JP7319634B2 - アルミニウム－樹脂複合体の製造方法。 - Google Patents
アルミニウム－樹脂複合体の製造方法。 Download PDFInfo
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Description
本発明は、アルミニウム－樹脂複合体の製造方法に関するものである。
電気、電子、自動車分野等を中心に幅広い産業分野でアルミニウムと樹脂とを一体化させる技術が開発されている。従来、アルミニウムと樹脂との接合には、接着剤を使用することが一般的に行われていた。しかし、接着剤を使用すると、高温下における接合強度が低下するので、自動車等の耐熱性が要求される用途への適用は困難である。
そこで、近年、接着剤を使用せずにアルミニウムと樹脂とを一体化させる技術が研究されている。例えば、下記特許文献１には、アルミニウム合金の表面をエッチング剤によって粗化し、該粗化処理した表面に樹脂組成物を付着させてアルミニウム－樹脂複合体を製造する製造方法が記載されている。
一方、自動車分野においては、例えば、下記特許文献２に記載されているように、燃料電池車における水素循環ポンプのような車載用流体機械等においてアルミニウム部材に樹脂組成物のコーティングすることが軽量化且つ高耐久性を得る観点から研究されている。かかる機械においては従来よりもさらに高い接合強度が期待される傾向にある。
特に、アルミニウム合金に接合する樹脂組成物の種類によっては特許文献１の製造方法によって粗化処理したとしても、特許文献２に記載される機械で求められる十分な接合強度が得られないことがある。
特に、アルミニウム合金に接合する樹脂組成物の種類によっては特許文献１の製造方法によって粗化処理したとしても、特許文献２に記載される機械で求められる十分な接合強度が得られないことがある。
本発明は、前記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、より高い接合強度が得られるアルミニウム－樹脂複合体の製造方法の提供を目的とする。
本発明は、車載用流体機械の部品であるアルミニウム－樹脂複合体の製造方法であって、Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下及びＣｕを０．５重量％以上５．５重量％以下含むアルミニウム合金の表面に、ＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下と、Ｚｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下と、硝酸イオンと、チオ硫酸イオンとを含むアルカリ性の表面粗化剤を接触させる第１粗化工程と、前記第１粗化工程を経たアルミニウム合金の表面に、酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下の塩酸と、アルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下の塩化アルミニウムとを含む酸性の表面粗化剤を接触させる第２粗化工程と、前記第２粗化工程を経たアルミニウム合金の表面を超音波洗浄する洗浄工程と、前記洗浄工程を経たアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる接合工程と、を含むアルミニウム－樹脂複合体の製造方法である。
本発明において、前記アルミニウム合金はＴ３調質、Ｔ６調質又はＴ７調質のいずれかの調質材であってもよい。
本発明において、前記樹脂組成物は、ＰＰＳ樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＢＴ樹脂、エポキシ樹脂、ＥＴＦＥ樹脂、ＰＦＡ樹脂又はＰＴＦＥ樹脂のいずれかの樹脂であってもよい。
本発明において、前記アルミニウム合金は、平均粒径が１０μｍ以下のＳｉ及び平均粒径が２μｍ以下のＣｕＡｌ２を含んでいてもよい。
本発明において、前記アルミニウム合金は、Ｓｉを１０．０重量％以上１３．０重量％以下及びＣｕを３．０重量％以上５．５重量％以下含んでいてもよい。
本発明においては、前記洗浄工程において、アルミニウム合金の表面に酸濃度１０．０重量％以上５０．０重量％以下である硝酸水溶液を接触させた後に、前記超音波洗浄を行ってもよい。
本発明においては、前記接合工程において、溶剤に前記樹脂組成物を溶解又は分散させて塗布するコーティング法又は射出成型法によってアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合してもよい。
本発明において、前記樹脂組成物は、液晶ポリマーであって、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度は、１０ＭＰａ以上であってもよい。
