JPS63251127A - セラミック製部材と金属製部材の結合方法 - Google Patents

セラミック製部材と金属製部材の結合方法

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JPS63251127A
JPS63251127A JP62082973A JP8297387A JPS63251127A JP S63251127 A JPS63251127 A JP S63251127A JP 62082973 A JP62082973 A JP 62082973A JP 8297387 A JP8297387 A JP 8297387A JP S63251127 A JPS63251127 A JP S63251127A
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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、中間部材を介して結合された結合体に関する
もので、特に熱膨脹の異なる部材、例えばセラミックス
と金属との結合に好適なｆＳ造の結合体に関するもので
ある。
また、本発明は熱膨脹の異なる部材の結合方法にも関す
るものである。
（従来の技術） 従来、熱膨脹率の相違する部材を突き合せて接着して結
合する方法としては、両者の界面に別体の中間層を設け
て結合する方法が知られている。
例えば、実開昭５９−１６０５３３号公報においては、
セラミックスと金属との接合構造として両者の界面にＷ
材またはＭＯ材よりなるクラツド材を介在させて接合す
る方法、が開示されている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述した従来方法では、熱膨脹差により結
合界面に残留応力が生じ十分な結合強度が得られなかっ
た。すなわち、第４図に金属とセラミックスの接合の場
合を例にとって説明すると、冷却前に通常の形状で接合
していた熱膨脹率の大きい金属と熱膨脹率の小さいセラ
ミックスとが、一端冷却されると金属の方が収縮が進み
第４図に示すように界面端Δ部で金属およびセラミック
スの両者に引張応力が加わり、この状態が進行すると界
面端Ａ部よりはく離や割れが生じることがあった。
また、中間層としてＷ材またはＭＯ材よりなるクラツド
材を使用した場合は、上述したような直接に両者を接合
する場合と比較して、ある程度は残留応力が除去される
ものの、この中間層の目的が接合界面における残留応力
の除去ではないため、接合界面におけるはく離や割れを
なくすことはできなかった。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、界面端のは
く離や割れが発生し難い熱膨脹の異なる部材の結合構造
およびその結合方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） 本発明は、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介して結合
する熱膨脹の異なる部材の結合構造において、前記中間
部材は、その降伏応力が熱膨脹の異なる部材の降伏応力
より小さく、且つ、中間部材の外周面に熱膨脹の小さい
部材側に向けて外径が大きくなるようなテーパを有する
ことを特徴とするものである。
さらに本発明は、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介し
て結合する方法において、前記中間部材を介して接合し
、該接合体にアニールを施した後、前記中間部材の外周
面に熱膨脹の小さい部材側に向けて外径が大きくなるよ
うなテーパを設けたことを特徴とするものである。
さらに本発明は、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介し
て結合する方法において、接合前に中間部材の外周面に
所要のテーパを設けた後、前記部材間に中間部材を、そ
のテーパが熱膨脹の小さい部材側に向けて外径が大きく
なるように配置し接合することを特徴とするものである
。
（作用） 上述した構成において、中間部材の降伏応力を熱膨脹の
異なる部材の降伏応力より小さくすることにより、熱膨
脹および熱収縮の際の熱膨脹差によって生じる引張応力
が結合界面端に加わっても中間部材が塑性変形即ちせん
断変形するため、両部材間の界面における残留応力を緩
和し、界面端のはく離や割れを有効に防止することがで
きる。
また、中間部材の外周面に熱膨脹の小さい部材側に向け
て外径が大きくなるようなテーパを設けることにより、
