JPWO2020184440A1 - 金属樹脂接合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の金属樹脂接合体３０の製造方法は、熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材１０と、金属からなる金属部材２０とを接合した金属樹脂接合体３０の製造方法において、所定形状に成形した合成樹脂部材１０の表面１２を、前記熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆ以上の第１の温度Ｔ１に加熱した空気に曝す第１工程と、合成樹脂部材１０の表面１２と金属部材２０の表面２２を接合する第２工程とを有する。これにより、金属部材２０と合成樹脂部材１０との接合強度を向上することができる。
Description
本発明は、金属樹脂接合体の製造方法に関する。
金属からなる金属部材と合成樹脂からなる合成樹脂部材とを接合して金属樹脂接合体を製造する方法として、種々の方法が提案されている（例えば、下記特許文献１及び２参照）。
レーザや化学エッチングによって金属部材の表面に凹凸形状のアンカーを形成することで、金属部材と合成樹脂部材との接合強度を高めることが提案されている。金属に凹凸を付けてアンカーを持たせる方法は、熱衝撃試験をおこなった際に樹脂と金属との線膨張係数の違いから、接合点が破壊されやすい。また、強固な接合を得るためには入り組んだアンカー孔が必要であるが、このようなアンカー孔の形成は困難であることに加え、樹脂をアンカー孔の内部へ完全に充填させることが難しく、安定した接合強度を得ることが困難である。
摩擦接合等のように金属及び樹脂の持つ双極子相互作用による分子間力によって金属部材と合成樹脂部材とを接合する場合、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）等のオレフィン系樹脂のように双極子相互作用の小さい樹脂は金属と直接接合することが困難となる。双極子相互作用の小さい樹脂に無水カルボン酸のような双極子相互作用の高い化合物を添加することで、接合強度を高めることができるが、合成樹脂部材自体の強度等の物性を低下させることがある。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、金属からなる金属部材と熱可塑性樹脂材からなる合成樹脂部材との接合強度を向上することができる金属樹脂接合体の製造方法を提供することを目的とする。
本実施形態によれば、下記［１］〜［１０］の態様が提供される。
［１］熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材と、金属からなる金属部材とを接合した金属樹脂接合体の製造方法において、所定形状に成形した前記合成樹脂部材の表面を、前記熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度以上の第１の温度に加熱した気体に曝す第１工程と、前記合成樹脂部材の表面と前記金属部材の表面とを接合する第２工程とを有する金属樹脂接合体の製造方法。
［２］前記第２工程において、前記第１の温度より低い第２の温度で前記合成樹脂部材の表面と前記金属部材の表面を接合する前記［１］に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［３］前記第２の温度が前記熱可塑性樹脂の融点より低い温度である前記［１］又は［２］に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［４］前記第１工程において、気体中で前記金属部材と前記合成樹脂部材とを間隔を開けて対向して配置した状態で前記金属部材を加熱することにより、前記金属部材の熱で前記金属部材と前記合成樹脂部材との間にある気体を前記第１の温度に加熱する前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［５］前記第１工程において、誘導加熱によって前記金属部材を加熱する前記［４］に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［６］前記第２工程において、前記合成樹脂部材の表面と前記金属部材の表面とを前記第１の温度より低い第２の温度で加熱しつつ、前記金属部材及び前記合成樹脂部材の一方を前記熱可塑性樹脂の圧縮降伏応力以上の圧力で他方に押し当てて、前記金属部材と前記合成樹脂部材とを接合する前記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［７］前記第１工程において、前記合成樹脂部材の表面に曝す気体が、酸素含有気体である前記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［８］前記金属部材の表面に酸化膜を形成する第３工程を有し、前記第２工程において、前記金属部材と前記合成樹脂部材との間に前記酸化膜を配置して前記金属部材と前記合成樹脂部材とを接合する前記［１］〜［７］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［９］前記第３工程において、前記金属部材の表面を加熱する際の１分間あたりの上昇温度が前記金属の融点温度以上である前記［８］に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
