JP2019151869A - 金属基材上への重畳的微細構造の形成方法及びプラスチックとの接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多段階の工程やこれに伴い発生する高額な費用を回避し、また、大型レーザを用いることなく、ひいてはレーザそのものを用いることなく、大面積の金属基材表面に重畳的微細構造の形成を短時間で行う。そして、当該金属基材とプラスチックの機械的結合を実現する。【解決手段】金属基材の表面に二種以上の金属粉末からなる混合金属粉末を均一の厚さにて塗付し、当該混合金属粉末に含まれる金属元素の融点の中で最も低い温度又は金属粉末間で低融点の共晶融液を形成する場合には当該共晶温度より高く、且つ金属基材の溶融温度より低い温度範囲内にて焼結する工程により重畳的微細構造を形成する。ここで、前記金属粉末は、金属基材との組み合わせにおいて、前記温度範囲内における焼結により金属基材の前記表面と合金を形成する金属粉末である。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、金属とプラスチック間の機械的結合による直接接合に関するものである。

金属とプラスチックの複合部材の作成において、金属とプラスチックを接着剤等の中間材を用いることなく十分な機械的結合強度の得られる直接接合を行う為には、金属表面に複雑な微細構造を形成する必要がある。ブラスト処理や陽極酸化処理、エッチング処理が当該微細構造の形成に用いられている。この陽極酸化処理やエッチング処理は、薬液中で電気化学反応により処理を行うことから、局所的な接合のための局所的な重畳的微細構造の形成が不得手なものの大面積の形成には有効である。しかし、この陽極酸化処理には、非接合部位へのマスキング処理やエッチング処理後の薬液の廃液処理等が必要となり、多くの工程を必要とするため費用が高価である。

他方、特許文献１には、金属基材の接合予定面にチタン粉末、アルミ粉末及びカーボン粉末からなる混合金属粉末を付着させ、ここにレーザクラッディングを施し重畳的微細粒子構造を形成する方法が開示されている。同じく、特許文献２には、粒径を概ね同一に揃えた炭化物の粉末とチタン粉末を含む混合金属粉末（例えばＴｉ−Ａｌ−Ｃ）を付着した面に、当該面の隆起を引き起こしながらレーザクラッディングを施し、重畳的微細粒子構造を金属基材面上へ形成する方法が開示されている。

しかし、レーザクラッディングを用いた形成方法は、レーザ照射した領域のみに隆起を引き起こしながら重畳的微細構造を形成するものであり、その領域は局所的ないし限定的である。したがって、大面積の基材全面に重畳的微細構造を処理時間の増大を伴わずに施すためには、装置の大型化のみならずレーザ装置の大出力化も必要となる。

特開２０１６−１３０００３号公報 特開２０１７−１９０５２１号公報

「素形材」 Ｖｏｌ．５３（２０１２）Ｎｏ．２

大面積の金属基材とプラスチックとの機械的結合を可能とするには、前述の先行技術において課題である多段階の工程やこれに伴い発生する高額な費用を回避し、また、大型レーザを用いることなく、ひいてはレーザそのものを用いることなく、金属基材表面に重畳的微細構造の形成を短時間で行う方法が必要である。本発明は、これらの課題を解決することを目的とする。

第１の発明は、金属基材上に重畳的微細構造を形成する方法であって、当該金属基材の表面に二種以上の金属粉末（シリコンなどの半金属を含む）からなる混合金属粉末を均一の厚さにて塗付する工程と、当該金属基材に得された混合金属粉末を当該混合金属粉末に含まれる金属元素の融点の中で最も低い温度（ｔ１）又は前記金属粉末間で低融点の共晶融液を形成する場合には当該共晶温度（ｔ２）より高く、且つ金属基材の溶融温度（ｔ３）より低い温度範囲内（ｔ１＜ｔ３、又はｔ２＜ｔ３）にて焼結する工程を含む重畳的微細構造の形成方法であり、前記金属粉末は、金属基材との組み合わせにおいて、前記温度範囲内における焼結により金属基材の前記表面と合金を形成する金属粉末であることを特徴とする重畳的微細構造の形成方法である。

