JP7341984B2 - クラッディング用組成物、及び金属/樹脂接合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
これに対し、燃料であるガソリンの消費を抑えたハイブリッド車や電気自動車が生産されている。また、燃費の向上を図るため、車体の軽量化が注目され、より軽量で丈夫な新材料を車体に適用する検討が進んでいる。
異種の材料同士を接合する際、接着剤が一般に用いられる。しかしながら、接着剤の使用は、環境負荷が大きく、接着剤自体が経年劣化を生じ、また、接合強度の点でも問題となる。
例えば、特許文献1には、金属基材の一方の面に、金属粉末を付着させ、レーザを照射して当該金属基材と合金化した重畳的微細粒子構造を形成し、当該重畳的微細粒子構造に樹脂部材を押圧し、その界面にレーザを照射して加熱することにより、金属基材と樹脂部材とを接合する接合方法が開示されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、接着剤を用いずに、金属基材と樹脂部材との接合強度がより高められた金属/樹脂接合部材の製造方法、及び金属基材と樹脂部材とを安定に接合できるクラッディング用組成物を提供することを課題とする。
すなわち、本発明の第1の態様は、金属粉末と、バインダと、有機溶媒とを含有することを特徴とする、クラッディング用組成物である。
また、本発明のクラッディング用組成物によれば、金属基材と樹脂部材とを安定に接合することができる。
本実施形態のクラッディング用組成物は、金属粉末と、バインダと、有機溶媒とを含有する。
本発明における「クラッディング用組成物」とは、母材である金属基材面で溶融凝固してビード(合金の突起物)を形成する材料をいう。
本実施形態における金属粉末を構成する金属としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、クロム、鉄、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム又はこれらの複数を合金化したものなどが挙げられる。
金属粉末は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。2種以上の金属を組み合わせることで、ビード表面に多孔質構造が形成しやすくなり、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度が高められやすくなる。
金属粉末は、チタンを含むものが好ましく、例えばチタンとアルミニウムとを含むものが好適に挙げられる。
本発明における「粉末の平均粒子径」は、公知の粒度分布測定装置により測定される粉末の体積平均粒子径の値をいう。
金属粉末の含有量が、前記の好ましい範囲の下限値以上であれば、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度がより高められやすくなり、一方、前記の好ましい範囲の上限値以下であれば、組成物として取り扱いやすくなる。
本実施形態におけるバインダは、クラッディング用組成物において、金属粉末の分散剤として作用し、また、粘度調整剤としても作用する。
前記バインダには、有機化合物を用いることもできるし、無機化合物を用いることもできる。
セルロース化合物として具体的には、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースが挙げられる。
バインダは、有機化合物が好ましく、この中でも組成物の粘度を調整しやすいことから、セルロース化合物を含むものがより好ましい。セルロース化合物としては、ヒドロキシプロピルセルロースが好ましい。
ヒドロキシプロピルセルロースの中でも、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度が高められやすいことから、質量平均分子量(Mw)が100000~800000のものが好ましく、Mwが110000~700000のものがより好ましく、Mwが120000~650000のものがさらに好ましい。
また、バインダは、金属との接着性が強く、また、金属粉との分散性が良好なことから、ポリビニルアセタールを含むものが好ましく、その中でもポリビニルブチラールを含むものが特に好ましい。ポリビニルブチラールの中でも、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度が高められやすいことから、Mwが10000~80000のものが好ましく、Mwが30000~80000のものがより好ましく、Mwが50000~70000のものがさらに好ましい。
バインダとしてヒドロキシプロピルセルロースを用いる場合、ヒドロキシプロピルセルロースの含有量は、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して0.00001~5質量%が好ましく、0.0001~2質量%がさらに好ましく、0.001~2質量%が特に好ましい。
バインダとしてポリビニルブチラールを用いる場合、ポリビニルブチラールの含有量は、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して0.1~10質量%が好ましく、0.2~7質量%がさらに好ましく、0.5~5質量%が特に好ましい。
