JPH0597531A - セラミツク製タービンホイールの接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミックホイールと金属スリーブの接合強
度を向上させる方法を提供する。 【構成】 セラミックホイールとＴｉ含有金属製スリー
ブを嵌合してその隙間に軟質ロウ材を充填して両者を接
合する方法において、前記金属製スリーブ外周部に高周
波コイルを配して前記ロウ材の融点を越える温度まで加
熱し、該温度にて３分以上保持して前記ロウ材を溶融さ
せ充填し、その後冷却し、金属製スリーブの時効温度に
て前記ロウ材の析出硬化に必要な時間保持した後、室温
まで冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックホイールと金
属スリーブとをロウ材を用いて金属充填結合する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミック製タービンホイール
を、セラミックホイール、金属スリーブ、金属軸の３部
品で構成し、接合して一体化する製造方法は知られてお
り、その接合手段として、セラミックホイールと金属ス
リーブを金属充填結合（両者を嵌合して、その嵌合部に
ロウ材を充填して締結する方法）によって接合し、金属
スリーブと金属軸を電子ビーム溶接により接合する方法
が提案されている（特開昭６１−１５２９０２号公
報）。そして、金属スリーブは高温で高強度を必要と
し、また、熱膨張係数が小さいことが要求されるため、
その材料としてインコロイ（商標）９０３、インコロイ
（商標）９０９等の析出硬化型の耐熱鋼が一般に使用さ
れている。また、金属充填結合に使用するロウ材は、セ
ラミックにクラックが入らないようにするために締め付
け力を必要以上に加えない軟質で低融点のロウ材である
銀ロウ（ＢＡｇ８、組成：Ａｇ７２％，Ｃｕ２８％）が
一般に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】セラミックホイールと
金属スリーブの金属充填結合を用いて作られる従来の、
セラミックターボでは、銀ロウを使用した従来の接合手
段によって得られる接合強度で、その用途を十分に満足
していた。しかし、近年、セラミックターボの小型化、
セラミックホイールの軸部の細径化が要求されており、
従来の接合手段によって得られる接合強度では、実用上
の要請を満足できず、セラミックホイールと金属スリー
ブの接合強度の向上が要望される様になってきた。

【０００４】銀ロウを使用して金属充填結合を行なうに
際して、従来、その加熱源には真空炉を用い、真空炉中
で加熱して充填する方法が一般に用いられてきたが、真
空炉中の処理ではその保持時間を長くしても、図３に示
すように接合強度を向上することができなかった。尚、
図３において、接合強度は試験温度５００℃とし、高温
でのネジリトルクを測定したものである。この図におい
て黒正方形印が真空炉中充填温度（９５０℃）で３０分
保持した結果を示す。

【０００５】また、加熱源に高周波誘導加熱を使用した
場合においても、図４に示した、従来の高周波誘導加熱
で一般的に使用される加熱パターンでは、図５に示す様
に、充填は完全に行われるものの、図３の黒丸に示した
ように、従来の真空炉中で処理したものと同等の結合強
度しか得られなかった。

【０００６】また、使用するロウ材を、高温強度のより
高い銅系のロウ材、又はＮi 系のロウ材といった別種の
ロウ材を使用した場合、セラミックへの締め付け力が過
大となりクラックが発生してしまうという問題があっ
た。

【０００７】本発明の目的はセラミックホイールと金属
スリーブの接合強度を向上させる方法を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミックホ
イールとＴｉ含有金属製スリーブを嵌合してその隙間に
軟質ロウ材を充填して両者を接合する方法において、前
記金属製スリーブ外周部に高周波コイルを配して前記ロ
ウ材の融点を越える温度まで加熱し、該温度にて３分以
上高周波をかけつつ保持して前記ロウ材を溶融させ充填
し、その後冷却し、金属製スリーブの時効温度にてその
析出硬化に必要な時間保持した後、室温まで冷却するこ
とを特徴とする前記方法である。

【０００９】本発明に用いうるセラミックとしては窒化
珪素、ＳｉＣ、サイアロン、ＡｌＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｚｒ
Ｏ₂ 等がある。このうちで窒化珪素が高強度及び低コス
トのため好ましい。

