JPS6270275A - Method for bonding ceramic rotor and metal rotary shaft - 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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ターボチャージャにおけるセラミック製ター
ビンホイール等のセラミック製回転体と金属製回転軸と
の接合方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a method of joining a ceramic rotating body such as a ceramic turbine wheel and a metal rotating shaft in a turbocharger.

（従来の技術〉 従来、特開昭５９−７８９８２号公報により、セラミッ
ク製回転体と金属製回転軸とを、該回転軸の端部の嵌合
孔に該回転体の軸部を嵌合状態でろう付けして接合する
ようにしたものは知られる。(Prior art) Conventionally, according to Japanese Patent Application Laid-open No. 59-78982, a ceramic rotating body and a metal rotating shaft are connected, and the shaft portion of the rotating body is fitted into a fitting hole at an end of the rotating shaft. It is known that they are joined by brazing.

（発明が解決しようとする問題点） 金属製回転軸には、その強度アップのため焼入れ等の熱
処理を施すが、上記従来技術のようにろう付けで回転体
と回転軸とを接合すると、ろう付けの際の熱影響により
回転軸の強度が低下する問題がある。(Problem to be solved by the invention) A metal rotating shaft is subjected to heat treatment such as hardening to increase its strength. There is a problem in that the strength of the rotating shaft decreases due to thermal effects during attachment.

（問題点を解決するための手段） 本発明では、上記問題点を解決すべく、セラミック製回
転体と金属製回転軸とを、該回転軸の端部に該回転体の
軸部を嵌合状態でろう付けして接合する方法において、
該回転軸を軸本体と、該回転体の細部を嵌合する金属製
スリープとに分離構成し、該スリープに該回転体の軸部
を嵌合してろう付けし、次いで該スリープと該軸本体と
を電子ビーム溶接により結合する。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the present invention includes a ceramic rotating body and a metal rotating shaft, and the shaft portion of the rotating body is fitted to the end of the rotating shaft. In the method of joining by brazing in the state,
The rotating shaft is separated into a shaft body and a metal sleeve into which the details of the rotating body are fitted, and the shaft portion of the rotating body is fitted and brazed to the sleeve, and then the sleeve and the shaft are assembled. It is joined to the main body by electron beam welding.

（作用） セラミック製回転体と金属製スリープとをろう付けした
後、該スリープに軸本体を電子ビーム溶接するため、ろ
う付けの際の熱影響で軸本体の強度が低下するといった
問題は生じず、而も電子ビーム溶接は局所入熱量が高く
、溶接時の熱による軸本体への悪影響や、回転体とスリ
ープとのろう付は部分への悪影響は生じず、かくて軸本
体の強度を低下させず、セラミック製回転体と金属製回
転軸とを強固に接合できる。(Function) After the ceramic rotating body and the metal sleeve are brazed, the shaft body is electron beam welded to the sleeve, so there is no problem of the strength of the shaft body decreasing due to heat effects during brazing. However, electron beam welding has a high local heat input, so the heat during welding does not have an adverse effect on the shaft body, and brazing the rotating body and sleeper does not have an adverse effect on the parts, thus reducing the strength of the shaft body. The ceramic rotating body and the metal rotating shaft can be firmly joined without causing any damage.

（実施例） 第１図及び第２図を参照して、（１）は窒化硅素等のセ
ラミックで成形したターボチャージャ用のタービンホイ
ールから成るセラミック製回転体、［２１は該回転体（
１）と図示しないコンプレッサホイールとを連結する金
属製の回転軸を示し、該回転軸（２）を軸本体（３）と
、該回転体（１）の細部（１ａ）を嵌合する金属製スリ
ープ（４）とに分離構成し、該スリープ（４）に該細部
（１＆）を嵌合してろう付けし、次いで該スリープ（４
）と該軸本体（３）とを電子ビーム溶接により結着する
ものとした。(Example) With reference to FIGS. 1 and 2, (1) is a ceramic rotating body consisting of a turbine wheel for a turbocharger molded from ceramic such as silicon nitride, [21 is the rotating body (
1) and a compressor wheel (not shown), the rotating shaft (2) is connected to a shaft body (3), and a metal shaft (1a) that fits into the rotating body (1). The detail (1&) is fitted and brazed to the sleeve (4), and then the sleeve (4) is constructed separately from the sleeve (4).
) and the shaft body (3) are bonded together by electron beam welding.