降伏応力が小さい（一般的には硬度の小さい）中間層の
引張応力の方向を変え、塑性変形即らせん断変形し易く
し、界面端における残留応力緩和効果が促進される。
さらに本発明の方法において、熱圧接合後の冷ＩＡ時に
７ニールを施することにより、熱Ｐ＃、脹差によって生
じた熱応力を除去し、その後テーパ加工をすることによ
り界面端のはく離や割れを有効に防止することができる
。
テーパの形状としては、第１図（ａ　）〜（ｅ　）にそ
の−例を示すように接合部材Ａ（熱膨脹率の小さい部材
）から接合部材Ｂ（熱膨脹率の大ぎい部材）に向って中
間部材Ｃにテーパが設けてあればどのような形状でも良
いものである。すなわち、ＡとＣの界面がテーパ上にあ
れば良く、さらに、広義には、第１図（ｅ　）に示すよ
うにテーパが曲面状であっても良い。即ち本発明のテー
パの定義としては中間部材Ｃのテーパ部分で接合界面に
平行に切った断面の断面積がＡからＢに向って小さくな
れば良いものであり、テーパの断面が第１図に示すよう
に直線および曲線であっても良い。さらに接合面の形状
は円形である必要はなく、四角形でも多角形でも適用で
きる。また、テーパの加工は接合前でも後で−し良い。
また、テーパの角度は、ＡとＣの接合界面におけるテー
パ断面の曲線の接線が中心軸方向に対してなす角度とす
る。
（実施例） 第２図（ａ＞、（ｂ）は本発明の結合方法を実際の部材
に応用した例を示す線図である。第２図（Ｆ　）はピス
トンキャップへ応用した例で、部分安定化ジルコニア製
ビスＩ−ンキャップ１をＣｕよりなる中間層２を介して
球状黒鉛＆５鉄よりなるピストン３に接着している。本
実施例では、中間層２に降伏応力が１０１１　／ｍｍ２
（硬度＝ＨｑＦ４０）と、黒鉛Ｕ鉄の降伏応力２５１（
ｇ、／ｍｍ２より降伏応力が小さいＣｕを用い、さらに
ビス１〜ンキヤツプ１に向って径が大きくなるようなテ
ーパが設（ブられており、これにより中間層２の塑性変
形を生じさせて界面端の残留応力を逃がしている。
第２図（ｂ）はターボチャージャーロータやガスタービ
ンロータなどの回転軸に応用した例で、窒化ケイ素より
なる回転翼の軸部８と金属製の回転軸９とをテーパを施
したＣＬＩよりなる中間層１０を介して接合している。
本発明の結合方法は熱膨服の異なる部材であればどのよ
うなものにでも応用できるが、特に上述したようなセラ
ミックスと金属の場合に有効である。このような用途に
用いられるセラミック製部材としては、窒化ケイ素、炭
化ケイ素、サイアロン、ジルコニア、ムライト、アルミ
ナ、ベリリア等が使用でき、また金属製部材としては、
ステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄、ニッケル・クロム・モリ
ブデン鋼、クロム・モリブデン鋼、アルミニウム・クロ
ム・モリブデン鋼、マルエージング鋼、析出硬化型超合
金等が使用できる。また、金属製部材としてはその一部
あるいは全部に析出硬化処理、窒化処理または高周波焼
入れ処理等の硬化処理が行なわれていると好適である。
また、中間部材としては降伏応力の小さいＣＬＩ。
Ａｕ、Ｚｎ　、Ｔｉ　、Ｐｂ　、Ｐｔ　、Ａｕ　、Ａｇ
及びそれらの合金等が使用できる。
接合方法としてはろう付け、拡散接合、溶融接合などに
よる接合あるいはこれらの組合せによる接合を用いるこ
とができる。
次に、テーパおよび中間材の性質を確認するため、第３
図（ａ）、（ｂ）に示すような形状の試験体２１を製作
した。この試験体は、直径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍの窒
化珪素＜Ｓｉ　３Ｎ４）製置板２２カ鋳鉄製丸棒２３．
２４の間に配置され、さらに円板２２と丸棒２３．２４
の間に中間部材として銅製あるいは銅合金製薄板２５．
２６が夫々配置されている。中間部材２５、２６には夫
々窒化珪素円板２２に向けて外径が大きくなるようなテ
ーパ加工が施こされている。この試験体２１はこれら丸
棒２３、薄板２５、円板２２、薄板２Ｇおよび丸棒２４
を、８００℃で限ろう付けしてｊＦ７だ。　この試験体
において、薄板２５．２６の材質、並びに薄板に設けら
れたテーパ而２７のテーパ角度θ、テーパ長さＪ２（第
３図（ｂ）参照）を種々に変化させた試験体を製作し、
引張試験を行った。
また、接合時には薄板２５．２６にはテーパを設けず接
合時に４００℃×３０分のアニールを施し、接合後、テ
ーパ加工を行ったものについても同様の試験を行った。
なお、比較のため、アニール工程を行わないもの、テー
パを設けないものについても同様の試験を行ない、その
結果を表１に記す。
表　　１ ＊１）　　Ａ：銅（降伏応力〜１０Ｋｇ／ｍｍ２、硬度
〜ＨＲＦ２Ｏ）Ｂ：　４／６黄銅（降伏応力〜２０Ｋｇ
