JP7184177B2 - 接合用金属部材及び接合体 - Google Patents

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Description

本開示は、接合用金属部材及び接合体に関する。
車両等に用いられる各種成形体では、軽量化を目的として、鉄鋼材料とアルミニウム合金、マグネシウム合金等の軽量金属材料との異種金属接合、鉄鋼材料又は軽量金属材料と樹脂材料との異種材料接合などが検討されている。鉄鋼材料又は軽量金属材料と樹脂材料との異種材料接合により、さらなる軽量化が期待できる。
そのため、金属成形体と樹脂成形体とを接合して一体化することで新たな複合部品を製造する方法が検討されている。例えば、加工速度を高めることができ、かつ異なる方向の接合強度も高めることができる方法として、金属成形体の表面に対して、連続波レーザーを使用して２０００ｍｍ／ｓｅｃ以上の照射速度でレーザー光を連続照射することで前記金属成形体の表面を粗面化する、金属成形体の粗面化方法及び複合成形体の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許第５７７４２４６号 特許第５７０１４１４号
しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、金属成形体を粗面化した場合、粗面化前の金属成形体表面である基準面よりも低い位置に凸形状が形成されるものの、基準面よりも高い位置には凸形状がほとんど形成されないことがある。そのため、十分なアンカー効果が得られず、粗面化された金属成形体と樹脂成形体等との接合強度が不十分となる場合がある。
本開示は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであり、樹脂部材との接合強度に優れる接合用金属部材及びこの接合用金属部材と樹脂部材とを接合した接合体を提供することを目的とする。
前記課題を達成するための具体的手段は以下の通りである。
＜１＞ 平滑部と凹凸部とを一の面に有し、
前記平滑部の表面を基準面としたときに、前記凹凸部が、前記基準面よりも低い位置から前記基準面よりも高い位置まで突出する複数の突起を有し、
前記突起の前記基準面からの平均高さが、５０μｍ以上である接合用金属部材。
＜２＞ 前記複数の突起の少なくとも一部が、根元から先端に向けて縮径した後に拡径する構造を有する＜１＞に記載の接合用金属部材。
＜３＞ ＜１＞又は＜２＞に記載の接合用金属部材と、
前記接合用金属部材における前記平滑部と前記凹凸部とを有する面と接合する樹脂部材と、
を有する接合体。
本開示によれば、樹脂部材との接合強度に優れる接合用金属部材及びこの接合用金属部材と樹脂部材とを接合した接合体を提供することができる。
接合用金属部材の一実施形態における平滑部と凹凸部とを有する面の断面を、基準面よりも高い位置から撮影した断面写真（実施例における黄銅製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真）である。 接合用金属部材の他の実施形態における凹凸部の断面写真（実施例におけるアルミニウム製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真）である。 接合用金属部材の他の実施形態における、凹凸部を撮影した平面写真である。 ＩＳＯ１９０９５に準拠した試験片の形状を説明するための図である。 実施例における銅製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真である。 比較例におけるアルミニウム製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真である。
以下、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本開示を制限するものではない。
本開示において「～」を用いて示された数値範囲には、「～」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において、各成分には、該当する物質が複数種含まれていてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において、各成分に該当する粒子には、複数種の粒子が含まれていてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「（メタ）アクリル」はアクリル及びメタクリルの少なくとも一方を意味する。