これを更に詳述するに、該軸本体（１ａ）は、一端の大
径結合部（３ａ）と他端のフンプレツサホイール締付ね
じ部（３ｂ）とを有すもので、その材質はＯｒ　−Ｍ　
ｏ鋼とし、８００〜９５０℃、１〜２時間の浸炭焼入れ
又は高周波焼入れ処理後、１６０”（，１〜２時間の焼
戻し処理を施したものを用いる。尚、浸炭焼入れに際し
ては、該結合部（３ａ）と該ねじ部（３ｂ）とに防炭処
理を施す。To explain this in more detail, the shaft body (1a) has a large diameter coupling part (3a) at one end and a humpletsa wheel tightening screw part (3b) at the other end, and the material thereof is Or-M
o steel, which has been carburized or induction hardened at 800 to 950°C for 1 to 2 hours, and then tempered to 160"(160") for 1 to 2 hours. (3a) and the threaded portion (3b) are subjected to carburizing treatment.

又、前記スリープ（４）は、前記軸部（１ａ）を嵌合す
る比較的小径の穴部（４＆）と、前記結合部（３ａ）を
嵌合する比較的大径の穴部（４ｂ）とから成る段付穴を
有するもので、その材質はＮｉ−０ｒ、Ｎｉ−１Ｆｅ−
Ｏｒ系の耐熱合金とし、１０００〜１２００℃、１５〜
２時間の溶体化処理を施したものを用いる。The sleeve (4) also has a relatively small diameter hole (4&) into which the shaft portion (1a) is fitted, and a relatively large diameter hole (4b) into which the coupling portion (3a) is fitted. The material is Ni-0r, Ni-1Fe-
Or-based heat-resistant alloy, 1000~1200℃, 15~
Use one that has been subjected to solution treatment for 2 hours.

そして、先ず該スリープ（４）の小径穴部（４ａ）にセ
ラミック製回転体（１）の細部（１ａ）をろう材を介し
て嵌合し、９００℃でろう付けを行い、その後５００〜
９００’Ｃ，５〜１０時間の時効処理を施す。First, the detail (1a) of the ceramic rotating body (1) is fitted into the small diameter hole (4a) of the sleeve (4) via a brazing material, and brazed at 900°C, and then heated at 500°C to
Aging treatment is performed at 900'C for 5 to 10 hours.

次に、該スリープ（４）の大径穴部（４ａ）の内周面と
、軸本体（３）の前記結合部（３＆）の外周面とを機械
加工により仕上げ、該結合部（３＆）を該穴部（４＆）
に焼嵌めし、該穴部（４＆）の内周面と該結合部（３ａ
）の外周面とを溶接面（５）としてこれに出力０．１５
〜２ＫＷの電子ビームを軸方向から入射し、該スリープ
（４）と該軸本体（３）とを溶接結合する。Next, the inner circumferential surface of the large diameter hole (4a) of the sleeve (4) and the outer circumferential surface of the coupling portion (3&) of the shaft body (3) are finished by machining, and the coupling portion (3&) is finished by machining. The hole (4&)
Shrink fit to the inner peripheral surface of the hole (4 &) and the joint (3a
) is the welding surface (5), and the output is 0.15.
An electron beam of ~2KW is incident from the axial direction to weld and connect the sleeper (4) and the shaft body (3).

