JP2650372B2 - セラミックス部材と金属部材の結合方法 - Google Patents
セラミックス部材と金属部材の結合方法Info
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- JP2650372B2 JP2650372B2 JP30474088A JP30474088A JP2650372B2 JP 2650372 B2 JP2650372 B2 JP 2650372B2 JP 30474088 A JP30474088 A JP 30474088A JP 30474088 A JP30474088 A JP 30474088A JP 2650372 B2 JP2650372 B2 JP 2650372B2
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- ceramic
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- ceramic member
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
- F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
- F02F7/0087—Ceramic materials
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Supercharger (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は例えばセラミックス製ターボロータに適用で
きる、セラミックス部材と金属部材の結合方法に関す
る。
きる、セラミックス部材と金属部材の結合方法に関す
る。
＜従来の技術＞ 内燃機関のターボ過給器は排気エネルギーでターボロ
ータを回し、その動力でコンプレッサーを駆動すること
により吸入空気又は混合気を予圧する装置であり、その
タービンホイールはかなりの高熱にさらされる。またタ
ーボ過給器付エンジンの欠点としてターボ回転の立ち上
がり遅れが指摘されているが、このターボビンホイール
の重量の重いことが一因とされている。
ータを回し、その動力でコンプレッサーを駆動すること
により吸入空気又は混合気を予圧する装置であり、その
タービンホイールはかなりの高熱にさらされる。またタ
ーボ過給器付エンジンの欠点としてターボ回転の立ち上
がり遅れが指摘されているが、このターボビンホイール
の重量の重いことが一因とされている。
以上のことからターボロータのタービンホイールを金
属に比べて軽量で耐熱性に優れ、しかも金属なみの強さ
を有しているセラミックスで形成するのは有利である。
属に比べて軽量で耐熱性に優れ、しかも金属なみの強さ
を有しているセラミックスで形成するのは有利である。
そのためのセラミックス部材と金属部材の結合方法と
して、ロウ材を用いた焼ばめによる方法が特開昭63−82
73号に開示されている。この方法は第４図（ａ）に示す
ようにセラミックス部材の回転中心部に軸突起部（凸部
13）を設ける一方、金属軸14の先端部に凹部15を設け、
この凹部15の底にロウ材16を配した状態で金属軸14を加
熱膨張させた後、第４図（ｂ）に示すように金属軸14の
凹部15にセラミックス部材の凸部13を嵌込むとともに溶
融したロウ材16を両者間に充填し、冷却することによ
り、焼ばめ力で結合させる方法である。
して、ロウ材を用いた焼ばめによる方法が特開昭63−82
73号に開示されている。この方法は第４図（ａ）に示す
ようにセラミックス部材の回転中心部に軸突起部（凸部
13）を設ける一方、金属軸14の先端部に凹部15を設け、
この凹部15の底にロウ材16を配した状態で金属軸14を加
熱膨張させた後、第４図（ｂ）に示すように金属軸14の
凹部15にセラミックス部材の凸部13を嵌込むとともに溶
融したロウ材16を両者間に充填し、冷却することによ
り、焼ばめ力で結合させる方法である。
＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、主として熱膨張差を利用した金属の焼
ばめの締め付け力で結合させる従来の結合方法には以下
のような問題点があった。
ばめの締め付け力で結合させる従来の結合方法には以下
のような問題点があった。
即ち、両部材の結合強度は低温において高いものの、
実用に供され結合部が高温になると、セラミックス部材
の凸部よりも、それを外側から掴んでいる金属軸の凹部
の方がより大きく膨張しようとするため、たとえ充填金
属（ロウ材）が存在するにしても結合強度が低下してし
まうという問題があった。しかもターボロータの場合、
