KR101238087B1

KR101238087B1 - 이재 접합용 강재, 이재 접합체 및 이재 접합 방법

Info

Publication number: KR101238087B1
Application number: KR1020107027768A
Authority: KR
Inventors: 미까꼬 다께다; 마모루 나가오; 마사오 기네후찌
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2013-02-27
Also published as: US8337998B2; US20110097595A1; CN102888555A; EP2298949A1; US8221899B2; EP2816134A1; US20120121931A1; EP2857541B1; CN102066597B; EP2298949A4; KR20110005908A; WO2009150904A1; CN102066597A; EP2298949B1; CN102888555B; EP2857541A1

Abstract

강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 접합하는 특정 조성의 강재의, 표면의 외부 산화물층과 내부의 산화물을 서로 특정한 조성으로 하는 한편, 접합하는 알루미늄 합금재를 특정 조성의 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금으로 하고, 이재 접합체의 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서, Fe의 함유량을 규제한 후에, 이재 접합체의 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 이재 접합체로 하여, 높은 접합 강도를 얻는다.

Description

이재 접합용 강재, 이재 접합체 및 이재 접합 방법{STEEL MATERIAL FOR DISSIMILAR METAL JOINING, JOINED BODY OF DISSIMILAR METALS AND PROCESS FOR JOINING DISSIMILAR METAL MATERIALS}

본 발명은, 높은 접합 강도를 얻을 수 있는, 알루미늄 합금재와의 이재 접합(dissimilar joint)용 강재, 강재와 알루미늄 합금재를 용접 접합한 이재 접합체 또는 강재와 알루미늄재를 접합한 이재 접합체 및 이재 접합 방법에 관한 것이다.

최근, 배기 가스 등에 의한 지구 환경 문제에 대해, 자동차 등의 수송기의 차체의 경량화에 의한 연비의 향상이 추구되고 있다. 또한, 이 경량화를 가능한 한 저해하지 않고, 자동차의 차체 충돌시의 안전성을 높이는 것도 추구되고 있다. 이로 인해, 특히 자동차의 차체 구조에 대해, 종래부터 사용되고 있는 강재 대신에, 보다 경량이고, 에너지 흡수성도 우수한 알루미늄 합금재의 적용이 증가하고 있다. 여기서 말하는 알루미늄 합금재라 함은, 알루미늄 합금의 압연 판재, 압출재, 단조재 등의 총칭이다.

예를 들어, 자동차의 후드, 펜더, 도어, 루프, 트렁크리드 등의 패널 구조체의, 아우터 패널(외판)이나 이너 패널(내판) 등의 패널에는, Al-Mg-Si계의 AA 내지 JIS 6000계(이하, 단순히 6000계라 함)나 Al-Mg계의 AA 내지 JIS 5000계(이하, 단순히 5000계라 함) 등의 알루미늄 합금판의 사용이 검토되고 있다.

또한, 자동차의 차체 충돌의 안전성을 확보하기 위한, 범퍼 보강재[범퍼 리인포스먼트(bumper reinforcement), 범퍼 아마추어(bumper armature)이라고도 함]나 도어 보강재(도어 가드 바, 도어 빔이라고도 함) 등의 에너지 흡수 부재 혹은 보강재로서는, Al-Zn－Mg계의 AA 내지 JIS 7000계(이하, 단순히 7000계라 함)나 상기 6000계 합금 등의 알루미늄 합금 압출형재가 사용되고 있다. 또한, 서스펜션 아암 등의 자동차의 하부(underbody) 부품에는, 상기 6000계 합금의 알루미늄 합금 단조재가 사용되고 있다.

이들 알루미늄 합금재는, 올 알루미늄의 자동차 차체가 아닌 한, 통상의 자동차의 차체에서는, 필연적으로 원래 범용되고 있는 강판이나 형강 등의 강재(강 부재)와 접합하여 사용된다. 따라서, 자동차의 차체에 알루미늄 합금재를 사용하는 경우(강재와 알루미늄 합금재를 조합한 부재)에는, 이것도 필연적으로, Fe－Al의 이재 접합(철-알루미늄의 이종 금속 부재끼리의 접합)의 필요성이 있다.

그러나 이 Fe-Al 이재 접합을 용접에 의해 행할 때의 문제점으로서, 서로의 접합 계면(joint interface)에 있어서의, 고경도이고 매우 취약한 Fe와 Al의 금속간 화합물층(이하, 반응층이라고도 함)의 생성이 있다. 이로 인해, 외관상 서로 접합은 되어 있어도, 본 화합물층의 생성이 원인이 되어, 용접에 의한 Fe－Al 이재 접합에서는, 이재 접합체에, 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는 경우가 많다.

이것을 반영하여, 종래부터 이들 이재 접합체(이종 금속 부재끼리의 접합체)의 접합에는, 용접뿐만 아니라, 볼트나 리벳 등, 혹은 접착제를 병용한 접합이 이루어지고 있지만, 접합 작업의 번잡함이나 접합 비용 상승 등의 문제가 있다.

따라서, 종래부터 Fe－Al 이재 접합의 용접법에 대해, 통상의 자동차의 차체의 접합에 범용되고 있는, 효율적인 스폿 용접에 의한 접합이 검토되고 있다. 예를 들어, 알루미늄재와 강재 사이에, 알루미늄-강 클래드재(aluminum－clad steel)를 인서트하는 방법이 제안되어 있다. 또한, 강재측에 융점이 낮은 금속을 도금하거나, 인서트하는 방법이 제안되어 있다. 또한, 알루미늄재와 강재 사이에 절연체 입자를 끼우는 방법이나, 부재에 미리 요철을 형성하는 방법 등도 제안되어 있다. 또한, 알루미늄재의 불균일한 산화막을 제거한 후, 대기중에서 가열하여 균일한 산화막을 형성하여, 알루미늄 표면의 접촉 저항이 높여진 상태에서, 알루미늄-강의 2층의 복층 강판을 인서트재로 사용하여 스폿 용접하는 방법도 제안되어 있다.

한편, 강재측에서도, 강판의 고강도화를 위해, Si, Mn, Al 등의 산화물을 형성하기 쉬운 원소를 첨가하면, 모재(base material) 표면에는, 이들 Si, Mn, Al 등을 포함하는 산화물이 생성되는 것이 공지이다. 그리고 이들 Si, Mn, Al 등을 포함하는 산화물이, 아연 도금 등의 표면 피복과 강판의 밀착성을 저해하는 것도 알려져 있다. 또한 한편으로는, 강판을 산세(pickle)하거나 하여, 이들 Si, Mn, Al 등을 포함하는 산화물층의 두께를 0.05 내지 1㎛의 범위로 하면, 아연 도금 등의 표면 피복과 강판의 밀착성 및 강판끼리의 스폿 용접성이 향상되는 것도 알려져 있다(특허 문헌 1 참조).

그러나 이들 종래 기술에서는, 통상의 자동차의 차체의 접합에 범용되고 있는, 효율적인 스폿 용접에 의한 접합 조건에서는, 용접 접합된 Fe－Al의 이재 접합체에 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는다. 환언하면, 접합 강도를 얻기 위한 스폿 용접 조건이 번잡해질 수밖에 없어 현실적이지 않다.

이에 대해, 특히 자동차 차체용으로서 범용되는, 6000계 알루미늄 합금재 등과, 인장 강도가 450㎫ 이상인 고강도 강판[하이텐재(high－strength steels)]의 이재 접합체의 스폿 용접을 의도한 기술도 다양하게 제안되어 있다.

예를 들어, 특허 문헌 2, 3에서는, 판 두께를 3㎜ 이하로 제한한 강재와 알루미늄 합금재를, 강재를 2매 이상 포개거나, 강재를 알루미늄 합금재 사이에 끼워 넣은 형태로 스폿 용접하는 것이 제안되어 있다. 특허 문헌 4에서는, 스폿 용접부에 있어서의 너깃(nugget) 면적이나 계면 반응층(boundary reaction layer)의 두께를 규정하여 접합 강도를 향상시키는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 5, 6에서는, 용접 계면에 있어서의, 강재측과 알루미늄 합금재측의 각 생성 화합물의 조성이나 두께, 면적 등을 각각 세밀하게 규정하여, 접합 강도를 향상시키는 것이 제안되어 있다.

또한, 특허 문헌 7에서는, 특정 조성의 고강도 강판에 있어서, 강판 표면 상의 기존의 산화물층을 일단 제거한 후에 새롭게 생성시킨 외부 산화물층을, 특정 비율의 Mn, Si 조성의 산화물로 하고, 또한 이 강재의 강체(生地) 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하의 강 영역에 존재하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율을 규정하여, 적절한 스폿 용접 조건하에서 이재 접합체의 높은 접합 강도를 얻는 것이 제안되어 있다. 이 특허 문헌 7에서는, 새롭게 생성시킨 Si, Mn 등을 포함하는 외부 산화물층과, 강체 표면 바로 아래의 내부 산화물층에 의해, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 억제하여, 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층의 과잉 생성을 억제하는 것이다. 덧붙여, 특허 문헌 7에서는, 용접 방법에 한정은 없고, 제1 실시예로서 스폿 용접, 제2 실시예로서 레이저 용접, 제3 실시예로서 MIG 용접에 의한 이재 접합을 각각 행하여, 이재 접합체를 제작하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2002－294487호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2007－144473호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 제2007－283313호 공보 특허 문헌 4 : 일본 특허 출원 공개 제2006－167801호 공보 특허 문헌 5 : 일본 특허 출원 공개 제2006－289452호 공보 특허 문헌 6 : 일본 특허 출원 공개 제2007－260777호 공보 특허 문헌 7 : 일본 특허 출원 공개 제2006－336070호 공보

이들 특허 문헌 2 내지 7은, 공통적으로 알루미늄 합금재와 고강도 강판의 이재 접합체의 스폿 용접을 의도하여, 적용 조건 등의 제약이 적어 범용성이 우수하고, 접합부에서의 취약한 금속간 화합물 생성을 억제하여 접합 강도를 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.

그러나 이들 특허 문헌 2 내지 7에서도, 알루미늄 합금재와 고강도 강판의 이재 접합체의 스폿 용접에 관해서는, 아직 접합 강도 등의 향상의 점에서 개량의 여지가 있다. 특히 특허 문헌 7은, 강재 표면에 새롭게 생성시킨 Si, Mn 등을 포함하는 외부 산화물층과, 강재의 강체 표면 바로 아래의 내부 산화물층에 의해, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 억제하여, 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층의 과잉 생성을 억제하는 점에서 유효하다. 그러나 이 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도는 높아도 2kN 미만이며, 2kN 이상의 접합 강도를 얻기 위해서는 아직 개량의 여지가 있다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 스폿 용접의 적용 조건 등의 제약이 적어, 범용성이 우수한 동시에, 접합부에 취약한 금속간 화합물 등이 생성되어 접합의 신뢰성을 저해시키는 일이 없어, 높은 접합 강도를 갖는 접합부를 얻을 수 있는, 이재 접합용 강재, 이재 접합체 및 이재 접합 방법을 제공하는 데 있다.

제1 해결 수단

(이재 접합용 강재의 요지)

이 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합용 강재의 요지는, 6000계 알루미늄 합금재와의 이재 접합용 강재이며, 이 강재의 조성을, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하는 동시에, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 것으로 하고, 이 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 강 영역에 존재하는 산화물로서, 결정립계(grain boundary)에 존재하는 산화물과, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역에 차지하는 평균 면적 비율로서, 5％ 이상 20％ 미만이고, 이 강재 표면 상에 존재하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 외부 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 0.1％ 이상 50％ 미만으로 한 것이다.

(이재 접합체의 요지)

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합체의 요지는, 상기 요지의 이재 접합용 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 상기 알루미늄 합금재가, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 각각 함유하는 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지고, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하인 동시에, 상기 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 것이다.

(이재 접합 방법의 요지)

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합 방법의 요지는, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 서로 용접되고 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 상기 요지의 이재 접합용 강재와, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 각각 함유하는 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 합금재를 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(friction spot joining, 마찰 교반 접합)하는 것이다.

(외부 산화물층의 구성)

여기서, 본 발명에 있어서의, 상기 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 이외의 잔량부는, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 산화물과 공극이고, 본 발명에 있어서의 외부 산화물층은, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 산화물, 공극으로 구성된다.

(본 발명의 바람직한 형태)

상기 이재 접합체가 스폿 용접된 것이며, 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 금속간 화합물층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께가 0.1 내지 3㎛의 범위인 동시에, 상기 Fe와 Al의 금속간 화합물층의 형성 범위가, 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상의 면적인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가 2kN 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이재 접합체가 자동차의 차체 구조용인 것이 바람직하다. 또한, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 용접되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전함으로써, 강재와 알루미늄 합금재를 스폿 용접하는 것이 바람직하다.

제2 해결 수단

(이재 접합용 강재의 요지)

이 목적을 달성하기 위한 본 발명 강재의 요지는, 5000계 또는 7000계 알루미늄 합금재와의 이재 접합용 강재이며, 이 강재의 조성을, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하는 동시에, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 것으로 하고, 이 강재 표면 상에 존재하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 외부 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 80 내지 100％ 이재 접합용 강재로 한 것이다.

(이재 접합체의 요지)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합체의 요지는, 상기 요지의 이재 접합용 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 상기 알루미늄 합금재가, 질량％로 Mg:1.0％ 이상을 포함하는 5000계 또는 7000계 알루미늄 합금으로 이루어지고, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하인 동시에, 상기 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 것 이재 접합 이재 접합 이재 접합이다.

(이재 접합 방법의 요지)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합 방법의 요지는, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 상기 요지에 기재된 강재와, 질량％로 Mg:1.0％ 이상을 포함하는 5000계 또는 7000계 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 합금재를 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(마찰 교반 접합)하는 것이다.

(외부 산화물층의 구성)

(본 발명의 바람직한 형태)

상기 이재 접합체가 스폿 용접된 것이며, 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께가 0.1 내지 3㎛의 범위인 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 면적의 70％ 이상의 면적인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가 2kN 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이재 접합체가 자동차의 차체 구조용인 것이 바람직하다. 또한, 상기 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 접합되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 용접되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전함으로써, 강재와 알루미늄 합금재를 스폿 용접하는 것이 바람직하다.

제3 해결 수단

(이재 접합체의 요지)

이 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합체의 요지는, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 접합하는 강재를, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하고, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 강재로 하는 동시에, 접합하는 알루미늄 합금재를, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 각각 함유하고, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％ 중 1종 또는 2종을 더 함유시킨 6000계 알루미늄 합금으로 하고, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량을 2.0질량％ 이하로 규제한 후에, 이재 접합체의 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 것이다.

(이재 접합 방법의 요지)

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이재 접합 방법의 요지는, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 서로 용접되는 개소의 두께를 3㎜ 이하로 하고, 접합하는 강재를, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하고, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 강재로 하는 동시에, 이 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 50 내지 80％인 조성으로 미리 하는 한편, 접합하는 알루미늄 합금재를, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 각각 함유하고, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％ 중 1종 또는 2종을 더 함유시킨 6000계 알루미늄 합금으로 하고, 이들 강재와 알루미늄 합금재를, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하로 되도록 스폿 용접하고, 이재 접합체의 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층을 형성하여, 강재와 알루미늄 합금재를 서로 접합시키고, 이 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도를 2kN 이상으로 하는 것이다.

(외부 산화물층의 구성)

제1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.

(본 발명의 바람직한 형태)

여기서, 본 발명의 상기 이재 접합체는 스폿 용접된 것이며, 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께가 0.1 내지 3㎛의 범위인 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상의 면적인 것이 바람직하다. 또한, 상기 접합하는 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 50 내지 80％인 조성으로, 접합 전에 미리 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 접합하는 강재의 강체 표면으로부터 10㎛까지의 깊이까지의 강 영역에 존재하는, 결정립계에 존재하는 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역에 차지하는 평균 면적 비율로서 3％ 이상이고 10％ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가 2kN 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 이재 접합체가 자동차의 차체 구조용인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 이재 접합 방법은, 상기 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 접합되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께를 0.1 내지 3㎛의 범위로 하는 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상의 면적으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 알루미늄 합금재에, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％ 중 1종 또는 2종을 미리 함유시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 접합하는 강재의 강체 표면으로부터 10㎛까지의 깊이까지의 강 영역에 존재하는, 결정립계에 존재하는 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역에 차지하는 평균 면적 비율로서 3％ 이상이고 10％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

제1 해결 수단의 효과

본 발명은, 강재의 강체 표면의 Mn, Si를 포함하는 외부 산화물층과, 강재의 강체 표면 바로 아래의 Mn, Si를 포함하는 내부 산화물층의 양자에 의해, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 억제하여, 접합 계면의 Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층의 과잉 생성을 억제하는 점에서는, 상기 특허 문헌 7과 동일하다. 단, 상기 특허 문헌 7과 크게 다른 점은, 상기한 요지와 같이 상기 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 포함하는 외부 산화물(층)이 차지하는 비율을, 상기 특허 문헌 7보다도 적게 한다. 동시에, 상기 Mn, Si를 포함하는 내부 산화물층을, 강체 표면으로부터 보다 깊고, 보다 많이 존재시킨다.

특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접에서는, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건으로 용접한다. 이러한 경우에는, 외부 산화물층과 내부 산화물층의 양적인 조성 밸런스에 따라, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산이 크게 좌우되는 것을 본 발명에서는 발견하였다. 즉, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성(종류)에 따라, 이 외부 산화물층과 내부 산화물층의 적정한 조성 밸런스 조건은 다르고, 외부 산화물층과 내부 산화물층의 밸런스를 적정화함으로써 비로소, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 효과적으로 억제할 수 있다. 그리고 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 반응층(금속간 화합물층)의 과잉 생성을 억제하는 효과가 보다 높아진다.

이에 대해, 상기 특허 문헌 7에서는, 6000계 알루미늄 합금재를 실시예로 하고 있지만, 용접 방법이나, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재의 재료의 조합에 한정이 없다. 환언하면, 상기 특허 문헌 7은, 용접 방법이나, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재의 재료의 조합이 달라도, 동일한 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조건[후술하는 도 1의 (b)의 조건]에 의해 접합하려고 하고 있다. 이 결과, 특허 문헌 7에서 규정하는 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조건에서는, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접에 의한 이재 접합체의 경우에, 후술하는 바와 같이 이 외부 산화물층과 내부 산화물층의 밸런스가 나빠진다. 이로 인해, 특허 문헌 7에서는, 그 실시예와 같이, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접에 의한 이재 접합체의, 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가, 높아도 2kN 미만으로 낮아질 수밖에 없다. 이에 대해서는, 이 외부 산화물층과 내부 산화물층의 양적인 조성 밸런스를 적정하게[후술하는 도 1의 (c)의 조건으로] 제어하면, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접에 관해서는 2kN 이상의 높은 접합 강도가 얻어진다.

또한, 본 발명에서도, 상기 특허 문헌 7과 마찬가지로, 강재 표면 상의 기존의 산화물층을, 산세 등에 의해 일단 제거한 후에, 또한 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링 등을 하여 새롭게 생성시킨, 강재의 강체 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 대상으로 한다.

이 점에서, 강재 표면 상의 산화물층을, 산세 등에 의해 일단 제거하고 있는 상기 특허 문헌 1과도 공통된다. 단, 상기 특허 문헌 1에서는, 본 발명과 같이, 또한 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링하여, 외부 산화층의 형성 비율이나, 내부 산화층 깊이를 적극적으로 제어하고 있지는 않다. 이로 인해, 상기 특허 문헌 1의 외부 산화물층에서는 본 발명에서 규정하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 80％를 간단히 초과해 버린다. 이 결과, 상기 특허 문헌 1은, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접에, 반응층(Fe와 Al의 금속간 화합물층)이 충분히 형성되지 않아, 오히려 이재 접합체에 있어서의 야금적 접합을 할 수 없게 된다.

강재끼리의 스폿 용접과는 달리, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우에는, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건으로 용접한다. 이러한 조건에서의 용접에서는, 상기한 바와 같이 접합 계면에 형성되는 고경도이고 취약한 Fe와 Al의 금속간 화합물층이 형성된다. 이로 인해, 상기 특허 문헌 1에서 과제로 하는 강재끼리의 스폿 용접성 등과는 용접 메커니즘이 완전히 달라, 이종 금속끼리의 용접 접합이 현저하게 곤란해진다.

보다 구체적으로는, 강재와 알루미늄재의 이재를 접합하는 경우, 강재는 알루미늄재와 비교하여, 융점, 전기 저항이 높고, 열전도율이 작으므로, 강측의 발열이 커져, 우선 저융점인 알루미늄이 용융된다. 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접과 같은, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에서의 용접에 있어서는, 강재측은 용해되지 않아, 이 강재측으로부터 Fe가 확산되어 계면에서 Al-Fe계의 취약한 반응층이 형성된다.

이로 인해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에서의 용접에 있어서, 높은 접합 강도를 얻기 위해서는, Al-Fe계의 반응층은 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다. 그러나 강재측의 외부 산화물층이 파괴되지 않아, 강재측으로부터의 Fe의 확산이나 Al-Fe계의 반응층 생성을 지나치게 억제하여, 접합부의 전체 면적에 대한 반응층의 형성 면적이 지나치게 작아도, 야금적 접합을 할 수 없으므로 높은 접합 강도는 얻어지지 않는다. 따라서, 높은 접합 강도를 실현하기 위해서는, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시킬 필요가 있다.

이와 같이, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우에는, 강재끼리의 스폿 용접과는 용접 메커니즘이 완전히 달라, 이종 금속끼리의 높은 접합 강도를 실현하는 것이 현저하게 곤란해진다.

이에 대해, 본 발명과 같이, 상기 새롭게 생성시킨 Mn, Si 등을 포함하는 외부 산화물층과 내부 산화물층을, 상기 요지와 같이 서로의 조성 밸런스를 도모한 후에, 서로 일정 비율로 존재시키면, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우에, 상기 반응층의 과잉 생성을 억제하여, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 광범위하게 형성시키는 효과를 발휘한다. 이 결과, 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에서의 용접 이재 접합의 경우에, 2kN 이상의 높은 접합 강도를 실현할 수 있다.

