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JPH06170652A - セラミックスと金属との結合体 - Google Patents

セラミックスと金属との結合体

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Publication number
JPH06170652A
JPH06170652A JP35058392A JP35058392A JPH06170652A JP H06170652 A JPH06170652 A JP H06170652A JP 35058392 A JP35058392 A JP 35058392A JP 35058392 A JP35058392 A JP 35058392A JP H06170652 A JPH06170652 A JP H06170652A
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JP
Japan
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metal
ceramic
shaft end
concave portion
metal shaft
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Application number
JP35058392A
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Takaya Yoshikawa
孝哉 吉川
Hirotaka Nakajima
浩貴 中島
Masaya Ito
正也 伊藤
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Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 常に良好な性状を得ることができるセラミ
ックスと金属の結合体を提供することである。 【構成】 その結合体のセラミックス軸端部の凸部と金
属軸端部の凹部とを分離した後、セラミックス軸端部の
凸部の直径Ｘと金属軸端部の凹部の内径Ｙは、５０μｍ
≦Ｘ−Ｙ≦１５０μｍという関係を満たし、更に、金属
軸端部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ１．５μｍ以
下であることを特徴とするセラミックスと金属との結合
体

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属を
機械的手段により結合したセラミックスと金属の結合体
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、セラミックス製部材と金属製部材
は、ろう接等による化学的接合や嵌合等による機械的接
合があり、このうち、機械的接合としては、圧入、焼ば
め、冷やしばめ等が行なわれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記の焼ばめ、
冷やしばめによる接合体は、その製造に大がかりな装置
が必要であり、従ってコストが高くなるという問題点が
あった。また、これらの結合体は、セラミックと金属と
の熱膨脹率の差を利用して、両部材の接合部を高温もし
くは極低温にした状態で嵌合するため、接合部が常温に
戻った時に、大きな残留応力（軸方向）が発生するとい
う問題があった。更に、焼ばめの場合には、金属組織が
変態するという問題があり、冷やしばめの場合と同様に
締め代があまり確保できなっかた。一方、圧入による接
合体は、焼ばめ、冷やしばめによる接合体に比べ、締め
代が充分に確保できるものの、セラミックスと金属の間
にカジリと呼ばれる現象、即ち圧入時に金属がセラミッ
クスに凝着し、金属表面がむしれた状態となる現象が発
生した。この接合部におけるカジリは、セラミックスの
片当りによる応力集中によるセラミックス自体の破損、
接合強度の低下、更には結合体が回転体の場合回転のぶ
れの原因となった。そんな中で、圧入によるセラミック
ス製部材と金属製部材の結合体に関し、特開昭６２−４
５２８号公報には、抜取後のセラミック製部材凸部外径
と金属製部材凹部内径の差がセラミック製部材凸部外径
の０．２％以上である結合体が記載してある。しかし、
同号公報記載の結合体も強度的には一見十分であるよう
にみえるが、金属部材のカジリという問題は回避出来
ず、応力集中によるセラミックス自体の破損、接合強度
の低下、更には結合体が回転体の場合回転のぶれが生じ
た。本発明の目的は上述した不具合を解消して、常に良
好な性状を得ることができるセラミックスと金属の結合
体を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】その手段は、セラミック
