JPS6148486A - 金属・セラミックス結合体およびその製造法 - Google Patents

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） 本発明は金属・セラミッ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、ク
スを嵌合により結合した金属・セラミックス結合体とそ
の製造法に関するものである。

（従来の技術） セラミッ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ッ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
部がセラミッ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
ッ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。

（発明が解決しようとする問題点） 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ックス材
料との熱膨張差のため、タービンローターの使用中にセ
ラミックス軸のねじ部が破損する欠点がある。また、セ
ラミックスに対するねし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
ミッ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、金属性
軸筒状部外表面に表面硬化処理をしてからセラミックス
軸を嵌合すると、外表面硬化部にクランクが発生する欠
点がある。また、金属製軸とセラミックス軸とを嵌合後
、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、金属製軸とセラミックス軸を嵌合後、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既製が不足して実
用にならない欠点があった。

（問題点を解決する手段） 本発明の第１の目的は、結合力が大きい金属・セラミッ
クス結合体とその製造方法を提供することであり、第２
の目的は、金属部分の表面の耐摩耗性がすぐれている金
属・セラミックス結合体とその製造方法を提供すること
である。

本発明は表面に硬化帯と硬さがＨｖ２５０〜４５０であ
る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嵌合により結合されるとともに、
嵌合による金属部材の変形域が非硬化帯内に存在する金
属・セラミックス結合体であり、また、金属部材の硬さ
を熱処理により）（ｖ２５０〜４５０とするとともに、
金属部材表面の一部に硬化処理をして硬化帯を設けたの
ち、該金属部材に凹部を設け、該凹部にセラミックス部
材に設けた凸部を嵌合して一体的に結合し、さらには嵌
合による金属部材の変形域が非硬化帯内にあるように嵌
合する金属・セラミックス結合体の製造法である。

（作　用） 本発明では、熱処理によって硬さをＨｖ２５０〜４５０
に調製するとともに、表面の一部を表面硬化処理した金
属部材に設けた凹部にセラミックス部材に設けた凸部を
嵌合して結合する。この場合に、本発明の金属・セラミ
ックス結合体を構成する金属部材の非硬化帯の硬さがＨ
Ｖ２５０以下では結合部の締付力が不足するので好まし
くない。また、非硬化帯の硬さがＨｖ４５０を越すと、
嵌合により金属部材凹部の破壊が生じやすくなるので好
ましくない。金属部材の表面硬化処理は、少なくとも本
発明の金属・セラミックス結合体の使用時に、該結合体
を構成する金属部分が、他の機械部分との摩擦あるいは
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・セラミックス結合体の金属部分の特定個所の耐
摩擦性が向上する。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、メッキなどの方法が
利用できる。これらの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製が容易なのでとくに好ま
しい。金属部材の硬さを調整するための熱処理としては
、焼入れ、焼もどし処理あるいは析出硬化処理を利用す
る。この熱処理は金属部材の表面硬化処理の前に実施し
てもよい。この場合に焼もどし処理温度は表面硬化処理
温度以上とするのが好ましい。表面硬化処理温度以下で
焼きもどしをして硬さを調整した金属部材を焼もどし温
度以上に加熱して表面硬化処理を行うと、金属部材内部
の非硬化部の硬さが低下するので好ましくない。また、
焼もどし処理および析出処理は表面硬化処理と同時に実
施することもできる。この場合には、焼入れ済の金属部
材を炉内雰囲気が表面硬化雰囲気となっている加熱炉中
で加熱する。一方、セラミックス部材の凸部と金属部材
の凹部の嵌合による結合では、結合部に凸部と凹部の寸
法差に比例した変形が生じる。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、表面硬化層にクランクが
発生する。このため、本発明の金属・セラミックス結合
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
帯の間には所定距離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ンク等の
欠陥が生じない大きさ以上であればよいが、この間隔は
セラミッ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、セラミックス部材□に設けた直径７．９ｍｍの
凸部を、直径９．３ｍｍの金属部材に設けた内径６．８
１１１の凹部に嵌合する場合、金属部材の変形部と表面
硬化帯の間に設ける間隔は１鶴以上が好ましく、２龍以
上がとくに好ましい、この間隔が２１１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１　＋ｎ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高度が大きく、
欠陥のない本発明の金属・セラミックス、結合体が得ら
れる。

本発明の金属・セラミックス結合体を構成する金属材料
とセラミッ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、冷しぼめ
はセラミック入部材の凸部直径を金属部材の凹部内径よ
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・セラミックス結合体の嵌合
方法として好ましいものである。また、一般に金属材料
の方がセラミッ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
材の凹部やセラミックス部材の凸部が破損せず、しかも
本発明の金属・セラミッ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、圧入はセラミックス部材の凸部を、金属製部材に
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
部の仕上げ寸法差は焼ばめ、冷しばめの場合より大きく
てもよい。このため、圧入は嵌合部の寸法が小さい金属
・セラミックス結合体の嵌合方法として、より好ましい
ものである。

