JPH04202064A - セラミック部材と金属部材の接合体 - 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接した接合
体に関するものである。

１従来の技（ＩＩｊ　］ 近年、各種の産業機械装置において高荷重かつ高温雰囲
気下で使用される機構部品として、耐熱性、耐食性及び
耐摩耗性に優れ、軽量なセラミ・ツク部材と高強度で加
工性に優れた金属部材とを組み合わせた複合構造体が注
目され、種々のセラミック部材と金属部材の接合体が提
案されている。

従来、セラミック部材と金属部材との接合体としては、
研磨加工して平面もしくは凸部を形成したセラミック部
材の接合部にメタライズ処理を施し、該接合部を切削加
工した金属部材の平面もしくは凹部に密着もしくは嵌挿
してろう接し、または嵌合焼き嵌めした接合体が多く採
用されていた。

とりわけ、セラミック部材と金属部材とを軸継手とする
場合には、両部材の同軸度が厳しく要求されることから
、セラミック部材の金属部材と接合すべき部分の焼成面
をダイヤモンド砥石で研磨仕上げをするのが一般的であ
った（特開昭６０−１５５５７８号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、近年の産業界においては高温度下で耐久
性に優れたセラミック部材と金属部材の複合構造体に対
する要求が年々高まり、従来のダイヤモンド砥石で研磨
仕上げしたセラミック部材を使用した金属部材との接合
体にあっては、その要求を満足することが困難であった
。

即ち、前記接合体ではセラミック部材と金属部材との同
軸度は比較的高精度に制御できるものの、セラミック部
材と金属部材との接合において、セラミック部材の強度
劣化に及ぼす影響が大きく、接合体としての強度は極め
て不安定で信頬性に乏しいものであった。

とりわけ、セラミック部材と金属部材との接合において
、セラミック部材の強度は、セラミック部材の表面粗さ
及び表面性状の影響が極めて大であり、本来ならば前記
表面粗さは粗く、かつ表面性状は研磨面より焼成面の方
が望ましいことから、前記両部材の同軸度を得るととも
にセラミック部材の高い強度を保持せんがために、比較
的粗い規格番手のダイヤモンド砥粒を金属や樹脂で固定
したダイヤモンド砥石で研削した後、更に、４００番以
上の細かい規格番手の前記同様のダイヤモンド砥石で研
磨仕上げを施していた。

しかしながら、前記研磨仕上げでは、多数の微細な研削
条痕が残留し、未だ接合時にセラミック部材にかかる金
属部材の応力集中を一様に軽減することができず、ひい
ては安定した高い強度が得られないという課題があった
。

（課題を解決するための手段ｊ 本発明のセラミック部材と金属部材の接合体は、セラミ
ック部材と金属部材をろう接してなる接合体において、
セラミ・７り部材の金属部材と接合すべき部分を含む近
辺、即ち、少なくともセラミック部材と金属部材との接
合部及び非接合部の境界である接合起点部を含むセラミ
ック部材の表面粗さが、表面粗さ曲線の平均歯間隔Ｓｍ
値（以下、Ｓｍ値という）で１００　ｌ１ｍ以上、かつ
表面粗さ曲線の切断レベルＰ値（以下、Ｐ値という）が
５０％の時の接触比ＴＰ値（以下、ＴＰ値という）で７
０％以下であることを特徴とするものである。

［実施例１ 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合
体を示す一部破断面図であり、第２図は本発明の接合体
をラジアル型ローターに適用した　３　一 実施例を示す一部破断面図であろう 第１図及び第２図において、Ｌｌａは金属部材２゜２ａ
に設けた四部４にろう接したセラミック部材で、３はセ
ラミック部材１，１ａと金属部材２，２ａとの接合部５
及び非接合部６の境界である接合起点部である。

上記の如きセラミック部材１，１ａと金属部材２，２ａ
の接合体は、両部材の同軸度を確保するとともに、安定
した高い強度を得るために、セラミック部材１．ｌａの
金属部材２，２ａと接合すべき部分を含む近辺、即ち、
少なくともセラミック部材１．１ａと金属部材２，２ａ
との接合部５及び非接合部６の境界である接合起点部３
を含むセラミック部材１．ｌａの表面粗さが、表面粗さ
曲線のＳｍ値で１００μｍ以上、かつＰ値が５０％の時
のＴＰ値を７０％以下となるように研磨仕上げしたもの
である。

