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JPS6278172A - セラミツクと金属との接合構造 - Google Patents

セラミツクと金属との接合構造

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JPS6278172A
JPS6278172A JP60219580A JP21958085A JPS6278172A JP S6278172 A JPS6278172 A JP S6278172A JP 60219580 A JP60219580 A JP 60219580A JP 21958085 A JP21958085 A JP 21958085A JP S6278172 A JPS6278172 A JP S6278172A
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JP
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ceramic
metal
sleeve
shaft
sleeve material
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JP60219580A
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多喜男 小島
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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Priority to DE19863632614 priority patent/DE3632614A1/de
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Priority to US07/312,383 priority patent/US4984927A/en
Publication of JPH0438715B2 publication Critical patent/JPH0438715B2/ja
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックと金属との接合構造に関するもの
であり、例えば内燃機関のターボチャージャのセラミッ
ク製タービンと金属製の軸とを金属製スリーブで接合す
る場合の接合構造に関するものである。
［従来技術］ セラミック材料は高温部にお（プる使用に耐えるが機械
的強靭性が不足している。そのため、例えば内燃機関の
ターボチャージャのタービンにセラミックを用いる場合
、その軸には金属を接合する必要があった。この接合構
造として、第９図（イ）に示す構造が従来知られている
。この構造は、セラミック製軸材１０１と金属製軸材１
０２とを緩衝１！１１０３を介して、円筒状の金属製ス
リーブ材１０４内部で突き合わせ、スリーブ材１０４と
セラミック製軸材１０１及び金属製軸材１０２とを金属
製ロー材１０５で接合、又は焼きばめしたものである。
しかし、この接合構造では、セラミック製軸材１０１と
金属製スリーブ材１０４との接合端部１０１ａにて、使
用時に応力が集中しやすい。特に接合端部１０１ａにお
けるロー溜りや、焼きばめによる締め付は力により、剪
断力や歪みが発生しているため、更に高い応力集中によ
り、この端部１０１ａよりセラミック製軸材１０１に割
れを生ずることがあった。
これを解消せんとして、第９図（ロ）のごとく、セラミ
ック製軸材１０１側の金属製スリーブ材１１０の端部に
テーパ面１１０ａを形成したものが考えられている。こ
のように金属製スリーブ材１１０の端部が薄くなってい
ることにより、その剪断力や歪みが低下し、応力も集中
しにくくなる。
こうして、ある程度その耐久性を向上させることができ
る。
［発明が解決しようとする問題点］ ところが、このような構造は、その接合端部１０１ｂが