金属部材の凹部およびセラミックス部材の凸部の形状と
寸法は、圧入時に作用する荷重によって破壊しない形状
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、嵌合が本発明の金属・セラミックス結合体の使
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。したがっ
て該寸法差は、金属部材の非硬化部の硬さに応じて、セ
ラミックス部材の凸部を金属部材の凹部内径より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
が抜ける心配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、
圧入時にセラミックス部材の凸部が破壊したり、金属部
材の凹部が破損するので好ましくない。なお、上記寸法
差が大きいときには、非硬化帯の硬さが低い金属部材、
上記寸法差が小さいときには、硬さが高い金属部材を使
用すれば安定した結合強度が得られる。この圧入は室温
で行ってもよいし、金属部材のみを加熱するかあるいは
金属部材とセラミッ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っ
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もどし温度あるいは表面硬化層の
軟化温度のうちのいずれか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もどし温度より高い場合には、
金属部材の非表面硬化部の硬さが低下し、圧入部の締付
力が減少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
セラミッ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・セラミックス結合体は、通常は金属部材
とセラミックス部材を嵌合したのち、仕上げ加工を行っ
て使用に供する。したがって、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、表面硬化の方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・セラミッ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、メッキ等の方法
で表面硬化が可能な市販の金属材料を使用する。例えば
、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、ニッケル・クロム・モリブデン鋼、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、ジルコニウムとこ
れらの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（しかも表面から
深い位置まで硬化されるので好ましく、アルミニウム・
クロム・モリブデン鋼が安価なのでもっとも好ましいも
のである。

本発明の金属・セラミックス結合体を構成する！　　　
　　　　セラミックス材料は窒化珪素、炭化珪素、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・セラミッ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・セラミックス結合体で
ターボチャージャ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、比重が小さい窒化珪素が好ましい。

（実施例） 第１図は本発明の実施例１〜３を説明するための金属・
セラミッ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。

叉立斑上 常圧焼結法で作製した窒化珪素（以下窒化珪素という）
丸棒から、直径７．０　ｍ、長さ２５ｍｍの凸部１１を
有する第１図に示す形状のセラミックス部材１０を作製
した。また、直径１２ｍｍ、長さ１１０ｍｍのアルミニ
ウム・クロム・モリブデンＩｉ　（ＪＩＳ−ＳＡＣＭ６
４５、以下窒化鋼という）丸棒を８３０℃に１時間加熱
保持後、室温の水中に焼入れし、その後６００℃に１時
間加熱保持して焼もどしを行い硬さをＨｖ３５０に調節
した。

この丸棒を直径９．３　ｍに加工したのち、一端に内径
６．８鶴、深さ１５１１の凹部２１を加工し、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１７１１離れた位置までの区間の
外表面を軟鋼製カバーで覆い、残りの部分の外表面（第
１図のへ区間）を、圧カニ　４Ｔｏｒｒの等量の窒素と
水素からなる混合雰囲気で、５５０℃に加熱しながら２
０時間イオン窒化処理を行なった金属部材（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
金属部打入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、窒化部表面のビッ
カース硬さは窒化処理前のＨｖ　（０，１）３５０から
Ｈｖ　（０，１）１１００まで増加した。また、表面か
ら０．２ｍｍの深さの位置でのビッカース硬さはＨＶ（
０，１）７００を示した。

上記２種類の金属部材２０の凹部２１に前記セラミック
ス部材１０の凸部１１を、３５０℃で圧入し第１図に示
す形状の金属・セラミッ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１３鶴までの区間
（第１図Ｃ区間）が変形し、金属部材の直径が約０．２
　ｔｍ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
ラミックス結合体については何ら異常が認められなかっ
た。金属部材Ｂを使用した金属・セラミックス結合体に
は、金属部材の軸方向に沿って長さ約１０ｍｍ、深さ約
０．５龍のクラッ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ックが発生し、健全な金属
・セラミッ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・セラミックス結合体では、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ック
が発生しない。

ス１ｕＩｌ 実施例１と同一材料、同一形状のセラミックス部材と金
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　（金属部材りとする）　、１５．５龍
（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った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ックス
部材の凸部を３５０℃で圧入し、第１図に示す形状の金
属・セラミッ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・セラミック
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、金属部材り、Ｅの外表面には
クラックが存在しなかった。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
沿って長さ約’ｌ　ｉｎ、深さ約０．２Ｒのクラックが
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・セラミックス結合体では、圧入により金
属部材の変形が住しても金属部材表面にクラックが発生
しない。

