JPH0544433B2 - - Google Patents
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- JPH0544433B2 JPH0544433B2 JP1148867A JP14886789A JPH0544433B2 JP H0544433 B2 JPH0544433 B2 JP H0544433B2 JP 1148867 A JP1148867 A JP 1148867A JP 14886789 A JP14886789 A JP 14886789A JP H0544433 B2 JPH0544433 B2 JP H0544433B2
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Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
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Description
［産業上の利用分野］
本発明はセラミツクスと金属の接合構造に係
り、特に熱遮蔽用部材に好適なセラミツクスと金
属の接合構造に関する。 ［従来の技術］ 従来、金属にセラミツクスを接合する方法とし
ては、第３図に示す如く、母材金属１１の表面
に、大型のセラミツクス板１２をろう付け、固相
接合、あるいは接着剤により接合する方法があ
る。 また、第４図に示す如く、セラミツクス１２と
母材金属１１との間に適当な応力緩和用のインサ
ートメタル１３を介在させると同時にセラミツク
ス板を小片に分割する場合もある。インサートメ
タル１３としては、線膨張係数がセラミツクスに
近い材質のもの、あるいは軟質金属等が用いられ
ている。 しかしながら、第３図に示す方法では、使用時
におけるセラミツクス板１２内部の温度勾配によ
り発生する熱応力やセラミツクス板１２と母材金
属１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力によ
りセラミツクス板１２に亀裂が入つたり、著しい
場合にはセラミツクス板１２が破損したりすると
いう問題があつた。 第４図に示すインサートメタル１３を用いる方
法では、このような問題はある程度軽減されるも
のの、使用時における表面と裏面の温度差に起因
するセラミツクス１２の自由変形を依然として拘
束しているため、接合部分やセラミツクス内部に
多大な応力がかかり、やはり、セラミツクスの亀
裂発生や剥離等の問題が生じていた。 このような問題を解決するものとして、本出願
人は、第５図に示す如く、縁部がセラミツクス１
２側から母材金属１１側へ向けてセラミツクス１
２の縁部よりも徐々に後退しているインサートメ
タル１３Ａを介してセラミツクス１２と母材金属
１１とを接合した構造を先に提案した（特開昭64
−65078号。以下「先願」という。）。 また、本出願人は、上記先願よりも更に熱応
力の発生を抑えた接合構造として第６図に示す如
く、セラミツクス１２の周縁部でかつ母材金属１
１と接する側の部分１３B′はインサートメタル
の他の部分１３Ｂよりも線膨張係数が大きい材質
で構成されたインサートメタル１３を介してセラ
ミツクス１２と母材金属１１とを接合した構造を
提案した（特願昭62−293009号。以下「先願」
という。）。 ［発明が解決しようとする課題］ 先願の構造によれば、優れた効果が達成され
るが、前述の如く、熱遮蔽を目的として母材金属
に接合したセラミツクスでは、表面が高温、接合
面（裏面）が低温であるため、いかなる接合構造
をとろうとも、程度の差はあるがその温度差等に
起因する熱応力が発生することは避けられないも
のである。従つて、セラミツクスを熱遮蔽用部材
として用いる場合、こうした熱応力の発生を極力
抑え、また、母材金属とセラミツクスの接合時に
発生する接合残留応力をより一層低減させること
が部品の信頼性を向上させる上で必要である。 本発明は上記実情に鑑みなされたものであつ
て、加熱時のセラミツクスの熱変形による熱応力
の発生をより一層低減させると共に、接合残留応
力もより一層低下させたセラミツクスと金属との
接合構造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］ 本発明のセラミツクスと金属との接合構造は、
インサートメタルを介してセラミツクス板を金属
に接合した構造であつて、金属とインサートメタ
ル、インサートメタルとセラミツクス板はそれぞ
