸と接合すること
が必要となる。かかる接合構造として、セラミックス軸
を接着または焼きばめにより金属軸のスリーブ内に嵌合
して接合するものが各種提案されているが、必ずしも充
分なものとはいえない。

例えば、第３図に示す従来例にあっては、セラミックス
酸の回転翼車１１にはセラミックス軸１２が一体物とし
て形成されており、金属軸２１には、スリーブ２２が一
体物として形成されている。セラミックス軸１２の側周
１３には、その全域にわたって金属化層３１が形成され
ている。そして、スリーブ２２にセラミックス軸１２を
嵌合し、スリーブ２２の内周２３とセラミックス軸１２
の側周１３との間隙にはろう材４１が接着材として介在
せしめられてセラミックス軸１２と金属軸２１とがろう
付は接着により接合されている。

しかしながら、一般に金属とセラミックスは熱膨張係数
が大きく異なるため、その熱膨張差によって接着部分に
はかなりの歪が発生することとなる。すなわち、セラミ
ックス軸１２を窒化珪素セラミックス酸とし、これと比
較的近い熱膨張係数を有するコバールまたはインコロイ
９０３、同９０７、同９０９などで金属軸２１を構成し
ても両者の熱膨張係数差はまだ大きく、しかも一般にろ
う付は接着はろう材４１の軟化・流動する高温下で行わ
れ、しかるのちに室温まで冷却されるので、その温度差
もかなりあって、接合部近傍にはかなりの歪が発生する
。ろう材以外の接着剤によって接着される場合であって
も、一般に接着時には加熱処理がなされるので状況は同
様であり、接着に代えて焼きばめであっても同様である
。さらに得られた接合構造はセラミックス軸の耐熱性を
活かして、ある程度の高温下で使用されることが多く、
シたがって接合時のみならず使用時にも反復して温度変
化にさらされて歪が発生する。

このような熱膨張差による歪が発生すると。

歪の応力集中部分で破損が起りやすくなり、脆性である
セラミックス軸１２が破損に至ることが多かった。

「発明が解決しようとする問題点」 本発明の目的は、従来技術の上記したような問題点を解
決することにあり、すなわち接合部に発生する歪を小さ
くして、信頼性が高く、容易に破損しがたいセラミック
ス軸と金属軸との接合構造を提供することにある。

ｒ問題点を解決するための手段」 本発明は、セラミックス軸を接着または焼きばめにより
金属軸のスリーブ内に嵌合して接合されてなるセラミッ
クス軸と金属軸との接合構造において、セラミックス軸
の側周のスリーブ底寄り端部は接合されていないことを
特徴とするセラミックス軸と金属軸との接合構造を要旨
とする。

すなわち、本発明によれば、後に詳述するように、セラ
ミックス軸の側周のスリーブ底寄り端部は接合されてい
ないので、高い曲げ荷重に耐えて容易に破損せず、信頼
性の高い接合構造が得られる。

本発明の好ましい態様においては、セラミックス軸の側
周と接合されるべき部位のスリーブの内径よりも、セラ
ミックス軸の側周と接合されざるべき部位のスリーブの
内径を大きくされて、セラミックス軸の側周のスリーブ
底寄り端部は接合されていない。

本発明の別の好ましい態様においては、スリーブ内周に
環状溝を設けて、セラミックス軸の側周と接合されるべ
き部位のスリーブの内径よりも、セラミックス軸の側周
と接合されざるべき部位のスリーブの内径を大きくされ
てなる。

これらの態様によれば、金属製で加工の容易なスリーブ
に簡単な加ｒを施すことにより、本発明の目的を達成で
きる。

本発明のさらに別の好ましい態様においては、セラミッ
クス軸は接着によりスリーブ内に嵌合して接合されてな
る。これによれば、セラミックス軸、スリーブとも、格
別に高精度に加工することを要せず、さらにかなりの高
温下でも安心して使用できる接合構造が得られる。

この場合のさらに好ましい態様においては、セラミック
ス軸の側周の接合されるべき部位には金属化層が形成さ
れてあり、セラミックス軸の側周の接合されざるべき部
位には金属化層が形成されていない、かかる態様によれ
ば、ろう材などの接着剤がセラミックス軸の側周の全域
に施されていても、かかる側周のうちで所定の接合され
ざるべき部位については接合されない状況が確保される
。

