專利名稱：用于鎂合金和鋼的接合不同金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(dāng)在其接合表面處存在氧化物膜時(shí)，所述鎂合金和鋼在冶金上難以直接彼此接合。
背景技術(shù)：
當(dāng)不同金屬彼此接合時(shí)，在鎂合金材料表面處存在氧化物膜，同時(shí)在鋼表面處的 氧化物膜在接合期間中的加熱步驟中生長(zhǎng)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(xiàn)兩相分離型，同時(shí)彼此之間的溶解度非 常小，因此，使具有該特征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于鎂的材料和鋼的不同金屬材料的情況中， 用螺栓或鉚釘?shù)冗M(jìn)行機(jī)械緊固(參見例如專利引用1)?，F(xiàn)有技術(shù)引用專利引用專利引用1 日本特開2000-272541號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題然而，根據(jù)上述專利引用1中所述的方法，在接合中使用的部件的數(shù)目提高，由此 導(dǎo)致諸如提高接合元件的重量和成本的問題?？紤]到在接合不同金屬中的上述問題，做出了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供接合 不同金屬的方法，盡管在接合表面處存在氧化物膜的事實(shí)和盡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(fā)明人進(jìn)行了許多熱心的研究。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，可通過如下方法在低溫從接合 界面除去氧化物膜在進(jìn)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(yīng)。另外，發(fā)明人 發(fā)現(xiàn)，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，并完成本發(fā)明。具體地，本發(fā)明基于上述知識(shí)，其中，接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的方法的 特征在于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(dǎo)致的反應(yīng)產(chǎn)物從接合界面排出，同時(shí)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，在用于接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的反應(yīng)產(chǎn)物存在于所述化合物層周圍。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，用于引起與鎂的三元低共熔熔融的含鋅和鋁的第三材料存在于鎂合 金材料和鋼之間，由此當(dāng)進(jìn)行接合時(shí)導(dǎo)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)的層存在于接合材料之間，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(kuò)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(diǎn)的三元相圖。[圖2](其包括㈧至(E))是示意性地說明在根據(jù)本發(fā)明的用于接合不同金屬的 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(yīng)用本發(fā)明的接合方法的點(diǎn)接合所導(dǎo)致的搭 接(lapped joint)的接合結(jié)構(gòu)。[圖4]是示出用于本發(fā)明實(shí)施例的電阻點(diǎn)焊設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。[圖5]是示出在由本發(fā)明實(shí)施例2得到的接合部附近位置處的SEM圖像和Auger 分析結(jié)果的圖像。
具體實(shí)施方案下文中，將進(jìn)一步對(duì)根據(jù)本發(fā)明的用于接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的方法 進(jìn)行詳細(xì)和具體地討論。在本說明書中，除非另外指出，否則，“％”表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。另外，“主組分”表示 在材料中含量最高的組分。在本發(fā)明中，如上面所討論，當(dāng)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(shí)，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，這里的Al引起在它和這些Si和Mg之間的三元低共熔熔融。當(dāng)進(jìn)行接合時(shí)，導(dǎo)致Si-Al-Mg三元低共熔熔融，以從接合界面排出其反應(yīng)產(chǎn)物， 同時(shí)在Mg和Al之間和/或在!^e和Al之間產(chǎn)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(dāng)接合抑制因素的Mg的氧化物膜存在于接合界面處，也可將它從接 合界面容易地除去，不僅在接合材料的熔點(diǎn)，而且在比二元低共熔點(diǎn)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(diǎn)肚，其代表以原子百分?jǐn)?shù)計(jì)7. 0% Al-8. l%Mg-84. 9% Zn的組成。該三元低共熔組合物 的熔點(diǎn)為337°C，其低于Mg的熔點(diǎn)660°C，并且還低于Mg-Si的二元低共熔點(diǎn)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(zhì)在更低溫度從接合界面與三 元低共熔反應(yīng)物一起排出，由此抑制產(chǎn)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(qiáng)度。當(dāng)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)時(shí)，在上述三元低共熔點(diǎn)肚處的組成變?yōu)?. 2% Al-3.3% Mg-93. 5% Zn。根據(jù)本發(fā)明，在用于接合不同金屬的方法中，當(dāng)進(jìn)行接合時(shí)，在接合材料的主組分 金屬和Al之間產(chǎn)生金屬間化合物，使得含該金屬間化合物的化合物層存在于接合界面處， 因此，在冶金上難以直接接合的鎂合金和鋼的組合中可發(fā)生擴(kuò)散，由此改善接合強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明，在用于接合不同金屬(其為鎂合金和鋼)的方法中，使上述第三材料 存在于所述兩種接合材料之間的具體手段優(yōu)選為涂覆手段，例如鍍敷、噴涂、蒸汽沉積、涂 膜和/或類似手段，通過這些手段，第三材料附著于接合表面。換句話說，通過在清潔后使第三材料與鋼的清潔表面附著，將在三元低共熔反應(yīng) 下熔融的涂層與表面處的氧化物膜和雜質(zhì)一起排出至接合部周圍位置處。然后，從涂層底 部出現(xiàn)非常清潔的新生表面，由此可得到牢固的接合。另外，根據(jù)本發(fā)明，在用于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(dāng)在接合期間生成金屬間化合物時(shí)可向接合界面供應(yīng)足量的Al，使 得在所述接合材料中的主組分金屬M(fèi)g或!^e和Al之間的金屬間化合物可確實(shí)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(yōu)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(jìn)一步更低的溫度進(jìn)一 步確實(shí)地導(dǎo)致低共熔熔融。另外，由于第三材料含有很多Al，當(dāng)在接合界面處形成含Al的 金屬間化合物時(shí)使用添加至第三材料的Al，因此，用于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(jù)本發(fā)明，在用于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 層存在于接合界面處。此時(shí)，這種化合物層優(yōu)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)，并且更優(yōu)選將這些金屬間化合物混合以形 成復(fù)合層。不特別限制在本發(fā)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 第三材料存在于鎂合金材料和鋼之間的條件相對(duì)擠壓鎂合金材料和鋼，同時(shí)能夠在不低于 三元低共熔溫度的溫度加熱接合界面即可。作為實(shí)際的接合設(shè)備，例如可使用擴(kuò)散接合設(shè)備或包含激光束輻射頭和壓輥的激 光焊接設(shè)備等，其中特別優(yōu)選使用在電阻焊接下的點(diǎn)焊或縫焊。根據(jù)該電阻焊接，可將接合 界面容易地加熱至不低于三元低共熔溫度的溫度，同時(shí)相對(duì)擠壓兩種材料，由此使得可通 過使用現(xiàn)有裝置進(jìn)行本發(fā)明的不同材料接合。圖2的(A)至(E)是對(duì)步驟的示意性說明，示出根據(jù)本發(fā)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，制備了鋼板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至少位于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位于內(nèi)側(cè)的方式將這些鋼板2和鎂合金材料 1重疊放置，在上面進(jìn)行相對(duì)擠壓、負(fù)荷熱沖擊(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(dāng)氧化物膜If被破壞時(shí)，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，由于三元低 共熔熔融，所述三元低共熔反應(yīng)在極低溫度如337 °C進(jìn)行。如圖2的(D)中所示，在擠壓時(shí)，在接合界面處的氧化物膜If和雜質(zhì)(未示出)與 低共熔熔融產(chǎn)物E —起排至接合部周圍的位置處。此時(shí)，在接合界面處，Si和Mg優(yōu)先熔融 并在低共熔熔融下排出。結(jié)果，添加至鎂合金的Al組分保留下來，使得相對(duì)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(yīng)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(jīng)過接合時(shí)間后，如圖2的(E)中所示，在界面處形成的Al-Mg-Si低共熔熔 融產(chǎn)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存在于接合界面處。這 時(shí)，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(shí)例中，鋅層在接合后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(yīng)和排出所需要的溫度和時(shí)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(yīng)消耗的鍍層的量來確定。圖3示出上述方法適用的點(diǎn)接合所導(dǎo)致的連接接合的接合部結(jié)構(gòu)，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至少位于所述接合界面一側(cè)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(shí)，在接合界面處的來自于氧化物膜If的氧化物和雜質(zhì)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(zhì)以圍繞該接合部的方式一起排出，以 作為排出物質(zhì)W存在于所述板材料1，2之間。實(shí)施例 下文中，將參照實(shí)施例詳細(xì)地討論本發(fā)明。當(dāng)接合不同金屬(其為基于鎂的材料和鋼)時(shí)，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，制備了含鋁的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(chǔ)上，研究在界面結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度之 間所得的關(guān)系，和與使用鍍鋅鋼板的情況進(jìn)行對(duì)比。這里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(shí)施例中使用的電阻點(diǎn)焊設(shè)備的示意性說明。在圖中示出的接合設(shè)備10 具有一對(duì)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(yīng)電流一定時(shí) 間在接合界面處的電阻的作用下產(chǎn)生)，同時(shí)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由鉻銅合金形成并具有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(shí)間 為12周期Q40ms)。在接合后，為測(cè)量接合強(qiáng)度，進(jìn)行剪切拉伸測(cè)試以評(píng)價(jià)強(qiáng)度。另外，通過使用掃描電子顯微鏡、能量擴(kuò)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(yīng)層的組成等。這些結(jié)果示于表1。關(guān)于表中的接合結(jié)果，將拉伸剪切強(qiáng)度不低于1. 2kN的結(jié)果評(píng) 價(jià)為“〇”，將拉伸剪切強(qiáng)度低于1. 2kN的結(jié)果評(píng)價(jià)為“ X ”。
權(quán)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(dǎo)致的反應(yīng)產(chǎn)物從接合界面排出，同時(shí)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(quán)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、噴涂、沉積 和涂膜的包覆方法附著于所述鋼材料的接合表面。
3.權(quán)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(quán)利要求1-3中的任意一項(xiàng)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的量高于所述三元低共熔組合物的金屬。
5.權(quán)利要求1-4中的任意一項(xiàng)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于所述化合物層中。
6.權(quán)利要求1-5中的任意一項(xiàng)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于所述兩種材料之間的條件下相對(duì)擠壓，同時(shí)以不低于三元 低共熔溫度的溫度加熱所述接合界面。
7.權(quán)利要求6中的接合不同金屬的方法，其中通過電阻焊接進(jìn)行接合。
8.用于接合不同金屬的結(jié)構(gòu)，所述不同金屬是鎂合金和鋼，所述結(jié)構(gòu)包含化合物層和 存在于所述化合物層周圍的由于Si-Al-Mg三元低共熔熔融導(dǎo)致的反應(yīng)產(chǎn)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(quán)利要求8中的用于接合不同金屬的結(jié)構(gòu)，其中含有所述Si-Al-Mg三元低共熔熔融 反應(yīng)產(chǎn)物的排出物質(zhì)圍繞所述化合物層排出。
全文摘要
本發(fā)明提供接合不同金屬的方法，其中氧化物膜存在于接合表面上，所述方法可牢固地使鎂合金與鋼接合，對(duì)于鎂合金與鋼，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(dāng)接合時(shí)，生成Al-Mg-Zn三元低共熔熔體，并且其與氧化物膜(1f)、雜質(zhì)等一起從接合界面排出，同時(shí)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(hào)B23K20/00GK102131610SQ20098013226
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日
發(fā)明者中川成幸, 宮本健二, 粕川實(shí) 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社