JPH05329665A - 接合強度の優れた複合金属板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼板とアルミニウム板で構成される複合板を
製造する際に、鉄板とアルミニウム板をそれぞれ特定の
温度範囲内に加熱して重ね合わせ、両面から外力を加え
てアルミニウム層の板厚減少率をある一定の値以上にす
ることで良好な接合強度を持つ複合板とする。 【構成】 両表面が鉄、中心がアルミニウムの３層から
なる複合金属板、又は、片面が鉄、片面がアルミニウム
の２層からなる複合金属板を製造するに際して、鉄層を
６７０℃以上１０５０℃以下に加熱し、アルミニウム層
を５５０℃以下に加熱し、いずれの層もこれらの温度範
囲にあるときに重ね合わせ、直ちに両表面から外力を加
え、外力によるアルミニウム層の板厚減少率を外力を加
える前のアルミニウム層の板厚に対して２％以上とし、
その後放冷又は強制冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造上鉄とアルミニウ
ムの両方の適用が必要な構造物の素材として、あるいは
鉄とアルミニウムの両者の接合用の材料とする用途に適
する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の構造材料として使用される薄
鋼板の軽量化は大きな課題となっており、その手段は種
々指向されている。軽量化手段の一つに、アルミニウム
を部分的に使用する方法がある。アルミニウムを使用す
る構造物の多くは鉄材も同時に使用されておりその両者
の接合が課題である。一般に、鉄とアルミニウムは溶接
が困難であり、リベット等により機械的に接合する方法
が多く行われている。しかし、この方法では生産性が悪
いこと、接合部の重ね合わせが必須となるため軽量化率
が悪くなること、外観が悪いこと、等の問題がある。こ
れら問題を解決するために鉄とアルミニウムの接合部に
は鉄とアルミニウムがあらかじめ接合された複合金属板
を使用し、同じ金属どうし接合する方法が考えられる。
そのために、鉄とアルミニウムがあらかじめ強固に接合
された金属薄板が望まれていた。

【０００３】従来より鉄板とアルミニウム板を接合する
方法としては種々考案されており、例えば特開昭６３−
１５７７７４号公報に開示されているようにアルミニウ
ム素材を３５０〜５５０℃程度に加熱し、鉄素材と温間
で圧延し接合する方法、特公昭５６−５２６７９号公報
に開示されるように鉄素材の表面にあらかじめアルミニ
ウムメッキを施しこれを５００℃程度に加熱しアルミニ
ウム素材と温間で圧延し接合する方法等がある。

【０００４】しかし、これらの方法では鉄とアルミニウ
ムの接合界面の強度は充分に強いものが得られないとい
う問題がある。例えば、特公昭５６−５２６７９号公報
の例で示されるように１８０°曲げを一回行うような軽
度の曲げ等の加工においては剥離しないものの、曲げと
曲げ戻しを受けるようなプレス加工等においては必ずし
も充分な接合強度を有しているとはいえない。上記公報
ではいずれもアルミニウムまたはアルミメッキされた鋼
板のアルミニウム部が加熱されていることが特徴で接合
は主としてアルミニウム原子の拡散により行われる。ア
ルミニウムのみの拡散だけでは鉄素材との相互拡散が不
充分のため強固な界面強度が得られにくいという欠点が
ある。さらに、特公昭５６−５２６７９号公報のように
鉄にアルミメッキを施した板を素材として使用すること
はコストアップを招き好ましくない。このように、構造
材料としての使用に耐えるだけの強い接合力を持つ鉄と
アルミニウムの複合板の製造方法についてはこれまで知
られていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから本
発明は強い接合強度を持つ鉄とアルミニウムの複合板の
製造方法を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために、外力を加えて接合する場合のそれぞれ
の金属の温度および板厚減少率を検討した結果、良好な
接合強度を持つ鉄とアルミニウムの複合板の製造方法を
見出した。すなわちその要旨は、両表面が鉄、中心がア
ルミニウムの３層からなる複合金属板、または、片面が
鉄、片面がアルミニウムの２層からな複合金属板を製造
するに際して、鉄層を６７０℃以上１０５０℃以下に加
熱し、アルミニウム層を５５０℃以下とし、いずれの層
もこれらの温度範囲にあるときに重ね合わせ、直ちに両
表面から外力を加え、外力によるアルミニウム層の板厚
減少率を外力を加える前のアルミニウム層の板厚に対し
て２％以上とし、その後放冷または強制冷却することを
特徴とする接合強度の優れた複合板の製造方法である。