ス屓１１走 窒化珪素丸棒から、直径が７．９（ｈ＋ａ、長さが２５
１ｍの凸部１１を有する第１図に示す形状のセラミック
ス部材１０を作製した。また、焼入れ、焼もどしにより
、硬さを第１表患１〜患５に示す値に調整した窒化鋼丸
棒から、直径９．３ｍｍ、長さ８０１ｍの棒状試験片を
作製した。この試験片の一端に内径７，７５ｍｍ、深さ
１５ｓ１の凹部２１を加工し、第１図に示す形状の金属
部材２０を作製した。同様に、焼入れ後６８０℃で焼も
どしを行い、硬さをＨＶ３００に調整した窒化鋼丸棒か
ら直径９．３ｍｍ、長さ８Ｑｉｎの棒状試験片を作製し
た。この試験片の一端から１５ｍ１１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。これによ
り窒化部の表面硬さがＨｖｌｌｏｏ、非窒化部の表面硬
さがＨＶ３００である金属部材が得られた。非窒化部の
硬さは窒化のための熱処理によっても変化しない。

次に、該試験片の非硬化部側の端部に第１表患７〜Ｎｌ
１ＩＯに示す内径で深さが１５鰭の凹部２１を加工し、
第１図に示す形状の金属部材２０を作製した。

これらの金属部材の凹部にセラミックス部材の凸部を３
５０℃で圧入し、第１図に示す形状の金属・セラミック
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１３ｍ＋ｓまでの区間が変形した。

次に、金属部材の外径を９．１鶴に加工し、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、セラミックス部材と金属部材をそれぞれ上
下方向に引抜いて、圧入部の引抜に票する荷重を測定し
、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、１ｌｈｌ〜Ｎ１５は金属部材の非硬化部の硬さ
が本発明の範囲内にある金属・セラミックス結合体の引
抜荷重測定結果であり、１１ｍ６〜Ｎ１１ＬｌＯはセラ
ミックス部材の凸部直径と金属部材の凹部内径との寸法
差が本発明の大きさである金属・セラミックス結合体の
引抜荷重測定結果である。１１ｋＬ１０１−４１０２は
、金属部材の非硬化部の硬さが本発明の範囲外である金
属・セラミックス結合体、ｍ１０３〜Ｉｋ１０４は上記
寸法差が本発明の範囲外である金属・セラミックス結合
体についての結果である。

笛　１　裏 Ｙ：Ｆζ、可、　　Ｎ二ＩＥＡ！ヨ’Ｉ！ 第１表から明らかなように、金属部材非硬化部の硬さお
よび金属部材の凹部とセラミックス部材の凸部の寸法差
が本発明の大きさである金属・セラミックス結合体は３
５０℃において大きな引抜荷重を示している。この引抜
荷重は引抜温度の低下にともなって増加するので、嵌合
部の温度が３５０℃以下の場合には第１表に示す以上の
引抜荷重を示すことになる。これに対し、金属部材の非
硬化部の硬さが、本発明の範囲以下の場合には引抜荷重
が小さく、本発明の範囲以上の場合には、圧入により金
属部材の凹部が破損する。同じように、金属部材の凹部
内径とセラミックス部材の凸部直径の寸法差が本発明の
範囲以下の場合には引抜荷重が小さく、本発明の範囲以
上の場合には、圧入により金属部材の凹部やセラミック
ス部材の凸部の破損が生ずる。

寒止適土 直Ｐｋ　６１　ｔｍのタービンホイール４１と直径９．
ＩＮのタービンシャフト４２を窒化珪素で一体的に成形
した全長６０ｍｍのセラミックス部材４０を作製した。

このセラミックス部材のタービンシャフト先端に直径６
ｍｍ、長さ１３鶴の凸部４３を加工した。また、熱処理
により硬さをＨｖ３００に調整した窒化鋼から全長７０
ｉｎ、直径９．１龍の丸棒を作り、該丸棒の一端から１
３婁重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
に内径５．８ｍｍ、深さｌ　２ｉｎ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
ンシャフト先端の凸部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、セラミックス部材
４０と金属部材５０を一体的に結合したのち、セラミッ
クスタービンシャフト４２とメタルタービンシャフト５
１の直径を９．ＯＨａ、コンプレッサーホイール側回転
軸５３を直径５ｍｍに加工し、第３図に示す形状の、タ
ービンホイールとタービンシャフトの一部が窒化珪素、
残りの部分が窒化鋼からなるターボチャージャーロータ
ーを作製した。このターボチャージャーローターを箭温
回転試験装置に組込んで燃焼ガスにより１５００００ｒ
ｐｍで１００時間回転試験を行ったが嵌合部およびメタ
ルタービンシャフトのベアリング当接面５４は何ら異常
は認められなかった。

