JPH046678B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関用排気ターボ過給機における
セラミツクスからなるタービン翼車と金属軸との
接合などに適用されるセミツクス構造部材と金属
接合部材との接合方法に関するものである。

［従来の技術］ 高温の排気に晒されるタービン翼車にセラミツ
クス材料を用いることは、ターボ過給機の軽量化
と性能向上に役立つ。しかし、セラミツクス材料
は固くて脆いために、回転軸部の負荷トルクに対
する靭性が不足し、破損する恐れがある。

このため、例えば特開昭57−93606号公報に開
示されるように、セラミツクスからなるタービン
翼車のボス部の外周面にくぼみを設ける一方、金
属軸の端部に形成した円筒部を前記ボス部に外嵌
し、前記円筒部の外周側から電子ビームまたはレ
ーザなどのエネルギ集中型溶接により前記円筒部
の肉部を前記ボス部のくぼみに溶着させたものが
提案されている。この従来技術は加工が簡単では
あるが、金属軸がボス部のくぼみと局部的に溶着
されるだけであり、金属とセラミツクスとの熱膨
張率の相違から弛みや熱応力による割れが生じる
恐れがあるばかりでなく、加工に際しても外部か
ら見ることのできないボス部のくぼみとビームの
発射する方向にずれがあると完全な溶着が得られ
ない恐れもある。

［発明が解決しようとする問題点］ したがつて、金属構造部材とセラミツクス構造
部材の間の嵌合部に熱膨張率の相違による弛みや
破壊を回避することができ、しかも、嵌合部の全
周面において両者が均一に密着されるような構造
が要求される。そこで、タービン翼車の場合につ
いていえば、耐熱性を要求されるタービン翼車
と、耐摩耗性と靭性が要求される回転軸とに、そ
れぞれの特性を備えたセラミツクスと金属を用
い、セラミツクスとほぼ同一の熱膨張率を有する
金属接合部材により両者を接合すれば、熱による
嵌合部の弛みや破壊を回避することができる。

ところが、セラミツクス構造部材に金属構造部
材を接合する場合に、通電性の優れた金属接合部
材を高周波加熱コイルにより加熱し、かつ高温時
に硬度の低下した（軟化）金属接合部材を加圧変
形させ、セラミツクス構造部材と金属構造部材に
密着させることが必要である。このような接合方
法によると、密着される金属接合部材はビツカー
ス硬さ150以下に軟化しているために、押圧力に
よりセラミツクス構造部材に倣つて流動し、セラ
ミツクス構造部材と金属接合部材がほぼ同体に近
い状態で密着される。しかし、金属接合部材は高
周波加熱コイルなどによつて部分的に効率よく加
熱できるが、プレス用ダイスにより押圧される
時、金属接合部材とダイスおよびその受け部材と
の接触が強くなり、放熱量が増加し、金属接合部
材の温度が低下する。金属接合部材の温度が低下
するとその硬度が高くなり、押圧力による金属接
合部材の流動性が悪くなるため、圧着性が低下す
る。

本発明の目的は、このような問題を解消するた
めに、加熱された金属接合部材がプレス用ダイス
により熱を奪われて温度低下をきたすのを防止
し、所定の硬度以下に保ちつつ、十分な時間をか
けてセラミツクス構造部材に圧着し得るようにし
たセラミツクス構造部材と金属接合部材との接合
方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の構成はセ
ラミツクスと同等の熱膨張率を有する金属接合部
材の両端面を断熱材により覆い、前記金属接合部
材をセラミツクス構造部材に嵌合し、前記金属接
合部材を加熱し、この両端面を押圧して前記金属
接合部材を前記構造部材に密着させたものであ
る。

［作用］ 加熱圧着される金属接合部材２の圧着面以外の
面に、例えば熱伝導率の低いチタン酸カリウムな
どの被膜を塗布してなる断熱材を備えることによ
り、金属接合部材２からの放熱が抑えられる。し
たがつて、金属接合部材が所定の硬度以下に維持
され、かつ十分時間をかけてダイスにより金属接
合部材を軸方向に押付けてセラミツクス構造部材
１ａと金属構造部材３ａに密着させることができ
る。

［発明の実施例］ 本発明を実施例に基づいて説明する。第１図は
セラミツクス構造部材１の軸部１ａに対して金属
構造部材３の円筒部３ａを嵌合し、かつ金属接合
部材２によつて加熱圧着する接合方法を示す側面
断面図である。金属構造部材３の端壁８には穴７
が設けられるとともに、この穴７よりも内径が大
きい円筒部３ａが設けられる。穴７にセラミツク
ス構造部材１の軸部１ａが嵌合されるとともに、
金属構造部材３の端壁８がセラミツクス構造部材
１の軸部１ａを支持する支持面９に重ね合わされ
る。