10万rpmを越える高回転で使用されるため、第５図に示
すようにタービンホイール１の微小なアンバランス量に
起因する遠心力により曲げモーメントＭが加わり、金属
軸14の凹部15を広げようとする力が作用し、実用時の結
合強度は更に弱められることになる。また、コンパクト
エンジンの小型ターボ過給器では、セラミックス製ター
ボロータにおけるセラミックス部材の凸部と金属軸の凹
部との結合部を細径化しなければならず、それを従来の
結合方法で適用しようとすると充分な結合力が得られ
ず、排気温度900℃の高速回転試験では、12万rpm以下の
回転数で破損する虞れのあることが分かった。
実用に供され結合部が高温になると、セラミックス部材
の凸部よりも、それを外側から掴んでいる金属軸の凹部
の方がより大きく膨張しようとするため、たとえ充填金
属（ロウ材）が存在するにしても結合強度が低下してし
まうという問題があった。しかもターボロータの場合、
10万rpmを越える高回転で使用されるため、第５図に示
すようにタービンホイール１の微小なアンバランス量に
起因する遠心力により曲げモーメントＭが加わり、金属
軸14の凹部15を広げようとする力が作用し、実用時の結
合強度は更に弱められることになる。また、コンパクト
エンジンの小型ターボ過給器では、セラミックス製ター
ボロータにおけるセラミックス部材の凸部と金属軸の凹
部との結合部を細径化しなければならず、それを従来の
結合方法で適用しようとすると充分な結合力が得られ
ず、排気温度900℃の高速回転試験では、12万rpm以下の
回転数で破損する虞れのあることが分かった。
本発明は上記問題点を解決する目的でなされたもので
あり、その解決しようとする課題は、高温にさらされて
も強固な結合力を失わず、曲げモーメントに充分に耐
え、しかも結合部が細径化されても破損を生じる虞れの
ないセラミックス部材と金属部材の結合方法を提供する
ことである。
あり、その解決しようとする課題は、高温にさらされて
も強固な結合力を失わず、曲げモーメントに充分に耐
え、しかも結合部が細径化されても破損を生じる虞れの
ないセラミックス部材と金属部材の結合方法を提供する
ことである。
＜課題を解決するための手段＞ 上記課題を解決するための本発明のセラミックス部材
と金属軸の結合方法は、セラミックス部材に設けたリン
グ溝の底部にロウ材を配置しておき、このリング溝内
に、金属部材の端部に形設された筒状部を収縮ばめ（焼
ばめ又は冷やしばめ）により挿入嵌合させ、次にそれら
を上記ロウ材が溶融する温度以上に加熱保持してロウ材
を上記リング溝の内面と上記筒状部の内周面との隙間に
充填し、その後冷却することを特徴とする。
と金属軸の結合方法は、セラミックス部材に設けたリン
グ溝の底部にロウ材を配置しておき、このリング溝内
に、金属部材の端部に形設された筒状部を収縮ばめ（焼
ばめ又は冷やしばめ）により挿入嵌合させ、次にそれら
を上記ロウ材が溶融する温度以上に加熱保持してロウ材
を上記リング溝の内面と上記筒状部の内周面との隙間に
充填し、その後冷却することを特徴とする。
即ち本発明は、セラミックス部材及び金属部材の結合
すべき部分に夫々リング溝及び筒状部を設け、それらを
結合するに際し、その結合工程を次のように二段階とす
るものである。まず第１段階でセラミックス部材のリン
グ溝に低融点金属（ロウ材）を配置した状態で、上記リ
ング溝の大径側面（溝壁面であってリング中心から遠い
側の面）に金属部材の筒状部の外側面を、セラミックス
部材を加熱して焼ばめるか又は金属部材を冷却して冷や
しばめする。続く第２段階で、セラミックス部材のリン
グ溝の小径側面（溝壁面であってリング中心寄り側の
面）と金属部材の筒状部の内側面との隙間に、予め配置
してあった上記低融点金属を加熱により溶融充填し、そ
の後の常温までの冷却で両者の熱膨張差による締め付け
力を得て、セラミックス部材と金属部材を結合させるこ
とからなる。
すべき部分に夫々リング溝及び筒状部を設け、それらを
結合するに際し、その結合工程を次のように二段階とす
るものである。まず第１段階でセラミックス部材のリン
グ溝に低融点金属（ロウ材）を配置した状態で、上記リ
ング溝の大径側面（溝壁面であってリング中心から遠い
側の面）に金属部材の筒状部の外側面を、セラミックス
部材を加熱して焼ばめるか又は金属部材を冷却して冷や
しばめする。続く第２段階で、セラミックス部材のリン
グ溝の小径側面（溝壁面であってリング中心寄り側の
面）と金属部材の筒状部の内側面との隙間に、予め配置
してあった上記低融点金属を加熱により溶融充填し、そ
の後の常温までの冷却で両者の熱膨張差による締め付け
力を得て、セラミックス部材と金属部材を結合させるこ
とからなる。
上記リング溝の底部の形状は、応力集中防止のためＲ
形状とするのが好ましい。また金属部材の筒状部の内周