ここでＳｍ値は、表面粗さ計にて測定した少なくともセ
ラミック部材１，１ａの前記接合起点部３を含む表面の
表面粗さ曲線から算出した、ある測定長さしく以下、Ｌ
という）の範囲内の表面粗さ曲線の平均線が横切る、山
から谷へ向がう点がら、次の山から谷へ向かう横断点ま
での各間隔の平均値である。

従って、Ｓｍ値が大きい程、表面粗さの曲線は粗である
ことを示し、それだけ山と谷の起伏数が少ないことを意
味する。また、Ｓｍ値が小さい程、表面粗さ曲線は密で
あることを示し、山と谷の起伏数が極めて多いことを意
味する。

また、ＴＰ値は前記表面粗さ曲線のＬにおける一番高い
山から一番深い谷までの深さを１００％とし、一番高い
山からの各位置、即ちＰ％において、表面粗さ曲線の冬
山を横切る長さの合計とＬとの比を百分率で表示したも
のである。

即ち、あるＰ値におけるＴＰ値が小さい程、谷の勾配が
小さく、ＴＰ値が大きい程、谷の勾配が極めて大きいこ
とを意味している。

以上の結果、Ｓｍ値が大で、がっＴＰ値が小であること
は、セラミック部材の表面の研磨条痕の形態が、山と谷
の起伏数が少なく、かつ谷の勾配が小さいこと、即ち、
それだけセラミック部材の破壊−８〜 の起点となり得る切り欠き部が少なくなり、前述のよう
な応力集中が発生し難くなる。

故に、Ｓｍ値は１００μｍ以上で、かつＰ値が５０％の
時のＴＰ値が７０％以下であること、またＳｍ値が１５
０μｍ以上で、かつＰ値が５０％の時のＴＰ値が５０％
以下であればより好ましい。

次に、本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合体
を、第１図及び第２図に示す実施例により具体的に詳述
する。

（実施例１　） 窒化珪素（５ｉ３Ｎ４）を主成分とし、焼結助剤として
イツトリア（Ｙ２Ｏ３）　、酸化タングステン（ｔＪＯ
，）等から成り、窒素雰囲気中で焼成された窒化珪素質
焼結体を、先づ、６００番規格相当より粗粒のダイヤモ
ンド砥粒を金属等で結合したダイヤモンド砥石を使用し
、万能研削盤により前記焼結体の外周を研削する。

次に、４００番規格相当より粗粒の砥粒を弾性を有する
材料で結合した砥石で研磨条件を種々に変化させて研磨
仕上げし、直径１３ｍｍ、長さ５０ｍｍの第１図に示す
ような円柱状のセラミック部材１を得た。

一方、金属部材として３８％Ｎｉ、１５％Ｃｏ、残部Ｆ
ｅから成るニッケル系合金材を使用し、内径がセラミッ
ク部材１の外径とのクリアランスを１０〜１００μｍと
なるように、また凹部４のセラミック部材１との接合部
長さが約６ｍｍとなるように現物合わせしながら切削加
工して外径１６ｍｍ、長さ５０ｎ＋ｍの金属部材２を得
た。

次いで、セラミック部材１を金属部材２に嵌挿した後、
接合部をＢＡｇ−８規格の銀ろうを使用し、加熱処理し
てろう接し、評価用の接合体を得た。

かくして得られた評価用のセラミック部材と金属部材の
接合体について、該接合体の金属部材２を試験機のチャ
ックに把持して、突出せるセラミック部材１の先端を上
部より加圧し、破断した時の荷重から算出した片持抗折
強度値を接合体の必要強度σ。の倍数として表示し、常
温の片持抗折強度σを評価した。

また、セラミンク部材１の表面粗さは、接合前のセラミ
ック部材１の表面を金属部材２との接合起点部３を含む
ように表面粗さ計で測定し、得られた表面粗さ曲線から
Ｓｍ値及びＰ値が５０％の時のＴＰ値を算出した。

本発明に係る接合体で、代表的なセラミック部材の表面
粗さ曲線を第３図に、Ｐ値とＴＰ値の関係図を第４図に
示す。

尚、前記と同様にして、４００番規格相当のダイヤモン
ド砥粒を金属等で結合したダイヤモンド砥石により研磨
仕上げしたセラミック部材を用いた接合体を比較例とし
た。本比較例のセラミック部材の表面粗さ曲線を第５図
に、Ｐ値とＴＰ値の関係を第６図に示す。

