JP2019177603A - 少なくとも表面の全部又は一部が金属材料からなる基材であって、該金属材料の表面が孔を有する基材及び該基材と樹脂硬化物を含む基材−樹脂硬化物の複合体 - Google Patents
少なくとも表面の全部又は一部が金属材料からなる基材であって、該金属材料の表面が孔を有する基材及び該基材と樹脂硬化物を含む基材−樹脂硬化物の複合体 Download PDFInfo
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Abstract
Description
(1)切断レベル20%、評価長さ4mmにおける粗さ曲線の負荷長さ率(Rmr)が30%以下である直線部を1直線部以上含む
(2)すべての直線部の、評価長さ4mmにおける十点平均粗さ(Rz)が2μmを超える
すなわち、本発明の主旨は以下のとおりである。
(1)断面曲線の負荷長さ率(Pmr)が切断レベル30%、評価長さ10μmにおいて40%以上である
(2)孔の入口における直径の平均値(a)と、孔深さの平均値(b)とのアスペクト比(b/a)が2以上50以下である
[2]基材と樹脂硬化物を含む基材−樹脂複合体であって、該基材が[1]に記載の基材であり、該基材が有する金属材料の表面における孔に、樹脂硬化物を含む、基材−樹脂硬化物の複合体。
なお、本明細書において、「孔」とは貫通孔ではなく、凹みを形成するものを意味する。
本発明の実施形態に適用される基材は、少なくとも表面の全部又は一部が金属材料からなる基材であれば特に制限されない。
基材の少なくとも表面の全部又は一部に存在する金属材料は、鉄、鉄合金、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等を挙げることができるが、特に限定されない。基材は、特に限定されず、展伸材、押出材、鋳造材、ダイカスト材を含む。前記金属材料は、単独で用いてもよいし、二種類以上の金属材料を組み合わせて使用してもよい。これらの金属材料の中でも、軽量かつ高強度の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。以後、アルミニウム又はアルミニウム合金を単に「アルミニウム材」と称することもある。
(1)断面曲線の負荷長さ率(Pmr)が切断レベル30%、評価長さ10μmにおいて40%以上である
(2)孔の入口における直径の平均値(a)と、孔深さの平均値(b)とのアスペクト比(b/a)が2以上50以下である
また、アスペクト比が2未満の場合、樹脂との接合強度は低下する。
断面曲線の負荷長さ率が上記下限値以上であっても、アスペクト比が2未満の場合は、樹脂との優れた接合強度が得られない。また、アスペクト比が2以上であっても断面曲線の負荷長さ率が上記下限値未満であると、上記強度が低下するため、優れた接合強度が得られない。
したがって、樹脂との優れた接合強度を得るためには、前記(1)及び(2)の2つの要件を同時に満たすことが必要である。
断面曲線の負荷長さ率(Pmr(c))は、式(A)に示すように、評価長さ(ln)に対する切断レベルcにおける輪郭曲線要素の負荷長さMl(c)の比を表したものであり、その測定方法はJIS B 0601に規定されている。
(A) Pmr(c) = Ml(c)/ ln
しかしながら、本発明の実施形態に係る孔の形状は市販の表面粗さ計等では正確に測定することが困難である。したがって、本発明の実施形態における断面曲線の負荷長さ率は、孔を有する金属材料を有する基材の実表面に対して垂直方向に切断したとき、その切り口に現れる断面構造を電子顕微鏡観察で撮影した写真から測定する。断面構造を観察するための試料の作製方法は、特に限定されないが、例えば、機械研磨法、集束イオンビーム法、イオンミリング法、ミクロトーム法などが挙げられる。要するに、孔の構造が観察できればよい。
したがって、本発明の実施形態における断面曲線の負荷長さ率とは、孔を有する金属材料を有する基材の実表面に対して垂直方向に切断したとき、その切り口に現れる断面構造を電子顕微鏡で撮影した写真において、Rtに対してトップラインから30%の高さにおける負荷長さMl(c)の評価長さ10μmに対する比率を表したものである。断面曲線の負荷長さ率を求めるためには、電子顕微鏡観察において倍率を1万倍以上にすることが好適である。