ここで、焼結の方法には、無加圧焼結法と加圧焼結法があり、さらに前者は固相焼結と液相焼結に、後者は固体圧縮とガス圧縮にそれぞれ分類される。本発明においては、いずれの焼結方法に限定するものではないが、課題である大面積の重畳的微細構造の形成、且つ工程数が少なく費用の抑えられた形成を可能とする焼結法を用いることが望ましい。ひいては、大気圧下における焼結や不活性ガスによる圧力雰囲気下における焼結を用いることで、重畳的微細構造の形成対象である金属基材に要求される形態上の条件や形成工程における各種制限を緩和することができる。

また、金属粉末の粒子サイズは当業者における設計事項ではあるが、概ね数１０μｍ乃至数１００μｍの目開きの篩による選別で構わない。なお、混合金属粉末の金属基材への塗布方法には、スクレ―バー、シリンジ、スプレー等を用いることができ、[ｍｍ]単位の均一性をもって塗布できる方法であればこれらに限定されない。

第２の発明は、第１の発明において、前記混合金属粉末が金属基材の溶融温度を下げる効果を奏する金属粉末を含むことを特徴とする重畳的微細構造の形成の方法である。

ここで金属基材の融点を下げる効果を奏する金属粉末とは、焼結により、金属基材の融点より低い温度であっても、結果として当該金属基材との合金を生成することができる金属粉末をいう。例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の４０００番台のアルミ合金におけるシリコンが当該効果を奏する金属に相当する。

第３の発明は、第１の発明において、前記混合金属粉末が前記焼結により自己燃焼反応を起こす金属粉末を含むことを特徴とする重畳的微細構造の形成方法である。

当該自己燃焼反応により、金属基材の表面温度を一時的に上昇させ、結果として当該金属基材との合金を生成する金属粉末を含む混合金属粉末を用いた重畳的微細構造の形成方法である。

第４の発明は、第２の発明において、前記金属基材がアルミであり、前記混合金属粉末がチタン粉末とアルミ粉末とシリコン粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする重畳的微細構造の形成方法である。

第５の発明は、第３の発明において、前記金属基材が鉄であり、前記混合金属粉末が鉄粉末とチタン粉末とホウ素粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする重畳的微細構造の形成方法である。

第６の発明は、金属基材とプラスチックの接合方法であって、前記金属基材の表面に二種以上の金属粉末からなる混合金属粉末を均一の厚さにて塗付する工程と、当該金属基材に得された混合金属粉末を当該混合金属粉末に含まれる金属元素の融点の中で最も低い温度又は前記金属粉末間で低融点の共晶融液を形成する場合には当該共晶温度より高く、且つ金属基材の溶融温度より低い温度範囲内にて焼結することにより当該金属基材の前記表面に重畳的微細構造を形成する工程と、当該重畳的微細構造を接合予定面としてプラスチックの接合予定面に押圧する工程と、押圧された界面を加熱する工程と、当該加熱により溶融したプラスチックが前記重畳的微細構造に入り込み及びこれを包み込むことで相互に係合し、機械的な接合を得る工程を含む接合方法であり、前記金属粉末は、金属基材との組み合わせにおいて、前記温度範囲内における焼結により金属基材の前記表面と合金を形成する金属粉末であることを特徴とする接合方法である。

ここで、押圧された界面の加熱工程は、重畳的微細構造の形成に用いた装置と同じ装置を用いてもよいし、異なる装置を用いてもよい。但し、大面積の金属基材とプラスチックの接合を低コストで行うのに適した装置を接合予定面の形状等により選定する必要がある。

第７の発明は、第６の発明において、前記混合金属粉末が金属基材の融点を下げる効果を奏する金属粉末を含むことを特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法である。

第８の発明は、第６の発明において、前記混合金属粉末が前記焼結により自己燃焼反応を起こす金属粉末を含むことを特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法である。

