JPS62119178A - セラミツクスと金属の接合体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックスと金属の接合体に係り、特に高
温下で使用するセラミックス製の例えばターボチャージ
ャのタービンロータやガスタービンのインペラー等のよ
うなセラミックス部材同士やセラミックス部材と金属部
材を最適な締結圧力をもって確実に接合するようにした
セラミックスと金属の接合体に関する。

〔従来技術〕

セラミックス部材は、耐熱材料として注目され、自動車
用のエンジン、ターボチャージャ、ガスタービン等への
適用が試みられ、これにはセラミックス部材同士やセラ
ミックス部材と金属部材の接合が必要とされていた。

かかる接合を達成するものとしては、従来、例えば、外
円ｍ２ａと内円筒２ｂを金属材料により構成し該外円筒
２ａを内円筒２ｂより熱膨張率大とし両者を一体に複合
して複合円筒２を形成しその軸方向にスリット２ｃを設
は第７図及び第８図図示のように該複合用￥１２のスリ
ット形成部にセラミックス部材１ａ、１ｂを、また、第
９図図示のようにスリット以外の複合円筒２内に金属部
材３を嵌入した接合方法がある（特開昭６０−１１８６
７８号）。この方法は、該複合円筒２が高温下において
膨張して伸び、これに対応して該スリット２Ｃが縮小さ
れることにより生ずる締結圧力を利用してセラミックス
部材１ａ、１ｂ同士又はセラミックス部材１と金属部材
３の接合を行うものである。

しかしながら、この手法は、複合円筒２の軸方向に外部
に露出するスリット２Ｃを設けた構成からなるため、剛
性が極めて小さく、僅かな外力によっても容易に変形、
破損して該スリット２Ｃが広がって、該複合円筒の形状
に変化を来す傾向がある。このため、高温下で、たとえ
複合円筒２が膨張して伸び、これに対応してスリットが
縮小しても、もはや正規の締結圧力を得ることができな
くなってしまう。従って、この方法では、得られるべき
該締結圧力が減少して、ターボチャージャのタービンロ
ータやガスタービンのインペラー等といったかなりの伝
達負荷がかかり、またその負荷変動の著しいセラミック
ス部材のような大きな接合強度を要求されるものへの適
用は、強度、信頼性、耐久性に問題があり実用に供し得
ないといった欠点がある。

（発明の目的） 本発明は、上記従来の欠点を解消するものであって、高
温下で使用するセラミックス部材同士やセラミックス部
材と金属部材を最適な締結圧力にて接合しその増強を図
って信頼性、耐久性を大幅に高めるセラミックスと金属
の接合体を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明のセラミックスと金属の接合体は、一端にピスト
ン状の外側係合面をもつセラミックス部材と、該外側係
合面に被嵌した第１金属より成る外円筒と該第１金属よ
り熱膨張率小の第２金属より成る内円筒とを一体的に複
合し、軸方向にスリットを有する複合円筒と、 該複合円筒の外周面に被嵌した一端にシリンダ状の内側
係合面をもつ金属部材とから成る構成である。

本発明の第１態様は、互いに接合するため一端にビス１
−ン状の外側係合面をもつセラミックス部材と、該セラ
ミックス部材の外側係合面に被嵌した第１金属より成る
外円筒と該第１金属より熱膨張率小の第２金属より成る
内円筒とを一体的に複合し軸方向にスリットを有する複
合円筒と、該複合円筒の外周面に被嵌し一端にシリンダ
状の内側係合面をもつ金属部材とから成るセラミックス
と金属の接合体である。

また、本発明の第２態様は、互いに接合するため一端に
それぞれピストン状の外側係合面をもつセラミックス部
材及び接合用金属部材と、各外側係合面に被嵌した第１
金属より成る外円筒と該第１金属より熱膨張率小の第２
金属より成る内円筒とを一体的に複合し軸方向の一部に
スリットを有し該スリット形成部に前記ヒラミックス部
材の外側係合面を被嵌した複合円筒と、該各部材のうち
少なくともセラミックス部材を被嵌した該複合円筒の外
周面に被嵌するため一端にシリンダ状の内側係合面をも
つ金属部材とから成るセラミックスと金属の接合体であ
る。

