WO2009091049A1

WO2009091049A1 - 異種金属の接合方法及び接合構造

Info

Publication number: WO2009091049A1
Application number: PCT/JP2009/050586
Authority: WO
Inventors: Shigeyuki Nakagawa; Kenji Miyamoto; Minoru Kasukawa; Masao Aihara; Sadao Yanagida; Akio Hirose
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2009-07-23
Also published as: CN101918168B; CN101918168A; US20110052935A1; US8492005B2; JP5495093B2; EP2253410B1; EP2253410A1; JP2009269085A; EP2253410A4

Abstract

　マグネシウム合金材１（第１の材料）と鋼材（第２の材料）を接合するに当たり、亜鉛（金属Ｃ）めっきを施した亜鉛めっき鋼板２を鋼材として使用すると共に、マグネシウム合金材１にはＡｌ（金属Ｄ）を含有させておき、接合に際してＭｇとＺｎの共晶溶融を生じさせて、酸化皮膜１ｆや不純物などと共に接合界面から排出すると共に、Ａｌ３Ｍｇ２のようなＡｌ－Ｍｇ系金属間化合物や、ＦｅＡｌ３のようなＦｅ－Ａｌ系金属間化合物を生成させ、これら金属間化合物を含有する化合物層３を介して両材料１及び２の新生面同士を接合する。

Description

異種金属の接合方法及び接合構造

　本発明は、スチール材とマグネシウム合金材との組合せのように、接合面に酸化皮膜が存在し、しかも直接的な接合が冶金的に困難な異種金属の接合方法と、このような方法により接合された異種金属の接合構造に関するものである。

　異種金属を接合する場合、例えばマグネシウム合金材と鋼材との組合せのように、マグネシウム合金材の表面に酸化皮膜が存在し、さらに接合時の加熱過程で鋼表面の酸化皮膜が成長するような材料の場合、大気中での接合が困難となる。

　また、Ｆｅ－Ｍｇ二元状態図は二相分離型を示し、互いの固溶限（ｓｏｌｉｄ　ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ　ｌｉｍｉｔ）も非常に小さいことから、このような特性の材料同士を直接接合することは、冶金的に極めて困難である。

　そこで、従来、このようなマグネシウム系材料と鋼の異種金属材料を組み合わせて使用する場合には、ボルトやリベット等による機械的締結によっていた（特許文献１参照）。
特開２０００－２７２５４１号公報

　しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、接合に用いる部品点数が増加することから、接合部材の重量やコストが増加する点に問題があった。

　本発明は、異種金属接合における上記課題に鑑みてなされたものであり、マグネシウム系材料と鋼のように、冶金的な接合が直接には困難な異種金属材料の組合せであっても、強固に接合することができる異種金属の接合方法を提供することを目的としている。また、本発明のさらなる目的とするところは、上記のような異種金属材料を組合せた場合においても、強固に接合され得る異種金属の接合構造を提供することにある。

　本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする両異種金属材料間に第３の材料を介在させ、両材料の少なくとも一方との間に共晶反応を生じさせることによって、接合する材料の表面上に形成されている酸化皮膜を比較的低温度で接合界面から除去することができることを見出した。このことから更に研究開発を進め、両材料の少なくとも一方との間に金属間化合物を形成する金属を添加し、接合界面にこのような金属間化合物を含む層を介在させることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

　すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属の接合方法は、マグネシウムを主成分とする第１の材料と鉄を主成分とする第２の材料の間に、金属Ｃを含有する第３の材料を介在させ、上記マグネシウム及び鉄の少なくとも一方と金属Ｃの間に共晶溶融を生じさせて接合する方法であって、金属Ｃとの間に共晶溶融を生じる金属を主成分として含有する材料中及び／又は第３の材料中に金属Ｄを予め添加しておき、接合に際して共晶溶融反応生成物を接合界面から排出すると共に、マグネシウム及び鉄の少なくとも一方と金属Ｄとの金属間化合物を含む化合物層を介して第１の材料と第２の材料を接合することを特徴とする。

　また、本発明の異種金属の接合構造は、マグネシウムを主成分とする第１の材料と鉄を主成分とする第２の材料の新生面同士がマグネシウム及び鉄の一方又はそれぞれと金属Ｄとの金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴としている。

　本発明によれば、種類の異なる被接合材の間に第３の材料を介在させ、被接合材の少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせることで、接合を阻害する酸化皮膜が接合界面に形成されていたとしても、この酸化皮膜を低温で容易に接合界面から除去することができる。加えて、金属Ｄと被接合材との金属間化合物を含む層が被接合材間に介在することにより、冶金的に直接接合が困難な被接合材の組合せであっても接合界面で相互拡散が可能となり、強固な接合が達成されるようになる。