【０００７】

【作用】本発明においては鉄素材およびアルミニウム素
材はいずれも冷間圧延のままのものあるいは焼鈍後のも
ののいずれを用いても良い。その理由は、本発明で適用
される鉄素材の加熱によって鉄素材が再結晶し冷間圧延
材でも軟質化するからである。また、本発明者らの調査
によると複合板の接合強度には本発明で表される温度条
件およびアルミニウム層の板厚減少率が影響されるた
め、アルミニウム素材が冷間圧延材または再結晶後の材
料であるかは特に問題でない。

【０００８】以下、本発明について詳細に説明する。鉄
素材は通常の熱延、冷延工程によって製造されたもので
良い。また、冷延ままの鋼板でも焼鈍を行った鋼板のい
ずれでも良く、組成も特に制限は無い。冷延ままの鉄素
材は本発明の加熱範囲である６７０〜１０５０℃に加熱
された場合、充分に軟質化するため構造用材料として使
用した場合の曲げやプレス加工等に充分に耐えるものが
得られる。また、すでに焼鈍が完了した鉄素材でも本発
明範囲に加熱することによる問題は無い。

【０００９】次に、アルミニウム素材の材質については
純アルミニウム、アルミニウム合金のいずれでも良い。
以下アルミニウム層という。これらの鉄とアルミニウム
の素材を接合する場合、素材を加熱せずに外力による機
械的接合、あるいはアルミニウム部を５００℃程度に加
熱した場合の接合だけでは接合強度が不充分なため、鉄
素材を加熱し鉄原子とアルミニウム原子のそれぞれを拡
散させて接合する方式が本発明である。その際に、接合
界面に合金層が形成されると脆くなるためその形成を押
さえ、かつ鉄とアルミニウムの原子をお互いに拡散させ
大きな接合強度を得るのが本発明の特徴である。まず、
鉄層は最低６７０℃には加熱する必要がある。この温度
は鉄層とアルミニウム層を接触させた時に両者の原子が
拡散させ拡散層を形成させるために必要なものである。
しかし、１０５０℃を超える温度に加熱するとアルミニ
ウム板との接合時に接合界面に脆い合金層が形成されや
すくなり、接合強度が低下する。したがって、接合前の
鉄板の加熱温度は６７０〜１０５０℃とした。

【００１０】次に、アルミニウム層は接合時の鉄板が上
記温度に加熱されている場合は特に加熱しなくても良好
な接合強度が得られる。これは鉄層とアルミニウム層を
重ね合わせたときに鉄層からの熱がアルミニウム層にも
与えられ、アルミニウム原子も拡散できる温度となるか
らである。またアルミニウム層は冷延ままの板でも焼鈍
を行った板のいずれでも良いが、冷延されたアルミニウ
ムを素材として使用する場合、用途に応じてアルミニウ
ム層の軟化焼鈍を行うこともできる。この場合のアルミ
ニウム層の加熱温度は５５０℃以下でなければならな
い。この温度を超えるとアルミニウム層自体の持つ温度
に鉄層からの熱も加えられるため、重ね合わせたときに
アルミニウムが接合界面で溶けることがあり、接合強度
を著しく低下させる。

【００１１】鉄層とアルミニウム層を上記温度範囲に加
熱した後、この温度範囲内にあるときにそれぞれの金属
を重ね合わせて直ちに外力を加える必要がある。上記温
度範囲からはずれた温度で重ね合わせた場合は充分な接
合強度が得られない。