本発明において、前記樹脂組成物は、ＰＰＳ樹脂であって、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度は、３０ＭＰａ以上であってもよい。
本発明において、前記車載用流体機械は、燃料電池車用の水素循環ポンプであってもよい。
本発明によれば、より高い接合強度が得られるアルミニウム－樹脂複合体の製造方法を提供することができる。
以下に、本発明のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法（以下、単に製造方法ともいう。）の実施形態について説明する。
本実施形態の製造方法は、車載用流体機械の部品であるアルミニウム－樹脂複合体の製造方法であって、Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下及びＣｕを０．５重量％以上５．５重量％以下含むアルミニウム合金の表面に、ＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下と、Ｚｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下と、硝酸イオンと、チオ硫酸イオンとを含むアルカリ性の表面粗化剤を接触させる第１粗化工程と、前記第１粗化工程を経たアルミニウム合金の表面に、酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下の塩酸と、アルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下の塩化アルミニウムとを含む酸性の表面粗化剤を接触させる第２粗化工程と、前記第２粗化工程を経たアルミニウム合金の表面を超音波洗浄する洗浄工程と、前記洗浄工程を経たアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる接合工程とを含む。
（車載用流体機械）
本実施形態の車載用流体機械は、車載空調装置に用いられる電動圧縮機や、燃料電池車用水素循環ポンプ等、自動車等の車輌に搭載される流体機械であれば特に限定されるものではないが、燃料電池車用の水素循環ポンプ装置、特にアルミニウム合金製のロータ部材であることが好ましい。
燃料電池では生成水が回転軸やロータに接触することで生じる腐食からアルミニウム部材を保護するために樹脂コーティングすることが好ましく、またその機能的な面からも高い耐熱性、耐久性が要求されるため、本実施形態の方法で製造されることが適している。
本実施形態の車載用流体機械は、車載空調装置に用いられる電動圧縮機や、燃料電池車用水素循環ポンプ等、自動車等の車輌に搭載される流体機械であれば特に限定されるものではないが、燃料電池車用の水素循環ポンプ装置、特にアルミニウム合金製のロータ部材であることが好ましい。
燃料電池では生成水が回転軸やロータに接触することで生じる腐食からアルミニウム部材を保護するために樹脂コーティングすることが好ましく、またその機能的な面からも高い耐熱性、耐久性が要求されるため、本実施形態の方法で製造されることが適している。
（アルミニウム合金）
本実施形態のアルミニウム合金は、Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下及びＣｕを０．５重量％以上５．５重量％以下含むアルミニウム合金である。
かかるアルニミウム合金は軽量且つ耐久性が高く車載用流体機械部品の材料として適している。
より具体的には、Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下、又は、１０．０重量％以上１３．０重量％以下、又は、１１．０重量％以上１２．０重量％以下、Ｃｕを０．５重量％以上５．５重量％以下、又は、３．０重量％以上５．５重量％以下、又は、４．０重量％以上４．８重量％以下、含むアルミニウム合金が挙げられる。
本実施形態のアルミニウム合金は、Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下及びＣｕを０．５重量％以上５．５重量％以下含むアルミニウム合金である。
かかるアルニミウム合金は軽量且つ耐久性が高く車載用流体機械部品の材料として適している。
より具体的には、Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下、又は、１０．０重量％以上１３．０重量％以下、又は、１１．０重量％以上１２．０重量％以下、Ｃｕを０．５重量％以上５．５重量％以下、又は、３．０重量％以上５．５重量％以下、又は、４．０重量％以上４．８重量％以下、含むアルミニウム合金が挙げられる。
本実施形態のアルミニウム合金は、平均粒径が１０μｍ以下のＳｉ及び平均粒径が２μｍ以下のＣｕＡｌ２を含むものであることが、軽量化且つ高耐久性を得る観点から好ましい。
尚、本実施形態において平均粒子径は、ＦＥ－ＳＥＭ観察により計測される粒子径を意味する。
尚、本実施形態において平均粒子径は、ＦＥ－ＳＥＭ観察により計測される粒子径を意味する。