図１は、Ｍｇ－Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。図２は、Ｍｇ－Ｓｎ系２元状態図である。図３は、Ｍｇ－Ｃｕ系２元状態図である。図４は、Ａｇ－Ｍｇ系２元状態図である。図５は、Ｍｇ－Ｎｉ系２元状態図である。図６は、本発明の異種金属の接合方法における接合過程を概略的に示す工程図である。図７は、本発明の接合方法を適用した点接合による重ね継手の接合構造を示す概略断面図である。図８は、Ａｌ－Ｍｇ系２元状態図である。図９は、Ｆｅ－Ａｌ系２元状態図である。図１０は、Ｍｇ－Ｇａ系２元状態図である。図１１は、Ｆｅ－Ｇａ系２元状態図である。図１２は、本発明の実施例に用いた拡散接合装置の構造を示す概略図である。図１３は、本発明の実施例３，６，８によって得られた接合界面構造をそれぞれ示す電子顕微鏡による写真である。図１４は、本発明の実施例６及び８によって得られた接合界面に介在する金属間化合物のＸ線回折結果を示すチャート図である。図１５は、本発明の実施例に用いた抵抗スポット溶接装置の構造を示す概略図である。図１６は、本発明の実施例１２，１３，１５によって得られた接合界面構造をそれぞれ示す電子顕微鏡による写真である。

　以下に、本発明の異種金属の接合方法、及びこれによって得られる接合構造について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。

　本発明の異種金属の接合方法においては、上記したように、マグネシウムを主成分とする第１の材料（マグネシウムが主成分）と第２の材料（鉄が主成分）とを接合するに際して、まず、両材料の間にマグネシウム及び鉄の一方又は双方と共晶溶融を生じる金属Ｃを含有する第３の材料を介在させる。一方、金属Ｃと共晶溶融を生じる方の金属を主成分として含有する材料及び第３の材料のいずれか一方、又は両方に金属Ｄを予め添加しておく。

　そして、接合に際しては、加熱及び加圧によってマグネシウム及び／又は鉄と、金属Ｃとで共晶溶融を生じさせ、その反応生成物を接合界面から排出すると共に、マグネシウムと金属Ｄの間及び／又は鉄と金属Ｄとの間に金属間化合物を生成させ、このような金属間化合物を含む化合物層を介して第１の材料と第２の材料を接合するようにしている。

　したがって、被接合材の融点よりも低い温度で、接合界面近傍が共晶溶融により融けるために被接合材表面の酸化皮膜は容易に移動可能となり、接合の阻害要因である酸化皮膜を接合界面からその周囲へと移動させて容易に除去することができる。また、接合界面には上記金属間化合物を含む層が介在することによって、冶金的に直接接合が困難な被接合材の組合せであっても相互拡散が可能となり、接合強度が向上することになる。

　なお、金属Ｃがマグネシウム及び鉄のいずれとも共晶溶融を生じる場合、金属Ｄは、第１及び第２の材料の双方に添加しても支障はないが、いずれか一方に添加すれば足りる。第３の材料に金属Ｄが添加してあれば、第１及び第２の材料の一方又は両方に添加したとしても差し支えはないが、第１及び第２の材料のいずれにも添加しなくても済むことは言うまでもない。

　また、本発明において「主成分」とは、材料中に最も多く含まれる成分を意味するものとする。

　本発明において「金属Ｃ」は、マグネシウム及び鉄の一方又は双方と共晶溶融を生じる金属であり、「金属Ｄ」は、マグネシウム及び鉄の一方又は双方と金属間化合物を形成する金属である。

　本発明における異種金属材料の具体的な組合せ、つまり第１の材料及び第２の材料の具体例としては、上記したようなマグネシウム系材料と鋼との組合せを挙げることができ、この場合、金属Ｄとしてはアルミニウムを好適に用いることができる。また、金属Ｄとして、実用的な金属の中では、上記アルミニウム以外にガリウム（Ｇａ）を用いることができる。

　具体的な接合方法では、鋼材の接合面にマグネシウムと共晶溶融を生じる金属Ｃを含有する第３の材料を予め付着させておくと共に、マグネシウム系材料及び当該第３の材料の一方又は双方に金属Ｄとしてのアルミニウムを添加しておく。そして、接合に際する加熱押圧によりマグネシウムと金属Ｃとの共晶溶融を生じさせ、これと共にマグネシウムの酸化皮膜を接合界面から排出し、更にＡｌ－Ｍｇ系金属間化合物やＦｅ－Ａｌ系金属間化合物を生成させ、これにより当該金属間化合物を含む化合物層を介して上記マグネシウム系材料と鋼材とを接合するようになすことができる。

　このとき、金属Ｃとしては、マグネシウムと共晶溶融を生じる金属でありさえすれば、特に限定されず、例えばＺｎ（亜鉛）、Ｓｎ（錫）、Ｃｕ（銅）Ａｇ（銀）及びＮｉ（ニッケル）を単独で、あるいはこれらの２種以上を含むものを第３の材料として用いることができる。

　すなわち、図１～図５に示した二元状態図から明らかなように、Ｍｇ－Ｚｎ系合金は３４１℃及び３６４℃に２点、Ｍｇ－Ｓｎ系合金には５６１℃及び２０４℃に２点の共晶点をそれぞれ有している。また、Ｍｇ－Ｃｕ系合金は４８５℃及び５５２℃に、Ｍｇ－Ａｇ系合金には４７２℃に、更にＭｇ－Ｎｉ系合金には５０６℃にそれぞれＭｇの融点よりも低い共晶点があることが知られている。

　また、上記したように、金属Ｃを含む第３の材料中に金属Ｄとしてのアルミニウム又はガリウムを添加することもでき、具体的には金属ＣとしてのＺｎと金属ＤであるＡｌを含有する合金を第３の材料として用いることが望ましい。これによって、Ａｌを実質的に含有しないマグネシウム系材料の接合にも容易に対応することができる。

