JP4531591B2

JP4531591B2 - アルミニウム系部材の接合方法

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Publication number: JP4531591B2
Application number: JP2005059276A
Authority: JP
Inventors: 憲治岡本; 宜鋤柄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP2006239745A

Description

本発明は、純アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法に関するものである。

従来、純アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するために、ロウ付けによる方法が知られている。前記ロウ付けに用いるロウ材として、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金ロウ材、Ａｌ−Ｚｎ系合金ロウ材等が知られている。また、さらに低温でのロウ付けを可能にしたり、前記アルミニウム系材料からなる被接合部材（以下、単にアルミニウム系部材と略記することがある）に対する濡れ性を改良するために、前記Ａｌ−Ｚｎ系合金ロウ材にＴｉまたはＳｉを添加したものも知られている（例えば特許文献１，２参照）。

しかし、前記アルミニウム系部材は、表面に安定な酸化被膜が形成されているため、Ｓｉを添加したとしても濡れ性に乏しく、ロウ付けにより接合するには、該酸化被膜を機械的に除去する必要がある。前記酸化被膜は、ロウ付けの際にフラックスを用いて除去することもできるが、フラックスを用いる場合には大面積での接合が難しい上、フラックスによりロウ付けに用いる熱処理炉が汚染されるとの問題もある。

そこで、前記アルミニウム系部材の接合面に亜鉛被覆層を形成し、該亜鉛被覆層を介して該アルミニウム系部材同士を接合する方法が提案されている。前記方法は、前記アルミニウム系部材を亜鉛合金はんだ浴中に浸漬して、該アルミニウム系部材の接合面に亜鉛合金はんだをコーティングするものである。

前記方法では、前記亜鉛合金はんだをコーティングした前記アルミニウム系部材同士を所定の間隙を存して突合せ、該間隙部を亜鉛合金はんだ浴中に浸漬して、該間隙部に亜鉛合金はんだを充填した後、該亜鉛合金はんだ浴から引き上げ、前記接合面を均一に加圧して、亜鉛合金はんだを冷却、固化させることにより、該アルミニウム系部材同士を接合できるとされている（特許文献３参照）。

また、前記間隙部を亜鉛合金はんだ浴中に浸漬して、該間隙部に亜鉛合金はんだを充填する代わりに、該間隙部に亜鉛合金はんだシートを挟持せしめ、前記接合面を均一に加圧する方法も知られている（特許文献４参照）。

しかしながら、前記アルミニウム系部材を亜鉛合金はんだ浴中に浸漬すると、亜鉛合金はんだ浴の熱により該アルミニウム系部材の表面に酸化被膜が形成され、前記亜鉛合金はんだのコーティング自体が困難になるという不都合がある。また、仮に前記亜鉛合金はんだのコーティングが形成されたとしても、亜鉛の量が多くなるという不都合もある。
特開平１０−５９９４号公報（段落番号０００３、０００６）特開平９−９４６８９号公報（請求項１，２）特開平９−３２３１６６号公報（請求項１、段落番号００２０）特開平９−３２３１６７号公報（請求項１、段落番号００１８）

本発明は、かかる不都合を解消して、アルミニウム系材料からなる被接合部材の接合面に必要十分な量の亜鉛被覆層を確実に形成し、該亜鉛被覆層を介して該アルミニウム系部材同士を接合する方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法において、各被接合部材の接合面に電解メッキ処理による亜鉛被覆層を設け、両被接合部材を該亜鉛被覆層間にスズを介在させて重ね合せ、アルミニウムと亜鉛との固相線温度以上の温度に加熱することを特徴とする。

本発明の方法では、まず、各被接合部材の接合面に電解メッキ処理を施すことにより、必要十分な量の亜鉛被覆層を確実に形成することができる。そして、次に、前記亜鉛被覆層が形成された両被接合部材を該亜鉛被覆層間にスズを介在させて重ね合せ、アルミニウムと亜鉛との固相線温度以上の温度に加熱することにより、該亜鉛被覆層の融点が低下するので、より低い温度で、該亜鉛被覆層の亜鉛を各被接合部材の内部に固溶させて拡散させることができる。従って、本発明の方法によれば、両被接合部材を強固に接合することができる。