제2 해결 수단의 효과

본 발명은, 강재의 강체 표면의 Mn, Si를 포함하는 외부 산화물층에 의해, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 억제하여, 접합 계면의 Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층의 과잉 생성을 억제하는 점에서는 상기 특허 문헌 7과 동일하다. 단, 상기 특허 문헌 7과 크게 다른 점은, 강재의 상기 외부 산화물층을 보다 파괴되기 어려운 조성으로 하는 동시에, 알루미늄 합금재측을, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소로 하여, Mg를 많이 포함하는 합금 종류인 5000계 혹은 7000계의 알루미늄 합금으로 한 것이다.

알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접에서는, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건으로 용접한다. 이러한 경우에는, 외부 산화물층의 조성에 따라, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산이 크게 좌우된다. 즉, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성(종류)에 따라 이 외부 산화물층의 적정한 조성 조건은 다르고, 외부 산화물층의 조성과, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성의 조합(상성)을 적정화함으로써 비로소, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 효과적으로 억제할 수 있다. 그리고 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 반응층(금속간 화합물층)의 과잉 생성을 억제하는 효과가 보다 높아진다.

이에 대해, 상기 특허 문헌 7에서는, 6000계 알루미늄 합금재를 실시예로 하고 있지만, 용접 방법이나, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재의 재료의 조합에 한정이 없다. 환언하면, 상기 특허 문헌 7은, 용접 방법이나, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재의 재료의 조합이 달라도, 동일한 외부 산화물층의 조건[후술하는 도 1의 (b)의 조건]에 의해 접합하려고 하고 있다. 이 결과, 특허 문헌 7에서 규정하는 외부 산화물층의 조건에서는, 특히 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접에 의한 이재 접합체의 경우에, 후술하는 바와 같이 이 외부 산화물층의 조성과, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성의 상성(조합)이 나빠진다. 이로 인해, 특허 문헌 7에서는, 그 실시예와 같이 6000계 알루미늄 합금재라도, 강재와의 스폿 용접에 의한 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가, 높아도 2kN 미만으로 낮아질 수밖에 없다. 이에 대해, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성과, 외부 산화물층의 조성을 적정하게[후술하는 도 1의 (c)의 조건으로] 제어하면, 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접에 관해서는, 2kN 이상의 높은 접합 강도가 얻어진다.

단, 이재 접합체로부터의 조건, 혹은 강재의 제조 조건이나, 사용하는 강재의 제약 등의 여러 조건에 따라서는, 강재측의 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조성 밸런스를 적정하게[후술하는 도 1의 (c)의 조건으로] 할 수 없는 경우도 있다. 또한, 이와 같이 적정화된 강재를 사용할 수 없는 경우도 있다. 이들과 같은 경우를 포함하여, 실제의 이재 접합의 장면에서는, 강재측을, 상기 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층보다도 더욱 파괴되기 어려운 조성[후술하는 도 1의 (a)의 조건]에 의해 접합할 수밖에 없는 필요성도 발생한다. 본 발명은 이러한 경우를 상정하여 이루어진 것이다.

이와 같이, 본 발명은 상기 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층보다도 더욱 파괴되기 어려운 조성[후술하는 도 1의 (a)의 조건]의 외부 산화물층을 갖는 강재를 선택하여 접합할 수밖에 없는 경우라도, 높은 접합 강도를 얻는 것을 목적으로 한다. 이로 인해, 본 발명에서는 이러한 파괴되기 어려운 조성의 외부 산화물층을 갖는 강재에 대해, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성을, 상기 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소로 하여, Mg를 많이 포함하는 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재로 한다. 이에 의해, 강재가 파괴되기 어려운 외부 산화물층을, Mg의 환원 작용에 의해 파괴하여, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 필요한만큼, 또한 과잉으로 억제하지 않도록 효과적으로 제어한다. 이 결과, 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층의 과잉 생성을 억제하는 한편, 높은 접합 강도를 얻기 위한 필요 최소한의 Al-Fe계의 반응층은 확보하여, 높은 접합 강도를 얻는다.

여기서, 강재와 알루미늄재의 이재를 접합하는 경우, 강재는 알루미늄재와 비교하여, 융점, 전기 저항이 높고, 열전도율이 작기 때문에, 강측의 발열이 커져 우선 저융점인 알루미늄이 용융된다. 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접과 같은, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에 의한 용접에 있어서는, 강재측은 용해되지 않아, 이 강재측으로부터 Fe가 확산되어 계면에서 Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층)이 형성된다.

이로 인해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에서의 용접에 있어서, 높은 접합 강도를 얻기 위해서는 Al-Fe계의 반응층은 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다. 그러나 강재측의 외부 산화물층이 파괴되지 않아, 강재측으로부터의 Fe의 확산이나 Al-Fe계의 반응층 생성을 지나치게 억제하여, 접합부의 전체 면적에 대한 반응층의 형성 면적이 지나치게 작아도, 야금적 접합을 할 수 없으므로 높은 접합 강도는 얻어지지 않는다. 따라서, 높은 접합 강도를 실현하기 위해서는, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시킬 필요가 있다. 이와 같이, 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우에는, 강재끼리의 스폿 용접과는 용접 메커니즘이 완전히 달라, 이종 금속끼리의 높은 접합 강도를 실현하는 것이 현저하게 곤란해진다.

이 점, 강재측을, 상기 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층보다도 더욱 파괴되기 어려운 조성[후술하는 도 1의 (a)의 조건]의 외부 산화물층의 조건으로서 용접 접합하는 경우는, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다. 즉, 이러한 외부 산화물층은, 도 1의 (a)에서 후술하는 바와 같이, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 상기 평균 비율로서 80％ 이상으로 되어 있다. 이러한 경우, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건으로 용접 접합할 때에는, 상기 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 작용하여, Al-Fe계의 반응층을 지나치게 억제하여, 접합부의 전체 면적에 대한 반응층의 형성 면적이 지나치게 작아진다.

상기 특허 문헌 7의 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접예에 있어서의 접합 강도가, 높아도 2kN 미만으로, 2kN 이상의 접합 강도를 얻을 수 없었던 큰 이유 중 하나는, 이 때문이다. 상기 특허 문헌 7의 상기 외부 산화물층은, 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다.

이에 대해, 본 발명에서는, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성을, 상기 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소로 하여, Mg를 많이 포함하는 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재로 한다. 이 Mg의 작용에 의해, 상기한 바와 같이, 파괴되기 어려운 외부 산화물층을 환원에 의해 파괴하여, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 필요한만큼, 또한 과잉으로 억제하지 않도록 효과적으로 제어한다. 이 결과, 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 것과 같은, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에 의한 용접 이재 접합의 경우에, 2kN 이상의 높은 접합 강도를 실현할 수 있다.

제3 해결 수단의 효과

본 발명은, 강재의 강체 표면의 Mn, Si를 포함하는 외부 산화물층과, 강재의 강체 표면 바로 아래의 Mn, Si를 포함하는 내부 산화물층(이하, 입계에 존재하는 산화물 및 입내에 존재하는 산화물을 총칭하여 내부 산화물이라 하는 경우가 있음)의 양자에 의해, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 억제하여, 접합 계면의 Al-Fe계의 취약한 반응층의 과잉 생성을 억제하는 점에서는, 상기 특허 문헌 7과 동일하다. 단, 상기 특허 문헌 7과 크게 다른 점은, 알루미늄 합금재의 상기 강재와의 접합면측에, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소로서, Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 존재시키는 것이다.

단, 이재 접합체로부터의 조건, 혹은 강재의 제조 조건이나, 사용하는 강재의 제약 등의 여러 조건에 따라서는, 강재측의 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조성 밸런스를 적정하게[후술하는 도 1의 (c)의 조건으로] 할 수 없는 경우도 있다. 또한, 이와 같이 적정화된 강재를 사용할 수 없는 경우도 있다. 이들과 같은 경우를 포함하여, 실제의 이재 접합의 장면에서는, 강재측을, 상기 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조건[후술하는 도 1의 (b)의 조건]에 의해 접합할 수밖에 없는 필요성도 발생한다. 본 발명은, 이러한 경우를 상정하여 이루어진 것이다.

이와 같이, 본 발명은 알루미늄 합금재로서 6000계 알루미늄 합금재를, 또한 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조건의 강재를 각각 선택하여 접합할 수밖에 없는 경우라도, 높은 접합 강도를 얻는 것을 목적으로 한다. 이로 인해, 본 발명에서는 6000계 알루미늄 합금재의 상기 강재와의 접합면측에, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소로서, Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 존재시킨다. 이에 의해, 강재의 파괴되기 어려운 외부 산화물층을, Li, Mn에 의한 환원 작용에 의해 파괴하여, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 필요한만큼, 또한 과잉으로 억제하지 않도록 효과적으로 제어한다. 이 결과, 접합 계면에 있어서의, Al-Fe계의 취약한 반응층(금속간 화합물층)의 과잉 생성을 억제하는 한편, 높은 접합 강도를 얻기 위한 필요 최소한의 Al-Fe계의 반응층(금속간 화합물층)은 확보하여 높은 접합 강도를 얻는다. 접합하는 한쪽의 6000계 알루미늄 합금재는, 원래 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소를 합금 원소로서 포함하고 있지 않고, 가령 포함하고 있어도 환원하는 데 충분한 양은 포함하고 있지 않은 경우가 많다.

여기서, 강재와 알루미늄재의 이재를 접합하는 경우, 강재는 알루미늄재와 비교하여, 융점, 전기 저항이 높고, 열전도율이 작으므로, 강측의 발열이 커져, 우선 저융점인 알루미늄이 용융된다. 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접과 같은, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에 의한 용접에 있어서는, 강재측은 용해되지 않아, 이 강재측으로부터 Fe가 확산되어, 계면에서 Al-Fe계의 취약한 반응층이 형성된다.

이로 인해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에 의한 용접에 있어서, 높은 접합 강도를 얻기 위해서는, Al-Fe계의 반응층은 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다. 그러나 강재측의 외부 산화물층이 파괴되지 않아, 강재측으로부터의 Fe의 확산이나 Al-Fe계의 반응층 생성을 지나치게 억제하여, 접합부의 전체 면적에 대한 반응층의 형성 면적이 지나치게 작아도, 야금적 접합을 할 수 없으므로 높은 접합 강도는 얻어지지 않는다. 따라서, 높은 접합 강도를 실현하기 위해서는, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시킬 필요가 있다. 이와 같이, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우에는, 강재끼리의 스폿 용접과는 용접 메커니즘이 완전히 달라, 이종 금속끼리의 높은 접합 강도를 실현하는 것이 현저하게 곤란해진다.

이 점, 강재측을, 상기 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층의 조건으로서 용접 접합하는 경우는, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다. 즉, 특허 문헌 7과 같은 외부 산화물층은, 도 1의 (b)에서 후술하는 바와 같이, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 상기 평균 비율로서 50％ 이상으로 되어 있다. 이러한 경우에는, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건으로 용접 접합할 때에는, 상기 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 작용하여, Al-Fe계의 반응층을 지나치게 억제하여, 접합부의 전체 면적에 대한 반응층의 형성 면적이 지나치게 작아진다.

상기 특허 문헌 7의, 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접예에 있어서의 접합 강도가, 높아도 2kN 미만으로, 2kN 이상의 접합 강도를 얻을 수 없는 큰 이유 중 하나는, 이 때문이다. 상기 특허 문헌 7의 상기 외부 산화물층은, 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진하는 것이 곤란해진다.

이에 대해, 본 발명에서는, 알루미늄 합금재의 상기 강재와의 접합면측에, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 기능을 갖는 원소로서, Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 존재시킨다. 이에 의해, 상기한 바와 같이, 파괴되기 어려운 외부 산화물층을 환원에 의해 파괴하여, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 필요한만큼, 또한 과잉으로 억제하지 않도록 효과적으로 제어한다. 이 결과, 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 것과 같은, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 조건에서의 용접 이재 접합의 경우에, 2kN 이상의 높은 접합 강도를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 이재 접합용의 강판 단면을 도시하는 모식도이다.

제1 실시 형태

(강재의 산화물 구성)

이하에, 본 발명에서 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스에 대해 설명한다.

일단 산세된 후에, 다른 산소 분압으로 제어한 분위기에서 어닐링된, Mn, Si를 포함하는 강재 표면의 산화물(강재 단면 구조)을 도 1의 (a) 내지 도 1의 (c)에 각각 모식적으로 도시한다. 도 1의 (a)는 저산소 분압(저이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 도 1의 (b)는 중간 산소 분압(비교적 고이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 도 1의 (c)는 고산소 분압(고이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 이 중, 도 1의 (c)가, 본 발명에서 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스를 도시한다.

도 1의 (a):

도 1의 (a)의 저산소 분압 분위기 어닐링의 경우, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된, Mn, Si를 포함하는 강재는, 강재의 강체 표면이 50㎚ 정도의 얇은 외부 산화물층에 의해 피복되어 있다. 그러나 산소 분압이 낮으므로, 강재 내부까지 산소는 침입(확산)되지 않아, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부에는, 입계 산화물을 포함하는 내부 산화물은 형성되지 않는다.

이 외부 산화물층은, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 기존의 산화물층이 제거된 후에, 상기 어닐링에 의해 새롭게 생성된 산화물층이고, Mn, Si가 농화되어, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 Fe 산화물로 이루어지는 산화물 및 공극으로 구성된다. Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물은, 예를 들어 대표적으로는 Mn₂SiO₄, SiO₂등으로 이루어지는 산화물로 구성된다. 또한, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 산화물은, 예를 들어 대표적으로는 Fe₃O₄등으로 이루어지는 산화물로 구성된다.

이러한 도 1의 (a)의 경우, 강재의 강체 표면을 외부 산화물이 전체적으로 피복하므로, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 80 내지 100％로 높아진다. 따라서, 이러한 외부 산화물층은, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)의 외부 산화물층보다도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 커, 보다 파괴되기 어렵다. 또한, 이러한 도 1의 (a)의 외부 산화물층으로 한 경우에는, 내부 산화물은 필연적으로 적어진다. 따라서, 예를 들어 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 강 영역에 존재하는 내부 산화물은, 결정립계에 존재하는 산화물 및 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물이 차지하는 평균 면적 비율로 0％이거나, 존재해도 5％ 미만으로 된다.

도 1의 (b):

이에 대해, 도 1의 (b)의, 산소 분압이 도 1의 (a)보다도 비교적 높은, 중간 산소 분압의 분위기 어닐링의 경우, 강재 내부까지 산소가 침입(확산)된다. 이로 인해, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된 Mn, Si를 포함하는 강재에는, 상기한 외부 산화물층과 함께, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부의 비교적 얕은, 예를 들어 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하의 강 영역에 내부 산화물이 형성된다. 상기 특허 문헌 7에서, 용접 방법이나, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재의 재료의 조합이 달라도, 동일한 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조건으로 하고 있는 것은, 이 도 1의 (b)의 조건이다.

이 내부 산화물 중, 입내에 생성되는 산화물은, 후술하는 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, SiO₂나 Mn₂SiO₄로 이루어지는 구상(球狀) 내지 입상(粒狀)의 산화물과, Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄등의 산화물이다. 또한, 이때, 후술하는 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 강의 입계 상에 입계 산화물도 형성되지만, 이들 입계 산화물은 대체로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입상의 산화물이다.

분위기 어닐링의 산소 분압이 높아짐에 따라, 보다 강재 내부까지 산소가 침입(확산)되거나, 혹은 보다 많은 산소가 침입(확산)되게 되어, 이들 내부 산화물이 존재하는 영역이 확대되거나, 이들 내부 산화물량이 많아진다.

한편, 이들 내부 산화물과는 반대로, 분위기 어닐링의 산소 분압이 높아짐에 따라, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 포함하는 산화물이 차지하는 비율은 줄어들게 된다. 즉, 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층에서는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50 내지 80％로 되어, 상기 도 1의 (a)의 경우보다는 낮아진다.

도 1의 (c):

이 도 1의 (c)는, 산소 분압이 도 1의 (b)보다도 더 높은, 고산소 분압의 분위기 어닐링의 경우를 도시하고, 본 발명에서 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스를 나타낸다. 이 도 1의 (c)의 경우에는, 도 1의 (b)보다도 더욱 강재 내부까지 산소가 침입(확산)된다. 이로 인해, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된, Mn, Si를 포함하는 강재에는, 상기 외부 산화물층과 함께, 상기한 내부 산화물이, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부의 비교적 깊은 영역, 보다 강재 내부에 깊게 형성된다. 이들 내부 산화물은, 주로 이 강재의 강체 표면으로부터 20㎛의 깊이까지의 강 영역에 형성된다.

이에 대해, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 이 도 1의 (c)의 경우는 상기 도 1의 (b)의 경우보다도 더 줄어든다. 즉, 도 1의 (c)의 경우, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 0.1％ 이상, 50％ 미만으로 가장 낮아진다. 이러한 외부 산화물층은, 상기한 도 1의 (a), 도 1의 (c)의 외부 산화물층보다도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 가장 작아, 보다 파괴되기 쉽다.

여기서, 통상의 연강재 등의 강재의 표면 상의 외부 산화층은, 통상 αFeOOH, γFeOOH, 무정형 옥시 수산화물, Fe₃O₄등의 산화물로 구성된다. 이에 대해, 본 발명과 같은 Mn, Si를 포함하는 하이텐이며, 일단 산세된 후에, 상기한 바와 같이 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링된, 강재의 표면 상의 외부 산화층은 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 상기 산화물과, 잔량부는 Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄ 등의 산화물 및 공극으로 구성된다.

(외부 산화층의 작용)

도 1의 강재와 알루미늄 합금재의 용접 접합시에는, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층을 파괴하여, 강재와 알루미늄 합금재의 접합면에 Al-Fe 반응층이 형성된다. 이 점에서, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층에는, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과가 있다.

그러나 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우, 이러한 효과는 강재 표면 상에 상기 조성의 외부 산화층이 있으면 발휘되는 것이 아니라, 일정 비율의 Mn, Si를 포함하는 산화물 상(相)이 일정량 이하의 비교적 소량만 존재하는 경우로 한정된다. 즉, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50％ 이하인 경우밖에, 이러한 효과는 발휘되지 않는다.

이 이유는, 통상의 6000계 알루미늄 합금재에는, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층을 환원에 의해 파괴할 뿐인 강력한 환원제로 되는 합금 원소를 포함하고 있지 않아, 강재와의 계면에, 이들 합금 원소를 존재시킬 수 없기 때문이다. 이로 인해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 가령 알루미늄 합금측이 용해되어도, 강재와의 계면에서는 강재 표면 상의 외부 산화층을 환원에 의해 파괴하여, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진하는 것이 곤란해진다. 이 결과, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시키는 것이 곤란해진다.

상기 특허 문헌 7의, 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접예에 있어서의 접합 강도가, 높아도 2kN 미만으로, 2kN 이상의 접합 강도를 얻을 수 없는 큰 이유 중 하나는, 이 때문이다. 상기 특허 문헌 7에서는, 고강도 강판 표면 상에 새롭게 생성시킨 외부 산화물층을, 본 발명과 같은 특정 비율의 Mn, Si 조성의 산화물로 하고 있다. 그러나 그 비율은, 상기 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층과 마찬가지로, 상기 평균 비율이 50％ 이상(50 내지 80％)으로 지나치게 많다. 이 결과, 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 상기 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진하는 것이 곤란해진다.

따라서, 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합이며, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접에서는, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율을, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50％ 미만으로 한다.

한편, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 상기 평균 비율이 지나치게 적으면, 상기한 통상의 연강재 등의 강재의 표면 상의 외부 산화층과 큰 차이가 없어진다. 이로 인해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우라도, 또한 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재와 같은 경우라도, 용이하게 외부 산화물층이 파괴된다. 이 결과, 용해된 알루미늄 합금측으로의, 강재측으로부터의 Fe의 확산이 과잉으로 촉진되어, 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 반응층의 과잉 생성을 억제할 수 없어 이재 접합체의 접합 강도가 현저하게 저하된다.

따라서, 우선 본 발명에서는, 강재의 강체 표면 상에 존재하는 외부 산화물층에 있어서, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 0.1％ 이상, 50％ 미만, 바람직하게는 0.1％ 이상, 30％ 미만, 보다 바람직하게는 0.1％ 이상, 5％ 미만으로 한다.

이러한 외부 산화물층을 얻기 위해, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 분위기 어닐링의 산소 분압을 보다 높게 하여, 상기 내부 산화물을 보다 강재 내부까지, 보다 깊게 형성하는 한편, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 포함하는 산화물이 차지하는 비율을 크게 줄인 고산소 분압의 분위기 어닐링의 경우로 한다.

이것에 의해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과가 보다 커진다. 이에 의해, 스폿 용접 접합 계면에 있어서의 반응층의 평균 두께는, 후술하는 바와 같이 0.1 내지 10㎛의 최적 범위로 제어된다. 이 결과, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접된 이재 접합체에 대해, 상기 2kN 이상의 높은 접합 강도가 얻어진다.

(내부 산화물의 작용)

강체 표면 바로 아래의 내부 산화물층에는, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층과 마찬가지로, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 접합시의 Fe의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과가 있다.

즉, 강재와 알루미늄 합금재의 용접 접합시에는, 강재의 내부 산화물은, 강재 표면 상의 상기 외부 산화물층을 파괴하여 형성된 Al-Fe 반응층 중에 고용(固溶)되고, Fe, Al의 확산을 억제하여, 반응층이 과잉으로 생성되는 것을 억제한다. 이들 기능을 갖는 내부 산화물은, SiO₂나 Mn₂SiO₄등의 구상 산화물로 이루어지고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 것이다.

그러나 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우, 이러한 효과는 강체 표면 바로 아래에 내부 산화물층이 있으면 발휘되는 것이 아니라, 일정 비율의 Mn, Si를 포함하는 산화물 상이 일정량 이상이고, 또한 강체 표면 바로 아래의 일정 이상의 깊이에 존재하는 경우로 한정된다. 즉, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 이들의 내부 산화물을 소정의 비율로 포함하는 내부 산화물층이, 이 강재의 강체 표면으로부터 깊이 방향으로 20㎛ 이상 형성되는 경우밖에, 이러한 효과는 발휘되지 않는다.

이 이유는, 상기한 바와 같이, 통상의 6000계 알루미늄 합금재에는, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층을 환원에 의해 파괴할 만큼의 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하고 있지 않아, 강재와의 계면에, 이들의 합금 원소를 존재시킬 수 없기 때문이다. 이로 인해, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 상기 외부 산화물층을 비교적 용이하게 파괴하는 장벽으로 하고 있다. 단, 이와 같이 상기 외부 산화물층을 비교적 용이하게 파괴되도록 한 경우에는, 상기 외부 산화물층의 Fe, Al의 확산에 대한 장벽 효과가 비교적 저하되므로, Fe, Al의 확산을 효과적으로 억제하기 위해서는, 상기 내부 산화물의 작용이 보다 중요해진다.