［１０］前記金属部材の表面を粗面化する第４工程を有し、前記第２工程において、前記金属部材の粗面化した表面と前記合成樹脂部材とを接合する前記［１］〜［９］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体の製造方法。
本発明では、金属部材と合成樹脂部材との接合強度の高い金属樹脂接合体が得られる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明は下記実施形態に限定されない。下記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
（１）金属樹脂接合体３０
まず、本実施形態の製造方法によって製造される金属樹脂接合体３０について説明する。図１に示すように、金属樹脂接合体３０は、熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材１０と、金属からなる金属部材２０とを備え、合成樹脂部材１０の表面（以下、この表面を「樹脂接合面」ということがある）１２と、金属部材２０の表面（以下、この表面を「金属接合面」ということがある）２２とを接合したものである。
まず、本実施形態の製造方法によって製造される金属樹脂接合体３０について説明する。図１に示すように、金属樹脂接合体３０は、熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材１０と、金属からなる金属部材２０とを備え、合成樹脂部材１０の表面（以下、この表面を「樹脂接合面」ということがある）１２と、金属部材２０の表面（以下、この表面を「金属接合面」ということがある）２２とを接合したものである。
（２）合成樹脂部材１０
合成樹脂部材１０は、熱可塑性樹脂をブロック状、板状、又は線状等の所定の形状に成形した部材である。また、合成樹脂部材１０は、熱可塑性樹脂の塗膜や、熱可塑性樹脂製の接着剤からなる接着層であってもよい。合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂として、具体例を挙げると、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ樹脂）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）、ナイロン６６等（ＰＡ６６）のポリアミド樹脂（ＰＡ樹脂）、エポキシ樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ樹脂）、変性ポリフェニレンエーテル樹脂（変性ＰＰＥ）、リアクター型軟質ポリプロピレン系樹脂（メタロセン系リアクター型ＴＰＯ樹脂）などである。また、合成樹脂部材１０は、上記のような熱可塑性樹脂に炭素繊維が配合された炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）や、上記のような熱可塑性樹脂にガラス繊維、タルクなどの補強材や難燃化材や劣化防止剤やエラストマー成分などが配合されたものでもよい。
合成樹脂部材１０は、熱可塑性樹脂をブロック状、板状、又は線状等の所定の形状に成形した部材である。また、合成樹脂部材１０は、熱可塑性樹脂の塗膜や、熱可塑性樹脂製の接着剤からなる接着層であってもよい。合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂として、具体例を挙げると、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ樹脂）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）、ナイロン６６等（ＰＡ６６）のポリアミド樹脂（ＰＡ樹脂）、エポキシ樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ樹脂）、変性ポリフェニレンエーテル樹脂（変性ＰＰＥ）、リアクター型軟質ポリプロピレン系樹脂（メタロセン系リアクター型ＴＰＯ樹脂）などである。また、合成樹脂部材１０は、上記のような熱可塑性樹脂に炭素繊維が配合された炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）や、上記のような熱可塑性樹脂にガラス繊維、タルクなどの補強材や難燃化材や劣化防止剤やエラストマー成分などが配合されたものでもよい。
（３）金属部材２０
金属部材２０は、金属をブロック状、板状、又は線状等の所定形状に成形した部材である。金属部材２０を構成する金属としては、特に限定されず種々の金属を用いることができる。例えば、金属部材２０を構成する金属として銅（Cu）、鉄（Fe）、アルミニウム（Al）、チタン（Ti）ニッケル（Ni）、クロム（Cr）等を用いることができる。また、金属部材２０は、銅合金、鉄合金（鉄鋼材）、アルミニウム合金、ステンレス、チタン合金、ニッケル合金、クロム合金等の２種以上の金属からなる合金から構成されてもよい。