　このとき、金属Ｃや、金属Ｃと共に金属Ｄを含む第３の材料を鋼材の接合面に予め付着させておくための具体的手段としては、めっき、溶射、蒸着、皮膜コーティングなどの被覆手段を採用することが望ましい。

　すなわち、洗浄後の清浄面に対して第３の材料を上記のような被覆手段により付着させることによって、接合時には共晶反応により溶融された被覆層が、表面の酸化皮膜や不純物と共に接合部周囲に排出された後は、被覆層の下から極めて清浄な新生面が現れるため強固な接合を可能とすることができる。

　この場合、第３の材料が被覆された被覆鋼板としては、第１の材料の主成分であるマグネシウムと低融点共晶を形成する亜鉛がその表面に予めめっきされている材料、例えば、ＪＩＳ　Ｇ　３３０２やＪＩＳ　Ｇ　３３１３に規定されている亜鉛めっき鋼板を用いることができる。この亜鉛めっき鋼板を用いることによって、新たに鋼材にめっきを施す等の、特別な準備を要することなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販めっき鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、異種金属の強固な接合を行うことができるようになる。

　また、ＭｇやＦｅと金属間化合物を形成する金属Ｄとして機能するアルミニウムを亜鉛めっき中に含むＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板を使用することも可能である。

　この場合、当該めっき層中に含まれるＡｌ含有量としては、質量百分率で６５％未満、さらには５％以上６０％未満であることが好ましい。すなわち、Ａｌ－Ｚｎ合金めっき層中のＡｌ量が６５％以上となると、接合界面に形成される化合物層の厚さが相対的に厚くなってくると共に、化合物の構造が、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物の支配的な組織となったり、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物とＡｌ－Ｍｇ系金属間化合物とが混在する複合構造ではなくて、層状に二重構造を呈したりするようになり、接合強度が低下する傾向がある。

　なお、鋼板の表面にＡｌ－Ｚｎ合金から成るめっきを施した合金めっき鋼板が、ＪＩＳ　Ｇ　３３１７（Ｚｎ－５％Ａｌ）やＪＩＳ　Ｇ　３３２１（５５％Ａｌ－Ｚｎ）に規定されており、このような市販めっき鋼材を適用することができ、この場合にも同様に、簡便・安価に、異種金属の強固な接合を行うことができる。

　本発明の異種金属の接合方法は、上記のように、第１の材料（マグネシウムが主成分）と第２の材料（鉄が主成分）とを、マグネシウムと金属Ｄとの金属間化合物や、鉄と金属Ｄとの金属間化合物を含む化合物層を介して接合するものであり、当該化合物層に上記金属間化合物のいずれかが含まれていれば、接合が達成される。しかし、接合強度をさらに向上させる観点からは、Ａｌ－Ｍｇ系金属間化合物とＦｅ－Ａｌ系金属間化合物の両者を生成させ、これらが化合物層中に混在していることが望ましい。

　なお、上記したマグネシウム系材料と鋼との接合であって、金属Ｄとしてアルミニウムを用いた例では、Ａｌ_３Ｍｇ_２のようなＡｌ－Ｍｇ系金属間化合物とＦｅＡｌ_３のようなＦｅ－Ａｌ系金属間化合物とが混在する複合組織を備えた化合物層を形成することが望ましい。

　ここで、共晶溶融について、Ｍｇ－Ｚｎ系合金の例について説明する。

　先に図１に示したようにＭｇ－Ｚｎ系には、共晶点が２点（Ｔｅ１及びＴｅ２）あり、それぞれ３４１℃及び３６４℃であり、マグネシウムの融点６５０℃よりも遙かに低い温度で共晶反応を生じる。

　したがって、図に示した共晶点を利用してＭｇとＺｎの共晶溶融を作り出し、接合時の酸化皮膜除去に利用することによって、接合性を阻害するマグネシウムの酸化皮膜を低温で効果的に除去できると共に、接合時の界面温度をより均一に保持できるようになり、安定した接合が実施できる。

　なお、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融を意味し、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。

　したがって、両金属の清浄面を接触させ、共晶温度以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。

　図６（Ａ）～（Ｅ）は、本発明による異種金属パネルの接合プロセスの具体例として、マグネシウム合金材（第１の材料：主成分はＭｇ）と亜鉛めっき鋼板（第２の材料：主成分はＦｅ）との接合過程を示す概略工程図である。

　まず、図６（Ａ）に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Ｍｇと共晶を形成する金属Ｃとして機能する亜鉛を含む亜鉛めっき層（第３の材料）２ｐが施された亜鉛めっき鋼板２と、マグネシウム合金材１とを用意する。そして、図６（Ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板２とマグネシウム合金材１とを亜鉛めっき層２ｐが内側になるように重ねる。なお、マグネシウム合金材１には、予め適量のアルミニウム（金属Ｄ）が添加されており、表面には酸化皮膜１ｆが生成している。