尚、この場合該溶接面（５）と前記回転体（１）の軸ｇ
（１ａ＞外周面との径方向距離！、は、セラミックから
成る核軸部（１ａ）の熱衝撃による損傷を防止する上で
１価以上とすることが好ましい。In this case, the welding surface (5) and the axis g of the rotating body (1)
(1a>Radial distance from the outer circumferential surface!) is preferably a monovalent or higher value in order to prevent damage to the core shaft portion (1a) made of ceramic due to thermal shock.

電子ビーム溶接後、残留応力除去のため２００゛Ｃ１１
〜２時間の焼鈍処理を施し、次いで回転軸（２）の仕上
げ加工を施して、第１図に示すセラミック製タービンを
得る。After electron beam welding, 200゛C11 to remove residual stress.
An annealing treatment for ~2 hours is performed, followed by finishing of the rotating shaft (2) to obtain the ceramic turbine shown in FIG.

第３図及び第４図は第２の実施例を示し、上記第１実施
例との主な相異点は、軸本体（３）の端部にスリープ（
４）に対する嵌合部分（３ｃ）を存して７ランジ（３ｄ
）を形成し、該スリープ（４）の端面と、これに対向す
る該７ランジ（５ｄ）の側面とを溶接面（５）として該
軸本体（３）と該スリープ（４）とを電子ビーム溶接し
たことである。Figures 3 and 4 show a second embodiment, and the main difference from the first embodiment is that there is a sleeve (3) at the end of the shaft body (3).
4), and 7 langes (3d).
), and the shaft body (3) and the sleeve (4) are welded with an electron beam using the end face of the sleeve (4) and the side surface of the seventh flange (5d) facing thereto as the welding surface (5). It was welded.

又、該軸本体（３）として、マルテンサイト系耐熱１ｉ
ｉ（ＳＵＨ３）製で、９８０〜１０８０“Ｃ９１〜２時
間の焼入れ処理後、６５０〜８００’Ｃ，１〜２時間の
焼戻し処理を施したものを用いた。尚、スリープ（４）
の材質及び熱処理は上記第１実施例のものと同一とし、
該スリープ（４）と回転体（１）の細部（１ａ）とのろ
う付けも上記第１実施例と同様に行った。In addition, as the shaft body (3), martensitic heat resistant 1i
i (SUH3), which was quenched at 980 to 1080'C for 1 to 2 hours and then tempered at 650 to 800'C for 1 to 2 hours.
The material and heat treatment are the same as those of the first embodiment,
The sleeve (4) and the detail (1a) of the rotating body (1) were brazed in the same manner as in the first embodiment.

電子ビーム溶接に際しては、前記溶接面ｔ５Ｊに径方向
外方から電子ビームを入射するもので、この場合軸部（
１＆）に熱衝撃が及ぶことを防止するため、該溶接面（
５）と該細部（１ａ）の端面との軸方向距離１２を１世
以上にすることが好ましい。In electron beam welding, the electron beam is incident on the welding surface t5J from the outside in the radial direction, and in this case, the axial portion (
In order to prevent thermal shock from being applied to the welding surface (1&),
It is preferable that the axial distance 12 between 5) and the end face of the detail (1a) be greater than or equal to one generation.

溶接後は、スリープ（４）の時硬及び軸本体ｆ３Ｊの焼
戻しのため５００〜７００”Ｃ，８時間の熱処理を施し
、次いで回転軸（２）の仕上げ加工を行った後、機械加
工による残留応力除去のため５００〜７００°（，８時
間の熱処理を施し、最後に５００℃、２０時間のイオン
窒化処理を施す。After welding, heat treatment is performed at 500 to 700"C for 8 hours to harden the sleep (4) and temper the shaft body f3J. Then, the rotating shaft (2) is finished, and the remaining from machining is removed. Heat treatment is performed at 500 to 700°C for 8 hours to remove stress, and finally ion nitriding treatment is performed at 500°C for 20 hours.