즉, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 내부 산화물이, 강재 표면 상의 상기 외부 산화물층을 파괴하여 잇따라 형성되는 Al-Fe 반응층 중에, 용접시를 통해 지속적으로, 보다 많이 고용하여, Fe, Al의 확산을 억제하여, 반응층이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 필요가 있다. 이것을 위해서는, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 이 내부 산화물량을 확보하기 위해, 내부 산화물의 밀도의 확보와 함께, 이 내부 산화물을 소정의 비율로 포함하는 내부 산화물층을, 강재의 강체 표면으로부터 적어도 20㎛ 이상 형성할 필요가 있다.

상기 특허 문헌 7의, 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접예에 있어서의 접합 강도가, 높아도 2kN 미만으로, 2kN 이상의 접합 강도를 얻을 수 없었던 큰 이유 중 하나는, 이 때문이다. 상기 특허 문헌 7에서는, 내부 산화물층을, 본 발명과 동일한, 특정 비율의 Mn, Si 조성의 산화물로서 존재시키고 있다. 그러나 그 내부 산화물층의 존재 영역은, 상기 도 1의 (b)에 있어서의 내부 산화물층과 마찬가지로, 강재의 강체 표면으로부터 10㎛ 이하인, 비교적 얕은 강 영역에밖에 형성되어 있지 않다. 이로 인해, 내부 산화물이, 강재 표면 상의 상기 외부 산화물층을 파괴하여 잇따라 형성되는 Al-Fe 반응층 중에 고용되는 점은 동일하지만, 용접시를 통한, 지속적이고 보다 많은 고용은 할 수 없다. 환언하면, Fe, Al의 확산을 억제하여, 반응층이 과잉으로 생성되는 것을 억제하는 효과가, 형성되는 Al-Fe 반응층에 대해 적어진다. 이 결과, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 특히 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시키는 것이 곤란해진다.

단, 이러한 표면 조직을 갖는 강재에서는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이, 강재 내부 깊이까지 많이 존재하면, 용접 조건에 의해, 오히려 접합시의 Fe와 Al의 확산이 지나치게 억제되어, 반응층의 두께를 충분히 확보할 수 없거나, 균일하게 반응층을 생성시키는 것이 곤란해져, 높은 접합 강도를 얻을 수 없게 될 가능성도 있다. 따라서, 이 내부 산화물층을 필요 이상으로 깊게 설치할 필요는 없다.

따라서, 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합이며, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접에서는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물을 소정의 비율로 포함하는 내부 산화물층을, 이 강재의 강체 표면으로부터 적어도 20㎛까지의 깊이의 강 영역에 존재시킨다. 이것을 보다 구체적으로 정의하면, 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물이 차지하는 비율을, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서, 5％ 이상이고 20％ 미만으로 한다. 또한, 내부 산화물 중, 입내에 생성되는 산화물은, 전술한 바와 같이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 구상 내지 입상의 산화물과, Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄등의 산화물이 있고, 한편 강의 입계 상에 형성되는 산화물은 대체로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입상의 산화물이다. 따라서, 본건 발명에 있어서는, 내부 산화물의 규정에 있어서, 입계에 존재하는 산화물 및 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율을 5％ 이상이고 20％ 미만으로 한다.

이것에 의해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과가 보다 커진다. 이에 의해, 스폿 용접 접합 계면에 있어서의 반응층의 평균 두께는, 후술하는 바와 같이 0.1 내지 10㎛의 최적 범위로 제어된다. 이 결과, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접된 이재 접합체에 대해, 상기 2kN 이상의 높은 접합 강도를 얻을 수 있다.

Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물의 밀도가 상기 평균 면적 비율로서 5％ 미만에서는, 이 내부 산화물이 존재하는 강재의 깊이 영역을 만족시켰다고 해도, 내부 산화물의 밀도가 지나치게 적어, 상기 효과 발휘를 위한 내부 산화물의 양이 부족하다. 한편, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물 밀도가 상기 평균 면적 비율로서 20％ 이상으로 된 경우는, 오히려 강재와 알루미늄재의 접합 계면에 있어서의 반응층이 국소적으로 성장하고, 균일하게 성장하지 않아, 적절한 용접 조건으로 해도, 야금적 접합이 불가능해질 가능성이 높다.

(강재 내부 조직)

상기한 바와 같이, 강재에서는, 이 내부 산화물층을, 20㎛를 크게 초과하여 깊게 설치할 필요는 없다. 따라서, 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛를 초과하고 30㎛ 이하인 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물이 차지하는 비율을, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서, 10％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

(산화물의 측정 방법)

본 발명에 있어서의 산화물의 측정은, EDX(에너지 분산형 X선 분광법)를 병용한 1만 내지 3만배의 배율의 TEM(투과형 전자 현미경)으로 행한다. 즉, 외부 산화물은, EDX에 의해, 강재의 두께 방향 단면에 있어서의, 강체와 외부 산화물층의 계면을 대략 수평 방향으로 분석함으로써, 계면 근방의 외부 산화물층 중의 Mn, Si의 합계량을 구하고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 계면 근방의 산화물의 상(복수의 산화물)을, 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 계속해서, TEM에 의해, 이 EDX 분석과 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 상기 계면에 있어서의 대략 수평 방향의 길이를 구한다. 그리고 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물 상의 합계 길이의 비율을 구한다. 이것을 복수 개소에서 행하여, 평균화한다.

내부 산화물은, 상기한 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 소정의 강 영역의 복수 개소에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물을, 상기한 EDX에 의해, 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 그리고 TEM에 의해, 이 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 면적 비율을 각각 구한다. 여기서, 이 강 영역에 있어서의 입계 산화물이 차지하는 면적도, 전술한 바와 같이 이 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물로서, 내부 산화물이 차지하는 면적 비율에 더한다. 이것을 복수 개소에서 행하여 평균화한다. 또한, 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛를 초과하고, 30㎛ 이하인 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물이 차지하는 비율도 동일한 방법으로 측정한다.

(산화물층 제어)

이들 강재의 외부 산화물 및 내부 산화물의 제어는, 상기한 바와 같이, 강재의 어닐링 조건(산소 분압)을 제어함으로써 행할 수 있다. 보다 구체적으로는, 강재의 어닐링 분위기 중의 산소 분압(이슬점)을 바꾸어 제어할 수 있다. 어느 강 종류에 있어서도, 산소 분압(이슬점)이 높은 경우는, 강재 표면 상의 외부 산화물층 중의 Mn, Si가 농화된 산화물량이 적어진다. 또한, 강 내부까지 산화되고, 내부 산화, 입계 산화가 진행되어, 강 내에 SiO₂, Mn₂SiO₄등이 형성되어, 강 내에 차지하는 Mn, Si를 포함하는 산화물의 면적 비율이 높아진다.

한편, 어느 고강도강의 강 종류에 있어서도, 산소 분압(이슬점)이 낮은 경우는, 강재 표면 상의 외부 산화물층 중의, Mn₂SiO₄, SiO₂등의 Mn, Si가 농화된 산화물은 형성되지만, 그 양 내지 면적 비율은 많아진다. 한편, 강 내부의 산화는 진행되기 어려워져, 강 내의 SiO₂, Mn₂SiO₄등의 형성량은 적어져, 강 내에 차지하는 Mn, Si를 포함하는 산화물의 면적 비율은 적어진다.

(이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 반응층)

상기와 같이 표면의 산화물층을 제어한 강재와 알루미늄재를 용접으로 접합한 이재 접합체에 있어서는, 적절한 용접 조건으로 함으로써, 높은 접합 강도가 얻어진다. 단, 용접 소재측의 조건을 갖추어도, 용접 시공 조건(용접 조건)에 따라서는, 높은 접합 강도를 실현할 수 없는 경우가 있다.

이로 인해, 이재 접합체측으로부터 보아, 높은 접합 강도를 얻기 위한 조건을 규정하고, 용접 조건도, 이 이재 접합체측 조건에 맞도록 제어하여 최적화할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는, 바람직하게는 이재 접합체로서 높은 접합 강도를 얻기 위한 스폿 용접 조건을 규정한다.

상기한 바와 같이, 이재 접합체측으로부터 보면, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Fe와 Al의 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시킬 필요가 있다. 즉, 우선, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께로서, 알루미늄재와의 접합 계면에 있어서의 반응층의 너깃 깊이 방향(강재의 판 두께 방향)의 평균 두께를 0.1 내지 10㎛의 범위로 제어하는 것이 필요하다.

강재와 알루미늄재의 용접 접합 계면에서는, 반응층으로서, 강재측에는 층상의 Al₅Fe₂계 화합물층, 알루미늄재측에는 입상 또는 침상의 Al₃Fe계 화합물과 Al₁₉Fe₄Si₂Mn계 화합물이 혼재된 층을 각각 갖는다.

이들 취약한 반응층의 너깃 깊이 방향의 두께가 10㎛를 초과하면, 접합 강도는 현저하게 저하된다. 한편, 반응층의 너깃 깊이 방향의 두께가 0.1㎛보다 얇은 경우는, 야금적 접합이 불충분해져, 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는다. 따라서, 상기 표면의 산화물층을 제어한 강재와 알루미늄재의 접합 계면에 있어서의 반응층의 평균 두께는 0.1 내지 10㎛의 범위로 한다.

(반응층의 형성 범위)

다음에, 이재 접합체에 있어서의 상기 Fe와 Al의 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시킬 필요가 있다. 즉, 접합 후의 상기 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접이나 FSW(마찰 교반 접합) 등의 점 용접에서는, 접합 면적(강재의 대략 수평 방향, 너깃 깊이 방향에 직각인 방향)의 70％ 이상의 면적인 것이 바람직하다.

반응층은 상기 적정한 두께 범위 상에서, 이 적정한 두께 범위가, 가능한 한 광범위하고 균일하게 형성되지 않으면, 확실하게 야금적 접합을 달성할 수 없을 가능성이 있다. 이에 대해, 상기 적정한 두께 범위의 반응층이, 상기 70％ 이상 형성되면 충분한 접합 강도가 확실하게 얻어진다.

(이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 반응층의 측정)

상기 본 발명에 있어서의 반응층의 측정은, 후술하는 실시예와 같이, 강재-알루미늄재의 접합부를 절단하여, 단면으로부터 접합 계면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하여, 반응층의 상기 측정을 행한다.

(강재의 화학 성분 조성)

우선, 본 발명이 대상으로 하는 강재의 성분 조성에 대해 이하에 설명한다. 본 발명에서는, Si, Mn 등을 포함하는 인장 강도가 450㎫ 이상인 고강도 강재(하이텐)를 주된 대상으로 한다. 또한, 표면 상의 기존의 산화물층을 산세 등에 의해 일단 제거한 후에, 또한 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링 등을 한 경우에, Si, Mn 등을 소정량 포함하는 외부 산화물층을 새롭게 생성시킬 수 있는 강재를 대상으로 한다.

이로 인해, 강재의 성분 조성에 대해서는, Si, Mn 등을 소정량 포함하는 것을 전제로, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하고, 바람직하게는 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성으로 한다. 또한, 이것에 더하여, Al:0.002 내지 0.1％를 더 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성으로 해도 좋다. 또한, 이 Al에 더하여, 혹은 Al 대신에, Nb:0.005 내지 0.10％, Ti:0.005 내지 0.10％, Zr:0.005 내지 0.10％, Cr:0.05 내지 3.00％, Mo:0.01 내지 3.00％, Cu:0.01 내지 3.00％, Ni:0.01 내지 3.00％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성으로 해도 좋다.

여기서, 강재의 불순물로서의 P, S, N 등은, 강재의 인성이나 연성, 혹은 접합 강도 등의 여러 특성을 저하시키므로, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로, 각각 규제한다. 또한, 본 발명에 있어서의 화학 성분의 단위(각 원소의 함유량)는, 알루미늄 합금을 포함하여, 모두 질량％이다.

강재의 각 성분 원소의 한정 이유는 이하와 같다.

C:

C는 강도 상승에 필요한 원소이지만, 함유량이 0.01％ 미만에서는 강재의 강도 확보를 할 수 없고, 또한 0.30％를 초과하면 냉간 가공성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.01 내지 0.30％의 범위로 한다.

Si, Mn:

Si, Mn은, 강재의 표면에 Si 또는 Mn을 소정량 포함하는, 상기 외부 산화물층을 형성한다. 이 외부 산화물층은, Fe와 Al의 이재 접합의 경우에, 서로의 모재측으로부터의 Fe와 Al의 확산을 방해하여, 취약한 금속간 화합물의 형성을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 금속간 화합물의 취성의 개선에도 도움이 된다.

또한, Si, Mn은, 강재의 내부에 Si 또는 Mn을 소정량 포함하는, 상기 내부 산화물층을 형성한다. 이 내부 산화물층은, 강재 표면 상의 외부 산화물층을 파괴하여 형성된 Al-Fe 반응층 중에 고용되고, 서로의 모재측으로부터의 Fe, Al의 확산을 방지하여, 반응층이 과잉으로 생성되는 것을 억제한다.

따라서, 강재에 있어서의 Si, Mn의 함유량이 지나치게 적으면, 상기 외부 산화물층이나 내부 산화물층이 부족하여, 후술하는 바와 같이 이재 접합체의 접합 강도를 향상시킬 수 없다. 한편, 강재에 있어서의 Si, Mn의 함유량이 지나치게 많으면, 후술하는 바와 같이 오히려 이재 접합체의 접합 강도를 저하시킨다. 이로 인해, 적절한 상기 외부 산화물층이나 내부 산화물층을 형성하기 위해서는, 강재에 있어서의 Si, Mn은 본 발명에서 규정하는 함유량의 범위 내인 것이 필요하다.

Si:

Si는, 강재의 연성을 열화시키지 않아, 필요한 강도 확보가 가능한 원소로서도 중요하고, 그것을 위해서는 0.1％ 이상의 함유량이 필요하다. 한편, 3.00％를 초과하여 함유하면 연성이 열화된다. 따라서, Si 함유량은, 이 이유로부터도 0.1 내지 3.00％의 범위로 한다.

Mn:

Mn도, 강재의 강도와 인성을 확보하기 위한 원소로서도 필요 불가결하고, 함유량이 0.1％ 미만에서는 그 효과는 얻어지지 않는다. 한편, 함유량이 3.00％를 초과하면 현저하게 강도가 상승하여 냉간 가공이 곤란해진다. 따라서, Mn 함유량은, 이 이유로부터도 0.1 내지 3.00％의 범위로 한다.

Al:

Al은, 용강의 탈산 원소로서, 고용 산소를 포착하는 동시에, 블로우 홀의 발생을 방지하여, 강의 인성 향상을 위해서도 유효한 원소이다. Al 함유량이 0.002％ 미만에서는 이들의 충분한 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.1％를 초과하면, 반대로 용접성을 열화시키거나, 알루미나계 개재물의 증가에 의해 강의 인성을 열화시킨다. 따라서, Al 함유량은 0.002 내지 0.1％의 범위로 한다.

Nb, Ti, Zr, Cr, Mo, Cu, Ni 중 1종 또는 2종 이상:

Nb, Ti, Zr, Cr, Mo, Cu, Ni 중 1종 또는 2종 이상의 함유는, 공통적으로 강의 고강도화나 고인성화에 기여한다.

이 중, Ti, Nb, Zr은, 강 중에 탄질화물로서 석출되어 강도를 높이고, 강의 마이크로 조직을 미세화하여 강도, 인성 등을 향상시킨다. 단, 다량으로 함유시키면, 인성을 대폭 열화시킨다. 따라서, 함유시키는 경우는, Nb:0.005 내지 0.10％, Ti:0.005 내지 0.10％, Zr:0.005 내지 0.10％의 각 범위로 한다.

또한, 이 중, Cr, Mo, Cu, Ni는 강의 켄칭성을 향상시켜, 강도를 향상시킨다. 단, 다량으로 함유시키면, 강의 인성을 대폭 열화시킨다. 따라서, 함유시키는 경우는, Cr:0.05 내지 3.00％, Mo:0.01 내지 3.00％, Cu:0.01 내지 3.00％, Ni:0.01 내지 3.00％의 범위로 한다.

(강재의 강도)

본 발명에 있어서는, 자동차 부재 등의 용도로부터, 인장 강도가 450㎫ 이상인 고강도 강재(하이텐)를 주된 대상으로 한다. 이보다 저강도강에서는, 일반적으로 저합금강이 많고, 산화 피막이 거의 철 산화물이므로, Fe와 Al의 확산이 용이해져 취약한 반응층이 형성되기 쉽다. 또한, Si, Mn량이 적으므로, 강재의 표면 및 내부에, 본 발명에 있어서의 모재의 Fe와 Al의 확산 억제에 필요한 상기 Si, Mn을 포함하는 산화물이 형성되기 어려워, Si, Mn을 포함하는, 외부와 내부의 산화물(층)의 조성이나 두께의 제어를 할 수 없어, 용접시의 반응층의 제어가 곤란해진다. 또한, 강재의 강도가 부족하므로, 스폿 용접시의 전극 팁에 의한 가압에 의해 강재의 변형이 커져, 산화 피막이 용이하게 파괴되므로, 알루미늄과의 반응이 매우 촉진되어, 취약한 금속간 화합물이 형성되기 쉬워진다.

(알루미늄 합금재)

본 발명에서 사용하는 알루미늄 합금재는, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 각각 함유하는 Al-Mg-Si계의, AA 내지 JIS 규격에 있어서의 6000계 알루미늄 합금으로 한다. 이 합금재는, 자동차 차체의 각 부 용도에 따라서, 형상을 특별히 한정하는 것은 아니며, 상기한 범용되고 있는 판재, 형재, 단조재, 주조재 등이 적절하게 선택된다. 단, 알루미늄재의 강도에 대해서도, 상기 강재의 경우와 마찬가지로, 스폿 용접시의 가압에 의한 변형을 억제하기 위해 높은 쪽이 바람직하다.

상기 자동차 차체 패널용 등으로서는, 우수한 프레스 성형성이나 BH성(베이크 하드성), 강도, 용접성, 내식성 등의 여러 특성이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 6000계 알루미늄 합금판으로서의 조성은, 질량％로, Mg:0.1 내지 1.0％, Si:0.1 내지 1.5％, Mn:0.01 내지 1.0％, Cu:0.001 내지 1.0％를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금으로 하는 것이 바람직하다. 또한, BH성을 보다 우수하게 하기 위해서는, Si와 Mg의 질량비(Si/Mg)가 1 이상인 과잉 Si형의 6000계 알루미늄 합금판으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자동차 차체 보강재용 압출재 등으로서는, 우수한 굽힘 압괴성이나 내식성 등의 여러 특성이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 6000계 알루미늄 합금 압출재의 조성은, 질량％로, Mg:0.30 내지 1.0％, Si:0.30 내지 1.0％, Fe:0.01 내지 0.40％, Mn:0.001 내지 0.30％, Cu:0.001 내지 0.65％를 각각 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 각 바람직한 조성에 더하여, Cr:0.001 내지 0.2％, Zr:0.001 내지 0.2％ 중 1종 또는 2종을 합계량으로 0.30％ 이하, 혹은 Zn:0.001 내지 0.25％, Ti:0.001 내지 0.10％ 중 1종 또는 2종을 선택적으로 포함시켜도 좋다.

이 이외의 그 밖의 원소는, 기본적으로는 불순물이며, AA 내지 JIS 규격 등을 따른 각 불순물 레벨의 함유량(허용량)으로 한다. 그러나 리사이클의 관점에서, 용해재로서, 고순도 Al 지금(地金) 뿐만 아니라, 6000계 합금이나 그 밖의 알루미늄 합금 스크랩재, 저순도 Al 지금 등을 용해 원료로서 다량으로 사용한 경우에는, 불순물 원소가 혼입될 가능성이 높다. 그리고 이들 불순물 원소를 예를 들어 검출 한계 이하로 저감하는 것 자체가 비용 상승이 되어, 어느 정도의 함유의 허용이 필요해진다. 따라서, 그 밖의 원소는, 각각 AA 내지 JIS 규격 등을 따른 허용량의 범위에서의 함유를 허용한다.

상기 6000계 알루미늄 합금에 있어서의, 각 원소의 함유 의의는 이하와 같다.

Si:Si는 Mg와 함께, 고용 강화와, 도장 베이킹 처리 등의 상기 저온에서의 인공 시효 처리시에, 강도 향상에 기여하는 시효 석출물을 형성하여, 시효 경화능을 발휘하고, 예를 들어 180㎫ 이상의 필요 강도(내력)를 얻기 위한 필수 원소이다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 프레스 성형성이나 굽힘 가공성 등의 성형성이 현저하게 저하되고, 또한 용접성도 크게 저해된다.

Mg:Mg도, 고용 강화와, 도장 베이킹 처리 등의 상기 인공 시효 처리시에, Si와 함께 강도 향상에 기여하는 시효 석출물을 형성하여, 시효 경화능을 발휘하고, 패널로서 상기 필요 내력을 얻기 위한 필수 원소이다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 프레스 성형성이나 굽힘 가공성 등의 성형성이 현저하게 저하된다.

Cu:Cu는, 비교적 저온 단시간의 인공 시효 처리의 조건에서, 알루미늄 합금재 조직의 결정립 내로의 강도 향상에 기여하는 시효 석출물의 형성을 촉진시키는 효과가 있다. 또한, 고용된 Cu는 성형성을 향상시키는 효과도 있다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 내식성이나 용접성을 현저하게 열화시킨다.

Mn:Mn은, 균질화 열처리시에 분산 입자(분산상)를 생성하고, 이들 분산 입자에는 재결정 후의 입계 이동을 방해하는 효과가 있으므로, 미세한 결정립을 얻을 수 있는 효과가 있다. 프레스 성형성이나 헴 가공성은 알루미늄 합금 조직의 결정립이 미세할수록 향상된다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 기계적 성질을 저하시킨다. 또한 굽힘 가공성 등의 성형성이 저하된다.

