JP2020147784A - 金属樹脂接合部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)本発明は、アルミニウム基材からなり接合面に酸化アルミニウム層を有する金属体と、該酸化アルミニウム層を介して該金属体に接合される樹脂体と、を備える金属樹脂接合部材であって、該樹脂体は、樹脂中に強化繊維が分散した複合材からなり、該金属体の接合面は、該樹脂体側にある頂部から該金属体側に連なる斜面を有する金属樹脂接合部材である。
(1)本発明は、上述した接合部材の製造方法としても把握できる。例えば、本発明は、上述した金属樹脂接合部材の製造方法であって、前記金属体を配置した成形型のキャビティへ、前記樹脂と前記強化繊維の溶融混合物を充填する充填工程と、該溶融混合物を固化させて前記樹脂体とする固化工程と、を備える金属樹脂接合部材の製造方法でもよい。
本発明の接合部材が高い接合強度を発揮し得る理由は定かではないが、現状、次のように推察される。FRPは、アスペクト比の大きな強化繊維の配向により、機械的性質(強度等)が方向により異なる(つまり異方性を有する)。例えば、樹脂の流動により強化繊維が配列する方向(配向方向)の引張強さは大きいが、その直交方向の引張強さは小さい。このため、直交方向の引張強さを指標する対向流ウエルドの引張強さ(単に「ウエルド強度」という。)は、例えば、配向方向の引張強さを指標する非ウエルド強度に対して、1/2〜1/3となる。
(1)接合部材は、強化繊維が金属体の(被)接合面に略平行に配向した領域が少ないほど、高い接合強度が発揮される。そこで例えば、酸化アルミニウム層がある接合面全体が、単数または複数の斜面で構成されていると好ましい。
金属体は、アルミニウム基材からなり、(被)接合面に酸化アルミニウム層が形成されている。
アルミニウム基材は、被接合面に酸化アルミニウム層の形成が可能であればよく、純アルミニウムでもアルミニウム合金でもよい。アルミニウム基材は、展伸材でも鋳造材でもよい。なお、アルミニウム基材がSiやMg等を多く含む場合、それら元素が単体または化合物等として露出している領域で、酸化アルミニウム層が形成されない場合もあり得る。このような場合、既述した特開2018−171749号公報(特許文献5)にあるように、カップリング剤を用いて被接合面を前処理したり、樹脂原料にカップリング剤を混在させたりしてもよい。
酸化アルミニウム層は、樹脂と接合できるものであればよい。酸化アルミニウム層は、自然酸化膜ではなく、最表面側にナノサイズの凹凸を有するものがよい。このような酸化アルミニウム層は、通常、陽極酸化処理により形成される。陽極酸化処理して得られた酸化アルミニウム層は、通常、バリアー層上に形成されたポーラス層(多孔質層)を有し、その多孔質層がナノサイズの凹凸(管)の集合体となっている。
金属体の(被)接合面には斜面が形成されているとよい。斜面は、樹脂体側に突出た頂部から、接合面の延在方向へ広がるように、金属体側に連なる。斜面は、平面でも曲面でもよい。斜面は錐体(角錐、円錐等)の側面でもよい。金属体の(被)接合面側は、平面的でも立体的でもよく、例えば、楔状、山状、槍状等でもよい。
樹脂体は、樹脂中に強化繊維が分散した複合材(FRP)からなる。樹脂は、熱硬化性樹脂でも、汎用プラスチック、汎用エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック等の熱可塑性樹脂でもよい。なお、樹脂体は、金属体との接合部にあればよい。接合部材は、樹脂体と金属体の二体のみを接合してなる場合に限らず、例えば、第1金属体と第2金属体が樹脂体を介して接合されたものでもよいし、逆に、第1樹脂体と第2樹脂体が金属体を介して接合されたものでもよい。樹脂体は、全体が均質的でもよいし、領域毎に機械的性質、強化繊維の分散量、樹脂の種類等が異なってもよい。
酸化アルミニウム層の代表的な形成方法は、アルミニウム基材の被接合面に対する陽極酸化処理である。陽極酸化処理の条件は、酸化アルミニウム層の要求仕様により、適宜調整される。上述した特有の柱状体を有する多孔質表面層や特有の微細凹部を有する多孔質中間層は、例えば、既述した特許文献(特表2016−522310号公報および特開2018−171749号公報)の記載に基づいて形成される。具体的にいうと次の通りである。
接合部材は、酸化アルミニウム層で被覆された金属体と、強化繊維を含む樹脂体とを酸化アルミニウム層を介して接合される。例えば、金属体を配置した成形型のキャビティへ、樹脂と強化繊維の溶融混合物を充填する充填工程と、その溶融混合物を固化させて樹脂体とする固化工程とにより接合部材が得られる。
接合部材は、種々の分野における様々な製品に利用可能である。例えば、自動車分野、家電分野、建築・土木分野等で、金属体と樹脂体を一体化した部品や製品等として用いられるとよい。本発明の接合部材は、接合強度が大きく、樹脂体も強化繊維を含み高強度であるため、例えば、構造部品等に好適である。また、本発明の接合部材は、射出成形(インサート成形)により製造可能であり、量産性にも優れる。
(1)金属片
アルミニウム基材(単に「基材」という。)として、Al−Mg−Si系アルミニウム合金(JIS A6061/Mg:0.8〜1.2%、Si:0.4〜0.8%、Cu:0.15〜0.4%、Cr:0.04〜0.35%、残部:Alと不純物/「%」は質量%を意味する。)の板材(厚さ:2mm/展伸材)を用いた。
