JPH02127986A - セラミックス製回転体と金属軸の結合構造 - Google Patents

セラミックス製回転体と金属軸の結合構造

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JPH02127986A
JPH02127986A JP63278112A JP27811288A JPH02127986A JP H02127986 A JPH02127986 A JP H02127986A JP 63278112 A JP63278112 A JP 63278112A JP 27811288 A JP27811288 A JP 27811288A JP H02127986 A JPH02127986 A JP H02127986A
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JP
Japan
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shaft
metal
metallic
face
sleeve
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JP63278112A
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English (en)
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Kazuhisa Sanpei
和久 三瓶
Masatsune Kondo
近藤 正恒
Hideo Nakamura
秀生 中村
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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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〉 本発明は例えばセラミックス製ターボロータシャフトに
適用できるセラミックス製回転体と金属軸の結合構造に
関する。
〈従来の技術〉 内燃機関のターボチャージャーは排気エネルギーでター
ボロータシャフトを回し、その動力でコンプレッサーを
駆動することにより吸入空気又は混合気を予圧する装置
であり、そのタービンホイールはかなりの高熱にさらさ
れる。またターボチャージャー付エンジンの欠点として
ターボ回転の立ち上がり遅れが指摘されているが、この
タービンホイールの重量の重いことが一因とされている
0以上のことからタービンホイールを金属に比べて軽量
で耐熱性に優れ、しかも金属なみの強さを有しているセ
ラミックスで形成するのは効果的である。
そのため第6図に示すようにセラミックス製タービンホ
イールlの回転中心部に設けられた軸突起部2に金属ス
リーブ3を焼ばめるか、又は充填金属でロウ付けし、そ
の金属スリーブ3に別の金属で形成された金属軸4を電
子ビーム溶接で接合したセラミックス製ターボロータシ
ャフトが提案されている(特開昭62−119180号
、同62−70275号、同61−152902号公報
参照)。
金属スリーブ3の材料としては、耐熱合金、特にインコ
ロイ、インコネル等の高温強度が大きい析出硬化型合金
が使用されることが多い、これら析出硬化型合金は一旦
析出硬化しても、その合金の溶体化処理温度を超える温
度に加熱された後に空冷されると、時効処理により析出
硬化したものが再度溶体化処理されることとなり、金属
スリーブ材料の硬度及び強度が低下してしまう。
この現象は金属スリーブ3に金属軸4を電子ビーム溶接
した時の溶接接合面に現れる。金属スリーブ3にインコ
ロイ903を使用し金属軸部材に低合金鋼を使用した場
合の電子ビーム溶接部を第7図に示す。該図中、6は溶
接ビート部を、7は溶接熱影響部(軟化領域)を示して
いる。
電子ビーム溶接部近傍の硬度測定結果を第8図に示す、
該図は、断面図で示した測定部位とビッカース硬度を示
すグラフを対応させた図である。
金属スリーブ3の時効処理後のビッカース硬度は350
以上であるのに対して、溶接ビート部6ならびに金属ス
リーブ3の溶接熱影響部7のビッカース硬度は200以
下に低下している。つまり領域6.7が再溶体化された
ことを示しており、その軟化領域7は軸突起部2との結
合部8(金属スリーブ3の軟化が問題となる領域11)
まで達している。
このように電子ビーム溶接の熱影響によって再溶体化さ
れ強度低下を生じる金属スリーブ3が、セラミックス製
タービンホイールlの軸突起部2に、化学的結合を有さ
ない焼ばめ等の機械的結合で固定される場合には、軸突
