JP2010082692A - マグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合面に酸化皮膜が存在し、しかも冶金的な接合が直接には困難なマグネシウム合金と鋼とを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。
【解決手段】マグネシウム合金材１と鋼板２を接合するに当たり、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき（第３の材料）を施した亜鉛めっき鋼板２を鋼材として使用し、接合に際してＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎの三元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、Ａｌ_３Ｍｇ_２のようなＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物や、ＦｅＡｌ_３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を介してマグネシウム合金材１と鋼板２の新生面同士を接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、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組み合わせであるマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法に関するものである。

異種金属を接合する場合、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、マグネシウムと鋼は、Ｆｅ−Ｍｇ二元状態図から判るように、二相分離型を示し、互いの固溶限も非常に小さいため、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（例えば、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って、その目的とするところは、接合面に酸化皮膜が存在し、しかも冶金的な接合が直接には困難なマグネシウム合金材と鋼材との組み合わせにも拘わらず、強固に接合することができる異種金属接合方法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第３の材料に含まれる金属との間に三元共晶反応を生じさせることによって、低温度で酸化皮膜を接合界面から除去することができることを見出した。また、接合界面に両材料の少なくとも一方の主成分金属から成る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、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法は、マグネシウム合金材と鋼材との間に、亜鉛を主成分としマグネシウムとアルミニウムを含有する第３の材料を介在させ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶溶融を生じさせて、共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系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接合することを特徴としている。

また、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造においては、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士が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、上記の化合物層の周囲にはＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶溶融反応生成物が存在していることを特徴とする。

本発明によれば、マグネシウム合金材と鋼材との間に、マグネシウムと三元共晶溶融を生じる亜鉛とアルミニウムを含有する第３の材料を介在させ、接合に際してＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶溶融を生じさせるようにしている。したがって、接合を阻害する酸化皮膜が接合面に形成されていたとしても、極めて低温で容易に接合界面から除去することができる。
そして、被接合材の主成分金属であるＭｇ及びＦｅの一方又はそれぞれと、第３の材料に含まれるＡｌ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間でも相互拡散が可能となり、強固な接合が達成されることになる。

Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合金における三元共晶点を示す三元状態図である。 （Ａ）〜（Ｅ）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。 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。 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。 本発明の実施例２によって得られた接合部近傍のＳＥＭ像及びオージェ分析結果を示す図である。

以下に、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法について、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。また、「主成分」とは、材料中に最も多く含まれる成分を意味する。

本発明においては、上記したように、Ｍｇを主成分とするマグネシウム合金材と、Ｆｅを主成分とする鋼材とを接合するに際して、まず、両材料の間に、Ｚｎが主成分であってＭｇを含有し、これらＺｎ及びＭｇとの間で三元共晶溶融を生じるＡｌをさらに含有する第３の材料を介在させる。
そして、接合に際しては、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶溶融を生じさせ、この反応生成物を接合界面から排出すると共に、ＭｇとＡｌの間及び／又はＦｅとＡｌ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マグネシウム合金材と鋼材とを接合するようにしている。

したがって、接合界面に接合阻害要因となるＭｇの酸化皮膜が存在したとしても、被接合材の融点はもとより、二元共晶点よりもさらに低い温度で接合界面から容易に除去することができる。
すなわち、図１は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合金の三元状態図を示すものであって、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合金は、原子百分率で７．０％Ａｌ−８．１％Ｍｇ−８４．９％Ｚｎの組成の三元共晶点Ｅｔを有する。この三元共晶組成における溶融温度は３３７℃であり、Ｍｇの融点６６０℃よりも低く、Ｍｇ−Ｚｎ系における二元共晶点の温度３６４℃よりもさらに低い。

したがって、接合面に介在する酸化被膜やその他の夾雑物を三元共晶反応物と共に接合界面からより低い温度で排出することができるようになり、過剰な金属間化合物（Ｆｅ−Ａｌ系化合物又はＡｌ−Ｍｇ系化合物）の生成を抑制して、強固な接合が可能になる。例えば、後述する抵抗溶接の場合で言えば、より低い電流で大きなナゲットを形成して、高い接合強度を得ることができる。
なお、上記三元共晶点Ｅｔの組成について、質量百分率に換算すると、３．２％Ａｌ−３．３％Ｍｇ−９３．５％Ｚｎとなる。

そして、本発明の異種金属接合方法においては、接合に際して被接合材の主成分金属とＡｌの間に金属間化合物が生成され、接合界面にこのような金属間化合物を含む化合物層が介在することによって、冶金的に直接接合が困難なマグネシウム合金と鋼の組み合わせにおいても拡散が可能となり、接合強度が向上することになる。

