JP7414787B2 - 樹脂に接合する接合継手及び接合継手の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書の技術分野は、金属と樹脂の接合構造に関する。

従来から、金属と樹脂の接合構造が知られている。特許文献１の金属と樹脂の接合構造では、金属表面にローレット加工を施し、ローレット加工のぎざぎざに樹脂を接合させている。また、特許文献２の金属と樹脂の接合構造としての軸受装置は、軸受部とボルト孔形成部が金属から形成され、軸受部とボルト孔形成部とを連結するブラケットが樹脂から形成されている。これにより、軸受装置は、軽量化が図られている。なお、特許文献２は、本願の出願人による特許出願である。

特開２０１８－１１５６７９号公報 特開２０２０－０１２５０２号公報

これら特許文献に記載の従来の金属と樹脂の接合構造には、金属と樹脂との接合強度をより高めたいという要望がある。

本明細書の技術が解決しようとする課題は、上述の点に鑑みてなされたものであり、接合強度が高められた金属と樹脂の接合構造を提供することを目的とする。

本明細書の実施形態に係る樹脂に接合する接合継手は、金属から形成され、表面に樹脂と接合する接合面を有し、該接合面に微細凹凸形状が形成され、該微細凹凸形状の算術平均粗さＲａが１０～３００μｍであることを特徴とする。

本明細書の実施形態に係る樹脂に接合する接合継手によれば、接合面と樹脂とが接する面積を増大させることができ、かつ、接合面の微細凹凸形状に入り込む樹脂がアンカーとしての効果を発揮するため、金属と樹脂との接合強度を高めるものとすることができる。

ここで、上記接合継手において、前記接合面に、溝状の凹部が形成されているものとすることができる。

これによれば、溝状の凹部によって接合面に粗い凹凸形状が形成され、樹脂が粗い凹凸形状に入り込むため、金属と樹脂との接合強度を高めるものとすることができる。

また、上記接合継手において、前記接合面が側面となる略円筒形状をなし、前記凹部が該側面の周方向に形成されているものとすることができる。

これによれば、略円筒形状の接合継手に、側面の周方向に渡って樹脂を接合させることができる。

また、上記接合継手において、前記凹部によって周方向に形成されたくびれ部の半径方向の断面が、略多角形であるものとすることができる。

これによれば、凹部によって形成されたくびれ部と、凹部に入り込んだ樹脂とが、略多角形で嵌合するため、接合継手の周方向の回転に対して、金属と樹脂との接合強度を高めるものとすることができる。

ここで、本明細書の実施形態に係る接合継手の製造方法は、上記に記載の接合継手の製造方法であって、
前記接合継手を鋳造する鋳型が粗い骨材から形成されることによって、該鋳型の表面に微細凹凸形状が形成され、
該鋳型から鋳造された接合継手の表面に微細凹凸形状が形成されることを特徴とする。

本明細書の実施形態に係る接合継手の製造方法によれば、粗い骨材の粒度によって、表面に微細凹凸形状を有する鋳型を形成することができるため、微細凹凸形状を安価に形成することができる。

また、上記接合継手の製造方法において、前記骨材の平均粒子径（メジアン径ｄ５０）が２００～２０００μｍであるものとすることができる。

これによれば、接合面に、樹脂との接合強度を高める微細凹凸形状を形成することができる。

ここで、本明細書の実施形態に係る金属と樹脂の接合構造は、上記接合継手と、
該接合継手の前記接合面を被覆し、該接合継手を固設する樹脂を母体とする樹脂ブラケットと、
を有することを特徴とする。

本明細書の実施形態に係る金属と樹脂の接合構造によれば、接合継手と樹脂ブラケットとを強固に接合することができる。

本明細書の実施形態に係る接合継手によれば、金属と樹脂との接合強度が高められたものとすることができる。

実施形態の接合継手の斜視図である。 同接合継手の正面図である。 図２のIII－III線位置の断面図である。 同接合継手を鋳造する鋳型の断面図である。 同接合継手が使用された接合構造の斜視図である。 同接合継手が使用された軸受装置の正面図である。 同軸受装置の平面図である。

