JP5295741B2 - Composite of metal alloy and fiber reinforced plastic and method for producing the same - Google Patents

Composite of metal alloy and fiber reinforced plastic and method for producing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a joining force when metal alloy and fiber-reinforced plastic is joined together by a one-liquid type epoxy adhesive. <P>SOLUTION: An A7075 piece is etched, a roughness of micron order is produced on its surface, ultrafine unevenness made of a recess 40-100 nm in diameter is formed, and the surface layer is made of a thin aluminum oxide layer. After the CFRP as an adhesion object is cured three times, the surface is roughened and washed. The one-liquid type epoxy adhesive in which an inorganic filler (1) with the center of particle size distribution of 5-20 &mu;m, an ultrafine inorganic filler (2) with a particle size of 100 nm or below, and polyethersulphone resin powder (3) are filled in an epoxy resin is applied on the A7075 piece and the CFRP so that both are fixed and cured. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、移動機械、電気機器、医療機器、一般機械、その他の製造分野一般に関する。具体的には、金属合金と繊維強化プラスチック(以下、「FRP(Fiber Reinforced Plasticsの略)」という)をエポキシ系接着剤にて強固に接着した複合体の製造技術に関する。特に、金属合金と炭素繊維強化プラスチック(以下、「CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plasticsの略)」という)を接着した複合体の製造技術に関する。   The present invention relates to a mobile machine, an electric device, a medical device, a general machine, and other general manufacturing fields. Specifically, the present invention relates to a technique for manufacturing a composite in which a metal alloy and fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as “FRP (abbreviation of Fiber Reinforced Plastics)”) are firmly bonded with an epoxy-based adhesive. In particular, the present invention relates to a technique for manufacturing a composite in which a metal alloy and a carbon fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as “CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)”) are bonded.

金属合金と樹脂を一体化する技術は、航空機、自動車、家庭電化製品、産業機器等、あらゆる製造業で求められており、このために多くの接着剤が開発されている。この中には非常に優れた接着剤がある。例えば常温又は加熱により機能を発揮する接着剤は、金属合金と合成樹脂を一体化する接合に使用され、この方法は現在では一般的な接着技術である。   A technique for integrating a metal alloy and a resin is required in all manufacturing industries such as aircraft, automobiles, home appliances, and industrial equipment, and many adhesives have been developed for this purpose. Among these are very good adhesives. For example, an adhesive exhibiting a function at room temperature or by heating is used for joining to integrate a metal alloy and a synthetic resin, and this method is currently a common bonding technique.

一方、接着剤を使用しない接合方法も研究されてきた。マグネシウム、アルミニウムやその合金である軽金属類、又、ステンレスなど鉄合金類に対し、接着剤の介在なしで高強度の熱可塑性のエンジニアリング樹脂を一体化させる方法がある。例えば、射出等の方法で樹脂成形と同時に接合を為す方法(以下、「射出接合」という)として、アルミニウム合金に対し熱可塑性樹脂であるポリブチレンテレフタレート樹脂(以下「PBT」という)又はポリフェニレンサルファイド樹脂(以下「PPS」という)を射出接合させる製造技術が開発されている(例えば特許文献1、2参照)。加えて、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼等も同系統の樹脂を使用した射出接合が可能であることが実証されている(特許文献3、4、5、6参照)。   On the other hand, bonding methods that do not use an adhesive have also been studied. There is a method in which a high-strength thermoplastic engineering resin is integrated with magnesium, aluminum, light metals such as alloys thereof, and iron alloys such as stainless steel without an adhesive. For example, as a method of joining simultaneously with resin molding by a method such as injection (hereinafter referred to as “injection joining”), polybutylene terephthalate resin (hereinafter referred to as “PBT”) or polyphenylene sulfide resin which is a thermoplastic resin for an aluminum alloy Manufacturing techniques for injection joining (hereinafter referred to as “PPS”) have been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In addition, it has been demonstrated that magnesium alloy, copper alloy, titanium alloy, stainless steel, and the like can be injection-bonded using the same type of resin (see Patent Documents 3, 4, 5, and 6).

特許文献1及び2における射出接合の原理を以下に示す。アルミニウム合金を水溶性アミン系化合物の希薄水溶液に浸漬させ、アルミニウム合金を水溶液の弱い塩基性によって微細エッチングする。この浸漬処理では、アルミニウム合金表面に超微細凹凸が形成されると共に、アルミニウム合金表面へのアミン系化合物分子の吸着が同時に起こる。この表面処理がなされたアルミニウム合金を射出成形金型にインサートし、溶融した熱可塑性樹脂を高圧で射出させる。このとき、熱可塑性樹脂と、アルミニウム合金表面に吸着していたアミン系化合物分子が遭遇することで化学反応する。この化学反応は、この熱可塑性樹脂が低温の金型温度に保たれたアルミニウム合金に接して急冷されて結晶化し固化せんとする物理反応を抑制する。その結果、樹脂は、結晶化や固化が遅れ、その間にアルミニウム合金表面の超微細凹凸に浸入する。このことにより、熱可塑性樹脂は外力を受けてもアルミニウム合金表面から剥がれ難くなる。即ち、アルミニウム合金と形成された樹脂成形物は強固に接合する。別の言い方で、化学反応と物理反応が競争反応の関係になり、この場合は化学反応が優先されるため強固な射出接合が生じると言える。実際、アミン系化合物と化学反応できるPBTやPPSがこのアルミニウム合金と射出接合ができることを確認している。この射出接合のメカニズムを発明者らは「NMT(Nano molding technologyの略)」理論と称した。   The principle of injection joining in Patent Documents 1 and 2 is shown below. The aluminum alloy is immersed in a dilute aqueous solution of a water-soluble amine compound, and the aluminum alloy is finely etched by the weak basicity of the aqueous solution. In this immersion treatment, ultrafine irregularities are formed on the surface of the aluminum alloy, and at the same time, adsorption of amine compound molecules on the surface of the aluminum alloy occurs. The surface-treated aluminum alloy is inserted into an injection mold, and the molten thermoplastic resin is injected at a high pressure. At this time, a chemical reaction occurs when the thermoplastic resin and the amine compound molecules adsorbed on the aluminum alloy surface are encountered. This chemical reaction suppresses a physical reaction in which the thermoplastic resin is rapidly cooled in contact with an aluminum alloy maintained at a low mold temperature to crystallize and solidify. As a result, the resin is delayed in crystallization and solidification, and in the meantime, enters the ultra-fine irregularities on the surface of the aluminum alloy. This makes it difficult for the thermoplastic resin to peel off from the aluminum alloy surface even when subjected to external force. That is, the resin molded product formed with the aluminum alloy is firmly bonded. In other words, the chemical reaction and the physical reaction are in a competitive relationship, and in this case, the chemical reaction is prioritized, so it can be said that strong injection joining occurs. In fact, it has been confirmed that PBT and PPS that can chemically react with an amine compound can be injection-bonded with the aluminum alloy. The inventors called this injection joining mechanism the “NMT” (abbreviation of Nano molding technology) theory.

また、本発明者らは、特許文献3、4、5、及び6に示すように、アミン系化合物の金属合金表面への化学吸着なしに、要するに特段の発熱反応や何らかの化学反応の助力を得ることなしに、射出接合が可能な条件を発見した。即ち、アルミニウム合金以外の金属合金についても、その金属合金と熱可塑性樹脂を射出接合によって強固に接合することができる条件を発見し、この条件に基づく射出接合のメカニズムを「新NMT(Nano molding technologyの略)」理論と称した。   In addition, as shown in Patent Documents 3, 4, 5, and 6, the present inventors obtain special exothermic reaction or assistance of some chemical reaction without chemical adsorption of the amine compound to the metal alloy surface. We have found a condition that enables injection joining without any problem. In other words, for metal alloys other than aluminum alloys, we discovered a condition that allows the metal alloy and thermoplastic resin to be firmly joined by injection joining. The mechanism of injection joining based on this condition is described as “New NMT (Nano molding technology). Abbreviated) ”theory.

これらの発明は全て本発明者らによるが、これらは比較的単純な接合理論によっている。本発明者らは、アルミニウム合金に関する射出接合理論を「NMT(Nano molding technologyの略)」理論と称し、金属合金全般の射出接合理論に関しては、「新NMT」理論と称している。より広く使用できる「新NMT」理論の仮説は以下の通りである。即ち、強烈な接合力ある射出接合を得るために、金属合金側と射出樹脂側の双方に各々条件があり、まず金属側については以下に示す3条件が必要である。   All of these inventions are by the inventors, but they are based on a relatively simple joining theory. The inventors of the present invention refer to an injection joining theory relating to an aluminum alloy as “NMT (abbreviation of Nano molding technology)” theory, and an injection joining theory relating to all metal alloys as “new NMT” theory. The hypothesis of the “new NMT” theory that can be used more widely is as follows. That is, in order to obtain injection bonding with strong bonding strength, there are conditions on both the metal alloy side and the injection resin side. First, the following three conditions are necessary on the metal side.

[新NMT理論での金属合金側の条件]
第1条件は、金属合金表面が、化学エッチング手法によって1〜10μm周期の凹凸で、その凹凸高低差がその周期の半分程度まで、即ち0.5〜5μmまでの粗い粗面になっていることである。ただし、実際には、前記粗面で正確に全表面を覆うことはバラツキがあり、一定しない化学反応では難しく、具体的には、粗度計で見た場合に0.2〜20μm範囲の不定期な周期の凹凸で、且つその最大高低差が0.2〜5μmの範囲である粗度曲線が描けること、又は、最新型のダイナミックモード型の走査型プローブ顕微鏡で走査して、JIS規格(JISB0601:2001)でいう平均周期、即ち山谷平均間隔(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmである粗度面であれば、前記で示した粗度条件を実質的に満たしたものと考えている。本発明者等は、理想とする粗面の凹凸周期が前記したように、ほぼ1〜10μmであるので、分かり易い言葉として「ミクロンオーダーの粗度を有する表面」と称した。
[Conditions on the metal alloy side in the new NMT theory]
The first condition is that the metal alloy surface has irregularities with a period of 1 to 10 μm by a chemical etching method, and the irregularity height difference is about half of the period, that is, a rough rough surface of 0.5 to 5 μm. It is. However, in actuality, it is difficult to accurately cover the entire surface with the rough surface, and it is difficult to perform a chemical reaction that is not constant. Specifically, when viewed with a roughness meter, it is not within the range of 0.2 to 20 μm. Draw a roughness curve with regular periodic irregularities and a maximum height difference in the range of 0.2-5 μm, or scan with the latest dynamic mode scanning probe microscope to meet JIS standards ( JISB0601: 2001) The average period, that is, the roughness surface having a peak-valley average interval (RSm) of 0.8 to 10 μm and a maximum height roughness (Rz) of 0.2 to 5 μm, is shown above. It is considered that the roughness condition was substantially satisfied. The inventors of the present invention called the “surface having a micron-order roughness” as an easy-to-understand word because the ideal rough surface irregularity period is approximately 1 to 10 μm as described above.

第2の条件は、上記ミクロンオーダーの粗度を有する金属合金表面に、さらに5nm以上の超微細凹凸が形成されていることである。言い換えると、ミクロの目で見てザラザラ面であることを要する。当該条件を具備するために、上記金属合金表面に、微細エッチングや酸化処理、化成処理等を行い、前述のミクロンオーダーの粗度をなす凹部内壁面に5〜500nm、好ましくは10〜300nm、より好ましくは50〜100nm周期の超微細凹凸を形成する。   The second condition is that ultrafine irregularities of 5 nm or more are further formed on the surface of the metal alloy having a roughness on the order of microns. In other words, it needs to be rough when viewed with microscopic eyes. In order to satisfy these conditions, the surface of the metal alloy is subjected to fine etching, oxidation treatment, chemical conversion treatment, etc., and the inner wall surface of the concave portion having the above-mentioned micron-order roughness is 5 to 500 nm, preferably 10 to 300 nm. Preferably, ultra fine irregularities with a period of 50 to 100 nm are formed.

この超微細凹凸について述べると、その凹凸周期が10nm以下の周期であると樹脂分の進入が明らかに難しくなる。また、この場合には通常、凹凸高低差も小さくなるので、樹脂側から見て円滑面に見える。その結果、スパイクの役目を為さなくなる。又、周期が300〜500nm程度又はこれよりよりも大きな周期なら(その場合、ミクロンオーダーの粗度をなす凹部の直径や周期は10μm近くになると推定される)、ミクロンオーダーの凹部内でのスパイクの数が激減するので効果が効き難くなる。よって、原則としては、超微細凹凸の周期が10〜300nmの範囲であることを要する。しかしながら、超微細凹凸の形状によっては、5nm〜10nm周期のものでも、樹脂がその間に侵入する場合がある。例えば、5〜10nm直径の棒状結晶が錯綜している場合等がこれに該当する。また、300nm〜500nm周期のものでも、超微細凹凸の形状がアンカー効果を生じやすい場合がある。例えば、高さ及び奥行きが数百〜500nmで、幅が数百〜数千nmの階段が無限に連続した形状がこれに該当する。このような場合も含め、要求される超微細凹凸の周期を5nm〜500nmと規定した。   Describing the ultra-fine irregularities, if the irregular period is a period of 10 nm or less, it is clearly difficult to enter the resin component. Further, in this case, since the unevenness height difference is usually small, it looks smooth as viewed from the resin side. As a result, it no longer serves as a spike. Also, if the period is about 300 to 500 nm or longer (in that case, the diameter and period of the concave part having a micron order roughness is estimated to be close to 10 μm), the spike in the micron order concave part Because the number of slashes, the effect becomes difficult to work. Therefore, in principle, it is necessary that the period of the ultra fine irregularities is in the range of 10 to 300 nm. However, depending on the shape of the ultra-fine irregularities, the resin may enter between them even if it has a period of 5 nm to 10 nm. For example, this is the case when rod-like crystals having a diameter of 5 to 10 nm are complicated. Even with a period of 300 nm to 500 nm, the shape of the ultra-fine irregularities may easily cause an anchor effect. For example, this corresponds to an infinitely continuous staircase having a height and depth of several hundred to 500 nm and a width of several hundred to several thousand nm. Including such a case, the required period of ultra fine irregularities was specified to be 5 nm to 500 nm.

ここで、従来は上記第1の条件に関して、Rsmの範囲を1〜10μm、Rzの範囲を0.5〜5μmと規定していたが、Rsmが0.8〜1μm、Rzが0.2〜0.5μmの範囲であっても、超微細凹凸の凹凸周期が、特に好ましい範囲(概ね30〜100nm)に有れば、接合力が高く維持できる。それ故に、Rsmの範囲を小さい方にやや広げることとした。即ち、Rsmが0.8〜10μm、Rzが0.2〜5μmの範囲とした。   Here, conventionally, regarding the first condition, the range of Rsm was defined as 1 to 10 μm and the range of Rz was defined as 0.5 to 5 μm, but Rsm was 0.8 to 1 μm and Rz was 0.2 to 0.2 μm. Even if it is the range of 0.5 micrometer, if the uneven | corrugated period of an ultra fine unevenness | corrugation exists in the especially preferable range (generally 30-100 nm), joining force can be maintained highly. Therefore, the Rsm range was slightly expanded to a smaller value. That is, Rsm was in the range of 0.8 to 10 μm and Rz was in the range of 0.2 to 5 μm.

さらに、第3の条件は、上記金属合金の表層がセラミック質であることである。具体的には、元来耐食性のある金属合金種に関しては、その表層が自然酸化層レベルかそれ以上の厚さの金属酸化物層であることを要し、耐食性が比較的低い金属合金種(例えばマグネシウム合金や一般鋼材等)では、その表層が化成処理等によって生成した金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であることが第3の条件となる。これらを模式的に図にすると図15のようになる。金属合金相40の表面にはミクロンオーダーの粗度を成している凹部(C)が形成され、さらにその凹部内壁には超微細凹凸(A)が形成され、表層はセラミック質層41となっており、この超微細凹凸に接着剤硬化物相42の一部が浸入している。このようにした金属合金表面に液状の樹脂組成物が侵入し、侵入後に硬化すると、金属合金と硬化した樹脂組成物は非常に強固に接合するという簡潔な考え方である。   Furthermore, the third condition is that the surface layer of the metal alloy is ceramic. Specifically, with respect to the metal alloy type that originally has corrosion resistance, the surface layer needs to be a metal oxide layer having a thickness equal to or greater than that of the natural oxide layer, and the metal alloy type having relatively low corrosion resistance ( For example, in the case of a magnesium alloy or a general steel material, the third condition is that the surface layer is a thin layer of metal oxide or metal phosphorous oxide generated by chemical conversion treatment or the like. These are schematically illustrated as shown in FIG. The surface of the metal alloy phase 40 is formed with a concave portion (C) having a roughness on the order of microns, and further, an ultrafine unevenness (A) is formed on the inner wall of the concave portion, and the surface layer becomes a ceramic layer 41. A part of the cured adhesive phase 42 has infiltrated into the ultra-fine irregularities. When the liquid resin composition penetrates into the surface of the metal alloy thus formed and is cured after the penetration, the metal alloy and the cured resin composition are joined together very firmly.

[新NMT理論での樹脂側の条件]
次に、樹脂側の条件を説明する。樹脂としては、硬質の高結晶性の熱可塑性樹脂であって、これに適切な別ポリマーをコンパウンドする等して、急冷時での結晶化速度を遅くした物が使用できる。実際には、結晶性の硬質樹脂であるPBTやPPSに適切な別ポリマー及びガラス繊維等をコンパウンドした樹脂組成物が使用できる。
[Conditions on the resin side in the new NMT theory]
Next, the conditions on the resin side will be described. As the resin, it is possible to use a hard, highly crystalline thermoplastic resin that has a reduced crystallization rate during quenching by compounding another polymer suitable for this. Actually, a resin composition compounded with another polymer suitable for PBT or PPS, which is a crystalline hard resin, and glass fiber can be used.

[新NMT理論に基づく射出接合]
上記金属合金及び樹脂を使用して、一般の射出成形機、射出成形金型によって射出接合できるが、この過程を前述の「新NMT」理論仮説に従って説明する。射出した溶融樹脂は、融点よりも150℃程度温度が低い金型内に導かれるが、この流路で冷やされ、融点以下の温度になっているとみられる。即ち、溶融した結晶性樹脂が急冷された場合、融点以下になったとしてもゼロ時間で結晶が生じ固体に変化することはない。要するに、融点以下ながら溶融している状態、即ち過冷却状態がごく短時間存在する。前述したように、PBTやPPSに特殊なコンパウンドを行うことによって、この過冷却時間を少し長くすることが可能である。これを利用して大量の微結晶が生じることによる粘度の急上昇が起こる前に、ミクロンオーダーの粗度を有する金属表面の凹部にその微結晶が侵入できるようにした。侵入後も冷え続けるので、これに伴い微結晶の数が急激に増えて粘度は急上昇する。しかし、凹部の奥底まで樹脂が到達できるか否かは凹部の大きさや形状にも依存する。
[Injection joining based on the new NMT theory]
The above metal alloy and resin can be used for injection joining with a general injection molding machine or injection mold. This process will be described according to the above-mentioned “new NMT” theoretical hypothesis. The injected molten resin is introduced into a mold having a temperature of about 150 ° C. lower than the melting point, but is cooled in this flow path, and is considered to be a temperature below the melting point. That is, when the molten crystalline resin is rapidly cooled, even if the melting point is lower than the melting point, crystals are formed in zero time and do not change to a solid. In short, a melted state below the melting point, that is, a supercooled state exists for a very short time. As described above, this supercooling time can be lengthened a little by applying a special compound to PBT or PPS. This was used to allow the microcrystals to penetrate into the concave portions of the metal surface having a roughness on the order of microns before the viscosity rapidly increased due to the generation of a large amount of microcrystals. Since it continues to cool after intrusion, the number of microcrystals increases rapidly with this, and the viscosity increases rapidly. However, whether the resin can reach the depth of the recess depends on the size and shape of the recess.

本発明者等の実験結果では、金属種を選ばず、上記ミクロンオーダーの粗度に係る1〜10μm径の凹部であって、その深さが周期の半分程度までであれば、凹部の結構奥まで微結晶が侵入すると推測された。さらに、その凹部内壁面が、前述した第2条件のように、ミクロの目で見てザラザラ面であれば、超微細凹凸にも一部樹脂が侵入し、その結果、樹脂側に引き抜き力が付加されても引っかかって抜け難くなると推定される。そしてこのザラザラ面が、第3条件で示したように金属酸化物又は金属リン酸化物で覆われていれば、硬度が高く、樹脂と超微細凹凸に係る凹部との引っ掛かりが、スパイクの如く効果的になる。   In the experimental results of the present inventors, the metal type is not selected, and the concave portion having a diameter of 1 to 10 μm according to the roughness on the micron order, and if the depth is about half of the period, the concave portion is quite deep. It was estimated that microcrystals invaded. Furthermore, if the inner wall surface of the recess is rough when viewed with a microscopic eye as in the second condition described above, a part of the resin also penetrates into the ultra-fine irregularities, and as a result, a pulling force is exerted on the resin side. It is presumed that even if it is added, it will be caught and difficult to come off. And if this rough surface is covered with metal oxide or metal phosphorous oxide as shown in the third condition, the hardness is high, and the catch between the resin and the concave portion related to the ultra fine unevenness is effective as a spike. Become.

具体例を示す。例えば、マグネシウム合金の場合、自然酸化層で覆われたままのマグネシウム合金では耐食性が低いので、これを化成処理して表層を金属酸化物、金属炭酸化物、または金属リン酸化物にすることで、硬度の高いセラミックス質で覆われた表面とすることができる。このように表面処理されたマグネシウム合金を射出成形金型にインサートした場合、金型及びインサートしたマグネシウム合金は射出する樹脂の融点より100℃以上低い温度に保たれているので、射出された樹脂は金型内の流路に入った途端に急冷され、マグネシウム合金に接近した時点で融点以下になっている可能性が高い。   A specific example is shown. For example, in the case of a magnesium alloy, the corrosion resistance of a magnesium alloy that is still covered with a natural oxide layer is low, so by converting this into a metal oxide, metal carbonate, or metal phosphate, The surface can be covered with a ceramic material having high hardness. When the surface-treated magnesium alloy is inserted into an injection mold, the mold and the inserted magnesium alloy are kept at a temperature lower than the melting point of the resin to be injected by at least 100 ° C. As soon as it enters the flow path in the mold, it is rapidly cooled, and when it approaches the magnesium alloy, there is a high possibility that it is below the melting point.

マグネシウム合金表面の凹部の径が1〜10μm程度と比較的大きい場合、過冷却によって微結晶が生じる限られた時間内に樹脂は浸入し得る。また、生じた高分子微結晶群の数密度がまだ小さい場合も上記凹部なら樹脂は浸入し得る。それは微結晶、すなわち不規則に運動していた分子鎖から分子鎖に何らかの整列状態が生じたときの形を有する微結晶の大きさが、分子モデルから推定すると数nm〜10nmの大きさとみられるからである。それゆえ、微結晶は10nm径の超微細凹凸に対し簡単に侵入できるとは言い難いが、数十nm周期の超微細凹凸ならば、若干は樹脂流の先端が浸入する可能性がある。ただし、微結晶は同時発生的に無数に生じるので、射出樹脂の先端や金型金属面に接している箇所では樹脂流の粘度が急上昇する。化成処理をしたマグネシウム合金表面を電子顕微鏡で観察すると10〜50nm周期の超微細凹凸面が観察され、この程度の周期の超微細凹凸であれば、樹脂流の粘度が急上昇する前に頭を突っ込み得る。   When the diameter of the concave portion on the surface of the magnesium alloy is relatively large, such as about 1 to 10 μm, the resin can enter within a limited time during which microcrystals are generated by supercooling. Further, even when the number density of the generated polymer microcrystal group is still small, the resin can penetrate if it is the concave portion. Because the size of a microcrystal, that is, a crystallite having a shape when an alignment state occurs from a molecular chain that has been moving irregularly to a molecular chain, is estimated to be a size of several to 10 nm when estimated from a molecular model. It is. Therefore, it is difficult to say that microcrystals can easily penetrate into ultrafine irregularities with a diameter of 10 nm. However, if the ultrafine irregularities have a period of several tens of nm, there is a possibility that the tip of the resin flow slightly enters. However, since innumerable microcrystals are generated at the same time, the viscosity of the resin flow rapidly rises at the point where it is in contact with the tip of the injection resin or the metal mold surface. When the surface of the magnesium alloy that has been subjected to chemical conversion treatment is observed with an electron microscope, an ultrafine uneven surface with a period of 10 to 50 nm is observed, and if this is an ultrafine unevenness with a period of this level, the head is thrust before the viscosity of the resin flow suddenly rises. obtain.

また、銅合金、チタン合金や鋼材等の金属合金表面を酸化させ、又は化成処理を施して、その表層を金属酸化物等のセラミック質の微結晶群又はアモルファス層とした場合、PPS樹脂(急冷時のPPS分子結晶化速度を低下させ得たPPS樹脂コンパウンド)を射出接合すると、相当強い接合力が生じた。   In addition, when the surface of a metal alloy such as a copper alloy, titanium alloy, or steel material is oxidized or subjected to chemical conversion treatment to form a ceramic crystallite group such as a metal oxide or an amorphous layer, a PPS resin (rapidly cooled) When injection bonding of a PPS resin compound that was able to reduce the PPS molecular crystallization speed at the time, a considerably strong bonding force was generated.

ここで、接合自体は、樹脂成分と金属合金表面の問題であるが、樹脂組成物に強化繊維や無機フィラーが入っていると、樹脂全体の線膨張率を金属合金に近づけられるので接合後の接合力維持が容易になる。例えばマグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼等に、PBTやPPS系樹脂を射出接合して得た複合体は、せん断破断力で20〜30MPa(約200〜300kgf/cm2)以上、引っ張り破断力で30〜40MPa(約300〜400kgf/cm2)以上となり、強固な複合体であることが確認されている。   Here, the bonding itself is a problem of the resin component and the surface of the metal alloy, but if the resin composition contains reinforcing fibers or inorganic fillers, the linear expansion coefficient of the entire resin can be brought close to that of the metal alloy, so It becomes easy to maintain the bonding force. For example, a composite obtained by injection-bonding a PBT or PPS resin to a magnesium alloy, copper alloy, titanium alloy, stainless steel, etc. has a shear breaking force of 20 to 30 MPa (about 200 to 300 kgf / cm 2) or more. The force is 30 to 40 MPa (about 300 to 400 kgf / cm 2) or more, which is confirmed to be a strong composite.

[NAT理論(接着剤接合)]
本発明者らは、接着剤接合に関しても「新NMT」理論仮説が応用できると考え、類似理論による高強度の接着が可能であるかを確認した。そして、市販の汎用の1液性エポキシ系接着剤を使用し、金属合金の表面構造を工夫することで、より接着力の高い複合体を得ようと試みた。
[NAT theory (adhesive bonding)]
The present inventors considered that the “new NMT” theoretical hypothesis can be applied to adhesive bonding, and confirmed whether high-strength bonding based on a similar theory is possible. And it tried to obtain the composite_body | complex with higher adhesive force by using the commercially available general-purpose one-component epoxy adhesive and devising the surface structure of the metal alloy.

接着剤接合の実験手法に関する手順を以下に示す。前記「新NMT」理論に基づき、射出接合実験で使用したものと同じ表面の金属合金(即ち上記3条件を満たす金属合金)を作成した。そして、液状の1液性エポキシ系接着剤をその金属合金の所定範囲に塗布し、デシケータに入れて一旦真空下に置き、その後常圧に戻すという操作を繰り返すことによって金属合金表面の超微細凹凸面に接着剤を侵入させる。その後、前記所定範囲に被着材を貼り合わせ、加熱して硬化させる方法である。   The procedure regarding the experimental method of adhesive bonding is shown below. Based on the “new NMT” theory, a metal alloy having the same surface as that used in the injection joining experiment (that is, a metal alloy satisfying the above three conditions) was prepared. Then, a liquid one-part epoxy adhesive is applied to a predetermined range of the metal alloy, placed in a desiccator, once placed in a vacuum, and then returned to normal pressure. Allow the adhesive to penetrate the surface. Thereafter, the adherend is bonded to the predetermined range and heated to be cured.

こうした場合、金属合金表面のミクロンオーダーの粗度に係る凹部(前記第1条件における凹凸の凹部)内に、多少の粘度あるエポキシ系接着剤も液体故に侵入可能である。そして侵入したエポキシ系接着剤は、その後の加熱でこの凹部内で硬化することになる。実際には、この凹部の内壁面には超微細凹凸がさらに形成されており(前記の第2条件)、且つこの超微細凹凸は、セラミック質の高硬度の薄膜(前記の第3条件)で覆われていることから、凹部内部に侵入して固化したエポキシ樹脂は、スパイクのような超微細凹凸に掴まって抜け難くなる。   In such a case, an epoxy adhesive having a certain viscosity can penetrate into the concave portion (roughness concave portion in the first condition) on the surface of the metal alloy having a roughness on the micron order because it is liquid. And the epoxy adhesive which penetrate | invaded hardens | cures in this recessed part by subsequent heating. Actually, an ultrafine unevenness is further formed on the inner wall surface of the recess (the second condition), and the ultrafine unevenness is a thin ceramic-like thin film (the third condition). Since it is covered, the epoxy resin that has entered the inside of the recess and solidified is difficult to come out by being gripped by ultra-fine irregularities such as spikes.

本発明者らは、「新NMT」理論を応用して、1液性エポキシ系接着剤によって、金属合金同士及び金属合金とCFRPとの高強度の接着が可能であることを実証した。一例として、A7075アルミニウム合金板同士を、市販の汎用エポキシ系接着剤のみからなる接着剤で接合した結果、70MPaもの強烈なせん断破断力、引っ張り破断力を示す接合体を得ることができた。   The present inventors have applied the “new NMT” theory and have demonstrated that high strength adhesion between metal alloys and between metal alloys and CFRP is possible with a one-component epoxy adhesive. As an example, as a result of joining A7075 aluminum alloy plates with an adhesive composed only of a commercially available general-purpose epoxy adhesive, a joined body having an intense shear breaking force and tensile breaking force as high as 70 MPa could be obtained.

実際、このような高強度の接着剤接合は、本発明者等によって、アルミニウム合金に次いで、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼、一般鋼材、アルミ鍍金鋼板、亜鉛鍍金鋼板に於いて実証された(特許文献7、8、9、10、11、12、13、及び14参照)。いずれも金属合金表面の状態を制御することによって、各種金属合金を過去に例のない強さで接着することができた。具体的には、各種金属合金同士を市販の1液性エポキシ系接着剤を用いて接合した接合体で、概ね50〜70MPaのせん断破断力又は引っ張り破断力を示した。このような接着剤接合に関して「新NMT」理論を応用した前記技術を、本発明者らは「NAT(Nano adhesion technologyの略)」と称している。   In fact, such high-strength adhesive bonding has been demonstrated by the present inventors in magnesium alloys, copper alloys, titanium alloys, stainless steels, general steel materials, aluminum-plated steel sheets, and zinc-plated steel sheets following aluminum alloys. (See Patent Documents 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, and 14). In any case, various metal alloys could be bonded with unprecedented strength by controlling the state of the metal alloy surface. Specifically, it was a joined body in which various metal alloys were joined together using a commercially available one-component epoxy adhesive, and showed a shear breaking force or tensile breaking force of about 50 to 70 MPa. The present inventors have applied the “new NMT” theory for such adhesive bonding as “NAT (abbreviation of nano adhesion technology)”.

WO 03/064150 A1(アルミニウム合金)WO 03/064150 A1 (aluminum alloy) WO 2004/041532 A1(アルミニウム合金)WO 2004/041532 A1 (Aluminum alloy) WO 2008/069252 A1(マグネシウム合金)WO 2008/069252 A1 (magnesium alloy) WO 2008/047811 A1(銅合金)WO 2008/047811 A1 (copper alloy) WO 2008/078714 A1(チタン合金)WO 2008/078714 A1 (titanium alloy) WO 2008/081933 A1(ステンレス鋼)WO 2008/081933 A1 (stainless steel) PCT/JP2008/054539(アルミニウム合金)PCT / JP2008 / 054539 (aluminum alloy) PCT/JP2008/057309(マグネシウム合金)PCT / JP2008 / 057309 (magnesium alloy) PCT/JP2008/056820(銅合金)PCT / JP2008 / 056820 (Copper alloy) PCT/JP2008/057131(チタン合金)PCT / JP2008 / 0571131 (titanium alloy) PCT/JP2008/057922(ステンレス鋼)PCT / JP2008 / 057922 (stainless steel) PCT/JP2008/059783(一般鋼材)PCT / JP2008 / 059783 (general steel) 特願2007−336378号公報(アルミ鍍金鋼板)Japanese Patent Application No. 2007-336378 (aluminum plated steel sheet) 特願2008−67313号公報(亜鉛系鍍金鋼板)Japanese Patent Application No. 2008-67313 (galvanized steel sheet) 特願2007−325737号(CNT)Japanese Patent Application No. 2007-325737 (CNT) 特開2006―89711号(CNT、パーカー)JP 2006-89711 (CNT, Parker)

本発明者らは、前述したように市販の1液性エポキシ系接着剤を使用し、「NAT」理論に基づいて、金属合金同士又は金属合金とCFRPを接着接合する実験を行ったが、金属合金とCFRPの接着接合に関しては、金属合金同士の接着接合した場合と比較して、せん断破断力又は引っ張り破断力が低下する傾向にあった。金属合金とCFRPの強固な接合は、航空機や船舶等の様々な分野で待望されているが、市販の1液性エポキシ系接着剤では、本発明者らが期待していた金属合金同士の接着接合と同等の接合力を生じさせることはできなかった。また、金属合金とCFRPを接着接合した複合体は、せん断破断力又は引っ張り破断力の複合体間のばらつきが大きく、実用性に問題があった。接着剤を改良し、そのばらつきを小さくすることは可能であったが、これが達成される一方で、金属合金同士を接着接合した場合と比較した接合力の劣化が明確になった。   As described above, the present inventors used a commercially available one-component epoxy adhesive, and based on the “NAT” theory, conducted an experiment in which metal alloys or metal alloys and CFRP were bonded to each other. Regarding the adhesive bonding between the alloy and the CFRP, the shear breaking force or the tensile breaking force tended to decrease as compared with the case where the metal alloy was bonded to each other. Strong bonding between a metal alloy and CFRP is expected in various fields such as aircraft and ships. However, with a commercially available one-component epoxy adhesive, the metal alloys that the present inventors have expected can be bonded to each other. The joining force equivalent to joining could not be produced. In addition, the composite in which the metal alloy and CFRP are bonded and bonded has a large variation between the composites in the shear breaking force or tensile breaking force, and there is a problem in practicality. Although it was possible to improve the adhesive and reduce the variation, this was achieved, but the deterioration of the bonding force compared to the case where the metal alloys were bonded and bonded became clear.

本発明は、このような背景のもとになされたものであり、その目的は、金属合金と繊維強化プラスチックを1液性エポキシ系接着剤によって接合したときの接合力を向上させることにある。   The present invention has been made based on such a background, and an object thereof is to improve the bonding force when a metal alloy and a fiber reinforced plastic are bonded by a one-component epoxy adhesive.

本発明者らは、当初、金属合金とCFRPとの接着接合に際しては、CFRPのマトリックス樹脂と接着剤を組成する樹脂を同時に硬化させる共硬化(以下「コキュア」という)を利用するのが最適であると考えた。即ち、CFRPプリプレグが熱硬化型エポキシ系樹脂組成物からなるマトリックス樹脂を使用しており、金属合金に塗布した接着剤も熱硬化型エポキシ樹脂を組成物としているから、同時硬化させることで強固な接合が達成されると推定した。CFRPプリプレグとエポキシ系接着剤の双方が共に一旦融解してそして共にゲル化、硬化することで最適な接着接合が達成されると考えたのである。それ故、接着剤を塗布した金属合金とCFRPプリプレグを強く抱き合わせ、その状態で加熱硬化を行い、上述した結果を得た。   In the beginning, the present inventors optimally use co-curing (hereinafter referred to as “cocure”) in which the CFRP matrix resin and the resin constituting the adhesive are simultaneously cured in the adhesive bonding between the metal alloy and CFRP. I thought it was. That is, the CFRP prepreg uses a matrix resin made of a thermosetting epoxy resin composition, and the adhesive applied to the metal alloy also uses a thermosetting epoxy resin as a composition. It was estimated that joining was achieved. It was thought that both the CFRP prepreg and the epoxy adhesive were once melted and then gelled and cured together to achieve the optimum adhesive bonding. Therefore, the metal alloy coated with the adhesive and the CFRP prepreg were strongly bonded together and heat-cured in that state to obtain the above-described result.

その結果は前述した様に金属合金同士の接合力には及ばなかった。破断面(アルミニウム合金とCFRPの複合体の破断面)を観察したところ、一定の傾向が見られた。せん断破断力が高かった複合体ではアルミニウム合金側の破断面に炭素繊維が必ず存在した。炭素繊維は黒色物であるから、目視で確認可能であった。また、せん断破断力が高い複合体ほど、アルミニウム合金側の破断面に炭素繊維が多く確認された。ここで、アルミニウム合金と接着接合させるのは量産品のCFRPプリプレグではあったが、プリプレグ表面から炭素繊維が浮き出している箇所が僅かに存在した可能性があったので、その場合、はみ出した炭素繊維がアルミニウム合金側に塗った接着剤に取り込まれて破断後にアルミニウム合金側に残り得ると考えていた。   As described above, the result did not reach the bonding force between metal alloys. When a fracture surface (a fracture surface of a composite of an aluminum alloy and CFRP) was observed, a certain tendency was observed. Carbon fibers were always present on the fracture surface on the aluminum alloy side in the composite with high shear fracture strength. Since the carbon fiber was a black material, it could be confirmed visually. In addition, a composite having a higher shear breaking strength was confirmed to have more carbon fibers on the fracture surface on the aluminum alloy side. Here, it was a mass-produced CFRP prepreg that was adhesively bonded to the aluminum alloy, but there was a possibility that the carbon fiber was slightly raised from the surface of the prepreg. In that case, the protruding carbon fiber Had been taken into the adhesive applied to the aluminum alloy side and could remain on the aluminum alloy side after fracture.

しかしながら、コキュアにより得られた金属合金とCFRPの複合体をせん断破断した場合の破断面は、接着剤硬化層とCFRPのマトリックス樹脂硬化層との境界面で生じるのではなく、CFRP自体の中に存在し、CFRP内部が起点となって連鎖破壊に至るという可能性もある。炭素繊維索や炭素繊維布は厳しく表面処理されてエポキシ樹脂との親和性や接着性を向上し、その上で、マトリックス樹脂シートで両面を挟んだシート状物とし、これを熱ロール等で融着一体化してCFRPプリプレグにされる。本発明者らが上記NAT理論を示す前は、金属合金とエポキシ系接着剤硬化層との接着力が60〜80MPaという高いものになることはなかった。故に、炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力の低さに起因する支障は生じなかった。しかし、上記の観察結果は炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力が、金属合金とエポキシ系接着剤との接着力より劣ることを示すものかもしれず、その金属合金と接着接合された炭素繊維とそのマトリックス樹脂の接着力の低さが複合体全体としてのせん断破断力又は引っ張り破断力を低下させる可能性を示すものでもあった。   However, when the composite of the metal alloy and CFRP obtained by co-curing is sheared, the fracture surface does not occur at the interface between the adhesive cured layer and the CFRP matrix resin cured layer, but in the CFRP itself. There is also a possibility that the chain breaks starting from the inside of CFRP. Carbon fiber cords and carbon fiber cloths are severely surface-treated to improve affinity and adhesion with epoxy resin, and then form a sheet with both sides sandwiched by a matrix resin sheet, which is melted with a hot roll or the like. The CFRP prepreg is integrated with each other. Before the present inventors showed the NAT theory, the adhesive strength between the metal alloy and the epoxy adhesive cured layer was not as high as 60 to 80 MPa. Therefore, there was no problem caused by the low adhesion between the carbon fiber and the matrix resin. However, the above observation results may indicate that the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is inferior to the adhesion between the metal alloy and the epoxy-based adhesive. The low adhesive strength of the matrix resin also indicates the possibility of reducing the shear breaking force or tensile breaking force of the composite as a whole.

一方で、本発明者らの実験によって、金属合金片同士を接着接合した接合体のせん断破断力は、金属合金片の厚さによっても異なることが明らかであった。金属合金片の大きさをJIS接着剤試験で規定されたせん断破断力測定用の100mm×25mm×1mm厚の金属合金片ではなく、45mm×15mm×3mm厚、又は45mm×18mm×3mm厚の小片を使い、接着面積は0.6〜0.8cmにしてせん断破断力を測定した。このように、金属合金片をJISの規定よりも小片で且つ厚片にした理由は、JIS規定で想定されていた接着力よりも、NAT理論を適用した場合の接着力が遥かに強いからである。これ程の接着力で接合されている接合体をせん断破断する程度まで引っ張ると、破断前に引っ張りによる金属局部の伸びが生じ、曲げ変形が始まる。これが接着面端部で剥がれ破壊を生じ、剥がれ破壊が起点になって残部のせん断破断が一挙に起こり全破断に至る。このような局部への応力集中を緩和するためには曲げ強さを大きくする必要があるが、そのためには金属合金片の形状を厚くて小さい試験片とする必要がある。 On the other hand, it was clear from the experiments by the present inventors that the shear breaking force of the joined body obtained by bonding and joining metal alloy pieces also varies depending on the thickness of the metal alloy pieces. The size of the metal alloy piece is not a 100 mm × 25 mm × 1 mm thick metal alloy piece for measuring the shear breaking force specified in the JIS adhesive test, but a small piece of 45 mm × 15 mm × 3 mm thickness or 45 mm × 18 mm × 3 mm thickness , The adhesive area was 0.6 to 0.8 cm 2 , and the shear breaking strength was measured. As described above, the reason why the metal alloy piece is made smaller and thicker than the JIS standard is because the adhesive force when applying the NAT theory is much stronger than the adhesive force assumed by the JIS standard. is there. When the joined body joined with such an adhesive force is pulled to the extent of shear fracture, the local metal portion is stretched by the tension before the fracture and bending deformation starts. This causes a peeling failure at the edge of the adhesive surface, and the peeling failure is the starting point, and the remaining shear fracture occurs at a stroke, resulting in a total fracture. In order to relieve such stress concentration on the local area, it is necessary to increase the bending strength. To that end, it is necessary to make the metal alloy pieces thick and small test pieces.

多種の金属合金について、各種金属合金毎に前述した表面処理を施し、同種金属合金同士の接着接合体について接着強度の試験を行った。ここで各種金属合金について3mm厚程度の板材を入手しようとしたが、実際に入手できたのは僅かであり、殆どの金属合金種で1mm厚の板材しか入手できなかった。銅合金では0.4〜0.7mm厚であり、鋼材は1.6mm厚であった。本来、合金種によって曲げ強さが異なる上に厚さまで異なってしまった。従って、このような金属合金に関しては、積層化することによって曲げ強度の補強を図った。   About various metal alloys, the surface treatment mentioned above was given for every metal alloy, and the adhesive strength test was done about the adhesion joining body of the same kind metal alloys. Here, it was attempted to obtain plate materials having a thickness of about 3 mm for various metal alloys. However, only a few plate materials having a thickness of 1 mm were available for most metal alloy types. The thickness of the copper alloy was 0.4 to 0.7 mm, and the thickness of the steel material was 1.6 mm. Originally, the bending strength varies depending on the alloy type, and the thickness varies. Therefore, regarding such a metal alloy, bending strength was reinforced by stacking.

一例として、厚さの薄いKFC銅合金片(0.7mm厚)に表面処理を施して、4枚をエポキシ接着剤で全面接着し、2.8mm厚の積層材とした。この2.8mm厚とした銅合金積層材同士を接着接合し、そのせん断破断力を測ると60〜65MPaとなった。これは積層化していない銅合金片(0.7mm厚)同士の接着接合体と比較して20MPa程度高い値であり、積層化によって接着接合が最適化されたことが明らかになった。これは3mm厚のA7075アルミニウム合金片同士の接着接合体が示したせん断破断力と同等である。同様の方法で薄い金属合金片を積層化して3mm厚程度にし、その積層材同士を市販の1液性エポキシ系接着剤で接着接合してせん断破断力を測定した結果、金属合金種に拘わらず60〜70MPaのせん断破断力を示した。本発明者等が示したNAT理論は、対象となる金属合金種を限定せず、強力な接合力は専らアンカー効果を根拠とするものであるから、せん断破断力の数値が特定範囲に収束すると考えられる。   As an example, a thin KFC copper alloy piece (0.7 mm thick) was subjected to surface treatment, and four sheets were bonded together with an epoxy adhesive to form a 2.8 mm thick laminate. The copper alloy laminates having a thickness of 2.8 mm were bonded and bonded, and the shear breaking strength was measured to be 60 to 65 MPa. This is a value about 20 MPa higher than that of an unbonded copper alloy piece (0.7 mm thick), and it was revealed that the bonding was optimized by the lamination. This is equivalent to the shear breaking force exhibited by the bonded assembly of 3 mm thick A7075 aluminum alloy pieces. As a result of laminating thin metal alloy pieces by the same method to a thickness of about 3 mm, and bonding the laminated materials with a commercially available one-component epoxy adhesive and measuring the shear breaking force, regardless of the metal alloy type A shear breaking force of 60 to 70 MPa was exhibited. The NAT theory presented by the present inventors does not limit the target metal alloy type, and the strong joining force is based solely on the anchor effect, so when the numerical value of the shear breaking force converges to a specific range. Conceivable.

