JP2979529B2 - セラミック部材と金属部材の接合体 - Google Patents
セラミック部材と金属部材の接合体Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセラミック部材と金属部
材とをろう接したセラミック部材と金属部材の接合体に
関するものである。
材とをろう接したセラミック部材と金属部材の接合体に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、各種の産業機械装置において高荷
重かつ高温雰囲気下で使用される機構部品として、耐熱
性、耐食性及び耐摩耗性に優れた軽量なセラミック部材
と、高強度で加工性に優れた金属部材とを組み合わせた
複合構造体が注目され、種々のセラミック部材と金属部
材の接合体が提案されている。
重かつ高温雰囲気下で使用される機構部品として、耐熱
性、耐食性及び耐摩耗性に優れた軽量なセラミック部材
と、高強度で加工性に優れた金属部材とを組み合わせた
複合構造体が注目され、種々のセラミック部材と金属部
材の接合体が提案されている。
【０００３】従来、セラミック部材と金属部材の接合体
としては、研磨加工したセラミック部材の接合部にメタ
ライズ処理を施し、該接合部に切削加工した金属部材を
密着もしくは嵌挿してろう接するか、あるいは金属部材
をセラミック部材に焼き嵌めた接合体が広く用いられて
いた。
としては、研磨加工したセラミック部材の接合部にメタ
ライズ処理を施し、該接合部に切削加工した金属部材を
密着もしくは嵌挿してろう接するか、あるいは金属部材
をセラミック部材に焼き嵌めた接合体が広く用いられて
いた。
【０００４】とりわけ、セラミック部材と金属部材とを
軸継手とする場合には、研磨加工したセラミック部材の
凸部にメタライズ処理を施し、該凸部を切削加工した金
属部材の凹部に嵌挿してろう接するか、あるいはセラミ
ック部材の凸部を金属部材の凹部に焼き嵌めした接合体
が一般的に用いられていた。
軸継手とする場合には、研磨加工したセラミック部材の
凸部にメタライズ処理を施し、該凸部を切削加工した金
属部材の凹部に嵌挿してろう接するか、あるいはセラミ
ック部材の凸部を金属部材の凹部に焼き嵌めした接合体
が一般的に用いられていた。
【０００５】しかしながら、かかる接合体においてはセ
ラミック部材と金属部材との熱膨張差に起因する接合強
度の低下や、セラミック部材あるいは金属部材に破損を
生じる等の問題があった。そこで、上記問題を解消せん
として、セラミック部材と金属部材との間に熱応力緩和
体を中間層として介在させることが提案されている（特
公平２−４３７０４号公報、特開平２−１９６０７５号
公報参照）。
ラミック部材と金属部材との熱膨張差に起因する接合強
度の低下や、セラミック部材あるいは金属部材に破損を
生じる等の問題があった。そこで、上記問題を解消せん
として、セラミック部材と金属部材との間に熱応力緩和
体を中間層として介在させることが提案されている（特
公平２−４３７０４号公報、特開平２−１９６０７５号
公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記接
合体においては、セラミック部材と金属部材の熱応力緩
和体として使用している中間層の介在により熱膨張差に
よる両部材の応力差はかなり軽減されるものの、前記凹
部を形成している金属部材の周方向には、接合工程にお
ける加熱後の冷却過程に引っ張り応力が発生し、また該
引っ張り応力は使用時の温度変化により変化する。
合体においては、セラミック部材と金属部材の熱応力緩
和体として使用している中間層の介在により熱膨張差に
よる両部材の応力差はかなり軽減されるものの、前記凹
部を形成している金属部材の周方向には、接合工程にお
ける加熱後の冷却過程に引っ張り応力が発生し、また該
引っ張り応力は使用時の温度変化により変化する。
【０００７】しかも、このような引っ張り応力が金属部
材の周方向に加わった状態で前記接合体を、例えば内燃
機関の過給機のセラミックターボローターと回転軸との
接合体に適用して、高温の排気ガスからの熱伝導で接合
部の温度が４００℃前後となる高温酸化雰囲気中で長時
間にわたって使用した場合には、接合部の金属部材表面
の粒界酸化から外周面にクラックが発生し、ついには接
合体を構成する金属部材が破損してしまうという課題が
あった。
材の周方向に加わった状態で前記接合体を、例えば内燃
機関の過給機のセラミックターボローターと回転軸との