Fe:Fe는, Mn, Cr, Zr 등과 동일한 작용을 하여, 분산 입자(분산상)를 생성하고, 재결정 후의 입계 이동을 방해하여 결정립의 조대화를 방지하는 동시에, 결정립을 미세화시키는 효과가 있다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 조대한 정출물을 생성하기 쉬워져, 파괴 인성 및 피로 특성 등을 열화시킨다.

Zn:Zn은 고용 강화에 의해 강도의 향상에 기여하는 것 외에, 시효 처리시에 최종 제품의 시효 경화를 현저하게 촉진시키는 효과도 갖는다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면, 응력 부식 균열이나 입계 부식의 감수성을 현저하게 높여, 내식성이나 내구성을 저하시킨다.

Ti:Ti는, 주괴의 결정립을 미세화하여, 압출재 조직을 미세한 결정립으로 하는 효과가 있다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면, 조대한 정석출물을 형성하여, 보강재로서의 상기 굽힘 압괴성이나 내식성 등의 요구 특성이나, 압출재의 굽힘 가공성 등을 저하시키는 원인이 된다.

Cr, Zr:Cr, Zr의 천이 원소는, Mn과 마찬가지로, Al-Cr계, Al-Zr계 등의 금속간 화합물로 이루어지는 분산 입자(분산상)를 생성하여, 결정립의 조대화를 방지하므로 유효하다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면, 조대한 정석출물을 형성하고, 함유량이 지나치게 많으면, 보강재로서의 상기 굽힘 압괴성이나 내식성 등의 요구 특성이나, 기계적 성질을 저하시킨다. 또한 굽힘 가공성 등의 성형성이 저하된다.

(강재나 알루미늄 합금재의 두께)

또한, 강재나 알루미늄 합금재의 용접되는 부분의 두께(판 두께 등)는 특별히 한정되지 않고, 자동차 부재 등의 적용 부재의 필요 강도나 강성 등의 설계 조건으로부터 적절하게 선택 내지 결정된다.

단, 자동차 부재 등을 상정하면, 실용적으로는 강재의 (용접되는 부분의) 두께(t)는 0.3 내지 3.0㎜로부터 선택된다. 강재의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 필요한 강도나 강성을 확보할 수 없어 부적정하다. 또한, 그것에 더하여, 예를 들어 스폿 용접에 의한 경우에는, 그 전극 팁에 의한 가압에 의해, 강재의 변형이 커, 산화 피막이 용이하게 파괴되므로 알루미늄과의 반응이 촉진된다. 그 결과, 금속간 화합물이 형성되기 쉬워진다. 한편, 강재의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 스폿 용접 접합 자체가 어려워진다.

또한, 알루미늄 합금재의 (용접되는 부분의) 두께(t)는, 마찬가지로 자동차 부재 등을 상정하면, 0.3 내지 5.0㎜의 범위로부터 선택된다. 알루미늄 합금재의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 강도가 부족하여 부적절한 것에 더하여, 너깃 직경이 얻어지지 않아, 알루미늄 재료 표면까지 용융이 도달되기 쉬워 티끌이 발생하기 쉬우므로, 높은 접합 강도가 얻어지지 않을 가능성이 있다. 한편, 알루미늄 합금재의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 상기한 강재의 판 두께의 경우와 마찬가지로, 용접 접합 자체가 어려워진다.

(접합 방법)

또한, 본 발명에 있어서, 용접 방법은, 전제로서, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 용접을 선택한다. 이 점에서, 접합 방법은, 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(마찰 교반 접합, FSW, 스폿 FSW라고도 함)에 한정된다. 즉, 강재측도, 알루미늄 합금재측도 모두 용해되는 MIG 용접, 레이저 용접은 대상 외이며, 양쪽 모두 용해되지 않는 초음파 접합, 확산 접합, 마찰 압접, 브레이징 등의 용접 방법도 대상 외이다. 또한, 생산성이나 적절한 조건의 채용의 용이성 등으로부터, 프릭션 스폿 접합보다도 스폿 용접에 의한 접합의 쪽이 보다 바람직하다.

또한, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되도록 하기 위한, 스폿 용접의 접합 개소마다의 바람직한 조건으로서는, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 접합되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전하는 것이다. 이들을 벗어난, 후술하는 표 4에 나타내는 a 내지 d와 같은 부적절한 스폿 용접 조건에서는, 이재 접합체의 높은 접합 강도가 얻어지지 않는다.

(제1 실시예)

이하, 실시예로서 스폿 용접에 의한 이재 접합을 각각 행하여, 이재 접합체를 제작하였다. 그리고 이들 각 이재 접합체의 접합 강도를 측정, 평가하였다.

구체적으로는, 표 1에 나타내는 각 성분 조성에 의해 용제하여 1.2㎜ 두께까지 압연한 강판을, 일단 산세하여 기존의 표면 산화층을 제거한 후, 표 3에 나타내는 A, B, C, D, E, F, G의 각 조건에서 어닐링 분위기 중의 산소 분압(이슬점)을 다양하게 바꾸고, 단 어닐링 온도는 1000℃, 어닐링 시간은 2000sec로 공통적으로 일정하게 하여, 표면 및 표면층의 산화 구조가 다른 강판을 제작하였다. 여기서, 표 1에 나타내는 각 성분 조성의 강판은 모두 본 발명이 대상으로 하는 고강도 강판이며, 각 강판의 인장 강도는, 모두 450㎫ 이상인 780 내지 1280㎫의 범위이다.

이들 어닐링 후의 각 강판의 외부 산화물층 조성, 내부 산화물층 조성 등의 각 산화 구조도 표 3에 각각 나타낸다. 표 3에 나타내는 어닐링 조건 중, 순차 산소 분압(이슬점)이 높아지는 D, E, F, G는 산소 분압(이슬점)이 적합한 어닐링 조건이다. 이로 인해, 표 3에 나타내는 바와 같이, 어닐링 조건 D, E, F, G는, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건을 만족시킨다. 즉, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 0.1％ 이상, 50％ 미만의 범위 내이다.

또한, 어닐링 조건 D, E, F, G는, 내부 산화물 1(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물)이 차지하는 비율이, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서, 5％ 이상이고 20％ 미만의 범위 내이다. 또한, 내부 산화물 2(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛를 초과하고 30㎛ 이하인 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물)가 차지하는 비율이, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서 10％ 이하이다.

단, 이들 어닐링 조건 중, G는 산소 분압(이슬점)이 한계 정도로 높은 예이다. 이로 인해, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층에 있어서의 상기 산화물의 합계 길이의 평균 비율이, 범위 내이기는 하지만 하한에 가까워, 0.5％ 정도로 현저하게 적어진다. 한편, 내부 산화물 1, 2가 차지하는 비율이, 범위 내이기는 하지만 상한에 가까워, 현저하게 높아져 있다.

이에 대해, 표 3에 나타내는 어닐링 조건 중, A, B, C는, 상기 어닐링 조건 D, E, F, G에 비해, 산소 분압(이슬점)이 지나치게 낮은 비교예이다. 이로 인해, 표 3에 나타내는 바와 같이, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층에 있어서의 상기 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 50％를 초과해 버린다. 따라서, 표 3에 나타내는 어닐링 조건 중, 이들 A, B, C의 어닐링 조건은, 각 강판의 외부 산화물층 조성, 내부 산화물층 조성 등의 각 산화 구조가 최적 조건으로부터 벗어나, 이재 접합체의 접합 강도가 저하되는 것이 명확하다. 이로 인해, 이들 A, B, C의 어닐링 조건에서 어닐링한 각 강판은, 스폿 용접에 의한 이재 접합체는 제작하지 않았다.

또한, 각 강판의 접합 상당부에 있어서의 각 산화 구조는, 각각 하기 측정 방법에 의해 측정하였다.

(외부 산화물 형성 범위)

외부 산화물은, 단면 시료를 집속 이온 빔 가공 장치(FIB : Focused Ion Beam Process, 히다찌 세이사꾸쇼제 : FB－2000A)에 의해 제작하고, 상기 EDX(형식 : NORAN-VANTAGE)에 의해, 강판의 두께 방향 단면에 있어서의, 강체와 외부 산화물층의 계면을 대략 수평 방향으로 분석함으로써, 계면 근방의 외부 산화물층 중의 Mn, Si의 합계량을 구하고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 계면 근방의 산화물의 상(복수의 산화물)을, 그 이외의 상과 구별하여 특정하였다. 계속해서, 10만배의 배율의 TEM(JEOL제 전계 방사형 투과 전자 현미경 : JEM－2010F, 가속 전압 200㎸)에 의해 단면 관찰하고, 상기 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 상기 계면에 있어서의 대략 수평 방향의 길이를 구한다. 그리고 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물 상의 합계 길이의 비율을 구하였다. 이것을 각각 3시야에서 행하여, 그들의 평균치를 구하였다.

(내부 산화물 점유 면적률)

내부 산화물은, 강판의 강체 표면으로부터의 깊이가, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 이 강재의 강체 표면으로부터 20㎛까지의 깊이의 강 영역에 있어서의 내부 산화물을 내부 산화물 1 및 강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛를 초과하고 30㎛ 이하인 강 영역에 있어서의 내부 산화물을 내부 산화물 2로 하여, 이들의 조성을 분석하였다. 조성 분석은, 이들 각 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물의 평균 면적 비율로 행한다. 우선, 이들 각 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물을, 상기 EDX에 의해, 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 그리고 3만배의 배율의 TEM(JEOL제 전계 방사형 투과 전자 현미경 : JEM－2010F, 가속 전압 200kV)에 의해 단면 관찰하고, 상기 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 10㎛²당의 시야 면적(지철 면적) 내에 있어서 차지하는 면적 비율을 각각 구하였다. 여기서, 입계 산화물이 차지하는 면적도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물에 더한다. 이것을 각각 3시야에서 행하여, 그들의 평균치를 구하였다.

이들 산화 구조가 다른 각 강판과, 각 예 모두 공통적으로 표 2에 나타내는 조성으로, 판 두께 1 내지 1.6㎜인 6000계 알루미늄 합금판을, JIS Z3137에 기재된 십자 인장 시험편 형상으로 가공하여 포개고, 표 4에 나타내는 a, b, c, d, e, f의 각 조건에서 스폿 용접을 행하여, 이재 접합하였다. 여기서, 후술하는 표 5에 나타내는 박리 강도로부터 평가되는 바와 같이, 표 4에 나타내는 a 내지 d는 부적절한 스폿 용접 조건, e, f는 적절한 스폿 용접 각 조건이다.

또한, 표 4에 나타내는 스폿 용접은, 공통적으로 직류 저항 용접 시험기를 사용하여, 표 4에 나타내는 가압력, 용접 전류, 용접 시간으로, 1점당의 스폿 용접을 행하였다. 또한, 공통적으로, Cu-Cr 합금으로 이루어지는 돔형의 전극을 사용하여, 정극(正極)을 알루미늄재, 부극(負極)을 강재로 하였다.

(계면 반응층의 두께와 형성 범위)

이와 같이 하여 제작한 각 이재 접합체의, 계면 반응층의 두께와 형성 범위를 측정하였다. 이들 결과를 표 5에 나타낸다. 계면 반응층의 두께 측정은, 각 스폿 용접부의 중앙에서 절단하고, 수지로 매립하여 연마를 하고, 접합부 전체에 걸쳐 0.5㎜ 간격으로 SEM 관찰을 행하였다. 반응층의 두께가 1㎛ 이상인 경우에는 2000배의 시야에서, 1㎛ 미만의 경우에는 10000배의 시야에서 측정하고, 각 스폿 용접부마다 평균치를 구하여, 30점의 스폿 용접부의 평균치를 계면 반응층의 평균 두께로 하였다. 또한, 계면 반응층의 형성 범위는, 각 스폿 용접부에 있어서, 스폿 전체 면적에 대한 반응층 형성 면적의 비율을 구하여, 30점의 스폿 용접부의 평균치를 구하였다.

(알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 원소량)

마찬가지로, 제작한 각 이재 접합체의, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의, Fe의 함유량(질량％ : 표 5에서는 계면에서의 Al 중 Fe 농도로 표시)을 측정하였다. 이들 결과를 표 5에 나타낸다.

분석에는, EPMA : 니혼 덴시제 X선 마이크로 애널라이저(JXA－8800RL)를 사용하여, 가속 전압 15㎸, 조사 전류 0.3㎂로 일정하게 하여 측정하였다. 분석 대상은, 상기 각 스폿 용접부의 중앙에서 절단한 단면으로 하고, 알루미늄 합금재와 강재의 접합 계면을 중심으로, 알루미늄 합금재측과 강재측에 각 0.5㎜ 들어간 내부까지 분석하였다. 그리고 알루미늄 합금재 내부측의 알루미늄 합금재가 원래 함유하고 있는 Fe의 함유량을 빼고, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의, Fe의 함유량(질량％ : 표 5에서는 계면에서의 Al 중 Fe 농도로 표시)을 측정하였다.

이들 제작한 각 이재 접합체의 십자 인장 시험을 행하여, 박리 강도를 구하였다. 이들 결과도 표 5에 나타낸다. 박리 강도는, A6022 알루미늄재끼리의 스폿 용접 접합 강도＝1.0kN을 참고로 하여, 2.0kN 이상이면 ○, 2.0kN 미만이면 ×로 하였다.

표 5로부터 명백한 바와 같이, 표 1, 표 2에 나타내는 적정 성분 조성의 강판과 6000계 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 3에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 어닐링 조건 D, E, F, G에서 처리한 각 발명예 1 내지 23은, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건을 만족시킨다. 특히, 어닐링 조건 F는 외부 산화물층의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 상기 비율로서, 바람직한 범위인 0.1％ 이상, 30％ 미만, 어닐링 조건 G는 보다 바람직한 범위인 0.1％ 이상, 5％ 미만을 만족시킨다. 또한, 이들 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용하여, 용접 조건을 e, f의 적절한 스폿 용접 조건으로 한 각 발명예는, 이재 접합체 접합 계면의 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하이다. 그리고 또한, 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율)이 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상으로, 이 반응층의 두께도 적절하다. 이 결과, 표 5로부터 명백한 바와 같이 각 발명예는 이종 접합체의 접합 강도(박리 강도)가 2kN 이상으로 높아져 있는 것을 알 수 있다.

한편, 표 5로부터 명백한 바와 같이 표 1, 표 2에 나타내는 적정 성분 조성의 강판과 6000계 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 3에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 D, E, F, G의 어닐링 조건에서 처리한 각 비교예 24 내지 31은, 당연히 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건 내이다. 그러나 표 4에 있어서의 a 내지 d의 부적절한 스폿 용접 조건으로 한, 이들 각 비교예 24 내지 31은, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이나, 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율), 혹은 이 반응층의 두께 등도 부적절하다. 이 결과, 표 5로부터 명백한 바와 같이 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위가 본 발명 조건을 만족시키지 않고, 이종 접합체의 접합 강도가 현저하게 낮아져 있는 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 32 내지 38은, 성분 조성이 적정한 6000계 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 3에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 E의 어닐링 조건에서 처리하고, 용접 조건을 e, f의 적절한 스폿 용접 조건으로 하여, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 대체로 본 발명 조건 내이다. 또한, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량도 대체로 본 발명 조건 내이다. 그러나 표 1에 나타내는 강판 성분 조성 19 내지 25가 본 발명 범위로부터 벗어나 부적정하므로, 표 5로부터 명백한 바와 같이 이종 접합체의 접합 강도가 현저하게 낮아져 있다.

비교예 32는 C가 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하여, 균열이 발생되어 있었다. 비교예 33은 Si가 지나치게 높아, 접합 계면에 최적의 Fe와 Al의 반응층을 형성할 수 없었다. 비교예 34는 Mn이 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하여, 균열이 발생되어 있었다. 비교예 35는 Al이 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 36은 N이 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 37은 Cr이 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 38은 Nb가 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다.

따라서, 이들 사실로부터, 본 발명의 강재측의 성분 조성이나 산화물 조건의 임계적인 의의가 뒷받침된다. 또한, 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위의 본 발명 조건의 의의를 알 수 있다. 또한, 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위가 본 발명 조건을 만족시키고, 이재 접합체의 접합 강도를 높이기 위해서는, 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용할 뿐만 아니라, 용접 조건을 적절하게 할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

제2 실시 형태

(강재의 산화물 구성)

이하에, 우선, 본 발명이 대상으로 하는 강재의 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스에 대해 설명한다.

일단 산세된 후에, 다른 산소 분압으로 제어한 분위기에서 어닐링된, Mn, Si를 포함하는 강재 표면의 산화물(강재 단면 구조)을 도 1의 (a) 내지 도 1의 (c)에 각각 모식적으로 도시한다. 도 1의 (a)는 저산소 분압(저이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 도 1의 (b)는 중간 산소 분압(비교적 고이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 도 1의 (c)는 고산소 분압(고이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 이 중, 도 1의 (a)가, 본 발명에서 대상으로 하는, 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스를 도시한다.

도 1의 (a):

도 1의 (a)의 저산소 분압 분위기 어닐링의 경우, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된, Mn, Si를 포함하는 강재는, 강재의 강체 표면이 50㎚ 정도의 얇은 외부 산화물층에 의해 피복되어 있다. 그러나 산소 분압이 낮으므로, 강재 내부까지 산소는 침입(확산)되지 않아, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부에는, 입계 산화물을 포함하는 내부 산화물은 형성되지 않는다. 이 도 1의 (a)와 같은 표면 조직, 즉, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)의 외부 산화물층보다도 파괴되기 어려운 외부 산화물층과, 내부 산화물이 없는 강재 내부 조직을 아울러 갖는 강재가, 본 발명이 대상으로 하는 강재이다.

이 외부 산화물층은, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 기존의 산화물층이 제거된 후에, 상기 어닐링에 의해 새롭게 생성된 산화물층이며, Mn, Si가 농화되어, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 Fe 산화물(Fe₃O₄)로 이루어지는 산화물 및 공극으로 구성된다. Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이라 함은, 예를 들어 대표적으로는 Mn₂SiO₄, SiO₂등으로 이루어지는 산화물로 구성된다. 또한, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 산화물이라 함은, 예를 들어 대표적으로는 Fe₃O₄등으로 이루어지는 산화물로 구성된다.

이러한 도 1의 (a)의 경우, 강재의 강체 표면을 외부 산화물이 전체적으로 피복하므로, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 80 내지 100％로 높아진다. 따라서, 이러한 외부 산화물층은, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)의 외부 산화물층보다도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 커, 보다 파괴되기 어렵다. 또한, 이러한 도 1의 (a)의 외부 산화물층으로 한 경우에는, 내부 산화물은 필연적으로 적어진다. 따라서, 예를 들어 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 강 영역에 존재하는 내부 산화물은, 결정립계에 존재하는 산화물 및 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물이 차지하는 평균 면적 비율이, 후술하는 표 8에 나타내는 바와 같이 0％이거나, 존재해도 5％ 미만으로 된다.

따라서, 이 도 1의 (a)의 외부 산화물층을 갖는 강재에서는, 이 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 알루미늄 합금재와의 접합면측에, 외부 산화물층을 강제적으로 환원, 파괴하는 수단으로서, 이 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소를 존재시킬 필요가 있다. 이로 인해, 본 발명에서는, 이러한 파괴되기 어려운 조성의 외부 산화물층을 갖는 강재에 대해, 접합하는 알루미늄 합금재를 Mg를 많이 포함하는 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재로 한다. 이 Mg는, 산화물을 환원하는 기능을 가지므로, 강재의 도 1의 (a)와 같은 파괴되기 어려운 외부 산화물층이라도, 그 환원 작용에 의해 파괴되어 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 필요한만큼, 또한 과잉으로 억제하지 않도록 효과적으로 제어할 수 있다. 이 결과, 접합 계면에 있어서의, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층의 과잉 생성을 억제하는 한편, 높은 접합 강도를 얻기 위한 필요 최소한의 Al-Fe계의 반응층은 확보되어, 높은 접합 강도를 얻는다.

도 1의 (b):

이 내부 산화물 중, 입내에 생성되는 산화물은, 후술하는 도 1의 (c)를 포함하여 공통적으로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, SiO₂나 Mn₂SiO₄로 이루어지는 구상 내지 입상의 산화물과, Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄ 등의 산화물이다. 또한, 이때, 후술하는 도 1의 (c)를 포함하여 공통적으로 강의 입계 상에 입계 산화물도 형성되지만, 이들 입계 산화물은 대체로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입상의 산화물이다. 분위기 어닐링의 산소 분압이 높아짐에 따라, 보다 강재 내부까지 산소가 침입(확산)되거나, 혹은 보다 많은 산소가 침입(확산)되게 되어, 이들 내부 산화물이 존재하는 영역이 확대되거나, 이들 내부 산화물량이 많아진다.

도 1의 (c):

이 도 1의 (c)는, 산소 분압이 도 1의 (b)보다도 더 높은, 고산소 분압의 분위기 어닐링의 경우를 도시하고, 본 발명에서 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스를 나타낸다. 이 도 1의 (c)의 경우에는, 도 1의 (b)보다도 더욱 강재 내부까지 산소가 침입(확산)된다. 이로 인해, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된, Mn, Si를 포함하는 강재에는, 상기 외부 산화물층과 함께, 상기한 내부 산화물이, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부의 비교적 깊은 영역, 보다 강재 내부에 깊게 형성된다. 이들 내부 산화물은, 주로 이 강재의 강체 표면으로부터 20㎛까지의 깊이의 강 영역에 형성된다.

여기서, 통상의 연강재 등의 강재의 표면 상의 외부 산화층은, 통상 αFeOOH, γFeOOH, 무정형 옥시 수산화물, Fe₃O₄등의 산화물로 구성된다. 이에 대해, 본 발명과 같은 Mn, Si를 포함하는 하이텐이며, 일단 산세된 후에, 상기한 바와 같이 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링된, 강재의 표면 상의 외부 산화층은, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 상기 산화물과, 잔량부는 Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄ 등의 산화물 및 공극으로 구성된다.

(외부 산화층의 작용)

그러나 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우, 이러한 효과는, 강재 표면 상에 상기 조성의 외부 산화층이 있으면 균일하게 발휘되는 것이 아니라, 상기 일정 비율의 Mn, Si를 포함하는 산화물 상의 비율에 따라 크게 좌우된다. 즉, 상기 도 1의 (a)의 경우에는, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 가장 크고, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하는 장벽 효과나, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과는 상기 도 1의 3개의 외부 산화물층 타입 중에서 최대로 된다. 이에 대해, 상기 도 1의 (c)의 경우에는, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 가장 작아, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하는 장벽 효과나, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과는, 상기 도 1의 3개의 외부 산화물층 타입 중에서 최소로 된다. 그리고 상기 도 1의 (b)의 경우에는, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율도, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하는 장벽 효과나, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과도, 상기 도 1의 3개의 외부 산화물층 타입 중에서 중간이 된다.

