JP6729535B2

JP6729535B2 - 金属樹脂接合成形品の製造方法

Info

Publication number: JP6729535B2
Application number: JP2017214641A
Authority: JP
Inventors: 康治清水; 恭彦弓立
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: JP2018058368A

Description

本発明は、金属成形体と樹脂成形体とを接合してなる成形品、当該成形品に専ら用いられる金属部品およびそれらの製造方法に関する。

各種部品の軽量化の観点から、金属代替品として樹脂成形体が使用されているものの、機械的強度などの問題から全ての金属部品を樹脂で代替することが難しい場合には、金属成形体と樹脂成形体を接合一体化して得られる複合成形品（以下、金属樹脂接合成形品ということがある）が用いられている。このような金属樹脂接合成形品として、例えば、金属表面に対して、レーザー照射を行い、微小な凹部を形成して、アンカー効果により接合する方法が挙げられる（特許文献１、２、３）。しかし、レーザー照射により形成された金属表面は非常に粗いため、樹脂との接触面における摩擦力が向上し、該境界面と同方向に働くせん断力に対しては耐久性を保持するものの、樹脂との密着性が低くなる。このため、冷熱サイクル試験を行うと、樹脂の膨張−収縮に伴ってサブミクロンレベルで界面剥離が発生しやすく、それゆえ、金属成形体と樹脂成形体の接合強度、特に耐冷熱サイクル性が低いという問題があった。このため、レーザー照射法による、金属樹脂接合成形品は実用化に至っていないのが現状である。

国際公開２００７／０７２６０３パンフレット特開２０１０−１６７４７５号公報特開２０１３−１０７２７３号公報

そこで本発明が解決しようとする課題は、レーザー照射法により表面処理を行った金属成形体を用いて、高い接合強度、特に優れた耐冷熱サイクル性を有する金属樹脂接合成形品、当該金属樹脂接合成形品を製造可能な金属成形体およびそれらの製造方法を提供することにある。

本願発明者らは種々の検討を行った結果、金属部品表面にレーザー照射で凹部を形成する際に、該金属部品表面と該凹部側面とのなす角を特定角度とすることで、樹脂が流れ込み固化した後にひっかかりとなる部位が形成されることで接合部に対して垂直方向に引っ張る力に対し、当該ひっかかりにより高い接合強度、特に優れた耐冷熱サイクル性を発揮することを見出し、本発明を解決するに至った。

すなわち、本発明は金属成形体を射出成形機の金型にインサートして、前記金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合するよう射出成形する金属樹脂接合成形品の製造方法であって、熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部が形成されており、かつ、該金属成形体表面と該凹部側面とのなす角が１０〜５５℃の範囲であることを特徴とする金属樹脂接合成形品の製造方法に関する。

また、本発明は、金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合してなる金属樹脂接合成形品であって、熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部が形成されており、かつ、該金属成形体表面と該凹部側面とのなす角が１０〜５５度の範囲であることを特徴とする金属樹脂接合成形品に関する。

また、本発明は、金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合してなる金属樹脂接合成形品用金属成形体であって、熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部が形成されており、かつ、該金属成形体表面と該凹部側面とのなす角が１０〜５５度の範囲であることを特徴とする金属樹脂接合成形品用金属成形体に関する。

また、本発明は、金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合してなる金属樹脂接合成形品用金属成形体の製造方法であって、前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部が形成し、かつ、レーザー照射角と該金属成形体表面とのなす角が１０〜５５度の範囲であることを特徴とする金属樹脂接合成形品用金属成形体の製造方法に関する。

本発明により、レーザー照射法により表面処理を行った金属成形体を用いて、高い接合強度、特に優れた耐冷熱サイクル性を有する金属樹脂接合成形品、当該金属樹脂接合成形品を提供可能な金属成形体およびそれらの製造方法を提供できる。

レーザー照射により金属成形品に形成された凹部の断面図（金属成形体の厚み方向への断面図）である。レーザー照射により金属成形品に凹部を形成する方法を説明するための模式図であり、レーザー光を金属成形体に照射する様子を示す断面図（金属成形体の厚み方向への断面図）である。レーザー照射により金属成形品表面に形成された凹部の平面図である。金属樹脂接合成形品の断面図であって、レーザー照射により金属成形品表面に形成された凹部と樹脂の境界面の拡大図である。

本発明の金属樹脂接合成形品に用いる金属成形体は、前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部を形成し、かつ、レーザー照射角と該金属成形体表面とのなす角を１０〜５５度の範囲とすることにより製造することができる。

本発明に用いる金属成形体の材質は特に制限されるものではなく、用途に応じて公知の金属からなる成形体を適宜選択することができる。例えば、鉄、各種ステンレス、アルミニウム又はその合金、銅、マグネシウム、チタン及びそれらを含む合金から選ばれる成形体を挙げることができる。また、金属成形体表面には予め、陽極酸化処理等の表面処理や塗装が施されていても良い。本発明に用いる金属成形体は、用途等に応じて所望の形状に成形した金属部品を使用することができ、たとえばレーザー照射前に、所望の形状の型に溶融した金属等を流し込むことで、所望の形状に成形するか、工作機械等による切削加工等切削等により、所望の形状に加工してもよい。また、レーザー照射後に、工作機械等による切削加工等切削等により、所望の形状に加工してもよい。