ス軸端部の凸部を金属軸端部の凹部に圧入することによ
り結合されたセラミックスと金属との結合体において、
その結合体のセラミックス軸端部の凸部と金属軸端部の
凹部とを分離した後、セラミックス軸端部の凸部の直径
Ｘと金属軸端部の凹部の内径Ｙは、５０μｍ≦Ｘ−Ｙ≦
１５０μｍという関係を満たし、更に、金属軸端部の凹
部の内周方向の表面粗さがＲｚ１．５μｍ以下であるセ
ラミックスと金属との結合体である。上述手段で特に好
ましいのは、ＸとＹとの関係が、６０μｍ≦Ｘ−Ｙ≦１
００μｍという関係を満たすセラミックスと金属のと結
合体である。そして、上述手段で特に好ましいのは、金
属軸端部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ１．０μｍ
以下であるセラミックスと金属との結合体である。更に
分離した後、セラミックス軸端部の凸部若しくは金属軸
端部の凹部に表面に、Ｃ−Ｏ結合，Ｃ−Ｃ結合及びＣ＝
Ｏ結合のうち少なくとも一つを含む物質が残存している
セラミックスと金属の結合体が好ましい。
【０００５】セラミックスとしては、窒化珪素、炭化珪
素、サイアロン、ジルコニア、ムライト、アルミナ、ベ
リリア等の公知のセラミックスが良い。金属としては、
ステンレス鋼、球状黒鉛化鋳鉄、ニッケル・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−ジング鋼、または析出硬
化型合金等が好ましい。金属軸端部の凹部は、金属軸の
端部に機械加工により設けても良い。また金属軸の端部
に凹部形状若しくはスリ−ブ形状の金属を接合しても良
く、その場合セラミックスと凹部形状若しくはスリ−ブ
形状の金属とを接合してから金属軸と接合しても良い
し、先に金属軸と凹部形状若しくはスリ−ブ形状の金属
を接合してからセラミックスと接合しても良い。ここで
圧入とは、機械的圧力により金属軸端部の凹部にセラミ
ックス軸端部の凸部を押し込み嵌合させることである
が、金属組織が変態しない程度の若干の熱処理（６００
℃以下）をしながら行なってもよい。この圧入は、金属
の外周が塑性変形しない範囲、つまり弾性域内で行なう
のが好ましい。それは、圧入による変形が塑性域まで達
すると結合力が低下し結合体自体の強度又は耐久性が保
てないからである。金属軸端部の凹部の内周の若干の塑
性変形であれば、十分な強度はたもてる。
【０００６】圧入は、滑剤としてカルボン酸、カルボン
酸塩、カルボン酸誘導体またはカルボン酸置換体を圧入
面に介在させて行なうとよい。圧入後に熱処理をして滑
剤を揮発、分解又は滑性を減少させるとよい。金属軸端
部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ１．５μｍ以下で
あるとしたのは、カジリというのは、専ら圧入方向に平
行に生じるからである。よって、金属軸端部の凹部の内
周方向、言い換えれば圧入方向とは垂直な方向に表面粗
さを測定すれば、カジリの有無を確認することができ
る。Ｒｚ１．５μｍを越えると実用的でなく、特に高速
回転体等は、好ましくないぶれの原因となる。金属軸端
部の凹部の内周方向の表面粗さを測る場所であるが、凹
部の開放端付近が末広がりになっている場合は、そこの
部位は除く。そこの部位は、実質的にセラミックス軸端
部の凸部と機械的に接触しておらず、カジリ有無の判断
基準となり得ないからである。
【０００７】セラミックスと金属の結合体の分離の方法
であるが、両者を単純に引き抜く方法と金属軸に平行に
割る方法がある。セラミックス軸端部の凸部の直径と金
属軸端部の凹部の内径を測る場合、単純に引き抜く方法
が良い。軸に平行に割る方法は、金属軸端部の凹部の内
周方向の表面粗さを測る場合に良い。もし一つの試料で
セラミックス軸端部の凸部の直径、金属軸端部の凹部の
内径及び金属軸端部の凹部の内周方向の表面粗さを測る
場合は、図１のように圧入距離（セラミックス軸端部の
凸部挿入距離）の中間点付近で一度横切断し、一方を引
き抜きに供し、他方を軸に平行に割れば良い。
【図１】表面粗さＲｚ（最大高さ）は、ＪＩＳ Ｂ０６
０１のように定義し、求める。
【作用】その作用は、Ｘ−Ｙが５０μｍより小さいと結
合強度自体が不十分で結合体としては実用的でなく、１
５０μｍより大きいと実際の使用前に金属軸部材の凹部
の割れの原因となる。
【０００８】そして表面粗さが、Ｒｚ１．５μｍ以下が
良いのは、Ｒｚ１．５μｍ以下であれば、カジリはほと
んどないと考えてよいからである。その測り方の例とし
て、図２に示す金属軸ＭのＮの方向に測り、図３に示す
ように金属を切取り、図４の矢印の方向に測る。
【図２】
【図３】
【図４】
【実施例】セラミックス製部材が窒化珪素からなるタ−
ボチャ−ジャロ−タを用いて実験を行った。
【０００９】常圧焼結法で作製した窒化珪素翼車１軸端
部の凸部を、端部に凹部２５を設けた金属軸２に圧入し
結合した。この金属軸２は、ＪＩＳ−ＳＮＣＭ６３０か