接合体に適用して、高温の排気ガスからの熱伝導で接合
部の温度が４００℃前後となる高温酸化雰囲気中で長時
間にわたって使用した場合には、接合部の金属部材表面
の粒界酸化から外周面にクラックが発生し、ついには接
合体を構成する金属部材が破損してしまうという課題が
あった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のセラミック部材
と金属部材の接合体は、２０℃〜４００℃までの平均熱
膨張係数が５×１０-6／℃以下のセラミック部材を、少
なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃
の大気中で５０ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のス
トレスラプチャー寿命が８０時間以上である析出強化型
合金から成る金属部材の凹部内に、１０〜１００μｍの
クリアランスを設けて挿嵌し、上記クリアランス中に銀
ろうを充填してロウ付け接合したことを特徴とし、さら
に本発明は、前記金属部材側に他の金属部材を接合した
ことを特徴とする。
と金属部材の接合体は、２０℃〜４００℃までの平均熱
膨張係数が５×１０-6／℃以下のセラミック部材を、少
なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃
の大気中で５０ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のス
トレスラプチャー寿命が８０時間以上である析出強化型
合金から成る金属部材の凹部内に、１０〜１００μｍの
クリアランスを設けて挿嵌し、上記クリアランス中に銀
ろうを充填してロウ付け接合したことを特徴とし、さら
に本発明は、前記金属部材側に他の金属部材を接合した
ことを特徴とする。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を詳細に説明する。図１は本発
明に係るセラミック部材と金属部材の接合体を、軸継手
に適用した例の要部を示す一部破断図である。
明に係るセラミック部材と金属部材の接合体を、軸継手
に適用した例の要部を示す一部破断図である。
【００１０】図１において、１は２０℃〜４００℃まで
の平均熱膨張係数が５×１０- 6 ／℃以下のセラミック
部材であり、セラミック部材１を少なくともＮｉ、Ｃ
ｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃の大気中で５０Ｋ
ｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のストレスラプチャ−
寿命が８０時間以上である析出強化型合金から成る金属
部材２の一端に形成した凹部３に嵌挿し、ろう接したも
のである。
の平均熱膨張係数が５×１０- 6 ／℃以下のセラミック
部材であり、セラミック部材１を少なくともＮｉ、Ｃ
ｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃の大気中で５０Ｋ
ｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のストレスラプチャ−
寿命が８０時間以上である析出強化型合金から成る金属
部材２の一端に形成した凹部３に嵌挿し、ろう接したも
のである。
【００１１】尚、上記セラミック部材は２０℃〜４００
℃までの平均熱膨張係数が５×１０- 6 ／℃を越え、ま
た少なくとも５００℃での曲げ強度が２００ＭＰａ以上
でなければ、高荷重かつ高温酸化雰囲気中で長時間使用
される各種産業機械装置における機構部品のセラミック
部材としては高温強度及び耐酸化性が劣り実用に適さな
い。即ち、セラミック部材としては窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ
4 ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等が好適に用いられる。
℃までの平均熱膨張係数が５×１０- 6 ／℃を越え、ま
た少なくとも５００℃での曲げ強度が２００ＭＰａ以上
でなければ、高荷重かつ高温酸化雰囲気中で長時間使用
される各種産業機械装置における機構部品のセラミック
部材としては高温強度及び耐酸化性が劣り実用に適さな
い。即ち、セラミック部材としては窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ
4 ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等が好適に用いられる。
【００１２】一方、金属部材を成す析出強化型合金が含
有するＮｉ及びＣｏ元素は、いずれも前記析出強化型合
金の熱膨張率を低下もしくは抑制するように作用し、Ｎ
ｂ元素はＮｉ元素と接合後の加熱処理により化合物を析
出して高強度化を図るものである。また、Ｓｉは一定の
雰囲気中、一定温度条件下で試験片に負荷応力として一
定の引張荷重を加えた場合、試験片が破断するまでの時
間で金属部材を評価するストレスラプチャー試験の長寿
命化に寄与するものである。
有するＮｉ及びＣｏ元素は、いずれも前記析出強化型合
金の熱膨張率を低下もしくは抑制するように作用し、Ｎ
ｂ元素はＮｉ元素と接合後の加熱処理により化合物を析
出して高強度化を図るものである。また、Ｓｉは一定の
雰囲気中、一定温度条件下で試験片に負荷応力として一
定の引張荷重を加えた場合、試験片が破断するまでの時
間で金属部材を評価するストレスラプチャー試験の長寿
命化に寄与するものである。
【００１３】更に、上記析出強化型合金は前記の一条件
下でのストレスラプチャ−寿命が８０時間未満では、セ
ラミック部材と金属部材の接合体として長期間にわたる
安定した接合状態を維持できず、各種産業機械装置にお
ける機構部品の金属部材として不適当である。
下でのストレスラプチャ−寿命が８０時間未満では、セ
ラミック部材と金属部材の接合体として長期間にわたる
安定した接合状態を維持できず、各種産業機械装置にお
ける機構部品の金属部材として不適当である。
【００１４】（実施例１）本発明のセラミック部材と金
属部材の接合体を評価するにあたり、窒化珪素（Ｓｉ3
Ｎ4 ）を主成分とし、焼結助剤としてイットリア（Ｙ2
Ｏ3 ）及び酸化タングステン（ＷＯ3 ）等を含有する窒
化珪素質焼結体を研削加工し、直径１３ｍｍ、長さ３０
ｍｍの図１に示すような円柱状のセラミック部材１を得
た。
属部材の接合体を評価するにあたり、窒化珪素（Ｓｉ3
Ｎ4 ）を主成分とし、焼結助剤としてイットリア（Ｙ2
Ｏ3 ）及び酸化タングステン（ＷＯ3 ）等を含有する窒
化珪素質焼結体を研削加工し、直径１３ｍｍ、長さ３０
ｍｍの図１に示すような円柱状のセラミック部材１を得
た。
【００１５】一方、組成、析出強化熱処理条件及び結晶
粒度を種々に設定し、ＡＳＴＭ−Ｅ２９２規格に準じて
測定した表１に示すようなストレスラプチャー寿命を有
する析出強化型合金を、セラミック部材の一端が嵌挿さ
れる凹部の内径が、前記セラミック部材とのクリアラン
スを１０〜１００μｍの範囲内となるように切削加工
し、外径１８ｍｍ、長さ３０ｍｍの金属部材２を製作し
た。
粒度を種々に設定し、ＡＳＴＭ−Ｅ２９２規格に準じて
測定した表１に示すようなストレスラプチャー寿命を有
する析出強化型合金を、セラミック部材の一端が嵌挿さ
れる凹部の内径が、前記セラミック部材とのクリアラン
スを１０〜１００μｍの範囲内となるように切削加工
し、外径１８ｍｍ、長さ３０ｍｍの金属部材２を製作し
た。
【００１６】次いで、セラミック部材１の一端を金属部
材２の凹部３に嵌挿した後、ＢＡｇ−８規格の銀ろうを
使用してろう接し、評価用のセラミック部材と金属部材
の接合体を得た。
材２の凹部３に嵌挿した後、ＢＡｇ−８規格の銀ろうを
使用してろう接し、評価用のセラミック部材と金属部材
の接合体を得た。
【００１７】かくして得られた評価用のセラミック部材
と金属部材の接合体、各５０個を、前記使用時の温度条
件より更に厳しい、大気中、５００℃の加熱炉中に１０
００時間放置し、金属部材の割れ発生個数を目視検査と
蛍光浸透探傷法により調査して接合体を評価した。以上
の結果を表１に示す。
と金属部材の接合体、各５０個を、前記使用時の温度条
件より更に厳しい、大気中、５００℃の加熱炉中に１０
００時間放置し、金属部材の割れ発生個数を目視検査と
蛍光浸透探傷法により調査して接合体を評価した。以上
の結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】表１から明らかように、ストレスラプチャ
−寿命が長いものほどセラミック部材との接合体とした
ときの金属部材の割れ発生の確率は低くなり、５００℃
の大気中で５０Ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のス
