JP2005313211A - 鋼／アルミニウムの接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層に起因する継手強度の低下を抑え、継手強度の高い鋼／アルミニウムの接合構造体を得る。
【解決手段】 溶融アルミニウムめっき鋼板にアルミニウム又はアルミニウム合金をスポット溶接で積層した接合構造体であり、溶融アルミニウムめっき鋼板がＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜３質量％，残部実質的にＡｌのめっき層を表面に形成しており、スポット溶接で形成されたナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度がアルミニウム又はアルミニウム合金のＦｅ，Ｓｉ含有量よりも共に０.１質量％以上高くなっている。好ましくは、めっき層の厚さを５μｍ以上とし、平均厚さ０.２μｍ以上のＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層を接合界面に存在させる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、アルミニウム材料の優れた軽量性，耐食性と鋼材の優れた機械強度を兼ね備えた鋼／アルミニウムの接合構造体に関する。

アルミニウム，アルミニウム合金等のアルミニウム材料は、軽量で耐食性に優れていることを活用し種々の分野で使用されているが、強度が要求される用途では厚肉化によって要求強度を満足させている。しかし、厚肉化はアルミニウム材料の長所である軽量性が損ない、コンパクトな設計に対応する構造部材としても適当でない。機械強度の良好な鋼材をアルミニウム材料と積層するとき、厚肉化の要なく必要強度が得られる。

アルミニウム材料と鋼材との積層には、ボルトナット，リベット，嵌め合せ等の機械的結合法が採用されてきたが、機械的結合法では優れた継手が得られがたく、生産性も低い。アルミニウム材料／鋼材の溶接接合が可能になると、機械的結合法に比較して生産性が格段に高く、良好な特性をもつ鋼／アルミニウムの接合構造体が得られる。ところが、通常の溶融接合法で鋼材，アルミニウム材料を接合すると、非常に脆弱な金属間化合物が接合界面に多量生成し継手強度が著しく低下する。

金属間化合物は、鋼材，アルミニウム材料の原子が界面で相互拡散反応することにより生成する。特許文献１では、拡散反応を律則する反応温度，時間等を摩擦溶接時に適正管理することにより金属間化合物の生成を抑えている。しかし、摩擦溶接による接合であることから、継手設計に工夫を要し、接合工程を簡略化する上では改善の余地がある。スポット溶接の適用も検討されており、特許文献２では溶融アルミニウムめっき鋼板をアルミニウム材料に抵抗溶接する方法を紹介している。

溶融アルミニウムめっき鋼板は、表層に溶融アルミニウムめっき層があることから接合時にアルミニウム材料と同様な挙動を示すと考えられがちである。しかし、接合界面は、スポット溶接時にＡｌの融点（６６０℃）を超える高温に加熱される。高温加熱で生成した溶融Ａｌに下地鋼／めっき層界面のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層からＦｅ，Ｓｉ等が拡散するが、溶接時の冷却過程でＦｅが再析出し、拡散係数の大きなＳｉはめっき層全体に分散される。その結果、冷却後の接合界面を観察すると接合界面全域に脆弱なＡｌ−Ｆｅ二元合金層が生成したナゲットが検出され、継手強度も著しく低い。

継手強度に及ぼすＡｌ−Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑制するため、特許文献３では接合界面に占める金属間化合物の割合を規制している。金属間化合物の生成抑制には、溶融アルミニウムめっき鋼板を正極側，アルミニウム材料を負極側にしてスポット溶接時の発熱を溶融アルミニウムめっき鋼板に偏らせる方法を採用しているが、依然として金属間化合物の多量生成が避けられない。
特開2003−33885号公報 特開平6−39588号公報 特開2003−145278号公報

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、スポット溶接時の高温加熱で形成されるＡｌ-Ｆｅ二元合金層が継手強度に及ぼす影響の調査・検討する過程で得られた知見をベースとし、めっき層組成及びナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度を規制することにより、接合部を硬質化して継手強度の高い鋼／アルミニウムの接合構造体を提供することを目的とする。

