JPH01108173A - セラミックス部材と金属部材との接合部の熱応力緩和構造 - 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】 〔産業上の利用分解〕 本発明は、セラミックス部材と金属部材との間に第三部
材を介在させ、加熱して互いに接合されたセラミックス
部材と金属部材との接合部の熱応力緩和構造に関する。

〔従来技術〕

この種、接合部の熱応力緩和構造に関する従来技術とし
ては、日本金属学会会報第２５巻第５号（１９８６）４
２４頁及び日本金属学会春期大会一般講演概要Ｎｏ、４
３７　（１９８７，４）２６１頁等に記載のものが挙げ
られる。その内容は、セラミックス部材と熱膨張係数の
近い第三部材や非常に軟質な部材を該セラミックス部材
と金属部材との間に介在させた構造である。

また、他の従来技術として特開昭６１−１１７１７０号
公報に記載のセラミックスと金属体との接合方法がある
。その内容は、セラミックスよりも小型に形成された少
なくとも一個の円形金属板又は少なくとも一個の円孔が
開設された金属板を介して金属体をセラミックスに接合
させる方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、前者の従来技術では、セラミックス部材と金属
部材との間に介在させる第三部材の材料は狭い範囲に制
限されるのは勿論、その熱応力緩和効果に限度があり、
接合体の使用条件を加味すると不充分となる場合が多い
問題があった。

また、後者の従来技術では、円形金属板が、すくなくと
も−個とは記載されていても、第１図及び第６図の如く
通常は複数個必要となるため、それらを正しく配置する
製造面で固壁性を伴うと共に、最も応力集中する接合部
の外側面が凹状態となるため、接合強度が充分でない問
題があった。

また、円形金属板に少なくとも一個の円孔を設ける点に
ついては具体的な説明がなく、どのような円孔であれば
熱応力を緩和できるのか明示がない。

セラミックスと金属板とが等しい大きさである場合に、
円孔を１没けるとセラミックスにかかる圧縮応力を緩和
できる点の記載があるが、接合部が外面凹状態となる構
造で更に円形金属板に円孔を設けると接合強度が更に低
下し、特に複数の円形金属板がセラミックスと金属板と
の間で対称性良く配置されないと、偏位荷重が発生し、
−層強度を低下する問題がある。複数の円形金属板を対
称性良く配設することは必ずしも容易ではないので上記
問題は発生しやすいと言える。

本発明の目的は、接合部の接合強度を低下することなく
充分に熱応力を緩和できるセラミックス部材と金属部材
との接合部の熱応力緩和構造を提供せんとするものであ
る。

ｒ問題点を解決するための手段〕 本発明は、セラミックス部材と金属部材との間に第三部
材を介在させ、加熱して互いに接合されたセラミックス
部材と金属部材との接合部の熱応力緩和構造において、
前記第三部材に軸を共通にする円孔を設けると共に、第
三部材の外径に対する円孔の直径の比率をセラミックス
部材、金属部材及び第三部材の各素材の種類に応じて該
第三部材が中実である場合の接合強度より大となる範囲
に設定したものである。

〔作用〕

第三部材に円孔を設けて中空化することにより。

この第三部材の剛性が低下する。しかし、どのような円
孔でも熱応力緩和効果が得られるというものではない。

本発明は円孔を第三部材と軸を共通にして設けることに
より対称性を良好とし１円孔の大きさを第三部材の外径
に対する円孔の比率によって規制し、その比率の範囲を
接合される各部材の種類に応じて定めることにより、充
分かつ確実に熱応力を緩和できるものである。

本発明を適用しうる各部材の具体例を以下に例示する。

セラミックス部材としては、アルミナ（Ａ　０２０３）
　、　Ｚ　ｒ　ｏ、、　Ａ　ＩＡ　Ｎ、　５１３Ｎ４、
サイアロン、ガラス（ＳｉＯ□）、ＳｉＣ等が挙げられ
る。金属部材としては、５ＵＳ３０４、Ｃｒ−Ｍｏ鋼、
炭素鋼、軟鋼、ＷＣ−Ｃｏ合金等が挙げられる。第三部
材としてはＦ　ｅ　−Ｎ　ｉ　−Ｇ　ｏ合金、Ａｆｌ、
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｒ等が挙げられる。尚。

Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金はセラミックス部材がＺｒＯ２及
びＡＱ、Ｏ，の場合は避けるのが望ましく、一般に非酸
化物系セラミックスに対して用いるのが望ましい。

また、第三部材に設ける円孔の外径寸法に対する比率は
、その範囲が各部材の種類に応じて設定するべきもので
あるが、０．４〜０．７の範囲に設定すれば、はとんど
の部材の種類に対応でき、製造を簡単化することができ
る。この比率の下限は、これ以下では熱応力緩和効果が
充分に得られないことから規制されるもので、ＡＱ材の
場合は、０．４より小さくとも熱応力緩和効果が得られ
るがＦｅ−Ｎ１−Ｃｏ合金では０．３５当りからその効
果が得られる。ただ、０．４を下限とすれば。

