异种金属的接合方法及接合结构的制作方法

专利名称：异种金属的接合方法及接合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如钢材与镁合金材料的组合之类的、在接合面存在氧化皮膜且冶金 上难以实现直接接合的异种金属的接合方法以及通过这种方法接合而成的异种金属的接 合结构。
背景技术：
在将异种金属接合时，例如，像镁合金材料与钢材的组合那样，在镁合金材料的表 面上存在氧化皮膜且在接合时的加热过程中钢表面的氧化皮膜生长的此类材料的情况下， 大气中的接合变得困难。另外，由于Fe-Mg 二元相图显示了 二相分离型，彼此的固溶度极限(solid solubility limit)也是非常小的，因此将这种特性的材料相互直接接合在冶金上是极其 困难的。因此，目前，在组合使用这种镁系材料与钢的异种金属材料时，利用螺栓、铆钉等 进行机械连结(参照专利文献1)。专利文献1 日本特开2000-272541号公报

发明内容
发明要解决的问题然而，在上述专利文献1中所述的方法中，用于接合的部件件数增加，因此具有接 合构件的重量和成本增加的问题。本发明是鉴于异种金属接合中的上述问题而作出的，其目的是提供异种金属的接 合方法，即使是诸如镁系材料与钢之类的、冶金上难以直接接合的异种金属材料的组合，也 能牢固地接合。另外，本发明的进一步的目的旨在提供即使在将上述异种金属材料组合时 也能获得牢固接合的异种金属的接合结构。用于解决问题的方案本发明人等为了达成上述目的反复深入研究，结果发现，通过使第三材料介于所 要接合的两种不同金属材料之间，在第三材料与该两种材料中的至少一者之间产生共晶反 应，能够在较低温度下从接合界面除去在接合材料的表面上形成的氧化皮膜。由此进一步 推进研究开发，结果发现，通过添加与两种材料中的至少一者之间形成金属间化合物的金 属，使含有这种金属间化合物的层夹入到接合界面中，可以解决上述问题，从而完成了本发 明。即，本发明是以上述认识为基础的，本发明的异种金属的接合方法特征在于，使含 有金属C的第三材料介于以镁为主要成分的第一材料与以铁为主要成分的第二材料之间， 使上述镁和铁中的至少一者与金属C之间产生共晶熔融而接合的方法，其中将金属D预先 添加到含有与金属C之间产生共晶熔融的金属作为主要成分的材料中和/或第三材料中， 接合时从接合界面排出共晶熔融反应产物，同时，通过含有镁和铁中的至少一者与金属D的金属间化合物的化合物层而将第一材料与第二材料接合。另外，本发明的异种金属的接合结构特征在于，以镁为主要成分的第一材料与以 铁为主要成分的第二材料的新生面彼此通过含有镁和铁中的一者或两者与金属D的金属 间化合物的化合物层来接合。发明的效果根据本发明，通过使第三材料介于不同种类的被接合材料之间，在被接合材料中 的至少一者与第三材料之间产生共晶熔融，即使在接合界面形成了阻碍接合的氧化皮膜， 也能够在低温下容易地从接合界面除去该氧化皮膜。而且，通过使含有金属D与被接合材 料的金属间化合物的层介于被接合材料之间，即使是冶金上难以直接接合的被接合材料的 组合，也可以在接合界面相互扩散，实现牢固的接合。


图1所示为Mg-Zn系二元相图中的共晶点的图。图2是Mg-Sn系二元相图。图3是Mg-Cu系二元相图。图4是Ag-Mg系二元相图。图5是Mg-Ni系二元相同。图6是概略地示出了本发明的异种金属的接合方法中的接合过程的工序图。图7所示为基于利用本发明的接合方法的点接合的搭接接头的接合结构的示意 性截面图。图8是Al-Mg系二元相图。图9是Fe-Al系二元相图。图10是Mg-Ga系二元相图。图11是Fe-Ga系二元相图。图12所示为本发明的实施例中使用的扩散接合装置的结构的示意图。图13是分别示出通过本发明的实施例3、6、8获得的接合界面结构的电子显微镜 照片。图14为表示介于由本发明的实施例6和8所获得的接合界面中的金属间化合物 的X射线衍射结果的图。图15为表示本发明的实施例中使用的电阻点焊装置的结构的示意图。图16是分别示出了由本发明的实施例12、13、15获得的接合界面结构的电子显微 镜照片。