起部2と金属軸4の結合強度が低下してしまうことにな
る。
電子ビーム溶接後、再度時効処理を施せば、溶接熱影響
部7の硬度は回復するか、−殻内に時効処理には長時間
の熱処理か必要である。インコロイ903の場合、78
0’C−8時間保持→620”C−8時間保持→空冷、
か標準的な時効処理条件である。また、電子ビーム溶接
後に、セラミックス製タービンホイールlと金属軸4を
結合させた状態で時効処理を行なおうとすると、例えば
同一の炉を使用する場合、結合前の状態で熱処理を実施
する場合の鍾以下の数量しか処理できず、生産性が非常
に低下するという問題か生じる。
なお第9図に示すように金属軸4を金属スリーブ3に嵌
合させ、A方向から溶接する構造、あるいは第1O図に
示すように溶接部Bをより金属軸4側に移すべく金属ス
リーブ3を長くする構造が考えられるが、第9図に示さ
れる結合構造ではスリーブ3と金属軸4の嵌合面に対し
て直角方向の残留引っ張り応力(熱応力)が生じ、溶接
部分に割れが発生しやすく、また第1O図に示される結
合構造では金属軸4のフランジ部13の肉厚を厚くしな
ければならず寸法上の制約から別の問題が生じる。
本発明は上記問題を解決する目的でなされたものであり
、その解決しようとする課題は、強固な結合が得られし
かも非常に生産性よ〈実施できるセラミックス製回転体
と金属軸の結合構造を提供することである。
(課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本発明のセラミックス回転体
と金属軸の結合構造は、セラミックス製回転体の軸突起
部に嵌合固定した析出硬化合金製スリーブの他端に、金
属軸をそのフランジ部を以って溶接した構造であって、
該フランジ部と上記スリーブとの溶接接合面を、セラミ
ックス製回転体の軸突起部端面より金属軸側において回
転中心軸とは鋭角(9Q’より小さい角)をなして金属
軸側に傾斜するテーパ面としたことを特徴とする。
即ち本発明の結合構造は、セラミックス製回転体の回転
中心部に形設されている軸突起部に、析出硬化型合金か
らなる金属スリーブを、化学的結合による接合状態を有
さない機械的結合、例えば加熱後の金属スリーブの熱収
縮による締め付は力を利用した焼はめ、もしくはロウ付
は材を使用した中間金属充填による結合等で固定させた
後、その金属スリーブの他端に、別の金属からなり溶接
用フランジ部が形設されている金属軸を、電子ビームも
しくはレーザ等の高エネルギー密度熱源を用いた溶接法
により接合して構成されるセラミックス製回転体と金属
軸の結合構造において、結合継手である金属スリーブの
溶接面を金属軸側に向つて径が拡大するテーパ形状とし
、それに対応する形の突き合わせ面を金属軸の溶接用フ
ランジ部に設け、テーパ当接させたこれら両部材に、回
転軸に対して金属軸側斜方向から高エネルギー密度熱源
を照射して金属スリーブと金属軸を溶接したものである
〈作用〉 以上のように構成すると、溶接熱影響部すなわち金属ス
リーブの再溶体化による軟化領域は、セラミックス製回
転体との機械的結合部位にまで及ばない、したがって金
属スリーブのセラミックス製回転体への結合力は高エネ
ルギー溶接によって低下せず、セラミックス製回転体と
金属軸は強固に結合する。
〈実施例〉 以下、本発明の結合構造の実施例を説明するが、これは
本発明を限定するものではない。
実施例1 本実施例に係るセラミックス製ターボロータシャフトの
セラミックス製タービンホイールlと金属軸4の結合構
造を、第1図及びその部分拡大図である第2図により説
明する。セラミックス製タービンホイール1は窒化珪素
(Si2H4)製てあり、その回転中心部に軸突起部2
が形設されている。
金属スリーブ3は、AIとTiを組成分として含有する
析出硬化型の耐熱合金(インコロイ903)を機械加工
して製造されたものであり、該スリーブ3の内周面には
銅メツキが施されている。
軸突起部2の外径は、金属スリーブ3の内径より僅かに
小さくなっており、嵌挿した状態の軸突起部2の外周面
と金属スリーブ3の内周面の間には微小間隙が形成され
るが、これらは次のようにして固定される。セラミック
ス製タービンホイールlと金属スリーブ3と線状ロウ付
は材(図示せず)を治具にセットし、真空炉中で加熱す
ることにより、軸突起部2の外周面と金属スリーブ3の
内周面の間の微小間隙に充填金属であるロウ付は材(7
2$Ag−281Cu ) ヲ充填tル、ロウffケ材
カ充填された後の冷却過程で、ロウ付は材が凝固温度で
凝固した後、金属スリーブ3は温度の低下とともに収縮
し、その締付は力が結合面に作用し、焼ばめと同様の結
合力が得られる。このとき金属スリーブ3の軸突起部2
の外周に位置する部分、即ち金属スリーブ3の軟化か問
題となる領域11には引っ張り応力が働いている。
