(57)【要約】【課題】炭素繊維などの高強度繊維を異種金属の接合に用いることにより、接合強度が高く、しかも、破壊強度のばらつきの少ない異種金属接合構造物を提供する。【解決手段】金属又は合金からなる第１金属部材１０と、第１金属部材とは異なる金属又は合金からなる第２金属部材２０と、第１金属部材と第２金属部材とを接合する高強度繊維３０とを具備してなる異種金属接合構造物。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は合金からなる第１金属部材と、第１金属部材とは異なる金属又は合金からなる第２金属部材と、第１金属部材と第２金属部材とを接合する高強度繊維とを具備してなる異種金属接合構造物。
【請求項２】
高強度繊維は炭素繊維である、請求項１に記載の異種金属接合構造物。
【請求項３】
高強度繊維は、その表面に金属コーティングがなされている請求項１又は２に記載の異種金属接合構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、機械、医療、スポーツ、宇宙科学、電気通信工学産業分野などで使用される機械、器具、装置、デバイスを構成する異種金属接合構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、異種金属の接合方法として、溶接、ろう付け、ハンダ付けなど冶金学的接合手法や、熱膨張率の違いを利用した焼きバメ、冷やしバメ、リベットやカシメを用いた機械的接合方法、室温付近で接合する接着剤を用いたものなどがある。しかし、これらの技術で接合された異種金属接合構造物は、いずれも強度が弱く、破壊強度のばらつきも大きいという欠点がある。また、金属材のもつ耐蝕性、耐熱性、耐酸化性、導電性などを維持した状態で適切に接合することは困難である。
【０００３】
本発明者は、先に、炭素繊維と金属材料とを接合する技術を提案した（特許文献１）。更に発展させ、異種金属の接合に炭素繊維などの高強度繊維を用いることを検討し、鋭意研究した。その結果、異種金属の接合に炭素繊維などの高強度繊維を用いることにより、接合強度が高く、破壊強度のばらつきを抑えることができることを見出した。
【特許文献１】特開２００４−１０６０４５号公報、特許請求の範囲
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、炭素繊維などの高強度繊維を異種金属の接合に用いることにより、接合強度が高く、しかも、破壊強度のばらつきが少なく、更に、耐蝕性、耐熱性、耐酸化性、導電性などを維持した状態で適切に接合した異種金属接合構造物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明の構成は、
金属又は合金からなる第１金属部材と、第１金属部材とは異なる金属又は合金からなる第２金属部材と、第１金属部材と第２金属部材とを接合する高強度繊維とを具備してなる異種金属接合構造物である。異種金属、合金の組み合わせは任意であるが、たとえば、鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金、タングステン、タングステン合金、チタン、チタン合金、リチウム合金、マグネシウム合金などが挙げられる。
【０００６】
高強度繊維として、炭素繊維が代表的であるが、他に酸化しない、或いは酸化しにくいセラミックス系のグラスファイバーやチラノ繊維等が挙げられる。更には、低温処理の場合は高強度の高分子系繊維も同様に適用できる。
【０００７】
炭素繊維などの高強度繊維は、第1、第２金属部材との馴染みを良くするために、その表面に金属コーティングがなされているのがよい。コーティング金属としては、ニッケル、アルミニウム、チタン、貴金属、及びこれら金属の合金が挙げられる。炭素繊維などの高強度繊維の性状は特に限定されない。例えば、束状及び織ないし編んだシート状等が挙げられる。また、シート状高強度繊維は、単層でも複層でもよい。その用途等に応じて適宜選択される。
【０００８】
異種金属接合構造物の用途が高温で使用される場合、炭素繊維などの高強度繊維の成分と第１、第２金属部材の成分との高温反応により脆い化合物が形成される惧れがある。脆い化合物の形成は高強度繊維の劣化を招き、高温での長時間処理は残留応力が開放されて強度が低下する。このような場合、高強度繊維の熱による金属との反応などに伴う劣化を防ぐため、コーティング金属の種類や高温での熱履歴が重要な技術開発のポイントとなる。コーティング金属の膜厚を数原子層から数ミクロンメートルの範囲、具体的には１０ｎｍ〜２μｍ程度とすることにより、たとえ脆い化合物相が形成されても、脆さを防止することができる。
【０００９】
