(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミックス材の破壊強度のばらつき、材料の大きさおよび材料内のき裂の進展を考慮し、設計寿命内では十分に破壊や損傷することのないセラミックス材の接触構造決定方法および接触構造を得る。【解決手段】セラミックス材と、金属材または他のセラミックス材からなる相手部材とを、接触または接合させるセラミックス材の接触構造決定方法および接触構造において、前記セラミックス材と相手部材との接触部に生じる最大主応力σｍａｘを使用温度における材料の有効負荷時間teffおよび有効体積Veff、安全係数から求め、セラミックスの破断強度以下となるように相手部材の形状および材質を決定する。【選択図】図２
2007309479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材と相手部材とを接触または接合させるセラミックス材の接触構造決定方法において、前記セラミックス材と相手部材との接触部に生じる最大主応力を使用温度における材料の有効負荷時間、有効体積および安全係数から求めこの最大主応力がセラミックスの破断強度以下となるように相手部材の形状および材質を決めることを特徴とするセラミックス材の接触構造決定方法。
【請求項２】
前記セラミックス材と相手部材との接触部に生じる最大主応力を使用温度における材料の有効負荷時間、有効体積および安全係数から求めこの最大主応力がセラミックスの破断強度以下となるように相手部材の形状および材質を決定し、中間に設置する材料を決定することを特徴とする請求項１記載のセラミックス材の接触構造決定方法。
【請求項３】
セラミックス材と相手部材とを接触または接合させるセラミックス材の接触構造において、前記セラミックス材と、このセラミックス材との接触部に生じる最大主応力が使用温度における材料の有効負荷時間、有効体積および安全係数を考慮したセラミックスの破断強度以下となるように形状および材質を限定した相手部材とからなることを特徴とするセラミックス材の接触構造。
【請求項４】
前記セラミックス材の接触部分を平面状に形成し、この平面で相手部材と接触することを特徴とする請求項３記載のセラミックス材の接触構造。
【請求項５】
前記セラミックス材が相手部材と面接触または線接触することを特徴とする請求項３載のセラミックス材の接触構造。
【請求項６】
前記セラミックス材として常圧焼結炭化珪素を用いるとともに、前記接触部が点接触となる場合、短時間負荷で平均面圧が1500MPa以下となることを特徴とする請求項３記載のセラミックス材の接触構造。
【請求項７】
前記セラミックス材として常圧焼結炭化珪素を用いるとともに、短時間負荷で相手材の引張強さが600MPa以下、耐力が300MPa以下であること特徴とする請求項３記載のセラミックス材の接触構造。
【請求項８】
前記相手部材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いること特徴とする請求項１または３のいずれか１項に記載のセラミックス材の接触構造決定方法または接触構造。
【請求項９】
前記接触部に緩衝材を介在させたこと特徴とする請求項３記載のセラミックス材の接触構造。
【請求項１０】
前記緩衝材として、中空構造の緩衝材を用いることを特徴とする請求項９記載の接触構造。
【請求項１１】
前記緩衝材として、軟質材料のＯリングを用いること特徴とする請求項９記載のセラミックス材の接触構造。
【請求項１２】
負荷荷重が動荷重であることを特徴とする請求項１または３のいずれか１項に記載のセラミックス材の接触構造決定方法または接触構造。
【請求項１３】
予め設計された接触構造から接触条件や接触部の構造の条件を決定する条件決定工程と、
前記条件決定工程で決定された各種接触条件から接触部に生じる最大主応力を求める変形解析工程と、
前記条件決定工程で決定された各種接触条件と変形解析工程で求められた最大主応力からき裂進展に有効に作用する時間を決定する有効負荷時間解析工程と、
前記変形解析工程と有効負荷時間解析工程とから有効体積を求める有効体積解析工程と、
前記有浩負荷時間解析工程で求められる有効負荷時間と破断強度との関係、有効体積と破断強度との関係から安全係数を考慮して使用温度での強度を算出する強度算出工程と、
前記変形解析工程で求められた最大主応力と前記強度算出工程で求められた使用温度での強度を比較し、最大主応力が大きい場合には再度前記条件決定工程での条件再設定を促すとともに、使用温度での強度が大きい場合には前記条件決定工程での条件を確定する比較工程と、
