JPH01153577A - 金属・セラミックス接合体およびその製造方法 - 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、金属・セラミックス接合体およびその製造方
法に関するものであり、さらに詳しくは、室温および高
温での強度が高く信頼性の高い金属・セラミックス接合
体およびその製造方法に関するものである。

（従来の技術） ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスは
、機械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐれているため、
ガスタービンエンジン部品、エンジン部品なとの高温構
造材料あるいは耐摩耗材料として実用化が図られている
。しかし、セラミックスは一般に硬くかつ靭性に乏しい
ため、金属部材に比較して成形加工性が劣り、また衝撃
力に対する抵抗が弱い。このため、セラミック材料のみ
でエンジン部品のような機械部品を形成することは難し
く、一般には金属部材とセラミック部材とを接合した複
合構造体としての形で使用されることが多い。

しかし、金属とセラミックスのように熱膨張係数が異な
る２種類の部材を接合した場合には、セラミック部材接
合部に過大な残留応力が発生してセラミック部材の破壊
を生じ易く、実用上問題がある。

この問題を解決するため、セラミック部材と金属部材の
接合部位を特定の位置に限定することがなされている。

例えば、ヨーロッパ特許Ｅ　Ｐ　−Ａ−０１９５６４０
号公報においては、セラミック部材に設けた凸部を金属
部材に設けた凹部に挿入し、前記凸部の外周面と前記凹
部の内周面の間を活性金属ろうで一体的に接合するとと
もに、前記凸部端面と前記凹部底面の間には隙間を設け
た構造の接合方法が開示されている。

また、実開昭５９−５７０１号公報では、セラミック製
翼車のボス部に熱膨張率が該セラミックのそれに近い金
属で製作されたスリーブを接続し、該金属製スリーブと
金属製軸とを接続してなるセラミック製翼車の、セラミ
ック製翼車と金属製スリーブ間に空間を設けた構造が開
示されている。

さらに、特開昭６２−７８１７２号公報には、セラミッ
ク製軸部材に金属製スリーブ材を嵌めた状態で接合して
なる構造において、スリーブ材の外周の軸材との接合端
部に対応する部分に、該接合端部に沿って条溝を設けた
構造が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、前記ヨーロッパ特許ＢＰ−Ａ−０１９５６４
０号公報に示されている構造の接合法では、セラミック
部材と金属部材の接合予定表面の間に活性金属ろうを配
置し、該ろうをその位置で溶融させて、両部材の接合を
行っている。かかる方法でろう付けを行うと、ろうの中
に気泡やひけなどの欠陥が発生し易く、十分な接合強度
が得られない欠点がある。

また、特開昭６２−７８１７２号公報に示されている構
造の接合法でも、セラミック軸とスリーブとの接合予定
表面にろう材を配置し該ろうをその位置で溶融させて、
セラミック軸と金属軸との間の緩衝部材とを一体的に接
合している。このため、ろうの中に気泡やひけなどの欠
陥が発生し易く、十分な接合強度が得られない欠点があ
る。

また、実開昭５９−５７０１号公報に示された構造では
、セラミック製翼車のボス車と金属製スリーブとの接合
端部にて使用時に応力集中が発生し易いため、接合強度
が劣る欠点があった。

本発明の目的は上述した不具合を解消して、製造が容易
でしかも室温ならびに高温のいずれにおいても接合強度
が極めて高い金属・セラミックス接合体を提供しようと
するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の金属・セラミックス接合体はセラミック部材に
設けた凸部が金属部材に設けた凹部に挿入されて接合し
た構造の金属・セラミックス接合体において、前記凸部
の外周面と前記凹部の内周面とでのみ接合し、前記凸部
の先端と前記凹部の底面とを接合しない構造とするとと
もに、前記金属部材の外周部の実質的全周にわたって溝
部を設け、該溝部に対応する位置に接合端が位置するこ
とを特徴とするものである。

