JPS6216184B2 - - Google Patents
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- JPS6216184B2 JPS6216184B2 JP56140518A JP14051881A JPS6216184B2 JP S6216184 B2 JPS6216184 B2 JP S6216184B2 JP 56140518 A JP56140518 A JP 56140518A JP 14051881 A JP14051881 A JP 14051881A JP S6216184 B2 JPS6216184 B2 JP S6216184B2
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Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
発明の目的
〔産業上の利用分野〕
本発明は、セラミツクスと金属との複合構造体
に関する。 〔従来の技術〕 セラミツクスは、その耐熱性、高剛性、耐摩耗
性あるいは耐食性などの点で、在来の金属材料を
超えたすぐれた特性を有するため、構造用材料と
しての使用が広い分野で試みられるようになつて
きた。 実際にセラミツクスを構造用材料として使用す
るに当つては、ある構造全体をセラミツクスでつ
くることは少なく、金属と複合することが多い。 このようなセラミツクス部材と金属部材との複
合構造体における最大の問題は、温度の変化に伴
つて両部材の熱膨脹係数の差により生じる応力
や、内外部から機械的に加えられた応力でセラミ
ツクス部材が破損することである。金属部材は弾
性変形をして応力集中が避けられるのに対し、セ
ラミツクスは高剛性のため応力が集中して破損し
やすい。 セラミツクスの破損を防ぐ対策としては、セラ
ミツクス部材に加わる力を金属部材で十分に分散
できるような設計をするか、またはセラミツクス
部材と金属部材との間に緩衝層を設けることが考
えられる。 この観点からのセラミツクス―金属複合構造体
の構成についての具体的提案としては、つぎのよ
うな技術が挙げられる。すなわち、セラミツクス
製タービンブレードと金属製デイスクの組み合わ
せに当つて植込部に被覆層を設けること(特開昭
49―37009号)、金属板上に密度の低い金属パツド
を接合した上に黒鉛などの犠牲材と不活性セラミ
ツクス材との混合物をプラズマ噴霧し、犠牲材を
除去するという手法(特開昭54―108816号公
報)、あるいは、金属基質上に金属ワイヤからな
る多孔性パツドを接合し、MCr Al Y型の材料
をプラズマスプレー法により含浸した上にセラミ
ツクス表面被覆材を付着させるという手法(特開
昭55―154587号公報)である。 これら既知の技術は、プラズマの使用を必要と
したり、特定の材質でなければ適用できなかつた
りして、普遍性に乏しい。複合構造体の形状も、
当然に制約がある。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明の目的は、上記した技術の現状を打開し
て、任意のセラミツクスと任意の金属とを複合
し、任意の形状をもつた構造体を提供することに
ある。 発明の構成 〔問題点を解決するための手段〕 本発明のセラミツクス―金属複合構造体の基本
的なタイプは、セラミツクス部材と金属部材とを
機械的に接合することにより構成した複合構造体
であつて、金属部材が金属粉末を焼結して相対密
度94%以下の焼結材としたものであることを特徴
とする。 金属部材は、セラミツクス部材と接している部
分が上記相対密度をもつ焼結金属であればよく、
全体がこの焼結金属である必要はない。 従つて本発明のセラミツクス―金属複合構造体
の第二のタイプは、セラミツクス部材と金属部材
とを機械的に接合することにより構成した複合構
造体であつて、金属部材が相対密度94%以下の焼
結材と相対密度94%超過の焼結材および(また
は)溶製材とからなり、相対密度94%以下の焼結
材の部分においてセラミツクス部材と接触してい
ることを特徴とする。 上記いずれのタイプにおいても、セラミツクス
部材と金属部材との間の機械的接合は、多くの手
法が採用できる。代表的なものは、ボルト締め、
