CN102131610B - 用于镁合金和钢的接合不同金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供接合不同金属的方法，其中氧化物膜存在于接合表面上，所述方法可牢固地使镁合金与钢接合，对于镁合金与钢，直接冶金接合是困难的。在使镁合金材料(1)与钢板(2)接合中，使用镀敷了Zn-Al-Mg合金(第三材料)的镀锌钢板(2)作为钢材料。当接合时，生成Al-Mg-Zn三元低共熔熔体，并且其与氧化物膜(1f)、杂质等一起从接合界面排出，同时形成Al-Mg金属间化合物如Al3Mg2或Fe-Al金属间化合物如FeAl3。镁合金材料(1)和钢板(2)的新生成表面通过包含所述金属间化合物的化合物层(3)彼此接合。

Description

用于镁合金和钢的接合不同金属的方法
技术领域
本发明涉及接合不同金属的方法，所述不同金属是作为不同金属组合的镁合金和钢，当在其接合表面处存在氧化物膜时，所述镁合金和钢在冶金上难以直接彼此接合。
背景技术
当不同金属彼此接合时，在镁合金材料表面处存在氧化物膜，同时在钢表面处的氧化物膜在接合期间中的加热步骤中生长的情况中，如在镁合金材料和钢的组合中，在空气中接合是困难的。
另外从Fe-Mg二元相图看出，镁和钢呈现两相分离型，同时彼此之间的溶解度非常小，因此，使具有该特征的材料彼此直接接合在冶金上是非常困难的。
因此，迄今为止，在使用诸如组合的基于镁的材料和钢的不同金属材料的情况中，用螺栓或铆钉等进行机械紧固(参见例如专利引用1)。
现有技术引用
专利引用
专利引用1：日本特开2000-272541号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，根据上述专利引用1中所述的方法，在接合中使用的部件的数目提高，由此导致诸如提高接合元件的重量和成本的问题。
考虑到在接合不同金属中的上述问题，做出了本发明。本发明的目的是提供接合不同金属的方法，尽管在接合表面处存在氧化物膜的事实和尽管是在冶金上难以直接彼此接合的镁合金材料和钢的组合，通过该方法仍然可得到牢固的接合。
解决问题的手段
本发明人进行了许多热心的研究。结果，他们发现，可通过如下方法在低温从接合界面除去氧化物膜：在进行彼此接合的两种不同金属材料之间提供第三材料，从而在所述两种材料中的至少一种和第三材料中所含的金属之间引起三元低共熔反应。另外，发明人发现，通过向接合界面提供含金属间化合物(其包含所述两种材料中的至少一种的主组分金属)的层，可解决上述问题，并完成本发明。
具体地，本发明基于上述知识，其中，接合不同金属(其为镁合金和钢)的方法的特征在于包括：在镁合金材料和钢之间提供含锌、镁和铝的第三材料，以引起Zn-Al-Mg三元低共熔熔融，使得低共熔熔融导致的反应产物从接合界面排出，同时在接合界面处形成Al-Mg金属间化合物和Fe-Al金属间化合物中的至少一种，从而通过含所述金属间化合物的化合物层接合所述镁合金和钢。
另外，在用于接合不同金属(其为镁合金和钢)的结构中，镁合金材料和钢材料的新生成表面通过化合物层彼此接合，所述化合物层包含Al-Mg金属间化合物和Fe-Al金属间化合物中的至少一种。Zn-Al-Mg三元低共熔熔融导致的反应产物存在于所述化合物层周围。
发明效果
根据本发明，用于引起与镁的三元低共熔熔融的含锌和铝的第三材料存在于镁合金材料和钢之间，由此当进行接合时导致Zn-Al-Mg三元低共熔熔融。因此，如果在接合表面处形成阻碍接合的氧化物膜，则可容易地在极低温度将氧化物膜从接合界面除去。
另外，含金属间化合物(其在Mg和Fe中的一种或两种和第三材料中所含的Al之间形成，所述Mg和Fe分别为所述接合材料的主组分金属)的层存在于接合材料之间，使得在冶金上难以直接彼此接合的接合材料之间可相互扩散，由此得到牢固的接合。
附图说明
[图1]是示出Al-Mg-Zn合金的三元低共熔点的三元相图。
[图2](其包括(A)至(E))是示意性地说明在根据本发明的用于接合不同金属的方法中的接合过程的流程图。