トレスラプチャ−寿命が８０時間以上の寿命を有する金
属部材を使用したセラミック部材との接合体では、金属
部材は全く割れが発生せず、長期間にわたり極めて安定
した接合状態が維持できることが分かる。
−寿命が長いものほどセラミック部材との接合体とした
ときの金属部材の割れ発生の確率は低くなり、５００℃
の大気中で５０Ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のス
トレスラプチャ−寿命が８０時間以上の寿命を有する金
属部材を使用したセラミック部材との接合体では、金属
部材は全く割れが発生せず、長期間にわたり極めて安定
した接合状態が維持できることが分かる。
【００２０】( 実施例２ )窒化珪素質焼結体より成り、
図２に示す様なセラミック部材１であるラジアル型セラ
ミックローターの凸部４を、クロムモリブデン鋼より成
る回転軸５に、例えば電子ビーム溶接等により図２に示
す６の接合位置で接合した、少なくともＮｉ３８．２重
量％、Ｃｏ１３重量％、Ｎｂ４．９８重量％及びＳｉ
０．４重量％を含有した析出強化型合金からなる表１、
試料番号６の金属部材２の凹部３に嵌挿した後、ＢＡｇ
−８規格の銀ろうを用いてろう接し、セラミックロータ
ー接合体を製作した。
図２に示す様なセラミック部材１であるラジアル型セラ
ミックローターの凸部４を、クロムモリブデン鋼より成
る回転軸５に、例えば電子ビーム溶接等により図２に示
す６の接合位置で接合した、少なくともＮｉ３８．２重
量％、Ｃｏ１３重量％、Ｎｂ４．９８重量％及びＳｉ
０．４重量％を含有した析出強化型合金からなる表１、
試料番号６の金属部材２の凹部３に嵌挿した後、ＢＡｇ
−８規格の銀ろうを用いてろう接し、セラミックロータ
ー接合体を製作した。
【００２１】かくして得られたセラミックローター接合
体を、ガス温度が９５０℃で毎分２０万回転の高温回転
試験を３００時間行ったが、金属部材２には割れは認め
られなかった。
体を、ガス温度が９５０℃で毎分２０万回転の高温回転
試験を３００時間行ったが、金属部材２には割れは認め
られなかった。
【００２２】同様にして、表１の試料番号２を金属部材
２として使用したセラミックローター接合体を、上記同
一条件で高温回転試験を行ったところ、セラミックロー
ター接合体は１６１時間で金属部材２の割れに起因する
破断を起こした。また、同じく試料番号４を金属部材２
として使用したセラミックローター接合体は３００時間
まで破断しなかったが、金属部材２の外周面に微細な割
れが認められた。
２として使用したセラミックローター接合体を、上記同
一条件で高温回転試験を行ったところ、セラミックロー
ター接合体は１６１時間で金属部材２の割れに起因する
破断を起こした。また、同じく試料番号４を金属部材２
として使用したセラミックローター接合体は３００時間
まで破断しなかったが、金属部材２の外周面に微細な割
れが認められた。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、本発明のセラミック部材
と金属部材の接合体は、２０℃〜４００℃までの平均熱
膨張係数が５×１０-6／℃以下のセラミック部材を、少
なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃
の大気中で５０ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のス
トレスラプチャー寿命が８０時間以上である析出強化型
合金から成る金属部材の凹部内に、１０〜１００μｍの
クリアランスを設けて挿嵌し、上記クリアランス中に銀
ろうを充填してロウ付け接合したことから、高い接合強
度を保持して接合体を構成するセラミック部材の破損は
勿論、金属部材の割れを発生することもなく、かつ耐酸
化性及び耐久性に優れた、とりわけ高温酸化雰囲気中で
の長時間の連続使用が可能であるセラミック部材と金属
部材の接合体を提供することがきる。
と金属部材の接合体は、２０℃〜４００℃までの平均熱
膨張係数が５×１０-6／℃以下のセラミック部材を、少
なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃
の大気中で５０ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のス
トレスラプチャー寿命が８０時間以上である析出強化型
合金から成る金属部材の凹部内に、１０〜１００μｍの
