DE10232187B4

DE10232187B4 - Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien

Info

Publication number: DE10232187B4
Application number: DE10232187A
Authority: DE
Inventors: Masashi Wako Fujita; Masayuki Wako Narita; Yasuyuki Wako Hama
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: DE10232187A1; US20030031892A1; US6833199B2

Abstract

Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien, worin eine an einer Verbindungsgrenze erzeugte Reaktionsproduktschicht eine Dicke von 0,5 μm oder weniger hat.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien, die derart miteinander kombiniert sind, dass sie an einer Verbindungsgrenze eine zerbrechliche Reaktionsproduktschicht bilden, wie etwa eine direkt verbundene Struktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung.

Beschreibung der relevanten Technik

Allgemein haben unterschiedliche Metallmaterialien die Tendenz, metallurgisch sehr zerbrechliche intermetallische Verbindungen zu bilden. Da im Falle der Verwendung eines normalen Schmelzverbindungsprozesses die zwei Materialien in einem flüssigen Zustand vermischt werden, wird an einem schmelzverbundenen Metallabschnitt eine sehr große Menge eines zerbrechlichen Reaktionsprodukts (intermetallische Verbindung) gebildet, die nicht in der Lage ist, für eine Verbindung mit einer geeigneten Festigkeit zu sorgen. Hingegen ist es, im Falle der Anwendung eines Festphasen-Verbindungsverfahrens, möglich, im Vergleich zu dem Schmelzverbindungsverfahren, die Entstehung eines Reaktionsprodukts zu reduzieren; daher sind verschiedene Verbindungsverfahrens dieses Typs vorgeschlagen worden.

Jedoch ist der Verbindungsmechanismus, d.h. die Beziehung zwischen der verbundenen Grenzstruktur und der Verbindungsfestigkeit, nicht geklärt worden, und gegenwärtig ergibt dieses Verfahren keine Verbindungen mit hoher Festigkeit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist erdacht worden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe ist es, eine Verbindungsstruktur anzugeben, die bei der Herstellung einer aus unterschiedlichen Metallmaterialien hergestellten Verbindung eine hohe Festigkeit hat, indem der Erzeugungszustand von Reaktionsprodukten an der Verbindungsgrenze berücksichtigt wird.

Ein Aspekt der Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien die Dicke einer an der Verbindungsgrenze zu erzeugenden Reaktionsproduktschicht auf 0,5 μm oder weniger gesetzt ist.

Ein anderer Aspekt der Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze intermittierend angeordnet ist.

Darüber hinaus ist ein anderer Aspekt der Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Basismaterialkristall, das zu 90 Atom-% oder mehr aus Basismaterialatomen besteht, in der an der Verbindungsgrenze erzeugten Reaktionsproduktschicht enthalten ist. Darüber hinaus ist ein anderer Aspekt der Verbundstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterialkristall in die Reaktionsproduktschicht eindringt.

Ferner ist ein anderer Aspekt der Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass an der Verbindungsgrenze eine Oxidschicht angeordnet ist, indem die Aktivität der Oxidschicht an der Verbindungsgrenze berücksichtigt wird. In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Oxidschicht auf einen Bereich von 1 bis 30 nm begrenzt, um noch bevorzugter eine Verbindungsstruktur mit hoher Festigkeit zu erhalten.

Das Reaktionsprodukt der vorliegenden Erfindung wird an der Verbindungsgrenze durch eine Diffusionsreaktion miteinander verbundener Materialatome erzeugt, und in dem Fall einer Kombination unterschiedlicher Metallmaterialien wird allgemein eine intermetallische Verbindung gebildet, die zerbrechlicher ist als das Basismaterial. Darüber hinaus ist in den meisten Fällen die Struktur eine polykristalline Struktur, und der Erzeugungszustand, der sich in Abhängigkeit von den Verbindungsverfahren und Verbindungszuständen unterscheidet, durch eine Diffusionsreaktion ratengesteuert; daher werden die erzeugten Mengen größer, wenn die Reaktionstemperatur und die Zeit zunehmen. Wenn diese Reaktionsproduktschicht übermäßig ausgebildet wird, besteht die Tendenz, dass sich eine große Fläche mit einer geringen Zähigkeit an der Verbindungsgrenze ausbreitet, was zu einer Zunahme der Bruchwahrscheinlichkeit in Antwort auf Lasten führt; demzufolge wird die Verbindung leicht beschädigt.

In der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Oxidschicht auf eine Restoxidschicht an der Oberfläche der verbundenen Elemente oder eine Oxidschicht, die während des Verbindungsprozesses erzeugt wird, und die zwei Elemente werden miteinander durch die Oxidschicht an der Verbindungsgrenze verbunden. Diese Oxidschicht muss eine derartige dünne Struktur sein, dass sie keine nachteiligen Effekt auf die Schweißeigenschaften und die Verbindungsfestigkeit zwischen den zwei verbundenen Elementen ausübt. Wenn, ohne das Vorhandensein dieser Oxidschicht, die Oberflächen der Elemente, die ausreichend gereinigt worden sind, während eines Festphasenverbindungsprozesses miteinander in Kontakt gebracht werden, werden die Basismaterialatome der zwei Verbindungselemente gegenseitig diffundieren, was leicht eine sehr zerbrechliche Reaktionsproduktschicht bildet.

Die Rissbedingungen der Verbindungen werden bestimmt durch den Ausgleich zwischen der Wahrscheinlichkeit von Brüchen, die in der Reaktionsproduktschicht mit geringer Zähigkeit auftreten und sich entwickeln, und der Wahrscheinlichkeit, dass diese in dem Basismaterial mit hoher Duktilität auftreten und sich entwickeln. In anderen Worten, um die Festigkeit des Verbindungsabschnitts zu erhöhen, ist es möglich, die Risswahrscheinlichkeit innerhalb der Reaktionsproduktschicht zu senken, indem man die Erzeugungsmenge der Reaktionsproduktschicht mit geringer Zähigkeit reduziert. Wenn die Risswahrscheinlichkeit innerhalb der Reaktionsproduktschicht niedriger gesetzt wird als jene in dem Verbindungsmaterial, tritt in der Verbindungsgrenze kein Riss auf, sondern in dem Verbindungsbasismaterial. In anderen Worten ist eine solche Verbindung weniger empfindlich auf einen Riss innerhalb der Reaktionsproduktschicht und sie hat eine hohe Festigkeit.

Daher ist die Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien in der vorliegenden Erfindung als eine Verbindungsstruktur ausgebildet, die in den jeweiligen Ausführungen 1 bis 4 gezeigt ist, sodass es möglich wird, die Bildung von Verbindungen mit hoher Festigkeit zu erreichen. Die folgende Beschreibung erläutert die jeweiligen Ausführungen der Verbindungsstrukturen unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung im Detail.

(1) Erste Ausführung

Wie in 1 gezeigt, ist eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die eine Verbindungsstruktur zwischen einem ersten Element 1 und einem zweiten Element 2 ist, die eine zerbrechliche Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Reaktionsprodukts mit geringer Zähigkeit an der Verbindungsgrenze auf ein Minimum reduziert ist, wobei die Dicke der Reaktionsproduktschicht 3 auf 0,5 μm oder mehr gesetzt ist; somit wird es möglich, die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Brüchen (die Risswahrscheinlichkeit) innerhalb der Schicht so zu reduzieren, dass sie nicht größer ist als die Risswahrscheinlichkeit innerhalb des zweiten Elements, das als Verbindungsbasismaterial dient, und demzufolge eine Verbindung mit hoher Festigkeit bereitzustellen, die weniger empfindlich auf Risse an der Verbindungsgrenze ist.

