JPH0369570A - セラミック部材と金属部材との接合方法 - 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、セラミック部材と金属部材とを接合する方法
に関し、詳しくは金属部材として析出硬化型合金を使用
するセラミック部材と金属部材との接合方法に関する。

［従来の技術］ 近年、セラミック部材と金属部材とを接合する方法が種
々提案されている。例えば、特開昭６２７０２７５号公
報には、セラミック部材の軸突起部と金属部材の筒状部
とを充填金属材（ろう付は材〉を介して嵌合し、荷重を
かけた状態で加熱して充填金属材を溶融充填させ、充填
金属材が凝固した後の冷却過程で金属部材とセラミック
部材の熱膨張係数の差に基づく収縮量の差を利用して焼
ばめ応力を発生させる方法が開示されている。

また、特開昭６１−４０８７９号公報には、金属部材と
して析出硬化型合金を使用し、セラミック部材との結合
後析出硬化処理を施す方法が開示されている。この析出
硬化型合金は時効温度で長時間保持されると過飽和固溶
体から溶質が析出することにより硬化する合金であり、
結合力を高く維持するのに有効である。

したがって、セラミック部材の軸突起部に金属部材の筒
状部を焼ばめる際、充填金属材を充填しかつ金属部材と
して析出硬化型合金を用いれば、軸突起部と筒状部との
結合力がさらに高まることが期待される。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、かかる手段を採用しても満足づ−べき結果が
得られないことがわかった。これは、析出硬化型合金よ
りなる筒状部を析出硬化させる前に溶融充填処理を施し
た場合に、溶融した充填金属材か凝固した後の冷却過程
で筒状部に焼ばめ応力が発生し始めることに起因してい
る。すなわち、溶融充填処理後の冷却時には筒状部に焼
ばめ応力が発生するため高温強度が必要となるが、未析
出硬化状態の析出硬化型合金ではこの特性が得られてい
ない。したがって、充填金属材の溶融充填処理後に析出
硬化処理を施しても、溶融充填処理及び析出硬化処理の
双方による結合強度を得ることができない。

本発明は、セラミック部材と金属部材との結合力を析出
硬化処理及び溶融充填処理の双方により確実に高めるこ
とを解決すべき技術課題とするものである。

［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との接合方法は、セ
ラミック部材の軸突起部を析出硬化型合金よりなる金属
部材の筒状部に該析出硬化型合金の析出硬化温度より高
い融点をもつ充填金属材を介して嵌合する嵌合工程と、
該充填金属材を融点以上に加熱して、該充填金属材を該
軸突起部と該筒状部との間に溶融充填させる溶融充填処
理工程と、該溶融充填処理工程後の冷却過程中に炉冷保
持して該筒状部を析出硬化させる析出硬化処理工程とか
らなることを特徴とする。

本発明の接合方法を構成する嵌合工程は、セラミック部
の軸突起部と析出硬化型合金からなる金属部材の筒状部
とを充填金属材を介して嵌合する工程である。この嵌合
は、例えば軸突起部の外径を筒状部の内径よりも僅かに
大きくし圧入により行うことができる。なお充填金属材
は、軸突起部と筒状部との間に形成される軸方向間隙、
又は軸突起部の外周面あるいは筒状部の内周面に形成さ
れた凹部内等に組付けることができる。

上記セラミック部材は一端に軸突起部をもち、金属部材
はこの軸突起部に嵌合可能な筒状部をもっている。セラ
ミック部材の材料としてはとくに限定されず、例えば窒
化珪素、炭化珪素、アルミナ等とすることができる。上
記析出硬化合金の種類もとくに限定されず、例えば析出
硬化温度が７２０’Ｃのインコロイ９０３、同じ＜６０
０’Ｃのインコロイ９０４等を使用することができる。

上記充填金属材は、上記析出硬化型合金の析出硬化温度
より高くかつ上記析出硬化型合金の融点よりも低い融点
をもつものが使用される。この充填金属材として、例え
ば銅合金、銀合金、パラジウム合金、ニッケル合金等を
使用することができる。

本発明の接合方法を構成する溶融充填処理工程は、充填
金属材を融点以上に加熱して軸突起部と筒状部との間に
溶融充填させる工程である。融点以上に加熱された充填
金属材は溶融し、その後の冷却過程中の凝固点で凝固す
る。この溶融充填処理は、軸突起部と筒状部とが互いに
接近する方向に荷重がかけられた状態で行うことができ
る。