以上から、金属合金を45mm×15mm×3mm厚程度の小片とし、その端部0.6〜0.8cmで接着接合した場合、50MPa程度のせん断力がかかっても小片の曲がり変形はごく小さいことが分かる。一方、コキュアを利用して金属合金片とCFRP片を接着させた際に本発明者らが使用したCFRP片の形状は、上記形状と同じ45mm×15mm×3mm厚であった。この形状のCFRP片は剛性が強く、3mm厚のA7075アルミニウム合金片と同等以上の曲げ強さがあるとみられる。 From the above, when the metal alloy is made into a small piece having a thickness of about 45 mm × 15 mm × 3 mm and bonded and bonded at an end portion of 0.6 to 0.8 cm 2 , the bending deformation of the small piece is extremely small even when a shearing force of about 50 MPa is applied. I understand that. On the other hand, the shape of the CFRP piece used by the present inventors when the metal alloy piece and the CFRP piece were bonded using cocure was the same 45 mm × 15 mm × 3 mm thickness as the above shape. This shape of the CFRP piece is highly rigid and appears to have a bending strength equal to or greater than the 3 mm thick A7075 aluminum alloy piece.

上記検討結果に基づいて、金属合金片と接着接合させる対象を、45mm×15mm×3mm厚程度の小さくて丈夫なCFRP片としておけば、金属合金片とCFRP片との接着が万全であれば、やはり60〜70MPaのせん断破断力を示すはずだと考えた。この考え方が正しいとして更に考えを進めると、コキュア法でこのせん断破断力が観察されず、且つ破断後の金属合金側に炭素繊維カスが付着する理由は明らかとなる。即ち、CFRP内の炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力が不十分であるということである。もし既に硬化したCFRP片を何らかの処理をして炭素繊維とマトリックス樹脂の接着力を高めることができれば、A7075アルミニウム合金片同士の接着物と同様にNAT理論に基づく高い接着接合力を生じうると考えた。   Based on the above examination results, if the object to be bonded and bonded to the metal alloy piece is a small and durable CFRP piece of about 45 mm × 15 mm × 3 mm thickness, if the adhesion between the metal alloy piece and the CFRP piece is perfect, It was thought that the shear fracture strength of 60 to 70 MPa should be exhibited. Further thinking that this concept is correct, the shear fracture force is not observed by the cocure method, and the reason why carbon fiber residue adheres to the metal alloy side after the fracture becomes clear. That is, the adhesive force between the carbon fiber in the CFRP and the matrix resin is insufficient. If the already hardened CFRP piece can be treated in some way to increase the adhesion between carbon fiber and matrix resin, it can produce high adhesive bonding strength based on NAT theory as well as the adhesion between A7075 aluminum alloy pieces. It was.

そこで未硬化のCFRPと接着剤を同時に硬化させるコキュアではなく、硬化後のCFRPと金属合金の間に接着剤を介在させた状態で、その接着剤を硬化させる所謂コボンドによって接合力の向上を図る実験を行った。ただしこの実験では一旦得たCFRP片を更に加熱処理してから使用した。追加の加熱処理をしたのは以下の推量をしたからである。即ち、プリプレグメーカーが推奨し、又はCFRPメーカーが実際に使用している硬化方法は、量産性や生産効率の点から合理化されたものと想定した。仮にプリプレグからCFRP材を得る加熱硬化時間をメーカー推奨時間の倍にしたとしても、マトリックス樹脂の硬化率が97%から98%に向上し、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着力も数%向上する程度とする。そのような場合、メーカーの生産技術者はコスト及び時間短縮のために加熱硬化時間を倍にすることはない。メーカー推奨の加熱硬化時間で製造したCFRP材が実用上で十分機能を果せば良いからである。即ち、一般的な使用環境下で炭素繊維とマトリックス樹脂の接着力が十分であれば良いとして、60MPa程度又はそれ以上のせん断破断力を要するような条件下での使用は前提としていない。   Therefore, rather than a cocure that simultaneously cures uncured CFRP and adhesive, the bonding force is improved by so-called cobond that cures the adhesive with the adhesive interposed between the cured CFRP and the metal alloy. The experiment was conducted. However, in this experiment, the CFRP piece once obtained was used after further heat treatment. The reason for the additional heat treatment was because of the following estimation. That is, it was assumed that the curing method recommended by the prepreg manufacturer or actually used by the CFRP manufacturer was streamlined in terms of mass productivity and production efficiency. Even if the heat curing time for obtaining the CFRP material from the prepreg is double the manufacturer's recommended time, the curing rate of the matrix resin is improved from 97% to 98%, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is also improved by several percent. To do. In such a case, the manufacturer's production engineer does not double the heat-curing time for cost and time savings. This is because the CFRP material manufactured with the manufacturer-recommended heat-curing time only has to function sufficiently in practice. That is, assuming that the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin is sufficient under a general use environment, the use under conditions that require a shear breaking force of about 60 MPa or more is not assumed.

本発明者らは、メーカーの推奨条件よりも硬化温度を高くし又は硬化工程を繰り返す等の処置を施すことによってCFRP内の炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力の向上を図ろうとした。実際に、購入したCFRPプリプレグから通常(メーカー推奨)の硬化条件を適用して得られたCFRP片を、やや高めの温度で2回又は3回焼き直しするのが、コキュア法でもコボンド法でも結果的に高い接着力を与えた。   The present inventors tried to improve the adhesion between the carbon fibers in the CFRP and the matrix resin by taking measures such as raising the curing temperature higher than the manufacturer's recommended conditions or repeating the curing process. Actually, the CFRP prepreg obtained from the purchased CFRP prepreg by applying the usual curing conditions (recommended by the manufacturer) is baked twice or three times at a slightly higher temperature. High adhesive strength.

上記の場合でも、当然だが接着剤硬化物とマトリックス樹脂硬化物間の接着力に問題のないことが求められる。その為には、CFRP材に適切な表面処理を与えて更に優れた被着材とする必要がある。本発明者らはCFRP片を優れた被着材とするための具体的方法の探索を行った。即ち、CFRP片を大量に作成し、これをJISR6252に規定する80番〜1000番の研磨紙でしっかり研磨して、炭素繊維が剥き出しにならぬ程度に粗面化し、各種水溶液や無機又は有機溶剤で洗浄する等の表面改質を試みた。更にCFRP片に接着剤を塗布した後、一旦減圧後に加圧する処理をして、その接着剤をCFRP片に染込ました。このCFRP片と上述したNAT理論に基づく表面処理を施したA7075アルミニウム合金片とを接着剤を用いて接合し、これを破壊してせん断破断力を測定し、その破断面を観察した。このようにして、せん断破断力が高くなるようなCFRP片の粗面化方法を探し出した。   Even in the above case, it is a matter of course that there is no problem in the adhesive force between the cured adhesive and the cured matrix resin. For that purpose, it is necessary to give an appropriate surface treatment to the CFRP material so as to obtain a better adherend. The inventors searched for a specific method for making the CFRP piece an excellent adherend. That is, a large amount of CFRP pieces are prepared, and this is firmly polished with No. 80 to No. 1000 abrasive papers specified in JIS R6252, and roughened to such an extent that carbon fibers are not exposed, and various aqueous solutions, inorganic or organic solvents are used. Attempted surface modification such as washing with Furthermore, after apply | coating the adhesive agent to a CFRP piece, the process which once pressurizes after pressure reduction was carried out, and the adhesive agent was infiltrated into the CFRP piece. This CFRP piece was bonded to the A7075 aluminum alloy piece subjected to the surface treatment based on the NAT theory using an adhesive, and this was broken to measure the shear breaking force, and the fracture surface was observed. In this way, a method for roughening the CFRP piece that increases the shear breaking force was sought.

さらに本発明者等は、接着剤の性能の改良を図ることによって金属合金とCFRPの接合力の向上を図ろうとした。エポキシ樹脂の樹脂内組成は標準的なものとし、且つ、硬化剤もジシアンジアミドとその硬化助剤を一定量加えることで変化させず、充填材の種類や添加量だけを変え試験した。そして、常温と100℃におけるせん断破断力を測定し、常温〜100℃の常用温度範囲と思われる広い温度範囲で総合的に優れた性能を示す充填材組成を探索した。その結果、超微細無機充填材の添加だけで100℃における接着力を数十MPa向上することを可能とした。   Furthermore, the present inventors tried to improve the bonding force between the metal alloy and CFRP by improving the performance of the adhesive. The composition of the epoxy resin in the resin was standard, and the curing agent was not changed by adding a certain amount of dicyandiamide and its curing aid, and only the type and amount of filler were changed and tested. And the shear breaking force in normal temperature and 100 degreeC was measured, and the filler composition which shows the comprehensively excellent performance in the wide temperature range considered normal temperature range of normal temperature-100 degreeC was searched. As a result, the adhesive force at 100 ° C. can be improved by several tens of MPa only by adding the ultrafine inorganic filler.

本発明は、金属合金に対しては、第1の条件〜第3の条件を満たすよう表面処理を施すと共に、その被着材となるCFRPについては、複数回の硬化及び粗面化を施し、かつ両者を充填材を添加した接着剤によって接着接合することにより、従来技術と比較して極めて大きな接合力を発揮するような複合体を提供するものである。以下、本発明を構成する全要素について順次詳細に説明する。   In the present invention, the metal alloy is subjected to surface treatment so as to satisfy the first condition to the third condition, and the CFRP as the adherend is subjected to multiple times of hardening and roughening, In addition, the present invention provides a composite that exhibits an extremely large bonding force as compared with the prior art by adhesively bonding them with an adhesive to which a filler is added. Hereinafter, all elements constituting the present invention will be described in detail.

〔接着剤の改良〕
金属合金とCFRPを接着接合するために用いる接着剤について、複合体の耐熱性を向上させるために適したものとするため、以下の要件を満たすものとした。
(1)無機充填材(タルク、クレー類)を含むこと。
(2)ヒュームドシリカ等の超微細無機充填材を加えること。
(3)非晶性熱可塑性樹脂、例えばポリエーテルスルホン(以下「PES」という)粉体を配合すること。
(4)エポキシ樹脂と全充填材とをサンドグラインドミルによって混合すること。
の4要件である。(3)に関しては、CFRPとの類似性確保を目的とし、CFRPマトリックス樹脂によく使用されているPES粉体を配合するようにした。また、本発明者らが、カーボンナノチューブの分散に最新型湿式粉砕機を用いることによって、良い分散結果を得たことから(4)の要件を追加した。なお、接着剤メーカーは、通常、無機充填材等の配合に自動乳鉢やニーダーを使用して接着剤を製造している。
[Improvement of adhesive]
In order to make the adhesive used for adhesively bonding the metal alloy and CFRP suitable for improving the heat resistance of the composite, the following requirements were satisfied.
(1) Including inorganic fillers (talc, clays).
(2) Add ultrafine inorganic fillers such as fumed silica.
(3) Amorphous thermoplastic resin, for example, polyethersulfone (hereinafter referred to as “PES”) powder is blended.
(4) Mixing the epoxy resin and all fillers with a sand grind mill.
4 requirements. Regarding (3), for the purpose of ensuring similarity with CFRP, PES powder often used for CFRP matrix resin was blended. In addition, since the present inventors obtained a good dispersion result by using the latest wet pulverizer for dispersion of carbon nanotubes, the requirement (4) was added. In addition, the adhesive maker usually manufactures the adhesive using an automatic mortar or a kneader for blending inorganic fillers and the like.

(2)の超微細無機充填材に関しては、単なる推測ではなく、破壊のメカニズムを推論した上で実験を行い、この要件を規定した。本発明者らは、前述した第1の条件〜第3の条件を具備するよう表面処理したA7075アルミニウム合金(「超々ジュラルミン」ともいう)片同士を接着接合した接合体のせん断破断力を測定した。この際、ジシアンジアミドを硬化剤とする市販の1液性エポキシ接着剤を使用して、常温におけるせん断破断力を測定したが、その値は65〜70MPaと非常に高かった。一方で、100℃、150℃という高温下でのせん断破断力は15〜20MPa及び6〜7MPaといずれも大幅に低下した。   Regarding the ultrafine inorganic filler of (2), an experiment was conducted after inferring the mechanism of destruction rather than merely estimating, and this requirement was defined. The present inventors measured the shear breaking strength of a joined body in which A7075 aluminum alloy (also referred to as “ultra-super duralumin”) pieces that were surface-treated so as to satisfy the first to third conditions described above were bonded and bonded together. . At this time, the shear breaking force at room temperature was measured using a commercially available one-component epoxy adhesive having dicyandiamide as a curing agent, and the value was as high as 65 to 70 MPa. On the other hand, the shear fracture strength at high temperatures of 100 ° C. and 150 ° C. was significantly reduced to 15-20 MPa and 6-7 MPa.

また、イミダゾール系化合物を硬化剤にした接着剤を用いた場合、常温におけるせん断破断力は50〜60MPaであったが、150℃におけるせん断破断力は15MPa程度であり、大幅に低下した。イミダゾール系化合物を硬化剤としたエポキシ接着剤は耐熱性接着剤と呼ばれ、ジシアンジアミド使用物を硬化剤とした場合よりも高温下で強い接着力を発揮することができるにもかかわらず、この程度のせん断破断力しか示さなかった。樹脂硬化物はガラス転移点(Tg)に近づくと急激に硬度が低下する。ジシアンジアミドやイミダゾール系化合物を硬化剤としたエポキシ樹脂硬化物のTgは100〜140℃であるから、100℃又は150℃において急激にせん断破断力が低下するのである。   Moreover, when the adhesive which used the imidazole type compound as the hardening | curing agent was used, although the shear breaking force in normal temperature was 50-60 MPa, the shear breaking force in 150 degreeC was about 15 MPa, and fell significantly. Epoxy adhesives that use imidazole compounds as curing agents are called heat-resistant adhesives, and even though they can exhibit stronger adhesive strength at higher temperatures than when dicyandiamide is used as a curing agent, this degree Only a shear breaking strength of was shown. The hardness of the cured resin suddenly decreases as it approaches the glass transition point (Tg). Since the Tg of the epoxy resin cured product using dicyandiamide or an imidazole compound as a curing agent is 100 to 140 ° C, the shear breaking force is rapidly reduced at 100 ° C or 150 ° C.

本発明者らは、高温でエポキシ樹脂硬化物の硬度が低下することで接着力が低下するメカニズムについて推論した。なお、上記したジシアンジアミドを硬化剤とする市販の1液性エポキシ接着剤とは「EP106NL(セメダイン社製)」であり、イミダゾール系化合物を硬化剤とする市販の1液性エポキシ接着剤とは「EP160(セメダイン社製)」である。   The present inventors have inferred about the mechanism by which the adhesive strength is reduced due to a decrease in the hardness of the cured epoxy resin at a high temperature. The commercially available one-component epoxy adhesive using dicyandiamide as a curing agent is “EP106NL (manufactured by Cemedine)”, and the commercially available one-component epoxy adhesive using an imidazole compound as a curing agent is “ EP160 (Cemedine) ".

そして推論の結果、高温下での破断の直接原因は、「金属合金表面のミクロンオーダーの粗度をなす凹部に浸入し、さらに、その凹部内壁面にある超微細凹凸にまで浸入した状態で硬化していた接着剤が、高温状態で軟化することによって、凹部及び超微細凹凸によるスパイク効果が生じなくなったこと」であるとした。これは、破断面を観察した際に、金属合金側に残存付着している樹脂量が、常温で破壊された場合より少なかったことを根拠としている。即ち、樹脂部が凹部入口付近で千切れるのではなく、単純に抜けたものが多いことを示すのである。   And as a result of inference, the direct cause of fracture at high temperature is that the metal alloy surface is hardened in a state where it penetrates into a concave portion having a micron-order roughness, and further penetrates into the ultra-fine irregularities on the inner wall surface of the concave portion. The adhesive that had been softened at a high temperature no longer caused the spike effect due to the recesses and ultra-fine irregularities. This is based on the fact that when the fracture surface is observed, the amount of the resin remaining on the metal alloy side is smaller than that when the fracture is caused at room temperature. That is, the resin part is not torn off near the entrance to the recess, but simply indicates that many parts have been removed.

この推論結果に基づいて、上記凹部内で硬化した樹脂部の中に無機充填材が含まれていると、その樹脂部が凹部から抜け難くなり、接着力の向上を図ることができる。さらには、上記凹部の中には蛸壺型凹部(内部径より入口径が小さい凹部)も存在するので、その凹部内の樹脂に無機充填材が多く含まれているとするならば、樹脂硬化物は凹部から容易に抜け出せない。ここで言う無機充填材とは、上記ミクロンオーダーの粗度をなす凹部に容易に浸入するものであり、粒子径は少なくとも0.1μm(100nm)以下の超微粒子でなくてはならない。従って、前記(2)に規定したように、無機超微細充填材を添加することとした。   Based on this inference result, when the inorganic filler is contained in the resin portion cured in the recess, the resin portion is difficult to come out of the recess, and the adhesive force can be improved. Furthermore, since there is a vertical recess (a recess having an inlet diameter smaller than the inner diameter) in the recess, if the resin in the recess contains a large amount of inorganic filler, the resin curing Objects cannot easily escape from the recess. The term “inorganic filler” as used herein means that it easily penetrates into the concave portion having a roughness on the order of microns, and the particle diameter must be at least 0.1 μm (100 nm) or less. Therefore, as defined in (2) above, an inorganic ultrafine filler was added.

本発明者らは、ジシアンジアミドを硬化剤とした接着剤を用いてA7075片同士を接着した接合体のせん断破断力として、常温では60〜70MPa程度(現行の市販接着剤と同等)を目標値とし、100℃では40MPa以上(現行の市販接着剤では15〜25MPa程度)を目標値とした。また、A7075片とCFRP片を接着した複合体のせん断破断力として、常温では60MPa以上(現行の市販接着剤ではコキュア及びコボンドの何れの方法であっても30〜34MPa程度である)を目標値とした。これらの目標値に達すべく、材料組成の組成比を変更して接着剤を作製する試行錯誤を繰り返し、さらにCFRP片の粗面化方法、接着方法についても試行錯誤を繰り返した。その結果、上記目標値を超えるせん断破断力を示すに至った。   The present inventors set a target value of about 60 to 70 MPa (equivalent to the current commercially available adhesive) at room temperature as the shear breaking force of the joined body in which A7075 pieces are bonded together using an adhesive having dicyandiamide as a curing agent. At 100 ° C., the target value was 40 MPa or more (about 15 to 25 MPa for the current commercial adhesive). Further, the target value of the shear breaking force of the composite obtained by bonding the A7075 piece and the CFRP piece is 60 MPa or more at room temperature (the current commercially available adhesive is about 30 to 34 MPa in any of the methods of cocure and cobond). It was. In order to reach these target values, trial and error in which the composition ratio of the material composition was changed to produce an adhesive was repeated, and further, trial and error was repeated for the roughening method and bonding method of the CFRP piece. As a result, it came to show the shear fracture | rupture force exceeding the said target value.

〔金属合金〕
本発明でいう金属合金、即ち前述の「NAT」理論に基づく表面構造を具備する金属合金としては、理論上特にその種類に制限はない。全金属種としてもよいが、実際に意味を有しているのは硬質で実用的な金属種、合金種である。即ち、水銀は当然ながら液状だから本発明に関係しないが、鉛など軟質金属種も本発明者の考える金属種からは除外されている。当然であるが、化学的には存在するが大気中で活発に反応するアルカリ金属種、アルカリ土類金属種(マグネシウムを除いて)も基本的には除外の対象である。
[Metal alloy]
The type of metal alloy in the present invention, that is, a metal alloy having a surface structure based on the above-mentioned “NAT” theory is not particularly limited in theory. All metal species may be used, but what is actually meaningful is a hard and practical metal species or alloy species. That is, since mercury is naturally liquid, it is not relevant to the present invention, but soft metal species such as lead are also excluded from the metal species considered by the present inventors. Of course, alkali metal species and alkaline earth metal species (except for magnesium) that exist chemically but react actively in the atmosphere are also basically excluded.

本発明者等は、実質的に「NAT」理論を適用可能な金属合金種として、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、鉄を主成分とする合金種と考えている。以下、これらについて説明する。しかし、あくまでも「NAT」理論は、金属種を限定していないし、更に言えば金属であること自体も限定していない。非金属を「NAT」で条件とするミクロンオーダーの粗度や超微細凹凸面、且つ、高硬度の表面層とすることの3条件を同時に備えさせることは容易でない。要するに「NAT」は表面形状とその表面薄層硬度だけを規定してアンカー効果論で接着を論じているので、少なくとも下記した金属合金種に限定されるものではない。特許文献7にアルミニウム合金に関する記載をした。特許文献8にマグネシウム合金に関する記載をした。特許文献9に銅合金に関する記載をした。特許文献10にチタン合金に関する記載をした。特許文献11にステンレス鋼に関する記載をした。特許文献12に一般鋼材に関する記載をした。これら各種金属合金について詳細に説明する。   The present inventors consider that the metal alloy species to which the “NAT” theory can be applied substantially are alloy species mainly composed of aluminum, magnesium, copper, titanium, and iron. Hereinafter, these will be described. However, the “NAT” theory does not limit the metal species, and moreover, it does not limit the metal itself. It is not easy to simultaneously provide the three conditions of making the surface of a micron-order roughness, an ultra-fine irregular surface, and a high hardness with a non-metal as “NAT”. In short, “NAT” defines only the surface shape and the surface layer hardness and discusses the adhesion by the anchor effect theory, and is not limited to at least the following metal alloy types. Patent Document 7 describes an aluminum alloy. Patent Document 8 describes a magnesium alloy. Patent Document 9 describes a copper alloy. Patent Document 10 describes a titanium alloy. Patent Document 11 described stainless steel. Patent Document 12 describes general steel materials. These various metal alloys will be described in detail.

(アルミニウム合金)
本発明で使用可能なアルミニウム合金は、アルミニウム合金であればいかなる種類を問わない。具体的には、日本工業規格(JIS)に規定されている展伸用アルミニウム合金のA1000番台〜7000番台(耐食アルミニウム合金、高力アルミニウム合金、耐熱アルミニウム合金等)等の全ての合金、及びADC1〜12種(ダイカスト用アルミニウム合金)等の鋳造用アルミニウム合金が使用できる。形状物としては、鋳造用合金等であれば、ダイキャスト法で形状化された部品、またそれを更に機械加工して形状を整えた部品が使用できる。又、展伸用合金では、中間材である板材その他、又それらを熱プレス加工などの機械加工を加えて形状化した部品も使用できる。
(Aluminum alloy)
The aluminum alloy that can be used in the present invention is not limited as long as it is an aluminum alloy. Specifically, all alloys such as A1000 series to 7000 series aluminum alloys for extension defined by Japanese Industrial Standards (JIS) (corrosion resistant aluminum alloy, high strength aluminum alloy, heat resistant aluminum alloy, etc.), and ADC1 Cast aluminum alloys such as ˜12 types (aluminum alloys for die casting) can be used. As the shape, if it is an alloy for casting or the like, it is possible to use a part shaped by a die-cast method, or a part that is further machined to adjust its shape. Moreover, in the alloy for extending | stretching, the board | plate material which is an intermediate material, etc., and the parts which shape | molded them by applying mechanical processing, such as hot press processing, can also be used.

(マグネシウム合金)
本発明に使用するマグネシウム合金は、国際標準機構(ISO)、日本工業規格(JIS)、米国材料試験協会(ASTM)等に規定される展伸用マグネシウム合金のAZ31B合金等、及びAZ91D等の鋳物用マグネシウム合金が使用できる。鋳物用マグネシウム合金であれば、ダイカスト、射出成形等の方法で形状化された部品、またそれを更に、切削、研削等の機械加工をして形状を整えた部品、構造体が使用できる。又、展伸用マグネシウム合金では、中間材である板材その他、又それらを温間プレス加工等の塑性加工を加えて形状化した部品、構造体が使用できる。
(Magnesium alloy)
Magnesium alloys used in the present invention are AZ31B alloys of magnifying magnesium alloys defined by the International Standard Organization (ISO), Japanese Industrial Standards (JIS), American Material Testing Association (ASTM), etc., and castings such as AZ91D Magnesium alloy can be used. In the case of a magnesium alloy for castings, a part shaped by a method such as die casting or injection molding, or a part or structure whose shape is further processed by machining such as cutting or grinding can be used. Moreover, in the magnesium alloy for extending | stretching, the board | plate material etc. which are intermediate materials, and the components and structures which shape | molded them by applying plastic processing, such as warm press processing, can be used.

(銅合金)
本発明に使用する銅、及び銅合金とは、銅、黄銅、りん青銅、洋泊、アルミニウム青銅等を指す。日本工業規格(JIS H 3000系)に規定されるC1020、C1100等の純銅系合金、C2600系の黄銅合金、C5600系の銅白系合金、その他のコネクター用の鉄系含む各種用途に開発された銅合金等、全ての銅合金等が対象である。これらの中間材である板材、条、管、棒、線等の塑性加工製品を、切削加工、プレス加工等の機械加工を加えて形状化した部品、及び鍛造加工した部品等が対象である。
(Copper alloy)
The copper and copper alloy used in the present invention refer to copper, brass, phosphor bronze, Western night, aluminum bronze and the like. Copper developed for various uses including pure copper alloys such as C1020 and C1100, C2600 brass alloys, C5600 copper white alloys, and other iron-based connectors for connectors specified in Japanese Industrial Standards (JIS H 3000 series) All copper alloys etc., such as alloys, are the targets. These are intermediate parts such as plates, strips, pipes, bars, wires, etc., and parts that have been shaped by applying machining such as cutting and pressing, and forged parts.

(チタン合金)
本発明に使用するチタン合金は、国際標準化機構(ISO)、日本工業規格(JIS)等で規定される純チタン系合金、α型チタン合金、β型チタン合金、α−β型チタン合金等、全てのチタン合金が対象である。このチタン合金の中間材である板材、棒材、管材等、又それらを切削・研削加工、プレス加工等の機械加工を加えて形状化したものが、各種機械、装置の部品、構造体に使用できる。
(Titanium alloy)
The titanium alloy used in the present invention is a pure titanium alloy, α-type titanium alloy, β-type titanium alloy, α-β-type titanium alloy, etc. defined by the International Organization for Standardization (ISO), Japanese Industrial Standards (JIS), etc. All titanium alloys are targeted. Plates, rods, pipes, etc., which are intermediate materials of this titanium alloy, and those formed by machining such as cutting / grinding and pressing are used for parts and structures of various machines and devices. it can.

(ステンレス鋼)
本発明でいうステンレス鋼とは、鉄にクロム(Cr)を加えたCr系ステンレス鋼、又ニッケル(Ni)をクロム(Cr)と組合せて添加した鋼であるCr−Ni系ステンレス鋼、その他のステンレス鋼と呼称される公知の耐食性鉄合金が対象である。国際標準機構(ISO)、日本工業規格(JIS)、米国材料試験協会(ASTM)等で、規格化されているSUS405、SUS429、SUS403等のCr系ステンレス鋼、SUS301、SUS304、SUS305、SUS316等のCr−Ni系ステンレス鋼である。
(Stainless steel)
The stainless steel referred to in the present invention is a Cr-based stainless steel obtained by adding chromium (Cr) to iron, a Cr-Ni-based stainless steel added by combining nickel (Ni) with chromium (Cr), and the like. A known corrosion-resistant iron alloy called stainless steel is the object. SUS405, SUS429, SUS403, and other Cr-based stainless steels standardized by the International Organization for Standardization (ISO), Japanese Industrial Standards (JIS), American Material Testing Association (ASTM), etc., SUS301, SUS304, SUS305, SUS316, etc. Cr-Ni type stainless steel.

(鉄鋼材)
本発明で用いる鉄鋼材は、一般構造用圧延鋼材等の炭素鋼(所謂一般鋼材)、高張力鋼(ハイテンション鋼)、低温用鋼、及び原子炉用鋼板等の鉄鋼材をいう。具体的には、冷間圧延鋼材(以下、「SPCC」という。)、熱間圧延鋼材(以下、「SPHC」という。)、自動車構造用熱間圧延鋼板材(以下、「SAPH」という。)、自動車加工用熱間圧延高張力鋼板材(以下、「SPFH」という。)、主に機械加工に使用される鋼材(以下「SS材」という。)等、各種機械の本体、部品等に使用されている構造用鉄鋼材が含まれる。これらの多くの鋼材は、プレス加工、切削加工が可能であるので、部品、本体として採用するとき、構造、形状も自由に選択できる。又、本発明でいう鉄鋼材は、上記鋼材に限らず、日本工業規格(JIS)、国際標準化機構(ISO)等で、規格化されたあらゆる鉄鋼材が含まれる。
(Steel)
The steel materials used in the present invention refer to steel materials such as carbon steels (so-called general steel materials) such as general structural rolled steel materials, high-tensile steels (high-tension steels), low-temperature steels, and reactor steel plates. Specifically, cold rolled steel (hereinafter referred to as “SPCC”), hot rolled steel (hereinafter referred to as “SPHC”), and hot rolled steel sheet for automobile structure (hereinafter referred to as “SAPH”). Used in the body and parts of various machines, such as hot-rolled high-tensile steel plates for automobile processing (hereinafter referred to as “SPFH”) and steel materials mainly used for machining (hereinafter referred to as “SS material”). Structural steel materials that are used are included. Since many of these steel materials can be pressed and cut, the structure and shape can be freely selected when they are used as parts and main bodies. The steel materials referred to in the present invention are not limited to the above steel materials, but include all steel materials standardized by Japanese Industrial Standards (JIS), International Organization for Standardization (ISO), and the like.

〔金属合金の化学エッチング〕
本発明における化学エッチングは、金属合金表面にミクロンオーダーの粗度を生じさせることを目的とする。腐食には全面腐食、孔食、疲労腐食など種類があるが、その金属合金に対して全面腐食を生じる薬品種を選んで試行錯誤し、適当なエッチング剤を選ぶことができる。文献記録(例えば「化学工学便覧(化学工学協会編集)」)によれば、アルミニウム合金は塩基性水溶液、マグネシウム合金は酸性水溶液、ステンレス鋼や一般鋼材全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、これらの塩、等の水溶液で全面腐食するとの記録がある。又、耐食性の強い銅合金は、強酸性とした過酸化水素などの酸化剤によって全面腐食させられるし、チタン合金は蓚酸や弗化水素酸系の特殊な酸で全面腐食させられることが専門書や特許文献から散見される。実際に市場で販売されている金属合金類は、純銅系銅合金や純チタン系チタン合金のように純度が99.9%以上で合金とは言い難い物もあるが、これらも本発明の金属合金に含まれる。実際に世間で使用されている物の大部分は特徴的な物性を求めて多種多用な他元素が混合されて純金属系の物は少なく、実質的にも合金である。
[Chemical etching of metal alloys]
The purpose of the chemical etching in the present invention is to generate a roughness on the order of microns on the surface of the metal alloy. There are various types of corrosion, such as general corrosion, pitting corrosion, and fatigue corrosion, but it is possible to select an appropriate etching agent by selecting a chemical species that causes general corrosion for the metal alloy and performing trial and error. According to literature records (for example, "Chemical Engineering Handbook (edited by Chemical Engineering Association)"), aluminum alloys are basic aqueous solutions, magnesium alloys are acidic aqueous solutions, stainless steel and general steel materials in general are hydrohalic acid such as hydrochloric acid, sulfurous acid, There is a record that the entire surface is corroded by an aqueous solution of sulfuric acid or a salt thereof. In addition, copper alloys with strong corrosion resistance can be totally corroded by oxidizing agents such as hydrogen peroxide that have been made strongly acidic, and titanium alloys can be corroded by special acids such as oxalic acid or hydrofluoric acid. And are often found in patent literature. The metal alloys that are actually sold in the market, such as pure copper-based copper alloys and pure titanium-based titanium alloys, have a purity of 99.9% or more and are hardly called alloys. Included in the alloy. In fact, most of the materials used in the world are mixed with a wide variety of other elements in order to obtain characteristic physical properties, and there are few pure metal materials, and they are substantially alloys.

即ち、純金属から合金化した目的の金属の殆どが、元々の金属物性を低下させることなく耐食性を上げることにあった。それ故、合金では、前記したように文献から参照して適用した酸塩基類や特定の化学物質を使っても、目標とする化学エッチングが出来ない場合もある。要するに、前記した酸塩基類、特定化学薬品の使用は基本であって、実際には使用する酸塩基水溶液の濃度、液温度、浸漬時間、場合によっては添加物を工夫しつつ試行錯誤して適正な化学エッチングを行うことになる。化学エッチング法について言えば、特許文献7にアルミニウム合金に関する記載、特許文献8にマグネシウム合金に関する記載、特許文献9に銅合金に関する記載、特許文献10にチタン合金に関する記載、特許文献11にステンレス鋼に関する記載、特許文献12に一般鋼材に関する記載、特許文献13にアルミ鍍金鋼板に関する記載、及び、特許文献14に亜鉛系鍍金鋼板に関する記載をした。   That is, most of the target metals alloyed from pure metals have improved corrosion resistance without degrading the original metal properties. Therefore, in the case of an alloy, there may be a case where a target chemical etching cannot be performed even if an acid base or a specific chemical substance applied with reference to the literature as described above is used. In short, the use of the acid-bases and specific chemicals described above is fundamental, and in practice, the concentration of the acid-base aqueous solution to be used, the liquid temperature, the immersion time, and in some cases, appropriate by trial and error while devising the additive Chemical etching is performed. Speaking of chemical etching, Patent Document 7 describes aluminum alloy, Patent Document 8 describes magnesium alloy, Patent Document 9 describes copper alloy, Patent Document 10 describes titanium alloy, Patent Document 11 relates to stainless steel. Description, Patent Document 12 describes general steel materials, Patent Document 13 describes aluminum plated steel sheets, and Patent Document 14 describes zinc-based plated steel sheets.

実際に行う作業として全般的に共通する点を説明すると、金属合金形状物を得たら、まず各金属用の市販脱脂剤を溶かした水溶液に浸漬して脱脂し水洗する。この工程は、金属合金形状物を得る工程で付着した機械油や指脂の大部分を除けるので好ましく、常に行うべきである。次いで、薄く希釈した酸・塩基水溶液に浸漬して水洗するのが好ましい。これは本発明者等が予備酸洗浄や予備塩基洗浄と称している工程で、一般鋼材のように酸で腐食するような金属種では、塩基性水溶液に浸漬し水洗し、又、アルミニウム合金のように塩基性水溶液で特に腐食が早い金属種では、希薄酸水溶液に浸漬し水洗することである。これらは、化学エッチングに使用する水溶液と逆性のものを前もって金属合金に付着(吸着)させる工程であり、その後の化学エッチングが誘導期間なしに始まることになって処理の再現性が著しく向上する。それ故にこの予備酸洗浄、予備塩基洗浄工程は本質的なものではないが、実務上、採用することが好ましい。これらの工程の後に化学エッチング工程を入れる。   To explain the points that are generally common as work actually performed, when a metal alloy shaped product is obtained, first, it is immersed in an aqueous solution in which a commercially available degreasing agent for each metal is dissolved and degreased and washed with water. This step is preferred and should always be performed because it removes most of the machine oil and finger grease deposited in the step of obtaining the metal alloy shape. Then, it is preferably immersed in a thinly diluted acid / base aqueous solution and washed with water. This is a process called the preliminary acid cleaning and preliminary base cleaning by the present inventors, and in the case of a metal species that corrodes with an acid such as a general steel material, it is immersed in a basic aqueous solution and washed with water. As described above, in the case of a metal species that is particularly rapidly corroded in a basic aqueous solution, it is immersed in a dilute acid aqueous solution and washed with water. These are processes in which a solution opposite to the aqueous solution used for chemical etching is attached (adsorbed) to the metal alloy in advance, and the subsequent chemical etching starts without an induction period, so that the reproducibility of the process is remarkably improved. . Therefore, the preliminary acid cleaning and preliminary base cleaning steps are not essential, but are preferably employed in practice. A chemical etching step is inserted after these steps.

〔微細エッチング・表面硬化処理〕
本発明における微細エッチングは、金属合金表面に超微細凹凸を形成することを目的とする。また本発明における表面硬化処理は、金属合金の表層を金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とすることを目的とする。金属合金種によっては前記化学エッチングを行っただけで同時にナノオーダーの微細エッチングもなされ、超微細凹凸が形成される場合がある。さらに、金属合金種によっては表面の自然酸化層が元よりも厚くなって表面硬化処理も完了している場合もある。例えば、純チタン系のチタン合金は化学エッチングだけを行うことで、表面がミクロンオーダーの粗度を有し、且つ超微細凹凸も形成される。即ち、化学エッチングと併せて微細エッチングもなされる。しかし、多くは化学エッチングによりミクロンオーダーの大きな凹凸面を作った後で微細エッチングや表面硬化処理を行う必要がある。
[Fine etching / Surface hardening]
The purpose of fine etching in the present invention is to form ultra-fine irregularities on the surface of a metal alloy. Moreover, the surface hardening process in this invention aims at making the surface layer of a metal alloy into a thin layer of a metal oxide or a metal phosphate. Depending on the type of metal alloy, nano-order fine etching may be performed at the same time by performing the chemical etching, and ultra-fine irregularities may be formed. Furthermore, depending on the type of metal alloy, the natural oxide layer on the surface may be thicker than the original and the surface hardening process may be completed. For example, a pure titanium-based titanium alloy is only subjected to chemical etching, so that the surface has a roughness on the order of microns and ultra-fine irregularities are also formed. That is, fine etching is performed together with chemical etching. However, in many cases, it is necessary to perform fine etching or surface hardening treatment after forming a large uneven surface on the order of microns by chemical etching.

この時でも予測できない化学現象に見舞われることが多い。即ち、表面硬化処理や表面安定化処理を目的に化学エッチング後の金属合金に酸化剤等を反応させたり化成処理をしたとき、得られる表面に偶然ながら超微細凹凸が形成される場合がある。マグネシウム合金を過マンガン酸カリ系水溶液で化成処理した場合に生じた酸化マンガンとみられる表面層は10万倍電子顕微鏡でようやく判別つく5〜10nm直径の棒状結晶が錯綜したものである。この試料をXRD(X線回折計)で分析したが、酸化マンガン類由来の回折線は検出できなかった。表面が酸化マンガンで覆われていることはXPS分析で明らかである。XRDで検出できなかった理由は結晶が検出限界を超えた薄い層であったからとみている。要するに、マグネシウム合金では表面硬化処理としての化成処理を施したことで、微細エッチングも併せて完了していたことになった。銅合金でも同様で、塩基性下の酸化で表面を酸化第2銅に変化させる表面硬化処置を取ったところ、純銅系銅合金では、その表面は円形や円が歪んだ形の穴開口部が一面に生じ特有の超微細凹凸面になる。純銅系でない銅合金では凹部型でなく10〜150nm径の粒径物や不定多角形状物が連なり、一部融け合って積み重なった形の超微細凹凸形状になったりする。この場合でも表面の殆どは酸化第2銅で覆われており、表面の硬化と超微細凹凸の形成が同時に生じる。   Even at this time, we are often hit by unpredictable chemical phenomena. That is, when a metal alloy after chemical etching is reacted with an oxidizing agent or chemical conversion treatment for the purpose of surface hardening treatment or surface stabilization treatment, ultra fine irregularities may be formed on the resulting surface by chance. The surface layer that appears to be manganese oxide formed when a magnesium alloy is subjected to chemical conversion treatment with a potassium permanganate aqueous solution is a complex of rod-like crystals having a diameter of 5 to 10 nm that can be finally identified with a 100,000-fold electron microscope. This sample was analyzed by XRD (X-ray diffractometer), but diffraction lines derived from manganese oxides could not be detected. It is clear by XPS analysis that the surface is covered with manganese oxide. The reason why XRD could not be detected is that the crystal was a thin layer exceeding the detection limit. In short, the magnesium alloy was subjected to a chemical conversion treatment as a surface hardening treatment, so that fine etching was also completed. The same applies to copper alloys, and when surface hardening treatment was performed to change the surface to cupric oxide by oxidation under basic conditions, pure copper-based copper alloys had hole openings in the form of circular or circularly distorted surfaces. It occurs on one surface and becomes a unique ultra-fine uneven surface. A copper alloy that is not a pure copper type is not a concave shape, but is continuous with a particle having a diameter of 10 to 150 nm or an indefinite polygonal shape. Even in this case, most of the surface is covered with cupric oxide, and the hardening of the surface and the formation of ultrafine irregularities occur simultaneously.

一般鋼材に関しては、更なる検証が必要ではあるものの、ミクロンオーダーの粗度を形成するための化学エッチングだけで超微細凹凸も併せて形成されていることが多く、元来表層(自然酸化層)が硬いこともあって、表面硬化処理や微細エッチングを改めて行わずとも、「NAT」理論を適用可能と考えられた。問題は自然酸化層の耐食性が十分でないために、接着工程までに腐食が始まってしまったり、接着後の環境如何では短時間で接着力が低下することであった。   For general steel materials, although further verification is required, ultra-fine irregularities are often formed only by chemical etching to form micron-order roughness, and originally the surface layer (natural oxide layer) However, it was considered that the “NAT” theory can be applied without performing surface hardening treatment or fine etching again. The problem is that the corrosion resistance of the natural oxide layer is not sufficient, so that corrosion starts before the bonding process, or the adhesive force decreases in a short time depending on the environment after bonding.

これらは化成処理によって防ぐことができるが、実際には接着物を温度衝撃試験にかける試験、一般環境下に放置する試験、塗装した物を塩水噴霧装置にかける試験等を行って、接着の耐久性を調べる必要がある。例を挙げると、化成処理をしていない鋼材(実際にはSPCC:冷間圧延鋼材)同士をフェノール樹脂系接着剤で接着した接合体に関しては、4週間という短期間で接着力が急減した。一方、化成処理をした一般鋼材(SPCC)同士をフェノール樹脂系接着剤で接着した接合体に関しては、同じ期間では当初の接着力から低下しなかった。   These can be prevented by chemical conversion treatment, but in practice, the durability of the adhesive is tested by performing tests such as applying the adhesive to a thermal shock test, leaving it in a general environment, and applying the coated product to a salt spray device. It is necessary to examine sex. For example, regarding a bonded body obtained by bonding steel materials not subjected to chemical conversion treatment (actually SPCC: cold rolled steel material) with a phenol resin adhesive, the adhesive strength rapidly decreased in a short period of 4 weeks. On the other hand, regarding the joined body in which the general steel materials (SPCC) subjected to the chemical conversion treatment were bonded to each other with the phenol resin-based adhesive, they did not decrease from the initial adhesive force in the same period.

また、本発明者らは、一般に、化成処理によって金属合金表面に形成された被膜(化成被膜)の膜厚が厚いと、接着力が低下することが多いことを確認している。前記のマグネシウム合金に付着した酸化マンガン薄層のように、XRDで回折線が検出されないような薄層である方が、強い接着力が得られる。化成被膜が厚い金属合金同士をエポキシ系接着剤で接着し、破壊試験した場合、破壊面は殆どが金属相と化成皮膜の間となる。本発明者らが行った実験では、厚い化成皮膜とエポキシ系接着剤硬化物との接合力は、その化成皮膜と内部金属合金相との接合力より常に強かった。即ち、一般鋼材でも、化成処理時間を更に長くして化成処理層を厚くすれば、接着物の永続性(即ち接着力の維持性)は向上するはずである。しかしながら化成皮膜を厚くすれば、接着力自体が低下する。従って、どの程度でバランスを取るかは、使用目的、用途等にもよる。以下各種金属合金の表面処理方法について詳述する。   In addition, the present inventors have generally confirmed that when the thickness of a film (chemical conversion film) formed on the surface of a metal alloy by chemical conversion treatment is thick, the adhesive force often decreases. A strong adhesive force can be obtained when the thin layer is such that the diffraction line is not detected by XRD, such as the thin layer of manganese oxide adhered to the magnesium alloy. When metal alloys having a thick chemical conversion film are bonded to each other with an epoxy adhesive and subjected to a destructive test, the fracture surface is mostly between the metal phase and the chemical conversion film. In experiments conducted by the present inventors, the bonding force between the thick chemical conversion film and the cured epoxy adhesive was always stronger than the bonding force between the chemical conversion film and the internal metal alloy phase. That is, even with a general steel material, if the chemical conversion treatment time is further increased and the chemical conversion treatment layer is thickened, the durability of the adhesive (that is, the maintenance of adhesive strength) should be improved. However, if the chemical conversion film is thickened, the adhesive strength itself is lowered. Therefore, the degree of balance depends on the purpose of use and application. Hereinafter, the surface treatment method of various metal alloys will be described in detail.