クリアランスを設けて挿嵌し、上記クリアランス中に銀
ろうを充填してロウ付け接合したことから、高い接合強
度を保持して接合体を構成するセラミック部材の破損は
勿論、金属部材の割れを発生することもなく、かつ耐酸
化性及び耐久性に優れた、とりわけ高温酸化雰囲気中で
の長時間の連続使用が可能であるセラミック部材と金属
部材の接合体を提供することがきる。
【図１】本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合
体を、軸継手に適用した例の要部を示す一部破断図であ
る。
体を、軸継手に適用した例の要部を示す一部破断図であ
る。
【図２】本発明に係るセラミック部材と金属部材の接合
体を、ラジアル型セラミックローターに金属部材を接合
し、該金属部材に他の金属部材である回転軸を接合した
例の要部を示す一部破断図である。
体を、ラジアル型セラミックローターに金属部材を接合
し、該金属部材に他の金属部材である回転軸を接合した
例の要部を示す一部破断図である。
【符号の説明】 １ セラミック部材 ２ 金属部材 ３ 凹部 ４ 凸部 ５ 回転軸 ６ 接合位置
Claims (2)
- 【請求項１】２０℃〜４００℃までの平均熱膨張係数が
５×１０-6／℃以下のセラミック部材を、少なくともＮ
ｉ、Ｃｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃の大気中で
５０ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のストレスラプ
チャー寿命が８０時間以上である析出強化型合金から成
る金属部材の凹部内に、１０〜１００μｍのクリアラン
スを設けて挿嵌し、上記クリアランス中に銀ろうを充填
してロウ付け接合したことを特徴とするセラミック部材
と金属部材の接合体。 - 【請求項２】２０℃〜４００℃までの平均熱膨張係数が
５×１０-6／℃以下のセラミック部材を、少なくともＮ
ｉ、Ｃｏ、Ｎｂ及びＳｉを含有し、５００℃の大気中で
５０ｋｇ／ｍｍ2 の負荷応力を加えた時のストレスラプ
チャー寿命が８０時間以上である析出強化型合金から成
る金属部材の凹部内に、１０〜１００μｍのクリアラン
スを設けて挿嵌し、上記クリアランス中に銀ろうを充填
してロウ付け接合し、更に上記金属部材側には他の金属
部材を接合したことを特徴とするセラミック部材と金属
部材の接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3092968A JP2979529B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | セラミック部材と金属部材の接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3092968A JP2979529B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | セラミック部材と金属部材の接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04305074A JPH04305074A (ja) | 1992-10-28 |
| JP2979529B2 true JP2979529B2 (ja) | 1999-11-15 |
Family
ID=14069218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3092968A Expired - Lifetime JP2979529B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | セラミック部材と金属部材の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2979529B2 (ja) |
-
1991
- 1991-03-29 JP JP3092968A patent/JP2979529B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04305074A (ja) | 1992-10-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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