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Die vorliegende Erfindung betrifft Metall-Keramik-Verbundkörper, bei denen ein
Keramikelement einstückig mit einem Metallelement verbunden ist.
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Da Keramikmaterialien wie Zirkonia, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid hervorragende
mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen, sind
sie in der Praxis als Hochtemperatur-Strukturmaterialien oder verschleißfeste Materialien
für Gasturbinenmotorteile, Verbrennungsmotorteile usw. zum Einsatz gekommen. Da
Keramikmaterialien jedoch im allgemeinen hart und spröde sind, ist ihre Formbarkeit
und Bearbeitbarkeit jener von Metallmaterialien unterlegen. Weiters verfügen
Keramikmaterialien, da sie geringe Zähigkeit aufweisen, über wenig Beständigkeit
gegenüber Schlagbeanspruchung. Aus diesem Grund ist es schwierig, mechanische
Teile, wie Motorteile, ausschließlich aus Keramikmaterialien zu bilden. In vielen Fällen
werden solche Keramikmaterialien im allgemeinen in der Form einer Verbundstruktur
verwendet, bei der ein Metallelement mit einem Keramikelement verbunden ist.
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Wenn ein Metallelement mit einem Keramikelement zu verbinden ist, wird ein
Verbundkörper im allgemeinen durch Schrumpfeinpassung eines Vorsprungs des
Keramikelements in eine Ausnehmung des Metallelements oder durch deren Verlöten
erhalten. In diesem Fall besteht die Tendenz zur Spannungskonzentration an einem
Ende eines verbundenen Abschnitts zwischen der Außenfläche des Vorsprungs des
Keramikelements und der Innenfläche der Ausnehmung des Metallelements. Folglich ist
die Festigkeit der Verbundstruktur gegenüber Biegen oder Verwinden verringert, und es
besteht die Gefahr, daß das Keramikelement bricht.
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Im Fall des Metalllkeramik-Verbundkörpers, bei dem ein am Keramikelement
ausgebildeter Vorsprung einstückig mit der Ausnehmung des Metallelements verbunden
ist, offenbart die JP-A-59-1 59,408, um Spannungskonzentration am Ende des fertigen
Verbundkörpers zu vermeiden, eine Verbundstruktur, bei der eine Rille im äußeren
peripheren Abschnitt des Vorsprungs ausgebildet ist, und das Verbinden erfolgt durch
Schrumpfeinpassung als mechanisches Verbindungsverfahren, sodaß ein Ende der Rille
sich am Ende eines verbundenen Abschnitts zwischen dem Vorsprung des
Keramikelements und der Ausnehmung des Metallelements befindet.
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Jedoch berührt, auch wenn diese Struktur durch das obengenannte mechanische
Verbinden erzielt wird, eine Kante der um die gesamte Peripherie des Vorsprungs des
Keramikelements herum vorgesehenen Rille die Ausnehmung des Metallelements, und
dort tritt übermäßige Spannungskonzentration auf. Folglich ist die Biegefestigkeit und
Verwindungsfestigkeit des verbundenen Verbundkörpers geringer, und es besteht die
Tendenz, daß das Keramikelement bricht.
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Auch wenn die Kante der Rille als schräge Kante oder abgerundete Kante ausgebildet
ist, tritt an dieser Stelle mehr oder weniger Spannungskonzentration auf. Aus diesem
Grund ist auch die Biegefestigkeit und Verwindungsfestigkeit des so verbundenen
Verbundkörpers geringer, und es besteht die Tendenz, daß das Keramikelement bricht.
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Weiters ist, wenn der fertige Verbundkörper in einer Atmosphäre wie einem
Verbrennungsgas verwendet wird, das Ende des verbundenen Abschnitts dem
Verbrennungsgas ausgesetzt, sodaß sich die Haltbarkeit des Verbundkörpers verringert.
