JP2014051040A - 複合成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属成形体と樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、前記金属成形体の前記樹脂成形体との接合面に対して、開口部の平均直径(Ds)が0.01〜50μmの凹部、または開口部の平均幅(Ws)が0.01〜50μmの溝を形成する第1工程、前記凹部または溝が形成された接合面に対して、開口部の平均直径(Db)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの凹部、または開口部の平均幅(Wb)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの溝を形成する第2工程、その後、金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、樹脂成形体となる樹脂を使用してインサート成形して複合成形体を得る第3工程、を有している複合成形体の製造方法。
【選択図】なし
Description
しかしながら、金属成形体と樹脂成形体を工業的に有利な方法で、かつ高い接合強度で接合一体化できる技術は実用化されていない。
特許文献2には、特許文献1の発明において、さらに複数回重畳的にレーザースキャニングするレーザー加工方法の発明が開示されている。
さらにクロス方向へのレーザースキャンにより十分な表面粗し処理ができることから、接合強度は高くできることが考えられるが、表面粗さ状態が均一にならず、金属と樹脂との接合部分の強度の方向性が安定しないおそれがあるという問題がある。
例えば、1つの接合体はX軸方向への剪断力や引張強度が最も高いが、他の接合体は、X軸方向とは異なるY軸方向への剪断力や引張強度が最も高く、さらに別の接合体は、X軸およびY軸方向とは異なるZ軸方向への剪断力や引張強度が最も高くなるという問題が発生するおそれがある。
製品によっては(例えば、一方向への回転体部品や一方向への往復運動部品)、特定方向への高い接合強度を有する金属と樹脂の複合体が求められる場合があるが、特許文献1、2の発明では前記の要望には十分に応えることができない。
実施形態1〜3では、金属長尺コイル表面にレーザー照射して凹凸を形成することが記載されている。そして、段落番号10では、金属長尺コイル表面をストライプ状や梨地状に荒らすこと、段落番号19では、金属長尺コイル表面をストライプ状、点線状、波線状、ローレット状、梨地状に荒らすることが記載されている。
しかし、段落番号21、22の発明の効果に記載されているとおり、レーザー照射をする目的は、金属表面に微細で不規則な凹凸を形成し、それによりアンカー効果を高めるためである。特に処理対象が金属長尺コイルであることから、どのような凹凸を形成した場合でも、必然的に微細で不規則な凹凸になるものと考えられる。
よって、特許文献3の発明は、特許文献1、2の発明のようにクロス方向にレーザー照射して表面に微細な凹凸を形成する発明と同じ技術的思想を開示しているものである。
特許文献5には、金属とプラスチックからなる複合部材の製造方法として、特定のパルス継続時間をもつレーザーを用いて、ナノ構造によって重畳されたマイクロ構造を有するように表面構造を形成する工程を具備する発明が記載されている。
前記金属成形体の前記樹脂成形体との接合面に対して、開口部の平均直径(Ds)が0.01〜50μmの凹部、または開口部の平均幅(Ws)が0.01〜50μmの溝を形成する第1工程、
前記凹部または溝が形成された接合面に対して、開口部の平均直径(Db)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの凹部、または開口部の平均幅(Wb)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの溝を形成する第2工程、
その後、金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、樹脂成形体となる樹脂を使用してインサート成形して複合成形体を得る第3工程、
を有している複合成形体の製造方法を提供する。
図1の複合成形体1は、平板状の金属成形体10と平板状の樹脂成形体20が接合面12において接合一体化されているものである。