以下、本明細書の実施形態に係る樹脂に接合する接合継手を図面に基づいて説明する。しかし、本明細書の技術は、これら実施形態に限定されるものではない。実施形態の接合継手１は、インサート部材（インサートカラー、インサートナット）として使用されるものであり、図１に示すように、略円筒状の金属の側面１１の周方向に、溝状の凹部１３が形成され、両底面１２の間がくびれたくびれ部１４を有する鼓形状となっている。側面１１の上下の端部１５と凹部１３とが粗凹凸形状１０１を形成し、凹部１３を含めた側面１１が樹脂との接合面１０となる。接合面１０には、算術平均粗さＲａが１０～３００μｍの微細凹凸形状１００が形成されている。接合面１０に、粗凹凸形状１０１と微細凹凸形状１００とが形成されていることにより、接合継手１は、樹脂との接合を強固にすることができるものである。また、実施形態の接合継手１は、図６、７に示すように、前述した特許文献２（特開２０２０－０１２５０２号公報）に記載の、シャフト軸受部２０１とボルト孔形成部（接合継手１）が金属から形成され、シャフト軸受部２０１とボルト孔形成部とを連結するブラケット（樹脂ブラケット２）が樹脂から形成された、軸受装置、のボルト孔形成部として使用することができる。これにより、金属と樹脂の接合構造としての軸受装置は、軽量化を図ることができる。なお、本明細書において、接合継手１の向きは、図１に示すように、それぞれの底面１２の中心を結ぶ軸の方向を上下方向とし、図示で使用する、Ｕは上、Ｄは下を示す。また、両底面１２の中心を結ぶ軸に対して、半径方向、周方向と表現することがある。

接合継手１は、金属から形成され、金属として、具体的には、球状黒鉛鋳鉄品ＦＣＤ５００（ＪＩＳ Ｇ ５５０２：２００７）を使用した。球状黒鉛鋳鉄品は、優れた引張強さと耐熱性を有し、接合継手１として耐久性に優れるものである。また、別の実施形態として、アルミニウム合金ダイカスト１２種ＡＤＣ１２（ＪＩＳ Ｈ ５３０２：２００６）を使用した。ＡＤＣ１２は、機械的性質、被削性、鋳造性に優れるものである。接合継手１は、詳しくは後述するが、安価に製造でき、大量生産に適した、鋳型による鋳造によって製造した。

実施形態の接合継手１は、図１～３に示すように、略円筒状の側面１１の周方向の一周に渡って、１本の溝状の凹部１３が形成され、上下のそれぞれの端部１５、１５が太く、上下方向の中央のくびれ部１４がくびれた、鼓形状となっている。接合継手１は、上下のそれぞれの端部１５、１５と、上下方向の中央のくびれ部１４とによって、粗凹凸形状１０１が形成されている。粗凹凸形状１０１によって、図５に示す如く、接合継手１が樹脂ブラケット２に固設されたとき、凹部に樹脂が入り込み、接合継手１は、抜け防止効果が高められる。

図２に示すように、凹部１３を形成する周方向の出隅部は、内側に丸く面取りされた面取り部１３ａが形成され、周方向の入隅部は、外側にまるく面取りされた面取り部１３ｂが形成されている。面取り部１３ａ、面取り部１３ｂによって、接合継手１が樹脂ブラケット２に固設されたとき、樹脂にかかる応力を分散させることができる。

くびれ部１４は、図３に示すように、半径方向の断面が略四角形となっている。くびれ部１４の断面が略四角形であることによって、接合継手１が樹脂ブラケット２に固設されたとき、凹部１３によって形成されたくびれ部１４と、凹部１３に入り込んだ樹脂とが、略四角形で嵌合するため、接合継手の周方向の回転に対して、金属と樹脂との接合強度を高めることができる。くびれ部１４の略四角形を形成する上下方向の出隅部は、内側に丸く面取りされた面取り部１４ａが形成されている。面取り部１４ａによって、接合継手１が樹脂ブラケット２に固設されたとき、樹脂にかかる応力を分散させることができる。

接合継手１の上下それぞれの底面１２は、円形をなし、中心の上下方向の軸上に、螺子孔１６が貫通されている。螺子孔１６によって、接合継手１は、螺子などによって他部材と接合されることができる。なお、螺子孔１６は、ねじ山のない丸孔や多角形などの異形孔とすることもできる。

実施形態の接合継手１の凹部１３を含めた側面１１は、樹脂ブラケット２の樹脂と接合する接合面１０となる。接合面１０には、算術平均粗さＲａが約９０μｍの微細凹凸形状１００が形成されている。接合面１０に、算術平均粗さＲａが約９０μｍの微細凹凸形状１００が形成されていることによって、接合継手１が樹脂ブラケット２の樹脂と接合したとき、樹脂が微細凹凸形状１００に入り込み、アンカーとしての効果を発揮するため、接合継手１と樹脂との結合を強固なものとすることができる。