＜接合用金属部材＞
本開示の接合用金属部材は、平滑部と凹凸部とを一の面に有し、前記平滑部の表面を基準面としたときに、前記凹凸部が、前記基準面よりも低い位置から前記基準面よりも高い位置まで突出する複数の突起を有し、前記突起の前記基準面からの平均高さが、５０μｍ以上とされたものである。
本開示の接合用金属部材は、樹脂部材との接合強度に優れる。その理由は明確ではないが、以下のように推察される。
接合用金属部材が、凹凸部が基準面よりも低い位置から基準面よりも高い位置まで突出する複数の突起を有し、突起の基準面からの平均高さが５０μｍ以上であるため、凹凸部に樹脂部材を構成する樹脂が含浸する際に、樹脂が基準面よりも下まで到達しなくとも、基準面よりも高い位置まで突出した突起に樹脂がからみつきやすくなる。その結果、十分なアンカー効果が得られ、接合用金属部材と樹脂部材とが強固に接合することができるためと推察される。
以下、本開示の接合用金属部材を図面に基づいて説明する。
なお、以下の実施形態では、接合用金属部材の一例として、金属部材の表面にレーザー光を照射して凹凸部を設けることで形成された接合用金属部材に基づいて、本開示の接合用金属部材を説明する。ただし、接合用金属部材を構成する材料、接合用金属部材の製造方法等は、特に限定されるものではない。
図１は、接合用金属部材の一実施形態における平滑部と凹凸部とを有する面の断面を、基準面よりも高い位置から撮影した断面写真を示し、後述の実施例３における黄銅製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真の一例に該当する。図１には、平滑部と凹凸部とを有する面における平滑部及び凹凸部を含む箇所についての断面が示されている。図１には、接合用金属部材における平滑部と凹凸部とを有する面の全体に延長された基準面が、点線で表されている。
図２は、接合用金属部材の他の実施形態における凹凸部の断面写真を示し、後述の実施例１におけるアルミニウム製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真の一例に該当する。
本開示において、突起の基準面からの高さとは、図２に示すように、基準面と直交する断面を観察したときに、基準面と平行し突起の最も高い位置に接する面Ａと、基準面と、の間の距離をいう。
本開示において、突起の基準面からの平均高さとは、上述のようにして求められた５個の突起についての基準面からの高さの算術平均値をいう。
図１に示すように、接合用金属部材における一の面には、平滑部１０と凹凸部１２とが存在する。凹凸部１２には、図１又は図２に示すように、基準面よりも低い位置から基準面よりも高い位置まで突出する複数の突起１４が存在する。
突起１４の基準面からの平均高さは、本開示では５０μｍ以上の範囲とされる。
平均高さが５０μｍ以上であれば、樹脂部材と接合用金属部材との接合強度が大きくなる傾向にある。なお、平均高さの上限に特に限定はないが、接合用金属部材の生産性の観点及び接合用金属部材へのダメージ軽減の観点から、平均高さは１０００μｍ以下であってもよい。
突起１４の基準面からの平均高さは、５０μｍ～１０００μｍであることが好ましく、７０μｍ～５００μｍであることがより好ましく、９０μｍ～２００μｍであることがさらに好ましい。
凹凸部１２における突起１４の密度は、５個／ｍｍ２～５０個／ｍｍ２であることが好ましく、１０個／ｍｍ２～３０個／ｍｍ２であることがより好ましく、１０個／ｍｍ２～２５個／ｍｍ２であることがさらに好ましい。
図３は、接合用金属部材の他の実施形態における、凹凸部を撮影した平面写真である。図３に示すように、凹凸部には、複数の突起１４が存在する。複数の突起１４の少なくとも一部は、根元から先端に向けて縮径した後に拡径する構造を有している。突起１４がこのような構造を有するとアンカー効果がより効果的に発揮され、樹脂部材との接合強度が向上する傾向にある。
