JPH0477704B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野） 本発明は金属・セラミツクス接合体に係り、特
に、セラミツクス部材と金属部材とを中間層を介
して突き合わせ接合するに好適な構造の接合体に
関するものである。 （従来技術） 近年、セラミツクスの特性を利用して、ピスト
ンキヤツプやターボチヤージヤ用ロータ、ガスタ
ービン用ロータ等の工業的用途に、その利用が図
られるに伴い、セラミツクス部材を所定の金属部
材に接合せしめる必要が生じており、これまでに
各種の接合方式が提案されている。 そして、そのようなセラミツクス部材と金属部
材との接合方式の一つとして、それら両部材を突
き合わせて接合せしめる際に、両者の界面に別体
の中間層を設けて、接合させる手法が知られてい
る。例えば、実開昭59−160533号公報には、セラ
ミツクスと金属との接合構造として、両者の界面
にＷ材またはMo材よりなるクラツド材を介在さ
せて接合する方法が明らかにされ、また特開昭60
−255679号公報には、セラミツクスと金属のろう
付けにおいて、セラミツクスの接合面以外に、中
間層としてのろう材が接触しないように削り加工
する接合体が明らかにされており、更に特開昭62
−6773号公報には、セラミツクス軸と金属軸との
接合に際して、それら両者よりもヤング率の小さ
い金属からなる短軸を介在させる構造も、明らか
にされている。 （問題点） しかしながら、このようなセラミツクス部材と
金属部材とを突き合わせて、接合する方式におい
ては、それら両部材の熱膨張差により接合界面に
残留応力が生じ、充分な接合強度が得られない問
題が内在しているのである。 すなわち、金属部材とセラミツクス部材との突
き合わせ接合は、加熱状態下において行なわれる
こととなるが、その接合操作の後、冷却される
と、その冷却前には通常の形状で接合されてい
た、熱膨張率の大きな金属部材と熱膨張率の小さ
なセラミツクス部材とからなる接合体において、
金属部材の方が収縮が進み、それによつて接合界
面の端部で金属部材とセラミツクス部材の両者に
引張応力が加わり、そしてその状態が進行する
と、かかる界面端部より剥離や割れが生じること
があるのである。 このような問題は、上述の如く、セラミツクス
部材と金属部材との間に介在させられる中間層に
種々工夫を加えたとこので、かかる中間層の目的
が接合界面エツジ部における残留応力の除去では
ないところから、充分に解決されるには至つてお
らず、依然として、セラミツクス部材の接合面の
エツジ部に応力集中が生じ、その接合強度に少な
からぬ問題を内在している。要するに、熱膨張差
によつてセラミツクス部材の接合端に残留応力が
生じ、充分な接合強度が得られなかつたのであ
る。 （解決手段） ここにおいて、本発明は、上記した金属、セラ
ミツクス接合体における門題を解決しようとする
ものであつて、その特徴とするところは、セラミ
ツクス部材と金属部材とを中間層を介して突き合
わせ、接合せしめてなる構造の金属・セラミツク
ス接合体において、かかるセラミツクス部材の前
記中間層との接合面に存在するエツジ部を丸め
て、略円弧形状と為し、且つ該円弧形状の少なく
とも1/2以上の領域において前記中間層と接合せ
しめたことにある。 （作用・効果） このように、本発明に従つて、セラミツクス部
材の接合面に存在するエツジ部、特に中間層との
接合端部に位置するエツジ部を丸めて、所定の曲
率半径の円弧形状若しくは略円弧形状と為すこと
により、従来形状ではセラミツクス部材と金属部
材の突合わせ面の熱収縮差により惹起されてい
た、セラミツクス部材のエツジ部における応力集
中が効果的に減少せしめられ得て、残留応力が低
減するようになるところから、接合、冷却後のセ
ラミツクス部材の剥離が割れがなくなり、接合部
の強度の信頼性が有利に高められることとなるの
である。 そして、その結果、接合強度の高いセラミツク
