JP2009269085A - 異種金属の接合方法及び接合構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マグネシウム合金材1(第1の材料)と鋼材(第2の材料)を接合するに当たり、亜鉛(金属C)めっきを施した亜鉛めっき鋼板2を鋼材として使用すると共に、マグネシウム合金材1にはAl(金属D)を含有させておき、接合に際してMgとZnの共晶溶融を生じさせて、酸化皮膜1fや不純物などと共に接合界面から排出すると共に、Al3Mg2のようなAl−Mg系金属間化合物や、FeAl3のようなFe−Al系金属間化合物を生成させ、これら金属間化合物を含有する化合物層3を介して両材料1及び2の新生面同士を接合する。
【選択図】図6
Description
また、Fe−Mg二元状態図は二相分離型を示し、互いの固溶限(solid solubility limit)も非常に小さいことから、このような特性の材料同士を直接接合することは、冶金的に極めて困難である。
そして、接合に際しては、加熱及び加圧によって共晶溶融を生じさせ、その反応生成物を接合界面から排出すると共に、Mgと金属Dの間及び/又はFeと金属Dとの間に金属間化合物を生成させ、このような金属間化合物を含む化合物層を介して第1の材料と第2の材料を接合するようにしている。
また、本発明において「主成分」とは、材料中に最も多く含まれる成分を意味するものとする。
すなわち、鋼材の接合面にMgと共晶溶融を生じる金属Cを含有する第3の材料を予め付着させておくと共に、マグネシウム合金材及び第3の材料の一方又は双方に金属Dとして、例えばアルミニウムを添加しておく。そして、接合に際してMgと金属Cの共晶溶融を生じさせ、これと共にマグネシウムの酸化皮膜を接合界面から排出し、Al−Mg系金属間化合物やFe−Al系金属間化合物を生成させ、当該金属間化合物を含む化合物層を介して上記マグネシウム系材料と鋼材とを接合するようになすことができる。
すなわち、図1〜5に示した合金状態図から明らかなように、Mg−Zn系合金は341℃及び364℃に2点、Mg−Sn系合金は561℃及び204℃(?)に2点の共晶点をそれぞれ有している。また、Mg−Cu系合金には485℃及び552℃に、Mg−Ag系合金には472℃に、さらにMg−Ni系合金には506℃に、それぞれMgの融点よりも低い共晶点があることが知られている。
すなわち、洗浄後の清浄面に対して上記のような被覆手段により付着させることによって、共晶反応により溶融された被覆層が、表面の酸化皮膜や不純物と共に接合部周囲に排出された後は、被覆層の下から極めて清浄な新生面が現れるため強固な接合を可能とすることができる。
この場合、当該めっき層中に含まれるAl含有量としては、質量比で65%未満、さらには5%以上60%未満であることが好ましい。すなわち、Al−Zn合金めっき層中のAl量が65%以上となると、接合界面に形成される化合物層の厚さが相対的に厚くなってくると共に、化合物の構造がFe−Al系金属間化合物の支配的な組織となったり、Fe−Al系金属間化合物とAl−Mg系金属間化合物が混在する複合構造ではなく、層状に二重構造を呈するようになったりして、接合強度が低下する傾向がある。
なお、上記したマグネシウム合金材と鋼材とを組合せ、金属DとしてAlをもちいた例では、Al3Mg2のようなAl−Mg系金属間化合物とFeAl3のようなFe−Al系金属間化合物とが混在する複合組織を備えた化合物層を形成することが望ましい。
先に、図1のMg−Zn系2元状態図に示したように、Mg−Zn系には、共晶点が2点(Te1及びTe2)あり、それぞれ341℃及び364℃であり、マグネシウムの融点650℃よりも遙かに低い温度で共晶反応を生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してMgとZnの共晶溶融を作り出し、接合時の酸化皮膜除去に利用することによって、接合性を阻害するマグネシウムの酸化皮膜を低温で効果的に除去できると共に、接合時の界面温度をより均一に保持できるようになり、安定した接合が実施できる。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、共晶温度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、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。
まず、図6(A)に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Mgと共晶を形成する金属Cとして機能するZnを含む亜鉛めっき層(第3の材料)2cが施された亜鉛めっき鋼板2と、マグネシウム合金材1を用意する。そして、図6(B)に示すように、これら亜鉛めっき鋼板2とマグネシウム合金材1を亜鉛めっき層2cが内側になるように重ねる。なお、マグネシウム合金材1には、予め適量のAl(金属D)が添加されており、表面には酸化皮膜1fが生成している。
このように酸化皮膜1fが破壊されると、MgとZnの局部的な接触が起こり、所定の温度状態に保持されると、図6(C)に示すように、MgとZnの共晶溶融Eが生じ、マグネシウム合金材1の表面の酸化皮膜1fが順次効果的に除去される。