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Weiters sind Metall-Keramik-Verbundkörper bekannt, bei denen eine Außenfläche eines
Vorsprungs eines Keramikelements durch Löten mit einer Innenfläche einer
Ausnehmung des Metallelements verbunden ist, und der Vorsprung im so verbundenen
Abschnitt durch chemisches Verbinden über die gesamte Oberfläche des Vorsprungs
fest an einem Lötmetall fixiert ist, das sich zwischen der Außenfläche des Vorsprungs
des Keramikelements und der Innenfläche der Ausnehmung des Metallelements
befindet.
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Die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlichte EP-A-
0307131 offenbart ein Keramikelement, das einen zylindrischen Vorsprung aufweist,
und ein Metallelement, das eine zylindrische Ausnehmung aufweist. Die gekrümmte
Peripherie des Vorsprungs ist an die gekrümmte innere Oberfläche der Ausnehmung
angelötet.
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Nun soll ein Fall erörtert werden, bei dem ein Vorsprung eines Keramikelements durch
Löten mit einer Ausnehmung eines Metallelements zu verbinden ist. Wenn die
Temperatur von einem Verfestigungspunkt des Lötmetalis auf Raumtemperatur
verringert wird, ist das Ausmaß der Schrumpfung des Metallelements oder des
Lötmetalls im allgemeinen größer, da es einen Unterschied im
Wärmeausdehnungskoeffizienten gibt, d.h. da das Metallelement oder das Lötmetall
einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, während jener des
Keramikelements kleiner ist. Jedoch ist, wie oben erwähnt, bei der Struktur, bei der der
Vorsprung des Keramikelements über die gesamte Ausdehnung ihrer Kontaktflächen
durch chemisches Verbinden fest mit dem Lötmetall verbunden ist, das Lötmetall
aufgrund des, Schrumpfens des Metallelements oder des Lötmetalis während des
Abkühlens fest mit dem Keramikelement verbunden. Als Folge kann das Lötmetall
bezogen auf das Keramikelement an ihrer Verbindungsgrenzfläche nicht gleiten, sodaß
Schrumpfkräffe des Metallelements oder des Lötmetalls auf das Keramikelement wirken
und im Keramikelement übermäßige Zugspannung auffritt. Weiters sind noch keine
ausreichenden Untersuchungen hinsichtlich der Beziehung zwischen der Fläche des
Stirnendes des Vorsprungs und der Bodenfläche der Ausnehmung durchgeführt worden,
und auch die Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Länge der verbundenen
Abschnitte ist noch nicht gründlich untersucht worden.
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Daher konzentriert sich die Zugspannung stark insbesondere am Ende des verbundenen
Abschnitts des Keramikelements, was die Beständigkeit des fertigen Verbundkörpers
gegen Biegen oder Verdrehen verringert und auch die Zuverlässigkeit verringert.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme zu lösen und
fertige Metal I-Keramik-Verbundkörper bereitzustellen, die leicht hergestellt werden
können und hohe Verbindungsfestigkeit aufweisen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme zu
überwinden und fertige Metall-Keramik-Verbund körper bereitzustellen, die sowohl bei
Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen extrem hohe
Verbindungsfestigkeit aufweisen.
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Die Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
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Bei der Konstruktion gemäß vorliegender Erfindung kann Spannungskonzentration, die
am Ende des verbundenen Abschnitts aufgrund einer Differenz in der Wärmedehnung
zwischen dem Keramikelement und dem Metallelement auftritt, durch Wahl der
optimalen Verbindungslänge L&sub2; in Abhängigkeit vom Durchmesser D des Vorsprungs
des Keramikelements verringert werden. Als Ergebnis nimmt die Biege- und
Verwindungsfestigkeit des verbundenen Verbundkörpers zu, sodaß die Zuverlässigkeit
erhöht wird. Der Grund, weshalb der Wert L&sub2;/D nicht kleiner als 0,2 und nicht größer
als 0,39 ist, besteht darin, daß sich, wenn er über 0,39 liegt, wie aus weiter unten
angeführten Beispielen klar hervorgeht, die Biegebruchlast verringert, sodaß nicht die
gewünschte Festigkeit erzielt werden kann. Weiters nimmt, wenn er geringer als 0,2 ist,
die Lötfläche ab, sodaß sich die Verbindungsfestigkeit verringert und es leicht zum
Herausrutschen des Vorsprungs des Keramikelements aus der Ausnehmung des
Metallelements kommen kann.