具体实施例方式以下，进一步详细而具体地说明本发明的异种金属的接合方法以及由此获得的接 合结构。另外，在本说明书中，“ ％”是指质量百分率，除非另有规定。在本发明的异种金属的接合方法中，如上所述，在将以镁为主要成分的第一材料 (镁为主要成分)与第二材料(铁为主要成分)接合时，首先，使含有与镁和铁中的一者或 两者产生共晶熔融的金属C的第三材料介于该两种材料之间。另一方面，可以将金属D预先添加到含有与金属C产生共晶熔融的金属作为主要成分的材料和第三材料中的任何一 者或两者中。而且，在接合时，通过加热和加压，使镁和/或铁与金属C产生共晶熔融，将该反应 产物从接合界面排出，同时，在镁与金属D之间和/或铁与金属D之间生成金属间化合物， 通过含有这种金属间化合物的化合物层将第一材料与第二材料接合。因此，在比被接合材料的熔点更低的温度下，接合界面附近通过共晶熔融而融解， 因此被接合材料表面的氧化皮膜变得容易移动，可以使作为阻碍接合的主要原因的氧化皮 膜从接合界面移动到其周围，从而能容易地除去。另外，通过使含有上述金属间化合物的层 介于接合界面中，即使是冶金上难以直接接合的被接合材料的组合，也可以相互扩散，提高 接合强度。另外，在金属C与镁和铁二者均产生共晶熔融时，金属D可以添加到第一和第二材 料两者当中，但添加到任何一者中即足够。如果将金属D添加到第三材料中，则即使添加到 第一和第二材料中的一者或两者中都是可以的，但不用说，不添加到第一和第二材料的任 何一个中也是可以的。另外，在本发明中，“主要成分”是指材料中含量最多的成分。本发明中，“金属C”是与镁和铁中的一者或两者产生共晶熔融的金属，“金属D”是 与镁和铁中的一者或两者形成金属间化合物的金属。作为本发明中的异种金属材料的具体组合，即第一材料与第二材料的具体例子， 可列举出上述镁系材料与钢的组合，在该情况下，作为金属D，可以优选使用铝。另外，作为 金属D，在实用的金属当中，除了上述铝以外可以使用镓(Ga)。在具体的接合方法中，预先使含有与镁产生共晶熔融的金属C的第三材料附着于 钢材的接合面上，同时将作为金属D的铝添加到镁系材料和该第三材料中的一者或两者 中。而且，通过接合时的加热加压，使镁与金属C产生共晶熔融，与此同时，将镁的氧化皮膜 从接合界面排出，进一步生成Al-Mg系金属间化合物、Fe-Al系金属间化合物，由此通过含 有该金属间化合物的化合物层，可以将上述镁系材料与钢材接合。这里，作为金属C，只要是与镁产生共晶熔融的金属即可，没有特别限制，例如，作 为第三材料，可以单独使用Zn (锌)、Sn (锡)、Cu (铜)、Ag (银)和Ni (镍)，或者使用含有 它们中的两种以上的材料。S卩，从图1 图5所示的二元相图可以看出，Mg-Zn系合金具有341°C和364°C两 个共晶点，而Mg-Sn系合金具有561°C和204°C两个共晶点。另外，已知Mg-Cu系合金具有 485°C和552°C的共晶点，Mg-Ag系合金具有472°C的共晶点，此外，Mg-Ni系合金具有506°C 的共晶点，上述共晶点均低于Mg的熔点。另外，如上所述，也可以将作为金属D的铝或镓添加到含有金属C的第三材料中， 具体地说，理想的是，使用含有作为金属C的Zn和作为金属D的Al的合金作为第三材料。 由此，可以容易地应付实质上不含Al的镁系材料的接合。此时，作为用于将含有金属C或含有金属C与金属D的第三材料预先附着于钢材 的接合面上的具体手段，理想的是，采用镀敷、喷镀、蒸镀、皮膜涂布等被覆手段。S卩，通过如上所述的被覆手段将第三材料附着于洗涤后的洁净面上，在接合时由 于共晶反应而熔融的被覆层与表面的氧化皮膜和杂质一起排出到接合部周围，然后，从被覆层下方出现了非常洁净的新生面，因此可以实现牢固的接合。在该情况下，作为被覆了第三材料的被覆钢板，可以使用预先在表面上镀敷了与 作为第一材料的主要成分的镁形成低熔点共晶的锌的材料，例如Jis G 3302或JIS G 3313 中规定的镀锌钢板。通过使用该镀锌钢板，不需要重新对钢材进行镀敷等特别的准备，可以 原样使用为了防锈而实施了镀锌的通常市售镀敷钢材，可以非常简便且廉价地进行异种金 属的牢固接合。