JP6231460B2

JP6231460B2 - 金属・樹脂複合材料

Info

Publication number: JP6231460B2
Application number: JP2014221787A
Authority: JP
Inventors: 恭兵前田; 今村　美速; 美速今村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: JP2016087836A

Description

本発明は、金属部材に樹脂層が積層された金属・樹脂複合材料に関するものである。

従来から、自動車の低燃費化を図るため、自動車のフロア、サブフレーム、ラダーフレーム等の構造部材に使用される部材については、鋼材からアルミニウム合金材、高張力鋼材（いわゆる、ハイテン）の使用比率が増加している。その一方で、衝突防止装置、空調機器、車載電池等の採用により、車体の総重量は益々増える傾向にあり、自動車の構造部材の更なる軽量化が求められている。そこで、近年、自動車の構造部材の軽量化を図るため、自動車の構造部材として、金属と樹脂とを複合した金属・樹脂複合部材が採用されている。

金属・樹脂複合部材として、金属部材の表面に樹脂塗装を塗るコーティング、樹脂フィルムを張り付けるラミネート等により、金属部材の表面に樹脂層を設けて製造する方法がある。しかしながら、金属・樹脂複合部材が自動車の構造部材として機能させるためには、樹脂層の強度の強度を得るべく、樹脂層は１．５〜５ｍｍ程度の厚みが必要となる。従って、自動車の構造部材に金属・樹脂複合部材を用いる用途においては、例えば、特許文献１、２に示すように、射出成形機を用いて樹脂を金属部材表面に射出する射出成形により、金属・樹脂複合部材を成形する方法が最も適している。

射出成形により金属・樹脂複合部材を成形する場合、樹脂自体の強度を向上させることに加えて、樹脂と金属とが容易に剥離しないように、金属・樹脂複合部材の剛性を向上させることが必要となってくる。そこで、例えば、特許文献１、２に示すように、金属部材の表面に機械加工により孔や凹凸を設けて、孔や凹凸に入り込んだ樹脂のアンカー効果を利用して、金属と樹脂とを強固に取り付けている。また、特許文献２に示すように、金属・樹脂複合部材に用いる樹脂として、孔や凹凸の径よりも短い繊維を樹脂に含ませて強化する繊維強化樹脂を採用している。

しかしながら、特許文献１、２に示す技術では、金属表面の切削工具を接触させたり、レーザ光を照射させたりして孔や凹凸を形成する必要があるため、押出材等の閉断面の構造部材の内部には孔や凹凸を設けることが難しく、適用することができないという問題がある。また、開断面の構造部材であっても、板材のプレス成型後の立体的形状に孔や凹凸を設けることは難しいという問題がある。

特開２００９−５１１３１号公報特開２０１４−９１２６３号公報

本発明は、上記のような課題を解決するものであり、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用でき、強度を保ちつつ、金属と樹脂とが強固に接合された剛性の高い金属・樹脂複合部材を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、金属部材と、前記金属部材の表面側に樹脂が射出成形された樹脂層と、が積層された金属・樹脂複合部材であって、前記樹脂層には、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が分散して含まれ、前記金属部材の表面には、その開口径が前記金属繊維の繊維径よりも大きく、前記金属繊維の繊維長さよりも小さくなるように形成され、前記金属繊維の繊維長さより小さい深さの凹部が多数形成され、前記金属繊維の一方の端部である先端が前記樹脂とともに前記凹部に入り込むとともに、前記金属繊維の他方の端部である突端が前記樹脂層に突き出ている係合部が形成されていることを特徴とする。