金属部材２０は、金属をブロック状、板状、又は線状等の所定形状に成形した部材である。金属部材２０を構成する金属としては、特に限定されず種々の金属を用いることができる。例えば、金属部材２０を構成する金属として銅（Cu）、鉄（Fe）、アルミニウム（Al）、チタン（Ti）ニッケル（Ni）、クロム（Cr）等を用いることができる。また、金属部材２０は、銅合金、鉄合金（鉄鋼材）、アルミニウム合金、ステンレス、チタン合金、ニッケル合金、クロム合金等の２種以上の金属からなる合金から構成されてもよい。
金属部材２０の形状は、用途等に応じて所望の形状とすることができる。金属部材２０の成形方法は、任意の方法を適用することができ、所望の形状の型に溶融した金属等を流し込む鋳造や、工作機械等による切削加工や、プレス機械等による打ち抜き加工等を用いてもよい。
また、金属部材２０は、金属接合面２２に酸化膜（金属酸化物）が形成されていてもよい。酸化膜は、金属の表面に自然に形成された自然酸化膜であってもよい。また、酸化膜は、酸化剤による表面処理、陽極酸化による電解処理、プラズマ酸化処理、酸素含有気体中での加熱酸化処理等により金属部材２０の表面に形成されたものであってもよい。
好ましい態様として、酸化膜は、空気中などの酸素含有気体の雰囲気下において、金属部材２０の表面を急速に加熱して金属部材２０の表面に形成されたものであってもよい。急速に加熱する際の１分間あたりの金属部材２０の表面の上昇温度は、金属部材２０を構成する金属の融点温度以上であることが好ましい。このように金属部材２０の表面を急速に加熱することで、金属部材２０の表面に緻密な酸化膜を形成することができる。しかも、金属部材２０の表面を急速に加熱することで、酸化膜の表面にマイクロクラックが発生し、合成樹脂部材１０との接合面積が大きくなる。
なお、レーザ加熱、誘導加熱又は抵抗加熱など種々の方法によって金属部材２０の表面を急速に加熱することができるが、加熱時の昇温速度が速く、温度制御が容易であることから、レーザ光の照射によって金属部材２０の表面を加熱して酸化膜を形成することが好ましい。
また、金属部材２０は、金属接合面２２に凹凸形状を設ける粗面化処理を行ってもよい。粗面化処理は、種々の方法を採用することができる。例えば、レーザ光の照射や、化学エッチングや、プレス加工により金属接合面２２を粗面化してもよい。
好ましい態様として、酸素含有気体の雰囲気下において、金属部材２０の表面を急速に加熱して、金属部材２０の表面に酸化膜を形成するとともに、酸化膜の表面にマイクロクラックを発生させることで金属接合面２２を粗面化してもよい。
（４）金属樹脂接合体３０の製造方法
金属樹脂接合体３０は、上記（２）に記載した合成樹脂部材１０と、上記（３）に記載した金属部材２０に対して、第１工程と第２工程とを行うことで得られる。本実施形態では、図２及び図３に示すような接合装置５０を用いて第１工程及び第２工程を行い、金属樹脂接合体３０を製造する。
金属樹脂接合体３０は、上記（２）に記載した合成樹脂部材１０と、上記（３）に記載した金属部材２０に対して、第１工程と第２工程とを行うことで得られる。本実施形態では、図２及び図３に示すような接合装置５０を用いて第１工程及び第２工程を行い、金属樹脂接合体３０を製造する。
接合装置５０は、金属部材２０が載置されるステージ５１と、ステージ５１に載置された金属部材２０を誘導加熱する加熱装置５２と、合成樹脂部材１０を金属部材２０に加圧接合するプレス装置５３とを備える。
加熱装置５２は、電源装置（不図示）に接続された誘導加熱コイルを備え、電源装置から駆動電源が入力されると誘導加熱コイルから磁界を発生させてステージ５１に載置された金属部材２０の金属接合面２２を誘導加熱する。
プレス装置５３は、セラミックス等の絶縁体で形成されたロッド５４と、ロッド５４を移動させて合成樹脂部材１０を金属部材２０に押し当てる加圧部５５とを備える。ロッド５４は、図２に示すように、加熱装置５２が有する誘導加熱コイルの中空部分に挿入され、合成樹脂部材１０と対向するように配置されていてもよい。加圧部５５は、電空レギュレータにより制御された空圧式シリンダや、スプリング式加圧器などを備え、ロッド５４とともに合成樹脂部材１０を移動させる速度と、合成樹脂部材１０を金属部材２０に押し当てる時の圧力を制御することができる。
接合装置５０を用いて金属樹脂接合体３０を製造するには、まず、気体が存在する雰囲気において、金属接合面２２がこの後にセッティングする合成樹脂部材１０と対向するように、ステージ５１の上に金属部材２０を載置する。加熱酸化処理等によって金属部材２０の表面に酸化膜を形成した場合や、粗面化処理によって金属部材２０の表面を粗面化した場合は、形成した酸化膜や粗面化した表面が、この後にセッティングする合成樹脂部材１０と対向するように金属部材２０を配置する。
次いで、樹脂接合面１２がステージ５１に載置した金属部材２０の金属接合面２２と間隔をあけて対向するように合成樹脂部材１０を配置する。金属部材２０の金属接合面２２と合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２との間隔は、例えば、０．００１ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。
次いで、合成樹脂部材１０を挟んで金属部材２０の金属接合面２２に対向するように加熱装置５２を配置する。図２に示す場合では、加熱装置５２を合成樹脂部材１０の上方に配置し、加熱装置５２と金属部材２０との間に合成樹脂部材１０を配置する。