からなるセラミックス材の接触構造決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、ガスタービンやディーゼルエンジンなどの高強度、高耐食性に加えて高い信頼性と精度が要求される機器に適用されるセラミックス材と金属部材との接触方法および接触構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス材は脆性のために、かつては機械部品や構造部品としての利用が困難であると考えられていたが、近年新しいセラミックス材の開発が進められ、耐熱性、強度、破壊靭性などにおいて従来の材料を大きく上回るものが開発され、機械部品への適用拡大に大きな期待を寄せられるようになってきている。
【０００３】
しかし、実用部品にセラミックス材を適用するに際しては、セラミックス材に関する利用経験の浅さや設計法の未熟さから、十分にセラミックス材の特性を生かした適用例は考え出されていないのが現状である。
【０００４】
セラミックス材は耐熱性、硬さ、耐摩耗性、化学的安定性、耐食性、剛性、軽量性等の点において、金属材料よりはるかに優れているが、一方では、金属材料に比して塑性や、靭性が著しく劣るという特性を有している。
【０００５】
セラミックス材の破断ひずみは一般的には0.2%程度、またはそれ以下であり、破壊靭性値は2〜7MPa√m程度に過ぎない。これに対して、金属材料における破断ひずみが約＞1%、破壊靭性値が＞20MPa√mであるのと比較すると、その差はかなり大きい。
【０００６】
耐熱性、硬さなどの特性は、セラミックス材が利用される環境の絶対値を定めて、システム全体の機能を決定する諸量であるのに対して、破断ひずみや破壊靭性等は主として、セラミックス材を利用したり、製造する環境を如何に管理するかという技術と深く関わることになる。
【０００７】
システムへの適用技術を高めるためには、セラミックス材の特性、特に破断ひずみや破壊靭性等の値に応じて設計、製造技術の高度化が行われなければ、セラミックスに求められる機能を十分に引き出すことはできない。
【０００８】
従来の機械部品のほとんどが金属材料を主体に構成し、設計技術、設計思想が比較的塑性に富む金属材料を対象に作られ、塑性を欠くセラミックス材には適用しにくくなっている。
【０００９】
また、材料としてセラミックス材を使う場合でも、構造の主体はあくまでも金属材料にあり、セラミックス材はそれが使われることによってシステム全体の機能が大きく向上する部位に適用され、従ってセラミックス材と金属部材との接触ないし接合(以下単に接触と称する)技術が非常に重要となってくる。
【００１０】
しかしながら、従来のセラミックス材と金属部材との接触技術は極めて低く、これがセラミックス材の適用拡大に対する阻害原因のひとつとなっている。
【００１１】
セラミックス材はガスタービンやディーゼルエンジンなどの高強度、高耐食性に加えて高い信頼性と精度が要求される分野の他にも、強度特性や機械的な信頼性を多少犠牲にした、ベアリングや熱交換器などの耐熱性や耐摩耗性等セラミックス材本来の機能性を第一義的にして開発を進めている分野において適用が進められているが、常に金属部材との接触技術の問題がある。
【００１２】
例えば、蒸気タービンやコンバインドサイクル用の熱交換器は、従来の低温領域の機器では実現できなかった金属材料の耐熱限界を超えた高温領域や、非常に厳しい腐食環境下での熱交換を実現できるとしてセラミックス材の適用が期待されている。
【００１３】
熱交換器用の壁材として望まれるセラミックス材の一般的な特性としては、(1)高温強度が高く、耐クリープ性に優れる。(2)熱膨張率が小さい。(3)流通流体に対して耐食性が大きい。(4)通気性がない。(5)熱伝導率が大きい。等が必要とされている。
【００１４】
しかしながら、熱交換器は装置の一部であり、適用に可能性がある範囲が非常に広いため、金属部材との接続技術、接合技術、シール技術などの解決しなければならない問題が多く残されている。
【００１５】
従来、セラミックス材と金属部材とを締結する一般的な構造としては図１４に示すような構成が考えられている。
【００１６】
図１４において、１はセラミックスフランジ、２はこのセラミックスフランジ１に接合される金属フランジで、セラミックスフランジ１と金属フランジ２との間に金属製弾性体３を介在させ、さらにセラミックススペーサ４を介して前記両フランジを締付枠５で挟み、締付ボルト６で締め付けることにより接合し、熱膨張をこの金属製弾性体３で吸収するようにしたものが示されている(例えば特許文献１参照。)。
【００１７】
この金属製弾性体３は、熱膨張を吸収するとともにセラミックスフランジ１と金属フランジ２との間に気密性を与えているためシール材としての機能もあり、さらに大きな力が加わった場合にはセラミックスフランジ１を破損させないように、別のセラミックススペーサ４を破壊するようにしたものも考えられている(例えば特許文献２参照。)。