本実施形態のアルミニウム合金は熱処理型合金であって、例えば、Ｔ３調質、Ｔ６調質又はＴ７調質のいずれかの調質材であることが好ましい。尚、本実施形態におけるＴ３調質、Ｔ６調質又はＴ７調質の調質材とは、ＪＩＳ Ｈ ０００１（アルミニウム及びアルミニウム合金の質別記号）に記載の各調質を施した合金を意味する。
（第１粗化工程）
本実施形態の製造方法は、前述のアルミニウム合金の表面に、ＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下と、Ｚｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下と、硝酸イオンと、チオ硫酸イオンとを含むアルカリ性の表面粗化剤を接触させる第１粗化工程を含む。
本実施形態の製造方法は、前述のアルミニウム合金の表面に、ＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下と、Ｚｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下と、硝酸イオンと、チオ硫酸イオンとを含むアルカリ性の表面粗化剤を接触させる第１粗化工程を含む。
[アルカリ性表面粗化剤]
本実施形態の第１粗化工程において使用される表面粗化剤はアルカリ性の液状粗化剤（以下、アルカリ性表面粗化剤ともいう。）であって以下のような各主成分を含む。
本実施形態の第１粗化工程において使用される表面粗化剤はアルカリ性の液状粗化剤（以下、アルカリ性表面粗化剤ともいう。）であって以下のような各主成分を含む。
＜ＮａＯＨ＞
本実施形態のアルカリ性表面粗化剤はＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下、又は、５．５重量％以上８．７重量％以下含むことが挙げられる。
上記範囲でＮａＯＨを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
本実施形態のアルカリ性表面粗化剤はＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下、又は、５．５重量％以上８．７重量％以下含むことが挙げられる。
上記範囲でＮａＯＨを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
＜Ｚｎイオン＞
本実施形態のアルカリ性表面粗化剤はＺｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下、又は、２．０重量％以上３．３重量％以下、又は、２．５重量％位以上３．０重量％以下含むことが挙げられる。
上記範囲でＮａＯＨを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
本実施形態のアルカリ性表面粗化剤はＺｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下、又は、２．０重量％以上３．３重量％以下、又は、２．５重量％位以上３．０重量％以下含むことが挙げられる。
上記範囲でＮａＯＨを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
Ｚｎイオンは、Ｚｎイオン源をアルカリ性表面粗化剤に配合することで液中に含有させることができる。
Ｚｎイオン源の例としては、硝酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、臭化亜鉛、塩基性炭酸亜鉛、酸化亜鉛、硫化亜鉛等が挙げられる。
Ｚｎイオン源の例としては、硝酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、臭化亜鉛、塩基性炭酸亜鉛、酸化亜鉛、硫化亜鉛等が挙げられる。
＜硝酸イオン＞
本実施形態の表面粗化剤は、硝酸イオンを含む。硝酸イオンの含有量は限定されるものではないが、例えば、１．５重量％以上５．０重量％以下、又は、２．０重量％以上３．０重量％以下等が挙げられる。
上記範囲で硝酸イオンを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
本実施形態の表面粗化剤は、硝酸イオンを含む。硝酸イオンの含有量は限定されるものではないが、例えば、１．５重量％以上５．０重量％以下、又は、２．０重量％以上３．０重量％以下等が挙げられる。
上記範囲で硝酸イオンを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
硝酸イオンは、硝酸イオン源をアルカリ性表面粗化剤に配合することで液中に含有させることができる。
硝酸イオン源の例としては、硝酸、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸バリウム、硝酸カルシウム、硝酸アンモニウム、硝酸亜鉛等が挙げられる。
