JP2019183194A - 樹脂炭素鋼接合体及びその製造法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接合強度を有する樹脂炭素鋼接合体と、その製造法を提供する。【解決手段】本発明の樹脂炭素鋼接合体の製造法は、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液で洗浄する脱脂工程と、炭素鋼部材を酸性の溶液で洗浄する酸処理工程と、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液に浸漬し電極に定電圧又は定電流を印加する活性化処理工程と、炭素鋼部材を陽極とし、トリアジンチオール誘導体を含むアルカリ性の溶液中で、所定の電流密度を印加して、炭素鋼部材上に膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜を形成する工程と、陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材を水で洗浄する水洗い工程と、陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材に、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形する工程と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、樹脂炭素鋼接合体及びその製造法に係り、より詳しくは、樹脂部材と炭素鋼部材を強力に接合できる樹脂炭素鋼接合体及びその製造法に関する。
部品の軽量化は、例として金属部材を金属部材と樹脂部材の接合体とすることで行なうことができる。特許文献１には、樹脂部材と金属部材を接合する技術として、トリアジンチオール（硫黄有機化合物）を含む被膜を金属部材表面上に形成する電気・化学的な表面処理法が開示されている。金属としては、銅、ニッケル、アルミニウム、鉄、コバルト、錫、ステンレスをあげている。金属表面に被膜を形成しておくことで、樹脂部材との接合強度を向上させることができる。
しかしながら、具体的にはＳＭ４５Ｃ、ＳＳ４００やＨＴ５９０の炭素鋼部材の表面にトリアジンチオールの被膜を形成し、樹脂部材を接合して、樹脂金属接合体を形成し、十分な接合強度を得ることについては開示がない。
本発明の目的は、樹脂部材と炭素鋼部材の接合強度が向上できる樹脂炭素鋼接合体を提供すること、及び接合強度が良好な樹脂炭素鋼接合体の製造法を提供することにある。
本発明による樹脂炭素鋼接合体は、炭素鋼部材と、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂部材とを接合してなる樹脂炭素鋼接合体であって、前記炭素鋼部材と前記樹脂部材とが、膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜により接合されていることを特徴とする。
本発明による他の樹脂炭素鋼接合体は、炭素鋼部材と、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂部材とを接合してなる樹脂炭素鋼接合体であって、前記炭素鋼部材と前記樹脂部材とが、膜厚が３０〜２０００ｎｍのトリアジンチオール誘導体を内部及び外部に存在させた陽極酸化被膜により接合されていることを特徴とする。
前記陽極酸化被膜は、重量％で、酸素（Ｏ）が１〜６０％、鉄（Ｆｅ）が３０〜９０％、ケイ素（Ｓｉ）が５％以下、アルミニウム（Ａｌ）が１％以下、リン（Ｐ）が３％以下、亜鉛（Ｚｎ）が３％以下、マンガン（Ｍｎ）が３％以下、ニッケル（Ｎｉ）が３％以下、硫黄（Ｓ）が３％以下、炭素（Ｃ）が１０％以下、の成分構成を有することを特徴とする。
本発明による樹脂炭素鋼合金接合体の製造法は、樹脂炭素鋼接合体を製造する製造法であって、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液で洗浄する脱脂工程と、前記脱脂工程後、炭素鋼部材を酸性の溶液で洗浄する酸処理工程と、前記酸処理工程後、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液に浸漬して電極に定電圧又は定電流を印加する活性化処理工程と、前記炭素鋼部材を陽極とし、２０〜８０℃のアルカリ性の溶液中で、１Ａ／ｄｍ２以上２０Ａ／ｄｍ２未満の電流密度を１〜４０分印加して、前記炭素鋼部材上に膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜を形成する工程と、前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材を水で洗浄する水洗い工程と、前記水洗い工程後の前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材に、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形する工程と、を備え、前記炭素鋼部材と、前記樹脂で成形された樹脂部材とが、前記陽極酸化被膜により接合されることを特徴とする。
