JP2006175502A - 異種金属の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種金属材料の接合において、接合過程における金属間化合物の生成を抑制しながら、接合界面における酸化被膜を除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の接合方法を提供する。
【解決手段】異種金属である鋼材１とアルミニウム合金材２とを異材接合するに際し、両材料１，２の間に、これら材料とは異なる第３の金属として、鋼材１に亜鉛めっき層１ｚを形成した状態で重ね合わせ、接合界面にＡｌとＺｎの共晶溶融金属３を生じさせて接合する。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えばスチール材とアルミニウム合金材など、異種金属の接合技術に係わり、特に被接合材である両金属の間にインサート材として介在させた第３の金属材料と被接合材との間に生じる共晶反応を利用した異種金属の接合方法に関するものである。

一般に、異種金属を接合する場合、同種材の溶接と同様に両方の被接合材料を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し、十分な継手強度を得られないことが多い。例えば、アルミニウム合金と鋼の異種金属同士を溶接する場合、高硬度で脆弱なＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するためには、これら金属間化合物の制御が必要となる。
しかし、アルミニウム合金表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、それを除去するためには、接合時に大きな熱量を投与することが必要となり、その結果金属間化合物層が厚く成長し、低強度な接合部になってしまうことが問題となっていた。

そこで、このような異種金属材料を組み合わせて使用する場合には、ボルトやリベットなどによる機械的締結によって両材料を接合するようにしていたが、この場合には重量やコストが増加する点に問題があった。
また、このような異種金属の接合には、摩擦圧接が知られており、一部の部品において既に実用化されているが、これは対称性のよい回転体同士の接合などにその用途が限定されざるを得ない。さらに、爆着や熱間圧延なども知られているが、設備面や能率面で解決しなければならない問題が多く、種々の異種金属接合に広く適用することはできない。

このような異種金属接合の改善例としては、異種金属材料の間に、当該異種金属と同じ２種の材料から成るクラッド材を同種の材料が接するように挟持して、抵抗溶接を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。
また、同じく抵抗溶接を用いた方法として、アルミニウムと鋼を抵抗溶接するに際して、アルミニウム材と接する鋼表面に、Ａｌ量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さにめっきし、該めっき面をアルミニウム材に重ねて通電し、めっき層を優先的に溶融させ、鋼材側をほとんど溶融させることなく接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。

さらに、抵抗溶接以外では、アルミニウム合金と鋼板を重ね合わせ、鋼板側からＹＡＧレーザを照射して両材料を溶接するに際して、溶接条件をコントロールし、接合界面に生じる溶接金属の組成や溶け込みを制御することによって、これら異種金属の接合を可能にすることが記載されている。
特開平４−１２７９７３号公報 特開平６−３９５５８号公報 「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、１９９７年９月１０日、第６１集、ｐ．３８０

しかしながら、クラッド材を用いる特許文献１に記載の方法の場合、２枚の板を接合すべきところが３枚の接合ということになり、実施工を考えた場合には、クラッド材の挿入及び固定の工程が必要となって、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならなくなる。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、クラッド鋼自体も異種材同士を接合することにより製造されるため、製造条件が厳しく、性能の安定した安価なクラッド材を入手することが困難であるという問題点がある。
また、鋼表面にアルミニウムめっきを施した状態で抵抗溶接する特許文献２に記載の方法では、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、アルミニウムの表面には強固な酸化皮膜が形成されているため、それを破壊して接合する際の入熱によって、アルミニウムめっき層とアルミニウム材が溶融するため、アルミニウムめっきと鋼の界面に脆弱な金属間化合物が生成され、これから破壊が生じる可能性がある。

さらに、ＹＡＧレーザによる上記非特許文献１に記載の方法においては、両方の金属の溶融により接合部が形成されているため、接合界面に同様の脆弱な金属間化合物が生成しており、良好な接合強度が確保できるような条件範囲は極めて狭く、実用化が困難であるという問題点があった。

本発明は、従来の異種金属の接合方法における上記課題に鑑みてなされたものであって、接合過程における金属間化合物の生成を抑制しながら、接合界面における酸化被膜を除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の接合方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする異種金属材料の間に、これら材料の少なくとも一方の金属との間に共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、接合に際して共晶溶融を生じさせることによって、母材異種金属の融点より低い温度で酸化被膜を除去することができ、金属間化合物の生成を抑えることができることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属の接合方法においては、互いに異なる両金属材料の間に、これら材料とは異なる金属から成る第３の材料を介在させ、両金属材料の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴としている。

本発明によれば、互いに異なる異種金属材料同士を接合するに際して、両材料の間にこれら金属材料の少なくとも一方の金属と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、第３の金属材料と一方の金属材料との間で共晶溶融を生じさせて接合するようにしていることから、母材金属材料の融点よりも低い低温状態において酸化皮膜を除去することができ、また共晶金属が中間層として介在して異種金属材料同士の直接反応を阻止することから、接合界面温度を共晶点以上、母材金属材料の低融点側材料の融点以下に制御することによって、接合過程における金属間化合物の生成を抑制することができ、相互拡散によって強固な接合状態を得ることができることになる。

