WO2014021184A1 - マグネシウム材と樹脂部品の複合品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム材に樹脂部品を効率良く製造できるようにする。 【解決手段】マグネシウム材２を電解液に浸漬させて電圧を印加することによって、マグネシウム材２の一方の面２Ａに陽極酸化皮膜３を形成し、陽極酸化皮膜３を用いて樹脂部品４をマグネシウム材２に接合して複合品１を製造する。電解液は、純水にリン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムを溶解させることによって形成する。例えば、リン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムの重量混合比Ｒ１は、１：２≦Ｒ１＜２：１とし、電圧は２０Ｖ～５０Ｖとする。

Description

マグネシウム材と樹脂部品の複合品及びその製造方法

　本発明は、マグネシウム材と樹脂部品の複合品とその製造方法に関する。

　金属材料に樹脂部品を接合する方法としては、インサート成形用金型を用いることが知られている。具体的には、鉄又は鋼鉄製の金属部品の一部を金型のキャビティ内に挿入し、この状態で溶融させた樹脂をキャビティ内に射出し、所定形状の樹脂部品内に金属部品の一部をインサート成形する。

　また、アルミニウム材に樹脂部品を接合する方法としては、アルミニウム材の表面に孔径が２５ｎｍ以上の孔を多数有する陽極酸化皮膜を形成し、射出成形などで樹脂の一部を陽極酸化皮膜の孔内に食い込ませることが知られている。

国際公開番号２００４／０５５２４８号明細書

　ここで、近年では、部品のさらなる軽量化や高強度化を目指し、アルミニウム材の代わりにマグネシウム材を用い、マグネシウム材に樹脂部品を接合することが望まれている。
　本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、マグネシウム材に樹脂部品を効率良く製造できるようにすることを主な目的とする。

　本発明によれば、リン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムを純水に溶かした電解液にマグネシウム材を浸漬させる工程と、前記電解液に浸漬させた前記マグネシウム材に電圧を印加し、前記マグネシウム材の表面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、前記陽極酸化皮膜の多数の孔に樹脂部品の一部を浸入させることで前記マグネシウム材と前記樹脂部品を接合する工程と、を有することを特徴とするマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法が提供される。

　また、本発明によれば、リン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムを純水に溶かした電解液にマグネシウム材を浸漬させる工程と、前記電解液に浸漬させた前記マグネシウム材に電圧を印加し、前記マグネシウム材の表面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、前記陽極酸化皮膜の多数の孔に樹脂部品の一部を浸入させることで前記マグネシウム材と前記樹脂部品を接合する工程と、を含むマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法を用いて製造したことを特徴とする複合品が提供される。

　本発明によれば、水酸化ナトリウムとリン酸二水素ナトリウムを混合させた電解液を用いてマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成することによって、樹脂部品を安定して接合することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材と樹脂部品の複合品の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に形成した陽極酸化皮膜の断面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材の陽極酸化皮膜に樹脂部品を接合する方法の一例を示す断面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成するプロセスの実施例を示す図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成するプロセスの実施例を示す図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成するプロセスの実施例を示す図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成するプロセスの実施例を示す図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成するプロセスの実施例を示す図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態に係るマグネシウム材に陽極酸化皮膜を形成するプロセスの実施例を示す図である。

　本発明を実施するための形態について以下に説明する。以下の詳細な説明は、典型例を説明するもので、本発明を限定するためのものではない。
　図１の断面図に示すように、複合品１は、マグネシウム材２を有し、マグネシウム材２の一方の面２Ａに形成した陽極酸化皮膜３を用いて樹脂部品４を接合した構成を有する。

　続いて、マグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法の概略について、図２のフローチャートを用いて説明する。
　最初に、ステップＳ１０１では、マグネシウム材２をプレス加工して、所定の形状に成形する。次に、ステップＳ１０２では、マグネシウム材２に接合用皮膜として、ポーラスな陽極酸化皮膜３を形成する。

　さらに、ステップＳ１０３では、陽極酸化皮膜３を形成した領域に樹脂部品４を接合する。図１に示すように、樹脂部品４は、陽極酸化皮膜３の孔６に食い込むようにしてマグネシウム材２に接合され、これによりマグネシウム材２と樹脂部品４の複合品１が形成される。

　さらに、ステップＳ１０４では、複合品１に対して後処理を行う。後処理としては、マグネシウム材２の他方の面２Ｂの塗装があげられる。なお、ステップＳ１０４を実施せずに処理を終了しても良い。