本発明によれば、円筒部３ａと軸部１ａとの間
の隙間へ環状の金属接合部材２が嵌合され、後述
する方法によつて熱圧着される。この金属接合部
材２はセラミツクスと同等の熱膨張率を有する、
例えばコバール（ニツケル・コバルト合金）など
が用いられる。そして、この金属接合部材２の内
周面が軸部１ａに、外周面が円筒部３ａにそれぞ
れ熱圧着されるのであるが、熱圧着されない部分
すなわち圧着面に対して垂直な金属接合部材２の
上下両端面に断熱材４が備えられる。実際には金
属接合部材２の両端面に熱伝導率の小さなチタン
酸カリウムなどの被膜を塗布することによつて断
熱材４が形成される。熱伝導率の小さな材料とし
ては、他にコージライト、ジルコニアなどがあ
る。その熱伝導率はチタン酸カリウムが
0.000125cal／cm・sec・℃、コージライトが
0.002cal／cm・sec・℃、ジルコニアが0.009cal／
cm・sec・℃であり、鉄の0.12cal／cm・sec・℃
やステンレスの0.039cal／cm・sec・℃に比べて
非常に小さい。

軸部１ａの外周に高周波加熱コイル５を配置し
て、これにより金属接合部材２を加熱し、その後
に高周波加熱コイル５を外し、円筒形のダイス６
を金属接合部材２の上側へ当てて押圧すれば、加
熱軟化された金属接合部材２が軸部１ａの外周面
と円筒部３ａの内周面とに密着される。

高周波加熱コイル５によれば、金属接合部材２
およびこれに接する円筒部３ａが直接加熱され、
セラミツクスからなる軸部１ａは金属接合部材２
からの熱伝導により加熱される。したがつて、熱
損失が少なく、加熱を要する金属接合部材２が効
率的に加熱される。そして、金属接合部材２の上
下両端面に断熱材４を備えたから、この両端面か
らダイス６および金属構造部材３の端壁８への熱
放出が抑えられ、金属接合部材２の温度低下を抑
えることができる。高周波加熱コイル５には例え
ば周波数200kHz程度の電流を通じれば、数秒で
金属接合部材２が800℃近くまで加熱される。

金属接合部材２は600℃を超えると軟化し、700
℃以上ではその硬度がHv60以下になる。したが
つて、この金属接合部材２の熱軟化状態でダイス
６により押圧すれば、金属接合部材２が押し潰さ
れて、軸１ａの外周面と円筒部３ａの内周面に密
着される。

従来の金属接合部材２の両端面に断熱材４を備
えない場合には、第２図に線４０で示すように、
加熱後ａ＝５秒で約800℃に達するが、高周波加
熱コイル５を外し、ダイス６を金属接合部材２へ
押し付けるまで（時間ｂ＝５秒）に約700℃まで
金属接合部材２の温度が低下し、金属接合部材２
を熱軟化状態で軸部１ａと円筒部３ａ押し付け得
る時間はｃ＝２秒に過ぎず、すぐに600℃以下に
なつてしまい、金属接合部材２を十分に流動化さ
せることが困難であつた。

しかし、本発明のように、金属接合部材２の両
端面に断熱材４を備えたことにより、金属接合部
材２からダイス６および端壁８への熱放出を抑え
ることができるので、第２図に線４１で示すよう
に、従来に比べて数倍の時間（c₁＝６秒）金属接
合部材２を600℃以上に保つことができ、これに
よつて金属接合部材２を流動化させ、軸部１ａと
円筒部３ａに完全に密着させることができる。

第１図は本発明のセラミツクス構造部材と金属
接合部材との接合方法を説明する原理図である
が、例えばタービン翼車の場合には、セラミツク
スからなるタービン翼車の端部に軸部１ａを一体
に形成する一方、金属軸として中空軸を用い、こ
の端部に円筒部３ａを形成し、軸部１ａと円筒部
３ａを金属接合部材２によつて熱圧着させればよ
く、高温に耐えるセラミツクスタービン翼車の回
転力を金属軸を経てブロアへ伝達することができ
る。

［発明の効果］ 本発明によれば、上述のように、セラミツクス
構造部材１と金属構造部材３との間に介装される
金属接合部材２の熱圧着面から離れた面、詳しく
は熱圧着面と垂直な面にセラミツクスなどの断熱
材からなる押圧面を備えるという簡単な構成であ
りながら金属接合部材からの熱放散を大幅に抑え
ることができ、ダイスによる熱圧着に必要な温度
を長時間維持することができ、熱圧着効果を大幅
に向上することができる。

しかも金属接合部材２が加熱軟化され、かつ押
圧されて円筒部３ａの内周面と軸部１ａの外周面
とに均一に密着され、接合面積が広いので、高い
接合強度が得られ、熱に対して安定であり、接合
部に弛みが生じたり、あるいは破壊する恐れがな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一般的なセラミツクス構
造部材に適用されるセラミツクス構造部材と金属
接合部材との接合方法を説明する正面断面図、第
２図は本発明によるセラミツクス構造部材と金属
接合部材との接合方法と、断熱材のない金属接合
部材を使用したセラミツクス構造部材と金属接合
部材との接合方法との効果を比較して表す線図で
ある。 １：セラミツクス構造部材、２：金属接合部
材、３：金属構造部材、４：断熱材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ セラミツクスと同等の熱膨張率を有する金属
   接合部材の両端面を断熱材により覆い、前記金属
   接合部材をセラミツクス構造部材に嵌合し、前記
   金属接合部材を加熱し、この両端面を押圧して前
   記金属接合部材を前記構造部材に密着させること
   を特徴とするセラミツクス構造部材と金属接合部
   材との接合方法。