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Die Verbindungslänge L&sub2; ist eine Länge eines gelöteten Abschnitts zwischen der inneren
peripheren Oberfläche der Ausnehmung des Metallelements und der äußeren
peripheren Oberfläche des Vorsprungs des Keramikelements.
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Es wird auf die EP-A-0333339 der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes
verwiesen, zu der die vorliegende Erfindung eine Ausscheidung ist und in der andere
Aspekte der Verbindung von Metall- und Keramikteilen beschrieben werden. Der Inhalt
dieser Anmeldung ist in der vorliegenden Anmeldung durch Verweis eingeschlossen,
soweit er nicht ausdrücklich angeführt ist.
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Bei einer bevorzugten Konstruktion der Erfindung ist in der Nähe des Endes des
verbundenen Abschnitts eine Rille um die gesamte Peripherie des Vorsprungs des
Keramikelements herum ausgebildet, und das Lötmetall ist zumindest zwischen dem
Rand der Rille und der Ausnehmung des Metallelements eingebracht. So kann die Rille
vollständig oder teilweise mit dem Lötmetall ausgefüllt werden. Alternativ dazu ist die
Erweiterung, z.B. ein abgestufter Abschnitt, vorgesehen, um den Innendurchmesser der
Ausnehmung des Metallelements an dessen Öffnungsabschnitt zu erhöhen, und das
Lötmetall ist beim Verbinden zumindest zwischen der Erweiterung des Vorsprungs des
Keramikelements angeordnet. So wird Spannungskonzentration am Keramikelement
durch Dampfungswirkung des Lötmetalls gemildert. Demgemäß kann ein fertiger
Metall-Keramik-Verbundkörper mit hoher Zuverlässigkeit erhalten werden, der nur
schwer durch Biege- oder Verdrehkräfte zu brechen ist. Außerdem wird, wenn die Rille
in der Nähe des Endes des verbundenen Abschnitts im wesentlichen um die gesamte
Peripherie des Vorsprungs des Keramikelements herum ausgebildet ist, das Lötmetall
zumindest zwischen dem Rand der Rille und der Ausnehmung des Metallelements
angeordnet sowie das Lötmetall in der Rille angeordnet, und das Keramikelement durch
in der Rille vorhandenes Lötmetall daran gehindert, aus der Ausnehmung
herauszurutschen. Somit weist der fertige Verbundkörper verbesserte Zuverlässigkeit
bezüglich des Herausrutschens auf.
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Das Lötmetall ist zwischen der im Vorsprung des Keramikelements ausgebildeten Rille
und der Ausnehmung des Metallelements oder zwischen dem Vorsprung des
Keramikelements und der Erweiterung der Ausnehmung des Metallelements vorhanden.
Da das Lötmetall dicker wird, kann Spannungskonzentration, die aufgrund der Differenz
im Schrumpfausmaß zwischen dem Metallelement und dem Keramikelement während
des Abkühlens von der Löttemperatur am Ende des verbundenen Abschnitts des
Keramikelements auftreten würde, verringert werden.
Wenn die äußere periphere Oberfläche des Vorsprungs und die innere periphere
Oberfläche der Ausnehmung des Metallelements nur am Berührungsabschnitt
aneinandergelötet werden, kann Restspannung, die am Ende des verbundenen
Abschnitts auffritt, gemildert werden. Weiters kann, da das Lötmetall mit dem
Keramikelement und dem Metallelement reagiert, ein fester verbundener Abschnitt
zwischen den Elementen gebildet werden. Daher wird die Verbindungsfestigkeit im
Bereich von Raumtemperatur bis zu höheren Temperaturen verbessert. Darüberhinaus
kann die Schrumpfsitzwirkung zusätzlich erzielt werden, wenn Abkühlen von der
Verbindungstemperatur durchgeführt wird. So kann hohe Festigkeit erzielt werden.