はとんどの部材の種類に対しても熱応力緩和効果が得ら
れる。上限は、それ以上では第三部材とセラミックス部
材等との接合面の接触面積が小さくなり、接合強度が低
下することから規制されるものである。上限を０．７と
すればほとんどの部材の種類に対応することができる 更に、セラミックス部材と金属部材と第三部材の外形が
同形同大であると対称性が良く、最も望ましい構造であ
る。

〔実施例〕

実施例１ セラミックス部材がサイアロン、金属部材がＣｒ　−Ｍ
　ｏ鋼である場合の接合例について説明する。

第１図に示すようにサイアロン１（直径１０ｍｍ、長さ
２５ｍｍの円柱体）とＣｒ−Ｍｏｏ鋼（直径１０閣、長
さ２５１ｍ＋の円柱体）の間に中空構造のＦｅ−２９％
Ｎｉ−１７％Ｇｏ合金（直径１０ｍｎ＋、厚さｌｎｗｎ
の円板）３及びＷＣ−Ｇｏ金合金ある超硬４（直径１０
ｍｍ、７ダさ５曲ｍ）を挿入し、接合温度１１００℃、
接合圧力３　ｋｇ　／　ｍ２）接合時間３時間、真空中
の条件で拡散接合した。

ここで、第三部材であるＦｅ−Ｎ１−Ｇｏ合金３に種々
の径の円孔５を軸を共通にしてあけて中空構造とした当
該第三部材を用いて拡散接合し、接合後、これらの接合
体の曲げ試験を実施した。

その結果、第２図に示すように円孔５をあけない中実の
第三部材を用いて接合するよりも、円孔の直径りの第三
部材の外径（１０ｍ＋）に対する比率が０．７となる内
径７Ｉの穴をあけた第三部材を用いた方が高い接合強度
が得られた。比率が０゜４〜０．７の範囲で程度の差は
あれ１曲げ強度が増加している。すなわち、第三部材に
適正な径の円孔をあけて中空化することにより接合強度
は向上する。これは、接合後の冷却過程でサイアロン１
、Ｆｅ−Ｎ１−Ｇｏ合金３．超硬４．Ｃｒ−ＭＯＯ２０
それぞれの熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力緩
和効果が、中実の第三部材よりも中空のものの方が大き
いためである。すなわち。

中実の第三部材の塑性変形能よりも中空のものの方がよ
り塑性変形能が大きいため熱応力をより緩和して、その
結果として接合強度が向上したものと考えられる。

第３図に、内径７ｍの円孔をあけた中空構造の第三部材
（同図（ａ））及び円孔のない中実の第三部材（図面“
（ｂ））をそれぞれ用いて接合した接合材の接合部近傍
の変形状態を有限要素法を用いて計算した結果を示す。

同面の点線は接合前、実線は接合後の接合体の断面形状
を示す、これより、接合後の中実の第三部材に比べて中
空のものの方がより変形していることがわかる。中実の
ものは表面部近傍のみ変形、中空のものは表面及び内径
表面部も大きく変形している。同じ条件で接合しても、
接合後室温にまで冷却された時、接合部の塑性変形量が
少なければ少ないほどそれだけ内部歪みが大きく存在し
、すなわち残留応力が大きくなり、その結果、セラミッ
クスに亀裂が入ったり。

接合部強度が低下する。

一方、第２図において、円孔の大きさが７ｍｍ以上で曲
げ極度が低下するのは、接合面積の減少によるものであ
る。

実施例２ セラミックス部材と金属部材の接合において、軟質なＡ
Ｑ材又はその合金を第三部材として熱応力を緩和する方
法がある。ここでは、この方法に本発明を適用した時の
例を示す。

第４図に示すように、サイアロン１（直径１０■、長さ
２５ｍの円柱体）の間に種々の怪の円孔をあけて中空構
造としたＡ１合金クラツド材（画表皮材ＡＱ−１０％Ｓ
１−Ｍｇ合金、心材Ａｆｉ、直径１０ｍ＋＋、厚さ０．
６ｍ）を挿入し、接合温度６１０℃、接合圧力１ｋｇ／
ｍｍ”、接合時間３０分。

真空中で拡散接合した。接合後、これらの接合体の曲げ
試験を実施したところ、第５図に示す結果が得られた。

同図より、直径５１ｗ＋の円孔をあけた中空ＡＱ合金に
よる第三部材を用いた時に、最大の接合強度が得られて
いる。これより、第三部材の中空化が熱応力緩和に効果
があることがわかる。

すなわち１本実施例は、軟質なＡｆｉ合金を第三部材と
して熱応力を緩和する方法に、さらにＡＱ合金材の中空
化により熱応力緩和を図り、高い接合強度を得た例を示
す１本実施例での最適穴径は５閣である。