らなる本体２２と、低熱膨脹金属であるインコロイ９０
９からなる端部凹部のみからなり、両者は摩擦圧接によ
り接合されている。この金属軸は、予め調質（インコロ
イ９０９は時効析出硬化、ＳＮＣＭ６３０は焼き入れ焼
戻し）を行った後、セラミックスと圧入し接合した（図
５）。
【図５】そして、燃焼ガスによるタ−ボチャ−ジャを試
験する装置（ホットスピンテスタ−）に組み付け実際の
エンジン搭載全開時と同じ条件で３００時間運転を行
い、試験後のタ−ボロ−タのアンバランス変化量を測定
した。アンバランスの変化量は次のように測定した。先
ず、試験前のタ−ビン翼車１と金属軸２との接合体であ
るタ−ビンロ−タを回転させ、頭部（Ａ部分）又は背板
部（Ｂ部分）を削って回転バランスをとる。その後、そ
の回転バランスをとったタ−ビンロ−タをタ−ボチャ−
ジャに組み付け耐久試験を行なう。そして、タ−ビンロ
−タをタ−ボチャ−ジャから取り出し、再び回転バラン
スを測定する。この時の値がアンバランス変化量であ
る。
【００１０】（実施例１、２）乗用車用小型タ−ボロ−
タであり、セラミックス翼外径は、外径５０ｍｍであ
る。そしてセラミックス翼の軸端部の凸部を金属軸の凹
部に圧入し、接合体を得た。実施例１−１及び２−１
は、圧入時にステアリン酸水溶液を滑剤として用いた。
そして、実施例１−２及び２−２は、圧入時にディ−ゼ
ル用エンジンオイルを用いた。燃焼ガスによるタ−ボを
試験する装置（ホットスピンテスタ−）に組み付け、燃
焼ガス温度９５０℃、タ−ボ回転数１２万ｒｐｍで、３
００時間連続で運転した。 （実施例３、４）大型ディ−ゼル用タ−ボロ−タであ
り、セラミックス翼外径は、外径１００ｍｍである。そ
してセラミックス翼の軸端部の凸部を金属軸の凹部に圧
入し、接合体を得た。実施例３−１及び４−１は、圧入
時にステアリン酸ナトリウム水溶液を滑剤として用い
た。そして、実施例３−２及び４−２は、圧入時にディ
−ゼル用エンジンオイルを用いた。燃焼ガスによるタ−
ボを試験する装置（ホットスピンテスタ−）に組み付、
燃焼ガス温度７００℃、タ−ボ回転数１０万ｒｐｍで、
３００時間連続で運転した。
【００１１】（比較例１〜４）全てに滑剤にディ−ゼル
エンジン用潤滑剤を用いた以外は、実施例１〜４と同じ
仕様で、タ−ビンロ−タを製作し、実験をした。結果を
図６〜図１１に示す。
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】ここで、セラミックス翼の軸端部の凸部外径
Ｘと金属軸の凹部内径Ｙは、セラミックス翼の軸を金属
軸から引き抜いた時の長さである。
【００１２】そして、金属軸端部の凹部の内周方向の表
面粗さは、カジリのないものについては、図１２に示す
ように８ヶ所から図７の如く金属軸端部の凹部の一部Ｆ
を切取り、図４のようにして矢印方向に計測して、平均
した値である。また、カジリの生じたものは、カジリが
目視で判断できるため、そのカジリの部分を表面粗さ計
で測定した。
【図１２】 （結果）本願実施例及び比較例は、金属軸端部の凹部の
カジリの有無を、金属軸端部の凹部の内周方向の表面粗
さにより判断した。圧入された接合部に排ガスによる熱
と回転による遠心力により、締め代（嵌合代）が減少す
る。このため、Ｘ−Ｙが０．０４ｍｍ（４０μｍ）以下
の場合、接合部（圧入部）の保持力が低下し、カジリの
有無にかかわらず、アンバランス変化量は、大きく実用
性に乏しい。
【００１３】また、実施例４のように、Ｘ−Ｙが０．１
５ｍｍ（１５０μｍ）をこえるものは、セラミックスを
締め付ける力が過大であるため、圧入部のセラミックス
に強度劣化が生じ、回転を維持していくことができなか
った。Ｘ−Ｙの関係が、４０μｍ以上で、大きなガジリ
の有る場合（表面粗さＲｚ１．５μｍを越える）とカジ
リが無い場合若しくは小さい場合（表面粗さＲｚ１．５
μｍ以下）を比べた場合、大きなカジリの有る場合は、
アンバランス変化量は、大きく実用性に乏しかった。そ
れは、カジリが生ずるとその部分にセラミックスの片当
りという現象がおこり、その結果応力が集中しアンバラ
ンス量が大きくなる。表面粗さＲｚ１．５μｍ以下の中
で比べた場合でも、カジリの全くない表面粗さＲｚ１．
０μｍ以下の方が、小さなカジリのある表面粗さＲｚ
１．０μｍ以上１．５μｍ以下のものより安定している
ので、アンバランス変化量は少ない。ここで、圧入時に
ステアリン酸水溶液又はステアリン酸ナトリウム水溶液
を滑剤として用いた方が、表面粗さも小さく、アンバラ
ンス変化量も小さかった。エスカで分離後のセラミック
ス軸端部の凸部と金属軸端部の凹部の表面を観察したと
ころ、ステアリン酸水溶液又はステアリン酸ナトリウム
水溶液を滑剤として用いたものは、Ｃ−Ｏ結合，Ｃ−Ｃ
結合及びＣ＝Ｏ結合のうち少なくとも一つを含む物質が
残存していることが確認できた。実施例及び比較例共に
金属軸の引き抜き後外径は、圧入前に比べてほとんど径
は変わらず、金属軸の凹部内に若干の塑性変形の形跡が