Daher kann in diesem Fall eine bevorzugte Wirkung erzielt werden.
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Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand nicht-einschränkender
Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht einer Ausführungsform der verbundenen Metall-
Keramik-Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung ist; und
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Fig. 2 eine Ansicht ist, die einen zum Testen verwendeten Biegeprüfer darstellt;
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Fig. 3 ein Diagramm ist, das Ergebnisse in Hinblick auf Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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Bevor die Zeichnungen erklärt werden, erfolgen einige allgemeine Anmerkungen zu
Verfahren und Materialien, die für die Erfindung einsetzbar sind.
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Als Lötmetall zum Verbinden des Keramikelements mit dem Metallelement wird
vorzugsweise ein aktives Lötmetall verwendet, das ein aktives Metallelement enthält,
das zur chemischen Bindung an das Keramikelement fähig ist. Als Lötmetall kann eine
Lötlegierung verwendet werden, die ein aktives Metallelement enthält, oder ein
Lötmetall, bei dem ein Metallsubstrat mit einem aktiven Metallelement beschichtet ist.
In Hinblick auf einfaches Einstellen der Zugabemenge des aktiven Metalls zum
Lötmetall, auf einfache Handhabung oder einfache Herstellung wird vorzugsweise ein
Lötmetall verwendet, bei dem das Metallsubstrat mit dem aktiven Metallelement
beschichtet ist. Mehr bevorzugt wird ein Lötmetall verwendet, bei dem ein aktives
Metallelement durch Dampfbeschichtung auf einem Metallsubstrat aufgebracht ist. Als
solches aktives Metallelement wird vorzugsweise zumindest ein Metallelement
verwendet, das aus der Gruppe bestehend aus Zr, Ti, Ta, Hf, V, Cr, La, Sc, Y und Mo
ausgewählt ist, wenn das zu verbindende Keramikelement aus einem Keramikmaterial
besteht, das zumindest ein Nitrid und/oder ein Karbid enthält. Wenn das zu
verbindende Keramikelement aus einem Oxid-Keramikmaterial besteht, wird
vorzugsweise ein Metallelement verwendet, das aus der aus Be, Zr und Ti bestehenden
Gruppe ausgewählt ist.
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Da die obigen aktiven Lötmetalle gute Benetzbarkeit des Keramikelements aufweisen,
ist es nicht erforderlich, das Keramikelement einer speziellen Vorbehandlung wie einer
Metallisierungsbehandlung zu unterziehen. Was das Metallelement betrifft, wird seine
Benetzbarkeit durch Plattieren mit Ni verbessert. Daher kann, da das geschmolzene
Lötmetall durch Ausnutzung der Kapillarwirkung in eine zum Verbinden geeignete
Position eindringen kann, kann das Löten mit nur wenigen Fehlern, wie Blasen oder
Schrumpfungshohlräume durchgeführt werden, indem lediglich der an der
Verbindungsposition gebildete Spalt eingestellt wird, ohne daß das Lötmetall zuvor an
dieser Verbindungsstelle angeordnet wird.
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Auch wenn das Löten unter Verwendung eines Lötmetalis durchzuführen ist, das kein
aktives Metall enthält, können ähnliche Wirkungen wie im Fall des das aktive Metall
enthaltenden Lötmetalls erzielt werden, indem eine Metallisierungsschicht an der Stelle
vorgesehen wird, die mit der äußeren peripheren Oberfläche des Vorsprungs des
Keramikelements zu verbinden ist, die Metallisierungsschicht mit Ni plattiert wird und
vorzugsweise weiters eine zu verbindende Stelle der innere peripheren Oberfläche der
Ausnehmung des Metallelements mit Ni plattiert wird. In diesem Fall wird, da das
Verbinden nicht an der Stirnendfläche des Vorsprungs, die keine Metallisierungsschicht
aufweist, durchgeführt wird, weil keine Reaktion zwischen dem Lötmetall und dem
Keramikelement stattfindet, ein Spalt zwischen der Stirnendfläche des Vorsprungs und
der Bodenfläche der Ausnehmung gebildet. Weiters wird die Benetzbarkeit zwischen
der Innenfläche der Ausnehmung und dem Lötmetall vorzugsweise durch Plattieren der
Verbindungsstelle an der Innenfläche der Ausnehmung des Metallelements mit Ni
verbessert.
