JP6393592B2 - 異種金属接合継手および異種金属の接合方法 - Google Patents
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Description
すなわち、接着剤からなる接着剤層を介して亜鉛系めっき鋼板とアルミニウム合金板とを対向配置し、これらを機械的接合法により接合する場合、接合時に亜鉛系めっき鋼板およびアルミニウム合金板に変形応力が付与される。このため、接合部近傍に配置された接着剤層にも、接合に伴う変形応力が付与される。
その結果、接着剤層に含まれている硬度の高いZn合金粒子を、Zn粒子に代える、またはZn合金粒子の含有量を少なくすればよいことが分かった。このことにより、機械的接合に伴う接合部近傍の接着剤層の破れを防止できる。また、亜鉛系めっき鋼板とアルミニウム合金板との間に入り込んだZn含有粒子が、亜鉛系めっき鋼板とアルミニウム合金板との密着を妨げて、機械的接合のかしめ力を減殺させることを防止できる。
しかし、Zn合金粒子をZn粒子に代えたり、Zn合金粒子の含有量を少なくしたりすると、Zn合金粒子による耐食性向上効果が不十分となる場合があった。
すなわち、接着剤を併用する機械的接合法では、接着剤による接合強度への寄与は機械的接合による接合強度への寄与と比較して僅かである。したがって、接着剤に含まれる接着成分を少なくし、接着剤による接着強度への寄与を少なくしても、充分な接合強度を確保できる。
(3) 前記Zn合金粒子が、Mg、Ni、Cr、Co、Alから選ばれる一種または二種以上の元素を合計で1.7質量%未満含有するものであることを特徴とする(1)または(2)に記載の異種金属接合継手。
(4) 前記Zn含有粒子の平均粒径が、1μm以上80μm以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の異種金属接合継手。
(6) 前記Zn含有粒子の粒径の分布ヒストグラムが、2つの峰を有することを特徴とする(4)に記載の異種金属接合継手。
(7) 前記接着剤層が、平面視で前記接合部およびその周辺領域に配置されていることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の異種金属接合継手。
(第1実施形態)
「異種金属接合継手」
図1は、本発明の異種金属接合継手の一部を拡大して示した断面図である。図1に示す異種金属接合継手1は、亜鉛系めっき鋼板2と、亜鉛系めっき鋼板2上に配置されたアルミニウム合金板3と、亜鉛系めっき鋼板2とアルミニウム合金板3との間の少なくとも一部に配置された接着剤層4と、亜鉛系めっき鋼板2と接着剤層4とアルミニウム合金板3との積層部を機械的接合してなる接合部7とを有している。
図1に示す接合部7においては、リベット71の外周と亜鉛系めっき鋼板2のアルミニウム合金板3側表面との接合位置と、接合位置から外側に向かって亜鉛系めっき鋼板2に食い込んだリベット71の外周の最も外側の位置との距離であるインターロック寸法D1が0.1mm以上であることが好ましい。インターロック寸法D1が0.1mm以上である場合、より優れた接合強度が得られる。
亜鉛系めっき層2aの目付量は、特に限定されないが、例えば、亜鉛系めっき鋼板2が鋼板の両面に亜鉛系めっき層が形成されているものである場合、片面あたり100g/m2以下のものであることが望ましい。
亜鉛系めっき鋼板2の引張強さも、特に限定されるものではなく、例えば、自動車ボデーで用いられる270〜1470MPa級程度のものを用いることができる。
アルミニウム合金板3としては、特に限定されるものではなく、例えば、自動車ボデーで用いられる5000(Al−Mg)系、6000(Al−Mg−Si)系等を用いることができる。