本発明の金属・樹脂複合部材の構成によれば、金属部材の表面に設ける多数の凹部は複雑な形状である必要はないため、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用することができる。また、金属部材表面にその開口径が金属繊維の繊維径よりも大きく、金属繊維の繊維長さよりも小さくなるように形成され、金属繊維の繊維長さより小さい深さの凹部を有しているため、射出成形により金属繊維の一方の端部である先端が金属部材の凹部に食い込むと共に、金属繊維の他方の端部である突端が樹脂層に突き出て係合するため、樹脂層と金属部材とが容易に剥離せず高い剛性の金属・樹脂複合部材を得ることができる。更に、樹脂層に金属繊維が分散して含まれているため、繊維強化により金属・樹脂複合部材の強度が向上する。ここで、金属繊維の突端とは、金属繊維の一方の端部である先端から他方の端部まで伸びる部分のことを意味する。以下の説明において、同様である。
ここで、上記金属・樹脂複合部材において、前記凹部の深さは、前記金属繊維の繊維長さの１／１０００〜１／１００倍であってよい。これにより、金属繊維の一方の端部である先端が凹部に入り込むと共に、凹部から突出している金属繊維の他方の端部である突端を樹脂層で保持することができる。
また、上記金属・樹脂複合部材において、前記凹部の開口径は、前記金属繊維の繊維径の２〜５倍であってよい。これにより、凹部内に金属繊維の先端が入り込み、且つ、凹部の内周面に金属繊維の先端が引っかかりやすくなる。
また、上記金属・樹脂複合部材において、前記凹部は、前記金属部材の表面に対する方向が垂直であってよい。これにより、金属繊維の先端が凹部に入り込みやすくなる。

または、本発明の金属・樹脂複合部材は、金属部材と、前記金属部材の表面側に樹脂が射出成形された樹脂層と、が積層された金属・樹脂複合部材であって、前記樹脂層には、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が分散して含まれ、前記金属部材の表面には、前記金属繊維の繊維長さより薄いプライマー層が形成され、前記金属繊維の一方の端部である先端が前記プライマー層の表面に入り込み込むと共に、前記金属繊維の他方の端部である突端が前記樹脂層に突き出ている係合部が形成されていることを特徴とする。

本発明の金属・樹脂複合部材の構成によれば、金属部材の表面にプライマー層を形成するため、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用することができる。また、金属部材表面に金属繊維の繊維長さより薄いプライマー層を有しているため、射出成形により金属繊維の一方の端部である先端がプライマー層の表面に食い込むと共に、金属繊維の他方の端部である突端が樹脂層に突き出て係合するため、樹脂層と金属部材とが容易に剥離せず高い剛性の金属・樹脂複合部材を得ることができる。更に、樹脂層に金属繊維が分散して含まれているため、繊維強化により金属・樹脂複合部材の強度が向上する。
ここで、上記金属・樹脂複合部材において、前記プライマー層は、前記金属繊維の繊維長さの１／１０００〜１／１００倍の厚さであってよい。これにより、金属繊維の一方の端部である先端が入り込むと共に、プライマー層から突出している金属繊維の他方の端部である突端が樹脂層に保持することができる。

上記金属・樹脂複合部材において、前記樹脂層に含まれる前記金属繊維の含有量は、５〜２０質量％であることが好ましい。
樹脂層に含まれる金属繊維の含有量を５〜２０質量％することによって、繊維強化による強度向上を図りつつ、射出成形時の樹脂流動性を保つことができる。

上記金属・樹脂複合部材において、前記金属繊維の繊維長さは、３〜５ｍｍであることが好ましい。金属繊維の繊維長さを３〜５ｍｍとすることによって、樹脂の射出成形時の流動性を確保すると共に、金型摩耗が大きくなることを防止することができる。
ここで、上記金属・樹脂複合部材において、射出成形時の樹脂の流動性と、金属・樹脂複合部材の強度の観点から、前記樹脂層の厚みが、最も厚みの薄い箇所で１．８〜３ｍｍであってよい。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用でき、強度を保ちつつ、金属と樹脂とが強固に接合された剛性の高い金属・樹脂複合部材を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材の断面図である。本発明の第二の実施形態に係る金属・樹脂複合部材の断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第一の実施形態］
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１は、金属部材３と、金属部材３の一方の表面上に積層された樹脂層２とで構成されている。図１で示す第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１は、平板状の部材であるが、形状は限定されない。例えば、閉断面を有する筒型形状、様々な形の立体的形状であっても良い。

（金属部材）
金属部材３を構成する金属は、例えば、アルミニウム合金材（６０００系、５０００系、７０００系、２０００系、３０００系等）、マグネシウム合金、鋼材（軟鋼、高張力鋼）チタン合金またはそれらの組み合わせが用いられる。

また、金属部材３の形態は、図１で示す第一の実施形態では、板材であるが、形材、鍛造材の屈伸材の他、鋳造材も用いることができ、更に、板プレス成型品の溶接などの接続構造体であっても良い。