本発明の実施形態に係るアスペクト比は、孔の入口における直径の平均値(a)と、孔の深さの平均値(b)の比(b/a)により算出される。アスペクト比が2以上とは、前記(b)が前記(a)の2倍以上の孔深さの平均値を有する孔が存在することを意味する。孔の入口における直径の平均値は、孔を有する金属材料を有する基材の表面を電子顕微鏡で撮影した写真から測定可能である。本発明の実施形態に係る基材が有する金属材料の表面には、図2に示すように円形又は楕円形の孔が観察される。本発明の実施形態に係る孔の入口における直径の平均値は、表面に形成されている円形又は楕円形の開口部の直径(図2のa)又は短径(図2のb)の平均値であり、開口部の直径又は短径の長いものから上位2割の孔を選択し、それらの長さを測定し、全てを積算してその上位2割の孔の数で除したものを孔の入口における直径の平均値とする。孔の直径を求めるためには、電子顕微鏡観察において倍率を1万倍以上にすることが好適である。
孔深さの平均値は、形成されている孔における最上部から最深部の間の長さ(図3のd)の平均値であり、孔深さの長いものから上位10個を選択し、それらの最上部から最深部の長さを測定し、全てを積算して10で除したものを孔深さの平均値とする。
より具体的には、本発明の実施形態において、金属材料の表面における、前記アスペクト比を有する孔の数は、金属材料の表面の面積1μm2あたり、1個以上を有することが好ましく、2個以上有することがより好ましい。
前記孔は、前記基材の全面に存在する必要はなく、少なくとも後述する樹脂と接合する部分が有していればよい。
次に、本発明の実施形態に係る孔を有する金属材料を有する基材の製造方法(以下、孔形成工程と称することもある)について説明する。
本発明の実施形態において、前記の孔を有する金属材料を有する基材を製造する方法は、特に限定されず、インプリント法、レーザー加工法、化学エッチング法などの公知の方法が挙げられる。インプリント法は、複数の突起を有する基板又はロールを、金属材料を有する基材に押し付けて孔を形成する方法であり、転写法やプレスパターニング法などが挙げられる。レーザー加工法は、金属材料の表面にレーザー光を照射して孔を形成させる方法である。化学エッチング法は、化学薬品を用いた処理液に金属材料を有する基材を接触させることにより腐食を進行させ、孔を形成させる方法である。
本発明の実施形態に係る孔形成工程においては、皮膜形成による孔の作製方法は除く。皮膜としては、陽極酸化皮膜、化成皮膜(リン酸塩系皮膜、ジルコニウム系皮膜、クロム系皮膜、ケイ酸塩皮膜、リチウム系化成皮膜)、めっき膜等が挙げられる。
前記孔を有する基材を製造する方法として、具体的には、少なくとも表面の全部又は一
部が金属材料からなる基材の表面に、リチウムイオン源とアルカリ源を含む表面処理剤(亜鉛イオン及びケイ酸イオンを含むものを除くものであることが好ましい)を接触させる第一工程と、前記表面処理剤を接触させた前記基材の表面上に、無機酸を含む酸性水溶液を接触させる第二工程を含む、製造方法が好適である。
リチウム元素を含む皮膜は、公知の方法を用いて形成させることが可能である。例えば、ベーマイト処理や化成処理が挙げられるがこれらに限定されるものではない。ここでリチウム元素を含む皮膜とは、基材由来の金属を含む水酸化皮膜、酸化皮膜、水和酸化皮膜などが含まれる。処理方法としては、例えば、特開昭48−89138号公報、特開昭53−11841号公報などに記載の方法を用いることができる。
リチウムイオン源の形態は特に限定されず、水酸化物、塩化物、炭酸塩、重炭酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、硫酸塩、過硫酸塩、臭化塩、及び臭素酸塩等から適当なものを1種又は2種以上選択することができる。
本発明の実施形態に係る第一工程に用いる処理液は、リチウムイオンを好ましくは0.001mol/L以上5.00mol/L以下、より好ましくは0.10mol/L以上4.00mol/L以下、さらに好ましくは0.50mol/L以上3.50mol/L以下を含む。また、前記リチウム塩濃度は、飽和溶解度を超えていてもよい。
第一工程の表面処理剤は、アルカリ源を含む。アルカリ源としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸物、マグネシウムの水酸化物、又は水溶性アミン化合物を例示できる。
アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物としては、特に限定されず、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム等から適当なものを1種又は2種以上選択することができる。