面及び外周面に応力緩和のために軟質金属を被覆してお
くのが好ましい。
形状とするのが好ましい。また金属部材の筒状部の内周
面及び外周面に応力緩和のために軟質金属を被覆してお
くのが好ましい。
＜作用＞ 以上のように構成すると、セラミックス部材と金属部
材は二つの接合面（リング溝内面の大径側面−筒状部
の外周面、リング溝内面の小径側面−筒状部の内周
面）によって結合することとなり、熱膨張差や曲げモー
メントによって一方の接合面での結合力が弱まると他方
の接合面では結合力が強まる。従って高温、高回転で使
用されても全体として結合力の低下は見られない。セラ
ミックス部材に、より熱膨張係数の大きな金属部材を嵌
入する構造を取るため、むしろ高温になるにつれて結合
強度が高まる。
材は二つの接合面（リング溝内面の大径側面−筒状部
の外周面、リング溝内面の小径側面−筒状部の内周
面）によって結合することとなり、熱膨張差や曲げモー
メントによって一方の接合面での結合力が弱まると他方
の接合面では結合力が強まる。従って高温、高回転で使
用されても全体として結合力の低下は見られない。セラ
ミックス部材に、より熱膨張係数の大きな金属部材を嵌
入する構造を取るため、むしろ高温になるにつれて結合
強度が高まる。
上記構成の結合方法ではリング溝底部をＲ形状とした
り筒状部に金属皮膜を形成したりするなど、結合部の破
損防止策を構ずることが容易となる。
り筒状部に金属皮膜を形成したりするなど、結合部の破
損防止策を構ずることが容易となる。
＜実施例＞ 以下、本発明の結合方法の実施例を説明するが、これ
により本発明は何ら限定されるものではない。
により本発明は何ら限定されるものではない。
実施例１ 本実施例に係るセラミックス製ターボロータを製作す
るためのセラミックス製タービンホイール１と金属軸６
の結合方法を、第１図ないし第３図により説明する。
るためのセラミックス製タービンホイール１と金属軸６
の結合方法を、第１図ないし第３図により説明する。
セラミックス（Si3N4）製タービンホイール１は第１
図に示すように端面中央に凸部４が形成されるようにリ
ング溝３が設けられており、溝内面２の大径側面2aは研
磨加工されている。このリング溝３の底部の形状は、結
合時に加わる応力の集中を避けるためＲ形状としてあ
り、そのＲ形状底部に予め銀ロウ材（Bag−8a）５がセ
ットされている。
図に示すように端面中央に凸部４が形成されるようにリ
ング溝３が設けられており、溝内面２の大径側面2aは研
磨加工されている。このリング溝３の底部の形状は、結
合時に加わる応力の集中を避けるためＲ形状としてあ
り、そのＲ形状底部に予め銀ロウ材（Bag−8a）５がセ
ットされている。
低熱膨張性合金（インコロイ903）製の金属軸６は第
２図に示すように、その結合すべき端部に筒状部７が形
成されており、筒状部７の内周面8bと外周面8a及び端面
９には、軟質金属の銅を50〜500μｍの厚に溶融メッキ
することにより銅被覆層10が形成されている。
２図に示すように、その結合すべき端部に筒状部７が形
成されており、筒状部７の内周面8bと外周面8a及び端面
９には、軟質金属の銅を50〜500μｍの厚に溶融メッキ
することにより銅被覆層10が形成されている。
第２図はセラミックス製タービンホイール１と金属軸
６を結合した時の状態を示すものであり、結合工程は二
段階に分けられる。まず第１段階として、セラミックス
製タービンホイール１側を加熱するか金属軸６側を冷却
して、或はその両方の処理を行なって、リング溝３の大
径側面2aと筒状部７の外周面8aとを収縮ばめにより接合
する。なお常温での両者2a、8aの径寸法差は、縮め代が
５〜35μｍになるように設定されている。また、溝内面
２の小径側面2bと筒状部７の内周面8bとの間には、上記
収縮ばめ後に10〜100μｍの隙間12が形成されるよう
に、夫々の径寸法が設定されている。
６を結合した時の状態を示すものであり、結合工程は二
段階に分けられる。まず第１段階として、セラミックス
製タービンホイール１側を加熱するか金属軸６側を冷却
して、或はその両方の処理を行なって、リング溝３の大
径側面2aと筒状部７の外周面8aとを収縮ばめにより接合
する。なお常温での両者2a、8aの径寸法差は、縮め代が
５〜35μｍになるように設定されている。また、溝内面
２の小径側面2bと筒状部７の内周面8bとの間には、上記
収縮ばめ後に10〜100μｍの隙間12が形成されるよう
に、夫々の径寸法が設定されている。
次の第２段階では、収縮ばめにより嵌合されたセラミ
ックス製タービンホイール１と金属軸６の嵌合体を、真
空炉内で銀ロウ材（BAg−8a）５の融点770℃以上に加熱
する。すると銀ロウ材16が溶融し、毛細管作用と重力Ｇ
の作用によって隙間12に充填される。