あっただけで、ほとんどが弾性域内で圧入されていた。
金属軸端部の凹部の内周の若干の塑性変形であれば、十
分な強度はたもてると言える。
【００１４】
【発明の効果】本発明のセラミックスと金属の結合体
は、常に良好な性状を得ることができ、特に金属にカジ
リが無いため、回転体として有用なセラミックスと金属
の結合体である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係わるセラミックスと金属の結合体
の所定の長さ及び表面粗さの測る方法を示す斜視図であ
る。
【図２】本願発明に係わる金属部材を示す斜視図であ
る。
【図３】本願発明に係わる金属部材の一部を切出した部
分を示す斜視図である。
【図４】本願発明に係わる金属部材の一部を切出し、表
面粗さを測る方向を示す正面図である。
【図５】本願発明（実施例２）に係わるセラミックスと
金属部材との接合体であるタ−ビンロ−タを示す正面図
である。
【図６】本願発明に係わる実施例１の結果を示す図表で
ある。
【図７】本願発明に係わる実施例２の結果を示す図表で
ある。
【図８】本願発明に係わる実施例３の結果を示す図表で
ある。
【図９】本願発明に係わる実施例４の結果を示す図表で
ある。
【図１０】本願発明に係わる実施例１及び２の結果を示
すグラフである。
【図１１】本願発明に係わる実施例３及び４の結果を示
すグラフである。
【図１２】実施例の金属軸の表面粗さ測定部位を示す図
である。
【符号の説明】
１ セラミックス部材 １５セラミックス部材の凸部 ２ 金属部材 ２５金属部材の凹部

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミックス軸端部の凸部を金属軸端部の
    凹部に圧入することにより結合されたセラミックスと金
    属の結合体において、 その結合体のセラミックス軸端部の凸部と金属軸端部の
    凹部とを分離した後、セラミックス軸端部の凸部の直径
    Ｘと金属軸端部の凹部の内径Ｙは、 ５０μｍ≦Ｘ−Ｙ≦１５０μｍという関係を満たし、 更に、金属軸端部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ
    １．５μｍ以下であることを特徴とするセラミックスと
    金属との結合体
  2. 【請求項２】セラミックス軸端部の凸部を金属軸端部の
    凹部に圧入することにより結合されたセラミックスと金
    属との結合体において、 その結合体のセラミックス軸端部の凸部と金属軸端部の
    凹部とを分離した後、セラミックス軸端部の凸部の直径
    Ｘと金属軸端部の凹部の内径Ｙは、 ５０μｍ≦Ｘ−Ｙ≦１５０μｍという関係を満たし、 更に、金属軸端部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ
    １．０μｍ以下であることを特徴とするセラミックスと
    金属との結合体
  3. 【請求項３】セラミックス軸端部の凸部を金属軸端部の
    凹部に圧入することにより結合されたセラミックスと金
    属の結合体において、 その結合体のセラミックス軸端部の凸部と金属軸端部の
    凹部とを分離した後、セラミックス軸端部の凸部の直径
    Ｘと金属軸端部の凹部の内径Ｙは、 ６０μｍ≦Ｘ−Ｙ≦１００μｍという関係を満たし、 更に、金属軸端部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ
    １．５μｍ以下であることを特徴とするセラミックスと
    金属との結合体
  4. 【請求項４】セラミックス軸端部の凸部を金属軸端部の
    凹部に圧入することにより結合されたセラミックスと金
    属との結合体において、 その結合体のセラミックス軸端部の凸部と金属軸端部の
    凹部とを分離した後、セラミックス軸端部の凸部の直径
    Ｘと金属軸端部の凹部の内径Ｙは、 ６０μｍ≦Ｘ−Ｙ≦１００μｍという関係を満たし、 更に、金属軸端部の凹部の内周方向の表面粗さがＲｚ
    １．０μｍ以下であることを特徴とするセラミックスと
    金属との結合体
  5. 【請求項５】分離した後、セラミックス軸端部の凸部若
    しくは金属軸端部の凹部の表面に、Ｃ−Ｏ結合，Ｃ−Ｃ
    結合及びＣ＝Ｏ結合のうち少なくとも一つを含む物質が
    残存していることを特徴とする特許請求の請求項１ない
    し請求項４いずれか記載のセラミックスと金属との結合
    体
  6. 【請求項６】セラミックスと金属の結合体がタ−ボチャ
    −ジャロ−タもしくはガスタ−ビンロ−タであることを
    特徴とする特許請求の請求項１ないし特許請求の請求項
    ４いずれか記載のセラミックスと金属との結合体
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