(2) Zweite Ausführung

Wie in 2 gezeigt, ist eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die eine Verbindungsstruktur zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element ist, das an der Verbindungsgrenze eine zerbrechliche Reaktionsproduktschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Reaktionsprodukts mit geringer Zähigkeit an der Verbindungsgrenze auf ein Minimum reduziert ist, wobei die Reaktionsproduktschicht 3 intermittierend angeordnet ist; so werden Brüche, die innerhalb des Reaktionsprodukts mit geringer Zähigkeit erzeugt werden, durch das Basismaterial mit hoher Duktilität in den intermittierenden Abschnitten gestoppt; daher wird es möglich, die Risswahrscheinlichkeit derselben so zu reduzieren, dass sie nicht größer ist als die Risswahrscheinlichkeit innerhalb des Verbundbasismaterials; und demzufolge wird es möglich, eine Verbindung mit hoher Festigkeit bereitzustellen, die weniger empfindlich auf Riss von der Verbindungsgrenze her ist. Darüber hinaus wird, in Bezug auf die Intermittierung der Reaktionsproduktschicht der vorliegenden Erfindung, ein geeigneter Abstand vorgesehen, der zum Beibehalten eines ausreichen duktilen Abschnitts in der Lage ist, um innerhalb der Reaktionsproduktschicht auftretende Brüche zu stoppen.

(3) Dritte Ausführung

Wie in 3 gezeigt, ist eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die eine Verbindungsstruktur zwischen einem ersten Element 1 und einem zweiten Element 2 ist, die eine zerbrechliche Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Reaktionsprodukts mit geringer Zähigkeit an der Verbindungsgrenze auf ein Minimum reduziert ist, wobei ein Basismaterialkristall 4, das 90 Atom-% oder mehr der Basismaterialatome enthält, in der Reaktionsproduktschicht 3 angeordnet ist. Noch bevorzugter liegt das Basismaterialkristall 4 so vor, dass es in die Reaktionsproduktschicht 3 eindringt. Da dieses Basismaterialkristall 90 Atom-% oder mehr der Basismaterialatome enthält, kann es scheinbar die gleiche Duktilität wie das Verbindungsbasismaterial haben. Mit dieser Anordnung werden Brüche, die in dem Reaktionsprodukt mit geringer Zähigkeit auftreten, durch dieses Basismaterialkristall gestoppt, sodass die Risswahrscheinlichkeit in dieser Verbindungsgrenze auf nicht mehr als die Risswahrscheinlichkeit innerhalb des Verbindungsbasismaterials reduziert ist; somit wird es möglich, eine Verbindung mit hoher Festigkeit zu erhalten, die weniger empfindlich auf Risse von der Verbindungsgrenze her ist.

(4) Vierte Ausführung

Wie in 4 gezeigt, ist eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die eine Verbindungsstruktur zwischen einem ersten Element 1 und einem zweiten Element 2 ist, die eine zerbrechliche Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der gegenseitige Diffusionskoeffizient des Hauptelements einer an der Grenze angeordneten Oxidschicht 5 kleiner ist als die gegenseitigen Diffusionskoeffizienten in beiden der Basismaterialien, diese Oxidschicht 5 einen Effekt hat, das Erzeugen des Reaktionsprodukts an der Verbindungsgrenze zu unterdrücken; daher werden durch Anordnen einer sehr dünnen Oxidschicht 5 an der Verbindungsgrenze Atomdiffusionen von beiden der Verbindungselemente unterdrückt, mit dem Ergebnis, dass die Erzeugung und Entwicklung eines zerbrechlichen Reaktionsprodukt, das sich an der Grenze bilden würde, unterdrückt werden, sodass es möglich wird, eine Verbindungsstruktur mit hoher Festigkeit zu erhalten, die aus unterschiedlichen Metallmaterialien hergestellt ist. Um eine ausreichende Funktion dieser Oxidschicht zu erhalten, die als Atomdiffusionsbarriere dient, muss die Dicke der Schicht auf zumindest 1 nm gesetzt sein.

In dem Fall, in dem an der Verbindungsgrenze eine Oxidschicht gebildet ist, bewirkt hier die manchmal 30 nm überschreitende Dicke der Oxidschicht eine Verschlechterung der Schweißeigenschaften der Verbindungselemente und erzeugt und entwickelt Brüche innerhalb der Oxidschicht, die zerbrechlicher ist als das Basismaterial. Daher ist es notwendig, die Oxidschicht der Verbindungselemente derart dünn zu machen, dass sie keine nachteiligen Effekte auf die Schweißeigenschaften und die Zähigkeit der Verbindungsgrenze verursacht; somit ist es möglich, dass sie an beiden der Verbindungselemente die Funktion einer Atomdiffusionsbarriere hat, und demzufolge die Bildung und Entwicklung der Grenzreaktionsschicht zu reduzieren. Daher wird in der vorliegenden Erfindung die Dicke der Oxidschicht bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 30 nm gesetzt. In diesem Fall könnte in Kontakt mit der Oxidschicht ein Reaktionsprodukt vorhanden sein, dass derart ausreichend klein ist, dass es keine nachteiligen Effekte auf die Verbindungsfestigkeit erreicht.

(5) Bildung einer Verbindungsgrenze

Die Verbindungsstrukturen unterschiedlicher Metallmaterialien der jeweiligen Ausführungen, die die oben erwähnten Verbindungsgrenzen haben, werden z.B. durch ein Reibschweißverfahren erzeugt, das ein Typ eines Festphasenverbindungsverfahrens ist. In dem Reibprozess wird die Oberfläche des Verbindungselements mechanisch gereinigt, und in dem nachfolgenden Stauchprozess werden an der Verbindungsgrenze erzeugte Reaktionsprodukte nach außen abgegeben, wodurch die Verschweißung der beiden Verbindungselemente abgeschlossen wird. Wenn der Reibprozess ungenügend durchgeführt wird, werden die Verbindungsflächen nicht ausreichend gereinigt, was einen Zustand erzeugt, in dem an den Verbindungsflächen zu viele Flecken und Restoxide verbleiben und nicht in der Lage sind, für eine erwünschte Anhaftung in dem nachfolgenden Stauchprozess zu sorgen. Wenn hingegen der Reibprozess zu stark ausgeführt wird, wird, obwohl die Verbindungsflächen ausreichend gereinigt sind, zu viel Wärme in die Verbindungselemente eingeführt, was bewirkt, dass die Reaktionsproduktschicht in dem Stauchprozess extrem wächst.

Darüber hinaus wird in der vierten Ausführung, in Bezug auf das Mittel zum Erzeugen einer dünnen Oxidschicht an der Verbindungsgrenze, ein Verfahren vorgeschlagen, in dem nur eine der Oxidschichten von den Oxidschichten entfernt wird, die an den Oberflächen der beiden Basismaterialien vor dem Verbindungsvorgang vorhanden sind. Gemäß diesen Verfahren ist es möglich, eine Verbindungsgrenze mit einer dünneren Oxidschicht im Vergleich zu dem Fall zu erhalten, in dem Oxidschichten an den Oberflächen der beiden Basismaterialien vorhanden sind. Ferner können in dem oben erwähnten Verfahren bevorzugt nur eine der Oxidschichten, die dicker ist, entfernt werden. Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine Verbindungsgrenze mit einer dünneren Oxidschicht zu erhalten im Vergleich zu Fällen, in denen die Oxidschicht an den Oberflächen der beiden Basismaterialien vorhanden sind und nur die dickere Oxidschicht verbleibt.

In Bezug auf das Mittel zum Entfernen nur einer der Oxidschichten der Basismaterialien kann, vor dem Verbindungsprozess oder während des Verbindungsprozesses, ein mechanisches Mittel verwendet werden, wie etwa Schleifen, Aneinanderreiben und Gleiten, ein physikalisches Mittel wie etwa Aufstäuben oder ein chemisches Mittel wie etwa Reduktion, und nach diesem Prozess, Herstellen einer gereinigten Fläche ohne die Oxidschicht und eine Verbindungsfläche, die eine dünne Oxidschicht in Kontakt mit der anderen trägt, so weit, dass sie eine Verbindungsfestigkeit zwischen den Atomen der beiden Verbindungsflächen ausübt; somit ist es möglich, die Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung zu bilden. Darüber hinaus kann die Oxidschicht der vorliegenden Erfindung durch aktive Elemente reduziert werden, die in den Verbundelementen während des Verbindungsprozesses enthalten sind, sodass ein erneut die aktiven Elemente enthaltende Oxidschicht gebildet wird.