また、本発明の金属・セラミックス接合体の製造方法は
、セラミツ、り部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
部に挿入されて、しかも前記凸部の外周面と前記凹部の
内周面がろう付けにより一体的に接合されている構造の
金属・セラミックス接合体の製造方法において、 ａ、金属部材の一端に凹部、セラミック部材の一端に凸
部を設ける工程、 ｂ、前記金属部材の凹部内周面の接合予定表面にＮｉめ
っきを施したのち、凹部底面上に活性金属を含有するろ
うを配設する工程、 ｃ、前記凸部の先端に黒鉛を塗布する工程、ｄ、前記凹
部内に前記凸部を挿入して、セラミック部材と金属部材
の接合用組立体を形成する工程、 ｅ、前記組立体を真空あるいは不活性雰囲気中でろうの
融点以上に加熱して、ろうを融解させ、該融解ろうで前
記凸部の外周面と前記凹部の内周面との間に存在する隙
間を充填する工程、ｆ、上記組立体を冷却し、ろうを凝
固させてセラミック部材の凸部外周面と金属部材の凹部
内周面との間の接合を完了させる工程、 からなることを特徴とするものである。

さらに、本発明の金属・セラミックス接合体の製造方法
は、セラミック部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
部に挿入されて、しかも前記凸部の外周面と前記凹部の
内周面がろう付けにより一体的に接合されている構造の
金属・セラミックス接合体の製造方法において、 ａ、金属部材の一端に凹部、セラミック部材の一端に凸
部を設ける工程、 ｂ、前記セラミック部材の凸部外周面の接合予定表面に
メタライズ層を設けてＮｉめっきを施す工程、 ｃ、前記凹部底面上に活性金属を含有しないろうを配設
し、前記凹部内に前記凸部を挿入して、セラ雄ツク部材
と金属部材の接合用組立体を形・成する工程、 ｄ、前記組立体を真空あるいは不活性雰囲気中でろうの
融点以上に加熱して、ろうを融解させ、該融解ろうで前
記凸部の外周面と前記凹部の内周面との間に存在する隙
間を充填する工程、ｅ、上記組立体を冷却し、ろうを凝
固させてセラミック部材の凸部外周面と金属部材の凹部
内周面との間の接合を完了させる工程、 からなることを特徴とするものである。

（作　用） 上述した構造において、金属部材とセラミック部材との
接合をセラミック部材凸部外周面と金属部材凹部内周面
との間に限定するとともに、隙間またはろうと非接合性
物質の低弾性体からなる中間体または該物質からなる膜
を介在させてセラミツク部材凸部先端表面と金属部材凹
部底面との接合を妨げ、セラミック部材の凸部先端およ
び接合端での残留応力による応力集中を緩和するととも
に、金属部材の外周部の実質的全周にわたって溝部を設
け、この溝部に対応する位置に接合端が位置するように
しているので、セラミック部材の接合端に発生する残留
応力による応力集中がさらに緩和され、曲げやねじりに
対し破壊しにくく信頼性が高い金属・セラミックス接合
体を得ることができる。

接合位置が上記以外の位置の場合には、両部材の接合端
部に発生する残留応力が過大となったり、十分な接合強
度が得られないので好ましくない。

例えば、ろう付による接合が前記凸部の表面と前記凹部
の内表面の接触部全域でなされる場合には、接合温度か
らの冷却途中で、セラミック部材とろうまたはセラミッ
ク部材と金属部材との熱膨張差による残留応力のため、
接合端においてセラミック部材が破損することがあるの
で好ましくない。

なお、本発明のような金属・セラミックス接合体は高温
で使用される場合が多く、例えば工大のように室温で接
合を行っても、上記のような熱膨張差に起因する前記凸
部と前記凹部の相互干渉による残留応力の問題は避けら
れないものである。

、これに対して、接合を本発明のうちろう付けで行った
場合は、上記凸部外周面と金属部材凹部内周面との接触
部のみでろう付けするので、接合端に発生する残留応力
を緩和でき、さらにろうとセラミック部材ならびに金属
部材が反応し、両部材の間に強固な接合部が形成される
ために室温から高温までの接合強度が強くなるばかりで
なく、接合温度からの冷却に際して焼嵌め効果が付加さ
れるので、安定して高強度が得られ好ましいものである
。

接合部の上記位置への限定は、ろうと接合性を持たない
物質からなる薄い膜をセラミック部材に設けた凸部先端
表面へ形成させることや、該物質からなる中間体または
隙間を金属部材に設けた凹部底面とセラミック部材に設
けた凸部先端表面との間に配置すること、およびそれら
を組合せて行う。