次いで、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２を第１の温度Ｔ１に加熱した気体に曝す第１工程を実行する。
具体的には、加熱装置５２に駆動電源を供給して、加熱装置５２に設けられた誘導加熱コイルから磁界を発生させて金属部材２０の金属接合面２２を加熱する。その際、金属部材２０の金属接合面２２が第１の温度Ｔ１になるように、加熱装置５２に供給する駆動電源や加熱装置５２に設けられた誘導加熱コイルの位置等を調整する。
上記のような金属部材２０の加熱に伴って、金属部材２０と合成樹脂部材１０との間にある気体が第１の温度Ｔ１に加熱される。これにより、金属部材２０の金属接合面２２に対向する合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２が、第１の温度Ｔ１に加熱された気体に曝され、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２が第１の温度Ｔ１になる。加熱装置５２は、金属部材２０の金属接合面２２を所定時間Ｓ１（例えば、１〜１０秒間）加熱して上記のような第１工程を実行し、その後、第１工程を終了して第２工程へ移行する。
上記のような金属部材２０の加熱に伴って、金属部材２０と合成樹脂部材１０との間にある気体が第１の温度Ｔ１に加熱される。これにより、金属部材２０の金属接合面２２に対向する合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２が、第１の温度Ｔ１に加熱された気体に曝され、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２が第１の温度Ｔ１になる。加熱装置５２は、金属部材２０の金属接合面２２を所定時間Ｓ１（例えば、１〜１０秒間）加熱して上記のような第１工程を実行し、その後、第１工程を終了して第２工程へ移行する。
第１工程が終了すると、引き続き第２工程を実行するため、加熱装置５２は、金属部材２０の加熱を停止又は加熱量を低減して、樹脂接合面１２、金属接合面２２及びその周囲（金属部材２０と合成樹脂部材１０との間の気体）の温度が第２の温度Ｔ２になるまで降温（冷却）する。そして、第２の温度Ｔ２で合成樹脂部材１０と金属部材２０とを接合する。
つまり、第２工程では、第１の温度Ｔ１より低い温度（第２の温度Ｔ２）において、プレス装置５３が、合成樹脂部材１０を所定の速度Ｖで移動させて金属部材２０に衝突させる。このとき、合成樹脂部材１０は、ロッド５４の先端に対応した位置が金属部材２０に強く押し付けられ、所定の圧力Ｐで所定時間Ｓ２だけ金属部材２０に押し付けられる。これにより、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２と金属部材２０の金属接合面２２とが局所的（スポット的）に接合された金属樹脂接合体３０が得られる。そして、第２工程を終了する。
ここで、第１の温度Ｔ１とは、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆ以上の温度である。なお、合成樹脂部材１０が、熱可塑性樹脂に炭素繊維やガラス繊維やタルク等の補強材が配合された樹脂からなる場合、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆとは、補強材を含まない熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆである。
第１の温度Ｔ１の上限値は、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の分解温度以下、つまり、熱可塑性樹脂が気化し始める温度より低い温度とすることができる。一例を挙げると、第１の温度Ｔ１の上限値を１０００℃としてもよい。好ましくは、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより２０℃高い温度に第１の温度Ｔ１の上限値を設定することができる。
また、第２の温度Ｔ２は、第１の温度Ｔ１より低い温度であればよいが、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆ以上であることが好ましい。第２の温度Ｔ２は、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより低い温度であることが好ましい。第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差は１℃以上２０℃以下であることが好ましい。
なお、本明細書において、熱可塑性樹脂の融点Ｔｍは、ＪＩＳ Ｋ７１２１に準じて、示差走査熱量測定器を用いて、昇温速度毎分１０℃で測定した値である。代表的な熱可塑性樹脂の融点を挙げると、ポリプロピレン樹脂は１６８℃、ナイロン６６は２６５℃、ポリブチレンテレフタレート樹脂は２３２〜２６７℃、ポリフェニレンサルファイド樹脂は２８０℃である。
また、熱可塑性樹脂の荷重たわみ温度Ｔｆは、ＪＩＳ Ｋ７１９１に準じた方法で測定した１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度である。代表的な熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆを挙げると、ポリプロピレン樹脂は５７〜６５℃、ナイロン６６は６６〜６８℃、ポリブチレンテレフタレート樹脂は５８℃、ポリフェニレンサルファイド樹脂は１０５℃である。