本発明は、溶融アルミニウムめっき鋼板にアルミニウム又はアルミニウム合金をスポット溶接で積層した接合構造体であり、溶融アルミニウムめっき鋼板がＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％，残部：実質的にＡｌのめっき層を表面に形成しており、スポット溶接で形成されたナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度がアルミニウム又はアルミニウム合金のＦｅ，Ｓｉ含有量よりも共に０.１質量％以上高くなっていることを特徴とする。

溶融アルミニウムめっき鋼板としては、厚さ５μｍ以上の溶融アルミニウムめっき層が形成されためっき鋼板が好ましい。相手材には、好ましくはＦｅ濃度を１.０質量％以下に規制したアルミニウム材料が使用され、Ｍｇ：０.１〜６.０質量％，Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金も使用可能である。
ナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度は、めっき層組成，アルミニウム材料のＦｅ，Ｓｉ規制，溶接条件の制御等によってアルミニウム材料のＦｅ，Ｓｉ含有量よりも共に０.１質量％以上高く維持される。また、接合界面に平均厚さ０.２μｍ以上のＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が存在すると、継手強度が向上する。

溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を重ね合わせてスポット溶接すると、高温加熱された接合部のアルミニウム材料，溶融アルミニウムめっき層が溶融し、相互拡散反応によって融合する。生成した溶融Ａｌに溶融アルミニウムめっき層，下地鋼が溶け込むので、アルミニウム材料の母材部に比較してＦｅ濃度が高くなったナゲットが形成される。めっき層／下地鋼の界面に生成しているＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が溶融Ａｌに溶け込むことも、Ｆｅ濃度上昇の一因である。

Ｆｅの濃化によってナゲットが硬質化するものの、継手強度を低下させる脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に生じやすくなる。すなわち、スポット溶接時に溶融Ａｌが急冷されナゲット８となるとき、溶融ＡｌからＦｅが接合界面に再析出し、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層７が生成する（図１）。Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７が接合界面全域に成長すると継手強度が極端に低下し、僅かな応力で接合界面が破壊され溶融アルミニウムめっき鋼板からアルミニウム材料２が分離する。

本発明者等は、継手強度に有害なＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成条件を調査・検討した結果、Ａｌめっき層の組成，ナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度がＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成抑制に重要な要件であることを見出した。すなわち、めっき層をＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％を含む組成とし、アルミニウム材料の母材部に比較してナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度を共に０.１質量％以上高く設定するとき、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の生成が抑えられ、継手強度の高い接合構造体となることを見出した。

めっき層の組成及びナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度が継手強度の向上に及ぼす影響は次のように推察され、後述の実施例でも支持される。
Ｓｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％を含むめっき層４が設けられた溶融アルミニウムめっき鋼板１をアルミニウム材料２と重ね合わせ、電極３を押し付けてスポット溶接したときに形成される接合界面には、継手強度に有害なＡｌ-Ｆｅ二元合金層７の他に下地鋼５，アルミニウム材料２に対して接合力のあるＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６も形成される（図２）。接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６の割合が多くなるほど、継手強度が高くなることが予想される。

Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層の十分な生成には、下地鋼から溶融Ａｌに溶出するＦｅ，Ｓｉ量だけでは足りないので、めっき層のＦｅ，Ｓｉ含有量を高め、めっき層から接合界面にＦｅ，Ｓｉを補給する。特に拡散係数の大きなＳｉに関しては、めっき層のＳｉ含有量を３質量％以上と高く設定し、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層の生成に必要なＳｉ量を確保する。

めっき層組成の調整は、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層の生成を促進させるばかりでなく、溶融ＡｌのＦｅ，Ｓｉ濃度を高くすることにも働く。Ｆｅ，Ｓｉ濃度が高い溶融Ａｌの急冷でできたナゲットは、Ｆｅ，Ｓｉの固溶強化及び急冷効果によって硬質化し、高い継手強度を示す。しかも、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成が抑えられているため、信頼性の高い継手強度をもつ接合構造体が得られる。