여기서, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 상기 도 1의 (a)나 도 1의 (b)의 비교적 파괴되기 어려운 외부 산화물층에서는, 가령 알루미늄 합금측이 용해되어도, 강재와의 계면에서는 강재 표면 상의 외부 산화층을 환원에 의해 파괴하여, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다. 이 결과, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시키는 것이 곤란해진다.

따라서, 상기 도 1의 (a)나 도 1의 (b)의 외부 산화물층을 갖는 강재에서는, 이 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 상기한 바와 같이 알루미늄 합금재와의 접합면측에, 외부 산화물층을 강제적으로 환원, 파괴하는 수단으로서, 이 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소를 존재시킬 필요가 있다. 본 발명에서는, 이러한 알루미늄 합금재로서, 상기한 바와 같이, 상기 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 기능을 갖는 원소인, Mg를 많이 포함하는 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재로 한다.

상기 특허 문헌 7의, 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접예에 있어서의 접합 강도가, 높아도 2kN 미만으로, 2kN 이상의 접합 강도를 얻을 수 없었던 큰 이유 중 하나는, 외부 산화물층을 강제적으로 환원, 파괴하는 수단이 없었기 때문이기도 하다. 상기 특허 문헌 7에서는, 고강도 강판 표면 상에 새롭게 생성시킨 외부 산화물층을, 상기 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층과 마찬가지로 하고 있고, 상기 평균 비율이 50％ 이상(50 내지 80％)으로 지나치게 많다. 이 결과, 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 상기 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다.

따라서, 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합이며, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접에서는, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율을, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50％ 미만으로 하는 것이 유리하다.

그러나 본 발명에서는, 대상으로 하는 강재를, 굳이 상기 도 1의 (a)의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 상기 비율이 80 내지 100％, 바람직하게는 90 내지 100％인 외부 산화물층을 갖는 강재로 한다. 상기한 바와 같이, 강재의 제조 조건이나, 사용하는 강재의 제약 등에 의해, 강재측의 외부 산화물층의 조성을, 도 1의 (c)의 조건으로 적정화할 수 없는 경우나, 적정화된 강재를 사용할 수 없는 경우가 있기 때문이다. 상기한 바와 같이, 이러한 도 1의 (a)에 있어서의 외부 산화물층에서는, 강력한 환원제가 되는 합금 원소가 접합면에 없으면, 알루미늄 합금재에 대해, 상기 외부 산화물층은 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다.

(접합면에 있어서의 Mg의 존재)

이로 인해, 본 발명에서는, 이러한 파괴되기 어려운 조성의 외부 산화물층을 갖는 강재에 대해, 접합하는 알루미늄 합금재의 합금 조성을, 상기 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소로서, Mg를 많이 포함하는 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재로 한다. 이에 의해, 용해된 알루미늄 합금재에 의해, 접합면에 Mg를 존재시키고, 강재의 파괴되기 어려운 외부 산화물층을, 이 Mg의 환원 작용에 의해 파괴하여, 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 필요한만큼, 또한 과잉으로 억제하지 않도록 효과적으로 제어한다.

이것에 의해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 스폿 용접 접합 계면에 있어서의 반응층의 평균 두께를, 후술하는 바와 같이 0.1 내지 10㎛의 최적 범위로 제어한다. 그 결과, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접된 이재 접합체에 대해, 상기 2kN 이상의 높은 접합 강도를 얻는다.

상기 접합면에 Mg를 존재시키고, 이들 외부 산화물층의 환원, 파괴 작용을 얻기 위해서는, 5000계 및 7000계 알루미늄 합금재의 Mg 함유량을 1.0질량％ 이상으로 한다. Mg 함유량이 1.0질량％ 미만에서는, 상기 접합면에 있어서의 Mg의 존재량이 부족하여, 이 Mg의 효과가 부족하다.

(강재 내부 조직)

상기한 바와 같이, 본 발명에서 대상으로 하는 강재에서는, 이 내부 산화물은 적어지고, 또한 적극적으로는 존재시키지 않는다. 단, 이 내부 산화물을 존재시키지 않는다라 함은, 내부 산화물이 전혀 없는 상태뿐만 아니라, 강재 조성이나 어닐링 조건의 범위(편차)로부터, 후술하는 표 8과 같이 내부 산화물이 미량 존재하는 경우를 포함한다. 이 상태를 정량적으로 표현하면, 내부 산화물 1(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛까지의 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물)이 차지하는 비율(밀도)을, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서 5％ 미만(0％를 포함함)으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 내부 산화물 2(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하고 20㎛ 이하의 강 영역에 존재하는, 입계 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물)가 차지하는 비율이, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서 0.1％ 이하(0％를 포함함)인 것이 바람직하다.

또한, 내부 산화물 중, 입내에 생성되는 산화물은, 전술한 바와 같이, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 구상 내지 입상의 산화물과 Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄ 등의 산화물이 있고, 한편 강의 입계 상에 형성되는 산화물은 대체로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입상의 산화물이다. 따라서, 본건 발명에 있어서는, 내부 산화물의 규정에 있어서, 입계가 존재하는 산화물 및 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율을 규정하였다.

(산화물 측정 방법)

본 발명에 있어서의 외부 산화물의 측정은, EDX(에너지 분산형 X선 분광법)를 병용한 1만 내지 3만배의 배율의 TEM(투과형 전자 현미경)으로 행한다. 즉, 외부 산화물은, EDX에 의해, 강재의 두께 방향 단면에 있어서의, 강체와 외부 산화물층과의 계면을 대략 수평 방향으로 분석함으로써, 계면 근방의 외부 산화물층 중의 Mn, Si의 합계량을 구하고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 계면 근방의 산화물의 상(복수의 산화물)을, 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 계속해서, TEM에 의해, 이 EDX 분석과 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 상기 계면에 있어서의 대략 수평 방향의 길이를 구한다. 그리고 계면의 대략 수평 방향 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물 상의 합계 길이의 비율을 구한다. 이것을 복수 개소에서 행하여, 평균화한다.

또한 본 발명에서는 불필요한 내부 산화물은, 상기한 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하인, 혹은 10㎛를 초과하고 20㎛ 이하인, 소정의 강 영역의 복수 개소에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물을, 상기한 EDX에 의해 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 그리고 TEM에 의해, 이 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 면적 비율을 각각 구한다. 여기서, 이 강 영역에 있어서의 입계 산화물이 차지하는 면적도, 전술한 바와 같이 이 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물로서, 내부 산화물이 차지하는 면적 비율에 더한다. 이것을 복수 개소에서 행하여 평균화한다.

(산화물층 제어)

(이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 반응층)

이로 인해, 이재 접합체측으로부터 보아, 높은 접합 강도를 얻기 위한 조건을 규정하고, 용접 조건도, 이 이재 접합체측 조건에 맞도록 제어하여 최적화할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 바람직하게는, 이재 접합체로서 높은 접합 강도를 얻기 위한 스폿 용접 조건을 규정한다.

(반응층의 형성 범위)

(이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 반응층의 측정)

(강재의 화학 성분 조성)

강재의 각 성분 원소의 한정 이유는 이하와 같다.

C:

C는 강도 상승에 필요한 원소이지만, 함유량이 0.02％ 미만에서는 강재의 강도 확보를 할 수 없고, 또한 0.3％를 초과하면 냉간 가공성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.02 내지 0.3％의 범위로 한다.

Si, Mn:

따라서, 강재에 있어서의 Si, Mn의 함유량이 지나치게 적으면, 상기 외부 산화물층이나 내부 산화물층이 부족하여, 후술하는 바와 같이 이재 접합체의 접합 강도를 향상시킬 수 없다. 한편, 강재에 있어서의 Si, Mn의 함유량이 지나치게 많으면, 후술하는 바와 같이, 오히려 이재 접합체의 접합 강도를 저하시킨다. 이로 인해, 적절한 상기 외부 산화물층이나 내부 산화물층을 형성하기 위해서는, 강재에 있어서의 Si, Mn은 본 발명에서 규정하는 함유량의 범위 내인 것이 필요하다.

Si:

Mn:

Al:

Al은, 용강의 탈산 원소로서, 고용 산소를 포착하는 동시에, 블로우 홀의 발생을 방지하여, 강의 인성 향상을 위해서도 유효한 원소이다. Al 함유량이 0.002％ 미만에서는 이들의 충분한 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.10％를 초과하면, 반대로 용접성을 열화시키거나, 알루미나계 개재물의 증가에 의해 강의 인성을 열화시킨다. 따라서, Al 함유량은 0.002 내지 0.1％의 범위로 한다.

Nb, Ti, Zr, Cr, Mo, Cu, Ni 중 1종 또는 2종 이상:

(강재의 강도)

본 발명에 있어서는, 사용하는 강재의 강도를 특별히 한정하는 것은 아니지만, 자동차 부재용을 상정하면, 강재의 인장 강도가 400㎫ 이상인 것이 바람직하다. 이보다 저강도강으로는, 일반적으로 저합금강이 많고, 산화 피막이 거의 철산화물이므로, Fe와 Al의 확산이 용이해져 취약한 금속간 화합물이 형성되기 쉽다. 또한, Si, Mn량이 적으므로, 강재의 표면 및 내부에, 본 발명에 있어서의 모재의 Fe와 Al의 확산 억제에 필요한 상기 Si, Mn을 포함하는 산화물이 형성되기 어려워, Si, Mn을 포함하는, 외부와 내부의 산화물(층)의 조성이나 두께의 제어를 할 수 없어, 용접시의 반응층의 제어가 곤란해진다. 또한, 강재의 강도가 부족하므로, 스폿 용접시의 전극 팁에 의한 가압에 의해 강재의 변형이 커져, 산화 피막이 용이하게 파괴되므로, 알루미늄과의 반응이 매우 촉진되어, 금속간 화합물이 형성되기 쉬워진다.

(알루미늄 합금재)

본 발명에서 사용하는 알루미늄 합금재는, 상기 접합면에 Mg를 존재시키고, 이들 외부 산화물층의 환원, 파괴 작용을 얻기 위해, Mg 함유량이 1.0질량％ 이상의 Al-Mg계인 AA 내지 JIS 규격에 있어서의 5000계 또는 Al-Zn－Mg계, 혹은 Al-Zn-Mg-Cu계인 AA 내지 JIS 규격에 있어서의 7000계 알루미늄 합금재로 한다. 이들 합금재는, 자동차 차체의 각 부 용도에 따라서, 형상을 특별히 한정하는 것은 아니며, 상기한 범용되고 있는 판재, 형재, 단조재, 주조재 등이 적절하게 선택된다. 단, 알루미늄재의 강도에 대해서도, 상기 강재의 경우와 마찬가지로, 스폿 용접시의 가압에 의한 변형을 억제하기 위해 높은 쪽이 바람직하다.

5000계 알루미늄 합금재:

5000계 알루미늄 합금재는, 상기 Mg 함유에 의한 강재의 외부 산화물층의 환원, 파괴 작용 외에, 상기 자동차 차체용 등의 용도의, 성형성이나 강도, 용접성, 내식성 등의 여러 특성을 만족시키기 위해, Mg:2.0 내지 6.0질량％를 포함하고, Fe, Mn, Cr, Zr 및 Cu 중으로부터 선택되는 1종 또한 2종 이상을 합계 0.03 내지 2.5질량％ 더 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.

(불순물)

이들 기재 원소 이외의 원소는 기본적으로는 불순물이다. 단, Al 합금의 리사이클의 관점에서, 용해재로서, 고순도 Al 지금뿐만 아니라, Al 합금 스크랩재, 저순도 Al 지금 등을 용해 원료로서 사용한 경우에는, 불순물 원소가 혼입된다. 그리고 이들 불순물 원소를, 예를 들어 검출 한계 이하 등으로 저감하는 것 자체가 비용 상승으로 되어, 어느 정도의 함유의 허용이 필요해진다. 따라서, 본 발명의 목적이나 효과를 저해하지 않는 범위에서의 기재 원소 이외의 원소의 함유를 허용한다. 예를 들어, Si:0.5％ 이하, V:0.3％ 이하, Ti:0.5％ 이하, B:0.05％ 이하, Zn:0.5％ 이하의 함유를 각각 허용한다. 또한, 이 밖의 원소도 상기 불가피적 불순물로서, 본 발명의 필요 특성을 저해하지 않는 범위에서의 함유를 허용한다.

Mg:

Mg는, 가공 경화능을 높여, 자동차 차체용으로서의 필요한 강도나 내구성을 확보한다. 또한, 재료를 균일하게 소성 변형시켜 파단 균열 한계를 향상시켜, 성형성을 향상시킨다. Mg의 함유량이 2.0％ 미만에서는, Mg 함유의 이들 효과 발휘가 불충분해진다. 한편, Mg의 함유량이 6.0％를 초과하면, 압연판이나 압출재의 제조가 곤란해지고, 또한 성형시에, 오히려 입계 파괴가 발생되기 쉬워져, 성형성이 현저하게 저하된다. 따라서, Mg의 함유량은 2.0 내지 6.0질량％의 범위로 한다.

Fe, Mn, Cr, Zr 및 Cu:

Fe, Mn, Cr, Zr 및 Cu는, 소량의 함유로 결정립의 미세화에 유효하고, 소량의 함유로 성형성을 향상시킨다. 각 함유량의 합계가 0.03％ 미만에서는 함유 효과가 없지만, 한편 이들 각 원소의 각 함유량의 합계가 2.5％를 초과하면, 이들 원소에 기인하는 조대한 정출물이나 석출물이 많아져, 이들이 파괴의 기점으로 되기 쉬워 오히려 성형성 등을 저하시킨다. 따라서, Fe, Mn, Cr, Zr 및 Cu 중으로부터 선택되는 1종 또한 2종 이상의 함유량은, 합계 0.03 내지 2.5질량％의 범위로 한다.

7000계 알루미늄 합금재:

7000계 알루미늄 합금재도, 상기 Mg 함유에 의한 강재의 외부 산화물층의 환원, 파괴 작용 외에, 상기한 자동차 차체 보강재용으로서의 강도, 굽힘 압괴성이나 내식성 등의 여러 특성을 만족시키기 위해, 질량％로, Zn:4.5 내지 6.5％, Mg:1.0 내지 2.0％, Fe:0.01 내지 0.40％를 각각 함유하고, 잔량부가 알루미늄 및 불가피 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 이 조성에 더하여, Mn:0.01 내지 0.6％, Cr:0.01 내지 0.2％, Zr:0.01 내지 0.25％, Ti:0.001 내지 0.10％ 중 1종 또는 2종 이상을 합계량으로 0.30％ 이하, 선택적으로 더 포함해도 좋다. 또한, Cu:0.01 내지 0.2％를 선택적으로 더 포함해도 좋다.

이 이외의 그 밖의 원소는, 기본적으로는 불순물이며, AA 내지 JIS 규격 등을 따른 각 불순물 레벨의 함유량(허용량)으로 한다. 그러나 리사이클의 관점에서, 용해재로서, 고순도 Al 지금뿐만 아니라, 7000계 합금이나 그 밖의 알루미늄 합금 스크랩재, 저순도 Al 지금 등을 용해 원료로서 다량으로 사용한 경우에는, 불순물 원소가 혼입될 가능성이 높다. 그리고 이들 불순물 원소를 예를 들어 검출 한계 이하로 저감하는 것 자체가 비용 상승으로 되어, 어느 정도의 함유의 허용이 필요해진다. 따라서, 그 밖의 원소는, 각각 AA 내지 JIS 규격 등을 따른 허용량의 범위에서의 함유를 허용한다.

(Zn, Mg)

필수 합금 원소인 Zn, Mg는, 합금재의 인공 시효 처리에 의해, GP 존 혹은 중간 석출상이라 불리는 MgZn₂, Mg₃₂AlZn₄₉등의 미세 분산상을 형성하여 강도를 향상시킨다. 특히, Zn은 강도-연성의 밸런스 향상 효과가 높다. Zn이 4.5％ 미만, Mg가 1.0％ 미만 등, Zn, Mg의 함유량이 지나치게 적으면, 이들 미세 분산상이 부족하여 강도가 저하된다. 또한, Mg 함유량이 1.0질량％ 미만에서는, 상기 접합면에 있어서의 Mg의 존재량이 부족하여, 상기 Mg 함유에 의한 강재의 외부 산화물층의 환원, 파괴 작용이 부족하다.

한편, Zn이 6.5％ 초과, Mg가 2.0％ 초과 등, Zn, Mg의 함유량이 지나치게 많으면, 파괴의 기점이 되는 입계 석출물의 개수 혹은 수밀도(數密度)가 많아져, 특히 압출재에서는 굽힘 압괴성 및 내식성이 현저하게 저하된다. 또한, Zn, Mg의 함유량이 지나치게 많으면 Al 중에 고용될 수 없으므로, 조대한 정출물을 형성하여 알루미늄 합금재의 강도나 신장의 저하의 원인이 되고, 냉간 가공성도 현저하게 저하된다. 따라서, 각 함유량은, Zn:4.5 내지 6.5％, Mg:0.5 내지 2.0％의 각 범위로 한다.

(Fe)

Fe는, 스크랩 등의 용해 원료 등으로부터 많이 혼입되기 쉽지만, 석출 효과에 의해 알루미늄 합금재의 강도를 향상시킬 수 있다. 지나치게 적으면 이러한 효과를 기대할 수 없고, 지나치게 많으면 상기 입계 석출물이나 정출물의 개수 혹은 수밀도가 많아져, 특히 압출재에서는 굽힘 압괴성 및 내식성이 현저하게 저하된다. 또한, Fe가 지나치게 많으면, 조대한 정출물이나 석출물이 형성되고, 반대로 강도나 신장(연성) 저하의 원인도 된다. 따라서, Fe는 0.01 내지 0.40％의 범위로 한다.

(Mn, Cr, Zr, Ti)

Mn, Cr, Zr, Ti도, 스크랩 등의 용해 원료 등으로부터 많이 혼입되기 쉽지만, 석출 효과에 의해 알루미늄 합금재의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, Ti에는 주괴의 결정립을 미세화하여, 압출재 조직을 미세한 결정립으로 하는 효과도 있다. 이들 원소의 함유량이 지나치게 적으면 이러한 효과를 기대할 수 없고, 이들 함유량이 지나치게 많으면 입계 석출물의 개수 혹은 수밀도가 많아져, 굽힘 압괴성 및 내식성이 현저하게 저하된다. 또한, 이들 함유량이 지나치게 많으면, 조대 석출물이 형성되고, 반대로 강도나 신장(연성) 저하의 원인이 된다. 따라서, 이러한 효과를 얻고자 하는 경우에는, Mn, Cr, Zr, Ti 중 1종 또는 2종 이상을, Mn:0.01 내지 0.6％, Cr:0.01 내지 0.2％, Zr:0.01 내지 0.25％, Ti:0.001 내지 0.10％ 중 1종 또는 2종 이상을, 이들의 합계량 0.30％ 이하의 범위에서 선택적으로 함유시킨다.

(Cu)

Cu는, 고용 강화에 의해 강도나 신장을 향상시킨다. Cu가 지나치게 적으면 이러한 효과를 기대할 수 없고, Cu의 함유량이 지나치게 많으면 입계 석출물의 개수 혹은 수밀도가 많아져, 굽힘 압괴성 및 내식성이 현저하게 저하된다. 또한, Cu의 함유량이 지나치게 많으면 석출물이 조대화되어, 강도나 신장도 오히려 저하된다. 따라서, 선택적으로 함유시키는 경우에는, Cu의 함유량은 0.01 내지 0.2％의 범위로 한다.

(강재나 알루미늄 합금재의 두께)

또한, 강재나 알루미늄 합금재의 용접되는 부분의 두께(판 두께 등)는, 특별히 한정되지 않고, 자동차 부재 등의 적용 부재의 필요 강도나 강성 등의 설계 조건으로부터 적절하게 선택 내지 결정된다.

단, 자동차 부재 등을 상정하면, 실용적으로는 강재의 (용접되는 부분의) 두께(t)는 0.3 내지 3.0㎜로부터 선택된다. 강재의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 필요한 강도나 강성을 확보할 수 없어 부적정하다. 또한, 그것에 더하여, 예를 들어 스폿 용접에 의한 경우에는, 그 전극 팁에 의한 가압에 의해 강재의 변형이 커, 산화 피막이 용이하게 파괴되므로 알루미늄과의 반응이 촉진된다. 그 결과, 금속간 화합물이 형성되기 쉬워진다. 한편, 강재의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 스폿 용접 접합 자체가 어려워진다.

또한, 알루미늄 합금재의 (용접되는 부분의) 두께(t)는, 마찬가지로 자동차 부재 등을 상정하면, 0.3 내지 5.0㎜의 범위로부터 선택된다. 알루미늄 합금재의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 강도가 부족하여 부적절한 것에 더하여, 너깃 직경이 얻어지지 않아, 알루미늄 재료 표면까지 용융이 도달되기 쉬워 티끌이 생기기 쉽기 때문에, 높은 접합 강도가 얻어지지 않을 가능성이 있다. 한편, 알루미늄 합금재의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 상기한 강재의 판 두께의 경우와 마찬가지로, 용접 접합 자체가 어려워진다.

(접합 방법)

또한, 본 발명에 있어서, 접합 방법은, 전제로서, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 용접을 선택한다. 이 점에서, 접합 방법은 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(마찰 교반 접합, FSW, 스폿 FSW라고도 함)으로 한정된다. 즉, 강재측도 알루미늄 합금재측도 모두 용해되는 MIG 용접, 레이저 용접은 대상 외이고, 양쪽 모두 용해되지 않는 초음파 접합, 확산 접합, 마찰 압접, 브레이징 등의 용접 방법도 대상 외이다. 또한, 생산성이나 적절한 조건의 채용의 용이성 등으로부터, 프릭션 스폿 접합보다도 스폿 용접에 의한 접합의 쪽이 보다 바람직하다.