なお、第１工程は、空気などの酸素含有気体中で実行されることが好ましい。つまり、酸素含有気体の雰囲気において金属接合面２２及び樹脂接合面１２を第１の温度Ｔ１に加熱し、金属接合面２２及び樹脂接合面１２を第１の温度Ｔ１に加熱された酸素含有気体に曝すことが好ましい。
酸素含有気体の雰囲気で第１工程を実行すれば、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２が、酸素含有気体に含まれている酸素と反応することで、塩基性または両性の酸化物と中和反応して化学的に結合しうる官能基が合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２に生成される。
通常、金属部材２０の表面は、酸化され金属酸化物からなる酸化膜に被覆されているため、樹脂接合面１２に生成された官能基が金属部材２０の金属接合面２２に存在する金属酸化物とファンデルワールス力や水素結合によって接合する。加えて、合成樹脂部材１０と金属部材２０とを加熱及び加圧状態で接合することで、樹脂接合面１２の官能基が金属部材２０の金属酸化物と中和反応（脱水縮合）による共有結合を形成する。
樹脂接合面１２に生成される官能基の一例を挙げると、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の酸化分解により生成されたカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）の少なくともいずれか１つを有している。合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂がポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）のようなイオウ原子（ヘテロ原子）を含む樹脂では、樹脂接合面１２が有する官能基としてはカルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシ基に加えて、スルホン基（−ＳＯ３Ｈ）、スルホニル基（−ＳＯ２− ）、スルファニル基（−ＳＨ）、ジスルフィド基（−ＳＳ−）等のようなヘテロ原子を含む官能基を含んでもよい。
金属部材２０と合成樹脂部材１０の接合により生じる中和反応の一例を挙げると、樹脂接合面１２が官能基としてカルボキシル基（Ｒ−ＣＯＯＨ）を有しており、金属部材２０が２価の金属から構成されている場合、下記式（１）のような中和反応が生じる。
２（Ｒ−ＣＯＯＨ）＋ＭｅＯ＝２（Ｒ−ＣＯＯ）−Ｍｅ＋Ｈ２Ｏ ↑・・・（１）
なお、式（１）中、Ｒは合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の主鎖、Ｍｅは金属部材２０を構成する金属である。
２（Ｒ−ＣＯＯＨ）＋ＭｅＯ＝２（Ｒ−ＣＯＯ）−Ｍｅ＋Ｈ２Ｏ ↑・・・（１）
なお、式（１）中、Ｒは合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の主鎖、Ｍｅは金属部材２０を構成する金属である。
また、酸素含有気体の雰囲気で第１工程を実行する場合、第２の温度Ｔ２は、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２が有する官能基と、金属部材２０の金属接合面２２に形成された金属酸化物とが中和反応による共有結合を形成しうる温度であることが好ましい。また、第２の温度Ｔ２は、中和反応により発生した水が反応系から除去される温度であることが好ましい。第２の温度Ｔ２は、官能基及び金属酸化物の種類により変わるため、一概に規定することが困難であるが、中和反応により発生した水が除去されやすいことから１００℃以上であることがより好ましい。
また、第２工程において、合成樹脂部材１０を金属部材２０に押し当てる時の圧力Ｐは、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の圧縮降伏応力以上の圧力であることが好ましい。この圧力Ｐは、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂により変わるため、一概に規定することが困難であるが、１０〜１００ＭＰａであることが好ましい。
また、第２工程において、合成樹脂部材１０を金属部材２０に衝突させる時の合成樹脂部材１０の移動速度Ｖは、特に限定されないが、５０〜１５０ｍｍ／ｓｅｃに設定してもよい。合成樹脂部材１０を金属部材２０に押し当てる時間Ｓ２は、特に限定されないが、１〜１０秒間に設定してもよい。
また、本実施形態では、プレス装置５３が金属部材２０へ向けて合成樹脂部材１０を移動する場合について説明したが、金属部材２０を合成樹脂部材１０へ向けて移動させてもよい。
また、本実施形態では、金属部材２０と合成樹脂部材１０を局所的に接合する場合について説明したが、合成樹脂部材１０と金属部材２０とを広い範囲にわたって接合してもよい。また、接合箇所の平面形状も点状、線状、面状など任意の形状であってもよい。
（５）効果