めっき原板には、低炭素鋼，中炭素鋼，低合金鋼，ステンレス鋼等があり、用途に応じてＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ等を添加した鋼種が使用される。なかでも、Ａｌ-Ｆｅの相互拡散を抑制するＮを０.００２〜０.０２０質量％添加しためっき原板が好ましい。
めっき原板を溶融アルミニウムめっき浴に浸漬して引き上げると、めっき原板に随伴して溶融めっき浴から持ち上げられた溶融めっき金属が凝固して溶融アルミニウムめっき層を形成する。溶融アルミニウムめっき層の厚みは、引上げ直後の鋼帯に対するワイピングガス吹付け等の付着量制御によって調整されるが、厚膜にするほどＡｌ-Ｆｅ二元合金層の成長が遅延するので５μｍ以上にすることが好ましい。

接合強度の高い鋼／アルミニウムの接合構造体を得るため、溶融アルミニウムめっき層に含まれるＳｉ，Ｆｅ濃度を、下地鋼／溶融アルミニウムめっき層の界面に形成される合金層を含まない値としてそれぞれＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％に規制する。過剰量のＳｉを含むめっき層では溶融アルミニウムめっき鋼板の加工性が損なわれるので、Ｓｉ濃度の上限を１２質量％に規制している。溶接以外の特性向上が必要な場合、Ａｌ-Ｆｅの相互拡散反応に大きな影響を及ぼさないＴｉ，Ｓｒ，Ｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｎ等の元素を溶融アルミニウムめっき層に適宜含ませることができる。

Ｎ：０.００２〜０.０２０質量％を含む鋼板をめっき原板として溶融アルミニウムめっきした後、特定条件下で加熱処理すると溶融めっき時に生成した合金層と下地鋼の界面にＮ濃縮層が生成する。濃縮層のＮ含有量が３.０原子％以上になるとＡｌ-Ｆｅの相互拡散が著しく抑制され、鋼／アルミニウム接合構造体として好適な溶融アルミニウムめっき鋼板が得られる。Ｎ濃縮層によるＡｌ-Ｆｅの相互拡散抑制作用は、溶融めっき後の加熱処理条件を一定にすると下地鋼のＮ含有量が多くなるほど向上する。しかし、０.０２質量％を超える過剰量のＮを含む場合、めっき原板自体の製造性が低下する。

相手材のアルミニウム材料は、材質に特段の制約が加わるものではないが、展伸材である限り大半のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用できる。アルミニウム材料に含まれるＦｅも、溶融アルミニウムめっき層と同様にＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成・成長を抑制する作用を呈するが、下地鋼／溶融アルミニウムめっき層の界面反応であるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成・成長に関しては溶融アルミニウムめっき層中のＦｅに比較して遥かに影響が小さい。したがって、アルミニウム材料自体の耐食性，加工性等を考慮してアルミニウム材料のＦｅ濃度を１.０質量％以下に規制することが好ましい。

アルミニウム合金は、３.０質量％以下，特に１質量％前後のＳｉ及び０.１〜１.５質量％のＭｇを添加し、時効処理等の熱処理で微細なＭｇ₂Ｓｉを析出させると必要強度が付与される。Ｍｇ₂Ｓｉ析出による強度向上を図る上では、Ｓｉ含有量の下限を０.１質量％に設定することが好ましい。１.５〜６.０質量％のＭｇを添加すると、固溶強化によっても高い強度が得られる。このような効果は０.１〜６.０質量％のＭｇ，３.０質量％以下のＳｉでみられ、要求強度に応じてＭｇ，Ｓｉ含有量が定められる。しかし、６質量％を超える過剰量のＭｇが含まれるとスポット溶接時に欠陥が発生しやすくなり、３.０質量％を超える過剰量のＳｉが含まれるとアルミニウムマトリックスに粗大な析出物又は晶出物が生成して接合強度が低下する場合がある。