圧入、焼きばめなどである。金属部材が2種以上
のものからなる場合、それら2種を接合する手法
は任意であつて、上記した機械的接合法すなわち
ボルト締め、圧入、焼きばめのほか、接着、溶
接、圧接、拡散接合など、既知の方法から選択す
ればよい。 本発明の複合構造体において、相対密度94%以
下の焼結材の厚さは、セラミツクス部材の厚さの
ほぼ1/2以上あることが好ましい。 〔作用〕 一般に焼結金属は、同じ組成の溶製金属にくら
べてヤング率が低く、小さな応力でも大きな変形
を起すことが知られている。これを利用すれば、
セラミツクス部材への応力の集中を避けることが
できる、という着想が、本発明の基礎である。 焼結金属のこの特徴は、その相対密度が高くな
り、機械的特性が溶製金属に近くなるにつれて失
なわれてゆく。種々の相対密度の焼結金属をセラ
ミツクスと組み合わせて試験したところ、上記の
効果は相対密度94%付近で顕著な臨界性を有し、
これ以下の相対密度の焼結金属部材はセラミツク
ス部材を破損させること少なく、一方、この限界
を超える相対密度の焼結金属部材を用いたときに
は、セラミツクスへの応力集中が、しばしばそれ
を破損する程度に至ることが見出された。 さらにこの相対密度の限界は、金属の種類にか
かわらずほぼ同じ、上記94%付近にあることも判
明した。これは、焼結金属としての特徴は主とし
てその気孔率によつて支配され、金属の物性その
ものによつて決定されるわけではないからと考え
られる。 このように、相対密度94%以下の焼結金属部材
が複合構造体における緩衝層としての役割を果
し、セラミツクスと金属との特性をあわせもつ構
造体が得られる。 従つて、相対密度94%以下の焼結材の厚さは、
セラミツクス部材の厚さに対して十分なものとな
るよう、選ぶべきである。必要な厚さは、複合構
造体の形状や大きさ、とくにセラミツクス部材の
それら、焼結金属の相対密度および発生する応力
の程度などで異なるが、多くの場合、前記したよ
うにセラミツクス部材の厚さの少なくとも1/2あ
ればよいことが、実験の結果明らかになつた。 〔実施例 1〕 内径10mm×外径30mm×高さ10mmのSi3N4普通焼
結体リングを、厚さ10mm×内径30mm×外径50mmの
SUS410焼結体(相対密度90%)リングに圧入し
て、第1図に示す構成の二重リングを製作した。 これを、大気中500℃の炉に15分間保持し直ち
に水中(約25℃)に投入して2分間おき、再び炉
内に戻すという加熱―冷却サイクル試験に供し
た。 比較のため、SUS410の上記と同じ形状である
が本発明に従わない材料からなるリングを用いた
二重リングをもつくり、同じ熱サイクル試験を行
なつた。 その結果は次のとおりである。
に関する。 〔従来の技術〕 セラミツクスは、その耐熱性、高剛性、耐摩耗
性あるいは耐食性などの点で、在来の金属材料を
超えたすぐれた特性を有するため、構造用材料と
しての使用が広い分野で試みられるようになつて
きた。 実際にセラミツクスを構造用材料として使用す
るに当つては、ある構造全体をセラミツクスでつ
くることは少なく、金属と複合することが多い。 このようなセラミツクス部材と金属部材との複
合構造体における最大の問題は、温度の変化に伴
つて両部材の熱膨脹係数の差により生じる応力
や、内外部から機械的に加えられた応力でセラミ
ツクス部材が破損することである。金属部材は弾
性変形をして応力集中が避けられるのに対し、セ
ラミツクスは高剛性のため応力が集中して破損し
やすい。 セラミツクスの破損を防ぐ対策としては、セラ
ミツクス部材に加わる力を金属部材で十分に分散
できるような設計をするか、またはセラミツクス
部材と金属部材との間に緩衝層を設けることが考
えられる。 この観点からのセラミツクス―金属複合構造体
の構成についての具体的提案としては、つぎのよ
うな技術が挙げられる。すなわち、セラミツクス
製タービンブレードと金属製デイスクの組み合わ
せに当つて植込部に被覆層を設けること(特開昭
49―37009号)、金属板上に密度の低い金属パツド
を接合した上に黒鉛などの犠牲材と不活性セラミ
ツクス材との混合物をプラズマ噴霧し、犠牲材を
除去するという手法(特開昭54―108816号公
報)、あるいは、金属基質上に金属ワイヤからな
る多孔性パツドを接合し、MCr Al Y型の材料