第一工程の表面処理剤は、アルカリ源として、水酸化物イオンを通常0.001mol/L以上5.00mol/L以下、より好ましくは0.005mol/L以上4.00mol/L以下、さらに好ましくは0.01mol/L以上3.00mol/L以下を含む。また、前記アルカリ金属及び、アルカリ土類金属及びマグネシウムの水酸化物濃度は、飽和溶解度を超えていてもよい。
また、前記の炭素数1〜12のアルキル基が有する少なくとも1つのメチレンが、−NH−で置換されていてもよい。
具体的な水溶性アミン化合物は、モノエチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミ
ン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリエチレンテトラアミン、ヘキサメチレンテトラアミン、エチレンジアミン、及びアンモニア等から適当なものを1種又は2種以上選択することができる。
本発明の実施形態に係る第一工程に用いる処理液は、水溶性アミン化合物を好ましくは0.001mol/L以上1.00mol/L以下、より好ましくは0.005mol/L以上0.90mol/L以下を挙げることができ、さらに好ましくは、0.01mol/L以上0.80mol/L以下を含む。
第一工程で用いるときの表面処理剤の液温は20.0℃から100.0℃が好ましい。pHは8.0から13.0に調整することが好ましい。接触時間は5秒から1800秒が好ましい。前記第一工程の後は、必要に応じて水洗工程、乾燥工程を行ってもよい。
前記有機酸としては、蟻酸、クエン酸、シュウ酸、リンゴ酸、コハク酸、マロン酸、エチレンジアミン四酢酸、グルコン酸等から適当なものを1種又は2種以上選択することができるが、これらに限定されるものではない。また、前記無機酸塩及び有機酸塩は、前記
無機酸及び有機酸のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩から適当なものを1種又は2種以上選択することができるが、これらに限定されるものではない。前記水溶液は、上記の無機酸、有機酸、又はこれらの塩を1種又は2種類以上配合することができる。前記有機酸、無機酸塩又は有機酸塩いずれか単独の酸性水溶液であっても前記の孔が形成される場合もあるが、工業的な観点から無機酸単独の酸性水溶液が好ましい。
第二工程に用いるときの前記酸性水溶液は液温が10.0℃から80.0℃が好ましい。pHは酸性であればよく、例えば、pH6.0以下に調整することが好ましい。接触時間は1秒から1800秒程度が好ましく、900秒以下であることがより好ましい。第二工程の後は、通常、水洗工程や乾燥工程が行われる。水洗工程においては、超音波を併用してもよい。乾燥工程においては、自然乾燥でもよく、ドライヤー、エアーブロー、オーブン等を用いてもよい。
本発明の実施形態にかかる基材の製造方法に用いられる、金属材料を有する基材は、本発明の実施形態に係る製造方法(孔形成工程)の前に、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工、研削加工等の機械的粗化処理や、レーザー加工、プラズマ加工等の物理的粗化処理や、化学的方法によりあらかじめ粗化処理を実施してもよい。これらの加工後に形成される凹凸形状は問わない。
本発明の実施形態にかかる基材の製造方法に用いられる、金属材料を有する基材は、本発明の実施形態に係る製造方法(孔形成工程)の前に、金属材料の表面を清浄化するため、脱脂処理、酸水溶液による酸処理、及び/又は、アルカリ溶液によるアルカリ処理からなる前処理を行ってもよい。
脱脂処理の方法は、特に限定されず、例えば、溶剤系、水系又はエマルジョン系の脱脂剤を用いることができ、アルカリ塩、界面活性剤等を含んでいてもよい。酸処理による前処理の方法としては、硫酸、硝酸、リン酸、フッ酸等の無機酸や、クエン酸、グルコン酸等の有機酸、これらを混合して調製したものなどを用いることができる。また、アルカリ処理による前処理の方法としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ試薬を調製したもの、又はこれらを混合して調製したものなどを用いることができる。
