JPH063122B2 - 金属・セラミックス結合体およびその製造法 - Google Patents
金属・セラミックス結合体およびその製造法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は金属・セラミツクス結合体およびその製造法に
関するものである。さらに詳しくは、金属とセラミツク
スを嵌合により結合した金属・セラミツクス結合体とそ
の製造法に関するものである。
関するものである。さらに詳しくは、金属とセラミツク
スを嵌合により結合した金属・セラミツクス結合体とそ
の製造法に関するものである。
セラミツクスは硬くて耐摩耗性にすぐれているうえ、高
温での機械的性質や耐食性にすぐれているため、高温で
の機械的強度や耐摩耗性が必要とされるガスタービンや
ターボチャージャーのローターの構造材料として適して
いる。このため、ガスタービンローターやターボチャー
ジャーローターのセラミツクス化が検討されている。例
えば、米国特許第４３９６４４５号明細書には、翼部と
軸部がセラミツクスからなる構造のタービンローターが
開示されている。この構造のタービンローターではセラ
ミツクス製軸部の一端にねじ部を設けて、金属製圧縮機
インペラを固定している。しかし、この構造のタービン
ローターは圧縮機インペラを構成する金属材料と、軸部
を構成するセラミツクス材料との熱膨張差のため、ター
ビンローターの使用中にセラミツクス軸のねじ部が破損
する欠点がある。また、セラミツクスに対するねじ加工
は高度の技術を必要とし、時間と費用のかかる欠点があ
る。この対策として、実開昭５７−９２０９７号公報に
はタービンローターのセラミツクス軸に、金属軸の端部
に設けた筒状部を嵌合する構造が提示されている。しか
し、この構造では、金属軸部表面のベアリング当接部の
耐摩耗性向上のため、金属製軸筒状部表面に表面硬化処
理をしてからセラミツクス軸を嵌合すると、該表面硬化
部にクラツクが発生する欠点がある。また、金属製軸と
セラミツクス軸とを嵌合後、金属製軸表面に窒化処理等
の表面硬化処理を施すと、嵌合部の締付力が低下した
り、嵌合部が抜けたりする欠点がある。さらにまた、金
属製軸とセラミツクス軸を嵌合後、焼入れ処理を行う
と、焼入れによる金属軸の相変態のため、嵌合部が抜け
る欠点がある。このため、上記構造では金属軸部表面の
ベアリング当接部の耐摩耗性が不足し実用にならない欠
点があつた。
温での機械的性質や耐食性にすぐれているため、高温で
の機械的強度や耐摩耗性が必要とされるガスタービンや
ターボチャージャーのローターの構造材料として適して
いる。このため、ガスタービンローターやターボチャー
ジャーローターのセラミツクス化が検討されている。例
えば、米国特許第４３９６４４５号明細書には、翼部と
軸部がセラミツクスからなる構造のタービンローターが
開示されている。この構造のタービンローターではセラ
ミツクス製軸部の一端にねじ部を設けて、金属製圧縮機
インペラを固定している。しかし、この構造のタービン
ローターは圧縮機インペラを構成する金属材料と、軸部
を構成するセラミツクス材料との熱膨張差のため、ター
ビンローターの使用中にセラミツクス軸のねじ部が破損
する欠点がある。また、セラミツクスに対するねじ加工
は高度の技術を必要とし、時間と費用のかかる欠点があ
る。この対策として、実開昭５７−９２０９７号公報に
はタービンローターのセラミツクス軸に、金属軸の端部
に設けた筒状部を嵌合する構造が提示されている。しか
し、この構造では、金属軸部表面のベアリング当接部の
耐摩耗性向上のため、金属製軸筒状部表面に表面硬化処
理をしてからセラミツクス軸を嵌合すると、該表面硬化
部にクラツクが発生する欠点がある。また、金属製軸と
セラミツクス軸とを嵌合後、金属製軸表面に窒化処理等
の表面硬化処理を施すと、嵌合部の締付力が低下した
り、嵌合部が抜けたりする欠点がある。さらにまた、金
属製軸とセラミツクス軸を嵌合後、焼入れ処理を行う
と、焼入れによる金属軸の相変態のため、嵌合部が抜け
る欠点がある。このため、上記構造では金属軸部表面の
ベアリング当接部の耐摩耗性が不足し実用にならない欠
点があつた。
本発明の目的は結合力が大きく、しかも金属部分の所定
位置の耐摩耗性が大きい、金属・セラミツクス結合体と
その製造法を提供することである。
位置の耐摩耗性が大きい、金属・セラミツクス結合体と
その製造法を提供することである。
本発明の特徴とする所は下記の点にある。
第１発明 表面に硬化帯と非硬化帯を有する金属部材に設けた凹部
にセラミックス部材に設けた凸部が焼ばめ、冷しばめ、
圧入等の締りばめにより結合されている構造の金属・セ
ラミックス結合体において、該凹部外表面に硬化帯と非
硬化帯とが存在し、しかも上記締りばめによる金属部材
の変形域が上記非硬化帯内にあるとともに、該変形域が
硬化帯境界より１mm以上離れていることを特徴とする金
属・セラミックス結合体。
にセラミックス部材に設けた凸部が焼ばめ、冷しばめ、
圧入等の締りばめにより結合されている構造の金属・セ
ラミックス結合体において、該凹部外表面に硬化帯と非
硬化帯とが存在し、しかも上記締りばめによる金属部材
の変形域が上記非硬化帯内にあるとともに、該変形域が
硬化帯境界より１mm以上離れていることを特徴とする金
属・セラミックス結合体。
第２発明 表面の一部を硬化処理した金属部材に設けられている凹
部にセラミックス部材に設けた凸部を焼ばめ、冷しば
め、圧入等の締りばめにより結合して金属・セラミック
ス結合体とする方法において、金属部材に凹部を設け、
しかるのち金属部材の外表面のうち、該凹部形成部の外
表面の上記締りばめによる変形予定域から１mm以上離れ
た部分の表面に表面硬化処理を施したのち、該凹部にセ
ラミックス部材に設けた凸部を締りばめにより結合し
て、締りばめによる金属部材の変形域が非表面硬化帯内