バインダの含有量が、前記の好ましい範囲の下限値以上であれば、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度がより高められやすくなり、また、金属基材への当該組成物の塗布性がより向上する。一方、前記の好ましい範囲の上限値以下であれば、組成物として取り扱いやすくなる。
本実施形態における有機溶媒は、例えば、上記の金属粉末及びバインダの分散媒となるものが挙げられる。
かかる有機溶媒として具体的には、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n-ペンチルアルコール、s-ペンチルアルコール、t-ペンチルアルコール、イソペンチルアルコール、2-メチル-1-プロパノール、2-エチルブタノール、ネオペンチルアルコール、n-ブタノール、s-ブタノール、t-ブタノール、n-ヘキサノール、2-ヘプタノール、3-ヘプタノール、2-メチル-1-ブタノール、2-メチル-2-ブタノール、4-メチル-2-ペンタノール、1-ブトキシ-2-プロパノール、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、5-メチル-1-ヘキサノール、6-メチル-2-ヘプタノール、1-オクタノール、2-オクタノール、3-オクタノール、4-オクタノール、2-エチル-1-ヘキサノール、2-(2-ブトキシエトキシ)エタノール等の鎖状構造のアルコール;シクロペンタンメタノール、1-シクロペンチルエタノール、シクロヘキサノール、シクロヘキサンメタノール、シクロヘキサンエタノール、1,2,3,6-テトラヒドロベンジルアルコール、exo-ノルボルネオール、2-メチルシクロヘキサノール、シクロヘプタノール、3,5-ジメチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、ターピオネール等の環状構造を有するアルコール;γ-ブチロラクトン等のラクトン類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチル-n-ペンチルケトン、メチルイソペンチルケトン、2-ヘプタノンなどのケトン類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール;エチレングリコールモノアセテート、ジエチレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノアセテート、またはジプロピレングリコールモノアセテート等のエステル結合を有する化合物、前記多価アルコール類または前記エステル結合を有する化合物のモノメチルエーテル、モノエチルエーテル、モノプロピルエーテル、モノブチルエーテル等のモノアルキルエーテルまたはモノフェニルエーテル等のエーテル結合を有する化合物等の多価アルコール類の誘導体[これらの中では、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)が好ましい];ジオキサンのような環式エーテル類や、乳酸メチル、乳酸エチル(EL)、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、メトキシプロピオン酸メチル、エトキシプロピオン酸エチルなどのエステル類;アニソール、エチルベンジルエーテル、クレジルメチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、フェネトール、ブチルフェニルエーテル、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン、ペンチルベンゼン、イソプロピルベンゼン、トルエン、キシレン、シメン、メシチレン等の芳香族系有機溶剤、ジメチルスルホキシド(DMSO)等が挙げられる。
有機溶媒は、アルコールを含むものが好ましい。アルコールとしては、前記の鎖状構造のアルコール、多価アルコールが好ましく、具体的にはエタノール、グリセリンが挙げられる。
また、有機溶媒は、多価アルコール類の誘導体を含むものが好ましい。多価アルコール類の誘導体として、具体的にはPGMEA、PGMEが挙げられる。
本実施形態のクラッディング用組成物は、上述した金属粉末、バインダ及び有機溶媒以外のその他成分をさらに含有してもよい。
その他成分としては、例えば、カーボンの粉末、界面活性剤等が挙げられる。
カーボンの粉末の平均粒子径は、例えば10nm以上100μm以下程度である。
カーボンの粉末の含有量は、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して0.1~15質量%であることが好ましく、0.5~10質量%がより好ましく、1~8質量%がさらに好ましい。
カーボンの粉末の含有量が、前記の好ましい範囲の下限値以上であれば、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度がより高められやすくなり、一方、前記の好ましい範囲の上限値以下であれば、組成物の流動性がより良好となる。