（発明の効果） 以上述べたことから明らかなように、本発明の金属・セ
ラミッ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材の所定部分の
耐摩耗性がすぐれている。また、本発明の方法によれは
、金属部材の凹部壁厚を薄くしても大きな結合強度が得
られるので、その分だけセラミックス部材の凸部直径を
大きくすることが可能となり、セラミックス部材の凸部
の強度が増加するしたがって、本発明の金属・セラミッ
クス結合体でタービンホイールおよびタービンシャフト
の一部が窒化珪素、その他の部分が窒化鋼からなるター
ボチャージャ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ャージャーローターとするこ
とができる。

このように本発明の金属・セラミックス結合体はセラミ
ックスの耐熱性、耐摩耗性、高強度などの特性を生かし
てターボチャージャーローターヤ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
つ耐久性にすぐれたものとして提供することができる利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための金属・セラミッ
クス結合体の部分断面図、 第２図は金属・セラミッ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・セラミックス結合体の具体的応
用例のターボチャージャ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・・・セラミックス部材 少 １１・・・セラミックス部材の凸部 ２０・・・金属部材　　　　　２１・・・金属部材の凹
部２２・・・ねじ ３０ａ、３０ｂ・・・引抜試験用プルロンド３１・・・
引抜試験用つかみ具 ４０・・・セラミックス部材 ４１・・・セラミックスタービンホイール４２・・・セ
ラミックスタービンシャフト４３・・・セラミックスタ
ービンシャフトの凸部５０・・・金属部材 ５１・・・メタルタービンシャフト ５２・・・メタルタービンシャフトの凹部５３・・・コ
ンプレッサーホイール側回転軸５４・・・ベアリング当
接部表面 第１図 １（Ｊ 第２図 第３図 夕 手　　続　　補　　正　　書 昭和５９年１０月　１日 特許庁長官　　　志　　賀　　　　学　　殿１、事件の
表示 昭和５９年持重願第１６９２５４号 ２、発明の名称 ４、代理人 （訂正）明　　　細　　　書 １、発明の名称　　金属・セラミックス結合体およびそ
の製造法 ２、特許請求の範囲 １、表面に硬化帯と硬さがＨｖ２５０〜４５０である非
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
材に設けた凸部が嵌合により結合されるとともに、嵌合
による金属部材の変形域が非硬化帯内にあることを特徴
とする金属・セラミックス結合体。 ２、上記変形域が硬化帯境界より所定距離以上離れてい
る特許請求の範囲第１項記載の金属・セラミックス結合
体。 ３、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。 ４、　金属部材がステンレス鋼、合金工具鋼、クロム・
モリブデン鋼およびアルミニウム・クロム・モリブデン
鋼よりなる群から選ばれた一つの金属からなり、セラミ
ックス部材が窒化珪素からなる特許請求の範囲第１項な
いし玉ユ頭のいずれかに記載の金属・セラミックス結合
体。 ５、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４項のいず
れかに記載の金属・セラミックス結合体。 ６、　金属部材とセラミックス部材とを一体的に結合す
る方法において、金属部材の硬さを熱処理によりＨＶ２
５０〜４５０とするとともに、金属部材表面の一部に硬
化処理をして硬化帯を設けたのち、該金属部材に凹部を
設け、該凹部にセラミックス部材に設けた凸部を嵌合し
て一体的に結合することならびに嵌合による金属部材の
変形域が非硬化帯内にあるように嵌合することを特徴と
する金属・セラミックス結合体の製造法。 ７、上記熱処理が焼入れおよび硬化処理温度以上の温度
における焼もどしである特許請求の範囲第６項記載の金
属・セラミックス結合体の製造法。 ８、　前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６項および第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。 ９、焼入れ済の金属部材を炉内雰囲気が窒化雰囲気とな
っている加熱炉中で窒化処理温度に加熱し、金属部材の
表面硬化処理と焼もどし処理を同時に行う特許請求の範
囲第６項および第８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。 ｌＯｏ　　前記嵌合が金属部材の焼もどし温度以下また
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６項ないし第９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。 １１、　　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６項ないし第１０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。 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は金属・セラミッ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、金属とセラミック
スを嵌合により結合した金属・セラミックス結合体とそ
の製造法に関するものである。 （従来の技術） セラミックスは硬くて耐摩耗性にすぐれているうえ、高
温でのａ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ッ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
部がセラミッ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