れろう付けしてある接合構造において、該インサ
ートメタルは、線膨張係数の異なる２種の金属で
構成され、セラミツクス板と接する側に設けられ
た薄板の第１の層と、金属と接する側でかつセラ
ミツクス板の周縁部分に沿つて設けられた中央部
を空洞とした第２の層と、で構成されることを特
徴とする。 ［作用］ 本発明の接合構造では、インサートメタルは、
線膨張係数の異なる２種の金属で構成され、セラ
ミツクス板と接する側に設けられた薄板の第１の
層と、金属と接する側でかつセラミツクス板の周
縁部分に沿つて設けられた中央部を空洞とした第
２の層とで構成される。 このように、２種の材質よりなるインサートメ
タルを用いることにより、セラミツクスと母材金
属との線膨張係数の差に起因する接合残留応力を
大幅に低下させることができる。 また、インサートメタルの第２の層は、セラミ
ツクス板の周縁部分に沿つて設けられており、中
央部は空洞とされているため、加熱時のセラミツ
クス板の熱変形が効果的に許容され、熱応力の発
生が低減される。 ［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例について
説明する。 第１図は本発明のセラミツクスと金属の接合構
造の一実施例を示す断面図であつて、本発明の接
合構造を採用した排気弁の一部断面斜視図である
第２図の部の拡大図に相当する。 本実施例のセラミツクスと金属の接合構造は、
インサートメタル２を介してセラミツクス板１を
相手方部材の母材金属３に、各部材間をろう付け
により接合した構造である。このインサートメタ
ル２は、セラミツクス板１と接する側に設けられ
た該セラミツクスよりも線膨張係数の大きい材質
よりなる薄い第１の層２Ａと、金属と接する側で
かつセラミツクス板の周縁部分に沿つて設けられ
た該セラミツクス板よりも線膨張係数の小さい材
質よりなる第２の層２Ｂとで構成されている。 本発明において、セラミツクスが一般に熱遮蔽
用セラミツクスとして広け用いられているジルコ
ニアである場合には、第１の層２Ａを構成する材
料としては、母材金属と同一材質のもの、例えば
SUH3合金等を使用するのが好ましい。 また、第２の層２Ｂを構成する材料としては、
セラミツクス板１の熱膨張係数にできるだけ近い
熱膨張係数を有するもので、なおかつヤング率が
小さく変形能の大きな材料が好ましく、チタンな
どを用いることができる。 このような材料で構成されるインサートメタル
２の厚さは、十分な熱応力緩和効果、残留応力低
減効果が得られるように、各部材の材質、大きさ
等に応じて適宜決定される。 例えば、第１図及び第２図に示すような構造に
おいて、セラミツクス板１の平面形状が10.4mm×
12mmの六角形状であり、厚さＴが6.5mmである場
合において、インサートメタル２の第１の層２Ａ
の厚さt1は0.2〜0.3mm程度、第２の層２Ｂの厚さ
t2は２〜３mm程度とするのが好ましい。また、第
２の層２Ｂを形成する周縁部分の幅W1は1.5〜2.5
mm程度であることが好ましく、結果的に幅W2が
７〜８mm程度の空洞４が形成されることが好まし
い。しかし、中央部の空洞の形状を外縁に合わせ
六角形状とする必要は必ずしもなく、加工の容易
な直径７〜８mm程度の円形でも充分その効果は達
せられる。 本発明の接合構造は、それぞれ所定形状に成形
した前記各層２Ａ，２Ｂ間にろう材を配してイン
サート材２とし、このインサート材２と母材金属
３、インサート材２とセラミツクス板１との間に
もろう材を配し、所定温度に加熱してろう付接合
することにより形成することができる。 本発明において、セラミツクスの種類は何ら限
定されるものではなく、ZrO2系以外に、Al2O3系
など各種の酸化物セラミツクス、Si3N4等の窒化
物セラミツクス、SiC等の炭化物セラミツクス、
その他サイアロン、ほう化物、珪化物などのセラ
ミツクスに対しても適切な線膨張係数を持つたイ
ンサートメタルを選定することにより適用可能で
ある。 また、セラミツクス１の大きさについても特に
制限はなく、接合構造の全体構造や使用目的、接
合する部材材質等に応じて決定される。 このようなセラミツクスと接合される相手方部
材の金属としても特に制限はなく、本発明によれ
ばセラミツクス板１との熱膨張係数の差が大きい
金属母材にも十分に適用することができる。 本発明において、セラミツクス板１同志の間隙
ｄは、セラミツクス板１の熱膨張代を確保できる
範囲においてなるべく小さくするのが好適であ
る。 以上の説明では、平面状の金属表面にセラミツ
クスを接合した構造について説明したが、本発明
