JPS6177679A - セラミツクス構造部材と金属接合部材との接合方法 - 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］ 本発明は内燃機関用排気ターボ過給−におけるセラミッ
クスからなるタービン翼車と金属軸との接合などに適用
されるセラミックス構造部材と金属接合部材との接合方
法に関するものである。

［従来の技術］ 高温の排気に晒されるタービン翼車にセラミックス材料
を用いることは、ターボ過給機の？！量化と性能向上に
役立つ。しかし、セラミックス材料は固くて脆いために
、回転軸部の負荷トルクに対する靭性が不足し、破損す
る恐れがある。

このため、例えば待−昭５７−９３６０６号公報に開示
されるように、セラミックスからなるタービン賞車のボ
ス部の外周面にくぼみを設ける一方、金属軸の端部に形
成した円筒部を前記ボス部に外嵌し、前記円筒部の外周
側から電子ビームまたはレーザな、どのエネルギ集中型
溶接により前記円筒部の内部を前記ボス部のくぼみに溶
着させたものが提案されている。この従来技術は加工が
″簡単ではあるが、金属軸がボス部のくぼみと局部的に
溶着されるだけであり、金属とセラミックスとの熱膨張
率の相違から弛みや熱応力による割れが生じる恐れがあ
るばかりでなく、加工に際しても外部から見ることので
きないボス部のくぼみとビームの発射する方向にずれが
あると完全な溶着が得られない恐れもある。

［発明が解決しようとする問題点］ したがって、金属構造部材とセラミックス構造部材の間
の嵌合部に熱膨張率の相違による弛みや破壊を回避する
ことができ、しかも、嵌合部の全周面において両者が均
一に密着されるような構造が要求される。そこで、ター
ビン両車の場合についていえば、耐熱性を要求されるタ
ービン翼車と、耐摩耗性と靭性が要求される回転軸とに
、それぞれの特性を備えたセラミックスと金属を用い、
セラミックスとほぼ同一の熱膨張率を有する金属接合部
材により両者を接合すれば、熱による嵌合部の弛みや破
壊を回避することができる。

ところが、セラミックス構造部材に金属構造部材を接合
する場合に、通電性の優れた金属接合部材を高周波加熱
コイルにより加熱し、かつ８４時に硬度の低下した（軟
化）金属接合部材を加圧変形させ、セラミックス構造部
材と金属構造部材に密着させることが必要である。この
ような接合方法によると、密着される金属接合部材はビ
ッカース硬さ１５０以下に軟化しているために、押圧力
によりセラミックス構造部材に倣って流動し、セラミッ
クス構造部材と金属接合部材がほぼ同体に近い状態で密
＠される。しかし、金属接合部材は高周波加熱コイルな
どによって部分的に効率よく加熱できるが、プレス用ダ
イスにより押圧される時、金属接合部材とダイスおよび
その受は部材との接触が強くなり、放熱量が増加し、金
属接合部材の温度が低下する。金属接合部材の温度が低
下するとその硬度が高くなり、押圧力による金属接合部
材の流動性が悪くなるため、圧着性が低下する。

本発明の目的は、このような問題を解消するために、加
熱された金属接合部材がプレス用ダイスにより熱を奪わ
れて温度低下をきたすのを防止し、所定の硬度以下に保
ちつつ、十分な時間をかけてセラミックス構造部材に圧
着し得るようにしたセラミックス構造部材と金属接合部
材との接合方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段Ｊ 上記目的を達成するために、本発明の構成はセラミック
スと同等の熱膨張率を有する金属接合部材の両端面を断
熱材により覆い、前記金属接合部材をセラミックス構造
部材に吹合し、前記金属接合部材を加熱し、この両端面
を押圧して前記金属接合部材を前記構造部材に密着させ
たものである。

［作用］ 加熱圧着される金属接合部材２の圧薯面以外の而に、例
えば熱伝導率の低いチタン酸カリウムなどの被膜を塗布
してなる断熱材を備えることにより、金属接合部材２か
らの放熱が抑えられる。したがって、金属接合部材が所
定の硬度以下に維持され、かつ十分時間をかけてダイス
により金属接合部材を軸方向に押付けてセラミックス構
造部材’Ｉ　ａと金属構造部材３ａに密着させることが
できる。

［発明の実施例］ 本発明を実施例に基づいて説明する。第１図はセラミッ
クス構造部材１の軸部１ａに対して金属構造部材３の円
筒部３ａを嵌合し、かつ金属接合部材２によって加熱圧
着する接合方法を示す側面断面図である。金属ｍ造部材
３の端壁８には穴７が設けられるとともに、この穴７よ
りも内径が大きい円筒部３ａが設けられる。穴７にセラ
ミックス構造部材１の軸部１ａＩｆｉ嵌合されるととも
に、金属構造部材３の端壁８がセラミックス構造部材１
の軸部１ａを支持する支持面９に重ね合わされる。

本発明によれば、円筒部３ａと軸部１ａとの間の隙間へ
環状の金属接合部材２が嵌合され、後述する方法によっ
て熱圧着される。この金属接合部材２はセラミックスと
同等の熱膨張率を有する、例えばコバールにッケル・コ
バルト合金）などが用いられる。そして、この金属接合
部材２の内周面が軸部１ａに、外周面が円筒部３ａにそ
れぞれ熱圧着されるのであるが、熱圧着されない部分す
なわち圧着面に対して垂直な金属接合部材２の上下両端
面に断熱材４が備えられる。実際には金属接合部材２の
両端面に熱伝導率の小さいチタン酸カリウムなどの被膜
を塗布することによって断熱材４が形成される。熱伝導
率の小さな材料としては、他にコージライト、ジルコニ
アなどがある。

