專利名稱：異種金屬的接合方法及接合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如鋼材與鎂合金材料的組合之類的、在接合面存在氧化皮膜且冶金 上難以實(shí)現(xiàn)直接接合的異種金屬的接合方法以及通過這種方法接合而成的異種金屬的接 合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在將異種金屬接合時(shí)，例如，像鎂合金材料與鋼材的組合那樣，在鎂合金材料的表 面上存在氧化皮膜且在接合時(shí)的加熱過程中鋼表面的氧化皮膜生長(zhǎng)的此類材料的情況下， 大氣中的接合變得困難。另外，由于Fe-Mg 二元相圖顯示了 二相分離型，彼此的固溶度極限(solid solubility limit)也是非常小的，因此將這種特性的材料相互直接接合在冶金上是極其 困難的。因此，目前，在組合使用這種鎂系材料與鋼的異種金屬材料時(shí)，利用螺栓、鉚釘?shù)?進(jìn)行機(jī)械連結(jié)(參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 日本特開2000-272541號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，在上述專利文獻(xiàn)1中所述的方法中，用于接合的部件件數(shù)增加，因此具有接 合構(gòu)件的重量和成本增加的問題。本發(fā)明是鑒于異種金屬接合中的上述問題而作出的，其目的是提供異種金屬的接 合方法，即使是諸如鎂系材料與鋼之類的、冶金上難以直接接合的異種金屬材料的組合，也 能牢固地接合。另外，本發(fā)明的進(jìn)一步的目的旨在提供即使在將上述異種金屬材料組合時(shí) 也能獲得牢固接合的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)。用于解決問題的方案本發(fā)明人等為了達(dá)成上述目的反復(fù)深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使第三材料介于所 要接合的兩種不同金屬材料之間，在第三材料與該兩種材料中的至少一者之間產(chǎn)生共晶反 應(yīng)，能夠在較低溫度下從接合界面除去在接合材料的表面上形成的氧化皮膜。由此進(jìn)一步 推進(jìn)研究開發(fā)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過添加與兩種材料中的至少一者之間形成金屬間化合物的金 屬，使含有這種金屬間化合物的層夾入到接合界面中，可以解決上述問題，從而完成了本發(fā) 明。即，本發(fā)明是以上述認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)的，本發(fā)明的異種金屬的接合方法特征在于，使含 有金屬C的第三材料介于以鎂為主要成分的第一材料與以鐵為主要成分的第二材料之間， 使上述鎂和鐵中的至少一者與金屬C之間產(chǎn)生共晶熔融而接合的方法，其中將金屬D預(yù)先 添加到含有與金屬C之間產(chǎn)生共晶熔融的金屬作為主要成分的材料中和/或第三材料中， 接合時(shí)從接合界面排出共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)，通過含有鎂和鐵中的至少一者與金屬D的金屬間化合物的化合物層而將第一材料與第二材料接合。另外，本發(fā)明的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)特征在于，以鎂為主要成分的第一材料與以 鐵為主要成分的第二材料的新生面彼此通過含有鎂和鐵中的一者或兩者與金屬D的金屬 間化合物的化合物層來接合。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，通過使第三材料介于不同種類的被接合材料之間，在被接合材料中 的至少一者與第三材料之間產(chǎn)生共晶熔融，即使在接合界面形成了阻礙接合的氧化皮膜， 也能夠在低溫下容易地從接合界面除去該氧化皮膜。而且，通過使含有金屬D與被接合材 料的金屬間化合物的層介于被接合材料之間，即使是冶金上難以直接接合的被接合材料的 組合，也可以在接合界面相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)牢固的接合。


圖1所示為Mg-Zn系二元相圖中的共晶點(diǎn)的圖。圖2是Mg-Sn系二元相圖。圖3是Mg-Cu系二元相圖。圖4是Ag-Mg系二元相圖。圖5是Mg-Ni系二元相同。圖6是概略地示出了本發(fā)明的異種金屬的接合方法中的接合過程的工序圖。圖7所示為基于利用本發(fā)明的接合方法的點(diǎn)接合的搭接接頭的接合結(jié)構(gòu)的示意 性截面圖。圖8是Al-Mg系二元相圖。圖9是Fe-Al系二元相圖。圖10是Mg-Ga系二元相圖。圖11是Fe-Ga系二元相圖。圖12所示為本發(fā)明的實(shí)施例中使用的擴(kuò)散接合裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖13是分別示出通過本發(fā)明的實(shí)施例3、6、8獲得的接合界面結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡 照片。