[图3]是示意性截面图，其示出通过应用本发明的接合方法的点接合所导致的搭接(lappedjoint)的接合结构。
[图4]是示出用于本发明实施例的电阻点焊设备的结构示意图。
[图5]是示出在由本发明实施例2得到的接合部附近位置处的SEM图像和Auger分析结果的图像。
具体实施方案
下文中，将进一步对根据本发明的用于接合不同金属(其为镁合金和钢)的方法进行详细和具体地讨论。
在本说明书中，除非另外指出，否则，“％”表示质量百分数。另外，“主组分”表示在材料中含量最高的组分。
在本发明中，如上面所讨论，当含Mg作为主组分的镁合金材料和含Fe作为主组分的钢彼此接合时，在所述两种材料之间存在第三材料，所述第三材料含有Mg和作为主组分的Zn，以及还含有Al，这里的Al引起在它和这些Zn和Mg之间的三元低共熔熔融。
当进行接合时，导致Zn-Al-Mg三元低共熔熔融，以从接合界面排出其反应产物，同时在Mg和Al之间和/或在Fe和Al之间产生金属间化合物，其中镁合金材料和钢通过含该金属间化合物的化合物层彼此接合。
因此，即使充当接合抑制因素的Mg的氧化物膜存在于接合界面处，也可将它从接合界面容易地除去，不仅在接合材料的熔点，而且在比二元低共熔点更低的温度。
具体地，图1示出Al-Mg-Zn合金的三元相图，其中Al-Mg-Zn合金具有三元低共熔点Et，其代表以原子百分数计7.0％Al-8.1％Mg-84.9％Zn的组成。该三元低共熔组合物的熔点为337℃，其低于Mg的熔点660℃，并且还低于Mg-Zn的二元低共熔点的温度364℃。
因此，可使在接合表面处存在的氧化物膜和其它杂质在更低温度从接合界面与三元低共熔反应物一起排出，由此抑制产生过多的金属间合金(Fe-Al化合物或Al-Mg化合物)，从而可得到牢固接合。例如，在下面讨论的电阻焊接的情况中，可在较低电流形成较大熔核(nugget)，由此可得到高接合强度。
当转换成质量百分数时，在上述三元低共熔点Et处的组成变为3.2％Al-3.3％Mg-93.5％Zn。
根据本发明，在用于接合不同金属的方法中，当进行接合时，在接合材料的主组分金属和Al之间产生金属间化合物，使得含该金属间化合物的化合物层存在于接合界面处，因此，在冶金上难以直接接合的镁合金和钢的组合中可发生扩散，由此改善接合强度。
根据本发明，在用于接合不同金属(其为镁合金和钢)的方法中，使上述第三材料存在于所述两种接合材料之间的具体手段优选为涂覆手段，例如镀敷、喷涂、蒸汽沉积、涂膜和/或类似手段，通过这些手段，第三材料附着于接合表面。
换句话说，通过在清洁后使第三材料与钢的清洁表面附着，将在三元低共熔反应下熔融的涂层与表面处的氧化物膜和杂质一起排出至接合部周围位置处。然后，从涂层底部出现非常清洁的新生表面，由此可得到牢固的接合。
另外，根据本发明，在用于接合不同金属的方法中，可将铝事先添加至镁合金材料。
通过这样做，当在接合期间生成金属间化合物时可向接合界面供应足量的Al，使得在所述接合材料中的主组分金属Mg或Fe和Al之间的金属间化合物可确实形成，由此得到更牢固的接合。
另外，所述第三材料的组分组成优选为上述Zn-Al-Mg三元低共熔组合物或Al含量比该组合物的Al含量更高的组合物，使得例如可使用6-20％Al-1-4％Mg-Zn的合金组合物。
通过这样的组成，与二元低共熔熔融的情况中相比，可在进一步更低的温度进一步确实地导致低共熔熔融。另外，由于第三材料含有很多Al，当在接合界面处形成含Al的金属间化合物时使用添加至第三材料的Al，因此，用于形成金属间化合物的Al的量足够，由此可得到更牢固的接合部。
根据本发明，在用于接合不同金属的方法中，含有含Al的金属间化合物的化合物层存在于接合界面处。此时，这种化合物层优选含有如上所述的Al-Mg金属间化合物(例如Al3Mg2)和Fe-Al金属间化合物(例如FeAl3)，并且更优选将这些金属间化合物混合以形成复合层。
不特别限制在本发明的接合不同金属的方法中使用的接合手段，只要它能够以使第三材料存在于镁合金材料和钢之间的条件相对挤压镁合金材料和钢，同时能够在不低于三元低共熔温度的温度加热接合界面即可。
