JPS61111981A - セラミツク部品と金属部品との結合方法 - Google Patents

セラミツク部品と金属部品との結合方法

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JPS61111981A JP59233853A JP23385384A JPS61111981A JP S61111981 A JPS61111981 A JP S61111981A JP 59233853 A JP59233853 A JP 59233853A JP 23385384 A JP23385384 A JP 23385384A JP S61111981 A JPS61111981 A JP S61111981A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本願にかかる発明は、セラミック部品と金属部品を機械
的に結合する方法に関するものである。
〔従来技術およびその問題点〕 窒化珪素、炭化珪素等のセラミック材は、耐熱性、耐熱
衝撃性に優れているため、構造用部品として有望な材料
といわれている。現実には、たとえばディーゼルエンジ
ンの部品として使用され始めている。しかし、このよう
な部品において耐熱性を要求される部分には、セラミッ
ク材を使用し。
耐熱性を必要としない部分には金属材を使用するのが、
製造技術面、コスト面からみて望ましい。
そのためには、セラミック材と金属材とを結合する方法
が必要となる。結合方法には、メタライズ法等のろう付
け、融接、固相接合等の溶接、無機系接着剤等によるも
のあるいは焼ばめ等が知られている。これらのうちでも
、焼ばめる方法は。
最も簡単な方法である。また、板状部品の場合には、ボ
ルドーナンドで締結することも行われる。
しかしながら、焼ばめ又は、ボルト締めの場合には、金
属材により締め付けられたセラミック材の表面部には圧
縮応力、これに隣接する自由表面には引張応力が発生す
る。この部分の応力分布状況は引張から圧縮へと急激な
変化を示しており。
この部分からセラミック材が破壊しやすいという欠点が
ある。
出願人は、先に、セラミック材の表面に金属膜を形成し
、その表面から高エネルギーイオンを照射することによ
り、金属膜をセラミ・ツク材に強固に接着するとともに
、セラミック材の靭性を向上させる方法発明を出願した
（特願昭５９−３１８８０号）。
そこで発明者らは、上記発明をセラミック材と金属材と
の結合に応用してセラミック材の性質を変えれば、セラ
ミック材の表面に発生する引張応力を減少させることが
できて、結合部でのセラミック材の破壊が防止できるも
のと考えた。
本発明者らは、これを試みるべく種々検討した結果２本
発明を為すに至った。
本発明の目的は、セラミック部品と金属部品との結合部
において、セラミック材の破壊を防止できる結合方法を
提供することである。
〔本発明の構成および作用〕
本願にかかる第１の発明（以下、第１発明という）は、
セラミック材と金属材とを機械的に結合する方法におい
て、セラミック材の結合部表面に金属膜を形成する膜形
成工程と、該金属膜表面に高エネルギーイオンを照射し
て該金属膜とセラミック材とを融合させるイオン照射工
程と、セラミック材と金属材とを、その両者間に上記金
属膜を挟持して、結合する結合工程とからなるセラミッ
ク部品と金属部品との結合方法である。
本願にかかる第２の発明（以下、第２発明という）は、
セラミック材と金属材とを機械的に結合する方法におい
て、セラミック材の結合部表面に金属膜を形成する膜形
成工程と、該金属膜表面に高エネルギーイオンを照射し
て、金属膜とセラミック材とを融合させるイオン照射工
程と、該金属膜表面を、エツチングしたのちさらに金属
をメッキするメッキ工程と、セラミック材と金属材とを
。
その両者間に上記メッキした金属膜を挟持して結合する
結合工程とからなることを特徴とするセラミック部品と
金属部品との結合方法である。本第２発明は、前記第１
発明にメッキ工程を付加したものである。
本発明によれば、セラミック材と金属材とを機械的に強
く締結してもセラミック材に破壊を生ずることが極く少
なくなる。
以下２本願にかかる発明をより詳細に説明する。
本願において、セラミック材とは、酸化アルミニウム（