圖14為表示介于由本發(fā)明的實(shí)施例6和8所獲得的接合界面中的金屬間化合物 的X射線衍射結(jié)果的圖。圖15為表示本發(fā)明的實(shí)施例中使用的電阻點(diǎn)焊裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖16是分別示出了由本發(fā)明的實(shí)施例12、13、15獲得的接合界面結(jié)構(gòu)的電子顯微 鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下，進(jìn)一步詳細(xì)而具體地說明本發(fā)明的異種金屬的接合方法以及由此獲得的接 合結(jié)構(gòu)。另外，在本說明書中，“ ％”是指質(zhì)量百分率，除非另有規(guī)定。在本發(fā)明的異種金屬的接合方法中，如上所述，在將以鎂為主要成分的第一材料 (鎂為主要成分)與第二材料(鐵為主要成分)接合時(shí)，首先，使含有與鎂和鐵中的一者或 兩者產(chǎn)生共晶熔融的金屬C的第三材料介于該兩種材料之間。另一方面，可以將金屬D預(yù)先添加到含有與金屬C產(chǎn)生共晶熔融的金屬作為主要成分的材料和第三材料中的任何一 者或兩者中。而且，在接合時(shí)，通過加熱和加壓，使鎂和/或鐵與金屬C產(chǎn)生共晶熔融，將該反應(yīng) 產(chǎn)物從接合界面排出，同時(shí)，在鎂與金屬D之間和/或鐵與金屬D之間生成金屬間化合物， 通過含有這種金屬間化合物的化合物層將第一材料與第二材料接合。因此，在比被接合材料的熔點(diǎn)更低的溫度下，接合界面附近通過共晶熔融而融解， 因此被接合材料表面的氧化皮膜變得容易移動(dòng)，可以使作為阻礙接合的主要原因的氧化皮 膜從接合界面移動(dòng)到其周圍，從而能容易地除去。另外，通過使含有上述金屬間化合物的層 介于接合界面中，即使是冶金上難以直接接合的被接合材料的組合，也可以相互擴(kuò)散，提高 接合強(qiáng)度。另外，在金屬C與鎂和鐵二者均產(chǎn)生共晶熔融時(shí)，金屬D可以添加到第一和第二材 料兩者當(dāng)中，但添加到任何一者中即足夠。如果將金屬D添加到第三材料中，則即使添加到 第一和第二材料中的一者或兩者中都是可以的，但不用說，不添加到第一和第二材料的任 何一個(gè)中也是可以的。另外，在本發(fā)明中，“主要成分”是指材料中含量最多的成分。本發(fā)明中，“金屬C”是與鎂和鐵中的一者或兩者產(chǎn)生共晶熔融的金屬，“金屬D”是 與鎂和鐵中的一者或兩者形成金屬間化合物的金屬。作為本發(fā)明中的異種金屬材料的具體組合，即第一材料與第二材料的具體例子， 可列舉出上述鎂系材料與鋼的組合，在該情況下，作為金屬D，可以優(yōu)選使用鋁。另外，作為 金屬D，在實(shí)用的金屬當(dāng)中，除了上述鋁以外可以使用鎵(Ga)。在具體的接合方法中，預(yù)先使含有與鎂產(chǎn)生共晶熔融的金屬C的第三材料附著于 鋼材的接合面上，同時(shí)將作為金屬D的鋁添加到鎂系材料和該第三材料中的一者或兩者 中。而且，通過接合時(shí)的加熱加壓，使鎂與金屬C產(chǎn)生共晶熔融，與此同時(shí)，將鎂的氧化皮膜 從接合界面排出，進(jìn)一步生成Al-Mg系金屬間化合物、Fe-Al系金屬間化合物，由此通過含 有該金屬間化合物的化合物層，可以將上述鎂系材料與鋼材接合。這里，作為金屬C，只要是與鎂產(chǎn)生共晶熔融的金屬即可，沒有特別限制，例如，作 為第三材料，可以單獨(dú)使用Zn (鋅)、Sn (錫)、Cu (銅)、Ag (銀)和Ni (鎳)，或者使用含有 它們中的兩種以上的材料。S卩，從圖1 圖5所示的二元相圖可以看出，Mg-Zn系合金具有341°C和364°C兩 個(gè)共晶點(diǎn)，而Mg-Sn系合金具有561°C和204°C兩個(gè)共晶點(diǎn)。另外，已知Mg-Cu系合金具有 485°C和552°C的共晶點(diǎn)，Mg-Ag系合金具有472°C的共晶點(diǎn)，此外，Mg-Ni系合金具有506°C 的共晶點(diǎn)，上述共晶點(diǎn)均低于Mg的熔點(diǎn)。另外，如上所述，也可以將作為金屬D的鋁或鎵添加到含有金屬C的第三材料中， 具體地說，理想的是，使用含有作為金屬C的Zn和作為金屬D的Al的合金作為第三材料。 由此，可以容易地應(yīng)付實(shí)質(zhì)上不含Al的鎂系材料的接合。此時(shí)，作為用于將含有金屬C或含有金屬C與金屬D的第三材料預(yù)先附著于鋼材 的接合面上的具體手段，理想的是，采用鍍敷、噴鍍、蒸鍍、皮膜涂布等被覆手段。S卩，通過如上所述的被覆手段將第三材料附著于洗滌后的潔凈面上，在接合時(shí)由 于共晶反應(yīng)而熔融的被覆層與表面的氧化皮膜和雜質(zhì)一起排出到接合部周圍，然后，從被覆層下方出現(xiàn)了非常潔凈的新生面，因此可以實(shí)現(xiàn)牢固的接合。在該情況下，作為被覆了第三材料的被覆鋼板，可以使用預(yù)先在表面上鍍敷了與 作為第一材料的主要成分的鎂形成低熔點(diǎn)共晶的鋅的材料，例如Jis G 3302或JIS G 3313 中規(guī)定的鍍鋅鋼板。通過使用該鍍鋅鋼板，不需要重新對(duì)鋼材進(jìn)行鍍敷等特別的準(zhǔn)備，可以 原樣使用為了防銹而實(shí)施了鍍鋅的通常市售鍍敷鋼材，可以非常簡(jiǎn)便且廉價(jià)地進(jìn)行異種金 屬的牢固接合。