【００１８】
しかし、上記従来の技術では、金属製弾性体３がセラミックスフランジ１と接触する部分において、非常に高い応力を発生させる場合があり、条件によってはセラミックスフランジ１にき裂を発生させ、破壊させる恐れがある。
【００１９】
すなわち、金属製弾性体３に必要な性質や形状が全く規定されていないため、使用条件によってはかえって損傷を与える可能性もある。
【００２０】
セラミックス材と金属部材とのシール材としての従来技術としてはその形状や構成要素として、図１５や図１６に示すような技術も考えられている。
【００２１】
図１５は金属製ダクト７とセラミックス製ダクト８との間に良好に気密性を与えるために、セラミックス製リング９と金属製リング１０とを組み合わせたシールリング１１により、両者の段付端部１２間にシール構造を与えて環状空間１３を形成したものである(例えば特許文献３参照。)。
【００２２】
また図１６では、内側部材１４と外側部材１５とからなる断面Ｕ字形の金属製環状リング１６をシール部品として、シール構造を得ており、金属製環状リング１６のリング幅の金属厚さに対する比を規定している。
【００２３】
以上のようないずれのシール材によるシール構造あるいは接触構造においても、これらの既存技術は限定された条件においのみ有効であり、一般的なセラミックス材と金属部材との接触構造においては全く適用できない。
【００２４】
例えば、上記シール構造で流通流体に高い腐食性がある場合には、シール材として用いられている金属材料は腐食されて、その形状を維持できず、シール構造が全くなくなることになる。
【００２５】
また、セラミックス材と金属部材との間に高い面圧を設定した場合には、セラミックス材の表面にき裂が発生することになる。
【特許文献１】特開平０９−１９６２６０号公報
【特許文献２】特開平１１−２４８０６６号公報
【特許文献３】特開平０６−０５８１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
以上のように、これまでは一般的にセラミックス材が金属部材や他のセラミックス材と接触する場合に、セラミックス材が損傷しないために必要とされる接触条件が明確でないため、経験的に接触構造を得ていた。
【００２７】
したがって、セラミックス材が許容できる接触条件を明確にすることにより、接触条件を拡大してより広範囲の条件で接触する構造を得たり、逆に接触条件を限定する必要があるかを明確にできるため、その実現が重要な技術的課題であった。
【００２８】
構造材料としてセラミックス材を利用するには、セラミックス材のもつ本質的な特性である脆性を理解し、克服することが必要である。
【００２９】
すなわち、セラミックス材は強度面からみて、き裂に敏感であり、基本的には破壊力学で示された次式で破壊強度σfが決められる。
σf∝Ｋc／√Ｃ
ここでＫcは破壊靭性値、Ｃは限界き裂の大きさである。
【００３０】
セラミックス材では原子間の結合強度は高いが、材料にはマクロ的なき裂が存在し、そのき裂先端に応力が集中して、低応力で破壊することになる。
【００３１】
間接的に強度に及ぼすき裂となりうるものとしては、材料内の気孔や加工き裂、表面粗さ、加工ひずみなどがある。
【００３２】
セラミックス材特有の性質として強度のばらつきが大きいことも破壊がき裂から生じていることに起因している。
【００３３】
破壊強度が弾性係数などのような材料の平均的な性質でなく、材料中に含まれる最大欠陥によって支配されるため、破壊強度は確定値ではなく、統計的な量として捉えられる。
【００３４】
このため、破壊は必ずしも見かけの最大応力部から発生するとは限らず、通常は安全係数をかなり大きくとる必要がある。
【００３５】
さらに、大きな材料ほど大きな欠陥を含む確率が高くなるため、破壊強度に寸法的な効果が生まれ、単純な引張試験での破壊強度は３点曲げの破壊強度の１／２になる場合もある。
【００３６】
また、セラミックス材内部や表面のき裂は一定の大きさに保たれているわけではなく、材料に負荷する応力によってその大きさを増す。
【００３７】
通常は、時間に依存したき裂進展特性を示し、短時間負荷では問題なく使用できる場合でも、長時間にわたって同一の負荷を与えると破壊することになる。
【００３８】
このき裂進展は時間とともに生じ、負荷の量が変動する場合においても同様に評価でき、さらに使用温度によって異なった特性をもっている。
【００３９】
このため、破壊強度にばらつきを有し、材料の大きさによって破壊強度が変化して、負荷応力によってき裂が進展するセラミックス材特有の破壊形態を考慮した一般的なセラミックス材の接触構造を構築することが必要である。
【００４０】
