JPH01239070A - 金属・セラミックス接合体 - 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部材と金属部材とをろう材を介して
一体的に接合してなる金属・セラミックス接合体に関す
るものである。

（従来の技術） ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスは、
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、エンジン部品等の高温構造材
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て脆いため、金属材料
に比較して成形加工性が劣る。また、靭性が乏しいため
、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。

接合に際して、セラミック部材の凸部外表面を金属部材
の凹部内表面にろう付けにより接合した接合部において
、セラミック部材の凸部外表面と金属部材の凹部内表面
との間に存在するろう材が前記凸部と接する面の全面で
化学的接合により強固に固着した構造の金属・セラミッ
クス接合体が知られている。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、セラミック部材の凸部と金属部材の凹部とをろ
う付けにより接合する際、ろう材の凝固点から室温まで
温度を下げるとき、金属部材やろう材の熱膨張率が大き
くセラミック部材の熱膨張率が小さいため、熱膨張率の
差により金属部材やろう材の方が収縮量は多くなる。し
かしながら、上述しようにセラミック部材の凸部とろう
材とが接する面の全面で化学的接合により強固に固着し
ている構造においては、降温時の金属部材やろう材の収
縮時にろう材とセラミック部材が強固に固着し、ろう材
とセラミック部材の接合界面でのすべりが不可能である
ため、金属部材やろう材の収縮力がセラミック部材に及
び、セラミック部材中に無理な引張応力が発生する欠点
があった。また、凸部先端表面と凹部底面との関係、さ
らには直径と接合長さの関係には充分な検討が加えられ
ていなかった。

そのため、特に、セラミック部材中の接合端部には引張
の応力集中が増大し、この応力集中により接合体の曲げ
やねじりに対する強度が低下し、信頼性も低下する欠点
があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、室温ならびに
高温のいずれにおいても接合強度が高く信頼性も高い金
属・セラミックス接合体を提供しようとするものである
。

（課題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の第１発明は、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において、 前記セラミック部材の凸部外表面と金属部材の凹部内表
面との接合部のうちの少なくとも接合端部では、前記凸
部と前記ろう材とが化学的接合により強固に固着してい
ない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第２発明は
、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
周面と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において、 前記セラミック部材の凸部先端表面と前記金属部材の凹
部底面との間に空間またはろうと非接合性物質からなる
低弾性中間体を介在させるとともに、この空間または中
間体の厚さＧが以下の式を満たすよう構成したことを特
徴とするものであるニ−〉（α−α′　）　ｘ　（ＴＳ
　−ＴＲ）ここで、Ｌｌ：金属部材の凹部底面から接合
端までの距ｇｅｔ α：金属部材の熱膨張率 α′　：セラミック部材の熱膨張率 ＴＳ；ろうの凝固温度 ＴＳ：室温。

さらに、本発明の金属・セラミックス接合体の第３発明
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において、 前記金属部材の凹部とセラミック部材の凸部との間の軸
方向の接合長さをＬ２、該凸部の直径をＤとしたときに
、 ０．２　≦Ｌ２／Ｄ≦０．３９ の関係を満たすように接合することを特徴とするもので
ある。

（作　用） 上述した第１発明の構成において、前記接合部のうち少
なくとも接合端部では、ろう材とセラミック部材の凸部
が化学的接合により強固に固着していないため、セラミ
ック部材中の接合端部に金属部材あるいはろう材とセラ
ミック部材との間の熱膨張差による引張の応力集中が低
減され、接合体の曲げやねじりに対する強度が増大して
信頼性も高くなる。また、ろう材のような柔らかい金属
がセラミック部材の凸部と金属部材の凹部の間に介在す
るため、緩衝材の効果も得られる。さらに、セラミック
部材と金属部材との化学的接合がおこなわれている接合
界面より外側にもろう材が介在するため、腐食性のガス
が化学的接合がおこなわれている接合界面に浸入するこ
とを防ぐことができる。

さらに、前記接合部のろう材がセラミック部材の凸部外
周面全面と化学的接合により強固に固着していない接合
体は、後述の実施例で示すように曲げ強度が最も高いた
め、ターボチャージャロータのような曲げ荷重がかかる
部品には好適に適用できる。

しかし、ろう材が前記凸部外周面全面と化学的接合によ
り強固に固着していない接合体は、接合部全体の温度が
ターボチャージャロータの接合部よりもより高温、例え
ば６００℃となると、セラミック部材と金属部材との熱
膨張差による焼ばめ効果が減少するため、接合強度が低
下する心配がある。