さらに、本発明の＠３態様は、互いに接合するために一
端にピストン状の外側係合面をもつセラミックス部材と
、一端にピストン状の内側係合面をもつ金属部材と、該
金属部材の内側係合面に被嵌した第１金属より成る外円
筒と該第１金属より熱膨張率小の第２金属より成る内円
筒とを一体的に複合し軸方向にスリットを有し該スリッ
ト形成部に前記セラミックス部材の外側係合面を被嵌し
た複合円筒から成るセラミックスと金属の接合体である
。

また、本発明の第４態様は、互いに接合するために一端
にそれぞれピストン状の外側係合面をもつセラミックス
部材及び接合用金属部材と、該接合用金属部材を第１金
属より成る外円筒と成し該外円筒と該第１金属より熱膨
張率小の第２金属より成る内円筒とを一体的に複合し軸
方向にスリットを有し該スリット形成部に前記セラミッ
クス部材の外側係合面を被嵌した該複合円筒と該セラミ
ックス部材を被１＆　した該複合円筒の外周面に被嵌す
るため一端にシリンダ状の内側係合面をもつ金属部材と
から成るセラミックスと金属の接合体である。

前記複合円筒は内部に施す中空内腔が軸方向全長に亘っ
て貫通するものや、該内腔が一端にピストン状の外側係
合面をもつセラミックス部材の嵌入割合に対応して施し
た有底状のものでもよく、この他、各部材の径が異なる
場合に対処するために段付形状でもよい。該複合円筒を
構成し第１金属から成る外円筒は熱膨張率の大きい金属
材料として５ＵＳ３０４のステンレス等により構成し、
また第２金属から成る内円筒は該外円筒に比して熱膨張
率の小さい金属材料として炭素鋼、アンバー等により構
成する。また、複合円筒の軸方向に形成されるスリット
は、所定の空隙溝を有すると共に、配設位置か軸方向の
全域に亘って施す他に、セラミックス部材の嵌入割合に
対応した一部の領域でもよく、また配設形状が軸方向に
平行な直線状の他に軸方向に傾斜状や折線状や曲線状で
もよい。また、複合円筒の外周面に被嵌し一端にシリン
ダ状の内側係合面をもつ金属部材は該外円筒に比して熱
ｐＭ服率の小さい金属材料として炭素鋼、アンバー等に
より構成することにより複合円筒に対しての適切な締結
圧力を生起できる。また、該金属部材はその軸方向を該
セラミックス部材の複合円筒への嵌入割合や該スリット
長さ等に対応した長さとし、またその径方向が該スリッ
トを覆着して外円筒を嵌入するため、該複合円筒の剛性
を著しく高め、複合円筒及びセラミックス部材を適切な
締結圧力をもって接合できその強度を高めることができ
る。しかも、該被嵌用金属部材は複合円筒やスリットを
覆着してこれらへの外力の伝達を断つため変形、破損等
のトラブルが主するのを防ぐことができる。また、該セ
ラミックス部材に接合する接合用金属部材の端部に該被
嵌用金属部材や複合円筒を構成することにより、当該部
位の有効利用を図って構造を簡素化することができる。