前記加熱は、アルミニウムと亜鉛との固相線温度以上の温度であればよいが、亜鉛の融点以上の温度で行うことにより、両被接合部材をさらに強固に接合することができる。

また、前記両被接合部材を重ね合せて加熱する際に、両被接合部材に押し付け荷重を付与することが好ましい。前記押し付け荷重を付与することにより、両被接合部材の接合を確実に行うことができる。

また、本発明の方法では、各被接合部材の接合面に、酸化膜除去処理を施した後、前記電解メッキ処理により前記亜鉛被覆層を設けることが好ましい。前記酸化膜除去処理を施すことにより、前記亜鉛被覆層をさらに確実に形成することができる。前記酸化膜除去処理は、例えば、硝酸による酸洗処理により行うことができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の接合方法を示す説明的断面図であり、図２（ａ）は本実施形態の接合方法により接合されたアルミニウム系部材の接合強度の試験方法を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図である。

本実施形態の方法では、まず、図１（ａ）に示すように、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系部材１ａ，１ｂの接合面に、電解メッキ処理を施すことにより、亜鉛被覆層２を形成する。この結果、接合面に厚さ５〜４０μｍの亜鉛被覆層２を備える亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂが得られる。

次に、図１（ｂ）に示すように、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを、亜鉛被覆層２，２を介して重ね合わせ、押し付け荷重を付与する。そして、重ね合せられた亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを、アルミニウムと亜鉛との固相線温度以上の温度、好ましくは亜鉛の融点以上の温度に加熱する。尚、アルミニウムと亜鉛との固相線温度は３８１℃であり、亜鉛の融点は４１９．５８℃である。

前記温度に加熱することにより、亜鉛被覆層２，２が溶融し、アルミニウム系部材１ａ，１ｂに固溶、拡散する。そこで、前記温度に１〜３時間加熱保持した後、冷却することにより亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合することができる。

前記電解メッキ処理は、それ自体公知の方法により行うことができ、例えば、塩化亜鉛０．５ｇ／ｌ、シアン化ナトリウム０．５ｇ／ｌ、水酸化ナトリウム１０ｇ／ｌからなるメッキ浴中で、電流密度０．５〜１０Ａ／ｄｍ^２、常温で５〜１０分の条件で行うことができる。ただし、前記メッキ浴は、アルミニウムまたはアルミニウム合金中の金属成分と金属間化合物を形成する成分を含まないものを用いる。前記メッキ浴は、アルミニウムまたはアルミニウム合金中の金属成分と金属間化合物を形成する成分を含んでいると、形成された亜鉛被覆層２がアルミニウムまたはアルミニウム合金中の金属成分と反応したときに、金属間化合物の形成と同時に固化してしまい、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合したときに、十分な強度が得られないことがある。

また、本実施形態の方法では、前記メッキ浴が、光沢剤、平滑剤等を含んでいると、該光沢剤、平滑剤中の有機成分等が接合界面に気泡を形成したり、不純物が偏析し、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合したときに、十分な強度が得られないことがある。従って、前記メッキ浴は、光沢剤、平滑剤等を含まないものを用いる。尚、前記亜鉛被覆層２は、アルミニウム系部材１ａ，１ｂのの間に介在して両者の接合に用いられるものであるので、光沢性、平滑性等を備える必要は無い。

前記電解メッキ処理では、予めアルミニウム系部材１ａ，１ｂの接合面に、酸化膜除去処理を施しておくことが好ましい。前記酸化膜除去処理は、例えば、５０容量％の硝酸を用いて常温で行うことができる。