ここで、ろう材とセラミック部材とが化学的接合により
強固に固着していないとは、ろう材がセラミック部材と
互いに接触して存在しているだけのことであり、ろう材
とセラミック部材とが接触界面で強固な化学的接合をせ
ず、ろう材がセラミック部材を機械的に締め付ける接合
をしている状態を意味している。また、接合端部とは、
前記凹部開口部付近でセラミンク部材とろう材とが接合
した接合部の端部を意味している。

上述の接合部のうち接合端部でろう材とセラミック部材
とが化学的接合により強固に固着しないようにするため
には、後述の活性金属ろうを用いてろう付けを行なう場
合は、ろうと接合性を持たない物質からなる薄い層をセ
ラミック部材に設けた凸部外表面の接合端部に対応する
位置に形成することにより、また活性金属を含有しない
ろうを用いてろう付けを行なう場合は、セラミック部材
に設けた凸部外表面の接合予定位置のうちの接合端部に
対応する位置以外にはメタライズ層を形成し、接合端部
に対応する位置にはメタライズ層を形成しないことによ
り、達成することができる。

また、金属部材の凹部にはＮｉメツキを施すことにより
、該凹部とろうとの濡れが良くなるためより好ましい。

なお、金属部材とセラミック部材との接合をセラミック
部材の凸部外周面と金属部材の凹部内周面との間に限定
するとともに、セラミック部材の凸部先端と金属部材凹
部底面との間に空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てセラ
ミック部材の凸部先端表面と金属部材の凹部底面との接
合あるいは接触を妨げると、セラミック部材の凸部先端
および接合端部での残留応力による応力集中が緩和され
、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、さらに好まし
い。

また、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と、接合端に発生する残留応力を緩
和でき、さらに接合端部以外の接合部ではろうとセラミ
ック部材ならびに金属部材が化学的接合により強固に固
着し、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成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。

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
空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。

ここで、凸部外周面とは凸部の外側側面のことであり、
凸部先端表面を含まないが、凸部外表面とは凸部の外側
表面全体のことであり、凸部先端表面を含む。同様に、
凹部内周面とは凹部の内側側面のことであり、凹部底面
を含まないが、凹部内表面とは凹部の内側表面全体のこ
とであり、凹部底面を含む。

上述した第２発明の構成において、使用する金属、セラ
ミックス、ろうの各材料により決定される厚さＧの空間
またはろうと非接合性物質からなる低弾性中間体を設け
ることにより、セラミック部材と金属部材との間の熱膨
張差によるセラミック部材の凸部先端表面と金属部材の
凹部底面との相互干渉を防止するとともに、セラミック
部材と金属部材との接合界面における接合端部での残留
応力による応力集中が低減され、その結果曲げやねじり
に対して十分な強度を有し、信頼性の高い接合体を得る
ことができる。厚さＧが（α−α′）Ｘ　（ＴＳ　−Ｔ
ｌｌ　）　ＸＬＩ以上であればよいのは、ろう付は時の
冷却期間中で考え得る金属部材とセラミック部材との熱
膨張差による収縮量の差以上の空間または中間体を設け
れば、少なくとも金属部材の凹部底面とセラミック部材
の凸部先端表面とが直接接触し相互干渉しないためであ
る。

なお、該空間や該中間体の厚さＧはろう付は時のろうの
凝固点温度において設けられる厚さであればよい。また
、該厚さの管理が難しいため、該厚さＧはろう付けし冷
却後において設けられた厚さであるほうがより好ましい
。さらに、該中間体の厚さＧとしては、接合前の室温に
おける厚さであってもよい。この場合は、量産化するに
際し、該厚さを管理することにより、容易に接合強度が
大きく、信頼性の高い接合体を得ることができる。

接合部として、ろう付けをセラミック部材に設けた凸部
の外周面と金属部材に設けた凹部の内周面との間で行な
うとともに、前記凸部先端表面と前記凹部底面との間に
空間またはろうと非接合物質からなる中間体を介在させ
る方法としては、ろうと接合性を持たない物質からなる
薄い膜を前記凸部先端表面に形成させることや、該物質
からなる中間体を前記凹部底面と前記凸部先端表面との
間に配置すること、およびそれらを組合せて行う。

