(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法であって、
前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、穴を設けた耐熱合金製部材を載せる工程と、
該穴の部分を耐熱合金で溶接して前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトと耐熱合金製部材とを一体に固定する工程と、
前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体とを相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合する工程と、
を有する低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法。
【請求項２】
耐熱合金製部材は、円板状に形成している請求項１記載の低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法。
【請求項３】
低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法であって、前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、耐熱合金を円板状に溶接で盛金被覆する工程と、前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体とを相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合する工程と、を有する低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法に係るもので、特に低合金鋼または普通鋼のような加熱後の冷却中におこる結晶構造変化にともなう体質変化の大きな材料とチタンアルミナイドのような延性の小さな材料との接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にセラミックスやチタンアルミナイドなどの新素材といわれる材料は、従来の普通鋼などの金属にはない優れた特性を有している。しかしながら、これらの材料の中には、延性が小さいため、溶接の場合は勿論のこと、摩擦圧接の場合でも、圧接中あるいはその後の冷却中に割れが発生したりして十分な強度が得られない材料もある。例えば、チタンアルミナイドの場合など、チタンアルミナイドが金属間化合物であるため、異種金属との溶接接合は困難とされ、今まで銀ろう付けが用いられていた。その後、普通鋼に、チタンアルミと接合性の良い耐熱合金を仲介部材として電子ビーム溶接などの接合法により接合し、次に仲介部材とチタンアルミとを摩擦圧接する方法が提案された。
【０００３】
このような、普通鋼に、チタンアルミと接合性の良い、例えばインコロイ９０３のような耐熱合金を仲介部材として電子ビーム溶接などの接合方法により接合し、次に仲介部材とチタンアルミとを摩擦圧接する方法としては、例えば、特開平２−１５７４０３に示すようなものがある。この例では、鋼製シャフトと耐熱合金製中空インサート材を接合し、次にインサート材とチタンアルミ製タービンホイールとを摩擦圧接するものである。
【０００４】
前記特開平２−１５７４０３の例では、普通鋼と耐熱合金製インサート材とは電子ビーム溶接などで接合し、かつ、その耐熱合金製インサート材はシャフトへの伝熱量を小さくするため中空としている。
【０００５】
図４は上記公報に開示された従来のチタンアルミタービンホイールの接合法を示すものである。ａはターボチャージャのチタンアルミタービンホイールであり、ｂは鋼製のシャフトである。ｃはそれらチタンアルミタービンホイールａと鋼製のシャフトｂとの間に介在させている中空のインサート材である。また、このインサート材ｃとシャフトｂとは、まず電子ビームなどの接合法により接合（ｅ）され、次にインサートｃとタービンホイールａとが摩擦圧接により接合（ｆ）されている。
【０００６】
また、本願出願人は、上記従来の技術が有している課題を解決するため、図３に示すように、チタンアルミナイド部材２と低合金鋼部材または普通鋼部材１のいずれか一方の接合表面に凹部４を設ける工程と、該凹部４に、凹部４の深さより厚い仲介材料３を嵌合する工程と、前記チタンアルミナイド部材２と低合金鋼部材または普通鋼部材１を相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合する工程と、これら一体となった部材を自然冷却する工程とを有するチタンアルミナイドと低合金鋼または普通鋼の接合方法の発明をなし、特許出願を行った（特願平７−８１０１３（未公開））。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の銀ろう付けでは強度が低く、しかも、温度が上がると弱くなり信頼性が十分ではない。
【０００８】
また、摩擦圧接による接合でも、普通鋼と耐熱合金製インサート材とは電子ビーム溶接などで接合し、かつ、その耐熱合金製インサート材はシャフトへの伝熱量を小さくするため中空としなければならない。
【０００９】
本願出願人の出願に係わる特願平７−８１０１３（未公開）の技術の、チタンアルミナイド部材と低合金鋼部材または普通鋼部材のいずれか一方の接合表面に凹部を設け、この凹部に仲介材料を嵌合して摩擦により加熱しながら押し付ける接合でも、接合表面に凹部を設ける都合上、その外径は製品寸法よりも凹部の縁の部分だけ大きくしなければならず、接合後の加工量を著しく増大する。
などの問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み案出されたもので、加熱後の冷却による体質変化の大きな低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトと延性の小さなチタンアルミナイド製回転体とを容易に、かつ、無駄なく接合する接合方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法の第１の発明では、低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法であって、
前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、穴を設けた耐熱合金製部材を載せる工程と、
該穴の部分を耐熱合金で溶接して前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトと耐熱合金製部材とを一体に固定する工程と、
前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体とを相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合する工程とを有する。
【００１２】
第２の発明では、耐熱合金製部材は、円板状に形成している。