樹脂原料として、次の3種類を用意した。
(a) PPS中にガラス繊維(強化繊維)が30%配合された強化樹脂
(DIC株式会社製FZ−2130)
ダンベル強度:145.3MPa、ウエルドダンベル強度:75.0MPa
(b) PPS中にガラス繊維が40%配合された強化樹脂
(DIC株式会社製FZ−2140)
ダンベル強度:160.2MPa、ウエルドダンベル強度:63.3MPa
(c) PPSからなる非強化樹脂 (東レ株式会社製A900)
ダンベル強度:77.4MPa、ウエルドダンベル強度:75.1MPa
上述した金属片と樹脂原料を用いて、射出成形装置(新興セルビック社製小型射出成形機C.Mobile)により、インサート成形を行った。成形型には、突合せ試験片を作製できる金型(図2参照)を用意した。この金型は、ISO規格(ISO 19095)に準拠して製作した。射出成形は、溶融樹脂温度:330℃、金型温度:140℃、成形圧力:70MPa、射出速度:50mm/secとして行った。
溶融樹脂は、金属片と反対側にある端面中央に設けた1箇所のゲートから、キャビティ内に固定した金属片の先端部中央に向けて射出した(充填工程)。
各試料に係る試験片を用いて引張試験を行い、接合強度を測定した。引張試験は、ISO規格(ISO 19095)に準拠して、インストロン型万能試験機(Instron社製「INSTRON 5566」)を用いて、引張速度:10mm/minで行った。破断時の荷重を、試験片の初期断面(10mm×2mm)で除して求めた接合強度(n=3:3回行った算術平均値)を表1に併せて示した。また、引張試験後の破断した試験片の様子を図3にまとめて示した。
(1)接合界面
試料2と試料C5の試験片について、接合界面近傍をX線により観察したCT(Computed Tomography)画像を図4に示した。
陽極酸化処理した金属片の被接合面を、特表2016−522310号公報または特開2018−171749号公報の記載に沿ってSEM観察した。その結果、金属片の被接合面に形成されていた酸化アルミニウム層の特徴は次の通りであった。
(a) 多孔質表面層
柱状体の平均高さ :50nm
柱状体の数の平均値 :200個
柱状体断面積の合計の平均値 :60000nm2
柱状体断面の周囲の長さの合計の平均値 :15000nm
(b) 多孔質中間層
平均厚さ(平均膜厚) :500nm
微細凹凸の平均細孔径 :20nm
微細凹凸の平均細孔間距離 :50nm
表1から次のことがわかる。試料C1〜C3のように、金属片の接合面が平坦面である場合、強化樹脂の有無や配合量に依らず、接合強度は42〜46MPa程度であった。これはウエルド強度の約3/5程度であった。
図4から明らかなように、高い接合強度が得られた試料2では、接合界面付近で、強化繊維(写真中で白く見える部分)が金属片の接合面に斜交(その法線に対して−45°〜45°の配向)していることがわかった。少なくとも、接合界面近傍では、他領域とは異なる方向に強化繊維が配向することがわかった。
Claims (8)
- アルミニウム基材からなり接合面に酸化アルミニウム層を有する金属体と、
該酸化アルミニウム層を介して該金属体に接合される樹脂体と、
を備える金属樹脂接合部材であって、
該樹脂体は、樹脂中に強化繊維が分散した複合材からなり、
該金属体の接合面は、該樹脂体側にある頂部から該金属体側に連なる斜面を有する金属樹脂接合部材。 - 前記斜面は、前記金属体側の幅(w)に対する前記樹脂体側への高さ(h)の比である斜度(h/w)が1〜10である請求項1に記載の金属樹脂接合部材。
- 前記強化繊維は、前記樹脂体全体に対して5〜55%含まれる請求項1または2に記載の金属樹脂接合部材。
- 前記酸化アルミニウム層は、最表面側にナノサイズの凹凸を有し、
前記強化繊維は、マクロサイズであり、
前記斜面は、ミリサイズである請求項1〜3のいずれかに記載の金属樹脂接合部材。 - 前記酸化アルミニウム層は、平均高さが10〜100nmの柱状体が分散した多孔質表面層を最表面側に有し、
該多孔質表面層は、無作為に抽出した400nm角の視野内における該柱状体の断面積の合計が平均で8000〜128000nm2であると共に該視野内における該柱状体の数が平均で10〜430個である請求項1〜4のいずれかに記載の金属樹脂接合部材。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の金属樹脂接合部材の製造方法であって、
前記金属体を配置した成形型のキャビティへ、前記樹脂と前記強化繊維の溶融混合物を充填する充填工程と、
該溶融混合物を固化させて前記樹脂体とする固化工程と、
を備える金属樹脂接合部材の製造方法。 - アルミニウム基材からなり酸化アルミニウム層を有する金属体と該酸化アルミニウム層を介して該金属体に接合される樹脂体とを備える金属樹脂接合部材の製造方法であって、
該金属体を配置した成形型のキャビティへ、樹脂と強化繊維の溶融混合物を充填する充填工程と、
該溶融混合物を固化させて該樹脂体とする固化工程とを備え、
該充填工程は、該金属体の酸化アルミニウム層に斜交する方向から該溶融混合物を該キャビティへ流入させる金属樹脂接合部材の製造方法。 - 前記酸化アルミニウム層は、前記アルミニウム基材への陽極酸化処理により形成される請求項6または7に記載の金属樹脂接合部材の製造方法。
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