【００１２】次に、接合時に必要な外力によるアルミニ
ウム層の板厚の減少率について述べる。鉄層とアルミニ
ウム層を接合させるためには上で述べた温度範囲でそれ
ぞれの素材を重ね合わせた後、複合板の両面から外力を
加え、外力によるアルミニウム層の板厚減少率を外力を
加える前のアルミニウム層の板厚に対して２％以上にす
る必要がある。図１は、中心がアルミニウム板、両面が
鉄板の複合板を製造する際に、図２に示すような設備に
より鉄板およびアルミニウム板をそれぞれ８２０℃およ
び３００℃に加熱し、図２に示す２本のロールにより両
面から外力を加え接合し、放冷した場合の接合強度（Ｔ
型引き剥がし強度）におよぼすアルミニウム層の板厚減
少率を示したものである。図１から明らかなように、接
合強度は外力によるアルミニウム層の板厚減少率が増加
するに伴い強くなり、特に２％以上で良好な接合強度と
なることがわかる。なお、それぞれの加熱温度を本発明
範囲内で変えた場合、および片面が鉄層、片面がアルミ
ニウム層の２層よりなる複合板を接合する場合も同様の
結果が得られた。また、本発明者らの調査によると接合
時の外力による鉄層の板厚減少率は接合強度に特に影響
をおよぼさないことがわかっている。

【００１３】なお、図２に示される通電加熱圧接設備は
素材の鉄層１，３とアルミニウム層２とにそれぞれ通電
ロール１１，１３，１２を設け、この通電と加圧を兼ね
た２本のロール４の間に連続的に送り込んで複合板５を
製造するものである。電源は低周波の交流電源、直流電
源いずれも使用できる。電源２１の電流は鉄層１に通電
ロール１１から鉄層１とアルミニウム層２を通り、これ
の通電ロール１２に到る。同様に電源２２の電流はアル
ミニウム層２と鉄層３との直列回路を流れる。交流の場
合上記２つの電源２１，２２の位相を適当に合わせてお
けばアルミニウム層２の電流は２つの電源からの電流の
和になる。この場合、鉄層の方がアルミニウム層より電
気抵抗が高いため鉄層とアルミニウム層が同程度の厚み
であれば鉄層の方が発熱は大きく高温になる。もし、鉄
層の加熱温度が目標の温度に達しない場合は、補助加熱
用に設けられた通電ロール１４，１５にそれぞれ補助加
熱用電源２３，２４から通電を行うことによって補助加
熱を行う。

【００１４】板どうしの接合は上記条件により瞬間的に
行われるが接合後高温のまま保定すると鉄とアルミニウ
ムの界面に脆い合金層が形成され接合強度が低下する。
したがって、複合板は速やかに冷却しなければならな
い。冷却速度は放冷で得られる速度であれば良いが、冷
却時間をさらに短縮するためにはガスまたは液体による
強制冷却でも良い。

【００１５】鉄層とアルミニウム層の接合を行う場合、
上記接合条件さえ満足できれば、接合方式は特に限定さ
れるものでは無く、図２のような２本のロール間で外力
を加える方式でも良く、プレスのような方式でも良い。
接合用素材の加熱方法も通電加熱、加熱炉による加熱等
どのような方式でも良い。

【００１６】以上のような方法で鉄板とアルミニウム板
を接合することにより、接合強度に優れた鉄とアルミニ
ウムの複合板を製造することができる。以下に本発明の
実施例を比較例と共に示す。

【００１７】

【実施例】 ［実施例１］表１に示すような鉄層およびアルミニウム
層を素材として用い、同じく表１に示すような加熱温
度、板厚減少率で中心がアルミニウム層、両面が鉄層の
３層の複合板の接合を行い放冷した。アルミニウム層は
純アルミニウムおよび各種アルミニウム合金を接合用素
材として使用した。これらの素材はコイル状に巻かれて
おり、接合前にコイルをほどきながら図２に示すような
装置で連続的に加熱した。加熱後は直ちに重ね合わせ、
両表面から外力を加えた。外力は図２に示す２本のロー
ルによって与え、板を連続的に接合した。接合後の複合
板は直ちにガスにより１５℃／ｓで強制冷却した。