にあるとともに該変形域が硬化帯境界より１mm以上離れ
ているようにすることを特徴とする金属・セラミックス
結合体の製造法。
部にセラミックス部材に設けた凸部を焼ばめ、冷しば
め、圧入等の締りばめにより結合して金属・セラミック
ス結合体とする方法において、金属部材に凹部を設け、
しかるのち金属部材の外表面のうち、該凹部形成部の外
表面の上記締りばめによる変形予定域から１mm以上離れ
た部分の表面に表面硬化処理を施したのち、該凹部にセ
ラミックス部材に設けた凸部を締りばめにより結合し
て、締りばめによる金属部材の変形域が非表面硬化帯内
にあるとともに該変形域が硬化帯境界より１mm以上離れ
ているようにすることを特徴とする金属・セラミックス
結合体の製造法。
本発明では金属部材とセラミツクス部材を、表面の一部
に表面硬化処理を行つた金属部材に設けた凹部にセラミ
ツクス部材に設けた凸部を嵌合して結合する。この表面
硬化処理は、少なくとも本発明の金属・セラミツクス結
合体の使用時に、該結合体を構成する金属部分が、他の
機械部品の摩擦あるいは摺動により摩耗する部分につい
て行う。この表面硬化処理により、金属部材表面には硬
化層が形成され、本発明の金属・セラミツクス結合体の
金属部分の特定個所の耐摩耗性が向上する。上記表面硬
化処理方法としては、浸炭、窒化、表面焼入れ、放電硬
化、メツキなどの方法が利用できる。これら表面硬化処
理方法のうち、浸炭、窒化、表面焼入れが厚い表面硬化
層が得られるので好ましい。また、各種窒化方法のう
ち、イオン窒化法が表面硬化部の面積や硬化深さの調整
が容易なのでとくに好ましい。
に表面硬化処理を行つた金属部材に設けた凹部にセラミ
ツクス部材に設けた凸部を嵌合して結合する。この表面
硬化処理は、少なくとも本発明の金属・セラミツクス結
合体の使用時に、該結合体を構成する金属部分が、他の
機械部品の摩擦あるいは摺動により摩耗する部分につい
て行う。この表面硬化処理により、金属部材表面には硬
化層が形成され、本発明の金属・セラミツクス結合体の
金属部分の特定個所の耐摩耗性が向上する。上記表面硬
化処理方法としては、浸炭、窒化、表面焼入れ、放電硬
化、メツキなどの方法が利用できる。これら表面硬化処
理方法のうち、浸炭、窒化、表面焼入れが厚い表面硬化
層が得られるので好ましい。また、各種窒化方法のう
ち、イオン窒化法が表面硬化部の面積や硬化深さの調整
が容易なのでとくに好ましい。
一方、セラミツクス部材上の凸部と金属部材上の凹部の
嵌合による結合では、嵌合により該凹部には締代の大き
さに比例した変形が生ずる。しかし、前記表面硬化層は
脆くて、塑性変形ができないので、この表面硬化部を嵌
合により塑性変形させると、表面硬化層にクラツクが発
生する。このため、本発明の金属・セラミツクス結合体
では、かかる金属部材の変形が金属部材の非硬化帯で生
ずるようにする。この場合に、上記変形部と表面硬化帯
の間には少なくとも１mm以上の間隔を設ける。この間隔
の大きさは嵌合により金属部材の変形が生じた場合に、
その変形の影響により金属部材の表面硬化部にクラツク
等の欠陥が生じない大きさ以上であればよいが、この間
隔はセラミツクス部材と金属部材の加工精度、両部材の
嵌合方法、金属部材の変形量、両部材の形状と寸法に応
じて決定する。
嵌合による結合では、嵌合により該凹部には締代の大き
さに比例した変形が生ずる。しかし、前記表面硬化層は
脆くて、塑性変形ができないので、この表面硬化部を嵌
合により塑性変形させると、表面硬化層にクラツクが発
生する。このため、本発明の金属・セラミツクス結合体
では、かかる金属部材の変形が金属部材の非硬化帯で生
ずるようにする。この場合に、上記変形部と表面硬化帯
の間には少なくとも１mm以上の間隔を設ける。この間隔
の大きさは嵌合により金属部材の変形が生じた場合に、
その変形の影響により金属部材の表面硬化部にクラツク
等の欠陥が生じない大きさ以上であればよいが、この間
隔はセラミツクス部材と金属部材の加工精度、両部材の
嵌合方法、金属部材の変形量、両部材の形状と寸法に応
じて決定する。
例えば、セラミツクス部材に設けた直径７．０mmの凸部
を、直径９．３mmの金属部材に設けた内径６．８mmの凹
部に嵌合する場合に、金属部材の変形部と表面硬化帯の
間に設ける間隔は少なくとも１mm以上が必要で、２mm以
上がとくに好ましい。この間隔が２mm以上あれば両部材
嵌合部の加工精度や表面硬化帯の位置ぎめ精度をとくに
高精度とする必要がないので、とくに好ましいものであ
る。しかし、この間隔が１mm以下では、両部材嵌合部の
加工精度や表面硬化帯の位置ぎめ精度をとくに高精度と
する必要があるので好ましくない。なお、上記間隔の上
限は、金属部材表面上で耐摩耗性を必要とする部分の位
置と嵌合による変形部との位置を考慮して適宜決定すれ
ばよいが、表面硬化部分の位置と面積が、金属部材表面
上で耐摩耗性を必要とする部分の位置および面積と同等
以上になるように決定する。これにより、金属部分の所
定個所の表面硬度が大きく、結合部に欠陥のない本発明
の金属・セラミツクス結合体が得られる。
を、直径９．３mmの金属部材に設けた内径６．８mmの凹
部に嵌合する場合に、金属部材の変形部と表面硬化帯の
間に設ける間隔は少なくとも１mm以上が必要で、２mm以
上がとくに好ましい。この間隔が２mm以上あれば両部材
嵌合部の加工精度や表面硬化帯の位置ぎめ精度をとくに
高精度とする必要がないので、とくに好ましいものであ
る。しかし、この間隔が１mm以下では、両部材嵌合部の
加工精度や表面硬化帯の位置ぎめ精度をとくに高精度と
する必要があるので好ましくない。なお、上記間隔の上
限は、金属部材表面上で耐摩耗性を必要とする部分の位
置と嵌合による変形部との位置を考慮して適宜決定すれ
ばよいが、表面硬化部分の位置と面積が、金属部材表面