ッ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。 （発明が解決しようとする問題点） 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ックス材
料との熱膨張差のため、タービンローターの使用中にセ
ラミックス軸のねじ部が破損する欠点がある。また、セ
ラミックスに対するねし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
ミッ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、金属性
軸筒状部外表面に表面硬化処理をしてからセラミックス
軸を嵌合すると、外表面硬化部にクラフクが発生する欠
点がある。また、金属製軸とセラミックス軸とを嵌合後
、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、金属製軸とセラミックス軸を嵌合後、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て実
用にならない欠点があった。 （問題点を解決する手段） 本発明の第１の目的は、結合力が大きい金属・セラミッ
クス結合体とその製造方法を提供することであり、第２
の目的は、金属部分の表面の耐摩耗性がすぐれている金
属・セラミックス結合体とその製造方法を提供すること
である。 本発明は表面に硬化帯と硬さがＨｖ２５０〜４５０であ
る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嵌合により結合されるとともに、
嵌合による金属部材の変形域が非硬化帯内に存在する金
属・セラミックス結合体であり、また、金属部材の硬さ
を熱処理によりＨｖ２５０〜４５０とするとともに、金
属部材表面の一部に硬化処理をして硬化帯を設けたのち
、該金属部材に凹部を設け、該凹部にセラミックス部材
に設けた凸部を嵌合して一体的に結合し、さらには嵌合
による金属部材の変形域が非硬化帯内にあるように嵌合
する金属・セラミックス結合体の製造法である。 （作　用） 本発明では、熱処理によって硬さをＨＶ２５０〜４５０
に調整するとともに、表面の一部を表面硬化処理した金
属部材に設けた凹部にセラミックス部材に設けた凸部を
嵌合して結合する。この場合に、本発明の金属・セラミ
ックス結合体を構成する金属部材の非硬化帯の硬さがＨ
Ｖ２５０以下では結合部の締付力が不足するので好まし
くない。また、非硬化帯の硬さがＨｖ４５０を越すと、
嵌合により金属部材凹部の破壊が生じやすくなるので好
ましくない。金属部材の表面硬化処理は、少なくとも本
発明の金属・セラミッ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、弐械部分との摩擦あるい
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・セラミソ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、メッキなどの方法
が利用できる。これらの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。金属部材の硬さを調整するための熱処理として
は、焼入れ、焼もどし処理あるいは析出硬化処理を利用
する。この熱処理は金属部材の表面硬化処理の前に実施
してもよい。この場合に焼もどし処理温度は表面硬化処
理温度以上とするのが好ましい。表面硬化処理温度以下
で焼きもどしをして硬さを調整した金属部材を焼もどし
温度以上に加熱して表面硬化処理を行うと、金属部材内
部の非硬化部の硬さが低下するので好ましくない。また
、焼もどし処理およ！　　　　１析出処理″表面硬化処
理と同１１Ｊ″′。実方缶することもできる。この場合
には、焼入れ済の金属部材を炉内雰囲気が表面硬化雰囲
気となっている加熱炉中で加熱する。一方、セラミック
ス部材の凸部と金属部材の凹部の嵌合による結合では、
結合部に凸部と凹部の寸法差に比例した変形が生じる。 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、
表面硬化層にクランクが発生する。このため、本発明の
金属・セラミックス結合体では、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所定距離以上の間隔
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、その変形の影をにより金属部材の表
面硬化部にクランク等の欠陥が生じない大きさ以上であ
ればよいが、この間隔はセラミッ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、セラミックス部材に設けた直径７．０關の凸部
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、金属部材の変形部と表面硬化帯
の間に設ける間隔は１１以上が好ましく、２ＩＩ１１以
上がとくに好ましい。この間隔が２關以上あれば両部材
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１ｕ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、
欠陥のない本発明の金属・セラミックス結　　゛合体が
得られる。 本発明の金属・セラミックス結合体を構成する金属材料
とセラミックス材料の嵌合は焼ばめ、冷しぼめ、圧入の
いずれかの方法で行うことができる。焼ばめ、冷しぼめ
はセラミックス部材の凸部直径を金属部材の凹部内径よ
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・セラミックス結合体の嵌合
方法として好ましいものである。また、一般に金属材料
の方がセラミッ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
材の凹部やセラミックス部材の凸部が破損せず、しかも
本発明の金属・セラミッ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、圧入はセラミックス部材の凸部を、金属製部材に
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大きくてもよい。こ