金属部材３の一方の表面には多数の凹部３１が設けられる。凹部３１は、後述する金属繊維４の長さよりも小さい深さで形成される。例えば、凹部３１の深さは、金属繊維４の長さの１／１０００〜１／１００の程度の深さで形成されることが好ましい。後述する金属繊維４の一方の端部である先端が入り込むと共に、凹部３１から突出している金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に保持することができるようにするためである。

また、凹部３１は、樹脂と共に金属繊維４の先端を入り込むようにするため、その開口径は少なくとも金属繊維４の繊維径よりも大きく、金属繊維４の繊維長さよりも小さくなるように形成される。例えば、凹部３１は、その開口部が円状となるように形成される。例えば、凹部３１の開口径は、金属繊維４の繊維径の２〜５倍とすることが好ましい。凹部３１内に金属繊維４の先端が入り込み、且つ、凹部３１の内周面に金属繊維４の先端が引っかかりやすくするためである。

凹部３１の金属部材３の表面に対する方向は、垂直であることが好ましい。金属繊維４の先端が凹部３１に入り込みやすくするためである。

凹部３１は、開断面形状の金属部材に設ける場合は、表面をダル加工したダルロールによる圧延や、レーザによる微細ピット形成、機械加工による凹凸形成、ブラシ研磨、電解エッチングによるピット形成等を用いることができる。また、凹部３１は、筒状の押出材のような閉断面形状の金属部材の内面に設ける場合は、電解エッチングが好適に用いられる。

尚、金属部材３の他方の表面は、外部に露出している。

（樹脂層）
樹脂層２は、金属部材３上に、溶融された樹脂が射出成形で形成される。ここで、樹脂層２を構成する樹脂は、通常の射出成形に用いられる樹脂組成物であれば、特に限定されない。樹脂層２に用いられる樹脂は、例えば、プロピレン（ＰＰ）、ポリアミド、ポリエチレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂が用いられる。

樹脂層２の厚みは、射出成形時の樹脂の流動性と、金属・樹脂複合部材の強度の観点から、最も厚みの薄い箇所で、１．８〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。

また、樹脂層２には、金属繊維４が分散して含まれる。金属繊維４としては、例えば、ＳＵＳ、チタン、Ｃｕ、Ａｌ等が用いられるが、耐食性の観点から、ＳＵＳ、チタンを用いることが好ましい。

金属繊維４の繊維径は２〜３０μｍ（好ましくは、２〜１０μｍ）であり、繊維長さは１〜５ｍｍ（好ましくは、３〜５ｍｍ）であることが好ましい。金属繊維の繊維径を２〜３０μｍ（好ましくは、２〜１０μｍ）と細くして、繊維長さを１〜５ｍｍ（好ましくは、３〜５ｍｍ）と若干長めにすることにより、樹脂層２を構成する樹脂の射出成形時に金属繊維４が樹脂の流動になじみやすくなるからである。

金属繊維４の繊維径が２μｍよりも小さい場合は、金属繊維４の作成が難しく、樹脂中への分散が難しくなるため、樹脂層２の繊維強化の効果も小さくなる。一方で、金属繊維４の繊維径が３０μｍよりも大きい場合は、樹脂の射出成形時の金型摩耗が大きくなりすぎる。尚、樹脂の射出成形時の金型摩耗の観点から、金属繊維４の繊維径が１０μｍより小さいことがより好ましい。

また、金属繊維４の繊維長さが、１ｍｍよりも短い場合は、繊維のアスペクトル比（繊維径／繊維長さ）が小さくなり、繊維の剛性が高くなりすぎるため、金属部材３の表面に形成された凹部３１への樹脂の流れ込みを阻害してしまう。一方、金属繊維４の繊維長さが、５ｍｍよりも長い場合は、繊維径が太い場合と同様に、樹脂の射出成形時の金型摩耗が大きくなりすぎる。更に、後述する通り、先端が凹部３１に入り込んだ金属繊維４の突端が樹脂層２に保持されて構成される係合部の係合性の観点から、金属繊維４の長さが樹脂層２の最も薄い箇所の厚さよりも長い方が好ましく、３ｍｍより長いことがより好ましい。