(アルミニウム合金の表面処理)
アルミニウム合金は、まず脱脂槽に浸漬して機械加工等で付着した油剤や油脂を除去するのが好ましい。具体的には、本発明に特有な脱脂処理は必要ではなく、市販のアルミニウム合金用脱脂材を、その薬剤メーカーの指定通りの濃度で湯に投入した温水溶液を用意し、これに浸漬し水洗するのが好ましい。要するに、アルミニウム合金で行われている常法の脱脂処理で良い。脱脂材の製品によって異なるが、一般的な市販品では、濃度5〜10%として液温を50〜80℃とし5〜10分間浸漬する。
(Surface treatment of aluminum alloy)
It is preferable that the aluminum alloy is first immersed in a degreasing tank to remove oils and oils adhered by machining or the like. Specifically, the degreasing treatment unique to the present invention is not necessary, and a warm aqueous solution in which a commercially available degreasing material for aluminum alloy is poured into hot water at a concentration specified by the drug manufacturer is prepared, immersed in this, and washed with water. It is preferable to do this. In short, a conventional degreasing treatment performed with an aluminum alloy may be used. Although it differs depending on the product of the degreasing material, in a general commercial product, the concentration is 5 to 10%, the liquid temperature is 50 to 80 ° C., and the immersion is performed for 5 to 10 minutes.

これ以降の前処理工程は、アルミニウム合金に珪素が比較的多く含まれる合金と、これらの成分が少ない合金とでは処理方法が異なる。珪素分が少ない合金、即ち、A1050、A1100、A2014、A2024、A3003、A5052、A7075等の展伸用アルミニウム合金では、以下のような処理方法が好ましい。即ち、アルミニウム合金を、酸性水溶液に短時間浸漬して水洗し、アルミニウム合金の表層に酸成分を吸着させるのが、次のアルカリエッチングを再現性良く進める上で好ましい。この処理は、予備酸洗工程といってよいが、使用液は、硝酸、塩酸、硫酸等、安価な鉱酸の1%〜数%濃度の希薄水溶液が使用できる。次いで、強塩基性水溶液に浸漬して水洗し、エッチングを行う。   Subsequent pretreatment steps differ in the treatment method between an alloy containing a relatively large amount of silicon in an aluminum alloy and an alloy containing few of these components. For alloys with low silicon content, ie, aluminum alloys for drawing such as A1050, A1100, A2014, A2024, A3003, A5052, and A7075, the following treatment methods are preferred. That is, it is preferable that the aluminum alloy is immersed in an acidic aqueous solution for a short time and washed with water, and the acid component is adsorbed on the surface layer of the aluminum alloy in order to proceed the next alkali etching with good reproducibility. This treatment may be referred to as a preliminary pickling step, but a dilute aqueous solution having a concentration of 1% to several percent of an inexpensive mineral acid such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid or the like can be used. Next, it is immersed in a strongly basic aqueous solution, washed with water, and etched.

このエッチングにより、アルミニウム合金表面に残っていた油脂や汚れがアルミニウム合金表層と共に剥がされる。この剥がれと同時に、この表面にはミクロンレベルの粗度を有するようになる。即ち、JIS規格(JIS B 0601:'01,ISO 4287:'97/ISO 1302:'02)で言えば、山谷平均間隔(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5.0μmの凹凸面とする。これらの数値は、昨今の走査型プローブ顕微鏡にかければ自動的に計算をして出力されるようになっている。ただし、細かい凹凸を自動出力で表記した場合の数値は、算出RSm値が実情を表さない場合もある。より正確な数値を得るには、この凹凸に関して走査型プローブ顕微鏡が出力する粗度曲線グラフを目視検査することにより、RSm値を再確認する必要がある。   By this etching, fats and oils remaining on the surface of the aluminum alloy are peeled off together with the surface layer of the aluminum alloy. Simultaneously with this peeling, the surface has a roughness on the micron level. That is, according to the JIS standard (JIS B 0601: '01, ISO 4287: '97 / ISO 1302: '02), the average interval between the valleys and valleys (RSm) is 0.8 to 10 μm, and the maximum height roughness (Rz) is The uneven surface is 0.2 to 5.0 μm. These numerical values are automatically calculated and output if applied to a recent scanning probe microscope. However, the numerical value when the fine unevenness is expressed by automatic output may not be the actual value of the calculated RSm value. In order to obtain a more accurate numerical value, it is necessary to reconfirm the RSm value by visually inspecting the roughness curve graph output by the scanning probe microscope with respect to the unevenness.

前記粗度曲線グラフを目視検査して、0.2〜20μm範囲の不定期な周期で高低差が0.2〜5μm範囲の粗さ状況にあれば、実際は前記山谷平均間隔(RSm:0.8〜10μm)及び最大高さ粗さ(Rz:0.2〜5.0μm)とほぼ同じである。この目視検査法は、自動計算が信頼できないと判断した場合に、目視検査で判断が簡単にできるので好ましい。要するに、本発明で定義した技術用語で言えば、「ミクロンオーダーの粗度ある表面」にする。使用液は、1%〜数%濃度の苛性ソーダ水溶液を、30〜40℃にして数分浸漬するのが好ましい。次に、再度酸性水溶液に浸漬し、水洗することでナトリウムイオンを除き前処理を終えるのが好ましい。本発明者等はこれを中和工程と呼んでいる。この酸性水溶液として数%濃度の硝酸水溶液が特に好ましい。   If the roughness curve graph is visually inspected and the roughness is in the range of 0.2 to 5 μm with irregular intervals in the range of 0.2 to 20 μm, the average interval between the peaks and valleys (RSm = 0. 8 to 10 μm) and the maximum height roughness (Rz: 0.2 to 5.0 μm). This visual inspection method is preferable because it can be easily determined by visual inspection when it is determined that automatic calculation is not reliable. In short, in terms of technical terms defined in the present invention, a “surface with a roughness on the order of microns”. The working solution is preferably immersed in an aqueous caustic soda solution having a concentration of 1% to several percent at 30 to 40 ° C. for several minutes. Next, it is preferable to finish the pretreatment by removing the sodium ions by immersing again in an acidic aqueous solution and washing with water. The inventors refer to this as a neutralization step. As this acidic aqueous solution, a nitric acid aqueous solution having a concentration of several percent is particularly preferable.

一方、ADC10、ADC12等の鋳造用アルミニウム合金では、以下の工程を経るのが好ましい。即ち、アルミニウム合金の表面から油脂類を除去する脱脂工程の後、前述した工程と同様に予備酸洗し、エッチングするのが好ましい。このエッチングにより、強塩基性下で溶解しない銅分や珪素分が微粒子の黒色スマット(以下、この汚れ状物を鍍金業界では「スマット」と呼ぶので、この表現に倣う。)となる。よって、このスマットを溶かし剥がすべく、次いで数%濃度の硝酸水溶液に浸漬するのが好ましい。硝酸水溶液への浸漬で、銅スマットは溶解され、且つ珪素スマットはアルミニウム合金表面から浮く。   On the other hand, it is preferable to go through the following steps in casting aluminum alloys such as ADC10 and ADC12. That is, after the degreasing step of removing fats and oils from the surface of the aluminum alloy, it is preferable to carry out preliminary pickling and etching in the same manner as the above-described step. This etching results in a black smut in which the copper and silicon components that do not dissolve under strong basicity are fine particles (hereinafter, this contaminant is referred to as “smut” in the plating industry, and this expression is followed). Therefore, it is preferable to immerse the smut in an aqueous nitric acid solution having a concentration of several percent in order to dissolve and remove the smut. By immersion in an aqueous nitric acid solution, the copper smut is dissolved and the silicon smut floats from the aluminum alloy surface.

特に、使用した合金がADC12のように珪素分が多量に含まれた合金であると、硝酸水溶液に浸漬しただけでは、珪素スマットがアルミニウム合金基材の表面に付着し続け、これは剥がし切れない。それ故、次いで超音波をかけた水槽内に浸漬して、超音波洗浄し、珪素スマットを物理的に引き剥がすのが好ましい。これで全てのスマットが剥がれ落ちるわけではないが、実用上は十分である。これで前処理を終えても良いが、再度、希薄硝酸水溶液に短時間浸漬し水洗するのが好ましい。これで前処理を終えるが、前処理は酸性水溶液浸漬と水洗で終わっているのでナトリウムイオンが残ることはない。以下、ナトリウムイオンについて述べる。   In particular, if the alloy used is an alloy containing a large amount of silicon, such as ADC12, the silicon smut continues to adhere to the surface of the aluminum alloy substrate simply by dipping in an aqueous nitric acid solution, which cannot be completely peeled off. . Therefore, it is preferable that the silicon smut is then physically peeled off by immersing in an ultrasonic bath and ultrasonic cleaning. This does not remove all the smut, but it is sufficient for practical use. The pretreatment may be completed with this, but it is preferable to immerse again in a dilute nitric acid aqueous solution for a short time and wash with water. This completes the pretreatment. Since the pretreatment is completed by immersion in an acidic aqueous solution and washing with water, no sodium ions remain. Hereinafter, sodium ions will be described.

実験事実から言えば、エポキシ系接着剤を使用して、アルミニウム合金板同士を接着したときの接合強度は、ミクロンオーダーの粗度とその面のナノオーダーの超微細凹凸の形状特性によって殆ど決定される。実験事実から言えば、苛性ソーダ水溶液によるエッチングで、その浸漬条件等を探し出せば、前述した「NAT」理論でいう条件を偶然にしろ形状的に満たしていれば、意外に強い接着力が得られる。しかしながら、苛性ソーダによるエッチングのみの処理で、表面処理を終了させれば、その後に水洗を十々分に行ってもアルミニウム合金表層にナトリウムイオンが残存する。ナトリウムイオンは小粒径が故に移動し易く、塗装や接着が為された後であっても全体が濡れた状態になると、樹脂層を浸透する水分子に伴われて残存していたナトリウムイオンが、何故か金属/樹脂の境界面に集まって来て、アルミニウム表面の酸化を進める。   From the experimental facts, the bonding strength when aluminum alloy plates are bonded to each other using an epoxy adhesive is almost determined by the roughness of the micron order and the shape characteristics of the nano-order ultra-fine irregularities on the surface. The From the experimental facts, if the immersion conditions are searched for by etching with an aqueous caustic soda solution, unexpectedly strong adhesive strength can be obtained if the conditions described in the “NAT” theory are met by chance. However, if the surface treatment is completed only by etching with caustic soda, sodium ions remain on the surface layer of the aluminum alloy even after sufficient washing with water. Sodium ions are easy to move because of their small particle size, and even after being painted or adhered, when the whole becomes wet, the remaining sodium ions are accompanied by water molecules penetrating the resin layer. Somehow, it gathers at the metal / resin interface and advances the oxidation of the aluminum surface.

即ち、アルミニウム合金表面の腐食が生じ、その結果、基材と塗膜や接着剤間の剥離を促進する。この様な事情から未だに接着前に行うアルミニウム合金前処理として、苛性ソーダ水溶液でのエッチングを行う理由はない。それ故、現在でも、重クロム酸カリ、無水クロム酸の6価クロム化合物の水溶液に、アルミニウム合金を浸漬してクロメート処理するか、又は陽極酸化して未封孔のまま使用するのが強い接着剤接合の標準的前処理法とされている。要するにエッチングによる接着力向上に注目する以前に、アルミニウム合金表面の腐食や変質を防止することに主眼があった。   That is, corrosion of the aluminum alloy surface occurs, and as a result, peeling between the substrate and the coating film or adhesive is promoted. Under such circumstances, there is still no reason to perform etching with an aqueous caustic soda solution as an aluminum alloy pretreatment prior to bonding. Therefore, even today, it is strongly bonded to an aluminum alloy soaked in an aqueous solution of potassium dichromate or hexavalent chromium compound of chromic anhydride, or anodized and used unsealed. It is regarded as a standard pretreatment method for agent bonding. In short, before focusing on improving the adhesion by etching, the main focus was on preventing corrosion and alteration of the aluminum alloy surface.

しかしながら、アルミニウム合金を苛性ソーダエッチングする方法が全く使用されていないわけではなく、塗装の為の前処理でよく使用されている。通常、塗装では極限的な接着力が求められるわけでもなく、風雨が当たる屋外使用用途でなければ水に浸ることもないとの判断による。加えて塗膜保証を10年とする等というような製品でなければ、この塗装前処理法も不合理ではない。ただし本発明は、このような安易な考え方を前提とせず、長期的な接合安定性を重要課題とした。それ故、ナトリウムイオンの排除は最重要事項なのである。   However, the method of caustic soda etching of an aluminum alloy is not completely used, and is often used in a pretreatment for painting. Normally, the coating does not require an extreme adhesive force, and it is based on the judgment that it will not be immersed in water unless it is used outdoors for wind and rain. In addition, this pre-painting method is not unreasonable unless the product has a coating film guarantee of 10 years. However, the present invention does not presuppose such an easy idea and makes long-term bonding stability an important issue. Therefore, the elimination of sodium ions is of paramount importance.

アルミニウム合金に含有するナトリウム(Na)についても述べておく。アルミニウム金属の製法は、ボーキサイトを苛性ソーダ水溶液で溶解することで高純度のアルミニウム化合物を得、その電解還元によってアルミニウム地金を製造している。この製法上、アルミニウム地金にナトリウムが不純物として含まれることは避けられない。しかし現行の冶金技術は、アルミニウム合金中のナトリウム含量を極限まで抑えることが出来ている。それ故、酸塩基のミストがない通常環境において、昨今の市販アルミニウム合金では、直接的な濡れ(液体の水)が共存しないと腐食が進むことはない。実際、腐食が高速で進行するのは、濡れと潮風からの塩分(塩化ナトリウム)、及び陽光による加熱があるときである。即ち、市販のアルミニウム合金を、悪環境地域、例えば海岸近くに所在する都市で、潮風強く、かつ気温も高い地域の屋外で使用したとき、その腐食速度は速い。   The sodium (Na) contained in the aluminum alloy is also described. In the production method of aluminum metal, high purity aluminum compound is obtained by dissolving bauxite with an aqueous caustic soda solution, and aluminum ingot is produced by electrolytic reduction thereof. In this manufacturing method, it is inevitable that sodium is contained as an impurity in the aluminum metal. However, the current metallurgical technology can suppress the sodium content in the aluminum alloy to the limit. Therefore, in a normal environment where there is no acid-base mist, in the recent commercial aluminum alloys, corrosion does not proceed unless direct wetting (liquid water) coexists. In fact, corrosion proceeds at high speed when there is wetting, salt from the sea breeze (sodium chloride), and heating by sunlight. That is, when a commercially available aluminum alloy is used outdoors in a bad environment area, for example, a city located near the coast, in a strong sea breeze and in a high temperature area, the corrosion rate is high.

この腐食対策は、一般にはその全表面を塗料、接着剤等で被覆する。そのとき、その塗膜や接着層に割れヒビ等が生じないことで必要であり、この割れヒビ等から、塩分を含む水が、アルミニウム合金の表面に侵入しないようにすることが重要である。そのような対策が為された場合、必ずしもアルミニウム合金の表面処理としては一般的なクロメート処理による必要はなく、塗膜耐候性が良くて塗膜/基材間の接着が良好であれば、塗装のみでも悪環境下にても十分に長持ちする。特に、昨今は6価クロムの使用が世界中で拒絶されつつあり、クロメート処理は既に好ましいアルミニウム合金表面処理法と言えない。その一方、現在では、耐候性に優れた塗料、耐湿性や耐熱性に優れた接着剤が多く市販されている。このような中、本発明者等は、塗料や接着剤とアルミニウム合金基材間の強い接合が、長期に維持されるためにアルミニウム合金側に求められる条件の最適化とその理論化を図ろうとした。   As a countermeasure against corrosion, generally, the entire surface is coated with a paint, an adhesive or the like. At that time, it is necessary that cracks or the like are not generated in the coating film or adhesive layer, and it is important that salt-containing water does not enter the surface of the aluminum alloy from the cracks or the like. When such countermeasures are taken, it is not always necessary to use a general chromate treatment as a surface treatment for an aluminum alloy. If the coating film has good weather resistance and adhesion between the coating film and the substrate is good, coating It will last long enough even in a bad environment. In particular, recently, the use of hexavalent chromium is being rejected all over the world, and chromate treatment is not already a preferable aluminum alloy surface treatment method. On the other hand, at present, many paints excellent in weather resistance and adhesives excellent in moisture resistance and heat resistance are commercially available. Under these circumstances, the present inventors have attempted to optimize and theorize the conditions required on the aluminum alloy side in order to maintain a strong bond between the paint or adhesive and the aluminum alloy substrate for a long period of time. did.

アルミニウム合金表面の好ましい粗度は、具体的には基本的に苛性ソーダ等の強塩基性水溶液によって得て、その後に酸性水溶液への浸漬と十分な水洗でナトリウムイオンを取り除く。ところが、電子顕微鏡で観察すると、苛性ソーダ水溶液でのエッチングで得られたアルミニウム合金表面の微細構造は、数十nm周期の超微細凹凸があり、硬化した接着剤が基材凹部から抜け難いとみられる面、即ち「NAT」仮説で求める好ましい超微細凹凸面であるに対し、そのアルミニウム合金を硝酸水溶液に浸漬水洗した後の表面は、超微細凹凸の品質レベル(凹凸の高低差)が低下していた。要するに、ナトリウムイオンを取り除く為の酸性水溶液へ浸漬操作が、一種の化学研磨になる。苛性ソーダ水溶液でのエッチング後のアルミニウム合金表面の電子顕微鏡写真を見た場合、感覚的な表現でいうと、ミクロの目で見た場合のザラザラ面となっており、このザラザラ面は酸性水溶液に浸漬した場合、化学研磨によりザラザラ度を低下せしめ、接着剤接合には逆効果になった。   Specifically, the preferred roughness of the aluminum alloy surface is basically obtained by a strongly basic aqueous solution such as caustic soda, and thereafter sodium ions are removed by immersion in an acidic aqueous solution and sufficient water washing. However, when observed with an electron microscope, the microstructure of the surface of the aluminum alloy obtained by etching with a caustic soda solution has ultra-fine irregularities with a period of several tens of nanometers, and the surface on which the hardened adhesive is unlikely to escape from the concave portions of the substrate. In other words, the surface after the aluminum alloy was immersed in an aqueous nitric acid solution and washed with water was reduced in the quality level of the ultra-fine unevenness (the unevenness level). . In short, the immersion operation in an acidic aqueous solution for removing sodium ions is a kind of chemical polishing. Looking at the electron micrograph of the surface of the aluminum alloy after etching with an aqueous solution of caustic soda, it is a rough surface when viewed with microscopic eyes in terms of sensory expression. This rough surface is immersed in an acidic aqueous solution. In this case, the degree of roughness was reduced by chemical polishing, which had an adverse effect on adhesive bonding.

そこでこのザラザラ度を、以下に述べる微細エッチングで取り戻すようにしたものである。要するに、本発明者等が本発明をするに至った経緯、思考、理論は、数nmの高解像度が得られる高性能電子顕微鏡が容易に使用できるようになったことにもよっている。又、本発明において、アルミニウム合金の耐候性耐食性の獲得は、得られた最終的なアルミニウム合金表面を酸化アルミニウム表層とし、且つ、合金基材への接着剤の接合力を極限に高めることで達成しようという考え方である。   Therefore, the roughness is recovered by fine etching described below. In short, the background, thought, and theory that the present inventors have made the present invention are based on the fact that a high-performance electron microscope capable of obtaining a high resolution of several nanometers can be easily used. In the present invention, the weather resistance and corrosion resistance of the aluminum alloy can be obtained by making the final aluminum alloy surface the aluminum oxide surface layer and by increasing the bonding strength of the adhesive to the alloy base to the maximum. It is the idea of trying.

前処理を終えたアルミニウム合金は、最終処理である以下のような表面処理、即ち微細エッチングを行う。前処理を終えたアルミニウム合金を、水和ヒドラジン、アンモニア、及び水溶性アミン化合物のいずれか1つ以上を含む水溶液に浸漬し、その後水洗し、70℃以下で乾燥するのが好ましい。これは、前処理の最終処理で行う脱ナトリウムイオン処理によって表面がやや変化し、粗度は保たれるがその表面がやや円滑になったことに対する粗面の復活策でもある。水和ヒドラジン水溶液等の弱塩基性水溶液に、短時間浸漬して微細エッチングし、表面に10〜100nm径で同等高さ、又は深さの凹部若しくは突起のある超微細凹凸面で覆うようにするものであり、細かく言えば、ミクロンオーダーの凹凸の凹部内壁面に、40〜50nm周期の超微細凹凸が多数を占めるように形成し、電子顕微鏡写真で見た感覚を視覚的に言えばザラザラ度の高い面に仕上げるのが好ましい。   The aluminum alloy after the pretreatment is subjected to the following surface treatment, that is, fine etching, which is the final treatment. The pretreated aluminum alloy is preferably immersed in an aqueous solution containing one or more of hydrated hydrazine, ammonia, and a water-soluble amine compound, then washed with water and dried at 70 ° C. or lower. This is also a revival measure for the rough surface when the surface is slightly changed by the sodium removal ion treatment performed in the final treatment of the pretreatment and the roughness is maintained, but the surface becomes slightly smooth. It is immersed in a weakly basic aqueous solution such as a hydrated hydrazine aqueous solution for a short time and finely etched so that the surface is covered with an ultrafine uneven surface having a recess or protrusion having a diameter of 10 to 100 nm and an equivalent height or depth. To be precise, it is formed so that a large number of ultrafine irregularities with a period of 40 to 50 nm occupy on the inner wall surface of concaves and convexes on the order of microns. It is preferable to finish on a high surface.

又、水洗後の乾燥温度を例えば100℃以上の高温にすると、仮に乾燥機内が密閉的であると、沸騰水とアルミニウム間で水酸化反応が生じ、表面が変化してベーマイト層が形成される。これは丈夫な表層と言えず好ましくない。乾燥機内の湿度状況は乾燥機の大きさや換気の様子だけでなく、投入するアルミニウム合金の量にも関係する。その意味で表面のベーマイト化を防ぐにはどの様な投入条件であれ、90℃以下、好ましくは70℃以下で温風乾燥するのが良好な結果を再現性良く得る上で好ましい。70℃以下で乾燥した場合、XPSによる表面元素分析でアルミニウムのピークからアルミニウム(3価)しか検出できず、市販のA5052、A7075アルミニウム合金板材等のXPS分析では検出できるアルミニウム(0価)は消える。   If the drying temperature after washing with water is, for example, 100 ° C. or higher, if the inside of the dryer is sealed, a hydroxylation reaction occurs between boiling water and aluminum, and the surface changes to form a boehmite layer. . This is not preferable because it cannot be said to be a strong surface layer. The humidity condition in the dryer is related not only to the size of the dryer and the state of ventilation, but also to the amount of aluminum alloy to be introduced. In that sense, hot air drying at 90 ° C. or lower, preferably 70 ° C. or lower, is preferred for obtaining good results with good reproducibility under any charging conditions to prevent surface boehmite formation. When dried at 70 ° C. or lower, only aluminum (trivalent) can be detected from the aluminum peak by surface elemental analysis by XPS, and aluminum (zero valent) that can be detected by XPS analysis of commercially available A5052, A7075 aluminum alloy sheet, etc. disappears. .

XPS分析は、金属表面から1〜2nm深さまでに存在する元素が検出できるので、この結果から、水和ヒドラジンやアミン系化合物の水溶液に浸漬し、その後水洗して温風乾燥することで、アルミニウム合金が持っていた本来の自然酸化層(1nm厚さ程度の酸化アルミニウム薄層)が微細エッチングでより厚くなったことが分かった。少なくとも自然酸化層と異なって、2nm以上の厚さのあることが分かったので、それ以上解明しなかった。即ち、アルゴンイオンビーム等でエッチングしてからXPS分析をすれば、10〜100nm程度のより深い位置での分析が可能であるが、ビーム自体の影響で深層のアルミニウム原子の価数が変化する可能性もあるとのことで、現時点でこの解析が困難と考えて本発明者等はこの考察を止めた。   The XPS analysis can detect elements present at a depth of 1 to 2 nm from the metal surface. From this result, it is immersed in an aqueous solution of hydrated hydrazine or an amine compound, and then washed with water and dried with warm air to obtain aluminum. It was found that the original natural oxide layer (a thin aluminum oxide layer having a thickness of about 1 nm) that the alloy had became thicker by fine etching. Since it was found that the layer had a thickness of 2 nm or more unlike at least the natural oxide layer, it was not further elucidated. That is, if XPS analysis is performed after etching with an argon ion beam or the like, analysis at a deeper position of about 10 to 100 nm is possible, but the valence of aluminum atoms in the deep layer may change due to the influence of the beam itself. The present inventors considered this analysis difficult at this time, and the present inventors stopped this consideration.

他の表面処理方法によるアルミニウム合金表面の酸化アルミニウム層の形成について述べる。アルミニウム合金の耐候性向上のために行う表面処理法の一つに陽極酸化法がある。アルミニウム合金に陽極酸化を為した場合、数μm〜十数μm厚の酸化アルミニウム層が形成でき、耐候性は大きく向上する。陽極酸化処理直後の酸化アルミニウム層には、無数の20〜40nm径程度の穴の開口部が残されている。この状態、即ち未封孔アルマイト状態で接着剤の接合、又は塗料の塗布を行うと、接着剤、又は塗料が開口部から穴に若干入り込んで固化し、強いアンカー効果を発揮し、接着剤による接合では強い接合力を生むとされている。実際、航空機の組み立てでは、陽極酸化アルミニウム合金として、これに接着剤を塗布して異材質材等を接合することが知られている。   The formation of an aluminum oxide layer on the surface of an aluminum alloy by another surface treatment method will be described. One surface treatment method for improving the weather resistance of aluminum alloys is an anodic oxidation method. When anodizing is performed on an aluminum alloy, an aluminum oxide layer having a thickness of several μm to several tens of μm can be formed, and weather resistance is greatly improved. An infinite number of holes having a diameter of about 20 to 40 nm are left in the aluminum oxide layer immediately after the anodizing treatment. In this state, that is, when the adhesive is joined or paint is applied in the unsealed alumite state, the adhesive or paint slightly enters the hole from the opening and solidifies, and exhibits a strong anchor effect. It is said that a strong bonding force is produced in the bonding. In fact, in assembling an aircraft, it is known that an anodized aluminum alloy is coated with an adhesive to join different materials.

しかしながら、本発明者等はこの説に疑問を持った。即ち、陽極酸化アルミニウム合金同士をエポキシ系接着剤で強固に接合した一体化物のせん断破断試験を行った場合、本発明者等の破断試験によると、40MPa(40N/mm)以上の強い力で破断したサンプルはなく、且つ破断面を見ると、接着剤が破断するのではなく、陽極酸化層(酸化アルミニウム層)がアルミニウム合金基材から剥がれているものが殆どであった。ここで本発明者等の考察を言えば、「強い接合に必要な金属側の表面は、金属酸化物等セラミック質の高硬度の層でなければならないがその厚さは厚すぎてはならない。」というものである。陽極酸化物の表層は酸化アルミニウムであって、基材アルミニウム自身の酸化物ではあるが、表層はセラミック質で基材は金属だから互いに異物同士である。 However, the inventors have questioned this theory. That is, when a shear fracture test of an integrated product in which anodized aluminum alloys are firmly bonded with an epoxy adhesive is performed, according to the fracture test by the present inventors, a strong force of 40 MPa (40 N / mm 2 ) or more is used. There was no broken sample, and when the fractured surface was viewed, the adhesive was not broken, and most of the anodized layer (aluminum oxide layer) was peeled off from the aluminum alloy substrate. According to the present inventors' consideration, "The metal side surface required for strong bonding must be a high-hardness layer of ceramic such as metal oxide, but its thickness should not be too thick. ". Although the surface layer of the anodic oxide is aluminum oxide and is an oxide of the base aluminum itself, the surface layer is ceramic and the base material is a metal, so they are foreign matter.

セラミック質が厚ければ、必ず極限状態では物性の差異が現れて破断するはずである。それ故、金属酸化物層は薄い方が好ましく、且つ常識から、その金属酸化物はアモルファスか微結晶状態のセラミック質であると基材との接合が万全で好ましいはずと考えた。即ち、接着物のせん断破断力を強烈なものにするには、むやみに酸化金属層を厚くすべきでなく、陽極酸化を為した未封孔アルマイトの使用は好ましくないという結論である。   If the ceramic material is thick, a difference in physical properties will always appear in the extreme state and it should break. Therefore, it is preferable that the metal oxide layer is thin, and based on common sense, it was considered that the metal oxide layer should be preferably bonded to the base material if it is an amorphous or microcrystalline ceramic material. That is, in order to increase the shear breaking force of the adhesive, the metal oxide layer should not be thickened unnecessarily, and the use of unsealed anodized anodized is not preferable.

以下、本発明でいう微細エッチングについて更に詳細に述べる。水和ヒドラジン、アンモニア、又は水溶性アミン等の水溶液で、PH9〜10の弱塩基性水溶液に適当な温度、適当な時間だけ浸漬すると、その表面は直径10〜100nmの超微細凹凸形状で全面が覆われたものとなる。数平均の直径で言えば50nm程度である。又、逆の言い方をすれば、表面に直径10〜100nmの超微細凹凸形状を得るためには、最適なPH、温度、時間を選択すると良いということである。本発明者等が予想している最も好ましい超微細凹凸の周期、又は超微細凹凸部の直径は50〜100nm、特に50〜70nm程度であろうと経験的に考えている。その理由は、10nm周期の凹凸なら、ザラザラ面というよりも凹凸具合が微細に過ぎて粘性ある接着剤にとっては円滑面であり、又、100nm以上であれば、ザラザラ面というには大まか過ぎて引っかかるイメージがない。なお、本発明でいう「数平均」とは、統計的に検証出来る程度の総和平均という程度ではない、20個以内のサンプルを抽出した程度の平均値をいう。   Hereinafter, the fine etching referred to in the present invention will be described in more detail. When immersed in an aqueous solution of hydrated hydrazine, ammonia, water-soluble amine or the like in a weakly basic aqueous solution with a pH of 9 to 10 for an appropriate temperature and for an appropriate period of time, the entire surface is an ultra-fine irregular shape with a diameter of 10 to 100 nm. It will be covered. The number average diameter is about 50 nm. In other words, the optimum pH, temperature, and time may be selected in order to obtain an ultra fine uneven shape with a diameter of 10 to 100 nm on the surface. It is empirically considered that the most preferable period of the ultra-fine irregularities predicted by the present inventors or the diameter of the ultra-fine irregularities is about 50 to 100 nm, particularly about 50 to 70 nm. The reason is that if the unevenness has a period of 10 nm, the unevenness is finer than the rough surface, and it is a smooth surface for the viscous adhesive, and if it is 100 nm or more, it is too rough for the rough surface to get caught. There is no image. Note that the “number average” in the present invention is not a total average that can be statistically verified, but an average value that is obtained by extracting up to 20 samples.

上述した50〜70nmという範囲は、試行錯誤を行い、多数の実験結果から推定した数値である。しかし、単に50〜70nmの周期を目指すとしても、化学反応でそのような規律正しいものが出来るはずがなく、バラついたものになる。電子顕微鏡で撮影した写真を見て数値化するしかなく、その結果から言えば、直径10〜100nmで同等の深さの凹部、又は直径10〜100nmで同等の高さの凸部でほぼ全面が覆われた超微細凹凸形状であれば良い。実験結果では、直径10〜20nmの凹凸が表面の大部分を占める場合、又、逆に直径100nm以上の凹凸が多きを占めるような場合には接合力は劣ったものとなった。後述する例では、A7075材やA5052材を水和ヒドラジンの水溶液でエッチングした例を記す。   The above-mentioned range of 50 to 70 nm is a numerical value estimated from many experimental results through trial and error. However, simply aiming for a period of 50 to 70 nm cannot be made such a disciplined chemical reaction and will vary. There is no choice but to digitize it by looking at a photograph taken with an electron microscope. According to the result, almost the entire surface is a concave portion having a diameter of 10 to 100 nm and an equivalent depth, or a convex portion having a diameter of 10 to 100 nm and an equivalent height. What is necessary is just to be the covered super fine uneven shape. As a result of the experiment, when the unevenness having a diameter of 10 to 20 nm occupies most of the surface, or conversely, the unevenness having a diameter of 100 nm or more occupies many, the bonding force was inferior. In the example described later, an example in which A7075 material or A5052 material is etched with an aqueous solution of hydrated hydrazine will be described.

即ち、このような大きさの凹部や凸部でアルミニウム合金を覆うようにするには、多数の実験で試行錯誤して浸漬条件を探索する必要がある。一水和ヒドラジンの3.5%濃度の60℃の水溶液で言うと、A5052、A7075材の浸漬では浸漬時間を2分間程度とするのが最適であり、この浸漬時間による表面は10〜100nm直径、数平均では直径40〜50nmの凹部で全面が覆われる。しかしながら、4分間浸漬した場合、凹部の直径が拡大して80〜200nmのものとなり、これらの凹部の直径の数平均値では100nm径を超えるように急拡大し、凹部の底部にも更に凹部が発生してその構造が複雑化する。更に、8分間浸漬すると、横穴状の侵食も進んでややスポンジ状になり、更に深い凹部が繋がって谷や峡谷状に変化する。16分浸漬すると、目視でもアルミニウム合金が元の金属色からやや褐色かかって可視光線の吸収具合が変化し始めたことが分かる。   That is, in order to cover the aluminum alloy with the concave and convex portions having such a size, it is necessary to search for immersion conditions through trial and error in a number of experiments. Speaking of a 60% aqueous solution of hydrazine monohydrate at a concentration of 3.5%, it is optimal to immerse the A5052 and A7075 materials at an immersion time of about 2 minutes, and the surface by this immersion time has a diameter of 10 to 100 nm. In average, the entire surface is covered with a recess having a diameter of 40 to 50 nm. However, when immersed for 4 minutes, the diameter of the recesses expands to 80 to 200 nm, the number average value of the diameters of these recesses rapidly expands to exceed 100 nm diameter, and there are further recesses at the bottom of the recesses. Occurs and the structure becomes complicated. Further, when immersed for 8 minutes, the erosion of the horizontal hole progresses to become slightly sponge-like, and deeper recesses are connected to change into a valley or a canyon shape. When immersed for 16 minutes, it can be seen by visual observation that the aluminum alloy is slightly browned from the original metal color and the absorption of visible light begins to change.

ちなみに前述した条件で浸漬時間が1分間のときは、電子顕微鏡写真で10〜40nm径の凹部が観察され、これらの数平均直径は25〜30nmの凹部であった。更に、0.5分間の浸漬であると、表面を覆う凹部の直径は10〜30nmであり、これらの数平均直径で言えば25nm程度で、浸漬時間1分の場合と大差がない。そして浸漬時間0.5分の物と、浸漬時間1分の物の電子顕微鏡写真をよく見比べてみると、凹部の深さは0.5分間浸漬したものが1分間浸漬したものより明らかに浅い様子であった。要するに、弱塩基性水溶液中のA5052、A7075では、何故か20〜25nm周期で侵食が始まり、まずこれが直径20nm程度の凹部を作り、この凹部の深さが直径と同レベルまで深くなったら、その後は凹部の縁が侵食されて凹部直径の拡大となり、凹部の内部の不定方向への侵食が始まることが分かった。そのように侵食された場合、最も接着剤接合に適した単純で且つ丈夫な侵食具合は、A7075、A5052を3〜5%一水和ヒドラジン水溶液(60℃)に浸漬した場合で、ほぼ2分間であった。   By the way, when the immersion time was 1 minute under the conditions described above, concave portions having a diameter of 10 to 40 nm were observed in the electron micrograph, and these number average diameters were concave portions having a diameter of 25 to 30 nm. Furthermore, when the immersion is performed for 0.5 minutes, the diameter of the concave portion covering the surface is 10 to 30 nm, and the number average diameter is about 25 nm, which is not much different from the case of the immersion time of 1 minute. And if you look closely at the electron micrographs of the immersion time of 0.5 minutes and the immersion time of 1 minute, the depth of the recess is clearly shallower than the one immersed for 1 minute. It was a state. In short, in A5052 and A7075 in weakly basic aqueous solution, for some reason, erosion started with a period of 20 to 25 nm. First, this formed a recess with a diameter of about 20 nm, and when the depth of this recess became the same level as the diameter, It was found that the edge of the recess was eroded to increase the diameter of the recess, and erosion in the indefinite direction inside the recess started. When so eroded, the simple and strong erosion condition most suitable for adhesive bonding is approximately 2 minutes when A7075 and A5052 are immersed in a 3-5% monohydric hydrazine aqueous solution (60 ° C.). Met.

例えば、温度23℃で粘度40Pa・秒の1液性高温硬化型エポキシ系接着剤「EP106(セメダイン株式会社(日本国東京都)製)」を使用した場合について説明する。実施例で示す接着実験の結果から言えば、前記条件で水和ヒドラジン水溶液に1分浸漬したA7075等のアルミニウム合金材の場合では、数平均で超微細凹部の直径が25nm程度と小さ過ぎてエポキシ樹脂がこの超微細凹部に侵入し難いようであり、浸漬時間を2分にした場合の接着力が最大になるようであった。前記条件でA7075等を2分間浸漬した場合、超微細凹部の直径は数平均の直径で40nm程度になったので、このエポキシ樹脂はこの程度以上の超微細凹部であれば、この超微細凹部内に頭を突っ込み得るのだろうと推定された。   For example, a case where a one-component high-temperature curable epoxy adhesive “EP106 (manufactured by Cemedine Co., Ltd. (Tokyo, Japan)) having a viscosity of 40 Pa · sec at a temperature of 23 ° C. is described. According to the results of the adhesion experiment shown in the examples, in the case of an aluminum alloy material such as A7075 soaked in a hydrated hydrazine aqueous solution for 1 minute under the above conditions, the diameter of the ultrafine recesses was too small as about 25 nm on the number average, and epoxy. It seems that the resin hardly penetrates into the ultrafine recesses, and the adhesive strength when the immersion time is 2 minutes seems to be maximized. When A7075 or the like was immersed for 2 minutes under the above-mentioned conditions, the diameter of the ultrafine recess was about 40 nm in terms of number average diameter. It was estimated that it would be possible to pierce the head.

要するに、ミクロンオーダーの凹部の内面が数十nm周期の凹凸あるザラザラ面であると、接合力が高くなるのである。又、前述した浸漬時間が2分間以上、例えば4分間、8分間と長くなると凹部径が大きくなるだけでなく、凹部の中にまた凹部が出来、簡単に言えばスポンジ状になってきて、アルミニウム合金表面層自体の強度が弱くなるだけでなく、深く複雑な穴の奥まで接着剤が侵入できないのである。この結果、接合物の接合境界部に空隙部が増え、結果として接合力が最大値より低下する。要するに、前記のエポキシ系接着剤をA7075等のアルミニウム合金に使用する場合、その接合力を最高にするには、ミクロンオーダーの適当な粗度とするに加え、その表面を数平均値で40〜50nm直径の超微細凹部で覆うことが好ましく、この超微細凹部を作るための最適な浸漬時間の範囲は非常に狭いことが理解できる。前述した2分間前後(概ね1.5分〜3分)の浸漬時間の場合に、最善の接合結果が得られたからである。   In short, when the inner surface of the concave portion of the micron order is a rough surface having irregularities with a period of several tens of nanometers, the bonding force is increased. In addition, when the immersion time is longer than 2 minutes, for example, 4 minutes or 8 minutes, not only the diameter of the recesses is increased, but also recesses are formed in the recesses. Not only does the strength of the alloy surface layer itself weaken, but the adhesive cannot penetrate deeply into the complex holes. As a result, voids increase at the bonding boundary of the bonded article, and as a result, the bonding force decreases from the maximum value. In short, when the epoxy adhesive is used for an aluminum alloy such as A7075, in order to maximize the bonding force, in addition to setting the surface to a suitable roughness on the order of microns, the surface has a number average value of 40 to 40. It is preferable to cover with an ultrafine recess having a diameter of 50 nm, and it can be understood that the optimum immersion time range for making this ultrafine recess is very narrow. This is because the best joining result was obtained when the immersion time was around 2 minutes (approximately 1.5 to 3 minutes) as described above.

A5052のアルミニウム合金に対して同じエポキシ系接着剤を使用した場合、苛性ソーダ水溶液によるエッチング時の浸漬条件はA7075に対する場合と若干異なる。これは侵食具合や、その侵食された表面の物性が当然だが異なるからと考えられる。   When the same epoxy adhesive is used for the A5052 aluminum alloy, the dipping conditions during etching with an aqueous caustic soda solution are slightly different from those for A7075. This is probably because the erosion condition and the physical properties of the eroded surface are different.

アンモニア水はヒドラジン水溶液よりもPHが低いし、水溶液を常温より高温にするとアンモニアの揮発が激しくなる。それ故に高濃度、低温での浸漬処理となり、25%濃度程度の最も濃いアンモニア水を常温で使用する場合も15〜20分の浸漬時間が必要となる。逆に水溶性アミン類の多くは、ヒドラジン水溶液よりも強い塩基性水溶液となるのでより短時間での処理となる。量産処理では浸漬時間が長過ぎても短きに過ぎても作業の安定性が失われる。その意味で最適浸漬時間を数分にできる水和ヒドラジンが実際の使用には適しているように思われる。   Ammonia water has a lower pH than an aqueous hydrazine solution, and when the aqueous solution is heated to a temperature higher than room temperature, volatilization of ammonia becomes intense. Therefore, the immersion treatment is performed at a high concentration and a low temperature, and the immersion time of 15 to 20 minutes is required even when the most concentrated ammonia water having a concentration of about 25% is used at room temperature. On the contrary, many water-soluble amines become a basic aqueous solution stronger than the hydrazine aqueous solution, so that the treatment takes a shorter time. In mass production processing, the stability of the work is lost if the immersion time is too long or too short. In that sense, hydrated hydrazine, which can have an optimum soaking time of several minutes, seems to be suitable for practical use.

何れの場合も、水和ヒドラジン、アンモニア、又は水溶性アミンの水溶液への浸漬の後で、数%濃度の過酸化水素水溶液に浸漬した場合に接合力が向上する合金種があった。表面の酸化金属層の厚さが厚くなっているのかもしれないが、厚さ2nm以上について分析が難しく理論的には解明出来なかった。   In any case, there was an alloy species that improved the bonding strength when immersed in an aqueous solution of hydrogen peroxide having a concentration of several percent after immersion in an aqueous solution of hydrated hydrazine, ammonia, or a water-soluble amine. The thickness of the metal oxide layer on the surface may have increased, but it was difficult to analyze for thicknesses of 2 nm or more and could not be solved theoretically.

(マグネシウム合金の表面処理)
マグネシウム合金は、まず脱脂槽に浸漬して機械加工で付着した油剤や指脂を除くのが好ましい。具体的には、市販のマグネシウム合金用脱脂材を、薬剤メーカーの指定通りの濃度で湯に投入して水溶液を用意し、これに浸漬した後、これを水洗するのが好ましい。通常の市販品では、一般的には濃度5〜10%、液温を50〜80℃とし、これに5〜10分浸漬する。次に、マグネシウム合金を酸性水溶液に短時間浸漬する化学エッチングを行い、水洗する。脱脂工程で除き切れなかった汚れを含めマグネシウム合金表層が剥がされ、同時にミクロンオーダーの粗度、即ち、走査型プローブ顕微鏡観察測定によるJIS規格(JISB0601:2001(ISO 4287))で言えば、粗さ曲線の平均長さ(RSm)が0.8〜10μm、粗さ曲線の最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmの凹凸がある面にする。
(Surface treatment of magnesium alloy)
The magnesium alloy is preferably first immersed in a degreasing bath to remove oils and finger grease adhered by machining. Specifically, it is preferable that a commercially available degreased material for magnesium alloy is poured into hot water at a concentration specified by the drug manufacturer to prepare an aqueous solution and immersed in it, and then washed with water. In an ordinary commercial product, the concentration is generally 5 to 10%, the liquid temperature is 50 to 80 ° C., and the product is immersed in this for 5 to 10 minutes. Next, chemical etching in which the magnesium alloy is immersed in an acidic aqueous solution for a short time is performed and washed with water. The surface of the magnesium alloy is peeled off, including dirt that could not be removed in the degreasing process, and at the same time, the roughness on the order of microns, that is, the roughness according to the JIS standard (JISB0601: 2001 (ISO 4287)) measured by scanning probe microscopy. The surface has an uneven surface with an average length (RSm) of the curve of 0.8 to 10 μm and a maximum height roughness (Rz) of the roughness curve of 0.2 to 5 μm.

