JPH0524947A - セラミツクス部材と金属部材との接合構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、セラミックス部材と金属部材とが
充分な強度をもって接合できる信頼性の高い接合構造体
を提供することを目的とする。 【構成】 凸部を有するセラミックス部材と、凹部を有
しこの凹部が前記セラミックス部材の凸部と焼き嵌めさ
れた金属部材とを具備し、この金属部材には、凹部の内
部の底面と外部とを連通する空気抜き部が形成されてい
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス部材と金属
部材とを焼き嵌めにより接合した接合構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近来、広い分野において材料として採用
されているセラミックスは、金属に比較して耐熱性に優
れ、且つ金属なみの機械的強度を有している。例えば窒
化けい素の曲げ強度は常温で１００Kg f／mm² 、１３０
０℃で８０Kg f／mm² の値を示している。

【０００３】このような優れた耐熱性を有するセラミッ
クスは、金属からなる部品に代って使用条件の過酷な各
種機械部品として採用されつつあり、その一例として内
燃機関のターボチャージャにおけるロータ部の材料に採
用されている。ターボチャージャは、内燃機関の排気エ
ネルギーを利用して排気タービンを回転し、その動力で
コンプレッサを駆動することにより、吸入空気または混
合気を予圧する装置である。このターボチャージャに用
いられるロータ部は、高温の空気にさらされ、且つ高速
で回転する部品であるために、耐熱性に優れたセラミッ
クスで形成することは効果的である。

【０００４】ところで、ターボチャージャのロータ部は
ロータを回転軸に支持した構造をなしており、ロータを
固定する回転軸はターボチャージャに組み込むために高
い加工精度を要求される。このため、このロータと、加
工精度の高い回転軸の両方をセラミックスで一体に形成
することは困難である。そこで、この問題を解決するた
めに、ターボチャージャのロータ部では、熱負担の高い
ロータをセラミックスで形成し、加工精度が高い回転軸
を金属で形成し、両者を接合する構造が一般的に採用さ
れている。

【０００５】このセラミックス製のロータと金属製の回
転軸とを接合する構造は種々考えられているが、ロータ
の回転中心に凸部を形成し、回転軸の端部に凹部を形成
し、ロータの凸部を回転軸の凹部に挿入して焼き嵌めす
る構造が簡便なものとして多く採用されている。すなわ
ち、焼き嵌めとは、金属部材を高温に加熱して凹部をセ
ラミックス部材の凸部と嵌合し、この高温より低い温度
で両者の熱膨張率の差により凹部が凸部を締め付ける方
法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなセラミック
ス製のロータと金属製の回転軸とを接合する構造は次に
述べる問題がある。

【０００７】ロータの凸部と回転軸の凹部はしめ代をも
って組合せた状態で焼き嵌めするために、凸部の外周面
と凹部の内周面が極めて密接に接触する。このため、ロ
ータの凸部を回転軸の凹部に挿入すると、凸部内の空気
は凸部の外周面と凹部の内周面との隙間から凹部の外部
に逃げることができず、凸部に押されて凹部内に閉じ込
められる。

【０００８】従って、この凹部内の空気の存在により、
凸部の端面が凹部の底面に密接するまで凸部全体を凹部
に挿入して焼き嵌めすることが困難である。凸部は充分
な接合強度を得るに必要な長さで形成されており、凹部
も凸部と同じ長さで形成され、凸部全体を凹部に挿入し
て焼き嵌めによって両者が充分な強度で接合できるよう
になっている。

【０００９】このため、凸部全体を凹部に挿入できない
と、凸部と凹部との接合強度、すなわちロータと回転軸
との接合強度が不足し、接合後に回転軸を機械加工する
時、あるいはロータと回転軸との接合構造体をターボチ
ャージャに組み込んで高温下で使用する時に、凸部と凹
部との接合部に軸方向または周方向に滑りを生じたり、
凸部が凹部から抜けたりすることがあった。また、この
凹部内の空気が凸部を凹部に挿入する時の抵抗となり、
凸部を円滑に凹部の内部に挿入することができないこと
がある。