(6) Bestätigung der Verbindungsstruktur

In der Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung kann die Tatsache, dass die Elemente unterschiedlicher Metalle in einem verbundenen Zustand sind, durch mikroskopische Beobachtung beobachtet und bestätigt werden, um das Vorhandensein einer aus einer intermetallischen Verbindung hergestellten Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze zu erkennen; daher ist es möglich, ohne komplizierte Festigkeit Tests und Inspektionen auszukommen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Materialien gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht zylindrischer Stangen, die zur Bildung einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung verwendet werden.
6 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen der Reibzeit und der Temperatur in der Nähe der Verbindungsgrenze in einem Reibprozess zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführung einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung.
8 ist eine Querschnittsansicht von Teststücken, die zur Auswertung der Verbindungsfestigkeit einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung verwendet werden.
9 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen dem Reibdruck und der Stoßfestigkeit in dem Bildungsprozess einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Teststücks, das zur Auswertung der Grenzstruktur einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt.
11A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, die in Beispiel einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, und 11B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
12A eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer herkömmlichen Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, und 12B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
13 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Dicke einer Reaktionsproduktschicht und der Stoßfestigkeit in einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt.
14 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Reibzeit, der Temperatur in der Nähe der Verbindungsgrenze und dem Drehmoment in einem Reibprozess zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung zeigt.
15 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Reibdruck und der Stoßfestigkeit in dem Bildungsprozess einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt.
16A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlpro dukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, die ein Beispiel einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, und 16B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
17A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer herkömmlichen Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, und 17B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
18A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer herkömmlichen Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, und 18B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
19 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Reibzeit, der Temperatur in der Nähe der Verbindungsgrenze und dem Drehmoment in einem Reibprozess zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung zeigt.
20 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Reibdruck und der Verbindungseffizienz in dem Bildungsprozess einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt.
21A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, die ein Beispiel einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, und 21B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
22A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer herkömmlichen Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, und 22B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
23 ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die die Verbindungsgrenze zeigt, die ein Beispiel einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, worin der eingerahmte Bereich in 21A weiter vergrößert ist.
24 zeigt ein EDS-Spektrum eines Aluminiumlegierung-Basismaterialkristalls an der Verbindungsgrenze einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien der vorliegenden Erfindung.
25 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen dem Reibdruck und der Stoßfestigkeit in dem Bildungsprozess einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt.
26A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, die ein Beispiel einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, und 26B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
27A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, die ein anderes Beispiel einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien gemäß der vier ten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, und 27B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
28A ist eine elektronenmikroskopische Fotografie, die eine Verbindungsgrenze einer herkömmlichen Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung zeigt, und 28B ist eine schematische Zeichnung, die die oben erwähnte Struktur zeigt.
29 zeigt ein EDS-Spektrum einer Oxidschicht in einer Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien von Probe 12.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung erläutert die vorliegende Erfindung im Detail in Bezug auf die Ausführungen.
(1) Erste Ausführung
Berücksichtigung der Reibzeit
Um die Verbindungsgrenze der vorliegenden Erfindung zu erhalten, muss das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf ein Minimum gedrückt werden, indem die während eines Reibprozesses einzugebende Eingabe optimal gesteuert/geregelt wird. Daher wurden ein Stahlprodukt (Material: JIS S10C) und eine Aluminiumlegierung (Material: JIS A5052), die die in Tabelle 1 gezeigten chemischen Komponenten haben, zu einer zylindrischen Stahlstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge sowie einer zylindrischen Aluminiumlegierungsstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge geformt, wie in 5 gezeigt, sodass Teststücke hergestellt wurden. In Bezug auf diese Teststücke wurde die Beziehung zwischen der Reibzeit und der Temperatur in der Nähe der Verbindungsgrenze in einem Reibprozess zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung beobachtet unter den Bedingungen eines Reibdrucks von 20 MPa und einer Drehzahl von 1200 UPM. Im Ergebnis erhielt man die Temperaturverteilung wie sie in 6 gezeigt ist. Wie klar in 6 gezeigt, wurde eine stabile Temperatur in der Nähe der Verbindungsfläche in angenähert 3 Sekunden Reibzeit erhalten. In anderen Worten wurde anhand der Reibschweißung zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung herausgefunden, dass eine Reibzeit von angenähert 3 Sekunden es möglich macht, die Verbindungsfläche ausreichend zu reinigen. Wenn ferner die Reibwärmeeingabe durch Erhöhen des Reibdrucks, der Reibzeit etc. über diesen Zustand hinaus erhöht wurde, entwickelte sich die Reaktionsproduktschicht entsprechend der eingeführten Wärmemenge, was zu einer Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit führte. Demzufolge wird, durch Ausführung eines Druckschweißprozesses nach einer kurzen Dauer des Reibprozesses, die in die Verbindungsgrenze eingegebene Wärmemenge auf ein Minimum beschränkt und wird das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf ein Minimum reduziert; somit wird es möglich, eine Verbindung mit hoher Festigkeit zu erhalten.
Tabelle 1
Herstellen der Proben 1 bis 5