硝酸イオン源の例としては、硝酸、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸バリウム、硝酸カルシウム、硝酸アンモニウム、硝酸亜鉛等が挙げられる。
＜チオ硫酸イオン＞
本実施形態の表面粗化剤は、チオ硫酸イオンを含む。チオ硫酸イオンの含有量は限定されるものではないが、０．１重量％以上０．８重量％以下、又は、０．２重量％以上０．７重量％以下等が挙げられる。
上記範囲でチオ硫酸イオンを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
本実施形態の表面粗化剤は、チオ硫酸イオンを含む。チオ硫酸イオンの含有量は限定されるものではないが、０．１重量％以上０．８重量％以下、又は、０．２重量％以上０．７重量％以下等が挙げられる。
上記範囲でチオ硫酸イオンを含むことで、本実施形態のアルミニウム合金表面を適切に粗化することができ樹脂との密着性を向上させることができる。
チオ硫酸イオンは、チオ硫酸イオン源をアルカリ性表面粗化剤に配合することで液中に含有させることができる。
チオ硫酸イオン源の例としては、チオ硫酸ナトリウム、チオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸マグネシウム等のチオ硫酸塩等が挙げられる。
チオ硫酸イオン源の例としては、チオ硫酸ナトリウム、チオ硫酸アンモニウム、チオ硫酸マグネシウム等のチオ硫酸塩等が挙げられる。
本実施形態のアルカリ性表面粗化剤は必要に応じて他の添加剤を添加してもよい。
アルカリ性表面粗化剤は各成分をイオン交換水等に溶解させることにより容易に調製することができる。各成分を溶媒に溶解させることでアルカリ性になるように調整することもでき、又は適切なｐＨ調整剤等を添加することでアルカリ性に調整することもできる。
アルカリ性表面粗化剤のｐＨは特に限定されるものではないがｐＨ１２以上の範囲であることが挙げられる。
アルカリ性表面粗化剤は各成分をイオン交換水等に溶解させることにより容易に調製することができる。各成分を溶媒に溶解させることでアルカリ性になるように調整することもでき、又は適切なｐＨ調整剤等を添加することでアルカリ性に調整することもできる。
アルカリ性表面粗化剤のｐＨは特に限定されるものではないがｐＨ１２以上の範囲であることが挙げられる。
第１粗化工程において、表面粗化剤をアルミニウム合金の表面に接触させる方法は特に限定されるものではなく、公知の方法で処理することができる。例えば、浸漬、スプレー等による処理方法が挙げられる。処理温度、処理時間も適宜調整することができる。例えば、処理温度２５～４５℃、処理時間３０～９０秒程度が挙げられる。
（第２粗化工程）
本実施形態の製造方法は、前記第１粗化工程を経たアルミニウム合金の表面に、酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下の塩酸と、アルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下の塩化アルミニウムとを含む酸性表面粗化剤を接触させる第２粗化工程を含む。
本実施形態の製造方法は、前記第１粗化工程を経たアルミニウム合金の表面に、酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下の塩酸と、アルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下の塩化アルミニウムとを含む酸性表面粗化剤を接触させる第２粗化工程を含む。
[酸性表面粗化剤]
本実施形態の第２粗化工程において使用される表面粗化剤は酸性の液状粗化剤（以下、酸性表面粗化剤ともいう。）であって、塩酸及び塩化アルミニウムを含む。
本実施形態の第２粗化工程において使用される表面粗化剤は酸性の液状粗化剤（以下、酸性表面粗化剤ともいう。）であって、塩酸及び塩化アルミニウムを含む。
＜塩酸＞
本実施形態の酸性の表面粗化剤は、塩酸を酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下、又は３．０重量％以上３．６重量％以下含む。
例えば、３５％塩酸を使用した場合、上記酸濃度の範囲になるようにするためには、６．８重量％以上１１．９重量％以下含むことになる。
本実施形態の酸性の表面粗化剤は、塩酸を酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下、又は３．０重量％以上３．６重量％以下含む。
例えば、３５％塩酸を使用した場合、上記酸濃度の範囲になるようにするためには、６．８重量％以上１１．９重量％以下含むことになる。
＜塩化アルミニウム＞
本実施形態の酸性表面粗化剤は、塩化アルミニウムをアルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下、又は４．５重量％以上５．２重量％以下含む。