【００１０】本発明は前記事情に基づいてなされたもの
で、セラミックス部材と金属部材とが充分な強度をもっ
て接合できる信頼性の高い接合構造体を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を解決するため
に本発明のセラミックス部材と金属部材との接合構造体
は、凸部を有するセラミックス部材と、凹部を有しこの
凹部が前記セラミックス部材の凸部と組合せて焼き嵌め
された金属部材とを具備し、この金属部材には、前記凹
部の内部の底面と前記凹部の外部とを連通する空気抜き
部が形成されていることを特徴とするものである。空気
抜き部は、金属部材の凹部の内周部に、凹部の内部の底
面と前記凹部の開口とを結んで形成された溝である。

【００１２】

【作用】セラミックス部材の凸部を金属部材の凹部に挿
入すると、凹部内の空気が金属部材に形成した空気抜き
部を通って凹部の外部に押し出される。従って、凸部を
凹部に挿入する時に抵抗となる凹部内の空気を排除し、
凸部の全体を凹部に挿入することができ、凸部と凹部と
を焼き嵌めにより充分な強度をもって接合できる。ま
た、セラミックス部材の凸部を金属部材の凹部に容易に
挿入することができる。

【００１３】特に、金属部材の凹部の内周部に、凹部の
内底面と前記凹部の開口とを結んで形成された溝を空気
抜きとして利用すると、凸部が凹部内の空気を円滑に押
し出すことができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図面で示す一実施例を図面に
ついて説明する。図１ないし図４に示す実施例は、内燃
機関のターボチャージャに設けるロータと、回転軸とを
一体に接合した構造体に適用したものである。図１は接
合構造体の全体を示している。

【００１５】図中１はセラミックス部材であるロータで
あり、窒化けい素、炭化けい素、サイアロンなどの耐熱
強度に優れたセラミックスで形成されている。２は金属
部材である回転軸で、クロムーモリブデン鋼、ステンレ
ス鋼などの耐熱性に優れた金属で形成されている。

【００１６】ロータ１は、軸部３と、この軸部３の中間
位置に放射状に配置された複数の羽根部４とを一体に形
成したものである。軸部３の一端には凸部５が軸方向に
沿って突出形成されている。この凸部５は断面円形のボ
ス形をなすもので、軸部３に比較して小さい直径と、回
転軸２の凹部６に組合せるのに必要な長さを有してい
る。

【００１７】回転軸２は丸棒をなすものである。図２お
よび図３に示すようにロータ１の凸部５と対向する回転
軸２の一端部には軸方向に沿って凹部６が形成されてい
る。この凹部６は回転軸２の端面で開放する丸孔形をな
すもので、凸部５に対してしめ代をもって組合さる大き
さの直径と、凸部５と同じ大きさの長さを有している。

【００１８】凹部６の内周部には複数の空気抜き溝７が
形成されている。各空気抜き溝７は凹部６の底面と凹部
６の開口とを結んで凹部６の軸方向に沿って形成された
もので、これらは凹部６の円周方向に間隔を存して平行
に並べて形成されている。空気抜き溝７の幅、深さ寸法
および数は、凸部５で凹部６の内部にある空気を効果的
に押し出すことができる条件を考慮して設定する。

【００１９】そして、ロータ１の凸部５は回転軸２の凹
部６に挿入して組合され、さらに焼き嵌めを施して接合
されている。すなわち、図４に示すように回転軸２を高
温に加熱して凹部６にロータ１の凸部５を挿入し、この
高温より低い温度でロータ１と回転軸２との熱膨張率の
差により凹部５が凸部６を締め付け固定している。この
実施例においてロータ１と回転軸２との接合構造体には
次に述べる効果を有している。