算術平均粗さＲａが約９０μｍの微細凹凸形状１００は、詳しくは後述するが、接合継手１を鋳造する鋳型３が、粗い骨材３２（図４）から形成されることによって、鋳型３の表面に微細凹凸形状１００が形成され、鋳型３から鋳造される接合継手１の側面１１に、微細凹凸形状１００が転写されることによって形成される。

次に、実施形態の接合継手１の製造方法について説明する。接合継手１は鋳型３による鋳造によって製造され、実施形態の接合継手１製造方法は、接合継手１を鋳造する鋳型３の製造方法と、鋳型３を用いた接合継手１の製造方法について分けて説明する。

鋳型３の製造方法は、接合継手１のマスターモデル（３Ｄデータ）からマスターモデルを複製した一次型を作成する一次型作成工程と、一次型から、粗い骨材３２を用いて表面に微細凹凸形状１００を有する二次型（鋳型３）を作成する鋳型作成工程と、から構成される。

一次型作成工程では、汎用の方法によって、接合継手１のマスターモデルからマスターモデルを複製した、金属（または樹脂）からなる一次型を作成した。

鋳型作成工程では、図４に示すように、鋳型３（二次型）は、一次型を型取りするように、ガス硬化性砂型を形成する型成形剤を注入し、成形した。ガス硬化性砂型を形成する型成形剤は、型成形剤にガスを通して硬化させるガス硬化造型法の一種であるコールドボックス法を用いて硬化させ、鋳型３を成形した。

型成形剤は、骨材３２とレジンと硬化剤とを混合することによって作成し、骨材３２は、骨材の質量が最も大きいふるいの公称目開きが１１８０μｍの鋳型用けい砂３．５号（ＪＩＳ Ｇ ５９０１：２０１６）を使用し、レジンと硬化剤は、コールドボックス法に用いる汎用のレジンと硬化剤を使用した。型成形剤は、骨材３２が９８．４％、レジンが０．８％、硬化剤が０．８％含有するものとした。型成形剤がほぼ粗い骨材３２から形成されているため、型成形剤から形成される鋳型３は、その表面形状が骨材３２の形状（粒度）からなる微細凹凸形状１００が形成されている。

鋳型３を用いた接合継手１の製造方法は、鋳型３に、溶融金属を注湯する注湯工程と、解枠して接合継手１を取り出す解枠工程と、から構成される。

注湯工程では、溶融した金属を鋳型３に注湯し、冷やして固化させて、接合継手１を成形させる。注湯は、汎用の方法によって行なう。

解枠工程では、接合継手１を鋳型３から解枠し、バリなどの不要物を取り除き、底面１２を機械加工することによって、底面１２の微細凹凸形状１００をなくし、接合継手１を使用することができるものとした。

このようにして製造された接合継手１は、側面１１の接合面１０に、微細凹凸形状１００が形成される。また、接合継手１の側面１１の周方向の溝状の凹部１３によって、上下のそれぞれの端部１５、１５と、上下方向の中央のくびれ部１４とによって、粗凹凸形状１０１が形成される。なお、接合継手１は、鋳型３を形成する骨材３２の大きさを変更するだけで、微細凹凸形状１００の大きさを調整することができるものである。

次に、実施形態の接合継手１が使用された金属と樹脂の接合構造について説明する。実施形態では、車両のシャフトを回動可能に支持する軸受装置について、車体に接合するボルト孔形成部に接合継手１が使用された接合構造、を例に説明する。

図６、７に示すように、軸受装置２００は、ベアリングを介してシャフトが挿通される円環状のシャフト軸受部２０１と、シャフト軸受部２０１を被固定部に固定するボルトが挿入される接合継手１と、シャフト軸受部２０１と接合継手１とを連結するブラケットと、を備え、シャフト軸受部２０１と接合継手１が金属から形成され、シャフト軸受部２０１と接合継手１とを連結するブラケット（樹脂ブラケット２）が樹脂から形成されている。これにより、軸受装置２００は軽量化が図られている。

樹脂ブラケット２は、シャフト軸受部２０１と接合継手１とを一体的に連結するものであり、樹脂混合物から形成され、成形型によって成形される。樹脂混合物に使用される樹脂には、２種類の樹脂をそれぞれ別々に使用した。樹脂の一つは、熱可塑性樹脂であるポリアミド樹脂、樹脂のもう一つは、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を使用した。樹脂混合物に使用される樹脂に、ポリアミド樹脂又はフェノール樹脂を使用することにより、樹脂ブラケット２は、耐熱性と機械的強度に優れるものとすることができる。