另外，还可以使用在镀锌中包括发挥与Mg、Fe形成金属间化合物的金属D的作用 的铝的镀Al-Zn合金钢板。在该情况下，作为在该镀层中包含的Al含量，优选按质量百分率计低于65 %，进 一步优选5 %以上且低于60 %。S卩，Al-Zn合金镀层中的Al含量为65 %以上时，接合界面 形成的化合物层的厚度相对变厚，同时，化合物的结构变成Fe-Al系金属间化合物的支配 性组织，或者，不是Fe-Al系金属间化合物与Al-Mg系金属间化合物混杂的复合结构，而是 呈现层状的双重结构，从而具有接合强度降低的倾向。另外，钢板的表面上具有由Al-Zn合金构成的镀层的镀合金钢板在JIS G 33117 (Zn-5% Al)或JIS G 3321 (55% Al-Zn)中有规定，可以应用这种市售的镀敷钢材，在 该情况下同样地可以简便而廉价地进行异种金属的牢固接合。本发明的异种金属的接合方法，如上所述，是通过含有镁与金属D的金属间化合 物、铁与金属D的金属间化合物的化合物层将第一材料(镁为主要成分)和第二材料(铁为 主要成分)接合的方法，在该化合物层上含有上述金属间化合物的任一种即可实现接合。 然而，从进一步提高接合强度的观点来看，理想的是，生成Al-Mg系金属间化合物与Fe-Al 系金属间化合物二者，且它们在化合物层中混杂。另外，在上述镁系材料与钢的接合的、使用铝作为金属D的例子中，理想的是，形 成具有诸如Al3Ife2之类的Al-Mg系金属间化合物和诸如FeAl3之类的Fe-Al系金属间化合 物混杂的复合组织的化合物层。这里以Mg-Zn系合金为例来说明共晶熔融。首先，如图1所示，Mg-Zn系具有两个共晶点(Tel和Te2)，各自为341°C和364°C， 在远比镁的熔点650°C低的温度下产生共晶反应。因此，通过利用图中所示的共晶点，使Mg与Zn共晶熔融，用于在接合时除去氧化 皮膜，可以有效地在低温下除去妨碍接合性的镁的氧化皮膜，同时可以将接合时的界面温 度保持得更均勻，从而可以实施稳定的接合。另外，共晶熔融是指利用共晶反应的熔融，在将两种金属(或合金)相互扩散而产 生的相互扩散区域的组成作为共晶组成的情况下，如果保持温度为共晶温度以上，则通过 共晶反应而形成液相。因此，使两种金属的洁净面接触，加热保持在共晶温度以上时，发生了反应。这称 为共晶熔融，共晶组成由于相互扩散而自发地实现，因此不需要控制组成。图6的㈧ (E)是根据本发明的异种金属板的接合方法的具体例子，示出了镁 合金材料(第一材料主要成分为Mg)与镀锌钢板(第二材料主要成分为Fe)的接合过程 的概略工序图。首先，如图6的(A)所示，准备镀锌钢板2与镁合金材料1，所述镀锌钢板2至少在接合界面侧的表面上具有包含发挥与Mg形成共晶的金属C的作用的锌的镀锌层(第三材 料)2p。而且，如图6的(B)所示，将这些镀锌钢板2与镁合金材料1重叠，使得镀锌层2p 成为内侧。另外，镁合金材料1中预先添加适量的铝(金属D)，在表面上生成有氧化皮膜 If。接着，如图6的(B)中的箭头所示，通过由相对挤压或热冲击负荷或加热而导致的 塑性变形等，局部破坏氧化皮膜if。这样，将氧化皮膜If局部破坏时，引起了 Mg与Zn的局部接触。而且，在保持在规 定的高温度状态时，如图6的(C)所示，从该接触部分产生Mg与Zn的共晶熔融，形成了共 晶熔融反应产物E，进一步将形成了该共晶熔融反应产物E的区域扩大到整个接合界面，从 而依次有效地除去镁合金材料1表面的氧化皮膜if。而且，如图6的⑶所示，通过挤压，氧化皮膜If和接合界面的杂质(未图示)与 共晶熔融反应产物E—起排出到接合部周围。此时，在接合界面，通过共晶熔融，Mg与Zn — 起优先熔融，排出到接合界面的周围，结果，添加到镁合金中的Al成分被留下。因此，仅仅 接合界面产生相对富含Al的相，进一步该Al原子与镀锌钢板2的Fe和镁合金材料1的Mg 反应，在接合界面形成了包含Al-Mg系或Fe-Al系的金属间化合物的化合物层3 (反应层)。进一步，在经过接合时间之后，如图6的(E)所示，界面形成的Mg-Zn共晶熔融反 应产物完全被排出到接合界面的周围，结果，在接合界面，通过上述含有金属间化合物的化 合物层3，镁合金材料1与镀锌钢板2的钢板部分牢固接合，由此完成了接合过程。在图示例子中，接合后的接合界面没有残留镀锌层2p，仅仅通过化合物层3将镁 合金材料1与镀锌钢板2的钢板部分接合。这是获得镁合金材料1与镀锌钢板2的牢固接 合的主要原因之一。这种接合结构需要规定的挤压压力、共晶反应和排出共晶熔融反应产 物E所需的温度和时间、以及镀锌钢板2的镀锌层2p的初期厚度与在接合时在共晶反应中 被消耗的锌量相应。图7示出了通过应用上述方法的实用性点接合而得的接合接头的接合部结构，在 至少接合界面侧的表面上具有作为金属C的镀锌层2p的镀锌钢板2上，镁合金材料1以其 表面上生成有氧化皮膜If的状态进行重叠。而且，在接合界面如上所述形成了包含Al-Mg系金属间化合物(例如Al3Mg2)、 Fe-Al系金属间化合物(例如FeAl3)的化合物层3，由此将镁合金材料1与钢板2接合。而 且，排出物W介于两种板材1、2之间，从而包围该接合部，所述排出物W由来源于氧化皮膜 If的氧化物和接合界面的杂质等、与包含镀锌钢板2的锌层2p的共晶熔融物一起排出而 成。另外，以上分别示出了使用Zn和Al作为金属C和金属D的例子，然而，如上所述， 作为金属C，除了 Zn以外，可以使用Sn、Cu、Ag、Ni等，作为金属D，除了 Al以外，可以使用 Ga。在使用这些金属的情况下，共晶温度和所生成的金属间化合物根据金属C和金属D的 种类而变化，但对于接合原理和效果，与使用Zn和Al的情况基本上相同。图8 11分别示出了 Al-Mg系、Al-Fe系、Mg-Ga系和Fe-Ga系的二元合金相图。 从这些图可以看出，Al-Mg系生成Al3Ife2等金属间化合物，Al-Fe系生成FeAl3等金属间化 合物，Mg-Ga系生成MgGa2等金属间化合物，而且，Fe-Ga系生成FeGa3等金属间化合物。另外，对本发明的异种金属接合方法中应用的接合手段(加热手段)没有特别限制，只要是可精密地控制接合界面的温度的接合方法即可。例如，可以使用电阻点焊、激光 焊接、高频焊接等熔融接合，摩擦搅拌接合、超声波接合、扩散接合等固相接合之类的常用 装置或设备，不用开发、准备用于该接合方法的新型接合手段或热源，使用既有设备即可， 因而是经济的。本发明的异种金属的接合结构是第一材料(主要成分镁)和第二材料(主要成 分铁)的新生面相互通过包含镁与金属D的金属间化合物、铁与金属D的金属间化合物的 化合物层3来接合，可以通过本发明的上述接合方法获得。此时，例如，在搭接接合中，如图7所示，包含镁合金材料1的镁以及镀锌钢板2的 铁中的至少一者与金属C之间形成的共晶熔融反应产物或来源于氧化皮膜的氧化物等的 排出物W排出到接合部处的化合物层3的周围，介于两种板材1、2之间。另外，上述排出物 W中也有时含有接合界面的杂质、被接合材料中含有的成分、剩余的金属C等。另一方面，在对接中，从接合界面排出到周围的排出物W可以从接合构件中完全 除去。在第一材料为镁系材料(主要成分Mg)、第二材料为钢材(主要成分Fe)和金属 D为铝的情况下，形成了镁系材料与钢材的新生面彼此通过含有Al-Mg系、或Fe-Al系的金 属间化合物的化合物层而接合的结构。此时，从提高接合强度的观点来看，理想的是，化合物层中含有Al-Mg系金属间化 合物和Fe-Al系金属间化合物二者，且具有由Al3Ife2与FeAl3构成的复合组织。此外，更理 想的是，含有金属间化合物层的反应层不含共晶熔融反应产物，仅仅由Al-Mg系或Fe-Al系 的金属间化合物层构成。另外，在金属D为Ga的情况下，形成了镁系材料与钢材的新生面彼此通过包含 Mg-Ga系、Fe-Ga系的金属间化合物的化合物层而接合的结构。此时，从提高接合强度的观点来看，理想的是，化合物层中含有Mg-Ga系金属间化 合物和Fe-Ga系金属间化合物二者，且具有由MgGa2与FeGa3构成的复合组织。此外，更理 想的是，含有金属间化合物层的反应层不含共晶熔融反应产物，仅仅由Mg-Ga系、Fe-Ga系 的金属间化合物层构成。另外，该化合物层的厚度优选为0.08μπι以上，且为2.5μπι以下是理想的。S卩，在 化合物层的厚度不足0. 08 μ m的情况下，在接合面内形成了接合部与未接合部局部混杂的 不连续接合状态，有可能产生不能获得充分的接合强度的不利。因此，为了将接合面内形成 均勻而可靠的接合状态，化合物层的厚度优选为0. 08 μ m以上。实施例以下根据实施例来具体地说明本发明。在进行作为第一材料的镁系材料与作为第二材料的钢之间的异种金属接合时，作 为钢材，使用裸钢板与镀敷了锌(金属C)的镀锌钢板。另一方面，作为镁材料，准备纯镁和 铝(金属D)添加量不同的三种镁合金，将这些钢材与镁材料在各种条件下接合，调查所得 界面结构与强度的关系。图12是示出了本实施例中使用的接合装置的结构的示意图，图中所示的接合装 置20是普通扩散接合装置，具有加热炉21、调整该加热炉21内的气氛温度的温度控制装置 22和加压装置23。
而且，通过加压装置23以规定的加压压力对设置在加热炉21内的圆柱形的镁材 料11与成形为倒U字状的钢材12加压，同时，通过温度控制装置22控制在规定的各温度， 保持各自相应的时间之后，中止加热，并进行空气冷却。作为接合条件，加压压力设定为5MPa，接合温度设定为425 500°C，接合时间在 5 60分钟的范围内变化，接合后，为了测定接头强度，进行T字拉伸试验，测定抗拉强度。另一方面，通过扫描型电子显微镜、能量色散型X射线分析法、X射线衍射装置调 查接合部界面的反应层的组成、厚度等。这些结果在表1中示出。另外，在表中，抗拉强度 低于30MPa则评价为“B”，30MPa 低于50MPa则评价为“A”，50 70MPa则评价为“AA”，超 过70MPa则评价为“AAA”。另外，不能接合则表示为“C”。表 1 如表1所示，在比较例1 4中，由于使用没有镀敷锌的裸钢板作为钢材，因而没 有产生Mg-Zn共晶熔融，不能除去镁材料表面的氧化皮膜，即使变更各种接合条件，也不能接合。比较例5中，虽然由于使用了在钢材上镀敷了锌的镀锌钢板，通过Mg-Zn共晶熔 融，可以除去镁材料表面的氧化皮膜，但由于镁材料是没有添加Al的纯镁，因而在接合界 面没有形成反应层，结果不能获得良好的接合。另外，在比较例6 8中，由于接合温度低，接合时间也较短，因此，在镁材料的Al含量多时，虽然形成了一些Fe-Al系金属间化合物，但均不能从接合界面排除Mg-Zn共晶熔 融反应产物，结果接合强度很低。与此相反，实施例1 4是使用镀锌钢板作为钢材，使用3% Al-Mg合金作为镁合 金材料的例子。在这些实施例中，由于镁合金材料的Al添加量略低，为3%，因此接合界面虽形 成了 FeAl3,但没有形成Al3Mg2,另外，如本实施例那样使用扩散接合时，其平均厚度不足 0. 5 μ m，且不连续地形成，因此虽然能够实现接合，但结果接合强度稍低。另外，在使用镀锌钢板作为钢材、使用6% Al-Mg合金和9% Al-Mg合金作为镁合 金材料的实施例5 11中，由于Al添加量充分，尤其在实施例5、6、9和10中，接合界面形 成了由Al3Ife2和FeAl3构成的复合型反应层。此外，其厚度均为0. 5 μ m以上，且均勻地形 成，因此确认获得了抗拉强度超过70MPa的高接合强度。另一方面，接合时间延长时，反应层的总体厚度变厚，同时，随着时间的迁延，Mg的 扩散在推进，暂时形成的由Al3Mg2和FeAl3构成的复合型反应层变化为FeAl3的单层反应 层。在该情况下，反应层与钢侧的结合力强，反应层与镁侧的结合力不充分，因此尤其如实 施例8和11那样，确认到接合强度具有稍微降低的倾向。图13的㈧ (C)分别示出了通过扫描型电子显微镜观察作为本发明的接合结 构的代表例的实施例3、6、8的接合界面的结果。另夕卜，图14的㈧和⑶表示介于上述实施例6和8中的接合界面中的金属间化 合物的X射线衍射结果的图。S卩，如图13的(A)所示，实施例3的接合界面仅仅形成了 FeAl3，此外，其平均厚度 薄至不足0. 5 μ m，且不连续地形成，因此认为接合强度稍不充分。另一方面，图13的(B)是利用电子显微镜获得的、显示了本发明的实施例6的接 合部的组织。从图14的(A)所示的通过X射线衍射获得的组成分析结果可以看出，在接合 界面中，均勻地形成了由Al3Mg2和FeAl3构成的复合型的反应层，获得了实施例中最高的强度。而且，图13的(C)是利用电子显微镜获得的、显示本发明的实施例8中的接合部 的组织。从图14的(B)所示的通过X射线衍射获得的组成分析结果可以判明，在接合界面 中，由FeAl3构成的单层反应层较厚且均勻地形成，但认为由于不能充分获得镁合金材料与 反应层的结合力，因此导致了接合强度的少许降低。在以上所述的实施例1 11中，示出了使用扩散接合作为接合方法、使用添加了 作为金属D的铝的镁合金作为第一材料、使用镀锌钢板作为第二材料的例子。与此相反，在以下所述的实施例12 22中，示出了使用镀锌-铝合金钢板或镀 铝-锌合金钢板作为第二材料、通过电阻点焊机接合的例子，所述镀合金钢板在钢板上镀 敷了预先将作为金属D的铝与作为金属C的锌形成合金的金属。在进行镁系材料与钢的异种金属接合时，作为实施例12 22的钢材，使用镀敷了 锌(金属C)的镀锌钢板、铝(金属D)添加量不同的4种镀锌-铝合金钢板以及仅仅镀敷 铝而不含锌的镀铝钢板。另一方面，作为镁材料，准备铝(金属D)添加量不同的两种镁合金或纯镁，在本实 施例中使用电阻点焊在各种条件下将这些钢材与镁材料接合，调查所得界面结构与强度的关系。另外，镁板材的板厚为1. 0mm，钢板的板厚为0. 55mm。图15所示为该实施例中使用的接合装置的结构的示意图，图中所示的接合装置 30是普通电阻点焊装置。在图中，接合装置30设有一对电极33，通过该电极33在规定的加压压力下对作为 被接合材料的镁板材31与进行了各种镀敷的钢板32进行加压，同时，通过交流电源34以 规定时间通电，可以利用接合界面的电阻产生的发热进行接合。另外，作为电极33，使用由 铬铜构成的、前端曲率半径R为40mm的电极。作为接合条件，加压压力设定为3kN，接合时间设定为240msec，焊接电流设定为 16000 30000A的范围内，为了测定接合后的接头强度，进行拉伸剪切试验，测定接合强度。另一方面，通过扫描型电子显微镜、能量色散型X射线分析法、X射线衍射装置来 调查接合部界面的反应层的组成、厚度等。这些结果在表2中示出。另外，表中的接合强度低于2. 5kN则评价为“B”，2. 5kN 低于3. OkN则评价为“A”，3. 0 3. 5kN则评价为“AA”，超过3. 5kN则评价为“AAA”。表2 如表2所示，在比较例9和10中，由于使用镀铝钢板作为钢材，不存在锌，因此，氧 化皮膜不能顺利地排出。另外，由于铝量过多，接合界面没有形成Al3Mg2与FeAl3混杂的复 合型化合物层，而是形成了两层结构，而且，由于FeAl3B成了厚的反应层，化合物层的总体 厚度超过2. 5 μ m，因此接合强度变低，结果不能获得良好的接合。另一方面，实施例12和实施例16是与先前的实施例同样地使用镀锌钢板作为钢材、分别使用3% Al-Mg合金和6% Al-Mg合金作为镁合金材料的例子。在这些实施例中，镁合金材料的Al添加量有效地发挥作用，虽然其厚度稍薄，但 接合界面形成了 Al3Mg2与FeAl3混杂而成的复合型化合物层，实现了有效的接合。该情况 下的化合物层的厚度在实施例12中为0. 08 0. 12 μ m,在实施例16中为0. 2 μ m左右。与此相对，实施例13 15和实施例17 19是使用镀敷了锌与铝的合金的镀 锌-铝合金钢板或镀铝_锌合金钢板作为钢材、使用3% Al-Mg合金或6% Al-Mg合金作为 镁合金材料的例子。在这些实施例中，由于Al添加量充分，接合界面形成了 Al3Ife2与FeAl3混杂而成 的复合型化合物层。此外，其厚度为0. 3 1. 2 μ m，且均勻地形成，因此确认获得了接合强 度超过3. 5kN的极高的接合强度。另外，实施例20和21是使用镀层中的Al含量高达65%的镀铝-锌合金钢板作为 钢材的例子。这些情况下，由于铝量过多，因此，在接合界面没有形成如上所述的复合型化合物 层，形成了 Al3Mg2与FeAl3为主体的双重结构的厚反应层，由于化合物层的总体厚度为2 μ m 以上，结果接合强度稍低。另外，实施例22是使用镀层中的Al含量高达65 %的镀铝-锌合金钢板作为钢材、 使用纯镁作为镁材料的例子。这种情况下，由于铝量过多，因此，在接合界面没有形成如上所述的复合型化合物 层，形成了 Al3Mg2与FeAl3为主体的双重结构的厚反应层，由于化合物层的总体厚度为2 μ m 以上，结果接合强度稍低。图16的㈧ (C)是分别示出了通过扫描型电子显微镜观察作为本发明的接合 结构的代表例的实施例12、13和15的接合界面的结果的图。S卩，如图16的㈧所示，可以看出，实施例12的接合界面以约0. Ιμπι的极薄厚度 均勻地形成了 Al3Mg2与FeAl3混杂的复合型化合物层，获得了良好的接合强度。同样地，图16的⑶是示出了本发明实施例13的接合部的电子显微镜下的组织， 接合界面以约0. 4 μ m的厚度均勻地形成了由Al3Mg2与FeAl3构成的复合型反应层，获得了 实施例中的最高强度。而且，图16的(C)是示出了本发明的实施例15的接合部的电子显微镜下的组织。 可以看出，接合界面确实形成了厚度约0. 1 μ m的由Al3Mg2与FeAl3构成的复合型反应层， 同样地获得了高强度。接着，在如下所述的实施例23 28中，示出了使用在钢板上镀敷了作为金属C的 锡、铜或银的镀锡钢板、镀铜钢板或镀银钢板作为第二材料的例子。另外，实施例29和30 中，示出了使用添加了镓作为金属D的镁合金作为第一材料的例子。在进行镁系材料与钢的异种金属接合时，作为实施例23 28的钢材，使用镀锡钢 板、镀铜钢板和镀银钢板。另外，作为实施例23 28的镁材料，准备铝(金属D)添加量不 同的两种镁合金。作为实施例29和30的钢材，使用镀锌钢板。另外，作为实施例29和30的镁材料， 准备镓(金属D)添加量不同的两种镁合金。在实施例23 30中使用电阻点焊在各种条件下将这些钢材与镁材料接合，调查
13所得界面结构与强度的关系。另外，镁板材的板厚为1. 0mm，钢板的板厚为0. 55mm。电阻点焊使用图15所示的接合装置，作为接合条件，将加压压力设定为3kN，接合 时间设定为240msec，焊接电流设定为16000 30000A的范围内，为了测定接合后的接头强 度，进行拉伸剪切试验，测定接合强度。这些结果在表3中示出。另外，表中的接合强度低于2. 51^则评价为1”，2. 5 低于3. OkN则评价为“A”，3. 0 3. 5kN则评价为“AA”，超过3. 5kN则评价为“AAA”。表3 实施例23和实施例24是使用镀锡钢板作为钢材的例子，实施例25和实施例26 是使用镀铜钢板作为钢材的例子，实施例27和实施例28是使用镀银钢板作为钢材的例子。 在这些实施例中，分别使用3% Al-Mg合金和6% Al-Mg合金作为镁合金材料。在这些实施例23 28中，与使用镀锌钢板作为钢材的实施例12、16同样地，镁合 金材料的Al添加量有效地发挥作用，虽然其厚度稍薄，但接合界面形成了 Al3Mg2与FeAl3 混杂而成的复合型化合物层，实现了有效的接合。该情况下的化合物层的厚度为0. 1 0. 2 μ m左右。实施例29和实施例30是使用镀锌钢板作为钢材、使用20% Ga-Mg合金或40% Ga-Mg合金作为镁合金材料的例子。这些实施例29、30与其他实施例不同，使用在镁中添加Ga的镁合金材料，在接合 界面均形成了 MgGa2与FeGa3混杂而成的复合型化合物层，实现了有效的接合。该情况下的 化合物层的厚度为0. 1 0. 2 μ m左右。日本专利申请2008-7569号(申请日2008年1月17日)、专利申请2008-100411 号(申请日2008年4月8日)和专利申请2OO9-M37号(申请日2009年1月15日)的 全部内容通过引用并入到此处。以上说明了应用本发明人所作出的发明的实施方式，但本发明不受作为该实施方 式所公开的本发明的一部分论述和附图的限制。即，本领域技术人员等根据上述实施方式 能够得出的其他实施方式、实施例和运用技术等当然全部包含在本发明的范畴内。
