CN110461529A - 含有阻燃镁合金层的异种接头材料 - Google Patents

Abstract

提供一种有助于运输设备的多元材料化与轻量化的、由阻燃镁合金与选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金构成的异种接头材料。本发明的异种接头材料是一种2层以上的异种金属材料接合而成的异种接头材料，其特征在于，该2层以上的金属材料之中，至少一层由阻燃镁合金构成，另一层由选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金构成，且该2层以上的金属材料在互相重叠的接合面中彼此整面接合。

Description

含有阻燃镁合金层的异种接头材料

技术领域

本发明涉及一种2层以上的异种金属材料接合而成的异种接头材料，其至少一层由具有阻燃性的镁合金构成。

背景技术

在运输设备中，例如飞机、铁路车辆、汽车等，对轻质材料的需求正在增加，以通过轻量化来提高燃料效率。特别地，对于轻质材料，追求着根据各自的特征而适材适所地使用的多元材料(multi-material)化。

轻质材料之中，镁由于其轻质，被期待用于作为运输设备的构体(構体。承担车体强度的部分)使用。特别地，对于阻燃镁合金，例如通过添加钙改善了镁合金的耐热性的合金，被期待应用于铁路车辆的构体等。

镁是通过焊接等与异种金属材料接合时，由于物性差异和产生脆性金属间化合物而难以进行具有充分强度的接合的材料。因此，对于阻燃镁，通过不伴随熔化的摩擦搅拌接合等固相接合来进行接合得到研究并投入实际使用。

然而，在镁与异种金属材料进行接合时，因物性差异而带来的最佳接合条件的不同而存在以下问题：在接合部产生缺陷而无法获得充分强度，由摩擦搅拌装置的工具旋转方向与工具移动方向使产生的接合部组织产生差异，可接合的板厚存在限制等很多问题。

特别地，阻燃镁合金在强度高的另一方面，伸长率值较低，相比于一般的镁合金，材料更容易发生开裂，为了在确保强度的同时进行加工，需要在更为适合的条件下进行，这样使得与异种金属材料的接合难度进一步变高。

以下的专利文献1中，对阻燃镁合金的同种及与异种金属的摩擦搅拌接合法进行了记载。专利文献1中，虽然记载了通过将镁薄板插入接合部进行摩擦搅拌接合，可抑制强度降低和热变形，但对于接合部的剪切强度，及异种金属材料相接的面之间整面接合的形状的接头形状没有任何记载。

以下的专利文献2中，对重叠铝合金、钛合金或不锈钢与镁而成的接合材料进行了记载。专利文献2中虽然公开了作为第2实施方式的通过固相接合将异种金属接合的接合材料，但对于接合界面附近的过渡层与接合强度没有任何记载。

以下的专利文献3中公开了一种镁合金覆层材料的制造方法。专利文献3中虽然公开了通过压延进行的镁覆层的制造方法，但对于具有阻燃性的镁没有记载，对于覆层的接合强度也没有记载。

以下的专利文献4中，对将金属板材以高速使之碰撞，来使镁合金与异种金属接合的方法进行了记载。专利文献4中虽然进行了通过爆炸压接法等进行镁覆层的制造，但没有关于具有阻燃性的镁合金的实施例，对于接合强度也没有记载。

以下的专利文献5中，对异种金属的接合材料及其制造方法，以及交通运输工具的构体进行了记载。专利文献5中公开了通过粘合层进行接合，以及通过加压后加热的固相接合将异种金属相互之间直接接合的方法，此时，可认为加热引起了材料的变质。此外，专利文献5中对于接合强度没有记载。

以下的专利文献6中，对于镁合金材料与铁系材料的摩擦搅拌接合进行了记载。专利文献6中记载了通过在镁与低碳钢之间，插入含有铝的镁合金或铝薄板、铝粉末、银箔进行摩擦搅拌接合，可以体现出与纯镁的母材拉伸强度同等的拉伸强度。但是，对于与纯镁在伸长率及强度上存在较大物性差异的阻燃镁合金的实施例没有记载，对于其作为接合体的接头的用途也没有记载。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4336744号公报

