JPH0497967A - セラミックスと析出硬化型合金の結合体の製造方法 - 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、セラミックスの成形品と析出硬化型合金の成
形品との結合体の製造方法に関し、特にセラミックスと
金属を結合して構成されるターボチャージャーロータ、
タペット、ロッカーアーム等の製造に適するセラミック
スと析出硬化型合金の結合体の製造方法に関するもので
ある。

（従来の技術） セラミックスは、耐熱性、耐摩耗性、耐食性、高温高強
度、軽量などの優れた特性を有する反面、難加工、脆い
などの欠点があるため、構造材として用いる場合は、金
属材料と組合わせて使用するのが一般的である。

そして、セラミックスと金属材料の結合強度をいかに低
コストに、かつ、確実に高め得るかが各種部品のセラミ
ックス化を促進する重要課題であり、そのための研究開
発が現在盛んに行なわれている。

特開平２−１２４７８１号もセラミックスの成形品と金
属の成形品の結合方法を開示する技術の一つである。

この特開平２−１２４７８１号には、セラミックスの成
形品Ｃ以下軸として説明する。）と析出硬化型合金の成
形品（以下スリーブとして説明する。）の嵌合隙間にろ
う材を溶融状態で充填した後凝固させて焼ばめしく以下
ろう付け焼ばめという。）、−旦その結合体を室温まで
冷却した後、該結合体を再び加熱して析出硬化型合金を
析出硬化させる結合方法が、当該特開平２−１２４７８
１号の出願時における従来技術として同公開公報中第１
図破線の加熱パターン等に記載されている。

その加熱パターンを第５図（イ）に示す。

また、特開平２−１２４７８１号は前記の［ろう付け焼
ばめ→室温冷却→時効処理］の加熱パターンによる結合
方法に存する課題（後述する）を解消する目的でなされ
たもので、その概要は、析出硬化型合金のスリーブとセ
ラミックスの軸の間に析出硬化型合金の時効温度より高
い融点のろう材を介装し、最初に前記ろう材の融点より
低い温度で析出硬化型合金の析出硬化処理を行ない、続
いてろう材の融点以上に加熱してろう付け焼ばめするよ
うにしたものである。その加熱パターンを第５図（ハ）
に示す。

（発明が解決しようとする課題） 通常、ろう付け焼ばめ後室温まで冷却する過程において
、ろう材の凝固に伴って焼ばめ力が発生し、そのためス
リーブには周方向の引張応力が生じる。例えば、ろう材
として共晶銀ろう（ＪＩＳ　ＢＡｇ８）を用いる場合、
その凝固点（融点）は７８０℃であり、ここから室温ま
で冷却する間にスリーブに発生する引張応力は材料の熱
膨張によっても若干異なるが、材料の塑性変形を無視す
ると計算上８０Ｋｇ／＋ｕ＋”以上である。

そして、「ろう付け焼ばめ→室温冷却−時効処理」の加
熱パターンによる前者の結合方法では、特開平２−１２
４７８１号において既に認識されているように、ろう付
け焼ばめ段階においてスリーブが未だ析出硬化前であり
、前記ろう付け焼ばめで発生する引張応力に耐え得る強
度が該スリーブに備わっていないため、「ろう付け焼ば
め一室温冷却」の過程で引張応力によってスリーブが低
応力にて降伏してしまい、必要な焼ばめ強度が得られな
い。例えば代表的な時効硬化型合金であるインコロイ９
０３の５００℃における耐力を比較すると、時効品（標
準時効）は７０　ｋｇ／　＋＋ｕ＋＋”以上であるのに
対し、溶体化処理品は２５　ｋｇ／　＋ｎｎ＋”程度で
ある。また、前記のようにスリーブが降伏した状態で析
出硬化処理を行なってもスリーブが塑性変形したままの
状態で硬化することになるため実質的な焼ばめ代は変わ
らず、従って、析出硬化処理を行なう意味がない。もっ
とも、析出硬化型合金は、析出硬化処理の際時効収縮を
伴うため、これにより若干焼ばめ力が太き（なるが、そ
れでも所定の焼ばめ力を得るには至らない。

このことを実証するため本出願人は、第３図のように、
セラミックスの軸１と析出硬化型合金製のスリーブ２の
結合体３を作成し、抜は強度の測定を行なった。以下に
詳述する。