樹脂層２を構成する樹脂に含まれる金属繊維４の含有量は、５〜２０質量％とすることが好ましい。繊維強化による強度向上の点から、５質量％以上とすることが好ましく、射出成形時の樹脂流動性の観点から２０質量％以下とすることが好ましい。

尚、樹脂層２を構成する樹脂には、金属繊維４の効果を阻害しない範囲で、他の充填剤を含むことができる。充填剤は、例えば、金属粒子、炭素粒子、カーボンブラック、タルク等である。

樹脂層２の成形方法として、ホットプレス法、溶融押出法、圧縮法、射出成形法等があるが、本発明においては、射出成形機による射出成形法により樹脂層２を成形する。射出成形法による樹脂層２の成形では、金属繊維４を含む樹脂ペレットの射出成形により、比較的早い速度で凹部３１が形成された金属部材３の表面に射出し、金属部材３の凹部３１が形成された表面へ樹脂が流し込まれる。

樹脂層２の射出成形時に、金属繊維４が樹脂の渦流動に巻き込まれながら金属部材３の表面に流動していく。ここで、図１に示すように、金属繊維４の一方の端部である先端が樹脂とともに凹部３１に入り込むとともに、金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に突き出ている係合部３２が形成される。そのため、係合部３２において、金属繊維４の一方の端部である先端が金属部材３の凹部３１に引っかかると共に、金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に保持されることにより、樹脂層２と金属部材３とが容易に剥離せず、高い剛性の金属・樹脂複合部材１を得ることができる。尚、図１において、係合部３２は、金属部材３の凹部３１に引っかかっている金属繊維４の一方の端部である先端を、破線で囲んで示している。

ここで、図１に示す実施形態においては、凹部３１の一部にのみ係合部３２が設けられており、その他の凹部３１は樹脂のみが入り込んだ突起部２１を構成している。尚、凹部３１の全部に金属繊維４の先端が樹脂と共に入り込んだ係合部３２が設けられていても良い。また、樹脂層２に含まれる金属繊維４は、少なくともその一部が係合部３２を形成していればよく、全部が係合部３２を形成していなくてもよいし、全部が係合部３２を形成していてもよい。

また、樹脂の流動により、樹脂層２に金属繊維４の絡まった部分が構成される。これにより、金属と樹脂の金属・樹脂複合部材１の剛性をより高めることができる。

第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１によれば、金属部材３の表面に設ける多数の凹部３１は複雑な形状である必要はなく、電解エッチング等で加工することができるため、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用することができる。また、金属部材３表面に金属繊維４の繊維長さより小さい深さの凹部３１を有しているため、射出成形により金属繊維４の一方の端部である先端が金属部材３の凹部３１に食い込むと共に、金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に突き出て係合するため、樹脂層２と金属部材３とが容易に剥離せず高い剛性の金属・樹脂複合部材１を得ることができる。更に、樹脂層２に金属繊維４が分散して含まれているため、繊維強化により金属・樹脂複合部材１の強度が向上する。

［第二の実施形態］
図２に示すように、本発明の第二の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１は、金属部材３と、金属部材３の一方の表面にプライマー処理が施されたプライマー層５と、プライマー層５上に積層された樹脂層２とで構成されている。図２で示す第二の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１は、平板状の部材であるが、形状は限定されない。例えば、閉断面を有する筒型形状、様々な形の立体的形状であっても良い。

（金属部材）
金属部材３を構成する金属は、例えば、アルミニウム合金材（６０００系、５０００系、７０００系、２０００系、３０００系等）、マグネシウム合金、鋼材（軟鋼、高張力鋼）、チタン合金またはそれらの組み合わせが用いられる。

また、金属部材３の形態は、図２で示す第二の実施形態では、板材であるが、形材、鍛造材の屈伸材の他、鋳造材も用いることができ、更に、板プレス成型品の溶接などの接続構造体であっても良い。また、金属部材３の一方の表面５３は、図２で示す実施形態では、平滑であるが、図１で示す実施形態のような凹部が設けられていても良いし、その他にも、孔や凹凸があっても良い。

金属部材３の一方の表面５３にはプライマー処理が施されたプライマー層５が構成される。プライマー処理は、金属部材３の一方の表面に接着剤を塗布して施される。プライマー処理に用いられる接着剤は、変性ポリオレフィン系塗料、変性エポキシ系プライマー等、不揮発分の少ない低粘度の液体が用いられる。金属部材３の表面に形成されたプライマー層５を介して接着性が向上され、金属部材３と後述する樹脂層２とが接着する。