专利文献2：日本专利第4256152号公报

专利文献3：日本专利第5315043号公报

专利文献4：日本专利特开2007-15018号公报

专利文献5：日本专利第4885204号公报

专利文献6：日本专利特开2016-182628号公报

发明内容

发明要解决的课题

鉴于上述现有技术的问题点，本发明要解决的课题是提供一种异种接头材料，其具有可将难以与异种材料接合的阻燃镁合金作为运输设备的构体使用的强度。

解决课题的手段

本发明者为了解决上述课题经过潜心研究重复实验的结果，成功制作了将具有阻燃性的镁合金通过面与面的直接接合而得的异种接头材料，其具有可应用于运输设备的充分强度，最终完成本发明。

也即，本发明如下。

[1]一种异种接头材料，是运输设备构体用的、2层以上的异种金属材料接合而成的异种接头材料，其特征在于，该2层以上的金属材料之中、至少一层由阻燃镁合金构成，另一层由选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金构成，且该2层以上的金属材料在互相重叠的接合面中彼此整面接合。

[2]上述[1]所述的异种接头材料，上述接合面是上述2层以上的金属材料不通过粘合层，通过固相接合相互直接接合而成，上述接合部的接合界面中的、因塑性流动及/或热而产生的过渡层的厚度为300μm以下。

[3]上述[1]或[2]所述的异种接头材料，上述接合面的接合界面的剪切强度是构成上述异种接头材料的金属材料之中、剪切强度最小的金属材料的剪切强度的70％以上。

[4]上述[1]～[3]的任意所述的异种接头材料，上述异种接头材料的接合部的层厚为3mm以上。

[5]上述[1]～[4]的任意所述的异种接头材料，异种接头材料是能够切割、切削或弯曲加工成适合于上述运输设备构体形状的形状的材料。

[6]具备上述[1]～[5]的任意所述的异种接头材料的运输设备构体。

[7]上述[1]～[5]的任意所述的异种接头材料的制造方法，包含以下工序：利用爆炸物、可燃气体、激光或电气·电磁使阻燃镁与选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金以高速度碰撞从而进行接合的工序。

发明效果

本发明的目的在于，提供一种含有阻燃镁合金层、甚至可用于运输设备构体的新型异种接头材料。

附图说明

[图1]是显示本实施方式的一例异种接头材料的示意图。图中、t表示接合部的总厚。

[图2]是爆炸压接法的示意图。

[图3]是显示本实施方式的异种接头材料的形态例(a)～(g)。

[图4]是实施例1的异种接头材料的接合界面图像。

[图5]是实施例2的异种接头材料的接合界面图像。

[图6]是实施例3的异种接头材料的接合界面图像。

[图7]是实施例4的异种接头材料的接合界面图像。

[图8]是实施例5的异种接头材料的切割加工后的接合界面的渗透探伤试验的图像。

[图9]是过渡层厚度的说明图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行详细说明。

1的实施方式是一种运输设备构体用的、2层以上的异种金属材料接合而成的异种接头材料，其特征在于，该2层以上的金属材料之中、至少一层由阻燃镁合金构成，另一层由选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金构成，且该2层以上的异种金属材料在相互重叠的接合面中彼此整面接合。

本说明书中，“(具有)阻燃性镁合金”是指，出于提高自燃温度的目的而合金化的镁合金。一般的通用镁合金(具体例有AZ31、AZ61、AZ91)的自燃温度大概在500～600℃左右，如果存在具有较其更高的自燃温度者，也可称之为阻燃镁合金。“(具有)阻燃性镁合金”优选自燃温度相比于通用镁合金高100K以上者(600℃以上)，更优选150K以上(650℃以上)，进一步优选200K以上(700℃以上)。阻燃镁合金优选自燃温度比熔点高。如果需要测定未知合金的自燃温度，可以通过差热分析(DTA)进行确认。