　次に、ステップＳ１０２の接合用皮膜の形成処理の詳細について説明する。
　まず、マグネシウム材２の脱脂処理及び中和処理を必要に応じて行う。次いで、マグネシウム材２を電解槽に入れる。電解槽には、強アルカリ性物質と弱酸性物質とを純水に溶解させた電解液が貯溜されている。強アルカリ性物質としては、例えば、水酸化ナトリウムが用いられる。弱酸性物質としては、リン酸ナトリウム、より具体的にはリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ_２ＰＯ_４）が用いられる。水酸化ナトリウムとリン酸二水素ナトリウムは、純水４０Ｌに対して、それぞれ１ｋｇから３ｋｇとする。さらに、電解液は、３０℃～４０℃に温度調整されている。マグネシウム材２は、陽極として使用され、陰極にはステンレス板などを用いる。そして、電圧１０Ｖ～５０Ｖの範囲で直流法による電気分解を、例えば３分～１０分行う。

　これにより、図３に断面形状を示すように、マグネシウム材２の一方の面２Ａ上に深さ０．５～１．５μ程度のポーラスな陽極酸化皮膜３が形成される。陽極酸化皮膜３は、表面に開口する細長い孔６が密集する多孔質層５Ａと、多孔質層５Ａの底部から金属面までの薄い緻密な絶縁層５Ｂとを有する。また、陽極酸化皮膜３の表面に形成された多数の孔６の直径は、約２０～１００ｎｍであった。陽極酸化皮膜３を形成したら、マグネシウム材２を純水で洗浄した後、熱風で乾燥する。

　次に、ステップＳ１０３のマグネシウム材２に樹脂部品を接合する工程について説明する。
　図４に、この工程で使用される射出成形機の一例を示す。射出成形機２０は、上下に方開き可能な金型２１を有する。下型２１Ａと上型２１Ｂの間には、マグネシウム材２を設置するスペース２２が形成されている。さらに、上型２１Ｂには、樹脂部品４の形状に合わせたキャビティ２３と、キャビティ２３に充填する樹脂２４が通るゲート２５とが形成されている。なお、ゲート２５は、図示を省略する樹脂２４の供給源に接続されている。

　樹脂２４としては、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）などの各種樹脂、及びこれらの樹脂の組み合わせ、並びにシリコーン樹脂などが使用できる。なお、マグネシウム材２と樹脂２４の線膨張の違いを考慮し、前記の射出成形により樹脂成形体とする樹脂材として、その線膨張の差を吸収できる弾性率、好ましくは、１００００Ｍｐａ以下の弾性率を有し、且つ耐熱水性と耐薬品性を有する樹脂を選択することが好ましい。これに好適な樹脂２４としては、ＰＢＴやＰＥ、ＰＰなどのオレフィン系樹脂があげられる。また、オレフィン系樹脂を他の樹脂に混合させて使用しても良い。

　樹脂部品４を成形するときは、金型２１を型開きしてスペース２２にマグネシウム材２を設置する。マグネシウム材２は、陽極酸化皮膜３が上向き、即ち陽極酸化皮膜３がゲート２５に対向するように配置する。金型２１を閉じた後、溶融させた樹脂２４をゲート２５からキャビティ２３内に射出させる。これにより、溶融した樹脂２４がキャビティ２３内に加圧充填されると共に、陽極酸化皮膜３の多数の孔６内に侵入する。
　この後、型開きすると、図１に示すような複合品１が得られる。複合品１は、陽極酸化皮膜３の多数の孔６内に樹脂部品４を構成する樹脂２４が一部食い込んで接合された構成を有する。

　このようにして製造した複合品１におけるマグネシウム材２と樹脂部品４の接合強度を、押し込み試験機を用いた押し込み強度として測定した結果、２０Ｎ以上の押し込み強さが得られた。なお、樹脂部品４をマグネシウム材に接合する工程は、加熱圧着方式やその他の方法を用いても良い。

　以上、説明したように、この実施の形態によれば、水酸化ナトリウムとリン酸二水素ナトリウムを混合させた電解液を用いてマグネシウム材２に陽極酸化皮膜３を形成することによって、樹脂部品４との接合が可能になる。

（実施例）
　以下に実施例について説明する。
　図５Ａに示す実施例では、電解液は、純水４０ｌにリン酸二水素ナトリウムを２ｋｇ溶かした。電解液の温度は３５℃とし、通電時間は５分とした。電圧は、１０Ｖから５０Ｖの範囲で、１０Ｖ刻みで実験を行った。その結果、いずれの電圧においてもマグネシウム素材２の表面が電解液に腐食されて劣化した。このために、リン酸二水素ナトリウムのみでは、陽極酸化皮膜３の形成には適さないことが分かった。