この例では、接合後の接合界面には亜鉛層が残存せず、これがマグネシウム合金材1と鋼版2の強固な接合が得られる要因であるが、これには所定の押圧や、反応や排出に要する温度や時間、さらには亜鉛めっき鋼板2の亜鉛めっき層2cの厚さが共晶反応に消費される量に見合ったものであることが必要となる。
そして、接合面には前述したように、Al−Mg系金属間化合物(例えばAl3Mg2)やFe−Al系金属間化合物(例えばFeAl3)を含む化合物層3が形成され、これを介してマグネシウム合金材1と鋼板2が接合されている。そして、この接合部を囲むように、亜鉛めっき鋼板2の亜鉛を含む共晶溶融物と共に酸化皮膜1fに由来する酸化物や接合界面の不純物などが排出され、両板材1,2の間に排出物Wとなって介在している。
このような場合においても、共晶温度や生成される金属間化合物が金属Cや金属Dの種類に応じて変化するものの、接合原理や効果についてはZn及びAlを用いた場合と基本的に変わることはない。
一方、突き合わせ接合においては、排出物Wを接合界面から周囲に排出して、接合部材から完全に除去することも可能である。
そして、加熱炉21内にセットした円柱形のマグネシウム材11と逆U字状に成形した鋼材12を所定の加圧力で加圧しながら、温度制御装置22により各温度に制御し、それぞれの時間だけ保持した後、加熱を中止して空冷した。
一方、接合部界面の化合物層の組成、厚さなどを走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型X線分光法、X線回折装置により調査した。これらの結果を表1に示す。なお、表中においては、引張強度について、30MPaに満たないものを「△」、30〜50MPa未満のものを「●」、50〜70MPaのものを「○」、70MPaを超えるものを「◎」と評価した。また、接合できないものについては「×」と表記した。
比較例5では、鋼材には亜鉛めっきがされた亜鉛めっき鋼板を用いているため、Mg−Zn共晶溶融によってマグネシウム材表面の酸化皮膜が除去できたものの、マグネシウム材がAl添加のない純マグネシウムであるために、接合界面に化合物層が形成されず、良好な接合ができない結果となった。
これら実施例においては、マグネシウム合金材のAl添加量が3%とやや低いため、接合界面にはFeAl3が形成されているものの、Al3Mg2は形成されず、また、本実施例のように拡散接合を用いた場合には、その平均厚さが0.5μmに満たず、不連続に形成されていることから、接合は達成できるものの、接合強度が僅かに低い結果となった。
一方、接合時間が長くなると、化合物層の全体の厚さが厚くなると共に、時間の経過と共にMgの拡散が進むことから、一旦形成されたAl3Mg2とFeAl3から成る複合型化合物層がFeAl3の単層の化合物層に変化するようになる。この場合、化合物層と鋼側の結合力は強いが、化合物層とマグネシウム側の結合力が十分ではなくなるため、特に実施例8や11のように接合強度がやや低下する傾向が認められた。
また、図14(A)及び(B)は、上記実施例6及び8における接合界面に介在する金属間化合物のX線回折結果を示すチャート図である。
一方、図13(B)は、本発明の実施例6の接合部を示す電子顕微鏡による組織であって、接合界面には、図14(A)に示すX線回折による組成分析結果からも明らかなように、Al3Mg2とFeAl3から成る複合型の化合物層が均一に形成されており、実施例中で最も高強度が得られたことが理解できる。
これに対し、以下には、金属DとしてのAlと金属CとしてのZnをあらかじめ合金化した金属を鋼板にめっきした亜鉛−アルミニウム合金めっき鋼板、又はアルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板を第2の材料として用い、抵抗スポット溶接機によって接合した例を示す。
一方、マグネシウム材としては、Al(金属D)の添加量の異なる2種のマグネシウム合金を用意し、これら鋼材とマグネシウム材とを、本実施例では抵抗スポット溶接を用い、種々の条件で接合し、得られる界面構造と強度の関係を調査した。なお、マグネシウム合金材の板厚は1.0mm、鋼板の板厚は0.55mmのものを用いた。
図において、接合装置30は、1対の電極33を備え、当該電極33により被接合材であるマグネシウム合金材31と種々のめっきが施された鋼板32を所定の加圧力で加圧しながら、交流電源34により所定時間だけ通電し、接合界面の電気抵抗による発熱を利用して接合することができる。なお、電極33としては、クロム銅から成り、先端曲率半径Rが40mmのものを用いた。
一方、接合部界面の化合物層の組成、厚さなどを走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型X線分光法、X線回折装置により調査した。
これら実施例においては、マグネシウム合金材のAl添加量が有効に作用し、その厚さはやや薄いものの、接合界面にはAl3Mg2とFeAl3が混在して成る複合型化合物層が形成され、有効な接合がなされた。この場合の化合物層の厚さは、実施例12では0.08〜0.12μm、実施例16では0.2μm程度であった。
これら実施例においてはAl添加量が十分であるため、接合界面にAl3Mg2とFeAl3が混在して成る複合型の化合物層が形成された。しかも、その厚さが0.3〜1.2μmで、均一に形成されているため、接合強度が3.5kNを超えるような極めて高い接合強度が得られることが確認された。