前記酸化膜除去処理を行うことにより、アルミニウム系部材１ａ，１ｂの表面に形成されている酸化被膜を薄くすることができ、亜鉛被覆層２のアルミニウム系部材１ａ，１ｂに対する密着性が高くなり、亜鉛被覆層２の形成を確実に行うことができる。また、前記酸化膜除去処理を行うことにより、亜鉛被覆層２が形成された亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを重ね合わせて前記温度に加熱したときに、アルミニウムと亜鉛との反応が進みやすくなり、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂをより強固に接合することができるという効果も得ることができる。

また、本実施形態の方法では、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを、亜鉛被覆層２，２を介して重ね合わせる際に、亜鉛被覆層２，２間にスズを介在させてもよい。亜鉛被覆層２，２間にスズを介在させて加熱することにより、亜鉛被覆層２の融点を低下させることができ、より低い温度で亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを強固に接合することができる。

亜鉛被覆層２，２間にスズを介在させるには、例えば、亜鉛被覆層２上に、電解メッキ処理を施すことにより、スズ被覆層を形成することにより行うことができる。前記スズ被覆層を形成するための電解メッキ処理は、それ自体公知の方法により行うことができ、例えば、スズ酸ナトリウム９０ｇ／ｌ、水酸化ナトリウム７．５ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム１０ｇ／ｌからなるメッキ浴を用いて行うことができる。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

本実施例では、まず、２０ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの純アルミニウム板（Ａｌ９９．５％以上）をアルミニウム系部材１ａ，１ｂとし、アルミニウム系部材１ａ，１ｂを脱脂、水洗後、５０容量％の硝酸を用いて常温で酸洗し、酸化膜除去処理を施した。次に、アルミニウム系部材１ａ，１ｂの表面に、ジンケート処理を施した後、電解メッキ処理を施し、厚さ約２０μｍの亜鉛被覆層２を備える亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを得た。

尚、前記ジンケート処理は無電解活性化処理であり、アルミニウム系部材１ａ，１ｂを、亜鉛９ｇ／ｌ、水酸化ナトリウム１２０ｇ／ｌからなる浴中に浸漬し、１５〜２５℃で３０〜６０秒の条件で行った。また、前記電解メッキ処理は、前記ジンケート処理が施されたアルミニウム系部材１ａ，１ｂを、塩化亜鉛０．５ｇ／ｌ、シアン化ナトリウム０．５ｇ／ｌ、水酸化ナトリウム１０ｇ／ｌからなり、光沢剤、平滑剤を含まないメッキ浴中に浸漬し、電流密度０．５〜１０Ａ／ｄｍ^２、常温で５〜１０分の条件で行った。

次に、図２（ａ）に示すように、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを２０ｍｍ×２０ｍｍの面積で亜鉛被覆層２，２を介して重ね合わせ、２ＭＰａの押し付け荷重を付与した状態で、真空雰囲気中で１時間加熱保持した後、冷却することにより接合した。加熱温度は、４００℃、４５０℃、５００℃とした。

次に、前記各温度で接合した亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを、図２（ｂ）に示すように、相反する方向に引っ張る引張試験を行って接合強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、加熱温度を３５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。

本実施例では、亜鉛被覆層２が形成された亜鉛被覆アルミニウム系部材３ｂに電解メッキ処理を施し、亜鉛被覆層２上にスズ被覆層（図示せず）を形成した以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合した。

前記電解メッキ処理は、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ｂを、スズ酸ナトリウム９０ｇ／ｌ、水酸化ナトリウム７．５ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム１０ｇ／ｌからなり、光沢剤、平滑剤を含まないメッキ浴中に浸漬し、電流密度０．５〜３Ａ／ｄｍ^２、７０℃で１〜５分の条件で行い、亜鉛被覆層２上に厚さ約２μｍのスズ被覆層を形成した。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、加熱温度を３５０℃とした以外は、実施例２と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。

本実施例では、亜鉛被覆層２が形成された亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂに電解メッキ処理を施し、亜鉛被覆層２上にスズ被覆層（図示せず）を形成した以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合した。