合成樹脂部材１０と金属部材２０とを強固に接合するためには、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂と金属部材２０を構成する金属材料とを数ｎｍ程度に近接させ、熱可塑性樹脂と金属材料と化学反応させる必要がある。本実施形態の金属樹脂接合体３０の製造方法では、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２を荷重たわみ温度Ｔｆ以上の第１の温度Ｔ１に加熱した気体に曝して、樹脂接合面１２に位置する熱可塑性樹脂の粘度を低下させてから樹脂接合面１２と金属接合面２２とを接合する。そのため、本実施形態では、金属接合面２２に微少な凹凸があっても樹脂接合面１２がその凹凸に追従して変形し、熱可塑性樹脂と金属材料との間で化学反応が生じやすくなり、合成樹脂部材１０と金属部材２０とを強固に接合することができる。
合成樹脂部材１０と金属部材２０とを強固に接合するためには、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂と金属部材２０を構成する金属材料とを数ｎｍ程度に近接させ、熱可塑性樹脂と金属材料と化学反応させる必要がある。本実施形態の金属樹脂接合体３０の製造方法では、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２を荷重たわみ温度Ｔｆ以上の第１の温度Ｔ１に加熱した気体に曝して、樹脂接合面１２に位置する熱可塑性樹脂の粘度を低下させてから樹脂接合面１２と金属接合面２２とを接合する。そのため、本実施形態では、金属接合面２２に微少な凹凸があっても樹脂接合面１２がその凹凸に追従して変形し、熱可塑性樹脂と金属材料との間で化学反応が生じやすくなり、合成樹脂部材１０と金属部材２０とを強固に接合することができる。
しかも、本実施形態では、合成樹脂部材１０全体を高温に加熱することなく、樹脂接合面１２近傍を局所的に加熱して合成樹脂部材１０と金属部材２０とを接合することができるため、合成樹脂部材１０の変形を抑えることができる。
また、本実施形態において、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２と金属部材２０の金属接合面２２の温度を第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２に降温してから、樹脂接合面１２と金属接合面２２とを接合することができる。このように第２の温度Ｔ２に降温してから接合する場合、より一層、合成樹脂部材１０を金属部材２０に接合する際に生じる合成樹脂部材１０の変形を抑えることができる。
また、本実施形態において、第２の温度Ｔ１が合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより低い温度とすることができる。このように第２の温度Ｔ２が熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより低い温度である場合、より一層、合成樹脂部材１０を金属部材２０に接合する際に生じる合成樹脂部材１０の変形を抑えることができる。
また、本実施形態において、合成樹脂部材１０と金属部材２０とを間隔を開けて対向して配置した状態で金属部材２０を加熱してもよい。このような場合、金属部材２０の熱で合成樹脂部材１０と金属部材２０との間にある気体を第１の温度Ｔ１に加熱することができ、簡便な構成によって樹脂接合面１２を第１の温度Ｔ１に加熱した気体に曝すことができる。加えて、合成樹脂部材１０と金属部材２０とを接合する第２工程を第１工程の後に連続して行うことができ、短時間に金属樹脂接合体３０を製造することができる。
また、本実施形態において、加熱装置５２が誘導加熱によって金属部材２０を加熱してもよい。このような場合、金属部材２０の所望位置を局所的に加熱しやすくなる。特に、加熱装置５２が合成樹脂部材１０を挟んで対向する金属部材２０を誘導加熱することで、金属部材２０の金属接合面２２近傍を局所的に加熱しやすくなる。そのため、合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２と接触する気体の温度を容易に制御することができるとともに、金属部材２０が中空形状の部材の場合や金属部材２０の体積が大きい場合のように、摩擦接合やレーザ溶接によって接合が困難な場合であっても、本実施形態では、強固に接合した金属樹脂接合体３０を得ることができる。
また、本実施形態において、樹脂接合面１２と金属接合面２２の温度を第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２に降温した後、合成樹脂部材１０を金属部材２０に押し当てる時の圧力Ｐを、合成樹脂部材１０を構成する熱可塑性樹脂の圧縮降伏応力以上の圧力としてもよい。このような場合、金型を用いることなく合成樹脂部材１０を金属部材２０に接合することができるとともに、タクトタイム（合成樹脂部材１０と金属部材２０とを接合してから実用可能な強度が得られるまでの時間）を短時間することができる。
また、本実施形態において、第１工程を酸素含有気体中で実行してもよい。このような場合、塩基性または両性の酸化物と中和反応して化学的に結合しうる官能基が合成樹脂部材１０の樹脂接合面１２に生成される。樹脂接合面１２に生成された官能基は、金属部材２０の金属接合面２２に存在する金属酸化物と双極子相互作用によって接合するとともに、金属部材２０の金属酸化物と中和反応（脱水縮合）による共有結合を形成する。そのため、第１工程を酸素含有気体中で実行する場合、合成樹脂部材１０と金属部材２０とをより一層強固に接合することができる。