高温に曝されやすく、又、スリーブ材１１０の内面全体
がセラミック製軸材１０１と接合されている為、スリー
ブ材１１０の温度があがりやすく、熱応層力も発生しや
すい。更に強度的には、テーパー加工のため、用途によ
り無理を生ずることがあった。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記問題点を解決し、応力集中しにくく、又、
耐熱性に優れたセラミック製軸材と金属製スリーブ材と
の接合構造を提供することを目的とする。
即ち、本発明は、 セラミック製軸材に金属製スリーブ材を嵌めた状態で、
上記軸材とスリーブ材とを接合させてなる、セラミック
と金属との接合構造において、上記スリーブ材の外周部
の内、上記スリーブ材と上記軸材との接合端部に対応す
る部分に、該接合端部に沿って条溝が設けられているこ
とを特徴とするセラミックと金属との接合構造を要旨と
する。
［作用］ 第１図（イ）の縦断面図及び（ロ）の斜視図に例示する
ごとく、セラミック製軸材Ｍ１と金属製スリーブ材Ｍ２
とが、そ・の界面Ｓ１で接合されており、その接合端部
Ｓ２に対応するスリーブ材Ｍ２の外周部Ｓ３に接合端部
Ｓ２に沿って条溝１１が設けられている。この条溝Ｌ１
の存在により、接合端部Ｓ２に働く剪断力や歪みを減少
させ応力集中を緩和させることができる。
更に、接合端部Ｓ２の上方に条溝１１を設ける構造のた
め、条溝Ｌ１より端部方向にはセラミック製軸材Ｍ１よ
り浮き上がった部分Ｍ３が存在することとなり、この部
分Ｍ３が、直接、セラミック製軸材Ｍ１から熱の伝達を
受けないことと、放熱作用もあるため、スリーブ材Ｍ２
の温度の上昇を抑さえ、熱応力を低下させる。
第１図（イ）、（ロ）ではスリーブ材量２内が段付き加
工されたものが例示されているが、第２図（イ）に例示
するごとくセラミック製軸材Ｍ１１が段付き加工されて
、スリーブ材Ｍ１２とその条溝１１１に対応した部分を
接合端部３１２となるようにしてもよい。勿論金属製ス
リーブ材とセラミック製軸材との両者が段付き加工され
ていてもよい。
又、第２図（口）に例示するごとく、軸材Ｍ２１とスリ
ーブ材Ｍ２２との両者に段付き加工せず、ロー材等の接
着剤Ａによる接合の接合端部３２２の位置を条溝１２１
に対応させるようにしてもよい。接着剤Ａの末端の位置
は、軸材Ｍ２１の外周面又はスリーブ材Ｍ２２の内周面
の接着剤Ａの塗布位置に、メッキ等の表面処理をなすこ
とにより、容易に達成される。
次に本発明の実施例について説明する。本発明は、これ
らの実施例に限られるものではなく、要旨を逸脱しない
範囲で種々の態様のものを含む。
［実施例］ 第３図の縦断面図に本発明の第１実施例の接合構造を示
す。本実施例は、直径’ｌＱｍｍの円柱状セラミック（
窒化珪素）製軸材１と同形状の金属の３層からなる■緩
衝材３を介してロー付し次に外径’１５ｍｍ、第１の内
周面４ａの内径１０．２ｍｍ．第２の内周面４ｂの内径
１　１ｍｍ，　長ざ１層ｍｍ，第１の内周面の幅７ｍｍ
，そこにおける厚さ２．４ｍｍの金属（ステンレス）製
スリーブ材４に貫挿し、上記緩衝材３を中心としてロー
材５にてスリーブ材４の第１の内周面４ａと接合し、最
後にスリーブ材４の第１の内周面４ａ及び第２の内周面
４ｂとの段付き部分、即ちロー材５の接合端部７の位置
に対応するスリーブ材４の外周部に接合端部７に沿って
半径１．５ｍｍの半円形の条溝を切削することにより形
成したものである。
本実施例が、応力集中及び熱応力に対して効果のあるこ
とを次の試験によって証明する。
（１）　応力集中試験 セラミック製軸材１の長さを５層ｍｍとし、該セラミッ
ク製軸材１の末端にその軸方向とは直角方向に荷重をか
けることにより、セラミック製軸材１の折損強度を測定
した。比較例は条溝６の存在しないものである。その結
果を第１表に示す。
第１表 （２〉　熱応力試験 セラミック製軸材１の長ざを５層ｍｍとして、金属製軸
材２の非接合端部を５０℃に冷却した状態で、セラミッ
ク製軸材１の非接合端部を９００°Ｃで１分間加熱し、