図2(a)、(b)の複合成形体1は、丸棒状の金属成形体10と丸棒状の樹脂成形体20が接合面12において接合一体化されているものである。
本発明の複合成形体で使用する金属成形体の金属は特に制限されるものではなく、用途に応じて公知の金属から適宜選択することができる。例えば、鉄、各種ステンレス、アルミニウムまたはその合金、亜鉛、マグネシウム、銅、鉛、錫およびそれらを含む合金から選ばれるものを挙げることができる。
本発明の複合成形体で使用する金属成形体の成形方法は特に制限されるものではなく、金属の種類に応じて公知の各種成形法を適用して製造することができものであり、例えばダイカスト法で製造したものを使用することができる。
本発明は第1、第2および第3工程をこの順序で具備するものであるが、本発明の課題を解決できる範囲であれば、各工程の前において他の工程を付加することができる。
例えば、各工程の前において、金属成形体の接合面を清浄にする処理工程を設けることができる。
第1工程では、金属成形体の樹脂成形体との接合面に対して、開口部の平均直径(Ds)が0.01〜50μmの凹部、または開口部の平均幅(Ws)が0.01〜50μmの溝を形成する。
凹部または溝は、接合面の全体に形成してもよいし、目的とする接合強度が得られるのであれば、接合面の一部に形成してもよい。
金属成形体の表面状態によっては、微細な凹凸が存在することも考えられるが、そのような場合であっても、前記範囲の凹部を形成するための処理をする。このとき、接合面は処理前と比べると、より多くの凹凸が形成され、より粗面化された状態になっている。
凹部は、多数の凹部が規則的にまたはランダムに分散するように形成することができ、多数の凹部が点線状に形成され、かつ直線、曲線または図形(円、多角形、不定形など)をなすように形成することができ、複数の直線、曲線または図形をなすように形成された凹部が複数箇所で交差するように形成することもできる。
溝は、多数の溝が直線、曲線または図形(円、多角形、不定形など)をなすように形成することができ、複数の直線、曲線または図形をなすように形成された溝が複数箇所で交差するように形成することもできる。
なお、第1工程では、金属成形体の接合面に対して、凹部と溝の両方を形成することができる。
レーザーの照射条件、例えば、波長、ビーム径、細孔の間隔、周波数などは、接合対象となる金属成形体の種類に応じて、前記範囲の平均開口径(Ds)または前記範囲の平均幅(Ws)を形成できるように決定するが、第2工程でレーザー光の照射をする場合よりも緩和な条件で実施する。例えば、第2工程のレーザー光の照射条件と同じであるが、スキャン回数を少なくすることができる。
プレス加工は、所定の大きさの凹部を形成できるような針状の加工具、または所定の大きさの溝を形成できるような刃を有する加工具を使用する方法を適用することができる。
ブラスト加工としては、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工などを使用することができる。
第2工程は、第1工程にて凹部または溝が形成された接合面に対して、開口部の平均直径(Db)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの凹部、または開口部の平均幅(Wb)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの溝を形成する。
凹部(孔)を形成するときは、開口部の平均直径(Db)が1.0〜1000μm、好ましくは30〜1000μm、最大深さが10〜1000μm、好ましくは50〜1000μmの凹部(孔)を形成する。
凹部は、多数の凹部が規則的にまたはランダムに分散するように形成することができ、多数の凹部が点線状に形成され、かつ直線、曲線または図形(円、多角形、不定形など)をなすように形成することができ、複数の直線、曲線または図形をなすように形成された凹部が複数箇所で交差するように形成することもできる。
溝は、多数の溝が直線、曲線または図形(円、多角形、不定形など)をなすように形成することができ、複数の直線、曲線または図形をなすように形成された溝が複数箇所で交差するように形成することもできる。
なお、第2工程では、金属成形体の接合面に対して、凹部と溝の両方を形成することができる。