ス・金属接合体が得られ、例えばターボチヤージ
ヤ用ロータにおけるセラミツクス軸と金属軸との
接合等の、セラミツクス部材と金属部材との突き
合わせ接合に、有利に適用され得ることとなつた
のである。 （具体的構成・実施例） 以下、本発明に係る幾つかの実施例を示す図面
に基づいて、本発明を更に具体的に明らかにする
こととする。 先ず、第１図において、２及び４は、それぞ
れ、接合されるべきセラミツクス部材及び金属部
材であり、目的とする金属・セラミツクス接合体
の用途に応じて、所定形状の公知の材質のものが
適宜に選択されることとなる。ここで、強いて例
示するならば、セラミツクス部材２としては、窒
化珪素、炭化珪素、サイアロン、ジルコニア、ム
ライト、アルミナ、ベリリア等からなるものが用
いられ、また金属部材４としては、炭素鋼、ステ
ンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄、ニツケル・クロム・モ
リブデン銅、クロム・モリブデン鋼、アルミニウ
ム・クロム・モリブデン鋼、マルエージング鋼、
析出硬化型超合金、インコロイ等の超合金等から
なるものが用いられる。なお、かかる金属部材４
には、必要に応じて、その一部或いは全部に析出
硬化処理、窒化処理、高周波焼入れ処理等の硬化
処理が施されている。 そして、かかるセラミツクス部材２と金属部材
４との突合わせ接合に際しては、公知の接合方式
が採用され、例えばろう付け、拡散接合、溶融接
合等による接合方式、或いはこれらの組合せによ
る接合方式が適宜に採用され、それによつて、セ
ラミツクス部材２と金属部材４とが、接合層とし
ての中間層６を介して接合せしめられることとな
る。 なお、第１図においては、かかる中間層６が、
中間部材としての、金属板材６ａとろう材６ｂか
らなるブレージングシートを用いて、公知のろう
付け手法にてセラミツクス部材２と金属部材４と
を接合せしめることによつて、形成されている
が、またかかる中間層６をろう材６ｂのみにて形
成することも、勿論、可能である。また、中間部
材としての金属板材６ａとしては、好ましくは、
金属部材４よりも降伏応力の小さな材質からなる
ものが有利に用いられ、例えば、Cu，Al，Zn，
Ti，Pb，Pt，Au，Ag及びそれらの合金等の材
質が適宜に選択され、更にろう材６ｂとしても、
それら材質のものが好適に用いられることとな
る。 ところで、本発明は、このようなセラミツクス
部材２と金属部材４との、中間層６を介しての接
合形態において、かかるセラミツクス部材２の中
間層６との接合面に存在するエツジ部を、第１図
に示される如く丸めて、略円弧形状のエツジ丸め
部８と為し、そして好ましくは、このエツジ丸め
部８の半分以上、より好ましくは2/3以上（ここ
では、その略全面）に中間層６（ここでは、ろう
材６ｂ）が接合せしめられるようにしたものであ
つて、これにより、熱収縮差にて発生するセラミ
ツクス部材２のエツジ丸め部８における応力集中
が減少せしめられるように為し、以て残留応力の
低減を図るようにしたものである。 すなわち、第１図の具体例においては、中間層
６が金属部材６ａとろう材６ｂとから構成され、
そして該ろう材６ｂが、かかる金属部材６ａとセ
ラミツクス部材２の接合面１０の周縁部に位置す
る丸められたエツジ部との間を接合しているとこ
ろから、セラミツクス部材２の接合面１０以外の
部分まで、即ちエツジ丸め部８、更にはセラミツ
クス部材２の側面にまで、ろう材６ｂを介して、
金属板材６ａ、ひいては中間層６が接触するよう
になるのであり、そしてそれによつてセラミツク
ス部材２を外周側から締め付けて、破壊に寄与し
ない圧縮応力を発生せしめるところから、セラミ
ツクス部材２中の残留応力が効果的に緩和され得
て、以てそれを効果的に低減せしめ得ることとな
るのである。 なお、第１図に示される具体例においては、金
属板材６ａとろう材６ｂからなるブレージングシ
ートを用いたろう付け操作によつて、側部にはみ