その後、１００℃まで冷却するという加熱冷却熱サイク
ル試験を行なった。
比較例は、条溝６が存在せず、スリーブ材４の内面全体
がセラミック製軸材１と接合しているものを使用した。
その結果を第２表に示す。
以上の結果から本実施例の接合構造は、応力集中、熱応
力を低下させる効果を有することがわかる。
次に第２実施例として、本発明の接合構造を内燃機関用
ターボチャージャのタービンのセラミックロータに応用
した例を、第４図（イ）に示す。
第４図（イ）は第２実施例の縦断面図を表わしている。
セラミック製軸材としてのセラミック製タービン羽根の
軸部１１ａは、図示していないコ層の３層からなる緩衝
材１３を介してロー材され一体化している。
上記緩衝材１３を中心として円筒状のスリーブ材１４が
外嵌されている。スリーブ材１４の形状は第４図（ロ）
にも示すごとく、内周面は、第１の内周面１４ａと、そ
れより大径の第２の内周面１４ｂとから構成され、第１
の内周面にて、ロー材１５で軸部１１ａ、軸材１２及び
緩衝材１３と接合している。又、スリーブ材１４の外周
面には、ターボチャージャとして組み付けられた場合の
オイルシール用のオイルシーリング溝１６及びオイル切
り用のオイルスリンガ溝１７が設けられている。オイル
シーリング溝１６は断面長方形状の条溝であり、オイル
スリンガ溝１７は半円形の条溝である。
上記オイルシーリング溝１６は、接合端部１４Ｃに対応
した条溝も兼ねている。
本実施例のロータの応力集中及び熱応力試験を、比較例
として第５図に示すロータとともに実施した。比較例は
、そのスリーブ材１９が、本実施例のスリーブ材１４と
異なり内周面に段差がなく、−面のみで形成され、かつ
、そのためロー材２０の接合端部２０ａがオイルシーリ
ング溝１９ａに対応せず、スリーブ材１９の内周面全面
で接合している点が異なる。
（１）　応力集中試験では、本実施例のものが比較例に
比して１．４倍の曲げ強度を示した。
（２）　熱応力試験では、本実施例のものは、ターボチ
ャージャとして内燃機関に組み込み、排ガス温度９００
℃、スロットル全開で５００ｈｒ経過しても異常を生じ
なかった。
一方、比較例のものはスリーブ材１９の熱膨張差によっ
て生ずる繰り返し熱応力により１００ｈｒで破損した。
以上のごとく本実施例の接合構造は応力集中。
熱応力を緩和し、耐久性のある接合構造を提供できる。
次に第６図に第３実施例を示す。第２実施例と異なると
ころは、スリーブ材３１の内周面の第１内周面３１ａが
それより径の大ぎい第２内周面３１ｂより幅が狭く形成
され、その段差がオイルシーリング溝３３でなくオイル
スリンガ溝３４に対応している点である。このため、第
１内周面にてロー材３２でロー材された場合、接合端部
３２ａはオイルスリンガ溝３４に対応する。
本実施例のものを第５図で示した比較例と、第２実施例
と同様の応力集中試験及び熱応力試験を実施した結果、
曲げ強度は、１．３倍、熱応力は５００ｈｒ後も異常を
生じなかった。
以上のごとく本実施例の接合構造は、応力集中。
熱応力を緩和し、耐久性のある接合構造を提供できる。
次に第４実施例を第７図に示す。本実施例の接合構造は
、外径１０．０ｍｍ、長さ１００ｍｍの窒化珪素製軸材
４１中夫に、内径１０．３ｍｍ。
外径１４ｍｍ、長さ’ｌＱｍｍのコバール（Ｆｅ−Ｃｏ
−Ｎｉ合金の商品名）又はステンレス（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｒ合金）のスリーブ材４４を外嵌し、一方のスリーブ材
４４の端部を残してロー材４５にて接合し、更にスリー
ブ材４４内部に隠されている接合端部４７に対応したス
リーブ材４４の外周部に条溝４６を刻設したものである
。
第１実施例と異なるのは、軸材４１が１種類であるのと
、上記内周面４４ａに段差がないことが異なる。
本実施例も、条溝４６のないものと比較した結果、第１
実施例の応力集中試験及び熱応力試験と同様の結果であ
った。
以上のごとく本実施例の接合構造は、応力集中。
熱応力を緩和し、耐久性のある接合構造を提供できる。
本実施例においては、ロー材４５の塗布及び接合は、予