接合構造体は、所定サイズに裁断された溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を重ね合わせ、所定ピッチでスポット溶接することにより製造される。接合構造体に形成されるナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度は、溶融アルミニウムめっき層の厚さ，溶接電流，通電時間，電極形状の組合せに応じて変わる。ナゲットへのＦｅ，Ｓｉ供給源となる溶融アルミニウムめっき層が厚いほど、ナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度が上昇する。たとえば、先端径７５ｍｍの銅合金チップを用いて溶接電流：２５ｋＡ，通電時間：１２サイクルの条件でスポット溶接すると、膜厚：５μｍ以上の溶融アルミニウムめっき層ではナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度がアルミニウム合金のＦｅ，Ｓｉ含有量よりも共に０.１質量％以上高くなり、良好な接合強度が得られる。得られた接合構造体には、ナゲット径に対して５％以上の線分率でＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が存在し、著しい強度低下を招くＡｌ-Ｆｅ二元合金層のない接合界面が形成される。

Ｃ：０.０４質量％，Ｓｉ：０.０１質量％，Ｍｎ：０.２０質量％，Ｐ：０.０１質量％，Ｓ：０.００７質量％，Ａｌ：０.０１０質量％，Ｎ：１２０ｐｐｍを含む板厚１.０ｍｍの冷延鋼板にＳｉ：９.２質量％，Ｆｅ：１.８質量％を含む膜厚：３.２〜５８.１μｍの溶融アルミニウムめっき層を形成した後、４５０℃×１５時間のポスト加熱で下地鋼／めっき層界面にＮを５原子％濃化させた溶融アルミニウムめっき鋼板を一方の被接合材に使用した。該溶融アルミニウムめっき鋼板では、Ａｌ−１０.９質量％Ｓｉ−３５.８質量％ＦｅのＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層が下地鋼／めっき層界面に生成していた。

相手材には、Ｓｉ：０.１１質量％，Ｆｅ：０.２５質量％，Ｍｇ：５.５２質量％，Ｃｕ：０.３５質量％，Ｃｒ：０.０２質量％，Ｚｎ：０.０１質量％，残部Ａｌで板厚１.０ｍｍのアルミニウム合金板を使用した。
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム合金板から切り出した試験片を脱脂・洗浄した後、重ね合わせてスポット溶接用の電極間に挟み込み、３ｋＮの圧力を加えた。電極には径：１６ｍｍ，先端アール：７５ｍｍの銅合金チップを用い、溶接電流：２５ｋＡ，通電時間：１２サイクルの条件でスポット溶接した。

作製された接合構造体の接合強度を引張り剪断試験及び十字引張試験で測定した。
ナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度は、エネルギー分散走査型電子顕微鏡（SEM／EDX）により１.５ｍｍ²の面積をランダムに１０ヶ所定量分析し、分析値を平均化して求めた。ナゲットを除くアルミニウム合金母材の組成も、同様な定量分析によって求めた。
また、ナゲットの半径方向に沿ってＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層の長さを測定し、ナゲット径に対する比を線分率として算出した。

表１の試験結果にみられるように、ナゲットの平均Ｆｅ又はＳｉ濃度がアルミニウム合金板のＦｅ又はＳｉ含有量に比べて０.１質量％以上増加している接合構造体（本発明例）は、引張り剪断強度：３.２ｋＮ以上，十字引張り強度：１.２ｋＮ以上と良好な接合強度をもっていた。また、ナゲット径の５％以上の線分率でＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が接合界面に生成していることが確認された。

他方、アルミニウム合金板のＦｅ又はＳｉ含有量に比較してナゲットの平均Ｆｅ又はＳｉ濃度の増加量が０.１質量％に達しない接合構造体（比較例）では、ナゲット径に対するＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層の線分率が２％にも満たず、ほぼ全域がＡｌ-Ｆｅ二元合金層になっている合金層が接合界面に生成していた。その結果、引張り剪断強度：２.３ｋＮ以下，十字引張り強度：０.８ｋＮ以下と接合強度に劣っていた。低い接合強度は、スポット溶接に用いた溶融アルミニウムめっき鋼板のめっき層が５μｍ未満と薄く、スポット溶接時に生成するＡｌ-Ｆｅ二元合金層の成長を抑制できなかったことに原因があると推察される。