本実施形態の酸性表面粗化剤は、塩化アルミニウムをアルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下、又は４．５重量％以上５．２重量％以下含む。
本実施形態の酸性表面粗化剤は必要に応じて他の添加剤を添加してもよい。
また、酸性表面粗化剤は各成分をイオン交換水等に溶解させることにより容易に調製することができる。各成分を溶媒に溶解させることで酸性になるように調整することもでき、又は適切なｐＨ調整剤等を添加することで酸性に調整することもできる。
酸性表面粗化剤のｐＨは特に限定されるものではないがｐＨ１以下の範囲であることが挙げられる。
また、酸性表面粗化剤は各成分をイオン交換水等に溶解させることにより容易に調製することができる。各成分を溶媒に溶解させることで酸性になるように調整することもでき、又は適切なｐＨ調整剤等を添加することで酸性に調整することもできる。
酸性表面粗化剤のｐＨは特に限定されるものではないがｐＨ１以下の範囲であることが挙げられる。
第２粗化工程において、酸性表面粗化剤をアルミニウム合金の表面に接触させる方法は特に限定されるものではなく、公知の方法で処理することができる。例えば、浸漬、スプレー等による処理方法が挙げられる。処理温度、処理時間も適宜調整することができる。例えば、処理温度２５～４０℃、処理時間３０～３００秒程度が挙げられる。
（洗浄工程）
本実施形態の製造方法は、第２粗化工程を経たアルミニウム合金の表面を超音波洗浄する洗浄工程を含む。
本実施形態の製造方法は、第２粗化工程を経たアルミニウム合金の表面を超音波洗浄する洗浄工程を含む。
洗浄工程において行われる超音波洗浄の処理条件は特に限定されるものではないが、例えば、２５℃～６０℃の処理温度において、３分間～１５分間、周波数２５ｋＨｚ～１２０ｋＨｚ、好ましくは、４０ｋＨｚ～８０ｋＨｚ等の条件で超音波処理をすること等が挙げられる。超音波処理は複数回繰り返して行ってもよい。
かかる洗浄によって、第１、第２粗化工程において付着した各表面粗化剤をアルミニウム合金表面から除去でき、後に行う接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との密着性が良好になり、高い接合強度が得られる。
かかる洗浄によって、第１、第２粗化工程において付着した各表面粗化剤をアルミニウム合金表面から除去でき、後に行う接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との密着性が良好になり、高い接合強度が得られる。
洗浄工程においては、アルミニウム合金の表面に酸濃度１０．０重量％以上５０．０重量％以下である硝酸水溶液を接触させた後に前記超音波洗浄を行ってもよい。
硝酸水溶液を接触させることは任意であるが、かかる接触処理を行うことで、超音波洗浄による洗浄効果がより高くなる。
かかる硝酸水溶液を接触させる方法は特に限定されるものではなく、公知の方法で接触させることができる。例えば、浸漬、スプレー等による方法が挙げられる。処理温度、処理時間も適宜調整することができる。例えば、処理温度２５～３５℃、処理時間３０～６０秒程度が挙げられる。
硝酸水溶液を接触させることは任意であるが、かかる接触処理を行うことで、超音波洗浄による洗浄効果がより高くなる。
かかる硝酸水溶液を接触させる方法は特に限定されるものではなく、公知の方法で接触させることができる。例えば、浸漬、スプレー等による方法が挙げられる。処理温度、処理時間も適宜調整することができる。例えば、処理温度２５～３５℃、処理時間３０～６０秒程度が挙げられる。
(接合工程）
本実施形態の製造方法は、前記洗浄工程を経たアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる接合工程を含む。
本実施形態の製造方法は、前記洗浄工程を経たアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる接合工程を含む。
[樹脂組成物]
本実施形態で用いる樹脂組成物としてはアルミニウム合金に接合可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂、エポキシ樹脂、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）樹脂、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）樹脂又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂等が挙げられる。
中でも、ＰＰＳ樹脂、液晶ポリマーが車載用流体機械の部品において使用される材料として適している。