ックス製タービンホイール１と金属軸６の嵌合体を、真
空炉内で銀ロウ材（BAg−8a）５の融点770℃以上に加熱
する。すると銀ロウ材16が溶融し、毛細管作用と重力Ｇ
の作用によって隙間12に充填される。
この加熱中、溝内面２の大径側面2aには、金属軸６の
筒状部７の外周面8aから膨張による押圧力を受けるが、
その力が過大となってセラミックス製タービンホイール
１を破損させることを、予め筒状部７の外周面8aに形成
しておいた銅被覆層10が防いでいる。
筒状部７の外周面8aから膨張による押圧力を受けるが、
その力が過大となってセラミックス製タービンホイール
１を破損させることを、予め筒状部７の外周面8aに形成
しておいた銅被覆層10が防いでいる。
充填後の冷却過程において、セラミックス製タービン
ホイール１のリング溝３の小径側面2bと金属軸６の内周
面8bとの間には、セラミックス（Si3N4）と金属（イン
コロイ903）の熱膨張差による締め付け力が、銅被覆層1
0と隙間12に充填された銀ロウ材16を介して作用するこ
とになる。
ホイール１のリング溝３の小径側面2bと金属軸６の内周
面8bとの間には、セラミックス（Si3N4）と金属（イン
コロイ903）の熱膨張差による締め付け力が、銅被覆層1
0と隙間12に充填された銀ロウ材16を介して作用するこ
とになる。
このようにしてセラミックス製タービンホイール１と
金属軸６を結合して得られるセラミックス製ターボロー
タは、エンジン搭載のホットスピン時において、結合部
が高温となっても、金属軸６の筒状部７から銅被覆層10
を介して熱膨張差による押圧力が溝外周部11に作用する
ため、従来のように高温になるに従い結合強度が低下す
るという問題は無い。また微小なアンバランス量からく
る高回転時の遠心力Ｆによって従来みられた金属軸凹部
15（第５図参照）の広がり、それによる結合強度の低下
という問題も起こらない。これは金属軸６の筒状部７
が、タービンホイール１の溝外周部11から締め付け力を
うけることによる。
金属軸６を結合して得られるセラミックス製ターボロー
タは、エンジン搭載のホットスピン時において、結合部
が高温となっても、金属軸６の筒状部７から銅被覆層10
を介して熱膨張差による押圧力が溝外周部11に作用する
ため、従来のように高温になるに従い結合強度が低下す
るという問題は無い。また微小なアンバランス量からく
る高回転時の遠心力Ｆによって従来みられた金属軸凹部
15（第５図参照）の広がり、それによる結合強度の低下
という問題も起こらない。これは金属軸６の筒状部７
が、タービンホイール１の溝外周部11から締め付け力を
うけることによる。
そして本結合方法によれば、結合部位が金属軸６の筒
状部７の内周面と外周面の両側に設定してあるため、結
合面積が大きく増加し、結合強度が従来に比べ常温から
500℃で３〜6kg・ｍ向上している。従って、セラミック
ス製ターボロータの小型化の要請に応えるため、結合軸
部を細径化しても、充分な結合強度を確保することがで
きる。
状部７の内周面と外周面の両側に設定してあるため、結
合面積が大きく増加し、結合強度が従来に比べ常温から
500℃で３〜6kg・ｍ向上している。従って、セラミック
ス製ターボロータの小型化の要請に応えるため、結合軸
部を細径化しても、充分な結合強度を確保することがで
きる。
＜発明の効果＞ 本発明のセラミックス部材と金属軸の結合方法によれ
ば、上述したように高温にさらされても強固な結合強度
を失わず、曲げモーメントに充分に耐え、しかも結合部
が細径化されても破損を生じる恐れのないセラミックス
−金属結合製品を提供することができる。
ば、上述したように高温にさらされても強固な結合強度
を失わず、曲げモーメントに充分に耐え、しかも結合部
が細径化されても破損を生じる恐れのないセラミックス
−金属結合製品を提供することができる。
また、セラミックス部材の背面部よりセラミックス側
で金属軸と結合が可能となり、従来のセラミックス部材
の背面部より金属軸側に向けて軸突起部（凸部）を設け
る構造のものに比べ、セラミックス材料費を低下するこ
とができる。
で金属軸と結合が可能となり、従来のセラミックス部材
の背面部より金属軸側に向けて軸突起部（凸部）を設け
る構造のものに比べ、セラミックス材料費を低下するこ
とができる。
加えて金属軸の設計に自由度が広がり、軸径の細径化
も容易となる。従って、本発明方法をセラミックス製タ
ーボロータに適用すれば、排気ガスによる回転性を高め
るべく一段とターボロータの軽量化を進めることが可能
となり、エンジンのレスポンス性能を向上させることが
できる。
も容易となる。従って、本発明方法をセラミックス製タ
ーボロータに適用すれば、排気ガスによる回転性を高め
るべく一段とターボロータの軽量化を進めることが可能