プライマー層５は、後述する金属繊維４の長さよりも薄く形成される。例えば、プライマー層５の厚さは、金属繊維４の長さの１／１０００〜１／１００程度の厚さで形成されることが好ましい。後述する金属繊維４の一方の端部である先端が入り込むと共に、プライマー層５から突出している金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に保持することができるようにするためである。

プライマー層５には、シランカップリング剤、もしくは、その加水分解物を別途添加しても良い。これにより、プライマー層５を介しての金属部材３と後述する樹脂層２とのより強固な密着性を得ることができる。

尚、金属部材３の他方の表面は、外部に露出している。

（樹脂層）
樹脂層２は、プライマー層５上に、溶融された樹脂が射出成形で形成される。ここで、樹脂層２を構成する樹脂は、通常の射出成形に用いられる樹脂組成物であれば、特に限定されない。樹脂層２に用いられる樹脂は、例えば、プロピレン（ＰＰ）、ポリアミド、ポリエチレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂が用いられる。

また、樹脂層２には、金属繊維４が分散して含まれる。金属繊維４の構成は、第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１の金属繊維４と同様であり、その説明を省略する。

樹脂層２は、第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１と同様に、射出成形機による射出成形法により成形する。射出成形法による樹脂層２の成形では、金属繊維４を含む樹脂ペレットの射出成形により、比較的早い速度で金属部材３の一方の表面５３に施されたプライマー層５に射出し、金属部材３の一方の表面５３に施されたプライマー層５へ樹脂が流し込まれる。

樹脂層２の射出成形時に、金属繊維４が樹脂の渦流動に巻き込まれながらプライマー層５の表面５２に流動していく。ここで、図２に示すように、金属繊維４の一方の端部である先端が軟らかいプライマー層５の表面５２に入り込むとともに、金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に突き出ている係合部５１が形成される。そのため、係合部５１において、金属繊維４の一方の端部である先端がプライマー層５の表面５２に引っかかると共に、金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に保持されることにより、樹脂層２と金属部材３とが容易に剥離せず、高い剛性の金属・樹脂複合部材１を得ることができる。尚、図２において、係合部５１は、プライマー層５の表面５２に引っかかっている金属繊維４の一方の端部である先端を、破線で囲んで示している。

尚、係合部５１が形成されていない部分については、プライマー層５の上述の接着効果により、プライマー層５を介して、金属部材３と樹脂層２とが接着される。また、樹脂層２に含まれる金属繊維４は、少なくともその一部が係合部５１を形成していればよく、全部が係合部５１を形成していなくてもよいし、全部が係合部５１を形成していてもよい。

また、樹脂の流動により、樹脂層２に金属繊維４の絡まった部分が構成される。これにより、金属・樹脂複合部材１の剛性をより高めることができる。

第二の実施形態に係る金属・樹脂複合部材１によれば、金属部材３の表面にプライマー層５を形成するため、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用することができる。また、金属部材３表面に金属繊維４の繊維長さより薄いプライマー層５を有しているため、射出成形により金属繊維４の一方の端部である先端がプライマー層５に食い込むと共に、金属繊維４の他方の端部である突端が樹脂層２に突き出て係合するため、樹脂層２と金属部材３とが容易に剥離せず高い剛性の金属・樹脂複合部材１を得ることができる。更に、樹脂層２に金属繊維４が分散して含まれているため、繊維強化により金属・樹脂複合部材１の強度が向上する。

次に、本発明に係る実施例について説明する。本実施例では、下記各部材を用いて、実施例１〜３の金属・樹脂複合部材を作製すると共に、実施例と比較するための比較例として、下記各部材を用いて、比較例１〜３の金属・樹脂複合部材を作製した。

（実施例１）
実施例１の金属・樹脂複合部材は、上述の第一の実施形態に係る金属・樹脂複合部材の実施例である。

まず、金属部材３として、アルミニウム合金（具体的には、板厚１．０ｍｍのＪＩＳ５０８２合金板）を用いて、表面に凹部（ピット）３１を設ける電解エッチング処理を行った。電解エッチング処理においては、表面をアルカリ脱脂し、硝酸（ＨＮＯ₃、濃度０．４ｍｏｌ／ｌ）を使用して、その液温を４０℃に保持し、更に、電流密度を１０００Ａ／ｍ²（１０Ａ／ｄｍ²）とした。そして、５秒間通電して（電気量５０００Ｃ／ｍ²）、アルミニウム合金板に電解エッチングを施した。