本発明はこのような点に鑑み、セラミックス材の破壊強度のばらつき、材料の大きさおよび材料内のき裂の進展を考慮し、設計寿命内では十分に破壊や損傷することのないセラミックス材の接触方法および接触構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明の請求項１記載のセラミックス材の接触構造決定方法は、セラミックス材と相手部材とを接触または接合させるセラミックス材の接触構造決定方法において、前記セラミックス材と相手部材との接触部に生じる最大主応力を使用温度における材料の有効負荷時間、有効体積および安全係数から求めこの最大主応力がセラミックスの破断強度以下となるように相手部材の形状および材質を決定することを特徴とする。
【００４２】
また、本発明の請求項３記載のセラミックス材の接触構造は、セラミックス材と相手部材とを接触または接合させるセラミックス材の接触構造において、前記セラミックス材と、このセラミックス材との接触部に生じる最大主応力が使用温度における材料の有効負荷時間、有効体積および安全係数を考慮したセラミックスの破断強度以下となるように形状および材質を限定した相手部材とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、セラミックス材の破壊強度のばらつき、材料の大きさおよび材料内のき裂の進展を考慮し、設計寿命内では十分に破壊や損傷することのないセラミックス材の接触方法および接触構造が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１は本発明の第１の実施の形態における一例としてセラミックス材と金属部材との接触構造を説明するための概略説明図である。
【００４５】
図１において、２０は表面が平面形状をしたセラミックス材、２１はこのセラミックス材２０と接触する金属部材あるいは別のセラミックス材からなる球状の相手部材である。
【００４６】
次に、上記のようなセラミックス材２０と相手部材２１との接触構造を確定するための接触方法の手段について図２のフローチャートを参照して説明する。
【００４７】
図２において、要求されたセラミックス材２０の接触構造(Ｓ１)に対して、まず接触条件(Ｓ２)と接触部の構造条件(Ｓ３)を明確にする。
【００４８】
接触条件(Ｓ２)には、セラミックス材２０が相手部材２１と接触する荷重の時間的な変化、すなわち組立てや起動、運転、停止などという接触状態が生じる際の接触荷重の変化が含まれる。  
また接触状態にある構造物の合計の使用時間や使用する温度条件等が含まれる。
【００４９】
接触部構造条件(Ｓ３)にはセラミックス材２０や相手部材２１の材質といった接触部材料の材質やセラミックス材２０や相手部材２１の形状などが含まれる。
【００５０】
次に、接触部構造条件から得られる材料と形状と、接触条件から得られる荷重から、複雑な形状や塑性変形が大きく生ずる場合においては、有限要素法を用いた応力解析によって、単純な形状に対しては材料力学から得られる評価式によって (Ｓ４)接触部のセラミックス材２０に生ずる接触部最大応力（最大主応力δmax）を求める(Ｓ５)。
【００５１】
例えば、図１に示すように、表面が平面状のセラミックス材２０と球状の相手部材２１とが接触する場合、弾性変形内であれば、接触半径ａは    a3=3rP((1-ν2)/E+(1-νm2)/Em)/4   で与えられる。
【００５２】
ここでPは接触荷重、  rは球の半径、ν、Eはセラミックスのポアソン比、ヤング率、νm，Emは相手材のポアソン比とヤング率である。  
これより平均接触面圧pmは pm=P/(πa2)  となる。
【００５３】
平面と球が接触する場合には、接触荷重が微小であっても、かなり高い接触面圧が生ずる。
これによりセラミックス材２０に生ずる最大応力σmaxを求める。
【００５４】
最大応力σmaxは接触部端部に生じ、平面状のセラミックス材２０と球状の相手部材２１が接触する場合、弾性変形内であれば、最大応力σmaxは  σmax=(1-2ν)pm/2  となる。
【００５５】
最大応力σmaxはセラミックス材２０のポアソン比にもよるが平均接触面圧ｐmの数割の値になり、十分にき裂や破壊を生じる量となる。
【００５６】
次に、接触条件から得られる荷重条件から、き裂が進展するのに有効な時間を評価する。
セラミックス材２０内のき裂は負荷応力により主に時間に依存して進展するが、進展速度は応力拡大係数Ｋすなわち負荷応力σの指数則となっている。
【００５７】
指数の値をｎとし、初期内在き裂の大きさをａiとすると、破壊寿命tfは次の式で与えられる。
【数１】
2007309479.tif 000003
【００５８】
ここでＣは定数であり、応力σ(t)の時間変化により破壊寿命tfは変化することになる。  
すなわち一定応力σであれば、破壊寿命tfは  tf=2/(n-2)ai(2-n)/2 /(Cσn) となる。