另外，還可以使用在鍍鋅中包括發(fā)揮與Mg、Fe形成金屬間化合物的金屬D的作用 的鋁的鍍Al-Zn合金鋼板。在該情況下，作為在該鍍層中包含的Al含量，優(yōu)選按質(zhì)量百分率計(jì)低于65 %，進(jìn) 一步優(yōu)選5 %以上且低于60 %。S卩，Al-Zn合金鍍層中的Al含量為65 %以上時(shí)，接合界面 形成的化合物層的厚度相對(duì)變厚，同時(shí)，化合物的結(jié)構(gòu)變成Fe-Al系金屬間化合物的支配 性組織，或者，不是Fe-Al系金屬間化合物與Al-Mg系金屬間化合物混雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而是 呈現(xiàn)層狀的雙重結(jié)構(gòu)，從而具有接合強(qiáng)度降低的傾向。另外，鋼板的表面上具有由Al-Zn合金構(gòu)成的鍍層的鍍合金鋼板在JIS G 33117 (Zn-5% Al)或JIS G 3321 (55% Al-Zn)中有規(guī)定，可以應(yīng)用這種市售的鍍敷鋼材，在 該情況下同樣地可以簡(jiǎn)便而廉價(jià)地進(jìn)行異種金屬的牢固接合。本發(fā)明的異種金屬的接合方法，如上所述，是通過含有鎂與金屬D的金屬間化合 物、鐵與金屬D的金屬間化合物的化合物層將第一材料(鎂為主要成分)和第二材料(鐵為 主要成分)接合的方法，在該化合物層上含有上述金屬間化合物的任一種即可實(shí)現(xiàn)接合。 然而，從進(jìn)一步提高接合強(qiáng)度的觀點(diǎn)來看，理想的是，生成Al-Mg系金屬間化合物與Fe-Al 系金屬間化合物二者，且它們?cè)诨衔飳又谢祀s。另外，在上述鎂系材料與鋼的接合的、使用鋁作為金屬D的例子中，理想的是，形 成具有諸如Al3Ife2之類的Al-Mg系金屬間化合物和諸如FeAl3之類的Fe-Al系金屬間化合 物混雜的復(fù)合組織的化合物層。這里以Mg-Zn系合金為例來說明共晶熔融。首先，如圖1所示，Mg-Zn系具有兩個(gè)共晶點(diǎn)(Tel和Te2)，各自為341°C和364°C， 在遠(yuǎn)比鎂的熔點(diǎn)650°C低的溫度下產(chǎn)生共晶反應(yīng)。因此，通過利用圖中所示的共晶點(diǎn)，使Mg與Zn共晶熔融，用于在接合時(shí)除去氧化 皮膜，可以有效地在低溫下除去妨礙接合性的鎂的氧化皮膜，同時(shí)可以將接合時(shí)的界面溫 度保持得更均勻，從而可以實(shí)施穩(wěn)定的接合。另外，共晶熔融是指利用共晶反應(yīng)的熔融，在將兩種金屬(或合金)相互擴(kuò)散而產(chǎn) 生的相互擴(kuò)散區(qū)域的組成作為共晶組成的情況下，如果保持溫度為共晶溫度以上，則通過 共晶反應(yīng)而形成液相。因此，使兩種金屬的潔凈面接觸，加熱保持在共晶溫度以上時(shí)，發(fā)生了反應(yīng)。這稱 為共晶熔融，共晶組成由于相互擴(kuò)散而自發(fā)地實(shí)現(xiàn)，因此不需要控制組成。圖6的㈧ (E)是根據(jù)本發(fā)明的異種金屬板的接合方法的具體例子，示出了鎂 合金材料(第一材料主要成分為Mg)與鍍鋅鋼板(第二材料主要成分為Fe)的接合過程 的概略工序圖。首先，如圖6的(A)所示，準(zhǔn)備鍍鋅鋼板2與鎂合金材料1，所述鍍鋅鋼板2至少在接合界面?zhèn)鹊谋砻嫔暇哂邪l(fā)揮與Mg形成共晶的金屬C的作用的鋅的鍍鋅層(第三材 料)2p。而且，如圖6的(B)所示，將這些鍍鋅鋼板2與鎂合金材料1重疊，使得鍍鋅層2p 成為內(nèi)側(cè)。另外，鎂合金材料1中預(yù)先添加適量的鋁(金屬D)，在表面上生成有氧化皮膜 If。接著，如圖6的(B)中的箭頭所示，通過由相對(duì)擠壓或熱沖擊負(fù)荷或加熱而導(dǎo)致的 塑性變形等，局部破壞氧化皮膜if。這樣，將氧化皮膜If局部破壞時(shí)，引起了 Mg與Zn的局部接觸。而且，在保持在規(guī) 定的高溫度狀態(tài)時(shí)，如圖6的(C)所示，從該接觸部分產(chǎn)生Mg與Zn的共晶熔融，形成了共 晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物E，進(jìn)一步將形成了該共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物E的區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)接合界面，從 而依次有效地除去鎂合金材料1表面的氧化皮膜if。而且，如圖6的⑶所示，通過擠壓，氧化皮膜If和接合界面的雜質(zhì)(未圖示)與 共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物E—起排出到接合部周圍。此時(shí)，在接合界面，通過共晶熔融，Mg與Zn — 起優(yōu)先熔融，排出到接合界面的周圍，結(jié)果，添加到鎂合金中的Al成分被留下。因此，僅僅 接合界面產(chǎn)生相對(duì)富含Al的相，進(jìn)一步該Al原子與鍍鋅鋼板2的Fe和鎂合金材料1的Mg 反應(yīng)，在接合界面形成了包含Al-Mg系或Fe-Al系的金屬間化合物的化合物層3 (反應(yīng)層)。