次に、射出成形機の金型内のキャビティに上記金属部材３を配置して、樹脂層２の射出成形を行った。ここで、樹脂層２に使用した樹脂は、ベースがポリプロピレン樹脂である。そして、樹脂の中にＳＵＳの強化繊維を金属繊維４として含有率２０％で含有させて作成した樹脂ペレットを用いて、射出成形を行った。尚、ＳＵＳの金属繊維は、繊維径８μｍ、繊維長さ３ｍｍのものを用いた。次に、成形温度２３０℃、金型温度１４０℃で射出成形を行い、金属部材３の表面に厚み２ｍｍの樹脂層２を形成した。

（実施例２）
実施例２の金属・樹脂複合部材は、上述の第二の実施形態に係る金属・樹脂複合部材の実施例である。

まず、金属部材３として、アルミニウム合金（具体的には、板厚１．０ｍｍのＪＩＳ５０８２合金板）を用いて、表面にプライマー処理を行った。プライマー処理では、表面を脱脂した後に、三井化学製ユニストールＲ−３００（登録商標）を用いて、プライマー層５（乾燥膜厚５μｍ）を設けた。尚、プライマー処理前に、リン酸クロメート、Ｔｉ−Ｚｒ等のノンクロメート化成処理を行っても良い。

次に、射出成形機の金型内のキャビティに上記金属部材３を配置して、樹脂層２の射出成形を行った。ここで、樹脂層２に使用した樹脂は、ベースがポリプロピレン樹脂である。そして、樹脂の中にＳＵＳの強化繊維を金属繊維４として含有率２０％で含有させた樹脂ペレットを作成した。尚、ＳＵＳの金属繊維は、繊維径８μｍ、繊維長さ３ｍｍのものを用いた。次に、成形温度２３０℃、金型温度１４０℃で射出成形を行い、金属部材３の表面に厚み２ｍｍの樹脂層２を形成した。

（実施例３）
実施例３の金属・樹脂複合部材は、上述の第二の実施形態に係る金属・樹脂複合部材の実施例である。

まず、金属部材３として、鋼部材（具体的には、板厚０．８ｍｍのＧＡめっき鋼板）を用いて、表面にプライマー処理を行った。プライマー処理では、表面を脱脂した後に、ダイセルエボニック製ベスタメルト（登録商標）を用いて、プライマー層５（乾燥膜厚５μｍ）を設けた。尚、プライマー処理前に、リン酸クロメート、Ｔｉ−Ｚｒ等のノンクロメート化成処理を行っても良い。

（比較例１）
比較例１の金属・樹脂複合部材では、金属部材として、アルミニウム合金（具体的には、板厚１．０ｍｍのＪＩＳ５０８２合金板）を用いて、表面に脱脂処理のみを行った。

次に、射出成形機の金型内のキャビティに上記金属部材を配置して、樹脂層の射出成形を行った。ここで、樹脂層に使用した樹脂は、ベースがポリプロピレン樹脂である。そして、樹脂の中にＳＵＳの強化繊維を金属繊維として含有率２０％で含有させて作成した樹脂ペレットを用いて、射出成形を行った。尚、ＳＵＳの金属繊維は、繊維径８μｍ、繊維長さ４ｍｍのものを用いた。次に、成形温度２３０℃、金型温度１４０℃で射出成形を行い、金属部材の表面に厚み２ｍｍの樹脂層を形成した。

（比較例２）
比較例２の金属・樹脂複合部材では、金属部材として、アルミニウム合金（具体的には、板厚１．０ｍｍのＪＩＳ５０８２合金板）を用いて、表面に凹部（ピット）を設ける実施例１と同様の電解エッチング処理を行った。