の接合構造は曲面状構造にも十分に適用すること
ができる。 なお、第２図に示す排気弁において、下記仕様
にて本発明の接合構造を実施し、大型試験機関に
よる運転試験を実施したところ、セラミツクスの
破損、剥離等の問題もなく、断熱性、耐久性、安
全性、信頼性の高い排気弁が提供されることが確
認された。 セラミツクス板： 材質＝ジルコニア（多孔質体） 大きさ＝ 平面形状10.4mm×12mmの六角形状、
厚さ6.5mm セラミツクス板同志の間隔ｄ：0.2mm 母材金属：SUH3 インサートメタル： 第１の層＝SUH3、厚さt10.3mm 第２の層＝チタン、厚さt22.5mm 中央部の空洞＝W2φ7.5mm 以下、本発明の効果の一例を、有限要素法を用
いた熱応力解析結果により説明する。 計算を行なつた場合構造は、次のケースＡ〜Ｇで
ある。 ［ケースＡ］ 第３図に示す従来の接合構造であつてインサー
トメタルを使用しない大型セラミツクス貼付け
型。 ［ケースＢ］ 第５図に示す先願の接合構造であつて、縁部
が後退しているチタン製インサートメタル１３Ａ
を用いた小型セラミツクス貼付け型。 ［ケースＣ］ 第７図に示す接合構造であつて、チタン製イン
サートメタル１３Ｃを用いた埋め込み型。 ［ケースＤ］ 第８図に示す接合構造であつて、チタン製イン
サートメタル１３Ｄを用いた半埋め込み型。 ［ケースＥ］ 第９図に示す接合構造であつて、チタン１３ｅ
とSUH3 １３e′との複合インサートメタル１３
Ｅを用いた半埋め込み型。 ［ケースＦ］ 第１０図に示す接合構造であつて、チタン製イ
ンサートメタル１３Ｆの空洞部に黒鉛１４を充填
した半埋め込み型。 ［ケースＧ］ 第１１図に示す本発明の接合構造であつて、チ
タン１３ｇとSUH3 １３g′との複合インサート
メタル１３Ｇを用いた中央空洞型。 なお、第７図〜第１１図において、１１は母材
金属を、１２はセラミツクスを示す。ケースＡ〜
Ｇのいずれにおいても、セラミツクスとしては多
孔質ジルコニアを用い、母材金属としてはSUH3
を用いた場合である。 ここでは計算簡略化のため、後述の１個の接合
片を取り出して計算モデルとした。 計算では、第１表に示した各材料の物性値を用
いた。
り、特に熱遮蔽用部材に好適なセラミツクスと金
属の接合構造に関する。 ［従来の技術］ 従来、金属にセラミツクスを接合する方法とし
ては、第３図に示す如く、母材金属１１の表面
に、大型のセラミツクス板１２をろう付け、固相
接合、あるいは接着剤により接合する方法があ
る。 また、第４図に示す如く、セラミツクス１２と
母材金属１１との間に適当な応力緩和用のインサ
ートメタル１３を介在させると同時にセラミツク
ス板を小片に分割する場合もある。インサートメ
タル１３としては、線膨張係数がセラミツクスに
近い材質のもの、あるいは軟質金属等が用いられ
ている。 しかしながら、第３図に示す方法では、使用時
におけるセラミツクス板１２内部の温度勾配によ
り発生する熱応力やセラミツクス板１２と母材金
属１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力によ
りセラミツクス板１２に亀裂が入つたり、著しい
場合にはセラミツクス板１２が破損したりすると
いう問題があつた。 第４図に示すインサートメタル１３を用いる方
法では、このような問題はある程度軽減されるも
のの、使用時における表面と裏面の温度差に起因
するセラミツクス１２の自由変形を依然として拘
束しているため、接合部分やセラミツクス内部に
多大な応力がかかり、やはり、セラミツクスの亀
裂発生や剥離等の問題が生じていた。 このような問題を解決するものとして、本出願
人は、第５図に示す如く、縁部がセラミツクス１
２側から母材金属１１側へ向けてセラミツクス１
２の縁部よりも徐々に後退しているインサートメ
タル１３Ａを介してセラミツクス１２と母材金属
１１とを接合した構造を先に提案した（特開昭64
−65078号。以下「先願」という。）。 また、本出願人は、上記先願よりも更に熱応
力の発生を抑えた接合構造として第６図に示す如
く、セラミツクス１２の周縁部でかつ母材金属１
１と接する側の部分１３B′はインサートメタル
の他の部分１３Ｂよりも線膨張係数が大きい材質
で構成されたインサートメタル１３を介してセラ
ミツクス１２と母材金属１１とを接合した構造を
提案した（特願昭62−293009号。以下「先願」
という。）。 ［発明が解決しようとする課題］ 先願の構造によれば、優れた効果が達成され
るが、前述の如く、熱遮蔽を目的として母材金属
