JPS63103873A - セラミツクスと金属との接合構造 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） この発明は、セラミックスと金属とを強固にそして高い
信頼性のもとで接合するのに利用されるセラミックスと
金属との接合構造に関するものである。

（従来の技術） 従来のセラミックスと金属との接合構造としては、例え
ば第５図に示すようなものがあった。

すなわち、第５図に示す接合構造は、セラミックスがわ
の軸部５１の端部に、先端に平坦面５１ａを有する嵌合
用軸部５１ｂを形成しておくと共に、金属がわの軸部５
２の端部に、底面５２ａが平坦な閉塞孔５２ｂを有しか
つ該閉塞孔５２ｂの底部に余剰のろう材５３を外部に流
し出すための貫通孔５２ｃを一つ以上（図示例では６個
）有したスリーブ５２ｄを形成しておき、前記セラミッ
クスがわの軸部５１に形成した嵌合用軸部５１ｂと前記
金属がわの軸部５２に形成したスリーブ５２とを嵌合し
、前記嵌合用軸部５１ｂのほぼ全面に形成された活性金
属法による反応層５４およびろう付法により形成された
ろう材５３を介して接合させた構造をなすものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来のセラミックと金属との
接合構造にあっては、セラミックスがわの軸部５１に形
成した嵌合用軸部５１ｂと金属がわの軸部５２に形成し
たスリーブ５２ｄとは、ろう材５３（および反応Ｍ５４
）を介して接合されている構造をなすものであるが、前
記嵌合用軸部５１ｂの外周面とスリーブ５２ｄの内周面
との間のクリアランス（例えば、第５図のｄｔ、ｄ２）
を一定に制御することができない構成となっていたため
、セラミックスがわの軸部５１に形成した嵌合用軸部５
１ｂの外周面と金属がわの軸部５２に形成したスリーブ
５２ｄの内周面とがろう付工程において直接接触するこ
とがあり、このように直接接触したときには、前記セラ
ミックスがわの嵌合用軸部５１ｂは、金属がわのスリー
ブ５２ｄの内周面から局所的な焼ばめ圧力を受けるよう
になり、このため、セラミックスがわの嵌合用軸部５１
ｂの外周部に残留応力が発生し、当該嵌合用軸部５１ｂ
の強度、すなわち、接合部分の強度を所望の大きさにす
ることができなかったり、通常使用条件以上の極めて過
酷な使用条件下では破損したりすることがありうるとい
う問題点があった。

（発明の目的） この発明は、このような従来の問題点に刃口してなされ
たもので、セラミックスがわの軸部と金属がわのスリー
ブを嵌合し、前記軸部とスリーブとの間にろう材を介在
させて接合する構造において、前記軸部の外周面とスリ
ーブの内周面とがろう付工程の際に直接接触するのを防
止し、セラミックスがわの軸部が金属がわのスリーブか
ら局所的な焼ばめ圧力を受けないようにして、セラミッ
クスがわの軸部に多大な残留応力が発生するのを阻止す
ることにより、ろう付後の接合部における強度を増大さ
せかつ接合の信頼性をより高いものにすることを目的と
している。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明は、セラミックスがわの軸部と金属がわのスリ
ーブとを嵌合し、前記軸部とスリーブとの間にろう材を
介在させて接合してなるセラミックスと金属との接合構
造において、前記セラミックスがわの軸部の外周面と前
記金属がわのスリーブの内周面との間に、当該軸部の外
周面とスリーブの内周面との間のクリアランスを保持す
るスペース部材を配設した構造をなすことを特徴として
いるものである。

この発明によるセラミックスと金属との接合構造が適用
されるセラミックスの形状は、その全体が輪状をなすも
のに限定されないことは当然であり、セラミックスより
なる部材の一部に軸部を有するものであっても構わない
、そして、セラミックスの材質においても特に限定され
ず、窒化物系、炭化物系、酸化物系、複合系等々のもの
や、強化用繊維を複合化させたものなどにも適用するこ
とが可能である。

