JP3179928B2 - 接合体及びそれとセラミックスとの結合体並びにそれらの製造方法 - Google Patents
接合体及びそれとセラミックスとの結合体並びにそれらの製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、金属と他の金属との
接合体及びその接合体とセラミックスとの結合体並びに
それらの製造方法に関する。この発明の接合体は、ター
ボチャージャーローターの回転軸又はガスタービンロー
ターの回転軸に好適に利用され得る。また、この発明の
結合体は、ターボチャージャーローター又はガスタービ
ンローターに好適に利用され得る。
接合体及びその接合体とセラミックスとの結合体並びに
それらの製造方法に関する。この発明の接合体は、ター
ボチャージャーローターの回転軸又はガスタービンロー
ターの回転軸に好適に利用され得る。また、この発明の
結合体は、ターボチャージャーローター又はガスタービ
ンローターに好適に利用され得る。
【０００２】
【従来の技術】タ−ボチャ−ジャ−やガスタ−ビンエン
ジンなどの高温雰囲気下で回転体として使用される機構
部品には機械的強度、耐熱性、耐摩耗性に優れ、比重の
小さいセラミックス体（窒化珪素、サイアロン、炭化珪
素等の焼結体）が適している。
ジンなどの高温雰囲気下で回転体として使用される機構
部品には機械的強度、耐熱性、耐摩耗性に優れ、比重の
小さいセラミックス体（窒化珪素、サイアロン、炭化珪
素等の焼結体）が適している。
【０００３】従って、上記セラミックに金属を複合又は
接合し、セラミックスの脆性を補った構造体が一般に用
いられる。ところで、セラミツクスと金属とは熱膨張係
数が大きく異なるため、その大きな膨張差によって接合
近傍には相当の歪みが残存することになる。この歪みに
よってもろいセラミツクスに破壊がおこる。これを防止
するため熱膨張係数がセラミツクスのそれに近い低膨張
金属を、接合すべきセラミツクスと金属との間に緩衝層
として介在させて接合される。
接合し、セラミックスの脆性を補った構造体が一般に用
いられる。ところで、セラミツクスと金属とは熱膨張係
数が大きく異なるため、その大きな膨張差によって接合
近傍には相当の歪みが残存することになる。この歪みに
よってもろいセラミツクスに破壊がおこる。これを防止
するため熱膨張係数がセラミツクスのそれに近い低膨張
金属を、接合すべきセラミツクスと金属との間に緩衝層
として介在させて接合される。
【０００４】この場合、セラミックスと低熱膨張金属と
の接合方法としては、嵌合又は化学的接着が用いられ
る。嵌合とは、例えば、圧入、焼嵌め及び冷やし嵌めで
あり、化学的接着とは、活性ろう又は銀ろうによるロー
付けである。また、低熱膨張金属と金属部材との接合方
法としては、摩擦圧接、電子ビーム溶接、レーザー溶接
などの溶接が用いられる。
の接合方法としては、嵌合又は化学的接着が用いられ
る。嵌合とは、例えば、圧入、焼嵌め及び冷やし嵌めで
あり、化学的接着とは、活性ろう又は銀ろうによるロー
付けである。また、低熱膨張金属と金属部材との接合方
法としては、摩擦圧接、電子ビーム溶接、レーザー溶接
などの溶接が用いられる。
【０００５】そして、低熱膨張金属は、析出硬化した状
態のものが用いられる。析出硬化しなければ、セラミッ
クスとの接合時又は高温高速回転体としての使用時の負
荷に耐えることができないからである。また、金属部材
は、通常約１０００℃で焼入れされ、続いて約３００〜
６００℃で焼戻しされたものが用いられる。焼入れ・焼
戻しをしなければ、軸受けとしての充分な硬度が備わら
ないからである。
態のものが用いられる。析出硬化しなければ、セラミッ
クスとの接合時又は高温高速回転体としての使用時の負
荷に耐えることができないからである。また、金属部材
は、通常約１０００℃で焼入れされ、続いて約３００〜
６００℃で焼戻しされたものが用いられる。焼入れ・焼
戻しをしなければ、軸受けとしての充分な硬度が備わら
ないからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来、低熱膨張金属と
金属部材を摩擦圧接する場合、摩擦圧接前に低熱膨張金
属を析出硬化処理しておき且つ金属部材を焼入れ・焼戻
し処理しておいても、摩擦圧接時の熱により低熱膨張金
属が溶体化状態になってしまい、その強度が著しく低下
してしまった。一方、金属部材を予め焼入れ・焼戻し処
理しておき、これと低熱膨張金属とを摩擦圧接した後、
低熱膨張金属を析出硬化処理すると、析出硬化処理温度
（通常約７００℃）で金属部材が鈍ってしまい、金属部
材の強度が著しく低下するという問題があった。
金属部材を摩擦圧接する場合、摩擦圧接前に低熱膨張金
属を析出硬化処理しておき且つ金属部材を焼入れ・焼戻
し処理しておいても、摩擦圧接時の熱により低熱膨張金
属が溶体化状態になってしまい、その強度が著しく低下
してしまった。一方、金属部材を予め焼入れ・焼戻し処
理しておき、これと低熱膨張金属とを摩擦圧接した後、