本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法において、上記第３の材料を両被接合材の間に介在させる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によって、鋼材の接合面に付着させることが望ましい。
すなわち、洗浄後の鋼材の清浄面に対して上記のような被覆手段により付着させることによって、三元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。

また、本発明の異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材に、予めアルミニウムを添加しておくことができる。
こうすることによって、接合時に金属間化合物を形成するに際して、十分な量のＡｌを接合界面に供給することができ、被接合材の主成分金属であるＭｇやＦｅとＡｌとの金属間化合物を確実に形成することができるようになり、より強固な接合とすることができる。

さらに、第３の材料の成分組成としては、上記したＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶組成か、当該組成よりもＡｌ含有量の多い組成とすることが望ましく、例えば、６〜２０％Ａｌ−１〜４％Ｍｇ−Ｚｎの合金組成を採用することができる。
これによって、二元共晶溶融の場合よりもより低温で共晶溶融をより確実に生じさせることができる。また、第３の材料がＡｌを多く含有することにより、Ａｌとの金属間化合物を接合界面に形成するに際して、第３の材料中に添加されたＡｌが使われるため、金属間化合物を形成するためのＡｌが十分な量となり、より強固な接合部を得ることが可能となる。

一方、本発明の異種金属接合方法においては、上記したように、接合界面にＡｌとの金属間化合物を含む化合物層が介在している。このとき、この化合物層には、上記したＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物（例えばＡｌ_３Ｍｇ_２）とＦｅ−Ａｌ系金属間化合物（例えばＦｅＡｌ_３）の双方が含まれていることが好ましく、さらにはこれらが混在して複合層を形成していることが望ましい。

本発明の異種金属の接合方法に用いる接合手段としては、第３の材料を介在させた状態のマグネシウム合金材と鋼材を相対的に加圧すると共に、接合界面を三元共晶温度以上に加熱することができるものであれば、特に限定されない。
具体的な接合装置としては、例えば拡散接合装置や、レーザビーム照射ヘッドと加圧ローラを備えたレーザ溶接装置などを用いることができるが、とりわけ抵抗溶接によるスポット溶接やシーム溶接を適用することが望ましい。このような抵抗溶接装置によれば、両材料を相対的に加圧しながら、接合界面を容易に三元共晶温度以上に加熱することができ、既存の設備によって本発明の異材接合を容易に実施することができる。

図２（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の異種金属接合方法によるマグネシウム合金材と鋼板との接合プロセスを示す工程概略図である。
まず、図２（Ａ）に示すように、少なくとも接合界面側の表面には、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金めっき層（第３の材料）２ｐが施された鋼板２と、マグネシウム合金材１が準備される。なお、マグネシウム合金材１の表面には酸化皮膜１ｆが生成している。

そして、図２（Ｂ）に示すように、これら鋼板２とマグネシウム合金材１を合金めっき層２ｐが内側になるように重ね、図２（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を行うと、これによる塑性変形などによって、酸化皮膜１ｆが局部的に破壊される。

酸化皮膜１ｆが破壊されると、マグネシウム合金材１中のＭｇがＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金めっき層２ｐと局部的に接触し、所定の温度状態に保持されると、図２（Ｃ）に示すように、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎの三元共晶溶融Ｅが生じ、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。この場合、三元共晶溶融のため、３３７℃と極低温にて三元共晶反応が生じる。

そして、図２（Ｄ）に示すように、押圧によって共晶溶融生成物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、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、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Ｆｅ及び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が形成される。

さらに、接合時間が経過すると、図２（Ｅ）に示すように、界面に形成したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ共晶溶融生成物が完全に排出され、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が介在する。これによってマグネシウム合金材１と鋼版２の新生面同士が上記化合物層３を介して接合されることとなり、強固な接合が完了する。
この例では、接合後の接合界面には亜鉛層が残存せず、これがマグネシウム合金材１と鋼版２の強固な接合が得られる要因であるが、これには所定の押圧や、反応や排出に要する温度や時間が必要であり、鋼板２のめっき層２ｐの厚さが三元共晶反応に消費される量に見合ったものであることが必要となる。

図３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はＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金めっき層２ｐが施された鋼板２に、その表面に酸化皮膜１ｆを備えたマグネシウム合金材１が重ねられている。
そして、接合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が接合されている。このとき、この接合部を囲むように、鋼板２のＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金めっき層２ｐを含む三元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、両板材１，２の間に排出物Ｗとなって存在している。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