レーザーの照射条件、例えば、波長、ビーム径、細孔の間隔、周波数などは、接合対象となる金属成形体の種類に応じて、前記範囲の平均開口径(Db)または前記範囲の平均幅(Wb)を形成できるように決定する。このとき第1工程よりは強い照射条件となる。例えば、第1工程のレーザー光の照射条件と同じであるが、スキャン回数を多くすることができる。
出力は4〜400Wが好ましい。
波長は300〜1200nmが好ましく、500〜1070nmがより好ましい。
1スキャンのパルス幅(1スキャンのレーザー光の照射時間)は1〜100,000nsecが好ましく、1〜100nsecがより好ましい。
周波数は1〜100kHzが好ましい。
ビーム径は5〜200μmが好ましく、5〜100μmがより好ましく、5〜50μmがさらに好ましい。
焦点位置は-10〜+10mmが好ましく、−6〜+6mmがより好ましい。
加工速度は1〜10,000mm/secが好ましく、5〜10,000mm/secがより好ましく、10〜10,000mm/secがさらに好ましい。
スキャン回数は1〜20回が好ましく、1〜10回がより好ましい。
転造加工は、図2に示すような丸棒状の金属成形体10の表面を加工する方法として適しており、例えば雄ねじ状の溝を形成することができる。
切削加工は、転造加工と同様に図2に示すような丸棒状の金属成形体10の表面を加工する方法として適しており、さらに凹部を形成する加工にも適用することができる。
図3(a)は、第2工程にて円形の凹部(孔)31をあけた状態を示す平面図であり、図3(b)は(a)の厚さ方向への断面図(深さ方向の形状)を示している。
金属成形体10の接合面12は、第1工程の処理により微細な孔が多数形成されて表面が粗くされた(処理前よりも粗面化された)状態になっており、そこに多数の円形(開口部が円形)の孔31が均等間隔で形成されている。
図3(b)では、孔31の深さ方向の形状は三角形になっている。
孔31の開口部の形状は特に制限されるものではなく、図4(a)の円形、図4(b)のイチョウの葉形、図4(c)のブーメラン形、図4(d)の楕円形、図4(e)の四角形、図4(f)の多角形のようにすることができ、図示したもの以外の形状にすることもできる。
孔31の深さ方向の形状は特に制限されるものではなく、図5(a)の三角形、図5(b)の四角形、図5(c)の台形のようにすることができ、図示したもの以外の形状にすることもできる。
金属成形体10の接合面12は、第1工程の処理により微細な孔が多数形成されて表面が粗くされた(処理前よりも粗面化された)状態になっており、そこに多数の溝41が均等間隔で形成されている。
図6(b)では、溝41の深さ方向の形状は三角形になっている。
溝41の開口部の形状(平面形状)は特に制限されるものではなく、図7(a)の直線の組み合わせ、図7(b)の(a)とは直交する方向でより幅の細い直線の組み合わせ、図7(c)の曲線の組み合わせ、図7(d)の格子状の直線の組み合わせのようにすることができ、図示したもの以外の形状にすることもできる。
溝41の深さ方向の形状は特に制限されるものではなく、図8(a)の三角形、図8(b)の四角形、図8(c)の台形、図8(d)の(c)とは逆向きの台形、図8(e)の(d)の台形が丸みを帯びた形状のようにすることができ、図示したもの以外の形状にすることもできる。
第3工程は、金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、樹脂成形体となる樹脂を使用してインサート成形して複合成形体を得る。
本発明の複合成形体で使用する樹脂成形体の樹脂は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のほか、熱可塑性エラストマーも含まれる。
公知の繊維状充填材としては、炭素繊維、無機繊維、金属繊維、有機繊維等を挙げることができる。
炭素繊維は周知のものであり、PAN系、ピッチ系、レーヨン系、リグニン系等のものを用いることができる。
無機繊維としては、ガラス繊維、玄武岩繊維、シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維等を挙げることができる。
金属繊維としては、ステンレス、アルミニウム、銅等からなる繊維を挙げることができる。