低熱膨張金属を析出硬化処理すると、析出硬化処理温度
（通常約７００℃）で金属部材が鈍ってしまい、金属部
材の強度が著しく低下するという問題があった。
【０００７】また、摩擦圧接後に析出硬化処理を行い、
その後高周波により部分的に焼入れ・焼戻し処理を行う
方法も試みられているが、摩擦圧接部分まで完全に焼入
れ・焼戻し等の熱処理を行うことは、熱処理温度が低熱
膨張金属の溶体化温度よりも高いために困難であった。
従って、摩擦圧接部分の近傍の低膨張金属に強度の低い
部分が残存するという問題があった。しかも工程が長
く、コスト的に不利であった。
その後高周波により部分的に焼入れ・焼戻し処理を行う
方法も試みられているが、摩擦圧接部分まで完全に焼入
れ・焼戻し等の熱処理を行うことは、熱処理温度が低熱
膨張金属の溶体化温度よりも高いために困難であった。
従って、摩擦圧接部分の近傍の低膨張金属に強度の低い
部分が残存するという問題があった。しかも工程が長
く、コスト的に不利であった。
【０００８】更に予め析出硬化した低熱膨張金属と焼入
れ・焼戻し済みの金属部材とを電子ビーム溶接する方法
も考えられるが、この方法も、溶接時に発生する熱によ
り、溶接部周辺の析出硬化部分が溶体化してしまう問題
と、溶接部周辺の金属組織が変化するとともに、溶接に
よる残留応力が生じる問題が発生した。これらの現象
は、強度的な問題だけでなく、タ−ボチャ−ジャ−やガ
スタ−ビンのロ−タ−のように、高速でしかも高温で長
時間運転される回転体では、回転体の不つり合いが増加
し、異音、振動の増加、さらには翼車、軸受けの破損
等、信頼性に重大な問題が生じるおそれがあった。
れ・焼戻し済みの金属部材とを電子ビーム溶接する方法
も考えられるが、この方法も、溶接時に発生する熱によ
り、溶接部周辺の析出硬化部分が溶体化してしまう問題
と、溶接部周辺の金属組織が変化するとともに、溶接に
よる残留応力が生じる問題が発生した。これらの現象
は、強度的な問題だけでなく、タ−ボチャ−ジャ−やガ
スタ−ビンのロ−タ−のように、高速でしかも高温で長
時間運転される回転体では、回転体の不つり合いが増加
し、異音、振動の増加、さらには翼車、軸受けの破損
等、信頼性に重大な問題が生じるおそれがあった。
【０００９】発明者等は、かかる問題を、熱処理時の冷
却速度を遅くするだけで強度を確保できる低熱膨張析出
硬化型金属と、冷却速度が遅くても硬度の入る金属部材
を用いる事により解決できる事を見い出した。本発明の
目的は、上記従来の課題を解決し、高強度の低熱膨張金
属と高硬度の金属部材との接合体を提供することであ
る。本発明の他の目的は、そのような接合体とセラミッ
クスとが強固に結合した結合体を提供することである。
却速度を遅くするだけで強度を確保できる低熱膨張析出
硬化型金属と、冷却速度が遅くても硬度の入る金属部材
を用いる事により解決できる事を見い出した。本発明の
目的は、上記従来の課題を解決し、高強度の低熱膨張金
属と高硬度の金属部材との接合体を提供することであ
る。本発明の他の目的は、そのような接合体とセラミッ
クスとが強固に結合した結合体を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】その第一の手段は、気体
を冷却媒体として焼入れされた硬度がＨRC２８以上の金
属部材と、この金属部材に接合され０．２％耐力が５０
０ＭＰａ以上の析出硬化型低熱膨張金属とからなること
を特徴とする接合体である。
を冷却媒体として焼入れされた硬度がＨRC２８以上の金
属部材と、この金属部材に接合され０．２％耐力が５０
０ＭＰａ以上の析出硬化型低熱膨張金属とからなること
を特徴とする接合体である。
【００１１】第二の手段は、気体を冷却媒体として焼入
れされた硬度がＨRC２８以上の金属部材と、この金属部
材に接合され０．２％耐力が５００ＭＰａ以上の析出硬
化型低熱膨張金属と、この析出硬化型低熱膨張金属に結
合されたセラミックスとからなることを特徴とする接合
体とセラミックスとの結合体である。
れされた硬度がＨRC２８以上の金属部材と、この金属部
材に接合され０．２％耐力が５００ＭＰａ以上の析出硬
化型低熱膨張金属と、この析出硬化型低熱膨張金属に結
合されたセラミックスとからなることを特徴とする接合
体とセラミックスとの結合体である。
【００１２】本発明の接合体を製造する第一の手段は、
気体を冷却媒体として焼入れ可能な金属部材と析出硬化
型低熱膨張金属とを溶接した後、金属部材の焼入れ温度
以上に加熱し、次いで８５０℃から５５０℃までの間の
平均冷却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷
却することを特徴とする。
気体を冷却媒体として焼入れ可能な金属部材と析出硬化
型低熱膨張金属とを溶接した後、金属部材の焼入れ温度
以上に加熱し、次いで８５０℃から５５０℃までの間の
平均冷却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷
却することを特徴とする。
【００１３】同じく第二の製造手段は、気体を冷却媒体
として焼入れ可能な金属部材と析出硬化型低熱膨張金属
との間にロー材を介在させて金属部材の焼入れ温度以上
に加熱した後、８５０℃から５５０℃までの間の平均冷
却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷却する
ことを特徴とする。
として焼入れ可能な金属部材と析出硬化型低熱膨張金属
との間にロー材を介在させて金属部材の焼入れ温度以上
に加熱した後、８５０℃から５５０℃までの間の平均冷
却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷却する
ことを特徴とする。
【００１４】本発明の結合体を製造する第一の手段は、
気体を冷却媒体として焼入れ可能な金属部材と析出硬化
型低熱膨張金属とを溶接した後、金属部材の焼入れ温度
以上に加熱し、次いで８５０℃から５５０℃までの間の
平均冷却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷
却し、更に析出硬化型低熱膨張金属にセラミックスを嵌
合により結合することを特徴とする。
気体を冷却媒体として焼入れ可能な金属部材と析出硬化
型低熱膨張金属とを溶接した後、金属部材の焼入れ温度
以上に加熱し、次いで８５０℃から５５０℃までの間の
平均冷却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷
却し、更に析出硬化型低熱膨張金属にセラミックスを嵌
合により結合することを特徴とする。
【００１５】同じく第二の製造手段は、気体を冷却媒体
として焼入れ可能な金属部材と析出硬化型低熱膨張金属
とセラミックスとの間にそれぞれロー材を介在させて金
属部材の焼入れ温度以上に加熱した後、８５０℃から５
５０℃までの間の平均冷却速度が５０℃／分以下となる
ように気体中で冷却することを特徴とする。
として焼入れ可能な金属部材と析出硬化型低熱膨張金属
とセラミックスとの間にそれぞれロー材を介在させて金
属部材の焼入れ温度以上に加熱した後、８５０℃から５
５０℃までの間の平均冷却速度が５０℃／分以下となる
ように気体中で冷却することを特徴とする。
【００１６】ここで８５０℃から５５０℃までの間の平
均冷却速度が５０℃／分以下というのは、冷却速度を変
化させてもよいが、その温度範囲における冷却速度の平
均値を５０℃／分以下とするように設定することをい
う。従って、例えば、８５０℃から析出硬化温度付近ま
での間を比較的速く冷却し、析出硬化温度付近で一定時
間保持し、続いて５５０℃まで冷却するような冷却操作
を行ってもよい。
均冷却速度が５０℃／分以下というのは、冷却速度を変
化させてもよいが、その温度範囲における冷却速度の平
均値を５０℃／分以下とするように設定することをい
う。従って、例えば、８５０℃から析出硬化温度付近ま
での間を比較的速く冷却し、析出硬化温度付近で一定時
間保持し、続いて５５０℃まで冷却するような冷却操作
を行ってもよい。
【００１７】
【作用】低熱膨張金属の析出硬化処理は一般に７２０℃
８ｈｒ−６２０℃８ｈｒであるが、冷却速度と低熱膨張
金属の強度の関係について調査した結果、図１に示す様
に８５０℃から５５０℃までの間の冷却速度を５０℃／
分以下にすれば０．２％耐力で５００ＭＰａが確保でき
る事を見い出した。望ましくは冷却速度を５℃／分以下
にすれば、通常の析出硬化処理を行ったものとほぼ同じ
強度を得られる。これらの冷却速度で硬度が得られる金
属部材としてはＳＮＣＭ−６３０、ＳＮＣＭ−６１６、
ＳＵＨ−６１６、ＳＵＳ−４２０等が適している。
８ｈｒ−６２０℃８ｈｒであるが、冷却速度と低熱膨張
金属の強度の関係について調査した結果、図１に示す様
に８５０℃から５５０℃までの間の冷却速度を５０℃／
分以下にすれば０．２％耐力で５００ＭＰａが確保でき
る事を見い出した。望ましくは冷却速度を５℃／分以下
にすれば、通常の析出硬化処理を行ったものとほぼ同じ
強度を得られる。これらの冷却速度で硬度が得られる金
属部材としてはＳＮＣＭ−６３０、ＳＮＣＭ−６１６、
ＳＵＨ−６１６、ＳＵＳ−４２０等が適している。
【００１８】従って、焼鈍処理を行ったこれらの金属部
材と溶体化処理を行った低熱膨張金属とを、摩擦圧接、
電子ビ−ム溶接又はレ−ザ−溶接などの溶接により一体
化した後、金属部材の焼入れ温度まで加熱し、次いで８
５０℃〜５５０℃の間の冷却速度を５０℃／分以下にな
る様に調整して冷却すれば、低熱膨張金属の強度が５０
０ＭＰａ以上、金属部材の硬度がＨRC２８以上の接合体
が得られる。
材と溶体化処理を行った低熱膨張金属とを、摩擦圧接、
電子ビ−ム溶接又はレ−ザ−溶接などの溶接により一体
化した後、金属部材の焼入れ温度まで加熱し、次いで８
５０℃〜５５０℃の間の冷却速度を５０℃／分以下にな
る様に調整して冷却すれば、低熱膨張金属の強度が５０
０ＭＰａ以上、金属部材の硬度がＨRC２８以上の接合体