또한, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되도록 하기 위한 스폿 용접의 용접 개소마다의 바람직한 조건으로서는, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 접합되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전하는 것이다. 이들을 벗어난, 후술하는 표 9에 나타내는 a 내지 d와 같은 부적절한 스폿 용접 조건에서는, 이재 접합체의 높은 접합 강도가 얻어지지 않는다.

(제2 실시예)

구체적으로는, 표 6에 나타내는 각 성분 조성으로 용제하여 1.2㎜ 두께까지 압연한 강판을, 일단 산세하여 기존의 표면 산화층을 제거한 후, 표 8에 나타내는 A, B, C, D, E의 각 조건에서 어닐링 분위기 중의 산소 분압(이슬점)을 다양하게 바꾸고, 단, 어닐링 온도는 700℃, 어닐링 시간은 200sec로 공통적으로 일정하게 하여, 표면 및 표면층의 산화 구조가 다른 강판을 제작하였다. 여기서, 표 6에 나타내는 각 성분 조성의 강판은 모두 본 발명이 대상으로 하는 고강도 강판이며, 각 강판의 인장 강도는 모두 450㎫ 이상인 780 내지 1280㎫의 범위이다.

이들 어닐링 후의 각 강판의 외부 산화물층 조성, 내부 산화물층 조성 등의 각 산화 구조도 표 8에 각각 나타낸다. 표 8에 나타내는 어닐링 조건 중, 산소 분압(이슬점)이 낮은 A, B, C는, 본 발명이 접합 대상으로 하는 각 산화 구조를 갖는 강재가 얻어지는 적합한 어닐링 조건이다. 표 8에 나타내는 바와 같이, 어닐링 조건 A, B, C는, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건을 만족시킨다. 즉, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 80 내지 100％, 바람직하게는 90 내지 100％(어닐링 조건 A, B)의 범위 내이다.

또한, 어닐링 조건 A, B, C는, 내부 산화물 1(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하의 깊이까지의 강 영역에 존재)로서, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율(밀도)이, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서 5％ 미만(0％를 포함함)이다. 또한, 내부 산화물 2(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하고 20㎛ 이하의 강 영역에 존재)로서, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서 0.1％ 이하(0％를 포함함)이다.

이에 대해, 표 8에 나타내는 어닐링 조건 중, D, E는, 상기 어닐링 조건 A, B, C에 비해, 산소 분압(이슬점)이 지나치게 높은 비교예이다. 이로 인해, 표 8에 나타내는 바와 같이, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층에 있어서의 상기 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 80％ 미만으로 지나치게 적다. 또한, 내부 산화물 1의 상기 평균 면적 비율이 5％ 이상으로 지나치게 많고, 또한 어닐링 조건 E에서는, 내부 산화물 2도 상기 평균 면적 비율이 0.1％ 이상으로 지나치게 많다. 따라서, 이들 D, E의 어닐링 조건은, 본 발명이 접합 대상으로 하는 각 산화 구조를 갖는 강재로는 되지 않는 것이 명확하므로, 이들 D, E의 어닐링 조건에서 어닐링한 각 강판은, 스폿 용접에 의한 이재 접합체는 제작하지 않았다.

(외부 산화물 형성 범위)

외부 산화물은, 단면 시료를 집속 이온 빔 가공 장치(FIB : Focused Ion Beam Process, 히다찌 세이사꾸쇼제 : FB－2000A)에 의해 제작하고, 상기 EDX(형식 : NORAN-VANTAGE)에 의해, 강판의 두께 방향 단면에 있어서의, 강체와 외부 산화물층의 계면을 대략 수평 방향으로 분석함으로써, 계면 근방의 외부 산화물층 중의 Mn, Si의 합계량을 구하고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 계면 근방의 산화물의 상(복수의 산화물)을, 그 이외의 상과 구별하여 특정하였다. 계속해서, 10만배의 배율의 TEM(JEOL제 전계 방사형 투과 전자 현미경 : JEM-2010F, 가속 전압 200㎸)에 의해 단면 관찰하고, 상기 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 상기 계면에 있어서의 대략 수평 방향의 길이를 구한다. 그리고 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물 상의 합계 길이의 비율을 구하였다. 이것을 각각 3시야에서 행하여, 그들의 평균치를 구하였다.

(내부 산화물 점유 면적률)

내부 산화물은, 강판의 강체 표면으로부터의 깊이가, 이 강재의 강체 표면으로부터 10㎛ 이하의 깊이의 강 영역에 있어서의 내부 산화물을 내부 산화물 1 및 강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하고 20㎛ 이하인 강 영역에 있어서의 내부 산화물을 내부 산화물 2로 하여, 이들의 조성을 분석하였다. 조성 분석은, 이들 각 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물의 평균 면적 비율로 행한다. 우선, 이들 각 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물을, 상기 EDX에 의해, 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 그리고 3만배의 배율의 TEM(JEOL제 전계 방사형 투과 전자 현미경 : JEM-2010F, 가속 전압 200㎸)에 의해 단면 관찰하고, 상기 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 10㎛²당의 시야 면적(지철 면적) 내에 있어서 차지하는 면적 비율을 각각 구하였다. 여기서, 입계 산화물이 차지하는 면적도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물에 더한다. 이것을 각각 3시야에서 행하여, 그들의 평균치를 구하였다.

이들 산화 구조가 다른 각 강판과, 표 7에 나타내는 각 조성으로, 판 두께 1 내지 1.6㎜인 5000계 및 7000계 알루미늄 합금판을, JIS Z3137에 기재된 십자 인장 시험편 형상으로 가공하여 포개고, 표 9에 나타내는 a, b, c, d, e, f의 각 조건에서 스폿 용접을 행하여, 이재 접합하였다. 여기서, 후술하는 표 10에 나타내는 박리 강도로부터 평가되는 바와 같이, 표 9에 나타내는 a 내지 d는 부적절한 스폿 용접 조건, e, f는 적절한 스폿 용접 각 조건이다.

또한, 표 9에 나타내는 스폿 용접은, 공통적으로 직류 저항 용접 시험기를 사용하여, 표 9에 나타내는 가압력, 용접 전류, 용접 시간으로, 1점당의 스폿 용접을 행하였다. 또한, 공통적으로 Cu-Cr 합금으로 이루어지는 돔형의 전극을 사용하여, 정극을 알루미늄재, 부극을 강재로 하였다.

(계면 반응층의 두께와 형성 범위)

이와 같이 하여 제작한 각 이재 접합체의, 계면 반응층의 두께와 형성 범위를 측정하였다. 이들 결과를 표 10에 나타낸다. 계면 반응층의 두께 측정은, 각 스폿 용접부의 중앙에서 절단하고, 수지로 매립하여 연마를 하고, 접합부 전체에 걸쳐 0.5㎜ 간격으로 SEM 관찰을 행하였다. 반응층의 두께가 1㎛ 이상인 경우는 2000배의 시야에서, 1㎛ 미만인 경우는 10000배의 시야에서 측정하고, 각 스폿 용접부마다 평균치를 구하여, 30점의 스폿 용접부의 평균치를 계면 반응층의 평균 두께로 하였다. 또한, 계면 반응층의 형성 범위는, 각 스폿 용접부에 있어서, 스폿 전체 면적에 대한 반응층 형성 면적의 비율을 구하여, 30점의 스폿 용접부의 평균치를 구하였다.

(알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 원소량)

마찬가지로, 제작한 각 이재 접합체의, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의, Fe의 함유량(질량％ : 표 10, 표 11에서는 계면에서의 Al 중 Fe 농도로 표시)을 측정하였다. 이들 결과를 표 10, 표 11에 나타낸다.

분석에는, EPMA : 니혼 덴시제 X선 마이크로 애널라이저(JXA-8800RL)를 사용하여, 가속 전압 15㎸, 조사 전류 0.3㎂로 일정하게 하여 측정하였다. 분석 대상은, 상기 각 스폿 용접부의 중앙에서 절단한 단면으로 하고, 알루미늄 합금재와 강재의 접합 계면을 중심으로, 알루미늄 합금재측과 강재측에 각 0.5㎜ 들어간 내부까지 분석하였다. 그리고 알루미늄 합금재 내부측의 알루미늄 합금재가 원래 함유하고 있는 Fe의 함유량을 빼고, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의, Fe의 함유량(질량％ : 표 10, 표 11에서는 계면에서의 Al 중 Fe 농도로 표시)을 측정하였다.

이들 제작한 각 이재 접합체의 십자 인장 시험을 행하여, 박리 강도를 구하였다. 이들 결과도 표 10에 나타낸다. 박리 강도는, A6022 알루미늄재끼리의 스폿 용접 접합 강도＝1.0kN을 참고로 하여, 2.0kN 이상이면 ○, 2.0kN 미만이면 ×로 하였다.

표 10으로부터 명백한 바와 같이 표 6, 표 7에 나타내는 적정 성분 조성의 강판과 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 8에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 어닐링 조건 D, E, F, G에서 처리한 각 발명예 1 내지 28은, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건을 만족시킨다. 또한, 이들 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용하여, 용접 조건을 e, f의 적절한 스폿 용접 조건으로 한 각 발명예 1 내지 28은, 이재 접합체 접합 계면의 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하이다. 그리고 또한 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율)이 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상으로, 이 반응층의 두께도 적절하다. 이 결과, 표 10으로부터 명백한 바와 같이 각 발명예 1 내지 28은 이종 접합체의 접합 강도(박리 강도)가 2kN 이상으로 높아져 있는 것을 알 수 있다.

한편, 표 11로부터 명백한 바와 같이 표 6, 표 7에 나타내는 적정 성분 조성의 강판과 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 8에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 D, E, F, G의 어닐링 조건에서 처리한 각 비교예 29 내지 43은, 당연히 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건 내이다. 그러나 표 9에 있어서의 a 내지 d의 부적절한 스폿 용접 조건으로 한, 각 비교예 29 내지 36은, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이나, 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율), 혹은 이 반응층의 두께 등도 부적절하다. 이 결과, 표 11로부터 명백한 바와 같이 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위가 본 발명 조건을 만족시키지 않고, 이종 접합체의 접합 강도가 현저하게 낮아져 있는 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 37 내지 43은, 용접 조건을 e, f의 적절한 스폿 용접 조건으로 하고 있고, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이나, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율) 혹은 이 반응층의 두께도 대체로 본 발명 조건 내이다. 그러나 표 6에 나타내는 강판 성분 조성 19 내지 25가 본 발명 범위로부터 벗어나 부적정하므로, 표 10으로부터 명백한 바와 같이 이종 접합체의 접합 강도가 현저하게 낮아져 있다.

비교예 37은 C가 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하여, 균열이 발생되어 있었다. 비교예 38은 Si가 지나치게 높아, 접합 계면에 최적의 Fe와 Al의 반응층을 형성할 수 없었다. 비교예 39는 Mn이 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하여, 균열이 발생되어 있었다. 비교예 40은 Al이 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 41은 N이 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 42는 Cr이 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 43은 Nb가 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다.

제3 실시 형태

(강재의 산화물 구성)

이하에, 우선 본 발명이 대상으로 하는 강재의 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스에 대해 설명한다.

일단 산세된 후에, 다른 산소 분압으로 제어한 분위기에서 어닐링된, Mn, Si를 포함하는 강재 표면의 산화물(강재 단면 구조)을 도 1의 (a) 내지 도 1의 (c)에 각각 모식적으로 도시한다. 도 1의 (a)는 저산소 분압(저이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 도 1의 (b)는 중간 산소 분압(비교적 고이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 도 1의 (c)는 고산소 분압(고이슬점) 분위기에서 어닐링한 경우를 도시한다. 이 중, 도 1의 (b)가, 본 발명에서 대상으로 하는, 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스를 도시한다.

도 1의 (a):

이 외부 산화물층은, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 기존의 산화물층이 제거된 후에, 상기 어닐링에 의해 새롭게 생성된 산화물층이고, Mn, Si가 농화되어, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 Fe 산화물(Fe₃O₄)로 이루어지는 산화물 및 공극으로 구성된다. Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이라 함은, 예를 들어 대표적으로는 Mn₂SiO₄, SiO₂등으로 이루어지는 산화물로 구성된다. 또한, Mn, Si의 함유량이 합계량으로 1at％ 미만인 산화물이라 함은, 예를 들어 대표적으로는 Fe₃O₄ 등으로 이루어지는 산화물로 구성된다.

이러한 도 1의 (a)의 경우, 강재의 강체 표면을 외부 산화물이 전체적으로 피복하므로, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 80 내지 100％로 높아진다. 따라서, 이러한 외부 산화물층은, 후술하는 도 1의 (b), 도 1의 (c)의 외부 산화물층보다도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 커, 보다 파괴되기 어렵다. 또한, 이러한 도 1의 (a)의 외부 산화물층으로 한 경우에는, 내부 산화물은 필연적으로 적어진다. 따라서, 예를 들어 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛까지의 강 영역에 존재하는 내부 산화물 1은, 결정립계에 존재하는 산화물 및 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입내 산화물이 차지하는 평균 면적 비율로서, 0％이거나, 존재해도 5％ 미만으로 된다.

도 1의 (b):

이에 대해, 본 발명에서 대상으로 하는, 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 양적 조성 밸런스에서는, 도 1의 (b)와 같이 산소 분압이 도 1의 (a)보다도 비교적 높고, 중간 산소 분압의 분위기 어닐링이며, 강재 내부까지 산소가 침입(확산)된다. 이로 인해, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된, Mn, Si를 포함하는 강재에는, 상기한 외부 산화물층과 함께, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부의 비교적 얕은, 예를 들어 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하(강체 표면 바로 아래로부터 10㎛까지의 깊이)의 강 영역에 내부 산화물이 형성된다. 특허 문헌 7에서, 용접 방법이나, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재의 재료의 조합이 달라도, 동일한 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조건으로 하고 있는 것은, 이 도 1의 (b)의 조건이다.

이 내부 산화물 중, 입내에 생성되는 산화물은, 후술하는 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물, SiO₂나 Mn₂SiO₄로 이루어지는 구상 내지 입상의 산화물과, Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄등의 산화물이다. 또한, 이때, 후술하는 도 1의 (c)를 포함하여, 공통적으로 강의 입계 상에 입계 산화물도 형성되지만, 입계 산화물은 대체로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입상의 산화물이다.

도 1의 (c):

이 도 1의 (c)는, 산소 분압이 도 1의 (b)보다도 더 높은, 고산소 분압의 분위기 어닐링의 경우를 도시하고, 본 발명에서 특징적인 외부 산화물층과 내부 산화물층의 구체적인 양적 조성 밸런스를 나타낸다. 이 도 1의 (c)의 경우에는, 도 1의 (b)보다도 더욱 강재 내부까지 산소가 침입(확산)된다. 이로 인해, 일단 산세되어 기존의 외부 산화물층이 제거된, Mn, Si를 포함하는 강재에는, 상기 외부 산화물층과 함께, 상기한 내부 산화물이, 강체 표면으로부터 아래의 강재 내부의 비교적 깊은 영역, 보다 강재 내부에 깊게 형성된다. 이들 내부 산화물은, 이 강재의 강체 표면으로부터 10㎛를 초과하는 깊이까지의 강 영역에 형성된다.

이에 대해, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 이 도 1의 (c)의 경우는, 상기 도 1의 (b)의 경우보다도 더 줄어든다. 즉, 도 1의 (c)의 경우, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 0.1％ 이상, 50％ 미만으로 가장 낮아진다. 이러한 외부 산화물층은, 상기한 도 1의 (a), 도 1의 (c)의 외부 산화물층보다도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 가장 작아, 보다 파괴되기 쉽다.

여기서, 통상의 연강재 등의 강재의 표면 상의 외부 산화층은, 통상 αFeOOH, γFeOOH, 무정형 옥시 수산화물, Fe₃O₄등의 산화물로 구성된다. 이에 대해, 본 발명과 같은 Mn, Si를 포함하는 고강도 강재(고장력 강재 혹은 하이텐이라고도 함)이며, 일단 산세된 후에, 상기한 바와 같이 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링된, 강재의 표면 상의 외부 산화층은, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 상기 산화물과, 잔량부는 Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄등의 산화물 및 공극으로 구성된다.

(외부 산화층의 작용)

도 1의 강재와 알루미늄 합금재의 용접 접합시에는, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층을 파괴하여 강재와 알루미늄 합금재의 접합면에 Al-Fe 반응층이 형성된다. 이 점에서, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층에는, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 반응층(금속간 화합물층) 생성을 억제하는 효과가 있다.

그러나 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우, 이러한 효과는 강재 표면 상에 상기 조성의 외부 산화층이 있으면 균일하게 발휘되는 것이 아니라, 상기 일정 비율의 Mn, Si를 포함하는 산화물 상의 비율에 따라 크게 좌우된다. 즉, 상기 도 1의 (a)의 경우에는, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 가장 커, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하는 장벽 효과나, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과는 상기 도 1의 3개의 외부 산화물층 타입 중에서 최대로 된다. 이에 대해, 상기 도 1의 (c)의 경우에는, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이 가장 작아, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하는 장벽 효과나, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과는, 상기 도 1의 3개의 외부 산화물층 타입 중에서 최소로 된다. 그리고 상기 도 1의 (b)의 경우에는, 외부 산화물층에 있어서의, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율도, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하는 장벽 효과나, Al-Fe계의 취약한 금속간 화합물층(반응층) 생성을 억제하는 효과도, 상기 도 1의 3개의 외부 산화물층 타입 중에서 중간이 된다.

여기서, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 상기 도 1의 (a)나 도 1의 (b)의 비교적 파괴되기 어려운 외부 산화물층에서는, 가령 알루미늄 합금측이 용해되어도 강재와의 계면에서는, 강재 표면 상의 외부 산화층을 환원에 의해 파괴하여 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다. 이 결과, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시키는 것이 곤란해진다. 따라서, 본 발명에서 대상으로 하는 상기 도 1의 (b)나, 혹은 상기 도 1의 (a)의 외부 산화물층을 갖는 강재에서는, 이 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 알루미늄 합금재와의 접합면측에, 외부 산화물층을 강제적으로 환원, 파괴하는 수단으로서, 이 외부 산화물층을 환원하는 기능을 갖는 원소(Li, Mn)를 존재시킬 필요가 있다.

상기 특허 문헌 7의, 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합체의 스폿 용접예에 있어서의 접합 강도가, 높아도 2kN 미만이며, 2kN 이상의 접합 강도를 얻을 수 없었던 큰 이유 중 하나는, 이 때문이다. 상기 특허 문헌 7에서는, 고강도 강판 표면 상에 새롭게 생성시킨 외부 산화물층을, 본 발명과 같은 특정 비율의 Mn, Si 조성의 산화물로 하고 있다. 그러나 그 비율은, 상기 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층과 마찬가지로, 상기 평균 비율이 50％ 이상(50 내지 80％)으로 지나치게 많다. 이 결과, 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 상기 외부 산화물층은 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다. 이로 인해, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Al-Fe 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시키는 것이 곤란해지기 때문이다.

따라서, 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합이며, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접에서는, 도 1의 (c)의 경우와 같이, 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율을, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50％ 미만으로 하는 것이 유리하다.

그러나 본 발명에서는, 접합 대상으로 하는 강재측의 외부 산화물층을, 굳이 상기 특허 문헌 7과 동일한, 상기 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층으로서 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50％ 이상으로 하고, 범위로서는 50 내지 80％로 한다. 상기한 바와 같이, 강재의 제조 조건이나, 사용하는 강재의 제약 등에 의해, 강재측의 외부 산화물층과 내부 산화물층의 조성 밸런스를, 도 1의 (c)의 조건으로 적정화할 수 없는 경우나, 적정화된 강재를 사용할 수 없는 경우가 있기 때문이다.

이러한 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층에서는, 강력한 환원제가 되는 합금 원소를 포함하지 않는 6000계 알루미늄 합금재에 대해, 상기 외부 산화물층은 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 Fe의 확산을 촉진시키는 것이 곤란해진다. 그리고 또한 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 상기 평균 비율로 80％를 초과한, 도 1의 (a)의 외부 산화물층으로 된 경우에는, 알루미늄 합금재의 상기 강재와의 접합면측에, Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 존재시켜도, 용접 조건에 관계없이 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 것이 곤란해진다. 따라서, 이 점으로부터도, 도 1의 (b)에 있어서의 외부 산화물층이라도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율은, 상기 평균 비율로서 80％ 이하로 한다.

(접합면에 있어서의 Li, Mn의 존재)

이에 대해, 본 발명에서는 알루미늄 합금재의 상기 강재와의 접합면측에, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 기능을 갖는 원소로서, Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 존재시킨다. 그리고 이들 Li, Mn에 의해, 용접시에, 파괴되기 어려운 외부 산화물층을 환원에 의해 파괴하여 스폿 용접시의 Fe, Al의 확산을 제어하여, 용접 접합 계면에 있어서의 반응층 형성에 필요한 양만큼 확보하고, 또한 과잉으로 확산되지 않도록 효과적으로 제어한다.

이러한, 강재측으로부터의 Fe의 확산의 최적 제어의 목표는, 결과물로서의 이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서, Fe의 함유량을 2.0질량％ 이하로 하는(규제하는) 것이다. 이 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％를 초과한 경우에는, 접합 강도가 현저하게 저하되어 버린다.

즉, 예를 들어 통전 시간이 길어지는 등의 스폿 용접 조건에 따라서는, 고강도 강재측이 용해, 혹은 용해되지 않아도, 알루미늄 합금재측(알루미늄 합금 중)으로 다량의 Fe 원소가 용출되게(지나치게 용출되게) 된다. 이러한 스폿 용접의 경우에는, 강재로부터 알루미늄 합금재측으로의 Fe의 확산량이 지나치게 많아, 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％를 초과하여, Fe와 Al의 취약한 반응층이 발생한다. 또한, 이 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이라 함은, 당연히 알루미늄 합금재 내부측의 알루미늄 합금재가 원래 함유하고 있는 Fe의 함유량을 뺀 양이다.

외부 산화물층의 환원, 파괴 효과 발휘를 위한, 알루미늄 합금재의 접합면측의 Li, Mn의 필요량은, 소재 조건이나 용접 조건에 따라 다르고, 또한 이들 조건에 따라 정해지는 용접 중의 계면 상황(계면 반응)이므로, 특정하기 어렵다. 또한, 알루미늄 합금재의 접합 계면에 있어서의 Li, Mn의 정량적인 측정도 곤란하다.