本発明の接合方法を構成する析出硬化処理工程は、上記
溶融充填処理工程後の冷却途中で所定温度範囲内に所定
時間以上炉冷保持して、上記筒状部を析出硬化させる工
程である。これにより、筒状部は過飽和固溶体から溶質
が析出することにより硬化して軸突起部との結合に必要
な高温強度を得る。ざらに、筒状部と軸突起部の熱膨張
係数の差に基く収縮量の差により焼ばめ応力が発生し、
結合力が高まる。この析出硬化処理は、上記充填金属材
の融点よりも低い析出硬化温度に所定時間以上炉冷保持
することにより行うこともできるし、上記析出硬化温度
近傍の所定温度範囲内に所定時間以上炉冷保持すること
により行うこともできる。

なお後者の場合、析出硬化温度から高低１００’Ｃ以内
の温度範囲内とすることが好ましい。また、上記保持時
間は］０分以上１２０分以内とすることが好ましい。保
持時間が１０分よりも短いと析出硬化が十分に起こらず
十分な結合強度が確保されない。また保持時間が１２０
分より長くても得られる結合強度に変化がない。

［作用］ 本発明のセラミック部材と金属部材との接合方法は、析
出硬化温度より高い融点をもつ充填金属材を介してセラ
ミック部材の軸突起部と析出硬化型金属よりなる筒状部
とを嵌合し、上記充填金属材を融点以上に加熱して溶融
充填させた後、冷却過程中に所定温度に所定時間炉冷保
持して、該筒状部を析出硬化させるものである。したが
って、まず溶融充填処理工程で充填金属材が軸突起部と
筒状部との間に溶融充填され、その後の冷却過程中の凝
固点で、溶融した充填金属（Ａが凝固し、これにまり軸
突起部と筒状部とが結合する。さらに、その後の冷却過
程中の析出硬化処理工程で筒状部が析出硬化して軸突起
部との結合に必要な高温強度を得るとともに、軸突起部
と筒状部との間には熱収縮による焼ばめ応力が発生し、
両者の結合力がさらに高まる。

なお、溶融した充填金属が凝固してから筒状部が析出硬
化するまでの温度範囲内においても該筒状部に焼ばめ応
力が発生ずるが、溶融充填金属の凝固点と析出硬化温度
との差が小さいため上記温度範囲内における焼ばめ応力
の影響は小さい。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら実施例により具体的に説明す
る。

本実施例は、セラミック製ターボロータシャフトの製造
に本発明を適用したものである。このセラミック製ター
ボロータシャフトは、第１図に示すように、セラミック
製タービンホイール１と金属スリーブ２と、金属軸３と
から構成されている。

セラミック製タービンホイール１は窒化珪素がらなり、
軸突起部１１がその先端に形成されている。

金属スリーブ２は析出硬化型合金であるインコロイ９０
３（析出硬化温度７２０’Ｃ）がらなり、軸突起部１１
と嵌合する筒状部２１が形成されている。上記軸突起部
１１の外径は１２ｍｍ、筒状部２１の内径は１２．２ｍ
ｍである。なお、筒状部２１の内周面には、該筒状部２
１に対する充填金属材４（後述する）の濡れ性を向上さ
せるための銅メツキが施されている。また、第２図は本
実施例の接合方法の各処理のｂ０熱パターンを示ずグラ
フである。

〈嵌合工程〉 筒状部２１の開口内周端面に形成された凹部２２に銀ろ
うＢＡＱ−８（融点７８０’Ｃ）よりなる充填金属相４
を組付けた状態で、軸突起部１］と筒状部２１とを嵌合
した。

（溶融充填処理工程） このように一体となったものを図示しない治具にセラ１
〜し、ｌ’ｌｌｌ突起部１１に筒状部２１を押しっける
ように荷重を負荷した状態で真空炉に入れて８５０’Ｃ
の温度で６０分間保持し、充填金属材４を溶融させて軸
突起部１１と筒状部２１との間に充填した。