となり、エンジンのレスポンス性能を向上させることが
できる。
第１図及び第２図は夫々本発明の一実施例により結合さ
れるセラミックス製タービンホイール及び金属軸を示す
断面図、 第３図はその実施例により得られたセラミックス製ター
ボロータの結合構造を示す断面図、 第４図（ａ）及び（ｂ）は従来の結合方法を連続して示
す説明図、 第５図は従来の結合方法の問題点の説明図である。 図中： １……セラミックス製タービンホイール ２……溝内面、2a……大径側面 2b……小径側面、３……リング溝 ５……ロウ材、６……金属軸 ７……筒状部、8a……外周面 8b……内周面、10……銅被覆層 12……隙間
れるセラミックス製タービンホイール及び金属軸を示す
断面図、 第３図はその実施例により得られたセラミックス製ター
ボロータの結合構造を示す断面図、 第４図（ａ）及び（ｂ）は従来の結合方法を連続して示
す説明図、 第５図は従来の結合方法の問題点の説明図である。 図中： １……セラミックス製タービンホイール ２……溝内面、2a……大径側面 2b……小径側面、３……リング溝 ５……ロウ材、６……金属軸 ７……筒状部、8a……外周面 8b……内周面、10……銅被覆層 12……隙間
Claims (1)
- 【請求項１】セラミックス部材に設けたリング溝の底部
にロウ材を配置しておき、このリング溝内に、金属部材
の端部に形設された筒状部を収縮ばめにより挿入嵌合さ
せ、次にそれらを上記ロウ材が溶融する温度以上に加熱
保持してロウ材を上記リング溝の内面と上記筒状部の内
周面との隙間に充填し、その後冷却することを特徴とす
るセラミックス部材と金属部材の結合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30474088A JP2650372B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | セラミックス部材と金属部材の結合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30474088A JP2650372B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | セラミックス部材と金属部材の結合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02149479A JPH02149479A (ja) | 1990-06-08 |
| JP2650372B2 true JP2650372B2 (ja) | 1997-09-03 |
Family
ID=17936643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30474088A Expired - Lifetime JP2650372B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | セラミックス部材と金属部材の結合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2650372B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11428158B2 (en) | 2016-01-19 | 2022-08-30 | Robert Bosch Gmbh | Shaft-hub connection |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0494153U (ja) * | 1990-12-29 | 1992-08-14 | ||
| US20120141254A1 (en) * | 2009-08-28 | 2012-06-07 | Edwards Japan Limited | Vacuum pump and member used for vacuum pump |
-
1988
- 1988-12-01 JP JP30474088A patent/JP2650372B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11428158B2 (en) | 2016-01-19 | 2022-08-30 | Robert Bosch Gmbh | Shaft-hub connection |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02149479A (ja) | 1990-06-08 |
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