JPH03115179A - セラミック部材と金属部材との結合方法 - 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、セラミック部材と金属部材との結合方法に関
する。

［従来の技術］ セラミック部材、とりわけジルコニア、炭化ケイ素、サ
イアロン、窒化ケイ素などの焼結体は、高温強度、耐摩
耗性などに優れ、比重が小さく応答性が良いので、ター
ボロータ、ガスタービン、ドリルなどの回転体に適して
いる。しかし、セラミックスは一般に硬くて脆く、靭性
に乏しいため、回転軸などのように回転時に繰返し曲げ
応力が作用する部材には使用できない。そのため、回転
軸などは金属から形成し、回転する先端をセラミックス
で形成して、両者を一体的に結合する方法が行なわれて
いる。

このようにセラミック部材と金属部材とを結合する方法
として、セラミック部材に凸状嵌入部を金属部材に凹状
嵌合部をそれぞれ形成し、凹状嵌合部と凸状嵌入部とを
圧入、焼きばめ、冷やしばめなどの手段により結合する
方法が知られている。

しかしながらこれらの方法では、セラミック部材の加工
精度が悪いと、金属部材との均一な接触面が得られず、
応力が偏るため低荷重破断を起こしやすい。そこで例え
ば特開昭５８−５５３８２号公報には、セラミック部材
と金属部材を焼きばめ、冷やしぼめするに先立って、金
属部材の凹状嵌合部に予め軟質金属をメツキして応力緩
和層を形成する方法が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明者は、例えば高温雰囲気下で高速回転することが
要求されるセラミックターボロータの製造に上記結合方
法を利用した場合を想定し、金属部材の凹状嵌合部に形
成される応力緩和層の厚みを種々変化させた複数個のテ
ストピースを用いて、結合強度試験を実施した。この結
果、セラミックターボロータとして実用に耐えうる結合
強度を得るためには、応力緩和層の厚みが５０〜２００
μｍの範囲内のものが好ましいことが判明した。さらに
応力緩和層の厚みは、結合部分の機械加工時の寸法誤差
等を考慮に入れると２００μｍ以上とすることが好まし
い。

しかしながら、従来のように応力緩和層をメツキにより
形成する場合、厚みを２００μｍ以上とするにはメツキ
工程に長時間（１５〜２５時間）を費やすため、コスト
的に非常に不利なものとなる。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、２
００μｍ以上の厚さの均一な応力緩和層を、極力少ない
工数で形成することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のセラミック部材と金属部材との結合方法は、金
属部材の凹状嵌合部内面に軟質金属よりなる応力緩和層
を形成する緩和層形成工程と、金属部材の凹状嵌合部に
セラミック部材の凸状嵌入部を挿入し金属部材の凹状嵌
合部とセラミック部材の凸状嵌入部を一体的に結合する
結合工程と、よりなるセラミック部材と金属部材との結
合方法において、 緩和層形成工程は、凹状嵌合部の内周面に溶融状態の軟
質金属を付着凝固させて肉盛部を形成する第１工程と、
肉盛部の表面を機械加工して所定厚さの応力緩和層を形
成する第２工程と、からなり、第１工程は金属部材を回
転させつつ行ない溶融した軟質金属を遠心力により凹状
嵌合部内周面に沿わせて肉盛部を形成することを特徴と
する。

本発明の結合方法は、金属部材の凹状嵌合部内面に軟質
金属よりなる応力緩和層を形成する緩和層形成工程と、
金属部材の凹状嵌合部にセラミック部材の凸状嵌入部を
挿入し金属部材の凹状嵌合部とセラミック部材の凸状嵌
入部を一体的に結合する結合工程と、よりなる。そして
緩和層形成工程は、第１工程および第２工程からなり、
本発明の最大の特徴はこのうちの第１工程にある。

第１工程は、金属部材の凹状嵌合部内に肉盛部を形成す
る工程である。この肉盛部は軟質金属を溶融させて形成
するので、２００μｍ以上の厚肉に容易に形成すること
ができる。この肉盛部を形成する軟質金属としては、銅
、銀、ニッケル等を主成分とする金属が好ましい。この
肉盛部を形成するには、例えば軟質金属からリング状の
素材を形成し、この素材を金属部材の凹状嵌合部内周面
に沿って配置した後、高周波、超音波等により加熱溶融
することで形成できる。

しかしながら上記軟質金属を単に溶融しただけでは、金
属部材の姿勢による重力の影響により、溶融金属が流動
するため肉厚が不均一になりやすい。また凹状嵌合部の
内周面に段差などがある場合、溶融金属の表面張力など
により段差の部分に溶融金属が濡れない部分が生じる場
合がある。

