JPS63176377A - セラミツクス軸と金属スリ−ブのろうづけ方法 - 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］ 本発明はセラミックス軸と金属スリーブとのろうづけ方
法に関する。

［従来の技術］ ターボチャージャロータやガスタービンロータをセラミ
ックス製とし、これを金属軸と接合するにあたり、金属
軸にスリーブを形成し、このスリーブ内にセラミックス
軸を嵌合して接合する技術について各種の提案がなされ
ている。

その代表的なものの一つは、金属スリーブにセラミック
ス軸を焼きばめするものである。この方法では、所定の
焼きばめしろを確保するために金属スリーブおよびセラ
ミックス軸を寸法精度高く製作しなければならない難点
と、得られる接合軸を高温下で使用しようとすると、充
分な接合強度が得られない難点を有する。

もう一方はろうづけによるものである。この方法は金属
スリーブ内周と適宜な表面処理を施されたセラミックス
軸外周との間にろう材を介在させてろうづけするもので
ある。一般にセラミックスは金属に比べて熱膨張係数が
小さい。

したがってろうづけ法にあっては、熱膨張係数が小さい
金属でスリーブを製作して、ろうづけ部分に過大な熱応
力がかかるのを防止していた。このため、金属スリーブ
はコバール（Ｎｉ２９％、００１７％、Ｆｅ残部からな
る合金、２０〜６００℃における平均熱膨張係数Ｅ１．
７Ｘ１０−６／”０１６００°Ｃにおける降伏強度１０
ｋｇ／ｗｍ２）で製作されていた。

しかしながら、コバール製スリーブを用いると、セラミ
ックス軸にはそれなりの曲げ強度が確保されるが、この
接合体を高温下で使用しようとすると、コバールは高温
強度が不足する。

そのため、例えば高温下で接合体をその軸のまわりに高
速回転させると、セラミックス軸が抜けてしまう問題が
あった。

そこで高温での接合部せん断強度を向−１ニさせ、高温
高速回転時のスリーブ変形によるセラミックス軸の抜け
を防止するために、スリーブをインコロイ８０３などの
高温強度の大きい低膨張耐熱合金製とすることが考えら
れる。

ところがこのような低膨張耐熱合金はコバールに比べれ
ば熱膨張係数がまだ大きい。したがってこうした低膨張
耐熱合金製のスリーブを用いてろうづけすると、ろうづ
け後にセラミックス軸内に残留応力が蓄積し、セラミッ
クス軸の曲げ強度が著しく低下し、接合体は回転時に破
損しやすくなる。また、セラミックス軸の曲げ強度の低
下を防止しようとしてろうづけ温度を低くすると、コバ
ール製スリーブを用いた場合と同様に、高速回転中にセ
ラミックス軸が金属スリーブから抜けてしまう、このよ
うに従来技術にあっては、セラミックス軸の高い曲げ強
度の確保と、高温下高速回転時の抜は防止とを両立させ
ることができなかった。

このような問題を解消するために、本発明者らはさきに
特願昭８１−４８５８４において、セラミックス軸の外
周にＴｉ金属粉末が分散されたＮｉ無電解メッキ層を形
成し、ついでこの無電解メッキ層を加熱処理した後、例
えばＨさ１０μｍの旧保護層をその上に形成し、かかる
セラミックス軸を低膨張耐熱合金製スリーブに嵌合ろう
づけする方法を提案した。

この方法はそれなりに所期の目的を達成しうるものであ
るが、大型ターボチャージャ用などのようにスリーブ肉
厚の厚い場合などには必ずしも十全なものではなかった
。

すなわち、大型ターボチャージャの場合には軸受の径が
大径化するため、スリーブも大径化せねばならず、スリ
ーブ自体の高速回転時における強度維持のため、スリー
ブ肉厚はたとえば３．０ｍ１以上とされることが多く、
その場合は、ろうづけ接合後にセラミックス軸に過大な
残留応力が加わり、曲げ強度が低下するなどの改善すべ
き点を有するものであった。