大多数的阻燃镁合金是通过添加Ca来提高阻燃性。增加Ca添加量时，阻燃性虽然得到提高，但相反金属的展延性具有降低的倾向。因此，Ca含量优选0.2～3.0重量％，更优选0.3～2.0重量％，进一步优选0.4～1.5重量％。Ca含量可以通过荧光X射线分析进行确认。

作为阻燃镁，可列举例如向Mg-Al合金中添加了Ca的AZX系合金，具体地，可列举AZX611、AZX911。这些相比于通用镁合金，具有高200～300K的自燃温度，特别适用于本实施方式。作为其他阻燃镁合金，可列举添加了稀土类金属等稀有金属者，或者具有长周期堆垛有序结构的镁合金。

“阻燃镁合金”是在由于具有阻燃性，故可适用于运输设备的同时，也能大大有助于运输设备轻量化的金属材料，此外，由于镁的特性之一的吸振性能，也可以期待运输设备构体的制振特性。

本说明书中，“异种接头材料”是指在接合异种金属时使用的接合构件。异种接头材料优选2种以上的异种金属接合而成的覆层材料。含有阻燃镁合金层的异种接头材料出于接合部的轻量化以及容易接合的目的而使用。作为接合金属的方法，没有特别限定，出于接合强度的角度，期望使用摩擦压接法、压延接合法、摩擦搅拌接合法、扩散接合法、爆炸压接法等固相接合。

本说明书中，“爆炸压接法”是指，使用如图2所示的装置，利用炸药(1)的高压力，将由支持物(4)以一定间隔隔开的金属相互之间(接材(3)与母材(5))接合的方法，特别地，是能将异种金属相互之间强力接合的技术。该技术的一个大特征是几乎不使金属材料负荷热而可进行接合，故可以达成以通常方法无法接合的金属组合之间的强力接合。进一步，作为能强力接合的机理，已知有经由爆炸压接接合的金属的接合界面呈现出特有的波状界面，认为强力接合是起因于相比于直线的接合界面，接合面积大所致。

炸药(1)是指通过雷管(2)的作用，产生爆炸波的爆炸物类。为了能将金属板强力接合，优选使用爆速在1,000m/秒以上的炸药，为了达到最佳的接合力，优选使用能达到音速的1/3～1/2的1,500～3,000m/秒的炸药。

作为炸药，具体可使用硝酸铵或硝酸酯类的PETN(季戊四醇四硝酸酯)或硝化甘油、硝基化合物的TNT(三硝基甲苯)、环三亚甲基三硝胺、环四亚甲基四硝胺等。这些可以单独或与其他炸药成分或其他炸药以外的成分混合使用。

另一方面，不同于通过爆炸压接法进行的接合，例如在阻燃镁与异种金属的摩擦搅拌接合中，有人提出线状接合或重叠的板材之间一部分接合，但接合范围依赖于工具的大小，存在以面进行的整面接合困难，因各材料均具有合适的接合条件，在异种金属的接合中难以达成无缺陷的强力接合，板厚差别大的材料接合困难等的问题。

此外，使用现有的爆炸压接法接合阻燃镁合金与其他异种金属，制作异种接头材料时，由于镁的晶体结构导致的常温下的伸长率低，以及为了赋予阻燃性的添加元素的影响导致伸长率的值进一步降低，故会因接合时的冲击导致发生开裂，无法获得完好的接合体。进一步，尽管在一部分可接合，但会因形成300μm以上的过渡层，产生脆性金属间化合物，或强塑性流动而发生开裂或剥离，在接合强度上，无法实现构成异种接头材料的金属材料之中、最弱材料的剪切强度的70％的剪切强度。