Als nächstes wurden, durch Einstellen des Reibdrucks jeweils auf 10, 20, 30, 40 und 50 MPa unter den Bedingungen einer Drehzahl von 1200 UPM, einer Reibzeit von 3 Sekunden, einem Stauchdruck von 250 MPa und einer Stauchzeit von 6 Sekunden, die Teststücke der oben erwähnten zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumlegierungsstange miteinander reibverschweißt, um eine Verbindungsstruktur eines Stahlpradukts und einer Aluminiumlegierung jeder der Proben 1 bis 5 herzustellen. Hier wurde der Reibschweißprozess zwischen der zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumstange unter Verwendung einer herkömmlichen Bremsmethode ausgeführt.
Wie in 7 gezeigt, wurde, in Bezug auf die so erhaltene Verbindungsstruktur des Stahlprodukts und der Aluminiumlegierung, die Seite der zylindrischen Aluminiumlegierungsstange mit der geringeren Festigkeit im Querschnitt des Verbindungsabschnitts stark verformt und wurde als Flansch nach außen abgeführt.
Auswertung der Verbindungsfestigkeit
Der oben erwähnte Flansch an dem Verbindungsabschnitt wurde geschliffen, und der Umfang der Verbindungsstruktur wurde unter Bildung einer glatten Oberfläche geschliffen, sodass Teststücke mit jeweils einer Außengröße von 14 mm wie in 8 gezeigt hergestellt wurden. Ferner wurden an der Umfangsfläche der Verbindungsgrenze Kerben mit einer Tiefe von 1,4 mm ausgebildet, sodass auch Teststücke mit jeweils einer Spannungskonzentrationsrate von 2,0 hergestellt wurden. Die Teststücke mit den Kerben wurden benutzt, um eine noch striktere Auswertung an der Verbindungsgrenze auszuführen. Jedes dieser Teststücke wurde in der Längsrichtung gezogen, sodass die Verbindungsfestigkeit ausgewertet wurde.
Die Ergebnisse der Verbindungsfestigkeits-Auswertung dieser Verbindungsstrukturen sind in 9 gezeigt als Raten (%) des Aluminiumelements in Bezug auf die Basismaterialfestigkeit. Im Falle der Probe 1 mit einem Reibdruck von 10 MPa war die Verbindungsfestigkeit gering, weil die Verbindungsfläche nicht ausreichend gereinigt war und die Schweißung zwischen den verbundenen Elementen ungenügend war. Im Gegensatz hierzu war in den Fällen der Proben 3 und 4 mit einem Reibdruck von 20 bis 30 MPa die Verbindungsfestigkeit die gleiche wie die Basismaterialfestigkeit des Aluminiumelements. Da im Falle der Proben 4 und 5 mit einem 30 MPa überschreitenden Reibdruck die Produktschicht auf der Verbindungsgrenze wuchs, war die Verbindungsfestigkeit in Reaktion auf den Grad des Wachstums reduziert. Darüber hinaus war im Falle der Auswertung mittels der Teststücke, die auch Kerben hatten, in Bezug auf Probe 2, die Verbindungsfestigkeit die gleiche wie die Basismaterialfestigkeit des Aluminiumelements.
Auswertung der Grenzstruktur
Darüber hinaus wurde jede der Verbindungsstrukturen der wie oben erhaltenen Proben 1 bis 5 in der vertikalen Richtung in Bezug auf die Verbindungsfläche durchschnitten, wie in 10 gezeigt, und die Schnittfläche wurde mittels einer Polierscheibe mechanisch poliert, die Diamantschleifkörner mit einer maximalen Partikelgröße von 3 μm hatte. Diese wurden dann, um eine geeignete Elektronendurchlässigkeit zu erhalten, vorübergehend einer elektrolytischen Politur in einer sauren Lösung unterzogen und wurden dann in einem Vakuum einem Aufstäubprozess durch Ar-Atome unterzogen. Die Proben, die diesen Prozessen unterzogen worden waren, wurden unter einer TEM beobachtet (Transmissions-Elektronenmikroskop). In Bezug auf die Proben 2 und 5 sind die daraus resultierenden Bilder in den 11A bzw. 12A gezeigt. Hier waren die Vergrößerungen der jeweiligen elektronenmikroskopischen Fotografien jeweils auf 150.000fach und 20.000fach eingestellt. Die 11B und 12B sind Zeichnungen, die diese Bilder schematisch zeigen.
In der in den 11A und 11B gezeigten Probe 2 wurde die Reaktionsproduktschicht 3 durch ein an der Verbindungsgrenze erzeugtes Reaktionsprodukt gebildet, und sie wurde insbesondere durch Kristalle einer intermetallischen Verbindung gebildet, die hauptsächlich aus Fe/Al zusammengesetzt war. Die Kristalle haben eine Breite von etwa 100 nm und eine Dicke von 50 nm, und sie sind in der Form von Punkten entlang der Verbindungsgrenze angeordnet. Darüber hinaus wurde in einigen Fällen eine sehr dünne Oxidschicht auf der Stahlproduktseite in der Ver bindungsgrenze angeordnet. Wenn die Dicke des Reaktionsprodukts an der Verbindungsgrenze sehr dünn ist, wie oben beschrieben, ist es möglich, eine Verbindungsstruktur mit hoher Festigkeit zu bilden, die den gleichen Festigkeitspegel hat wie das Aluminiumelement, wie in 9 gezeigt, da die Wahrscheinlichkeit von sich darin entwickelnden Brüchen sehr gering ist.
Im in den 12A und 12B gezeigten Beispiel 5 zeigt eine mit der Bezugszahl 6 angegebene Fläche ein typisches Reaktionsprodukt, in dem sich Kristallkörner mit einer Dicke von angenähert 200 nm in der vertikalen Richtung in Bezug auf die Verbindungsgrenze entwickelt haben. Darüber hinaus ist, wie mit der Bezugszahl 7 angegeben, auch eine Fläche zu beobachteen, in der sehr feine Kristallkörper als Punkte verstreut sind. Die Kristalle des Reaktionsprodukts sind an der Verbindungsgrenze ohne jede Lücken durchgehend entwickelt. Die Dicke der Reaktionsproduktschicht, die diese Kristallkörner enthält, variiert in einem Bereich zwischen 0,8 und 1,5 μm aufgrund der Größe der Körner und lokaler Variationen. Im Falle einer Verbindungsstruktur, die eine Grenzstruktur dieses Typs hat, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit von Brüchen, die in der intermetallischen Verbundschicht auftreten, die einen geringen Risszähigkeitswert hat, und ein Bruch wird, sobald er sich bildet, bevorzugt durch die intermetallische Verbindungsschicht durchgehend übertragen, um eine Beschädigung zu verursachen; demzufolge hat diese Verbindungsstruktur eine geringere Festigkeit als jene der Verbindungsstruktur von Beispiel 2, die in den 11A und 11B gezeigt ist.
Darüber hinaus wurde in Bezug auf die Proben 1 bis 5 die Beziehung zwischen der Dicke einer Reaktionsproduktschicht und der Stoßfestigkeit in einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung beobachtet, und die Ergebnisse sind in 13 gezeigt. Wie in 13 klar gezeigt, stellte sich heraus, dass, wenn die Dicke der Reaktionsproduktschicht abnimmt, die Verbindungsfestigkeit zunimmt, sodass eine Verbindung, die die gleiche Festigkeit wie das Aluminiumlegierungselement hat, erhalten wird, wenn die Dicke der Reaktionsproduktschicht 0,5 μm oder weniger ist, im Fall glatter Materialien, oder wenn die Dicke der Reaktionsproduktschicht 0,2 μm oder weniger ist, im Falle von Materialien mit Kerben, aufgrund der Zunahme der Risswahrscheinlichkeit innerhalb der Grenzschicht, die durch Spannungskonzentration verursacht wird.
Daher bestätigte sich, dass in der Verbindungsstruktur eines Stahlprodukts und einer Aluminiumlegierung es möglich ist, eine Verbindung mit einer hohen Festigkeit zu erhalten, die weniger empfindlich auf von der Verbindungsgrenze her ausgehenden Riss ist, wenn die Dicke der an der Verbindungsgrenze zu erzeugenden Reaktionsproduktschicht mit geringer Zähigkeit auf 0,5 μm oder weniger gesetzt wird oder wenn sie, im Falle von Teststücken mit Kerben, auf 0,2 μm oder weniger gesetzt wird.
(2) Zweite Ausführung
Berücksichtigung der Reibzeit
