JP2008267594A - セルフピアスリベット及びこれを用いた接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種の金属材料どうしを接合する際にも充分な接合強度を長期間にわたり保持する。
【解決手段】図２において、２は本体であり、３は突起部である。また、このセルフピアスリベット１は鉄または鋼材で構成されており、その表面全体はアルミニウムでコーティングされている。５は鉄板、６はダイカスト成型アルミニウム板であり、このセルフピアスリベット１はアルミニウム板６の側から打ち込まれている。これにより、突起部３はアルミニウム板６を貫通し、鉄板５の中で突起部３の先端が拡開した形状となる。これにより、鉄板５とアルミニウム板６とは強固に接合される。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に異種金属を接合するために用いられるセルフピアスリベット及びこれを用いた異種金属の接合方法に関する。

例えば自動車の車体等においては、例えば鉄材とアルミニウム材といった異種材料の金属板を接合する場合がある。このために、ブラインドリベット法による締結や、摩擦圧接接合法等が用いられてきた。ブラインドリベット法の場合には、被接合材に下穴を開け、ブラインドリベットにおける突起部を差し込んでかしめることによって接合が行われる。また、摩擦圧接接合法は、被接合材の接合面に摩擦熱と圧力を加えることにより、異種金属間の固相接合を行う。

これらの技術に対して、近年、セルフピアスリベットを用いた接合方法（セルフピアスリベット法）が用いられるようになった。セルフピアスリベット法においては、予め下穴を開けずに、セルフピアスリベットの突起部を積層された被接合材に食い込ませる。これにより、この突起部はセルフピアスリベットを打ち込んだ側の被接合材を貫通する。さらに、他方の被接合材の内部でこの突起部先端が拡開することによって接合がなされる。この際、ブラインドリベット法のように下穴を開けることがないため、この部分に水分が入り腐食を生ずることがない。また、摩擦圧接接合法のように、摩擦熱を加える必要もない。従って、セルフピアスリベット法においては、接合工程の簡素化が図れ、かつアーク溶接等と同等の接合強度が得られる（例えば特許文献１、特許文献２）。

このセルフピアスリベットは、例えば鉄あるいはその合金で形成されるが、充分な接合強度を得るためには、特にその表面が重要である。このため、被接合材との接合が良好で、かつ耐食性の高い材料によるコーティングがこの表面になされている。

このコーティング材としては、亜鉛（Ｚｎ）や錫（Ｓｎ）、及びこれらとアルミニウム（Ａｌ）との複合層（Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ）めっき層が用いられている。
特開２００４−３４５４９０ 特開２００６−２５８２０５

しかしながら、例えばセルフピアスリベットを用いて鉄材とダイカスト成型アルミニウム材とを接合する場合には、充分な接合強度が得られなかった。例えば、鉄材側からセルフピアスリベットを打ち込む場合、ダイカスト成型アルミニウム材は延性、靱性に乏しいため、これにクラックを生ずる場合があった。また、クラックを発生しない場合でも、ダイカスト成型アルミニウム材の強度が低いために充分な接合強度が得られない場合が多かった。

また、ＺｎやＳｎ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌめっき層でコーティングしたセルフピアスリベットで鉄材を接合する場合には、セルフピアスリベットのコーティング膜と接合する鉄材との界面でガルバニック腐食が発生するために、その耐食性・接合強度が不充分であった。

従って、接合直後に充分な接合強度が得られた場合でも、この接合強度を長期間にわたり保持することは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、鉄または鋼材で形成され、その表面がアルミニウムを主成分とする膜でコーティングされていることを特徴とするセルフピアスリベットに存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記コーティング膜はアルミニウム層であり、その厚さは５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のセルフピアスリベットに存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記コーティング膜の構造が銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層からなることを特徴とする請求項１に記載のセルフピアスリベットに存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記アルミニウム層は、電解めっき法により形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載のセルフピアスリベットに存する。
請求項５記載の発明の要旨は、鉄を主成分とする板材とアルミニウムを主成分とする板材とを接合する接合方法であって、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセルフピアスリベットを前記アルミニウムを主成分とする板材側から打ち込み、前記鉄を主成分とする板材中で前記セルフピアスリベットにおける突起部を拡開させることにより、前記鉄を主成分とする板材と前記アルミニウムを主成分とする板材とを接合することを特徴とする接合方法に存する。

本発明は以上のように構成されているので、異種の金属材料を接合する際にも充分な接合強度を長期間にわたり保持することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本実施の形態のセルフピアスリベット１の形態を示す断面図が図１である。図１において、２は本体であり、３は突起部である。また、このセルフピアスリベット１は鉄または鋼材で構成されており、その表面全体はアルミニウムを主成分とする膜でコーティングされている。