をプラズマスプレー法により含浸した上にセラミ
ツクス表面被覆材を付着させるという手法(特開
昭55―154587号公報)である。 これら既知の技術は、プラズマの使用を必要と
したり、特定の材質でなければ適用できなかつた
りして、普遍性に乏しい。複合構造体の形状も、
当然に制約がある。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明の目的は、上記した技術の現状を打開し
て、任意のセラミツクスと任意の金属とを複合
し、任意の形状をもつた構造体を提供することに
ある。 発明の構成 〔問題点を解決するための手段〕 本発明のセラミツクス―金属複合構造体の基本
的なタイプは、セラミツクス部材と金属部材とを
機械的に接合することにより構成した複合構造体
であつて、金属部材が金属粉末を焼結して相対密
度94%以下の焼結材としたものであることを特徴
とする。 金属部材は、セラミツクス部材と接している部
分が上記相対密度をもつ焼結金属であればよく、
全体がこの焼結金属である必要はない。 従つて本発明のセラミツクス―金属複合構造体
の第二のタイプは、セラミツクス部材と金属部材
とを機械的に接合することにより構成した複合構
造体であつて、金属部材が相対密度94%以下の焼
結材と相対密度94%超過の焼結材および(また
は)溶製材とからなり、相対密度94%以下の焼結
材の部分においてセラミツクス部材と接触してい
ることを特徴とする。 上記いずれのタイプにおいても、セラミツクス
部材と金属部材との間の機械的接合は、多くの手
法が採用できる。代表的なものは、ボルト締め、
圧入、焼きばめなどである。金属部材が2種以上
のものからなる場合、それら2種を接合する手法
は任意であつて、上記した機械的接合法すなわち
ボルト締め、圧入、焼きばめのほか、接着、溶
接、圧接、拡散接合など、既知の方法から選択す
ればよい。 本発明の複合構造体において、相対密度94%以
下の焼結材の厚さは、セラミツクス部材の厚さの
ほぼ1/2以上あることが好ましい。 〔作用〕 一般に焼結金属は、同じ組成の溶製金属にくら
べてヤング率が低く、小さな応力でも大きな変形
を起すことが知られている。これを利用すれば、
セラミツクス部材への応力の集中を避けることが
できる、という着想が、本発明の基礎である。 焼結金属のこの特徴は、その相対密度が高くな
り、機械的特性が溶製金属に近くなるにつれて失
なわれてゆく。種々の相対密度の焼結金属をセラ
ミツクスと組み合わせて試験したところ、上記の
効果は相対密度94%付近で顕著な臨界性を有し、
これ以下の相対密度の焼結金属部材はセラミツク
ス部材を破損させること少なく、一方、この限界
を超える相対密度の焼結金属部材を用いたときに
は、セラミツクスへの応力集中が、しばしばそれ
を破損する程度に至ることが見出された。 さらにこの相対密度の限界は、金属の種類にか
かわらずほぼ同じ、上記94%付近にあることも判
明した。これは、焼結金属としての特徴は主とし
てその気孔率によつて支配され、金属の物性その
ものによつて決定されるわけではないからと考え
られる。 このように、相対密度94%以下の焼結金属部材
が複合構造体における緩衝層としての役割を果
し、セラミツクスと金属との特性をあわせもつ構
造体が得られる。 従つて、相対密度94%以下の焼結材の厚さは、
セラミツクス部材の厚さに対して十分なものとな
るよう、選ぶべきである。必要な厚さは、複合構
造体の形状や大きさ、とくにセラミツクス部材の
それら、焼結金属の相対密度および発生する応力
の程度などで異なるが、多くの場合、前記したよ
うにセラミツクス部材の厚さの少なくとも1/2あ
ればよいことが、実験の結果明らかになつた。 〔実施例 1〕 内径10mm×外径30mm×高さ10mmのSi3N4普通焼
結体リングを、厚さ10mm×内径30mm×外径50mmの
SUS410焼結体(相対密度90%)リングに圧入し
て、第1図に示す構成の二重リングを製作した。 これを、大気中500℃の炉に15分間保持し直ち
に水中(約25℃)に投入して2分間おき、再び炉
内に戻すという加熱―冷却サイクル試験に供し
た。 比較のため、SUS410の上記と同じ形状である
が本発明に従わない材料からなるリングを用いた