【００１８】

【表１】

【００１９】試料番号１〜１２は組成、接合条件のいず
れも本発明範囲内のものであり、試料番号１３〜２０は
いずれか一つ以上が本発明範囲から外れたものである。
接合後、得られた複合板の接合強度を表１に示す。表１
からわかるように本発明範囲内で製造された複合板は優
れた接合強度を示す。

【００２０】［実施例２］表２に示すような鉄層および
アルミニウム層を素材として用い、同じく表２に示すよ
うな加熱温度、板厚減少率で片面が鉄層、片面がアルミ
ニウム層の２層の複合板の接合を行い放冷した。アルミ
ニウム層は純アルミニウムおよび各種アルミニウム合金
を接合用素材として使用した。これらの素材はコイル状
に巻かれており、接合前にコイルをほどきながら図３に
示すような装置で連続的に加熱した。加熱後は直ちに重
ね合わせ、両表面から外力を加えた。外力は図３に示す
２本のロールによって与え、板を連続的に接合した。接
合後の複合板は直ちにガスにより１５℃／ｓで強制冷却
した。

【００２１】

【表２】

【００２２】試料番号１〜１０の接合条件はいずれも本
発明範囲内のものであり、試料番号１１〜１８は接合条
件のいずれかが本発明範囲から外れたものである。接合
後、得られた複合板の接合強度を表２に示す。表２から
わかるように本発明範囲内で製造された複合板は優れた
接合強度を示す。

【００２３】なお、図３に示される通電加熱圧接設備は
素材の鉄層１とアルミニウム層２とにそれぞれ通電ロー
ル１１，１２を設け、この通電と加圧を兼ねた２本のロ
ール４の間に連続的に送り込んで複合板５を製造するも
のである。電源は低周波の交流電源、直流電源いずれも
使用できる。電源２１の電流は鉄層１に通電ロール１１
から鉄層１とアルミニウム層２を通り、これの通電ロー
ル１２に到る。この場合、鉄層の方がアルミニウム層よ
り電気抵抗が高いため鉄層の厚みがアルミニウム層と同
程度あるいは薄い場合は鉄層の方が発熱は大きく高温に
なる。もし、鉄層の加熱温度が目標の温度に達しない場
合は、補助加熱用に設けられた補助電源２３から通電ロ
ール１３への通電を行うことによって補助加熱を行う。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明で製造され
る鉄板とアルミニウム板の複合板は優れた接合強度を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合板の接合強度におよぼす接合の際の複合板
の板厚減少率の影響を示す図。

【図２】中心がアルミニウム板、両面が鉄板の３層で構
成される複合板の製造に使用できる装置の一例を示す
図。

【図３】片面がアルミニウム板、片面が鉄板の２層で構
成される複合板の製造に使用できる装置の一例を示す
図。

【符号の説明】

１，３ 鉄層 ２ アルミニウム層 ４ ロール（通電、加圧） ５ 複合板 １１，１２，１３ 通電ロール １４，１５ 補助通電ロール ２１，２２ 電源 ２３，２４ 補助電源

フロントページの続き (72)発明者 及川 初彦 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両表面が鉄、中心がアルミニウムの３層
   からなる複合金属板を製造するに際して、鉄層を６７０
   ℃以上１０５０℃以下に加熱すると共にアルミニウム層
   を５５０℃以下とし、いずれの層もこれらの温度範囲に
   あるときに重ね合わせ、直ちに両表面から外力を加え、
   外力によるアルミニウム層の板厚減少率を外力を加える
   前のアルミニウム層の板厚に対して２％以上とし、その
   後放冷または強制冷却することを特徴とする接合強度の
   優れた複合金属板の製造方法。
2. 【請求項２】 片面が鉄、片面がアルミニウムの２層か
   らなる複合金属板を製造するに際して、鉄層を６７０℃
   以上１０５０℃以下に加熱すると共にアルミニウム層を
   ５５０℃以下とし、いずれの層もこれらの温度範囲にあ
   るときに重ね合わせ、直ちに両表面から外力を加え、外
   力によるアルミニウム層の板厚減少率を外力を加える前
   のアルミニウム層の板厚に対して２％以上とし、その後
   放冷または強制冷却することを特徴とする接合強度の優
   れた複合金属板の製造方法。