上述した第３発明の構成において、金属部材凸部直径で
あるＤにより最適な接合長さし２を選択することにより
、セラミック部材と金属部材との熱膨張差に起因する接
合部の接合端部に発生する応力集中を低減することがで
き、その結果、接合体の曲げやねじりに対する強度が向
上して信頼性も向上する。ここで、Ｌ２／Ｄの値が０．
２以上で０．３９以下と限定したのは、後述する実施例
から明らかなように、Ｌ２／Ｄの値が０．３９よりも大
きいと破壊曲げ荷重が低下して所望の強度を達成できな
いためである。また、Ｌ２／Ｄの値が０．２未満である
とろう付は面積が減少し、接合強度が低下するため、引
張強度が低下するとともに、セラミック部材の凸部が金
属部材の凹部とのろう付は部より容易に離脱するためで
ある。

ただし、接合長さＬ２とは金属部材の凹部内周面とセラ
ミック部材の凸部外周面との間でろう材により接合され
た長さである。

なお、金属部材とセラミック部材との接合をセラミック
部材の凸部外周面と金属部材の凹部内周面との間に限定
するとともに、セラミック部材の凸部先端と金属部材凹
部底面との間に空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てセラ
ミック部材の凸部先端表面と金属部材の凹部底面との接
合あるいは接触を妨げると、セラミック部材の凸部先端
および接合端部での残留応力による応力集中が緩和され
、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、さらに好まし
い。

また、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と、接合端部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成め効果が付加され
るので、安定して高強度が得られ好ましい。

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
空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と好ましい。

さらに、前記中間体を前記凸部先端表面と前記凹部底面
との間に介在させると、接合部位の限定を容易にしかも
確実に行なえるので、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。

セラミック部材と金属部材とのろう付けによる接合を行
なうために使用するろう材は、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あ
ると好ましい。

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、Ｂ
ｅ、　ＺｒおよびＴ１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、金属部材に対して
はＮｉメツキ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。

活性金属を含有しないろうで例えば、上述の第１発明の
接合体のろう付けを行う場合は、セラミック部材の凸部
外表面の接合予定位置のうち接合端部と対応する以外の
位置にメタライズ層を設けて該メタライズ層にＮ１メツ
キを施し、より好ましくは金属部材の凹部内表面の少な
くとも接合予定位置にＮ１メンキを施すことにより、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
。この場合、メタライズ層を設けていない凸部の接合端
部の対応位置では、存在するろう材と凸部とが化学的接
合により強固に固着していない。同様に凸部先端表面に
メタライズ層を設けないと、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
空間が形成される。

さらに、金属部材の凹部内表面の接合予定位置にＮ１メ
ツキを施すことにより、該凹部内表面とろうとの濡れが
良くなるので、より好ましい。

さらにまた、セラミック部材の凸部外表面と金属部材の
凹部内表面の接合予定位置のうち接合端部と対応する以
外の位置に、活性金属の箔を配置し、凸部外表面の接合
端部と対応する位置に黒鉛等のろうと非接合物質からな
る薄い層を形成し、金属部材の凹部底面には、活性金属
を含まないろう材を配置してろう付けを行うことにより
、活性金属ろうを使用したと同様の効果を得ることも出
来る。

本発明の金属・セラミックス接合体を形成するセラミッ
ク材料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
ージェライトよりなる群から選ばれた少なくとも一種の
セラミック材料とするのが好ましい。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やろうの
種類に応じて決定すればよい。

さらにまた、第１発明、第２発明および第３発明のうち
のいずれかの発明を組み合わせればセラミック部材の凸
部の接合端部に発生する応力集中をさらに低減でき、よ
り接合部の強度が強く、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。

（実施例） 第１図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の第１発明であ
る金属・セラミックス接合体の一例を示す部分断面図で
ある。各実施例において、セラミック部材１の凸部２と
金属部材３の凹Ｂ４とをろう５を使用してろう付けによ
り接合するとともに、接合端６から所定距離βだけろう
５がセラミック部材１の凸部２と化学的接合により強固
に固着しないよう構成している。以後、この所定距離β
を化学的非接合距離と呼ぶ。セラミック部材１の凸部２
とろう５とが化学的接合による強固な固着をしないよう
にするためには、例えば化学的接合により強固に固着さ
せない部分のセラミック部材１の凸部２に黒鉛等のろう
と非接合物質を塗り通常のろう付は操作を実施すること
により達成できる。

