JP7250235B2 - 金属成形体および金属成形体の粗面化方法 - Google Patents
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Description
金属成形体の表面に連続波レーザー光線を連続照射して粗面化して多孔構造にした後、接着剤層を介して樹脂成形体や他の金属成形体と接合して複合成形体を製造する発明が知られている(特許第5959689号公報(特許文献1)、特許第5860190号公報(特許文献2)参照)。前記接着剤層は、金属成形体の粗面化された多孔構造部分に入り込んだ接着剤により形成されているものであり、孔構造が複雑であるほど接着剤層による接合効果が高く、同じ孔構造であれば孔深さが深いほど接着剤層による接合強度が高いと考えられる。特許第5774246号公報には、金属成形体の表面に連続波レーザー光線を連続照射する金属成形体の粗面化方法の発明が開示されている。
本発明は、金属成形体が有する多孔構造部の孔深さの平均最大高低差を従来技術のものよりも浅くして、かつ孔深さ(孔深さの最大高低差)のばらつきを小さくすることで、前記金属成形体と樹脂成形体などの他の成形体との複合成形体にしたときに高い接合強度と耐久性を得ることができる、多孔構造部分を有する金属成形体とその製造方法を提供することを課題とする。
前記多孔構造部が、下記の方法により測定された孔深さの最大高低差の平均が30μm~200μmの範囲であり、かつ前記平均最大高低差を算出する根拠となった最大高低差の範囲が、前記平均最大高低差を基準としたとき±40%の範囲内にあるものである、金属成形体を提供する。
(平均最大高低差の測定方法)
前記金属成形体の多孔構造部のうちの20mm×20mmの面積領域(20mm×20mm未満の場合は全面積領域)について、長さ500μm範囲を最大で10箇所ランダムに選択し、前記最大で10箇所の長さ500μmの範囲内の多孔構造物の孔の最大高低差をSEMの断面写真から計測し、前記最大高低差の平均値を求める。
連続波レーザーを使用し、前記金属成形体の表面に対して2000mm/sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射して表層部に多孔構造部を形成させるとき、下記の(a)~(d)の要件を満たすようにレーザー光を連続照射する工程を有している、金属成形体の製造方法を提供する。
(a)出力が4W~250W
(b)スポット径が20μm~80μm
(c)エネルギー密度が1MW/cm2~100MW/cm2
(d)繰り返し回数が1回~10回
<金属成形体>
本発明の金属成形体は、表層部に形成された多孔構造部を有しているものである。金属成形体に使用できる金属は特に制限されるものではなく、用途に応じて適宜選択することができるものである。例えば、鉄、各種ステンレス、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、黄銅、クロムめっき鋼、マグネシウムおよびそれらを含む合金(ステンレスは除く)、タングステンカーバイド、クロミウムカーバイドなどのサーメットから選ばれるものを挙げることができ、これらの金属に対して、アルマイト処理、めっき処理などの表面処理を施したものに適用できる。
(平均最大高低差の測定方法)
前記金属成形体の多孔構造部のうちの20mm×20mmの面積領域(20mm×20mm未満の場合は全面積領域)について、長さ500μm範囲を最大で10箇所ランダムに選択し、前記最大で10箇所の長さ500μmの範囲内の多孔構造物の孔の最大高低差をSEMの断面写真から計測し、前記最大高低差の平均値を求める。
本発明の金属成形体の製造方法を説明する。まず、連続波レーザーを使用し、金属成形体10の表面に対して2000mm/sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射して粗面化することにより表層部に多孔構造部を形成させる。前記の連続波レーザーによるレーザー光の連続照射方法は、特許文献1、2に記載されている方法と同様に実施することができるが、以下の(a)~(d)の要件を満たすようにレーザー光を連続照射することが必要である。この工程の粗面化処理により金属成形体の表面からの多孔構造部の孔深さの最大高低差の平均が30~200μmの範囲であり、かつ前記平均最大高低差を算出する根拠となった最大高低差の範囲が、前記平均最大高低差を基準としたとき±40%の範囲内にある多孔構造部が形成される。