に接合したセラミツクスでは、表面が高温、接合
面（裏面）が低温であるため、いかなる接合構造
をとろうとも、程度の差はあるがその温度差等に
起因する熱応力が発生することは避けられないも
のである。従つて、セラミツクスを熱遮蔽用部材
として用いる場合、こうした熱応力の発生を極力
抑え、また、母材金属とセラミツクスの接合時に
発生する接合残留応力をより一層低減させること
が部品の信頼性を向上させる上で必要である。 本発明は上記実情に鑑みなされたものであつ
て、加熱時のセラミツクスの熱変形による熱応力
の発生をより一層低減させると共に、接合残留応
力もより一層低下させたセラミツクスと金属との
接合構造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］ 本発明のセラミツクスと金属との接合構造は、
インサートメタルを介してセラミツクス板を金属
に接合した構造であつて、金属とインサートメタ
ル、インサートメタルとセラミツクス板はそれぞ
れろう付けしてある接合構造において、該インサ
ートメタルは、線膨張係数の異なる２種の金属で
構成され、セラミツクス板と接する側に設けられ
た薄板の第１の層と、金属と接する側でかつセラ
ミツクス板の周縁部分に沿つて設けられた中央部
を空洞とした第２の層と、で構成されることを特
徴とする。 ［作用］ 本発明の接合構造では、インサートメタルは、
線膨張係数の異なる２種の金属で構成され、セラ
ミツクス板と接する側に設けられた薄板の第１の
層と、金属と接する側でかつセラミツクス板の周
縁部分に沿つて設けられた中央部を空洞とした第
２の層とで構成される。 このように、２種の材質よりなるインサートメ
タルを用いることにより、セラミツクスと母材金
属との線膨張係数の差に起因する接合残留応力を
大幅に低下させることができる。 また、インサートメタルの第２の層は、セラミ
ツクス板の周縁部分に沿つて設けられており、中
央部は空洞とされているため、加熱時のセラミツ
クス板の熱変形が効果的に許容され、熱応力の発
生が低減される。 ［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例について
説明する。 第１図は本発明のセラミツクスと金属の接合構
造の一実施例を示す断面図であつて、本発明の接
合構造を採用した排気弁の一部断面斜視図である
第２図の部の拡大図に相当する。 本実施例のセラミツクスと金属の接合構造は、
インサートメタル２を介してセラミツクス板１を
相手方部材の母材金属３に、各部材間をろう付け
により接合した構造である。このインサートメタ
ル２は、セラミツクス板１と接する側に設けられ
た該セラミツクスよりも線膨張係数の大きい材質
よりなる薄い第１の層２Ａと、金属と接する側で
かつセラミツクス板の周縁部分に沿つて設けられ
た該セラミツクス板よりも線膨張係数の小さい材
質よりなる第２の層２Ｂとで構成されている。 本発明において、セラミツクスが一般に熱遮蔽
用セラミツクスとして広け用いられているジルコ
ニアである場合には、第１の層２Ａを構成する材
料としては、母材金属と同一材質のもの、例えば
SUH3合金等を使用するのが好ましい。 また、第２の層２Ｂを構成する材料としては、
セラミツクス板１の熱膨張係数にできるだけ近い
熱膨張係数を有するもので、なおかつヤング率が
小さく変形能の大きな材料が好ましく、チタンな
どを用いることができる。 このような材料で構成されるインサートメタル
２の厚さは、十分な熱応力緩和効果、残留応力低
減効果が得られるように、各部材の材質、大きさ
等に応じて適宜決定される。 例えば、第１図及び第２図に示すような構造に
おいて、セラミツクス板１の平面形状が10.4mm×
12mmの六角形状であり、厚さＴが6.5mmである場
合において、インサートメタル２の第１の層２Ａ
の厚さt1は0.2〜0.3mm程度、第２の層２Ｂの厚さ
t2は２〜３mm程度とするのが好ましい。また、第
２の層２Ｂを形成する周縁部分の幅W1は1.5〜2.5
mm程度であることが好ましく、結果的に幅W2が
７〜８mm程度の空洞４が形成されることが好まし
い。しかし、中央部の空洞の形状を外縁に合わせ
六角形状とする必要は必ずしもなく、加工の容易
な直径７〜８mm程度の円形でも充分その効果は達
せられる。 本発明の接合構造は、それぞれ所定形状に成形
した前記各層２Ａ，２Ｂ間にろう材を配してイン
サート材２とし、このインサート材２と母材金属
３、インサート材２とセラミツクス板１との間に
もろう材を配し、所定温度に加熱してろう付接合