【００１０】本発明におけるスリーブの材料に用いうる
Ｔｉ含有金属としてはインコロイ（商標）９０３、イン
コロイ（商標）９０９、インコロイ（商標）９０７、イ
ンコネル（商標）７１３、インコネル（商標）７１８等
がある。このうちでインコロイ（商標）９０３及びイン
コロイ（商標）９０９が強度が高く、熱膨張係数が低い
ため好ましい。

【００１１】本発明において軟質ロウ材を用いるのは、
スリーブが冷却した時生じる圧縮力を緩和して中のセラ
ミックにクラックを生ぜしめないためである。このよう
な作用を持つ軟質ロウ材としては、銀ロウ（ＢＡｇ１，
５，６，８）、黄銅ロウ、りん銅ロウ、パラジウムロウ
等がある。このうちで銀ロウ（ＢＡｇ−８：組成Ａｇ７
８wt％−Ｃｕ２８wt％）がフラックス不要で、かつコス
ト的にも適正であり、また耐熱性と熱応力を考慮した溶
融温度としても最適である。

【００１２】前記ロウ材の溶融保持時間は約３分以上が
好ましい。約３分以下だとセラミックホイールと金属ス
リーブの接合強度が充分に出ないからである。この時間
の上限は特にはないが、あまり長くしても特に前記接合
強度が上がる訳ではなく、経済性を考慮して１０分以下
が好ましい。

【００１３】

【作用】前記ロウ材を約３分以上溶融保持しその間、高
周波をかけることにより、この高周波によって発生する
磁界により、セラミックホイールと金属スリーブの間で
溶融したロウ材金属がローレンツ力により攪拌され、金
属スリーブの母材中のＴｉが充填金属中に混入・拡散す
るため、セラミックに対して活性な金属であるＴｉの作
用により、充填金属のセラミックに対する濡れ性が改善
され、セラミック表面の微細な凹凸にまで充填金属が充
填され、そのアンカー効果によって接合強度が増大する
ものである。

【００１４】

【実施例】以下に図面に則して本発明の実施例を説明す
る。

【００１５】図１は接合前のセラミックホイール及び金
属スリーブの取り付け状態を示す断面図である。窒化ケ
イ素製のセラミックホイール１と低熱膨張・析出硬化型
耐熱合金でありＴｉを、その母材成分として含有する、
インコロイ（商標）９０３製の金属スリーブ２を隙間ば
めで嵌合する。充填する金属３には、銀ロウ（ＢＡｇ
８、組成：Ａｇ７２％，Ｃｕ２８％，融点７８０℃）を
使用し、リング状の銀ロウ３を金属スリーブ２の上端面
に配置する。

【００１６】加熱源として高周波誘導加熱を使用する
が、その加熱用のコイル４は金属スリーブ２が加熱さ
れ、また、充填金属３が充填されるべき嵌合部に磁界が
形成される様に、金属スリーブ２の外周部に配置する。
被接合材１，２、ロウ材３、加熱コイル４、および、図
示しない周辺の治具装置は、シールドチャンバ５内に配
置し、加熱前にシールドチャンバ５の中にアルゴンガス
をいれ、大気とアルゴンガスを置換しシールドした不活
性ガス雰囲気中で加熱を行なう。

【００１７】本発明の接合方法による加熱時の温度履歴
を図２に示す。高周波誘導加熱を使用し、充填する金属
３、銀ロウ：ＢＡｇ８の融点７８０℃を超える温度で保
持時間ｔ₁ を設定することに本発明の特徴がある。

【００１８】高周波誘導加熱により金属スリーブ２を加
熱し、金属スリーブ２の温度が、銀ロウ３：ＢＡｇ８の
融点７８０℃に達した時点で加熱コイル４への入力を減
らし、金属スリーブ２の温度が９５０℃になるように保
持して、熱伝導により銀ロウ３：ＢＡｇ８を溶融させ、
図５に示すようにセラミックホイール１と金属スリーブ
２の嵌合部の隙間に充填する。この際、図４に示した、
従来の高周波誘導加熱で一般的に使用される加熱パター
ンの様に、保持時間ｔ₁ を設定しない場合（ｔ ₁ ≒０）
でも、充填は完全に行われるが、図３に示したように、
真空炉中で処理したものと同等の結合強度しか得られな
い。それに対し、図２に示した、本発明の接合方法によ
る加熱時の温度履歴により充填をおこなった場合の結合
強度は、図３に示したように、ｔ₁ ＝３分以上とするこ
とにより、接合強度が従来法に比べて４０％向上する。