上で耐摩耗性を必要とする部分の位置および面積と同等
以上になるように決定する。これにより、金属部分の所
定個所の表面硬度が大きく、結合部に欠陥のない本発明
の金属・セラミツクス結合体が得られる。
本発明の金属・セラミツクス結合体を構成する金属部材
とセラミツクス材料の嵌合は焼ばめ、冷しばめ、圧入の
いずれかの方法で行うことができる。焼ばめ、冷しばめ
はセラミツクス部材上の凸部直径を金属部材上の凹部内
径より大きく加工し、被嵌合部材の一方を加熱ないしは
冷却して、両部材間にはめ込み可能な寸法差を生ぜし
め、その寸法差を利用して両部材を嵌合するものである
から、嵌合部の寸法が大きい金属・セラミツクス結合体
の嵌合方法として好ましいものである。また、一般に金
属材料の方がセラミツクス部材より熱膨張係数が大きい
ので、金属部材を加熱する焼ばめの方が少ない温度差で
大きい寸法差が得られ、安定した焼ばめ操作ができるの
でより好ましいものである。この場合の焼ばめ、冷しば
めの締代は、嵌合後に金属部材の凹部やセラミツクス部
材の凸部が破損せず、しかも本発明の金属・セラミツク
ス結合体の使用条件で嵌合部に必要とされる締付力が得
られる大きさとする。
とセラミツクス材料の嵌合は焼ばめ、冷しばめ、圧入の
いずれかの方法で行うことができる。焼ばめ、冷しばめ
はセラミツクス部材上の凸部直径を金属部材上の凹部内
径より大きく加工し、被嵌合部材の一方を加熱ないしは
冷却して、両部材間にはめ込み可能な寸法差を生ぜし
め、その寸法差を利用して両部材を嵌合するものである
から、嵌合部の寸法が大きい金属・セラミツクス結合体
の嵌合方法として好ましいものである。また、一般に金
属材料の方がセラミツクス部材より熱膨張係数が大きい
ので、金属部材を加熱する焼ばめの方が少ない温度差で
大きい寸法差が得られ、安定した焼ばめ操作ができるの
でより好ましいものである。この場合の焼ばめ、冷しば
めの締代は、嵌合後に金属部材の凹部やセラミツクス部
材の凸部が破損せず、しかも本発明の金属・セラミツク
ス結合体の使用条件で嵌合部に必要とされる締付力が得
られる大きさとする。
一方、圧入はセラミツクス部材上の凸部を、金属製部材
上に設けた該凸部直径より小径の凹部に荷重をかけて、
強制的に押し込んで嵌合する方法である。上記凸部直径
と凹部内径の寸法差は金属部材の弾性変形および塑性変
形により吸収されるので、圧入前の凸部と凹部の仕上げ
寸法公差は焼ばめ、冷しばめの場合より緩やかでよい。
このため、圧入は嵌合部の寸法が小さい金属・セラミツ
クス結合体の嵌合方法として、より好ましいものであ
る。金属部材上の凹部およびセラミツクス部材上の凸部
の形状と寸法は、圧入時に作用する荷重によつて破壊し
ない形状および寸法とする。また、該凸部直径と該凹部
内径の寸法差は、嵌合部が本発明の金属・セラミツクス
結合体の使用条件に応じた締付力を有するとともに、圧
入時に凸部と凹部のいずれもが破壊しない大きさとす
る。このためには、セラミツクス部材上の凸部と金属部
材上の凹部の寸法差は該凸部直径を該凹部内径より１％
ないし１０％大きくするのが好ましく、１％ないし５％
大きくするのがより好ましい。この寸法差が１％以下で
は、圧入部の締付力が不足し、使用中に圧入による嵌合
部が抜けることがあるので好ましくない。寸法差が１０
％以上になると、圧入に必要な荷重が大きくなりすぎ
て、圧入時にセラミツクス部材上の凸部が破壊するので
好ましくない。この圧入は室温で行つてもよいし、金属
部材のみを加熱するかあるいは金属部材とセラミツクス
部材の両方を加熱して圧入してもよい。しかし、両部材
を加熱して圧入する方法がもつとも好ましい。何となれ
ば、両部材を加熱すると、金属部材の変形抵抗が減少
し、圧入に要する荷重が低下するので、圧入時の両部材
の破損が起らなくなるうえ、圧入温度からの冷却に際
し、両部材の熱膨張差にもとづく、締付力の増加が生ず
るからである。両部材を加熱して圧入する場合の圧入温
度は、金属部材の焼なまし温度あるいは表面硬化層の軟
化温度のうちの低い方の温度以下で、しかも圧入部の使
用温度以上の温度が好ましい。圧入温度が金属部材の焼
なまし温度より高い場合には、金属部材内に発生した内
部応力が緩和され、圧入部の締付力が低下するので好ま
しくない。また、圧入温度が表面硬化層の軟化温度より
高い場合には、表面硬化処理の効果が減少するので好ま
しくない。さらにまた、圧入温度が圧入部の使用温度よ
り低い場合には、圧入部の温度が使用温度まで上昇する
と、一般には金属部材の熱膨張がセラミツクス部材の熱
膨張より大きいので、圧入部が緩み締付力が低下するの
で好ましくない。
上に設けた該凸部直径より小径の凹部に荷重をかけて、
強制的に押し込んで嵌合する方法である。上記凸部直径
と凹部内径の寸法差は金属部材の弾性変形および塑性変
形により吸収されるので、圧入前の凸部と凹部の仕上げ
寸法公差は焼ばめ、冷しばめの場合より緩やかでよい。
このため、圧入は嵌合部の寸法が小さい金属・セラミツ
クス結合体の嵌合方法として、より好ましいものであ
る。金属部材上の凹部およびセラミツクス部材上の凸部
の形状と寸法は、圧入時に作用する荷重によつて破壊し
ない形状および寸法とする。また、該凸部直径と該凹部
内径の寸法差は、嵌合部が本発明の金属・セラミツクス
結合体の使用条件に応じた締付力を有するとともに、圧
入時に凸部と凹部のいずれもが破壊しない大きさとす
る。このためには、セラミツクス部材上の凸部と金属部
材上の凹部の寸法差は該凸部直径を該凹部内径より１％
ないし１０％大きくするのが好ましく、１％ないし５％
大きくするのがより好ましい。この寸法差が１％以下で
は、圧入部の締付力が不足し、使用中に圧入による嵌合
部が抜けることがあるので好ましくない。寸法差が１０
％以上になると、圧入に必要な荷重が大きくなりすぎ
て、圧入時にセラミツクス部材上の凸部が破壊するので