作为实际的接合设备，例如可使用扩散接合设备或包含激光束辐射头和压辊的激光焊接设备等，其中特别优选使用在电阻焊接下的点焊或缝焊。根据该电阻焊接，可将接合界面容易地加热至不低于三元低共熔温度的温度，同时相对挤压两种材料，由此使得可通过使用现有装置进行本发明的不同材料接合。
图2的(A)至(E)是对步骤的示意性说明，示出根据本发明的接合不同金属的方法的镁合金材料和钢的接合过程。
首先，如图2的(A)中所示，制备了钢板2和镁合金材料1，所述钢板2具有Al-Mg-Zn合金镀层(第三材料)2p，所述Al-Mg-Zn合金镀层(第三材料)2p至少位于接合界面的面上的表面处。氧化物膜1f在镁合金材料1的表面处生成。
如图2的(B)中所示，以合金镀层2p位于内侧的方式将这些钢板2和镁合金材料1重叠放置，在上面进行相对挤压、负荷热冲击(loading thermalimpact)和/或加热，如图2的(B)中的箭头所示。这引起塑性变形等，其局部地破坏氧化物膜1f。
当氧化物膜1f被破坏时，在镁合金材料1中的Mg局部地与Al-Mg-Zn合金镀层2p接触，由此在维持一定温度条件下如图2的(C)中所示引起Al-Mg-Zn的三元低共熔熔融E，使得逐渐有效地除去在镁合金材料1的表面处的氧化物膜1f。在这种情况中，由于三元低共熔熔融，所述三元低共熔反应在极低温度如337℃进行。
如图2的(D)中所示，在挤压时，在接合界面处的氧化物膜1f和杂质(未示出)与低共熔熔融产物E一起排至接合部周围的位置处。此时，在接合界面处，Zn和Mg优先熔融并在低共熔熔融下排出。结果，添加至镁合金的Al组分保留下来，使得相对Al富集相仅在接合界面处形成。此外，该Al原子与Fe和Mg反应以形成含金属间化合物Al-Mg和Fe-Al的化合物层3。
此外，经过接合时间后，如图2的(E)中所示，在界面处形成的Al-Mg-Zn低共熔熔融产物被彻底排出，使得如上所述的含金属间化合物的化合物层3存在于接合界面处。这时，所述镁合金材料1和钢板2的新生成表面通过上述化合物层3彼此接合，由此完成牢固的接合。
在该实例中，锌层在接合后在接合界面处不保留。这是在镁合金1和钢板2之间得到牢固接合的因素；然而，这需要一定的挤压、反应和排出所需要的温度和时间，从而需要钢板2的镀层2p具有一定厚度，该厚度通过考虑三元低共熔反应消耗的镀层的量来确定。
图3示出上述方法适用的点接合所导致的连接接合的接合部结构，其中将在表面处具有氧化物膜1f的镁合金材料1放在具有Al-Mg-Zn合金镀层2b的钢板2上，所述Al-Mg-Zn合金镀层2b至少位于所述接合界面一侧的表面处。
另外，如上所讨论，含有上述Al-Mg金属间化合物(例如Al3Mg2)和Fe-Al金属间化合物(例如FeAl3)的化合物层3在接合表面处形成，使得所述镁合金材料1和钢板2通过该化合物层3接合。此时，在接合界面处的来自于氧化物膜1f的氧化物和杂质与含有钢板2的Al-Mg-Zn合金镀层2p的三元低共熔熔融物质以围绕该接合部的方式一起排出，以作为排出物质W存在于所述板材料1，2之间。
实施例
下文中，将参照实施例详细地讨论本发明。
当接合不同金属(其为基于镁的材料和钢)时，使用镀有11％Al-3％Mg-Zn合金作为第三材料的钢板作为钢材料。作为镁合金材料，制备了含铝的AZ31合金(3％Al-1％Zn)。这些钢材料和镁合金材料在多种条件下接合，在此基础上，研究在界面结构和强度之间所得的关系，和与使用镀锌钢板的情况进行对比。这里使用的镁合金材料和钢板的厚度分别为1.0mm和0.55mm。
图4是在实施例中使用的电阻点焊设备的示意性说明。在图中示出的接合设备10具有一对电极11，以及可通过以下方法完成接合：使用热(通过从电源12供应电流一定时间在接合界面处的电阻的作用下产生)，同时使用电极11以一定压力挤压镁合金材料1和镀敷钢板2。使用的电极11由铬铜合金形成并具有40mm的末端曲率半径R。
接合条件如下：挤压压力为300kgf；焊接电流值为10000-30000A；以及接合时间为12周期(240ms)。在接合后，为测量接合强度，进行剪切拉伸测试以评价强度。