【００５９】
実負荷時間をto、最大応力σmaxが常に負荷した場合の破壊寿命をteffとすると、その比ξはき裂進展が最大応力σmaxで生じる場合の寿命と実際の負荷時間の比となり有効負荷時間係数と定義できる。
【００６０】
すなわち、一定負荷で破壊する場合にはξ=1となり、
teff=to=2/(n-2)ai(2-n)/2 /(Cσnmax)となる。
直線的に荷重が増大して破壊する場合には、ξ=1/(n+1)となり、teff=ξto=to/(n+1)  となる。
【００６１】
複雑に荷重が変化する場合には、実際に上記の応力の積分を行い、最大応力を生じる荷重一定での破壊寿命との比から有効負荷係数ξを算出して、実負荷時間toに対してき裂進展に有効に作用する時間teffを求める(Ｓ６)。
【００６２】
図３に示すように、材料データとして一定の試験温度での有効負荷時間teffと破壊強度σfは両対数上で傾き-1/nの直線関係となり、この関係を用いて、任意の有効負荷時間teffでの破壊強度σfが求められる。
【００６３】
次に、セラミックス材特有の性質として強度のばらつきを考慮する。
通常、セラミックス材の破壊は最弱リンク理論によってワイブル分布に従うと考えられている。
【００６４】
ワイブル係数ｍはばらつきの大きさを表す値であり、その値が大きいほど、ばらつきは小さくなる。
このため、破壊は必ずしも見かけの最大応力部から発生するとは限らず、さらに、大きな材料ほど大きな欠陥を含む確率が高くなるため、破壊強度に寸法的な効果が生まれる。
【００６５】
この寸法効果を定量的に扱うものとして、有効体積Veffがある。
【００６６】
有効体積とは材料内の各点の応力σが最大応力と比較してどの程度の体積を占めるかを表すもので、Veff=∫(σ/σmax)m dVで求められる(Ｓ７)。
【００６７】
２つの部材の平均強度、有効体積をそれぞれμ1、μ2、Ve1、Ve2とするとμ2=μ1(Ve2／Ve1)-1/m となる。
【００６８】
図４に示すように一定の試験温度での有効体積Veffと破壊強度σfは両対数上で傾き-1/mの直線関係となり、この関係を用いて、任意の有効体積Veffでの破壊強度σfが求められる。
【００６９】
実際には有効体積Veffをパラメータとした有効負荷時間teffと破壊強度σfの評価線図を用いて図５のように評価する。
【００７０】
実負荷時間toから荷重変動を考慮して有効負荷時間teffを求め、パラメータである有効体積Veffの評価線を選定して、破壊強度σfを求めることになる。
【００７１】
しかし評価線はあくまで平均強度であり、実際の破断強度は統計的に確率をもった量となるため、平均強度に対して安全係数Sを考慮した値σRを用いる(Ｓ８)。
【００７２】
安全係数Ｓは平均強度強度σf、ワイブル係数mを基にして、破壊確率Qに相当する応力σRを設定することにより、
Ｓ=σf／σR=Γ((m+1)/m)/(ln(1/(1-F))1/m として定められる。ここで、Γはガンマ関数、Ｆは破壊確率分布関数である。
【００７３】
次に安全係数を見込んだ強度σRと最大応力σmaxを比較して(Ｓ９)、破壊強度が大きい場合には、接触構造として成立することになるが(Ｓ１０)、最大応力が大きい場合には、再度接触条件と接触構造を変更して再評価する。
【００７４】
次に、以上のように構成された本発明の第１の実施の形態の作用について説明する。  
図２に示した実施の形態では、まず要求されたセラミックス材の接触構造に対して、まず接触条件と接触部の構造条件を明確にする。
【００７５】
接触条件には、セラミックスが相手材と接触する荷重の時間的な変化、すなわち組立てや起動、運転、停止などという接触状態が生じる際の接触荷重の変化が含まれる。  
また接触状態にある構造物の合計の使用時間や使用する温度条件が含まれる。
【００７６】
接触構造条件にはセラミックス材や相手材の材質といった接触部材料の材質や接触部の形状が含まれる。
【００７７】
次に、接触構造条件から得られる材料と形状と接触条件から得られる荷重から、接触部のセラミックスに生ずる最大応力を求める。
【００７８】
平面と平面で接触する場合には、理論的には発生する接触面圧は低くなるが、図６(ｂ)に示すように傾いて接触した場合には、一点で接触し、局部的に過大な応力が発生することになる。
【００７９】
このような傾斜接触は組立てや部品設置などの状況で発生しやすく、これを防止するには、図６(ａ)に示すように接触する部分を予め限定した線接触構造とすることである。
【００８０】
同図では、リング状に線接触する部分を設けることにより、接触面積は平面同士が接触する場合よりも高くなるが、精度を高めて加工する部分の面積を小さくし、安定した接触を確保できる。
【００８１】
