JPH03275574A - セラミックス部材と金属部材との結合法 - 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、セラミックス部材と金属部材との結合法に関
し、特に遠心送風機や過給機などのターボ機械における
回転軸に適用できる。

従来の技術 ターボ機械において、セラミックス製の回転軸を使用す
るものが知られているが、一般にセラミックス製の回転
軸を金属製の回転軸に結合し、この金属製の回転軸にト
ルクを与えて回転させる構成が多く採用されている。

しかして、このようなセラミックス製の回転軸と金属製
の回転軸とを結合するのに、従来は、第３図及び第４図
に示すように、焼ばめの方法を利用している。

すなわち、まず、第３図に示すように、金属製の回転軸
を構成する中空円筒状の金属部材１が適当な加熱装置に
より高温に加熱され、この高温に加熱された金属部材１
の一端にセラミックス製の回転軸を構成する丸棒状のセ
ラミックス部材２が挿入される。

そして、第４図に示すように、金属部材１が室温に戻る
ことにより、金属部材１の加熱前の内径はセラミックス
部材２の外径より小さくなるような寸法となっているた
め、セラミックス部材２を取り囲まない金属部材１の部
分１ｂは元の寸法に戻れるものの、セラミックス部材２
を取り囲む金属部材１の部分１ａは元の寸法に戻ること
ができないので、セラミックス部材２を締め付けること
になる。この締め付は力により、セラミックス部材２と
金属部材１とが結合されることになる。

このような従来の焼ばめによる方法では、セラミックス
部材２を締め付ける力を適切なものとするためには、金
属部材１の寸法と加熱温度とを適切に選ぶ必要があるが
、加熱温度を極端に上げることはできないため、金属部
材１の寸法設定に細心の注意を払う必要があった。特に
、金属部材１が径の小さい中空円筒状の回転軸の場合、
ｌ／１０００ａ＋＋ｎ以上の直径精度を要し、加工精度
上実施困難な場合があった。

また、金属部材１を均一な高温状態にするために加熱時
間が長くなり、加熱温度と時間によっては金属部材１の
内面にスケールが発生し、焼ばめが困難となる場合もあ
った。

更に、高温の金属部材１にセラミックス部材２を挿入す
る作業は、作業性が悪く、ロボット化等の自動化も難し
い不具合があった。

これに対し、丸棒状のセラミックス部材を中空円筒状の
金属部材の一端に挿入し、この金属部材のセラミックス
部材取り囲み部分を軸方向に沿って外側から冷却及びそ
の後に加熱を繰り返して、低温域及び高温域を順次移動
させ、これにより金属部材に収縮の塑性変形を生じさせ
て、セラミックス部材と金属部材とを結合する方法が特
願平１６７４４３号で提案された。第５図にその実施例
を示す。

第５図において、１が中空円筒状の金属部材で、例えば
ステンレス鋼、炭素鋼、低合金鋼等から成る。また、２
が丸棒状のセラミックス部材で、例えば窒化ケイ素Ｓｉ
、Ｎ、、アルミナＡＱ、Ｏ，、炭化ケイ素ＳｉＣ等から
成る。そして、このセラミックス部材２が金属部材１の
一端に挿入される。

それから、このセラミックス部材２を取り囲んでいる金
属部材１の部分１ａを、軸方向に沿って、外側から冷却
水ノズル３より噴出される冷却水４による冷却及びその
後に高周波加熱コイル５による加熱を繰り返して、低温
域６及び高温域７を順次移動させ、この低温域６と高温
域７とより成る軸方向温度分布の移動を金属部材１のセ
ラミックス取り囲み部分１ａの軸方向全体にわたって１
回又はそれ以上行う。

これにより、金属部材１のセラミックス取り囲み部分１
ａには、他の部分１ｂと異なり、熱ラチエツト効果によ
り収縮の塑性変形が生じ、その結果第６図に示すように
、室温に戻った状態の下で、この収縮塑性変形した金属
部材１の部分１ａはセラミックス部材２を締め付け、セ
ラミックス部月２と金属部材１とが結合される。