が得られる。
【００１９】そこで、接合後に低熱膨張金属に凹部を穿
設するか又は接合前に低膨張金属をスリーブ状、袋管状
に加工しておき、その凹部にセラミック翼車の軸部を圧
入又は焼嵌め等により結合すれば、信頼性にすぐれたタ
−ボチャ−ジャ−、ガスタ−ビンが製造可能となる。ま
た、金属部材、低熱膨張金属及びセラミックを金属部材
の焼入れ温度付近でロ−付し、ロ−付後の冷却速度を８
５０℃〜５５０℃の間で５０℃／分以下にすればロ−付
処理工程のみで、低熱膨張金属の強度が５００ＭＰａ、
金属部材の硬度がＨRC２８以上の金属とセラミックの接
合体が得られる。
設するか又は接合前に低膨張金属をスリーブ状、袋管状
に加工しておき、その凹部にセラミック翼車の軸部を圧
入又は焼嵌め等により結合すれば、信頼性にすぐれたタ
−ボチャ−ジャ−、ガスタ−ビンが製造可能となる。ま
た、金属部材、低熱膨張金属及びセラミックを金属部材
の焼入れ温度付近でロ−付し、ロ−付後の冷却速度を８
５０℃〜５５０℃の間で５０℃／分以下にすればロ−付
処理工程のみで、低熱膨張金属の強度が５００ＭＰａ、
金属部材の硬度がＨRC２８以上の金属とセラミックの接
合体が得られる。
【００２０】なお低熱膨張金属部はセラミックと一体化
した場合の接合時の応力、振動、遠心力に耐える為に５
００ＭＰａ以上が必要であり、また、金属部材は軸受部
として用いる場合に摩擦防止の為ＨRC２８以上が必要で
ある。以下実施例に基づいて説明を行う。
した場合の接合時の応力、振動、遠心力に耐える為に５
００ＭＰａ以上が必要であり、また、金属部材は軸受部
として用いる場合に摩擦防止の為ＨRC２８以上が必要で
ある。以下実施例に基づいて説明を行う。
【００２１】
［実施例１］図２は、実施例１の接合体とセラミックス
との結合体を製造しようとするところを示す図である。
結合体１１は、ターボチャージャーローターであり、セ
ラミックス１２と接合体１３とが結合されたものであ
る。
との結合体を製造しようとするところを示す図である。
結合体１１は、ターボチャージャーローターであり、セ
ラミックス１２と接合体１３とが結合されたものであ
る。
【００２２】セラミックス１２は、中実のハブ１２ａ
と、このハブ１２ａの外周に渦巻状に設けられた複数の
翼１２ｂと、ハブ１２ａの背面に突出して設けられた軸
１２ｃとからなるタービンローターであり、密度３．２
０ｇ／ｃｍ3の窒化珪素質焼結体にて一体的に作製され
たものである。翼１２ｂの外径は、５５ｍｍ、軸１２ｃ
の外径は、１２ｍｍである。
と、このハブ１２ａの外周に渦巻状に設けられた複数の
翼１２ｂと、ハブ１２ａの背面に突出して設けられた軸
１２ｃとからなるタービンローターであり、密度３．２
０ｇ／ｃｍ3の窒化珪素質焼結体にて一体的に作製され
たものである。翼１２ｂの外径は、５５ｍｍ、軸１２ｃ
の外径は、１２ｍｍである。
【００２３】接合体１３は、ターボチャージャーロータ
ーの回転軸であり、タービンローターの回転駆動力をコ
ンプレッサーホイールに伝達する。接合体１３は、長尺
の金属軸１４とほぼカップ形状のスリーブ１５とからな
る。金属軸１４とスリーブ１５とは、端面同志で突き合
わせて接合されている。金属軸１４は、軸受け（図示省
略）にて支えられコンプレッサーホイール（図示省略）
に連結する。スリーブ１５は、外周にオイルリング溝１
５ａ及びシールリング溝１５ｂが加工されており、接合
体１３をセラミックス１２と結合する際に、金属軸１４
とセラミックス１２との中間部材となるものである。
ーの回転軸であり、タービンローターの回転駆動力をコ
ンプレッサーホイールに伝達する。接合体１３は、長尺
の金属軸１４とほぼカップ形状のスリーブ１５とからな
る。金属軸１４とスリーブ１５とは、端面同志で突き合
わせて接合されている。金属軸１４は、軸受け（図示省
略）にて支えられコンプレッサーホイール（図示省略）
に連結する。スリーブ１５は、外周にオイルリング溝１
５ａ及びシールリング溝１５ｂが加工されており、接合
体１３をセラミックス１２と結合する際に、金属軸１４
とセラミックス１２との中間部材となるものである。
【００２４】以下にこのターボチャージャーローターの
製造方法を説明する。インコロイ９０３からなる外径１
７ｍｍの低熱膨張金属とＳＮＣＭ６３０からなる外径１
１．０ｍｍの金属軸１４とを摩擦圧接により接合した。
そして、低熱膨張金属の端面に内径１２ｍｍ、深さ８．
５ｍｍの凹部を、外周面に２つのリング溝をそれぞれ機
械加工し、スリ−ブ１５とした。こうして接合体１３
（回転軸）を製造した。
製造方法を説明する。インコロイ９０３からなる外径１
７ｍｍの低熱膨張金属とＳＮＣＭ６３０からなる外径１
１．０ｍｍの金属軸１４とを摩擦圧接により接合した。
そして、低熱膨張金属の端面に内径１２ｍｍ、深さ８．
５ｍｍの凹部を、外周面に２つのリング溝をそれぞれ機
械加工し、スリ−ブ１５とした。こうして接合体１３
（回転軸）を製造した。
【００２５】次に、この接合体１３を９００℃で３０分