［発明の解決しようとする問題点］ 本発明は、従来技術の前述の問題点を解消しようとする
ものである。すなわち１本発明は、セラミックス軸と低
膨張耐熱合金製スリーブとをろうづけ接合するにあたり
、スリーブ肉厚が薄くない場合でも、得られる接合体の
セラミックス軸の曲げ強度を充分高いものとして確保す
るとともに、この接合体の高速回転中における抜は防１
Ｆをも達成できるろうづけ方法を提供しようとするもの
である。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、セラミックス軸を低膨張耐熱合金製スリーブ
に嵌合し、該セラミックス軸の外周と該スリーブの内周
とをろうづけするセラミックス軸と金属スリーブのろう
づけ方法において、活性金属粉末が分散されたＣｒ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、旧、ＣｕおよびＡｇから選ばれる一種または
二種以上の金属の無電解メッキ層が前記外周に形成され
、ついで前記無電解メッキ層が加熱処理され、さらにこ
の加熱処理された前記無電解メッキ層の上にＣｒ、Ｆｅ
、Ｇｏ、Ｎｉ　、Ｃ’ｕおよびＡｇから選ばれる一種ま
たは二種以上の金属からなる厚さ２０μ■超の保護層が
形成されてなる前記セラミックス軸を用いることを特徴
とする。

本発明によればセラミックス軸の外周には、活性金属粉
末が分散されたＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡ
ｇから選ばれる一種または二種以上の金属の無電解メッ
キ層が形成され、ついでこの無電解メッキ層が加熱処理
されている。したがってセラミックスとのぬれ性が良い
活性金属が加熱処理によりセラミックスと反応して、結
果としてセラミックスと強固に結合された表面処理層が
セラミックス軸の外周に形成されることになる。このた
め、コバールよりは熱膨張係数の大きいインコロイ９０
３などの低膨張耐熱合金製のスリーブと、こうした表面
処理層を備えるセラミックス軸とをろうづけ接合しても
、軸とスリーブとの熱膨張差に起因する残留応力によっ
て表面処理層がセラミックス軸から滑ったり剥離したり
することがなく、結果としてセラミックス軸の高い曲げ
強度と、高速回転中における抜は防止とを両立させられ
る。かくして高温下で高速回転して使用されるターボチ
ャ・−ジャロータやガスタービンロータ用に真に好適な
セラミックス軸と金属スリーブとのろうづけ接合体が得
られる。

活性金属はセラミックスに対するぬれ性が良く、かつ、
セラミックスと反応して強固な結合層を生成する。この
ような活性金属としてはＴｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆ、ランタ
ノイド金属、アクチノイド金属が採用できるが、微粉末
が安価に調製できること、取扱い中に粉末表面が過度に
酸化されないこと、無電解メッキ浴中で均一に分散せし
めやすいことなどからＴｉまたはＺｒ、特にはＴｉの採
用が好ましい。

ところでこのような活性金属は単独ではその水溶液から
の電解メッキまたは無電解メッキによってセラミックス
軸表面にメッキ層を析出させることができない０本発明
ではＣｒ、Ｆｅ、ｃｏ、旧。

ＣｕおよびＡｇから選ばれる一種または二種以上の金属
の無電解メッキ浴中にこの活性金属粉末を分散させてお
くことにより、セラミックス軸に所望の無電解メッキ層
を形成している。

Ｃｒ、Ｆｅ、Ｇｏ、旧、ＧｕおよびＡｇから選ばれる一
種または二種以上の金属のうちでは旧舎屈が特に好まし
い、これは他のＣｕ、　Ａｇなどに比べてセラミックス
表面に対するつきまわりが良く、厚付けも容易であり、
無電解メッキ層形成後にブリスターを生じにくいからで
ある。