セラミックスの軸１は、窒化珪素（ＳｉｓＮ４）を主成
分とする焼結体で形成された直径１２ｆｆｌＩ＋の丸棒
である。

金属製のスリーブ２は、インコロイ９０３で形成された
円筒体である。スリーブ２の中心孔２ａは、直径がほぼ
１２ａ＋ｍであって、常温において前２軸１を手作業で
挿入し得る程度の嵌め合い寸法であり、また、軸１との
有効嵌合長さが５關である。スリーブ２の中心孔２ａの
上端には面取り状のテーバ部２ｂが形成されている。そ
してさらに、スリーブ２の中心孔２ａの内周面には、ろ
う材の濡れ性を改善するための銅メツキが施されている
。

軸ｌとスリーブ２を接合するろう材４は、融点７８０℃
の銀ろう（ＪＩＳ　ＢＡｇ　８）を使用する。

該ろう材４は、溶融前において中心孔径約１２ａｍのド
ーナツ形をしている。

そして、第３図鎖線のようにスリーブ２のテーパ部２ｂ
にろう材４をセットした状態で該スリーブ２の中心孔２
ａに軸ｌを嵌め込み、これを真空炉に入れて第５図（イ
）の加熱パターンで熱処理を行なった。なお、加熱条件
の詳細は表１中に比較例■として示したとおりである。

こうして作成した結合体３を第４図のような状況で４５
０℃に加熱し、軸１のみに荷重Ｗを加えて抜は強度を測
定したのである。その結果とスリーブ２のビッカース硬
度の測定値を表１に示した。

この試験結果より比較例１の抜は強度が低いことが判か
る。これは、ろう付け焼ばめ後室温冷却するまでの間に
発生する引張応力によってスリーブ２が降伏し、そのた
め所定の焼ばめ力が得られなかったことを意味する。

一方、前記特開乎２−１２４７８１号は、かかるろう付
け焼ばめの引張応力に対して析出硬化型合金が降伏しな
いようにする目的でなされたもので、１時効処理→ろう
付け焼ばめ→室温冷却」の加熱パターンを連続工程で行
なうようにしたものである。

しかし、−Ｍに析出硬化型合金の固溶化熱処理温度は通
常８５０℃以上であって、予め時効処理した材料でもこ
の温度以上になると再溶体化されて軟化する。これは、
析出硬化型合金が低耐力化することを意味し、冷却途中
に発生する前記引張応力によってスリーブ２が降伏して
しまうため、結局所定の焼ばめ力が得られない。

このことを実証するため本出願人は、セラミックスの軸
ｌと析８硬化型合金製のスリーブ２との結合体３を二種
類（比較例ｎ、ｍ）作成し、前記比較例工と同じ抜は強
度の測定を行なった。

結合体３の構成は比較例工と同じである。

加熱パターンは比較例Ｈについて第５図（ロ）に示し、
比較例■について第５図（八）に示した。

また、加熱条件の詳細及びその試験結果は表１に示した
とおりである。

この試験結果より比較例■、■の抜は強度とスリーブ２
の硬度が比較例工に比べても低いことが判かる。これに
より、−旦析出硬化した析出硬化型合金であっても、ろ
う付け熱処理の条件によっては再溶体化されて軟化する
場合があり、かがる場合には所定の焼ばめ力が得られな
い、ということが確認できた。

従って、前記特開平２−１２４７８１号の結合方法では
、上記のような再溶体化現象に起因する結合不良を生じ
させないようにするため、融点が７４０℃〜８４０℃の
ろう材を選定する必要があり、ろう材選定の自由度が極
めて小さいという問題があった。

そしてさらに重要な問題は、例え融点が７４０℃〜８４
０℃のろう材を選定して使用したとしても、大量生産を
行なうと上記のような再溶体化現象に起因する結合不良
が一部の製品に生じる虞があることである。

すなわち、大量生産を行なうには大量バッチ処理を行な
うが、処理数が多くなるとろう付け時に全処理物を均等
に加熱することが困難になる。例えば、炉中でヒータに
近い処理物は比較的速く所定温度に達するが、ヒー、夕
から離れた処理物はそれより遅れて所定の温度に達する
。そして、８５０℃以下の温度でも固溶化が起こり、早
く所定温度に達した処理物はこの時間差だけ溶体化処理
が進行することになる。こうして一部の処理物に再溶体
化現象に起因する結合不良が発生し、品質のばらつきが
起こるのである。

なお、これらの課題は、成形品同士をろう付け焼ばめす
る場合に特に著しく起こるが、成形品同士を単にろう付
けする場合にも生じ得る。

（課叩を解決するための手段） 上記の課題を解消するため本発明は、セラミックスの成
形品と析出硬化型合金の成形品をろう付けするようにし
たセラミックスと析出硬化型合金の結合体の製造方法を
次のように改良したものである。

