JPS6335464A - セラミック製部材と金属製部材の結合法 - Google Patents

セラミック製部材と金属製部材の結合法

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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） 本発明は熱膨張の異なる部材間の結合法に関するもので
、特にセラミックスと金属との結合に好適な方法に関す
るものである。
（従来の技術） 従来、熱膨張率の相違する部材を突き合せて接着して結
合する方法としては、両者の界面に別体の中間層を設け
て結合する方法が知られている。
例えば、実開昭５９−１６０５３３号公報においては、
セラミックスと金属との接合構造として両者の界面にＷ
材またはＭｏ材よりなるクラツド材を介在させて接合す
る方法が開示されている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述した従来方法では、熱膨張差により結
合界面に残留応力が生じ十分な結合強度が得られなかっ
た。すなわち、第９図に金属とセラミックスの接合の場
合を例にとって説明すると、冷却前に通常の形状で接合
していた熱膨張率の大きい金属と熱膨張率の小さいセラ
ミックスとが、一旦冷却されると金属の方が収縮が進み
第９図に示すように界面端Ａ部で金属およびセラミック
スの両者に引張応力が加わり、この状態が進行すると界
面端Ａ部よりはく離や割れが生じることがあった。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、界面端のは
く離や割れが発生し難い熱膨張の異なる部材の結合法を
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） 本発明の熱膨張の異なる部材の結合法は、熱膨張の異な
る部材を突き合せて接着する熱膨張の異なる部材の結合
法において、該結合部界面が熱膨張の低い部材から高い
部材にかけて設けたテーパ部分にあることを特徴とする
ものである。
（作　用） 上述した構成において、熱膨張の異なる部材の結合界面
に熱膨張の低い部材から高い部材にかけてテーパ部を設
けているので、従来の方法では熱膨張差によって生じる
界面端の引張応力を効果的に回避することができ、界面
端のはく離や割れを有効に防止することができる。
形状としては、第１図（ａ）、　ｆｂｌ、　（Ｃ１にそ
の一例を示すように接合部材Ａ（熱膨張率の小さい部材
）からＢ（熱膨張率の大きい部材）に向かってテーパが
設けてあればどのような形状でも良いものであるが、第
１図（ａ）に示す形状が望ましい。
また、本発明のテーパの定義としてはテーパ部分で接合
界面に平行に切った断面の断面積がＡからＢに向かって
小さくなれば良いものであり、テーパの断面が第１図に
示すように直線でなく曲線であっても良い。さらに接合
面の形状は円形である必要はなく、四角形でも多角形で
も適用できる。
（実施例） 第２図（ａｌ、　（ｂｌは本発明の結合法を実際の部材
に応用した例を示す線図である。第２図ｔａ＞はピスト
ンキャンプへ応用した例で、部分安定化ジルコニア製ピ
ストンキャップ１をＴｉよりなる中間層２を介して球状
黒鉛鋳鉄よりなるピストン３に接着している。本実施例
ではピストンキャップ１と中間層２にテーパ部４を設け
て応力を逃がしている。
第２図ｆｂ）はターボチャージャーロータやガスタービ
ンロータ等の回転軸に応用した例で、窒化ケイ素よりな
る回転翼の軸部８と金属製の回転軸９とをＭｏよりなる
中間層１０を介して接着している。
本発明の結合法は熱膨張の異なる部材であればどのよう
なものにでも応用できるが、特に上述したようなセラミ
ックスと金属の場合に有効である。
このような用途に用いられるセラミック製部材としては
、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイアロン、ジルコニア、
ムライト、アルミナ、ベリリア等が使用でき、また金属
製部材としては、ステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄、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、マルエージング鋼
、析出硬化型超合金等が使用できる。また、金属製部材
としてはその一部あるいは全部に析出硬化処理、窒化処
理または高周波焼入れ処理等の硬化処理が行なわれてい
ると好適である。
次に、テーパの効果を確認するため応力解析を行なった
結果を説明する。形状としては第３図（ａｌに示すスト
レートエツジのものと第３図（ｂ）に示す本発明のテー
パエツジのものを想定し、各々中間層の厚みｄを変化さ
せて下記の（１１の場合と（２）の場合について応力解
析を行なった。
（１）　　Ａ　：　ＰＳＺ　　（部分安定化ジルコニア
）Ｂ：ＦＣＤ（球状黒鉛鋳鉄） Ｃ：Ｔｉ（チタン） ココテ、熱膨張率はＴｉ　＜　ＰＳＺ　＜　ＦＣＤＴ：
あり、ＴｉとｐｓｚＯ熱膨張率は非常に近い。また、試
料形状はＡ部およびＢ部の厚みがそれぞれ１０ＩＩＩＩ
１１で直径４０ｍｍの円筒形状である。
＋２１　Ａ　：ＳＮ　（窒化ケイ素） Ｂ　：ＳＡＣＭ　（アルミニウム・クロム・モリブデン
鋼）Ｃ：１０　（モリブデン） ここで、熱膨張率はＳＮ　＜　Ｍｏ　＜　ＳＡＣＭであ
る。また、試料形状はＡ部およびＢ部の厚みがそれぞれ
１０ＩＩＩＩ１１で直径４０ｍｍの円筒形状である。
結果を第４図および第５図に示す。第４図および第５図
の結果から明らかなように、再実施例とも従来のストレ
ートエッヂの例に比べて本発明のテーパエッヂの例の方
が接合最大応力が低く、接合端での応力がテーパ部で好
適に吸収されていることがわかった。また、中間層厚ｄ
が０すなわち中間層を介さないで直接接続した例に比べ
て中間層を設けた例の方がより効果的に接合端での応力
を吸収することがわかった。
上述したようにテーパの効果は中間層を入れたときによ
り大きくなるものである。本発明において中間層Ｃを入
れる場合は、ＡとＣの界面かＢとＣの界面のいずれか一
方がテーパ上にあれば良く、第６図（ａ）〜（ｅ）にそ
の−例を示す。
実施例 第７図に示す直径１２０Ｉの外径を有する球状黒鉛鋳鉄
製のピストンの上部を、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ
）製のピストンキャップにより構成した。
ピストンとピストンキャンプとの間には厚さ２ｍｎ＋の
Ｔｉよりなり直径８抛ｍの中間層を設け、この中間層が
ストレートの従来のピストンと中間層にテーパ部を設け
た本発明のピストンとを準備した。これら両者のピスト
ンに対して第７図に示すように引張試験治具を装着して
引張試験を行なった。結果は、中間層がストレートの従
来のピストンではＰ＝５００〜２０００ｋｇｆの範囲で
界面のはく離もしくはピストンキャンプの割れが生じた
のに対し、中間層にテーパを設けた本発明のピストンで
はＰ＝２０００ｋｇｆでもはく離９割れをまったく生じ
なかった。また、第７図に示す形状のストレートエッヂ
のピストンとテーパエッヂのピストンに対して応力解析
を行なった結果を第８図に示す。
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変形、変更が可能である。例えば上述した実施
例においてはセラミックスと金属との接合の場合を説明
したが、本発明の結合法は熱膨張の異なる部材の結合で
あればどのような部材の結合にも適用できることはいう
までもない。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａｌ、　ｔｂｌ、　（ｃ）はそれぞれ大発明の
結合法におけるテーパ部の一実施例を示す線図、第２図
（ａ）、　（ｂ）はそれぞれ本発明の結合法を実際の部
材に応用した例を示す線図、 第３図＋ａｌ、　（ｂ）はそれぞれ応力解析を行なった
形状を示す線図、 第４図および第５図はそれぞれ応力解析の結果を示すグ
ラフ、 第６図（ａｌ〜（ｅ）はそれぞれ本発明の結合法を実施
する中間層を有する例を示す線図、 第７図は本発明の結合法をピストンヘッドに応用した例
を示す線図、 第８図は第７図に示す例の応力解析の結果を示す線図、 第９図は従来例の欠点を説明するための線図である。 １・・・ピストンキャップ　　２・・・中間層３・・・
ピストン　　　　　　４・・・テーパ部５・・・弁棒　
　　　　　　　６・・・バルブ７・・・テーパ部　　　
　　　８・・・回転翼の軸部９・・・回転軸　　　　　
　　１０・・・中間層１１・・・テーパ部