両者の混合比率(質量比)が、前記の好ましい範囲の下限値以上であれば、例えば金属基材と樹脂部材との接合強度がより高められやすくなり、一方、前記の好ましい範囲の上限値以下であれば、組成物の流動性がより良好となる。
本実施形態のクラッディング用組成物は、例えば、バインダと有機溶媒との混合液を調製する工程、及び前記混合液と金属粉末とを混合する工程を有する製造方法により製造することができる。
バインダ濃度が、前記の好ましい範囲の下限値以上であれば、金属基材への当該組成物の塗布性がより向上し、一方、前記の好ましい範囲の上限値以下であれば、組成物を適度な粘度に調整しやすくなる。
実施形態のクラッディング用組成物は、例えば、ペースト、スラリー、懸濁液などの形態が挙げられ、好ましくはペーストである。
ここでいう「ペースト」とは、流動性が有り、高い粘性を有する状態であり、粘度が1000cps(1Pa・s)以上20万cps(200Pa・s)以下の範囲内にあるものとする。ペーストの粘度は、E型粘度計を用いて25℃で測定される値を示す。
第1の実施形態の製造方法は、金属基材と樹脂部材とが接合した金属/樹脂接合部材を製造する方法であって、前記金属基材の少なくとも一部に、上述のクラッディング用組成物を塗布する工程(以下「工程(i)」という。)と、前記金属基材における前記クラッディング用組成物の塗布部に、レーザを照射する工程(以下「工程(ii)」という。)と、前記金属基材におけるレーザ照射部上に、前記樹脂部材を配置する工程(以下「工程(iii)」という。)と、前記レーザ照射部と前記樹脂部材との界面を加熱して、前記金属基材と前記樹脂部材とを接合する工程(以下「工程(iv)」という。)とを有する。
本実施形態において、樹脂部材としては、例えば、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン6,6等)、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。
工程(i)では、金属基材の少なくとも一部に、上述のクラッディング用組成物を塗布する。
クラッディング用組成物の塗布方法は、特に限定されず、例えば、スクリーン塗布、ディスペンサー、吹き付け等による方法が挙げられる。
金属基材に塗布されるクラッディング用組成物の塗布膜の厚さは、当該組成物の配合成分等に応じて適宜設定すればよく、例えば50~200μm程度である。
工程(ii)では、金属基材における前記クラッディング用組成物の塗布部に、レーザを照射する。
前記塗布部を照射するレーザとしては、金属粉末を加熱できるものであればよく、例えば、半導体レーザ、ファイバーレーザ、Nd:YAGレーザ、炭酸ガスレーザ等が挙げられる。
尚、当該重畳的微細粒子構造には、共晶、固溶体又は金属間化合物のいずれによる合金層を形成している場合も包含する。
工程(iii)では、前記金属基材におけるレーザ照射部上に、前記樹脂部材を配置する。
レーザ照射部上に樹脂部材を配置する方法としては、例えば、樹脂部材の材料である樹脂組成物をレーザ照射部上に塗布して成膜する方法、又は当該樹脂組成物の成形体をレーザ照射部上に配置する方法が挙げられる。
また、レーザ照射部上に樹脂部材を配置する際、前記樹脂部材を前記金属基材に当接し、かつ、押圧することが好ましい。
工程(iv)では、前記レーザ照射部と前記樹脂部材との界面を加熱して、前記金属基材と前記樹脂部材とを接合することにより金属/樹脂接合部材を得る。
界面を加熱する方法は、特に限定されず、例えば、ヒータによる加熱、レーザ照射による加熱が挙げられる。
第1の実施形態の製造方法により製造される金属/樹脂接合部材についての接合強度は、例えば35~50MPaである。
本発明に係るクラッディング用組成物、及び金属/樹脂接合部材の製造方法は、上述した実施形態に限定されず、例えば、第1の実施形態の製造方法において、クラッディング用組成物に用いる金属粉末として、前記金属基材を構成する金属と同一の金属1種以上と、これ以外の金属と、の混合金属粉末を用いることが好ましい。かかる混合金属粉末を含有するクラッディング用組成物を適用することで、金属粉末と金属基材との相溶性が高められる。このため、適度な粗密の分布を有するビードが金属基材面に形成されやすくなる。これによって、金属基材と樹脂部材とをより強固で安定に接合することができる。
(実施例1~24、比較例1~11)
表1~6に示す各成分を混合して、各例のクラッディング用組成物を調製した。各例のクラッディング用組成物の形態を併記した。
なお、実施例1~3及び10~12は、参考例である。
(M)-1:アルミニウム粉末、体積平均粒子径40μm
(M)-2:チタン粉末、体積平均粒子径45μm
(B)-2:ヒドロキシプロピルセルロース(HPC-L)Mw140000
(B)-3:ポリアクリル酸
(B)-4:ポリビニルブチラール、Mw38000
(B)-5:ベントナイト
(B)-6:ポリビニルブチラール、Mw60000
(B)-7:ポリビニルブチラール、Mw14000
(S)-2:エタノール
(S)-3:プロピレングリコールモノメチルエーテル
(C)-1:カーボン粉末、体積平均粒子径40nm
以下に示す金属基材及び樹脂部材を用いて、金属/樹脂接合部材の製造を行った。
金属基材:縦5cm×横2cm×厚さ1mmのA5052アルミ板