また、アルミニウム合金板3の接合部7以外の部分の板厚は、特に限定されるものではなく、例えば、自動車ボデー等で用いられる0.70〜2.0mm程度の厚さのものを用いることができる。
エポキシ樹脂5としては、グリシジルエーテル型、グリシジルエステル型等、ウェルドボンド接合の接着剤の硬化物に一般的に含まれるものが挙げられる。
また、接着剤層4中のZn含有粒子6の含有量が、体積分率で60%以下であるので、エポキシ樹脂5を充分に含む接着剤層4となる。このため、亜鉛系めっき鋼板2とアルミニウム合金板3とが充分に密着しているものになるとともに、エポキシ樹脂5によってめっき鋼板2とアルミニウム合金板3との接着強度を確保できる。しかも、接着剤層4がエポキシ樹脂5を充分に含むものであるため、機械的接合に伴う亜鉛系めっき鋼板2およびアルミニウム合金板3の変形に追従しやすい接着剤層4となる。
さらに、図1に示す異種金属接合継手1では、亜鉛系めっき鋼板2と接着剤層4とアルミニウム合金板3との積層部において、接着剤層4が亜鉛系めっき鋼板2とアルミニウム合金板3との接触を妨げるため、優れた耐食性が得られる。
また、本実施形態において、接着剤層4に含まれるZn合金粒子が、Mg、Ni、Cr、Co、Alから選ばれる一種または二種以上の元素を合計で1.7質量%未満含有するものである場合、Zn合金粒子の硬度が、より一層低いものとなる。したがって、Zn含有粒子6が上記元素を含むZn合金粒子である場合に、機械的接合に伴う接合部7近傍の接着剤層4の破れを、より効果的に防止できる。また、機械的接合時に亜鉛系めっき鋼板2とアルミニウム合金板3との間に入り込んだZn含有粒子6が、これらの密着を阻害することを、より効果的に防止できる。
また、本実施形態において、Zn含有粒子6の平均粒径が、1μm以上80μm以下である場合、容易に入手可能であり、しかもZn含有粒子6が水などの間隙液に溶解しやすいものとなるため、より一層優れた耐食性が得られる。
次に、本発明の異種金属の接合方法の一例として、図1に示す異種金属接合継手1の製造方法を例に挙げて説明する。
図1に示す異種金属接合継手1を製造するには、まず、一方の面または両面に亜鉛系めっき層2aが形成されている亜鉛系めっき鋼板2と、アルミニウム合金板3とを用意する。
接着剤層4となる接着剤としては、上述したエポキシ樹脂5と、体積分率で1%以上60%以下の上述したZn含有粒子6とを含有するものが用いられる。接着剤は、必要に応じて、上述したエポキシ樹脂5と上述したZn含有粒子6に加えて、亜鉛系めっき鋼板2とアルミニウム合金板3とを接合する接着剤に一般的に含まれる溶剤、可塑剤などの添加剤が適量含有されているものであってもよい。また、接着剤は、エポキシ樹脂を含む従来の接着剤に、上述したZn含有粒子6を混合して分散させたものであってもよい。
図2(a)および図2(b)は、リベットを用いる機械的接合方法を説明するための概略断面図である。はじめに、図2(a)に示すように、リベット71を用意する。図2(a)に示すリベット71の脚部72は、図1に示す脚部71bとは異なり、頭部71aに接続されている基部71cから先端71dまで略均一の外径を有する円筒状の形状となっている。
また、図1に示す異種金属接合継手1では、接合部材としてリベット71を用いた場合を例に挙げて説明したが、リベット71に代えて、ボルト、ナット、ねじ、ブラインドリベット、TOX(登録商標)、Tog−L−Log(登録商標)、FDS(登録商標)などを用いてもよい。
「異種金属接合継手」
図3は、本発明の異種金属接合継手の他の例の一部を拡大して示した断面模式図である。図3に示す異種金属接合継手10において、図1に示す異種金属接合継手1と同じ部材については、同じ符号を付し、説明を省略する。
図3に示すように、異種金属接合継手10は、亜鉛系めっき鋼板2と接着剤層4とアルミニウム合金板3との積層部11を、TOX(登録商標)によって機械的接合してなる接合部9を有している。
接合部9を形成している凸部9d(凹部9a)の形状は、締結される亜鉛系めっき鋼板2およびアルミニウム合金板3の厚みや、必要とされる接合強度などに応じて決定され、特に限定されない。
次に、図3に示す異種金属接合継手10の製造方法を説明する。
図3に示す異種金属接合継手10を製造するには、まず、図1に示す異種金属接合継手1の製造方法と同様にして、積層部11を形成する工程までの各工程を行う。
次いで、TOX(登録商標)による機械的接合を、以下に示す方法により行う。
はじめに、図4(a)に示すように、亜鉛系めっき鋼板2と接着剤層4とアルミニウム合金板3との積層体11を、ダイ92上にアルミニウム合金板3を上に向けて配置する。
図4(a)に示すように、ダイ92の積層体11との対向面(図4(a)においては上面)には、図3に示す接合部9を形成している凸部9dに対応する形状を有する穴92aが形成されている。
本実施形態においては、接着剤層4に含まれるZn粒子の硬度が低く、接着剤層4が変形しやすいものであるため、亜鉛系めっき鋼板2およびアルミニウム合金板3の変形に追従して、接着剤層4が容易に変形する。
以上の工程により、TOX(登録商標)によって、アルミニウム合金板3と亜鉛系めっき鋼板2とが締結される。
その後、亜鉛系めっき鋼板とアルミニウム合金板とが接着剤層を介して対向配置されてなる積層部を、機械的接合した。
すなわち、亜鉛系めっき鋼板と接着剤層とアルミニウム合金板との積層体を、ダイ上にアルミニウム合金板を上に向けて配置した。次に、アルミニウム合金板の上の所定の位置に、脚部の先端をアルミニウム合金板に向けてリベットを配置した。続いて、パンチを用いてリベットをアルミニウム合金板に押し当てて加圧し、リベットの脚部をアルミニウム合金板および接着剤層に圧入させて貫通させ、脚部の先端を亜鉛系めっき鋼板に食い込ませた。その後、パンチを用いて、リベットの頭部が、アルミニウム合金板の亜鉛系めっき鋼板と反対側の面と略同一平面の位置となるまで、リベットをさらに加圧した。
以上の工程により、アルミニウム合金板と亜鉛系めっき鋼板とを締結し、実施例1〜58、比較例1〜7の試験体を得た。
また、アルミニウム合金板には、JIS H 4000に定められている厚み1mm、板幅30mm、長さ100mmのA5182P−O材を用いた。
試験体の形状は、JIS Z 3136にしたがって、板幅30mm、長さ100mm、重ね代30mmとした。
また、Zn含有粒子の平均粒径は、試験体の接着剤層の断面を光学顕微鏡で観察した像を画像解析装置に取り込んで、観察視野内のZn含有粒子の円相当径を算出し、その平均値を用いた。
また、Zn含有粒子の体積分率は、試験体の接着剤層の断面を光学顕微鏡で観察し、観察視野内の接着剤層におけるZn含有粒子の体積を算出した。
観察視野は、接着剤層の厚み×2mmとした。
耐食性は、自動車用外観腐食試験法のJASO M609−91試験を用いて行った。腐食の程度は継手をはがして、ナゲット周辺部を中心に目視で五段階評価(良い←1、2、3、4、5→悪い)し、評点3以上を良好とした。
「追従性」
接着剤層の追従性は、試験体の接合部の断面を観察し、接合部材による機械的接合に関与する穴以外に、接着剤層に複数の破れがある場合を「×」、破れが一箇所のみの場合を「△」、接合部材による機械的接合に関与する穴以外の破れが接着剤層にない場合を「○」と評価した。
機械接合性は、試験体の接合部の断面を観察し、リベットの外周と亜鉛系めっき鋼板2のアルミニウム合金板3側表面との接合位置と、接合位置から外側に向かって亜鉛系めっき鋼板2に食い込んだリベットの外周の最も外側の位置との距離である図1に示すインターロック寸法D1を測定した。
そして、インターロック寸法が0.1mm未満である場合を「×」、インターロック寸法が0.1mm以上である場合を「○」と評価した。
特に、体積分率で40%超のZn含有粒子を含有し、Zn含有粒子の平均粒径が1μm〜80μmの範囲である実施例1、5、7〜9、11〜14、16、18〜23、27〜35、37〜55の試験体は、耐食性の評価が4または5であり良好であった。
また、Zn含有粒子の粒径の分布ヒストグラムが、2つの峰を有する実施例47〜50の試験体は、耐食性の評価が5であり良好であった。
また、Zn合金粒子が、Mg、Ni、Cr、Co、Alから選ばれる一種または二種以上の元素を合計で1.7質量%未満含有する試験体は、接着剤層の追従性が良好であった。
比較例3、4では、Zn含有粒子の組成が本発明で規定された範囲外であるため、耐食性および追従性、機械接合性が充分に得られなかった。
比較例5では、Zn含有粒子の体積分率が少なく、Zn含有粒子の平均粒径が大きいため、充分な耐食性が得られなかった。
比較例6では、Zn含有粒子の組成および体積分率が本発明で規定された範囲外であるため、耐食性および追従性、機械接合性が充分に得られなかった。
比較例7では、Zn含有粒子の組成が本発明で規定された範囲外であるため、耐食性および追従性、機械接合性が充分に得られなかった。
Claims (8)
- 一方の面または両面に亜鉛系めっき層が形成されている亜鉛系めっき鋼板と、
前記亜鉛系めっき層に一方の面の少なくとも一部が対向して配置されたアルミニウム合金板と、
前記亜鉛系めっき鋼板と前記アルミニウム合金板との間の少なくとも一部に配置された接着剤層と、
前記亜鉛系めっき鋼板と前記接着剤層と前記アルミニウム合金板との積層部を機械的接合してなる接合部とを有し、
前記接着剤層が、エポキシ樹脂と、体積分率で1%以上60%以下のZn含有粒子とを含有するものであり、
前記Zn含有粒子が、Zn粒子またはZn合金粒子であり、前記Zn合金粒子が、Mg、Ni、Cr、Co、Alから選ばれる一種または二種以上の元素を合計で20質量%以下含有し、残部がZnおよび不可避不純物からなるものであることを特徴とする異種金属接合継手。 - 前記接着剤層が、体積分率で40%超のZn含有粒子を含有することを特徴とする請求項1に記載の異種金属接合継手。
- 前記Zn合金粒子が、Mg、Ni、Cr、Co、Alから選ばれる一種または二種以上の元素を合計で1.7質量%未満含有するものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の異種金属接合継手。
- 前記Zn含有粒子の平均粒径が、1μm以上80μm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の異種金属接合継手。
- 前記Zn含有粒子の粒径の標準偏差が、前記粒径に0.3を乗じた寸法以上であることを特徴とする請求項4に記載の異種金属接合継手。
- 前記Zn含有粒子の粒径の分布ヒストグラムが、2つの峰を有することを特徴とする請求項4に記載の異種金属接合継手。
- 前記接着剤層が、平面視で前記接合部およびその周辺領域に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の異種金属接合継手。
- 一方の面または両面に亜鉛系めっき層が形成されている亜鉛系めっき鋼板の前記亜鉛系めっき層に、アルミニウム合金板の一方の面の少なくとも一部を、接着剤層を介して対向配置して積層部を形成する工程と、前記積層部を機械的接合する工程とを備え、
前記接着剤層として、エポキシ樹脂と、体積分率で1%以上60%以下のZn含有粒子とを含有し、前記Zn含有粒子が、Zn粒子またはZn合金粒子であり、前記Zn合金粒子が、Mg、Ni、Cr、Co、Alから選ばれる一種または二種以上の元素を合計で20質量%以下含有し、残部がZnおよび不可避不純物からなるものを用いることを特徴とする異種金属の接合方法。
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