以上述べたように、この方法によれば、軸方向温度分布
の通過回数により中空円筒状の金属部利の収縮塑性変形
量を調節することができるので、金属部材の初期寸法に
ついてそれほど神経質になる必要がない。

そして、高温にさらされる時間が従来例の塊ばめの場合
はど長くないので、金属部＋１の内面にスケールが発生
しに＜＜、かつ常温でセラミックス部材を金属部材の一
端に挿入できるので、ロボット化等の自動化も容易であ
る。

発明が解決しようとする課題 上述の特願平１−６７４４３号に記載の方法は、実用的
にも十分使用できる方法であるが、回転軸が回転する際
に若干の軸力が負荷された場合、セラミックス軸が中空
円筒状金属部材から抜ける可能性がある。

本発明は、そのような不具合を解消すべくなされたもの
で、セラミックス部材と金属部材との結合の信頼性を更
に増すようにした結合法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明によれば、環状の満を有する丸棒状のセラミック
ス部材をを中空円筒状の金属部材の一端に抑大し、この
金属部材のセラミックス部材取り囲み部分を軸方向に沿
って外側から冷却及びその後に加熱を繰り返して、低温
域及び高温域を順次移動させ、これにより金属部材に収
縮の塑性変形を生じさせて、セラミックス部材と金属部
材とを結合し、環状の溝の効果で結合を強化したことを
特徴とする結合法が提供される。

作用 上述の手段によれば、中空円筒状の金属部材の収縮塑性
変形の際、金属部材の一部が、セラミックス部材に円環
状に設けられた溝内部に向けて塑性変形するようになり
、これによってセラミックス軸と金属部材との結合が強
化される。

実施例 以下、第１図及び第２図を参照して本発明の実施例を詳
述する。なお、第１図及び第２図において、第３図ない
し第６図に示したものと同一の部分には同一の符号を付
して、その詳細な説明は省略する。

第１図及び第２図によれば、セラミックス部材２が金属
部材１と重なり合う部分に、浅い円環状の溝８が設けで
ある。他の条件は第５図に示した従来例と全く同じであ
る。

すなわち、金属部材１は中空円筒状のもので、例えばス
テンレス鋼、炭素鋼、低合金鋼等から成る。また、２が
丸棒状のセラミックス部材で、例えば窒化ケイ素５ＩＪ
４、アルミナＡｏ＊ｏｓ、炭化ケイ素ＳｉＣ等から成る
。そして、このセラミックス部材２が金属部材１の一端
に押入される。

それから、このセラミックス部材２を取り囲んでいる金
属部材１の部分１ａを、軸方向に沿って、外側から冷却
水ノズル３より噴出される冷却水４による冷却及びその
後に高周波加熱コイル５による加熱を繰り返して、低温
域６及び高温域７を順次移動させ、この低温域６と高温
域７とより成る軸方向温度分布の移動を金属部材１のセ
ラミックス取り囲み部分１ａの軸方向全体にわたって１
回又はそれ以上行う。

これにより、金属部材１のセラミックス取り囲み部分１
ａには、他の部分１ｂと異なり、熱ラチエツト効果によ
り収縮の塑性変形が生じ、その結果第２図に示すように
、室温に戻った状態では、この収縮塑性変形した金属部
材１の部分１ａはセラミックス部材２を締め付けるとと
もに、金属部材ｌの部分１ａのうちセラミックス部材２
の環状溝８の外側の部分ＩＣは収縮の塑性変形により、
環状溝８に入り込む形となる。したがって、金属部材１
の部分１ａによるセラミックス部材２の締め付けに加え
て、セラミックス部材２の環状溝８内への金属部材１の
部分１Ｃの入り込みによって、セラミックス部材２と金
属部材１とがより強固に結合され、抜けにくくなる。