炭素繊維などの高強度繊維は、弾性変形したままで、第１、第２金属部材と接合することも可能である。この場合、弾性変形量は材料の種類、用途などによっても異なるが、０．５〜２．０％程度が好ましい。炭素繊維などの高強度繊維を弾性変形させたままとすることにより、その高い圧縮応力を積極的に利用して高温強度を高めることができる。特に、炭素繊維を用いると高温での弾性率の低下抑制効果が顕著である。短時間であれば、母相金属材料の再結晶温度程度でも耐熱性を発揮することができる。
【００１０】
また、炭素繊維などの高強度繊維は、繊維強化樹脂の形態、例えばＣＦＲＰ，ＦＲＰ，ＦＲＭで適用することも可能である。
【００１１】
更に炭素繊維として、先に特開２００２−３７１４６１号公報で提案した、電子線を照射線量４０〜２００Ｍｒａｄの条件下で照射した超高強度炭素繊維を使用することも可能である。
【００１２】
上述した異種金属接合構造物は、第１金属部材と第２金属部材とを炭素繊維などの高強度繊維で接合する方法によって製造することができる。例えば、高強度繊維を弾性変形させたままで、第１金属部材と第２金属部材とに組み込み、第１金属部材と第２金属部材とをこの高強度繊維を用いて接合することにより製造することができる。
【００１３】
この接合は、電気溶接法によるスポット溶接が好適である。この場合、接合強度を高めるために、スポット電圧を１６０〜２３０Ｖ、特に１８０〜１９０Ｖとするのがよい。具体的には特開２００４−１０６０４５号公報に開示された技術を本発明にも適用することができる。スポット溶接以外にも電気接合、パーカッション溶接、いぐるみ、粉末冶金、鍛造、圧延、押出し、引抜き加工などが挙げられる。接合構造としては、第１金属部材と第２金属部材との突合せ面にそれぞれ一又は二以上の溝を形成し、これら溝に高強度繊維を入れて、高強度繊維と第１、第２金属部材とを接合する方法、或いは、第１金属部材と第２金属部材とを突合せ、突合せ面の外周面を高強度繊維で巻回し、高強度繊維と第１、第２金属部材とを接合する方法等がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、炭素繊維などの高強度繊維を異種金属の接合に用いることにより、接合強度が高く、しかも、破壊強度のばらつきの少ない異種金属接合構造物を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（接合構造）
図１は、異種金属の薄板同士を炭素繊維シートで接合する方法、及びこの方法で得られた本発明に係る異種金属接合構造物を示す。  
異種金属の薄板１０，２０は、それぞれその対向する面に溝１０ａ，２０ａを形成している。複数の炭素繊維シートの束３０は、異種金属の薄板１０，２０を突き合わせた時に溝１０ａ，２０ａにより形成される空間に充填される寸法に裁断されてある。各炭素繊維シートには、薄板１０，２０と馴染む成分の金属がコーティングされている。異種金属の薄板１０，２０の溝１０ａ，２０ａ間に炭素繊維シートの束３０を挟み、薄板１０と炭素繊維シートの束３０，及び薄板２０と炭素繊維シートの束３０とをそれぞれスポット溶接により接合する。このことにより、複合板、すなわち、本発明に係る異種金属接合構造物４０を得る。
【００１６】
図１に示された複合板４０を更に複数枚積層して、図２に示す異種金属接合構造物５０とすることもできる。  
図１では、異種金属の薄板同士を炭素繊維シートで接合する方法を示したが、炭素繊維シート自体に限らず、炭素繊維シートの束の複合ブロック（ＣＦＲＭ）６０で異種金属部材を接合することも可能である。図３は、その構造を示す。  
図１では、異種金属の薄板の対向面に溝を形成し、ここに炭素繊維シートを入れて接合する方法を示したが、異種金属の薄板の対向面に溝を形成することなく、異種金属の薄板を突合せ、突合せ面及びその近傍の外周面を炭素繊維シートで被覆し、しかる後、炭素繊維シートとこれら異種金属の薄板とを接合することも可能である。これを図４に示す。
【００１７】
（実施例）  
例１  図１の異種金属接合構造物において、第１金属部材に鉄合金、第２金属部材にはんだ合金を用い、高強度繊維として炭素繊維断面積率が５０％の炭素繊維クロスマットを用いた。炭素繊維シートと第１、第２金属部材の接合は電気スポット溶接（電圧１９０Ｖ）により行なった。第１、第２金属部材の突合せ面の寸法は、縦２０ｍｍ、横５ｍｍであり、溝の寸法は、縦２０ｍｍ、横１ｍｍ、深さ１０ｍｍである。従って炭素繊維クロスマットの寸法は、縦２０ｍｍ、横１ｍｍ、長さ２０ｍｍである。炭素繊維自体そのものの引張り破断応力は２〜４ＧＰａである。鉄合金と炭素繊維とを電気スポット溶接した場合には、炭素繊維の引張り破断強度が０．３ＧＰａから３ＧＰａの範囲である。この例に係る異種金属接合構造物では、接合曲げ強度は０．２から０．４ＧＰａ程度であった。  
すなわち、従来の冶金学的接合手法や機械的接合方法、接着剤を用いた方法などと異なり、例１では炭素繊維を用いているので、耐蝕性、耐熱性、耐酸化性、導電性などを充分保持することができる。
【００１８】