進(jìn)一步，在經(jīng)過接合時(shí)間之后，如圖6的(E)所示，界面形成的Mg-Zn共晶熔融反 應(yīng)產(chǎn)物完全被排出到接合界面的周圍，結(jié)果，在接合界面，通過上述含有金屬間化合物的化 合物層3，鎂合金材料1與鍍鋅鋼板2的鋼板部分牢固接合，由此完成了接合過程。在圖示例子中，接合后的接合界面沒有殘留鍍鋅層2p，僅僅通過化合物層3將鎂 合金材料1與鍍鋅鋼板2的鋼板部分接合。這是獲得鎂合金材料1與鍍鋅鋼板2的牢固接 合的主要原因之一。這種接合結(jié)構(gòu)需要規(guī)定的擠壓壓力、共晶反應(yīng)和排出共晶熔融反應(yīng)產(chǎn) 物E所需的溫度和時(shí)間、以及鍍鋅鋼板2的鍍鋅層2p的初期厚度與在接合時(shí)在共晶反應(yīng)中 被消耗的鋅量相應(yīng)。圖7示出了通過應(yīng)用上述方法的實(shí)用性點(diǎn)接合而得的接合接頭的接合部結(jié)構(gòu)，在 至少接合界面?zhèn)鹊谋砻嫔暇哂凶鳛榻饘貱的鍍鋅層2p的鍍鋅鋼板2上，鎂合金材料1以其 表面上生成有氧化皮膜If的狀態(tài)進(jìn)行重疊。而且，在接合界面如上所述形成了包含Al-Mg系金屬間化合物(例如Al3Mg2)、 Fe-Al系金屬間化合物(例如FeAl3)的化合物層3，由此將鎂合金材料1與鋼板2接合。而 且，排出物W介于兩種板材1、2之間，從而包圍該接合部，所述排出物W由來源于氧化皮膜 If的氧化物和接合界面的雜質(zhì)等、與包含鍍鋅鋼板2的鋅層2p的共晶熔融物一起排出而 成。另外，以上分別示出了使用Zn和Al作為金屬C和金屬D的例子，然而，如上所述， 作為金屬C，除了 Zn以外，可以使用Sn、Cu、Ag、Ni等，作為金屬D，除了 Al以外，可以使用 Ga。在使用這些金屬的情況下，共晶溫度和所生成的金屬間化合物根據(jù)金屬C和金屬D的 種類而變化，但對(duì)于接合原理和效果，與使用Zn和Al的情況基本上相同。圖8 11分別示出了 Al-Mg系、Al-Fe系、Mg-Ga系和Fe-Ga系的二元合金相圖。 從這些圖可以看出，Al-Mg系生成Al3Ife2等金屬間化合物，Al-Fe系生成FeAl3等金屬間化 合物，Mg-Ga系生成MgGa2等金屬間化合物，而且，F(xiàn)e-Ga系生成FeGa3等金屬間化合物。另外，對(duì)本發(fā)明的異種金屬接合方法中應(yīng)用的接合手段(加熱手段)沒有特別限制，只要是可精密地控制接合界面的溫度的接合方法即可。例如，可以使用電阻點(diǎn)焊、激光 焊接、高頻焊接等熔融接合，摩擦攪拌接合、超聲波接合、擴(kuò)散接合等固相接合之類的常用 裝置或設(shè)備，不用開發(fā)、準(zhǔn)備用于該接合方法的新型接合手段或熱源，使用既有設(shè)備即可， 因而是經(jīng)濟(jì)的。本發(fā)明的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)是第一材料(主要成分鎂)和第二材料(主要成 分鐵)的新生面相互通過包含鎂與金屬D的金屬間化合物、鐵與金屬D的金屬間化合物的 化合物層3來接合，可以通過本發(fā)明的上述接合方法獲得。此時(shí)，例如，在搭接接合中，如圖7所示，包含鎂合金材料1的鎂以及鍍鋅鋼板2的 鐵中的至少一者與金屬C之間形成的共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物或來源于氧化皮膜的氧化物等的 排出物W排出到接合部處的化合物層3的周圍，介于兩種板材1、2之間。另外，上述排出物 W中也有時(shí)含有接合界面的雜質(zhì)、被接合材料中含有的成分、剩余的金屬C等。另一方面，在對(duì)接中，從接合界面排出到周圍的排出物W可以從接合構(gòu)件中完全 除去。在第一材料為鎂系材料(主要成分Mg)、第二材料為鋼材(主要成分Fe)和金屬 D為鋁的情況下，形成了鎂系材料與鋼材的新生面彼此通過含有Al-Mg系、或Fe-Al系的金 屬間化合物的化合物層而接合的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，從提高接合強(qiáng)度的觀點(diǎn)來看，理想的是，化合物層中含有Al-Mg系金屬間化 合物和Fe-Al系金屬間化合物二者，且具有由Al3Ife2與FeAl3構(gòu)成的復(fù)合組織。此外，更理 想的是，含有金屬間化合物層的反應(yīng)層不含共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物，僅僅由Al-Mg系或Fe-Al系 的金屬間化合物層構(gòu)成。另外，在金屬D為Ga的情況下，形成了鎂系材料與鋼材的新生面彼此通過包含 Mg-Ga系、Fe-Ga系的金屬間化合物的化合物層而接合的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，從提高接合強(qiáng)度的觀點(diǎn)來看，理想的是，化合物層中含有Mg-Ga系金屬間化 合物和Fe-Ga系金屬間化合物二者，且具有由MgGa2與FeGa3構(gòu)成的復(fù)合組織。此外，更理 想的是，含有金屬間化合物層的反應(yīng)層不含共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物，僅僅由Mg-Ga系、Fe-Ga系 的金屬間化合物層構(gòu)成。另外，該化合物層的厚度優(yōu)選為0.08μπι以上，且為2.5μπι以下是理想的。