　次に、これを図６（Ｂ）に矢印で示すように、相対的な押圧や、熱的な衝撃の負荷や加熱による塑性変形などによって、局部的に酸化皮膜１ｆが破壊される。

　このように酸化皮膜１ｆが局部的に破壊されると、ＭｇとＺｎとの局部的な接触が起こる。そして所定の高温度状態に保持されると、図６（Ｃ）に示すように、この接触した部分からＭｇとＺｎの共晶溶融が生じて共晶溶融反応生成物Ｅが形成され、更にこの共晶溶融反応生成物Ｅが形成された領域が接合界面の全面にまで拡大してマグネシウム合金材１の表面の酸化皮膜１ｆが順次効果的に除去される。

　そして、図６（Ｄ）に示すように、押圧によって共晶溶融反応生成物Ｅと共に酸化皮膜１ｆや接合界面の不純物（図示せず）が接合部周囲に排出される。この時、接合界面では、共晶溶融によりＺｎと共にＭｇが優先的に溶融し、接合界面の周囲に排出され、その結果、マグネシウム合金中に添加されたＡｌ成分が取り残される。そのため、接合界面だけ相対的にＡｌリッチな相ができ、さらにこのＡｌ原子が亜鉛めっき鋼板２のＦｅ及びマグネシウム合金材１のＭｇと反応し、Ａｌ－Ｍｇ系やＦｅ－Ａｌ系の金属間化合物を含む化合物層３（反応層）が接合界面に形成される。

　さらに、接合時間が経過すると、図６（Ｅ）に示すように、界面に形成したＭｇ－Ｚｎ共晶溶融反応生成物が接合界面の周囲に完全に排出される結果、接合界面には上記のような金属間化合物を含む化合物層３を介してマグネシウム合金材１と亜鉛めっき鋼板２の鋼板部分とが強固に接合し、これで接合プロセスが完了する。

　図示した例では、接合後の接合界面には亜鉛めっき層２ｐが残存せず、化合物層３のみを介してマグネシウム合金材１と亜鉛めっき鋼板２の鋼板部分とが接合している。これがマグネシウム合金材１と亜鉛めっき鋼板２との強固な接合が得られる要因の一つである。このような接合構造は所定の押圧力や、共晶反応や共晶溶融反応生成物Ｅの排出に要する温度や時間、さらには亜鉛めっき鋼板２の亜鉛めっき層２ｐの初期厚さが接合時に共晶反応に消費される亜鉛量に見合ったものであること、が必要となる。

　図７は、上記した方法を適用した実用的な点接合による接合継手の接合部構造を示すものであって、少なくとも接合界面側の表面に金属Ｃとしての亜鉛めっき層２ｐが施された亜鉛めっき鋼板２上に、マグネシウム合金材１がその表面に酸化皮膜１ｆが生成された状態で重ねられている。

　そして、接合界面には前述したように、Ａｌ－Ｍｇ系金属間化合物（例えばＡｌ_３Ｍｇ_２）やＦｅ－Ａｌ系金属間化合物（例えばＦｅＡｌ_３）を含む化合物層３が形成され、これを介してマグネシウム合金材１と鋼板２とが接合されている。そして、この接合部を囲むように、亜鉛めっき鋼板２の亜鉛２ｐを含む共晶溶融物と共に酸化皮膜１ｆに由来する酸化物や接合界面の不純物などが排出されてなる排出物Ｗが、両板材１，２の間に介在している。

　なお、上記においては、金属Ｃ及び金属Ｄとして、それぞれＺｎ及びＡｌを用いた例を示したが、既に述べたように、金属ＣとしてはＺｎの他にＳｎやＣｕ、Ａｇ、Ｎｉなどを用いることができ、金属Ｄとしては、Ａｌ以外にはＧａを用いることができる。これらの金属を用いた場合においても、共晶温度や生成される金属間化合物が金属Ｃや金属Ｄの種類に応じて変化するものの、接合原理や効果についてはＺｎ及びＡｌを用いた場合と基本的に変わることはない。

　図８～１１は、それぞれＡｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｆｅ系、Ｍｇ－Ｇａ系及びＦｅ－Ｇａ系の二元合金状態図を示す。これらの図面より、Ａｌ－Ｍｇ系ではＡｌ_３Ｍｇ_２等の金属間化合物が、Ａｌ－Ｆｅ系ではＦｅＡｌ_３等の金属間化合物が、Ｍｇ－Ｇａ系ではＭｇＧａ_２等の金属間化合物が、そしてＦｅ－Ｇａ系ではＦｅＧａ_３等の金属間化合物が、それぞれ生成されることが分かる。

　また、本発明の異種金属接合方法に適用する接合手段（加熱手段）としては、接合界面の温度を精密にコントロールできる接合方法であれば特に限定はない。例えば、抵抗スポット溶接、レーザ溶接、高周波溶接などの溶融接合や、摩擦攪拌接合、超音波接合、拡散接合などの固相接合といった、通常用いられている装置や設備を用いることができ、この接合方法のための新規な接合手段や熱源を開発、準備することなく、既存の設備で済むことから経済的である。

　本発明の異種金属の接合構造は、第１の材料（主成分：マグネシウム）と第２の材料（主成分：鉄）との新生面同士が、マグネシウムと金属Ｄの金属間化合物や、鉄と金属Ｄとの金属間化合物を含む化合物層３を介して接合されたものであり、本発明の上記接合方法によって得ることができる。