レーザー光の出力は4W~250Wであり、好ましくは50W~250Wであり、より好ましくは100W~250Wであり、さらに好ましくは150W~220Wである。
レーザー光のスポット径は20μm~80μmであり、好ましくは20μm~50μmであり、より好ましくは20μm~35μmである。
レーザー光照射時のエネルギー密度は1MW/cm2~100MW/cm2であり、好ましくは10MW/cm2~80MW/cm2であり、より好ましくは20MW/cm2~50MW/cm2である。レーザー光照射時のエネルギー密度は、レーザー光の出力(W)と、レーザー光(スポット面積(cm2)(π・〔スポット径/2〕2)から次式:レーザー光の出力/スポット面積により求められる。要件(c)は要件(a)と要件(b)から算出されるものであり、金属成形体の粗面化状態を制御する上で要件(c)が重要になるため、要件(a)の数値範囲と要件(b)の数値範囲から計算される要件(c)の数値が上記範囲から外れる部分があるときは、上記要件(c)の数値範囲が優先するものである。
レーザー光照射時の繰り返し回数は1回~10回、好ましくは1回~8回、より好ましくは2回~8回である。レーザー光照射時の繰り返し回数は、レーザー光を線状に照射するとき、1本のライン(溝)を形成するために照射する合計回数である。1本のラインに繰り返し照射するときは、双方向照射と一方向照射を選択することができる。双方向放射は、1本のライン(溝)を形成するとき、ライン(溝)の第1端部から第2端部に連続波レーザー光を照射した後、第2端部から第1端部に連続波レーザー光を照射して、その後は、第1端部から第2端部、第2端部から第1端部というように繰り返し連続波レーザー光を照射する方法である。一方向照射は、第1端部から第2端部への一方向の連続波レーザー光照射を繰り返す方法である。
連続波レーザー光の照射速度は、2,000~20,000mm/secが好ましく、5,000~20,000mm/secがより好ましく、8,000~20,000mm/secがさらに好ましい。連続波レーザー光を直線状に照射するとき、隣接する照射ライン(隣接する照射により形成された溝)同士の間隔(ライン間隔)は、0.01~0.2mmが好ましく、0.03~0.15mmがより好ましい。ライン間隔は、全てのライン間隔が同一であってもよいし、一部または全部のライン間隔が異なっていてもよい。
実施例1、2、3、比較例1
各例2枚ずつのアルミニウム板(A5025)(縦100mm、横25mm、厚み3mm)10に対して、下記レーザー装置を使用して、図3に示す多孔構造部11となる粗面化領域(25mm×12.5mm)12に対して表1に示す条件でレーザー光を連続照射して粗面化して多孔構造部を有する金属成形体を製造した。
発振器:IPG-Ybファイバー;YLR-300-SM(シングルモードファイバーレーザー)
ガルバノミラー SQUIREEL(ARGES社製)
集光系1:fc=80mm/fθ=163mm
集光系2:fc=80mm/fθ=100mm
実施例1、2、3と比較例1で製造した各例2枚のアルミニウム板10の粗面化部(多孔構造部)11を上にした状態でホットプレート上に置いて予熱した(50℃,15分間)。次に、接着剤(EP106NL,工業用一液性エポキシ接着剤,セメダイン(株)製)をアルミニウム板10の粗面化部(多孔構造部)11に塗布し、加熱硬化しない状態で第1複合体を得た。次に、各例について図4に示すように2枚のアルミニウム板10の接着剤塗布面(第1複合体の接着剤層)を合わせた状態でクリップにより固定し、140℃で1時間保持して接着剤を硬化させて第2複合体を製造した。
試験機:オリエンテック社製テンシロン(UCT-1T)
引張速度:5mm/min
チャック間距離:50mm
実施例1と同様にしてアルミニウム板を粗面化して、多孔構造部を形成させた。次に前記アルミニウム板を接合面(多孔構造部の面)が上になるように型枠内(PFTE製)に配置し、接合面上に樹脂ペレットを加えた。その後、型枠を鉄板で挟みこみ、下記条件で圧縮して、アルミニウム板と樹脂板からなる複合成形体を得た。
樹脂ペレット:PA66樹脂(2015B,宇部興産(株)製)