このセルフピアスリベット１が実際に接合に用いられて接合が行われた際の形状を示す断面図が図２である。図２において、５は鉄板、６はダイカスト成型されたアルミニウム板であり、このセルフピアスリベット１はアルミニウム板６の側から打ち込まれている。これにより、突起部３はアルミニウム板６を貫通し、鉄板５の中で突起部３の先端が拡開した形状となる。これにより、鉄板５とアルミニウム板６とは強固に固定される。なお、ここでいう鉄板とは、鉄を主成分とした板、アルミニウム板とはアルミニウムを主成分とした板を示す。

ここで、このセルフピアスリベット１の表面はアルミニウムを主成分とする膜でコーティングされている。これによる作用を以下に説明する。

図３は、各種材料の腐食反応を示す図であり、各種材料の腐食電流密度と電極電位との関係を示す。この図において、腐食反応は腐食電流密度に対応するため、同じ腐食電流密度においては、対応する電極電位（腐食電位）が低いものほど腐食しやすい材料となる。

この図においては、被接合材である鉄材、アルミニウム材と、コーティング膜である亜鉛膜と、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜、アルミニウム膜（被接合剤と同様）について示してある。

図３より、これらの中では腐食電位が最も高いのは鉄材であり、最も低いのは亜鉛膜である。また、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜は亜鉛膜と鉄材の中間の特性であり、アルミニウム材よりも腐食電位が低い。これにより、亜鉛膜またはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜でコーティングしたセルフピアスリベットで鉄材あるいはアルミニウム材を接合した場合には、電解液中ではより卑電位となる側が選択的に腐食するというガルバニック腐食が、亜鉛膜またはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜に生ずる。これにより、セルフピアスリベットの母材（鉄）は腐食から保護される。ただし、亜鉛膜またはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜の腐食電位が小さいためにこれらコーティング膜の腐食反応は速い。

一方、アルミニウム膜と鉄材との関係は、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜と鉄材との中間的な特性となっており、さらにアルミニウム膜とアルミニウム材の腐食電位は同じとなっている。従って、アルミニウム膜でコーティングしたセルフピアスリベットで鉄材を接合した場合には、選択的にアルミニウムコーティング膜が腐食することによりセルフピアスリベットの母材が保護されるという状況は変わらないが、その腐食速度は亜鉛膜またはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜よりも遅い。従って、より長期にわたり母材となる鉄を保護することができる。そして同様に、アルミニウム膜でコーティングしたセルフピアスリベットで鉄材を接合した場合には、腐食電位が同じであるので、このようなガルバニック腐食は起こりにくい。

このコーティング膜のアルミニウム層の厚さは５〜３０μｍの範囲とすることが好ましい。５μｍよりも薄いと、耐食性が不十分であり、素地を防食することができない。３０μｍよりも厚いと、被締結材を実際に締結した際に、膜応力によってアルミニウムコーティング膜が剥離しセルフピアスリベットの母材と被締結材の母材とが直に接触してしまう。

このコーティング膜の構造は、前記のアルミニウム層の両側に銅層と酸化アルミニウム層を配した銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層とすることが更に好ましい。銅層はコーティング膜全体の密着性を向上させ、酸化アルミニウム層はアルミニウム層自体の耐食性を向上させる。それぞれの膜厚は、銅層：１〜５μｍ、酸化アルミニウム層：０．５〜３μｍが好ましい。

このアルミニウム層は、例えば、電解めっき法によって形成することができる。このためのめっき用電解液としては、例えば、ジメチルスルホン（ＤＭＳＯ_２）を溶媒とし、無水塩化アルミニウム（III）（ＡｌＣｌ_３）を溶質としたものを用いる。そのモル比はＤＭＳＯ_２：ＡｌＣｌ_３で５：１とする。また、その温度は、電解反応が好ましく行われる温度として、１００℃以上、例えば１１０℃が好ましい。この際の電流密度としては、セルフピアスリベットの表面積で規格化した電流密度として１０Ａ／ｄｍ^２程度が好ましい。この電流密度を一定とした場合、その通電時間によりめっき層の厚さ、すなわち、アルミニウムコーティング層の厚さが決定される。また、この電解めっき工程は、バレルめっき装置を用いて多数個のセルフピアスリベットに対して同時に行うことが好ましい。