第９の発明は、第７の発明において、前記金属基材がアルミであり、前記金属粉末がチタン粉末とアルミ粉末とシリコン粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法である。

第１０の発明は、第８の発明において、前記金属基材が鉄であり、前記金属粉末が鉄粉末とチタン粉末とホウ素粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法である。

本発明によれば、焼結工程に用いる装置の許容試料サイズの範囲内であれば、当該サイズの金属基材上にプラスチックとの接合においてアンカー効果を実現する重畳的微細構造を形成することが可能であり、同じく加熱装置の許容試料サイズの範囲内であれば、重畳的微細構造の形成された大面積の金属基材とプラスチックの機械的接合を実現する。

金属基板上に混合金属粉末を塗布した様子を示す模式図。 ホットプレス装置の概略図。 ホットプレス装置による加圧焼結の様子を示す模式図。 焼結後の金属基板の様子と重畳的微細構造の様子を示す模式図。 重畳的微細構造の顕微鏡写真（試料１−２）。 重畳的微細構造の高倍率顕微鏡写真（試料１−２）。 重畳的微細構造の高倍率顕微鏡写真（試料１−１）。 重畳的微細構造の高倍率顕微鏡写真（試料１−３）。 鉄基板上の重畳的微細構造の高倍率顕微鏡写真。 金属−プラスチックの接合用ホットプレス装置の概略図。 接合後のアルミ基板とＰＰＳ板材の写真。

以下、本発明に好適な実施形態をステップ（Ｓ１、Ｓ２、、）に分けて図とともに説明する。なお、本明細書において特に言及している以外の事項であって本発明の実施に必要な事項は、本発明の属する技術分野における従来技術又は周知技術に基づき、当該技術分野の当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該技術分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

本実施例においては、アルミ基板上に焼結加工装置を用いて重畳的微細構造を形成した。

Ｓ１）金属基材の用意
金属基材として、φ３０ｍｍ、厚み１ｍｍのアルミ基板１１（Ａ５０５２)を用いた。このアルミ基板の片側表面全面を重畳的微細構造の形成予定面とした。

Ｓ２）混合金属粉末の用意
混合金属粉末１２として、チタン粉末、アルミ粉末及びシリコン粉末を乳鉢にて混和したものを用いた。各粉末にはいずれも市販のものを用い、これらをＪＩＳ規格のメッシュ１００番（目開きサイズ１５０μm）にかけたものを用いて粒径を整えた。各金属粉末の混合比率は当業者の設計事項ではあるものの、本実施例においては、そのモル比を、チタン粉末：アルミ粉末：シリコン粉末＝１：１：０．１とした。なお、前記シリコン粉末のモル比は、形成した重畳的微細構造の形状を参考に、０．０１乃至１の範囲で選択するとよい。

Ｓ３）金属基材上への混合金属粉末の塗付
図１に示すように、アルミ基板１１上の片側表面全面を重畳的微細構造の形成予定面とし、ここに混合金属粉末１２をその厚みが均一に１ｍｍとなるようスクレーバーを用いて塗付した。

Ｓ４）加圧加熱容器への取り付け
本実施例における焼結工程には、加圧焼結法の中の固体圧縮法として図２Ａにてその概略を示すホットプレス装置を用いた。ステップＳ３により混合金属粉末１２を塗布したアルミ基板１１（試料）の上下をカーボン材からなる試料押さえ２３により挟み、カーボン製の加圧加熱容器２４の中にセットした。

Ｓ５）加圧加熱反応
図２Ｂに示すように、シリンジ２１に押し込まれる加圧ヘッド２２により、加圧加熱容器２４内にセットした試料を３５０ｋｇｆと８０ｋｇｆの２パターンで押圧、すなわち圧力として約５Ｍｐａと約１ＭＰａの２パターンにて実施した。次に、加熱容器内を真空ポンプにより排気し８０Ｐａまで減圧し、この減圧状態にて加熱容器を加熱した。