Ａｌｚ○３）、ジルコニア（ＺｒＯｚ）等の酸化物セラ
ミック材、窒化珪素（ＳｔｓＮｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ
）を主体とする非酸化物セラミ・ツク材が代表的なもの
である。これらのセラミック材は。
上記物質の粉末を所望の形状に焼結したものである。焼
結体には、酸化イツトリウム等の焼結用助剤等、その他
の添加成分が含まれていてもよい。
該セラミック材の製造法としては、常圧焼結、ホットプ
レス等、いずれの方法で製造したものでもよい。
上記セラミック材の、金属材と結合する部分を含む部分
の表面に、膜形成工程を施し金属膜を形成する。該膜の
形成は、結合によって引張応力が発生する部分すなわち
、結合部に隣接する部分。
と直接結合に与かる部位とにまたがって被覆する。
該金属膜を形成するための金属としては、いわゆる金属
であればよい。しかし１本願にかかる発明のより大きな
効果を得るためには、チタン（Ｔｉ）。
ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウ
ム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）。
ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）がよい。
上記金属膜を形成する方法としては、電子ビーム蒸着、
スパッタ蒸着等の物理的蒸着法（Ｐ　Ｖ　Ｄ）でもよい
し、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）でもよい。金属膜形成
部位は、膜成形に先立ってアセトン洗浄等によって清浄
な面にしておくのが望ましい。その後、上記方法により
膜を形成する。形成する膜の厚さは１次工程であるイオ
ン照射工程における照射イオンのエネルギー量によって
異なり。
−概に決まらないが、０．１〜０．５μｍが実用的であ
る。また、結合工程での結合精度との関連で。
膜厚を選択するのがよい。膜厚が薄いと、一様な膜を形
成するのが困難となり、むらが生じやすくなる。また、
結合部においてセラミック材に生ずる応力集中を柔らげ
る効果が発揮されなくなる。
一方、膜厚が大きくなると、照射イオンのエネルギーを
無やみに大きくしなければならないという問題が生じる
。セラミック材上に形成した金属膜は１通常の場合、セ
ラミック材と強固に結合していない。それ故、引っかい
たりすると、はく離することがあるので、取扱いには注
意する必要がある。
次に、上記金属膜にイオン照射工程を施し、高エネルギ
ーイオンを照射する。イオン照射には。
例えばコツククロフト型加速器、パンデグラーフ。
線形加速器、サイクロトロン等を使用することができる
。照射イオンとしては、電場で容易に加速できるもので
あればよい。特に、常温で気体状態のものであると照射
作業が簡単である。具体的なイオン種としては窒素（Ｎ
）、ネオン（Ｎｅ）。
アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）等がある。
その他、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（
Ｃｒ）、セレン（Ｃｅ）等の金属イオンであってもよい
。照射イオンに与えるエネルギーの大きさは、金属膜中
でのイオン飛程が、膜厚程度になるようにするのがよい
。これは、セラミ・ツク材と金属膜との界面での原子混
合を起こさせて。
両者を融合させるためである。それ故、イオンに与える
エネルギーは３ＱｋｅＶ〜５ＭｅＶ程度が望ましい。高
エネルギーイオンの照射量は、照射面積１ｃＩｌｌ当た
りＩ　Ｘ　１０′３〜Ｉ　Ｘ　１０”個くらいがよい。
より多くのイオンを照射しても、これに見合うだけの効
果は得られない。また少ないとイオン照射の効果が得ら
れない。イオン照射工程を施すと、金属膜はセラミック
材に強固に付着し、ダイヤモンド針で引っかいてもはが
れにくくなる。
イオン照射工程を施したのち、第１発明では結合工程を
施すが、第２発明ではメッキ工程を施す。
該メッキ工程では、まずイオン照射した金属膜表面を清
浄にするために、極く薄層除去する。薄層除去する方法