二重リングをもつくり、同じ熱サイクル試験を行
なつた。 その結果は次のとおりである。
実施例1と同じ材料を用い、寸法も同じである
が、構成はこれと逆にとり、第3図に示すように
Si3N4を外側に、SUS410を内側にした二重リング
を製作して、同様な熱サイクル試験を行なつた。 その結果を下に示す。
が、構成はこれと逆にとり、第3図に示すように
Si3N4を外側に、SUS410を内側にした二重リング
を製作して、同様な熱サイクル試験を行なつた。 その結果を下に示す。
【表】
分にワレ発生
下記3種のリングを組み合わせて、第4図に示
す構造の三重リングを製作した。 〇 内径10mm×外径30mm×高さ10mmのSi3N4普通
焼結体リング、 〇 内径30mm×外径42mm×高さ10mmのSUS304焼
結体(相対密度90%)リング、および 〇 内径42mm×外径62mm×高さ10mmのSUS304圧
延材リング。 これに対して実施例1と同様な熱サイクル試験
を行なつたところ、100回に至つても変化はなか
つた。 〔実施例 5〕 実施例4よりSUS304焼結体リング肉厚をやや
小さくして、下記の3種の組み合わせで、第5図
に示す構成の三重リングを製作した。 〇 内径10mm×外径30mm×高さ10mmのSi3N4普通
焼結体リング、 〇 内径30mm×外径38mm×高さ10mmのSUS304焼
結体(相対密度90%)リング、および 〇 内径38mm×外径58mm×高さ10mmのSUS304圧
延材リング。 この三重リングのサンプル20個について熱サイ
クル試験を行なつたところ、100回まで変化しな
いものもある一方、80回程度でワレの生じたもの
もあり、実施例4にくらべて若干低い成績であつ
た。この結果から、焼結金属の厚みはセラミツク
ス部材の厚みの1/2以上が望ましいことが判る。 〔実施例 6〕 焼結A2O3と、焼結S35C鋼との組み合わせで、
第6図に示す構造の銅伸線機用のキヤプスタンを
製作した。この複合体はすぐれた耐摩耗性を示し
た。 〔実施例 7〕 渦流燃焼式ジーゼルエンジンのホツトチヤンバ
ー(燃焼室)を、 〇 第7図に示すように、Si3N4反応焼結体噴孔
部をSUH661焼結体で全体をつくつたチヤンバ
ーに圧入することにより、および 〇 第8図に示すように、セラミツクス製噴孔部
の周囲をSUH661焼結体で囲んだものを、鋳造
SCH1製チヤンバー中に鋳ぐるみにより設ける
ことにより、 それぞれ製作した。 このホツトチヤンバーは、従来の耐熱Ni基合
金の製品にまさるとも劣らない耐ヒートクラツク
性を有し、且つ耐熱Ni基合金で問題となる噴孔
部の溶損に関しては、セラミツクスの利点である
高温耐食性を発揮することができ、溶損は全く認
められなかつた。 〔発明の効果〕 本発明のセラミツクス―金属複合構造体は、両
部材間の接合が良好であるから、セラミツクスの
もつ耐熱性、耐摩耗性および耐食性を、金属部材
のもつすぐれた機械的特性により活用することが
できる。従つて本発明は、熱機関の耐熱部品、バ
ルブやカムの耐摩耗部品、あるいは化学装置の耐
食部品などを中心とする、きわめて広範囲の分野
に適用することができる。
す構造の三重リングを製作した。 〇 内径10mm×外径30mm×高さ10mmのSi3N4普通
焼結体リング、 〇 内径30mm×外径42mm×高さ10mmのSUS304焼
結体(相対密度90%)リング、および 〇 内径42mm×外径62mm×高さ10mmのSUS304圧
延材リング。 これに対して実施例1と同様な熱サイクル試験
を行なつたところ、100回に至つても変化はなか
つた。 〔実施例 5〕 実施例4よりSUS304焼結体リング肉厚をやや
小さくして、下記の3種の組み合わせで、第5図
に示す構成の三重リングを製作した。 〇 内径10mm×外径30mm×高さ10mmのSi3N4普通
焼結体リング、 〇 内径30mm×外径38mm×高さ10mmのSUS304焼
結体(相対密度90%)リング、および 〇 内径38mm×外径58mm×高さ10mmのSUS304圧
延材リング。 この三重リングのサンプル20個について熱サイ
クル試験を行なつたところ、100回まで変化しな
いものもある一方、80回程度でワレの生じたもの
もあり、実施例4にくらべて若干低い成績であつ
た。この結果から、焼結金属の厚みはセラミツク