以下に、図面を参照しながら、本発明を詳述する。

第１図に示す本発明の実施例では、窒化珪素セラミック
ス製の回転翼車１１には同じく窒化珪素焼結体からなる
セラミックス軸１２が一体物として形成されており、コ
バール製の金属軸２１には同じくコバール製のスリーブ
２２が一体物として形成されている。セラミックス軸１
２の側周のうち、スリーブ底２４に寄った少しの部分の
側周１４には金属化層が形成されてなく、残りの大部分
の側周１５には鉄族金属、特にはニッケルの無電解メッ
キとひきつづくニッケルの電解メッキによって得た金属
化層３１が形成されている。

スリーブ２２の内周２３には周方向に一周する環状溝２
５が設けられている。セラミックス軸１２の端面は、こ
の環状溝２５の軸方向はぼ中央部に位置せしめられ、金
属化層の形成されていない側周１４と金属化層の形成さ
れている側周１５との境目に、環状溝２５の一方の端面
が位置せしめられている。かくしてセラミックス軸１２
の側周１５と接合されるべき部位のスリーブの内径より
も、側周１４と接合されざるべき部位のスリーブの内径
が大きくされている。そして内周２３と側周１５との間
隙には純銅のろう材４１が施されてセラミックス軸Ｉ２
と金属軸２１とがろう付は接着により接合されている。

かかる接合構造の性能を第７図に示す試験方法によって
測定した。すなわち、金属軸としては中空金属管５１を
用い、セラミックス軸としては中実セラミックス棒５２
を用い、接合部の構造は第１図または第３図の場合と同
様にして接合体を作成した０台座５３に固定された片持
ち治具５４に接合体の中空金属管５１を挿入支持し、中
実セラミックス棒５２に曲げ応力印加用押し林５５にて
荷重を加えていって接合体に対する曲げ試験を行なった
。スパンは２５鳳■とした。第１図の接合構造を有する
接合体にあっては最大曲げモーメントは３．０トン−■
鵬であったが、同材質、同形状で第３図の接合構造を有
する接合体にあっては最大曲げモーメントは　１．９ト
ン−■層であった。

本発明の接合構造が何故かかるすぐれた性能を示すのか
は未だ充分には解明されていないが、本発明者は次のよ
うに考えている。

すなわち前述の接合部に歪が発生する原因はセラミック
スと金属との熱ｗｒｗ係数の違いによるが、具体的には
、ろう付は時の加熱状態から室温に冷却されていく際に
発生する、金属のスリーブ２２がセラミックス軸１２を
径方向に締めつける力に基づく歪と、スリーブ２２がセ
ラミックス軸１２を軸方向に収縮させる力に基づく歪に
分割して考えることができる。第３図のような従来の接
合構造では両者が同一箇所に発生するために相乗して高
い歪となり、セラミックスの強度を低下させる原因とな
っていた。

未発明の接合構造は、このうちの軸方向に収縮させる力
に基づく歪を低減させるのに有効なためと考えている。

すなわち第４図に示すように、従来の接合構造では、ス
リーブ２２のうち、セラミックス軸１２と接合されてい
ない部分はろう付は後に熱収縮してろう付は前の径に戻
るが、セラミックス軸１２と接合されている部分はろう
材４１が介在しているためにろう付は前の径に戻れず、
セラミックス軸１２の側周先端においてスリーブ２２と
セラミックス軸１２との間のすべりが困難となる。その
ため、セラミックス軸１２内部に発生する軸方向収縮力
による歪の大きさの軸方向分布は第４図の矢線で示すよ
うになり、側周の他端における歪はかなり大きなものと
なると考えられる。

一方、第２図に示すように１本発明の接合構造では、セ
ラミックス軸１２の側周先端においてスリーブ２２とセ
ラミックス軸１２とが接合されていないため、スリーブ
２２とセラミックス軸１２との間のすべりが容易となり
、そのため、同じくセラミックス軸１２の内部に発生す
る軸方向収縮力による歪の大きさの軸方向分布は第２図
の矢線で示すようになり、側周の両端における歪はかな
り小さなものとなると考えられる。

このため本発明の接合構造によれば、全体としての歪も
小さくなって接合部の曲げ強度が大きくなっているもの
と考えられる。そしてターボチャージャなどの高速回転
体にあっては、回転軸のわずかなアンバランスや軸ぶれ
などによって高い曲げ応力が作用することを併せ考えれ
ば１本発明はかかる用途にとりわけ有効である。