根据本发明者今次发现的爆炸压接法，为了不使阻燃镁合金发生开裂，在接合时将阻燃镁合金的变形抑制在材料的伸长率值以下进行接合。作为抑制阻燃镁合金变形的方法，可列举使用变形抑制装置将材料加热来进行接合，使用缓冲材料作为基底来降低接合时的能量等方法。

作为使用变形抑制装置的方法，将待接合材料封入高强度的框架材料中来抑制变形的方法是有效的。作为框架材料所使用的材料，只要是能耐受爆炸压接时的冲击即无特别限制，例如、纯钛、钛合金、纯铁、碳钢、SUS、纯Ni、Ni基合金、纯铜、铜合金、纯Zr、Zr合金、Ta、Mo、Nb、W。纯铁、碳钢、SUS最容易入手，作为框架材料的强度也高，故而优选。

框架材料的厚度优选1mm以上。厚度越大，强度越优异，越能有效抑制阻燃镁合金的变形，但出于现实可行为20mm以下。

将框架材料安装于待接合材料的方法没有特别限定，可以使用公知的方法，需要注意框架材料与待接合材料之间不要留有空隙。最优选的是使两者的尺寸完全一致，将待接合材料嵌入框架材料之中。在难以使尺寸完全一致的情况下，可以使用金属用粘合剂、胶带等将框架材料固定，在接合部的强度不足时，也可以进行焊接。接合的框架材料可以在爆炸压接后进行切割、除去。

对材料加热时，通过将材料加热到200℃左右，可以改善材料的伸长率值，接合时不易发生开裂。重要的是对整个表面保持均匀的温度，优选使用能对宽的面积均匀供给热的热源。在电热线圈等可调节温度的热源之上设置厚金属板，进一步在之上设置待接合材料，以此状态进行加热最为简便而优选。升温的速度没有特别限定，但基于安全上的理由，每分钟1℃～50℃左右较好。由于材料变为高温，故进行爆炸压接时，需要选择不会因热而导致爆炸物分解、着火，在200℃也稳定的爆炸物。

在使用缓冲材料作为基底时，作为缓冲材料，可以使用低密度材料、高弹性模量材料、高孔隙率材料、脆性材料等。作为低密度材料的例子，具体可以是发泡聚苯乙烯、发泡聚氨酯和发泡聚乙烯等。作为高弹性模量材料，例如可以是高品质橡胶、金属弹簧。作为高孔隙率材料，例如可以是瓦楞纸板、蜂窝陶瓷、拉西环等工业用品。作为脆性材料，可以是例如陶瓷、混凝土、木材、塑料、玻璃等。

将上述缓冲材料作为基底设置于母材之下，且适当设定板的碰撞速度，由此可以缓和接合时的冲击，防止阻燃镁合金的开裂。

本说明书中，“基底”是指通过爆炸压接法进行金属接合时，通常出于抑制材料变形或发生损伤的目的而使用的图2中(6)所示的材料。

通过该阻燃镁合金的新型爆炸压接法，无论各材料的构成板厚度比如何，均可以制造总厚3mm以上的异种接头材料，这有助于设计在运输设备的构体中，适合于使用部位的、充分满足轻量化与强度的接头材料。进一步，通过使异种接头材料的接合部的总厚为3mm以上，可以防止在构成异种接头材料的金属材料与同种金属相互之间的焊接中，由焊接热引起的接合强度的降低。

在本实施方式中，优选阻燃镁合金层与其他金属层之间直接接合。本说明书中，“直接接合”是指，不通过粘合层、金属间化合物层等中间层地，接合阻燃镁合金层与其他金属层的意思。通过使阻燃镁合金层与其他金属层直接接合，本实施方式的异种接头材料的高接合强度得以发挥。