また、特にこのセルフピアスリベット１を用いてアルミニウムを主成分とする金属と鉄を主成分とする金属とを接合する際には、図２に示すように、セルフピアスリベット１をアルミニウム板の側から打ち込むことが好ましい。この場合は硬い材質である鉄板の側で突起部３が図２に示すように拡開することによって接合（固定）がなされる。

一方、仮にセルフピアスリベット１を鉄板の側から打ち込んだ場合、柔らかい材質であるアルミニウム板の側で突起部３が図２に示すように拡開するため、充分な接合強度が得られない。

従って、このセルフピアスリベット１をアルミニウム板の側から打ち込むことにより、充分な接合強度を長期間にわたり保持することができる。

なお、前記の例では、図１に示す形状のセルフピアスリベットにつき記載したが、これに限られるものではなく、他の形状においても、その表面をアルミニウムコーティングすることにより同様の効果が得られることは明らかである。

また、前記の例では、アルミニウム板と鉄板とを接合する場合につき記載したが、これに限られるものではない。例えば、鉄板と同様にアルミニウムよりも高い機械的強度をもち、かつ腐食電位がアルミニウムよりも高い、例えばニッケル等からなる板を鉄板の代わりに用いることもできる。

以下、本発明の実施例について述べる。図１に示したセルフピアスリベットを作成し、実際にアルミニウム板と鉄板との接合を行った。

セルフピアスリベットの母材は炭素鋼とし、コーティング膜にはアルミニウム層のみのものと銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層からなるものを用意し、実施した。アルミニウム層は前記の電解めっき法で施した。このためのめっき用電解液としては、ジメチルスルホン（ＤＭＳＯ_２）を溶媒とし、無水塩化アルミニウム（III）（ＡｌＣｌ_３）を溶質としたものを用いた。そのモル比はＤＭＳＯ_２：ＡｌＣｌ_３で５：１とした。その温度は１１０℃とした。この際の電流密度としては、セルフピアスリベットの表面積で規格化した電流密度として１０Ａ／ｄｍ^２とし、アルミニウムコーティング層の厚さは５〜３０μｍとした。また、銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層の場合は、銅層は電解めっき法で１μｍ施し、アルミニウム層は前記と同様にし、酸化アルミニウム層はベーマイト法で１．５μｍ施した。なお、セルフピアスリベットの本体の径は５ｍｍとし、突起部の長さは４ｍｍ、突起部の厚さは１ｍｍとした。

実験に用いたアルミニウム板はダイカスト成型品（厚さ３ｍｍ）であり、鉄板はＺｎめっき鋼板（厚さ３ｍｍ）である。

図４（ａ）はセルフピアスリベットを鉄板側から打ち込んだ場合、図４（ｂ）はセルフピアスリベットをアルミニウム板側から打ち込んだ場合の裏面（セルフピアスリベットを打ち込んだ側とは反対側の面）の形状写真である。セルフピアスリベットを鉄板側から打ち込んだ場合には裏面にクラックが発生しているのに対し、セルフピアスリベットをアルミニウム板側から打ち込んだ場合にはクラックは全く発生していない。従って、このセルフピアスリベットをアルミニウム板側から打ち込むことによって良好な接合が得られることが確認された。

次に、セルフピアスリベット自身の耐食性について調べた。ここで、比較例としては、同様の母材のセルフピアスリベットにＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合コーティング（厚さ１０μｍ）を施したものを用いた。また、実施例のアルミニウム層の厚さはそれぞれ５μｍ、１０μｍとしたものを用いた。

図５は、以上の各試料について、ＪＩＳＺ２３７１で規定される塩水噴霧試験を行った結果を示す外観写真である。比較例では３６０時間後には錆が発生しているのに対し、実施例ではいずれも錆は発生していない。特に、コーティング層が５μｍと薄い場合でも錆は発生していない。

次に、セルフピアスリベットによって接合を行った後での耐食性について調べた。実験にはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜、Ａｌめっき膜、銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層複合膜の三種類のコーティング膜でそれぞれ被覆したセルフピアスリベットを使用した。コーティング膜厚は何れも1０μｍとした。ダイカスト成型したアルミニウム板と鉄板とを重ねてアルミニウム板側からセルフピアスリベットを打ち込んで両者を接合した後に、前記と同様の塩水噴霧試験を行った。