好ましくない。この圧入は室温で行つてもよいし、金属
部材のみを加熱するかあるいは金属部材とセラミツクス
部材の両方を加熱して圧入してもよい。しかし、両部材
を加熱して圧入する方法がもつとも好ましい。何となれ
ば、両部材を加熱すると、金属部材の変形抵抗が減少
し、圧入に要する荷重が低下するので、圧入時の両部材
の破損が起らなくなるうえ、圧入温度からの冷却に際
し、両部材の熱膨張差にもとづく、締付力の増加が生ず
るからである。両部材を加熱して圧入する場合の圧入温
度は、金属部材の焼なまし温度あるいは表面硬化層の軟
化温度のうちの低い方の温度以下で、しかも圧入部の使
用温度以上の温度が好ましい。圧入温度が金属部材の焼
なまし温度より高い場合には、金属部材内に発生した内
部応力が緩和され、圧入部の締付力が低下するので好ま
しくない。また、圧入温度が表面硬化層の軟化温度より
高い場合には、表面硬化処理の効果が減少するので好ま
しくない。さらにまた、圧入温度が圧入部の使用温度よ
り低い場合には、圧入部の温度が使用温度まで上昇する
と、一般には金属部材の熱膨張がセラミツクス部材の熱
膨張より大きいので、圧入部が緩み締付力が低下するの
で好ましくない。
本発明の金属・セラミツクス結合体は、通常は金属部材
とセラミツクス部材を嵌合したのち、仕上げ加工を行つ
て使用に供する。したがつて、使用時に耐摩耗性を必要
とする金属部分は、仕上げ加工で表面を研削しても、所
定の表面硬さを示すことが必要である。しかし、表面硬
化処理による金属部材表面の硬さおよび金属部材表面か
ら内部にかけての硬さの変化は、金属部材を構成する金
属材料の種類、表面硬化の寸法と条件により種々変化す
る。このため、使用時に耐摩耗性を必要とする金属部分
の仕上げ加工での表面研削量は、所定表面硬さ、金属部
材を構成する金属材料の種類および表面硬化の方法と条
件に応じて決定する。あるいは、上記金属部分の仕上げ
研削量と表面硬さに応じて、該金属部材を構成する金属
材料の種類および表面硬化の方法と条件を決定する。
とセラミツクス部材を嵌合したのち、仕上げ加工を行つ
て使用に供する。したがつて、使用時に耐摩耗性を必要
とする金属部分は、仕上げ加工で表面を研削しても、所
定の表面硬さを示すことが必要である。しかし、表面硬
化処理による金属部材表面の硬さおよび金属部材表面か
ら内部にかけての硬さの変化は、金属部材を構成する金
属材料の種類、表面硬化の寸法と条件により種々変化す
る。このため、使用時に耐摩耗性を必要とする金属部分
の仕上げ加工での表面研削量は、所定表面硬さ、金属部
材を構成する金属材料の種類および表面硬化の方法と条
件に応じて決定する。あるいは、上記金属部分の仕上げ
研削量と表面硬さに応じて、該金属部材を構成する金属
材料の種類および表面硬化の方法と条件を決定する。
本発明の金属・セラミツクス結合体を構成する金属材料
は浸炭、窒化、表面焼入れ、放電硬化、メツキ等の方法
で表面硬化が可能な市販の金属材料を使用する。たとえ
ば、表面硬化を窒化で行う場合には、ステンレス鋼、合
金工具鋼、クロムモリブデン鋼、アルミニウムクロムモ
リブデン鋼等クロムを含有する鉄合金およびチタン、ジ
ルコウムとこれら元素を含む合金が好ましい。表面硬化
がイオン窒化で行われる場合には、アルミニウムクロム
モリブデン鋼とステンレス鋼が、表面硬度が高くしかも
表面から深い位置まで硬化されるのでより好ましく、ア
ルミニウムクロムモリブデン鋼が安価なのでもつとも好
ましいものである。
は浸炭、窒化、表面焼入れ、放電硬化、メツキ等の方法
で表面硬化が可能な市販の金属材料を使用する。たとえ
ば、表面硬化を窒化で行う場合には、ステンレス鋼、合
金工具鋼、クロムモリブデン鋼、アルミニウムクロムモ
リブデン鋼等クロムを含有する鉄合金およびチタン、ジ
ルコウムとこれら元素を含む合金が好ましい。表面硬化
がイオン窒化で行われる場合には、アルミニウムクロム
モリブデン鋼とステンレス鋼が、表面硬度が高くしかも
表面から深い位置まで硬化されるのでより好ましく、ア
ルミニウムクロムモリブデン鋼が安価なのでもつとも好
ましいものである。
本発明の金属・セラミツクス結合体を構成するセラミツ
クス材料は窒化硅素、炭化硅素、ジルコニア、アルミ
ナ、ベリリア、サイアロン等から、本発明の金属・セラ
ミツクス結合体の使用目的に応じて選択する。たとえ
ば、本発明の金属・セラミツクス結合体でターボチヤー
ジヤーローターやガスタービンローターを作る場合に
は、排気ガスの高温にさらされ、かつ高速回転するター
ビンホイールとそれに続く回転軸は高温強度が大きく、
比重が小さい窒化硅素が好ましい。
クス材料は窒化硅素、炭化硅素、ジルコニア、アルミ
ナ、ベリリア、サイアロン等から、本発明の金属・セラ
ミツクス結合体の使用目的に応じて選択する。たとえ
ば、本発明の金属・セラミツクス結合体でターボチヤー
ジヤーローターやガスタービンローターを作る場合に
は、排気ガスの高温にさらされ、かつ高速回転するター
ビンホイールとそれに続く回転軸は高温強度が大きく、
比重が小さい窒化硅素が好ましい。
第１図は本発明の実施例１〜３を説明するための金属・
セラミツクス結合体の部分断面図である。以下第１図に
もとづいて実施例を説明する。
セラミツクス結合体の部分断面図である。以下第１図に
もとづいて実施例を説明する。
実施例１） 常圧焼結法で作製した窒化硅素（以下窒化硅素という）
丸棒から、直径7.0mm、長さ２５mmの凸部１１を有す
る、第１図に示す形状のセラミツクス部材１０を作製し
た。また、焼なました直径9.3mmのアルミニウムクロム
モリブデン鋼（ＪＩＳ−ＳＡＣＭ６４５、以下窒化鋼と
いう）丸棒から、一端に内径6.8mm、深さ１５mmの凹部
２１を有する、第１図に示す形状の金属部材２０を作製
した。つぎに、金属部材の凹部入口側端面から１７mm離
れた位置までの区間を軟鋼製カバーで覆い、残りの部分