また、線接触構造をとる場合でも、セラミックス材側に、線状の突起部を設けた場合には、突起部周辺に過大な応力を発生しやすく、セラミックス材を破損させる原因となることから、セラミックス材は平面を保ち、塑性変形を生じやすい金属部品側に突起部を設けることが必要である。
【００８２】
セラミックス材同士の接触では中間部分に、塑性変形しやすい金属部品またはそれに代わる材料を設置する。
接触構造条件を確定した後、次に接触面圧やそれに伴う最大応力の大きさを算出する。
【００８３】
図７は短時間負荷の条件で得られた平均接触面圧と発生したき裂の大きさの関係を示す特性図である。
【００８４】
図７に示すように、限界接触面圧まではき裂の発生はみられず、さらに面圧を上昇させると、ある大きさのき裂が発生するとともに、面圧の増大によりき裂の大きさは大きくなる。
【００８５】
以上のようなき裂発生過程は図２に示すフローを検討することによって得られるが、短時間負荷での実験ではセラミックス材を常圧焼結炭化珪素とした場合には、限界接触面圧は1500MPaの値が得られており、この値を目安として接触構造を検討することができる。
【００８６】
また、接触面圧を低下させる要因として、相手材の強度特性がある。セラミックス材は本来塑性変形が生じにくく、そのために局部的に過大な応力が発生することとなるが、相手材が塑性変形しやすい場合には、接触面圧の低下が容易に起こりやすくなる。
【００８７】
図８に示すように、相手材が高強度材の場合には、応力がかなり高い状態に達しなければ、塑性変形は生じなく、また生じる塑性変形は小さい。しかし、耐力が低い低強度材が相手材の場合には、低い応力で塑性変形が発生するとともに、かなりの塑性変形量となることが期待できる。
【００８８】
実際に、図９に示すように平面のセラミックス材２０に小球２５を置き、荷重を負荷した場合、高強度材の場合には、接触面積も大きくならず、面圧もかなり高くなってき裂の発生に至った。しかし、低強度材では小球２５自体の塑性変形が進んで、接触面積が広がり、高強度材の数倍の荷重を負荷してもき裂が発生していない。
【００８９】
セラミックス材として常圧焼結炭化珪素を用いる場合には、短時間負荷では相手材の引張強さは600MPa以下、耐力300MPa以下とすることによって、き裂の発生を防ぐことができる。
【００９０】
さらに、一般的には相手材としては耐力が低いSUS304等のオーステナイト系ステンレス鋼が適用できる。
【００９１】
次に、有効体積Veffをパラメータとした有効負荷時間teffと破壊強度σfの図５の評価線図を用いて破壊強度σfを評価する。
【００９２】
実稼働時間toから荷重変動を考慮して有効負荷時間teffを求め、パラメータである有効体積Veffの評価線を選定して、破壊強度σfを求めることになる。
【００９３】
評価線はあくまで平均強度であり、実際の破断強度は統計的に確率をもった量となるため、平均強度に対して安全係数Ｓを考慮した値を用いる。
【００９４】
安全係数Ｓは平均強度強度σf、ワイブル係数mを基にして、破壊確率Qに相当する応力σRを設定することにより、求められる
次に安全係数を見込んだ強度σRと最大応力σmaxを比較して、破壊強度が大きい場合には、接触構造として成立することになるが、最大応力が大きい場合には、再度接触条件と接触構造を変更して再評価することとなる。
【００９５】
以上のように、本発明ではセラミックス材の接触構造において、まず構造的な検討から接触面圧や最大発生応力を算出する。
【００９６】
次に接触条件から材料強度の面での検討として材料の有効負荷時間に依存したき裂の進展に伴う強度変化を求め、さらに最大応力の占める体積を考慮した有効体積による強度変化を検討し、材料強度のばらつきから理論的に算出される安全係数を求める。
【００９７】
最後にこれらの値を比較することにより、設計寿命内に損傷または破壊することのない接触方法および接触構造が得られ、その効果は大きい。
【００９８】
本実施の形態の効果として次があげられる。  
本発明の第１の実施の形態では、セラミックス材の接触方法および接触構造において、まず構造的な検討から接触面圧や最大発生応力を算出し、次に接触条件から材料強度の面での検討として材料の有効負荷時間に依存したき裂の進展に伴う強度変化を求め、さらに最大応力の占める体積を考慮した有効体積による強度変化を検討し、材料強度のばらつきから理論的に算出される安全係数を求めて、最後にこれらの値を比較することにより、設計寿命内に損傷または破壊することのない接触構造を得ている。
【００９９】
本発明は一般的なセラミックス材との接触構造を得る際に基準となるべき方法を示しているので、熱交換器の他に原動機などにセラミックス材を適用する場合、容易に接触構造と接触条件を定めることができる。
【０１００】