本実施形態で用いる樹脂組成物としてはアルミニウム合金に接合可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂、エポキシ樹脂、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）樹脂、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）樹脂又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂等が挙げられる。
中でも、ＰＰＳ樹脂、液晶ポリマーが車載用流体機械の部品において使用される材料として適している。
接合工程において樹脂組成物をアルミニウム合金表面に接合させる方法は、特に限定されるものではないが、溶剤に前記樹脂組成物を溶解又は分散させて塗布するコーティング法や、射出成型法によってアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる方法が挙げられる。
樹脂組成物とアルミニウム合金とを接合させる条件等は適宜公知の条件を設定することができる。
例えば、期待しうる接合強度は、樹脂の種類によっても相違するため、樹脂の種類に応じて所望の接合強度が得られる接合条件を設定することが好ましい。
樹脂組成物として、液晶ポリマーを用いた場合には、例えば、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度が１０ＭＰａ以上、好ましくは１３ＭＰａ以上になるような条件を設定することが好ましい。
例えば、期待しうる接合強度は、樹脂の種類によっても相違するため、樹脂の種類に応じて所望の接合強度が得られる接合条件を設定することが好ましい。
樹脂組成物として、液晶ポリマーを用いた場合には、例えば、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度が１０ＭＰａ以上、好ましくは１３ＭＰａ以上になるような条件を設定することが好ましい。
樹脂組成物として、ＰＰＳ樹脂を用いた場合には、例えば、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度が３０ＭＰａ以上、好ましくは３３ＭＰａ以上になるような条件を設定することが好ましい。
尚、本実施形態の製造方法の各工程の前後において、任意に、水洗工程や乾燥させる乾燥工程を行うことができる。
本実施形態で例示される製造方法で得られたアルミニウム－樹脂複合体は、車載用流体機械の部品に好適であり、より具体的には、燃料電池車用の水素循環ポンプのロータ材に好適である。すなわち、ロータ材がアルミニウム合金である場合にロータ材の表面を樹脂組成物でコーティングすることによって、ロータ材の腐食を防止することができる。この場合、アルミニウム合金と樹脂組成物とを高い接合強度で付着させることができ、耐久性にすぐれた水素循環ポンプを得ることができる。
本実施形態にかかるアルミニウム－樹脂複合体の製造方法は、以上のとおりであるが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は前記説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
［表面粗化剤］
本実施例で使用するアルカリ性の表面粗化剤及び酸性の表面粗化剤を準備した。
各表面粗化剤は、以下の材料を表１に記載の各成分の濃度（イオン換算値、酸濃度換算値で表示）になるようにイオン交換水に溶解した水溶液である。
ＮａＯＨ：キシダ化学社製、試薬（特級）
硝酸亜鉛・６水和物：キシダ化学社製、試薬（１級）
チオ硫酸ナトリウム・５水和物：富士フィルム和光純薬社製、試薬（特級）
３５％塩酸： キシダ化学社製、試薬（特級）
塩化アルミニウム・６水和物：富士フィルム和光純薬社製、試薬（特級）
尚、実施例比較例で使用するアルカリ性の表面粗化剤のｐＨはいずれも１４以上、酸性の表面粗化剤のｐＨはいずれも１以下であった。
本実施例で使用するアルカリ性の表面粗化剤及び酸性の表面粗化剤を準備した。
各表面粗化剤は、以下の材料を表１に記載の各成分の濃度（イオン換算値、酸濃度換算値で表示）になるようにイオン交換水に溶解した水溶液である。
ＮａＯＨ：キシダ化学社製、試薬（特級）
硝酸亜鉛・６水和物：キシダ化学社製、試薬（１級）
チオ硫酸ナトリウム・５水和物：富士フィルム和光純薬社製、試薬（特級）
３５％塩酸： キシダ化学社製、試薬（特級）
塩化アルミニウム・６水和物：富士フィルム和光純薬社製、試薬（特級）
尚、実施例比較例で使用するアルカリ性の表面粗化剤のｐＨはいずれも１４以上、酸性の表面粗化剤のｐＨはいずれも１以下であった。
［アルミニウム材］
表２に記載の組成からなる以下の合金の試料を準備した。
Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金：Ｔ６調質材
Ａｌ－Ｃｕ合金（Ａ２０１４）：Ｔ６調質材
Ａｌ－Ｓｉ合金（Ａ４０３２）：Ｔ６調質材
純アルミ（Ａ１０５０）：Ｈ２４調質材
尚、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金中に含まれるＳｉ粒子の平均粒子径は１０μｍ以下、ＣｕＡｌ２の平均粒子径は２μｍ以下である。