樹脂ブラケット２に使用する樹脂混合物には、繊維としてガラス繊維を混入させ、繊維混合樹脂とした。樹脂混合物に繊維を混入させることにより、樹脂の硬化収縮を減少させることができ、また、物理的強度を高めることができる。繊維混合樹脂における繊維の混入割合は、効率よく物理的強度を高めるために４０質量％とした。

軸受装置２００に使用された接合継手１は、凹部１３を含めた側面１１の接合面１０に微細凹凸形状１００が形成されているため、樹脂ブラケット２の樹脂との接合を強固にすることができる。また、図５に示すように、接合継手１は、上下のそれぞれの端部１５、１５と、上下方向の中央の凹部１３とによって、粗凹凸形状１０１が形成されているため、樹脂ブラケット２に対して、抜け防止効果が高められ、くびれ部１４の半径方向の断面が略四角形であるため、回転防止効果が高められている。

なお、実施形態の接合継手１、金属と樹脂の接続構造は、その構成を以下のような形態に変更しても実施することができる。

実施形態の接合継手１では、接合継手１の成形に使用した鉄合金（鋳鉄）として、球状黒鉛鋳鉄品ＦＣＤ５００を使用したが、ＪＩＳ Ｇ ５５０２：２００１に規定された球状黒鉛鋳鉄品（ＦＣＤ３５０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００）であれば使用することができる。機械的強度に優れるためである。

実施形態の接合継手１では、接合継手１の成形に使用したアルミニウム合金ダイカストとして、ＡＤＣ１２を使用したが、ＪＩＳ Ｈ ５３０２：２００６に規定されたアルミニウム合金ダイカスト（ＡＤＣ１、ＡＤＣ３、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２Ｚ、ＡＤＣ１４）であれば使用することができる。

実施形態の接合継手１では、くびれ部１４の半径方向の断面を略四角形としたが、くびれ部１４の半径方向の断面は、略三角形から略六角形とすることができる。樹脂ブラケット２に対して、抜け防止効果や回転防止効果を高めることができるためである。なお、くびれ部１４の半径方向の断面は、円形とすることもできる。

実施形態の接合継手１では、側面１１の周方向の一周に渡って、溝状の凹部１３を１本設けたが、溝状の凹部１３は、上下方向に、１～３本設けることができる。樹脂ブラケット２に対して、抜け防止効果を高めることができるためである。なお、３本を超える場合には、接合継手１の構造が複雑となるおそれがある。別の実施形態として、溝状の凹部１３は、上下方向に、１～２本設けることができる。

実施形態の接合継手１は、略円筒形状のインサート部材（インサートカラー、インサートナット）としたが、インサート部材に限られるものではなく、金属と樹脂の接合に用いるものであれば使用することができる。また、形状は、略円筒形状に限られず、例えば、円錐形状、角柱形状、角錐形状などとすることができる。

実施形態の接合継手１の製造方法では、鋳型３をガス硬化性砂型によって成形したが、鋳型３は、生砂型、自硬性砂型、熱硬化性砂型などによっても成形することもできる。

実施形態の接合継手１の製造方法では、鋳型３となるガス硬化性砂型を形成する型成形剤に混合する骨材３２に、骨材の質量が最も大きいふるいの公称目開きが１１８０μｍの鋳型用けい砂３号（平均粒子径（メジアン径ｄ５０）：１５００μｍ）を使用したが、骨材３２の平均粒子径は、２００～２０００μｍであれば使用することができる。樹脂との接合を強固にする微細凹凸形状１００を形成することができるためである。骨材の平均粒子径が２００μｍ未満である場合には、微細凹凸形状１００が細かくなり、樹脂との接合を強固にすることができないおそれがある。一方、２０００μｍを超えると、鋳型３の強度が劣るおそれがある。別の実施形態として、骨材３２の平均粒子径は、６００～１７００μｍとすることができる。

実施形態の接合継手１の製造方法では、鋳型３となるガス硬化性砂型を形成する型成形剤に混合する骨材３２に、骨材の質量が最も大きいふるいの公称目開きが１１８０μｍの鋳型用けい砂３号を使用したが、けい砂は、鋳型用けい砂６号から鋳型用けい砂３号の大きさであれば使用することができる。別の実施形態として、けい砂の大きさは、鋳型用けい砂４号から鋳型用けい砂３号とすることができる。また、骨材３２は、同等の平均粒子径であれば、炭酸カルシウム粉、セルベン（衛生陶器粉砕物）、砕石粉などであっても使用することができる。