無電解メッキ層中に占める活性金属の容積割合は２０〜
８０％が好ましい、これより少ないと加熱処理後のセラ
ミックス表面との密着性が不十分となりがちであり、こ
れより多いとろうづけ後の曲げ強度が低下しがちである
。

このような無電解メッキ層の厚さは２０μ履以下が望ま
しい、２０μｍより厚いと、次の加熱処理の工程におい
て、この無電解メッキ層がセラミックス表面から剥離し
やすくなる傾向にある。またＴｉなどの活性金属の粉末
の平均粒径はこの無電解メッキ層厚より小さいことが望
ましい。

加熱処理は活性金属が無電解メッキ層内を容易に拡散し
てセラミックスと反応させるように行なう、したがって
このメッキ層内の活性金属がこのメッキ層とセラミック
スとの界面に拡散してセラミックスと強固な結合をつく
るまで加熱することが望ましい、Ｔｉを採用する場合に
ついて言えば、Ｔｉの拡散速度を考慮して８００℃でｌ
Ｏ分間程度、あるいは１０５０℃で１分間程度加熱する
ことが望ましい、加熱処理中の雰囲気は不活性雰囲気が
よく、好ましくは５Ｘ１叶’Ｔｏｒｒよりも高真空の真
空雰囲気とされる。加熱処理中の雰囲気に酸素が多いと
、活性金属の酸化が激しくなり、良好な表面処理層を得
にくい。

本発明では、このようにして得た表面処理層のＬに、Ｃ
ｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇから選ばれる一
種または二種以上の金属からなる厚さ２０μｍ超の保護
層を形成し、ついでこれをろうづけに供する。この保護
層はさきに加熱処理により形成された表面処理層の酸化
を防止する。この保護層は蒸着、圧着、溶射、メッキ、
パック処理などの手段によって形成できるが、メッキ、
特には電解メッキによって形成するのが好ましい。

メッキ法、特には電解メッキ法によれば、円柱状のセラ
ミックス軸の表面のうち、表面処理層の形成されている
部位に選択的に、かつ、均一な厚さで保護層が形成でき
、その上、保護層の厚さの制御も容易である。

保護層の厚さは、ろう材のぬれ易さだけを考慮すればｌ
＃Ｌ１１以上あればよいが、スリーブ肉厚が厚い場合、
特にほこの肉厚が３．Ｏｎ＋ｍ以上のろうづけ接合体に
おける残留応力緩和効果を発揮するためには、２０μｍ
超であることが必要である。保護層の厚さがこれより薄
いと、保護層が熱膨張差による残留応力を吸収しきれず
、曲げ強度の低下を招く、なお保護層の厚さを２００μ
■以上としても曲げ強度のそれ以上の向上はみられず、
コストの増大を勘案すれば２００μｍ以下とするのが得
策である。ターボチャージャロータの高速回転試験にほ
ぼ全数が合格するような曲げ強度を保ち、ないしはコス
トも最小限に抑えることのできる好適な保護層の厚さは
５０〜８０μｌである。

この保護層はさきに形成した無電解メッキ層と比べて活
性金属粉末を含まない点を除いては同じ金属からなるも
のであるのが望ましい、こうすると無電解メッキ層と保
護層との密着性、なじみやすさが向上する。

セラミックス軸を形成する材質としては、得られる接合
体に要求される高温強度、破壊靭性値、ワイブル係数、
ないしは成形や焼結の容易さなどを考慮して、酸化物系
あるいは非酸化物系のセラミックス高密度焼結体が採用
しうる。

なかでも炭化珪素、窒化珪素、およびサイアロンから選
ばれるセラミックス、特には窒化珪素質高密度セラミッ
クスが、上記の諸性質を充分に満足し、かつ、所望の表
面処理層を容易に形成できるので望ましい。