温度:285℃
圧力:1MPa(予熱時)、10MPa
時間:2分間(予熱時)、3分間
成形機:東洋精機製作所製圧縮機(mini test press-10)
実施例1と同様にしてアルミニウム板を粗面化して、多孔構造部を形成させた。シリコーンゴム(KE-880-U;信越化学株式会社製)100質量部に対して、硬化剤(C-4;信越化学株式会社製;ジターシャリーブチルパーオキサイド約20%含有)4質量部を配合して混練し、シリコーンゴム組成物を得た。シリコーンゴム組成物を前記アルミニウム板の接合面(多孔構造部の面)と接触させ、下記の硬化条件で、プレス成形にてシリコーンゴムを硬化させて、アルミニウム板とシリコーンゴム板からなる複合成形体を得た。
加熱温度:170℃
圧力:5MPa
加熱時間:10分
二次加熱温度:200℃
二次加熱時間:120分
本発明の金属成形体は、金属成形体と、樹脂成形体やゴム成形体などの他の成形体からなる複合成形体の製造中間体として利用することができるほか、インプラント用として利用することができる。
10 金属成形体
11 粗面化部(多孔構造部)
12 測定領域
20a~20d 多孔構造部のピーク部分
21 多孔構造部の孔の最深部底
Claims (8)
- 表層部に形成された多孔構造部を有している金属成形体であり、
前記多孔構造部が、下記の方法により測定された孔深さの最大高低差の平均が30μm~200μmの範囲であり、かつ前記平均最大高低差を算出する根拠となった最大高低差の範囲が、前記平均最大高低差を基準としたとき±40%の範囲内にあるものである、金属成形体。
(平均最大高低差の測定方法)
前記金属成形体の多孔構造部のうちの20mm×20mmの面積領域(20mm×20mm未満の場合は全面積領域)について、長さ500μm範囲を最大で10箇所ランダムに選択し、前記最大で10箇所の長さ500μmの範囲内の多孔構造物の孔の最大高低差をSEMの断面写真から計測し、前記最大高低差の平均値を求める。 - 前記金属成形体の多孔構造部の平均最大高低差が40μm~150μmの範囲であり、かつ前記平均最大高低差を算出する根拠となった最大高低差の範囲が、前記平均最大高低差を基準としたとき±35%の範囲内にあるものである、請求項1記載の金属成形体。
- 前記金属成形体の多孔構造部の平均最大高低差が60μm~125μmの範囲であり、かつ前記平均最大高低差を算出する根拠となった最大高低差の範囲が、前記平均最大高低差を基準としたとき±35%の範囲内にあるものである、請求項1記載の金属成形体。
- 前記金属成形体の多孔構造部の平均最大高低差が70μm~100μmの範囲であり、かつ前記平均最大高低差を算出する根拠となった最大高低差の範囲が、前記平均最大高低差を基準としたとき±35%の範囲内にあるものである、請求項1記載の金属成形体。
- 前記金属成形体と他の成形体からなる複合成形体の製造中間体であり、前記他の成形体が、前記金属成形体と異なる金属からなる金属成形体、樹脂成形体、ゴム成形体、エラストマー成形体から選ばれるものである、請求項1~4のいずれか1項記載の金属成形体。
- 請求項1~5のいずれか1項記載の金属成形体の製造方法であって、
連続波レーザーを使用し、前記金属成形体の表面に対して2000mm/sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射して表層部に多孔構造部を形成させるとき、下記の(a)~(d)の要件を満たすようにレーザー光を連続照射する工程を有している、金属成形体の製造方法。
(a)出力が4W~250W
(b)スポット径が20μm~80μm
(c)エネルギー密度が1MW/cm2~100MW/cm2
(d)繰り返し回数が1回~10回 - (a)の出力が50W~250W、(b)のスポット径が20μm~50μm、(c)のエネルギー密度が10MW/cm2~80MW/cm2、(d)の繰り返し回数が1回~8回である、請求項6記載の金属成形体の製造方法。
- (a)の出力が100W~250W、(b)のスポット径が20μm~35μm、(c)のエネルギー密度が20MW/cm2~50MW/cm2、(d)の繰り返し回数が2回~8回である、請求項6記載の金属成形体の製造方法。
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