本発明においてはセラミックス軸の側周のうち、スリー
ブ２２と接合されていないスリーブ底寄り端部の軸方向
長さは、スリーブ２２の大きさ、形状にもよるが、通常
は０．５〜４膳層であることが好ましい、これは０．５
腸■以上であれば充分高い曲げ強度が確保できると共に
、軸■以下であれば接合長さの短縮による接合強度の低
下もそれほど大きくないからである。

また第１図かられかるようにスリーブ２２の開口端はセ
ラミックス軸１２の形状に対応してアール部が形成され
ていてもよく、このアール部にはろう材が介在しないの
が好ましい。なおスリーブ２２の開口端にはアール部が
形成されてなくてもよい。

第５図の実施例では、第１図の環状溝２５に代えて段付
内周２Ｂが形成され、スリーブ２２の奥部内径をスリー
ブ２２の側周１５と接合されるべき部位の内径に比べて
一様に大きくされている。この実施例によれば、セラミ
ックス軸１２のスリーブ２２への嵌合深さの精度を、格
別に厳しくしなくても済む。

第６図の実施例ではスリーブ２２の形状は第５図の例と
同様に段付内周２６が形成され、接着に代えて焼きばめ
により接合されている。

第５図の場合にあっても第６図の場合にあってもセラミ
ックス軸の側周のスリーブ底寄り端部と接合されざるべ
き部位のスリーブの内径は、セラミックス軸の側周と接
合されるべき部位のスリーブ内径よりも大きくされてい
る。

なお、第１図および第５図の場合にあっては、側周１４
の上には金属化層もろう材も施されていないが、これは
必須のものではない、すなわち、金属とセラミックスと
のろう材による接着においては一般にセラミックスの表
面に金属化層を形成し、その上にろう材を施すことが必
要とされている。したがって、金属化層とろう材とのい
ずれか一方が存在するだけでは接合されていることには
ならず、本発明には接合されざるべき側周１４の上にい
ずれか一方のみが施されたものも包含される。しかして
、かかる場合におっては、本発明の目的・効果を達成し
うるかぎり、スリーブ２２の内径が側周１４に対応する
部分と側周１５に対応する部分とで等しくされていても
さしつかえない。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、セラミックス軸
を金属軸に嵌合して接着または焼きばめで接合するにあ
たり、セラミックス軸の側周のスリーブ底寄り端部は接
合されていない構造としたので、得られる接合構造は高
い曲げ強度を備え、信頼性も高められて、ターボチャー
ジャなどに好適に採用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図の要部上半を示す拡大断面図。 第３図は従来例を示す断面図、第４図は第２図の要部上
半を示す拡大断面図、第５図および第６図は本発明のそ
れぞれ異なる別の実施例を示す要部断面図、第７図は本
発明の接合構造の強度試験方法の説明図である。 １２：セラミックス軸、　　１３，１４，１５　：側周
、２１：金属軸、２２ニスリーブ ２５：環状溝、　　２８二段付内周、 ３１：金属化層、　４１：ろう材 第３図 第４図 ｔｒ　　　　　　　　　　ｔｔ 第八口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス軸を接着または焼きばめにより金属軸
   のスリーブ内に嵌合して接合されてなるセラミックス軸
   と金属軸との接合構造において、セラミックス軸の側周
   のスリーブ底寄り端部は接合されていないことを特徴と
   するセラミックス軸と金属軸との接合構造。 ２、セラミックス軸の側周と接合されるべき部位のスリ
   ーブの内径よりも、セラミックス軸の側周と接合されざ
   るべき部位のスリーブの内径を大きくされて、セラミッ
   クス軸の側周のスリーブ底寄り端部は接合されていない
   特許請求の範囲第１項記載の接合構造。 ３、スリーブ内周に環状溝を設けて、セラミックス軸の
   側周と接合されるべき部位のスリーブの内径よりも、セ
   ラミックス軸の側周と接合されざるべき部位のスリーブ
   の内径を大きくされてなる特許請求の範囲第１項記載の
   接合構造。 ４、セラミックス軸は接着によりスリーブ内に嵌合して
   接合されてなる特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれ
   か記載の接合構造。 ５、セラミックス軸の側周の接合されるべき部位には金
   属化層が形成されてあり、セラミックス軸の側周の接合
   されざるべき部位には金属化層が形成されてない特許請
   求の範囲第４項記載の接合構造。