前記電解メッキ処理は、実施例２と全く同一にして行い、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの亜鉛被覆層２上にそれぞれ厚さ約２μｍのスズ被覆層を形成した。結果を表１に示す。
〔比較例３〕
本比較例では、加熱温度を３５０℃とした以外は、実施例３と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。
〔比較例４〕
本比較例では、アルミニウム系部材１ａ，１ｂの表面に亜鉛被覆層２を形成していないものを亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂとし、加熱温度を６００℃、６５０℃としたこと以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。

しかし、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。
〔比較例５〕
本比較例では、亜鉛被覆層２を形成せずに、スズ被覆層のみを形成したものを亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂとし、加熱温度を４００℃、５００℃、６００℃としたこと以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。前記スズ被覆層は、実施例２と全く同一にして形成した。結果を表１に示す。
〔比較例６〕
本比較例では、アルミニウム系部材１ａにのみ亜鉛被覆層２を形成して亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａとすると共に、アルミニウム系部材１ｂには亜鉛被覆層２を形成しないで亜鉛被覆アルミニウム系部材３ｂとし、加熱温度を５００℃、６００℃、６５０℃としたこと以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。

表１から、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを亜鉛被覆層２を介して重ね合わせ、アルミニウムと亜鉛との固相線温度（３８１℃）以上の温度に加熱することにより亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合することができ、亜鉛の融点（４１９．５８℃）以上の温度に加熱することにより亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂをさらに強固に接合することができることが明らかである（実施例１）。

また、表１から、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを亜鉛被覆層２を介して重ね合わせる際に、亜鉛被覆層２，２間にスズ被覆層を介在させることにより（実施例２，３）、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを、実施例１と同じ温度でも、実施例１よりもさらに強固に接合することができることが明らかである。

これに対して、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを亜鉛被覆層２を介して重ね合わせ、あるいは亜鉛被覆層２，２間にスズ被覆層を介在させたとしても、加熱温度がアルミニウムと亜鉛との固相線温度未満である場合（比較例１，２，３）には、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合することができないことが明らかである。

また、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの両方に亜鉛被覆層２を全く設けない場合（比較例４）、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの両方に亜鉛被覆層２に代えてスズ被覆層のみを設けた場合（比較例５）、一方の亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａのみに亜鉛被覆層２を設けた場合（比較例６）には、加熱温度をアルミニウムと亜鉛との固相線温度以上の温度としても、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを接合することができないことが明らかである。
〔比較例７〕
本比較例では、アルミニウム系部材１ａ，１ｂの表面に亜鉛被覆層２を形成していないものを亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂとし、亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂを厚さ２５μｍの亜鉛シートを介して重ね合わせた以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表２に示す。

表２から、アルミニウム系部材１ａ，１ｂに密着して形成された亜鉛被覆層２を備えていない亜鉛被覆アルミニウム系部材３ａ，３ｂの場合には、両者の間に亜鉛シートを介在させ、アルミニウムと亜鉛との固相線温度（３８１℃）以上の温度に加熱したとしても、接合できないことが明らかである。

本発明の接合方法を示す説明的断面図。本発明の接合方法により接合されたアルミニウム系部材の接合強度の試験方法を示す平面図及び側面図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…被接合部材、２…亜鉛被覆層。

Claims

アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法において、
各被接合部材の接合面に電解メッキ処理による亜鉛被覆層を設け、両被接合部材を該亜鉛被覆層間にスズを介在させて重ね合せ、アルミニウムと亜鉛との固相線温度以上の温度に加熱することを特徴とするアルミニウム系部材の接合方法。
前記加熱は、亜鉛の融点以上の温度で行うことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム系部材の接合方法。
前記両被接合部材を重ね合せて加熱する際に、両被接合部材に押し付け荷重を付与することを特徴とする請求項１または請求項２記載のアルミニウム系部材の接合方法。
各被接合部材の接合面に、酸化膜除去処理を施した後、前記電解メッキ処理により前記亜鉛被覆層を設けることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のアルミニウム系部材の接合方法。