樹脂部材:縦5cm×横2cm×厚さ1mmのナイロン66からなるシート
工程(i):
金属基材である前記アルミ板に、上記の実施例4、比較例4、比較例9、比較例11のクラッディング用組成物をそれぞれ、厚さ100μmで幅方向1.2mm×長さ方向1.5cmのパターン状に塗布した。
次いで、前記アルミ板におけるクラッディング用組成物の塗布部に、レーザを照射して、前記アルミ板面にビード(合金の突起物)を形成した。
本実施例では、光学系を用いて直径1.2mmのスポットビームに整形した、波長970nmの半導体レーザを用いた。スポットビームの走査速度を20mm/sとした。スポットビームを幅16mmに渡って走査し、20mm2以上の領域を照射した。
図2は、比較例4のクラッディング用組成物を用いて形成されたビードの状態を示す光学顕微鏡像(5倍)である。
図3は、比較例9のクラッディング用組成物を用いて形成されたビードの状態を示す光学顕微鏡像(5倍)である。
図4は、比較例11のクラッディング用組成物を用いて形成されたビードの状態を示す光学顕微鏡像(5倍)である。
工程(i):
金属基材である前記アルミ板に、上記の実施例6~17、実施例19~24及び比較例11の各クラッディング用組成物をそれぞれ、厚さ100μmで幅方向2mm×長さ方向1.5cmのパターン状に塗布した。
次いで、前記アルミ板におけるクラッディング用組成物の塗布部に、レーザを照射して、前記アルミ板面にビード(合金の突起物)を形成した。
ここでのレーザ照射は、光学系を用いて直径2mmのスポットビームに整形した、波長970nmの半導体レーザを用いた。スポットビームの走査速度を30mm/sとした。スポットビームを幅20mmに渡って走査し、40mm2以上の領域を照射した。
次いで、前記アルミ板面に形成されたビード上に、樹脂部材であるナイロン6,6からなるシートを配置して押圧した。押圧は、金属基材側から金属製の裏当てプレートにより裏当てし、樹脂部材をガラス板(テンパックス、厚さ5mm)で挟み込み、油圧ポンプにてその表示上で1.4MPaの圧力を加えた。
次いで、前記アルミ板面に形成されたビードと、前記のナイロン6,6からなるシートとの界面を、前記樹脂部材側から、スポット状に整形した半導体レーザのレーザスポットを照射して加熱し、アルミ板とナイロン6,6からなるシートとの接合部材を得た。
ここでのレーザスポットの照射条件は平均出力を150W、繰返し周波数を1000Hz、Dutyを50%、走査速度を10mm/sとした。
実施例17と実施例20と実施例21とは、バインダとして用いたポリビニルブチラールのMwが相違する。ポリビニルブチラールのMwが大きいほど、接合強度が高くなる傾向があることが確認された。
Claims (7)
- 金属粉末と、バインダと、有機溶媒と、カーボンの粉末とを含有する、金属基材と樹脂部材を接合するためのクラッディング用組成物であって、
前記金属粉末は、2種以上の金属を含み、かつ、少なくともチタンを含み、
金属粉末の含有量が、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して50~70質量%であり、
前記バインダの含有量が、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して0.000001~10質量%であり、
前記有機溶媒の含有量が、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して25~70質量%であり、
カーボンの粉末の含有量が、クラッディング用組成物の総量(100質量%)に対して0.1~15質量%である、クラッディング用組成物。 - 前記バインダと前記有機溶媒との混合液に、前記金属粉末が分散している、請求項1に記載のクラッディング用組成物。
- 前記バインダは、セルロース化合物を含む、請求項1又は2に記載のクラッディング用組成物。
- 前記有機溶媒は、アルコールを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のクラッディング用組成物。
- 金属基材と樹脂部材とが接合した金属/樹脂接合部材の製造方法であって、
前記金属基材の少なくとも一部に、請求項1~4のいずれか一項に記載のクラッディング用組成物を塗布する工程(i)と、
前記金属基材における前記クラッディング用組成物の塗布部に、レーザを照射する工程(ii)と、
前記金属基材におけるレーザ照射部上に、前記樹脂部材を配置する工程(iii)と、
前記レーザ照射部と前記樹脂部材との界面を加熱して、前記金属基材と前記樹脂部材とを接合する工程(iv)と、
を有する、金属/樹脂接合部材の製造方法。 - 前記工程(iv)において、前記レーザ照射部と前記樹脂部材との界面を、レーザを照射することにより加熱して、前記金属基材と前記樹脂部材とを接合する、請求項5に記載の金属/樹脂接合部材の製造方法。
- 前記金属粉末として、前記金属基材を構成する金属と同一の金属1種以上と、これ以外の金属との混合金属粉末を用いる、請求項5又は6に記載の金属/樹脂接合部材の製造方法。
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