次に、射出成形機の金型内のキャビティに上記金属部材を配置して、樹脂層の射出成形を行った。ここで、樹脂層に使用した樹脂は、ベースがポリプロピレン樹脂である。そして、樹脂の中にＳＵＳの強化繊維を金属繊維として含有率２０％で含有させて作成した樹脂ペレットを用いて、射出成形を行った。尚、ＳＵＳの金属繊維は、繊維径４０μｍ、繊維長さ５ｍｍのものを用いた。次に、成形温度２３０℃、金型温度１４０℃で射出成形を行い、金属部材の表面に厚み２ｍｍの樹脂層を形成した。

（比較例３）
比較例３の金属・樹脂複合部材では、金属部材として、アルミニウム合金（具体的には、板厚１．０ｍｍのＪＩＳ５０８２合金板）を用いて、表面に凹部（ピット）を設ける実施例１と同様の電解エッチング処理を行った。

次に、射出成形機の金型内のキャビティに上記金属部材を配置して、樹脂層の射出成形を行った。ここで、樹脂層に使用した樹脂は、ポリプロピレン樹脂のみであり、金属繊維は含有させない。そして、成形温度２３０℃、金型温度１４０℃で射出成形を行い、金属部材の表面に厚み２ｍｍの樹脂層を形成した。

（引張せん断試験）
そして、上記実施例１〜３の金属・樹脂複合部材及び比較例１〜３の金属・樹脂複合部材について、それぞれ、樹脂部分と金属部分の一部を機械加工により除去して、幅３０ｍｍ、長さ２００ｍｍの試験片を作成し、引張せん断試験を行った。実施例１〜３の金属・樹脂複合部材及び比較例１〜３の金属・樹脂複合部材のそれぞれについての引張せん断試験の結果を以下の表１に示す。

表１の結果から、金属部材の表面に凹部形成またはプライマー処理を施し、且つ、樹脂層に繊維径８μｍ、繊維長さ４ｍｍのＳＵＳを含有している実施例１〜３の金属・樹脂複合部材は、引張せん断強度が１８ｋＮ／ｍｍと高い数値を表している。一方、金属部材の表面が平滑な比較例１の金属・樹脂複合部材、金属部材の表面に凹部形成を施し、樹脂層に繊維径４０μｍ、繊維長さ５ｍｍのＳＵＳを含有している比較例２の金属・樹脂複合部材、金属部材の表面に凹部形成を施し、樹脂層にＳＵＳを含有していない比較例３の金属・樹脂複合部材は、引張せん断強度が１５ｋＮ／ｍｍと、実施例１〜３の金属・樹脂複合部材と比較して低下していることが分かった。

（考察）
上述の引張せん断試験より、以下のことが明らかになった。

金属と樹脂とが強固に接合された剛性の高い金属・樹脂複合部材を得るためには、金属部材の表面に凹部が形成され、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれていることが適していることが明らかになった。

即ち、表１の結果から、金属部材の表面が平滑であり、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている比較例１の金属・樹脂複合部材と比較して、金属部材の表面に凹部が形成されており、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている実施例１の金属・樹脂複合部材の方が、高い引張せん断強度が確認されたことに基づいている。これは、実施例１の金属・樹脂複合部材では、射出成形により金属繊維の一方の端部である先端が金属部材の表面に形成された凹部に食い込むと共に、金属繊維の他方の端部である突端が樹脂層に突き出て係合する係合部を構成するため、より強固に金属部材と樹脂層とが係合されているからであると考えられる。一方、比較例１の金属・樹脂複合部材では、金属部材の表面が平滑であるため、樹脂層の金属繊維が係合する係合部による係合効果が得られていないからであると考えられる。

また、表１の結果から、金属部材の表面に凹部が形成されており、且つ、樹脂層に、繊維径４０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている比較例２の金属・樹脂複合部材と比較して、金属部材の表面に凹部が形成されており、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている実施例１の金属・樹脂複合部材の方が、高い引張せん断強度が確認されたことに基づいている。これは、比較例２の金属・樹脂複合部材では、実施例１の金属・樹脂複合部材で用いた金属繊維よりも太い金属繊維を用いているため、金属繊維の剛性自体が高くなりすぎ、金属部材表面に形成された凹部への樹脂の流れ込みが阻害され、係合部を構成できないからであると考えられる。