保持した後、９００℃〜５００℃まで平均３℃／分の冷
却速度で炉内冷却した。スリーブ１５と同質の低熱膨張
金属及び金属軸１４と同質の金属部材に、この熱処理と
同じ条件で熱処理を施したところ、前者の０．２％耐力
は９５０ＭＰａ、後者の硬度はＨRC４５であった。最後
にセラミックス１２の軸１２ｃをスリーブ１５の凹部に
圧入代７０μにて圧入し、タ−ボチャ−ジャ−ロ−タ−
の形状に仕上げた。
保持した後、９００℃〜５００℃まで平均３℃／分の冷
却速度で炉内冷却した。スリーブ１５と同質の低熱膨張
金属及び金属軸１４と同質の金属部材に、この熱処理と
同じ条件で熱処理を施したところ、前者の０．２％耐力
は９５０ＭＰａ、後者の硬度はＨRC４５であった。最後
にセラミックス１２の軸１２ｃをスリーブ１５の凹部に
圧入代７０μにて圧入し、タ−ボチャ−ジャ−ロ−タ−
の形状に仕上げた。
【００２６】［実施例２］実施例１と同じ条件で製造し
た接合体を９００℃で３０分保持した後、９００℃〜５
００℃まで平均４５℃／分の冷却速度で炉内冷却した。
この接合体のスリーブと同質の低熱膨張金属及び金属軸
と同質の金属部材に、この熱処理と同じ条件で熱処理を
施したところ、低熱膨張金属の０．２％耐力は５５０Ｍ
Ｐａ、金属部材の硬度はＨRC４７であった。最後にセラ
ミックス１２の軸１２ｃをスリーブ１５の凹部に圧入代
７０μにて圧入し、タ−ボチャ−ジャ−ロ−タ−の形状
に仕上げた。
た接合体を９００℃で３０分保持した後、９００℃〜５
００℃まで平均４５℃／分の冷却速度で炉内冷却した。
この接合体のスリーブと同質の低熱膨張金属及び金属軸
と同質の金属部材に、この熱処理と同じ条件で熱処理を
施したところ、低熱膨張金属の０．２％耐力は５５０Ｍ
Ｐａ、金属部材の硬度はＨRC４７であった。最後にセラ
ミックス１２の軸１２ｃをスリーブ１５の凹部に圧入代
７０μにて圧入し、タ−ボチャ−ジャ−ロ−タ−の形状
に仕上げた。
【００２７】［実施例３］図３は、実施例３の接合体と
セラミックスとの結合体を製造しようとするところを示
す図である。結合体２１は、ターボチャージャーロータ
ーであり、セラミックス２２と接合体２３とが結合され
たものである。
セラミックスとの結合体を製造しようとするところを示
す図である。結合体２１は、ターボチャージャーロータ
ーであり、セラミックス２２と接合体２３とが結合され
たものである。
【００２８】セラミックス２２は、実施例１のセラミッ
クス１２と同形同質のタービンローターである。接合体
２３は、実施例１と同様にターボチャージャーローター
の回転軸であり、金属軸２４とスリーブ２５とからな
る。但し、金属軸２４の端面には、凸部２４ａが設けら
れており、これに対応してスリーブ２５の端面に貫通孔
２５ｃが設けられている。そして、凸部２４ａと貫通孔
２５ｃとを嵌合した状態で、金属軸２４とスリーブ２５
とが接合されている。
クス１２と同形同質のタービンローターである。接合体
２３は、実施例１と同様にターボチャージャーローター
の回転軸であり、金属軸２４とスリーブ２５とからな
る。但し、金属軸２４の端面には、凸部２４ａが設けら
れており、これに対応してスリーブ２５の端面に貫通孔
２５ｃが設けられている。そして、凸部２４ａと貫通孔
２５ｃとを嵌合した状態で、金属軸２４とスリーブ２５
とが接合されている。
【００２９】以下にこのターボチャージャーローターの
製造方法を説明する。インコロイ９０９からなる低熱膨
張金属を予め、貫通孔２５ｃを有するカップ形状に機械
加工し、スリーブ２５とした。スリーブ２５の貫通孔２
５ｃにＳＵＨ−６１６からなる金属軸２４の凸部を嵌合
し、この状態で電子ビ−ム溶接を行い、スリーブ２５と
金属軸２４を一体化した。こうして接合体２３を製造し
た。
製造方法を説明する。インコロイ９０９からなる低熱膨
張金属を予め、貫通孔２５ｃを有するカップ形状に機械
加工し、スリーブ２５とした。スリーブ２５の貫通孔２
５ｃにＳＵＨ−６１６からなる金属軸２４の凸部を嵌合
し、この状態で電子ビ−ム溶接を行い、スリーブ２５と
金属軸２４を一体化した。こうして接合体２３を製造し
た。
【００３０】次にスリーブ２５の凹部２５ｂにロー材を
充填し、セラミックス２２の軸部２２ｃを嵌入した。嵌
入した状態で接合体２３及びセラミックス２２を１０５
０℃で１ｈｒ保持した後、１０００℃から５５０℃まで
を５℃／分の冷却速度で冷却するロ−付スケジュ−ル
で、接合体２３とセラミックス２２をロー付けした。こ
うして、ターボチャージャーローターを製造した。尚、
スリーブ２５と同質の低熱膨張合金及び金属軸２４と同
質の金属部材にそれぞれ上記ロ−付スケジュ−ルと同じ
条件で熱処理を施したところ、低熱膨張合金の０．２％
耐力は９００ＭＰａ、金属部材の硬度はＨRC５０であっ
た。
充填し、セラミックス２２の軸部２２ｃを嵌入した。嵌
入した状態で接合体２３及びセラミックス２２を１０５
０℃で１ｈｒ保持した後、１０００℃から５５０℃まで
を５℃／分の冷却速度で冷却するロ−付スケジュ−ル