表２に記載の組成からなる以下の合金の試料を準備した。
Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金：Ｔ６調質材
Ａｌ－Ｃｕ合金（Ａ２０１４）：Ｔ６調質材
Ａｌ－Ｓｉ合金（Ａ４０３２）：Ｔ６調質材
純アルミ（Ａ１０５０）：Ｈ２４調質材
尚、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金中に含まれるＳｉ粒子の平均粒子径は１０μｍ以下、ＣｕＡｌ２の平均粒子径は２μｍ以下である。
［樹脂組成物］
樹脂組成物として液晶ポリマー及びＰＰＳ樹脂を準備した。
樹脂組成物として液晶ポリマー及びＰＰＳ樹脂を準備した。
(引張剪断強度)
各表面粗化剤を用いて各アルミウム材に対して表３に示す処理を行った。
尚、第２粗化工程の処理時間は、アルミニウム材の材質によって適切な粗化状態（エッチング量）になるよう適宜調整した。また、一部の比較例においては表４に示すように一部の工程を省いて処理を行った。
各表面粗化剤を用いて各アルミウム材に対して表３に示す処理を行った。
尚、第２粗化工程の処理時間は、アルミニウム材の材質によって適切な粗化状態（エッチング量）になるよう適宜調整した。また、一部の比較例においては表４に示すように一部の工程を省いて処理を行った。
さらに、射出成形（使用装置：型式ＴＲ１００ＥＨ、ソディック）を用いて試験片のアルミニウム－樹脂複合体を得た。
アルミニウム－樹脂複合体は、図１～図２に示すように、一辺が４５ｍｍ、幅が１８ｍｍ、厚みが１．５ｍｍの長方形のアルミニウム板の１８ｍｍの辺側の一面に、長さ４５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み３ｍｍの樹脂片を、重なり部分５ｍｍ×１０ｍｍとなるように取り付けられた状態で成形された。
アルミニウム－樹脂複合体は、図１～図２に示すように、一辺が４５ｍｍ、幅が１８ｍｍ、厚みが１．５ｍｍの長方形のアルミニウム板の１８ｍｍの辺側の一面に、長さ４５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み３ｍｍの樹脂片を、重なり部分５ｍｍ×１０ｍｍとなるように取り付けられた状態で成形された。
この試験片を、引っ張り試験機（島津製作所社製精密万能試験機、型式：ＡＧ―２０ｋＮＸＤｐｌｕｓ）により、引張り速度１０ｍｍ／分で図２（ｂ）に示す方向Ｚに引っ張って、破断するときの強度を引張せん断強度とした。測定結果を表４に示す。
(エッチング量)
各アルミニウム片のエッチング量を以下の方法で算出した値をμｍで表した。
エッチング量＝処理前後の重量差÷アルミニウムの比重÷処理表面積
処理前後の重量差：各アルミニウム材を上記表３に記載の第１粗化工程の前と洗浄工程の後に測定した重量差
アルミニウムの比重：２．７
処理表面積：アルミニウム板の表面積４５×１８×２＋４５×１．５×２＋１８×１．５×２
尚、エッチング量は、アルカリ性の表面粗化剤と酸性の表面粗化剤で処理した後に測定した結果であるため、両粗化処理によるエッチング量の合計である。
結果を表４に示す。
各アルミニウム片のエッチング量を以下の方法で算出した値をμｍで表した。
エッチング量＝処理前後の重量差÷アルミニウムの比重÷処理表面積
処理前後の重量差：各アルミニウム材を上記表３に記載の第１粗化工程の前と洗浄工程の後に測定した重量差
アルミニウムの比重：２．７
処理表面積：アルミニウム板の表面積４５×１８×２＋４５×１．５×２＋１８×１．５×２
尚、エッチング量は、アルカリ性の表面粗化剤と酸性の表面粗化剤で処理した後に測定した結果であるため、両粗化処理によるエッチング量の合計である。
結果を表４に示す。
（考察）
実施例では対応する合金と樹脂との組み合わせの比較例に比べて引張剪断強度が高かった。すなわち、高い接合強度が得られるアルミニウム－樹脂複合体であることが示された。
実施例では対応する合金と樹脂との組み合わせの比較例に比べて引張剪断強度が高かった。すなわち、高い接合強度が得られるアルミニウム－樹脂複合体であることが示された。
図３は実施例１のアルミニウム－樹脂複合体の接合境界近傍の断面の模式図である。
実施例１のＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金に対して、各表面粗化剤を用いて表３に示す処理を施した場合、図３に示す通り、表面にマイクロオーダーの凹凸が形成されるとともに、マイクロオーダーの凹凸の周囲にナノオーダーの凹凸が形成されることになる。このように合金（アルミニウム材）の表面にマイクロオーダーの凹凸及びナノオーダーの凹凸の２種類の凹凸が形成されることにより、樹脂が各凹凸に入り込み、アンカー効果により接合強度を高めることができている。