本発明の実施形態にかかる基材の製造方法(孔形成工程)の実施後、孔を有する金属材料の表面に皮膜を形成させてもよい。皮膜の形成方法は塗布型であっても反応型であってもよく、形成させる皮膜としては、例えば、自然酸化膜、陽極酸化皮膜、化成皮膜(リン酸塩系皮膜、ジルコニウム系皮膜、クロム系皮膜)、シランカップリング剤硬化皮膜、めっき膜等が挙げられるが、これらに限定されない。皮膜を形成する場合、その膜厚は特に限定されないが、100nm以下にすることが望ましい。前記皮膜の厚みが100nmよりも厚い場合、樹脂との接合強度が低下する場合がある。前記皮膜の厚みは、孔の形状に応じて適宜調整することができる。
前述の工程のほか、必要に応じてその他の工程を適宜行ってもよい。例えば、水洗工程はすべての工程(例えば、表面加工工程、表面清浄工程、孔形成工程、後処理工程等)の前後に行ってもよい。また、各水洗工程後に適宜乾燥工程を行ってもよい。
本発明の実施形態に係る基材−樹脂硬化物の複合体は、基材と樹脂硬化物を含む基材−樹脂複合体であって、該基材が前記で説明した基材であり、該基材が有する金属材料の表面における孔に、樹脂硬化物を含むものである。
本発明の実施形態に係る基材−樹脂硬化物の複合体における樹脂硬化物とは、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性エラストマー、樹脂塗料が硬化して塗膜となったもの、接着剤が硬化したものなど、あらゆる樹脂であってよい。
本発明の実施形態に係る基材−樹脂硬化物の複合体の製造方法は、本発明の実施形態に係る基材の製造方法に含まれる工程である孔形成工程と、前記孔形成工程において形成された、金属材料の表面が有する孔に前記樹脂を入れる工程と、を含む。前記孔に前記樹脂を入れる工程の後に、前記樹脂を冷却、放置、又は加熱によって硬化して、基材−樹脂硬化物の複合体を形成する。基材−樹脂硬化物の複合体とは、前記基材と樹脂硬化物のみから構成されるものであってもよいし、前記孔を有する金属材料を有する基材と前記樹脂硬化物に加え、その樹脂硬化物に接触する相手材を含むものであってもよい。前記相手材は、樹脂材料だけでなく、金属、ゴム、木材、セラミック、複合材料を含むあらゆる材料であってよい。また、前記相手材の形状は特に限定されず、板、棒、帯、管、線、フィルム等であってもよい。
た樹脂をインサート成形して接合する方法(以後、射出成形接合と称する)、前記孔を有する基材の表面又は表面上に対して樹脂塗料を接触させた後に硬化させることで前記基材の表面又は表面上に塗膜を形成する方法などが挙げられる。
本発明の実施形態に係る孔を有する金属材料を有する基材と、樹脂硬化物との複合体は、自動車用部材、航空機用部材、電子機器用部材、モバイル機器用部材、OA機器用部材、家電機器用部材、医療機器用部材の材料として有用である。前記孔を有する金属材料を有する基材は、樹脂との接合強度のみならず、めっき膜などの密着性も向上させることができる。なお、本発明の実施形態に係る、孔を有する金属材料を有する基材及び基材−樹脂硬化物の複合体は上記の使用用途に限定されるものではない。
実施例1から3及び比較例1から3に係る基材−樹脂硬化物の複合体は、特に断りのない限り、表面清浄工程→孔形成工程(第一工程→第二工程)→射出成形接合工程の各工程を経て製造した。以下、当該処理工程の各処理を説明する。
表面清浄工程は、アルカリ脱脂{ファインクリーナー315E 日本パーカライジング株式会社製、30g/L(固形分濃度)、70℃、浸漬時間1分}の後、アルカリ洗(水酸化ナトリウム1.0mol/L、40℃、浸漬時間1分)を実施し、各工程後に水洗を実施した。
第一工程
第一工程は、リチウムイオンを含む表面処理剤に基材を浸漬した後、水洗を実施した。pHに関しては、硝酸水溶液及び水酸化ナトリウム水溶液を用いて調整した。
第二工程は、無機酸を含む酸性水溶液に基材を浸漬した後、水洗及び乾燥を実施した。
射出成形接合工程は、前記孔形成工程後の基材に対し、ガラスファイバーを30%含むポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS樹脂)を射出成形した。射出成形には東洋機械金属株式会社製電動サーボ射出成形機(Si−50III)を用いた。射出成形条件は、プレヒート125℃、成形温度320℃、金型温度135℃、射出速度30mm/秒、射出圧力1000kgf、保圧1200kgf、冷却時間15秒とした。成形されたPPS樹脂の寸法は、幅10mm×長さ45mm×厚み3mmである。また、基材とPPS樹脂の接合面積は10mm×5mmである。