で、接合体２３とセラミックス２２をロー付けした。こ
うして、ターボチャージャーローターを製造した。尚、
スリーブ２５と同質の低熱膨張合金及び金属軸２４と同
質の金属部材にそれぞれ上記ロ−付スケジュ−ルと同じ
条件で熱処理を施したところ、低熱膨張合金の０．２％
耐力は９００ＭＰａ、金属部材の硬度はＨRC５０であっ
た。
【００３１】［比較例１］実施例１と同じ条件で製造し
た接合体を９００℃で３０分保持した後、９００℃〜５
００℃まで平均２００℃／分の冷却速度で炉内冷却し
た。この接合体のスリーブと同質の低熱膨張金属及び金
属軸と同質の金属部材に、この熱処理と同じ条件で熱処
理を施したところ、低熱膨張金属の０．２％耐力は４０
０ＭＰａ、金属部材の硬度はＨRC４６であった。最後に
セラミックス１２の軸１２ｃをスリーブ１５の凹部に圧
入代７０μにて圧入し、タ−ボチャ−ジャ−ロ−タ−の
形状に仕上げた。
た接合体を９００℃で３０分保持した後、９００℃〜５
００℃まで平均２００℃／分の冷却速度で炉内冷却し
た。この接合体のスリーブと同質の低熱膨張金属及び金
属軸と同質の金属部材に、この熱処理と同じ条件で熱処
理を施したところ、低熱膨張金属の０．２％耐力は４０
０ＭＰａ、金属部材の硬度はＨRC４６であった。最後に
セラミックス１２の軸１２ｃをスリーブ１５の凹部に圧
入代７０μにて圧入し、タ−ボチャ−ジャ−ロ−タ−の
形状に仕上げた。
【００３２】［比較例２］金属軸１４の材質をＳＮＣＭ
６３０に代えてＳＮＣＭ４３９とした以外は実施例１と
同一条件でターボチャージャーローターを製造した。こ
の時の低熱膨張金属の強度は０．２％耐力で９５０ＭＰ
ａ、金属部材の硬度はＨRC２５であった。
６３０に代えてＳＮＣＭ４３９とした以外は実施例１と
同一条件でターボチャージャーローターを製造した。こ
の時の低熱膨張金属の強度は０．２％耐力で９５０ＭＰ
ａ、金属部材の硬度はＨRC２５であった。
【００３３】［比較例３］比較例２と同一条件でターボ
チャージャーローターを製造し、熱処理後に金属軸のみ
高周波加熱装置で焼入れ・焼戻し処理を行い、ＨRC４０
の硬度とした。しかし、摩擦圧接部から２ｍｍの間は焼
入れ・焼戻し処理ができなかった。それより摩擦圧接部
に近い位置まで焼入れ・焼戻し処理すると低熱膨張金属
が溶体化する可能性があったからである。
チャージャーローターを製造し、熱処理後に金属軸のみ
高周波加熱装置で焼入れ・焼戻し処理を行い、ＨRC４０
の硬度とした。しかし、摩擦圧接部から２ｍｍの間は焼
入れ・焼戻し処理ができなかった。それより摩擦圧接部
に近い位置まで焼入れ・焼戻し処理すると低熱膨張金属
が溶体化する可能性があったからである。
【００３４】［比較例４］実施例１と同形同質のスリー
ブ１５を真空中７２０℃で８ｈｒ保持し、続いて速度６
０℃／ｈｒで冷却し６２０℃に達したところで８ｈｒ保
持した後、室温まで冷却することにより、比較用スリー
ブの析出硬化処理を行った。次いでその凹部にセラミッ
クス１２の軸部１２ｃを圧入代８０μで圧入した後、焼
入れ・焼戻し処理を行った。その後、スリーブ１５の端
面に硬度がＨRC３５である金属軸１４を電子ビ−ムにて
溶接し、比較用のローターを製造した。最後にこのロ−
タ−を機械加工にて完成形状に仕上げた。このターボチ
ャージャーローターの溶接部近傍の低熱膨張金属の強度
は４００ＭＰａであった。
ブ１５を真空中７２０℃で８ｈｒ保持し、続いて速度６
０℃／ｈｒで冷却し６２０℃に達したところで８ｈｒ保
持した後、室温まで冷却することにより、比較用スリー
ブの析出硬化処理を行った。次いでその凹部にセラミッ
クス１２の軸部１２ｃを圧入代８０μで圧入した後、焼
入れ・焼戻し処理を行った。その後、スリーブ１５の端
面に硬度がＨRC３５である金属軸１４を電子ビ−ムにて
溶接し、比較用のローターを製造した。最後にこのロ−
タ−を機械加工にて完成形状に仕上げた。このターボチ
ャージャーローターの溶接部近傍の低熱膨張金属の強度
は４００ＭＰａであった。
【００３５】［実験例］実施例１〜３、比較例１〜４の
部品材質、冷却速度及び特性をまとめて表１に示す。こ
れらのターボチャージャーローターをタ−ボチャ−ジャ
−に組み込み、２５００ｃｃのエンジンに取り付け、５
分間アイドリング−５分間１／２負荷２５００ｒｐｍ−
５分間４／４負荷６０００ｒｐｍ（タ−ボ回転数ｍａｘ
１５００００ｒｐｍ）という３つのサイクルを繰り返す
耐久試験を１０ｈｒ行った後、不つり合い量の変化を調
べた。
部品材質、冷却速度及び特性をまとめて表１に示す。こ
れらのターボチャージャーローターをタ−ボチャ−ジャ
−に組み込み、２５００ｃｃのエンジンに取り付け、５
分間アイドリング−５分間１／２負荷２５００ｒｐｍ−
５分間４／４負荷６０００ｒｐｍ（タ−ボ回転数ｍａｘ
１５００００ｒｐｍ）という３つのサイクルを繰り返す
耐久試験を１０ｈｒ行った後、不つり合い量の変化を調
べた。
【００３６】不つり合いの測定位置は図３に示めす様に
セラミックス２２（１２）の頭部Ｔ及び背板Ｈの２ケ所