ス部材の厚みの1/2以上が望ましいことが判る。 〔実施例 6〕 焼結A2O3と、焼結S35C鋼との組み合わせで、
第6図に示す構造の銅伸線機用のキヤプスタンを
製作した。この複合体はすぐれた耐摩耗性を示し
た。 〔実施例 7〕 渦流燃焼式ジーゼルエンジンのホツトチヤンバ
ー(燃焼室)を、 〇 第7図に示すように、Si3N4反応焼結体噴孔
部をSUH661焼結体で全体をつくつたチヤンバ
ーに圧入することにより、および 〇 第8図に示すように、セラミツクス製噴孔部
の周囲をSUH661焼結体で囲んだものを、鋳造
SCH1製チヤンバー中に鋳ぐるみにより設ける
ことにより、 それぞれ製作した。 このホツトチヤンバーは、従来の耐熱Ni基合
金の製品にまさるとも劣らない耐ヒートクラツク
性を有し、且つ耐熱Ni基合金で問題となる噴孔
部の溶損に関しては、セラミツクスの利点である
高温耐食性を発揮することができ、溶損は全く認
められなかつた。 〔発明の効果〕 本発明のセラミツクス―金属複合構造体は、両
部材間の接合が良好であるから、セラミツクスの
もつ耐熱性、耐摩耗性および耐食性を、金属部材
のもつすぐれた機械的特性により活用することが
できる。従つて本発明は、熱機関の耐熱部品、バ
ルブやカムの耐摩耗部品、あるいは化学装置の耐
食部品などを中心とする、きわめて広範囲の分野
に適用することができる。
第1図は、本発明の実施例1で製作したセラミ
ツクス―焼結金属複合構造体を示すものであつ
て、Aは半分あらわした平面図、Bは軸に沿う断
面図である。第2図は、セラミツクス―焼結金属
複合構造体における焼結金属の相対密度のもつ臨
界性を示すグラフである。第3図は、本発明の実
施例3で製作したセラミツクス―焼結金属複合構
造体を示す第1図と同様な図であつて、Aは半分
あらわした平面図、Bは軸に沿う断面図である。
第4図は、本発明の実施例4で製作したセラミツ
クス―焼結金属複合構造体を示す図であつて、A
は半分あらわした平面図、Bは軸に沿う断面図で
ある。第5図は、本発明の実施例5で製作したセ
ラミツクス―焼結金属複合構造体を示す図であつ
て、Aは半分あらわした平面図、Bは軸に沿う断
面図である。第6図は、本発明の実施例6の銅伸
線機用キヤブスタンを示す、半ばは断面図、半ば
は平面図である。第7図および第8図はともに、
セラミツクス―焼結金属の複合により製作した、
渦流燃焼式ジーゼルエンジンのホツトチヤンバー
を示す縦断面図である。
ツクス―焼結金属複合構造体を示すものであつ
て、Aは半分あらわした平面図、Bは軸に沿う断
面図である。第2図は、セラミツクス―焼結金属
複合構造体における焼結金属の相対密度のもつ臨
界性を示すグラフである。第3図は、本発明の実
施例3で製作したセラミツクス―焼結金属複合構
造体を示す第1図と同様な図であつて、Aは半分
あらわした平面図、Bは軸に沿う断面図である。
第4図は、本発明の実施例4で製作したセラミツ
クス―焼結金属複合構造体を示す図であつて、A
は半分あらわした平面図、Bは軸に沿う断面図で
ある。第5図は、本発明の実施例5で製作したセ
ラミツクス―焼結金属複合構造体を示す図であつ
て、Aは半分あらわした平面図、Bは軸に沿う断
面図である。第6図は、本発明の実施例6の銅伸
線機用キヤブスタンを示す、半ばは断面図、半ば
は平面図である。第7図および第8図はともに、
セラミツクス―焼結金属の複合により製作した、
渦流燃焼式ジーゼルエンジンのホツトチヤンバー
を示す縦断面図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 セラミツクス部材と金属部材とを機械的に接
合することにより構成したセラミツクス―金属複
合構造体であつて、金属部材が金属粉末を焼結し
て相対密度94%以下の焼結材としたものであるこ
とを特徴とする複合構造体。 2 セラミツクス部材と金属部材とを機械的に接
合することにより構成したセラミツクス―金属複
合構造体であつて、金属部材が金属粉末を焼結し
て相対密度94%以下とした焼結材と相対密度94%
超過の焼結材および(または)溶製材とからな
り、相対密度94%以下の焼結材の部分においてセ
ラミツクス部材と接触していることを特徴とする
複合構造体。 3 機械的結合の手段として、ボルト締め、圧入