出す余分のろう材６ｂが取り除かれて、中間層６
の側面とセラミツクス部材２の側面とが面一とな
るようにされているが、差支えなければ、第２図
に示されるように、中間層６のろう材６ｂが側部
にはみ出した形態のセラミツクス部材２と金属部
材４との接合体とすることも可能である。 本発明においては、そのような側部はみ出しろ
う材６ｂ部分の除去の如何に拘わらず、中間層６
は、セラミツクス部材２に対して、そのエツジ丸
め部８、換言すればその略円弧形状の中間層６と
の接合領域は1/2以上であることが好ましく、2/3
以上であるとより好ましい。接合領域を1/2以上
に限定する理由は、接合領域が1/2以上であると、
かかるエツジ丸め部８の効果がより一層発現され
るためである。また、接合領域が2/3以上である
と、上記効果が更に好ましく発現される。即ち、
第３図ａに示されるように、セラミツクス部材２
の接合面１０から延びるエツジ丸め部８の円弧形
状における中点１２よりも外側の位置において、
セラミツクス部材２と中間層６との接合端１４が
位置するようにされるとより好ましいものであ
る。 ここで、第３図に示される接合体では、中間層
６はろう材のみで構成されている。 また、かかるセラミツクス部材２のエツジ丸め
部８における略円弧形状としては、セラミツクス
部材２の接合面の大きさ、セラミツクス部材２と
金属部材４との熱収縮差等によつて適宜の大きさ
のものとされることとなるが、一般に、0.3mm以
上、好ましくは0.5mm以上の曲率半径を有するよ
うに形成されることとなる。 ここで、略円弧形状とは、円弧形状又は楕円形
状の一部又はそれらの２種以上が組み合わされた
曲線形状のことを言う。 さらに、第３図ｂにおいて、接合端１４がエツ
ジ丸め部８ではなく、セラミツクス部材２の側部
に位置する場合には、かかるセラミツクス部材２
の側部における中間層６に対する接合端１４とセ
ラミツクス部材・中間層接合面１０との該接合面
に垂直な方向の距離、即ち第３図ｂに示される距
離：ｌは、２mm以下が好ましく、１mm以下である
とより好ましい。けだし、セラミツクス部材２の
接合端１４における応力は、かかる接合端１４と
セラミツクス部材・中間層接合面１０との距離：
ｌが大きくなるに従い、大きくなるのであり、そ
のため、接合端１４と接合面１０との、該接合面
に垂直な方向の距離：ｌは大き過ぎないのが良い
からである。 なお、上記の具体例では、セラミツクス部材２
と金属部材４との間に介在せしめられる、接合層
としての中間層６の最も単純な形態の代表例を示
したが、また、本発明においては、第４〜６図に
示される如き中間層の形態を採用することも可能
である。 すなわち、第４図の金属・セラミツクス接合体
においては、中間層６を構成する金属板材６ａの
セラミツクス部材２に対する対向面が、該セラミ
ツクス部材２のエツジ丸め部８を有する接合面１
０に対応する形状に成形された接合面とされてい
る。このように、セラミツクス部材２のエツジ丸
め部８に対応する形状を金属板材６ａの接合面に
持たせることにより、セラミツクス部材２の外周
からの締め付けをより効果的に惹起させることが
可能となるのである。なお、ここでは、そのよう
な形状の付与された金属板材６ａが、ろう材６ｂ
を介してセラミツクス部材２に接合せしめられて
いるが、また、ろう材６ｂを介することなく、実
質的に直接にセラミツクス部材２に接合せしめら
れていても、何等差支えないのである。 また、第５図に示される具体例においては、金
属部材４側にフランジ部１６が設けられ、このフ
ランジ部１６に形成された接合凹所１８内に中間
層６が収容された形態において、セラミツクス部
材２との接合が行なわれているところが、上記の
第４図の具体例と異なるところである。従つて、
ここでは、中間層６を構成する金属板材６ａも、
その外周縁部において、図示の如く立上り部を有
し、それによつてセラミツクス部材２の接合面１
０における外周部のエツジ丸め部８を包み込むよ