【００２０】ロータ１と回転軸２とを接合するために、
ロータ１の凸部５を回転軸２の凹部６に挿入すると、凹
部６内の空気が凹部６の内周部に形成した溝７を通って
凹部６の開口から外部に流れ出る。このように凸部５を
凹部６に挿入して行くに伴って、凹部６内の空気が徐々
に凹部６の外部に押し出される。この場合、凸部５は凹
部６内の空気を排除しながら挿入するので、凸部５を凹
部６に円滑に挿入することができる。そして、凸部５が
挿入の抵抗となる凹部６内の空気を排出するので、凸部
５の長さ方向全体を凹部６に挿入することができ、凸部
５の端面を凹部６の底面に密接させることができる。従
って、凸部５と凹部６とを確実に嵌合することができ、
この接合部を焼き嵌め刷ることによりロータ１と回転軸
２とを強固に接合できる。

【００２１】回転軸２の凹部６の内周部に、凹部６の内
底面と凹部６の開口とを結んで形成された溝７を空気抜
きとして利用すると、凸部５を凹部６に挿入するのに伴
い凹部６内の空気を円滑に押し出すことができる。この
実施例において空気抜き溝７は凹部６の軸方向に沿う形
態に限定されず、螺旋状のものであってもよい。ターボ
チャージャに使用するセラミックス製のロータ１と金属
製の回転軸２とを接合した構造体の具体的な一例につい
て述べる。

【００２２】ロータ１は窒化けい素で形成され、凸部５
の直径が１０mm、長さが１０mmである。回転軸２はスレ
ンレス鋼で形成され、凹部６の直径が９．９８mm、長さ
が１０mmである。凸部５と凹部６との間のしめ代は０．
２mmである。凸部５と凹部６とを焼き嵌めする処理は、
回転軸２は温度６００℃で加熱し、ロータは温度２００
℃に保留し、ロ−タ１の凸部５を自然落下により回転軸
２の凹部６に挿入している。

【００２３】本発明の接合構造体では、金属部材に形成
する空気抜き部は、凹部の内周部に京成する溝に限定さ
れず、種々の形態を採用することができる。例えば図５
に示すように前述した実施例において回転軸２に凹部６
の底面と外部とを結ぶ複数の空気抜き孔８を直径方向に
沿って形成するようにしても良い。

【００２４】本発明は、ターボチャージャに使用するセ
ラミックスロータと金属回転軸とを接合した構造体に限
定されずに、他の広い分野の用途に使用される接合構造
体に適用できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明のセラミック
ス部材と金属部材との接合構造体は、凸部を有するセラ
ミックス部材と、凹部を有しこの凹部が前記セラミック
ス部材の凸部と焼き嵌めされた金属部材とを具備し、こ
の金属部材に凹部の内部の底面と外部とを連通する空気
抜き部を形成しているので、凸部を凹部に挿入する時に
凹部内の空気を排除して凸部の全体を凹部に円滑に挿入
することができ、凸部と凹部とを強固に接合し、この結
果セラミックス部材と金属部材とを充分な強度をもって
接合して信頼性を高めることができる。

【００２６】また、空気抜き部として、金属部材の凹部
の内周部に、凹部の内底面と前記凹部の開口とを結ぶ溝
を形成すると、凸部を凹部に挿入するのに伴い凹部内の
空気を円滑に押し出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の接合構造体を示す一部切欠
正面図。

【図２】接合構造体におけるロータと回転軸との接合部
を拡大して示す断面図。

【図３】接合構造体における回転軸の端面を拡大して示
す図

【図４】接合構造体においてロータの凸部を回転軸の凹
部に挿入する過程を示す断面図。

【図５】接合構造体における接合部の他の例を示す断面
図。

【符号の説明】

１…ロータ、２…回転軸、５…凸部、６…凹部、７…
溝。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凸部を有するセラミックス部材と、凹部
   を有しこの凹部が前記セラミックス部材の凸部と組合せ
   て焼き嵌め接合された金属部材とを具備し、この金属部
   材には、前記凹部の内部の底面と前記凹部の外部とを連
   通する空気抜き部が形成されていることを特徴とするセ
   ラミックス部材と金属部材との接合構造体。
2. 【請求項２】 空気抜き部は、金属部材の凹部の内周部
   に、凹部の内部の底面と凹部の開口とを結んで形成され
   た溝である請求項１記載のセラミックス部材と金属部材
   との接合構造体。