此处所述的“金属间化合物”是指，在接合界面中，异种金属相互之间固溶而生成的一种合金。例如、待接合母材为阻燃镁合金与铝合金时，其接合界面主要生成镁与铝的金属间化合物。金属间化合物如果只是在接合界面局部零散存在的程度的话，则不会对异种材料接合的强度产生特别影响。但是，金属间化合物作为“层”连续广泛分布时，会成为降低接合强度的要因。金属间化合物层的有无可以通过接合界面的EDS元素分析来进行判别。另外，后述的“过渡层”是因塑性流动或热的影响而使母材发生变形的部分，故是与金属间化合物层在本质上不同的物质，金属间化合物层的有无与过渡层的有无可分别进行判断。

本说明书中，“在互相重叠的接合面中彼此整面接合”是指，将相当于构成异种接头材料的爆炸压接前的2个板材中截面积大的面的面作为接合面，在该板材的接合面重叠相接的部分中，显示出整面接合。作为异种接头材料的形态，可列举图3所示的(a)～(g)的各种形态。另外，图3是本发明的一例接合材料的实施方式，三层以上的接合材料也包含于本发明的实施方式中。

本说明书中，接合部的“总厚”是图1中，如“t”所示，与构成异种接头材料的2种材料相接合的面相垂直的方向上的厚度。

本说明书中，“整面接合”是指，该异种接头材料中，不存在由以下说明的、超声波探伤试验判定为非接合部的部分，且该异种接头材料的侧面部中的渗透探伤试验中，接合界面部的显示迹痕在指定范围内的状态。

本说明书中，“过渡层”是指，接合界面中的、由塑性流动及/或热产生的接合材料间的变形层。例如如图4～7所示，由接合前的金属母材组织，经由塑性流动、热等影响而周期性变形为波状的部分。

本说明书中，“过渡层的厚度”是指，对接合材料外周面上的接合界面的任意10点测量的波高的高度的平均值。波高的高度如图9所示，是从波的顶点到波谷的高度差。以下实施例中，使用电子显微镜测定波高的高度。

另外，图4～7中尽管示出了两条线，但这两条线表示过渡层的大致位置。为了不引起误解而进行备注，这两条线的间隔并不意味者表示过渡层的厚度。

超声波探伤试验是基于JIS Z 2344或同等标准，通过底面回波方式，判定接合界面部中有无反射回波，由此来判定非接合部。具体地，将底面回波的高度为完好部的1/2以下之处判定为非接合部。

渗透探伤试验是基于JIS Z 2343-1-II Cd-2或同等标准，使用游标卡尺等测量仪器测定检出的红色显示迹痕的大小、数量。具体地，显示迹痕是指，材料表面存在的损伤通过渗透探伤试验经由使用的渗透液以目测观察到的红色的痕迹。本件实施例中，使用游标卡尺测定检出的显示迹痕的大小、数目。本说明书中，将各显示迹痕之中、单一的显示迹痕的长度为1mm以上的，以及连续的显示迹痕中显示迹痕的相互距离在2mm以下的定义为缺陷。

本说明书中，“剪切强度”是指，进行基于JIS G0601规定的剪切试验法而得的值。本实施方式中，期望接合界面的剪切强度是异种接头材料的构成材料之中“剪切强度”最小的金属材料的剪切强度的70％以上。对于难以取得剪切强度的薄板材的剪切强度，依照米塞斯屈服准则，将材料拉伸强度除以√3的值作为材料的剪切强度。

本说明书中，“可切割、切削或弯曲加工”是指，在对本实施方式的异种接头材料实施加工时，在金属材料的接合部不发生剥离或开裂等缺陷，能保持上述剪切强度。

实施例

以下，基于实施例对本发明进行具体说明，但本发明并不限于这些。

[实施例1]

通过爆炸压接法，获得板状的阻燃镁合金AZX611与铝合金A6N01-T5接合而得的异种接头材料。使用陶瓷材料作为基底。各自的板厚为AZX611：10mm、A6N01-T5：4mm，通过光学显微镜观察确认到接合界面没有发生开裂或剥离的良好接合，超声波探伤试验的结果显示为整面接合。过渡层的厚度为72μm，接合界面的剪切强度为141N/mm²(83％)。