ろうと接合性を持たない物質の一例としては、黒鉛があ
る。前記凸部先端表面への黒鉛膜の形成は、黒鉛粒子懸
濁液を刷毛またはスプレーによる塗布、あるいは浸漬な
どで容易に行うことができる。また、前記中間体として
は、例えば黒鉛繊維からなるスライバー、フェルト、ウ
ェブ、ウェブ焼結体、織布のような低弾性体を単独でま
たは組合わせて使用する。

さらに、前記中間体を前記凸部先端表面と前記凹部端面
との間に介在させると、接合部位の限定を容易にしかも
確実に行えるので、接合後にセラミック部材の接合端に
生じる残留応力の低減と管理が可能となり、接合強度の
増大とばらつきの減少が達成される。

低弾性体からなる中間体の介在は、ろうと前記凹部底面
との接合を阻止する効果だけでなく、接合温度からの冷
却に際しセラミック部材と金属部材との収縮量の差によ
り生じる前記凸部先端と前記凹部底面の相互干渉を防止
し、接合部に過大な残留応力が発生することを阻止する
効果と、溶融したろうを凸部外周面と凹部内周面の間の
隙間に効率良く浸透させる効果も有している。

本発明のうち、接合をろう付で行う場合には、セラミッ
ク部材と金属部材の接合を、セラミック部材と化学的接
合が可能な活性金属元素を含有する活性金属ろうで行う
とより好ましい。該ろうとしては、活性金属元素を含む
合金ろうであってもよいし、金属基材の上に活性金属元
素を被覆した構造のろう材でもよい。ろう材に対する活
性金属の添加量の調整、取り扱いの容易さあるいは製造
の容易さを考慮すると、金属基材の上に活性金属元素を
被覆した構造のろう材の使用が好ましく、金属基材の上
に活性金属元素を蒸着した構造のろう材の使用がより好
ましい。このような活性金属元素としては、被接合セラ
ミック部材が少なくとも窒化物およびまたは炭化物を含
むセラミックスの場合には、Ｚｒ、Ｔｉ　、Ｔａ、Ｈｆ
　、Ｖ、Ｃｒ。

Ｌａ、Ｓｃ、ＹおよびＭＯからなる群から選ばれた少な
くとも一種の金属元素が好ましく、被接合セラミック部
材が酸化物セラミックスの場合には、Ｂｅ、Ｚｒおよび
Ｔｉからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素
が好ましい。

上記活性金属ろうは、セラミックスとの濡れ性が良いの
で、セラミック部材に対してメタライズ処理のような特
別な前処理をする必要はない。また、金属基材に対して
はＮｉめっきをすればろうに対しての濡れが良くなる。

従って、該ろうを使用すれば所定の接合位置へ毛細管現
象を利用して溶融ろうを浸透させることができるので、
接合予定位置にろう材を配置させずとも被接合部に形成
する隙間の管理を行うだけで、気泡やひけなどの欠陥の
少ないろう付けを行うことができる。ろう付は温度にお
ける該隙間の上限値としては、３００μｍ以下とするの
が好ましく、１５０μｍ以下とするのがより好ましい。

該隙間が３００μｍ以上では、ろうの上昇高さが減少し
、所定の接合距離が得られなくなるので好ましくない。

活性金属を含有しないろうでろう付けを行う場合は、セ
ラミック部材凸部外周部の接合予定表面にメタライズ層
を設けて該メタライズ層にＮｉめっきを施し、より好ま
しくは金属部材凹部内周面の接合予定表面にＮｉめっき
を施すことにより、上述の活性金属を含むろうの場合と
同様の効果が得られる。

また、本発明のうち、接合を圧入、焼嵌め、または冷や
し嵌めで行うと、ろう付は工程が不要となり、工程が簡
略化されるので好ましい。圧入で接合する場合、本出願
人が特願昭６１−２８５９４号に示したように、容器内
にセラミック部材と金属部材を収容し例えば１０Ｔｏｒ
ｒ程度の減圧下で圧入を実施すると、セラミ・ンク部材
凸部と金属部材凹部間に形成される隙間に圧縮された空
気が残留せず、より信頼性の高い結合体が得られるので
好ましい。