第１図（ａ）に示した実施例では、接合予定位置の金属
部材３の凹部４の内表面全面にＮ１メツキを施すととも
に、セラミック部材１の凸部２の接合予定位置の接合端
６から化学的非接合距離βの部分にろうと非接合物質で
ある黒鉛を施した後、活性金薫ろう５を使用して接合す
ることにより、凹部４の内表面とセラミック部材１の凸
部２の外表面との間の接合予定位置の接触面を全面ろう
付けし、接合端６より化学的非接合距離βの部分におけ
る凸部４と活性金属ろう５とは化学的接合により強固に
固着していない構造の金属・セラミックス接合体を示し
ている。なお、通常の活性金属元素を含有しないＡｇろ
うを使用するときは、上述した凹部４の内表面全面への
Ｎｉメツキ後、化学的非接合距離βの部分を除く接合予
定位置の凸部２の外表面全面にメタライズ層を設け、該
メタライズ層にＮｉメツキを施すことにより、同様な接
合を達成することができる。

第１図（ｂ）に示す実施例では、接合予定位置の凹部４
の少なくとも内周面にＮ１メツキを施し、化学的非接合
距離βの部分および凸部２の先端表面には黒鉛を塗布し
た後、活性金属ろう５を使用して凸部２の外周面と凹部
４の内周面との間でろう付けにより接合するとともに、
接合端６より化学的非接合距離での部分における凸部４
と活性金属ろう５とは化学的接合により強固に固着せず
、凹部４の底面と凸部２の先端表面との間に空間７を設
けた構造を示している。

第１図（Ｃ）に示す実施例では、接合予定位置の凹部４
の少なくとも内周面にＮ１メツキを施し、化学的非接合
距離βの部分と凸部２の先端表面に黒鉛を塗布するとと
もに、凹部４の底面であって凸部２の先端表面と接触す
る位置にろうと非接合物質からなる低弾性中間体である
黒鉛フェルト８と該黒鉛フェルト上に活性金属ろうとを
設け、凸部２を凹部４内に挿入して接合用組立体を形成
した後、該接合用組立体を真空中で加熱し、該ろうを溶
融させ、さらに毛細管現象を利用して、溶融ろうを接合
予定位置へ浸透させ、凸部２の外周面と凹部４の内周面
との間でろう付けにより接合するとともに、接合端６よ
り化学的非接合距離βの部分における凸部４と活性金属
ろう５とは化学的接合により強固に固着せず、凹部４の
底面と凸部２の先端表面との間に中間体が存在し、凹部
４の底面と凸部２の先端表面とが接合あるいは直接接触
していない構造を示している。

上述した第１図（ｂ）、　（Ｃ）に示すように、凹部４
の底面と凸部２の先端表面とが空間Ｔまたは黒鉛フェル
ト８により直接接触しない構造あるいは接合していない
構造の実施例においては、凹部４の底面と凸部２の先端
表面とが接触している場合や接合されている場合に生じ
る凸部２の先端や接合端６の近傍での応力集中を防止で
きるため好ましい。

第２図（ａ）、ら）はそれぞれ本発明の第２発明である
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。各実施例においては、セラミック部材１１の凸部１
２と金属部材１３の凹部１４とは前記凸部１２の外周面
と前記凹部１４の内周面との間の該凹部１４の底面から
接合端１８までの距離りで底部に空間または中間体を厚
さＧとなるようろう付けにより接合した例を示している
。

第２図（ａ）に示す実施例では、接合予定位置の凹部１
４の少なくとも内周面にＮ＋メツキを施し、凸部１２の
先端表面には黒鉛を塗布した後、活性金属ろう１５を使
用して凸部１２の外周面と凹部１４の内周面との間の凹
部１４の底面から接合端１８までの距離がＬｌとなるよ
う接合するとともに、凹部１４の底面と凸部１２の先端
表面との間に厚さＧの空間１６を設けた構造を示してい
る。なお、通常の活性金属元素を含有しないＡｇろうを
使用するときは、上述した凹部１４の少なくとも内周面
へのＮｉメツキ後、接合予定位置の凸部１２の外周面に
メタライズ層を設け、該メタライズ層にＮ１メツキを施
すことにより、同様な接合を達成することができる。

第２図（ｂ）に示す実施例では、接合予定位置の凹部１
４の少なくとも内周面にＮｉメツキを施し、凹部１４の
底面の上に厚さＧのろうと非接合性物質からなる低弾性
中間体である黒鉛フェルト１７と、該黒鉛フェルトの上
に活性金属ろうとを配置し、凸部１２の先端表面に黒鉛
を塗布した後、凸部１２を凹部１４内に挿入して接合用
組立体を形成するとともに、該接合用組立体を真空中で
加熱し、該ろうを溶融させ、さらに毛細管現象を利用し
て、溶融ろうを接合予定位置へ浸透させ、凸部１２の外
周面と凹部１４の内周面との間の凹部１４の底面から接
合端１８までの距離がＬｌとなるようろう付けにより接
合し、凹部１４の底面と凸部１２の先端表面との間に中
間体が存在し、凹部１４の底面と凸部１２の先端表面と
が接合あるいは直接接触していない構造を示している。