更に、表１の結果から、金属部材の表面に凹部が形成されており、且つ、樹脂層に、金属繊維が含まれていていない比較例３の金属・樹脂複合部材と比較して、金属部材の表面に凹部が形成されており、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている実施例１の金属・樹脂複合部材の方が、高い引張せん断強度が確認されたことに基づいている。これは、比較例３の金属・樹脂複合部材では、実施例１の金属・樹脂複合部材の樹脂層に含まれる金属繊維が含まれていないため、樹脂層の金属繊維が係合する係合部による係合効果が得られていないからであると考えられる。

尚、金属部材の表面が平滑であり、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている比較例１と、金属部材の表面に凹部が形成されており、且つ、樹脂層に、金属繊維が含まれていていない比較例３とを比較すると、引張せん断強度が同じであるため、金属部材の表面に凹部を設けたことによる金属部材と樹脂層とのアンカー効果はあまり得られていないことがわかる。これにより、電解エッチング処理により設けた凹部では、アンカー効果が顕著に発揮するほどの表面粗さが得られないことがわかる。

また、金属と樹脂とが強固に接合された剛性の高い金属・樹脂複合部材を得るためには、金属部材の表面にプライマー処理が施され、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれていることが適していることが明らかになった。

即ち、表１の結果から、金属部材の表面が平滑であり、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている比較例１の金属・樹脂複合部材と比較して、金属部材の表面にプライマー処理が施されており、且つ、樹脂層に、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が含まれている実施例２及び３の金属・樹脂複合部材の方が、高い引張せん断強度が確認されたことに基づいている。これは、実施例２及び３の金属・樹脂複合部材では、射出成形により金属繊維の一方の端部である先端が金属部材の表面に施されたプライマー層に食い込むと共に、金属繊維の他方の端部である突端が樹脂層に突き出て係合する係合部を構成するため、より強固に金属部材と樹脂層とが係合されているからであると考えられる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及び実施例に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態及び実施例の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明を利用すれば、閉断面や立体的形状の構造部材にも適用でき、強度を保ちつつ、金属と樹脂とが強固に接合された剛性の高い金属・樹脂複合部材を提供することができる。

１金属・樹脂複合部材
２樹脂層
３金属部材
４金属繊維
５プライマー層
３１凹部
３２係合部
５１係合部

Claims

金属部材と、前記金属部材の表面側に樹脂が射出成形された樹脂層と、が積層された金属・樹脂複合部材であって、
前記樹脂層には、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が分散して含まれ、
前記金属部材の表面には、その開口径が前記金属繊維の繊維径よりも大きく、前記金属繊維の繊維長さよりも小さくなるように形成され、前記金属繊維の繊維長さより小さい深さの凹部が多数形成され、
前記金属繊維の一方の端部である先端が前記樹脂とともに前記凹部に入り込むとともに、前記金属繊維の他方の端部である突端が前記樹脂層に突き出ている係合部が形成されていることを特徴とする金属・樹脂複合材料。
前記凹部の深さは、前記金属繊維の繊維長さの１／１０００〜１／１００倍であることを特徴とする請求項１に記載の金属・樹脂複合材料。
前記凹部の開口径は、前記金属繊維の繊維径の２〜５倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属・樹脂複合材料。
前記凹部は、前記金属部材の表面に対する方向が垂直であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属・樹脂複合材料。
金属部材と、前記金属部材の表面側に樹脂が射出成形された樹脂層と、が積層された金属・樹脂複合部材であって、
前記樹脂層には、繊維径２〜３０μｍ、繊維長さ１〜５ｍｍの金属繊維が分散して含まれ、
前記金属部材の表面には、前記金属繊維の繊維長さより薄いプライマー層が形成され、
前記金属繊維の一方の端部である先端が前記プライマー層の表面に入り込み込むと共に、前記金属繊維の他方の端部である突端が前記樹脂層に突き出ている係合部が形成されていることを特徴とする金属・樹脂複合材料。
前記プライマー層は、前記金属繊維の繊維長さの１／１０００〜１／１００倍の厚さであることを特徴とする請求項５に記載の金属・樹脂複合材料。
前記樹脂層に含まれる前記金属繊維の含有量は、５〜２０質量％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属・樹脂複合材料。
前記金属繊維の繊維長さは、３〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属・樹脂複合材料。
前記樹脂層の厚みが、最も厚みの薄い箇所で１．８〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属・樹脂複合材料。