また、金属においてもその全体が軸状をなすものに限定
されないことは当然であり、金属よりなる部材の一部に
前記セラミックスがわの軸部と嵌合するスリーブを有す
るものであっても構わない、そして、金属の材質におい
ても特に限定されないものであり、例えば炭素鋼９合金
鋼、ステンレス鋼等の鋼材やその他の金属および強化繊
維を含んだ金属にも適用することが可能である。

この発明によるセラミックスと金属との接合構造におい
ては、嵌合状態にある前記セラミックスがわの軸部の外
周面と前記金属がわのスリーブの内周面との間に、当該
軸部の外周面とスリーブの内周面との間のクリアランス
を保持するスペース部材を配設するようにしているが、
このスペース部材としては例えばリングを用いることが
可能である。この場合、リングが１本に限定されないこ
とはいうまでもないところであり、また、スペーサとし
て機能するところが全周に連続せず、例えば１円周上の
複数個所に点在していてその間にろう材が入るような構
造のものであってもよい、また、このスペース部材の素
材としては、銅あるいは銅合金などの低弾性材料を用い
、セラミックスがわに対して大きな圧力を加えることが
ないようにすることが望ましい、また、セラミックスに
近い熱膨張係数の材料（Ｍｏ、Ｗ、二バール、インバー
など）もしくはセラミックスのリングを用いて、金属ス
リーブからの締め付は力がセラミックス側に伝わりにく
くすることも望ましく、その他、セラミックスおよび金
属の材質、使用温度、ろう材およびろう付条件等を考慮
して選択することが望ましい。

また、ろう材としては、例えば、ニッケルろう、銀ろう
、パラジウムろう、金ろう等が用いられるが、特に限定
されない。

さらに、この発明の実施態様においては、セラミックス
がわの軸部の先端面と、金属がわの一端閉塞スリーブの
底面との接合部分でのみ、化学的な結合を伴なっている
ようにすることがより望ましく、このために、活性金属
（Ｔｉ、Ｚｒ等）をセラミックスがわの軸部の先端面部
にのみ用いることも望ましい、そして、軸部の外周面と
スリーブの内周面とにおいて、化学的な結合を生じてい
ないことが望まれる場合には、当該軸部の外周面にあら
かじめ不活性化処理を施しておくことも望ましい、そし
て、活性金属による化学的な接合を得る場合には、セラ
ミックスとしては、前記活性金属を用いたときに反応生
成物の形成が可能であ゛る窒化物系（Ｓｉ３Ｎ、等）、
炭化物系（ＳｉＣ等）および酸化物系（Ａ４２０３　、
Ｚ　ｒ０２等）を用いる。

また、前記軸部の先端面と一端閉塞スリーブの底面との
間に、低弾性材料もしくは低熱膨張材料を少なくとも一
層以上介在させるようにすることが望ましい、この場合
、低弾性材料としては、例えば、ＡＪＩ、Ｃｕ、Ｎｉ等
の単体もしくは合金が使用され、低熱膨張材料としては
、例えばＭＯ。

Ｗ、コバール、インバー等が使用される。

（実施例１） 第１図はこの発明の第１実施例によるセラミラ・クスと
金属との接合構造を示すものである。

第１図に示す接合構造は、セラミックスがわの軸部１の
端部に、先端に平坦な端面１ａを有する細径の嵌合用軸
部１ｂをそなえたものを用いると共に、金属がわり軸部
２の端部に、底面２ａが平坦である閉塞孔２ｂを有しか
つ該閉塞孔２ｂの底部に余剰のろう材３を外部に流し出
すための貫通孔２Ｃを等間隔で６個有したスリーブ２ｄ
をそなえたものを用いているものである。

そして、前記セラミックスがわの軸部１に形成した細径
の嵌合用軸部１ｂと前記金属がわの軸部２に形成したス
リーブ２ｄとを当該嵌合用軸部１ｂの外周面とスリーブ
２ｄの内周面との間にスペース部材４を配設した状態で
嵌合し、セラミックスがわのとくに端面１ａで形成され
た活性金属法による反応層５．８よびろう打法により嵌
合部分のほぼ全体に形成されたろう材３を介して接合さ
せた構造をなすものである。