また、本実施形態において、金属部材の表面を粗面化する工程を実行してもよい。このような場合、アンカー効果によって成樹脂部材１０と金属部材２０とをより一層強固に接合することができる。
また、本実施形態のように合成樹脂部材１０を金属部材２０へ向けて押圧するロッド５４が、金属部材２０を加熱する加熱装置５２の誘導加熱コイルの中空部分に挿通されていると、合成樹脂部材１０と金属部材２０との接合面積が小さい場合であっても、当該接合部分を的確に加熱及び加圧することができる。
また、本実施形態では、プレス装置５３のロッド５４の先端形状を小さくすることで、合成樹脂部材１０と金属部材２０との接合面積を小さくすることができ、簡単に合成樹脂部材１０と金属部材２０とを局所的に接合することができる。合成樹脂部材１０と金属部材２０とを局所的に接合すると、合成樹脂部材１０と金属部材２０との間で線膨張係数が違っていても、熱膨張時に金属樹脂接合体３０に生じる力が接合部分に集中しにくくなり、熱耐久性に優れた金属樹脂接合体３０を得ることができる。また、リサイクル時のように金属部材２０から合成樹脂部材１０を意図的に剥離する場合は、局所的な接合部分に力を集中させることで、比較的簡単に剥離することができる。つまり、本実施形態の製造方法では、熱耐久性及びリサイクル性に優れた金属樹脂接合体３０を簡単に製造することができる。
（実施例）
上記した実施形態の効果を具体的に示すために、実施例１〜１６、比較例１〜８の金属樹脂接合体（試験片）を作製した。
上記した実施形態の効果を具体的に示すために、実施例１〜１６、比較例１〜８の金属樹脂接合体（試験片）を作製した。
実施例１〜１６では、空気中で上記（４）の製造方法を実施して金属樹脂接合体を作製した。つまり、合成樹脂部材の表面を、熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度以上の第１の温度Ｔ１に加熱した気体に曝した後、第２の温度Ｔ２で２０ＭＰａの圧力をかけつつ合成樹脂部材の表面と金属部材の表面とを接合することで、実施例１〜１６の試験片を作製した。なお、実施例１〜１６において、接合に用いた合成樹脂部材及び金属部材の種類、第１の温度Ｔ１及び第２の温度Ｔ２は、表１及び表２の通りである。
比較例１〜８では、合成樹脂部材の表面を、空気中で熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度未満の温度ｔａに加熱した気体に曝した後、温度ｔｂで２０ＭＰａの圧力をかけつつ合成樹脂部材の表面と金属部材の表面とを接合することで、比較例１〜８の試験片を作製した。使用した金属部材、合成樹脂部材、温度ｔａ及び温度ｔｂは、表３の通りである。
実施例１〜１６及び比較例１〜８に用いた金属部材の寸法、合成樹脂部材の寸法、合成樹脂部材と金属部材との接合面積（オーバラップ面積）は、次の通りである。
・金属部材の寸法：12mm×35mm×1.6mm
・合成樹脂部材の寸法：12mm×50mm×1.5mm
・金属部材と合成樹脂部材との接合面積：10mm×5mm
・金属部材の寸法：12mm×35mm×1.6mm
・合成樹脂部材の寸法：12mm×50mm×1.5mm
・金属部材と合成樹脂部材との接合面積：10mm×5mm
また、表１〜３中の金属部材及び樹脂部材の詳細は以下の通りである。
・PP樹脂：ノバテックＰＰ（登録商標） HG30U
・PA66樹脂：レオナ 1300S
・PBT樹脂：トレコン（登録商標）1101G-X54
・PPS樹脂：サスティール（登録商標）SGX120
・CFRTP樹脂：トレリナ（登録商標）A630Ｔ-30V
・PEEK樹脂： ＶＩＣＴＲＥＸ ＰＥＥＫ 450G（登録商標）
・Ａｌ：表面に陽極酸化処理を施したA1050
・Ｆｅ：表面にレーザ照射によって1秒間でFeの融点1535℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施したSPCC
・ＳＵＳ３０４：表面にレーザ照射によって1秒間でSUS304の融点1450℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施したSUS304
・Ｔｉ：表面にレーザ照射によって1秒間でTiの融点1668℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施した純チタン2種材
・PP樹脂：ノバテックＰＰ（登録商標） HG30U
・PA66樹脂：レオナ 1300S
・PBT樹脂：トレコン（登録商標）1101G-X54
・PPS樹脂：サスティール（登録商標）SGX120
・CFRTP樹脂：トレリナ（登録商標）A630Ｔ-30V
・PEEK樹脂： ＶＩＣＴＲＥＸ ＰＥＥＫ 450G（登録商標）
・Ａｌ：表面に陽極酸化処理を施したA1050
・Ｆｅ：表面にレーザ照射によって1秒間でFeの融点1535℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施したSPCC