本発明の他の樹脂炭素鋼接合体の製造法は、樹脂炭素鋼接合体を製造する製造法であって、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液で洗浄する脱脂工程と、前記脱脂工程後、炭素鋼部材を酸性の溶液で洗浄する酸処理工程と、前記酸処理工程後、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液に浸漬し電極に定電圧又は定電流を印加する活性化処理工程と、前記炭素鋼部材を陽極とし、２０〜８０℃のトリアジンチオール誘導体を含むアルカリ性の溶液中で、１Ａ／ｄｍ２以上２０Ａ／ｄｍ２未満の電流密度を１〜４０分印加して、前記炭素鋼部材上に膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜を形成する工程と、前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材を水で洗浄する水洗い工程と、前記水洗い工程後の前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材に、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形する工程と、を備え、前記炭素鋼部材と、前記樹脂で成形された樹脂部材とが、前記陽極酸化被膜により接合されることを特徴とする。
本発明による樹脂炭素鋼接合体は、あらかじめ炭素鋼部材の表面に、膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜を形成したので、樹脂部材と炭素鋼部材が良好に接合でき、接合強度を３０ＭＰａ以上にすることができる。また樹脂部材と炭素鋼部材の間の気密性は、ヘリウムを使用したリークテストで、ヘリウムリーク量を１０−９Ｐａ・ｍ３／ｓ以下にできる。また、防水性が確保できる。
本発明による他の樹脂炭素鋼接合体は、あらかじめ炭素鋼部材の表面に、膜厚が３０〜２０００ｎｍのトリアジンチオール誘導体を内部及び外部に存在させた陽極酸化被膜を形成したので、樹脂部材と炭素鋼部材が良好に接合できる。その接合強度は３０ＭＰａ以上にできる。また、樹脂部材と炭素鋼部材の間の気密性は、ヘリウムを使用したリークテストで、ヘリウムリーク量を１０−９Ｐａ・ｍ３／ｓ以下にできる。
陽極酸化被膜は、多孔質な膜なので、樹脂部材と炭素鋼部材を良好に接合できる。
本発明による樹脂炭素鋼接合体の製造法によれば、（ａ）浸漬して炭素鋼部材表面の脂分を除く脱脂工程と、（ｂ）酸処理工程と、（ｃ）アルカリ性の溶液に浸漬して定電圧又は定電流を印加する活性化工程と、（ｄ）炭素鋼部材を陽極とし、アルカリ性の溶液中で、陽極酸化被膜を形成する酸化被膜形成工程と、（ｅ）陽極酸化被膜形成後、炭素鋼部材を水で洗う水洗浄工程と、（ｆ）熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形して、炭素鋼部材に接合するインサート工程と、を設けたので、インサート成形で成形した樹脂部材と炭素鋼部材を良好に接合でき、接合強度が３０ＭＰａ以上にでき、気密性はヘリウムを使用したリークテストでヘリウムリーク量を１０−９Ｐａｍ３／ｓ以下にできる。
本発明による他の樹脂炭素鋼接合体の製造法によれば、（ａ）浸漬して炭素鋼部材表面の脂分を除く脱脂工程と、（ｂ）酸処理工程と、（ｃ）アルカリ性の溶液に浸漬して定電圧又は定電流を印加する活性化工程と、（ｄ）炭素鋼部材を陽極とし、トリアジンチオール誘導体を含むアルカリ性の溶液中で、陽極酸化被膜を形成する酸化被膜形成工程（ＴＲＩ電解工程と称す）と、（ｅ）陽極酸化被膜形成後、炭素鋼部材を水で洗う水洗浄工程と、（ｆ）熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形して、炭素鋼部材に接合するインサート工程と、を設けたので、インサート成形で成形した樹脂部材と炭素鋼部材の接合強度を３０ＭＰａ以上にでき、気密性は、ヘリウムを使用したリークテストでヘリウムリーク量を１０−９Ｐａｍ３／ｓ以下にできる。