S卩，在 化合物層的厚度不足0. 08 μ m的情況下，在接合面內(nèi)形成了接合部與未接合部局部混雜的 不連續(xù)接合狀態(tài)，有可能產(chǎn)生不能獲得充分的接合強(qiáng)度的不利。因此，為了將接合面內(nèi)形成 均勻而可靠的接合狀態(tài)，化合物層的厚度優(yōu)選為0. 08 μ m以上。實(shí)施例以下根據(jù)實(shí)施例來具體地說明本發(fā)明。在進(jìn)行作為第一材料的鎂系材料與作為第二材料的鋼之間的異種金屬接合時(shí)，作 為鋼材，使用裸鋼板與鍍敷了鋅(金屬C)的鍍鋅鋼板。另一方面，作為鎂材料，準(zhǔn)備純鎂和 鋁(金屬D)添加量不同的三種鎂合金，將這些鋼材與鎂材料在各種條件下接合，調(diào)查所得 界面結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系。圖12是示出了本實(shí)施例中使用的接合裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中所示的接合裝 置20是普通擴(kuò)散接合裝置，具有加熱爐21、調(diào)整該加熱爐21內(nèi)的氣氛溫度的溫度控制裝置 22和加壓裝置23。
而且，通過加壓裝置23以規(guī)定的加壓壓力對(duì)設(shè)置在加熱爐21內(nèi)的圓柱形的鎂材 料11與成形為倒U字狀的鋼材12加壓，同時(shí)，通過溫度控制裝置22控制在規(guī)定的各溫度， 保持各自相應(yīng)的時(shí)間之后，中止加熱，并進(jìn)行空氣冷卻。作為接合條件，加壓壓力設(shè)定為5MPa，接合溫度設(shè)定為425 500°C，接合時(shí)間在 5 60分鐘的范圍內(nèi)變化，接合后，為了測(cè)定接頭強(qiáng)度，進(jìn)行T字拉伸試驗(yàn)，測(cè)定抗拉強(qiáng)度。另一方面，通過掃描型電子顯微鏡、能量色散型X射線分析法、X射線衍射裝置調(diào) 查接合部界面的反應(yīng)層的組成、厚度等。這些結(jié)果在表1中示出。另外，在表中，抗拉強(qiáng)度 低于30MPa則評(píng)價(jià)為“B”，30MPa 低于50MPa則評(píng)價(jià)為“A”，50 70MPa則評(píng)價(jià)為“AA”，超 過70MPa則評(píng)價(jià)為“AAA”。另外，不能接合則表示為“C”。表 1 如表1所示，在比較例1 4中，由于使用沒有鍍敷鋅的裸鋼板作為鋼材，因而沒 有產(chǎn)生Mg-Zn共晶熔融，不能除去鎂材料表面的氧化皮膜，即使變更各種接合條件，也不能接合。比較例5中，雖然由于使用了在鋼材上鍍敷了鋅的鍍鋅鋼板，通過Mg-Zn共晶熔 融，可以除去鎂材料表面的氧化皮膜，但由于鎂材料是沒有添加Al的純鎂，因而在接合界 面沒有形成反應(yīng)層，結(jié)果不能獲得良好的接合。另外，在比較例6 8中，由于接合溫度低，接合時(shí)間也較短，因此，在鎂材料的Al含量多時(shí)，雖然形成了一些Fe-Al系金屬間化合物，但均不能從接合界面排除Mg-Zn共晶熔 融反應(yīng)產(chǎn)物，結(jié)果接合強(qiáng)度很低。與此相反，實(shí)施例1 4是使用鍍鋅鋼板作為鋼材，使用3% Al-Mg合金作為鎂合 金材料的例子。在這些實(shí)施例中，由于鎂合金材料的Al添加量略低，為3%，因此接合界面雖形 成了 FeAl3,但沒有形成Al3Mg2,另外，如本實(shí)施例那樣使用擴(kuò)散接合時(shí)，其平均厚度不足 0. 5 μ m，且不連續(xù)地形成，因此雖然能夠?qū)崿F(xiàn)接合，但結(jié)果接合強(qiáng)度稍低。另外，在使用鍍鋅鋼板作為鋼材、使用6% Al-Mg合金和9% Al-Mg合金作為鎂合 金材料的實(shí)施例5 11中，由于Al添加量充分，尤其在實(shí)施例5、6、9和10中，接合界面形 成了由Al3Ife2和FeAl3構(gòu)成的復(fù)合型反應(yīng)層。此外，其厚度均為0. 5 μ m以上，且均勻地形 成，因此確認(rèn)獲得了抗拉強(qiáng)度超過70MPa的高接合強(qiáng)度。另一方面，接合時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)層的總體厚度變厚，同時(shí)，隨著時(shí)間的遷延，Mg的 擴(kuò)散在推進(jìn)，暫時(shí)形成的由Al3Mg2和FeAl3構(gòu)成的復(fù)合型反應(yīng)層變化為FeAl3的單層反應(yīng) 層。在該情況下，反應(yīng)層與鋼側(cè)的結(jié)合力強(qiáng)，反應(yīng)層與鎂側(cè)的結(jié)合力不充分，因此尤其如實(shí) 施例8和11那樣，確認(rèn)到接合強(qiáng)度具有稍微降低的傾向。圖13的㈧ (C)分別示出了通過掃描型電子顯微鏡觀察作為本發(fā)明的接合結(jié) 構(gòu)的代表例的實(shí)施例3、6、8的接合界面的結(jié)果。另夕卜，圖14的㈧和⑶表示介于上述實(shí)施例6和8中的接合界面中的金屬間化 合物的X射線衍射結(jié)果的圖。S卩，如圖13的(A)所示，實(shí)施例3的接合界面僅僅形成了 FeAl3，此外，其平均厚度 薄至不足0. 5 μ m，且不連續(xù)地形成，因此認(rèn)為接合強(qiáng)度稍不充分。