　このとき、例えば重ね接合においては、図７に示したように、マグネシウム合金材１のマグネシウム及び亜鉛めっき鋼板２の鉄のうち少なくとも一方と金属Ｃとの間に形成された共晶溶融反応生成物や酸化皮膜に由来する酸化物などを含む排出物Ｗが、接合部であるところの化合物層３の周囲に排出されていて、両板材１，２間に介在することになる。なお、上記排出物Ｗには、接合界面の不純物や、被接合材に含まれる成分、余剰の金属Ｃなども含まれることがある。

　一方、突き合わせ接合においては、接合界面から周囲に排出した排出物Ｗを、接合部材から完全に除去することも可能である。

　第１の材料がマグネシウム系材料（主成分：Ｍｇ）であり、第２の材料が鋼材（主成分：Ｆｅ）であって、金属Ｄがアルミニウムである場合、マグネシウム系材料と鋼材の新生面同士がＡｌ－Ｍｇ系やＦｅ－Ａｌ系の金属間化合物を含む化合物層を介して接合された構造となる。

　このとき、接合強度を向上させる観点からは、化合物層にＡｌ－Ｍｇ系金属化合物とＦｅ－Ａｌ系金属間化合物の両方が含まれ、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３から成る複合組織を備えていることが望ましい。更に、金属間化合物層を含む反応層は共晶溶融反応生成物を含まず、Ａｌ－Ｍｇ系やＦｅ－Ａｌ系の金属間化合物層のみからなることが、より望ましい。

　また、金属ＤがＧａである場合、マグネシウム系材料と鋼材の新生面同士がＭｇ－Ｇａ系やＦｅ－Ｇａ系の金属間化合物を含む化合物層を介して接合された構造となる。

　このとき、接合強度を向上させる観点からは、化合物層にＭｇ－Ｇａ系金属化合物とＦｅ－Ｇａ系金属間化合物の両方が含まれ、ＭｇＧａ_２とＦｅＧａ_３から成る複合組織を備えていることが望ましい。更に、金属間化合物層を含む反応層は共晶溶融反応生成物を含まず、Ｍｇ－Ｇａ系やＦｅ－Ｇａ系の金属間化合物層のみからなることが、より望ましい。

　なお、当該化合物層の厚さとしては、０．０８μｍ以上、望ましくは２．５μｍ以下であることが好ましい。すなわち、化合物層の厚さが０．０８μｍに満たない場合、接合面内に接合部と未接合部が局部的に混在した不連続な接合状態となり、十分な接合強度が得られなくなるという不都合が生じることがある。このため、接合面内を均一で確実な接合状態とするには、化合物層の厚さを０．０８μｍ以上とすることが好ましい。

　以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

　第１の材料としてのマグネシウム系材料と第２の材料としての鋼との異種金属接合を行うに際して、鋼材としては、裸鋼板と、亜鉛（金属Ｃ）めっきを施した亜鉛めっき鋼板を用いた。一方、マグネシウム材としては、純マグネシウムと、アルミニウム（金属Ｄ）の添加量の異なる３種のマグネシウム合金を用意し、これら鋼材とマグネシウム材とを種々の条件で接合し、得られる界面構造と強度の関係を調査した。

　図１２は、当該実施例に用いた接合装置の構造を示す概略図であって、図に示す接合装置２０は、一般的な拡散接合装置であり、加熱炉２１と、この加熱炉２１内の雰囲気温度を調整する温度制御装置２２と、加圧装置２３を備えている。

　そして、加熱炉２１内にセットした円柱形のマグネシウム材１１と逆Ｕ字状に成形した鋼材１２とを加圧装置２３により所定の加圧力で加圧しながら、温度制御装置２２により所定の各温度に制御し、それぞれの時間だけ保持した後、加熱を中止して空冷した。

　接合条件としては、加圧力を５ＭＰａとし、接合温度を４２５～５００℃、接合時間を５～６０分の範囲内で変化させ、接合後は継手強度を測定するため、Ｔ字引張試験を行い、引張強度を測定した。

　一方、接合部界面の反応層の組成、厚さなどを走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型Ｘ線分光法、Ｘ線回折装置により調査した。これらの結果を表１に示す。なお、表中においては、引張強度について、３０ＭＰａに満たないものを「B」、３０～５０ＭＰａ未満のものを「A」、５０～７０ＭＰａのものを「AA」、７０ＭＰａを超えるものを「AAA」と評価した。また、接合できないものについては「C」と表記した。

　表１に示すように、比較例１～４においては、鋼材として亜鉛めっきがされていない裸鋼板を用いたことから、Ｍｇ－Ｚｎ共晶溶融が生じないために、マグネシウム材表面の酸化皮膜が除去できず、接合条件を種々変更しても接合できなかった。

　比較例５では、鋼材には亜鉛めっきがされた亜鉛めっき鋼板を用いているため、Ｍｇ－Ｚｎ共晶溶融によってマグネシウム材表面の酸化皮膜が除去できたものの、マグネシウム材がＡｌ添加のない純マグネシウムであるために、接合界面に反応層が形成されず、良好な接合ができない結果となった。

　また、比較例６～８においては、接合温度が低く、接合時間も比較的短いことから、マグネシウム材のＡｌ含有量が多い場合には、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物が若干形成されるものの、いずれもＭｇ－Ｚｎ共晶溶融反応生成物を接合界面から排除することができず、接合強度が低い結果となった。