これらの場合、アルミニウム量が多すぎるため、接合界面には上記のような複合型化合物層は形成されず、Al3Mg2とFeAl3が主体の二重構造の厚い化合物層となって、化合物層の全体厚さが2μm以上となることから、接合強度がやや低い結果となった。
すなわち、実施例12の接合界面には、図16(A)に示すように、Al3Mg2とFeAl3が混在した複合型の化合物層が、約0.1μmの厚さに、きわめて薄く均一に形成されており、良好な接合強度が得られたことが理解できる。
そして、図16(C)は、本発明の実施例15における接合部を示す電子顕微鏡による組織である。接合界面には接合界面には、Al3Mg2とFeAl3から成る複合型の化合物層が、約1.0μmの厚さで、確実に形成されており、同様に高強度が得られたことが理解できる。
なお、マグネシウム合金材及び鋼材の板厚は、それぞれ1.0mm及び0.55mmであり、接合強度の評価基準についても、上記した抵抗スポット溶接の場合と同様である。
また、実施例28及び29の結果から、金属DとしてAlに替えてGaを用いても、同様にMgGa2やFeGa3等の金属間化合物を含む複合型の化合物層が形成され、同等の接合強度が得られることが判明した。
1f 酸化皮膜
2 亜鉛めっき鋼板(第2の材料)
2c 亜鉛めっき層(第3の材料)
3 化合物層
Claims (16)
- Mgを主成分とする第1の材料とFeを主成分とする第2の材料の間に、金属Cを含有する第3の材料を介在させ、上記Mg及びFeの少なくとも一方と金属Cの間に共晶溶融を生じさせ、共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出して第1の材料と第2の材料を接合するに際して、
上記第1の材料及び第2の材料のうち、金属Cとの間に共晶溶融を生じる金属を主成分として含有する材料及び/又は第3の材料中に金属Dを添加しておき、Mg及びFeの一方又はそれぞれと金属Dとの金属間化合物を接合界面に形成し、当該金属間化合物を含む化合物層を介して上記第1及び第2の材料を接合することを特徴とする異種金属の接合方法。 - 上記化合物層には、Mgと金属Dとの金属間化合物と、Feと金属Dとの金属間化合物とが混在していることを特徴とする請求項1に記載の異種金属の接合方法。
- 上記第1の材料がマグネシウム合金材、第2の材料が鋼材、金属DがAl及び/又はGaであって、上記鋼材の接合面にMgと共晶溶融を生じる金属Cを含有する第3の材料を予め付着させておくことを特徴とする請求項1又は2に記載の異種金属の接合方法。
- 上記第3の材料がめっき、溶射、蒸着、皮膜コーティングなどの被覆手段により鋼材の接合面に付着させてあることを特徴とする請求項3に記載の異種金属の接合方法。
- 上記第3の材料に含有されている金属Cが、Zn、Sn、Cu、Ag及びNiから成る群より選ばれた少なくとも1種の金属であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の異種金属の接合方法。
- 上記第3の材料が、金属CとしてのZnと金属DとしてのAlを含む合金であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の異種金属の接合方法。
- 第2の材料として、予め接合面にAl−Zn合金をめっきしたAl−Znめっき鋼板を用いることを特徴とする請求項6に記載の異種金属の接合方法。
- 上記Al−Znめっき鋼板におけるめっき層中のAl含有量が65質量%未満であることを特徴とする請求項7に記載の異種金属の接合方法。
- Mgを主成分とする第1の材料とFeを主成分とする第2の材料の新生面同士がMg及びFeの一方又はそれぞれと金属Dとの金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴とする異種金属の接合構造。
- 上記化合物層の周囲にMg及びFeの少なくとも一方と金属Cの間に形成された共晶溶融反応生成物を含む排出物が排出されていることを特徴とする請求項9に記載の異種金属の接合構造。
- 上記第1の材料がマグネシウム合金材、第2の材料が鋼材、金属DがAl及び/又はGaであることを特徴とする請求項9又は10に記載の異種金属の接合構造。
- 上記金属DがAlであって、マグネシウム合金材及び鋼材の新生面同士がAl−Mg系及び/又はFe−Al系金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴とする請求項11に記載の異種金属の接合構造。
- 上記化合物層がAl3Mg2とFeAl3を含む複合組織を備えていることを特徴とする請求項12に記載の異種金属の接合構造。
- 上記金属DがGaであって、マグネシウム合金材及び鋼材の新生面同士がMg−Ga系及び/又はFe−Ga系金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴とする請求項11に記載の異種金属の接合構造。
- 上記化合物層がMgGa2とFeGa3を含む複合組織を備えていることを特徴とする請求項14に記載の異種金属の接合構造。
- 上記化合物層の平均厚さが0.08μm以上であることを特徴とする請求項12〜15のいずれか1つの項に記載の接合構造。
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