スリーブを形成する低膨張耐熱合金としては、熱膨張係
数（２０〜６００℃における平均値、以下同じ）が１３
Ｘ　１０−６／’０以下であり、かつ、降伏強度（６０
０℃における値、以下同じ）が８０ｋｇ／＋ｍ２以上の
ものが採用される。熱膨張係数が上記より大きいとろう
づけ後のセラミックス軸の曲げ強度が低下し、好ましく
はＩＩＸ　１０−６／”０以下とされる。降伏強度が上
記より小さいと高温高速回転時（例えばスリーブが５０
０℃）にスリーブの変形が生じてセラミックス軸が抜け
てしまい、好ましくは７０ｋｇ／薦■２以上とされる。

このような低膨張耐熱合金としては、さきに挙げたイン
コロイ９０３（代表的には旧３８％、Ｃａ１５％、Ｎｂ
　３．０％、Ｔｉ　１．４％、　ＡＩ　０．７％、　Ｓ
ｉ　０．１％、Ｆｅ残部からなる合金、熱膨張係数８．
５〜ＩＯＸ　１０−６／℃、降伏強度１１０ｋｇ／５ｍ
２）　ｃ７）他に、インコロイ９０７（代表的にはＮｉ
３８．４％、Ｃａ１３％、Ｎｂ　４．７％、Ｔｉ　１．
５％、ＡＩ　０．３％、Ｓｉ　０．１％、Ｆｅ残部から
なる合金、熱膨張係数９．５〜ＩＯＸ　１０−６／　℃
、降伏強度８０ｋｇ／層■２）、インコロイ８０９（代
表的には旧３８．２％、Ｃａ１３％、Ｎｂ　４．７％、
Ｔｉ　１．５％、ＡＩｏ、３％、Ｓｉ　０．４％、Ｆｅ
残部からなる合金、ａ膨張係数９．５〜ＩＯＸ　１０−
６／　’０　、降伏強度８０ｋｇ／ｍｍ２）などであっ
てもよい。

こうした合金からなるスリーブの内周には、ろうづけに
さきだってメッキ層、特にはＮｉ無電解メッキ層を形成
しておくとよい。これによりろう材に対するぬれ性が向
上する。このメッキ層の厚さは生産効率、ろうづけの信
頼性を考慮すると　１〜ｌＯμｍが好ましい。しかしな
がら、例えば高真空雰囲気下でのろうづけが可能な場合
などにあっては、こうしたスリーブ内周へのメッキ層形
成は省略することができる。

ろう材としては銀ろう、銅ろう、ＩＡ銅ろうといった硬
ろうが好ましく採用できる。さらにろう材自身の強度が
充分高く、かつ、ろうづけ温度が高すぎず、したがって
ろうづけ後の室温への冷却によっても接合部に過大な熱
応力がかからないことなどを勘案すると、融点が６００
〜１１００℃、特には７００〜８００℃のものが望まし
い、具体的にはＢＡｇ−６、ＢＡｇ−θなどの銀ろうが
特に望ましい。

こうして得られる接合体をターボチャージャロータ、ガ
スタービンロータとして使用する場合には、接合体につ
いての室温におけるセラミックス軸曲げ強度が１０ｋｇ
／鳳厘２以上、５００℃における接合部せん断強度が５
ｋｇ／ｍ１２以上あることがしばしば要請される。スリ
ーブ肉厚が３，５Ｉ１ｍの場合、保護層の厚さが１０μ
謬では曲げ強度が８ｋｇ／層層２であるのにたいし１本
発明のろうづけ方法により、保護層の厚さを６０μ薦と
すると、従来技術では到達しえなかった上記目標値が容
易に達成でき、後述する実施例からもわかるように、ス
リーブ肉厚が３．５ａｍでも曲げ強度２５ｋｇ／ａｌ１
２以上の接合体も得られる。