なお、インコロイなどから形成された金属部材とセラミ
ック部材との間に、ろう材などの溶融金属を充填して焼
きばめにより結合する場合、インコロイの表面にろう材
を流動させることは困難である。したがって上記したよ
うに溶融金属が濡れなかった部分ではインコロイが表出
することとなるので、十分な結合強度が得られなかった
り、ろう材の充填が困難となったりする場合がある。

そこで本発明では、金属部材を軸を中心に回転させつつ
軟質金属を溶融させるようにしたものである。これによ
り溶融金属には遠心力が作用し、凹状嵌合部の内周表面
に押圧されるので、その力により溶融金属は段差を乗り
越えて凹状嵌合部の内周表面全体を濡らすようになる。

また遠心力は全周に均一に作用するので肉厚が均一とな
り、金属部材の姿勢による重力の影響が解消される。こ
の回転は溶融金属が凝固するまで続行され、均一な肉厚
の肉盛部が形成される。

第２工程は、上記第１工程で形成された肉盛部の表出面
を機械加工して所定厚さの応力緩和層を形成する工程で
ある。この応力緩和層の肉厚は５０〜２００μｍ以上と
することが好ましい。なお、機械加工は、切削あるいは
研磨等の方法で行うことができる。

結合工程は、凹状嵌合部に凸状嵌入部を挿入し、圧入、
焼きばめ、冷やしばめなどの手段により両者を一体的に
結合する工程であり従来と同様に行なうことができる。

なお、焼きばめで結合する場合、応力緩和層と凸状嵌入
部との間にろう材などの第２の軟質金属を溶融充填し、
その溶融金属が凝固する際の金属部材とセラミック部材
の収縮率の差に・より焼きばめ力を発生させることが望
ましい。このようにすれば焼きばめ力は第２の軟質金属
の凝固・温度で決まるため、応力緩和層と凸状嵌入部と
の間隙の寸法に左右されず寸法誤差など吟吸収すること
ができる。

［発明の作用および効果］ 本発明のセラミック部材と金属部材との結合方法では、
金属部材の凹状嵌合部にセラミック部材の凸状嵌入部を
挿入、結合させるに先立ち、金属部材の凹状嵌合部内面
に軟質金属よりなる応力緩和層が形成される。

この応力緩和層を形成するには、まず第１工程で凹状嵌
合部内周表面に軟質金属から肉盛部が形成される。ここ
で肉盛部を形成する場合、金属部材を軸を中心に回転さ
せつつ凹状嵌合部内で軟質金属を溶融させる。すると溶
融した軟質金属は、遠心力により凹状嵌合部の内周面に
沿って流動して凝固し肉盛部が形成される。このとき遠
心力により重力の影響が打消されるため、局部的に肉厚
が変動するような不具合が解消され、はぼ均一な肉厚の
肉盛部を形成することができる。そして遠心力による力
により、凹状嵌合部内周表面に段差が存在していても、
溶融金属は段差を乗越えて流動して凹状嵌合部内周表面
全体に被覆される。

そして第２工程で肉盛部の表面が機械加工され、所定肉
厚の応力緩和層が形成される。

したがって本発明の結合方法によれば、メツキにより応
力緩和層を形成する従来の方法に比較して、厚肉でしか
も均一な応力緩和層を極めて容易に形成することができ
、工数が著しく低減される。

そして本発明の結合方法により形成されたセラミック部
材と金属部材の結合構造では、厚肉の応力緩和層をもつ
ので寸法誤差などが吸収され、高い結合強度が（ｑられ
る。

［実施例］ 本発明の一実施例のセラミック部材と金属部材との結合
方法を、第１図〜第７図に基づいて具体的に説明する。

このセラミック部材と金属部材との結合方法は、第１図
に示すようなセラミック部材１と金属部材２とからなる
ターボロータを製造する工程で用いられる。

（１）緩和層形成工程 この工程では、金属部材２の主要部を構成しインコロイ
９０３からなる金属筒２０の凹状嵌合部２１の内周表面
に応力緩和層を形成する。なお、金属筒２０は第２図に
示すように、内径１２．３ｍｍの小径部２１ａと、小径
部２１ａから略テーバ状に拡径する大径部２１ｂとから
なり、小径部２１ａと大径部２１ｂとの間に段差部２１
Ｃをもつ。