上記で行う化学エッチング用の使用液としては、1%〜数%濃度のカルボン酸や鉱酸の水溶液、特にクエン酸、マロン酸、酢酸、硝酸等の水溶液が好ましい。化学エッチングでは、通常マグネシウム合金に含まれるアルミニウムや亜鉛は、溶解せず黒色のスマットとしてマグネシウム合金表面に付着残存するから、次に弱塩基性水溶液に浸漬してアルミニウムスマットを溶解して除き、次に強塩基水溶液に浸漬して亜鉛スマットを溶解して除くのが好ましい。   The use solution for chemical etching performed above is preferably an aqueous solution of carboxylic acid or mineral acid having a concentration of 1% to several percent, particularly an aqueous solution of citric acid, malonic acid, acetic acid, nitric acid or the like. In chemical etching, aluminum and zinc contained in a magnesium alloy usually do not dissolve and remain on the surface of the magnesium alloy as a black smut. Then, the aluminum smut is removed by soaking in a weakly basic aqueous solution. It is preferable to dissolve the zinc smut by immersing it in a strong base aqueous solution.

このようにしてスマットを溶解排除したマグネシウム合金を、所謂、化成処理する。即ち、マグネシウムは、イオン化傾向の非常に高い金属であるから空気中の湿気と酸素による酸化速度が他の金属に比べて速い。マグネシウム合金には、自然酸化膜があるが耐食性の点から見て十分強いものではなく、通常の環境下でも自然酸化膜を拡散した水分子や酸素で酸化腐食が進行する。それ故、通常のマグネシウム合金は、クロム酸や重クロム酸カリ等の水溶液に浸漬して酸化クロムの薄層で全面を覆う(クロメート処理と呼ばれる)か、又はリン酸を含むマンガン塩の水溶液に浸漬して、リン酸マンガン系化合物で全面を覆う処理を行って、腐食防止処置を行う。これらの処置をマグネシウム業界では化成処理と呼んでいる。   Thus, the so-called chemical conversion treatment is performed on the magnesium alloy from which the smut is dissolved and eliminated. That is, since magnesium is a metal with a very high ionization tendency, the oxidation rate due to moisture and oxygen in air is faster than other metals. Magnesium alloys have a natural oxide film, but are not strong enough in terms of corrosion resistance, and oxidative corrosion proceeds with water molecules and oxygen diffused through the natural oxide film even in a normal environment. Therefore, ordinary magnesium alloys are either immersed in an aqueous solution of chromic acid or potassium dichromate and covered with a thin layer of chromium oxide (called chromate treatment), or in an aqueous solution of manganese salt containing phosphoric acid. Immersion is performed, and the entire surface is covered with a manganese phosphate compound to perform corrosion prevention treatment. These treatments are called chemical treatments in the magnesium industry.

要するに、マグネシウム合金に行う化成処理とは、金属塩を含む水溶液にマグネシウム合金を浸漬して、その表面を金属酸化物及び/又は金属リン酸化物の薄層で覆う処置を言う。現在では、6価のクロム化合物を使用するクロメート型の化成処理は環境汚染の観点から忌避されており、ノンクロメート処理と言われるクロム以外の金属塩を使用した化成処理、実際には、前記したリン酸マンガン系化成処理、又は珪素系化成処理が行われる。本発明ではこれらの方法と相違して、弱酸性とした過マンガン酸カリの水溶液を、化成処理用水溶液として使用するのが特に好ましい。この場合、表面を覆う皮膜(化成皮膜という)は、二酸化マンガンとなる。   In short, the chemical conversion treatment performed on the magnesium alloy is a treatment in which the magnesium alloy is immersed in an aqueous solution containing a metal salt and the surface thereof is covered with a thin layer of metal oxide and / or metal phosphate. At present, the chromate type chemical conversion treatment using a hexavalent chromium compound is avoided from the viewpoint of environmental pollution, and the chemical conversion treatment using a metal salt other than chromium, which is called non-chromate treatment, Manganese phosphate chemical conversion treatment or silicon chemical conversion treatment is performed. In the present invention, unlike these methods, it is particularly preferable to use a weakly acidic aqueous solution of potassium permanganate as an aqueous solution for chemical conversion treatment. In this case, a coating covering the surface (referred to as a chemical conversion coating) is manganese dioxide.

具体的な処理法としては、上述したようにスマットを溶融したマグネシウム合金を非常に希薄な酸性水溶液に短時間浸漬した後、これを水洗し、表層の塩基性成分を除く。その後に化成処理用水溶液に浸漬して水洗し、乾燥する方法が好ましい。前記の希薄な酸性水溶液として、クエン酸やマロン酸の0.1〜0.3%の水溶液を使用するのが好ましく、常温付近で1分程度浸漬するのが好ましい。化成処理用水溶液としては、過マンガン酸カリを1.5〜3%、酢酸を1%前後、及び酢酸ナトリウムを0.5%前後含む水溶液を、温度40〜50℃で使用するのが好ましく、この水溶液では浸漬時間は1分程度が好ましい。これらの操作により、マグネシウム合金はニ酸化マンガンの化成皮膜で覆われたものとなり、その表面形状は、ミクロンオーダーの大きな粗度(粗さ面)を有し、且つ電子顕微鏡で観察するとナノオーダーの超微細凹凸あるものとなる。   As a specific treatment method, the magnesium alloy in which the smut is melted as described above is dipped in a very dilute acidic aqueous solution for a short time, and then washed with water to remove the basic component on the surface layer. The method of immersing in the aqueous solution for chemical conversion treatment after that, washing with water, and drying is preferable. As the dilute acidic aqueous solution, it is preferable to use a 0.1 to 0.3% aqueous solution of citric acid or malonic acid, and it is preferable to immerse at about room temperature for about 1 minute. As the chemical conversion treatment aqueous solution, it is preferable to use an aqueous solution containing 1.5 to 3% potassium permanganate, about 1% acetic acid and about 0.5% sodium acetate at a temperature of 40 to 50 ° C. In this aqueous solution, the immersion time is preferably about 1 minute. By these operations, the magnesium alloy is covered with a chemical conversion film of manganese dioxide, and the surface shape has a large roughness (roughness surface) on the order of microns, and when observed with an electron microscope, it is on the order of nanometers. There will be ultra-fine irregularities.

図3(a)及び(b)は、それぞれ10万倍の超微細凹凸形状の電子顕微鏡写真である。これらの超微細凹凸形状を、文章表現で表現するのは困難であるが、敢えて言えば、図3(a)の電子顕微鏡写真からは、5〜20nm径で20〜200nm長さの棒状、又は球状物のような無数に錯綜した凹凸で表面が覆われている超微細凹凸形状と言える。図3(b)の電子顕微鏡写真からは、この超微細凹凸形状は、5〜20nm径で10〜30nm長さの棒状、又は球状のような突起が無数に生えた直径80〜120nmの球状物が、不規則に積み重なったような形状の表面を呈している。約10nm径の棒状(針状)物質は、電子顕微鏡観察から言えば完全に結晶であると言うべきだが、X線回折装置(XRD)からはマンガン酸化物で見られる回折線は認められなかった。   FIGS. 3 (a) and 3 (b) are electron micrographs of ultra-fine irregularities with a magnification of 100,000 times, respectively. Although it is difficult to express these ultra-fine irregularities with a sentence expression, from an electron micrograph of FIG. 3 (a), a rod shape having a diameter of 5 to 20 nm and a length of 20 to 200 nm, or It can be said that the surface is covered with infinitely complex irregularities such as spherical objects. From the electron micrograph of FIG. 3 (b), this ultra-fine irregular shape is a rod-like shape having a diameter of 5 to 20 nm and a length of 10 to 30 nm, or a spherical object having a diameter of 80 to 120 nm with numerous spherical protrusions. However, the surface is shaped like an irregular stack. It should be said that the rod-like (needle-like) substance having a diameter of about 10 nm is completely crystalline in terms of electron microscope observation, but the diffraction line seen in the manganese oxide was not observed from the X-ray diffractometer (XRD). .

X線回折装置(XRD)は、結晶の量が少ないと検出できないので、今のところ学問的にこれらが結晶であると判断して良いか否かは、結晶学の学徒でない本発明者等には分からない。少なくとも、これらがアモルファス(非結晶)というには形が整い過ぎており、これがアモルファスとは言えない。なお、XPS分析からは、マンガン(イオンであり0価のマンガンではない)と酸素の大きなピークが認められ、表層はマンガン酸化物であることは間違いない。この表面は、色調が暗色であり、二酸化マンガンが少なくとも主体のマンガン酸化物である。   X-ray diffractometers (XRD) cannot detect if the amount of crystals is small, so it is up to the inventor who is not a student of crystallography to determine whether or not these may be crystals. I do n’t know. At least, they are too shaped to be amorphous (non-crystalline), which cannot be said to be amorphous. From XPS analysis, large peaks of manganese (which is an ion and not zero-valent manganese) and oxygen are recognized, and there is no doubt that the surface layer is a manganese oxide. This surface has a dark color and is a manganese oxide mainly composed of manganese dioxide.

又、前記と全く異なる微細表面形状であるが、直径20〜40nmの粒径物や不定多角形状物が積み重なった形状、言わば溶岩台地の斜面にあるようなデコボコ形状の地面のような超微細凹凸形状で、ほぼ全面が覆われている場合もある。要するに、5〜20nm直径の棒状物が認められない場合には、このような溶岩台地の表面のような形状になることが多く、組成的にはアルミニウム含量の多い場合である。   In addition, the surface shape is quite different from the above, but the shape is a stack of particles with a diameter of 20 to 40 nm or indefinite polygonal shapes. In some cases, the shape covers almost the entire surface. In short, when a rod-like material having a diameter of 5 to 20 nm is not recognized, the shape is often like the surface of such a lava plateau, and the composition has a high aluminum content.

(銅合金の表面処理)
銅合金は、まず脱脂槽に浸漬して機械加工で付着した油剤や指脂をその表面から除去するのが好ましい。具体的には、市販の銅合金用脱脂材を薬剤メーカーの指定通りの濃度で水に投入して水溶液を用意し、これに浸漬し水洗するのが好ましいが、市販の鉄用、ステンレス用、アルミ用等の脱脂剤、更には工業用、一般家庭用の中性洗剤を溶解した水溶液も使用できる。具体的には、市販脱脂剤や中性洗剤を数%〜5%濃度で水に溶解し、50〜70℃とし5〜10分浸漬し水洗するのが好ましい。
(Surface treatment of copper alloy)
It is preferable that the copper alloy is first immersed in a degreasing tank to remove oils and finger grease adhering by machining from the surface. Specifically, a commercially available degreasing material for copper alloy is poured into water at a concentration as specified by the drug manufacturer to prepare an aqueous solution, and it is preferably immersed in this and washed with water. An aqueous solution in which a degreasing agent for aluminum or the like, or a neutral detergent for industrial use or general household use is dissolved can also be used. Specifically, it is preferable to dissolve a commercially available degreasing agent or a neutral detergent in water at a concentration of several% to 5%, immerse at 50 to 70 ° C. for 5 to 10 minutes and wash with water.

次に、銅合金を40℃前後に保った数%濃度の苛性ソーダ水溶液に浸漬した後に水洗する予備塩基洗浄をするのが好ましい。更に、銅合金を過酸化水素と硫酸を含む水溶液に浸漬する化学エッチングを行い、水洗する。この化学エッチングは、20℃〜常温付近の、硫酸、過酸化水素の両方を共に数%含む水溶液が好ましい。このときの浸漬時間は、合金種によって異なるが、数分〜20分である。この化学エッチング工程で、殆どの銅合金でミクロンオーダーの好ましい粗度、即ち走査型プローブ顕微鏡で解析してJIS規格(JIS B 0601:2001(ISO4287))でいう粗さ曲線の平均長さ(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜10μmである、粗さ面を有する銅合金となる。好ましくは、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmであると良い。   Next, it is preferable to perform preliminary base washing in which the copper alloy is immersed in an aqueous solution of several percent caustic soda kept at around 40 ° C. and then washed with water. Further, chemical etching is performed by immersing the copper alloy in an aqueous solution containing hydrogen peroxide and sulfuric acid, followed by washing with water. This chemical etching is preferably an aqueous solution containing several percent of both sulfuric acid and hydrogen peroxide at 20 ° C. to around room temperature. Although the immersion time at this time changes with alloy types, it is several minutes-20 minutes. In this chemical etching process, a preferable roughness on the order of microns for most copper alloys, that is, an average length (RSm) of a roughness curve according to JIS standard (JIS B 0601: 2001 (ISO4287)) analyzed by a scanning probe microscope. ) Is 0.8 to 10 μm, and the maximum height roughness (Rz) is 0.2 to 10 μm. Preferably, the maximum height roughness (Rz) is 0.2 to 5 μm.

しかしながら、特に純銅系の銅合金で言えることだが、前述した化学エッチングの結果で得られる粗面は、凹凸周期が10μm以上になることも多く、その平均値、RSmは純銅系以外の銅合金に比較して大きい。一方、そのRSmの大きい割りには凹凸高低差が小さい。特に、銅分が高純度であるC1020(無酸素銅)等、金属結晶粒径の大きいことが明らかなもので、前述したような周期の大きな粗さ曲線を与えることが明らかに多く、凹凸周期と金属結晶粒径の大きさに直接的な相関関係があると推定された。純銅系合金だけでなく、各種合金で行う化学エッチングでも、その多くは結晶粒界から侵食が始まることに起因するからであろうと推定される。何れにせよ、ミクロンオーダー周期の凹凸があっても、その周期の割に凹凸の高低差が小さいと、本発明の効果が発揮され難い。それ故、大きな凹凸の荒さがが不足していると感じたものについては、後記するがそれなりの処理法を実施するのが好ましい。   However, as can be said particularly with pure copper-based copper alloys, the rough surface obtained as a result of the above-mentioned chemical etching often has an irregularity period of 10 μm or more, and the average value, RSm, is a copper alloy other than pure copper-based. Big in comparison. On the other hand, the unevenness height difference is small for the large RSm. In particular, it is obvious that the metal crystal grain size is large, such as C1020 (oxygen-free copper) having a high copper content, and clearly gives a large roughness curve as described above. It was estimated that there was a direct correlation between the crystal grain size and the metal crystal grain size. It is presumed that not only pure copper-based alloys but also chemical etching performed with various alloys are mostly caused by erosion starting from the grain boundaries. In any case, even if there are irregularities with a micron order period, if the height difference of the irregularities is small for the period, the effect of the present invention is hardly exhibited. Therefore, although it will be described later, it is preferable to carry out an appropriate treatment method for those that feel that the roughness of the large unevenness is insufficient.

上記化学エッチング工程を経た銅合金を酸化する。電子部品業界では黒化処理と呼ばれている方法が知られているが、本発明で実施する酸化は、その目的と酸化程度が異なるものの工程そのものは同じである。化学的に言えば、銅合金の表面層を強塩基性下で酸化剤によって酸化する。銅原子を酸化剤でイオン化した場合に、周りが強塩基性であると水溶液に溶解せず黒色の酸化第2銅になる。銅合金製部品をヒートシンクや発熱材部品として使用する場合、表面を黒色化して輻射熱の放熱や吸熱での効率を上げるために為されているが、この処理を、銅を使用する電子部品業界では黒化処理と呼んでいる。本発明の表面処理にもこの黒化処理法が利用できる。但し、この黒化処理の目的は、一定の粗さを有する銅合金の表面にナノオーダーの超微細凹凸を形成し 且つ表層を硬質とすることにある(即ち微細エッチング及び表面硬化処理を行うこと)であるから、文字通り黒色化することではない。   The copper alloy that has undergone the chemical etching step is oxidized. A method called blackening treatment is known in the electronic component industry, but the oxidation performed in the present invention is the same in the process itself although the purpose and the degree of oxidation are different. Chemically speaking, the surface layer of the copper alloy is oxidized with an oxidizing agent under strong basicity. When copper atoms are ionized with an oxidizing agent, if the surroundings are strongly basic, they are not dissolved in an aqueous solution and become black cupric oxide. When copper alloy parts are used as heat sinks or heat-generating parts, the surface is blackened to increase the efficiency of heat dissipation and heat absorption, but this process is used in the electronic parts industry that uses copper. This is called blackening treatment. This blackening treatment method can also be used for the surface treatment of the present invention. However, the purpose of this blackening treatment is to form nano-order ultra-fine irregularities on the surface of a copper alloy having a certain roughness and to harden the surface layer (that is, to perform fine etching and surface hardening treatment). Therefore, it is not literally blackening.

市販の黒化剤を、市販メーカーの指示する濃度、温度で使用できるが、その場合の浸漬時間は所謂黒化時よりずっと短時間である。実際には得られた合金を、電子顕微鏡観察して浸漬時間を調整することになる。具体例としては、亜塩素酸ナトリウムを5%前後、苛性ソーダを5〜10%含む水溶液を、60〜70℃として使用するのが好ましく、その場合の浸漬時間は0.5〜1.0分程度が好ましい。これらの操作により、銅合金は酸化第2銅の薄層で覆われたものとなり、その表面には、ミクロンオーダーの粗さを有する粗面が形成され、且つ電子顕微鏡で観察すると、その粗面には直径が10〜150nmの円穴、又は長径ないし短径が10〜150nmの楕円状の穴が形成される。   Commercially available blackening agents can be used at concentrations and temperatures specified by commercial manufacturers, but the immersion time in that case is much shorter than during so-called blackening. Actually, the immersion time is adjusted by observing the obtained alloy with an electron microscope. As a specific example, it is preferable to use an aqueous solution containing about 5% sodium chlorite and 5 to 10% caustic soda at 60 to 70 ° C, and the immersion time in this case is about 0.5 to 1.0 minutes. Is preferred. By these operations, the copper alloy is covered with a thin layer of cupric oxide, and a rough surface having a roughness on the order of microns is formed on the surface. A circular hole having a diameter of 10 to 150 nm or an elliptical hole having a major axis or a minor axis of 10 to 150 nm is formed.

この円形状の穴、又は楕円状の穴である孔開口部が、30〜300nm周期で全表面に存在する超微細凹凸形状のものとなる(この例を図4の写真で示した)。要するに、この表面硬化処理を行うと、超微細凹凸形成と表面硬化層の双方が同時に得られることになる。又、前記の処理液への浸漬時間を2〜3分にするなど長くし、表面硬化処理をし過ぎることは結果的に分かったことであるが、返って接合力を弱くし、好ましくない。   The hole opening which is this circular hole or an elliptical hole has an ultra-fine uneven shape existing on the entire surface with a period of 30 to 300 nm (this example is shown in the photograph of FIG. 4). In short, when this surface hardening treatment is performed, both the formation of ultra-fine irregularities and the surface hardened layer can be obtained simultaneously. In addition, it has been found that the surface hardening treatment is excessively performed by increasing the immersion time in the above-described treatment solution by 2 to 3 minutes, but it is not preferable because the bonding force is weakened.

前述した純銅系銅合金のエッチングでは、観察結果から金属結晶粒界から銅の侵食が起こるのが確実な模様であり、前述したように結晶粒径の特に大きいもの、即ち、無酸素銅(C1020)では、前述した化学エッチングと表面硬化処理をしただけでは強い接合力を発揮できなかった。要するに、最も重要なサイズの凹部が予期したように出来上がっていないのである。   In the etching of the pure copper-based copper alloy described above, it is a sure pattern that copper erosion occurs from the metal crystal grain boundary based on the observation results, and as described above, a particularly large crystal grain size, that is, oxygen-free copper (C1020 ), It was not possible to exert a strong bonding force only by performing the above-described chemical etching and surface hardening treatment. In short, the most important size of the recess is not as expected.

本発明者等は、このような場合の処置法を発見した。結果は非常に単純な方法であるが、一旦表面硬化処理(黒化)を終えた後のものを、再度エッチング液に短時間浸漬して再エッチングし、その後に再度の黒化をする方法である。結果的に、ミクロンオーダーの粗さの周期は、10μm程度か、それ以下に近づけられて予期したようなものとなり、且つ、超微細凹凸の様子は電子顕微鏡観察によると繰り返し処理をしない場合と変わらない。   The present inventors have discovered a treatment method in such a case. The result is a very simple method, but once the surface hardening treatment (blackening) has been completed, it is again immersed in an etching solution for a short time to re-etch and then blackened again. is there. As a result, the period of the roughness on the order of microns is as expected as being close to 10 μm or less, and the appearance of the ultra-fine irregularities is different from the case of no repeated treatment according to the electron microscope observation. Absent.

(チタン合金の表面処理)
チタン合金は、まず脱脂槽に浸漬して機械加工で付着した油剤や指脂を取り除くのが好ましい。特殊なものは必要でなく、具体的には、市販の鉄用脱脂剤、ステンレス用脱脂剤、アルミニウム合金用脱脂材、マグネシウム合金用脱脂剤等の一般的な脱脂剤を、その薬剤メーカーの指定通りの濃度で湯に投入して水溶液を用意し、これに浸漬し水洗するのが好ましい。更には、市販されている工業用中性洗剤で、数%濃度の水溶液を作成し、この温度を60℃前後にして浸漬した後、これを水洗するのも好ましい。次に、塩基性水溶液に浸漬して水洗し、予備塩基洗浄することが好ましい。
(Titanium alloy surface treatment)
It is preferable that the titanium alloy is first immersed in a degreasing tank to remove oils and finger grease adhered by machining. No special products are required. Specifically, general degreasing agents such as commercially available iron degreasing agents, stainless steel degreasing agents, aluminum alloy degreasing materials, magnesium alloy degreasing agents, etc. are designated by the drug manufacturer. It is preferable to prepare an aqueous solution by pouring it into hot water at a normal concentration, and immerse in this to wash. Furthermore, it is also preferable to prepare an aqueous solution with a concentration of several percent with a commercially available industrial neutral detergent, soak it at a temperature of about 60 ° C., and then wash it with water. Next, it is preferable to immerse in a basic aqueous solution and wash with water, followed by preliminary base cleaning.

次に、還元性の酸の水溶液に浸漬して化学エッチングするのが好ましい。具体的には、蓚酸、硫酸、弗化水素酸等が、チタン合金を全面腐食させ得る還元性酸と言え、これらを使用できる。効率から言えば、このうちエッチング速度が速いのは弗化水素酸である。ただし弗化水素酸は、万が一にも人間の肌に触れると侵入して骨に至り、奥深い痛みが数日続くことがある。要するに塩酸等と異なる問題があり、労働環境面からこの酸は使用を敬遠したほうが好ましい。   Next, it is preferable to perform chemical etching by dipping in an aqueous solution of a reducing acid. Specifically, oxalic acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, and the like can be said to be reducing acids that can corrode titanium alloys entirely, and these can be used. In terms of efficiency, hydrofluoric acid has the highest etching rate. However, hydrofluoric acid may invade human skin and lead to bones, and deep pain may continue for several days. In short, there are problems different from hydrochloric acid and the like, and it is preferable to avoid using this acid from the viewpoint of the working environment.

好ましいのは、弗化水素酸より遥かに安全な扱いができる弗化水素酸の半中和物の1水素2弗化アンモニウムである。1水素2弗化アンモニウムの1%前後の水溶液を、温度50〜60℃として、これに数分浸漬した後、水洗する処理方法が好ましい。1水素2弗化アンモニウム水溶液による化学エッチングは、ミクロンオーダーの粗度(粗さ面)を得るために行ったが、電子顕微鏡観察や最新分析機器による観察では、化学エッチング後の水洗と乾燥によりチタン合金表面は、不思議な形状の超微細凹凸形状となり、且つ、表面は酸化チタン薄層で覆われたものとなることが分かった。要するに、特段の微細エッチング、表面硬化処理等の表面処理は、不要であり、行わなくても良いようであった。   Preference is given to ammonium hydrofluoride, a half-neutralized product of hydrofluoric acid which can be handled much more safely than hydrofluoric acid. A treatment method in which an aqueous solution of about 1% of 1 hydrogen difluoride ammonium is immersed in this solution at a temperature of 50 to 60 ° C. for several minutes and then washed with water is preferable. Chemical etching with 1 hydrogen difluoride ammonium aqueous solution was performed to obtain micron-order roughness (roughness surface), but in electron microscope observation and observation with the latest analytical equipment, titanium was washed and dried after chemical etching. It was found that the surface of the alloy became a mysteriously shaped ultra-fine uneven shape, and the surface was covered with a thin titanium oxide layer. In short, it seems that surface treatment such as special fine etching and surface hardening treatment is unnecessary and may not be performed.

1水素2弗化アンモニウム水溶液でエッチングし、水洗し、更にこれを乾燥したチタン合金の分析例を示す。まず走査型プローブ顕微鏡による走査解析結果を得た。ここでは20μm角の正方形面積内を走査して、粗さ曲線の平均長さ(輪郭曲線要素の平均長さ)RSmが、1.8μm、最大高さ粗さ(輪郭曲線の最大高さ)Rzは、0.9μが得られた。又、同じ処理をした物の1万倍、10万倍電子顕微鏡写真の例を図8(a),(b)に示した。ここでは、高さ及び幅が10〜300nm、長さが10nm以上の山状又は連山(山脈)状凸部が10〜350nm周期で、全表面に存在する非常にユニークで不思議な超微細凹凸形状が示された。   An analysis example of a titanium alloy etched with an aqueous solution of 1 hydrogen difluoride ammonium, washed with water, and then dried is shown. First, a scanning analysis result by a scanning probe microscope was obtained. Here, scanning within a square area of 20 μm square, the average length of the roughness curve (average length of the contour curve element) RSm is 1.8 μm, and the maximum height roughness (maximum height of the contour curve) Rz. 0.9μ was obtained. Moreover, the example of the 10,000 times and 100,000 times electron micrograph of the thing which carried out the same process was shown to Fig.8 (a), (b). Here, a very unique and mysterious ultra-fine concavo-convex shape having a height or width of 10 to 300 nm and a length of 10 nm or more, or a mountain or mountain range (mountain) -like convex part having a period of 10 to 350 nm and existing on the entire surface. It has been shown.

又、XPS分析によると、大きな酸素、チタンのピークが得られ表面の化合物は明らかに酸化チタンであることが分かった。ただ表面色調は暗褐色であり、チタン(3価)酸化物か、又はチタン(3価)とチタン(4価)の混合酸化物の薄膜とみられた。即ち、エッチング前は金属色であり、この表面はチタンの自然酸化層であるが、1水素2弗化アンモニウム水溶液でエッチングした後は、自然酸化層でない暗色の酸化チタン層に変化した。この酸化チタン層をアルゴンイオンビームで十〜数十nmエッチングし、エッチング後の面をXPS分析した。このXPS分析で、チタン酸化物層の厚さが判明したが、この厚さは明らかに自然酸化層の厚さより厚く、1水素2弗化アンモニウム水溶液による純チタン系のチタン合金エッチング品では50nm以上とみられた。   According to XPS analysis, large oxygen and titanium peaks were obtained, and the surface compound was clearly titanium oxide. However, the surface color tone was dark brown, and it was seen as a thin film of titanium (trivalent) oxide or a mixed oxide of titanium (trivalent) and titanium (tetravalent). That is, the surface was a metal color before etching, and this surface was a natural oxidation layer of titanium, but after etching with an aqueous hydrogen bifluoride solution, it changed to a dark titanium oxide layer that was not a natural oxidation layer. This titanium oxide layer was etched by 10 to several tens of nm with an argon ion beam, and the etched surface was subjected to XPS analysis. This XPS analysis revealed the thickness of the titanium oxide layer, which is clearly thicker than that of the natural oxide layer, and more than 50 nm for pure titanium-based titanium alloy etched products using an aqueous 1 hydrogen difluoride ammonium fluoride solution. It was seen.

しかも表面から内部に向かってチタンイオンの価数が減少しており、表面の4価又は3価と4価の混合状態から内部に向かって2価が増え、更に2価が減って0価の金属に至ることが分かった。要するに、チタン酸化物である酸化膜は単純なチタン酸化物層でなく、チタン価数が表面から連続的に減ってゼロ価に達したような連続変化層であり、別の表現では、まるで酸素が表面から染み込んだように、表面は濃く内部に向かって薄くなる興味ある連続変化層であることが分かる。このような金属酸化膜では金属相との間にはっきりした境がないため、酸化膜層と金属基材間の接合力は非常に強力で、その耐引き剥がし破壊(応力)力に関しては何ら心配することのないことが予期できる。   Moreover, the valence of titanium ions decreases from the surface to the inside, the divalence increases from the tetravalent or trivalent and tetravalent mixed state of the surface toward the inside, and further the divalent decreases to zero. It turns out that it leads to metal. In short, the oxide film that is titanium oxide is not a simple titanium oxide layer, but a continuously changing layer in which the titanium valence continuously decreases from the surface and reaches zero. It can be seen that the surface is an interesting continuously changing layer that becomes darker and thinner towards the interior, as if penetrated from the surface. In such a metal oxide film, there is no clear boundary between the metal phase, so the bonding force between the oxide film layer and the metal substrate is very strong, and there is no concern about its peel-off resistance (stress). You can expect nothing to do.

純チタン系合金以外のチタン合金の具体的な処理法は、前述した処理法と同様であるが、還元性の強酸水溶液によるエッチング時に生じる発生期の水素ガスによって、少量添加物として含まれている他金属が還元されて不溶物、いわゆるスマットを生じることがある。スマットの多くは、その後に数%濃度の硝酸水溶液に浸漬することで溶解除去することができる。但し、合金によっては硝酸水溶液に溶解せぬスマットも生じ、その様な場合はその水洗時に超音波をかけて洗浄するのが好ましい。   The specific treatment method for titanium alloys other than pure titanium alloys is the same as the treatment method described above, but is included as a small amount of additive by the nascent hydrogen gas generated during etching with a reducing strong acid aqueous solution. Other metals may be reduced to produce insoluble matter, so-called smut. Most of the smut can be dissolved and removed by immersing in a nitric acid aqueous solution having a concentration of several percent. However, depending on the alloy, a smut that does not dissolve in the nitric acid aqueous solution may also be generated. In such a case, it is preferable to wash by applying ultrasonic waves when washing with water.

純チタン系チタン合金以外の合金を、一水素2弗化アンモニウムでエッチングしスマット除去したものの表面形状は、前述した図8の写真に比較し、その表面形状を言語表現することが難しい表面形状になる。アルミニウムを含有するα−β型チタン合金の例を、図9の写真に示す。ここにはチタン合金らしい(図8に似た)超微細凹凸がない綺麗な山か丘の斜面状部分も観察されるが、植物の枯葉のような形状の不思議な形状が観察された。この表面全体は、前述した第2の条件として好ましい10〜300nm周期の超微細凹凸で覆われているというものではなく、より周期の大きいもの(「微細凹凸」と呼ぶ)が観察され、この微細凹凸自体が滑らかであった。   The surface shape of an alloy other than a pure titanium-based titanium alloy etched with ammonium monohydrogen difluoride and smut-removed is a surface shape that makes it difficult to express the surface shape in a language compared to the photograph in FIG. Become. An example of an α-β type titanium alloy containing aluminum is shown in the photograph of FIG. Here, a beautiful slope of a mountain or hill that does not have ultra-fine irregularities (similar to FIG. 8), which is typical of a titanium alloy, is also observed, but a mysterious shape like a dead leaf of a plant was observed. The entire surface is not covered with ultrafine irregularities having a period of 10 to 300 nm, which is preferable as the second condition described above, but a surface with a longer period (called “fine irregularities”) is observed. The unevenness itself was smooth.

しかしながら、この表面中の、円滑なドーム状部分は別として、枯葉形状部は薄くて湾曲しており、これに硬度があれば強力なスパイク形状となる。α−β型チタン合金表面は、前述したNAT理論における第2の条件(5nm〜500nm周期の超微細凹凸)に合致しない部分が殆どだが、このスパイク形状によって第2の条件で求めている超微細凹凸の役割を果たしうると考えられる。この表面のスパイク形状は大きいため、むしろNATで求めている第1の条件で要求するミクロンオーダーの粗度(表面粗さ)にも関係してくる。このスパイク形状によって、走査型プローブ顕微鏡で見て、第1の条件(山谷平均間隔(RSm):0.8〜10μm,最大高さ粗さ(Rz):0.2〜5μm)を満たす粗度面が形成されている。なお、第2の条件からやや外れて凹凸周期が大きいので、10万倍の電子顕微鏡写真では表面の全体像を掴むことができない。表面観察は、1万倍以下の倍率写真を撮って観察した。即ち、図9(a)のように1万倍の電子顕微鏡で見て、少なくとも10μm角以上の面積を見ることである。そうすれば、円滑なドーム形状と湾曲した枯葉形状の双方が存在する微細凹凸形状が観察される。   However, apart from the smooth dome-shaped portion in this surface, the dead leaf shape portion is thin and curved, and if it has hardness, it becomes a strong spike shape. The surface of the α-β type titanium alloy has almost no portion that does not meet the above-mentioned second condition (ultra-fine irregularities with a period of 5 nm to 500 nm) in the NAT theory. It is thought that it can play the role of unevenness. Since the surface spike shape is large, it is also related to the micron-order roughness (surface roughness) required under the first condition required by NAT. Roughness satisfying the first condition (mountain valley average interval (RSm): 0.8 to 10 μm, maximum height roughness (Rz): 0.2 to 5 μm) as seen with a scanning probe microscope by this spike shape. A surface is formed. In addition, since it slightly deviates from the second condition and the concavo-convex period is large, the whole surface image cannot be grasped with an electron micrograph of 100,000 times. The surface was observed by taking a magnification photograph of 10,000 times or less. That is, as shown in FIG. 9 (a), an area of at least a 10 μm square or more is viewed with a 10,000 × electron microscope. By doing so, a fine uneven shape in which both a smooth dome shape and a curved dead leaf shape are present is observed.

(ステンレス鋼の表面処理)
各種ステンレス鋼は、耐食性を向上すべく開発されたものであるから耐薬品性は明確に記録されている。腐食には全面腐食、孔食、疲労腐食等の種類があるが全面腐食を生じる薬品種を選んで試行錯誤し、適当なエッチング剤を選ぶことができる。文献の記録(例えば「化学工学便覧」、第6版、化学工学会編、丸善 (1999))によれば、ステンレス鋼全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、ハロゲン化金属塩等の水溶液で、全面腐食するとの記録がある。多くの薬剤に耐食性があるステンレス鋼の残された弱点は、ハロゲン化物に腐食されることであるが、炭素含有量を減らしたステンレス鋼、モリブデンを添加したステンレス鋼等ではその弱点が小さくなっている。
(Stainless steel surface treatment)
Since various stainless steels have been developed to improve corrosion resistance, chemical resistance is clearly recorded. There are various types of corrosion, such as general corrosion, pitting corrosion, fatigue corrosion, etc., but it is possible to select an appropriate etching agent by selecting a chemical species that causes general corrosion and performing trial and error. According to literature records (eg "Chemical Engineering Handbook", 6th edition, edited by Chemical Engineering Society, Maruzen (1999)), stainless steel in general is hydrohalic acid such as hydrochloric acid, sulfurous acid, sulfuric acid, metal halide salts, etc. There is a record that the entire surface is corroded with an aqueous solution of The remaining weakness of stainless steel, which is corrosion resistant to many chemicals, is that it is corroded by halides, but the weakness is reduced in stainless steel with reduced carbon content, stainless steel with molybdenum added, etc. Yes.

しかし、基本的には前述した水溶液で、全面腐食を起こすのでステンレス鋼の種類によって、その浸漬条件を変化させればよい。更には、焼き鈍し等で硬度を下げ、構造的に言えば金属結晶粒径を大きくした物は結晶粒界が少なくなっており、全面腐食させてミクロンオーダーの凹凸を得るのが困難である。このような場合、浸漬条件を変えて腐食が進行するような条件にするだけでは、エッチングが意図したレベルまで中々進まず、何らかの添加剤を加えるなどの工夫が必要である。何れにせよ、ミクロンオーダーの粗度面が大部分を占めるようにすることを目的として化学エッチングする。   However, basically, the above-mentioned aqueous solution causes overall corrosion, so the immersion conditions may be changed depending on the type of stainless steel. Furthermore, a structure whose hardness is reduced by annealing or the like and structurally speaking has a large metal crystal grain size has fewer crystal grain boundaries, and it is difficult to corrode the entire surface to obtain unevenness on the order of microns. In such a case, it is necessary to devise such as adding some additive without changing the immersion condition to a level where the corrosion proceeds, and the etching does not progress to the intended level. In any case, chemical etching is performed for the purpose of occupying most of the roughness surface on the order of microns.

具体的に言えば、特殊な脱脂剤は必要ではなく、市販されている一般的なステンレス鋼用の脱脂剤、鉄用の脱脂剤、アルミニウム合金用脱脂剤、又は市販の一般向け中性洗剤を入手し、これらの脱脂剤メーカーの説明書に記載された指示通りの水溶液の濃度、又は数%濃度で、温度40〜70℃の水溶液にして、処理したいステンレス鋼を5〜10分浸漬し水洗する。これは言わば脱脂工程である。次に、このステンレス鋼を数%濃度の苛性ソーダ水溶液に短時間浸漬した後に、これを水洗して、この表面に塩基性イオンを吸着させるのが好ましい。この操作で、次の化学エッチングが再現性よく進むからである。これは言わば予備塩基洗浄工程である。次にエッチング工程に入る。   Specifically, a special degreasing agent is not required, and a commercially available general stainless steel degreasing agent, iron degreasing agent, aluminum alloy degreasing agent, or a commercially available neutral detergent is generally used. Obtain and make an aqueous solution at a temperature of 40-70 ° C. at a concentration of several percent or as indicated in the instructions of the degreasing agent manufacturer, and immerse the stainless steel to be treated for 5-10 minutes. To do. This is a degreasing process. Next, it is preferable to immerse this stainless steel in a caustic soda aqueous solution having a concentration of several percent for a short time, and then wash it with water to adsorb basic ions on this surface. This is because the next chemical etching proceeds with good reproducibility by this operation. This is a so-called preliminary base washing step. Next, the etching process is started.

SUS304であれば、10%濃度程度の硫酸水溶液を温度60〜70℃として、これに数分間浸漬する方法が好ましく、この処理方法により、本発明で要求するミクロンオーダーの粗度が得られる。又、SUS316では、10%濃度程度の硫酸水溶液を温度60〜70℃として5〜10分間浸漬するのが好ましい。ハロゲン化水素酸、例えば塩酸水溶液もエッチングに適しているが、この水溶液を高温化すると酸の一部が揮発し、周囲の鉄製構造物を腐食する恐れがあるほか、局所排気しても排気ガスに何らかの処理が必要になる。その意味で硫酸水溶液の使用がコスト面で好ましい。ただし、鋼材によっては、硫酸単独の水溶液では全面腐食の進行が遅すぎる場合がある。このような場合、硫酸水溶液にハロゲン化水素酸を添加してエッチングすることは効果的である。   In the case of SUS304, a method in which a sulfuric acid aqueous solution having a concentration of about 10% is set to a temperature of 60 to 70 ° C. and is immersed in the solution for several minutes is preferable. In SUS316, it is preferable to immerse an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of about 10% at a temperature of 60 to 70 ° C. for 5 to 10 minutes. Hydrohalic acid, such as aqueous hydrochloric acid, is also suitable for etching, but if this aqueous solution is heated to high temperatures, part of the acid may volatilize and corrode surrounding iron structures. Some processing is necessary. In that sense, use of a sulfuric acid aqueous solution is preferable in terms of cost. However, depending on the steel material, the progress of overall corrosion may be too slow with an aqueous solution of sulfuric acid alone. In such a case, it is effective to add hydrohalic acid to the sulfuric acid aqueous solution for etching.

前記の化学エッチングの後に、十分水洗することでステンレス鋼の表面は自然酸化し腐食に耐える表層に再度戻るため特に硬化処理は行う必要がない。しかし、ステンレス鋼表面の金属酸化物層を厚く、強固なものにするべく、酸化性の酸、例えば硝酸等の酸化剤、即ち、硝酸、過酸化水素、過マンガン酸カリ、塩素酸ナトリウム等、の水溶液に浸漬した後、これを水洗するのも好ましい。   After the chemical etching, the surface of the stainless steel is naturally oxidized and returned to the surface layer that can withstand corrosion by washing thoroughly with water, so that it is not necessary to perform a hardening process. However, in order to make the metal oxide layer on the stainless steel surface thick and strong, an oxidizing acid, for example, an oxidizing agent such as nitric acid, that is, nitric acid, hydrogen peroxide, potassium permanganate, sodium chlorate, etc. It is also preferable to wash it after immersing it in an aqueous solution.

エポキシ系接着剤接合試験にかけて接合力の高い物を選び、その上で同じ物を電子顕微鏡観察し超微細凹凸形状が存在すること、その形状を確認するのが好ましい。勿論、先に電子顕微鏡観察をしてから射出接合試験にかけてもよい。何れにせよ、数十nm〜百nm周期の超微細凹凸、好ましくは50nm程度の周期の超微細凹凸形状が、確実に存在する微細構造表面を有するステンレス鋼では、高い射出接合力を有するはずである。これらは、前述したように、本発明者等は既にマグネシウム合金、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金で確認している。   It is preferable to select a material having a high bonding strength through an epoxy adhesive bonding test, and then observe the same material with an electron microscope to confirm the presence or absence of an ultra-fine uneven shape. Of course, the injection bonding test may be performed after observation with an electron microscope. In any case, a stainless steel having a fine structure surface in which an ultra fine unevenness having a period of several tens to hundreds of nanometers, preferably an ultrafine unevenness having a period of about 50 nm should surely have a high injection joining force. is there. As described above, the present inventors have already confirmed these with a magnesium alloy, an aluminum alloy, a copper alloy, and a titanium alloy.

実際に、ステンレス鋼を硫酸水溶液で化学エッチングした例を示す。適切なエッチングにより前記したような粗度面(表面粗さ面)が得られ、この粗度面は粗度計(表面粗さ計)、走査型プローブ顕微鏡等を用いた観察で確認できるが、更に表面を電子顕微鏡観察すると非常に興味ある超微細凹凸形状を有した面で覆われていることが分かる。要するに、ステンレス鋼では、上記のような化学エッチングだけで微細エッチングも同時に達成される。この表面を電子顕微鏡写真で説明する。図10では、直径20〜70nmの粒径物、不定多角形状物等が積み重なった形状が認められ、この1万倍写真(図10(a))、及び10万倍写真(図10(b))の観察写真も、まるで火山周辺で溶岩が流れて形成される溶岩台地の斜面のガラ場に酷似していた。   An example in which stainless steel is actually chemically etched with a sulfuric acid aqueous solution is shown. The above-mentioned roughness surface (surface roughness surface) is obtained by appropriate etching, and this roughness surface can be confirmed by observation using a roughness meter (surface roughness meter), a scanning probe microscope, etc. Furthermore, when the surface is observed with an electron microscope, it can be seen that the surface is covered with a very interesting surface having an extremely fine uneven shape. In short, in stainless steel, fine etching can be achieved at the same time by only chemical etching as described above. This surface will be described with an electron micrograph. In FIG. 10, a shape in which particles having a diameter of 20 to 70 nm, indefinite polygonal shapes, and the like are stacked is recognized, and this 10,000 times photograph (FIG. 10A) and 100,000 times photograph (FIG. 10B). The observation photograph of) was very similar to the gala field on the slope of the lava plateau formed by lava flowing around the volcano.