Um die Verbindungsgrenze der vorliegenden Erfindung zu erhalten, muss das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf einen minimalen Pegel reduziert werden, indem der Stauchprozess gestartet wird, unmittelbar nachdem die zum Reinigen der Verbindungsgrenze erforderliche minimale Eingabe während eines Reibprozesses abgegeben wurde, um Flecken, Oxide ect. von der Verbindungsfläche zu beseitigen. Daher wurden ein Stahlprodukt (Material: JIS S10C) und eine Aluminiumlegierung (Material: JIS A5052), die die in Tabelle 1 gezeigten chemischen Komponenten haben, zu einer zylindrischen Stahlstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmtem Länge und einer zylindrischen Aluminiumlegierungsstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge geformt, wie in 5 gezeigt, sodass die Teststücke hergestellt wurden. In Bezug auf diese Teststücke wurde die Beziehung zwischen der Reibzeit und der Temperatur oder dem Drehmoment in der Nähe der Verbindungsgrenze in einem Reibprozess zwischen diesen Teststücken beobachtet unter den Bedingungen eines Reibdrucks von 30 MPa und einer Drehzahl von 1200 UPM. Als Ergebnis wurde der Temperatur- und Drehmomentverlauf erhalten, wie er in 14 gezeigt.
Wie in 14 klar gezeigt, wurden eine stabile Temperatur und ein stabiles Drehmoment in der Nähe der Verbindungsfläche in angenähert 3 Sekunden Reibzeit erhalten. In anderen Worten stellte sich in Bezug auf die Reibschweißung zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung heraus, dass es eine Reibzeit von angenähert 3 Sekunden möglich macht, die Verbindungsfläche ausreichend zu reinigen und die Entstehung einer Reaktionsproduktschicht teilweise an der Verbindungsgrenze beginnt. Darüber hinaus wurde, wenn die Reibhitzeeingabe durch Erhöhen des Reibdrucks der Reibzeit etc. über diesen Zustand hinaus erhöht wurde, die Reaktionsproduktschicht gemäß der eingegebenen Wärmemenge entwickelt, was zu einer Verschlechterung in der Verbindungsfestigkeit führte. Demzufolge ist, durch Ausführung eines Druckschweißprozesses nach einer kurzen Dauer des Reibprozesses, die eingegebene Wärmemenge der Verbindungsgrenze auf ein Minimum beschränkt und ist das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf ein Minimum reduziert; somit wird es möglich, eine Verbindung mit hoher Festigkeit zu erhalten.
Herstellung der Proben 6 bis 8
Als nächstes wurde, durch Einstellen des Reibdrucks jeweils auf 30, 40 und 50 MPa unter den Bedingungen einer Drehzahl von 1200 UPM, einer Reibzeit von 3 Sekunden, einem Stauchdruck von 250 MPa und einer Stauchzeit von 6 Sekunden, die Teststücke der oben erwähnten zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumlegierungsstange aneinander reibgeschweißt, um eine Verbindungsstruktur eines Stahlprodukts und einer Aluminiumlegierung jeder der Proben 6 bis 8 herzustellen. Hier wurde der Reibschweißprozess zwischen der zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumstange mittels einer herkömmlichen Bremsmethode ausgeführt.
Wie in 7 gezeigt, wurde, in Bezug auf die so erhaltene Verbindungsstruktur des Stahlprodukts und der Aluminiumlegierung, die Seite der zylindrischen Aluminiumlegierungsstangen mit der geringeren Festigkeit im Querschnitt des Verbundabschnitts stark verformt und wurde nach außen als Flansch abgeführt.
Auswertung der Verbindungsfestigkeit
Der oben erwähnte Flansch an dem Verbindungsabschnitt wurde geschliffen, und der Umfang der Verbindungsstruktur wurde unter Bildung einer glatten Oberfläche geschliffen, sodass die Teststücke mit jeweils einer Außengröße von 14 mm ohne Kerbe, wie in 8 an der Oberseite gezeigt, hergestellt worden. Jedes dieser Teststücke wurde in der Längsrichtung gezogen, sodass die Verbindungsfestigkeit ausgewertet wurde.
Die Ergebnisse der Verbindungsfestigkeitsauswertung dieser Verbindungsstrukturen sind in 15 gezeigt als Raten (%) des Aluminiumelements in Bezug auf die Basismaterialfestigkeit. Im Falle von Probe 6 mit einem Reibdruck von 30 MPa war die Verbindungsfestigkeit die gleiche wie die Basismaterialfestigkeit des Aluminiumelements. Im Gegensatz hierzu wuchs, in den Fällen der Proben 7 und 8 mit erhöhten Reibdrücken von 40 und 50 MPa, die Reaktionsproduktschicht kontinuierlich zu stark, aufgrund einer Zunahme der eingegebenen Wärmemenge, die sich aus der Zunahme des Reibdrucks ergab, was eine Verschlechterung in der Verbindungsfestigkeit in Antwort auf die Zunahme des Reibdrucks zur Folge hatte.
Auswertung der Grenzstruktur
Darüber hinaus wurde jede der Verbindungsstrukturen der Proben 6 bis 8, die wie oben beschrieben erhalten wurden, in der vertikalen Richtung in Bezug auf die Verbindungsfläche geschnitten, wie in 10 gezeigt, und die Schnittfläche wurde mittels einer Polierscheibe mechanisch poliert, die Diamantschleifkörner mit einer maximalen Partikelgröße von 0,25 μm hatte. Die Proben 6 bis 8, die diesen Prozessen unterzogen wurden, wurden unter einem REM (Rasterelektronenmikroskop) untersucht, und die Ergebnisse der Beobachtungen sind jeweils in den 16A, 17A und 18A gezeigt. Hier wurde die Vergrößerung der elektronenmikroskopischen Fotografien an der linken Seite auf 800fach eingestellt, und die Fotografien an der rechten Seite wurden durch weitere 5fache Vergrößerung des eingerahmten Abschnitts in der Mitte jeder Fotografie erhalten. Darüber hinaus sind die 16B, 17B und 18B Zeichnungen, die diese Bilder schematisch zeigen.
In der in den 16A und 16B gezeigten Probe 6 wurde bestätigt, dass Aggregate des Reaktionsprodukts, die aus feinen Kristallkörnern einer hauptsächlich aus Fe/Al zusammengesetzten intermetallischen Verbindung bestanden, intermittierend parallel zu der Verbindungsgrenze gebildet wurden. Da in Probe 6 die Reaktionsproduktschicht 3 an der Verbindungsgrenze intermittierend gebildet wurde, wird daher, auch wenn ein Bruch in der Reaktionsproduktschicht 3 mit einem geringen Risszähigkeitswert auftritt, die Entwicklung des Bruchs durch die Aluminiumlegierung gestoppt, die intermittierend in der Reaktionsproduktschicht 3 angeordnet ist, die eine überragende Duktilität hat; somit ist es, wie in 15 gezeigt möglich, eine Verbindung mit der gleichen Verbindungsfestigkeit wie das Aluminiumlegierungsbasismaterial auszubilden.
In der in den 17A und 17B gezeigten Probe 7 wurde bestätigt, dass die Kristalle des Reaktionsprodukts kontinuierlich ohne Lücken in der Verbindungsgrenze wuchsen. Die Dicke der diese Kristallkörner ent haltenen Reaktionsproduktschicht 3 variierte in einem Bereich von 0,5 bis 1,0 μm aufgrund der Größe der Körner und lokaler Variationen.
Darüber hinaus wurde in der in den 18A und 18B gezeigten Probe 8, auch in der gleichen Weise wie in Probe 7, beobachtet, dass die Kristalle des Reaktionsprodukts kontinuierlich ohne Lücken an der Verbindungsgrenze wuchsen, um eine dicke Reaktionsproduktschicht 3 zu bilden. Die Dicke dieser Reaktionsproduktschicht 3 variiert in einem Bereich von 0,8 bis 1,5 μm aufgrund der Größe der Körner und lokaler Variationen.
Im Falle der Verbindungsstrukturen der Proben 7 und 8 mit den Grenzstrukturen wie sie in den 17A, 17B, 18A und 18B gezeigt ist, wird, wenn ein Bruch in einer Reaktionsproduktschicht mit einem geringen Risszähigkeitswert auftritt, der Bruch bevorzugt kontinuierlich durch die Reaktionsproduktschicht übertragen, um eine Beschädigung zu verursachen; demzufolge hat diese Verbindungsstruktur eine geringere Festigkeit als jene der Verbindungsstruktur von Probe 6, die in den 16A und 16B gezeigt ist.
Daher wurde bestätigt, dass es in einer Verbindungsstruktur eines Stahlprodukts und einer Aluminiumlegierung möglich ist, eine Verbindung mit einer hohen Festigkeit zu erhalten, die weniger empfindlich auf von der Verbindungsgrenze ausgehenden Riss ist, indem erlaubt wird, dass die an der Verbindungsfläche erzeugte Reaktionsproduktschicht intermittierend vorliegt.
(3) Dritte Ausführung
Berücksichtigung der Reibzeit