本発明では、第２図（ａ）、　（ｂ）に示す実施例にお
いて、セラミック部材および金属部材の熱膨張率をα′
およびαとするとともに、活性金属ろうまたはろう５の
凝固温度をＴ５、室温をＴＲとした場合に、空間または
中間体の厚さＧをＧ／Ｌｌ　　＞（α−α′　）　Ｘ　
（ＴＳ　−ＴＲ）を満たす値となるよう設計すれば、良
好な接合体を得ることができる。

第３図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の第３発明にお
ける金属・セラミックス接合体の一例を示す部分断面図
である。各実施例において、セラミック部材２１の凸部
２２と金属部材２３の凹Ｂ２４とをろう２５を使用して
ろう付けにより接合するとともに、凸部２２と凹部２４
との間の軸方向の接合長さをＬ２、凸部の直径をＤとし
たときに、０．２≦Ｌ２／Ｄ≦０．３９の条件を満たす
ように設けた例を示している。

第３図（ａ）に示した実施例では、接合予定位置の金属
部材２３の凹部２４の内表面全面にＮ＋メツキを施した
後、活性金属ろう２５を使用して接合することにより、
凹部２４の内表面とセラミック部材２１の凸部２２の外
表面の接触面とを実質的に全面ろう付けした構造を示し
ている。なお、通常の活性金属元素を含有しなも鳳ｇろ
うを使用するときは、上述した凹部２４の内表面全面へ
のＮｉメツキ後、接合予定位置の凸部２２の外表面全面
にメタライズ層を設け、該メタライズ層にＮｉメツキを
施すことにより、同様な接合を達成することができる。

第３図（ｂ）に示す実施例では、接合予定位置の凹部２
４の少なくとも内周面にＮ１メツキを施し、凸部２２の
先端表面には黒鉛を塗布した後、活性金属ろう２５を使
用して凸部２の外周面と凹部４の内周面との間でろう付
けにより接合するとともに、凹部２４の底面と凸部２２
の先端表面との間に、空間２６を設けた構造を示してい
る。

第３図（Ｃ）に示す実施例では、接合予定位置の凹部２
４の少なくとも内周面にＮｉメツキを施し、凸部２２の
先端表面に黒鉛を塗布し、凹部２４の底面であって凸部
２２の先端表面に接触する位置にろうと非接合性物質か
らなる低弾性中間体である黒鉛フェルト２７と該黒鉛フ
ェルト上に活性金属ろうとを設け、凸部２２を凹部２４
内に挿入して接合用組立体を形成した後、該接合用組立
体を真空中で加熱し、該ろうを溶融させ、さらに毛細管
現象を利用して、溶融ろうを接合予定位置へ浸透させ、
凸部２２の外周面と凹部２４の内周面との間でろう付け
により接合するとともに、凹部２４の底面と凸部２２の
先端表面との間に中間体が存在し、凹部２４の底面と凸
部２２の先端表面とが接合あるいは直接接触していない
構造を示している。

上述した第３図（ｂ）、　　（Ｃ）に示すように、凹部
２４の底面と凸部２２の先端表面とが空間２６または黒
鉛フェルト２７により直接接触しない構造あるいは接合
していない構造の実施例においては、凹部２４の底面と
凸部２２の先端表面とが接触している場合や接合されて
いる場合に生じる凸部２２の先端や接合端２８の近傍で
の応力集中を防止できるため好ましい。

以下、実際の例について説明する。

実施例１　（第１発明） 直径：１８ｍｍの溶体化処理済インコロイ９０３丸棒の
一端に内径：１１．０５ａ＋ｍ、深さ８ｍｍの凹部４と
直径１２酪の細軸部を設けた金属部材３と、常圧焼結法
による窒化珪素焼結体の一端に直径：１１．Ｏｍｍ、長
さ：１０ｍｍの凸部２を設けたセラミック部材１を作製
した。

なお、上記凹部４の底部隅部にはＣ０，２の面取りが、
また開放端隅部にはテーパー加工がそれぞれ施しである
。同じく、上記凸部２の先端エツジ部はＣ０１５のテー
パー加工が、根本部にはＲ２の曲面加工がそれぞれ施し
である。

