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技術 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

出願人 株式会社IHI
発明者 美野和明高橋聰近藤暢宏
出願日 1995年9月12日 (25年5ヶ月経過) 出願番号 1995-233617
公開日 1997年3月25日 (23年10ヶ月経過) 公開番号 1997-076079
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール タービンロータ・ノズル・シール 処理全般、補助装置、継手、開先形状 圧接、拡散接合 圧接、拡散接合
主要キーワード 仲介材 中空インサート 仲介部材 機械加工代 ニッケル合金材 鋼製シャフト 摩擦圧力 チタンアルミナイド
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この項目の情報は公開日時点(1997年3月25日)のものです。
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図面 (5)

課題

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、十分な強度を有することができる。

解決手段

低合金鋼シャフトまたは普通鋼製シャフトとチタンアルミナイド回転体との接合方法であって、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、穴を設けた低合金鋼部材を載せ、穴の部分を溶接して一体に固定するか、または、溶接で盛金被覆して低合金鋼製シャフトまたは普通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を有する。

概要

背景

一般にセラミックス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、チタンアルミ接合性の良い耐熱合金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。

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。

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。

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。

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))。

概要

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、十分な強度を有することができる。

低合金鋼製シャフトまたは普通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、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、穴を設けた低合金鋼部材を載せ、穴の部分を溶接して一体に固定するか、または、溶接で盛金被覆して低合金鋼製シャフトまたは普通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を有する。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

低合金鋼シャフトまたは鋼製シャフトチタンアルミナイド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、耐熱合金鋼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。

技術分野

0001

本発明は、低合金鋼シャフトまたは鋼製シャフトチタンアルミナイド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。

背景技術

0002

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、チタンアルミ接合性の良い耐熱合金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))。

発明が解決しようとする課題

0007

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。

課題を解決するための手段

0011

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、耐熱合金鋼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製部材を載せ、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製部材とを一体に固定した後、低合金鋼製シャフトまたは鋼製シャフトの接合表面に、耐熱合金鋼を円板状に溶接で盛金被覆して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、耐熱合金鋼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鋼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、摩擦圧接後機械加工代を最小限に止めることができる。

発明を実施するための最良の形態

0016

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

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。

発明の効果

0022

本発明は、以上述べたように、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および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シャフトおよび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鋼が吸収し、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奏する。

図面の簡単な説明

0023

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。

--

0024

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

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