权利要求
一种异种金属的接合方法，其特征在于，在使含有金属C的第三材料介于以镁为主要成分的第一材料与以铁为主要成分的第二材料之间，使所述镁和铁中的至少一者与金属C之间产生共晶熔融，从接合界面排出由共晶熔融获得的反应产物，而将第一材料与第二材料接合时，将金属D添加到含有所述镁和铁当中的、与所述金属C之间产生共晶熔融的金属作为主要成分的材料和/或第三材料中，在接合界面形成镁和铁中的至少一者与金属D的金属间化合物，通过含有该金属间化合物的化合物层而将所述第一材料与第二材料接合。
2.根据权利要求1所述的异种金属的接合方法，其特征在于，在所述化合物层中混杂 有镁与金属D的金属间化合物和铁与金属D的金属间化合物。
3.根据权利要求1所述的异种金属的接合方法，其特征在于，所述第一材料是镁合金 材料，第二材料是钢材，金属D是铝和/或镓，预先使含有与镁产生共晶熔融的金属C的第 三材料附着在所述钢材的接合面上。
4.根据权利要求3所述的异种金属的接合方法，其特征在于，通过选自镀敷、喷镀、蒸 镀和皮膜涂布中的被覆手段将所述第三材料附着于所述第二材料的接合面上。
5.根据权利要求1所述的异种金属的接合方法，其特征在于，所述第三材料中含有的 金属C是选自由Zn、Sn、Cu、Ag和Ni组成的组中的至少一种金属。
6.根据权利要求1所述的异种金属的接合方法，其特征在于，所述第三材料是含有作 为金属C的Zn和作为金属D的Al的合金。
7.根据权利要求6所述的异种金属的接合方法，其特征在于，使用预先在接合面上镀 敷了 Al-Zn合金的镀Al-Zn钢板作为第二材料。
8.根据权利要求7所述的异种金属的接合方法，其特征在于，所述镀Al-Zn钢板中的镀 层中的Al含量为低于65质量％。
9.一种异种金属的接合结构，其特征在于，以镁为主要成分的第一材料与以铁为主要 成分的第二材料的新生面彼此通过含有镁和铁中的一者或两者与金属D的金属间化合物 的化合物层来接合。
10.根据权利要求9所述的异种金属的接合结构，其特征在于，包含镁和铁中的至少一 者与金属C之间形成的共晶熔融反应产物的排出物排出到所述化合物层的周围。
11.根据权利要求9所述的异种金属的接合结构，其特征在于，所述第一材料是镁合金 材料，第二材料是钢材，所述金属D是铝和/或镓。
12.根据权利要求11所述的异种金属的接合结构，其特征在于，所述金属D是铝，镁合 金材料与钢材的新生面彼此通过包含Al-Mg系和/或Fe-Al系金属间化合物的化合物层来 接合。
13.根据权利要求12所述的异种金属的接合结构，其特征在于，所述化合物层具有包 含Al3Ife2和FeAl3的复合组织。
14.根据权利要求11所述的异种金属的接合结构，其特征在于，所述金属D是镓，镁合 金材料与钢材的新生面彼此通过包含Mg-Ga系和/或Fe-Ga系金属间化合物的化合物层来接合。
15.根据权利要求14所述的异种金属的接合结构，其特征在于，所述化合物层具有包 含MgGa2和FeGa3的复合组织。
16.根据权利要求11所述的异种金属的接合结构，其特征在于，所述化合物层的平均 厚度为0. 08 μ m以上。
全文摘要
在将镁合金材料(1)(第一材料)与钢材(第二材料)接合时，使用镀敷了锌(金属C)的镀锌钢板(2)作为钢材，同时，使镁合金材料(1)中含有Al(金属D)，接合时产生Mg与Zn的共晶熔融，其与氧化皮膜(1f)和杂质等一起从接合界面排出，同时生成Al3Mg2之类的Al-Mg系金属间化合物和FeAl3之类的Fe-Al系金属间化合物，通过含有这些金属间化合物的化合物层(3)而将材料(1)和(2)二者的新生面彼此接合。
文档编号B32B15/01GK101918168SQ20098010239
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年1月17日
发明者中川成幸, 宫本健二, 广濑明夫, 柳田贞雄, 相原政夫, 粕川实 申请人:日产自动车株式会社