【００１９】これは、高周波により発生する磁界により
図６に示すように溶融した充填金属３がローレンツ力に
より攪拌され、金属スリーブ２の母材中のＴｉが充填金
属中に混入・拡散することから、セラミック（窒化ケイ
素）に対して活性な金属であるＴｉの作用により、充填
金属３のセラミック（窒化ケイ素）に対する濡れ性が改
善され、セラミック表面の微細な凹凸にまで充填金属３
が充填され、そのアンカー効果によって接合強度が増大
したものである。尚図６においては、図面が見にくくな
るのを避けるために断面を表わすハッチングは省略し
た。

【００２０】本発明による接合法による場合に対し、高
周波誘導加熱で従来、一般的に使用される加熱パターン
である、保持時間ｔ₁ を設定しない場合（ｔ₁ ＝０）及
び真空炉中で保持時間を３０分と長くした場合では溶融
した充填金属３の攪拌効果が小さいため、接合界面の状
態をＳＥＭにより詳細に観察した結果、本発明による接
合法と従来法では、その充填状態が明らかに異なること
が確認された。また、充填金属部の成分を分析した結
果、本発明の接合法では、Ｔｉが確認されたが、従来法
ではＴｉの存在を確認できなかった。

【００２１】充填金属の溶融・充填が完了した後の冷却
過程で金属スリーブ２（インコロイ（商標）９０３）の
時効温度（７２０℃）で一定時間保持し析出硬化させた
後、室温まで冷却することにより本発明の接合が完了す
る。

【００２２】

【発明の効果】以上、述べた様に本発明による接合法に
よれば、従来の充填金属である銀ロウ材例えばＢＡｇ８
の成分を変更すること無く、例えば窒化ケイ素製のセラ
ミックホイール１と低熱膨張・耐熱合金、例えばインコ
ロイ（商標）９０３製の金属スリーブ２の接合強度を高
めることができる。また、充填金属３には、軟質で低融
点のロウ材を使用しているため締め付け力が必要以上に
加わることがないため、セラミックにクラックが入らな
い良好な接合状態を得ることができる。

【００２３】更に、従来の真空炉による接合法では多数
個を同時に処理するバッチ処理にならざるを得ないが本
発明の接合法では、高周波加熱を用いるため１ヶづつ処
理することが可能であり、機械加工ライン中へのインラ
イン化が可能であり、物流が簡略化されることから生産
性の向上、低コスト化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックホイール及び金属スリーブの接合前
の取り付け状態を示す断面図。

【図２】本発明の接合方法による加熱時の被充填金属及
び金属スリーブの温度履歴を示すグラフ。

【図３】本発明方法及び従来法による接合強度を示すグ
ラフ。

【図４】従来の高周波誘導加熱で使用される加熱パター
ン。

【図５】ロウ材がセラミックホイールと金属スリーブの
間に充填される様子を示す断面図。

【図６】高周波により発生する磁界により、溶融した金
属がローレンツ力により攪拌される原理を示す図。

【符号の説明】

１…セラミックホイール ２…金属スリーブ ３…ロウ材 ４…加熱コイル ５…シールドチャンバ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックホイールとＴｉ含有金属製ス
   リーブを嵌合してその隙間に軟質ロウ材を充填して両者
   を接合する方法において、前記金属製スリーブ外周部に
   高周波コイルを配して前記ロウ材の融点を越える温度ま
   で加熱し、該温度にて３分以上高周波をかけつつ保持し
   て前記ロウ材を溶融充填し、その後冷却し、金属製スリ
   ーブの時効温度にてその析出硬化に必要な時間保持した
   後、室温まで冷却することを特徴とする前記方法。