または焼きばめをえらんだ特許請求の範囲第1項
または第2項の複合構造体。 4 相対密度94%以下の焼結材の厚さがセラミツ
クス部材の厚さのほぼ1/2以上である特許請求の
範囲第2項の複合構造体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14051881A JPS5841778A (ja) | 1981-09-07 | 1981-09-07 | セラミツクス−金属複合構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14051881A JPS5841778A (ja) | 1981-09-07 | 1981-09-07 | セラミツクス−金属複合構造体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5841778A JPS5841778A (ja) | 1983-03-11 |
JPS6216184B2 true JPS6216184B2 (ja) | 1987-04-10 |
Family
ID=15270515
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14051881A Granted JPS5841778A (ja) | 1981-09-07 | 1981-09-07 | セラミツクス−金属複合構造体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5841778A (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3241926A1 (de) * | 1982-11-12 | 1984-05-17 | MTU Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, 8000 München | Verbindung eines keramischen rotationsbauteils mit einem metallischen rotationsbauteil fuer stroemungsmaschinen, insbesondere gasturbinentriebwerke |
JPH0729859B2 (ja) * | 1985-09-05 | 1995-04-05 | 株式会社東芝 | セラミツクス−金属接合部材 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS54108816A (en) * | 1976-04-15 | 1979-08-25 | Brunswick Corp | Porous ceramic seal and preparation thereof |
JPS55154587A (en) * | 1979-05-11 | 1980-12-02 | United Technologies Corp | Structure having ceramic surface coating thereon and method |
-
1981
- 1981-09-07 JP JP14051881A patent/JPS5841778A/ja active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS54108816A (en) * | 1976-04-15 | 1979-08-25 | Brunswick Corp | Porous ceramic seal and preparation thereof |
JPS55154587A (en) * | 1979-05-11 | 1980-12-02 | United Technologies Corp | Structure having ceramic surface coating thereon and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5841778A (ja) | 1983-03-11 |
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