　これに対し、実施例１～４は、鋼材として亜鉛めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材として３％Ａｌ－Ｍｇ合金を用いた例である。

　これら実施例においては、マグネシウム合金材のＡｌ添加量が３％とやや低いため、接合界面にはＦｅＡｌ_３が形成されているものの、Ａｌ_３Ｍｇ_２は形成されず、また、本実施例のように拡散接合を用いた場合には、その平均厚さが０．５μｍに満たず、不連続に形成されていることから、接合は達成できるものの、接合強度が僅かに低い結果となった。

　また、鋼材として亜鉛めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材として６％Ａｌ－Ｍｇ合金及び９％Ａｌ－Ｍｇ合金を用いた実施例５～１１においては、Ａｌ添加量が十分であるため、特に実施例５，６，９，１０においては、接合界面にＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３から成る複合型の反応層が形成された。しかも、その厚さがいずれも０．５μｍ以上で、均一に形成されているため、引張強度が７０ＭＰａを超えるような高い接合強度が得られることが確認された。

　一方、接合時間が長くなると、反応層の全体の厚さが厚くなると共に、時間の経過と共にＭｇの拡散が進むことから、一旦形成されたＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３から成る複合型反応層がＦｅＡｌ_３の単層の反応層に変化するようになる。この場合、反応層と鋼側の結合力は強いが、反応層とマグネシウム側の結合力が十分ではなくなるため、特に実施例８や１１のように接合強度がやや低下する傾向が認められた。

　図１３（Ａ）～（Ｃ）は、本発明の接合構造の代表例として、実施例３，６，８の接合界面を走査型電子顕微鏡によって観察した結果をそれぞれ示すものである。

　また、図１４（Ａ）及び（Ｂ）は、上記実施例６及び８における接合界面に介在する金属間化合物のＸ線回折結果を示すチャート図である。

　すなわち、実施例３の接合界面には、図１３（Ａ）に示すように、ＦｅＡｌ_３のみが形成されており、しかもその平均厚さは０．５μｍに満たない薄さに不連続に形成されているため、接合強度がやや不十分となったものと考えられる。

　一方、図１３（Ｂ）は、本発明の実施例６の接合部を示す電子顕微鏡による組織であって、接合界面には、図１４（Ａ）に示すＸ線回折による組成分析結果からも明らかなように、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３から成る複合型の反応層が均一に形成されており、実施例中で最も高強度が得られたことが理解できる。

　そして、図１３（Ｃ）は、本発明の実施例８における接合部を示す電子顕微鏡による組織である。接合界面には、図１４（Ｂ）に示すＸ線回折による組成分析結果から判るように、ＦｅＡｌ_３から成る単層の反応層がやや厚めに均一に形成されているが、マグネシウム合金材と反応層との結合力が十分に得られないため、若干の接合強度低下が生じているものと考えられる。

　以上述べた実施例１～１１においては、接合工法として拡散接合を用い、金属Ｄとしてのアルミニウムを添加したマグネシウム合金を第１の材料、亜鉛めっき鋼板を第２の材料として用いた例を示した。

　これに対し、以下に述べる実施例１２～２２においては、金属Ｄとしてのアルミニウムと金属Ｃとしての亜鉛をあらかじめ合金化した金属を鋼板にめっきした亜鉛－アルミニウム合金めっき鋼板、又はアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板を第２の材料として用い、抵抗スポット溶接機によって接合した例を示す。

　マグネシウム系材料と鋼との異種金属接合を行うに際して、実施例１２～２２の鋼材としては、亜鉛（金属Ｃ）めっきを施した亜鉛めっき鋼板、アルミニウム（金属Ｄ）の添加量の異なる４種の亜鉛－アルミニウム合金めっき鋼板、及び亜鉛を含有しないアルミニウムのみのめっきを施したアルミニウムめっき鋼板を用いた。

　一方、マグネシウム材としては、アルミニウム（金属Ｄ）の添加量の異なる２種のマグネシウム合金又は純マグネシウムを用意し、これら鋼材とマグネシウム材とを、本実施例では抵抗スポット溶接を用い、種々の条件で接合し、得られる界面構造と強度の関係を調査した。なおマグネシウム板材の板厚は１．０ｍｍ、鋼板の板厚は０．５５ｍｍのものを用いた。

　図１５は、当該実施例に用いた接合装置の構造を示す概略図であって、図に示す接合装置３０は、一般的な抵抗スポット溶接装置である。

　図において、接合装置３０は、１対の電極３３を備え、当該電極３３により被接合材であるマグネシウム板材３１と種々のめっきが施された鋼板３２とを所定の加圧力で加圧しながら、交流電源３４により所定時間だけ通電し、接合界面の電気抵抗による発熱を利用して接合することができる。なお、電極３３としては、クロム銅から成り、先端曲率半径Ｒが４０ｍｍのものを用いた。

　接合条件としては、加圧力を３ｋＮとし、接合時間を２４０ｍｓｅｃ、溶接電流を１６０００～３００００Ａの範囲内とし、接合後は継手強度を測定するため、引張せん断試験を行い、接合強度を測定した。

　一方、接合部界面の反応層の組成、厚さなどを走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型Ｘ線分光法、Ｘ線回折装置により調査した。