接合端を金属部材に設けた凹部の外周面の溝に対応する
位置とするためには、ろう付けの場合では、金属部材凹
部の内周部の接合予定位置にＮｉめっきを施す方法、ま
た、前記対応位置よりもセラミック部材側の凸部外周面
または凹部内周面のいずれか一方または両方に黒鉛を塗
布する方法、さらに、ろう材が所定の位置より毛細管現
象により上昇しないよう凸部外周面と凹部内周面との間
の隙間を大きくするような形状による方法がある。

また、活性金属を含有しないろうを用いてろう付けを施
す場合は、セラミック部材の凸部外周面の接合予定位置
に常法によりメタライズ層を設は該メタライズ層にＮｉ
めっきを施してろう付けすることにより、接合端を所定
の位置とすることができる。この場合、メタライズ層を
設けていない凸部先端では、ろうとセラミックが反応し
ないので接合されず、凸部先端表面と凹部底面との間に
隙間が形成される。さらに、金属部材の凹部内周面の接
合予定位置にＮｔめっきを施すことにより、該凹部内周
面とろうとの濡れが良くなるので、より好ましい。　　
　　　゛ また、圧入の場合では、圧入距離を制御することで、凸
部先端表面と凹部底面との間に所定の隙間を設けること
ができ、また金属部材凹部内周面を接合端よりセラミッ
ク部材側に向けて広がる形状とすることで、容易に接合
端を所定の位置とすることができる。

本発明の金属・セラミックス接合体を構成するセラミッ
ク部材としては、いずれの材料でもよいが、実用性を考
慮すると窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、ジルコニア
、アルミナ、ムライト、チタン酸アルミニウム、および
コージェライトからなる群から選ばれる少なくとも一種
のセラミック材料が好ましい。これらのセラミック材料
のいずれを使用するかは、本発明の金属・セラミックス
接合体の使用目的と接合すべき金属材料の種類に応じて
決定すればよい。

さらに、特に溝部を接合端に対応する金属部材の凹部外
周部に設けることにより、熱膨張差が大きくなる室温お
よびその付近において、セラミック部材の接合端に発生
する残留応力による応力集中をさらに緩和することがで
きる。

また、溝部底部径とセラミック部材凸部外径との差が、
凹部を設けた金属部材外径とセラミック部材凸部外径と
の差の０．０５倍ないし０．８倍、より好ましくは０．
１倍ないし０．６倍であると、セラミツク部材の接合端
に発生する応力集中がさらに緩和されるため、好ましい
。

（実施例） 第１図、第２図および第３図は、それぞれ本発明の金属
・セラミックス接合体の一例を示す部分断面図である。

第１図では、セラミック部材１の凸部２と、溝部３を外
周面に有する金属部材４の凹部５とをろう付けにより接
合した例を示している。接合に際して、セラミック部材
１の凸部外周面６と金属部材４の凹部内周面７との接触
面全体に活性金属ろう８を設けるとともに、接合端９が
溝部３と対応する位置となるように構成した。さらに、
セラミック部材１の凸部先端表面１０と金属部材４の凹
部底面１１との間には隙間１２が存在するよう構成した
。

また第２図に示す実施例では、セラミック部材１の凸部
先端表面１０と金属部材４の凹部底面１１との間に、ろ
うと非接合性物質からなる低弾性中間部材である黒鉛フ
ェルト１３を配置した以外は、第１図に示す実施例と同
様の構成とした。

さらに第３図に示す実施例では、セラミック部材１の凸
部２と、溝部３を外周面に有する金属部材４の凹部５と
を圧入により接合した例を示している。圧入に際して、
接合端９が溝部３と対応する位置となるように構成する
とともに、セラミック部材１の凸部先端面１０と金属部
材４の凹部底面１１との間には隙間１２が存在するよう
に圧入距離を決定した。

以下、実際の例について説明する。

去施■土 直径１８ｍｍの溶体化処理済インコロイ９０３丸棒の一
端に内径１１．０５　ｍｍ、深さ８　ｍｍの凹部５と直
径１２ｍｍの細軸部を設けるとともに凹部外周面の全周
にわたって溝部３を設けた金属部材４と、常圧焼結法に
よる窒化珪素焼結体の一端に直径１１　、０　ｍｍ、長
さ１０ｍｙｎの凸部２を設けたセラミック部材１を作製
した。上記凹部５の底部隅部にはｃ、，２の面取りが、
また開放端隅部にはテーパ加工がそれぞれ施しである。