この場合、上記スペース部材４は、ろう付工程において
セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面と金属がわ
のスリーブ２ｄの内周面とが直接接触して当該嵌合用軸
部１ｂが局所的な焼ばめ圧力を受けるのを阻止する役割
を有するものである。また、活性金属法による反応層５
は、セラミックスがわの軸部１の端面と金属がわのスリ
ーブ２ｄの底面２ａとの間でろう材３を介して化学的な
結合を生じさせるはたらきを有するものである。さらに
、スリーブ２ｄの底部に設けた貫通孔２ｃは、ろう材３
が閉塞孔２ｂの開口部分より流出せず、スペース部材４
のところでちょうど停止すると共に、余剰のろう材３が
流出しうるようにする役割をもつものである。

次に、第１図に示したセラミックスと金属との接合構造
を得る具体的手順について第２図を含めて説明する。

まず、セラミックスとしては常圧焼結窒化珪素質焼結体
（Ｓｉ３Ｎ４）を用い、軸部１の外径が１７　、０　ｍ
　ｍ　、細径の嵌合用軸部１ｂの外径が１２．０ｍｍ、
嵌合長さが７．１５ｍｍであるものを用いた。

また、金属としてはニッケル・クロム・モリブデン鋼（
ＳＮ０Ｍ４３９）を用い、軸部２の外径が１７．０ｍｍ
、スリーブ２ｄの内径が１２．４ｍｍ（すなわち、嵌合
用軸部１ｂの外周面との間で２００〜３００　ｐｍのク
リアランスが得られる内径）、閉塞孔２ｂの深さが７．
２ｍｍ、貫通孔２Ｃの直径（６個とも）が１．０ｍｍで
あるものを用いた。

次に、金属がわのスリーブ２ｄの底部にろう材（ＢＡｇ
−８，７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ）３を入れ（ただし、第
２図は反転後の状態を示す、）、その上部に活性金属と
してＴｉ箔５′を置いた状態とした。

また、セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面（す
なわち、端面１ａを除く面）にはあらかじめ不活性化処
理を施しておくとともに、当該外周部分に厚さ０．２ｍ
ｍの銅製リングからなるスペース部材４を挿入する。

次いで、前記セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂと金属
がわのスリーブ２ｄとを嵌合し、セラミックスがわが下
方となるように第２図に示す状態でろう付治具にセット
する。続いて、真空もしくは脱酸素雰囲気中で荷重を加
えながらろう付熱処理を行う、このろう付熱処理におい
て、温度が上昇し、ろう材３の融点を超える温度に達す
ると、Ｔｉ箔５’　と接するセラミックスがわの端面１
ａでは、上肥ろう材３が溶融すると共にＴｉが窒化珪素
と反応して第１図に示した反応層５が形成され、窒化珪
素よりなる軸部１とろう材３と金属よりなる軸部２とが
互いに化学的に結合される。

一方、セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面と金
属がわのスリーブ２ｄの内周面とにおいては、窒化珪素
の方が金属よりも小さな熱膨張係数を有するため、ろう
付セット時、つまり常温におけるクリアランスに比べ、
ろう材溶融時におけるクリアランスの方がさらに広がる
ので、溶融したろう材３が前記拡大したクリアランスに
充填された状態となる。このとき、金属とろう材とは化
学的に結合されるが、ろう材とセラミックスとは、Ｔｉ
が存在しないため、あるいは万−Ｔｉが存在したとして
もセラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面を不活性
化処理しているため、直接反応せず、化学的に結合しな
い、また、セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面
と金属がわのスリーブ２ａの内周面との間に低弾性金属
である銅製のリングからなるスペース部材４を挿入させ
ているため、冷却によりスリーブ２ｄの径が元に戻った
ときでも、前記嵌合用軸部１ｂとスリーブ２ｄとは一定
のクリアランスを保ったままとなり、直接接触すること
はない、さらに、セラミックス嵌合用軸部１ｂの外周面
とスリーブ２ｄの内周面との間に充填された過剰のろう
材３によって、怪力法の締付は力が常温状態で維持され
る。