단, 접합되는 6000계 알루미늄 합금재의 Li, Mn의 함유량으로 하면, 이 접합 계면에 있어서의 Li, Mn의 필요량의 기준으로서 할 수 있다. 이 Li, Mn의 필요량의 기준은, 6000계 알루미늄 합금재에 있어서의 Li, Mn의 함유량을 미리, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％의 범위로 한다.

이러한 알루미늄 합금재측의 Li, Mn의 기능에 의해, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 접합 계면에 있어서의 Al-Fe계의 취약한 반응층의 과잉 생성을 억제하는 한편, 높은 접합 강도를 얻기 위한 필요 최소한의 Al-Fe계의 반응층은 확보하여, 높은 접합 강도를 얻는다. 즉, 스폿 용접 접합 계면에 있어서의 반응층의 평균 두께가, 후술하는 0.1 내지 10㎛의 최적 범위로 제어되는 결과, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접된 이재 접합체에 대해, 상기 2kN 이상의 높은 접합 강도가 얻어진다.

상기 접합면에 Li, Mn을 존재시키기 위해서는, 접합되는 6000계 알루미늄 합금재에, 이들 Li, Mn을 상기 함유량으로 함유시키는 것이 유효하다. 6000계 알루미늄 합금재에, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 기능을 갖는 원소로서, 이들 Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 함유시키는 경우에는, 상기한 바와 같이 Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％의 범위로 한다.

이들 Li, Mn의 함유량이 지나치게 적으면, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층의 환원, 파괴 효과가 약해진다. 즉, Li, Mn의 함유량이 지나치게 적으면, 접합면에 존재하는 Li, Mn의 양이 지나치게 적어, 상기 강재 표면 상에 존재하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서 50 내지 80％로 한 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 기능이 부족하다. 이 결과, 상기 외부 산화물층은, 용이하게는 파괴되지 않는 장벽으로서 지나치게 작용하여, 용접시에, 강재측으로부터의 적당량의 Fe의 확산을 촉진시키는 것까지 곤란해진다. 한편, 이들 Li, Mn의 함유량이 지나치게 많으면, 오히려 접합 강도나 알루미늄 합금재측의 기계적인 성질을 저해한다.

또한, 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접 접합면에, Li, Mn을 함유시킨 알루미늄 합금재의 박판이나 박편을 별도로 개재시키는 것도 가능하다. 그러나 Li, Mn을 함유시킨 알루미늄 합금의 박판이나 박편을, 6000계 알루미늄 합금재와는 별도로, 접합면에 개재시키는 경우, 6000계 알루미늄 합금재에 이들 Li, Mn 중 1종 또는 2종을 미리 함유시키는 경우에 비해, 상기 박판이나 박편을 별도로 접합면에 개재시키는 수고나 비용이 필요해져 번잡해진다. 따라서, 원래 고효율이 요구되는 스폿 용접의 효율을 크게 저하시킬 우려가 있다.

(내부 산화물의 작용)

강체 표면 바로 아래의 내부 산화물층에는, 강재 표면 상의 상기 외부 산화층과 마찬가지로, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 접합시의 Fe의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 반응층 생성을 억제하는 효과가 있다. 즉, 강재와 알루미늄 합금재의 용접 접합시에는, SiO₂등의 구상 산화물로 이루어지는 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물은, 강재 표면 상의 상기 외부 산화물층을 파괴하여 형성된 Al-Fe 반응층 중에 고용되고, Fe, Al의 확산을 억제하여 반응층이 과잉으로 생성되는 것을 억제한다.

그러나 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재를 스폿 용접하는 이재 접합의 경우, 이러한 효과는 강체 표면 바로 아래에 내부 산화물층이 있으면 발휘되는 것이 아니라, 일정 비율의 Mn, Si를 포함하는 산화물 상이 일정량 이상이고, 또한 강체 표면 바로 아래의 일정 이상의 깊이에 존재하는 경우로 한정된다. 즉, 본 발명의 경우에는, 이들 내부 산화물을, 이 강재의 강체 표면으로부터 10㎛ 이하(단, 깊이가 0㎛인 경우를 포함하지 않음)의 깊이의 강 영역에 형성되는 것으로 한다.

상기 도 1의 (c)의 경우와 같이, 상기 외부 산화물층을 비교적 용이하게 파괴되도록 한 경우에는, 상기 외부 산화물층의 Fe, Al의 확산에 대한 장벽 효과가 비교적 저하되므로, Fe, Al의 확산을 효과적으로 억제하기 위해서는, 상기 내부 산화물의 작용이 보다 중요해진다. 이에 대해, 본 발명의 경우는, 상기 도 1의 (b)의 경우와 같이 용이하게는 파괴되지 않는 상기 외부 산화물층으로 되어 있어, 상기 도 1의 (c)의 경우보다도 상기 내부 산화물에 의한 Fe, Al의 확산 억제 작용은 가벼워도 된다.

따라서, 상기 내부 산화물이 상기 소정량으로 존재하는 깊이는, 상기 도 1의 (c)의 경우보다는 얕아도 좋고, 강재의 강체 표면으로부터 10㎛ 이하의 깊이(강체 표면 바로 아래로부터 10㎛까지의 깊이)의 강 영역으로 한다. 이에 의해, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에는, 내부 산화물이, 강재 표면 상의 상기 외부 산화물층을 파괴하여 잇따라 형성되는 Al-Fe 반응층 중에, 용접시를 통해 지속적으로, 보다 많이 고용하여, Fe, Al의 확산을 억제하여, 반응층이 과잉으로 생성하는 것을 억제한다.

이러한 표면 조직을 갖는 강재에서는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이, 강재 내부 깊이까지 지나치게 많이 존재하면, 용접 조건에 의해 오히려 접합시의 Fe와 Al의 확산이 지나치게 억제되어, 반응층의 두께를 충분히 확보할 수 없거나, 균일하게 반응층을 생성시키는 것이 곤란해져, 높은 접합 강도가 얻어지지 않게 될 가능성도 있다. 따라서, 이 내부 산화물이 존재하는 깊이 강 영역은 10㎛를 초과하여 깊게 설치할 필요는 없다. 이 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율(밀도)은, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서, 3％ 이상이고 10％ 미만으로 한다.

또한, 내부 산화물 중, 입내에 생성되는 산화물은, 전술한 바와 같이, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 구상 내지 입상의 산화물과 Mn, Si가 합계량으로 1at％ 미만인 Fe₃O₄ 등의 산화물이 있고, 한편 강의 입계 상에 형성되는 산화물은 대체로 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 입상의 산화물이다. 따라서, 본건 발명에 있어서는, 내부 산화물의 규정에 있어서, 입계에 존재하는 산화물 및 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율을 3％ 이상이고 10％ 미만으로 하였다.

이에 의해, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 스폿 용접의 경우에, 접합시의 Fe와 Al의 확산을 억제하여, Al-Fe계의 취약한 반응층 생성을 억제하는 효과가 보다 커진다. 이에 의해, 스폿 용접 접합 계면에 있어서의 반응층의 평균 두께는, 후술하는 바와 같이 0.1 내지 10㎛의 최적 범위로 제어된다. 이 결과, 특히 6000계 알루미늄 합금재와 강재의 스폿 용접된 이재 접합체에 대해, 상기 2kN 이상의 높은 접합 강도가 얻어진다.

Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물의 밀도가 상기 평균 면적 비율로서 3％ 미만에서는, 이 내부 산화물이 존재하는 강재의 깊이 영역을 만족시켰다고 해도, 내부 산화물의 밀도가 지나치게 적어, 상기 효과 발휘를 위한 내부 산화물의 양이 부족하다. 한편, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물 밀도가 상기 평균 면적 비율로서 10％ 이상으로 된 경우는, 오히려 강재와 알루미늄재의 접합 계면에 있어서의 반응층이 국소적으로 성장하고, 균일하게 성장하지 않아, 적절한 용접 조건으로 해도 야금적 접합이 불가능해질 가능성이 높다.

(강재 내부 조직)

상기한 바와 같이, 강재에서는 이 내부 산화물이 존재하는 깊이 강 영역은 10㎛를 초과하여 깊게 설치할 필요는 없으므로, 이보다 깊은 강재 내부(10㎛를 초과하고, 20㎛ 이하의 영역)에서는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율(밀도)을, 입계 산화물을 포함한 후에, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

(산화물의 측정 방법)

본 발명에 있어서의 산화물의 측정은, EDX(에너지 분산형 X선 분광법)를 병용한 1만 내지 3만배의 배율의 TEM(투과형 전자 현미경)으로 행한다. 즉, 외부 산화물은, EDX에 의해, 강재의 두께 방향 단면에 있어서의 강체와 외부 산화물층의 계면을 대략 수평 방향으로 분석함으로써, 계면 근방의 외부 산화물층 중의 Mn, Si의 합계량을 구하고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 계면 근방의 산화물의 상(복수의 산화물)을, 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 계속해서, TEM에 의해, 이 EDX 분석과 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 상기 계면에 있어서의 대략 수평 방향의 길이를 구한다. 그리고 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물 상의 합계 길이의 비율을 구한다. 이것을 복수 개소에서 행하여, 평균화한다.

내부 산화물은, 상기한 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하인 강 영역, 혹은 또한 10㎛를 초과하고 20㎛까지의 (10㎛를 초과하는 소정의) 강 영역의 복수 개소에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물을, 상기한 EDX에 의해 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 그리고 TEM에 의해, 이 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 면적 비율을 각각 구한다. 여기서, 이 강 영역에 있어서의 입계 산화물이 차지하는 면적도, 전술한 바와 같이 이 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물로서, 내부 산화물이 차지하는 면적 비율에 더한다. 이것을 복수 개소에서 행하여 평균화한다.

(산화물층 제어)

이들 강재의 외부 산화물 및 내부 산화물의 제어는, 상기한 바와 같이, 강재의 어닐링 조건(산소 분압)을 제어함으로써 행할 수 있다. 보다 구체적으로는, 강재의 어닐링 분위기 중의 산소 분압(이슬점)을 바꾸어 제어할 수 있다. 어느 강 종류에 있어서도, 산소 분압(이슬점)이 높은 경우는, 강재 표면 상의 외부 산화물층 중의 Mn, Si가 농화된 산화물량이 많아진다. 또한, 강 내부까지 산화되고, 내부 산화, 입계 산화가 진행되어, 강 내에 SiO₂, Mn₂SiO₄등이 형성되어, 강 내에 차지하는 Mn, Si를 포함하는 산화물의 면적 비율이 높아진다.

한편, 어느 고강도강의 강 종류에 있어서도, 산소 분압(이슬점)이 낮은 경우는, 강재 표면 상의 외부 산화물층 중의, Mn₂SiO₄, SiO₂등의 Mn, Si가 농화된 산화물은 형성되지만 그 양 내지 면적 비율은 적어진다. 한편, 강 내부의 산화는 진행되기 어려워져, 강 내의 SiO₂, Mn₂SiO₄등의 형성량은 적어져, 강 내에 차지하는 Mn, Si를 포함하는 산화물의 면적 비율은 적어진다.

(이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 반응층)

상기와 같이 표면의 산화물층을 제어한 강재와 알루미늄재를 용접으로 접합한 이재 접합체에 있어서는, 적절한 용접 조건으로 함으로써 높은 접합 강도가 얻어진다. 단, 용접 소재측의 조건을 갖추어도, 용접 시공 조건(용접 조건)에 따라서는, 높은 접합 강도를 실현할 수 없는 경우가 있다.

이로 인해, 이재 접합체측으로부터 보아, 높은 접합 강도를 얻기 위한 조건을 규정하고, 용접 조건도 이 이재 접합체측 조건에 맞도록 제어하여 최적화할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는, 바람직하게는 이재 접합체로서 높은 접합 강도를 얻기 위한 스폿 용접 조건을 규정한다.

상기한 바와 같이, 이재 접합체측으로부터 보면, 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께의 Fe와 Al의 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하게 형성시킬 필요가 있다. 즉, 우선 야금적 접합에 필요 또한 최소한의 두께로서, 알루미늄재와의 접합 계면에 있어서의 반응층의 너깃 깊이 방향(강재의 판 두께 방향)의 평균 두께를 0.1 내지 10㎛의 범위로 제어하는 것이 필요하다.

(반응층의 형성 범위)

다음에, 이재 접합체에 있어서의 상기 Fe와 Al의 반응층을, 접합부에 가능한 한 광범위하고 형성시킬 필요가 있다. 즉, 접합 후의 상기 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접이나 FSW(마찰 교반 접합) 등의 점 용접에서는, 접합 면적(강재의 대략 수평 방향, 너깃 깊이 방향에 직각인 방향)의 70％ 이상의 면적인 것이 바람직하다.

반응층은 상기 적정한 두께 범위 상에서, 이 적정한 두께 범위가, 가능한 한 광범위하게 균일하게 형성되지 않으면, 확실하게 야금적 접합을 달성할 수 없을 가능성이 있다. 이에 대해, 상기 적정한 두께 범위의 반응층이, 상기 70％ 이상 형성되면 충분한 접합 강도가 확실하게 얻어진다.

(이재 접합체의 접합 계면에 있어서의 반응층의 측정)

(강재의 화학 성분 조성)

우선, 본 발명의 대상으로 하는 강재의 성분 조성에 대해 이하에 설명한다. 본 발명에서는, Si, Mn 등을 포함하는 인장 강도가 450㎫ 이상인 고강도 강재(하이텐)을 주된 대상으로 한다. 또한, 표면 상의 기존의 산화물층을 산세 등에 의해 일단 제거한 후에, 또한 산소 분압을 제어한 분위기에서 어닐링 등을 한 경우에, Si, Mn 등을 소정량 포함하는 외부 산화물층을 새롭게 생성시킬 수 있는 강재를 대상으로 한다.

여기서, 강재의 불순물로서의 P, S, N 등은, 강재의 인성이나 연성, 혹은 접합 강도 등의 여러 특성을 저하시키므로, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한다. 또한, 본 발명에 있어서의 화학 성분의 단위(각 원소의 함유량)는, 알루미늄 합금을 포함하여, 모두 질량％이다.

강재의 각 성분 원소의 한정 이유는 이하와 같다.

C:

Si, Mn:

Si, Mn은, 강재의 표면에 Si 또는 Mn을 소정량 포함하는, 상기 외부 산화물층을 형성한다. 이 외부 산화물층은, Fe와 Al의 이재 접합의 경우에, 서로의 모재측으로부터의 Fe와 Al의 확산을 방해하여, 취약한 반응층의 형성을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 반응층의 취성의 개선에도 도움이 된다.

Si:

Mn:

Al:

Nb, Ti, Zr, Cr, Mo, Cu, Ni 중 1종 또는 2종 이상:

(강재의 강도)

본 발명에 있어서는, 자동차 부재 등의 용도로부터, 인장 강도가 450㎫ 이상인 고강도 강재(하이텐)를 주된 대상으로 한다. 이보다 저강도강에서는, 일반적으로 저합금강이 많고, 산화 피막이 거의 철 산화물이므로, Fe와 Al의 확산이 용이해져 취약한 반응층이 형성되기 쉽다. 또한, Si, Mn량이 적으므로, 강재의 표면 및 내부에, 본 발명에 있어서의 모재의 Fe와 Al의 확산 억제에 필요한 상기 Si, Mn을 포함하는 산화물이 형성되기 어려워, Si, Mn을 포함하는 외부와 내부의 산화물(층)의 조성이나 두께의 제어를 할 수 없어, 용접시의 반응층의 제어가 곤란해진다. 또한, 강재의 강도가 부족하므로, 스폿 용접시의 전극 팁에 의한 가압에 의해 강재의 변형이 커져, 산화 피막이 용이하게 파괴되므로, 알루미늄과의 반응이 매우 촉진되어, 취약한 금속간 화합물이 형성되기 쉬워진다.

(알루미늄 합금재)

본 발명에서 사용하는 알루미늄 합금재는, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 각각 포함하는 Al-Mg-Si계의, AA 내지 JIS 규격에 있어서의 6000계 알루미늄 합금재로 한다. 이 합금재는, 자동차 차체의 각 부 용도에 따라서 형상을 특별히 한정하는 것은 아니며, 상기한 범용되고 있는 판재, 형재, 단조재, 주조재 등이 적절하게 선택된다. 단, 알루미늄재의 강도에 대해서도, 상기 강재의 경우와 마찬가지로, 스폿 용접시의 가압에 의한 변형을 억제하기 위해 높은 쪽이 바람직하다.

상기 자동차 차체 패널용 등으로서는, 우수한 프레스 성형성이나 BH성(베이크 하드성), 강도, 용접성, 내식성 등의 여러 특성이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 6000계 알루미늄 합금판으로서의 조성은, 질량％로, Mg:0.1 내지 1.0％, Si:0.1 내지 1.5％, Cu:0.001 내지 1.0％를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금으로 하는 것이 바람직하다. 또한, BH성을 보다 우수하게 하기 위해서는, Si와 Mg의 질량비(Si/Mg)가 1 이상인 과잉 Si형의 6000계 알루미늄 합금판으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자동차 차체 보강재용 압출재 등으로서는, 우수한 굽힘 압괴성이나 내식성 등의 여러 특성이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 6000계 알루미늄 합금 압출재의 조성은, 질량％로, Mg:0.30 내지 1.0％, Si:0.30 내지 0.95％, Fe:0.01 내지 0.40％, Cu:0.001 내지 0.65％를 각각 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 각 바람직한 조성에 더하여, Cr:0.001 내지 0.2％, Zr:0.001 내지 0.2％의 1종 또는 2종을 합계량으로 0.30％ 이하, 혹은 Zn:0.001 내지 0.25％, Ti:0.001 내지 0.10％ 중 1종 또는 2종을 선택적으로 포함시켜도 좋다.

여기서, 6000계 알루미늄 합금재에, 상기 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 환원, 파괴하는 기능을 갖는 원소로서, Li, Mn 중 1종 또는 2종을, 상기 성분 조성에 더하여, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％의 범위에서, 상기한 바와 같이 미리 함유시킨다.

이 이외의 그 밖의 원소는, 기본적으로는 불순물이며, AA 내지 JIS 규격 등을 따른 각 불순물 레벨의 함유량(허용량)으로 한다. 그러나 리사이클의 관점에서, 용해재로서, 고순도 Al 지금 뿐만 아니라, 6000계 합금이나 그 밖의 알루미늄 합금 스크랩재, 저순도 Al 지금 등을 용해 원료로서 다량으로 사용한 경우에는, 불순물 원소가 혼입될 가능성이 높다. 그리고 이들 불순물 원소를 예를 들어 검출 한계 이하로 저감하는 것 자체가 비용 상승으로 되어, 어느 정도의 함유의 허용이 필요해진다. 따라서, 그 밖의 원소는, 각각 AA 내지 JIS 규격 등을 따른 허용량의 범위에서의 함유를 허용한다.

Si:Si는 Mg와 함께, 고용 강화와, 도장 베이킹 처리 등의 상기 저온에서의 인공 시효 처리시에, 강도 향상에 기여하는 시효 석출물을 형성하여 시효 경화능을 발휘하고, 예를 들어 180㎫ 이상의 필요 강도(내력)를 얻기 위한 필수 원소이다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 프레스 성형성이나 굽힘 가공성 등의 성형성이 현저하게 저하되고, 또한 용접성도 크게 저해된다.

Mg:Mg도, 고용 강화와, 도장 베이킹 처리 등의 상기 인공 시효 처리시에, Si와 함께 강도 향상에 기여하는 시효 석출물을 형성하여 시효 경화능을 발휘하고, 패널로서 상기 필요 내력을 얻기 위한 필수 원소이다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 프레스 성형성이나 굽힘 가공성 등의 성형성이 현저하게 저하된다.

Fe:Fe는, Mn, Cr, Zr 등과 동일한 작용을 하여, 분산 입자(분산상)을 생성하고, 재결정 후의 입계 이동을 방해하여, 결정립의 조대화를 방지하는 동시에, 결정립을 미세화시키는 효과가 있다. 함유량이 부족하면 이러한 효과가 얻어지지 않고, 함유량이 지나치게 많으면 조대한 정출물을 생성하기 쉬워져, 파괴 인성 및 피로 특성 등을 열화시킨다.

(강재나 알루미늄 합금재의 두께)

단, 자동차 부재 등을 상정하면, 실용적으로는 강재의 (용접되는 부분의) 두께(t)는 0.3 내지 3.0㎜로부터 선택된다. 강재의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 필요한 강도나 강성을 확보할 수 없어 부적정하다. 또한, 그것에 더하여, 예를 들어 스폿 용접에 의한 경우에는, 그 전극 팁에 의한 가압에 의해 강재의 변형이 커, 산화 피막이 용이하게 파괴되므로, 알루미늄과의 반응이 촉진된다. 그 결과, 취약한 금속간 화합물이 형성되기 쉬워진다. 한편, 강재의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 스폿 용접 접합 자체가 어려워진다.

또한, 알루미늄 합금재의 (용접되는 부분의) 두께(t)는, 마찬가지로 자동차 부재 등을 상정하면, 0.3 내지 5.0㎜의 범위로부터 선택된다. 알루미늄 합금재의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 강도가 부족하여 부적절한 것에 더하여, 너깃 직경이 얻어지지 않아, 알루미늄 재료 표면까지 용융이 도달되기 쉬워 티끌이 생기기 쉬우므로, 높은 접합 강도가 얻어지지 않을 가능성이 있다. 한편, 알루미늄 합금재의 두께가 지나치게 두꺼운 경우, 상기한 강재의 판 두께의 경우와 마찬가지로 용접 접합 자체가 어려워진다.

(접합 방법)

또한, 본 발명에 있어서, 용접 방법은, 전제로서, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되는 용접을 선택한다. 이 점에서, 접합 방법은, 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(마찰 교반 접합, FSW, 스폿 FSW라고도 함)에 한정된다. 즉, 강재측도 알루미늄 합금재측도 모두 용해되는 MIG 용접, 레이저 용접은 대상 외이고, 양쪽 모두 용해되지 않는 초음파 접합, 확산 접합, 마찰 압접, 브레이징 등의 용접 방법도 대상 외이다. 또한, 생산성이나 적절한 조건의 채용 용이성 등으로부터, 프릭션 스폿 접합보다도 스폿 용접에 의한 접합의 쪽이 보다 바람직하다.