有機繊維としては、ポリアミド繊維(全芳香族ポリアミド繊維、ジアミンとジカルボン酸のいずれか一方が芳香族化合物である半芳香族ポリアミド繊維、脂肪族ポリアミド繊維)、ポリビニルアルコール繊維、アクリル繊維、ポリオレフィン繊維、ポリオキシメチレン繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエステル繊維(全芳香族ポリエステル繊維を含む)、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリイミド繊維、液晶ポリエステル繊維などの合成繊維や天然繊維(セルロース系繊維など)や再生セルロース(レーヨン)繊維などを用いることができる。
が、これらの中でも、例えば金属成形体10の接合面11に対して形成されるマーキングパターンの幅(細孔の開口部の大きさ、または溝の幅)より小さな繊維径のものを使用することが好ましい。繊維径は、より望ましくは5〜30μm、さらに望ましくは7〜20μmである。
このようなマーキングパターンの幅より小さな繊維径の繊維状充填材を使用したときには、金属成形体のマーキングパターン内に繊維状充填材の一部が張り込んだ状態の複合成形体が得られ、金属成形体と樹脂成形体の接合強度が高められるので好ましい。
<第1工程>
図9に示す形状の金属成形体10(ステンレス:SUS304)の接合面12(実際の金属成形体と樹脂成形体の接触面の一部面)に対してレーザー光を照射して開口部の平均直径(Ds)が16.4μmの孔をあけることで、前記接合面12の表面により多くの凹凸を形成することで粗面化した。
図10(a)はレーザー光を照射する前の接合面12のSEM写真(500倍)であり、図10(b)はレーザー光を照射した後の接合面12のSEM写真(500倍)である。図10(a)、(b)との対比から粗面化されたことが確認できる。
図10(c)は図10(b)の拡大写真(1500倍)であり、凹凸が形成されていることがより明確に確認できる。
レーザーの種類:YVO4
出力(W):6.0
波長(nm):1064
パルス幅(nsec):<40
周波数(kHz):50
焦点位置(±mm):0
ビーム径(μm):30
加工速度(mm/sec):500
スキャン回数:1
次に第1工程で粗面化した接合面12に対してプレス加工することで、開口部の平均直径(Ds)が520μmの孔を形成した。プレス加工手段として、電磁式ドットマーキング(株式会社出石、MULTI4)を使用した。
樹脂として、GF60%強化PA66樹脂(プラストロンPA66−GF60−01(L9):ダイセルポリマー(株)製,ガラス繊維の繊維長11mm)を使用した。
金型内に第1工程および第2工程の処理をした金属成形体10の接合面12を含む面を入れ、次の条件でインサート成形して、図11に示す複合成形体を得た。
樹脂温度:320℃
金型温度:100℃
射出成形機:FUNAC ROBOSHOT S−2000i−100B
<第1工程>
図9に示す形状の金属成形体10(アルミニウムA5052)の接合面12(実際の金属成形体と樹脂成形体の接触面の一部面)に対してレーザー光を照射して開口部の平均直径(Ds)が8.4μmの孔をあけることで、前記接合面12の表面により多くの凹凸を形成することで粗面化した。図12(a)〜(c)は、図10(a)〜(c)に対応するSEM写真である。
レーザーの種類:YVO4
出力(W):6.0
波長(nm):1064
パルス幅(nsec):<40
周波数(kHz):50
焦点位置(±mm):0
ビーム径(μm):30
加工速度(mm/sec):500
スキャン回数:1
次に第1工程で粗面化した接合面12に対してレーザー光を照射することで、開口部の平均直径(Db)が170μmの孔を形成した。第1工程のレーザー光の照射条件と同じであるが、スキャン回数を30回にした。第1工程のレーザー光の照射条件の出力を5.5Wに下げ、スキャン回数を30回にした。
(レーザー光の照射条件)
レーザーの種類:YVO4
出力(W):5.5
波長(nm):1064
パルス幅(nsec):<40
周波数(kHz):50
焦点位置(±mm):0
ビーム径(μm):30
加工速度(mm/sec):500
スキャン回数:30
実施例1と同様にして、図11に示す複合成形体を得た。
実施例2の第1工程と第2工程を実施しないで第3工程のみを実施して、図11に示す複合成形体を得た。