以下に、本発明の異種金属の接合方法について、さらに詳細かつ具体的に説明する。

図１は、異種金属材料として、アルミニウム合金材と鋼材との接合における金属間化合物の厚さと接合強度の関係を定性的に示したものである。なお、接合に際しては、鋼材として亜鉛メッキ鋼板を使用し、あらかじめ鋼材の表面にめっきされた亜鉛（Ｚｎ）をＡｌとの間に共晶溶融を生じる第３の金属材料として利用した。
図１に示すように、金属間化合物の厚さが、ｔ１からｔ２程度の極めて薄い範囲においては、高い接合強度が得られるのに対し、金属間化合物の厚さがｔ２を超えて厚くなるとると、接合強度が著しく低下することになり、望ましい金属間化合物の厚さｔ１〜ｔ２は、接合界面に生成する金属間化合物の組成によって若干の相違があるものの、概ね１〜５μｍ程度である。

一方、図２は、上記の接合における投与熱量と接合界面に生成された金属間化合物の厚さとの関係を示すものである。
一方の被接合材であるアルミニウム合金材の表面には、一般に強固な酸化皮膜が形成されているため、この酸化被膜を破壊するためには高い投与熱量（Ｗ３）を必要とする。しかし、このような高い熱量（Ｗ３）を投与すると金属間化合物が厚く（Ｔ３）成長してしまい、この結果、図１に示すように接合強度が低く（Ｐ３）なってしまう。

本発明の接合方法においては、共晶溶融を利用していることから、低い投与熱量（Ｗ２以下）で酸化皮膜を除去できるため、金属間化合物の成長を抑えて厚さを薄く（ｔ２以下）することができ、高い接合強度（Ｐ１以上）を確保することができる。

図３は、Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図であって、図に示すようにＡｌ−Ｚｎ系における共晶点（Ｔ０）は、６５５Ｋであって、Ａｌの融点９３３Ｋよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。したがって、図に示した共晶点を利用してＡｌとＺｎの共晶溶融を作り出し、接合時の酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施できるため、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。

ここで、共晶溶融について説明する。共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融で、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えばアルミニウムと亜鉛の場合、アルミニウムの融点は９３３Ｋ、亜鉛の融点は６９２．５Ｋであり、この共晶金属はそれぞれの融点より低い６５５Ｋにて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、６５５Ｋ以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。

実際にはアルミニウム表面に酸化皮膜が存在するため、後述する実施例１に示すように、加圧や熱的な衝撃によってアルミニウムの塑性変形を生じさせて酸化皮膜を物理的に破壊する必要がある。これは材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合って、その局所的な一部の酸化皮膜の破壊によりアルミニウムと亜鉛が接触した部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。
共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。必須条件は２種の金属あるいは合金の間に、低融点の共晶反応が存在することであり、アルミニウムと亜鉛の共晶溶融の場合、亜鉛に代えてＺｎ−Ａｌ合金を用いる場合には、少なくとも亜鉛が９５％以上の組成でなければならない

本発明の異種金属の接合方法は、上記したように接合しようとする異種金属材料間に、これら材料と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、接合に際して共晶溶融を生じさせるようになすものであるが、第３の金属材料を被接合材料の間に介在させるための具体的手法としては、例えば当該第３の材料を被接合材料の少なくとも一方の接合面側にあらかじめ付着させた状態で他方の材料と重ね合わせて接合するようになすことができ、これによって第３の材料を異種金属材料間に挟み込む工程が不要となり、加工工数を削減して、作業効率を向上させることができる。

そして、上記第３の材料を被接合材料に付着させるには、被接合材料の少なくとも一方の材料の洗浄などによる清浄面に、例えばめっきや溶射、蒸着、被膜コーティングなどの手段によって被覆することも望ましく、これによって共晶反応によって溶融された被覆層が表面の不純物と共に接合部の周囲に排出された後に、被覆層の下から極めて清浄な新生面が現れることから、強固な接合が可能となる。

本発明の異種金属の接合方法における被接合金属の具体的な組み合せとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合せを挙げることができ、このとき両材料の間に介在させる第３の金属材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料でありさえすれば特に限定されることはなく、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
すなわち、これら金属とＡｌとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。

さらに本発明においては、第３の金属材料として、上記したような純金属に限定される必要はなく、共晶金属は２元合金も３元合金も存在するため、これらの少なくとも１種の金属を含む合金であってもよい。

そして、上記した鋼材とアルミニウム合金材の異材接合に際しては、鋼材として、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する第３の金属材料である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている、いわゆる亜鉛めっき鋼板を用いることができ、この場合には、特別な準備を要することもなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、強固な異種金属の接合が可能になる。

本発明を自動車に適用する場合、被接合材は鋼材とアルミニウムとの組合せがほとんどであるが、将来的には鋼材とマグネシウム、あるいはアルミニウムとマグネシウムとの組合せが考えられる。
鋼材とマグネシウムとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムとマグネシウムを接合する場合においても、亜鉛や銀を第３の金属材料として利用することが可能である。