加熱温度は、加熱容器内に設置された熱電対の数値としてアルミ（Ａ５０５２）の融点６０７℃より低い５８０℃と６００℃の２パターンを実施し、加熱にはいずれもヒーター埋め込み断熱材２５の中のカーボンヒーターによる壁面加熱方式を用いた。この温度で１０分間保持したのち、４０℃まで冷却した。なお、加熱方式としては、この壁面加熱方式のほか、表面を均一に加熱する為に赤外線加熱や誘導加熱方式による加熱方法を用いても良い。また、押圧の程度は、当業者における設計事項ではあるが、形成した重畳的微細構造の形状を参考に、大気圧乃至１０ＭＰａの圧力範囲で選択するとよい。

以上の実施パラメータをまとめると下表１のとおりとなる。

Ｓ６）表面構造の確認
加圧加熱容器２４から試料（番号）１−２を取り出し、アルミ基板１１の片側表面全面に形成された各試料の金属基材との合金化した重畳的微細構造１３を電子顕微鏡下で確認した。その様子を図３Ａ〜３Ｃに示す。図３Ａは、焼結後の試料１−２のアルミ基板１１の全体の画像と、試料１−１乃至１−３に共通する形成された重畳的微細構造の一部の拡大した様子を示す模式図である。図３Ｂは、試料１−２の形成された重畳的微細構造の中心部（番号１）とその周辺部４か所（番号２〜５）の様子を２０倍の光学顕微鏡にて観察した様子を示す。ここでは、各観察領域において多孔質状態をさらに複雑にした重畳的微細構造を確認できた。図３Ｃは、試料１−２の中心部（１）を９０倍と５００倍の走査型電子顕微鏡で観察したものである。ここでも、図３Ａに模擬的に示したような、多孔質状態をさらに複雑にした重畳的微細構造を確認できた。

図３Ｄと図３Ｅは、それぞれ試料１−１の中心部（１）を１００倍と５００倍、試料１−３の中心部を９０倍と５００倍の走査型電子顕微鏡で観察したものである。試料１−１では重畳的微細構造の形成が見られ、アンカー効果が得られる重畳的微細構造であると推察される。試料１−３でも、同じく重畳的微細構造の形成が見られ、同じくアンカー効果が得られる重畳的微細構造であると推察される。

本実施例においては、鉄基板上（Ｆｅ）に焼結加工装置を用いて重畳的微細構造を形成した。

Ｓ１）金属基材の用意
金属基材として、φ３０ｍｍ、厚み１ｍｍの鉄基板１４（Ｆｅ）を用いた。この鉄基板の片側表面全面を重畳的微細構造の形成予定面とした。

Ｓ２）混合金属粉末の用意
混合金属粉末１５として、鉄粉末、チタン粉末及びホウ素粉末を乳鉢にて混和したもの用いた。各粉末には粒径がいずれも４５μｍの市販粉末を用いた。各金属粉末の混合比率は当業者の設計事項ではあるものの、本実施例においては、そのモル比を、鉄粉末：チタン粉末：ホウ素粉末＝１：１：１とした。

Ｓ３）金属基材上への混合金属粉末の塗付
図１に示すように、鉄基板１４上の片側表面全面を重畳的微細構造の形成予定面とし、ここに混合金属粉末１５をその厚みが均一に１ｍｍとなるようスクレーバーを用いて塗付した

Ｓ４）加圧加熱容器への取り付け
本実施例における焼結工程には、無加圧焼結法の中の反応焼結法として、自己焼結合成を用いた。ステップＳ３により混合金属粉末１５を塗布した鉄基板１４（試料）を、図２Ｂに示す加圧ヘッド２２による押圧前の状態にある加圧加熱容器２４内にセットした。

Ｓ５）加熱反応
本実施例においては、加圧ヘッド２２による押圧を行わず、大気圧状態を保持したまま、誘導加熱方法を用いて試料を１０００℃に加熱し、１０分間保持した。

Ｓ６）表面構造の確認
加圧加熱容器２４（但し加圧なし。）から試料を取り出し、鉄基板１４の片側表面全面に形成された重畳的微細構造１６を５００倍の査型電子顕微鏡下で確認した様子を図４に示す。ここでは、観察領域において多孔質状態をさらに複雑にした重畳的微細構造を確認できた。