以上の結果を第１表に示す。

（以下余白） 第１表 −Ｉ　　Ｏ− 第１表より明らかなように、比較例及びＳｍ値またはＴ
Ｐ値のいづれか一方のみ満足する試料番号のものでは、
いづれも片持抗折強度が接合体の必要強度σ。を下回り
、セラミック部材の強度が不安定であるのに対して、本
発明のセラミック部材と金属部材の接合体では、いづれ
も片持抗折強度は接合体の必要強度σ０を上回り、極め
て安定した接合が得られていることを確認した。

尚、表面粗さ計で測定した前記それぞれの表面粗さ曲線
から、中心線平均粗さＲａ及び最大高さＲｍａｘを求め
、片持抗折強度と比較検討したところ、相関関係がなく
、片持抗折強度値が大きくバラツクごとを確認した。

（実施例２） 窒化珪素質焼結体より成る第２図に示す様なセラミック
部材１ａであるラジアル型ロークーの凸部７を、金属製
の回転軸８に接合した前記同様のニッケル系合金材−か
ら成る金属部材２ａの凹部４に嵌挿した後、ＢＡｇ−８
規格相当の銀ろうを使用してろう接する。

次いで、金属製回転軸８と一体化したセラミックターボ
ローターをバランス修正した後、高温での高速回転試験
を行い、必要回転数Ｎ。でのラジアル型ローターの破壊
の有無を確認し、破壊したものは必要回転数Ｎ０の倍数
で表示し、高速回転の評価をした。

また、接合前のラジアル型ローターの凸部７の表面を、
実施例１と同様にして表面粗さを測定し、Ｓｍ値とＴＰ
値を求めた。

尚、実施例１と同様にして研磨仕上げしたセラミックラ
ジアル型ローターを金属製回転軸に接合したものを比較
例とした。

以上の結果を第２表に示す。

（以下余白） ＝　１１− 第２表 本字　北ｆｉｉ例 −１２＝ 尚、実施例１及び２では、セラミック部材の接合部にメ
タライズ金属層を形成せずに金属部材とろう接したが、
メタライズ金属層を形成してろう接した接合体であって
も、実施例１及び２と同様な結果が得られることを確認
している。

［発明の効果］ 以上、詳細に説明したように、本発明のセラミック部材
と金属部材の接合体によれば、セラミック部材の少なく
とも金属部材との接合起点部を含む表面粗さが、表面粗
さ曲線のＳｍ値で１００μｍ以上、かつＰ値が５０％の
時のＴＰ値で７０％以下であることから、セラミック部
材表面の研磨条痕の形態とあいまって、該セラミック部
材は繰り返し応力や熱応力に対しても、高い強度を安定
して確保することができる他、セラミック部材と金属部
材の同軸度も高い精度で得ることができ、軸継手とした
回転体ではバランス修正が極めて容易にできる等、信顧
性の高いセラミック部材と金属部材の接合体を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合
体を示す一部破断面図、第２図は本発明のセラミック部
材と金属部材の接合体をラジアル型ローターに適用した
実施例を示す一部破断面図、第３図は本発明に係る接合
体の代表的なセラミンク部材の表面粗さ曲線を示す図、
第４図は第３図の表面粗さ曲線から求めたＰ値とＴＰ値
の関係を示す図、第５図は比較例のセラミック部材の表
面粗さ曲線を示す図、第６図は第５図の表面粗さ曲線か
ら求めたＰ値とＴＰ値の関係を示す図である。 １．１ａ　・・・　　セラミック部材 ２．２ａ　・・・　　金属部材 ３　　・・・　　接合起点部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミック部材と金属部材をろう接してなる接合体にお
   いて、前記セラミック部材は少なくとも金属部材との接
   合起点部を含む表面が、表面粗さ曲線の平均山間隔Ｓｍ
   値で１００μｍ以上、かつ前記表面粗さ曲線の切断レベ
   ルＰ値が５０％である時の接触比ＴＰ値で７０％以下の
   表面粗さを有することを特徴とするセラミック部材と金
   属部材の接合体。