同じく、上記凸部２の先端のエツジ部はｃ、０５のテー
バ加工が、根本部にはＲ２の曲面加工がそれぞれ施しで
ある。凹部５の内表面に厚さ１０μｍのＮｉめっきを施
したのち、該凹部底面１１上に厚さ０．４ｍｍの黒鉛フ
ェルト１３を配置し、さらに該黒鉛フェルト１３の上に
厚さ０．１＋ｎ＋ｎの銀ろう板の表面上に厚さ２μｍの
Ｔｉを蒸着した活性金属ろうを配置した。

一方、凸部先端表面１０に黒鉛を塗布したのち、該凸部
２を前記金属部材４の凹部５内に挿入して接合用組立体
を形成した。このとき、凸部外周面６と凹部内周面７と
の接合端９が、溝部３と対応する位置となるよう、金属
部材４の凹部底面１１から接合端までの内周面に厚さ１
０μｍのＮｉめっきを施した。次に、前記接合用組立体
を真空中で８５０°Ｃまで昇温しでろう付けを行ったの
ち、インコロイ９０３所定の時効硬化処理を行って第２
図に示す如き接合部形状の金属・セラミックス接合体を
作製した。

実施例１の金属部材とセラミック部材とを用いて、金属
部材凹部内周面の全体にＮｉめっきを施したのち凹部底
面上への黒鉛フェルトの配置と凸部先端表面への黒鉛の
塗布をしなかった以外は、実施例１と同一の方法により
第６図にその部分断面を示す形状の接合体を作製して比
較例１とした。

実施例１と比較例１の２種類の接合体について接合部断
面を切断してろう付けの状態を比較したところ、実施例
１の接合体では凸部外周面６と凹部内周面７の間で接合
距離４．５　ｍｍにわたって接合されていたのに対し、
比較例１の接合体では凸部外周面６と凹部内周面７の間
および凸部先端表面１０と凹部底面１１との間、すなわ
ちセラミック部材と金属部材との接触部全域で接合され
ていた。

次いで、溝部の深さの影響を調べるため、溝部の底部径
をＤとしたときのＤの値を変えた試料を本実施例および
比較例の方法により準備して、室温でねじり強度試験お
よび引張試験を行った。結果を第１表および第４図（ａ
）、　（ｂ）に示す。第１表および第４図において、以
下の式に示すようにＸを定義して、このＸにより溝部の
深さの影響を評価した。

ここで、Ｄｃ　：セラミック部材凸部外径、Ｄｆｆｉ　
＝金属部材凹部外径である。第１表および第４図におい
て、Ｘ＝１．０のときは溝部が金属部材凹部の外周に設
けられていない場合を示しており、金属部材凹部外周面
の接合端に溝部を設ける場合の比較例である。なお、こ
の比較例では試験を行うために接合体を試験装置にセッ
トするときにセラミック部材の接合端より破壊するもの
もあった。

第１表および第４図（ａ）、　（ｂ）の結果から、セラ
ミック部材凸部先端と金属部材凹部底面との間に黒鉛フ
ェルトを設けた接合体において、接合端に対応する位置
に溝部が設けられていないＸ＝１．０の場合に比べて、
本発明の接合端に対応する位置に溝部が設けられている
場合、そのうちでもＸ＝０．０５〜０．８の場合におい
て、ねじりトルク、引張破壊荷重ともに増大することが
わかった。また、Ｘ＝０．１〜０．６の場合において、
ねじりトルク、引張破壊荷重ともさらに増大することが
わかった。

なお、Ｘ＝０．０３以下では、金属部材の溝部の肉厚が
薄くなるため、金属部材の強度低下のおそれがあるので
好ましくない。

第１表の結果から、比較例１の接合体は本発明の接合体
に比べ、χの全範囲においてねじりトルク、引張破壊荷
重とも低いことがわかった。

なお、室温でのねじり強度試験および引張試験では、実
施例、比較例ともにすべての接合体はセラミック部材中
の残留応力による応力集中が大きくなる接合端より破壊
していた。