金属スリーブ3の軸突起部2先端側の端面(溶接接合面
9となる面)は、タービンホイール1の回転中心軸10
に対して直交する而を金属軸4側に傾けた場合に形成さ
れる円錐面の一部(円錐台の外周側面:テーパ面)に相
当するよう形成されており、この面に金属軸4のフラン
ジ部13に形成された同形状面を押し当てる。そしてタ
ービンホイールlの回転軸に対して斜め方向から電子ビ
ーム溶接5を行なうことにより、セラミックス製タービ
ンホイール1と金属軸4が金属スリーブ3を介して結合
される。
第2図は、得られたセラミックス製ターボロータシャフ
トの電子ビーム溶接部を拡大して示す断面図である。溶
接ビート部6及び軟化した溶接熱影響部7はともに軸突
起部2と金属スリーブ3の結合部8より金属軸4側に形
成されており、金属スリーブ3の軟化が問題となる領域
11には至っていない、したがって上記溶接によって軸
突起部2とスリーブ3の結合力が低下することはない。
実施例2 第3図は本発明の別の実施例を示したものである。金属
スリーブ3の溶接側端部に、軸突起部2と金属軸4とで
挟まれる座部15が設けられており、この座部15を囲
む周縁端面はテーパ面となっている。該テーパ面ならび
に座部15の平面に対応する突き合わせ面がフランジ部
13に形成されている金属軸4を上記スリーブ3に当接
させた状態で、金属軸4側の斜方向からレーザ溶接5す
る以外は実施例1と同様の構成であり、この結合構造に
おいても実施例1と同様の作用効果が得られる。
(発明の効果〉 以上の如く、本発明のセラミックス回転体と金属軸の結
合構造によれば、析出硬化合金でできた金属スリーブを
継手として用いる結合構造において、該スリーブと金属
軸の溶接接合面を、セラミックス製回転体の軸突起部端
面より金属軸側で且つ回転中心軸に向って傾斜するテー
パ面としたことにより、溶接による再溶体化で生じる金
属スリーブの軟化領域がセラミックス製回転体との機械
的結合部位にまで及ばなくなり、結合力低下を来さない
結合か可能となる。
電子ビーム溶接やレーザ溶接等の高エネルギー密度熱源
を用いる溶接法では、溶は込み深さPに対する溶接ビー
ド巾Wの比P/Wが大きいため、溶接ビートの表面状態
を外1IlI観察するたけては溶接状態の良否を判定す
ることができない。そのため超音波探傷検査か一般に行
なわれているが、検査すべき面に直角に超音波を入射す
ることが一般に必要とされることから1反射法により超
音波探傷検査を実施しようとした場合、第4図に示すよ
うに超音波の発信・受信を行なうプローブ18を金属軸
4と干渉する位置に配さないと、溶接底部16の溶接状
態の良否判定ができず、実際には検査か不可能となって
しまう、これに対し、本発明の結合構造では第5図に示
すようにプローブ18を配することに支障がなく、溶接
底部16の溶接状態の良否判定を容易に行なうことかで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る、セラミックス製ター
ビンホイールと金属軸の結合構造を示す断面図、 第2図はその溶接部を拡大して示す断面図、第3図は他
の実施例の結合構造を示す断面図、第4図及び第5図は
従来例の短所及びそれが除かれる一実施例の効果を対比
させて説明する図、第6図は従来の結合構造の一例を示
す断面図。 第7図はその溶接部を拡大して示す断面図、第8図はそ
の溶接部の硬度測定部位とそこの硬度とを対応させて示
す図、 第9図及び第10図は夫々従来他に考えられた結合構造
の問題点の説明図である。 図中: 1・・・セラミックス製タービンホイール2・・・軸突
起部 3・・・金属スリーブ 4・・・金属軸5・・・
電子ビーム溶接又はレーザ溶接6・・・溶接ビート部 7・・・溶接熱影響部(軟化領域) 9・・・溶接接合面 11・・・金属スリーブの軟化が問題となる領域13−
・・フランジ部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. セラミックス製回転体の軸突起部に嵌合固定した析出硬
    化合金製スリーブの他端に、金属軸をそのフランジ部を
    以って溶接した構造であって、該フランジ部と上記スリ
    ーブとの溶接接合面を、セラミックス製回転体の軸突起
    部端面より金属軸側において回転中心軸とは鋭角をなし
    て金属軸側に傾斜するテーパ面としたことを特徴とする
    セラミックス製回転体と金属軸の結合構造。
JP63278112A 1988-11-02 1988-11-02 セラミックス製回転体と金属軸の結合構造 Pending JPH02127986A (ja)

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