　図５Ｂに示す実施例では、電解液は、純水４０ｌにリン酸二水素ナトリウムを２ｋｇ、水酸化ナトリウムを１ｋｇ溶かした。電解液の温度は３５℃とし、通電時間は５分とした。電圧は、１０Ｖから５０Ｖの範囲で、１０Ｖ刻みで実験を行った。その結果、いずれの電圧においてもマグネシウム素材２の表面が電解液に腐食されて劣化すると共に、陽極酸化皮膜３は形成されなかった。従って、この条件は、陽極酸化皮膜３の形成には適さないことが分かった。

　図６Ａに示す実施例では、電解液は、純水４０ｌに水酸化ナトリウムを５００ｇ溶かした。電解液の温度は３５℃とし、通電時間は５分とした。電圧は、１０Ｖから５０Ｖの範囲で、１０Ｖ刻みで実験を行った。その結果、印加電圧が１０Ｖのときは、マグネシウム材２の表面に劣化が生じた。印加電圧が２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖのケースでは、陽極酸化皮膜３を形成することができた。そこで、これらの条件によって形成した陽極酸化皮膜３を用いてマグネシウム材２に樹脂部品４を接合し、接合強度を押し込み強度試験によって調べた。印加電圧が２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖのそれぞれのケースにおいて、樹脂部品４の接合強度の平均値は、順番に２０Ｎ、５０Ｎ、３０Ｎであった。しかしながら、接合強度にムラがあり、接合には不向きであると考えられる。そして、印加電圧５０Ｖのケースでは、マグネシウム材２の表面に劣化は発生しないが、樹脂部品４を接合することはできなかった。従って、この電解液は、陽極酸化皮膜３の形成には適さないことが分かった。なお、純水に溶かす水酸化ナトリウムの量をさらに増加させたところ、マグネシウム材２の劣化が顕著になった。

　図６Ｂに示す実施例では、電解液は、純水４０ｌにリン酸二水素ナトリウムを１ｋｇ、水酸化ナトリウムを２ｋｇ溶かした。電解液の温度は３５℃とし、通電時間は５分とした。電圧は、１０Ｖから５０Ｖの範囲で、１０Ｖ刻みで実験を行った。その結果、印加電圧１０Ｖのときは、マグネシウム材２の表面に劣化が生じてしまい、接合には不向きであった。印加電圧２０Ｖで形成した陽極酸化皮膜３を用いて製造した複合品１の樹脂部品４の接合強度の平均値は、６０Ｎであった。同様に、印加電圧が３０Ｖ、４０Ｖのケースでは、樹脂部品４の接合強度の平均値がそれぞれ５０Ｎと３０Ｎであった。印加電圧が５０Ｖのケースでは、表面の劣化は生じなかったが、接合はできなかった。従って、この電解液では、２０Ｖ～４０Ｖの間で陽極酸化皮膜３を形成すると、樹脂部品４を接合することができる。

　図７Ａに示す例において、電解液は、純水４０ｌにリン酸二水素ナトリウムを２ｋｇ、水酸化ナトリウムを２ｋｇ溶かした。電解液の温度は３５℃とし、通電時間は５分とした。電圧は、１０Ｖから５０Ｖの範囲で、１０Ｖ刻みで実験を行った。その結果、印加電圧が１０Ｖのケースにおける複合品１の接合強度の平均値は、４０Ｎであった。さらに、印加電圧が２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖのそれぞれのケースにおける複合品１の接合強度の平均値は、順番に５０Ｎ、７０Ｎ、７０Ｎ、２０Ｎであった。マグネシウム材２の表面は、印加電圧が１０Ｖ及び２０Ｖでは劣化が僅かながら生じていたが、３０Ｖ以上では劣化は認められなかった。従って、この電解液では、１０Ｖ～５０Ｖの範囲で、樹脂部品４を安定して接合することができた。さらに、マグネシウム材２の表面状態と接合強度の２つの観点からは、印加電圧は３０Ｖ～４０Ｖがより好ましい条件であることが分かった。

　図７Ｂに示す例において、電解液は、純水４０ｌにリン酸二水素ナトリウムを３ｋｇ、水酸化ナトリウムを３ｋｇ溶かした。電解液の温度は３５℃とし、通電時間は５分とした。電圧は、１０Ｖから５０Ｖの範囲で、１０Ｖ刻みで実験を行った。その結果、印加電圧が１０Ｖのケースにおける複合品１の接合強度の平均値は、８０Ｎであった。印加電圧が２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖのそれぞれのケースにおける複合品１の接合強度の平均値は、順番に７０Ｎ、８５Ｎ、５５Ｎ、５０Ｎであった。マグネシウム材２の表面は、印加電圧が１０Ｖ及び２０Ｖのケースでは劣化が僅かながら生じていたが、印加電圧が３０Ｖ以上では劣化は認められなかった。従って、この電解液では、印加電圧が１０Ｖ～５０Ｖの範囲で樹脂部品４を接合することができる。なお、実施例の電解液は、電解槽中に一部が結晶化していた。これは、４０ｌの純水に対してリン酸二水素ナトリウム及び水酸化ナトリウムの混合量が多くなり過ぎて、電解液が飽和していたためであると考えられる。