上記結果をまとめると、セラミック部材凸部外周面と金
属部材凹部内周面とをろう付けにより接合し、該セラミ
ック部材凸部表面と金属部材凹部底面との間にろうと非
接合性物質でかつ低弾性体である黒鉛フェルトを介在さ
せた接合体は、比較例１のセラミック部材凸部と金属部
材凹部との接触部全面をろう付けにより接合した接合体
よりも接合強度が高く、さらに、前記金属部材の外周部
の全周にわたって溝部を設は該溝部に対応する位置に接
合端を位置させることで、より接合強度の高い金属・セ
ラミックス接合体を得ることができることがわかった。

従って、本実施例は本発明の金属・セラミックス接合体
が室温において該接合体の接合端に発生する残留応力に
よる応力集中を低減できることを示している。

次に、高温における金属・セラミックス接合体の接合強
度を調べるため、４５０°Ｃでねじり強度試験と引張試
験を行った。なお、比較例１の接合体は室温での接合強
度が低く取り扱い上問題があるので、以下の構成の接合
体を高温試験の比較例として用いた。すなわち、金属部
材の凹部底面にのみＮｉめっきを施し、凹部底面への黒
鉛フェルトの配置と凹部先端表面への黒鉛の塗布をしな
い以外は、実施例１と同一の方法により、第６図に示す
如き接合形状の接合体を作製して比較例２とした。

比較例２の接合体の接合部断面を切断してろう付けの状
態を確認したところ、接合は凸部先端表面１０と凹部底
面１１の間で行われていた。

実施例１と比較例２の方法で得られた接合体について、
４５０°Ｃでねじり強度試験と引張試験を行い、第２表
に示す結果を得た。なお、本試験では実施例、比較例と
も破壊はセラミック部材とろうとの接合界面において発
生していた。

第２表に示す結果から、セラミック部材の凸部外周面と
金属部材の凹部内周面とを接合した本発明の接合体は、
凸部先端表面と凹部底面とを接合した比較例２の接合体
より接合強度が高いことがわかる。

４５０°Ｃの本試験条件下では、セラミック部材とろう
および金属部材の熱膨張差による残留応力は比較的小さ
（なるので、本発明の効果の一部は比較的小さくなると
考えられる。しかし接合温度より低い温度では、セラミ
ック部材とろうおよび金属部材の熱膨張差により残留応
力が、前記本発明・　の効果の一部により低減されてい
ることはこれまでの記述から明らかである。

災旌汎主 実施例１に示した窒化珪素焼結体と同一材質の窒化珪素
焼結体を用い、セラミック部材１の凸部２とＳＮＣＭ４
３９よりなる金属部材４の凹部５とを結合した接合体を
作製した。圧入前の凸部２の外径を１１．０ｍｍ、凹部
５の内径を１０．９ｍｍとした。上記凹部５の底部隅部
にはＣＯ１２の面取りが、また開放端隅部にはテーパ加
工がそれぞれ施しである。同シく、上記凸部２の先端の
エツジ部はｃ、，５のテーバ加工が、根本部にばＲ２の
曲面加工がそれぞれ施しである。本実施例では、接合は
１０Ｔｏｒｒの減圧下における圧入で行い、圧入距離を
４．５　ｍｍとし、圧入後の凸部先端１０と凹部底面と
の隙間１２が０．４１１Ｉｍとなるようにした。その後
、凹部５の金属部材外径が１８．０１１１１１になるよ
う仕上げ加工を行い、接合端９に対応する位置の外周部
の全周にわたって溝部３を形成し、部分断面を第３図に
示す如き形状の金属・セラミックス接合体を得た。

また、圧入後の凸部先端表面１０と凹部底面との隙間１
２がなくなるまで圧入を行った以外は、本実施例と同様
の方法で圧入を行い、比較例３とした。

次いで、溝部の深さの影響を調べるため、溝部の底部径
をＤとしたときのＤの値を変えた試料を本実施例および
比較例３の方法により準備して、室温で曲げ試験を行っ
た。本出願人の出願に関わる特開昭６０−１０３０８２
号公報の第９図に開示した曲げ試験装置を使用し、スパ
ンを４０ｍｍ、試験片固定端と金属部材端部との距離を
１５ｍｍとして曲げ試験を行った。結果を第３表に示す
。本実施例においても、実施例１と同様にＸを定義して
評価した。