（析出硬化処理工程） その後真空炉内で炉冷保持し、第２図に示すように、７
２０〜６２０’Ｃ（第２図中、Ｔで示される範囲）の温
度範囲で１０分間保持されるように、約３０分かけて６
２０’Ｃまで冷却した。このとき、まず上記充填金属材
４の凝固点（７８０’Ｃ）以下の温度になると、溶融し
た充填金属材４は凝固し、軸突起部１１と筒状部２１と
を結合させる。そして、７２０〜６２０’Ｃの温度範囲
では、筒状部２１は過飽和固溶体から溶質が析出するこ
とにより硬化して軸突起部１１との結合に必要な高温強
度を得る。ざらに、軸突起部１１と筒状部２１の熱膨張
係数の差に基く収縮量の差により焼ばめ応力が発生し、
軸突起部１１と筒状部２１との結合力が高まる。

その後、真空炉内にアルゴンガスを導入し冷却ファンを
用いて６０分かけて常温まで強制冷却した。

以上のようにしてセラミック製タービンホイル１と金属
スリーブ２とを接合した後、金属スリブ２にクロム鋼よ
りなる金属軸３を電子ビーム溶接５し、機械加工にて仕
上げを施してセラミック製ターボロータシャフトを製造
した。このシャフトについて排気ガス温度９５０’Ｃに
て高温高速回転試験を実施した結果、１８万ｒ、ｐ、ｍ
、に］Ｏ おいても破壊が生じることなく、良好に結合しているこ
とか確認された。

（試験例） 上記実施例における、析出硬化処理温度（７２０〜６２
０　’Ｃ）の保持時間下を種々変え、この保持時間下と
金属スリーブ２の硬さとの関係を調べた。その結果を第
３図に示ず。さらに、上記保持時間下を種々変え、上記
実施例と同様に製造したセラミック製ターボ［１−タシ
Ｖ７１〜を高温ネジリ試験機にかけ、結合部の５００℃
における高温ネジリ強度を測定し、高温ネジリ強度と金
属スリブ２の硬さとの関係を調べた。その結果を第４図
にボす。

第３図及び第４図からもわかるように、保持時間下を１
０分以上にすることにより金属スリーブ２の硬度は２８
０〜３８０　Ｈｖとなり、金属スリブ２の硬度が２８０
口Ｖ以上あれば十分な結合強度が得られる。したがって
、析出硬化処理における保持時間下を１０分以上とする
ことにより、十分な結合強度か確保できる。なお、保持
時間Ｔ１ を１０分Ｊ：り長くしても金属スリーブ２の硬度は高く
ならなかった。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明のセラミック部材と金属部
材との接合方法では、析出硬化温度以上の融点をもつ充
填金属材がセラミック部材の軸突起部と金属部材の筒状
部との間に溶融充填され、その後の冷却過程中の凝固点
で、溶融した充填金属材が凝固し、これにより１１１１
突起部と筒状部とが結合する。さらに、その後の冷却過
程中の析出硬化工程で筒状部が析出硬化して軸突起部と
の結合に必要な高温強度を得るとともに、軸突起部と筒
状部との間には熱収縮による焼ばめ応力か発生し、両者
の結合力がさらに高まる。

したがって、本発明の接合方法は溶融充填処理後の冷却
過程中に析出硬化処理を行うものであるから、充填金属
材の融点が析出硬化温度より高い場合でも結合強度が低
下することなく、溶融充填処理及び析出硬化処理の双方
により、上記軸突起部と筒状部とを確実に接合すること
か可能となる。

２ また、溶融充填処理工程後に炉冷しているため、セラミ
ック部材に対し急激に熱応力が作用することもなく、該
熱応力が原因で発生するクラックを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の接合方法により得られたセラミック
製ターボロータシャフ１〜の部分断面図、第２図は上記
接合方法の各処理工程の加熱パタンを示すグラフ、第３
図は析出硬化処理工程の保持時間下と金属スリーブの硬
度との関係を示すグラフ、第４図は高温ネジリ強度と金
属スリーブの硬度との関係を示すグラフである。 １・・・セラミック製タービンホイール２・・・金属ス
リーブ　　　３・・・金属軸４・・・充填金属材　　　
１１・・・軸突起部２１・・・筒状部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック部材の軸突起部を析出硬化型合金より
   なる金属部材の筒状部に該析出硬化型合金の析出硬化温
   度より高い融点をもつ充填金属材を介して嵌合する嵌合
   工程と、 該充填金属材を融点以上に加熱して、該充填金属材を該
   軸突起部と該筒状部との間に溶融充填させる溶融充填処
   理工程と、 該溶融充填処理工程後の冷却過程中に炉冷保持して該筒
   状部を析出硬化させる析出硬化処理工程とからなること
   を特徴とするセラミック部材と金属部材との接合方法。