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JPH0444631B2 - - Google Patents

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JPH0444631B2
JPH0444631B2 JP60276941A JP27694185A JPH0444631B2 JP H0444631 B2 JPH0444631 B2 JP H0444631B2 JP 60276941 A JP60276941 A JP 60276941A JP 27694185 A JP27694185 A JP 27694185A JP H0444631 B2 JPH0444631 B2 JP H0444631B2
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JP
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metal
ceramic
ceramic member
joining
metal member
Prior art date
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JP60276941A
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Takao Soma
Akihiko Yoshida
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Priority to DE8686309529T priority patent/DE3685650T2/de
Priority to EP86309529A priority patent/EP0232603B1/en
Publication of JPS6335464A publication Critical patent/JPS6335464A/ja
Priority to US07/504,697 priority patent/US5163770A/en
Publication of JPH0444631B2 publication Critical patent/JPH0444631B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は熱膨張の異なるセラミツク製部材と金
属製部材間の結合法に関するものである。
（従来の技術） 従来、熱膨張率の相違する部材を突き合せて接
着して結合する方法としては、両者の界面に別体
の中間層を設けて結合する方法が知られている。
例えば、実開昭59−160533号公報においては、セ
ラミツクスと金属との接合構造として両者の界面
にＷ材またはMo材よりなるクラツド材を介在さ
せて接合する方法が開示されている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述した従来方法では、熱膨張差
により結合界面に残留応力が生じ十分な結合強度
が得られなかつた。すなわち、第９図に金属とセ
ラミツクスの接合の場合を例にとつて説明する
と、冷却前に通常の形状で接合していた熱膨張率
の大きい金属と熱膨張率の小さいセラミツクスと
が、一旦冷却されると金属の方が収縮が進み第９
図に示すように界面端Ａ部で金属およびセラミツ
クスの両者に引張応力が加わり、この状態が進行
すると界面端Ａ部よりはく離や割れが生じること
があつた。
本発明の目的は上述した不具合を解消して、界
面端のはく離や割れが発生し難いセラミツク製部
材と金属製部材の結合法を提供しようとするもの
である。
（問題点を解決するための手段） 本発明のセラミツク製部材と金属製部材の結合
法は、セラミツク製部材と金属製部材を突き合わ
せて接着するセラミツク製部材と金属製部材の結
合法において、該結合部界面がセラミツク製部材
から金属製部材にかけて外周面に設けたテーパ部
分にあることを特徴とするものである。
（作用） 上述した構成において、熱膨張の異なるセラミ
ツク製部材と金属製部材の結合界面に熱膨張の低
いセラミツク製部材から熱膨張の高い金属製部材
にかけてテーパ部を設けているので、従来の方法
では熱膨張差によつて生じる界面端の引張応力を
効果的に回避することができ、界面端のはく離や
割れを有効に防止することができる。
形状としては、第１図ａ，ｂ，ｃにその一例を
示すように接合部材Ａ（熱膨張率の小さいセラミ
ツク製部材）からＢ（熱膨張率の大きい金属製部
材）に向かつてテーパが設けてあればどのような
形状でも良いものであるが、第１図ａに示す形状
が望ましい。
また、本発明のテーパの定義としてはテーパ部
分で接合界面に平行に切つた断面の断面積がＡか
らＢに向かつて小さくなれば良いものであり、テ
ーパの断面が第１図に示すように直線でなく曲線
であつても良い。さらに接合面の形状は円形であ
る必要はなく、四角形でも多角形でも適用でき
る。
（実施例） 第２図ａ，ｂは本発明の結合法を実際の部材に
応用した例を示す線図である。第２図ａはピスト
ンキヤツプへ応用した例で、部分安定化ジルコニ
ア製ピストンキヤツプ１をTiよりなる中間層２
を介して球状黒鉛鋳鉄よりなるピストン３に接着
している。本実施例ではピストンキヤツプ１と中
間層２にテーパ部４を設けて応力を逃がしてい
る。
第２図ｂはターボチヤージヤーロータやガスタ
ービンロータ等の回転軸に応用した例で、窒化ケ
イ素よりなる回転翼の軸部８と金属製の回転軸９
とをMoよりなる中間層１０を介して接着してい
る。
本発明の結合法は上述したようなセラミツクス
と金属の場合に有効である。このような用途に用
いられるセラミツク製部材としては、窒化ケイ
素、炭化ケイ素、サイアロン、ジルコニア、ムラ
イト、アルミナ、ベリリア等が使用でき、また金
属製部材としては、ステンレス鋼、球状黒鉛鋳
鉄、ニツケル・クロム・モリブデン鋼、クロム・
モリブデン鋼、アルミニウム・クロム・モリブデ
ン鋼、マルエージング鋼、析出硬化型超合金等が
使用できる。また、金属製部材としてはその一部
あるいは全部に析出硬化処理、窒化処理または高
周波焼入れ処理等の硬化処理が行なわれていると
好適である。
次に、テーパの効果を確認するため応力解析を
行なつた結果を説明する。形状としては第３図ａ
に示すストレートエツジのものと第３図ｂに示す
本発明のテーパエツジのものを想定し、各々中間