　これらの結果を表２に示す。なお、表中の接合強度については、２．５ｋＮに満たないものを「B」、２．５～３．０ｋＮ未満のものを「A」、３．０～３．５ｋＮのものを「AA」、３．５ｋＮを超えるものを「AAA」と評価した。

　表２に示すように、比較例９及び１０においては、鋼材としてアルミニウムめっき鋼板を用い、亜鉛が存在しないため、酸化皮膜の円滑な排出ができなかった。また、アルミニウム量が多すぎるため、接合界面にはＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３とが混在した複合型の化合物層は形成されずに２層構造となり、しかもＦｅＡｌ_３が厚い反応層を形成するため、化合物層の全体厚さが２．５μｍを超えることから、接合強度は低くなり、良好な接合ができない結果となった。

　一方、実施例１２及び実施例１６は、先の実施例と同様に、鋼材として亜鉛めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材としてそれぞれ３％Ａｌ－Ｍｇ合金及び６％Ａｌ－Ｍｇ合金を用いた例である。

　これら実施例においては、マグネシウム合金材のＡｌ添加量が有効に作用し、その厚さはやや薄いものの、接合界面にはＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３が混在して成る複合型化合物層が形成され、有効な接合がなされた。この場合の化合物層の厚さは、実施例１２では０．０８～０．１２μm、実施例１６では０．２μm程度であった。

　これに対し、実施例１３～１５、及び実施例１７～１９は、鋼材として亜鉛とアルミニウムの合金をめっきした亜鉛－アルミニウム合金めっき鋼板又はアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材として３％Ａｌ－Ｍｇ合金又は６％Ａｌ－Ｍｇ合金を用いた例である。

　これら実施例においてはＡｌ添加量が十分であるため、接合界面にＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３が混在して成る複合型の化合物層が形成された。しかも、その厚さが０．３～１．２μｍで、均一に形成されているため、接合強度が３．５ｋＮを超えるような極めて高い接合強度が得られることが確認された。

　また、実施例２０及び２１は、鋼材としてめっき層中のＡｌ含有量が６５％と高いアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板を用いた例である。

　これらの場合、アルミニウム量が多すぎるため、接合界面には上記のような複合型化合物層は形成されず、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３が主体の二重構造の厚い反応層となって、化合物層の全体厚さが２μｍ以上となることから、接合強度がやや低い結果となった。

　また、実施例２２は、鋼材としてめっき層中のＡｌ含有量が６５％と高いアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板を用い、マグネシウム材として純マグネシウムを用いた例である。

　この場合、アルミニウム量が多すぎるため、接合界面には上記のような複合型化合物層は形成されず、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３が主体の二重構造の厚い反応層となって、化合物層の全体厚さが２μｍ以上となることから、接合強度がやや低い結果となった。

　図１６（Ａ）～（Ｃ）は、本発明の接合構造の代表例として、実施例１２，１３及び１５の接合界面を走査型電子顕微鏡によって観察した結果をそれぞれ示すものである。

　すなわち、実施例１２の接合界面には、図１６（Ａ）に示すように、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３が混在した複合型の化合物層が、約０．１μｍの厚さに、きわめて薄く均一に形成されており、良好な接合強度が得られたことが理解できる。

　同様に、図１６（Ｂ）は、本発明の実施例１３の接合部を示す電子顕微鏡による組織であって、接合界面には、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３から成る複合型の反応層が、約０．４μｍの厚さに均一に形成されており、実施例中で最も高強度が得られたことが理解できる。

　そして、図１６（Ｃ）は、本発明の実施例１５における接合部を示す電子顕微鏡による組織である。接合界面には接合界面には、Ａｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３から成る複合型の反応層が、約１．０μｍの厚さで、確実に形成されており、同様に高強度が得られたことが理解できる。

　次に、以下に述べる実施例２３～２８においては、金属Ｃとしての錫、銅又は銀を鋼板にめっきした錫めっき鋼板、銅めっき鋼板又は銀めっき鋼板を第２の材料として用いた例を示す。また、実施例２９及び３０においては、金属Ｄとしてガリウムを添加したマグネシウム合金を第１の材料として用いた例を示す。

　マグネシウム系材料と鋼との異種金属接合を行うに際して、実施例２３～２８の鋼材としては、錫めっき鋼板、銅めっき鋼板及び銀めっき鋼板を用いた。また、実施例２３～２８のマグネシウム材としては、アルミニウム（金属Ｄ）の添加量の異なる２種のマグネシウム合金を用意した。

　実施例２９及び３０の鋼材としては、亜鉛めっき鋼板を用いた。また、実施例２９及び３０のマグネシウム材としては、ガリウム（金属Ｄ）の添加量の異なる２種のマグネシウム合金を用意した。

　これら鋼材とマグネシウム材とを、実施例２３～３０では抵抗スポット溶接を用い、種々の条件で接合し、得られる界面構造と強度の関係を調査した。なおマグネシウム板材の板厚は１．０ｍｍ、鋼板の板厚は０．５５ｍｍのものを用いた。

　抵抗スポット溶接は、図１５に示した接合装置を用い、接合条件としては、加圧力を３ｋＮとし、接合時間を２４０ｍｓｅｃ、溶接電流を１６０００～３００００Ａの範囲内とし、接合後は継手強度を測定するため、引張せん断試験を行い、接合強度を測定した。