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Darüberhinaus können, wenn das Löten durchgeführt wird, während eine Folie aus
aktivem Metall zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des Vorsprungs des
Keramikelements und der inneren pephripheren Oberfläche der Ausnehmung des
Metallelements an einer Verbindungsstelle angeordnet ist, und ein Lötmetall, das kein
aktives Metall enthält, zwischen der Bodenfläche der Ausnehmung des Metallelements
und der Stirnendfläche des Vorsprungs des Keramikelements angeordnet ist, ähnliche
Wirkungen erzielt werden, wie bei der Verwendung des aktiven Lötmetalls.
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Wenn das Verbinden im wesentlichen unter Einsatz von mechanischem Verbinden, wie
Preßeinpassung, Schrumpfeinpassung oder Dehneinpassung, durchgeführt wird,
während sich das Lötmetall zumindest zwischen dem Rand der Nut oder Rille, die in
der Nähe des Endes des verbundenen Abschnitts und der Ausnehmung des
Metallelements um die gesamte Peripherie des Vorsprungs herum angeordnet ist,
befindet, wird übermäßige Spannungskonzentration am Rand der Rille, die durch
Berührung zwischen dem Rand der Rille und der Ausnehmung des Metallelements
auftreten würde, wenn das Verbinden nur durch das mechanische Verbinden
durchgeführt wird, verringert, sgdaß ein korrosives Gas, wie Hochtemperatur-
Verbrennungsgas, daran gehindert werden kann, in die Verbindungsgrenzfläche
einzudringen. Daher wird ein solches Verbinden bevorzugt.
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Beim obengenannten Verfahren, bei dem das Lötmetall zwischen dem Rand der Rille
und der Ausnehmung des Metallelements angeordnet ist, wenn das Verbinden im
wesentlichen unter Einsatz von mechanischem Verbinden durchgeführt wird, wird das
an der Rille befindliche Lötmetall durch Erwärmen der Bestandteile bis zum
Schmelzpunkt des Lötmetalls geschmolzen und kann zwischen dem Rand der Rille und
der Ausnehmung eindringen. So kann die erfindungsgemäße Konstruktion bei diesem
Verfahren leichter erreicht werden. Das im obigen Verfahren verwendete Lötmetall
kann ein aktives Lötmetall oder ein Lötmetall sein, das kein solches aktives Metall
enthält.
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Vorzugsweise wird das Verbinden im wesentlichen unter Einsatz von mechanischem
Verbinden, wie Preßeinpassung, Schrumpfeinpassung oder Dehneinpassung,
durchgeführt.
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Weiters verbleibt, wenn das Verbinden im wesentlichen durch Preßeinpassung bewirkt
wird, wie von NGK lnsulators, Ld. in der japanischen Patentanmeldung 61-285,974
geoffenbart, wenn das Keramikelement und das Metallelement in ein Gefäß gegeben
werden und unter einem verminderten Druck von etwa 10 Torr zur Preßeinpassung
aneinandergepreßt werden, keine komprimierte Luft im Raum zwischen dem Vorsprung
des Keramikelements und der Ausnehmung des Metallelements. Dadurch kann ein
zuverlässiger verbundener Verbundkörper erhalten werden. Daher wird ein solches
Verbinden vorgezogen.