これらの金属部材とセラミック部材について、上述した
第１図（ａ）〜（Ｃ）に示す方法で厚さ０．１ｍｍの銀
ろう板の表面上に厚さ２μｍのＴ１を蒸着した活性金属
ろうを使用して、接合端６と凹部底面との距離を５　ｍ
ｍに固定した状態で化学的非接合距離ｌを種々変えて本
発明および比較例の金属・セラミックス接合体を得た。

このとき、第１図におけるＮｉメツキの厚さは１０μｍ
であり、第１図（Ｃ）に示す例では、厚さ：０．４ｍｍ
の黒鉛フェルトをろうと非接合性物質からなる低弾性中
間体として使用した。

準備した本発明および比較例の接合体に対し、第４図に
示す曲げ試験装置により金Ｒ部材３を固定してセラミッ
ク部材１に荷重を付加することにより、セラミック部材
１の凸部２が接合端部近傍より破壊するときの曲げ荷重
を測定して、破壊曲げ荷重とした。なお、第４図におい
て、β、−４０ｍｍ、β２＝５ｍｍとした。結果を第１
表および第５図に示す。

第１表 第１表および第５図から、第１図（ａ）に示す全面ろう
付は構造の場合比較例の化学的非接合距離βが０すなわ
ち側面全面がろう付けされ、接合端部も含め凸部２の外
表面全面が化学的接合により強固に固着しているものと
比べて、少なくとも接合端部が化学的接合により強固に
固着していないすなわちβが０以外の本発明品の方が高
い破壊曲げ荷重を示すことがわかった。また、化学的非
接合距離βは凸部外周面と凹部内周面との間の接触面に
おける接合距離がほぼ５ｍ＋ｎの場合Ｑ、５ｍ＋ｎ以上
好ましくはｌ、９ｍｍ以上であるとより高い破壊曲げ荷
重を示し、側面全面が化学的接合により強固に固着して
いない側面全面化学的非接合のものが最高の破壊曲げ荷
重を示した。

また、第１図（ａ）に示す全面ろう付は構造の接合体よ
りも、第１図（ｂ）に示す凹部底面と凸部先端表面との
間に空間を設けた接合体の方が、さらには第１図（Ｃ）
に示す中間体としての黒鉛フェルトを設けた接合体の方
が、高い破壊曲げ荷重を示すことがわかった。

実施例２（第２発明） 直径：１８＋ｎｏ＋の溶体化処理済インコロイ９０３丸
棒の一端に内径：１１．０５＋＋＋ｍ、深さ８化の凹部
１４と直径１２加の細軸部を設けた金属部材１３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；１０面の凸部１２を設けたセラミック部材
１１を作製した。

なお、上記凹部１４の底部隅部にはＣ０９２の面取りが
、また開放端隅部にはテーパー加工がそれぞれ施しであ
る。同じく、上記凸部１２の先端エツジ部はＣ０，５の
テーパー加工が、根本部にはＲ２の曲面加工がそれぞれ
施しである。

これらの金属部材とセラミック部材について、上述した
第２図（ａ）、　（ｂ）に示す方法で厚さ０．１ｍｍの
銀ろう板の表面上に厚さ２μｍのＴｉを蒸着した活性金
属ろうを使用して、空間および黒鉛フェルト等の中間体
の厚さＧを種々変えて本発明の金属・セラミックス接合
体を得た。このとき、第２図（ａ）。

（ｂ）におけるＮ１７ンキの厚さは１０／！Ｊｍ、第２
図（ｂ）における黒鉛フェルト１７の厚さは０．４ｍｍ
であった。

なお、金属部材の熱膨張率α：　１３．　ＯＸｌ０−６
１／ｌ、セラミック部材の熱膨張率α′　：　３．５Ｘ
１０−１／ｌ、ろうの凝固温度’ｒ、　：　７８０℃、
室温Ｔｉ　：　２０℃であり、この場合の（α−α′　
）　Ｘ　（ＴＳ　−ＴＲ）の値は？、２Ｘ１０−３であ
った。

一方、同様の形状で凹部１４の底面と凸部１２の先端表
面との間に空間および中間体を設けずに凹部１４の内表
面と凸部１２の外表面との接触面とを実質的に全面ろう
付けした第６図にその部分断面を示す比較例の接合体を
準備した。