又、エッチング面である超微細凹凸形状で覆われたステンレス鋼をXPS分析すると、酸素、鉄の大きなピークと、ニッケル、クロム、炭素、モリブデンの小さなピークが認められた。要するに、表面は通常のステンレス鋼と全く同じ組成の金属の酸化物であり、同様の耐食面で覆われているとみられた。なお、ここで化学エッチング手法を取ることの重要性について述べておく。どのような手法であっても、予期した前述した表面形状になればよいのであるが、何故化学エッチングかということである。昨今の、光化学レジストを塗布し可視光線、本発明での紫外線等を使って行うような高度の超微細加工法を使用すれば、設計した超微細凹凸形状面が実現可能になると考えられるからである。   In addition, when XPS analysis was performed on stainless steel covered with the ultra-fine irregularities on the etched surface, large peaks of oxygen and iron and small peaks of nickel, chromium, carbon, and molybdenum were recognized. In short, the surface was an oxide of a metal having exactly the same composition as that of ordinary stainless steel, and was considered to be covered with a similar corrosion-resistant surface. Here, the importance of taking a chemical etching method will be described. Whatever the method, it is only necessary to obtain the above-mentioned surface shape as expected, but the reason is chemical etching. Because it is thought that if you use a high-level ultra-fine processing method that is applied using a photochemical resist and visible light, ultraviolet rays in the present invention, etc., the designed ultra-fine uneven surface can be realized. is there.

しかし化学エッチングは、操作が簡単であるという以外に、射出接合に特に好ましい理由がある。即ち、化学エッチングを適切な条件で行うと、適当な凹凸周期、適当な凹部の深さが得られるだけでなく、得られる凹部の微細形状は単純形状とはならず、凹部の多くはアンダー構造になるからである。本発明でいうこのアンダー構造とは、凹部をその垂直面上から見た場合に見えない面があることであり、凹部の底からミクロの目で見たと仮定した場合に、オーバーハング箇所が見えるということである。アンダー構造が射出接合に必要なことは容易に理解できよう。   However, there are reasons why chemical etching is particularly preferred for injection joining, other than being easy to operate. In other words, when chemical etching is performed under appropriate conditions, not only can an appropriate concavo-convex cycle and an appropriate depth of the recess be obtained, but the fine shape of the resulting recess is not a simple shape, and many of the recesses are understructured. Because it becomes. The under structure as used in the present invention means that there is a surface that cannot be seen when the concave portion is viewed from the vertical plane, and an overhang portion is visible when it is assumed that the concave portion is viewed with a microscopic eye. That's what it means. It can be easily understood that an under structure is necessary for injection joining.

又、前記還元性酸水溶液によるエッチングの後、硝酸水溶液、過酸化水素水溶液等に浸漬して、金属酸化物層をしっかり作るべく追加処理も行ったが、電子顕微鏡写真で見た場合も接着剤により接合したときの接合力も、この追加処理の付加によって明確な差異はなかった。長期の耐候性試験をすれば、接合力に差が出てくるかもしれない。   In addition, after etching with the reducing acid aqueous solution, it was immersed in an aqueous nitric acid solution, an aqueous hydrogen peroxide solution, etc., and additional processing was performed to make a metal oxide layer firmly. There was no clear difference in the joining force when joining by the addition of this additional treatment. Long-term weather resistance tests may result in differences in bonding strength.

(鉄鋼材の表面処理)
鉄鋼材の腐食には、全面腐食、孔食、疲労腐食等の種類が知られているが、全面腐食を生じる薬品種を選んで試行錯誤し、適当なエッチング剤を選ぶことができる。各種文献の記録(例えば、「化学工学便覧(化学工学協会編集)」)によれば、鉄鋼材全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、これらの塩、等の水溶液で全面腐食するとの記載がある。炭素、クロム、バナジウム、モリブデン、その他の少量添加物の添加量次第で、その腐食速度や腐食形態は変化するが、基本的には前述した水溶液で全面腐食を起こす。従って、基本的には鉄鋼材の種類によって、その浸漬条件を変化させればよい。
(Surface treatment of steel materials)
There are known types of corrosion of steel materials such as general corrosion, pitting corrosion, fatigue corrosion, and the like, but it is possible to select an appropriate etching agent by selecting a chemical type that causes general corrosion and trial and error. According to the records of various documents (for example, “Chemical Engineering Handbook (edited by the Chemical Engineering Association)”), all steel materials are corroded by an aqueous solution of hydrohalic acid such as hydrochloric acid, sulfurous acid, sulfuric acid, and their salts. Is described. Depending on the amount of carbon, chromium, vanadium, molybdenum, and other small additives added, the corrosion rate and form of corrosion change, but basically the above-mentioned aqueous solution causes general corrosion. Therefore, basically, the immersion conditions may be changed depending on the type of steel material.

具体的に言えば、まずSPCC、SPHC、SAPH、SPFH、SS材等のように市販され、かつよく使用される鉄鋼材では、この鉄鋼材用として市販されている脱脂剤、ステンレス鋼用の脱脂剤、アルミニウム合金用脱脂剤、更には、市販の一般向け中性洗剤を入手し、これらの脱脂剤メーカーの説明書に記載された指示通りの水溶液の濃度、又は数%濃度の水溶液にして、この温度を40〜70℃として5〜10分浸漬した後、これを水洗する(脱脂工程)。次に、エッチングを再現性よくするために希薄な苛性ソーダ水溶液に短時間浸漬した後、これを水洗するのが好ましい。この処理工程は、言わば予備塩基洗浄工程である。   Specifically, in the steel materials that are commercially available and often used such as SPCC, SPHC, SAPH, SPFH, SS material, etc., a degreasing agent that is commercially available for this steel material, degreasing for stainless steel Agents, aluminum alloy degreasing agents, and further commercially available neutral detergents, and the concentration of aqueous solution as indicated in the instructions of these degreasing agent manufacturers, or an aqueous solution of several percent concentration, After this temperature is set to 40 to 70 ° C. and immersed for 5 to 10 minutes, this is washed with water (degreasing step). Next, in order to improve etching reproducibility, it is preferable to immerse in a dilute caustic soda aqueous solution for a short time, and then wash it with water. This processing step is, so to speak, a preliminary base washing step.

次に、SPCCであれば、10%濃度程度の硫酸水溶液を50℃として、これに数分間浸漬してエッチングするのが好ましい。これは、ミクロンオーダーの粗度を得るためのエッチング工程である。SPHC、SAPH、SPFH、SS材では、前者より硫酸水溶液の温度を10〜20℃上げて実施するのが好ましい。ハロゲン化水素酸、例えば塩酸水溶液もエッチングに適しているが、この水溶液を使用すると、酸の一部が揮発し周囲の鉄製構造物を腐食する恐れがあるほか、局所排気しても排気ガスに何らかの処理が必要になる。その意味で硫酸水溶液の使用がコスト面で好ましい。   Next, in the case of SPCC, it is preferable to etch by immersing the sulfuric acid aqueous solution of about 10% concentration at 50 ° C. for several minutes. This is an etching process for obtaining a micron-order roughness. For SPHC, SAPH, SPFH, and SS materials, it is preferable that the temperature of the sulfuric acid aqueous solution is increased by 10 to 20 ° C. from the former. Hydrohalic acid, such as aqueous hydrochloric acid, is also suitable for etching, but if this aqueous solution is used, part of the acid may volatilize and corrode surrounding iron structures, and even if it is exhausted locally, it will be exhausted. Some processing is required. In that sense, use of a sulfuric acid aqueous solution is preferable in terms of cost.

[表面処理方法I:水洗して強制乾燥する方法]
前述した化学エッチングの後に水洗して乾燥し、電子顕微鏡写真で観察すると、高さ及び奥行きが50〜500nmで、幅が数百〜数千nmの階段が無限段に続いた形状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていることが多い。これは鋼材が一般に有するパーライト構造が露出したものとみられる。具体的には、前記の化学エッチング工程で硫酸水溶液を適当な条件で使用したとき、大きなうねりに相当する凹凸面が得られると同時に、微細で不思議な階段状の超微細凹凸形状を有する表面も同時に形成されることが多い。このようにミクロンオーダーの粗度と、超微細凹凸形状の作成が一挙に為される場合、前記エッチング後の水洗は特に十分行ってから水を切り、温度90〜100℃以上の高温で急速乾燥させたものは、そのまま使用できる。表面に変色した錆は出ず、綺麗な自然酸化層となる。
[Surface Treatment Method I: Method of Forced Drying after Washing with Water]
After the chemical etching described above, it is washed with water, dried, and observed with an electron micrograph. Ultra fine irregularities with a height and depth of 50 to 500 nm and a width of several hundred to several thousand nm followed by infinite steps. Often, the shape covers almost the entire surface. This seems to have exposed the pearlite structure that steel materials generally have. Specifically, when an aqueous sulfuric acid solution is used in the above chemical etching process under appropriate conditions, an uneven surface corresponding to a large undulation is obtained, and at the same time, a surface having a fine and mysterious step-like ultra-fine uneven shape is also obtained. Often formed simultaneously. Thus, when the roughness of micron order and the creation of ultra-fine irregularities are made at once, the water after the etching is sufficiently washed and then drained and rapidly dried at a temperature of 90-100 ° C. or higher. You can use it as it is. Rust on the surface does not appear and it becomes a beautiful natural oxide layer.

但し、自然酸化層のみでは一般環境下、特に日本国内のように高湿度、温暖環境下では、耐食性は不十分と思われる。おそらく、乾燥下に保管して接着工程にかけることが必要である上に、接着された複合体も経時的に十分な時間、接合力(接着力)を維持できるか疑問である。実際、屋根付きだが実質的に屋外に近い箇所に1ヶ月放置した後(日本国群馬県太田市末広町、2006年12月〜2007年1月)、破断試験をしたところ、やや接合力が低下していた。やはり実用的には、明確な表面安定化処理が必要のようである。   However, the natural oxidation layer alone is considered to have insufficient corrosion resistance in a general environment, particularly in a high humidity and warm environment as in Japan. Perhaps it is necessary to store it under dry conditions for the bonding process, and it is questionable whether the bonded composite can maintain the bonding strength (adhesive strength) for a sufficient amount of time. Actually, after leaving for a month in a place with a roof but practically close to the outdoors (Suehiro-cho, Ota City, Gunma Prefecture, Japan, December 2006-January 2007), when a break test was performed, the bonding strength was slightly reduced. Was. In practice, it seems that a clear surface stabilization treatment is necessary.

[表面処理方法II:アミン系分子の吸着を利用する方法]
前述の化学エッチングの後で水洗し、引き続いてアンモニア、ヒドラジン、又は水溶性アミン系化合物の水溶液に浸漬し、水洗し、乾燥する。アンモニア等の広義のアミン系物質は、前記エッチング工程後の鋼材に残存することが分かっている。正確に言えば、乾燥後の鋼材をXPSで分析すると窒素原子が確認される。それ故に、アンモニアやヒドラジンを含む広義のアミン類が、鋼材表面に化学吸着しているものだと理解したが、10万倍電子顕微鏡観察の結果で言えば、表面に薄い膜状の異物質が付着しているように見えるので、鉄のアミン系錯体が生じているのかもしれない。
[Surface Treatment Method II: Method Utilizing Adsorption of Amine-Based Molecules]
After the above chemical etching, the substrate is washed with water, and subsequently immersed in an aqueous solution of ammonia, hydrazine, or a water-soluble amine compound, washed with water, and dried. It has been found that amine-based substances in a broad sense such as ammonia remain in the steel material after the etching process. Strictly speaking, nitrogen atoms are confirmed when the steel material after drying is analyzed by XPS. Therefore, we understood that amines in a broad sense, including ammonia and hydrazine, were chemically adsorbed on the surface of steel materials. Since it appears to be attached, an iron-based complex of iron may have occurred.

更に具体的に言えば、アンモニア水に浸漬して得た鋼材と、ヒドラジン水溶液に浸漬して得た鋼材の10万倍の電子顕微鏡写真は、階段上に付着した薄皮状物質の形が異なるように見える。何れにせよ、これらアミン類の吸着又は反応は、水分子の吸着や鉄の水酸化物生成反応より優先しているようである。その意味で、少なくともエポキシ系接着剤との接合操作を行うまでの数日〜数週間は、水分の吸着とその反応による錆の発生を抑えられる。加えて、接着後の接着力の維持も前述した「表面処理方法I」より優れているものと予想している。少なくとも接合物を4週間放置したものでは接合力の低下はなかった。   More specifically, the 100,000 times electron micrographs of the steel material immersed in aqueous ammonia and the steel material immersed in the hydrazine aqueous solution appear to differ in the shape of the thin skin substance adhering to the staircase. Looks like. In any case, the adsorption or reaction of these amines seems to prevail over the adsorption of water molecules or the iron hydroxide formation reaction. In that sense, at least for several days to several weeks until the joining operation with the epoxy adhesive is performed, generation of rust due to moisture adsorption and reaction thereof can be suppressed. In addition, it is expected that the adhesion strength after adhesion is superior to the above-mentioned “Surface Treatment Method I”. There was no decrease in bonding strength when the bonded article was left for 4 weeks.

使用するアンモニア水、ヒドラジン水溶液、又は水溶性アミンの水溶液の濃度や温度は、厳密な条件設定が殆ど必要ない。具体的には、0.5〜数%濃度の水溶液を常温下で用い、0.5〜数分浸漬し、水洗し、乾燥することで効果が得られる。工業的には、若干臭気があるが安価な1%程度濃度のアンモニア水か、臭気が小さく効果が安定的な水和ヒドラジンの1%〜数%の水溶液が好ましい。   The concentration and temperature of the aqueous ammonia, the aqueous hydrazine solution, or the aqueous solution of the water-soluble amine to be used need almost no strict conditions. Specifically, an effect can be obtained by using an aqueous solution having a concentration of 0.5 to several percent at room temperature, immersing for 0.5 to several minutes, washing with water, and drying. Industrially, a 1% to several percent aqueous solution of hydrated hydrazine having a slight odor but inexpensive and having a concentration of about 1%, or a low odor and stable effect is preferable.

[表面処理方法III:化成処理による方法]
前述した化学エッチングの後で水洗し、引き続いて6価クロム化合物、過マンガン酸塩、又はリン酸亜鉛系化合物等を含む酸や塩の水溶液に浸漬して水洗することで、鋼材表面がクロム酸化物、マンガン酸化物、亜鉛リン酸化物等の金属酸化物や金属リン酸化物で覆われて耐食性が向上することが知られている。これは、鉄合金、鋼材の耐食性向上の方法としてよく知られている方法であり、この方法も利用できる。ただ、真の目的は、実用上で完全と言えるような耐食性の確保ではなく、接着工程までに少なくとも支障を生じることがなく、接着後も一体化物に対してそれなりの耐食処理、例えば塗装等をしておけば、接着部分に経時的な支障を生じ難いレベルにすることである。要するに、化成皮膜を厚くした場合には、耐食性の観点からは好ましいだろうが、接合力で言えば好ましくないのである。化成皮膜は必要であるが、厚過ぎると接合力は逆に弱くなる、というのが本発明者等の見解である。
[Surface treatment method III: method by chemical conversion treatment]
After the chemical etching described above, the surface of the steel material is subjected to chromium oxidation by rinsing with an aqueous solution of an acid or salt containing a hexavalent chromium compound, a permanganate, or a zinc phosphate-based compound. It is known that corrosion resistance is improved by being covered with metal oxides such as metal oxides, manganese oxides and zinc phosphorus oxides, and metal phosphorus oxides. This is a well-known method for improving the corrosion resistance of iron alloys and steel materials, and this method can also be used. However, the true purpose is not to ensure corrosion resistance that can be said to be perfect in practical use, and at least there will be no hindrance until the bonding process. If this is done, the level should be such that it is difficult to cause trouble over time in the bonded portion. In short, when the chemical conversion film is thickened, it may be preferable from the viewpoint of corrosion resistance, but it is not preferable in terms of bonding strength. Although the chemical conversion film is necessary, it is the view of the present inventors that the bonding force is weakened if it is too thick.

具体的な耐食の実施方法について延べる。化成処理液に三酸化クロムの希薄水溶液に浸漬して水洗、乾燥した場合、表面は酸化クロム(III)で覆われるとみられる。その表面は均一な膜状物で覆われるのではなく、10〜30nm径で同等高さの突起状物もほぼ100nm程度の距離を置いて生じていた。又、弱酸性に調整した数%濃度の過マンガン酸カリの水溶液も好ましく使用できた。   The specific methods for implementing corrosion resistance can be extended. When immersed in a dilute aqueous solution of chromium trioxide in a chemical conversion treatment solution, washed with water and dried, the surface appears to be covered with chromium (III) oxide. The surface was not covered with a uniform film-like object, and protrusions having a diameter of 10 to 30 nm and an equivalent height were generated at a distance of about 100 nm. Also, an aqueous solution of potassium permanganate having a concentration of several percent adjusted to weak acidity could be preferably used.

又、SPCCを、リン酸亜鉛系の水溶液に浸漬する化成処理をした表面の電子顕微鏡写真を撮った。階段状の角部付近に主に異物が付着したような形状であり、且つ階段の平らな部分にも密度は低いが10〜30nm径の小さな突起が点在した形であった。いずれも水溶液を温度45〜60℃にして、前記SPCCを0.5〜数分浸漬し、水洗し、乾燥するのが高い接合力を得るには好ましく、それ故に化成皮膜は薄い。前記した化成処理剤による変化も、倍率の低い1万倍電子顕微鏡写真では確認出来るようなものではなかった。   Moreover, the electron micrograph of the surface which carried out the chemical conversion treatment which immerses SPCC in the zinc phosphate type aqueous solution was taken. The shape was such that foreign matter mainly adhered to the vicinity of the stepped corner, and the flat portion of the step was dotted with small protrusions having a diameter of 10 to 30 nm although the density was low. In any case, it is preferable to obtain an aqueous solution at a temperature of 45 to 60 ° C., soak the SPCC for 0.5 to several minutes, wash with water, and dry to obtain a high bonding strength. Therefore, the chemical conversion film is thin. The change due to the chemical conversion treatment agent described above was not something that could be confirmed by a 10,000 × low electron micrograph.

[表面処理方法IV:シランカップリング剤]
耐食性、耐候性を鋼材に与えるために為す処理法として、多数の発明がなされ提案されており、その中にシランカップリング剤を吸着させる方法が知られている。シランカップリング剤は、親水性基と撥水性基を分子内に持たせた化合物であり、その希薄な水溶液に鋼材を浸漬し、水洗して乾燥させると、親水性のある鋼材表面にシランカップリング剤の親水性基側が吸着し、その結果として鋼材全体をシランカップリング剤の撥水基側が覆う形となる。シランカップリング剤が吸着したままエポキシ系接着剤を作用させた場合、硬化した接着剤と鋼材表面が作る数十nmレベルのごく薄い間隙内に、水分子が浸入して来た場合でも、鋼材を覆うシランカップリング剤の撥水基群により、水分子が鋼材に近づくことが抑制される可能性がある。
[Surface Treatment Method IV: Silane Coupling Agent]
Numerous inventions have been made and proposed as treatment methods for imparting corrosion resistance and weather resistance to steel materials, and methods for adsorbing a silane coupling agent therein are known. A silane coupling agent is a compound having a hydrophilic group and a water repellent group in its molecule. When a steel material is immersed in a dilute aqueous solution, washed with water and dried, a silane cup is formed on the surface of the hydrophilic steel material. The hydrophilic base side of the ring agent is adsorbed, and as a result, the entire steel material is covered with the water repellent base side of the silane coupling agent. When an epoxy adhesive is allowed to act with the silane coupling agent adsorbed, even if water molecules enter the very thin gap of several tens of nanometers created by the hardened adhesive and the steel material surface, The water-repellent group of the silane coupling agent covering the water may suppress the water molecules from approaching the steel material.

これらについては、前述した表面処理方法II、及び表面処理方法IIIと同様に、表面処理方法Iより耐食性に優れていると予期できるが、そのことを実証するには長期試験が必要である。本発明者等が行った短時間の耐久性実験では、前述した表面処理方法I、表面処理方法II、表面処理方法III、及び表面処理方法IVの方法のどれを使用しようと、少なくとも接着剤を接合後に、約1週間(平成2007年1月:日本国群馬県太田市の屋根付き建屋内)後の破壊データ(せん断破断データ)は、初期とほぼ同等の強度だったが、4週間後では前記表面処理Iのものは悪化した。もっと長期間の放置試験を行えば、どの方法が最も実用的なのか判明できると思われる。ただ、実用面で言えば、鋼材は塗装して使用されるのが一般的であり、非塗装物試験にて候補を選び、更に塗装しての長期環境試験が必要であろう。   These can be expected to have better corrosion resistance than the surface treatment method I as in the surface treatment method II and surface treatment method III described above, but a long-term test is necessary to demonstrate this. In a short-term durability experiment conducted by the present inventors, at least one of the above-mentioned surface treatment method I, surface treatment method II, surface treatment method III, and surface treatment method IV is used. After joining, the fracture data (shear fracture data) after about one week (January 2007: indoors with roof in Ota City, Gunma, Japan) was almost the same strength as the initial, but after four weeks The surface treatment I deteriorated. Longer neglect tests will reveal which method is most practical. However, from a practical standpoint, steel materials are generally used by painting, and it will be necessary to select candidates in the non-painted material test and then apply the paint for a long-term environmental test.

〔1液性エポキシ系接着剤〕
NAT理論に基づく接合においては、1液性熱硬化型接着剤を使用することが望ましい。これは、塗布やその後の染込まし処理など硬化前操作で接着剤分子のゲル化が進まず、金属合金表面のミクロンオーダーの粗度をなしている凹凸に接着剤分子が十分浸入し、さらには超微細凹凸にも接着剤分子がある程度侵入できるからである。即ち、侵入時には接着剤がゲル化していないことが求められるからである。常温でのゲル化の進行はないが高温にすることでゲル化、固化が進行し、接着剤としての役目を果してくれるのが1液性熱硬化型接着剤であり、エポキシ系接着剤が1液性熱硬化型接着剤として機能するのは硬化剤に脂肪族アミン類以外の物を使用した場合である。具体的には、広義のアミン系化合物に含まれるジシアンジアミド、イミダゾール類、及び芳香族ジアミン類があり、フェノール樹脂、酸無水物も硬化能力がある。ただし、酸無水物は常温でのゲル化速度は遅いもののゼロではなく、通常は2液性として分類されている。
[One-part epoxy adhesive]
In joining based on the NAT theory, it is desirable to use a one-component thermosetting adhesive. This is because the gelation of the adhesive molecules does not progress during the pre-curing operation such as coating and subsequent soaking, and the adhesive molecules sufficiently penetrate into the irregularities having a micron-order roughness on the surface of the metal alloy. This is because adhesive molecules can penetrate into ultra-fine irregularities to some extent. That is, it is required that the adhesive is not gelled when entering. Although there is no progress of gelation at normal temperature, gelation and solidification progresses at a high temperature, and the one-pack thermosetting adhesive plays the role of an adhesive. It functions as a liquid thermosetting adhesive when a material other than aliphatic amines is used as the curing agent. Specifically, there are dicyandiamide, imidazoles, and aromatic diamines included in amine compounds in a broad sense, and phenol resins and acid anhydrides also have curing ability. However, although acid anhydride has a slow gelation rate at room temperature, it is not zero, and is usually classified as two-component.

2液性熱硬化型接着剤であっても、本発明に従う表面処理をした金属合金を使用すると接合力が向上するが、多くの場合、1液性熱硬化型接着剤を用いた場合と比較して接合力が大きく劣る。2液性熱硬化型接着剤では、主液に硬化剤成分を加えて混合した瞬間からゲル化が始まるものがほとんどであり、ゲル化が速く進行することで超微細凹凸への樹脂成分の侵入が少なくなる若しくは無くなる。   Even if it is a two-component thermosetting adhesive, the use of a surface-treated metal alloy according to the present invention improves the bonding strength, but in many cases compared to the case of using a one-component thermosetting adhesive. Therefore, the bonding force is greatly inferior. Most two-component thermosetting adhesives begin to gel from the moment the hardener component is added to the main liquid and mixed, and the resin component penetrates into the ultra-fine irregularities due to the rapid gelation. Decrease or disappear.

要するに、2液性熱硬化型接着剤を使用した場合は、硬化剤を混合した後の経過時間によって接着力が変化することが多く、安定性や再現性に劣ることがある。ただし、酸無水物を硬化剤とするエポキシ系接着剤のように、一般的には2液性熱硬化型接着剤とされているものであっても、ゲル化が始まるまでの時間が長く、手際よく作業を進めると高い接着力が得られた。このように、通常は2液性とされる硬化剤に酸無水物を使用したエポキシ系接着剤であっても、同様に2液性とされる脂環族ポリアミン類を硬化剤とするエポキシ系接着剤であっても、エポキシ樹脂に添加混合した後の、常温下におけるゲル化速度がかなり遅い類もある。これらは、常温下の硬化速度はゼロにならず、1液性熱硬化型接着剤として市販できないから2液性に分類はされているにすぎない。しかし、本発明では、硬化剤混合後の数時間以内に表面処理を施した金属合金に塗布し、その後の染込まし処理までの間に、接着剤分子が超微細凹凸に浸入すれば良いので、これに支障が無い程度の低速のゲル化であれば許容されるのである。即ち、一般的には2液性と区分されている接着剤であっても、ゲル化速度を遅くできるものであれば、本発明では1液性と同じ扱いが可能であり、実質的には1液性熱硬化型接着剤として機能する。   In short, when a two-component thermosetting adhesive is used, the adhesive force often changes depending on the elapsed time after mixing the curing agent, which may be inferior in stability and reproducibility. However, like an epoxy adhesive with an acid anhydride as a curing agent, even if it is generally a two-component thermosetting adhesive, the time until gelation begins is long, When the work was carried out skillfully, high adhesive strength was obtained. Thus, even if it is the epoxy adhesive which uses an acid anhydride for the hardening agent normally made into 2 liquid property, the epoxy type which uses the alicyclic polyamines made into 2 liquid property similarly as a hardening agent Even if it is an adhesive agent, there is also a type in which the gelation rate at room temperature after being added to and mixed with the epoxy resin is considerably slow. These are only classified as two-component because the curing rate at room temperature is not zero and they cannot be marketed as one-component thermosetting adhesives. However, in the present invention, it is only necessary to apply to the metal alloy that has been surface-treated within a few hours after mixing the curing agent, and then the adhesive molecules to penetrate into the ultra-fine irregularities before the soaking and treatment. Any gelation at such a low speed that does not hinder this is acceptable. That is, even if the adhesive is generally classified as two-component, if it can slow down the gelation rate, it can be treated as one-component in the present invention. It functions as a one-component thermosetting adhesive.

(1液性エポキシ系接着剤の組成)
エポキシ系接着剤について概要を述べる。エポキシ系接着剤は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材からなる。接着剤自体も市販品があるが、その原料は容易に市中から入手できる。エポキシ樹脂としては、市販されているビスフェノール型エポキシ樹脂、多官能ポリフェノール型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂等が市販されている。また、エポキシ基が多官能の化合物(例えば複数の水酸基やアミノ基を有する多官能化合物やオリゴマー等)と結合した多官能エポキシ樹脂も多種市販されている。通常、これらを適当に混ぜ合わせて使用する。通常の市販接着剤では、全エポキシ樹脂中の過半を占めるのは液状で粘度の低いビスフェノールA型エポキシ樹脂単量体型である。これに迅性を与えるべく分子量の大きいビスフェノール型エポキシ樹脂の多量体型を加え、耐熱性を与えるべくフェノール型エポキシ樹脂を加え、強度を獲得すべくエポキシ基が多官能型の化合物を加えて混合するのが普通である。本発明でも、この基本的な組成に基づいてエポキシ樹脂を作成した。
(Composition of 1-component epoxy adhesive)
An outline of the epoxy adhesive will be described. The epoxy adhesive is composed of an epoxy resin, a curing agent, and an inorganic filler. Although the adhesive itself has a commercial item, the raw material can be easily obtained from the market. As the epoxy resin, commercially available bisphenol type epoxy resins, polyfunctional polyphenol type epoxy resins, alicyclic epoxy resins and the like are commercially available. In addition, various polyfunctional epoxy resins in which an epoxy group is bonded to a polyfunctional compound (for example, a polyfunctional compound or oligomer having a plurality of hydroxyl groups or amino groups) are commercially available. Usually, these are used by mixing them appropriately. In ordinary commercial adhesives, the majority of all epoxy resins are liquid and low viscosity bisphenol A type epoxy resin monomer types. Add a multimeric form of bisphenol-type epoxy resin with a large molecular weight to give quickness, add a phenol-type epoxy resin to give heat resistance, and add a polyfunctional compound with an epoxy group to gain strength. Is normal. Also in the present invention, an epoxy resin was prepared based on this basic composition.

(無機充填材)
充填材について述べる。接着剤は無機充填材を含むのが通常であり、この無機充填材は重要な役目を果たす。すなわち、現在の破壊理論に従えば、物体が破壊に至る前段には応力集中域の中の微少部分や応力集中域近辺の強度の弱い部分で局所破壊が先ず起こり、この局所破壊が周辺の微小部分の応力集中を高めて局所破壊の連鎖に進むと考える。この局所破壊の連鎖は拡大し、破壊部の大きさは微小でなくなり、大きなヒビとなり遂にはそれが完全破壊、即ち剥がれに至る。実際、接着剤硬化物の強度は全体として一様ではなく、必ず強弱がある。従って、仮に破壊が連鎖し易ければ、局所破壊は殆ど完全破壊に至り、完全破壊はミクロ的に強度の弱い部分での強度値だけで決まることになる。それゆえ、最も弱い微小部分の局所破壊が起こっても、これが連鎖せぬようにすれば次に弱い微小部分にて局所破壊が起こるまで事件は起こらず、結果的に接着力は向上する。局所破壊が生じてもそれを局所で止める上で数μm〜数十μm径の無機充填材の存在が非常に有効というのが現行の破壊理論である。
(Inorganic filler)
The filler will be described. The adhesive typically includes an inorganic filler, which plays an important role. In other words, according to the current fracture theory, local fracture occurs first in the minute part in the stress concentration area or in the weak intensity area in the vicinity of the stress concentration area before the object breaks. We think that the stress concentration of the part is increased and the chain proceeds to the local fracture chain. This chain of local destruction expands, the size of the fractured portion becomes smaller and eventually becomes a large crack, which eventually leads to complete destruction, that is, peeling. Actually, the strength of the cured adhesive is not uniform as a whole, and there is always strength. Therefore, if breaks are easily chained, the local breakage is almost complete, and the complete breakage is determined only by the strength value at a microscopically weak part. Therefore, even if the local breakage of the weakest minute part occurs, if this is not linked, the incident does not occur until the next local breakage occurs in the weakest minute part, and as a result, the adhesive force is improved. The current fracture theory is that the presence of an inorganic filler having a diameter of several μm to several tens of μm is very effective in stopping local fracture even if it occurs locally.

それゆえに、構造用接着剤には無機充填材が必ず含まれる。市販エポキシ系接着剤には粒径数μm〜数十μmのシリカ、クレー(粘土、カオリン)、タルク、アルミナ、等の粉体が通常数%以上含まれている。添加する無機充填材の詳細は接着剤性能を左右するので接着剤メーカー通常は開示しておらず、本発明者らは、市中から微粉が購入できるクレー、タルクを使用した。   Therefore, the structural adhesive always includes an inorganic filler. Commercially available epoxy adhesives usually contain several percent or more of powders of silica, clay (clay, kaolin), talc, alumina, etc. having a particle size of several μm to several tens of μm. The details of the inorganic filler to be added affect the adhesive performance and are not usually disclosed by the adhesive manufacturer. The present inventors used clay and talc from which fine powder can be purchased from the market.

前述したエポキシ樹脂混合物に充填材を添加してよく混合分散させ、次いで硬化剤成分を更に加えて混練するのがエポキシ系接着剤の製造方法である。本発明では特に充填材に特徴がある。充填材として必要な成分は、(1)粒径分布の中心が5〜20μmの無機充填材である。具体的には、タルク、クレー(粘土、カオリン)、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス等の粉体を分級した物である。これらの無機充填材は構造用接着剤に通常使用されており、接着剤硬化物の早期の微小ヒビ発生を連鎖的破壊に繋がらぬようにする働きがある。   A method for producing an epoxy-based adhesive is to add a filler to the above-mentioned epoxy resin mixture, mix and disperse it, and then add a curing agent component and knead. The present invention is particularly characterized by the filler. Components necessary as the filler are (1) an inorganic filler having a particle size distribution center of 5 to 20 μm. Specifically, it is a product obtained by classifying powders such as talc, clay (clay, kaolin), calcium carbonate, silica, and glass. These inorganic fillers are usually used in structural adhesives and have a function of preventing the early microcracking of the cured adhesive from being linked to chain breakage.

(超微細無機充填材)
また、本発明においては(2)粒径が100nm以下の超微細無機充填材の添加が必要である。この添加は、接着剤の耐熱性を向上させるのに有効である。具体的にはヒュームドシリカの使用が好ましく、使用量は接着剤の0.3〜3.0質量%とするのが好ましい。これを添加すると金属合金上のミクロンオーダーの粗度に係る凹部内にも侵入し、高温下に置かれて接着剤硬化物中の樹脂分の硬度が低下した場合、即ち前記凹部内のスパイク効果が低下した場合に、その凹部内の接着剤硬化物の形状を保って簡単に接着剤硬化物が抜け出せないようにする効果がある。この理由により常温下の使用では効果は認められない。よって高温下で使用しない場合、又は高温下で接着力が低下しても製品として実害がない場合は添加する意味はあまりないが、実用品に於いては80〜100℃まで昇温する可能性は常に考えておくべきであるから、超微細無機充填材の添加は非常に重要な役割を果たす。以下、超微細無機充填材を添加する根拠について詳細に説明する。
(Ultra fine inorganic filler)
In the present invention, (2) addition of an ultrafine inorganic filler having a particle size of 100 nm or less is necessary. This addition is effective for improving the heat resistance of the adhesive. Specifically, fumed silica is preferably used, and the amount used is preferably 0.3 to 3.0% by mass of the adhesive. When this is added, it also penetrates into the concave portion on the micron order roughness on the metal alloy, and when it is placed under high temperature and the hardness of the resin content in the cured adhesive is lowered, that is, the spike effect in the concave portion. In the case of lowering, there is an effect of keeping the shape of the cured adhesive in the concave portion so that the cured adhesive cannot easily come out. For this reason, no effect is observed when used at room temperature. Therefore, if it is not used at high temperature, or if there is no actual harm as a product even if the adhesive strength is reduced at high temperature, there is not much meaning to add it, but there is a possibility of raising the temperature to 80-100 ° C in practical products Should always be considered, the addition of ultrafine inorganic fillers plays a very important role. Hereinafter, the basis for adding the ultrafine inorganic filler will be described in detail.

本発明に係る接着剤に関して、超微細無機充填材の添加は極めて重要である。ミクロンオーダーの凹部内の接着剤硬化物が高温で柔らかくなり、スパイクのグリップが緩んで抜けかけると、この微小界面での滑りが界面に沿って連鎖的に進めばスパイク効果はなくなり、この凹部が有したアンカー効果はゼロになる。そうなるとその凹部周辺にある凹部群への応力集中度が高まり、次はその周辺凹部で同じことが生じる。結局はミクロンオーダー凹部から接着剤硬化物が抜けて浮くことになり破断に繋がる。しかし、NAT理論に基づく表面処理を施した金属合金表面に存在するミクロンオーダーの粗度を成している凹部には、粒径が数μm以上の大きさの既存の無機充填材はほとんど入れ込めず、界面における接着力の向上に寄与しない。それゆえ、界面における接着力向上に寄与する充填材は、1μm程度の凹部にも進入し得る超微細充填材であり、具体的には粒径0.1μm(100nm)以下のものである。特に、100℃下では超微細無機充填材を含まない接着剤に比較して10〜30MPaも接着力が向上し得る。   With respect to the adhesive according to the present invention, the addition of an ultrafine inorganic filler is extremely important. If the cured adhesive in the micron-order recesses becomes soft at high temperatures and the spike grip loosens and comes off, the effect of the spike will disappear if the slip at this microinterface progresses along the interface. The anchor effect you have is zero. As a result, the degree of stress concentration on the concave group around the concave portion increases, and the same thing occurs next in the peripheral concave portion. Eventually, the cured adhesive will come out of the micron-order recesses and float, leading to breakage. However, most of existing inorganic fillers with a particle size of several μm or more can be placed in the concave portions with a roughness of micron order existing on the surface of metal alloys that have been surface-treated based on the NAT theory. Therefore, it does not contribute to the improvement of the adhesive strength at the interface. Therefore, the filler that contributes to improving the adhesive strength at the interface is an ultrafine filler that can enter a recess of about 1 μm, and specifically has a particle size of 0.1 μm (100 nm) or less. In particular, at 100 ° C., the adhesive force can be improved by 10 to 30 MPa as compared with an adhesive not containing an ultrafine inorganic filler.

スパイクに接している接着剤硬化物の硬度強度を維持しようとしても、高温下では樹脂硬度が下がるので充填材に頼るしかない。しかしながら、超微細凹凸の周期は、通常は数十nmレベルなので数nm径の超微細な充填材が要ることになる。しかし、現状では数nm径の超微細粉末は入手することが困難であり、例え入手できたとしても接着剤内に均一分散させるのは至難だろう。そこでスパイク周辺で滑りが連鎖して進み、スパイクの効きがなくなってミクロンオーダー凹部の中の接着剤硬化物凸部がすでに数十nm程度浮いた状態になった場合を仮定する。この様子の模式図を図16に示す。   Even if it is going to maintain the hardness strength of the adhesive hardened | cured material which touches the spike, since the resin hardness falls under high temperature, it has to rely on a filler. However, since the period of the ultra-fine irregularities is usually on the order of several tens of nanometers, an ultra-fine filler with a diameter of several nanometers is required. However, at present, it is difficult to obtain an ultrafine powder having a diameter of several nm, and even if it can be obtained, it will be difficult to uniformly disperse it in the adhesive. Therefore, it is assumed that the slip progresses in the vicinity of the spike, the effect of the spike disappears, and the adhesive cured product convex portion in the micron order concave portion has already floated about several tens of nm. A schematic diagram of this situation is shown in FIG.

この場合、その周囲のミクロンオーダー凹部にその連鎖が伝わらないようにするには、浮いた距離が数十nm以上にならず、一定範囲で止まることである。その条件としては、凹部形状がアンダー形状であって内部径よりも開口部が狭まっていること、又は金属合金側凹部に収まっている接着剤硬化物が全体として崩れず形状が維持されることである。NAT理論に基づく表面処理がなされたことにより金属合金表面に形成された凹部は、単純な半球形状やV字溝状でないもの、すなわち内部より開口部が狭い蛸壺状の凹部や凹部開口方向が垂直方向ではなく斜め方向となったような、所謂アンダー形状の凹部が一定の確率で存在する。そのようなアンダー形状の凹部内に粒径数十〜数百nmの超微細充填材が分散している接着剤が侵入し固化した場合、これら凹部の中に存在する接着剤硬化物は簡単には粉々に壊れない。   In this case, in order to prevent the chain from being transmitted to the surrounding micron-order recesses, the floating distance does not exceed several tens of nanometers but stops within a certain range. The condition is that the concave shape is an under shape and the opening is narrower than the internal diameter, or that the cured adhesive that is contained in the concave portion on the metal alloy side does not collapse as a whole and the shape is maintained. is there. The recess formed on the surface of the metal alloy due to the surface treatment based on the NAT theory is not a simple hemispherical shape or V-shaped groove, that is, a bowl-shaped recess or an opening direction of the recess is narrower than the inside. There is a so-called under-shaped recess having a certain probability that it is not a vertical direction but an oblique direction. When an adhesive in which an ultrafine filler having a particle size of several tens to several hundreds of nanometers penetrates into such under-shaped recesses and solidifies, the cured adhesive present in these recesses can be easily obtained. Will not break into pieces.

例えば強烈な垂直方向の剥がし力がかかった場合、高温下では接着剤中の硬化ポリマーもやや軟化しており、スパイクの効き目が落ちている。それ故、応力集中箇所付近で最も強い力がかかったミクロンオーダー凹部では、その内壁面スパイクに接しているポリマー部が滑ってスパイクの効きがなくなる。そのような凹部が上記したアンダー形状であればその凹部内の接着剤硬化物は固定が外れ、数十nmだけ浮く。すなわち、凹部がアンダー構造をしていれば、凹部内の接着剤硬化物の中心部が大きく破壊されない限り、浮くだけで抜けずに止まる。   For example, when an intense peeling force in the vertical direction is applied, the cured polymer in the adhesive is slightly softened at a high temperature, and the effectiveness of the spike is reduced. Therefore, in the micron order concave portion where the strongest force is applied in the vicinity of the stress concentration point, the polymer portion in contact with the inner wall surface spike slips and the effect of the spike is lost. If such a recess has the above-described under shape, the cured adhesive in the recess is unfixed and floats by several tens of nm. That is, if the concave portion has an under structure, it only stops floating and does not come off unless the central portion of the cured adhesive in the concave portion is largely broken.

図16は破断寸前の接合面をイメージし模式的に示したものであり、50は金属合金相、51はセラミック質相、52は接着剤硬化物相、53は剥がれて生じた空間を示すが、並んだ5個のミクロンオーダー凹部の内の中央部3個の凹部だけがアンカーの効かない状況となり数十nm浮いた形となっている。しかし、接着剤硬化物全体は高温で軟化しているのでやや弾性があり、図中の端部の凹部2個は中央3個に引きずられて浮き上がることはない。すなわち、スパイクの効き目がなくなって3個の凹部で破壊現象が生じても、このレベルの破壊で一旦止まれば連鎖破壊へは進み難いと考えるのが本発明者らの仮説である。   FIG. 16 schematically shows the joint surface just before the breakage, where 50 is a metal alloy phase, 51 is a ceramic phase, 52 is a cured adhesive phase, and 53 is a space formed by peeling. Of the five micron-order recesses arranged side by side, only the three recesses in the central portion are in a state where the anchor does not work, and are in a shape that floats several tens of nm. However, since the entire cured adhesive is softened at a high temperature, it is somewhat elastic and the two recesses at the end in the figure are not lifted by being dragged to the center three. That is, even if the effect of the spike disappears and the destruction phenomenon occurs in the three recesses, it is the hypothesis of the present inventors that it is difficult to proceed to the chain destruction once it stops at this level of destruction.

別の言い方をすれば、無数あるミクロンオーダーの凹部群の内の最も弱い箇所でアンカー効果が失われても、数十nm程度が浮いた状態で収められ、次に弱い箇所が局所破壊に至るまで接着が保てるという考え方でもある。この仮説に従って追加すべき充填材を100nm以下の超微細な無機充填材とした。これらがミクロンオーダー凹部内に入ってくれればその部分での硬度が保たれてスパイク機能が多少低下しても簡単には凹部から抜けることはないとの考えに依る。100nm以下の粒径を有する超微細無機充填材として容易に入手可能な物にはヒュームドシリカがある。   In other words, even if the anchor effect is lost in the weakest part of the infinite number of micron-order recesses, about tens of nanometers are kept floating, and the next weak part leads to local destruction. It is also the idea that adhesion can be maintained. The filler to be added according to this hypothesis was an ultrafine inorganic filler of 100 nm or less. It is based on the idea that if they enter the micron-order recess, the hardness at that portion is maintained, and even if the spike function is somewhat lowered, it will not easily come out of the recess. Fumed silica is easily available as an ultrafine inorganic filler having a particle size of 100 nm or less.

これらの超微細無機粉末は本発明に不可欠な充填材となる。ヒュームドシリカには2種あり、一つはシリカ(酸化珪素)砂を原料にして還元し金属珪素を得る還元工程の排気ガスから回収された超微細な溶融シリカであって欧州の企業が供給しており、もう一つは、四塩化珪素を気化させ燃焼して超微細溶融シリカとしたもので、「アエロジル」商標で市販されているものである。アエロジルには表面処理されたものも市販されており、本発明者らは疎水性処理をしたものを使用した。燃焼処理で得られたヒュームドシリカは親水性が強いというわけではないが、疎水性処理したものの方がエポキシ樹脂との親和性が好ましいと考えた。   These ultrafine inorganic powders are essential fillers for the present invention. There are two types of fumed silica. One is ultra-fine fused silica recovered from the exhaust gas in the reduction process that uses silica (silicon oxide) sand as a raw material to obtain metallic silicon. The other is vaporized and combusted silicon tetrachloride to form ultrafine fused silica, which is commercially available under the trademark “Aerosil”. Aerosil that has been surface-treated is also commercially available, and the present inventors have used a hydrophobic treatment. The fumed silica obtained by the combustion treatment is not necessarily highly hydrophilic, but the hydrophobic treatment is considered to have better affinity with the epoxy resin.