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Als Keramikmaterial, das einen Bestandteil der verbundenen Metall-Keramik-
Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung bildet, kann jedes geeignete
Keramikmaterial verwendet werden. Wenn die praktische Anwendbarkeit berücksichtigt
wird, wird zumindest ein Keramikmaterial bevorzugt, das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die im wesentlichen aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Sialon, Zirkonia, Tonerde,
Mullit, Aluminiumtitanat und Cordierit ausgewählt ist. Welches Keramikmaterial oder
welche Keramikmaterialien von diesen verwendet werden sollte(n) kann je nach dem
Verwendungszweck der verbundenen Metall-Keramik-Verbundkörper gemäß
vorliegender Erfindung und der Arten von Metallelementen und Lötmetallen bestimmt
werden, mit denen die Keramikelemente zu verbinden sind.
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Als Metallmaterial, das einen Bestandteil Metall-Keramik-Verbundkörper gemäß
vorliegender Erfindung darstellt, wird vorzugsweise ein Metailmaterial mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des verwendeten Keramikmaterials
verwendet. Insbesondere wird als Metallmaterial, das mit dem Keramikmaterial mit
hervorragender Festigkeit bei hohen Temperaturen, beispielsweise Siliziumnitrid,
Siliziumkarbid, Sialon usw., zu verbinden ist, vorzugsweise Incoloy 903 (Markenname),
Incoloy 909 (Markenname), Koval (Markenname) oder dergleichen verwendet. Wenn
der fertige Metall-Keramik-Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung als
Rotationswelle, wie ein Turboladerrotor, eingesetzt wird, der sich bei hohen
Geschwindigkeiten bei hohen Temepraturen dreht, werden als Metallmaterial
vorzugsweise Incoloy 903 oder lncoloy 909 gewählt, die eine höhere Festigkeit als
Koval aufweisen. In Tabelle 1 werden die Wärmeausdehnungskoeffizienten von
Kohlenstoffstahl und SNCM 439 (JIS) als herkömmliche Metallmaterialien, sowie der
Wärmeausdehnungskoeffizient und die Zugfestigkeiten von Incoloy 903, Incoloy 909
und Koval gezeigt.
Tabelle 1
Metall-material
Wärmeausdehnungskoeffizient
(Raumtemperatur
500ºC)
Zug-festigkeit
(kg/mm²)
Incoloy
Koval
Kohlenstoff-stahlDie
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
detail lierter erklärt.
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Die Fig. 1 und 3 dienen der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 ist eine teilweise Schnittansicht, die eine Ausführungsform der verbundenen
Metal 1-Keramik-Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht. In der
Ausführungsform ist ein Vorsprung 2 eines Keramikelements 1 durch Löten
unterverwendung eines Lötmetalls 5 mit einer Ausnehmung 5 eines Metallelements 3
verbunden. Wenn eine axial verbundene Länge zwischen dem Vorsprung 2 und der
Ausnehmung 5 und dem Außendurchmesser des Vorsprungs 2 als L&sub2; bzw. D
angenommen werden, wird der Anforderung von 0,2≤L2/D≤0,39 entsprochen.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die gesamte Innenfläche der
Ausnehmung 5 des Metallelements 4 an einer zu verbindenden Stelle mit Ni plattiert,
und das Verbinden wird unter Verwendung des aktiven Lötmetalls 6 durchgeführt.
Somit ist die Innenfläche der Ausnehmung 5 im wesentlichen an der gesamten
Berührungsfläche an die Außenfläche des Vorsprungs 2 des Keramikelements 1
angelötet. Wenn eine herkömmliche Ag-Cu-Lötlegierung verwendet wird, die kein
aktives Metallelement enthält, wird die gesamte Innenfläche der Ausnehmung 5 mit Ni
plattiert, wie oben erwähnt, eine Metallisierungsschicht wird an einer zu verbindenden
Stelle auf der gesamten Außenfläche des Vorsprungs 2 ausgebildet, und die
Metallisierungsschicht wird mit Ni plattiert. Dadurch kann auf ähnliche Weise
Verbinden bewirkt werden.