[实施例2]

通过爆炸压接法，获得板状的阻燃镁合金AZX611与铝合金A6N01-T5接合而得的异种接头材料。使用陶瓷材料作为基底。各自的板厚为AZX611：4mm、A6N01-T5：4mm，通过光学显微镜观察确认到接合界面没有发生开裂或剥离的良好接合，超声波探伤试验的结果显示为整面接合。过渡层的厚度为79.3μm，接合界面的剪切强度为147N/mm²(88％)。

[实施例3]

通过爆炸压接法，获得板状的阻燃镁合金AZX611与不锈钢SUS304接合而得的异种接头材料。使用树脂板作为基底。各自的板厚为AZX611：4mm、SUS304：1.5mm，通过光学显微镜观察确认到接合界面没有发生开裂或剥离的良好接合，超声波探伤试验的结果显示为整面接合。过渡层的厚度为24μm，接合界面的剪切强度为125N/mm²(75％)。

[实施例4]

通过爆炸压接法，获得板状的阻燃镁合金AZX611与不锈钢SUS304接合而得的异种接头材料。使用发泡聚苯乙烯作为基底。各自的板厚为AZX611：4mm、SUS304：2mm，通过光学显微镜观察确认到接合界面没有发生开裂或剥离的良好接合，超声波探伤试验的结果显示为整面接合。过渡层的厚度为27.5μm，接合界面的剪切强度为192N/mm²(115％)。

[实施例5]

将实施例4中所得的接合体进行切割加工成任意形状，在切割加工截面进行渗透探伤试验以确认接合状态。试验的结果是切割后的截面没有发生剥离或开裂等缺陷，为完好的状态。

[比较例1]

在上述专利文献4(日本专利特开2007-15018号公报)中记载的条件下，进行阻燃镁合金AZX611与铝合金6061-T651的接合。实施的结果显示，阻燃镁合金发生了大量的由变形引发的开裂和损伤，以开裂和损伤为起点发生了剥离。

产业上的利用可能性

本发明的含有阻燃镁合金层的异种接头材料，可在运输设备构体的异种金属材料接合部中，进行可靠性高的同种金属相互之间的接合，可适用于运输设备构体的接合部。

符号说明

t 接合部的总厚

1 炸药

2 雷管

3 接材

4 支持物

5 母材

6 基底

7 波状的接合界面

8 波的顶点

9 波的波谷

10 波高的高度

Claims (7)

1.一种异种接头材料，是2层以上的异种金属材料接合而成的异种接头材料，其特征在于，该2层以上的金属材料之中、至少一层由阻燃镁合金构成，另一层由选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金构成，且该2层以上的金属材料在互相重叠的接合面中彼此整面接合。

2.根据权利要求1所述的异种接头材料，所述接合面是所述2层以上的金属材料不通过粘合层，通过固相接合相互直接接合而成，所述接合部的接合界面中的、因塑性流动及/或热而产生的过渡层的厚度为300μm以下。

3.根据权利要求1或2所述的异种接头材料，所述接合面的接合界面的剪切强度是构成所述异种接头材料的金属材料之中、剪切强度最小的金属材料的剪切强度的70％以上。

4.根据权利要求1～3的任意1项所述的异种接头材料，所述异种接头材料的接合部的总厚为3mm以上。

5.根据权利要求1～4的任意1项所述的异种接头材料，异种接头材料是能够切割、切削或弯曲加工成适合于所述运输设备构体形状的形状的材料。

6.一种运输设备构体，具备权利要求1～5的任意1项所述的异种接头材料。

7.一种权利要求1～5的任意1项所述的异种接头材料的制造方法，包含以下工序：利用爆炸物、可燃气体、激光或者电气和/或电磁，使阻燃镁与选自铝合金、钛合金、不锈钢及钢构成的群中的金属或合金以高速度碰撞，从而进行接合的工序。