第３表 ＊Ｘ＝１．Ｏは、本発明外である。

第３表に示す結果から、セラミック部材の凸部先端表面
と金属部材の凹部底面との間に隙間を設けて圧入により
接合した本発明の接合体は、隙間を設けない比較例３の
接合体より接合強度が高いことがわかる。

実施貫主 タービン翼車２１と軸部を常圧焼結法による窒化珪素で
一体的に形成したタービンロータの軸部先端に直径１２
．０ｏｎ、長さ７．５　ｍｍの凸部２２を設けてセラミ
ック部材とした。また、直径２１ｍｍのインコロイ９０
３の丸棒の一端に、直径１２ｍｍの合金鋼（例えばＪＩ
Ｓ−ＳＮＣＭ４３９）の丸棒を摩擦圧接した棒材を準備
した。次いで、該棒材をターボチャージャロータの構成
に必要な外径に機械加工するとともに、インコロイ９０
３側の端部に直径１２．０５　ｍｍ、深さ７．０ｍｍの
凹部２５を設けて金属部材とした。該凹部の内周面にＮ
ｉめっきを施したのち、実施例１に記載の方法と同一の
方法で接合し、第５図の如き接合部を有するターボチャ
ージャロータ用接合体を作製した。なお、前記金属部材
の凹部外周に全周にわたってシールリング溝２６とオイ
ルスリンガ溝２７とを設け、接合端２９が該シールリン
グ溝２６と対応するように構成するとともに、該シール
リング溝２６の底部径が１５ｍｍに、金属部材凹部外径
を２０ｍｍとなるように構成した。これは実施例１にお
けるＸ＝０．３７５の場合に相当する。この接合体に対
し所定の工程に従って仕上げ加工を行い、第５図に部分
断面を示す形状のターボチャージャ用タービンロータを
作製した。

一方、本実施例の方法により作製したセラミック部材と
金属部材とを、比較例１および比較例２の方法で接合し
て、本実施例と同様に溝部と接合端を構成し仕上げ加工
を行って、ターボチャージャ用タービンロータを作製し
て比較例とした。

実施例および比較例のターボチャージャ用タービンロー
タを高温回転装置に組み込み、８００　’Ｃの燃焼ガス
により２００．００Ｏｒｐｍで試験した。実施例の組立
体はこの回転数でも破壊せず、なんら異常は認められな
かったが、比較例の組立体は２００　、００Ｏｒｐｍの
回転数に達する前にセラミック部材が破壊した。

本実施例で示したように、ターボチャージャ用タービン
ロータやガスタービンロータなどの構成上金属部材凹部
外周面にシールリング溝および／またはオイルスリンガ
溝を有する接合体に本発明を適用すると、そのシールリ
ング溝またはオイルスリンガ溝を本発明の溝部として使
用できるため、簡単な構造で本発明の目的の一部を達成
でき好適である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の金属・セラミックス接合体によれば、金属部材とセラ
ミック部材の実質的接合をセラミック部材凸部外周面と
金属部材凹部内周面との間に限定し、セラミック部材凸
部先端表面と金属部材凹部底面との間に隙間またはろう
と非接合性物質からなる低弾性中間体または該物質から
なる膜を介在させることにより、前記凸部先端表面と前
記凹部底面との接合を妨げて、セラミック部材凸部先端
および接合端での応力集中を緩和するとともに、接合端
を金属部材凹部外周部の実質的全周にわたって設けた溝
部に対応する位置に位置させることにより接合端に発生
する残留応力による応力集中がさらに緩和され、その結
果面げやねじりに対し破壊しにくく信頼性の高い金属・
セラミックス接合体を得ることができる。特に、セラミ
ック部材の接合端に発生する残留応力による応力集中を
緩和する効果は熱膨張差による残留応力が大きくなる室
温および室温近傍において大きく、その結果、特に室温
および室温近傍において、曲げやねじりに対し破壊しに
くく信頼性の高い金属・セラミックス接合体を得ること
ができる。