以下、図面を参照して、本発明による樹脂炭素鋼接合体及びその製造法を詳しく説明する。
図１は、本発明による樹脂炭素鋼接合体の製造法を示すフローチャートである。樹脂炭素鋼接合体は、炭素鋼部材と樹脂部材を接合させ一体に成形したものである。樹脂炭素鋼接合体の成形は、次のｓ１〜ｓ６の６つの工程で行なう。脱脂工程（ｓ１）は、アルカリ系列のＮＡＯＨ、ＫＯＨ、又はＮＡ２ＣＯ３にの水溶液に陽イオン界面活性剤を加え、炭素鋼部材１を１〜１０分間浸漬する。水溶液の温度は常温〜７０℃の範囲とする。これにより、炭素鋼部材１の表面の脂分を除去できる。なお、炭素鋼部材１は板状の部材である。
次に酸処理工程（ｓ２）は、重量％で、塩酸５〜５０％、硫酸又は塩酸１〜２０％、シュウ酸１〜５％、フッ化物１〜５％の水溶液に、炭素鋼部材１を１〜１０分間浸漬する。水溶液の温度は常温〜５０℃の範囲とする。これにより炭素鋼部材１の表面を洗浄し、酸化膜等を除去する。
活性化工程（ｓ３）は、重量％で、苛性ソーダ又は水酸化カリウム１〜３０、炭酸ナントリウム１〜２０％の水溶液に、陽イオン界面活性剤を微量加え、該溶液中に炭素鋼部材１を１〜１０分浸漬し、陽極または陰極には、０．２〜５Ｖの定電圧を加える。水溶液の温度は常温〜５０℃とする。電極には、パルス又は直流電圧が加えられる。同時に１〜１０分間、５０Ｈｚで１００〜２０００ワットの超音波処理も行なう。
酸化被膜形成工程（ｓ４）は、ＴＲＩ電解工程と称する。炭素鋼部材１を陽極として接続する。重量％で、苛性ソーダ３〜２０％又は水酸化カリウム３〜２０％、３リン酸ナトリウム又はリン酸アンモニウム１〜５％、炭酸ナトリウム１〜３％、クエン酸ナトリウム１〜３％の水溶液にトリアジンチオール誘導体を微量添加し、該水溶液に炭素鋼部材１を浸漬し、陽極と陰極間に１〜２０Ａ／ｄｍ２の電流密度を印加することで行なう。溶液の温度は、常温〜８０℃とする。陽極と陰極間に電圧５〜４０Ｖを印加する。１〜４０分間の電気分解で、炭素鋼部材の表面に膜厚３０〜２０００ｎｍのトリアジンチオール誘導体を含む陽極酸化被膜４が形成される。多孔質の被膜が形成できる。なお、トリアジンチオール誘導体を添加しない水溶液で、酸化被膜形成工程（ｓ４）を行なうこともできる。
陽極酸化被膜４は、重量％で、酸素（Ｏ）が１〜６０％、鉄（Ｆｅ）が３０〜９０％、ケイ素（Ｓｉ）が５％以下、アルミニウム（Ａｌ）が１％以下、リン（Ｐ）が３％以下、亜鉛（Ｚｎ）が３％以下、マンガン（Ｍｎ）が３％以下、ニッケル（Ｎｉ）が３％以下、硫黄（Ｓ）が３％以下、炭素（Ｃ）が１０％以下、の成分構成を有する。
水洗い工程（ｓ５）は、表面に陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材１を、水で洗浄する工程である。なお、水洗い後は乾燥させておく。
インサート成形工程（ｓ６）は、陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材１を金型に装填し、樹脂部材２となる熱可塑性又は熱硬化性の樹脂を注入し、樹脂部材２と炭素鋼部材１を接合し樹脂炭素鋼接合体３を形成する。
図２は、炭素鋼部材１の形状を示す図である。（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は斜視図である。ａは、直径４ｍｍの引張試験用の孔である。ｆは板厚で３ｍｍである。縦（ｅ）×横（ｂ）は４０ｍｍ×１２ｍｍの板であり、ｅが４０ｍｍ、ｂが１２ｍｍ、ｃが６ｍｍ、ｄが５ｍｍである。
図３は、炭素鋼の種類と成分を示す表である。本実施例の炭素鋼は、ＳＭ４５Ｃと、ＳＳ４００と、ＨＴ５９０とする。ＳＭ４５Ｃは、機械構造用炭素鋼と呼ばれ、表に示すように炭素（Ｃ）を０．４２〜０．４８％含有する。ＳＭ４５Ｃの数字４５は、炭素（Ｃ）含有量の中間値が、０．４５％であることを示す。ＳＳ４００は、一般構造用圧延鋼材と呼ばれ、流通量が多い鉄鋼材である。ＳＳ４００の数字４００は、引張強度の下限が４００ＭＰａであることを示す。成分は他の鋼材より緩く、リン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）のみが規定される。ＳＳ４００の炭素（Ｃ）は、一般に０．２５％以下である。ＨＴ５９０は、高張力鋼と呼ばれ、一般構造用圧延鋼材よりも強く、引張強度は約４９０ＭＰａ程度である。