本実施例においては、実施例１と同様のステップで形成したアルミ基板１１上の重畳的微細構造を接合予定面として、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）との接合を、ホットプレス装置を用いて行った。

Ｓ１）金属基材の準備
金属基材として、実施例１と同様にφ３０ｍｍ、厚み１ｍｍのアルミ基板１１（Ａ５０５２)を用いた。このアルミ基板の片側表面全面を重畳的微細構造の形成予定面とした。

Ｓ２）混合金属粉末の用意
実施例１と同様、混合金属粉末１２として、チタン粉末、アルミ粉末及びシリコン粉末を乳鉢にて混和したものを用いた。各粉末にはいずれも市販のものを用い、これらをＪＩＳ規格のメッシュ１００番（目開きサイズ１５０μｍ）にかけたものを用いて粒径を整えた。各金属粉末の混合比率は、そのモル比として、チタン粉末：アルミ粉末：シリコン粉末＝１：１：０．１とした。

Ｓ３）金属基材上への混合金属粉末の塗付
実施例１と同様に、図１に示すように、アルミ基板１１上の片側表面全面に混合金属粉末１２をその厚みが均一に１ｍｍとなるようスクレーバーを用いて塗付した。

Ｓ４）加圧加熱容器への取り付け
実施例１と同様、本実施例における焼結工程には、加圧焼結法の中の固体圧縮法として図２Ａにてその概略を示すホットプレス装置を用いた。ステップＳ３により混合金属粉末１２を塗布したアルミ基板１１（試料）の上下をカーボン材からなる試料押さえ２３により挟み、カーボン製の加圧加熱容器２４の中にセットした。

Ｓ５）加圧加熱反応
実施例１と同様、図２Ｂに示すように、シリンジ２１に押し込まれる加圧ヘッド２２により、加圧加熱容器２４内にセットした試料を８０ｋｇｆにて押圧した。加熱温度は、実施例１と同じ方法にて５８０℃とし、加熱時間は１０分とした。これにより重畳的微細構造１８を形成した。

Ｓ６）プラスチック部材の準備
プラスチック部材１７として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍのポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）板材を用意した。このＰＰＳ板材の融点は２８０℃である。

Ｓ７）アルミ基材とプラスチック部材の接合
ステップＳ１にて形成したアルミ基板１１上の重畳的微細構造の形成面と前記プラスチック部材１７を重ね合わせて、図５に概略を示すホットプレス装置にて加熱した。重ね合わせた試料をホットプレス装置にセットする際は、アルミ基板側を金属プレート２６側にして装置にセットした。金属プレートの直下にはヒーター（ホットプレート）２７が位置しており、接合に用いる温度は３００℃とし、その温度は熱電対により計測した。ＰＰＳ板材の融点（２８０℃）に鑑み、プラスチック部材側からは加熱を行わなかった。

熱電対の温度が３００℃に達した時点で試料押さえ２３により押圧を開始し、その圧力は０．２ＭＰａとした。この３００℃の状態を１分間継続したのちにヒーター２７を切り、熱電対の値が２６０℃になった時点で押圧も解除した。なお、加熱温度、押圧、継続時間は当業者による設計事項であり、特に加熱温度はプラスチック部材の溶融温度を参考に調整するとよい。

以上のステップにより、前記加熱工程により溶融したプラスチック部材１７が重畳的微細構造１８に入り込み及びこれを包み込むことでアルミ基板１１とプラスチック部材１７とが相互に係合し、機械的に接合した複合材を作ることができた。なお、本実施例のほか、接合方法としては、重畳的微細構造の形成された金属基材上の接合予定面とプラスチックの接合予定面の界面を加熱し加圧できる方法であれば、インサート成形、超音波溶着等を用いることができ、本実施例において用いたホットプレス装置に限定するものではない。

金属基材上に混合金属粉末を大面積塗布した領域に重畳的微細構造を一括にて形成することができ、且つこれを用いて生産性の高い金属とプラスチックの複合部材の製造に利用できる。