［実施例］ 以下に図面を参照しながら具体例により未発ｒｌｊをさ
らに詳細に説明するが、本発明は以ドの例に限定される
ものではない。

例１〜９ 窒化珪素質セラミックス製のセラミックス軸とインコロ
イ９０３製のスリーブとを第１図に示すように接合した
。

すなわち、径１３１の窒化珪素質セラミックス軸ｌを用
意し、軸端からの長さ８■までの部分を接合予定部とし
た。接合予定部の隣りには軸を含む断面が円弧状となる
ような環状溝２を切削加工により設けた。この環状溝２
はこのセラミックス軸ｌがスリーブ８と接合された後に
セラミックス軸１の内部に蓄積する残留応力を緩和する
効果をもつ。

このセラミックス軸１をアセトンにて洗浄し、さらに接
合予定部以外の表面を適宜な手段にて覆ったのち、平均
粒径８μｍの金属Ｔｉ粉末を５ｇ／］の濃度で、かつ、
ＮｉＳＯ４を３０ｇ／ｌの濃度で含有する９０℃のＮｉ
無電解メッキ浴中に１０分間浸漬して、セラミックス軸
１の接合予定部に厚さ１０μｍの旧ｆｉ電解メッキ層３
を析出させた。この無電解メッキ層３にはＴｉ粉末が均
一に分散して含有されており、ＴＩ粉末が無電解メッキ
層３中に占める容積割合は約３０％であった。

ついでこのセラミックス軸１をＮｉ無電解メッキ浴から
とり出し、乾燥後、　ＩＸ　１Ｏ−４Ｔｏｒｒの真空中
で１０５０℃にて１分間加熱した。この加熱処理により
、セラミックス軸ｌに大きな密着力をもって固着するＮ
ｉ無電解メッキ層３が形成された。ついでこのＮｉ無電
解メッキ層３の上に厚さがそれぞれ１０ｇｍ、２５ＪＪ
、ｌ、６０μｍ、１８０μｍ　、　３００ＢのＮｉから
なる保護層４をＮｉ電解メッキにより形成した。

セラミックス軸１の径に対して所要のクリアランスを有
して係合する内径のスリーブ８をインコロイ９０３によ
り製作した。スリーブ８の肉厚ｔは２．５＋＋＋ｍのも
のと３．５■のものとを用意した。このスリーブ８の一
端の内周は、第１図に示すように軸を含む断面が円弧を
なすアール状に切削されており、このアール部７に隣接
する内周が接合予定部とされる。そしてこの接合予定部
には常法により厚さ１０μｍのＮｉ無電解メッキ層６を
形成した。

ついでこのスリーブ８の接合予定部とさきのセラミック
ス軸１の接合予定部が互いに向かいあうように、スリー
ブ８にセラミックス軸ｌをはめあわせ、ＢＡｇ−８ろう
を用いて両者をろうづけした。ろう層５の厚さは８０μ
謙とした。

得られた接合体の曲げ強度を第２図に示すΔ１１定装置
を用いて測定した。すなわち接合体のスリーブ８を固定
治具ｌＯにて固定し、室温にてセラミックス軸ｌにレバ
ー１１にて軸方向と直角に荷重を印加していった・ 同様にして得られた接合体の接合部せん断強度を、第３
図に示すＪｌｌｌｌｌｌ全装置てＸ１ｌｌ定した、すな
わち５００℃の加熱雰囲気中にて接合体のスリーブ８を
固定治具１２にて固定し、セラミックス軸ｌの端面にプ
レス１３にて軸方向に荷重を印加していった。

上記各サンプルに対する曲げ強度、接合部せん断強度の
測定結果を第１表に示す。

例１０ Ｔｉ粉末に代えて平均粒径８μ■のＺｒ粉末を７ｇ／ｌ
の濃度で含有する１無電解メッキ浴を用いた他は例７と
同様にしてセラミックス軸ｌとスリーブ８（肉厚３．５
ｍｍ）とをろうづけ接合（保護層厚さ６０μｍ）　した
、得られた接合体についての室温でのセラミックス軸曲
げ強度は２９ｋｇ／ｍｓ２．５００℃における接合部せ
ん断強度は７．４　ｋｇ／ｍｍ２であった。