　これらの結果を表３に示す。なお、表中の接合強度については、２．５ｋＮに満たないものを「B」、２．５～３．０ｋＮ未満のものを「A」、３．０～３．５ｋＮのものを「AA」、３．５ｋＮを超えるものを「AAA」と評価した。

　実施例２３及び実施例２４は、鋼材として錫めっき鋼板を用いた例、実施例２５及び実施例２６は、鋼材として銅めっき鋼板を用いた例、実施例２７及び実施例２８は、鋼材として銀めっき鋼板を用いた例である。これらの実施例では、マグネシウム合金材としてそれぞれ３％Ａｌ－Ｍｇ合金及び６％Ａｌ－Ｍｇ合金を用いた。

　これら実施例２３～２８においては、鋼材として亜鉛めっき鋼板を用いた実施例１２、１６と同様に、マグネシウム合金材のＡｌ添加量が有効に作用し、その厚さはやや薄いものの、接合界面にはＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３が混在して成る複合型化合物層が形成され、有効な接合がなされた。この場合の化合物層の厚さは、０．１～０．２μm程度であった。

　実施例２９及び実施例３０は、鋼材として亜鉛めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材として２０％Ｇａ－Ｍｇ合金又は４０％Ｇａ－Ｍｇ合金を用いた例である。

　これら実施例２９、３０は、他の実施例とは異なり、マグネシウムにＧａを添加したマグネシウム合金材を用いているが、いずれも接合界面にはＭｇＧａ_２とＦｅＧａ_３が混在して成る複合型化合物層が形成され、有効な接合がなされた。この場合の化合物層の厚さは０．１～０．２μm程度であった。

　特願２００８－７５６９号（出願日：２００８年１月１７日）、特願２００８－１００４１１号（出願日：２００８年４月８日）及び特願２００９－６４３７号（出願日：２００９年１月１５日）の全内容は、ここに援用される。

　以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付加しておく。

Claims

　マグネシウムを主成分とする第１の材料と鉄を主成分とする第２の材料との間に、金属Ｃを含有する第３の材料を介在させ、上記マグネシウム及び鉄の少なくとも一方と金属Ｃの間に共晶溶融を生じさせ、共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出して第１の材料と第２の材料を接合するに際して、
　上記マグネシウム及び鉄のうち、上記金属Ｃとの間に共晶溶融を生じる金属を主成分として含有する材料及び／又は第３の材料中に金属Ｄを添加しておき、マグネシウム及び鉄の少なくとも一方と金属Ｄとの金属間化合物を接合界面に形成し、当該金属間化合物を含む化合物層を介して上記第１及び第２の材料を接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
　上記化合物層には、マグネシウムと金属Ｄとの金属間化合物と、鉄と金属Ｄとの金属間化合物とが混在していることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
　上記第１の材料がマグネシウム合金材、第２の材料が鋼材、金属Ｄがアルミニウム及び／又はガリウムであって、上記鋼材の接合面にマグネシウムと共晶溶融を生じる金属Ｃを含有する第３の材料を予め付着させておくことを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
　上記第３の材料がめっき、溶射、蒸着及び皮膜コーティングより選ばれる被覆手段により上記第２の材料の接合面に付着させてあることを特徴とする請求項３に記載の異種金属の接合方法。
　上記第３の材料に含有されている金属Ｃが、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ及びＮｉから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
　上記第３の材料が、金属ＣとしてのＺｎと金属ＤとしてのＡｌを含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
　第２の材料として、予め接合面にＡｌ－Ｚｎ合金をめっきしたＡｌ－Ｚｎめっき鋼板を用いることを特徴とする請求項６に記載の異種金属の接合方法。
　上記Ａｌ－Ｚｎめっき鋼板におけるめっき層中のＡｌ含有量が６５質量％未満であることを特徴とする請求項７に記載の異種金属の接合方法。
　マグネシウムを主成分とする第１の材料と鉄を主成分とする第２の材料の新生面同士が、マグネシウム及び鉄の一方又はそれぞれと、金属Ｄとの金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴とする異種金属の接合構造。
　上記化合物層の周囲にマグネシウム及び鉄の少なくとも一方と、金属Ｃとの間に形成された共晶溶融反応生成物を含む排出物が排出されていることを特徴とする請求項９に記載の異種金属の接合構造。
　上記第１の材料がマグネシウム合金材、第２の材料が鋼材、上記金属Ｄがアルミニウム及び／又はガリウムであることを特徴とする請求項９に記載の異種金属の接合構造。
　上記金属Ｄがアルミニウムであって、マグネシウム合金材と鋼材との新生面同士がＡｌ－Ｍｇ系及び／又はＦｅ－Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴とする請求項１１に記載の異種金属の接合構造。
　上記化合物層がＡｌ_３Ｍｇ_２とＦｅＡｌ_３とを含む複合組織を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の異種金属の接合構造。
　上記金属Ｄがガリウムであって、マグネシウム合金材と鋼材との新生面同士がＭｇ－Ｇａ系及び／又はＦｅ－Ｇａ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていることを特徴とする請求項１１に記載の異種金属の接合構造。
　上記化合物層がＭｇＧａ_２とＦｅＧａ_３とを含む複合組織を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の異種金属の接合構造。
　上記化合物層の平均厚さが０．０８μｍ以上であることを特徴とする請求項１１に記載の異種金属の接合構造。