用於鎂合金和鋼的接合不同金屬的方法

2023-07-07 20:33:16 2

專利名稱：用於鎂合金和鋼的接合不同金屬的方法
技術領域：
本發明涉及接合不同金屬的方法，所述不同金屬是作為不同金屬組合的鎂合金和 鋼，當在其接合表面處存在氧化物膜時，所述鎂合金和鋼在冶金上難以直接彼此接合。
背景技術：
當不同金屬彼此接合時，在鎂合金材料表面處存在氧化物膜，同時在鋼表面處的 氧化物膜在接合期間中的加熱步驟中生長的情況中，如在鎂合金材料和鋼的組合中，在空 氣中接合是困難的。另外從!^e-Mg 二元相圖看出，鎂和鋼呈現兩相分離型，同時彼此之間的溶解度非 常小，因此，使具有該特徵的材料彼此直接接合在冶金上是非常困難的。因此，迄今為止，在使用諸如組合的基於鎂的材料和鋼的不同金屬材料的情況中， 用螺栓或鉚釘等進行機械緊固(參見例如專利引用1)。現有技術引用專利引用專利引用1 日本特開2000-272541號公報

發明內容
本發明要解決的問題然而，根據上述專利引用1中所述的方法，在接合中使用的部件的數目提高，由此 導致諸如提高接合元件的重量和成本的問題。考慮到在接合不同金屬中的上述問題，做出了本發明。本發明的目的是提供接合 不同金屬的方法，儘管在接合表面處存在氧化物膜的事實和儘管是在冶金上難以直接彼此 接合的鎂合金材料和鋼的組合，通過該方法仍然可得到牢固的接合。解決問題的手段本發明人進行了許多熱心的研究。結果，他們發現，可通過如下方法在低溫從接合 界面除去氧化物膜在進行彼此接合的兩種不同金屬材料之間提供第三材料，從而在所述 兩種材料中的至少一種和第三材料中所含的金屬之間引起三元低共熔反應。另外，發明人 發現，通過向接合界面提供含金屬間化合物(其包含所述兩種材料中的至少一種的主組分 金屬)的層，可解決上述問題，並完成本發明。具體地，本發明基於上述知識，其中，接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的方法的 特徵在於包括在鎂合金材料和鋼之間提供含鋅、鎂和鋁的第三材料，以引起Si-Al-Mg三 元低共熔熔融，使得低共熔熔融導致的反應產物從接合界面排出，同時在接合界面處形成 Al-Mg金屬間化合物和 ^-Al金屬間化合物中的至少一種，從而通過含所述金屬間化合物 的化合物層接合所述鎂合金和鋼。另外，在用於接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的結構中，鎂合金材料和鋼材料的 新生成表面通過化合物層彼此接合，所述化合物層包含Al-Mg金屬間化合物和!^e-Al金屬間化合物中的至少一種。Zn-Al-Mg三元低共熔熔融導致的反應產物存在於所述化合物層周圍。發明效果根據本發明，用於引起與鎂的三元低共熔熔融的含鋅和鋁的第三材料存在於鎂合 金材料和鋼之間，由此當進行接合時導致Si-Al-Mg三元低共熔熔融。因此，如果在接合表 面處形成阻礙接合的氧化物膜，則可容易地在極低溫度將氧化物膜從接合界面除去。另外，含金屬間化合物(其在1%和狗中的一種或兩種和第三材料中所含的Al之 間形成，所述Mg和!^e分別為所述接合材料的主組分金屬)的層存在於接合材料之間，使得 在冶金上難以直接彼此接合的接合材料之間可相互擴散，由此得到牢固的接合。


[圖1]是示出Al-Mg-Si合金的三元低共熔點的三元相圖。[圖2](其包括㈧至(E))是示意性地說明在根據本發明的用於接合不同金屬的 方法中的接合過程的流程圖。[圖3]是示意性截面圖，其示出通過應用本發明的接合方法的點接合所導致的搭 接(lapped joint)的接合結構。[圖4]是示出用於本發明實施例的電阻點焊設備的結構示意圖。[圖5]是示出在由本發明實施例2得到的接合部附近位置處的SEM圖像和Auger 分析結果的圖像。
具體實施方案下文中，將進一步對根據本發明的用於接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的方法 進行詳細和具體地討論。在本說明書中，除非另外指出，否則，「％」表示質量百分數。另外，「主組分」表示 在材料中含量最高的組分。在本發明中，如上面所討論，當含Mg作為主組分的鎂合金材料和含狗作為主組分 的鋼彼此接合時，在所述兩種材料之間存在第三材料，所述第三材料含有Mg和作為主組分 的Zn，以及還含有Al，這裡的Al引起在它和這些Si和Mg之間的三元低共熔熔融。當進行接合時，導致Si-Al-Mg三元低共熔熔融，以從接合界面排出其反應產物， 同時在Mg和Al之間和/或在!^e和Al之間產生金屬間化合物，其中鎂合金材料和鋼通過 含該金屬間化合物的化合物層彼此接合。因此，即使充當接合抑制因素的Mg的氧化物膜存在於接合界面處，也可將它從接 合界面容易地除去，不僅在接合材料的熔點，而且在比二元低共熔點更低的溫度。具體地，圖1示出Al-Mg-Si合金的三元相圖，其中Al-Mg-Si合金具有三元低共熔 點肚，其代表以原子百分數計7. 0% Al-8. l%Mg-84. 9% Zn的組成。該三元低共熔組合物 的熔點為337°C，其低於Mg的熔點660°C，並且還低於Mg-Si的二元低共熔點的溫度364°C。因此，可使在接合表面處存在的氧化物膜和其它雜質在更低溫度從接合界面與三 元低共熔反應物一起排出，由此抑制產生過多的金屬間合金O^e-Al化合物或Al-Mg化合 物)，從而可得到牢固接合。例如，在下面討論的電阻焊接的情況中，可在較低電流形成較大熔核(nugget)，由此可得到高接合強度。當轉換成質量百分數時，在上述三元低共熔點肚處的組成變為3. 2% Al-3.3% Mg-93. 5% Zn。根據本發明，在用於接合不同金屬的方法中，當進行接合時，在接合材料的主組分 金屬和Al之間產生金屬間化合物，使得含該金屬間化合物的化合物層存在於接合界面處， 因此，在冶金上難以直接接合的鎂合金和鋼的組合中可發生擴散，由此改善接合強度。根據本發明，在用於接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的方法中，使上述第三材料 存在於所述兩種接合材料之間的具體手段優選為塗覆手段，例如鍍敷、噴塗、蒸汽沉積、塗 膜和/或類似手段，通過這些手段，第三材料附著於接合表面。換句話說，通過在清潔後使第三材料與鋼的清潔表面附著，將在三元低共熔反應 下熔融的塗層與表面處的氧化物膜和雜質一起排出至接合部周圍位置處。然後，從塗層底 部出現非常清潔的新生表面，由此可得到牢固的接合。另外，根據本發明，在用於接合不同金屬的方法中，可將鋁事先添加至鎂合金材 料。通過這樣做，當在接合期間生成金屬間化合物時可向接合界面供應足量的Al，使 得在所述接合材料中的主組分金屬Mg或!^e和Al之間的金屬間化合物可確實形成，由此得 到更牢固的接合。另外，所述第三材料的組分組成優選為上述Si-Al-Mg三元低共熔組合物或Al含 量比該組合物的Al含量更高的組合物，使得例如可使用6-20% Al-1-4% Mg-Zn的合金組 合物。通過這樣的組成，與二元低共熔熔融的情況中相比，可在進一步更低的溫度進一 步確實地導致低共熔熔融。另外，由於第三材料含有很多Al，當在接合界面處形成含Al的 金屬間化合物時使用添加至第三材料的Al，因此，用於形成金屬間化合物的Al的量足夠， 由此可得到更牢固的接合部。根據本發明，在用於接合不同金屬的方法中，含有含Al的金屬間化合物的化合物 層存在於接合界面處。此時，這種化合物層優選含有如上所述的Al-Mg金屬間化合物(例 如Al3Mg2)和!^e-Al金屬間化合物(例如!^Al3)，並且更優選將這些金屬間化合物混合以形 成複合層。不特別限制在本發明的接合不同金屬的方法中使用的接合手段，只要它能夠以使 第三材料存在於鎂合金材料和鋼之間的條件相對擠壓鎂合金材料和鋼，同時能夠在不低於 三元低共熔溫度的溫度加熱接合界面即可。作為實際的接合設備，例如可使用擴散接合設備或包含雷射束輻射頭和壓輥的激 光焊接設備等，其中特別優選使用在電阻焊接下的點焊或縫焊。根據該電阻焊接，可將接合 界面容易地加熱至不低於三元低共熔溫度的溫度，同時相對擠壓兩種材料，由此使得可通 過使用現有裝置進行本發明的不同材料接合。圖2的(A)至(E)是對步驟的示意性說明，示出根據本發明的接合不同金屬的方 法的鎂合金材料和鋼的接合過程。首先，如圖2的㈧中所示，製備了鋼板2和鎂合金材料1，所述鋼板2具有 Al-Mg-ai合金鍍層(第三材料)2p，所述Al-Mg-ai合金鍍層(第三材料)2p至少位於接合界面的面上的表面處。氧化物膜If在鎂合金材料1的表面處生成。如圖2的(B)中所示，以合金鍍層2p位於內側的方式將這些鋼板2和鎂合金材料 1重疊放置，在上面進行相對擠壓、負荷熱衝擊(loading thermal impact)和/或加熱，如圖 2的(B)中的箭頭所示。這引起塑性變形等，其局部地破壞氧化物膜If。當氧化物膜If被破壞時，在鎂合金材料1中的Mg局部地與Al-Mg-Si合金鍍層2p 接觸，由此在維持一定溫度條件下如圖2的(C)中所示引起Al-Mg-Si的三元低共熔熔融E， 使得逐漸有效地除去在鎂合金材料1的表面處的氧化物膜If。在這種情況中，由於三元低 共熔熔融，所述三元低共熔反應在極低溫度如337 °C進行。如圖2的(D)中所示，在擠壓時，在接合界面處的氧化物膜If和雜質(未示出)與 低共熔熔融產物E —起排至接合部周圍的位置處。此時，在接合界面處，Si和Mg優先熔融 並在低共熔熔融下排出。結果，添加至鎂合金的Al組分保留下來，使得相對Al富集相僅在 接合界面處形成。此外，該Al原子與!^e和Mg反應以形成含金屬間化合物Al-Mg和i^e-Al 的化合物層3。此外，經過接合時間後，如圖2的(E)中所示，在界面處形成的Al-Mg-Si低共熔熔 融產物被徹底排出，使得如上所述的含金屬間化合物的化合物層3存在於接合界面處。這 時，所述鎂合金材料1和鋼板2的新生成表面通過上述化合物層3彼此接合，由此完成牢固 的接合。在該實例中，鋅層在接合後在接合界面處不保留。這是在鎂合金1和鋼板2之間得 到牢固接合的因素；然而，這需要一定的擠壓、反應和排出所需要的溫度和時間，從而需要 鋼板2的鍍層2p具有一定厚度，該厚度通過考慮三元低共熔反應消耗的鍍層的量來確定。圖3示出上述方法適用的點接合所導致的連接接合的接合部結構，其中將在表 面處具有氧化物膜If的鎂合金材料1放在具有Al-Mg-ai合金鍍層2b的鋼板2上，所述 Al-Mg-Zn合金鍍層2b至少位於所述接合界面一側的表面處。另外，如上所討論，含有上述Al-Mg金屬間化合物(例如Al3Mg2)和Fe-Al金屬間 化合物(例如I^eAl3)的化合物層3在接合表面處形成，使得所述鎂合金材料1和鋼板2通 過該化合物層3接合。此時，在接合界面處的來自於氧化物膜If的氧化物和雜質與含有鋼 板2的Al-Mg-Si合金鍍層2p的三元低共熔熔融物質以圍繞該接合部的方式一起排出，以 作為排出物質W存在於所述板材料1，2之間。實施例 下文中，將參照實施例詳細地討論本發明。當接合不同金屬(其為基於鎂的材料和鋼)時，使用鍍有11% Al-3% Mg-Si合金 作為第三材料的鋼板作為鋼材料。作為鎂合金材料，製備了含鋁的AZ31合金(3%A1-1% Zn)。