実施例2の第2工程を実施しないで第1工程と第3工程を実施して、図11に示す複合成形体を得た。
実施例1の第1工程を実施しないで第2工程と第3工程を実施して、図11に示す複合成形体を得た。
図13(a)は、実施例1と同じ第2工程を実施した後の接合面のCCD写真であり、図13(b)は拡大写真である。
<第一工程>平均直径(Ds)または平均幅(Ws)の測定方法
加工した金属を切断し、表面部を断面方向からULV-SEM(Caral ZEISS製の極低加速電圧走査電子顕微鏡、ULTRA55)を用いて、レンズ倍率500倍で(SEM)写真を撮影し(図14(a)〜(d)参照)、撮影した写真上において、凹凸部を横切る任意の位置に2本の線を引き、線と交差するすべての開口部の直径、幅の寸法を測定して平均直径(Ds)、平均幅(Ws)を算出した。但し、線と交差する開口部の数(n)が10以上になるようにした。
図14(a)は、実施例2においてレーザー光を照射する前の接合面12(図12(a))を断面方向から観察したSEM写真(200倍)であり、図14(b)はレーザー光を照射した後の接合面12(図12(b))を断面方向から観察したSEM写真(200倍)、図14(c)は図14(b)と同じSEM写真(500倍)、図14(d)は図14(b)と同じSEM写真(3000倍)である。
図14(a)〜(d)の対比からも、第1工程の処理で粗面化されたことが確認できる。
加工した金属接合面の上から、CCD(キーエンス社製のデジタル顕微鏡VHX、レンズVH‐Z450)を用いて、レンズ倍率100倍で凹凸の上面に焦点が合う状態で像を撮影した(図13(a)参照)。画像上で焦点が合っている部分の開口部の直径、幅の寸法を15点測定し、平均直径(Db)、平均幅(Wb)を算出した。
図13(a)の開口部の直径は、開口部の最も長い曲線部を含むように円を描き、その円の直径を測定した。
実施例および比較例1の各複合成形体を用い、引張試験を行って接合強度を評価した。結果を表1に示す。
なお、複合成形体の樹脂成形体中のガラス繊維の繊維長(重量平均繊維長)は0.85mmであった。平均繊維長は、成形品から約3gの試料を切出し、650℃で加熱・灰化させてガラス繊維を取り出した。取り出した繊維の一部(500本)から重量平均繊維長を求めた。計算式は、特開2006−274061号公報の〔0044〕、〔0045〕を使用した。
引張試験は、金属成形体側を固定した状態で、金属成形体と樹脂成形体が破断するまで図11に示すX1方向に引っ張った場合の最大荷重を測定した。
<引張試験条件>
試験機:テンシロンUCT−1T
引張速度:5mm/min
チャック間距離:50mm
10 金属成形体
12 接合面
20 樹脂成形体
Claims (4)
- 金属成形体と樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体の前記樹脂成形体との接合面に対して、開口部の平均直径(Ds)が0.01〜50μmの凹部、または開口部の平均幅(Ws)が0.01〜50μmの溝を形成する第1工程、
前記凹部または溝が形成された接合面に対して、開口部の平均直径(Db)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの凹部、または開口部の平均幅(Wb)が1.0〜1000μm、最大深さが10〜1000μmの溝を形成する第2工程、
その後、金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、樹脂成形体となる樹脂を使用してインサート成形して複合成形体を得る第3工程、
を有している複合成形体の製造方法。 - 前記第1工程が、レーザー光の照射、エッチング処理、プレス加工およびブラスト加工から選ばれる手段により実施されるものであり、
前記第2工程が、レーザー光の照射、プレス加工、転造加工および切削加工から選ばれる手段により実施されるものである、請求項1記載の複合成形体の製造方法。 - 前記金属成形体がダイカスト成形法で製造されたものである、請求項1または2記載の複合成形体の製造方法。
- 前記金属成形体の前記樹脂成形体との接合面が平面または曲面である、請求項1〜3のいずれか1項記載の複合成形体の製造方法。
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