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、鋼材としては、第３の材料として１１％Ａｌ−３％Ｍｇ−Ｚｎ合金めっきを施した鋼板を用いた。一方、マグネシウム合金材としては、アルミニウムを含有するＡＺ３１合金（３％Ａｌ−１％Ｚｎ）を用意し、これら鋼材とマグネシウム合金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、亜鉛めっき鋼板を用いた場合と比較した。ここで、マグネシウム合金材及び鋼板の板厚は、それぞれ１．０ｍｍ及び０．５５ｍｍのものを用いた。

図４は、当該実施例に用いた抵抗スポット溶接装置の概略図であって、図に示す接合装置１０は、１対の電極１１を備え、当該電極１１により被接合材であるマグネシウム合金材１とめっき鋼板２を所定の加圧力で加圧しながら、交流電源１２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１１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３００ｋｇｆ、溶接電流値を１００００〜３００００Ａ、接合時間を１２サイクル（２４０ｍｓ）とし、接合後は継手強度を測定するため、せん断引張試験を行い、強度を評価した。
一方、接合部界面の反応層の組成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、表中の接合結果については、引張せん断強度が１．２ｋＮ以上のものを「○」、１．２ｋＮ未満のももを「×」と評価した。

表１に示すように、亜鉛めっき鋼板を用いた比較例１〜５においては、抵抗溶接における電流値を３００００Ａまで高くしない限り、高い接合強度が得られないことが判る。
これに対して、鋼材として、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金めっきを施したものを用いた本発明の実施例１〜４では、上記比較例よりも低い１５０００Ａ程度の電流値でも大きなナゲット径が得られ、高い強度が得られることが確認された。

すなわち、実施例１に示すように、３００００Ａの電流値で得られた比較例５による引張せん断強度と同等以上の強度が１５０００Ａで得られており、本発明によれば、同等の強度を２分の１の電流値で得られることが確認された。
また、ナゲット径についても、やはり実施例１によって、３００００Ａの電流値で得られた比較例５の値と同等のナゲット径が１５０００Ａで得られることが確認されており、本発明によれば、同等のナゲット径を２分の１の電流値で得ることができる。

図５は、本発明による接合構造の代表例として、上記実施例１による接合部分の中央と、その周縁部分をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察すると共に、オージェ分析した結果を示すものであって、接合部の中央では、ナノレベルの薄いＦｅ−Ａｌ及びＡｌ−Ｍｇ系複合層が形成されている。
また、接合部の周辺には、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系三元共晶溶融金属と共に、酸化被膜が排出されていることが判る。

上記実施例においては、接合に際して、被溶接材料を加熱したり、加圧したりするための手段として、抵抗スポット溶接装置を用いたが、特にこれに限定されるものではなく、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支障なく適用することができる。抵抗溶接の他には、例えばレーザ溶接、高周波溶接、摩擦攪拌接合、超音波接合、拡散接合など、通常用いられている装置を用いることができ、このための新たな熱源を準備する必要もなく経済的である。
また、鋼板の表面にＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金層を付着させる手段としても、めっきのみに限定されるものではなく、溶射、蒸着、パウダーデポジション等の被覆手段を用いることができる。

１ マグネシウム合金材
１ｆ 酸化皮膜
２ 鋼板
２ｐ Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金めっき層（第３の材料）
３ 化合物層

Claims (9)

1. マグネシウム合金材と鋼材との間に、亜鉛、マグネシウム及びアルミニウムを含有する第３の材料を介在させ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶溶融を生じさせて、共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系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接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。
2. 上記第３の材料がめっき、溶射、蒸着、皮膜コーティングなどの被覆手段により鋼材の接合面に付着させてあることを特徴とする請求項１に記載の異種金属接合方法。
3. 上記マグネシウム合金材にアルミニウムを添加しておくことを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属接合方法。
4. 上記第３の材料がＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶組成、又は当該三元共晶組成よりもＡｌを多く含有する組成の金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
5. 上記化合物層には、Ａｌ−Ｍｇ系金属間化合物とＦｅ−Ａｌ系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１〜４のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
6. マグネシウム合金材と鋼材を両材料間に第３の材料を介在させた状態で相対的に加圧すると共に、接合界面を三元共晶温度以上に加熱することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
7. 抵抗溶接によって接合することを特徴とする請求項６に記載の異種金属接合方法。
8. マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士が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と共に、上記化合物層の周囲にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元共晶溶融反応生成物が存在していることを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造。
9. 上記化合物層の周囲にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系三元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８に記載の異種金属接合構造。

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