実施例３ セラミックス部材と金属部材の接合方法のうち、Ｔｉを
添加した銀ろうを用いて接合する方法（活性金属法とよ
ばれている）がある。この方法においても、高い接合強
度を得るため、銅、もしくは、ニッケル板をセラミック
ス部材と金属部材の間に挿入して接合している。この熱
応力緩和方法は、軟質な銅あるいはニッケルの塑性変形
を利用したものである。ここで、銅やニッケルの第三部
材を中空化してセラミックス部材と金属部材とを６１％
Ａｇ−３５％Ｃｕ−４％Ｔｉろう材を用いてろう付けす
ると、実施例１及び２と同様、接合強度の向上が認めら
れた。

実施例４ 第５図は１本発明の一実施例に係るセラミックス製羽根
車と金属回転軸との接合方法を示すセラミックスロータ
の接合部断面図である。

第５図において、６はＳｉ３Ｎ４製のセラミックス羽根
車、７はＣｒ　−Ｍ　ｏ鋼製の金属回転軸、８はセラミ
ックス製羽根車６と金属回転軸７とを接合するためのセ
ラミックス製羽根車のボス部（直径Ｌｏｗ）である、こ
のようなセラミックス製羽根車６のボス部８と金属回転
軸７の接合に際して。

両者の間にＦｅ−２９％Ｎ　ｉ　−１７％Ｃｏ合金板製
の第三部材３（直径１０■、厚さ１ｍ）、ＷＣ−６％Ｃ
ｏ合金板９（直径１０ｍ、厚さ４ｎｎ）及びＦｅ−２９
％Ｎｉ−１７％ＣＯ合金板１０（直径１０ｍｍ、厚さ０
．５ｍｍ）を挿入する。なお、上記第三部材３には円孔
５（直径７ｍｍ）を設けである。

これらを真空炉内に設置後、１０−’Ｔｏｒｒの真空度
まで排気し、１１００℃の温度まで加熱する。そして、
　１　、５ｋｇｆ　／ｎｍ”　の圧力を軸方向にかけ、
２時間保持する。このようにしてそれぞれを拡散接合し
た後、所定の形状に機械加工して、高温回転試験（オー
バースピンテスト）を実施したところ、従来のように第
三部材３に円孔を設けないで接合したロータに比較して
より強度信頼性の高い結果を得ることができた。すなわ
ち、従来ロータに比較してより高速回転で、より長く試
験しても、ロータの破損は認められなかった。

このように従来より高い強度信頼性が得られたのは、前
記説明にもあるように、中空構造の第三部材の剛性が、
中実のものよりも低いため、接合後の冷却中に発生する
熱応力↓こよって塑性変形する量が大きいことに起因す
る。すなわち、大きな塑性変形により熱応力は緩和され
、その結果として接合部の強度が向上するためである。

〔発明の考案〕

本発明によれば、より大きな熱応力緩和効果が図れ、そ
の結果としてより高い接合部強度が得られる。また１本
発明は、接合方法に関係なく適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る接合部の断面図、第２図は接合強
度に及ぼす円孔の直径寸法の影響を示す図、第３図は接
金後（室温）の接合部近傍の変形状況を示す図、第４図
は接合強度に及ぼす中空ＡＱ合金製の第三部材の直径寸
法の影響を示す図であり、第５図は他実施例の接合部の
断面図である。 １・・・サイアロン（セラミックス部材）、２・・・Ｃ
ｒ−Ｍ　ｏ鋼（金属部材）、３・・・第三部材、４・・
・超鋼、５・・・円孔。 ＠　１　図 第２　ロ ？二ｌ＃Ｉ（Ｆｅ−Ｎｒ’−Ｃｏ＃＊）６ＱＦ）１’ｒ
＃ｋＤ　　（７ｎｙｎ）第４図 Ａｌ　ｌ！Ｅｌ／’ＩｈｙｒＪ誓ρ　（ｓｙｎ）第５　
図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材と金属部材との間に第三部材を
   介在させ、加熱して互いに接合されたセラミックス部材
   と金属部材との接合部の熱応力緩和構造において、前記
   第三部材に軸を共通にする円孔を設けると共に、第三部
   材の外径に対する内孔の直径の比率をセラミックス部材
   、金属部材及び第三部材の各素材の種類に応じて該第三
   部材が中実である場合の接合強度より大となる範囲に設
   定したことを特徴とするセラミックス部材と金属部材と
   の接合部の熱応力緩和構造。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、円孔の直径の前
   記比率を０．４〜０．７としたセラミックス部材と金属
   部材との接合部の熱応力緩和構造。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、セラミックス部
   材、金属部材及び第三部材の外形は同形同大であるセラ
   ミックス部材と金属部材との接合部の熱応力緩和構造。