その熱伝導率はチタン酸カリウムが０．０００１２５ｃ
ａｌ７ｃｒａ　−ｓｅｃ　−’Ｃ、コージライトが０．
００２ｃａｌ　、／ｃｍ−ｓｅｃ−℃、ジルコニアが０
．００９ｃａｌ　／ｃｍ　−ｓｅｃ・℃であり、鉄の０
．１２　ｃａｌ　、／ｃｍ　−ｓｅｃ　−’Ｃやステン
レスの０．０３９ｃａｌ　、／ｃａ＋　−ｓｅｃ　−’
Ｃに比べて非常に小さい。

軸部１ａの外周に高周波加熱コイル５を配置して、これ
により金属接合部材２を加熱し、その後に高周波加熱コ
イル５を外し、円筒形のダイス６を金属接合部材２の上
側へ当てて押圧すれば、加熱軟化された金属接合部材２
が軸部１ａの外周面と円筒部３ａの内周面とに密着され
る。

高周波加熱コイル５によれば、金属接合部材２およびこ
れに接する円筒部３ａが直接加熱され、セラミックスか
らなる軸部１ａは金属接合部材２からの熱伝導により加
熱される。したがって、熱損失が少なく、加熱を要する
金属接合部材２が効率的に加熱される。そして、金属接
合部材２の上下両端面に断熱材４を備えたから、この両
端面からダイス６および金属構造部材３の端壁８への熱
放出が抑えられ、金属接合部材２の温度低下を抑えるこ
とができる。高周波加熱フィル５には例えば周波数２０
０ｋＨ２ｆｊ！度の電流を通じれば、数秒で金属接合部
材２が８００℃近くまで加熱される。

金属接合部材２は６００℃を超えると軟化し、１００℃
以上ではその硬度が）ｌｖ６０以下になる。したがって
、この金属接合部材２の熱軟化状態でダイス６により押
圧すれば、金属接合部材２が押し潰されて、軸１ａの外
周面一と円筒部３ａの内周面に密着される。

従来の金属接合部材２の両端面に断熱材４を備えない場
合には、第２図に１ｓ４０で示すように、加熱後ａ−５
秒で約８００℃に達するが、高周波加熱コイル５を外し
、ダイス６を金属接合部材２へ押し付けるまで（時間ｂ
−ｓ秒）に約７００℃まで金属接合部材２の温度が低下
し、金属接合部材２を熱軟化状態で軸部１ａと円筒ｍ３
ａへ押し付は得る時間はｃ−２秒に過ぎず、すぐに６０
０℃以下になってしまい、金属接合部材２を十分に流動
化させることが困難であった。

しかし、本発明のように、金属接合部材２の両端面に断
熱材４を備えたことにより、金属接合部材２からダイス
６および端壁８への熱放出を抑えることができるので、
第２図に線４１で示すように、従来に比べて数倍の時間
（Ｃ１−６秒）金属接合部材２を６００℃以上に保つこ
とができ、これによって金属接合部材２を流動化させ、
軸部１ａと円筒部３ａに完全に密着させることができる
。

第１図は本発明のセラミックスｗＩＩ造部材と金属接合
部材との接合方法を説明する原理図であるが、例えばタ
ービン翼車の場合には、セラミックスからなるタービン
翼車の端部に軸部１ａを一体に形成する一方、金属軸と
して中空軸を用い、この端部に円筒部３ａを形成し、軸
部１ａと円筒部３ａを金属接合部材２によって熱圧着さ
せればよく、高温に耐えるセラミックスタービン翼車の
回転力を金属軸を経てブロアへ伝達することができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、上述のように、セラミックス構造部材
１と金属構造部材３との間に介装される金属接合部材２
の熱圧着面から離れた面、詳しくは熱圧着面と垂直な面
にセラミックスなどの断熱材からなる押圧面を備えると
いう簡単な構成でありながら、金属接合部材からの熱放
散を大幅に抑えることができ、ダイスによる熱圧着に必
要な温度を長時間維持することができ、熱圧着効果を大
幅に向上することができる。

しかも金属接合部材２が加熱軟化され、かつ押圧されて
円筒部３ａの内周面と軸部１ａの外周面とに均一に密着
され、接合面積が広いので、高い接合強度が得られ、熱
に対して安定であり、接合部に弛みが生じたり、あるい
は破壊する恐れがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一般的なセラミックス構造部材に
適用されるセラミックス構造部材と金属接合部材との接
合方法を説明する正面断面図、第２図は本発明によるセ
ラミックス構造部材と金属接合部材との接合方法と、断
熱材のない金属接合部材を使用したセラミックス構造部
材と金属接合部材との接合方法との効果を比較して表す
線図である。 １：セラミックス構造部材　２：金属接合部材３：金属
構造部材　４：断熱材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックスと同等の熱膨張率を有する金属接合部材の
   両端面を断熱材により覆い、前記金属接合部材をセラミ
   ックス構造部材に嵌合し、前記金属接合部材を加熱し、
   この両端面を押圧して前記金属接合部材を前記構造部材
   に密着させることを特徴とするセラミックス構造部材と
   金属接合部材との接合方法。