することにより形成することができる。 本発明において、セラミツクスの種類は何ら限
定されるものではなく、ZrO2系以外に、Al2O3系
など各種の酸化物セラミツクス、Si3N4等の窒化
物セラミツクス、SiC等の炭化物セラミツクス、
その他サイアロン、ほう化物、珪化物などのセラ
ミツクスに対しても適切な線膨張係数を持つたイ
ンサートメタルを選定することにより適用可能で
ある。 また、セラミツクス１の大きさについても特に
制限はなく、接合構造の全体構造や使用目的、接
合する部材材質等に応じて決定される。 このようなセラミツクスと接合される相手方部
材の金属としても特に制限はなく、本発明によれ
ばセラミツクス板１との熱膨張係数の差が大きい
金属母材にも十分に適用することができる。 本発明において、セラミツクス板１同志の間隙
ｄは、セラミツクス板１の熱膨張代を確保できる
範囲においてなるべく小さくするのが好適であ
る。 以上の説明では、平面状の金属表面にセラミツ
クスを接合した構造について説明したが、本発明
の接合構造は曲面状構造にも十分に適用すること
ができる。 なお、第２図に示す排気弁において、下記仕様
にて本発明の接合構造を実施し、大型試験機関に
よる運転試験を実施したところ、セラミツクスの
破損、剥離等の問題もなく、断熱性、耐久性、安
全性、信頼性の高い排気弁が提供されることが確
認された。 セラミツクス板： 材質＝ジルコニア（多孔質体） 大きさ＝ 平面形状10.4mm×12mmの六角形状、
厚さ6.5mm セラミツクス板同志の間隔ｄ：0.2mm 母材金属：SUH3 インサートメタル： 第１の層＝SUH3、厚さt10.3mm 第２の層＝チタン、厚さt22.5mm 中央部の空洞＝W2φ7.5mm 以下、本発明の効果の一例を、有限要素法を用
いた熱応力解析結果により説明する。 計算を行なつた場合構造は、次のケースＡ〜Ｇで
ある。 ［ケースＡ］ 第３図に示す従来の接合構造であつてインサー
トメタルを使用しない大型セラミツクス貼付け
型。 ［ケースＢ］ 第５図に示す先願の接合構造であつて、縁部
が後退しているチタン製インサートメタル１３Ａ
を用いた小型セラミツクス貼付け型。 ［ケースＣ］ 第７図に示す接合構造であつて、チタン製イン
サートメタル１３Ｃを用いた埋め込み型。 ［ケースＤ］ 第８図に示す接合構造であつて、チタン製イン
サートメタル１３Ｄを用いた半埋め込み型。 ［ケースＥ］ 第９図に示す接合構造であつて、チタン１３ｅ
とSUH3 １３e′との複合インサートメタル１３
Ｅを用いた半埋め込み型。 ［ケースＦ］ 第１０図に示す接合構造であつて、チタン製イ
ンサートメタル１３Ｆの空洞部に黒鉛１４を充填
した半埋め込み型。 ［ケースＧ］ 第１１図に示す本発明の接合構造であつて、チ
タン１３ｇとSUH3 １３g′との複合インサート
メタル１３Ｇを用いた中央空洞型。 なお、第７図〜第１１図において、１１は母材
金属を、１２はセラミツクスを示す。ケースＡ〜
Ｇのいずれにおいても、セラミツクスとしては多
孔質ジルコニアを用い、母材金属としてはSUH3
を用いた場合である。 ここでは計算簡略化のため、後述の１個の接合
片を取り出して計算モデルとした。 計算では、第１表に示した各材料の物性値を用
いた。
【表】
また、加熱、冷却の条件は、
加熱側：周囲温度T1＝950℃
熱伝達率α1＝0.0265cal／cm2／sec／℃
側面：断熱
冷却側：周囲温度T2＝250℃
熱伝達率α2＝0.0694cal／cm2／sec／℃
とし、セラミツクス、インサートメタル、母材金
属の接合温度は700℃とした。 第１８図ａ，ｂは以上の計算条件のもとに、有
限要素法によりセラミツクス内に発生する最大圧
縮応力及び最大引張応力を算出した結果を示すグ
ラフである。なお、ケースＡについては外周付近
を除けばほぼ無限の大きさの解析結果に等しくな
る直径100mmの円柱で計算を行ない、ケースＢ〜
Ｇについては、それぞれ第１２図〜第１７図に示
す計算モデルを採用した。第１８図ａ，ｂには、
接合時に発生する応力と運転時の発生する加熱時
応力を合わせて示してある。また、図中ｂ−ｃ，
ａ等で示した記号はその応力の発生場所を示すも
のであり、第１２図〜第１７図に示した位置と対
応する。またｂ−ｃは点ｂと点ｃの間でその応力
が発生することを示す。 第１８図ａ，ｂより次のことが明らかである。 即ち、ケースＡの「大型セラミツクス貼付け接
合構造」ではセラミツクスの破壊に大きな影響を
及ぼす引張り応力は小さいが、セラミツクス表面
部の圧縮応力が他の接合構造に比べ極端に大き