準備した本発明および比較例の接合体に対し、室温中で
第４図に示す曲げ試験装置により金属部材１３を固定し
てセラミック部材１１に荷重を付加することより、セラ
ミック部材１１の凸部１２が接合端部より破壊するとき
の曲げ荷重を測定して、破壊曲げ荷重とした。なお、第
４図において、ｆ！、、　＝４０ｍｍ、Ｌ−５＋ｎｎ＋
とし７た。結果を第２表および第７図に示す。なお、第
２図（ａ）に示す空間Ｇは試験後切り開いて実体顕微鏡
により観察して測定した値を、また第２図ら）に示す中
間体の厚さＧは接合前の中間体の厚さより測定した。

第２表 第２表および第７図から、所定の空間又は中間体を設け
た本発明の接合体は、それらを設けない比較例の接合体
と比較して高い破壊曲げ荷重を示すことがわかった。ま
た、Ｇ／Ｌ、　は（α−α′）×（ＴＳ　　ＴＲ）の値
である７、２Ｘ１０−３を超えると破壊曲げ荷重が十分
に高くなることがわかり、Ｇ／Ｌｌ　　＞ｌ０ＸＩＯ−
３がより好ましく、Ｇ／Ｌｌ　　＞２０ＸｌＯ−３がさ
らに好ましいことがわかる。

実施例３（第２発明） 高温における接合強度を調べるため、実施例２と同様の
接合体に対して、試験温度４５０℃において通常の引張
試験を実施した。結果を第３表に示す。

第３表 第３表の結果から、Ｇ　／　Ｌ　＋　の値が大きくなる
と高温における接合強度が低下することがわかり、Ｇ　
／　Ｌ　ｌ　≦０．４が好ましくさらにＧ　／　Ｌ　＋
　≦０゜３が好ましい。これはろう付けによる接合面積
が小さくなるからである。

実施例２および実施例３の結果より、空間または黒鉛フ
ェルト等の中間体の厚さＧは凸部先端表面と凹部底面が
熱膨張差により相互干渉しない値であればよいことがわ
かる。

実施例４　（第２発明） タービン翼車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１２．０
ｍｍ、長さ７．５ｍｍの凸部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９０３の丸棒の
一端に、直径１２ｍｍの合金鋼（例えばＪＩＳ−３ＮＣ
Ｍ４３９　）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９０３側の
端部に直径１．２．０５　ｍｍ、深さ７．０ｍｍの凹部
を設けて金属部材とした。該凹部の内周面にＮ１メツキ
を施したのち、実施例２に記載の方法と同一の方法で接
合し、接合部が第２図（ａ）に示すような空間を有する
ものと第２図（ｂ）に示すような黒鉛フェルトを有する
本発明のターボチャージャロータ用接合体を作製した。

なお、空間および黒鉛フェルトの厚さＧはＧ／Ｌ＋−２
０Ｘ１０−３とした。

また、これらの接合体に対し所定の工程に従って仕上げ
加工を行い、ターボチャージャ用タービンロータを作製
した。

一方、同様の形状で凹部底面と凸部先端表面との間に空
間および中間体を設けずに凹部の内表面と凸部の外表面
との接触面とを全面ろう付けしたターボチャージャ用タ
ービンロータを作製し比較例とした。

本発明および比較例のターボチャージャ用タービンロー
タを高温回転試験装置に組み込み回転試験を実施した。

その結果、本発明のタービンロータは両者とも２００．
０００　ｒｐｍ　、　８００℃において異常なく回転し
て破壊しなかったが、比較例のタービンロータは回転を
２００，０００　ｒｐｍに上げる途中で破壊した。

実施例５　（第３発明） 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３ｍｍの凹部２４
と直径１２市の細軸部を設けた金属部材２３と、常圧焼
結法による窒化珪素焼結体の一端に直径：１１．０ｍｍ
、長さ：１０市の凸部２２を設けたセラミック部材２１
を作製した。

なお、上記凹部２４の底部隅部にはＣ０９２の面取りが
、また開放端隅部にはテーパー加工がそれぞれ施しであ
る。同じく、上記凸部２２の先端エツジ部はＣＤ、５の
テーパー加工が、根本部にはＲ２の曲面加工がそれぞれ
施しである。

これらの金属部材とセラミック部材について、上述した
第３図（ａ）〜（Ｃ）に示す方法で厚さ０．１ｍｍの銀
ろう板の表面上に厚さ２μｍのＴｉを蒸着した活性金属
ろうを使用して、それぞれに対してＬ２／Ｄを種々変え
て本発明および比較例の金１嘱・セラミックス接合体を
得た。このとき、第３図におけるＮ１メツキの厚さは１
０μｍであり、第３図（Ｃ）に示す例では、厚さ：０．
４ｍｍの黒鉛フェルト２７をろうと非接合性物質からな
る低弾性中間体として使用した。