としては、微粒砥粒による研磨、アルゴン等不活性ガス
によるスパッタで、約１００人程度エツチングするのが
よい。その後金属膜表面に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃ
ｕ）等の比較的軟質の金属を厚さで０．５〜５０μｍ程
度メッキする。メッキ層は結合材間の緩衝材としての作
用をする。
以上の工程を施したセラミック材に結合工程を施す。該
結合工程は、上記セラミック材と金属材とを、ボルト締
め、あるいは焼ばめにより結合する工程である。セラミ
ック材と金属材との結合部は焼ばめ、あるいは、セラミ
ック材を金属材により挟持し、ボルドーナツト等により
締結するもの等の形式のものがよい。
焼ばめによる場合には、セラミック材と金属材とは常温
状態で焼ばめ代を有し、金属材を昇温しで、上記焼ばめ
代を減少又は消滅せしめ両者を結合せしめる。焼ばめ代
としては、結合部が円柱。
円筒の組合せの場合には、使用最高温度において焼ばめ
代を５〜１０μｍ程度になるようにとるのがよい。当然
のことながら焼ばめ代が大きいとセラミック材が破壊す
るおそれがあり、注意を要する。
第２発明の場合には、メッキ層の厚さにより。
該焼ばめ代を調節することができという利点がある。
一方、金属材によりセラミック材を挟持し、ネジで締結
する場合には、ネジ締付は強さをセラミック材が破壊し
ないように１強くしすぎないように注意する必要がある
。いずれの型式の結合においても、金属材の端部とセラ
ミック材の当たり部では、金属材とセラミック材との間
に金属膜が挟持されている必要がある。さらに金属膜が
金属材端部からセラミック材側へ少なくとも１０ｍｍ程
度余分に形成されているのがよい。セラミック材は。
前記のように、イオン照射工程を受けているので。
金属膜と強固に結合している。この金属膜の存在によっ
て、応力集中が起こりに（（なり、結合部での亀裂の発
生が抑制される。このため、結合部の強度が向上するも
のと思われる。金属材の材質としては、鋼が一般的であ
るが、他のＡ１合金。
銅合金でもよい。本発明は、たとえば、内燃機関用ター
ボチャージャ内の金属製圧縮タービン軸とセラミックス
製排気タービン軸との結合等高温部と低温部にまたがる
部品の結合に有用なものである。
〔本発明の効果〕
本第１発明により結合したセラミック材と金属材との結
合部では、結合力によりセラミック材に発生する引張応
力値が、膜形成工程、イオン照射工程を施していない場
合に比べて小さくなるとともに、応力集中度合も低下す
るので、セラミック材の耐折損性が向上する。
また、メッキ工程を施す第２発明によれば、結合材にさ
らに、大きな負荷が加わっても破壊が生じにくくなり、
耐折損性が一層向上する。
〔実施例〕
実施例１ 図に示すように、セラミック結合部１）の形状が直径１
５＋＊＋ｍの棒状である窒化珪素製排気タービンｌと、
金属結合部２Ｉが肉厚２龍の円筒状であるＳＣＭＳ製軸
部とを焼ばめにより結合した。
まず、結合部１）の外表面を粗さ０．３Ｓ程度に研磨し
たのち１表の試験番号１〜６に示す条件で電子ビーム蒸
着による膜形成工程、コツククロフト型加速器によるイ
オン照射工程を施した。
なお、金属膜の形成時およびイオン照射時には。
一様な厚さの金属膜の形成と、一様なイオン照射゛とが
行えるように結合部をｌＱｒｐｍで回転させた。
その後、金属結合部を６００°Ｃに加熱してセラミック
材の結合部にはめ合わせて組付け、放冷することにより
ターボチャージャ用タービンを得た。
これらのタービンをターボチャージャに取付け１５０、
ＯＯＯｒｐｍでの運転を行ったのち、再び取りはずし、
抗折試験に供した。その結果を表の最下欄に示す。
なお、比較例として、膜形成工程、イオン照射工程を行
わないで焼ばめを行ったもの（試験番号Ｃ，１）を製作
し、その抗折力をも求めた。
これらの結果かられかるように、上記膜形成工程、イオ
ン照射工程を行うことにより抗折強度が高くなる。
実施例２ 表の試料番号１．および５と同様の条件でセラミック材
の結合部ｏｏｏｏｏ形成、イオン照射したのち、金属表
面をアルゴンによるスパッタエツチングし、金属膜表面
を約１００人除去した。そして、チタン膜の上には厚さ
５μｍの無電解ニッケルメッキ層を、ニッケル膜の上に