例」ユ Ｎｉ電解メッキに代えてＣｕ電解メッキにより厚さ８０
μｍのＣｕからなる保護層４を形成した他は例７と同様
にしてセラミックス軸１とスリーブ８（肉厚３．５ｍｍ
）とをろうづけ接合した。得られた接合体についての室
温でのセラミックス軸曲げ強度は３０ｋｇ／ｍ＋ｓ２．
５００℃における接合部せん断強度は８．５ｋｇ／ａｒ
ｍ２テあった。

扛且 スリーブ８をインコロイ９０３に代えてインコロイ９０
７とした他は例７と同様にしてセラミックス軸ｌとスリ
ーブ８（肉厚３．５ｍｍ）とをろうづけ接合（保護層厚
さ６０μ履）シた。得られた接合体についての室温での
セラミックス軸曲げ強度は３３ｋｇ／■２．５００°Ｃ
における接合部せん断強度は９．２ｋｇ／ｍｍ２　であ
った。

九」 罵軍部と軸部とが一体に成形され焼結された窒化珪素質
セラミックス製のターボチャージャロータを製作した。

このロータの軸部を例７と同様にしてインコロイ８０３
製のスリーブ（肉厚３．５＋ｓｍ）とろうづけ（保護層
厚さ６０μｍ）シたのち、ホットスピンテストに供した
。入口ガス温度９００℃、２００．００Ｏｒｐｍの高温
高速回転試験に支障なく耐えた。

例」」 ろうづけ方法を例１０と同様にした他は例１３と同様に
してホットスピンテストに供した。入口ガス温度９００
℃、２００．００Ｏｒｐｍの高温高速回転試験に支障な
く酎えた。

例１５ スリーブ８をインコロイ９０３製に代えてインコロイ９
０７製とした他は例１３と同様にしてホットスピンテス
トに供した。入口ガス温度９００°Ｃ１２００，ＯＯＯ
ｒｐｍの高温高速回転試験に支障なく耐えた。（以下余
白） 第１表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のろうづけ方法で得られる接合体の一例
を模式的に示す断面図である。第２図は」二足接合体の
曲げ強度測定装置の説明図である。第３図は上記接合体
のせん断強度測定装置の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス軸を低膨張耐熱合金製スリーブに嵌合
   し、該セラミックス軸の外周と該スリーブの内周とをろ
   うづけするセラミックス軸と金属スリーブのろうづけ方
   法において、活性金属粉末が分散されたＣｒ、Ｆｅ、Ｃ
   ｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇから選ばれる一種または二種
   以上の金属の無電解メッキ層が前記外周に形成され、つ
   いで前記無電解メッキ層が加熱処理され、さらにこの加
   熱処理された前記無電解メッキ層の上にＣｒ、Ｆｅ、Ｃ
   ｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇから選ばれる一種または二種
   以上の金属からなる厚さ２０μｍ超の保護層が形成され
   てなる前記セラミックス軸を用いることを特徴とするセ
   ラミックス軸と金属スリーブのろうづけ方法。 ２、前記保護層の厚さが５０〜８０μｍである特許請求
   の範囲第１項のろうづけ方法。 ３、前記活性金属はＴｉである特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項のろうづけ方法。 ４、前記無電解メッキ層は活性金属粉末が分散されたＮ
   ｉ無電解メッキ層である特許請求の範囲第１〜３項のい
   ずれかのろうづけ方法。 ５、前記保護層は、活性金属粉末を含まず、かつ、前記
   無電解メッキ層と同じ金属からなる特許請求の範囲第１
   〜４項のいずれかのろうづけ方法。 ６、前記セラミックス軸は炭化珪素、窒化珪素およびサ
   イアロンから選ばれるセラミックスからなる特許請求の
   範囲第１〜５項のいずれかのろうづけ方法。