層の厚みｄを変化させて下記の(1)の場合と(2)の場
合について応力解析を行なつた。
(1) Ａ：PSZ（部分安定化ジルコニア） Ｂ：FCD（球状黒鉛鋳鉄） Ｃ：Ti（チタン） ここで、熱膨張率はTi＜PSZ＜FCDであり、
TiとPSZの熱膨張率は非常に近い。また、試料
形状はＡ部およびＢ部の厚みがそれぞれ10mmで直
径40mmの円筒形状である。
(2) Ａ：SN（窒化ケイ素） Ｂ：SACM（アルミニウム・クロム・モリブ
デン鋼） Ｃ：Mo（モリブデン） ここで、熱膨張率はSN＜Mo＜SACMである。
また、試料形状はＡ部およびＢ部の厚みがそれぞ
れ10mmで直径40mmの円筒形状である。
結果を第４図および第５図に示す。第４図およ
び第５図の結果から明らかなように、両実施例と
も従来のストレートエツヂの例に比べて本発明の
テーパエツヂの例の方が接合最大応力が低く、接
合端での応力がテーパ部で好適に吸収されている
ことがわかつた。また、中間層厚ｄが０すなわち
中間層を介さないで直接接続した例に比べて中間
層を設けた例の方がより効果的に接合端での応力
を吸収することがわかつた。
上述したようにテーパの効果は中間層を入れた
ときにより大きくなるものである。本発明におい
て中間層Ｃを入れる場合は、ＡとＣの界面かＢと
Ｃの界面のいずれか一方がテーパ上にあれば良
く、第６図ａ〜ｅにその一例を示す。
実施例 第７図に示す直径120mmの外径を有する球状黒
鉛鋳鉄製のピストンの上部を、部分安定化ジルコ
ニア（PSZ）製のピストンキヤツプにより構成し
た。ピストンとピストンキヤツプとの間には厚さ
２mmのTiよりなり直径80mmの中間層を設け、こ
の中間層がストレートの従来のピストンと中間層
にテーパ部を設けた本発明のピストンとを準備し
た。これら両者のピストンに対して第７図に示す
ように引張試験治具を装着して引張試験を行なつ
た。結果は、中間層がストレートの従来のピスト
ンではＰ＝500〜2000Kgｆの範囲で界面のはく離
もしくはピストンキヤツプの割れが生じたのに対
し、中間層にテーパを設けた本発明のピストンで
はＰ＝2000Kgｆでもはく離、割れをまつたく生じ
なかつた。また、第７図に示す形状のストレート
エツヂのピストンとテーパエツヂのピストンに対
して応力解析を行なつた結果を第８図に示す。
（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなよう
に、本発明の熱膨張の異なるセラミツク製部材と
金属製部材の結合法によれば、熱膨張の異なる部
材の結合界面に熱膨張の低いセラミツク製部材か
ら熱膨張の高い金属製部材にかけてテーパ部を設
けることにより、界面端のはく離や割れを有効に
防止可能な結合法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図ａ，ｂ，ｃはそれぞれ本発明の結合法に
おけるテーパ部の一実施例を示す線図、第２図
ａ，ｂはそれぞれ本発明の結合法を実際の部材に
応用した例を示す線図、第３図ａ，ｂはそれぞれ
応力解析を行なつた形状を示す線図、第４図およ
び第５図はそれぞれ応力解析の結果を示すグラ
フ、第６図ａ〜ｅはそれぞれ本発明の結合法を実
施する中間層を有する例を示す線図、第７図は本
発明の結合法をピストンヘツドに応用した例を示
す線図、第８図は第７図に示す例の応力解析の結
果を示す線図、第９図は従来例の欠点を説明する
ための線図である。 １……ピストンキヤツプ、２……中間層、３…
…ピストン、４……テーパ部、５……弁棒、６…
…バルブ、７……テーパ部、８……回転翼の軸
部、９……回転軸、１０……中間層、１１……テ
ーパ部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツク製部材と金属製部材を突き合わせ
    て接着するセラミツク製部材と金属製部材の結合
    法において、該結合部界面がセラミツク製部材か
    ら金属製部材にかけて外周面に設けたテーパ部分
    にあることを特徴とするセラミツク製部材と金属
    製部材の結合法。 ２ 前記接着がろう付け、拡散接合、溶融接合、
    接着剤による接着、あるいはこれらの組み合わせ
    である特許請求の範囲第１項記載のセラミツク製
    部材と金属製部材の結合法。 ３ セラミツク製部材と金属製部材の中間に、熱
    膨張率がセラミツク製部材と金属製部材の間であ
    る部材を介して接合することを特徴とする特許請
    求の範囲第１項または第２項記載のセラミツク製
    部材と金属製部材の結合法。 ４ セラミツク製部材と金属製部材の中間に、熱
    膨張率がセラミツク製部材に近い部材を介して結
    合することを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
    たは第２項記載のセラミツク製部材と金属製部材
    の結合法。 ５ セラミツク製部材と金属製部材の中間に、熱
    膨張率が金属製部材に近い部材を介して結合する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
    ２項記載のセラミツク製部材と金属製部材の結合
    法。 ６ セラミツク製部材と金属製部材の中間に、剛
    性の小さい金属を介して結合することを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項または第２項記載のセラ
    ミツク製部材と金属製部材の結合法。 ７ 前記セラミツク製部材が窒化ケイ素、炭化ケ
    イ素、サイアロン、ジルコニア、ムライト、アル
    ミナ、ベリリアの一種以上からなる特許請求の範
    囲第１項記載のセラミツク製部材と金属製部材の
    結合法。 ８ 前記金属製部材の一部あるいは全部が析出硬
    化処理、窒化処理または高周波焼き入れのうちい
    ずれかによりあるいはこれらの組合わせにより硬
    化されている特許請求の範囲第１項記載のセラミ
    ツク製部材と金属製部材の結合法。 ９ 前記金属製部材がステンレス鋼、球状黒鉛鋳
    鉄、ニツケル・クロム・モリブデン鋼、クロム・
    モリブデン鋼、アルミニウム・クロム・モリブデ
    ン鋼、マルエージング鋼または析出硬化型超合金
    の一種以上からなる特許請求の範囲第１項記載の
    セラミツク製部材と金属製部材の結合法。
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