次に、このようにして得られたセラミックスと金属との
接合体の継手部分における強度を調べるために、金属が
わの軸部２をチャックにより固定すると共に、セラミッ
クスがわの軸部１に対して３０Ｋｇｆの曲げ荷重を加え
る保証試験を行なったところ、保証試験のクリア率は第
１表に示すように８／１０であった。

（実施例２） 第３図はこの発明の第２実施例によるセラミックスと金
属との接合構造を示すものである。

第３図に示す接合構造は、セラミックスがわの軸部１の
端部に、先端に平坦な端面１ａを有する細径の嵌合用軸
部１ｂをそなえたものを用いると共に、金属がわの軸部
２の端部に、底面２ａが平坦である閉塞孔２ｂを有しか
つ該閉塞孔２ｂの底部に余剰のろう材３を外部に流し出
すための貫通孔２Ｃを等間隔で形成したスリーブ２ｄを
そなえたものを用いているものである。

そして、前記セラミックスがわの軸部１に形成した細径
の嵌合用軸部１ｂと前記金属がわの軸部２に形成したス
リーブ２ｄとを当該嵌合用軸部１ｂの外周面とスリーブ
２ｄの内周面との間にスペース部材４を配設した状態で
嵌合し、セラミックスがわのとくに端面１ａで形成され
た活性金属法による反応層５．低弾性率の材料からなる
板材６、セラミックスと金属の熱膨張係数の中間の値を
もつ低熱膨張係数の材料からなる板材７およびろう打法
により嵌合部分のほぼ全体に形成されたろう材３を介し
て接合させた構造をなすものである。

この場合、上記スペース部材４は、ろう付工程において
セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面と金属がわ
のスリーブ２ｄの内周面とが直接接触して当該嵌合用軸
部１ｂが局所的な焼ばめ圧力を受けるのを阻止する役割
を有するものである。また、活性金属法による反応層５
は、セラミックスがわの軸部１の端面と金属がわのスリ
ーブ２ｄの底面２ａとの間でろう材３を介して化学的な
結合を生じさせるはたらきを有するものである。さらに
、前記中間材としての低りｉ性率の材料からなる板材６
および低熱膨張係数の材料からなる板材７は、セラミッ
クスと金属との熱膨張差によって発生する熱応力を緩和
させるはたらきを有するものであり、前記板材６．７の
いずれか一方だけ、もしくは両方を組み合わせた多層の
状態として介在させることができる。この場合、低弾性
率の材料からなる板材６としては、例えば、Ａ文、Ｃｕ
、Ｎｔおよびそれらの合金等が用いられ、低熱膨張係数
の材料からなる板材７としてはＭｏ、Ｗ、、コバール、
インバー等が用いられる。

次に、第３図に示したセラミックスと金属との接合構造
を得る具体的手順について説明すれば、例えば、実施例
１と同じ材質９寸法の軸部１，２を各々有するセラミッ
クスおよび金属を使用し、金属がわのスリーブ２ｄの底
部に、ろう材（ＢＡｇ−８）３を置いたのち、低熱膨張
係数の材料からなる板材７および低弾性率の材料からな
る板材６のうちの少なくともいずれか一方を単相でもし
くは両方を必要に応じて多層で置き、次いでその上部に
活性金属としてＴｉ箔５を置いた状態とする。他方、セ
ラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面に不活性化処
理を施しておくとともに厚さ０．２ｍｍの銅製リングか
らなるスペース部材４を挿入した状態とし、次いで前記
嵌合用軸部１ｂとスリーブ２ｄとを嵌合してセラミック
スがわが下方となるようにろう付治具にセットして非酸
化性雰囲気中でろう付熱処理を行なう、このろう付熱処
理後においては、セラミックス１と、中間材６，７と、
金属２とは反応層５およびろう材３を介して化学的に結
合している。また、嵌合用軸部１ｂの外周面とスリーブ
２ｄの内周面とは実施例１と同様に化学的に結合してい
ない、さらに、スペース部材４を用いているため、実施
例１のときと同様の効果が得られる。