めペースト状のロー材を、軸材４１とスリーブ材４４と
の間の所定位置に挾持しておき、必要に応じて非酸化性
雰囲気下にて加熱しく例えば、水素中８２０℃加熱）、
ロー材を溶融することによりなされる。
次に第５実施例を第８図に示す。本実施例は、第５図に
示した比較例の構成の内、ロー材５０を、前記第４実施
例と同様に、スリーブ材５１の内周面５１ａの内、オイ
ルシーリング溝５１ｂに対応する部分から図示しないコ
ンプレッサ側にのみ塗布したものである。
ここでスリーブ材５１としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ０系高
強度材料を、ロー材５０としては耐熱性のよいＡｇ−Ｎ
ｉ−Ｃｕ系ロー材を、緩衝材５２としては低膨張金属層
４種以上と低ヤング率金属層１種以上との２層からなる
ものを使用した。
上記低膨張金属としては、ｗ−Ｎｒ系合金、Ｗ−Ｑｕ系
合金、ｗ−ｃｕ−Ｎｔ系合金、ｗ−Ｎｒ−Ｆｅ系合金、
ｗ−Ｆｅ−Ｎｒ−ｃｒ系合金、等のＷを主成分とする金
属又はＭＯを主成分とする金属が良好である。上記低ヤ
ング率材料としてはＣｕ、Ａｇ、Ｎ　ｉ、Ｆｅ−Ｎ　ｉ
　４２％合金、コバール、５ＵＳ４０３等が良好である
。緩衝材５２は接合強度及び緩衝効果の点から層全体の
厚みが接合面の最長幅の０．０４〜０．４倍とした。
本実施例について、応力集中試験及び熱応力試験を実施
した結果、第２実施例と同様の結果を得た。
以上のごとく本実施例の接合構造は応力集中。
熱応力を緩和し、耐久性のある接合構造を提供できる。
［発明の効果］ 本発明のセラミックと金属との接合構造は、セラミック
製軸材に金Ｒ製スリーブ材を嵌めた状態で、上記軸材と
スリーブ材とを接合させてなる、セラミックと金属との
接合構造において、上記スリーブ材の外周部の内、上記
スリーブ材と上記軸材との接合端部に対応する部分に、
該接合端部に沿って条溝が設けられていることを特徴と
するため、セラミック製軸材の一部に応力集中しにくく
、各種応力に対して耐久性を有するとともに、熱応力も
低下するため耐熱性、特に繰り返しの加熱に対し耐久性
を有する接合構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第１図（イ）は本発明の基本的な構成を例示する断面図
、（ロ）はその斜視図、第２図（イ）及び（ロ）は他の
基本的な構成を例示する断面図、第３図は本発明の第１
実施例の断面図、第４図（イ）は第２実施例の断面図、
（ロ）は第２実施例で用いられるスリーブ材の斜視図、
第５図は比較例の断面図、第６図は第３実施例の断面図
、第７図は第４実施例の断面図、第８図は第５実施例の
断面図、第９図（イ）及び（ロ）は従来用いられていた
接合構造の断面図を表わす。 Ｍｌ、Ｍｌｌ、Ｍ２１，１．４１ ・・・セラミック製軸材 Ｍ２．Ｍｌ２．Ｍ２２，４，１４．１９．３１，４４．
５１　　　・・・金属製スリーブ材３２．３１２，３２
２，７．１４ｃ、２０ａ、３２ａ、４７，５０ａ・・・
接合端部Ｌ１．Ｌ１１．Ｌ２１．６．４６・・・条溝２
．１２・・・金属製軸材 ３．１３．５２・・・緩衝材 ５．１５．２０．３２，４５．５０・・・ロー材１６．
１９ａ、３３．５１ｂ ・・・オイルシーリング溝

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. セラミック製軸材に金属製スリーブ材を嵌めた状態で、
    上記軸材とスリーブ材とを接合させてなる、セラミック
    と金属との接合構造において、上記スリーブ材の外周部
    の内、上記スリーブ材と上記軸材との接合端部に対応す
    る部分に、該接合端部に沿って条溝が設けられているこ
    とを特徴とするセラミックと金属との接合構造。
JP60219580A 1985-09-30 1985-09-30 セラミツクと金属との接合構造 Granted JPS6278172A (ja)

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