／ｍｍ２、硬度〜ＨＲＦ８０）＊２）×は整合の冷却過
程でのばくりゃ割れの発生を○ははくりや割れの発生し
ないことを夫々示す。
この結果から明らかなように、テーパを設けないものに
比べて、テーパ部を設けたものは、冷却時の割れが発生
せず、しかも引張強度が高い。このテーパ部のテーパ角
度θは、少なくとも１０度以上好ましくは３０度以上あ
れば、有利な引張強度を得ることができ、テーパ長さも
、少なくとも０．１＋ｎｍ以上あれば強度も十分なもの
となる。
この中間部材の材料としては、降伏応力が少なくとも約
２０Ｋ（］　／ｍｍ２以下の金属、例えば、４／６黄銅
等を用いると良く、好ましくは降伏応力が約１０Ｋｃｌ
　／ｍｍ２を有する銅等を用いるのが有効である。
また、テーパ加工は接合前でも後でも良く、接合後に加
工する場合は、アニール工程を入れると応力集中による
結合力の低下が緩和できるので効果的である。
本発明は上述した実施例のみに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
例においてはセラミックスと金属との接合の場合を説明
したが、本発明の結合方法は熱膨脹の異なる部材の結合
であればどのような部材の結合にも適用できることはい
うまでもない。
（発明の効果） 以上の記載から明らかなように、本発明では、熱膨脹の
異なる部材の間にこれら部材より降伏応力が小さい中間
部材を結合し、この中間部材にテーパを施すことにより
、これら部材の熱膨脹差によって生じた引張応力を中間
部材が塑性変形することにより緩和することができ、し
かもテーパ効果により界面端の応力が方向を変え中間部
材の塑性変形をし易くする利点があり、これら効果によ
り界面端の残留応力を非常に小さくする効果がある。
さらに、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介して接合す
る場合に、接合後、アニールを施すことにより、熱応力
が除去され、これと相俟って接合の前もしくは後で中間
部材にテーパ加工を施すことにより、残留応力を減少す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ　）〜（０）はそれぞれ本発明の結合構造に
おけるテーパ面の一実施例を示す線図、第２図（ａ　）
〜（ｂ　）は、それぞれ本発明を実際の部材に応用して
例を示す線図、 第３図（ａ）、（ｂ）は本発明により製作した試験体を
示す線図、 第４図は従来の欠点を説明するための線図である。 １・・・ピストンキャップ　２・・・中間層３・・・ピ
ストン　　　　　４・・・テーパ部８・・・回転翼の軸
部　　　９・・・回転軸１０・・・中間層　　　　　　
１１・・・テーパ部特許出願人　　　日本碍子株式会社 区 一一一 第３図 （ａ′； （ｂ）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介して結合する熱
    膨脹の異なる部材の結合構造において、前記中間部材は
    、その降伏応力が熱膨脹の異なる部材の降伏応力より小
    さく、且つ、中間部材の外周面に熱膨脹の小さい部材側
    に向けて外径が大きくなるようなテーパを有することを
    特徴とする熱膨脹の異なる部材の結合構造。 ２、上記テーパの軸方向に対する角度が１０度以上であ
    る特許請求の範囲第１項記載の熱膨脹の異なる部材の結
    合構造。 ３、上記中間部材の降伏応力が２０Ｋｇ／ｍｍ＾２以下
    である特許請求の範囲第１項または第２項記載の熱膨脹
    の異なる部材の結合構造。 ５、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介して結合する方
    法において、前記中間部材を介して接合し、該接合体に
    アニールを施した後、前記中間部材の外周面に熱膨脹の
    小さい部材側に向けて外径が大きくなるようなテーパを
    設けたことを特徴とする熱膨脹の異なる部材の結合方法
    。 ６、熱膨脹の異なる部材を中間部材を介して結合する方
    法において、接合前に中間部材の外周面に所要のテーパ
    を設けた後、前記部材間に中間部材を、そのテーパが熱
    膨脹の小さい部材側に向けて外径が大きくなるように配
    置し接合することを特徴とする熱膨脹の異なる部材の結
    合方法。 ７、前記部材をテーパを有する中間部材を介して接合し
    た後、該接合体にアニールを施した特許請求の範囲第６
    項記載の熱膨脹の異なる部材の結合方法。
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