このようにして得られたセラミックスと金属との接合体
の継手部分の強度を実施例１の場合と同様にして調べた
ところ、保証試験のクリア率は第１表に示すように１３
／１５であり、中間材６．７を用いることによって信頼
性がさらに向上した継手を得ることができた。

そして、上記実施例１，２においては、嵌合用軸部１ｂ
の外周面とスリーブ２ｄの内周面とは化学的に結合して
おらず、端面１ａおよび氏面２ａの部分でのみ化学的な
結合を生じさせるようにしているため、従来の第５図に
示したごとく嵌合用軸部５１ｂの外周面とスリーブ５２
ｄの内周面とを化学的に結合させている場合のように嵌
合用軸部５１ｂに引張の残留応力を発生させるという不
具合を防止でき、破壊強度の高い嵌合用軸部１ｂとする
ことが可能となる。

（比較例） 比較のために、第５図に示した従来のセラミックスと金
属との接合構造において、セラミックスおよび金属の材
質９寸法は実施例１と同じにし。

銅製リングからなるスペース部材４を用いずにそれ以外
は実施例１と同様の手順でセラミックスと金属との接合
体を製作した。

次いで、このようにして得られた接合体の岩手部分の強
度を実施例１の場合と同様にして調べたところ、保証試
験のクリア率は５Ｓ１表に示すように１３７２７であっ
た。

（適用例） 第４図はこの発明によるセラミックスと金属との接合構
造を適用した例を示すものであり、図に示す符号１０は
窒化珪素質焼結体製のタービン、２０は構造用合金鋼か
らなる軸体である。この接合構造は第１図に示したもの
と同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。

なお、この場合にも、第３図に示したと同じように、低
弾性率の材料からなる板材６および／または低熱膨張係
数よりなる板材７を単層ないしは多層とした中間材を設
けても良いことはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明によれば、セラミッ
クスがわの軸部と金属がわのスリーブとを嵌合し、前記
軸部とスリーブとの間にろう材を介在させて接合してな
るセラミックスと金属との接合構造において、前記セラ
ミックスがわの軸部の外周面と前記金属がわのスリーブ
の内周面との間に、当該軸部の外周面とスリーブの内周
面との間のクリアランスを保持するスペース部材を配設
した接続構造としたから、前記セラミックスがわの軸部
の外周面と前記金属がわのスリーブの内周面とがろう付
工程の際に直接接触するのを防止することが可能であり
、それゆえ前記軸部がスリーブから局所的な焼ばめ圧力
を受けることがないようにすることができることから、
セラミックがわの軸部に残留応力が発生するのを阻止す
ることができ、接合強度が非常に大きく、シかも過酷な
条件下でも信頼性の高いセラミックスと金属との接合継
手を得ることができるという非常にすぐれた効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）はこの発明の第１実施例によるセラ
ミックスと金属との接合構造を示す各々断面説明図およ
び右側面説明図、第２図は第１図の接合構造を得る途中
の状態を示す断面説明図、第３図はこの発明の第２実施
例によるセラミックスと金属との接合構造を示す断面説
明図、第４図はこの発明による接合構造の適用例を示す
断面説明図、第５図（ａ）（ｂ）は従来のセラミックス
と金属との接合構造を示す各々断面説明図および右側面
説明図である。 １・・・セラミックスがわの軸部、１ａ・・・端面、１
ｂ・・・嵌合用軸部、２・・・金属がわの軸部、２ａ・
・・底面、２ｂ・・・閉塞孔、２Ｃ・・・貫通孔、２ｄ
・・・スリーブ、３・・・ろう材、４・・・スペース部
材、５・・・反応層、６・・・低弾性率の材料からなる
板材（中間材）、７・・・低熱膨張係数の材料からなる
板材（中間材）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスがわの軸部と金属がわのスリーブと
   を嵌合し、前記軸部とスリーブとの間にろう材を介在さ
   せて接合してなるセラミックスと金属との接合構造にお
   いて、前記セラミックスがわの軸部の外周面と前記金属
   がわのスリーブの内周面との間に、当該軸部の外周面と
   スリーブの内周面との間のクリアランスを保持するスペ
   ース部材を配設したことを特徴とするセラミックスと金
   属との接合構造。