另一方面，圖13的(B)是利用電子顯微鏡獲得的、顯示了本發(fā)明的實(shí)施例6的接 合部的組織。從圖14的(A)所示的通過X射線衍射獲得的組成分析結(jié)果可以看出，在接合 界面中，均勻地形成了由Al3Mg2和FeAl3構(gòu)成的復(fù)合型的反應(yīng)層，獲得了實(shí)施例中最高的強(qiáng)度。而且，圖13的(C)是利用電子顯微鏡獲得的、顯示本發(fā)明的實(shí)施例8中的接合部 的組織。從圖14的(B)所示的通過X射線衍射獲得的組成分析結(jié)果可以判明，在接合界面 中，由FeAl3構(gòu)成的單層反應(yīng)層較厚且均勻地形成，但認(rèn)為由于不能充分獲得鎂合金材料與 反應(yīng)層的結(jié)合力，因此導(dǎo)致了接合強(qiáng)度的少許降低。在以上所述的實(shí)施例1 11中，示出了使用擴(kuò)散接合作為接合方法、使用添加了 作為金屬D的鋁的鎂合金作為第一材料、使用鍍鋅鋼板作為第二材料的例子。與此相反，在以下所述的實(shí)施例12 22中，示出了使用鍍鋅-鋁合金鋼板或鍍 鋁-鋅合金鋼板作為第二材料、通過電阻點(diǎn)焊機(jī)接合的例子，所述鍍合金鋼板在鋼板上鍍 敷了預(yù)先將作為金屬D的鋁與作為金屬C的鋅形成合金的金屬。在進(jìn)行鎂系材料與鋼的異種金屬接合時(shí)，作為實(shí)施例12 22的鋼材，使用鍍敷了 鋅(金屬C)的鍍鋅鋼板、鋁(金屬D)添加量不同的4種鍍鋅-鋁合金鋼板以及僅僅鍍敷 鋁而不含鋅的鍍鋁鋼板。另一方面，作為鎂材料，準(zhǔn)備鋁(金屬D)添加量不同的兩種鎂合金或純鎂，在本實(shí) 施例中使用電阻點(diǎn)焊在各種條件下將這些鋼材與鎂材料接合，調(diào)查所得界面結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系。另外，鎂板材的板厚為1. 0mm，鋼板的板厚為0. 55mm。圖15所示為該實(shí)施例中使用的接合裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中所示的接合裝置 30是普通電阻點(diǎn)焊裝置。在圖中，接合裝置30設(shè)有一對(duì)電極33，通過該電極33在規(guī)定的加壓壓力下對(duì)作為 被接合材料的鎂板材31與進(jìn)行了各種鍍敷的鋼板32進(jìn)行加壓，同時(shí)，通過交流電源34以 規(guī)定時(shí)間通電，可以利用接合界面的電阻產(chǎn)生的發(fā)熱進(jìn)行接合。另外，作為電極33，使用由 鉻銅構(gòu)成的、前端曲率半徑R為40mm的電極。作為接合條件，加壓壓力設(shè)定為3kN，接合時(shí)間設(shè)定為240msec，焊接電流設(shè)定為 16000 30000A的范圍內(nèi)，為了測(cè)定接合后的接頭強(qiáng)度，進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，測(cè)定接合強(qiáng)度。另一方面，通過掃描型電子顯微鏡、能量色散型X射線分析法、X射線衍射裝置來 調(diào)查接合部界面的反應(yīng)層的組成、厚度等。這些結(jié)果在表2中示出。另外，表中的接合強(qiáng)度低于2. 5kN則評(píng)價(jià)為“B”，2. 5kN 低于3. OkN則評(píng)價(jià)為“A”，3. 0 3. 5kN則評(píng)價(jià)為“AA”，超過3. 5kN則評(píng)價(jià)為“AAA”。表2 如表2所示，在比較例9和10中，由于使用鍍鋁鋼板作為鋼材，不存在鋅，因此，氧 化皮膜不能順利地排出。另外，由于鋁量過多，接合界面沒有形成Al3Mg2與FeAl3混雜的復(fù) 合型化合物層，而是形成了兩層結(jié)構(gòu)，而且，由于FeAl3B成了厚的反應(yīng)層，化合物層的總體 厚度超過2. 5 μ m，因此接合強(qiáng)度變低，結(jié)果不能獲得良好的接合。另一方面，實(shí)施例12和實(shí)施例16是與先前的實(shí)施例同樣地使用鍍鋅鋼板作為鋼材、分別使用3% Al-Mg合金和6% Al-Mg合金作為鎂合金材料的例子。在這些實(shí)施例中，鎂合金材料的Al添加量有效地發(fā)揮作用，雖然其厚度稍薄，但 接合界面形成了 Al3Mg2與FeAl3混雜而成的復(fù)合型化合物層，實(shí)現(xiàn)了有效的接合。該情況 下的化合物層的厚度在實(shí)施例12中為0. 08 0. 12 μ m,在實(shí)施例16中為0. 2 μ m左右。與此相對(duì)，實(shí)施例13 15和實(shí)施例17 19是使用鍍敷了鋅與鋁的合金的鍍 鋅-鋁合金鋼板或鍍鋁_鋅合金鋼板作為鋼材、使用3% Al-Mg合金或6% Al-Mg合金作為 鎂合金材料的例子。在這些實(shí)施例中，由于Al添加量充分，接合界面形成了 Al3Ife2與FeAl3混雜而成 的復(fù)合型化合物層。此外，其厚度為0. 3 1. 2 μ m，且均勻地形成，因此確認(rèn)獲得了接合強(qiáng) 度超過3. 5kN的極高的接合強(qiáng)度。另外，實(shí)施例20和21是使用鍍層中的Al含量高達(dá)65%的鍍鋁-鋅合金鋼板作為 鋼材的例子。