Um die Verbindungsgrenze der vorliegenden Erfindung zu erhalten, muss das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf einen minimalen Pegel reduziert werden, indem der Stauchprozess gestartet wird, unmittelbar nachdem die minimale Eingabe, die zum Reinigen der Verbindungsgrenze erforderlich ist, während des Reibprozesses eingegeben wurde, um Flecken, Oxide etc. über der Grenzfläche zu beseitigen. Insbesondere ist in der Reaktionsproduktschicht der vorliegenden Erfindung erforderlich, das Wachstum der Reaktionsproduktschicht in der Anfangsphase zu begrenzen. Daher wurden ein Stahlprodukt (Material: JIS S10C) und einer Aluminiumlegierung (Material: JIS A5052), die die in Tabelle 1 gezeigten chemischen Komponenten haben, zu einer zylindrischen Stahlstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge und eine zylindrische Aluminiumlegierungsstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge geformt, wie in 5 gezeigt, sodass die Teststücke hergestellt wurden. In Bezug auf diese Teststücke wurde die Beziehung zwischen der Reibzeit und der Temperatur oder dem Drehmoment in der Nähe der Verbindungsgrenze in einem Reibprozess zwischen diesen Teststücken beobachtet unter den Bedingungen eines Reibdrucks von 35 MPa und einer Drehzahl von 1200 UPM. Im Ergebnis wurde der Temperatur- und Drehmomentverlauf erhalten, wie er in 19 gezeigt ist.
Wie in 19 klar gezeigt, wurde eine stabile Temperatur und ein stabiles Drehmoment in der Nähe der Grenzfläche in angenähert 3 Sekunden Reibzeit erhalten. In anderen Worten stellte sich in Bezug auf die Reibschweißung zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung heraus, dass es eine Reibzeit von angenähert 3 Sekunden möglich macht, die Verbindungsfläche ausreichend zu reinigen, und die Entstehung einer Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsfläche beginnt. Wenn darüber hinaus die eingegebene Reibungswärme durch Erhöhen des Reibdrucks, der Reibzeit etc. aus diesem Zustand heraus erhöht wurde, entwickelte sich die Reaktionsproduktschicht gemäß der eingegebenen Wärmemenge, was zu einer Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit führte. Demzufolge ist, durch Ausführung eines Druckschweißprozesses nach einer kurzen Dauer des Reibprozesses, die eingegebene Wärme menge auf die Verbindungsgrenze auf ein Minimum beschränkt und ist das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf ein Minimum reduziert; somit wird es möglich, eine Verbindung mit hoher Festigkeit zu erhalten.
Herstellung der Proben 9 und 10
Als nächstes wurde, durch Einstellen des Reibdrucks jeweils auf 35 und 50 MPa unter den Bedingungen einer Drehzahl von 1200 UPM, einer Reibzeit von 3 Sekunden, einem Stauchdruck von 250 MPa und einer Stauchzeit von 6 Sekunden, die Teststücke der oben erwähnten zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumlegierungsstange aneinander reibgeschweißt, um eine Verbindungsstruktur eines Stahlprodukts und einer Aluminiumlegierung jeder der Proben 9 und 10 herzustellen. Hier wurde der Reibschweißprozess zwischen der zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumstange mittels einer herkömmlichen Bremsmethode ausgeführt.
Wie in 7 gezeigt, wurde, in Bezug auf die so erhaltene Verbindungsstruktur des Stahlprodukts und der Aluminiumlegierung, die Seite der zylindrischen Aluminiumlegierungsstangen mit der geringeren Festigkeit im Querschnitt des Verbundabschnitts stark verformt und wurde nach außen als Flansch abgeführt.
Auswertung der Verbindungsfestigkeit
Der oben erwähnte Flansch an dem Verbundabschnitt wurde geschliffen, und der Umfang der Verbundstuktur wurde unter Bildung einer glatten Oberfläche geschliffen, sodass Teststücke jeweils mit einer Außengröße von 14 mm ohne Kerben, wie in 8 an der Oberseite gezeigt, hergestellt wurden. Jedes dieser Teststücke wurde in der Längsrichtung gezogen, sodass die Verbindungsfestigkeit ausgewertet wurde.
Die Ergebnisse der Verbindungsfestigkeits-Auswertung dieser Verbindungsstrukturen sind in 20 gezeigt als Raten (%) des Aluminium elements in Bezug auf die Basismaterialfestigkeit. Im Falle von Probe 9 mit einem Reibdruck von 35 MPa war die Verbindungsfestigkeit die gleiche wie die Basismaterialfestigkeit des Aluminiumelements. Im Gegensatz hierzu wuchs, im Falle der Probe 10 mit einem erhöhten Reibdruck von 50 MPa, die Reaktionsproduktschicht zu stark aufgrund einer erhöhten Wärmeeingabemenge, die sich aus der Zunahme des Reibdrucks ergab, was zu einer Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit in Antwort auf die Erhöhung des Reibdrucks führte.
Auswertung der Grenzstruktur
Darüber hinaus wurde jede der Verbindungsstrukturen der Proben 9 und 10, die wie oben erhalten wurden, in der vertikalen Richtung in Bezug auf die Verbindungsfläche geschnitten, wie in 10 gezeigt, und die Schnittfläche wurde mittels einer Polierscheibe mechanisch poliert, die Diamantschleifkörner mit einer maximalen Partikelgröße von 3 μm hatte. Als nächstes wurden, um eine geeignete Elektronendurchlässigkeit zu erhalten, diese in einem Vakuum einem Aufstäubprozess durch Ar-Atome unterzogen und wurden dann vorläufig in einer sauren Lösung einer elektrolytischen Politur unterzogen. Die Proben 9 und 10, die diesen Prozessen unterzogen worden waren, wurden unter einem TEM (Transmissionenelektronenmikroskop) beobachtet, und die resultierenden Bilder davon sind in den 21A und 22A gezeigt. Hier wurden die Vergrößerungen der jeweiligen elektronenmikroskopischen Fotografien jeweils auf 12.000fach und 20.000fach eingestellt. Die 21B und 22B sind Zeichnungen, die diese Bilder schematisch zeigen. Darüber hinaus zeigt 23 die Verbindungsgrenze, die erhalten wurde durch Vergrößern des eingerahmten Bereichs innerhalb der elektronenmikroskopischen Fotografie von Probe 9 in 21A.
Ferner wurden EDS-Spektren an den Punkten A bis G in der Verbindungsgrenzfläche gemessen, wie in 23 gezeigt, und es wurden als Ergebnisse erhalten die Komponentenzusammensetzungen an den jeweiligen Punkten der Verbindungsgrenzfläche, wie in Tabelle 2 gezeigt. Hier zeigt 24 ein typisches EDS-Spektrum am Punkt A.
Tabelle 2
Wie durch die Ergebnisse der oben erwähnten Messungen klar gezeigt, bestätigte sich in Probe 9 der 21A und 21B, dass ein Aggregat des Reaktionsprodukts 3, zusammengesetzt aus feinen Kristallkörnern mit einer Größe von angenähert 200 nm Quadrat einer intermetallischen Verbindung, die hauptsächlich aus Fe/Al zusammengesetzt ist, an der Verbindungsgrenze erzeugt wird, und dass Aluminiumlegierungsbasismaterial-Kristalle 8, die äquivalent den verbundenen Basismaterialien sind, in der Reaktionsproduktschicht 3 vorhanden sind, wobei einige der Kristalle in die Reaktionsproduktschicht 3 eindringen. Im näheren Detail bestätigte sich, dass in Bezug auf jede der Flächen der Punkte A bis C, 90 % Atom-% oder mehr der Komponentenzusammensetzung Aluminium ist, sodass die Komponente des Aluminiumlegierungsbasismaterials im Wesentlichen erhalten bleibt, und dass im Gegensatz hierzu in Bezug auf jede der Flächen von Punkt D bis G, eine intermetallische Verbindung zwischen einer Aluminiumlegierung und einem Stahlprodukt gebildet wird.
Auf diese Weise ist in Probe 9 das Aluminiumlegierungsbasismaterial-Kristall 8 (Flächen der Punkte A bis C) in der Reaktionsproduktschicht 3 (an Flächen der Punkte D bis G) an der Verbindungsgrenze vorhanden, derart, dass es in die Reaktionsproduktschicht 3 eindringt; auch wenn daher ein Bruch in der Reaktionsproduktschicht 3 auftritt, die einen geringen Risszähigkeitswert hat, wird die Bruchentstehung durch das Aluminiumlegierungsbasismaterial-Kristall 8 gestoppt, das eine überragende Duktilität hat, sodass es möglich ist, eine Verbindung mit der gleichen Verbindungsfestigkeit wie das Aluminiumbasismaterial vorzusehen, wie in 20 gezeigt.