（第１工程） 第３図に示すように、金属筒２０の小径部２１ａ内に重
ざ０．６Ｑの銅リング３０を３本配置し、大径部２１ｂ
を下方にして回転治具１００に保持する。そして金属筒
２０を高周波加熱コイル５内に配置し、回転治具１００
の回転により金属筒２０を軸を中心に回転させつつ、高
周波加熱コイル５により１１００℃に加熱して銅リング
３０を溶融させる。

銅リング３０が溶融した溶融金属は、回転による遠心力
により凹状嵌合部２１の内周表面に沿って流動し、段差
部２１Ｃを越えて第４図に示すように小径部２１ａ、大
径部２１ｂおよび段差部２１Ｃの全体をほぼ均一に被覆
する。回転は溶融金属が凝固するまで続行され、肉盛部
３１が形成される。

ここで回転治具１００の回転数と段差部２１Ｃの平均肉
厚ｔ（第４図図示）との関係を測定し、第６図に示す。

第６図に示すように回転数が上昇するにつれて肉厚ｔも
厚くなり、本実施例の場合的３００ｒＥ）ｍ以上の回転
数であれば肉厚ｔが約３００μｍ以上となることがわか
る。また回転させない場合には段差部２１Ｃの肉厚はゼ
ロとなり、第７図に示すように溶融金属は段差部２１Ｃ
を越えられず、大径部２１ｂに肉盛部３１を形成するこ
とが困難となる。

（第２工程） 次に肉盛部３１の内周表面に切削加工を施し、第５図に
示すように小径部２１ａ、大径部２１ｂおよび段差部２
１ｃの表面に厚さ約２００μｍの応力緩和層３を形成す
る。

（２）結合工程 次に凹状嵌合部２１内にセラミック部材の凸状嵌入部１
０を挿入し、凸状嵌入部１０と応力緩和層３とで形成さ
れる間隙に、大径部２１ｂから溶融されたＢＡ（Ｊ−８
規格のろう材４を充填する。

ここで大径部２１ｂの表面にも銅からなる応力緩和層３
が形成され、インコロイよりなる金属筒２０は表出して
いない。したがってろう材４は大径部２１ｂに沿って円
滑に流動し、小径部２１ａの応力緩和層３とセラミック
部材１の凸状嵌入部２０との間の間隙に充填される。

そしてろう材４の凝固に伴って発生する焼きばめ力によ
り、セラミック部材１と金属筒２０とは一体的に結合さ
れる。この場合、充填されるろう材４の融点は応力緩和
層３を構成する銅より低く、その温度も銅の融点より低
くされているので、応力緩和層３が溶融するのが防止さ
れている。

そして金属筒２０の底部外壁面に例えば５ＣＲ４０など
から形成された軸部材２２が溶接により結合され、ター
ボロータが形成される。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の一実施例の説明図であり、第
１図はセラミック部材と金属部材との結合俊の状態を示
す説明図、第２図は金属筒の縦断面図、第３図は第１工
程を行なっている状態を示す説明図、第４図は肉盛部を
もつ金属筒の縦断面図、第５図は応力緩和層をもつ金属
筒の縦断面図、第６図は第１工程における回転数と段差
部の肉厚との関係を示すグラフ、第７図は第１工程にお
いて回転がされなかった場合の肉盛部をもつ金属筒の縦
断面図である。 １・・・セラミック部材　　　２・・・金属部材３・・
・応力緩和層　　　　　４・・・ろう材１０・・・凸状
嵌入部　　　　２０・・・金属筒２１・・・凹状嵌合部
　　　　２２・・・軸部材３０・・・銅リング　　　　
　３１・・・肉盛部２１ｃ・・・段差部　　　　１００
・・・回転治具第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属部材の凹状嵌合部内面に軟質金属よりなる応
   力緩和層を形成する緩和層形成工程と、該金属部材の該
   凹状嵌合部にセラミック部材の凸状嵌入部を挿入し該金
   属部材の該凹状嵌合部と該セラミック部材の該凸状嵌入
   部を一体的に結合する結合工程と、よりなるセラミック
   部材と金属部材との結合方法において、 前記緩和層形成工程は、前記凹状嵌合部の内周面に溶融
   状態の軟質金属を付着凝固させて肉盛部を形成する第１
   工程と、該肉盛部の表面を機械加工して所定厚さの応力
   緩和層を形成する第２工程と、からなり、該第１工程は
   該金属部材を回転させつつ行ない溶融した該軟質金属を
   遠心力により該凹状嵌合部内周面に沿わせて該肉盛部を
   形成することを特徴とするセラミック部材と金属部材と
   の結合方法。