本発明の金属成形体は、上記の金属部品の表面に、レーザーを用いて、凹部を形成する。凹部を形成する位置や、凹部の範囲の大きさは、樹脂との接合部の位置を考慮して決定すればよい。

金属成形体表面に対するレーザー照射は、金属成形体表面の平面方向に対して１０〜５５度の角度（金属成形体表面の法線方向に対しては３５〜８０度の角度）をつけた状態でレーザー光を当てる。図１は形成された凹部の断面を（金属成形体の厚み方向への断面）を模式的に示した図である。図１に示すように、レーザー照射された金属成形品は、側面３と底面４からなる凹部が形成される。当該凹部の側面３と該金属成形体表面２とのなす角θは１０〜５５度の範囲である。

レーザー照射を行う際は、予めキャプチャーした表面構造を複製した３Ｄトポグラフィのデジタルデータを用意しておき、当該デジタルデータを使用して、レーザー光を金属成形体表面の所定の位置に照射し、さらに、所望の深さとするため、レーザー光の合焦を絶え間なく変化させることで、金属成形体表面に凹部を形成する。また、レーザー光を金属成形体表面の所定の位置に照射する際は、レーザー光を所定の角度に固定した上で金属成形体をスライドさせて金属成形体表面にレーザー照射して凹部を形成する方法、金属成形体を固定するかまたはスライドさせ、レーザー光を所定の角度になるよう可動させながら、金属成形体表面にレーザー照射して凹部を形成する方法などが挙げられる。

また、金属成形体表面に形成された凹部の軌跡、すなわちレーザー照射跡は、金属成形体表面の法線方向から金属成形体表面を見て、ドット状の独立した多数の孔として形成されるか、ドット状の孔を連続して形成して、全体として直線（点線）、曲線（点線からなる曲線）、直線及び／又は曲線からなる図形等となるよう形成することもできる。例えば、直径の異なる複数の同心円を形成したり、渦巻きを形成したり、多数の水玉模様を形成したりできる。その他、金属成形体の接合面の形状（三角形、四角形、六角形、楕円形、不定形等）に応じて、上記した円形のものと同様にしてレーザー照射することもできる。

金属成形体表面の法線方向から金属成形体表面を見て、レーザー照射により形成された凹部の開口径は特に制限されるものではないが、３０〜２００μｍの範囲が好ましく、さらに５０〜１５０μｍの範囲がより好ましい。一方、該凹部の深さも特に制限されるものではないが、１〜２０００μｍの範囲が好ましく、５〜１０００μｍの範囲がより好ましく、１０〜５００μｍの範囲がさらに好ましく、２０〜１００μｍの範囲が最も好ましい。

レーザー照射に使用するレーザーは公知のものを使用することができ、例えば、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。

次に、本発明の金属樹脂接合成形品は前記金属成形体を射出成形機の金型にインサートして、前記金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合するよう射出成形することによって得られる。その際、凹部を形成した金属成形体表面を接合面となるよう金型内に配置して、前記樹脂成形体となる樹脂をインサート成形する。

インサート成形方法は特に制限されるものではなく、金型内に溶融状態の熱可塑性樹脂、エラストマーを射出する方法を適用することができる。

該熱可塑性樹脂としては、用途に応じて公知の熱可塑性樹脂から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル／スチレン樹脂、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、メタクリル樹脂、塩化ビニル、ポリアミド、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルペンテン、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶性樹脂、ポリテトラフロロエチレン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミドなどが挙げられる。

さらに、エラストマーとしては、さらにエポキシ基、カルボキシ基またはその塩、酸無水物基、アミノ基およびイソシアネート基からなる群から選ばれる少なくとも一種の官能基を含有するオレフィン系共重合体やスチレン・ブタジエン系、ポリオレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、１，２−ポリブタジエン、ポリ塩化ビニル系、アイオノマー系の各種ゴム類を挙げることができる。

これらの樹脂のうち、凹部により形成されたひっかかり部位に溶融した樹脂が容易に流れ込むため、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶性樹脂（ＬＣＰ）が好ましい樹脂として挙げられる。

また、これらの熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーに、本発明の効果を損ねない範囲で従来公知の各種無機・有機充填剤、難燃剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、光安定剤、着色剤、カーボンブラック、離型剤、可塑剤等の添加剤公知の繊維状充填材を配合することができる。

また、インサート成形前に金属成形体表面をエポキシ基、アミノ基、イソシアネート基、水酸基、メルカプト基およびウレイド基から成る群から選ばれる少なくとも一種の官能基を有するアルコキシシランで前処理することもできる。

本発明の金属樹脂接合成形品は、上記の通り、金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合してなる金属樹脂接合成形品であって、熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部が形成されており、かつ、該金属成形体表面と該凹部側面とのなす角が１０〜５５度の範囲であることを特徴とする。