く、これが表面の剥離をもたらすため、実用部品
としては不適切である。 これに対し、他の接合構造では、主として接合
界面に最大の引張・圧縮応力が発生するが、その
値はいずれの接合構造においても小さなものとな
つており、実用部品としてほぼ適当であると考え
られる。 しかし、ジルコニアは高温になるに従い強度が
低下する特性があるので、接合構造の選定条件と
しては加熱時の引張応力が小さいこと、多孔質セ
ラミツクスの圧縮強度は、これまでの試験結果か
ら経験的に、引張強度の３倍程度と見積もつてよ
いことなどを勘案するとケースＦの「黒鉛充填半
埋め込み型接合構造」又はケースＧの「中央空洞
型複合インサートメタル接合構造」などが実用部
品の接合構造として最も適当であると考えられ、
特に、引張応力の小さい本発明に係るケースＧが
最適である。 以上の結果から、本発明の接合構造であれば、
熱応力による、セラミツクスの亀裂発生や剥離を
効果的に防止することができることが明らかであ
る。 ［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明のセラミツクスと金
属の接合構造は、２種の材質よりなるインサート
メタルを用いることによりセラミツクスと金属と
の線膨張係数の差に起因する接合残留応力の発生
を大幅に低下させると共に、インサートメタル中
央の空洞により、加熱時のセラミツクスの熱変形
を許容し、セラミツクスの内部に発生する熱応力
を有効に緩和する。このため、熱応力によるセラ
ミツクスの亀裂、破損、剥離の問題を解消するこ
とができる。 本発明のセラミツクスと金属の接合構造は、熱
遮蔽板や、その他高温構造部材等の高温度環境で
使用される高強度部材に適用することにより、熱
応力によるセラミツクスの破損、剥離等を防止し
て、耐久性、安全性、信頼性の高い部材を提供す
ることができる。
属の接合温度は700℃とした。 第１８図ａ，ｂは以上の計算条件のもとに、有
限要素法によりセラミツクス内に発生する最大圧
縮応力及び最大引張応力を算出した結果を示すグ
ラフである。なお、ケースＡについては外周付近
を除けばほぼ無限の大きさの解析結果に等しくな
る直径100mmの円柱で計算を行ない、ケースＢ〜
Ｇについては、それぞれ第１２図〜第１７図に示
す計算モデルを採用した。第１８図ａ，ｂには、
接合時に発生する応力と運転時の発生する加熱時
応力を合わせて示してある。また、図中ｂ−ｃ，
ａ等で示した記号はその応力の発生場所を示すも
のであり、第１２図〜第１７図に示した位置と対
応する。またｂ−ｃは点ｂと点ｃの間でその応力
が発生することを示す。 第１８図ａ，ｂより次のことが明らかである。 即ち、ケースＡの「大型セラミツクス貼付け接
合構造」ではセラミツクスの破壊に大きな影響を
及ぼす引張り応力は小さいが、セラミツクス表面
部の圧縮応力が他の接合構造に比べ極端に大き
く、これが表面の剥離をもたらすため、実用部品
としては不適切である。 これに対し、他の接合構造では、主として接合
界面に最大の引張・圧縮応力が発生するが、その
値はいずれの接合構造においても小さなものとな
つており、実用部品としてほぼ適当であると考え
られる。 しかし、ジルコニアは高温になるに従い強度が
低下する特性があるので、接合構造の選定条件と
しては加熱時の引張応力が小さいこと、多孔質セ
ラミツクスの圧縮強度は、これまでの試験結果か
ら経験的に、引張強度の３倍程度と見積もつてよ
いことなどを勘案するとケースＦの「黒鉛充填半
埋め込み型接合構造」又はケースＧの「中央空洞
型複合インサートメタル接合構造」などが実用部
品の接合構造として最も適当であると考えられ、
特に、引張応力の小さい本発明に係るケースＧが
最適である。 以上の結果から、本発明の接合構造であれば、
熱応力による、セラミツクスの亀裂発生や剥離を
効果的に防止することができることが明らかであ
る。 ［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明のセラミツクスと金
属の接合構造は、２種の材質よりなるインサート
メタルを用いることによりセラミツクスと金属と
の線膨張係数の差に起因する接合残留応力の発生
を大幅に低下させると共に、インサートメタル中
央の空洞により、加熱時のセラミツクスの熱変形
を許容し、セラミツクスの内部に発生する熱応力
を有効に緩和する。このため、熱応力によるセラ
ミツクスの亀裂、破損、剥離の問題を解消するこ
とができる。 本発明のセラミツクスと金属の接合構造は、熱
遮蔽板や、その他高温構造部材等の高温度環境で