これまでは経験的に脆性であるセラミックス材との接触構造を得ていたが、まずセラミックス部品の接触部の応力評価を行うことにより、接触部のどの部位の応力に注目するべきであるかを知り、材料強度面での評価においてもセラミックス材特有の性質を適用することができる。
【０１０１】
材料強度面ではセラミックス材が低靭性であることから、その破壊が材料内の欠陥やき裂に基づいているという性質を基にして、強度の時間変化や応力分布の依存性を評価し、安全係数を理論的に決定できる。
【０１０２】
まず、欠陥やき裂は負荷応力によって時間に依存して限界長さまで進展するが、その進展による強度の変化は有効負荷時間という一定の最大応力が負荷した場合に置き換えた場合の負荷時間として算出される。有効負荷時間は負荷荷重の変化が時間的に複雑に起こっても、最大応力を基準とした積分を実施することによって、どのような短時間でも、また逆に長時間負荷に対しても適用が可能であり、実際の負荷を忠実に評価する。また有効体積は材料内の欠陥やき裂に最大応力がどの程度作用するかを評価するもので、最大応力が発生する体積が極微小であれば、見かけ上の強度は上昇し、逆に最大応力が大きく体積を占めれば、見かけの強度低下が大きいことを示すもので、実際の機器に発生する応力分布を基として合理的に機器の破壊強度を推定することができる。
【０１０３】
さらに、安全係数は、セラミックス材の破壊がワイブル分布に基づく確率的な過程であることから、ある危険率(破壊確率)を仮定することにより、一定のワイブル係数の材料に対しては理論的に設定することができ、従来の経験的に定めていた場合と異なり曖昧さはなく、一般性が高い。
【０１０４】
以上のように、本発明によるセラミックス材の接触方法および接触構造は、設計寿命内で損傷や破壊することのない一般的な基準となるべき方法を示しているので、静的に用いる熱交換器の他に荷重の時間変化が大きい原動機などにセラミックス材を適用する場合、容易に接触構造と接触条件を定めることができる。
【０１０５】
また、本発明ではセラミックス材と相手部材について、短時間負荷に対して適用の目安となるべき、材料の組合せを示している。
【０１０６】
すなわち、セラミックス材を常圧焼結炭化珪素とした場合の限界接触面圧や相手材の耐力、引張強さの大きさ、さらに相手材として推奨される材質を示すことにより、接触構造確立の目安となるとともに、長時間負荷に対しては短時間条件を基にして時間強度の低下を基にして推定することができる。
【０１０７】
以上のように、本発明ではセラミックス材の接触部における応力の発生状態を評価し、セラミックス材特有の強度の時間依存性や応力分布依存性、さらに破壊確率に基づき安全係数を決定しているので、その適用性が広く、得られる接触構造の信頼性も高い。
【０１０８】
このため、本発明は信頼性の高い、安全に運用可能なセラミックス材の接触方法および接触構造を提供することができる。
【０１０９】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図１０に示すように、セラミックス材２０と相手部材２１の間に緩衝材２２を設置して、見かけの接触面積を広げ、接触面圧と最大応力を低下させるようにしている。
【０１１０】
この実施の形態では、セラミックス材２０が直接には相手部材２１材と接触していないため、接触部の形状をあまり考慮することなく、接触構造を得ることができる。しかし、緩衝材は一般に延性が大きいため、高荷重の負荷に対しては緩衝材が大きく変形して、局部的にセラミックス材と相手部材とが直接接触する部分を作りやすいため、その適用には実験や解析による検討が必要である。
【０１１１】
緩衝材としては図１１に示すゴムや銀、金などの軟質材料のＯリング２３を緩衝材として用いることが一般的であり、Ｏリング２３用に溝や段差を設けることにより、安定した状態で、接触構造を得ることができる。
【０１１２】
しかし、ゴムは高温には適用できないため、高温には図１２に示す中空金属管やそれに類似した形状のＯリング２４を緩衝材とすることができる。
【０１１３】
中空構造は圧縮力によりも容易に変形して、低強度材の塑性変形に似た変形特性を与えるため、セラミックス材に生ずる接触面圧も大きく低下させることができる。
【０１１４】
以上の緩衝材を用いた接触構造では、緩衝材の延性を用いて接触面積を広げ、面圧と最大応力の低下を容易に引き出すことができる。
【０１１５】
このため、緩衝材を用いた方法は、一般性がさらに向上するが、接触荷重によっては直接セラミックス材が相手部材と接触することがないようにしなければならない。
【０１１６】
しかし、緩衝材はその材料の性質から、セラミックス材や相手部材との密着性が高くなることから、接触構造を得るとともに、シール材として特性を得ることができる。
【０１１７】
すなわち、接触部において内外の環境を遮断する必要がある場合には、環境材の使用できる環境内においてシール材として使用できる。