うな形態となつているところから、セラミツクス
部材２の外周からの締め付け力をより一層大きな
ものとすることが可能である。 さらに、第６図に示される他の具体例において
は、セラミツクス部材２と金属部材４とが、凹凸
嵌合構造において、中間層６を介して、突合わせ
接合される例が示されている。この場合において
も、上述の如く、中間層６に対する接合面１０の
周縁部に位置しているセラミツクス部材２のエツ
ジ部が丸められて、エツジ丸め部８が形成されて
いると共に、セラミツクス部材２からの凸部２０
においても、そのエツジ部が丸められて、所定円
弧形状のエツジ丸め部２２とされているのであ
る。 このように、本発明は、種々変形した形態にお
いて実施することが可能であり、当業者の知識に
基づいて、変形、修正、改良等を加えた実施形態
のものであつても、本発明の趣旨を逸脱しない限
りにおいて、それらが何れも本発明の範疇に属す
るものであることが、理解されるべきである。 ところで、上記の如き本発明に従うセラミツク
ス部材２の接合面１０におけるエツジ丸め部８の
効果は、また、次の実験結果からも明らかなとこ
ろである。 すなわち、第７図ａ，ｂ及びｃに示されるよう
な形状にて製作される各種の試験体は、直径：30
mm、厚さ：10mmの窒化珪素（Si₃N₄）製円板が鋳
鉄製丸棒の間に配置され、更に円板と丸棒の間
に、中間部材として銅製薄板がそれぞれ配置さ
れ、そしてろう材にて相互に接合せしめられたも
のである。なお、窒化珪素製円板の丸棒にそれぞ
れ対向する接合面の外周縁部に位置するエツジ部
がＲ加工されて丸められ、所定の円弧形状とされ
ている。また、この試験体は、上記の丸棒、薄
板、円板、薄板、丸棒を順次組み合わせて、ろう
付けして得られたものである。 そして、かかる試験体において、窒化珪素製円
板のエツジ部のＲ形状や中間層の側面部形状を
種々変化させた試験体を製作し、その接合状態を
評価すると共に、引張試験を行ない、それぞれの
引張強度を測定した。 その結果を下記第１表及び第８図に示すが、そ
れら表や図面から明らかなように、本発明に従つ
て、セラミツクス部材としての窒化珪素製円板の
接合面に位置するエツジ部をＲ加工したものにお
いては、冷却時の割れが発生せず、しかも高い引
張強度を有するものとなるのである。しかるに、
窒化珪素製円板のエツジ部をＲ加工することな
く、単なる糸面取りを施しただけの場合にあつて
は、接合の冷却過程での剥離や割れの発生が認め
られ、また引張強度も低いことが認められる。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第４図、第５図、及び第６図
は、それぞれ、本発明に従う金属・セラミツクス
接合体の異なる例を示す縦断面説明図であり、第
３図ａ及びｂは、それぞれ、セラミツクス部材に
対する中間層の接合形態を説明するための部分拡
大図であり、第７図ａは、本発明の効果を確認す
るために製作される試験体の形態を示す縦断面半
図であり、第７図ｂ及びｃは、それぞれ、かかる
試験体における中間層側面部形状の異なる形態を
示す部分拡大説明図であり、第８図は、第１表に
おけるＲに対する引張破壊荷重の結果をプロツト
して得られたグラフである。 ２：セラミツクス部材、４：金属部材、６：中
間層、６ａ：金属板材（中間部材）、６ｂ：ろう
材、８：エツジ丸め部、１０：接合面、１２：円
弧形状の中点、１４：接合端、１６：フランジ
部、１８：接合凹所、２０：凸部、２２：エツジ
丸め部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ セラミツクス部材と金属部材とを中間層を介
   して突き合わせ、接合せしめてなる構造の金属・
   セラミツクス接合体において、かかるセラミツク
   ス部材の前記中間層との接合面に存在するエツジ
   部を丸めて、略円弧形状と為したことを特徴とす
   る金属・セラミツクス接合体。