這些情況下，由于鋁量過多，因此，在接合界面沒有形成如上所述的復(fù)合型化合物 層，形成了 Al3Mg2與FeAl3為主體的雙重結(jié)構(gòu)的厚反應(yīng)層，由于化合物層的總體厚度為2 μ m 以上，結(jié)果接合強(qiáng)度稍低。另外，實(shí)施例22是使用鍍層中的Al含量高達(dá)65 %的鍍鋁-鋅合金鋼板作為鋼材、 使用純鎂作為鎂材料的例子。這種情況下，由于鋁量過多，因此，在接合界面沒有形成如上所述的復(fù)合型化合物 層，形成了 Al3Mg2與FeAl3為主體的雙重結(jié)構(gòu)的厚反應(yīng)層，由于化合物層的總體厚度為2 μ m 以上，結(jié)果接合強(qiáng)度稍低。圖16的㈧ (C)是分別示出了通過掃描型電子顯微鏡觀察作為本發(fā)明的接合 結(jié)構(gòu)的代表例的實(shí)施例12、13和15的接合界面的結(jié)果的圖。S卩，如圖16的㈧所示，可以看出，實(shí)施例12的接合界面以約0. Ιμπι的極薄厚度 均勻地形成了 Al3Mg2與FeAl3混雜的復(fù)合型化合物層，獲得了良好的接合強(qiáng)度。同樣地，圖16的⑶是示出了本發(fā)明實(shí)施例13的接合部的電子顯微鏡下的組織， 接合界面以約0. 4 μ m的厚度均勻地形成了由Al3Mg2與FeAl3構(gòu)成的復(fù)合型反應(yīng)層，獲得了 實(shí)施例中的最高強(qiáng)度。而且，圖16的(C)是示出了本發(fā)明的實(shí)施例15的接合部的電子顯微鏡下的組織。 可以看出，接合界面確實(shí)形成了厚度約0. 1 μ m的由Al3Mg2與FeAl3構(gòu)成的復(fù)合型反應(yīng)層， 同樣地獲得了高強(qiáng)度。接著，在如下所述的實(shí)施例23 28中，示出了使用在鋼板上鍍敷了作為金屬C的 錫、銅或銀的鍍錫鋼板、鍍銅鋼板或鍍銀鋼板作為第二材料的例子。另外，實(shí)施例29和30 中，示出了使用添加了鎵作為金屬D的鎂合金作為第一材料的例子。在進(jìn)行鎂系材料與鋼的異種金屬接合時(shí)，作為實(shí)施例23 28的鋼材，使用鍍錫鋼 板、鍍銅鋼板和鍍銀鋼板。另外，作為實(shí)施例23 28的鎂材料，準(zhǔn)備鋁(金屬D)添加量不 同的兩種鎂合金。作為實(shí)施例29和30的鋼材，使用鍍鋅鋼板。另外，作為實(shí)施例29和30的鎂材料， 準(zhǔn)備鎵(金屬D)添加量不同的兩種鎂合金。在實(shí)施例23 30中使用電阻點(diǎn)焊在各種條件下將這些鋼材與鎂材料接合，調(diào)查
13所得界面結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系。另外，鎂板材的板厚為1. 0mm，鋼板的板厚為0. 55mm。電阻點(diǎn)焊使用圖15所示的接合裝置，作為接合條件，將加壓壓力設(shè)定為3kN，接合 時(shí)間設(shè)定為240msec，焊接電流設(shè)定為16000 30000A的范圍內(nèi)，為了測(cè)定接合后的接頭強(qiáng) 度，進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，測(cè)定接合強(qiáng)度。這些結(jié)果在表3中示出。另外，表中的接合強(qiáng)度低于2. 51^則評(píng)價(jià)為1”，2. 5 低于3. OkN則評(píng)價(jià)為“A”，3. 0 3. 5kN則評(píng)價(jià)為“AA”，超過3. 5kN則評(píng)價(jià)為“AAA”。表3 實(shí)施例23和實(shí)施例24是使用鍍錫鋼板作為鋼材的例子，實(shí)施例25和實(shí)施例26 是使用鍍銅鋼板作為鋼材的例子，實(shí)施例27和實(shí)施例28是使用鍍銀鋼板作為鋼材的例子。 在這些實(shí)施例中，分別使用3% Al-Mg合金和6% Al-Mg合金作為鎂合金材料。在這些實(shí)施例23 28中，與使用鍍鋅鋼板作為鋼材的實(shí)施例12、16同樣地，鎂合 金材料的Al添加量有效地發(fā)揮作用，雖然其厚度稍薄，但接合界面形成了 Al3Mg2與FeAl3 混雜而成的復(fù)合型化合物層，實(shí)現(xiàn)了有效的接合。該情況下的化合物層的厚度為0. 1 0. 2 μ m左右。實(shí)施例29和實(shí)施例30是使用鍍鋅鋼板作為鋼材、使用20% Ga-Mg合金或40% Ga-Mg合金作為鎂合金材料的例子。這些實(shí)施例29、30與其他實(shí)施例不同，使用在鎂中添加Ga的鎂合金材料，在接合 界面均形成了 MgGa2與FeGa3混雜而成的復(fù)合型化合物層，實(shí)現(xiàn)了有效的接合。該情況下的 化合物層的厚度為0. 1 0. 2 μ m左右。日本專利申請(qǐng)2008-7569號(hào)(申請(qǐng)日2008年1月17日)、專利申請(qǐng)2008-100411 號(hào)(申請(qǐng)日2008年4月8日)和專利申請(qǐng)2OO9-M37號(hào)(申請(qǐng)日2009年1月15日)的 全部?jī)?nèi)容通過引用并入到此處。以上說明了應(yīng)用本發(fā)明人所作出的發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明不受作為該實(shí)施方 式所公開的本發(fā)明的一部分論述和附圖的限制。即，本領(lǐng)域技術(shù)人員等根據(jù)上述實(shí)施方式 能夠得出的其他實(shí)施方式、實(shí)施例和運(yùn)用技術(shù)等當(dāng)然全部包含在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