通常、ミクロンオーダーより小さい粒径の粉末は凝集しており、アエロジルも実態は凝集品である。凝集力は粉体が超微粉になるほど強く、接着剤に投入して自動乳鉢で混練したくらいでは凝集は解けず本発明で想定する分散状態にならない。それゆえ、エポキシ樹脂への添加後に分散機にかける必要がある。これについては後述する。実験結果から、超微細無機充填材の充填率は0.3質量%以上が好ましく、特に0.3〜3.0質量%が好ましい。3.0質量%を超えて添加した場合、粘度が高くなって使用し難いだけでなく、使用した場合には、接着力は横ばいか又は低下した。   Normally, powders with particle sizes smaller than micron order are agglomerated, and Aerosil is actually an agglomerated product. The agglomeration force becomes stronger as the powder becomes ultrafine powder, and the agglomeration cannot be solved and the dispersed state assumed in the present invention cannot be achieved as long as it is put into an adhesive and kneaded in an automatic mortar. Therefore, it is necessary to apply to a disperser after addition to the epoxy resin. This will be described later. From the experimental results, the filling rate of the ultrafine inorganic filler is preferably 0.3% by mass or more, particularly preferably 0.3 to 3.0% by mass. When it added exceeding 3.0 mass%, not only became a viscosity high and it was difficult to use, but when it was used, the adhesive force leveled off or fell.

(熱可塑性樹脂の粉体)
本発明では充填材としてエラストマー成分を加えるのが好ましい。各種加硫ゴム、各種加硫ゴムの表面を変性した粉末ゴム、各種生ゴム、各種生ゴムを変性した変性ゴム、塩化ビニル樹脂(以下「PVC」)、酢酸ビニル樹脂(以下「PVA」)、ポリビニルホルマール樹脂(以下「PVF」)、エチレン酢酸ビニル樹脂(以下「EVA」)、ポリオレフィン樹脂類、ポリエチレンテレフタレート樹脂(以下「PET」)、各種ポリアミド樹脂(以下「PA類」)、ポリエーテルスルホン樹脂(以下「PES」)、ポリウレタン樹脂、熱可塑性ポリエステルエラストマー(以下「TPEE」)、熱可塑性ポリウレタンエラストマー(以下「TPU」)、熱可塑性ポリアミドエラストマー(以下「TPA」)、熱可塑性ポリオレフィン系エラストマー(以下「TPO」)等が本発明で言うエラストマー成分である。
(Thermoplastic resin powder)
In the present invention, an elastomer component is preferably added as a filler. Various vulcanized rubbers, powder rubbers modified on the surface of various vulcanized rubbers, various raw rubbers, modified rubbers modified from various raw rubbers, vinyl chloride resin (hereinafter “PVC”), vinyl acetate resin (hereinafter “PVA”), polyvinyl formal Resin (hereinafter “PVF”), ethylene vinyl acetate resin (hereinafter “EVA”), polyolefin resin, polyethylene terephthalate resin (hereinafter “PET”), various polyamide resins (hereinafter “PA”), polyethersulfone resin (hereinafter referred to as “PET”) "PES"), polyurethane resin, thermoplastic polyester elastomer (hereinafter "TPEE"), thermoplastic polyurethane elastomer (hereinafter "TPU"), thermoplastic polyamide elastomer (hereinafter "TPA"), thermoplastic polyolefin elastomer (hereinafter "TPO"). )) Etc. are elastomer components as referred to in the present invention. .

これらの中には通常はエラストマーとされないものが含まれているが、硬化したエポキシ樹脂は硬質であり、これからすれば熱可塑性樹脂は軟質である。これらは硬化物の靭性をその軟質ゆえに高めてくれる。好ましいのは、これらを粒径5〜25μmの微粉として配合すること、さらに、これら表面を親エポキシ樹脂型に改良したものである。高温下にてエポキシ樹脂と反応するのはアミノ基や水酸基であるからエラストマー端部等にこれらを持たせるのも有効な変性処理である。また、本発明は常温下だけでなくやや高温下でも強い接着力を示す接着剤を求めているので柔らか過ぎる物はあまり好ましくない。それらを勘案して入手が容易なものを列記すると、水酸基ができ易いPVF、端部に水酸基のあるウレタン樹脂、アミノ基が無数にあるPA類、さらには意図的に水酸基を付けたPES等がある。   Some of these are not usually elastomers, but the cured epoxy resin is hard and the thermoplastic resin is soft. These increase the toughness of the cured product due to its softness. Preferably, these are blended as fine powder having a particle size of 5 to 25 μm, and further, the surface is modified to a parent epoxy resin mold. Since it is an amino group or a hydroxyl group that reacts with the epoxy resin at a high temperature, it is an effective modification treatment to have these at the end of the elastomer. Moreover, since the present invention seeks an adhesive that exhibits a strong adhesive force not only at room temperature but also at a slightly high temperature, an excessively soft material is not preferred. Taking these into account, those that are readily available include PVF that is prone to hydroxyl groups, urethane resins with hydroxyl groups at the ends, PAs with countless amino groups, and PES with intentionally hydroxyl groups. is there.

本発明者らは試行錯誤によって、(3)熱可塑性樹脂の粉体、特に粒径分布の中心が5〜25μmの粉体を充填材として添加することが効果的であるとの結論に達した。3次元結合が出来ているエポキシ樹脂硬化物と比較すれば軟質であり変形も容易であるから、接着剤自体を弾性化できる。金属合金側も被着材側も剛性の高い物同士であれば、この添加も必要性が薄いが、接着力が強い系であるので強い外力がかかった場合には応力集中で金属合金又は被着材自体が変形する。そのような場合、接着剤層が弾性的であると破壊に至る外力レベルが向上する。具体的には、硬質加硫ゴムの粉体が充填材として向いていると考えられるが、そのような物で10μm程度の粒径物は入手が困難である。熱可塑性樹脂ではこのレベルの微粉で生産可能な物もあるので、その群から選んで使用すればよい。電子部品や弾性塗料用としてSBR、NBR(ニトリルゴム)、ウレタン樹脂、その他の軟質の熱可塑性樹脂(熱可塑性エラストマーを含む)が市販されており、常温付近での接着剤の弾性化には、これらが適している。また、金属合金とCFRPの接着複合体の主な用途としては、移動機械の構造体であるから、100〜150℃程度の高温下で過度に軟化しないレベルの弾性を有する熱可塑性樹脂が適している。この点から、軟化点の高いポリエーテルスルホン樹脂(「PES」)が好ましい。PESは耐熱弾性塗料としての用途があり、微粉砕が工業的に為されているので、粒径分布の中心が10〜20μmの物が容易に入手できる。熱可塑性樹脂粉体の好ましい添加量は2〜5質量%である。   The inventors of the present invention have come to the conclusion that, by trial and error, it is effective to add (3) a thermoplastic resin powder, particularly a powder having a particle size distribution center of 5 to 25 μm as a filler. . Compared with a cured epoxy resin having a three-dimensional bond, it is soft and easily deformed, so that the adhesive itself can be made elastic. If the metal alloy side and the adherend side are highly rigid, this addition is less necessary, but since the adhesive strength is strong, when a strong external force is applied, the metal alloy or coating is concentrated due to stress concentration. The dressing itself is deformed. In such a case, if the adhesive layer is elastic, the external force level leading to breakage is improved. Specifically, it is considered that hard vulcanized rubber powder is suitable as a filler, but it is difficult to obtain a particle size of about 10 μm with such a material. Some thermoplastic resins can be produced at this level of fine powder, so they can be selected from the group. SBR, NBR (nitrile rubber), urethane resin, and other soft thermoplastic resins (including thermoplastic elastomers) are commercially available for use in electronic parts and elastic coatings. These are suitable. Also, as the main application of the adhesive composite of metal alloy and CFRP, a thermoplastic resin having a level of elasticity that does not excessively soften at a high temperature of about 100 to 150 ° C. is suitable because it is a structure of a mobile machine. Yes. In this respect, a polyethersulfone resin (“PES”) having a high softening point is preferable. PES has a use as a heat-resistant elastic paint, and since fine pulverization is industrially performed, a product having a particle size distribution center of 10 to 20 μm can be easily obtained. A preferable addition amount of the thermoplastic resin powder is 2 to 5% by mass.

(カーボンナノチューブの添加)
さらに、(4)カーボンナノチューブ(以下「CNT」という)を充填材として添加するのも効果がある。特許文献15に示すように、これは常温下での接着力を高める効果があり、高温下ではその添加効果は不明瞭になる。金属合金表面のミクロンオーダーの粗度に係る凹部の開口部付近に分散した繊維状のCNTが、強い外力でその凹部の開口部付近の接着剤硬化物が引き千切られようとした場合に、引き千切りを抑制すると考えられる。CNTを前記凹部の入口付近に存在させるためには、そのCNTが直径100nm以下の繊維状物であり、かつ接着剤中に分散していることが必要である。言い換えるならば、分散可能な直径100nmの繊維状物として、CNTは最適であると言える。
(Addition of carbon nanotubes)
Furthermore, it is also effective to add (4) carbon nanotubes (hereinafter referred to as “CNT”) as a filler. As shown in Patent Document 15, this has the effect of increasing the adhesive strength at room temperature, and the effect of addition becomes unclear at high temperatures. When the fibrous CNT dispersed near the opening of the concave portion on the surface of the metal alloy in the order of micron order is torn off the hardened adhesive near the opening of the concave portion with a strong external force, it is pulled. It is thought to suppress shredding. In order for CNTs to be present in the vicinity of the entrance of the recess, the CNTs are required to be fibrous materials having a diameter of 100 nm or less and dispersed in the adhesive. In other words, it can be said that CNT is most suitable as a fibrous material having a diameter of 100 nm that can be dispersed.

上記理由から、CNTは、その直径が100nm程度以下であれば、十分効果が期待できるはずであり、単層物、2層物、3層物からMCNTまでの全てのCNTで効果が期待できる。ここで、層数が少ない細いCNT、例えば直径10nm以下の物は、凹部内壁面にある超微細凹凸面の凹部をも通過することが可能である。それ故に、超微細凹凸部の凹部を通過しない場合と比較して、何らかの効果があるかもしれないと推定される。しかしながら、接合理論にて接着剤の接着強度に関して最も影響が大きいのは、ミクロンオーダーの粗度に係る凹部の開口部付近の破壊強度であり、超微細凹凸の凹部にまでCNTが侵入することが、必ずしも接合力を向上する上で役立つという考えまでは至っていない。   For the above reason, if the diameter of CNT is about 100 nm or less, a sufficient effect should be expected, and the effect can be expected for all CNTs from a single layer, a two-layer, a three-layer to MCNT. Here, thin CNTs with a small number of layers, for example, those having a diameter of 10 nm or less, can also pass through the recesses of the ultra-fine uneven surface on the inner wall surface of the recess. Therefore, it is estimated that there may be some effect as compared with the case where it does not pass through the concave portion of the ultra fine uneven portion. However, the greatest influence on the adhesive strength in the bonding theory is the breaking strength in the vicinity of the opening of the concave portion related to the roughness on the order of microns, and the CNT may penetrate into the concave portion of the ultra-fine unevenness. However, it has not yet reached the idea of helping to improve the bonding force.

本発明者らは、平均直径が、約80nm、約50nm、約3nmのCNTについいて、分散実験を試みた。その結果、エポキシ系接着剤への破壊分散に成功したのは平均直径が80nm及び50nmの場合のみであった。平均直径が3nmのCNTは、後述するように、本発明者らが行った破壊分散法では充分な分散に至らず、接着実験を行うことができなかった。また、平均直径が80nmのCNTをエポキシ系接着剤に0.05〜0.06重量%添加して、充分に分散した場合、添加しない場合と比べてせん断破断力が向上し、CNTの添加による確かな効果が認められた。平均直径が50nmの場合も同様の効果が認められた。それらの効果は、ほぼ同等といえる範囲であったが、僅かながら細いCNT(即ち平均直径が50nmのもの)に、より優れた効果が認められた。   The present inventors tried dispersion experiments on CNTs having average diameters of about 80 nm, about 50 nm, and about 3 nm. As a result, it was only when the average diameters were 80 nm and 50 nm that the fracture dispersion into the epoxy adhesive was successful. As will be described later, CNTs having an average diameter of 3 nm did not reach sufficient dispersion by the fracture dispersion method performed by the present inventors, and an adhesion experiment could not be performed. In addition, when 0.05 to 0.06% by weight of CNT having an average diameter of 80 nm is added to the epoxy adhesive and dispersed sufficiently, the shear breaking force is improved as compared with the case where it is not added. A certain effect was recognized. The same effect was observed when the average diameter was 50 nm. These effects were in a range that could be said to be almost the same, but a more excellent effect was observed on slightly thin CNTs (that is, those having an average diameter of 50 nm).

平均直径50nm及び80nmのCNTが添加された一液性エポキシ接着剤実験による結果によれば、CNT含有量が0.1重量%以上であると、効果が無いか又は却って接着力が低下した。CNTの含有量が多い場合、CNTは繊維形状であるためにミクロンオーダーの粗度に係る凹部の開口部付近で重なりあってろ過紙のようになり、凹部内部に侵入する数量が却って減少するのか、又は凹部開口部付近で重なりあって濾紙のようになり、その部分では局所的にCNT密度が高くなり、引っ張り試験時の破壊拠点になることが予想される。そのような面を考慮した場合、CNTは超微細な繊維状物であるので、0.1重量%未満の含有量で効果が出易いようである。   According to the results of a one-component epoxy adhesive experiment in which CNTs having an average diameter of 50 nm and 80 nm were added, when the CNT content was 0.1% by weight or more, there was no effect or the adhesive strength was lowered. If the CNT content is high, the CNTs are in the form of fibers, so it overlaps in the vicinity of the openings of the recesses with a roughness on the order of microns and looks like filter paper. Or, it overlaps in the vicinity of the opening of the concave portion and becomes like a filter paper, and the CNT density locally increases in that portion, and it is expected that it becomes a destruction base at the time of the tensile test. When such a surface is taken into consideration, CNT is an ultrafine fibrous material, and thus it seems that the effect is likely to be obtained with a content of less than 0.1% by weight.

ここでまとめると、本発明において、CNTのエポキシ系接着剤への配合は、ミクロンオーダー凹凸の凹部にCNTが十分に侵入し、固化することを狙ったものである。別の言い方をすれば、1液性エポキシ系接着剤に添加する強化繊維分については、1μm以下の微細な範囲においても接着剤中に均一に分散させることを要する。これにより、微細部分の機械物性と全体の機械物性の一致を狙ったものともいえる。   In summary, in the present invention, the blending of CNTs into the epoxy adhesive is aimed at sufficiently infiltrating and solidifying the CNTs into the concave portions with micron-order irregularities. In other words, the reinforcing fiber added to the one-component epoxy adhesive needs to be uniformly dispersed in the adhesive even in a fine range of 1 μm or less. Thus, it can be said that the aim is to match the mechanical properties of the fine part with the overall mechanical properties.

(カーボンナノチューブの分散法)
上述したCNT添加による接着力の強化は、CNTが接着剤内に上手く分散できたことが前提になっているが、実際にはその分散が困難であるという事情がある。CNTの分散法については既に多くの技術が紹介されている。これら分散方法のうち多くは、CNT、特殊溶剤、及び特殊分散剤をボールミル等に投入してCNTを溶剤中に破壊分散させる手段を採用している。これは、製造直後のCNTは細かく絡み合っていることが発見され、分散させるには、これをある程度破壊しなければならないことによる。
(Dispersion method of carbon nanotube)
The strengthening of the adhesive force by adding CNTs described above is based on the premise that CNTs can be well dispersed in the adhesive, but there is a situation that the dispersion is actually difficult. Many techniques have already been introduced for the dispersion method of CNTs. Many of these dispersion methods employ a means in which CNT, a special solvent, and a special dispersant are introduced into a ball mill or the like to break and disperse the CNT in the solvent. This is due to the fact that the CNTs immediately after manufacture are found to be finely entangled and must be destroyed to some extent in order to be dispersed.

但し、この手法ではCNT分散に適した溶剤や分散剤が選ばれており、接着剤組成物と分散CNTを混合した後において、その溶剤等を完全除去することができない。即ち、接着剤組成物に新たに加わったその溶剤成分が、接着剤性能を低下させる可能性がある。実際に、本発明者らもこの手法に使用されている溶剤数種と分散安定剤数種を入手し、各々を1液性エポキシ系接着剤に混入させて実験を行った。その結果、全てで接着力は低下した。   However, in this method, a solvent and a dispersing agent suitable for CNT dispersion are selected, and the solvent and the like cannot be completely removed after the adhesive composition and the dispersed CNT are mixed. That is, the solvent component newly added to the adhesive composition may reduce the adhesive performance. In fact, the present inventors also obtained several kinds of solvents and several kinds of dispersion stabilizers used in this method, and conducted experiments by mixing them with a one-component epoxy adhesive. As a result, the adhesive strength decreased in all cases.

しかし昨今、新たなCNTの破壊分散方法が提案されている。これは、高速せん断型分散機と高性能粉砕分散機であるメディアミルを直列型に使用した物理的な手法であり、エポキシ系接着剤とCNTのみを投入して、CNTの破壊分散物が得られる可能性があった(特許文献16)。そこで、本発明者らも溶剤や分散剤を用いることなくCNTを分散させようとするこの発明を参考にせんとした。   However, recently, a new CNT fracture dispersion method has been proposed. This is a physical method that uses a high-speed shearing disperser and a media mill, which is a high-performance crushing disperser, in series. By introducing only epoxy adhesive and CNT, a CNT fracture dispersion is obtained. (Patent Document 16). Therefore, the present inventors also referred to the present invention which attempts to disperse CNT without using a solvent or a dispersant.

ただし、本発明では高速せん断型分散機(ホモジナイザー)を使用しなかった。前記の発明でCNTの破壊分散に最も寄与したのは、最新型のメデイアミル、具体的には最新型の湿式粉砕機であるサンドグラインドミルを使用したことであると本発明者らは判断した。そして直径の異なる数種のCNT類の破壊分散を溶剤中やエポキシ樹脂中で実験したところ、破壊分散が可能なのは平均直径が数十nmの多層型CNT(以下「MCNT」)であり、細い数nm直径のCNTの破壊分散は不可能であることが分かった。このようなCNTは、細くて柔軟性があるために、これら最新式湿式粉砕機を使用しても折れて切れず、絡まりを解けないものと考えられた。   However, in the present invention, a high-speed shearing type disperser (homogenizer) was not used. The inventors of the present invention have determined that the most significant contribution to the fracture dispersion of CNTs was the use of the latest media mill, specifically the sand grind mill, the latest wet grinder. Then, when the destructive dispersion of several kinds of CNTs having different diameters was tested in a solvent or an epoxy resin, the multi-layer CNT (hereinafter referred to as “MCNT”) having an average diameter of several tens of nanometers can be broken and dispersed. It was found that fracture dispersion of nm diameter CNTs was not possible. Since such CNTs are thin and flexible, they were considered to be unbreakable and untangled even when using these latest wet pulverizers.

CNTの添加に関してまとめる。接着力の向上に用いることができるCNTは多層型CNTであり、直径が数十nmの物であった。現在、CNTメーカーから供給されるCNT自体は、絡まり凝集した状態の物であるから、エポキシ樹脂に添加して混練しても繊維状に分散させることは出来ない。本発明者らは最新型の湿式粉砕機を使用して破砕分散させた。但し、この手法を用いても、数nm直径の細いCNTはその柔軟性故か破砕分散できず、前記の多層型CNTのみが分散可能だった。充填量は0.02〜0.2質量%が好ましい。これより少ないと効果が明確でなく、これよりも多ければ、却って接着力が低下した。   The addition of CNT is summarized. The CNT that can be used for improving the adhesive force is a multi-layer CNT having a diameter of several tens of nanometers. At present, the CNT itself supplied from the CNT manufacturer is in an entangled and aggregated state, so it cannot be dispersed in a fiber form even when added to an epoxy resin and kneaded. The inventors of the present invention used a state-of-the-art wet pulverizer for crushing and dispersing. However, even if this method was used, CNTs with a diameter of a few nm could not be crushed and dispersed because of their flexibility, and only the above-mentioned multilayer CNTs could be dispersed. The filling amount is preferably 0.02 to 0.2% by mass. If it is less than this, the effect is not clear, and if it is more than this, the adhesive strength is lowered.

(湿式粉砕機に関して)
前述した(1)(2)(3)(4)を分散するに際しては、硬化剤を入れていない状態のエポキシ樹脂を母材とし、湿式粉砕機を用いるのが好ましい。(4)CNTの分散には最新型の湿式粉砕機の使用が必要条件であるが、その他(1)(2)(3)の分散は湿式粉砕機の使用が必要条件ではない。本発明者らは充填材の分散を全て最新型のサンドグラインドミルで行った。通常の接着剤製造で使用する自動乳鉢やニーダーで行ってどのような性能がでるのかは調査していない。しかし、サンドグラインドミルを使用しても充填材は既に数十μm径以下の微粉であり、更に粉砕される可能性は少ない。このサンドグラインドミルは、大きな微粉については分散を促進し、超微細な粉体についてはその凝集を解いて分散させる。それ故、CNTを除いては、湿式粉砕機を使用しなければならないということはないが、少なくとも(1)(2)(3)を分散させる際に、湿式粉砕機を使用した場合、確実に良分散が出来る。
(Wet grinder)
When dispersing (1), (2), (3), and (4), it is preferable to use a wet pulverizer with a base material of an epoxy resin without a curing agent. (4) The use of the latest wet pulverizer is a necessary condition for the dispersion of CNT, but the dispersion of other (1), (2) and (3) is not a requirement for the use of a wet pulverizer. The inventors performed all the dispersion of the filler with the latest type of sand grind mill. We have not investigated what kind of performance can be achieved with an automatic mortar or kneader used in normal adhesive production. However, even if a sand grind mill is used, the filler is already a fine powder having a diameter of several tens of μm or less, and there is little possibility of further grinding. This sand grind mill promotes dispersion for large fine powders, and disperses and disperses ultrafine powders. Therefore, it is not necessary to use a wet pulverizer except for CNT, but when using a wet pulverizer to disperse at least (1) (2) (3) Good dispersion is possible.

このようにしてエポキシ樹脂に充填材を添加し分散させた後で、硬化剤を添加し、混練するのが好ましい。その理由は、充填材の添加分散をサンドグラインドミルで行った場合に粉砕室での発熱が激しいことである。冷却水を粉砕室外套に循環させて冷却しても、硬化剤入りのエポキシ樹脂を使用して充填材の添加分散を行うと、僅かな冷却遅れでホットスポットが出来てその箇所でゲル化が始まり、益々発熱して粉砕室内がサンド諸共硬化してしまう。これにより高価なサンドグラインドミルを使用不能にする危険があるからである。   In this way, it is preferable to add a curing agent and knead after the filler is added and dispersed in the epoxy resin. The reason is that when the filler is added and dispersed with a sand grind mill, the heat generated in the grinding chamber is intense. Even if the cooling water is circulated through the crushing chamber jacket and cooled, if an epoxy resin containing a curing agent is used to add and disperse the filler, a hot spot can be formed with a slight cooling delay and gelation occurs at that location. At first, heat is generated more and more and the sand is hardened in the grinding chamber. This is because there is a risk of making the expensive sand grind mill unusable.

〔CFRP形状物の粗面化〕
強化繊維が炭素繊維であるFRPはCFRPであり、ガラス繊維を使用した物はGFRP(Glass-Fiber Reinforced Plasticsの略)であり、アラミド繊維を使用した物はAFRP(Aramid-Fiber Reinforced Plasticsの略)やKFRP(Kevlar-Fiber Reinforced Plasticsの略)と呼ばれる。FRPはこれらの総称でもある。本発明はエポキシ樹脂をマトリックス樹脂とするFRPについて論じているが、エポキシ樹脂をマトリックス樹脂とするFRPとしてはCFRPが一般的なので以下はCFRP形状物について述べる。
[Roughening of CFRP shapes]
FRP whose reinforcing fiber is carbon fiber is CFRP, the one using glass fiber is GFRP (abbreviation of Glass-Fiber Reinforced Plastics), and the one using aramid fiber is AFRP (abbreviation of Aramid-Fiber Reinforced Plastics) And KFRP (Kevlar-Fiber Reinforced Plastics). FRP is also a generic name for these. Although the present invention discusses FRP using an epoxy resin as a matrix resin, CFRP is generally used as the FRP using an epoxy resin as a matrix resin.

形状化されたCFRPは、多層のCFRPプリプレグが重なり治具等で圧縮されながら加熱硬化した物であるのが一般的である。特に高強度のCFRP製造法としてプリプレグ利用法が標準的であり、これについて述べる。過去のCFRPプリプレグはマトリックス樹脂に現接着剤と似た粘着液状の熱硬化型エポキシ樹脂を使用していた。それ故、ベタついたシート状物でありポリエチレンフィルム等で挟んだシートとして供給され、使用時はそのまま切断し、その後にポリエチレンフィルムを剥がして使用したのである。しかし現行のプリプレグは、硬化剤に芳香族ジアミン類を多く使用して硬化物の耐熱性を上げていることもあり、粘着性のないシートである。その厚さも0.2mm程度のものが多く、標準化されており使用し易くなっている。   In general, the shaped CFRP is a product obtained by heat-curing a multilayer CFRP prepreg while being compressed by an overlapping jig or the like. In particular, a prepreg utilization method is standard as a high-strength CFRP production method, which will be described. Past CFRP prepregs used a sticky liquid thermosetting epoxy resin similar to the current adhesive for the matrix resin. Therefore, it is a sticky sheet and is supplied as a sheet sandwiched between polyethylene films or the like, and is cut as it is in use, and then the polyethylene film is peeled off before use. However, the current prepreg is a non-adhesive sheet because it sometimes uses a large amount of aromatic diamine as a curing agent to increase the heat resistance of the cured product. The thickness is often about 0.2 mm and is standardized and easy to use.

CFRP形状物の製造工程は、コンピュータ制御された自動切断機でプリプレグを1枚づつ形状を変化させつつ切断し、その切断した物を積層すれば立体形状が予期した物になるように自動化されている。積層物を治具に収めて形状が保てるようにした上でボルトやバネで締め付けてプリプレグシート間に圧力がかかるようにし、全体を密閉バッグやオートクレーブに入れて封じ、真空にする。真空にしたまま昇温すると一旦溶融し、それからゲル化、硬化が始まる。溶融後は逆に高圧にするとプリプレグ間から抜けた空気が存在していた隙間が潰されて一体化が進む。硬化が終了したら放冷し、治具等を外してCFRP形状物が完成する。   The manufacturing process of CFRP shaped objects is automated so that the three-dimensional shape becomes the expected one by cutting the prepregs while changing the shape one by one with a computer-controlled automatic cutting machine, and stacking the cut objects Yes. The laminate is placed in a jig so that the shape can be maintained, and then tightened with bolts or springs so that pressure is applied between the prepreg sheets, and the whole is put in a sealed bag or autoclave and sealed to make a vacuum. When the temperature is raised in a vacuum, it once melts, and then gelation and curing begin. On the contrary, if the pressure is increased after melting, the gap where the air that has escaped from between the prepregs is crushed and the integration proceeds. When curing is completed, the product is allowed to cool, and a jig or the like is removed to complete a CFRP shaped product.

CFRP形状物の表面はマトリックス樹脂の硬化物が覆っているので、CFRP形状物自体は、その表面からみるとエポキシ樹脂硬化物と言える。これにエポキシ系接着剤を塗布して使用しても接着できるが被着材は既に十分硬化した安定な物質であるから、CFRP形状物表面とエポキシ接着剤との化学的な親和力を期待するには少し無理がある。そこで物理的な方法で粗面化し、出来上がった凹凸面にエポキシ系接着剤を侵入させて接着力を上げる方法を採用することを検討したものである。CFRP形状物表面を、前述した第1の条件〜第3の条件を満たす金属合金表面の様に物理的に理想的な被着材形状物にするのは困難であるから、物理的に粗面化しても金属合金同士を接着した場合と同等の高強度の接着を期待することはできない。それ故、接着力を金属合金同士の接合体と同等にしようとすれば、何らかの化学的な効果を期待するしかない。   Since the surface of the CFRP shaped product is covered with a cured product of the matrix resin, the CFRP shaped product itself can be said to be a cured epoxy resin when viewed from the surface. It can be bonded even if it is applied with an epoxy adhesive, but since the adherend is a stable material that has already been sufficiently cured, it is expected to have a chemical affinity between the CFRP surface and the epoxy adhesive. Is a little impossible. Therefore, the present inventors have studied to adopt a method of increasing the adhesive force by roughening the surface by a physical method and allowing an epoxy adhesive to enter the finished uneven surface. Since it is difficult to make the CFRP shaped object surface a physically ideal adherend shaped object like the metal alloy surface satisfying the first to third conditions described above, it is physically rough. Even if it is made, it is not possible to expect high strength adhesion equivalent to the case where metal alloys are bonded to each other. Therefore, if the adhesive strength is to be equal to that of a metal alloy bonded body, there is no choice but to expect some chemical effect.

そこでマトリックス樹脂に着目した。マトリックス樹脂はアミン系化合物(硬化剤)とエポキシ樹脂の反応硬化物であるが、安定した性能を得るために硬化剤を過剰にして調合作成されているのが通常である。よって硬化物には過剰分のアミン類が残存している。要するに、CFRP形状物の粗面化による物理的効果に加え、粗面化した表面にはアミン系分子、又はポリマーに繋がった1級アミノ基が露出していることが確実であり、これを利用できるのである。この推論に基づき、本発明者らは、先ず80番〜240番の目の粗い研磨紙でCFRP形状物表面を削り取った。削り取った後は、削り屑や汚れを取り除き、純水や有機溶剤で洗浄し乾燥した。その表面に、エポキシ系接着剤を単純に塗布した。使用する接着剤の硬化系も広義のアミン系化合物(ジシアンジアミド、イミダゾール類や芳香族ジアミン類)であるから、CFRP形状物表面から露出しているアミノ基と全く同類である。それ故、CFRP形状物表面を更新し、洗浄すれば問題なく接着すると推測した。塗布後の染込まし処理等は必要だが、CFRP形状物の粗面に、新たな化学的処置を加える必要はない。   Therefore, we focused on matrix resin. The matrix resin is a reaction-cured product of an amine compound (curing agent) and an epoxy resin, but is usually prepared with an excess of the curing agent in order to obtain stable performance. Therefore, excess amines remain in the cured product. In short, in addition to the physical effect of roughening the CFRP shaped product, it is certain that the primary amino group linked to the amine molecule or polymer is exposed on the roughened surface. It can be done. Based on this reasoning, the present inventors first scraped the surface of the CFRP shaped article with coarse abrasive papers of 80-240. After scraping, the shavings and dirt were removed, washed with pure water or an organic solvent, and dried. An epoxy adhesive was simply applied to the surface. Since the curing system of the adhesive used is also an amine compound (dicyandiamide, imidazoles or aromatic diamines) in a broad sense, it is completely the same as the amino group exposed from the surface of the CFRP shaped product. Therefore, it was speculated that the surface of the CFRP shaped object was renewed and cleaned without problems. Although a soaking treatment after application is necessary, it is not necessary to add a new chemical treatment to the rough surface of the CFRP shaped object.

以上の考え方に基づいて試行錯誤を行い、以下の結論に達した。下記した方法に拘る必要は無く、粗面化し汚れを取り去って乾燥し、接着剤を塗布し、染込まし処理をすることに沿う方法であれば使用できる。本発明者らが行った具体的な方法としては、80番〜240番程度の粗めの研磨紙でしっかり削り取り、中性又は弱塩基性の界面活性剤水溶液で洗浄し、十分水洗した後で80〜100℃にて乾燥した。次いで後述する接着剤塗布/染込まし処理を行ったものである。試行錯誤として有機溶剤で汚れ取りや洗浄する実験も行ったが前者に比較して特に良効果もなく、これらは安全上やコスト上からも採用すべきでないと思われた。   Based on the above idea, trial and error were performed and the following conclusions were reached. There is no need to be concerned with the method described below, and any method can be used as long as it is roughened, removed, dried, coated with an adhesive, soaked and treated. As a specific method performed by the present inventors, it is carefully scraped off with coarse abrasive paper of about 80 to 240, washed with a neutral or weakly basic surfactant aqueous solution, and sufficiently washed with water. It dried at 80-100 degreeC. Next, an adhesive coating / dipping process described later is performed. As a trial and error, experiments were also conducted to remove and clean with an organic solvent, but there was no particularly good effect compared to the former, and it seemed that these should not be adopted for safety and cost reasons.

更に、大型のCFRP形状物について、接着すべき面を粗面化した後の工程を容易にすべく、水槽等に浸漬せずに済む方法を検討した。この場合、界面活性剤を溶解した水溶液を高圧水として粗面にぶつける方法が有効であった。勿論、その後に水洗する必要がある。更には、水道水(群馬県太田市、PH5.8〜6.1)をかなり高圧の高速噴水流として1分間以上吹き付けると殆ど水槽等に浸漬した場合と同じ効果のあることが分かった。   Furthermore, in order to make the process after roughening the surface which should be adhere | attached large sized CFRP shaped object, the method which does not need to be immersed in a water tank etc. was examined. In this case, a method in which an aqueous solution in which a surfactant is dissolved is applied as a high-pressure water to a rough surface is effective. Of course, it is necessary to wash with water after that. Furthermore, when tap water (Ota City, Gunma Prefecture, pH 5.8 to 6.1) was sprayed as a high-pressure high-speed fountain flow for 1 minute or more, it was found that there was almost the same effect as when immersed in a water tank or the like.

〔接着剤塗布及び染込まし処理〕
表面処理を施した金属合金片及び上記粗面化したCFRP形状物の所定箇所に、それぞれ前述したエポキシ系接着剤を塗布する。筆塗りでもヘラ塗りでもよい。その後、両方を40〜50℃に予め加熱しておいた減圧容器又は圧力容器に入れ、数分置いてから数十mmHg程度まで減圧して数秒置き、その後空気を入れて常圧に戻すか数気圧や数十気圧の圧力下にするのが好ましい。塗布物を暖めるのは、接着剤の粘度を十数Pa秒以下にするためである。この温度が高いほど粘度は下がるが、高きに過ぎるとゲル化速度が高まり接着力確保に不利になる。この点は、その接着剤のゲル化温度をどう予測するかで変わってくる。次いで減圧と昇圧のサイクルを繰り返すのが好ましい。減圧下で接着剤と金属合金間の空気が抜け、常圧戻しで接着剤が金属合金表面面上の超微細凹部に侵入し易くなる。
[Applying and dyeing adhesives]
The above-described epoxy adhesive is applied to predetermined portions of the surface-treated metal alloy piece and the roughened CFRP shaped product. Brush painting or spatula painting may be used. Then, put both in a vacuum vessel or pressure vessel preheated to 40 to 50 ° C., leave it for a few minutes, reduce the pressure to about several tens of mmHg for a few seconds, then add air and return to normal pressure It is preferable to set the pressure under atmospheric pressure or several tens of atmospheric pressure. The reason why the coated material is warmed is to make the viscosity of the adhesive 10 or less Pa seconds or less. The higher this temperature is, the lower the viscosity is. However, if the temperature is too high, the gelation rate increases, which is disadvantageous for securing the adhesive force. This point depends on how to predict the gelation temperature of the adhesive. Then, it is preferable to repeat the cycle of pressure reduction and pressure increase. The air between the adhesive and the metal alloy escapes under reduced pressure, and the adhesive easily enters the ultrafine recesses on the surface of the metal alloy when returned to normal pressure.

実際の量産に当たっては、圧力容器を使用して高圧空気を使用するのは設備上も経費上もコストアップに繋がるので、それよりは気密性の高い袋や減圧容器を使用して減圧/常圧戻しを数回行うのが経済的である。容器や袋から取り出し、常温以下の温度とした保管場所に置き短時間内に次工程に入るのが好ましい。CFRP形状物が大型品であり、これを収納する大型の容器がない場合、半球型で周辺部をゴムパッド状物とした治具を作成し、これをCFRP形状物表面に吸い付けて使用する。即ち、半球の頂点に通気口とバルブをつけて真空ポンプに繋げばよい。昇温が必要な場合、接着剤の塗布前にヘヤードライヤーで暖めておくと良い。   In actual mass production, using high-pressure air using a pressure vessel leads to increased costs both in terms of equipment and costs. Therefore, use a highly airtight bag or vacuum vessel to reduce pressure / normal pressure. It is economical to perform the return several times. It is preferable to take it out from the container or bag, put it in a storage place at a temperature below room temperature, and enter the next step within a short time. If the CFRP shaped object is a large product and there is no large container for storing it, a jig with a hemispherical shape and a rubber pad shaped peripheral part is created and used by sucking it onto the surface of the CFRP shaped object. That is, a vent and a valve are attached to the top of the hemisphere and connected to a vacuum pump. If it is necessary to raise the temperature, it is better to warm it with a hair dryer before applying the adhesive.

〔接着工程〕
上記工程でエポキシ系接着剤を塗布した金属合金片とCFRP形状物が得られる。これらを抱き合わせてクリップ等で留める。クリップで固定できない場合には、接着面に圧力がかかる様にした治具を作って固定する。クリップを使用しないで治具等に収納して固定する場合、押さえ付けの力は重力やバネ、又はクランプ等を利用することになる。そして固定をした状態で熱風乾燥機に入れて加熱硬化させる。最初は90℃前後に15〜30分置いて温度に均し、次に120〜135℃に上げて40〜60分加熱し、更に165℃に上げて30〜60分加熱した。この温度条件は、硬化剤がジシアンジアミドかイミダゾール類であるときは十分硬化が進む条件である。
[Adhesion process]
The metal alloy piece and CFRP shape object which apply | coated the epoxy-type adhesive agent by the said process are obtained. Tie these together and fasten them with clips. If the clip cannot be fixed, make a jig that applies pressure to the bonding surface and fix it. When storing and fixing in a jig or the like without using a clip, gravity, a spring, a clamp, or the like is used as the pressing force. Then, in a fixed state, it is put into a hot air dryer and cured by heating. The temperature was first set at about 90 ° C. for 15 to 30 minutes and leveled, then raised to 120 to 135 ° C. and heated for 40 to 60 minutes, further raised to 165 ° C. and heated for 30 to 60 minutes. This temperature condition is a condition in which curing proceeds sufficiently when the curing agent is dicyandiamide or imidazoles.

硬化速度の遅い脂環族ポリアミンを硬化剤とする2液性エポキシ系接着剤を使用する場合、硬化剤を添加混合した後の塗布、染込まし処理を手際よく進めて出来れば1時間以内、遅れても数時間以内に染込まし処理を終える必要がある。その後にゲル化が多少進んでも金属合金とCFRP形状物を接着接合して固定する処理は可能である。固定まで順調に進めることが出来れば後の操作は容易である。これら接着剤の完全硬化は80〜100℃として5〜2時間で可能である。この程度の高温であればホットブラスターやバンドヒーターによる局所的加熱が可能であるから大型のオートクレーブや熱風乾燥機は必ずしも必要ない。   When using a two-part epoxy adhesive with a slow curing alicyclic polyamine as a curing agent, within 1 hour if the coating, soaking, and processing after adding the curing agent can be advanced well, Even if it is delayed, it must be soaked within several hours to finish the process. After that, even if the gelation is somewhat advanced, the metal alloy and the CFRP shaped object can be bonded and fixed. If it can proceed smoothly until it is fixed, the subsequent operation is easy. These adhesives can be completely cured at 80 to 100 ° C. for 5 to 2 hours. At such a high temperature, local heating with a hot blaster or a band heater is possible, so a large autoclave or hot air dryer is not necessarily required.

〔接着力の測定例〕
後述する実験例で使用した金属合金とCFRPの複合体の接着力測定法を説明する。図14は金属合金片31とCFRP形状物の一例であるCFRP片32の接着複合体の形状を示したものである。金属合金片とCFRP片とをエポキシ系接着剤で接合して得た接着強度測定用の試験片30を現している。図中の斜線部分は接着範囲33でる。この試験片の両端を引っ張り試験機にて引っ張り破断し、得られた破断力を接着面積で除してせん断破断力(Kgf/cm2、MPa)を測定した。
[Measurement example of adhesive strength]
A method for measuring the adhesive strength of a composite of a metal alloy and CFRP used in an experimental example to be described later will be described. FIG. 14 shows the shape of an adhesive complex of a metal alloy piece 31 and a CFRP piece 32 which is an example of a CFRP shaped object. A test piece 30 for measuring adhesive strength obtained by joining a metal alloy piece and a CFRP piece with an epoxy adhesive is shown. The hatched portion in the figure is the adhesion range 33. Both ends of this test piece were pulled and broken with a tensile tester, and the obtained breaking force was divided by the adhesion area to measure the shear breaking force (Kgf / cm 2, MPa).

本発明者に係る金属合金とFRPの接着技術は、多分野に適用可能な基礎技術となりうるものである。本発明によって、金属合金とCFRPを従来になく強力に接着することが可能となる。CFRPは超軽量で鋼並みの強度を示す先端材料であり、部品の主構造をCFRPとし、その端部にのみ金属合金を接着接合することも可能である。即ち、全体として極めて軽量であり、且つ剛性が要求される部分は金属合金で構成することができる。このような部品は、金属合金部をネジ止め又はボルトナット等で他の部品と結合することで容易に組み立てが可能である。さらに、共通部品化が可能となり、安価な大量生産が可能になる。   The bonding technique between the metal alloy and the FRP according to the present inventor can be a basic technique applicable to many fields. According to the present invention, a metal alloy and CFRP can be strongly bonded to each other. CFRP is an advanced material that is ultralight and exhibits the same strength as steel. The main structure of the component is CFRP, and a metal alloy can be bonded and bonded only to the end. That is, the portion that is extremely lightweight as a whole and requires rigidity can be made of a metal alloy. Such parts can be easily assembled by joining the metal alloy part to other parts by screws or bolts and nuts. Furthermore, common parts can be made, and mass production at low cost becomes possible.

また、本発明に係る金属合金とCFRPの複合体は、高温域において強力な接合力が発揮される。即ち、耐熱性に優れているといえる。本発明を適用することで、超々ジュラルミン等の高強度アルミニウム合金やチタン合金をCFRPと一体化し、非常に軽量で耐熱性に優れた構造部材を製造できる。航空機や自動車等の移動機械に用いた場合、大幅な軽量化も可能になる。   Moreover, the composite of the metal alloy and CFRP according to the present invention exhibits a strong bonding force in a high temperature range. That is, it can be said that it is excellent in heat resistance. By applying the present invention, a high-strength aluminum alloy such as ultra-super duralumin or a titanium alloy can be integrated with CFRP to produce a structural member that is extremely light and excellent in heat resistance. When used in mobile machines such as aircraft and automobiles, a significant reduction in weight is possible.

以下、本発明の実施の形態を実験例によって説明する。
なお、測定等に使用した機器類は以下に示したものである。
(a)X線表面観察(XPS観察)
数μm径の表面を深さ1〜2nmまでの範囲で構成元素を観察する形式のESCA「AXIS−Nova(クレイトス(米国)/株式会社 島津製作所(日本国京都府)製)」を使用した。
(b)電子顕微鏡観察
SEM型の電子顕微鏡「S−4800(株式会社 日立製作所製)」及び「JSM−6700F(日本電子株式会社(日本国東京都)製)」を使用し1〜2KVにて観察した。
(c)走査型プローブ顕微鏡観察
ダイナミックフォース型の走査型プローブ顕微鏡「SPM−9600(株式会社 島津製作所製)」を使用した。
(d)X線回折分析(XRD分析)
「XRD−6100(株式会社 島津製作所製)」を使用した。
(e)複合体の接合強度の測定
引っ張り試験機「AG−10kNX(株式会社 島津製作所製)」を使用し、引っ張り速度10mm/分でせん断破断力を測定した。
(f)充填材の分散(湿式粉砕機の使用)
直径0.1〜0.5mmのジルコニアビーズをサンドとするサンドグラインドミル「ミニツエア(アシザワ・ファインテック株式会社製)」を使用した。
次に金属合金の表面処理について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by experimental examples.
In addition, the equipment used for measurement etc. is shown below.
(A) X-ray surface observation (XPS observation)
ESCA “AXIS-Nova (Kraitos (USA) / Shimadzu Corporation (Kyoto Prefecture, Japan))” in the form of observing constituent elements on a surface having a diameter of several μm in a depth range of 1 to 2 nm was used.
(B) Electron microscope observation Using SEM type electron microscopes “S-4800 (manufactured by Hitachi, Ltd.)” and “JSM-6700F (manufactured by JEOL Ltd. (Tokyo, Japan))” at 1-2 KV Observed.
(C) Scanning Probe Microscope Observation A dynamic force scanning probe microscope “SPM-9600 (manufactured by Shimadzu Corporation)” was used.
(D) X-ray diffraction analysis (XRD analysis)
“XRD-6100 (manufactured by Shimadzu Corporation)” was used.
(E) Measurement of joint strength of composites Using a tensile tester “AG-10kNX (manufactured by Shimadzu Corporation)”, the shear breaking strength was measured at a pulling speed of 10 mm / min.
(F) Dispersion of filler (use of wet pulverizer)
A sand grind mill “Minitsu Air (manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd.)” using zirconia beads having a diameter of 0.1 to 0.5 mm as sand was used.
Next, the surface treatment of the metal alloy will be described.