　以上の結果から、例えば図５Ａの実施例に示すように、リン酸二水素ナトリウムと純水だけで電解液を形成した場合は、複合品１の製造に適した陽極酸化皮膜３を形成できなかった。これは、処理時のマグネシウム材２の表面の溶解速度が陽極酸化皮膜３の生成速度を超え、マグネシウム表面が削られる割合が多くなって表面が劣化すると考えられる。この現象は、印加電圧が低い場合に特に顕著に現われる。これに対して、印加電圧を上昇させると、陽極酸化皮膜３の生成速度が大きくなってマグネシウム材２の表面の劣化よりも陽極酸化皮膜３の生成が支配的になると考えられる。

　さらに、図６Ａの実施例に示すように、水酸化ナトリウムと純水だけで電解液を形成した場合に形成される陽極酸化皮膜３では、十分な接合強度を安定して得難い。

　これに対して、図６Ｂ及び図７Ｂに示すように、リン酸二水素ナトリウムにリン酸二水素ナトリウムを添加したところ、複合品１の製造に適した陽極酸化皮膜３を形成できた。これは、水酸化ナトリウムに添加されたリン酸二水素ナトリウムが、マグネシウム素材１の溶解速度の調整剤として機能し、マグネシウム材２の表面の溶解速度と、陽極酸化皮膜３の生成のバランスが調整され、十分な接合強度が得られるような陽極酸化皮膜３が形成されたためであると考えられる。

　さらに、純水に溶かすリン酸二水素ナトリウムの重量は、水酸化ナトリウムの重量より多くなり過ぎない方が、安定した接合強度が得られる。このようなリン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムの重量比Ｒ１は、１：２≦Ｒ１＜２：１であった。また、重量比Ｒ１のより好ましい例は、１：１であった。このときにマグネシウム材１に印加する電圧は、１０Ｖ以上、例えば、１０Ｖ～５０Ｖが好ましい。これによって、マグネシウム材２に樹脂部品４を安定して接合することが可能になり、十分な接合強度を有する複合品１を製造することが可能になる。

　なお、各実施の形態に係る複合品は、パーソナルコンピュータや携帯電話などの電気機器、電子機器などの部品、建材、建造物の屋内，外装置品、船舶、航空機、鉄道車両及び自動車などの内，外装置品、ナンバープレートなどの装飾品などの種々の大きさと形状を有するマグネシウム材と樹脂部品との複合品に適用できる。

　１　複合品
　２　マグネシウム材
　３　陽極酸化皮膜
　４　樹脂部品
　６　孔

Claims (8)

1. 　リン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムを純水に溶かした電解液にマグネシウム材を浸漬させる工程と、
   　前記電解液に浸漬させた前記マグネシウム材に電圧を印加し、前記マグネシウム材の表面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、
   　前記陽極酸化皮膜の多数の孔に樹脂部品の一部を浸入させることで前記マグネシウム材と前記樹脂部品を接合する工程と、
   を有することを特徴とするマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法。
2. 　前記リン酸二水素ナトリウムと前記水酸化ナトリウムの重量混合比Ｒ１は、１：２≦Ｒ１＜２：１であることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法。
3. 　前記マグネシウム材への印加電圧は、１０Ｖ～５０Ｖであることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法。
4. 　前記リン酸二水素ナトリウムと前記水酸化ナトリウムの重量比を１：１としたことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法。
5. 　リン酸二水素ナトリウムと水酸化ナトリウムを純水に溶かした電解液にマグネシウム材を浸漬させる工程と、
   　前記電解液に浸漬させた前記マグネシウム材に電圧を印加し、前記マグネシウム材の表面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、
   　前記陽極酸化皮膜の多数の孔に樹脂部品の一部を浸入させることで前記マグネシウム材と前記樹脂部品を接合する工程と、
   を含むマグネシウム材と樹脂部品の複合品の製造方法を用いて製造したことを特徴とする複合品。
6. 　前記リン酸二水素ナトリウムと前記水酸化ナトリウムの重量混合比Ｒ１は、１：２≦Ｒ１＜２：１であることを特徴とする請求項５に記載のマグネシウム材と樹脂部品の複合品。
7. 　前記マグネシウム材への印加電圧は、１０Ｖ～５０Ｖであることを特徴とする請求項５に記載のマグネシウム材と樹脂部品の複合品。
8. 　前記リン酸二水素ナトリウムと前記水酸化ナトリウムの重量比を１：１としたことを特徴とする請求項５に記載のマグネシウム材と樹脂部品の複合品。

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