のため、圧入は嵌合部の寸法が小さい金属・セラミック
ス結合体の嵌合方法として、より好ましいものである。 金属部材の凹部およびセラミックス部材の凸部の形状と
寸法は、圧入時に作用する荷重によって破壊しない形状
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・セラミックス結合体の
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。したが
って該寸法差は、金属部材の非硬化部の硬さに応じて、
セラミックス部材の凸部を金属部材の凹部内径より１％
ないし１０％大きくするのが好ましく、１％ないし５％
太き（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
部が抜ける心配があるので好ましくない０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
、圧入時にセラミックス部材の凸部が破壊したり、金属
部材の凹部が破損するので好ましくない。なお、上記寸
法差が大きいときには、非硬化帯の硬さが低い金属部材
、上記寸法差が小さいときには、硬さが高い金属部材を
使用すれば安定した結合強度が得られる。この圧入は室
温で行ってもよいし、金属部材のみを加熱するかあるい
は金属部材とセラミッ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
っとも好ましい。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もどし温度ある
いは表面硬化層の軟化温度のうちのいずれかの低い方の
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もどし温度より高い場合には、
金属部材の非表面硬化部の硬さが低下し、圧入部の締付
力が減少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
セラミッ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・セラミックス結合体は、通常は金属部材
とセラミックス部材を嵌合したのち、仕上げ加工を行っ
て使用に供する。したがって、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、表面硬化の方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・セラミッ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、メッキ等の方法
で表面硬化が可能な市販の金属材料を使用する。例えば
、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、ニッケル・クロム・モリブデン鋼、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、ジルコニウムとこ
れらの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っとも好ましいも
のである。 本発明の金属・セラミックス結合体を構成するセラミッ
クス材料は窒化珪素、炭化珪素、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
・２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・セラミックス結合体でターボチャージ
ャーローターヤ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
が小さい窒化珪素が好ましい。 （実施例） 第１図は本発明の実施例１〜３を説明するための金属・
セラミッ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。 叉血皿工 常圧焼結法で作製した窒化珪素（以下窒化珪素という）
丸棒から、直径７．０ｍｌ、長さ２５龍の凸部１１を有
する第１図に示す形状のセラミックス部材１０を作製し
た。また、直径１２ｍｍ、長さ１１０ｍｍのアルミニウ
ム・クロム・モリブデン鋼（ＪＩＳ−ＳＡＣＭ６４５．
１　　　　　以下窒化鋼という）丸棒を９３０　”Ｃに
１時間加熱保持後、室温の水中に焼入れし、その後６０
０　’Ｃに１時間加熱保持して焼もどしを行い硬さをＨ
ｖ３５０に調節した。 この丸棒を直径９．３＋ｉｍ＋に加工したのち、一端に
内径６゜８＋ｎ、深さ１５關の凹部２１を加工し、第１
図に示す形状の金属部材２０を作製した。つぎに、金属
部材の凹部人口側端面から１７　＋ｕ離れた位置までの
区間の外表面を軟鋼製カバーで覆い、残りの部分の外表
面（第１図のＡ区間）を、圧カニ　４Ｔｏｒｒの等量の
窒素と水素からなる混合雰囲気で、５５０℃に加熱しな
がら２０時間イオン窒化処理を行なった金属部材（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、窒化部表面のビッ
カース硬さは窒化処理前のＨｖ　（０，１）３５０から
Ｈｖ　（０，１）１１００まで増加した。また、表面か
ら０．２１１の深さの位置でのビッカース硬さはＨＶ（
０，１）７００を示した。 上記２種類の金属部材２０の凹部２１に前記セラミック
ス部材１０の凸部１１を、３５０℃で圧入し第１図に示
す形状の金属・セラミッ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１３鶴までの区間
（第１図Ｃ区間）が変形し、金属部材の直径が約０．２
ｍｍ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
ミックス結合体については何ら異常が認められなかった
。金属部材Ｂを使用した金属・セラミックス結合体には
、金属部材の軸方向に沿って長さ約ＩＱｍｍ、深さ約０
．５鰭のクラン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ックが発生し、健全な金属
・セラミッ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・セラミックス結合体では、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ンク