[実験例1](アルミニウム合金の表面処理)
市販の厚さ3mmのアルミニウム合金板材「A7075」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のA7075片を多数作成した。槽の水に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6(メルテックス株式会社(日本国東京都)製)」を投入して濃度7.5%の水溶液(60℃)とした。これに前記A7075片を7分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の塩酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を1分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を4分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に3%濃度の硝酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に一水和ヒドラジンを3.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記A7075片を2分浸漬し、水洗した。次いで5%濃度の過酸化水素水溶液(40℃)を用意し、これに前記A7075片を5分浸漬し、水洗した。次いで前記A7075片を、67℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experiment 1] (Surface treatment of aluminum alloy)
A commercially available aluminum alloy sheet “A7075” having a thickness of 3 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular A7075 pieces. A commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6 (manufactured by Meltex Co., Ltd. (Tokyo, Japan))” was added to the water in the tank to prepare an aqueous solution (60 ° C.) having a concentration of 7.5%. The A7075 pieces were immersed in this for 7 minutes and washed thoroughly with water. Subsequently, a 1% hydrochloric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A7075 piece was immersed in the tank for 1 minute and washed with water. Next, a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A7075 pieces were immersed in this for 4 minutes and washed with water. Subsequently, a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A7075 pieces were immersed in the tank for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 3.5% monohydric hydrazine was prepared in another tank, and the A7075 pieces were immersed in this for 2 minutes and washed with water. Next, a 5% hydrogen peroxide aqueous solution (40 ° C.) was prepared, and the A7075 piece was immersed in the solution for 5 minutes and washed with water. Next, the A7075 pieces were dried in a hot air dryer at 67 ° C. for 15 minutes.

乾燥後、前記A7075片を電子顕微鏡観察したところ、40〜100nm径の凹部で覆われていることが分かった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図1に示した。又、走査型プローブ顕微鏡にかけて粗度データを得た。これによると山谷平均間隔(RSm)は3〜4μm、最大高さ(Rz)は1〜2μmであった。   When the A7075 piece was observed with an electron microscope after drying, it was found that the A7075 piece was covered with a recess having a diameter of 40 to 100 nm. A photograph when the electron microscope is observed at 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. The roughness data was obtained by scanning probe microscope. According to this, the peak-valley average interval (RSm) was 3-4 μm, and the maximum height (Rz) was 1-2 μm.

[実験例2](アルミニウム合金の表面処理)
市販の厚さ1.6mmのアルミニウム合金板材「A5052」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のA5052片を多数作成した。槽の水に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を投入して濃度7.5%の水溶液(60℃)とした。これに前記A5052片を7分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の塩酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を1分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を2分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に3%濃度の硝酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記A5052片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に一水和ヒドラジンを3.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記A5052片を2分浸漬し、水洗した。次いで前記A5052片を、67℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental example 2] (Surface treatment of aluminum alloy)
A commercially available 1.6 mm-thick aluminum alloy sheet “A5052” was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular A5052 pieces. A commercially available degreasing agent “NE-6” for aluminum alloy was added to the water in the tank to prepare an aqueous solution (60 ° C.) having a concentration of 7.5%. The A5052 piece was immersed in this for 7 minutes and washed thoroughly with water. Subsequently, a 1% hydrochloric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A5052 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, a 1.5% strength aqueous sodium hydroxide solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A5052 pieces were immersed in this for 2 minutes and washed with water. Subsequently, a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the A5052 piece was immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 3.5% monohydric hydrazine was prepared in another tank, and the A5052 pieces were immersed in this for 2 minutes and washed with water. Next, the A5052 pieces were dried in a hot air dryer set at 67 ° C. for 15 minutes.

乾燥後、前記A5052片を電子顕微鏡観察したところ、30〜100nm径の凹部で覆われていることが分かった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図2に示した。又、走査型プローブ顕微鏡にかけて粗度データを得た。これによると山谷平均間隔(RSm)は2.0〜3.4μm、最大高さ(Rz)は0.2〜0.5μmであった。   When the A5052 piece was observed with an electron microscope after drying, it was found that the A5052 piece was covered with a recess having a diameter of 30 to 100 nm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. The roughness data was obtained by scanning probe microscope. According to this, the mean valley interval (RSm) was 2.0 to 3.4 μm, and the maximum height (Rz) was 0.2 to 0.5 μm.

[実験例3](マグネシウム合金の表面処理)
市販の厚さ1mmのマグネシウム合金板材「AZ31B」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のAZ31B片を多数作成した。槽の水に市販のマグネシウム合金用脱脂剤「クリーナー160(メルテックス株式会社製)」を投入して濃度7.5%の水溶液(65℃)とした。これに前記AZ31B片を5分浸漬し、よく水洗した。続いて別の槽に1%濃度の水和クエン酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記AZ31B片を6分浸漬してよく水洗した。次いで別の槽に1%濃度の炭酸ナトリウムと1%濃度の炭酸水素ナトリウムを含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記AZ31B片を5分浸漬してよく水洗した。続いて別の槽に15%濃度の苛性ソーダ水溶液(65℃)を用意し、これに前記AZ31B片を5分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に0.25%濃度の水和クエン酸水溶液(40℃)を用意し、これに前記AZ31B片を1分浸漬して水洗した。次いで過マンガン酸カリを2%、酢酸を1%、水和酢酸ナトリウムを0.5%含む水溶液(45℃)を用意し、これに前記AZ31B片を1分浸漬し、15秒水洗した。次いで前記AZ31B片を、90℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experiment 3] (Surface treatment of magnesium alloy)
A commercially available magnesium alloy sheet “AZ31B” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular AZ31B pieces. A commercially available degreasing agent for magnesium alloy “Cleaner 160 (manufactured by Meltex Co., Ltd.)” was added to the water in the tank to prepare an aqueous solution (65 ° C.) having a concentration of 7.5%. The AZ31B piece was immersed in this for 5 minutes and washed thoroughly with water. Subsequently, a 1% strength aqueous hydrated citric acid solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the AZ31B piece was dipped in this for 6 minutes and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 1% concentration sodium carbonate and 1% concentration sodium hydrogen carbonate was prepared in another tank, and the AZ31B piece was immersed in this for 5 minutes and washed with water. Subsequently, a 15% strength aqueous caustic soda solution (65 ° C.) was prepared in another tank, and the AZ31B piece was immersed in this for 5 minutes and washed with water. Next, a 0.25% strength aqueous hydrated citric acid solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the AZ31B piece was immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (45 ° C.) containing 2% potassium permanganate, 1% acetic acid and 0.5% hydrated sodium acetate was prepared, and the AZ31B piece was immersed in this for 1 minute and washed with water for 15 seconds. Next, the AZ31B piece was placed in a hot air dryer set at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記AZ31B片を電子顕微鏡観察したところ、5〜20nm径の棒状結晶が複雑に絡み合って100nm径程度の塊となり、その塊が面を作っている超微細凹凸形状で覆われている箇所があった。電子顕微鏡を10万倍として観察したときの写真を図3(a)及び(b)に示した。又、走査型プローブ顕微鏡で走査して粗度観測を行ったところ山谷平均間隔、即ち凹凸周期の平均値(RSm)が2〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)が1〜1.5μmであった。   After drying, when the AZ31B piece was observed with an electron microscope, 5 to 20 nm diameter rod-shaped crystals were intertwined in a complex manner to form a lump with a diameter of about 100 nm, and the lump was covered with a super fine uneven shape forming a surface. was there. 3A and 3B show photographs when the electron microscope is observed at a magnification of 100,000. When the roughness was observed by scanning with a scanning probe microscope, the average interval between peaks and valleys, that is, the average value (RSm) of the concave-convex period was 2 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 1 to 1.5 μm. there were.

[実験例4](銅合金の表面処理)
市販の厚さ1mmの純銅系銅合金であるタフピッチ銅板材「C1100」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のC1100片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記C1100片を5分浸漬して水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記C1100片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB−5002(メック株式会社(日本国兵庫県)製)」を20%、30%過酸化水素を18%含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記C1100片をを10分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記C1100片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記C1100片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬し、よく水洗した。その後、前記C1100片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 4] (Surface treatment of copper alloy)
A tough pitch copper plate material “C1100”, which is a commercially available pure copper-based copper alloy with a thickness of 1 mm, was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular C1100 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the C1100 pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with water. Next, the base was washed by immersing the C1100 piece in a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) for 1 minute and washing with water. Next, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB-5002 (MEC Co., Ltd., Hyogo, Japan)” and 18% of 30% hydrogen peroxide was prepared as an aqueous solution for etching. The C1100 piece was immersed in 10 minutes and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the C1100 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, the C1100 piece was again immersed in the aqueous solution for etching for 1 minute and washed with water, then immersed in the aqueous solution for oxidation for 1 minute, and thoroughly washed with water. Thereafter, the C1100 piece was placed in a warm air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記C1100片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、山谷平均間隔(RSm)は3〜7μm、最大高さ粗さ(Rz)は3〜5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図4に示した。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径又は長径短径の平均が10〜150nmの孔開口部又は凹部が30〜300nmの非定期な間隔で全面に存在する超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていた。   After drying, the C1100 piece was subjected to a scanning probe microscope. As a result, the mean valley interval (RSm) was 3 to 7 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 3 to 5 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. When observed with an electron microscope of 100,000 times, the hole or opening having a diameter or an average of a major axis and a minor axis having an average of 10 to 150 nm is covered with an ultrafine irregular shape having irregular intervals of 30 to 300 nm. It was broken.

[実験例5](銅合金の表面処理)
市販の厚さ0.8mmのリン青銅板材「C5191」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のC5191片を多数作成した。槽に市販のアルミ合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記C5191片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。続いて別の槽に銅合金用エッチング材「CB−5002」を20%分、30%過酸化水素水を18%分だけ含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記C5191片を15分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記C5191片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記C5191片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬し、水洗した。その後、前記C5191片を、90℃にした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 5] (Surface treatment of copper alloy)
A commercially available phosphor bronze plate material “C5191” having a thickness of 0.8 mm was obtained and cut to produce a large number of rectangular C5191 pieces of 45 mm × 15 mm. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The C5191 piece was immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes for degreasing and thoroughly washed with water. Subsequently, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching agent for copper alloy “CB-5002” and 18% of 30% hydrogen peroxide solution as an aqueous solution for etching is prepared in another tank, and the C5191 is added thereto. The piece was immersed for 15 minutes and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the C5191 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, the C5191 piece was again immersed in the etching aqueous solution for 1 minute and washed with water, and then immersed in the oxidizing aqueous solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the C5191 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記C5191片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、山谷平均間隔(RSm)は1〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)は0.3〜0.4μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図5に示した。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径又は長径短径の平均が10〜200nmの凸部が混ざり合って全面に存在する超微細凹凸形状であり、純銅系であるタフピッチ銅の微細構造とは全く異なった形状であった。   After drying, the C5191 piece was subjected to a scanning probe microscope. As a result, the peak / valley mean interval (RSm) was 1 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.3 to 0.4 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. When observed with a 100,000-fold electron microscope, a convex or concave portion having an average diameter or major axis and minor axis of 10 to 200 nm is mixed and is present on the entire surface. What is the microstructure of tough pitch copper that is pure copper? It was a completely different shape.

[実験例6](銅合金の表面処理)
市販の厚さ0.7mmの鉄含有銅合金板材「KFC(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のKFC片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KFC片を5分浸漬し、水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記KFC片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB5002(メック社製)」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記KFC片を8分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記KFC片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記KFC片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬してよく水洗した。その後、前記KFC片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 6] (Surface treatment of copper alloy)
A commercially available iron-containing copper alloy sheet “KFC (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” having a thickness of 0.7 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular KFC pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the KFC pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with water. Next, the KFC pieces were immersed in a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) for 1 minute and washed with water to perform preliminary base washing. Next, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB5002 (made by MEC)” and 18% of 30% hydrogen peroxide is prepared as an aqueous solution for etching. It was immersed for a minute and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the KFC pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, the KFC piece was again immersed in the etching aqueous solution for 1 minute and washed with water, and then immersed in the oxidizing aqueous solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the KFC pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記KFC片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、山谷平均間隔(RSm)は1〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)は0.3〜0.5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図6に示した。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径又は長径短径の平均が10〜200nmの凸部が混ざり合って全面に存在する超微細凹凸形状で全面が覆われていた。   After drying, the KFC piece was applied to a scanning probe microscope. As a result, the mean valley interval (RSm) was 1 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.3 to 0.5 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. When observed with a 100,000-fold electron microscope, the entire surface was covered with an ultrafine uneven shape in which convex portions having an average diameter or major axis and minor axis of 10 to 200 nm were mixed and present on the entire surface.

[実験例7](銅合金の表面処理)
市販の厚さ0.7mmの特殊銅合金板材「KLF5(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のKLF5片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KLF5片を5分浸漬し、水洗した。次いで1.5%濃度の苛性ソーダ水溶液(40℃)に前記KLF5片を1分浸漬して水洗することで予備塩基洗浄した。次いで銅合金用エッチング材「CB5002(メック社製)」を20%分、30%過酸化水素水を18%分含む水溶液(25℃)をエッチング用水溶液として用意し、これに前記KLF5片を8分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダを10%、亜塩素酸ナトリウムを5%含む水溶液(65℃)を酸化用水溶液として用意し、これに前記KLF5片を1分浸漬してよく水洗した。次いで、前記KLF5片を再び前記エッチング用水溶液に1分浸漬して水洗した後、前記酸化用水溶液に1分浸漬してよく水洗した。その後、前記KLF5片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 7] (Surface treatment of copper alloy)
A commercially available 0.7 mm thick special copper alloy sheet “KLF5 (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular KLF5 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the KLF5 pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with water. Subsequently, the KLF5 pieces were immersed in a 1.5% strength aqueous caustic soda solution (40 ° C.) for 1 minute and washed with water to perform preliminary base washing. Next, an aqueous solution (25 ° C.) containing 20% of an etching material for copper alloy “CB5002 (made by MEC)” and 18% of 30% hydrogen peroxide was prepared as an aqueous solution for etching. It was immersed for a minute and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% caustic soda and 5% sodium chlorite was prepared as an oxidizing aqueous solution in another tank, and the KLF5 pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Subsequently, the KLF5 piece was again immersed in the etching aqueous solution for 1 minute and washed with water, and then immersed in the oxidizing aqueous solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the KLF5 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記KLF5片を走査型プローブ顕微鏡にかけた。その結果、山谷平均間隔(RSm)は1〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)は0.3〜0.5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図7に示した。10万倍電子顕微鏡で観察したところ、直径10〜20nmの粒径物及び50〜150nm径の不定多角形状物が混ざり合って積み重なった形状、言わば溶岩台地斜面ガラ場状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていた。   After drying, the KLF5 piece was applied to a scanning probe microscope. As a result, the mean valley interval (RSm) was 1 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.3 to 0.5 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. When observed with a 100,000-fold electron microscope, the shape is a mixture of 10 to 20 nm diameter particles and 50 to 150 nm indefinite polygonal shapes mixed together, in other words, a lava plateau slope-like ultra-fine uneven shape. The entire surface was covered.

[実験例8](チタン合金の表面処理)
市販の厚さ1mmの純チタン型チタン合金板材「KS40(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のKS40片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記KS40片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。次いで別の槽に1水素2弗化アンモニウムを40%含む万能エッチング材「KA−3(株式会社 金属化工技術研究所(日本国東京都)製)」を2%含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記KS40片を3分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。次いで前記KS40片を3%濃度の硝酸水溶液に1分浸漬し、水洗した。その後、前記KS40片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experiment 8] (Surface treatment of titanium alloy)
A commercially available pure titanium type titanium alloy plate “KS40 (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular KS40 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The KS40 pieces were immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes to degrease and washed thoroughly with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) containing 2% of a universal etching material “KA-3 (manufactured by Metallurgy Engineering Laboratory (Tokyo, Japan))” containing 40% ammonium difluoride 40% in a separate tank is prepared. Then, the KS40 piece was immersed in this for 3 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. Next, the KS40 piece was immersed in a 3% strength aqueous nitric acid solution for 1 minute and washed with water. Thereafter, the KS40 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記KS40片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。その結果、山谷平均間隔(RSm)は1〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)は0.8〜1.5μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図8に示した。電子顕微鏡での観察から、幅と高さが10〜数百nmで長さが数百〜数μmの湾曲した連山状突起が間隔周期10〜数百nmで面上に林立している超微細凹凸形状であることが分かった。さらに、XPSによる分析から、表面には酸素とチタンが大量に観察され、少量の炭素が観察された。これらから表層は酸化チタンが主成分であることが分かり、しかも暗色であることから3価のチタンの酸化物と推定された。   After drying, the KS40 piece was observed with a scanning probe microscope. As a result, the peak / valley mean interval (RSm) was 1 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.8 to 1.5 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. From observation with an electron microscope, a curved continuous mountain-like projection having a width and height of 10 to several hundred nm and a length of several hundred to several μm stands on the surface with an interval period of 10 to several hundred nm. It was found to be an uneven shape. Furthermore, from the analysis by XPS, a large amount of oxygen and titanium were observed on the surface, and a small amount of carbon was observed. From these, it was found that the surface layer was composed mainly of titanium oxide, and because it was dark, it was estimated to be a trivalent titanium oxide.

[実験例9](チタン合金の表面処理)
市販の厚さ1mmのα−β型チタン合金板材「KSTi−9(株式会社 神戸製鋼所製)」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のKSTi−9片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記KSTi−9片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。次いで別の槽に苛性ソーダ1.5%濃度の水溶液(40℃)を用意し、これに前記KSTi−9片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に、市販汎用エッチング試薬「KA−3」を2重量%溶解した水溶液(60℃)を用意し、これに前記KSTi−9片を3分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。このKSTi−9片には黒色のスマットが付着していたので、3%濃度の硝酸水溶液(40℃)に3分浸漬し、次いで超音波を効かしたイオン交換水に5分浸漬してスマットを落とし、再び3%硝酸水溶液に0.5分浸漬し、水洗した。次いで前記KSTi−9片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。乾燥後のKSTi−9片に金属光沢はなく暗褐色であった。
[Experimental example 9] (Surface treatment of titanium alloy)
A commercially available α-β type titanium alloy plate “KSTi-9 (manufactured by Kobe Steel, Ltd.)” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular KSTi-9 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The KSTi-9 pieces were immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes for degreasing and thoroughly washed with water. Next, an aqueous solution (40 ° C.) having a caustic soda concentration of 1.5% was prepared in another tank, and the KSTi-9 piece was immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (60 ° C.) in which 2% by weight of a commercially available general-purpose etching reagent “KA-3” was dissolved was prepared in another tank, and the KSTi-9 piece was immersed in this for 3 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. . Since this KSTi-9 piece had a black smut attached, it was immersed in a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) for 3 minutes, and then immersed in ion-exchanged water subjected to ultrasonic waves for 5 minutes. Then, it was again immersed in a 3% nitric acid aqueous solution for 0.5 minutes and washed with water. Next, the KSTi-9 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried. The dried KSTi-9 pieces had a dark brown color with no metallic luster.

乾燥後、前記KSTi−9片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると山谷平均間隔(RSm)は4〜6μm、最大高さ粗さ(Rz)は1〜2μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図9に示した。その様子は実験例8の図8に酷似した部分に加え、表現が難しい枯葉状の部分が多く見られた。   After drying, the KSTi-9 pieces were observed with a scanning probe microscope. According to the scanning analysis, the average interval between the valleys and valleys (RSm) was 4 to 6 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 1 to 2 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. In addition to the part very similar to FIG. 8 of Experimental Example 8, many dead leaf-like parts that are difficult to express were seen.

[実験例10](ステンレス鋼の表面処理)
市販の厚さ1mmのステンレス鋼板材「SUS304」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のSUS304片を多数作成した。槽に市販のアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%含む水溶液(60℃)を用意し、これを脱脂用水溶液とした。この脱脂用水溶液に前記SUS304片を5分浸漬して脱脂し、よく水洗した。続いて別の槽に1水素2弗化アンモニウムを1%と98%硫酸を5%含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記SUS304片を4分浸漬し、イオン交換水でよく水洗した。次いで、前記SUS304片を、3%濃度の硝酸水溶液(40℃)に3分浸漬して水洗した。次いで前記SUS304片を、90℃とした温風乾燥機に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 10] (Stainless steel surface treatment)
A commercially available stainless steel plate “SUS304” having a thickness of 1 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular SUS304 pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of a commercially available aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and this was used as a degreasing aqueous solution. The SUS304 piece was immersed in this degreasing aqueous solution for 5 minutes to degrease and washed thoroughly with water. Subsequently, an aqueous solution (65 ° C.) containing 1% ammonium difluoride 1% and 98% sulfuric acid 5% was prepared in another tank, and the SUS304 piece was immersed in this for 4 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. . Next, the SUS304 piece was immersed in a 3% nitric acid aqueous solution (40 ° C.) for 3 minutes and washed with water. Next, the SUS304 pieces were placed in a hot air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記SUS304片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると、山谷平均間隔(RSm)は1〜2μmであり、最大高さ粗さ(Rz)は0.3〜0.4μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図10に示した。電子顕微鏡による観察から、表面が直径20〜70nmの粒径物や不定多角形状物が積み重なった形状、言わば溶岩台地斜面ガラ場状の超微細凹凸形状で覆われていた。更に別の1個をXPS分析にかけた。このXPS分析から、表面には酸素と鉄が大量に、又、少量のニッケル、クロム、炭素、ごく少量のモリブデン、珪素が観察された。これらから表層は金属酸化物が主成分であることが分かった。この分析パターンはエッチング前のSUS304と殆ど同じであった。   After drying, the SUS304 piece was observed with a scanning probe microscope. According to the scanning analysis, the mean valley interval (RSm) was 1-2 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.3-0.4 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. From observation with an electron microscope, the surface was covered with a shape in which particle diameters having a diameter of 20 to 70 nm and indefinite polygonal shapes were stacked, in other words, a lava plateau slope-like ultra fine uneven shape. Another one was subjected to XPS analysis. From this XPS analysis, a large amount of oxygen and iron was observed on the surface, and a small amount of nickel, chromium, carbon, a very small amount of molybdenum and silicon were observed. From these, it was found that the surface layer was mainly composed of metal oxide. This analysis pattern was almost the same as SUS304 before etching.

〔実験例11〕(一般鋼材の表面処理)
市販の厚さ1.6mmの冷間圧延鋼板材「SPCC」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のSPCC片を多数作成した。槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記SPCC片を5分浸漬して水道水(群馬県太田市)で水洗した。次いで別の槽に1.5%苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記SPCC片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に98%硫酸を10%含む水溶液(50℃)を用意し、これに前記SPCC片を6分浸漬し、イオン交換水で十分に水洗した。次いで前記SPCC片を、1%濃度のアンモニア水(25℃)に1分浸漬して水洗した。次いで前記SPCC片を、2%濃度の過マンガン酸カリ、1%濃度の酢酸、及び0.5%濃度の水和酢酸ナトリウムを含む水溶液(45℃)に1分浸漬して十分に水洗した。その後、前記SPCC片を、90℃とした温風乾燥機内に15分入れて乾燥した。
[Experimental Example 11] (Surface treatment of general steel materials)
A commercially available cold rolled steel sheet material “SPCC” having a thickness of 1.6 mm was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular SPCC pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of an aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the SPCC pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with tap water (Ota City, Gunma Prefecture). . Next, a 1.5% caustic soda aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the SPCC pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (50 ° C.) containing 10% of 98% sulfuric acid was prepared in another tank, and the SPCC pieces were immersed in this for 6 minutes and sufficiently washed with ion-exchanged water. Next, the SPCC piece was immersed in 1% aqueous ammonia (25 ° C.) for 1 minute and washed with water. The SPCC pieces were then immersed in an aqueous solution (45 ° C.) containing 2% potassium permanganate, 1% acetic acid, and 0.5% sodium hydrate acetate for 1 minute and thoroughly washed with water. Thereafter, the SPCC piece was placed in a warm air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記SPCC片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると、山谷平均間隔(RSm)が1〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.3〜1.0μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図11に示した。10万倍電子顕微鏡による観察結果から、高さ及び奥行きが80〜200nmで幅が数百〜数千nmの階段が無限に続いた形状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていることが分かる。パーライト構造が剥き出しになった様子であり化成処理層はごく薄いことが分かる。   After drying, the SPCC pieces were observed with a scanning probe microscope. According to the scanning analysis, the mean valley interval (RSm) was 1 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.3 to 1.0 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. From the observation result with a 100,000 times electron microscope, it is found that the entire surface is almost covered with an ultra fine uneven shape having a height and depth of 80 to 200 nm and a width of several hundred to several thousand nm that is infinitely continuous. I understand. It can be seen that the pearlite structure is exposed and the chemical conversion treatment layer is very thin.

〔実験例12〕(一般鋼材の表面処理)
市販の厚さ1.6mmの熱間圧延鋼材「SPHC」を入手し、切断して45mm×15mmの長方形のSPHC片を多数作成した。槽にアルミニウム合金用脱脂剤「NE−6」を7.5%を含む水溶液(60℃)を用意し、これに前記SPHC片を5分浸漬して水道水(群馬県太田市)で水洗した。次いで別の槽に1.5%苛性ソーダ水溶液(40℃)を用意し、これに前記SPHC片を1分浸漬し、水洗した。次いで別の槽に98%硫酸を10%と1水素2弗化アンモニウム1%を含む水溶液(65℃)を用意し、これに前記SPHC片を2分浸漬し、イオン交換水で十分に水洗した。次いで前記SPHC片を、1%濃度のアンモニア水(25℃)に1分浸漬して水洗した。次いで前記SPHC片を、80%正リン酸を1.5%、亜鉛華を0.21%、珪弗化ナトリウムを0.16%、塩基性炭酸ニッケルを0.23%含む水溶液(55℃)に1分浸漬して十分に水洗した。その後、前記SPHC片を、90℃とした温風乾燥機内に15分入れて乾燥した。
[Experiment 12] (Surface treatment of general steel)
A commercially available 1.6 mm thick hot rolled steel “SPHC” was obtained and cut to produce a large number of 45 mm × 15 mm rectangular SPHC pieces. An aqueous solution (60 ° C.) containing 7.5% of an aluminum alloy degreasing agent “NE-6” was prepared in a tank, and the SPHC pieces were immersed in this for 5 minutes and washed with tap water (Ota City, Gunma Prefecture). . Next, a 1.5% caustic soda aqueous solution (40 ° C.) was prepared in another tank, and the SPHC pieces were immersed in this for 1 minute and washed with water. Next, an aqueous solution (65 ° C.) containing 10% 98% sulfuric acid and 1% ammonium difluoride was prepared in another tank, and the SPHC pieces were immersed in this for 2 minutes and washed thoroughly with ion-exchanged water. . Next, the SPHC pieces were immersed in 1% aqueous ammonia (25 ° C.) for 1 minute and washed with water. Next, the SPHC piece was an aqueous solution (55 ° C.) containing 80% orthophosphoric acid 1.5%, zinc white 0.21%, sodium silicofluoride 0.16% and basic nickel carbonate 0.23%. For 1 minute and thoroughly washed with water. Thereafter, the SPHC pieces were placed in a warm air dryer at 90 ° C. for 15 minutes and dried.

乾燥後、前記SPHC片を走査型プローブ顕微鏡で観察した。走査解析によると、山谷平均間隔(RSm)が1〜3μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.3〜1.0μmであった。電子顕微鏡を1万倍、10万倍として観察したときの写真を図12に示した。10万倍電子顕微鏡による観察結果から、高さ及び奥行きが80〜500nmで幅が数百〜数万nmの階段が無限に続いた形状の超微細凹凸形状でほぼ全面が覆われていることが分かり、これもパーライト構造であった。   After drying, the SPHC pieces were observed with a scanning probe microscope. According to the scanning analysis, the mean valley interval (RSm) was 1 to 3 μm, and the maximum height roughness (Rz) was 0.3 to 1.0 μm. A photograph when the electron microscope is observed at a magnification of 10,000 times and 100,000 times is shown in FIG. According to the result of observation with an electron microscope of 100,000 times, it was found that the entire surface was covered with an ultra-fine concavo-convex shape having an infinite number of steps having a height and depth of 80 to 500 nm and a width of several hundred to several tens of thousands of nm. Okay, this was also a pearlite structure.

[実験例13](接着剤(1)の作成)
ビスフェノール型エポキシ樹脂の単量体型が主成分の分子量約370のエポキシ樹脂「JER828(ジャパンエポキシレジン株式会社(日本国東京都)製)」、固体である分子量約1300の多量体型のビスフェノール型エポキシ樹脂「JER1003(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、多官能型のフェノールノボラック型エポキシ樹脂「JER154(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、アニリン型の3官能エポキシ樹脂「JER630(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、平均粒径が10μm程度のPES粉体「PES4100MP(住友化学株式会社(日本国)製)」、直径が約50nmの多層型カーボンナノチューブ「MCNT(ナノカーボンテクノロジーズ株式会社(日本国東京都)製)」、平均粒径が16〜20nmとされる疎水性処理したヒュームドシリカ「アエロジルR805(日本アエロジル株式会社(日本国東京都)製)」、平均粒径が8〜12μmの微粉タルク「ハイミクロンHE5(竹原化学工業株式会社(日本国兵庫県)製)」、平均粒径が10〜15μmの焼成したカオリン型クレー「サテントン5(竹原化学工業株式会社製)」、エポキシ樹脂の硬化剤である微粉型ジシアンジアミド「DICY7(ジャパンエポキシレジン株式会社製)」、及び、同硬化助剤となる3−(3,4−ジクロルフェニル)−1,1−ジメチル尿素「DCMU99(保土谷化学工業株式会社(日本国東京都)製)」を入手した。
[Experimental Example 13] (Preparation of adhesive (1))
An epoxy resin “JER828 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd., Tokyo, Japan)” having a molecular weight of about 370, the main component of which is a monomer type bisphenol-type epoxy resin, and a solid bisphenol-type epoxy resin having a molecular weight of about 1300 "JER1003 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)", multifunctional phenol novolac epoxy resin "JER154 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)", aniline type trifunctional epoxy resin "JER630 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)" PES powder “PES4100MP (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., Japan)” having an average particle size of about 10 μm, multi-walled carbon nanotube “MCNT” (Nanocarbon Technologies Co., Ltd. (Tokyo, Japan)) Manufactured)), average particle size is 1 Hydrophobic-treated fumed silica "Aerosil R805 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., Tokyo, Japan)", fine powder talc "Hymicron HE5 (Takehara Chemical Co., Ltd.) with an average particle size of 8-12 μm (Manufactured by Hyogo, Japan)), calcined kaolin clay “Satinton 5 (manufactured by Takehara Chemical Co., Ltd.)” having an average particle size of 10 to 15 μm, fine powder dicyandiamide “DICY7” (Japan) Epoxy Resin Co., Ltd.) ”and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea“ DCMU99 (Hodogaya Chemical Co., Ltd., Tokyo, Japan), which is the same curing aid. ) ”.

「JER828」を60部、「JER1003」を20部、「JER154」を10部、「JER630」10部をビーカーに取り、130℃とした熱風乾燥機内に放置して加熱し、固体型「JER1003」を溶融すると同時に撹拌し全体を均一化した。その後、放冷しエポキシ樹脂液として保管した。直径0.3mmのジルコニアビーズを粉砕室容量の80%充填したサンドグラインドミル「ミニツエア」を用意し、その入口側に循環ポンプと撹拌機付きのオープンタンクを繋いだ。一方、サンドグラインドミルの出口はオープンタンクに開放した。上記のエポキシ樹脂液を60℃に再加熱して粘度を下げ、350gをオープンタンクに投入し、循環ポンプで粉砕室も完全に満たしてからミルを運転開始した。ミルには水冷ラインがあるので通水を調整して粉砕室内が50〜60℃になるようにした。ミル回転子の周速は11〜12m/秒とした。その後、オープンタンクに「ハイミクロンHE5」を10g徐々に入れて循環粉砕を進め、次いで「アエロジルR805」を1.6g同様に加えた。これで5分ほど循環粉砕を進め、次いで「PES4100MP」16gを徐々に加えた後、40分間、湿式粉砕(実質は分散操作)を続けた。ミルの出口をオープンタンクからポリエチ瓶に向くようにし、全エポキシ樹脂100部に対して「PES4100MP」を4.5部、「ハイミクロンHE5」を2.9部、「アエロジルR805」を0.5部含む混合物をポリエチ瓶に得た。次いで前記混合物108部に対し、硬化剤「DICY7」5部を加えてガラス棒でよく混練し、次いで硬化助剤「DCMU99」3部を加えて再度よく混練した。次いでビーカーにアルミ箔で蓋をして常温下に50時間放置することで一種の熟成を行い、ポリ瓶に取り直して5℃とした冷蔵庫に保管した。このようにして得た接着剤を、接着剤(1)とした。   Take 60 parts of “JER828”, 20 parts of “JER1003”, 10 parts of “JER154” and 10 parts of “JER630” in a beaker and leave them in a hot air dryer at 130 ° C. to heat them. Was melted and stirred at the same time to homogenize the whole. Then, it stood to cool and stored as an epoxy resin liquid. A sand grind mill “Minitsu Air” filled with zirconia beads having a diameter of 0.3 mm and filled with 80% of the grinding chamber capacity was prepared, and an open tank with a circulation pump and a stirrer was connected to the inlet side. On the other hand, the exit of the sand grind mill was opened to an open tank. The above epoxy resin liquid was reheated to 60 ° C. to lower the viscosity, 350 g was put into an open tank, and the mill was started after the grinding chamber was completely filled with a circulation pump. Since the mill has a water cooling line, water flow was adjusted so that the inside of the grinding chamber was 50-60 ° C. The peripheral speed of the mill rotor was set to 11 to 12 m / sec. Thereafter, 10 g of “Hi-micron HE5” was gradually added to the open tank to circulate and grind, and then “Aerosil R805” was added in the same manner as 1.6 g. The circulating pulverization proceeded for about 5 minutes, and then 16 g of “PES4100MP” was gradually added, followed by wet pulverization (substantially dispersion operation) for 40 minutes. The outlet of the mill faces the polyethylene bottle from the open tank. For all 100 parts of epoxy resin, 4.5 parts of “PES4100MP”, 2.9 parts of “Himicron HE5” and 0.5 parts of “Aerosil R805” A mixture containing parts was obtained in a polyethylene bottle. Next, to 108 parts of the mixture, 5 parts of a curing agent “DICY7” was added and kneaded well with a glass rod, and then 3 parts of a curing aid “DCMU99” was added and kneaded well again. Next, the beaker was covered with aluminum foil and allowed to stand at room temperature for 50 hours, so that a kind of aging was performed. The adhesive thus obtained was designated as adhesive (1).

[実験例14](接着剤(2)の作成)
実験例13と同様にして接着剤を作成したが、以下の点を異ならせた。ミルを運転開始した後でオープンタンクに投入したのは、「PES4100MP」16g、「ハイミクロンHE5」10g、「アエロジルR805」2g、さらに、これに加えてCNT「MCNT」0.3gだった。その結果、ミルから全エポキシ樹脂100部に対して「PES4100MP」を4.5部、「ハイミクロンHE5」を2.9部、「アエロジルR805」を0.5部、「MCNT」を0.07部含む混合物を得た。この混合物108部に対し、実験例13と同様の処理を行った後、5℃とした冷蔵庫に保管した。このようにして得た接着剤を、接着剤(2)とした。
[Experimental Example 14] (Preparation of adhesive (2))
An adhesive was prepared in the same manner as in Experimental Example 13 with the following differences. After starting the operation of the mill, 16 g of “PES4100MP”, 10 g of “Himicron HE5”, 2 g of “Aerosil R805”, and 0.3 g of CNT “MCNT” were added. As a result, 4.5 parts of “PES4100MP”, 2.9 parts of “Hymicron HE5”, 0.5 part of “Aerosil R805”, and 0.07 of “MCNT” with respect to 100 parts of all epoxy resins from the mill. A mixture containing parts was obtained. The same treatment as in Experimental Example 13 was performed on 108 parts of this mixture, and then stored in a refrigerator at 5 ° C. The adhesive thus obtained was designated as adhesive (2).

[実験例15](接着剤(3)の作成)
実験例13と同様にして接着剤を作成したが、「アエロジルR805」を加えなかった点が異なる。即ち、硬化剤「DICY7」等を加える前の混合物には、全エポキシ樹脂100部に対して、「PES4100MP」が4.5部、「ハイミクロンHE5」が2.9部含まれている。このようにして得た接着剤を、接着剤(3)とした。
[Experimental Example 15] (Preparation of adhesive (3))
An adhesive was prepared in the same manner as in Experimental Example 13, except that “Aerosil R805” was not added. That is, the mixture before adding the curing agent “DICY7” and the like contains 4.5 parts of “PES4100MP” and 2.9 parts of “High Micron HE5” with respect to 100 parts of the total epoxy resin. The adhesive thus obtained was designated as adhesive (3).

[実験例16](接着剤(4)の作成)
実験例13と同様にして接着剤を作成したが、「PES4100MP」を加えなかった点が異なる。即ち、硬化剤「DICY7」等を加える前の混合物には、全エポキシ樹脂100部に対して、「ハイミクロンHE5」が2.9部、「アエロジルR805」が0.5部含まれている。このようにして得た接着剤を、接着剤(4)とした。
[Experimental Example 16] (Preparation of adhesive (4))
An adhesive was prepared in the same manner as in Experimental Example 13 except that “PES4100MP” was not added. That is, the mixture before adding the curing agent “DICY7” and the like contains 2.9 parts of “Hymicron HE5” and 0.5 part of “Aerosil R805” with respect to 100 parts of the total epoxy resin. The adhesive thus obtained was designated as adhesive (4).

[実験例17](接着剤(5)の作成)
実験例13と同様にして接着剤を作成したが、「PES4100MP」及び「アエロジルR805」を加えなかった点が異なる。即ち、硬化剤「DICY7」等を加える前の混合物には、全エポキシ樹脂100部に対して、「ハイミクロンHE5」が2.9部含まれている。このようにして得た接着剤を、接着剤(5)とした。
[Experimental Example 17] (Preparation of adhesive (5))
An adhesive was prepared in the same manner as in Experimental Example 13, except that “PES4100MP” and “Aerosil R805” were not added. That is, the mixture before adding the curing agent “DICY7” and the like contains 2.9 parts of “High Micron HE5” with respect to 100 parts of the total epoxy resin. The adhesive thus obtained was designated as adhesive (5).

[実験例18](CFRP片の作成)
本実験例では、前述したCFRP形状物の一例として、CFRP片を作成する。このCFRP片は複数のCFRPプリプレグの小片が積層されることにより構成されている。CFRPプリプレグ「パイロフィルTR3110(三菱レイヨン株式会社製)」を入手し、45mm×15mmの小片を多数切り出した。図13に示す焼成治具1を用いて長方体状のCFRP片を作成する。金型本体2及び金型底板5を組み合わせると、金型本体2の側壁と金型底板5の上面によって金型凹部3が形成される。この金型凹部3を覆うように、0.05mm厚の離型用フィルム17を敷いた。この離型用フィルム17の上にポリテトラフルオロエチレン樹脂(以下、「PTFE」という。)製のスペーサ11及び16を設置した。これらスペーサ11及び16の上面に、切断しておいた45mm×15mmのCFRPプリプレグの小片を3mm厚分積層した(積層物は図13中では12として示されており、成形後にCFRP片12となる)。この積層物と金型本体2の側壁の空隙を埋めるためにPTFE製のスペーサ13を設置し、これらを覆うように離型用フィルム14を敷いた。
[Experiment 18] (Creation of CFRP piece)
In the present experimental example, a CFRP piece is created as an example of the above-described CFRP shaped object. This CFRP piece is constituted by laminating a plurality of CFRP prepreg pieces. A CFRP prepreg “Pyrofil TR3110 (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.)” was obtained, and a large number of 45 mm × 15 mm pieces were cut out. A rectangular CFRP piece is created using the firing jig 1 shown in FIG. When the mold body 2 and the mold bottom plate 5 are combined, the mold recess 3 is formed by the side wall of the mold body 2 and the upper surface of the mold bottom plate 5. A release film 17 having a thickness of 0.05 mm was laid so as to cover the mold recess 3. Spacers 11 and 16 made of polytetrafluoroethylene resin (hereinafter referred to as “PTFE”) were placed on the release film 17. A small piece of 45 mm × 15 mm CFRP prepreg that had been cut was laminated on the upper surfaces of the spacers 11 and 16 by a thickness of 3 mm (the laminate is shown as 12 in FIG. 13 and becomes a CFRP piece 12 after molding). ). In order to fill the gap between the laminate and the side wall of the mold body 2, a PTFE spacer 13 was installed, and a release film 14 was laid so as to cover them.

離型用フィルム14の上にPTFE製のブロック15を乗せ、熱風乾燥機に入れた。さらにブロック15の上に鉄製の5Kgの錘18を乗せて乾燥機に通電した。90℃まで昇温して30分置き、次いで120℃まで昇温して30分置き、次いで135℃まで昇温して30分置き、次いで165℃に昇温して30分置き、更に180℃まで上げて30分置いた後、通電を止めて扉を閉めたまま放冷した。翌日、錘18、ブロック15、及び台座8を外して金型本体2を床に押し付けると、金型本体2の金型貫通孔4から金型底面7の下方に突出していた底板突起部6が、接している金型底板5を上方に押し出す。これにより、離型用フィルム14及び17によって覆われている成形物であるCFRP片12が焼成治具1から取り出せる。この作業を繰り返し、CFRP片12を多数得た。このようにして得られたCFRP片12を1回焼き品と称す。   A PTFE block 15 was placed on the release film 14 and placed in a hot air dryer. Further, a 5 kg weight 18 made of iron was placed on the block 15, and the dryer was energized. Raise to 90 ° C. for 30 minutes, then raise to 120 ° C. for 30 minutes, then raise to 135 ° C. for 30 minutes, then raise to 165 ° C. for 30 minutes, then 180 ° C. Then, after standing for 30 minutes, the power supply was stopped and the system was allowed to cool with the door closed. The next day, when the weight 18, the block 15, and the pedestal 8 are removed and the mold body 2 is pressed against the floor, the bottom plate protrusion 6 that protrudes below the mold bottom surface 7 from the mold through hole 4 of the mold body 2 is formed. The mold bottom plate 5 that is in contact is pushed upward. Thereby, the CFRP piece 12 which is a molded product covered with the release films 14 and 17 can be taken out from the firing jig 1. This operation was repeated to obtain many CFRP pieces 12. The CFRP piece 12 thus obtained is referred to as a once-baked product.

3日後に、上記のようにして得たCFRP片12を再び熱風乾燥機に入れ、90℃で30分置き、次いで135℃まで昇温して30分置き、次いで165℃に昇温して30分置き、さらに190℃まで上げて30分置き放冷した。このようにして得られたCFRP片12を2回焼き品と称す。この2回焼き品を、3日後に同じ条件でもう一度焼いた。このようにして得られたCFRP片12を3回焼き品と称す。   Three days later, the CFRP piece 12 obtained as described above was put again in a hot air dryer, placed at 90 ° C. for 30 minutes, then heated to 135 ° C. for 30 minutes, then heated to 165 ° C. and heated to 30 ° C. Separately, further raised to 190 ° C. and allowed to cool for 30 minutes. The CFRP piece 12 thus obtained is referred to as a twice-baked product. The twice-baked product was baked again under the same conditions after 3 days. The CFRP piece 12 thus obtained is referred to as a three-time baked product.

CFPR片12の3回焼き品の端部を120番の研磨紙でしっかり数回擦って粗面化した。その後、実験例1で使用したものと同じ60℃とした脱脂槽に5分浸漬した。この脱脂槽には超音波をかけた。その後、純水でよく水洗し、90℃で15分乾燥した。以下の実験例19−1〜19−6、及び実験例22〜32に使用するCFRP片は、これらの処理を施したCFRP片12の3回焼き品である。   The end of the three-time-baked CFPR piece 12 was rubbed firmly with number 120 abrasive paper several times to roughen it. Then, it was immersed for 5 minutes in the degreasing tank made into the same 60 degreeC as what was used in Experimental example 1. FIG. Ultrasonic waves were applied to this degreasing tank. Thereafter, it was thoroughly washed with pure water and dried at 90 ° C. for 15 minutes. The CFRP pieces used in the following Experimental Examples 19-1 to 19-6 and Experimental Examples 22 to 32 are three times baked products of the CFRP pieces 12 subjected to these treatments.