準備した本発明および比較例の接合体に対し、第４図に
示す曲げ試験装置により金属部材２３を固定してセラミ
ック部材２１に荷重を付加することにより、セラミック
部材２１の凸部２２が接合端部より破壊するときの曲げ
荷重を測定して、破壊曲げ荷重とした。なお、第４図に
おいて、βｌ　−＝４ｏｍｍｓβ２＝５ｍｍとした。結
果を第４表および第８図に示す。

第４表 第４表および第８図から、Ｌ２／Ｄの値が０．２以上で
０．３９以下であれば７０ｋｇ以上の破壊曲げ荷重を得
られることがわかった。なお、Ｌ２／Ｄの値が０．２５
以上で０．３５以下であるとさらに好ましい。

また、第３図（ａ）に示す全面ろう付は構造の接合体よ
りも、第３図ら〕に示す凹部底面と凸部先端表面との間
に空間を設けた接合体の方が、さらには第３図（Ｃ）に
示するうと非接合性物質からなる低弾性中間体としての
黒鉛フェルトを設けた接合体の方が、高い破壊曲げ荷重
を示すことがわかった。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるのではなく、
幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実施
例のうち、凹部底部と凸部先端表面との間に空間または
中間体を設けた場合は空間のみまたは中間体のみで構成
したが、ろうと非接合性物質からなる薄い膜をセラミッ
ク部材の凸部先端に形成しても同様の効果が得られ、さ
らに薄い膜、空間、中間体のうちのいくつかを混在させ
ても同様な効果が得られることは明らかである。

（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
の第１発明〜第３発明の金属・セラミックス接合体によ
れば、接合部の接合状態、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の空間または中間体の状
態、凸部直径と接合長さとの状態を限定することにより
、セラック部材と金属部材あるいはセラミック部材とろ
う材との間の熱膨張差に起因する接合端部に働く残留応
力による応力集中が低減できることなどにより曲げやね
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。

また、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、残留応力の低減、ろう材の
緩衝作用、接合界面への高温の排気ガス等の腐食性ガス
の侵入が防止でき、耐久性にすぐれ、さらに応答性にす
ぐれた高効率のターボチャージャロータを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　〜（Ｃ）、第２図（ａ）、　（ｂ）およ
び第３図（ａ）〜（Ｃ）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図は試験に使用した曲げ試験装置を示す図、第５図
は本発明の第１発明における曲げ荷重試験の結果を示す
グラフ、 第６図は比較例の金属・セラミックス接合体を示す部分
断面図、 第７図および第８図はそれぞれ本発明の第２発明および
第３発明における曲げ荷重試験の結果を示すグラフであ
る。 １、　１１．２１・・・セラミック部材２、１２．２２
・・・凸部 ３、１３．２３・・・金属部材 ４、１４．２４・・・凹部 ５、１５．２５・・・ろうあるいは活性金属ろう６、１
８．２８・・・接合端 ？、　１６．２６・・・空間 ８、１７．２７・・・黒鉛フェルト 第１図 Ｈ−−→ Ｌ２ 第４図 第７図 Ｇ／Ｌ１

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、しかも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において、 前記セラミック部材の凸部外表面と金属部 材の凹部内表面との接合部のうちの少なくとも接合端部
   では、前記凸部と前記ろう材とが化学的接合により強固
   に固着していないことを特徴とする金属・セラミックス
   接合体。 ２、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
   内周面と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において、 前記セラミック部材の凸部先端表面と前記 金属部材の凹部底面との間に空間またはろうと非接合性
   物質からなる低弾性中間体を介在させるとともに、この
   空間または中間体の厚さＧが以下の式を満たすよう構成
   したことを特徴とする金属・セラミックス接合体； Ｇ／Ｌ＿１＞（α−α′）×（Ｔ＿Ｓ−Ｔ＿Ｒ）ここで
   、Ｌ＿１：金属部材の凹部底面から接合端までの距離 α：金属部材の熱膨張率 α′：セラミック部材の熱膨張率 Ｔ＿Ｓ：ろうの凝固温度 Ｔ＿Ｒ：室温。 ３、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において、 前記金属部材の凹部とセラミック部材の凸 部との間の軸方向の接合長さをＬ＿２、該凸部の直径を
   Ｄとしたときに、 ０．２≦Ｌ＿２／Ｄ≦０．３９ の関係を満たすように接合することを特徴とする金属・
   セラミックス接合体。