・ＳＵＳ３０４：表面にレーザ照射によって1秒間でSUS304の融点1450℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施したSUS304
・Ｔｉ：表面にレーザ照射によって1秒間でTiの融点1668℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施した純チタン2種材
実施例１〜１６及び比較例１〜８の金属樹脂接合体について、接合強度と樹脂厚みの変化率を評価した。各評価方法は、以下の通りである。
・接合強度：ＪＩＳ Ｋ ６８５０に規定された試験方法のうち、金属部材の寸法、合成樹脂部材の寸法、合成樹脂部材と金属部材との接合面積を上記の通りに変更し、その他の条件を同規格に準じて、引張試験機（今田製作所、ＮＶ３０１−ＮＡ）を用い、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、測定温度２５℃で測定した。
・樹脂厚みの変化率：金属部材を接合する前の合成樹脂部材の厚みth1と、金属部材を接合した後の合成樹脂部材の厚みth2の厚みを測定し、合成樹脂部材の厚みの減少量（th1-th2）を厚みth1で除して樹脂厚みの変化率（（th1-th2）/th1））を算出した。なお、金属部材を接合した後の合成樹脂部材の厚みth2は、合成樹脂部材と金属部材の接合時に圧力を加えた箇所において測定した合成樹脂部材の厚みである。
結果は、表1〜表3に示すとおりである。
表１〜表３に示された結果から分かるように、実施例１〜１６では、合成樹脂部材の変形を抑えつつ高い接合強度を得ることができた。特に、合成樹脂部材の樹脂接合面と金属部材の金属接合面とを接合する時の温度を、合成樹脂部材を構成する熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより低い温度とした実施例９〜１６では、高い接合強度を保ちつつ合成樹脂部材の変形を大幅に抑えることができた。
１０…合成樹脂部材、１２…樹脂接合面、２０…金属部材、２２…金属接合面、３０…金属樹脂接合体、５０…接合装置、５１…ステージ、５２…加熱装置、５３…プレス装置、５４…ロッド、５５…加圧部
Claims (10)
- 熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材と、金属からなる金属部材とを接合した金属樹脂接合体の製造方法において、
所定形状に成形した前記合成樹脂部材の表面を、前記熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度以上の第１の温度に加熱した気体に曝す第１工程と、
前記合成樹脂部材の表面と前記金属部材の表面とを接合する第２工程とを有する金属樹脂接合体の製造方法。 - 前記第２工程において、前記第１の温度より低い第２の温度で前記合成樹脂部材の表面と前記金属部材の表面を接合する請求項１に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記第２の温度が前記熱可塑性樹脂の融点より低い温度である請求項１又は２に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記第１工程において、気体中で前記金属部材と前記合成樹脂部材とを間隔を開けて対向して配置した状態で前記金属部材を加熱することにより、前記金属部材の熱で前記金属部材と前記合成樹脂部材との間にある気体を前記第１の温度に加熱する請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記第１工程において、誘導加熱によって前記金属部材を加熱する請求項４に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記第２工程において、前記合成樹脂部材の表面と前記金属部材の表面とを前記第１の温度より低い第２の温度で加熱しつつ、前記金属部材及び前記合成樹脂部材の一方を前記熱可塑性樹脂の圧縮降伏応力以上の圧力で他方に押し当てて、前記金属部材と前記合成樹脂部材とを接合する請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記第１工程において、前記合成樹脂部材の表面に曝す気体が、酸素含有気体である請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記金属部材の表面に酸化膜を形成する第３工程を有し、
前記第２工程において、前記金属部材と前記合成樹脂部材との間に前記酸化膜を配置して前記金属部材と前記合成樹脂部材とを接合する請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体の製造方法。 - 前記第３工程において、前記金属部材の表面を加熱する際の１分間あたりの上昇温度が前記金属の融点温度以上である請求項８に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
- 前記金属部材の表面を粗面化する第４工程を有し、
前記第２工程において、前記金属部材の粗面化した表面と前記合成樹脂部材とを接合する請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
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