次に、実験例について述べる。

金属部材１として管径がφ１４００ｍｍで板厚１　ｍｍ
のステンレス（ＳＯＳ　３０４）製の中空円筒状部材を
用いこの金属部材の一端に窒化ケイ素５ｊｓＮａから成
る丸棒状のセラミックス部材２を挿入した。丸棒状のセ
ラミックス部材２には、深さ５　ｍｍ程度の浅い環状溝
８を設けた。

それから、冷却水ノズル３から噴出される冷却水４によ
る冷却により低温域６が５０℃程度、また高周波加熱コ
イル５により高温域が６５０℃程度の高温となるように
したところ、高温域７と低温域６との間の温度勾配が７
５℃／ｗの軸方向温度分布が生じた。

そして、この軸方向温度分布の移動距離を６０１１１１
１１（爪の約７．２倍、ｒ、平均半径、ｔ：板厚）とじ
たところ、高温域７と低温域６とにより成る軸方向温度
分布により発生する熱応力は約１００ｋｇ　／　ｍｍ”
であって、金属部材１の材料であるＳＯＳ　３０４の降
伏応力（６５０℃で１４ｋｇ／　ｍｍ”程度）に比べ十
分に太きいため、この温度分布の移動の際、熱ラチエツ
ト効果により、金属部材１の収縮塑性変形が生した。

この１回の温度分布の移動の際に生じる金属部材１の半
径方向の収縮塑性変形量は、約０．０４ｍｍであった。

そして、温度分布移動の１０回の繰り返しで、約０．５
ｍＩＩ、　５０回の繰り返しで約０．９帥、１００回の
繰り返しで約１　ｍｍの半径方向の収縮塑性変形が見ら
れ、金属部材１はセラミックス部材２を締め付けるとと
もに、セラミックス部材２の環状溝８の中にも入り込ん
だ。

なお、熱ラチエツト効果については、温疫分イ！ｊの移
動方向により中空円筒状部材の収縮又は膨張の塑性変形
が生じることが知られており、温度分布の移動を第１図
に示した方向とは逆に、すなわち先に高温域７、それか
ら低温域６となるようにして、同じ＜６０１１１Ｉｌ移
動した場合には、１回の移動で約０．０８−ｍの半径方
向の膨張塑性変形が生じた。

発明の効果 以上述べたように、本発明によれば、軸方向温度分布の
通過回数により中空円筒状の金属部材の収縮塑性変形量
を調節でき、金属部材の初期寸法についてそれほど神経
質になることがないという特願平１−６７４４３号での
効果に加えて、セラミックス軸と金属製中空円筒とが抜
けにくくなるという点で、より信頼性の高い結合を得る
ことができる。

そして、高温にさらされる時間が従来例の焼ばめの場合
はど長くないので、金属部材の内面にスケールが発生し
に＜＜、かつ常温でセラミックス部材を金属部材の一端
に挿入できるので、ロボット化等の自動化も容易である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によりセラミックス部材と金属部材とを
結合する方法の一例を示す図、第２図はその結合した状
態を示す図、第３図は焼ばめによりセラミックス部材と
金属部材とを結合する従来例を示す図、第４図は第３図
の例の結合状態を示す図、第５図は別な従来例を示す図
、第６図は第５図の例の結合状態を示す図である。 １・・金属部材、２・・セラミックス部材、８・・環状
の溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　環状の溝を有する丸棒状のセラミックス部材をを中空
   円筒状の金属部材の一端に挿入し、この金属部材のセラ
   ミックス部材取り囲み部分を軸方向に沿って外側から冷
   却及びその後に加熱を繰り返して、低温域及び高温域を
   順次移動させ、これにより金属部材に収縮の塑性変形を
   生じさせて、セラミックス部材と金属部材とを結合し、
   環状の溝の効果で結合を強化したことを特徴とする結合
   法。