である。測定結果を表１に示す。
セラミックス２２（１２）の頭部Ｔ及び背板Ｈの２ケ所
である。測定結果を表１に示す。
【表１】 表１に示めされる様に、実施例１〜３のように本発明を
適用したものは、本発明を適用しない比較例１〜４に比
べ回転バランスの変化又は破損を抑制することができ
た。
適用したものは、本発明を適用しない比較例１〜４に比
べ回転バランスの変化又は破損を抑制することができ
た。
【００３７】また、これらの結果より、低熱膨張金属の
強度は０．２％耐力で５００ＭＰａ以上、金属部材硬度
はＨRC２８以上必要である事が判る。低熱膨張金属の強
度が５００ＭＰａより低い場合には不つり合いの変化が
大きく、また、金属部材の硬度がＨRC２８より低い場合
には軸受部の磨耗が増大し、ロ−タ−の破損につながり
好ましくない。
強度は０．２％耐力で５００ＭＰａ以上、金属部材硬度
はＨRC２８以上必要である事が判る。低熱膨張金属の強
度が５００ＭＰａより低い場合には不つり合いの変化が
大きく、また、金属部材の硬度がＨRC２８より低い場合
には軸受部の磨耗が増大し、ロ−タ−の破損につながり
好ましくない。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明接合体は、
低熱膨張金属においてセラミックスとの強固な結合に必
要な高い強度を具備し、金属部材において軸受け等との
摩耗に耐える高い硬度を具備する。従って、セラミック
スとの結合体を回転体として使用するとき、不つり合い
の変化が少なく且つ破損のおそれも少なく信頼性に優れ
た物となる。
低熱膨張金属においてセラミックスとの強固な結合に必
要な高い強度を具備し、金属部材において軸受け等との
摩耗に耐える高い硬度を具備する。従って、セラミック
スとの結合体を回転体として使用するとき、不つり合い
の変化が少なく且つ破損のおそれも少なく信頼性に優れ
た物となる。
【図１】低熱膨張金属の冷却速度と０．２％耐力との関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
【図２】実施例１の接合体とセラミックスとの結合体を
製造しようとするところを示す図である。
製造しようとするところを示す図である。
【図３】実施例２の接合体とセラミックスとの結合体を
製造しようとするところを示す図である。
製造しようとするところを示す図である。
１１，２１ 結合体（ターボチャージャーローター） １２，２２ セラミックス（タービンローター） １３，２３ 接合体（回転軸） １４，２４ 金属軸（金属部材） １５，２５ スリーブ（低熱膨張金属）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−70275（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−97967（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−69570（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−89368（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−124781（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−215769（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−215270（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−9085（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−85846（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−56918（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 37/02 B23K 1/00 - 20/26 B23P 11/00
Claims (13)
- 【請求項１】 気体を冷却媒体として焼入れされた硬度
がＨRC２８以上の金属部材と、この金属部材に接合され
０．２％耐力が５００ＭＰａ以上の析出硬化型低熱膨張
金属とからなることを特徴とする接合体。 - 【請求項２】 金属部材と析出硬化型低熱膨張金属と
が、摩擦圧接、電子ビーム溶接、レーザー溶接又はロー
付けにより接合されている請求項１に記載の接合体。 - 【請求項３】 請求項１〜２に記載の接合体を回転軸と
するターボチャージャーローター。 - 【請求項４】 請求項１〜２に記載の接合体を回転軸と
するガスタービンローター。 - 【請求項５】 気体を冷却媒体として焼入れされた硬度
がＨRC２８以上の金属部材と、この金属部材に接合され
０．２％耐力が５００ＭＰａ以上の析出硬化型低熱膨張