なお、本発明の異種金属の接合方法における加熱手段、すなわち共晶溶融を起こさせる熱源については、接合界面の温度を精密にコントロールできるものである限り特に限定されるものではなく、例えば電子ビーム、レーザビーム、抵抗加熱、高周波加熱、摩擦加熱、炉内加熱などを用いることができる。
すなわち、電子ビーム溶接、レーザ溶接、抵抗スポット溶接、抵抗シーム溶接、高周波溶接などの溶融接合のみならず、摩擦撹拌接合、超音波接合、拡散接合などの固相接合にも適用することができ、従来から用いられている通常の熱源を用いることができるので、新たな設備を準備する必要もなく、コストアップを避けることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図４（ａ）に示すように、その表面に、Ａｌと共晶を形成する第３の金属材料として機能する亜鉛めっき層１ｚが６μｍの厚さに施された厚さ０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板材２を準備した。
なお、アルミニウム合金板材２の表面には酸化皮膜２ｃが生成している。

次に、図４（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金板材２を亜鉛めっき層１ｚと酸化皮膜２ｃとを合わせた状態に重ね、エアーシリンダにより一定圧力（５ＭＰａ）に加圧した状態で赤外線加熱炉によって７７３Ｋに加熱し、図４（ｃ）に示すように材料表面の微視的な接触部で局部的な酸化皮膜２ｃの破壊を生じさせる。
なお、ここでの加熱温度は６５５Ｋ以上にする必要があるため、７７３Ｋとした。

これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、所定の温度状態に保持（７７３Ｋ）すると、図４（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融金属３が生じる。
そして、この状態で両被接合材料１，２を押圧すると、共晶溶融金属３と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物などが接合部の外側に排出され、所定の接合面積が確保され、その結果、図４（ｅ）に示すように、アルミニウムと鋼の新生面同士が直接接合され、鋼板１とアルミニウム合金板材２の強固な金属接合が得られることが確認できた。

この実施例では、接合後の接合界面には、亜鉛層が残存せず、アルミニウムと鋼の新生面同士の強固な直接接合が得られるが、これには所定の大きさの押圧が必要になると共に、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛めっき層１ｚの厚さが共晶反応に全て消費される厚さであることが必要となる。

（実施例２）
図５（ａ）に示すように、その表面に、Ａｌと共晶を形成する第３の金属材料として機能する亜鉛めっき層１ｚが２０μｍの厚さに施された厚さ０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板材２を準備した。
なお、アルミニウム合金板材２の表面には、同様に酸化皮膜２ｃが生成している。

次に、図５（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金板材２を亜鉛めっき層１ｚと酸化皮膜２ｃとを合わせた状態に重ね、１０ＭＰａの圧力で両材料を相対的に押圧することによって、図５（ｃ）に示すように酸化皮膜２ｃが局部的に破壊される。

これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、所定の温度状態に保持（７７３Ｋ）すると、図５（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融金属３が生じる。
そして、この状態で両被接合材料１，２を押圧すると、共晶溶融金属３と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物などが接合部の外側に排出され、所定の接合面積が確保され、亜鉛めっき層１ｚの一部が接合界面に残存する。その結果、図５（ｅ）に示すように、鋼材１とアルミニウム合金材２が、亜鉛めっき層１ｚ、共晶金属３ｓ、及びそれぞれの界面に存在する相互拡散層を介して接合されていることが確認できた。

この実施例では、接合後の接合界面に亜鉛層１ｚや薄い共晶金属３ｓが残存するため、ミクロ的な隙間が埋められることによって、接合部全面が均一に接合されており、実質的ナ接合面積を拡大することができ、この結果高い継手強度が得られる。このような接合構造は、両被接合材料１，２を押圧力を比較的低くしたり、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛めっき層１ｚを比較的厚くしたりすることによって得ることができる。

アルミニウム合金材と鋼材との接合における金属間化合物の厚さと接合強度の関係を定性的に示すグラフである。 アルミニウム合金材と鋼材との接合における投与熱量と接合界面に生成される金属間化合物の厚さの関係を示すグラフである。 Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例による異種金属の接合方法を示す工程図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施例による異種金属の接合方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 亜鉛めっき鋼板（金属材料）
１ｚ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２ アルミニウム合金材（金属材料）
３ 共晶溶融金属

Claims (6)

1. 互いに異なる金属材料同士を接合するに際し、これら両材料の間に、これら材料とは異なる金属から成る第３の材料を介在させ、上記両材料の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
2. 上記両材料の少なくとも一方の材料に第３の材料をあらかじめ付着させた状態で他方の材料と重ね合わせて接合することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 上記両材料の少なくとも一方の材料の清浄面に第３の材料を被覆して付着させることを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
4. 第３の材料をめっき、溶射、蒸着、又は被膜コーティングによって被覆することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
5. 上記両材料が鋼材とアルミニウム合金材であって、上記第３の材料がアルミニウム合金と低融点共晶を形成する亜鉛、銅、錫、銀、ニッケル、及びこれらの少なくとも１種の金属を含む合金のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の接合方法。
6. アルミニウム合金材と、あらかじめ亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板との接合であることを特徴とする請求項５に記載の接合方法。

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