另外，通过使用扫描电子显微镜、能量扩散X-射线分析和X-射线衍射仪研究在接合部界面处的反应层的组成等。
这些结果示于表1。关于表中的接合结果，将拉伸剪切强度不低于1.2kN的结果评价为“○”，将拉伸剪切强度低于1.2kN的结果评价为“×”。
Figure GDA0000047300600000071
如表1中所示，可理解的是，在使用镀锌钢板的对比例1-4中，如果在电阻焊接中的电流值不提高至30000A，则不能获得高接合强度。
相反，已证实，在根据本发明并使用Al-Mg-Zn合金镀敷的钢板作为所述钢板的实施例1-4中，甚至在约15000A的电流值(低于对比例中的电流值)时，能够得到大熔核直径，使得得到高强度。
具体地，如实施例1中所示，等于或大于对比例4在30000A的电流值获得的拉伸剪切强度的强度能够在15000A得到。根据本发明，已证实，以1/2的电流值能够得到相等的强度。
另外，根据实施例1，关于熔核直径，等于对比例4在30000A的电流值获得的熔核直径的熔核直径能够在15000A得到。根据本发明，以1/2的电流值能够得到相等的熔核直径。
图5示出作为本发明接合结构实例的上述实施例1的接合部中心及其外周部分的SEM(扫面电子显微镜)观察和Auger分析的结果，其中Fe-Al和Al-Mg的纳米水平的薄复合层在接合部中心处形成。
另外，可理解的是，所述氧化物膜与Al-Mg-Zn三元低共熔熔融金属一起排至接合部的外周。
在上述实施例中，尽管描述的是当进行接合时使用电阻点焊设备作为加热和挤压焊接材料的手段，但是所述手段不特别限于这些手段，能够精确控制接合界面温度的所有接合方法均可无阻碍地使用。除了所述电阻焊接之外，可使用常用设备如激光焊接、高频焊接、摩擦搅拌接合(friction agitationjoining)、超声波接合或扩散接合等，使得不需要为此目的准备新热源，这是经济的。
另外，关于使Al-Mg-Zn合金层与钢板表面附着的手段，所述手段不仅限于镀敷，因此，可使用涂覆手段如喷涂、沉积和粉末沉积等。
符号的说明
1镁合金材料
1f氧化物膜
2钢板
2p Al-Mg-Zn合金镀层(第三材料)
3化合物层

Claims (9)

1.接合不同金属的方法，所述不同金属是镁合金和钢，其特征在于，所述方法包括：在镁合金材料和钢之间提供含锌、镁和铝的第三材料，以引起Zn-Al-Mg三元低共熔熔融，使得低共熔熔融导致的反应产物从接合界面排出，同时在接合界面处形成Al-Mg金属间化合物和Fe-Al金属间化合物，从而通过含所述Al-Mg金属间化合物和所述Fe-Al金属间化合物的化合物层接合所述镁合金和钢。
2.权利要求1中的接合不同金属的方法，其特征在于，所述第三材料通过包括镀覆、喷涂、沉积和涂膜的包覆方法附着于所述钢材料的接合表面。
3.权利要求1或2中的接合不同金属的方法，其特征在于，已将铝添加至所述镁合金材料。
4.权利要求1或2中的接合不同金属的方法，其特征在于，所述第三材料为Zn-Al-Mg三元低共熔组合物或组成中含有的Al的量高于所述三元低共熔组合物的金属。
5.权利要求1或2中的接合不同金属的方法，其特征在于，Al-Mg金属间化合物和Fe-Al金属间化合物混合存在于所述化合物层中。
6.权利要求1或2中的接合不同金属的方法，其特征在于，将所述镁合金材料和所述钢材料在使所述第三材料存在于所述两种材料之间的条件下相对挤压，同时以不低于三元低共熔温度的温度加热所述接合界面。
7.权利要求6中的接合不同金属的方法，其特征在于，通过电阻焊接进行接合。
8.用于接合不同金属的结构，所述不同金属是镁合金和钢，其特征在于，所述结构包含化合物层和存在于所述化合物层周围的由于Zn-Al-Mg三元低共熔熔融导致的反应产物，镁合金材料和钢材料的新生成表面通过所述化合物层彼此接合，所述化合物层包含Al-Mg金属间化合物和Fe-Al金属间化合物。
9.权利要求8中的用于接合不同金属的结构，其特征在于，含有所述Zn-Al-Mg三元低共熔熔融反应产物的排出物质围绕所述化合物层排出。
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