根元から先端に向けて縮径した後に拡径する構造を有する突起の割合は特に限定されるものではなく、全ての突起に占める根元から先端に向けて縮径した後に拡径する構造を有する突起の割合は、５０個数％～１００個数％であることが好ましく、７０個数％～１００個数％であることがより好ましく、９０個数％～１００個数％であることがさらに好ましい。
接合用金属部材を構成する金属は特に限定されるものではなく、接合用金属部材を用いて形成される接合体の用途に応じて公知の金属材料から適宜選択することができる。接合用金属部材を構成する金属としては、例えば、鉄、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅及びマグネシウム並びにこれらを含む合金を挙げることができる。合金としては、例えば、各種ステンレス及び銅－亜鉛合金（黄銅）を挙げることができる。
接合用金属部材における平滑部と凹凸部とを有する面には、メッキ処理、アルマイト処理等の表面処理を施してもよい。
接合用金属部材の形状は特に限定されるものではなく、接合用金属部材を用いて形成される接合体の用途に応じて適宜選択することができる。接合用金属部材の形状としては、例えば、板状、球状、曲面を有する形状、段部を有する形状等を挙げることができる。
接合用金属部材の凹凸部を有する面は、平面であってもよい。
金属部材に凹凸部を形成する方法は特に限定されるものではない。金属部材に凹凸部を形成する方法としては、上述のように、金属部材の表面にレーザー光を照射して凹凸部を設ける方法等が挙げられる。
以下に、金属部材の表面にレーザー光を照射して凹凸部を設ける方法を採用した際の各種条件等について説明する。
なお、下記各種条件は、接合用金属部材を構成する金属の種類、突起の高さ等に鑑みて適宜設定されるものである。
金属部材の表面にレーザー光を照射して凹凸部を設ける場合、パルスレーザーを用いても、連続発振（ＣＷ、Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザーを用いてもよい。ＣＷレーザーを用いる場合、ＣＷレーザーは周期的にレーザーの出力を変化させる変調ＣＷレーザーであってもよい。
ＣＷレーザーを用いる場合、ＣＷレーザーの照射速度（スキャン速度）は特に限定されるものではない。
ＣＷレーザーの照射速度としては、１００ｍｍ／ｓｅｃ～２０００ｍｍ／ｓｅｃであることが好ましい。
ＣＷレーザーの照射速度が１００ｍｍ／ｓｅｃ以上であれば、金属部材の加工速度を速めることができる傾向にある。ＣＷレーザーの照射速度が２０００ｍｍ／ｓｅｃ以下であれば、突起の基準面からの平均高さを５０μｍ以上の範囲としやすく、樹脂部材との接合強度がより向上する傾向にある。
レーザーの照射出力は特に限定されるものではない。
例えば、ＣＷレーザーを用いる場合、レーザー出力は３００Ｗ～２０００Ｗであることが好ましい。
ＣＷレーザーのレーザー出力が３００Ｗ以上であれば、ＣＷレーザーの照射速度を速めやすくなり、金属部材の加工速度を速めることができる傾向にある。ＣＷレーザーのレーザー出力が２０００Ｗ以下であれば、レーザー光の照射設備を小型化できる傾向にある。
レーザーのスポット径は特に限定されるものではない。
例えば、レーザーのスポット径としては、１０μｍ～５０μｍであることが好ましい。
変調ＣＷレーザーを用いる場合、変調方式としては正弦波であってもよく三角波であってもよく矩形波であってもよい。
変調ＣＷレーザーの周波数としては、１０００Ｈｚ～１００００Ｈｚであることが好ましい。
変調ＣＷレーザーにおいて、レーザー出力の最大値を１００としたときのレーザー出力の最小値は、３０以上１００未満であることが好ましく、５０～９５であることがより好ましく、８０～９０であることがさらに好ましい。
金属部材の表面にレーザー光を照射する場合、ワブリング加工により凹凸部を設けてもよい。
また、レーザー光を一度照射された箇所に、レーザー光を繰り返し照射してもよい。レーザー光を繰り返して照射する場合、繰り返しの回数としては、１回～４０回であることが好ましい。
レーザーとしては、ルビーレーザー、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザー、チタンサファイアレーザー等の固体レーザー、色素レーザー等の液体レーザー、ヘリウムネオンレーザー、アルゴンイオンレーザー、炭酸ガスレーザー、窒素レーザー、エキシマーレーザー等の気体レーザー、半導体レーザー、ファイバーレーザーなどを用いることができる。