実施形態の接合継手１の製造方法では、鋳型３となるガス硬化性砂型を形成する型成形剤に、骨材３２が９８．４％、レジンが０．８％、硬化剤が０．８％含有するものを使用したが、型成形剤は、骨材３２が７０～９９％、レジンが０．５～１５％、硬化剤が０．５～１５％含有するものであれば使用することができる。別の実施形態として、型成形剤は、骨材３２が９０～９９％、レジンが０．５～５％、硬化剤が０．５～５％含有するものとすることができる。

樹脂ブラケット２を形成する樹脂混合物の熱可塑性樹脂として、実施形態では、ポリアミド樹脂を使用したが、耐熱性に優れる、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂を使用することができる。

樹脂ブラケット２を形成する樹脂混合物の熱硬化性樹脂として、実施形態では、フェノール樹脂を使用したが、アミノ樹脂、ユリア樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。耐熱性に優れるためである。

樹脂ブラケット２を形成する樹脂混合物である繊維混合樹脂の繊維として、実施形態では、無機繊維であるガラス繊維を使用したが、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維などの無機繊維、セルロース繊維、アクリル繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維などの有機繊維も使用することができる。

繊維混合樹脂における繊維の混入割合は、実施形態では、４０質量％としたが、１０～７０質量％であれば、使用することができる。混入割合が１０質量％未満だと、強度を十分に高めることができないおそれがある。一方、７０質量％を超えると、繊維混合樹脂の密度が増し、軸受装置２００の軽量化を図ることができないおそれがある。より好ましくは、２０～６０質量％であり、さらに好ましくは、３０～５０質量％である。

繊維混合樹脂は、実施形態では、樹脂がポリアミド樹脂又はフェノール樹脂であり、ガラス繊維を４０質量％混合されたものを使用したが、市販品であっても使用することができる。ガラス繊維混合樹脂の市販品として、Ａ１０２２ＧＦＬ１５、Ａ１０２２ＧＦＬ、Ａ１０３０ＧＦＬ、Ａ１０３０ＧＦＬ４５、Ａ１０２２ＧＦＬ６０（Ａ）、ＥＸ－８４０６Ｇ３０、Ａ１７５Ｓ、Ａ１９０Ｓ、Ａ１９２Ｓ、Ａ６９０Ｓ（以上、ユニチカ株式会社製）、ＣＭ１０１１Ｇ－１５、ＣＭ１００１Ｇ－１５、ＣＭ１００１Ｇ－２０、ＣＭ１０１１Ｇ－３０、ＣＭ１０１６Ｇ－３０、ＣＭ１０１１Ｇ－４５、ＣＭ１０１２Ｇ－４５Ｎ、ＣＭ３００１Ｇ－１５、ＣＭ３００６Ｇ－１５、ＣＭ３００１Ｇ－３０、ＣＭ３００６Ｇ－３０、ＣＭ３００１Ｇ－４５、ＣＭ３００６Ｇ－４５（以上、東レ株式会社製）などを使用することができる。

１…接合継手、２…樹脂ブラケット、３…鋳型、３ａ…側面部分、１０…接合面、１１…側面、１２…底面、１３…凹部、１３ａ…面取り部、１３ｂ…面取り部、１４…くびれ部、１４ａ…面取り部、１５…端部、１６…螺子孔、３２…骨材、１００…微細凹凸形状、１０１…粗凹凸形状、２００…軸受装置、２０１…シャフト軸受部。

Claims (6)

1. 金属から形成され、表面に樹脂と接合する接合面を有し、該接合面に溝状の凹部が形成され、
   該接合面に微細凹凸形状が形成され、該微細凹凸形状の算術平均粗さＲａが１０～３００μｍであることを特徴とする、樹脂に接合する接合継手。
2. 前記接合面が側面となる略円筒形状をなし、前記凹部が該側面の周方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂に接合する接合継手。
3. 前記凹部によって周方向に形成されたくびれ部の半径方向の断面が、略多角形であることを特徴とする請求項２に記載の樹脂に接合する接合継手。
4. 請求項１に記載の樹脂に接合する接合継手の製造方法であって、
   前記接合継手を鋳造する鋳型が粗い骨材から形成されることによって、該鋳型の表面に微細凹凸形状が形成され、
   該鋳型から鋳造された接合継手の表面に微細凹凸形状が形成されることを特徴とする接合継手の製造方法。
5. 前記骨材の平均粒子径（メジアン径ｄ５０）が２００～２０００μｍであることを特徴とする請求項４に記載の接合継手の製造方法。
6. 前記鋳型がガス硬化性砂型によって形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の接合継手の製造方法。

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