【００１３】
第３の発明では、低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体との接合方法であって、前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、耐熱合金を円板状に溶接で盛金被覆する工程と、前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体とを相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合する工程とを有する。
【００１４】
上述した接合方法によれば、チタンアルミナイド製回転体の軸径と略同じ外径を有する低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、穴を設けた耐熱合金部材を載せ、該穴の部分を耐熱合金で溶接して前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトと耐熱合金部材とを一体に固定した後、あるいは、低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、耐熱合金を円板状に溶接で盛金被覆した後、前記低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトとチタンアルミナイド製回転体とを相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合することにより、耐熱合金の部分が冷却中におこる普通鋼または低合金鋼とチタンアルミナイドの体積変化の差を吸収するので、その接合部にクラックなどの発生を防止することができる。
【００１５】
なお、チタンアルミナイド製回転体の軸径と略同じ外径を有する低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトを接合するようにすれば、摩擦圧接後の機械加工代を最小限に止めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１および図２は本発明の実施形態に係る接合部の一部を切り欠いた側面図である。
図１および図２において、１１は接合すべき一方の部材である低合金鋼製シャフトまたは普通鋼製シャフトであり、１２は接合すべき他方の部材であるチタンアルミナイド製回転体である。１３は低合金鋼製シャフトまたは普通鋼製シャフト１１の接合表面に載せた中央に穴１４を設けた耐熱合金製部材であり、１５はこの穴１４に溶接盛りして耐熱合金製部材１３と低合金鋼製シャフトまたは普通鋼製シャフト１１とを固定した耐熱合金である。また、図２に示す１６は耐熱合金製部材１３に替えて低合金鋼製シャフトおよび普通鋼製シャフト１１の接合表面に溶接で円板状に盛金被覆した耐熱合金製部材である。
【００１７】
低合金鋼シャフトおよび普通鋼製シャフト１１とチタンアルミナイド製回転体１２との接合は、摩擦圧接装置（図示せず）を用いて行うが、それらの部材を相対回転させ、摩擦により加熱しながら軸方向に強く押し付け、穴１４を設けた耐熱合金製部材１３または溶接で盛金被覆した耐熱合金製部材１５を仲介して接合する。
【００１８】
【実施例】
以下、本実施形態の実施例を詳述する。
接合試験は、接合すべき一方の部材にクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５鋼）を、他方の部材にチタンアルミナイド化合物を用い、クロムモリブデン鋼（低合金鋼部材）１の寸法を、外径１５ｍｍ，長さ３０ｍｍとし、チタンアルミナイド化合物２の寸法を、外径１５ｍｍ，長さ２５ｍｍとした。また、最初は、図１に示す穴１４を設けた耐熱合金製部材１３を使用して接合したが、この耐熱合金製部材１３には板厚２ｍｍのニッケル合金材料（ＮＣＦ６００ーＪＩＳ規格）の円盤を使用して接合し、次に、図２に示す溶接で盛金被覆した耐熱合金製部材１６を使用して接合した。なお、これらの溶接に使用した溶接棒は、市販されているニッケル合金材料（Ｉｎｃｏ  Ｗｅｌｄ８２）を用いた。また、溶接は、一般的なＴｉｇ溶接により行い、固定または盛金被覆を行った。
【００１９】
第１回目の接合試験、すなわち、穴１４を設けた耐熱合金製部材１３を使用した接合試験では、
回転数：２０００ｒｐｍ
摩擦圧力と寄り代：２９４ＭＰａ，１．５ｍｍ
アプセット圧力と時間：３９２ＭＰａ，６ｓｅｃ
この条件の下に、２回行った後、接合試験片の引張試験を、室温で行ったが、その結果は、次のとおりである。
【００２０】
試験結果は、２７０ＭＰａ，３５０ＭＰａの引張り強さを有することが確認された。
第２回目の接合試験、すなわち、溶接で盛金被覆した耐熱合金製部材１６を使用した接合試験では、低合金鋼部材（ＳＣＭ４３５鋼）の接合表面に、１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの高さの盛金被覆を行った。この盛金被覆後、第１回目の接合試験と同じ条件の下に、摩擦圧接を２回行った後、接合試験片の引張試験を、室温で行ったが、その結果は、次のとおりである。
【００２１】
試験結果は、４１４ＭＰａ，４８０ＭＰａの引っ張り強さを有することが確認された。この強さはチタンアルミナイド母材と略等しく、接手効率は１００に近い。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、以上述べたように、加熱後の冷却による体積変化の大きな低合金鋼製シャフトまたは普通鋼製シャフトと延性の小さなチタンアルミナイド製回転体との接合であっても、接合すべき低合金鋼製シャフトまたは普通鋼製シャフトの接合表面に、穴を設けた耐熱合金部材を載せ、穴を溶接して固定するか、または、溶接で盛金被覆した耐熱合金部材を仲介させ、相対回転させて摩擦により加熱しながら押し付けて接合するので、冷却時の体積変化の差を耐熱合金が吸収し、その接合部にクラックなどの発生を防止することができ、しかも、十分な強度を得ることができるなど優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る接合部の一部を切り欠いた側面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る接合部の一部を切り欠いた側面図である。
【図３】既出願に係わる特願平７−８１０１３の接合部を示す側面図である。
【図４】従来の方法による接合部を示す断面図である。
【符号の説明】
１  低合金鋼または普通鋼部材
２  チタンアルミナイド部材
３  仲介部材
４  凹部
１１  低合金鋼製シャフトおよび普通鋼製シャフト
１２  チタンアルミナイド製回転体
１３  耐熱合金部材
１４  穴
１５  溶接部
１６  溶接で盛金被覆した耐熱合金部材
【図１】
0003646742.tif 000002
【図２】
0003646742.tif 000003
【図３】
0003646742.tif 000004
【図４】
0003646742.tif 000005