基材として、JIS H 4000で規格されたA2017を用いた。第一工程として、以下の処理液(1)を用いて基材を300秒間浸漬した。第二工程として、以下の処理液(2)を用いて、基材を180秒間浸漬した。このようにして、実施例1に係る基材−樹脂硬化物の複合体を得た。
は60℃とした。
基材をJIS H4000で規格されたA3003に変更した点以外は[実施例1]と同様の方法で[実施例2]の基材−樹脂硬化物の複合体を製造した。
基材をJIS H4000で規格されたA5052に変更した点以外は[実施例1]と同様の方法で[実施例3]の基材−樹脂硬化物の複合体を製造した。
基材をJIS H4000で規格されたA2017とした。第一工程及び第二工程の処理条件を変更した点以外は[実施例1]と同様の方法で、基材−樹脂硬化物の複合体を製造した。具体的には、第一工程として、以下の処理液(3)を用いて基材を60秒間浸漬した。第二工程として、以下の処理液(4)を用いて、基材を300秒間浸漬した。
基材をJIS H4000で規格されたA3003に変更した点以外は[比較例1]と同様の方法で[比較例2]の基材−樹脂硬化物の複合体を製造した。
基材をJIS H4000で規格されたA5052に変更した点以外は[比較例1]と同様の方法で[比較例3]の基材−樹脂硬化物の複合体を製造した。
実施例1から3及び比較例1から3の処理後の基材の断面曲線の負荷長さ率の測定は、前記処理後の基材を電界放出形走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製、S−4700TypeII)により、倍率1万倍で断面観察を行い、得られた断面観察写真について画像処理ソフト(ImageJ)を用いて測定した。切断レベル30%、評価長さ10μmにおける断面曲線の負荷長さ率が40%以上の場合を良(「○」)とし、40%未満及び算出不可能な場合を悪(「×」)とした。結果を表1に示す。
アスペクト比は、孔の入口における直径の平均値(a)と、孔深さの平均値(b)の比(b/a)により算出した。
孔の入口における直径の平均値(a)は、実施例1から3及び比較例1から3の処理後
の基材の表面を前記電子顕微鏡により、倍率5万倍で撮影した写真から測定した。孔の開口部の直径又は短径の長いものから上位10個を選択し、それらの長さを測定し、全てを積算して10で除したものを孔の入口における直径の平均値とした。
孔深さの平均値(b)は、実施例1から3及び比較例1から3の処理後の基材の断面を前記電子顕微鏡により、倍率3万倍で撮影した写真から測定した。孔深さの長いものから上位10個を選択し、それらの最上部から最深部の長さを測定し、全てを積算して10で除したものを孔深さの平均値とした。
アスペクト比(b/a)が2以上の場合を良(「○」)、2未満及び算出不可能な場合を悪(「×」)とした。結果を表1に示す。
実施例1から3及び比較例1から3の基材−樹脂硬化物の複合体について、ISO19095−3に規格化された引張せん断試験方法により接合強度を評価した。引張せん断試験は、株式会社島津製作所製オートグラフ精密万能試験機(AG−100kNX)を使用した。評価は、室温25℃、引張速度10mm/分の条件にて行った。引張せん断強度(接合強度:MPa)は破壊荷重(N)/接合部面積(50mm2)として算出した。引張せん断試験後の基材と樹脂硬化物との間の接合部の破壊形態を目視で調べた。
結果を表1に示す。樹脂硬化物が基材側の接合面積に対して70%以上の面積に残存する破壊形態である場合を良(「〇」)、樹脂硬化物が基材側の接合面積に対して10%以上70%未満の面積に残存する破壊形態である場合を悪(「×」)、樹脂硬化物が基材側の接合面積に対して10%未満の面積に残存する破壊形態である場合をさらに悪(「××」)とした。接合強度が30MPa以上で、接合部の破壊形態の評価が良(「○」)の場合、樹脂との接合強度が優れていると定義した。
Claims (2)
- 少なくとも表面の全部又は一部が金属材料からなる基材であって、該金属材料の表面が孔を有し、以下の(1)と(2)の要件を満たす、基材。
(1)断面曲線の負荷長さ率(Pmr)が切断レベル30%、評価長さ10μmにおいて40%以上である
(2)孔の入口における直径の平均値(a)と、孔深さの平均値(b)とのアスペクト比(b/a)が2以上50以下である - 基材と樹脂硬化物を含む基材−樹脂複合体であって、該基材が請求項1に記載の基材であり、該基材が有する金属材料の表面における孔に、樹脂硬化物を含む、基材−樹脂硬化物の複合体。
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