図４は、炭素鋼部材１の吊下げ冶具７の写真である。吊下げ冶具７は、複数のフックがあり、炭素鋼部材１を１０個装着できる。図５は、脱脂槽の写真である。脱脂槽は、ＮＡＯＨ、ＫＯＨ、又はＮＡ２ＣＯ３に陽イオン界面活性剤を加えた水溶液で満たされる。図６は、酸処理槽と活性化槽の写真である。図７は、ＴＲＩ電解処理槽の写真である。槽内には複数の電極が用意される。
図８は、陽極酸化被膜の断面を示す写真である。（Ａ）では、厚さ８４．８８〜１６５．２ｎｍの陽極酸化被膜４が形成されている。（Ｂ）では、厚さ４８３．７〜１７７．６ｎｍの陽極酸化被膜４が形成されている。（Ｃ）では、厚さ７３．７３〜１１２ｎｍの陽極酸化被膜４が形成されている。
図９は、炭素鋼部材１の写真と引張試験用の試験体の写真である。試験体３（３ａ）は、図１に示す製造法で製作し、引張試験に使用する。図９に示すように、炭素鋼部材１と樹脂部材２は１２ｍｍ×３ｍｍ（＝３６ｍｍ２）の端面が接合される。試験体３（３ａ）は、炭素鋼部材１に樹脂部材２をインサート成形で一体成形されたものである。インサート成形は、金型（図示せず）に炭素鋼部材１を装填し、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂を圧入することで、炭素鋼部材１と樹脂部材２を一体成形する。熱可塑性樹脂としては、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用できる。熱硬化性樹脂としては、ウレタン樹脂又はエポキシ樹脂を使用できる。
図１０は、樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）の引張強度を示す表である。本実施例では４つがＰＰＳで、４つがＰＢＴである。８つの試験体の引張強度は、表に示すとおりであり、接合面積が３６ｍｍ２（＝１２ｍｍ×３ｍｍ）での値である。これによれば、引張強度は、３６ｍｍ２の接合面積で、約３０ＭＰａが確保できる。
図１１は、熱衝撃試験後の引張強度を示す表である。樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）の樹脂部材２は、４つがＰＰＳで、４つがＰＢＴである。熱衝撃テストは、温度をマイナス４０℃〜８０℃間で３０分毎に変化させ、１５０サイクルを繰り返す。試験の前後で引張強度を測定した。図１１の表によれば、引張強度が、熱衝撃試験後は平均３０．３８ＭＰａなので、熱衝撃試験前の平均３７ＭＰより低下することがわかる。
図１２は、高温高湿試験後の引張強度を示す表である。樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）の樹脂部材２は、４つがＰＰＳで、４つがＰＢＴである。高温高湿試験は、温度が８０℃、湿度９５％で、時間は２００時間とし、試験後に測定した。表の左側は高温高湿試験前の樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）の引張強度で、右側が高温高湿試験後の樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）の引張強度である。図１２によれば引張強度は、高温高湿試験後は平均３１．６３ＭＰａで、高温高湿試験前の平均４０．８８ＭＰより低下することがわかる。
図１３は、気密試験用の試験体の写真である。気密試験用の試験体３（３ｂ）は、炭素鋼部材１が、円板状の樹脂部材２を貫通して一体に接合されている。筒状の容器に気密試験用の試験体３（３ｂ）を装填し、炭素鋼部材１が突出した一方の側にヘリウムガスを吹き付け、炭素鋼部材１が突出した他方の側を真空とし、ヘリウムガスが漏れないか調べる。
図１４は、気密試験の結果を示す表である。真空排気の量を増減させれば、漏れ出るヘリウム（Ｈｅ）の量も増減するが、この条件ではサンプル１、２のいずれも漏れ量を１×１０−９Ｐａｍ３／ｓ以下にできる。
図１５は、炭素鋼部材の表面顕微鏡写真である。
図１６は、酸処理工程後の表面顕微鏡写真である。
図１７は、ＴＲＩ電解処理後の表面写真である。
図１８は、ＴＲＩ電解処理後の表面酸化被膜の成分分析表である。陽極酸化被膜の成分は、試料１を例にとると、重量％で、炭素（Ｃ）が４．７％、酸素（Ｏ）が６．４６％、鉄（Ｆｅ）が８８．８４％である。
図１９は、トリアジンチオール誘導体を添加した場合と、添加しない場合での樹脂炭素鋼接合体の接合強度を示す表である。図１のｓ４工程で、水溶液にトリアジンチオール誘導体を添加せず、陽極酸化被膜を形成し、樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）を製作した。一方、図１のｓ４工程で、水溶液にトリアジンチオール誘導体を添加し、陽極酸化被膜を形成し、樹脂炭素鋼接合体３（３ａ）を製作した。それぞれ５つの樹脂炭素鋼接合体の接合強度を比較した。数値は、トリアジンチオール誘導体を添加した方が若干値がよい。ただし、トリアジンチオール誘導体を添加しないでも十分に使用に耐える。