使用される高強度部材に適用することにより、熱
応力によるセラミツクスの破損、剥離等を防止し
て、耐久性、安全性、信頼性の高い部材を提供す
ることができる。
第１図は本発明のセラミツクスと金属の接合構
造の一実施例を示す断面図、第２図は本発明の接
合構造を採用した排気弁の一部断面斜視図、第３
図、第４図、第５図及び第６図は従来の接合構造
を示す断面図、第７図、第８図、第９図及び第１
０図は他の接合構造を示す断面図、第１１図は本
発明の接合構造を示す断面図、第１２図、第１３
図、第１４図、第１５図、第１６図及び第１７図
はそれぞれケースＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの計算
モデルを示す断面図、第１８図ａ，ｂは応力計算
結果を示すグラフである。 １……セラミツクス板、２……インサートメタ
ル、３……母材金属。
造の一実施例を示す断面図、第２図は本発明の接
合構造を採用した排気弁の一部断面斜視図、第３
図、第４図、第５図及び第６図は従来の接合構造
を示す断面図、第７図、第８図、第９図及び第１
０図は他の接合構造を示す断面図、第１１図は本
発明の接合構造を示す断面図、第１２図、第１３
図、第１４図、第１５図、第１６図及び第１７図
はそれぞれケースＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの計算
モデルを示す断面図、第１８図ａ，ｂは応力計算
結果を示すグラフである。 １……セラミツクス板、２……インサートメタ
ル、３……母材金属。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ インサートメタルを介してセラミツクス板を
金属に接合した構造であつて、金属とインサート
メタル、インサートメタルとセラミツクス板はそ
れぞれろう付けしてある接合構造において、該イ
ンサートメタルは、線膨張係数の異なる２種の金
属で構成され、セラミツクス板と接する側に設け
られた薄板の第１の層と、 金属と接する側でかつセラミツクス板の周縁部
分に沿つて設けられた中央部を空洞とした第２の
層と、 で構成されることを特徴とするセラミツクスと金
属の接合構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1148867A JPH0312372A (ja) | 1989-06-12 | 1989-06-12 | セラミックスと金属の接合構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1148867A JPH0312372A (ja) | 1989-06-12 | 1989-06-12 | セラミックスと金属の接合構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0312372A JPH0312372A (ja) | 1991-01-21 |
| JPH0544433B2 true JPH0544433B2 (ja) | 1993-07-06 |
Family
ID=15462509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1148867A Granted JPH0312372A (ja) | 1989-06-12 | 1989-06-12 | セラミックスと金属の接合構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0312372A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2753192B1 (fr) * | 1996-09-12 | 1998-10-09 | Commissariat Energie Atomique | Assemblage de tuiles en ceramique juxtaposees sur une couche metallique, et son procede de fabrication |
-
1989
- 1989-06-12 JP JP1148867A patent/JPH0312372A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0312372A (ja) | 1991-01-21 |
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