[実験例19−1](A7075/CFRP複合体(1))
実験例1の表面処理を施したA7075片を6個用意した。又、実験例18で作成したCFRP片を6個用意した。これらA7075片、CFRP片の各々の端部に、実験例13で作成した接着剤(1)を塗布した。これらを、予め60℃にセットした熱風乾燥機内に長時間入れて暖めておいた大型のデシケータに入れた。デシケータの蓋をして真空ポンプで減圧し、15mmHg以下に数分置いた。その後、常圧に戻した後、直ぐに減圧した。このような減圧/常圧戻し操作のサイクルを3回行い、蓋を開いてA7075片、CFRP片を出した。
[Experimental Example 19-1] (A7075 / CFRP complex (1))
Six A7075 pieces subjected to the surface treatment of Experimental Example 1 were prepared. In addition, six CFRP pieces prepared in Experimental Example 18 were prepared. The adhesive (1) prepared in Experimental Example 13 was applied to the end portions of each of these A7075 pieces and CFRP pieces. These were placed in a large desiccator that had been warmed for a long time in a hot air dryer set at 60 ° C. in advance. The lid of the desiccator was put on, and the pressure was reduced with a vacuum pump, and the pressure was kept below 15 mmHg for several minutes. Thereafter, after returning to normal pressure, the pressure was immediately reduced. Such a decompression / normal pressure return operation cycle was performed three times, the lid was opened, and A7075 pieces and CFRP pieces were taken out.

デシケータから出したA7075片とCFRP片の接着剤塗布部分同士を接着させ、試験片(図14)の形状とし、両片をクリップで固定して熱風乾燥機内に移した。その熱風乾燥機を90℃にセットし、90℃になったら15分保持し、次いで135℃に上げて1時間保持し、更に165℃まで上げて30分保持してから放冷した。翌日、クリップを外して、6組のA7075/CFRP複合体(1)を得た。   The adhesive-applied portions of the A7075 piece and the CFRP piece taken out from the desiccator were bonded to form a test piece (FIG. 14), and both pieces were fixed with a clip and transferred into a hot air dryer. The hot air dryer was set at 90 ° C., held at 15 ° C. for 15 minutes, then raised to 135 ° C., held for 1 hour, further raised to 165 ° C. and held for 30 minutes, and then allowed to cool. The next day, the clips were removed to obtain 6 sets of A7075 / CFRP composites (1).

[実験例19−2](A7075/CFRP複合体(2))
実験例19−1と同様の方法で6組のA7075/CFRP複合体(2)を得た。但し、本実験例では接着剤(1)ではなく接着剤(2)を用いた。
[Experimental Example 19-2] (A7075 / CFRP composite (2))
Six sets of A7075 / CFRP composites (2) were obtained in the same manner as in Experimental Example 19-1. However, in this experimental example, the adhesive (2) was used instead of the adhesive (1).

[実験例19−3](A7075/CFRP複合体(3))
実験例19−1と同様の方法で6組のA7075/CFRP複合体(3)を得た。但し、本実験例では接着剤(1)ではなく接着剤(3)を用いた。
[Experimental Example 19-3] (A7075 / CFRP composite (3))
Six sets of A7075 / CFRP composites (3) were obtained in the same manner as in Experimental Example 19-1. However, in this experimental example, the adhesive (3) was used instead of the adhesive (1).

[実験例19−4](A7075/CFRP複合体(4))
実験例19−1と同様の方法で6組のA7075/CFRP複合体(4)を得た。但し、本実験例では接着剤(1)ではなく接着剤(4)を用いた。
[Experimental Example 19-4] (A7075 / CFRP composite (4))
Six sets of A7075 / CFRP composites (4) were obtained in the same manner as in Experimental Example 19-1. However, in this experimental example, the adhesive (4) was used instead of the adhesive (1).

[実験例19−5](A7075/CFRP複合体(5))
実験例19−1と同様の方法で6組のA7075/CFRP複合体(5)を得た。但し、本実験例では接着剤(1)ではなく接着剤(5)を用いた。
[Experimental Example 19-5] (A7075 / CFRP composite (5))
Six sets of A7075 / CFRP composites (5) were obtained in the same manner as in Experimental Example 19-1. However, in this experimental example, the adhesive (5) was used instead of the adhesive (1).

[実験例19−6](A7075/CFRP複合体(6))
実験例19−1と同様の方法で6組のA7075/CFRP複合体(6)を得た。但し、本実験例では接着剤(1)ではなく、市販のジシアンジアミドを硬化剤とする無機充填材入りのエポキシ系接着剤「EP106」を用いた。
[Experimental Example 19-6] (A7075 / CFRP composite (6))
Six sets of A7075 / CFRP composites (6) were obtained in the same manner as in Experimental Example 19-1. However, in this experimental example, not the adhesive (1) but an epoxy adhesive “EP106” containing an inorganic filler using a commercially available dicyandiamide as a curing agent was used.

上記実験例19−1〜19−6に示した方法で、6種6組のA7075/CFRP複合体を得た。各種複合体(A7075/CFRP複合体(1)〜(6))について、それぞれ3組は常温で引っ張り破断試験を行い、残りの3組は100℃下で引っ張り破断試験を行った。せん断破断力を接着面積で除して、各3組のせん断破断力を算出し、平均値を出した。その結果を表1に示す。表1によると、常温下では、いずれの接着剤を用いた場合であっても70MPa前後の高いせん断破断力を示していた。しかしながら、100℃におけるせん断破断力は、アエロジルR805を充填した接着剤(1)、(2)、又は(4)を用いた複合体(実験例19−1、19−2、19−4)で明らかに高かった。   Six types of A7075 / CFRP composites were obtained by the methods shown in Experimental Examples 19-1 to 19-6. For each of the various composites (A7075 / CFRP composites (1) to (6)), three sets were each subjected to a tensile fracture test at room temperature, and the remaining three groups were subjected to a tensile fracture test at 100 ° C. The shear breaking force was divided by the adhesion area, and three sets of shear breaking forces were calculated, and the average value was obtained. The results are shown in Table 1. According to Table 1, at room temperature, even when any adhesive was used, a high shear breaking force of about 70 MPa was shown. However, the shear breaking force at 100 ° C. is a composite using the adhesive (1), (2), or (4) filled with Aerosil R805 (Experimental Examples 19-1, 19-2, 19-4). Obviously it was expensive.

(CFRP片の1回焼き品,2回焼き品について)
ここで、実験例19−1においては、A7075片の接着対象がCFRP片の3回焼き品であり、常温におけるせん断破断力は表1に示すように68.5MPaであった。本発明者等は、この3回焼き品に代えて、CFRP片の1回焼き品を実験例19−1と同様の方法でA7075片と接着させ、得られたA7075/CFRP(1回焼き品)複合体のせん断破断力を常温で測定した。その結果、3組の平均値は、58.0MPaであった。また、本発明者等は、3回焼き品に代えて、CFRP片の2回焼き品を実験例19−1と同様の方法でA7075片と接着させ、得られたA7075/CFRP(2回焼き品)複合体のせん断破断力を常温で測定した。その結果、3組の平均値は、64.4MPaであった。これは、前述したように、CFRP片を焼き直すことにより、炭素繊維とマトリックス樹脂間の接着力が向上することが理由と考えられる。特に、3回焼き品ではせん断破断力の最高値の物は71.8MPaあった。そしてせん断破断力の平均値も70MPa付近であり、A7075アルミニウム合金片同士の接着接合体のせん断破断力と同等となった。
(About CFRP pieces baked once and baked twice)
Here, in Experimental example 19-1, the adhesion target of the A7075 piece was a CFRP piece baked three times, and the shear breaking strength at room temperature was 68.5 MPa as shown in Table 1. The present inventors, instead of the three-time baked product, bonded the one-time baked CFRP piece to the A7075 piece in the same manner as in Experimental Example 19-1, and obtained A7075 / CFRP (one-time baked product). ) The shear breaking strength of the composite was measured at room temperature. As a result, the average value of the three sets was 58.0 MPa. In addition, instead of the three-time baked product, the inventors bonded the two-time CFRP piece to the A7075 piece in the same manner as in Experimental Example 19-1, and obtained A7075 / CFRP (double-baked product). Article) The shear breaking strength of the composite was measured at room temperature. As a result, the average value of the three sets was 64.4 MPa. As described above, this is considered to be because the adhesive force between the carbon fiber and the matrix resin is improved by re-baking the CFRP piece. In particular, in the three-time baked product, the product with the highest shear fracture strength was 71.8 MPa. The average value of the shear breaking force was also around 70 MPa, which was equivalent to the shear breaking force of the adhesive joined body between the A7075 aluminum alloy pieces.

[実験例20−1](粗面化方法(1))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。CFRP片の端部を120番の研磨紙でしっかり3〜5回擦って粗面化した。その後、実験例1で使用したものと同じ60℃とした脱脂槽に5分浸漬した。この脱脂槽には超音波をかけた。その後、常温の水道水(群馬県太田市)でよく水洗して90℃で15分乾燥した。
[Experimental Example 20-1] (Roughening Method (1))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. The end of the CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 120 polishing paper 3 to 5 times. Then, it was immersed for 5 minutes in the degreasing tank made into the same 60 degreeC as what was used in Experimental example 1. FIG. Ultrasonic waves were applied to this degreasing tank. Thereafter, it was washed thoroughly with room temperature tap water (Ota City, Gunma Prefecture) and dried at 90 ° C. for 15 minutes.

[実験例20−2](粗面化方法(2))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。CFRP片の端部を80番の研磨紙でしっかり3〜5回擦って粗面化した。その後、実験例1で使用したものと同じ60℃とした脱脂槽に5分浸漬した。この脱脂槽には超音波をかけた。その後、メチルエチルケトン(以下「MEK」という)に1分浸漬した後、純水でよく水洗して90℃で15分乾燥した。
[Experimental Example 20-2] (Roughening Method (2))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. The end of the CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 80 polishing paper 3 to 5 times. Then, it was immersed for 5 minutes in the degreasing tank made into the same 60 degreeC as what was used in Experimental example 1. FIG. Ultrasonic waves were applied to this degreasing tank. Then, after being immersed in methyl ethyl ketone (hereinafter referred to as “MEK”) for 1 minute, it was thoroughly washed with pure water and dried at 90 ° C. for 15 minutes.

[実験例20−3](粗面化方法(3))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。CFRP片の端部を240番の研磨紙でしっかり3〜5回擦って粗面化した。その後、実験例1で使用したものと同じ60℃とした脱脂槽に5分浸漬した。この脱脂槽には超音波をかけた。その後、常温の水道水(群馬県太田市)でよく水洗して90℃で15分乾燥した。
[Experimental Example 20-3] (Roughening Method (3))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. The end of the CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 240 polishing paper 3 to 5 times. Then, it was immersed for 5 minutes in the degreasing tank made into the same 60 degreeC as what was used in Experimental example 1. FIG. Ultrasonic waves were applied to this degreasing tank. Thereafter, it was washed thoroughly with room temperature tap water (Ota City, Gunma Prefecture) and dried at 90 ° C. for 15 minutes.

[実験例20−4](粗面化方法(4))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。CFRP片の端部を800番の研磨紙でしっかり3〜5回擦って粗面化した。その後、実験例1で使用したものと同じ60℃とした脱脂槽に5分浸漬した。この脱脂槽には超音波をかけた。その後、常温の水道水(群馬県太田市)でよく水洗して90℃で15分乾燥した。
[Experimental Example 20-4] (Roughening Method (4))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. The end of the CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 800 polishing paper 3-5 times. Then, it was immersed for 5 minutes in the degreasing tank made into the same 60 degreeC as what was used in Experimental example 1. FIG. Ultrasonic waves were applied to this degreasing tank. Thereafter, it was washed thoroughly with room temperature tap water (Ota City, Gunma Prefecture) and dried at 90 ° C. for 15 minutes.

[実験例20−5](粗面化方法(5))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。CFRP片の端部を1000番の研磨紙でしっかり3〜5回擦って粗面化した。その後、実験例1で使用したものと同じ60℃とした脱脂槽に5分浸漬した。この脱脂槽には超音波をかけた。その後、常温の水道水(群馬県太田市)でよく水洗して90℃で15分乾燥した。
[Experimental Example 20-5] (Roughening Method (5))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. The end of the CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 1000 polishing paper 3 to 5 times. Then, it was immersed for 5 minutes in the degreasing tank made into the same 60 degreeC as what was used in Experimental example 1. FIG. Ultrasonic waves were applied to this degreasing tank. Thereafter, it was washed thoroughly with room temperature tap water (Ota City, Gunma Prefecture) and dried at 90 ° C. for 15 minutes.

上記実験例20−1〜20−5の粗面化を施したCFRP片を、それぞれ実験例19−1と同様の方法で、接着剤(1)を用いてA7075片と接着接合し、A7075/CFRP複合体を得た。各複合体について常温及び100℃の各温度で引っ張り破断試験を行って、せん断破断力を測定した。その結果を表2に示す。80番の研磨紙で研磨した場合、中間液である有機溶剤MEKに1分浸漬したとしても、常温、100℃のいずれにおいてもせん断破断力は向上せず、むしろ低下するという結果に終わった。従って、敢えて中間液である有機溶剤に浸漬する必要はないと判断した。又、使用した水道水はPH5.8〜6.5の弱酸性水だったが純水(イオン交換水)での洗浄と差異は認められなかった。更に、研磨紙の目が細かくなるにつれて(240番、800番、1000番)、せん断破断力が低下する傾向が見られ、特に1000番の場合には、80番〜240番の場合と比較してせん断破断力が顕著に低下した。   The CFRP pieces subjected to the roughening of Experimental Examples 20-1 to 20-5 were adhesively bonded to A7075 pieces using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, respectively, and A7075 / A CFRP complex was obtained. Each composite was subjected to a tensile fracture test at room temperature and at each temperature of 100 ° C., and the shear fracture strength was measured. The results are shown in Table 2. In the case of polishing with No. 80 polishing paper, even when immersed for 1 minute in the organic solvent MEK, which is an intermediate solution, the shear breaking force did not improve at both room temperature and 100 ° C., but rather decreased. Therefore, it was judged that it was not necessary to immerse in an organic solvent as an intermediate solution. The tap water used was weakly acidic water having a pH of 5.8 to 6.5, but no difference was found from cleaning with pure water (ion exchange water). Further, as the abrasive paper becomes finer (No. 240, No. 800, No. 1000), there is a tendency for the shear breaking force to decrease. Especially in the case of No. 1000, compared with the cases of No. 80 to No. 240. As a result, the shear breaking strength was significantly reduced.

CFRPを粗面化する際の力の入れ加減も影響するが、基本的にはJISR6252に規定される80番〜240番程度の目の粗い研磨紙で研磨する方法が好ましいといえる。当然、研磨部材は研磨紙に限られるものではなく、この範囲の粗さに相当する粗さを有する研磨布等、他の研磨部材を用いても良い。   Although the influence of the force applied when roughening the CFRP is also affected, it can be said that a method of polishing with coarse abrasive paper of about 80 to 240 as defined in JIS R6252 is basically preferable. Of course, the abrasive member is not limited to abrasive paper, and other abrasive members such as abrasive cloth having a roughness corresponding to this range of roughness may be used.

[実験例21−1](水洗方法(1))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。各CFRP片の端部を120番の研磨紙でしっかり3回擦って粗面化した。100cc注射器に一般用液体洗濯洗剤「アタック(花王株式会社製)」の200倍水溶液を入れて、CFRP片の粗面化された部分に針を付けないようにして一挙にかけた。その数分後、前記CFRP片に水道水をホースで15秒かけて水洗し、24時間風乾し、次いで80℃とした熱風乾燥機に5分いれて追乾燥した。
[Experimental example 21-1] (Washing method (1))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. Each CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 120 abrasive paper three times. A 100 cc syringe was filled with a 200 times aqueous solution of a general liquid laundry detergent “Attack” (manufactured by Kao Corporation), and applied to the roughened portion of the CFRP piece all at once. After a few minutes, tap water was washed on the CFRP piece with a hose for 15 seconds, air-dried for 24 hours, and then dried in a hot-air dryer at 80 ° C. for 5 minutes.

[実験例21−2](水洗方法(2))
実験例18と同様の方法でCFRP片の3回焼き品を得た。但し、実験例18と異なり、粗面化以降の処理は以下のようにした。各CFRP片の端部を120番の研磨紙でしっかり3回擦って粗面化した。先をしぼった噴出口付きの耐圧ホースから、2気圧(ゲージ圧)にした水道水を強い棒流で30秒流してCFRP片の粗面化された範囲を水洗した。その後24時間風乾し、次いで80℃とした熱風乾燥機に5分いれて追乾燥した。
[Experimental example 21-2] (Washing method (2))
A CFRP piece was baked three times in the same manner as in Experimental Example 18. However, unlike Experimental Example 18, the treatment after the roughening was performed as follows. Each CFRP piece was roughened by rubbing firmly with No. 120 abrasive paper three times. From a pressure-resistant hose with a squeezed nozzle, tap water having a pressure of 2 atm (gauge pressure) was flowed for 30 seconds with a strong bar flow to wash the roughened area of the CFRP piece. Thereafter, it was air-dried for 24 hours, and then further dried in a hot-air dryer at 80 ° C. for 5 minutes.

上記実験例21−1及び21−2の水洗を施したCFRP片を、それぞれ実験例19−1と同様の方法で、接着剤(1)を用いてA7075片と接着接合し、A7075/CFRP複合体を得た。各複合体について常温及び100℃の各温度で引っ張り破断試験を行って、せん断破断力を測定した。その結果を表3に示す。この結果から、粗面化された範囲の洗浄には界面活性剤を使用する必要は無く、高圧の水道水でやや長く洗浄することで実験例19−1と同等の結果が得られることが分かった。   The CFRP pieces subjected to the water washing in Experimental Examples 21-1 and 21-2 were bonded and bonded to A7075 pieces using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, respectively, and A7075 / CFRP composite Got the body. Each composite was subjected to a tensile fracture test at room temperature and at each temperature of 100 ° C., and the shear fracture strength was measured. The results are shown in Table 3. From this result, it is understood that it is not necessary to use a surfactant for cleaning the roughened range, and a result equivalent to Experimental Example 19-1 can be obtained by cleaning for a long time with high-pressure tap water. It was.

[実験例22](A5052/CFRP複合体)
実験例2の表面処理を施したA5052片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、A5052/CFRP複合体を得た。
[Experimental Example 22] (A5052 / CFRP composite)
The A5052 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 2 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and an A5052 / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例23](AZ31B/CFRP複合体)
実験例3の表面処理を施したAZ31B片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、AZ31B/CFRP複合体を得た。
[Experimental Example 23] (AZ31B / CFRP composite)
The AZ31B piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 3 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were bonded and bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and an AZ31B / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例24](C1100/CFRP複合体)
実験例4の表面処理を施したC1100片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、C1100/CFRP複合体を得た。
[Experimental Example 24] (C1100 / CFRP composite)
The C1100 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 4 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and a C1100 / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例25](C5191/CFRP複合体)
実験例5の表面処理を施したC5191片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、C5191/CFRP複合体を得た。
[Experiment 25] (C5191 / CFRP complex)
The C5191 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 5 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were bonded and bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and the C5191 / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例26](KFC/CFRP複合体)
実験例6の表面処理を施したKFC片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、KFC/CFRP複合体を得た。
[Experiment 26] (KFC / CFRP composite)
The KFC piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 6 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and a KFC / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例27](KLF5/CFRP複合体)
実験例7の表面処理を施したKLF5片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、KLF5/CFRP複合体を得た。
[Experimental example 27] (KLF5 / CFRP composite)
The KLF5 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 7 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and a KLF5 / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例28](KS40/CFRP複合体)
実験例8の表面処理を施したKS40片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、KS40/CFRP複合体を得た。
[Experiment 28] (KS40 / CFRP composite)
The KS40 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 8 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and a KS40 / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例29](KSTi−9/CFRP複合体)
実験例9の表面処理を施したKSTi−9片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、KSTi−9/CFRP複合体を得た。
[Experimental example 29] (KSTi-9 / CFRP composite)
The KSTi-9 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 9 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and KSTi-9. / CFRP composite was obtained.

[実験例30](SUS304/CFRP複合体)
実験例10の表面処理を施したSUS304片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、SUS304/CFRP複合体を得た。
[Experiment 30] (SUS304 / CFRP composite)
The SUS304 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 10 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were bonded and bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and the SUS304 / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例31](SPCC/CFRP複合体)
実験例11の表面処理を施したSPCC片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、SPCC/CFRP複合体を得た。
[Experimental example 31] (SPCC / CFRP composite)
The SPCC piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 11 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and an SPCC / CFRP composite was obtained. Got.

[実験例32](SPHC/CFRP複合体)
実験例12の表面処理を施したSPHC片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(1)を用いて実験例19−1と同様の方法で接着接合し、SPHC/CFRP複合体を得た。
[Experiment 32] (SPHC / CFRP composite)
The SPHC piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 12 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were adhesively bonded using the adhesive (1) in the same manner as in Experimental Example 19-1, and the SPHC / CFRP composite was obtained. Got.

上記実験例22〜32で得られた複合体について、常温及び100℃の各温度で3個ずつ引っ張り破断試験を行って、せん断破断力を測定し、その平均値を計算した。その結果を表4に示す。いずれの金属合金についても、高温下において従来になく高いせん断破断力を示す結果となった。   About the composite_body | complex obtained by the said Experimental Examples 22-32, the tensile fracture test was done 3 each at normal temperature and each temperature of 100 degreeC, the shear fracture force was measured, and the average value was calculated. The results are shown in Table 4. All the metal alloys showed a high shear fracture strength at a high temperature, which was unprecedented.

[実験例33](A7075/CFRP複合体(クレー充填材))
実験例13と同様の方法で接着剤を作成した。但し、無機充填材として、微粉タルク「ハイミクロンHE5」を使用せず、代わりに焼成カオリンクレーの「サテントン5」を使用した。この接着剤を接着剤(6)とした。実験例1の表面処理を施したA7075片と実験例18で得たCFRP片とを、接着剤(6)を用いて実験例19−1と同様の方法(但し接着剤(1)に代えて接着剤(6)を使用)で接着接合し、A7075/CFRP複合体を得た。接合後7日目に引っ張り破断試験を行った。常温下でのせん断破断力は平均で66.2MPaであり、100℃下のせん断破断力は52.3MPaであった。この結果は実験例19−1に近かった。
[Experimental Example 33] (A7075 / CFRP composite (clay filler))
An adhesive was prepared in the same manner as in Experimental Example 13. However, fine powder talc “Hi-micron HE5” was not used as the inorganic filler, and “Satinton 5” of calcined kaolin clay was used instead. This adhesive was designated as adhesive (6). The A7075 piece subjected to the surface treatment of Experimental Example 1 and the CFRP piece obtained in Experimental Example 18 were replaced with the same method as in Experimental Example 19-1 using the adhesive (6) (however, instead of the adhesive (1)). Adhesive bonding was performed using an adhesive (6)) to obtain an A7075 / CFRP composite. A tensile fracture test was conducted on the seventh day after joining. The shear breaking force at normal temperature was 66.2 MPa on average, and the shear breaking force at 100 ° C. was 52.3 MPa. This result was close to Experimental Example 19-1.

図1は、A7075アルミニウム合金を苛性ソーダ水溶液で化学エッチングし、水和ヒドラジン水溶液で微細エッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 1 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of a surface obtained by chemically etching an A7075 aluminum alloy with a caustic soda aqueous solution and finely etching with a hydrated hydrazine aqueous solution. 図2は、A5052アルミニウム合金を苛性ソーダ水溶液で化学エッチングし、水和ヒドラジン水溶液で微細エッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 2 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of a surface obtained by chemically etching an A5052 aluminum alloy with an aqueous caustic soda solution and finely etching with an aqueous hydrazine solution. 図3は、AZ31Bマグネシウム合金をクエン酸水溶液で化学エッチングし、過マンガン酸カリ水溶液で化成処理した表面の10万倍電子顕微鏡写真((a)(b)いずれも10万倍)である。FIG. 3 is a 100,000 times electron micrograph (100% magnification of (a) and (b)) of a surface obtained by chemically etching an AZ31B magnesium alloy with a citric acid aqueous solution and chemical conversion treatment with a potassium permanganate aqueous solution. 図4は、C1100銅合金を硫酸・過酸化水素水溶液で化学エッチングし、亜塩素酸ソーダ水溶液で表面硬化処理した表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 4 is an electron micrograph of a surface obtained by chemically etching a C1100 copper alloy with an aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide and surface-treating with an aqueous solution of sodium chlorite ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) ). 図5は、C5191リン青銅合金を硫酸・過酸化水素水溶液で化学エッチングし、亜塩素酸ソーダ水溶液で表面硬化処理した表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 5 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000) of a surface obtained by chemically etching a C5191 phosphor bronze alloy with sulfuric acid / hydrogen peroxide aqueous solution and surface hardening treatment with sodium chlorite aqueous solution. Times). 図6は、KFC銅合金を硫酸・過酸化水素水溶液で化学エッチングし、亜塩素酸ソーダ水溶液で表面硬化処理した表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。Fig. 6 shows electron micrographs of the surface of KFC copper alloy chemically etched with sulfuric acid / hydrogen peroxide solution and surface hardened with sodium chlorite solution ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) ). 図7は、KLF5銅合金を硫酸・過酸化水素水溶液で化学エッチングし、亜塩素酸ソーダ水溶液で表面硬化処理した表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 7 is an electron micrograph of a surface obtained by chemically etching a KLF5 copper alloy with sulfuric acid / hydrogen peroxide aqueous solution and surface-hardening with sodium chlorite aqueous solution ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) ). 図8は、KS40純チタン系チタン合金を1水素2弗化アンモニウム水溶液で化学エッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 8 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of a surface obtained by chemically etching a KS40 pure titanium-based titanium alloy with an aqueous hydrogen difluoride ammonium solution. 図9は、KSTi−9α−β系チタン合金を1水素2弗化アンモニウム水溶液で化学エッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 9 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of a surface obtained by chemically etching a KSTi-9α-β titanium alloy with an aqueous solution of 1 hydrogen difluoride ammonium fluoride. 図10は、SUS304ステンレス鋼を硫酸水溶液で化学エッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 10 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of a surface obtained by chemically etching SUS304 stainless steel with a sulfuric acid aqueous solution. 図11は、SPCC冷間圧延鋼材を硫酸水溶液でエッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 11 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of a surface obtained by etching a SPCC cold rolled steel material with a sulfuric acid aqueous solution. 図12は、SPHC熱間圧延鋼材を硫酸水溶液でエッチングした表面の電子顕微鏡写真((a):1万倍,(b):10万倍)である。FIG. 12 is an electron micrograph ((a): 10,000 times, (b): 100,000 times) of the surface of SPHC hot-rolled steel material etched with a sulfuric acid aqueous solution. 図13は、CFRPプリプレグを重ね合せ、熱風乾燥機内で硬化させてCFRP片を作成するための焼成治具の断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of a firing jig for making CFRP pieces by overlapping CFRP prepregs and curing them in a hot air dryer. 図14は、本発明の表面処理を施した金属合金片とCFRPが1液性エポキシ系接着剤により接着された複合体である。FIG. 14 shows a composite in which the metal alloy piece subjected to the surface treatment of the present invention and CFRP are bonded with a one-component epoxy adhesive. 図15は、本発明の表面処理を施した金属合金と1液性エポキシ系接着剤の表面構造を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing the surface structure of the metal alloy subjected to the surface treatment of the present invention and the one-component epoxy adhesive. 図16は、本発明の表面処理を施した金属合金と1液性エポキシ系接着剤の接合面が破断寸前になったときの断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view when the joint surface between the metal alloy subjected to the surface treatment of the present invention and the one-component epoxy adhesive is on the verge of breaking.

符号の説明Explanation of symbols

1…焼成治具
2…金型本体
3…金型凹部
4…金型貫通孔
5…金型底板
6…底板突起部
7…金型底面
8…台座
11…スペーサ
12…CFRP片
13…スペーサ
14…離型用フィルム
15…ブロック
16…スペーサ
17…離型用フィルム
18…錘
30…試験片
31…金属合金片
32…CFRP片
33…接着範囲
40…金属合金相
41…セラミック質層
42…接着剤硬化物相
50…金属合金相
51…セラミック質層
52…接着剤硬化物相
53…剥がれて生じた空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Baking jig 2 ... Mold main body 3 ... Mold recessed part 4 ... Mold through-hole 5 ... Mold bottom plate 6 ... Bottom plate projection 7 ... Mold bottom surface 8 ... Base 11 ... Spacer 12 ... CFRP piece 13 ... Spacer 14 ... release film 15 ... block 16 ... spacer 17 ... release film 18 ... weight 30 ... test piece 31 ... metal alloy piece 32 ... CFRP piece 33 ... adhesion range 40 ... metal alloy phase 41 ... ceramic layer 42 ... adhesion Hardened agent phase 50 ... Metal alloy phase 51 ... Ceramic layer 52 ... Hardened adhesive phase 53 ... Space generated by peeling

Claims (31)

金属合金と繊維強化プラスチックの複合体であって、
前記金属合金の表面は、エッチングが施されることにより、山谷平均間隔(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmであるミクロンオーダーの粗度を有し、且つ、その粗度を有する面内には、5〜500nm周期の超微細凹凸が形成され、且つ、表層が金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層であり、
前記繊維強化プラスチックはエポキシ樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の硬化物であり、且つ、その硬化物表面が粗面化された物であって、
前記金属合金の表面と、前記繊維強化プラスチックの表面とが、(1)粒径分布の中心が5〜20μmの無機充填材、(2)100nm以下の粒径の超微細無機充填材、及び(3)熱可塑性樹脂の粉体を充填した1液性エポキシ系接着剤を介して接着されていることを特徴とする前記複合体。
A composite of metal alloy and fiber reinforced plastic,
The surface of the metal alloy is etched to have a roughness on the order of microns with an average interval between peaks and valleys (RSm) of 0.8 to 10 μm and a maximum height roughness (Rz) of 0.2 to 5 μm. In the surface having the roughness, ultra-fine irregularities with a period of 5 to 500 nm are formed, and the surface layer is a thin layer of metal oxide or metal phosphate,
The fiber reinforced plastic is a cured product of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) having an epoxy resin as a matrix resin , and the surface of the cured product is roughened,
The surface of the metal alloy and the surface of the fiber reinforced plastic are (1) an inorganic filler having a particle size distribution center of 5 to 20 μm, (2) an ultrafine inorganic filler having a particle size of 100 nm or less, and ( 3) The composite described above, which is bonded through a one-component epoxy adhesive filled with thermoplastic resin powder.
請求項1に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体であって、
前記金属合金はアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼、及び鉄鋼材から選択されるいずれか1種であることを特徴とする前記複合体。
A composite of the metal alloy and fiber reinforced plastic according to claim 1,
The composite is characterized in that the metal alloy is any one selected from an aluminum alloy, a magnesium alloy, a copper alloy, a titanium alloy, stainless steel, and a steel material.
請求項1または2に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体であって、A composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 1 or 2,
前記炭素繊維強化プラスチックの硬化物表面は、JISR6252に規定される研磨紙80番〜240番に相当する粗さの研磨部材により研磨された粗面形状を有していることを特徴とする前記複合体。  The composite of the carbon fiber reinforced plastic has a rough surface polished by a polishing member having a roughness corresponding to polishing paper Nos. 80 to 240 defined in JIS R6252. body.
請求項1ないし3から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体であって、
前記超微細無機充填材はヒュームドシリカであり、前記1液性エポキシ系接着剤に0.3〜3.0質量%含まれていることを特徴とする前記複合体。
A composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 1 selected from claims 1 to 3,
The composite according to claim 1, wherein the ultrafine inorganic filler is fumed silica and is contained in the one-component epoxy adhesive in an amount of 0.3 to 3.0% by mass.
請求項1ないし4から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体であって、
前記熱可塑性樹脂はポリエーテルスルホン樹脂であることを特徴とする前記複合体。
A composite of metal alloy and fiber reinforced plastic according to claim 1 selected from claims 1 to 4,
The composite according to claim 1, wherein the thermoplastic resin is a polyethersulfone resin.
請求項5に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体であって、
前記ポリエーテルスルホン樹脂の粉体は、粒径分布の中心が5〜25μmであり、前記1液性エポキシ系接着剤に2〜5質量%含まれていることを特徴とする前記複合体。
A composite of the metal alloy according to claim 5 and a fiber reinforced plastic,
The polyether sulfone resin powder has a particle size distribution center of 5 to 25 μm and is contained in the one-component epoxy adhesive in an amount of 2 to 5 mass%.
金属合金の表面を、山谷平均間隔(RSm)が0.8〜10μm、最大高さ粗さ(Rz)が0.2〜5μmであるミクロンオーダーの粗度を有し、且つ、その粗度を有する面内には、5〜500nm周期の超微細凹凸が形成され、且つ、表層が金属酸化物又は金属リン酸化物の薄層とするための表面処理工程と、
エポキシ樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化プラスチックを硬化させる硬化工程と、
前記硬化工程を経た繊維強化プラスチックの表面を粗面化する粗面化工程と、
(1)粒径分布の中心が5〜20μmの無機充填材、(2)100nm以下の粒径の超微細無機充填材、及び(3)熱可塑性樹脂の粉体をエポキシ系樹脂に充填した1液性エポキシ系接着剤を作成する接着剤作成工程と、
前記表面処理工程を経た金属合金の表面及び前記粗面化工程を経た繊維強化プラスチックの表面に、前記1液性エポキシ系接着剤を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程を経た金属合金及び繊維強化プラスチックの、前記1液性エポキシ系接着剤を塗布した範囲同士を押し付けて固定した状態で両者を加熱し、その1液性エポキシ系接着剤を硬化させる接着工程と、
を含むことを特徴とする金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法。
The surface of the metal alloy has a roughness in the order of microns with an average interval between peaks and valleys (RSm) of 0.8 to 10 μm and a maximum height roughness (Rz) of 0.2 to 5 μm. In the surface having ultra-fine irregularities with a period of 5 to 500 nm is formed, and the surface treatment step for the surface layer to be a thin layer of metal oxide or metal phosphate,
A curing process for curing a fiber reinforced plastic using an epoxy resin as a matrix resin;
A roughening step of roughening the surface of the fiber-reinforced plastic that has undergone the curing step;
(1) An inorganic filler having a particle size distribution center of 5 to 20 μm, (2) an ultrafine inorganic filler having a particle size of 100 nm or less, and (3) an epoxy resin filled with a thermoplastic resin powder 1 An adhesive preparation process for creating a liquid epoxy adhesive;
An application step of applying the one-component epoxy adhesive to the surface of the metal alloy that has undergone the surface treatment step and the surface of the fiber-reinforced plastic that has undergone the roughening step;
Bonding of the metal alloy and the fiber reinforced plastic that have undergone the coating process by heating both in a state in which the areas where the one-component epoxy adhesive is applied are pressed and fixed, and the one-component epoxy adhesive is cured. Process,
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic, comprising:
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記金属合金はアルミニウム合金であって、
前記表面処理工程は、前記アルミニウム合金を強塩基性水溶液に浸漬する化学エッチング工程と、その化学エッチング工程後に、前記アルミニウム合金を酸性水溶液に浸漬する中和工程と、その中和工程後に、前記アルミニウム合金を水和ヒドラジン、アンモニア、及び水溶性アミン化合物から選択される1種以上を含む水溶液に浸漬する微細エッチング工程と、を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
The metal alloy is an aluminum alloy,
The surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the aluminum alloy in a strongly basic aqueous solution, a neutralization step of immersing the aluminum alloy in an acidic aqueous solution after the chemical etching step, and after the neutralizing step, the aluminum And a fine etching step of immersing the alloy in an aqueous solution containing at least one selected from hydrated hydrazine, ammonia, and a water-soluble amine compound.
請求項8に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記表面処理工程は、前記微細エッチング工程後に、前記アルミニウム合金を過酸化水素水溶液に浸漬する酸化工程をさらに含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 8,
The manufacturing method according to claim 1, wherein the surface treatment step further includes an oxidation step of immersing the aluminum alloy in a hydrogen peroxide solution after the fine etching step.
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記金属合金はマグネシウム合金であって、
前記表面処理工程は、前記マグネシウム合金を酸性水溶液に浸漬する化学エッチング工程と、その化学エッチング工程後に、前記マグネシウム合金を過マンガン酸塩水溶液に浸漬する化成処理工程と、を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
The metal alloy is a magnesium alloy,
The surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the magnesium alloy in an acidic aqueous solution, and a chemical conversion treatment step of immersing the magnesium alloy in a permanganate aqueous solution after the chemical etching step. The manufacturing method.
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記金属合金は銅合金であって、
前記表面処理工程は、前記銅合金を酸化剤を含む酸性水溶液に浸漬する化学エッチング工程と、その化学エッチング工程後に、前記銅合金を酸化剤を含む強塩基性水溶液に浸漬する表面硬化工程と、を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
The metal alloy is a copper alloy,
The surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the copper alloy in an acidic aqueous solution containing an oxidizing agent, and a surface hardening step of immersing the copper alloy in a strongly basic aqueous solution containing an oxidizing agent after the chemical etching step, The manufacturing method characterized by including.
請求項11に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記銅合金は純銅系の銅合金であって、
前記表面処理工程において、前記化学エッチング工程及び前記表面硬化工程を経た銅合金に対して、再度、前記化学エッチング工程及び前記表面硬化工程を行うことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 11,
The copper alloy is a pure copper-based copper alloy,
The said manufacturing method characterized by performing the said chemical etching process and the said surface hardening process again with respect to the copper alloy which passed through the said chemical etching process and the said surface hardening process in the said surface treatment process.
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記金属合金は純チタン系のチタン合金であって、
前記表面処理工程において、前記チタン合金を、1水素2弗化アンモニウムを含む水溶液に浸漬する化学エッチング工程を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
The metal alloy is a pure titanium-based titanium alloy,
The method according to claim 1, wherein the surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the titanium alloy in an aqueous solution containing ammonium hydrogen fluoride.
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記金属合金はステンレス鋼であって、
前記表面処理工程において、前記ステンレス鋼を硫酸水溶液に浸漬する化学エッチング工程を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
The metal alloy is stainless steel,
The method according to claim 1, wherein the surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the stainless steel in a sulfuric acid aqueous solution.
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記金属合金は鉄鋼材であって、
前記表面処理工程において、前記鉄鋼材を硫酸水溶液に浸漬する化学エッチング工程を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
The metal alloy is a steel material,
The manufacturing method according to claim 1, wherein the surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the steel material in a sulfuric acid aqueous solution.
請求項15に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記表面処理工程は、前記化学エッチング工程を経た前記鉄鋼材を、6価クロム化合物、過マンガン酸塩、リン酸亜鉛系化合物、アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン系化合物から選択される1種を含む水溶液に浸漬処理する工程をさらに含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 15,
In the surface treatment step, the steel material that has undergone the chemical etching step is selected from one kind selected from hexavalent chromium compounds, permanganates, zinc phosphate compounds, ammonia, hydrazine, and water-soluble amine compounds. The said manufacturing method characterized by further including the process of immersing in the aqueous solution to contain.
請求項7に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 7,
前記金属合金はα−β型チタン合金であって、The metal alloy is an α-β type titanium alloy,
前記表面処理工程において、前記チタン合金を、1水素2弗化アンモニウムを含む水溶液に浸漬する化学エッチング工程を含むことを特徴とする前記製造方法。The method according to claim 1, wherein the surface treatment step includes a chemical etching step of immersing the titanium alloy in an aqueous solution containing ammonium hydrogen fluoride.
請求項7ないし17から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記接着工程前に、前記塗布工程を経た前記金属合金及び前記繊維強化プラスチックを密閉容器に入れて、その容器内を減圧した後、加圧し、前記1液性エポキシ系接着剤を前記金属合金及び前記繊維強化プラスチックの表面に染み込ませることを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber-reinforced plastic according to claim 1 selected from claim 7 to 17,
Prior to the bonding step, the metal alloy and the fiber reinforced plastic that have been subjected to the coating step are put in a sealed container, the inside of the container is depressurized, and then pressurized, and the one-component epoxy adhesive is the metal alloy and The said manufacturing method characterized by making it soak into the surface of the said fiber reinforced plastic.
請求項7ないし18から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記超微細無機充填材はヒュームドシリカであり、前記1液性エポキシ系接着剤に0.3〜3.0質量%含まれていることを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to one selected from claim 7 to 18, comprising:
The ultrafine inorganic filler is fumed silica, and is contained in the one-component epoxy adhesive in an amount of 0.3 to 3.0% by mass.
請求項7ないし19から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記熱可塑性樹脂はポリエーテルスルホン樹脂であることを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to one of claims 7 to 19,
The said manufacturing method characterized by the said thermoplastic resin being polyether sulfone resin.
請求項20に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記ポリエーテルスルホン樹脂の粉体は、粒径分布の中心が5〜25μmであり、前記1液性エポキシ系接着剤に2〜5質量%含まれていることを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 20,
The polyethersulfone resin powder has a particle size distribution center of 5 to 25 μm and is contained in the one-component epoxy adhesive in an amount of 2 to 5 mass%.
請求項7ないし21から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記接着剤作成工程において、(1)前記無機充填材、(2)前記超微細無機充填材、及び(3)前記熱可塑性樹脂の粉体が、前記エポキシ系樹脂に充填された後、サンドグラインドミル型湿式粉砕機で分散されることにより前記1液性エポキシ系接着剤が作成されることを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 1 selected from claims 7 to 21,
In the adhesive preparation step, (1) the inorganic filler, (2) the ultrafine inorganic filler, and (3) the thermoplastic resin powder is filled in the epoxy resin, The said manufacturing method characterized by producing the said 1 liquid epoxy adhesive by disperse | distributing with a mill type wet grinder.
請求項7ないし22から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチック(CFRP)であることを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 1 selected from claims 7 to 22,
The manufacturing method, wherein the fiber reinforced plastic is carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
請求項23に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記硬化工程において、前記炭素繊維強化プラスチックの硬化を複数回行うことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 23,
In the curing step, the carbon fiber reinforced plastic is cured a plurality of times.
請求項24に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記硬化工程において、前記炭素繊維強化プラスチックの硬化を3回行うことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 24,
In the curing step, the carbon fiber reinforced plastic is cured three times.
請求項23ないし25から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記粗面化工程において、JISR6252に規定される研磨紙80番〜240番に相当する粗さの研磨部材を用いて前記炭素繊維強化プラスチックの表面を研磨することを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to one selected from claim 23 to 25,
In the roughening step, the surface of the carbon fiber reinforced plastic is polished using a polishing member having a roughness corresponding to polishing paper Nos. 80 to 240 defined in JIS R6252.
請求項23ないし26から選択される1項に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記塗布工程前に、前記粗面化工程を経た炭素繊維強化プラスチックを、有機溶剤を用いずに洗浄し、次いで乾燥する洗浄工程を含むことを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 1 selected from claims 23 to 26, comprising:
The said manufacturing method characterized by including the washing | cleaning process which wash | cleans the carbon fiber reinforced plastic which passed through the said roughening process before the said application | coating process, without using an organic solvent, and then dries.
請求項27に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記洗浄工程において、前記炭素繊維強化プラスチックを、界面活性剤の水溶液に浸漬しつつ超音波洗浄し、次いで水洗し、次いで乾燥することを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 27,
In the washing step, the carbon fiber reinforced plastic is ultrasonically washed while being immersed in an aqueous solution of a surfactant, then washed with water, and then dried.
請求項27に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記洗浄工程において、前記炭素繊維強化プラスチックの前記粗面化が施されている範囲に対して界面活性剤の水溶液を吹きつけ、次いで水洗し、次いで乾燥することを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 27,
In the cleaning step, the manufacturing method is characterized by spraying an aqueous solution of a surfactant onto the surface of the carbon fiber reinforced plastic that has been roughened, then washing with water, and then drying.
請求項27に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記洗浄工程において、前記炭素繊維強化プラスチックを水洗し、次いで乾燥することを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 27,
In the washing step, the carbon fiber reinforced plastic is washed with water and then dried.
請求項27に記載した金属合金と繊維強化プラスチックの複合体の製造方法であって、
前記洗浄工程において、前記炭素繊維強化プラスチックの前記粗面化が施されている範囲に対して水を高圧で吹きつけ、次いで乾燥することを特徴とする前記製造方法。
A method for producing a composite of a metal alloy and a fiber reinforced plastic according to claim 27,
In the cleaning step, water is sprayed at a high pressure on the surface of the carbon fiber reinforced plastic that has been roughened, and then dried.
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