本発明の樹脂炭素鋼接合体及びその製造法は、炭素鋼部材と樹脂部材を一体化して接合するもので、部品の軽量化に好適である。
１ 炭素鋼部材
２ 樹脂部材
３ 樹脂炭素鋼接合体
３ａ 引張試験用の試験体
３ｂ 気密試験用の試験体
４ 陽極酸化被膜
７ 吊下げ冶具
ｓ１〜ｓ６ 製造法の各工程
２ 樹脂部材
３ 樹脂炭素鋼接合体
３ａ 引張試験用の試験体
３ｂ 気密試験用の試験体
４ 陽極酸化被膜
７ 吊下げ冶具
ｓ１〜ｓ６ 製造法の各工程
Claims (5)
- 炭素鋼部材と、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂部材とを接合してなる樹脂炭素鋼接合体であって、
前記炭素鋼部材と前記樹脂部材とが、膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜により接合されていることを特徴とする樹脂炭素鋼接合体。
- 炭素鋼部材と、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂部材とを接合してなる樹脂炭素鋼接合体であって、
前記炭素鋼部材と前記樹脂部材とが、膜厚が３０〜２０００ｎｍのトリアジンチオール誘導体を内部及び外部に存在させた陽極酸化被膜により接合されていることを特徴とする樹脂炭素鋼接合体。
- 前記陽極酸化被膜は、重量％で、酸素（Ｏ）が１〜６０％、鉄（Ｆｅ）が３０〜９０％、ケイ素（Ｓｉ）が５％以下、アルミニウム（Ａｌ）が１％以下、リン（Ｐ）が３％以下、亜鉛（Ｚｎ）が３％以下、マンガン（Ｍｎ）が３％以下、ニッケル（Ｎｉ）が３％以下、硫黄（Ｓ）が３％以下、炭素（Ｃ）が１０％以下、の成分構成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂炭素鋼接合体。
- 樹脂炭素鋼接合体を製造する製造法であって、
炭素鋼部材をアルカリ性の溶液で洗浄する脱脂工程と、
前記脱脂工程後、炭素鋼部材を酸性の溶液で洗浄する酸処理工程と、
前記酸処理工程後、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液に浸漬して電極に定電圧又は定電流を印加する活性化処理工程と、
前記炭素鋼部材を陽極とし、２０〜８０℃のアルカリ性の溶液中で、１Ａ／ｄｍ２以上２０Ａ／ｄｍ２未満の電流密度を１〜４０分印加して、前記炭素鋼部材上に膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜を形成する工程と、
前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材を水で洗浄する水洗い工程と、
前記水洗い工程後の前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材に、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形する工程と、が備えられ、
前記炭素鋼部材と、前記樹脂で成形された樹脂部材とが、前記陽極酸化被膜により接合されることを特徴とする樹脂炭素鋼合金接合体の製造法。
- 樹脂炭素鋼接合体を製造する製造法であって、
炭素鋼部材をアルカリ性の溶液で洗浄する脱脂工程と、
前記脱脂工程後、炭素鋼部材を酸性の溶液で洗浄する酸処理工程と、
前記酸処理工程後、炭素鋼部材をアルカリ性の溶液に浸漬し電極に定電圧又は定電流を印加する活性化処理工程と、
前記炭素鋼部材を陽極とし、２０〜８０℃のトリアジンチオール誘導体を含むアルカリ性の溶液中で、１Ａ／ｄｍ２以上２０Ａ／ｄｍ２未満の電流密度を１〜４０分印加して、前記炭素鋼部材上に膜厚が３０〜２０００ｎｍの陽極酸化被膜を形成する工程と、
前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材を水で洗浄する水洗い工程と、
前記水洗い工程後の前記陽極酸化被膜が形成された炭素鋼部材に、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂をインサート成形する工程と、が備えられ、
前記炭素鋼部材と、前記樹脂で成形された樹脂部材とが、前記陽極酸化被膜により接合されることを特徴とする樹脂炭素鋼接合体の製造法。
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