【０１１８】
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。図１３に示すように相手部材２１がセラミックス材２０に衝撃的に衝突する場合のような動的な荷重負荷に対する適用例である。
【０１１９】
飛翔した相手部材２１が衝撃的にセラミックス材２０に衝突した場合には、静的負荷を上回る荷重が短時間に発生し、多大な損傷を与えることが知られている。
【０１２０】
これらの拡大して適用した接触構造においても、衝突時の発生する荷重の大きさとその時間的変化を考慮することにより、衝突時の最大応力を算出し、衝突時の負荷波形から相当負荷時間を、また応力分布から有効体積を算出して、衝突時のセラミックスの健全性を合理的に評価することができる。
【０１２１】
この様な動的負荷は、物体が衝突した場合のみではなく、部品の組立て時に衝撃的に設置した場合などのような、組立てや部品の保管時などのような一般的な状態にも適用できる。
【０１２２】
以上のように、本実施の形態は、静的な接触構造以外においても、相手部材の衝撃的に衝突時のような動的負荷に対しても有効負荷時間や有効体積を考慮することにより、微小時間の接触負荷に対しても適用を拡大することができ、その適用性は広い。
【０１２３】
以上のように、本発明ではセラミックス材の接触部における応力の発生状態を評価し、セラミックス材料特有の強度の時間依存性や応力分布依存性、さらに破壊確率に基づき安全係数を決定しているので、その適用性が広く、得られる接触構造の信頼性も高い。
【０１２４】
さらに本発明では、接触構造を得るための目安として、接触面圧や材料強度の特性値、材質を示すとともに、容易に接触構造を得るための緩衝材を用いた方法を示しており、その適用性は高い。また、静的接触構造のみでなく、衝撃的に負荷する動的な負荷形態に対しても本発明が有効であることを示しており、このため、本発明は信頼性の高い、安全に運用可能な接触構造を提供することができる。
【０１２５】
なお以上の説明においては、セラミックス材と相手部材とを接触させる場合を例にとり説明したが、本発明はセラミックス材と相手部材とを接合させる場合においても実施し得るものであり、上記説明における接触には接合の概念も含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための概略説明図。
【図２】本発明の第１の実施の形態を説明するためのフローチャート。
【図３】本発明の第１の実施の形態における破断強度の有効負荷時間依存性を説明するための特性図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における破断強度の有効体積依存性を説明するための特性図。
【図５】本発明の第１の実施の形態における有効負荷時間と有効体積を基にした破壊強度算出を説明するための特性図。
【図６】(ａ)、(ｂ)本発明の第１の実施の形態におけるセラミックス部材の接触状態を説明する説明図。
【図７】本発明の第１の実施の形態におけるき裂発生の限界接触面圧との関係を説明する特性図。
【図８】本発明の第１の実施の形態における高強度材との応力とひずみとの関係を説明するための特性図。
【図９】本発明の第１の実施の形態における高強度材と低強度材を相手材とした場合の接触状態を説明するための説明図。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における緩衝材を用いた場合を説明するための説明図。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における０リングを緩衝材として用いた場合を説明するための説明図。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における中空金属管０リングを緩衝材として用いた場合を説明するための説明図。
【図１３】本発明の第１の実施の形態における衝動的に負荷する動的接触状態での作用を説明するための説明図。
【図１４】従来の一般的なセラミックス部材と金属部材の接触構造を説明するための断面図。
【図１５】従来の一般的なセラミックス管と金属管との接触構造を説明するための断面図。
【図１６】従来の一般的なセラミックス部材と金属部材のシール構造を説明するための断面図。
【符号の説明】
【０１２７】
２０…セラミックス材、２１…相手部材、２２…緩衝材、２３…Ｏリング、２４…中空金属Ｏリング、２５…小球。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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