這些鋼材料和鎂合金材料在多種條件下接合，在此基礎上，研究在界面結構和強度之 間所得的關係，和與使用鍍鋅鋼板的情況進行對比。這裡使用的鎂合金材料和鋼板的厚度 分別為1. Omm和0. 55mm。圖4是在實施例中使用的電阻點焊設備的示意性說明。在圖中示出的接合設備10 具有一對電極11，以及可通過以下方法完成接合使用熱(通過從電源12供應電流一定時 間在接合界面處的電阻的作用下產生)，同時使用電極11以一定壓力擠壓鎂合金材料1和 鍍敷鋼板2。使用的電極11由鉻銅合金形成並具有40mm的末端曲率半徑R。
接合條件如下擠壓壓力為300kgf ；焊接電流值為10000-30000A ；以及接合時間 為12周期Q40ms)。在接合後，為測量接合強度，進行剪切拉伸測試以評價強度。另外，通過使用掃描電子顯微鏡、能量擴散X-射線分析和X-射線衍射儀研究在接 合部界面處的反應層的組成等。這些結果示於表1。關於表中的接合結果，將拉伸剪切強度不低於1. 2kN的結果評 價為「〇」，將拉伸剪切強度低於1. 2kN的結果評價為「 X 」。
權利要求
1.接合不同金屬的方法，所述不同金屬是鎂合金和鋼，所述方法包括在鎂合金材料 和鋼之間提供含鋅、鎂和鋁的第三材料，以引起Si-Al-Mg三元低共熔熔融，使得低共熔熔 融導致的反應產物從接合界面排出，同時在接合界面處形成Al-Mg金屬間化合物和!^-Al 金屬間化合物中的至少一種，從而通過含所述金屬間化合物的化合物層接合所述鎂合金和 鋼。
2.權利要求1中的接合不同金屬的方法，其中所述第三材料通過包括鍍覆、噴塗、沉積 和塗膜的包覆方法附著於所述鋼材料的接合表面。
3.權利要求1或2中的接合不同金屬的方法，其中已將鋁添加至所述鎂合金材料。
4.權利要求1-3中的任意一項的接合不同金屬的方法，其中所述第三材料為Si-Al-Mg 三元低共熔組合物或組成中含有的Al的量高於所述三元低共熔組合物的金屬。
5.權利要求1-4中的任意一項的接合不同金屬的方法，其中Al-Mg金屬間化合物和 Fe-Al金屬間化合物混合存在於所述化合物層中。
6.權利要求1-5中的任意一項的接合不同金屬的方法，其中將所述鎂合金材料和所述 鋼材料在使所述第三材料存在於所述兩種材料之間的條件下相對擠壓，同時以不低於三元 低共熔溫度的溫度加熱所述接合界面。
7.權利要求6中的接合不同金屬的方法，其中通過電阻焊接進行接合。
8.用於接合不同金屬的結構，所述不同金屬是鎂合金和鋼，所述結構包含化合物層和 存在於所述化合物層周圍的由於Si-Al-Mg三元低共熔熔融導致的反應產物，鎂合金材料 和鋼材料的新生成表面通過所述化合物層彼此接合，所述化合物層包含Al-Mg金屬間化合 物和Fe-Al金屬間化合物中的至少一種。
9.權利要求8中的用於接合不同金屬的結構，其中含有所述Si-Al-Mg三元低共熔熔融 反應產物的排出物質圍繞所述化合物層排出。
全文摘要
本發明提供接合不同金屬的方法，其中氧化物膜存在於接合表面上，所述方法可牢固地使鎂合金與鋼接合，對於鎂合金與鋼，直接冶金接合是困難的。在使鎂合金材料(1)與鋼板(2)接合中，使用鍍敷了Zn-Al-Mg合金(第三材料)的鍍鋅鋼板(2)作為鋼材料。當接合時，生成Al-Mg-Zn三元低共熔熔體，並且其與氧化物膜(1f)、雜質等一起從接合界面排出，同時形成Al-Mg金屬間化合物如Al3Mg2或Fe-Al金屬間化合物如FeAl3。鎂合金材料(1)和鋼板(2)的新生成表面通過包含所述金屬間化合物的化合物層(3)彼此接合。
文檔編號B23K20/00GK102131610SQ20098013226
公開日2011年7月20日 申請日期2009年8月26日 優先權日2008年9月8日
發明者中川成幸, 宮本健二, 粕川實 申請人:日產自動車株式會社