In der in den 22A und 22B gezeigten Probe 10 bestätigte sich, dass ein Kristallkorn des Reaktionsprodukts 3 mit einer Dicke von angenähert 200 nm in Bezug auf die Verbindungsgrenze vertikal wächst, aufgrund einer Zunahme der Wärmeeingabemenge in Folge der Zunahme des Reibdrucks, sodass das Kristallkorn des Reaktionsprodukts 3 an der Verbindungsgrenze ohne Lücken kontinuierlich wächst. Im Gegensatz hierzu schreitet, im Falle des Aluminiumlegierungsbasismaterial-Kristalls, das in Probe 9 in den 21A und 21B vorhanden ist, das oben erwähnte Wachstum der Reaktionsproduktschicht 3 extrem fort, um vollständig eine intermetallische Verbindung mit dem Stahlprodukt zu bilden. Die Dicke der Reaktionsproduktschicht 3 einschließlich dem Kristallkorn variiert in einem Bereich von 0,8 bis 1,5 μm aufgrund der Größe der Kristalle und lokaler Variationen. Im Falle einer Verbindungsstruktur, die eine Grenzstruktur dieses Typs hat, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass Brüche in der intermetallischen Verbindungsschicht auftreten, die einen geringeren Risszähigkeitswert hat, und sobald ein Bruch auftritt, wird dieser bevorzugt kontinuierlich durch die intermetallische Verbindungsschicht übertragen, um eine Beschädigung zu verursachen. Demzufolge hat diese Verbindungsstruktur eine geringere Festigkeit als jene der Verbindungsstruktur von Probe 9, die in den 21A und 21B gezeigt ist.
Daher bestätigte sich, dass es in einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung möglich ist, eine Ver bindung mit hoher Festigkeit bereitzustellen, die weniger empfindlich auf von der Verbindungsgrenze her ausgehenden Riss ist, indem erlaubt wird, dass die Aluminiumlegierungsbasismaterial-Kristalle in der Reaktionsproduktschicht vorhanden sind, die an deren Verbindungsgrenze zu erzeugen ist.
(4) Vierte Ausführung
Berücksichtung der Reibzeit
Um die Verbindungsgrenze der vorliegenden Erfindung zu erhalten, muss das Wachstum der Reaktionsproduktschicht auf einen minimalen Pegel reduziert werden, indem der Stauchprozess gestartet wird, unmittelbar nachdem die minimale Eingabe, die zur Reinigung der Verbindungsgrenze erforderlich ist, während eines Reibprozesses eingegeben wurde, um Flecken von der Verbindungsgrenze und Oxide von der Oberfläche einer Seite der Basismaterialien mit dieser Oxidschicht, die darauf etwas verblieben ist, zu beseitigen, daher wurden ein Stahlprodukt (Material: JIS S10C) und eine Aluminiumlegierung (Material: JIS A5052), die die in Tabelle 1 gezeigten chemischen Komponenten haben, zu einer zylindrischen Stahlstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge und einer zylindrischen Aluminiumlegierungsstange mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer vorbestimmten Länge geformt, wie in 5 gezeigt, sodass Teststücke hergestellt wurden. In Bezug auf diese Teststücke wurde die Beziehung zwischen der Reibzeit und der Temperatur in der Nähe der Verbindungsgrenze in einem Reibprozess zwischen diesen Teststücken beobachtet unter den Bedingungen eines Reibdrucks von 20 MPa und einer Drehzahl von 1200 UPM. Als Ergebnis wurde die in 6 gezeigte Temperaturschwankung erhalten.
Wie in 6 klar gezeigt, wurde eine stabile Temperatur in der Nähe der Verbindungsflächen in angenähert 3 Sekunden Reibzeit erhalten. In dieser Anfangsstufe wurde die Oxidschicht auf der Aluminiumlegierungs- Oberfläche durch einen plastischen Fluss während eines Reibprozesses entfernt, wobei nur die Oxidschicht auf dem Stahlprodukt verblieb. Darüber hinaus reduziert hierbei das in der Aluminiumlegierung enthaltene Magnesium einen Teil dieses Oxids zur Bildung von Magnesiumoxid, das in der Oxidschicht enthalten ist. Wenn daher die zwei Verbindungsmaterialien unter den in Tabelle 3 gezeigten Verbindungsbedingungen verbunden werden, wobei der Reibprozess ein verkürzte Zeit hat, wird eine Restoxidschicht auf der Oberfläche eines Stahlprodukts oder einer Magnesiumoxidschicht, die durch Reduktion davon gebildet wird, auf der Verbindungsgrenze angeordnet, sodass die Verbindungsfestigkeit die gleiche wird wie jene des Aluminiumlegierungselements.
Tabelle 3
Herstellung der Proben 11 bis 13
Als nächstes wurde, durch Einstellen des Reibdrucks jeweils auf 10, 20 und 50 MPa unter den Bedingungen einer Drehzahl von 1200 UPM, einer Reibzeit von 3 Sekunden, einem Stauchdruck von 250 MPa und einer Stauchzeit von 6 Sekunden, die Teststücke der oben erwähnten zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumlegierungsstange miteinander reibverschweißt, um eine Verbindungsstruktur eines Stahlprodukts und einer Aluminiumlegierung jeder der Proben 11 bis 13 herzustellen. Hier wurde der Reibschweißprozess zwischen der zylindrischen Stahlproduktstange und der zylindrischen Aluminiumstange unter Verwendung einer herkömmlichen Bremsmethode ausgeführt.
Wie in 7 gezeigt, wurde, in Bezug auf die so erhaltene Verbindungsstruktur des Stahlprodukts und der Aluminiumlegierung, die Seite der zylindrischen Aluminiumlegierungsstangen mit der geringeren Festigkeit im Querschnitt des Verbundabschnitts stark verformt und wurde als Flansch nach außen abgeführt.
Auswertung der Verbindungsfestigkeit
Der oben erwähnte Flansch an dem Verbindungsabschnitt wurde geschliffen, und der Umfang der Verbindungsstruktur wurde zur Bildung einer glatten zylindrischen Form geschliffen. Darüber hinaus wurden Kerben mit einer Tiefe von 1,4 mm an der Umfangsfläche der Verbindungsgrenze ausgebildet, sodass auch Teststücke hergestellt wurden, die jeweils eine gesetzte Spannungskonzentrationsrate von 2,0 hatten, wie in 8 gezeigt. Diese Teststücke mit Kerben wurden benutzt, um eine noch striktere Auswertung an der Verbindungsgrenze auszuführen. Jedes dieser Teststücke wurde in der Längsrichtung gezogen, sodass die Verbindungsfestigkeit ausgewertet wurde.
Die Ergebnisse der Verbindungsfestigkeitsauswertung dieser Verbindungsstrukturen sind in 25 gezeigt als Raten (%) des Aluminiumelements in Bezug auf die Basismaterialfestigkeit. Im Falle von Probe 11 mit einem Reibdruck von 10 MPa war die Verbindungsfestigkeit gering, weil die Verbindungsfläche nicht ausreichend gereinigt war und die Schweißung zwischen den verbundenen Elementen ungenügend war. Im Gegensatz hierzu war im Falle der Probe 12 mit einem Reibdruck von 20 MPa die Verbindungsfestigkeit die gleiche wie die Basismaterialfestigkeit des Aluminiumelements. Im Falle der Probe 13, deren Reibdruck 50 MPa überschritt, war die Verbindungsfestigkeit aufgrund des fortschreitenden Wachstums der Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze geringer.
Auswertung der Grenzstruktur
Darüber hinaus wurde jede der Verbindungsstrukturen der Proben 11 bis 13, die wie oben beschrieben erhalten wurden, in der vertikalen Richtung in Bezug auf die Verbindungsfläche durchschnitten, wie in 10 gezeigt, und die Schnittfläche wurde mittels einer Polierscheibe mechanisch poliert, die Diamantschleifkörner mit einer maximalen Partikelgröße von 3 μm hatte. Als nächstes wurden, um eine geeignete Elektronendurchlässigkeit zu erhalten, diese in einem Vakuum einem Aufstäubprozess durch Ar-Atome unterzogen, und sie wurden in einer sauren Lösung vorübergehenden einer elektrolytischen Politur unterzogen. Diese Proben 11 bis 13, die diesen Prozessen unterzogen worden waren, wurden unter einem TEM (Transmissionselektronenmikroskop) beobachtet, und die resultierenden Bilder davon sind jeweils in den 26A, 27A und 28A gezeigt. Hier wurden die Vergrößerungen der jeweiligen elektronenmikroskopischen Fotografien auf 120.000fach, 150.000fach und 20.000fach eingestellt. Darüber hinaus sind die 26B, 27B und 28B Zeichnungen, die diese Bilder schematisch zeigen.