図６は、接合および塩水噴霧試験後のセルフピアスリベット及びアルミニウム板の表面の腐食状況を打ち込み面（アルミニウム材）側から見た外観写真である。Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜を用いた場合は４８時間で既にＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合コーティング膜が先に腐食し、次いでリベット頭部全面で赤錆が発生している。これは、セルフピアスリベットの母材である鉄の腐食によるものである。これに対し、Ａｌめっき膜を用いた場合においては、４８時間後ではコーティング膜の腐食や母材の錆は全く発生しておらず、１２０時間後にリベット頭部の一部分でコーティング膜の腐食や母材の赤錆が確認されたものの、接合強度に影響は無かった。コーティング膜構造を銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層とした場合においては、１２０時間後でもコーティング膜の腐食や母材の錆は全く発生しておらず、その耐食性がさらに向上することが確認された。

図５と図６とでＡｌめっき膜の耐食時間の長さが異なっているが、これは打ち込み試験によって膜が剥がれたためではない。リベットを打ち込むことでコーティング膜は押しつぶされて薄くなり、場合によっては小さなクラックが膜表面に発生するためである。したがって、打ち込み試験後（図６）のほうが、耐食時間の長さが短くなっている。

ちなみに、接合部内部（たとえばリベットの足の部分）で剥がれが生じていたとしてもガルバニック腐食は起こらない。ガルバニック腐食は外気と接する表層でのみおこる腐食反応のため、接合部の表層（リベットの頭の部分）にどの材質がむき出しとなっているかが問題となる。仮にリベット上面の膜が剥がれるとリベット母材の鉄がむき出しとなり、接合材のＡｌと電気的導通があるので、大気中の水分を経由して腐食電流が流れガルバニック腐食が生じる。

また、各コーティング膜の密着性について調べた。実験には前記の三種類のコーティング膜でコーティング膜厚は各１０、２０μｍ、合計６種類のコーティング膜とし、それぞれのコーティング膜で被覆したセルフピアスリベットを使用した。前記と同様にアルミニウム板と鉄板とを接合した後のコーティング膜の密着性について調査した。

コーティング膜の密着性評価は、アルミニウム板と鉄板とを各コーティング膜で被覆したセルフピアスリベットで接合した後に、コーティング膜上面（接合面）をテープ剥離試験（ＪＩＳＨ８５０４に準拠）することによって行った。それぞれのコーティング膜で被覆したセルフピアスリベットを各１０個用意し、アルミニウム板と鉄板を接合した。その後、打ち込んだセルフピアスリベットの上面（接合面）にテープを密着させて引き剥がし、コーティング膜の状態を観察した。このとき、剥がれが生じなかったものを密着性良好とし、１０個中いくつのサンプルが密着性良好であるかを調査し、各コーティング膜の密着性のばらつきを調査した。

図７は、接合後の各コーティング膜の密着性のばらつきを示したものである。アルミニウム層単独よりも銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層の３層構造とすることで、密着性のばらつきを抑制することができる。特に３層構造では、２０μｍの膜厚でもばらつきなく密着性を確保でき、より確実なコーティング膜となることが確認された。なお、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ複合膜はここでは高い密着性を有しているものの、図６に示したとおり腐食が発生するために、実際の接合に際してはその接合強度を長期間にわたって維持することはできない。

本発明の実施の形態となるセルフピアスリベットの断面図である。 本発明の実施の形態となるセルフピアスリベットによる接合がなされた場合 の形状を示す断面図である。 セルフピアスリベットの母材、コーティング材の腐食電位を示す図である。 実施例のセルフピアスリベットによる接合後の外観写真である。 実施例のセルフピアスリベットの塩水噴霧試験後の外観写真である。 実施例のセルフピアスリベットによる接合後の塩水噴霧試験後の外観写真である。 実施例のセルフピアスリベットのコーティング膜の密着性ばらつきを示す図である。

符号の説明

１ セルフピアスリベット
２ 本体
３ 突起部
５ 鉄板
６ アルミニウム板

Claims (5)

1. 鉄または鋼材で形成され、その表面がアルミニウムを主成分とするコーティング膜で被覆されたことを特徴とするセルフピアスリベット。
2. 前記コーティング膜はアルミニウム層であり、その厚さは５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のセルフピアスリベット。
3. 前記コーティング膜の構造は銅層／アルミニウム層／酸化アルミニウム層からなることを特徴とする請求項１に記載のセルフピアスリベット。
4. 前記アルミニウム層は、電解めっき法により形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載のセルフピアスリベット。
5. 鉄を主成分とする板材とアルミニウムを主成分とする板材とを接合する接合方法であって、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセルフピアスリベットを前記アルミニウムを主成分とする板材側から打ち込み、
   前記鉄を主成分とする板材中で前記セルフピアスリベットにおける突起部を拡開させることにより、前記鉄を主成分とする板材と前記アルミニウムを主成分とする板材とを接合することを特徴とする接合方法。