例２  図１の異種金属接合構造物において、第１金属部材に鉄合金、第２金属部材にアルミニウム合金を用い、高強度繊維として炭素繊維断面積率が５０％の炭素繊維クロスマットを用いた。炭素繊維には鉄合金ともアルミニウム合金とも接合可能な金属であるニッケル又はチタンをコーティングした。他の条件は、例１と同じである。この例に係る異種金属接合構造物では、接合曲げ強度は０．２から０．４ＧＰａ程度であった。  
すなわち、Ｆｅ−Ａｌ合金では接合界面で極めて硬く、かつ、脆い化合物相が形成される。このため溶接が難しく、たとえ、接合できても破壊強度が小さく、たまに接合強度が高いものができても、衝撃に弱く、破壊強度や疲労強度破壊回数のばらつきが異常に高い。
【００１９】
例２の接合方法によれば、接合界面で脆化相が形成されないため、破壊強度が向上し、それらの値のバラツキは小さい。
【００２０】
例３  図１の異種金属接合構造物において、第１金属部材に鉄合金、第２金属部材に銅合金を用い、高強度繊維として炭素繊維断面積率が５０％の炭素繊維クロスマットを用いた。炭素繊維には鉄合金とも銅合金とも接合可能な金属であるニッケル、金、パラジウム又はチタンをコーティングした。他の条件は、例１と同じである。この例に係る異種金属接合構造物では、接合曲げ強度は０．２から０．４ＧＰａ程度であった。  
すなわち、Ｆｅ−Ｃｕ合金では、接合界面では合金層が形成されずに二相分離する。このため溶接が難しく、たとえ接合できても破壊強度が小さく、破壊強度や疲労強度破壊回数のばらつきが異常に高い。例３によれば、接合界面で二相分離相が形成されないため、破壊強度が向上し、それらの値も設計強度に近く、バラツキも小さい。
【００２１】
例４  図１の異種金属接合構造物において、第１金属部材にチタン合金と、第２金属部材にアルミニウム合金を用い、高強度繊維として炭素繊維断面積率が５０％の炭素繊維クロスマットを用いた。炭素繊維にはチタン合金ともアルミニウム合金とも接合可能な金属として、ニッケルをコーティングした。他の条件は、例１と同じである。この例に係る異種金属接合構造物では、接合曲げ強度は０．２から０．４ＧＰａ程度であった。  
すなわち、Ｔｉ−炭素繊維接合界面で極めて硬くかつ脆い化合物相が形成される。このため溶接が難しく、たとえ接合できても破壊強度が小さく、まれに接合強度が高いものができても、衝撃に弱く、破壊強度や疲労破壊回数のばらつきが異常に高い。例４によれば、接合界面で脆化相が形成されないのみならず、アルミニウムの強度が炭素繊維で繊維強化されるため、破壊強度は向上し、それらの値のバラツキも小さい。
【００２２】
例５  図１の異種金属接合構造物において、第１金属部材にリチウム合金と、第２金属部材にアルミニウム合金を用い、高強度繊維として炭素繊維断面積率が５０％の炭素繊維クロスマットを用いた。炭素繊維にはリチウム合金ともアルミニウム銅合金とも接合可能な金属であるニッケルをコーティングした。他の条件は、例１と同じである。この例に係る異種金属接合構造物では、接合曲げ強度は０．２から０．４ＧＰａ程度であった。  
すなわち、コーティング金属により複合化時の炭素繊維の劣化を防ぐので、本結合方法では破壊強度は向上し、それらの値のバラツキも小さい。
【００２３】
なお、本発明は、タングステン合金やチタン合金と鉄合金、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金の異種金属間接合にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、自動車、機械、医療、スポーツ、宇宙科学、電気通信工学産業分野などで使用される機械、器具、装置、デバイスの製造に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る異種金属の薄板同士を炭素繊維シートで接合する方法、及びこの方法で得られた本発明に係る異種金属接合構造物を示す図で、（ａ）は接合前の状態、（ｂ）は接合後の状態を示す。
【図２】本発明に係る異種金属の薄板同士を炭素繊維シートで接合して得られた複合板をそれぞれ接合してなる、本発明に係る異種金属接合構造物を示す図。
【図３】本発明に係る異種金属の薄板同士の部品を炭素繊維シートの束の複合ブロック（ＣＦＲＭ）でそれぞれ接合してなる、本発明に係る異種金属接合構造物を示す図。
【図４】本発明に係る異種金属の接合部の外部表面を炭素繊維シートで包み（巻き）、接合する方法、及びこの方法による得られた本発明に係る異種金属接合構造物を示す図で、（ａ）は接合前の状態、（ｂ）は接合後の状態を示す。
【符号の説明】
【００２６】
１０…第1の金属部材
２０…第２の金属部材
３０…炭素繊維（高強度繊維）
４０…異種金属接合構造物（複合板）
５０…異種金属接合構造物
６０…炭素繊維シートの束の複合ブロック（ＣＦＲＭ）
【図１】
2005324241.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005324241.tif 000006