異なる種類の金属を接合する「異種金属接合」とは？注目されている背景から金属接合の種類と選び方までを解説
異種金属接合とは
「異種金属接合」とは、異なる種類の金属材料をつなぎ合わせる技術です。これに類似する「金属接合」は、異なる種類の金属だけでなく、同種の金属同士を接合する場合にも用いられます。
異種金属接合が注目される背景
「異種金属接合」は、小型化・軽量化・省エネ化のニーズの高まりを受け、ロボット・モビリティ分野で注目されています。各メーカーは製品のさらなる高機能化のため、複数の金属それぞれの性質を組み合わせた高性能・軽量かつ低コストの部品開発を推し進めています。これらの製造に必要なのが異なる金属をつなぎ合わせる「異種金属接合」です。ところが金属材料の組み合わせにより接合強度の確保に課題が生じるケースがあり、これを解決する接合方法や接合材が求められています。
例えば、EV自動車（電気自動車）の車体に使用される素材のすべてを軽量な樹脂素材に置き換えることは、現時点では不可能です。硬度のあるアルミニウム合金やマグネシウム合金、炭素繊維強化複合材料に取り換えれば車体の軽量化はできますが、材料コストや製造コストの面から実用的ではありません。そこで求められるのが、様々な金属や金属を含む複合材などを、適した部分に使用する方法であり、その技術が「異種金属接合」なのです。
異種金属接合の種類とぞれぞれの特徴・用途
異種金属接合の種類
異種金属接合は、高性能で扱いやすい製品を作るうえで必要な接合方法です。 さまざまな部材を組み合わせることで、軽量化や低コスト化といったメリットが得られます。
「異種金属接合」は大きく「化学的接合」「機械的接合」「材料的接合」の3種類に分類されます。以下ではそれぞれの特徴や主な用途をご紹介します。
化学的接合
化学的接合とは、原子やイオン、分子の間に働く力を利用したファン・デル・ワールス力やアンカー効果などを利用して、材料同士を強固に接合させる化学的接合方法です。接合に用いる材料を接着剤といいます。接着剤の起源は石器時代からといわれるほど歴史が古く、現代の異種金属接合でも利用されている接合法です。
化学的接合に使われる接着剤の代表的な種類として、以下が挙げられます。
嫌気性接着剤
紫外線硬化型接着剤
瞬間接着剤
弾性接着剤
またフィルム状のホットメルト系接着剤は以下のような特徴と用途があります。
特徴
異素材接合：金属やセラミック、フィルムなどの接合に対応しうる
軽量：仕上がりを軽く、小型化しやすい
付加機能：接着剤の成分処方を調整し付加機能をつけられる
容易な作業性：塗布・貼付するだけで接合できる
メンテナンス不要
用途
あらゆる素材同士の接合
軽量化が求められるシーンでの接合
長期耐久性が求められるシーンでの接合
接着以外の付加機能が求められるシーンでの接合
機械的接合
機械的接合とは、ねじや圧力などによって接合する方法です。
ボルトやナットの2部品で締め付けて接合したり、プレス機でシャフトを穴に押し込んだりすることで、部材を接合します。そのほかに機械的接合には、焼嵌めやカシメといった方法もあります。
特徴
ねじ固定：安価に接合でき、メンテナンス時には容易に分解できる
圧力固定：強度のある異なる材質同士を接着剤と圧力で接合するため、強固な接合が可能
焼嵌め固定：機械のシャフトの接合などに使用される方法で、高温度に加熱して熱膨張を利用することで接合する
カシメ固定：板形状の2枚の部品を、塑性変形を用いて接合する。接合後に分解する製品には不向き
用途
上述した接合方法のそれぞれの用途を見ていきましょう。
ねじ固定：機器全般、送電線用鉄塔、気密機械、家電製品のカバー など
圧力固定：シャフトを使う円盤状の部品、ベースへのピン立て など
焼嵌め固定： 鉄道車輪などの車輪とシャフト、工作機械焼嵌めチャック など
カシメ固定：布や紙の接合、橋梁などの構造物、板金の接合 など
材料的接合
材料的接合とは、部材を溶融して接合する溶融接合や、基盤のハンダ付けなどの液相接合のような方法のことです。主に、溶融接合にはアーク溶接やガス溶接、液相接合にはハンダ付けやロウ付け、固相接合にはFSWなどがあります。
特徴
材料的接合には、以下のような特徴が挙げられます。
溶融接合：部材を溶融させることで接合する方法溶接物と電極間にアークを発生させるアーク溶接は自動化しやすいのですが、変形しやすいものです。ガス溶接は酸素とアセチレンガスを燃焼させることで金属の溶融接合を行います。その他、大電力を通電した発熱で金属を溶融する抵抗溶接や、レーザー光の照射で微細な溶接を行うレーザー溶接もあります。
液相接合：ロウ付けやハンダ付けで接合する方法融解点の低いロウなどを溶かしたり、シート状のロウを利用したりすることで、部材を融解することなく接合できます。銅とアルミニウム版、配管や自動車の熱交換部品などの接合方法に用いられる方法です。また、融解点の低いハンダは、濡れ性と表面張力で形状を維持して接合します。
固相接合：部材を溶解せずに固相状態で加熱し、さらに加圧することで接合する方法英名ではFSW（Friction Stir Welding）といいますが、これは比較的新しい技術で、部材に圧力をかけて軟化させ、別の部材と接合する方法です。
用途
自動車のフレーム
電子機器の筐体フレーム
ステンレス・鉄・チタンの接合
自動車ボディーや小型精密機械部品の接合
異種金属接合方法の選び方
異種金属接合の方法にはいくつもの種類があります。どの方法を選ぶかは、製品の性質によって大きく左右されます。また、均一に接合したい、生産性の効率化を図りたいといった視点からも方法を選択する必要があります。
異種金属接合の方法の選び方のポイントとしては、以下を参考にするとよいでしょう。
耐久性
接着強度
接着剤の種類
用途への適性
ZACROS株式会社の関連製品ラインナップ
ZACROS株式会社ではフィルム状のホットメルト系接着シート「メタシール」、リチウムイオン電池のタブリード用接着フィルム「タブシール」を提供しています。
メタシール・タブシール
フィルム状のホットメルト接着シートのため接合後の二次工程の加工が容易です。「メタシール」は様々な異素材を接合するシリーズで、「タブシール」はリチウムイオン電池のタブ電極を接着するため、耐電解液特性を備えています。
特徴
異なる素材の接合：金属やセラミック、フィルムなどの接合
均一な接着：厚みのバラツキを抑え、塗布ムラもなく均一に接合
加工性：フィルム状の接着剤は要望に合わせた打ち抜きが可能
対応材料
金属：SUS、アルミ、ニッケル、チタン など
セラミック：ガラス、石膏、ファインセラミック など
フィルム：PPフィルム、PETフィルム、ナイロンフィルム、フッ素フィルム など
サンプルのお求めは下記お問い合わせよりご連絡ください。
関連記事