すなわち、セラミックスの成形品と析出硬化型合金の成
形品との間にろう材を介装した状態で該ろう材の融点以
上に加熱する第１工程と、前記析出硬化型合金をろう材
の融点以下の温度で析出硬化させる第２工程と、両成形
品の結合体を室温まで冷却する第３工程とを連続して行
なうようにした。

（作用） 第１工程でセラミックスの成形品と析出硬化型合金の成
形品との間でろう材が溶融する。

続く第２工程で析出硬化型合金の析出硬化処理が行なわ
れる。このとき、ろう材の融点以下の温度で時効処理を
行なうため、この第２工程でろう材が凝固する。なお、
ろう材の融点より高いか同一の温度で時効処理を行なう
と、時効処理の間ろう材が液相で存在することになり、
ろう材液相中への母材拡散、母材粒界へのろう材浸透等
ろう付け強度を低下させる影響が出るため好ましくない
。

そして室温まで冷却する第３工程で析出硬化型合金の成
形品に引張応力が発生する。しかし、該成形品は第２工
程を経て高強度になっているため、前記引張応力によっ
て若干の塑性変形が生ずるものの、その度合いが溶体化
品に比べて格段に小さく、その差が結合強度の差となっ
て現われる。

また、第１工程〜第３工程にかけて順次温度が下降して
い（加熱パターンを採用したため、析出硬化処理後に析
出硬化型合金が再溶体化することがない。

（実施例） 以下に本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図はターボチャージャーロータＴの分解ｌｒ面図で
ある。

該ターボチャージャーロータＴは、セラミックス製のタ
ービンロータ１０に析出硬化型合金製のスリーブ１１を
介して金属製の回転軸１２を結合したものである。

タービンロータｌＯは、窒化珪素を主成分とする焼結体
で形成されたセラミックス製の成形品であり、底部に短
円柱状の軸１３を一体に突設してなる。セラミックスの
主成分は、前記窒化珪素の他にサイアロンでもよい。

回転軸１２は、ニッケルクロムモリブデン鋼で形成され
たものであり、上端にスリーブ１１の外径と同径のフラ
ンジ１２ａを有する。

スリーブ１１は、前記軸１３に嵌る凹孔１１ａを有する
有底円筒形である。そして、凹孔１１ａと軸１３との嵌
め合い条件は、前記比較例１等における軸ｌとスリーブ
２との嵌め合い条件と同じである。すなわち、軸径１２
＋ｎｍ、凹孔径はぼ１２ｍ園であって、凹孔１１ａに軸
１３が常温において手作業で挿入可能な寸法関係であり
、かつ、軸１３と凹孔１１ａの有効嵌合長さが５１であ
る。スリーブ１４の材料は、析出硬化型合金であるイン
コロイ９０３を使用した。そして、凹孔１１ａの内面に
は、後述するろう材１４ａの濡れ性を改善するため銅メ
ツキを施した。

なお、スリーブ１１の材料は、インコロイ９０３以外に
もインコロイ９０７．インコロイ９０９等を使用しても
よい、また、これ以外にもインコネル７００等種々の合
金が考えられるが、軸１３とスリーブ１１の熱膨張差を
大きく取って十分な焼ばめ強度を得るために時効温度６
００’Ｃ以上の析出硬化型合金を使用するのが最も効果
的である。

しかして、タービンロータ１０の軸１３とスリーブ１１
は、ろう材１４ａによって焼ばめろう付けされる。ろう
材１４ａは、銀ろう（ＪＩＳＢＡｇ８）を使用する。ま
た、ろう材１４ａはこれ以外にも、パラジウムろう、銅
ろう、ニッケルろう等を使用することも考えられる。

ろう材１４ａは、タービンロータ１０の軸１３とほぼ同
径の中心孔を有するドーナツ形であり、溶融前には軸１
３の外周に嵌った状態でスリーブ１１上端のテーパ部１
１ｂに載っており、溶融して軸１３とスリーブ１１の隙
間に充填される。

一方、スリーブ１１と回転軸１２は、前記ろう材１４ａ
と同じ材質のろう材１４ｂでろう付けされる。該ろう材
１４ｂは、溶融前の状態で薄い円板状であり、スリーブ
１１の底壁と回転軸１２のフランジ１２ａ間に介装され
る。

以上の各部材を一体に組み付けて真空炉に入れ、第１図
（イ）実線の加熱パターンで熱処理した。

該加熱パターンによって明らかなように本発明の製造方
法では、ろう材１４ａ、１４ｂを溶融させる第１工程八
と、スリーブ１１をろう材１４ａ。

１４ｂの融点以下の温度で析出硬化させる第２工程Ｂと
、ターボチャージャーロータＴを室温まで冷却する第３
工程Ｃとを連続して行なうものである。なお、第１工程
Ａのろう付け温度は９００”Ｃ１第２工程Ｂの時効温度
は６７０”Ｃで保持時間が１時間、第３工程Ｃは放冷で
ある。