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、熱膨張の異なる部材を突き合せて接着する熱膨張の
    異なる部材の結合法において、該結合部界面が熱膨張の
    低い部材から高い部材にかけて設けたテーパ部分にある
    ことを特徴とする熱膨張の異なる部材の結合法。 ２、前記接着がろう付け、拡散接合、溶融接合、接着剤
    による接着、あるいはこれらの組み合せである特許請求
    の範囲第１項記載の熱膨張の異なる部材の結合法。 ３、熱膨張の低い部材と熱膨張の高い部材の中間に、熱
    膨張率が熱膨張の低い部材と熱膨張の高い部材の間であ
    る部材を介して結合することを特徴とする特許請求の範
    囲第１項または第２項記載の熱膨張の異なる部材の結合
    法。 ４、熱膨張の低い部材と熱膨張の高い部材の中間に、熱
    膨張率が熱膨張の低い部材に近い部材を介して結合する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
    載の熱膨張の異なる部材の結合法。 ５、熱膨張の低い部材と熱膨張の高い部材の中間に、熱
    膨張率が熱膨張の高い部材に近い部材を介して結合する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
    載の熱膨張の異なる部材の結合法。 ６、熱膨張の低い部材と熱膨張の高い部材の中間に、剛
    性の小さい金属を介して結合することを特徴とする特許
    請求の範囲第１項または第２項記載の熱膨張の異なる部
    材の結合法。 ７、熱膨張の異なる部材がセラミック製部材と金属製部
    材であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
    第６項のいずれかに記載の熱膨張の異なる部材の結合法
    。 ８、前記セラミック製部材が窒化ケイ素、炭化ケイ素、
    サイアロン、ジルコニア、ムライト、アルミナ、ベリリ
    アの一種以上からなる特許請求の範囲第７項記載の熱膨
    張の異なる部材の結合法。 ９、前記金属製部材の一部あるいは全部が析出硬化処理
    、窒化処理または高周波焼き入れのうちいずれかにより
    あるいはこれらの組合せにより硬化されている特許請求
    の範囲第７項記載の熱膨張の異なる部材の結合法。 １０、前記金属製部材がステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄、
    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、マルエージ
    ング鋼または析出硬化型超合金の一種以上からなる特許
    請求の範囲第７項記載の熱膨張の異なる部材の結合法。
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