In der in den 26A und 26B gezeigten Probe 11 bestätigte sich, dass, zusätzlich zu der auf der Stahlproduktseite an der Verbindungsgrenze angeordneten Oxidschicht 5, eine Oxidschicht 9, die dicker ist als die Oxidschicht 5, auf der Aluminiumlegierungsseite der Verbindungsgrenze vorhanden ist. Da in dieser Struktur der Reibdruck in dem Reibprozess mit 10 MPa niedrig ist, wird die auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung vorhandene Oxidschicht 9 nicht ausreichend gereinigt und abgeführt und wird mit einer Oxidschicht 5, die auf der Oberfläche des Stahlprodukts vorhanden ist, druckverschweißt, und daher werden zwei Oxidschichten gebildet. Die Gesamtdicke der Schicht, die die Oxidschicht 5 und die Oxidschicht 9 einschließt, betrug angenähert 50 nm. Darüber hinaus wurde ein Reaktionsprodukt 3, das aus Kristallen einer hauptsächlich aus Fe/Al bestehenden intermetallischen Verbindung hergestellt waren, in der Form von Punkten entlang der Verbindungsgrenze angeord net. Die Größe des Reaktionsprodukts 3 betrug angenähert 50 nm in der Breite und 10 nm in der Dicke.
Da auf diese Weise in Probe 11 die Erzeugung des Reaktionsprodukts 3 an der Verbindungsgrenze eingeschränkt ist, um nur eine dünne Schicht zu bilden, besteht eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass darin ein Bruch entsteht und entwickelt; da jedoch die zwei Schichten einschließenden dicken Oxidschichten 5 und 9 an der Verbindungsgrenze vorhanden sind und die Schweißeigenschaften zwischen den zwei Oxiden nicht sehr gut sind, tritt eine Beschädigung aufgrund der Verbindungsgrenze zwischen den zwei Oxidschichten auf und wird, wie in 25 gezeigt, deren Verbindungsfestigkeit niedriger als die des Aluminiumlegierungselements.
In der in den 27A und 27B gezeigten Probe 12 blieb die Oxidschicht, die auf der Oberfläche des Stahlprodukts vorhanden war, noch immer etwas zurück, um eine sehr dünne Oxidschicht 5 auf der Stahlproduktseite der Verbindungsgrenze zu bilden, und ein Reaktionsprodukt 3, das aus Kristallen einer aus Fe/Al bestehenden intermetallischen Verbindung hergestellt waren, wurde ausgebildet und wurde in der Form von Punkten in Kontakt mit der Oxidschicht 5 angeordnet. Die Oxidschicht 5 hatte eine Dicke von angenähert 10 nm, und das Reaktionsprodukt 3 hatte angenähert eine Dicke von 50 nm und eine Breite von 100 nm.
Darüber hinaus wurde, in Bezug auf die Oxidschicht 5 auf der Stahlproduktseite in Probe 12, deren EDS-Spektrum gemessen, und 29 zeigt das resultierende Spektrum. Wie durch diese Ergebnisse klar gezeigt, bestätigte sich, dass das Oxid in der Schicht auch jene enthält, die durch aus der Aluminiumlegierung dispergiertes Magnesium reduziert sind.
Auf diese Weise wird, in der in den 27A und 27B gezeigten Probe 12, die Oxidschicht 5 als eine sehr dünne Schicht gebildet, um keine nachteiligen Wirkungen auf die Schweißeigenschaften und die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Stahlprodukt und der Aluminiumlegierung zu erzeugen, und das Reaktionsprodukt 3 ist an der Verbindungsgrenze in der Form von Punkten angeordnet; auch wenn daher ein Bruch in dem Reaktionsprodukt 3 mit einem geringen Risszähigkeitswert auftritt, wird die Entwicklung des Bruchs durch die Aluminiumlegierung mit überragender Duktilität gestoppt, die in dem intermittierenden Abschnitt des Reaktionsprodukts 3 angeordnet ist; somit ist es möglich, wie in 25 gezeigt, eine Verbindung mit einer Verbindungsfestigkeit vorzusehen, die so hoch wie jene der Aluminiumlegierung.
In der in den 28A und 28B gezeigten Probe 13 wurde die gesamte Oxidschicht an der Verbindungsgrenze gereinigt und entfernt, sodass nur die dicke Reaktionsproduktschicht 3, die stark gewachsen war, beobachtet wurde. Die Fläche, die in der Reaktionsproduktschicht 3 mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist, repräsentiert ein typisches Reaktionsprodukt, in dem Kristallkörner mit einer Dicke von angenähert 200 nm vertikal in Bezug auf die Verbindungsgrenze gewachsen waren. Diese Kristalle des Reaktionsprodukts sind kontinuierlich auf der Verbindungsgrenze ohne Lücken gewachsen. Die Dicke der Reaktionsproduktschicht 3, die diese Kristallkörner enthält, variiert in einem Bereich zwischen 0,8 und 1,5 μm aufgrund der Größen der Körner und lokaler Variationen. Im Falle einer Verbindungsstruktur, die eine Grenzstruktur dieses Typs hat, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass innerhalb der intermetallischen Verbundschicht, die einen geringen Risszähigkeitswert hat, Brüche auftreten, und sobald ein Bruch auftritt, wird dieser bevorzugt kontinuierlich durch die intermetallische Verbindungsschicht übertragen, um eine Beschädigung zu verursachen; demzufolge hat diese Verbindungsstruktur eine geringere Festigkeit als jene der Verbindungsstruktur von Probe 12, die in den 27A und 27B gezeigt ist.
Daher bestätigte sich, dass in einer Verbindungsstruktur zwischen einem Stahlprodukt und einer Aluminiumlegierung es möglich ist, eine Verbindung mit einer hohen Festigkeit vorzusehen, die weniger empfindlich von der Verbindungsgrenze her ausgehenden Riss ist, indem erlaubt wird, dass ein Oxidschicht mit einer Dicke von 1 bis 30 nm auf der Verbindungsgrenze vorhanden ist.
Eine Verbindungsstruktur, die zur Herstellung einer aus unterschiedlichen Metallmaterialien gebildeten Verbindung verwendet wird hat eine hohe Festigkeit. In der Verbindungsstruktur, in der die unterschiedlichen Metallmaterialien verbunden sind, wird eine auf der Verbindungsgrenze zu erzeugende Reaktionsproduktschicht so eingestellt, dass sie eine Dicke von 0,5 μm oder weniger hat. Darüber hinaus kann die Reaktionsproduktschicht auf der Verbindungsgrenze intermittierend vorhanden sein. Ferner enthält die Reaktionsproduktschicht auf der Verbindungsgrenze ein Basismaterialkristall, das zu 90 Atom-% oder mehr aus Basismaterialatomen besteht.

Claims

Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien, worin eine an einer Verbindungsgrenze erzeugte Reaktionsproduktschicht eine Dicke von 0,5 μm oder weniger hat.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach Anspruch 1, worin die Reaktionsproduktschicht an der Verbindungsgrenze intermittierend angeordnet ist.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach Anspruch 1, worin die Reaktionsproduktschicht ein Basismaterialkristall enthält, das zu 90 Atom-% oder mehr aus Basismaterialatomen besteht.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach Anspruch 3, worin das Basismaterialkristall in die Reaktionsproduktschicht eindringt.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach Anspruch 1, worin auf der Verbindungsgrenze eine Oxidschicht angeordnet ist.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach Anspruch 5, worin die Oxidschicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 30 nm hat.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach einem der Ansprüche 5 und 6, worin die Oxidschicht aus einem auf der Oberfläche eines verbundenen Elements angeordneten Oxid oder/und einem während eines Verbindungsprozesses erzeugten Oxid hergestellt ist.
Verbindungsstruktur unterschiedlicher Metallmaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die unterschiedlichen Metallmaterialien aus einem aus Stahl hergestellten ersten Element und einem aus Aluminiumlegierung hergestellten zweiten Element zusammengesetzt sind.