本発明の成形品は、レーザー照射により形成された金属表面は非常に粗いため、樹脂との密着性が低くなるものの、樹脂との接触面における摩擦力が向上し、該境界面と同方向に働くせん断力に対しては耐久性を保持しつつ、該金属部品表面と該凹部側面とのなす角を特定角度とすることで、樹脂のひっかかり部位が形成され、それにより高い接合強度、特に、冷熱サイクルにより樹脂が膨潤、収縮を繰り返した場合であっても、優れた耐冷熱サイクル性を発揮することができる。

本発明の金属樹脂接合成形品は、樹脂と金属成形体との密着性に優れるため、各種用途に好適に使用することができ、電気・電子部品、携帯電話、カメラ、ビデオ一体型カメラ、デジタルカメラ等の携帯用映像電子機器の筐体、ノート型パソコン、ポケットコンピュータ、電卓、電子手帳、ＰＤＣ、ＰＨＳ、携帯電話等の携帯用情報あるいは通信端末の筐体、ＭＤ、カセットヘッドホンステレオ、ラジオ等の携帯用音響電子機器の筐体、液晶ＴＶ・モニター、電話、ファクシミリ、ハンドスキャナー等の家庭用電化機器の筐体等として有用である。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。これら例は例示的なものであって限定的なものではない。

（実施例１〜３、比較例１〜３）
・金属成形体
図２に示すように、リン青鋼に膜厚２μｍの金メッキをした金属部品表面に対し、表１に記載した角度（角度θ）となるよう光軸を設定し、レーザー照射して金属部品表面に凹部を形成した。その際、レーザー照射は、Ｃｏｂｒａ，Ｅｌｅｃｔｒｏｘ社製（レーザタイプ：継続波／Ｑｓｗｉｃｈ付Ｎｄ：ＹＡＧ、発振波長：１．０６４μｍ、最大定格出力：２０Ｗ（平均））を用いた。レーザー照射は、当該照射によりドット状に形成された凹部の開口径が３０μｍ、深さが４０μｍとなるよう調整した。なお、開口径、凹部深さはレーザー顕微鏡（株式会社キーエンス社製、「ＶＫ−９５１０」）を用いて測定した。金属表面のレーザー照射跡は、ドット状に形成された凹部を連続して形成して、略平行に並ぶ複数の直線状に照射跡を形成した後、９０度回転した方向に略平行に並ぶ複数の照射跡とを交差させて、網目状になるよう形成した（図３）。

・金属樹脂接合成形品
金属成形体を射出成形用の金型内に配置し、ポリフェニレンスルフィド樹脂（ＤＩＣ．ＰＰＳＺ−２３０）を竪型射出成形機（ソディック社製「ＴＲ−４０ＶＲ」、シリンダ温度３３５℃、金型温度８５℃、保圧力６００ｋｇ／ｍ^２、射出速度１００ｍｍ／ｓ）を用いて射出成形して、金属樹脂接合成形品を製造した（図４）。

（測定法１）引っ張り強度試験
得られた金属樹脂接合成形品を接合面に対し垂直方向に引っ張り、２５℃、１５０℃雰囲気下で、ＩＳＯ５２７に準拠した引っ張り強度試験を実施し、得られた最大応力値を密着強度〔ＭＰａ〕とした。

（測定法２）冷熱サイクル試験
得られた金属樹脂接合成形品に対して、−４０℃⇔１５０℃の冷熱１０００サイクルを与えた後、２５℃雰囲気下で、測定法１と同様にＩＳＯ５２７に準拠した引っ張り強度試験を実施した。

比較例３では剥離後の樹脂成形体に、金属成形体の一部が付着していた。

１金属成形体
２金属成形体表面
３凹部側面
４凹部底面
θ 金属成形体表面と凹部側面のなす角
５レーザー光の光軸
６凹部
７樹脂

Claims

金属成形体を射出成形機の金型にインサートして、前記金属成形体と熱可塑性樹脂材料が接合するよう射出成形する金属樹脂接合成形品の製造方法であって、
熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面に、レーザー照射で凹部を形成し、かつ、レーザー照射角と該金属成形体表面とのなす角を４５〜５５度の範囲とすること、かつ、該熱可塑性樹脂材料がポリフェニレンサルファイドであること、
前記熱可塑性樹脂材料が、前記熱可塑性樹脂材料に加え、さらにエポキシ基、カルボキシ基またはその塩、酸無水物基、アミノ基およびイソシアネート基からなる群から選ばれる少なくとも一種の官能基を含有するオレフィン系共重合体を含むことを特徴とする金属樹脂接合成形品の製造方法。
熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面のレーザー照射跡が孔、直線、曲線およびそれらの組合せである請求項１記載の金属樹脂接合成形品の製造方法。
熱可塑性樹脂材料と接合する前記金属成形体表面のレーザー照射跡が網目状である請求項１記載の金属樹脂接合成形品の製造方法。