の外表面（第１図のＡ区間）を、圧力：４Toorの等量の
窒素と水素からなる混合雰囲気中で、５５０℃に加熱し
ながら２０時間イオン窒化処理を行なつた金属部材（金
属部材Ａと称す）と、金属部材の外表面全域（第１図Ｂ
区間）を金属部材Ａと同一条件でイオン窒化処理した金
属部材（金属部材Ｂと称す）を作製した。
丸棒から、直径7.0mm、長さ２５mmの凸部１１を有す
る、第１図に示す形状のセラミツクス部材１０を作製し
た。また、焼なました直径9.3mmのアルミニウムクロム
モリブデン鋼（ＪＩＳ−ＳＡＣＭ６４５、以下窒化鋼と
いう）丸棒から、一端に内径6.8mm、深さ１５mmの凹部
２１を有する、第１図に示す形状の金属部材２０を作製
した。つぎに、金属部材の凹部入口側端面から１７mm離
れた位置までの区間を軟鋼製カバーで覆い、残りの部分
の外表面（第１図のＡ区間）を、圧力：４Toorの等量の
窒素と水素からなる混合雰囲気中で、５５０℃に加熱し
ながら２０時間イオン窒化処理を行なつた金属部材（金
属部材Ａと称す）と、金属部材の外表面全域（第１図Ｂ
区間）を金属部材Ａと同一条件でイオン窒化処理した金
属部材（金属部材Ｂと称す）を作製した。
上記条件でのイオン窒化処理により、窒化鋼の窒化部表
面のビツカース硬さは窒化処理前のHv（0.1）２００か
らHv（0.1）１１００まで増加した。また、表面から0.2
mmの深さの位置でのビツカース硬さはHv（0.1）７００
を示した。
面のビツカース硬さは窒化処理前のHv（0.1）２００か
らHv（0.1）１１００まで増加した。また、表面から0.2
mmの深さの位置でのビツカース硬さはHv（0.1）７００
を示した。
上記２種類の金属部材２０の凹部２１にセラミツクス部
材の凸部１１を、３５０℃で圧入し第１図に示す形状の
金属・セラミツクス結合体を作製した。この圧入によ
り、金属部材凹部入口から深さ１３mmまでの区間（第１
図Ｃ区間）が変形し、金属部分の直径が約０．２mm増加
した。この圧入による金属部材の変形部分の外表面を検
査したところ、金属部材Ａを用いた金属・セラミツクス
結合体については何ら異常が認められなかつた。金属部
材Ｂを使用した金属・セラミツクス結合体には、金属部
材の軸方向に沿つて長さ約１０mm、深さ約0.5mmのクラ
ツクが多数検出された。
材の凸部１１を、３５０℃で圧入し第１図に示す形状の
金属・セラミツクス結合体を作製した。この圧入によ
り、金属部材凹部入口から深さ１３mmまでの区間（第１
図Ｃ区間）が変形し、金属部分の直径が約０．２mm増加
した。この圧入による金属部材の変形部分の外表面を検
査したところ、金属部材Ａを用いた金属・セラミツクス
結合体については何ら異常が認められなかつた。金属部
材Ｂを使用した金属・セラミツクス結合体には、金属部
材の軸方向に沿つて長さ約１０mm、深さ約0.5mmのクラ
ツクが多数検出された。
このように、金属部材の表面硬化部を圧入により変形さ
せると、金属部材表面にクラツクが発生し、健全な金属
・セラミツクス結合体が得られない。これに対し、圧入
による変形部を表面硬化させていない金属部材Ａを使用
した本発明の金属・セラミツクス結合体では、圧入によ
り金属部材の変形が生じても、金属部材表面にクラツク
が発生しない。
せると、金属部材表面にクラツクが発生し、健全な金属
・セラミツクス結合体が得られない。これに対し、圧入
による変形部を表面硬化させていない金属部材Ａを使用
した本発明の金属・セラミツクス結合体では、圧入によ
り金属部材の変形が生じても、金属部材表面にクラツク
が発生しない。
実施例２） 実施例１と同一材料、同一形状のセラミツクス部材と金
属部材を作製した。この金属部材について、凹部側端面
からそれぞれ13.5mm（金属部材Ｃとする）、14.5mm（金
属部材Ｄとする）、15.5mm（金属部材Ｅとする）離れた
位置までの区間の外表面を軟鋼製カバーで覆い、残りの
区間の外表面に実施例１と同一条件でイオン窒化処理を
行つた３種類の金属部材を作製した。これら３種の金属
部材の凹部にセラミツクス部材の凹部を３５０℃で圧入
し、第１図に示す形状の金属・セラミツクス結合体を作
製した。この圧入により、各金属部材は凹部側端面から
１３mm離れた位置までの区間が変形し外径が増加した。
上記各金属・セラミツクス結合体の金属部分の圧入によ
る変形部とその周辺部の外表面を検査したところ、金属
部材Ｄ，Ｅの外表面にはクラツクが存在しなかつた。し
かし、金属部材Ｃのイオン窒化部と非窒化部の境界付近
に、金属部材の軸方向に沿つて長さ約２mm、深さ約0.2m
mのクラツクが検出された。このように、圧入による金
属部材の変形域と金属部材の表面硬化域とが所定の距離
以上離れている本発明の金属・セラミツクス結合体で
は、圧入により金属部材の変形が生じても金属部材表面
にクラツクが発生しない。
属部材を作製した。この金属部材について、凹部側端面
からそれぞれ13.5mm（金属部材Ｃとする）、14.5mm（金
属部材Ｄとする）、15.5mm（金属部材Ｅとする）離れた
位置までの区間の外表面を軟鋼製カバーで覆い、残りの
区間の外表面に実施例１と同一条件でイオン窒化処理を
行つた３種類の金属部材を作製した。これら３種の金属
部材の凹部にセラミツクス部材の凹部を３５０℃で圧入
し、第１図に示す形状の金属・セラミツクス結合体を作
製した。この圧入により、各金属部材は凹部側端面から
１３mm離れた位置までの区間が変形し外径が増加した。
上記各金属・セラミツクス結合体の金属部分の圧入によ
る変形部とその周辺部の外表面を検査したところ、金属
部材Ｄ，Ｅの外表面にはクラツクが存在しなかつた。し
かし、金属部材Ｃのイオン窒化部と非窒化部の境界付近
に、金属部材の軸方向に沿つて長さ約２mm、深さ約0.2m
mのクラツクが検出された。このように、圧入による金