Ｃ：０.０５質量％，Ｓｉ：０.１質量％，Ｍｎ：０.２５質量％，Ｐ：０.０１２質量％，Ｓ：０.００６質量％，Ａｌ：０.００６質量％を含む冷延鋼板を溶融アルミニウムめっきした。溶融アルミニウムめっきでは、溶融アルミニウムめっき層のＳｉ含有量が１.８質量%，３.５質量%，９.２質量%の三水準、Ｆｅ含有量が０.２〜０.３質量%，０.７〜０.９質量%，１.８〜２.３質量%，３.９〜４.５質量%，５.５〜６.１質量%の五水準となるように溶融アルミニウム浴の組成，溶融めっき条件を調整した。

相手材には、Ｓｉ：０.１０質量％，Ｆｅ：０.２２質量％，Ｍｇ：２.６７質量％，Ｃｕ：０.０１質量％，Ｃｒ：０.１９質量％，Ｍｎ：０.０２質量%，Ｚｎ：０.０１質量％，残部Ａｌで板厚１.０ｍｍのアルミニウム合金板を使用した。
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム合金板から切り出した試験片を脱脂・洗浄した後、交流スポット溶接機（６０Ｈｚ）でスポット溶接した。溶接条件としては、径：１６ｍｍ，先端アール：７５ｍｍの銅合金チップを電極に用い、溶接電流を２１ｋＡ，通電時間を１２サイクルに設定した。

作製された接合構造体の接合強度を引張り剪断試験及び十字引張試験で測定すると共に、ナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度を実施例１と同様に測定した。
表２の試験結果に見られるように、溶融アルミニウムめっき層のＦｅ，Ｓｉ濃度が適正範囲（Ｓｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％）に維持されると、引張り剪断強度：３.３ｋＮ以上，十字引張り強度：１.３ｋＮ以上と接合強度の高い接合構造体が得られた。良好な接合強度を示す接合構造体では、アルミニウム合金母材のＦｅ，Ｓｉに比較してナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度が０.１質量％以上高くなっていた。接合界面には、平均厚さ０.２μｍ以上のＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が存在していた。

他方、Ｆｅ，Ｓｉ濃度が低いと、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が接合界面にほとんど存在せず、アルミニウム合金母材のＦｅ，Ｓｉに比較してナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度の増加量が０.１質量％未満に留まっていた。
逆に、ナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度が高すぎる接合構造体では、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が厚いものの接合強度が低い値であった。低い接合強度は、溶接部のＦｅ，Ｓｉ濃度が高すぎたため脆性的な破壊が生じた結果と推察される。

以上に説明したように、本発明の接合構造体は、めっき層の組成及びナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度を規制することにより、鋼／アルミニウムの接合界面における脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成・成長を抑え、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層を接合界面に生成させている。しかも、ナゲットのＦｅ，Ｓｉ濃度を高くしているので、継手が硬質化される。そのため、鋼材，アルミニウム材料が強固に接合され、アルミニウム材料，鋼材の長所を活かした接合構造体として、車輌構造体，熱交換器等、種々の構造部材に使用される。

普通鋼板にアルミニウム合金板をスポット溶接したときの接合部断面を示す模式図 溶融アルミニウムめっき鋼板にアルミニウム合金板をスポット溶接したときの接合部断面を示す模式図

符号の説明

１：溶融アルミニウムめっき鋼板 ２：アルミニウム材料 ３：電極 ４：溶融アルミニウムめっき層 ５：下地鋼 ６：Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層 ７：Ａｌ-Ｆｅ二元合金層 ８：ナゲット

Claims (3)

1. 溶融アルミニウムめっき鋼板にアルミニウム又はアルミニウム合金をスポット溶接で積層した接合構造体であり、溶融アルミニウムめっき鋼板がＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％，残部：実質的にＡｌのめっき層を表面に形成しており、スポット溶接で形成されたナゲットの平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度がアルミニウム又はアルミニウム合金のＦｅ，Ｓｉ含有量よりも共に０.１質量％以上高くなっていることを特徴とする鋼／アルミニウムの接合構造体。
2. めっき層の厚さが５μｍ以上である請求項１記載の接合構造体。
3. 平均厚さ０.２μｍ以上のＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が接合界面に存在している請求項１記載の接合構造体。

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