が発生しない。 スｔｅ引１ 実施例１と同一材料、同一形状のセラミックス部材と金
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１３．５ｍｌ　（金属部材Ｃとする）　　
、１４．５酩（金属部材りとする）　、１５．５＋＋ｍ
（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った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ックス
部材の凸部を３５０°Ｃで圧入し、第１図に示す形状の
金属・セラミッ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１３鶴離れた位置までの
区間が変形し外径が増加した。上記各金属・セラミック
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、金属部材り、Ｅの外表面には
クラックが存在しなかった。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
沿って長さ約２菖嘗、深さ約ＱＪｍｍのクラックが検出
された。このように、圧入による金属部材の変形域と金
属部材の表面硬化成とが所定の距離以上離れている本発
明の金属・セラミックス結合体では、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ンクが発生しな
い。 ス】ｌ」１ 窒化珪素丸棒から、直径が７．９０ｍ、、長さが２５ｍ
＋＊の凸部１１を有する第１図に示す形状のセラミック
ス部材１０を作製した。また、焼入れ、焼もどしにより
、硬さを第１表Ｎ１１ｌ〜Ｎ１１５に示す値に調整した
窒化鋼丸棒から、直径９．３ｍｍ、長さ８０１１の棒状
試験片を作製した。この試験片の一端に内径７．７５１
１、深さ１５龍の凹部２１を加工し、第１図に示す形状
の金属部材２０を作製した。同様に、焼入れ後６８０℃
で焼もどしを行い、硬さをＨｖ３００に調整した窒化鋼
丸棒から直径９．３＋ｎ、長さ８（ｈｍの棒状試験片を
作製した。この試験片の一端から１５話離れた位置まで
の区間を軟鋼製カバーで覆い、残りの部１　　　　　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。これにより窒化部の表面硬さが）（ｖｌｌｏｏ、
非窒化部の表面硬さがＨｖ３００である金属部材が得ら
れた。非窒化部の硬さは窒化のための熱処理によっても
変化しない。 次に、該試験片の非硬化部（１１，ｊＪの端部に第１表
魚７〜ｍＩＯに示す内径で深さが１５關の凹部２１を加
工し、第１図に示す形状の金属部材２０を作製した。 これらの金属部材の凹部２１にセラミックス部材の凸部
１１を３５０’ｃで圧入し、第１図に示す形状の金属・
セラミックス結合体を作製した。この圧入により、金属
部材の凹部２１の入口から深さ１３龍までの区間が変形
した。 次に、金属部材２０の外径を９．１ｍｍに加工し、端部
に所定寸法のねじ２２を加工したのち、第２図に示すよ
うにねじ２２を一方の引板試験用のプルロッド３０ａに
螺合させるとともに、他方の引板試験用プルロッド３０
ｂに螺合させた引板試験用つかみ具３１によりセラミッ
クス部材１０を保持した後、第２図に図示の部分を加熱
炉に入れて３５０’Ｃに保持しながら、セラミックス部
材１０と金属部材２０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、ＮＩＩＬ１〜隘５は金属部
材の非硬化部の硬さが本発明の範囲内にある金属・セラ
ミックス結合体の引抜荷重測定結果であり、１１ｈ６〜
隘１０はセラミックス部材の凸部直径と金属部材の凹部
内径との寸法差が本発明の大きさである金属・セラミッ
クス結合体の引抜荷重測定結果である。１１１１１１０
１〜１ｔ１０２は、金属部材の非硬化部の硬さが本発明
の範囲外である金属・セラミックス結合体、Ｎ［ＬＬ０
３〜隘１０４は上記寸法差が本発明の範囲外である金属
・セラミックス結合体についての結果である。 笛　１　賽 Ｙ；シ何、Ｎ：臥祠 第１表から明らかなように、金属部材非硬化部の硬さお
よび金属部材の凹部とセラミックス部材の凸部の寸法差
が本発明の大きさである金属・セラミックス結合体は３
５０℃において大きな引抜荷重を示している。この引抜
荷重は引抜温度の低下にともなって増加するので、嵌合
部の温度が３５０°Ｃ以下の場合には第１表に示す以上
の引抜荷重を示すことになる。これに対し、金属部材の
非硬化部の硬さが、本発明の範囲以下の場合には引抜荷
重が小さく、本発明の範囲以上の場合には、圧入により
金属部材の凹部が破損する。同じように、金属部材の凹
部内径とセラミックス部材の凸部直径の寸法差が本発明
の範囲以下の場合には引抜荷重が小さく、本発明の範囲
以上の場合には、圧入により金属部材の凹部やセラミッ
クス部材の凸部の破損が生ずる。 叉施皿土 ！　　　　　　　直径６１龍のタービンホイール４１と
直径９．ｌ＋ｉ＋ｌのタービンシャフト４２を窒化珪素
で一体的に成形した全長６０ｍｍのセラミックス部材４
０を作製した。このセラミックス部材のタービンシャフ
ト先端に直径６１Ｉｍ、長さ１３１ｍの凸部４３を加工
した。また、熱処理により硬さをＨｖ３００に調整した
窒化鋼から全長７０朋、直径９．ｌ＋ｎの丸棒を作り、
該丸棒の一端から１３１１Ｉ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内径５．８龍、深さ１２１ｆｆ
ｉの凹部５２を加工し、金属部材５０を作製した。この
凹部５２に上記タービンシャフト先端の凸部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・７クス部材４０と金属部材５０を一体的に
結合したのち、セラミックスタービンシャフト４２とメ
タルタービンシャフト５１の直径を９．０ｉｎ、コンプ
レッサーホイール側回転軸５３を直径５１１に加工し、
第３図に示す形状の、タービンホイールとタービンシャ
フトの一部が窒化珪素、残りの部分が窒化鋼からなるタ
ーボチャージャーローターを作製した。このターボチャ
ージャ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１００時間回転試験を行
ったが嵌合部およびメタルタービンシャフトのベアリン