金属と、この析出硬化型低熱膨張金属に結合されたセラ
ミックスとからなることを特徴とする接合体とセラミッ
クスとの結合体。 - 【請求項６】 請求項５に記載の接合体とセラミックス
との結合体よりなるターボチャージャーローター。 - 【請求項７】 請求項５に記載の接合体とセラミックス
との結合体よりなるガスタービンローター。 - 【請求項８】 気体を冷却媒体として焼入れ可能な金属
部材と析出硬化型低熱膨張金属とを溶接した後、金属部
材の焼入れ温度以上に加熱し、次いで８５０℃から５５
０℃までの間の平均冷却速度が５０℃／分以下となるよ
うに気体中で冷却することを特徴とする接合体の製造方
法。 - 【請求項９】 溶接が、摩擦圧接、電子ビ−ム溶接又は
レ−ザ−溶接のいずれかである請求項８に記載の接合体
の製造方法。 - 【請求項１０】 気体を冷却媒体として焼入れ可能な金
属部材と析出硬化型低熱膨張金属とを溶接した後、金属
部材の焼入れ温度以上に加熱し、次いで８５０℃から５
５０℃までの間の平均冷却速度が５０℃／分以下となる
ように気体中で冷却し、更に析出硬化型低熱膨張金属に
セラミックスを嵌合により結合することを特徴とする接
合体とセラミックスとの結合体の製造方法。 - 【請求項１１】 溶接が、摩擦圧接、電子ビ−ム溶接又
はレ−ザ−溶接のいずれかである請求項１０に記載の接
合体とセラミックスとの結合体の製造方法。 - 【請求項１２】 気体を冷却媒体として焼入れ可能な金
属部材と析出硬化型低熱膨張金属との間にロー材を介在
させて金属部材の焼入れ温度以上に加熱した後、８５０
℃から５５０℃までの間の平均冷却速度が５０℃／分以
下となるように気体中で冷却することを特徴とする接合
体の製造方法。 - 【請求項１３】 気体を冷却媒体として焼入れ可能な金
属部材と析出硬化型低熱膨張金属とセラミックスとの間
にそれぞれロー材を介在させて金属部材の焼入れ温度以
上に加熱した後、８５０℃から５５０℃までの間の平均
冷却速度が５０℃／分以下となるように気体中で冷却す
ることを特徴とする接合体とセラミックスとの結合体の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07111893A JP3179928B2 (ja) | 1993-03-04 | 1993-03-04 | 接合体及びそれとセラミックスとの結合体並びにそれらの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07111893A JP3179928B2 (ja) | 1993-03-04 | 1993-03-04 | 接合体及びそれとセラミックスとの結合体並びにそれらの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06254723A JPH06254723A (ja) | 1994-09-13 |
| JP3179928B2 true JP3179928B2 (ja) | 2001-06-25 |
Family
ID=13451337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07111893A Expired - Fee Related JP3179928B2 (ja) | 1993-03-04 | 1993-03-04 | 接合体及びそれとセラミックスとの結合体並びにそれらの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3179928B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5568796B2 (ja) * | 2010-03-08 | 2014-08-13 | 株式会社井口一世 | 金属部品の締結構造 |
| DE102012211481A1 (de) * | 2012-07-03 | 2014-01-09 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils |
| WO2022017850A1 (fr) * | 2020-07-20 | 2022-01-27 | Fogale Nanotech | Capteur capacitif haute temperature |
| FR3112604B1 (fr) * | 2020-07-20 | 2022-10-14 | Fogale Nanotech | Capteur capacitif haute température |
-
1993
- 1993-03-04 JP JP07111893A patent/JP3179928B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06254723A (ja) | 1994-09-13 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |