(57)【要約】【課題】摩擦攪拌接合を用いて、十分な接合部の強度を有するアルミニウム又はアルミニウム合金と鋼板が接合された接合継手を提供する。【解決手段】アルミニウム板又はアルミニウム合金板と鋼板が摩擦攪拌接合された接合部を備えた接合継手あって、上記接合部の上記アルミニウム板又はアルミニウム合金板と上記鋼板の間にＦｅ２Ａｌ５を含有する金属間化合物層が存在し、上記金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が０．０８μｍ以下であることを特徴とする接合継手。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム板又はアルミニウム合金板と鋼板が摩擦攪拌接合された接合部を備えた接合継手あって、
上記接合部の上記アルミニウム板又はアルミニウム合金板と上記鋼板の間にＦｅ２Ａｌ５を含有する金属間化合物層が存在し、
上記金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が０．０８μｍ以下である
ことを特徴とする接合継手。
【請求項２】
前記接合部はＡｌを主成分とし、質量％で、
Ｎｉ：０．８〜６．０％
を含有することを特徴とする請求項１に記載の接合継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルミニウム又はアルミニウム合金と鋼が摩擦撹拌接合された接合部を備えた接合継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車分野においては、低燃費化や炭酸ガスの排出量削減を目的とした車体軽量化のために、車体や部品などに、部分的にアルミニウム合金板を使用するニーズが高まっている。この傾向は、特に、ハイブリッド車などの分野において顕著である。
【０００３】
車体の組み立てにおける鋼板とアルミニウム合金板との異種金属接合は、機械的接合が主流である。しかしながら、機械的接合は、リベット等そのものが、重量を増す要因になったり、コスト高の要因になったりする。
【０００４】
他方、たとえば、特許文献１に開示されたように、自動車用構造体であるピラー構造部材とピラーカバーを摩擦攪拌接合により一体的に結合することにより製作することが知られている。
【０００５】
特許文献２は、接合工具の挿入状態を適正化し、接合強度を改善した異種金属材料の接合方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２４９０７０号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
鋼板同士の車体の組み立てには、抵抗スポット溶接が主に採用されている。しかしながら、抵抗スポット溶接は点接合であるので、十分な静的な引張強度を得るためには、摩擦攪拌接合等の線接合を用いることが求められる。
【０００８】
アルミニウム板又はアルミニウム合金板（以下、単に、「アルミニウム合金板」と記す。以下「アルミニウム合金板」との記載は、特に組成の記載がない場合には、「アルミニウム板」も含むものとする）と鋼板を摩擦撹拌接合した場合、Ａｌ−Ｆｅ間の接合金属中では、脆弱な金属化合物層が形成される。
【０００９】
金属間化合物層には複数の金属間化合物が存在し、その中で最も量が多いものがＦｅ２Ａｌ５である。Ｆｅ２Ａｌ５は硬くて脆いため、厚い金属間化合物層が存在すると、接合部の強度が低下しやすい。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑み、摩擦攪拌接合を用いて、十分な接合部の強度を有するアルミニウム又はアルミニウム合金と鋼板が接合された接合継手を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、摩擦攪拌接合を用いてアルミニウム合金板と鋼板を接合し、接合部の強度を高めるための方法を鋭意検討した。
【００１２】
これまで、金属間化合物層の組織と接合強度の関連性は示されていなかった。本発明者らは検討の結果、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５結晶の粒子径幅と接合部の強度に相関があることを見出し、Ｆｅ２Ａｌ５の結晶粒幅を小さくすることによって接合部の強度を向上できることを見出した。
【００１３】
本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
【００１４】
（１）アルミニウム合金板と鋼板が摩擦攪拌接合された接合部を備えた接合継手あって、上記接合部の上記アルミニウム合金板と上記鋼板の間にＦｅ２Ａｌ５を含有する金属間化合物層が存在し、上記金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が０．０８μｍ以下であることを特徴とする接合継手。
【００１５】
（２）前記接合部はＡｌを主成分とし、質量％で、Ｎｉ：０．８〜６．０％を含有することを特徴とする請求項１に記載の接合継手。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、摩擦攪拌接合により、従来よりも高い接合強度を有する接合部を備えた接合継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】摩擦攪拌接合の概略を示す図である。
【図２】摩擦攪拌接合の接合工具の概略を示す図である。
【図３】摩擦攪拌接合されたアルミニウム合金板と鋼板の一例を示す写真である。
【図４】本発明の接合継手の接合部の組織写真である。
【図５】実施例におけるＦｅ２Ａｌ５の結晶粒幅と接合強度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明について詳細に説明する。以下、成分についての「％」は、特に断りがなければ「質量％」を意味するものとする。
【００１９】
はじめに、摩擦攪拌接合について説明する。
【００２０】
図１に、摩擦撹拌接合によるアルミニウム合金板と鋼板の接合の概略図を示す。摩擦攪拌接合では、円柱状の回転子を接合工具１０として使用する。この接合工具１０は、先端部のピン部及びその上部のディスクから構成されている。
【００２１】
アルミニウム合金板１１、鋼板１２をディスクで押さえ、ピン部を接合界面に挿入する。そしてこれらを回転させることで摩擦熱を発生させ、アルミニウム合金板を軟化させるとともに、ピン周辺の金属を、攪拌して両側の金属を接合させる。この接合工具１０を接合界面に沿って（紙面垂直方向）移動させることにより、その通過部が接合され、両側の金属が一体化する。
【００２２】
図２に、接合工具の一例を示す。（ａ）は接合工具２０を側面から見た図である。接合工具はピン部２１とディスク２２からなる。（ｂ）は、（ａ）のＡ方向から見た図である。（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ’で切断した断面図である。ディスク２２の表面は、外周からピン２１部に向かって傾斜している。
【００２３】
本発明の接合継手を作製する際の接合工具の大きさは特に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。一例として、ディスク径φ１５ｍｍ、ピン径φ４ｍｍ、ピン高さ１．７ｍｍ、ディスク表面の傾斜角７°とすることができる。
【００２４】
本発明の接合継手は、摩擦攪拌接合により形成される接合金属の組織を制御することにより、接合強度を向上させたものである。具体的には、接合部中の金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅を０．０８μｍ以下とする。
【００２５】
ここで「接合部」とは、アルミニウム合金板側の摩擦攪拌された部分をいうものとする。接合部の外観の一例を図３に示す。（ａ）はアルミニウム合金板側から見た写真、（ｂ）は断面図である。
【００２６】
アルミニウム合金板と鋼板を接合する際に、Ｆｅ２Ａｌ５等の金属間化合物は鋼板の表面と垂直な方向に成長する。接合部に引張せん断力が加わり破断する場合は、き裂が界面に平行な方向、すなわち、金属間化合物の成長方向に対して垂直な方向に進展して破断する。
【００２７】
Ｆｅ２Ａｌ５は硬くて脆いが、本発明者らは、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の結晶粒幅が微細化されることにより、接合強度が上昇することを知見した。
【００２８】
ここで、「結晶粒幅」とは、破断の際にき裂が進展する方向、すなわち、金属間化合物の成長方向に対して垂直方向の結晶粒の大きさをいうものとする。
【００２９】
結晶粒幅は、直線交差法を用いて測定する。具体的な手順は以下のとおりである。
【００３０】
接合金属を接合線に対して垂直に切断し、研磨し、断面をＥＢＳＤ測定して、結晶粒を現出させる。Ｆｅ２Ａｌ５相のみで構成される層を測定位置とし、２μｍの直線を被接合板面に対して等間隔で平行に３本引く。
【００３１】
直線の長さ２μｍを交差する粒界の数で除した値をそれぞれの直線に対して算出し、３本の直線に対して算出した値の平均値を結晶粒幅とする。
【００３２】
平均結晶粒幅は、４箇所のＥＢＳＤ測定の結果の平均値とする。
【００３３】
本発明の接合継手は、アルミニウム合金板と鋼板が摩擦攪拌接合によって接合され、その間にＦｅ２Ａｌ５を含有し、その平均結晶粒幅が０．０８μｍ以下である金属間化合物層が存在すればよい。すなわち、被接合材であるアルミニウム合金板や鋼板の成分組成が限定されるものではない。
【００３４】
金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅を０．０８μｍ以下とするためには、Ａｌを主成分とする接合部にＮｉを含有させることが好ましい。平均結晶粒幅を微細にする効果を得るためには、Ｎｉの含有量は０．８％以上とすることが好ましい。Ｎｉを多く添加しすぎると効果が飽和するので、含有量は６．０％以下が好ましい。
【００３５】
接合金属中にＮｉを含有させることにより、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の結晶粒を微細化することが可能である。ただし、Ｎｉは金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５に組成的な変化を与えるものではない。