グ当接面５４は何ら異常は認められなかった。 （発明の効果） 以上述べたことから明らかなように、本発明の金属・セ
ラミッ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材の所定部分の
耐摩耗性がすぐれている。また、本発明の方法によれは
、金属部材の凹部壁厚を薄＜シても大きな結合強度が得
られるので、その分だけセラミックス部材の凸部直径を
大きくすることが可能となり、セラミックス部材の凸部
の強度が増加する。したがって、本発明の金属・セラミ
ックス結合体でタービンホイールおよびタービンシャフ
トの一部が窒化珪素、その他の部分が窒化鋼からなるタ
ーボチャージャ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ャージャーローターとする
ことができる。 このように本発明の金属・セラミックス結合体はセラミ
ックスの耐熱性、耐摩耗性、高強度などの特性を生かし
てターボチャージャ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
つ耐久性にすぐれたものとして提供することができる利
点を有する。 ４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の詳細な説明するための金属・セラミッ
クス結合体の部分断面図、 第２図は金属・セラミッ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・セラミックス結合体の具体的応
用例のターボチャージャ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・・・セラミックス部材 １１・・・セラミックス部材の凸部 ２０・・・金属部材　　　　　２１・・・金属部材の凹
部２２・・・ねじ ３０ａ　、　３０ｂ・・・引抜試験用プルロッド３１・
・・引抜試験用つかみ具 ４０・・・セラミックス部材 ４１・・・セラミックスタービンホイール４２・・・セ
ラミックスタービンシャフト４３・・・セラミックスタ
ービンシャフトの凸部５０・・・金属部材 ５１・・・メタルタービンシャフト ５２・・・メタルタービンシャフトの凹部５３・・・コ
ンプレッサーホイール側回転軸５４・・・ベアリング当
接部表面 豊 手　　　続　　　補　　　正　　　書 昭和６０年　８月３０日 特許庁長官　　宇　　賀　　道　　部　　殿１、事件の
表示 昭和５９年持重願第１６９２５４号 ２、発明の名称 キンヅク　　　　　　　　　　　　　　ケラボウダイ　
　　　　　　　　　セイゾウホウ金属・セラミックス結
合体およびその製造法３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ニラ　　ポン　　カイ　　シ 名称（４０６）日本碍子株式会社 ４、代理人 ■、明細書第８頁第１８行の「析出処理は」を「析出硬
化処理は」に訂正する。 ２、同第２１頁第４行のｒＮｏ、７〜Ｎ（ＬＩＯＪをｒ
　Ｎａ　６〜Ｐｒｏ。 １０」に訂正し、 同頁第１３．１４行の「引板試験用」を「引抜き試験用
」に訂正し、 同頁第１５行の「引板試験用つかみ具」を「引抜き試験
用つかみ具」に訂正し、 同頁第１９行の「引抜に要する」を「引抜きに要する」
に訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面に硬化帯と硬さがＨｖ２５０〜４５０である非
   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
   材に設けた凸部が嵌合により結合されるとともに、嵌合
   による金属部材の変形域が非硬化帯内にあることを特徴
   とする金属・セラミックス結合体。 ２、上記変形域が硬化帯境界より所定距離以上離れてい
   る特許請求の範囲第１項記載の金属・セラミックス結合
   体。 ３、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。 ４、金属部材がステンレス鋼、合金工具鋼、クロム・モ
   リブデン鋼およびアルミニウム・クロム・モリブデン鋼
   よりなる群から選ばれた一つの金属からなり、セラミッ
   クス部材が窒化珪素からなる特許請求の範囲第１項のい
   ずれかに記載の金属・セラミックス結合体。 ５、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４項のいず
   れかに記載の金属・セラミックス結合体。 ６、金属部材とセラミックス部材とを一体的に結合する
   方法において、金属部材の硬さを熱処理によりＨｖ２５
   ０〜４５０とするとともに、金属部材表面の一部に硬化
   処理をして硬化帯を設けたのち、該金属部材に凹部を設
   け、該凹部にセラミックス部材に設けた凸部を嵌合して
   一体的に結合することならびに嵌合による金属部材の変
   形域が非硬化帯内にあるように嵌合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。 ７、上記熱処理が焼入れおよび硬化処理温度以上の温度
   における焼もどしである特許請求の範囲第６項記載の金
   属・セラミックス結合体の製造法。 ８、前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６項および第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。 ９、焼入れ済の金属部材を炉内雰囲気が窒化雰囲気とな
   っている加熱炉中で窒化処理温度に加熱し、金属部材の
   表面硬化処理と焼もどし処理を同時に行う特許請求の範
   囲第６項および第８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。 １０、前記嵌合が金属部材の焼もどし温度以下または嵌
   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６項ないし第９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。 １１、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
   ６項ないし第１０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。