또한, 강재측이 용해되지 않고, 알루미늄 합금재측만이 용해되도록 하기 위한, 스폿 용접의 용접 개소마다의 바람직한 조건으로서는, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 접합되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전하는 것이다. 이들을 벗어난, 후술하는 표 15에 나타내는 a 내지 d와 같은 부적절한 스폿 용접 조건에서는, 이재 접합체의 높은 접합 강도가 얻어지지 않는다.

(제3 실시예)

구체적으로는, 표 12에 나타내는 각 성분 조성으로 용제하여 1.2㎜ 두께까지 압연한 강판을, 일단 산세하여 기존의 표면 산화층을 제거한 후, 표 14에 나타내는 A, B, C, D, E의 각 조건에서 어닐링 분위기 중의 산소 분압(이슬점)을 다양하게 바꾸고, 단, 어닐링 온도는 880℃, 어닐링 시간은 200sec로 공통적으로 일정하게 하여, 표면 및 표면층의 산화 구조가 다른 강판을 제작하였다. 여기서, 표 12에 나타내는 각 성분 조성의 강판은 모두 본 발명이 대상으로 하는 고강도 강판이고, 각 강판의 인장 강도는 모두 450㎫ 이상인 780 내지 1280㎫의 범위이다.

이들 어닐링 후의 각 강판의 외부 산화물층 조성, 내부 산화물층 조성 등의 각 산화 구조도 표 14에 각각 나타낸다. 표 14에 나타내는 어닐링 조건 중 C, D는, 본 발명이 접합 대상으로 하는, 강재의 외부 산화물층 조성, 내부 산화물층 조성 등의 각 산화 구조가 얻어지는 적합한 어닐링 조건이다. 표 14에 나타내는 바와 같이, C, D의 어닐링 조건에서는, 강판의 외부 산화물층에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 50 내지 80％의 범위 내이다.

또한, 어닐링 조건 C, D는, 내부 산화물 1(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하의 강 영역에 존재)로서, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 입계 산화물을 포함한 후에, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서, 3％ 이상이고 10％ 미만인 범위 내이다. 또한, 내부 산화물 2(강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하고, 20 ㎛ 이하의 강 영역에 존재)로서, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 입계 산화물을 포함한 후에, 이 강 영역의 시야 면적 10㎛² 내에 있어서 차지하는 평균 면적 비율로서, 0.1％ 이하이다.

이에 대해, 표 14에 나타내는 어닐링 조건 중 A, B는, 본 발명이 접합 대상으로 하는 각 산화 구조를 갖는 강재를 얻기 위해서는, 산소 분압(이슬점)이 지나치게 낮은 비교예이다. 이로 인해, 표 14에 나타내는 바와 같이, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층에 있어서의 상기 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 80％를 초과해 버린다. 한편, 어닐링 조건 E는, 본 발명이 접합 대상으로 하는 각 산화 구조를 갖는 강재를 얻기 위해서는, 산소 분압(이슬점)이 지나치게 높은 비교예이다. 이로 인해, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층에 있어서의 상기 산화물의 합계 길이의 평균 비율이 50％를 하회하여 적어진다. 한편, 내부 산화, 입계 산화물이 차지하는 비율이 지나치게 높아져, 국소적으로 반응층이 성장하지만, 반응층이 균일하게 성장하지 않아, 형성 범위가 좁아진다.

따라서, 표 14에 나타내는 어닐링 조건 중, 이들 A, B, E의 어닐링 조건은, 본 발명이 접합 대상으로 하는 각 산화 구조를 갖는 강재로는 되지 않는 것이 명확하므로, 이들 A, B, E의 어닐링 조건에서 어닐링한 각 강판은, 스폿 용접에 의한 이재 접합체는 제작하지 않았다.

(외부 산화물 형성 범위)

외부 산화물은, 단면 시료를 집속 이온 빔 가공 장치(FIB : Focused Ion Beam Process, 히다찌 세이사꾸쇼제 : FB-2000A)에 의해 제작하고, 상기 EDX(형식 : NORAN-VANTAGE)에 의해, 강판의 두께 방향 단면에 있어서의, 강체와 외부 산화물층의 계면을 대략 수평 방향으로 분석함으로써, 계면 근방의 외부 산화물층 중의 Mn, Si의 합계량을 구하고, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 계면 근방의 산화물의 상(복수의 산화물)을, 그 이외의 상과 구별하여 특정하였다. 계속해서, 10만배의 배율의 TEM(JEOL제 전계 방사형 투과 전자 현미경 : JEM-2010F, 가속 전압 200㎸)에 의해 단면 관찰하고, 상기 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 상기 계면에 있어서의 대략 수평 방향의 길이를 구한다. 그리고 계면의 대략 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는, 이 산화물 상의 합계 길이의 비율을 구하였다. 이것을 각각 3시야에서 행하여, 그들의 평균치를 구하였다.

(내부 산화물 점유 면적률)

내부 산화물은, 강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛ 이하인 강 영역에 있어서의 내부 산화물을 내부 산화물 1 및 강판의 강체 표면으로부터의 깊이가 10㎛를 초과하고, 20㎛ 이하의 강 영역에 있어서의 내부 산화물을 내부 산화물 2로 하여, 이들의 조성을 분석한다. 조성 분석은, 이들 각 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물의 평균 면적 비율로 행한다. 우선, 이들 각 강 영역에 있어서의 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물을, 상기 EDX에 의해 그 이외의 상과 구별하여 특정한다. 그리고 3만배의 배율의 TEM(JEOL제 전계 방사형 투과 전자 현미경 : JEM-2010F, 가속 전압 200㎸)에 의해 단면 관찰하고, 상기 EDX와 동일한 계면 영역에 있어서의, 이 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물 상의, 10㎛²당의 시야 면적(지철 면적) 내에 있어서 차지하는 면적 비율을 각각 구하였다. 여기서, 입계 산화물이 차지하는 면적도, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물에 더한다. 이것을 각각 3시야에서 행하여, 그들의 평균치를 구하였다.

이들 산화 구조가 다른 각 강판과, 표 13에 나타내는 1 내지 3의 조성으로, 판 두께 1 내지 1.6㎜인 6000계 알루미늄 합금판을, JIS Z3137에 기재된 십자 인장 시험편 형상으로 가공하여 포개고, 표 15에 나타내는 a, b, c, d, e, f의 각 조건에서 스폿 용접을 행하여, 이재 접합하였다. 여기서, 후술하는 표 16에 나타내는 박리 강도로부터 평가되는 바와 같이, 표 15에 나타내는 a 내지 d는 부적절한 스폿 용접 조건, e, f는 적절한 스폿 용접 각 조건이다.

또한, 표 16에 나타내는 스폿 용접은, 공통적으로 직류 저항 용접 시험기를 사용하여, 표 15에 나타내는 가압력, 용접 전류, 용접 시간으로, 1점당의 스폿 용접을 행하였다. 또한, 공통적으로 Cu-Cr 합금으로 이루어지는 돔형의 전극을 사용하여, 정극을 알루미늄재, 부극을 강재로 하였다.

(계면 반응층의 두께와 형성 범위)

이와 같이 하여 제작한 각 이재 접합체의, 계면 반응층의 두께와 형성 범위를 측정하였다. 이들 결과를 표 16에 나타낸다. 계면 반응층의 두께 측정은, 각 스폿 용접부의 중앙에서 절단하고, 수지로 매립하여 연마를 하고, 접합부 전체에 걸쳐 0.5㎜ 간격으로 SEM 관찰을 행하였다. 반응층의 두께가 1㎛ 이상인 경우에는 2000배의 시야에서, 1㎛ 미만인 경우에는 10000배의 시야에서 측정하여, 각 스폿 용접부마다 평균치를 구하여, 30점의 스폿 용접부의 평균치를 계면 반응층의 평균 두께로 하였다. 또한, 계면 반응층의 형성 범위는, 각 스폿 용접부에 있어서, 스폿 전체 면적에 대한 반응층 형성 면적의 비율을 구하여, 30점의 스폿 용접부의 평균치를 구하였다.

(알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 원소량)

마찬가지로, 제작한 각 이재 접합체의, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의, Fe의 함유량(질량％ : 표 16에서는 계면에서의 Al 중 Fe 농도로 표시)을 측정하였다. 이들의 결과를 표 16에 나타낸다.

분석에는, EPMA : 니혼 덴시제 X선 마이크로 애널라이저(JXA-8800RL)를 사용하여, 가속 전압 15㎸, 조사 전류 0.3㎂로 일정하게 하여 측정하였다. 분석 대상은, 상기 각 스폿 용접부의 중앙에서 절단한 단면으로 하고, 알루미늄 합금재와 강재의 접합 계면을 중심으로, 알루미늄 합금재측과 강재측으로 각 0.5㎜ 들어간 내부까지 분석하였다. 그리고 알루미늄 합금재 내부측의 알루미늄 합금재가 원래 함유하고 있는 Fe의 함유량을 빼고, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량(질량％ : 표 16에서는 계면에서의 Al 중 Fe 농도로 표시)을 측정하였다.

이들 제작한 각 이재 접합체의 십자 인장 시험을 행하여, 박리 강도를 구하였다. 이들 결과도 표 16에 나타낸다. 박리 강도는, A6022 알루미늄재끼리의 스폿 용접 접합 강도＝1.0kN을 참고로 하여, 2.0kN 이상이면 ○, 2.0kN 미만이면 ×로 하였다.

표 16으로부터 명백한 바와 같이 표 12, 표 13에 나타내는 적정 성분 조성의 강판과 6000계 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 14에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 C, D의 어닐링 조건에서 처리한 각 발명예 1 내지 23은, 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건을 만족시킨다. 또한, 이들 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용하여, 용접 조건을 e, f의 적절한 스폿 용접 조건으로 한 각 발명예 1 내지 23은, 이재 접합체 접합 계면의 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의, Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하이다. 그리고 또한, 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율)이 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상으로, 이 반응층의 두께도 적절하다. 이 결과, 표 16으로부터 명백한 바와 같이 각 발명예 1 내지 23은 이종 접합체의 접합 강도(박리 강도)가 2kN 이상으로 높아져 있는 것을 알 수 있다.

또한, 표 12, 표 13에 나타내는 적정 성분 조성의 강판과 6000 알루미늄 합금판을 사용하여, 표 14에 나타내는 산소 분압(이슬점)이 적합한 C, D의 어닐링 조건에서 처리한, 각 비교예 24 내지 38은, 당연히 어닐링 후의 강판의 외부 산화물층과 내부 산화물이 본 발명 조건 내이다. 그러나 표 15에 있어서의 스폿 용접 조건을, a 내지 d의 부적절한 조건으로 한 비교예 24 내지 31은, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이나, 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율), 혹은 이 반응층의 두께 등도 부적절하다. 이 결과, 표 16으로부터 명백한 바와 같이 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위가 본 발명 조건을 만족시키지 않고, 이종 접합체의 접합 강도가 현저하게 낮아져 있는 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 32 내지 38은, 용접 조건을 e, f의 적절한 스폿 용접 조건으로 하고 있고, 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이나, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 면적(형성 비율) 혹은 이 반응층의 두께도 대체로 적절하다. 그러나 표 12에 나타내는 강판 성분 조성 19 내지 25가 본 발명 범위로부터 벗어나 부적정하므로, 표 16으로부터 명백한 바와 같이 이종 접합체의 접합 강도가 현저하게 낮아져 있다.

비교예 32는 C가 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하여, 균열이 발생되어 있었다. 비교예 33은 Si가 지나치게 높아, 접합 계면에 최적의 Fe와 Al의 반응층을 형성할 수 없었다. 비교예 34는 Mn이 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하여, 균열이 발생되어 있었다. 비교예 35는 Al이 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 36은 N이 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 37은 Cr이 지나치게 높아, 스폿 용접부에 과냉 조직이 발생하고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다. 비교예 38은 Nb가 지나치게 높아, 강재의 연성이 저하되고, 십자 인장 시험에 있어서 취성적으로 파단되어 박리 강도가 낮았다.

따라서, 이들 사실로부터, 본 발명의 강재측의 산화물 조건의 임계적인 의의가 뒷받침된다. 또한, 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위의 본 발명 조건의 의의를 알 수 있다. 또한, 이재 접합체의 계면 반응층의 두께와 형성 범위가 본 발명 조건을 만족시키고, 이재 접합체의 접합 강도를 높이기 위해서는, 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용할 뿐만 아니라, 용접 조건을 적절하게 할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 스폿 용접의 적용 조건 등의 제약이 적고, 범용성이 우수한 동시에, 접합부에 취약한 반응층(금속간 화합물층) 등이 생성되어 접합의 신뢰성을 저해하는 일이 없어, 높은 접합 강도를 갖는 접합부를 얻을 수 있는, 강재와 알루미늄 합금재를 용접 접합한 이재 접합체 및 이재 접합 방법을 제공할 수 있다. 이러한 이재 접합체 및 이재 접합 방법은, 자동차, 철도 차량 등의 수송 분야, 기계 부품, 건축 구조물 등에 있어서의 각종 구조 부재 및 그 용접 방법으로서 유용에 적용할 수 있다.

Claims

6000계 알루미늄 합금재와의 이재 접합용 강재이며, 이 강재의 조성을, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하는 동시에, Al:0.002 내지 0.1%, Nb:0.005 내지 0.10%, Ti:0.005 내지 0.1%, Zr:0.005 내지 0.10%, Cr:0.05 내지 3.00%, Mo:0.01 내지 3.00%, Cu:0.01 내지 3.00%, Ni:0.01 내지 3.00%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 P, S, N에 대해서는, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 것으로 하고, 이 강재의 강체 표면으로부터의 깊이가 20㎛까지의 강 영역에 존재하는 산화물로서, 결정립계에 존재하는 산화물과, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역에 차지하는 평균 면적 비율로서, 5％ 이상 20％ 미만이고, 이 강재 표면 상에 존재하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 외부 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 0.1％ 이상 50％ 미만인 것을 특징으로 하는, 이재 접합용 강재.
제1항에 기재된 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 상기 알루미늄 합금재가, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％, Fe:0.01 내지 0.40%, Ti:0.001 내지 0.10%, Mn:0.001 내지 0.30%를 각각 함유하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지고, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하인 동시에, 상기 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 이재 접합체.
제2항에 있어서, 상기 이재 접합체가 스폿 용접된 것이며, 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께가 0.1 내지 3㎛의 범위인 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 면적의 70％ 이상의 면적인, 이재 접합체.
제2항에 있어서, 상기 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가 2kN 이상인, 이재 접합체.
제2항에 있어서, 상기 이재 접합체가 자동차의 차체 구조용인, 이재 접합체.
강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 제1항에 기재된 강재와, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％, Fe:0.01 내지 0.40%, Ti:0.001 내지 0.10%, Mn:0.001 내지 0.30%를 각각 함유하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 합금재를 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(마찰 교반 접합)하는 것을 특징으로 하는, 이재 접합 방법.
제6항에 있어서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 용접되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전함으로써, 강재와 알루미늄 합금재를 스폿 용접하는 것을 특징으로 하는, 이재 접합 방법.
5000계 또는 7000계 알루미늄 합금재와의 이재 접합용 강재이며, 이 강재의 조성을, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하는 동시에, Al:0.002 내지 0.1%, Nb:0.005 내지 0.10%, Ti:0.005 내지 0.1%, Zr:0.005 내지 0.10%, Cr:0.05 내지 3.00%, Mo:0.01 내지 3.00%, Cu:0.01 내지 3.00%, Ni:0.01 내지 3.00%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 P, S, N에 대해서는, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 것으로 하고, 이 강재 표면 상에 존재하는, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 외부 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 80 내지 100％인 것을 특징으로 하는, 이재 접합용 강재.
제8항에 기재된 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 상기 알루미늄 합금재가, 질량％로 Mg:1.0％ 이상을 포함하고, Fe, Mn, Cr 및 Cu 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.03 내지 2.5%를 포함하고, Si:0.5% 이하, Ti:0.5% 이하, Zn:0.5% 이하를 더 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 5000계 알루미늄 합금, 또는 Mg:1.0% 이상을 포함하고, Zn:4.5 내지 6.5%, Fe:0.01 내지 0.40%를 포함하고, Mn:0.01 내지 0.6%, Cr:0.01 내지 0.2%, Ti:0.001 내지 0.10% 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.30% 이하 포함하고, Cu:0.01 내지 0.2%를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 7000계 알루미늄 합금으로 이루어지고, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하인 동시에, 상기 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 이재 접합체.
제9항에 있어서, 상기 이재 접합체가 스폿 용접된 것이며, 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께가 0.1 내지 3㎛의 범위인 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 면적의 70％ 이상의 면적인, 이재 접합체.
제9항에 있어서, 상기 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가 2kN 이상인, 이재 접합체.
제9항에 있어서, 상기 이재 접합체가 자동차의 차체 구조용인, 이재 접합체.
강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 제8항에 기재된 강재와, 질량％로 Mg:1.0％ 이상을 포함하고, Fe, Mn, Cr 및 Cu 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.03 내지 2.5%를 포함하고, Si:0.5% 이하, Ti:0.5% 이하, Zn:0.5% 이하를 더 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 5000계 알루미늄 합금, 또는 Mg:1.0% 이상을 포함하고, Zn:4.5 내지 6.5%, Fe:0.01 내지 0.40%를 포함하고, Mn:0.01 내지 0.6%, Cr:0.01 내지 0.2%, Ti:0.001 내지 0.10% 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.30% 이하 포함하고, Cu:0.01 내지 0.2%를 포함하고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 7000계 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 합금재를 스폿 용접 또는 프릭션 스폿 접합(마찰 교반 접합)하는 것을 특징으로 하는, 이재 접합 방법.
제13항에 있어서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 용접되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전함으로써, 강재와 알루미늄 합금재를 스폿 용접하는 것을 특징으로 하는, 이재 접합 방법.
강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합체이며, 접합하는 강재를, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하고, Al:0.002 내지 0.1%, Nb:0.005 내지 0.10%, Ti:0.005 내지 0.1%, Zr:0.005 내지 0.10%, Cr:0.05 내지 3.00%, Mo:0.01 내지 3.00%, Cu:0.01 내지 3.00%, Ni:0.01 내지 3.00%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 P, S, N에 대해서는, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 강재로 하는 동시에, 접합하는 알루미늄 합금재를, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％, Fe:0.01 내지 0.4%를 각각 함유하고, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％ 중 1종 또는 2종을 더 함유시키고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 6000계 알루미늄 합금으로 하고, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량을 2.0질량％ 이하로 규제한 후에, 이재 접합체의 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 이재 접합체.
제15항에 있어서, 상기 이재 접합체가 스폿 용접된 것이며, 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께가 0.1 내지 3㎛의 범위인 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상의 면적인, 이재 접합체.
제15항에 있어서, 상기 접합하는 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 50 내지 80％인 조성으로 한, 이재 접합체.
제15항에 있어서, 상기 접합하는 강재의 강체 표면으로부터 10㎛까지의 깊이까지의 강 영역에 존재하는, 결정립계에 존재하는 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역에 차지하는 평균 면적 비율로서 3％ 이상이고 10％ 미만으로 한, 이재 접합체.
제15항에 있어서, 상기 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도가 2kN 이상인, 이재 접합체.
제15항에 있어서, 상기 이재 접합체가 자동차의 차체 구조용인, 이재 접합체.
강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법이며, 서로 용접되는 개소의 두께를 3㎜ 이하로 하고, 접합하는 강재를, 질량％로, C:0.01 내지 0.30％, Si:0.1 내지 3.00％, Mn:0.1 내지 3.00％를 각각 함유하고, Al:0.002 내지 0.1%, Nb:0.005 내지 0.10%, Ti:0.005 내지 0.1%, Zr:0.005 내지 0.10%, Cr:0.05 내지 3.00%, Mo:0.01 내지 3.00%, Cu:0.01 내지 3.00%, Ni:0.01 내지 3.00%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 P, S, N에 대해서는, P:0.10％ 이하(0％를 포함함), S:0.05％ 이하(0％를 포함함), N:300ppm 이하(0％를 포함함)로 각각 규제한 강재로 하는 동시에, 이 강재 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을, Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 산화물이 차지하는 비율이, 강체와 외부 산화물층의 계면의 수평 방향의 길이 1㎛에 대해 차지하는 이 산화물의 합계 길이의 평균 비율로서, 50 내지 80％인 조성으로 미리 하는 한편, 접합하는 알루미늄 합금재를, 질량％로, Mg:0.1 내지 3.0％, Si:0.1 내지 2.5％, Cu:0.001 내지 1.0％, Fe:0.01 내지 0.4%를 각각 함유하고, Li:0.01 내지 0.5％, Mn:0.1 내지 0.5％ 중 1종 또는 2종을 더 함유시키고, 잔량부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 6000계 알루미늄 합금으로 하고, 이들 강재와 알루미늄 합금재를, 이재 접합체의 상기 알루미늄 합금재측의 접합 계면에 있어서의 Fe의 함유량이 2.0질량％ 이하로 되도록 스폿 용접 또는 스폿 마찰 교반 접합하고, 이재 접합체의 접합 계면에 Fe와 Al의 반응층을 형성하여, 강재와 알루미늄 합금재를 서로 접합시키고, 이 이재 접합체의 십자 인장 시험편에 의해 측정된 박리 강도를 2kN 이상으로 하는 것을 특징으로 하는, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법.
제21항에 있어서, 상기 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 전극간 가압력 2.0 내지 3.0kN으로, 10 내지 35㎄의 전극간 전류를, 접합되는 알루미늄 합금재 부분의 두께(t㎜)와의 관계에서, 200×tmsec 이하의 시간 통전하는, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법.
제21항에 있어서, 상기 스폿 용접 개소마다의 조건으로서, 상기 강재와 알루미늄 합금재의 접합 계면에 형성된 상기 Fe와 Al의 반응층의 너깃 깊이 방향의 평균 두께를 0.1 내지 3㎛의 범위로 하는 동시에, 상기 Fe와 Al의 반응층의 형성 범위가, 스폿 용접 접합 면적의 70％ 이상의 면적으로 한, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법.
제21항에 있어서, 상기 접합하는 강재의 강체 표면으로부터 10㎛까지의 깊이까지의 강 영역에 존재하는, 결정립계에 존재하는 산화물과 Mn, Si를 합계량으로 1at％ 이상 포함하는 결정립 내에 존재하는 산화물이 차지하는 비율이, 이 강 영역에 차지하는 평균 면적 비율로서 3％ 이상이고 10％ 미만으로 한, 강재와 알루미늄 합금재의 이재 접합 방법.