【００３６】
接合部にＮｉを含有させる方法としては、たとえば、アルミニウム合金中にＮｉを含有させる方法が挙げられる。また、摩擦攪拌接合前に、アルミニウム合金板と鋼板の接触面にＮｉを含有する金属粉末を散布したり、Ｎｉを含有する金属箔を挟む方法が挙げられる。
【００３７】
本発明の接合継手を作製する際の摩擦攪拌接合の条件は特に限定されるものではなく、公知の方法を用いればよい。
【００３８】
図４に、本発明の接合継手の接合部の組織写真を示す。金属化合物Ｆｅ２Ａｌ５の結晶粒幅が０．０８μｍ以下と小さくなっていることが確認できる。
【００３９】
接合金属には、一般的にアルミニウム合金に含有される典型的な成分として、たとえば、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｖ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｂ等を含有してもよい。なお、融点の高い鋼板からの成分は摩擦攪拌接合により接合金属に拡散することはほとんどない。
【００４０】
母材のアルミニウム合金の成分は特に限定されるものではなく、種々の元素を添加することができる。たとえば、アルミニウム合金は、強度を向上させるために、Ｍｇを１．０〜５．０質量％含有することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。以下の実施例は、本発明の一例を具体的に示すものであり、本発明は以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
【００４２】
アルミニウム-マグネシウム−ニッケル系合金板（板厚２ｍｍ）と鋼板（板厚２ｍｍ）を被接合材として摩擦撹拌接合を行い、接合継手を作製した。鋼板には極低炭素鋼板を用いた。表１に鋼板の成分を示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
アルミニウム合金板は、表２に示した範囲で、アルミニウムインゴットにマグネシウム、及びニッケルを添加量を変えて添加して鋳造により作製したアルミニウム合金に、熱間圧延及び冷間圧延を施したものを使用した。
【００４５】
【表２】
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【００４６】
被接合材には、＃４００の乾式研磨により表面処理を施した。接合は、鋼板の上にアルミニウム合金板を重ね代３０ｍｍで配置し、Ａｌ合金側から重ね摩擦攪拌接合を行った。接合条件は前進角３°、回転速度２０００ｒｐｍ、接合速度６０ｍｍ／ｍｉｎとし、アルミニウム合金側のみ攪拌して接合した。
【００４７】
接合部の強度は、引張せん断試験により評価した。各アルミニウム合金板を用いた接合継手に対して、それぞれ３本の試験片を用いて接合強度の測定を行い、平均を引張せん断強度とした。引張せん断用の試験片は、放電加工を用いて幅１０ｍｍの接合部を切り出した後に、異種金属界面の面積が１０×２ｍｍ２になるように加工をしたものを用いた。界面の面積の調整は、接合面積の統一を目的としている。引張せん断試験は、つかみ部２０ｍｍ、引張速度０．３ｍｍ／ｍｉｎの条件にて行った。また、引張せん断試験の際に回転モーメントが発生しないように厚さ２ｍｍの金属片をスペーサーして用い純せん断の試験条件となるようにした。
【００４８】
また、接合線に対して垂直に切り出した接合部断面について、ＳＥＭを用いた組織観察を用いた分析を行い、金属間化合物層の状態を調査した。表３に接合金属の成分、金属間化合物層の厚さ、Ｆｅ２Ａｌ５の結晶粒幅、及び引張せん断試験により求めた接合強度を示す。接合金属の成分は、主に、上述のとおり、アルミニウム合金を作製する際にアルミニウムインゴットに添加したものが接合金属中に含まれたものである。また、図５に、Ｆｅ２Ａｌ５の結晶粒幅と接合強度の関係を示す。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
表３に示すように、本発明例はＦｅ２Ａｌ５結晶粒幅が小さく、接合強度が高くなっていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、摩擦攪拌接合により、従来よりも高い接合強度を有する接合部を備えた接合継手を得ることができる。本発明は自動車の車体の組み立てにおける鋼板とアルミニウム合金板との異種金属接合等に適用することが可能であり、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００５２】
１０    接合工具
１１    アルミニウム合金板
１２    鋼板
１６    撹拌領域
１７    接合域
２０    接合工具
２１    ピン部
２２    ディスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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