属部材の変形域と金属部材の表面硬化域とが所定の距離
以上離れている本発明の金属・セラミツクス結合体で
は、圧入により金属部材の変形が生じても金属部材表面
にクラツクが発生しない。
実施例３） 窒化硅素丸棒から、第１表に示す直径で、長さが２５mm
の凸部を有する、第１図に示す形状のセラミツクス部材
を作製した。また、焼なました窒化鋼丸棒から、直径9.
3mm、長さ８０mmの試験片を作り、該試験片の一端から
１５mm離れた位置までの区間を軟鋼製カバーで覆い、残
りの部分の表面を実施例１と同一条件でイオン窒化によ
り硬化させた。しかるのち、該試験片の非硬化部側の端
部に第１表に示す直径で深さ１５mmの凹部を有する第１
図に示す形状の金属部材を作製した。この金属部材の凹
部にセラミツクス部材の凸部を３５０℃で圧入し、第１
図に示す形状の金属・セラミツクス結合体を作製した。
つぎに、金属部材の端部に所定寸法のねじ２２を加工し
たのち、第２図に示す治具を用い、第２図に図示の部分
を加熱炉に入れて３５０℃に保持しながら、セラミツク
ス部材と金属部材をそれぞれ上下方向に引抜いて、圧入
部の引抜に要する荷重を測定し、得られた結果を第１表
に示した。
の凸部を有する、第１図に示す形状のセラミツクス部材
を作製した。また、焼なました窒化鋼丸棒から、直径9.
3mm、長さ８０mmの試験片を作り、該試験片の一端から
１５mm離れた位置までの区間を軟鋼製カバーで覆い、残
りの部分の表面を実施例１と同一条件でイオン窒化によ
り硬化させた。しかるのち、該試験片の非硬化部側の端
部に第１表に示す直径で深さ１５mmの凹部を有する第１
図に示す形状の金属部材を作製した。この金属部材の凹
部にセラミツクス部材の凸部を３５０℃で圧入し、第１
図に示す形状の金属・セラミツクス結合体を作製した。
つぎに、金属部材の端部に所定寸法のねじ２２を加工し
たのち、第２図に示す治具を用い、第２図に図示の部分
を加熱炉に入れて３５０℃に保持しながら、セラミツク
ス部材と金属部材をそれぞれ上下方向に引抜いて、圧入
部の引抜に要する荷重を測定し、得られた結果を第１表
に示した。
第１表に示した結果のうち、No.１〜No.６はセラミツク
ス部材上の凸部直径と金属部材上の凹部内径との寸法差
が本発明の大きさである金属・セラミツクス結合体であ
り、No.１０〜No.１２は該寸法差が本発明外の大きさで
ある金属・セラミツクス結合体である。第１表から明ら
かなように、上記寸法差が本発明の大きさである金属・
セラミツクス結合体は、３５０℃において大きな引抜荷
重を示している。これに対し、該寸法差が本発明の大き
さ以下の金属・セラミツクス結合体は引抜荷重が小さ
い。また、該寸法差が本発明の大きさ以上の金属・セラ
ミツクス結合体は圧入時にセラミツクス部材の凸部が破
損する。
ス部材上の凸部直径と金属部材上の凹部内径との寸法差
が本発明の大きさである金属・セラミツクス結合体であ
り、No.１０〜No.１２は該寸法差が本発明外の大きさで
ある金属・セラミツクス結合体である。第１表から明ら
かなように、上記寸法差が本発明の大きさである金属・
セラミツクス結合体は、３５０℃において大きな引抜荷
重を示している。これに対し、該寸法差が本発明の大き
さ以下の金属・セラミツクス結合体は引抜荷重が小さ
い。また、該寸法差が本発明の大きさ以上の金属・セラ
ミツクス結合体は圧入時にセラミツクス部材の凸部が破
損する。
実施例４） 直径６１mmのタービンホイール４１と直径9.1mmのター
ビンシヤフト４２を窒化硅素で一体的に成形した全長６
０mmのセラミツクス部材４０を作製した。このセラミツ
クス部材のタービンシヤフト先端に直径６mm、長さ１３
mmの凸部４３を加工した。また、全長７０mm、直径9.1m
mの窒化鋼丸棒を作り、該丸棒の一端から１３mm離れた
位置までの区間を軟鋼製カバーで覆い、残りの部分の表
面を実施例１と同一条件でイオン窒化処理により硬化さ
せた。つぎに、該丸棒の非窒化部側の端部に直径5.8m
m、深さ１２mmの凹部５２を加工し、金属部材５０を作
製した。この凹部５２に上記タービンシヤフト先端の凸
部４３を、嵌合部の使用温度以上の温度である３５０℃
で圧入嵌合して、セラミツクス部材４０と金属部材５０
一体的に結合したのち、セラミツクスタービンシヤフト
４２とメタルタービンシヤフト５１の直径を9.0mm、コ
ンプレツサーホイール側回転軸５８を直径５mmに加工
し、第８図に示す形状の、タービンホイールとタービン
シヤフトの一部が窒化硅素、残りの部分が窒化鋼からな
るターボチヤージヤーローターを作製した。このターボ
チヤージヤーローターを高温回転試験装置に組込んで燃
焼ガスにより１５００００rpmで１時間回転試験を行な
つたが、嵌合部およびメタルタービンシヤフトのベアリ
ング当接面５４に何ら異常は認められなかつた。
ビンシヤフト４２を窒化硅素で一体的に成形した全長６
０mmのセラミツクス部材４０を作製した。このセラミツ
クス部材のタービンシヤフト先端に直径６mm、長さ１３
mmの凸部４３を加工した。また、全長７０mm、直径9.1m
mの窒化鋼丸棒を作り、該丸棒の一端から１３mm離れた
位置までの区間を軟鋼製カバーで覆い、残りの部分の表
面を実施例１と同一条件でイオン窒化処理により硬化さ
せた。つぎに、該丸棒の非窒化部側の端部に直径5.8m
m、深さ１２mmの凹部５２を加工し、金属部材５０を作
製した。この凹部５２に上記タービンシヤフト先端の凸
部４３を、嵌合部の使用温度以上の温度である３５０℃
で圧入嵌合して、セラミツクス部材４０と金属部材５０
一体的に結合したのち、セラミツクスタービンシヤフト
４２とメタルタービンシヤフト５１の直径を9.0mm、コ
ンプレツサーホイール側回転軸５８を直径５mmに加工
し、第８図に示す形状の、タービンホイールとタービン
シヤフトの一部が窒化硅素、残りの部分が窒化鋼からな