は厚さ１０μｍの湿式メッキによる銅メッキ層を形成し
た。その後、実施例１と同様の焼ばめ代を有する金属結
合部を焼ばめ、タービンを得た。さらに、これらのター
ビンを実施例１と同様の運転を行い、抗折試験に供した
。その結果、チタン膜上にニソケルメ、キを施したもの
は、７０ｋｇ／鶴、ニッケル膜の上に銅メッキを施した
ものは６５ｋｇ／鶴の抗折力を示した。
【図面の簡単な説明】
図は、実施例を示し、セラミック材としての排気タービ
ンと金属材としての圧縮タービンを示す断面図である。 ｔ　−一−−−・・セラミック製排気タービン１）−セ
ラミック結合部 ２−・・・−・金属製軸部 ３・・−・−アルミニウム製コンプレッサ部２１−・−
金属結合部

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）セラミック材と金属材とを機械的に結合する方法
    において、セラミック材の結合部表面に金属膜を形成す
    る膜形成工程と、該金属膜表面に高エネルギーイオンを
    照射して該金属膜とセラミック材とを融合させるイオン
    照射工程と、セラミック材と金属材とを、その両者間に
    上記金属膜を挟持して、結合する結合工程とからなるセ
    ラミック部品と金属部品との結合方法。
  2. （２）上記金属膜は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（
    Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオ
    ブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバ
    ルト（Ｃｏ）のいずれかにより形成することを特徴とす
    る特許請求の範囲第（１）項記載の結合方法。
  3. （３）上記金属膜は、電子ビーム蒸着、スパッタ蒸着又
    は、化学的気相蒸着により形成することを特徴とする特
    許請求の範囲第（１）項記載の結合方法。
  4. （４）上記高エネルギーイオンは、窒素（Ｎ）、ネオン
    （Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の結合
    方法。
  5. （５）上記結合工程は、焼ばめにより行うことを特徴と
    する特許請求の範囲第（１）項記載の結合方法。
  6. （６）セラミック材と金属材とを機械的に結合する方法
    において、セラミック材の結合部表面に金属膜を形成す
    る膜形成工程と、該金属膜表面に高エネルギーイオンを
    照射して、金属膜とセラミック材とを融合させるイオン
    照射工程と、該金属膜表面を、エッチングしたのちさら
    に金属をメッキするメッキ工程と、セラミック材と金属
    材とを、その両者間に上記メッキした金属膜を挟持して
    結合する結合工程とからなることを特徴とするセラミッ
    ク部品と金属部品との結合方法。
  7. （７）上記金属膜は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（
    Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオ
    ブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバ
    ルト（Ｃｏ）のいずれかにより形成することを特徴とす
    る特許請求の範囲第（６）項記載の結合方法。
  8. （８）上記金属膜は、電子ビーム蒸着、スパッタ蒸着又
    は、化学的気相蒸着により形成することを特徴とする特
    許請求の範囲第（６）項記載の結合方法。
  9. （９）上記高エネルギーイオンは、窒素（Ｎ）、ネオン
    （Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（６）項記載の結合
    方法。
  10. （１０）上記結合工程は、焼ばめにより行うことを特徴
    とする特許請求の範囲第（６）項記載の結合方法。
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