１１ アルミ基板（Ａ５０５２）
１２ 混合金属粉末（Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ）
１３ 重畳的微細構造（Ａｌ基板上）
１４ Ｆｅ基板
１５ 混合金属粉末（Ｆｅ、Ｔｉ、Ｂ）
１６ 重畳的微細構造（Ｆｅ基板上）
１７ ＰＰＳ板材
１８ 重畳的微細構造（Ａｌ基板上）
２１ シリンジ
２２ 加圧ヘッド
２３ 試料押さえ
２４ 加圧加熱容器
２５ ヒーター埋め込み断熱材
２６ 金属プレート
２７ ヒーター（ホットプレート）
２８ 油圧ジャッキ

Claims (10)

1. 金属基材上に重畳的微細構造を形成する方法であって、
   当該金属基材の表面に二種以上の金属粉末からなる混合金属粉末を均一の厚さにて塗付する工程と、
   当該金属基材に得された混合金属粉末を当該混合金属粉末に含まれる金属元素の融点の中で最も低い温度又は前記金属粉末間で低融点の共晶融液を形成する場合には当該共晶温度より高く、且つ金属基材の溶融温度より低い温度範囲内にて焼結する工程を含み、
   前記金属粉末は、金属基材との組み合わせにおいて、前記温度範囲内における焼結により金属基材の前記表面と合金を形成する金属粉末である、重畳的微細構造の形成方法。
2. 前記混合金属粉末は、金属基材の溶融温度を下げる効果を奏する金属粉末を含む、請求項１に記載の重畳的微細構造の形成方法。
3. 前記混合金属粉末は、前記焼結により自己燃焼反応を起こす金属粉末を含む、請求項１に記載の重畳的微細構造の形成方法。
4. 前記金属基材はアルミであり、前記混合金属粉末はチタン粉末とアルミ粉末とシリコン粉末を含む混合金属粉末である、請求項２に記載の重畳的微細構造の形成方法。
5. 前記金属基材は鉄であり、前記混合金属粉末は鉄粉末とチタン粉末とホウ素粉末を含む混合金属粉末である、請求項３に記載の重畳的微細構造の形成方法。
6. 金属基材とプラスチックの接合方法であって、
   前記金属基材の表面に二種以上の金属粉末からなる混合金属粉末を均一の厚さにて塗付する工程と、
   当該混合金属粉末の塗布された金属基材を、当該混合金属粉末に含まれる金属元素の融点の中で最も低い温度又は前記金属粉末間で低融点の共晶融液を形成する場合には当該共晶温度より高く、且つ金属基材の溶融温度より低い温度範囲内にて焼結することにより当該金属基材の前記表面に重畳的微細構造を形成する工程と、
   当該重畳的微細構造を接合予定面としてプラスチックの接合予定面に押圧する工程と、
   押圧された界面を加熱する工程と、
   当該加熱により溶融したプラスチックが前記重畳的微細構造に入り込み及びこれを包み込むことで相互に係合し、機械的な接合を得る工程を含み、
   前記金属粉末は、金属基材との組み合わせにおいて、前記温度範囲内における焼結により金属基材の前記表面と合金を形成する金属粉末であることを特徴とする接合方法。
7. 前記混合金属粉末は、金属基材の融点を下げる効果を奏する金属粉末を含む、請求項６に記載の金属基材とプラスチックの接合方法。
8. 前記混合金属粉末は、前記焼結により自己燃焼反応を起こす金属粉末を含む、請求項６に記載の金属基材とプラスチックの接合方法。
9. 前記金属基材はアルミであり、前記金属粉末はチタン粉末とアルミ粉末とシリコン粉末を含む混合金属粉末である、請求項７に記載の金属基材とプラスチックの接合方法。
10. 前記金属基材は鉄であり、前記金属粉末は鉄粉末とチタン粉末とホウ素粉末を含む混合金属粉末である、請求項８に記載の金属基材とプラスチックの接合方法。