このようにして製造したターボチャージャーロータＴを
実機に組み付け、排気温９００℃、回転数１２０．ＯＯ
Ｏｒｐｍで連続１００時間の耐久試験を行なったが、結
合部に割れ等の異常は何ら認められなかった。

（抜き強度試験） 次に本発明の製造方法に基づいて第３図のような試験品
を１０個作成し、該試験品Ｉ−Ｘについて抜き強度試験
を行なったので、以下この抜き強度試験について説明す
る。

使用する結合体の構成及び試験方法は、前記比較例１〜
ｍと同じである。

試験品１〜■の加熱パターンは第１図（イ）に示した実
線のとおりであり、試験品■の加熱パターンは同図破線
のとおりである。

試験品Ｘの加熱パターンは第１図（ロ）に示したように
、ろう付け温度から６２０℃まで５℃／ｍｉｎで徐冷し
た後、その温度で保持することなく室温まで放冷したも
のである。

その他、各試験８工〜Ｘの加熱条件の詳細は表１に示し
たとおりである。

この試験８工〜Ｘの試験結果とスリーブ２のビッカース
硬度を表１に示す。

この表１より明らかなように２本発明の製造方法による
試験８工〜Ｘは、比較例工〜■に比べて抜は強度が高い
ことが判かる。

また、試験品■は、７２０℃×８時間＋６２０℃×８時
間の標準時効処理を行なったものであるが、時効処理が
短い試験８工〜■の強度との差が小さいことから、極短
時間の時効処理でも実用上十分であることが確認できた
。

そしてさらに、試験品Ｘのように、ろう付け温度から６
２０℃まで５℃／ｗｉｎの割合で徐冷した後、その温度
で保持することなく室温まで放冷したものについても、
他の試験８工〜■に比べて若干強度は劣るものの、実用
上差し支えない強度を得るに十分であることが確認でき
た。

（発明の効果） 以上のように本発明の結合体の製造方法によれば、ろう
付け後室温に冷却する途中で析出硬化型合金を析出硬化
処理するようにしたため、ろう付けに必要な強度が冷却
前厄に成形品に備わり、従って、金属材料の降伏に起因
する結合不良が生じない。かかる効果は、ろう付けによ
って焼ばめする場合において特に顕著である。

また、第１工程〜第３工程にかけて順次温度が下降して
いく加熱パターンであるため、時効処理後に析出硬化型
合金が再溶体化する虞がな（、大量生産に伴うバッチ処
理でも品質のばらつきが生じない。

さらに、ろう付け処理と時効処理を一回の加熱操作で行
なうため、これらを別々に行なう場合に比べて大幅な工
数の低減及び加熱時間の短縮となって低コスト化に寄与
し、かつ、ろう付け処理と時効処理を同−設備で連続的
に行なうため、設備費の低減効果をももたらす。また、
先のろう付け処理が後の時効処理の前処理としての析出
硬化型合金の溶体化処理を兼ねることができるからさら
に熱処理時間が短縮できる等製造１多くの効果がある。

このように本発明は、セラミックスと金属を結合して構
成されるターボチャージャーロータ、タペット、ロッカ
ーアーム、ピストン等の部品の製造方法に適用すること
により、高い信頼性の製品を生産性よく製造できる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、（ロ）は本発明の加熱パターンを示すグ
ラフ、第２図はターボチャージャーロータの分解断面図
、第３図は比較例工〜■、試験品工〜Ｘの断面図、第４
図は抜き強度試験を示す断面図、第５図（イ）〜（ハ）
は比較例１〜■の加熱パターンを示すグラフである。 Ｃ−・第３工程。 特許出麗人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　セラミックスの成形品と析出硬化型合金の成形品をろ
   う付けによって結合するようにしたセラミックスと析出
   硬化型合金の結合体の製造方法において、 両成形品の間にろう材を介装した状態で、該ろう材の融
   点以上に加熱する第１工程と、 前記析出硬化型合金をろう材の融点以下の温度で析出硬
   化させる第２工程と、 両成形品の結合体を室温まで冷却する第３工程とからな
   り、 前記第１工程〜第３工程までを連続して行なうことによ
   って、ろう付け後室温に冷却する途中で析出硬化型合金
   を析出硬化処理するようにしたことを特徴とするセラミ
   ックスと析出硬化型合金の結合体の製造方法。