〔発明の効果〕

上記構成からなる本発明のセラミックスと金属の接合体
は、複合円筒に所定の締代で互いに接合すべきセラミッ
クス部材を圧入すると共に、セラミックス部材を１■大
した該複合円筒の外径部に所定の締代で被嵌用金属部材
を圧入や焼成め等により被嵌して接合して成るので、該
被嵌用金属部材にＪ：って複合円筒を外側より締つけて
締結圧力の増強を図ることができる。しがも高温下にお
いて環状部材は、膨張して伸び、該被嵌用金属部材が複
合円筒の外円筒に比して熱膨張率を小さくしであるので
、複合円筒が膨張して外径方向に伸びるのを拘束して該
複合円筒に対する締結圧力を増すことができる。さらに
は、該複合円筒は膨張して伸びこれに対応し、かつ前記
被嵌用金属部材がらの締結圧力も加わってスリットの空
隙を減小させ実質的には複合円筒の径を縮小させる。こ
れにより複合円筒に嵌入された熱膨張率の小さいセラミ
ックス部材は、最適な締結圧力をもって確実に接合され
、その強度を高めることができる。このため、本発明の
接合体は、高温下での継手としてこれに加わる過酷な伝
達負荷や負荷変動等の条件に十分に対処することができ
、その信頼性、耐久性等を大幅に向上することができる
。また、引張応力に弱い性質のセラミックス部材は、本
発明にあって前記締結圧力による圧縮応力のみが作用す
るため強度的には問題はなく実用上優れた接合状態をも
たらす効果がある。また本発明において、セラミックス
部材に接合用金属部材を接合する場合にあっても一方の
該セラミックス部材は前述とほぼ同様に最適な締結圧力
をもって接合される効果がある。他方、接合用金属部材
はこれを複合円筒の他部に所定の締代で前記被嵌用金属
部材と同様に圧入や焼成め等の手段により嵌入して成り
、必要に応じ接合用金属部材と複合円筒の間、ざらに被
嵌用金属部材をも溶接により一体結合して接合の強化を
図ることができる。

以下、本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

本発明の第１実施例は、第１図及び第２図図示のように
、セラミックス部材に係る同径のセラミックス軸１ａ、
１ｂ同士の接合体である。複合円筒２は第１金属から成
る外円ｆ：ｇＩ２　ａと第２金属がら成る内円筒２ｂを
有し該外円筒２ｂを熱膨張率の大きい、例えば５ＵＳ３
０４ステンレス等により構成しである。また該内円筒２
ｂは該外円筒２ａに比して熱膨張率の小さい、例えば炭
素鋼やアンバー等により構成しである。該外円筒２ａと
内円筒２ｂとは所定の締代により圧入や焼成め等により
ｊ成金し一体的に接合されている。該複合円筒２は、こ
れの内円筒２ｂに形成した中空内腔に、互いに接合すべ
き一端にピストン状の外側係合面を有するセラミックス
軸１ａ、１ｂの嵌人聞に対応する軸方向長さと該セラミ
ックス軸１ａ１１ｂの各端部に対応する所定の口径を有
する。また、複合円筒２にはその軸方向に平行で全長に
亘り、かつ該外円筒２ａと内円筒２ｂを日通する所定空
隙のスリット２Ｃが形成されている。該複合円筒２のス
リット形成部には、互いに接合すべきセラミックス軸１
ａ、１ｂの各端部を所定の間隔を保ち、常温時に所定の
締代により圧入等の手段で被嵌しである。該セラミック
ス軸１ａ１１ｂを被嵌した複合円筒２における外円筒２
ａの外周面には、一端にシリンダ状の内側係合面をもつ
被嵌用金属部材としての金属リング４が所定の締代で圧
入や焼成め等により被嵌されている。該金属リング４は
複合円筒２の外円筒２ａに比して熱膨張率を小さい、例
えば炭素鋼やアンバー等により構成しである。本第１実
施例の接合体は、互いに接合すべきセラミックス軸１ａ
、１ｂの各端部を複合円筒２と金属リング４により一定
の締結圧力をちって一体的に接合するものである。この
ため、高温下で使用すると、金属リング４は膨張して伸
びるが、該金属リング４が複合円筒２の外円筒２ａに比
して熱膨張率を小さくしであるので該複合円＠２が膨張
して外径方向へ伸びるのを規制して該複合円筒２に対す
る締結圧力を増すことができる。しかも、該複合円筒２
は、膨張して伸びこれに対応し、かつ前記金属リング４
からの締結圧力も加わってスリット２Ｃの空隙を減少さ
仕実質的には該複合円筒２の径を縮小させる。これによ
り、本第１実施例の接合体は同径で同種部材である、複
合円筒２内に互いに嵌入された熱ｍ服率の小さいセラミ
ックス軸１ａ１１ｂの各端部を最適な締結圧力でかなり
の接合強度をもって確実に接合することができる。すな
わち、本第１実施例は第６図中筒号八にて示すように、
温度上界に伴なう接合強度を、第７図及び第８図図示の
従来例のそれに比して（図中符号Ｂにて示す）安定、円
滑で信頼できる効果を有する。このため、本第１実施例
の接合体は、高温下での継手としてこれに加わる苛酷な
伝達負荷や負荷変動等の条件に十分に対処でき、その信
頼性、耐久性等を大幅に高めることができる。

また、引張応力に弱い性質のセラミックス軸１ａ。

１ｂは、本第１実施例において上記締結圧力による圧縮
圧力のみが作用するため、強度的には問題はなく実用上
優れた接合状態をもたすことができる。また、金属リン
グ４は該複合円筒２のみならずスリット２ｃをｒｆ１着
して該複合円筒２を被嵌するため該複合円筒２の剛性を
著しく高めると共に、該複合円筒２やスリット２Ｇへ外
力が伝達されるのを断って変形、破損等のトラブルが生
ずるのを防止できる効果を有する。

次に、本発明の第２実施例は、前述とは異なり第３図図
示のように共に同径で、それぞれ一端にピストン状の外
側係合面をもつセラミックス部材に係るセラミックス軸
１と接合用金属部材に係る金属軸３の接合体である。な
お、前記実施例と同一部分は同一符号を付し詳述は省略
する。

複合円筒２はそれぞれ第１金属から成り熱膨張事大の外
円筒２ａとこれより熱膨張率小の第２金属より成る内円
筒２ｂを有する。該外円筒２ａは前記実施例とは中空内
腔が大小の口径を有する段付形状とした点が異なる。ま
た、該内円ｆｍ２ｂは該外円筒２ａの大径中腔に対応し
た長さと径を有し、該内腔内に所定の締代で圧入や焼成
め等により嵌入して一体的に接合されている。かかる構
成からなる複合円筒２にはその軸方向に沿いかつ該外円
筒２ａと内円筒２ｂの接合部でこれらを貫通して所定の
空隙を有するスリット２Ｇが一部に形成されている。該
複合円筒２のスリット２Ｇを形成する一部には、接合ず
べぎセラミックス軸１の端部が所定の締代により冷し嵌
入め等の手段で嵌大しである。また、複合円筒２の他部
には、外円筒２ａの小径内腔に金属軸３の端部が前記セ
ラミックス軸１の端部に対し所定の間隙を隔て焼成め等
の手段で嵌入しである。これらセラミックス軸１と金属
軸３とを嵌入した複合円筒２の外周面には、これより熱
膨張単車で一端にシリンダ状の内側係合面をもつ金属リ
ング４が所定の締代により焼成め等により被嵌されてい
る。本第２実施例の接合体は、接合すべき同径で異種の
セラミックス軸１と金属軸３の各端部を複合円筒２と金
属リング４により所定の締結圧力をもって一体的に接合
することができる。高温下で使用すると、金属リング４
は膨張して伸びるが該金屑リング４が該複合円筒２にお
レノる外円筒２ａに比して熱膨張単車であるため、該複
合円筒２が膨張して外径方向へ伸びるのを拘束して該複
合円筒２に対する締結圧力を増すことができる。しかも
、該複合円筒２は膨張して伸びこれに対応し、かつ前記
金属４からの締結圧力も加わってスリット２Ｃの空隙を
縮小させ実質的には複合円筒２の径を縮小させ実質的に
は複合円筒２の径を縮小させる。このため、本第２実施
例は複合円筒２のスリット２Ｃを形成する一部に嵌入さ
れた熱膨張単車のセラミックス軸１の端部は最適な締結
圧力をもって金属リング４と複合円筒２により確実に接
合できる。これに対し、複合円筒２における内円筒２ｂ
を介接しない小径内腔の他部に嵌入した金属軸３の端部
は、これ自体の膨張による伸びと前記金属リング４と外
円筒２ａとによる締結圧力とが相俟って金属リング４と
外円筒２ａにより確実に接合できる。従って、本第２実
施例の接合体は、同径で異種部材であるセラミック軸１
と金属軸３の各端部をそれぞれ適切な締結圧力により確
実に接合できる。その他車第２実施例は前記第１実施例
とほぼ同様の作用効果を実奏する。

次に、本発明の第３実施例は、前述とは異なり第４図図
示のように、接合用金属部材に係る金属軸６の端部を有
効利用して被嵌用金属部材に係る金属リング４を構成す
る。すなわら本第３実施例は、該金属リング４の有底筒
状の係合面をもつ内腔にはそれぞれ異径でスリット２Ｃ
を設けた複合円筒２を、さらに該複合円筒２の内腔には
一端にピストン状の外（ｌｌ係合而面もつセラミックス
部材に係るターボチャージャのタービンロータ５の軸部
５ａをそれぞれ同心円上に配備して成る接合体である。

該金属軸６並びに金属リング４は、複合円筒２における
外円筒２ａより熱膨張単車の材料により構成する。該金
属リング４の有底筒状の内腔には、これより熱膨張単穴
の外円筒２ａと該外円筒２ａより熱膨張単車の内円筒２
ｂとから成る複合円筒２を、所定の締代により圧入や焼
成め等の手段で嵌入して埋設し両者一体向に接合されて
いる。該複合円筒２の外円筒２ａと内円筒２ｂは、予め
所定の締代で圧入や焼成め等の手段で嵌して一体的に接
合されている。、］Ｑ合円筒２には軸方向に沿い、かつ
該外円筒２ａと内円筒２ｂを貞通ずると共に所定の空隙
を有するスリット２ｃが全長に形成されている。該複合
円筒２の内腔には、予めタービンロータ５の軸部５ａが
所定の締代により冷し嵌め等の手段により嵌入される。

本第３実施例の接合体は、接合すべき異径で異種のター
ビン［１−夕５の軸部５ａと金属軸６とを、該金属軸６
の端部に構成した金属リング４及びこれに内装した複合
円筒２により所定の締結圧力をもって一体的に接合する
ことができる。

高温下で、金属リング４は膨張して伸びるが、これに内
装した複合円筒２の外円筒２ａに比して熱膨張単車のた
め、該外円筒２ａがＵ３脹して外径方向へ伸びるのを抑
止して該複合円筒２に対する締結圧力を増すことができ
る。さらには、該複合円筒２は膨張して伸びこれに対応
し、かつ前記金属リング４からの締結圧力も加わってス
リット２Ｃの空隙を減少させ実質的には複合円筒２の径
を縮小させる。このため、本第３実施例においてタービ
ンロータ５の軸部５ａはこれの径方向に連設装備した該
複合円筒２と金属リング４により確実に接合できる。従
って、本第３実施例の接合体は、異径で異種部材である
タービンロータ５の軸部５ａと金属軸６とを同心円上に
配備しそれぞれ最適な締結圧力をもって確実に接合でき
る。そして木第３実施例は、金属軸６の端部をイｉ効利
用して金属リング４を構成すると共に、該金属リング４
、複合円筒２及びタービンロータ５の軸部５ａを同心円
上に配備しであるので、強度の確保、占有スペースの低
減、待に径方向と軸方向の縮小化を図り関連構造を簡素
化できる効果を有する。その他、本第３実施例は前記各
実施例とほぼ同様の作用効果を実奏する。

次に、本発明の第４実施例は前述とは異なり第５図図示
のように、接合用金属部材に係る金属軸６の端部を有効
利用して複合円筒２の第１金属から成る外円筒２ａを構
成する。すなわち第４実施例は、該外円筒２ａの外周面
にそれぞれ異径である金属リング４を、また内径部には
第２金属から成る内円筒２ｂを、さらに該内円筒２ｂの
内腔にはセラミックス部材に係り一端にシリンダ状の外
側係合面をもつターボチャージャのタービンロータ５の
軸部５ａをそれぞれ同心円上に配設して成る接合体であ
る。該金属軸６並びに外円筒２ａは、金属リング４や内
円筒２ｂに比して熱膨張重大の材料より構成する。該外
円筒２ａの有底筒状の内腔には、内円筒２ｂを所定の締
代により圧入や焼成め等の手段で嵌入して埋設し両者一
体向に接合され複合円筒２を溝成しである。

該複合円筒にはその外径部に金属リング４を所定の締代
により圧入や焼成め等の手段で訳合し一体的に接合され
ている。また該複合円筒２には軸方向に沿い、かつ該外
円筒２ａと内円筒２ｂを貫通すると共に、所定の空隙を
有するスリット２Ｃが一部に形成されている。該複合円
筒２の内腔には、予めタービンロータ５の軸部５ａが所
定の締代で冷し嵌め等の手段により嵌入される。

本第４実施例の接合体は、接合すべき異径で異種のター
ビンロータ５の軸部５ａと金属軸６とを、該金属軸６の
端部に構成した外円筒２ａと、これに内装した内円筒２
ｂとにより複合した複合円筒２及び外円筒２ａに外装し
た金属リング４により所定の締結圧力をもって一体的に
接合することができる。そして、本第４実施例は、金属
軸６の端部を有効利用して外円筒２ａを構成すると共に
これの内外に金属リング４、内円筒２ｂ及びタービンロ
ータ５の軸部５ａをそれぞれ同心円上に装備しであるの
で、強度上の確保、占有スペース特に軸方向長さの短縮
を図り関連構造を簡素化できる効果を有する。その他、
本第４実施例は、前記各実施例とほぼ同様の作用効果を
実奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明の各実施例をそれぞれ示すも
ので第１図及び第２図は本発明における第１実施例を示
す正面図及び横断面図、第３図は本発明における第２実
施例を示す正面図、第４図は本発明における第３実施例
を示す正面図、第５図は本発明における第４実施例を示
す正面図、第６図は第１実施例と従来例との接合強度を
比較して示す線図、第７図乃至第９図は従来例をそれぞ
れ示す正面図並びに横断面図である。 図中　１ａ、１ｂ・・・セラミックス軸　　２・・・複
合円筒　　２ａ・・・外円筒　　２ｂ・・・内円筒２Ｃ
・・・スリット　　３．６・・・金属軸　　４・・・金
属リング　　５・・・タービンロータ　　５ａ・・・軸
特許出願人　　アイシン精機株式会社 代理人　　　弁理士　　大川　宏 同　　　　弁理士　　丸山明夫 第１図　　　　　　　　第２図 第４図 第５図 第６図 ＲＴ　　　逼度 第７図 第９図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端にピストン状の外側係合面をもつセラミック
   ス部材と、 該外側係合面に被嵌した第１金属より成る外円筒と該第
   １金属より熱膨張率小の第２金属より成る内円筒とを一
   体的に複合し、軸方向にスリットを有する複合円筒と、 該複合円筒の外周面に被嵌した一端にシリンダ状の内側
   係合面をもつ金属部材とからなるセラミックスと金属の
   接合体。
2. （２）前記金属部材は両端にそれぞれシリンダ状内側係
   合面をもつ円筒状であり、両該内側係合面に複合円筒を
   介してセラミックス部材が係合して成る特許請求の範囲
   第１項記載のセラミックスと金属の接合体。