レーザーとしては、グリーンレーザーであってもよい。
金属部材の表面にレーザー光を照射して凹凸部を設ける場合、金属部材表面におけるレーザー光の照射される箇所に、圧縮空気を供給してもよい。供給される圧縮空気の圧力としては、レーザー光の照射により発生する金属粉を効率的に除去する観点から、０．２ＭＰａ～０．５ＭＰａであることが好ましい。
レーザー光が直線状に照射された場合、レーザー光の走査間隔としては、レーザー光のスポット径よりも大きいことが好ましい。
＜接合体＞
本開示の接合体は、本開示の接合用金属部材と、前記接合用金属部材における前記平滑部と前記凹凸部とを有する面と接合する樹脂部材と、を有する。
本開示の接合体では、樹脂部材が、接合用金属部材における平滑部と凹凸部とを有する面と接合するため、接合用金属部材と樹脂部材との接合強度に優れる。
樹脂部材を構成する樹脂の種類は特に限定されるものではなく、接合体の用途に応じて従来から公知の樹脂を適宜選択して用いることができる。
樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エラストマー等が挙げられる。
熱硬化性樹脂の具体例としては、フェノール樹脂、不飽和イミド樹脂、シアネート樹脂、イソシアネート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、オキセタン樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、シリコーン樹脂、トリアジン樹脂、メラミン樹脂、レゾルシノール樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、アクリロニトリル・スチレン共重合樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリカーボネート樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂等が挙げられる。
エラストマーの具体例としては、シリコーンゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、ウレタンゴム等が挙げられる。
樹脂部材には、接合体の用途に応じて従来から公知の樹脂以外のその他の成分を含有してもよい。その他の成分としては、粒子状の充填材、繊維状の充填材、離型剤等が挙げられる。
その他の成分としては、さらに、熱硬化性樹脂を硬化する硬化剤、熱硬化性樹脂の硬化を促進する硬化促進剤、無機材料の表面を改質する表面処理剤等を挙げることができる。
樹脂部材に含まれる樹脂以外のその他の成分の含有量は、接合体の用途に応じて適宜設定されてもよい。
接合体の製造方法は特に限定されるものではなく、インジェクション成形法、ブロー成形法、圧縮成形法、トランスファ成形法、押出成形法、注型成形法等の通常の樹脂成形体の成形方法を採用することができる。また、上述のようにして凹凸部の設けられた接合用金属部材における凹凸部の設けられた面に対して、インサート成形法により樹脂及び必要に応じてその他の成分を含む樹脂組成物を付与して接合体を製造してもよい。
さらに、凹凸部の設けられた接合用金属部材と樹脂部材とを接触させて、超音波溶着、振動溶着、誘導溶着、高周波溶着、レーザー溶着、熱溶着、スピン溶着等により接合用金属部材と樹脂部材とを接合してもよい。
また、樹脂部材の接合用金属部材と接合する箇所を加熱して軟化させた後に、樹脂部材と接合用金属部材とを加圧しながら接触させることで、接合用金属部材と樹脂部材とを接合してもよい。
凹凸部における突起の変形を防いで接合強度を向上する観点から、接合体はインサート成形法により製造されたものであることが好ましい。
樹脂部材の成分として熱硬化性樹脂を用いる場合、上記方法により接合用金属部材と樹脂部材とを接合した後、加熱処理することで樹脂部材を硬化してもよい。
本開示の接合体の用途としては、車両等に用いられる各種成形体が挙げられ、具体的には、例えば、サイドドア、フード、ルーフ、バックドア、ラゲージドア、バンパ及びクラッシュボックスが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
以下に、本開示を実施例に基づいて説明するが、本開示は下記実施例に限定されるものではない。