実施例１のＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金に対して、各表面粗化剤を用いて表３に示す処理を施した場合、図３に示す通り、表面にマイクロオーダーの凹凸が形成されるとともに、マイクロオーダーの凹凸の周囲にナノオーダーの凹凸が形成されることになる。このように合金（アルミニウム材）の表面にマイクロオーダーの凹凸及びナノオーダーの凹凸の２種類の凹凸が形成されることにより、樹脂が各凹凸に入り込み、アンカー効果により接合強度を高めることができている。
特に、実施例１のＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金の場合、アルカリ性の表面粗化剤を接触させる第１粗化工程において、合金に含まれるＳｉ粒子がマスキング材となって、Ｓｉ粒子の周囲にマイクロオーダーの凹凸が形成される。また次に、酸性の表面粗化剤を接触させる第２粗化工程において、合金に含まれるＣｕ粒子がマスキング材となって、マイクロオーダーの凹凸の周囲にナノオーダーの凹凸が形成されることになる。
Claims (10)
- 車載用流体機械の部品であるアルミニウム－樹脂複合体の製造方法であって、
Ｓｉを０．５重量％以上１６重量％以下及びＣｕを０．５重量％以上５．５重量％以下含むアルミニウム合金の表面に、ＮａＯＨを水酸化物イオンとして５．０重量％以上９．３重量％以下と、Ｚｎイオンを１．９重量％以上３．５重量％以下と、硝酸イオンと、チオ硫酸イオンとを含むアルカリ性の表面粗化剤を接触させる第１粗化工程と、
前記第１粗化工程を経たアルミニウム合金の表面に、酸濃度として２．４重量％以上４．２重量％以下の塩酸と、アルミニウム濃度として４．１重量％以上５．８重量％以下の塩化アルミニウムとを含む酸性の表面粗化剤を接触させる第２粗化工程と、
前記第２粗化工程を経たアルミニウム合金の表面を超音波洗浄する洗浄工程と、
前記洗浄工程を経たアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる接合工程と、を含むアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。 - 前記アルミニウム合金はＴ３調質、Ｔ６調質又はＴ７調質のいずれかの調質材である請求項１に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記樹脂組成物は、ＰＰＳ樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＢＴ樹脂、エポキシ樹脂、ＥＴＦＥ樹脂、ＰＦＡ樹脂又はＰＴＦＥ樹脂のいずれかの樹脂である請求項１又は２に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金は、平均粒径が１０μｍ以下のＳｉ及び平均粒径が２μｍ以下のＣｕＡｌ２を含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金は、Ｓｉを１０．０重量％以上１３．０重量％以下及びＣｕを３．０重量％以上５．５重量％以下含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記洗浄工程において、アルミニウム合金の表面に酸濃度１０．０重量％以上５０．０重量％以下である硝酸水溶液を接触させた後に、前記超音波洗浄を行う、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記接合工程において、溶剤に前記樹脂組成物を溶解又は分散させて塗布するコーティング法又は射出成型法のいずれかによってアルミニウム合金の表面に樹脂組成物を接合させる請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記樹脂組成物は、液晶ポリマーであって、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度は１０ＭＰａ以上である請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記樹脂組成物は、ＰＰＳ樹脂であって、接合後のアルミニウム合金と樹脂組成物との接合強度は３０ＭＰａ以上である請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
- 前記車載用流体機械は、燃料電池車用の水素循環ポンプである請求項１乃至９のいずれか一項に記載のアルミニウム－樹脂複合体の製造方法。
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| JP2020207298A JP7319634B2 (ja) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | アルミニウム－樹脂複合体の製造方法。 |
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