例えば本発明の金属・セラミックス接合体でタービン翼
車およびタービン軸の一部が窒化珪素セラミックス、そ
の他の部分が高強度を有する金属からなるターボチャー
ジャロータを構成すれば、応答性と耐久性にすぐれた高
効率のターボチャージャとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図はそれぞれ本発明の金属・
セラミックス接合体の一例を示す部分断面図、 第４図（ａ）、　（ｂ）はそれぞれＸと引張破壊荷重お
よびねじり強度との関係を示す図、 第５図は本発明の金属・セラミックス接合体をターボチ
ャージャ用タービンロータに応用した実施例を示す部分
断面図、 第６図は比較例１を示す部分断面図である。 ■・・・セラミック部材　　２．２２・・・凸部３・・
・溝部　　　　　　　４・・・金属部材５．２５・・・
凹部　　　　　６・・・凸部外周面７・・・凹部内周面
　　　　８，２８・・・活性金属ろう９．２９・・・接
合端　　　　１０・・・凸部先端表面１１・・・凹部底
面　　　　　１２・・・隙間１３、２０・・・黒鉛フェ
ルト　２１・・・タービン翼車２６・・・シールリング
溝　　２７・・・オイルスリンガ溝第２図 第３図 第５図 第６図 手続補正書 昭和６２年１２月１７日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
   部に挿入されて接合した構造の金属・セラミックス接合
   体において、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面とで
   のみ接合し、前記凸部の先端と前記凹部の底面とを接合
   しない構造とするとともに、前記金属部材の外周部の実
   質的全周にわたって溝部を設け、該溝部に対応する位置
   に接合端が位置することを特徴とする金属・セラミック
   ス接合体。 ２、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面がろう付けに
   より一体的に接合されている特許請求の範囲第１項記載
   の金属・セラミックス接合体。 ３、前記凸部の外周面と前記凹部の内周面が圧入により
   一体的に接合されている特許請求の範囲第１項記載の金
   属・セラミックス接合体。 ４、セラミック部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
   部に挿入されて、しかも前記凸部の外周面と前記凹部の
   内周面がろう付けにより一体的に接合されている構造の
   金属・セラミックス接合体の製造方法において、 ａ、金属部材の一端に凹部、セラミック部材の一端に凸
   部を設ける工程、 ｂ、前記金属部材の凹部内周面の接合予定表面にＮｉめ
   っきを施したのち、凹部底面上 に活性金属を含有するろうを配設する工程、ｃ、前記凸
   部の先端に黒鉛を塗布する工程、ｄ、前記凹部内に前記
   凸部を挿入して、セラミック部材と金属部材の接合用組
   立体を形 成する工程、 ｅ、前記組立体を真空あるいは不活性雰囲気中でろうの
   融点以上に加熱して、ろうを融 解させ、該融解ろうで前記凸部の外周面と 前記凹部の内周面との間に存在する隙間を 充填する工程、 ｆ、上記組立体を冷却し、ろうを凝固させてセラミック
   部材の凸部外周面と金属部材の 凹部内周面との間の接合を完了させる工程、からなるこ
   とを特徴とする金属・セラミックス接合体の接合方法。 ５、セラミック部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
   部に挿入されて、しかも前記凸部の外周面と前記凹部の
   内周面がろう付けにより一体的に接合されている構造の
   金属・セラミックス接合体の製造方法において、 ａ、金属部材の一端に凹部、セラミック部材の一端に凸
   部を設ける工程、 ｂ、前記セラミック部材の凸部外周面の接合予定表面に
   メタライズ層を設けてＮｉめっ きを施す工程、 ｃ、前記凹部底面上に活性金属を含有しないろうを配設
   し、前記凹部内に前記凸部を挿 入して、セラミック部材と金属部材の接合 用組立体を形成する工程、 ｄ、前記組立体を真空あるいは不活性雰囲気中でろうの
   融点以上に加熱して、ろうを融 解させ、該融解ろうで前記凸部の外周面と 前記凹部の内周面との間に存在する隙間を 充填する工程、 ｅ、上記組立体を冷却し、ろうを凝固させてセラミック
   部材の凸部外周面と金属部材の 凹部内周面との間の接合を完了させる工程、からなるこ
   とを特徴とする金属・セラミックス接合体の接合方法。