図４（Ａ）に示す、ＩＳＯ１９０９５に準拠した外径がφ５５ｍｍで内径がφ２０ｍｍで厚み２ｍｍのドーナツ状のアルミニウム製（ＡＬ３００３）、銅製（Ｃ１０２０）及び黄銅製（Ｃ２６８０）の試験片１００を準備した。
試験片１００に、ファイバーレーザー（株式会社アマダミヤチ製 ＭＬ６８１１Ｃ（ＣＷレーザー））を用いて、凹凸部１０２を下記条件で形成した。凹凸部１０２の幅は、１．２ｍｍとした。
Figure 0007184177000001
図２に、実施例１のアルミニウム製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真の一例を、図５に、実施例２の銅製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真の一例を、図１に、実施例３の黄銅製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真の一例を、図６に、比較例１のアルミニウム製試験片の凹凸部の電子顕微鏡写真の一例を、各々示す。
図１、図２、図５及び図６から明らかなように、各試験片の凹凸部は、基準面よりも低い位置から基準面よりも高い位置まで突出する複数の突起を有していることが分かる。
なお、各試験片の電子顕微鏡写真の撮影は、日本電子株式会社製のＪＳＭ－ＩＴ１００を用い、２０ｋＶの加速電圧で行った。
実施例１のアルミニウム製試験片の凹凸部における、突起の基準面からの平均高さを上述のようにして求めたところ、１７０μｍであった。
実施例２の銅製試験片の凹凸部における、突起の基準面からの平均高さを上述のようにして求めたところ、１００μｍであった。
実施例３の黄銅製試験片の凹凸部における、突起の基準面からの平均高さを上述のようにして求めたところ、１１０μｍであった。
比較例１のアルミニウム製試験片の凹凸部における、突起の基準面からの平均高さを上述のようにして求めたところ、４０μｍであった。
次いで、凹凸部を設けた各試験片の凹凸部を覆うように、株式会社ソディック製の射出成型機ＬＡ６０を用いて図４（Ｂ）に示すような樹脂部１０４を樹脂加熱温度２１０℃、金型温度８０℃の条件でインジェクション成形した。樹脂部１０４の大きさは、外径がφ２６ｍｍで厚みが２ｍｍとした。樹脂としては、ポリプラスチック株式会社製のポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂（標準グレードＭ９０－４４）を用いた。
樹脂部を形成した各試験片を用いて、下記方法により接合強度を評価した。なお、接合強度評価用の試験片を、実施例及び比較例毎に５つ準備した。
－評価方法－
株式会社島津製作所製ＡＧ－５ｋＮＩＳを用いて、試験速度５ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、５つの接合体についての接合強度を求めその平均値を算出した。
ＰＯＭ樹脂との接合において、各試験片についての接合強度は以下のとおりであった。
実施例１のアルミニウム製試験片についての接合強度の平均値は、１７．８ＭＰａであった。
実施例２の銅製試験片についての接合強度の平均値は、１４．７ＭＰａであった。
実施例３の黄銅製試験片についての接合強度の平均値は、２２．４ＭＰａであった。
比較例１のアルミニウム製試験片についての接合強度の平均値は０ＭＰａであった。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
１０ 平滑部
１２ 凹凸部
１４ 突起
１００ 試験片
１０２ 凹凸部
１０４ 樹脂部

Claims (2)

  1. 平滑部と凹凸部とを一の面に有し、
    前記平滑部の表面を基準面としたときに、前記凹凸部が、前記基準面よりも低い位置から前記基準面よりも高い位置まで突出する複数の突起を有し、
    前記基準面を平面視したときに、前記複数の突起の少なくとも一部が、根元から先端に向けて縮径した後に拡径する構造を有し、
    前記突起の前記基準面からの平均高さが、５０μｍ～１０００μｍである接合用金属部材。
  2. 請求項１に記載の接合用金属部材と、
    前記接合用金属部材における前記平滑部と前記凹凸部とを有する面と接合する樹脂部材と、
    を有する接合体。
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