るターボチヤージヤーローターを作製した。このターボ
チヤージヤーローターを高温回転試験装置に組込んで燃
焼ガスにより１５００００rpmで１時間回転試験を行な
つたが、嵌合部およびメタルタービンシヤフトのベアリ
ング当接面５４に何ら異常は認められなかつた。
以上述べたことから明らかなように、本発明の金属・セ
ラミツクス結合体は所定部位を表面硬化処理した金属部
材に設けた凹部に、該凹部内径より１％〜１０％大きい
直径を有する凸部を嵌合して一体的に結合したものであ
るから、結合強度が大きくしかも金属部分の所定部位の
耐摩耗性がすぐれている。したがつて、本発明の金属・
セラミツクス結合体でタービンホイールおよびタービン
シヤフトの一部が窒化硅素、その他の部分が窒化鋼から
なるターボチヤージヤーローターを構成すれば、応答性
と耐久性にすぐれた高効率のターボチヤージヤーとする
ことができる。
ラミツクス結合体は所定部位を表面硬化処理した金属部
材に設けた凹部に、該凹部内径より１％〜１０％大きい
直径を有する凸部を嵌合して一体的に結合したものであ
るから、結合強度が大きくしかも金属部分の所定部位の
耐摩耗性がすぐれている。したがつて、本発明の金属・
セラミツクス結合体でタービンホイールおよびタービン
シヤフトの一部が窒化硅素、その他の部分が窒化鋼から
なるターボチヤージヤーローターを構成すれば、応答性
と耐久性にすぐれた高効率のターボチヤージヤーとする
ことができる。
このように本発明の金属・セラミツクス結合体はセラミ
ツクスの耐熱性、耐摩耗性、高強度などの特性を生かし
てターボチヤージヤーローターやガスタービンローター
などのエンジン部品や高温や繰り返し荷重を受ける構造
体部品として使用することができ、かつこれらを安価か
つ耐久性に優れたものとして提供することができる利点
を有する。
ツクスの耐熱性、耐摩耗性、高強度などの特性を生かし
てターボチヤージヤーローターやガスタービンローター
などのエンジン部品や高温や繰り返し荷重を受ける構造
体部品として使用することができ、かつこれらを安価か
つ耐久性に優れたものとして提供することができる利点
を有する。
第１図は本発明の実施例を説明するための金属・セラミ
ツクス結合体の部分断面図、 第２図は金属・セラミツクス結合体の引抜試験の方法を
示す説明図、 第３図は本発明の金属・セラミツクス結合体の具体的応
用例のターボチヤージヤーローターの圧入嵌合部の縦断
面図を示す説明図である。 １０…セラミツクス部材 １１…セラミツクス部材上の凸部 ２０…金属部材 ２１…金属部材上の凹部 ２２…ねじ ３０…引抜試験用プルロツド ３１…引抜試験用ツカミ具 ４０…セラミツクス部材 ４１…セラミツクスタービンホイール ４２…セラミツクスタービンシヤフト ４３…セラミツクスタービンシヤフト上の凸部 ５０…金属部材 ５１…メタルタービンシヤフト ５２…メタルタービンシヤフト上の凹部 ５８…コンプレツサーホイール側回転軸 ５４…ベアリング当接部表面
ツクス結合体の部分断面図、 第２図は金属・セラミツクス結合体の引抜試験の方法を
示す説明図、 第３図は本発明の金属・セラミツクス結合体の具体的応
用例のターボチヤージヤーローターの圧入嵌合部の縦断
面図を示す説明図である。 １０…セラミツクス部材 １１…セラミツクス部材上の凸部 ２０…金属部材 ２１…金属部材上の凹部 ２２…ねじ ３０…引抜試験用プルロツド ３１…引抜試験用ツカミ具 ４０…セラミツクス部材 ４１…セラミツクスタービンホイール ４２…セラミツクスタービンシヤフト ４３…セラミツクスタービンシヤフト上の凸部 ５０…金属部材 ５１…メタルタービンシヤフト ５２…メタルタービンシヤフト上の凹部 ５８…コンプレツサーホイール側回転軸 ５４…ベアリング当接部表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−217814（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−42520（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−13678（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−61269（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−9102（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−92097（ＪＰ，Ｕ)
Claims (8)
- 【請求項１】表面に硬化帯と非硬化帯を有する金属部材
に設けた凹部にセラミックス部材に設けた凸部が焼ば
め、冷しばめ、圧入等の締りばめにより結合されている
構造の金属・セラミックス結合体において、該凹部外表
面に硬化帯と非硬化帯とが存在し、しかも上記締りばめ
による金属部材の変形域が上記非硬化帯内にあるととも
に、該変形域が硬化帯境界より１mm以上離れていること
を特徴とする金属・セラミックス結合体。 - 【請求項２】前記硬化帯がイオン窒化されたものである
特許請求の範囲第１項に記載の金属・セラミックス結合
体。 - 【請求項３】金属部材が窒化鋼、セラミックス部材が窒
化硅素からなる特許請求の範囲第１項ないし第２項のい
ずれかに記載の金属・セラミックス結合体。 - 【請求項４】金属・セラミックス結合体がターボチャー
ジャーローターである特許請求の範囲第１項ないし第３
項のいずれかに記載の金属・セラミックス結合体。 - 【請求項５】表面の一部を硬化処理した金属部材に設け
られている凹部にセラミックス部材に設けた凸部を焼ば
め、冷しばめ、圧入等の締りばめにより結合して金属・
セラミックス結合体とする方法において、金属部材に凹
部を設け、しかるのち金属部材の外表面のうち、該凹部
形成部の外表面の上記締りばめによる変形予定域から１
mm以上離れた部分の表面に表面硬化処理を施したのち、
該凹部にセラミックス部材に設けた凸部を締りばめによ
り結合して、締りばめによる金属部材の変形域が非表面
硬化帯内にあるとともに該変形域が硬化帯境界より１mm
以上離れているようにすることを特徴とする金属・セラ
ミックス結合体の製造法。 - 【請求項６】上記硬化処理がイオン窒化によるものであ
る特許請求の範囲第５項記載の金属・セラミックス結合
体の製造法。 - 【請求項７】前記嵌合が金属部材の焼なまし温度以下お
よび室温または嵌合部の最高使用温度以上の温度におけ
る圧入である特許請求の範囲第５項ないし第６項のいず
れかに記載の金属・セラミックス結合体の製造法。 - 【請求項８】セラミックス部材上の凸部直径が金属部材
上の凹部内径より１％ないし10％大である特許請求の範
囲第５項ないし第７項のいずれかに記載の金属・セラミ
ックス結合体の製造法。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059524A JPH063122B2 (ja) | 1984-03-29 | 1984-03-29 | 金属・セラミックス結合体およびその製造法 |
| US06/700,104 US4719074A (en) | 1984-03-29 | 1985-02-11 | Metal-ceramic composite article and a method of producing the same |
| CA000474216A CA1235633A (en) | 1984-03-29 | 1985-02-13 | Metal.sup..ceramics composite article and a method of producing the same |
| EP85300974A EP0156484B1 (en) | 1984-03-29 | 1985-02-14 | Metal ceramics composite article and a method of producing the same |
| EP85300975A EP0157479B1 (en) | 1984-03-29 | 1985-02-14 | A metal ceramics composite article and a process for manufacturing the same |
| DE8585300975T DE3571678D1 (en) | 1984-03-29 | 1985-02-14 | A metal ceramics composite article and a process for manufacturing the same |
| DE8585300974T DE3571677D1 (en) | 1984-03-29 | 1985-02-14 | Metal ceramics composite article and a method of producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059524A JPH063122B2 (ja) | 1984-03-29 | 1984-03-29 | 金属・セラミックス結合体およびその製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60204901A JPS60204901A (ja) | 1985-10-16 |
| JPH063122B2 true JPH063122B2 (ja) | 1994-01-12 |
Family
ID=13115738
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59059524A Expired - Fee Related JPH063122B2 (ja) | 1984-03-29 | 1984-03-29 | 金属・セラミックス結合体およびその製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH063122B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3006209U (ja) * | 1994-07-06 | 1995-01-24 | 大阪鞄材株式会社 | 背負いかばん用のベルト留め具 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2811020B2 (ja) * | 1990-04-17 | 1998-10-15 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックスと鋼の接合体及びその製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS599102U (ja) * | 1982-07-08 | 1984-01-20 | 日産自動車株式会社 | タ−ボチヤ−ジヤの回転軸 |
-
1984
- 1984-03-29 JP JP59059524A patent/JPH063122B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3006209U (ja) * | 1994-07-06 | 1995-01-24 | 大阪鞄材株式会社 | 背負いかばん用のベルト留め具 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60204901A (ja) | 1985-10-16 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |