JPH06254687A - 接合強度の優れた複合金属板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 良好な接合強度を持つ鋼板とアルミニウム板
で構成される複合板の製造方法を提供する。 【構成】 両表面が鉄、中心がアルミニウムの３層から
なる複合金属板、または、片面が鉄、片面がアルミニウ
ムの２層からなる複合金属板を製造するに際して、アル
ミニウム板と接する鋼板表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）
を０．５〜２．３μｍとし、この鉄層を６７０℃以上１
０５０℃以下に加熱し、アルミニウム層を５５０℃以下
に加熱し、いずれの層もこれらの温度範囲にあるときに
重ね合わせ、直ちに両表面から外力を加え、外力による
アルミニウム層の板厚減少率を外力を加える前のアルミ
ニウム層の板厚に対して２％以上とし、その後放冷また
は強制冷却することを特徴とする接合強度の優れた複合
金属板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造上鉄とアルミニウ
ムの両方の適用が必要な構造物の素材として、あるいは
鉄とアルミニウムの両者の接合用の材料とする用途に適
する接合強度の優れた複合金属板の製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の構造材料として使用される薄
鋼板の軽量化は大きな課題となっており、その手段は種
々指向されている。軽量化手段の一つに、アルミニウム
を部分的に使用する方法がある。アルミニウムを使用す
る構造物の多くは鉄材も同時に使用されておりその両者
の接合が課題である。一般に、鉄とアルミニウムは溶接
が困難であり、リベット等により機械的に接合する方法
が多く行われている。しかし、この方法では生産性が悪
いこと、接合部の重ね合わせが必須となるため軽量化率
が悪くなること、外観が悪いこと、等の問題がある。こ
れら問題を解決するために鉄とアルミニウムの接合部に
は鉄とアルミニウムがあらかじめ接合された複合金属板
を使用し、同じ金属どうし接合する方法が考えられる。
そのために、鉄とアルミニウムがあらかじめ強固に接合
された金属薄板が望まれていた。

【０００３】従来より鉄板とアルミニウム板を接合する
方法としては種々考案されており、例えば特開昭６３−
１５７７７４号公報に開示されているようにアルミニウ
ム素材を３５０〜５５０℃程度に加熱し、鉄素材と温間
で圧延し接合する方法、特公昭５６−５２６７９号公報
に開示されるように鉄素材の表面にあらかじめアルミニ
ウムメッキを施しこれを５００℃程度に加熱しアルミニ
ウム素材と温間で圧延し接合する方法等がある。

【０００４】しかし、これらの方法では鉄とアルミニウ
ムの接合界面の強度は充分に強いものが得られないとい
う問題がある。例えば、特公昭５６−５２６７９号公報
の例に示されるように１８０°曲げを一回行うような軽
度の曲げなどの加工においては剥離しないものの、曲げ
と曲げ戻しをうけるようなプレス加工等においては必ず
しも充分な接合強度を有しているとはいえない。上記公
報ではいずれもアルミニウムまたはアルミメッキされた
鋼板のアルミニウム部が加熱されていることが特徴で接
合は主としてアルミニウム原子の拡散により行われる。
アルミニウムのみの拡散だけでは鉄素材との相互拡散が
不充分のため強固な界面強度が得られにくいという欠点
がある。さらに、特公昭５６−５２６７９号公報のよう
に鉄にアルミメッキを施した板を素材として使用するこ
とはコストアップを招き好ましくない。

【０００５】このように、構造材料としての使用に耐え
るだけの強い接合力を持つ鉄とアルミニウムの複合板の
製造方法についてはこれまで知られていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから本
発明は強い接合強度を持つ鉄とアルミニウムの複合板の
製造方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために、鉄とアルミニウムの界面の粗度、外力
を加えて接合する場合のそれぞれの金属の温度および板
厚減少率を検討した結果、良好な接合強度を持つ鉄とア
ルミニウムの複合板の製造方法を見出した。その要旨は
以下の通りである。

【０００８】（１）両表面が鉄、中心がアルミニウムの
３層からなる複合金属板を製造するに際して、アルミニ
ウム板と接する鋼板表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を
０．５〜２．３μｍとし、この鉄層を６７０℃以上１０
５０℃以下に加熱し、アルミニウム層を５５０℃以下に
加熱し、いずれの層もこれらの温度範囲にあるときに重
ね合わせ、直ちに両表面から外力を加え、外力によるア
ルミニウム層の板厚減少率を外力を加える前のアルミニ
ウム層の板厚に対して２％以上とし、その後放冷または
強制冷却することを特徴とする接合強度の優れた複合金
属板の製造方法である。

【０００９】（２）片面が鉄、片面がアルミニウムの２
層からなる複合金属板を製造するに際して、アルミニウ
ム板と接する鋼板表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．
５〜２．３μｍとし、この鉄層を６７０℃以上１０５０
℃以下に加熱し、アルミニウム層を５５０℃以下に加熱
し、いずれの層もこれらの温度範囲にあるときに重ね合
わせ、直ちに両表面から外力を加え、外力によるアルミ
ニウム層の板厚減少率を外力を加える前のアルミニウム
層の板厚に対して２％以上とし、その後放冷または強制
冷却することを特徴とする接合強度の優れた複合板の製
造方法である。

【００１０】

【作用】本発明においては鉄素材およびアルミニウム素
材はいずれも冷間圧延のままのものあるいは焼鈍後のも
ののいずれを用いても良い。その理由は、本発明で適用
される鉄素材の加熱によって鉄素材が再結晶し冷間圧延
材でも軟質化するからである。また、本発明者らの調査
によると複合板の接合強度には接合面となる鋼板表面の
粗度、本発明で表される温度条件およびアルミニウム層
の板厚減少率が影響されるため、アルミニウム素材が冷
間圧延材または再結晶後の材料であるかは特に問題でな
い。

【００１１】以下、本発明について詳細に説明する。

【００１２】新素材は通常の熱延、冷延工程によって製
造されたもので良いが、アルミニウムと接合される鋼板
表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）は０．５〜２．３μｍの
範囲でなければならない。

【００１３】図１は、中心がアルミニウム板、両面が鉄
板の複合板を製造する際に、アルミニウムとの接合面が
種々の中心線平均粗さ（Ｒａ）の表面を有する鋼板を使
用し、図３に示すような設備により鉄板コイル６及びア
ルミニウム板コイル７から供給される鋼板およびアルミ
ニウム板をそれぞれ７００℃および１００℃に加熱し、
図３に示す２本のロールにより両面から外力を加え接合
し、外力によるアルミニウム層の板厚減少率を外力を加
える前のアルミニウム層の板厚に対して２％となるよう
にし、その後放冷した場合の接合強度（Ｔ型引き剥がし
強度）におよぼす鋼板表面粗度の影響を示したものであ
る。図１から明らかなように、アルミニウムと接合され
る鋼板表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜２．３
μｍの範囲の場合に高い剥離強度を示すことがわかる。

【００１４】なお、図３に示される通電加熱設備は素材
の鉄層１、３とアルミニウム層２とにそれぞれ通電ロー
ル１１、１３、１２を設け、この通電と加圧を兼ねた２
本のロール４の間に連続的に送りこんで複合板５を製造
するものである。電源は低周波の交流電源、直流電流い
ずれも使用できる。電源２１の電流は鉄層１に通電ロー
ル１１から鉄層１とアルミニウム層２を通り、これの通
電ロール１２に到る。同様に電源２２の電流はアルミニ
ウム層２と鉄層３との直列回路を流れる。上記２つの電
源２１、２２の位相を適当に合わせておけばアルミニウ
ム層２の電流は２つの電源からの電流の和になる。この
場合、鉄層の方がアルミニウム層より電気抵抗が高いた
め鉄層とアルミニウム層が同程度の厚みであれば鉄層の
方が発熱は大きく高温になる。もし、鉄層の加熱温度が
目標の温度に達しない場合は、補助加熱用に設けられた
通電ロール１４、１５にそれぞれ補助加熱用電源２３、
２４から通電を行うことによって補助加熱を行う。

【００１５】なお、鋼板素材は冷延ままの鋼板でも焼鈍
を行った鋼板のいずれでも良く、組成も特に制限は無
い。

【００１６】冷延ままの鉄素材は本発明の加熱範囲であ
る６７０〜１０５０℃に加熱された場合、充分に軟質化
するため構造用材料として使用した場合の曲げやプレス
加工等に充分に耐えるものが得られる。また、すでに焼
鈍が完了した鉄素材でも本発明範囲に加熱することによ
る問題は無い。

【００１７】次に、アルミニウム素材の材質については
純アルミニウム、アルミニウム合金のいずれでも良い。

【００１８】これらの鉄とアルミニウムの素材を接合す
る場合、素材を加熱せずに外力による機械的接合、ある
いはアルミニウム部を５００℃程度に加熱した場合の接
合だけでは接合強度が不十分なため、鉄素材を加熱し鉄
原子とアルミニウム原子のそれぞれを拡散させて接合す
る方式が本発明である。その際に、接合界面に合金層が
形成されると脆くなるためその形成を押さえ、かつ鉄と
アルミニウムの原子をお互いに拡散させ大きな接合強度
を得るのが本発明の特徴である。まず、鉄層は最低６７
０℃には加熱する必要がある。この温度は鉄層とアルミ
ニウム層を接触させた時に両者の原子が拡散させ拡散層
を形成させるために必要なものである。しかし、１０５
０℃を超える温度に加熱するとアルミニウム板との接合
時に接合界面に脆い合金層が形成されやすくなり、接合
強度が低下する。したがって、接合前の鉄板の加熱温度
は６７０〜１０５０℃とした。

【００１９】次に、アルミニウム層は接合時の鉄板が上
記温度に加熱されている場合は特に加熱しなくても良好
な接合強度が得られる。これは鉄層とアルミニウム層を
重ね合わせたときに鉄層からの熱がアルミニウム層にも
与えられ、アルミニウム原子も拡散できる温度となるか
らである。またアルミニウム層は冷延のままの板でも焼
鈍を行った板のいずれでも良いが、冷延されたアルミニ
ウムを素材として使用する場合、用途に応じてアルミニ
ウム層の軟化焼鈍を行うこともできる。この場合のアル
ミニウム層の加熱温度は５５０℃以下でなければならな
い。この温度を超えるとアルミニウム層自体の持つ温度
に鉄層からの熱も加えられるため、重ね合わせたときに
アルミニウムが接合界面で溶けることがあり、接合強度
を著しく低下させる。

【００２０】鉄層とアルミニウム層を上記温度範囲に加
熱した後、この温度範囲内にあるときにそれぞれの金属
を重ね合わせて直ちに外力を加える必要がある。上記温
度範囲からはずれた温度で重ね合わせた場合は充分な接
合強度が得られない。

【００２１】次に、接合時に必要な外力によるアルミニ
ウム層の板厚の減少率について述べる。鉄層とアルミニ
ウム層を接合させるためには上で述べた温度範囲でそれ
ぞれの素材を重ね合わせた後、複合板の両面から外力を
加え、外力によるアルミニウム層の板厚減少率を外力を
加える前のアルミニウム層の板厚に対して２％以上にす
る必要がある。図２は、中心がアルミニウム板、両面が
鋼板の複合板を製造する際に、図３に示すような設備に
より鋼板およびアルミニウム板をそれぞれ８２０℃およ
び３００℃に加熱し、図３に示す２本のロールにより両
面から外力を加え接合し、放冷した場合の接合強度（Ｔ
型引き剥がし強度）におよぼすアルミニウム層の板厚減
少率を示したものである。図２から明らかなように、接
合強度は外力によるアルミニウム層の板厚減少率が増加
するに伴い強くなり、特に２％以上で良好な接合強度と
なることがわかる。なお、それぞれの加熱温度を本発明
範囲内で変えた場合、および片面が鉄層、片面がアルミ
ニウム層の２層よりなる複合板を接合する場合も同様の
結果が得られた。また、本発明者らの調査によると接合
時の外力による鉄層の板厚減少率は接合強度に特に影響
をおよぼさないことがわかっている。

【００２２】板どうしの接合は上記条件により瞬間的に
行われるが接合後高温のまま保定すると鉄とアルミニウ
ムの界面に脆い合金層が形成され接合強度が低下する。
したがって、複合板は速やかに冷却しなければならな
い。冷却速度は放冷で得られる速度であれば良いが、冷
却時間をさらに短縮するためにはガスまたは液体による
強制冷却でも良い。

【００２３】鉄層とアルミニウム層の接合を行う場合、
上記接合条件さえ満足できれば、接合方式は特に限定さ
れるものでは無く、図３のような２本のロール間で外力
を加える方式でも良く、プレスのような方式でも良い。
接合用素材の加熱方法も通電加熱、加熱炉による加熱等
どのような方式でも良い。

【００２４】以上のような方法で鉄板とアルミニウム板
を接合することにより、接合強度に優れた鉄とアルミニ
ウムの複合板を製造することができる。

【００２５】

【実施例】以下に本発明の実施例を比較例と共に示す。

【００２６】実施例１ 表１及び表２に示すような鉄層およびアルミニウム層を
素材として用い、同じく表１および表２に示すような加
熱温度、板厚減少率で中心がアルミニウム層、両面が鉄
層の３層の複合板の接合を行い放冷した。アルミニウム
層は純アルミニウムおよび各種アルミニウム合金を接合
用素材として使用した。これらの素材はコイル状に巻か
れており、接合前にコイルをほどきながら図３に示すよ
うな装置で連続的に加熱した。加熱後は直ちに重ね合わ
せ、両表面から外力を加えた。外力は図３に示す２本の
ロール４によって与え、板を連続的に接合した。接合後
の複合板５は直ちにガスにより１５℃／ｓで強制冷却し
た。

【００２７】試料番号１〜１３は組成、接合条件のいず
れも本発明範囲内のものであり、試料１４〜２４はいず
れか一つ以上が本発明範囲から外れたものである。接合
後、得られた複合板の接合強度を表１及び表２に示す。
表１及び表２からわかるように本発明範囲内で製造され
た複合板は優れた接合強度を示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】表１及び表２において、下記のとおりであ
る。 注）下線を施した条件については本発明の範囲からはず
れている。 注）鉄板は０．２ｍｍ、アルミニウム板は０．４ｍｍ厚
みの素材を使用。

【００３１】実施例２ 表３及び表４に示すような鉄層およびアルミニウム層を
素材として用い、同じく表３及び表４に示すような加熱
温度、板厚減少率で片面が鉄層、片面がアルミニウム層
の２層の複合板の接合を行い放冷した。アルミニウム層
は純アルミニウムおよび各種アルミニウム合金を接合用
素材として使用した。これらの素材はコイル状に巻かれ
ており、接合前にコイルをほどきながら図４に示すよう
な装置で連続的に加熱した。加熱後は直ちに重ね合わ
せ、両表面から外力を加えた。外力は図４に示す２本の
ロール４によって与え、板を連続的に接合した。接合後
の複合板は直ちにガスにより１５℃／ｓで強制冷却し
た。

【００３２】試料番号１〜１３の接合条件はいずれも本
発明範囲内のものであり、試料１４〜２３は接合条件の
いずれかが本発明範囲から外れたものである。

【００３３】接合後、得られた複合板の接合強度を表３
及び表４に示す。表３及び表４からわかるように本発明
範囲内で製造された複合板は優れた接合強度を示す。

【００３４】なお、図４に示される通電加熱設備は素材
の鉄層１とアルミニウム層２とにそれぞれ通電ロール１
１、１２を設け、この通電と加圧を兼ねた２本のロール
４の間に連続的に送りこんで複合板５ａを製造するもの
である。電源は低周波の交流電源、直流電源のいずれも
使用できる。電源２１の電流は鉄層１に通電ロール１１
から鉄層１とアルミニウム層２を通り、これの通電ロー
ル１２に到る。この場合、鉄層の方がアルミニウム層よ
り電気抵抗が高いため鉄層の厚みがアルミニウム層と同
程度あるいは薄い場合は鉄層の方が発熱は大きく高温に
なる。もし、鉄層の加熱温度が目標の温度に達しない場
合は、補助加熱用に設けられた通電ロール１３から通電
を行うことによって補助加熱を行う。

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】表３及び表４において、下記のとおりであ
る。 注）下線を施した条件については本発明の範囲からはず
れている。 注）鉄板は０．２ｍｍ、アルミニウム板は０．４ｍｍ厚
みの素材を使用。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明で製造され
る鉄板とアルミニウム板の複合板は優れた接合強度を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合板の接合強度におよぼす鋼板接合面の粗度
の影響を示す図である。

【図２】複合板の接合強度におよぼす接合の際の複合板
の板厚減少率の影響を示す図である。

【図３】中心がアルミニウム板、両面が鉄板の３層で構
成される複合板の製造に使用した装置の一例を示す図で
ある。

【図４】片面がアルミニウム板、片面が鉄板の２層で構
成される複合板の製造に使用した装置の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 鉄層 ２ アルミニウム層 ３ 鉄層 ４ ロール ５ 複合板 ５ａ 〃 ６ 鉄板コイル ７ アルミニウム板コイル １１ 通電ロール １２ 〃 １３ 〃 １４ 〃 １５ 〃 ２１ 電源 ２２ 〃 ２３ 補助加熱用電源 ２４ 〃

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 切山 忠夫 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鐵所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両表面が鉄、中心がアルミニウムの３層
   からなる複合金属板を製造するに際して、アルミニウム
   板と接する鋼板表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．５
   〜２．３μｍとし、この鉄層を６７０℃以上１０５０℃
   以下に加熱し、アルミニウム層を５５０℃以下に加熱
   し、いずれの層もこれらの温度範囲にあるときに重ね合
   わせ、直ちに両表面から外力を加え、外力によるアルミ
   ニウム層の板厚減少率を外力を加える前のアルミニウム
   層の板厚に対して２％以上とし、その後放冷または強制
   冷却することを特徴とする接合強度の優れた複合金属板
   の製造方法。
2. 【請求項２】 片面が鉄、片面がアルミニウムの２層か
   らなる複合金属板を製造するに際して、アルミニウム板
   と接する鋼板表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．５〜
   ２．３μｍとし、この鉄層を６７０℃以上１０５０℃以
   下に加熱し、アルミニウム層を５５０℃以下に加熱し、
   いずれの層もこれらの温度範囲にあるときに重ね合わ
   せ、直ちに両表面から外力を加え、外力によるアルミニ
   ウム層の板厚減少率を外力を加える前のアルミニウム層
   の板厚に対して２％以上とし、その後放冷または強制冷
   却することを特徴とする接合強度の優れた複合板の製造
   方法。