一種異種金屬的接合方法，其特征在于，在使含有金屬C的第三材料介于以鎂為主要成分的第一材料與以鐵為主要成分的第二材料之間，使所述鎂和鐵中的至少一者與金屬C之間產(chǎn)生共晶熔融，從接合界面排出由共晶熔融獲得的反應(yīng)產(chǎn)物，而將第一材料與第二材料接合時(shí)，將金屬D添加到含有所述鎂和鐵當(dāng)中的、與所述金屬C之間產(chǎn)生共晶熔融的金屬作為主要成分的材料和/或第三材料中，在接合界面形成鎂和鐵中的至少一者與金屬D的金屬間化合物，通過含有該金屬間化合物的化合物層而將所述第一材料與第二材料接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，在所述化合物層中混雜 有鎂與金屬D的金屬間化合物和鐵與金屬D的金屬間化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，所述第一材料是鎂合金 材料，第二材料是鋼材，金屬D是鋁和/或鎵，預(yù)先使含有與鎂產(chǎn)生共晶熔融的金屬C的第 三材料附著在所述鋼材的接合面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，通過選自鍍敷、噴鍍、蒸 鍍和皮膜涂布中的被覆手段將所述第三材料附著于所述第二材料的接合面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，所述第三材料中含有的 金屬C是選自由Zn、Sn、Cu、Ag和Ni組成的組中的至少一種金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，所述第三材料是含有作 為金屬C的Zn和作為金屬D的Al的合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，使用預(yù)先在接合面上鍍 敷了 Al-Zn合金的鍍Al-Zn鋼板作為第二材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的異種金屬的接合方法，其特征在于，所述鍍Al-Zn鋼板中的鍍 層中的Al含量為低于65質(zhì)量％。
9.一種異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，以鎂為主要成分的第一材料與以鐵為主要 成分的第二材料的新生面彼此通過含有鎂和鐵中的一者或兩者與金屬D的金屬間化合物 的化合物層來接合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含鎂和鐵中的至少一 者與金屬C之間形成的共晶熔融反應(yīng)產(chǎn)物的排出物排出到所述化合物層的周圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一材料是鎂合金 材料，第二材料是鋼材，所述金屬D是鋁和/或鎵。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬D是鋁，鎂合 金材料與鋼材的新生面彼此通過包含Al-Mg系和/或Fe-Al系金屬間化合物的化合物層來 接合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述化合物層具有包 含Al3Ife2和FeAl3的復(fù)合組織。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬D是鎵，鎂合 金材料與鋼材的新生面彼此通過包含Mg-Ga系和/或Fe-Ga系金屬間化合物的化合物層來接合。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述化合物層具有包 含MgGa2和FeGa3的復(fù)合組織。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的異種金屬的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述化合物層的平均 厚度為0. 08 μ m以上。
全文摘要
在將鎂合金材料(1)(第一材料)與鋼材(第二材料)接合時(shí)，使用鍍敷了鋅(金屬C)的鍍鋅鋼板(2)作為鋼材，同時(shí)，使鎂合金材料(1)中含有Al(金屬D)，接合時(shí)產(chǎn)生Mg與Zn的共晶熔融，其與氧化皮膜(1f)和雜質(zhì)等一起從接合界面排出，同時(shí)生成Al3Mg2之類的Al-Mg系金屬間化合物和FeAl3之類的Fe-Al系金屬間化合物，通過含有這些金屬間化合物的化合物層(3)而將材料(1)和(2)二者的新生面彼此接合。
文檔編號(hào)B32B15/01GK101918168SQ20098010239
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者中川成幸, 宮本健二, 廣瀨明夫, 柳田貞雄, 相原政夫, 粕川實(shí) 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社