上記両実施例で製造したセラミック製タービンは高い軸
強度を示すもので、上記従来方法では回転軸の材質が例
えば５０Ｍ４２０の場合、熱処理を施してもろう付は時
の熱影普で軸の硬度がＨＲｃ１０以下に低下してしまう
のに対し、上記実施例によるときの軸硬度はＨＲｃ３０
〜４０になる。The ceramic turbines manufactured in both of the above examples exhibit high shaft strength. In the conventional method described above, when the material of the rotating shaft is, for example, 50M420, even if heat treatment is performed, brazing is difficult due to the effects of heat over time. is reduced to HRc10 or less, whereas the shaft hardness according to the above embodiment is HRc30.
It will be ~40.

（発明の効果〕 以上の如く本発明によるときは、セラミック製回転体と
金属製スリープとをろう付けした後に金属製回転軸を構
成する該スリープと軸本体とを局所入熱量の高い電子ビ
ーム溶接で結合するもので、回転体と回転軸とを軸の強
度を低下させることなく強固に結合でき、軸本体として
浸炭焼入れや高周波焼入れした表面硬度の高いものを用
い、軸設付部のコーナ部分等の応力集中し易い部分の機
械的強度を向上できる効果を有する。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, after brazing the ceramic rotating body and the metal sleeve, the sleeve and the shaft body constituting the metal rotating shaft are welded by electron beam welding with high local heat input. The rotating body and rotating shaft can be firmly connected without reducing the strength of the shaft, and the shaft body is made of carburized or induction hardened material with high surface hardness, and the corner part of the shaft mounting part is It has the effect of improving the mechanical strength of parts where stress tends to concentrate, such as.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明方法により得られるセラミック製タービ
ンの一例の裁断側面図、第２図はその要部の拡大裁断側
面図、第３図はセラミック製タービンの変形例の裁断側
面図、第４図はその要部の拡大裁断側面図である。 （１）・・・セラミック製回転体　（１ａ）・・・軸部
　（２）・・・金属製回転軸　（３ン・・・金属製スリ
ープ　（４）・・・軸本体（５）・・・溶接面FIG. 1 is a cut side view of an example of a ceramic turbine obtained by the method of the present invention, FIG. 2 is an enlarged cut side view of the main parts thereof, FIG. 3 is a cut side view of a modified example of the ceramic turbine, and FIG. The figure is an enlarged cutaway side view of the main part. (1)...Ceramic rotating body (1a)...Shaft (2)...Metal rotating shaft (3)...Metal sleeve (4)...Shaft body (5)...・Welding surface

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、セラミック製回転体と金属製回転軸とを、該回転軸
の端部に該回転体の軸部を嵌合状態でろう付けして接合
する方法において、該回転軸を軸本体と、該回転体の軸
部を嵌合する金属製スリープとに分離構成し、該スリー
プに該回転体の軸部を嵌合してろう付けし、次いで該ス
リープと該軸本体とを電子ビーム溶接により結合するこ
とを特徴とするセラミック製回転体と金属製回転軸との
接合方法。 ２、該スリープと該軸本体との溶接面は該回転体の軸部
の外周面又は端面から径方向又は軸方向に１ｍｍ以上離
すことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセラミ
ック製回転体と金属製回転軸との接合方法。[Claims] 1. A method of joining a ceramic rotating body and a metal rotating shaft by brazing the shaft of the rotating body to the end of the rotating body in a fitted state, is separated into a shaft body and a metal sleeve into which the shaft portion of the rotating body is fitted, the shaft portion of the rotary body is fitted and brazed to the sleeve, and then the sleeve and the shaft body are connected. A method for joining a ceramic rotating body and a metal rotating shaft, characterized in that they are joined by electron beam welding. 2. The ceramic material according to claim 1, wherein the welding surface between the sleeve and the shaft body is spaced 1 mm or more in the radial or axial direction from the outer peripheral surface or end surface of the shaft portion of the rotating body. A method of joining a rotating body and a metal rotating shaft.