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Nachstehend wird ein praktischer Versuch für die vorliegende Erfindung erklärt.
Versuch 1
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Metallelemente 4 wurden aus einem Rundstab hergestellt, der aus
lösungsglühbehandeltem Incoloy 903 mit einem Durchmesser von 18 mm bestand. Das
Metallelement hatte eine Ausnehmung 5 mit einem Innendurchmesser von 11,05 mm
und einer Tiefe von 8 mm an einem Ende und einen dünnen Schaftabschnitt mit 12 mm
Durchmesser. Keramikelemente 1, die jeweils einen Vorsprung 2 an einem Ende
aufweisen, wurden aus durch Drucklossintern erhaltenen Siliziumnitrid-Sinterkörpern
hergestellt. Der Vorsprung 2 hatte einen Durchmesser von 11,0 mm und eine Länge von
10 mm.
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Eine untere Kante der Ausnehmung 5 war mit C0.2 abgerundet, und ihr oberer Rand
war abgeschrägt. Die Stirnkante des Vorsprungs 2 war nmit C0.5 abgeschrägt und ihr
Basisabschnitt war mit R2 abgerundet.
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Nach den in Fig. 1 gezeigten Verfahren wurden verbundene Metall-Keramik-
Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung und nach den Vergleichsbeispielen unter
Verwendung eines aktiven Lötmetalls erhalten, bei dem Ti in einer Dicke von 2 µm
durch Dampfbeschichtung auf eine Ag-Cu-Lötlegierungsplatte mit 0,1 mm Dicke
aufgetragen wurde, während die L&sub2;/D-Werte variiert wurden. In Fig. 1 betrug die Dicke
der Ni-Plattierung 10 µm.
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Bezogen auf jeden der verbundenen Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung und
nach den Vergleichsbeispielen wurde auf das Keramikelement 1 eine Last aufgebracht,
während das Metallelement 4 am in Fig. 2 gezeigten Biegeprüfer befestigt wurde. Die
Biegebelastung, bei der der Vorsprung 2 des Keramikelements 1 vom verbundenen
Ende abbrach, wurde als Biegebruchlast gemessen. In Fig. 2 gilt I&sub1;=40 mm und I&sub2; = 5
mm. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 und Fig. 3 gezeigt.
Tabelle 2
Biegebruchlast
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Aus Tabelle 2 und Fig. 3 ist zu entnehmen, daß eine Biegebruchlast von nicht weniger
als 70 kg erzielt werden kann, wenn L&sub2;/D nicht kleiner als 0,2 aber nicht größer als 0,39
ist. L&sub2;/D ist mehr bevorzugt nicht kleiner als 0,25, aber nicht größer als 0,35.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obengenannte Ausführungsform beschränkt,
sondern es können verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen
werden.
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Wie aus der oben im Detail angeführten Erklärung klar hervorgeht, kann bei den
verbundenen Metall-Keramik-Verbund körpern gemäß vorliegender Erfindung
Spannungskonzentration, die aufgrund einer Differenz der Wärmedehnung zwischen
dem Metallelement oder dem Keramikelement und dem Lötmetall durch auf das
verbundene Ende wirkende Restspannung verursacht wird, verringert werden, indem
der Durchmesser des Vorsprungs und die Verbindungslänge beschränkt werden. So
können hochzuverlässige verbundene Metal 1-Keramik-Verbundkörper erhalten werden,
die nur schwer durch Biegen oder Verdrehen zu zerbrechen sind.
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Wenn Turboladerrotoren, bei denen ein Turbinenleitschaufelrad und ein Teil einer
Turbinenwelle aus Siliziumnitridkeramik besteht und der Rest aus einem Metall mit
hoher Festigkeit besteht, aus verbundenen Metal 1-Keramik-Verbundkörpern gemäß
vorliegender Erfindung bestehen, kann die Restspannung verringert werden. Daher
können derartige Turboladerrotoren mit hervorragender Beständigkeit und
hervorragendem Verhalten erhalten werden.